[發(fā)明專利]一種高機(jī)電耦合系數(shù)CMUT及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811033960.2
• 申請(qǐng)日: 2018-09-05
• 公開（公告）號(hào): CN109092650B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李支康;蔣莊德;徐廷中;李杰;趙一鶴;羅國希;郭帥帥;趙立波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B06B1/02
• 分類號(hào): B06B1/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

本發(fā)明公開了一種高機(jī)電耦合系數(shù)CMUT及其制備方法，該CMUT針對(duì)常規(guī)CMUT中等面積支柱區(qū)域電容大于等面積空腔區(qū)域電容而導(dǎo)致寄生電容大、機(jī)電耦合系數(shù)小的問題，通過上電極絕緣層厚度的方波形設(shè)計(jì)使得位于支柱區(qū)域上側(cè)的上電極之間的電極連線和上電極焊盤高于位于空腔區(qū)域上側(cè)的上電極，并采用相對(duì)介電常數(shù)小的絕緣材料為支柱材料，相對(duì)介電常數(shù)大的絕緣材料為下電極絕緣材料，且使支柱與下電極絕緣層的厚度滿足一定的比例關(guān)系，從而可有效增大支柱區(qū)域上下電極之間的等效電極距離，減小該區(qū)域寄生電容，提高CMUT機(jī)電耦合系數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及MEMS超聲換能器技術(shù)，特別涉及一種高機(jī)電耦合系數(shù)CMUT及其制備方法。

背景技術(shù)

電容式微加工超聲換能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer，CMUT)是采用微加工技術(shù)制備的微型超聲換能器，用于超聲波的發(fā)射和接收，是實(shí)現(xiàn)基于超聲檢測(cè)技術(shù)的各種工程應(yīng)用的核心元器件，是超聲檢測(cè)技術(shù)的重要研究方向。由于相對(duì)于基于PZT壓電材料的傳統(tǒng)超聲換能器，CMUT具有體積小、與流體阻抗匹配性好、帶寬寬(分?jǐn)?shù)帶寬高達(dá)175％)、工作溫度范圍寬(最高工作溫度可達(dá)500℃)、可批量化制造、易于制備二維陣列以及易于與電路集成等優(yōu)點(diǎn)，因而迅速成為研究熱點(diǎn)。佐治亞理工學(xué)院J.Knigh等人制備了不同尺寸的CMUT芯片,并研究了其在液體中應(yīng)用時(shí)的阻抗、頻率及帶寬等特性。美國通用電氣公司D.M.Mills等人開發(fā)了諧振頻率為3MHz-13MHz的一維CMUT線陣，利用該線陣對(duì)肌肉組織進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，成像分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)的壓電超聲換能器。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，CMUT已廣泛應(yīng)用人體組織成像、水下超聲以及超聲治療等方面的實(shí)驗(yàn)研究，其可行性以及相比于傳統(tǒng)壓電超聲換能器在帶寬、二維陣列加工以及與ICs集成方面的優(yōu)勢(shì)得到很好驗(yàn)證，隨著設(shè)計(jì)、制備及封裝等技術(shù)的不斷進(jìn)步，CMUT將逐漸取代傳統(tǒng)壓電超聲換能器，走向商業(yè)化應(yīng)用。

CMUT是一種采用靜電激勵(lì)、電容檢測(cè)的微型超聲換能器，其性能極易受到寄生電容的影響。寄生電容主要來源于支柱區(qū)域上下電極間的電容以及焊盤處電極連線引起的電容。寄生電容越大，CMUT機(jī)電耦合系數(shù)越小，對(duì)檢測(cè)電路要求越高，電路設(shè)計(jì)越復(fù)雜。如何有效減小CMUT寄生電容，提高機(jī)電耦合系數(shù)是CMUT研究中需要解決的重要問題之一。針對(duì)這些問題，香港理工大學(xué)C.-H.Cheng等人分別設(shè)計(jì)了曲面下電極以及曲面薄膜以減小寄生電容、提高機(jī)電耦合系數(shù)。中北大學(xué)薛晨陽等人采用圖形化底部電極以及將振動(dòng)薄膜與上電極金屬層完全隔離的方法來減小寄生電容。還有部分研究者通過在基底上設(shè)置貫穿整個(gè)基底的通孔電極的方法來減小電極引線引起的寄生電容。雖然上述方法可起到減小寄生電容、提高機(jī)電耦合系數(shù)的作用，但其制備工藝復(fù)雜，工藝可行性差，很難保證陣列中單元芯片結(jié)構(gòu)和性能的一致性，反而會(huì)影響器件整體性能，因此，目前的CMUT無法在保證工藝簡(jiǎn)單、可行的條件下有效減小寄生電容，提高機(jī)電耦合系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)難題，本發(fā)明提出一種高機(jī)電耦合系數(shù)CMUT及其制備方法，本發(fā)明的高機(jī)電耦合系數(shù)CMUT能夠減小寄生電容、提高機(jī)電耦合系數(shù)，并且本發(fā)明高機(jī)電耦合系數(shù)CMUT的制備工藝相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)來說比較簡(jiǎn)單。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高機(jī)電耦合系數(shù)CMUT，包括振動(dòng)薄膜、空腔、支柱、下電極絕緣層、下電極和上電極，空腔沿支柱高度方向貫穿支柱，振動(dòng)薄膜、支柱和下電極自上而下依次設(shè)置并一道將空腔密封，下電極上表面在空腔對(duì)應(yīng)的區(qū)域設(shè)置下電極絕緣層；

支柱采用絕緣材料，支柱的高度d_p、支柱的相對(duì)介電常數(shù)ε_rp、下電極絕緣層的高度d_i和下電極絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)ε_ri滿足以下關(guān)系：