一种透光微机电超声换能器及其制备方法

本发明涉及超声换能器领域，特别是涉及一种基于微机电工艺的透光超声换能器及其制备方法。

背景技术：

1、超声换能器是一种实现超声波与电信号相互转换的装置。超声换能器在工业无损检测、生物医学超声成像、光声成像、距离检测、水声成像、人机交互等领域中广泛应用。超声换能器的工作频率、带宽、能量转换效率与噪声直接影响光学分辨率光声显微成像系统检测灵敏度。目前普遍使用的是基于压电材料的压电超声换能器，其带宽较低。压电材料作超声换能器使用，其厚度为半个波长。以50mhz压电超声换能器为例，压电材料厚度约为40μm，如此薄的厚度不仅增加能量转换损耗，机电耦合系数低，而且结构脆弱，难以进行切割加工为超声换能器阵列。

2、随着微机电工艺的发展，电容式微机械超声换能器(cmut)与压电式微机械超声换能器(pmut)问世。但pmut带宽低，且能量转换效率低。cmut具有较大的带宽，工作频率范围广，能量转换效率高，热噪声低，及使用光刻技术易于灵活扩展设计的优点，应用前景很广。传统的cmut于硅晶圆上制备，支撑壁为氮化硅或二氧化硅，使用掺杂硅基底或者铝、金作为底电极，铝或金作为顶电极。以上所述材料不全都透光，因此传统的cmut也不具有透光功能。

3、在光声显微成像、人机交互、水下成像等超声应用场景下，光路会被超声换能器阻挡，需要设计特殊的光路以绕过超声换能器，这不仅增加设备结构的复杂度，也降低设备的关键技术指标。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种透光微机电超声换能器及其制备方法，相较于现有的超声换能器，具有可透光、不会阻挡光路的优点，能够实现高频器件(大于30mhz)同时也具备较大的相对带宽(6-db相对带宽超过80％)。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，本发明提供了一种透光微机电超声换能器，包括依次按照阵列形式设置的多个透光cmut阵元；所述透光cmut阵元包括公共顶电极、透光基底、设置在所述透光基底上的公共底电极、以及设置在所述公共顶电极与所述公共底电极之间的多个透光cmut单元，且所述透光cmut阵元内的透光cmut单元通过所述公共顶电极和所述公共底电极实现电气并联；所述透光cmut单元包括多个不同尺寸不同形状的透光腔体；其中，所述透光cmut阵元是基于微机电工艺制备而成；

4、所述透光腔体包括设置在所述公共底电极上的空腔结构、设置在所述公共底电极上且位于所述空腔结构四周的支撑结构、设置在所述空腔结构上且能够覆盖所述空腔结构和所述支撑结构的振动薄膜；

5、其中，所述公共底电极、所述空腔结构、所述支撑结构、所述振动薄膜以及所述公共顶电极均是由透光材料制备而成。

6、可选地，所述透光腔体的形状为圆形、矩形或者多边形。

7、可选地，所述透光cmut阵元还包括从所述公共顶电极中引出的金属导线、与所述金属导线连接的公共顶电极焊盘、以及连接所述公共底电极的公共底电极焊盘；其中，所述金属导线贯穿所述公共顶电极。

8、可选地，所述透光基底为玻璃晶圆，所述公共底电极为氧化铟锡底电极，所述支撑结构为光敏聚合物所形成的支撑结构，所述空腔结构为真空密闭的空腔腔体结构，所述振动薄膜为低应力氮化硅薄膜，所述公共顶电极为氧化铟锡顶电极。

9、可选地，所述透光基底为厚度为400μm～1mm的玻璃晶圆；所述公共底电极为厚度为180nm～400nm的氧化铟锡薄膜；所述公共顶电极为厚度为180nm～400nm的氧化铟锡薄膜。

