[發(fā)明專利]一種壓電發(fā)射電容感知高性能MUT單元及其制備方法

有效

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• 申請日: 2019-07-31
• 公開（公告）號: CN110523607B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發(fā)明（設計）人: 趙立波;郭帥帥;徐廷中;李支康;楊萍;李杰;趙一鶴;劉子晨;蔣莊德
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06;G01H11/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 郭瑤

本發(fā)明公開了一種壓電發(fā)射電容感知高性能MUT單元及其制備方法，將PMUT單元的超聲發(fā)射工作模式與CMUT單元的超聲接收工作模式相互結合。該MUT單元由壓電驅動環(huán)形薄膜與疊加于環(huán)形薄膜上表面的圓形電容感知薄膜組成。在超聲發(fā)射工作模式，環(huán)形薄膜基于逆壓電效應進行驅動，同時帶動疊加在其上的圓形薄膜產生活塞式振動，從而提高超聲發(fā)射指向性以及超聲輸出。在超聲接收工作模式，環(huán)形薄膜與圓形薄膜同時受到入射超聲作用產生撓度。由于圓形薄膜與環(huán)形薄膜撓度的疊加，增大了電容上極板與電容下極板之間的行程變化量，從而提高單元超聲接收靈敏度；同時，這也使得單元在超聲接收模式下能采用更低的偏置電壓工作在塌陷模式，進一步增加單元的超聲接收靈敏度。

技術領域

本發(fā)明屬于超聲換能器技術領域，具體涉及一種壓電發(fā)射電容感知高性能MUT單元及其制備方法。

背景技術

基于MEMS技術的微型超聲換能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)因具有微型化、與流體阻抗匹配特性好、可實現(xiàn)批量化制備、易于實現(xiàn)二維陣列加工以及易于與ICs集成等特點，在即時超聲成像與治療(Point of Care Diagnostics,POC)、超聲生物特征識別、3D超聲姿態(tài)識別與非接觸控制等前沿應用領域具有巨大應用潛力。微型超聲換能器主要包括電容式微加工超聲換能器(Capacitive MicromachinedUltrasonicTransducer,CMUT)和壓電式微加工超聲換能器(PiezoelectricMicromachinedUltrasonic Transducer,PMUT)兩大類。相對于CMUT，基于AlN、ZnO等壓電材料、采用彎曲振動模式的PMUT在低功耗應用領域具有突出優(yōu)勢，但由于AlN、ZnO材料的壓電系數(shù)遠小于PZT材料，導致PMUT機電耦合系數(shù)、帶寬及接收靈敏度等性能還遠落后于CMUT。雖然部分研究者通過結構設計來提高PMUT性能，但仍未獲得根本性改善。

盡管CMUT在帶寬、機電耦合系數(shù)和接收靈敏度等性能方面具有突出優(yōu)勢，然而其受制于靜電驅動模式，對其結構設計造成很大的限制，同時也限制了其在發(fā)射靈敏度方面的提高。因此基于MEMS技術的微型超聲換能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)在即時超聲成像與治療、超聲生物特征識別、3D超聲姿態(tài)識別與非接觸控制等前沿技術領域仍面臨亟待解決的技術難題：

(1)即時超聲成像、3D超聲姿態(tài)識別等技術要求超聲換能器具有低工作電壓、低功耗和便攜性。例如，超聲指紋識別技術需要超聲換能器的功耗在mW甚至更低級別，以便與手機等電子器件集成使用后降低整機功耗，提高待機時間，而目前常規(guī)的CMUT工作電壓大、功耗高，工作時所需加載的高直流偏置電壓(幾十至幾百伏不等)限制了其在便攜式、低功耗以及長期在線檢測方面的應用；

(2)理想的超聲換能器應同時具有很好的超聲波發(fā)射和超聲波接收性能。但目前常規(guī)的PMUT所適用壓電材料性能限制了其接收靈敏度的提高。

發(fā)明內容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種壓電發(fā)射電容感知高性能MUT單元及其制備方法，降低了MUT單元的工作電壓，提高單元超聲接收靈敏度。

為達到上述目的，本發(fā)明一種壓電發(fā)射電容感知高性能MUT單元，包括電容感知模塊與壓電發(fā)射模塊，所述電容感知模塊包括電容上極板和設置在電容上極板下方的電容下極板，所述電容上極板和電容下極板之間具有電容感知空腔，所述電容下極板覆蓋在壓電發(fā)射模塊上表面；所述壓電發(fā)射模塊包括自上至下依次設置的驅動膜結構層，驅動膜壓電層，薄膜鍵合層，支柱和基底，所述基底上端面設置有支柱和凸起，所述支柱和凸起上覆蓋有薄膜鍵合層，所述薄膜鍵合層中嵌設有壓電膜下電極；

支柱、基底、凸起以及薄膜鍵合層圍合形成壓電發(fā)射空腔，所述壓電發(fā)射空腔上方的驅動膜結構層與驅動膜壓電層的懸空部分組成環(huán)形振動薄膜；

所述電容上極板的直徑大于環(huán)形振動薄膜的內徑，且小于環(huán)形振動薄膜的外徑。