CN110510573B - 一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用，所述电容式微机械超声换能器包括：第一组件以及第二组件，所述第二组件包括振动极板层和悬壁梁，所述第二组件中的振动极板层通过悬臂梁和第一组件相连，所述第二组件的振动极板层悬设在第一组件的内部；电容式微机械超声换能器在具有较好超声强度以及超声频率的前提下，能够大大降低器件面积，便于电容式微机械超声换能器阵列化；在制备过程中采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止；避免了多次光刻等，且能保证工艺操作过程中的一致性和可重复性；此外在刻蚀过程中产生的立柱，能够进一步增加支撑性能，避免第一组件和第二组件相互粘连。

Description

一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于微机电技术领域，涉及一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用。

背景技术

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好能够成为射线而定向传播等特点。超声波，能够传递信息，易于获得较集中的声能。超声波对液体、固体的穿透能力强，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。因此超声波检测广泛应用在工业、农业、国防、医学等方面。

通常，超声换能器由诸如PZT的压电陶瓷材料或诸如PVDF的压电聚合物形成。目前换能器可以通过半导体工艺来制成。这样的换能器由其中振动膜生成并且接收超声能量的微小的半导体单元形成，并且被称为微机械超声换能器(MUT)。两种这样的换能器类型是：在膜上利用压电材料的那些，被称为压电微机械超声换能器(PMUT)；以及那些利用导电膜与另一电极之间的电容效应的那些，被称为电容式微机械超声换能器(CMUT)。个体换能器元件可以由一致操作的数十个或数百个这样的MUT单元形成。由于这些单元非常小，每个MUT单元仅产生或响应于小量的声能。通常使用单个换能器阵列化的方法来增大声能，而阵列对于压电微机械超声换能器(PMUT)而言难以实现。电容式微机械超声换能器(CMUT)的出现，很好地克服了压电传感器的许多缺点，且具有易于制造、尺寸小、自身噪声低、工作温度范围大以及易于实现大规模阵列电子集成等众多优点，大有取代压电传感器之势。

基于腐蚀牺牲层技术的电容式微加工超声传感器(CMUT)基本结构由上下电极与电极之间的牺牲层组成。为释放牺牲层形成空腔间隙，上电极与下电极之间必须形成腐蚀区域，倒入腐蚀溶液，待空腔间隙形成后，把腐蚀溶液清除。在实际操作中，这种工艺方法会产生如下两种问题：1.在湿法腐蚀的过程中，腐蚀的成都会因腐蚀液的浓度及腐蚀时间造成腐蚀程度不同从而降低的工艺一致性。2.腐蚀液清除的过程中，由于空腔间隙微小(2um)及液体表面张力的存在，容易引起上塌陷，导致上下电极粘附在一起，从而导致器件失效。

因此，提供一种器件面积小，便于器件阵列化，且制备过程中能够自停止的电容式微机械超声换能器及其制备方法非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用，其中通过在第二组件上设置悬壁梁，使得到的电容式微机械超声换能器在具有较好超声强度以及超声频率的前提下，能够大大降低器件面积，便于电容式微机械超声换能器阵列化；在制备过程中采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止；避免了多次光刻等，且能保证工艺操作过程中的一致性和可重复性；此外在刻蚀过程中产生的立柱，能够进一步增加支撑性能，避免第一组件和第二组件相互粘连。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种电容式微机械超声换能器，所述电容式微机械超声换能器包括：第一组件以及第二组件，所述第二组件包括振动极板层和悬壁梁，所述第二组件中的振动极板层通过悬臂梁和第一组件相连，所述第二组件的振动极板层悬设在第一组件的内部。

在本发明中，通过在第二组件上设置悬壁梁，使得到的电容式微机械超声换能器在具有较好超声强度以及超声频率的前提下，能够大大降低器件面积，便于电容式微机械超声换能器阵列化。

在本发明中，所述第一组件包括下极板层、沿下极板层上表面边缘设置的支撑层，以及设置在下极板层下表面的第一绝缘层。

在本发明中，所述第一组件还包括设置在下极板层上表面的第二绝缘层，所述支撑层位于所述第二绝缘层的外周缘。

在本发明中，所述第二绝缘层的位置和振动极板层的位置对应设置。

在本发明中，所述第二绝缘层和支撑层间隔设置。

在本发明中，所述第二支撑层包括自下而上连接在一起的第三绝缘层和第一保护层，所述第三绝缘层与下极板层相连。

在本发明中，所述下极板层的材质为铝。

在本发明中，所述下极板层和第一绝缘层的形状均为圆柱体；

在本发明中，所述下极板层的底面半径为10-1054μm，例如10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、1054μm等，优选50μm，侧面高度为0.5-0.6μm，例如0.5μm、0.51μm、0.52μm、0.53μm、0.54μm、0.55μm、0.56μm、0.57μm、0.58μm、0.59μm、0.6μm等，优选0.55μm。

在本发明中，所述第一绝缘层的尺寸与下极板层相同。

在本发明中，所述第二绝缘层、第三绝缘层以及第一保护层的形状均为空心圆柱体。

在本发明中，所述第二绝缘层的底面外圆半径为7-529μm，例如7μm、10μm、34μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、529μm等，优选34μm，底面内圆半径为1-25μm，例如1μm、2μm、4μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm等，优选4μm，侧面高度为0.5-0.6μm，例如0.5μm、0.51μm、0.52μm、0.53μm、0.54μm、0.55μm、0.56μm、0.57μm、0.58μm、0.59μm、0.6μm等，优选0.55μm。

