收發(fā)性能平衡的微機(jī)電超聲換能器面陣探頭及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種收發(fā)性能平衡的微機(jī)電超聲換能器面陣探頭，包括硅襯底（1），所述硅襯底（1）的上表面為氧化層（2），所述氧化層（2）的上表面開(kāi)設(shè)有若干空腔（3），所述氧化層（2）的上表面鍵合振動(dòng)薄膜（4），所述振動(dòng)薄膜（4）的上表面設(shè)隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內(nèi)部開(kāi)設(shè)有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動(dòng)薄膜（4）后，其槽底開(kāi)設(shè)于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對(duì)每個(gè)空腔（3）的中心位置處設(shè)有上電極（7）。本發(fā)明專利技術(shù)超聲探頭結(jié)構(gòu)新穎、體積小、頻帶寬、靈敏度高，噪聲低，穩(wěn)定性好，收發(fā)性能平衡。

Micro electromechanical ultrasonic transducer surface array probe for transmitting and receiving performance balance and preparation method thereof

The invention discloses a transceiver performance balance MEMS ultrasonic transducer array probe, comprising a silicon substrate (1), the silicon substrate (1) on the surface of the oxide layer (2), the oxide layer (2) on the surface is provided with a plurality of cavities (3), the oxidation layer (2) on the surface of the bonding vibrating film (4), the vibration film (4) on the surface of the isolation layer is arranged on the isolation layer (5), (5) the edges and its interior is equipped with a groove sink (6), the isolation groove (6) passes through the isolation layer (5) and vibration film (4), the groove bottom is opened in the oxide layer (2); the isolation layer (5) on the upper surface of each cavity (3) is the center position is provided with an upper electrode (7). The ultrasonic probe of the invention has the advantages of novel structure, small size, wide frequency band, high sensitivity, low noise, good stability, and balanced transmitting and receiving performance.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
收發(fā)性能平衡的微機(jī)電超聲換能器面陣探頭及其制備方法
本專利技術(shù)涉及MEMS傳感器領(lǐng)域中的電容式微機(jī)械超聲換能器，具體是一種用于測(cè)距和成像的電容式微機(jī)電超聲換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制備方法，具有收發(fā)能力均衡的特點(diǎn)。
技術(shù)介紹
隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-electromechanicalSystems）和微納米技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器的制造進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。目前，超聲傳感器類型主要有壓電式，壓阻式和電容式三大類。其中，電容式微機(jī)械超聲換能器（capacitivemicro-machinedultrasonictransducer,CMUT）設(shè)計(jì)、加工靈活，受溫度的影響較小，響應(yīng)寬頻帶，制作材料與介質(zhì)阻抗匹配好，易于陣列加工。還可將集成電路加工在傳感器的背面，減少電路間的寄生電容影響和干擾信號(hào)的引入。待制造工藝流程確定之后，可大幅降低超聲傳感器的制造成本。目前，微加工電容超聲換能器在接收與發(fā)射能力方面只能使得其中一方具有較好的性能。當(dāng)CMUT用于收發(fā)一體系統(tǒng)中時(shí)，在相同的條件下發(fā)射能力較弱。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，而提出一種收發(fā)平衡的新型電容式微機(jī)電超聲換能器結(jié)構(gòu)及其制備方法。本專利技術(shù)是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種收發(fā)性能平衡的微機(jī)電超聲換能器面陣探頭，包括硅襯底，所述硅襯底的上表面為氧化層，所述氧化層的上表面開(kāi)設(shè)有若干空腔，所述氧化層的上表面鍵合振動(dòng)薄膜，所述振動(dòng)薄膜的上表面設(shè)隔離層，圍繞隔離層的四周邊緣處及其內(nèi)部開(kāi)設(shè)有下沉的隔離槽，所述隔離槽貫穿隔離層和振動(dòng)薄膜后，其槽底開(kāi)設(shè)于氧化層上；所述隔離層的上表面上正對(duì)每個(gè)空腔的中心位置處設(shè)有上電極。所述氧化層上的若干空腔位于同一隔離區(qū)域內(nèi)后形成一個(gè)陣元；一個(gè)陣元內(nèi)，空腔分為A、B兩種深度。所述隔離層的上表面位于一個(gè)陣元內(nèi)的邊緣處位置設(shè)有一個(gè)焊盤(pán)，一個(gè)陣元內(nèi)每排的兩個(gè)相鄰上電極之間以及每列的兩個(gè)相鄰上電極之間通過(guò)金屬引線連接，所述焊盤(pán)與離其最近的一個(gè)上電極之間通過(guò)金屬引線連接。或者，所述隔離層的上表面位于一個(gè)陣元內(nèi)的邊緣處位置設(shè)有兩個(gè)焊盤(pán)，一個(gè)陣元內(nèi)深度為A的空腔所對(duì)應(yīng)的上電極通過(guò)金屬引線與其中一個(gè)焊盤(pán)連接；一個(gè)陣元內(nèi)深度為B的空腔所對(duì)應(yīng)的上電極通過(guò)金屬引線與其中另一個(gè)焊盤(pán)連接。所述硅襯底背面注入磷，并進(jìn)行金屬濺射形成下電極。多個(gè)陣元成排、列對(duì)齊布置，形成CMUT面陣，該面陣排列為M*N，構(gòu)成微機(jī)電超聲換能器面陣探頭。工作時(shí)，在探頭的上下電極上施加直流電壓，兩極板之間將產(chǎn)生靜電力，在靜電力的作用下振動(dòng)薄膜產(chǎn)生形變并被拉向襯底，隨著薄膜應(yīng)變?cè)黾颖∧?nèi)機(jī)械回復(fù)力也增加，最終與靜電力平衡。此舉有利于提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。若此時(shí)在上下電極上施加頻率為X（X取值在響應(yīng)范圍內(nèi)）的交變電壓信號(hào)，交變電壓信號(hào)的作用打破了薄膜在直流電壓下所建立的平衡關(guān)系，這樣會(huì)使薄膜不斷振動(dòng)，發(fā)出超聲波，實(shí)現(xiàn)發(fā)射超聲波的功能；若有超聲波作用在薄膜上，同樣會(huì)使薄膜失去平衡上下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致上下極板間距發(fā)生變化，從而引起電容變化，外部電路可將電容變化引起的電流轉(zhuǎn)換為可測(cè)的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了超聲波的接收。上述收發(fā)性能平衡的微機(jī)電超聲換能器面陣探頭的制備方法，包括如下步驟：（1）、選擇硅片和SOI晶片，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗；（2）、對(duì)硅片進(jìn)行氧化處理，使其上下表面都形成氧化層；（3）、在硅片上表面的氧化層上進(jìn)行光刻，刻蝕出深度B的空腔；（4）、再次在光刻后的硅片上表面的氧化層上進(jìn)行光刻，對(duì)部分深度B的空腔進(jìn)一步刻蝕，形成深度A的空腔；（5）、對(duì)硅片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗并進(jìn)行激活，激活后使硅片上表面的氧化層與SOI晶片進(jìn)行低溫鍵合；（6）、鍵合后用TMAH溶液對(duì)SOI晶片的襯底硅進(jìn)行腐蝕，清洗后再用BOE溶液腐蝕掉硅片下表面上的氧化層和SOI晶片上的氧化層，此時(shí)的硅片即為硅襯底、SOI晶片剩余的硅層即為振動(dòng)薄膜；（7）、采用LPCVD工藝在振動(dòng)薄膜上沉積一層二氧化硅層作為隔離層；（8）、圍繞隔離層的四周邊緣處及內(nèi)部刻蝕出形成隔離槽的部分，并用TMAH溶液腐蝕出隔離槽，隔離槽貫穿隔離層和振動(dòng)薄膜后，其槽底開(kāi)設(shè)于氧化層上；（9）、在隔離層的上表面通過(guò)電子束蒸鍍方法濺射金屬，并用剝離的方法形成上電極和焊盤(pán)；（10）、通過(guò)金屬引線連接各上電極及焊盤(pán)；（11）、在硅片的背面注入磷，與硅片形成良好的歐姆接觸；（12）、在硅襯底進(jìn)行金屬濺射形成下電極。