CN112427282A - 声波换能单元及其制备方法和声波换能器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种声波换能单元，包括：衬底基板、第一电极、支撑图形、振膜图形和第二电极，第一电极位于衬底基板上，支撑图形位于第一电极远离衬底基板的一侧且围成有振动腔，振膜图形位于支撑图形远离第一电极的一侧且能够在振动腔内振动，第二电极位于振膜图形远离第一电极的一侧且与第一电极相对设置；还包括：第一介质图形和/或第二介质图形，第一介质图形位于振动腔的底部，且在由第一介质图形的中心指向边缘的方向上第一介质图形的厚度逐渐增大；第二介质图形位于振动腔的顶部，且在由第二介质图形的中心指向边缘的方向上第二介质图形的厚度逐渐增大。本公开还提供了一种声波换能单元的制备方法和声波换能器。

Description

声波换能单元及其制备方法和声波换能器

技术领域

本公开涉及一种声波换能单元及其制备方法和声波换能器。

背景技术

超声波检测在医学成像、治疗、工业流量计、汽车雷达、室内定位等多方面有应用。声波换能器为一种可用于进行超声波检测的设备，声波换能单元为声波换能器中的核心器件。

电容式微机械超声换能单元CMUT具有一致性好，频带宽等特点得到广泛认可。目前，市面上的CMUT器件需要预置一个较大吸合工作电压以实现振膜张紧的效果，以提高灵敏度和实现大的发射声强，较大的吸合工作电压通常比较难以实现，需要高规格的电源芯片；另外，CMUT长时间在高电压下工作，对器件的信赖性以及寿命产生不良影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种声波换能单元及其制备方法和声波换能器。

第一方面，本公开实施例提供了一种声波换能单元，包括：衬底基板、第一电极、支撑图形、振膜图形和第二电极，所述第一电极位于所述衬底基板上，所述支撑图形位于所述第一电极远离所述衬底基板的一侧且围成有振动腔，振膜图形位于所述支撑图形远离所述第一电极的一侧且能够在所述振动腔内振动，所述第二电极位于所述振膜图形远离所述第一电极的一侧且与所述第一电极相对设置；

声波换能单元还包括：

第一介质图形，位于所述振动腔的底部，且在由所述第一介质图形的中心指向边缘的方向上所述第一介质图形的厚度逐渐增大；

和/或，第二介质图形，位于所述振动腔的顶部，且在由所述第二介质图形的中心指向边缘的方向上所述第二介质图形的厚度逐渐增大。

在一些实施例中，声波换能单元还包括：

刻蚀阻挡层，位于所述第一电极与所述支撑图形之间。

在一些实施例中，当所述声波换能单元包括有所述第一介质图形时，所述第一介质图形的材料与所述刻蚀阻挡层的材料相同。

在一些实施例中，当所述声波换能单元包括有所述第二介质图形时，所述第二介质图形的材料与所述振膜图形的材料相同。

在一些实施例中，所述第二介质图形与振膜图形相连且两者一体成型。

在一些实施例中，当所述声波换能单元包括有所述第一介质图形时，所述第一介质图形靠近所述第一电极的一侧表面为与所述衬底基板所处平面相平行的平面，所述第一介质图形远离所述第一电极的一侧表面为与所述第一介质图形靠近所述第一电极的一侧表面相交的斜坡面，且坡度角范围包括：(0°，15°]；

当所述声波换能单元包括有所述第二介质图形时，所述第二介质图形靠近所述振膜图形的一侧表面为与所述衬底基板所处平面相平行的平面，所述第二介质图形远离所述振膜图形的一侧表面为与所述第二介质图形靠近所述振膜图形的一侧表面相交的斜坡面，且坡度角范围包括：(0°，15°]。

第二方面，本公开实施例还提供了一种声波换能器，包括：如第一方面提供的所述声波换能单元。

第三方面，本公开实施例还提供了一种声波换能单元的制备方法，可用于制备第一方面提供的所述声波换能单元，该制备方法包括：

在衬底基板上形成第一电极；

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成支撑图形和振膜图形，所述支撑图形位于所述第一电极远离所述衬底基板的一侧且围成有振动腔，振膜图形位于所述支撑图形远离所述第一电极的一侧且能够在所述振动腔内振动；

在所述振膜图形远离所述第一电极的一侧形成第二电极，所述第二电极与所述第一电极相对设置；

其特征在于，在形成第一电极的步骤与形成支撑图形和振膜图形的步骤之间还包括：

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成第一介质图形，所述第一介质图形位于后续待形成的振膜图形所围成振动腔的区域，且在由所述第一介质图形的中心指向边缘的方向上所述第一介质图形的厚度逐渐增大；