在本发明中，所述第三绝缘层的底面外圆半径为10-1054μm，例如10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、1054μm等，优选50μm，底面内圆半径为9-1029μm，例如9μm、25μm、44μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、1029μm等，优选44μm，侧面高度为2.5-3μm，例如2.5μm、2.6μm、2.7μm、2.8μm、2.9μm、3μm等，优选2.75μm。

在本发明中，所述第一保护层的底面外圆半径为10-1054μm，例如10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、1054μm等，优选50μm，底面内圆半径为9-1029μm，例如9μm、25μm、44μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm、1029μm等，优选44μm，侧面高度为0.5-0.6μm，例如0.5μm、0.51μm、0.52μm、0.53μm、0.54μm、0.55μm、0.56μm、0.57μm、0.58μm、0.59μm、0.6μm等，优选0.55μm。

在本发明中，所述第一绝缘层、第二绝缘层以及第三绝缘层的材质均为二氧化硅。

在本发明中，所述第一保护层的材质为铝。

在本发明中，所述振动极板层包括第四绝缘层、位于第四绝缘层内部的上基板层以及位于第四绝缘层上表面的第二保护层。

在本发明中，所述第四绝缘层的外观形状为空心圆柱体。

在本发明中，所述第四绝缘层的底面外圆半径为7-529μm，例如7μm、34μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、529μm等，优选34μm，底面内圆半径为1-25μm，例如1μm、2μm、4μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、17μm、20μm、22μm、25μm等，优选4μm，侧面高度为1.5-1.8μm，例如1.5μm、1.55μm、1.6μm、1.65μm、1.7μm、1.75μm、1.8μm等，优选1.65μm。

在本发明中，所述第四绝缘层的材质为二氧化硅。

在本发明中，所述上极板层的形状为空心圆柱体。

在本发明中，所述上极板层的底面外圆半径为5-527μm，例如5μm、10μm、32μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm等，优选32μm，底面内圆半径为3-27μm，例如3μm、5μm、6μm、10μm、12μm、15μm、17μm、20μm、22μm、25μm、27μm等，优选6μm，侧面高度为0.5-0.6μm，例如0.5μm、0.51μm、0.52μm、0.53μm、0.54μm、0.55μm、0.56μm、0.57μm、0.58μm、0.59μm、0.6μm等，优选0.55μm。

在本发明中，所述上极板层的材质为铝。

在本发明中，所述第二保护层的形状为空心圆柱体。

在本发明中，所述第二保护层的底面外圆半径为7-529μm，例如7μm、34μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、529μm等，优选34μm，底面内圆半径为1-25μm，例如1μm、2μm、4μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、17μm、20μm、22μm、25μm等，优选4μm，侧面高度为0.5-0.6μm，例如0.5μm、0.51μm、0.52μm、0.53μm、0.54μm、0.55μm、0.56μm、0.57μm、0.58μm、0.59μm、0.6μm等，优选0.55μm。

在本发明中，所述第二保护层的材质为铝。

在本发明中，所述悬壁梁的个数为2-6个，例如2个、3个、4个、5个、6个，在保证较好的力的分散与支撑的前提下，能够减少原料的使用；悬壁梁均分分散在换能器中，若悬壁梁的个数为2个，两个悬壁梁之间的角度为180°(即360°除以悬壁梁的个数)，悬壁梁的个数为3个，任两个悬壁梁之间的角度为120°，悬壁梁的个数为4个，任两个悬壁梁之间的角度为90°，悬壁梁的个数为5个，任两个悬壁梁之间的角度为72°，悬壁梁的个数为6个，任两个悬壁梁之间的角度为60度；悬壁梁的形状本领域技术人员也可以根据实际需要进行调整。

在本发明中，所述悬壁梁绕振动极板层的外周缘轴向分布。

在本发明中，所述悬臂梁绕振动极板层的外周缘等距轴向分布。

在本发明中，悬臂梁和振动极板层是一体式结构，为了描述方便，将其划分为悬臂梁和振动极板层，振动极板层的结构与振动极板层的结构相近，包括交替设置的第一连接支撑层、第二连接支撑层、第三连接支撑层以及第四连接支撑层，其中第一连接支撑层以及第三连接支撑层和振动极板层中第四绝缘层的回形结构的上下部分相连，第二连接支撑层和上极板层连接在一起，第四连接支撑层和第二保护层连接在一起。其中第一连接支撑层、第二连接支撑层、第三连接支撑层以及第四连接支撑层的厚度均与与其相邻的振动极板层相对应层的厚度相同；本发明对悬臂梁的具体结构不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行调整。

本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述的电容式微机械超声换能器的制备方法，所述制备方法包括：将裸片通过刻蚀，得到所述电容式微机械超声换能器。

