CN109174595B - 一种具有t形空腔结构的空气耦合cmut及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT及其制备方法，其振动薄膜的固定于支柱表面的区域设置环形应力释放凹槽；其空腔形状呈T形，即空腔中心区域上下电极间电极距离大于空腔周围靠近支柱区域上下电极间电极距离。本发明利用T形空腔设计来减小空腔周围区域上下电极间的电极距离，从而可在不影响薄膜最大振幅的条件下增大薄膜平均位移，进而增大输出声压，提高机电耦合系数及接收灵敏度。此外，通过薄膜固定端开设应力释放凹槽的方法可进一步减小薄膜固定区域对薄膜变形的束缚，增大薄膜变形，提高输出声压。

Description

一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT及其制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS和超声换能器技术，特别涉及一种面向空气耦合应用领域的具有T形空腔结构的空气耦合CMUT及其制备方法。
背景技术
超声换能器用于超声波的发射和接收，是实现超声检测技术的核心器件。由于超声波具有频率高、传播方向性好、能量集中、穿透力强、无噪音污染以及在液体中可产生空化现象等特点，超声换能器在医疗卫生、工业无损检测、化工生产、海洋地形勘探及军事声纳等领域具有重要应用价值。传统压电超声换能器因存在与空气、液体等环境介质阻抗匹配性差、带宽窄以及难以实现二维换能器阵列制备等技术难题，已无法满足各工程应用领域日益提高的技术要求。MEMS技术的发展使得研制微型化、高性能以及低成本的超声传感器成为可能。基于MEMS技术的电容式微加工超声传感器(Capacitive MicromachinedUltrasonic Transducer，CMUT)克服了传统压电超声换能器存在的难题，在阻抗匹配性、机电耦合性能(机电耦合系数高达0.85)、带宽(分数带宽高达175％)、工作温度范围(最高工作温度可达500℃)等方面具有突出优势。此外，由于基于MEMS工艺，CMUT还具有可批量化制造、成本低、易于加工高密度二维阵列以及易于与ICs集成等优点，因而获得大量研究关注。在过去二十年里，CMUT已经广泛用于医学超声成像、水下超声成像等方面的实验研究，并取得长足的发展。
近年来，随着工业检测与控制、日用电子产品等领域对复合材料以及食品无损检测技术、超声指纹识别、3D超声姿态识别以及非接触控制技术需求的迅速增大，用于空气环境的空气耦合CMUT成为重要发展方向。这些应用要求CMUT具有低工作电压和便携性。例如，超声指纹识别技术需要超声换能器的功耗在mW甚至更低级别，以便与手机等电子器件集成使用后降低整机功耗，提高待机时间。另一方面，在无损检测、超声姿态识别等空气耦合应用中，由于超声波在空气中传播时会迅速衰减，且空气声阻抗与CMUT以及被检测目标阻抗的不一致性也会引起较大反射损耗，因此，要求CMUT具有高强度超声波发射能力和高接收灵敏度。然而，目前常规的空气耦合CMUT工作时需加载高直流偏置电压(>100V)以获得高机电耦合系数，且主要通过薄膜结构设计来增大薄膜平均位移，提高输出声压，这种方法导致薄膜结构设计复杂，增加了工艺难度，降低阵列中单元结构的一致性。此外，对于确定的空腔高度，复杂的薄膜结构也限制了薄膜的最大振动位移空间，导致发射和接收性能的提高有限(目前，CMUT发射灵敏度最高为34Pa/V，接收灵敏度最高为17mV/Pa)。因此，已有的空气耦合CMUT未综合考虑工作电压、制备工艺以及发射和接收性能等因素，难以在有效降低工作电压，且制备工艺简单可行的前提下实现超声波发射和接收性能的同步提高。
发明内容
为解决上述技术难题，本发明提出一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT及其制备方法，本发明在有效降低CMUT工作电压、减小功耗的同时实现超声发射和接收性能的大幅提高，以满足空气耦合应用领域对低功耗、高性能超声换能器的迫切需求。