10、第二方面，本发明提供了一种应用于第一方面所述的透光微机电超声换能器的制备方法，包括：

11、采用微机电工艺制备透光cmut阵元，得到透光微机电超声换能器；

12、其中，采用微机电工艺制备透光cmut阵元，具体包括：

13、使用磁控溅射方法或者电子束蒸镀法在透光基底上沉积公共底电极；

14、在公共底电极上旋涂光敏聚合物，通过掩膜板对光敏聚合物进行曝光并显影，形成具有空腔结构和支撑结构的光敏聚合物透光基底晶圆；

15、使用键合机，利用晶圆黏附层键合技术，将光敏聚合物透光基底晶圆与正反面均沉积有低应力氮化硅薄膜的硅晶圆键合固化，得到键合固化晶圆；

16、使用干法刻蚀方法与湿法刻蚀方法，去除位于所述键合固化晶圆外表面的低应力氮化硅薄膜及硅晶圆，保留位于所述键合固化晶圆内部的低应力氮化硅薄膜；其中，位于所述键合固化晶圆内部的低应力氮化硅薄膜为振动薄膜；

17、使用磁控溅射方法或者电子束蒸镀方法在振动薄膜上沉积公共顶电极；

18、使用磁控溅射方法或者电子束蒸镀法沉积金属层，通过剥离工艺形成金属导线、公共顶电极焊盘和公共底电极焊盘；其中，所述金属导线贯穿所述公共顶电极，所述金属导线与所述公共顶电极焊盘连接。

19、可选地，在公共底电极上旋涂光敏聚合物，通过第一掩膜板对光敏聚合物进行曝光并显影，形成具有空腔结构和支撑结构的光敏聚合物透光基底晶圆，具体包括：

20、在公共底电极上旋涂光敏聚合物，用紫外线光刻机和第一掩膜板对光敏聚合物曝光并显影后，形成空腔结构，剩余的光敏聚合物则作为空腔结构的支撑结构，得到具有空腔结构和支撑结构的光敏聚合物透光基底晶圆。

21、可选地，使用键合机，利用晶圆黏附层键合技术，将光敏聚合物透光基底晶圆与正反面均沉积有低应力氮化硅薄膜的硅晶圆键合固化，得到键合固化晶圆，具体包括：

22、使用低压力化学气相沉积法在一片硅晶圆的正面和反面分别沉积低应力氮化硅薄膜；

23、使用键合机，利用晶圆黏附层键合技术，将光敏聚合物透光基底晶圆中旋涂有光敏聚合物的一面，与硅晶圆正面的低应力氮化硅薄膜实现晶圆键合固化，得到键合固化晶圆。

24、可选地，使用干法刻蚀方法与湿法刻蚀方法，去除位于所述键合固化晶圆外表面的低应力氮化硅薄膜及硅晶圆，保留位于所述键合固化晶圆内部的低应力氮化硅薄膜，具体包括：

25、使用反应离子刻蚀法或电感耦合等离子体刻蚀法，去除位于所述键合固化晶圆外表面的低应力氮化硅薄膜；

26、使用反应离子刻蚀法或电感耦合等离子体刻蚀法将所述键合固化晶圆中的硅晶圆的厚度减薄，使用湿法刻蚀方法将所述键合固化晶圆中的剩余的硅晶圆去除，保留位于所述键合固化晶圆内部的低应力氮化硅薄膜。

27、可选地，使用湿法刻蚀方法将所述键合固化晶圆中的剩余的硅晶圆去除，具体包括：

28、在浸入氢氧化钾溶液之前，使用圆环形状的特氟龙夹具，将目标键合固化晶圆四周围住保护后，再全部浸入氢氧化钾溶液中，直至剩余的硅晶圆全部刻蚀完后，取出清洗、烘干；所述目标键合固化晶圆为去除外表面低应力氮化硅薄膜的键合固化晶圆；

29、或者，在所述目标键合固化晶圆的四周和底面沉积一层聚二甲基硅氧烷薄膜后，再全部浸入氢氧化钾溶液中，直至剩余的硅晶圆全部刻蚀完后，取出清洗、烘干，并剥离聚二甲基硅氧烷薄膜；所述目标键合固化晶圆的底面为透光基底。

30、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

31、相比现有超声换能器技术，本发明提出的超声换能器由可透光的材料制备而成，因而在超声波检测应用中，超声换能器不会阻挡光路。器件基于微机电工艺制备，设计灵活方便，能实现高频率(中心频率大于30mhz)、高带宽(6-db相对带宽超过80％)、大尺寸的超声换能器。