CN207264404U - 超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了超声波传感器。所述超声波传感器包括：CMOS电路；以及至少一个超声波换能器，其中，所述CMOS电路与所述至少一个超声波换能器连接，用于驱动所述至少一个超声波换能器和处理所述至少一个超声波换能器产生的检测信号，其中，所述至少一个超声波换能器包括：压电叠层，所述压电叠层包括压电层，以及分别位于所述压电层的第一表面和第二表面上的第一电极和第二电极，所述第一表面与所述第二表面彼此相对，其中，所述压电叠层与所述CMOS电路之间电连接，所述压电层由有机压电聚合物组成。该超声波传感器采用有机压电聚合物形成压电层，从而可以降低制造成本以及提高传感器的性能。

Description

超声波传感器

技术领域

本实用新型涉及生物特征传感器，更具体地，涉及超声波传感器。

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，在键合过程中会产生键合浆料溢流现象，导致管芯的结构部件短路而失效,大大的降低了良率。同时,键合工艺对偏精度不高，从而导致两个圆片间的电气连接的共晶键合点的尺寸较大，提高了制造成本。采用键合工艺集成CMOS电路和超声波换能器导致制造工艺复杂化、高成本和低良率。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供超声波传感器，其中，在CMOS电路上形成有机压电聚合物组成的压电层以替代共晶键合工艺，从而简化制造工艺。

根据本实用新型的一方面，提供一种制造超声波传感器的方法，包括：形成CMOS电路；以及在所述CMOS电路上形成至少一个超声波换能器，所述CMOS电路与所述至少一个超声波换能器连接，用于驱动所述至少一个超声波换能器和处理所述至少一个超声波换能器产生的检测信号，其中，形成至少一个超声波换能器的步骤包括：形成压电叠层，所述压电叠层包括压电层，以及分别位于所述压电层的第一表面和第二表面上的第一电极和第二电极，所述第一表面与所述第二表面彼此相对；以及形成所述压电叠层与所述CMOS电路之间的电连接，其中，所述压电层由有机压电聚合物组成。

优选地，所述有机压电聚合物包括选自聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚二氯亚乙烯、溴化二异丙胺中的至少一种。

优选地，形成压电叠层的步骤包括采用以下步骤形成所述压电层：制作混合溶液；涂敷混合溶液成膜；以及烘干形成有机胶层，其中，所述有机胶层作为所述压电层。

优选地，在形成有机胶层之后，还包括执行以下步骤至少之一：对有机胶层进行晶化处理；以及对有机胶层进行极化处理。

优选地，晶化处理的步骤包括：在所述有机胶层的居里点和熔点之间的预定温度加热预定晶化时间。

优选地，形成CMOS电路的步骤包括：在衬底上形成至少一个晶体管；以及在所述至少一个晶体管上形成多个布线层和多个层间介质层，其中，所述多个布线层由所述多个层间介质层分隔成多个不同的层面。

优选地，形成所述压电叠层与所述CMOS电路之间的电连接的步骤包括：在所述CMOS电路上形成绝缘层；在所述绝缘层中形成分别到达所述多个布线层中的至少一个布线层的第一开口和第二开口；形成穿过所述第一开口将所述第一电极连接至所述至少一个布线层的第一接触；以及形成穿过所述压电层和所述第二开口将所述第二电极连接至所述至少一个布线层的第二接触。

优选地，所述第二接触与所述第一电极彼此隔开。

优选地，在形成所述第一电极时形成所述第一接触，所述第一接触填充所述第一开口。

优选地，在形成所述第二电极之前，还包括形成穿过所述压电层和所述第一开口到达所述至少一个布线层的第一通孔、穿过所述压电层到达所述第一电极的第三通孔，在形成所述第二电极时形成所述第一接触，所述第一接触在所述压电层表面延伸且填充所述第一通孔和所述第三通孔，从而是将所述第一电极连接至所述至少一个布线层。

优选地，在形成所述第二电极之前，还包括形成穿过所述压电层和所述第二开口到达所述至少一个布线层的第二通孔，在形成所述第二电极时形成所述第二接触，所述第二接触填充所述第二通孔。

优选地，形成第一至第三通孔的步骤包括：在所述压电层上形成掩模层；在所述掩模层中形成第三至第五开口；经由所述第三至第五开口蚀刻所述压电层；以及去除所述掩模层。

优选地，所述掩模层包括选自Al₂O₃、TiO₂、ZnO、ZrO₂和Ta₂O₅的任一种。

优选地，所述蚀刻为干法蚀刻，采用氧气作为蚀刻剂。

优选地，形成所述压电叠层与所述CMOS电路之间的电连接的步骤包括：在所述第一表面上形成衬垫；形成穿过所述压电层和将所述第二电极连接至所述衬垫的第二接触；以及采用第一粘接层将所述压电叠层粘接到所述CMOS电路上，其中，所述第一粘接层由各向异性导电粘合剂组成，位于所述第一电极与所述至少一个布线层之间，以及所述衬垫与所述至少一个布线层之间，所述第一电极经由所述第一粘接层连接至所述至少一个布线层，所述第二电极经由所述第二接触、所述衬垫和所述第一粘接层连接至所述至少一个布线层。

