CN108871389B - 超声波传感单元及制作方法、超声波传感器及显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种超声波传感单元及制作方法、超声波传感器及显示装置，涉及电子技术领域，能够进行超声波传感；该超声波传感单元包括位于基板上、且相对设置的第一电极和第二电极，以及位于第一电极和第二电极之间的绝缘层，第一电极相对于第二电极靠近基板；该超声波传感单元还包括：沿厚度方向上贯穿基板和第一电极的通孔，以及位于绝缘层中对应第一电极和第二电极位置的腔室；腔室与通孔连通；第二电极与腔室不接触。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种超声波传感单元及制作方法、超声波传感器及显示装置。
背景技术
超声波传感器既可以发射超声波，也可以接收超声波，已经广泛应用在工业、国防、生物医学等方面；相比于传统散装超声传感器，电容式微加工超声波传感器(英文全称：Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，简称：CMUT)具有易阵列化，集成度高，抗干扰能力强等优点，成为近年来人们关注的热点。
发明内容
本发明的实施例提供一种超声波传感单元及制作方法、超声波传感器及显示装置，能够进行超声波传感。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明实施例一方面提供一种超声波传感单元，包括位于基板上、且相对设置的第一电极和第二电极，以及位于所述第一电极和所述第二电极之间的绝缘层，所述第一电极相对于所述第二电极靠近所述基板；所述超声波传感单元还包括：沿厚度方向上贯穿所述基板和所述第一电极的通孔，以及位于所述绝缘层中对应所述第一电极和所述第二电极位置的腔室；所述腔室与所述通孔连通；所述第二电极与所述腔室不接触。
可选的，所述绝缘层包括：沿厚度方向上依次设置的有机绝缘层和无机绝缘层，所述无机绝缘层相对于所述有机绝缘层靠近所述第二电极；所述腔室位于所述有机绝缘层中。
可选的，所述超声波传感单元还包括位于所述第二电极背离所述基板一侧的保护层。
本发明实施例另一方面还提供一种超声波传感器，包括多个如前述的超声波传感单元。
可选的，多个所述超声波传感单元在基板上呈矩阵排列。
本发明实施例再一方面还提供一种显示装置，包括前述超声波传感器；所述显示装置还包括成矩阵排列的自发光单元，所述自发光单元集成于所述超声波传感器中第二电极背离所述第一电极的一侧。
本发明实施例又一方面还提供一种超声波传感单元的制作方法，所述制作方法包括：在基板上形成第一电极；在形成有所述第一电极的基板上，形成贯穿所述基板和所述第一电极的通孔；在形成有所述通孔的第一电极上形成绝缘层；在形成有所述绝缘层的基板上，形成与所述第一电极相对设置的第二电极；沿形成有所述绝缘层的基板背面的通孔位置处，在所述绝缘层中形成腔室，且该腔室不贯穿所述绝缘层。
可选的，所述在形成有所述第一电极的基板上，形成贯穿所述基板和所述第一电极的通孔包括：采用激光烧灼的方式在形成有所述第一电极的基板上，形成贯穿所述基板和所述第一电极的通孔；所述制作方法在形成所述通孔之后还包括：对形成有所述通孔的基板进行双面抛光研磨。
可选的，所述沿形成有所述绝缘层的基板背面的通孔位置处，在所述绝缘层中形成腔室包括：采用O2等离子体和/或O3等离子体，沿形成有所述绝缘层的基板背面的通孔位置处，在所述绝缘层中通过刻蚀形成腔室。
可选的，所述在形成有所述通孔的第一电极上形成绝缘层包括：在形成有所述通孔的第一电极上，沿厚度方向上依次形成有机绝缘层和无机绝缘层。
本发明实施例提供一种超声波传感单元及制作方法、超声波传感器及显示装置，该超声波传感单元包括位于基板上、且相对设置的第一电极和第二电极，以及位于第一电极和第二电极之间的绝缘层，第一电极相对于第二电极靠近基板；超声波传感单元还包括：沿厚度方向上贯穿基板和第一电极的通孔，以及位于绝缘层中对应第一电极和第二电极位置的腔室；腔室与通孔连通；第二电极与腔室不接触。
