【技术实现步骤摘要】
本申请涉及纳机电（nems）的，尤其是涉及一种先进电容纳米机电芯片第三代单元和反推力系统。
技术介绍
1、在集成电路/芯片
，特别是纳米定向声能领域的超大规模集成电路设计，具体针对纳机电（nems）芯片设计中的电容式纳机电（cnut）芯片阵子单元。在普通电容式微机电超声换能器（cmut）中，振膜的运动机制是基于在振膜与衬底（即正、负极）之间施加的静电吸引力（非线性向下）驱动的。此外，振膜本身还受到自身重力（体积力：向下）的影响，并与振膜本身的机械（弹性）力（线性向上）相抗衡，这三者共同作用于振膜上，并处于动态平衡状态，具体受力分析如图1所示。
2、其中，a：电极面积；ε0为电容空腔(真空)介电常数；
3、gconst：应用场合的重力加速；m：振膜质量；
4、fs：机械力 fs=k×w；fg：重力g=m×gconst；
5、fe：静电力 fe=ε0×a×v2/（2×(go-w)2）；
6、三力平衡：fs=fe+fg。
7、在振膜的受力分析中，主要考虑三个力：静电力fe（表面力，方向向下）、重力fg（体积力，方向向下）以及机械力fs（回复弹性力，方向向上）。其中，静电力fe在物体尺寸小于1mm时显著增强，成为主导力，并且随着位移w的增大和电压v的二次方增长而增大。重力fg在物体尺寸小于1mm时相对较小，不是主导力。而机械力fs则与材料特性有关，与尺寸无关，随着位移w的增大而线性增长。
8、然而，现有cmut产品在设计上存在电压相关的缺陷。具体来
9、图2展示了传统cmut的截面全景图，进一步说明了现有技术的结构和原理。
10、综上所述，针对现有cmut产品中的电压设计缺陷，提出一种改进的电容式纳机电芯片阵子单元设计，以提高振膜的位移范围和工作效率。
技术实现思路
1、为了通过纳米机电芯片（cnut）解决在传播介质中大声压收发超声的问题，本质是解决了高发射电压和超过结构设计极限（正负极吸合而导致芯片失效）的矛盾问题，本申请提供一种先进电容纳米机电芯片第三代单元和反推力系统。
2、第一方面，本申请提供一种先进电容纳米机电芯片第三代单元，采用如下的技术方案：
3、一种先进电容纳米机电芯片第三代单元，包括侧面支柱、振膜和衬底，所述振膜固定于所述侧面支柱上；所述侧面支柱固定于所述衬底上；所述振膜位于所述衬底上方，且所述振膜和所述衬底之间设置有空腔；
4、所述振膜的下方位于所述空腔内设置有用于支撑所述振膜的振膜托结构；所述振膜托结构固定于所述侧面支柱上。
5、通过采用上述技术方案，利用电容效应和纳米级机械结构，实现高效能量转换。相比传统cmut，具有更高的声压输出。通过精确设计空腔的尺寸和形状，可以优化超声的发射方向和频率特性。振膜托结构提供额外的支撑和稳定性，确保振膜在高压发射电压下仍能正常工作。有助于减少振膜的形变和疲劳，延长cnut的使用寿命。针对在介质中大声压传播超声与cnut材料和结构限制之间的矛盾，该cnut第三代单元通过创新设计实现了突破。能够在保证高效超声发射的同时，承受更高的发射电压，从而提高了超声的传播距离和声强。
6、可选地，所述振膜托结构呈环状结构，所述振膜托结构和所述振膜的外周侧边缘对齐设置；所述振膜托结构和所述振膜同中心设置。
7、可选地，所述振膜托结构的材料包括：二氧化硅、氮化硅或单晶硅。
8、可选地，所述振膜托结构的厚度尺寸y的范围为0.21um~2.1um。
9、可选地，所述振膜托结构的外环边缘至内环边缘的距离尺寸为所述振膜托结构的宽度尺寸t，芯片横向尺寸为芯片长度d；所述振膜托结构的宽度尺寸t相对于所述芯片长度d的占比，比例范围为17%~25%。
10、可选地，所述芯片长度d的尺寸范围为18微米~5980微米。
11、可选地，所述振膜和所述衬底组成的3d结构，有如下几种结构：
12、第一种：所述振膜和所述衬底组成的3d结构整体正投影为圆形，侧投影为长方形，3d结构整体呈圆柱形；所述振膜托结构的正投影为圆环状，侧投影为长方形，3d结构呈圆环柱状；
13、第二种：所述振膜和所述衬底组成的3d结构整体正投影为正方形，侧投影为长方形，3d结构整体呈正方柱形；所述振膜托结构的正投影为外方形内圆形的环状，侧投影为长方形，3d结构呈外方内圆的环柱状；
14、第三种：所述振膜和所述衬底组成的3d结构整体正投影为正多边形，侧投影为长方形，3d结构整体呈正多边柱形；所述振膜托结构的正投影为外正多边形内圆形的环状，侧投影为长方形，3d结构呈外正多边形内圆形的环柱状；其中，正多边形的每条边都相等，且边数大于4条；
15、第四种：所述振膜和所述衬底组成的3d结构整体正投影为椭圆形，侧投影为长方形，3d结构整体呈椭圆柱形；所述振膜托结构的正投影为椭圆环状，侧投影为长方形，3d结构呈椭圆环柱状；
