CN110518114B - 变频自聚焦混合驱动收发一体化pmut单元及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法，其将传统CMUT单元的塌陷工作模式与PMUT单元的驱动方式进行结合。在超声发射状态，通过调节偏置电压控制处于振动薄膜塌陷区域与传感器基底的贴合状态，实现对振动薄膜刚度的大范围调控。同时，结合PMUT输出灵敏度不受空腔高度约束的结构设计灵活性，实现PMUT单元的变频高能超声输出。在超声接收状态，通过各个PMUT单元处于塌陷模式下的电容变化量来对入射超声波进行感知，从而极大提高传感器的接收灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微型超声换能器技术领域，具体涉及变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法。
背景技术
基于MEMS技术的微型超声换能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)因具有微型化、与流体阻抗匹配特性好、可实现批量化制备、易于实现二维阵列加工以及易于与ICs集成等特点，在即时超声成像与治疗(Point of Care Diagnostics,POC)、超声生物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿应用领域具有巨大应用潜力。微型超声换能器主要包括电容式微加工超声换能器(Capacitive MicromachinedUltrasonicTransducer,CMUT)和压电式微加工超声换能器(PiezoelectricMicromachinedUltrasonic Transducer,PMUT)两大类。相对于CMUT，基于AlN、ZnO等压电材料、采用弯曲振动模式的PMUT在低功耗应用领域具有突出优势，但由于AlN、ZnO材料的压电系数远小于PZT材料，导致PMUT机电耦合系数、带宽及接收灵敏度等性能还远落后于CMUT。虽然部分研究者通过结构设计来提高PMUT性能，但仍未获得根本性改善。
尽管CMUT在带宽、机电耦合系数和接收灵敏度等性能方面具有突出优势，然而其受制于静电驱动模式，对其结构设计造成很大的限制，同时也限制了其在发射灵敏度方面的提高。因此基于MEMS技术的微型超声换能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)在即时超声成像与治疗、超声生物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿技术领域仍面临以下亟待解决的技术难题：
(1)即时超声成像、3D超声姿态识别等技术要求超声换能器具有低工作电压、低功耗和便携性。例如，超声指纹识别技术需要超声换能器的功耗在mW甚至更低级别，以便与手机等电子器件集成使用后降低整机功耗，提高待机时间；而目前常规的CMUT工作电压大、功耗高，工作时所需加载的高直流偏置电压(几十至几百伏不等)限制了其在便携式、低功耗以及长期在线检测方面的应用；
(2)理想的超声换能器应同时具有很好的超声波发射和超声波接收性能。但目前常规的PMUT所适用压电材料性能限制了其接收灵敏度的提高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法，实现对振动薄膜刚度的调控，提高传感器的接收灵敏度。
为达到上述目的，本发明变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，包括自上而下依次设置的多层复合振动薄膜，支柱和基底电极，支柱为中空结构，薄膜、支柱和基底电极围合形成腔体；
多层复合振动薄膜包括自上至下依次设置的结构层、压电驱动层和键合层；压电驱动层包括自上至下依次设置的顶部电极、压电材料层和底部电极；
基底电极由基底结构和设置在基底结构上的凸台结构组合而成，基底电极上端面覆盖有基底电极复合绝缘层；
顶部电极包括多个同心圆环，顶部电极与腔体在平面内的投影同心，最小的同心圆环的内径小于凸台结构上端面在平面内的投影半径；底部电极的平面尺寸大于顶部电极在平面内的投影，并将顶部电极包含在内。
