CN105036058A - 集成化电容式微加工超声换能器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成化电容式微加工超声换能器的制备方法，包括以下步骤：在玻璃衬底上制备缓冲过渡层；制备薄膜晶体管的源、漏电极；制备薄膜晶体管的半导体有源层；制备薄膜晶体管的栅介质层；制备薄膜晶体管的栅电极；制备第一氮化硅薄膜，对第一氮化硅薄膜进行刻蚀，形成凹槽；在高掺杂硅基片上沉积第二氮化硅薄膜；将第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜通过晶片键合技术粘接，在两层氮化硅薄膜之间形成微空腔；对高掺杂硅基片进行刻蚀剥离；制备电容式微加工超声换能器的上电极；制备超声波耦合层。本发明还公开了上述方法制备的集成化电容式微加工超声换能器。本发明可以提高电容式微加工超声换能器的灵敏度和微型化，降低加工成本。

Description

集成化电容式微加工超声换能器及其制备方法
技术领域
本发明涉及超声检测设备领域，特别涉及一种集成化电容式微加工超声换能器及其制备方法。
背景技术
超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件，即在超声频率范围内将交变电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换成电信号的能量转换器件。超声换能器及阵列探头是超声检测与超声成像技术中的关键部件，广泛应用于医学诊断与治疗、水下通信与探测、缺陷无损检测、测距定位、遥感与遥控等技术领域，对提高人口素质、保障身心健康、提升产品质量、海底资源探测、维护国家安全等方面都具有重要意义。
传统压电陶瓷(PZT)超声换能器因具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到广泛的应用。但是由于压电陶瓷材料存在声阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、高密度阵元及超薄高频换能器不易加工等缺陷，从而越来越制约其应用的空间。
与PZT超声换能器相比，电容式微加工超声换能器具有频带宽、精度高、成本低、声阻抗低、工作温度范围宽等优势，另外，电容式微加工超声换能器通常采用微电子加工技术制作，阵元尺寸小，易制作出高密度阵元，易实现更高频率成像和二维面阵制作；其工作状态可通过直流偏压来调节以得到最佳的灵敏度和带宽。然而现有的电容式微加工超声换能器振膜位移小，导致接收发射性能较差；存在较大的寄生电容，降低灵敏度；因单个单元信号太弱，通常将若干单元并联构成一个阵元，影响换能器的微型化。因此，需要提出更好的结构以解决电容式微加工超声换能器目前存在的问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种集成化电容式微加工超声换能器结构及其制备方法，本发明的集成化电容式微加工超声换能器灵敏高，也更容易实现微型化。
本发明的目的通过以下技术方案实现：集成化电容式微加工超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上沉积二氧化硅薄膜，作为过渡层；
(2)在二氧化硅薄膜上沉积第一金属薄膜层，对第一金属薄膜层进行刻蚀，形成薄膜晶体管(TFT)的源、漏电极；
(3)在步骤(2)处理后的基底上沉积氧化锌基半导体薄膜层，对氧化锌基半导体薄膜层刻蚀，形成薄膜晶体管的半导体有源层；
(4)在半导体薄膜层上沉积绝缘膜，形成薄膜晶体管的栅介质层；
(5)在绝缘膜上制备第二金属膜层，刻蚀形成薄膜晶体管的栅电极；所述第二金属膜层同时也作为电容式微加工超声换能器(CMUT)的下电极；
(6)在电容式微加工超声换能器的下电极上沉积第一氮化硅薄膜，对第一氮化硅薄膜进行刻蚀，形成凹槽；
(7)在高掺杂硅基片上沉积第二氮化硅薄膜；
(8)将第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜通过晶片键合技术粘接，在两层氮化硅薄膜之间形成微空腔；
(9)对第二氮化硅薄膜上的高掺杂硅基片进行刻蚀剥离；
(10)在第二氮化硅薄膜上沉积第三金属膜层，并对第三金属膜层进行刻蚀，形成电容式微加工超声换能器的上电极；
