CN115106274A - 一种mems换能器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及换能器技术领域，尤其涉及一种MEMS换能器，该MEMS换能器包括：衬底和位于所述衬底之上的薄膜结构，其中，所述薄膜结构包括多个换能器阵元，所述多个换能器阵元中的任意两个换能器阵元电连接，所述衬底包括多个空腔，所述多个空腔的位置与所述多个换能器阵元的位置一一对应。该MEMS换能器实现了在MEMS换能器上设置多个不同的换能器阵元，通过不同的换能器阵元的电连接方式，达到依不同波束角、声压级或灵敏度的需求，丰富且提升MEMS换能器的性能，提高MEMS换能器的工作效率，节省生产成本，具有集成度高、精度高和体积小的优点，还使MEMS换能器具备相控扫描的应用能力。
Description
技术领域
本发明涉及换能器技术领域，尤其涉及一种MEMS换能器及制作方法。
背景技术
如今，通常使用MEMS工艺和压电材料制成单个换能器。在一定频率下，单个换能器的声压级或灵敏度是固定的，指向性也是确定的，且无法改变波束角度大小及波束方向。如果对某个换能器需求不同的声压级、灵敏度、波束角或波束方向，则需要对该换能器的结构重新设计，或使用不同的单个换能器，或外接多个换能器。因此，现有的换能器存在工作效率低的问题。
发明内容
本申请实施例通过提供一种MEMS换能器及制作方法，解决了现有技术中换能器存在工作效率低的技术问题，实现了在MEMS换能器上设置多个不同的换能器阵元，通过不同的换能器阵元的电连接方式，达到依不同波束角、声压级或灵敏度的需求，丰富且提升MEMS换能器的性能，提高MEMS换能器的工作效率，节省生产成本，具有集成度高、精度高和体积小的优点，还使MEMS换能器具备相控扫描的应用能力等技术效果。
第一方面，本发明实施例提供一种MEMS换能器，包括：衬底和位于所述衬底之上的薄膜结构，其中，所述薄膜结构包括多个换能器阵元，所述多个换能器阵元中的任意两个换能器阵元电连接，所述衬底包括多个空腔，所述多个空腔的位置与所述多个换能器阵元的位置一一对应。
优选的，所述薄膜结构包括：下电极层、压电层和上电极层；
所述下电极层位于所述衬底之上，所述压电层位于所述下电极层之上，所述上电极层位于所述压电层之上，其中，所述下电极层包括多个第一子电极，所述上电极层包括多个第二子电极，所述多个第一子电极的位置与所述多个第二子电极的位置一一对应，一个所述换能器阵元为一个所述第一子电极和与该第一子电极的位置对应的第二子电极，以及所述压电层形成的。
优选的，所述薄膜结构还包括钝化层，以及所述多个换能器阵元中的每个换能器阵元的金属引脚；所述钝化层位于所述上电极层之上，所述每个换能器阵元的金属引脚设置在所述钝化层中。
优选的，所述任意两个换能器阵元电连接的方式包括串联连接方式或并联连接方式。
优选的，所述薄膜结构还包括多组释放孔，所述多组释放孔的位置与所述多个空腔的位置一一对应。
基于同一发明构思，第二方面，本发明还提供一种MEMS换能器的制作方法，包括：
在衬底中形成多个空腔；
在形成所述多个空腔后的衬底之上形成薄膜结构，并在形成所述薄膜结构的过程中，在所述薄膜结构中形成多个换能器阵元，其中，所述多个换能器阵元中的任意两个换能器阵元电连接，所述多个空腔的位置与所述多个换能器阵元的位置一一对应。
优选的，所述薄膜结构包括：下电极层、压电层和上电极层；
所述在形成所述多个空腔后的衬底之上形成薄膜结构，包括：
在所述形成所述多个空腔后的衬底之上形成所述下电极层；
在所述下电极层之上形成所述压电层；
在所述压电层之上形成所述上电极层。
优选的，所述薄膜结构还包括钝化层；
在所述压电层之上形成上电极层之后，还包括：
在所述上电极层之上形成所述钝化层。
优选的，在形成所述薄膜结构的过程中，在所述薄膜结构中形成多个换能器阵元，包括：
在所述形成所述多个空腔后的衬底之上形成所述下电极层之后，且在所述下电极层之上形成所述压电层之前，在所述下电极层中形成多个第一子电极；
在所述压电层之上形成所述上电极层之后，在所述上电极层中形成多个第二子电极，其中，所述多个第一子电极的位置与所述多个第二子电极的位置一一对应；
通过所述多个第一子电极、所述多个第二子电极和所述压电层，得到所述多个换能器阵元，其中，一个所述换能器阵元为一个所述第一子电极和与该第一子电极的位置对应的第二子电极，以及所述压电层形成的。
