专利名称：一种薄膜超声换能器及其制备方法
技术领域：
本发明属于超声换能器领域，具体的说，本发明涉及一种薄膜超声换能器及其制
备方法。
背景技术：
声学换能器及换能器阵列广泛应用于社会生活和工业生产的很多领域。超声换能 器及换能器阵列则是医学超声成像、及工业超声检测监测设备中最为关键的传感部件。例 如医学中对心脏、腹部器官以及胎儿的超声检查。工业上对钢管、焊缝等的无损检测。超声 成像是通过超声换探头向目标物发射超声信号，接收目标物不同位置的反射信号，分析和 处理目标物反射信号的特性，获取超声成像信息。超声成像的图像质量在物理上决定于超 声换能器及阵列的性能。 基于MEMS技术制造的薄膜声学器件是近年来出现的新型声学换能器。相比传统 的PZT换能器，薄膜声学换能器则具有频率范围宽、一致性好及易于制作阵列等优点，能够
满足高分辨率超声成像的需要。薄膜声学换能器主要分为电容式薄膜声学换能器及压电式 薄膜声学换能器两种。 图1是现有的薄膜电容式声学换能器的主要结构示意图。如图1所示，其结构主 要包括设置基底100之上的第二电极104、位于第二电极104之上的绝缘层103、位于绝缘 层103上方的平坦部件101、以及位于平坦部件101之上的第一电极102。其中，第一电极 102和第二电极104构成平板电容，在平板电容的上下极板中间的平坦部件101的内部还形 成周边密封的空腔105。该结构依靠平坦部件101的振动改变电容大小，来改变相应的电学 传感信号。 图2是现有的薄膜压电声学换能器的主要结构示意图。如图2所示，其结构主要 由上电极112，压电层lll，下电极113，支撑层114及空心硅基底110组成。其中，上电极 112、压电层111和下电极113构成换能器单元。该换能单元与支撑层114构成薄膜换能器 的振动膜。该振动膜位于空心的硅杯结构上。当有时变电压信号加在上电极112和下电极 113时，由于压电层111的压电效应，使得振动膜发生形变振动，并向外辐射出声波。当外界 有声波作用到振动膜上时，振动膜上的换能单元会将振动膜的形变和振动相应的转换成电 信号，如美国专利No. 6548937就是采用这种结构。 现有的两种薄膜超声换能器都存在自身性能的不足薄膜电容式声换能器接收灵 敏度较高，但发射效率低，而薄膜压电式声换能器发射效率较高，但接收灵敏度较低。作为 用于超声成像及检测的超声换能器，是需要具有自发自收的能力，因此需要同时具备较高 的发射及接收超声信号的能力。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术中薄膜换能器同时接收和发射时灵敏度不高 的问题，提供一种薄膜超声换能器及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明提出一种薄膜超声换能器及其制备方法，该薄膜超 声换能器包含电容换能器单元，所述的电容换能器单元由下至上包含电容第二电极126、绝 缘层125、微气隙130、支撑部件128及压电第一电极123，其特征在于，该薄膜超声换能器由 下至上还依次包含位于压电第一电极123之上的压电层122、以及位于压电层122之上的 压电第二电极121 ; 所述支撑部件128为可弯曲的压电振动膜，其下方中心的内凹部位与所述绝缘层 125 —起形成一个封闭的微气隙空腔。 所述的薄膜超声换能器，其特征在于，所述的电容第二电极126、绝缘层125、微气 隙130、支撑部件128、压电第一电极123、压电层122、以及位于压电层122之上的压电第二 电极121沿各部件水平放置的中心轴由下至上垂直放置。 —种薄膜超声换能器的制备方法，该薄膜超声换能器包含电容换能器单元及位于 该单元的压电第一电极之上的压电层122、位于该压电层之上的压电第二电极121，所述的 制备方法包含如下步骤 11)首先选取一个硅基片，在硅片的上表面制备电容第二电极； 12)在电容第二电极上制备绝缘层，再在绝缘层上制备牺牲层，并进行图形化，腐
蚀形成微气隙的形状； 13)在牺牲层上制备支撑层，再在支撑层上刻蚀出牺牲层释放孔，并用光刻胶保护 释放孔之外的区域，并通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，将支撑层下方的牺牲层腐蚀，形成 微气隙； 14)去除光刻胶，在支撑层上面制备压电第一 电极，再在压电第一 电极上面制备一 层或几层压电层，最后在压电薄膜上制备压电第二电极。 所述的薄膜超声换能器制备方法，其特征在于，所述电容第二电极采用铝膜、铬 膜、金膜或铂金膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成 的复合薄膜制作，厚度为0. 01 ii m 1 ii m也可以在硅片上表面注入高浓度参杂的物质，形 成电容第二电极，厚度为0. 01 ii m 50 ii m。 —种薄膜超声换能器的制备方法，该薄膜超声换能器包含电容换能器单元及位于 该单元的压电第一电极之上的压电层122、位于压电层之上的压电第二电极121，所述的制 备方法包含如下步骤 21)选取一个SOI硅基片，SOI硅基片包含基底硅层、位于基底硅层上方的二氧化 层和位于二氧化硅层上方的第二硅层，腐蚀SOI硅片的第二硅层，形成微气隙；
