[发明专利]经边缘凹槽、虚拟枢轴和自由边界提高MUT耦合效率和带宽

说明书

提出了一种用于改善微加工超声换能器(或MUT)的机电耦合系数和带宽的方法，以及通过所述提出的方法改善的所述MUT的制造方法。

交叉引用

本专利申请要求2019年9月12日提交的美国临时申请第62/899,602号的权益，该申请通过引用整体并入本文。

背景技术

微加工超声换能器(MUT)是在电域和声域之间转换能量的器件。它们通常有两种类型：电容MUT(cMUT)和压电MUT(pMUT)。cMUT利用两个板之间的电容来进行机电换能，而pMUT利用压电薄膜的压电特性来实现机电换能。

发明内容

在图1a至图1b和图2a至图2d中相应地图示了常规圆形隔膜pMUT和cMUT的示例。隔膜101由衬底100形成。在pMUT的情况下，由底部电极200、压电层201和顶部电极202组成的压电叠堆放置在电介质层102顶部的隔膜101上或附近。在cMUT的情况下，衬底附接到处理衬底103的顶部上的电介质层102。假设隔膜101是导电的，并且第二底部电极200放置在隔膜下面以形成101和200之间的电容器。

尽管有许多指标描述MUT，但是其中两个最重要的指标是MUT的有效机电耦合k_eff²及其电品质因数Q_e和机械品质因数Q_m。器件的k_eff²决定了其将电能转化为声能的效率。因此，k_eff²是使用该MUT的产品的功率规格的关键驱动因素。k_eff²通常在0和1之间变化，其中1更好。机械品质因数和电品质因数驱动换能器的带宽，其是换能器在其上最有效的频率。对于大多数应用，尤其是成像，带宽越大越好，这意味着品质因数越低越好。

有利地，机电耦合和品质因数是相关的：

[1]

这意味着最大化k_eff²将最大化换能效率以及最小化系统的品质因数两者。

尽管有多种方式来影响k_eff²，但是本公开将关注于MUT隔膜的夹紧条件。根据[2]，对于以第n个轴线对称模式振荡的圆形pMUT，具有：

[2]

其中k₃₁²是材料的耦合系数(材料常数)，λ_0n是第n模式的固有频率参数(高度依赖于边缘夹紧条件)，J₀是第一类0阶贝塞尔函数，以及C_n是依赖于特定pMUT设计的常数(电极耦合常数、抗弯刚度和电极面积与隔膜面积的比率；完整公式见[2])。对于给定的k₃₁²耦合系数和设计常数C_n、k_eff,n²，可以通过将λ_0n驱向0来实现最大化。

如图3的对比柱状图所示，固有频率参数高度依赖于所考虑的边界条件。常规的MUT设计利用夹紧的边缘。图3中的“自由边缘”相当于理想的活塞运动，并且表示最佳耦合。在这两个极端之间，多个边缘条件有利于改善机电耦合和带宽。

尽管有多个因素影响k_eff²，但是直观上，增加的耦合因数可以与归一化体积位移相关联。例如，图4的比较曲线图图示了三种标准圆形隔膜MUT的归一化位移曲线：夹紧的边缘(类似于图1a至图1b和图2a至图2d)；简单支撑的边缘(即，允许旋转但是不允许位移的边缘)；以及自由边缘夹紧的中心。对表面积的位移进行积分，可以计算出每个MUT相对于理想活塞的位移体积：

夹紧的边缘＝活塞位移体积的31％。

简单支撑边缘MUT＝活塞位移体积的45％。