本发明采用的技术方案如下：
一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT，包括振动薄膜、支柱、下电极、T形空腔、绝缘层以及上电极，绝缘层处于振动薄膜与下电极之间；T形空腔的上半部分沿支柱的厚度方向贯穿支柱；T形空腔的下半部分位于绝缘层或下电极的中心区域，也即绝缘层或者下电极上表面中心区域开设有凹槽，以构成T形空腔的下半部分；振动薄膜、支柱和下电极自上而下依次设置并一道将T形空腔密封；
振动薄膜的上表面位于支柱上方的区域设有应力释放凹槽。
当下电极上表面中心区域开设凹槽时，绝缘层设置于下电极裸露于T形空腔对应区域的表面；或者绝缘层设置于振动薄膜的下表面。
当绝缘层上表面中心区域开设凹槽时，下电极上表面为平面。
优选的，当振动薄膜绝缘时，振动薄膜的上表面设有上电极，上电极设置在振动薄膜上与T形空腔上半部分对应的区域；当振动薄膜能够导电时，振动薄膜同时用作上电极。
优选的，当振动薄膜绝缘时，上电极的形状与T形空腔上半部分的形状一致；上电极的横向尺寸不大于T形空腔上半部分的横向尺寸，且上电极的横向尺寸不小于T形空腔上半部分横向尺寸的一半。
优选的，应力释放凹槽为环形凹槽，环绕于T形空腔的外侧，其中心轴与T形空腔的几何中心线重合；应力释放凹槽的深度小于振动薄膜的厚度，其宽度小于支柱区域最小宽度。
优选的，T形空腔上半部分的形状和下半部分形状一致，上半部分和下半部分中心线重合；其中上半部分横向尺寸大于下半部分的横向尺寸。
一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT的制备方法，包括如下步骤：
(1)取一低阻双面抛光单晶硅片，采用湿法氧化技术或干法氧化技术在单晶硅片上表面氧化生成二氧化硅层，未被氧化单晶硅片用作下电极；
(2)光刻二氧化硅层，图形化T形空腔上半部分形状，采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀二氧化硅层，刻蚀停止于单晶硅上表面，此时初步形成T形空腔的上半部分，剩余二氧化硅层通过后续工艺处理后形成CMUT支柱；
(3)光刻单晶硅片上表面，图形化T形空腔下半部分形状，采用湿法刻蚀单晶硅片上表面，通过刻蚀时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后初步形成T形空腔下半部分形状及单晶硅基底；
(4)采用干法氧化技术二次氧化，在单晶硅基底表面生成二氧化硅绝缘层，同时形成T形空腔、支柱和下电极；
(5)另取一SOI片，对SOI片顶层硅表面和支柱表面做活化处理，将SOI片顶层硅与支柱表面进行真空熔融键合，此时T形空腔被真空密封；
(6)采用化学机械抛光法减薄SOI片80％的基底硅，再采用湿法刻蚀掉剩余基底硅，并进一步湿法刻蚀SOI片埋层二氧化硅，释放SOI片顶层硅，初步形成振动薄膜；
(7)光刻SOI片顶层硅，图形化凹槽形状，湿法刻蚀顶层硅形成应力释放凹槽，同时形成振动薄膜；
(8)在振动薄膜上溅射金属层，光刻金属层，刻蚀形成上电极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
相比于现有技术，本发明CMUT具有T形空腔，T形空腔能够有效减小空腔周围区域上下电极之间的电极距离，增大了该区域的电场力，从而能够增大振动薄膜平均变形，进而提高输出声压；本发明具有T形空腔的CMUT能够通过减小T形空腔周围区域上下电极间电极距离来增大有效电容，进而可增大机电耦合系数和接收灵敏度；本发明T形空腔CMUT能够增大T形空腔周围区域静电力，从而有效降低塌陷电压，也即降低直流偏置电压、减小功耗(塌陷电压是直流偏置电压加载的参考依据，所加载偏置电压一般为塌陷电压的60％～95％)；本发明CMUT在振动薄膜的上表面位于支柱上方的区域设置应力释放凹槽，通过应力释放凹槽能够有效减小振动薄膜固支区域对振动薄膜变形的束缚，进一步增大振动薄膜变形，提高输出声压及接收灵敏度，综上，本发明的CMUT在有效降低CMUT工作电压、减小功耗的同时实现超声发射和接收性能的大幅提高，能够满足空气耦合应用领域对低功耗、高性能超声换能器的迫切需求。
