CN109990814B - 一种基于悬空结构的压电微机械超声传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于悬空结构的压电微机械超声传感器，其主要包括基座和压电晶片，其中压电晶片通过一个或多个连接件悬空设置在所述基座上，所述压电晶片用于产生或接收超声波。一方面，由于压电晶片和基座之间采用连接件进行连接，使得压电晶片处于悬空状态，利于减小基座对压电晶片的拉应力束缚，从而减少残余应力的影响；另一方面，由于压电晶片的悬浮结构设计，使得传感器自身能够实现更好的谐振运动，对于边缘的束缚应力更小，压电晶片或压电薄膜的振动位移更大，利于产生高声压的超声波，实现更为准确的识别和探测。

Description

一种基于悬空结构的压电微机械超声传感器

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种基于悬空结构的压电微机械超声传感器。

背景技术

随着电子计算机、现代信息、交通、遥感、机器智能等科学技术的发展，对超声波传感器的需求量与日俱增，其应用的领域已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常文化生活之中，特别是将超声传感器应用在各类民用电子设备之中，为广大民众带来了使用便利。

信息技术的发展促使电子设备的使用越来越频繁，用户的私密文件更多地储存在电子设备中，指纹识别是一种访问电子设备或范围用户文件的生物验证技术，可以很好地保证用户信息的安全性。鉴于电容式和光学指纹识别受到识别物体清洁度干燥度以及环境明亮度的影响，而超声波指纹识别方法具有较低的识别错误率，并且应用环境不受限制，空气和液体环境中都能进行很好的识别，因此成为手机、电脑等电子设备指纹解锁的应用热点。

随着手机全面屏的推广应用，电容式的指纹解锁方式只能在手机背面开孔，当用户想要解锁时，只能拿起手机才能进行操作，存在操作不便的问题。于是，屏下指纹识别的技术方案成了手机行业追捧的热点，超声波可以穿透玻璃、塑料、液体等物质，能够到达待检测物体表面，同时由于超声波的较强穿透性能，可以达到人的真皮层，如此则极大地提升了指纹识别的防伪性和正确率。

超声波指纹识别方案主要是利用回波强度识别指纹，具备防油防水、穿透性强等优点。这种方案有赖于压电微机械超声传感器，通过其发出的特定频率超声波来扫描手指，由于超声波到达不同材质表面时被吸收、穿透和反射的程度不同，因而可以利用皮肤和空气或不同皮肤层对于声波阻抗的差异，对指纹的脊、谷的位置进行识别，特别是能够进行深层的皮下指纹识别且能够辨别活体。此外，这种方案不易受到油渍和水渍以及强光的干扰，使得指纹识别过程更加稳定、可靠。

目前，对于压电微机械超声传感器(PMUT)来说，国内的研究还处于起步阶段，常见的成品PMUT均是全夹紧膜结构、全固定堆叠膜结构或者是边缘部分刻蚀结构，这种结构使得PMUT所受的应力较大、易造成升压较弱的问题。由于现有制造工艺流程中均有热处理步骤，因此淀积的压电薄膜中会有较大的残余应力存在，完全夹膜设计或全堆叠膜设计对于残余应力十分敏感，会导致其工作频率产生较大的偏移，进而导致PMUT的动态工作范围缩小；同时，边缘部分蚀刻设计对于偏转薄膜会有很大的拉伸应力，从而会造成动态偏转位移的减少，进而影响声压的输出。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是如何克服现有压电微机械超声传感器存在的所受应力大、声压输出弱的问题。为解决上述技术问题，本申请提供一种悬空结构的压电微机械超声传感器，其包括：

