一种压电式微加工换能器制造技术

本发明专利技术涉及一种压电式微加工换能器，包括孔腔及其表面振动膜，所述振动膜仅由压电层(2)及其上表面的上电极(3)和下表面的下电极(4)构成，进一步所述振动膜相对所述孔腔向外凸起。这种压电式微加工换能器，采用单压电层穹顶式结构，大大提升了机电转换效率和产品性能，同时生产工艺更为简单和可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子技术，具体涉及一种压电式微加工换能器，尤其应用于医疗电子中。
技术介绍
压电式微加工超声换能器(pMUT)集压电薄/厚膜技术和硅微加工技术于一体的， 利用振膜的弯曲振动模式发射和接收超声波。目前，传统PMUT基本单元，结构如图1所示， 在四棱台形孔腔上设置有振动膜，该振动膜基本可以等效为一个周边紧固约束的双层薄板，一层为压电层2 (上下表面各设置有上电极3和下电极4)，一层为硅衬底1延伸至压电层2下的硅弹性层。pMUT振膜的机电耦合性能由振膜的材料属性、振膜厚度、以及振膜的尺寸决定，这些参数可以通过微加工工艺进行控制。为提高PMUT单元的性能，很多学者在结构设计和加工工艺等方面做了大量的工作，但是没有取得令人满意的效果，基于PMUT的换能器在灵敏度和机电耦合效率方面还是没有商品化的传统换能器表现优异。优化设计可以使换能器的性能得到提升，但是它的效果是有限的。为满足医学成像领域的应用，换能器的工作频率需要达到MHz量级，一般可以通过减小振膜的尺寸来满足要求，但是这又会降低换能器的效率。现有的pMUT结构主要存在两个方面的问题，一是结构方面，通常振动薄膜主要由两部分组成，即压电层和非压电层，当换能器工作时，非压电层将会占有总动能大约一半的能量，由于非压电层没有压电效应不能将动能转化为电能，所以这部分能量就被完全消耗掉了，二是工艺方面，由于压电层、非压电层的厚度以及两者厚度之间的比例关系与换能器的机电耦合系数、谐振频率有直接联系，所以在微加工过程中，必须很精确的加以控制，然而就现在的工艺而言，要对两者厚度精确控制还存在一定的困难。这些不利因素在一定程度上影响了换能器的性能。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是，如何提供一种压电式微加工换能器，能大幅度提升产品性能，满足医学成像等领域的应用。本专利技术技术问题这样解决构建一种压电式微加工换能器，包括孔腔及其表面振动膜，所述振动膜仅由压电层及其上表面的上电极和下表面的下电极构成，即单压电层而不包括硅弹性层。按照本专利技术提供的压电式微加工换能器，所述振动膜相对所述孔腔向外凸起，即 穹顶。按照本专利技术提供的压电式微加工换能器，所述换能器包括一个或一个以上pMUT 单元，每个pMUT单元包括一个对应孔腔及其表面振动膜。按照本专利技术提供的压电式微加工换能器，所述孔腔的横截面包括但不限制于是圆形，纵截面是四棱台形。本专利技术提供的压电式微加工换能器，采用单压电层穹顶式pMUT结构，与现有的 PMUT结构相比，具有以下三个方面主要优势1、结构性能方面，①由于是单压电层振膜结构，所以大部分动能可以通过压电效应转换成电能，单元的机电转换效率有望得到提升；②穹顶取代平顶，突破穹顶是缺陷的传统思维，反而提升了产品性能；2、工艺方面，这里只需要精确控制压电层的厚度即可，从而在一定程度上降低的工艺的复杂程度；3、通过仿真和试验，进一步验证本专利技术在机电耦合性能上较传统pMUT结构相比有显著提升。附图说明下面结合附图和具体实施例进一步对本专利技术进行详细说明。图1是传统pMUT单元的结构示意图2是本专利技术单压电层穹顶式pMUT单元结构示意图； 图3是图2所示pMUT单元的振动膜结构示意图； 图4是传统pMUT结构振膜中心位移图； 图5是本专利技术单压电层穹顶式pMUT结构振膜中心位移图； 图6是传统pMUT结构有效机电耦合系数7是本专利技术单压电层穹顶式pMUT结构有效机电耦合系数图； 图8是本专利技术单压电层穹顶式pMUT结构阻抗曲线图； 图9是本专利技术单压电层穹顶式pMUT结构仿真结果阻抗曲线图； 图10是本专利技术单压电层穹顶式pMUT结构实验结果阻抗曲线图。