CN113993048A - 超声换能器及其形成方法、控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种超声换能器及其形成方法和控制方法，所述超声换能器包括：形成于基底上的超声换能单元，所述超声换能单元包括：位于所述基底上的支撑层，所述支撑层内具有空腔；位于所述支撑层表面，且悬空于所述空腔上的压电振膜；位于所述压电振膜与所述基底之间的支撑层内的电容结构，所述电容结构包括：相对的上极板和下极板，至少部分空腔位于所述上极板和下极板之间。上述超声换能器的制备工艺简单，性能较高。

Description

超声换能器及其形成方法、控制方法

技术领域

本申请涉及MEMS技术领域，具体涉及一种超声换能器及其形成方法、控制方法。

背景技术

基于微加工技术的超声换能器(MUT)可以进行电学与声学信号的转化，这种设备可以广泛应用于包括麦克风和扬声器、手势识别、超声波成像、指纹识别等领域。根据超声换能器的工作原理，现有的超声换能器一般具有两种类型：一种是基于压电驱动的压电超声换能器(PMUT)，另一种是基于电场力驱动的电容式压电超声换能器(CMUT)。

PMUT在结构上一般包括工作于弯张模式的振动膜层，振动膜层一般由多层材料堆积而成，其中一般包括电极层和压电材料层。图1a为一种PMUT的结构示意图，PMUT包括支撑层10内具有背腔11，支撑层上形成有振动膜层，包括依次堆叠的下电极12、压电层13以及上电极14。

CMUT在结构上同样包括一块工作于弯张模式的振动膜层，该振动膜层一般较薄，主要由电极层和绝缘层堆叠而成。请参考图1b，为基于电场力驱动的CMUT结构示意图，CMUT包括衬底20，所述衬底上具有下电极，通过支撑层悬空于所述衬底20上的振动膜层，所述振动膜层包括绝缘层22和位于所述绝缘层22表面的上电极；所述振动膜层和所述衬底20之间具有空腔21。

现有技术的超声换能器无论是PMUT还是CMUT的性能都存在一定的缺陷，性能都有待进一步的提高。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种超声换能器及其形成方法、控制方法，以提高现有技术的超声换能器的性能。

本申请提供的一种超声换能器，包括：形成于基底上的超声换能单元，所述超声换能单元包括：位于所述基底上的支撑层，所述支撑层内具有空腔；位于所述支撑层表面，且悬空于所述空腔上的压电振膜；位于所述压电振膜与所述基底之间的支撑层内的电容结构，所述电容结构包括：相对的上极板和下极板，至少部分空腔位于所述上极板和下极板之间。

可选的，所述电容结构还包括：位于所述上极板朝向所述压电振膜的一侧表面的电连接结构，所述电连接结构包括：连接柱和连接电极，所述连接电极与所述上极板平行设置，所述连接柱连接于所述连接电极和所述上极板之间。

可选的，部分空腔位于所述连接电极和所述上极板之间。

可选的，还包括：贯穿部分厚度的支撑层的若干释放孔，所述释放孔与所述空腔连通；所述释放孔顶部填充有密封塞；所述空腔由释放牺牲层而形成。

可选的，所述压电振膜包括底电极、位于所述底电极表面的压电层，位于所述压电层表面的顶电极，所述压电层，位于所述空腔的平面投影区域内。

可选的，所述压电振膜与所述电容结构之间电学隔离。

可选的，包括：所述基底内形成有专用集成电路，所述专用集成电路电连接至所述压电振膜的底电极和顶电极，以及电连接至所述电容结构的上极板、下极板，用于驱动所述压电振膜振动发射声波，以及接收所述电容结构产生的传感信号。

可选的，所述支撑层内还形成有互连结构，用于电连接所述压电振膜和所述基底，和/或电连接所述电容结构和所述基底；所述互连结构包括互连柱。

可选的，所述空腔所在平面内形成有互连线。

可选的，包括若干阵列分布的所述超声换能单元，各个超声换能单元均电连接至基底内的专用集成电路，受所述专用集成电路控制。

本申请还提供一种超声换能器的形成方法，包括：提供基底，在所述基底上形成超声换能单元，所述超声换能单元的形成方法包括：在所述基底上形成支撑层，以及位于所述支撑层内的电容结构，所述电容结构包括上极板和下极板，所述上极板和下极板之间的支撑层内还形成有牺牲层；在所述电容结构外围，形成贯穿部分厚度的支撑层至暴露出所述牺牲层的释放孔；沿所述释放孔，去除所述牺牲层，在所述支撑层内形成空腔；在所述支撑层表面形成压电振膜。

可选的，还包括：形成位于上极板上的电连接结构，所述电连接结构包括连接柱和与所述上极板平行的连接电极。

可选的，还包括：形成位于所述连接电极和所述上极板之间的支撑层内的牺牲层。

可选的，所述牺牲层的材料为导电材料，或者所述牺牲层的材料为与所述支撑层材料不同的绝缘介质材料。

可选的，还包括：在所述支撑层内形成互连结构，所述互连结构包括垂直于所述基底的互连柱，以及平行于所述基底的互连线；所述牺牲层的材料与所述互连结构的材料相同；所述牺牲层的形成方法包括：形成导电材料层，图形化导电材料层，形成所述牺牲层和与所述牺牲层位于同一平面内的互连线。

