專利名稱：電容式超聲傳感器及其制備方法
電容式超聲傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種電容式超聲傳感器及其制備方法。背景技術(shù)：
自上世紀(jì)50年代初醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備問(wèn)世以來(lái)，超聲一直在醫(yī)學(xué)成像設(shè)備市場(chǎng)占據(jù)著很大的份額。醫(yī)用超聲波可以看穿肌肉及軟組織，使得這項(xiàng)技術(shù)常用來(lái)掃描很多器官，以協(xié)助醫(yī)療上的診斷和治療。產(chǎn)科超聲波也常用在懷孕時(shí)期的檢查。隨著3D和4D等新技術(shù)的不斷完善，使超聲影像質(zhì)量不斷提高，并因此使臨床效果得到改善。超聲設(shè)備中的核心器件就是超聲傳感器，它是設(shè)備中負(fù)責(zé)發(fā)射或接收超聲波的結(jié)構(gòu)。目前，實(shí)際應(yīng)用中最為成熟、幾乎占據(jù)了全部市場(chǎng)的傳感器產(chǎn)品是壓電陶瓷超聲傳感器 (PZjTs)?；诠璧碾娙菔轿⒓庸こ晜鞲衅?capacitiveultrasonic transducers, CMUTs) 的第一電極層固定，第二電極層可移動(dòng)。發(fā)射時(shí)在上下兩極板間施加某恒定的直流電壓基礎(chǔ)上，再施加一高頻的小幅交流電，使得第二電極層同時(shí)以同樣的頻率上下移動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。與PZTs相比，CMUTs有如下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)UCMUTs能采用標(biāo)準(zhǔn)IC工藝實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，因此能夠很容易集成外圍的各種信號(hào)處理電路，這既能大大提高芯片和整機(jī)的良率和信噪比，也能大大降低工藝成本，利于產(chǎn)業(yè)化，大大增加利潤(rùn)空間，而這對(duì)于使用鉛，鋅，鈦等材料制造的壓電式超聲傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)。2、傳統(tǒng)的PZTs因?yàn)楸砻嫘枰厥鈮弘姴牧虾图庸すに嚕叽绫容^大，而使用微加工工藝制造的CMUTs尺寸非常微小，因此CMUTs更容易實(shí)現(xiàn)陣列化，將CMUTs應(yīng)用在多維成像方面(如醫(yī)療超聲診斷)的前景廣闊。3、傳統(tǒng)的PZTs環(huán)境溫度高于居里點(diǎn)(約350°C)的時(shí)候，其壓電特性會(huì)逐漸消失， 從而導(dǎo)致傳感器失效；而CMUTs的工作溫度范圍通常只受限于薄膜表面的金屬層。因此，對(duì)于常用Al做金屬層的CMUTs來(lái)說(shuō)，通常都可以在高達(dá)500°C的溫度下正常工作。4XMUTs的聲阻抗取決于振動(dòng)薄膜的機(jī)械屬性，因此，對(duì)于一個(gè)給定的工作頻率范圍，可以將CMUTs的聲阻抗設(shè)計(jì)得和周轉(zhuǎn)的環(huán)境相匹配，從而使超聲能量能更有效的輻射出去；5、CMUTs帶寬更寬，噪聲更低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。然而，傳統(tǒng)的CMUTs為上下單層電極結(jié)構(gòu)，靈敏度不高，發(fā)射和接收性能較低。
發(fā)明內(nèi)容基于此，有必要提供至少一種靈敏度高，發(fā)射和接收性能較高的電容式超聲傳感器及其制備方法。一種電容式超聲傳感器，包括摻雜硅襯底、固定在所述摻雜硅襯底上的第一電極層以及間隔設(shè)置在所述第一電極層上的第二電極層；所述第一電極層包括固定在所述摻雜硅襯底上的絕緣層、固定在所述絕緣層外沿的側(cè)邊電極以及固定在所述絕緣層中間的中間電極，所述側(cè)邊電極與所述中間電極通過(guò)所述絕緣層隔開；所述第二電極層通過(guò)所述絕緣層與所述側(cè)邊電極和所述中間電極隔開，所述絕緣層、所述側(cè)邊電極、所述中間電極以及所述第二電極層圍成作為電容極板間隙的空腔。優(yōu)選的，所述絕緣層邊緣設(shè)有凸起，所述第二電極層與所述凸起接觸，并通過(guò)所述凸起與所述側(cè)邊電極和所述中間電極隔開。優(yōu)選的，所述第二電極層包括網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的上電極以及設(shè)置在所述上電極邊緣并向外延伸的支撐臂，所述支撐臂與所述凸起接觸以支撐所述第二電極層。優(yōu)選的，所述電容式超聲傳感器還包括設(shè)置在所述凸起上的金屬焊盤，以及設(shè)置在所述凸起內(nèi)的、用于連接所述金屬焊盤和所述側(cè)邊電極的導(dǎo)通孔。