进一步的，支柱包括自上至下依次设置的高度微调支柱和主支柱结构，支柱的高度大于凸台结构的高度。
进一步的，结构层包括结构支撑层，当结构支撑层的阻值小于等于100Ω·cm时，结构支撑层上覆盖有顶部电极绝缘层。
进一步的，基底电极复合绝缘层包括向上从上而下由第一基底电极绝缘层与第二基底电极绝缘层，第一基底电极绝缘层与第二基底电极绝缘层所用的材料不同。
进一步的，第一基底电极绝缘层的材料为Si3N4，第二基底电极绝缘层的材料为SiO2。
进一步的，顶部电极包括自外向内依次设置的外层圆环电极、中心圆环电极、内层圆环电极，中心圆环电极与内层圆环电极以及中心圆环电极与外层圆环电极之间的间隙始终处于振动区域的平面投影范围内。
进一步的，基底电极的电阻率不大于0.001Ω·cm。
进一步的，压电材料层采用PZT压电材料、AlN压电材料、ZnO压电材料或PVDF压电材料。
一种变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在单晶硅片上形成凸台结构，单晶硅片凸台结构以外的部分为基底结构，凸台结构和基底结构组成基底电极；
步骤2、在基底电极表面生成基底电极复合绝缘层和支柱；
步骤3、对SOI片进行热氧化，SOI片包括自下至上依次设置的顶层硅、SOI片基底硅、SOI埋层二氧化硅和顶层硅；
步骤4、在顶层硅上表面上沉积金属层，并图形化形成顶部电极；
步骤5、在步骤4得到的产物上表面沉积压电材料层
步骤6、在压电材料层上表面形成底部电极；
步骤7、在步骤6得到的结构上表面沉积SiO2层，并将腔体平面投影位置的SiO2层减薄，形成键合层；
步骤8、将步骤2和步骤7得到的结构键合；
步骤9、依次去除SOI片上的SOI片基底硅和SOI埋层二氧化硅，得到变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果:
1)采用了电容接收方式，克服了常规PMUT接收灵敏度低的缺陷，通过塌陷模式造成薄膜的凹陷实现该PMUT单元超声发射的自聚焦特性，同时降低超声单元之间通过流体介质造成的相互干扰。结合塌陷模式下的超声接收工作状态，极大提高换能器的超声接收灵敏度。
2)在超声发射状态，通过调节加载在基底电极上的偏置电压对PMUT单元在较大的超声发射频率范围内进行调节，从而能够灵活控制由该种单元结构组成的PMUTs阵列的超声发射带宽，拓展单种芯片的适用范围。
3)在超声接收状态，通过调节加载在基底电极上的偏置电压对PMUT单元在较大的超声接收频率范围内进行调节，能使该PMUT单元能对较大频率范围内的不同超声频率有针对性地进行选择，相较于传统只有一种谐振频率的超声器件可以捕获更多超声信息，从而提高成像精度。
4)PMUTs结构简单，易于组成阵列，易于电连接，可实现便携式在线测量。
进一步的，支柱在厚度方向上从上而下依次由高度微调支柱与主支柱结构组成。支柱的高度大于凸台结构的高度。高度微调支柱负责对多层复合振动薄膜的下底面与凸台结构的上表面之间的间隙进行精确控制，从而大大降低PMUT单元在塌陷工作模式下所需直流偏置电压VDC，进而大幅减小偏置电压可以降低MUT芯片功耗，降低其激励电路以及激励电源的复杂度，便于实现低功率激励。
附图说明
图1为本发明截面示意图；
图2为本发明超声发射工作激励示意图；
图3为本发明实现自聚焦以及变频超声发射工作激励示意图；
图4为本发明超声接收工作模式示意图；
图5为本发明制备方法步骤示意图；
附图中：1、多层复合振动薄膜，2、支柱，3、基底电极，5、基底电极复合绝缘层，6、腔体，7、塌陷区域，8、振动区域，9、外层圆环电极，10、中心圆环电极，11、内层圆环电极，12、凸台表面SiO2，13、单晶硅片，14、非凸台表面SiO2，15、顶层硅，16、SOI片基底硅，17、SOI埋层二氧化硅，1-1、压电驱动层，1-2、结构层，1-3、键合层，2-1、高度微调支柱，2-2、主支柱结构，3-1、凸台结构，3-2、基底结构，5-1、第一基底电极绝缘层，5-2、第二基底电极绝缘层，1-1-1、顶部电极，1-1-2、压电材料层，1-1-3、底部电极，1-2-1、结构支撑层，1-2-2、顶部电极绝缘层，图2上方弧线是超声波发射示意，图3上部的弧线为超声波接收示意。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1，变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，包括自上而下依次设置的多层复合振动薄膜1，支柱2与基底电极3。其中，支柱2为中空结构，薄膜1，支柱2和基底电极3围合形成腔体6。
