CN112138972A - 一种声波换能单元及其制备方法、声波换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种声波换能单元及其制备方法、声波换能器。该声波换能单元包括衬底和依次叠置在衬底上的第一电极、振膜层和第二电极，第一电极与振膜层之间形成有空腔，第一电极、空腔和第二电极三者在衬底上的正投影至少部分重合形成第一重合区域，振膜层上开设有镂空图案，镂空图案在衬底上的正投影围绕第一重合区域间断分布。该声波换能单元，通过在振膜层上开设镂空图案，使振膜层在第一电极与第二电极形成的相同电场或磁场作用下振动的位移相对于未开设镂空图案的振膜层明显增大，从而使声波换能单元的发射声压显著增大，进而提升了声波换能单元的发射接收感测性能。
Description
技术领域
本发明属于超声波传感器技术领域，具体涉及一种声波换能单元及其制备方法、声波换能器。
背景技术
超声波传感器(CMUT，又名超声换能器)是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点，在工业、国防、生物医学等领域广泛应用。
目前,超声波传感器具有声压低的缺点,如何提高发射声压是研究的重点问题。
发明内容
本发明针对现有超声波传感器发射声压低的问题，提供一种声波换能单元及其制备方法、声波换能器。该声波换能单元，使振膜层在第一电极与第二电极形成的相同电场或磁场作用下振动的位移相对于未开设镂空图案的振膜层明显增大，振膜层振动位移的增大能使声波换能单元的发射声压显著增大，从而提高了声波换能单元的发射声压，发射声压是声波换能单元发射接收感测性能的重要指标参数，进而提升了声波换能单元的发射接收感测性能。
本发明提供一种声波换能单元，包括衬底和依次叠置在所述衬底上的第一电极、振膜层和第二电极，所述第一电极与所述振膜层之间形成有空腔，所述第一电极、所述空腔和所述第二电极三者在所述衬底上的正投影至少部分重合形成第一重合区域，所述振膜层上开设有镂空图案，所述镂空图案在所述衬底上的正投影围绕所述第一重合区域间断分布。
可选地，所述镂空图案的图形包括中心对称图形，且所述中心对称图形的对称中心与所述第一重合区域的中心重合。
可选地，所述镂空图案包括多个子部，多个所述子部围绕所述第一重合区域的中心均匀排布；
所述子部的形状包括非封闭的多边形框状、非封闭的圆弧状、非封闭的圆弧状与矩形块状间隔设置、非封闭的圆弧状与矩形条状和矩形块状拼接中的任意一种形状。
可选地，所述子部的个数包括偶数个，位置相对的两所述子部以所述第一重合区域的中心为对称中心对称设置。
可选地，所述镂空图案在所述衬底上的正投影落入所述空腔在所述衬底上的正投影内；
所述镂空图案在所述衬底上的正投影与所述第二电极在所述衬底上的正投影不交叠。
可选地，所述空腔包括空腔主体，所述空腔主体在所述衬底上的正投影形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种。
可选地，所述空腔还包括多个空腔分体，多个所述空腔分体间隔设置于所述空腔主体外围，且所述空腔分体与所述空腔主体连通。
可选地，还包括腐蚀阻挡层和钝化层，所述腐蚀阻挡层设置于所述第一电极靠近所述振膜层的一侧面上，且所述腐蚀阻挡层在所述衬底上的正投影覆盖所述第一电极；
所述钝化层设置于所述第二电极背离所述振膜层的一侧，且所述钝化层在所述衬底上的正投影至少覆盖所述第二电极。
可选地，所述钝化层在所述衬底上的正投影与所述镂空图案在所述衬底上的正投影互不交叠。
可选地，所述钝化层在所述衬底上的正投影覆盖所述空腔；
所述钝化层中开设有至少一个过孔，所述过孔在所述衬底上的正投影与所述镂空图案在所述衬底上的正投影的局部重合。
可选地，所述过孔中填充有填孔材料。
