專(zhuān)利名稱(chēng)：一種薄膜超聲換能器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲換能器領(lǐng)域，具體的說(shuō)，本發(fā)明涉及一種薄膜超聲換能器及其制
備方法。
背景技術(shù)：
聲學(xué)換能器及換能器陣列廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域。超聲換能 器及換能器陣列則是醫(yī)學(xué)超聲成像、及工業(yè)超聲檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備中最為關(guān)鍵的傳感部件。例 如醫(yī)學(xué)中對(duì)心臟、腹部器官以及胎兒的超聲檢查。工業(yè)上對(duì)鋼管、焊縫等的無(wú)損檢測(cè)。超聲 成像是通過(guò)超聲換探頭向目標(biāo)物發(fā)射超聲信號(hào)，接收目標(biāo)物不同位置的反射信號(hào)，分析和 處理目標(biāo)物反射信號(hào)的特性，獲取超聲成像信息。超聲成像的圖像質(zhì)量在物理上決定于超 聲換能器及陣列的性能。 基于MEMS技術(shù)制造的薄膜聲學(xué)器件是近年來(lái)出現(xiàn)的新型聲學(xué)換能器。相比傳統(tǒng) 的PZT換能器，薄膜聲學(xué)換能器則具有頻率范圍寬、一致性好及易于制作陣列等優(yōu)點(diǎn)，能夠
滿(mǎn)足高分辨率超聲成像的需要。薄膜聲學(xué)換能器主要分為電容式薄膜聲學(xué)換能器及壓電式 薄膜聲學(xué)換能器兩種。 圖1是現(xiàn)有的薄膜電容式聲學(xué)換能器的主要結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主 要包括設(shè)置基底100之上的第二電極104、位于第二電極104之上的絕緣層103、位于絕緣 層103上方的平坦部件101、以及位于平坦部件101之上的第一電極102。其中，第一電極 102和第二電極104構(gòu)成平板電容，在平板電容的上下極板中間的平坦部件101的內(nèi)部還形 成周邊密封的空腔105。該結(jié)構(gòu)依靠平坦部件101的振動(dòng)改變電容大小，來(lái)改變相應(yīng)的電學(xué) 傳感信號(hào)。 圖2是現(xiàn)有的薄膜壓電聲學(xué)換能器的主要結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，其結(jié)構(gòu)主要 由上電極112，壓電層lll，下電極113，支撐層114及空心硅基底110組成。其中，上電極 112、壓電層111和下電極113構(gòu)成換能器單元。該換能單元與支撐層114構(gòu)成薄膜換能器 的振動(dòng)膜。該振動(dòng)膜位于空心的硅杯結(jié)構(gòu)上。當(dāng)有時(shí)變電壓信號(hào)加在上電極112和下電極 113時(shí)，由于壓電層111的壓電效應(yīng)，使得振動(dòng)膜發(fā)生形變振動(dòng)，并向外輻射出聲波。當(dāng)外界 有聲波作用到振動(dòng)膜上時(shí)，振動(dòng)膜上的換能單元會(huì)將振動(dòng)膜的形變和振動(dòng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)，如美國(guó)專(zhuān)利No. 6548937就是采用這種結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)有的兩種薄膜超聲換能器都存在自身性能的不足薄膜電容式聲換能器接收靈 敏度較高，但發(fā)射效率低，而薄膜壓電式聲換能器發(fā)射效率較高，但接收靈敏度較低。作為 用于超聲成像及檢測(cè)的超聲換能器，是需要具有自發(fā)自收的能力，因此需要同時(shí)具備較高 的發(fā)射及接收超聲信號(hào)的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服現(xiàn)有技術(shù)中薄膜換能器同時(shí)接收和發(fā)射時(shí)靈敏度不高 的問(wèn)題，提供一種薄膜超聲換能器及其制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種薄膜超聲換能器及其制備方法，該薄膜超 聲換能器包含電容換能器單元，所述的電容換能器單元由下至上包含電容第二電極126、絕 緣層125、微氣隙130、支撐部件128及壓電第一電極123，其特征在于，該薄膜超聲換能器由 下至上還依次包含位于壓電第一電極123之上的壓電層122、以及位于壓電層122之上的 壓電第二電極121 ; 所述支撐部件128為可彎曲的壓電振動(dòng)膜，其下方中心的內(nèi)凹部位與所述絕緣層 125 —起形成一個(gè)封閉的微氣隙空腔。 所述的薄膜超聲換能器，其特征在于，所述的電容第二電極126、絕緣層125、微氣 隙130、支撐部件128、壓電第一電極123、壓電層122、以及位于壓電層122之上的壓電第二 電極121沿各部件水平放置的中心軸由下至上垂直放置。 —種薄膜超聲換能器的制備方法，該薄膜超聲換能器包含電容換能器單元及位于 該單元的壓電第一電極之上的壓電層122、位于該壓電層之上的壓電第二電極121，所述的 制備方法包含如下步驟 11)首先選取一個(gè)硅基片，在硅片的上表面制備電容第二電極； 12)在電容第二電極上制備絕緣層，再在絕緣層上制備犧牲層，并進(jìn)行圖形化，腐