优选的，在所述下电极层之上形成所述压电层之后，在所述压电层之上形成所述上电极层之前，还包括：
在所述压电层中形成所述多个第一子电极中的每个第一子电极的下电极引脚孔；
在所述上电极层之上形成所述钝化层之后，还包括：
在所述钝化层中形成所述每个第一子电极的下电极引脚孔和所述多个第二子电极中的每个第二子电极的上电极引脚孔；
根据一个所述第一子电极的下电极引脚孔和与该第一子电极的位置对应的第二子电极的上电极引脚孔，得到一个所述换能器阵元的金属引脚，并得到每个所述换能器阵元的金属引脚；
将所述任意两个换能器阵元通过该两个换能器阵元的金属引脚进行串联连接或并联连接。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供一种MEMS换能器，其包括：衬底和位于所述衬底之上的薄膜结构，其中，所述薄膜结构包括多个换能器阵元，所述多个换能器阵元中的任意两个换能器阵元电连接，所述衬底包括多个空腔，所述多个空腔的位置与所述多个换能器阵元的位置一一对应。通过本发明实施例的MEMS换能器，实现了在一个MEMS芯片上，设计多个换能器阵元，并将多个换能器阵元按需进行排列布阵，以及将多个换能器阵元按需形成不同连接方式的电路，达到依不同波束角、声压级和灵敏度的需求，提升MEMS换能器的性能和工作效率，节约生产成本。使MEMS换能器具有集成度高、精度高和体积小的优点，还使MEMS换能器具备相控扫描的应用能力。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例中的MEMS换能器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中的在衬底中刻蚀空腔的俯视图；
图3示出了本发明实施例中的在衬底中刻蚀空腔的剖面图；
图4示出了本发明实施例中的在衬底上形成下电极层和多个第一子电极的俯视图；
图5示出了本发明实施例中的在衬底上形成下电极层和多个第一子电极的剖面图；
图6示出了本发明实施例中的在下电极层之上形成压电层的俯视图；
图7示出了本发明实施例中的在下电极层之上形成压电层的剖面图；
图8示出了本发明实施例中的在压电层之上形成上电极层和多个第二子电极的俯视图；
图9示出了本发明实施例中的在压电层之上形成上电极层和多个第二子电极的剖面图；
图10示出了本发明实施例中的在上电极层之上形成钝化层的俯视图；
图11示出了本发明实施例中的在上电极层之上形成钝化层的剖面图；
图12示出了本发明实施例中的制成的MEMS换能器的布线示意图；
图13示出了本发明实施例中的MEMS换能器的制作方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
本发明第一实施例提供了一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)换能器，如图1所示，包括：衬底1100和位于衬底1100之上的薄膜结构1200，其中，薄膜结构1200包括多个换能器阵元1260，多个换能器阵元1260中的任意两个换能器阵元1260电连接，衬底1100包括多个空腔1101，多个空腔1101的位置与多个换能器阵元1260的位置一一对应。
具体来讲，衬底1100为SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)衬底。在衬底1100中设有多个空腔1101。如图1所示，衬底1100中凹下去的空白区域表示空腔1101，图1中展示了3个空腔1101。多个空腔1101的位置与多个换能器阵元1260的位置一一对应，表示一个换能器阵元1260的位置与衬底1100中的一个空腔1101的位置相对应，每个换能器阵元1260的位置对应一个空腔1101的位置，即每个换能器阵元1260对应一个空腔1101。空腔1101的作用：一是使对应的换能器阵元1260实现横向振动，二是降低对应的换能器阵元1260的高度方向的谐振频率。
薄膜结构1200包括：下电极层1210、压电层1220和上电极层1230。下电极层1210位于衬底1100之上，压电层1220位于下电极层1210之上，上电极层1230位于压电层1220之上。如图1所示，衬底1100之上的斜条纹区域所在的位置表示下电极层1210，下电极层1210之上的菱格纹区域所在的位置表示压电层1220，压电层1220之上的黑白格纹区域所在的位置表示上电极层1230。
