RU217945U1

RU217945U1 - Multi-frequency array of ultrasonic transducers

Info

Publication number: RU217945U1
Application number: RU2023107060U
Authority: RU
Inventors: Софья Владимировна Малохатко; Евгений Юрьевич Гусев; Олег Алексеевич Агеев
Filing date: 2023-03-24
Publication date: 2023-04-25

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области микросистемной техники, а конкретно к ультразвуковым датчикам. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей. Технический результат достигается тем, что в предлагаемой матрице пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей одинаковые мембраны квадратной формы зафиксированы на подложке разным количеством подвесов, что позволяет обеспечить широкий диапазон рабочих частот датчика, при этом, не усложняя процесс проектирования фотошаблонов и схемы обработки сигналов. 2 ил.

The proposed utility model relates to the field of microsystem technology, and specifically to ultrasonic sensors. The technical result consists in expanding the range of operating frequencies of the array of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers. The technical result is achieved by the fact that in the proposed matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers, the same square-shaped membranes are fixed on the substrate with a different number of suspensions, which makes it possible to provide a wide range of sensor operating frequencies, while not complicating the process of designing photomasks and signal processing circuits. 2 ill.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области микросистемной техники, а конкретно к ультразвуковым датчикам. The proposed utility model relates to the field of microsystem technology, and specifically to ultrasonic sensors.

Известен аналог заявляемого объекта двухчастотная матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей [Lifang Liu, Weiliang Ji, Zhanqiang Xing, Xiangyu Sun, Yu Chen, Yijia Du, Feng Qin. A dual-frequency piezoelectric micromachined ultrasound transducer array with low inter-element coupling effects // Journal of Micromechanics and Microengineering, 2021, 31, 045005], содержащая матрицу многослойных жёсткозакрепленных мембран круглой формы с разными диаметрами, состоящую из полупроводниковой подложки (кремний на изоляторе), металлических электродов (платина) и пьезоэлектрического слоя между ними (цирконат-титанат свинца).Known analogue of the claimed object dual-frequency matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers [Lifang Liu, Weiliang Ji, Zhanqiang Xing, Xiangyu Sun, Yu Chen, Yijia Du, Feng Qin. A dual-frequency piezoelectric micromachined ultrasound transducer array with low inter-element coupling effects // Journal of Micromechanics and Microengineering, 2021, 31, 045005], containing a matrix of multilayer rigidly fixed round-shaped membranes with different diameters, consisting of a semiconductor substrate (silicon on an insulator ), metal electrodes (platinum) and a piezoelectric layer between them (lead zirconate-titanate).

Данная матрица преобразователей позволяет датчику работать на двух частотах.This matrix of transducers allows the sensor to operate at two frequencies.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: полупроводниковая подложка, металлические электроды и пьезоэлектрический слой.Signs of analogue, coinciding with the essential features of the claimed object, are: a semiconductor substrate, metal electrodes and a piezoelectric layer.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование круглых мембран разного диаметра, что приводит к усложнению схемы обработки сигналов в связи с тем, что у мембран с разными диаметрами разные значения ёмкости электрических преобразователей, а также приводит к усложнению процесса проектирования фотошаблонов для изготовления матрицы мембран.The reasons hindering the achievement of the technical result are: the use of round membranes of different diameters, which leads to a complication of the signal processing circuit due to the fact that membranes with different diameters have different values of the capacitance of electrical transducers, and also leads to a complication of the process of designing photomasks for manufacturing a matrix membranes.

Известен аналог заявляемого объекта матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей с несколькими рабочими частотами [US 20200156109 A1], содержащая матрицу многослойных жёсткозакреплённых изогнутых мембран круглой формы с разными диаметрами, состоящую из полупроводниковой подложки, металлических электродов и пьезоэлектрического слоя между ними.An analogue of the claimed object is a matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers with several operating frequencies [US 20200156109 A1], containing a matrix of multilayer rigidly fixed round curved membranes with different diameters, consisting of a semiconductor substrate, metal electrodes and a piezoelectric layer between them.

