微機電超聲探頭及電路制造技術

本發明專利技術公開了一種微機電超聲探頭，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）的上表面開設有若干空腔（3），若干空腔（3）成排、列布置，所述氧化層（2）的上表面鍵合振動薄膜（4），所述振動薄膜（4）的上表面設隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動薄膜（4）后，其槽底開設于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對每個空腔（3）的中心位置處設有上電極（7）。本發明專利技術設計合理，該超聲探頭結構新穎、體積小、頻帶寬、靈敏度高，噪聲低，穩定性好。

MEMS ultrasonic probe and circuit

The invention discloses a MEMS ultrasonic probe, which comprises 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), a plurality of cavities (3) in rows and columns. The oxide 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) through the isolation layer (5) and vibration (4), the film opened in the bottom 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 has the advantages of novel structure, small size, wide frequency band, high sensitivity, low noise and good stability.

【技術實現步驟摘要】
微機電超聲探頭及電路
本專利技術涉及MEMS傳感器領域，具體是微機電超聲傳感器，特別是一種新型微機電超聲探頭結構及電路。
技術介紹
超聲成像技術在醫學診斷、醫學治療、無損檢測、超聲顯微鏡和海洋地貌探測等多個領域內得到了廣泛的應用。超聲換能器能夠發射超聲波和檢測超聲波，實現聲-電轉換和電-聲轉換，是超聲成像診斷設備的核心部件。超聲換能器的發展對提高醫學超聲診斷技術和設備的發展起著決定性作用。隨超聲換能器應用領域的擴大，超聲探頭中傳統壓電式超聲換能器的不足之處也逐漸暴露出來了。其中最主要問題的是壓電材料與工作介質如空氣、水和人體組織等之間的聲阻抗失配。除此以外，傳統壓電換能器無法集成制造，因此線性陣列的制作工藝難度大。近20年來，MEMS微加工技術得到了長足的發展，利用此技術設計的一種新型微機電超聲換能器，既兼有電容換能器的寬頻帶和高機電轉換效率的優勢，也充分利用了MEMS微加工技術易于制作微型器件、適合制造陣列、批量化生產和硅材料與介質阻抗匹配好的優勢。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，而提供了一種新型微機電超聲探頭結構及電路，使此種超聲探頭成功應用于醫學成像中。本專利技術是通過以下技術方案實現的：一種微機電超聲探頭，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設有若干空腔，所述氧化層的上表面鍵合振動薄膜，所述振動薄膜的上表面設隔離層，圍繞隔離層的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽，所述隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；所述隔離層的上表面上正對每個空腔的中心位置處設有上電極。所述氧化層上的若干空腔位于同一隔離區域內后形成一個陣元；所述隔離層的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤，一個陣元內每排的兩個相鄰上電極之間以及每列的兩個相鄰上電極之間通過金屬引線連接，所述焊盤與離其最近的一個上電極之間通過金屬引線連接。所述硅襯底背面注入磷，并進行金屬濺射形成下電極。N個陣元排成一排就形成了N陣元線陣超聲探頭。工作時，在該面陣探頭的上下電極上施加直流電壓，兩極板之間將產生靜電力，在靜電力的作用下振動薄膜被拉向襯底，此時在上下電極上施加與振動薄膜工作頻率相同的交變電壓，這樣會使薄膜不斷振動，實現發射超聲波的功能。當施加有一定直流偏置電壓的振動薄膜上作用有外界聲壓時，真空腔體距離改變，電容變化，外部電路可將電容變化引起的電流轉換為可測的電壓信號，實現了超聲波的接收。上述微機電超聲探頭的制備方法，包括如下步驟：（1）、選擇硅片和SOI晶片，并進行標準RCA清洗；（2）、對硅片進行氧化處理，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行光刻，刻蝕出若干空腔；（4）、對硅片進行標準RCA清洗并進行激活，激活后使硅片上表面的氧化層與SOI晶片進行低溫鍵合；（5）、鍵合后用TMAH溶液對SOI晶片的襯底硅進行腐蝕，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，此時的硅片即為硅襯底、SOI晶片剩余的硅層即為振動薄膜；（6）、采用LPCVD工藝在振動薄膜上沉積一層二氧化硅層作為隔離層；（7）、在隔離層的上表面濺射金屬，并用剝離的方法形成上電極和焊盤；（8）、圍繞隔離層的四周邊緣處及內部刻蝕出隔離槽，形成陣元陣列，并用TMAH溶液腐蝕出隔離槽，隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；（9）、通過金屬引線連接各上電極及焊盤；（10）、在硅片的背面注入磷，與硅片形成良好的歐姆接觸，并濺射金屬形成下電極。上述微機電超聲換能器能夠彌補壓電超聲換能器的不足，同時目前應用于醫學成像的超聲探頭，必須有相應的電路與超聲換能器匹配，使超聲探頭可以實現自發自收的功能，實現醫用超聲成像。因此，一種微機電超聲探頭的電路，包括發射電路、開關電路和信號調理電路。所述發射電路由高壓脈沖放大電路和直流偏置電壓共同構成，同時作用于超聲探頭使其發射超聲波。信號調理電路包括跨阻放大檢測電路、濾波電路、低噪放大電路；跨阻放大檢測電路是超聲探頭內信號調理電路的開端，其將微弱電容信號轉換為可測電信號，由于轉換的電信號幅度微弱，并且電路本身及外部存在噪聲，將會使輸出信號的信噪比及分辨率降低，利用濾波電路和低噪放大電路對輸出信號進行放大降噪處理，提高系統信噪比及分辨率。在探頭和發射、接收電路之間增加開關電路。微機電超聲探頭在發射及接收狀態下都需要施加直流偏置電壓，將直流偏置電壓通過保護電阻施加于探頭上。此時，當探頭處于發射狀態時，電路中開關將指向發射電路，即FPGA控制器和高壓脈沖發生器部分，FPGA控制器控制高壓脈沖發生器產生高壓脈沖并作用于探頭，使探頭發射出超聲波；當探頭處于接收狀態時，電路中開關將指向接收電路，即跨阻放大檢測電路和濾波電路部分，接收狀態下探頭在超聲波作用下產生的微小電流通過跨阻放大檢測電路轉換為可測的電壓回波信號，然后再通過濾波電路提高電壓回波信號的信噪比，達到濾除噪聲的效果。本專利技術利用新型微機電超聲換能器制備的超聲探頭，該探頭既兼有電容換能器的寬頻帶和高機電轉換效率的優勢，也充分利用了MEMS微加工技術易于制作微型器件、適合制造陣列、批量化生產和硅材料與介質阻抗匹配好的優勢，同時也利用電路使探頭實現自發自收的功能，在超聲成像領域具有一定的應用前景。本專利技術設計合理，該超聲探頭結構新穎、體積小、頻帶寬、靈敏度高，噪聲低，穩定性好。附圖說明圖1表示本專利技術換能器N（64-1024）線陣的示意圖。圖2表示圖1中A部分（也為一個陣元）的結構示意圖。圖3表示圖2中B部分（也為一個cell）的剖視圖。圖4為本專利技術電路的示意圖。圖3-1表示本專利技術換能器制備方法中步驟2）的示意圖。圖3-2表示本專利技術換能器制備方法中步驟3）的示意圖。圖3-3表示本專利技術換能器制備方法中步驟4）的示意圖。圖3-4表示本專利技術換能器制備方法中步驟5）的示意圖。圖3-5表示本專利技術換能器制備方法中步驟6）的示意圖。圖3-6表示本專利技術換能器制備方法中步驟7）的示意圖。圖3-7表示本專利技術換能器制備方法中步驟8）的示意圖。圖中：1-硅襯底，2-氧化層，3-空腔，4-振動薄膜，5-隔離層，6-隔離槽，7-上電極，8-焊盤，9-金屬引線。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施例進行詳細說明。一種微機電超聲探頭，如圖1所示，由N（64~1024）個陣元排成一排就形成了N陣元線陣超聲探頭。如圖3所示，表示每個陣元中單個cell的剖視圖，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的上表面開設有若干正六邊形空腔3，如圖2所示，若干正六邊形空腔3成排、列布置或對角布置，所述氧化層2的上表面鍵合振動薄膜4，所述振動薄膜4的上表面設隔離層5，圍繞隔離層5的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽6（隔離槽用于隔開各陣元），所述隔離槽6貫穿隔離層5和振動薄膜4后，其槽底開設于氧化層2上；所述隔離層5的上表面上正對每個空腔3的中心位置處設有上電極7（形成圖形化上電極）。所述氧化層2上的若干空腔3位于同一隔離區域內后形成一個陣元；所述隔離層5的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤8，一個陣元內每排的兩個相鄰上電極7之間以及每列的兩個相鄰上電極7之間通過金屬引線9連接，所述焊盤8與離其最近的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微機電超聲探頭，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）的上表面開設有若干空腔（3），所述氧化層（2）的上表面鍵合振動薄膜（4），所述振動薄膜（4）的上表面設隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動薄膜（4）后，其槽底開設于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對每個空腔（3）的中心位置處設有上電極（7）；所述氧化層（2）上的若干空腔（3）位于同一隔離區域內后形成一個陣元；所述隔離層（5）的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤（8），一個陣元內每排的兩個相鄰上電極（7）之間以及每列的兩個相鄰上電極（7）之間通過金屬引線（9）連接，所述焊盤（8）與離其最近的一個上電極（7）之間通過金屬引線（9）連接；N個陣元排成一排就形成了N陣元線陣超聲探頭。

