一种压电微型超声换能器及其制备方法与流程

本发明属于硅微机械传感器领域，涉及一种超声换能器及其制备方法，特别是涉及一种压电微型超声换能器及其制备方法。

背景技术：

超声换能器已经在许多领域取得了广泛的应用，例如：无损检测、目标识别、医学成像等等。传统的超声换能器大多基于体压电陶瓷制作，与空气或液体的声学耦合较差，同时，在三维成像领域，将体压电材料加工成二维传感器阵列的成本高昂，这些都限制了传统超声换能器的应用。

随着微机电系统(micro-electromechanicalsystem，mems)技术的不断进步，mems传感器以其芯片结构尺寸更小、制作成本更低、性能更出众和后续安装应用成本更低的等优势在各行各业得到了广泛应用，利用mems技术开发的微型超声换能器也获得了越来越多研究人员的关注。微型超声换能器往往具有一声学阻抗较低的柔性膜结构，能够实现与空气和液体更好的声学耦合。此外，利用mems技术制作的微型超声换能器还具备尺寸小、功耗低、带宽更宽、成本更低、易于实现大规模阵列化和紧凑的设计以及易于与电路集成等优点。

微型超声换能器现在已经演化出两个不同的技术方向，一个是电容式的微型超声换能器，另一个则是基于压电原理的微型超声换能器。相比于发展较为成熟的电容式微型超声换能器，新兴的压电微型超声换能器有许多优势。如压电微型超声换能器不需要极化电压便可实现正常工作要求的灵敏度，而相比之下某些电容式微型超声换能器所要求的极化电压则高达190v，此外，电容式微型压电超声换能器还要求非常小的间隙来实现相应的灵敏度，这增加了制造的复杂性和成本。压电微型超声换能器的另一个优点是其具备较大的电容，这有助于降低电学阻抗，实现与后端信号处理电路更好的匹配以及降低寄生电容的影响。这些优势使得压电微型超声换能器具有非常广阔的应用前景。

在压电微型超声换能器的众多应用场景中，指纹识别已经吸引了来自学术界和产业界越来越多的关注。随着智能设备的普及，指纹识别技术凭借其安全性和实用性，在电子支付、健康检测等场景获得了广泛的应用。而压电微型超声换能器应用于指纹识别领域，克服了传统指纹识别技术方案(包括基于光学原理的指纹识别和基于电容原理的指纹识别)的诸多不足，例如，基于光学的原理的指纹识别难以实现微型化，同时易于破解。而电容式的指纹识别在潮湿或者指纹表面有沾污的情况下抗干扰性差，容易产生误判。此外，基于压电微型超声换能器的指纹识别不仅能够准确可靠的识别指纹表层的图像，还可以深入到皮下，获取皮下组织的生物信息，也就是说，基于压电微型超声换能器的指纹识别可以同时检测到人体表皮层和真皮层的指纹信息，真皮层的生物信息不仅仅可以在表皮指纹受损时成为指纹生物信息的有益补充，而且对真皮层指纹信息的检测极大的增加了破解指纹识别的难度，对于提升指纹识别的安全性有很大的帮助。因此，基于压电微型超声换能器的指纹识别方案有望在将来渗透到更多的智能设备当中，获得广泛的应用。

传统的压电微型超声波指纹识别芯片结构多以cavitysoi或多层键合结构为主，通常采用双面微机械制作工艺、键合工艺、cavity-soi工艺以及cmos-mems技术等加工制作。这种双面体硅工艺和键合技术制作的器件工艺很复杂，制作成本很高。此外，不同键合材料之间的热膨胀系数不同以及键合过程中所引入的残余应力都会恶化传感器的输出稳定性，尤其在温度环境比较恶劣的条件下。

因此，提供一种新的压电微型超声换能器及其制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压电微型超声换能器及其制备方法，用于解决现有技术中指纹识别芯片结构尺寸大、成本高、制作工艺复杂等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种压电微型超声换能器，所述压电微型超声换能器包括单晶硅片和阵列排列在所述单晶硅片单面的多个超声换能器单元，所述超声换能器单元至少包括腔体结构以及悬空支撑在所述腔体结构上方的多层复合膜结构，各个所述超声换能器单元的腔体结构之间通过至少一条腐蚀通道连通，其中，所述多层复合膜结构自下而上依次包括弹性层、绝缘层以及压电敏感层。

