一种换能器及其制备方法和应用与流程

本发明属于微机电技术领域，涉及一种换能器及其制备方法和应用，尤其涉及一种基于非衍射声场的同心圆环电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用。

背景技术：

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好能够成为射线而定向传播等特点。超声波，能够传递信息，易于获得较集中的声能。超声波对液体、固体的穿透能力强，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。因此超声波检测广泛应用在工业、农业、国防、医学等方面。

通常，超声换能器由诸如pzt的压电陶瓷材料或诸如pvdf的压电聚合物形成。目前换能器可以通过半导体工艺来制成。这样的换能器由其中振动膜生成并且接收超声能量的微小的半导体单元形成，并且被称为微机械超声换能器(mut)。两种这样的换能器类型是：在膜上利用压电材料的那些，被称为压电微机械超声换能器(pmut)；以及那些利用导电膜与另一电极之间的电容效应的那些，被称为电容式微机械超声换能器(cmut)。个体换能器元件可以由一致操作的数十个或数百个这样的mut单元形成。由于这些单元非常小，每个mut单元仅产生或响应于小量的声能。通常使用单个换能器阵列化的方法来增大声能，而阵列对于压电微机械超声换能器(pmut)而言难以实现。电容式微机械超声换能器(cmut)的出现，很好地克服了压电传感器的许多缺点，且具有易于制造、尺寸小、自身噪声低、工作温度范围大以及易于实现大规模阵列电子集成等众多优点，大有取代压电传感器之势。

基于腐蚀牺牲层技术的电容式微加工超声传感器(cmut)基本结构由上下电极与电极之间的牺牲层组成。为释放牺牲层形成空腔间隙，上电极与下电极之间必须形成腐蚀区域，倒入腐蚀溶液，待空腔间隙形成后，把腐蚀溶液清除。在实际操作中，这种工艺方法会产生如下两种问题：1.在湿法腐蚀的过程中，腐蚀的成都会因腐蚀液的浓度及腐蚀时间造成腐蚀程度不同从而降低的工艺一致性。2.腐蚀液清除的过程中，由于空腔间隙微小(2um)及液体表面张力的存在，容易引起上塌陷，导致上下电极粘附在一起，从而导致器件失效。

因此，提供一种器件面积小，便于器件阵列化，制备过程中能够自停止，且能有效避免振膜与基底粘滞的换能器及其制备方法非常有必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种换能器及其制备方法和应用，其中该换能器的是非衍射超声声场，由于非衍射波在理想状态下可以传播无限远且不会发散，并且非衍射波是一种高度聚焦的超声波，将其应用到超声成像系统中将不需要进行延时聚焦处理，提高了成像帧率；在制备过程中采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止；避免了多次光刻等，且能保证工艺操作过程中的一致性和可重复性；通过在金属层中设置为通道，避免第一组件和第二组件相互粘连。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种换能器，所述换能器包括：第一组件、第二组件以及用于连接第一组件和第二组件的第三组件；

所述第一组件包括上级板层和第一引线层；

所述第二组件包括下级板层和第二引线层；

所述第三组件包括绝缘层以及位于绝缘层内部的导电层、派瑞林层和空心层；

所述上极板层、第一引线层和第二引线层均悬设在下极板层的上方；

所述上极板层和第一引线层通过第三组件中的导电层相连；

所述下极板层和第二引线层通过第三组件中的导电层相连。

在本发明中，该换能器的是非衍射超声声场，由于非衍射波在理想状态下可以传播无限远且不会发散，并且非衍射波是一种高度聚焦的超声波，将其应用到超声成像系统中将不需要进行延时聚焦处理，提高了成像帧率；声波在人体内的速度大概是1.5mm/μs，当声波往返时间为267μs时，声波在人体内可传播距离为20cm，成像速度为3750帧/秒。但目前传统的超声成像系统速度只有30帧/秒，使用非衍射波成像将有效的提高成像速度。