【技術特征摘要】
1.一種微機電超聲探頭，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）的上表面開設有若干空腔（3），所述氧化層（2）的上表面鍵合振動薄膜（4），所述振動薄膜（4）的上表面設隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動薄膜（4）后，其槽底開設于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對每個空腔（3）的中心位置處設有上電極（7）；所述氧化層（2）上的若干空腔（3）位于同一隔離區域內后形成一個陣元；所述隔離層（5）的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤（8），一個陣元內每排的兩個相鄰上電極（7）之間以及每列的兩個相鄰上電極（7）之間通過金屬引線（9）連接，所述焊盤（8）與離其最近的一個上電極（7）之間通過金屬引線（9）連接；N個陣元排成一排就形成了N陣元線陣超聲探頭。2.根據權利要求1所述的微機電超聲探頭，其特征在于：N取值為64~1024。3.根據權利要求1或2所述的微機電超聲探頭，其特征在于：所述空腔（3）形狀為正六邊形或者圓形。4.一種微機電超聲探頭的電路，其特征在于：包括發射電路、開關電路和信號調理電路；所述發射電路由高壓脈沖放大電路和直流偏置電壓共同構成，同時作用于超聲探頭使其發射超聲波；信號調理電路包括跨阻放大檢測電路、濾波電路、低噪放大電路；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何常德，張國軍，張斌珍，薛晨陽，張文棟，趙蕾，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：山西,14