CN1883822A - 高分子基电容式超音波换能器制作方法 - Google Patents

Abstract

一种高分子基电容式超音波换能器制作方法，该方法包含步骤：a)提供一基板；b)形成一第一导体部于该基板上；c)涂布一牺牲层于该基板上，使其覆盖该第一导体部；d)蚀刻该牺牲层，形成与该第一导体部接触的一腔体部；e)涂布一第一高分子基材料于该基板上，且使其完全覆盖该腔体部；f)形成一第二导体部于该第一高分子基材料上；g)开设可通达该腔体部的一通孔于该第一高分子基材料上；以及h)利用该通孔对该腔体部进行蚀刻，藉以完全移除该腔体部。

Description

高分子基电容式超音波换能器制作方法

技术领域

本发明涉及一种高分子基电容式超音波换能器制作方法，尤其涉及一种可降低制造成本的高分子基电容式超音波换能器制作方法。

背景技术

超音波感测系统是目前广为使用的检测设备之一，其主要核心组件是由相关超音波换能器所组成，对超音波换能器而言，微型化是目前全球积极发展重点趋势之一，原因在于其具有高响应、高分辨率与应用广泛的优点。超音波系统具有非侵入性(Noninvasive)、实时性、可移植性与高经济价值的优点，在临床医学、军事及航天检测上的运用越来越广泛，例如医用超音波成像系统。由于传感器的设计与制作的质量，决定了影像好换，因此成为超音波成像的主要关键技术核心。

传感器目前最常是使用超音波材质为压电材料，因为压电材料的陶瓷表面其阻抗的数量级和固体是相同的。但是当待测物是液体与气体时，由阻抗差异过大，使得必须放弃压电材料进而寻找新组件与开发新技术。图29为习知压电组件传感器的剖面图，其是以一背胶层30作为基板，为了提升增加发射效率，在压电材料层32和材质层36之间都会制作一匹配层34。在极大的商机与技术突破的利基诱因下，这也使得超音波传感器渐渐由压电形式而发展成微电容形式换能器，有效提升特性与增加应用。

电容式超音波换能器与一般常见压电式比较，最大的差异是电容式具有高机电转换效率，进而延伸出的优点为频率范围大、灵敏度高、分辨率佳、动态范围大、可在空气中使用。在空气使用中，电容式频率范围约落在200KHz-5MHz，而压电式仅有50-200KHz，如此频带的差异亦造成使用困扰与局限了应用范围。再者由于压电式的制造过程属于高温制程，较不易与电子电路整合，进而阻碍了广泛应用领域的整合发展。

电容式超音波传感器结构类似平行板机械电容，利用一固定电极及一具有可震荡薄膜电极，加入交流电压讯号驱动薄膜，使其产生超音波震动，进而可利用该超音波来进行检测。

1998年，Jin等人利用面型微加工技术，制作可应用于空气及水下的电容式超音波传感器。采用高掺杂表面具有良好导电率的硅晶圆为基材，首先以低压化学气相沉积(LPCVD)方法于800℃下沉积第一层氮化物来保护底部电极，接着以非晶硅为牺牲层，经由干蚀刻方法蚀刻出六角形岛状物，再沉积第二层氮化物为薄膜以及支撑薄膜的六角形边框，干蚀刻第二层氮化物形成孔径，并以氢氧化钾于75℃下经由孔径移除非晶硅以形成传感器腔体，接着沉积氧化硅将孔径密封，最后再镀上铝，并以湿蚀刻方式完成传感器上部电极图案。

2002年，Cianci等人为了降低薄膜应力对传感器装置的影响，因此发展低温制程技术以及退火处理等步骤来制作电容式超音波传感器。制程方法为首先以聚亚酰氨(Polyimide)为牺牲层，并以反应性离子蚀刻法(RIE)蚀刻该聚亚酰氨以形成六角形岛状物，再以低温下蒸镀一氧化硅至六角形边框直到与牺牲层等高，作为支撑薄膜的结构，接着用电浆辅助化学气相沉积法(PECVD)于380℃下沉积氮化硅为薄膜结构，最后在510℃的温度下退火10个小时，以消除薄膜的压应力进而达到轻微张应力的理想结果，传感器上部电极是以光微影方法完成，底部电极则镀于硅晶圆背面。

然而于上述制程中，其皆具有加工温度高、高残余应力、制程特性不易掌握与高成本等问题，因此需搭配相关制程步骤以解决上述问题，例如需要结合退火步骤来降低残余应力，减少震荡膜变形破坏。此外，习知技术多以硅基材料制作激振腔体，故会具有显著的莱姆波(Lamb Wave)效应，且激振腔体与薄膜为不同材质，热膨胀系数不同，造成超音波换能器不稳。

因此，所需要的是一种高分子基电容式超音波换能器制作方法，其可克服习知技术的缺点，本发明可满足此需求。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种高分子基电容式超音波换能器制作方法，其是利用高分子材料价格低廉、制程简单、可大型化等优点，以达到降低制造成本且制作过程容易的目的。

