[发明专利]一种组合式薄膜pMUTs及其制备方法

说明书

本发明提供了一种组合式薄膜pMUTs及其制备方法，组合式薄膜结构由圆形薄膜以及环绕在圆形薄膜周向，并与之同心的环形薄膜组成，其整体结构从上至下依次包括上电极、振动薄膜压电驱动层、下电极、振动薄膜结构层、薄膜支撑结构以及基底结构；用于超声波发射工作模式时，通过对圆形薄膜以及环形薄膜以一定的相位差进行激励，造成圆形薄膜‑流体介质‑环形薄膜之间的耦合作用，大幅提高单元超声发射功率；用于超声波接收工作模式时，圆形薄膜和环形薄膜均发生振动，产生可探测的电信号，同时通过圆形薄膜与环形薄膜结构在流体介质中的谐振频率偏差，实现超声的宽带宽接收性能。本发明提出的组合式薄膜结构pMUTs，具有高发射功率和宽带宽接收性能。

技术领域

本发明涉及MEMS(Micro-electromechanical Systems)超声换能器技术，具体涉及一种高机电耦合系数pMUTs(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers)及其制备方法。

背景技术

超声换能器对于非介入式体内医疗诊断成像具有重要应用价值。传统超声换能器由压电陶瓷材料(例如锆钛酸铅(PZT)或者PZT聚合物复合物)制造，对压电陶瓷材料进行切片或激光切割以形成一维或二维阵列的多个单独单元。声透镜、匹配层、衬垫层以及电互连(例如柔性线缆、金属管脚/导线)等被附接到每个换能器单元以形成换能器组件或探头，然后用线束或线缆将探头连接到控制电路，其中线缆包含驱动每一个单独单元并从其接收信号的单独导线。超声换能器技术目前研究的重要目标是提高换能器性能以及与控制电路集成，且同时降低换能器尺寸、功耗以及由于线缆连接造成的信号损失。这些因素对于三维超声成像所需的二维阵列尤其重要。

换能器阵列的小型化对于基于导管的2D阵列换能器特别重要。其技术挑战在于传统2D换能器阵列的制造复杂、成本高和性能有限等。商用2D换能器探头受限于单元间距大(200μm至300μm)且工作频率小于5MHz的阵列。这些单元的小尺寸将单元的电容大幅度降低到小于10pF，对于与系统电子器件的电阻抗匹配提出了重大挑战。此外，生产用于基于导管的血管内成像探头或者心脏内成像探头的2D阵列换能器探头还没有实现商业化。为了获得足够的分辨率，应当使用10MHz或更大的频率，而要获得足够的成像性能，单元间距应当小于波长，所以希望元件间距为100μm或更小。此外，更高的工作频率要求换能器中的压电层更薄。迄今为止，传统换能器阵列还不能以低成本的制造工艺和足够的成像性能来满足这些要求。

与传统的压电陶瓷换能器相比，pMUTs具有以下优势：制造容易和可按比例缩小，特别是对于尺寸更小、密度更大的2D阵列；对于2D阵列而言集成和互连更简单；对于更宽的工作频率范围，换能器的设计灵活性更大；单元电容更大，从而具有更小的源阻抗，与电子器件的匹配更好。实时3D成像系统需要2D阵列，而压电陶瓷换能器无法实现更小的导管探头(直径2-3mm或更小)。另一种电容式微加工超声换能器(cMUTs)，是通过薄膜与基底之间的静电力进行驱动发射超声。然而，这些器件要求并联多个单元来提供足够的声压输出，所以限制了2D阵列的小型化。

cMUTs与pMUTs存在功能和结构上的差异。因为pMUTs具有更大的能量转换机构(即压电层)，所以pMUTs通常具有比cMUTs更大的超声发射功率。在8MHz的频率下，75微米宽的pMUTs2D阵列可以产生1MPa至5MPa的声压输出。传统的换能器阵列可以产生大于1MPa的声压，但是需要大得多的单元尺寸，并且在更低的频率下工作。cMUTs 2D阵列元件的典型声压输出远远小于1MPa。与传统换能器阵列以及cMUTs相比，pMUTs阵列中的单元还具有更大的电容(在100－1000pF量级)，因此具有更低的源阻抗，并且与线缆以及电子器件的阻抗匹配更好。传统换能器阵列单元的电容小于10pF，cMUTs单元的电容小于1pF。