超声换能器单元、超声换能器阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种超声换能器单元、超声换能器阵列及其制备方法，涉及电容式微机械超声换能技术领域，该超声换能器阵列中的超声换能器单元包括：相互键合的上基板和下基板，上基板由下至上依次包括第一器件层、第一绝缘层和至少一个图案化的上电极；下基板为SOI基板，由下至上依次包括下电极、第二绝缘层、第二衬底、第三绝缘层和孤立的岛形第二器件层；岛形第二器件层上表面形成有至少一个凹槽，凹槽及岛形第二器件层的上表面覆盖有第四绝缘层；岛形第二器件层下方的第三绝缘层和第二衬底中形成有通孔，第二绝缘层覆盖第二衬底下表面及通孔的侧壁，下电极覆盖通孔。本发明专利技术可有效提高超声换能器阵列的灵敏度。换能器阵列的灵敏度。换能器阵列的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
超声换能器单元、超声换能器阵列及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电容式微机械超声换能
，尤其涉及一种超声换能器单元、超声换能器阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT)是一个平行板电容器，主要由上极板、下极板、两个极板之间的绝缘层和绝缘层中的空腔构成。上极板为可动膜片，主要是在硅上淀积铝膜制作而成；下极板固定不可动，通常是在高掺杂硅衬底上淀积铝膜制作而成。
[0003]在发射超声波的模式下，需要通过铝膜在上极板和下极板之间加直流偏置电压和交流激励，使上极板发生振动产生并发射超声波。在接收超声波的模式下，也需要通过铝膜在上极板和下极板之间加直流偏置电压，接收到的超声波使上极板发生振动，从而使得两极板间空腔的大小发生变化，引起电容的变化，进而在两极板间产生交流信号。
[0004]多个CMUT按照行列对齐的方式形成平面的二维阵列，接收到的超声波经过信号处理可以形成三维图像，因此获得广泛的应用。现有的超声换能器阵列中所有超声换能器单元共用一整块下极板，在工作过程中，各个超声换能器单元之间会产生相互影响，一旦某个局部区域出现了问题或缺陷，将影响其它超声换能器单元的正常工作。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种超声换能器单元、超声换能器阵列及其制备方法，用以克服上述现有技术中存在的技术问题，以使各个超声换能器单元能独立工作，互不干扰，提高了整个超声换能器阵列的灵敏度。
[0006]本专利技术提供的一种超声换能器单元，包括：相互键合的上基板和下基板，所述上基板由下至上依次包括第一器件层、第一绝缘层和至少一个图案化的上电极；所述下基板为SOI基板，由下至上依次包括下电极、第二绝缘层、第二衬底、第三绝缘层和孤立的岛形第二器件层；所述岛形第二器件层上表面形成有至少一个凹槽，所述凹槽及所述岛形第二器件层的上表面覆盖有第四绝缘层；所述岛形第二器件层下方的所述第三绝缘层和所述第二衬底中形成有通孔，所述第二绝缘层覆盖所述第二衬底下表面及所述通孔的侧壁，所述下电极覆盖所述通孔。
[0007]进一步地，所述第一器件层为SOI基板去除衬底和绝缘层后形成。
[0008]可选地，所述凹槽与所述上电极一一对应。
[0009]可选地，所述上电极的面积小于或等于对应的所述凹槽的面积。
[0010]可选地，所述上电极的中心位置与对应的所述凹槽的中心位置一致，所述通孔的中心位置与所述岛形第二器件层的中心位置一致。
[0011]进一步地，所述下电极在所述第二衬底下表面的所述第二绝缘层上延伸形成倒装工艺连接点。
[0012]进一步地，所述下基板还包括包围所述岛形第二器件层的隔离槽，所述隔离槽的底部露出所述第三绝缘层，所述隔离槽用于将所述岛形第二器件层与相邻的岛形第二器件层电绝缘。
[0013]本专利技术提供的一种超声换能器阵列，包括阵列排布的多个上述的超声换能器单元，所有的所述超声换能器单元共用所述第一器件层、所述氧化绝缘层、所述第二绝缘层、所述第二衬底和所述第三绝缘层；所有的所述隔离槽连通形成网状；相邻的所述超声换能器单元的所述岛形第二器件层之间通过所述隔离槽电绝缘。
[0014]进一步地，所有的所述超声换能器单元的所述上电极中，位于同一列的所述上电极通过纵向互连线电连接，位于同一行的所述上电极通过横向互连线电连接。
[0015]本专利技术提供的一种超声换能器阵列的制备方法，包括：(1)在第二SOI基板的第二器件层上刻蚀网状的隔离槽，直到露出第三绝缘层，形成多个孤立的岛形第二器件层；(2)在所述岛形第二器件层上表面淀积氧化绝缘层后，刻蚀至少一个凹槽，直到露出所述岛形第二器件层，再在所述凹槽表面淀积所述氧化绝缘层，所述凹槽表面和所述岛形第二器件层上表面的所述氧化绝缘层构成第四绝缘层；(3)将第一SOI基板的第一器件层与所述第二SOI基板具有所述凹槽的表面进行键合；(4)在所述第二SOI基板的第二衬底上形成通孔；(5)在所述第二衬底的表面和所述通孔内表面淀积第二绝缘层，并继续刻蚀所述通孔底部的所述第二绝缘层和所述第二SOI基板的第三绝缘层，直到露出所述岛形第二器件层；(6)形成下电极，所述下电极覆盖所述通孔；(7)依次去除所述第一SOI基板的所述第一器件层上的衬底和绝缘层；(8)在所述第一器件层上依次形成第一绝缘层和图案化的上电极。