为达上述目的，该高分子基电容式超音波换能器制作方法包含下列步骤：

a)提供一基板；

b)形成一第一导体部于该基板上；

c)涂布一牺牲层于该基板上，使其覆盖该第一导体部；

d)蚀刻该牺牲层，形成与该第一导体部接触的一腔体部；

e)涂布一第一高分子基材料于该基板上，且使其完全覆盖该腔体部；

f)形成一第二导体部于该第一高分子基材料上；

g)开设可通达该腔体部的一通孔于该第一高分子基材料上；以及

h)利用该通孔对该腔体部进行蚀刻，藉以完全移除该腔体部。

较佳地，该步骤b)包含下列步骤：b1)于该基板上完整涂布该第一导体部。

较佳地，该步骤b1)之后更包含下列步骤：b2)蚀刻该第一导体部，使得其仅留下所需的区域大小。

较佳地，该高分子基电容式超音波换能器制作方法中更包含下列步骤：i)以一第二高分子基材料完全覆盖该第二导体部。

较佳地，该高分子基电容式超音波换能器制作方法中更包含下列步骤：i)以一第二高分子基材料完全覆盖该第二导体部并填补该通孔。

较佳地，该基板是由硅所制成。

较佳地，该第一导体部是由金属所制成。

较佳地，该第一导体部的金属是经由溅射而形成于该基板上。

较佳地，该第二导体部是由金属所制成。

较佳地，于步骤f)中该第二导体部的金属是经由溅射而形成于该第一高分子基材料上。

较佳地，该牺牲层是由金属所制成。

较佳地，该牺牲层的金属为铜。

较佳地，步骤h)中的蚀刻方式为湿式蚀刻。

较佳地，该第一高分子基材料为国际商务机械公司(IBM)所生产的SU-8光阻剂。

为对于本发明的结构、功效及其方法有更进一步的了解与认同，兹配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图2为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图3为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图4为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图5为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图6为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图7为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图8为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图9为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例；

图10为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第二实施例；

图11为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第二实施例；

图12为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第二实施例；

图13为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第二实施例；

图14为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第二实施例；

图15为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第二实施例；

图16为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第二实施例；

图17为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图18为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图19为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图20为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图21为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图22为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图23为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图24为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图25为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图26为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图27为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；

图28为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例；以及

图29为习知压电组件传感器的剖面图。

附图标号说明：10基板；12导体部；14牺牲层；16腔体部；18高分子基材料；20导体部；22通孔；24高分子基材料；26高分子基材料；30背胶层；32压电材料层；34匹配层；36材质层；40基板；42导体部；44高分子基材料；46a-开放区；46b-开放区；48a-牺牲层；48b-牺牲层；50光阻；52a-通孔；52b-通孔；54a-导体部；54b-导体部。

具体实施方式

以下将参照随附的图式来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下图式所列举的实施例仅为辅助说明，但本发明的技术手段并不限于所列举图式。

图1至图9为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第一实施例。

于图1中，提供一基板10，并于该基板10的上沉积一导体部12。

于图2中，该导体部12被蚀刻成所需的形状。

接着，如图3所示，一牺牲层14是被涂布于该基板10之上，并覆盖该第一导体部12。

其次，如图4所示，对该牺牲层14进行蚀刻，使其仅残留与该第一导体部12接触的一腔体部16。

再来请参见图5，再于该基板10之上涂布一高分子基材料18，使其完全覆盖该腔体部16。

然后，如图6所示，于该高分子基材料18上形成另一导体部20。

之后，如图7所示，是于该高分子基材料18上开设可通达该腔体部16的通孔22；于本实施例中，开设两个通孔，当然，亦可仅开设单一通孔或复数个通孔。

再来请参见图8，接着经由该等通孔22对该腔体部16进行湿式蚀刻，以完全移除该腔体部16。

至此，本发明的高分子基电容式超音波换能器已大略制作完成；当然，为防止该导体部12及该导体部20受到灰尘或水气的污染或是被氧化而生锈，可再以另一高分子基材料24完全覆盖该导体部20并填补该等通孔22。

图10至图16为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第二实施例。

于图10中，提供一基板10，并于该基板10的上沉积一导体部12。

于图11中，是于该导体部12上制作一腔体部16。

其次，如图12所示，于该导体部12上涂布一高分子基材料18，使其完全覆盖该腔体部16。

然后，如图13所示，于该高分子基材料18上形成另一导体部20。

之后，如图14所示，是于该高分子基材料18上开设可通达该腔体部16的通孔22；于本实施例中，开设两个通孔，当然，亦可仅开设单一通孔或复数个通孔。

接着请参见图15，接着经由该等通孔22对该腔体部16进行湿式蚀刻，以完全移除该腔体部16。

再来，如同上述第一实施例所示，为防止该导体部12及该导体部20受到灰尘或水气的污染或是被氧化而生锈，可再以又另一高分子基材料26完全覆盖该导体部20，如图16所示。藉由适当选择该高分子基材料26的种类，可使得该高分子基材料26旋涂于该导体部20上时，该高分子基材料26的横向连结力会大于垂直的重力，因此该高分子基材料26不会流下，意即该等通孔22不会被填满。