在本发明中，所述裸片是先通过Cadence virtuoso设计，而后进行生产得到的。

在本发明中，裸片的外观结构为圆柱体，垂直于圆柱体上下底面，将裸片剖开，且剖面过上下底面圆的圆心；其中图1为裸片结构的剖视图，如图1可知，裸片的结构包括非金属氧化物层A1、分散在非金属氧化物层A1内部的金属层A2(为了使图更简洁清楚，仅仅标识出了一个金属层M1，A2不仅仅是指图中标记出的金属层1，而是指整个图1中的金属层M1-M5)，以及位于非金属氧化物层A1上表面的氮化硅层A3；非金属氧化物层为二氧化硅层；金属层的材质为铝；金属层的层数为5层，自下而上依次包括M1层、M2层、M3层、M4层以及M5层；金属层可以连续分布，也可以间隔分布，若间隔分布，则位于同一水平面的几个部分统称为1个金属层，如M5包括从左至右4个金属层，M1则包括一个金属层；此图是左右对称图；其中，1-1’的距离＜2-2’的距离＜3-3’的距离＜4-4’的距离＜5-5’的距离＜6-6’的距离＜7-7’的距离＜8-8’的距离＜9-9’的距离＜10-10’的距离＜11-11’的距离＜12-12’的距离；6-5的距离＜7-4的距离＜8-2的距离；11-10的距离＜12-9的距离；1-1’中1是将M2中左边金属层的右端记为1，右边金属层的左端记为1’，1-1’的距离即为M2中左边金属层的右端至右边金属层的左端的距离；2-2’中2是将M3中中间金属层的左端记为2，右端记为2’，2-2’的距离即为M3中中间金属层左端至右端的距离；同理3-3’、4-4’、5-5’、6-6’、7-7’、8-8’、9-9’、10-10’、11-11’、12-12’、6-5、7-4、8-2、11-10以及12-9代表的意义也与1-1’和2-2’代表的意义相同；在满足该规律的前提下，具体距离的选择本领域技术人员可根据实际需要进行调整。

在本发明中，所述刻蚀为化学刻蚀。

在本发明中，所述刻蚀包括对裸片依次进行第一次反应离子深刻蚀、湿法刻蚀以及第二次反应离子深刻蚀。

本发明中采用第一次反应离子深刻蚀、湿法刻蚀以及第二次反应离子深刻蚀，三者配合使用，使得在刻蚀过程中能够自停止，无需采用光刻等比较复杂的刻蚀方法；在湿法刻蚀过程中，由于表面张力的存在，上薄膜极易粘到下薄膜，容易使器件失效，本申请在设计过程中，在湿法刻蚀过程中会产生立柱，立柱会对上薄膜产生竖直向上的支撑力，避免表面张力使上下薄膜粘滞在一起。

在本发明中，所述第一次反应离子深刻蚀为干法刻蚀。

在本发明中，所述第一次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为CHF₃和氧气的混合气体，RIE源的功率为50-80W，例如50W、55W、60W、65W、70W、75W、80W等，刻蚀的均匀性为90-95％，例如90％、91％、92％、93％、94％、95％等。

在本发明中，所述CHF₃和氧气的混合气体中CHF₃和氧气的体积比为(3-6):1，例如3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1等。

在本发明中，所述第一次反应离子深刻蚀包括刻蚀除去裸片中的氮化硅层，以及垂直于M5设置，且未有M5层保护的二氧化硅层，得到预制品A。

在本发明中，图2为经过第一次反应离子深刻蚀之后得到的预制品A的剖视图，如图2可知，通过第一次反应离子深刻蚀除去了原图1中的M5层上表面的氮化硅层和二氧化硅层，并且自上而下除去垂直M5设置，且没有有M5层保护的二氧化硅层，在第一次反应离子深刻蚀过程中，反应离子仅和二氧化硅层反应，而不会和金属层反应，当自上而下腐蚀过程中，当腐蚀至M2金属层(1-10，1’-10’)以及M3的部分金属层(2-2’)的地方，会自动停止腐蚀，得到预制品A的结构。

在本发明中，所述湿法刻蚀包括酸刻蚀。

在本发明中，所述酸刻蚀用酸液的制备方法包括：将磷酸、硝酸、冰醋酸以及去离子水按照体积比为1:1:2:16混合得到。

在本发明中，所述湿法刻蚀包括刻蚀除去预制品A中M2层以及部分M3层，得到预制品B。

在本发明中，图3为经过湿法刻蚀之后得到的预制品B的剖视图，如图3可知，在经过第一次反应离子深刻蚀过程中，碰到M2中的金属层以及M3中部分金属层的地方停止腐蚀，而后在停止腐蚀的地方采用湿法刻蚀，湿法刻蚀选用的酸会和金属反应，而不会和二氧化硅层反应，则在湿法腐蚀的过程中，会腐蚀除去M2的金属层(1-10，1’-10’)以及M3的部分金属层(2-2’)，得到预制品B；且由图3可以看出，在M2的那一层，在除去金属层之后，两个金属层之间还有一段用于支撑的二氧化硅层，将该用于支撑的二氧化硅层称为中央立柱，用于支撑预制品B中的上薄膜层，避免湿法刻蚀过程中产生的表面张力使上下薄膜粘接在一起，从而影响器件的性能。

在本发明中，所述第二次反应离子深刻蚀为干法刻蚀。

在本发明中，所述第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为CHF₃和氧气的混合气体，RIE源的功率为50-80W，例如50W、55W、60W、65W、70W、75W、80W等，刻蚀的均匀性为90-95％，例如90％、91％、92％、93％、94％、95％等。

在本发明中，所述CHF₃和氧气的混合气体中CHF₃和氧气的体积比为(3-6):1，例如3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1等。

在本发明中，所述第二次反应离子深刻蚀包括除去部分二氧化硅层，得到所述电容式微机械超声换能器。

在本发明中，图4为经过第二次反应离子深刻蚀得到的电容式微机械超声换能器结构的剖视图，如图4可知，采用第二次反应离子深刻蚀除去图3中比图4多出的二氧化硅层。

在本发明中，采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止，避免了光刻等复杂刻蚀方法的使用，且能保证工艺操作过程中的可重复性；此外在刻蚀过程中产生立柱，能够进一步增加支撑性能，避免第一组件和第二组件相互粘连。

