CN107812691B - 压电超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电超声换能器及其制备方法，所述压电超声换能器包括中心设有空腔的基底、固定在所述基底上的振膜、与所述振膜相连的压电膜，所述压电膜包括靠近所述振膜的第一表面及远离所述振膜的第二表面，所述压电超声换能器还包括设置于所述第一表面的第一电极及设置于所述第二表面的第二电极，所述振膜靠近所述基底一侧的表面设置有质量块，所述质量块置于所述基底的空腔中。本发明的压电超声换能器可以提高产品的声压。
Description
技术领域
本发明涉及超声传感器领域，尤其涉及一种压电超声换能器及其制备方法。
背景技术
超声传感器在社会生产生活中具有广泛的应用，包括超声加工、超声定位、超声探测、超声成像等各方面。作为电能和机械能相互转换的器件，超声换能器是超声传感器的重要组成部件。传统的超声换能器通常基于机械加工制成，因而具有体积较大，加工精度较低，加工成本较高，难以形成阵列结构等缺点。基于MEMS(MicroelectromechanicalSystems，微机电系统)技术的超声换能器因采用微电子工艺加工而成，直径尺寸可降低到微米级别，谐振频率可达到几百兆赫兹，较高的谐振频率大幅增加了成像和探测的精度。另外，由MEMS工艺加工成的超声换能器单元可组成大规模阵列，单元一致性较好，便于运用相位控制技术实现超声波束的聚焦、离散、定向扫描等功能，大大增强了超声技术应用的灵活性。
目前的MEMS超声换能器主要有电容式和压电式两种，其中MEMS电容式超声换能器由上下两个电极板构成，通过电极板之间的静电力驱动，具有机电耦合系数较大、谐振频率较高的优点，但是也存在驱动电压较高、受寄生电容影响较大、电学输出阻抗较大难以匹配、接收效率和发射效率难以兼顾等缺点；与电容式超声换能器相比，压电式超声换能器由压电膜、振动层及上下金属电极构成，具有驱动电压低、输出阻抗低、发射接收效率兼顾等优点，因此在很多场合得到了应用。但是由于换能器工作时先依靠压电层产生横向应变，再经过振动层的协助转换成垂直于衬底方向的纵向形变，整个过程的机电耦合系数较低，电能和机械能的转换效率较低，限制了超声传感器的声压输出。因此如何提高MEMS压电式超声换能器的声压输出，是本领域急需解决的技术问题。
因此，实有必要提供一种新的压电超声换能器解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种压电超声换能器可以提高声压的输出。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种压电超声换能器，包括中心设有空腔的基底、固定在所述基底上的振膜、与所述振膜相连的压电膜，所述压电膜包括靠近所述振膜的第一表面及远离所述振膜的第二表面，所述压电超声换能器还包括设置于所述第一表面的第一电极及设置于所述第二表面的第二电极，所述振膜靠近所述基底一侧的表面设置有质量块，所述质量块置于所述基底的空腔中。
优选的，所述质量块与所述振膜为一体结构。
优选的，所述质量块和振膜由同种材料制成。
优选的，所述质量块设置于所述振膜的中央。
优选的，所述第二电极的尺寸小于所述振膜的尺寸。
优选的，所述基底采用硅、蓝宝石、陶瓷、玻璃或聚合物中的任意一种制备而成。
优选的，所述振膜采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物中的任意一种制备而成。
优选的，所述压电膜采用氮化铝、氧化锌、或锆钛酸铅中的任意一种制备而成。
优选的，所述第一电极、第二电极采用钼、铂或铝中的任意一种导电材料制备而成。
为解决上述问题，本发明还提供一种如上所述的压电超声转换器的制备方法，其包括如下步骤：
提供基底基材，所述基底基材包括上表面和下表面，在所述基底基材刻蚀由上表面向下表面凹陷的凹槽；
提供振膜基材，在所述基底基材的上表面沉积振膜基材，将部分振膜基材沉积至所述基底基材的凹槽中以形成质量块基材；
将所述基底基材的上表面上的振膜基材的表面进行减薄处理；
在振膜基材的表面依次制备第一电极、压电膜及第二电极；
刻蚀基底基材的下表面以形成空腔，并且释放位于基底基材的上表面的振膜基材以形成振膜，释放质量块基材以形成质量块。