蝕形成微氣隙的形狀； 13)在犧牲層上制備支撐層，再在支撐層上刻蝕出犧牲層釋放孔，并用光刻膠保護(hù) 釋放孔之外的區(qū)域，并通過(guò)濕法腐蝕或干法刻蝕的方法，將支撐層下方的犧牲層腐蝕，形成 微氣隙； 14)去除光刻膠，在支撐層上面制備壓電第一 電極，再在壓電第一 電極上面制備一 層或幾層壓電層，最后在壓電薄膜上制備壓電第二電極。 所述的薄膜超聲換能器制備方法，其特征在于，所述電容第二電極采用鋁膜、鉻 膜、金膜或鉑金膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成 的復(fù)合薄膜制作，厚度為0. 01 ii m 1 ii m也可以在硅片上表面注入高濃度參雜的物質(zhì)，形 成電容第二電極，厚度為0. 01 ii m 50 ii m。 —種薄膜超聲換能器的制備方法，該薄膜超聲換能器包含電容換能器單元及位于 該單元的壓電第一電極之上的壓電層122、位于壓電層之上的壓電第二電極121，所述的制 備方法包含如下步驟 21)選取一個(gè)SOI硅基片，SOI硅基片包含基底硅層、位于基底硅層上方的二氧化 層和位于二氧化硅層上方的第二硅層，腐蝕SOI硅片的第二硅層，形成微氣隙；
22)選取第二 SOI硅片，將第二 SOI硅片倒置，使第二 SOI硅片的第二硅層位于第 一 SOI硅片的第二硅層之上，并采用靜電鍵合工藝將第一 SOI硅片和第二 SOI硅片鍵合，則 完成了對(duì)微氣隙的密封制作； 23)腐蝕并完全去除第二 SOI硅片的基底硅層，并用氫氟酸溶液腐蝕去掉二氧化 硅層，所剩下的第二 SOI硅片的第二硅層即為換能器的支撐層； 24)在支撐層上面制備壓電第一電極，再在壓電第一電極上面制備一層或幾層壓 電層，最后在壓電薄膜上制備壓電第二電極。 —種薄膜超聲換能器的制造方法，該薄膜超聲換能器包含電容換能器單元及于該 單元的壓電第一電極之上的壓電層122、位于壓電層之上的壓電第二電極121，所述的制備
5方法包含如下步驟 31)選取一個(gè)低阻的硅基片，并對(duì)低阻硅片進(jìn)行氧化形成二氧化硅層，圖形化并腐 蝕二氧化硅層，形成臨時(shí)微氣隙； 32)對(duì)低阻硅片再次進(jìn)行氧化，使臨時(shí)微氣隙下方的硅形成二氧化硅絕緣層；
33)選取SOI硅片，該SOI硅片包括基底硅層、位于基底硅層上方的二氧化層和位 于二氧化硅層上方的第二硅層，將SOI硅片倒置，使SOI硅片的第二硅層位于低阻硅片之上 的二氧化硅層之上，并采用靜電鍵合工藝將SOI硅片和低阻硅片鍵合；
34)腐蝕并完全去除SOI硅片的基底硅層，并用氫氟酸溶液腐蝕去掉二氧化硅層， 所剩下的SOI硅片的第二硅層即為換能器的支撐層； 35)在支撐層上面制備壓電第一電極，再在壓電第一電極上面制備一層或幾層壓 電層，最后在壓電薄膜上制備壓電第二電極。 所述的步驟31)進(jìn)一步包含如下步驟從而改變微氣息的高度
31-1)腐蝕臨時(shí)微氣隙下方的硅，形成第二臨時(shí)微氣隙； 31-2)對(duì)硅片再次進(jìn)行氧化，使第二臨時(shí)微氣隙下方的硅形成二氧化硅絕緣層，該 二氧化硅絕緣層上方的空腔即為微氣隙。 所述支撐層128為可彎曲的壓電振動(dòng)膜，其下方中心與所述壓電第一電極相對(duì)的 位置，與所述絕緣層125 —起形成一個(gè)周邊封閉的空腔稱(chēng)為微氣隙130，
所述支撐層128、位于支撐層128之上的壓電第一電極123、位于壓電第一電極123 之上的壓電層122及位于壓電層122之上的壓電第二電極121，構(gòu)成壓電換能器單元150， 可實(shí)現(xiàn)壓電式薄膜超聲換能器的功能，其中，壓電第一電極123及壓電第二電極121構(gòu)成該 壓電式換能器單元的信號(hào)輸入及輸出電極對(duì)； 所述壓電第一電極123、支撐層128、微氣隙130、絕緣層125及電容第二電極126 構(gòu)成電容換能器單元160，其中，壓電第一電極123與導(dǎo)電層126構(gòu)成電容換能器單元160 的上下電極，支撐層128作為電容換能器單元160的振動(dòng)膜，其可以實(shí)現(xiàn)電容式薄膜聲換能 器的功能。 本發(fā)明的薄膜超聲換能器在使用時(shí)在發(fā)射信號(hào)時(shí)，可以單獨(dú)使用壓電換能器單 元150進(jìn)行發(fā)射，此時(shí)發(fā)射電壓施加在壓電第一電極123和壓電第二電極121上，此時(shí)換能 器的發(fā)射效率由壓電換能單元150決定，因此可以得到較高的發(fā)射效率；也可以單獨(dú)使用 電容換能器單元160進(jìn)行發(fā)射，此時(shí)發(fā)射電壓施加在壓電第一電極及電容第二電極之上； 也可同時(shí)使用壓電換能器單元150及電容換能器單元160進(jìn)行發(fā)射；在接收聲信號(hào)時(shí)，可以 單獨(dú)使用壓電換能器單元150或電容換能器單元160進(jìn)行接收，也可以同時(shí)使用壓電換能 器單元150和電容換能器單元160進(jìn)行接收，將兩個(gè)換能器單元接收并轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)進(jìn) 行同相串聯(lián)引出，從而得到總的輸出信號(hào)。此時(shí)，換能器的接收效率主要有電容換能器單元 160決定，其接收信號(hào)的大小為壓電換能器單元150和電容換能器單元160接收信號(hào)之和， 因此增大了接收信號(hào)。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，提供一種復(fù)合式超聲換能器，將常規(guī)的電容式和壓電式薄膜 超聲換能器制做在一個(gè)換能器結(jié)構(gòu)中，使得換能器能夠具備電容式薄膜超聲換能器接收靈 敏度較高的特點(diǎn)，同時(shí)兼?zhèn)鋲弘娛奖∧こ晸Q能器發(fā)射電壓響應(yīng)較高的特點(diǎn)，解決單一結(jié) 構(gòu)傳統(tǒng)換能器在自發(fā)自收的應(yīng)用中的發(fā)射或接收靈敏度不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)收發(fā)效率兼?zhèn)涞膹?fù)合式換能器c



