中心支撑底电极的微机械超声换能器

1.本发明属于微机械技术领域，具体涉及一种微机械超声换能器。


背景技术：

2.由于使用电离辐射、需要转移患者、成本高和设备笨重等原因，磁共振成像、计算机断层扫描和正电子发射断层扫描等传统生物医学成像技术不适合在人体上重复多次使用。与大多数临床生物医学成像技术不同，超声是一种非常安全、无离辐射、价格相对低廉、可用于便携式和实时筛查的技术手段，广泛适用于全球临床环境。其工作原理简单，涉及声波反射，可提供成像组织区域的解剖图。
3.由于微机电系统（mems）的出现，超声传感技术受益匪浅。这主要是因为mems技术允许传感器微型化和集成化。基于微机械技术加工的超声收发一体传感器通常被称为微机械超声换能器（micromachinedultrasonictransducer, mut）。mut通常以一个位于空腔上方的薄膜结构为主要特征，其产生超声波依赖于薄膜的弯曲振动。在其发射模式下，通过外部的电信号激励，由于压电或者静电效应，振动薄膜可以产生高频振动，机械能传递到与其相邻的介质中，产生超声波。在其接收模式下，在放置换能器的介质中传播的超声波的声能引起薄膜振动，转换为机械能，进而发生容易被检测到的电信号。
4.在几种类型的mut中，使用压电效应驱动的压电式微机械超声换能器（piezoelectricmicromachinedultrasonic transducer,pmut）和使用静电力驱动的电容式微机械超声换能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer,cmut）被广泛研究。与广泛使用的锆钛酸铅压电陶瓷（pzt）超声换能器相比，目前的mut结构还有待实现发射声压和接收灵敏度瓶颈的突破。


技术实现要素：

5.本发明的目在提供一种中心支撑底电极的微机械超声换能器（mut），以提升mut的发射声压和接收灵敏度，并获得更大的中心频率可调范围。
6.本发明提供的微机械超声换能器，是由微机械超声换能器单元进行延拓形成的二维阵列；微机械超声换能器单元结构包括自上而下设置的：衬底1、中心支撑2、边缘支撑3、空腔4、可弯曲底电极5、振动膜6和顶电极7，参见图1和图2所示。其中：所述中心支撑2和边缘支撑3固定于衬底上；边缘支撑3位于衬底边缘周围，用于支撑振动膜6；中心支撑2位于衬底的中心部分，用于支撑起可弯曲底电极5；所述空腔4由边缘支撑3和振动膜6合围而成，所述可弯曲底电极5位于空腔4内部，其边缘与缘支撑3有间距，其平面与振动膜6之间具有间距；即可弯曲底电极5与振动膜6上下均有运动（振动）空间；所述顶电极7位于振动膜6上方，面积通常小于等于振动膜6；可弯曲底电极5与顶电极7构成电极对；顶电极7和振动膜6的形变基本同步。
7.本发明设计的超声换能器，其工作原理为：在可弯曲底电极5和顶电极7之间施加直流偏置电压，会受到静电力作用。在静电力的作用下，可弯曲底电极5和振动膜6将产生形变，彼此间距离减小。在可弯曲底电极5和顶电极7之间施加交流小信号电压，可弯曲底电极5和振动膜6将产生振动。该振动将导致声波的产生。反之，外来声波也可导致振动膜6的振动，从而改变弯曲底电极5和振动膜6之间的距离，产生可被检测的电信号变化。由此，换能器实现声能与电能的相互转换。
8.进一步地，本发明中：所述换能器单元整体为圆形或长方形，相应地，其组成部件衬底1、中心支撑2、可弯曲底电极5、振动膜6和顶电极7均呈圆形或均为长方形。
9.所述衬底1厚度通常为200～500μm，以提供足够的机械支撑，其材料通常是硼硅玻璃或者硅。
10.所述中心支撑2和所述可弯曲底电极5通常为导电掺杂的硅构成。所述中心支撑2的高度通常为1～5μm，其形状是半径10～50μm的圆柱或者是长20～100μm、宽2～10μm的长方体墙。所述可弯曲底电极5厚度通常为1～5μm，其形状是半径10～50μm的圆形薄膜或者是长20～100μm、宽20～100μm的方形薄膜，其尺寸往往大于中心支撑2。
11.所述边缘支撑3和所述振动膜6通常为硅或者二氧化硅构成。所述边缘支撑3的内径大于可弯曲底电极5，通常为10～50μm，其顶部为振动膜6，与可弯曲底电极5的间隙高度通常为为0.01～1μm，以提供较大的有效电容。所述振动膜6的厚度通常为1～5μm。
12.所述顶电极7通常为金属，其半径小于等于振动膜6，厚度为300-500nm。
13.所述可弯曲底电极5通过中心支撑2锚定在衬底1上，其边缘可做大幅度形变。所述振动膜6被边缘支撑3所束缚，其形变以中心部位为主。