和/或，在形成支撑图形和振膜图形的步骤的同时，还包括：

形成第二介质图形，所述第二介质图形位于所述振动腔的顶部，且在由所述第二介质图形的中心指向边缘的方向上所述第二介质图形的厚度逐渐增大。

在一些实施例中，在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成第一介质图形的步骤包括：

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成第一介质材料薄膜；

在所述第一介质材料薄膜远离所述第一电极的一侧涂覆第一光刻胶薄膜，使用灰阶掩膜版对第一光刻胶薄膜进行曝光处理，并对完成曝光处理的第一光刻胶进行显影处理，得到第一光刻胶图形，所述第一光刻胶图形靠近所述第一介质材料薄膜的一侧表面为与所述衬底基板所处平面相平行的平面，所述第一光刻胶图形远离所述第一介质材料薄膜的一侧表面为与所述第一光刻胶图形靠近所述第一介质材料薄膜的一侧表面相交的斜坡面；

对所述第一光刻胶图形和所述第一介质材料薄膜进行干法刻蚀，得到第一介质图形，所述第一介质图形远离所述第一电极的一侧表面为与所述第一介质图形靠近所述第一电极的一侧表面相交的斜坡面。

在一些实施例中，形成支撑图形、振膜图形和第二介质图形的步骤包括：

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成牺牲图形，所述牺牲图形远离所述衬底基板的一侧形成有用于容纳后续待形成的第二介质图形的容纳槽；

在所述牺牲图形的侧面形成支撑图形以及在所述牺牲图形远离所述第一电极的一侧形成第二介质图形和振膜图形，所述振膜图形位于所述第二介质图形远离所述第一电极的一侧，所述振膜图形上形成有释放孔；

通过释放孔去除所述牺牲图形，得到所述振动腔；

形成用于填充所述释放孔的填充图形。

在一些实施例中，牺牲图形包括：层叠设置的第一牺牲子图形和第二牺牲子图形，形成牺牲图形的步骤包括：

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成第一牺牲子图形；

在所述第一牺牲子图形远离所述衬底基板的一侧形成第二牺牲材料薄膜；

在所述第二牺牲材料薄膜远离所述第一电极的一侧涂覆第二光刻胶薄膜，使用灰阶掩膜版对第二光刻胶薄膜进行曝光处理，并对完成曝光处理的第二光刻胶进行显影处理，得到第二光刻胶图形，所述第二光刻胶图形远离所述第一介质材料薄膜的一侧表面为斜坡面；

对所述第二光刻胶图形和所述第二牺牲材料薄膜进行干法刻蚀，得到第二牺牲子图形，所述第二牺牲子图形远离所述第一电极的一侧表面为与所述第二牺牲子图形靠近所述第一电极的一侧表面相交的斜坡面，以形成所述容纳槽。

在一些实施例中，所述在所述牺牲图形的侧面形成支撑图形以及在所述牺牲图形远离所述第一电极的一侧形成第二介质图形和振膜图形的步骤包括：

在所述第一电极远离所述衬底基板的一侧形成支撑振膜材料薄膜；

对所述支撑振膜材料薄膜进行图案化工艺，以得到所述支撑图形、第二介质图形和所述振膜图形。

附图说明

图1为本公开实施例提供的一种声波换能单元的截面示意图；

图2a为相关技术所涉及的声波换能单元的截面示意图；

图2b为图2a所示振动声波换能单元内振膜图形处于最大振幅状态时的示意图；

图3为本公开与相关技术所提供的声波换能单元所发出超声波的方向图；

图4为本公开实施例提供的另一种声波换能单元的结构示意图；

图5为本公开实施例提供的又一种声波换能单元的结构示意图；

图6为本公开实施例提供的一种声波换能单元的制备方法的流程图；

图7a～图7h为采用图6所示制备方法制备声波换能单元的中间产品结构示意图；

图8为本公开实施例中步骤S103的一种可选实现方法的流程图；

图9为本公开实施例中步骤S104的一种可选实现方法的流程图；

图10为本公开实施例提供的另一种声波换能单元的制备方法的流程图；

图11a～图11e为采用图10所示制备方法制备声波换能单元的中间产品结构示意图；

图12为本公开实施例中步骤S202的一种可选实现方法的流程图；

图13为本公开实施例中步骤S203的一种可选实现方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种声波换能单元及其制备方法和声波换能器进行详细描述。

在下面实施例中，以声波为超声波进行示例性描述，其中超声波是指频率为20kHz～1GHz的声波；当然，本公开的技术方案还适用于其他频率的声波。

图1为本公开实施例提供的一种声波换能单元的截面示意图，如图1所示，该声波换能单元包括：衬底基板1、第一电极2、支撑图形3、振膜图形4、第二电极5和第一介质图形8，第一电极2位于衬底基板1上，支撑图形3位于第一电极2远离衬底基板1的一侧且围成有振动腔10，振膜图形4位于支撑图形3远离第一电极2的一侧且能够在振动腔10内振动，第二电极5位于振膜图形4远离第一电极2的一侧且与第一电极2相对设置，第一介质图形8位于振动腔10的底部且在由第一介质图形8的中心指向边缘的方向上第一介质图形8的厚度逐渐增大。

