CN114682472B - 超声换能器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声换能器及其制造方法。该超声换能器，包括：依次层叠设置的基底层(101)，第一电极(104)、振膜层(102)、第二电极(105)、压电层(103)，第三电极(106)，其中，所述基底层(101)的靠近振膜层的一面上设置有凹槽，所述第一电极(104)填充于所述凹槽内，所述振膜层(102)上形成有空腔(107)，所述空腔(107)与所述第一电极(104)的位置相对应。进一步提高了超声换能器件的接收灵敏度，解决了现有超声换能器接收灵敏度受到超声波发射层影响的问题。
Description
技术领域
本申请涉及超声成像技术领域，尤其涉及一种超声换能器及其制造方法。
背景技术
随着生物识别技术的发展，越来越多的终端上配备了生物识别芯片。而超声换能器件是比较常见的生物识别传感器，其通过主动发射高频声波穿过屏幕到达生物体的表面，然后收集超声波在按压区域的回波形成到皮肤特征图像，最后将皮肤特征图像和存储的图像进行对比，完成指纹识别、活体检测等功能。
现有的超声换能器件通过设计分离的超声波发射层和超声波接收层来提高发射能力，但分离设计在提高发射能力的同时会导致超声换能器的接收灵敏度受到超声波发射层的影响。
发明内容
本申请提供一种超声换能器及其制造方法，实现了提高超声换能器件的接收灵敏度的目的，解决了现有超声换能器接收灵敏度受到超声波发射层影响的问题。
第一方面，本申请提供了一种超声换能器，包括：依次层叠设置的基底层(101)，第一电极(104)、振膜层(102)、第二电极(105)、压电层(103)，第三电极(106)，其中，所述基底层(101)的靠近振膜层的一面上设置有凹槽，所述第一电极(104)填充于所述凹槽内，所述振膜层(102)上形成有空腔(107)，所述空腔(107)与所述第一电极(104)的位置相对应。
在一些可能的实现方式中，所述第一电极(104)为电极阵列。
在一些可能的实现方式中，所述空腔(107)的数量为2个及以上，每个空腔与至少一个所述第一电极(104)的位置对应。
在一些可能的实现方式中，所述空腔的高度为50nm～500nm。
在一些可能的实现方式中，所述振膜层(102)的空腔上方的厚度为200～400nm。
在一些可能的实现方式中，所述振膜层(102)的材料包括：氮化硅或者氧化硅。
在一些可能的实现方式中，所述基底层(101)包括衬底层和电路层，所述电路层上设置有控制电路，所述控制电路与所述第一电极(104)电连接，所述第二电极(105)接地，所述第三电极(106)连接交流激励信号源。
在一些可能的实现方式中，所述第二电极(105)包括两部分，第一部分(1051)层叠在振膜层(102)上表面，第二部分(1052)设置在所述振膜层(102)的下表面上形成整面电极。
在一些可能的实现方式中，所述第二电极(105)包括两部分，第一部分(1051)层叠在振膜层(102)上表面，第二部分(1052)设置在所述振膜层(102)的与所述空腔(107)对应的下表面上，使其与所述第一电极(104)位置对应。
在一些可能的实现方式中，所述第一电极(104)和所述第二电极(105)的第二部分(1052)中的至少一个在暴露于空腔的面上覆盖有绝缘材料。
第二方面，本申请提供了一种超声换能器的制造方法，用于制作上述任一可能的实施方式中所述的超声换能器；所述方法包括：
在基底层上沉积第一电极；
在沉积有第一电极的所述基底层上涂覆牺牲层；
对应空腔形状，对所述牺牲层进行图形化处理，保留空腔位置处的牺牲层；
在图形化的所述牺牲层上沉积振膜层；
制作贯穿振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
在所述振膜层上沉积第二电极；
在所述第二电极上沉积压电层；
在所述压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
在一些可能的实现方式中，在沉积有第一电极的所述基底层上涂覆牺牲层包括：
