超声波传感器微阵列和其制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请是2013年3月14日提交的美国专利申请序列号13/804279的部分接续案。
[0003] 本申请涉及2013年11月01日提交的名称为"Ultrasonic Sensor Microarray and Method of Manufacturing Same (超声波传感器微阵列和其制造方法）"的共同拥有的 国际专利申请序列号PCT/CA2013/000937,并且以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0004] 本发明涉及一种微机械系统（MEMS)和其制造方法，并且更具体地是可充当电容 式微加工超声波换能器（CMUT)的部件的三维MEMS器件如传感器微阵列。在一种优选应用 中，本发明涉及一种超声波传感器微阵列和其制造方法，其包含或模拟双曲抛物面形传感 器配置或芯片，并且其包括苯并环丁烯（BCB)作为结构部件。CMUT的合适用途包括医疗和 其它非车辆应用，以及用于车辆或汽车传感器用途的应用，例如在车辆盲点、障碍物的监测 中和/或在自主车辆驾驶和/或停车应用中。
【背景技术】
[0005] 在出版物 Design of a MEMS Discretized Hyperbolic Paraboloid Geometry Ultrasonic Sensor Microarray(MEMS离散化双曲抛物面几何结构超声波传感器微阵 列的设计），IEEE Transactions On Ultrasonics, Ferroelectrics, And Frequency Control (IEEE超声学、铁电体与频率控制汇刊），第55卷，第6期，2008年6月（在此以引 用的方式将其公开内容并入本文）中，本发明人描述了电容式微加工超声波换能器（CMUT) 的离散化双曲抛物面几何形状波束形成阵列的概念，所述阵列组装在微制造的分层几何结 构上。
[0006] 在CMUT的最初制造概念中，对绝缘体上硅（SOI)晶片进行初步清洁，然后使用射 频磁控溅射在其上沉积IOnm的铬种晶层以提供粘合层。在沉积所述铬粘合层后，使用常规 的CMUT沉积方法沉积200nm厚金层。在沉积金层后，将AZ4620光致抗蚀剂薄层旋转沉积 (spin-deposite)在所述金层上，进行图案化和蚀刻。然后通过将所述晶片浸没在碘化钾溶 液中，接着在稀王水中对铬种晶层进行蚀刻并且其后进行冲洗来蚀刻金层。其后进一步对 器件层进行蚀刻以提供声学端口，所述声学端口用于隔膜内的静压力均衡并且允许在释放 阶段（release stage)去除 SiO20
[0007] 在感应親合等离子体反应离子蚀刻机（ICP-RIE)中使用波希法（Bosch process) 深反应离子蚀刻（DRIE)对顶部SOI晶片进行蚀刻。在利用Bosch和DRIE蚀刻进行金属蚀 刻后，通过O 2灰化处理去除剩余的光致抗蚀剂。将Bosch蚀刻的晶片浸没在缓冲氧化物蚀 刻（BOE)溶液中以在不显著蚀刻单晶硅的情况下选择性地蚀刻SiO 2来释放选择性隔膜。在 蚀刻和冲洗后，每个阵列的感测表面（染料）在系统级芯片制造中进行组装并使用导电粘 合剂环氧树脂进行粘结。
[0008] 然而，本申请人已经了解，用于制造电容式微加工超声波换能器的现有工艺需要 精确的制造公差。结果，CMUT传感器或换能器的阵列在商业规模上的制造尚未在市场中得 到广泛的普及。
[0009] 以引用的方式将其全文并入本文中的Chou等的美国专利No. 6942750描述了在3D MEMS结构的制造中使用光敏苯并环丁烯（BCB)粘结的图案化晶片的构造（construct)和 方法。特别地，Chou等公开了使用光活化的感光BCB作为用于实现精确图案化晶片粘结的 组件粘合剂，同时用BCB粘合层实现的所得三维MEMS微结构增加了组装晶片复合体的Z高 度。