在本公开实施例中，某个结构的“中心”具体是指：该结构内在衬底基板1上的正投影与该结构整体在衬底基板1上的正投影图形的中心点相重叠的部分。某个结构的“边缘”具体是指该结构内在衬底基板上的正投影与该结构在衬底基板1上的正投影图形的边缘相重叠的部分。另外，厚度方向是与衬底基板所处平面相垂直方向。

在本公开实施例中，通过设置第一介质图形8，可在保证声波换能单元内振膜图形4具有有效行程的前提下，降低声波换能单元的吸合工作电压，同时提升器件的电容，增加器件的灵敏度。

在进行超声波检测时，该声波换能单元先处于发射状态，再切换至接收状态。

当声波换能单元处于发射状态时，在第二电极5和第一电极2之间加载正向直流偏置电压VDC(即，吸合工作电压)，第一电极2与第二电极5之间形成电容，振膜图形4将在静电作用下向下(靠近第一电极2的一侧)弯曲变形。在此基础上，在第二电极5和第一电极2之间施加一定频率f(f的大小根据实际需要来设定)的交流电压VAC，激励振膜图形4大幅往复运动(在靠近第一电极2的方向和远离第一电极2的方向上进行往复运动)，实现电能向机械能的转换，振膜图形4向介质环境辐射能量，产生超声波；其中，部分超声波可在待测对象的表面发生反射，并返回至声波换能单元，以供声波换能单元进行接收、检测。

在振膜图形4始终能达到有效行程的前提下，声波换能单元所发射出的超声波的强度(可用声压级来表示)，与吸合工作电压的大小以及第一电极2与第二电极5所形成的板间电容大小均呈正相关。

当声波换能单元处于接收状态时，在第二电极5和第一电极2之间只加载直流偏置电压(即，吸合工作电压)，振膜图形4在静电力和薄膜回复力的作用下达到静态平衡，当有声波作用在振膜图形4上时，激励振膜图形4振动，第二电极5和第一电极2之间的空腔间距发生变化，引起板间电容量的变化，从而产生可检测的电信号，基于该电信号可实现对接收到的超声波的检测。

在振膜图形4始终能达到有效行程且接收到的声波强度一定的前提下，声波换能单元所产生用于进行超声波检测的电信号的信号强度(可通过电流大小或电压大小来表征)，与吸合工作电压的大小以及第一电极2与第二电极5所形成的板间电容大小均呈正相关。

图2a为相关技术所涉及的声波换能单元的截面示意图，图2b为图2a所示振动声波换能单元内振膜图形4处于最大振幅状态时的示意图，如图2a和2b所示，该声波换能单元仅包括：衬底基板1、支撑图形3、振膜图形4、第一电极2和第二电极5，而不包括本公开实施例中的第一介质图形8；第一电极2与第二电极5之间仅存在振膜图形4和振动腔10。而在本公开实施例中，第一电极2与第二电极5之间不仅存在振膜图形4和振动腔10，还存在第一介质图形8。其中，振动腔内可以为真空也可以存在一定量的气体。

由于第一介质图形8的存在，因此本公开实施例提供的声波换能单元内两个电极之间介质的介电常数大于相关技术提供的声波换能单元内两个电极之间介质的介电常数。在两个电极的正对面积、间距均相等的情况下，本公开实施例提供的声波换能单元内两个电极所形成的板间电容大于相关技术提供的声波换能单元内两个电极所形成的板间电容。

在进行超声波发射过程中，在吸合工作电压相同的情况下，本公开实施例提供的声波换能单元所发射出超声波的强度大于相关技术提供的声波换能单元所发射出超声波的强度。即，在所需发射出超声波的强度一定的情况下，本公开实施例提供的声波换能单元所需的吸合工作电压更小。

图3为本公开与相关技术所提供的声波换能单元所发出超声波的方向图，如图3所示，方向图用于描述声波换能单元所发出超声波在不同方向(用角度来表示)上的强度(用声压级来表示)；图3中所示为本公开与相关技术所提供的声波换能单元加载有相同的吸合工作电压时所发射出超声波的方向图；通过图3可见，在相同的吸合工作电压下，在同一方向上，本公开实施例提供的声波换能单元所发射出超声波的强度始终大于相关技术提供的声波换能单元所发射出超声波的强度。

在进行超声波接收过程中，在吸合工作电压相同以及相所接收到的超声波强度相同的情况下，本公开实施例提供的声波换能单元所产生的电信号强度大于相关技术提供的声波换能单元所产生的电信号。即，本公开实施例提供的声波换能单元具有更佳的检测灵敏度。