优选地，所述衬垫与所述第一电极彼此隔开。

优选地，在形成所述第二电极之前，还包括形成穿过所述压电层到达所述衬垫的第二通孔，在形成所述第二电极时形成所述第二接触，所述第二接触填充所述第二通孔。

优选地，形成第二通孔的步骤包括：在所述压电层上形成掩模层；在所述掩模层中形成第四开口；经由所述第四开口蚀刻所述压电层；以及去除所述掩模层。

优选地，所述掩模层包括选自Al₂O₃、TiO₂、ZnO、ZrO₂和Ta₂O₅的任一种。

优选地，所述蚀刻为干法蚀刻，采用氧气作为蚀刻剂。

优选地，还包括：在所述压电叠层上形成钝化层。

优选地，所述钝化层由选自以下材料的任一种组成：聚对二甲苯、聚酰亚胺、SU-8、Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂、SiO₂和Si₃N₄。

优选地，还包括：在所述钝化层上形成第二粘接层；以及在所述第二粘接层上形成压板。

优选地，所述压板由选自以下材料的任一种组成：塑料、陶瓷、蓝宝石、金属、合金、聚碳酸酯和玻璃。

优选地，所述压电层的厚度在5微米至20微米的范围内。

根据本实用新型的另一方面，提供一种超声波传感器，包括：CMOS电路；以及至少一个超声波换能器，其中，所述CMOS电路与所述至少一个超声波换能器连接，用于驱动所述至少一个超声波换能器和处理所述至少一个超声波换能器产生的检测信号，其中，所述至少一个超声波换能器包括：压电叠层，所述压电叠层包括压电层，以及分别位于所述压电层的第一表面和第二表面上的第一电极和第二电极，所述第一表面与所述第二表面彼此相对，其中，所述压电叠层与所述CMOS电路之间电连接，所述压电层由有机压电聚合物组成。

优选地，所述有机压电聚合物包括选自聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚二氯亚乙烯、溴化二异丙胺中的至少一种。

优选地，所述聚偏二氟乙烯-三氟乙烯中的聚偏二氟乙烯与三氟乙烯的摩尔比在60:40至90:10的范围内。

优选地，所述压电层具有经过晶化和极化至少之一处理后的晶相。

优选地，还包括覆盖在所述压电层表面的金属层。

优选地，所述压电层包括以下至少一种纳米颗粒：碳纳米管和还原氧化石墨烯。

优选地，所述CMOS电路包括衬底和在衬底上形成的至少一个晶体管。

优选地，所述CMOS电路还包括位于所述至少一个晶体管上的多个布线层和多个层间介质层，所述多个布线层由所述多个层间介质层分隔成多个不同的层面。

优选地，还包括：位于所述CMOS电路和所述压电叠层之间的绝缘层；所述绝缘层中分别到达所述多个布线层中的至少一个布线层的第一开口和第二开口；穿过所述第一开口将所述第一电极连接至所述至少一个布线层的第一接触；以及穿过所述压电层和所述第二开口将所述第二电极连接至所述至少一个布线层的第二接触。

优选地，所述第二接触与所述第一电极彼此隔开。

优选地，所述第一电极与所述第一接触由同一个导电层形成，所述第一接触填充所述第一开口。

优选地，还包括：穿过所述压电层和所述第一开口到达所述至少一个布线层的第一通孔、穿过所述压电层到达所述第一电极的第三通孔，所述第一接触在所述压电层表面延伸且填充所述第一通孔和所述第三通孔，从而是将所述第一电极连接至所述至少一个布线层。

优选地，还包括形成穿过所述压电层和所述第二开口到达所述至少一个布线层的第二通孔，所述第二接触填充所述第二通孔。

优选地，还包括：位于所述压电层的第一表面上的衬垫；穿过所述压电层和将所述第二电极连接至所述衬垫的第二接触；以及将所述压电叠层粘接到所述CMOS电路上的第一粘接层，其中，所述第一粘接层由各向异性导电粘合剂组成，位于所述第一电极与所述至少一个布线层之间，以及所述衬垫与所述至少一个布线层之间，所述第一电极经由所述第一粘接层连接至所述至少一个布线层，所述第二电极经由所述第二接触、所述衬垫和所述第一粘接层连接至所述至少一个布线层。