其中，下电极层1210包括多个第一子电极1211，上电极层1230包括多个第二子电极1231，多个第一子电极1211的位置与多个第二子电极1231的位置一一对应，一个换能器阵元1260为一个第一子电极1211和与该第一子电极1211的位置对应的第二子电极1231，以及压电层1220形成的。由于第一子电极1211是将下电极层1210刻蚀形成的，在下电极层1210中刻蚀了3个第一子电极1211，如图1所示，衬底1100之上的斜条纹区域表示第一子电极1211。同理，由于第二子电极1231是将上电极层1230刻蚀形成的，在上电极层1230中刻蚀了3个第二子电极1231，如图1所示，压电层1220之上的黑白格纹区域表示第二子电极1231。
需要说明的是，多个第一子电极1211的位置与多个第二子电极1231的位置一一对应，表示一个第一子电极1211的位置与一个第二子电极1231的位置相对应，即一个第一子电极1211对应一个第二子电极1231。多个第一子电极1211中的每个第一子电极1211的位置对应一个第二子电极1231的位置，即每个第一子电极1211对应一个第二子电极1231。针对多个换能器阵元1260中的每个换能器阵元1260，一个第一子电极1211和与该第一子电极1211位置对应的第二子电极1231，以及压电层1220形成一个换能器阵元1260，一个换能器阵元1260的位置与一个衬底1100中的空腔1101的位置相对应，即该第一子电极1211的位置和与该第一子电极1211位置对应的第二子电极1231的位置均对应该空腔1101的位置。
多个换能器阵元1260中的每个换能器阵元1260形状可以相同，也可以不同，或者部分相同。每个换能器阵元1260的形状根据实际需求而设置。单个换能器阵元1260的形状包括但不限于圆形、方形或三角形。多个换能器阵元1260形成的排列包括但不限于线性阵列、平面型阵列(如多个换能器阵元1260排列呈方形的阵列，或多个换能器阵元1260排列呈圆型的阵列等)或圆型阵列，则多个换能器阵元1260形成的排列可根据对MEMS换能器的波束角、声压级和灵敏度的实际需求而设置。
在多个换能器阵元1260形成的排列中，相邻两个换能器阵元1260之间的距离根据实际需求而设置。通常，相邻两个换能器阵元1260之间的距离不大于单个换能器阵元1260的一个谐振波长。
薄膜结构1200还包括钝化层1240，以及多个换能器阵元1260中的每个换能器阵元1260的金属引脚1250；钝化层1240位于上电极层1230之上，每个换能器阵元1260的金属引脚1250设置在钝化层1240中。如图1所示，上电极层1230之上的点状纹区域表示钝化层1240。
需要说明的是，由于每个换能器阵元1260包含一个第一子电极1211和一个第二子电极1231，每个换能器阵元1260存在两个金属引脚1250，其中一个金属引脚1250是从第一子电极1211引出的金属引脚1250，另一金属引脚1250是从第二子电极1231引出的金属引脚1250。因此，每个换能器阵元1260的两个金属引脚1250分别表示换能器阵元1260的正极和负极。
通过任意两个换能器阵元1260的金属引脚1250，将任意两个换能器阵元1260进行串联连接或并联连接，即任意两个换能器阵元1260电连接的方式包括串联连接方式或并联连接方式。通过多个换能器阵元1260中的每个换能器阵元1260的金属引脚1250，将多个换能器阵元1260进行不同的电路连接，实现MEMS换能器的不同功能。
需要解释的是，任意两个换能器阵元1260电连接的方式可以是在MEMS换能器中将任意两个换能器阵元1260进行串联或并联，也可以是在MEMS换能器中每个换能器阵元1260之间不存在直接的连接关系，而在具有MEMS换能器的电路(即MEMS换能器和外部电路形成的电路)中，将任意两个换能器阵元1260进行串联或并联或其他的连接方式。
例如，作为接收器的MEMS换能器中的多个换能器阵元1260形成的阵列能实现检测电荷信号放大，提升灵敏度和调控波束角。如果将其中每个换能器阵元1260，或多个换能器阵元1260形成的阵列中的局部阵列的上、下电极连接到外部的信息处理单元，通过预形成波束，可实现接收信号的相控扫描。