本发明中的换能器是基于非衍射声场的同心圆环电容式微机械超声换能器，在具有较好超声强度以及超声频率的前提下，能够大大降低器件面积，便于换能器阵列化。

在本发明中，所述上极板层包括第一金属层、环设在第一金属层外周缘的第二金属层以及环设在第二金属层外周缘的第三金属层。

在本发明中，第一金属层、第二金属层以及第三金属层呈同心圆由内向外排列。

在本发明中，所述第一金属层为实心圆柱体，所述圆柱体的底面半径为0-100μm，(不包括0，例如1μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm等)，优选5μm，侧面高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述第二金属层为空心圆柱体，所述空心圆柱体的底面外圆半径为4-400μm，(例如4μm、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm等)，优选15μm，底面内圆半径为2-200μm，(例如2μm、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm等)，优选7μm，侧面高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述第三金属层为空心圆柱体，所述空心圆柱体的底面外圆半径为8-700μm，(例如8μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、700μm等)，优选25μm，底面内圆半径为6-500μm，(例如6μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm等)，优选17μm，侧面高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述第一引线层设置在第三金属层的外周缘，且与第三金属层间隔设置。

在本发明中，所述第一引线层的形状为长方体，长方体的长度为15-25μm，(例如15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm等)，优选20μm，宽度为0.3-0.7μm，(例如0.3μm、0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm、0.55μm、0.6μm、0.65μm、0.7μm等)，优选0.5μm，高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.51μm、0.52μm、0.53μm、0.54μm、0.55μm、0.56μm、0.57μm、0.58μm、0.59μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述上极板层和第一引线层的材质均为铝。

在本发明中，所述下极板层包括金属层以及位于金属层下底面的下绝缘层。

在本发明中，所述金属层的材质为铝。

在本发明中，所述绝缘层的材质为二氧化硅。

在本发明中，所述金属层的形状为长方体，所述长方体的长度为250-350μm，(例如250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm、310μm、320μm、330μm、340μm、350μm等)，优选300μm，，宽度为250-350μm，(例如250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm、310μm、320μm、330μm、340μm、350μm等)，优选300μm，高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述下绝缘层的形状为长方体，所述长方体的长度为250-350μm，(例如250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm、310μm、320μm、330μm、340μm、350μm等)，优选300μm，，宽度为250-350μm，(例如250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm、310μm、320μm、330μm、340μm、350μm等)，优选300μm，高度为1.5-1.8μm，(例如1.5μm、1.55μm、1.6μm、1.65μm、1.7μm、1.75μm、1.8μm等)，优选1.65μm。

在本发明中，第二引线层的形状为长方体，长方体的长度为15-25μm，(例如15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm等)，优选20μm，宽度为0.3-0.7μm，(例如0.3μm、0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm、0.55μm、0.6μm、0.65μm、0.7μm等)，优选0.5μm，高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.51μm、0.52μm、0.53μm、0.54μm、0.55μm、0.56μm、0.57μm、0.58μm、0.59μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述第二引线层的材质为铝。

在本发明中，所述绝缘层的材质为二氧化硅。

在本发明中，所述导电层包括铝层以及与垂直于铝层设置的钨层。

在本发明中，所述钨层包括从平行间隔设置的第一钨层、第二钨层和第三钨层。

在本发明中，所述上极板层的电信号依次通过第一钨层、铝层以及第二钨层传导至第一引线层。

在本发明中，所述下极板层的电信号通过第三钨层传导至第二引线层。

在本发明中，所述铝层的形状为长方体，所述长方体的长度为2-100μm，(例如2μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm等)，优选8μm，宽度为0.3-0.7μm，(例如0.3μm、0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm、0.55μm、0.6μm、0.65μm、0.7μm等)，优选0.5μm，高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述第一钨层的形状为长方体，所述长方体的长度为0.1-20μm，(例如0.1μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm等)，优选5μm，宽度为0.3-0.7μm，(例如0.3μm、0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm、0.55μm、0.6μm、0.65μm、0.7μm等)，优选0.5μm，高度为0.5-0.6μm，优选0.55μm。