相较于现有技术，本发明的压电超声换能器包括振膜和与振膜相连的压电膜，振膜靠近所述基底一侧的表面设置有质量块。由于设置了质量块，使得振膜在振动过程中振动形状为活塞状，相对于传统的具有四边固支振膜的压电超声换能器，这种结构由于振膜的弹性系数具有非均匀性，换能器的动态振动范围得到了增大，振动时的有效区域面积也得到了增大，两种效果的叠加最终增大了压电超声传感器的声压输出。
附图说明
图1为本发明压电超声换能器的结构示意图；
图2为本发明压电超声换能器制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施方式的压电超声换能器，包括基底1、固定在基底1上的振膜2以及与振膜2连接的压电膜4。基底1中心设置有空腔10，振膜2固定在基底1上并覆盖空腔10。
压电膜4包括靠近振膜2的第一表面41及远离振膜2的第二表面42。电极为贴设在压电膜4上的电极板，具体的，包括贴设在压电膜4的第一表面41上的第一电极5和设置在第二表面42上的第二电极6。
第一电极5在振膜2上的投影面积小于振膜2。第二电极6和压电膜4均与振膜2的轮廓相一致。
振膜2靠近所述基底1一侧的表面设置有质量块3，所述质量块3置于所述基底1的空腔10中。质量块3设置在振膜2靠近空腔10的一侧表面的中央，且质量块3位于空腔10内。质量块3与振膜2为一体结构，具体在本实施方式中，质量块3为在振膜2上通过回流填充工艺加工而成的。
在振膜2的中心区域增加质量块3，使振膜2的弹性系数产生非均匀性改变，振膜2的振动形态由传统的高斯分布转换成活塞式分布，具有更大的动态振动范围和声压输出面积，进一步增大了压电超声传感器的声压输出。质量块3和振膜2由同种材料在同一步工艺中制成，因此相比于传统的带质量块压电超声换能器具有更好的机械可靠性。
质量块3可以为立方体、半球体、长方体、弧形曲面体中的任意一种结构，只要能够起到增加复合振膜中间部分的重量，改良复合振膜的振动形态分布，即是可以实施的。
基底1的制备材料可以采用硅、蓝宝石、陶瓷、玻璃或聚合物等，优选的，在本实施方式中，为硅基底；振膜2的制备材料可以采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物等，具体在本实施方式中，为二氧化硅；压电膜4的制备材料可以采用AlN(氮化铝)、ZnO(氧化锌)或PZT(piezoelectric ceramic transducer，锆钛酸铅压电陶瓷)；电极的制备材料采用Mo(钼)、Pt(铂)或Al(铝)，其中第一电极5和第二电极6可以采用相同的材料制备，也可以采用不同的材料制备。
如图2所示，为本发明压电超声换能器的制备方法，具体包括如下步骤：
a.提供硅材料制备的基底基材1a，先分别用酸性清洗液和碱性清洗液清洗基底基材1a，之后再用去离子水将基底基材1a冲洗干净；接着利用低压化学气相沉积设备在基底基材正面沉积厚度为5～10μm的二氧化硅作为掩膜层，在基底基材1a正面上涂光刻胶，光刻曝光，在需要刻蚀凹槽的地方形成光刻图形，将显影烘干后的硅基底放入二氧化硅腐蚀液，湿法刻蚀出需要的掩膜窗口，完成后将基底基材1a放入干法深硅刻蚀设备中刻蚀出2-100μm深度的凹槽1a1；
b.提供振膜基材2a，将清洗后的振膜基材2a与带有凹槽的基底基材1a放入键合机进行阳极键合，键合温度为300到500摄氏度，优选为400摄氏度，键合电压1000V，键合时腔体内保持高真空状态；所述振膜基材采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物中的任意一种制备而成；
c.将键合后的基底基材1a和振膜基材2a放入高温炉中进行回流，回流温度为800-950摄氏度，炉内冲入氮气，回流时间为2小时，回流完成后先进行快速降温再自然冷却降温，以使得振膜基材2a沉积至基底基材1a的凹槽1a1中以形成质量块基材3a；
d.利用机械减薄设备将振膜基材2a进行减薄，减薄到基底基材1a正面(即靠近振膜基材的表面)的振膜基材的厚度为1～20μm，然后将基底基材1a的背面(即远离振膜基材的表面)进行机械减薄以达到释放应力的目的，直至背面获得平整表面，接着将正面的基底基材进行化学机械抛光，使振膜基材1a的表面粗糙度降低到1～3nm；
