用于测距和成像的微电容超声波换能器及其制备方法
用于测距和成像的微电容超声波换能器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS传感器领域中的微加工电容超声换能器，具体是一种用于测距和成像的微电容超声波换能器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着微机电系统(Micro electromechanical system,MEMS)和微纳米技术的迅速发展，传感器的制造进入了一个全新的阶段。目前超声传感器的主要有压电式和压阻式和电容式三大类。当介质为液体时，由于压电材料的声阻抗与介质的声阻抗存在较大的缺陷而导致压电式传感器的发射与接收效率很低。而且压电材料的性能较硬较脆，不利于加工，特别是二维阵列探头的加工更为复杂。而压阻式传感器的电阻受温度的影响很大，导致其工作条件要求高，并且机电转换效率和灵敏度比较低。由于以上种种原因，压电式超声传感器和压阻式超声传感器已不能满足现代社会的需要。而微加工电容超声换能器设计、加工灵活，受温度的影响比较小，带宽大，阵列易于加工，可将集成电路做在传感器的背面，减少电路间的寄生电容影响和干扰信号的引入，而且制造工艺流程确定之后，可以大大的降低超声传感器的制造成本。因此，当前对微加工电容超声换能器的研究越来越受到人们的关注。
[0003]当上电极的面积是腔底面面积的40%_50%时，微加工电容超声换能器的带宽最宽。但是，金属容易与低电阻率的振动薄膜的形成欧姆接触，使上电极的面积增大，导致微加工电容超声换能器的带宽减小。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种用于测距和成像的微电容超声波换能器及其制备方法
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种用于测距和成像的微电容超声波换能器，包括硅衬底(即一体化下电极)，硅衬底的上表面为氧化层，氧化层的上表面开设有若干圆柱形空腔，若干圆柱形空腔成排、列对齐布置，氧化层的上表面键合振动薄膜，振动薄膜的上表面设隔离层，围绕隔离层的四周边缘处开设有下沉的隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上(隔离槽用于隔开各阵元)，氧化层上的若干圆柱形空腔都位于隔离槽内；隔离层的上表面上正对每个圆柱形空腔中心的位置处设有上电极(形成图形化上电极)，隔离层的上表面位于隔离槽内的边缘处位置设置有一个焊盘;每排的两个相邻上电极之间以及每列的两个相邻上电极之间通过金属引线连接，焊盘与离其最近的一个上电极之间通过金属引线连接。上述各结构组成为一个阵元(element) ο
[0005]作为优选，硅衬底的厚度为400μm，氧化层的厚度为0.8μm，振动薄膜的厚度为2.83Mi，隔离层的厚度为0.15μηι，上电极的半径和厚度分别为45μηι和Ιμπι，圆柱形空腔的半径和高度分别为90μηι和0.65μηι。
[0006]所述用于测距和成像的微加工电容超声换能器的制备方法，包括如下步骤:1)选择硅片和SOI晶片，并进行标准RCA清洗，以去除各种有机物、金尘埃和自然氧化层等;2)对硅片进行氧化处理，使其表面形成氧化层，为后面刻蚀圆柱形空腔作准备;3)在硅片上表面的氧化层上进行光刻，刻蚀出若干圆柱形空腔，光刻包括表面处理、旋转涂胶、前烘、对准和曝光、后烘、显影、刻蚀和去胶;4)对硅片进行标准RCA清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与SOI晶片进行键合;5 )键合后用TMAH溶液对SOI晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用Β0Ε溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和SOI晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、SOI晶片剩余的硅层即为振动薄膜;6)采用LPCVD工艺在振动薄膜上沉积一层二氧化硅层作为隔离层，防止蒸镀铝形成上电极的过程中对振动薄膜的掺杂作用；7)围绕隔离层的四周边缘处用TMAH溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上；8)在隔离层的上表面通过电子束蒸镀方法溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘;9)通过金属引线连接各上电极及焊盘；10)在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触。
