超声换能器及其制作方法

1.本发明涉及mems(微机电系统)，特别是关于一种超声换能器及其制作方法。

背景技术：

2.近几年来，随着mems技术的不断发展，mems超声换能器的制备性能正在不断改善，应用价值也越来越高。超声换能器(pmut)的一大主要用途就是用来测距，而在收发一体式超声测距的工作模式下(即单阵元pmut发射超声波后，还需要接收回波信号)需要同时考虑pmut的发收性能。但由于单阵元pmut器件的发射声波不是很集中，具有一定的扩散角，使得器件的声束定向性较差，pmut器件运用在超声测距时，需要发射出的超声波能量越集中越好，这就需要一个束声结构来加强声束的定向性。
3.参图1所示，传统的超声换能器用于声束的空腔结构20内径相同，而且通过干法刻蚀加工而成。一方面，束声效果不佳，另一方面，采用干法刻蚀选择性一般，只能直上直下，无法加工有倾斜角度的坡面，而且设备成本高，批量生产能力差。
4.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种超声换能器及其制作方法，其能够克服现有技术存在的束声效果差、制作成本高的问题。
6.为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种超声换能器，包括具有空腔的衬底、设置于衬底上的下电极层，以及依次形成于下电极层上的压电层和上电极层，所述空腔于开口位置的内径大于空腔靠近所述下电极层位置的内径。
7.优选的，在上述的超声换能器中，所述空腔的内径自开口位置向所述下电极层的方向渐性减小。
8.优选的，在上述的超声换能器中，所述空腔的截面为圆形或多边形。
9.优选的，在上述的超声换能器中，还包括形成于所述衬底和下电极层之间的支撑层。
10.优选的，在上述的超声换能器中，所述支撑层包括依次形成于衬底和下电极层之间的第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层的材料采用氧化硅，所述第二支撑层的材料采用硅。
11.优选的，在上述的超声换能器中，所述压电层采用氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；所述上电极层采用钼、铂、铝或锡；所述下电极层采用金、铂、铝或锡。
12.为实现上述目的，本发明的实施例提供了超声换能器的制作方法，包括：
13.提供一衬底，该衬底具有相对的第一表面和第二表面；
14.在衬底的第一表面侧，依次制作下电极层和压电层；
15.刻蚀所述的压电层并暴露出所述下电极层，并对所述下电极层图案化；
16.在压电层上制作上电极层；
17.采用湿法腐蚀在衬底的第二表面形成空腔，所述空腔于开口位置的内径大于空腔靠近所述下电极层位置的内径。
18.优选的，在上述的超声换能器的制作方法中，所述空腔的内径自开口位置向所述下电极层的方向渐性减小。
19.优选的，在上述的超声换能器的制作方法中，制作下电极层和压电层的步骤之前还包括：在衬底的第一表面依次制作第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层的材料采用氧化硅，所述第二支撑层的材料采用硅。
20.优选的，在上述的超声换能器的制作方法中，所述压电层采用氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；
21.所述上电极层采用钼、铂、铝或锡；
22.所述下电极层采用金、铂、铝或锡。
23.与现有技术相比，本发明通过mems工艺在超声换能器的衬底通过湿法腐蚀，加工出一个倒梯形号筒结构，这种结构可以使超声换能器发出的声波指向性更好，主瓣的声压级更高，束声效果更好，易于超声换能器器件与后续电路的集成化。而且空腔通过湿法腐蚀加工而成，选择性好，便于加工斜面，设备简单便宜，腐蚀速率高，可批量生产。
附图说明
24.图1是现有技术中超声换能器的结构示意图；
25.图2是根据本发明一实施方式的超声换能器的剖视图；
26.图3是根据本发明一实施方式的超声换能器的俯视图；
27.图4是根据本发明一实施方式的超声换能器的仰视图；
28.图5是根据本发明一实施方式的超声换能器的制作流程图；
29.图6是根据本发明一实施方式的超声换能器的仿真结果图；
30.图7是现有技术中超声换能器的仿真结果图。
具体实施方式
31.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
32.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
33.如图2至图4所示，根据本发明优选实施方式的一种超声换能器10，包括具有空腔111的衬底11、设置于衬底11上的下电极层12，以及依次形成于下电极层12上的压电层13和上电极层14。