【发明内容】
[0010] 本发明人已经了解，通过改进的制造方法和/或利用可调节的工作频率可实现新 型和/或更可靠的CMUT阵列设计。本发明的一个非限制性目的为提供一种超声波传感器， 其包含用于发送和接收信号的一个或多个CMUT微阵列或模块，并且其可能更加不受多种 不同类型的超声背景噪音源中的一种或多种的影响，所述噪音源为诸如道路噪音、行人、骑 自行车者和/或动物通行、汽车碰撞声音、工业性作业、发电源等。
[0011] 在一种结构中，本发明提供一种三维MEMS器件并且更优选是CMUT换能器，其包含 硅基晶片、作为Z轴中的结构部件的苯并环丁烯（BCB)树脂如Cyclotene?，和硅和/或BCB 基隔膜或膜片层。
[0012] 另一种非限制性结构提供一种基于超声波CMUT的微阵列，其提供可编程的带宽 控制，并且其允许更容易地修改CMUT微阵列设计以用于多种不同的传感器应用。
[0013] 另一种非限制性结构提供一种超声波传感器，其包含具有基本上扁平的曲率，优 选具有小于±10°并且更优选小于约±Γ的曲率的换能器微阵列模块或子组件，并且其 在操作中模拟双曲抛物面形芯片阵列几何形状。
[0014] 本发明的一个实施方式提供一种包含多个换能器的基于电容式微加工超声波换 能器（CMUT)的微阵列模块。所述微阵列模块适合用于车辆，以及非车辆轨道、飞机和其它 传感器应用。例如，所述模块可提供作为手或身体位置传感器的一部分，以及在用于监测盲 点、相邻障碍物和隐患的警报和/或控制系统中，和/或车辆道路位置警报和/或自主驾驶 应用中。
[0015] 本发明的另一个实施方式提供一种用于制造基于CMUT的换能器/传感器的微阵 列并且更优选基于CMUT的微阵列模块的方法，所述微阵列模块可操作以在多个频率和/或 频率范围内发射信号，并且其可被布置为使来自相邻传感器的频率干扰最小化。在一种可 能的优选制造方法中，常规的（即非光敏的）苯并环丁烯（BCB)如Cyclotcne?在作为晶片 构造的微阵列的形成中被用作粘合层。在一种可能的结构中，BCB进一步用于形成可替换 的换能器膜片或隔膜。
[0016] 可以设想，一种制造模拟双曲抛物线几何形状或以双曲抛物线几何形状提供的 CMUT微阵列模块的可能的简化和可靠方法可使用模制、冲压或三维（3D)打印方法来形成 在上面安装换能器模块的微阵列的背衬或基底。此外，通过改变在传感器阵列中的单独的 CMUT微阵列模块的定向（orientation)或操作，可选择优选的或提供可变的输出波束形 状。
[0017] 在另一个非限制性实施方式中，本发明提供一种传感器组件，其设置有一个或多 个电容式微加工超声波换能器（CMUT)微阵列模块，所述模块设置有多个单独的换能器。在 一个非限制性最终传感器结构中，对CMUT微阵列模块进行布置以使单独的换能器模拟或 定向为通常的双曲抛物面几何形状。然而，其它的模块布置和几何形状是可能的。
[0018] 优选地，所述传感器组件包含至少一个CMUT微阵列模块，所述模块包含多个单独 的换能器/传感器，并且所述换能器/传感器可单独地、选择性地或共同地激活以发射和接 收反射信号。为了使传输干扰最小化，在每个模块内最优选以矩形矩阵布置换能器/传感 器，并且换能器/传感器可同时被选择性地激活。更优选地，在每个传感器组件中设置多个 微阵列。所述微阵列通常以3X3或更多的正方形或矩形矩阵布置进行安装，并且其中每个 微阵列模块含有至少36个且优选至少200个单独的超声波换能器/传感器。虽然不是必需 的，但在一种简化设计中，将传感器微阵列模块物理定位在三维背衬上，形成所述三维背衬 以定向微阵列模块并以离散化、通常双曲抛物面形状提供传感器阵列。当提供用于汽车应 用中时，选择所述模块的双曲抛物面定向，使得换能器/传感器工作以输出在15°与40° 之间、并且优选在约20°与25°之间的优选波束视场。