Данная матрица преобразователей позволяет работать датчику как на низких, так и на высоких частотах.This matrix of transducers allows the sensor to operate at both low and high frequencies.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование в качестве конструкции мембран форму купола, что приводит к усложнению технологии изготовления матрицы преобразователей, использование мембран разного диаметра, что может приводить к усложнению схемы обработки сигналов в связи с тем, что у мембран с разными диаметрами разные значения ёмкости электрических преобразователей, а также может приводить к усложнению процесса проектирования фотошаблонов для изготовления матрицы мембран.The reasons hindering the achievement of the technical result are: the use of a dome shape as a design of membranes, which leads to a complication of the manufacturing technology of the transducer matrix, the use of membranes of different diameters, which can lead to the complication of the signal processing circuit due to the fact that membranes with different diameters different capacitance values of electrical transducers, and can also complicate the process of designing photomasks for manufacturing a membrane matrix.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических акустических и ультразвуковых преобразователей [US 20200358420 A1], содержащая матрицу многослойных мембран круглой формы на подвесах, состоящих из полупроводниковой подложки (кремний на изолятор), металлических электродов (алюминий) и пьезоэлектрического слоя (нитрид алюминия).Of the known closest in technical essence to the claimed object is a matrix of piezoelectric microelectromechanical acoustic and ultrasonic transducers [US 20200358420 A1], containing a matrix of multilayer round-shaped membranes on suspensions, consisting of a semiconductor substrate (silicon on an insulator), metal electrodes (aluminum) and a piezoelectric layer (aluminum nitride).

Данная матрица преобразователей позволяет работать устройству на одной частоте.This matrix of transducers allows the device to operate at a single frequency.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: тип крепления мембран с помощью подвесов, полупроводниковая подложка, металлические электроды и пьезоэлектрический слой.Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed object, are: the type of attachment of membranes with suspensions, a semiconductor substrate, metal electrodes and a piezoelectric layer.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование одинаковых мембран круглой формы с фиксированным количеством подвесов, что приводит к работе датчика в узком диапазоне частот.The reasons hindering the achievement of the technical result are: the use of the same round membranes with a fixed number of suspensions, which leads to the operation of the sensor in a narrow frequency range.

Технический результат полезной модели – увеличение диапазона рабочих частот матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей с одинаковыми значениями собственной ёмкости. Это достигается за счёт применения одинаковых мембран квадратной формы, зафиксированных на подложке разным количеством подвесов, что позволяет матрице работать в широком диапазоне частот при одинаковых значениях ёмкости электрических преобразователей. The technical result of the utility model is an increase in the operating frequency range of a matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers with the same self-capacitance values. This is achieved through the use of identical square-shaped membranes fixed on the substrate with a different number of suspensions, which allows the matrix to operate in a wide frequency range at the same capacitance values of electrical converters.

Для достижения необходимого технического результата в многочастотную матрицу пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей, состоящую из полупроводниковой подложки, изоляционного слоя, нижнего металлического слоя, пьезоэлектрического слоя и верхнего металлического слоя, мембраны имеют квадратную форму, одинаковые геометрические параметры и зафиксированы на подложке разным количеством подвесов, таким образом, что каждая строка матрицы состоит из мембран с одинаковым количеством подвесов, тогда как каждый столбец матрицы состоит из мембран с разным количеством подвесов.To achieve the required technical result in a multi-frequency matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers, consisting of a semiconductor substrate, an insulating layer, a lower metal layer, a piezoelectric layer and an upper metal layer, the membranes have a square shape, the same geometric parameters and are fixed on the substrate with a different number of suspensions, thus that each row of the matrix consists of membranes with the same number of suspensions, while each column of the matrix consists of membranes with a different number of suspensions.

