CN110681559B - 具有亥姆霍兹谐振腔的mems压电超声换能器 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS压电超声换能器，压电式超声换能器(11)形成在衬底层(1)上，该衬底层(1)内形成有亥姆霍兹谐振腔(16)，亥姆霍兹谐振腔(16)的谐振频率与压电式超声换能器(11)的谐振频率一致，亥姆霍兹谐振腔(16)包括高度大于压电式超声换能器(11)最大振幅的第一空腔(6)，第一空腔(6)的中部下沉形成第二空腔(9)，第一空腔(6)通过压电式超声换能器(11)上的通孔(7)与外部连通。本公开明显减小了亥姆霍兹谐振腔的容积，提高了亥姆霍兹谐振腔的谐振频率。将换能器的谐振频率与亥姆霍兹谐振腔匹配可以最终提高MEMS压电超声换能器的谐振频率。
Description
技术领域
本公开属于超声换能器技术领域，涉及具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS压电超声换能器。
背景技术
超声换能器是既能将电能转换为声能又能将声能转换为电能的换能器件，因而超声换能器既能用于发射超声波也能用于接收超声波。目前应用最广的超声换能器基于体压电换能器，体压电换能器主要利用压电陶瓷的振动，由于谐振频率只与压电陶瓷的厚度相关，因而在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器。另外，这种换能器的压电陶瓷的厚度很难控制在亚微米级精度，因而不适用于高频。而MEMS超声换能器具有厚度较小，刚度较低的振动薄膜，其声阻抗较小，能够更好地与气体或液体进行耦合。此外，MEMS超声换能器的谐振频率主要由平面尺寸决定，因而对加工精度要求较低。MEMS超声换能器由于具有高性能、低成本的优点，越来越得到人们的重视。
MEMS超声换能器可分为电容式超声换能器(cMUT)和压电式超声换能器(pMUT)。相比于cMUT，pMUT不需要提供偏置电压，并且加工相对简单，目前得到广泛的应用。
关于pMUT，人们进行了广泛的研究，寻求改进方法。总的来说，主要集中在对各层的改进，例如电极形状、质量负载，但这对于提高pMUT的能量转换效率作用不大。
亥姆霍兹共鸣器是一种可以用于放大、扩音、吸声的无源声学设备。利用其特点，将其用于pMUT器件中可以增大pMUT器件发出的声波的声压，从而提高能量转换效率。这种类型的换能器称为PSRC(piezoelectric-sound-resonance cavity)。PSRC发射声波时，pMUT的振动会引起亥姆霍兹谐振腔容积的变化，导致空气在孔口流动，产生流速。当pMUT与亥姆霍兹谐振腔的谐振频率一致时，两个结构发生共振，在亥姆霍兹谐振腔与外部之间产生很大的压差，使得孔口处的空气流速达到最大，此时孔口处的空气流动冲击孔口，根据涡声转化原理向外辐射声波，此时的声波的声压大大增强；当PSRC接收声波时，由于亥姆霍兹谐振腔的放大作用，输出信号的强度会增大。
总而言之，当pMUT与亥姆霍兹谐振腔的谐振频率相同时放大效果最佳。但是一般来说亥姆霍兹谐振腔谐振器的谐振频率较低，当与pMUT谐振频率进行匹配时导致PSRC的谐振频率较低，同时器件的尺寸较大。如果要将亥姆霍兹谐振腔应用于MEMS压电超声换能器，需要对PSRC的结构进行改进，提高亥姆霍兹谐振腔的谐振频率。
发明内容
为了将PSRC结构应用于MEMS压电超声换能器，提高换能器的转换效率，同时提高pMUT和亥姆霍兹谐振腔匹配时的谐振频率，本公开提供了具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS压电超声换能器。