[0019] 所述传感器换能器可在低至40kHz的合适频率范围下工作。在车辆应用中，更优 选地，用于独立激活的每个微阵列的换能器/传感器可在至少IOOkHz并且最优选约150kHz 的频率下操作以使空气阻尼的作用最小化。在一个优选结构中，当提供传感器组件用于 作为车辆盲点传感器工作时，所述传感器组件被形成为具有紧凑的传感器设计，其特征在 于：
[0020] 包装尺寸 PGA 68 stick lead mount
[0021] 升级速率50至100毫秒并且优选约80毫秒
[0022] 阵列分布至少3X3 ;并且优选5X5双曲抛物面或更大
[0023] 波束视场15至170度或更大；并且对于汽车优选为25至140度
[0024] 频率范围50至200kHz ;并且优选100至170kHz
[0025] 检测范围目标3. 5至7米；并且优选约5. 0米
[0026] 应理解，在其它应用中，可提供具有不同数目的微阵列模块和波束宽度和/或含 有更大数目的单独的换能器/传感器的CMUT微阵列模块的不同尺寸的传感器。取决于应 用，考虑到整体传感器组件尺寸、预期用途和组件需求，单独的换能器/传感器的数目可能 超过数千个或数万个。
[0027] 在另一个实施方式中，微阵列模块被安装到背衬，所述背衬呈基本上扁平几何形 状并且其优选具有小于±10°并且更优选小于±1°的曲率。尽管传感器组件可包含少至 一个微阵列模块，但更优选提供多个CMUT微阵列模块，并且其以5 X 5或更大的正方形矩阵 模块布置进行排列。任选地，可以允许自由形态成形的通常柔性片的形式形成单独的CMUT 微阵列模块，以容许更大范围的输出波束形状和/或配置。
[0028] 每个微阵列模块自身优选设置有至少5 X 5并且优选40 X 40或更多的单独CMUT 换能器/传感器的传感器阵列。每个微阵列模块中的换能器/传感器本身还可以电学上细 分成两个或更多的分组。在一个简化设计中，每个微阵列模块的换能器以矩形矩阵定向并 且电学上细分成多个平行的行和/或列。然而，其它的细分布置是可能的，包括将单独的换 能器/传感器电隔离以用于独立激活。微阵列换能器细分为平行的列或行分组允许单独的 换能器/传感器分组选择性地耦合（couple)至频率发生器并按组激活。更优选地，所述传 感器组件可编程以选择性地激活或停用每个CMUT微阵列模块内的换能器/传感器的分组。
[0029] 在另一个实施方式中，可对每个传感器组件中的微阵列模块进行配置以彼此独立 地选择性地激活。以这种方式，本申请人已经了解，根据应用和/或环境，可以动态地实现 传感器组件波束宽度、形状和/或发射波长的变化。更优选地，使CMUT微阵列模块适于电 子输出具有多种不同波束形状、长度和/或轮廓（profile)的波束。
[0030] 在一种优选操作模式中，对每个模块中的换能器分组或列的不同组合实现选择性 的电力切换。本申请人已经了解，通过这样的切换，因此可改变由传感器组件发射的发送信 号的输出形状，例如，以更好地将输出信号从传感器组件导向相关目标区域。以这种方式， 根据应用（即环境、车辆速度、驱动方式（正向与反向运动）和/或传感器用途），可对输出 波束几何形状进行配置以避免来自其它车辆或外部来源的错误信号；或提供在频率或波束 宽度范围内可改变的输出波束以检测不同类型的障碍物。
[0031] 在一个优选的操作模式中，将电力选择性地供应至传感器阵列矩阵内的每个单独 的CMUT微阵列模块。以这种方式，可激活单独的模块以实现飞行时间物体检测和/或得到 位置。另外，单独的CMUT微阵列模块以及其中换能器/传感器的分组的选择性控制和激活 有利地允许宽泛范围的三维波束成形，以允许更宽的传感器应用或需求。
