基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器及其制备方法技术

本发明专利技术为一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器及其制备方法，属于MEMS技术领域。该换能器由SOI片和氧化片通过共晶键合技术制备而成，包括沉积在SOI片器件层的金属上电极、氧化片的氧化层图形化空腔结构后沉积金属下电极，SOI片器件层和氧化片金属图形化面共晶键合形成密封真空电容腔，SOI片衬底层刻蚀有硅波导管。本发明专利技术换能器设计了集成硅波导管结构，上下电极在同侧引出，具有发射超声波束能量集中，改善了CMUT的方向性，能抑制阵元间的串扰等优点。能抑制阵元间的串扰等优点。能抑制阵元间的串扰等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器及其制备方法


[0001]本专利技术属于MEMS
，具体是一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器及其制备方法。

技术介绍

[0002]超声波具有方向性好、穿透能力强、声能易集中、水中传播距离远等特点，已成为传递物质信息的一种重要手段，可用于医学诊断、无损检测、测距、测速、清洗、焊接、杀菌消毒等方面，在医学、军事、工业、农业等众多领域有着广泛的应用。在医学方面，超声成像在实时监控、定量分析和治疗规划等方面都具有很大的潜力，通过计算机对医学超声图像进行分析，可以给医疗专家提供更精确的辅助诊断数据，使医疗专家摆脱繁重的人工观察和诊断。医学超声影像学极大地拓展了临床医学的领域，丰富了临床医学的内容，为医疗卫生事业的发展做出了积极的贡献，已成为临床医学中不可缺少的、自成体系的一门独立学科。
[0003]研究CMUT的想法最初是为了研制一种能够工作于MHz频率范围的高性能空气耦合超声换能器。后来，一个简单的水下试验表明密封CMUT在水中比压电换能器具有巨大的带宽优势，由此引起了浸水应用密封CMUT的研究和发展。CMUT是静电换能器，其优点在于电容空腔内具有很大的电场，并具有比压电材料更高的机电耦合系数。利用MEMS技术可以实现小真空腔，并能够通过相对低的电压建立较高的电场。因此可以研制出可用的器件，甚至可以直接与电子电路进行集成。目前，CMUT的发射和接收灵敏度有待进一步增强，以更好的解决超声换能器的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器。本专利技术换能器设计了集成硅波导管结构，上下电极在同侧引出，具有发射超声波束能量集中、改善了CMUT的方向性、能抑制阵元间的串扰等优点。
[0005]本专利技术是通过如下技术方案实现的：本专利技术提供了一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器，主要由SOI片结构和氧化片结构对接键合而成；SOI片结构包括圆形的SOI片， SOI片自上而下依次为器件层、埋氧层和衬底层，器件层的顶面设置有氧化硅绝缘层，氧化硅绝缘层的顶面设置有金属Cr层，金属Cr层的顶面设置有金属Au层；SOI片结构上设置有上电极引线孔、下电极引线孔和波导槽，波导槽从衬底层的底面中心处向上延设并截止于器件层处；上电极引线孔和下电极引线孔对称的设置在波导槽的两侧，上电极引线孔和下电极引线孔均是从衬底层的底面向上延设并依次贯穿过衬底层、埋氧层、器件层和氧化硅绝缘层后截止于金属Cr层；SOI片结构上设置有圆环形凹槽和下电极引线过渡孔，圆环形凹槽的外径与波导槽的直径相同，圆环形凹槽从金属Au
层的顶面中心处向下延设并依次贯穿过金属Au层和金属Cr层后截止于氧化硅绝缘层处，位于圆环形凹槽内的金属Au层顶面设置有SiO2绝缘层；下电极引线过渡孔设置于圆环形凹槽的一侧，下电极引线过渡孔的直径与下电极引线孔的直径相同，下电极引线过渡孔从金属Au层的顶面向下延设并依次贯穿过金属Au层和金属Cr层后与下电极引线孔对接连通；氧化片结构包括圆形的双面氧化片，双面氧化片自上而下依次是顶层氧化层、体硅层和底层氧化层，双面氧化片的直径与SOI片的直径相同，双面氧化片的顶层氧化层上设置有圆形凹槽和下电极引线槽，圆形凹槽位于其中心位置处，下电极引线槽位于圆形凹槽一侧的位置处，圆形凹槽的直径与SOI片结构中圆环形凹槽的外径相同，下电极引线槽的直径与下电极引线孔的直径相同；顶层氧化层的顶面设置有金属Cr层，金属Cr层的顶面设置有金属Au层，圆形凹槽的槽底以及下电极引线槽的槽底均设置有直径略小于槽直径的圆形金属Cr层，圆形金属Cr层的顶层设置有与其直径相同的圆形金属Au层；SOI片结构和氧化片结构对齐后以各自结构上的金属Au层作为键合面对接进行共晶键合即可；其中，波导槽形成硅波导管；位于波导槽与圆环形凹槽之间的器件层及氧化硅绝缘层部分形成硅振动薄膜；圆环形凹槽与圆形凹槽对接合围形成密封真空电容腔，共晶键合的金属Au层形成电容腔的上支撑，双面氧化片的顶层氧化层形成电容腔的底支撑；位于圆环形凹槽内的金属Au层及金属Cr层部分形成金属上电极，位于圆形凹槽内的圆形金属Au层及圆形金属Cr层形成金属下电极，并且金属上电极的SiO2绝缘层与金属下电极之间留有空隙，金属上电极的直径为密封真空电容腔直径的一半；下电极引线槽内的圆形金属Au层及圆形金属Cr层形成下电极引线pad点，下电极引线槽与下电极引线过渡孔及下电极引线孔对接形成完整的下电极引线孔。
