專利名稱：一種壓電式微加工換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子技術(shù)，具體涉及一種壓電式微加工換能器，尤其應(yīng)用于醫(yī)療電子中。
背景技術(shù)：
壓電式微加工超聲換能器(pMUT)集壓電薄/厚膜技術(shù)和硅微加工技術(shù)于一體的， 利用振膜的彎曲振動模式發(fā)射和接收超聲波。目前，傳統(tǒng)PMUT基本單元，結(jié)構(gòu)如圖1所示， 在四棱臺形孔腔上設(shè)置有振動膜，該振動膜基本可以等效為一個周邊緊固約束的雙層薄板，一層為壓電層2 (上下表面各設(shè)置有上電極3和下電極4)，一層為硅襯底1延伸至壓電層2下的硅彈性層。pMUT振膜的機(jī)電耦合性能由振膜的材料屬性、振膜厚度、以及振膜的尺寸決定，這些參數(shù)可以通過微加工工藝進(jìn)行控制。為提高PMUT單元的性能，很多學(xué)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝等方面做了大量的工作，但是沒有取得令人滿意的效果，基于PMUT的換能器在靈敏度和機(jī)電耦合效率方面還是沒有商品化的傳統(tǒng)換能器表現(xiàn)優(yōu)異。優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使換能器的性能得到提升，但是它的效果是有限的。為滿足醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用，換能器的工作頻率需要達(dá)到MHz量級，一般可以通過減小振膜的尺寸來滿足要求，但是這又會降低換能器的效率?，F(xiàn)有的pMUT結(jié)構(gòu)主要存在兩個方面的問題，一是結(jié)構(gòu)方面，通常振動薄膜主要由兩部分組成，即壓電層和非壓電層，當(dāng)換能器工作時，非壓電層將會占有總動能大約一半的能量，由于非壓電層沒有壓電效應(yīng)不能將動能轉(zhuǎn)化為電能，所以這部分能量就被完全消耗掉了，二是工藝方面，由于壓電層、非壓電層的厚度以及兩者厚度之間的比例關(guān)系與換能器的機(jī)電耦合系數(shù)、諧振頻率有直接聯(lián)系，所以在微加工過程中，必須很精確的加以控制，然而就現(xiàn)在的工藝而言，要對兩者厚度精確控制還存在一定的困難。這些不利因素在一定程度上影響了換能器的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是，如何提供一種壓電式微加工換能器，能大幅度提升產(chǎn)品性能，滿足醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明技術(shù)問題這樣解決構(gòu)建一種壓電式微加工換能器，包括孔腔及其表面振動膜，所述振動膜僅由壓電層及其上表面的上電極和下表面的下電極構(gòu)成，即單壓電層而不包括硅彈性層。按照本發(fā)明提供的壓電式微加工換能器，所述振動膜相對所述孔腔向外凸起，即 穹頂。按照本發(fā)明提供的壓電式微加工換能器，所述換能器包括一個或一個以上pMUT 單元，每個pMUT單元包括一個對應(yīng)孔腔及其表面振動膜。按照本發(fā)明提供的壓電式微加工換能器，所述孔腔的橫截面包括但不限制于是圓形，縱截面是四棱臺形。
本發(fā)明提供的壓電式微加工換能器，采用單壓電層穹頂式pMUT結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的 PMUT結(jié)構(gòu)相比，具有以下三個方面主要優(yōu)勢
1、結(jié)構(gòu)性能方面，①由于是單壓電層振膜結(jié)構(gòu)，所以大部分動能可以通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能，單元的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率有望得到提升；②穹頂取代平頂，突破穹頂是缺陷的傳統(tǒng)思維，反而提升了產(chǎn)品性能；
2、工藝方面，這里只需要精確控制壓電層的厚度即可，從而在一定程度上降低的工藝的復(fù)雜程度；
3、通過仿真和試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證本發(fā)明在機(jī)電耦合性能上較傳統(tǒng)pMUT結(jié)構(gòu)相比有顯著提升。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1是傳統(tǒng)pMUT單元的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明單壓電層穹頂式pMUT單元結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖2所示pMUT單元的振動膜結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是傳統(tǒng)pMUT結(jié)構(gòu)振膜中心位移圖； 圖5是本發(fā)明單壓電層穹頂式pMUT結(jié)構(gòu)振膜中心位移圖； 圖6是傳統(tǒng)pMUT結(jié)構(gòu)有效機(jī)電耦合系數(shù)7是本發(fā)明單壓電層穹頂式pMUT結(jié)構(gòu)有效機(jī)電耦合系數(shù)圖； 圖8是本發(fā)明單壓電層穹頂式pMUT結(jié)構(gòu)阻抗曲線圖； 圖9是本發(fā)明單壓電層穹頂式pMUT結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果阻抗曲線圖； 圖10是本發(fā)明單壓電層穹頂式pMUT結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果阻抗曲線圖。
具體實(shí)施例方式首先，說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)