综上所述，本发明中通过设置在沿厚度方向上贯穿基板和第一电极的通孔，以及位于第一电极和第二电极之间的绝缘层中的腔室，且通孔与腔室时连通的；在实际的加工制作中，可以沿通孔形成前述的腔室，从而形成本发明中的超声波传感单元；腔室与第二电极之间的绝缘层构成振动薄膜，从而能够实现包括超声波发射和超声波接收在内的超声波传感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种超声波传感单元的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种超声波传感单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种超声波传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种超声波传感单元的制作方法流程图；
图5为本发明实施例提供的一种超声波传感单元的制作过程的结构示意图之一；
图6为本发明实施例提供的一种超声波传感单元的制作过程的结构示意图之一；
图7a为本发明实施例提供的一种超声波传感单元的制作过程的结构示意图之一；
图7b为本发明实施例提供的一种超声波传感单元的制作过程的结构示意图之一；
图8为本发明实施例提供的一种超声波传感单元的制作过程的结构示意图之一；
图9为本发明实施例提供的一种超声波传感单元的制作过程的结构示意图之一。
附图标记：
10-超声波传感单元；100-基板；101-第一电极；102-第二电极；20-腔室；200-绝缘层；201-有机绝缘层；202-无机绝缘层；300-保护层；H-通孔；M-振动薄膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本发明实施例提供一种用于电容式微加工超声波传感器(CMUT)的超声波传感单元，如图1所示，该超声波传感单元10包括位于基板100上、且相对设置的第一电极101和第二电极102，以及位于第一电极101和第二电极102之间的绝缘层200，第一电极101相对于第二电极102靠近基板100。
并且，如图1所示，该超声波传感单元10还包括：沿厚度方向D-D’上贯穿基板100和第一电极101的通孔H，以及位于绝缘层200中对应第一电极101和第二电极102位置的腔室20；该腔室20与通孔H连通；第二电极102与腔室20不接触。
本领域的技术人员应当理解到，本发明中，位于绝缘层200中的腔室20与第二电极102不接触，也就是说，在腔室20与第二电极102之间仍然保留部分绝缘层200，而该部分绝缘层则构成超声波传感单元10中的振动薄膜M(参考图1)，从而满足在第一电极和第二电极上施加一定频率的交流电压时，通过振动薄膜M发生上下振动，产生超声波(此时超声波传感单元作为超声波发射单元)；或者，在第一电极和第二电极上施加直流偏置电压后，振动薄膜M会在外部超声波的作用下产生振动，两电极板形成的电容值就会随薄膜的振动而改变，从而产生可探测的电信号(此时超声波传感单元作为超声波接收单元)。
综上所述，本发明中通过设置在沿厚度方向上贯穿基板和第一电极的通孔，以及位于第一电极和第二电极之间的绝缘层中的腔室，且通孔与腔室时连通的；在实际的加工制作中，可以沿通孔形成前述的腔室，从而形成本发明中的超声波传感单元；腔室与第二电极之间的绝缘层构成振动薄膜，从而能够实现包括超声波发射和超声波接收在内的超声波传感。
此处需要说明的是，本发明中对于位于绝缘层200中的腔室20的具体形状不作具体限定，可以为方形、也可以为圆形、还可以为椭圆形等等，实际中根据需要以及选用的制作工艺而定。
在此基础上，设置有上述腔室20的绝缘层一般多采用有机材料形成，例如树脂等；而电极(包括第一电极101和第二电极102)一般多采用金属材料制成；因此对于第二电极102而言，如果直接与有机材料的绝缘层直接接触，两者之间的粘附力较低，容易发生分层等不良现象，因此，实际中，一般优选的，如图2所示，上述绝缘层200可以包括：沿厚度方向D-D’上依次设置的有机绝缘层201和无机绝缘层202，无机绝缘层202相对于有机绝缘层201靠近第二电极102，腔室位于有机绝缘层201中；这样一来，第二电极102通过无机绝缘层202与有机绝缘层201连接，由于无机绝缘层202与第二电极102和有机绝缘层201之间均具有较好的粘结力，从而保证了整体的粘结效果。
