PZT铁电厚膜声纳换能器

　　铁电薄、厚膜材料具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学特性,在微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域有广泛的应用前景,成为国际上新型功能材料研究的热点之一。钙钛矿型结构的锆钛酸铅(PZT)材料具有优良压电、热释电和铁电性能,是被广泛应用的一种无机非金属类信息功能材料。

　　90年代,厚膜材料及厚膜器件成为国内、外科学工作者研究的热点[1], PZT厚膜材料已经大量用于生产各种集成压电、铁电、热释电器件,如二维阵列高频声纳换能器、弹性声表面波器件、新型超声换能器、热释电红外传感器、微电子机械系统( MEMS )器件和微型电动机和微型驱动器等[2～7]。

　　本文着重介绍利用硅微机械技术和sol-gel技术制备的PZT厚膜高频声纳换能器二维阵列[2]。这种换能器阵列和透镜组结合使用能够显示高分辨率声像,可应用于潜水声纳,医学超声成像和非破坏性检测等方面。

　　1　铁电厚膜声纳换能器的结构

　　最常用的声纳换能器形状有圆柱形、球形,矩形和双压电片形,在这些形状中,双压电片形最适合厚膜制备和硅微机械加工。图1为一种厚膜型声纳换能器的结构图,厚膜材料选用PZT。首先在Si上沉积金属或金属氧化物导电电极,然后用通过刻蚀图形、引线工艺,制成铁电厚膜声纳换能器。这种单元换能器就是在正方形膜片上沉积介电绝缘层和金属/PZT/金属的电容器的单晶片,换能器横截面从上至下,是Pt/Ti、PZT、Pt/Ti、SiO2和Si。图2是第一代厚膜型各种尺寸的正方形和长方形单元换能器。

　　图3是第二代厚膜型8×8换能器阵列的结构图。设计的特点是所有灵敏元的连线都在芯片的边缘连接并且互不交叉,用传统柯伐平面封装。在芯片上采用接地电位面减小串音,所有换能器及它们的连接导线使用接地金属接地。在介电层间使用聚酰亚胺减小由于通过PZT上面互连导线产生的寄生电容。

　　2　PZT压电厚膜声纳换能器的制备

　　采用标准硅微机械加工工艺制备换能器,其换能器的横截面如图4所示。PZT铁电厚膜声纳换能器的制备过程是:首先将n型硅片两面抛光,然后氧化硅片,刻蚀硅片正面氧化层。采用二氧化硅掩蔽硼扩散,在硅里扩散5Lm或10Lm厚掺硼腐蚀停止层,在扩硼的硅片上再低温氧化沉积二氧化硅,背面二氧化硅刻蚀成窗口,使用红外掩模校准器刻蚀正面SiO2。然后在硅片正面沉积铂-钛底电极(300 nmPt/50 nmTi)。采用匀胶技术旋涂制备PZT厚膜,利用湿法刻蚀PZT膜,再旋涂一层2Lm的聚酰亚胺并进行热处理,用光刻胶成型和干氧反应离子刻蚀聚酰亚胺。在膜片中心敏感元区的上方通过聚酰亚胺开孔连接接地电位面。然后溅射Pt/Ti顶电极,利用光刻胶剥离工艺刻蚀Pt/Ti顶电极。在EDP (ethylendiamine-pyrocatechol-water-pyrazine)腐蚀液中腐蚀背面硅,利用硅橡胶把硅片粘在玻璃片上,由于EDP是各向异性腐蚀,在硅(111)面和重掺硼硅片上以自动终止腐蚀技术制备铁电厚膜换能器灵敏元的Si牺牲层。最后用切割锯把它们切成8×8阵列,未切割的8×8换能器阵列如图5所示。