CN114864806A - 具有短波导结构的超声换能器及制造方法、超声检测装置 - Google Patents

具有短波导结构的超声换能器及制造方法、超声检测装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种具有短波导结构的超声换能器及其制造方法和超声检测装置，所述制造方法包括：提供第一基底，包括第一支撑层和形成于所述第一支撑层表面的第一器件层；图形化所述第一器件层，形成贯穿所述第一器件层的开口；提供第二基底，包括第二支撑层、位于所述第二支撑层上的第二器件层；将所述第二器件层朝向所述第一基底，键合于所述第一器件层表面；去除所述第二支撑层，在所述第二器件层背离所述第一器件层的一侧上形成压电传感单元，所述压电传感单元位置与所述开口位置相对；去除所述第一支撑层，暴露出所述开口，所述开口作为波导。上述制造方法能够形成具有短波导结构，适用于柔性超声换能器的大规模制造，提高超声换能器的性能。

Description

具有短波导结构的超声换能器及制造方法、超声检测装置
技术领域
本申请涉及压电传感技术领域，具体涉及一种具有短波导结构的超声换能器及制造方法、超声检测装置。
背景技术
超声成像技术由于具有无辐射，实时成像等优点，可以通过超声探头发射和接收超声波实现对被测结构的观察。
由于超声波只能在固体或者液体中以较低的损耗传输，因此需要保证探头与被测表面间没有空气间隙。对于柔性被测结构(如人体脏器组织)，采用常规探头进行超声成像时，可以通过涂抹耦合剂和按压探头的方式来消除空气间隙，但这种方案可能会引起患者的不适。另外，由于人体关节等部位一般具有较复杂的几何结构，依靠常规探头也较难完成对关节部位的成像，在实际生活中一般需要进行放射性成像，较难实现快速及时和实时的检测。柔性可穿戴设备可以较舒适的贴合人体，并能进行长期在线检测，因此受到科研人员的重视。与传统超声传感探头相比，采用柔性超声传感器可能避免或减少对组织的挤压过程，从而提高就医的舒适性，以及采用柔性超声传感器可以有效地贴合人体关节等部位，从而进行有效的超声成像，该种方案可以做到快速和实时的成像，增加了医学成像的手段。可穿戴传感器一般需要与人体进行贴合，此时需要器件具有一定的结构柔性，依靠常规刚性探头一般需要增加柔性耦合层和/或施加压力来实现对被测表面的完全贴合，此时会导致信号的衰减并导致佩戴的不适感。采用柔性超声换能器可以有效地贴合被测表面，对于提高信号信噪比和无感佩戴具有重要意义。
超声换能器阵列可以通过调节发射的声场来获取更多的结构信息，因此加工一维或者二维阵列，对于提高成像效果非常重要，目前针对柔性器件的研究多基于柔性基底与离散超声单元的组合，形成超声单元阵列，在大规模生产中难以保证一致性，且器件的声发射效果不佳，各个超声单元之间的信号容易产生串扰，无法有效应用于柔性设备内，成像效果有待进一步加强。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种具有短波导结构的超声换能器及制造方法、超声检测装置，以解决现有的超声换能器成像效果不佳的问题。
本申请提供的一种具有短波导结构的超声换能器制造方法，包括：提供第一基底，所述第一基底包括第一支撑层和形成于所述第一支撑层表面的第一器件层；图形化所述第一器件层，形成贯穿所述第一器件层的开口；提供第二基底，所述第二基底包括第二支撑层、位于所述第二支撑层上的第二器件层；将所述第二器件层朝向所述第一基底，键合于所述第一器件层表面；去除所述第二支撑层，在所述第二器件层背离所述第一器件层的一侧上形成压电传感单元，所述压电传感单元位置与所述开口位置相对；去除所述第一支撑层，暴露出所述开口，所述开口作为波导。
可选的，还包括：在所述开口内填充波导介质。
可选的，所述制造方法还包括：形成所述压电传感单元之后，以及去除所述第一支撑层之前，形成覆盖所述压电传感单元的钝化层；形成位于所述钝化层内的通孔，在所述通孔内填充导电材料，形成导电柱，所述导电柱电连接所述压电传感单元。
可选的，形成所述压电传感单元的方法包括：自第二器件层向外依次堆叠形成底电极材料层、功能薄膜层和顶电极材料层；依次对所述顶电极材料层、功能薄膜层、底电极材料层进行图形化，形成自第二器件层向外依次堆叠的底电极、功能薄膜和顶电极，所述底电极向所述压电传感单元外侧延伸；并且，在图形化所述底电极材料层形成所述底电极的同时，形成与所述底电极位于同一层的连接电极；所述形成位于所述钝化层内的通孔，在所述通孔内填充导电材料，形成导电柱的方法包括：形成贯穿所述钝化层的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔底部暴露出部分所述底电极，所述第二通孔底部暴露出部分所述连接电极；在所述第一通孔和所述第二通孔内填充导电材料，形成电连接所述底电极的第一导电柱和电连接所述连接电极的第二导电柱；将所述第一导电柱和所述第二导电柱顶部同时与所述电路层固定连接，所述第一导电柱、所述第二导电柱均与所述电路层电连接。
可选的，所述第一通孔和第二通孔在所述压电传感单元的外围对称分布，且所述第一导电柱和第二导电柱的顶部高于所述钝化层顶部；所述第一导电柱和所述第二导电柱的顶部固定于所述电路层表面后，所述电路层与所述钝化层之间形成空腔。
可选的，所述第二支撑层包括：第二衬底层和位于所述第二衬底层表面的第二介质层；在去除所述第二支撑层的过程中，仅去除所述第二衬底层；在所述第二介质层表面形成所述压电传感单元；或者，所述制造方法还包括：去除所述第二支撑层后，在所述第二器件层的表面形成第二介质层，再在所述第二介质层表面形成所述压电传感单元。