可选的，所述释放孔和所述互连柱同步形成，包括：刻蚀所述支撑层形成若干通孔，包括导电通孔和释放孔，所述释放孔暴露出所述牺牲层；在所述通孔内填充导电材料；在所述支撑层表面形成保护层，所述保护层覆盖所述导电通孔顶部，暴露出所述释放孔顶部；去除所述释放孔内的导电材料以及所述牺牲层。

本申请还提供一种如上述任一项所述的超声换能器的控制方法，包括：在发射阶段，向所述压电振膜的顶部电极和底部电极之间施加激励信号，驱动所述压电振膜振动；在接收阶段，获取所述电容结构产生的电信号。

可选的，还包括：在发射阶段，在所述电容结构施加偏置信号，以调整所述压电振膜的振动参数。

可选的，还包括：在所述电容结构的上下极板之间空腔顶部和底部之间发生粘连时，向所述压电振膜施加恢复信号，使得的压电振膜发生振动，带动空腔顶部与所述空腔底部分离。

可选的，还包括：在接收阶段，向所述压电振膜施加调制信号，调整所述压电振膜的声波接收效率。

本申请上述超声换能器(PC-MUT)具有如下优点：从加工制造的角度，PC-MUT具有与CMOS工艺集成度高，可以实现单片集成，即所有器件模组在同一片晶圆上加工。如首先依托CMOS工艺加工专用集成电路和CMUT器件结构，随后采用MEMS工艺在CMUT器件结构上加工PMUT器件结构。从工艺的角度，PC-MUT工艺难度较低。如CMUT器件不执行声发射，空腔的高度要求可以至100nm以上，降低了工艺难度。从阵列结构的角度，PC-MUT器件更容易形成大规模可独立控制的超声换能器阵列。如借助集成电路加工工艺加工专用集成电路(ASIC)和CMUT，应用MEMS工艺在CMUT结构上加工PMUT，PMUT与CMUT均通过片上专用集成电路进行激励，可以在大规模阵列中实现一对一的可寻址的控制。从发射灵敏度的角度，PC-MUT具有可调节的声发射灵敏度和带宽。如PMUT器件执行声发射，此时通过对CMUT器件施加偏置信号，对PMUT器件振动刚度和阻尼进行调整，此时CMUT器件的，从而使器件的发射频率和带宽具有可调节的特性。从接收灵敏度的角度，PC-MUT具有更高的接收灵敏度。如CMUT部分可以引入活塞式结构，以进一步提高器件的接收灵敏度。从鲁棒性的角度，CMUT器件振膜如果出现粘连，可以利用压电力将两者分开，提高了器件的鲁棒性从信号处理的角度，CMUT器件信号处理电路更加成熟。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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1a是现有技术的PMUT的结构示意图；

图1b是现有技术的CMUT的结构示意图；

图2a至图11是本申请的超声换能器的形成过程的结构示意图；

图12是本申请的超声换能器的结构示意图；

图13是本申请的超声换能器的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，由于两种器件工作原理的不同，PMUT和CMUT分别具有不同的优势和不足。PMUT的优点在于驱动电压低、振动位移大、结构鲁棒性高；缺点在于带宽窄、较难形成二维阵列，且回波检测电路较为复杂。CMUT的优点在于制作工艺和CMOS工艺兼容性高、容易形成二维阵列且信号处理电路成熟，缺点在于振动位移小、一般需要高压偏置、结构鲁棒性差以及高低压隔离电路设计复杂。

综上，PMUT器件在声发射方面具有一定优势，CMUT器件在阵列化和信号处理方面效率较高。因此，发明人提出将以上两种器件结合，形成PC-MUT器件，形成优势互补的方案，以提高超声换能器的性能。

由于CMUT和PUMU的结构中都具有空腔，两者可以通过堆叠设置共用一个空腔结构。发明人研究发现，如果CMUT结构位于PMUT结构之上会存在诸多问题，例如：CMUT结构的振膜与PMUT结构的振膜在工作中可能会存在一定的耦合效果，可能会影响器件的发射灵敏度；PMUT结构在振动过程中，可能会导致CMUT振膜的黏连，器件鲁棒性较低；同时器件的加工工艺较复杂，较难与ASIC电路结合。

基于上述研究发现，发明人提出一种新的超声换能器及其形成方法、控制方法，克服了上述问题。

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

请参考图2a至图11为本申请一实施例的超声换能器的形成过程的结构示意图。

请参考图2a，提供基底100，在所述基底100上形成支撑层110以及位于所述支撑层110内的电容结构120，以及牺牲层130。

所述基底100可以包括半导体衬底，以及形成与所述半导体衬底上的器件层。所述器件层内形成有通过CMOS工艺形成的CMOS器件构成的集成电路，特别的，所述基底100内形成有针对本申请的特殊的超声换能器结构设计的专用集成电路(ASIC)，用于对后续形成的超声换能器的PMUT结构和CMUT结构进行控制以及信号的处理。

所述支撑层110、牺牲层130以及电容结构120采用CMOS工艺，在采用CMOS工艺在基底内形成ASIC后，继续在基底100上方形成所述支撑层110、电容结构120以及牺牲层130。

根据CMOS工艺流程，自所述基底100表面向上，通过沉积、光刻、刻蚀、退火等工艺中的至少一种或几种，在特定位置形成特定图形的材料，以最终形成如图2a所示的支撑层100、牺牲层130和电容结构120。

该实施例中，所述支撑层100的材料可以包括CMOS工艺中常用的绝缘介电材料，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等，根据需要，可以采用一种或多种不同的材料。