当然，本发明并不限制于此，实际中也可以调整第二电极102的材质(保证第二电极102与绝缘层200具有足够的粘结力)，而仅需设置单层的绝缘层即可(可参考图1的设置方式)。
另外，还应当理解到，在绝缘层200包括有机绝缘层201和无机绝缘层202的情况下，位于有机绝缘层201中的腔室20，可以如图2所示，不贯穿有机绝缘层201；也可以贯穿有机绝缘层201，但不贯穿无机绝缘层202；本发明对此不作限定，只要保证腔室20与第二电极102之间保留部分绝缘层200构成振动薄膜即可。
进一步的，本发明优选的，如图2所示，该超声波传感单元还包括位于第二电极102背离基板100一侧的保护层300，以对第二电极102进行保护，避免因人为因素或者环境因素对第二电极102造成损坏，从而对整个超声波传感单元的超声波传感造成不良影响。
本发明实施例还提供一种超声波传感器，包括前述的多个超声波传感单元，具有与前述实施例提供的超声波传感单元相同的结构和有益效果。由于前述实施例已经对超声波传感单元的结构和有益效果进行了详细的描述，此处不再赘述。
进一步的，为了提高超声波传感器中超声波传感单元的集成度，本发明优选的，如图3(图3沿O-O’位置的剖面图为图2)所示的，多个超声波传感单元10在基板上呈矩阵排列。
本领域的技术人员应当理解到，为了简化工艺，降低制作成本，上述在基板上呈矩阵排列多个超声波传感单元10一般采用同一次制作工艺制作而成；也就是说，所有的超声波传感单元中的第一电极同层同材料，通过同一次构图工艺制作而成；同理，如第二电极；所有的超声波传感单元中通孔H也是通过同一次制作工艺加工而成，同理如腔室20等等。
另外，为了便于对上述呈矩阵排列多个超声波传感单元10的控制以及相关信号的读取，参考图3，实际中一般可以设置同行的超声波传感单元10中的第二电极102依次连接，同列的第一电极101(位于第二电极102的下方，图3中未示出，可参考图2)依次连接；当然，也可以设置同行的超声波传感单元10中的第一电极101依次连接，同列的第二电极102依次连接。对于实际的信号驱动过程、信号读取等相关过程，以及其他相关器件(例如IC)的设置，可以参考现有技术，此处不再一一赘述。
还需要说明的是，本发明中对于上述超声波传感器的应用领域不作具体限定，例如，可以应用于测距、物体表面探测、触控等领域。
特别的，本发明实施例还提供一种显示装置，包括前述的超声波传感器，也即，在此情况下，超声波传感器可以作为指纹识别、触控操作等应用领域，并与显示装置结合；该显示装置具有与前述实施例提供的超声波传感单元相同的结构和有益效果。由于前述实施例已经对超声波传感单元的结构和有益效果进行了详细的描述，此处不再赘述。
需要说明的是，该在本发明实施例中，显示装置具体至少可以包括液晶显示面板和自发光的显示面板(例如OLED(Organic Light Emitting Diode)显示面板)，该显示面板可以应用至液晶显示器、液晶电视、数码相框、手机或平板电脑等任何具有显示功能的产品或者部件中。
当然，本发明优选的，上述显示装置包括成矩阵排列的自发光单元(例如包括有机发光二极管OLED)，自发光单元集成于超声波传感器中第二电极背离第一电极的一侧；也即可以直接在超声波传感器(作为触控或者指纹识别等用途)上集成显示装置中的自发光单元，也就是说，将超声波传感器作为显示装置的背板(例如，可以作为LTPS-AMOLED背板)，从而与显示装置整体衔接在一起，提高了整个设备的功能集成化。
本发明实施例还提供一种超声波传感单元的制作方法，如图4所示，该制作方法包括：
步骤S101、如图5所示，在基板100上形成第一电极101。
具体的，在形成第一电极101之前需要对基板100进行清洗，然后可以采用金属材质(Mo/Al/Ti/Nd/Nb/Ni/Ag等)以沉积的方式，在基板100上形成金属膜层，并通过构图工艺形成第一电极101。