[0007]本发明是在上电极与振动薄膜之间增加了一层二氧化硅隔离层，避免了上电极与振动薄膜之间形成欧姆接触使整个振动薄膜成为上电极，增大了上电极面积，实现了上电极大小可控的目的，从而提高了微加工电容超声换能器的带宽和发射声压。本发明具有结构简单、工艺可控性好、成本低和适于大批量生产等优点。
【附图说明】
[0008]图1为本发明换能器的结构示意图。
[0009]图2为图1中A部分(也为一个单元cell)的剖视图。
[0010]图3为本发明换能器制备方法中步骤2)的示意图。
[0011 ]图4为本发明换能器制备方法中步骤3)的示意图。
[0012]图5为本发明换能器制备方法中步骤4)的示意图。
[0013]图6为本发明换能器制备方法中步骤5)的示意图。
[0014]图7为本发明换能器制备方法中步骤6)的示意图。
[0015]图8为本发明换能器制备方法中步骤7)的示意图。
[0016]图9为本发明换能器制备方法中步骤8)的示意图。
[0017]图中:1_硅衬底、2-氧化层、3-圆柱形空腔、4-振动薄膜、5-隔离层、6-隔离槽、7-上电极、8-焊盘、9-金属引线。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图对本发明作进一步的说明:
如图1、2所示，一种用于测距和成像的微电容超声波换能器，包括硅衬底1，硅衬底1的上表面为氧化层2，氧化层2的上表面开设有若干圆柱形空腔3，若干圆柱形空腔3成排、列对齐布置，氧化层2的上表面键合振动薄膜4，振动薄膜4的上表面设隔离层5，围绕隔离层5的四周边缘处开设有下沉的隔离槽6，隔离槽6贯穿隔离层5和振动薄膜4后，其槽底开设于氧化层2上，氧化层2的上的若干圆柱形空腔3都位于隔离槽6内；隔离层5的上表面上正对每个圆柱形空腔3中心的位置处设有上电极7，隔离层5的上表面位于隔离槽6内的边缘处位置设置有一个焊盘8;每排的两个相邻上电极7之间以及每列的两个相邻上电极7之间通过金属引线9连接，焊盘8与离其最近的一个上电极7之间通过金属引线9连接。
[0019]上述用于测距和成像的微电容超声波换能器的制备方法，包括如下步骤:1)选择6寸硅片和6寸SOI晶片，并进行标准RCA清洗，去除各种有机物、金尘埃和自然氧化层等，硅片的厚度为400ym，SOI晶片埋氧层厚度为Ιμπι、器件层厚度为2.8μπι、电阻率为0.01-0.08Ω.cm;2)对硅片进行氧化处理，使其表面形成氧化层，其中其上表面氧化层的厚度为0.8μπι，如图3所示；3)在硅片上表面的氧化层上进行光刻，刻蚀出若干圆柱形空腔，圆柱形空腔的半径和高度分别为90μπι和0.65μπι，如图4所示;4)对硅片进行标准RCA清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与SOI晶片进行键合，如图5所示;5)键合后用TMAH溶液对SOI晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用Β0Ε溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和SOI晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、SOI晶片剩余的硅层即为厚度为2.83μπι的振动薄膜，如图6所示;6)采用LPCVD工艺在振动薄膜上沉积一层厚度为0.15μπι的二氧化硅层作为隔离层，如图7所示;7)围绕隔离层的四周边缘处用ΤΜΑΗ溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上，如图8所示;8)在隔离层的上表面溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘，上电极的半径和厚度分别为45μπι和Ιμπι，如图9所示;9)通过金属引线连接各上电极及焊盘;10在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触。
【主权项】
1.一种用于测距和成像的微电容超声波换能器，其特征在于:包括硅衬底(1)，硅衬底(1)的上表面为氧化层(2)，氧化层(2)的上表面开设有若干圆柱形空腔(3)，若干圆柱形空腔(3)成排、列对齐布置，氧化层(2)的上表面键合振动薄膜(4)，振动薄膜(4)的上表面设隔离层(5)，围绕隔离层(5)的四周边缘处开设有下沉的隔离槽(6)，隔离槽(6)贯穿隔离层(5)和振动薄膜(4)后，其槽底开设于氧化层(2)上，氧化层(2)上的若干圆柱形空腔(3)都位于隔离槽(6)内；隔离层(5)的上表面上正对每个圆柱形空腔(3)中心的位置处设有上电极(7)，隔离层(5)的上表面位于隔离槽(6)内的边缘处位置设置有一个焊盘(8);每排的两个相邻上电极(7)之间以及每列的两个相邻上电极(7)之间通过金属引线(9)连接，焊盘(8)与离其最近的一个上电极(7)之间通过金属引线(9)连接。2.