根据本公开实施例的一方面，提供一种MEMS压电超声换能器，压电式超声换能器形成在衬底层上，该衬底层内形成有亥姆霍兹谐振腔，该亥姆霍兹谐振腔的谐振频率与所述压电式超声换能器的谐振频率一致，所述亥姆霍兹谐振腔包括高度大于所述压电式超声换能器最大振幅的第一空腔，所述第一空腔的中部下沉形成第二空腔，所述第一空腔通过所述压电式超声换能器上的通孔与外部连通。
在上述的MEMS压电超声换能器，所述压电式超声换能器包括设置在所述衬底层上以封住第一空腔的压电叠层或压电双晶片，所述通孔贯穿所述压电叠层或所述压电双晶片后与所述第一空腔连通。
在上述的MEMS压电超声换能器，所述压电叠层包括从上至下依次设置的上电极、压电层、下电极和衬底。
在上述的MEMS压电超声换能器，所述第一空腔为圆柱形、或立方体形、或长方体形。
在上述的MEMS压电超声换能器，所述第二空腔为柱状。
在上述的MEMS压电超声换能器，所述通孔为圆柱形、立方体形或长方体形。
本公开将MEMS压电超声换能器和亥姆霍兹谐振腔相结合。MEMS压电超声换能器驱动亥姆霍兹谐振腔发声，可用于发射和接收超声波。当其用于发射超声波时，MEMS压电超声换能器用于驱动亥姆霍兹谐振腔发声，当MEMS压电超声换能器谐振频率与亥姆霍兹谐振腔谐振频率一致时，超声换能器发射的声波通过亥姆霍兹谐振腔的增幅将大幅提升，从而提高了超声换能器的电声能量转换效率；当其用于接收超声波时，通过亥姆霍兹谐振腔的放大可以增强输出的电信号。
所述第一空腔高度仅比MEMS压电超声换能器最大振幅稍大，但由于硅衬底上第二空腔的存在，使整个结构仍然满足亥姆霍兹谐振腔共振腔的构成条件。即，本公开明显减小了亥姆霍兹谐振腔的容积，提高了亥姆霍兹谐振腔的谐振频率。将换能器的谐振频率与亥姆霍兹谐振腔匹配可以最终提高MEMS压电超声换能器的谐振频率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。
图1示出了根据本公开第一实施例的具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS压电超声换能器的截面图。
图2示出了图1所示的MEMS压电超声换能器的俯视图。
图3示出了根据本公开第二实施例的具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS压电超声换能器的截面图。
图4示出了图3所示的MEMS压电超声换能器的俯视图。
图5示出了根据本公开第三实施例的具有亥姆霍兹谐振腔的MEMS压电超声换能器的截面图。
图6示出了图5所示的MEMS压电超声换能器的俯视图。
图7～12示出了图3所示的MEMS压电超声换能器的在不同工艺阶段的截面图。
附件标记说明：
1-衬底层，2-牺牲层材料，3-下电极，4-压电层，5-上电极，6-第一空腔，7-通孔，8-中性面，9-第二空腔，10-压电双晶片，11-pMUT，12-压电叠层，13-体硅，14-柱形孔，15-空腔结构，16-亥姆霍兹谐振腔。
此外，MEMS压电超声换能器英文全称piezoelectric micromachined ultrasonictransducer,简称：pMUT。MEMS电容超声换能器英文全称capacitive piezoelectricultrasonic transducer，简称：cMUT。
具体实施方式
如图1和图2，MEMS压电超声换能器包括pMUT 11和成形在硅材质的衬底层1上的亥姆霍兹谐振腔16，亥姆霍兹谐振腔16的谐振频率与pMUT11的谐振频率一致，超声换能器发射的声波的声压通过亥姆霍兹谐振腔16的放大将大幅增强，从而提高超声换能器的能量转换效率。
如图3～6，为了减小亥姆霍兹谐振腔16的容积，以提高亥姆霍兹谐振腔16的谐振频率，本公开将姆霍兹谐振腔16第一空腔6的高度设置为大于所述MEMS压电超声换能器的最大振幅，并使第一空腔6的中部下沉形成第二空腔9。此外，pMUT 11上具有连通到第一空腔6的通孔7。即，空腔6，9以及通孔7共同组成容积明显减小的亥姆霍兹谐振腔16。第一空腔6可为圆柱形、或立方体形、或长方体形、或其他几何形状。第二空腔9可为圆柱、棱柱或其他形状，通孔7可为圆柱、棱柱或其他形状。
