微电容超声传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种微电容超声传感器，包括：衬底、设置于衬底上表面的下电极组件、上膜以及设置于上膜上表面的上电极组件，衬底上表面还设置有封闭环绕下电极组件的下密封线圈，上膜下表面凹设有用于收容下电极组件的收容腔以及封闭环绕收容腔的上密封线圈，上膜和衬底至少通过上密封线圈和下密封线圈对接密封收容腔。根据本实用新型的微电容超声传感器不仅提高了密封性，阻断了其内部的收容腔与外部环境的交换，简单且低成本地实现了自密封作用；而且还避免了寄生电容对能效的耗散，加强了转换效率。
【专利说明】
微电容超声传感器
技术领域
[0001]本实用新型属于传感器技术领域，具体地讲，涉及一种微电容超声传感器。
【背景技术】
[0002]把电能、机械能或声能从一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置称作超声传感器。超声传感器是超声测距、成像及声呐系统的核心部件，其广泛应用于车辆避障、医学诊断及治疗、海洋形貌探测、军事目标的识别等领域。凭借微机电系统(简称MEMS)技术的发展，微电容超声传感器(简称CMUT)应运而生。与现有技术中的压电超声换能器相比，CMUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可阵列化、易于电路集成等特点，因此在超声测距、成像、声呐系统等领域均具有非常重要的实用价值。
[0003]转换效率是CMUT的一个非常重要的参数，转换效率是指传递的机械能与传感器总储能之比。转换效率对CMUT的带宽有决定性作用，而带宽又对CMUT的性能有很大影响。现有技术中，由于CMUT采用重掺杂的共用底电极或上电极及导电薄膜，导致CMUT存在大量的杂散寄生电容。而寄生电容，尤其是并联寄生电容的存在，会导致CMUT的转换效率降低，带宽变窄，进而降低CMUT的性能。此外，现有技术中，CMUT的空腔密封手段主要分为两种，一是采用对腐蚀孔密封填充，二是采用硅硅键合直接密封。但这两种方法仍存在缺点:一是引入不必要的附加材料，二是工艺复杂导致加工成本增加，高成品良率难保证。而具有非密封空腔的CMUT难以满足体内、水下等浸入应用的需求;同时非密封的空腔所存在的空气阻尼，又会消耗CMUT的有效电能、机械能或声能，降低其转换效率，造成CMUT的性能下降。
【实用新型内容】
[0004]为解决上述现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种微电容超声传感器，该微电容超声传感器不仅能够实现自密封作用，提高密封性;而且避免了寄生电容对能效的耗散，加强了转换效率。
[0005]为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用了如下的技术方案:
[0006]—种微电容超声传感器，包括:衬底、设置于所述衬底上表面的下电极组件、上膜以及设置于所述上膜上表面的上电极组件，所述衬底上表面还设置有封闭环绕所述下电极组件的下密封线圈，所述上膜下表面凹设有用于收容所述下电极组件的收容腔以及封闭环绕所述收容腔的上密封线圈，所述上膜和所述衬底至少通过所述上密封线圈和所述下密封线圈对接密封所述收容腔。
[0007]进一步地，所述衬底上表面还设置有与所述下电极组件通过下焊盘引线连接的下焊盘，所述上膜开设有与所述下焊盘对应的下焊盘窗口，所述下焊盘窗口位于所述上密封线圈封闭环绕的区域之外，所述下焊盘通过所述下焊盘窗口暴露;所述上膜上表面还设置有与所述上电极组件通过上焊盘引线连接的上焊盘。
[0008]进一步地，所述下焊盘窗口与所述下焊盘的形状对应，且所述下焊盘窗口的内侧壁与所述下焊盘之间具有间隙。
[0009]进一步地，所述微电容超声传感器还包括夹设于所述上膜与所述上电极组件之间的绝缘层。
[0010]进一步地，所述上电极组件包括上电极互联引线以及通过所述上电极互联引线彼此连接的若干上电极，所述下电极组件包括下电极互联引线以及通过所述下电极互联引线彼此连接的若干下电极;其中，在与所述衬底垂直的方向上，所述若干上电极与所述若干下电极的投影对应重合，且对应的所述上电极之间的上电极互联引线与所述下电极之间的下电极互联引线的投影相互交叉。
[0011]进一步地，所述上膜下表面还凹设有贯通若干所述收容腔的互联通道;其中，所述互联通道与所述下电极互联引线相对应，且所述互联通道与所述收容腔的深度相等。
