CN112871612A - 具有多压电层的压电微机械超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微机电技术领域，具体为一种具有多压电层的压电微机械超声换能器。本发明压电微机械超声换能器单元包括复合薄膜、支撑结构和衬底；支撑结构为中空薄层，对应其上方粘附的复合薄膜的自由边界，支撑结构与衬底形成键合；复合薄膜包含中性层、至少一层压电层及多层金属层；复合薄膜中压电层及金属层，经过压电层极化方向与电连接的配置，共同驱动薄膜结构上下振动。本发明可以利用压电效应，有效累加构件截面处的弯矩，提高传感器灵敏度。通过在复合薄膜下方形成刻蚀空腔、用深刻蚀方法制作通孔，或与芯片引脚焊接形成支撑点的方式，可以释放上述复合薄膜并提供支撑，从而通过负载介质（空气、水及油等）发射、接收声波。

Description

具有多压电层的压电微机械超声换能器

技术领域

本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种压电微机械超声换能器。

背景技术

超声成像凭借无电离副作用、灵敏度高、实时成像、对组织无损伤、成本低等优点，成为医学成像及工业无损检测中应用最为普及的技术。其***的重要核心部件就是超声换能器，用于实现成像信号的电能与超声波机械能之间的转换。目前常用的换能器探头由压电陶瓷或单晶，通过机械加工等方式实现单元的分割与连接，但由于其加工难度高，与集成电路工艺不兼容，无法进行大规模制备与多芯片封装，限制了高频相控阵成像、微型化应用及便携式***的创新与应用。

压电微机械超声换能器（pMUT）填补了传统压电换能器在便携式设备、小体积导管、高频即高分辨率超声成像方面的空缺。其基本结构自上向下包括上电极、压电薄膜、下电极、中性层和衬底，基于压电薄膜的（逆）压电效应，通过电极施加一定频率交流电信号使压电薄膜出现拉伸，其形变导致中性层出现弯曲，推动介质振动辐射超声波。反之，当一定频率的超声波到达pMUT表面，挤压压电薄膜，压电材料呈现出电压响应，且随声压大小变化。

由于压电微机械超声换能器实现工艺简单，稳定性好，可大规模制备，并有潜力与集成电路芯片进行多芯片封装，减少互连引起的寄生、信道不均衡与电阻抗失配等问题，该技术得到了广泛关注，并推动了医学及工业领域新应用的创新与实现。

发明内容

本发明的目在于提供一种可用于高频相控阵成像、血管内超声或超声显微镜等领域的高灵敏度压电微机械超声换能器（pMUT）。

本发明提供的压电微机械超声换能器（pMUT），是具有多个压电层，即包括含有图形化刻蚀的压电层、叠层及双侧分布的压电层结构。具体地，压电微机械超声换能器（pMUT）单元包括自上而下依次设置的复合薄膜、支撑结构和衬底；其中：

所述支撑结构为用于支撑的中空薄层，即中间具有孔洞，对应其上方粘附的复合薄膜的自由边界；并且，所述支撑结构通过至少一层二氧化硅薄层与衬底形成键合；

所述复合薄膜包含中性层、至少一层压电层及多层金属层；并且，所述复合薄膜中压电层及金属层，经过压电层极化方向与电连接的配置，共同驱动薄膜结构上下振动。

本发明中，所述复合薄膜，是以中性层为基础，在其上、下表面沉积金属层与压电层，具体地：

对于具有单层压电层的pMUT单元，在中性层上表面制作有底金属层（M）、压电层（P）及顶金属层（M），称为即MPM三明治压电层结构，并以合适方式引出走线和电极；

对于具有双层压电层的pMUT单元，在中性层上、下表面分别制作MPM三明治压电层结构，或在中性层上表面制作MPMPM双压电层结构，从而实现理论灵敏度提升一倍的目的；

对于具有多层压电层的pMUT单元，在中性层上、下两侧或单侧，制作MPM（和/或PM）···的多压电层结构，进一步提高该pMUT单元的灵敏度，最终通过合适方式引出走线和电极，并以合适方式将各双端口单元进行串联或并联。

本发明中，所述复合薄膜大体上为圆形或方形。

常规pMUT单元的压电层为不刻蚀或少刻蚀，在本发明中，将压电层刻蚀为特定形状，即相对复合薄膜底面自由边界（圆形或方形）图案为近似的、成固定比例的圆形或方形，以改善薄膜的刚度和振动模态，从而提高pMUT单元的灵敏度和带宽。