本发明的目的之三在于提供一种如目的之一所述的电容式微机械超声换能器在超声成像中的应用。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明中通过设置悬壁梁，使得到的电容式微机械超声换能器在具有较好超声强度以及超声频率的前提下(超声强度为3-10.8W/cm²，超声频率为98KHz)，能够大大降低器件面积，便于电容式微机械超声换能器阵列化(阵列化测试均合格)；在制备过程中采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止，避免了光刻等复杂刻蚀方法的使用，且能保证工艺操作过程中的可重复性；此外，在刻蚀过程中产生的立柱，将在下一步湿法腐蚀工艺中起到支撑左右，避免由于分子作用力的存在导致第一组件和第二组件相互黏连引发器件失效。

附图说明

图1是发明内容中裸片结构的剖视图；

其中，A1为非金属氧化物层，A2为金属层，A3为氮化硅层，M1-M5均为金属层；

图2为发明内容中预制品A结构的剖视图；

图3为发明内容中预制品B结构的剖视图；

图4为发明内容中电容式微机械超声换能器结构的剖视图；

图5为实施方式中电容式微机械超声换能器的俯视图；

图6为图5沿AA’的剖视图；

图7为图5沿BB’的剖视图；

其中，1为第一组件，2为振动极板层，3为悬臂梁，1-1为下极板层，1-2为支撑层，1-3为第一绝缘层，1-4为第二绝缘层，1-5为第三绝缘层，1-6为第一保护层，2-1为第四绝缘层，2-2为上极板层，2-3为第二保护层，3-1为第一连接支撑层，3-2为第二连接支撑层，3-3为第三连接支撑层，3-4为第四连接支撑层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本实施方式提供一种电容式微机械超声换能器，图5为电容式微机械超声换能器的俯视图，如图5所示，包括第一组件1以及第二组件，第二组件包括振动极板层2和悬臂梁3，第二组件中的振动极板层2通过悬臂梁3和第一组件1相连，第二组件的振动极板层2悬设在第一组件1的内部。图6为图5沿AA’的剖视图，图7为图5沿BB’的剖视图，从图6和图7结合可知，第二组件的振动极板层悬设在第一组件内部，第一组件包括下极板层1-1、沿下极板层1-1上表面边缘设置的支撑层1-2，以及设置在下极板层1-1下表面的第一绝缘层1-3，第一组件1还包括设置在下极板层上表面的第二绝缘层1-4，支撑层1-2位于第二绝缘层1-4的外周缘，第二绝缘层1-4的位置和第二组件的振动极板层的位置相对应；第二绝缘层1-4和支撑层1-2间隔设置；支撑层1-2包括自下而上连接在一起的第三绝缘层1-5和第一保护层1-6，第三绝缘层1-5和下极板层1-1相连；振动极板层包括第四绝缘层2-1、位于第四绝缘层2-1内部的上极板层2-2以及位于第四绝缘层上表面的第二保护层2-3，悬臂梁包括自下而上连接在一起的第一连接支撑层3-1、第二连接支撑层3-2、第三连接支撑层3-3、第四连接支撑层3-4，第一连接支撑层3-1和第三连接支撑层和第四绝缘层2-1相连，第二连接支撑层和上极板层2-2相连，第四连接支撑层和第二保护层2-3相连。

其中，本申请对下极板层、第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层以及第一保护层的材质、形状以及具体参数的设置不做限定，本领域技术人员可根据实际需要进行调整；示例性的如：下极板层的材质为铝，形状为圆柱体，下极板层的底面半径为10-1054μm，优选50μm，侧面高度为0.5-0.6μm，优选0.55μm；第一绝缘层的材质为二氧化硅，形状为圆柱体，第一绝缘层的底面半径为10-1054μm，优选50μm，侧面高度为0.5-0.6μm，优选0.55μm；第二绝缘层的材质为二氧化硅，形状为空心圆柱体，第二绝缘层的底面外圆半径为7-529μm，优选34μm，底面内圆半径为1-25μm，优选4μm，侧面高度为0.5-0.6μm，优选0.55μm；第三绝缘层的材质为二氧化硅，形状为空心圆柱体，第三绝缘层的底面外圆半径为10-1054μm，优选50μm，底面内圆半径为9-1029μm，优选44μm，侧面高度为2.5-3μm，优选2.75μm；第一保护层的材质为铝，形状为空心圆柱体，底面外圆半径为10-1054μm，优选50μm，底面内圆半径为9-1029μm，优选44μm，侧面高度为0.5-0.6μm，优选0.55μm。

其中，本申请对第四绝缘层、上极板层以及第二保护层的具体材质、形状以及尺寸等不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行调整；示例性地如：第四绝缘层的材质为二氧化硅，表观形状为空心圆柱体，第四绝缘层的底面外圆半径为7-529μm，优选34μm，底面内圆半径为1-25μm，优选4μm，侧面高度为1.5-1.8μm，优选1.65μm，且其切面为回形，回形内部为上极板层；上极板层的材质为铝，形状为空心圆柱体，上极板层的底面外圆半径为5-527μm，优选32μm，底面内圆半径为3-27μm，优选6μm，侧面高度为0.5-0.6μm，优选0.55μm；第二保护层的材质为铝，形状为空心圆柱体，第二保护层的底面外圆半径为7-529μm，优选34μm，底面内圆半径为1-25μm，优选4μm，侧面高度为0.5-0.6μm，优选0.55μm。

