CN206838450U - 超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了超声波换能器。所述超声波换能器用于根据驱动信号产生超声波以及根据回波产生检测信号，包括：支撑层；位于支撑层上的掩模层，所述掩模层覆盖和围绕空腔，并且包括从表面延伸至所述空腔的多个第一开口；以及位于所述掩模层上的压电叠层，其中，所述多个第一开口沿行和列方向排列成阵列图案，或者沿径向排列成辐射图案。该超声波换能器经由多个第一开口形成空腔，之后封装空腔，从而可以降低制造成本以及提高传感器的性能。

Description

超声波换能器

技术领域

本实用新型涉及指纹传感器，更具体地，涉及超声波换能器。

背景技术

生物特征识别是用于区分不同生物特征的技术，包括指纹、掌纹、脸部、DNA、声音等识别技术。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凹凸不平的纹路，纹路有规律的排列形成不同的纹型。指纹识别指通过比较不同指纹的细节特征点来进行身份鉴定。由于具有终身不变性、唯一性和方便性，指纹识别的应用越来越广泛。

在指纹识别中，采用传感器获取指纹图像信息。根据工作原理的不同，指纹传感器可以分为光学、电容、压力、超声传感器。光学传感器体积较大，价格相对高，并且对于指纹的干燥或者潮湿状态敏感，属于第一代指纹识别技术。光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层，所以只能通过扫描手指皮肤的表面，不能深入到真皮层。这种情况下，手指的干净程度直接影响识别的效果，如果用户手指上粘了较多的灰尘、汗液等，可能就会出现识别出错的情况。并且，如果人们按照手指做一个指纹手摸，也可能通过识别系统。因此，对于用户而言，光学传感器的使用存在着安全性和稳定性方面的问题。电容指纹传感器技术采用电容器阵列检测指纹的纹路，属于第二代指纹传感器。每个电容器包括两个极板。在手指触摸时，指纹的纹路位于极板之间，形成电介质的一部分，从而可以根据电容的变化检测指纹纹路。电容式指纹传感器比光学类传感器价格低，并且紧凑，稳定性高，在实际产品中的使用更有吸引力。例如，在很多手机中使用的指纹传感器即是电容式指纹传感器。然而，电容式指纹传感器有着无法规避的缺点，即受到温度、湿度、沾污的影响较大。

作为进一步的改进，已经开发出第三代指纹传感器，其中利用压电材料的逆压电效应产生超声波。该超声波在接触到指纹时，在指纹的嵴、峪中表现出不同的反射率和透射率。通过扫描一定面积内的超声波束信号即可读取指纹信息。超声波指纹传感器产生的超声波可以能够穿透由玻璃、铝、不锈钢、蓝宝石或者塑料制成的手机外壳进行扫描，从而将超声波指纹传感器设置在手机外壳内。该优点为客户设计新一代优雅、创新、差异化的移动终端提供灵活性。此外，用户的体验也得到提升，扫描指纹能够不受手指上可能存在沾污的影响，例如汗水、护手霜等，从而提高了指纹传感器的稳定性和精确度。

现有的超声波指纹传感器包括集成在一起的超声波换能器和CMOS电路。共晶键合是集成CMOS电路和超声波换能器的有效方法，但是该种方法对准精度低、制造成本高。较为经济的方案为在CMOS电路表面直接制造超声波换能器，在CMOS电路和超声波换能器之间设置绝缘层以隔开二者。该结构中的CMOS电路用于处理超声信号，因此超声波指纹传感器可以高速读取和鉴定指纹。然而，超声波换能器包括位于压电叠层下方的空腔结构，该空腔结构不仅制造困难，而且由于工艺偏差导致超声波指纹传感器的频率不稳定、参数一致性差、以及成品率差。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供超声波换能器，其中，经由多个第一开口形成空腔，然后封装空腔，以降低制造成本以及提高传感器的性能。

根据本实施新型，提供一种超声波换能器，用于根据驱动信号产生超声波以及根据回波产生检测信号，其特征在于，包括：支撑层；位于支撑层上的掩模层，所述掩模层至少部分地覆盖和围绕空腔，并且包括从表面延伸至所述空腔的多个第一开口；以及位于所述掩模层上的压电叠层其中，所述多个第一开口沿行和列方向排列成阵列图案，或者沿径向排列成辐射图案。