[0006]作为优选的技术方案，硅波导管的管壁厚度大于30μm，密封真空电容腔的高度为0.2μm、直径为70
‑
80μm，金属上、下电极的厚度均为220nm，金属上电极的SiO2绝缘层与金属下电极之间的间距为200nm。
[0007]进一步的，本专利技术还提供了上述基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器的制备方法，包括如下步骤：1）取SOI片，在SOI片的器件层沉积氧化硅绝缘层，在氧化硅绝缘层上依次溅射Cr和Au以形成金属Cr层和金属Au层，然后进行图形化处理以形成圆环形凹槽、下电极引线过渡孔以及键合区域，其中圆环形凹槽内的金属Cr层和金属Au层形成金属上电极；2）在SOI片的圆环形凹槽内的金属Au层沉积SiO2绝缘层；3）取双面氧化片，在顶层氧化层上刻蚀形成圆形凹槽和下电极引线槽；4）在顶层氧化层上依次溅射Cr和Au以形成金属Cr层和金属Au层，然后进行图形化处理，使位于圆形凹槽和下电极引线槽内的金属Cr层和金属Au层的直径略小于应对的槽直径，同时形成键合区域，其中，圆形凹槽内的金属Cr层和金属Au层形成金属下电极，下电极引线槽内的金属Cr层和金属Au层形成下电极引线pad点；5）将步骤 2）和步骤 4）所得到的器件以金属Au层作为键合面进行共晶键合，SOI片上的圆环形凹槽与双面氧化片上的圆形凹槽对接形成真空密封电容腔；6）对步骤 5）得到的器件在SOI片的衬底层面进行光刻，刻蚀掉部分衬底层和部分埋氧层，形成部分上电极引线孔、部分下电极引线孔、硅波导管以及硅振动薄膜；7）对步骤 6）得到的器件中的部分上电极引线孔和部分下电极引线孔继续进行刻
蚀，刻蚀掉部分上电极引线孔底部的器件层和氧化硅绝缘层并露出金属Cr层，从而形成完整的上电极引线孔，刻蚀掉部分下电极引线孔底部的器件层和氧化硅绝缘层后与下电极引线过渡孔及下电极引线槽连通并露出下电极引线槽内的金属Cr层和金属Au层，从而形成完整的下电极引线孔；8）对步骤7）得到的器件进行划片、压焊、引线；9）对步骤8）得到的器件进行Parylene
‑
C沉积密封后，即得到了所述的基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器。
[0008]本专利技术的有益效果如下：1）得益于共晶键合技术和MEMS工艺，本专利技术中的集成硅波导管结构，具有发射超声波束能量集中、改善了CMUT的方向性、抑制了阵元间的串扰等优点，同时换能器结构的尺寸可以做到很小。
[0009]2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器，其特征在于：主要由SOI片结构和氧化片结构对接键合而成；SOI片结构包括圆形的SOI片， SOI片自上而下依次为器件层、埋氧层和衬底层，器件层的顶面设置有氧化硅绝缘层，氧化硅绝缘层的顶面设置有金属Cr层，金属Cr层的顶面设置有金属Au层；SOI片结构上设置有上电极引线孔、下电极引线孔和波导槽，波导槽从衬底层的底面中心处向上延设并截止于器件层处；上电极引线孔和下电极引线孔对称的设置在波导槽的两侧，上电极引线孔和下电极引线孔均是从衬底层的底面向上延设并依次贯穿过衬底层、埋氧层、器件层和氧化硅绝缘层后截止于金属Cr层；SOI片结构上设置有圆环形凹槽和下电极引线过渡孔，圆环形凹槽的外径与波导槽的直径相同，圆环形凹槽从金属Au层的顶面中心处向下延设并依次贯穿过金属Au层和金属Cr层后截止于氧化硅绝缘层处，位于圆环形凹槽内的金属Au层顶面设置有SiO2绝缘层；下电极引线过渡孔设置于圆环形凹槽的一侧，下电极引线过渡孔的直径与下电极引线孔的直径相同，下电极引线过渡孔从金属Au层的顶面向下延设并依次贯穿过金属Au层和金属Cr层后与下电极引线孔对接连通；氧化片结构包括圆形的双面氧化片，双面氧化片自上而下依次是顶层氧化层、体硅层和底层氧化层，双面氧化片的直径与SOI片的直径相同，双面氧化片的顶层氧化层上设置有圆形凹槽和下电极引线槽，圆形凹槽位于其中心位置处，下电极引线槽位于圆形凹槽一侧的位置处，圆形凹槽的直径与SOI片结构中圆环形凹槽的外径相同，下电极引线槽的直径与下电极引线孔的直径相同；顶层氧化层的顶面设置有金属Cr层，金属Cr层的顶面设置有金属Au层，圆形凹槽的槽底以及下电极引线槽的槽底均设置有直径略小于槽直径的圆形金属Cr层，圆形金属Cr层的顶层设置有与其直径相同的圆形金属Au层；SOI片结构和氧化片结构对齐后以各自结构上的金属Au层作为键合面对接进行共晶键合即可；其中，波导槽形成硅波导管；位于波导槽与圆环形凹槽之间的器件层及氧化硅绝缘层部分形成硅振动薄膜；圆环形凹槽与圆形凹槽对接合围形成密封真空电容腔；位于圆环形凹槽内的金属Au层及金属Cr层部分形成金属上电极，位于圆形凹槽内的圆形金属Au层及圆形金属Cr层形成金属下电极，并且金属上电极的SiO2绝缘层与金属下电极之间留有空隙，金属上电极的直径为密封真空电容腔直径的一半；下电极引线槽内的圆形金属Au层及圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：王任鑫，张文栋，王智豪，秦芸，张国军，何常德，王红亮，杨玉华，张赛，崔建功，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：