收發性能平衡的微機電超聲換能器面陣探頭及其制備方法與流程

本發明涉及MEMS傳感器領域中的電容式微機械超聲換能器，具體是一種用于測距和成像的電容式微機電超聲換能器結構設計及其制備方法，具有收發能力均衡的特點。

背景技術：

隨著微機電系統（MEMS，Micro-electromechanical Systems）和微納米技術的迅速發展，傳感器的制造進入了一個全新的階段。目前，超聲傳感器類型主要有壓電式，壓阻式和電容式三大類。其中，電容式微機械超聲換能器（capacitive micro-machined ultrasonic transducer, CMUT）設計、加工靈活，受溫度的影響較小，響應寬頻帶，制作材料與介質阻抗匹配好，易于陣列加工。還可將集成電路加工在傳感器的背面，減少電路間的寄生電容影響和干擾信號的引入。待制造工藝流程確定之后，可大幅降低超聲傳感器的制造成本。

目前，微加工電容超聲換能器在接收與發射能力方面只能使得其中一方具有較好的性能。當CMUT用于收發一體系統中時，在相同的條件下發射能力較弱。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，而提出一種收發平衡的新型電容式微機電超聲換能器結構及其制備方法。

本發明是采用如下技術方案實現的：

一種收發性能平衡的微機電超聲換能器面陣探頭，包括硅襯底，所述硅襯底的上表面為氧化層，所述氧化層的上表面開設有若干空腔，所述氧化層的上表面鍵合振動薄膜，所述振動薄膜的上表面設隔離層，圍繞隔離層的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽，所述隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；所述隔離層的上表面上正對每個空腔的中心位置處設有上電極。

所述氧化層上的若干空腔位于同一隔離區域內后形成一個陣元；一個陣元內，空腔分為A、B兩種深度。

所述隔離層的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤，一個陣元內每排的兩個相鄰上電極之間以及每列的兩個相鄰上電極之間通過金屬引線連接，所述焊盤與離其最近的一個上電極之間通過金屬引線連接。

或者，所述隔離層的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有兩個焊盤，一個陣元內深度為A的空腔所對應的上電極通過金屬引線與其中一個焊盤連接；一個陣元內深度為B的空腔所對應的上電極通過金屬引線與其中另一個焊盤連接。

所述硅襯底背面注入磷，并進行金屬濺射形成下電極。

多個陣元成排、列對齊布置，形成CMUT面陣，該面陣排列為M*N，構成微機電超聲換能器面陣探頭。

工作時，在探頭的上下電極上施加直流電壓，兩極板之間將產生靜電力，在靜電力的作用下振動薄膜產生形變并被拉向襯底，隨著薄膜應變增加薄膜內機械回復力也增加，最終與靜電力平衡。此舉有利于提高機電轉換效率。若此時在上下電極上施加頻率為X（X取值在響應范圍內）的交變電壓信號，交變電壓信號的作用打破了薄膜在直流電壓下所建立的平衡關系，這樣會使薄膜不斷振動，發出超聲波，實現發射超聲波的功能；若有超聲波作用在薄膜上，同樣會使薄膜失去平衡上下運動，導致上下極板間距發生變化，從而引起電容變化，外部電路可將電容變化引起的電流轉換為可測的電壓信號，實現了超聲波的接收。

上述收發性能平衡的微機電超聲換能器面陣探頭的制備方法，包括如下步驟：

（1）、選擇硅片和SOI晶片，進行標準RCA清洗；

（2）、對硅片進行氧化處理，使其上下表面都形成氧化層；

（3）、在硅片上表面的氧化層上進行光刻，刻蝕出深度B的空腔；

（4）、再次在光刻后的硅片上表面的氧化層上進行光刻，對部分深度B的空腔進一步刻蝕，形成深度A的空腔；

（5）、對硅片進行標準RCA清洗并進行激活，激活后使硅片上表面的氧化層與SOI晶片進行低溫鍵合；

（6）、鍵合后用TMAH溶液對SOI晶片的襯底硅進行腐蝕，清洗后再用BOE溶液腐蝕掉硅片下表面上的氧化層和SOI晶片上的氧化層，此時的硅片即為硅襯底、SOI晶片剩余的硅層即為振動薄膜；

（7）、采用LPCVD工藝在振動薄膜上沉積一層二氧化硅層作為隔離層；

（8）、圍繞隔離層的四周邊緣處及內部刻蝕出形成隔離槽的部分，并用TMAH溶液腐蝕出隔離槽，隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；

（9）、在隔離層的上表面通過電子束蒸鍍方法濺射金屬，并用剝離的方法形成上電極和焊盤；

（10）、通過金屬引線連接各上電極及焊盤；

（11）、在硅片的背面注入磷，與硅片形成良好的歐姆接觸；

（12）、在硅襯底進行金屬濺射形成下電極。

本發明的創新之處是，在同一陣元中設計不同深度的空腔，以此來均衡其收發性能。通常情況下，在相同的結構下CMUT的發射能力弱與其接收能力。而A類單元的存在，使得在發射時可以施加更高的偏置電壓，從而提高CMUT的發射性能；B類單元空腔深度較A類淺，使得上下極間間距減小，電容容量增大。在相同聲強的超聲波振動下，電容的變化率變大。

本發明設計合理，該收發平衡新型微機電超聲換能器面陣探頭，解決已有電容式微機電超聲探頭中發射與接收性能不平衡問題，實現換能器收發性能的一致。本發明超聲探頭結構新穎、體積小、頻帶寬、靈敏度高，噪聲低，穩定性好，收發性能平衡。