优选地，所述多个第一开口的形状为选自以下形状的任意一种：三角形、方形、六边形、菱形、圆形、环形。

优选地，在所述阵列图案中，不同行和/或列的第一开口彼此错开。

优选地，在所述辐射图案中，所述多个第一开口为同心的多个环形。

优选地，所述多个环形分别为多个分段环形，使得所述掩模层在相邻的环形段之间连续延伸。

优选地，所述多个第一开口的横向尺寸为0.1微米至0.8微米。

优选地，所述第多个第一开口中相邻的第一开口的间距为1微米至5微米。

优选地，还包括：位于所述支撑层上的模板层，所述模板层包括第二开口；以及位于所述模板层上的停止层，所述停止层共形地覆盖所述模板层，从而形成与所述第二开口对应的所述空腔，所述掩模层位于所述停止层上。

优选地，所述支撑层为第一绝缘层。

优选地，所述支撑层为CMOS电路的层间介质层。

优选地，还包括：位于所述掩模层上的密封层，所述密封层封闭所述多个第一开口。

优选地，还包括位于所述掩模层上的第二绝缘层。

优选地，所述第二绝缘层封闭所述多个第一开口。

优选地，所述压电叠层包括：位于所述第二绝缘层上的压电层；以及分别接触所述压电层的下表面和上表面的第一电极和第二电极。

优选地，还包括：位于所述第二绝缘层和所述压电层之间的种子层。

优选地，所述压电层和所述种子层分别由选自氮化铝、偏聚氟乙烯、偏聚氟乙烯-三氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂压电陶瓷中的任意一种组成。

优选地，所述掩模层由耐蚀材料组成。

优选地，所述耐蚀材料包括选自氧化硅、氮化硅、碳化硅、金、铜中的任意一种。

优选地，所述模板层由选自金属、半导体、非晶硅、氧化硅和氮化硅任一种的材料组成。

优选地，所述掩模层和所述停止层分别由耐蚀材料组成。

优选地，所述耐蚀材料包括选自钽、金、氮化铝、氧化铝和非晶硅中的任意一种。

根据本实用新型实施例的超声波换能器，经由多个第一开口形成空腔，然后封装空腔，不仅可以降低空腔形成的难度，而且可以更加准确地限定空腔的尺寸。

该超声波换能器的多个第一开口在形成空腔的过程中作为蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。采用多个第一开口分布于将要形成的空腔的上方，在气相蚀刻中有利于蚀刻剂的进入和蚀刻产物的排出，从而提高蚀刻速率和改善均匀性。因此，该超声波换能器的制造成本降低。

进一步地，相对于大尺寸的单个开口，所述多个第一开口的各自尺寸可以减小，在气相蚀刻后有利于封闭空腔。在空腔封闭之后，掩模层可以提供足够的机械强度，以避免随后形成的压电叠层断裂，并且在超声波换能器的正常工作期间，提供均匀的声学特性。因此，该超声波换能器的声学特性可以得到改善。

进一步地，多个第一开口沿行和列方向排列成阵列图案，或者沿径向排列成辐射图案，从而进一步减小掩模层的开口对机械强度的不利影响。该图案还可以进一步改善超声波换能器的声学特性。

该超声波换能器具有灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本和改善工艺兼容性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本实用新型第一实施例的超声波换能器制造方法的流程图；

图2a-2e示出根据本实用新型第一实施例的超声波换能器制造方法中各个阶段的示意性截面图；

图3示出根据本实用新型第二实施例的超声波换能器制造方法的流程图；

图4a-4g示出根据本实用新型第二实施例的超声波换能器制造方法中各个阶段的示意性截面图；

图5a-5d示出在本实用新型实施例的超声波换能器中的掩模层中不同形状的开口的俯视图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出根据本实用新型第一实施例的超声波换能器制造方法的流程图。该超声波换能器例如与CMOS电路集成在同一个管芯中，超声波换能器根据驱动信号产生超声波以及根据回波产生检测信号，CMOS电路用于提供驱动信号和处理检测信号，从而实现指纹图像的检测和识别。