14.本发明的微机械超声换能器，工作时需要施加直流偏置电压，导致振动膜6和可弯曲底电极5发生弯曲，间距减小。由于底电极的可弯曲性，本发明提出的结构可以在同等直流偏置电压下，实现更小的空腔高度，进而实现高性能的超声信号收发。
15.本发明解决了传统结构的微机械超声换能器发射声压小，接收灵敏度低的问题。所述中心支撑底电极的微机械超声换能器在发射和接收超声信号时，其底电极没有侧边界束缚，可以发生形变和振动，并且其边缘的活动幅度更大。在这种振动模式下，振动膜将受到更大的静电力作用，以实现更高的超声收发效率。
16.由于底电极可弯曲，本发明提出的微机械超声换能器可以有效地动态改变空腔高度，同时表现出更加显著的弹簧软化效应：中心频率随直流偏置电压的变化更大。因此，本发明的微机械超声换能器可以实现空腔高度和中心频率实时调节，适用于更复杂的操作环境。
17.另外，即使在上部可偏转膜被阻碍振动时继续工作（例如，当换能器被压在固体表面上，例如患者的皮肤上）时，本发明的微机械超声换能器可以通过底电极的振动来实现超声收发。
18.除了传统结构中的振动膜尺寸，中心支撑和可弯曲底电极的尺寸也将影响换能器的中心频率、工作电压等性能指标。因此，本发明的微机械超声换能器具有额外的设计自由度。通过设计不同的中心支撑和可弯曲底电极的形状和尺寸，可以在不改变振动膜、空腔高度等参数的情况下，实现不同中心频率、工作电压的换能器。
19.本发明提供的中心支撑底电极的微机械超声换能器，还包括变形结构一。具体为，衬底1、中心支撑2和可弯曲底电极5的构成材料均为导电掺杂的硅，如图5所示。该结构一般是通过晶圆键合工艺加工。
20.本发明提供的中心支撑底电极的微机械超声换能器，还包括变形结构二。具体为，中心支撑2为圆环形柱，中心镂空。圆环厚度通常为2～10μm，外径小于可弯曲底电极5半径，如图6所示。中心支撑2还可以是中心对称的两排或者多排平行的长方体墙。这种环形的支撑结构具有更好的机械鲁棒性。
21.本发明提供的中心支撑底电极的微机械超声换能器，还包括变形结构三。具体为，绝缘衬底1-1和衬底电极1-2共同组成导电衬底1；可弯曲底电极5由底电极绝缘层5-1和底电极层5-2组成，如图7所示。该结构具有三层电极层：衬底电极1-2，底电极5-2和顶电极7。该结构一方面可以通过将衬底电极1-2和顶电极7接地实现静电屏蔽，从而提高电气安全，另一方面还可以利用衬底电极1-2作为静电电极，使得可弯曲底电极3可以更加灵活的变形。
22.本发明提供的中心支撑底电极的微机械超声换能器，还包括变形结构四。具体为，可弯曲底电极5由弹性层5-1、下电极层5-2、压电层5-3和上电极层5-4组成。通过压电效应，可以调节可弯曲底电极5的形态，如图8所示。
23.本发明提供的中心支撑底电极的微机械超声换能器，还包括变形结构五。具体为，顶电极7由下电极层7-1、压电层7-2和上电极层7-3组成。通过压电效应，可以调节振动膜6的形态，如图9所示。
24.本发明还提供上述微机械超声换能器的加工方法，包括牺牲层释放方法，如图10所示，具体步骤为：步骤1、准备一块衬底晶圆1；步骤2、在衬底晶圆1上淀积牺牲层2，并进行图形化刻蚀；步骤3、淀积导电掺杂的中心支撑和底电极层3；步骤4、淀积一层牺牲层4，并进行图形化刻蚀；步骤5、淀积边缘支撑和振动膜5；步骤6、通过腐蚀液释放牺牲层2和牺牲层4，形成空腔；步骤7、淀积顶电极7，并进行图形化刻蚀；最终，得到中心支撑底电极的微机械超声换能器单元。
25.本发明提供的上述微机械超声换能器的加工方法，还包括晶圆键合方法，如图11所示，具体步骤为：步骤1、准备一块衬底晶圆1；步骤2、在衬底晶圆1上刻蚀空腔4；步骤3、与soi片2进行键合；步骤4、去除soi片2的衬底硅层2-1和埋氧层2-2；步骤5、刻蚀器件层2-1，露出空腔4；步骤6、准备一块厚器件层的soi片3；步骤7、图形化刻蚀soi片3；步骤8、将soi片3与步骤5所得晶圆进行键合；
步骤9、去除soi片3的衬底硅层3-1和埋氧层3-2；步骤10、淀积顶电极4，并图形化刻蚀；最终，得到中心支撑底电极的微机械超声换能器单元。
26.图3示出了所述微机械超声换能器在直流偏置电压下的形变示意图。振动膜6被边缘支撑3所束缚，边缘固定，中心形变为主。可弯曲底电极5由中心支撑2锚定，中心固定，边缘形变为主。
27.图4示出了传统结构的微机械超声换能器在直流偏置电压下的形变示意图。振动膜6被边缘支撑3所束缚，边缘固定，中心形变为主。底电极5固定在衬底1上，无形变。
28.图12、13分别示出了所述中心柱支撑底电极的微机械超声换能器和传统结构微机械超声换能器的振动层和底电极静态形变仿真结果。通过对比，可以看出，本发明提出的微机械换能器的振动膜具有更大的静态形变。