所述电容结构120包括上极板121和下极板122，所述上极板121和下极板122之间的支撑层100内形成有第一牺牲层131。所述上极板121和下极板122采用导电材料，例如Cu、Al、W、Au或Ag等金属导电材料，还可以是掺杂多晶硅等半导体导电材料，通过在特定高度，形成导电材料层后，对所述导电材料层进行图形化，可以形成所述上极板121、下极板122。该实施例中，所述下极板122直接形成于所述基底100表面，然后再在所述下极板122表面覆盖支撑层材料，并在一定厚度的支撑层材料表面形成所述上极板121。所述上极板121和所述下极板122的相对设置，可以分别为圆形或矩形，较佳的，所述上极板121和所述下极板122的形状相同，上极板122的尺寸小于所述下极板122的尺寸。在其他实施例中，所述上极板121和所述下极板122还可以分别具有不同的形状或尺寸，本领域技术人员可以根据实际需要进行合理调整，使得上极板122和下极板121在基底100表面的投影至少具有部分重叠。

所述第一牺牲层131位于所述下极板121、上极板122之间的支撑层110内，所述下极板121、上极板122均位于所述牺牲层130的平面投影区域内。所述第一牺牲层131用于占据后续待形成的空腔位置和尺寸，后续通过牺牲层释放工艺，去除所述第一牺牲层131后，即在所述支撑层110内形成空腔。所述第一牺牲层131的材料与其周围的支撑层110的材料不同，以和所述支撑层110之间具有一定的刻蚀选择性。

该实施例中，还包括：形成位于上极板122上的电连接结构，所述电连接结构包括连接柱123和与所述上极板122平行的连接电极124。所述连接柱可以通过在覆盖所述上极板122的部分厚度的支撑层材料内刻蚀形成通孔，再在所述通孔内填充导电材料而形成；所述连接电极124可以通过在覆盖所述上极板122的部分厚度的支撑层材料表面形成导电材料层之后，图形化所述导电材料层而形成。所述电连接结构的材料可以与所述上极板122、下极板123的材料相同。通过所述电连接结构，可以将所述上极板122电性引出至所述连接电极124，由于连接电极124的位置高于所述上极板122，后续便于通过电连接结构进行电连接路径的再分布。

该实施例中，所述连接电极124的尺寸略小于所述上极板122的尺寸，在其他实施例中，也可以大于所述上极板122的尺寸，在此不作限定。所述连接柱123，较佳的，形成于所述上极板122的中心位置处，避免影响所述上极板122的重量分布均匀性，影响后续振动的特性。

该实施例中，还包括形成位于所述连接电极124和所述上极板122之间的支撑层内的第二牺牲层132。首先形成所述第二牺牲层132之后，再在所述第二牺牲层132上方覆盖支撑层材料，随后再形成所述连接柱123和连接电极124。所述第二牺牲层132可以为环形，环绕所述连接柱123设置。在其他实施例中，也可以不用形成所述第二牺牲层132。

在其他实施例中，请参考图2b，也可以无需在所述上极板122上形成所述电连接结构，即可以不必形成所述连接柱123和与所述上极板122平行的连接电极124(请参考图2a)。

该实施例中，所述基底100内形成有专用集成电路，所述专用集成电路电连接至所述压电振膜的底电极和顶电极，以及电连接至所述电容结构的上极板、下极板，用于驱动所述压电振膜振动发射声波，以及接收所述电容结构产生的传感信号。

该实施例中还包括：在所述支撑层110内形成互连结构，所述互连结构包括垂直于所述基底100的互连柱142，以及平行于所述基底100的互连线143。图2a中仅为互连结构的局部示意图，仅做示意，并不一定代表实际的互连形式。所述互连结构的材料为导电材料，例如Cu、Al、W、Au或Ag等金属导电材料，还可以是掺杂多晶硅等半导体导电材料。

所述互连结构通过CMOS工艺的图形化以及通孔刻蚀、沉积工艺形成。所述互连线143可以通过在支撑材料的特定高度层上沉积导电材料层之后，进行图形化可是而形成；所述支撑柱142，可以通过可是支撑层材料，形成通孔，再在所述通孔内沉积导电材料而形成。通过在支撑层不同厚度时形成导电柱和互连线，可以形成层间以及层内的互连。

该实施例中，所述互连结构还包括位于最终形成的支撑层110顶部表面的连接垫141，以及垂直连接所述连接垫141以及基底100的导电柱142a，所述连接垫141用于连接后续待形成的压电振膜，以实现压电振膜与基底100之间的电连接，具体的，连接至所述基底100内的ASIC电路或接地端。

该实施例中，所述互连结构还包括位于与所述连接电极124位于同一层，且与所述连接电极电连接的互连线143。可以通过对导电材料层的图形化，同时形成所述互连线143和所述连接电极124。所述互连线143通过导电柱142b连接至所述基底100，具体的，连接至所述基底100内的ASIC电路或接地端。

该实施例中，所述牺牲层130的材料与所述互连结构的材料相同；所述牺牲层130的形成方法包括：形成导电材料层，图形化导电材料层，形成所述牺牲层和与所述牺牲层位于同一平面内的互连线。在图形化导电材料层以形成互连线的同时，形成所述牺牲层，可以节约工艺步骤。

