高Q值PMUT器件及其制造方法

本发明特别涉及一种高q值pmut器件及其制造方法，属于微机电。

背景技术：

1、pmut器件是一种压电微加工超声换能器件，具备小型化、低功耗、高灵敏度和宽频率响应等优势。相比于传统的压电换能器件，pmut器件更易于集成、制造和控制，可以实现更高的空间分辨率和灵活性。因此，pmut器件在医学、生物科学、消费电子和工业等领域为人们的生活和工作带来很多的便利。

2、经典结构的pmut器件如图1所示，通常的pmut器件是由谐振腔、压电材料薄膜构成，其中压电材料薄膜包含电极层、压电层以及弹性层，基于压电效应，当顶电极与底电极之间存在电势时，压电层在应力的作用下做简谐振动并发射超声波，反之当压电层接受超声波做简谐振动时，会产生电势。其中，压电层一般选用压电性能好的材料，如aln、zno、alscn、pzt、knn和linbo3等；顶电极的位置在法线方向上位于谐振腔的中心且其尺寸小于谐振腔，通常情况下存在一个较优的比例来提高压电薄膜的位移灵敏度。

3、pmut的q值用于衡量其电学性能，常用谐振频率/通频带宽表示，q值越高则pmut具备更好的频率响应，意味着更高的信噪比，而q值越低，说明响应带宽越大，通常情况下q值在10到400之间。经典结构的pmut器件有且仅拥有一个圆形定电极或者数个环形顶电极，但是这些设计结构在受力上并不是较优的方案，不同程度的降低了pmut发射和接受信号的灵敏度。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种高q值pmut器件及其制造方法，从而克服现有技术中的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明一方面提供了一种高q值pmut器件，包括沿选定方向层叠设置的支撑结构层、底电极、压电层和顶电极，所述支撑结构内具有谐振腔，

4、所述顶电极完全位于所述谐振腔沿所述选定方向形成的第一正投影区域内，所述第一正投影区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域环绕所述第二区域，所述谐振腔的中轴线位于所述第二区域，所述顶电极包括至少一个环形电极，所述环形电极位于所述第一区域，且环绕所述第二区域设置，所述环形电极的环宽与所述谐振腔的半径的比值为0.1～0.3。

5、本发明另一方面还提供了所述的高q值pmut器件的制造方法，包括：提供具有谐振腔的支撑结构层，并在所述支撑结构层上制作沿选定方向依次层叠的底电极、压电层和顶电极，其中，所述顶电极的制造过程包括，

6、在所述压电层上形成至少一个环形电极，所述环形电极环绕所述谐振腔的中轴线分布，所述环形电极完全位于所述谐振腔沿所述选定方向形成的第一正投影区域内，并且，所述环形电极的环宽与所述谐振腔的半径的比值为0.1～0.3。

7、与现有技术相比，本发明的优点包括：

8、1)本发明提供的高q值pmut器件，采用环形电极作为顶电极，与谐振腔的中心区域对应的部分无顶电极覆盖，但保留了弹性系数较高的压电层，使得压电层薄膜的等效弹性系数增加，从而提高了压电薄膜的简谐振动的幅值；

9、2)本发明提供的高q值pmut器件，采用多个同轴的环形电极作为顶电极，并对各个环形电极的尺寸和位置进行优化，使得振动模式进行了相干叠加，从而较大的提高了q值，并降低了等效电阻；

10、3)本发明提供的高q值pmut器件，通过对环形电极的尺寸以及位置进行优化，可以将pmut器件的q值提高到1800以上，等效电阻可以小至500ω，该pmut器件的位移灵敏度可达104μm/v。

技术特征：

1.一种高q值pmut器件，包括沿选定方向层叠设置的支撑结构层、底电极、压电层和顶电极，所述支撑结构内具有谐振腔，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的高q值pmut器件，其特征在于：所述环形电极的中轴线与所述谐振腔的中轴线平行；

3.根据权利要求1或2所述的高q值pmut器件，其特征在于：所述顶电极包括两个以上所述环形电极，两个以上所述环形电极沿自身的径向方向间隔设置；

4.根据权利要求3所述的高q值pmut器件，其特征在于：两个以上所述环形电极同轴设置。

5.根据权利要求3所述的高q值pmut器件，其特征在于：两个以上所述环形电极的环宽相同或不同。

6.根据权利要求3所述的高q值pmut器件，其特征在于：所述环形电极的外径小于所述谐振腔的直径。

7.根据权利要求1或6所述的高q值pmut器件，其特征在于：所述第一正投影区域还包括第三区域，所述第三区域环绕所述第一区域设置。

8.根据权利要求1所述的高q值pmut器件，其特征在于：所述谐振腔为圆柱形腔体；优选的，所述第一区域为圆环形区域，所述第二区域为圆形区域；

9.根据权利要求1所述的高q值pmut器件，其特征在于：所述支撑结构层包括沿所述选定方向依次层叠设置的支撑层、埋氧层和弹性层，所述支撑层、所述埋氧层环绕所述谐振腔分布，所述弹性层沿所述选定方向设置在所述谐振腔的一侧，所述底电极沿所述选定方向层叠设置在所述弹性层上；

10.如权利要求1-9中任一项所述的高q值pmut器件的制造方法，包括：提供具有谐振腔的支撑结构层，并在所述支撑结构层上制作沿选定方向依次层叠的底电极、压电层和顶电极，其特征在于，所述顶电极的制造过程包括，

技术总结本发明公开了一种高Q值PMUT器件及其制造方法。高Q值PMUT器件包括沿选定方向层叠设置的支撑结构层、底电极、压电层和顶电极，所述支撑结构内具有谐振腔，所述顶电极完全位于所述谐振腔沿所述选定方向形成的第一正投影区域内，所述第一正投影区域包括第一区域和第二区域，所述第一区域环绕所述第二区域，所述谐振腔的中轴线位于所述第二区域，所述顶电极包括至少一个环形电极，所述环形电极位于所述第一区域，且环绕所述第二区域设置，所述环形电极的环宽与所述谐振腔的半径的比值为0.1～0.3。本发明通过对环形电极的尺寸以及位置进行优化，可以将PMUT器件的Q值提高到1800以上，等效电阻可以小至500Ω。技术研发人员：林栋,时文华,林文魁,张宝顺,曾中明受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/15