29.图14、15和16分别示出了所述中心柱支撑底电极的微机械超声换能器和传统结构微机械超声换能器的振动膜平均位移、分数电容变化和谐振频率对比。可以看出，随着直流偏置电压的增大，所述微机械超声换能器显示出了更明显的振动膜平均位移、分数电容变化和谐振频率变化。
30.图17、18分别示出了所述中心柱支撑底电极的微机械超声换能器和传统结构微机械超声换能器的振动膜平均振幅和远场声压对比。可以看出，所述微机械超声换能器振动膜平均振幅峰值和远场声压峰值远大于传统结构。
附图说明
31.图1为本发明的中心柱支撑底电极的mut的基本结构示意图。
32.图2为本发明的中心墙支撑底电极的mut的基本结构示意图。
33.图3为本发明的中心支撑底电极的mut的静态形变示意图。
34.图4为传统结构mut的静态形变示意图。
35.图5为本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构一。
36.图6为本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构二。
37.图7为本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构三。
38.图8为本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构四。
39.图9为本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构五。
40.图10为本发明的中心支撑底电极的mut的牺牲层释放工艺流程图。
41.图11为本发明的中心支撑底电极的mut的晶圆键合工艺流程图。
42.图12为本发明的中心柱支撑底电极的mut的振动层和底电极静态形变仿真结果。
43.图13为传统结构mut的振动层和底电极静态形变仿真结果。
44.图14为对比本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的振动膜平均位移随直流偏置电压变化关系的仿真结果。
45.图15为对比本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的分数电容变化随直流偏置电压变化关系的仿真结果。
46.图16为对比本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的谐振频率随直流偏置电压变化关系的仿真结果。
47.图17为对比本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的振动膜平均振幅的仿真结果。
48.图18为对比本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的远场发射声压的仿真结果。
49.图中标号：1为衬底，2为中心支撑，3为边缘支撑，4为（可弯曲）底电极，5为空腔，6为振动膜，7为顶电极。
具体实施方式
50.以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外在可能未出某些公知的部分。
51.在下文中描述了本发明的许多特定细节，例如器件结构、材料尺寸处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特性细节来实现本发明。
52.图1示出本发明的中心柱支撑底电极的mut的基本结构示意图。
53.参照图中截面和俯视视角，本发明所提出的中心柱支撑底电极的mut，包括自下而上设置的：衬底1、支撑柱2、边缘支撑3、空腔4、可弯曲底电极5、振动膜6和顶电极8。中心柱支撑底电极的mut换能器单元整体为圆形，其组成部件衬底1、中心支撑2、可弯曲底电极5、振动膜6和顶电极7均呈圆形。
54.中心支撑2和边缘支撑3固定于衬底上，分别支撑起可弯曲底电极5和振动膜6；空腔4被边缘支撑3和振动膜6合围，为可弯曲底电极5和振动膜6提供上下运动的空间；可弯曲底电极5位于空腔4内部；顶电极7位于振动膜6上方，面积通常小于等于振动膜6。顶电极7和振动膜6的形变基本同步。
