CN101844130A - 阵列式硅微超声换能器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式硅微超声换能器及其制造方法，首先在衬底上形成带有下电极导电金属层的压电陶瓷厚膜，然后在衬底的背面形成预定形状和数量的刻蚀图形阵列。最后在压电陶瓷厚膜上方形成与所述刻蚀图形阵列相对应的上电极阵列。本发明形成的器件制备工艺简单且共振频率及有效机电耦合系数高。

Description

阵列式硅微超声换能器及其制造方法

技术领域

本发明属于压电型超声换能器领域，具体涉及一种阵列式硅微超声换能器及其制造方法。

背景技术

传统的超声换能器驱动材料大多为压电陶瓷，制备技术较为成熟，器件尺寸大，驱动能力强，应用广泛。但加工水平较低，加工精度一般在毫米量级，一致性及精度较差，阵列化困难，限制了超声成像及无损检测领域的发展。在这种情况下出现了基于微加工技术制备的硅微超声换能器。由于硅微加工技术本身加工工艺的特点，使得换能器不仅具有尺寸小频率高的特定，而且极易阵列化，其阵列方式自由可控，阵列化后一致性非常高。由于这些优点，硅微超声换能器阵列得到了越来越多的关注。

由于硅微加工技术本身阵列化制备的特点，阵列化技术已经不再是超声换能器制备的瓶颈。因此，硅微超声换能器的研究多聚焦于单个硅微超声换能器的性能。如何制备并选用合适的驱动材料成为硅微超声换能器的研究热点之一。2009年，美国“传感器和驱动器A：物理”杂志报道了一种基于锆钛酸盐厚膜的硅微超声换能器(Sensors and Actuators A：Physical，2009，149：277-283)，其共振频率在百kHZ量级，发射声压为目前同类产品中最高(107分贝)，但其压电材料为混合法制备，所得压电厚膜性能差(d₃₃约为70皮米/伏)，器件的有效机电耦合系数也较低(4.91％)。国内也有过类似研究，2010年，中国科学院声学所研究了一种基于氧化锌的硅微超声换能器(声学学报，2010，1：1-8)，频率约为71kHz，可以在水中充当传声器，但仍然无法避免氧化锌压电性能差的缺陷。较差的压电材料性能以及较低的机电转换能力影响了微机电系统(MEMS)压电超声换能器及其阵列的应用。

因此，针对传统压电超声换能器频率低，阵列化困难的缺点，及现有硅微超声换能器驱动材料压电性能差，有效机电耦合系数低等不足等问题，亟需提出一种高性能的硅微超声换能器。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种高性能的阵列式硅微超声换能器及其制造方法。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提出了一种阵列式硅微超声换能器，所述硅微超声换能器包括：衬底，所述衬底的背面形成有预定形状和数量的刻蚀图形阵列；形成在所述衬底上的压电陶瓷厚膜，所述压电陶瓷厚膜的下方固连有下电极导电金属层；以及形成在所述压电陶瓷厚膜上方并与所述刻蚀图形阵列相对应的上电极阵列。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例提出了一种阵列式硅微超声换能器的制造方法，所述方法包括：a)提供衬底；b)在所述衬底上形成带有下电极导电金属层的压电陶瓷厚膜；c)在所述衬底的背面形成预定形状和数量的刻蚀图形阵列；以及d)在所述压电陶瓷厚膜上方形成与所述刻蚀图形阵列相对应的上电极阵列。

本发明的阵列式硅微超声换能器共振频率高，有效机电耦合系数高，发射声压大，各项性能稳定，易阵列化，阵列形状自由可控，阵列及器件精度高，具有广泛的应用前景。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的阵列式硅微超声换能器的制造方法的流程图；

图2-图6示出了根据本发明实施例的阵列式硅微超声换能器各个制造阶段的示意图；

图7-图9为本发明实施例的阵列式硅微超声换能器的结构示意图；

图10所示为本发明实施例的单个硅微超声换能器的阻抗测试曲线图

图11所示为本发明实施例的单个硅微超声换能器在50V电压下的表面形貌；

图12所示为本发明实施例的单个硅微超声换能器在50V电压下振幅随频率变化的曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明通常涉及一种阵列式硅微超声换能器的制造方法，尤其涉及一种利用压电陶瓷体材料并结合硅微加工的阵列式硅微超声换能器及其制备方法。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

参考图1，图1示出了根据本发明实施例的阵列式硅微超声换能器的制造方法的流程图。在步骤101中，首先提供衬底202，参考图2。在本实施例中，衬底202包括具有晶体结构的硅衬底(例如晶片)。其他例子的衬底202还可以包括其他基本半导体，例如锗和金刚石。或者，衬底202可以包括化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟或者磷化铟。

