电容式微机械超声换能单元及其制作方法和电容式微机械超声换能器与流程

本发明涉及超声换能器技术领域，具体的，涉及电容式微机械超声换能单元及其制作方法和电容式微机械超声换能器。

背景技术：

超声换能器在医学成像、治疗，工业流量计，汽车雷达，室内定位等多方面有应用。特别是在医学成像方面与x-ray，核磁成像并称为三大医学成像技术。但目前的超声换能器的发射强度和接收灵敏度仍有待提高。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可通过低温工艺实现、发射强度和接收灵敏度较高的电容式微机械超声换能单元及其制作方法和电容式微机械超声换能器。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种电容式微机械超声换能单元。根据本发明的实施例，该电容式微机械超声换能单元包括：衬底，设置在所述衬底上的底电极，设置在所述底电极远离所述衬底一侧的顶电极，所述顶电极与所述底电极之间设置有空腔，所述顶电极中设置有释放孔，所述释放孔中设置有有机填充部。该电容式微机械超声换能单元中，通过以顶电极作为振膜支撑层，并通过设置有机填充部进行空腔密封和振膜形成，可通过低温工艺实现，不需要在振膜外围设置释放孔，进而含有该电容式微机械超声换能单元的电容式微机械超声换能器(cmut)的占空比较高，发射强度和接收灵敏度更好。

根据本发明的实施例，该电容式微机械超声换能单元还包括设置在所述空腔和所述底电极之间的绝缘层，所述绝缘层和所述顶电极共同限定出所述空腔，所述顶电极和所述空腔直接接触。

根据本发明的实施例，所述空腔在所述衬底上的正投影覆盖所述释放孔在所述衬底上的正投影。

根据本发明的实施例，所述释放孔满足以下条件的至少之一：所述释放孔的最小径向尺寸为2～3微米；所述释放孔包括多个间隔设置的子孔，每个所述子孔的形状包括圆形、多边形和不规则形状中的至少一种；所述释放孔包括一连续的长孔，所述长孔的形状呈螺旋形。

根据本发明的实施例，该电容式微机械超声换能单元还包括设置在所述顶电极远离所述空腔一侧的有机层，所述有机层和所述有机填充部为一体结构。

根据本发明的实施例，所述有机填充部的材料包括聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯和光刻胶中的至少之一。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种电容式微机械超声换能器。根据本发明的实施例，该电容式微机械超声换能器包括多个前面所述的电容式微机械超声换能单元，其中，任意相邻的两个所述电容式微机械超声换能单元之间设有连接部，所述连接部用于连接两个所述电容式微机械超声换能单元中的所述顶电极；多个所述电容式微机械超声换能单元中的所述底电极电连接。该电容式微机械超声换能器占空比较高，发射器强度和接收灵敏度也更好。

根据本发明的实施例，该电容式微机械超声换能器满足以下条件的至少之一：所述连接部和所述顶电极为一体结构；多个所述电容式微机械超声换能单元中的所述底电极为一体结构。

根据本发明的实施例，所述电容式微机械超声换能单元中的有机层中设置有贯穿其中的第一过孔，所述顶电极通过所述第一过孔和第一引线电连接，所述第一过孔在所述衬底上的正投影与所述空腔在所述衬底上的正投影不重叠。

根据本发明的实施例，该电容式微机械超声换能器还包括设置在所述底电极和所述有机层之间的绝缘层，以及贯穿所述有机层和所述绝缘层的第二过孔，第二引线通过所述第二过孔和所述底电极电连接，所述第二过孔在所述衬底上的正投影和所述空腔在所述衬底上的正投影不重叠。

在本发明的又一方面，本发明提供了一种电容式微机械超声换能单元的制作方法。根据本发明的实施例，该方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成底电极；在所述底电极远离所述衬底的一侧形成顶电极，所述顶电极与所述底电极之间形成有空腔，所述顶电极中形成有释放孔；在所述释放孔中形成有机填充部。该方法过程中不需要高温步骤，且通过在顶电极中设置释放孔形成空腔，能够显著提高占空比，进而提高含有该电容式微机械超声换能单元的cmut的发射强度和接收灵敏度。

根据本发明的实施例，该方法包括：在形成所述电极之后，且在形成所述顶电极之前，在所述底电极远离所述衬底的一侧形成牺牲层，所述牺牲层与所述顶电极直接接触；在形成所述顶电极之后，通过所述释放孔对所述牺牲层进行干法蚀刻，以形成所述空腔。

根据本发明的实施例，该方法包括：将有机浆料旋涂在所述顶电极远离所述衬底的一侧，形成有机浆料层；在80～200摄氏度的温度范围内，使所述有机浆料层固化，得到所述有机填充部和有机层。