作为本发明压电微型超声换能器的一种优化的方案，所述腐蚀通道的高度介于0.2μm～1μm之间，所述腐蚀通道的宽度介于5μm～15μm之间，所述空腔结构的高度介于0.5μm～5μm之间，所述空腔结构的直径介于30μm～200μm之间。

作为本发明压电微型超声换能器的一种优化的方案，所述弹性层的材料包括多晶硅及氮化硅中的一种，所述弹性层的厚度介于0.5μm～3μm之间；所述绝缘层的材料包括二氧化硅及氮化硅中的一种，所述绝缘层的厚度介于0.1μm～0.8μm之间。

作为本发明压电微型超声换能器的一种优化的方案，所述压电敏感层自下而上依次包括下电极、压电层以及上电极。

本发明还提供一种上述压电微型超声换能器的制备方法，所述制备方法至少包括：

1)提供单晶硅片，在所述单晶硅片的正面形成第一牺牲层和覆盖所述第一牺牲层及所述单晶硅片的第二牺牲层；

2)形成弹性层，所述弹性层覆盖所述第二牺牲层及所述单晶硅片；

3)在所述弹性层中刻蚀形成暴露所述第二牺牲层的释放孔，利用腐蚀液，通过所述释放孔腐蚀所述第二牺牲层形成各超声换能器单元之间的腐蚀通道，接着，所述腐蚀液通过所述腐蚀通道继续腐蚀所述第一牺牲层及所述第二牺牲层，形成各超声换能器单元的腔体结构；

4)填堵所述释放孔，并在所述弹性层表面形成绝缘层；

5)在所述绝缘层表面形成压电敏感层。

作为本发明压电微型超声换能器的制备方法的一种优化的方案，步骤1)中，形成所述第一牺牲层的过程包括：在所述单晶硅片的正面沉积第一牺牲层材料，然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀所述第一牺牲层材料形成所述第一牺牲层，所述第一牺牲层用来定义步骤3)中所述腔体结构的形貌和尺寸。

作为本发明压电微型超声换能器的制备方法的一种优化的方案，步骤1)中，形成所述第二牺牲层的过程包括：在所述第一牺牲层及所述单晶硅片的正面沉积第二牺牲层材料，然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀所述单晶硅片的正面的第二牺牲层材料形成所述第二牺牲层，所述第二牺牲层用来定义步骤3)中所述腔体结构及腐蚀通道的形貌和尺寸。

作为本发明压电微型超声换能器的制备方法的一种优化的方案，所述第一牺牲层的材料包括低温氧化物及磷硅玻璃中的一种，所述第二牺牲层的材料包括低温氧化物及磷硅玻璃中的一种。

作为本发明压电微型超声换能器的制备方法的一种优化的方案，步骤4)中，填堵所述释放孔的过程包括：在所述弹性层表面及释放孔中沉积填堵材料，然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀去除所述弹性层表面的填堵材料，所述填堵材料包括二氧化硅。

作为本发明压电微型超声换能器的制备方法的一种优化的方案，步骤4)中，采用热氧化工艺在所述弹性层表面形成所述绝缘层。

作为本发明压电微型超声换能器的制备方法的一种优化的方案，步骤5)中，形成所述压电敏感层的过程包括：

5-1)在所述绝缘层表面形成下电极；

5-2)在所述绝缘层和所述下电极表面形成压电层；

5-3)在所述压电层表面形成上电极。

作为本发明压电微型超声换能器的制备方法的一种优化的方案，步骤5-2)中，采用溅射工艺在所述绝缘层和所述下电极表面形成所述压电层，所述压电层的材料包括氮化铝及铌酸锂中的一种，所述压电层的厚度介于0.8μm～3μm之间。

作为本发明压电微型超声换能器的制备方法的一种优化的方案，所述下电极和所述上电极的材料包括铂及金中的一种，所述下电极和所述上电极的厚度均介于0.1μm～0.8μm之间。

如上所述，本发明的压电微型超声换能器及其制备方法，包括单晶硅片和阵列排列在所述单晶硅片单面的多个超声换能器单元，所述超声换能器单元至少包括腔体结构以及悬空支撑在所述腔体结构上方的多层复合膜结构，各个所述超声换能器单元的腔体结构之间通过至少一条腐蚀通道连通，其中，所述多层复合膜结构自下而上依次包括弹性层、绝缘层以及压电敏感层，所述腐蚀通道可以加快芯片的结构释放速率，提高器件敏感结构的占空比。本发明的超声换能器是通过在一块普通单晶硅片的同一面进行表面硅微机械工艺制作而成，单晶硅片的另一面并不参与工艺制作，避免了传统双面对准/曝光和键合工艺，大大降低了芯片尺寸，减少了制作成本，且与ic工艺兼容，可实现大批量制作。