可选的，在所述第一器件层内形成多个阵列分布的所述开口，以及在所述第二介质层表面形成多个阵列分布的所述压电传感单元，所述压电传感单元与所述开口一一对应；和/或，所述第一基底和所述第二基底均为SOI晶圆，所述第一器件层和所述第二器件层均为所述SOI晶圆的顶层半导体层；和/或，所述第一器件层的厚度小于等于100微米，所述第二器件层的厚度小于等于100微米。
可选的，所述电路层包括柔性基材，以及形成于柔性基材表面/内部的电连接线路或功能电路。
本申请还提供一种具有短波导结构的超声换能器，包括：第一器件层，贯穿所述第一器件层的开口；位于所述第一器件层一侧表面的隔离层，所述隔离层封闭所述开口的一端；位于所述隔离层表面的第二器件层；位于所述第二器件层背离所述第一器件层的一侧上的压电传感单元，所述压电传感单元位置与所述开口位置相对。
可选的，所述开口内填充有波导介质；和/或，所述第二器件层背离所述第一器件层的一侧表面上形成有第二介质层，所述压电传感单元位于所述第二介质层表面。
可选的，还包括：位于所述第二器件层上且覆盖所述压电传感单元的钝化层，以及贯穿所述钝化层的导电柱，所述导电柱与所述压电传感单元电连接；所述导电柱顶部与一电路层键合连接，且所述导电柱与所述电路层电连接。
可选的，所述导电柱在所述压电传感单元的外围对称分布，且所述导电柱的顶部高于所述钝化层顶部；所述导电柱顶部键合于所述电路层表面，使得所述电路层与所述钝化层之间形成有空腔。
可选的，所述空腔内填充有缓冲介质。
可选的，所述压电传感单元包括：自所述第二器件层向外依次堆叠的底电极、功能薄膜和顶电极，且所述底电极向所述压电传感单元外侧延伸；所述超声换能器还包括：与所述底电极位于同一层的连接电极，所述连接电极电连接所述顶电极；所述导电柱包括第一导电柱和第二导电柱，所述第一导电柱底部与延伸至所述压电传感单元外侧的底电极连接，所述第二导电柱底部与所述连接电极连接。
可选的，所述电路层包括：柔性基材，以及形成于柔性基材表面和/或内部的电连接线路或功能电路。
可选的，所述第一器件层内形成有多个阵列分布的所述开口，以及所述第二器件层上形成有多个阵列分布的所述压电传感单元，所述压电传感单元与所述开口一一对应；和/或，所述第一器件层和所述第二器件层均为SOI晶圆的顶层半导体层；和/或，所述第一器件层的厚度小于等于100微米，所述第二器件层的厚度小于等于100微米。
本申请的实施例还提供一种超声检测装置，包括：采用上述任一项所述的制造方法所制造的超声换能器；或者，包括如上述任一项所述的超声换能器。
本申请上述超声换能器的制造方法所形成的超声换能器，将波导结构引入超声换能器的设计中，可以有效提高器件的声发射效果并减少单元间的串扰。制造过程中，通过单次刻蚀形成开口，作为短波导，形成工艺简单，特殊的短波导结构，该结构可以提高器件的声学发射效率，降低单元间的串扰，并且可以直接与人体表面接触而不至于损坏压电传感单元。该换能器可以利用超薄SOI晶圆加工得到，从而满足柔性阵列的需求，可以通过集成电路工艺大规模制造，在大规模生产中能够保证一致性；应用于柔性可穿戴设备，可以有利于实现对人体浅表层器官的长期实时检测，或作为触觉传感器与执行器进行工作。
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1至图12是本申请一实施例的超声换能器的形成过程的结构示意图；
图13是本申请一实施例的超声换能器的结构示意图。
具体实施方式
目前针对柔性器件的研究多基于柔性基底与离散超声单元的组合，该设计无法利用到集成电路工艺在良率控制、复杂布线和大规模生产方面的优势；将波导结构引入超声换能器的设计中可以有效提高器件的声发射效果并减少单元间的串扰，但发明人研究发现，目前该技术主要针对非柔性换能器，同时存在波导结构深宽比较大，在加工和填充方面具有一定的劣势，且波导长度较大容易发生损坏。
基于此，本申请的实施例提供一种以通过集成电路工艺大规模制造的超声换能器，器件具有特殊的短波导结构，该结构可以提高器件的声学发射效率，降低单元间的串扰，并且可以直接与人体表面接触而不至于损坏振动单元。进一步的，所述超声换能器可以为柔性结构，用于实现对人体浅表层器官的长期实时检测，或作为触觉传感器与执行器进行工作。该换能器可以利用超薄硅片加工得到，从而满足柔性阵列的需求。
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。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1至图12，为本发明一实施例地具有短波导结构的超声换能器制造过程的结构示意图。
请参考图1，提供第一基底100，所述第一基底100包括第一支撑层和形成于所述第一支撑层表面的第一器件层103。
所述第一器件层103材料可以采用半导体材料，以便制造过程与半导体工艺兼容，便于大规模制造。在其他实施例中，对所述第一器件层103的材料可以不作限制。
所述第一器件层103的厚度决定了最终形成的超声换能器的波导长度，可以根据波导的设计长度，选择合适厚度的第一器件层103。对于所述第一器件层103的其他参数不作限定。
优选的，所述第一器件层103的厚度较低，在缺少所述第一支撑层、的情况下，所述第一器件层103由于厚度较小，具有可卷曲、扭转变形等的柔性特征，以形成具有短波导的柔性超声换能器。优选的，所述第一器件层103的厚度小于等于100微米，例如在10μm～100μm范围内。在后续制造过程中，所述第一支撑层对所述第一器件层103起到机械支撑的作用。
该实施例中，所述第一基底100的第一支撑层包括第一衬底层101、位于所述第一衬底层101表面的第一介质层102。具体的，该实施例中，所述第一基底100为绝缘体上硅(SOI)晶圆，所述第一衬底层101为硅基底层，所述第一介质层102为埋氧层，所述第一器件层103为顶层半导体层，即顶层的薄硅层。在其他实施例中，所述第一基底100还可以为其他具有类似三明治结构的半导体材料结构。SOI晶圆的顶层硅层的厚度通常为10μm～100μm，具有柔性特征。
