CN113120849B - 换能器元件及其制备方法、换能器 - Google Patents

换能器元件及其制备方法、换能器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种换能器元件及其制备方法、换能器，涉及换能器技术领域，可以解决换能器灵敏度较低的问题。该换能器元件，包括多个阵元；所述多个阵元中的至少一个阵元包括依次层叠设置在衬底上的第一电极层、振膜层以及第二电极层；所述第一电极层和所述第二电极层相互绝缘；所述振膜层包括多个工作区域；所述工作区域在所述衬底上的正投影与所述第一电极层、所述第二电极层在所述衬底上的正投影均具有重叠区域；位于工作区域的所述振膜层与所述第一电极层之间设置有空腔，位于所述工作区域的所述振膜层可在所述第一电极层和所述第二电极层的作用下，沿垂直于所述衬底的方向振动；所述振膜层仅在位于所述阵元的边缘的位置包括多个镂空区域。

Description

换能器元件及其制备方法、换能器
技术领域
本发明涉及换能器技术领域，尤其涉及一种换能器元件及其制备方法、换能器。
背景技术
换能器在医学成像、治疗、工业流量计、汽车雷达、室内定位等多方面有广泛的应用，特别是在医学成像方面与X-ray(X射线)、核磁成像并称为三大医学成像技术。
其中，以MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)技术为基础开发的电容式微机械换能器(Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer，简称CMUT)具有一致性好，频带宽等特点，因而成为其它类型的换能器例如压电换能器的有力竞争者。
电容式微机械换能器包括换能器元件，即CMUT芯片，目前换能器元件的加工方法有晶圆键合和表面微机械工艺两类。其中，晶圆键合工艺由于需要分别在两片晶圆上进行振膜和空腔制作，并通过晶圆键合方式进行结合在一起，因而制作成本较高，且对于键合设备的对准精度要求较高，难以适合于大面积换能器元件的制作加工。而表面微机械工艺制作工艺简单、成本低廉，更适合于换能器元件加工制作。
发明内容
本发明的实施例提供一种换能器元件及其制备方法、换能器，可以解决换能器灵敏度较低的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供一种换能器元件，包括：多个阵元；所述多个阵元中的至少一个阵元包括依次层叠设置在衬底上的第一电极层、振膜层以及第二电极层；所述第一电极层和所述第二电极层相互绝缘；所述振膜层包括多个工作区域；所述工作区域在所述衬底上的正投影与所述第一电极层、所述第二电极层在所述衬底上的正投影均具有重叠区域；位于所述工作区域的所述振膜层与所述第一电极层之间设置有空腔，位于所述工作区域的所述振膜层可在所述第一电极层和所述第二电极层的作用下，沿垂直于所述衬底的方向振动；所述振膜层仅在位于所述阵元的边缘的位置包括多个镂空区域。
在一些实施例中，相邻所述空腔之间通过连接通道连通。
在一些实施例中，所述连接通道在所述衬底上的正投影与所述第二电极层在所述衬底上的正投影无重叠区域。
在一些实施例中，所述第二电极层包括多个第二电极以及连接电极；一个所述第二电极对应一个所述工作区域；多个所述第二电极通过所述连接电极电连接在一起。在一些实施例中，所述阵元还包括设置在所述第一电极层和所述振膜层之间的腐蚀阻止层。
在一些实施例中，所述阵元还包括设置在所述振膜层远离所述衬底一侧的填充图案；所述填充图案在所述振膜层上的正投影覆盖所述振膜层的所述镂空区域。
在一些实施例中，所述阵元还包括设置在所述第二电极层远离所述衬底一侧的钝化层；所述钝化层包括镂空区域，以露出所述第一电极层的连接端子和所述第二电极层的连接端子。
第二方面，提供一种换能器，包括上述的换能器元件。
第三方面，提供一种换能器元件的制备方法，所述换能器元件包括多个阵元，所述多个阵元中的至少一个阵元的制备方法包括：依次在衬底上形成第一电极层、振膜层以及第二电极层；所述第一电极层和所述第二电极层相互绝缘；所述振膜层包括多个工作区域；所述工作区域在所述衬底上的正投影与所述第一电极层、所述第二电极层在所述衬底上的正投影均具有重叠区域；位于所述工作区域的所述振膜层与所述第一电极层之间设置有空腔，位于所述工作区域的所述振膜层可在所述第一电极层和所述第二电极层的作用下，沿垂直于所述衬底的方向振动；所述振膜层仅在位于所述阵元的边缘的位置包括多个镂空区域。
在一些实施例中，依次在衬底上形成第一电极层、振膜层的步骤包括：在所述衬底上形成所述第一电极层；在所述第一电极层远离所述衬底的一侧形成牺牲层；所述牺牲层包括多个牺牲图案和牺牲通道；所述牺牲通道用于将多个所述牺牲图案连接在一起；在所述牺牲层远离所述衬底的一侧形成所述振膜层；通过所述振膜层的所述镂空区域去除所述牺牲图案以形成所述空腔，并去除所述牺牲通道以形成连接通道。
在一些实施例中，在形成所述空腔和所述连接通道之后，在形成所述第二电极层之前，所述换能器元件的制备方法还包括：在所述振膜层远离所述衬底的一侧形成填充图案；所述填充图案在所述振膜层上的正投影覆盖所述振膜层的所述镂空区域。
在一些实施例中，依次在衬底上形成第一电极层、振膜层以及第二电极层的步骤包括：在所述衬底上形成所述第一电极层；在所述第一电极层远离所述衬底的一侧形成牺牲层；所述牺牲层包括多个牺牲图案和牺牲通道；所述牺牲通道用于将多个所述牺牲图案连接在一起；在所述牺牲层远离所述衬底的一侧形成振膜薄膜；在所述振膜薄膜远离所述衬底的一侧形成第二电极层；对所述振膜薄膜进行构图，以形成所述振膜层；通过所述振膜层的所述镂空区域去除所述牺牲图案以形成所述空腔，并去除所述牺牲通道以形成连接通道。
