一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法

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1.本发明涉及一种柔性压电微加工超声换能器(pmut)阵列设计与制备方法，属于柔性微型传感器技术领域。

背景技术：

2.近年来，随着科技的发展，柔性电子设备在可穿戴电子设备、电子皮肤、人机交互和机器人等领域中具有巨大应用前景。其中柔性传感器是柔性电子设备中的重要单元。柔性传感器是以柔性导电复合材料为基础进行电路设计组装而成。在力、温度、光和化学信号等外加刺激下，柔性传感器的电学性能发生变化进而实现了对外加信号的响应及传感功能。
3.随着对柔性传感器越来越深入的研究，柔性电子为实现人机交互、健康监测、可穿戴电子以及人工智能等方面做出了突出的贡献。在柔性传感器的应用中，众多物理信号，例如：温度、湿度、压力、光以及一些生理参数都被转换为电信号。目前，针对柔性力学传感器(电容/电阻)的研究很多，但存在传感灵敏度低、测试范围有限、加工制备工艺可重复性低以及制备的样品性能可重复性低等局限。广泛的应用场景使得人们对于柔性传感器的要求不断提高，更高的灵敏度就是其中要求之一。在柔性压力传感器领域，本领域技术人员往往通过微加工工艺制备微结构来提高灵敏度和降低尺寸。最初，本领域技术人员通过转移器件到柔性衬底、填充柔性介质等技术使传感器柔性化。