该实施例中，还包括在所述支撑层110、电容结构120以及牺牲层130形成之后，在所述电容结构120外围，形成贯穿部分厚度的支撑层110至暴露出所述牺牲层130的释放孔。所述释放孔和所述互连柱142a同步形成，包括：刻蚀所述支撑层110形成若干通孔，包括导电通孔和释放孔，所述释放孔暴露出所述牺牲层130；在所述通孔内填充导电材料，在导电通孔内形成导电柱142a，在释放孔内形成牺牲柱133。所述释放孔的底部和/或侧壁暴露出所述第一牺牲层131，所述释放孔的侧壁暴露出所述第二牺牲层132。在形成导电柱142a的同时，形成所述释放孔，可以节约工艺步骤。在形成所述支撑层110及位于其内部的各个结构之后，再在所述支撑层110表面形成所述连接垫141。

请参考图3，在所述支撑层110表面形成保护层140，所述保护层140暴露出所述释放孔顶部。

基于图2a所示的实施例，继续后续步骤。所述保护层140的形成方法包括：在所述支撑层110表面形成保护材料层，所述保护材料层覆盖所述支撑层110以及所述连接垫141；图形化所述掩膜材料层，在所述保护层140内形成开口144，所述开口144暴露出所述释放孔及其内部的牺牲柱。

请参考图4，沿所述开口144去除所述释放孔内的导电材料以及所述牺牲130，暴露出所述释放孔203，以及在所述支撑层110内形成空腔，包括第一空腔201以及第二空腔202。

所述保护层140的材料与所述牺牲柱133、牺牲层130的材料不同，在刻蚀去除所述牺牲柱133以及牺牲层130的同时，可以对支撑层110内以及表面其他位置处的导电材料起到保护作用。可以采用湿法刻蚀工艺沿所述开口144去除所述牺牲柱143，暴露出所述牺牲层130之后，再继续进行刻蚀，直至去除所有的牺牲材料。

所述第一空腔201位于所述上极板122与下极板121之间，所述第二空腔202位于所述连接电极124与所述下极板122之间。所述第一空腔201和所述第二空腔202的高度可以根据实际需要进行调整。在一些实施例中，所述第一空腔201和第二空腔202的高度可设置在10nm～1000nm范围内。本发明的实施例中，所述电容结构120仅作为声波接收结构，因此位于所述下极板121和上极板122之间的第一空腔201的厚度可以设置为100nm以上，可以降低工艺难度。

去除牺牲层之后，去除所述保护层140。

请参考图5，为图4所示结构去除保护层之后的俯视示意图。

图5中，示出了电容结构200所在区域，该实施例中，形成有4个释放孔203，对称分布于所述电容结构200所在区域外围，在去除牺牲层的过程中，能够从不同方向对牺牲层进行同步刻蚀，提高刻蚀均匀性，以及去除牺牲层的效率。

在其他实施例中，还可以形成其他数量的释放孔，在此不作限定。

请参考图6，在所述释放孔203顶部形成密封塞204。

可以通过PVD沉积工艺形成，通过调整沉积参数，仅在所述释放孔203的顶部开口处沉积材料，形成所述密封塞204。

在一些实施例中，所述连接垫141可以在所述密封塞204之后形成，包括：形成覆盖所述支撑层110以及所述释放孔203顶部的密封材料层之后，通过研磨工艺，去除所述支撑层110表面的密封材料层，仅在所述释放孔204内形成密封塞204。随后，再在所述支撑层110上形成所述连接垫141。

在其他实施例中，也可以先形成有所述连接垫141。在所述支撑层110表面形成密封层，部分位于所述释放孔204开口内，以密封所述空腔。

请参考图7，在所述支撑层110表面形成压电振膜材料层300。

所述压电振膜材料层300包括底电极材料层301、位于所述底电极材料层301表面的压电材料层302，位于所述压电材料层302表面的顶电极材料层303。

所述底电极材料层301和所述顶电极材料层303的材料均为导电材料，可以为Cu、Al、W等金属材料还可以为掺杂多晶硅等半导体导电材料。

在形成所述压电振膜材料层300之前，还包括在所述支撑层110表面形成隔离层210，以形成一平坦表面，并隔离所述连接垫141。在其他实施例中，在形成所述密封塞204时，形成覆盖所述支撑层210和连接垫141的表面密封材料层，作为所述隔离层210。所述隔离层210采用绝缘介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。

在所述隔离层210表面依次沉积形成所述下电极材料层301、压电材料层302以及顶电极材料层303。该实施例中，由于压电材料层302的材料特殊性，所述压电振膜材料层300采用MEMES工艺形成，具体的，在形成所述隔离层210之后，将隔离层210表面平整化，然后将晶圆从CMOS工艺线移至MEMS工艺线，以形成所述压电振膜材料层300。MEMS工艺线的线宽要求相对较低，工艺窗口较大。

较佳的，形成所述压电振膜材料层300的过程中，采用低温工艺，例如低温PVD沉积工艺，避免温度过高影响到基底100内的CMOS结构。在一个实施例中，形成所述压电振膜材料层300的过程中，沉积各材料层的工艺温度控制在400℃以下，较佳的，控制在350℃以下。所述压电材料层302可以采用压电陶瓷材料，例如PTZ、氮化铝、氧化锌等，较佳的，可以采用氮化铝(AlN)，具有较低的沉积温度。