16、第五种：所述振膜和所述衬底组成的3d结构整体正投影为长方形，侧投影为长方形，3d结构整体呈长方柱形；所述振膜托结构的正投影为外长方形内椭圆形的环状，侧投影为长方形，3d结构呈外长方形内椭圆形的环柱状。
17、可选地，所述衬底包括依次设置的第一绝缘层、负电极层/零电极层、第二绝缘层和结构层；所述第一绝缘层位于所述空腔内，所述负电极层/零电极层位于所述第一绝缘层远离所述空腔的一侧，所述第二绝缘层位于所述负电极层/零电极层远离所述第一绝缘层的一侧，所述结构层位于所述第二绝缘层远离所述负电极层/零电极层的一侧。
18、可选地，所述衬底的材料设置如下：
19、所述第一绝缘层：氮化硅、二氧化硅、氮化硼、三氧化二铝、氮化铝、氧化钽、氧化铪或碳化硅；
20、所述负电极层/零电极层：铝、银、金、铜、钨、铂、锌或锌化铝；
21、所述第二绝缘层：氮化硅、二氧化硅、氮化硼、三氧化二铝、氮化铝、氧化钽、氧化铪或碳化硅；
22、所述结构层：单晶硅或多晶硅；
23、所述侧面支柱的材料设置如下：二氧化硅、多晶硅或单晶硅。
24、可选地，所述第一绝缘层、所述负电极层/零电极层和所述第二绝缘层的总厚度z的范围为1um~7um，从上到下的厚度占比依次为：
25、所述第一绝缘层的厚度占总厚度z的17%~48%；
26、所述负电极层/零电极层的厚度占总厚度z的2%~21%；
27、所述第二绝缘层本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，包括侧面支柱、振膜和衬底，所述振膜固定于所述侧面支柱上；所述侧面支柱固定于所述衬底上；所述振膜位于所述衬底上方，且所述振膜和所述衬底之间设置有空腔；
2.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜托结构呈环状结构，所述振膜托结构和所述振膜的外周侧边缘对齐设置；所述振膜托结构和所述振膜同中心设置。
3.根据权利要求2所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜托结构的材料包括：二氧化硅、氮化硅或单晶硅。
4.根据权利要求2所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜托结构的厚度尺寸Y的范围为0.21um~2.1um。
5.根据权利要求4所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜托结构的外环边缘至内环边缘的距离尺寸为所述振膜托结构的宽度尺寸T，芯片横向尺寸为芯片长度D；所述振膜托结构的宽度尺寸T相对于所述芯片长度D的占比，比例范围为17%~25%。
6.根据权利要求5所述的先进电容纳米机电芯片第三代单
7.根据权利要求2-6任意一项所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜和所述衬底组成的3D结构，有如下几种结构：
8.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述衬底包括依次设置的第一绝缘层、负电极层/零电极层、第二绝缘层和结构层；所述第一绝缘层位于所述空腔内，所述负电极层/零电极层位于所述第一绝缘层远离所述空腔的一侧，所述第二绝缘层位于所述负电极层/零电极层远离所述第一绝缘层的一侧，所述结构层位于所述第二绝缘层远离所述负电极层/零电极层的一侧。
9.根据权利要求8所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述衬底的材料设置如下：
10.根据权利要求8所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述第一绝缘层、所述负电极层/零电极层和所述第二绝缘层的总厚度Z的范围为1um~7um，从上到下的厚度占比依次为：
11.根据权利要求8所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述结构层的厚度范围为20um~300um。
12.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜包括第三绝缘层、正电极层和第四绝缘层；所述第四绝缘层位于所述空腔内，所述正电极层位于所述第四绝缘层远离所述空腔的一侧，所述第三绝缘层位于所述正电极层远离所述第四绝缘层的一侧。
13.根据权利要求12所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜的材料设置如下：
14.根据权利要求12所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜的总厚度尺寸X的范围为0.5um~4um，从上到下的厚度占比依次为：