可选地，所述第一电极和所述第二电极采用钼、铝、铜、金中的任意一种材料；
所述振膜层采用氮化硅或氧化硅材料。
可选地，所述振膜层的轮廓形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种；
所述第一电极的形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种；
所述第二电极的形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种。
本发明还提供一种声波换能器，包括多个上述声波换能单元。
本发明还提供一种上述声波换能单元的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上制备第一电极；
制备振膜层、所述振膜层与所述第一电极之间的空腔以及第二电极。
可选地，所述制备振膜层、所述振膜层与所述第一电极之间的空腔以及第二电极包括：
形成包括腐蚀阻挡层的图形；
形成包括牺牲层的图形；
形成振膜层膜；
形成包括第二电极的图形；
形成包括钝化层的图形；
形成包括振膜层的图形，所述振膜层的图形包括镂空图案的图形；然后通过所述镂空图案去除所述牺牲层，以形成所述空腔。
可选地，所述制备振膜层、所述振膜层与所述第一电极之间的空腔以及第二电极包括：
形成包括腐蚀阻挡层的图形；
形成包括第一牺牲层的图形；
形成包括振膜层的图形，所述振膜层的图形包括镂空图案的图形；
形成包括第二牺牲层的图形；所述第二牺牲层填充于所述镂空图案中；
形成包括第二电极的图形；
形成包括钝化层的图形；
在所述钝化层和所述振膜层中开设过孔；所述过孔在衬底上的正投影落入所述第一牺牲层在衬底上的正投影区域内；
通过所述过孔去除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，以形成所述空腔和所述镂空图案；
在所述过孔中填充填孔材料。
本发明的有益效果：本发明所提供的声波换能单元，通过在振膜层上开设镂空图案，使振膜层在第一电极与第二电极形成的相同电场或磁场作用下振动的位移相对于未开设镂空图案的振膜层明显增大，振膜层振动位移的增大能使声波换能单元的发射声压显著增大，从而提高了声波换能单元的发射声压，发射声压是声波换能单元发射接收感测性能的重要指标参数，进而提升了声波换能单元的发射接收感测性能。
本发明所提供的声波换能器，通过采用上述声波换能单元，能够提高该声波换能器的发射声压，从而提升了该声波换能器的发射接收感测性能。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种声波换能单元的结构俯视示意图；
图2为图1中声波换能单元沿AA剖切线的结构剖视示意图；
图3为本发明一实施例中另一种声波换能单元的结构俯视示意图；
图4为图3中声波换能单元沿BB剖切线的结构剖视示意图；
图5为本发明一实施例声波换能单元中空腔的一种结构俯视图；
图6为本发明一实施例声波换能单元中空腔的另一种结构俯视图；
图7为本发明另一实施例中一种声波换能单元的结构俯视示意图；
图8为图7中声波换能单元沿CC剖切线的结构剖视示意图；
图9为图7中声波换能单元沿DD剖切线的结构剖视示意图；
图10为图7中声波换能单元的空腔的结构俯视图；
图11为图7中声波换能单元的振膜层的结构俯视图；
图12为本发明另一实施例中另一种声波换能单元的结构俯视示意图；
图13为图12中声波换能单元沿EE剖切线的结构剖视示意图。
其中附图标记为：
1、第一电极；2、振膜层；21、镂空图案；210、子部；3、第二电极；30、信号线；4、空腔；41、空腔主体；42、空腔分体；5、腐蚀阻挡层；6、钝化层；7、过孔；8、衬底；9、支撑层。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明一种声波换能单元及其制备方法、声波换能器作进一步详细描述。