附图说明

图1是本发明一个实施例的电容式微机械超声换能单元的剖面结构示意图。

图2是本发明一个实施例的电容式微机械超声换能单元中的顶电极的平面结构示意图。

图3是本发明另一个实施例的电容式微机械超声换能单元中的顶电极的平面结构示意图。

图4是本发明另一个实施例的电容式微机械超声换能单元的剖面结构示意图。

图5是本发明一个实施例的电容式微机械超声换能器的平面结构示意图。

图6是图5中的电容式微机械超声换能器中的顶电极的平面结构示意图。

图7是图5中a-a线的剖面结构示意图。

图8是本发明另一个实施例的电容式微机械超声换能器中的顶电极的平面结构示意图。

图9是本发明一个实施例的制备电容式微机械超声换能单元的方法的流程示意图。

图10是本发明一个实施例的电容式微机械超声换能单元中的顶电极、空腔和释放孔在衬底上的正投影的平面结构示意图。

附图标记：

1：衬底2：底电极3：绝缘层4：顶电极41：释放孔411：子孔412：长孔51：有机填充部52：有机层53：第一过孔54：第二过孔6：空腔7：连接部8：牺牲层100：电容式微机械超声换能单元

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种电容式微机械超声换能单元。根据本发明的实施例，参照图1，该电容式微机械超声换能单元包括：衬底1，设置在所述衬底上的底电极2，设置在所述底电极2远离所述衬底一侧的顶电极4，所述顶电极4与所述底电极2之间设置有空腔6，所述顶电极4中设置有释放孔41，所述释放孔41中设置有有机填充部51。该电容式微机械超声换能单元中，通过以顶电极作为振膜支撑层，并通过设置有机填充部进行空腔密封和振膜形成，可通过低温工艺实现，不需要在振膜外围设置释放孔，进而含有该电容式微机械超声换能单元的电容式微机械超声换能器(cmut)的占空比较高，发射强度和接收灵敏度更好。

根据本发明的实施例，该衬底的具体种类没有特别限制，可以为任何可以用于电容式微机械超声换能器的衬底，一些具体实施例中，可以为玻璃衬底等。由此，材料来源广泛，成本较低。

根据本发明的实施例，底电极和顶电极的材质可以为导电性较好的金属材质，具体的，形成所述顶电极和所述底电极的材料各自独立的包括铝、铜、银、钼、钛和金中的至少一种。进一步的，底电极和顶电极各自独立的可以为单层金属层结构也可以为多层金属层结构，具体如单层的铝层、铜层、银层的功能，或者依次层叠设置的钼/铝/钼三层结构或者钛/铝/钛三层结构等。而底电极的厚度d1和顶电极的厚度d2则可以为100nm～10μm(具体如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm等)。其中需要说明的是，前面描述的顶电极的厚度是指在衬底上的正投影与空腔在衬底上的正投影重叠的部分的顶电极的厚度。

根据本发明的实施例，该电容式微机械超声换能单元中，通过底电极和顶电极分别施加电压实现振膜振动，而底电极和顶电极之间是需要绝缘的，因此，参照图1，该电容式微机械超声换能单元还包括设置在所述空腔和所述底电极之间的绝缘层3，所述绝缘层3和所述顶电极4共同限定出所述空腔6，所述顶电极4和所述空腔6直接接触。由此，可以方便的将底电极和顶电极绝缘，结构简单，易于实现。具体的，绝缘层的厚度可以为100nm～10μm(具体如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm等)，而形成绝缘层的材料可以为氮化硅和二氧化硅中的至少一种。

可以理解，该电容式微机械超声换能单元中顶电极和有机填充部共同构成振膜，振膜振动以发射或者接收超声，而空腔则为振膜提供振动的空间。一些具体实施例中，空腔的高度h可以为100nm～10μm(具体如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm等)。在该范围内，既可以为振膜提供充足的振动空间，又不会过厚而占用过大的空间。

根据本发明的实施例，参照图10，所述空腔6在所述衬底1上的正投影覆盖所述释放孔41在所述衬底1上的正投影。由此，不需要在振膜外围设置释放孔，有利于提高cmut芯片的占空比，并最终提高cmut器件的发射强度和接收灵敏度。