如圖2和3所示，本發(fā)明單壓電層穹頂式pMUT單元與傳統(tǒng)pMUT單元相比，其振動摸沒有硅彈性層，并用穹頂取代平頂?shù)膲弘妼?。壓電層2表面仍設(shè)有上電極3和下電極4。第二步，結(jié)合軟件仿真和試驗(yàn)詳細(xì)對比說明本發(fā)明性能優(yōu)勢，以下結(jié)構(gòu)一對應(yīng)傳統(tǒng)pMUT結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)二對應(yīng)本發(fā)明的單壓電層穹頂式pMUT結(jié)構(gòu)
㈠直流電壓激勵下振膜中心的位移情況
如圖4所示，對于結(jié)構(gòu)一，當(dāng)PZT (建議給出對應(yīng)中文)/Si (建議給出對應(yīng)中文)之比約為2. 4的時候，振膜中心位移達(dá)到最大值，然而，如圖中所示，此極大值點(diǎn)容易受到PZT和Si 厚度的影響，除非在實(shí)際的工藝中能精確地控制各層振膜的厚度，否則，很難得到振膜的最優(yōu)振動性能。如圖5所示，對于結(jié)構(gòu)二，當(dāng)預(yù)彎曲曲率是PZT膜厚度的1. 7倍時，振膜中心位移量最大，在實(shí)際的制作過程中只需要較好的控制的PZT的厚度就能很好的把握結(jié)構(gòu)的性能。另外，當(dāng)振膜厚度相當(dāng)時，結(jié)構(gòu)二能產(chǎn)生更大的振動位移，結(jié)構(gòu)一，PZT壓電層以及Si 襯底的厚度分別為10μιη、4 μ ι
時，振膜中心的最大位移量為1. 9 pm，而結(jié)構(gòu)二，PZT壓電層厚度為13. 6 ，預(yù)彎曲曲率 h為23 μ 時，振膜中心最大位移量達(dá)到3. 8 μπι (> L 9 Jim )。
㈡有效機(jī)電耦合系數(shù)
通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到諧振頻率fr與反諧振頻率fa，并利用公式
f _
kl
4計(jì)算有效機(jī)電耦合系數(shù)，2，有效機(jī)電耦合系數(shù)定義為無損耗、無負(fù)載的 \ Ja J^eff
壓電振子在機(jī)械共振時儲存的機(jī)械能與儲存的全部能量之比的平方根，有效機(jī)電耦合系數(shù)能很好的反映振子的機(jī)電耦合性能。如圖6所示，對結(jié)構(gòu)一，PZT壓電層以及Si襯底的厚度分別為6 μω、8 μηι時，有效機(jī)電耦合系數(shù)為6. 43% ；如圖7所示，結(jié)構(gòu)二，PZT壓電層厚度為13. 6 —,預(yù)彎曲曲率h為44 μ"!時，有效機(jī)電耦合系數(shù)為15. 06%(> 6. 43%)?？梢妼τ诤穸认喈?dāng)?shù)恼衲ぃ景l(fā)明提出的單壓電層穹頂式PMUT結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合性能要優(yōu)于常規(guī)PMUT結(jié)構(gòu)。㈢針對具體產(chǎn)品實(shí)例的仿真和試驗(yàn)結(jié)果
為進(jìn)一步驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，采用PMN-PT壓電單晶材料制作了單壓電層穹頂式pMUT 結(jié)構(gòu)單元，壓電層厚度為15 ,，壓電層中心彎曲曲率為13.4 。①仿真結(jié)果
采用Agilent精密阻抗分析儀測得單元的阻抗曲線，如圖9所示，其中單元諧
振頻率fr與反諧振頻率fa分別為145KHz，150KHz, 200KHz以后的為泛音頻率。在ANSYS 諧響應(yīng)分析中，選取頻率范圍為130KHz-170KHz，載荷步為300步，每步間隔為200Hz。②試驗(yàn)結(jié)果
實(shí)測結(jié)果如圖10所示，對比發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，仿真計(jì)算中單元的機(jī)電耦合性能略低于實(shí)驗(yàn)測試中的結(jié)果，這很可能是極化條件上的差異引起的，仿真中輸入的是單晶塊材的參數(shù)，通常單晶塊材是在 οκν/cm的條件下極化的，而實(shí)驗(yàn)中薄層單晶是在93KV/cm的條件下極化的，所以這就造成了薄層單晶的性能要優(yōu)于單晶塊材。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種壓電式微加工換能器，包括孔腔及其表面振動膜，其特征在于，所述振動膜僅由壓電層⑵及其上表面的上電極⑶和下表面的下電極⑷構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電式微加工換能器，其特征在于，所述振動膜相對所述孔腔向外凸起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述壓電式微加工換能器，其特征在于，所述換能器包括一個或一個以上單元，每個單元包括一個對應(yīng)孔腔及其表面振動膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓電式微加工換能器，包括孔腔及其表面振動膜，所述振動膜僅由壓電層(2)及其上表面的上電極(3)和下表面的下電極(4)構(gòu)成，進(jìn)一步所述振動膜相對所述孔腔向外凸起。這種壓電式微加工換能器，采用單壓電層穹頂式結(jié)構(gòu)，大大提升了機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)品性能，同時生產(chǎn)工藝更為簡單和可靠。
文檔編號B06B1/06GK102172575SQ201110058730
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者彭玨 申請人:深圳大學(xué)