在其他实施例中，还可以通过低温键合工艺，在所述隔离层210上形成所述压电振膜材料层300。具体的，在另一载体表面依次形成顶电极材料层303、压电材料层302以及底电极材料层301之后，将底电极材料层301表面朝向所述隔离层210表面，通过金属键合、金属-介质层键合、树脂键合等工艺将所述底电极材料层301键合于所述隔离层210表面，随后再通过研磨工艺或其他剥离工艺去除所述载体。所述压电振膜材料层300可以在MEMS工艺线上形成。该实施例中，将电容结构120所在的支撑层110与所述压电振膜材料层300分别形成，可以分别采用CMOS工艺和MEMS工艺形成，避免形成压电振膜材料层300的形成过程中，对基底100内的ASIC电路内的CMOS器件造成影响。

请参考图8，对所述压电振膜材料层300图形化，形成各个对应于单个振动传感单元的压电振膜300a。

通过依次刻蚀所述底电极材料层301、位于所述底电极材料层301表面的压电材料层302，位于所述压电材料层302表面的顶电极材料层303，形成所述压电振膜300a。

所述压电振膜300a包括底电极301a、位于所述底电极301a表面的压电层302a，位于所述压电层302a表面的顶电极303a。所述压电层302a位于所述第一空腔201的平面投影区域内，悬空于所述第一空腔201和第二空腔202上方，以能够高效的进行振动。在该实施例中，所述压电层302a可以为直径小于所述第一空腔201直径的圆形。

所述压电振膜300a的底电极301a尺寸略大于所述压电层302a和顶电极303a，以暴露出所述底电极301a的表面，方便后续进行电连接。

请参考图9，在所述压电振膜300a表面形成钝化层400，以及对所述钝化层400进行图形化后，形成位于所述钝化层400表面的互连线，包括顶电极互连线401和底电极互连线402。

通过刻蚀所述钝化层400暴露出部分顶电极层303a表面，以及刻蚀所述钝化层400和隔离层210，暴露出所述连接垫141的表面；随后形成导电材料层，并进行图形化，形成连接所述顶电极303a以及其中一个连接垫141的顶电极互连线401，以及连接所述底电极301a和另一个连接垫141的底电极互连线402。

由于所述支撑层110内形成有电连接所述连接垫141和基底100和导电柱142a，从而可以将压电振膜300a的顶电极303a和底电极301a分别电连接至基底100的特定连接引脚上，例如基底100内的ASIC电路的输入/输出端。

基底100内的ASIC电路可以通过支撑层110内的互连结构连接至所述压电振膜300a，以及连接至电容结构120，从而实现对所述压电振膜300a，以及连接至电容结构120的控制。

后续，可以继续完成后续的钝化、封装工艺。

上述实施例中，仅针对单个超声换能单元进行具体描述，在实际工艺过程中，所述基底100可以为一整片晶圆，同时在晶圆上形成多个上述超声换能单元，从而形成阵列结构。

上述实施例中，压电振膜300a位于电容结构120上方，两者共用位于所述支撑层110内的空腔，作为容纳形变的空腔，形成共用空腔结构的PMUT单元和CMUT单元，且PMUT单元的形变层位于所述CMUT单元上方，构成PC-MUT单元。PMUT单元位于CMUT上方，可以避免PMUT发出声波收到CMUT单元的影响，提高PMUT的声波发射效率。且CMUT单元位于下方，可以和基底100内的CMOS电路共同采用CMOS工艺形成，可以实现单片集成，将所有器件单元在同一片晶圆上完成，易于形成大规模的PC-MUT单元阵列，具有较大的成像孔径，用于超声成像设备，可以提高成像精度。

进一步的，在CMUT的上方形成PMUT单元的压电振膜300a，可以降低工艺难度。

进一步的，在电容结构的上极板122上形成连接电极124和连接柱123，构成“工”字形结构，与覆盖表面的支撑层材料，以及第二空腔202构成活塞结构，使得所述电容结构120的上极板122及其上方的压电振膜300a在振动过程中整体位移更倾向于活塞式移动，线性度更好，振动的有效面积更大，振动位移也更大，进而可以可提高整个PC-MUT单元的声发射和接收能力，且提高灵敏度。

进一步的，PMUT单元的压电振膜300a，以及电容结构120均可以通过基底100内的ASIC电路进行激励，从而可以在大规模阵列中实现一对一的可寻址的控制。

请参考图10，为本发明另一实施例形成的超声换能器的结构图。

该实施例中，电容结构120仅包括上极板122和下极板121，无需形成连接电极124(请参考图9)以及连接柱123(请参考图9)，支撑层110内的互连线143与所述上极板122位于同一层，直接连接至所述上极板122。

请参考图11，为本发明另一实施例的超声换能器形成过程的，空腔的形成方法的结构示意图。

该实施例中，所述第一牺牲层531和第二牺牲层532为与所述支撑层材料不同的绝缘介质材料。在形成所述支撑层110、电容结构120以及各个牺牲层、互连之后，形成具有开口144的保护层140；沿所述开口144刻蚀所述支撑层110，形成若干释放孔203，所述释放孔203的侧壁和/或底部暴露出所述第一牺牲层531和第二牺牲层532。

随后，沿所述释放孔203去除所述第一牺牲层531和第二牺牲层532，形成如图4所示结构。

本申请的实施例还提供由上述方法形成的超声换能器。

请参考图9，为一个实施例的超声换能器的结构示意图。

所述超声换能器包括基底100、形成于基底100上的超声换能单元。所述超声换能单元包括：位于所述基底上的支撑层110，所述支撑层内具有空腔；位于所述支撑层110表面，且悬空于所述空腔上的压电振膜300a；位于所述压电振膜与所述基底之间的支撑层内的电容结构120，所述电容结构120包括：相对的上极板122和下极板121，至少部分空腔位于所述上极板122和下极板121之间。