悬壁梁绕振动极板层的外周缘等距轴向分布，悬壁梁在本申请中的作用为支撑作用，用于连接第一组件和第二组件，个数可以为多个，具体个数本领域技术人员可根据实际需要进行调整，优选2-6个，在保证较好的力的分散与支撑的前提下，能够减少原料的使用；悬壁梁均分分散在换能器中，若悬壁梁的个数为2个，两个悬壁梁之间的角度为180°(即360°除以悬壁梁的个数)，悬壁梁的个数为3个，任两个悬壁梁之间的角度为120°，悬壁梁的个数为4个，任两个悬壁梁之间的角度为90°，悬壁梁的个数为5个，任两个悬壁梁之间的角度为72°，悬壁梁的个数为6个，任两个悬壁梁之间的角度为60度；悬壁梁的形状本领域技术人员也可以根据实际需要进行调整。

本实施方式中，悬臂梁和振动极板层是一体式结构，为了描述方便，将其划分为悬臂梁和振动极板层，振动极板层的结构与振动极板层的结构相近，包括交替设置的第一连接支撑层、第二连接支撑层、第三连接支撑层以及第四连接支撑层，其中第一连接支撑层以及第三连接支撑层和振动极板层中第四绝缘层的回形结构的上下部分相连，第二连接支撑层和上极板层连接在一起，第四连接支撑层和第二保护层连接在一起。其中第一连接支撑层、第二连接支撑层、第三连接支撑层以及第四连接支撑层的厚度均与与其相邻的振动极板层相对应层的厚度相同。

实施例1

本实施例中，下极板层的材质为铝，形状为圆柱体，下极板层的底面半径为50μm，侧面高度为0.55μm；第一绝缘层的材质为二氧化硅，形状为圆柱体，第一绝缘层的底面半径为50μm，侧面高度为0.55μm；第二绝缘层的材质为二氧化硅，形状为空心圆柱体，第二绝缘层的底面外圆半径为34μm，底面内圆半径为4μm，侧面高度为0.55μm；第三绝缘层的材质为二氧化硅，形状为空心圆柱体，第三绝缘层的底面外圆半径为50μm，底面内圆半径为44μm，侧面高度为2.75μm；第一保护层的材质为铝，形状为空心圆柱体，底面外圆半径为50μm，底面内圆半径为44μm，侧面高度为0.55μm；第四绝缘层的材质为二氧化硅，表观形状为空心圆柱体，第四绝缘层的底面外圆半径为34μm，底面内圆半径为4μm，侧面高度为1.65μm，且其切面为回形，回形内部为上极板层；上极板层的材质为铝，形状为空心圆柱体，上极板层的底面外圆半径为32μm，底面内圆半径为6μm，侧面高度为0.55μm；第二保护层的材质为铝，形状为空心圆柱体，第二保护层的底面外圆半径为34μm，底面内圆半径为4μm，侧面高度为0.55μm；悬臂梁的个数为3个，任两个悬臂梁之间的角度为120°。

本实施例还提供一种电容式微机械超声换能器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

第一步：通过Cadence virtuoso设计图纸，而后请晶圆代工厂生产，并流片得到裸片；

本实施例中，裸片的外观结构为圆柱体，将裸片沿上下底面平行的直径剖开，如发明内容中图1可知，裸片的结构包括非金属氧化物层A1、分散在非金属氧化物层A1内部的金属层(为了使图更简洁清楚，仅仅标识出了一个金属层M1，A2不仅仅是指图中标记出的金属层1，而是指整个图1中的金属层M1-M5)，以及位于非金属氧化物层A1上表面的氮化硅层A3；非金属氧化物层A1为二氧化硅层；金属层A2的材质为铝；金属层的层数为5层，自下而上依次包括M1层、M2层、M3层、M4层以及M5层；金属层间隔分布，位于同一水平面的几个部分统称为1个金属层，M5包括从左至右4个金属层，M4包括从左至右4个金属层，M3包括从左至右3个金属层，M2包括从左至右2个金属层，M1则包括一个金属层；此图是左右对称图；其中，1-1’的距离＜2-2’的距离＜3-3’的距离＜4-4’的距离＜5-5’的距离＜6-6’的距离＜7-7’的距离＜8-8’的距离＜9-9’的距离＜10-10’的距离＜11-11’的距离＜12-12’的距离；6-5的距离＜7-4的距离＜8-2的距离；11-10的距离＜12-9的距离，1-1’的距离为10μm，2-2’的距离为14μm，3-3’的距离为18μm，4-4’的距离为22μm，5-5’的距离为36μm，6-6’的距离为70μm，7-7’的距离为74μm，8-8’的距离为78μm，9-9’的距离为100μm，10-10’的距离为104μm，11-11’的距离为140μm，12-12’的距离为144μm，6-5的距离为17μm，7-4的距离为21μm，8-2的距离为25μm，11-10的距离为18μm，12-9的距离为22μm。

第二步：对第一步得到的裸片进行第一次反应离子深刻蚀，得到预制品A；

在本实施例中，第一次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为体积比是4:1的CHF₃和氧气的混合气体，RIE源的功率为60W，刻蚀的均匀性为93％。