技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：现有的柔性力学传感器存在传感灵敏度低、测试范围有限、加工制备工艺可重复性低以及制备的样品性能可重复性低等局限。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法，其特征在于，将n个柔性可塑型微超声换能器单元排列成阵列，n≥3，相邻两个柔性可塑型微超声换能器单元由弯曲形状的互联结构连接在一起，该互联结构同时也是柔性可塑型微超声换能器单元之间互联的信号线，利用弯曲形状的互联结构，使得所述柔性压电微加工超声换能器阵列具有大幅度弯曲的功能。
6.优选地，所述柔性可塑型微超声换能器单元采用以下步骤制备得到：
7.步骤1、准备一个soiwafer。
8.步骤2、在soiwafer上沉积一层可释放材料层一，然后通过刻蚀将可释放材料层一图形化成多边形形状，可释放材料层一可牺牲；
9.步骤3、在soiwafer上未被可释放材料层一覆盖的部分沉积一层可释放材料层二，然后通过刻蚀将可释放材料层二图形化成多边形形状；可释放材料层二包裹且大于可释放材料层一，其形状与可释放材料层一的形状相同，且厚度小于可释放材料层一的厚度；可释放材料层二可牺牲。
10.步骤4、在soiwafer、可释放材料层一及可释放材料层二上沉积一层结构层；结构
层中部自然堆积形成凸起，凸起部分的形状及直径与可释放材料层二相同；
11.步骤5、在结构层的凸起部分边缘将结构层开孔至可释放材料层二；
12.步骤6、通过开孔，利用任何处理手段刻蚀掉可释放材料层一和可释放材料层二，并保留结构层，从而在结构层的层下形成空腔；
13.步骤7、利用任何手段密封步骤5形成的结构层上的开孔，形成开孔密封结构；
14.步骤8、在结构层中部凸起部分沉积底电极-压电-上电极层，底电极-压电-上电极层位于开孔密封结构之间；
15.步骤9、在底电极-压电-上电极层以及结构层上沉积一层金属互联层，金属互联层将底电极-压电-上电极层以及结构层位于底电极-压电-上电极层一侧的部分完全覆盖，结构层位于底电极-压电-上电极层另一侧的部分则未被金属互联层所覆盖；通过刻蚀将金属互联层图形化为任何形状；
16.步骤10、从表面利用干法刻蚀到soiwafer的基底si层并图形化；
17.步骤11、将soiwafer的二氧化硅层以及基底si层去除。
18.优选地，沉积底电极-压电-上电极层时：先在结构层上沉积一层底电极层，通过刻蚀将底电极层图形化为任何形状；再在底电极层上沉积一层压电层，通过刻蚀将压电层图形化为任何形状，压电层的形状与底电极层的形状相同；最后在压电层上沉积一层上电极层，通过刻蚀将上电极层图形化为任何形状，上电极层的形状与压电层及底电极层相同。
19.优选地，所述柔性可塑型微超声换能器单元采用以下步骤制备得到：
20.步骤1、准备一个soiwafer；
21.步骤2、在soiwafer上表面刻蚀一个浅槽后，将底电极-压电-上电极层转移到soiwafer表面；浅槽的厚度不大于soiwafer中顶层si层的厚度；
22.步骤3、先在底电极-压电-上电极层表面沉积一层金属互联层后，再从表面刻蚀到soiwafer的基底si层并图形化；
23.步骤4、将soi wafer的二氧化硅层以及基底si层去除。
24.优选地，形成底电极-压电-上电极层时：准备底电极层，通过刻蚀将底电极层图形化为任何形状；再在底电极层上沉积一层压电层，通过刻蚀将压电层图形化为任何形状，压电层的形状与底电极层的形状相同；最后在压电层上沉积一层上电极层，通过刻蚀将上电极层图形化为任何形状，上电极层的形状与压电层及底电极层相同。
25.通过本发明提供的方法可以制备得到一种基于薄膜材料的柔性微机电系统(mems)超声换能器(mut)阵列，其可用于低功耗的环境信号的检测和传感。通过本发明提供的方法制备得到的柔性力学传感器具有更高的传感器品质因数。并且由于本发明使用了氮化铝或氮化铝钪这种高机电耦合系数的材料，而且采用了特殊的工艺设计，使得制备得到的柔性力学传感器具有阵列均一性较高、串扰小、应力集中、薄膜振动位移大等特点。
附图说明
26.图1a为实施例公开的柔性压电微加工超声换能器阵列的一种结构形式的示意图；
27.图1b为实施例公开的柔性压电微加工超声换能器阵列的另一种结构形式的示意图；
28.图2a至图2k示意了实施例1公开的柔性可塑型微超声换能器单元的制备工艺步
骤；
29.图3a至图3d示意了实施例2公开的柔性可塑型微超声换能器单元的制备工艺步骤。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
31.如图1a所示，本实施例公开的一种柔性压电微加工超声换能器阵列为由四个柔性可塑型微超声换能器单元排列而成的2
×