在本发明中，所述第二钨层的形状为长方体，所述长方体的长度为0.1-20μm，(例如0.1μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm等)，优选5μm，宽度为0.3-0.7μm，(例如0.3μm、0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm、0.55μm、0.6μm、0.65μm、0.7μm等)，优选0.5μm，高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述第三钨层的形状为长方体，所述长方体的长度为0.1-20μm，(例如0.1μm、3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、20μm等)，优选5μm，宽度为0.3-0.7μm，(例如0.3μm、0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm、0.55μm、0.6μm、0.65μm、0.7μm等)，优选0.5μm，高度为2.5-3μm，(例如2.5μm、2.55μm、2.6μm、2.65μm、2.7μm、2.75μm、2.8μm、2.85μm、2.9μm、2.95μm、3μm等)，优选2.75μm。

在本发明中，所述派瑞林层和空心层均平行设置在导电层的下方，且与导电层之间的垂直距离为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述空心层包括第一空心层、环设在第一空心层外周缘的第二空心层以及设置在第二空心层外周缘的第三空心层。

在本发明中，所述第一空心层的形状为圆柱体，所述圆柱体的底面半径为0-100μm，(不包括0，例如1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm等)，优选3μm，侧面高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述第二空心层的形状为空心圆柱体，所述空心圆柱体的底面内圆半径为2.5-205μm，(例如2.5μm、5μm、10μm、30μm、50μm、70μm、100μm、120μm、150μm、170μm、200μm、205μm等)，优选9μm，底面外圆半径为3.5-395μm，(例如3.5μm、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、395μm等)，侧面高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述第三空心层的形状为空心圆柱体，所述空心圆柱体的底面内圆半径为6.5-505μm，(例如6.5μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、505μm等)，优选19μm，底面外圆半径为7.5-695μm，(例如7.5μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm、550μm、600μm、650μm、695μm等)，优选23μm，侧面高度为0.5-0.6μm，(例如0.5μm、0.52μm、0.55μm、0.57μm、0.6μm等)，优选0.55μm。

在本发明中，所述派瑞林层设置在第三空心层的外周缘。

在本发明中，派瑞林的作用是堵住腐蚀孔，通常1g派瑞林蒸镀5.5h，获得水平表面的厚度为1μm，派瑞林的含量根据需要进行调整。

本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述的换能器的制备方法，所述制备方法包括：将裸片依次通过一次刻蚀、镀膜以及二次刻蚀，得到所述换能器。

在本发明中，所述裸片是先通过cadencevirtuoso设计，而后进行生产得到的。

本发明中，裸片的外观结构为长方体，垂直于长方体上下底面，沿上下底面的中心将裸片剖开，且剖面平行于长方体的一个侧面；其中图1为裸片结构的剖视图，如图1可知，裸片的结构包括非金属氧化物层、分布在非金属氧化物层a1内部的铝层a2(为了使图更简洁清楚，仅仅标识出了一个铝层，a2不仅仅是指图中标记出的铝层m1，而是指整个图1中的铝层m1-m5)和钨层a3(为了使图更简洁清楚，仅仅标识出了一个钨层，a3不仅仅是指图中标记出的钨层w1，而是指整个图1中的金属层w1-w4)，以及位于非金属氧化物层a1上表面的氮化硅层a4；非金属氧化物层为二氧化硅层；铝层的层数为5层，自下而上依次包括m1层、m2层、m3层、m4层以及m5层；铝层可以连续分布，也可以间隔分布，若间隔分布，则位于同一水平面的几个部分统称为1个铝层，如m1仅包括一个铝层，m2包括从左至右间隔分布的6个铝层(可即为m21层、m22层、m23层、m24层、m25层、m26层)，m3仅包括一个铝层，m4包括从左至右间隔分布的7个铝层(可即为m41层、m42层、m43层、m44层、m45层、m46层、m47层)，m5仅包括一个铝层；钨层的层数为4层，自左至右依次包括w1层、w2层、w3层以及w4层；w1层用于垂直连接m5层和m21层，w2层用于垂直连接m3层和m45层，w3层用于垂直连接m3层和m46层，w4层用于垂直连接m1层和m47层。