本发明实施例提供一种声波换能单元，如图1和图2所示，包括衬底8和依次叠置在衬底8上的第一电极1、振膜层2和第二电极3，第一电极1与振膜层2之间形成有空腔4，第一电极1、空腔4和第二电极3三者在衬底8上的正投影至少部分重合形成第一重合区域，振膜层2上开设有镂空图案21，镂空图案21在衬底8上的正投影围绕第一重合区域间断分布。
其中，间断分布指的是镂空图案21间隔分布，即镂空图案21未构成连续分布图案。由于振膜层2的镂空图案21区域下方是空腔4，所以镂空图案21不能连续分布，若连续分布则振膜层2的对应空腔4的镂空图案21以外的部分下方没有膜层支撑。
衬底8覆盖第一电极1，从而对第一电极1的裸露面形成保护。
可选地，如图2所示，第一电极1与振膜层2之间也可以设置支撑层9，支撑层9围绕于空腔4外围，用于围设形成空腔4区域，并对第一电极1和振膜层2形成支撑。可选地，支撑层9可以采用与振膜层2不同的材料形成，且支撑层9单独通过一次工艺形成。可选地，支撑层9的图案根据空腔4的图案不同而不同。
其中，当声波换能单元用作发射器时,从激励电源送来的电振荡信号将引起声波换能单元中第一电极1与第二电极3形成的电储能元件中电场或磁场的变化,这种变化对声波换能单元的振膜层2产生一个推动力,使其进入振动状态,从而辐射声波。接收声波的过程正好与此相反,外来声波作用在声波换能单元的振膜层2上，从而使振膜层2发生振动，振动引起声波换能单元中第一电极1与第二电极3形成的电储能元件中的电场或磁场发生相应的变化,从而引起声波换能单元的第一电极1和第二电极3产生一个相应于声波信号的电压和电流。第一电极1和第二电极3连接处理器，处理器可向第一电极1和第二电极3输入电信号或者接收第一电极1和第二电极3上输出的电信号，并对电信号进行处理，以实现声波换能单元的信号发射和接收。
该声波换能单元，通过在振膜层2上开设镂空图案21，使振膜层2在第一电极1与第二电极3形成的相同电场或磁场作用下振动的位移相对于未开设镂空图案的振膜层明显增大，根据声波换能单元最大发射声压的粗略估计公式:Pmax＝2πfDmaxZfa；其中，Pmax为最大发射声压；f为工作频率；Dmax为振膜层2振动的最大位移；Z为介质的声阻抗；fa为振膜层2的平均位移与中心最大位移的比值，其值一般取1/5～1/3。振膜层2振动的位移增大能使声波换能单元的发射声压显著增大，从而提高了声波换能单元的发射声压，发射声压是声波换能单元发射接收感测性能的重要指标参数，进而提升了声波换能单元的发射接收感测性能。
可选地，镂空图案21的图形包括中心对称图形，且中心对称图形的对称中心与第一重合区域的中心重合。
可选地，镂空图案21包括多个子部210，多个子部210围绕第一重合区域的中心均匀排布；子部210的形状包括非封闭的多边形框状、非封闭的圆弧状、非封闭的圆弧状与矩形块状间隔设置、非封闭的圆弧状与矩形条状和矩形块状拼接中的任意一种形状。只要能使各子部210构成的镂空图案为中心对称图形均可。
可选地，子部210的个数包括偶数个，位置相对的两子部210以第一重合区域的中心为对称中心对称设置。子部210的个数为偶数个，能够提升振膜层2振动的均匀性，从而提升声波换能单元发射声波信号的稳定性和品质，以及接收声波信号以处理获得电信号的稳定性和品质。
可选地，子部210的个数也可以包括奇数个，同样能够提升振膜层2振动的均匀性，从而提升声波换能单元发射声波信号的稳定性和品质以及接收声波信号以处理获得电信号的稳定性和品质。
本实施例中，如图1和图2所示，镂空图案21包括两个子部210，子部210的形状为非封闭的四边形框状。如图3和图4所示，镂空图案21也可以包括四个子部210，子部210的形状为非封闭的圆弧状。另外，与图2中的声波换能单元不同的是，如图4所示，声波换能单元的支撑层与振膜层2采用相同材料并通过一次工艺形成。