在一些实施例中，可以直接采用现成的SOI晶圆作为所述第一基底100，在另一些实施例中，还可以直接对单晶硅进行埋氧注入，在单晶硅晶圆内形成绝缘层，以形成所述第一基底100。直接采用半导体材料层作为所述第一基底100，与后续的集成电路制造工艺更为兼容。
在一些实施例中，可以对所述第一基底100表面进行热氧化处理后，再进行后续工艺。
在一些实施中，所述第一器件层103可以为本征材料层或具有较低的掺杂浓度，在此不作限定，本领域技术人员可以根据实际需求，对所述第一器件层103进行合适的预处理。
在其他实施例中，所述第一衬底层101还可以为其他硬质衬底材料，所述第一介质层102还可以为粘附层，所述第一器件层103为硅层、锗硅层等半导体材料层，通过第一介质层102将所述第一器件层103粘附于所述第一衬底层101，通过所述第一衬底层101提供机械支撑，以在后续工艺进行过程中提供足够的机械强度。
在其他实施例中，所述第一支撑层还可以为单层结构。
请参考图2，图形化所述第一器件层103，形成贯穿所述第一器件层103的开口113。
对所述第一器件层103进行刻蚀，以所述第一支撑层作为刻蚀停止层，形成所述开口113，所述开口113暴露出所述第一支撑层内的第一介质层102。
该实施例中，所述开口113的侧壁垂直于所述第一基底100表面，开口形状为圆形。在其他实施例中，所述开口113的开口形状还可以为多边形、矩形、半圆形等各种形状；所述开口113的侧壁也可以为倾斜侧壁、弧形侧壁或者台阶状侧壁等各种形貌。可以根据最终待形成的波导参数要求，对所述开口113的侧壁形貌、开口形状等参数进行设置，在此不作限定。
所述第一器件层103的厚度较薄，使得所述开口113的深宽比较小，刻蚀形成所述开口113的工艺简单。
请参考图3，提供第二基底200，所述第二基底包括第二支撑层和位于所述第二支撑层上的第二器件层203。
所述第二器件层203材料可以采用半导体材料，以便制造过程与半导体工艺兼容，便于大规模制造。在其他实施例中，对所述第二器件层203的材料可以不作限制。
所述第二器件层203的厚度决定了最终形成的超声换能器的谐振频率。可以根据谐振频率的设计需求，选择合适厚度的第二器件层203。对于所述第二器件层203的其他参数不作限定。
优选的，所述第二器件层203的厚度较低，在缺少所述第二支撑层、的情况下，所述第二器件层203由于厚度较小，具有可卷曲、扭转变形等的柔性特征，以形成具有短波导的柔性超声换能器。优选的，所述第二器件层203的厚度小于等于100微米，例如在10μm～100μm范围内。在后续制造过程中，所述第二支撑层对所述第二器件层203起到机械支撑的作用。
该实施例中，所述第二基底200的第二支撑层包括第二衬底层201、位于所述第二衬底层201表面的第二介质层202。具体的，该实施例中，所述第二基底200为绝缘体上硅(SOI)晶圆，所述第二衬底层201为硅基底层，所述第二介质层202为埋氧层，所述第二器件层203为顶层半导体层，即顶层的薄硅层。在其他实施例中，所述第二基底200还可以为其他具有类似三明治结构的半导体材料结构。SOI晶圆的顶层硅层的厚度通常为10μm～100μm，具有柔性特征。
在一些实施例中，可以直接采用现成的SOI晶圆作为所述第二基底200，在另一些实施例中，还可以直接对单晶硅进行埋氧注入，在单晶硅晶圆内形成绝缘层，以形成所述第二基底200。直接采用半导体材料层作为所述第二基底200，与后续的集成电路制造工艺更为兼容。
与第一基底100的结构类似的，所述第二器件层203可以为本征材料层或具有较低的掺杂浓度，在此不作限定，本领域技术人员可以根据实际需求，对所述第二器件层203进行合适的预处理。
在其他实施例中，所述第二衬底层201还可以为其他硬质衬底材料，所述第二介质层202还可以为粘附层，所述第二器件层203为硅层、锗硅层等半导体材料层，通过第二介质层202将所述第二器件层203粘附于所述第二衬底层201，通过所述第二衬底层201提供机械支撑，以在后续工艺进行过程中提供足够的机械强度。
在其他实施例中，所述第二支撑层还可以为单层结构。
请参考图4，在所述第二器件层203表面形成隔离层301。
所述隔离层301的材料可以采用绝缘介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。所述隔离层301可以起到所述第一器件层103、第二器件层203之间的隔离作用，还可以作为第二器件层203和第一器件层103之间的键合层，提高键合稳定性。另外，在一些实施中，所述隔离层301还以具有应力，能够起到应力缓冲的作用，避免后续工艺中去除第一支撑层、第二支撑层后，失去机械支撑结构，第一器件层103和第二器件层203会由于内部应力作用，而形貌发生翘曲等形变问题，影响最终形成的器件的可靠性。
该实施例中，所述隔离层301的材料为氧化硅，采用炉管热氧化工艺，同时在所述第二器件层203、以及所述第二衬底层201的表面均形成所述隔离层301。
在其他实施例中，也可以采用沉积工艺，仅在所述第二器件层203表面形成所述隔离层301。
请参考图5，将所述第二器件层203朝向所述第一基底100，通过所述隔离层301键合于所述第一器件层103表面。
通过键合工艺将所述第二基底200键合于所述第一基底100上，根据键合界面的材料，选择合适的键合工艺参数。
该实施例中，键合界面为所述隔离层301和所述第一器件层103的接触面，两者材料分别为氧化硅和硅，因此采用氧化硅-硅键合工艺。
在一些实施例中，也可以无需在所述第二器件层203的表面形成所述隔离层301，而是直接将所述第二器件层203和第二器件层103的表面进行键合，采用硅-硅键合工艺。