(11)在电容式微加工超声换能器的上电极上制备环氧树脂膜，作为超声波耦合层。
步骤(8)所述微空腔为真空腔或空气腔。
所述二氧化硅薄膜的厚度为100～200纳米；所述第一金属薄膜层的厚度为100～200纳米；所述氧化锌基半导体薄膜层的厚度为20～50纳米；所述绝缘膜的厚度为100～300纳米；所述第二金属膜层的厚度为100～200纳米；所述第一氮化硅薄膜的厚度为0.5～2微米；所述第二氮化硅薄膜的厚度为0.3～1微米；所述第三金属膜层的厚度为100～200纳米。
所述凹槽的深度为0.4～2.0微米，底面直径为5～100微米。
所述的集成化电容式微加工超声换能器的制备方法得到的集成化电容式微加工超声换能器，由集成在玻璃基底上的薄膜晶体管和电容式微加工超声换能器组成。
所述集成化电容式微加工超声换能器用作超声发射器时，在电容式微加工超声换能器的上电极和薄膜晶体管的栅电极之间加直流偏置电压和交变电信号；
所述集成化电容式微加工超声换能器用作超声接收器时，在电容式微加工超声换能器的上电极和薄膜晶体管的栅电极之间加直流偏置电压，外来超声信号引起电容式微加工超声换能器的电容发生变化，通过栅极耦合至薄膜晶体管，经薄膜晶体管前置放大，最后由源、漏端将信号传送到后端处理。
本发明的超声换能器采用CMUT作为超声波的发射与接收单元，提高了超声换能器的精度、频带宽度、阵元密度，利用CMUT的低声阻抗，与水和有机体形成良好的声阻抗匹配。采用氧化锌基薄膜晶体管作为超声波接收端的内置信号放大电路，弥补了单一电容式微加工超声换能器振膜位移小带来的接收发射性能较差，从而有效地提高了灵敏度和信噪比，改善抗干扰能力。同时，本发明的超声换能器采用微电子加工技术制作，阵元尺寸小，可方便实现更高频率成像和一维线阵、二维面阵的制作。
本发明的超声换能器与现有的集成化超声换能器相比，由于采用了CMUT作为超声波的发射与接收单元，高载流子迁移率的氧化锌基薄膜晶体管作为接收端的前置放大，因此具有如下优点：
1、采用CMUT作超声波的发射与接收，提高了精度和频带宽度；
2、CMUT与TFT直接集成，减小了寄生电容，提高灵敏度、信噪比和抗干扰能力；
3、无需若干个CMUT单元并联构成一个阵元，缩小了线阵和面阵的尺寸；
4、采用玻璃作为基底，降低制造成本，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明的实施例的集成化电容式微加工超声换能器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例的集成化电容式微加工超声换能器，由集成在玻璃基底上的薄膜晶体管和电容式微加工超声换能器组成，具体包括由玻璃基底1、过渡层2、TFT的源电极301、漏电极302、TFT的半导体有源层4、TFT的栅绝缘层5、TFT的栅电极6(同时充当CMUT的下电极)、CMUT的第一氮化硅薄膜7、CMUT的微空腔8、CMUT的第二氮化硅薄膜9、CMUT的上电极10和环氧树脂超声波耦合层11(同时作为保护层)构成；本实施例的微空腔可为真空腔或空气腔，微空腔的深度为0.4～2.0微米，底面直径为5～100微米。
本实施例的集成化电容式微加工超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用等离子增强化学汽相沉积法(PECVD)在玻璃基底上沉积一层100～200纳米厚的二氧化硅(SiO2)薄膜，形成过渡层；
(2)在SiO2薄膜上沉积一层100～200纳米厚的金属(Al)薄膜，刻蚀形成薄膜晶体管的源、漏电极；
(3)在具有源、漏电极的基底上沉积一层20～50纳米厚的氧化物半导体薄膜层(ZnO或掺杂ZnO)，通过刻蚀形成薄膜晶体管的半导体有源层；
(4)在半导体薄膜上采用溅射法或原子层沉膜法沉积一层100～300纳米厚的绝缘介质膜(可以为Al2O3，但不限于Al2O3)，形成薄膜晶体管的栅介质层；
(5)在绝缘膜上制备一层100～200纳米厚的金属(Al)膜，刻蚀形成薄膜晶体管的栅电极(也充当电容式微加工超声换能器的下电极)；
(6)在栅电极之上采用PECVD沉积一层0.5～2微米厚的第一氮化硅(Si3N4)薄膜，刻蚀形成一个直径为5～100微米，深度为0.4～2.0微米的表面凹槽；第一氮化硅薄膜作为CMUT的防短路绝缘层及支撑层；