通过旋涂、刮涂的方式在所述基底层上涂覆第一预设厚度的牺牲层，所述牺牲层的材料包括：旋涂碳硬掩膜或旋转涂布玻璃；或者
通过蒸镀、溅镀的方式在基底层上涂覆第一预设厚度的牺牲层，所述牺牲层的材料为二氧化硅。
在一些可能的实现方式中，所述第一预设厚度为50nm～500nm。
在一些可能的实现方式中，在图形化的所述牺牲层上沉积振膜层包括：
在牺牲层上沉积第二预设厚度的氮化硅层，所述氮化硅层覆盖图形化区域，所述氮化硅层构成所述振膜层；沉积方式包括：化学气相沉积、蒸镀或溅射。
在一些可能的实现方式中，所述第二预设厚度为200～400nm。
第三方面，本申请提供了一种超声换能器的制造方法，所述方法包括：
在基底层上沉积第一电极；
在沉积有第一电极的所述基底层上涂覆牺牲层；
对应空腔形状，对所述牺牲层进行图形化，保留空腔位置处的牺牲层；
在图形化的所述牺牲层上沉积第二电极的第二部分；
在所述第二电极的第二部分上沉积振膜层；
制作贯穿所述振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
在所述振膜层上沉积第二电极的第一部分；
在所述第二电极的第一部分上沉积压电层；
在所述压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
在一些可能的实现方式中，所述第二电极的第二部分为整面电极。
第四方面，本申请提供了一种超声换能器的制造方法，所述方法包括：
在基底层上沉积第一电极；
在沉积有第一电极的所述基底层上涂覆牺牲层；
在所述牺牲层上沉积第二电极的第二部分；
对应空腔形状，对所述第二电极的第二部分和所述牺牲层进行图形化，保留空腔位置处的所述牺牲层和所述第二电极的第二部分；
在所述第二电极的第二部分上沉积振膜层；
制作贯穿所述振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
在所述振膜层上沉积第二电极的第一部分；
在所述第二电极的第一部分上沉积压电层；
在所述压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
在一些可能的实现方式中，所述第二电极的第二部分为电极阵列。
本申请提供的超声换能器及其制造方法，通过第一电极、振膜层、第二电极进行超声波接收，通过第二电极、压电层和第三电极进行超声波发射，并且通过振膜层的空腔结构设计可以提高超声换能器的接收灵敏度，使其不受超声波发射层的影响，并且能够简化工艺流程，制造方法简单。
附图说明
图1是本申请实施例1提供的超声换能器的剖面结构示意图；
图2是本申请实施例1提供的超声换能器的俯视图；
图3是本申请实施例1提供的超声换能器的制作方法的流程示意图；
图4是本申请实施例1提供的超声换能器的制作流程的结构示意图；
图5是本申请实施例2提供的超声换能器的剖面结构示意图；
图6是本申请实施例2提供的超声换能器的制作方法的流程示意图；
图7是本申请实施例2提供的超声换能器的制作流程的结构示意图；
图8是本申请实施例3提供的超声换能器的剖面结构示意图；
图9是本申请实施例3提供的超声换能器的制作方法的流程示意图；
图10是本申请实施例3提供的超声换能器的制作流程的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
正如背景技术中所述，现有的超声换能器存在超声波接收灵敏度较差的问题，产生该问题的原因在于：现有的超声换能器是通过分离的超声波发射层和超声波接收层进行层叠的结构提高超声换能器的发射能力，分别选用发射能力较强的压电材料以及接收效果较好的材料，实现超声波发射和接收，由于分离的超声波发射层和超声波接收层是上下层叠结构，下层位置的接收层通常会收到上层位置的发射层的影响，因此造成超声波换能器的接收灵敏度不仅与选用的材料的接收效果相关，还与上下层叠结构的设计相关。
基于上述原因，本申请提供一种超声换能器，能够解决超声波发射层对超声波接收层的影响，提高超声换能器的接收灵敏度。下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