附图说明

图1为本发明压电微型超声换能器的三维结构示意图。

图2为图1沿aa’方向的三维结构截面示意图。

图3为图1沿bb’方向的截面示意图。

图4为本发明压电微型超声换能器的制备方法的流程示意图。

图5为本发明压电微型超声换能器的制备方法步骤s1呈现的结构示意图。

图6为本发明压电微型超声换能器的制备方法步骤s2呈现的结构示意图。

图7～图8为本发明压电微型超声换能器的制备方法步骤s3呈现的结构示意图。

图9～图10为本发明压电微型超声换能器的制备方法步骤s4呈现的结构示意图。

图11～图13为本发明压电微型超声换能器的制备方法步骤s5呈现的结构示意图。。

图14为本发明压电微型超声换能器的阻抗分析结果。

图15为本发明压电微型超声换能器的振幅频率响应响应曲线。

元件标号说明

1单晶硅片

2第一牺牲层

3第二牺牲层

4弹性层

5释放孔

6腐蚀通道

7空腔结构

8填堵材料

9绝缘层

10下电极

11压电层

12上电极

13下电极引线焊盘

14上电极引线焊盘

15阵列排列的超声换能器单元

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图3和图13所述，本发明提供一种压电微型超声换能器，所述压电微型超声换能器15包括单晶硅片1和阵列排列在所述单晶硅片单面的多个超声换能器单元，所述超声换能器单元至少包括腔体结构7以及悬空支撑在所述腔体结构上方的多层复合膜结构，各个所述超声换能器单元的腔体结构7之间通过至少一条腐蚀通道6连通，其中，所述多层复合膜结构自下而上依次包括弹性层4、绝缘层9以及压电敏感层。

进一步地，所述压电敏感层自下而上依次包括下电极10、压电层11以及上电极12。其中，所述上电极12通过金属引线与器件外侧的上电极引线焊盘14相连，所述下电极10通过金属引线与器件外侧的下电极引线焊盘13相连，通过上、下引线焊盘13、14可以将器件与外部电路相连实现给器件施加激励使器件发射超声波，以及通过上、下引线焊盘13、14读取器件接收超声波时输出的电信号。

本发明的压电敏感层结构通过四周的支撑悬空在单晶硅片1的上方，这样的结构有助于压电层11将电信号转化为机械振动的能量效率的提升，从而增大器件的在发射和接收信号时的灵敏度。

此外，所述腐蚀通道6上具有释放孔5(释放孔中有填堵材料，以使腔体结构7形成真空腔)，释放孔5通过四周的各条腐蚀通道6连通各腔体结构7，实现一个腔体结构7可复用多条腐蚀释放通道的设计。各个所述超声换能器单元的腔体结构7之间腐蚀通道6互相联通，有助于加速结构释放的速率，同时释放孔5和腐蚀通道6的设计能够提高整个器件敏感结构的占空比，使得压电微型超声换能器阵列在一定面积上的像素点更多，同时器件的面积更小。

作为示例，所述腐蚀通道6的高度介于0.2μm～1μm之间，所述腐蚀通道6的宽度介于5μm～15μm之间，所述空腔结构7的高度介于0.5μm～5μm之间，所述空腔结构7的直径介于30μm～200μm之间。

另外，所述腔体结构7上方的所述弹性层4、绝缘层9、下电极10、压电层11的直径均控制在30μm～100μm之间，所述上电极12的直径控制在30～60μm之间。

作为示例，所述弹性层4的材料包括多晶硅及氮化硅中的一种，但并不限于此，所述弹性层4的厚度介于0.5μm～3μm之间；所述绝缘层9的材料包括二氧化硅及氮化硅中的一种，但并不限于此，所述绝缘层9的厚度介于0.1μm～0.8μm之间。

本发明的压电微型超声换能器采用的是单晶硅片单面结构，而非传统的硅-硅(或硅-玻璃)键合结构。整个超声换能器仅在一块普通单晶硅片的同一个面上进行表面硅微机械工艺制作，单晶硅片的另一个面不参与工艺制作，避免了传统双面对准/曝光和键合工艺。