22)选取第二 SOI硅片，将第二 SOI硅片倒置，使第二 SOI硅片的第二硅层位于第 一 SOI硅片的第二硅层之上，并采用静电键合工艺将第一 SOI硅片和第二 SOI硅片键合，则 完成了对微气隙的密封制作； 23)腐蚀并完全去除第二 SOI硅片的基底硅层，并用氢氟酸溶液腐蚀去掉二氧化 硅层，所剩下的第二 SOI硅片的第二硅层即为换能器的支撑层； 24)在支撑层上面制备压电第一电极，再在压电第一电极上面制备一层或几层压 电层，最后在压电薄膜上制备压电第二电极。 —种薄膜超声换能器的制造方法，该薄膜超声换能器包含电容换能器单元及于该 单元的压电第一电极之上的压电层122、位于压电层之上的压电第二电极121，所述的制备
5方法包含如下步骤 31)选取一个低阻的硅基片，并对低阻硅片进行氧化形成二氧化硅层，图形化并腐 蚀二氧化硅层，形成临时微气隙； 32)对低阻硅片再次进行氧化，使临时微气隙下方的硅形成二氧化硅绝缘层；
33)选取SOI硅片，该SOI硅片包括基底硅层、位于基底硅层上方的二氧化层和位 于二氧化硅层上方的第二硅层，将SOI硅片倒置，使SOI硅片的第二硅层位于低阻硅片之上 的二氧化硅层之上，并采用静电键合工艺将SOI硅片和低阻硅片键合；
34)腐蚀并完全去除SOI硅片的基底硅层，并用氢氟酸溶液腐蚀去掉二氧化硅层， 所剩下的SOI硅片的第二硅层即为换能器的支撑层； 35)在支撑层上面制备压电第一电极，再在压电第一电极上面制备一层或几层压 电层，最后在压电薄膜上制备压电第二电极。 所述的步骤31)进一步包含如下步骤从而改变微气息的高度
31-1)腐蚀临时微气隙下方的硅，形成第二临时微气隙； 31-2)对硅片再次进行氧化，使第二临时微气隙下方的硅形成二氧化硅绝缘层，该 二氧化硅绝缘层上方的空腔即为微气隙。 所述支撑层128为可弯曲的压电振动膜，其下方中心与所述压电第一电极相对的 位置，与所述绝缘层125 —起形成一个周边封闭的空腔称为微气隙130，
所述支撑层128、位于支撑层128之上的压电第一电极123、位于压电第一电极123 之上的压电层122及位于压电层122之上的压电第二电极121，构成压电换能器单元150， 可实现压电式薄膜超声换能器的功能，其中，压电第一电极123及压电第二电极121构成该 压电式换能器单元的信号输入及输出电极对； 所述压电第一电极123、支撑层128、微气隙130、绝缘层125及电容第二电极126 构成电容换能器单元160，其中，压电第一电极123与导电层126构成电容换能器单元160 的上下电极，支撑层128作为电容换能器单元160的振动膜，其可以实现电容式薄膜声换能 器的功能。 本发明的薄膜超声换能器在使用时在发射信号时，可以单独使用压电换能器单 元150进行发射，此时发射电压施加在压电第一电极123和压电第二电极121上，此时换能 器的发射效率由压电换能单元150决定，因此可以得到较高的发射效率；也可以单独使用 电容换能器单元160进行发射，此时发射电压施加在压电第一电极及电容第二电极之上； 也可同时使用压电换能器单元150及电容换能器单元160进行发射；在接收声信号时，可以 单独使用压电换能器单元150或电容换能器单元160进行接收，也可以同时使用压电换能 器单元150和电容换能器单元160进行接收，将两个换能器单元接收并转换成的电信号进 行同相串联引出，从而得到总的输出信号。此时，换能器的接收效率主要有电容换能器单元 160决定，其接收信号的大小为压电换能器单元150和电容换能器单元160接收信号之和， 因此增大了接收信号。 本发明的优点在于，提供一种复合式超声换能器，将常规的电容式和压电式薄膜 超声换能器制做在一个换能器结构中，使得换能器能够具备电容式薄膜超声换能器接收灵 敏度较高的特点，同时兼备压电式薄膜超声换能器发射电压响应较高的特点，解决单一结 构传统换能器在自发自收的应用中的发射或接收灵敏度不足的问题，实现收发效率兼备的复合式换能器c
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I 图； I
