CN114543715A - 超声波传感器以及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声波传感器以及制作方法。所述超声波传感器，包括发射单元和接收单元，所述接收单元采用电容式超声波接收器，设置在所述超声波传感器中部；所述发射单元采用压电式超声波发生器，围绕所述接收单元设置。上述技术方案采用了电容式超声波接收器和压电式超声波发生器，利用了电容式结构对超声波灵敏的特点而作为接收器，压电式结构的功率和频率响应能力强的特点作为发射器，从而兼顾了探测能力和灵敏度，并且将发射单元绕接收单元设置，利用了圆形或工字形的边角区域作为发射源，整体上不增大传感器面积。
Description
技术领域
本发明涉及微机械领域，尤其涉及一种超声波传感器以及制作方法。
背景技术
超声波传感器是利用微机械原理产生超声波并接收回波的一种执行和传感为一体的传感器，被广泛的应用在医疗和机械领域，用于对人体和工件的深度探查。
因此，如何提高超声波传感器的探测能力和灵敏度，是现有技术需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种超声波传感器以及制作方法，能够提高超声波传感器的探测能力和灵敏度。
为了解决上述问题，本发明提供了一种超声波传感器，包括发射单元和接收单元，所述接收单元采用电容式超声波接收器，设置在所述超声波传感器中部；所述发射单元采用压电式超声波发生器，围绕所述接收单元设置。
为了解决上述问题，本发明提供了一种超声波传感器的制作方法，包括如下步骤：提供一第一衬底；在所述第一衬底表面依次形成第一导电层、压电材料层、以及第二导电层；图形化所述压电材料层和第二导电层，形成压电式超声波发生器的压电上极板和压电材料层；在图形化后的第一导电层和压电材料层、以及第二导电层的表面形成支撑层；图形化所述支撑层和第二导电层，形成压电式超声波发生器的压电下极板、以及电容式超声波接收器的电容上极板；图形化所述第一衬底至所述压电下极板和所述电容上极板悬空；将所述第一衬底与一第二衬底键合，形成压电式超声波发生器的声腔。
上述技术方案采用了电容式超声波接收器和压电式超声波发生器，利用了电容式结构对超声波灵敏的特点而作为接收器，压电式结构功率和频率响应能力强的特点作为发射器，从而兼顾了探测能力和灵敏度，并且将发射单元绕接收单元设置，利用了圆形或工字形的边角区域作为发射源，整体上不增大传感器面积。
附图说明
附图1A与附图1B所示是本发明所述超声波传感器的一具体实施方式的结构示意图。
附图2所示是发明所述超声波传感器的又一具体实施方式的结构示意图。
附图3所示是发明所述超声波传感器的又一具体实施方式的结构示意图。
附图4所示是本发明所述超声波传感器制作方法具体实施方式的工艺流程图。
附图5A至附图5H所示是本发明所述超声波传感器制作方法具体实施方式的工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的超声波传感器以及制作方法的具体实施方式做详细说明。
附图1A与附图1B所示是本发明所述超声波传感器的一具体实施方式的结构示意图，其中附图1B是附图1A沿着AA方向的剖面图。在本具体实施方式中，所述超声波传感器10包括发射单元和接收单元，所述接收单元采用电容式超声波接收器11，设置在所述超声波传感器10中部；所述发射单元采用压电式超声波发生器12，围绕所述接收单元11设置。
在本具体实施方式中，所述电容式超声波接收器11包括沿着超声波传播方向相对设置的电容下极板112和电容上极板111，所述电容下极板112是一衬底，所述电容上极板111通过悬臂梁113固定于衬底上，被设置为能够接受超声波而发生谐振。
在本具体实施方式中，所述压电式超声波发生器12包括沿着超声波传播方向相对设置的压电上极板121、压电下极板122，以及设置在压电上极板121和压电下极板122之间的压电材料层123，所述压电材料层123能够根据电信号的变化发生机械震动，产生超声波。