所述基底100可以包括半导体衬底，以及形成与所述半导体衬底上的器件层。所述器件层内形成有通过CMOS工艺形成的CMOS器件构成的集成电路，特别的，所述基底100内形成有针对本申请的特殊的超声换能器结构设计的专用集成电路(ASIC)，用于对后续形成的超声换能器的PMUT结构和CMUT结构进行控制以及信号的处理。

所述电容结构120的上极板121和下极板122采用导电材料，例如Cu、Al、W、Au或Ag等金属导电材料，还可以是掺杂多晶硅等半导体导电材料；所述下极板122直接形成于所述基底100表面，所述上极板121则位于所述下极板122上方的支撑层内。所述上极板121和所述下极板122的相对设置，可以分别为圆形或矩形，较佳的，所述上极板121和所述下极板122的形状相同，上极板122的尺寸小于所述下极板122的尺寸。在其他实施例中，所述上极板121和所述下极板122还可以分别具有不同的形状或尺寸，本领域技术人员可以根据实际需要进行合理调整，使得上极板122和下极板121在基底100表面的投影至少具有部分重叠。

该实施例中，所述电容结构120还包括形成于上极板122上的电连接结构，所述电连接结构包括连接柱123和与所述上极板122平行的连接电极124。通过所述电连接结构，可以将所述上极板122电性引出至所述连接电极124，由于连接电极124的位置高于所述上极板122，便于通过电连接结构进行电连接路径的再分布。

所述支撑层110内还形成有互连结构，所述互连结构包括垂直于所述基底100的互连柱，以及平行于所述基底100的互连线143。所述互连结构的材料为导电材料，例如Cu、Al、W、Au或Ag等金属导电材料，还可以是掺杂多晶硅等半导体导电材料。

该实施例中，所述互连结构至少包括：位于支撑层110顶部表面的连接垫141，以及垂直连接所述连接垫141以及基底100的导电柱142a，所述连接垫141用于连接压电振膜300a，以实现压电振膜300a与基底100之间的电连接，具体的，连接至所述基底100内的ASIC电路或接地端。

该实施例中，所述互连结构还包括位于与所述连接电极124位于同一层，且与所述连接电极电连接的互连线143。所述互连线143通过导电柱142b连接至所述基底100，具体的，连接至所述基底100内的ASIC电路或接地端。

所述支撑层110内形成有空腔，至少部分空腔位于电容结构120的上极板122和下极板121之间。该实施例中，所述空腔包括第一空腔201以及第二空腔202。所述第一空腔201位于所述上极板122与下极板121之间，所述第二空腔202位于所述连接电极124与所述下极板122之间。所述第一空腔201和所述第二空腔202的高度可以根据实际需要进行调整。本发明的实施例中，所述电容结构120仅作为声波接收结构，因此位于所述下极板121和上极板122之间的第一空腔201的厚度可以设置为100nm以上，可以降低工艺难度。

所述支撑层110内还具有释放孔203，围绕所述电容结构120设置，与所述第一空腔201和第二空腔202连通，所述第一空腔201和第二空腔202为沿所述释放孔203去除牺牲层而形成。该实施例中，形成有4个释放孔203，对称分布于所述电容结构120所在区域外围，在去除牺牲层的过程中，能够从不同方向对牺牲层进行同步刻蚀，提高刻蚀均匀性，以及去除牺牲层的效率。

所述释放孔203的顶部开口处还形成有密封塞204，以封闭所述支撑层110内的空腔，并形成平坦表面。

所述压电振膜300a位于所述支撑层110上方，与所述电容结构120之间电学隔离。所述压电振膜300a包括底电极301a、位于所述底电极301a表面的压电层302a，位于所述压电层302a表面的顶电极303a。所述压电层302a位于所述第一空腔201的平面投影区域内，悬空于所述第一空腔201和第二空腔202上方，以能够高效的进行振动。述压电振膜材料层300包括底电极材料层301、位于所述底电极材料层301表面的压电材料层302，位于所述压电材料层302表面的顶电极材料层303。所述底电极材料层301和所述顶电极材料层303的材料均为导电材料，可以为Cu、Al、W等金属材料还可以为掺杂多晶硅等半导体导电材料。所述压电振膜300a的材料均采用低温工艺形成，例如所述压电层302a的材料优选为AlN，避免在形成压电振膜300a的过程中，过高温度对所述支撑层110以及所述基底100内的CMOS器件的性能造成影响。

所述压电振膜300a的底电极301a与所述支撑层110之间形成有隔离层210，用于提供形成压电振膜300a的平坦表面，以及电隔离所述底电极301a以及支撑层110内或表面的电连接结构。

该实施例中，电容结构120的上极板122上形成连接电极124和连接柱123，构成“工”字形结构，与覆盖表面的支撑层材料，以及第二空腔202构成活塞结构，使得所述电容结构120的上极板122及其上方的压电振膜300a在振动过程中整体位移更倾向于活塞式移动，线性度更好，振动的有效面积更大，振动位移也更大，进而可以可提高整个PC-MUT单元的声发射和接收能力，且提高灵敏度。