在一些实施例中，在形成所述空腔和所述连接通道之后，所述换能器元件的制备方法还包括：在所述振膜层远离所述衬底的一侧形成填充图案；所述填充图案在所述振膜层上的正投影覆盖所述振膜层的所述镂空区域。
在一些实施例中，每个所述牺牲图案与其周围的至少两个所述牺牲图案通过所述牺牲通道连接在一起。
在一些实施例中，所述第二电极层包括多个第二电极以及连接电极；一个所述第二电极对应一个所述工作区域；多个所述第二电极通过所述连接电极电连接在一起。
在一些实施例中，所述第二电极层在所述衬底上的正投影与所述牺牲通道在所述衬底上的正投影无重叠区域。
在一些实施例中，在形成所述第二电极层之后，所述换能器元件的制备方法还包括：在所述第二电极层远离所述衬底的一侧形成钝化层；所述钝化层包括镂空区域，以露出所述第一电极层的连接端子和所述第二电极层的连接端子。
本发明实施例提供一种换能器元件及其制备方法、换能器，换能器元件包括：多个阵元；多个阵元中至少一个阵元包括依次层叠设置在衬底上的第一电极层、振膜层以及第二电极层；第一电极层和第二电极层相互绝缘；振膜层包括多个工作区域；工作区域在衬底上的正投影与第一电极层、第二电极层在衬底上的正投影均具有重叠区域；位于工作区域的振膜层与第一电极层之间设置有空腔，位于工作区域的振膜层可在第一电极层和第二电极层的作用下，沿垂直于衬底的方向振动；振膜层仅在位于阵元的边缘的位置包括多个镂空区域。由于本发明实施例中，振膜层仅在位于阵元的边缘的位置包括多个镂空区域，相对于相关技术，本发明实施例中设置的镂空区域的数量减少，因而振膜层中镂空区域的面积占振膜层的面积的比例较小，因此可以将振膜层中工作区域的面积占振膜层的面积的比例设置的较大，这样一来，振膜层中设置的工作区域的数量增加。而振膜层中工作区域的数量越多，阵元的发射和接收灵敏度越高，因此本发明实施例中换能器元件中阵元的发射和接收灵敏度提高，从而提高了换能器的检测灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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换能器元件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种换能器元件中阵元的结构示意图一；
图3a为图2中AA向的剖面示意图；
图3b为图2中BB向的剖面示意图；
图3c为图2中CC向的剖面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种振膜层的结构示意图；
图5为相关技术提供的一种振膜层的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种阵元中振膜层和第二电极层的结构示意图一；
图7为本发明实施例提供的一种阵元中振膜层和第二电极层的结构示意图二；
图8为本发明实施例提供的一种换能器元件中阵元的结构示意图二；
图9为本发明实施例提供的一种换能器元件中阵元的结构示意图三；
图10为为图9中DD向的剖面示意图；
图11为本发明实施例提供的一种换能器元件中阵元的结构示意图四；
图12为本发明实施例提供的一种阵元的制备方法的流程示意图；
图13为本发明实施例提供的一种在衬底上形成第一电极层的结构示意图；
图14a为本发明实施例提供的一种在第一电极层上形成牺牲层的结构示意图一；
图14b为本发明实施例提供的一种在第一电极层上形成牺牲层的结构示意图二；
图14c为本发明实施例提供的一种在第一电极层上形成牺牲层的结构示意图三；
图15为本发明实施例提供的一种在牺牲层上形成振膜层的结构示意图；
图16为本发明实施例提供的一种去除牺牲层的结构示意图一；
图17为本发明实施例提供的一种在振膜层上形成填充图案的结构示意图一；
图18为本发明实施例提供的一种在牺牲层上形成振膜薄膜的结构示意图；
图19为本发明实施例提供的一种在振膜薄膜上形成第二电极层的结构示意图；
图20为本发明实施例提供的一种对振膜薄膜进行构图形成振膜层的结构示意图；
图21为本发明实施例提供的一种去除牺牲层的结构示意图二；
图22为本发明实施例提供的一种在振膜层上形成填充图案的结构示意图二；
图23为相关技术提供的一种牺牲层和振膜层的结构示意图。
附图标记：
1-换能器元件；01-阵元；10-衬底；20-第一电极层；201-第一电极层的连接端子；30-振膜层；40-第二电极层；50-腐蚀阻止层；60-填充图案；70-钝化层；80-牺牲层；301-工作区域；302-镂空区域；303-振膜薄膜；401-第二电极；402-连接电极；403-第二电极层的连接端子；701-镂空区域；801-牺牲图案；802-牺牲通道。
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。
本发明实施例提供一种换能器，所述换能器为电容式微机械换能器，电容式微机械换能器的主要结构包括换能器元件、信号处理电路以及激励电路等，其中，信号处理电路包括放大器。
在一些实施例中，换能器为超声波换能器。