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1是現(xiàn)有的薄膜電容式超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖； 2是現(xiàn)有的薄膜壓電式超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖； 3是本發(fā)明的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意圖； 4是基于圖3的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖； 5是基于圖3的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖； 6是基于圖3的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的的一個(gè)制作步驟示意圖； 7是基于圖3的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖； 8是本發(fā)明的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意圖； 9是基于圖8的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖； 10是基于圖8的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖； 11是基于圖8的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖； 12是本發(fā)明的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意圖； 13是基于圖12的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖
14是基于圖12的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖 15是基于圖12的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖 16是基于圖12的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖 17是基于圖12的薄膜超聲換能器的一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)制作步驟示意圖 18是本發(fā)明的薄膜超聲換能器的一個(gè)具有較深微氣息實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)示意
19是基于圖18的薄膜超聲換能器的-20是基于圖18的薄膜超聲換能器的-21是基于圖18的薄膜超聲換能器的-22是基于圖18的薄膜超聲換能器的-23是基于圖18的薄膜超聲換能器的-24是基于圖18的薄膜超聲換能器的-
-個(gè)實(shí)施方案的--個(gè)實(shí)施方案的--個(gè)實(shí)施方案的--個(gè)實(shí)施方案的--個(gè)實(shí)施方案的--個(gè)實(shí)施方案的-
-個(gè)制作 -個(gè)制作 -個(gè)制作 -個(gè)制作 -個(gè)制作 -個(gè)制作
:驟示 :驟示 :驟示 :驟示 :驟示 :驟示
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)施例1 圖3為本發(fā)明的薄膜壓電超聲換能器的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供的薄 膜聲換能器其結(jié)構(gòu)如圖3所示包括一個(gè)含有壓電層的平坦部件150，平坦部件150下方的 周邊封閉空腔130，以及上部制備有絕緣層125的電容第二電極126所組成。所述含有壓電 層的平坦部件150為可彎曲的壓電振動(dòng)膜，包括支撐層128、位于支撐層128之上的壓電第 一電極123、位于壓電第一電極123之上的壓電層122及位于壓電層122之上的壓電第二 電極121，構(gòu)成了壓電式聲學(xué)換能器單元150，因此可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)壓電薄膜超聲換能器的功 能；且壓電第一電極123、支撐層128、微氣隙130、絕緣層125及電容第二電極126構(gòu)成了