优选的，镂空图案21在衬底8上的正投影落入空腔4在衬底8上的正投影内；如此设置，能使振膜层2在第一电极1和第二电极3之间形成的电场或磁场作用下充分振动，从而有利于进一步增大振膜层2的振动位移，进而提升该声波换能单元的发射声压。镂空图案21在衬底8上的正投影与第二电极3在衬底8上的正投影不交叠；如此设置，一方面，有利于后续通过镂空图案21形成空腔4，空腔4通过在形成镂空图案21之前先形成牺牲层，然后在形成镂空图案21后，通过镂空图案21对牺牲层进行释放，形成空腔4；另一方面，避免在形成空腔4时对第二电极3造成腐蚀损伤；如牺牲层采用金属材料时，通过镂空图案21对牺牲层进行湿刻释放时，湿刻液会通过位于第二电极3下方的镂空图案21腐蚀同样是金属材料的第二电极3。
可选地，声波换能单元还包括腐蚀阻挡层5和钝化层6，腐蚀阻挡层5设置于第一电极1靠近振膜层2的一侧面上，且腐蚀阻挡层5在衬底8上的正投影覆盖第一电极1；钝化层6设置于第二电极3背离振膜层2的一侧，且钝化层6在衬底8上的正投影至少覆盖第二电极3。腐蚀阻挡层5能在形成第一电极1与振膜层2之间的空腔4时对第一电极1形成保护，避免第一电极1被腐蚀。钝化层6能够对第二电极3形成保护，防止第二电极3裸露受损。
本实施例中，钝化层6在衬底8上的正投影覆盖第二电极3以及与其连接的信号线30。即第二电极3以及连接其的信号线30以外的区域钝化层6不覆盖。
优选地，本实施例中，钝化层6在衬底8上的正投影与镂空图案21在衬底8上的正投影互不交叠。即本实施例中，钝化层6并未覆盖振膜层2上的镂空图案21，如此设置，一方面，在钝化层6形成之后形成空腔4的过程中，可以通过镂空图案21对形成空腔4的牺牲层进行释放(即刻蚀去除或显影去除)，从而形成空腔4；另一方面，振膜层2的镂空图案21上未叠置钝化层6，使振膜层2在第一电极1和第二电极3形成的电场或磁场作用下的振动会更加自如，从而能够确保振膜层2振动的最大位移相对未开设镂空图案的振膜层绝对增大了一定量，进而能提高声波换能单元的发射声压，提升其发射接收的感测性能。
可选地，第一电极1和第二电极3采用钼、铝、铜、金中的任意一种材料；当然，第一电极1和第二电极3并不局限于上述材料，只要能导电的金属或非金属材料均可。振膜层2采用氮化硅或氧化硅材料。腐蚀阻挡层5采用氮化硅或氧化硅等无机绝缘材料。当然，在制备过程中膜层材料和制备工艺无相互腐蚀冲突的情况下，腐蚀阻挡层5也可以采用有机绝缘材料，如聚酰亚胺等。钝化层6采用氮化硅或氧化硅等无机绝缘材料。当然，在制备过程中膜层材料和制备工艺无相互腐蚀冲突的情况下，钝化层6也可以采用有机绝缘材料，如聚酰亚胺等。
可选地，振膜层2的轮廓形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种；当然，振膜层2也不局限于这些规则的形状，也可以是不规则形状。第一电极1的形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种；当然，第一电极1也不局限于这些规则的形状，也可以是不规则形状。第二电极3的形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种。当然，第二电极3也不局限于这些规则的形状，也可以是不规则形状。其中，各膜层的形状或者轮廓形状指的是该膜层在第一电极1所在平面上的正投影形状或正投影轮廓形状。
本实施例中，第一电极1为正方形，振膜层2的轮廓为正方形，第二电极3的形状为圆形或正方形，相应地，钝化层6的形状为圆形或正方形。空腔4的形状不做具体限定，可以是圆形(如图5所示)，也可以是正方形(如图6所示)或者其他任意形状。