根据权利要求1所述的用于测距和成像的微电容超声波换能器，其特征在于:硅衬底(1)的厚度为400μπι，氧化层(2)的厚度为0.8μπι，振动薄膜(4)的厚度为2.83μπι，隔离层(5)的厚度为0.15μπι，上电极(7)的半径和厚度分别为45μπι和Ιμπι，圆柱形空腔(3)的半径和高度分别为90μηι 和0.65μηι。3.如权利要求1或2所述用于测距和成像的微电容超声波换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:1)选择硅片和SOI晶片，并进行标准RCA清洗;2)对硅片进行氧化处理，使其表面形成氧化层;3)在硅片上表面的氧化层上进行光刻，刻蚀出若干圆柱形空腔;4)对硅片进行标准RCA清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与SOI晶片进行键合;5)键合后用TMAH溶液对SOI晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用B0E溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和SOI晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、SOI晶片剩余的硅层即为振动薄膜；6)采用LPCVD工艺在振动薄膜上沉积一层二氧化硅层作为隔离层;7)围绕隔离层的四周边缘处用TMAH溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上；8)在隔离层的上表面溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘;9)通过金属引线连接各上电极及焊盘;10)在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触。
【专利摘要】本发明为一种用于测距和成像的微电容超声波换能器及其制备方法，本发明在微电容超声波换能器图形化上电极与振动薄膜之间增加了一层二氧化硅隔离层，防止上电极与振动薄膜之间形成欧姆接触，使微电容超声波换能器的上电极面积增大，提高了微电容超声波换能器的带宽和发射声压。本发明具有结构简单、工艺可控性好、成本低和适于大批量生产等优点。
【IPC分类】G01H11/06, B06B1/02, B81B7/02, B81C1/00
【公开号】CN105486399
【申请号】CN201510956913
【发明人】何常德, 张国军, 张文栋, 薛晨阳, 宋金龙, 王红亮
【申请人】中北大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月21日
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS传感器领域中的微加工电容超声换能器，具体是一种用于测距和成像的微电容超声波换能器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着微机电系统(Micro electromechanical system,MEMS)和微纳米技术的迅速发展，传感器的制造进入了一个全新的阶段。目前超声传感器的主要有压电式和压阻式和电容式三大类。当介质为液体时，由于压电材料的声阻抗与介质的声阻抗存在较大的缺陷而导致压电式传感器的发射与接收效率很低。而且压电材料的性能较硬较脆，不利于加工，特别是二维阵列探头的加工更为复杂。而压阻式传感器的电阻受温度的影响很大，导致其工作条件要求高，并且机电转换效率和灵敏度比较低。由于以上种种原因，压电式超声传感器和压阻式超声传感器已不能满足现代社会的需要。而微加工电容超声换能器设计、加工灵活，受温度的影响比较小，带宽大，阵列易于加工，可将集成电路做在传感器的背面，减少电路间的寄生电容影响和干扰信号的引入，而且制造工艺流程确定之后，可以大大的降低超声传感器的制造成本。因此，当前对微加工电容超声换能器的研究越来越受到人们的关注。
[0003]当上电极的面积是腔底面面积的40%_50%时，微加工电容超声换能器的带宽最宽。但是，金属容易与低电阻率的振动薄膜的形成欧姆接触，使上电极的面积增大，导致微加工电容超声换能器的带宽减小。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种用于测距和成像的微电容超声波换能器及其制备方法
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种用于测距和成像的微电容超声波换能器，包括硅衬底(即一体化下电极)，硅衬底的上表面为氧化层，氧化层的上表面开设有若干圆柱形空腔，若干圆柱形空腔成排、列对齐布置，氧化层的上表面键合振动薄膜，振动薄膜的上表面设隔离层，围绕隔离层的四周边缘处开设有下沉的隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上(隔离槽用于隔开各阵元)，氧化层上的若干圆柱形空腔都位于隔离槽内；隔离层的上表面上正对每个圆柱形空腔中心的位置处设有上电极(形成图形化上电极)，隔离层的上表面位于隔离槽内的边缘处位置设置有一个焊盘;每排的两个相邻上电极之间以及每列的两个相邻上电极之间通过金属引线连接，焊盘与离其最近的一个上电极之间通过金属引线连接。上述各结构组成为一个阵元(element) ο
