集成化電容式微加工超聲換能器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種集成化電容式微加工超聲換能器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲換能器是實(shí)現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的部件，即在超聲頻率范圍內(nèi)將交變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲換能器及陣列探頭是超聲檢測(cè)與超聲成像技術(shù)中的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷與治療、水下通信與探測(cè)、缺陷無(wú)損檢測(cè)、測(cè)距定位、遙感與遙控等技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)提高人口素質(zhì)、保障身心健康、提升產(chǎn)品質(zhì)量、海底資源探測(cè)、維護(hù)國(guó)家安全等方面都具有重要意義。
[0003]傳統(tǒng)壓電陶瓷(PZT)超聲換能器因具有機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、易與電路匹配、性能穩(wěn)定、易加工和成本低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。但是由于壓電陶瓷材料存在聲阻抗高，不易與人體軟組織及水的聲阻抗匹配；機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高，帶寬窄；脆性大、抗張強(qiáng)度低、高密度陣元及超薄高頻換能器不易加工等缺陷，從而越來(lái)越制約其應(yīng)用的空間。
[0004]與PZT超聲換能器相比，電容式微加工超聲換能器具有頻帶寬、精度高、成本低、聲阻抗低、工作溫度范圍寬等優(yōu)勢(shì)，另外，電容式微加工超聲換能器通常采用微電子加工技術(shù)制作，陣元尺寸小，易制作出高密度陣元，易實(shí)現(xiàn)更高頻率成像和二維面陣制作；其工作狀態(tài)可通過(guò)直流偏壓來(lái)調(diào)節(jié)以得到最佳的靈敏度和帶寬。然而現(xiàn)有的電容式微加工超聲換能器振膜位移小，導(dǎo)致接收發(fā)射性能較差；存在較大的寄生電容，降低靈敏度；因單個(gè)單元信號(hào)太弱，通常將若干單元并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)陣元，影響換能器的微型化。因此，需要提出更好的結(jié)構(gòu)以解決電容式微加工超聲換能器目前存在的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種集成化電容式微加工超聲換能器結(jié)構(gòu)及其制備方法，本發(fā)明的集成化電容式微加工超聲換能器靈敏高，也更容易實(shí)現(xiàn)微型化。
[0006]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):集成化電容式微加工超聲換能器的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)在玻璃基底上沉積二氧化硅薄膜，作為過(guò)渡層；
[0008](2)在二氧化硅薄膜上沉積第一金屬薄膜層，對(duì)第一金屬薄膜層進(jìn)行刻蝕，形成薄膜晶體管(TFT)的源、漏電極；
[0009](3)在步驟(2)處理后的基底上沉積氧化鋅基半導(dǎo)體薄膜層，對(duì)氧化鋅基半導(dǎo)體薄膜層刻蝕，形成薄膜晶體管的半導(dǎo)體有源層；
[0010](4)在半導(dǎo)體薄膜層上沉積絕緣膜，形成薄膜晶體管的柵介質(zhì)層；
[0011](5)在絕緣膜上制備第二金屬膜層，刻蝕形成薄膜晶體管的柵電極；所述第二金屬膜層同時(shí)也作為電容式微加工超聲換能器(CMUT)的下電極；
[0012](6)在電容式微加工超聲換能器的下電極上沉積第一氮化硅薄膜，對(duì)第一氮化硅薄膜進(jìn)行刻蝕，形成凹槽；