Спроектирована матрица одинаковых квадратных мембран с фиксированными геометрическими параметрами (длина стороны и толщина мембраны) зафиксированных на подложке подвесами. Мембраны зафиксированы по углам и по каждой стороне подвесами с размерами, позволяющими расположить их максимальное количество, с учётом шага между ними равного половине ширины подвеса. На этапе создания фотошаблона для дальнейшего изготовления предлагаемой матрицы все элементы матрицы идентичные, что позволяет упростить проектирование фотошаблона. Для расширения диапазона рабочих частот после изготовления матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей для каждой строки матрицы, кроме первой, подвесы удаляются симметрично с каждой стороны с помощью любого доступного метода микроэлектронной технологии. В последней строке удаляются все подвесы, кроме угловых. Таким образом, в конечном варианте конструкции каждая строка матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей состоит из мембран с одинаковым количеством подвесов, тогда как в каждом столбце матрицы мембраны имеют разное количество подвесов, что позволяет расширить диапазон рабочих частот, но при этом сохранить одинаковые значения ёмкости электрических преобразователей за счёт фиксированных размеров квадратных мембран.A matrix of identical square membranes with fixed geometrical parameters (side length and membrane thickness) fixed on the substrate by hangers is designed. The membranes are fixed at the corners and on each side by hangers with dimensions that allow them to be placed as much as possible, taking into account the step between them equal to half the width of the hanger. At the stage of creating a photomask for further manufacturing of the proposed matrix, all elements of the matrix are identical, which makes it possible to simplify the design of the photomask. To expand the operating frequency range after the fabrication of the matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers for each row of the matrix, except for the first, the suspensions are removed symmetrically from each side using any available method of microelectronic technology. In the last line, all hangers are removed, except for the corner ones. Thus, in the final version of the design, each row of the matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers consists of membranes with the same number of suspensions, while in each column of the matrix the membranes have a different number of suspensions, which allows expanding the operating frequency range, but at the same time maintaining the same capacitance values of electrical transducers due to the fixed dimensions of the square membranes.

На фиг. 1 приведено изображение матрицы пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей, состоящей из одинаковых мембран квадратной формы 1, зафиксированных на подложке разным количеством подвесов 2. На фиг. 2 изображено сечение одной мембраны.In FIG. 1 shows an image of a matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers, consisting of identical square-shaped membranes 1, fixed on a substrate with a different number of suspensions 2. FIG. 2 shows a cross section of one membrane.

Приведенная на фиг.1 матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей состоит из 49 элементов. Каждая строка работает на одной частоте, тогда как столбцы различны по этому параметру. Матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей включает в себя одинаковые мембраны квадратной формы с разным количеством подвесов и состоит из полупроводниковой подложки 3, изоляционного слоя 4, нижнего металлического слоя 5, пьезоэлектрического слоя 6 и верхнего металлического слоя 7 (фиг. 2).Shown in figure 1 matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers consists of 49 elements. Each row operates at the same frequency, while the columns are different in this parameter. The matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers includes identical square-shaped membranes with a different number of suspensions and consists of a semiconductor substrate 3, an insulating layer 4, a lower metal layer 5, a piezoelectric layer 6 and an upper metal layer 7 (Fig. 2).

Работает матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей следующим образом.The matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers works as follows.

При воздействии ультразвуковой волны на матрицу пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей максимальная амплитуда колебаний происходит у мембран, у которых резонансная частота совпадает с частотой воздействующей ультразвуковой волны. Далее пьезоэлектрический материал под воздействием механического прогиба генерирует на поверхности ЭДС, который передается через верхний металлический слой в систему обработки сигналов. When an ultrasonic wave is applied to a matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers, the maximum oscillation amplitude occurs at membranes whose resonant frequency coincides with the frequency of the acting ultrasonic wave. Further, the piezoelectric material, under the influence of mechanical deflection, generates an EMF on the surface, which is transmitted through the upper metal layer to the signal processing system.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемая матрица пьезоэлектрических микроэлектромеханических ультразвуковых преобразователей позволяет расширить диапазон рабочих частот, при этом, не усложняя схему обработки сигналов, что обусловлено одинаковыми значениями ёмкости преобразователей.Thus, in comparison with similar devices, the proposed matrix of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers allows to expand the operating frequency range, while not complicating the signal processing circuit, which is due to the same capacitance values of the transducers.

Claims

A multi-frequency array of piezoelectric microelectromechanical ultrasonic transducers, consisting of a semiconductor substrate, an insulating layer, a lower metal layer, a piezoelectric layer and an upper metal layer, characterized in that the membranes have a square shape, the same geometric parameters and are fixed on the substrate with a different number of suspensions, so that each row of the matrix consists of membranes with the same number of suspensions, while each column of the matrix consists of membranes with a different number of suspensions.