本發(fā)明涉及一種多方向的壓電超聲發(fā)生器及其制備方法，屬于超聲、微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超聲波發(fā)生器，通常稱為超聲波發(fā)生源，超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。近20多年來(lái)，隨著mems技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)mems懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，使得mems懸臂梁技術(shù)應(yīng)用于超聲發(fā)生器成為可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種多方向的壓電超聲發(fā)生器及其制備方法，通過(guò)采用mems懸臂梁技術(shù)設(shè)計(jì)三個(gè)相互之間成120⁰的mems懸臂梁，從而實(shí)現(xiàn)超聲發(fā)生器的方向性選擇。該超聲發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)小型化，操作簡(jiǎn)單，易集成等特點(diǎn)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種多方向的壓電超聲發(fā)生器，該壓電超聲發(fā)生器以硅為襯底，在硅襯底上設(shè)有三角形橋墩，在所述三角形橋墩的三個(gè)側(cè)面分別設(shè)有一個(gè)mems懸臂梁；每個(gè)所述mems懸臂梁的一端固定在三角形橋墩上，另一端為自由端；每個(gè)所述mems懸臂梁的下方的硅襯底上分別設(shè)有一個(gè)mems懸臂梁下拉電極；每個(gè)mems懸臂梁下拉電極上設(shè)有壓電材料層。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，相鄰兩個(gè)所述mems懸臂梁之間呈120°角。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述壓電材料為zno。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，所述硅襯底為高阻硅soi襯底。

另一方面，本發(fā)明還提供一種多方向的壓電超聲發(fā)生器的制備方法，該制備方法包括以下具體步驟：

（1）準(zhǔn)備硅襯底；

（2）去除在mems懸臂梁下拉電極、三角形mems懸臂梁橋墩處的光刻膠；

（3）濺射金，形成mems懸臂梁下拉電極和三角形mems懸臂梁橋墩；

（4）用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法工藝在mems懸臂梁下拉電極上生長(zhǎng)壓電材料層；

（5）在硅襯底上涂覆聚酰亞胺犧牲層，并光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留mems懸臂梁下的犧牲層；

（6）電鍍金，形成mems懸臂梁；

（7）用顯影液釋放mems懸臂梁下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無(wú)水乙醇脫水，形成懸浮的mems懸臂梁結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，步驟（1）中硅襯底為高阻硅soi襯底。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，步驟（3）中濺射金的厚度為0.5μm，步驟（4）中壓電材料層的厚度為1μm，步驟（5）中聚酰亞胺犧牲層的厚度為1μm，步驟（6）中電鍍金的厚度為1μm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，步驟（4）中壓電材料為zno。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，步驟（6）中形成的mems懸臂梁中相鄰兩個(gè)之間呈120°角。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、由于該超聲發(fā)生器的三個(gè)mems懸臂梁呈120°分布，故而相比較于單個(gè)mems懸臂梁的超聲發(fā)生器，該壓電超聲發(fā)生器可以產(chǎn)生多方向的超聲波；

2、三個(gè)mems懸臂梁下拉電極是獨(dú)立的，既可以對(duì)個(gè)mems懸臂梁下拉電極同時(shí)施加相同大小的電壓，也可以選擇不同組合方式對(duì)三個(gè)mems懸臂梁下拉電極單獨(dú)的施加電壓，共有七種組合方式來(lái)選擇壓電超聲發(fā)生器的方向性；

3、該多方向性的壓電超聲發(fā)生器是基于mems技術(shù)，具有體積小、功耗低、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的動(dòng)態(tài)范圍。

附圖說(shuō)明

圖1是多方向性的壓電超聲發(fā)生器的俯視圖。

圖2為單方向性的壓電超聲發(fā)生器的截面圖。

圖中：1為硅襯底，2為三角形橋墩、3為mems懸臂梁、4為壓電材料、5為mems懸臂梁下拉電極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

本發(fā)明提供一種多方向性的壓電超聲發(fā)生器，以硅為襯底，在硅襯底1上設(shè)計(jì)有三角形橋墩2、三個(gè)獨(dú)立的mems懸臂梁3、壓電材料zno4、mems懸臂梁下拉電極5。如圖1所示，在三角形橋墩的三個(gè)側(cè)面分別設(shè)有三個(gè)mems懸臂梁，互相之間呈120°分布，三個(gè)mems懸臂梁一端固定在三角形橋墩上，另一端是可以上下移動(dòng)的自由端。三個(gè)mems懸臂梁與三個(gè)mems懸臂梁下拉電極，兩者之間具有一定間距，在三個(gè)mems懸臂梁下拉電極上設(shè)有壓電材料zno。mems懸臂梁與mems懸臂梁下拉電極類似于一個(gè)平行板電容器，它們分別作為平行板電容器上極板和下極板。

如果在mems懸臂梁3和mems懸臂梁下拉電極5之間施加電壓，mems懸臂梁3在靜電力作用下會(huì)發(fā)生彎曲。當(dāng)彎曲足夠大時(shí)，mems懸臂梁3的自由端會(huì)接觸到壓電材料zno4上，此時(shí)mems懸臂梁3和mems懸臂梁下拉電極5之間的電勢(shì)差減小，靜電力減小，在mems懸臂梁3的彈性回復(fù)力作用下，mems懸臂梁3恢復(fù)到初始位置。然后，靜電力又再次將mems懸臂梁3向下拉動(dòng)，反復(fù)此過(guò)程。