在本实施例中，将裸片进行第一次反应离子深刻蚀，其中发明内容中图2为预制品A的剖视图，通过第一次反应离子深刻蚀除去了裸片中的M5层上表面的氮化硅层和二氧化硅层，并且自上而下除去垂直M5设置，且没有有M5层保护的二氧化硅层，在第一次反应离子深刻蚀过程中，反应离子仅和二氧化硅层反应，而不会和金属层反应，当自上而下腐蚀过程中，当腐蚀至M2金属层(1-10，1’-10’)以及M3的部分金属层(2-2’)的地方，会自动停止腐蚀，得到预制品A的结构。

第三步：将第二步得到的预制品A进行湿法蚀刻，得到预制品B；

在本实施例中，湿法刻蚀用酸的制备方法包括：将磷酸、硝酸、冰醋酸以及去离子水按照体积比为1:1:2:16混合，得到酸液，满足和铝反应，而不和二氧化硅反应，从而较好的去除金属层。

在本实施例中，将预制品A进行湿法刻蚀，得到预制品B，其中发明内容中图3为预制品B的剖视图，在经过第一次反应离子深刻蚀过程中，碰到M2中的金属层以及M3中部分金属层的地方停止腐蚀，而后在停止腐蚀的地方采用湿法刻蚀，湿法刻蚀选用的酸会和金属反应，而不会和二氧化硅层反应，则在湿法腐蚀的过程中，会腐蚀除去M2的金属层(1-10，1’-10’)以及M3的部分金属层(2-2’)，得到预制品B；且由图3可以看出，在M2的那一层，在除去金属层之后，两个金属层之间还有一段用于支撑的二氧化硅层，将该用于支撑的二氧化硅层称为中央立柱，用于支撑预制品B中的上薄膜层，避免湿法刻蚀过程中产生的表面张力使上下薄膜粘接在一起，从而影响器件的性能。

第四步：将预制品C进行第二次反应离子深刻蚀，得到电容式微机械超声换能器。

本实施例中，第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为体积比是4:1的CHF₃和氧气的混合气体，RIE源的功率为60W，刻蚀的均匀性为93％。

在本实施方式中，采用第二次反应离子深刻蚀法的原因在于该方法中反应离子仅和二氧化硅层反应，而不和金属层反应，从而去除多余的二氧化硅层，得到电容式微机械超声换能器。

对本实施例1得到的电容式微机械超声换能器进行性能测试，利用标准超声探头作为接收端，测试研制的电容式微机械超声换能器的发射性能；利用阻抗分析仪，添加交流信号为1V，直流信号40V，扫描范围20KHz-1MHz，测得的超声强度为4.5W/cm²，超声频率为810KHz，阵列化测试标准：JB/T 12466-2015,测试结果合格。

实施例2

本实施例中，下极板层的材质为铝，形状为圆柱体，下极板层的底面半径为10μm，侧面高度为0.5μm；第一绝缘层的材质为二氧化硅，形状为圆柱体，第一绝缘层的底面半径为10μm，侧面高度为0.5μm；第二绝缘层的材质为二氧化硅，形状为空心圆柱体，第二绝缘层的底面外圆半径为7μm，底面内圆半径为1μm，侧面高度为0.5μm；第三绝缘层的材质为二氧化硅，形状为空心圆柱体，第三绝缘层的底面外圆半径为10μm，底面内圆半径为9μm，侧面高度为2.5μm；第一保护层的材质为铝，形状为空心圆柱体，底面外圆半径为10μm，底面内圆半径为9μm，侧面高度为0.5μm；第四绝缘层的材质为二氧化硅，表观形状为空心圆柱体，第四绝缘层的底面外圆半径为7μm，底面内圆半径为1μm，侧面高度为1.5μm，且其切面为回形，回形内部为上极板层；上极板层的材质为铝，形状为空心圆柱体，上极板层的底面外圆半径为5μm，底面内圆半径为3μm，侧面高度为0.5μm；第二保护层的材质为铝，形状为空心圆柱体，第二保护层的底面外圆半径为7μm，底面内圆半径为1μm，侧面高度为0.5μm；悬臂梁的个数为2个，任两个悬臂梁之间的角度为180°。

本实施例还提供一种电容式微机械超声换能器的制备方法，制备方法与实施例1的区别仅在于第一次反应离子深刻蚀和第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为体积比为3:1的CHF₃和氧气的混合气体，RIE源的功率为50W，刻蚀的均匀性为90％。

对本实施例2得到的电容式微机械超声换能器进行性能测试，利用标准超声探头作为接收端，测试研制的电容式微机械超声换能器的发射性能；利用阻抗分析仪，添加交流信号为1V，直流信号40V，扫描范围20KHz-1MHz，测得的超声强度为3.0W/cm²，超声频率为677KHz，阵列化测试标准：JB/T 12466-2015,测试结果合格。

实施例3

本实施例中，下极板层的材质为铝，形状为圆柱体，下极板层的底面半径为1054μm，侧面高度为0.6μm；第一绝缘层的材质为二氧化硅，形状为圆柱体，第一绝缘层的底面半径为1054μm，侧面高度为0.6μm；第二绝缘层的材质为二氧化硅，形状为空心圆柱体，第二绝缘层的底面外圆半径为529μm，底面内圆半径为25μm，侧面高度为0.6μm；第三绝缘层的材质为二氧化硅，形状为空心圆柱体，第三绝缘层的底面外圆半径为1054μm，底面内圆半径为1029μm，侧面高度为3μm；第一保护层的材质为铝，形状为空心圆柱体，底面外圆半径为1054μm，底面内圆半径为1029μm，侧面高度为0.6μm；第四绝缘层的材质为二氧化硅，表观形状为空心圆柱体，第四绝缘层的底面外圆半径为529μm，底面内圆半径为25μm，侧面高度为1.8μm，且其切面为回形，回形内部为上极板层；上极板层的材质为铝，形状为空心圆柱体，上极板层的底面外圆半径为527μm，底面内圆半径为27μm，侧面高度为0.6μm；第二保护层的材质为铝，形状为空心圆柱体，第二保护层的底面外圆半径为529μm，底面内圆半径为25μm，侧面高度为0.6μm；悬臂梁的个数为6个，任两个悬臂梁之间的角度为60°。