在一个实施例中，如图2所示，为了有更好的性能或起到更优的作用，可以首先在衬底202的上、下面进行氧化，而得到氧化层204和206。例如对于硅衬底，通过氧化在衬底202的上、下两面上形成有SiO₂层。在一个实施例中，氧化层的厚度约为0.8μm～1.5μm。关于氧化层的作用，会结合后续工艺步骤给出说明。当然，在衬底202上形成氧化层204和206的步骤不是必需的，也可以省略。

在步骤102中，在所述衬底202上形成带有下电极导电金属层的压电陶瓷厚膜。

参考图3的实施例，对于图2所示已进行氧化处理的衬底202来说，也就是在上氧化层204上形成带有下电极导电金属层210的压电陶瓷厚膜，其中导电金属层210与压电陶瓷厚膜固连，上氧化层204和导电金属层210通过高性能粘合剂层208贴合到一起。导电金属层210用于形成压电陶瓷厚膜的下电极，导电金属层210由至少一种以下导电金属材料形成：金、银、铜、铝、钛等等。

在形成压电陶瓷厚膜时，如图3所示，首先提供压电陶瓷基片212，压电陶瓷基片212下方固连有导电金属层210。其中，所述压电陶瓷基片212可以是厚度为100-200微米、横向d₃₁压电系数绝对值大于280pm/V的压电陶瓷体材料，例如PZT(锆钛酸铅)-5H，PMN-PT(铌镁酸铅-钛酸铅)等。

在一个实施例中，用作下电极的导电金属层210可以与压电陶瓷基片212固连。带有下电极的压电陶瓷基片212通过环氧树脂的粘合剂层208，而固化到带有氧化层204的硅衬底202上，从而得到硅衬底压电陶瓷基片。

具体操作步骤为：先采用旋涂或丝网印刷方法将例如环氧树脂等的高性能粘合胶均匀涂到压电陶瓷基片212的下电极层210或者衬底202的上氧化层204上，所涂的粘合剂层208的厚度可以在1-10微米的范围内。

然后在0.1-1MPa的压力下将两者贴合，并通过热处理工艺(在100-120℃保温1-3小时)使粘合剂层208固化，得到硅衬底压电陶瓷基片。所述固化材料可以是一种不含添加剂的环氧树脂，例如，上海合成树脂研究所的E-7环氧树脂，北京波米公司的ZKEP-4530环氧树脂等。

对于使用环氧树脂作为粘合剂的情况，在对硅衬底202进行氧化后，所得的氧化硅具有玻璃的特性，因此与环氧树脂的粘结性更强。本领域技术人员显然可知，粘合剂层208也可以为其他高粘结强度的材料，并且根据所采用的粘合剂材料，衬底202上也可以形成其他与该材料更容易且更牢固粘合的反应层。

在得到如图3所示的衬底压电陶瓷基片之后，接下来执行步骤103，在所述衬底202的背面形成预定形状和数量的刻蚀图形阵列。即，对硅衬底202进行刻蚀，刻蚀出超声换能器的弹性层阵列，得到带有弹性层与支撑层的硅衬底压电陶瓷基片，使其结构形状满足超声换能器的需求。

参考图8和9，其中图8显示了本发明实施例的阵列式硅微超声换能器对应的衬底202背面所形成的刻蚀图形阵列的剖视图，以及图9显示了本发明实施例的阵列式硅微超声换能器对应的衬底202背面所形成的图形阵列正视图。在图9中，例如硅衬底202上设有由9个换能器单元构成的矩形阵列。当然，换能器单元阵列的数量和形状可以根据需求任意设定，本发明不局限图示实施例的数量和形状。

参考图4，该图给出了本发明实施例的阵列式硅微超声换能器的单个硅微超声换能器的制造阶段的示意图，其中图4-6的实施例仅显示了单个硅微超声换能器的制造流程图。也就是说，对于阵列式的硅微超声换能器，其包含的每个硅微超声换能器的制造工艺均如图2-6所示单个硅微超声换能器所示。

下面将结合图4，对本发明的刻蚀图形阵列形成过程进行说明。

具体操作步骤为：首先，在衬底硅202的背面光刻出预定的图形阵列。例如在衬底202背面上制备光刻胶掩膜，用旋转涂覆的方法在硅衬底背面制备光刻胶层。并对光刻胶进行固化，然后利用紫外光刻机将所需的掩膜图形曝光显影。

接着，用反应离子刻蚀法刻蚀露出表面的氧化层206，得到所需背面图形。最后，以图形化后的氧化层206作为掩膜，利用湿法刻蚀或感应耦合等离子刻蚀法对图形化后的衬底硅202进行深刻蚀，剩下厚度为H的弹性层，其中弹性层的厚度H在10-100微米。这里，氧化层206可以作为刻蚀保护膜。