[0032] 在一种可能的结构中，提供微处理器控制。所述微处理器控制驱动切换单元和单 元频率发生器。更优选地，微处理器控制驱动切换单元和发生器以实现每个CMUT微阵列模 块内的换能器的列和行的组合的计算机化序列，并且以预定的序列或范围改变传感器组件 输出信号的形状、频率。以这种方式，可进一步区分或最小化来自可能接近的其它汽车传感 器的干扰和错误读数。
[0033] 在最终设计中，将硅晶片的活性硅晶片部件用作每个CMUT换能器的膜片，同时基 底晶片形成底部硅层。使用作为主要粘结剂的BCB的结构层来粘结基底与硅顶部晶片。优 选在150°C下进行粘结过程以驱除任何残余溶剂并允许有最大粘结强度。然后在250°C下 的氮气环境中将粘结的样品固化约1小时。
[0034] 因此，提供本发明的多个非限制性方面，并且其包括：
[0035] -种形成用于具有多个换能器的微阵列中的电容式微加工超声波换能器（CMUT) 的方法，所述方法包括：提供具有通常平坦的上表面和下表面的第一硅基晶片，提供作为器 件层的第二晶片，所述器件层具有通常平坦的平行顶表面和底表面，所述器件层具有选择 为约0. 05至5微米并且优选为约0. 2至1微米的厚度，在所述器件层的所述顶表面或所述 底表面中的一个之上形成苯并环丁烯（BCB)层，对所述BCB层的表面进行蚀刻以形成其中 具有多个凹穴的蚀刻表面，所述凹穴中的每个具有预选几何形状，所述凹穴的特征在于各 自的侧壁延伸至约0. 1至15微米、优选约0. 2至8微米并且最优选约3至4微米的深度， 并且将所述BCB层的蚀刻表面的一部分与所述器件层的所述顶表面或所述底表面中的另 一个对齐，利用插入其间的所述BCB层将所述第一晶片粘结至所述器件层，由此所述凹穴 形成各自的换能器气隙，将导电金属施加至所述第一晶片和所述第二晶片中的至少一个。
[0036] -种形成用于包含多个换能器的微阵列中的电容式微加工换能器的方法，所述方 法包括：提供具有通常平坦的平行前表面和后表面的硅背衬晶片，所述背衬晶片具有选择 为约10至500微米的厚度，在所述前表面之上形成苯并环丁烯（BCB)结构层，所述结构层 具有选择为约〇. 5至15微米并且优选约1至10微米并且最优选3至微米的厚度，对所述 BCB结构层的表面进行光等离子体蚀刻以在其中形成多个凹穴，所述凹穴具有通常常见的 几何形状并且特征在于各自的侧壁通常垂直于所述前表面延伸并延伸至约〇. 1至10微米 的深度，提供具有通常平坦的平行相对前表面和后表面的器件层，所述器件层具有选择为 约0. 05至10微米、优选为约0. 2至2微米并且最优选为小于1微米的厚度，布置为基本上 连续地将所述器件晶片的所述后表面粘结在所述前表面上以基本上密封每个凹穴作为各 自的换能器气隙，并且其中利用作为结构粘合成分的所述BCB结构层将所述器件晶片相对 于所述第一晶片进行粘结，将导电金属层施加至所述第一晶片和所述器件晶片中的至少一 个的至少一部分。
[0037] -种用于发送和/或接收传感器波束的超声波传感器系统，所述系统包括频率发 生器和传感器组件，所述传感器组件包含背衬、多个电容式微加工超声波换能器（CMUT)微 阵列模块，所述微阵列模块在所述背衬上以栅格矩阵定向配置，每个所述微阵列包含具有 换能器气隙和隔膜构件的多个换能器，所述微阵列模块包含：具有通常平坦的顶表面和底 表面的底部硅层；具有通常平行的平坦前表面和后表面的苯并环丁烯（BCB)结构层，向后 延伸到所述BCB结构层的所述前表面中的多个凹穴，所述每个凹穴各自限定相应的换能器 气隙的侧面和底部并且以阵列定向并具有选择为约〇. 2至5微米、优选3至4微米的深度 和选择为5至200微米并且优选10至50微米的宽度，和具有前表面和后表面的器件层，所 述器件层具有选择为约0. 1至25微米并且优选小于1微米的厚度，所述BCB结构层插入所 述器件层的底部与所述底部硅层的所述顶表面之