如图3和4，pMUT 11的压电叠层12设置在硅材质的衬底层1上以封住第一空腔6。压电叠层12包括从下至上依次设置的衬底(可为硅层)、下电极3、压电层4、上电极5。压电叠层12用于振动产生声波或者用于接收声波振动产生电信号，其中性面8位于压电层4下方，中性面也称中性层，在图中所示截面上，随着压电叠层12的弯曲，其长度不变。下电极3为块状金属电极，可以选用Mo、Al等金属作为电极材料。上电极5为金属电极，可以选用Mo、Al等金属作为电极材料。上电极5通过刻蚀工艺图案化，图案的形状不限定，例如可为环形。如图5和6，也可用压电双晶片10替代压电叠层12。通孔7贯穿压电双晶片10或压电叠层12后与第一空腔连通。
当MEMS压电超声换能器发射超声波时，pMUT 11驱动亥姆霍兹谐振腔16振动发声，当pMUT 11与亥姆霍兹谐振腔16的谐振频率一致时，超声换能器发射的声波的声压通过亥姆霍兹谐振腔16的放大将大幅增强，从而提高超声换能器的能量转换效率；当MEMS压电超声换能器接收超声波时，通过亥姆霍兹谐振腔16的放大可以增强输出的电信号。
本公开为了提高亥姆霍兹谐振腔16的谐振频率，采取的手段为减小亥姆霍兹谐振腔16腔体容积。根据下述公式，当腔体容积减小时，亥姆霍兹谐振腔16的谐振频率增大。亥姆霍兹谐振腔16的谐振频率为：
式中，c为介质中的声速，S为通孔7的底面积，t为通孔7高度，d为通孔7直径，V为腔体空腔6，9容积的总和。
MEMS压电超声换能器的加工工艺方法如下。如图7，在体硅13上刻蚀一个柱形孔14。如图8，对体硅13进一步刻蚀，形成空腔结构15。如图9，在空腔结构15中填入牺牲层材料2并磨平。如图10，在上面依次沉积硅、下电极3、压电层4、上电极5，构成压电叠层12。如图11，通过光刻工艺在上电极5上刻蚀图案。如图12，在压电叠层12上刻蚀形成通孔7，然后去除牺牲层材料2。
Claims (6)
1.一种MEMS压电超声换能器，其特征在于，压电式超声换能器(11)形成在衬底层(1)上，该衬底层(1)内形成有亥姆霍兹谐振腔(16)，亥姆霍兹谐振腔(16)的谐振频率与压电式超声换能器(11)的谐振频率一致；亥姆霍兹谐振腔(16)包括高度大于压电式超声换能器(11)最大振幅的第一空腔(6)，第一空腔(6)的中部下沉形成的第二空腔(9)，和压电式超声换能器(11)上的通孔(7)；第一空腔(6)通过通孔(7)与外部连通。
2.根据权利要求1所述的MEMS压电超声换能器，其特征在于，压电式超声换能器(11)包括设置在衬底层(1)上以封住第一空腔(6)的压电叠层(12)或压电双晶片(10)，通孔(7)贯穿压电叠层(12)或压电双晶片(10)后与第一空腔(6)连通。
3.根据权利要求2所述的MEMS压电超声换能器，其特征在于，压电叠层(12)包括从上至下依次设置的上电极(5)、压电层(4)、下电极(3)和衬底。
4.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS压电超声换能器，其特征在于，第一空腔(6)为圆柱形、或立方体形、或长方体形。
5.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS压电超声换能器，其特征在于，第二空腔(9)为柱状。
6.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS压电超声换能器，其特征在于，通孔(7)为圆柱形、立方体形或长方体形。
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