优选地，还包括：位于所述压电叠层上的钝化层。

优选地，还包括：位于所述钝化层上的第二粘接层；以及位于所述第二粘接层上的压板。

优选地，所述压板由选自以下材料的任一种组成：塑料、陶瓷、蓝宝石、金属、合金、聚碳酸酯和玻璃。

优选地，所述压电层的厚度在5微米至20微米的范围内。

优选地，所述至少一个超声波换能器形成阵列。

根据本实用新型实施例的超声波传感器，在CMOS电路上堆叠超声波换能器，因而无需采用共晶键合连接不同的管芯，因而降低了制造成本和提高了成品率。由于在同一个管芯中集成CMOS电路和超声波换能器，因此可以提高扫描识别速度。

在该方法中，采用有机压电聚合物形成压电层，从而可以简化制造工艺、降低成本和提高良率。

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1a至1c示出超声波传感器的工作原理；

图2示出超声波传感器的分解透视图；

图3示出根据本实用新型第一实施例的超声波传感器制造方法的流程图；

图4a至4h示出根据本实用新型第一实施例的超声波传感器制造方法的不同阶段的截面图；

图5a和5b示出根据本实用新型第二实施例的超声波传感器制造方法的一部分阶段的截面图。

图6a至6f示出根据本实用新型第三实施例的超声波传感器制造方法的一部分阶段的截面图。

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1a至1c示出超声波传感器的工作原理。超声波传感器100包括堆叠的CMOS电路110、超声波换能器120、压板130。CMOS电路110与超声波换能器120连接，用于驱动超声波换能器120和处理超声波换能器120产生的检测信号。压板130提供手指触摸的表面以及保护超声波换能器120。

如图1a所示，在工作状态中，手指触摸压板130的表面。在替代的实施例中，手指可以直接触摸超声波换能器120的表面，从而可以省去压板130。

如图1b所示，CMOS电路110提供激励信号，激励信号传送到超声波换能器120，超声波换能器120发射超声波信号180。该超声波信号180到达压板130的表面，进一步到达手指表面。手指表面的指纹是表皮上的突起纹路，包括凸起的纹峭和凹进的纹峪。

如图1c所示，超声波180传送至压板130接触的手指表面被吸收、反射，其中，在与空气接触的压板130的手指表面的某些位置(例如手指中的纹峪)，大部分超声波被反射。超声波换能器120接收反射的超声波信号190，从而产生检测信号。该检测信号传送至CMOS信号处理电路进行分析处理，从而可以获得手指表面的突出状态。在该实施例中，超声波换能器120多个排列成阵列的换能器单元1201，因而可以获得多个位置的指纹突出状态，形成相应区域的指纹图案。

在超声波发射阶段，CMOS电路110在此过程中提供产生一个或者多个超声波信号的时序信号，作为激励信号。超声波换能器120例如包括压电层，在压电层的两侧表面施加激励信号，使得压电层发生机械形变，从而产生超声波180。此超声波通过压板130传送至识别对象，例如手指或手掌。所述的超声波未被检测对象吸收或者发射的部分可被反射，形成反射超声波190，穿过压板130传送回超声波换能器120。在超声波接收阶段，超声波换能器120将反射超声波190转换为局部电荷，形成检测信号。该检测信号传送至CMOS电路，CMOS电路分析处理信号，根据信号建构识别手指表面的指纹图案，作出鉴别动作。

该超声波传感器不仅可以用于指纹传感器，而且可以用于掌纹传感器。

图2示出超声波传感器的分解透视图。超声波传感器100包括堆叠的压板130、超声波换能器120、CMOS电路110。

压板130提供手指触摸的表面以及保护超声波换能器120。进一步地，压板130应该有良好的声学特性，以减小超声波在压板130中传送时的损耗。例如，压板130可以为在声学上耦合到超声波换能器120的任何材料，如塑料、陶瓷、蓝宝石、金属、合金、聚碳酸酯及玻璃。在一些实施例中，压板130例如为玻璃片。在另一些实施例中，压板130例如为铝或不锈钢。

超声波换能器120包括排列成阵列的多个换能器单元1201。所述多个换能器单元1201可以包括公共的压电层，以及分别位于压电层的下表面和上表面的各自的第一电极和第二电极，从而形成叠层结构。

第一电极和第二电极可以由导电材料组成，包括金属导电材料和非金属导电材料。金属导电材料例如为Al、Al-Si合金、Cu、Ni-Cu、Au、Cr-Au、Pt-AU、Cr-Al、CrCu、Ag。非金属导电材料例如为导电氧化物、导电墨水或导电胶。导电氧化物例如为氧化铟锡(ITO)。导电墨水例如为银系墨水。导电胶例如为银系的环氧树脂、聚氨基甲酸酯。

压电层由压电聚合物组成。在该实施例中，压电聚合物满足适当的声学性质，例如介于2.5MRayl～5MRayl之间的声阻，如PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF-TrFe(聚偏二氟乙烯-三氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、PVDC(聚二氯亚乙烯)、DIPAB(溴化二异丙胺)。PVDF共聚物的实例包含摩尔比60:40的PVDF-TrFe、70:30 PVDF-TrFe、80:20 PVDF-TrFe、90:10 PVDF-TrFe。

