一种高灵敏的声学图像传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及声学传感技术领域，特别是涉及一种高灵敏的声学图像传感器及其制备方法。背景技术：2.针对常规压电换能器拼接形成传感阵列集成度低、一致性差的问题，20世纪90年代研究人员便开始尝试采用mems技术设计新型的超声换能器，即微机械超声换能器(micromachined ultrasonic transducer，mut)。目前，经过二十多年的发展，人们在mut及其阵列技术上取得了一系列研究成果。这些成果根据传感机理分为电容式(capacitive)和压电式(piezoelectric)两类，即cmut和pmut。前者基于静电作用下的弯曲振动，后者则工作于正负压电效应。借助mems工艺的微纳制造能力，两者虽然都能够在硅基上实现大规模集成，但集成度越高，mut单元面积越小，由声压作用引起的振膜形变越小，器件的声压灵敏度越低。3.在声学应用领域，亥姆霍兹(helmholtz)共鸣器是一种最基本的声学共振系统，具有吸声、扩声的作用。数十年来，人们利用helmholtz共鸣器的谐振特性，研究了各种用于吸声降噪的腔体结构，例如用于室内建筑的微穿孔板等。另外，现有的基于helmholtz谐振腔的压电超声换能器，大多采用常规压电厚膜工艺，通过拼接单个独立器件形成阵列，用于吸收波长较长的低频声波，阵元结构尺寸一般在厘米级以上，然而，在超声成像领域，由于超声波长较短，现有结构设计方法并不适用于微纳尺度下的超声传感和器件制备。4.鉴于此，如何提供一种适用于超声成像的高灵敏的声学图像传感器及其制备方法成为本领域技术人员需要解决的问题。技术实现要素：5.本发明实施例的目的是提供一种高灵敏的声学图像传感器及其制备方法，能够对超声声波进行有效吸收和声压增强，实现对超声声波的图像传感。6.为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种高灵敏的声学图像传感器，包括：亥姆霍兹型微腔超表面结构、设置于所述亥姆霍兹型微腔超表面结构下方的微机械超声换能器阵列以及设置于所述微机械超声换能器阵列下方的集成电路；所述亥姆霍兹型微腔超表面结构为基于亥姆霍兹微腔在像素平面上的亚波长周期阵列超构形成，每个像素单元对应一个微腔结构；所述微机械超声换能器阵列包括多个超声换能器单元，所述集成电路为多个集成电路单元的阵列，所述微腔结构、所述超声换能器单元和所述集成电路单元一一对应设置。7.可选的，所述微腔结构包括设置于衬底表面的第一通孔，位于所述第一通孔下方与所述第一通孔连接的第一腔体。8.可选的，所述微腔结构还包括设置于所述第一腔体下方的第二腔体和至少两个第二通孔，所述第一腔体与所述第二腔体通过至少两个所述第二通孔连接。9.可选的，所述第一腔体和所述第二腔体共轴。10.可选的，各所述第二通孔分布于所述第一腔体边缘、且相对所述第一腔体中心对称。11.可选的，所述第一腔体和所述第二腔体的截面为圆形或正多边形。12.可选的，所述第一腔体和所述第二腔体的半径或外接圆的半径相等。13.可选的，所述第一通孔和各所述第二通孔为倒锥形通孔或圆柱形通孔。14.可选的，所述超声换能器单元从上之下依次为硅层、二氧化硅层、上层电极、压电层、下层电极和基底层；所述下电极层、所述基底层和位于所述超声换能器单元下方的集成电路单元围成振膜振动的腔体；所述硅层用于通过金属键合层与所述亥姆霍兹型微腔超表面结构的下表面键合连接。15.可选的，所述超声换能器单元的下层电极通过金属键合的方式与对应的集成电路单元进行电气连接。16.本发明实施例中还提供了一种高灵敏的声学图像传感器的制备方法，包括：17.将第一soi晶圆的器件层蚀刻多个第一通孔和分别位于所述第一通孔下方的第一腔体；18.将蚀刻完成的第一soi晶圆与第二soi晶圆整块进行si-si键合后，蚀刻去掉第二soi晶圆的基底层和氧化层，形成键合晶圆体；19.在所述键合晶圆体中的每个所述第一腔体下方蚀刻第二通孔和位于所述第二通孔下方的第二腔体，所述第二通孔连接所述第一腔体和所述第二腔体，形成具有亚波长周期阵列超构的亥姆霍兹型微腔超表面结构，每个所述第一通孔、对应的第一腔体、对应的第二通孔和对应的第二腔体构成一个微腔结构；20.将所述键合晶圆体与微机械超声换能器阵列及集成电路依次进行整块键合，之后去除基底层和氧化层得到声学图像传感器；其中，每个所述微腔结构与所述微机械超声换能器阵列中的每个超声换能器单元和所述集成电路中的每个集成电路单元一一对应。