在步骤S21中，在支撑层上形成牺牲层，该支撑层例如为CMOS电路的层间介质层，或者独立的第一绝缘层；

在步骤S22中，图案化牺牲层。

在步骤S23中，在所述牺牲层上形成掩模层，所述掩模层覆盖和围绕所述牺牲层。

在步骤S24中，在所述掩模层上形成到达所述牺牲层的第一开口。

在步骤S25中，经由所述第一开口进行气相蚀刻，从而去除所述牺牲层形成空腔。所述停止层和所述掩模层一起围绕所述空腔。

在步骤S26中，在所述掩模层上形成压电叠层。压电叠层例如包括压电层以及位于其相对表面上的第一电极和第二电极。

在该方法中，依次形成牺牲层和掩模层，然后，采用气相蚀刻去除牺牲层以形成空腔。牺牲层的图案用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。该方法可以在空腔上方提供结构支撑，用于进一步制作压电层。与湿法蚀刻相比，气相蚀刻工艺避免了溶液的浸没，兼具干法、湿法工艺的双重优点。气相蚀刻可以避免湿气或蚀刻产物残留于空腔中，进一步改善超声波换能器的声学性能。该方法制造的超声波换能器灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本和改善工艺兼容性。

图2a-2e示出根据本实用新型第一实施例的超声波换能器制造方法中各个阶段的示意性截面图。

在步骤S21中，在支撑层121上形成牺牲层122。牺牲层122例如由锗或硅组成。例如，可以采用蒸发形成锗层，作为牺牲层122。牺牲层122的厚度例如约为0.2微米至5微米。该支撑层121相对于牺牲层122具有耐蚀性，从而在后继的蚀刻步骤中作为停止层。

在步骤S22中，采用包括涂胶、曝光和显影的光刻工艺，形成光刻胶掩模。经由光刻胶掩模进行蚀刻，将牺牲层122图案化，如图2a所示。该蚀刻例如可以是采用蚀刻溶液的湿法蚀刻工艺，或者是在反应腔中进行的干法蚀刻工艺，例如等离子体蚀刻。在蚀刻之后，通过在溶剂中溶解或灰化去除光刻胶掩模。

在步骤S23中，例如通过沉积，在牺牲层122上形成掩模层123，如图2b所示。掩模层123由耐蚀材料组成，例如由选自氧化硅、氮化硅、碳化硅、金、铜中的任意一种组成。掩模层123的厚度例如为0.5微米至10微米。掩模层123覆盖和围绕牺牲层122。在形成掩模层123之后，可以进行化学机械平面化(CMP)以平整掩模层123的表面。

在步骤S24中，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将掩模层123图案化成包含开口151的掩模图案。开口151的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。该开口151将作为蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。

在步骤S25中，经由掩模层123的开口151进一步蚀刻牺牲层122，如图2c所示。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在掩模层123和绝缘层121的表面停止，从而可以去除牺牲层122，在掩模层123中形成空腔152。开口151与空腔152彼此连通。

优选地，采用不同的蚀刻工艺图案化掩模层123以及在绝缘层121中形成空腔152。例如，在图案化掩模层123采用湿法蚀刻工艺，在形成空腔152时采用气相蚀刻工艺。优选地，牺牲层122由锗组成，掩模层123由氧化硅组成，则在形成空腔152时采用的蚀刻剂是气体XeF₂。

该气相蚀刻中的化学反应为：Ge+2*XeF₂＝2*Xe+GeF₄。蚀刻产物是Xe和GeF₄，二者均为气态，容易从腔体中排出。

在该步骤中，牺牲层122的图案用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以通过牺牲层122的图案化，精确地控制空腔152的横向尺寸和纵向尺寸。

即使开口151的尺寸很小，蚀刻剂也可以经由开口151到达牺牲层122，蚀刻产物也可以经由开口151排出。因此，开口151的尺寸基本上没有受到蚀刻工艺的限制。由于各向同性的蚀刻特性，可以经由开口151形成大尺寸的空腔152。

在步骤S26中，进一步执行图2d至2e所示的步骤，在掩模层123上形成压电叠层。

如图2d所示，例如通过沉积，在掩模层123上形成绝缘层126。绝缘层126例如由选自氧化硅和氮化硅中的一种组成。优选地，绝缘层126由氧化硅组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。绝缘层126位于掩模层123上方，封闭掩模层123中的开口151，使得空腔152也是封闭的。在一种替代的实施例中，如果存在种子层，则种子层可以作为绝缘层。在另一个替代的实施例中，可以采用附加的密封层代替绝缘层126封闭开口。该密封层可以由任意材料组成，例如非晶硅或金属。