实施例1
本实施例提供的超声换能器可以应用在指纹识别领域，用于实现对当前使用者的授权开机、准入和信用支付等功能。且上述超声换能器用作指纹识别装置时可以设置在显示屏的特定区域，也可以放置在专门的指纹检测区域，例如Home键，还可以设置在移动设备的金属边框下，作为肩键使用。
图1为本申请实施例1提供的超声换能器的剖面结构示意图。图2为本申请实施例1提供的超声换能器的俯视图。参考图1所示，超声换能器件包括：基底层101，振膜层102，压电层103，第一电极104，第二电极105，第三电极106，和空腔107。
基底层101为超声换能器的最底层，其中，基底层101中包含衬底层和电路层，衬底层用来支撑其上的层叠结构，可以是硅、玻璃、蓝宝石等硬质衬底，也可以是聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等柔性衬底；电路层上设置有负责计算或信号处理的控制电路，用来控制超声换能器的发射状态和接收状态，实现信号的读取和处理，例如在接收状态时，可以对信号进行积分，放大等预处理，具体地，上述控制电路可以是CMOS电路，TFT电路等。
振膜层102层叠在基底层101上，基底层101的靠近振膜层102的表面上形成多个相互分离的凹槽，多个相互分离的第一电极104设置在基底层101上的多个凹槽内，每个第一电极104对应一个凹槽，所述凹槽的数量为2个及以上；多个相互分离的第一电极104是一个电极阵列，至少包含2个与电路层电性耦合的电极。
振膜层102层叠在基底层101上，振膜层102靠近基底层101的表面上形成多个相互分离的空腔107，所述空腔107的数量为2个及以上，每个空腔107与一个所述第一电极104的位置对应，所述空腔的高度为50nm～500nm，且空腔107具体为真空空腔，这样可以降低空腔107处的声阻抗，所述振膜层102除去空腔外的厚度为200～400nm，振膜层102的材料具体可以选用介质材料，如氮化硅(SiN)，氧化硅(SiO))等。
空腔107的形状可以是方形、也可以是圆形、正多边形、也可以是其他形状。
具体地，当超声换能器处于接收状态时，振膜层102发生形变，导致空腔107的高度发生变化，从而使得第一电极104和第二电极105之间的电容发生变化，电容变化的大小与超声波回波的强度有关。因此，由于接收超声波信号引起的电容变化值与空腔107的初始高度直接相关，且空腔高度越大，电容变化越小，因此为保证器件接收可靠度或灵敏度，并结合采用牺牲层工艺在振膜层上形成空腔的技术，空腔107的高度通常设计为50nm～500nm，需要注意的是，在接收超声波信号时，作为超声波发射层的第三电极106，压电层103和第二电极105也可以看作振膜层102的一部分，超声波信号经过第三电极106、压电层103和第二电极105传回，即振膜层102的形变由振膜层102，第二电极105，压电层103和第三电极106共同决定，故此处需要特别设计振膜层的厚度，根据工艺限制及器件灵敏度限制，所述振膜层102除去空腔外的厚度为200～400nm。
在本实施例中，超声换能器的振元为设在基底层101上且相互分离的多个第一电极104、振膜层102以及设置在振膜层102上的第二电极105，由于太小的振元对于指纹识别来说没有太大好处，反而会使电路设计更复杂，降低灵敏度，因此本实施例中振元的直径可以设计为50um～100um，由于振元尺寸决定了超声换能器的共振频率，其中振元的材料和尺寸可以是但并不限定为如下的组合：振元直径可以为50um～100um，振膜层102除去空腔外的厚度为200～400nm，空腔107的高度为50nm～500nm。
振膜层102层叠在基底层101上，还用于支撑第二电极105、压电层103和第三电极106，第二电极105层叠在振膜层102上，其在振膜层102上的投影区域与振膜层102的上表面完全重叠。第二电极105和第三电极106分别位于压电层103的上下两侧表面，第二电极105和第三电极106在压电层103上的投影区域分别与压电层103完全重叠，第二电极105和第三电极106可以为整面电极。