如图4所示，本发明提供一种压电微型超声换能器的制备方法，所述制备方法至少包括如下步骤：

首先执行步骤s1，如图5所示，提供单晶硅片1，在所述单晶硅片1的正面形成第一牺牲层2和覆盖所述第一牺牲层2及所述单晶硅片1的第二牺牲层3。

所述单晶硅片优选为(100)单晶硅片。本发明中，所有的芯片结构都仅仅制作在所述单晶硅片1的一个表面上，另一面不参与制作过程，避免了传统芯片制作过程中的双面微机械加工技术和芯片键合结构，大大简化了制作工艺，实现了制作工艺与ic工艺的兼容，减低了制作成本。

本步骤中，形成所述第一牺牲层2的过程包括：在所述单晶硅片1的正面沉积第一牺牲层材料，然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀所述第一牺牲层材料形成所述第一牺牲层2，所述第一牺牲层2用来定义步骤s3中所述腔体结构7的形貌和尺寸。

本步骤中，形成所述第二牺牲层3的过程包括：在所述第一牺牲层2及所述单晶硅片1的正面沉积第二牺牲层材料，然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀所述单晶硅片的正面的第二牺牲层材料形成所述第二牺牲层3，所述第二牺牲层3用来定义步骤s3中所述腔体结构7及腐蚀通道6的形貌和尺寸。

本步骤中，通过两次工艺形成不同的尺寸和形貌的第一牺牲层2和第二牺牲层3，从而为后面分别形成空腔结构7和腐蚀通道6做准备。

作为示例，所述第一牺牲层2的材料包括低温氧化物及磷硅玻璃中的一种，所述第二牺牲层3的材料包括低温氧化物及磷硅玻璃中的一种，但并不限于此。

然后执行步骤s2，如图6所示，形成弹性层4，所述弹性层4覆盖所述第二牺牲层3及所述单晶硅片1。

作为示例，所述弹性层4的材料包括多晶硅及氮化硅中的一种，所述弹性层4的厚度介于0.5μm～3μm之间。

接着执行步骤s3，如图7～图8所示，在所述弹性层4中刻蚀形成暴露所述第二牺牲层3的释放孔5，利用腐蚀液，通过所述释放孔5腐蚀所述第二牺牲层3形成各芯片单元之间的腐蚀通道6，接着，所述腐蚀液通过所述腐蚀通道6继续腐蚀所述第一牺牲层2及所述第二牺牲层3，形成各芯片单元的腔体结构7。

如图7展示了制作的释放孔5，如图8所示为腐蚀第一牺牲层2和第二牺牲层3后的结构，因此，通过释放孔5先腐蚀的是第二牺牲层3单层结构，形成腐蚀通道6，然后再腐蚀第一牺牲层2和第二牺牲层3的叠层结构，形成腔体结构7。就整体而言，如图1展示了释放孔5所制作的位置，可以看出，释放孔5呈规则排布，不同位置的释放孔5可以连通不同数量的腐蚀通道6(如，四个角上的每个释放孔仅连通一条腐蚀通道，边缘的每个释放孔可连通两条腐蚀通道，中间的每个释放孔可连通四条腐蚀通道)，从而使腐蚀液进入释放孔5后可以流经不同的腐蚀通道6，对不同位置的空腔内牺牲层同时进行进一步腐蚀。通过释放孔5和腐蚀通道6的设计，有助于加速结构释放的速率。

再执行步骤s4，如图9～图10所示，填堵所述释放孔5，并在所述弹性层4表面形成绝缘层9。

本步骤中，填堵所述释放孔5的过程包括：在所述弹性层4表面及释放孔5中沉积填堵材料8，然后利用反应离子刻蚀技术刻蚀去除所述弹性层4表面的填堵材料，所述填堵材料8包括二氧化硅，但并不限于此。之后，如图10所示，可采用热氧化工艺在所述弹性层4表面形成所述绝缘层9。

所述释放孔5中填充填堵材料8之后，所述腔体结构7成为真空腔。

最后执行步骤s5，如图11～图13所示，在所述绝缘层9表面形成压电敏感层。

本步骤中，形成所述压电敏感层的过程包括：

s5-1，如图11所示，首先在所述绝缘层9表面形成下电极10；

s5-2，如图12所示，然后在所述绝缘层9和所述下电极10表面形成压电层11；

s5-3，如图13所示，接着在所述压电层11表面形成上电极12。

当然，在步骤s5-1中，形成所述下电极10的时，利用同一工艺同时形成与所述下电极10电连的下电极引线焊盘13(如图1所示)，在步骤s5-3中，形成所述上电极12的时，利用同一工艺同时形成与所述上电极11电连的上电极引线焊盘14(如图1所示)。如图1所示，所述下电极引线焊盘13与所述上电极引线焊盘14均规则排布于外侧。