[0016]可选地，所述步骤(6)包括：在所述第二绝缘层表面覆盖导电金属，使所述导电金属填充所述通孔；将所述导电金属的表面打磨平整；图案化所述导电金属，使所述导电金属在所述第二衬底下表面的所述第二绝缘层上延伸形成倒装工艺连接点。
[0017]可选地，所述步骤(8)包括：在所述第一器件层上依次形成所述第一绝缘和导电金属层；刻蚀所述导电金属层形成所述图案化的上电极。
[0018]进一步地，所述岛形第二器件层表面为正方形。
[0019]进一步地，所述上电极为扁圆柱体形。
[0020]进一步地，所述通孔的形状为圆柱体形。
[0021]本专利技术提供的超声换能器单元、超声换能器阵列及其制备方法中，超声换能器单元的下基板采用了SOI基板，其中的第二器件层被形成了与相邻超声换能器单元第二器件层相隔离的孤岛，岛形第二器件层上表面形成有至少一个凹槽，且凹槽表面和岛形第二器件层上表面都覆盖有第四绝缘层，绝缘的凹槽与相键合的上基板的第一器件层之间形成了空腔，而第一器件层形成为传递超声波的振动薄膜。
[0022]岛形第二器件层下方隔着第三绝缘层的第二衬底中形成有通孔，通孔内填充有下电极，且下电极与第二衬底之间隔着第二绝缘层，使单个下电极能与单个岛形第二器件层下表面实现欧姆接触，而与第二衬底电绝缘。上基板上表面形成有图案化的上电极，通过在该超声换能器单元的上电极和下电极之间施加偏置电压，该超声换能器单元能独立实现超声波的发射和接收功能。
[0023]在由该超声换能器单元组成的超声换能器阵列中，由于每个超声换能器单元都形成有独立的下电极，实现了每个超声换能器单元单独控制，不受其它超声换能器的影响，不
仅提高了超声换能器单元的抗干扰性，也提高了整个超声换能器阵列的灵敏度。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术实施例提供的一种超声换能器单元的剖面示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例提供的一种超声换能器阵列的局部剖面示意图；
[0027]图3为本专利技术实施例提供的一种超声换能器阵列的局部顶面示意图；
[0028]图4为本专利技术实施例提供的一种超声换能器阵列下基板的形成有凹槽表面的局部顶面示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声换能器单元，其特征在于，包括：相互键合的上基板和下基板，所述上基板由下至上依次包括第一器件层、第一绝缘层和至少一个图案化的上电极；所述下基板为SOI基板，由下至上依次包括下电极、第二绝缘层、第二衬底、第三绝缘层和孤立的岛形第二器件层；所述岛形第二器件层上表面形成有至少一个凹槽，所述凹槽及所述岛形第二器件层的上表面覆盖有第四绝缘层；所述岛形第二器件层下方的所述第三绝缘层和所述第二衬底中形成有通孔，所述第二绝缘层覆盖所述第二衬底下表面及所述通孔的侧壁，所述下电极覆盖所述通孔。2.根据权利要求1所述的超声换能器单元，其特征在于，所述第一器件层为SOI基板去除衬底和绝缘层后形成。3.根据权利要求1或2所述的超声换能器单元，其特征在于，所述凹槽与所述上电极一一对应。4.根据权利要求3所述的超声换能器单元，其特征在于，所述上电极的面积小于或等于对应的所述凹槽的面积。5.根据权利要求3所述的超声换能器单元，其特征在于，所述上电极的中心位置与对应的所述凹槽的中心位置一致，所述通孔的中心位置与所述岛形第二器件层的中心位置一致。6.根据权利要求1或2所述的超声换能器单元，其特征在于，所述下电极在所述第二衬底下表面的所述第二绝缘层上延伸形成倒装工艺连接点。7.根据权利要求1或2所述的超声换能器单元，其特征在于，所述下基板还包括包围所述岛形第二器件层的隔离槽，所述隔离槽的底部露出所述第三绝缘层，所述隔离槽用于将所述岛形第二器件层与相邻的岛形第二器件层电绝缘。8.一种超声换能器阵列，其特征在于，包括阵列排布的多个权利要求1～7任一项所述的超声换能器单元，所有的所述超声换能器单元共用所述第一器件层、所述氧化绝缘层、所述第二绝缘层、所述第二衬底和所述第三绝缘层；所有的所述隔离槽连通形成网状；相邻的所述超声换能器单元的所述岛形第二器件层之间通过所述隔离槽电绝缘。9.根据权利要求8所述的超声换能器阵列，其特征在于，所有的所述超声换能器...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文栋，何常德，张彦军，薛晨阳，任勇峰，王红亮，甄国涌，张国军，杨玉华，王任鑫，崔建功，焦新泉，沈姝君，卢小星，
申请(专利权)人：太原市华纳方盛科技有限公司，
类型：发明
国别省市：