根据本发明的实施例，所述释放孔满足以下条件的至少之一：所述释放孔的最小径向尺寸l为2～3微米(如2微米、2.1微米、2.2微米、2.3微米、2.4微米、2.5微米、2.6微米、2.7微米、2.8微米、2.9微米、3微米等)；所述释放孔包括多个间隔设置的子孔411，每个所述子孔411的形状包括圆形、多边形(参照图2)和不规则形状中的至少一种；所述释放孔包括一连续的长孔412(参照图3)，所述长孔412的形状呈螺旋形。具体的，释放孔可以只满足上述任意一个条件，可以满足上述任意两个条件，或者满足上述全部三个条件，在此不再一一赘述。其中，需要说明的是，释放孔的最小径向尺寸是指所述释放孔相对的两个侧壁之间的最小距离，具体如释放孔为圆形，则最小径向尺寸为圆形的直径，如释放孔为正方形，则最小径向尺寸为正方形的边长，如释放孔为长条形，则最小径向尺寸为长条形的宽度等，在上述范围内，更利于有机填充部的形成，可以有效避免制备过程中有机填充部的原料进入空腔中。

根据本发明的实施例，参照图4，该电容式微机械超声换能单元还包括设置在所述顶电极4远离所述空腔6一侧的有机层52，所述有机层52和所述有机填充部51为一体结构。由此，更加便于制备。需要说明的是，前面所述一体结构是指同时形成且连接在一起，即有机填充部和有机层通过一步操作形成，且是连接在一起的。文中其他类似描述与此处含义类似，后续不再一一详述。

根据本发明的实施例，所述有机填充部的材料包括聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯和光刻胶中的至少之一。而有机层的厚度d3可以为100nm～10μm(具体如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm等)。在该厚度范围内具有较好的使用性能。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种电容式微机械超声换能器。根据本发明的实施例，参照图5、图6、图7和图8，该电容式微机械超声换能器包括多个前面所述的电容式微机械超声换能单元100，其中，任意相邻的两个所述电容式微机械超声换能单元100之间设有连接部7，所述连接部7用于连接两个所述电容式微机械超声换能单元100中的所述顶电极4；多个所述电容式微机械超声换能单元中的所述底电极2电连接。该电容式微机械超声换能器占空比较高，发射器强度和接收灵敏度也更好。

需要说明的是，该电容式微机械超声换能器中多个电容式微机械超声换能单元的具体分布方式没有特别限制，具体可以根据实际需要灵活选择，具体如阵列分布等，图6和图8中以3行2列的阵列分布的电容式微机械超声换能单元为例进行示例性说明。

根据本发明的实施例，该电容式微机械超声换能器满足以下条件的至少之一：所述连接部和所述顶电极为一体结构；多个所述电容式微机械超声换能单元中的所述底电极为一体结构。具体的，可以仅连接部和所述顶电极为一体结构，可以仅多个所述电容式微机械超声换能单元中的所述底电极为一体结构，也可以同时满足上述两个条件。进一步的，出于便于制备和加工等方面考虑，该电容式微机械超声换能器中的多个电容式微机械超声换能单元中的衬底、有机层均可以为一体结构。

根据本发明的实施例，为了方便该电容式微机械超声换能器与外部电源或者其他部件连接，一些实施例中，参照图7，该电容式微机械超声换能器中的有机层52中设置有贯穿其中的第一过孔53，所述顶电极4通过所述第一过孔53和第一引线55电连接，所述第一过孔53在所述衬底1上的正投影与所述空腔6在所述衬底上的正投影不重叠。一些实施例中，参照图7，该电容式微机械超声换能器还包括设置在所述底电极2和所述有机层52之间的绝缘层3，以及贯穿所述有机层52和所述绝缘层3的第二过孔54，第二引线56通过所述第二过孔54和所述底电极2电连接，所述第二过孔54在所述衬底1上的正投影和所述空腔6在所述衬底1上的正投影不重叠。由此，可以方便与通过第一引线和第二引线与外部电源或者其他部件电连接。

根据本发明的一些具体实施例，为了方便电连接和制备，上述第一过孔和第二过孔分别位于该电容式微机械超声换能器相对的两侧边缘处，进一步可以位于相对两侧长度方向上的中间。如前所述，该电容式微机械超声换能器中的多个电容式微机械超声换能单元均是电连接的，因此只需要任意一个电容式微机械超声换能单元通过第一过孔与第一引线连接即可，任意一个电容式微机械超声换能单元通过第二过孔与第二引线连接即可。具体可以为，在所述电容式微机械超声换能器的第一侧边缘处，靠近所述第一侧边缘处的一个电容式微机械超声换能单元中的所述顶电极靠近所述第一侧边缘处的端部超出所述底电极靠近所述第一侧边缘处的端部，且所述顶电极靠近所述第一侧边缘处的端部通过第一过孔与第一引线电连接；在与所述一侧边缘相对的所述电容式微机械超声换能器的第二侧边缘处，靠近所述第二侧边缘处的一个电容式微机械超声换能单元中的所述底电极靠近所述第二侧边缘处的端部超出所述顶电极靠近所述第二侧边缘处的端部，且所述底电极靠近所述第二侧边缘处的端部通过第二过孔与第二引线电连接。由此，在方便电连接的同时，还可以减小底电极和顶电极的正对面积，降低器件的寄生电容。