基于声波换能单元的上述结构，本实施例还提供一种该声波换能单元的制备方法，在该制备方法中，在确保声波换能单元中的各膜层能够正常形成的情况下，不对该声波换能单元制备方法中制备步骤的先后顺序进行限定，在制备步骤上各种制备顺序的变换都在本发明的保护范围之内。
可选地，该声波换能单元的制备方法包括：步骤S1：在衬底上制备第一电极。
其中，衬底可采用玻璃、硅片等。在衬底上沉积形成金属导电膜层，如钼、铝、金或铜等的金属膜层；然后进行光刻工艺形成第一电极的图形。
步骤S2：制备振膜层、振膜层与第一电极之间的空腔以及第二电极。
可选地，该制备方法还可以包括步骤S3：剥离衬底。
需要说明的是，该制备方法也可以不剥离衬底，即衬底保留，这种情况下，步骤S2完成后，该声波换能单元则制备完毕。
可选地，步骤S2具体包括：
步骤S101：在完成步骤S1的衬底上形成包括腐蚀阻挡层的图形。
该步骤中，沉积形成氮化硅或氧化硅膜层，然后通过干法刻蚀形成腐蚀阻挡层的图形。
步骤S102：在完成步骤S101的衬底上形成包括牺牲层的图形。
该步骤中，在完成步骤S101的衬底上沉积形成铝、金、银、钼或铜等金属膜层，然后通过曝光刻蚀工艺形成牺牲层的图形。或者，也可以在完成步骤S101的衬底上涂覆形成聚酰亚胺或光刻胶等有机材料膜层，然后通过曝光显影工艺形成牺牲层的图形，且接着需对牺牲层的图形进行曝光工艺，以备后续将牺牲层去除形成空腔。
步骤S103：在完成步骤S102的衬底上形成振膜层膜。
该步骤中，采用等离子体增强化学气相沉积法(即PECVD，Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition)沉积形成氮化硅或氧化硅的振膜层膜。
步骤S104：在完成步骤S103的衬底上形成包括第二电极的图形。
该步骤中，在完成步骤S103的衬底上沉积形成铝、金、铜或钼等的金属导电材料膜，然后采用曝光刻蚀工艺形成第二电极的图形。
步骤S105：在完成步骤S104的衬底上形成包括钝化层的图形。
该步骤中，在完成步骤S104的衬底上采用等离子体增强化学气相沉积法形成氮化硅或氧化硅材料膜，然后通过干法刻蚀的工艺形成钝化层的图形。
步骤S106：在完成步骤S105的衬底上形成包括振膜层的图形，振膜层的图形包括镂空图案的图形；然后通过镂空图案去除牺牲层，以形成空腔。
其中，镂空图案在衬底上的正投影与第二电极在衬底上的正投影不交叠。如此设置，一方面，有利于后续通过镂空图案21形成空腔4，空腔4通过在形成镂空图案21之前先形成牺牲层，然后在形成镂空图案21后，通过镂空图案21对牺牲层进行释放，形成空腔4；另一方面，避免在形成空腔4时对第二电极3造成腐蚀损伤；如牺牲层采用金属材料时，通过镂空图案21对牺牲层进行湿刻释放时，湿刻液会通过位于第二电极3下方的镂空图案21腐蚀同样是金属材料的第二电极3。
该步骤中，采用干法刻蚀工艺形成振膜层以及其上镂空图案的图形；然后采用湿法刻蚀工艺(针对金属导电材料的牺牲层)通过镂空图案去除牺牲层，或者采用显影工艺(针对聚酰亚胺或者光刻胶等有机树脂材料的牺牲层)通过镂空图案去除牺牲层，最后形成腐蚀阻挡层与振膜层之间的空腔。
本实施例中，步骤S101中腐蚀阻挡层的形成，能对第一电极形成覆盖保护，从而在后续步骤S102形成金属材料的牺牲层的图形、步骤S104形成第二电极的图形以及步骤S106去除金属材料的牺牲层形成空腔的工艺中防止湿刻液对第一电极造成刻蚀损伤。
本实施例还提供另外一种声波换能单元，与上述实施例中不同的是，如图7-图9所示，钝化层6在衬底8上的正投影覆盖空腔4；钝化层4中开设有至少一个过孔7，过孔7在衬底上的正投影与镂空图案21在衬底8上的正投影的局部重合。图7中，虚线框内为镂空图案21的一个子部210的俯视图，如该子部210的俯视形状为非封闭的圆弧状与方块状间隔设置的形状。