[0012]进一步地，在与所述衬底垂直的方向上，所述若干上电极和下电极的投影在对应的所述收容腔的投影之内；且所述收容腔的深度大于与其对应的所述下电极的厚度。
[0013]进一步地，所述上密封线圈和所述下密封线圈均为首尾相连的环形线圈，且所述上密封线圈与所述下密封线圈的形状相匹配。
[0014]进一步地，所述上密封线圈和所述下密封线圈均为金属线圈。
[0015]进一步地，所述衬底的材料为玻璃，所述上膜的材料为娃，和/或所述上膜和所述衬底还通过阳极键合密封所述收容腔。
[0016]本实用新型的有益效果在于:
[0017](I)本实用新型的微电容超声传感器通过设置形状相同且位置相对的下密封线圈以及上密封线圈，同时将二者紧密对接并形成金属键合，从而提高了密封性，阻断了其内部的收容腔与外部环境的交换，简单且低成本地实现了自密封作用，从而避免了现有技术中的微电容超声传感器所存在的因空腔难密封而造成的浸入应用成本高的问题；
[0018](2)本实用新型的微电容超声传感器通过采用绝缘的衬底，并结合图形化的下电极和上电极、以及呈交叉分布的下电极互联引线和上电极互联引线，防止了寄生电容对能效的耗散，加强了转换效率，从而避免了现有技术中的微电容超声传感器所存在的因寄生电容高而造成的转化效率低下的问题。
【附图说明】
[0019]通过结合附图进行的以下描述，本实用新型的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中:
[0020]图1是根据本实用新型的实施例1的微电容超声传感器的结构示意图；
[0021]图2是根据本实用新型的实施例1的微电容超声传感器在移除上膜后的结构示意图；
[0022]图3是根据本实用新型的实施例1的微电容超声传感器在移除下密封线圈及衬底后的仰视图；
[0023]图4是根据本实用新型的实施例2的微电容超声传感器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]以下，将参照附图来详细描述本实用新型的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本实用新型，并且本实用新型不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本实用新型的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本实用新型的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
[0025]实施例1
[0026]图1是根据本实用新型的实施例1的微电容超声传感器的结构示意图，图2是根据本实用新型的实施例1的微电容超声传感器在移除上膜后的结构示意图，图3是根据本实用新型的实施例1的微电容超声传感器在移除下密封线圈及衬底后的仰视图。
[0027]参照图1至图3，根据本实施例的微电容超声传感器包括衬底1、上膜2、下密封线圈
3、上密封线圈4、下电极组件5以及上电极组件6。衬底I上表面设置有下电极组件5以及封闭环绕所述下电极组件5的下密封线圈3，上膜2上表面设置有上电极组件6，而上膜2下表面凹设有用于收容所述下电极组件5的收容腔21、将若干收容腔21连通的互联通道22、以及封闭环绕所述收容腔21的上密封线圈4。其中，衬底I与上膜2首先通过下密封线圈3与上密封线圈4之间的对接作用密封所述收容腔21;与此同时，衬底I的未被下密封线圈3覆盖的上表面与上膜2的未被上密封线圈4覆盖的下表面也贴合在一起以进一步密封该收容腔21。
[0028]下密封线圈3和上密封线圈4均为首尾相接的环形闭合线圈，二者形状、大小均相同；在本实施例中，所述下密封线圈3和上密封线圈4的形状均为矩形，且二者的材质均为金属，如此，当二者对接在一起时，可形成金属键合，以起到初步密封所述收容腔21的作用。当然，下密封线圈3和上密封线圈4的形状并不限于本实施例中所述的矩形，也可以是其他如圆形、正方形等任意环形闭合线圈，只需保证当下密封线圈3与上密封线圈4能够完全对接以达到初步密封收容腔21的作用即可。
[0029]在本实施例中，衬底I的材质为绝缘的玻璃衬底，而上膜2的材质为硅，如此，衬底I的未被下密封线圈3覆盖的上表面与上膜2的未被上密封线圈4覆盖的下表面之间可形成阳极键合。