基座；

压电晶片，通过一个或多个连接件悬空设置在所述基座上，所述压电晶片用于产生或接收超声波。

所述基座和所述压电晶片之间形成有镂空区域，所述压电晶片通过一个或多个所述连接件固定在所述基座的内侧面上。

多个所述连接件均匀地分布在所述基座的内侧面上，以对所述压电晶片形成稳定的拉应力。

所述压电晶片包括第一钝化层，所述连接件固定连接在所述第一钝化层上，所述第一钝化层上依次沉积形成有下电极、压电材料和上电极。

所述第一钝化层的下表面设有基底层，所述上电极的表面沉积形成有第二钝化层。

至少其中一个所述连接件上设有导体，所述导体的一端延伸连接至所述上电极或所述下电极，所述导体用于为所述压电晶片传输超声电信号。

所述连接件为钝化材料、硅基材料或者其结合构成的塑性悬梁结构，或者，所述连接件为折叠金属或者其与钝化材料结合构成的弹性悬梁结构。

所述压电晶片与所述基座一体成型，刻蚀得到所述压电晶片和所述基底之间的镂空区域，以及一个或多个所述连接件。

所述压电晶片包括但不限于方形、矩形、圆形、凹面形、贝壳形、穹顶形，所述基座的镂空区域适配于所述压电晶片的形状。

所述的压电微机械超声传感器还包括壳体，所述壳体设有容纳所述基座和所述压电晶片的内腔，以对所述基座和所述压电晶片进行防护。

本申请的有益效果是：

依据上述实施例的一种基于悬空结构的压电微机械超声传感器，其主要包括基座和压电晶片，其中压电晶片通过一个或多个连接件悬空设置在所述基座上，所述压电晶片用于产生或接收超声波。第一方面，由于压电晶片和基座之间采用连接件进行连接，使得压电晶片处于悬空状态，利于减小基座对压电晶片的拉应力束缚，从而减少残余应力的影响；第二方面，由于压电晶片的悬浮结构设计，使得传感器自身能够实现更好的谐振运动，对于边缘的束缚应力更小，压电晶片或压电薄膜的振动位移更大，利于产生高声压的超声波，实现更为准确的识别和探测；第三方面，该悬空结构的压电微机械超声传感器具备结构小巧、大声压的应用特点，使得其能够在超声波指纹识别、无损探伤、医学成像、接触探测等方面得以广泛应用，具备较高的实用价值和商业价值。

附图说明

图1为一种实施例中基于单连接件的压电微机械超声传感器的结构图；

图2为一种实施例中基于多连接件的压电微机械超声传感器的结构图；

图3为传感器A-B处纵向截面的示意图；

图4为一种实施例中基于弹性连接件的压电微机械超声传感器的结构图；

图5为传感器C-D处纵向截面的示意图；

图6为另一种实施例中压电微机械超声传感器的结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

本申请技术方案的发明构思在于：目前的压电超声传感器(PMUT)多采用AIN(氮化铝)压电材料来形成压电晶片中的压电薄膜，主要是因为AIN具有低温沉积的优点，可以实现后CMOS兼容制造并具有较低的残余应力，本领域的技术人员多从压电材料选取和构造方面来改变压电超声传感器的结构，从而改善应力对压电晶片的影响。本申请从另一个思路出发，通过部分地释放压电晶片的应力来增加压电薄膜的偏转需求，从而达到提高输出声压的目的，为此，提供一种具有悬空结构的PMUT，以此来改善PMUT的振动性能和声压特性。

下面将通过实施例对本申请请求保护的压电微机械超声传感器的结构以及原理进行说明。

请参考图1和图2，本申请公开一种基于悬空结构的压电微机械超声传感器，其主要包括基座11和压电晶片12，其中，压电晶片12通过一个或多个连接件13悬空设置在基座11上，这里的压电晶片12用于产生或接收超声波。下面将对基座11、压电晶片12和连接件13进行分别说明。

基座11和压电晶片12之间形成有镂空区域，从而使得压电晶片12通过一个或多个连接件13固定在基座11的内侧面上。

在一具体实施例中，见图1，基座11表面设有贯通的凹陷部，压电晶片12置于该凹陷部内且通过一个连接件13固定在基座11的内侧壁上，从而形成基座11对压电晶片12的环绕支撑作用，也使得压电晶片12与基座11之间的连接面积尽量减少，可最大限度地减小基座11对压电晶片12的拉应力，进而保证压电晶片12具备最大限度的谐振效果。

在另一个具体实施例中，见图2，基座11表面设有贯通的凹陷部，压电晶片12置于该凹陷部内且通过多个连接件13(例如两个或者四个连接件)固定在基座11的内侧壁上，且该些连接件13均匀地分布在基座11的内侧面上，以对压电晶片12形成稳定的拉应力。当采用两个连接件13时，可以连接在压电晶片12的相对两侧，使得压电晶片12两侧所受的拉力保持均匀、一致；当采用四个连接件13时，可以连接在压电晶片12的相对四周位置，使得压电晶片12四周所受的拉力保持均匀、一致；如此，既能够减少压电晶片12与基座11之间的连接面积，也能够形成稳定的拉应力，有效避免因压电晶片12的谐振、偏移而造成受力不均的损坏情形发生。

进一步地，参见图3中传感器在A-B处的纵向剖面示意图，压电晶片12可包括第一钝化层121，那么，连接件13固定连接在该第一钝化层121上。需要说明的是，这里的连接件13相当于悬梁，一端固定在基座11上，另一端固定在压电晶片12上，保证压电晶片12的下底面高于基座11的下底面，从而满足压电晶片12悬空设置在基座11上。