I
I
I
I
I
1是现有的薄膜电容式超声换能器的结构示意图； 2是现有的薄膜压电式超声换能器的结构示意图； 3是本发明的薄膜超声换能器的一个实施方案的结构示意图； 4是基于图3的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图； 5是基于图3的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图； 6是基于图3的薄膜超声换能器的一个实施方案的的一个制作步骤示意图； 7是基于图3的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图； 8是本发明的薄膜超声换能器的一个实施方案的结构示意图； 9是基于图8的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图； 10是基于图8的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图； 11是基于图8的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图； 12是本发明的薄膜超声换能器的一个实施方案的结构示意图； 13是基于图12的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图
14是基于图12的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图 15是基于图12的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图 16是基于图12的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图 17是基于图12的薄膜超声换能器的一个实施方案的一个制作步骤示意图 18是本发明的薄膜超声换能器的一个具有较深微气息实施方案的结构示意
19是基于图18的薄膜超声换能器的-20是基于图18的薄膜超声换能器的-21是基于图18的薄膜超声换能器的-22是基于图18的薄膜超声换能器的-23是基于图18的薄膜超声换能器的-24是基于图18的薄膜超声换能器的-
-个实施方案的--个实施方案的--个实施方案的--个实施方案的--个实施方案的--个实施方案的-
-个制作 -个制作 -个制作 -个制作 -个制作 -个制作
:骤示 :骤示 :骤示 :骤示 :骤示 :骤示
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1 图3为本发明的薄膜压电超声换能器的一个实施例结构示意图。本发明提供的薄 膜声换能器其结构如图3所示包括一个含有压电层的平坦部件150，平坦部件150下方的 周边封闭空腔130，以及上部制备有绝缘层125的电容第二电极126所组成。所述含有压电 层的平坦部件150为可弯曲的压电振动膜，包括支撑层128、位于支撑层128之上的压电第 一电极123、位于压电第一电极123之上的压电层122及位于压电层122之上的压电第二 电极121，构成了压电式声学换能器单元150，因此可以实现传统压电薄膜超声换能器的功 能；且压电第一电极123、支撑层128、微气隙130、绝缘层125及电容第二电极126构成了
7电容式声学换能器单元160，其中压电第一电极123与导电层126则构成电容式声学换能器 单元160的上下电极，其中支撑层128为电容式声学换能器160的振动膜，其可以实现传统 的电容式薄膜声换能器的功能。因此本发明的结构将压电和电容两种薄膜换能器在结构上 集成在了 一起，形成了 一个联合式薄膜声换能器。
图4 图7示出了该实例的一种基本制备流程。 如图4所示，首先选取一个硅基片120，该硅基片120可以为n型或者p型硅片。硅 基片120具有一个上表面201和一个下表面202，在一个实施例中，该硅基片120的厚度为 400微米，但是可以理解，本领域的技术人员可根据所需要的传声器芯片尺寸而选择不同厚 度的硅基片120。 如图4所示，在硅片120的上表面201制备导电平坦部件即电容第二电极126。 所述电容第二电极126可以采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也 可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为 0.01iim liim。也可以在硅片120上表面201采用高浓度参杂(硼或磷)进行注入，形 成电容第二电极126，厚度为0. 