需要说明的是，在作为接收器的MEMS换能器中的多个换能器阵元1260中，每个换能器阵元1260之间不存在连接关系，而是将每个换能器阵元1260的上、下电极均与外部的信息处理单元连接，通过预形成波束，可实现接收信号的相控扫描。
或在作为接收器的MEMS换能器中的多个换能器阵元1260中，选取一些换能器阵元1260通过串联或并联连接形成局部阵列，将该局部阵列和该局部阵列之外的换能器阵元1260的上、下电极均与外部的信息处理单元连接，通过预形成波束，可实现接收信号的相控扫描。
作为发射器的MEMS换能器中的多个换能器阵元1260形成的阵列可实现源级的提升和波束角的调控。如果若将其中每个换能器阵元1260，或多个换能器阵元1260形成的阵列中的局部阵列的上、下电极连接到外部的信息处理单元，可实现发射信号的相控扫描。
薄膜结构1200还包括多组释放孔1270，多组释放孔1270的位置与多个空腔1101的位置一一对应。
具体地，多组释放孔1270中的每组释放孔1270包括多个释放孔1270，合理布置释放孔1270数量及与空腔1101相对应的不同位置，将有利于在制作MEMS换能器的过程中，释放空腔1101内的磷硅玻璃PSG材料。每组释放孔1270的位置对应一个空腔1101的位置，即每组释放孔1270对应一个空腔1101。如图1所示，图1的薄膜结构1200中的横线区域为释放孔1270，每个空腔1101的位置对应一组释放孔1270，图1中的每组释放孔1270包括两个释放孔1270。每个释放孔1270贯穿在薄膜结构1200中，即每个释放孔1270依次贯穿下电极层1210、压电层1220、上电极层1230和钝化层1240。释放孔1270的作用是在制作MEMS换能器的过程中，释放填充在空腔1101中的物质。
本实施例的MEMS换能器的工作原理是，将MEMS换能器中的多个换能器阵元1260的进行排列布阵和各种串联和并联连接，形成不同的电路，提高MEMS换能器的工作效率，改善MEMS换能器的各项指标，提升MEMS换能器的性能，提高发射声压级、接收灵敏度和接收电荷的大小，并可外接具相控发射/接收的电子处理单元的，进行波束角扫描，实现探测目标的定向和定位效果。
在本实施例中，在一个MEMS芯片上，设计多个换能器阵元1260，并将多个换能器阵元1260按需进行排列布阵，以及将多个换能器阵元1260按需形成不同连接方式的电路，达到依不同波束角、声压级和灵敏度的需求，提升MEMS换能器的性能和工作效率，节约生产成本。使MEMS换能器具有集成度高、精度高和体积小的优点，还使MEMS换能器具备相控扫描的应用能力。
MEMS换能器的制作方法是：
第一步，如图2和图3所示，在SOI衬底1100上刻蚀多个空腔1101，并在每个空腔1101中填充PSG(Phospho Silicate Glass，磷硅玻璃)。图2为在衬底1100中刻蚀空腔1101的俯视图，图2中圆圈为空腔1101，圆圈中的黑色区域为填充在空腔1101中的PSG。图3为在衬底1100中刻蚀空腔1101的剖面图，在衬底1100中凹下去的区域为空腔1101，空腔1101中的黑色区域为填充在空腔1101中的PSG。
第二步，如图4和图5所示，在形成多个空腔1101后的衬底1100之上形成下电极层1210，并在下电极层1210中刻蚀多个第一子电极1211。下电极层1210的材质包括但不限于钼、钨、金、铝、铜等。在多个第一子电极1211中的每个第一子电极1211中形成一组第一孔1271，从而形成多组第一孔1271。
图4为在衬底1100上形成下电极层1210和多个第一子电极1211的俯视图。在图4中，在衬底1100之上形成下电极层1210，在下电极层1210中形成三个第一子电极1211，每个第一子电极1211的位置与一个空腔1101的位置相对应，斜条纹区域为在下电极层1210中刻蚀的三个第一子电极1211。在图4中，在每个第一子电极1211中形成一组第一孔1271，即在每个第一子电极1211中形成两个第一孔1271，在每个第一子电极1211中的两个小圆圈分别为两个第一孔1271，在小圆圈内的黑色区域为填充在空腔1101中的PSG。
图5为在衬底1100上形成下电极层1210和多个第一子电极1211的剖面图。在图5中，在衬底1100之上形成下电极层1210，在下电极层1210中形成三个第一子电极1211，每个第一子电极1211的位置与一个空腔1101的位置相对应，斜条纹区域为在下电极层1210中刻蚀的三个第一子电极1211。在图5中，在下电极层1210中的横线区域为第一孔1271，在每个第一子电极1211中形成一组第一孔1271(两个第一孔1271)，空腔1101中的黑色区域为填充在空腔1101中的PSG。
