基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备制造技术

本发明专利技术基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备，涉及超声换能器技术领域。该压电微机械超声换能器由顶部电极层1，压电薄膜层2，底部电极层3，粘附层4以、衬底5以及底部空腔6组成。其中，所述顶部电极层1和底部电极层3均为铂(Pt)；所述压电薄膜层2为弛豫铁电单晶薄膜；所述粘附层4为二氧化钛(TiO

【技术实现步骤摘要】
基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备
本专利技术涉及超声换能器
，具体指一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备方法。
技术介绍
超声波传感器利用超声波换能器实现声学和电学信号的转换，越来越广泛地应用在工业和生物医学等领域。但传统超声换能器采用纵向振动模式，存在难以阵列化、难以小型化等问题不能满足超声成像发展需要微小型化、高集成度、低成本、高性能等超声成像领域新的需求。众所周知，新型的压电微机械超声波换能器(PiezoelectricMicromachinedUltrasonicTransducer，PMUT)为一种悬膜式结构，由顶部电极层、压电薄膜层、底部电极层、粘附层和衬底及底部空腔叠加组成。相比于传统超声换能器，其径向振动模式具有更高的谐振频率，且具有微小型化、低功耗、阻抗匹配优良、易形成阵列、易集成等优势。此外，压电微机械超声换能器与电容式微机械超声换能器相比，不受高直流偏置电压和亚微米电容间隙的限制等优点。如所周知，压电薄膜是压电微机械超声换能器的核心元件，目前，压电微机械超声换能器普遍采用锆钛酸铅(PZT)薄膜和氮化铝(AIN)薄膜，其中，基于锆钛酸铅薄膜的压电微机械超声换能器的发射性能较好，有效机电耦合系数较大；基于氮化铝薄膜的压电微机械超声换能器的接收性能较好。因此，开发新的适用于压电微机械超声换能器的压电薄膜材料以及优化设计压电微机械超声换能器结构是进一步提高压电微机械超声换能器性能的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备方法。本专利技术的基本思路首先，对压电微机械超声换能器核心元件的压电薄膜，沿[011]方向极化的弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅的横向长度伸缩振动模式具有优异的压电性能及机电性能，因此采用该弛豫铁电单晶材料替代传统铁电材料锆钛酸铅。其次，对现有普遍采用方形顶部电极-方形底部空腔或圆形顶部电极-圆形底部空腔的配置结构的压电微机械超声换能器，作进一步的优化设计。本专利技术的技术方案本专利技术基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，为一种悬膜式结构，由顶部电极层、压电薄膜层、底部电极层、粘附层、衬底以及底部空腔组成。其中，所述顶部电极层和底部电极层均为铂(Pt)；所述压电薄膜层为弛豫铁电单晶薄膜；所述粘附层为二氧化钛(TiO2)；所述衬底为硅晶片(SOI)。所述顶部电极层形状为圆形，厚度为0.1μm≤he1≤3μm，半径为1μm≤re≤24μm。所述弛豫铁电单晶薄膜材料为沿[011]方向极化的铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30％PbTiO3)，厚度为0.1μm≤hp≤4.5μm，尺寸为40μm×40μm至70μm×70μm。所述底部电极层厚度为0.1μm≤he2≤1μm，尺寸为50μm×50μm至80μm×80μm。所述硅晶片具体结构为顶层硅-二氧化硅-背衬硅，其中顶层硅厚度为2μm≤hs≤10μm，二氧化硅厚度为0.1μm≤ho≤0.5μm。所述底部空腔形状为正方形，其尺寸与压电薄膜层相同。本专利技术基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器的制备方法，包括以下步骤：第一步，在衬底上制备粘附层；第二步，在粘附层上溅射底部电极层；第三步，在底部电极层上制备Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30％PbTiO3压电薄膜层；第四步，通过湿法刻蚀将压电薄膜层进行图案化；第五步，在压电薄膜层上溅射顶部电极层；第六步，采用剥离工艺对顶部电极层进行图案化；第七步，采用深反应离子刻蚀法对衬底进行背面刻蚀。本专利技术采用弛豫铁电单晶薄膜作为压电微机械超声换能器的核心元件，其具有优异的压电性能、高介电常数、高机电耦合系数等优点，对提高器件性能起到重要作用。本专利技术提出的压电微机械超声换能器结构能够提高器件的静态发射灵敏度，具有较大的机电耦合系数，微小型的特点在超声成像应用方面具有重要价值。附图说明图1为本专利技术基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器结构横截面图；图2为本专利技术基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器结构俯视图；图3为本专利技术基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器制备流程框图；图4为本专利技术实施例的导纳曲线；图5为本专利技术实施例的静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随顶部电极半径变化曲线；图6为本专利技术实施例的静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随顶部电极厚度变化曲线；图7为本专利技术实施例的静态发射灵敏度和静态接收灵敏度随压电薄膜厚度变化曲线。具体实施方法以下结合附图和实例对本专利技术作进一步描述本专利技术基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器(如附图1所示)，为一种悬膜式结构，其特点由顶部电极层1，压电薄膜层2，底部电极层3，粘附层4、衬底5以及底部空腔6组成。所述顶部电极层1为铂(Pt)，其形状为圆形(如附图2所示)，其厚度为0.1μm≤he1≤3μm，半径为1μm≤re≤24μm。所述压电薄膜层2为弛豫铁电单晶薄膜，具体指沿[011]方向极化的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30％PbTiO3，其厚度为0.1μm≤hp≤4.5μm，尺寸为40μm×40μm至70μm×70μm。所述底部电极层3为铂(Pt)，其厚度为0.1μm≤he2≤1μm，尺寸为50μm×50μm至80μm×80μm。所述粘附层4为二氧化钛(TiO2)，其厚度为0.01μm≤ht≤0.05μm。所述衬底5为硅晶片(SOI)，具体结构为顶层硅-二氧化硅-背衬硅，其中，顶层硅厚度为2μm≤hs≤10μm，二氧化硅厚度为0.1μm≤ho≤0.5μm。所述底部空腔6形状为正方形，其尺寸与压电薄膜层2相同。如上所述，基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其工作频率为15MHz至35MHz。本专利技术基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器制备方法(如附图3所示)，包括以下步骤：A.选取SOI衬底5，在衬底5上制备粘附层4；B.在粘附层4上溅射底部电极层3；C.在底部电极层3上制备Pb(Mg1/3Nb2/3)03-30％PbTiO3压电薄膜层2；D.通过湿法刻蚀将压电薄膜层2进行图案化；E.在压电薄膜层2上溅射顶部电极层1；F.采用剥离工艺对顶部电极层1进行图案化；G.采用深反应离子刻蚀法对衬底5进行背面刻蚀。进一步，所述步骤A制备粘附层4包括：首先在衬底上溅射钛层，然后将钛层高温氧化为二氧化钛层。所述步骤G背面刻蚀至衬底5二氧化硅处停止。实施例中压电微机械超声换能器在顶部电极层厚度为0.2μm，顶部电极层半径为15μm，压电薄膜层厚度为1μm时的导纳谱(如附图4所示)。从图中可以看出，压电微机型超声换能器工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，为一悬膜式结构，其特征在于，由顶部电极层(1)，压电薄膜层(2)，底部电极层(3)，粘附层(4)，衬底(5)以及底部空腔(6)组成；/n其中，所述顶部电极层(1)和底部电极层(3)均为铂(Pt)；/n所述压电薄膜层(2)为弛豫铁电单晶薄膜；/n所述粘附层(4)为二氧化钛(TiO