在本发明中，涉及的长方体时，均以图1中从左往右的方向记为长度，从上往下的方向记为高度，从内向外的方向记为宽度。

在本发明中，所述一次刻蚀包括对裸片依次进行第一次反应离子深刻蚀和湿法刻蚀。

在本发明中，所述第一次反应离子深刻蚀为干法刻蚀。

在本发明中，所述第一次反应离子深刻蚀为干法刻蚀。

本发明中第一次反应离子深刻蚀属于干法刻蚀，对非金属化合物具有较好的垂直刻蚀能力，而对金属无腐蚀作用，利用其仅和非金属反应，而不和金属反应的特性，刻蚀过程自上而下会因铝层的存在自行停止。

在本发明中，所述第一次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为chf3和氧气的混合气体，rie源的功率为50-80w，例如50w、55w、60w、65w、70w、75w、80w等，刻蚀的均匀性为90-95％，例如90％、91％、92％、93％、94％、95％等。

在本发明中，所述chf3和氧气的混合气体中chf3和氧气的体积比为(3-6):1，例如3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1等。

在本发明中，所述第一次反应离子深刻蚀包括刻蚀除去裸片中m5层上表面的氮化硅层和二氧化硅层，以及垂直于m5层设置，且未有m5层保护的二氧化硅层，得到预制品a。

在本发明中，图2为经过第一次反应离子深刻蚀之后得到的预制品a的剖视图，如图2可知，通过第一次反应离子深刻蚀除去了原图1中的m5层上表面的氮化硅层和二氧化硅层，并且自上而下除去垂直m5设置，且没有m5层保护的二氧化硅层，得到预制品a的结构，在第一次反应离子深刻蚀过程中，反应离子仅和二氧化硅层反应，而不会和金属层反应，当自上而下腐蚀过程中，当腐蚀至m5金属层的地方，会自动停止腐蚀。

在本发明中，所述湿法刻蚀包括酸刻蚀。

在湿法刻蚀过程中，凡是能与强酸接触到的铝层均被腐蚀掉，而非金属氧化物二氧化硅不与强酸反应，因此在湿法刻蚀过程中会出现自停止。

在本发明中，所述酸刻蚀用酸液的制备方法包括：将磷酸、硝酸、冰醋酸以及去离子水按照体积比为1:1:2:16混合得到。

在本发明中，所述湿法刻蚀包括刻蚀除去预制品a中w1层以及m2层，得到预制品b。

在本发明中，图3为经过湿法刻蚀之后得到的预制品b的剖视图，如图3可知，在湿法刻蚀过程中，湿法刻蚀采用的酸液会和金属反应，而不和二氧化硅层反应，则在湿法过程中会先腐蚀除去w1层，w1层和m21层是相连的，在酸液腐蚀除去w1层后，酸液会继续腐蚀m21层，其中m21层、m22层、m23层、m24层、m25层以及m26层之间设置有微孔道，酸液会随着微孔道依次对m21层、m22层、m23层、m24层、m25层以及m26层进行腐蚀，得到预制品b；且由图3可以看出，在m2的那一层，由于微孔道的作用，减少了镂空的宽度，从而减小了镂空面积，避免了上薄膜粘滞到下薄膜上，从而形成了可振动的空腔。

在本发明中，所述镀膜包括在预制品b中二氧化硅层的上表面、刻蚀除去的w1层和刻蚀除去的部分m2层均沉积派瑞林层，得到预制品c。

在本发明中，所述沉积的方式为化学气相沉积法。

在本发明中，图4为经过化学气相沉积法得到的预制品c结构的剖视图，如图4所示，在预制品b中二氧化硅层的上表面、刻蚀除去的w1层和刻蚀除去的部分m2层均沉积派瑞林层，目的是为了堵住腐蚀的小孔，使得空腔可以为真空状态，其次是可以防止后续在水中工作时，水渗入器件内部导致器件的实效；派瑞林薄膜采用独特的真空气相沉积工艺制备，由活性小分子在基材表面“生长”出完全敷形的聚合物薄膜涂层，能够涂覆到各种形状的表面，包括尖锐的棱边、裂缝以及内表面，具有其他涂层难以比拟的优势。

