[实用新型]高性能的压电MEMS超声波传感器

说明书

本实用新型公开了一种高性能的压电MEMS超声波传感器，涉及传感器技术领域，该超声波传感器包括从底至顶依次层叠的硅基层、硅振动膜和压电结构，硅基层内部形成有硅基腔体，压电结构中的PZT压电薄膜层位于所述硅基腔体处且所述PZT压电薄膜的尺寸与所述硅基腔体的尺寸相匹配，压电结构覆盖所述硅振动膜表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，硅振动膜表面在所述压电结构以外的区域外露；该超声波传感器尺寸较小，且可以有效降低压电结构的残余应力的影响，提高传感器性能。

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其是一种高性能的压电MEMS超声波传感器。

背景技术

超声波传感器一般工作在20kHz-1000kHz，在汽车的倒车雷达、工业中的液位仪和气体流量计等需要测距的场景中被广泛应用。

最初传统的超声波传感器采用压电陶瓷作为换能元件，压电陶瓷的上下表面镀有金属，再通过点胶等方式将压电陶瓷和声学振动结构固接在一起，形成超声波传感器的振动结构，比如专利号为201680075252.8的专利中描述的超声波传感器，采用这种方式制造的超声波传感器存在尺寸大、一致性差和制造麻烦等缺点。

随着发展，目前逐渐出现了使用微米厚度的压电薄膜作为换能元件且基于弯曲振动模式所制造得到的超声波传感器，比如专利号为201822122152.5的专利中描述的超声波传感器，这种超声波传感器具有尺寸小、一致性高、能耗低、与空气耦合良好以及可批量制造的优点，但是这种超声波传感器中，残余应力会影响器件的性能。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种高性能的压电MEMS超声波传感器，本实用新型的技术方案如下：

一种高性能的压电MEMS超声波传感器，该压电MEMS超声波传感器包括：从底至顶依次层叠的硅基层、硅振动膜和压电结构，所述硅基层内部形成有硅基腔体，所述压电结构包括从底至顶依次层叠的二氧化硅层、下电极层、PZT压电薄膜层、钝化层和上电极层，所述PZT压电薄膜层位于所述硅基腔体处且所述PZT压电薄膜的尺寸与所述硅基腔体的尺寸相匹配；所述压电结构覆盖所述硅振动膜表面的薄膜区域、上电极区域和下电极区域，所述薄膜区域为所述PZT压电薄膜层所在区域，所述硅振动膜表面在所述压电结构以外的区域外露。

其进一步的技术方案为，所述硅基腔体和所述PZT压电薄膜层的横剖面均呈圆形且圆心在同一垂直位置处，所述PZT压电薄膜层的直径为所述硅基腔体的直径的40％-80％。

其进一步的技术方案为，所述硅基腔体的横剖面呈圆形，所述PZT压电薄膜层的横剖面呈圆环，且所述硅基腔体的横剖面的圆心与所述PZT压电薄膜层的横剖面的圆心在同一垂直位置处，所述PZT压电薄膜层的外直径为所述硅基腔体的直径的80％-150％、所述PZT压电薄膜层的内直径为所述硅基腔体的直径的50％-90％。

其进一步的技术方案为，所述硅基腔体位于所述硅基层的顶部且不贯穿所述硅基层的底部、在所述硅基层和所述硅振动膜之间形成真空气隙。

其进一步的技术方案为，所述硅基腔体贯穿所述硅基层。

其进一步的技术方案为，所述薄膜区域的横剖面与所述PZT压电薄膜层的横剖面的形状相同，且所述薄膜区域包含所述PZT压电薄膜层及其周边预定范围内的区域。

其进一步的技术方案为，在所述压电结构中，所述二氧化硅层覆盖在所述硅振动膜表面的所述薄膜区域、上电极区域和下电极区域，所述下电极层覆盖在所述二氧化硅层表面的全部区域，所述PZT压电薄膜层覆盖在所述下电极层表面的薄膜区域处，所述钝化层覆盖在所述下电极层表面的上电极区域处以及薄膜区域处除所述PZT压电薄膜层以外的区域，所述上电极层覆盖在所述PZT压电薄膜层表面以及所述钝化层表面的上电极区域处，使得所述下电极层在下电极区域处外露，所述上电极层在薄膜区域和上电极区域处外露。

本实用新型的有益技术效果是：