01 ii m 50 ii m。可以理解，该层导电平坦部件主要用于电 学导通，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的材料的薄膜，而非仅限于 上述几种薄膜。 仍由图4所示，在电容第二电极126上制备绝缘层125，该绝缘层125可以是氮化 硅薄膜、二氧化硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜，以及其他成分的可以构成钝化层结构的 薄膜，厚度为O. li!m 50iim。本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的材 料的薄膜，而非仅限于上述几种薄膜。 由图5所示，在绝缘层125上制备牺牲层127，厚度为0.01iim 50iim，并进行图 形化，腐蚀形成微气隙130的形状，该牺牲层127图形化的形状可以是任意几何图形，如圆 形、环形、矩形等，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的牺牲层形状，而 非仅限于上述几种形状。该牺牲层127可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、硅薄膜或以上薄 膜组成的复合膜，也可以是易腐蚀的有机薄膜、金属薄膜如铜、铝、金等，也可为易于被腐蚀 的化合物如氧化锌薄膜等，可以理解，该层膜结构主要用于对阻挡腐蚀液对硅片的腐蚀，本 领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的材料的薄膜，而非仅限于上述几种薄 膜。 图5所示，在牺牲层127上制备支撑层128，该支撑层128可以是氮化硅薄膜、二氧 化硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜，厚度为0. 01 ii m 50 ii m，可以理解，该层膜结 构主要用于对压电薄膜的支撑和辅助振动，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选 择不同的材料的薄膜，而非仅限于上述几种薄膜。 如图6所示，在支撑层128上刻蚀出牺牲层释放孔140，并用光刻胶保护释放孔 140之外的区域，并通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，将支撑层128下方的牺牲层127腐蚀， 形成微气隙130。然后，去除光刻胶。 如图7所示，在支撑层128之上制备平坦层141，并图形化刻蚀去除腐蚀孔127以 外的部分，用于添堵牺牲层释放孔140。该层平坦层141可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、 硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜，厚度为0. 01 ii m 50 ii m，且应至少大于牺牲层127的厚 度，可以理解，该层膜结构主要用于将牺牲层释放孔140进行添堵，本领域的技术人员可以
8根据需要和工艺条件选择不同的材料的薄膜，而非仅限于上述几种薄膜。
由图3所示在支撑层128上面制备压电第一电极123，可采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为0. 01 ii m 10 ii m。所述压电第一电极123的位置位于牺牲层区域127正上方的支撑层128之上。 由图3所示在压电第一电极123上面制备一层或几层压电层122，该压电薄膜的厚度为0.01iim 300iim，可以为单层薄膜，也可由多层薄膜组成。该压电薄膜可以是氧化锌(Zn0)、氮化铝(A1N)、锆钛酸铅(PZT)压电薄膜或单晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)压电薄膜或单晶、或其它适当的替换压电材料，本领域的技术人员也可根据实际需要作出选择。
如图3所示在压电薄膜122上制备压电第二电极121，压电第二电极121可以采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作。 由上所述，该发明的薄膜超声换能器具有压电第一电极123、压电第二电极121及电容第二电极126三个电极，其中由压电第一电极123及压电第二电极121构成压电式换能器单元的信号输入及输出电极对，而压电第一电极与电容第二电极则构成了电容式换能单元的信号输入及输出电极对。使用中，可以将两个换能器单元单独使用，也可将这两对电极对进行同相串联连接，可以增大接收信号，其信号值为两种换能单元接收信号之和。