附图2所示是发明所述超声波传感器的又一具体实施方式的结构示意图。所述超声波传感器20包括发射单元和接收单元，所述接收单元采用电容式超声波接收器21，设置在所述超声波传感器20中部；所述发射单元22采用压电式超声波发生器，围绕所述接收单元21设置。与前一具体实施方式不同的是，在前一具体实施方式中，电容式超声波接收器11为圆形，并采用四个悬臂梁与衬底固定，压电式超声波发生器12环绕设置在电容式超声波接收器11的四角。在本一具体实施方式中，电容式超声波接收器21为圆形，并采用三个悬臂梁与衬底固定，压电式超声波发生器22呈环扇形，以120°的扇面角度环绕设置在电容式超声波接收器21的周围。
附图3所示是发明所述超声波传感器的又一具体实施方式的结构示意图。所述超声波传感器30包括发射单元和接收单元，所述接收单元采用电容式超声波接收器31，设置在所述超声波传感器30中部；所述发射单元32采用压电式超声波发生器，围绕所述接收单元31设置。与前一具体实施方式不同的是，在本一具体实施方式中，电容式超声波接收器31为工字形，并在两端各自两个悬臂梁与衬底固定，压电式超声波发生器32为两个，对称设置在电容式超声波接收器31的工字形的腰部。
附图4所示是本发明所述超声波传感器制作方法具体实施方式的工艺流程图，包括如下步骤：步骤S41，提供一第一衬底；步骤S42，在所述第一衬底表面依次形成腐蚀停止层、第一导电层、压电材料层、以及第二导电层；步骤S43，图形化所述压电材料层和第二导电层，形成压电式超声波发生器的压电上极板和压电材料层；步骤S44，在图形化后的第一导电层和压电材料层、以及第二导电层的表面形成支撑层；步骤S45，图形化所述支撑层和第二导电层，形成压电式超声波发生器的压电下极板、以及电容式超声波接收器的电容上极板；步骤S46，采用第一腐蚀工艺腐蚀所述第一衬底至腐蚀停止层；步骤S47，采用第二腐蚀工艺继续腐蚀所述腐蚀停止层，至所述压电下极板和所述电容上极板悬空；步骤S48，将所述第一衬底与一第二衬底键合，形成压电式超声波发生器的声腔。
附图5A所示，参考步骤S41，提供一第一衬底50。在本具体实施方式中，所述第一衬底50的材料为单晶硅。在其他具体实施方式中，所述第一衬底50的材料可以是任意一种常见的半导体材料。
附图5B所示，参考步骤S42，在所述第一衬底表50面依次形成腐蚀停止层59、第一导电层51、压电材料层53、以及第二导电层52。其中腐蚀停止层59为可选结构，用于后续工艺中控制对第一衬底50的腐蚀。在第一衬底50的材料为单晶硅的情况下，腐蚀停止层59的材料可以是氧化硅。在第一衬底50的材料为单晶硅以外的其他材料的具体实施方式中，腐蚀停止层59的材料应当选取为与第一衬底50存在腐蚀选择性的材料。在本具体实施方式中，第一导电层51与第二导电层52的材料为金属，压电材料层53为锆钛酸铅(PZT)或氮化铝材料。
附图5C所示，参考步骤S43，图形化所述压电材料层56和第二导电层52，形成压电式超声波发生器的压电上极板和压电材料层。图形化工艺可以采用干法刻蚀或者湿法腐蚀，光刻定义图形后选择合适的腐蚀液或刻蚀气体实施。所形成的图形可以选自但不限于附图1A、附图2以及附图3给出的压电式超声波发生器的形貌。
附图5D所示，参考步骤S44，在图形化后的第一导电层51和压电材料层53、以及第二导电52层的表面形成支撑层54。在本具体实施方式中，所述支撑层54的材料为多晶硅，并采用外延工艺形成。在其他具体实施方式中，所述支撑层54的材料不仅限于多晶硅，还可以是任意一种常见的半导体材料，并优选为能够快速生长成具有支撑强度的材料。
附图5E所示，参考步骤S45，图形化所述支撑层54和第二导电层52，形成压电式超声波发生器的压电下极板、以及电容式超声波接收器的电容上极板。图形化工艺可以采用干法刻蚀或者湿法腐蚀，光刻定义图形后选择合适的腐蚀液或刻蚀气体实施。所形成的图形可以选自但不限于附图1A、附图2以及附图3给出的压电式超声波发生器以及电容式超声波接收器的形貌。
附图5F所示，参考步骤S46，采用第一腐蚀工艺腐蚀所述第一衬底50至腐蚀停止层59。在本具体实施方式中，所述第一衬底50的材料为单晶硅，腐蚀停止层59的材料是氧化硅，故本步骤可以采用深反应离子刻蚀，能够在腐蚀停止层59实现自停止。在其他的具体实施方式中，可以根据第一衬底50和腐蚀停止层29的材料选择合适的湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺。