[0005]作为优选，硅衬底的厚度为400μm，氧化层的厚度为0.8μm，振动薄膜的厚度为2.83Mi，隔离层的厚度为0.15μηι，上电极的半径和厚度分别为45μηι和Ιμπι，圆柱形空腔的半径和高度分别为90μηι和0.65μηι。
[0006]所述用于测距和成像的微加工电容超声换能器的制备方法，包括如下步骤:1)选择硅片和SOI晶片，并进行标准RCA清洗，以去除各种有机物、金尘埃和自然氧化层等;2)对硅片进行氧化处理，使其表面形成氧化层，为后面刻蚀圆柱形空腔作准备;3)在硅片上表面的氧化层上进行光刻，刻蚀出若干圆柱形空腔，光刻包括表面处理、旋转涂胶、前烘、对准和曝光、后烘、显影、刻蚀和去胶;4)对硅片进行标准RCA清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与SOI晶片进行键合;5 )键合后用TMAH溶液对SOI晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用Β0Ε溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和SOI晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、SOI晶片剩余的硅层即为振动薄膜;6)采用LPCVD工艺在振动薄膜上沉积一层二氧化硅层作为隔离层，防止蒸镀铝形成上电极的过程中对振动薄膜的掺杂作用；7)围绕隔离层的四周边缘处用TMAH溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上；8)在隔离层的上表面通过电子束蒸镀方法溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘;9)通过金属引线连接各上电极及焊盘；10)在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触。
[0007]本发明是在上电极与振动薄膜之间增加了一层二氧化硅隔离层，避免了上电极与振动薄膜之间形成欧姆接触使整个振动薄膜成为上电极，增大了上电极面积，实现了上电极大小可控的目的，从而提高了微加工电容超声换能器的带宽和发射声压。本发明具有结构简单、工艺可控性好、成本低和适于大批量生产等优点。
【附图说明】
[0008]图1为本发明换能器的结构示意图。
[0009]图2为图1中A部分(也为一个单元cell)的剖视图。
[0010]图3为本发明换能器制备方法中步骤2)的示意图。
[0011 ]图4为本发明换能器制备方法中步骤3)的示意图。
[0012]图5为本发明换能器制备方法中步骤4)的示意图。
[0013]图6为本发明换能器制备方法中步骤5)的示意图。
[0014]图7为本发明换能器制备方法中步骤6)的示意图。
[0015]图8为本发明换能器制备方法中步骤7)的示意图。
[0016]图9为本发明换能器制备方法中步骤8)的示意图。
[0017]图中:1_硅衬底、2-氧化层、3-圆柱形空腔、4-振动薄膜、5-隔离层、6-隔离槽、7-上电极、8-焊盘、9-金属引线。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图对本发明作进一步的说明:
如图1、2所示，一种用于测距和成像的微电容超声波换能器，包括硅衬底1，硅衬底1的上表面为氧化层2，氧化层2的上表面开设有若干圆柱形空腔3，若干圆柱形空腔3成排、列对齐布置，氧化层2的上表面键合振动薄膜4，振动薄膜4的上表面设隔离层5，围绕隔离层5的四周边缘处开设有下沉的隔离槽6，隔离槽6贯穿隔离层5和振动薄膜4后，其槽底开设于氧化层2上，氧化层2的上的若干圆柱形空腔3都位于隔离槽6内；隔离层5的上表面上正对每个圆柱形空腔3中心的位置处设有上电极7，隔离层5的上表面位于隔离槽6内的边缘处位置设置有一个焊盘8;每排的两个相邻上电极7之间以及每列的两个相邻上电极7之间通过金属引线9连接，焊盘8与离其最近的一个上电极7之间通过金属引线9连接。