本实施例中，局部重合指镂空图案21在衬底8上正投影的局部与过孔7在衬底8上的正投影重合。由于钝化层6覆盖空腔4，且镂空图案21在衬底8上的正投影落入空腔4中，所以钝化层6覆盖了整个镂空图案21，过孔7的设置以及过孔7与镂空图案21的局部重合，能在形成钝化层6之后通过过孔7以及镂空图案21对形成于腐蚀阻挡层5与振膜层2之间的牺牲层进行腐蚀去除，以形成空腔4。
本实施例中，过孔7中填充有填孔材料。通过在过孔7中填充填孔材料，能够使该声波换能单元形成封闭结构，从而避免外界液体(如水等)进入声波换能单元内部，进而使该声波换能单元在液体(如水等)中也能正常工作。
可选地，如图10所示，空腔4包括空腔主体41，空腔主体41在衬底8上的正投影形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种。本实施例中，空腔主体41的正投影形状为圆形。本实施例中，空腔4还包括多个空腔分体42，多个空腔分体42间隔设置于空腔主体41外围，且空腔分体42与空腔主体41连通。本实施例中，空腔分体42包括四个，各个空腔分体42在衬底8上的正投影形状均为矩形条和矩形块的拼接，如图10所示，虚线框内为一个空腔分体42的俯视图。其中，多个空腔分体42间隔设置于空腔主体41外围，即多个空腔分体42围设于空腔主体41外围，且相邻的空腔分体42之间相互间隔。
可选地，如图11所示，虚线框内为一个子部210的俯视图；振膜层2上镂空图案21的子部210的形状为非封闭的圆弧状与矩形块状间隔设置的形状。其中，子部210设置有四个，钝化层6中设置有四个过孔7，四个过孔7在衬底8上的正投影分别位于各子部210正投影中的矩形块内，进一步地，四个过孔7在衬底8上的正投影与各子部210正投影中的矩形块重合。且四个过孔7在衬底8上的正投影分别位于各空腔分体42正投影中的矩形块内，进一步地，四个过孔7在衬底8上的正投影分别与各空腔分体42正投影中的矩形块重合。
可选地，与图11中的子部210图案不同的是，如图12和图13所示，振膜层2上镂空图案21的子部210的形状为非封闭的圆弧状与矩形条状和矩形块状的拼接。
本实施例中声波换能单元的其他结构与上述实施例中相同，这里不再赘述。
基于声波换能单元的上述结构，本实施例还提供一种该声波换能单元的制备方法，与上述实施例中的制备方法不同的是，声波换能单元制备方法的步骤S2具体包括：
步骤S201：在完成步骤S1的衬底上形成包括腐蚀阻挡层的图形。
该步骤中，沉积形成氮化硅或氧化硅膜层，然后通过干法刻蚀形成腐蚀阻挡层的图形。
步骤S202：在完成步骤S201的衬底上形成包括第一牺牲层的图形。
该步骤中，在完成步骤S201的衬底上沉积形成铝、金、银、钼或铜等金属膜层，然后通过曝光刻蚀工艺形成第一牺牲层的图形。或者，也可以在完成步骤S201的衬底上涂覆形成聚酰亚胺或光刻胶等有机材料膜层，然后通过曝光显影工艺形成第一牺牲层的图形，且接着需对牺牲层的图形进行曝光工艺，以备后续将第一牺牲层去除形成空腔。
步骤S203：在完成步骤S202的衬底上形成包括振膜层的图形，振膜层的图形包括镂空图案的图形。
该步骤中，采用等离子体增强化学气相沉积法(即PECVD，Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition)沉积形成氮化硅或氧化硅的振膜层膜；然后采用干法刻蚀工艺形成振膜层以及其上镂空图案的图形。
步骤S204：在完成步骤S203的衬底上形成包括第二牺牲层的图形；第二牺牲层填充于镂空图案中。