示意的，上述形成的第一电极101的厚度可以为100nm～1000nm，面积可以为10μm×10μm～500μm×500μm。
需要说明的是，第一，在本发明中，构图工艺，可指包括光刻工艺，或，包括光刻工艺以及刻蚀步骤，同时还可以包括打印、喷墨等其他用于形成预定图形的工艺；光刻工艺，是指包括成膜、曝光、显影等工艺过程的利用光刻胶、掩模板、曝光机等形成图形的工艺。
第二，上述基板100可以为玻璃基板、也可以为硅基板(Si Wafer)，还可以为塑料基板，本发明对此不作限定，实际中根据需要选择适当的材质的基板即可。
步骤S102、如图6所示，在形成有第一电极101的基板100上，形成贯穿基板100和第一电极101的通孔H。
具体的，在形成有第一电极101的基板100上，可以通过激光烧灼的方式在形成有第一电极101的基板100上，形成贯穿基板100和第一电极101的通孔H。
示意的，通孔H的直径Φ可以为：10μm～500μm。
此处应当理解到，在采用激光烧灼的方式形成通孔H时，容易产生熔融物再凝结，导致基板不平整，从而不利于后续的制作工艺的进行，因此，在采用激光烧灼的方式形成通孔H的情况下，本发明优选，在形成通孔H之后还包括：对形成有通孔H的基板100进行双面抛光研磨，以重新对基板进行平整化。
当然，采用激光烧灼的方式形成通孔H仅为一种优选的方式，本发明并不限制于此；也可以采用其他的方式形成上述通孔，例如，可以采用湿刻蚀的方式；应当理解到，在采用湿刻蚀的方式形成通孔H的情况下，不需要设置后续的双面抛光研磨工艺，但应该在刻蚀进行前，对形成有第一电极101的基板100进行双侧保护。
步骤S103、如图7a或7b，在形成有通孔H的第一电极101上形成绝缘层200。
具体的，以图7b中示出的绝缘层200为例，先采用树脂材料，通过涂覆的方式，在形成有通孔H的第一电极101上形成有机绝缘层201；然后在有机绝缘层201上采用无机绝缘材料(例如，SixOy/SixNy/SixOyNz/AlxOy/TixOy等)形成无机绝缘层202(当然该步骤可以根据实际的需要选择不进行，可参考图7a)。
示意的，形成的有机绝缘层201的厚度可以为10μm～200μm，无机绝缘层202的厚度可以为100nm～1000nm。
步骤S104、如图8所示，在形成有绝缘层200的基板100上，形成与第一电极101相对设置的第二电极102。
具体的，可以采用金属材质(Mo/Al/Ti/Nd/Nb/Ni/Ag等)以沉积的方式，在形成有绝缘层200的基板100上形成金属膜层，然后通过构图工艺形成第二电极102。
示意的，形成的第二电极102的厚度可以为100nm～1000nm，面积可以为10μm×10μm～500μm×500μm。
步骤S105、如图9所示，沿形成有绝缘层200的基板100背面的通孔H位置处，在绝缘层200中形成腔室20，且该腔室20不贯穿绝缘层200(以保证形成振动薄膜)。
具体的，实际中一般优选的，采用O2等离子体和/或O3等离子体，沿形成有绝缘层200的基板100背面的通孔H位置处，在绝缘层200中通过刻蚀形成腔室20；在绝缘层200包括有机绝缘层201和无机绝缘层202的情况下，一般的，可以仅在有机绝缘层201中形成腔室20，而保留无机绝缘层202。
示意的，上述腔室20的直径Φ可以为：10μm～500μm。
需要说明的是，对于图7a示出的单层的绝缘层200而言，需要保证通过步骤S105形成的腔室20不贯穿该单层的绝缘层200；对于图7b示出的绝缘层200包括有机绝缘层201和无机绝缘层202的情况下，通过步骤S105形成的腔室20，可以如图9所示，不贯穿有机绝缘层201；也可以贯穿有机绝缘层201，但不贯穿无机绝缘层202；本发明对此不作限定，只要保证腔室20与第二电极102之间保留部分绝缘层200构成振动薄膜即可。
另外，为了避免因人为因素或者环境因素对第二电极102造成损坏，实际中优选的，在形成步骤S104中形成第二电极102之后，还可以形成保护层300(可参考图2)；该保护层300可以采用SixOy/SixNy/SixOyNz/AlxOy/TixOy等。