本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT制备工艺简单，所制备的CMUT结构及性能一致性好，通过本发明CMUT的有益效果可知，本发明制备的CMUT能够在有效降低CMUT工作电压、减小功耗的同时实现超声发射和接收性能的大幅提高，能够满足空气耦合应用领域对低功耗、高性能超声换能器的要求。
附图说明
图1为本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT结构示意图(纵向剖面图)；
图2为本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT第一种变化结构示意图(纵向剖面图)；
图3为本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT第二种变化结构示意图(纵向剖面图)；
图4为本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT的制备工艺流程图。
图中的标号如下表所示：
1 振动薄膜 2 支柱
3 下电极 4 T形空腔
4-1 上半部分 4-2 下半部分
5 绝缘层 6 应力释放凹槽
7 上电极 8 二氧化硅层
9 单晶硅片 10 剩余二氧化硅层
11 单晶硅基底 12 SOI片顶层硅
13 SOI片
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT包括振动薄膜1、支柱2、下电极3、T形空腔4、绝缘层5以及上电极7，其中，T形空腔4指：空腔沿其轴向的纵截面为T形；T形空腔4的横截面形状可为圆形或正多边形；
T形空腔4的上半部分沿支柱2的厚度方向贯穿支柱2；下电极3采用低阻硅片或其它低阻材料，上表面中心区域开设有凹槽，该凹槽构成T形空腔4的下半部分；T形空腔4上半部分的形状和下半部分形状一致，上半部分和下半部分中心线重合；T形空腔4的下半部分高度尺寸与上半部分高度尺寸之和为T形空腔4的高度尺寸；下半部分高度尺寸、上半部分高度尺寸以及下半部分的横向尺寸设计应以最大限度增大薄膜变形、机电耦合系数以及减小塌陷电压，但不限制振动薄膜1振动幅值为目标；
绝缘层5设置于下电极3裸露于T形空腔4对应区域的表面(如图1所示)，绝缘层5的厚度设计应保证在直流偏置电压作用下不发生击穿现象；振动薄膜1的上表面上位于支柱2上方的区域设有应力释放凹槽6；
振动薄膜1、支柱2和下电极3自上而下依次设置并一道将T形空腔4密封；
应力释放凹槽6为环形凹槽，环绕于T形空腔4的外侧，其中心轴与T形空腔4的几何中心线重合；应力释放凹槽6内侧与T形空腔4外侧各处距离相等；在相邻CMUT单元间支柱宽度最小区域，应力释放凹槽6中心与支柱2中心重合，且应力释放凹槽6两侧壁关于支柱2中心对称；应力释放凹槽6的深度小于振动薄膜1的厚度，其宽度小于支柱区域最小宽度，应力释放凹槽6深度和宽度尺寸的设置应充分考虑应力释放凹槽6对振动薄膜1和支柱2之间键合强度的影响，以及对振动薄膜1变形大小的影响；应力释放凹槽6的作用主要用于减小振动薄膜固支区域对振动薄膜1变形的束缚，增大薄膜平均变形；
振动薄膜1绝缘，上电极7设置于振动薄膜1的上表面，并处于振动薄膜1上与T形空腔4上半部分对应的区域；上电极7的形状与T形空腔4上半部分形状一致；上电极7的横向尺寸不大于T形空腔4上半部分的横向尺寸，且上电极7的横向尺寸不小于T形空腔4上半部分横向尺寸的一半；上电极7的厚度尺寸应在保证足够导电性条件下取较小值，以免对振动薄膜谐振频率造成较大影响。