21.本发明实施例提供了一种高灵敏的声学图像传感器及其制备方法，该声学图像传感器包括：亥姆霍兹型微腔超表面结构、设置于亥姆霍兹型微腔超表面结构下方的微机械超声换能器阵列以及设置于微机械超声换能器阵列下方的集成电路；亥姆霍兹型微腔超表面结构为基于亥姆霍兹微腔在像素平面上的亚波长周期阵列超构形成，每个像素单元对应一个微腔结构；微机械超声换能器阵列包括多个超声换能器单元，集成电路为多个集成电路单元的阵列，微腔结构、超声换能器单元和集成电路单元一一对应设置。22.可见，本发明实施例中的声学图像传感器由亥姆霍兹型微腔超表面结构、位于该亥姆霍兹型微腔超表面结构下方的微机械超声换能器阵列以及位于该微机械超声换能器阵列下方的集成电路三者键合互连而成。并且，亥姆霍兹型微腔超表面结构是基于亥姆霍兹微腔在像素平面上的亚波长周期阵列超构形成，每个微腔结构的尺寸均可以达到亚波长量级，接近于入射超声波波长。因此，利用该结构的超表面局域谐振特性，亥姆霍兹型微腔超表面结构中的每个微腔结构可以促进声波吸收和声压放大，并将声能传递至微机械超声换能器阵列中对应的超声换能器单元生成对应的传感电荷，再传输至对应的集成电路单元，以便各个集成电路单元处理该电信号后，由所有像素单元的电信号组合成超声图像。本发明能够对入射超声声波进行有效吸收和声压增强，实现对超声声波的图像传感。附图说明23.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。24.图1为本发明实施例提供的一种高灵敏的声学图像传感器的结构示意图；25.图2为本发明实施例提供的一种高灵敏的声学图像传感器的爆炸图；26.图3为本发明实施例提供的一种高灵敏的声学图像传感器中单个像素结构的剖面示意图；27.图4为本发明实施例提供的一种亥姆霍兹型微腔超表面结构中单个像素的内部结构示意图；28.图5为本发明实施例提供的另一种亥姆霍兹型微腔超表面结构中单个像素的内部结构示意图；29.图6为本发明实施例提供的一种微机械超声换能器阵列的内部结构示意图；30.图7为本发明实施例提供的一种高灵敏的声学图像传感器的制备方法的流程示意图；31.图8为本发明实施例提供的一种高灵敏的声学图像传感器的制备过程中各阶段的示意图。具体实施方式32.本发明实施例提供了一种高灵敏的声学图像传感器及其制备方法，能够对超声声波进行有效吸收和声压增强，实现对入射超声声波的图像传感。33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。34.图1为本发明实施例提供的一种高灵敏的声学图像传感器的结构示意图。该声学图像传感器，包括：亥姆霍兹型微腔超表面结构1、设置于亥姆霍兹型微腔超表面结构1下方的微机械超声换能器阵列2以及设置于微机械超声换能器阵列2下方的集成电路3；亥姆霍兹型微腔超表面结构1为基于亥姆霍兹微腔在像素平面上的亚波长周期阵列超构形成，每个像素单元对应一个微腔结构11；微机械超声换能器阵列2包括多个超声换能器单元21，集成电路3为多个集成电路单元31的阵列，微腔结构11、超声换能器单元21和集成电路单元32一一对应设置。35.需要说明的是，本发明实施例中的亥姆霍兹型微腔超表面结构1是基于亥姆霍兹型微腔在像素平面上的亚波长周期阵列超构形成，像素面上的每个像素单元对应一个微腔结构11，每个微腔结构11的尺寸可以达到亚波长量级，接近于超声波波长。因此，利用该结构的超表面局域谐振特性，亥姆霍兹型微腔超表面结构1可以对入射超声声波进行有效地吸收和传感。亥姆霍兹型微腔超表面结构1首先通过各个微腔结构11对入射超声波进行共振吸收和声压放大，并将声能传递至微机械超声换能器阵列2相应的超声换能器单元中，驱动振膜振动和形变，生成传感电荷并传递至集成电路3中相应的集成电路单元31，以便各个集成电路单元31对该电信号处理后，由所有像素单元的电信号组合成图像，实现对入射超声波的图像传感。具体的，亥姆霍兹型微腔超表面结构1通过金属键合的方式与微机械超声换能器阵列2电气连接，微机械超声换能器阵列2通过金属键合的方式与集成电路3电气连接，具体请参照图2，其中，金属键合层4位于亥姆霍兹型微腔超表面结构1与微机械超声换能器阵列2之间，以及微机械超声换能器阵列2与集成电路3之间。并且，亥姆霍兹型微腔超表面结构1中微腔结构11的结构参数、腔体层数，以及微机械超声换能器阵列2中超声换能器单元21的振膜参数，皆需满足微腔结构11和超声换能器单元21与入射声波的共振，本发明实施例不做特殊限定。36.