單方向性的壓電超聲發(fā)生器裝置如圖2所示，在上下極板之間加上電壓激勵(lì)，當(dāng)電壓到達(dá)一定值時(shí)，mems懸臂梁自由端會(huì)在靜電力作用下開(kāi)始彎曲。當(dāng)彎曲達(dá)到一定程度時(shí)，懸臂梁自由端會(huì)接觸到壓電材料zno，這時(shí)就相當(dāng)于將電容器正負(fù)極板接通，電容器放電，靜電力消失。在彈性回復(fù)力的作用下，mems懸臂梁會(huì)恢復(fù)到初始位置。然后，靜電力又再次將mems懸臂梁向下拉動(dòng)，反復(fù)此過(guò)程，從而產(chǎn)生與mems懸臂梁特征頻率相同的超聲波。

本發(fā)明多方向性的壓電超聲發(fā)生器在三角形橋墩2的三個(gè)側(cè)面分別設(shè)有三個(gè)mems懸臂梁，互相之間呈120°分布，與之對(duì)應(yīng)在硅襯底上設(shè)有三個(gè)mems懸臂梁下拉電極，從而實(shí)現(xiàn)壓電超聲的多方向性。另外，三個(gè)mems懸臂梁下拉電極是獨(dú)立的，既可以對(duì)三個(gè)mems懸臂梁下拉電極同時(shí)施加大小相同的電壓，也可以選擇不同組合方式對(duì)三個(gè)mems懸臂梁下拉電極單獨(dú)的施加電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電超聲發(fā)生器的方向性選擇。

本發(fā)明的多方向性的壓電超聲發(fā)生器是一種可以產(chǎn)生不同方向機(jī)械振動(dòng)的超聲發(fā)生器，以高阻硅si為襯底，具體實(shí)施方案如下：

在si襯底1上設(shè)計(jì)有三角形橋墩2、三個(gè)方向不同的mems懸臂梁3，三個(gè)方向不同的壓電材料zno4，三個(gè)方向不同的mems懸臂梁下拉電極5。

如果在mems懸臂梁3和mems懸臂梁下拉電極5之間施加電壓，mems懸臂梁3在靜電力作用下會(huì)發(fā)生彎曲。當(dāng)彎曲足夠大時(shí)，mems懸臂梁3的自由端會(huì)接觸到壓電材料zno4上，此時(shí)mems懸臂梁3和mems懸臂梁下拉電極5之間的電勢(shì)差減小，靜電力減小，在mems懸臂梁3的彈性回復(fù)力作用下，mems懸臂梁3恢復(fù)到初始位置。然后，靜電力又再次將mems懸臂梁3向下拉動(dòng)，反復(fù)此過(guò)程。

由于在三角形橋墩2的三個(gè)側(cè)面分別設(shè)有三個(gè)mems懸臂梁3，互相之間呈120°分布。三個(gè)mems懸臂梁下拉電極5是獨(dú)立的，既可以對(duì)三個(gè)mems懸臂梁下拉電極5同時(shí)施加相同大小的電壓，也可以選擇不同組合方式對(duì)mems懸臂梁下拉電極5單獨(dú)施加電壓，共有七種組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電超聲發(fā)生器的方向性選擇。

多方向性的壓電超聲發(fā)生器的制備方法為：

（1）準(zhǔn)備硅襯底：選用的是高阻硅soi襯底；

（2）光刻：去除在mems懸臂梁下拉電極，三角形mems懸臂梁橋墩上的光刻膠；

（3）濺射金：形成mems懸臂梁下拉電極和三角形mems懸臂梁橋墩，厚度為0.5μm；

（4）淀積壓電材料zno層：用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法工藝在mems懸臂梁下拉電極上生長(zhǎng)1μm厚度的壓電材料zno層；

（5）淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層：涂覆1μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿凹坑，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了不同長(zhǎng)度mems懸臂梁與mems懸臂梁下拉電極之間的高度，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留懸臂梁下的犧牲層；

（6）電鍍金；電鍍不同方向的mems懸臂梁，金的厚度為1μm；

（7）釋放犧牲層；用顯影液釋放不同方向的mems懸臂梁結(jié)構(gòu)下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無(wú)水乙醇脫水，形成懸浮的不同方向的mems懸臂梁結(jié)構(gòu)。

區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

該多方向性的壓電超聲發(fā)生器采用三角形橋墩和三個(gè)獨(dú)立的mems懸臂梁結(jié)構(gòu)。工作原理為：通過(guò)對(duì)三個(gè)方向互相呈120°的mems懸臂梁和mems懸臂梁下拉電極施加直流電壓，這樣在靜電力作用下不同方向性的mems懸臂梁就會(huì)有不同程度的彎曲。當(dāng)彎曲達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)與壓電材料zno接觸，靜電力減小甚至消失，彈性力使得mems懸臂梁恢復(fù)到初始位置。然后靜電力逐漸恢復(fù)，重復(fù)上述過(guò)程，這三個(gè)獨(dú)立的mems懸臂梁產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生多方向性的超聲波。

既可以對(duì)三個(gè)mems懸臂梁下拉電極同時(shí)施加相同大小的電壓，也可以通過(guò)選擇不同組合方式對(duì)mems懸臂梁下拉電極單獨(dú)的施加電壓，共有七種組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電超聲發(fā)生器的方向性選擇。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的多方向性的壓電超聲發(fā)生器。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。