CMOS电路110包括多个电路单元，分别具有与相应的换能器单元相连接的接触1101和相应的放大器1102。放大器1102例如由多个晶体管组成。优选地，CMOS电路110还可以包括模数转换器1103，与放大器1102的输出端相连接，从而将检测信号转换成数字信号。超声波换能器120电连接的CMOS电路的制造工艺是公知的，在此不再详细描述。

图3示出根据本实用新型第一实施例的超声波传感器制造方法的流程图，图4a至4h示出该方法的不同阶段的截面图。以下结合图3、图4a至4h说明超声波传感器的制造方法的实例。为了清楚起见，在图中仅示出CMOS电路110的两个晶体管，以及超声波换能器120的一个换能器单元。应当理解，可以在一个管芯中同时形成多个晶体管以形成多个放大器，以及形成多个换能器单元且排列形成阵列。

在步骤S10中，形成用于信号处理电路的CMOS电路。

该CMOS电路例如包括至少一部分形成在衬底101中的多个晶体管，以及在所述多个晶体管上方依次堆叠的第一层间介质层106、第一布线层107、第二层间介质层108和第二布线层109。作为示例，在图4a示出了仅仅一个P型晶体管和仅仅一个N型晶体管。在P型衬底101中形成N型阱区102。然后，在N型阱区102中形成P型晶体管的源/漏区103。在P型衬底101中形成N型晶体管的源/漏区104。在P型衬底101和N型阱区102上形成依次堆叠的栅极电介质111和栅极导体105。在P型晶体管中，栅极导体105与N型阱区102之间由栅极电介质111隔开，栅极导体105在相邻的源/漏区之间横向延伸，使得N型阱区102位于栅极导体105下方的一部分作为沟道区。在N型晶体管中，栅极导体105与P型衬底101之间由栅极电介质111隔开，栅极导体105在相邻的源/漏区之间横向延伸，使得P型衬底101位于栅极导体105下方的一部分作为沟道区。P型晶体管的源/漏区103和N型晶体管的源/漏区104以及栅极导体105可以经由导电通道与第一布线层107和第二布线层109中的任一个电连接。

在替代的实施例中，CMOS电路110中的晶体管不限于两个，而是可以包括至少一个晶体管，CMOS电路110中的层间介质层不仅于两个，而是可以包括至少一个层间介质层，CMOS电路110中的布线层不限于两个，而是可以包括至少一个布线层。

用于形成CMOS电路110的工艺是已知的，在此不再详述。

在步骤S20中，在CMOS电路110上形成超声波换能器120。在图4a-4g中示出了步骤S20的更详细的步骤。

如图4a所示，在层间介质层108上形成绝缘层121，以及进行图案化从而形成开口151。绝缘层121例如由选自氧化硅、氮化硅任一种的材料组成。例如，可以采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)形成氧化硅层作为该绝缘层。绝缘层121的厚度例如为0.2微米至1微米。

在该步骤中，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，将绝缘层121图案化，从而在绝缘层121中形成开口151和152。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。

在图案化之后，开口151和152暴露CMOS电路110中的第二布线层109的至少一部分表面。

进一步地，如图4b所示，在绝缘层121形成导电层，以及进行图案化，从而形成第一电极122和第一接触122A，从而形成第一半导体结构。

在该步骤中，用于形成导电层的工艺例如是蒸发。该导电层例如由Ag组成，厚度约为0.1微米至1微米。采用上述的光刻和蚀刻工艺，将该导电层图案化。

在第一半导体结构中，导电层的一部分位于绝缘层121上形成第一电极122，另一部分填充开口151形成第一接触122A。第一接触122A穿过绝缘层121，将第一电极122连接至第二布线层109。绝缘层121的一部分表面以及开口152未受到第一电极122的遮挡。因此，开口152暴露第二布线层109的至少一部分表面，用于随后形成的电极的电连接。

替代地，第一电极122和第一接触122A可以由于任意的导电材料组成，包括金属导电材料和非金属导电材料。金属导电材料例如为Al、Al-Si合金、Cu、Ni-Cu、Au、Cr-Au、Pt-AU、CrAl、CrCu、Ag。非金属导电材料例如为导电氧化物、导电墨水或导电胶。导电氧化物例如为氧化铟锡(ITO)。导电墨水例如为银系墨水。导电胶例如为银系的环氧树脂、聚氨基甲酸酯。

替代地，图案化导电层的步骤可以采用剥离(Lift-off)工艺，其中，在形成导电层之前，采用光刻工艺形成光刻胶掩模，在形成导电层之后，在去除光刻胶掩模的同时去除导电层的部分，从而将导电层图案化。