15.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述空腔内从所述振膜底端到所述衬底上端的距离为腔深C；所述腔深C的范围为0.38um~25.8um。
16.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述空腔内抽真空设置、充有惰性气体或充有高压气体。
17.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，芯片单元的振动频率范围为47.2khz~14048khz，带宽的范围是200hz~1000hz。
18.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，在所述振膜和所述衬底之间施加电压，CU的值的范围：46%~90.5%；当CU的值在82%，归一化电压位于93%~94%之间时，归一化间距呈负线性增长。
19.一种反推力系统，基于权利要求1-18任意一项所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于：利用芯片CNUT第三代单元中的振膜运动推动介质分子运动，介质分子对CNUT的单元产生一个大小相等、方向相反的反作用力；介质分子包括空气中的氮气分子和氧气分子，或者水中的水分子，或者太空中的粒子或分子。
20.根据权利要求19所述反推力系统，其特征在于，在芯片未封装前，芯片CNUT第三代单元的重量=每一层的材料所占的体积×密度×重力加速度；推力=反作用力；芯片单元的推重比=推力/芯片单元的重量。
...【技术特征摘要】
1.一种先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，包括侧面支柱、振膜和衬底，所述振膜固定于所述侧面支柱上；所述侧面支柱固定于所述衬底上；所述振膜位于所述衬底上方，且所述振膜和所述衬底之间设置有空腔；
2.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜托结构呈环状结构，所述振膜托结构和所述振膜的外周侧边缘对齐设置；所述振膜托结构和所述振膜同中心设置。
3.根据权利要求2所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜托结构的材料包括：二氧化硅、氮化硅或单晶硅。
4.根据权利要求2所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜托结构的厚度尺寸y的范围为0.21um~2.1um。
5.根据权利要求4所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜托结构的外环边缘至内环边缘的距离尺寸为所述振膜托结构的宽度尺寸t，芯片横向尺寸为芯片长度d；所述振膜托结构的宽度尺寸t相对于所述芯片长度d的占比，比例范围为17%~25%。
6.根据权利要求5所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述芯片长度d的尺寸范围为18微米~5980微米。
7.根据权利要求2-6任意一项所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述振膜和所述衬底组成的3d结构，有如下几种结构：
8.根据权利要求1所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述衬底包括依次设置的第一绝缘层、负电极层/零电极层、第二绝缘层和结构层；所述第一绝缘层位于所述空腔内，所述负电极层/零电极层位于所述第一绝缘层远离所述空腔的一侧，所述第二绝缘层位于所述负电极层/零电极层远离所述第一绝缘层的一侧，所述结构层位于所述第二绝缘层远离所述负电极层/零电极层的一侧。
9.根据权利要求8所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述衬底的材料设置如下：
10.根据权利要求8所述的先进电容纳米机电芯片第三代单元，其特征在于，所述第一绝缘层、所述负电极层/零电极层和所述第二绝缘层的总厚度z的范围为1um~7um，从上到下的厚度占比依次为：
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【专利技术属性】
技术研发人员：洪波，
申请(专利权)人：上海岸鼎智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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