进一步地，见图3，在压电晶片12的第一钝化层121上依次沉积形成有下电极122、压电材料123和上电极124，构成超声堆叠结构，那么，就可以通过为下电极122和上电极124提供固定频率的电压促使压电材料123振动产生超声波，也可以在压电材料123接收超声波而变形时促使下电极122和上电极124产生正负相反的附属电荷(即超声电信号)。

需要说明的是，本实施例中的压电材料123可以为压电晶体、压电陶瓷或压电聚合物等，其中压电晶体包括但不限于氮化铝(AIN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铁晶体管铌酸锂或钽酸锂，压电聚合物包括但不限于聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、尼龙-11或亚乙烯基二氰-醋酸乙烯交替共聚物。本实施例中的电极可以为Mo、Al、Pt等金属材料，而钝化层可以采用钝化材料等物质，例如SiO₂。

在本实施例中，压电材料126为一层薄膜结构，可称为压电薄膜，其优选地采用氮化铝(AIN)，因为氮化铝是一种稳定性非常高的压电材料，具有两个重要的特性：逆压电效应和压电效应。逆压电效应是指当在压电材料两端施加电压时，压电材料内部会产生形变，形变量与电压成正比，这是将电能转换成机械能的过程；压电效应是指压电材料在力的作用下产生形变时，压电材料内部正负电荷中心发生相对位移，使压电材料两端产生符号相反的束缚电荷，电荷量与压力成正比，这是将机械能转换成电能的过程。

进一步地，见图3，第一钝化层121的下表面设有基底层126，优选地采用Si材料作为基底，用于支撑压电晶片12，并且，基底层126可以延伸至连接件13和基底11的下方，为整个传感器提供支撑作用。此外，上电极124的表面沉积形成有第二钝化层125，该第二钝化层125可与第一钝化层121接触并形成一体结构，从而对下电极122、压电材料123、上电极124构成密封效果，起到保护压电晶片12核心部位的作用。

进一步地，见图2和图3，至少其中一个连接件13上设有导体131，导体131的一端延伸连接至上电极124或下电极122，该导体131用于为压电晶片12传输超声电信号。在一个优选地实施例中，一个连接件上设置的导体131延伸至上电极124，另一个连接件上设置的导体131′连接至下电极122，如此使得导体131和导体131′匹配构成信号传输的一路完整通道，通过该通道向压电晶片12发送固定频率的电压促使其产生超声波，或者，通过该通道向外围电路输出超声电信号。

进一步地，本实施例中的连接件为钝化材料、硅基材料或者其结合构成的塑性悬梁结构，如图1、图2和图3所示意的连接件13，该种塑性悬梁结构具备结构不变性，利于达到稳定、强拉应力的连接效果。或者，本实施例中的连接件为折叠金属或者其与钝化材料结合构成的弹性悬梁结构，如图4和图5所示意的连接件13，该种弹性悬梁结构具有结构可变形，能够根据压电晶片12的振动情况而压缩、折叠变形，使得压电晶片12受到可变的拉应力，实现谐振频率高、偏移度大的振动效果，利于增强声压的输出性能，更好地适应于要求条件高的场合。例如，连接件13的弹性悬梁结构使得压电晶片12具有一定的可移动性能，那么，在全面屏指纹解锁或无损检测等应用场合中，压电晶片12可以依据被识别物体的方位来调整超声波发射角度，从而达到更高的识别精准度。

在一具体实施例中，见图4和图5，连接件13具有折叠或者螺旋结构，能够随应力大小而改变拉伸状态。压电晶片12亦然可包括第一钝化层121、下电极122、压电材料123、上电极124、第二钝化层125、基底层126，而连接件13通过其上的导体131连接于压电晶片12的上电极124或下电极122，其作用和原理可参考图3，这里不再进行赘述。

在另一个具体实施例中，参见图3和图5，导体131延伸到基底11的侧面或借助TSV通孔延伸至基底11的底面，形成与外围电路的接触点，可允许用户方便地进行连线操作。

在本实施例中，连接件13的数目、厚度、长宽均会影响传感器的共振频率，还会影响膜偏转位移、机电耦合系数、声压等参数，因此连接件13的数目、厚度、长度可根据实际情况进行调整。例如，连接件13的数目可设置为单个、两个、三个、四个甚至更多个。此外，需要注意的是，连接件数目越少，压电晶片12所受的拉应力就越小，但不能采用过少的数目和过薄的厚度，要有效避免压电晶片振动引起悬梁断裂情形发生，因此，在选择连接件13的数目和厚度时，应结合实际的应力情况而综合考虑，只要满足实际应力要求即可，这里不做限制。