压电层103用于在电压信号激励下产生超声波信号，压电层103的材料可以是压电聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)及其多元共聚物(PVDF-TrFE)，也可以是压电陶瓷，如PZT，AlN等。
由于手指皮肤的表面凹凸不平，将凸出的部分作为脊区域、将凹陷的部分作为谷区域，当超声换能器发射的超声波到达脊区域时，由于皮肤的声阻抗较大，与所需穿透介质(如屏幕，边框等)的声阻抗不匹配较小，因此超声波很容易穿过皮肤，因此形成的回波信号强度较弱。当超声换能器发射的超声波到达谷区域时，由于皮肤与屏幕层之间存在空隙，因此声阻抗较小，与所需穿透介质(如屏幕，边框等)的声阻抗不匹配较大，其形成的回波信号强度较强。当发射的超声波通过皮肤的脊区域和谷区域反射回强度不同的回波信号，超声换能器接收回波信号，基于上述原理，可以利用声波在皮肤表面的回波信号的强弱，形成的回波图像，从而可以完整的反映皮肤表面的特征信息。最后，通过将皮肤表面的特征信息与预先存储的皮肤特征信息对比，达到生物识别的目的。
具体地，当超声换能器处于发射状态时，在第二电极105和第三电极106之间施加交流激励信号，压电层103整个面发射超声波，其中，激励信号的幅值和频率根据超声换能器的应用确定。具体地，应用于屏下超声指纹识别时，激励电压的值为峰值电压5-200V，激励电压的频率为9MHz-30MHz，在激励电压信号的作用下，由于超声波发射产生的脉冲声波的频率由外加电场决定，压电层103中产生与激励信号频率相同的超声信号，即超声波的频率为9MHz-30MHz，根据频率范围和选定的压电材料设置压电层103对应的厚度为5um～20um，使得压电层103工作在沿厚度方向振动的33模式(即在z方向施加激励信号，产生的超声信号主要来自于z方向的形变)之下，此时振膜层102仅起到支撑第二电极105，压电层103及第三电极106的作用。
较为理想地，第二电极105接地，第三电极106接激励信号，此时第二电极105可以起到静电屏蔽效果，即使第三电极106激励信号电压较大，也不会对基底电路产生影响。
在另一可能的实施方式中，第二电极105也可以为多个相互分离的电极，用于独立控制每一块压电层起振，这样在实现大面积指纹检测的时候，能有效降低电容负载。
由此可知，本发明的超声换能器与传统PMUT结构在发射超声波时不同的地方在于传统的PMUT结构需要压电层工作在31模式之下(即在z方向施加激励信号，产生的超声信号主要来自于x方向的拉伸形变)，而压电层工作在33模式之下不仅可以提高发射超声波的强度，并且对于在x方向和y方向上压电系数不相等的压电层，其工作在33模式之下还可以避免在xy方向上图像质量不一致的问题。
进一步地，由于压电层103产生的超声波会同时向前后两个方向传播，后向传播的超声波在振膜层102的空气界面就会被反射，由于本发明中振膜层的厚度设计很薄，例如振膜层102除去空腔外的厚度为200～400nm，使得后向传播超声波的反射声波与前向传播的超声波的相位差远小于1/4波长，因而两波叠加之后发射信号增强，进而可以提升发射信号的信噪比。
当超声换能器处于接收状态时，振膜层102发生形变，导致空腔107的高度发生变化，从而使得第一电极104和第二电极105之间的电容发生变化，电容变化的大小与超声波回波的强度有关。特别地，由于接收超声波信号引起的电容变化值与空腔107的初始高度直接相关，且空腔高度越大，电容变化越小，因此为保证器件接收可靠度或灵敏度，并结合工艺需求，空腔107的高度通常设计为50nm～500nm，更具体地，在接收超声波信号时，信号经过第三电极106、压电层103和第二电极105传回，可见振膜层102的振幅会受到第二电极105，压电层103和第三电极106的影响，从而导致超声波接收层的灵敏度下降，此时振膜层102的厚度设计需要考虑到第二电极105，压电层103和第三电极106的厚度的影响，因此厚度应在实现功能的情况下尽可能薄，又考虑振膜层工艺限制及振膜层破裂风险，通常设计振膜层102除去空腔107外的厚度为200～400nm。