本发明中，化学气相沉积法包括：

(1)将预制品b在55-65℃条件下烘烤2-3h去除预制品b表面以及内部的水汽；

(2)用纯净水配置体积浓度为2-5％的micro-90脱模剂，用不掉绒的棉布团蘸取脱模剂对涂覆机的沉积室内壁等不需要涂覆的地方全部涂抹一遍；

(3)将去除完水汽的预制品b吊挂在涂覆机内的支架网板上，其次打开涂覆机的偶联剂加入口，用注射器注入3-6ml的kh-570硅烷偶联剂，旋涂硅烷偶联剂，而后再注入派瑞林，旋涂派瑞林(按需要注入，通常1g派瑞林形成的膜厚为1μm)，旋涂的时间共5.5h。

在本方面中，所述二次刻蚀为第二次反应离子深刻蚀。

在本发明中，所述第二次反应离子深刻蚀为干法刻蚀。

在本发明中，所述第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为chf3和氧气的混合气体，rie源的功率为50-80w，例如50w、55w、60w、65w、70w、75w、80w等，刻蚀的均匀性为90-95％，例如90％、91％、92％、93％、94％、95％等。

在本发明中，所述chf3和氧气的混合气体中chf3和氧气的体积比为(3-6):1，例如3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1等。

在本发明中，所述第二次反应离子深刻蚀包括除去预制品c中m4层上表面的派瑞西林层和二氧化硅层，以及垂直于m4层设置，且未有m4层和m3层保护的派瑞西林层和二氧化硅层，得到所述换能器。

在本发明中，图5为经过第二次反应离子深刻蚀得到的换能器结构的剖视图，如图5可知，采用第二次反应离子深刻蚀除去预制品c中m4层上表面的派瑞西林层和二氧化硅层，以及垂直于m4层设置，且未有m4层和m3层保护的派瑞西林层和二氧化硅层。

在本发明中，采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止，避免了光刻等复杂刻蚀方法的使用，且能保证工艺操作过程中的可重复性；此外在m2中设置微孔道，减少了镂空的宽度，从而减小了镂空面积，避免了上薄膜粘滞到下薄膜上，从而形成了可振动的空腔。

本发明的目的之三在于提供一种如目的之一所述的换能器在超声成像中的应用。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明中的换能器在具有较好超声强度以及超声频率的前提下，能够大大降低器件面积，便于换能器阵列化；在制备过程中采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止，避免了光刻等复杂刻蚀方法的使用，且能保证工艺操作过程中的可重复性；此外，在m2中设置微孔道，减少了镂空的宽度，从而减小了镂空面积，避免了上薄膜粘滞到下薄膜上，从而形成了可振动的空腔。

附图说明

图1是发明内容中裸片结构的剖视图；

其中，a1为非金属氧化物层，a2为铝层，a3为钨层，a4为氮化硅层，m1-m5均为铝层，w1-w4均为钨层；

图2为发明内容中预制品a结构的剖视图；

图3为发明内容中预制品b结构的剖视图；

图4为发明内容中预制品c结构的剖视图；

图5为发明内容中换能器结构的剖视图；

图6为实施方式中换能器的俯视图；

图7为图6沿aa’的剖视图；

其中，11为上极板层，12为第一引线层，21为下极板层，211为金属层，212为下绝缘层，22为第二引线层，31为绝缘层，32为派瑞林层，33为空心层，341为铝层，342为第一钨层，343为第二钨层，344为第三钨层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本实施方式提供一种换能器，图6为换能器的俯视图，图7为图6沿aa’的剖视图，从图6和图7的结合可知，换能器包括第一组件、第二组件以及填充在第一组件和第二组件之间的第三组件，第一组件包括上极板层11和第一引线层12，第二组件包括下级板层21和第二引线层22，第三组件包括绝缘层31以及位于绝缘层内部的派瑞林层32、空心层33以及导电层；导电层包括铝层341以及垂直于铝层341垂直设置的第一钨层342、第二钨层343、第三钨层344；上极板层11、第一引线层12和第二引线层22均悬设在下级板层21的上方；上极板层11和第一引线层12通过第一钨层342、铝层341以及第二铝层343相连；下级板层21和第二引线层22通过第三钨层344相连；其中上极板层11包括第一金属层、环设在第一金属层外周缘的第二金属层以及环设在第二金属层外周缘的第三金属层；下级板层21包括金属层211以及位于金属层211下表面的下绝缘层212；派瑞林层32和空心层33均平行设置在铝层341的下方；空心层33包括第一空心层、环设在第一空心层外周缘的第二空心层以及环设在第二空心层外周缘的第三空心层；派瑞林层32设置在第三空心层的外周缘。