本发明实施例还提供一种换能器元件，可以应用于上述的换能器中，换能器元件1的主要结构如图1所示，包括：多个阵元01；如图2、图3a、图3b以及图3c所示，多个阵元01中至少一个阵元01包括依次层叠设置在衬底10上的第一电极层20、振膜层30以及第二电极层40；第一电极层20和第二电极层40相互绝缘；如图4所示，振膜层30包括多个工作区域301；工作区域301在衬底10上的正投影与第一电极层20、第二电极层40在衬底10上的正投影均具有重叠区域；位于工作区域301的振膜层30与第一电极层20之间设置有空腔，位于工作区域301的振膜层30可在第一电极层20和第二电极层40的作用下，沿垂直于衬底10的方向振动；如图2和图4所示，振膜层30仅在位于阵元01的边缘的位置包括多个镂空区域302。
此处，对于换能器元件1中阵元01的数量以及多个阵元01的排布方式不进行限定。在一些实施例中，如图1所示，多个阵元01呈阵列式排布。
参考图3a、图3b以及图3c所示，位于工作区域301的振膜层30与第一电极层20之间形成有空腔，这样位于工作区域301的振膜层30在第一电极层20和第二电极层40的作用下，可以沿垂直于衬底10的方向振动。此外，应当理解到，振膜层30除工作区域以外的其它区域中至少部分区域应不能振动，即与第一电极层20的距离保持不变。例如，参考图3a，振膜层30中位于相邻工作区域301之间的部分不会进行振动。又例如，参考图3b，振膜层30中位于镂空区域302远离工作区域301的部分不会进行振动。
在一些实施例中，相邻空腔之间通过连接通道连通。
需要说明的是，附图2中，虚线圈表示的是空腔，空腔与振膜层30的工作区域301在衬底10上的正投影重叠。虚直线表示的是连接通道。连接通道将位于振膜层30边缘的镂空区域302与工作区域301下方的空腔连通，且相邻空腔之间通过连接通道连通。
“振膜层30在位于阵元01的边缘的位置”指的是振膜层30的多个工作区域301中最外侧的工作区域301远离振膜层30中心的区域，即为振膜层30位于阵元01的边缘的位置。
对于振膜层30包括的工作区域301的个数不进行限定，工作区域301的个数越多，阵元01的发射和接收灵敏度越高，进而换能器的检测灵敏度越高。附图3a示意出5个工作区域，附图3b仅示意出一个工作区域301。此外，可以将一个工作区域301称为一个元胞。
在此基础上，对于振膜层30中工作区域301的形状不进行限定，可以为圆形、矩形、菱形等。本发明说明书附图均以工作区域301的形状为圆形为例进行示意。
此外，衬底10例如可以为玻璃基板。
需要说明的是，在第一电极层20和第二电极层40之间仅设置有振膜层30的情况下，为了确保第一电极层20和第二电极层40相互绝缘，因而振膜层30的材料应为绝缘材料。
对于第一电极层20和第二电极层40的材料不进行限定，第一电极层20的材料和第二电极层40的材料可以为金属单质、合金以及金属氧化物中的至少一种等。金属单质例如可以为铜(Cu)、铝(Al)以及银(Ag)等。合金例如可以为铜合金、铝合金以及银合金等。金属氧化物例如可以为氧化铟锌(Indium Zinc Oxide，简称IZO)、氧化铟锡(Indium TinOxide，简称ITO)以及铟镓锌氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide，简称IGZO)等。此外，第一电极层20的材料和第二电极层40的材料可以相同，也可以不相同。
相关技术提供的换能器元件1中振膜层30的结构如图5所示，振膜层30除了在位于阵元01的边缘的位置包括多个镂空区域302，振膜层30中每个工作区域301的周边都设置有镂空区域302，即振膜层30在位于阵元01的中间的位置也包括多个镂空区域302，这样一来，工作区域301之间需要留很大的间隙。由于振膜层30在位于阵元01的边缘的位置和位于阵元01的中间的位置均包括多个镂空区域302，因而振膜层30中镂空区域302的面积占振膜层30的面积的比例较大，从而导致振膜层30的工作区域301的面积占振膜层30的面积的比例较小，这样一来，振膜层30中能设置的工作区域301的数量较少。而振膜层30中工作区域301的数量越少，阵元01的发射和接收灵敏度越低，因此相关技术中换能器元件1中阵元01的发射和接收灵敏度较低，从而导致换能器的检测灵敏度较低。
本发明实施例提供一种换能器元件1，包括：多个阵元01；多个阵元中的至少一个阵元01包括依次层叠设置在衬底10上的第一电极层20、振膜层30以及第二电极层40；第一电极层20和第二电极层40相互绝缘；振膜层30包括多个工作区域301；工作区域301在衬底10上的正投影与第一电极层20、第二电极层40在衬底10上的正投影均具有重叠区域；位于工作区域301的振膜层30与第一电极层40之间设置有空腔，位于工作区域301的振膜层30可在第一电极层20和第二电极层40的作用下，沿垂直于衬底10的方向振动；振膜层30仅在位于阵元01的边缘的位置包括多个镂空区域302。由于本发明实施例中，振膜层30仅在位于阵元01的边缘的位置包括多个镂空区域302，相对于相关技术，本发明实施例中设置的镂空区域302的数量减少，因而振膜层30中镂空区域302的面积占振膜层30的面积的比例较小，因此可以将振膜层30中工作区域301的面积占振膜层30的面积的比例设置的较大，这样一来，振膜层30中设置的工作区域301的数量增加。而振膜层30中工作区域301的数量越多，阵元01的发射和接收灵敏度越高，因此本发明实施例中换能器元件1中阵元01的发射和接收灵敏度提高，从而提高了换能器的检测灵敏度。