多层复合振动薄膜1是由结构层1-2、压电驱动层1-1与键合层1-3依次自上至下组合而成；压电驱动层1-1在厚度方向从上至下依次包括顶部电极1-1-1、压电材料层1-1-2和底部电极1-1-3；结构层1-2在厚度方向上从上而下依次由结构支撑层1-2-1与顶部电极绝缘层1-2-2组成，当结构支撑层1-2-1材料绝缘或阻值大于100Ω·cm时，顶部电极绝缘层1-2-2的厚度最小可为零。
顶部电极1-1-1包括多个同心圆环，且顶部电极1-1-1与腔体6在平面内的投影同心。最小的同心圆环的内径大于零，且小于凸台结构3-1上表面在平面内的投影半径。底部电极1-1-3其平面尺寸必须大于顶部电极1-1-1在平面内的投影，并将其包含在内。底部电极尺寸必须能将顶电极包含在内，因为只有上下电极之间的压电材料才能发生逆压电效应。
优选地，压电材料层1-1-2采用PZT压电材料、AlN压电材料、ZnO压电材料或PVDF压电材料。
支柱2在厚度方向上从上而下依次由高度微调支柱2-1与主支柱结构2-2组成。支柱2的高度大于凸台结构3-1的高度。其中，高度微调支柱2-1负责对多层复合振动薄膜1的下底面与凸台结构3-1的上表面之间的间隙进行精确控制，从而大大降低PMUT单元在塌陷工作模式下所需直流偏置电压VDC。进而大幅减小偏置电压可以降低MUT芯片功耗，降低其激励电路以及激励电源的复杂度，便于实现低功率激励。通过对微调支柱2-1的高度调节，可以改变电容腔上下极板之间的高度，由此改变电容上下极板间静电力，从而调节电容腔的塌陷电压，起到减小偏置电压的作用。主支柱结构2-2是支撑振动薄膜的主要结构，其决定了振动薄膜的可动区域面积。
基底电极3由圆台形凸台结构3-1与基底结构3-2组合而成。凸台结构3-1与腔体6在平面上的投影同心。基底电极3上端面覆盖有基底电极复合绝缘层5。
优选的，基底电极3为低阻导电材料，电阻率不大于0.001Ω·cm，作为电极材料，低的电阻率可以降低电极发热，减少能量损失。优选的，基底电极复合绝缘层5由两种不同材料的绝缘薄膜构成，在厚度方向上从上而下由第一基底电极绝缘层5-1与第二基底电极绝缘层5-2组成。
优选的，第一基底电极绝缘层5-1选用Si3N4，第二基底电极绝缘层5-2选用SiO2。
参照图2，变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元在超声发射模式下工作机理如下：
先是图2中左边所示逆压电作用下，使薄膜塌陷，然后是右图中电容激励使悬空区域振动发射超声。
将底部电极1-1-3接地，对基底电极3施加正向极性或者负向极性的直流偏置电压VDC，使得多层复合振动薄膜1圆心附近区域在底部电极1-1-3与基底电极3之间的静电力作用下，与凸台结构3-1上表面的基底电极复合绝缘层5吸合，吸合部分称为塌陷区域7，多层复合振动薄膜1未吸合部分称为振动区域8。
同时，对顶部电极1-1-1的各个同心圆环电极加载相同频率交流电压，并基于圆环所处多层复合振动薄膜1上的位置，对所加载交流信号施加一定相位差，使得压电材料层1-1-2在逆压电效应作用下驱动振动区域8按所需要振型发射超声。
优选的，顶部电极1-1-1采用三个同心圆环图形，包括自外向内依次设置的外层圆环电极9、中心圆环电极10、内层圆环电极11。中心圆环电极10与内层圆环电极11以及中心圆环电极10与外层圆环电极9之间的间隙始终处于振动区域8的平面投影范围内。对外层圆环电极9，内层圆环电极11加载交流电压V2，对中心圆环电极10加载交流低电压V1，V1与V2之间相位差
参照图3，在超声发射过程中，通过调节加载在基底电极3偏置电压VDC的幅值可对塌陷区域7的面积进行调整，引入塌陷面积变化量△S，从而实现对多层复合振动薄膜1张力的调节，进而改变多层复合振动薄膜1的弯曲刚度，最终实现对PMUT单元谐振频率的调控。实现PMUT单元的变频超声发射。