7電容式聲學(xué)換能器單元160，其中壓電第一電極123與導(dǎo)電層126則構(gòu)成電容式聲學(xué)換能器 單元160的上下電極，其中支撐層128為電容式聲學(xué)換能器160的振動(dòng)膜，其可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng) 的電容式薄膜聲換能器的功能。因此本發(fā)明的結(jié)構(gòu)將壓電和電容兩種薄膜換能器在結(jié)構(gòu)上 集成在了 一起，形成了 一個(gè)聯(lián)合式薄膜聲換能器。
圖4 圖7示出了該實(shí)例的一種基本制備流程。 如圖4所示，首先選取一個(gè)硅基片120，該硅基片120可以為n型或者p型硅片。硅 基片120具有一個(gè)上表面201和一個(gè)下表面202，在一個(gè)實(shí)施例中，該硅基片120的厚度為 400微米，但是可以理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)所需要的傳聲器芯片尺寸而選擇不同厚 度的硅基片120。 如圖4所示，在硅片120的上表面201制備導(dǎo)電平坦部件即電容第二電極126。 所述電容第二電極126可以采用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也 可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為 0.01iim liim。也可以在硅片120上表面201采用高濃度參雜(硼或磷)進(jìn)行注入，形 成電容第二電極126，厚度為0. 01 ii m 50 ii m?？梢岳斫猓搶訉?dǎo)電平坦部件主要用于電 學(xué)導(dǎo)通，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同的材料的薄膜，而非僅限于 上述幾種薄膜。 仍由圖4所示，在電容第二電極126上制備絕緣層125，該絕緣層125可以是氮化 硅薄膜、二氧化硅薄膜或以上薄膜組成的復(fù)合膜，以及其他成分的可以構(gòu)成鈍化層結(jié)構(gòu)的 薄膜，厚度為O. li!m 50iim。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同的材 料的薄膜，而非僅限于上述幾種薄膜。 由圖5所示，在絕緣層125上制備犧牲層127，厚度為0.01iim 50iim，并進(jìn)行圖 形化，腐蝕形成微氣隙130的形狀，該犧牲層127圖形化的形狀可以是任意幾何圖形，如圓 形、環(huán)形、矩形等，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同的犧牲層形狀，而 非僅限于上述幾種形狀。該犧牲層127可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、硅薄膜或以上薄 膜組成的復(fù)合膜，也可以是易腐蝕的有機(jī)薄膜、金屬薄膜如銅、鋁、金等，也可為易于被腐蝕 的化合物如氧化鋅薄膜等，可以理解，該層膜結(jié)構(gòu)主要用于對(duì)阻擋腐蝕液對(duì)硅片的腐蝕，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同的材料的薄膜，而非僅限于上述幾種薄 膜。 圖5所示，在犧牲層127上制備支撐層128，該支撐層128可以是氮化硅薄膜、二氧 化硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜組成的復(fù)合膜，厚度為0. 01 ii m 50 ii m，可以理解，該層膜結(jié) 構(gòu)主要用于對(duì)壓電薄膜的支撐和輔助振動(dòng)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選 擇不同的材料的薄膜，而非僅限于上述幾種薄膜。 如圖6所示，在支撐層128上刻蝕出犧牲層釋放孔140，并用光刻膠保護(hù)釋放孔 140之外的區(qū)域，并通過(guò)濕法腐蝕或干法刻蝕的方法，將支撐層128下方的犧牲層127腐蝕， 形成微氣隙130。然后，去除光刻膠。 如圖7所示，在支撐層128之上制備平坦層141，并圖形化刻蝕去除腐蝕孔127以 外的部分，用于添堵?tīng)奚鼘俞尫趴?40。該層平坦層141可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、 硅薄膜或以上薄膜組成的復(fù)合膜，厚度為0. 01 ii m 50 ii m，且應(yīng)至少大于犧牲層127的厚 度，可以理解，該層膜結(jié)構(gòu)主要用于將犧牲層釋放孔140進(jìn)行添堵，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以
8根據(jù)需要和工藝條件選擇不同的材料的薄膜，而非僅限于上述幾種薄膜。
由圖3所示在支撐層128上面制備壓電第一電極123，可采用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為0. 01 ii m 10 ii m。所述壓電第一電極123的位置位于犧牲層區(qū)域127正上方的支撐層128之上。 由圖3所示在壓電第一電極123上面制備一層或幾層壓電層122，該壓電薄膜的厚度為0.01iim 300iim，可以為單層薄膜，也可由多層薄膜組成。該壓電薄膜可以是氧化鋅(Zn0)、氮化鋁(A1N)、鋯鈦酸鉛(PZT)壓電薄膜或單晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)壓電薄膜或單晶、或其它適當(dāng)?shù)奶鎿Q壓電材料，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可根據(jù)實(shí)際需要作出選擇。