本專利技術(shù)的創(chuàng)新之處是，在同一陣元中設(shè)計(jì)不同深度的空腔，以此來(lái)均衡其收發(fā)性能。通常情況下，在相同的結(jié)構(gòu)下CMUT的發(fā)射能力弱與其接收能力。而A類單元的存在，使得在發(fā)射時(shí)可以施加更高的偏置電壓，從而提高CMUT的發(fā)射性能；B類單元空腔深度較A類淺，使得上下極間間距減小，電容容量增大。在相同聲強(qiáng)的超聲波振動(dòng)下，電容的變化率變大。本專利技術(shù)設(shè)計(jì)合理，該收發(fā)平衡新型微機(jī)電超聲換能器面陣探頭，解決已有電容式微機(jī)電超聲探頭中發(fā)射與接收性能不平衡問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)換能器收發(fā)性能的一致。本專利技術(shù)超聲探頭結(jié)構(gòu)新穎、體積小、頻帶寬、靈敏度高，噪聲低，穩(wěn)定性好，收發(fā)性能平衡。附圖說(shuō)明圖1-1表示本專利技術(shù)換能器面陣探頭中一個(gè)陣元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，一個(gè)陣元中不同腔深對(duì)應(yīng)的上電極用金屬引線全部連接在一起。圖1-2表示本專利技術(shù)換能器面陣探頭中一個(gè)陣元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，一個(gè)陣元中不同腔深對(duì)應(yīng)的上電極用金屬引線分別連接在一起。圖2表示一個(gè)陣元的剖視圖。圖3表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟2）的示意圖。圖4表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟3）的示意圖。圖5表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟4）的示意圖。圖6表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟5）的示意圖。圖7表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟6）的示意圖。圖8表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟7）的示意圖。圖9表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟8）的示意圖。圖10表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟9）的示意圖。圖11表示本專利技術(shù)換能器制備方法中步驟12）的示意圖。圖中：1-硅襯底，2-氧化層，3-空腔，4-振動(dòng)薄膜，5-隔離層，6-上電極，7-焊盤(pán)，8-隔離槽，9-金屬引線，10-下電極。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。一種收發(fā)性能平衡的微機(jī)電超聲換能器面陣探頭，由多個(gè)陣元成排、列對(duì)齊布置，形成CMUT面陣探頭，該面陣可排列為M*N，其中M可取值16~512，N可取值16~512。如圖2所示，表示一個(gè)陣元（element）剖視圖，包括硅襯底1，所述硅襯底1的上表面為氧化層2，所述氧化層2的上表面開(kāi)設(shè)有若干圓柱形空腔3，圓柱形空腔3成排、列布置或?qū)遣贾茫鲅趸瘜?的上表面鍵合振動(dòng)薄膜4，所述振動(dòng)薄膜4的上表面設(shè)隔離層5，圍繞隔離層5的四周邊緣處及其內(nèi)部開(kāi)設(shè)有下沉的隔離槽6（隔離槽用于隔開(kāi)各陣元），所述隔離槽6貫穿隔離層5和振動(dòng)薄膜4后，其槽底開(kāi)設(shè)于氧化層2上；所述隔離層5的上表面上正對(duì)每個(gè)空腔3的中心位置處設(shè)有上電極7（形成圖形化上電極）；所述氧化層2上的若干空腔3位于同一隔離區(qū)域內(nèi)后形成一個(gè)陣元；一個(gè)陣元內(nèi)，空腔3分為A、B兩種不同深度。一個(gè)陣元中上電極的連接方式有兩種：（a）不同腔深的單元上電極用金屬引線全部連接在一起；（b）不同腔深的單元上電極使用金屬引線分別連接在一起。