由于塌陷区域7造成多层复合振动薄膜1呈凹陷状态，从而使得所发射超声实现自聚焦，降低了所提出PMUT单元在阵列工作模式下，单元之间的相互干扰。
参照图4，变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元在超声接收模式下的工作机理如下：
将底部电极1-1-3接地，对基底电极3施加正向极性或者负向极性的直流偏置电压VDC，使得多层复合振动薄膜1圆心附近区域在底部电极1-1-3与基底电极3之间的静电力作用下，与凸台结构3-1上表面的基底电极复合绝缘层5吸合。在入射超声波作用下，塌陷区域7的面积发生改变，从而造成底部电极1-1-3与基底电极3之间的电容值发生改变。通过这种处于塌陷状态下的超声接收模式，极大提高PMUT的接收灵敏度。常规压电式PMUT接收灵敏度低，其接收超声时，压电作用可以产生的输出电流很小，导致输出信号弱，接收灵敏度低；而常规CMUT电容式超声换能器在接受超声时，上下极板电容发生变化，产生的输出电流较压电式大很多，故其接收灵敏度较高。这里采用了电容接收方式，所以克服了常规PMUT接收灵敏度低的缺陷。
同时在超声接收过程中，通过调节加载在基底电极3偏置电压的幅值对塌陷区域7的面积进行调整，引入△S，从而实现对多层复合振动薄膜1张力的调节，进而改变多层复合振动薄膜1的弯曲刚度，最终实现对多层复合振动薄膜1谐振频率的调控。由此可以根据实际超声接收需求，有针对性地提高或者降低对某个频段超声波的的接收灵敏度，从而提高超声成像精度。
参照图5，变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元制备方法包括以下步骤：
步骤1、取一低阻单晶硅片13，通过热氧化，在单晶硅片13上表面形成一层SiO2，并将单晶硅片13表面的SiO2图形化，保留凸台结构3-1平面投影位置的凸台表面SiO212。
步骤2、继续进行热氧化，单晶硅片13上被凸台表面SiO212覆盖的区域的氧气扩散率较低，导致单晶硅片13上未被凸台表面SiO212覆盖的区域单晶硅的氧化速度更快形成非凸台表面SiO214，从而使得单晶硅形成凸台结构3-1，单晶硅片13除凸台结构3-1以外的部分为基底结构3-2；通过此步骤能够对凸台结构3-1的高度进行精确控制。
步骤3、将凸台表面SiO212与非凸台表面SiO214去除，得到基底电极3。
步骤4、热氧化基底电极3，在基底电极3表面生成厚度均匀的SiO2层，并通过图形化将支柱2位置的SiO2去除，SiO2层未去除的部分形成第二基底电极绝缘层5-2。
步骤5、在步骤4得到的产物上通过外延生长或者沉积多晶硅，生成主支柱结构2-2。
步骤6、在步骤5得到的产物上通过低压化学气象沉积LPCVD沉积Si3N4，并将之图形化，暴露出高度微调支柱2-1的平面投影区域，形成第一基底电极绝缘层5-1。
步骤7、热氧化步骤6得到的产物，在主支柱结构2-2上端面生成高度微调支柱2-1。
步骤8、对SOI片进行热氧化，SOI片包括自下至上依次设置的SOI片基底硅16、SOI埋层二氧化硅17和顶层硅，在顶层硅15上表面生成厚度均匀的SiO2顶部电极绝缘层1-2-2，若SOI片的顶层硅15为高阻硅，则此步可以省略；
步骤9、在顶部电极绝缘层1-2-2上沉积金属层，并根据所需要的振型将之图形化形成顶部电极1-1-1；
步骤10、在步骤9得到的产物上表面沉积压电材料层1-1-2
步骤11、在压电材料层1-1-2上表面沉积金属层，形成底部电极1-1-3；
步骤12、沉积SiO2，并采用刻蚀工艺将腔体6平面投影位置进行减薄，最薄可为零，形成键合层1-3；
步骤13、将在SOI片顶层硅15上制作的多层复合结构上键合层1-3的表面与高度微调支柱2-1的上表面进行真空熔融键合；
步骤14、采用化学机械抛光发首先去除80％的SOI片基底硅16，再用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀SOI埋层二氧化硅17，得到变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，包括自上而下依次设置的多层复合振动薄膜(1)，支柱(2)和基底电极(3)，所述支柱(2)为中空结构，所述薄膜(1)、支柱(2)和基底电极(3)围合形成腔体(6)；
