专利名称：可挠性电容式超声波换能器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波换能器，尤其涉及可挠性电容式超声波换能器及其 制作方法。
背景技术：
在具备非侵入性评估、实时回应以及可携式的优点之下，超声波感应 装置己广泛用于医疗、军事以及太空工业。例如回音图形系统或超声波 成像系统都可通过使用超声波频率上的弹性波，从周围装置或人体中获得 信息。超声波换能器通常为超声波感应装置内的重要组件之一，大多数已 知的超声波换能器都由使用压电陶瓷来实现。压电换能器通常用于从固态 材料获得信息，因为压电陶瓷的声波阻抗与固态材料的声波阻抗幅度相 同。不过，该压电换能器就可能无法从液体与空气媒介中获取理想的信息， 因为压电陶瓷与液体(例如人体的组织)、空气之间的特性阻抗并不相同。 压电换能器空气操作时一般在频带50 KHz至200 KHz的范围内运作，如 加以匹配层则可达到更高得频率。更进一步，压电换能器一般以高温处理 制作，并且无法与电路整合制作。相较之下，电容式超声波换能器可与标 准集成电路(integrated circuit, "IC")制造工艺批次制作，因此可与IC装置 整合在一起，获得有效信号摄取。更进一步，电容式超声波换能器可操作 于比已知压电换能器还要高的频带，从200KHz至10MHz，并且具有更 高的频宽与机电转换效率。因此，电容式超声波换能器逐渐取代压电换能 器的位置。图1为电容式超声波换能器10的图解剖面图。请参照图1，电容式超 声波换能器10包含第一电极11、形成于薄膜13上的第二电极12、形成 于第一电极11上的隔离层14以及支撑侧壁15。第一电极11、薄膜13以及支撑侧壁15定义出凹穴16。当在第一电极11与第二电极12之间供应 合适的AC或DC电压，则静电力导致薄膜13震荡并产生声波。传统换能 器10的有效振荡区域为由第一电极11和第二电极12所定义的区域内。 在此实例当中，因为第二电极12比第一电极11要短，所以有效振荡区域 可由第二电极12的长度所定义。再者，薄膜13—般由高温处理制作，像 是温度范围从大约400至800 。C的传统化学气相沉积(chemical vapor deposition, "CVD，，)或低压化学气相、沉积(low pressure chemical vapor deposition, "LPCVD")处理。图2A至图2D为说明制作电容式超声波换能器的传统方法剖面图。 请参照图2A，提供硅基板21，其中掺杂大量杂质，以便当成电极。接下 来，在硅基板21上连续形成第一氮层22和无结晶硅层23。第一氮层22 可用来保护硅基板21。无结晶硅层23用来当成牺牲层，并且会在后续处 理中移除。请参照图2B，利用图样制作与蚀刻无结晶硅层23,露出部分第一氮 层22来形成图样化无结晶硅层23'。然后在图样化无结晶硅层23，上形成 第二氮层24，来填充露出部分。请参照图2C，利用图样制作与蚀刻第二氮层24形成具有开口 25的 有图样第二氮层24',通过开口 25露出部分图样化无结晶硅层23'。然后 利用选择性蚀刻去除图样化无结晶硅层23'。请参照图2D,氧化硅层通过开口 25沉积形成栓塞26。因此由栓塞 26、图样化第二氮层24'以及第一氮层22形成密室27。然后在图样化第 二氮层24，上形成金属层28,来当成第二电极。然而，因为传统电容式超声波换能器使用硅基板，所以并不具有可挠 性。无可挠性限制了传统电容式超声波换能器的应用范围。因此，发明人 希望具有可挠性的电容式超声波换能器及其制作方法。发明内容本发明的实施例提供一种电容式超声波换能器，其包含挠性层；第一导电层，其位于该挠性层上；支撑框架，其位于该第一导电层上，该支撑 框架包含一挠性材料；薄膜，其位于该支撑框架上，由该支撑框架与该第 一导电层相隔，该薄膜包含该挠形材料；凹穴，其由该第一导电层、该支 撑框架以及该薄膜所定义；以及第二导电层，其位于该薄膜上。本发明的某些实施例提供一种制作电容式超声波换能器的方法，该方 法包含提供基板；在该基板上形成挠性层；在该挠性层上形成第一导电层; 在该第一导电层上形成图样化牺牲层；在该图样化牺牲层上形成第一聚合 物层；将该第一聚合物层制作图样来提供图样化第一聚合物层，通过开口 露出部分该图样化牺牲层；在该图样化第一聚合物层上形成第二导电层； 将该第二导电层制作图样来提供图样化第二导电层；在该图样化第二导电 层上形成第二聚合物层；将该第二聚合物层制作图样，通过该开口露出部 分该图样化牺牲层；以及通过该开口移除该图样化牺牲层。