图17至图28为本发明高分子基电容式超音波换能器制作方法的流程示意图，其是显示第三实施例。于本实施例中，制作具有不同腔体气隙厚度的高分子基超音波换能器。

于图17中，为提供一基板40，并形成一导体部42于该基板40上。

接着，如图18所示，涂布一高分子基材料44于该导体部42上，使其覆盖该导体部42。

对该高分子基材料44进行蚀刻，形成一开放区46a与一开放区46b，如图19所示。

再请参见图20，于该开放区46a与该开放区46b中分别形成一牺牲层48a与牺牲层48b。

接着，涂布一光阻50，使其完全覆盖该高分子基材料44、该牺牲层48a以及该牺牲层48b，如图21所示。

再来除去部分光阻50，使其仅残留位于该牺牲层48a上的部分光阻50，如图22所示。

接着如图23所示，继续增厚该牺牲层48b。

之后，移除全部的光阻50，再以该高分子基材料44涂布于该牺牲层48a与该牺牲层48b上，使其完全覆盖该牺牲层48a与该牺牲层48b，如图24所示。

再来，如图25所示，于该高分子基材料44上分别开设可通达该牺牲层48a与该牺牲层48b的通孔52a与通孔52b。

如图26所示，分别对应该牺牲层48a与该牺牲层48b以形成另一导体部54a与导体部54b于该高分子基材料44上。

再来，以该高分子基材料44包覆该等导体部54a与导体部54b，如图27所示。

最后，如图28所示，分别利用该通孔52a与该通孔52b对该牺牲层48a与该牺牲层48b进行蚀刻，以完全移除该牺牲层48a与该牺牲层48b。

如此，即可得到具有不同腔体气隙厚度(可分别作为发射组件与接收组件)的高分子基超音波换能器。

于本发明中，该基板可为一硅晶圆，该等导体部可分别经由溅射金属于该基板及该高分子基材料上所制成；又，该牺牲层亦可由金属，例如铜所制成；且该等高分子基材料可为国际商务机械公司(IBM)所生产的SU-8光阻剂。

经由上述说明可知，本发明的高分子基电容式超音波换能器是利用高分子材料价格低廉、制程简单、可大型化等优点，且利用高分子的低温加工制程，可避免习知技术的昂贵制程与高温步骤，减少匹配层的制作程序；所制作出的换能器不但具有高性能、高指向性，可提升灵敏度与动态检测范围外，亦可应用于医学影像、非破坏性检测、位移、流量及液面检测等领域，为极具竞争力的产品。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以之限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明的权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于：该方法包含下列步骤：

a)提供一基板；

b)形成一第一导体部于该基板上；

c)涂布一牺牲层于该基板上，使其覆盖该第一导体部；

d)蚀刻该牺牲层，形成与该第一导体部接触的一腔体部；

e)涂布一第一高分子基材料于该基板上，且使其完全覆盖该腔体部；

f)形成一第二导体部于该第一高分子基材料上；

g)开设可通达该腔体部的一通孔于该第一高分子基材料上；以及

h)利用该通孔对该腔体部进行蚀刻，藉以完全移除该腔体部。

2.如权利要求1所述的高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于，该步骤b)包含下列步骤：

b1)于该基板上完整涂布该第一导体部。

3.如权利要求2所述的高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于，该步骤b1)之后更包含下列步骤：

b2)蚀刻该第一导体部，使得其仅留下所需的区域大小。

4.如权利要求1所述的高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于，更包含下列步骤：

i)以一第二高分子基材料完全覆盖该第二导体部。

5.如权利要求1所述的高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于，更包含下列步骤：

i)以一第二高分子基材料完全覆盖该第二导体部并填补该通孔。

6.如权利要求1所述的高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于，该牺牲层是由金属所制成。

7.一种高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于：该方法包含下列步骤：

a)提供一基板；

b)形成一第一导体部于该基板上；

c)涂布一第一高分子基材料于该第一导体部上，使其覆盖该第一导体部；

d)对该第一高分子基材料进行蚀刻，形成一开放区；

e)于该开放区中形成一牺牲层；

f)涂布一第二高分子基材料于该牺牲层上，且使其完全覆盖该牺牲层；

g)开设可通达该牺牲层的一通孔于该第二高分子基材料上；

h)形成一第二导体部于该第二高分子基材料上；

i)以一第三高分子基材料包覆该第二导体部；以及

j)利用该通孔对该腔体部进行蚀刻，藉以完全移除该牺牲层。

8.如权利要求7所述的高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于，该第一导体部是由白金所制成。

9.如权利要求7所述的高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于，该牺牲层是由金属所制成。

10.如权利要求7所述的高分子基电容式超音波换能器制作方法，其特征在于，该第二导体部是由金属所制成。

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