[发明专利]一种压电发射电容感知高性能MUT单元及其制备方法

说明书

本发明公开了一种压电发射电容感知高性能MUT单元及其制备方法，将PMUT单元的超声发射工作模式与CMUT单元的超声接收工作模式相互结合。该MUT单元由压电驱动环形薄膜与叠加于环形薄膜上表面的圆形电容感知薄膜组成。在超声发射工作模式，环形薄膜基于逆压电效应进行驱动，同时带动叠加在其上的圆形薄膜产生活塞式振动，从而提高超声发射指向性以及超声输出。在超声接收工作模式，环形薄膜与圆形薄膜同时受到入射超声作用产生挠度。由于圆形薄膜与环形薄膜挠度的叠加，增大了电容上极板与电容下极板之间的行程变化量，从而提高单元超声接收灵敏度；同时，这也使得单元在超声接收模式下能采用更低的偏置电压工作在塌陷模式，进一步增加单元的超声接收灵敏度。

技术领域

本发明属于超声换能器技术领域，具体涉及一种压电发射电容感知高性能MUT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，本发明提供了一种压电发射电容感知高性能MUT单元及其制备方法，降低了MUT单元的工作电压，提高单元超声接收灵敏度。

为达到上述目的，本发明一种压电发射电容感知高性能MUT单元，包括电容感知模块与压电发射模块，所述电容感知模块包括电容上极板和设置在电容上极板下方的电容下极板，所述电容上极板和电容下极板之间具有电容感知空腔，所述电容下极板覆盖在压电发射模块上表面；所述压电发射模块包括自上至下依次设置的驱动膜结构层，驱动膜压电层，薄膜键合层，支柱和基底，所述基底上端面设置有支柱和凸起，所述支柱和凸起上覆盖有薄膜键合层，所述薄膜键合层中嵌设有压电膜下电极；

支柱、基底、凸起以及薄膜键合层围合形成压电发射空腔，所述压电发射空腔上方的驱动膜结构层与驱动膜压电层的悬空部分组成环形振动薄膜；

所述电容上极板的直径大于环形振动薄膜的内径，且小于环形振动薄膜的外径。