压电层为圆形时，其半径与复合薄膜下表面的圆形自由边界的半径比例为0.6-0.9；压电层为方形时，其边长与复合薄膜下表面的方形自由边界的边长比例为0.6-0.9。

为了在中性层两侧都制备压电层MPM（和/或PM）···结构，首先在中性层上侧通过多次沉积、光刻的步骤，制作有图案及引线的单层或多层压电层结构，之后再通过转移薄膜的方式，将该未完成的复合薄膜翻转并与另一片制作好支撑结构的衬底相键合，随后在另一侧制备单层或多层压电层MPM（或PM）···结构。

为了实现pMUT单元在芯片基板上的键合，同样需要以上段所述方式，翻转薄膜并与键合柱实现粘合，从而转移薄膜至指定衬底；在薄膜转移后，原先的衬底可以保留，并通过深刻蚀等方式制作通孔，使换能器透过通孔向外发射声波，以改善pMUT单元振动模态和远场指向性等指标。

本发明所述pMUT单元基本结构中，上表面可附加一层厚度为10-50微米的多聚物材料，用以弯曲振动的复合薄膜结构与声场介质间的声匹配，提高声发射效率。对于衬底刻蚀有通孔的pMUT单元，通孔内部可以填充多聚物作为波导材料，进而在实现上述声匹配目的的同时，改善声场远场指向性等对相控阵成像至关重要的指标。

本发明中，所述衬底，由硅晶圆的整体部分、绝缘体上硅晶元（SOI）的体硅部分，或薄膜转移后相键合的芯片基板构成。

本发明中，所述复合薄膜的中性层为无压电性能的机械振动层，材料为硅、氧化硅或氮化硅。

本发明中，所述的支撑结构，与复合薄膜相对应，其基本形状为圆形或方形中空的薄层；当其用于薄膜与芯片互联键合时，支撑结构为多个用于键合的微柱。

本发明中，所述的衬底与支撑结构，当其制备方法是通过衬底背面深刻蚀以形成通孔，形成复合薄膜下表面的自由边界时，衬底与支撑结构为同一部分，无明显区分。本发明中，所述压电层上表面及下表面与金属层形成接触，其中一层为接地电极，另一层为信号电极。

本发明复合薄膜中，压电层需通过刻蚀形成尺寸较小的圆形/方形薄膜，其半径/边长与复合薄膜下表面自由边界的半径/边长比例为0.6-0.9。

本发明复合薄膜中，当具有多层压电层时，压电层及其相接触的金属层分布于中性层单侧或双侧，压电材料的极化方向可配置为向上或向下。

本发明复合薄膜中，当具有多层压电层时，每层压电层与其相接触的金属层组合为双端口单元，各单元之间可以通过并联或串联方式，最终引出至少两个电极作为激励与接地信号的输入。

本发明提供的压电微机械超声换能器（pMUT），工作在发射模式时，主要机理是压电层上下两侧接触的金属层分别作为顶电极与底电极（或，底电极与顶电极），在任意幅度和波形的电压信号激励下，在纵向方向产生电场，压电层基于逆压电效应响应出水平方向的拉伸或收缩应变，进而驱动中性层，带动复合薄膜整体弯曲，成凸起或凹陷状。薄膜的弯曲振动挤压导致了上方加载的导声媒介（空气、水、油和弹性材料等）的机械振动，从而产生了纵波（或纵波与横波）超声波，称之为超声波的发射。

本发明提供的pMUT，工作在接收模式时，主要机理是所述导声媒介中的超声波传导至pMUT单元的复合薄膜的表面时，复合薄膜整体受驱进行弯曲振动，从而使其中的压电层在水平方向产生了拉伸或收缩应变，基于压电效应，所述压电层在纵向方向上响应出电荷及电压信号，并被相连接的接收电路接收，称之为超声波的接收。

本发明提供的pMUT，由于压电层进行了所述指定形状、大小的图形化刻蚀，复合薄膜边界的刚度下降，复合薄膜整体的振动模态得以改善，进而可以得到更大的收发灵敏度与带宽；其中，所述具有多层压电层的pMUT单元，在同等幅度的电压信号激励下，复合薄膜累计的水平方向拉伸和收缩应力较单层压电层的pMUT单元成倍提高，即发射灵敏度成倍提高，在接收模式下，合理的压电层设计可以使得响应电荷也成倍提高，即接收灵敏度成倍提高；其中，所述具有分布在中性层两侧的多层压电层的pMUT单元，因为结构对称，可以显著降低复合薄膜的残余应力，并保持结构内弯矩的参考面位置不变，可以提高多压电层下薄膜的驱动效率。