进一步地，如图4c所示，在第一半导体结构的表面上形成压电层123。压电层123不仅覆盖第一电极122和绝缘层121的暴露表面，而且压电层123的一部分还填充开口152。

在该实施例中，该压电层123例如为有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层，厚度例如为5微米至20微米。用于形成压电层123的工艺例如包括制作混合液、旋涂、烘烤、晶化和极化处理。

混合液是通过将有机粉末添加到溶剂中进行高速搅拌形成的有机胶状混合液。例如，使用搅拌器以2000转每分钟的数度搅拌10分钟。在一个实施例中，该混合液包括75-25％摩尔质量的PVDF(偏聚氟乙烯)，采用的有机溶剂是20％的2-丁酮溶液。

替代地，压电聚合物可以由任意的压电聚合物组成，仅仅需要满足适当的声学性质，例如介于2.5MRayl～5MRayl之间的声阻。压电聚合物包括但不限于PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF-TrFe(聚偏二氟乙烯-三氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、PVDC(聚二氯亚乙烯)、DIPAB(溴化二异丙胺)。在一个实例中，添加到溶剂中的有机粉末为PVDF-TrFe(偏聚氟乙烯-三氟乙烯)。PVDF共聚物的实例包括摩尔比60:40的PVDF-TrFe、70:30 PVDF-TrFe、80:20PVDF-TrFe、90:10 PVDF-TrFe。

接着，将混合液涂敷在第一半导体结构的表面上，然后放置在匀胶机上，采用旋涂法成膜。在旋涂中，转速例如为35000转每分钟，时间例如为45秒。通过控制转速和时间，可以在第一半导体结构表面上形成厚度均匀的薄膜且控制其膜厚。

在替代的实施例中，可以采用喷涂法或流延法成膜。在喷涂法中，采用喷涂机在第一半导体结构的表面上形成混合液的液膜，混合液的流量例如为5毫升每分钟，喷嘴的移动速度例如为120毫米每钞。

接着，将第一半导体结构放置在烘箱中进行烘干，以除去有机溶剂，从而获得有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层。在烘干中，烘箱中的真空度例如为100Torr，温度例如为50摄氏度，时间例如为10分钟。

接着，对有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层进行晶化处理。有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层的晶化温度为135摄氏度(居里点)～160摄氏度(熔点)。优选的温度为140摄氏度。晶化时间例如为1小时。在晶化之后，有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层例如为α晶相。

接着，对有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层进行极化处理，将有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层从α晶相转换为β晶相。在极化处理中，例如采用高电场极化法，电场强度例如大于等于100伏特每微米，极化时间需大于3分钟。优选地，电场强度例如为100伏特每微米，极化时间例如为5分钟。

在替代的实施例中，可以采用轴向拉伸、添加纳米颗粒法、或综合法进行极化处理。例如，在轴向拉伸法中，影响参数有拉伸比例、拉伸温度、拉伸速率、热处理等。在添加纳米颗粒法中，选择合适的纳米颗粒可以提高β晶相含量，纳米颗粒例如是碳纳米管或还原氧化石墨烯。在综合法中，例如在轴向拉伸的同时添加纳米颗粒。

在优选的实施例中，在极化处理之前，在有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层的表面形成金属层，例如银层。在极化处理期间，金属层与有机PVDF(偏聚氟乙烯)胶层之间的粘附力增强，从而可以提高超声波换能器的击穿电压。

进一步地，如图4d所示，在压电层123上形成绝缘层，以及进行图案化以形成开口153，从而形成掩模层124。掩模层124例如由选自Al₂O₃、TiO₂、ZnO、ZrO₂和Ta₂O₅中的任一种组成。在该实施例中，掩模层124例如由Al₂O₃形成，厚度例如为10埃至100埃。

在该步骤中，用于形成掩模层124的工艺例如是原子层沉积(ALD)。在替代的实施例中，掩模层124的工艺可以是任何合适的低温沉积工艺，例如蒸发、溅射等。

接着，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，将绝缘层图案化，从而在绝缘层中形成开口153。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。

在图案化之后，开口153的位置与图4a所示的开口152的位置相对应，从而暴露压电层123的至少一部分表面。

进一步地，如图4e所示，经由掩模层124中的开口153蚀刻压电层123的暴露部分，从而在压电层123中形成到达第二布线层109的通孔154。

该步骤例如采用干法蚀刻，蚀刻剂例如为氧气。由于掩模层124相对于压电层123的耐蚀性，因此，在压电层123中形成的通孔154的位置和形状与掩模层124中的开口153大致对应。

接着，例如采用湿法蚀刻相对于压电层123去除掩模层124。

进一步地，如图4f所示，在压电层123上形成导电层，以及进行图案化，从而形成第二电极126和第二接触126A，从而形成第二半导体结构。

在该步骤中，用于形成导电层的工艺例如是蒸发。该导电层例如由Ag组成，厚度约为0.5微米至2微米。采用上述的光刻和蚀刻工艺，将该导电层图案化。

在第二半导体结构中，导电层的一部分位于压电层123上形成第二电极126，另一部分填充开口154形成第二接触126A。第二接触126A穿过压电层123，将第二电极126连接至第二布线层109。