实施例2 图8为本发明的薄膜压电超声换能器的一个实施例结构示意图。本发明提供的薄膜声换能器其结构如图8所示包括一个含有压电层的平坦部件250，平坦部件250下方的周边封闭空腔230，以及上部制备有绝缘层225的电容第二电极226所组成，所述电容第二电极226为低阻的硅基底。所述含有压电层的平坦部件250为可弯曲的压电振动膜，包括支撑层228、位于支撑层228之上的压电第一电极223、位于压电第一电极223之上的压电层222及位于压电层222之上的压电第二电极221，构成了压电式声学换能器单元250，因此可以实现传统压电薄膜超声换能器的功能；且压电第一电极223、支撑层228、微气隙230、绝缘层225及电容第二电极226构成了电容式声学换能器单元260，其中压电第一电极223与导电层226则构成电容式声学换能器单元260的上下电极，其中支撑层228为电容式声学换能器260的振动膜，其可以实现传统的电容式薄膜声换能器的功能。因此本发明的结构将压电和电容两种薄膜换能器在结构上集成在了一起，形成了一个联合式薄膜声换能器。
图9 图11示出了该实例的一种基本制备流程。如图9所示，首先选取一个SOI硅基片200，该SOI硅基片200由低阻基底硅层226、二氧化硅层225和第二硅层224构成。在一个实施例中，低阻基底硅层226、二氧化硅层225和第二硅层224的厚度分别为400 y m、1 ii m和1 ii m，但是可以理解，本领域的技术人员可根据所需要的传声器芯片尺寸而选择不同厚度的硅基片200及基底低阻硅226、二氧化硅层225和第二硅层224厚度。
如图9所示，腐蚀SOI硅片200的第二硅层224，形成微气隙230的形状，该微气隙230的形状可以是任意几何图形，如圆形、环形、矩形等，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的形状，而非仅限于上述几种形状。微气隙230的厚度由SOI硅片200的第二硅层229的厚度决定，厚度为0. 01 ii m 50 ii m。 SOI硅片200的氧化层225即为绝缘层225，厚度为0. 1 ii m 50 ii m。
如图10所示，选取第二 SOI硅片201，该第二 SOI硅片201包括基底硅层229、位于基底硅层上方的二氧化层227和位于二氧化硅层227上方的第二硅层228。将第二 SOI硅片201倒置，使第二 SOI硅片201的第二硅层227位于第一 SOI硅片200的第二硅层224之上，并采用静电键合工艺将第一 SOI硅片200和第二 SOI硅片201键合。则完成了对微气隙230的密封制作。 如图11所示，腐蚀并去完全除第二 SOI硅片的基底硅层229，并用氢氟酸溶液(HF)腐蚀去掉二氧化硅层227。所剩下的第二 SOI硅片的第二硅层228即为换能器的支撑层228。该层支撑层厚度由第二 SOI硅片的第二硅层228的厚度决定，厚度为0. 01 y m 50 li m。 由图8所示在支撑层228上面制备压电第一电极223，可采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为0.01iim 10iim。所述压电第一电极223的位置位于微气隙230之上。 由图8所示在压电第一 电极223上面制备一层或几层压电层222，该压电薄膜的厚度为0.01iim 300iim，可以为单层薄膜，也可由多层薄膜组成。该压电薄膜可以是氧化锌(ZnO)、氮化铝(A1N)、锆钛酸铅(PZT)压电薄膜或单晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)压电薄膜或单晶、或其它适当的替换压电材料，本领域的技术人员也可根据实际需要作出选择。
如图8所示在压电薄膜222上制备压电第二电极221，压电第二电极221可以采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为0. 01 ii m 10 ii m。
由上所述，该发明的薄膜超声换能器具有压电第一电极223、压电第二电极221及电容第二电极226三个电极，其中由压电第一电极223及压电第二电极221构成压电式换能器单元的信号输入及输出电极对，而压电第一电极与电容第二电极则构成了电容式换能单元的信号输入及输出电极对。使用中，可以将两个换能器单元单独使用，也可将这两对电极对进行同相串联连接，可以增大接收信号，其信号值为两种换能单元接收信号之和。