优选地，根据绝缘层126的沉积特性选择开口151的尺寸，使得绝缘层126在开口151的上方可以连续延伸。在该实施例中，开口151的直径约为0.1微米至0.8微米，使得绝缘层126可以封闭开口151，而非进入空腔152的内部。根据超声波换能器的声学特性选择绝缘层126的厚度。在该实施例中，绝缘层126的厚度例如为0.2微米至2微米。如果绝缘层126的厚度过大，则可以在沉积之后进行回蚀刻以减小厚度。

进一步地，如图2e所示，例如通过沉积，在绝缘层126上依次形成第一电极132、压电层133和第二电极134。用于形成压电层133的工艺例如是反应溅射沉积，用于形成第一电极132和第二电极134的工艺例如是常规离子溅射。第一电极132和第二电极134例如分别由Mo组成，厚度约为0.2微米至1微米。压电层133例如由氮化铝组成，厚度约为0.5微米至2微米。

优选地，在形成第一电极132之前，例如通过沉积，在绝缘层126上形成种子层131。用于形成种子层131的工艺例如是反应溅射。种子层131例如由氮化铝组成，厚度约为0.1微米至0.5微米。

在替代的实施例中，压电层133和种子层131分别由选自氮化铝、偏聚氟乙烯(PVDF)、偏聚氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷、铌酸锂(LiNbO₃)压电陶瓷中的任意一种组成。

进一步地，可以形成与第一电极132和第二电极134分别连接的第一接触和第二接触、以及附加的层间介质层，从而完成超声波换能器。该超声波换能器经由第一接触和第二接触连接至CMOS电路。

在该实施例的方法中，采用气相蚀刻牺牲层以形成空腔，不仅可以降低空腔形成的难度，而且可以更加准确地限定空腔的尺寸。进一步地，该方法可以在空腔上方提供结构支撑，用于进一步制作压电层。与湿法蚀刻相比，该气相蚀刻工艺避免了溶液的浸没，兼具干法、湿法工艺的双重优点。气相蚀刻可以避免湿气或蚀刻产物残留于空腔中，进一步改善超声波换能器的声学性能。该方法制造的超声波换能器灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本。在优选的实施例中，采用气体XeF₂作为蚀刻剂，从而可以减少蚀刻产物残留。

图3示出根据本实用新型第二实施例的超声波换能器制造方法的流程图。该超声波换能器例如与CMOS电路集成在同一个管芯中，超声波换能器根据驱动信号产生超声波以及根据回波产生检测信号，CMOS电路用于提供驱动信号和处理检测信号，从而实现指纹图像的检测和识别。

在步骤S31中，在支撑层上形成模板层，该支撑层例如为CMOS电路的层间介质层，或者独立的第一绝缘层；

在步骤S32中，在模板层中形成第一开口。

在步骤S33中，在所述模板层上形成停止层，所述停止层共形地覆盖所述模板层。

在步骤S34中，在所述停止层上形成牺牲层，所述牺牲层填充所述第一开口。

在步骤S35中，在所述停止层和所述牺牲层上形成掩模层，所述掩模层覆盖所述牺牲层。

在步骤S36中，在所述掩模层上形成到达所述牺牲层的第二开口。

在步骤S37中，经由所述第二开口进行气相蚀刻，从而去除所述牺牲层形成空腔。所述停止层和所述掩模层一起围绕所述空腔。

在步骤S38中，在所述掩模层上形成压电叠层。压电叠层例如包括压电层以及位于其相对表面上的第一电极和第二电极。

在该方法中，依次形成模板层、停止层、牺牲层和掩模层，然后，采用气相蚀刻去除牺牲层以形成空腔。模板层中的第一开口用于限定空腔的位置和尺寸，从而可以精确地控制空腔的横向尺寸和纵向尺寸。该方法可以在空腔上方提供结构支撑，用于进一步制作压电层。与湿法蚀刻相比，气相蚀刻工艺避免了溶液的浸没，兼具干法、湿法工艺的双重优点。气相蚀刻可以避免湿气或蚀刻产物残留于空腔中，进一步改善超声波换能器的声学性能。该方法制造的超声波换能器灵敏度高、受外界环境影响小、高速等特点，同时又显著降低制造成本和改善工艺兼容性。