具体实施例方式首先，说明本专利技术的基本结构如图2和3所示，本专利技术单压电层穹顶式pMUT单元与传统pMUT单元相比，其振动摸没有硅弹性层，并用穹顶取代平顶的压电层2。压电层2表面仍设有上电极3和下电极4。第二步，结合软件仿真和试验详细对比说明本专利技术性能优势，以下结构一对应传统pMUT结构和结构二对应本专利技术的单压电层穹顶式pMUT结构㈠直流电压激励下振膜中心的位移情况如图4所示，对于结构一，当PZT (建议给出对应中文)/Si (建议给出对应中文)之比约为2. 4的时候，振膜中心位移达到最大值，然而，如图中所示，此极大值点容易受到PZT和Si 厚度的影响，除非在实际的工艺中能精确地控制各层振膜的厚度，否则，很难得到振膜的最优振动性能。如图5所示，对于结构二，当预弯曲曲率是PZT膜厚度的1. 7倍时，振膜中心位移量最大，在实际的制作过程中只需要较好的控制的PZT的厚度就能很好的把握结构的性能。另外，当振膜厚度相当时，结构二能产生更大的振动位移，结构一，PZT压电层以及Si 衬底的厚度分别为10μιη、4 μ ι时，振膜中心的最大位移量为1. 9 pm，而结构二，PZT压电层厚度为13. 6 ，预弯曲曲率 h为23 μ 时，振膜中心最大位移量达到3. 8 μπι (> L 9 Jim )。 ㈡有效机电耦合系数通过对结构进行模态分析，得到谐振频率fr与反谐振频率fa，并利用公式f _kl4计算有效机电耦合系数，2，有效机电耦合系数定义为无损耗、无负载的 \ Ja J^eff压电振子在机械共振时储存的机械能与储存的全部能量之比的平方根，有效机电耦合系数能很好的反映振子的机电耦合性能。如图6所示，对结构一，PZT压电层以及Si衬底的厚度分别为6 μω、8 μηι时，有效机电耦合系数为6. 43% ；如图7所示，结构二，PZT压电层厚度为13. 6 —,预弯曲曲率h为44 μ!时，有效机电耦合系数为15. 06%(> 6. 43%)。可见对于厚度相当的振膜，本专利技术提出的单压电层穹顶式PMUT结构的机电耦合性能要优于常规PMUT结构。㈢针对具体产品实例的仿真和试验结果为进一步验证上述仿真结果，采用PMN-PT压电单晶材料制作了单压电层穹顶式pMUT 结构单元，压电层厚度为15 ,，压电层中心弯曲曲率为13.4 。①仿真结果采用Agilent精密阻抗分析仪测得单元的阻抗曲线，如图9所示，其中单元谐振频率fr与反谐振频率fa分别为145KHz，150KHz, 200KHz以后的为泛音频率。在ANSYS 谐响应分析中，选取频率范围为130KHz-170KHz，载荷步为300步，每步间隔为200Hz。②试验结果实测结果如图10所示，对比发现，仿真结果和实验结果有较好的一致性，仿真计算中单元的机电耦合性能略低于实验测试中的结果，这很可能是极化条件上的差异引起的，仿真中输入的是单晶块材的参数，通常单晶块材是在 οκν/cm的条件下极化的，而实验中薄层单晶是在93KV/cm的条件下极化的，所以这就造成了薄层单晶的性能要优于单晶块材。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例，凡依本专利技术权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利技术权利要求的涵盖范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种压电式微加工换能器，包括孔腔及其表面振动膜，其特征在于，所述振动膜仅由压电层（２）及其上表面的上电极（３）和下表面的下电极（４）构成。

【技术特征摘要】
1.一种压电式微加工换能器，包括孔腔及其表面振动膜，其特征在于，所述振动膜仅由压电层⑵及其上表面的上电极⑶和下表面的下电极⑷构成。2.根据权利要求1所述压电式微加工换能器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭珏，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：94