附图5G所示，步骤S47，采用第二腐蚀工艺继续腐蚀所述腐蚀停止层59，至所述压电下极板和所述电容上极板即第二导电层52悬空。本步骤的目的在于形成电容间隙。在本具体实施方式中，所述第一衬底50的材料为单晶硅，腐蚀停止层59的材料是氧化硅，故本步骤可以采用HF气相各向同性刻蚀进行释放工艺，能够在仅腐蚀停止层59腐蚀而不腐蚀第一衬底50和其他结构。在其他的具体实施方式中，可以根据第一衬底50和腐蚀停止层29的材料选择合适的湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺。
上述步骤S46和S47的目的在于通过图形化所述第一衬底50，至所述压电下极板和所述电容上极板即第二导电层52悬空。在其他的具体实施方式中，也可以通过另外的方法，例如精确控制腐蚀第一衬底50的工艺流程，来实现使第二导电层52悬空的目的。
附图5H所示，步骤S48，将所述第一衬底50与一第二衬底58键合，形成压电式超声波发生器的声腔。在本具体实施方式中，所述第二衬底58的材料为玻璃或硅，易于同第一衬底50进行键合。在其他的具体实施方式中，第二衬底58的材料可以是任意一种常见的支撑衬底材料。
上述步骤实施完毕后所获得超声波传感器参见附图1A、附图2以及附图3给出的压电式超声波发生器。但其极板不限于上述具体实施方式给出的形貌。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超声波传感器，包括发射单元和接收单元，其特征在于：
所述接收单元采用电容式超声波接收器，设置在所述超声波传感器中部；所述发射单元采用压电式超声波发生器，围绕所述接收单元设置。
2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述电容式超声波接收器包括沿着超声波传播方向相对设置的电容下极板和电容上极板，所述电容下极板是一衬底，所述电容上极板通过悬臂梁固定于所述衬底上，被设置为能够接受超声波而发生谐振。
3.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述发射单元采用压电式超声波发生器，包括沿着超声波传播方向相对设置的压电上极板、压电下极板，以及设置在压电上极板和压电下极板之间的压电材料层，所述压电材料层能够根据电信号的变化发生机械震动，产生超声波。
4.一种超声波传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一第一衬底；
在所述第一衬底表面依次形成第一导电层、压电材料层、以及第二导电层；图形化所述压电材料层和第二导电层，形成压电式超声波发生器的压电上极板和压电材料层；
在图形化后的第一导电层和压电材料层、以及第二导电层的表面形成支撑层；
图形化所述支撑层和第二导电层，形成压电式超声波发生器的压电下极板、以及电容式超声波接收器的电容上极板；
图形化所述第一衬底至所述压电下极板和所述电容上极板悬空，形成电容间隙；
将所述第一衬底与一第二衬底键合，形成压电式超声波发生器的声腔。
5.根据权利要求4所述的超声波传感器的制作方法，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层的材料为金属。
6.根据权利要求4所述的超声波传感器的制作方法，其特征在于，所述支撑层的材料为多晶硅。
7.根据权利要求4所述的超声波传感器的制作方法，其特征在于，在所述第一衬底和所述第一导电层之间设置一腐蚀自停止层，图形化所述第一衬底的步骤进一步是：
采用第一腐蚀工艺腐蚀所述第一衬底至腐蚀停止层；
采用第二腐蚀工艺继续腐蚀所述腐蚀停止层，至所述压电下极板和所述电容上极板悬空。
8.根据权利要求7所述的超声波传感器的制作方法，其特征在于，所述第一衬底的材料为硅，所述腐蚀停止层的材料为氧化硅。
9.根据权利要求4所述的超声波传感器的制作方法，其特征在于，所述第二衬底的材料为玻璃或硅。
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