CN106960903A - 一种微型定向超声换能器及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微型定向超声换能器，包括压电材料层，压电材料层顶面设置上电极，压电材料层底面设置下电极，上电极顶面覆盖绝缘层，下电极底面覆盖二氧化硅层，下电极底面通过硅衬底支撑；本发明还公开了该种微型定向超声换能器的加工工艺。本发明具有体积小，易集成，高效能的优点，适于在微型设备上使用；还可采用MEMS技术加工。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件领域，尤其涉及一种微型定向超声换能器及其加工工艺。
背景技术
超声换能器是能将电信号转换为超声信号的元器件，调制有可听声的超声波被换能器发射到空气中后，通过非线***互作用解调出具有高指向性的可听声。
换能器材料多采用具有较好致动性的压电材料，例如氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)和锆钛酸铅(PZT)等。这类压电材料的发声原理为：施加电信号时，压电材料会产生机械振动，以达到发射超声信号的目的。
微电子机械***(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是尺寸在毫米级，内部结构尺寸在微米甚至纳米级的独立智能***。MEMS加工技术包括与传统IC工艺相似的蚀刻、薄膜沉积、光刻、化学机械抛光等工艺，也包括实现复杂的微结构的微加工技术。其中主流的是硅微机械加工技术，主要包括硅体微加工技术和硅表面微加工技术。硅体微加工是指沿着硅沉底的厚度方向对硅衬底进行蚀刻的工艺，包括干法蚀刻和湿法蚀刻，这是构造器件三维结构的重要方法。硅表面微加工是采用薄膜沉积和蚀刻能方式通过在牺牲层薄膜上沉积结构层薄膜，然后去除牺牲层实现复杂微结构的技术。对于薄膜的加工，一般采用沉积法或溅射法进行。
发明内容
本发明旨在提供一种微型定向超声换能器，具有体积小，易集成，高效能的优点，适于在微型设备上使用。
为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开的微型定向超声换能器，包括压电材料层，所述压电材料层顶面设置上电极，压电材料层底面设置下电极，所述上电极顶面覆盖绝缘层，所述下电极底面覆盖二氧化硅层，下电极底面通过硅衬底支撑。
进一步的，所述硅衬底底面中央位置设有凹坑。
优选的，所述凹坑为圆台形，大端在下。
优选的，所述压电材料层的材料为氧化锌、氮化铝或锆钛酸铅。
优选的，所述上电极、下电极的材料为金、铂或铝。
优选的，所述绝缘层的材料为聚酰亚胺。
本发明还公开了微型定向超声换能器的加工工艺，包括下述步骤：
a、在硅衬底顶面沉积支撑层；
b、蚀刻硅衬底形成空腔；
c、在支撑层顶面上沉积金属层作为下电极；
d、在下电极顶面采用溶胶-凝胶法制备压电材料层；
e、在压电材料层顶面沉积金属层作为上电极；
f、在上电极的顶面旋涂绝缘层。
优选的，所述支撑层为氮化硅。
进一步的，在步骤d中，制备压电材料层过程中至少进行两次沉积，形成的膜的厚度达到(10μm到100μm)后，进行退火处理。
优选的，所述绝缘层的厚度为(0.1μm～5μm)。
本发明具有体积小，易集成，高效能的优点，适于在微型设备上使用；还可采用MEMS技术加工。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为二氧化硅层加工后的示意图；
图4为硅衬底蚀刻加工后的示意图；
图5为下电极加工后的示意图；
图6为压电材料层加工后的示意图；
图7为上电极加工后的示意图；
图中：1-是绝缘层、2-上电极、3-压电材料层、4-下电极、5-二氧化硅层、6-硅衬底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、图2所示，本发明公开的微型定向超声换能器，包括硅衬底6、上电极2、下电极4、压电材料层3、绝缘层1和二氧化硅(SiO2)层5，压电材料置于上下电极之间，二氧化硅作为硅衬底的蚀刻停止层，通过加热硅衬底表面制备。所用压电材料可以是氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)，锆钛酸铅(PZT)以及其他压电材料。上、下电极采用导电性良好的金属材料制成，包括金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)以及其他导电性能优异的金属材料。绝缘层采用绝缘性能优异的材料制成，例如聚酰亚胺(polyimide)。。
如图3-图7所示，本发明还公开了微型定向超声换能器的加工工艺，采用MEMS工艺进行加工，用到沉积、蚀刻、硅体微加工以及硅表面微加工等工艺，具体实施步骤为：
a、在硅衬底上沉积一层机械强度高的材料，例如氮化硅，作为支撑层；
b、蚀刻硅衬底形成空腔；
c、在底层沉积金属层作为下电极；
d、用溶胶-凝胶法制备压电材料层，整个过程需要多次沉积以形成较厚的膜，最后进行退火完成膜的制备；
e、在压电材料层上方沉积金属层作为上电极；
f、在顶层旋涂一定厚度的绝缘层。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种微型定向超声换能器，其特征在于：包括压电材料层，所述压电材料层顶面设置上电极，压电材料层底面设置下电极，所述上电极顶面覆盖绝缘层，所述下电极底面覆盖二氧化硅层，下电极底面通过硅衬底支撑。
2.根据权利要求1所述的微型定向超声换能器，其特征在于：所述硅衬底底面中央位置设有凹坑。
3.根据权利要求1所述的微型定向超声换能器，其特征在于：所述凹坑为圆台形，大端在下。
4.根据权利要求1所述的微型定向超声换能器，其特征在于：所述压电材料层的材料为氧化锌、氮化铝或锆钛酸铅。
5.根据权利要求1所述的微型定向超声换能器，其特征在于：所述上电极、下电极的材料为金、铂或铝。
6.根据权利要求1所述的微型定向超声换能器，其特征在于：所述绝缘层的材料为聚酰亚胺。
7.适用于权利要求1-6任一项所述的微型定向超声换能器的加工工艺，其特征在于：包括下述步骤：
a、在硅衬底顶面沉积支撑层；
b、蚀刻硅衬底形成空腔；
c、在支撑层顶面上沉积金属层作为下电极；
d、在下电极顶面采用溶胶-凝胶法制备压电材料层；
e、在压电材料层顶面沉积金属层作为上电极；
f、在上电极的顶面旋涂绝缘层。
8.根据权利要求7所述的加工工艺，其特征在于：所述支撑层为氮化硅。
9.根据权利要求7所述的加工工艺，其特征在于：在步骤d中，制备压电材料层过程中至少进行两次沉积，形成的膜的厚度达到(10μm到100μm请补充厚度范围)后，进行退火处理。
10.根据权利要求7所述的加工工艺，其特征在于：所述绝缘层的厚度为(0.1μm～5μm)。
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