作为示例，步骤s5-2中，采用溅射工艺在所述绝缘层9和所述下电极10表面形成所述压电层11，所述压电层11的材料包括氮化铝及铌酸锂中的一种，但并不限于此，所述压电层11的厚度介于0.8μm～3μm之间。

作为示例，所述下电极10和所述上电极12的材料包括铂及金中的一种，但并不限于此，所述下电极10和所述上电极12的厚度均介于0.1μm～0.8μm之间。

需要说明的是，图5～图13所呈现的结构是沿图1中cc’方向的截面图。为了方便理解本发明的结构，图2展示了沿图1中aa’方向的三维截面图，图3展示了沿图1中bb’方向的截面图。

下面通过一个具体实施例来进一步说明本发明的压电微型超声换能器的制备方法。

1、选择一片普通的(100)单面抛光的单晶硅片1，厚度450μm，轴偏切0±0.1°。

2、在单晶硅片1正面沉积一层1um厚的低温氧化物(lto)作为第一牺牲层2，然后涂覆光刻胶并光刻器件真空腔结构的图形。以光刻胶作为阻挡掩膜，利用反应离子刻蚀技术在硅片正面刻蚀出lto的图形。

3、在单晶硅片1正面沉积一层0.25um厚的磷硅玻璃(psg)，然后涂覆光刻胶并光刻器件真空腔结构和腐蚀通道的图形。作为加快释放压电微型超声换能器阵列真空腔结构的第二牺牲层3。以光刻胶作为阻挡掩膜，利用反应离子刻蚀技术在硅片正面刻蚀出psg的图形(如图5所示)。

4、在单晶硅片1正面沉积一层1.55um的多晶硅作为弹性层4，并退火以释放材料的残余应力。接下来利用反应离子刻蚀技术在单晶硅片1正面的多晶硅层上刻蚀出1.55um深的微型释放孔，暴露出其下方的psg(如图7所示)。

5、利用35℃40％的氢氟酸通过释放孔、沿腐蚀通道腐蚀释放出高度为1.25um的压电微型超声换能器阵列的空腔结构(如图8所示)。

6、在单晶硅片1正面沉积一层1.5um厚的teos以填堵微型释放孔5，利用反应离子刻蚀技术在硅片正面刻蚀teos，以去除除了密封真空腔腐蚀孔以外多余的teos(如图9所示)。

7、在单晶硅片1正面的多晶硅层上热氧化一层0.1μm厚的二氧化硅绝缘层9(如图10所示)。

8、在单晶硅片1正面溅射0.1um厚的pt，并利用剥离工艺图形化pt层以形成压电微型超声换能器阵列的下电极10和下电极引线焊盘13(如图11所示)。

9、在单晶硅片1正面溅射1um厚的氮化铝作为压电层11。并利用离子束刻蚀技术刻蚀部分区域的氮化铝以暴露出其下方的下电极引线焊盘13(如图12所示)。

10、在单晶硅片1正面溅射0.1um厚的au，并利用剥离工艺图形化au层以形成压电微型超声换能器阵列的上电极12和上电极引线焊盘14。至此，完成整个芯片制作过程(如图13所示)。

图14为本实施例压电微型超声换能器的阻抗分析结果。测试结果表明器件的谐振频率为12.55mhz，机电耦合系数达到了1.6％，机电转化效率较高。

图15为本实施例压电微型超声换能器的振幅频率响应响应曲线。测试结果表明器件的发射灵敏度高达1.98nm/v，取得了较高的发射灵敏度。

综上所述，本发明首次研制出一款仅在一片单晶硅片单面上采用表面微机械加工技术实现的压电微型超声换能器，避免了传统芯片制作过程中的双面微机械加工技术和芯片键合结构，大大简化了制作工艺，实现了制作工艺与ic工艺的兼容，减低了制作成本。此外，采用独特的复合传感器结构设计，使得压电微型超声换能器单元之间的信号串扰得以有效抑制，大大提高了压电微型超声换能器的检测精度。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。