图2所示为本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT的第一种变化结构，第一种变化结构与图1所示结构的不同之处在于：振动薄膜1能够导电，并同时用作上电极；绝缘层5设置于振动薄膜1的整个下表面，第一种变化结构的其余部分与图1所示结构相同。
图3所示为本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT的第二种变化结构，第二种变化结构与图1所示结构的不同之处在于：下电极3上表面未开设有凹槽，而是在下电极3上表面设置一层绝缘层5，在绝缘层5上表面中心区域开设凹槽，该凹槽构成T形空腔4的下半部分，第二种变化结构的其余部分与图1所示结构相同。
在以上本发明具有T形空腔结构的空气耦合CMUT的结构中，振动薄膜1可选用单晶硅、氮化硅、碳化硅等材料，可为单层结构，也可为由多层薄膜结构复合而成，其尺寸参数决定于CMUT所需工作频率。
参看图4，图1所示具有T形空腔结构的空气耦合CMUT的制备方法，包括如下步骤：
(1)取一低阻双面抛光单晶硅片9，采用湿法氧化技术或干法氧化技术在单晶硅片9上表面氧化生成二氧化硅层8，未被氧化单晶硅片9用作下电极3；
(2)光刻二氧化硅层8，图形化T形空腔4上半部分形状，采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀二氧化硅层8，刻蚀停止于单晶硅片9上表面，此时初步形成T形空腔4的上半部分，剩余二氧化硅层10通过后续工艺处理后形成CMUT支柱；
(3)光刻单晶硅片9上表面，图形化T形空腔4下半部分形状，采用湿法刻蚀单晶硅片9上表面，通过刻蚀时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后初步形成T形空腔4下半部分形状及单晶硅基底11；
(4)采用干法氧化技术二次氧化，在单晶硅基底11表面生成二氧化硅绝缘层5，同时形成T形空腔4、支柱2和下电极3；
(5)另取一SOI片，对SOI片顶层硅表面和支柱2表面做活化处理，将SOI片顶层硅与支柱2表面进行真空熔融键合，此时T形空腔4被真空密封；
(6)采用化学机械抛光法减薄SOI片80％的基底硅，再采用湿法刻蚀掉剩余基底硅，并进一步湿法刻蚀SOI片埋层二氧化硅，释放SOI片顶层硅，初步形成振动薄膜1；
(7)光刻SOI片顶层硅，图形化凹槽形状，湿法刻蚀顶层硅形成应力释放凹槽6，同时形成最终振动薄膜1；
(8)在振动薄膜上溅射金属层，光刻金属层，刻蚀形成上电极7。
通过上述方法制备得到的具有T形空腔结构的空气耦合CMUT的参考技术指标为：
机电耦合系数：≥50％；
分数带宽：≥120％(-3dB)；
塌陷电压：50V(与常规结构、等尺寸CMUT相比，塌陷电压降低50％)；
发射灵敏度：≥40Pa/V；
接收灵敏度：≥30mV/Pa；
谐振频率：50KHz～1MHz。
本发明利用T形空腔设计来减小空腔周围区域上下电极间的电极距离，从而可在不影响薄膜最大振幅的条件下增大薄膜平均位移，进而增大输出声压，提高机电耦合系数及接收灵敏度。此外，通过薄膜固定端开设应力释放凹槽的方法可进一步减小薄膜固定区域对薄膜变形的束缚，增大薄膜变形，提高输出声压。
以上所述仅为本发明的几种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT，其特征在于，包括振动薄膜(1)、支柱(2)、下电极(3)、T形空腔(4)、绝缘层(5)以及上电极(7)，绝缘层(5)处于振动薄膜(1)与下电极(3)之间；T形空腔(4)的上半部分沿支柱(2)的厚度方向贯穿支柱(2)；绝缘层(5)或者下电极(3)上表面中心区域开设有凹槽，所述凹槽作为T形空腔(4)的下半部分；振动薄膜(1)、支柱(2)和下电极(3)自上而下依次设置并一道将T形空腔(4)密封；
