硅微压电超声换能器的设计与制作

　　硅微压电器件是微机电系统(MEMS)最重要的应用之一[1-3].硅微压电超声换能器是一种新型的超声接收和发射器件,它能够克服传统超声压电换能器的缺点.传统的压电超声换能器是由两层电极加中间的压电层形成的夹心结构,其工作方式为厚度振动模式.在这种工作模式下,换能器的共振频率是由压电层的厚度决定的,因此对于特定的工作频率的设计就受限于压电材料的几何尺寸.另外传统的压电超声换能器在应用于液体中,例如水中时,由于压电层与液体的声阻抗相差很大,因此换能器的带宽较窄.硅微压电超声换能器是一种弯曲振动模式工作的超声换能器,它一般是由一定材料制成的振动膜以及带有上下电极的压电薄膜构成.当换能器工作在接收模式时,振动膜在声压的作用下发生形变,同时振动膜上的压电薄膜由于形变会产生相应的电荷,从而将声信号转化为电信号,实现接收的功能;当换能器应用于发射工作模式时,在压电层的上下两个电极施加电压,由于逆压电效应压电层会发生形变从而引起整个振动膜发生形变,当电压为交变电压时,振动膜将发生相应形式的振动,从而向外辐射出声能,实现了由电能向声能的转换.由于硅微压电超声换能器的接收和发射均为弯曲振动模式,该模式的工作频率是主要是由振动膜的弯曲振动的一阶振动频率所决定的.因此可以通过改变其振动膜的厚度和面积来改变换能器的共振频率,而不受限于压电材料的几何特性,易于针对特定频率器件的设计和实现.此外,硅微压电超声换能器还具有功耗低、体积小、易于集成等优点.目前硅微压电超声换能器发展较为迅速,结构多样.振动膜多采用硅、二氧化硅、氮化硅和多晶硅等薄膜材料[4-6];而压电层多采用PZT[7-9]和ZnO[2-3,10]压电薄膜.这种硅微压电超声换能器的设计频率主要是从30 kHz到10 MHz[2,11].

　　本文介绍了一种基于复合振动膜的新型硅微压电超声换能器.该超声换能器的振动基膜是由氮化硅薄膜和低温二氧化硅薄膜所构成的复合膜结构.压电层为取向择优的ZnO压电薄膜.通过计算得到该换能器共振频率为68.3 kHz,实际测得的空气中共振频率为71.36 kHz.文中还在共振频率点对硅微换能器进行了初步的接收和发射超声信号的实验,并得到了相应的信号波形.

　　1 结构和制作过程

　　本文介绍的硅微压电式超声换能器采用低温二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜组成的复合振动膜作为支撑层,氧化锌为为压电薄膜,上下电极均为铬金薄膜.图1为本文介绍的硅微压电超声换能器的结构示意图.图2为制作完成的硅微压电超声换能器的实际图片.

　　图3为硅微压电超声换能器的基本制作工艺流程.其具体步骤为:(a)在硅片两面用LPCVD方法淀积氮化硅薄膜0.5μm,硅片厚度为300μm;(b)在硅片正面的氮化硅薄膜上用PECVD方法淀积厚度为1μm的低温二氧化硅薄膜;(c)在硅片两面面用LPCVD方法淀积氮化硅薄膜0.5μm,并光刻腐蚀背面的氮化硅,形成体硅刻蚀的掩模图形;(d)硅片正面淀积铬(20nm)和金(100nm)薄膜,并图形化形成下电极;(e)在下电极上磁控溅射ZnO压电薄膜1.5μm作为压电层,并腐蚀该层形成下电极引出孔;(f)淀积铬(20nm)和金(100nm)薄膜,并图形化形成上电极;(g)在KOH溶解中对硅片进行各项异性的体刻蚀,去除掩模以外的硅,形成硅微压电换能器的复合振动膜结构.