图4a-4g示出根据本实用新型第二实施例的超声波换能器制造方法中各个阶段的示意性截面图。

在步骤S31中，例如通过沉积，在层间介质层108上依次形成绝缘层221和模板层222。绝缘层221例如由选自氧化硅、氮化硅任一种的材料组成。模板层222例如由选自非晶硅、氧化硅和氮化硅任一种的材料组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。模板层222的厚度例如约为0.2微米至5微米。

在步骤S32中，采用包括涂胶、曝光和显影的光刻工艺，形成光刻胶掩模。经由光刻胶掩模进行蚀刻，将模板层222图案化，从而在模板层222中形成开口251，如图4a所示。该蚀刻例如可以是采用蚀刻溶液的湿法蚀刻工艺，或者是在反应腔中进行的干法蚀刻工艺，例如等离子体蚀刻。在蚀刻之后，通过在溶剂中溶解或灰化去除光刻胶掩模。

绝缘层221和模板层222由不同的材料组成，例如，绝缘层221由氧化硅组成，模板层222由非晶硅组成，从而在在所述模板层中形成开口251的工艺中绝缘层221可以作为蚀刻停止层。开口251暴露绝缘层221的一部分表面。

在步骤S33中，例如通过沉积，在绝缘层221和模板层222上形成共形的停止层223，如图4b所示。停止层223由耐蚀材料组成，例如由选自钽或金的金属材料或选自氮化铝、氧化铝和非晶硅的非金属材料组成。停止层223的厚度例如为0.1微米至1微米。由于停止层223与表面的形状一致，因此在形成停止层223之后，该停止层223仍然围绕开口251。在该工艺中，停止层223的表面形状与模板层222的表面形状一致，停止层223中形成与开口251一致的开口，因而模板层222用于限定停止层223的图案。

在步骤S34中，例如通过沉积，在停止层223上形成牺牲层224，如图4c所示。牺牲层224例如由氧化硅组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。牺牲层224的厚度例如为1微米至5微米，从而可以填充停止层223中形成的开口251。采用化学机械平面化(CMP)平整去除牺牲层224的一部分，使得仅仅牺牲层224位于开口251内部的部分保留，并且获得平整的结构表面。

在步骤S35中，例如通过沉积，在停止层223和牺牲层224上形成掩模层225。掩模层225由耐蚀材料组成，例如由选自钽或金的金属材料或选自氮化铝、氧化铝和非晶硅的非金属材料组成。掩模层225的厚度例如为0.2微米至0.3微米。

在步骤S36中，采用上述的光刻工艺和蚀刻工艺，将掩模层225图案化成包含开口252的掩模图案，如图4d所示。开口252的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米。该开口252将作为蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。

在步骤S37中，经由掩模层225的开口252进一步蚀刻牺牲层224，如图4e所示。利用蚀刻剂的选择性，使得蚀刻在掩模层225和停止层223的表面停止，从而可以去除牺牲层224，在停止层223中形成空腔253。开口252与空腔253彼此连通。

优选地，采用不同的蚀刻工艺图案化掩模层225以及在绝缘层221中形成空腔253。例如，在图案化掩模层225采用湿法蚀刻工艺，在形成空腔253时采用气相蚀刻工艺。优选地，牺牲层224由氧化硅组成，停止层223和掩模层225由非晶硅组成，则在形成空腔253时采用的蚀刻剂是气体HF。

该气相蚀刻中的化学反应为：SiO₂+HF＝SiF₄+H₂O。蚀刻产物是SiF₄和水，二者均为气态，容易从腔体中排出。

即使开口252的尺寸很小，蚀刻剂也可以经由开口252到达牺牲层224，蚀刻产物也可以经由开口252排出。因此，开口252的尺寸基本上没有受到蚀刻工艺的限制。由于各向同性的蚀刻特性，可以经由开口252形成大尺寸的空腔253。