[0030]如此，根据本实施例的微电容超声传感器即通过下密封线圈3和上密封线圈4之间的金属键合、以及上膜2和衬底I之间的阳极键合的双重键合作用密封所述收容腔21，从而使该微电容超声传感器实现了自密封作用，阻断了其内部的收容腔21与外部环境的交换，提高了该微电容超声传感器的密封性。
[0031]具体参照图2，下电极组件5包括下电极51以及将若干所述下电极51彼此连接的下电极互联引线52;具体参照图1，上电极组件6包括上电极61以及将若干所述上电极61彼此连接的上电极互联引线62。
[0032]在本实施例中，下电极51与收容腔21相对应，下电极互联引线52与互联通道22相对应，当衬底I与上膜2贴合在一起时，下电极51和下电极互联引线52恰好可分别卡设于收容腔21和互联通道22内部，因此，即要求下电极51的尺寸要比收容腔21的尺寸更小，同时下电极互联引线52的尺寸也要比互联通道22的尺寸更小;也就是说，要求在与衬底I垂直的方向上，下电极51的投影在其所对应的收容腔21的投影之内。
[0033]在本实施例中，互联通道22的深度与收容腔21的深度保持一致。
[0034]当衬底I与上膜2对接在一起形成微电容超声传感器时，应当保证设置在衬底I上方的上膜2能够进行一定范围内的上下振动，如此，即要求用于收容下电极组件5的收容腔21的深度应当与下电极51的厚度更大方可。
[0035]优选地，上电极61和下电极51的形状、大小均相同，且均为圆形。与此同时，将上电极61相互连接在一起的上电极互联引线62以及将下电极51相互连接在一起的下电极互联引线52的形状也相同，在本实施例中，二者均为人字形，且上电极互联引线62与下电极互联引线52呈180°翻转；也就是说，在与衬底I垂直的方向上，若干上电极61与若干下电极51的投影对应重合，且对应的上电极61之间的上电极互联引线62与下电极51之间的下电极互联引线52的投影相互交叉。如此，采用绝缘的衬底1，并结合图形化的下电极51和上电极61、以及呈交叉分布的下电极互联引线52和上电极互联引线62，即避免了寄生电容对能效的耗散，从而加强了微电容超声传感器的转换效率。
[0036]当然，下电极51以及上电极61的形状并不限于本实施例中所述的圆形，还可以是其他如正方形、矩形、菱形、椭圆形、三角形以及规则或不规则的多边形中的任意一种;与此同时，下电极互联引线52以及上电极互联引线62的形状也不限于本实施例中所述的人字形，还可以是如十字形等形状，只需保证二者在垂直方向上未完全重合、存在交叉即可。
[0037]为了更方便地将下电极组件5以及上电极组件6引出，在衬底I上表面上和上膜2上表面上还分别设置有下焊盘组件7以及上焊盘组件8。
[0038]具体地，下焊盘组件7包括下焊盘71以及下焊盘引线72，上焊盘组件8包括上焊盘81以及上焊盘引线82;其中，下焊盘引线72水平贯穿下密封线圈3，并将下电极互联引线52与下焊盘71连接在一起，而上焊盘引线82将上电极互联引线62与上焊盘81连接在一起。与之相对应地，上膜2即开设有与下焊盘71相对应的上下贯通的下焊盘窗口 23，该下焊盘窗口23位于所述上密封线圈4封闭环绕的区域之外，下焊盘71即可通过所述下焊盘窗口 23暴露，从而可将下焊盘71从上膜2上表面引出。
[0039]所述下焊盘窗口 23与下焊盘71的形状对应，且该下焊盘窗口 23的内侧壁与所述下焊盘71之间还具有间隙。
[0040]在本实施例中，下焊盘71的形状为正方形，上焊盘81的形状为圆形，但本实用新型并不限制于此，其他如矩形、菱形、椭圆形、三角形或其他规则或不规则的多边形均可，且下焊盘71和上焊盘81的形状及大小可不对应;但与下焊盘71相对应地，下焊盘窗口 23的形状应当与下焊盘71相吻合，且要求下焊盘71的尺寸不超过下焊盘窗口 23的尺寸，如此，当衬底I与上膜2相互贴合密封在一起时，位于衬底I上表面的下焊盘71可卡设于下焊盘窗口 23内，从而通过上膜2的顶表面将下焊盘71引出。
[0041 ]如此，本实施例的微电容超声传感器不仅能够实现自密封作用，提高密封性;而且避免了寄生电容对能效的耗散，加强了转换效率。
[0042]实施例2
[0043]在实施例2的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。具体参照图4，实施例2与实施例1的不同之处在于:在实施例2的微电容超声传感器中，还包括夹设于上膜2与上电极组件6之间的绝缘层9。该绝缘层9的设置，不仅可以保证当该微电容超声传感器在非常规工作模式(即塌陷工作模式)时，保护该微电容超声传感器不发生短路;而且可以通过对该绝缘层9厚度的设置，使该微电容超声传感器保持在常规工作模式而不发生塌陷；另外，该绝缘层9还增大了上膜2的可动范围，从而进一步提高了该微电容超声传感器的转换效率。