附图说明

图1为具有双层压电层的pMUT单元的第一方案的示意图。

图2为具有双层压电层的pMUT单元的第二方案的示意图。

图3为具有多层压电层的pMUT单元的第一方案的示意图。

图4为具有多层压电层的pMUT单元的第二方案的示意图。

图5为实现换能器支撑结构的第二方案示意图。

图6为实现换能器支撑结构的第三方案示意图。

图7为具有双层压电层的pMUT单元的声匹配层方案示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外在可能未出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定细节，例如器件结构、材料尺寸处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特性细节来实现本发明。

图1示出本发明的具有双层压电层的pMUT单元的第一方案示意图。

如图1所示，基于双层压电薄膜的pMUT单元100的中性层140两侧分别制作了金属层（M）-压电层（P）-金属层（M），即MPM的三明治压电层结构。金属层110、压电层120及金属层130构成的MPM结构大体是与金属层111、压电层121及金属层131构成的MPM结构成镜像对称的，其中金属层131，还可能包含为实现键合而在表面附加的二氧化硅或氮化硅薄层。腔体结构155是在衬底150上，通过刻蚀或额外沉积硅基材料等方法制作而成的，一般成圆形或方形，其与所述支撑结构151在空间上是互补的；支撑结构151受工艺控制，材料可以与衬底相同，主要为硅，也可以为二氧化硅、氮化硅等。

为了改善换能器复合薄膜的振动模态，径向上压电层120、130被刻蚀成与腔体结构155近似，且尺寸更小的圆形或方形，当其为圆形时，压电层120、130的半径与腔体结构155的半径比例为0.6-0.9；其为方形时，压电层120、130的边长与腔体结构155的边长比例为0.6-0.9；此后附图的换能器单元皆采用此方案，以改善复合薄膜的振动模态，提高换能器的整体灵敏度与带宽。

在实施方式中，中性层140上侧与下侧的MPM压电层结构分别构成了双端口器件，其中压电层120的极化方向与压电层121的极化方向相同或相反。在压电层120与121的极化方向相同（都为向下或向上）时，可以实施但不限于此的两种有效电连接方式为：金属层130、131共同接地，金属层110、111共同接信号线，此时两个MPM双端口单元为并联状态；金属层111接地，金属层130、131短路连接，金属层110接信号线，此时两个MPM双端口单元为串联状态。在压电层120与121的极化方向相反时，可以实施但不限于此的一种有效电连接方式为：金属层130、131共同接地，金属层110、111分别接差分信号的两端，此时两个MPM双端口单元组成为差分输入的三端输入单元。

图2示出本发明的具有双层压电层的pMUT单元的第二方案示意图。

如图2所示，基于双层压电薄膜的pMUT单元200的中性层240仅上侧制作了压电层结构，金属层230、压电层220、金属层210、压电层221与金属层231构成了MPMPM压电层结构。由于背面不需要制作压电结构，薄层245主要为将中性层240与带支撑结构的衬底250键合在一起的二氧化硅或氮化硅层，薄层245除了分布在中性层底面一种方式之外，也可能分布在带支撑结构的衬底的表面上，其共同点是使得支撑点与中性层240可以有效的接触，以使复合薄膜可以高效地振动。

在实施方式中，金属层230、压电层220、金属层210为一个MPM双端口压电层结构单元，与金属层210、压电层221与金属层231这一MPM双端口压电层结构单元通过金属层210共同连接，其中压电层220与221的极化方向相同或相反。当压电层120与121的极化方向相反时，可以实施但不限于此的一种有效电连接方式为：金属层230、231共同接地，金属层210接信号线，此时两个压电结构共同组合成为了一个双端口单元。当压电层120与121的极化方向相同时，可以实施但不限于此的一种有效电连接方式为：金属层210接地，金属层230、231分别接差分信号的两端，此时两个压电结构共同组合成为了一个三端差分输入的换能器单元。

图3示出本发明的具有多层压电层的pMUT单元的第一方案的示意图；显而易见地，基于多层压电薄膜的pMUT单元300的中性层340的上下两侧分别制作了MPMPM多层压电层结构。其带支撑结构的衬底350及空腔355与支撑结构150、151、151构成的基底结构组成方法是相同的。大体上，金属层330、压电层320、金属层310、压电层321及金属层331构成了MPMPM三端口输入多压电层结构，是与金属层332、压电层323、金属层311、压电层324及金属层333构成的MPMPM三端口输入多压电层结构成镜像对称的。