在步骤S37中，进一步执行图4f至4g所示的步骤，在掩模层225上形成压电叠层。

如图4f所示，例如通过沉积，在掩模层225上形成绝缘层226。绝缘层226例如由选自氧化硅和氮化硅中的一种组成。优选地，绝缘层226由氧化硅组成，例如采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成。绝缘层226位于掩模层225上方，封闭掩模层225中的开口252，使得空腔253也是封闭的。在一种替代的实施例中，如果存在种子层，则种子层可以作为绝缘层。在另一个替代的实施例中，可以采用附加的密封层代替绝缘层226封闭开口。该密封层可以由任意材料组成，例如非晶硅或金属。

优选地，根据绝缘层226的沉积特性选择开口252的尺寸，使得绝缘层226在开口252的上方可以连续延伸。在该实施例中，开口252的直径约为0.1微米至0.8微米，使得绝缘层226可以封闭开口252，而非进入空腔253的内部。根据超声波换能器的声学特性选择绝缘层226的厚度。在该实施例中，绝缘层226的厚度例如为0.2微米至2微米。如果绝缘层226的厚度过大，则可以在沉积之后进行回蚀刻以减小厚度。

进一步地，如图4g所示，例如通过沉积，在绝缘层226上依次形成第一电极132、压电层133和第二电极134。用于形成压电层133的工艺例如是反应溅射沉积，用于形成第一电极132和第二电极134的工艺例如是常规离子溅射。第一电极132和第二电极134例如分别由Mo组成，厚度约为0.2微米至1微米。压电层133例如由氮化铝组成，厚度约为0.5微米至2微米。

优选地，如果压电层133由氮化铝组成，在形成第一电极132之前，例如通过沉积，在绝缘层226上形成种子层131。用于形成种子层131的工艺例如是反应溅射。种子层131例如由氮化铝组成，厚度约为0.1微米至0.5微米。

在替代的实施例中，压电层133由选自氮化铝、偏聚氟乙烯(PVDF)、偏聚氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷、铌酸锂(LiNbO₃)压电陶瓷中的任意一种组成。

进一步地，可以形成与第一电极132和第二电极134分别连接的第一接触和第二接触、以及附加的层间介质层，从而完成超声波换能器。该超声波换能器经由第一接触和第二接触连接至CMOS电路。

图5a-5d示出在本实用新型实施例的超声波换能器中的掩模层中不同形状的开口的俯视图。

根据第一实施例和第二实施例的方法制造的超声波换能器包括掩模层。以第一实施例的方法为例，掩模层123图案化成包含开口151的掩模图案。多个开口151沿行和列方向排列成阵列图案，或者沿径向排列成辐射图案，从掩模层123的表面延伸至空腔152中。所述多个开口151的形状为选自以下形状的任意一种：三角形、方形、六边形、菱形、圆形、环形。所述多个开口151的横向尺寸大致为0.1微米至0.8微米，彼此的间距大致为1微米至5微米。

如图5a所示，多个开口1511的开口形状为方形，沿行和列方向排列成阵列图案。

如图5b所示，多个开口1512的开口形状为菱形，沿行和列方向排列成阵列图案，不同列的多个开口1512彼此错开1/2间距。

如图5c所示，多个开口1513的开口形状为彼此同心的分段环形，沿径向排列成辐射图案，掩模层123在相邻的环形段之间连续延伸。

如图5d所示，多个开口1513的开口形状为正六边形，沿行和列方向排列成阵列图案，不同列的多个开口1513彼此错开1/2间距。

根据本实用新型实施例的超声波换能器，经由多个第一开口形成空腔，然后封装空腔，不仅可以降低空腔形成的难度，而且可以更加准确地限定空腔的尺寸。

该超声波换能器的多个第一开口在形成空腔的过程中作为蚀刻剂的进入通道以及蚀刻产物的排出通道。采用多个第一开口分布于将要形成的空腔的上方，在气相蚀刻中有利于蚀刻剂的进入和蚀刻产物的排出，从而提高蚀刻速率和改善均匀性。因此，该超声波换能器的制造成本降低。

进一步地，相对于大尺寸的单个开口，所述多个第一开口的各自尺寸可以减小，在气相蚀刻后有利于封闭空腔。在空腔封闭之后，掩模层可以提供足够的机械强度，以避免随后形成的压电叠层断裂，并且在超声波换能器的正常工作期间，提供均匀的声学特性。因此，该超声波换能器的声学特性可以得到改善。