在相邻空腔之间通过连接通道连通的情况下，在一些实施例中，连接通道在衬底10上的正投影与第二电极层40在衬底10上的正投影无重叠区域。
本发明实施例，由于第二电极层40在衬底10上的正投影与连接通道在衬底10上的正投影无重叠区域，因而与连接通道正对的位置处的振膜层30不会在第一电极层20和第二电极层40的作用下振动，只有位于工作区域301的振膜层30(即与空腔正对的位置处的振膜层30)在第一电极层20和第二电极层40的作用下，沿垂直于衬底10的方向振动，从而避免了对位于工作区域301的振膜层30的影响。
在一些实施例中，第一电极层20为面状电极。在另一些实施例中，第一电极层20包括多个第一电极，一个第一电极与一个工作区域301对应，且相互对应的工作区域301和第一电极在衬底10上的正投影具有重叠区域。
在第一电极层20包括多个第一电极的情况下，多个第一电极可以通过连接电极电连接在一起；多个第一电极之间也可以相互不连接，在此情况下，需要设置多条信号线与多个第一电极电连接，以给多个第一电极提供信号。
在一些实施例中，第二电极层40为面状电极。在另一些实施例中，如图6所示，第二电极层40包括多个第二电极401；一个第二电极401对应一个工作区域301，且相互对应的工作区域301和第二电极401在衬底10上的正投影具有重叠区域。
考虑到若第一电极层20和第二电极层40均为面状电极，则振膜层30中除了工作区域301在衬底10上的正投影与第一电极层20、第二电极层40均具有重叠区域外，振膜层30中的其它区域在衬底10上的正投影也与第一电极层20、第二电极层40具有重叠区域，而与其它区域正对的第一电极层20和第二电极层40产生的电容会影响与工作区域301正对的第一电极层20和第二电极层40产生的电容，进而会影响换能器的检测精度。基于此，在一些实施例中，第一电极层20包括多个第一电极；或者，第二电极层40包括多个第二电极401。
在第二电极层40包括多个第二电极401的情况下，在一些实施例中，如图7所示，第二电极层40还包括连接电极402；多个第二电极401通过连接电极402电连接在一起。
此处，连接电极402的材料和第二电极401的材料可以相同，也可以不相同。
本发明实施例，由于多个第二电极401通过连接电极402连接在一起，因而无需给每个第二电极401施加电压，只需给一个或几个第二电极401施加电压，便可以给所有的第二电极401施加电压，从而可以减少用于给第二电极401输入信号的信号线的数量，进而简化了换能器元件1的结构。
在一些实施例中，如图8所示，阵元01还包括设置在第一电极层20和振膜层30之间的腐蚀阻止层50。
此处，可以是振膜层30和腐蚀阻止层50的材料均为绝缘材料；绝缘材料例如可以为氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiNxOy)中的一种。也可以是振膜层30的材料为绝缘材料，腐蚀阻止层50的材料为导电材料；或者，振膜层30的材料为导电材料，腐蚀阻止层50的材料为绝缘材料。
本发明实施例，在第一电极层20和振膜层30之间设置腐蚀阻止层50，一方面，对振膜层30进行刻蚀形成镂空区域302时，腐蚀阻止层50可以对刻蚀气体或刻蚀液进行阻挡，避免刻蚀气体或刻蚀液刻蚀到第一电极层20上；另一方面，在振膜层30的材料为导电材料，腐蚀阻止层50的材料为绝缘材料的情况下，腐蚀阻止层50可以确保第一电极层20和第二电极层40相互绝缘。
换能器在实际应用时，换能器所处的环境介质可以是空气、水或其它介质。考虑到换能器在实际应用过程中所处的环境为水或其它液态介质时，水或其它液态介质可能会通过振膜层30的镂空区域302进入到位于工作区域301的振膜层30和第一电极层20形成的空腔内，这样一来，位于工作区域301的振膜层30在第一电极层20和第二电极层40的作用下不能沿垂直于衬底10的方向振动，或振动幅度很小，从而影响了阵元01的发射或接收灵敏度，进而影响了超声波传感器的检测灵敏度。
基于此，在一些实施例中，如图9和图10所示，阵元01还包括设置在振膜层30远离衬底10一侧的填充图案60；填充图案60在振膜层30上的正投影覆盖振膜层30的镂空区域302。
对于填充图案60的材料不进行限定，填充图案60的材料例如可以为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中的至少一种。
本发明实施例，通过填充图案60对振膜层30的镂空区域302进行填充，因而可以避免换能器在实际应用过程中所处的环境为水或其它液态介质时，水或其它液态介质通过振膜层30的镂空区域302进入到位于工作区域301的振膜层30和第一电极层20形成的空腔内影响超声波传感器的检测灵敏度。
在此基础上，由于本发明实施例中，振膜层30仅在位于阵元01的边缘的位置包括多个镂空区域302，因而只需在位于阵元01的边缘的位置处设置填充图案60，以对振膜层30位于阵元01的边缘的位置处的镂空区域302进行填充。相对于相关技术中，振膜层30除了在位于阵元01的边缘的位置包括多个镂空区域302，振膜层30中每个工作区域301的周边都设置有镂空区域302，因而相对于相关技术，本发明实施例设置的填充图案60的数量减少，且减小了镂空区域302的填充难度，简化了换能器元件1的制作过程。
在一些实施例中，如图11所示，阵元01还包括设置在第二电极层40远离衬底10一侧的钝化层(Passivation，简称PVX)70；钝化层70包括镂空区域701，以露出第一电极层的连接端子(pad)201和第二电极层的连接端子403。