所述多层复合振动薄膜(1)包括自上至下依次设置的结构层(1-2)、压电驱动层(1-1)和键合层(1-3)；所述压电驱动层(1-1)包括自上至下依次设置的顶部电极(1-1-1)、压电材料层(1-1-2)和底部电极(1-1-3)；
所述基底电极(3)由基底结构(3-2)和设置在所述基底结构(3-2)上的凸台结构(3-1)组合而成，所述基底电极(3)上端面覆盖有基底电极复合绝缘层(5)；
所述顶部电极(1-1-1)包括多个同心圆环，所述顶部电极(1-1-1)与腔体(6)在平面内的投影同心，最小的同心圆环的内径小于凸台结构(3-1)上端面在平面内的投影半径；所述底部电极(1-1-3)的平面尺寸大于顶部电极(1-1-1)在平面内的投影，并将顶部电极(1-1-1)包含在内；
所述支柱(2)包括自上至下依次设置的高度微调支柱(2-1)和主支柱结构(2-2)，所述支柱(2)的高度大于凸台结构(3-1)的高度。
2.根据权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述结构层(1-2)包括结构支撑层(1-2-1)，当结构支撑层(1-2-1)的阻值小于等于100Ω·cm时，结构支撑层(1-2-1)上覆盖有顶部电极绝缘层(1-2-2)。
3.根据权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述基底电极复合绝缘层(5)包括向上从上而下由第一基底电极绝缘层(5-1)与第二基底电极绝缘层(5-2)，所述第一基底电极绝缘层(5-1)与第二基底电极绝缘层(5-2)所用的材料不同。
4.根据权利要求3所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述第一基底电极绝缘层(5-1)的材料为Si3N4，第二基底电极绝缘层(5-2)的材料为SiO2。
5.根据权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述顶部电极(1-1-1)包括自外向内依次设置的外层圆环电极(9)、中心圆环电极(10)、内层圆环电极(11)，所述中心圆环电极(10)与内层圆环电极(11)以及中心圆环电极(10)与外层圆环电极(9)之间的间隙始终处于振动区域(8)的平面投影范围内。
6.根据权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述基底电极(3)的电阻率不大于0.001Ω·cm。
7.根据权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，其特征在于，所述压电材料层(1-1-2)采用PZT压电材料、AlN压电材料、ZnO压电材料或PVDF压电材料。
8.一种权利要求1所述的变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在单晶硅片(13)上形成凸台结构(3-1)，单晶硅片(13)凸台结构(3-1)以外的部分为基底结构(3-2)，凸台结构(3-1)和基底结构(3-2)组成基底电极(3)；
步骤2、在基底电极(3)表面生成基底电极复合绝缘层(5)和支柱(2)；
步骤3、对SOI片进行热氧化，SOI片包括自下至上依次设置的顶层硅(15)、SOI片基底硅(16)、SOI埋层二氧化硅(17)和顶层硅；
步骤4、在顶层硅(15)上表面上沉积金属层，并图形化形成顶部电极(1-1-1)；
步骤5、在步骤4得到的产物上表面沉积压电材料层(1-1-2)；
步骤6、在压电材料层(1-1-2)上表面形成底部电极(1-1-3)；
步骤7、在步骤6得到的结构上表面沉积SiO2层，并将腔体(6)平面投影位置的SiO2层减薄，形成键合层(1-3)；
步骤8、将步骤2和步骤7得到的结构键合；
步骤9、依次去除SOI片上的SOI片基底硅(16)和SOI埋层二氧化硅(17)，得到变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元。
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