本发明的实施例还提供一种形成电容式超声波换能器的方法，该方法 包含在基板上形成挠性层；在该挠性层上形成第一导电层；在该第一导电 层上形成图样化金属层；在该图样化金属层和该第一导电层上形成第一聚 合物层；将该第一聚合物层制作图样来提供图样化第一聚合物层，通过开 口露出部分该图样化金属层；在该图样化第一聚合物层上形成图样化第二 导电层；在该图样化第二导电层上形成图样化第二聚合物层并且在该图样 化金属层上形成该图样化第一聚合物层；以及通过该开口移除该图样化金 属层。在下文的说明中将提出本发明的部分其它特点与优点，而且从下文说 明中或者通过实施本发明亦可获知以及了解本发明其中的部分其它特点 与优点。通过权利要求中特别列出的元件与组合将可了解且达成本发明的 特点与优点。应该了解的是，上文的概要说明以及下文的详细说明都仅供作例示与 解释，其并未限制本文所主张的发明。
当结合各附图而阅览时，即可更佳了解本发明的前揭摘要以及上文详 细说明。为达本发明的说明目的，各附图里描述有现属较佳的实施例。然 应了解本发明并不限于所描绘的精确排置方式及设备装置。在各附图中图1为传统电容式超声波换能器的图解剖面图；图2A至图2D为说明制作电容式超声波换能器的传统方法剖面图；图3为使用本发明实施例所构成的可挠性电容式超声波换能器的图解 剖面图。图4A至图4J为说明制作使用本发明范例所构成可挠性电容式超声波 换能器的方法的图解剖面图。主要元件标记说明1011、 3112、 3213、 38141516、 36、 50、 50-1212223 23，24 24,电容式超声波换能器第一电极第二电极支撑侧壁 凹穴第一氮层 无结晶硅层 图样化无结晶硅层 第一氣层 图样化第二氮层25、 47开口26栓塞27密室28金属层30可挠性电容式超声波换能器35支撑框架39挠性基座40基板41导电层42图样化光罩层43、 45牺牲金属层49挠性层46第一聚合物层46-1图样化第一聚合物层44、 44-1导电层48光罩层51图样化第二聚合物层52图样层具体实施方式
现将参照本发明实施例，配合附图进行详细说明。并尽可能，于所有 附图中依相同元件符号以代表相同或类似的部件。图3为根据本发明实施例的可挠性电容式超声波换能器30的图解剖 面图。请参照图3，可挠性电容式超声波换能器30包含挠性基座39、第一电极31、支撑框架35、薄膜38以及第二电极32。挠性基座39可由例 如聚合物或其它合适可让电容式超声波换能器30顺着物体表面的材料所 制成。在实施例中，挠性基座39可具有大约450微米Oim)的厚度，第一 电极31可具有大约0.2 pm的厚度，并且第二电极32可具有大约0.5 Mm 的厚度。第一电极31可包含由铂(Pt)或金(Au)制成的金属薄膜，并且第二 电极32可包含由铝(Al)或金(Au)制成的金属薄膜。第一电极31与第二 电极32可分别当成电容式超声波换能器30的正电极与负电极。支撑框架 35与薄膜38可由聚合物制成。在实施例中，薄膜38具有大约2pm的厚 度，并且支撑框架35与第一电极31和薄膜38相隔大约2pm的距离。凹 穴36由第一电极31、支撑框架35以及薄膜38所定义。图4A至图4J为说明制作根据本发明范例的可挠性电容式超声波换能 器的方法的图解剖面图。请参照图4A，提供基板40当成支撑基座，其上 可制作可挠性电容式超声波换能器。基板40可包含厚度大约550 pm的硅 基板。最终当成像是图3内所说明的挠性基座39的挠性层49利用传统涂 布处理或其它合适的处理来形成于基板40上。导电层41利用其它合适处 理中的传统溅镀处理来形成于挠性层49上。最终当成电容式超声波换能 器中第一电极的导电层41可包含金属薄膜，例如金箔。请参照图4B,图样化光罩层42利用传统图样制作与蚀刻处理来形成 于挠性层49上，通过开口47露出部分挠性层49。图样化光罩层42可包 含聚合材料，像是例如AZ4620。开口 47的图案可包含但不限制为六角形。请参照图4C，利用传统电镀处理或其它合适处理来形成填入开口 47 的牺牲金属层45。