在一些实施例中，还可以在第一器件层103表面形成隔离层，将所述第二器件层203与所述第一器件层103表面的隔离层键合固定。也可以在所述第一器件层103和第二器件层203的表面均形成所述隔离层，形成隔离层-隔离层的键合界面。
请参考图6，去除所述第二支撑层。
通过干法刻蚀、湿法刻蚀工艺、化学机械研磨等工艺中的一种或几种的结合，去除所述第二支撑层。
该实施例中，在去除所述第二支撑层的过程中，仅去除所述第二衬底层201，而保留所述第二介质层202。具体的，以所述第二介质层202为停止层，通过机械减薄和化学抛光的方式，去除所述第二衬底层201及其表面的隔离层301，暴露出所述第二介质层202的表面，大大降低了器件的厚度，剩余的第二器件层203及其表面的第二介质层202，厚度较小，具有柔性特征。剩余的所述第二介质层202可以作为后续形成的压电传感单元与所述第二器件层203之间的隔离介质层。
在其他实施例中，也可以将所述第二支撑层完全去除。在后续形成压电传感单元之前，在所述第二器件层203表面先形成一隔离介质层，而后再在所述隔离介质层表面形成压电传感单元。
在其他实施例中，后续也可以直接在所述第二器件层203表面形成压电传感单元。
请参考图7，在所述第二器件层203背离所述第一器件层103的一侧上形成压电传感单元400，所述压电传感单元位置与所述开口113位置相对。
该实施例中，在所述第二介质层202的表面形成所述压电传感单元400。所述压电传感单元400包括自第二器件层203向外依次堆叠的底电极401、功能薄膜402和顶电极403。所述底电极401、顶电极402的材料，可以采用Pt、Au、Cu等金属导电材料。所述功能薄膜402，可以采用压电传感材料，可以是有机压电薄膜，或者无机压电薄膜；其中无机压电薄膜可以包括：氮化铝(AIN)压电薄膜、氧化锌(ZnO)压电薄膜或锆钛酸铅(PZT)压电薄膜等；所述有机压电薄膜可以包括：聚氟乙烯(PVF)压电薄膜或聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜等。所述底电极401向所述压电传感单元400外侧延伸，以提供向外形成电连接的接触区域。
通过依次在所述第二介质层202表面沉积底电极材料层、功能薄膜材料层以及顶电极材料层之后，对各材料层进行图形化，形成所述压电传感单元400的底电极401、功能薄膜402以及顶电极403。该实施例中，在图形化所述底电极材料层形成底电极401的同时，还形成与所述底电极401位于同一层的连接电极404。所述顶电极403与所述连接电极404电连接。优选的，所述连接电极404与所述底电极401向压电传感单元外侧延伸的区域分别位于所述压电传感单元400的两侧，以利于后续在压电传感单元400的两侧分别形成导电柱。
所述压电传感单元400位置与所述开口113位置相对。较佳的，所述压电传感单元400与所述开口113正对，所述功能薄膜402在朝向开口方向上的正投影位于所述开口113的区域内。在其他实施例中，所述功能薄膜402和所述开口113在垂直于第一器件层103的方向上的投影至少存在部分交叠。所述开口113用于作为波导，所述压电传感单元400振动产生的超声波，可以经由所述开口113向外发射，外部的超声波也可以经由所述开口113传递至所述压电传感单元400。所述开口113作为波导，能够提高超声波发射效率和接收效率。
在一些实施例中，所述第一基底100内可以形成有多个阵列分布的开口113，相应地，在所述第二器件层203上与各个开口113相对的位置处，分别对应形成多个阵列分布的压电传感单元，从而构成压电传感单元阵列。各个压电传感单元之间都可以相互分离，也可以存在电连接，例如各压电传感单元的底电极之间存在电连接：可以是全部电连接；也可以按照行或列的形式，每一行或每一列的传感单元的底电极之间电连接，行或列之间相互独立；或者，各压电传感单元的顶电极之间也可以存在电连接：可以是全部电连接；也可以按照行或列的形式。由于每个压电传感单元分别对应一个开口113，可以减少各压电传感单元之间的信号串扰。
所述第一器件层103内形成的多个开口113可以都具有相同的形貌和尺寸，也可以根据不同区域分别设计不同的开口形貌和尺寸，以对不同区域的波导参数进行调整。
该实施例中，形成所述压电传感单元400之后，还包括形成覆盖所述压电传感单元400的钝化层410。所述钝化层410完全覆盖所述压电传感单元400以及整个第二介质层202表面。
在其他实施例中，所述钝化层410也可以暴露出所述顶电极403，以便于后续工艺中形成与顶电极403之间的电连接。
所述钝化层410的材料可以为氧化硅、氮化硅等绝缘介电材料，起到电学隔离以及保护作用。
后续，可以去除所述第一支撑层，暴露出所述开口113，形成超声换能器，所述开口113作为超声换能器的波导，对超声波的发射以及接收起到波束整形、屏蔽干扰等作用。
进一步的，该实施例中，在去除所述第一支撑层之前，还进一步形成了与所述压电传感单元400的电连接结构。
请参考图8，形成贯穿所述钝化层410的通孔；在所述通孔内填充导电材料，形成电连接所述压电传感单元的导电柱。
具体的，该实施例中，分别在所述压电传感单元的两侧形成第一通孔和第二通孔，所述第一通孔底部暴露出所述底电极401的延伸区域，所述第二通孔底部暴露出所述连接电极404；然后通过电镀等加工工艺，形成填充满所述第一通孔、第二通孔以及覆盖所述钝化层410表面的导电材料；对所述导电材料进行图形化，形成位于所述第一通孔内的第一导电柱411，以及位于所述第二通孔内的第二导电柱412。所述第一导电柱411底部连接所述底电极401，所述第二导电柱412底部连接所述连接电极404，通过所述连接电极404与所述的顶电极403电连接。