振动薄膜(1)的上表面位于支柱(2)上方的区域设有应力释放凹槽(6)；
应力释放凹槽(6)为环形凹槽，环绕于T形空腔(4)的外侧，其中心轴与T形空腔(4)的几何中心线重合；应力释放凹槽(6)的深度小于振动薄膜(1)的厚度，其宽度小于支柱区域最小宽度。
2.根据权利要求1所述的一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT，其特征在于，当下电极(3)上表面中心区域开设凹槽时，绝缘层(5)设置于下电极(3)裸露于T形空腔(4)对应区域的表面；或者绝缘层(5)设置于振动薄膜(1)的下表面。
3.根据权利要求1所述的一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT，其特征在于，当绝缘层(5)上表面中心区域开设凹槽时，下电极(3)上表面为平面。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT，其特征在于，当振动薄膜(1)绝缘时，振动薄膜(1)的上表面设有上电极(7)，上电极(7)设置在振动薄膜(1)上与T形空腔(4)上半部分对应的区域；当振动薄膜(1)能够导电时，振动薄膜(1)同时用作上电极。
5.根据权利要求4所述的一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT，其特征在于，当振动薄膜(1)绝缘时，上电极(7)的形状与T形空腔(4)上半部分形状一致；上电极(7)的横向尺寸不大于T形空腔(4)上半部分的横向尺寸，且上电极(7)的横向尺寸不小于T形空腔(4)上半部分横向尺寸的一半。
6.根据权利要求1所述的一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT，其特征在于，T形空腔(4)上半部分的形状和下半部分的形状一致，上半部分和下半部分中心线重合；其中上半部分的横向尺寸大于下半部分的横向尺寸。
7.一种具有T形空腔结构的空气耦合CMUT的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取一低阻双面抛光单晶硅片(9)，采用湿法氧化技术或干法氧化技术在单晶硅片(9)上表面氧化生成二氧化硅层(8)，未被氧化单晶硅片(9)用作下电极(3)；
(2)光刻二氧化硅层(8)，图形化T形空腔(4)上半部分形状，采用湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术刻蚀二氧化硅层(8)，刻蚀停止于单晶硅片(9)上表面，此时初步形成T形空腔(4)的上半部分，剩余二氧化硅层(10)通过后续工艺处理后形成CMUT支柱；
(3)光刻单晶硅片(9)上表面，图形化T形空腔(4)下半部分形状，采用湿法刻蚀单晶硅片(9)上表面，通过刻蚀时间控制刻蚀深度，刻蚀完成后初步形成T形空腔(4)下半部分形状及单晶硅基底(11)；
(4)采用干法氧化技术二次氧化，在单晶硅基底(11)表面生成二氧化硅绝缘层(5)，同时形成T形空腔(4)、支柱(2)和下电极(3)；
(5)另取一SOI片，对SOI片顶层硅表面和支柱(2)表面做活化处理，将SOI片顶层硅与支柱(2)表面进行真空熔融键合，此时T形空腔(4)被真空密封；
(6)采用化学机械抛光法减薄SOI片80％的基底硅，再采用湿法刻蚀掉剩余基底硅，并进一步湿法刻蚀SOI片埋层二氧化硅，释放SOI片顶层硅，初步形成振动薄膜(1)；
(7)光刻SOI片顶层硅，图形化凹槽形状，湿法刻蚀顶层硅形成应力释放凹槽(6)，同时形成最终振动薄膜(1)；
(8)在振动薄膜(1)上溅射金属层，光刻金属层，刻蚀形成上电极(7)。
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