[0019]上述用于测距和成像的微电容超声波换能器的制备方法，包括如下步骤:1)选择6寸硅片和6寸SOI晶片，并进行标准RCA清洗，去除各种有机物、金尘埃和自然氧化层等，硅片的厚度为400ym，SOI晶片埋氧层厚度为Ιμπι、器件层厚度为2.8μπι、电阻率为0.01-0.08Ω.cm;2)对硅片进行氧化处理，使其表面形成氧化层，其中其上表面氧化层的厚度为0.8μπι，如图3所示；3)在硅片上表面的氧化层上进行光刻，刻蚀出若干圆柱形空腔，圆柱形空腔的半径和高度分别为90μπι和0.65μπι，如图4所示;4)对硅片进行标准RCA清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与SOI晶片进行键合，如图5所示;5)键合后用TMAH溶液对SOI晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用Β0Ε溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和SOI晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、SOI晶片剩余的硅层即为厚度为2.83μπι的振动薄膜，如图6所示;6)采用LPCVD工艺在振动薄膜上沉积一层厚度为0.15μπι的二氧化硅层作为隔离层，如图7所示;7)围绕隔离层的四周边缘处用ΤΜΑΗ溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上，如图8所示;8)在隔离层的上表面溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘，上电极的半径和厚度分别为45μπι和Ιμπι，如图9所示;9)通过金属引线连接各上电极及焊盘;10在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触。
【主权项】
1.一种用于测距和成像的微电容超声波换能器，其特征在于:包括硅衬底(1)，硅衬底(1)的上表面为氧化层(2)，氧化层(2)的上表面开设有若干圆柱形空腔(3)，若干圆柱形空腔(3)成排、列对齐布置，氧化层(2)的上表面键合振动薄膜(4)，振动薄膜(4)的上表面设隔离层(5)，围绕隔离层(5)的四周边缘处开设有下沉的隔离槽(6)，隔离槽(6)贯穿隔离层(5)和振动薄膜(4)后，其槽底开设于氧化层(2)上，氧化层(2)上的若干圆柱形空腔(3)都位于隔离槽(6)内；隔离层(5)的上表面上正对每个圆柱形空腔(3)中心的位置处设有上电极(7)，隔离层(5)的上表面位于隔离槽(6)内的边缘处位置设置有一个焊盘(8);每排的两个相邻上电极(7)之间以及每列的两个相邻上电极(7)之间通过金属引线(9)连接，焊盘(8)与离其最近的一个上电极(7)之间通过金属引线(9)连接。2.根据权利要求1所述的用于测距和成像的微电容超声波换能器，其特征在于:硅衬底(1)的厚度为400μπι，氧化层(2)的厚度为0.8μπι，振动薄膜(4)的厚度为2.83μπι，隔离层(5)的厚度为0.15μπι，上电极(7)的半径和厚度分别为45μπι和Ιμπι，圆柱形空腔(3)的半径和高度分别为90μηι 和0.65μηι。3.如权利要求1或2所述用于测距和成像的微电容超声波换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:1)选择硅片和SOI晶片，并进行标准RCA清洗;2)对硅片进行氧化处理，使其表面形成氧化层;3)在硅片上表面的氧化层上进行光刻，刻蚀出若干圆柱形空腔;4)对硅片进行标准RCA清洗并进行激活，激活后使硅片上表面的氧化层与SOI晶片进行键合;5)键合后用TMAH溶液对SOI晶片的衬底硅进行腐蚀，清洗后再用B0E溶液腐蚀掉硅片下表面上的氧化层和SOI晶片上的氧化层，此时的硅片即为硅衬底、SOI晶片剩余的硅层即为振动薄膜；6)采用LPCVD工艺在振动薄膜上沉积一层二氧化硅层作为隔离层;7)围绕隔离层的四周边缘处用TMAH溶液腐蚀出隔离槽，隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜后，其槽底开设于氧化层上；8)在隔离层的上表面溅射金属，并用剥离的方法形成上电极和焊盘;9)通过金属引线连接各上电极及焊盘;10)在硅片的背面注入磷，与硅片形成良好的欧姆接触。
【专利摘要】本发明为一种用于测距和成像的微电容超声波换能器及其制备方法，本发明在微电容超声波换能器图形化上电极与振动薄膜之间增加了一层二氧化硅隔离层，防止上电极与振动薄膜之间形成欧姆接触，使微电容超声波换能器的上电极面积增大，提高了微电容超声波换能器的带宽和发射声压。本发明具有结构简单、工艺可控性好、成本低和适于大批量生产等优点。
【IPC分类】G01H11/06, B06B1/02, B81B7/02, B81C1/00
【公开号】CN105486399
【申请号】CN201510956913
【发明人】何常德, 张国军, 张文栋, 薛晨阳, 宋金龙, 王红亮
【申请人】中北大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月21日
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