第三步，如图6和图7所示，在下电极层1210之上形成压电层1220，压电层1220的材质包括但不限于氮化铝AlN、氧化锌ZnO、锆钛酸铅PZT、PVDF等。在压电层1220中形成多组第二孔1272，多组第二孔1272的位置与多组第一孔1271的位置一一对应，即每组第二孔1272的位置对应一组第一孔1271，每组第二孔1272中的每个第二孔1272的位置对应一组第一孔1271中的第一孔1271的位置。还在压电层1220中形成每个第一子电极的下电极引脚孔1212。
图6为在下电极层1210之上形成压电层1220的俯视图。在图6中，菱格纹区域为压电层1220。在压电层1220中的黑色圆圈为第二孔1272，黑色区域为填充在空腔1101中的PSG。图6的每个第二孔1272的位置对应一个第一孔1271的位置。在压电层1220中，斜条纹的圆圈为每个第一子电极的下电极引脚孔1212。每个第一子电极的下电极引脚孔1212的作用是为后续制作每个换能器阵元1260的金属引脚1250做铺垫。
从图4和图5可知，从左往右数，第二个第一子电极1211与第三个第一子电极1211是连接在一起的。因此，在图6中，从左往右数，第二个下电极引脚孔1212是第二个第一子电极1211与第三个第一子电极1211的下电极引脚孔1212。
图7为在下电极层1210之上形成压电层1220的剖面图。在图7中，菱格纹区域为压电层1220，压电层1220形成在下电极层1210之上。在压电层1220中，空白的区域为第二孔1272。图7的每个第二孔1272的位置对应一个第一孔1271的位置，每组第一孔1271对应一组第二孔1272。在图7中，压电层1220中的斜条纹方格为每个第一子电极的下电极引脚孔1212。
第四步，如图8和图9所示，在压电层1220之上形成上电极层1230，并在上电极层1230中刻蚀多个第二子电极1231。上电极层1230的材质包括但不限于氮化铝AlN、氧化锌ZnO、锆钛酸铅PZT、PVDF等。每个第二子电极1231的位置对应一个第一子电极1211的位置。在多个第二子电极1231中的每个第二子电极1231中形成一组第三孔1273，从而形成多组第三孔1273。
图8为在压电层1220之上形成上电极层1230和多个第二子电极1231的俯视图。在图8中，菱格纹区域为压电层1220，在压电层1220之上形成上电极层1230。在上电极层1230中形成三个第二子电极1231，每个第二子电极1231的位置对应一个第一子电极1211的位置，黑白格纹区域为在上电极层1230中刻蚀的三个第二子电极1231。在每个第二子电极1231中形成一组第三孔1273，即在每个第二子电极1231中形成两个第三孔1273，每个第二子电极1231中的两个小圆圈分别为两个第三孔1273，在小圆圈内的黑色区域为填充在空腔1101中的PSG。斜条纹的圆圈为每个第一子电极的下电极引脚孔1212。
图9为在压电层1220之上形成上电极层1230和多个第二子电极1231的剖面图。在图9中，在压电层1220之上形成上电极层1230，在上电极层1230中形成三个第二子电极1231，每个第二子电极1231的位置与一个第一子电极1211的位置相对应，黑白格纹区域为在上电极层1230中刻蚀的三个第二子电极1231。在图9中，在上电极层1230中的横线区域为第三孔1273，在每个第一子电极1211中形成一组第三孔1273(两个第三孔1273)，空腔1101中的黑色区域为填充在空腔1101中的PSG。压电层1220中的斜条纹方格为每个第一子电极的下电极引脚孔1212。
第五步，如图10和图11所示，在上电极层1230之上形成钝化层1240，钝化层1240的材质包括但不限于二氧化硅SiO2、氮化铝AlN等。并在钝化层1240中形成每个第一子电极的下电极引脚孔1212和每个第二子电极的上电极引脚孔1232，以及多组第四孔1274，其中，多组第四孔1274的位置与多组第三孔1273的位置一一对应，即每组第四孔1274的位置对应一组第三孔1273，每组第四孔1274的每个第四孔1274的位置对应一组第三孔1273中的第三孔1273的位置。