本实施例通过检测电容变化来获取指纹图像，上述超声换能器结构可以与现有的电容指纹芯片兼容，但不限如此。
在另一个可以实现的实施方式中，还可以根据后续信号处理电路需求检测电压变化，或电流变化，进一步实现类似于通过检测电容变化来获取指纹图像进行指纹识别的其他相关应用，这里不作为对本发明的限制。
图3为本发明实施例1提供的超声换能器的制作方法的流程示意图，如图3所示，本实施例中的方法，可以包括：
S301、在基底层上沉积第一电极；
本实施例中，第一电极104为电极阵列，进一步地，第一电极104采用铝、铜、银、镍中的任一种材料制成的金属导电层，也可以是金属氧化物导电层，如ITO；可以采用化学气相沉积、蒸镀、溅射中的任一种方式在基底层上沉积金属导电层。图4(a)为在基底层101上沉积第一电极104的结构示意图。
S302、在沉积有第一电极的基底层上涂覆牺牲层；
如图4(b)所示，为在沉积有第一电极104的基底层101上涂覆牺牲层108后的结构示意图。具体地，牺牲层108可以通过旋涂，刮涂等方式形成，材料如旋涂碳硬掩膜(spinoncarbon，SOC)、旋转涂布玻璃(spinonglass，SOG)等，也可以通过蒸镀，溅镀等方式形成，材料如二氧化硅(SiO2)。
S303、对应空腔形状，对牺牲层进行图形化，保留空腔位置处的牺牲层；
图4(c)为对牺牲层108进行图形化后的结构示意图，具体地，利用光刻和刻蚀技术图形化牺牲层108，在空腔位置处，牺牲层保留，在其他位置牺牲层被刻蚀掉，保留的牺牲层108的厚度应为空腔的高度，空腔高度通常为50nm～500nm。
S304、在牺牲层上沉积振膜层；
如图4(d)所示，在本实施例中，可以在牺牲层108上沉积预设厚度的氮化硅层，所述预设厚度为除去空腔107高度外的厚度即200～400nm，氮化硅层构成振膜层102。可选地，振膜层102的材料还可以是非晶硅，二氧化硅等，需要注意的是，振膜层102和牺牲层108的材料不能相同，材料的选择需要保证能够在去除牺牲层108的同时不对振膜层102造成影响。沉积振膜层102的方式可以是化学气相沉积、蒸镀、溅射中的任一种。
由此可知，本发明的超声换能器的制作方法与现有的通过分离的超声波发射层和超声波接收层进行层叠的超声换能器的制作方法的主要区别在于形成空腔和振膜层的工艺上，现有的方法是在包含第一电极的基底片上形成一层厚度与所需空腔高度相同的介质层，通过光刻的方式将第一电极区域上方的介质层去掉，形成空腔，再将另一片晶圆与处理后的基底片键合，再将晶圆减薄到所设计的振膜层厚度，现有方法的缺陷在于键合的工艺要求很高，在生产过程中容易出现破片的问题，且上述工艺对振膜层厚度存在一定影响，通常较厚。本专利中采用在上述牺牲层上形成的振膜层厚度仅有200～400nm，采用牺牲层工艺可以解决振膜层破裂的问题，并且较薄的振膜层200～400nm以及空腔高度50nm～500nm的设计可以提高超声换能器的接收灵敏度。
S305、制作贯穿振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
如图4(e)所示，通过光刻的方式在振膜层102上形成释放孔(release hole)，再通过干法或湿法通过释放孔移除牺牲层108材料。通常SOC材料可以通过氧分子等离子体(O2plasma)清洗移除，SiO2材料可以通过基于氢氟酸(HF)的蚀刻剂来进行移除。
S306、在振膜层上沉积第二电极；
如图4(f)所示，本实施例中，第二电极105采用铝、铜、银、镍中的任一种材料制成的金属导电层，也可以是金属氧化物导电层，如ITO；可以采用化学气相沉积、蒸镀、溅射中的任一种方式在振膜层102上沉积金属导电层形成第二电极105。
S307、在第二电极上沉积压电层；