该步骤中，在完成步骤S203的衬底上沉积形成铝、金、银、钼或铜等金属膜层，然后通过曝光刻蚀工艺形成第二牺牲层的图形。或者，也可以在完成步骤S203的衬底上涂覆形成聚酰亚胺或光刻胶等有机材料膜层，然后通过曝光显影工艺形成第二牺牲层的图形，且接着需对第二牺牲层的图形进行曝光工艺，以备后续将第二牺牲层去除形成振膜层上的镂空图案。
上述步骤S204中形成第二牺牲层的原因是：后续制备的钝化层会完全覆盖整个振膜层，所以如果振膜层中镂空图案中不填充第二牺牲层，后续制备的钝化层会将镂空图案填充，以致无法形成镂空图案。将先形成的振膜层中的镂空图案通过第二牺牲层填充，后续再经过第二牺牲层释放即可形成镂空图案。
步骤S205：在完成步骤S204的衬底上形成包括第二电极的图形。
该步骤中，在完成步骤S204的衬底上沉积形成铝、金、铜或钼等的金属导电材料膜，然后采用曝光刻蚀工艺形成第二电极的图形。
步骤S206：在完成步骤S205的衬底上形成包括钝化层的图形。
该步骤中，在完成步骤S205的衬底上采用等离子体增强化学气相沉积法形成氮化硅或氧化硅材料膜，然后通过干法刻蚀的工艺形成钝化层的图形。
步骤S207：在完成步骤S206的衬底上的钝化层和振膜层中开设过孔；过孔在衬底上的正投影落入第一牺牲层在衬底上的正投影区域内。
该步骤中，采用干法刻蚀工艺在钝化层和振膜层中开设过孔。
步骤S208：通过过孔去除第一牺牲层和第二牺牲层，以形成空腔和镂空图案。
该步骤中，采用湿法刻蚀工艺(针对金属导电材料的第一牺牲层和第二牺牲层)通过过孔去除第一牺牲层和第二牺牲层，或者采用显影工艺(针对聚酰亚胺或者光刻胶等有机树脂材料的第一牺牲层和第二牺牲层)通过过孔去除第一牺牲层和第二牺牲层，以形成腐蚀阻挡层与振膜层之间的空腔以及振膜层上的镂空图案。
步骤S209：在过孔中填充填孔材料。
该步骤中，沉积非晶硅或铝等金属材料进行填孔。填孔材料将过孔填平。
本实施例中声波换能单元制备方法的其他步骤与上述实施例中相同，此处不再赘述。
本发明实施例所提供的声波换能单元，通过在振膜层上开设镂空图案，使振膜层在第一电极与第二电极形成的相同电场或磁场作用下振动的位移相对于未开设镂空图案的振膜层明显增大，振膜层振动位移的增大能使声波换能单元的发射声压显著增大，从而提高了声波换能单元的发射声压，发射声压是声波换能单元发射接收感测性能的重要指标参数，进而提升了声波换能单元的发射接收感测性能。
本发明实施例还提供一种声波换能器，包括多个上述任一实施例中的声波换能单元。
该声波换能器，通过采用多个声波换能单元，能够提高该声波换能器的发射声压，从而提升了该声波换能器的发射接收感测性能。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种声波换能单元，包括衬底和依次叠置在所述衬底上的第一电极、振膜层和第二电极，所述第一电极与所述振膜层之间形成有空腔，所述第一电极、所述空腔和所述第二电极三者在所述衬底上的正投影至少部分重合形成第一重合区域，其特征在于，所述振膜层上开设有镂空图案，所述镂空图案在所述衬底上的正投影围绕所述第一重合区域间断分布。
2.根据权利要求1所述的声波换能单元，其特征在于，所述镂空图案的图形包括中心对称图形，且所述中心对称图形的对称中心与所述第一重合区域的中心重合。
3.根据权利要求2所述的声波换能单元，其特征在于，所述镂空图案包括多个子部，多个所述子部围绕所述第一重合区域的中心均匀排布；
所述子部的形状包括非封闭的多边形框状、非封闭的圆弧状、非封闭的圆弧状与矩形块状间隔设置、非封闭的圆弧状与矩形条状和矩形块状拼接中的任意一种形状。
4.根据权利要求3所述的声波换能单元，其特征在于，所述子部的个数包括偶数个，位置相对的两所述子部以所述第一重合区域的中心为对称中心对称设置。
5.根据权利要求1所述的声波换能单元，其特征在于，所述镂空图案在所述衬底上的正投影落入所述空腔在所述衬底上的正投影内；
所述镂空图案在所述衬底上的正投影与所述第二电极在所述衬底上的正投影不交叠。