[0013](7)在高摻雜硅基片上沉積第二氮化硅薄膜；
[0014](8)將第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜通過(guò)晶片鍵合技術(shù)粘接，在兩層氮化硅薄膜之間形成微空腔；
[0015](9)對(duì)第二氮化硅薄膜上的高摻雜硅基片進(jìn)行刻蝕剝離；
[0016](10)在第二氮化硅薄膜上沉積第三金屬膜層，并對(duì)第三金屬膜層進(jìn)行刻蝕，形成電容式微加工超聲換能器的上電極；
[0017](11)在電容式微加工超聲換能器的上電極上制備環(huán)氧樹(shù)脂膜，作為超聲波耦合層。
[0018]步驟(8)所述微空腔為真空腔或空氣腔。
[0019]所述二氧化娃薄膜的厚度為100?200納米；所述第一金屬薄膜層的厚度為100?200納米；所述氧化鋅基半導(dǎo)體薄膜層的厚度為20?50納米；所述絕緣膜的厚度為100?300納米；所述第二金屬膜層的厚度為100?200納米；所述第一氮化硅薄膜的厚度為0.5?2微米；所述第二氮化硅薄膜的厚度為0.3?I微米；所述第三金屬膜層的厚度為100?200納米。
[0020]所述凹槽的深度為0.4?2.0微米，底面直徑為5?100微米。
[0021]所述的集成化電容式微加工超聲換能器的制備方法得到的集成化電容式微加工超聲換能器，由集成在玻璃基底上的薄膜晶體管和電容式微加工超聲換能器組成。
[0022]所述集成化電容式微加工超聲換能器用作超聲發(fā)射器時(shí)，在電容式微加工超聲換能器的上電極和薄膜晶體管的柵電極之間加直流偏置電壓和交變電信號(hào)；
[0023]所述集成化電容式微加工超聲換能器用作超聲接收器時(shí)，在電容式微加工超聲換能器的上電極和薄膜晶體管的柵電極之間加直流偏置電壓，外來(lái)超聲信號(hào)引起電容式微加工超聲換能器的電容發(fā)生變化，通過(guò)柵極耦合至薄膜晶體管，經(jīng)薄膜晶體管前置放大，最后由源、漏端將信號(hào)傳送到后端處理。
[0024]本發(fā)明的超聲換能器采用CMUT作為超聲波的發(fā)射與接收單元，提高了超聲換能器的精度、頻帶寬度、陣元密度，利用CMUT的低聲阻抗，與水和有機(jī)體形成良好的聲阻抗匹配。采用氧化鋅基薄膜晶體管作為超聲波接收端的內(nèi)置信號(hào)放大電路，彌補(bǔ)了單一電容式微加工超聲換能器振膜位移小帶來(lái)的接收發(fā)射性能較差，從而有效地提高了靈敏度和信噪比，改善抗干擾能力。同時(shí)，本發(fā)明的超聲換能器采用微電子加工技術(shù)制作，陣元尺寸小，可方便實(shí)現(xiàn)更高頻率成像和一維線陣、二維面陣的制作。
[0025]本發(fā)明的超聲換能器與現(xiàn)有的集成化超聲換能器相比，由于采用了 CMUT作為超聲波的發(fā)射與接收單元，高載流子迀移率的氧化鋅基薄膜晶體管作為接收端的前置放大，因此具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0026]1、采用CMUT作超聲波的發(fā)射與接收，提高了精度和頻帶寬度；
[0027]2、CMUT與TFT直接集成，減小了寄生電容，提高靈敏度、信噪比和抗干擾能力；
[0028]3、無(wú)需若干個(gè)CMUT單元并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)陣元，縮小了線陣和面陣的尺寸；
[0029]4、采用玻璃作為基底，降低制造成本，便于推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的集成化電容式微加工超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0032]實(shí)施例
[0033]如圖1所示，本實(shí)施例的集成化電容式微加工超聲換能器，由集成在玻璃基底上的薄膜晶體管和電容式微加工超聲換能器組成，具體包括由玻璃基底1、過(guò)渡層2、TFT的源電極301、漏電極302、TFT的半導(dǎo)體有源層4、TFT的柵絕緣層5、TFT的柵電極6 (同時(shí)充當(dāng)CMUT的下電極)、CMUT的第一氮化硅薄膜7、CMUT的微空腔8、CMUT的第二氮化硅薄膜9、C