替代地，第二电极126和第二接触126A可以由于任意的导电材料组成，包括金属导电材料和非金属导电材料。金属导电材料例如为Al、Al-Si合金、Cu、Ni-Cu、Au、Cr-Au、Pt-AU、CrAl、CrCu、Ag。非金属导电材料例如为导电氧化物、导电墨水或导电胶。导电氧化物例如为氧化铟锡(ITO)。导电墨水例如为银系墨水。导电胶例如为银系的环氧树脂、聚氨基甲酸酯。

替代地，图案化导电层的步骤可以采用剥离(Lift-off)工艺，其中，在形成导电层之前，采用光刻工艺形成光刻胶掩模，在形成导电层之后，在去除光刻胶掩模的同时去除导电层的部分，从而将导电层图案化。

进一步地，如图4g所示，例如通过沉积，形成钝化层127以覆盖第二半导体结构的表面，即压电层123和第二电极126的暴露表面，从而形成超声波换能器120。

在该实施例中，钝化层127例如由聚对二甲苯(parylene)组成，厚度例如为0.5微米至10微米。

在该步骤中，用于形成钝化层127的工艺例如为化学气相沉积(CVD)。在替代的实施例中，钝化层可以是任意的绝缘层，包括但不限于有机薄膜、氧化物或氮化物。有机薄膜可以由选自聚对二甲苯、聚酰亚胺、SU-8中任一种组成。氧化物可以是选自Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂、SiO₂中的任一种。氮化物可以是Si₃N₄。用于形成有机薄膜的工艺例如可以是化学气相沉积、旋涂、喷涂中的任一种。用于形成氧化物薄膜的工艺可以是溅射、热氧化中的任一种。用于形成氮化物的工艺可以是溅射。

在步骤S30中，在超声波换能器120上粘接压板132。在图4h中示出了步骤S30的更详细的步骤。

在该步骤中，在超声波换能器120的钝化层127上形成粘接层131，然后在粘接层131上放置压板132。

粘接层131为相对较薄的，具有均匀厚度。结合超声波换能器层可包含任何适当的接合过程，例如真空接合、热压层压、冷压层压、接触式接合或者其他粘合剂粘合过程。液体粘合剂涂覆过程的实例包含施配、网板印刷、丝印法、冲压、凹版印刷、槽缝式涂布、喷涂、刷涂、滚筒、鼓刀涂覆。接合过程中需要避免声学非均匀性，例如气泡、避免细微空隙、条纹、局部分层、水泡、褶、残留物、颗粒、材料不均匀等现象。

一种可选择的粘合剂可为环氧树脂、氰基丙酸酯、硅酮、聚氨基甲酸酯、热塑物、弹性胶粘剂、热固性胶粘剂、UV固化胶粘剂、热固化胶粘剂、热融化胶粘剂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸酯、聚酰胺、接触型胶粘剂及压敏胶粘剂。

较优的粘接层131为各向异性导电粘合剂(ACA)。也可是各向异性导电胶膜(ACF)各向异性导电剂、各向异性导电胶膜在厚度方向上导电，在水平方向上绝缘。

粘接层131也可使用较薄的，具有一定绝缘性的粘合剂，例如三乙氧硅烷(APTES)。APTES在标准温度、压力下为液体，且可以约1至50体积的比例溶于水或者丙酮中。可选用合适的过程将APTES层涂覆至CMOS表面，如浸涂、旋涂、喷涂。也可选择蒸发或者真空沉积的方式。

在粘合过程中，有机压电层需保持冷却，使其一直处于居里温度(135摄氏度)以下。

压板132可为可在声学上耦合到超声波换能器的任何材料，如塑料、陶瓷、蓝宝石、金属、合金、聚碳酸酯及玻璃。在一些实施例中，压板132可以为某种保护装置，如玻璃片。在另一些实施例中，压板132可为铝、不锈钢等。

在上述的实施例中，描述了超声波换能器120的第一电极和第二电极分别经由第一接触和第二接触连接至CMOS电路110的第二布线层。在替代的实施例中，CMOS电路110包括更多个布线层，超声波换能器120的第一电极和第二电极可以分别经由第一接触和第二接触连接至CMOS电路110的任一个相同的布线层，或者任意两个不同的布线层。进一步地，超声波换能器120的第一电极和第二电极经由选定的布线层连接至CMOS电路110的晶体管。

图5a和5b示出根据本实用新型第二实施例的超声波传感器制造方法的一部分阶段的截面图。在第二实施例中，超声波换能器120的第一电极122经由压电层123的上表面连接至第二布线层109。