本发明实施例中，由于阵元01还包括设置在第二电极层40远离衬底10一侧的钝化层70，因而钝化层70可以对阵元01进行保护，防止钝化层70和衬底10之间的第一电极层20、腐蚀阻止层50、振膜层30以及第二电极层40以及走线等受到损坏，影响超声波传感器的正常检测。在此基础上，钝化层70包括镂空区域701，以露出第一电极层的连接端子201和第二电极层的连接端子403，这样便于第一电极层的连接端子201和第二电极层的连接端子403与信号线电连接，以给第一电极层20和第二电极层40提供电压。
本发明实施例还提供一种换能器元件1的制备方法，可以用于制备上述的换能器元件1。换能器元件1包括多个阵元，如图12所示，多个阵元01中的至少一个阵元01的制备方法，包括：
S100、如图2所示，依次在衬底10上形成第一电极层20、振膜层30以及第二电极层40；第一电极层10和第二电极层40相互绝缘；振膜层30包括多个工作区域301；工作区域301在衬底10上的正投影与第一电极层20、第二电极层40在衬底10上的正投影均具有重叠区域；位于工作区域301的振膜层30与第一电极层20之间设置有空腔，位于工作区域301的振膜层30可在第一电极层20和第二电极层40的作用下，沿垂直于衬底10的方向振动；振膜层30仅在位于阵元01的边缘的位置包括多个镂空区域302。
需要说明的是，在制备换能器元件1的过程中，可以同时形成多个阵元01。
此处，可以先在衬底10上沉积一层第一导电薄膜，再对第一导电薄膜进行构图(构图也可以称为图形化)，以形成第一电极层20。构图包括涂覆光刻胶、掩膜曝光、显影以及刻蚀工艺。形成第二电极层40的过程可以参考形成第一电极层20的过程，此处不再赘述。
此外，对于衬底10的材料、第一电极层20的材料、形状以及第二电极层40的材料、形状等不进行限定，可以参考上述实施例，此处不再赘述。
在一些实施例中，依次在衬底10上形成第一电极层20、振膜层30的步骤包括：
S200、如图13所示，在衬底10上形成第一电极层20。
附图13以第一电极层20为面状电极为例进行示意。
S201、如图14a、图14b和图14c所示，在第一电极层20远离衬底10的一侧形成牺牲层80；牺牲层80包括多个牺牲图案801和牺牲通道802；牺牲通道802用于将多个牺牲图案801连接在一起。
此处，对于牺牲层80的材料不进行限定，牺牲层80的材料例如可以为光刻胶、金属、绝缘材料或半导体材料等。
此外，可以先在第一电极层20远离衬底10的一侧形成一层牺牲层薄膜，再对牺牲层薄膜进行构图，以形成牺牲层80。在牺牲层80的材料为光刻胶的情况下，构图包括掩膜曝光以及显影等工艺。在牺牲层80的材料为金属、绝缘材料或半导体材料的情况下，构图包括涂覆光刻胶、掩膜曝光、显影以及刻蚀工艺。
在此基础上，对于牺牲通道802如何将多个牺牲图案801连接在一起不进行限定，以牺牲通道802能将多个牺牲图案801连接在一起为准。例如，如图14a所示，牺牲图案801呈矩阵排布，每行牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起；每列牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起；沿对角线方向的每排牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起。又例如，如图14b所示，牺牲图案801呈矩阵排布，沿对角线方向的每排牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起。又例如，如图14c所示，牺牲图案801呈矩阵排布，每行牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起；每列牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起。
S202、如图15所示，在牺牲层80远离衬底10的一侧形成振膜层30。
此处，形成振膜层30包括：先在牺牲层80远离衬底10的一侧形成一层振膜薄膜，再对振膜薄膜进行构图，以形成振膜层30。振膜层30位于阵元01的边缘的位置包括多个镂空区域302。
S203、如图16所示，通过振膜层30的镂空区域302去除牺牲图案801以形成空腔，并去除牺牲通道802以形成连接通道。
此处，可以利用湿法腐蚀或干法刻蚀去除牺牲图案801和牺牲通道802。应当理解到，虽然牺牲图案801和牺牲通道802在振膜层30的下方，但是振膜层30的镂空区域302在衬底10上的正投影与牺牲通道802在衬底10上的正投影具有重叠区域，因而利用湿法腐蚀或干法刻蚀时，腐蚀液或刻蚀气体可以通过镂空区域302与牺牲通道802接触，进而对牺牲通道802进行去除，而多个牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起，因此腐蚀液或刻蚀气体又可以通过牺牲通道802对牺牲图案801进行去除，这样一来，便可以将所有的牺牲图案801和牺牲通道802均去除掉。
需要说明的是，利用湿法腐蚀或干法刻蚀去除牺牲图案801和牺牲通道802时，需要各向同性，这样才能够将所有的牺牲图案801和牺牲通道802均去除掉。
本领域技术人员应该明白，去除牺牲图案801和牺牲通道802过程中，需要保证对第一电极层20和振膜层30无腐蚀或腐蚀速度极慢。基于此，应当理解到，第一电极层20、牺牲层80以及振膜层30的材料不能是同一种材料。