6.根据权利要求5所述的声波换能单元，其特征在于，所述空腔包括空腔主体，所述空腔主体在所述衬底上的正投影形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的声波换能单元，其特征在于，所述空腔还包括多个空腔分体，多个所述空腔分体间隔设置于所述空腔主体外围，且所述空腔分体与所述空腔主体连通。
8.根据权利要求5所述的声波换能单元，其特征在于，还包括腐蚀阻挡层和钝化层，所述腐蚀阻挡层设置于所述第一电极靠近所述振膜层的一侧面上，且所述腐蚀阻挡层在所述衬底上的正投影覆盖所述第一电极；
所述钝化层设置于所述第二电极背离所述振膜层的一侧，且所述钝化层在所述衬底上的正投影至少覆盖所述第二电极。
9.根据权利要求8所述的声波换能单元，其特征在于，所述钝化层在所述衬底上的正投影与所述镂空图案在所述衬底上的正投影互不交叠。
10.根据权利要求8所述的声波换能单元，其特征在于，所述钝化层在所述衬底上的正投影覆盖所述空腔；
所述钝化层中开设有至少一个过孔，所述过孔在所述衬底上的正投影与所述镂空图案在所述衬底上的正投影的局部重合。
11.根据权利要求10所述的声波换能单元，其特征在于，所述过孔中填充有填孔材料。
12.根据权利要求1所述的声波换能单元，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极采用钼、铝、铜、金中的任意一种材料；
所述振膜层采用氮化硅或氧化硅材料。
13.根据权利要求1所述的声波换能单元，其特征在于，所述振膜层的轮廓形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种；
所述第一电极的形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种；
所述第二电极的形状包括矩形、圆形、正多边形中的任意一种。
14.一种声波换能器，其特征在于，包括多个如权利要求1-13任意一项所述的声波换能单元。
15.一种如权利要求1-13任意一项所述的声波换能单元的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上制备第一电极；
制备振膜层、所述振膜层与所述第一电极之间的空腔以及第二电极。
16.根据权利要求15所述的声波换能单元的制备方法，所述声波换能单元为权利要求9所述的声波换能单元，其特征在于，所述制备振膜层、所述振膜层与所述第一电极之间的空腔以及第二电极包括：
形成包括腐蚀阻挡层的图形；
形成包括牺牲层的图形；
形成振膜层膜；
形成包括第二电极的图形；
形成包括钝化层的图形；
形成包括振膜层的图形，所述振膜层的图形包括镂空图案的图形；然后通过所述镂空图案去除所述牺牲层，以形成所述空腔。
17.根据权利要求15所述的声波换能单元的制备方法，所述声波换能单元为权利要求11所述的声波换能单元，其特征在于，所述制备振膜层、所述振膜层与所述第一电极之间的空腔以及第二电极包括：
形成包括腐蚀阻挡层的图形；
形成包括第一牺牲层的图形；
形成包括振膜层的图形，所述振膜层的图形包括镂空图案的图形；
形成包括第二牺牲层的图形；所述第二牺牲层填充于所述镂空图案中；
形成包括第二电极的图形；
形成包括钝化层的图形；
在所述钝化层和所述振膜层中开设过孔；所述过孔在衬底上的正投影落入所述第一牺牲层在衬底上的正投影区域内；
通过所述过孔去除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，以形成所述空腔和所述镂空图案；
在所述过孔中填充填孔材料。
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