由于所述底电极401和所述连接电极404位于同一层，使得所述第一通孔和第二通孔具有相同的深度，可以通过单次刻蚀工艺，同步形成所述第一通孔和第二通孔，降低工艺难度。由于顶电极403的尺寸有限，如果直接在顶电极403上形成通孔，对于通孔的位置对准要求比较高，通过连接电极404作为所述顶电极403的接出电极，可以形成尺寸较大的连接电极404，从而减低对第二通孔的对准精度的要求，同样可以降低工艺难度。
在其他实施例中，也可以无须形成所述连接电极404，后续直接在所述顶电极403上形成第二通孔，从而形成直接连接所述顶电极403的导电柱。
该实施例中，所述第一导电柱411和所述第二导电柱412的顶部均高于所述钝化层410的顶部。
请参考图9，为一实施例中形成所述第一导电柱411、第二导电柱412后的俯视示意图。
图9中为了示意出各部分之间的相对位置关系，仅示出了其中的部分材料层，并非严格对应至结构的俯视示意图。
如图9所示，该实施例中，第二器件层203上形成有多个阵列分布的压电传感单元(由功能薄膜401代表)。该实施例中，所述压电传感单元的功能薄膜401为圆形。第一导电柱411和第二导电柱412分别位于压电传感单元的两侧，对称分布。并且，该实施例中，所述第一导电柱411、第二导电柱412的横截面均为圆弧形，且位于同一圆周上。
在其他实施例中，所述第一导电柱411和所述第二导电柱412也可以为圆柱体、多棱柱体，相应的横截面为圆形、多边形等。
在其他实施例中，优选的所述第一导电柱411、第二导电柱412的横截面为长条、弧形或其他形状，使得第一导电柱411、第二导电柱412的侧壁面积较大，能够在所述压电传感单元外围形成柱形空腔，有利于提高超声换能器的效率。
请参考图10，将所述导电柱的顶部与一电路层500键合连接，所述导电柱与所述电路层500电连接。
所述电路层500可以为电路板或者专用集成电路芯片等。所述电路层500表面具有连接垫501，可以通过金属键合、焊接键合等方式，将所述第一导电柱411和第二导电柱412分别固定连接至所述电路层500上对应的连接垫501。所述连接垫501可以为焊盘、金属凸块等。所述电路层500内具有连接线路或功能电路，所述连接垫501连接至所述电路层500内部的连接线路或功能电路。
所述电路层500被所述第一导电柱411、第二导电柱412支撑，在所述电路层500和钝化层410之间形成空腔502，作为提供所述压电传感单元振动空间的腔体。
在一些实施例中，所述电路层500为电路板，内部形成有电连接线路。所述第一导电柱411、所述第二导电柱412将所述压电传感单元400的顶电极403、底电极401电性引出，与所述电路层500电连接，以实现信号的传输；在一些实施例中，还可以通过电路层500内电连接线路的分布，实现对压电传感单元400的电学引脚的重分配。所述电路层500还可以连接至处理器、控制单元等，以实现对传感信号的处理，以及控制信号的传输等。
在其他实施例中，所述电路层500内形成有功能电路，所述功能电路可以为模拟或逻辑电路。一个实施例中，所述电路层500为ASIC芯片。所述电路层500通过所述第一导电柱411、第二导电柱412连接至所述压电传感单元400，所述电路层500可以直接向所述压电传感单元400发送控制信号，以及对压电传感单元400产生的传感信号进行运算和处理，可以有效降低超声换能器的体积，更有利于应用于小型的电子设备，例如可穿戴设备等。
在该实施例中，所述电路层500包括柔性基材，和形成于所述柔性基材的表面、内部或者表面及内部的电连接线路或功能电路。所述电路层500同样具备柔性特征，使得最终形成的超声换能器整体结构具有柔性特征，在进行传感检测过程中，可以更好地贴合被测物体。例如，所述电路层500可以为柔性电路板(FPCB)或者柔性CMOS电路层，其中，所述柔性CMOS电路层包括柔性衬底，以及基于所述柔性衬底形成的CMOS电路，所述CMOS电路可以为模拟和/或逻辑电路，例如ASIC电路等。
在将所述第一导电柱411、第二导电柱412固定至所述电路层500之后，还可以进一步在所述空腔502内填充缓冲介质。一些实施例中，以所述空腔502内的气体，例如空气，直接作为缓冲介质；在另一些实施例中，可以向所述空腔502内填充胶体、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等柔性介质材料，通过向空腔502内填充缓冲介质，一方面可以起到粘附作用，加强所述电路层500与导电柱之间的连接可靠性；另一方面，可以通过调整所述缓冲介质的弹性参数，例如杨氏模量、密度等，调整所述超声换能器的工作频率等参数特征。
请参考图11，去除所述第一支撑层，暴露出所述开口113，所述开口作为波导。
该实施中，将图10所示结构翻转后，依靠机械减薄和化学抛光等方式去除所述第一衬底层101、第一介质层102，暴露出所述第一器件层103，以及形成于所述第一器件层103内的开口113。在超声换能器工作过程中，所述开口113朝向被检测物，所述开口113作为超声信号的传声波导，对发送或接收到的超声波信号起到波束整形的作用，可以提高器件的声学发射效率，降低单元间的串扰，提高超声换能器的换能效率。并且，每个压电传感单元400与开口113一一对应，分别具有独立的波导结构，可以减少各个单元之间的信号串扰，提高超声换能器用于超声检测时的检测准确性。
由于所述第一器件层103的厚度较小，所述开口113的厚度较小，仅需通过深宽比较小的刻蚀工艺就能够形成该结构，加工工艺简单，作为波导长度较短，可以减少信号的传输损耗，且不易受损。
可以保持开口113的未被实物填充的状态，以开口内部气体作为波导介质。在其他实施例中，为了进一步提高波导的工作效果，还可以进一步在所述开口113内填充波导介质。