此外，去除牺牲图案801和牺牲通道802，即对牺牲层80进行释放。
应当理解到，去除掉第一电极层20和振膜层30之间的牺牲图案801和牺牲通道802后，振膜层30对应牺牲图案801的位置，即振膜层30的工作区域301与第一电极层20之间形成空腔，振膜层30对应牺牲通道802的位置与第一电极层20之间形成连接通道。连接通道将位于振膜层30边缘的镂空区域302与工作区域301下方的空腔连通，且相邻空腔之间通过连接通道连通。
在一些实施例中，在S203之后，在形成第二电极层40之前，上述换能器元件的制备方法还包括：
S204、如图17所示，在振膜层30远离衬底10的一侧形成填充图案60；填充图案60在振膜层30上的正投影覆盖振膜层30的镂空区域302。
此处，在振膜层30远离衬底10的一侧形成填充图案60，包括：在第二电极层40远离衬底10的一侧沉积一层填充薄膜，对填充薄膜进行构图，以形成填充图案60。
此外，对于填充图案60的材料不进行限定，可以参考上述实施例，此处不再赘述。
本发明实施例，由于填充图案60在振膜层30上的正投影覆盖振膜层30的镂空区域302，因而可以避免换能器在实际应用过程中所处的环境为水或其它液态介质时，水或其它液态介质通过振膜层30的镂空区域302进入到位于工作区域301的振膜层30和第一电极层20形成的空腔内影响超声波传感器的检测灵敏度。
在此基础上，由于本发明实施例中，振膜层30仅在位于第一电极层20的边缘的位置形成多个镂空区域302，因而只需在位于第一电极层20的边缘的位置处形成填充图案60，以对振膜层30位于第一电极层20的边缘的位置处的镂空区域302进行填充，这样一来，需要形成的填充图案60的数量减少，降低了镂空区域302的填充难度，简化了换能器元件1的制作过程。
在一些实施例中，依次在衬底10上形成第一电极层20、振膜层30以及第二电极层40的步骤包括：
S300、如图13所示，在衬底10上形成第一电极层20。
S301、如图14a、图14b和图14c所示，在第一电极层20远离衬底10的一侧形成牺牲层80；牺牲层80包括多个牺牲图案801和牺牲通道802；牺牲通道802用于将多个牺牲图案801连接在一起。
S302、如图18所示，在牺牲层80远离衬底10的一侧形成振膜薄膜303。
S303、如图19所示，在振膜薄膜远离衬底10的一侧形成第二电极层40。
S304、如图20所示，对振膜薄膜进行构图，以形成振膜层30。
此处，形成振膜层30后，振膜层30包括位于阵元01的边缘的位置的多个镂空区域302。
应当理解到，在振膜薄膜待形成镂空区域的上方形成有其它膜层的情况下，应先去除待形成镂空区域上方的其它膜层，再对振膜层30进行构图。
S305、如图21所示，通过振膜层30的镂空区域302去除牺牲图案801以形成空腔，并去除牺牲通道802以形成连接通道。
在一些实施例中，在S305之后，上述换能器元件的制备方法还包括：
S306、如图22所示，在振膜层30远离衬底10的一侧形成填充图案60；填充图案60在振膜层30上的正投影覆盖振膜层30的镂空区域302。
相关技术在制备换能器元件1时，牺牲层80和振膜层30的结构如图23所示，多个牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起，振膜层30位于第一电极层20边缘的位置以及每个工作区域301的周边都设置有镂空区域302，镂空区域302在衬底10上的正投影与牺牲通道802在衬底10上的正投影具有重叠区域。通过振膜层30的镂空区域302可以去除牺牲图案801和牺牲通道802。由于振膜层30位于第一电极层20边缘的位置以及每个工作区域301的周边都设置有镂空区域302，因而振膜层30中设置的工作区域301的数量减少，阵元01的发射和接收灵敏度较低，从而导致换能器的检测灵敏度较低。
而本发明实施例在制作换能器元件1的过程中，仅在振膜层30位于第一电极层20边缘的位置形成多个镂空区域302，通过这些镂空区域302便可以去除牺牲图案801和牺牲通道802。此外，由于仅在振膜层30位于第一电极层20边缘的位置形成多个镂空区域302，因而振膜层30中设置的工作区域301的数量增加，从而使得换能器元件1中阵元01的发射和接收灵敏度提高，进而提高了换能器的检测灵敏度。
在一些实施例中，每个牺牲图案801与其周围的至少两个牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起。在另一些实施例中，每个牺牲图案801与其周围的一个牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起。
此处，每个牺牲图案801与其周围的至少两个牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起，指的是每个牺牲图案801与其周围的两个或两个以上牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起。
本发明实施例，每个牺牲图案801与其周围的至少两个牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起，这样可以快速去除牺牲图案801，能够有效保证牺牲图案801的去除速度和去除效果。
在一些实施例中，如图2所示，第二电极层40包括多个第二电极401；一个第二电极401对应一个工作区域301，且相互对应的工作区域301和第二电极401在衬底10上的正投影具有重叠区域。