图10为在上电极层1230之上形成钝化层1240的俯视图。在图10中，两个斜条纹圆圈为每个第一子电极的下电极引脚孔1212，两个黑白格纹圆圈为每个第二子电极的上电极引脚孔1232。黑色圆圈为第四孔1274，黑色为填充在空腔1101中的PSG。
根据图8和图9可知，从左往右数，第二个阵元的第二子电极1231与第三个阵元的第二子电极1231是连接在一起的。因此，在图10中，从左往右数，第二个上电极引脚孔1232是第二个阵元的第二子电极1231与第三个阵元的第二子电极1231的上电极引脚孔1232。
图11为在上电极层1230之上形成钝化层1240的剖面图。在图11中，在上电极层1230之上形成钝化层1240，在钝化层1240中形成每个第一子电极的下电极引脚孔1212和每个第二子电极的上电极引脚孔1232。在钝化层1240中，斜条纹格子为每个第一子电极的下电极引脚孔1212，黑白格纹格子为每个第二子电极的上电极引脚孔1232。还在钝化层1240中形成多组第四孔1274，钝化层1240中的白色格子为第四孔1274，每个第四孔1274的位置对应一个第三孔1273的位置。
第六步，通过每个释放孔1270释放空腔1101中的PSG，对每个换能器阵元1260的金属引脚1250进行布线，得到如图1所示的MEMS换能器。其中，通过每个第一孔1271，以及该第一孔1271对应的第二孔1272、第三孔1273和第四孔1274，形成一个释放孔1270。通过一个第一子电极1211和与该第一子电极1211的位置对应的第二子电极1231，以及压电层1220，形成一个换能器阵元1260。通过一个第一子电极的下电极引脚孔1212和该第一子电极1211的位置对应的第二子电极1231的上电极引脚孔1232，形成一个换能器阵元1260的金属引脚1250。
图12为由上述步骤制成的MEMS换能器的布线示意图。在图12中，斜条纹圆圈为每个第一子电极的下电极引脚孔1212，黑白格纹圆圈为每个第二子电极的上电极引脚孔1232，白色圆圈为释放孔1270。其中，每个下电极引脚孔1212和每个上电极引脚孔1232均表示每个换能器阵元1260的金属引脚1250。第一导线连接第一个上电极引脚孔1232，第二导线的一端连接第一个下电极引脚孔1212，第二导线的另一端连接第二个上电极引脚孔1232，第三导线连接第二个下电极引脚孔1212，形成电路。
在该电路中，第二个换能器阵元1260与第三个换能器阵元1260并联，第一个换能器阵元1260与第二个换能器阵元1260和第三个换能器阵元1260形成的整体串联。在图1中，从左往右数，第一个第一子电极1211、第一个第二子电极1231和压电层1220形成第一个换能器阵元1260，第二个第一子电极1211、第二个第二子电极1231和压电层1220形成第二个换能器阵元1260，第三个第一子电极1211、第三个第二子电极1231和压电层1220形成第三个换能器阵元1260。
在本实施例中，在MEMS工艺下，在一个MEMS芯片上完成多个换能器的串联、并联制作。通过MEMS工艺的开发，易于实现MEMS换能器中的多个换能器阵元1260的一致性，按所需位置精确布置换能器阵元1260，制成MEMS换能器，并能大大降低生产成本。还能使制成的MEMS换能器达到依不同波束角、声压级或灵敏度的需求，丰富且提升MEMS换能器的性能，提高MEMS换能器的工作效率，使其具有集成度高、精度高和体积小的优点，还使MEMS换能器具备相控扫描的应用能力。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本实施例提供一种MEMS换能器，其包括：衬底和位于所述衬底之上的薄膜结构，其中，所述薄膜结构包括多个换能器阵元，所述多个换能器阵元中的任意两个换能器阵元电连接，所述衬底包括多个空腔，所述多个空腔的位置与所述多个换能器阵元的位置一一对应。通过本实施例的MEMS换能器，实现了在一个MEMS芯片上，设计多个换能器阵元，并将多个换能器阵元按需进行排列布阵，以及将多个换能器阵元按需形成不同连接方式的电路，达到依不同波束角、声压级和灵敏度的需求，提升MEMS换能器的性能和工作效率，节约生产成本。使MEMS换能器具有集成度高、精度高和体积小的优点，还使MEMS换能器具备相控扫描的应用能力。
实施例二
基于相同的发明构思，本发明第二实施例还提供了一种MEMS换能器的制作方法，如图13所示，包括：
S201，在衬底中形成多个空腔；