所述压电振膜300a表面覆盖有钝化层400，所述钝化层400具有开口，暴露出所述压电振膜300a的顶电极303a和底电极301a的部分表面。所述钝化层400表面形成有互连线，包括顶电极互连线401和底电极互连线402。所述顶电极互连线401电连接所述顶电极303a以及其中一个连接垫141的，以及所述底电极互连线402连接所述底电极301a和另一个连接垫141。

由于所述支撑层110内形成有电连接所述连接垫141和基底100和导电柱142a，从而可以将压电振膜300a的顶电极303a和底电极301a分别电连接至基底100的特定连接引脚上，例如基底100内的ASIC电路的输入/输出端。

所述基底100内形成有专用集成电路，所述专用集成电路电连接至所述压电振膜300a的底电极301a和顶电极303a，以及电连接至所述电容结构120的上极板122、下极板121，用于驱动所述压电振膜300a振动发射声波，以及接收所述电容结构120产生的传感信号。

请参考图10，为本申请另一实施例的超声换能器的单个超声换能单元的结构示意图。

该实施例中，所述电容结构120仅包括上极板122和下极板121，上极板122通过位于同一层的互连线143连接至所述支撑层110内的电互联结构。因此，该实施例中，仅在所述上极板122和下极板121之间具有第一空腔201。

由于本发明的实施例中，超声换能单元的CMUT单元位于PMUT单元下方，CMUT单元可以和基底100内的CMOS电路共同采用CMOS工艺形成，可以实现单片集成，将所有器件单元在同一片晶圆上完成，易于形成大规模的PC-MUT单元阵列，具有较大的成像孔径，用于超声成像设备，可以提高成像精度。

请参考图12，在本发明的另一实施例中，提供一种超声换能器，包括形成于基底1000上的若干阵列分布的上述超声换能单元，各个超声换能单元均电连接至基底1000内的专用集成电路1010，受所述专用集成电路1010控制。

每个超声换能单元(PC-MUT)均包括一个形成于基底1000上的支撑层1100内的电容结构1101，以及形成于所述支撑层1100上的压电振膜1102，所述电容结构1101和所述压电振膜1102共用位于所述支撑层1100的空腔(图中未示出)。

所述基底1000内的专用集成电路1010包括若干处理单元1001，每个处理单元1001分别对应于各个超声换能单元，分别通过互连结构1103连接至所述超声换能单元内的压电振膜1102以及电容结构1101，从而实现对每个超声换能单元的控制。所述专用集成电路1010内的各个处理单元1001均连接至信号总线1002；在发射阶段，处理单元1001在信号总线1002的控制下对对应的PC-MUT单元进行控制；在接收阶段，处理单元1001在数据总线1002的控制下，对PC-MUT单元输出的信号进行采集，放大，滤波，模数转换，计算和存储等操作，最终通过信号总线1002向外传输数据。可以对每个超声换能单元进行独立控制，或者按行或按列进行控制。

请参考图13，本发明的实施例还提供一种针对上述实施例中的超声换能器的控制方法，包括如下步骤：

步骤S101:发射阶段，向所述压电振膜的顶部电极和底部电极之间施加激励信号，驱动所述压电振膜振动。

由于压电振膜位于超声换能器的顶部，位于电容结构构成的CMUT单元上方，超声波发射不会收到CMUT的遮挡，从而可以提高超声波的发声效率。可以通过对所述压电振膜的顶电极和底电极之间施加特定的激励电压，所述压电振膜的压电层在激励电压驱动下，发生高频振动，产生超声波。所述激励信号可以包括若干组脉冲信号。此时，激励电压较低，可以达到10V以下。

进一步的，在发射阶段，还可以向CMUT的电容结构施加偏置信号，以调整所述压电振膜的等效振动参数。所述等效振动参数不仅与压电振膜自身的材料特性相关，还与压电振膜相连的支撑层、电容结构等结构相关。在电容结构的上下极板之间施加偏置信号，使得上下极板之间产生电场力，上极板受到下极板施加的电场力的作用，自身的等效振动参数会发生变化。由于所述压电振膜位于所述电容结构上方，通过支撑材料层连接为一体，所述上极板的振动性能变化，会影响到所述压电振膜部分的振动特性，对压电振膜产生锚定和阻尼作用，从而改变所述压电振膜的振动参数。所述等效振动参数包括：振动频率、振动幅度等。所述偏置信号也可以为脉冲信号，产生对器件振动特性的调制，如器件的频率和阻尼。

步骤S102:在接收阶段，获取所述电容结构产生的电信号。

超声波发射后被反射回来，再次被所述超声换能器结构。所述压电振膜接收到超声波产生振动，带动所述电容结构的上极板发生振动，从而使得所述电容结构的电容(即上下极板之间的距离)发生变化，通过获取所述电容结构产生的电信号，该电信号传输至基底内的专用集成电路(ASIC)，通过ASIC进行运算和处理，获取超声反射波的振动频率、强度等参数，还可以在ASIC中直接进行储存和分析，实现边缘计算等。

进一步的，在接收阶段，还可以向所述压电振膜施加调制信号，调整所述压电振膜的声波接收效率，使得所述压电振膜能够更大程度接收反射声波并更大效率的传递给电容结构的上极板。具体的，通过施加所述了解信号，对压电振膜的应力和曲率进行调节，从而提高器件的接受效率，另外在特定信号激励条件下可以提高器件振动的阻尼；