[0044]在本实施例中，与下焊盘窗口 23相对应地，绝缘层9的与下焊盘窗口 23相对的位置处具有上下贯通的通孔91，从而可通过下焊盘窗口 23以及通孔91将下焊盘53引出。但本实用新型并不限制于此，如还可通过将绝缘层9的尺寸调小，从而使得绝缘层9避开下焊盘窗口 23，如此，则无需在绝缘层9上开设通孔91。
[0045]如此，本实施例的微电容超声传感器不仅能够实现自密封作用，提高密封性;而且避免了寄生电容对能效的耗散，加强了转换效率。
[0046]根据本实用新型的实施例的微电容超声传感器一方面通过设置形状相同且位置相对的下密封线圈3以及上密封线圈4，同时将二者紧密对接在一起形成金属键合，并结合衬底I与上膜2之间的阳极键合，通过双重键合作用将收容腔21进行密封，从而提高了密封性，阻断了微电容超声传感器内部的收容腔21与外部环境的交换，简单且低成本地实现了该微电容超声传感器的自密封作用；另一方面，通过采用绝缘的衬底I，并结合图形化的上电极61和下电极51、以及呈交叉分布的上电极互联引线62和下电极互联引线52，从而避免了寄生电容对能效的耗散，加强了该微电容超声传感器的转换效率。
[0047]虽然已经参照特定实施例示出并描述了本实用新型，但是本领域的技术人员将理解:在不脱离由权利要求及其等同物限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
【主权项】
1.一种微电容超声传感器，其特征在于，包括:衬底、设置于所述衬底上表面的下电极组件、上膜以及设置于所述上膜上表面的上电极组件，所述衬底上表面还设置有封闭环绕所述下电极组件的下密封线圈，所述上膜下表面凹设有用于收容所述下电极组件的收容腔以及封闭环绕所述收容腔的上密封线圈，所述上膜和所述衬底至少通过所述上密封线圈和所述下密封线圈对接密封所述收容腔。2.根据权利要求1所述的微电容超声传感器，其特征在于，所述衬底上表面还设置有与所述下电极组件通过下焊盘引线连接的下焊盘，所述上膜开设有与所述下焊盘对应的下焊盘窗口，所述下焊盘窗口位于所述上密封线圈封闭环绕的区域之外，所述下焊盘通过所述下焊盘窗口暴露;所述上膜上表面还设置有与所述上电极组件通过上焊盘引线连接的上焊盘。3.根据权利要求2所述的微电容超声传感器，其特征在于，所述下焊盘窗口与所述下焊盘的形状对应，且所述下焊盘窗口的内侧壁与所述下焊盘之间具有间隙。4.根据权利要求1-3任一所述的微电容超声传感器，其特征在于，所述微电容超声传感器还包括夹设于所述上膜与所述上电极组件之间的绝缘层。5.根据权利要求4所述的微电容超声传感器，其特征在于，所述上电极组件包括上电极互联引线以及通过所述上电极互联引线彼此连接的若干上电极，所述下电极组件包括下电极互联引线以及通过所述下电极互联引线彼此连接的若干下电极;其中，在与所述衬底垂直的方向上，所述若干上电极与所述若干下电极的投影对应重合，且对应的所述上电极之间的上电极互联引线与所述下电极之间的下电极互联引线的投影相互交叉。6.根据权利要求5所述的微电容超声传感器，其特征在于，所述上膜下表面还凹设有贯通若干所述收容腔的互联通道;其中，所述互联通道与所述下电极互联引线相对应，且所述互联通道与所述收容腔的深度相等。7.根据权利要求5所述的微电容超声传感器，其特征在于，在与所述衬底垂直的方向上，所述若干上电极和下电极的投影在对应的所述收容腔的投影之内；且所述收容腔的深度大于与其对应的所述下电极的厚度。8.根据权利要求1所述的微电容超声传感器，其特征在于，所述上密封线圈和所述下密封线圈均为首尾相连的环形线圈，且所述上密封线圈与所述下密封线圈的形状相匹配。9.根据权利要求1所述的微电容超声传感器，其特征在于，所述上密封线圈和所述下密封线圈均为金属线圈。10.根据权利要求1所述的微电容超声传感器，其特征在于，所述衬底的材料为玻璃，所述上膜的材料为硅，和/或所述上膜和所述衬底还通过阳极键合密封所述收容腔。
【文档编号】H04R19/00GK205491145SQ201620070009
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】苗静, 沈文江, 熊继军, 薛晨阳
【申请人】中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所