收发性能平衡的微机电超声换能器面阵探头及其制备方法与流程

本发明涉及MEMS传感器领域中的电容式微机械超声换能器，具体是一种用于测距和成像的电容式微机电超声换能器结构设计及其制备方法，具有收发能力均衡的特点。

背景技术：

随着微机电系统（MEMS，Micro-electromechanical Systems）和微纳米技术的迅速发展，传感器的制造进入了一个全新的阶段。目前，超声传感器类型主要有压电式，压阻式和电容式三大类。其中，电容式微机械超声换能器（capacitive micro-machined ultrasonic transducer, CMUT）设计、加工灵活，受温度的影响较小，响应宽频带，制作材料与介质阻抗匹配好，易于阵列加工。还可将集成电路加工在传感器的背面，减少电路间的寄生电容影响和干扰信号的引入。待制造工艺流程确定之后，可大幅降低超声传感器的制造成本。

目前，微加工电容超声换能器在接收与发射能力方面只能使得其中一方具有较好的性能。当CMUT用于收发一体系统中时，在相同的条件下发射能力较弱。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提出一种收发平衡的新型电容式微机电超声换能器结构及其制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种收发性能平衡的微机电超声换能器面阵探头，包括硅衬底，所述硅衬底的上表面为氧化层，所述氧化层的上表面开设有若干空腔，所述氧化层的上表面键合振动薄膜，所述振动薄膜的上表面设隔离层，围绕隔离层的四周边缘处及其内部开设有下沉的隔离槽，所述隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上；所述隔离层的上表面上正对每个空腔的中心位置处设有上电极。

所述氧化层上的若干空腔位于同一隔离区域内后形成一个阵元；一个阵元内，空腔分为A、B两种深度。

所述隔离层的上表面位于一个阵元内的边缘处位置设有一个焊盘，一个阵元内每排的两个相邻上电极之间以及每列的两个相邻上电极之间通过金属引线连接，所述焊盘与离其最近的一个上电极之间通过金属引线连接。

或者，所述隔离层的上表面位于一个阵元内的边缘处位置设有两个焊盘，一个阵元内深度为A的空腔所对应的上电极通过金属引线与其中一个焊盘连接；一个阵元内深度为B的空腔所对应的上电极通过金属引线与其中另一个焊盘连接。

所述硅衬底背面注入磷，并进行金属溅射形成下电极。

多个阵元成排、列对齐布置，形成CMUT面阵，该面阵排列为M*N，构成微机电超声换能器面阵探头。

工作时，在探头的上下电极上施加直流电压，两极板之间将产生静电力，在静电力的作用下振动薄膜产生形变并被拉向衬底，随着薄膜应变增加薄膜内机械回复力也增加，最终与静电力平衡。此举有利于提高机电转换效率。若此时在上下电极上施加频率为X（X取值在响应范围内）的交变电压信号，交变电压信号的作用打破了薄膜在直流电压下所建立的平衡关系，这样会使薄膜不断振动，发出超声波，实现发射超声波的功能；若有超声波作用在薄膜上，同样会使薄膜失去平衡上下运动，导致上下极板间距发生变化，从而引起电容变化，外部电路可将电容变化引起的电流转换为可测的电压信号，实现了超声波的接收。

上述收发性能平衡的微机电超声换能器面阵探头的制备方法，包括如下步骤：

（1）、选择硅片和SOI晶片，进行标准RCA清洗；

（2）、对硅片进行氧化处理，使其上下表面都形成氧化层；

（3）、在硅片上表面的氧化层上进行光刻，刻蚀出深度B的空腔；

（4）、再次在光刻后的硅片上表面的氧化层上进行光刻，对部分深度B的空腔进一步刻蚀，形成深度A的空腔；

（5）、对硅片进行标准RCA清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与SOI晶片进行低温键合；

（6）、键合后用TMAH溶液对SOI晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用BOE溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和SOI晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、SOI晶片剩余的硅层即为振动薄膜；

（7）、采用LPCVD工艺在振动薄膜上沉积一层二氧化硅层作为隔离层；

（8）、围绕隔离层的四周边缘处及内部刻蚀出形成隔离槽的部分，并用TMAH溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上；

（9）、在隔离层的上表面通过电子束蒸镀方法溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘；

（10）、通过金属引线连接各上电极及焊盘；

（11）、在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触；

（12）、在硅衬底进行金属溅射形成下电极。

本发明的创新之处是，在同一阵元中设计不同深度的空腔，以此来均衡其收发性能。通常情况下，在相同的结构下CMUT的发射能力弱与其接收能力。而A类单元的存在，使得在发射时可以施加更高的偏置电压，从而提高CMUT的发射性能；B类单元空腔深度较A类浅，使得上下极间间距减小，电容容量增大。在相同声强的超声波振动下，电容的变化率变大。

本发明设计合理，该收发平衡新型微机电超声换能器面阵探头，解决已有电容式微机电超声探头中发射与接收性能不平衡问题，实现换能器收发性能的一致。本发明超声探头结构新颖、体积小、频带宽、灵敏度高，噪声低，稳定性好，收发性能平衡。