優(yōu)選的，所述絕緣層材質(zhì)為氧化硅。一種電容式超聲傳感器的制備方法，包括如下步驟步驟一、提供標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路制造工藝制造的半成品，所述半成品以摻雜硅作為襯底，所述襯底表面沉積絕緣層，所述絕緣層表面沉積金屬掩模層，所述金屬掩模層表面沉積鈍化層；所述絕緣層外沿處設(shè)有側(cè)邊電極，所述絕緣層中間設(shè)有中間電極，所述絕緣層內(nèi)還設(shè)有第二電極層和金屬犧牲層，所述金屬犧牲層設(shè)置在所述第二電極層與所述中間電極之間，并被絕緣層隔開；步驟二、以所述金屬掩模層為掩模，干法刻蝕除去鈍化層，并在所述絕緣層上刻蝕所述絕緣層至金屬犧牲層，形成刻蝕及腐蝕窗口 ；步驟三、通過(guò)刻蝕及腐蝕窗口，濕法腐蝕除去所述金屬掩模層和金屬犧牲層，電容上下極板之間形成空腔；步驟四、以所述第二電極層為掩模，干法刻蝕除去未被遮掩的絕緣層結(jié)構(gòu)，所述空腔進(jìn)一步被擴(kuò)大，所述空腔由所述絕緣層、所述側(cè)邊電極、所述中間電極以及所述第二電極層圍成，得到所述電容式超聲傳感器。優(yōu)選的，所述金屬犧牲層具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，步驟二中，金屬犧牲層被除去后形成柱狀結(jié)構(gòu)，所述第二電極層被所述柱狀結(jié)構(gòu)支撐。優(yōu)選的，所述第二電極層為與所述柱狀結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的第二電極層的網(wǎng)孔正對(duì)所述柱狀結(jié)構(gòu)，步驟四中，以所述第二電極層為掩模，所述柱狀結(jié)構(gòu)通過(guò)干法刻蝕除去。優(yōu)選的，所述第二電極層包括網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的上電極以及設(shè)置在所述上電極邊緣并向外延伸的支撐臂；步驟四中，所述空腔形成后，所述支撐臂支撐起所述第二電極層。優(yōu)選的，所述絕緣層邊緣處設(shè)有金屬焊盤，步驟二和步驟四中，干法刻蝕時(shí)金屬焊盤作為掩模，在絕緣層邊緣處形成凸起。這種電容式微加工超聲傳感器的第一電極層采用包括側(cè)邊電極和中間電極的雙層電極結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單層電極結(jié)構(gòu)，靈敏度高，發(fā)射和接收超聲性能均得到提高。

圖1為一實(shí)施方式的電容式微加工超聲傳感器的俯視圖；圖2為圖1所示電容式微加工超聲傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖3為一實(shí)施方式的電容式微加工超聲傳感器的制備方法的流程圖；圖4為圖3所示制備方法步驟SlO提供的半成品的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖3所示制備方法步驟S20干法刻蝕后的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖3所示制備方法步驟S30濕法腐蝕后的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)電容式微加工超聲傳感器及其制備方法做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明。如圖1和圖2所示的一實(shí)施方式的電容式微加工超聲傳感器，包括摻雜硅襯底10、 固定在摻雜硅襯底10上的第一電極層20、間隔設(shè)置在第一電極層20上的第二電極層30。第一電極層20包括固定在摻雜硅襯底10上的絕緣層22、固定在絕緣層22外沿的側(cè)邊電極24、固定在絕緣層22中間的中間電極26、以及固定在絕緣層22邊緣的金屬焊盤27和導(dǎo)通孔觀。側(cè)邊電極M與中間電極沈通過(guò)絕緣層22隔開。絕緣層22邊緣設(shè)有凸起222，金屬焊盤27設(shè)置在凸起222上。導(dǎo)通孔28設(shè)置在凸起222內(nèi)，導(dǎo)通孔金屬焊盤 27和側(cè)邊電極M通過(guò)導(dǎo)通孔28相連。第二電極層30包括網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的上電極32以及設(shè)置在上電極32邊緣并向外延伸的支撐臂34，支撐臂34與凸起222接觸以支撐第二電極層30。第二電極層30通過(guò)支撐臂34搭在凸起222上，與側(cè)邊電極M和中間電極沈隔開，上電極32、絕緣層22、側(cè)邊電極M和中間電極沈圍成作為電容極板間隙的空腔40，這樣使得上電極32懸空。