附圖說明

圖1-1表示本發明換能器面陣探頭中一個陣元的結構示意圖，其中，一個陣元中不同腔深對應的上電極用金屬引線全部連接在一起。

圖1-2表示本發明換能器面陣探頭中一個陣元的結構示意圖，其中，一個陣元中不同腔深對應的上電極用金屬引線分別連接在一起。

圖2表示一個陣元的剖視圖。

圖3表示本發明換能器制備方法中步驟2）的示意圖。

圖4表示本發明換能器制備方法中步驟3）的示意圖。

圖5表示本發明換能器制備方法中步驟4）的示意圖。

圖6表示本發明換能器制備方法中步驟5）的示意圖。

圖7表示本發明換能器制備方法中步驟6）的示意圖。

圖8表示本發明換能器制備方法中步驟7）的示意圖。

圖9表示本發明換能器制備方法中步驟8）的示意圖。

圖10表示本發明換能器制備方法中步驟9）的示意圖。

圖11表示本發明換能器制備方法中步驟12）的示意圖。

圖中：1-硅襯底，2-氧化層，3-空腔，4-振動薄膜，5-隔離層，6-上電極，7-焊盤，8-隔離槽，9-金屬引線，10-下電極。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細說明。

一種收發性能平衡的微機電超聲換能器面陣探頭，由多個陣元成排、列對齊布置，形成CMUT面陣探頭，該面陣可排列為M*N，其中M可取值16~512，N可取值16~512。

如圖2所示，表示一個陣元（element）剖視圖，包括硅襯底1，所述硅襯底1的上表面為氧化層2，所述氧化層2的上表面開設有若干圓柱形空腔3，圓柱形空腔3成排、列布置或對角布置，所述氧化層2的上表面鍵合振動薄膜4，所述振動薄膜4的上表面設隔離層5，圍繞隔離層5的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽6（隔離槽用于隔開各陣元），所述隔離槽6貫穿隔離層5和振動薄膜4后，其槽底開設于氧化層2上；所述隔離層5的上表面上正對每個空腔3的中心位置處設有上電極7（形成圖形化上電極）；所述氧化層2上的若干空腔3位于同一隔離區域內后形成一個陣元；一個陣元內，空腔3分為A、B兩種不同深度。

一個陣元中上電極的連接方式有兩種：（a）不同腔深的單元上電極用金屬引線全部連接在一起；（b）不同腔深的單元上電極使用金屬引線分別連接在一起。具體如下：

如圖1-1所示，所述隔離層5的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤8，一個陣元內每排的兩個相鄰上電極7之間以及每列的兩個相鄰上電極7之間通過金屬引線9連接，所述焊盤8與離其最近的一個上電極7之間通過金屬引線9連接。

如圖1-2所示，所述隔離層5的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有兩個焊盤8，深度A和深度B的圓柱形空腔呈間隔列排列，一個陣元內深度為A的空腔3所對應的上電極7通過金屬引線9與其中一個焊盤8連接；一個陣元內深度為B的空腔3所對應的上電極7通過金屬引線9與其中另一個焊盤8連接。

所述硅襯底1背面注入磷，并進行金屬濺射形成一體化下電極10。

本發明中，微小振動單元（cell）的結構設計，將其結構設計為圓柱形，排列更加緊密，在有限的面積下重復單元增多，提高了傳感器靈敏度，并通過設計不同深度的空腔來改善換能器收發性能的一致性問題。

上述收發性能平衡的微機電超聲換能器面陣探頭的制備方法，包括如下步驟：

（1）、選擇硅片和SOI晶片，進行標準RCA清洗，以去除各種有機物、金塵埃和自然氧化層等；

（2）、對硅片進行氧化處理，使其上下表面都形成氧化層，為后面刻蝕圓柱形空腔作準備；

（3）、在硅片上表面的氧化層上進行光刻，刻蝕出深度B（淺）的空腔，光刻包括表面處理、旋轉涂膠、前烘、對準和曝光、后烘、顯影、刻蝕和去膠等常規步驟；

（4）、再次在光刻后的硅片上表面的氧化層上進行光刻，對部分深度B的空腔進一步刻蝕，形成深度A（深）的空腔；

（5）、對硅片進行標準RCA清洗并進行激活，激活后使硅片上表面的氧化層與SOI晶片進行低溫鍵合；

（6）、鍵合后用TMAH溶液對SOI晶片的襯底硅進行腐蝕，清洗后再用BOE溶液腐蝕掉硅片下表面上的氧化層和SOI晶片上的氧化層，此時的硅片即為硅襯底、SOI晶片剩余的硅層即為振動薄膜；

（7）、采用LPCVD工藝在振動薄膜上沉積一層二氧化硅層作為隔離層，防止蒸鍍金屬形成上電極的過程中對振動薄膜的摻雜作用；

（8）、圍繞隔離層的四周邊緣處及內部刻蝕出形成隔離槽的部分，并用TMAH溶液腐蝕出隔離槽，隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；

（9）、在隔離層的上表面通過電子束蒸鍍方法濺射金屬，并用剝離的方法形成上電極和焊盤；

（10）、通過金屬引線連接各上電極及焊盤；

（11）、在硅片的背面注入磷，與硅片形成良好的歐姆接觸；

（12）、在硅襯底進行金屬濺射形成一體化下電極。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照本發明實施例進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明的技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋權利要求保護范圍中。