34.衬底11优选采用硅晶片(soi)，也可以采用硅或其他任何合适的硅基化合物或衍生物，例如sio2。衬底11的厚度在200μm～1000μm，衬底11的外径尺寸为1.2mm～2mm。
35.空腔111贯穿衬底11的轴线方向，且空腔111于开口位置的内径大于空腔111靠近所述下电极层12位置的内径。
36.该技术方案中，空腔111通过内径的变化，形成一外延型扩口，当该超声换能器应用于超声测距时，可以对发射出的超声波能量进行集中，提高声束的定向性。
37.在一实施例中，空腔111的内径自开口位置向所述下电极层12的方向渐性减小。
38.结合图2所示，衬底11整体呈一方形的筒体，筒体的内壁以一定的角度倾斜设置，并形成喇叭状的空腔111，筒体的侧壁的横截图呈一倒置的梯形，在一些实施例中，筒体的侧壁的横截面还可以为三角形或筒体的内壁形成台阶或锯齿形状或一曲面。
39.结合图4所示，衬底11的截面为矩形，空腔111的截面也为矩形。在一些实施例中，衬底11还可以为圆柱体或其他多边形，空腔111的截面也可以为圆形或其他多边形。
40.超声换能器10还包括形成于所述衬底11和下电极层12之间的支撑层15。支撑层15主要的作用是进行器件的应力匹配。在优选的实施例中，所述支撑层15包括依次形成于衬底11和下电极层12之间的第一支撑层151和第二支撑层152。在一实施例中，所述第一支撑层151的材料采用氧化硅，作为腐蚀停止层，所述第二支撑层152的材料采用硅，起到主要的支撑作用。在一实施例中，支撑层15也可以设置为一层，其材料可以采用aln材料。
41.压电层13采用氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
42.上电极层14采用钼、铂、铝或锡或其合金。
43.下电极层12采用金、铂、铝或锡或其合金。
44.通过软件仿真，在相同仿真条件下(超声换能器谐振频率相同，振幅一致，空腔高度相同)得出声压辐射方向图，其中图6为本实施例空腔结构仿真结果图，图7为圆柱形空腔(内径相同)仿真结果图，可以看出本实施例这种截面积连续变化的结构可以使超声换能器发出的声波指向性更好，主瓣的声压级更高，束声效果更好。
45.在一实施例中，通过大量的实验发现，当空腔111的截面为方形，且空腔111的顶部内径(边长)1mm，空腔111的底部内径(边长)为1.6mm，空腔111内壁的斜率(从空腔做法线与侧壁之间的夹角)为30
°
时，可以获得最佳的束声效果。
46.结合图5所示，根据本发明优选实施方式的一种超声换能器的制作方法，包括如下的步骤：
47.步骤s1，提供一衬底11，并对衬底11进行清洗，该衬底11具有相对的第一表面112和第二表面113。
48.衬底11优选采用硅晶片(soi)，也可以采用硅或其他任何合适的硅基化合物或衍生物，例如sio2。
49.步骤s2，在衬底11的第一表面112上依次制作第一支撑层151和第二支撑层152，并通过磁控溅射的方法依次在第二支撑层152上依次制作下电极层12和压电层13。
50.所述第一支撑层151的材料采用氧化硅，所述第二支撑层152的材料采用硅。
51.下电极层12采用金、铂、铝或锡或其合金。
52.压电层13采用氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷。
53.步骤s3，结合图3所示，通过干法刻蚀所述的压电层13并暴露出所述下电极层12，并通过干法刻蚀对所述下电极层12进行图案化。
54.步骤s4，在压电层13上通过磁控溅射制作上电极层14。
55.上电极层14采用钼、铂、铝或锡或其合金。
56.步骤s5，采用湿法腐蚀在衬底11的第二表面113形成空腔111，所述空腔111于开口
位置的内径大于空腔111靠近第一支撑层151位置的内径。
57.空腔111贯穿衬底11的轴线方向，且空腔111于开口位置的内径大于空腔111靠近所述下电极层12位置的内径。
58.在一实施例中，空腔111的内径自开口位置向所述下电极层12的方向渐性减小。
59.结合图2所示，衬底11整体呈一环形的筒体，筒体的内壁以一定的角度倾斜设置，并形成喇叭状的空腔111，筒体的侧壁的横截图呈一倒置的梯形，在一些实施例中，筒体的侧壁的横截面还可以为三角形或筒体的内壁形成台阶或锯齿形状或一曲面。
60.结合图4所示，衬底11的截面为矩形，空腔111的截面也为矩形。在一些实施例中，衬底11还可以为圆柱体或其他多边形，空腔111的截面也可以为圆形或其他多边形。
61.综上所述，本案的空腔结构呈喇叭状，通过湿法腐蚀加工而成，选择性好，便于加工斜面，设备简单便宜，腐蚀速率高，可批量生产。
62.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