如图4(f)所示，压电层103的材料通常为压电陶瓷，压电晶体，或压电聚合物。在本发明超声换能器的超声波指纹识别应用中，压电层103可选为压电陶瓷和压电聚合物，对于压电陶瓷，例如PZT，AlN等，可以通过溅镀的方式获得；对于压电聚合物，例如PVDF，PVDF-TrFE等，可以通过旋涂，刮涂，丝印等方式获得，厚度可控范围比较大。所形成的压电层需要进行极化，使极化方向为垂直方向。具体地，极化时需要在压电材料上加一个较大的直流电场，电场强度与压电材料及压电层的厚度有关，例如对于PVDF-TrFE(80/20)，所加电场需要>50V/um。
S308、在压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
如图4(f)所示，特别地，第三电极106可以为导电油墨，例如PEDOT:PSS，也可以是导电银浆，可以采用丝印等方式在所述压电层103上沉积第三电极106。
与图3对应，图4本实施例提供的超声换能器的制作流程的结构示意图。
实施例2
本实施例提供的是对实施例1中超声换能器第二电极的进一步优化方案。通过改进第二电极设计进一步提高超声换能器的接收灵敏度。
如图5所示，将第二电极105分为两部分，第一部分1051设置在振膜层102上表面，第二部分1052设置在振膜层下表面上形成整面电极，即铺满振膜层102具有空腔的下表面，第一电极104与第二部分1052在空腔位置上下对应，第二电极的两部分可以共同接地，也可以单独接地或分别接偏置信号。
在实施例1中，第一电极104与第二电极105之间的电容为：
其中ε1为空气的介电常数，ε2为振膜的介电常数，d1为空腔高度，d2为振膜高度，A为第一电极和第二电极105的正对面积，即相当于两个电容串联，
而在本实施例中，第一电极104与第二电极105的第二部分1052之间的电容为：
其中ε1为空气的介电常数，A为第一电极和的第二部分1052的正对面积，d1为空腔高度；
由上述两公式可知，当空腔高度变化Δd，电容的变化Δc1＞Δc，即在本实施例中第一电极和第二电极之间的电容变化随空腔高度的变化比实施例1中的变化更大，可见将第二电极105设置为包括第一部分1051和第二部分1052可以提高传感器的接收灵敏度。
图6为本发明实施例2提供的超声换能器的制作方法的流程示意图，如图6所示，本实施例中的方法与实施例1中基本一致，仅需要在牺牲层蚀刻后增加一步骤，在牺牲层上沉积第二电极的第二部分；
具体地，如图6-7所示，所述超声换能器的制作方法包括如下步骤：
S601、在基底层上沉积第一电极；
S602、在沉积有第一电极的基底层上涂覆牺牲层；
S603、对应空腔形状，对牺牲层进行图形化，保留空腔位置处的牺牲层；
S604、在牺牲层上沉积第二电极的第二部分。
本实施例中，第二电极的第二部分为沿着牺牲层的图形化表面沉积的整面电极，在空腔位置处所述第一电极与所述第二电极的第二部分对应。第一电极和第二电极的第二部分中的至少一个在暴露于空腔的面上覆盖有绝缘材料，可以防止第一电极和第二电极的第二部分发生接触短路的问题。
S605、在第二电极的第二部分上沉积振膜层；
在所述第二电极的第二部分上沉积第二预设厚度的氮化硅层，所述氮化硅层覆盖图形化区域，所述氮化硅层构成所述振膜层；沉积方式包括：化学气相沉积、蒸镀、溅射。
S606、制作贯穿振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
S607、在所述振膜层上沉积第二电极的第一部分；
S608、在所述第二电极的第一部分上沉积压电层；
S609、在所述压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
与图6对应，图7本实施例提供的超声换能器的制作流程的结构示意图。
在本实施例中，除上述第二电极的结构和实现此结构的工艺流程之外，其他部分与实施例1中描述一致。仅以本实施例的结构为例进行说明，并不作为对本发明的限制。
实施例3
本实施例提供的是对实施例1中超声换能器第二电极的进一步优化方案。通过改进第二电极设计进一步提高超声换能器的接收灵敏度。图8-10为本发明实施例3提供的超声换能器结构和制作方法的流程示意图。
