[发明专利]阵列式硅微超声换能器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于压电型超声换能器领域，具体涉及一种阵列式硅微超声换能器及其制造方法。

背景技术

传统的超声换能器驱动材料大多为压电陶瓷，制备技术较为成熟，器件尺寸大，驱动能力强，应用广泛。但加工水平较低，加工精度一般在毫米量级，一致性及精度较差，阵列化困难，限制了超声成像及无损检测领域的发展。在这种情况下出现了基于微加工技术制备的硅微超声换能器。由于硅微加工技术本身加工工艺的特点，使得换能器不仅具有尺寸小频率高的特定，而且极易阵列化，其阵列方式自由可控，阵列化后一致性非常高。由于这些优点，硅微超声换能器阵列得到了越来越多的关注。

由于硅微加工技术本身阵列化制备的特点，阵列化技术已经不再是超声换能器制备的瓶颈。因此，硅微超声换能器的研究多聚焦于单个硅微超声换能器的性能。如何制备并选用合适的驱动材料成为硅微超声换能器的研究热点之一。2009年，美国“传感器和驱动器A：物理”杂志报道了一种基于锆钛酸盐厚膜的硅微超声换能器(Sensors and Actuators A：Physical，2009，149：277-283)，其共振频率在百kHZ量级，发射声压为目前同类产品中最高(107分贝)，但其压电材料为混合法制备，所得压电厚膜性能差(d₃₃约为70皮米/伏)，器件的有效机电耦合系数也较低(4.91％)。国内也有过类似研究，2010年，中国科学院声学所研究了一种基于氧化锌的硅微超声换能器(声学学报，2010，1：1-8)，频率约为71kHz，可以在水中充当传声器，但仍然无法避免氧化锌压电性能差的缺陷。较差的压电材料性能以及较低的机电转换能力影响了微机电系统(MEMS)压电超声换能器及其阵列的应用。

因此，针对传统压电超声换能器频率低，阵列化困难的缺点，及现有硅微超声换能器驱动材料压电性能差，有效机电耦合系数低等不足等问题，亟需提出一种高性能的硅微超声换能器。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种高性能的阵列式硅微超声换能器及其制造方法。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提出了一种阵列式硅微超声换能器，所述硅微超声换能器包括：衬底，所述衬底的背面形成有预定形状和数量的刻蚀图形阵列；形成在所述衬底上的压电陶瓷厚膜，所述压电陶瓷厚膜的下方固连有下电极导电金属层；以及形成在所述压电陶瓷厚膜上方并与所述刻蚀图形阵列相对应的上电极阵列。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例提出了一种阵列式硅微超声换能器的制造方法，所述方法包括：a)提供衬底；b)在所述衬底上形成带有下电极导电金属层的压电陶瓷厚膜；c)在所述衬底的背面形成预定形状和数量的刻蚀图形阵列；以及d)在所述压电陶瓷厚膜上方形成与所述刻蚀图形阵列相对应的上电极阵列。

本发明的阵列式硅微超声换能器共振频率高，有效机电耦合系数高，发射声压大，各项性能稳定，易阵列化，阵列形状自由可控，阵列及器件精度高，具有广泛的应用前景。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的阵列式硅微超声换能器的制造方法的流程图；

图2-图6示出了根据本发明实施例的阵列式硅微超声换能器各个制造阶段的示意图；

图7-图9为本发明实施例的阵列式硅微超声换能器的结构示意图；

图10所示为本发明实施例的单个硅微超声换能器的阻抗测试曲线图

图11所示为本发明实施例的单个硅微超声换能器在50V电压下的表面形貌；

图12所示为本发明实施例的单个硅微超声换能器在50V电压下振幅随频率变化的曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。