2的方阵，相邻两个柔性可塑型微超声换能器单元用s型金属线连接在一起，该s型金属线也是柔性可塑型微超声换能器单元之间互联的信号线。应当注意的是，本实施例仅以s型金属线作为示例，本发明可以采用任何弯曲形状的互联结构来代替图1a中的s型金属线。通过诸如s型金属线之类的弯曲形状的互联结构使得相邻两个柔性可塑型微超声换能器单元之间有相对自由度，从而使柔性压电微加工超声换能器阵列具有大幅度弯曲的功能。
32.图1a仅以四个柔性可塑型微超声换能器单元为例对本发明做出示例性说明，本领域技术人员在阅读了本专利后，应当能够想到以任意个数的柔性可塑型微超声换能器单元组成阵列从而获得柔性压电微加工超声换能器阵列，阵列中，可塑型微超声换能器单元的排布形式并不限于图1a所示的方阵，可以为圆形、多边形等任意本领域技术人员在阅读了本专利后能够想到的形状。图1b示意了以七个柔性可塑型微超声换能器单元构成的柔性压电微加工超声换能器阵列的结构。
33.上述柔性可塑型微超声换能器单元可以采用以下实施例1所公开的工艺方法制备得到，也可以采用以下实施例2所公开的工艺方法制备得到。
34.实施例1
35.本实施例公开的一种柔性可塑型微超声换能器单元的制备方法包括以下步骤：
36.步骤1、如图2a所示，准备一个soiwafer。
37.步骤2、如图2b所示，在soiwafer上沉积一层可释放材料层一，然后通过刻蚀将可释放材料层一图形化成多边形形状。可释放材料层一可牺牲。
38.本实施例中，可释放材料层一采用二氧化硅，也可以采用其他可释放材料。可以将可释放材料层一图形化成圆形、方形等各种多边形形状。
39.步骤3、如图2c所示，在soiwafer上未被可释放材料层一覆盖的部分沉积一层可释放材料层二，然后通过刻蚀将可释放材料层二图形化成多边形形状。可释放材料层二环绕可释放材料层一，其形状与可释放材料层一的形状相同，且厚度小于可释放材料层一的厚度。可释放材料层二可牺牲。
40.本实施例中，可释放材料层二采用二氧化硅，也可以采用其他可释放材料。可以将可释放材料层二图形化成圆形、方形等各种多边形形状。
41.步骤4、如图2d所示，在soiwafer、可释放材料层一及可释放材料层二上沉积一层结构层，结构层中部形成凸起，凸起部分的形状及直径与可释放材料层二相同。
42.本实施例中，结构层采用多晶硅或者单晶硅，与可释放材料层一及可释放材料层二相比，有较高选择性刻蚀比。
43.步骤5、如图2e所示，在结构层的凸起部分边缘将结构层开孔至可释放材料层二。
44.步骤6、如图2f所示，通过开孔，利用任何处理手段刻蚀掉可释放材料层一和可释放材料层二，并保留结构层，从而在结构层的层下形成空腔。
45.步骤7、如图2g所示，利用任何手段密封步骤5形成的结构层上的开孔，形成开孔密封结构。
46.步骤8、如图2h所示，在结构层中部凸起部分沉积底电极-压电-上电极层，底电极-压电-上电极层位于开孔密封结构之间。沉积底电极-压电-上电极层时：先在结构层上沉积一层底电极层，底电极层可以是pt或au等，通过刻蚀将底电极层图形化为任何形状；再在底电极层上沉积一层压电层，压电层可以是氮化铝、氮化铝钪、pzt或铌酸锂等，通过刻蚀将压电层图形化为任何形状，压电层的形状与底电极层的形状相同；最后在压电层上沉积一层上电极层，上电极层可以是pt、au或cr等，通过刻蚀将上电极层图形化为任何形状，上电极层的形状与压电层及底电极层相同。
47.步骤9、如图2i所示，在底电极-压电-上电极层以及结构层上沉积一层金属互联层，金属互联层将底电极-压电-上电极层以及结构层位于底电极-压电-上电极层一侧的部分完全覆盖，结构层位于底电极-压电-上电极层另一侧的部分则未被金属互联层所覆盖。金属互联层可以采用au或al等，通过刻蚀将金属互联层图形化为任何形状。
48.步骤10、如图2j所示，利用任何手段从表面刻蚀到soiwafer的基底si层并图形化。
49.步骤11、如图2k所示，利用任何手段将soiwafer的二氧化硅层以及基底si层去除，使得上层器件层和下层基底层脱离，并保留上一层器件层。
50.实施例2
51.本实施例公开的一种柔性可塑型微超声换能器单元的制备方法包括以下步骤：
52.步骤1、如图3a所示，准备一个soiwafer。
53.步骤2、如图3b所示，在soiwafer上表面刻蚀一个浅槽后，将底电极-压电-上电极层转移到soiwafer表面。
54.浅槽的厚度不大于soiwafer中顶层si层的厚度。
55.形成底电极-压电-上电极层时：准备底电极层，底电极层可以是pt或au等，通过刻蚀将底电极层图形化为任何形状；再在底电极层上沉积一层压电层，压电层可以是氮化铝、氮化铝钪、pzt或铌酸锂等，通过刻蚀将压电层图形化为任何形状，压电层的形状与底电极层的形状相同；最后在压电层上沉积一层上电极层，上电极层可以是pt、au或cr等，通过刻蚀将上电极层图形化为任何形状，上电极层的形状与压电层及底电极层相同。
56.步骤3、如图3c所示，先在底电极-压电-上电极层表面沉积一层金属互联层后，再利用任何手段从表面刻蚀到soiwafer的基底si层并图形化。
57.步骤4、如图3d所示，利用任何手段将soi wafer的二氧化硅层以及基底si层去除，使得上层器件层和下层基底层脱离，并保留上一层器件层。