如圖3所示在壓電薄膜122上制備壓電第二電極121，壓電第二電極121可以采用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作。 由上所述，該發(fā)明的薄膜超聲換能器具有壓電第一電極123、壓電第二電極121及電容第二電極126三個(gè)電極，其中由壓電第一電極123及壓電第二電極121構(gòu)成壓電式換能器單元的信號(hào)輸入及輸出電極對(duì)，而壓電第一電極與電容第二電極則構(gòu)成了電容式換能單元的信號(hào)輸入及輸出電極對(duì)。使用中，可以將兩個(gè)換能器單元單獨(dú)使用，也可將這兩對(duì)電極對(duì)進(jìn)行同相串聯(lián)連接，可以增大接收信號(hào)，其信號(hào)值為兩種換能單元接收信號(hào)之和。
實(shí)施例2 圖8為本發(fā)明的薄膜壓電超聲換能器的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供的薄膜聲換能器其結(jié)構(gòu)如圖8所示包括一個(gè)含有壓電層的平坦部件250，平坦部件250下方的周邊封閉空腔230，以及上部制備有絕緣層225的電容第二電極226所組成，所述電容第二電極226為低阻的硅基底。所述含有壓電層的平坦部件250為可彎曲的壓電振動(dòng)膜，包括支撐層228、位于支撐層228之上的壓電第一電極223、位于壓電第一電極223之上的壓電層222及位于壓電層222之上的壓電第二電極221，構(gòu)成了壓電式聲學(xué)換能器單元250，因此可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)壓電薄膜超聲換能器的功能；且壓電第一電極223、支撐層228、微氣隙230、絕緣層225及電容第二電極226構(gòu)成了電容式聲學(xué)換能器單元260，其中壓電第一電極223與導(dǎo)電層226則構(gòu)成電容式聲學(xué)換能器單元260的上下電極，其中支撐層228為電容式聲學(xué)換能器260的振動(dòng)膜，其可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電容式薄膜聲換能器的功能。因此本發(fā)明的結(jié)構(gòu)將壓電和電容兩種薄膜換能器在結(jié)構(gòu)上集成在了一起，形成了一個(gè)聯(lián)合式薄膜聲換能器。
圖9 圖11示出了該實(shí)例的一種基本制備流程。如圖9所示，首先選取一個(gè)SOI硅基片200，該SOI硅基片200由低阻基底硅層226、二氧化硅層225和第二硅層224構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，低阻基底硅層226、二氧化硅層225和第二硅層224的厚度分別為400 y m、1 ii m和1 ii m，但是可以理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)所需要的傳聲器芯片尺寸而選擇不同厚度的硅基片200及基底低阻硅226、二氧化硅層225和第二硅層224厚度。
如圖9所示，腐蝕SOI硅片200的第二硅層224，形成微氣隙230的形狀，該微氣隙230的形狀可以是任意幾何圖形，如圓形、環(huán)形、矩形等，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同的形狀，而非僅限于上述幾種形狀。微氣隙230的厚度由SOI硅片200的第二硅層229的厚度決定，厚度為0. 01 ii m 50 ii m。 SOI硅片200的氧化層225即為絕緣層225，厚度為0. 1 ii m 50 ii m。
如圖10所示，選取第二 SOI硅片201，該第二 SOI硅片201包括基底硅層229、位于基底硅層上方的二氧化層227和位于二氧化硅層227上方的第二硅層228。將第二 SOI硅片201倒置，使第二 SOI硅片201的第二硅層227位于第一 SOI硅片200的第二硅層224之上，并采用靜電鍵合工藝將第一 SOI硅片200和第二 SOI硅片201鍵合。則完成了對(duì)微氣隙230的密封制作。 如圖11所示，腐蝕并去完全除第二 SOI硅片的基底硅層229，并用氫氟酸溶液(HF)腐蝕去掉二氧化硅層227。所剩下的第二 SOI硅片的第二硅層228即為換能器的支撐層228。該層支撐層厚度由第二 SOI硅片的第二硅層228的厚度決定，厚度為0. 01 y m 50 li m。 由圖8所示在支撐層228上面制備壓電第一電極223，可采用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為0.01iim 10iim。所述壓電第一電極223的位置位于微氣隙230之上。 由圖8所示在壓電第一 電極223上面制備一層或幾層壓電層222，該壓電薄膜的厚度為0.01iim 300iim，可以為單層薄膜，也可由多層薄膜組成。該壓電薄膜可以是氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(A1N)、鋯鈦酸鉛(PZT)壓電薄膜或單晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)壓電薄膜或單晶、或其它適當(dāng)?shù)奶鎿Q壓電材料，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可根據(jù)實(shí)際需要作出選擇。