考虑到振膜层30中与其它区域正对的第一电极层20和第二电极层40产生的电容会影响振膜层30中与工作区域301正对的第一电极层20和第二电极层40产生的电容，进而会影响换能器的检测精度。本发明实施例，相对于第二电极层40的形状为面状，由于本发明实施例中第二电极层40包括多个第二电极401，因而可以减小或避免位于除工作区域301以外的其它区域位置处，第一电极层20和第二电极层40产生的电容对位于工作区域301的位置处，第一电极层20和第二电极层40产生的电容的影响，从而确保了换能器的检测精度。
在第二电极层40包括多个第二电极401的情况下，如图2所示，第二电极层40还包括连接电极402；多个第二电极401通过连接电极402电连接在一起。
本发明实施例，第二电极层40包括多个第二电极401以及连接电极402，由于多个第二电极401通过连接电极402连接在一起，因而无需给每个第二电极401施加电压，只需给一个或几个第二电极401施加电压，便可以给所有的第二电极401施加电压，从而可以减少用于给第二电极401输入信号的信号线的数量，进而简化换能器元件1的结构。
在一些实施例中，第二电极层40在衬底10上的正投影与牺牲通道802在衬底10上的正投影无重叠区域。
由于工作区域301在衬底10上的正投影与牺牲图案801在衬底10上的正投影重叠，一个第二电极401对应一个工作区域301，因而牺牲图案801和第二电极401的排列方式相同，在牺牲图案801和第二电极401呈矩阵排布的情况下，如图2所示，第二电极层40在衬底10上的正投影与牺牲通道802在衬底10上的正投影无重叠区域(由于牺牲通道802去除后，振膜层30对应牺牲通道802的位置与第一电极层20之间形成连接通道，因而附图2中示意出的连接通道的位置即为牺牲通道802的位置)。在设计第二电极层40和牺牲层80时，例如可以为如图7所示，每行第二电极401通过连接电极402连接在一起，每列第二电极401通过连接电极402连接在一起，如图14b所示，沿对角线方向，每排牺牲图案801通过牺牲通道802连接在一起。
基于上述可知，振膜层30对应牺牲通道802的位置与第一电极层20之间形成有连接通道，若牺牲通道802与第一电极层20、第二电极层40均具有重叠区域，则向第一电极层20和第二电极层40施加电压时，除了位于工作区域301的振膜层30在第一电极层20和第二电极层40的作用下会沿垂直于衬底10的方向振动外，对应牺牲通道802位置处的振膜层30也会在第一电极层20和第二电极层40的作用下会沿垂直于衬底10的方向振动，而对应牺牲通道802位置处的振膜层30的振动频率与位于工作区域301的振膜层30的振动频率不同，从而会影响阵元01的发射和接收精确度，进而影响换能器元件1的检测精确度。本发明实施例中，由于第二电极层40在衬底10上的正投影与牺牲通道802在衬底10上的正投影无重叠区域，因而与牺牲通道802正对的位置处的振膜层30不会在第一电极层20和第二电极层40的作用下振动，从而避免了对位于工作区域301的振膜层30的影响。由于第二电极层40包括多个第二电极401；一个第二电极401对应一个工作区域301，因而可以确保只有位于工作区域301的振膜层30在第一电极层20和第二电极层40的作用下，沿垂直于衬底10的方向振动。
在一些实施例中，在形成第一电极层20之后，在形成牺牲层80之前，上述换能器元件1的制备方法还包括：在第一电极层20远离衬底10的一侧形成腐蚀阻止层50。
此处，对于腐蚀阻止层50的材料不进行限定，可以参考上述实施例，此处不再赘述。
本发明实施例，在第一电极层20和振膜层30之间形成腐蚀阻止层50，一方面，对振膜层30进行刻蚀形成镂空区域302时，腐蚀阻止层50可以对刻蚀气体或刻蚀液进行阻挡，避免刻蚀气体或刻蚀液刻蚀到第一电极层20上；另一方面，在振膜层30的材料为导电材料，腐蚀阻止层50的材料为绝缘材料的情况下，腐蚀阻止层50可以确保第一电极层20和第二电极层40相互绝缘。
在一些实施例中，在形成第二电极层40之后，上述换能器元件1的制备方法还包括：
如图11所示，在第二电极层40远离衬底10的一侧形成钝化层70；钝化层70包括镂空区域701，以露出第一电极层的连接端子201和第二电极层的连接端子403。
此处，在第二电极层40远离衬底10的一侧形成钝化层70，包括：在第二电极层40远离衬底10的一侧形成钝化层薄膜，对钝化层薄膜进行构图，以形成钝化层70。
此外，去除第一电极层的连接端子201和第二电极层的连接端子403上的膜层，例如钝化层，以露出第一电极层的连接端子201和第二电极层的连接端子403的过程，可以称为对第一电极层20和第二电极层40进行开窗。
应当理解到，在第一电极层20的连接端子上形成有其它膜层的情况下，在形成钝化层70之前或之后，应去除第一电极层20的连接端子上的其它膜层，这样才可以露出第一电极层的连接端子201。
本发明实施例，由于在第二电极层40远离衬底10一侧形成钝化层70，钝化层70可以对换能器元件1进行保护，因而可以防止钝化层70和衬底10之间的第一电极层20、腐蚀阻止层50、振膜层30以及第二电极层40以及走线等受到损坏，影响超声波传感器的正常检测。在此基础上，钝化层70包括镂空区域，以露出第一电极层的连接端子201和第二电极层的连接端子403，这样便于第一电极层的连接端子201与信号线电连接，以给第一电极层20提供电压，且便于第二电极层的连接端子403与信号线电连接，以给第二电极层40提供电压。
