[发明专利]高填充率MEMS换能器有效

专利信息
申请号: 202010005578.1 申请日: 2020-01-03
公开(公告)号: CN111182429B 公开(公告)日: 2021-04-02
发明(设计)人: 吴国强;贾利成;石磊 申请(专利权)人: 武汉大学
主分类号: H04R19/00 分类号: H04R19/00;H04R19/02
代理公司: 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 42222 代理人: 郑勤振
地址: 430072 湖*** 国省代码: 湖北;42
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摘要:
搜索关键词: 填充 mems 换能器
【说明书】:

公开了一种MEMS换能器,包括一个或多个换能器阵列,所述换能器阵列包括呈蜂窝状排布的若干个正六边形换能器单元,所述换能器单元包括:衬底,具有正六边形凹腔;和换能器结构层,位于所述衬底上方并与所述衬底接合,与所述正六边形凹腔成真空腔室;其中所述多个换能器阵列串联连接,所述换能器阵列中的所述若干个正六边形换能器单元相互并联。本发明采用蜂窝状排列将换能器单元进行阵列排布,可以实现100%的填充率,提高了换能器的接收/发射灵敏度。所述换能器结构层的所述底电极层和/或所述顶电极层采用内外差分式电极布置,提高电荷收集率。

技术领域

本发明涉及MEMS换能器领域中的压电式超声换能器,具体是基于压电薄膜技术的高填充率MEMS压电式超声换能器。

背景技术

随着微电子机械系统(Micro Electromechanical System,MEMS)和微纳米技术的迅速发展,超声换能器的制造进入了一个全新的阶段。超声换能器是一种用于发射和检测超声波的器件,广泛应用于水下通讯、医疗成像、工业控制,以及消费电子等领域。目前超声换能器主要有电容式超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)和压电式超声换能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer,PMUT)两大类。与CMUT相比,PMUT不需要直流偏置和很小的电容间隙来提高换能器的灵敏度,并且电学阻抗低,是目前超声换能器发展的主要方向之一。

PMUT一般由压电膜、上下电极和振动膜等组成。当其处于发射模式时,在压电膜的上下电极之间施加一定的电压,由于压电膜逆压电效应,产生的压力使膜结构发生弯曲,从而引起振动膜发生形变。当施加交变电压时,将使振动膜产生振动,向外辐射声压,从而实现由电能向声能的转化。当其处于接收模式时,振动膜由于外界声压的作用而发生形变,并使压电膜发生形变,由于压电效应而产生相应的电荷,从而将声能转化为电能,然后通过接收电路实现声信号的接收。常见的PMUT膜片形状有圆形、正方形、长方形、贝壳形、圆柱形和圆顶形等。目前PMUT振动膜多被设计为圆形结构,但是圆形振动膜结构填充率较低(填充率:60%-80%),不利于实现高接收/发射灵敏度。

发明内容

本发明提出了一种高填充率MEMS换能器,将PMUT振动膜设计为正六边形结构,并采用蜂窝状排列将换能器单元进行阵列排布,可以实现100%的填充率,从而提高换能器的接收/发射灵敏度;另外,本发明采用内外差分式电极布置,提高电荷收集率。

根据本发明实施例的一方面,提供一种MEMS换能器,包括一个或多个换能器阵列,所述换能器阵列包括呈蜂窝状排布的若干个正六边形换能器单元,所述换能器单元包括:

衬底,具有正六边形凹腔;和

换能器结构层,位于所述衬底上方并与所述衬底接合,使所述正六边形凹腔成真空腔室;

其中所述多个换能器阵列串联连接,所述换能器阵列中的所述若干个正六边形换能器单元相互并联。

在上述的MEMS换能器,所述换能器结构层包括从下到上依次堆叠的硅结构层、电介质层、底电极层、压电材料层、顶电极层、顶电解质层和电气连接层。

在上述的MEMS换能器,所述换能器结构层包括从下到上依次堆叠的作为底电极层的重掺杂硅结构层、压电材料层、顶电极层、顶电解质层和电气连接层。

在上述的MEMS换能器,所述底电极层和所述顶电极层位于所述真空腔室正上方,所述底电极层和/或所述顶电极层为正六边形,所述衬底上的所述正六边形凹腔、所述底电极层、所述顶电极层的几何中心在所述换能器单元垂直方向的几何中心线上。

在上述的MEMS换能器,所述底电极层和/或所述顶电极层形成内电极和位于所述内电极外的外电极,所述底电极层和/或所述顶电极层的内电极与外电极关于所述换能器单元零应变轴线圈内外分布,所述内电极和所述外电极为一对极性相反的电极对。

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