在该方法中，在图4a至4d的步骤之后，替代图4e和4f所示的步骤，进一步执行图5a和5b所示的步骤。应当注意，在第二实施例的方法中，超声波换能器120的第一电极122未与第一接触122A同时形成。第二电极122与开口151隔开预定距离。

进一步地，如图5a所示，经由掩模层124中的开口153蚀刻压电层123的暴露部分，从而在压电层123中形成到达第二布线层109的通孔154和155，以及到达第一电极122的通孔156。

该步骤例如采用干法蚀刻，蚀刻剂例如为氧气。由于掩模层124相对于压电层123的耐蚀性，因此，在压电层123中形成的通孔154的位置和形状与开口152大致对应，通孔155的位置和形状与开口151大致对应，分别暴露第二布线层109的至少一部分表面。在压电层123中形成的开口156暴露第一电极122的至少一部分表面。

接着，例如采用湿法蚀刻相对于压电层123去除掩模层124。

进一步地，如图5b所示，在压电层123上形成导电层，以及进行图案化，从而形成第二电极126和第一接触122A、第二接触126A，从而形成第二半导体结构。

在该步骤中，用于形成导电层的工艺例如是蒸发。该导电层例如由Ag组成，厚度约为0.5微米至2微米。采用上述的光刻和蚀刻工艺，将该导电层图案化。

在第二半导体结构中，导电层的第一部分在压电层123的表面延伸且填充开口155和156形成第一接触122A，第二部分位于压电层123上形成第二电极126，第三部分填充开口154形成第二接触126A。第一接触122A穿过压电层123，将第一电极122连接至压电层123的上表面然后再次穿过压电层123从压电层123的上表面连接至第二布线层109。第二接触126A穿过压电层123，将第二电极126连接至第二布线层109。

替代地，第二电极126和第一接触122A、第二接触126A可以由于任意的导电材料组成，包括金属导电材料和非金属导电材料。金属导电材料例如为Al、Al-Si合金、Cu、Ni-Cu、Au、Cr-Au、Pt-AU、CrAl、CrCu、Ag。非金属导电材料例如为导电氧化物、导电墨水或导电胶。导电氧化物例如为氧化铟锡(ITO)。导电墨水例如为银系墨水。导电胶例如为银系的环氧树脂、聚氨基甲酸酯。

替代地，图案化导电层的步骤可以采用剥离(Lift-off)工艺，其中，在形成导电层之前，采用光刻工艺形成光刻胶掩模，在形成导电层之后，在去除光刻胶掩模的同时去除导电层的部分，从而将导电层图案化。

进一步地，继续执行图4g和4h所示的步骤，从而形成超声波传感器的其余部分。

图6a至6f示出根据本实用新型第三实施例的超声波传感器制造方法的一部分阶段的截面图。在第三实施例中，在形成超声波换能器120的压电叠层之后，采用各向异性导电粘合剂将压电叠层粘接到CMOS电路110上。

在该方法中，替代图4a和4f所示的步骤，执行图6a和6f所示的步骤。

如图6a所示，形成压电层123。在后续的步骤中，该压电层123自身可以作为支撑层。

在该实施例中，该压电层123例如为有机PVDF(偏聚氟乙烯)薄膜，厚度例如为5微米至20微米。用于形成压电层123的工艺例如包括制作混合液、旋涂、烘烤、晶化和极化处理。

在根据第三实施例的方法中，用于形成压电层的工艺与第一实施例相同，在此不再详述。

进一步地，如图6b所示，在压电层123的第一表面(例如，图中的下表面)上形成导电层，以及进行图案化，从而形成第一电极122和衬垫126B，从而形成第一半导体结构。第一电极122和衬垫126B彼此隔开。衬垫126B将用于随后形成的第二电极的电连接。

在根据第三实施例的方法中，用于形成第一电极和衬垫的工艺与第一实施例相同，在此不再详述。

进一步地，如图6c所示，在压电层123的第二表面(例如，图中的上表面)上形成绝缘层，以及进行图案化以形成开口153，从而形成掩模层124。开口153的形状和位置与衬垫126B大致对应。掩模层124例如由选自Al₂O₃、TiO₂、ZnO、ZrO₂和Ta₂O₅中的任一种组成。在该实施例中，掩模层124例如由Al₂O₃形成，厚度例如为10埃至100埃。

在根据第三实施例的方法中，用于形成掩模层的工艺与第一实施例相同，在此不再详述。

进一步地，如图6d所示，经由掩模层124中的开口153蚀刻压电层123的暴露部分，从而在压电层123中形成到达衬垫126B的通孔154。

在根据第三实施例的方法中，用于形成通孔的工艺与第一实施例相同，在此不再详述。

进一地，如图6e所示，在压电层123上形成导电层，以及进行图案化，从而形成第二电极126和第二接触126A，从而形成第二半导体结构。该第二半导体结构为第一电极122、压电层123和第二电极126组成的压电叠层。