实施例1

本实施例中，上极板层和第一引线层的材质为铝，第一金属层的形状为实心圆柱体，底面半径为5μm，侧面高度为0.55μm；第二金属层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为15μm，底面内圆半径为7μm，侧面高度为0.55μm；第三金属层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为25μm，底面内圆半径为17μm，侧面高度为0.55μm；第一引线层的形状为长方体，长方体的长度为20μm，宽度为0.5μm，高度为0.55μm；下级板金属层的材质为铝，形状为长方体，长度为300μm，宽度为300μm，高度为0.55μm；下级板的下绝缘层的材质为二氧化硅，形状为长方体，长度为300μm，宽度为300μm，高度为1.65μm；第二引线层的材质为铝，形状为长方体，长方体的长度为20μm，宽度为0.5μm，高度为0.55μm；绝缘层的材质为二氧化硅，绝缘层填充在上极板层、第一引线层、第二引线层与下极板层之间；绝缘层中铝层的形状为长方体，长方体的长度为8μm，宽度为0.5μm，高度为0.55μm；第一钨层的形状为长方体，长方体的长度为5μm，宽度为0.5μm，高度为0.55μm，第二钨层的形状为长方体，长方体的长度为5μm，宽度为0.5μm，高度为0.55μm，第三钨层的形状为长方体，长方体的长度为5μm，宽度为0.5μm，高度为2.75μm；第一空心层的形状为圆柱体，底面半径为3μm，侧面高度为0.55μm；第二空心层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为13μm，内圆半径为9μm，侧面高度为0.55μm；第三空心层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为23μm，内圆半径为19μm，侧面高度为0.55μm。

本实施例还提供一种换能器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

第一步：通过cadencevirtuoso设计图纸，而后请晶圆代工厂生产，并流片得到裸片；

本实施例中，裸片的外观结构为长方体，垂直于长方体上下底面，沿上下底面的中心将裸片剖开，且剖面平行于长方体的一个侧面；其中图1为裸片结构的剖视图，如图1可知，裸片的结构包括非金属氧化物层、分布在非金属氧化物层a1内部的铝层a2(为了使图更简洁清楚，仅仅标识出了一个铝层，a2不仅仅是指图中标记出的铝层m1，而是指整个图1中的铝层m1-m5)和钨层a3(为了使图更简洁清楚，仅仅标识出了一个钨层，a3不仅仅是指图中标记出的钨层w1，而是指整个图1中的钨层w1-w4)，以及位于非金属氧化物层a1上表面的氮化硅层a4；非金属氧化物层为二氧化硅层；铝层的层数为5层，自下而上依次包括m1层、m2层、m3层、m4层以及m5层；铝层可以连续分布，也可以间隔分布，若间隔分布，则位于同一水平面的几个部分统称为1个铝层，如m1仅包括一个铝层，m2包括从左至右间隔分布的6个铝层(可即为m21层、m22层、m23层、m24层、m25层、m26层)，m3仅包括一个铝层，m4包括从左至右间隔分布的7个铝层(可即为m41层、m42层、m43层、m44层、m45层、m46层、m47层)，m5仅包括一个铝层；钨层的层数为4层，自左至右依次包括w1层、w2层、w3层以及w4层；w1层用于垂直连接m5层和m21层，w2层用于垂直连接m3层和m45层，w3层用于垂直连接m3层和m46层，w4层用于垂直连接m1层和m47层。

第二步：对刻蚀除去第一步得到的裸片中m5层上表面的氮化硅层和二氧化硅层，以及垂直于m5层设置，且未有m5层保护的二氧化硅层，得到预制品a；

在本实施例中，第一次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为体积比是4:1的chf3和氧气的混合气体，rie源的功率为60w，刻蚀的均匀性为93％。

