[发明专利]一种组合式薄膜pMUTs及其制备方法

权利要求书

1.一种组合式薄膜pMUTs，其特征在于：自上而下由多层复合薄膜(1)与基底结构(2)组成；

所述多层复合薄膜(1)是由压电驱动层结构(1-1)与非驱动层结构(1-2)组合而成；所述压电驱动层结构(1-1)在厚度方向从上至下由顶部电极(1-1-1)、电介质层(1-1-2)和底部电极(1-1-3)组成；所述电介质层(1-1-2)是由多层材料复合而成；

所述基底结构(2)上刻蚀有圆形空腔(3)与环形空腔(4)，且环形空腔(4)与圆形空腔(3)处于同心位置；多层复合薄膜(1)位于圆形空腔(3)和环形空腔(4)上方的部分分别为可产生弯曲振动的圆形薄膜(5)和与之同心的环形薄膜(6)；

所述顶部电极(1-1-1)由圆形薄膜(5)中的圆形薄膜驱动电极(1-1-1-1)和环形薄膜(6)中的环形薄膜驱动电极(1-1-1-2)组成；

对圆形薄膜驱动电极(1-1-1-1)与环形薄膜驱动电极(1-1-1-2)采用同频率但存在相位差的驱动信号进行激励，所述相位差的范围为0至2π；在圆形薄膜驱动电极(1-1-1-1)与环形薄膜驱动电极(1-1-1-2)覆盖区域下方的电介质层(1-1-2)中的压电材料层在逆压电效应作用下产生面内应力，造成圆形薄膜(5)、环形薄膜(6)翘曲产生弯曲振动。

2.根据权利要求1所述的一种组合式薄膜pMUTs，其特征在于：所述电介质层(1-1-2)在厚度方向从上至下依次为屏蔽层(1-1-2-1)和压电材料层(1-1-2-2)。

3.根据权利要求1所述的一种组合式薄膜pMUTs，其特征在于：所述圆形薄膜驱动电极(1-1-1-1)布置在圆形薄膜(5)中心位置，并与圆形薄膜(5)互为同心圆，圆形薄膜驱动电极(1-1-1-1)的半径为圆形薄膜(5)半径尺寸的0.5至0.8倍之间；所述环形薄膜驱动电极(1-1-1-2)与环形薄膜(6)呈同心环结构，环形薄膜驱动电极(1-1-1-2)的宽度为环形薄膜(6)宽度尺寸的0.4至0.7倍之间。

4.根据权利要求1所述的一种组合式薄膜pMUTs，其特征在于：加载于圆形薄膜驱动电极(1-1-1-1)与环形薄膜驱动电极(1-1-1-2)上的驱动信号V₁与V₂均为正弦信号，且两者幅值相等，相位相差π。

5.权利要求1至4任一项所述的组合式薄膜pMUTs的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：取一单晶硅片作为基底结构(2)，采用反应离子刻蚀(RIE)技术在基底结构(2)上表面刻蚀出圆形空腔(3)与环形空腔(4)；

步骤2：取一SOI晶片，将其顶层硅作为非驱动层结构(1-2)，采用硅-硅直接键合技术将之与已刻蚀出圆形空腔(3)、环形空腔(4)的基底结构(2)的上表面进行键合；

步骤3：通过化学机械抛光技术将SOI晶片底层硅(7)减薄到只剩下1至50μm的厚度；

步骤4：通过反应离子刻蚀技术将剩余的SOI晶片底层硅(7)以及埋层(8)去除；

步骤5：为提高步骤7中压电材料层(1-1-2-2)的薄膜沉积质量，采用磁控溅射技术在底部电极(1-1-3)与非驱动层结构(1-2)之间，沉积10-100nm的压电材料作为压电材料种子层(9)；

步骤6：采用磁控溅射技术沉积50～200nm的金属作为底部电极(1-1-3)；

步骤7：采用磁控溅射技术沉积800～1000nm的压电材料作为压电材料层(1-1-2-2)；

步骤8：采用等离子体增强化学气相技术沉积方法沉积60nm的SiO₂作为屏蔽层(1-1-2-1)；

步骤9：在振动薄膜和上电极绝缘层表面溅射金属电极层，刻蚀形成圆形薄膜驱动电极(1-1-1-1)与环形薄膜驱动电极(1-1-1-2)；

步骤10：干法刻蚀引线孔，用于底部电极与金线的电气连接。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤5所述的压电材料为AlN或ZnO。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述顶部电极(1-1-1)与底部电极(1-1-3)的材料为Mo。