本实施例还提供一种电容式微机械超声换能器的制备方法，制备方法与实施例1的区别仅在于第一次反应离子深刻蚀和第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为体积比为6:1的CHF₃和氧气的混合气体，RIE源的功率为80W，刻蚀的均匀性为95％。

对本实施例3得到的电容式微机械超声换能器进行性能测试，利用标准超声探头作为接收端，测试研制的电容式微机械超声换能器的发射性能；利用阻抗分析仪，添加交流信号为1V，直流信号40V，扫描范围20KHz-1MHz，测得的超声强度为10.8W/cm²，超声频率为98KHz，阵列化测试标准：JB/T 12466-2015,测试结果合格。

申请人声明，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，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (81)

1.一种超声强度为3-10.8W/cm²，超声频率为98KHz的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述电容式微机械超声换能器包括：第一组件以及第二组件，所述第二组件包括振动极板层和悬壁梁，所述第二组件中的振动极板层通过悬臂梁和第一组件相连，所述第二组件的振动极板层悬设在第一组件的内部；

所述电容式微机械超声换能器通过以下制备方法制备得到：

将裸片通过刻蚀，得到所述电容式微机械超声换能器；

所述裸片的结构包括非金属氧化物层、分布在非金属氧化物层内部的金属层，以及位于非金属氧化物层上表面的氮化硅层；

所述非金属氧化物层为二氧化硅层；

所述金属层的层数为5层，自下而上依次包括M1层、M2层、M3层、M4层以及M5层；

所述刻蚀包括对裸片依次进行第一次反应离子深刻蚀、湿法刻蚀以及第二次反应离子深刻蚀；

所述第一次反应离子深刻蚀为干法刻蚀；

所述第一次反应离子深刻蚀包括刻蚀除去裸片中M5层上表面的氮化硅层和二氧化硅层，以及垂直于M5设置，且未有M5层保护的二氧化硅层，得到预制品A；

所述湿法刻蚀包括酸刻蚀，所述酸刻蚀用酸液的制备方法包括：将磷酸、硝酸、冰醋酸以及去离子水按照体积比为1:1:2:16混合得到；

所述湿法刻蚀包括刻蚀除去预制品A中M2层以及部分M3层，得到预制品B；

所述预制品B中形成有立柱，用于支撑预制品B中的上薄膜层。

2.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一组件包括下极板层、沿下极板层上表面边缘设置的支撑层，以及设置在下极板层下表面的第一绝缘层。

3.根据权利要求2所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一组件还包括设置在下极板层上表面的第二绝缘层，所述支撑层位于所述第二绝缘层的外周缘。

4.根据权利要求3所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层的位置和第二组件的振动极板层的位置对应设置。

5.根据权利要求3所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层和支撑层间隔设置。

6.根据权利要求3所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述支撑层包括自下而上连接在一起的第三绝缘层和第一保护层，所述第三绝缘层与下极板层相连。

7.根据权利要求2所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述下极板层的材质为铝。

8.根据权利要求2所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述下极板层和第一绝缘层的形状均为圆柱体。

9.根据权利要求8所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述下极板层的底面半径为10-1054μm。

10.根据权利要求9所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述下极板层的底面半径为50μm。

11.根据权利要求9所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述下极板层的侧面高度为0.5-0.6μm。

12.根据权利要求11所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述下极板层的侧面高度为0.55μm。

13.根据权利要求8所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一绝缘层的尺寸与下极板层相同。

14.根据权利要求6所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层、第三绝缘层以及第一保护层的形状均为空心圆柱体。

15.根据权利要求14所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层的底面外圆半径为7-529μm。

16.根据权利要求15所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层的底面外圆半径为34μm。

17.根据权利要求15所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层的底面内圆半径为1-25μm。

18.根据权利要求17所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层的底面内圆半径为4μm。

19.根据权利要求15所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层的侧面高度为0.5-0.6μm。

20.根据权利要求19所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二绝缘层的侧面高度为0.55μm。

21.根据权利要求14所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三绝缘层的底面外圆半径为10-1054μm。

22.根据权利要求21所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三绝缘层的底面外圆半径为50μm。

23.根据权利要求21所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三绝缘层的底面内圆半径为9-1029μm。

24.根据权利要求23所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三绝缘层的底面内圆半径为44μm。

25.根据权利要求21所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三绝缘层的侧面高度为2.5-3μm。

26.根据权利要求25所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第三绝缘层的侧面高度为2.75μm。

27.根据权利要求14所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一保护层的底面外圆半径为10-1054μm。

28.根据权利要求27所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一保护层的底面外圆半径为50μm。

29.根据权利要求27所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一保护层的底面内圆半径为9-1029μm。

30.根据权利要求29所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一保护层的底面内圆半径为44μm。

31.根据权利要求27所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一保护层的侧面高度为0.5-0.6μm。

32.根据权利要求31所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一保护层的侧面高度为0.55μm。