S202，在形成所述多个空腔后的衬底之上形成薄膜结构，并在形成所述薄膜结构的过程中，在所述薄膜结构中形成多个换能器阵元，其中，所述多个换能器阵元中的任意两个换能器阵元电连接，所述多个空腔的位置与所述多个换能器阵元的位置一一对应。
作为一种可选的实施例，所述薄膜结构包括：下电极层、压电层和上电极层；
所述在形成所述多个空腔后的衬底之上形成薄膜结构，包括：
在所述形成所述多个空腔后的衬底之上形成所述下电极层；
在所述下电极层之上形成所述压电层；
在所述压电层之上形成所述上电极层。
作为一种可选的实施例，所述薄膜结构还包括钝化层；
在所述压电层之上形成上电极层之后，还包括：
在所述上电极层之上形成所述钝化层。
作为一种可选的实施例，在形成所述薄膜结构的过程中，在所述薄膜结构中形成多个换能器阵元，包括：
在所述形成所述多个空腔后的衬底之上形成所述下电极层之后，且在所述下电极层之上形成所述压电层之前，在所述下电极层中形成多个第一子电极；
在所述压电层之上形成所述上电极层之后，在所述上电极层中形成多个第二子电极，其中，所述多个第一子电极的位置与所述多个第二子电极的位置一一对应；
通过所述多个第一子电极和所述多个第二子电极，得到所述多个换能器阵元，其中，一个所述换能器阵元为一个所述第一子电极和与该第一子电极的位置对应的第二子电极形成的。
作为一种可选的实施例，在所述下电极层之上形成所述压电层之后，在所述压电层之上形成所述上电极层之前，还包括：
在所述压电层中形成所述多个第一子电极中的每个第一子电极的下电极引脚孔；
在所述上电极层之上形成所述钝化层之后，还包括：
在所述钝化层中形成所述每个第一子电极的下电极引脚孔和所述多个第二子电极中的每个第二子电极的上电极引脚孔；
根据一个所述第一子电极的下电极引脚孔和与该第一子电极的位置对应的第二子电极的上电极引脚孔，得到一个所述换能器阵元的金属引脚，并得到每个所述换能器阵元的金属引脚；
将所述任意两个换能器阵元通过该两个换能器阵元的金属引脚进行串联连接或并联连接。
由于本实施例所介绍的MEMS换能器的制作方法为实施本申请实施例一中MEMS换能器所采用的制作方法，故而基于本申请实施例一中所介绍的MEMS换能器，本领域所属技术人员能够了解本实施例的MEMS换能器的制作方法的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该MEMS换能器的制作方法如何实现本申请实施例一中的MEMS换能器不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本申请实施例一中MEMS换能器所采用的制作方法，都属于本申请所欲保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种MEMS换能器，其特征在于，包括：衬底和位于所述衬底之上的薄膜结构，其中，所述薄膜结构包括多个换能器阵元，所述多个换能器阵元中的任意两个换能器阵元电连接，所述衬底包括多个空腔，所述多个空腔的位置与所述多个换能器阵元的位置一一对应。
2.如权利要求1所述的MEMS换能器，其特征在于，所述薄膜结构包括：下电极层、压电层和上电极层；
所述下电极层位于所述衬底之上，所述压电层位于所述下电极层之上，所述上电极层位于所述压电层之上，其中，所述下电极层包括多个第一子下电极，所述上电极层包括多个第二子上电极，所述多个第一子上电极的位置与所述多个第二子上电极的位置一一对应，一个所述换能器阵元为一个所述第一子上电极和与该第一子电极的位置对应的第二子上电极，以及所述压电层形成的。
3.如权利要求2所述的MEMS换能器，其特征在于，所述薄膜结构还包括钝化层，以及所述多个换能器阵元中的每个换能器阵元的金属引脚；所述钝化层位于所述上电极层之上，所述每个换能器阵元的金属引脚设置在所述钝化层中。
4.如权利要求1所述的MEMS换能器，其特征在于，所述任意两个换能器阵元电连接的方式包括串联连接方式或并联连接方式。
5.如权利要求1所述的MEMS换能器，其特征在于，所述薄膜结构还包括多组释放孔，所述多组释放孔的位置与所述多个空腔的位置一一对应。
6.一种MEMS换能器的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底中形成多个空腔；
