[发明专利]基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备

说明书

本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备，涉及超声换能器技术领域。该压电微机械超声换能器由顶部电极层1，压电薄膜层2，底部电极层3，粘附层4以、衬底5以及底部空腔6组成。其中，所述顶部电极层1和底部电极层3均为铂(Pt)；所述压电薄膜层2为弛豫铁电单晶薄膜；所述粘附层4为二氧化钛(TiO₂)；所述衬底5为硅晶片(SOI)。压电微机械超声换能器的制备方法，包括步骤：A.在衬底5上制备粘附层4；......至G.采用深反应离子刻蚀法对衬底5进行背面刻蚀。本发明压电微机械超声换能器的弛豫铁电单晶薄膜及器件结构对提高器件性能起到重要作用，在医学成像、指纹识别等超声成像领域具有重要应用价值。

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，具体指一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备方法。

背景技术

超声波传感器利用超声波换能器实现声学和电学信号的转换，越来越广泛地应用在工业和生物医学等领域。但传统超声换能器采用纵向振动模式，存在难以阵列化、难以小型化等问题不能满足超声成像发展需要微小型化、高集成度、低成本、高性能等超声成像领域新的需求。

众所周知，新型的压电微机械超声波换能器(Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer，PMUT)为一种悬膜式结构，由顶部电极层、压电薄膜层、底部电极层、粘附层和衬底及底部空腔叠加组成。相比于传统超声换能器，其径向振动模式具有更高的谐振频率，且具有微小型化、低功耗、阻抗匹配优良、易形成阵列、易集成等优势。此外，压电微机械超声换能器与电容式微机械超声换能器相比，不受高直流偏置电压和亚微米电容间隙的限制等优点。

如所周知，压电薄膜是压电微机械超声换能器的核心元件，目前，压电微机械超声换能器普遍采用锆钛酸铅(PZT)薄膜和氮化铝(AIN)薄膜，其中，基于锆钛酸铅薄膜的压电微机械超声换能器的发射性能较好，有效机电耦合系数较大；基于氮化铝薄膜的压电微机械超声换能器的接收性能较好。因此，开发新的适用于压电微机械超声换能器的压电薄膜材料以及优化设计压电微机械超声换能器结构是进一步提高压电微机械超声换能器性能的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器及其制备方法。

本发明的基本思路

首先，对压电微机械超声换能器核心元件的压电薄膜，沿[011]方向极化的弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅的横向长度伸缩振动模式具有优异的压电性能及机电性能，因此采用该弛豫铁电单晶材料替代传统铁电材料锆钛酸铅。

其次，对现有普遍采用方形顶部电极-方形底部空腔或圆形顶部电极-圆形底部空腔的配置结构的压电微机械超声换能器，作进一步的优化设计。

本发明的技术方案

本发明基于弛豫铁电单晶薄膜的压电微机械超声换能器，为一种悬膜式结构，由顶部电极层、压电薄膜层、底部电极层、粘附层、衬底以及底部空腔组成。

其中，所述顶部电极层和底部电极层均为铂(Pt)；所述压电薄膜层为弛豫铁电单晶薄膜；所述粘附层为二氧化钛(TiO₂)；所述衬底为硅晶片(SOI)。

所述顶部电极层形状为圆形，厚度为0.1μm≤h_e1≤3μm，半径为1μm≤r_e≤24μm。

所述弛豫铁电单晶薄膜材料为沿[011]方向极化的铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-30％PbTiO₃)，厚度为0.1μm≤h_p≤4.5μm，尺寸为40μm×40μm至70μm×70μm。