(7)在高掺杂硅基片上沉积一层0.3～1微米厚的第二氮化硅薄膜；第二氮化硅薄膜为CMUT的振膜；
(8))将第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜通过晶片键合技术粘接，在两层氮化硅薄膜之间形成微空腔；
(9)刻蚀剥离第二氮化硅薄膜表面的高掺杂硅基片；
(10)在第二氮化硅薄膜上沉积一层100～200纳米厚的金属膜，刻蚀形成CMUT的上电极；
(11)在CMUT的上电极上制备环氧树脂膜，形成保护层及超声波耦合层。
本实施例的所述集成化电容式微加工超声换能器用作超声发射器时，在电容式微加工超声换能器的上电极和薄膜晶体管的栅电极之间加直流偏置电压和交变电信号；所述集成化电容式微加工超声换能器用作超声接收器时，在电容式微加工超声换能器的上电极和薄膜晶体管的栅电极之间加直流偏置电压，外来超声信号引起电容式微加工超声换能器的电容发生变化，通过栅极耦合至薄膜晶体管，经薄膜晶体管前置放大，最后由源、漏端将信号传送到后端处理。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.集成化电容式微加工超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在玻璃基底上沉积二氧化硅薄膜，作为过渡层；
(2)在二氧化硅薄膜上沉积第一金属薄膜层，对第一金属薄膜层进行刻蚀，形成薄膜晶体管的源、漏电极；
(3)在步骤(2)处理后的基底上沉积氧化锌基半导体薄膜层，对氧化锌基半导体薄膜层刻蚀，形成薄膜晶体管的半导体有源层；
(4)在半导体薄膜层上沉积绝缘膜，形成薄膜晶体管的栅介质层；
(5)在绝缘膜上制备第二金属膜层，刻蚀形成薄膜晶体管的栅电极；所述第二金属膜层同时也作为电容式微加工超声换能器的下电极；
(6)在电容式微加工超声换能器的下电极上沉积第一氮化硅薄膜，对第一氮化硅薄膜进行刻蚀，形成凹槽；
(7)在高掺杂硅基片上沉积第二氮化硅薄膜；
(8)将第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜通过晶片键合技术粘接，在两层氮化硅薄膜之间形成微空腔；
(9)对第二氮化硅薄膜上的高掺杂硅基片进行刻蚀剥离；
(10)在第二氮化硅薄膜上沉积第三金属膜层，并对第三金属膜层进行刻蚀，形成电容式微加工超声换能器的上电极；
(11)在电容式微加工超声换能器的上电极上制备环氧树脂膜，作为超声波耦合层。
2.根据权利要求1所述的集成化电容式微加工超声换能器的制备方法，其特征在于，步骤(8)所述微空腔为真空腔或空气腔。
3.根据权利要求1所述的集成化电容式微加工超声换能器的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅薄膜的厚度为100～200纳米；所述第一金属薄膜层的厚度为100～200纳米；所述氧化锌基半导体薄膜层的厚度为20～50纳米；所述绝缘膜的厚度为100～300纳米；所述第二金属膜层的厚度为100～200纳米；所述第一氮化硅薄膜的厚度为0.5～2微米；所述第二氮化硅薄膜的厚度为0.3～1微米；所述第三金属膜层的厚度为100～200纳米。
4.根据权利要求3所述的集成化电容式微加工超声换能器的制备方法，其特征在于，所述凹槽的深度为0.4～2.0微米，底面直径为5～100微米。
5.权利要求1～3任一项所述的集成化电容式微加工超声换能器的制备方法得到的集成化电容式微加工超声换能器，其特征在于，由集成在玻璃基底上的薄膜晶体管和电容式微加工超声换能器组成。
6.根据权利要求5所述的集成化电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述集成化电容式微加工超声换能器用作超声发射器时，在电容式微加工超声换能器的上电极和薄膜晶体管的栅电极之间加直流偏置电压和交变电信号；
所述集成化电容式微加工超声换能器用作超声接收器时，在电容式微加工超声换能器的上电极和薄膜晶体管的栅电极之间加直流偏置电压，外来超声信号引起电容式微加工超声换能器的电容发生变化，通过栅极耦合至薄膜晶体管，经薄膜晶体管前置放大，最后由源、漏端将信号传送到后端处理。
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