实施例3 图12为本发明的薄膜压电超声换能器的一个实施例结构示意图。本发明提供的薄膜声换能器其结构如图12所示包括一个含有压电层的平坦部件350，平坦部件350下方的周边封闭空腔330，以及上部制备有绝缘层325的电容第二电极300所组成，所述电容第二电极300为低阻的硅基底。所述含有压电层的平坦部件350为可弯曲的压电振动膜，包括支撑层328、位于支撑层328之上的压电第一电极323、位于压电第一电极323之上的压电层322及位于压电层322之上的压电第二电极321，构成了压电式声学换能器单元350，因此可以实现传统压电薄膜超声换能器的功能；且压电第一电极323、支撑层328、微气隙330、绝缘层325及电容第二电极300构成了电容式声学换能器单元360，其中压电第一 电极323与低阻硅基片300则构成电容式声学换能器单元360的上下电极，其中支撑层328为电容式声学换能器360的振动膜，其可以实现传统的电容式薄膜声换能器的功能。因此本发明的结构将压电和电容两种薄膜换能器在结构上集成在了一起，形成了一个联合式薄膜声换能器。 图13 图17示出了该实例的一种基本制备流程。如图13所示，首先选取一个低阻的硅基片300，并对硅片300进行氧化形成二氧化硅层324，厚度为0. 01 y m 50 y m。如图14所示，图形化并腐蚀二氧化硅层324，形成临时微气隙310，即被腐蚀掉的二氧化硅层324所在的区域，该临时微气隙310的形状可以是任意几何图形，如圆形、环形、矩形等，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的形状，而非仅限于上述几种形状。
如图15所示，对硅片300再次进行氧化，使临时微气隙下方的硅形成二氧化硅绝缘层325，该层二氧化硅绝缘层325厚度为0. 01 ii m 50 ii m，但应小于二氧化硅层324， 二氧化硅绝缘层325上方的空腔即为微气隙330，可以理解二氧化硅层324与二氧化硅绝缘层325的厚度差即为为气隙330的高度，该高度为0. 01 ii m 50 ii m。 如图16所示，选取SOI硅片301，该SOI硅片301包括基底硅层329、位于基底硅层上方的二氧化层327和位于二氧化硅层327上方的第二硅层328。将SOI硅片301倒置，使SOI硅片301的第二硅层327位于低阻硅片300之上的二氧化硅层324之上，并采用静电键合工艺将SOI硅片301和低阻硅片300键合。此时第二硅层327下方的封闭空腔即为换能器的微气隙330，则完成了对微气隙330的密封制作。 如图17所示，腐蚀并去完全去除S0I硅片301的基底硅层329，并用氢氟酸溶液(HF)腐蚀去掉二氧化硅层327。所剩下的SOI硅片301的第二硅层328即为换能器的支撑层328。该层支撑层厚度由SOI硅片301的第二硅层328的厚度决定，厚度为0. 01 y m 50 li m。 由图12所示在支撑层328上面制备压电第一电极323，可采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为0.01iim 10iim。所述压电第一电极323的位置位于微气隙330之上。 由图12所示在压电第一电极323上面制备一层或几层压电层322，该压电薄膜的厚度为0. 01 i！ m 300 i！ m，可以为单层薄膜，也可由多层薄膜组成。该压电薄膜可以是氧化锌(ZnO)、氮化铝(A1N)、锆钛酸铅(PZT)压电薄膜或单晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)压电薄膜或单晶、或其它适当的替换压电材料，本领域的技术人员也可根据实际需要作出选择。
如图12所示在压电薄膜322上制备压电第二电极321，压电第二电极321可以采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为0. 01 ii m 10 ii m。
