中心支撑底电极的微机械超声换能器

技术特征：
1.一种中心支撑底电极的微机械超声换能器，其特征在于，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下而上设置的：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）；其中：所述中心支撑（2）和边缘支撑（3）固定于衬底（1）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）上下均有运动空间；所述顶电极（7）位于振动膜（6）上方，面积小于等于振动膜（6）；可弯曲底电极（5）与顶电极（7）构成电极对；在可弯曲底电极（5）和顶电极（7）之间施加直流偏置电压，会产生静电力作用；在静电力的作用下，可弯曲底电极（5）和振动膜（6）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，使可弯曲底电极（5）和振动膜（6）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，实现声能与电能的相互转换。2.据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述衬底（1）厚度通常为200～500μm，以提供足够的机械支撑，其材料是硼硅玻璃或者硅。4.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述中心支撑（2）和所述可弯曲底电极（5）为导电掺杂的硅构成；所述中心支撑（2）的高度为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）。5.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述边缘支撑（3）和所述振动膜（6）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），为10～50μm，其顶部为振动膜（6），而与可弯曲底电极（5）的间隙高度为0.01～1μm，以提供较大的有效电容；所述振动膜（6）的厚度为1～5μm。6.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述顶电极（7）为金属，其半径小于等于振动膜（6），厚度为300-500nm。7.根据权利要求1所述的微机械超声换能器，其特征在于，所述可弯曲底电极（4）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，其形变以中心为主。8.根据权利要求1-6之一所述的微机械超声换能器，其特征在于，还包括如下结构变形：变形结构一：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；
变形结构二：中心支撑（2）为圆环形柱，中心镂空；圆环厚度为2～10μm，外径小于可弯曲底电极（5）半径；或者中心支撑（2）是中心对称的两排或者多排平行的长方体墙；变形结构三：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；该结构具有三层电极层：导电衬底电极（1-2），底电极（5-2）和顶电极（7）；变形结构四：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，调节可弯曲底电极（5）的形态；变形结构五：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，调节振动膜（6）的形态。9.由如权利要求1-8之一所述微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，（一）采用牺牲层释放工艺，具体步骤为：步骤1、准备一块衬底晶圆；步骤2、在衬底晶圆上淀积牺牲层，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；步骤4、淀积一层牺牲层，并进行图形化刻蚀；步骤5、淀积边缘支撑和振动膜；步骤6、通过腐蚀液释放牺牲层和牺牲层，形成空腔；步骤7、淀积顶电极，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；或者（二）采用晶圆键合工艺，具体步骤为：步骤1、准备一块衬底晶圆；步骤2、在衬底晶圆上刻蚀空腔；步骤3、与soi片进行键合；步骤4、去除soi片的衬底硅层和埋氧层；步骤5、刻蚀器件层，露出空腔；步骤6、准备一块厚器件层的soi片；步骤7、图形化刻蚀soi片；步骤8、将soi片与步骤5所得晶圆进行键合；步骤9、去除soi片的衬底硅层和埋氧层；步骤10、淀积顶电极，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。

技术总结
本发明属于微机械技术领域，具体是一种中心支撑底电极的微机械超声换能器。本发明的结构包括自下而上设置的：衬底、中心支撑、边缘支撑、空腔、可弯曲底电极、振动膜和顶电极。可弯曲底电极通过中心支撑柱或墙锚定在衬底上，而振动膜通过边缘支撑固定在衬底上，与可弯曲底电极之间存在空腔。在静电相互作用下，振动膜和可弯曲底电极均可产生显著形变。本发明的微机械超声换能器可以通过牺牲层释放工艺或晶圆键合工艺制备。相较于传统结构的电容式微机械换能器，本发明的微机械超声换能器可以实现更高的超声发射声压和接收灵敏度。同时，本发明结构表现出更显著的弹簧软化效应，可以适用于需要动态改变空腔高度或者中心频率的环境中。中。中。


技术研发人员：任俊彦 王言 何勒铭
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2022.08.12
技术公布日：2022/12/5