如圖8所示在壓電薄膜222上制備壓電第二電極221，壓電第二電極221可以采用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為0. 01 ii m 10 ii m。
由上所述，該發(fā)明的薄膜超聲換能器具有壓電第一電極223、壓電第二電極221及電容第二電極226三個(gè)電極，其中由壓電第一電極223及壓電第二電極221構(gòu)成壓電式換能器單元的信號(hào)輸入及輸出電極對(duì)，而壓電第一電極與電容第二電極則構(gòu)成了電容式換能單元的信號(hào)輸入及輸出電極對(duì)。使用中，可以將兩個(gè)換能器單元單獨(dú)使用，也可將這兩對(duì)電極對(duì)進(jìn)行同相串聯(lián)連接，可以增大接收信號(hào)，其信號(hào)值為兩種換能單元接收信號(hào)之和。
實(shí)施例3 圖12為本發(fā)明的薄膜壓電超聲換能器的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供的薄膜聲換能器其結(jié)構(gòu)如圖12所示包括一個(gè)含有壓電層的平坦部件350，平坦部件350下方的周邊封閉空腔330，以及上部制備有絕緣層325的電容第二電極300所組成，所述電容第二電極300為低阻的硅基底。所述含有壓電層的平坦部件350為可彎曲的壓電振動(dòng)膜，包括支撐層328、位于支撐層328之上的壓電第一電極323、位于壓電第一電極323之上的壓電層322及位于壓電層322之上的壓電第二電極321，構(gòu)成了壓電式聲學(xué)換能器單元350，因此可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)壓電薄膜超聲換能器的功能；且壓電第一電極323、支撐層328、微氣隙330、絕緣層325及電容第二電極300構(gòu)成了電容式聲學(xué)換能器單元360，其中壓電第一 電極323與低阻硅基片300則構(gòu)成電容式聲學(xué)換能器單元360的上下電極，其中支撐層328為電容式聲學(xué)換能器360的振動(dòng)膜，其可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電容式薄膜聲換能器的功能。因此本發(fā)明的結(jié)構(gòu)將壓電和電容兩種薄膜換能器在結(jié)構(gòu)上集成在了一起，形成了一個(gè)聯(lián)合式薄膜聲換能器。 圖13 圖17示出了該實(shí)例的一種基本制備流程。如圖13所示，首先選取一個(gè)低阻的硅基片300，并對(duì)硅片300進(jìn)行氧化形成二氧化硅層324，厚度為0. 01 y m 50 y m。如圖14所示，圖形化并腐蝕二氧化硅層324，形成臨時(shí)微氣隙310，即被腐蝕掉的二氧化硅層324所在的區(qū)域，該臨時(shí)微氣隙310的形狀可以是任意幾何圖形，如圓形、環(huán)形、矩形等，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同的形狀，而非僅限于上述幾種形狀。
如圖15所示，對(duì)硅片300再次進(jìn)行氧化，使臨時(shí)微氣隙下方的硅形成二氧化硅絕緣層325，該層二氧化硅絕緣層325厚度為0. 01 ii m 50 ii m，但應(yīng)小于二氧化硅層324， 二氧化硅絕緣層325上方的空腔即為微氣隙330，可以理解二氧化硅層324與二氧化硅絕緣層325的厚度差即為為氣隙330的高度，該高度為0. 01 ii m 50 ii m。 如圖16所示，選取SOI硅片301，該SOI硅片301包括基底硅層329、位于基底硅層上方的二氧化層327和位于二氧化硅層327上方的第二硅層328。將SOI硅片301倒置，使SOI硅片301的第二硅層327位于低阻硅片300之上的二氧化硅層324之上，并采用靜電鍵合工藝將SOI硅片301和低阻硅片300鍵合。此時(shí)第二硅層327下方的封閉空腔即為換能器的微氣隙330，則完成了對(duì)微氣隙330的密封制作。 如圖17所示，腐蝕并去完全去除S0I硅片301的基底硅層329，并用氫氟酸溶液(HF)腐蝕去掉二氧化硅層327。所剩下的SOI硅片301的第二硅層328即為換能器的支撐層328。該層支撐層厚度由SOI硅片301的第二硅層328的厚度決定，厚度為0. 01 y m 50 li m。 由圖12所示在支撐層328上面制備壓電第一電極323，可采用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為0.01iim 10iim。所述壓電第一電極323的位置位于微氣隙330之上。 由圖12所示在壓電第一電極323上面制備一層或幾層壓電層322，該壓電薄膜的厚度為0. 01 i！ m 300 i！ m，可以為單層薄膜，也可由多層薄膜組成。該壓電薄膜可以是氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(A1N)、鋯鈦酸鉛(PZT)壓電薄膜或單晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)壓電薄膜或單晶、或其它適當(dāng)?shù)奶鎿Q壓電材料，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可根據(jù)實(shí)際需要作出選擇。