请参考图12，在所述开口内填充波导介质1131。
所述波导介质1131优选为声阻抗匹配材料，可以为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、胶体或其他柔性物质，可以通过调整所述波导介质的弹性参数，例如杨氏模量、密度等，调整波导参数，例如色散特性、损耗、场分布等，进而调整超声换能器的性能参数。
当所述形成的超声换能器用于人体超声波检测时，所述波导介质一般需要与人体具有生物兼容，声阻抗与人体接近等特点。
在其他实施例中，还可以通过调整开口的形状，来改变波导参数。例如，可以通过限制开口的深度，即短波导的长度，形成谐振腔，利用谐振腔对外输出压力或对外界压力进行测量，从而使得所述超声换能器能够作为触觉感受器-执行器工作。
请参考图13，为本发明一实施例的，具有喇叭状波导的超声换能器的结构示意图。该实施例中，第一器件层103内形成的开口具有倾斜侧壁，具有一定的开口角度，整体剖面有扩张的趋势，即朝向压电传感单元一侧的一端尺寸小于另一端尺寸，呈喇叭状，尺寸较大的一侧用于朝向被检测物体，从而能够扩大向外发射以及接收的超声波的声场。
在其他实施例中，所述开口还可以具有其他形貌，例如阶梯状等，在此不作限定。
以上超声换能器的形成方法可以通过集成电路工艺大规模制造的超声换能器，该换能器可以利用超薄器件层加工得到，从而满足柔性阵列的需求，以形成柔性超声换能器用于实现对人体浅表层器官的长期实时检测，或作为触觉传感器与执行器进行工作。且该超声换能器还具有特殊的短波导结构，该结构可以提高器件的声学发射效率，降低单元间的串扰，并且短波导结构位于被测物体与压电传感单元之间，与被测物体直接接触，在检测过程中，短波导结构可以起到缓冲、保护作用，避免压电传感单元受到损伤。
本申请的实施例，还提供一种具有短波导结构的超声换能器。
请参考图11，为本发明一实施例的超声换能器的结构示意图。
该实施例中，所述超声换能器包括：第一器件层103，贯穿所述第一器件层103的开口113；位于所述第一器件层103一侧表面的隔离层301，所述隔离层301封闭所述开口113的一端；位于所述隔离层301表面的第二器件层203；位于所述第二器件层203背离所述第一器件层103的一侧上的压电传感单元400，所述压电传感单元400位置与所述开口113位置相对。
所述第一器件层103、所述第二器件层203的材料可以采用半导体材料，以便制造过程与半导体工艺兼容，便于大规模制造。在其他实施例中，对所述第一器件层103、第二器件层203的材料可以不作限制。
所述第一器件层103的厚度决定了最终形成的超声换能器的波导长度，可以根据波导的设计长度，选择合适厚度的第一器件层103。对于所述第一器件层103的其他参数不作限定。
优选的，所述第一器件层103、第二器件层203的厚度较低，具有可卷曲、扭转变形等的柔性特征，以使得所述超声换能器具有柔性特征，可以用于可穿戴设备等。优选的，所述第一器件层103、第二器件层203的厚度小于等于100微米，例如在10μm～100μm范围内。
优选的，所述第一器件层103、第二器件层203可以采用绝缘体上硅(SOI)晶圆的顶层半导体层，通过去除SOI晶圆的衬底层、埋氧层，而获取所述第一器件层103、第二器件层203。
所述第一器件层103、第二器件层203可以为本征材料层或具有较低的掺杂浓度，在此不作限定，本领域技术人员可以根据实际需求，对所述第一器件层103、第一器件层103进行合适的预处理。
该实施例中，所述开口113的侧壁垂直于所述第一器件层103表面，开口形状为圆形。在其他实施例中，所述开口113的开口形状还可以为多边形、矩形、半圆形等各种形状；所述开口113的侧壁也可以为倾斜侧壁、弧形侧壁或者台阶状侧壁等各种形貌。可以根据最终待形成的波导参数要求，对所述开口113的侧壁形貌、开口形状等参数进行设置，在此不作限定。
所述隔离层301的材料可以采用绝缘介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。所述隔离层301可以起到所述第一器件层103、第二器件层203之间的隔离作用，还可以作为第二器件层203和第一器件层103之间的键合层，提高键合稳定性。另外，在一些实施中，所述隔离层301还以具有应力，能够起到应力缓冲的作用，避免后续工艺中去除第一支撑层、第二支撑层后，失去机械支撑结构，第一器件层103和第二器件层203会由于内部应力作用，而形貌发生翘曲等形变问题，影响最终形成的器件的可靠性。
该实施例中，所述压电传感单元400包括：自所述第二器件层203向外依次堆叠的底电极401、功能薄膜402和顶电极403，且所述底电极401向所述压电传感单元400外侧延伸。
该实施例中，所述第二器件层203表面还具有第二介质层202，所述压电传感单元400形成于所述第二介质层202表面。
该实施例中，图11中仅示出了单个压电传感单元和对应的单个开口113。在一些实施例中，所述第一基底100内可以形成有多个阵列分布的开口113，相应地，在所述第二器件层203上与各个开口113相对的位置处，分别对应形成有多个阵列分布的压电传感单元，从而构成压电传感单元阵列。各个压电传感单元之间都可以相互分离，也可以存在电连接，例如各压电传感单元的底电极之间存在电连接；或者，各压电传感单元的顶电极之间也可以存在电连接。由于每个压电传感单元分别对应一个开口113，可以减少各压电传感单元之间的信号串扰。并且，所述第一器件层103内形成的多个开口113可以都具有相同的形貌和尺寸，也可以根据不同区域分别设计不同的开口形貌和尺寸，以对不同区域的波导参数进行调整。
该实施例中，所述第二介质层202表面除了形成有所述底电极401之外，还形成有与所述底电极401位于同一层的连接电极404，所述连接电极404电连接至所述顶电极403。