在形成所述多个空腔后的衬底之上形成薄膜结构，并在形成所述薄膜结构的过程中，在所述薄膜结构中形成多个换能器阵元，其中，所述多个换能器阵元中的任意两个换能器阵元电连接，所述多个空腔的位置与所述多个换能器阵元的位置一一对应。
7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述薄膜结构包括：下电极层、压电层和上电极层；
所述在形成所述多个空腔后的衬底之上形成薄膜结构，包括：
在所述形成所述多个空腔后的衬底之上形成所述下电极层；
在所述下电极层之上形成所述压电层；
在所述压电层之上形成所述上电极层。
8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述薄膜结构还包括钝化层；
在所述压电层之上形成上电极层之后，还包括：
在所述上电极层之上形成所述钝化层。
9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在形成所述薄膜结构的过程中，在所述薄膜结构中形成多个换能器阵元，包括：
在所述形成所述多个空腔后的衬底之上形成所述下电极层之后，且在所述下电极层之上形成所述压电层之前，在所述下电极层中形成多个第一子电极；
在所述压电层之上形成所述上电极层之后，在所述上电极层中形成多个第二子电极，其中，所述多个第一子电极的位置与所述多个第二子电极的位置一一对应；
通过所述多个第一子电极、所述多个第二子电极和所述压电层得到所述多个换能器阵元，其中，一个所述换能器阵元为一个所述第一子电极和与该第一子电极的位置对应的第二子电极，以及所述压电层形成的。
10.如权利要求9所述的制作方法，其特征在于，在所述下电极层之上形成所述压电层之后，在所述压电层之上形成所述上电极层之前，还包括：
在所述压电层中形成所述多个第一子电极中的每个第一子电极的下电极引脚孔；
在所述上电极层之上形成所述钝化层之后，还包括：
在所述钝化层中形成所述每个第一子电极的下电极引脚孔和所述多个第二子电极中的每个第二子电极的上电极引脚孔；
根据一个所述第一子电极的下电极引脚孔和与该第一子电极的位置对应的第二子电极的上电极引脚孔，得到一个所述换能器阵元的金属引脚，并得到每个所述换能器阵元的金属引脚；
将所述任意两个换能器阵元通过该两个换能器阵元的金属引脚进行串联连接或并联连接。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108704827A (zh) * | 2018-04-16 | 2018-10-26 | 天津大学 | 空气耦合式的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途 |
| CN109244232A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-01-18 | 徐景辉 | 微机电***压电换能器及制作方法 |
| CN111003684A (zh) * | 2019-03-02 | 2020-04-14 | 天津大学 | 释放孔位于封装空间内的mems器件的封装 |
| WO2021248866A1 (zh) * | 2020-06-09 | 2021-12-16 | 中芯集成电路（宁波）有限公司上海分公司 | 体声波谐振器及其制造方法、滤波器、电子设备 |
-
2022
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108704827A (zh) * | 2018-04-16 | 2018-10-26 | 天津大学 | 空气耦合式的电容式微加工超声换能器、制备方法及用途 |
| CN109244232A (zh) * | 2018-09-13 | 2019-01-18 | 徐景辉 | 微机电***压电换能器及制作方法 |
| CN111003684A (zh) * | 2019-03-02 | 2020-04-14 | 天津大学 | 释放孔位于封装空间内的mems器件的封装 |
| WO2021248866A1 (zh) * | 2020-06-09 | 2021-12-16 | 中芯集成电路（宁波）有限公司上海分公司 | 体声波谐振器及其制造方法、滤波器、电子设备 |
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