在本实施例中，为满足便捷的传感器制造需求，可以先使得压电晶片12与基座11一体成型，然后通过刻蚀工艺得到压电晶片12和基底11之间的镂空区域，以及一个或多个连接件13。例如，在硅基底上沉积一个钝化层，接着在钝化层的中央区域依次沉积下电极、压电材料、上电极，铺设导体，再用一层钝化层来进行密封，最后通过刻蚀工艺在中央区域的边缘处刻蚀得到镂空区域和连接件。其中的沉积工艺和刻蚀工艺都属于现有技术，因此这里不再进行详细说明。

在本实施例中，可以根据不同需求而灵活调整传感器的制造工艺标准，例如使得压电晶片12包括但不限于方形、矩形、圆形、凹面形、贝壳形、穹顶形，同时，使得基座11的镂空区域适配于压电晶片12的形状，例如图6所示的圆形，圆形的压电晶片12′设置于基座11′上形成的圆形镂空区域内，压电晶片12′和基座11′之间依然采用多个连接件13′进行连接，从而构成压电晶片12′的悬空结构。本领域的技术人员可以理解，压电晶片12的不同形状也会影响其自身的谐振频率和偏转位移，其中正方形具有较大的谐振频率和带宽，因此，本实施例中优选地采用正方形的压电晶片。

进一步地，本实施例中公开的压电微机械超声传感器还包括壳体(图中未示意)该壳体设有容纳基座11和压电晶片12的内腔，以对基座11和压电晶片12进行防护。由于壳体的使用，可使得传感器即拥有适配于安装需要的形状和尺寸，也使得传感器拥有核心部件的防护能力，利于提高传感器的实用价值。

上述内容公开的压电微机械超声传感器因压电晶片悬空结构的设计方案，使得传感器自身具备了较低的共振频率、较大膜偏转、大声压输出的性能，可灵活应用于生产生活的多数场合。尤其针对全面屏解锁的应用场合，悬空结构的压电微机械超声传感器则带来了一些优势，例如不受解锁环境的影响，较强声压能更好地提高指纹识别的准确率，悬空结构使压电晶片具有一定的偏转角度和移动性，可以结合COMS电路进行角度和位置调整。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种基于悬空结构的压电微机械超声传感器，其特征在于，包括：

基座；

压电晶片，通过一个或多个连接件悬空设置在所述基座上，所述压电晶片用于产生或接收超声波；

所述基座和所述压电晶片之间形成有镂空区域，所述压电晶片通过一个或多个所述连接件固定在所述基座的内侧面上。

2.如权利要求1所述的压电微机械超声传感器，其特征在于，多个所述连接件均匀地分布在所述基座的内侧面上，以对所述压电晶片形成稳定的拉应力。

3.如权利要求2所述的压电微机械超声传感器，其特征在于，所述压电晶片包括第一钝化层，所述连接件固定连接在所述第一钝化层上，所述第一钝化层上依次沉积形成有下电极、压电材料和上电极。

4.如权利要求3所述的压电微机械超声传感器，其特征在于，所述第一钝化层的下表面设有基底层，所述上电极的表面沉积形成有第二钝化层。

5.如权利要求3所述的压电微机械超声传感器，其特征在于，至少其中一个所述连接件上设有导体，所述导体的一端延伸连接至所述上电极或所述下电极，所述导体用于为所述压电晶片传输超声电信号。

6.如权利要求5所述的压电微机械超声传感器，其特征在于，所述连接件为钝化材料、硅基材料或者其结合构成的塑性悬梁结构，或者，所述连接件为折叠金属或者其与钝化材料结合构成的弹性悬梁结构。

7.如权利要求1-6任一项所述的压电微机械超声传感器，其特征在于，所述压电晶片与所述基座一体成型，刻蚀得到所述压电晶片和所述基座之间的镂空区域，以及一个或多个所述连接件。

8.如权利要求7所述的压电微机械超声传感器，其特征在于，所述压电晶片包括但不限于方形、矩形、圆形、凹面形、贝壳形、穹顶形，所述基座的镂空区域适配于所述压电晶片的形状。

9.如权利要求8所述的压电微机械超声传感器，其特征在于，还包括壳体，所述壳体设有容纳所述基座和所述压电晶片的内腔，以对所述基座和所述压电晶片进行防护。

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