所述超声换能器还包括：位于所述第二器件层203上且覆盖所述压电传感单元400的钝化层410，以及贯穿所述钝化层410的导电柱，所述导电柱与所述压电传感单元400电连接；所述导电柱顶部与一电路层500固定连接，且所述导电柱与所述电路层500电连接。
具体的，该实施例中，所述导电柱包括分别位于所述压电传感单元400两侧的第一导电柱411和第二导电柱412，所述第一导电柱411底部与所述底电极401的延伸区域连接，所述第二导电柱412的一端与所述连接电极404连接，从而实现与压电传感单元的上下电极之间的电连接。
较佳的，所述第一导电柱411和第二导电柱412在所述压电传感单元400的外围对称分布。进一步的，所述第一导电柱411和所述第二导电柱412的顶部高于所述钝化层410顶部；所述导电柱的顶部键合于所述电路层500表面，使得所述电路层500与所述钝化层410之间形成有空腔502，作为提供所述压电传感单元振动空间的腔体。
优选的，所述空腔502内可以填充有缓冲介质，例如胶体、PDMS等柔性介质，一方面可以起到粘附作用，加强所述电路层500与导电柱之间的连接可靠性；另一方面，可以通过调整所述缓冲介质的弹性参数，例如杨氏模量、密度等，调整所述超声换能器的工作频率等参数特征。
所述电路层500可以为电路板或者专用集成电路芯片等。所述电路层500表面具有连接垫501，可以通过金属键合、焊接键合等方式，将所述第一导电柱411和第二导电柱412分别固定连接至所述电路层500上对应的连接垫501。所述连接垫501可以为焊盘、金属凸块等。所述电路层500内具有连接线路或功能电路，所述连接垫501连接至所述电路层500内部的连接线路或功能电路。
在一些实施例中，所述电路层500为电路板，内部形成有电连接线路。所述第一导电柱411、所述第二导电柱412将所述压电传感单元400的顶电极403、底电极401电性引出，与所述电路层500电连接，以实现信号的传输；在一些实施例中，还可以通过电路层500内电连接线路的分布，实现对压电传感单元400的电学引脚的重分配。所述电路层500还可以连接至处理器、控制单元等，以实现对传感信号的处理，以及控制信号的传输等。
在其他实施例中，所述电路层500内形成有功能电路，所述功能电路可以为模拟或逻辑电路。一个实施例中，所述电路层500为ASIC芯片。所述电路层500通过所述第一导电柱411、第二导电柱412连接至所述压电传感单元400，所述电路层500可以直接向所述压电传感单元400发送控制信号，以及对压电传感单元400产生的传感信号进行运算和处理，可以有效降低超声换能器的体积，更有利于应用于小型的电子设备，例如可穿戴设备等。
在该实施例中，所述电路层500包括柔性基材，和形成于所述柔性基材的表面、内部或者表面及内部的电连接线路或功能电路。所述电路层500同样具备柔性特征，使得最终形成的超声换能器整体结构具有柔性特征，在进行传感检测过程中，可以更好地贴合被测物体。例如，所述电路层500可以为柔性电路板(FPCB)或者柔性CMOS电路层，其中，所述柔性CMOS电路层包括柔性衬底，以及基于所述柔性衬底形成的CMOS电路，所述CMOS电路可以为模拟和/或逻辑电路，例如ASIC电路等。
请参考图12，为本发明另一实施例的超声换能器的结构示意图。该实施例中，所述开口内填充有波导介质1131。
所述波导介质1131优选为声阻抗匹配材料，可以为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、胶体或其他柔性物质，可以通过调整所述波导介质的弹性参数，例如杨氏模量、密度等，调整波导参数，例如色散特性、损耗、场分布等，进而调整超声换能器的性能参数。
当所述形成的超声换能器用于人体超声波检测时，所述波导介质一般需要与人体具有生物兼容，声阻抗与人体接近等特点。
在其他实施例中，还可以通过调整开口的形状，来改变波导参数。例如，可以通过限制开口的深度，即短波导的长度，形成谐振腔，利用谐振腔对外输出压力或对外界压力进行测量，从而使得所述超声换能器能够作为触觉感受器-执行器工作。
请参考图13，为本发明另一实施例的超声换能器的结构示意图。该实施例中，第一器件层103内形成的开口具有倾斜侧壁，具有一定的开口角度，整体剖面有扩张的趋势，即朝向压电传感单元一侧的一端尺寸小于另一端尺寸，呈喇叭状，尺寸较大的一侧用于朝向被检测物体，从而能够扩大向外发射以及接收的超声波的声场。
超声换能器还具有特殊的短波导结构，该结构可以提高器件的声学发射效率，降低单元间的串扰，可以利用超薄器件层加工得到，从而满足柔性阵列的需求，以形成柔性超声换能器用于实现对人体浅表层器官的长期实时检测，或作为触觉传感器与执行器进行工作；且短波导结构能够有效提高柔性器件的频率。
本发明的实施例还提供一种超声检测装置，包括：采用上述任一实施例所述的制造方法所制造的超声换能器；或者，包括如上述任一实施例中所述的超声换能器。所述超声换能器具有柔性特征，可以用于超声检测的探头，也可以集成于可穿戴设备内，尤其可以应用于对柔性被测结构的检测。
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做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)

1.一种具有短波导结构的超声换能器制造方法，其特征在于，包括：
提供第一基底，所述第一基底包括第一支撑层和形成于所述第一支撑层表面的第一器件层；
图形化所述第一器件层，形成贯穿所述第一器件层的开口；
提供第二基底，所述第二基底包括第二支撑层、位于所述第二支撑层上的第二器件层；
将所述第二器件层朝向所述第一基底，键合于所述第一器件层表面；