在本发明的又一方面，本发明提供了一种电容式微机械超声换能单元的制作方法。根据本发明的实施例，该方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成底电极；在所述底电极远离所述衬底的一侧形成顶电极，所述顶电极与所述底电极之间形成有空腔，所述顶电极中形成有释放孔；在所述释放孔中形成有机填充部。该方法过程中不需要高温步骤，且通过在顶电极中设置释放孔形成空腔，能够显著提高占空比，进而提高含有该电容式微机械超声换能单元的cmut的发射强度和接收灵敏度。

根据本发明的实施例，该方法包括：在形成所述底电极之后，且在形成所述顶电极之前，在所述底电极远离所述衬底的一侧形成牺牲层，所述牺牲层与所述顶电极直接接触；在形成所述顶电极之后，通过所述释放孔对所述牺牲层进行干法蚀刻，以形成所述空腔。

根据本发明的实施例，该方法包括：将有机浆料旋涂在所述顶电极远离所述衬底的一侧，形成有机浆料层；在80～200摄氏度(具体如80摄氏度、90摄氏度、100摄氏度、110摄氏度、120摄氏度、130摄氏度、140摄氏度、150摄氏度、160摄氏度、170摄氏度、180摄氏度、190摄氏度、200摄氏度的那个)的温度范围内，使所述有机浆料层固化，得到所述有机填充部和有机层。由此，制备过程可以通过低温工艺实现。

根据本发明的具体实施例，参照图9，该方法可以通过以下步骤进行：

1、提供衬底1，具体的，衬底可以为玻璃衬底，该衬底可以通过常规工艺进行制备或者直接市购获得；

2、在衬底上形成底电极2，具体的，底电极可以通过物理气相沉积方法制备，具体如蒸发、溅射等方法进行制备，进一步的，当底电极为多层结构时，可以采用不同材质的靶材依次沉积多次得到；而当底电极为整层结构时，可以直接在衬底上进行沉积，如果底电极为图案化形状，则可以先沉积形成整层结构，然后通过光刻等工艺进行图案化处理，以得到图案化的底电极；

3、在底电极远离衬底的一侧形成绝缘层3，绝缘层可以通过化学气相沉积方法形成，具体如等离子体增强化学气相沉积、低压力化学气相沉积法等方法形成；

4、在绝缘层远离衬底的一侧形成牺牲层8，牺牲层可以通过物理气相沉积或化学气相沉积方法形成，而形成牺牲层的材料可以为光刻胶、聚酰亚胺等；具体的，可以先沉积形成整层牺牲层，然后通过光刻工艺对整层牺牲层进行刻蚀，得到与空腔一一对应的牺牲层；

5、在牺牲层远离衬底的一侧形成顶电极4，顶电极可以通过物理气相沉积方法制备，具体如蒸发、溅射等方法进行制备，进一步的，当顶电极为多层结构时，可以采用不同材质的靶材依次沉积多次得到；具体的，可以先沉积形成整层电极层，然后通过光刻工艺对整层电极层进行图案化，通过一步得到具有释放孔41的顶电极和与顶电极一体结构的连接部；

6、通过释放孔41对牺牲层8进行干法蚀刻，使得牺牲层释放，则牺牲层占据的空间则构成空腔；

7、通过旋涂工艺形成有机填充部51和有机层52，具体可以将有机浆料旋涂在所述顶电极远离所述衬底的一侧，形成有机浆料层，然后在80～200摄氏度的温度范围内，使所述有机浆料层固化，得到有机填充部和有机层；

8、通过刻蚀工艺形成第一过孔53和第二过孔54，具体可以先在有机层远离衬底的表面上形成图案化的遮蔽层(如光刻胶)，仅在待形成第一过孔和第二过孔的区域设置开口，然后通过干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺对有机层、顶电极和绝缘层进行刻蚀，得到第一过孔和第二过孔；

9、形成第一引线55和第二引线56，第一引线和第二引线可以通过物理气相沉积或者化学气相沉积方法制备，具体如蒸发、溅射等，具体可以为预先沉积整层的引线层，然后对整层的引线层进行光刻，得到第一引线和第二引线。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。