进一步地，多个第一开口沿行和列方向排列成阵列图案，或者沿径向排列成辐射图案，从而进一步减小掩模层的开口对机械强度的不利影响。该图案还可以进一步改善超声波换能器的声学特性。

在生产制造方面，该超声波换能器制造方法与CMOS工艺兼容，可在CMOS生产线直接加工。在超声波换能器后续应用方面，超声波换能器在后续移动终端的应用领域无需在玻璃等介质上开孔，可穿透玻璃等介质直接应用，降低了后续的应用成本。在终端应用方面，与电容式指纹传感器相比较，超声波换能器的超声信号受油污、汗水等影响小，受温度与湿度影响小，识别的准确率高等优点。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (21)

1.一种超声波换能器，用于根据驱动信号产生超声波以及根据回波产生检测信号，其特征在于，包括：

支撑层；

位于支撑层上的掩模层，所述掩模层至少部分地覆盖和围绕空腔，并且包括从表面延伸至所述空腔的多个第一开口；以及

位于所述掩模层上的压电叠层，

其中，所述多个第一开口沿行和列方向排列成阵列图案，或者沿径向排列成辐射图案。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述多个第一开口的形状为选自以下形状的任意一种：三角形、方形、六边形、菱形、圆形、环形。

3.根据权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，在所述阵列图案中，不同行和/或列的第一开口彼此错开。

4.根据权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，在所述辐射图案中，所述多个第一开口为同心的多个环形。

5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于，所述多个环形分别为多个分段环形，使得所述掩模层在相邻的环形段之间连续延伸。

6.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述多个第一开口的横向尺寸为0.1微米至0.8微米。

7.根据权利要求6所述的超声波换能器，其特征在于，所述多个第一开口中相邻的第一开口的间距为1微米至5微米。

8.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，还包括：

位于所述支撑层上的模板层，所述模板层包括第二开口；以及

位于所述模板层上的停止层，所述停止层共形地覆盖所述模板层，从而形成与所述第二开口对应的所述空腔，所述掩模层位于所述停止层上。

9.根据权利要求1或8所述的超声波换能器，其特征在于，所述支撑层为第一绝缘层。

10.根据权利要求1或8所述的超声波换能器，其特征在于，所述支撑层为CMOS电路的层间介质层。

11.根据权利要求1或8所述的超声波换能器，其特征在于，还包括：位于所述掩模层上的密封层，所述密封层封闭所述多个第一开口。

12.根据权利要求1或8所述的超声波换能器，其特征在于，还包括位于所述掩模层上的第二绝缘层。

13.根据权利要求12所述的超声波换能器，其特征在于，所述第二绝缘层封闭所述多个第一开口。

14.根据权利要求13所述的超声波换能器，其特征在于，所述压电叠层包括：

位于所述第二绝缘层上的压电层；以及

分别接触所述压电层的下表面和上表面的第一电极和第二电极。

15.根据权利要求14所述的超声波换能器，其特征在于，还包括：

位于所述第二绝缘层和所述压电层之间的种子层。

16.根据权利要求15所述的超声波换能器，其特征在于，所述压电层和所述种子层分别由选自氮化铝、偏聚氟乙烯、偏聚氟乙烯-三氟乙烯、锆钛酸铅压电陶瓷、铌酸锂压电陶瓷中的任意一种组成。

17.根据权利要求1或8所述的超声波换能器，其特征在于，所述掩模层由耐蚀材料组成。

18.根据权利要求17所述的超声波换能器，其特征在于，所述耐蚀材料包括选自氧化硅、氮化硅、碳化硅、金、铜中的任意一种。

19.根据权利要求8所述的超声波换能器，其特征在于，所述模板层由选自金属、半导体、非晶硅、氧化硅和氮化硅任一种的材料组成。

20.根据权利要求19所述的超声波换能器，其特征在于，所述掩模层和所述停止层分别由耐蚀材料组成。

21.根据权利要求20所述的超声波换能器，其特征在于，所述耐蚀材料包括选自钽、金、氮化铝、氧化铝和非晶硅中的任意一种。