去除所述第二支撑层，在所述第二器件层背离所述第一器件层的一侧上形成压电传感单元，所述压电传感单元位置与所述开口位置相对；
去除所述第一支撑层，暴露出所述开口，所述开口作为波导。
2.根据权利要求1所述的超声换能器制造方法，其特征在于，还包括：在所述开口内填充波导介质。
3.根据权利要求1所述的超声换能器制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：形成所述压电传感单元之后，以及去除所述第一支撑层之前，形成覆盖所述压电传感单元的钝化层；形成位于所述钝化层内的通孔，在所述通孔内填充导电材料，形成导电柱，所述导电柱电连接所述压电传感单元。
4.根据权利要求3所述的超声换能器制造方法，其特征在于，形成所述压电传感单元的方法包括：
自第二器件层向外依次堆叠形成底电极材料层、功能薄膜层和顶电极材料层；依次对所述顶电极材料层、功能薄膜层、底电极材料层进行图形化，形成自第二器件层向外依次堆叠的底电极、功能薄膜和顶电极，所述底电极向所述压电传感单元外侧延伸；并且，在图形化所述底电极材料层形成所述底电极的同时，形成与所述底电极位于同一层的连接电极；
所述形成位于所述钝化层内的通孔，在所述通孔内填充导电材料，形成导电柱的方法包括：形成贯穿所述钝化层的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔底部暴露出部分所述底电极，所述第二通孔底部暴露出部分所述连接电极；在所述第一通孔和所述第二通孔内填充导电材料，形成电连接所述底电极的第一导电柱和电连接所述连接电极的第二导电柱；将所述第一导电柱和所述第二导电柱顶部同时与所述电路层固定连接，所述第一导电柱、所述第二导电柱均与所述电路层电连接。
5.根据权利要求4所述的超声换能器制造方法，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔在所述压电传感单元的外围对称分布，且所述第一导电柱和第二导电柱的顶部高于所述钝化层顶部；所述第一导电柱和所述第二导电柱的顶部固定于所述电路层表面后，所述电路层与所述钝化层之间形成空腔。
6.根据权利要求1所述的超声换能器制造方法，其特征在于，所述第二支撑层包括：第二衬底层和位于所述第二衬底层表面的第二介质层；在去除所述第二支撑层的过程中，仅去除所述第二衬底层；在所述第二介质层表面形成所述压电传感单元；或者，
所述制造方法还包括：去除所述第二支撑层后，在所述第二器件层的表面形成第二介质层，再在所述第二介质层表面形成所述压电传感单元。
7.根据权利要求1所述的超声换能器制造方法，其特征在于，在所述第一器件层内形成多个阵列分布的所述开口，以及在所述第二介质层表面形成多个阵列分布的所述压电传感单元，所述压电传感单元与所述开口一一对应；
和/或，所述第一基底和所述第二基底均为SOI晶圆，所述第一器件层和所述第二器件层均为所述SOI晶圆的顶层半导体层；
和/或，所述第一器件层的厚度小于等于100微米，所述第二器件层的厚度小于等于100微米。
8.根据权利要求1所述的超声换能器制造方法，其特征在于，所述电路层包括柔性基材，以及形成于柔性基材表面/内部的电连接线路或功能电路。
9.一种具有短波导结构的超声换能器，其特征在于，包括：
第一器件层，贯穿所述第一器件层的开口；
位于所述第一器件层一侧表面的隔离层，所述隔离层封闭所述开口的一端；
位于所述隔离层表面的第二器件层；
位于所述第二器件层背离所述第一器件层的一侧上的压电传感单元，所述压电传感单元位置与所述开口位置相对。
10.根据权利要求9所述的超声换能器，其特征在于，所述开口内填充有波导介质；和/或，所述第二器件层背离所述第一器件层的一侧表面上形成有第二介质层，所述压电传感单元位于所述第二介质层表面。
11.根据权利要求9所述的超声换能器，其特征在于，还包括：位于所述第二器件层上且覆盖所述压电传感单元的钝化层，以及贯穿所述钝化层的导电柱，所述导电柱与所述压电传感单元电连接；所述导电柱顶部与一电路层键合连接，且所述导电柱与所述电路层电连接。
12.根据权利要求11所述的超声换能器，其特征在于，所述导电柱在所述压电传感单元的外围对称分布，且所述导电柱的顶部高于所述钝化层顶部；所述导电柱顶部键合于所述电路层表面，使得所述电路层与所述钝化层之间形成有空腔。
13.根据权利要求12所述的超声换能器，其特征在于，所述空腔内填充有缓冲介质。
14.根据权利要求11所述的超声换能器，其特征在于，所述压电传感单元包括：自所述第二器件层向外依次堆叠的底电极、功能薄膜和顶电极，且所述底电极向所述压电传感单元外侧延伸；所述超声换能器还包括：与所述底电极位于同一层的连接电极，所述连接电极电连接所述顶电极；所述导电柱包括第一导电柱和第二导电柱，所述第一导电柱底部与延伸至所述压电传感单元外侧的底电极连接，所述第二导电柱底部与所述连接电极连接。
15.根据权利要求11所述的超声换能器，其特征在于，所述电路层包括：柔性基材，以及形成于柔性基材表面和/或内部的电连接线路或功能电路。
16.根据权利要求9或15所述的超声换能器，其特征在于，所述第一器件层内形成有多个阵列分布的所述开口，以及所述第二器件层上形成有多个阵列分布的所述压电传感单元，所述压电传感单元与所述开口一一对应；
和/或，所述第一器件层和所述第二器件层均为SOI晶圆的顶层半导体层；
和/或，所述第一器件层的厚度小于等于100微米，所述第二器件层的厚度小于等于100微米。
17.一种超声检测装置，其特征在于，包括：采用如权利要求1至8中任一项所述的制造方法所制造的超声换能器；或者，如权利要求9至16中任一项所述的超声换能器。
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