55.衬底1厚度为500μm，其材料是硼硅玻璃。中心支撑2和所述可弯曲底电极5通常为导电掺杂的硅构成。中心支撑2高度为1μm，半径为2.5μm。可弯曲底电极5厚度为2μm，半径为14μm。边缘支撑3和振动膜6的材料为硅。边缘支撑3的为15μm，其顶部为振动膜6，与可弯曲底电极5的间隙高度为100nm。振动膜6的厚度为1.5μm。顶电极7的材料为金，其半径为10μm，厚度为300nm。可弯曲底电极4由中心支撑2锚定在衬底1上，其边缘可做大幅度形变。振动膜6被边缘支撑3所束缚，其形变以中心为主。
56.图2示出本发明的中心墙支撑底电极的mut的基本结构示意图。
57.参照图中截面和俯视视角，本发明所提出的中心墙支撑底电极的mut包括自下而上设置的：衬底1、支撑墙2、边缘支撑3、空腔4、可弯曲底电极5、振动膜6和顶电极8。中心墙支撑底电极的mut换能器单元整体为长方形，其组成部件衬底1、中心支撑2、可弯曲底电极5、振动膜6和顶电极7均呈长方形。
58.中心支撑2和边缘支撑3固定于衬底上，分别支撑起可弯曲底电极5和振动膜6；空腔4被边缘支撑3和振动膜6合围，为弯曲底电极5和振动膜6提供上下运动的空间；可弯曲底电极5位于空腔4内部；顶电极7位于振动膜6上方，面积通常小于等于振动膜6。顶电极7和振动膜6的形变基本同步。
59.衬底1厚度为500μm，其材料是硼硅玻璃。中心支撑2和所述可弯曲底电极5通常为
导电掺杂的硅构成。中心支撑2高度为1μm，半径为2.5μm。可弯曲底电极5厚度为2μm，半径为14μm。边缘支撑3和振动膜6的材料为硅。边缘支撑3的为15μm，其顶部为振动膜6，与可弯曲底电极5的间隙高度为100nm。振动膜6的厚度为1.5μm。顶电极7的材料为金，其半径为10μm，厚度为300nm。可弯曲底电极4由中心支撑2锚定在衬底1上，其边缘可做大幅度形变。振动膜6被边缘支撑3所束缚，其形变以中心为主。
60.图3示出本发明的中心支撑底电极的mut的静态形变示意图。
61.如图3所示，对于本发明的微机械换能器，振动膜6被边缘支撑3所束缚，边缘固定，中心形变为主。可弯曲底电极5由中心支撑2锚定，中心固定，边缘形变为主。在顶电极7和可弯曲底电极5之间施加直流偏置电压时，振动膜6中心向下凹陷，可弯曲底电极5边缘向上翘曲，彼此间距缩小。
62.图4示出传统结构mut的静态形变示意图。
63.振动膜6被边缘支撑3所束缚，边缘固定，中心形变为主。在顶电极7和底电极5之间施加直流偏置电压时，振动膜6中心凹陷，底电极5无形变，彼此间距缩小。
64.图5示出本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构一。
65.如图5所示，变形结构一的特征在于衬底1、中心支撑2和可弯曲底电极5的构成材料均为导电掺杂的硅。该结构一般是通过晶圆键合工艺加工。
66.图6示出本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构二。
67.如图6所示，变形结构二的特征在于中心支撑2为圆环形柱，中心镂空。圆环厚度为3μm，外径为8μm，小于可弯曲底电极5的半径14μm。中心支撑2还可以是中心对称的两排或者多排平行的长方体墙。这种环形的支撑结构具有更好的机械鲁棒性。
68.图7示出本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构三。
69.如图7所示，变形结构三的特征在于绝缘衬底1-1和衬底电极1-2共同组成导电衬底1；可弯曲底电极3由底电极绝缘层5-1和底电极层5-2组成。该结构具有三层电极层：衬底电极1-2，底电极5-2和顶电极7。该结构一方面可以通过将衬底电极1-2和顶电极7接地实现静电屏蔽，从而提高电气安全，另一方面还可以利用衬底电极1-2作为静电电极，使得可弯曲底电极3可以更加灵活的变形。
70.图8示出本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构四。
71.如图8所示，变形结构四的特征在于可弯曲底电极5由弹性层5-1、下电极层5-2、压电层5-3和上电极层5-4组成。通过压电效应，可以调节可弯曲底电极5的形态。
72.图9示出本发明的中心支撑底电极的mut的变形结构五。
73.如图9所示，变形结构五的特征在于顶电极7由下电极层7-1、压电层7-2和上电极层7-3组成。通过压电效应，可以调节振动膜6的形态。
74.图10示出本发明的中心支撑底电极的mut的牺牲层释放工艺流程图。
75.如图10所示，中心支撑底电极的mut的牺牲层释放工艺流程包括以下步骤：步骤1、准备一块衬底晶圆1，材料为硼硅玻璃；步骤2、在衬底晶圆1上淀积牺牲层2，并进行图形化刻蚀，定义空腔的图形；步骤3、淀积导电掺杂的中心支撑和底电极层3，材料为硅；步骤4、淀积一层牺牲层4，并对其边缘进行图形化刻蚀；步骤5、淀积边缘支撑和振动膜5，材料为硅；