如圖12所示在壓電薄膜322上制備壓電第二電極321，壓電第二電極321可以采用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為0. 01 ii m 10 ii m。
由上所述，該發(fā)明的薄膜超聲換能器具有壓電第一電極323、壓電第二電極321及電容第二電極300三個(gè)電極，其中由壓電第一電極323及壓電第二電極321構(gòu)成壓電式換能器單元的信號(hào)輸入及輸出電極對(duì)，而壓電第一電極323與電容第二電極300則構(gòu)成了電容式換能單元的信號(hào)輸入及輸出電極對(duì)。使用中，可以將兩個(gè)換能器單元單獨(dú)使用，也可將這兩對(duì)電極對(duì)進(jìn)行同相串聯(lián)連接，可以增大接收信號(hào)，其信號(hào)值為兩種換能單元接收信號(hào)之和。 上述的實(shí)例3的制作過(guò)程中，需要指出的是微氣隙330的厚度主要有二氧化硅層324決定，如果需要高度更高的微氣隙則可采用下述方法制作。如圖18 圖24所示。如圖19所示，首先選取一個(gè)低阻的硅基片400，并對(duì)硅片400進(jìn)行氧化形成二氧化硅層424，厚度為0. 01 ii m 50 ii m。如圖20所示，圖形化并腐蝕二氧化硅層424，形成第一臨時(shí)微氣隙410，即被腐蝕掉的二氧化硅層324所在的區(qū)域，該第一臨時(shí)微氣隙310的形狀可以是任意幾何圖形，如圓形、環(huán)形、矩形等，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同 的形狀，而非僅限于上述幾種形狀。 如圖21所示，腐蝕第一臨時(shí)微氣隙410下方的硅，形成第二臨時(shí)微氣隙411，腐蝕 的深度示例性的為lPm，使第二微氣隙411的厚度不受氧化層424厚度的限制，本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同的腐蝕深度，形成滿(mǎn)足需要的第二臨時(shí)微氣隙 411。 如圖22所示，對(duì)硅片400再次進(jìn)行氧化，使第二臨時(shí)微氣隙411下方的硅形成二 氧化硅絕緣層425，該層二氧化硅絕緣層425厚度為0. 01 ii m 50 ii m，但應(yīng)小于二氧化硅 層424， 二氧化硅絕緣層425上方的空腔即為微氣隙430，可以理解微氣隙430的高度主要 由第二臨時(shí)微氣隙411的高度決定，該高度為0.01iim 50iim。 如圖23所示，選取SOI硅片401，該SOI硅片401包括基底硅層429、位于基底硅 層上方的二氧化層427和位于二氧化硅層427上方的第二硅層428。將SOI硅片401倒置， 使SOI硅片401的第二硅層427位于低阻硅片400之上的二氧化硅層424之上，并采用靜 電鍵合工藝將SOI硅片401和低阻硅片400。此時(shí)第二硅層427下方的封閉空腔即為換能 器的微氣隙430，則完成了對(duì)微氣隙430的密封制作。 如圖24所示，腐蝕并去完全去除SOI硅片401的基底硅層429，并用氫氟酸溶液 (HF)腐蝕去掉二氧化硅層427。所剩下的SOI硅片401的第二硅層428即為換能器的支撐 層428。該層支撐層厚度由SOI硅片301的第二硅層428的厚度決定，厚度為0. 01 y m 50 ii m。 由圖18所示在支撐層428上面制備壓電第一電極323，可采用鋁(Al)膜、鉻(Cr) 膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金 屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為0.01iim 10iim。所述壓電第一電極323的位置位于 微氣隙330之上。 由圖18所示在壓電第一電極423上面制備一層或幾層壓電層422，該壓電薄膜的 厚度為0. 01 ii m 300 ii m，可以為單層薄膜，也可由多層薄膜組成。該壓電薄膜可以是氧化 鋅(ZnO)、氮化鋁(A1N)、鋯鈦酸鉛(PZT)壓電薄膜或單晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)壓電薄 膜或單晶、或其它適當(dāng)?shù)奶鎿Q壓電材料，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可根據(jù)實(shí)際需要作出選擇。
如圖18所示在壓電薄膜422上制備壓電第二電極421，壓電第二電極421可以 采用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成 的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為0. 01 ii m 10 ii m，即完成該 實(shí)例的制作。 最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種薄膜超聲換能器，該薄膜超聲換能器包含電容換能器單元，所述的電容換能器單元由下至上包含電容第二電極(126)、絕緣層(125)、微氣隙(130)、支撐部件(128)及壓電第一電極(123)，其特征在于，該薄膜超聲換能器由下至上還依次包含位于壓電第一電極(123)之上的壓電層(122)、以及位于壓電層(122)之上的壓電第二電極(121)；所述支撐部件(128)為可彎曲的壓電振動(dòng)膜，其下方中心的內(nèi)凹部位與所述絕緣層(125)一起形成一個(gè)封閉的微氣隙空腔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的薄膜超聲換能器，其特征在于，所述的電容第二電極(126)、絕緣層(125)、微氣隙(130)、支撐部件(128)、壓電第一電極(123)、壓電層(122)、及壓電第二電極(121)的所有部件重心在一條直線(xiàn)由下至上依次放置。