具体地，在一种可实现的实施方式中，如图8所示，可以将第二电极105分为两部分，第一部分1051设置在振膜层102上表面，第二部分1052设置在振膜层下表面，为电极阵列，即第二部分1052设置在所述振膜层102的与所述空腔107对应的下表面上，使其与所述第一电极104位置对应。
上述设置也可以提高传感器的接收灵敏度，其理由与实施例2中一致，此处不再赘叙。
图9-10为本发明实施例3提供的超声换能器的制作方法的流程示意图，如图9-10所示，本实施例中的方法与实施例1中基本一致，仅需要在牺牲层蚀刻前增加一步骤，在牺牲层上沉积第二电极的第二部分；
具体地，如图9所示，所述超声换能器的制作方法包括如下步骤：
S901、在基底层上沉积第一电极；
S902、在沉积有第一电极的基底层上涂覆牺牲层；
S903、在牺牲层上沉积第二电极的第二部分。
S904、对应空腔形状，对第二电极的第二部分和牺牲层进行图形化，保留空腔位置处的牺牲层和第二电极的第二部分；
本实施例中，第二电极的第二部分为沿着图形化后的牺牲层表面沉积的电极阵列，在空腔位置处所述第一电极与所述第二电极的第二部分对应设置；第一电极和第二电极的第二部分中的至少一个在暴露于空腔的面上覆盖有绝缘材料，可以防止第一电极和第二电极的第二部分发生接触短路的问题。
S905、在第二电极的第二部分上沉积振膜层；
在所述第二电极的第二部分上沉积第二预设厚度的氮化硅层，所述氮化硅层覆盖图形化区域，所述氮化硅层构成所述振膜层；沉积方式包括：化学气相沉积、蒸镀、溅射。
S906、制作贯穿振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
S907、在所述振膜层上沉积第二电极的第一部分；
S908、在所述第二电极的第一部分上沉积压电层；
S909、在所述压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
与图9对应，图10本实施例提供的超声换能器的制作流程的结构示意图。
在本实施例中，除上述第二电极的结构和实现此结构的工艺流程之外，其他部分与实施例1中描述一致。仅以本实施例的结构为例进行说明，并不作为对本发明的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (17)
1.一种超声换能器，其特征在于，包括：基底层(101)、第一电极(104)、振膜层(102)、第二电极(105)、压电层(103)、第三电极(106)，所述基底层(101)、第一电极(104)、振膜层(102)、第二电极(105)、压电层(103)，第三电极(106)由下至上依次层叠；其中，所述基底层(101)的靠近振膜层的一面上设置有凹槽，所述第一电极(104)填充于所述凹槽内，所述振膜层(102)靠近所述基底层(101)的表面上形成有空腔(107)，所述空腔(107)与所述第一电极(104)的位置相对应，所述空腔的高度为50nm～500nm，所述振膜层(102)的空腔上方的厚度为200～400nm。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第一电极(104)为电极阵列。
3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述空腔(107)的数量为2个及以上，每个空腔与至少一个所述第一电极(104)的位置对应。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述振膜层(102)的材料包括：氮化硅或者氧化硅。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述基底层(101)包括衬底层和电路层，所述电路层上设置有控制电路，所述控制电路与所述第一电极(104)电连接，所述第二电极(105)接地，所述第三电极(106)连接交流激励信号源。
