[发明专利]一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT及其制备方法，其振动薄膜的固定于支柱表面的区域设置环形应力释放凹槽；其空腔形状呈T形，即空腔中心区域上下电极间电极距离大于空腔周围靠近支柱区域上下电极间电极距离。本发明利用T形空腔设计来减小空腔周围区域上下电极间的电极距离，从而可在不影响薄膜最大振幅的条件下增大薄膜平均位移，进而增大输出声压，提高机电耦合系数及接收灵敏度。此外，通过薄膜固定端开设应力释放凹槽的方法可进一步减小薄膜固定区域对薄膜变形的束缚，增大薄膜变形，提高输出声压。

技术领域

本发明涉及MEMS和超声换能器技术，特别涉及一种面向空气耦合应用领域的具有T形空腔结构的空气耦合CMUT及其制备方法。

背景技术

超声换能器用于超声波的发射和接收，是实现超声检测技术的核心器件。由于超声波具有频率高、传播方向性好、能量集中、穿透力强、无噪音污染以及在液体中可产生空化现象等特点，超声换能器在医疗卫生、工业无损检测、化工生产、海洋地形勘探及军事声纳等领域具有重要应用价值。传统压电超声换能器因存在与空气、液体等环境介质阻抗匹配性差、带宽窄以及难以实现二维换能器阵列制备等技术难题，已无法满足各工程应用领域日益提高的技术要求。MEMS技术的发展使得研制微型化、高性能以及低成本的超声传感器成为可能。基于MEMS技术的电容式微加工超声传感器(Capacitive MicromachinedUltrasonic Transducer，CMUT)克服了传统压电超声换能器存在的难题，在阻抗匹配性、机电耦合性能(机电耦合系数高达0.85)、带宽(分数带宽高达175％)、工作温度范围(最高工作温度可达500℃)等方面具有突出优势。此外，由于基于MEMS工艺，CMUT还具有可批量化制造、成本低、易于加工高密度二维阵列以及易于与ICs集成等优点，因而获得大量研究关注。在过去二十年里，CMUT已经广泛用于医学超声成像、水下超声成像等方面的实验研究，并取得长足的发展。

近年来，随着工业检测与控制、日用电子产品等领域对复合材料以及食品无损检测技术、超声指纹识别、3D超声姿态识别以及非接触控制技术需求的迅速增大，用于空气环境的空气耦合CMUT成为重要发展方向。这些应用要求CMUT具有低工作电压和便携性。例如，超声指纹识别技术需要超声换能器的功耗在mW甚至更低级别，以便与手机等电子器件集成使用后降低整机功耗，提高待机时间。另一方面，在无损检测、超声姿态识别等空气耦合应用中，由于超声波在空气中传播时会迅速衰减，且空气声阻抗与CMUT以及被检测目标阻抗的不一致性也会引起较大反射损耗，因此，要求CMUT具有高强度超声波发射能力和高接收灵敏度。然而，目前常规的空气耦合CMUT工作时需加载高直流偏置电压(100V)以获得高机电耦合系数，且主要通过薄膜结构设计来增大薄膜平均位移，提高输出声压，这种方法导致薄膜结构设计复杂，增加了工艺难度，降低阵列中单元结构的一致性。此外，对于确定的空腔高度，复杂的薄膜结构也限制了薄膜的最大振动位移空间，导致发射和接收性能的提高有限(目前，CMUT发射灵敏度最高为34Pa/V，接收灵敏度最高为17mV/Pa)。因此，已有的空气耦合CMUT未综合考虑工作电压、制备工艺以及发射和接收性能等因素，难以在有效降低工作电压，且制备工艺简单可行的前提下实现超声波发射和接收性能的同步提高。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提出一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT及其制备方法，本发明在有效降低CMUT工作电压、减小功耗的同时实现超声发射和接收性能的大幅提高，以满足空气耦合应用领域对低功耗、高性能超声换能器的迫切需求。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT，包括振动薄膜、支柱、下电极、T形空腔、绝缘层以及上电极，绝缘层处于振动薄膜与下电极之间；T形空腔的上半部分沿支柱的厚度方向贯穿支柱；T形空腔的下半部分位于绝缘层或下电极的中心区域，也即绝缘层或者下电极上表面中心区域开设有凹槽，以构成T形空腔的下半部分；振动薄膜、支柱和下电极自上而下依次设置并一道将T形空腔密封；

振动薄膜的上表面位于支柱上方的区域设有应力释放凹槽。