具體如下：如圖1-1所示，所述隔離層5的上表面位于一個(gè)陣元內(nèi)的邊本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種收發(fā)性能平衡的微機(jī)電超聲換能器面陣探頭，其特征在于：包括硅襯底（1），所述硅襯底（1）的上表面為氧化層（2），所述氧化層（2）的上表面開(kāi)設(shè)有若干空腔（3），所述氧化層（2）的上表面鍵合振動(dòng)薄膜（4），所述振動(dòng)薄膜（4）的上表面設(shè)隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內(nèi)部開(kāi)設(shè)有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動(dòng)薄膜（4）后，其槽底開(kāi)設(shè)于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對(duì)每個(gè)空腔（3）的中心位置處設(shè)有上電極（7）；所述氧化層（2）上的若干空腔（3）位于同一隔離區(qū)域內(nèi)后形成一個(gè)陣元；一個(gè)陣元內(nèi)，空腔（3）分為A、B兩種深度；所述隔離層（5）的上表面位于一個(gè)陣元內(nèi)的邊緣處位置設(shè)有一個(gè)焊盤(pán)（8），一個(gè)陣元內(nèi)每排的兩個(gè)相鄰上電極（7）之間以及每列的兩個(gè)相鄰上電極（7）之間通過(guò)金屬引線（9）連接，所述焊盤(pán)（8）與離其最近的一個(gè)上電極（7）之間通過(guò)金屬引線（9）連接；或者，所述隔離層（5）的上表面位于一個(gè)陣元內(nèi)的邊緣處位置設(shè)有兩個(gè)焊盤(pán)（8），一個(gè)陣元內(nèi)深度為A的空腔（3）所對(duì)應(yīng)的上電極（7）通過(guò)金屬引線（9）與其中一個(gè)焊盤(pán)（8）連接；一個(gè)陣元內(nèi)深度為B的空腔（3）所對(duì)應(yīng)的上電極（7）通過(guò)金屬引線（9）與其中另一個(gè)焊盤(pán)（8）連接；所述硅襯底（1）背面注入磷，并進(jìn)行金屬濺射形成下電極（10）；多個(gè)陣元成排、列對(duì)齊布置，形成CMUT面陣，該面陣排列為M*N，構(gòu)成微機(jī)電超聲換能器面陣探頭。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種收發(fā)性能平衡的微機(jī)電超聲換能器面陣探頭，其特征在于：包括硅襯底（1），所述硅襯底（1）的上表面為氧化層（2），所述氧化層（2）的上表面開(kāi)設(shè)有若干空腔（3），所述氧化層（2）的上表面鍵合振動(dòng)薄膜（4），所述振動(dòng)薄膜（4）的上表面設(shè)隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內(nèi)部開(kāi)設(shè)有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動(dòng)薄膜（4）后，其槽底開(kāi)設(shè)于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對(duì)每個(gè)空腔（3）的中心位置處設(shè)有上電極（7）；所述氧化層（2）上的若干空腔（3）位于同一隔離區(qū)域內(nèi)后形成一個(gè)陣元；一個(gè)陣元內(nèi)，空腔（3）分為A、B兩種深度；所述隔離層（5）的上表面位于一個(gè)陣元內(nèi)的邊緣處位置設(shè)有一個(gè)焊盤(pán)（8），一個(gè)陣元內(nèi)每排的兩個(gè)相鄰上電極（7）之間以及每列的兩個(gè)相鄰上電極（7）之間通過(guò)金屬引線（9）連接，所述焊盤(pán)（8）與離其最近的一個(gè)上電極（7）之間通過(guò)金屬引線（9）連接；或者，所述隔離層（5）的上表面位于一個(gè)陣元內(nèi)的邊緣處位置設(shè)有兩個(gè)焊盤(pán)（8），一個(gè)陣元內(nèi)深度為A的空腔（3）所對(duì)應(yīng)的上電極（7）通過(guò)金屬引線（9）與其中一個(gè)焊盤(pán)（8）連接；一個(gè)陣元內(nèi)深度為B的空腔（3）所對(duì)應(yīng)的上電極（7）通過(guò)金屬引線（9）與其中另一個(gè)焊盤(pán)（8）連接；所述硅襯底（1）背面注入磷，并進(jìn)行金屬濺射形成下電極（10）；多個(gè)陣元成排、列對(duì)齊布置，形成CMUT面陣，該面陣排列為M*N，構(gòu)成微機(jī)電超聲換能器面陣探頭。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的收發(fā)性能平...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：何常德，張斌珍，奚水，高文友，薛晨陽(yáng)，張文棟，梁偉健，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中北大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山西,14