步骤6、通过往刻蚀孔中注入特定的腐蚀液腐蚀牺牲层2和牺牲层4，形成空腔；步骤7、淀积金，并进行图形化刻蚀，形成顶电极7；最终，得到中心支撑底电极的mut单元。
76.图11示出本发明的中心支撑底电极的mut的晶圆键合工艺流程图。
77.如图11所示，中心支撑底电极的mut的晶圆键合工艺流程包括以下步骤：步骤1、准备一块衬底晶圆1，材料是硅；步骤2、在衬底晶圆1上进行图形化刻蚀，定义空腔4；步骤3、准备一块抛光的soi片2——包含衬底硅层2-1、埋氧层2-2和器件层2-3；将步骤2中的晶圆与soi片2进行键合；步骤4、去除soi片2的衬底硅层2-1和埋氧层2-2；步骤5、刻蚀器件层2-1，露出空腔4；步骤6、准备一块厚器件层的soi片3——包含衬底硅层3-1、埋氧层3-2和器件层3-3；步骤7、图形化刻蚀soi片3的器件层3-3，并1.5μm厚度作为振动膜；步骤8、将soi片3与步骤5所得晶圆进行键合；步骤9、去除soi片3的衬底硅层3-1和埋氧层3-2；步骤10、淀积金，并图形化刻蚀，形成顶电极4；最终，得到中心支撑底电极的mut单元。
78.图12示出本发明的中心柱支撑底电极的mut的振动层和底电极静态形变仿真结果。
79.如图12所示，在施加不同直流偏置电压的情况下，本发明的中心柱支撑底电极的mut的振动膜（图中实线）边缘固定，中心向下凹陷，而可弯曲底电极（图中虚线）中心固定，边缘翘起。两者间距缩小。
80.图13示出传统结构mut的振动层和底电极静态形变仿真结果。
81.如图13所示，施加不同直流偏置电压的情况下，传统结构的mut的振动膜（图中实线）边缘固定，中心向下凹陷，而底电极（图中虚线）固定，无形变。两者间距缩小。
82.图14示出本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的振动膜平均位移随直流偏置电压变化关系的仿真结果对比。
83.如图14所示，相较于传统结构mut，本发明的中心柱支撑底电极的mut表现出更大的振动膜形变，并且随着直流偏置电压的增大，这种差距更加明显。这是由于可弯曲底电极向上翘曲导致的静电力作用增强。
84.图15示出本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的分数电容变化随直流偏置电压变化关系的仿真结果对比。
85.针对mut的静态电容值，分数电容变化定义为直流偏置电压下的电容除以无直流偏置电压下的电容的百分数。如图15所示，本发明的中心柱支撑底电极的mut表现出更大的分数电容变化，并且随着直流偏置电压的增大，这种差距更加明显。这是主要是由于可弯曲底电极向上翘曲导致电极间距离进一步减小。
86.图16示出本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的谐振频率随直流偏置电压变化关系的仿真结果对比。
87.由于静电力的非线性效应，cmut表现出弹簧软化效应，即谐振频率随直流偏置电压的增大而减小。如图16所示，相较于传统结构mut，本发明的中心柱支撑底电极的mut的谐振频率发生了更明显的偏移。这说明其弹簧软化效应更加明显。
88.图17示出本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的振动膜平均振幅的仿真结果对比。
89.如图17所示，仿真分析了本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut在10-20mhz交流小信号激励下的振动膜的平均振幅的频率特征。相较于传统结构mut，本发明的中心柱支撑底电极的mut的平均振幅峰值约为240nm，远大于传统结构mut的80nm。
90.图18示出本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut的远场发射声压的仿真结果对比。
91.如图18所示，仿真分析了本发明的中心柱支撑底电极的mut和传统结构mut在10-20mhz交流小信号激励下的远场发射声压的频率特征。相较于传统结构mut，本发明的中心柱支撑底电极的mut的3mm距离处的峰值声压约为1100pa，远大于传统结构的280pa。这说明本发明的中心柱支撑底电极的mut具有更高的发射声压。
92.在不脱离本发明的精神和范围内，任何本领域普通技术人员皆可根据本发明所揭示的内容做出许多变形和修改，这些也应视为本发明的保护范围。