参见图2b所示，振膜图形4在进行振动过程中，在由中心区域指向边缘区域的方向上振膜图形4的振动幅度逐渐减小，振动图形始终无法到达振动腔10内的部分区域A。基于上述分析，在本公开实施例中，可在图2b中所示区域A内设置第一介质图形8，此时不会对振膜图形4的有效行程造成影响。

在一些实施例中，第一介质图形8靠近第一电极2的一侧表面为与衬底基板1所处平面相平行的平面，第一介质图形8远离第一电极2的一侧表面为与第一介质图形8靠近第一电极2的一侧表面相交的斜坡面，且坡度角q范围包括：(0°，15°]。

在本公开实施例中，坡度角是指斜坡面在与衬底基板1所处平面相垂直方向上的长度与斜坡面在与衬底基板1所处平面相平行方向上的长度之比。

需要说明的是，附图中的所示第一介质图形8远离第一电极2的一侧斜坡面，其在垂直于衬底基板1所处平面上的截面形状为线段的情况，仅起到示例性作用。在本公开实施例中，该斜坡面在垂直于衬底基板1所处平面上的截面形状还可以采用其他形状，例如曲线。

在本公开实施例中，通过将第一介质图形8设置于振动腔10的底部，且在由第一介质图形8的中心指向边缘的方向上第一介质图形8的厚度逐渐增大，可在保证声波换能单元内振膜图形4能够达到有效行程的前提下，降低声波换能单元的吸合工作电压，同时提升器件的电容，增加器件的灵敏度。在实际应用中，可根据实际需要来对第一介质图形8的形状进行设计，对于第一介质图形8的具体形状，本公开的技术方案不作限定。

图4为本公开实施例提供的另一种声波换能单元的结构示意图，如图4所示，与图1所示情况不同的是，图4所示情况中未包括第一介质图形8但包括第二介质图形9。第二介质图形9位于振动腔10的顶部且在由第二介质图形9的中心指向边缘的方向上第二介质图形9的厚度逐渐增大。

基于前面论述增设第一介质图形8以提升第一电极2与第二电极5之间板件电容的原理，在本公开实施例中，通过在振动腔10的顶部增设第二介质图形9，同样也能提升第一电极2与第二电极5之间板件电容，从而能降低声波换能单元的吸合工作电压，增加器件的灵敏度。

在本公开实施例中，在对第二介质图形9进行设计时，需保证在振膜图形4处于最大振动幅度时位于其下方的第二介质图形9不会与振动腔10的底部和侧面发生挤压。即，在振膜图形4处于最大振动幅度时，第二介质图形9位于图2b所示的区域A内，以保证声波换能单元内振膜图形4能够达到有效行程。

在一些实施例中，第二介质图形9的材料与振膜图形4的材料相同。

在一些实施例中，第二介质图形9与振膜图形4相连且两者一体成型；即，第二介质图形9与振膜图形4可以在同一工序中完成制备。

在一些实施例中，当声波换能单元包括有第二介质图形9时，第二介质图形9靠近振膜图形4的一侧表面为与衬底基板1所处平面相平行的平面，第二介质图形9远离振膜图形4的一侧表面为与第二介质图形9靠近振膜图形4的一侧表面相交的斜坡面，且坡度角p范围包括：(0°，15°]。

在本公开实施例中，通过将第二介质图形9设置于振动腔10的底部，且在由第二介质图形9的中心指向边缘的方向上第二介质图形9的厚度逐渐增大，可在保证声波换能单元内振膜图形4能够达到有效行程的前提下，降低声波换能单元的吸合工作电压，同时提升器件的电容，增加器件的灵敏度。在实际应用中，可根据实际需要来对第二介质图形9的形状进行设计，对于第二介质图形9的具体形状，本公开的技术方案不作限定。

需要说明的是，在一些实施例中，声波换能单元内同时设置有图1中所示的第一介质图形8和图4中所示的第二介质图形9(此种情况未给出相应附图)，且在振膜图形4处于最大振动幅度时，第一介质图形8和第二介质图形9均位于图2b所示的区域A内且第一介质图形8与第二介质图形9之间不会产生相互挤压。第一介质图形8和第二介质图形9的形状可以根据实际需要进行预先设计，本公开的技术方案不作限定。

图5为本公开实施例提供的又一种声波换能单元的结构示意图，如图5所示，与图1中所示情况不同的是，图5所示声波换能单元内还设置有刻蚀阻挡层6，刻蚀阻挡层6位于第一电极2与支撑图形3之间，可用于对第一电极2进行保护，以避免在形成第一介质层和形成支撑图形3/振膜图形4的工艺过程中对第一电极2造成损伤。