33.根据权利要求6所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一绝缘层、第二绝缘层以及第三绝缘层的材质均为二氧化硅。

34.根据权利要求6所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第一保护层的材质为铝。

35.根据权利要求6所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述振动极板层包括第四绝缘层、位于第四绝缘层内部的上极板层以及位于第四绝缘层上表面的第二保护层。

36.根据权利要求35所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第四绝缘层的外观形状为空心圆柱体。

37.根据权利要求36所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第四绝缘层的底面外圆半径为7-529μm。

38.根据权利要求37所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第四绝缘层的底面外圆半径为34μm。

39.根据权利要求37所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第四绝缘层的底面内圆半径为1-25μm。

40.根据权利要求39所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第四绝缘层的底面内圆半径为4μm。

41.根据权利要求37所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第四绝缘层的侧面高度为1.5-1.8μm。

42.根据权利要求41所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第四绝缘层的侧面高度为1.65μm。

43.根据权利要求35所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第四绝缘层的材质为二氧化硅。

44.根据权利要求35所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述上极板层的形状为空心圆柱体。

45.根据权利要求44所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述上极板层的底面外圆半径为5-527μm。

46.根据权利要求45所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述上极板层的底面外圆半径为32μm。

47.根据权利要求45所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述上极板层的底面内圆半径为3-27μm。

48.根据权利要求47所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述上极板层的底面内圆半径为6μm。

49.根据权利要求45所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述上极板层的侧面高度为0.5-0.6μm。

50.根据权利要求49所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述上极板层的侧面高度为0.55μm。

51.根据权利要求35所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述上极板层的材质为铝。

52.根据权利要求35所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二保护层的形状为空心圆柱体。

53.根据权利要求52所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二保护层的底面外圆半径为7-529μm。

54.根据权利要求53所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二保护层的底面外圆半径为34μm。

55.根据权利要求53所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二保护层的底面内圆半径为1-25μm。

56.根据权利要求55所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二保护层的底面内圆半径为4μm。

57.根据权利要求53所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二保护层的侧面高度为0.5-0.6μm。

58.根据权利要求57所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二保护层的侧面高度为0.55μm。

59.根据权利要求35所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述第二保护层的材质为铝。

60.根据权利要求1所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述悬壁梁的个数为2-6个。

61.根据权利要求60所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述悬壁梁绕振动极板层的外周缘轴向分布。

62.根据权利要求61所述的电容式微机械超声换能器，其特征在于，所述悬臂梁绕振动极板层的外周缘等距轴向分布。

63.根据权利要求1-62任一项所述的电容式微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将裸片通过刻蚀，得到所述电容式微机械超声换能器。

64.根据权利要求63所述的制备方法，其特征在于，所述裸片是通过Cadence virtuoso软件设计，而后进行生产得到的。

65.根据权利要求63所述的制备方法，其特征在于，所述裸片的结构包括非金属氧化物层、分布在非金属氧化物层内部的金属层，以及位于非金属氧化物层上表面的氮化硅层。

66.根据权利要求65所述的制备方法，其特征在于，所述非金属氧化物层为二氧化硅层。

67.根据权利要求65所述的制备方法，其特征在于，所述金属层的材质为铝。

68.根据权利要求65所述的制备方法，其特征在于，所述金属层的层数为5层，自下而上依次包括M1层、M2层、M3层、M4层以及M5层。

69.根据权利要求63所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀包括对裸片依次进行第一次反应离子深刻蚀、湿法刻蚀以及第二次反应离子深刻蚀。

70.根据权利要求69所述的制备方法，其特征在于，所述第一次反应离子深刻蚀为干法刻蚀。

71.根据权利要求70所述的制备方法，其特征在于，所述第一次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为CHF₃和氧气的混合气体，RIE源的功率为50-80W，刻蚀的均匀性为90-95％。

72.根据权利要求71所述的制备方法，其特征在于，所述CHF₃和氧气的混合气体中CHF₃和氧气的体积比为(3-6):1。

73.根据权利要求69所述的制备方法，其特征在于，所述第一次反应离子深刻蚀包括刻蚀除去裸片中M5层上表面的氮化硅层和二氧化硅层，以及垂直于M5设置，且未有M5层保护的二氧化硅层，得到预制品A。

74.根据权利要求69所述的制备方法，其特征在于，所述湿法刻蚀包括酸刻蚀，所述酸刻蚀用酸液的制备方法包括：将磷酸、硝酸、冰醋酸以及去离子水按照体积比为1:1:2:16混合得到。

75.根据权利要求69所述的制备方法，其特征在于，所述湿法刻蚀包括刻蚀除去预制品A中M2层以及部分M3层，得到预制品B。

76.根据权利要求75所述的制备方法，其特征在于，所述预制品B中形成有立柱，用于支撑预制品B中的上薄膜层。

77.根据权利要求69所述的制备方法，其特征在于，所述第二次反应离子深刻蚀为干法刻蚀。

78.根据权利要求77所述的制备方法，其特征在于，所述第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为CHF₃和氧气的混合气体，RIE源的功率为50-80W，刻蚀的均匀性为90-95％。

79.根据权利要求78所述的制备方法，其特征在于，所述CHF₃和氧气的混合气体中CHF₃和氧气的体积比为(3-6):1。

80.根据权利要求69所述的制备方法，其特征在于，所述第二次反应离子深刻蚀包括除去部分二氧化硅层，得到所述电容式微机械超声换能器。

81.根据权利要求1-62任一项所述的电容式微机械超声换能器在超声成像中的应用。

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