在第二半导体结构中，导电层的一部分位于压电层123上形成第二电极126，另一部分填充开口154形成第二接触126A。第二接触126A穿过压电层123，将第二电极126连接至衬垫126B。

在根据第三实施例的方法中，用于形成第二电极和第二接触的工艺与第一实施例相同，在此不再详述。

进一步地，如图6f所示，采用各向异性导电粘合剂，将导电叠层粘接到CMOS电路110上。该各向异性导电粘合剂形成粘接层128，位于压电层123的第一表面和CMOS电路110的第二层间介质层108之间。

各向异性导电粘合剂在厚度方向上导电，在水平方向上绝缘。因此，粘接层128不仅用于将导电叠层粘接在CMOS电路110上，而且实现第一电极122和衬垫126B与第二布线层109之间的电连接。第一电极122经由粘接层128连接至第二布线层109，第二电极126经由第二接触126A、衬垫126B和粘接层128连接至第二布线层。进一步地，超声波换能器120的第一电极和第二电极经由选定的布线层连接至CMOS电路110的晶体管。

进一步地，继续执行图4g和4h所示的步骤，从而形成超声波传感器的其余部分。

在生产制造方面，该超声波传感器制造方法与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，超声波传感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，超声波传感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 (17)

1.一种超声波传感器，其特征在于，包括：

CMOS电路；以及

至少一个超声波换能器，

其中，所述CMOS电路与所述至少一个超声波换能器连接，用于驱动所述至少一个超声波换能器和处理所述至少一个超声波换能器产生的检测信号，

其中，所述至少一个超声波换能器包括：

压电叠层，所述压电叠层包括压电层，以及分别位于所述压电层的第一表面和第二表面上的第一电极和第二电极，所述第一表面与所述第二表面彼此相对，

其中，所述压电叠层与所述CMOS电路之间电连接，所述压电层由有机压电聚合物组成。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述有机压电聚合物包括选自聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚四氟乙烯、聚二氯亚乙烯、溴化二异丙胺中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电层具有经过晶化和极化至少之一处理后的晶相。

4.根据权利要求3所述的超声波传感器，还包括覆盖在所述压电层表面的金属层。

5.根据权利要求4所述的超声波传感器，其特征在于，所述压电层包括以下至少一种纳米颗粒：碳纳米管和还原氧化石墨烯。

6.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述CMOS电路包括衬底和在衬底上形成的至少一个晶体管。

7.根据权利要求6所述的超声波传感器，其特征在于，所述CMOS电路还包括位于所述至少一个晶体管上的多个布线层和多个层间介质层，所述多个布线层由所述多个层间介质层分隔成多个不同的层面。

8.根据权利要求7所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

位于所述CMOS电路和所述压电叠层之间的绝缘层；

所述绝缘层中分别到达所述多个布线层中的至少一个布线层的第一开口和第二开口；

穿过所述第一开口将所述第一电极连接至所述至少一个布线层的第一接触；以及

穿过所述压电层和所述第二开口将所述第二电极连接至所述至少一个布线层的第二接触。

9.根据权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，所述第二接触与所述第一电极彼此隔开。

10.根据权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，所述第一电极与所述第一接触由同一个导电层形成，所述第一接触填充所述第一开口。

11.根据权利要求8所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：穿过所述压电层和所述第一开口到达所述至少一个布线层的第一通孔、穿过所述压电层到达所述第一电极的第三通孔，所述第一接触在所述压电层表面延伸且填充所述第一通孔和所述第三通孔，从而是将所述第一电极连接至所述至少一个布线层。

12.根据权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，还包括形成穿过所述压电层和所述第二开口到达所述至少一个布线层的第二通孔，所述第二接触填充所述第二通孔。

13.根据权利要求11所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

位于所述压电层的第一表面上的衬垫；

穿过所述压电层和将所述第二电极连接至所述衬垫的第二接触；以及

将所述压电叠层粘接到所述CMOS电路上的第一粘接层，

其中，所述第一粘接层由各向异性导电粘合剂组成，位于所述第一电极与所述至少一个布线层之间，以及所述衬垫与所述至少一个布线层之间，

所述第一电极经由所述第一粘接层连接至所述至少一个布线层，

所述第二电极经由所述第二接触、所述衬垫和所述第一粘接层连接至所述至少一个布线层。

14.根据权利要求13所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

位于所述压电叠层上的钝化层。

15.根据权利要求14所述的超声波传感器，其特征在于，还包括：

位于所述钝化层上的第二粘接层；以及

位于所述第二粘接层上的压板。

16.根据权利要求15所述的超声波传感器，其特征在于，所述压板由选自以下材料的任一种组成：塑料、陶瓷、蓝宝石、金属、合金、聚碳酸酯和玻璃。

17.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于，所述至少一个超声波换能器形成阵列。