在一些实施例中，第一介质图形8的材料与刻蚀阻挡层6的材料相同。其中，刻蚀阻挡层6的材料选择与支撑图形3/振膜图形4的材料以及在形成支撑图形3/振膜图形4过程中所使用的牺牲图形12的材料相关，仅需保证在制备支撑图形3/振膜图形4的过程中由于刻蚀阻挡层6的保护而不会对位于刻蚀阻挡层6下方的第一电极2造成误刻蚀。

当然，在图4所示声波换能单元中也可以包括上述刻蚀阻挡层6。此种情况未给出相应附图。

继续参见图1、图4和图5所示，在制备本公开实施例所提供的声波换能器内支撑图形3和振膜图形4工艺过程中，会在振动腔10所处区域先形成牺牲图形12以及在振膜图形4上形成释放孔，后续通过释放孔以除去牺牲图形12从而得到振动腔10，并通过填充图形7来填充释放孔以实现对振动腔10的密封。具体内容，可参见后面对声波换能单元的制备方法的详细描述。

本公开实施例还提供的一种声波换能器，该声波换能器包括声波换能单元，该声波换能单元采用前面任一实施例所提供的声波换能单元，对于该声波换能单元的具体描述，此处不再赘述。

本公开实施例提供的声波换能器具备前面实施例所提供的声波换能单元，因而也具备相同的有益技术效果。

本公开实施例还提供了一种声波换能单元的制备方法，能够制备前面实施例所提供的声波换能单元。

图6为本公开实施例提供的一种声波换能单元的制备方法的流程图，图7a～图7h为采用图6所示制备方法制备声波换能单元的中间产品结构示意图，如图6至图7h所示，该制备方法可用于制备图1和图5中所示的声波换能单元，包括：

步骤S101、在衬底基板上形成第一电极。

参见7a所示，首先在衬底基板1上形成第一导电材料薄膜，然后对第一导电材料薄膜进行构图工艺，以得到第一电极2的图形。

本公开实施例中的构图工艺也称为图案化工艺，具体是指包括光刻胶涂覆、曝光、显影、薄膜刻蚀、光刻胶剥离等工艺步骤。在一些实施例中，被图案化的薄膜本身为光刻胶，因此仅需通过曝光、显影的步骤即可完成图案化。

步骤S102、在第一电极远离衬底基板的一侧形成刻蚀阻挡层。

参见图7b所示，在第一电极2远离衬底基板1的一侧形成刻蚀阻挡层6。刻蚀阻挡层6的材料可选用氧化硅或氮化硅。

在制备图1中所示声波换能单元时，由于不存在刻蚀阻挡层6，因而无需执行步骤S102。

步骤S103、在第一电极远离衬底基板的一侧形成第一介质图形。

其中，第一介质图形8位于后续待形成的振膜图形4所围成振动腔10的区域，且在由第一介质图形8的中心指向边缘的方向上第一介质图形8的厚度逐渐增大。

图8为本公开实施例中步骤S103的一种可选实现方法的流程图，如图8所示，步骤S103包括：

步骤S1031、在第一电极远离衬底基板的一侧形成第一介质材料薄膜。

参见图7c所示，通过沉积工艺形成第一介质材料薄膜。在一些实施例中，第一介质材料与刻蚀阻挡层6的材料相同。

步骤S1032、在第一介质材料薄膜远离第一电极的一侧涂覆第一光刻胶薄膜，使用灰阶掩膜版对第一光刻胶薄膜进行曝光处理，并对完成曝光处理的第一光刻胶进行显影处理，得到第一光刻胶图形11。

参见图7d所示，通过灰阶掩膜(Gray-tone Mask)工艺可得到具有倾斜表面的第一光刻胶图形11。其中，第一光刻胶图形11靠近第一介质材料薄膜的一侧表面为与衬底基板1所处平面相平行的平面，第一光刻胶图形11远离第一介质材料薄膜的一侧表面为与第一光刻胶图形11靠近第一介质材料薄膜的一侧表面相交的斜坡面。

步骤S1033、对第一光刻胶图形和第一介质材料薄膜进行干法刻蚀，得到第一介质图形。

参见图7e所示，通过干法刻蚀工艺对第一光刻胶图形11和第一介质材料薄膜进行处理；在干法刻蚀的过程中，第一光刻胶图形11会随着刻蚀的过程减薄，光刻胶下的第一介质材料薄膜逐渐暴露并被刻蚀，形成小坡度角的漏斗形截面。即，第一介质图形8远离第一电极2的一侧表面为与第一介质图形8靠近第一电极2的一侧表面相交的斜坡面，在由第一介质图形8的中心指向边缘的方向上第一的厚度逐渐增大。