e、利用真空蒸镀设备或溅射设备在振膜基材上制备0.01～1μm厚度的Mo复合层，形成Cr/Au复合层；或者利用真空蒸镀设备或溅射设备在振膜基材上依次制备0.01～0.1μm厚度的Ti和Pt层，形成Ti/Pt复合层，利用图形化技术对所述Mo复合层或Ti/Pt复合层进行图形化制得图形化的第一电极，完成第一电极5的制备；
f、在第一电极32的表面上利用真空蒸镀设备或溅射设备制备0.01～2μm厚度的AlN压电材料层4a，接着涂光刻胶，光刻曝光，形成光刻图形，用腐蚀液腐蚀形成所需图形的压电膜，去除残余光刻胶，完成压电膜4的制备；
g、在压电膜4上涂光刻胶，光刻曝光，形成第一电极反图形，再依次真空蒸镀或磁控溅射0.01～1μm厚度的Mo层；或利用真空蒸镀设备或溅射设备制备0.01～1μm厚度的Al或Pt层，用丙酮去光刻胶，完成第二电极6的制备；
h、使用光刻胶将基底基材1a的正面保护起来，接着再在基底基材1a的背面涂覆光刻胶，光刻曝光，在需要刻蚀空腔的区域形成光刻图形，光刻胶的厚度为10μm以上，显影烘干后放入干法深硅刻蚀设备中进行背面空腔的刻蚀，刻蚀到达振膜基材2a和质量块基材3a后自动停止，以形成具有空腔10的基底1，并且释放振膜基材2a以形成振膜2，释放质量块基材3a以形成质量块3。
相较于现有技术，本发明的压电超声换能器的振膜2靠近所述空腔10的一侧表面设置有质量块3，所述质量块3与所述振膜2为一体成型结构。由于设置了质量块3，使得振膜2在振动过程中振动形状为活塞状，相对于传统的具有四边固支振膜2的压电超声换能器，振膜2的弹性系数具有非均匀性，换能器的动态振动范围得到了增大，振动时的有效区域面积也得到了增大，两种效果的叠加最终增大了压电超声换能器的声压输出。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种压电超声换能器，包括中心设有空腔的基底、固定在所述基底上的振膜、与所述振膜相连的压电膜，所述压电膜包括靠近所述振膜的第一表面及远离所述振膜的第二表面，所述压电超声换能器还包括设置于所述第一表面的第一电极及设置于所述第二表面的第二电极，其特征在于，所述振膜靠近所述基底一侧的表面设置有质量块，所述质量块置于所述基底的空腔中，所述质量块设置于所述振膜的中央。
2.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述质量块与所述振膜为一体结构。
3.根据权利要求2所述的压电超声换能器，其特征在于，所述质量块和振膜由同种材料制成。
4.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第二电极的尺寸小于所述振膜的尺寸。
5.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述基底采用硅、蓝宝石、陶瓷、玻璃或聚合物中的任意一种制备而成。
6.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述振膜采用二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物中的任意一种制备而成。
7.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述压电膜采用氮化铝、氧化锌、或锆钛酸铅中的任意一种制备而成。
8.根据权利要求1所述的压电超声换能器，其特征在于，所述第一电极、第二电极采用钼、铂或铝中的任意一种导电材料制备而成。
9.一种如权利要求1所述的压电超声换能器的制备方法，其包括如下步骤：
提供基底基材，所述基底基材包括上表面和下表面，在所述基底基材刻蚀由上表面向下表面凹陷的凹槽；
提供振膜基材，在所述基底基材的上表面沉积振膜基材，将部分振膜基材沉积至所述基底基材的凹槽中以形成质量块基材；
将所述基底基材的上表面上的振膜基材的表面进行减薄处理；
在振膜基材的表面依次制备第一电极、压电膜及第二电极；
刻蚀基底基材的下表面以形成空腔，并且释放位于基底基材的上表面的振膜基材以形成振膜，释放质量块基材以形成质量块。
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