在实施方式中，图1及图2中所述pMUT单元已经可以提供足够的参考以驱动300单元。300中的一对三端输入单元中的压电层，可以为不同或相同的极化方向，配合合适的电连接方案，以使得在激励或接受声波的过程中，压电薄膜的正（逆）压电效应增强了换能器单元300的灵敏度，而不是互相抵消。此外，合理的共地及极化方向设置，可以简化引线的数目至简单的两条引线，从而降低版图制作及后续工作的复杂性。

图4示出本发明的具有多层压电层的pMUT单元的第二方案的示意图；基于多层压电薄膜的pMUT单元400的中性层440仅在上侧制作了压电层结构，但压电层数目较单元100与200更多，为MPMPMPM的三压电层结构。金属层430、压电层420、金属层410、压电层421、金属层431、压电层422及金属层411构成了MPMPMPM的四端口输入压电层结构。基于单元200、400的演化，可以制备具有更多层压电层MPM（PM）···结构的换能器单元，以进一步提升换能器的灵敏度。另外，基于单元200、300的演化，单元400也可依据该演化路线，在中性层440另一侧制作更多压电层结构，以平衡复合薄膜的力中性面，并提升换能器单元的灵敏度。中性层440中，带支撑结构的衬底450及空腔455与支撑结构150、151、151构成的基底结构组成方法是相同的。

在实施方式中，图1及图2中所述pMUT单元已经可以提供足够的参考以驱动400单元。压电层420、421及422可以为不同的极化方向，以配合合适的电连接方式，有效驱动复合薄膜的振动。可以实施但不限于此的一种有效配置方式为，压电层420与422的极化方向相同，与421的极化方向相反，金属层430、431共同接地，金属层410、411共同接信号线，因此所述单元400的MPMPMPM三压电层结构形成了可以有效提高换能器灵敏度双端口单元。

图5示出本发明中实现换能器支撑结构的第二方案示意图；先前图1描述了换能器单元100采用制作空腔的方式，使得互补结构称为了支撑结构151。如图5所示，单元500的衬底510具备一圆形或方形通孔图案515，是通过深刻蚀工艺，在压电结构制作完成后。从衬底510的底面，向上刻蚀直至二氧化硅或氮化硅构成的截止层520而形成的。在具体实施中，通孔515可以留空不填，以直接通过空气、水及油等负载介质向外发射声波，也可以填充多聚物作为波导材料，在传导声波的同时，起到将复合薄膜与负载介质的声阻抗匹配的作用，从而提高声发射与接收的效率。

图6A示出本发明中实现换能器支撑结构的第三方案示意图；为了将大规模pMUT阵列与芯片共同封装，以减少尺寸和各种寄生效应的影响，提高成像质量，有必要将发挥核心作用的复合薄膜转移到芯片基板620之上。在换能器中性层单侧或双侧的压电结构制作完成后，通过在芯片基板620上制作合适的键合微柱611，可以将复合薄膜与芯片基板620有效粘合，并最终释放先前提到的支撑结构、空腔与硅基衬底。在该单元600a中，610作为新的支撑结构，620作为新的衬底，以及625作为与611空间上互补的腔体，与复合薄膜共同构成了有效的pMUT单元。如前单元100、200、300、400、500所述，驱动方式及极化方式已经得到了充分的说明。

图6B示出本发明中为了改善pMUT单元远场指向性及声发射效率而设计的换能器单元600b。对于采用了深通孔方式的换能器而言，当其完成了复合薄膜与芯片基板620的键合工艺之后，原先的衬底、支撑结构及通孔构成的630b可以保留，并填充合适的多聚物作为导波与声匹配层材料，将声波有效耦合进负载介质当中。对于相控阵等应用，优良的指向性对成像是至关重要的，基于此利用保留的结构630b填充材料，可以改善成像及检测质量。

图7示出本发明的另一种声匹配层实现方案示意图。在换能器单元710制作完成后，可选的保护换能器的方式是在其上方淀积一层数微米薄的钝化层，以保护单元免受高湿度环境的侵蚀。在本发明中，单元710进一步附着了厚度为10至50微米的多聚物材料，作为声匹配层，将弯曲振动的复合薄膜与声介质（水、油等）耦合，通过声匹配层内部厚度方向上的纵波、横波谐振模式，有效吸收和发射超声波，提高换能器的灵敏度与带宽性能。