步骤S104、在第一电极远离衬底基板的一侧形成支撑图形和振膜图形。

图9为本公开实施例中步骤S104的一种可选实现方法的流程图，如图9所示，步骤S104包括：

步骤S1041、在第一介质层远离衬底基板的一侧形成牺牲图形。

参见图7f所示，首先在第一介质层远离衬底基板1的一侧形成牺牲材料薄膜，然后对牺牲材料薄膜进行图案化处理，以得到牺牲图形12。其中，可以根据具体需要来选择牺牲图形12的材料，要求在后续去除牺牲图形12的过程中，不会对振膜图形4、支撑图形3、各电极等造成损害，牺牲图形12的材料可以是金属(例如，铝、钼、铜等)，也可以是金属氧化物(例如，ITO等)，也可以是绝缘材料(例如，二氧化硅、氮化硅、光刻胶等)等。

需要说明的是，由于振动腔10中的深宽比(深度与宽度的比值)极小，随着牺牲材料的沉积，牺牲材料薄膜的表面会趋于平整，因此制备出的牺牲图形12其背向衬底基板1的一侧表面与衬底基板1处于平面相平行或接近于平行。

若制备出的牺牲图形12的表面不够平整，则可对牺牲图形12的表面进行平整化处理；例如，在牺牲图形12背向衬底基板1的一侧涂覆光刻胶薄膜，然后通过灰阶掩膜工艺对光刻胶薄膜覆盖在牺牲图形12之上的部分进行部分去除(其他位置的光刻胶保留)，位于牺牲图形12之上的部分光刻胶其背向衬底基板1的一侧表面为平整平面，然后对光刻胶薄膜和牺牲图形12进行刻蚀一定深度，以使得牺牲图形12的表面为平整平面且与衬底基板1处于平面相平行。当然，本公开实施例中还可采用其他方式来实现对牺牲图形12表面的平整化处理，此处不再举例描述。

步骤S1042、在第一电极远离衬底基板的一侧形成支撑振膜材料薄膜。

其中，支撑振膜材料薄膜覆盖牺牲图形12的侧面和远离衬底基板1的一侧表面。

步骤S1043、对支撑振膜材料薄膜进行构图工艺，以得到支撑图形和振膜图形。

参见图7g所示，支撑图形3位于牺牲图形12的侧面，振膜图形4位于牺牲层图形12远离衬底基板1的一侧表面，振膜图形4上形成有释放孔。

步骤S1044、通过释放孔去除牺牲图形。

在步骤S1044中，可通过释放孔基于干法刻蚀或湿法刻蚀工艺来去除牺牲图形12，此时可得到振动腔10。去除牺牲图形12所选用的工艺由牺牲图形12的材料来决定，仅需保证在去除牺牲图形12的过程中，不会对振膜图形4、支撑图形3、各电极等造成损害即可。

步骤S1045、形成用于填充释放孔的填充图形。

参见图7h所示，填充图形7填充释放孔，以实现对振动腔的密封。

步骤S105、在振膜图形远离第一电极的一侧形成第二电极。

参见图1和图5所示，首先在振膜图形4上形成第二导电材料薄膜，然后对第而导电材料薄膜进行构图工艺，以得到第二电极5的图形，第二电极5与第一电极2相对设置。

在本公开实施例中，通过将第一介质图形8设置于振动腔10的底部，且在由第一介质图形8的中心指向边缘的方向上第一介质图形8的厚度逐渐增大，可在保证声波换能单元内振膜图形4能够达到有效行程的前提下，降低声波换能单元的吸合工作电压，同时提升器件的电容，增加器件的灵敏度。

图10为本公开实施例提供的另一种声波换能单元的制备方法的流程图，图11a～图11e为采用图10所示制备方法制备声波换能单元的中间产品结构示意图，如图10至图11e所示，该制备方法可用于制备图4中所示的声波换能单元，该制备方法包括：

步骤S201、在衬底基板上形成第一电极。

在一些实施例中，当声波换能单元中存在刻蚀阻挡层6时，在完成第一电极2的制备之后还包括形成刻蚀阻挡层6的步骤。

步骤S202、在第一电极背向衬底基板的一侧形成牺牲图形，牺牲图形远离衬底基板的一侧形成有用于容纳后续待形成的第二介质图形的容纳槽。

图12为本公开实施例中步骤S202的一种可选实现方法的流程图，如图12所示，步骤S202包括：

步骤S2021、在第一电极远离衬底基板的一侧形成第一牺牲子图形。

参见图11a所示，首先在第一电极2远离衬底基板1的一侧形成第二牺牲材料薄膜13，然后对第一牺牲材料薄膜进行构图工艺，以在后续待形成振动腔10的区域形成第一牺牲子图形12a。第一牺牲子图形12a远离衬底基板1的一次表面与衬底基板1所处平面相平行。

步骤S2022、在第一牺牲子图形远离衬底基板的一侧形成第二牺牲材料薄膜。

步骤S2023、在第二牺牲材料薄膜13远离第一电极2的一侧涂覆第二光刻胶薄膜，使用灰阶掩膜版对第二光刻胶薄膜进行曝光处理，并对完成曝光处理的第二光刻胶进行显影处理，得到第二光刻胶图形14。