这样，得到预定数量和形状的刻蚀孔，例如图8和图9实施例所示的9个矩形孔218，从而制成阵列式的硅衬底压电陶瓷基片。其中，衬底202包括有未经刻蚀的支撑层与刻蚀得到的弹性层。

在采用湿法刻蚀衬底硅背面时，例如在30％-40％的氢氧化钾(KOH)溶液中对图形化后的衬底硅202进行深刻蚀。

在得到图4所示的阵列式衬底压电陶瓷基片之后，进一步对其进行处理，以获得需要的压电陶瓷厚膜。也就是对压电陶瓷基片212进行减薄，得到压电陶瓷厚膜214，如图5所示。压电陶瓷膜214的厚度可以在10-100微米。减薄方法可以采用化学腐蚀法，也可以采用机械加工法。

在采用化学腐蚀法或者湿法刻蚀压电陶瓷基片进行减薄时，将硅衬底压电陶瓷基片浸没在预定配制刻蚀液中，腐蚀减薄固定在硅衬底上的压电陶瓷基片到预定厚度。

这里，配制压电陶瓷刻蚀液可以按照以下方式得到：先按常规方法在常温下将NH₄F的饱和溶液和浓度为49％的HF溶液按体积比为2∶3配制BHF溶液。所述体积比为已准备好的溶液的体积之比；如果所准备的溶液的浓度与前述不同，则配制时所采用的体积比要做相应调整，使各成分的摩尔浓度之比相当(以下配制过程中所述的体积比含义及其调整同此)。接着用去离子水配制常温下NH₄Cl的饱和溶液；HCl溶液可以是浓度为38％的常规产品；H₂O为去离子水；最后按体积比BHF∶HCl∶NH₄Cl∶H₂O＝1∶2∶4∶4将所准备的四种溶液按BHF、H₂O、HCl、NH₄Cl顺序混合配制成刻蚀液。所用的原料均为化学试剂，纯度均为分析纯。

例如，化学腐蚀法其具体操作步骤为：将压电陶瓷基片212浸入在压电陶瓷刻蚀液中刻蚀预定时间，例如10-30分钟；然后在例如60-70℃的蒸馏水中浸泡预定时间，例如10-30分钟，去除刻蚀过程中产生的化学残留物；重复这个过程，直至所需厚度，即得到硅衬底压电陶瓷厚膜212。

对于机械加工方法，例如其操作步骤为：用精密磨床研磨，然后用精密抛光机进行精细抛光，得到所需厚度压电陶瓷厚膜212。

在步骤104中，在压电陶瓷厚膜214上方形成与刻蚀图形218阵列相对应的上电极216阵列，如图6、图7和图8所示。

其中，衬底202背面设置的刻蚀阵列孔218与压电陶瓷厚膜214的上电极216相对应。即，深反应离子刻蚀方法或湿法刻蚀得到的刻蚀图形阵列的数量与上电极阵列的数量相同，并且两者的中心轴线对准。对于形成的矩形孔218以及圆形的上电极216，在一个实施例中，矩形孔218的边长可以略大于圆形电极216的直径，其中衬底202背面的矩形孔边长(或圆形孔直径)与正面的上电极216边长(或直径)有一个优化比例范围，该范围优选在50％-90％之间。另外，矩形孔218的深度等于支撑层厚度。

步骤104的具体操作步骤为：首先，在压电陶瓷厚膜214上用溅射或真空蒸发方法沉积导电金属层，然后在导电金属层上制备根据电极形状设定的光刻胶掩模，再利用离子束刻蚀、化学刻蚀等常规的刻蚀方法去除多余处的导电金属层，制成与硅衬底202背面刻蚀图形218阵列相对应的上电极216阵列。形成上电极216的导电金属层所用金属是导电系数较高的金属，例如金、银、铜、铝、钛等。

最终，通过上述步骤，可以得到如图7-9实施例所示的阵列式硅微超声换能器20的结构。其中图7是本发明实施例的硅微换能器阵列的立体图，图8是图7的A-A剖视图，图9是图7的仰视图。

需要指出的是，图示实施例给出的步骤是先在衬底上形成压电陶瓷厚膜及其下电极后，再在衬底背面形成蚀刻图形阵列，最后与蚀刻图形阵列对应形成上电极。

但是，本发明不局限于图式的具体实施例，也可以先在衬底202背面形成蚀刻图形218阵列后，再依次在衬底202上形成带有下电极导电金属层210的压电陶瓷厚膜214，以及最后对应蚀刻图形218形成上电极216。