本发明的内容及优点虽然已详细揭示如上，然而必须说明的是，本发明的范围并不受限于说明书中所描述的方法及步骤等特定实施例，在不脱离本发明的精神和范围内，任何本领域普通技术人员皆可根据本发明所揭示的内容做出许多变形和修改，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有多压电层的压电微机械超声换能器，记为pMUT，其特征在于，该压电微机械超声换能器单元包括自上而下依次设置的复合薄膜、支撑结构和衬底；其中：

所述支撑结构为用于支撑的中空薄层，即中间具有孔洞，对应其上方粘附的复合薄膜的自由边界；并且，所述支撑结构通过至少一层二氧化硅薄层与衬底形成键合；

所述复合薄膜包含中性层、至少一层压电层及多层金属层；并且，所述复合薄膜中压电层及金属层，经过压电层极化方向与电连接的配置，共同驱动薄膜结构上下振动。

2.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述复合薄膜，是以中性层为基础，在其上、下表面沉积金属层与压电层，具体地：

对于具有单层压电层的pMUT单元，在中性层上表面制作有底金属层（M）、压电层（P）及顶金属层（M），称为MPM三明治压电层结构，并以合适方式引出走线和电极；

对于具有双层压电层的pMUT单元，在中性层上、下表面分别制作MPM三明治压电层结构，或在中性层上表面制作MPMPM双压电层结构，从而实现理论灵敏度提升一倍的目的；

对于具有多层压电层的pMUT单元，在中性层上、下两侧或单侧，制作MPM（和/或PM）···的多压电层结构，进一步提高该pMUT单元的灵敏度，最终通过合适方式引出走线和电极，并以合适方式将各双端口单元进行串联或并联。

3.根据权利要求1或2所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述复合薄膜为圆形或方形。

4.根据权利要求3所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述压电层被刻蚀为特定形状，即相对复合薄膜底面自由边界圆形或方形图案为近似的、成固定比例的圆形或方形，以改善薄膜的刚度和振动模态，从而提高pMUT单元的灵敏度和带宽。

5.根据权利要求4所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，压电层为圆形时，其半径与复合薄膜下表面的圆形自由边界的半径比例为0.6-0.9；压电层为方形时，其边长与复合薄膜下表面的方形自由边界的边长比例为0.6-0.9。

6.根据权利要求5所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述在中性层两侧制备有压电层MPM（和/或PM）···结构，由如下方式得到：首先在中性层上侧通过多次沉积、光刻的步骤，制作有图案及引线的单层或多层压电层结构；然后再通过转移薄膜的方式，将该未完成的复合薄膜翻转并与另一片制作好支撑结构的衬底相键合；随后在另一侧制备单层或多层压电层MPM（和/或PM）···结构；

所述支撑结构与衬底形成键合，由如下方式实现，翻转薄膜并与键合柱实现粘合，从而转移薄膜至指定衬底；在薄膜转移后，原先的衬底保留，并通过深刻蚀等方式制作通孔，使换能器透过通孔向外发射声波，以改善pMUT单元振动模态和远场指向性指标。

7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，在pMUT单元基本结构上表面还附加一层厚度为10-50微米的多聚物材料，用以弯曲振动的复合薄膜结构与声场介质间的声匹配，提高声发射效率；对于衬底刻蚀有通孔的pMUT单元，通孔内部填充多聚物作为波导材料，进而在实现上述声匹配目的的同时，改善声场远场指向性指标。

8.根据权利要求1、2、4、5或6所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述衬底，由硅晶圆的整体部分、绝缘体上硅晶元的体硅部分，或薄膜转移后相键合的芯片基板构成；

所述复合薄膜的中性层为无压电性能的机械振动层，材料为硅、氧化硅或氮化硅。

9.根据权利要求1、2、4、5或6所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述支撑结构，与复合薄膜相对应，其基本形状为圆形或方形中空的薄层；当其用于薄膜与芯片互联键合时，支撑结构为多个用于键合的微柱；

所述衬底与支撑结构，当其制备方法是通过衬底背面深刻蚀以形成通孔，形成复合薄膜下表面的自由边界时，衬底与支撑结构为同一部分，无明显区分。

10.根据权利要求1、2、4、5或6所述的压电微机械超声换能器，其特征在于，所述压电层上表面及下表面与金属层形成接触，其中一层为接地电极，另一层为信号电极；

所述复合薄膜中：当具有多层压电层时，压电层及其相接触的金属层分布于中性层单侧或双侧，压电材料的极化方向配置为向上或向下；当具有多层压电层时，每层压电层与其相接触的金属层组合为双端口单元，各单元之间通过并联或串联方式，最终引出至少两个电极作为激励与接地信号的输入。

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