参见图11b所示，第二光刻胶图形14远离第一介质材料薄膜的一侧表面为斜坡面，且在由中心指向边缘的方向上第二光刻胶图形14的厚度逐渐减小。

步骤S2024、对第二光刻胶图形和第二牺牲材料薄膜进行干法刻蚀，得到第二牺牲子图形。

参见图11c所示，在干法刻蚀的过程中，第二光刻胶图形14会随着刻蚀的过程减薄，第二光刻胶下的第二牺牲材料薄膜13逐渐暴露并被刻蚀，形成小坡度角的倒漏斗形截面。另外，第二牺牲材料薄膜13位于振动腔10之外的部分被完全去除。

第二牺牲子图形12b远离第一电极2的一侧表面为与第二牺牲子图形12b靠近第一电极2的一侧表面相交的斜坡面，以形成容纳槽；该容纳槽用于容纳后续待形成的第二介质图形9。第一牺牲子图形12a和第二牺牲子图形12b构成牺牲图形12。

步骤S203、在牺牲图形的侧面形成支撑图形以及在牺牲图形远离第一电极的一侧形成第二介质图形和振膜图形。

图13为本公开实施例中步骤S203的一种可选实现方法的流程图，如图13所示，步骤S203包括：

步骤S2031、在第一电极远离衬底基板的一侧形成支撑振膜材料薄膜。

其中，支撑振膜材料薄膜覆盖牺牲图形12的侧面和远离衬底基板1的一侧表面。

步骤S2032、对支撑振膜材料薄膜进行图案化工艺，以得到支撑图形、第二介质图形和振膜图形。

参见图11d所示，支撑图形3位于牺牲图形12的侧面，第二介质图形9位于牺牲图形12远离衬底基板1的一侧且位于容纳槽内，振膜图形4位于第二介质图形9远离衬底基板1的一侧表面，振膜图形4上形成有释放孔。此时，第二介质图形9与振膜图形4材料相同且两者一体成型。

步骤S2033、通过释放孔去除牺牲图形。

参见图11d所示，通过释放孔去除牺牲图形12，得到振动腔10。

步骤S2034、形成用于填充释放孔的填充图形。

参见图11e所示，填充图形7填充释放孔，以实现对振动腔10的密封。

步骤S204、在振膜图形远离第一电极的一侧形成第二电极。

参见图1和图5所示，首先在振膜图形4上形成第二导电材料薄膜，然后对第而导电材料薄膜进行构图工艺，以得到第二电极5的图形，第二电极5与第一电极2相对设置。

在本公开实施例中，通过将第二介质图形9设置于振动腔10的顶部，且在由第二介质图形9的中心指向边缘的方向上第二介质图形9的厚度逐渐增大，可在保证声波换能单元内振膜图形4能够达到有效行程的前提下，降低声波换能单元的吸合工作电压，同时提升器件的电容，增加器件的灵敏度。

在一些实施例中，声波换能单元的制备方法可同时包括上述步骤S102、步骤S202和步骤S203，此时制备出的声波换能单元同时包括第一介质图形和第二介质图形，此种情况也应属于本公开的保护范围。

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 (12)

1.一种声波换能单元，包括：衬底基板、第一电极、支撑图形、振膜图形和第二电极，所述第一电极位于所述衬底基板上，所述支撑图形位于所述第一电极远离所述衬底基板的一侧且围成有振动腔，振膜图形位于所述支撑图形远离所述第一电极的一侧且能够在所述振动腔内振动，所述第二电极位于所述振膜图形远离所述第一电极的一侧且与所述第一电极相对设置；

其特征在于，还包括：

第一介质图形，位于所述振动腔的底部，且在由所述第一介质图形的中心指向边缘的方向上所述第一介质图形的厚度逐渐增大；

和/或，第二介质图形，位于所述振动腔的顶部，且在由所述第二介质图形的中心指向边缘的方向上所述第二介质图形的厚度逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的声波换能单元，其特征在于，还包括：

刻蚀阻挡层，位于所述第一电极与所述支撑图形之间。

3.根据权利要求2所述的声波换能单元，其特征在于，当所述声波换能单元包括有所述第一介质图形时，所述第一介质图形的材料与所述刻蚀阻挡层的材料相同。

4.根据权利要求1所述的声波换能单元，其特征在于，当所述声波换能单元包括有所述第二介质图形时，所述第二介质图形的材料与所述振膜图形的材料相同。

5.根据权利要求4所述的声波换能单元，其特征在于，所述第二介质图形与振膜图形相连且两者一体成型。

6.根据权利要求1所述的声波换能单元，其特征在于，当所述声波换能单元包括有所述第一介质图形时，所述第一介质图形靠近所述第一电极的一侧表面为与所述衬底基板所处平面相平行的平面，所述第一介质图形远离所述第一电极的一侧表面为与所述第一介质图形靠近所述第一电极的一侧表面相交的斜坡面，且坡度角范围包括：(0°，15°]；