由上所述，该发明的薄膜超声换能器具有压电第一电极323、压电第二电极321及电容第二电极300三个电极，其中由压电第一电极323及压电第二电极321构成压电式换能器单元的信号输入及输出电极对，而压电第一电极323与电容第二电极300则构成了电容式换能单元的信号输入及输出电极对。使用中，可以将两个换能器单元单独使用，也可将这两对电极对进行同相串联连接，可以增大接收信号，其信号值为两种换能单元接收信号之和。 上述的实例3的制作过程中，需要指出的是微气隙330的厚度主要有二氧化硅层324决定，如果需要高度更高的微气隙则可采用下述方法制作。如图18 图24所示。如图19所示，首先选取一个低阻的硅基片400，并对硅片400进行氧化形成二氧化硅层424，厚度为0. 01 ii m 50 ii m。如图20所示，图形化并腐蚀二氧化硅层424，形成第一临时微气隙410，即被腐蚀掉的二氧化硅层324所在的区域，该第一临时微气隙310的形状可以是任意几何图形，如圆形、环形、矩形等，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同 的形状，而非仅限于上述几种形状。 如图21所示，腐蚀第一临时微气隙410下方的硅，形成第二临时微气隙411，腐蚀 的深度示例性的为lPm，使第二微气隙411的厚度不受氧化层424厚度的限制，本领域的 技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的腐蚀深度，形成满足需要的第二临时微气隙 411。 如图22所示，对硅片400再次进行氧化，使第二临时微气隙411下方的硅形成二 氧化硅绝缘层425，该层二氧化硅绝缘层425厚度为0. 01 ii m 50 ii m，但应小于二氧化硅 层424， 二氧化硅绝缘层425上方的空腔即为微气隙430，可以理解微气隙430的高度主要 由第二临时微气隙411的高度决定，该高度为0.01iim 50iim。 如图23所示，选取SOI硅片401，该SOI硅片401包括基底硅层429、位于基底硅 层上方的二氧化层427和位于二氧化硅层427上方的第二硅层428。将SOI硅片401倒置， 使SOI硅片401的第二硅层427位于低阻硅片400之上的二氧化硅层424之上，并采用静 电键合工艺将SOI硅片401和低阻硅片400。此时第二硅层427下方的封闭空腔即为换能 器的微气隙430，则完成了对微气隙430的密封制作。 如图24所示，腐蚀并去完全去除SOI硅片401的基底硅层429，并用氢氟酸溶液 (HF)腐蚀去掉二氧化硅层427。所剩下的SOI硅片401的第二硅层428即为换能器的支撑 层428。该层支撑层厚度由SOI硅片301的第二硅层428的厚度决定，厚度为0. 01 y m 50 ii m。 由图18所示在支撑层428上面制备压电第一电极323，可采用铝(Al)膜、铬(Cr) 膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金 属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为0.01iim 10iim。所述压电第一电极323的位置位于 微气隙330之上。 由图18所示在压电第一电极423上面制备一层或几层压电层422，该压电薄膜的 厚度为0. 01 ii m 300 ii m，可以为单层薄膜，也可由多层薄膜组成。该压电薄膜可以是氧化 锌(ZnO)、氮化铝(A1N)、锆钛酸铅(PZT)压电薄膜或单晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)压电薄 膜或单晶、或其它适当的替换压电材料，本领域的技术人员也可根据实际需要作出选择。
如图18所示在压电薄膜422上制备压电第二电极421，压电第二电极421可以 采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成 的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为0. 01 ii m 10 ii m，即完成该 实例的制作。 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 照实施例对本发明进行了详细说明，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，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种薄膜超声换能器，该薄膜超声换能器包含电容换能器单元，所述的电容换能器单元由下至上包含电容第二电极(126)、绝缘层(125)、微气隙(130)、支撑部件(128)及压电第一电极(123)，其特征在于，该薄膜超声换能器由下至上还依次包含位于压电第一电极(123)之上的压电层(122)、以及位于压电层(122)之上的压电第二电极(121)；所述支撑部件(128)为可弯曲的压电振动膜，其下方中心的内凹部位与所述绝缘层(125)一起形成一个封闭的微气隙空腔。