【技术特征摘要】
1.一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，为一悬膜式结构，其特征在于，由顶部电极层(1)，压电薄膜层(2)，底部电极层(3)，粘附层(4)，衬底(5)以及底部空腔(6)组成；
其中，所述顶部电极层(1)和底部电极层(3)均为铂(Pt)；
所述压电薄膜层(2)为弛豫铁电单晶薄膜；
所述粘附层(4)为二氧化钛(TiO2)；
所述衬底(5)为硅晶片(SOI)。


2.根据权利要求1所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述顶部电极层(1)为圆形，厚度：0.1μm≤he1≤3μm，半径：1μm≤re≤24μm。


3.根据权利要求1所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述弛豫铁电单晶薄膜材料为一沿[011]方向极化的铌镁酸铅-钛酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-30％PbTiO3，厚度：0.1μm≤hp≤4.5μm，尺寸为40μm×40μm至70μm×70μm。


4.根据权利要求1所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述底部电极层(3厚度he2：0.1μm≤he2≤1μm，尺寸为50μm×50μm至80μm×80μm。


5.根据权利要求1所述的基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述粘附层(4)厚度ht：0.01μm≤ht≤0.05μm。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵祥永，陈明珠，张巧珍，王飞飞，程玮，唐艳学，王涛，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31