技术特征：

1.一种超声换能器，其特征在于，包括具有空腔的衬底、设置于衬底上的下电极层，以及依次形成于下电极层上的压电层和上电极层，所述空腔于开口位置的内径大于空腔靠近所述下电极层位置的内径。2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述空腔的内径自开口位置向所述下电极层的方向渐性减小。3.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述空腔的截面为圆形或多边形。4.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，还包括形成于所述衬底和下电极层之间的支撑层。5.如权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，所述支撑层包括依次形成于衬底和下电极层之间的第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层的材料采用氧化硅，所述第二支撑层的材料采用硅。6.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压电层采用氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；所述上电极层采用钼、铂、铝或锡；所述下电极层采用金、铂、铝或锡。7.一种超声换能器的制作方法，其特征在于，包括：提供一衬底，该衬底具有相对的第一表面和第二表面；在衬底的第一表面侧，依次制作下电极层和压电层；刻蚀所述的压电层并暴露出所述下电极层，并对所述下电极层图案化；在压电层上制作上电极层；采用湿法腐蚀在衬底的第二表面形成空腔，所述空腔于开口位置的内径大于空腔靠近所述下电极层位置的内径。8.根据权利要求7所述的超声换能器的制作方法，其特征在于，所述空腔的内径自开口位置向所述下电极层的方向渐性减小。9.根据权利要求7所述的超声换能器的制作方法，其特征在于，制作下电极层和压电层的步骤之前还包括：在衬底的第一表面依次制作第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层的材料采用氧化硅，所述第二支撑层的材料采用硅。10.根据权利要求7所述的超声换能器的制作方法，其特征在于，所述压电层采用氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；所述上电极层采用钼、铂、铝或锡；所述下电极层采用金、铂、铝或锡。

技术总结

本发明公开了一种超声换能器及其制作方法，该超声换能器包括具有空腔的衬底、设置于衬底上的下电极层，以及依次形成于下电极层上的压电层和上电极层，所述空腔于开口位置的内径大于空腔靠近所述下电极层位置的内径。本发明通过MEMS工艺在超声换能器的衬底通过湿法腐蚀，加工出一个倒梯形号筒结构，这种结构可以使超声换能器发出的声波指向性更好，主瓣的声压级更高，束声效果更好，易于超声换能器器件与后续电路的集成化。而且空腔通过湿法腐蚀加工而成，选择性好，便于加工斜面，设备简单便宜，腐蚀速率高，可批量生产。可批量生产。可批量生产。