在一些实施例中，由于所述支撑层内的空腔厚度有限，在所述压电振膜和电容上极板的振动幅度过大，导致电容结构的上极板的振动幅度超过空腔厚度，使得空腔顶部和底部之间发生粘连，导致后续无法正常的进行超声波的发射和接收。此时，还可以向所述压电振膜施加恢复信号，使得的压电振膜发生振动，特别的是产生远离所述电容结构下极板方向的形变，从而带动空腔顶部与所述空腔底部分离。

在获取所述电容结构产生的电信号之后，还可以对所述电信号进行处理，转换为图像信号。

在其他实施例中，可以对超声换能单元阵列的每个超声换能单元进行发射阶段和接收阶段的控制，获取每个超声换能单元的超声波检测信号，再对每个超声换能单元产生的电信号进行处理，例如进行滤波、模数转换等形成被测物体的超声图像。

所述超声换能单元内的压电振膜的一个电极可以与所述电容结构中的一个极板电连接，共同接地；压电振膜的另一个电极连接至驱动信号，电容的另一个极板连接至信号接收端；也可以相互独立，各自连接至对应的控制信号。

上述控制方法，通过压电振膜的振动发射超声波，通过电容结构的极板振动接收反射波信号，从而实现超声波传感。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (17)

1.一种超声换能器，其特征在于，包括：形成于基底上的超声换能单元，所述超声换能单元包括：

位于所述基底上的支撑层，所述支撑层内具有空腔；

位于所述支撑层表面，且悬空于所述空腔上的压电振膜；

位于所述压电振膜与所述基底之间的支撑层内的电容结构，所述电容结构包括：相对的上极板和下极板，至少部分空腔位于所述上极板和下极板之间。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述电容结构还包括：位于所述上极板朝向所述压电振膜的一侧表面的电连接结构，所述电连接结构包括：连接柱和连接电极，所述连接电极与所述上极板平行设置，所述连接柱连接于所述连接电极和所述上极板之间。

3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，部分空腔位于所述连接电极和所述上极板之间。

4.根据权利要求1或2所述的超声换能器，其特征在于，还包括：贯穿部分厚度的支撑层的若干释放孔，所述释放孔与所述空腔连通；所述释放孔顶部填充有密封塞；所述空腔由释放牺牲层而形成。

5.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压电振膜包括底电极、位于所述底电极表面的压电层，位于所述压电层表面的顶电极，所述压电层，位于所述空腔的平面投影区域内。

6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，包括：所述基底内形成有专用集成电路，所述专用集成电路电连接至所述压电振膜的底电极和顶电极，以及电连接至所述电容结构的上极板、下极板，用于驱动所述压电振膜振动发射声波，以及接收所述电容结构产生的传感信号。

7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述支撑层内还形成有互连结构，用于电连接所述压电振膜和所述基底，和/或电连接所述电容结构和所述基底；所述互连结构包括互连柱。

8.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述空腔所在平面内形成有互连线。

9.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，包括若干阵列分布的所述超声换能单元，各个超声换能单元均电连接至基底内的专用集成电路，受所述专用集成电路控制。

10.一种超声换能器的形成方法，其特征在于，包括：

提供基底，在所述基底上形成超声换能单元，所述超声换能单元的形成方法包括：

在所述基底上形成支撑层，以及位于所述支撑层内的电容结构，所述电容结构包括上极板和下极板，所述上极板和下极板之间的支撑层内还形成有牺牲层；

在所述电容结构外围，形成贯穿部分厚度的支撑层至暴露出所述牺牲层的释放孔；

沿所述释放孔，去除所述牺牲层，在所述支撑层内形成空腔；

在所述支撑层表面形成压电振膜。

11.根据权利要求10所述的形成方法，其特征在于，还包括：形成位于上极板上的电连接结构，所述电连接结构包括连接柱和与所述上极板平行的连接电极。

12.根据权利要求10所述的形成方法，其特征在于，还包括：形成位于所述连接电极和所述上极板之间的支撑层内的牺牲层。

13.根据权利要求10所述的形成方法，其特征在于，还包括：在所述支撑层内形成互连结构，所述互连结构包括垂直于所述基底的互连柱，以及平行于所述基底的互连线；所述牺牲层的材料与所述互连结构的材料相同；所述牺牲层的形成方法包括：形成导电材料层，图形化导电材料层，形成所述牺牲层和与所述牺牲层位于同一平面内的互连线。

14.根据权利要求13所述的形成方法，其特征在于，所述释放孔和所述互连柱同步形成，包括：刻蚀所述支撑层形成若干通孔，包括导电通孔和释放孔，所述释放孔暴露出所述牺牲层；在所述通孔内填充导电材料；在所述支撑层表面形成保护层，所述保护层覆盖所述导电通孔顶部，暴露出所述释放孔顶部；去除所述释放孔内的导电材料以及所述牺牲层。

15.一种如权利要求1至9中任一项所述的超声换能器的控制方法，其特征在于，包括：

在发射阶段，向所述压电振膜的顶部电极和底部电极之间施加激励信号，驱动所述压电振膜振动；

在接收阶段，获取所述电容结构产生的电信号。

16.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，还包括：在发射阶段，在所述电容结构施加偏置信号，以调整所述压电振膜的等效振动参数；和/或，在接收阶段，向所述压电振膜施加调制信号，调整所述压电振膜的声波接收效率。

17.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述电容结构的上下极板之间空腔顶部和底部之间发生粘连时，向所述压电振膜施加恢复信号，使得的压电振膜发生振动，带动空腔顶部与所述空腔底部分离。

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