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，可轻易想到的变化或替换，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 (14)

1.一种换能器元件，其特征在于，包括：多个阵元；所述多个阵元中的至少一个阵元包括依次层叠设置在衬底上的第一电极层、振膜层以及第二电极层；所述第一电极层和所述第二电极层相互绝缘；
所述振膜层包括多个工作区域；所述工作区域在所述衬底上的正投影与所述第一电极层、所述第二电极层在所述衬底上的正投影均具有重叠区域；位于所述工作区域的所述振膜层与所述第一电极层之间设置有空腔，位于所述工作区域的所述振膜层可在所述第一电极层和所述第二电极层的作用下，沿垂直于所述衬底的方向振动；所述振膜层仅在位于所述阵元的边缘的位置包括多个镂空区域；相邻所述空腔之间通过连接通道连通；所述镂空区域与所述连接通道连通；所述连接通道在所述衬底上的正投影与所述第二电极层在所述衬底上的正投影无重叠区域。
2.根据权利要求1所述的换能器元件，其特征在于，所述第二电极层包括多个第二电极以及连接电极；一个所述第二电极对应一个所述工作区域；
多个所述第二电极通过所述连接电极电连接在一起。
3.根据权利要求1所述的换能器元件，其特征在于，所述阵元还包括设置在所述振膜层远离所述衬底一侧的填充图案；
所述填充图案在所述振膜层上的正投影覆盖所述振膜层的所述镂空区域。
4.根据权利要求1所述的换能器元件，其特征在于，所述阵元还包括设置在所述第二电极层远离所述衬底一侧的钝化层；所述钝化层包括镂空区域，以露出所述第一电极层的连接端子和所述第二电极层的连接端子。
5.一种换能器，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的换能器元件。
6.一种换能器元件的制备方法，其特征在于，所述换能器元件包括多个阵元，所述多个阵元中的至少一个阵元的制备方法包括：依次在衬底上形成第一电极层、振膜层以及第二电极层；所述第一电极层和所述第二电极层相互绝缘；
所述振膜层包括多个工作区域；所述工作区域在所述衬底上的正投影与所述第一电极层、所述第二电极层在所述衬底上的正投影均具有重叠区域；位于所述工作区域的所述振膜层与所述第一电极层之间设置有空腔，位于所述工作区域的所述振膜层可在所述第一电极层和所述第二电极层的作用下，沿垂直于所述衬底的方向振动；所述振膜层仅在位于所述阵元的边缘的位置包括多个镂空区域；相邻所述空腔之间通过连接通道连通，所述镂空区域与所述连接通道连通；所述连接通道在所述衬底上的正投影与所述第二电极层在所述衬底上的正投影无重叠区域。
7.根据权利要求6所述的换能器元件的制备方法，其特征在于，依次在衬底上形成第一电极层、振膜层的步骤包括：在所述衬底上形成所述第一电极层；
在所述第一电极层远离所述衬底的一侧形成牺牲层；所述牺牲层包括多个牺牲图案和牺牲通道；所述牺牲通道用于将多个所述牺牲图案连接在一起；
在所述牺牲层远离所述衬底的一侧形成所述振膜层；
通过所述振膜层的所述镂空区域去除所述牺牲图案以形成所述空腔，并去除所述牺牲通道以形成连接通道。
8.根据权利要求7所述的换能器元件的制备方法，其特征在于，在形成所述空腔和所述连接通道之后，在形成所述第二电极层之前，所述换能器元件的制备方法还包括：
在所述振膜层远离所述衬底的一侧形成填充图案；所述填充图案在所述振膜层上的正投影覆盖所述振膜层的所述镂空区域。
9.根据权利要求6所述的换能器元件的制备方法，其特征在于，依次在衬底上形成第一电极层、振膜层以及第二电极层的步骤包括：在所述衬底上形成所述第一电极层；
在所述第一电极层远离所述衬底的一侧形成牺牲层；所述牺牲层包括多个牺牲图案和牺牲通道；所述牺牲通道用于将多个所述牺牲图案连接在一起；
在所述牺牲层远离所述衬底的一侧形成振膜薄膜；
在所述振膜薄膜远离所述衬底的一侧形成第二电极层；
对所述振膜薄膜进行构图，以形成所述振膜层；
通过所述振膜层的所述镂空区域去除所述牺牲图案以形成所述空腔，并去除所述牺牲通道以形成连接通道。
10.根据权利要求9所述的换能器元件的制备方法，其特征在于，在形成所述空腔和所述连接通道之后，所述换能器元件的制备方法还包括：
在所述振膜层远离所述衬底的一侧形成填充图案；所述填充图案在所述振膜层上的正投影覆盖所述振膜层的所述镂空区域。
11.根据权利要求7-10任一项所述的换能器元件的制备方法，其特征在于，每个所述牺牲图案与其周围的至少两个所述牺牲图案通过所述牺牲通道连接在一起。
12.根据权利要求7-10任一项所述的换能器元件的制备方法，其特征在于，所述第二电极层在所述衬底上的正投影与所述牺牲通道在所述衬底上的正投影无重叠区域。
13.根据权利要求6-10任一项所述的换能器元件的制备方法，其特征在于，所述第二电极层包括多个第二电极以及连接电极；一个所述第二电极对应一个所述工作区域；
多个所述第二电极通过所述连接电极电连接在一起。
14.根据权利要求8所述的换能器元件的制备方法，其特征在于，在形成所述第二电极层之后，所述换能器元件的制备方法还包括：
在所述第二电极层远离所述衬底的一侧形成钝化层；所述钝化层包括镂空区域，以露出所述第一电极层的连接端子和所述第二电极层的连接端子。
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