当所述声波换能单元包括有所述第二介质图形时，所述第二介质图形靠近所述振膜图形的一侧表面为与所述衬底基板所处平面相平行的平面，所述第二介质图形远离所述振膜图形的一侧表面为与所述第二介质图形靠近所述振膜图形的一侧表面相交的斜坡面，且坡度角范围包括：(0°，15°]。

7.一种声波换能器，其特征在于，包括：如上述权利要求1-6中任一所述的声波换能单元。

8.一种如权利要求1-6中任一所述声波换能单元的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底基板上形成第一电极；

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成支撑图形和振膜图形，所述支撑图形位于所述第一电极远离所述衬底基板的一侧且围成有振动腔，振膜图形位于所述支撑图形远离所述第一电极的一侧且能够在所述振动腔内振动；

在所述振膜图形远离所述第一电极的一侧形成第二电极，所述第二电极与所述第一电极相对设置；

其特征在于，在形成第一电极的步骤与形成支撑图形和振膜图形的步骤之间还包括：

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成第一介质图形，所述第一介质图形位于后续待形成的振膜图形所围成振动腔的区域，且在由所述第一介质图形的中心指向边缘的方向上所述第一介质图形的厚度逐渐增大；

和/或，在形成支撑图形和振膜图形的步骤的同时，还包括：

形成第二介质图形，所述第二介质图形位于所述振动腔的顶部，且在由所述第二介质图形的中心指向边缘的方向上所述第二介质图形的厚度逐渐增大。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成第一介质图形的步骤包括：

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成第一介质材料薄膜；

在所述第一介质材料薄膜远离所述第一电极的一侧涂覆第一光刻胶薄膜，使用灰阶掩膜版对第一光刻胶薄膜进行曝光处理，并对完成曝光处理的第一光刻胶进行显影处理，得到第一光刻胶图形，所述第一光刻胶图形靠近所述第一介质材料薄膜的一侧表面为与所述衬底基板所处平面相平行的平面，所述第一光刻胶图形远离所述第一介质材料薄膜的一侧表面为与所述第一光刻胶图形靠近所述第一介质材料薄膜的一侧表面相交的斜坡面；

对所述第一光刻胶图形和所述第一介质材料薄膜进行干法刻蚀，得到第一介质图形，所述第一介质图形远离所述第一电极的一侧表面为与所述第一介质图形靠近所述第一电极的一侧表面相交的斜坡面。

10.权利要求8所述的制备方法，其特征在于，形成支撑图形、振膜图形和第二介质图形的步骤包括：

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成牺牲图形，所述牺牲图形远离所述衬底基板的一侧形成有用于容纳后续待形成的第二介质图形的容纳槽；

在所述牺牲图形的侧面形成支撑图形以及在所述牺牲图形远离所述第一电极的一侧形成第二介质图形和振膜图形，所述振膜图形位于所述第二介质图形远离所述第一电极的一侧，所述振膜图形上形成有释放孔；

通过释放孔去除所述牺牲图形，得到所述振动腔；

形成用于填充所述释放孔的填充图形。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，牺牲图形包括：层叠设置的第一牺牲子图形和第二牺牲子图形，形成牺牲图形的步骤包括：

在第一电极远离所述衬底基板的一侧形成第一牺牲子图形；

在所述第一牺牲子图形远离所述衬底基板的一侧形成第二牺牲材料薄膜；

在所述第二牺牲材料薄膜远离所述第一电极的一侧涂覆第二光刻胶薄膜，使用灰阶掩膜版对第二光刻胶薄膜进行曝光处理，并对完成曝光处理的第二光刻胶进行显影处理，得到第二光刻胶图形，所述第二光刻胶图形远离所述第一介质材料薄膜的一侧表面为斜坡面，且由所述第二光刻胶图形的中心指向边缘的方向上所述第二光刻胶图形的厚度逐渐减小；

对所述第二光刻胶图形和所述第二牺牲材料薄膜进行干法刻蚀，得到第二牺牲子图形，所述第二牺牲子图形远离所述第一电极的一侧表面为与所述第二牺牲子图形靠近所述第一电极的一侧表面相交的斜坡面，以形成所述容纳槽。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述在所述牺牲图形的侧面形成支撑图形以及在所述牺牲图形远离所述第一电极的一侧形成第二介质图形和振膜图形的步骤包括：

在所述第一电极远离所述衬底基板的一侧形成支撑振膜材料薄膜；

对所述支撑振膜材料薄膜进行图案化工艺，以得到所述支撑图形、第二介质图形和所述振膜图形。

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