上電極32、側(cè)邊電極M和中間電極沈三者均為標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制程中的盒屬介質(zhì)層。摻雜硅襯底10材質(zhì)上可以是P型硅或是N型硅，絕緣層22的材質(zhì)為絕緣氧化物， 本實(shí)施例中為氧化硅。這種電容式微加工超聲傳感器的第一電極層20采用包括側(cè)邊電極M和中間電極 26的雙層電極結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單層電極結(jié)構(gòu)的第一電極層，靈敏度高，發(fā)射和接收超聲性能均得到提高。如圖3所示的上述電容式微加工超聲傳感器的制備方法，包括如下步驟S10、提供標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路制造工藝制造的半成品如圖4所示的半成品，以摻雜硅制作摻雜硅襯底10，摻雜硅襯底10表面沉積有絕緣層22，絕緣層22表面沉積有金屬掩模層50，金屬掩模層50表面沉積有鈍化層60。絕緣層22內(nèi)設(shè)有彼此絕緣的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，包括外沿處設(shè)有的側(cè)邊電極24，中間設(shè)有的中間電極26，第二電極層30和網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的金屬犧牲層70。金屬犧牲層70設(shè)置在第二電極層30和中間電極26之間，上極板30包括網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的上電極32以及設(shè)置在上電極32邊緣并向外延伸的支撐臂34 (參閱圖2)。S20、進(jìn)行第一次干法刻蝕如圖5所示，以金屬掩模層50為掩模，干法刻蝕除去鈍化層60，并在絕緣層22上刻蝕絕緣層22至金屬犧牲層70，形成刻蝕及腐蝕窗口 42。S30、進(jìn)行濕法腐蝕
如圖6所示，通過(guò)刻蝕及腐蝕窗口 42，濕法腐蝕除去金屬掩模層50和金屬犧牲層 70，在第一電極層20和第二電極層30之間形成空腔40。金屬犧牲層70被除去后形成柱狀結(jié)構(gòu)224，第二電極層30被柱狀結(jié)構(gòu)2M支撐， 且柱狀結(jié)構(gòu)224正對(duì)上電極32網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的孔洞。S40、進(jìn)行第二次干法刻蝕如圖2所示，以第二電極層30為掩模，干法刻蝕除去柱狀結(jié)構(gòu)224以及部分絕緣層22結(jié)構(gòu)，空腔40進(jìn)一步被擴(kuò)大，空腔40由上電極32、絕緣層22、側(cè)邊電極M和中間電極沈圍成，得到電容式超聲傳感器。在優(yōu)選的實(shí)施例中，SlO得到的半成品中絕緣層22邊緣設(shè)有金屬焊盤27，步驟S20 和步驟S40中，干法刻蝕以金屬焊盤作27為掩模，在絕緣層22邊緣形成凸起222。這種電容式微加工超聲傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路制造工藝制造，上電極32、 側(cè)邊電極M和中間電極沈等后續(xù)結(jié)構(gòu)的釋放僅需要進(jìn)行兩次干法刻蝕和一次濕法腐蝕， 工藝簡(jiǎn)單，提高了成品率，可以大幅度降低制造成本，便于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；笊a(chǎn)。濕法腐蝕后形成的懸空的第二電極層30下面具有柱狀結(jié)構(gòu)2M支撐，避免了由于第二電極層30與第一電極板20距離很近，濕法釋放的時(shí)候發(fā)生粘附，使得器件報(bào)廢的問(wèn)題，成功解決了 CMOS工藝中結(jié)構(gòu)層間隙小而結(jié)構(gòu)釋放時(shí)產(chǎn)生的粘附問(wèn)題。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的一種或幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電容式超聲傳感器，其特征在于，包括摻雜硅襯底、固定在所述摻雜硅襯底上的第一電極層以及間隔設(shè)置在所述第一電極層上的第二電極層；所述第一電極層包括固定在所述摻雜硅襯底上的絕緣層、固定在所述絕緣層外沿的側(cè)邊電極以及固定在所述絕緣層中間的中間電極，所述側(cè)邊電極與所述中間電極通過(guò)所述絕緣層隔開；所述第二電極層通過(guò)所述絕緣層與所述側(cè)邊電極和所述中間電極隔開，所述絕緣層、所述側(cè)邊電極、所述中間電極以及所述第二電極層圍成作為電容極板間隙的空腔。
2.如權(quán)利要求1所述的電容式超聲傳感器，其特征在于，所述絕緣層邊緣設(shè)有凸起，所述第二電極層與所述凸起接觸，并通過(guò)所述凸起與所述側(cè)邊電極和所述中間電極隔開。