牺牲金属层45大体上与图样化光罩层42共平面，并且 将在后续处理中移除，如此定义凹穴。在根据本发明的实施例中，牺牲金 属层43包含铜(Cu)。请参照图4D，移除图样化光罩层42，并且在牺牲金属层43上形成第 一聚合物层46。在根据本发明的实施例中，第一聚合物层46包含l^合材 料，像是例如SU8-2002。请参照图4E，利用传统擦拭或化学机械抛光(chemical machine polish,CMP)处理来擦拭或抛光图4D内说明的第一聚合物层46。接下来，图样 化第一聚合物层46-1利用传统图样制作与蚀刻处理来形成，而通过开口 43露出部分牺牲金属层43。接着图样化第一聚合物层46-1当成支撑框架 以及电容式超声波换能器的至少部分薄膜。请参照图4F，利用溅镀、蒸发或PECVD处理，在图样化第一聚合物 层46-1与牺牲金属层45上形成导电层44。在一实施例中，导电层44包 含A1。接下来，在导电层44上形成光罩层48。在实施例中，光罩层48 可包含正光罩，像是例如AZ5214E。请参照图4G，利用传统图样制作与蚀刻处里，在图样化第一聚合物 层46-1上形成图样化导电层44-1。图样化导电层44-1接着变成用于电容 式超声波换能器的第二电极。请参照图4H，在图样化第一聚合物层46-1和图样化导电层44-1上形 成图样化第二聚合物层51。利用蚀刻处理通过开口 43去除图4G内的牺 牲金属层45。在实施例中，禾U用使用氯化铁(FeCl3)当成蚀刻溶剂的湿蚀刻 处理来去除牺牲金属层45，如此会选择性蚀刻，让牺牲金属层45去除而 不会去除导电层41。因此利用导电层41和图样化第一聚合物层46-1定义 出不密封的凹穴50。请参照图41，可形成图样层52来填充图4H内说明的开口 43。图样 层52可包含聚合物层。因此利用导电层41、图样化第一聚合物层46-1和 图样层52定义出密封的凹穴50-l。接下来，请参照图4J，在形成电容式 超声波换能器之后去除基板40。图4A至4J内说明的方法可控制在低于 大约150 。C (摄氏)的温度。所属技术领域的技术人员应即了解可对上述各项实施例进行变化，而 不致悖离其广义的发明性概念。因此，应了解本发明并不限于本发明所揭 示的特定实施例，而应为涵盖权利要求所定义的本发明精神及范围内的修饰。另外，在说明本发明的代表性实施例时，本说明书可将本发明的方法 及/或制造工艺表示为特定的步骤次序；不过，由于该方法或制造工艺的范围并不限于本文所提出的特定的步骤次序，故该方法或制造工艺不应受限 于所述的特定步骤次序。所属技术领域的技术人员当会了解其它步骤次序 也是可行的。所以，不应将本说明书所提出的特定步骤次序视为对权利要 求的限制。此外，亦不应将有关本发明的方法及/或制造工艺的权利要求仅 限制在以书面所载的步骤次序的实施，所属技术领域的技术人员易于了 解，上述这些次序亦可加以改变，并且仍涵盖于本发明的精神与范畴之内。
权利要求
1.一种电容式超声波换能器，其特征在于包含挠性层；第一导电层，其位于该挠性层上；支撑框架，其位于该第一导电层上，该支撑框架包含挠性材料；薄膜，其位于该支撑框架上，由该支撑框架与该第一导电层相隔，该薄膜包含该挠形材料；凹穴，其由该第一导电层、该支撑框架以及该薄膜所定义；以及第二导电层，其位于该薄膜上。
2. 根据权利要求1所述的电容式超声波换能器，其特征在于该第一导 电层包含铂与金之一。
3. 根据权利要求1所述的电容式超声波换能器，其特征在于该第二导 电层包含铝。
4. 根据权利要求1所述的电容式超声波换能器，其特征在于该挠性层 包含聚合材料。
5. 根据权利要求1所述的电容式超声波换能器，其特征在于该支撑框 架包含聚合材料。
6. 根据权利要求5所述的电容式超声波换能器，其特征在于该支撑框 架包含SU8-2002。
7. 根据权利要求1所述的电容式超声波换能器，其特征在于该第一导 电层当成该电容式超声波换能器的第一电极，并且该第二导电层当成该电 容式超声波换能器的第二电极。