3. —種薄膜超聲換能器的制備方法，該薄膜超聲換能器包含電容換能器單元及位于該單元的壓電第一電極之上的壓電層(122)、位于該壓電層之上的壓電第二電極(121)，所述的制備方法包含如下步驟11) 首先選取一個(gè)硅基片，在硅片的上表面制備電容第二電極；12) 在電容第二電極上制備絕緣層，再在絕緣層上制備犧牲層，并進(jìn)行圖形化，腐蝕形成微氣隙的形狀；13) 在犧牲層上制備支撐層，再在支撐層上刻蝕出犧牲層釋放孔，并用光刻膠保護(hù)釋放孔之外的區(qū)域，并通過(guò)濕法腐蝕或干法刻蝕的方法，將支撐層下方的犧牲層腐蝕，形成微氣隙；14) 去除光刻膠，在支撐層上面制備壓電第一 電極，再在壓電第一 電極上面制備一層或幾層壓電層，最后在壓電薄膜上制備壓電第二電極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜超聲換能器制備方法，其特征在于，所述電容第二電極采用鋁膜、鉻膜、金膜或鉑金膜制作，也可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作，厚度為0. 01 ii m 1 ii m ;也可以在硅片上表面澆注高濃度參雜的物質(zhì)，形成電容第二電極，厚度為0.01iim 50iim。
5. —種薄膜超聲換能器的制備方法，該薄膜超聲換能器包含電容換能器單元及位于該單元的壓電第一電極之上的壓電層(122)、位于壓電層之上的壓電第二電極(121)，所述的制備方法包含如下步驟21) 選取一個(gè)SOI硅基片，SOI硅基片包含基底硅層、位于基底硅層上方的二氧化層和位于二氧化硅層上方的第二硅層，腐蝕SOI硅片的第二硅層，形成微氣隙；22) 選取第二 SOI硅片，將第二 SOI硅片倒置，使第二 SOI硅片的第二硅層位于第一 SOI硅片的第二硅層之上，并采用靜電鍵合工藝將第一 SOI硅片和第二 SOI硅片鍵合，則完成了對(duì)微氣隙的密封制作；23) 腐蝕并完全去除第二 SOI硅片的基底硅層，并用氫氟酸溶液腐蝕去掉二氧化硅層，所剩下的第二 SOI硅片的第二硅層即為換能器的支撐層；24) 在支撐層上面制備壓電第一 電極，再在壓電第一 電極上面制備一層或幾層壓電層，最后在壓電薄膜上制備壓電第二電極。
6. —種薄膜超聲換能器的制造方法，該薄膜超聲換能器包含電容換能器單元及于該單元的壓電第一電極之上的壓電層(122)、位于壓電層之上的壓電第二電極(121)，所述的制備方法包含如下步驟31) 選取一個(gè)低阻的硅基片，并對(duì)低阻硅片進(jìn)行氧化形成二氧化硅層，圖形化并腐蝕二氧化硅層，形成臨時(shí)微氣隙；32) 對(duì)低阻硅片再次進(jìn)行氧化，使臨時(shí)微氣隙下方的硅形成二氧化硅絕緣層；33) 選取SOI硅片，該SOI硅片包括基底硅層、位于基底硅層上方的二氧化層和位于二氧化硅層上方的第二硅層，將SOI硅片倒置，使SOI硅片的第二硅層位于低阻硅片之上的二氧化硅層之上，并采用靜電鍵合工藝將SOI硅片和低阻硅片鍵合；34) 腐蝕并完全去除SOI硅片的基底硅層，并用氫氟酸溶液腐蝕去掉二氧化硅層，所剩下的SOI硅片的第二硅層即為換能器的支撐層；35) 在支撐層上面制備壓電第一 電極，再在壓電第一 電極上面制備一層或幾層壓電層，最后在壓電薄膜上制備壓電第二電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的薄膜超聲換能器的制備方法，其特征在于，所述的步驟31)進(jìn)一步包含如下步驟從而改變微氣息的高度31-1)腐蝕臨時(shí)微氣隙下方的硅，形成第二臨時(shí)微氣隙；31-2)對(duì)硅片再次進(jìn)行氧化，使第二臨時(shí)微氣隙下方的硅形成二氧化硅絕緣層，該二氧化硅絕緣層上方的空腔即為微氣隙。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄膜超聲換能器及其制備方法，該薄膜超聲換能器包含電容換能器單元，所述的電容換能器單元由下至上包含電容第二電極(126)、絕緣層(125)、微氣隙(130)、支撐部件(128)及壓電第一電極(123)，其特征在于，該薄膜超聲換能器由下至上還依次包含位于壓電第一電極(123)之上的壓電層(122)、以及位于壓電層(122)之上的壓電第二電極(121)；所述支撐部件(128)為可彎曲的壓電振動(dòng)膜，其下方中心的內(nèi)凹部位與所述絕緣層(125)一起形成一個(gè)封閉的微氣隙空腔。本發(fā)明還提供了3種制備薄膜超聲換能器的方法，由下至上依次制備各個(gè)部件，尤其提供了幾種制備微氣息的方式。
文檔編號(hào)B06B1/06GK101712028SQ20091023803
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者喬?hào)|海, 郝震宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所