应当理解到，上述制作步骤的序号，并不必然代表先后的制作关系；例如，本发明中，对于该保护层300形成的步骤，与前述形成腔室20的步骤105的先后顺序不作限定，可以先形成保护层300，再形成腔室20；也可以先形成腔室20，再形成保护层300。
又例如，对于上述形成第二电极102的步骤S104和形成腔室20的步骤S105而言，可以先进行步骤S104形成第二电极102，再进行步骤S105形成腔室20；也可以先进行步骤S105形成腔室20，再进行步骤S104形成第二电极102。
综上所述，本发明中通过形成沿厚度方向上贯穿基板和第一电极的通孔，再沿通孔形成位于第一电极和第二电极之间的绝缘层中的腔室，进而形成超声波传感单元，从而能够实现包括超声波发射和超声波接收在内的超声波传感。
应当理解到，采用本发明中的超声波传感单元的制作方法，可以通过控制工艺来调整腔室的大小，并且采用上述构图工艺的方式，对形成超声波传感单元的大小同样可以控制。
另外，对于该制作方法中其他的相关内容，可以对应的参考前述超声波传感单元、超声波传感器的实施例中的对应部分，此处不再赘述；对于前述超声波传感单元、超声波传感器实施例中的其他设置结构，可以参考上述制作方法对应制备，调整相应的制作步骤即可，此处均不再一一赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种超声波传感单元，其特征在于，包括位于基板上、且相对设置的第一电极和第二电极，以及位于所述第一电极和所述第二电极之间的绝缘层；所述第一电极相对于所述第二电极靠近所述基板；
所述超声波传感单元还包括：沿厚度方向上贯穿所述基板和所述第一电极的通孔，以及位于所述绝缘层中对应所述第一电极和所述第二电极位置的腔室；
所述腔室与所述通孔连通；所述第二电极与所述腔室不接触；
所述绝缘层包括：沿厚度方向上依次设置的有机绝缘层和无机绝缘层，所述无机绝缘层相对于所述有机绝缘层靠近所述第二电极；
所述腔室位于所述有机绝缘层中。
2.根据权利要求1所述的超声波传感单元，其特征在于，所述超声波传感单元还包括位于所述第二电极背离所述基板一侧的保护层。
3.一种超声波传感器，其特征在于，包括多个如权利要求1-2任一项所述的超声波传感单元。
4.根据权利要求3所述的超声波传感器，其特征在于，多个所述超声波传感单元在基板上呈矩阵排列。
5.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求3或4所述超声波传感器；
所述显示装置还包括成矩阵排列的自发光单元，所述自发光单元集成于所述超声波传感器中第二电极背离所述第一电极的一侧。
6.一种超声波传感单元的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在基板上形成第一电极；
在形成有所述第一电极的基板上，形成贯穿所述基板和所述第一电极的通孔；
在形成有所述通孔的第一电极上形成绝缘层；
在形成有所述绝缘层的基板上，形成与所述第一电极相对设置的第二电极；
沿形成有所述绝缘层的基板背面的通孔位置处，在所述绝缘层中形成腔室，且该腔室不贯穿所述绝缘层。
7.根据权利要求6所述的超声波传感单元的制作方法，其特征在于，所述在形成有所述第一电极的基板上，形成贯穿所述基板和所述第一电极的通孔包括：
采用激光烧灼的方式在形成有所述第一电极的基板上，形成贯穿所述基板和所述第一电极的通孔；
所述制作方法在形成所述通孔之后还包括：
对形成有所述通孔的基板进行双面抛光研磨。
8.根据权利要求6所述的超声波传感单元的制作方法，其特征在于，所述沿形成有所述绝缘层的基板背面的通孔位置处，在所述绝缘层中形成腔室包括：
采用O2等离子体和/或O3等离子体，沿形成有所述绝缘层的基板背面的通孔位置处，在所述绝缘层中通过刻蚀形成腔室。
9.根据权利要求6所述的超声波传感单元的制作方法，其特征在于，所述在形成有所述通孔的第一电极上形成绝缘层包括：
在形成有所述通孔的第一电极上，沿厚度方向上依次形成有机绝缘层和无机绝缘层。
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