或者，先在衬底202上形成带有下电极导电金属层210的压电陶瓷厚膜214及其上电极216之后，再对应上电极216在衬底202背面形成蚀刻图形218阵列。

参见图10，图中表达了本发明实施例的硅微超声换能器的阻抗性能测试。在该实施例中，所测试换能器尺寸为：边长2mm×2mm，电极半径0.6mm。由图10可知，其共振频率约为119.17KHz，反共振频率为122.60KHz，有效机电耦合系数为5.86％优于目前所知的各类基于PZT膜的硅微超声换能器(同类产品约为3％～4％)。另外，当电极半径为0.8mm时，有效机电耦合系数可达6.39％，器件机电转化能力强，性能优异。

参见图11，图中表达了本发明实施例的硅微超声换能器的电压-位移曲线。由图11可知，该实施例的硅微超声换能器中心的静态位移可达3.4微米/100V，驱动能力大，器件性能优异。

参见图12，图中表达了本发明实施例的硅微超声换能器的振幅-频率曲线。由图12可知，其振幅在共振频率122kHz下最大，约为4.8微米，高于目前所报道的硅微超声换能器。该实施例的硅微超声换能器可获得较大的发射声压。

总之，本发明的阵列式硅微超声换能器，与传统的压电超声换能器及现有的硅微超声换能器相比，具有以下突出的优点：①器件采用衬底背面图形刻蚀、压电陶瓷基片减薄、以及上电极制备与图形化等微机电系统(MEMS)工艺制备，制备工艺流程简单，成本低，所获器件小，共振频率高(可达百kHZ以上)，较传统的压电超声换能器更易阵列化，器件一致性好，重复精度高，可应用在医疗成像及无损检测中；②压电厚膜是通过压电陶瓷基体材料制得，克服了溶胶-凝胶方法制备压电薄/厚膜所导致的制备工艺复杂、稳定性和重复性差的不足，因此压电性能优异稳定，重复性好，有利于商业化应用；③由于压电厚膜性能优异，器件有效机电耦合系数高，能量损耗小，不光有利于获得高性能的器件，并且有助于节约能源；④由于压电膜厚度达到10-100微米，驱动力大，换能器在共振频率下振动时振幅约为4.8微米(所施加电压为50V，压电层与弹性层厚度各为40微米)，远高于其他产品(约为1微米～3微米)，因而器件可获得较大的发射声压，克服了压电薄膜的超声换能器发射声压小的不足，能够满足医疗检测及无损检测等领域对发射声压的使用要求。

因此，利用本发明制备的阵列式硅微超声换能器，共振频率高，有效机电耦合系数高，发射声压大，各项性能稳定，易阵列化，阵列形状自由可控，阵列及器件精度高，具有广泛的应用前景。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种阵列式硅微超声换能器，其特征在于，所述硅微超声换能器包括：

衬底，所述衬底的背面形成有预定形状和数量的刻蚀图形阵列；

形成在所述衬底上的压电陶瓷厚膜，所述压电陶瓷厚膜的下方固连有下电极导电金属层；以及

形成在所述压电陶瓷厚膜上方并与所述刻蚀图形阵列相对应的上电极阵列。

2.如权利要求1所述的硅微超声换能器，其特征在于，所述下电极导电金属层和/或所述上电极阵列由至少一种以下材料形成：金、银、铜、铝、钛。

3.如权利要求1所述的硅微超声换能器，其特征在于，所述压电陶瓷厚膜的厚度为10-100μm。

4.一种阵列式硅微超声换能器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

a)提供衬底；

b)在所述衬底上形成带有下电极导电金属层的压电陶瓷厚膜；

c)在所述衬底的背面形成预定形状和数量的刻蚀图形阵列；以及

d)在所述压电陶瓷厚膜上方形成与所述刻蚀图形阵列相对应的上电极阵列。

5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述下电极导电金属层和/或所述上电极阵列由至少一种以下材料形成：金、银、铜、铝、钛。

6.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述压电陶瓷厚膜的厚度为10-100μm。

7.如权利要求4或6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤b包括：

提供压电陶瓷基片，其中所述压电陶瓷基片下方固连有所述下电极导电金属层；

将所述压电陶瓷基片贴合到所述衬底上；以及

利用湿刻蚀将所述压电陶瓷基片进行腐蚀减薄。

8.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述步骤c包括：

在所述衬底的背面进行图形化，以得到预定的图形阵列；以及

对图形化后的所述衬底进行深刻蚀，以得到包括弹性层的所述刻蚀图形阵列。

9.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述步骤b在步骤c之后执行。

10.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述步骤c在步骤d之后执行。

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