8. —种制作电容式超声波换能器的方法，其特征在于该方法包含 提供基板；在该基板上形成挠性层；在该挠性层上形成第一导电层；在该第一导电层上形成图样化牺牲层； 在该图样化牺牲层上形成第一聚合物层；将该第一聚合物层制作图样来提供图样化第一聚合物层，通过开口露 出部分该图样化牺牲层；在该图样化第一聚合物层上形成第二导电层；将该第二导电层制作图样来提供图样化第二导电层；在该图样化第二导电层上形成第二聚合物层；将该第二聚合物层制作图样，通过该开口露出部分该图样化牺牲层；以及通过该开口移除该图样化牺牲层。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于另包含 形成图样化聚合物层来填充该开口。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于在该第一导电层上形成 图样化牺牲层包含在该第一导电层上提供光罩层；将该光罩层制作图样来提供具有开口并图样化光罩层； 形成牺牲层来填充该开口；以及 移除该图样化光罩层。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于形成牺牲层包含 电镀在该图样化光罩层上金属层来填充该开口。
12. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于该第一聚合物层与该第 二聚合物层包含该相同材料。
13. 根据权利要求8所述的方法，其中该第一聚合物层与该第二聚合 物层包含SU8-2002。
14. 一种形成电容式超声波换能器的方法，其特征在于该方法包含 在基板上形成挠性层；在该挠性层上形成第一导电层；在该第一导电层上形成图样化金属层；在该图样化金属层和该第一导电层上形成第一聚合物层；将该第一聚合物层制作图样来提供图样化第一聚合物层，通过开口露 出部分该图样化金属层；在该图样化第一聚合物层上形成图样化第二导电层；在该图样化第二导电层上形成图样化第二聚合物层并且在该图样化 金属层上形成该图样化第一聚合物层；以及通过该开口移除该图样化金属层。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于在该基板上形成该挠 性层包含在该基板上形成聚合物层。
16. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于在该挠性层上形成该 第一导电层包含在该挠性层上形成铂或金之一。
17. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于在该第一导电层上形 成该图样化金属层还包含在该第一导电层上提供光罩层；将该光罩层制作图样来提供具有开口并图样化光罩层； 形成金属层来填充该开口；以及 移除该图样化光罩层。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于还包含电镀在该图样 化光罩层上金属层来填充该开口 。
19. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于还包含电镀在该图样 化光罩层上铜层来填充该开口 。
20. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于该图样化第一聚合物层与该图样化第二聚合物层包含该相同材料。
21. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于该图样化第一聚合物 层与该图样化第二聚合物层包含SU8-2002。
22. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于还包含形成图样化第 三聚合物层来填充该开口。
全文摘要
本发明揭示一种电容式超声波换能器，其包含挠性层；第一导电层，其位于该挠性层上；支撑框架，其位于该第一导电层上，该支撑框架包含挠性材料；薄膜，其位于该支撑框架上，由该支撑框架与该第一导电层相隔，该薄膜包含该挠性材料；凹穴，其由该第一导电层、该支撑框架以及该薄膜所定义；以及第二导电层，其位于该薄膜上。
文档编号H04R19/01GK101242681SQ20071030131
公开日2008年8月13日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年2月7日
发明者庞大成, 张明暐, 戴秉达, 邓泽民, 邱德义, 陈慕岳 申请人:财团法人工业技术研究院