在本实施例中，将裸片进行第一次反应离子深刻蚀，其中发明内容中图2为预制品a的剖视图，通过第一次反应离子深刻蚀除去了原图1中的m5层上表面的氮化硅层和二氧化硅层，并且自上而下除去垂直m5设置，且没有m5层保护的二氧化硅层，得到预制品a的结构，在第一次反应离子深刻蚀过程中，反应离子仅和二氧化硅层反应，而不会和金属层反应，当自上而下腐蚀过程中，当腐蚀至m5金属层的地方，会自动停止腐蚀。

第三步：将第二步得到的预制品a进行湿法蚀刻，得到预制品b；

在本实施例中，湿法刻蚀用酸的制备方法包括：将磷酸、硝酸、冰醋酸以及去离子水按照体积比为1:1:2:16混合，得到酸液，满足和铝反应，而不和二氧化硅反应，从而较好的去除金属层。

在本实施例中，将预制品a进行湿法刻蚀，得到预制品b，其中发明内容中图3为预制品b的剖视图，如图3可知，在湿法刻蚀过程中，湿法刻蚀采用的酸液会和金属反应，而不和二氧化硅层反应，则在湿法过程中会先腐蚀除去w1层，w1层和m21层是相连的，在酸液腐蚀除去w1层后，酸液会继续腐蚀m21层，其中m21层、m22层、m23层、m24层、m25层以及m26层之间设置有微孔道，酸液会随着微孔道依次对m21层、m22层、m23层、m24层、m25层以及m26层进行腐蚀，得到预制品b；且由图3可以看出，在m2的那一层，由于微孔道的作用，减少了镂空的宽度，从而减小了镂空面积，避免了上薄膜粘滞到下薄膜上，从而形成了可振动的空腔。

第四步：在第三步得到的预制品b中二氧化硅层的上表面、刻蚀除去的w1层和刻蚀除去的部分m2层均采用化学气相沉积法沉积派瑞林层，得到预制品c；

本实施例中，化学气相沉积法包括如下步骤：

s1、将预制品b在60℃条件下烘烤3h去除预制品b表面以及内部的水汽；

s2、用纯净水配置体积浓度为5％的micro-90脱模剂，用不掉绒的棉布团蘸取脱模剂对涂覆机的沉积室内壁等不需要涂覆的地方全部涂抹一遍；

s3、将去除完水汽的预制品b吊挂在涂覆机内的支架网板上，其次打开涂覆机的偶联剂加入口，用注射器注入5ml的kh-570硅烷偶联剂，旋涂硅烷偶联剂(旋涂时间2h)，而后再注入派瑞林，旋涂派瑞林(按需要注入，通常1g派瑞林形成的膜厚为1μm，旋涂时间3.5h)，旋涂的时间共5.5h。

在本实施例中，图4为预制品c结构的剖视图，如图4所示，在预制品b中二氧化硅层的上表面、刻蚀除去的w1层和刻蚀除去的部分m2层均沉积派瑞林层，目的是为了堵住腐蚀的小孔，使得空腔可以为真空状态，其次是可以防止后续在水中工作时，水渗入器件内部导致器件的实效；派瑞林薄膜采用独特的真空气相沉积工艺制备，由活性小分子在基材表面“生长”出完全敷形的聚合物薄膜涂层，能够涂覆到各种形状的表面，包括尖锐的棱边、裂缝以及内表面，具有其他涂层难以比拟的优势。

第五步：将第四步得到的预制品c进行第二次反应离子深刻蚀，得到换能器。

本实施例中，第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为体积比是4:1的chf3和氧气的混合气体，rie源的功率为60w，刻蚀的均匀性为93％，具体参数的数值本实施方式不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行调整。

本实施例中，图5为换能器结构的剖视图，如图5可知，采用第二次反应离子深刻蚀除去预制品c中m4层上表面的派瑞西林层和二氧化硅层，以及垂直于m4层设置，且未有m4层和m3层保护的派瑞西林层和二氧化硅层。

对本实施例1得到的换能器进行性能测试，测试标准：利用标准超声探头作为接收端，测试研制的换能器的发射性能；利用阻抗分析仪，添加交流信号为1v，直流信号40v，扫描范围[20khz-1mhz]，测得的超声强度为6.5w/cm²，超声频率为2000khz，阵列化测试符合标准。

