[发明专利]变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法

说明书

本发明公开了变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法，其将传统CMUT单元的塌陷工作模式与PMUT单元的驱动方式进行结合。在超声发射状态，通过调节偏置电压控制处于振动薄膜塌陷区域与传感器基底的贴合状态，实现对振动薄膜刚度的大范围调控。同时，结合PMUT输出灵敏度不受空腔高度约束的结构设计灵活性，实现PMUT单元的变频高能超声输出。在超声接收状态，通过各个PMUT单元处于塌陷模式下的电容变化量来对入射超声波进行感知，从而极大提高传感器的接收灵敏度。

技术领域

本发明属于微型超声换能器技术领域，具体涉及变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法。

背景技术

基于MEMS技术的微型超声换能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)因具有微型化、与流体阻抗匹配特性好、可实现批量化制备、易于实现二维阵列加工以及易于与ICs集成等特点，在即时超声成像与治疗(Point of Care Diagnostics,POC)、超声生物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿应用领域具有巨大应用潜力。微型超声换能器主要包括电容式微加工超声换能器(Capacitive MicromachinedUltrasonicTransducer,CMUT)和压电式微加工超声换能器(PiezoelectricMicromachinedUltrasonic Transducer,PMUT)两大类。相对于CMUT，基于AlN、ZnO等压电材料、采用弯曲振动模式的PMUT在低功耗应用领域具有突出优势，但由于AlN、ZnO材料的压电系数远小于PZT材料，导致PMUT机电耦合系数、带宽及接收灵敏度等性能还远落后于CMUT。虽然部分研究者通过结构设计来提高PMUT性能，但仍未获得根本性改善。

尽管CMUT在带宽、机电耦合系数和接收灵敏度等性能方面具有突出优势，然而其受制于静电驱动模式，对其结构设计造成很大的限制，同时也限制了其在发射灵敏度方面的提高。因此基于MEMS技术的微型超声换能器(Micromachined Ultrasonic Transducer,MUT)在即时超声成像与治疗、超声生物特征识别、3D超声姿态识别与非接触控制等前沿技术领域仍面临以下亟待解决的技术难题：

(1)即时超声成像、3D超声姿态识别等技术要求超声换能器具有低工作电压、低功耗和便携性。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；而目前常规的CMUT工作电压大、功耗高，工作时所需加载的高直流偏置电压(几十至几百伏不等)限制了其在便携式、低功耗以及长期在线检测方面的应用；

(2)理想的超声换能器应同时具有很好的超声波发射和超声波接收性能。但目前常规的PMUT所适用压电材料性能限制了其接收灵敏度的提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元及其制备方法，实现对振动薄膜刚度的调控，提高传感器的接收灵敏度。

为达到上述目的，本发明变频自聚焦混合驱动收发一体化PMUT单元，包括自上而下依次设置的多层复合振动薄膜，支柱和基底电极，支柱为中空结构，薄膜、支柱和基底电极围合形成腔体；

多层复合振动薄膜包括自上至下依次设置的结构层、压电驱动层和键合层；压电驱动层包括自上至下依次设置的顶部电极、压电材料层和底部电极；

基底电极由基底结构和设置在基底结构上的凸台结构组合而成，基底电极上端面覆盖有基底电极复合绝缘层；

顶部电极包括多个同心圆环，顶部电极与腔体在平面内的投影同心，最小的同心圆环的内径小于凸台结构上端面在平面内的投影半径；底部电极的平面尺寸大于顶部电极在平面内的投影，并将顶部电极包含在内。

进一步的，支柱包括自上至下依次设置的高度微调支柱和主支柱结构，支柱的高度大于凸台结构的高度。