6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第二电极(105)包括两部分，第一部分(1051)层叠在振膜层(102)上表面，第二部分(1052)设置在所述振膜层(102)的下表面上形成整面电极。
7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第二电极(105)包括两部分，第一部分(1051)层叠在振膜层(102)上表面，第二部分(1052)设置在所述振膜层(102)的与所述空腔(107)对应的下表面上，使其与所述第一电极(104)位置对应。
8.根据权利要求6或7所述的超声换能器，其特征在于，所述第一电极(104)和所述第二电极(105)的第二部分(1052)中的至少一个在暴露于空腔的面上覆盖有绝缘材料。
9.一种超声换能器的制造方法，其特征在于，用于制作权利要求1-5中任一项所述的超声换能器；所述方法包括：
在基底层上沉积第一电极；
在沉积有第一电极的所述基底层上涂覆牺牲层；
对应空腔形状，对所述牺牲层进行图形化处理，保留空腔位置处的牺牲层；
在图形化的所述牺牲层上沉积振膜层；
制作贯穿振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
在所述振膜层上沉积第二电极；
在所述第二电极上沉积压电层；
在所述压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在沉积有第一电极的所述基底层上涂覆牺牲层包括：
通过旋涂、刮涂的方式在所述基底层上涂覆第一预设厚度的牺牲层，所述牺牲层的材料包括：旋涂碳硬掩膜或旋转涂布玻璃；或者
通过蒸镀、溅镀的方式在基底层上涂覆第一预设厚度的牺牲层，所述牺牲层的材料为二氧化硅。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一预设厚度为50nm～500nm。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在图形化的所述牺牲层上沉积振膜层包括：
在牺牲层上沉积第二预设厚度的氮化硅层，所述氮化硅层覆盖图形化区域，所述氮化硅层构成所述振膜层；沉积方式包括：化学气相沉积、蒸镀或溅射。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二预设厚度为200～400nm。
14.一种超声换能器的制造方法，其特征在于，用于制作权利要求6所述的超声换能器；所述方法包括：
在基底层上沉积第一电极；
在沉积有第一电极的所述基底层上涂覆牺牲层；
对应空腔形状，对所述牺牲层进行图形化，保留空腔位置处的牺牲层；
在图形化的所述牺牲层上沉积第二电极的第二部分；
在所述第二电极的第二部分上沉积振膜层；
制作贯穿所述振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
在所述振膜层上沉积第二电极的第一部分；
在所述第二电极的第一部分上沉积压电层；
在所述压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二电极的第二部分为整面电极。
16.一种超声换能器的制造方法，其特征在于，用于制作权利要求7所述的超声换能器；所述方法包括：
在基底层上沉积第一电极；
在沉积有第一电极的所述基底层上涂覆牺牲层；
在所述牺牲层上沉积第二电极的第二部分；
对应空腔形状，对所述第二电极的第二部分和所述牺牲层进行图形化，保留空腔位置处的所述牺牲层和所述第二电极的第二部分；
在所述第二电极的第二部分上沉积振膜层；
制作贯穿所述振膜层并到达牺牲层的释放孔，移除牺牲层以生成空腔；
在所述振膜层上沉积第二电极的第一部分；
在所述第二电极的第一部分上沉积压电层；
在所述压电层上沉积第三电极，得到所述超声换能器。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二电极的第二部分为电极阵列。
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