实施例2

本实施例中，上极板层和第一引线层的材质为铝，第一金属层的形状为实心圆柱体，底面半径为1μm，侧面高度为0.5μm；第二金属层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为4μm，底面内圆半径为2μm，侧面高度为0.6μm；第三金属层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为8μm，底面内圆半径为6μm，侧面高度为0.6μm；第一引线层的形状为长方体，长方体的长度为15μm，宽度为0.3μm，高度为0.5μm；下级板金属层的材质为铝，形状为长方体，长度为250μm，宽度为250μm，高度为0.5μm；下级板的下绝缘层的材质为二氧化硅，形状为长方体，长度为250μm，宽度为250μm，高度为1.65μm；第二引线层的材质为铝；绝缘层的材质为二氧化硅，绝缘层填充在上极板层、第一引线层、第二引线层与下极板层之间；绝缘层中铝层的形状为长方体，长方体的长度为2μm，宽度为0.3μm，高度为0.5μm；第一钨层的形状为长方体，所述长方体的长度为0.1μm，宽度为0.3μm，高度为0.5μm；第二钨层的形状为长方体，所述长方体的长度为0.1μm，宽度为0.3μm，高度为0.5μm；第三钨层的形状为长方体，所述长方体的长度为0.1μm，宽度为0.3μm，高度为0.5μm；；第一空心层的形状为圆柱体，底面半径为0.8μm，侧面高度为0.5μm；第二空心层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为3.5μm，内圆半径为2.5μm，侧面高度为0.5μm；第三空心层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为7.5μm，内圆半径为6.5μm，侧面高度为0.5μm。

本实施例还提供一种换能器的制备方法，制备方法与实施例1的区别仅在于第一次反应离子深刻蚀和第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为体积比为3:1的chf3和氧气的混合气体，rie源的功率为50w，刻蚀的均匀性为90％。

对本实施例2得到的换能器进行性能测试，测试标准与实施例1的测试标准相同，测得的超声强度为7w/cm²，超声频率为2000khz，阵列化测试符合标准。

实施例3

本实施例中，上极板层和第一引线层的材质为铝，第一金属层的形状为实心圆柱体，底面半径为100μm，侧面高度为0.6μm；第二金属层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为400μm，底面内圆半径为200μm，侧面高度为0.6μm；第三金属层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为700μm，底面内圆半径为500μm，侧面高度为0.6μm；第一引线层的形状为长方体，长方体的长度为25μm，宽度为0.7μm，高度为0.6μm；下级板金属层的材质为铝，形状为长方体，长度为350μm，宽度为350μm，高度为0.6μm；下级板的下绝缘层的材质为二氧化硅，形状为长方体，长度为350μm，宽度为350μm，高度为0.6μm；第二引线层的材质为铝，形状为长方体，长方体的长度为25μm，宽度为0.7μm，高度为0.6μm；绝缘层的材质为二氧化硅，绝缘层填充在上极板层、第一引线层、第二引线层与下极板层之间；绝缘层中铝层的形状为长方体，长方体的长度为100μm，宽度为0.7μm，高度为0.6μm；第一钨层的形状为长方体，长方体的长度为20μm，宽度为0.7μm，高度为0.6μm；第二钨层的形状为长方体，长方体的长度为20μm，宽度为0.7μm，高度为0.6μm；第三钨层的形状为长方体，长方体的长度为20μm，宽度为0.7μm，高度为3μm；第一空心层的形状为圆柱体，底面半径为80μm，侧面高度为0.6μm；第二空心层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为395μm，内圆半径为205μm，侧面高度为0.6μm；第三空心层的形状为空心圆柱体，底面外圆半径为695μm，内圆半径为505μm，侧面高度为0.6μm。

本实施例还提供一种换能器的制备方法，制备方法与实施例1的区别仅在于第一次反应离子深刻蚀和第二次反应离子深刻蚀的刻蚀参数包括：刻蚀气体为体积比为6:1的chf3和氧气的混合气体，rie源的功率为80w，刻蚀的均匀性为95％。

对本实施例3得到的换能器进行性能测试，测试标准与实施例1的测试标准相同，测得的超声强度为8w/cm²，超声频率为2300khz，阵列化测试符合标准。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。