3.如權(quán)利要求2所述的電容式超聲傳感器，其特征在于，所述第二電極層包括網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的上電極以及設(shè)置在所述上電極邊緣并向外延伸的支撐臂，所述支撐臂與所述凸起接觸以支撐所述第二電極層。
4.如權(quán)利要求2所述的電容式超聲傳感器，其特征在于，所述電容式超聲傳感器還包括設(shè)置在所述凸起上的金屬焊盤，以及設(shè)置在所述凸起內(nèi)的、用于連接所述金屬焊盤和所述側(cè)邊電極的導(dǎo)通孔。
5.如權(quán)利要求1或2所述的電容式超聲傳感器，其特征在于，所述絕緣層材質(zhì)為氧化娃。
6.一種電容式超聲傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、提供標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路制造工藝制造的半成品，所述半成品以摻雜硅作為襯底，所述襯底表面沉積絕緣層，所述絕緣層表面沉積金屬掩模層，所述金屬掩模層表面沉積鈍化層；所述絕緣層外沿處設(shè)有側(cè)邊電極，所述絕緣層中間設(shè)有中間電極，所述絕緣層內(nèi)還設(shè)有第二電極層和金屬犧牲層，所述金屬犧牲層設(shè)置在所述第二電極層與所述中間電極之間，并被絕緣層隔開；步驟二、以所述金屬掩模層為掩模，干法刻蝕除去鈍化層，并在所述絕緣層上刻蝕所述絕緣層至金屬犧牲層，形成刻蝕及腐蝕窗口 ；步驟三、通過(guò)刻蝕及腐蝕窗口，濕法腐蝕除去所述金屬掩模層和金屬犧牲層，在所述第一電極層和所述第二電極層之間形成空腔；步驟四、以所述第二電極層為掩模，干法刻蝕除去未被遮掩的絕緣層結(jié)構(gòu)，所述空腔進(jìn)一步被擴(kuò)大，所述空腔由所述絕緣層、所述側(cè)邊電極、所述中間電極以及所述第二電極層圍成，得到所述電容式超聲傳感器。
7.如權(quán)利要求6所述的電容式超聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述金屬犧牲層具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，步驟二中，金屬犧牲層被除去后形成柱狀結(jié)構(gòu)，所述第二電極層被所述柱狀結(jié)構(gòu)支撐。
8.如權(quán)利要求7所述的電容式超聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述第二電極層為與所述柱狀結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的第二電極層的網(wǎng)孔正對(duì)所述柱狀結(jié)構(gòu)，步驟四中，以所述第二電極層為掩模，所述柱狀結(jié)構(gòu)通過(guò)干法刻蝕除去。
9.如權(quán)利要求8所述的電容式超聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述第二電極層包括網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的上電極以及設(shè)置在所述上電極邊緣并向外延伸的支撐臂；步驟四中，所述空腔形成后，所述支撐臂支撐起所述第二電極層。
10.如權(quán)利要求6所述的電容式超聲傳感器的制備方法，其特征在于，所述絕緣層邊緣處設(shè)有金屬焊盤，步驟二和步驟四中，干法刻蝕時(shí)金屬焊盤作為掩模，在絕緣層邊緣處形成凸起。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容式超聲傳感器，包括摻雜硅襯底、固定在摻雜硅襯底上的第一電極層以及間隔設(shè)置在第一電極層上的第二電極層；第一電極層包括固定在摻雜硅襯底上的絕緣層、固定在絕緣層外沿的側(cè)邊電極以及固定在絕緣層中間的中間電極，側(cè)邊電極與中間電極通過(guò)絕緣層隔開；第二電極層通過(guò)絕緣層與側(cè)邊電極和中間電極隔開，絕緣層、側(cè)邊電極、中間電極以及第二電極層圍成作為電容極板間隙的空腔。這種電容式微加工超聲傳感器的第一電極層采用包括側(cè)邊電極和中間電極的雙層電極結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單層電極結(jié)構(gòu)，靈敏度高，發(fā)射和接收超聲性能均得到提高。本發(fā)明還提供一種上述電容式超聲傳感器的制備方法。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102178545SQ20111003720
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者于峰崎, 俞挺 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院