2. 根据权利要求l所述的薄膜超声换能器，其特征在于，所述的电容第二电极(126)、绝缘层(125)、微气隙(130)、支撑部件(128)、压电第一电极(123)、压电层(122)、及压电第二电极(121)的所有部件重心在一条直线由下至上依次放置。
3. —种薄膜超声换能器的制备方法，该薄膜超声换能器包含电容换能器单元及位于该单元的压电第一电极之上的压电层(122)、位于该压电层之上的压电第二电极(121)，所述的制备方法包含如下步骤11) 首先选取一个硅基片，在硅片的上表面制备电容第二电极；12) 在电容第二电极上制备绝缘层，再在绝缘层上制备牺牲层，并进行图形化，腐蚀形成微气隙的形状；13) 在牺牲层上制备支撑层，再在支撑层上刻蚀出牺牲层释放孔，并用光刻胶保护释放孔之外的区域，并通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，将支撑层下方的牺牲层腐蚀，形成微气隙；14) 去除光刻胶，在支撑层上面制备压电第一 电极，再在压电第一 电极上面制备一层或几层压电层，最后在压电薄膜上制备压电第二电极。
4. 根据权利要求3所述的薄膜超声换能器制备方法，其特征在于，所述电容第二电极采用铝膜、铬膜、金膜或铂金膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作，厚度为0. 01 ii m 1 ii m ;也可以在硅片上表面浇注高浓度参杂的物质，形成电容第二电极，厚度为0.01iim 50iim。
5. —种薄膜超声换能器的制备方法，该薄膜超声换能器包含电容换能器单元及位于该单元的压电第一电极之上的压电层(122)、位于压电层之上的压电第二电极(121)，所述的制备方法包含如下步骤21) 选取一个SOI硅基片，SOI硅基片包含基底硅层、位于基底硅层上方的二氧化层和位于二氧化硅层上方的第二硅层，腐蚀SOI硅片的第二硅层，形成微气隙；22) 选取第二 SOI硅片，将第二 SOI硅片倒置，使第二 SOI硅片的第二硅层位于第一 SOI硅片的第二硅层之上，并采用静电键合工艺将第一 SOI硅片和第二 SOI硅片键合，则完成了对微气隙的密封制作；23) 腐蚀并完全去除第二 SOI硅片的基底硅层，并用氢氟酸溶液腐蚀去掉二氧化硅层，所剩下的第二 SOI硅片的第二硅层即为换能器的支撑层；24) 在支撑层上面制备压电第一 电极，再在压电第一 电极上面制备一层或几层压电层，最后在压电薄膜上制备压电第二电极。
6. —种薄膜超声换能器的制造方法，该薄膜超声换能器包含电容换能器单元及于该单元的压电第一电极之上的压电层(122)、位于压电层之上的压电第二电极(121)，所述的制备方法包含如下步骤31) 选取一个低阻的硅基片，并对低阻硅片进行氧化形成二氧化硅层，图形化并腐蚀二氧化硅层，形成临时微气隙；32) 对低阻硅片再次进行氧化，使临时微气隙下方的硅形成二氧化硅绝缘层；33) 选取SOI硅片，该SOI硅片包括基底硅层、位于基底硅层上方的二氧化层和位于二氧化硅层上方的第二硅层，将SOI硅片倒置，使SOI硅片的第二硅层位于低阻硅片之上的二氧化硅层之上，并采用静电键合工艺将SOI硅片和低阻硅片键合；34) 腐蚀并完全去除SOI硅片的基底硅层，并用氢氟酸溶液腐蚀去掉二氧化硅层，所剩下的SOI硅片的第二硅层即为换能器的支撑层；35) 在支撑层上面制备压电第一 电极，再在压电第一 电极上面制备一层或几层压电层，最后在压电薄膜上制备压电第二电极。
7.根据权利要求6所述的薄膜超声换能器的制备方法，其特征在于，所述的步骤31)进一步包含如下步骤从而改变微气息的高度31-1)腐蚀临时微气隙下方的硅，形成第二临时微气隙；31-2)对硅片再次进行氧化，使第二临时微气隙下方的硅形成二氧化硅绝缘层，该二氧化硅绝缘层上方的空腔即为微气隙。
全文摘要
本发明涉及一种薄膜超声换能器及其制备方法，该薄膜超声换能器包含电容换能器单元，所述的电容换能器单元由下至上包含电容第二电极(126)、绝缘层(125)、微气隙(130)、支撑部件(128)及压电第一电极(123)，其特征在于，该薄膜超声换能器由下至上还依次包含位于压电第一电极(123)之上的压电层(122)、以及位于压电层(122)之上的压电第二电极(121)；所述支撑部件(128)为可弯曲的压电振动膜，其下方中心的内凹部位与所述绝缘层(125)一起形成一个封闭的微气隙空腔。本发明还提供了3种制备薄膜超声换能器的方法，由下至上依次制备各个部件，尤其提供了几种制备微气息的方式。
文档编号B06B1/06GK101712028SQ20091023803
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者乔东海, 郝震宏 申请人:中国科学院声学研究所