技术特征：

1.一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法，其特征在于，将n个柔性可塑型微超声换能器单元排列成阵列，n≥3，相邻两个柔性可塑型微超声换能器单元由弯曲形状的互联结构连接在一起，该互联结构同时也是柔性可塑型微超声换能器单元之间互联的信号线，利用弯曲形状的互联结构，使得所述柔性压电微加工超声换能器阵列具有大幅度弯曲的功能。2.如权利要求1所述的一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法，其特征在于，所述柔性可塑型微超声换能器单元采用以下步骤制备得到：步骤1、准备一个soiwafer。步骤2、在soiwafer上沉积一层可释放材料层一，然后通过刻蚀将可释放材料层一图形化成多边形形状，可释放材料层一可牺牲；步骤3、在soiwafer上未被可释放材料层一覆盖的部分沉积一层可释放材料层二，然后通过刻蚀将可释放材料层二图形化成多边形形状；可释放材料层二环绕可释放材料层一，其形状与可释放材料层一的形状相同，且厚度小于可释放材料层一的厚度；可释放材料层二可牺牲。步骤4、在soiwafer、可释放材料层一及可释放材料层二上沉积一层结构层；结构层中部形成凸起，凸起部分的形状及直径与可释放材料层二相同；步骤5、在结构层的凸起部分边缘将结构层开孔至可释放材料层二；步骤6、通过开孔，利用任何处理手段刻蚀掉可释放材料层一和可释放材料层二，并保留结构层，从而在结构层的层下形成空腔；步骤7、利用任何手段密封步骤5形成的结构层上的开孔，形成开孔密封结构；步骤8、在结构层中部凸起部分沉积底电极-压电-上电极层，底电极-压电-上电极层位于开孔密封结构之间；步骤9、在底电极-压电-上电极层以及结构层上沉积一层金属互联层，金属互联层将底电极-压电-上电极层以及结构层位于底电极-压电-上电极层一侧的部分完全覆盖，结构层位于底电极-压电-上电极层另一侧的部分则未被金属互联层所覆盖；通过刻蚀将金属互联层图形化为任何形状；步骤10、从表面刻蚀到soiwafer的基底si层并图形化；步骤11、将soiwafer的二氧化硅层以及基底si层去除。3.如权利要求2所述的一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法，其特征在于，沉积底电极-压电-上电极层时：先在结构层上沉积一层底电极层，通过刻蚀将底电极层图形化为任何形状；再在底电极层上沉积一层压电层，通过刻蚀将压电层图形化为任何形状，压电层的形状与底电极层的形状相同；最后在压电层上沉积一层上电极层，通过刻蚀将上电极层图形化为任何形状，上电极层的形状与压电层及底电极层相同。4.如权利要求1所述的一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法，其特征在于，所述柔性可塑型微超声换能器单元采用以下步骤制备得到：步骤1、准备一个soiwafer；步骤2、在soiwafer上表面刻蚀一个浅槽后，将底电极-压电-上电极层转移到soiwafer表面；浅槽的厚度不大于soiwafer中顶层si层的厚度；步骤3、先在底电极-压电-上电极层表面沉积一层金属互联层后，再从表面刻蚀到
soiwafer的基底si层并图形化；步骤4、将soiwafer的二氧化硅层以及基底si层去除。5.如权利要求4所述的一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法，其特征在于，形成底电极-压电-上电极层时：准备底电极层，通过刻蚀将底电极层图形化为任何形状；再在底电极层上沉积一层压电层，通过刻蚀将压电层图形化为任何形状，压电层的形状与底电极层的形状相同；最后在压电层上沉积一层上电极层，通过刻蚀将上电极层图形化为任何形状，上电极层的形状与压电层及底电极层相同。

技术总结

本发明涉及一种柔性压电微加工超声换能器阵列设计与制备方法，其特征在于，将N个柔性可塑型微超声换能器单元排列成阵列，相邻两个柔性可塑型微超声换能器单元由弯曲形状的互联结构连接在一起，该互联结构同时也是柔性可塑型微超声换能器单元之间互联的信号线，利用弯曲形状的互联结构，使得所述柔性压电微加工超声换能器阵列具有大幅度弯曲的功能。通过本发明提供的方法可以制备得到一种基于薄膜材料的柔性微机电系统(MEMS)超声换能器(MUT)阵列，其可用于低功耗的环境信号的检测和传感。其可用于低功耗的环境信号的检测和传感。其可用于低功耗的环境信号的检测和传感。