附图说明

图1-1表示本发明换能器面阵探头中一个阵元的结构示意图，其中，一个阵元中不同腔深对应的上电极用金属引线全部连接在一起。

图1-2表示本发明换能器面阵探头中一个阵元的结构示意图，其中，一个阵元中不同腔深对应的上电极用金属引线分别连接在一起。

图2表示一个阵元的剖视图。

图3表示本发明换能器制备方法中步骤2）的示意图。

图4表示本发明换能器制备方法中步骤3）的示意图。

图5表示本发明换能器制备方法中步骤4）的示意图。

图6表示本发明换能器制备方法中步骤5）的示意图。

图7表示本发明换能器制备方法中步骤6）的示意图。

图8表示本发明换能器制备方法中步骤7）的示意图。

图9表示本发明换能器制备方法中步骤8）的示意图。

图10表示本发明换能器制备方法中步骤9）的示意图。

图11表示本发明换能器制备方法中步骤12）的示意图。

图中：1-硅衬底，2-氧化层，3-空腔，4-振动薄膜，5-隔离层，6-上电极，7-焊盘，8-隔离槽，9-金属引线，10-下电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种收发性能平衡的微机电超声换能器面阵探头，由多个阵元成排、列对齐布置，形成CMUT面阵探头，该面阵可排列为M*N，其中M可取值16~512，N可取值16~512。

如图2所示，表示一个阵元（element）剖视图，包括硅衬底1，所述硅衬底1的上表面为氧化层2，所述氧化层2的上表面开设有若干圆柱形空腔3，圆柱形空腔3成排、列布置或对角布置，所述氧化层2的上表面键合振动薄膜4，所述振动薄膜4的上表面设隔离层5，围绕隔离层5的四周边缘处及其内部开设有下沉的隔离槽6（隔离槽用于隔开各阵元），所述隔离槽6贯穿隔离层5和振动薄膜4后，其槽底开设于氧化层2上；所述隔离层5的上表面上正对每个空腔3的中心位置处设有上电极7（形成图形化上电极）；所述氧化层2上的若干空腔3位于同一隔离区域内后形成一个阵元；一个阵元内，空腔3分为A、B两种不同深度。

一个阵元中上电极的连接方式有两种：（a）不同腔深的单元上电极用金属引线全部连接在一起；（b）不同腔深的单元上电极使用金属引线分别连接在一起。具体如下：

如图1-1所示，所述隔离层5的上表面位于一个阵元内的边缘处位置设有一个焊盘8，一个阵元内每排的两个相邻上电极7之间以及每列的两个相邻上电极7之间通过金属引线9连接，所述焊盘8与离其最近的一个上电极7之间通过金属引线9连接。

如图1-2所示，所述隔离层5的上表面位于一个阵元内的边缘处位置设有两个焊盘8，深度A和深度B的圆柱形空腔呈间隔列排列，一个阵元内深度为A的空腔3所对应的上电极7通过金属引线9与其中一个焊盘8连接；一个阵元内深度为B的空腔3所对应的上电极7通过金属引线9与其中另一个焊盘8连接。

所述硅衬底1背面注入磷，并进行金属溅射形成一体化下电极10。

本发明中，微小振动单元（cell）的结构设计，将其结构设计为圆柱形，排列更加紧密，在有限的面积下重复单元增多，提高了传感器灵敏度，并通过设计不同深度的空腔来改善换能器收发性能的一致性问题。

上述收发性能平衡的微机电超声换能器面阵探头的制备方法，包括如下步骤：

（1）、选择硅片和SOI晶片，进行标准RCA清洗，以去除各种有机物、金尘埃和自然氧化层等；

（2）、对硅片进行氧化处理，使其上下表面都形成氧化层，为后面刻蚀圆柱形空腔作准备；

（3）、在硅片上表面的氧化层上进行光刻，刻蚀出深度B（浅）的空腔，光刻包括表面处理、旋转涂胶、前烘、对准和曝光、后烘、显影、刻蚀和去胶等常规步骤；

（4）、再次在光刻后的硅片上表面的氧化层上进行光刻，对部分深度B的空腔进一步刻蚀，形成深度A（深）的空腔；

（5）、对硅片进行标准RCA清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与SOI晶片进行低温键合；

（6）、键合后用TMAH溶液对SOI晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用BOE溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和SOI晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、SOI晶片剩余的硅层即为振动薄膜；

（7）、采用LPCVD工艺在振动薄膜上沉积一层二氧化硅层作为隔离层，防止蒸镀金属形成上电极的过程中对振动薄膜的掺杂作用；

（8）、围绕隔离层的四周边缘处及内部刻蚀出形成隔离槽的部分，并用TMAH溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上；

（9）、在隔离层的上表面通过电子束蒸镀方法溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘；

（10）、通过金属引线连接各上电极及焊盘；

（11）、在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触；

（12）、在硅衬底进行金属溅射形成一体化下电极。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。