进一步的，本发明实施例中以单个像素单元对应的微腔结构11为例进行详细说明。本发明实施例中的微腔结构11可以包括设置于衬底表面的第一通孔和位于第一通孔下方与第一通孔连接的第一腔体。其中，声波通过第一通孔传输至第一腔体，使第一腔体中心处的声压增强，并且第一腔体直接与超声换能器单元键合连接。37.更进一步的，如图3所示，为了进一步增强到达振膜处的声压强度，本发明实施例中的微腔结构11除了包括设置于衬底表面的第一通孔11-a，以及位于第一通孔11-a下方与第一通孔11-a连接的第一腔体11-b之外，还可以包括位于第一腔体11-b下方的至少两个第二通孔11-d和第二腔体11-d，第一腔体11-b与第二腔体11-d通过至少两个第二通孔11-c连接。38.需要说明的是，本发明实施例中微腔结构11具体可以为两层，包括连通外界与第一腔体11-b的第一通孔11-a，本发明实施例中为了进一步增强声压，还设置了第二腔体11-c，并且第一腔体11-b通过至少两个第二通孔11-c与第二腔体11-d连接，声波通过第一通孔11-a传输至第一腔体11-b，然后再通过第二通孔11-c传递至第二腔体11-d，使到达第二腔体11-d的声压得到增强。其中，第一腔体11-b和第二腔体11-d内部充满环境介质或其他声学介质。39.在实际应用中，第一通孔11-a可以为一个，也可以为多个。为多个时，多个第一通孔11-a聚集于中心处，且相对第一腔体11-b呈中心对称分布。40.具体的，如图3和4所示，为了进一步对声压进行增强，提高第二腔体11-d中心的强度，本发明实施例中第一腔体11-b和第二腔体11-d共轴。并且，在第一通孔11-a为一个时，第一通孔11-a与第一腔体11-b共轴，第一通孔11-a位于第一腔体11-b的正中心。各第二通孔11-c分布于第一腔体11-b边缘，且相对第一腔体11-b中心对称，从而使传递至第二腔体11-d中的声压中心对称，保证微机械超声换能器阵列2振膜上方的声压中心对称，使振膜中心声压最强，增大振膜的弹性形变，提高声压灵敏度。41.另外，本发明实施例中的第一腔体11-b和第二腔体11-d的截面可以为圆形或正多边形，并且第一腔体11-b和第二腔体11-d的半径或外接圆的半径相等。其中，第一通孔11-a、第一腔体11-b、第二腔体11-c和第二腔体11-d的具体尺寸根据设定的工作频率(也即共振波长)、入射声场的声学阻尼和微机械超声换能器阵列2中振膜的固有频率进行设定，以便使用时在工作频率上对入射声场进行更好地共振吸收，并在微腔结构11内部实现入射声压的谐振放大，以解决器件集成化带来的声压灵敏度不足的矛盾。42.当然，在实际应用中第一腔体11-b和第二腔体11-d的半径或外接圆的半径也可以不相等，第一腔体11-b和第二腔体11-d的半径的具体大小可以跟实际需要进行确定，本发明实施例对此不做特殊限定。43.其中，图3中的pzt表示压电薄膜，cmos asic表示集成电路3。44.另外，本发明实施例中的第一通孔11-a和各第二通孔11-c可以为倒锥形通孔，具体如图5所示，采用倒锥形通孔有利于减小声边界层阻尼作用，提高腔内谐振声压，进一步提高振膜中心声压强度，增大振膜的弹性形变，提高声压灵敏度。45.当然，在实际应用中第一通孔11-a和各第二通孔11-c也均可以为圆柱形通孔，具体采用哪种形状的通孔可以根据实际需要进行确定，本发明实施例对此不做特殊限定。46.进一步的，请参照图6所示的微机械超声换能器阵列的三维结构，本发明实施例以一个超声换能单元21为例进行说明，超声换能器单元21从上之下依次为硅层21-a、二氧化硅层21-b、上层电极21-c、压电层21-d、下层电极21-e和基底层21-f；下电极层21-e、基底层21-f以及位于超声换能器单元21下方的集成电路单元31围成振膜振动的腔体21-g；硅层21-a用于通过金属键合层4与亥姆霍兹型微腔超表面结构1的下表面键合连接。47.需要说明的是，本发明实施例中微机械超声换能器阵列2采用倒置结构设计，每个超声换能器单元21从上至下依次为振膜诸层和基底层21-f，其中，振膜诸层从上之下包括si层21-a、sio2层21-b、上层电极21-c、压电层21-d和下层电极21-e，基底层21-f可以为sio2或其它绝缘介质，通过周边固定上方的振膜诸层，并在下方形成振膜振动所需的腔体21-g。微机械超声换能器阵列2倒置设计的目的是，利于下层电极21-e通过金属键合直接与集成电路3进行电气互连，避免硅通孔、金属化等复杂工艺，提高微机械超声换能器阵列2中振膜结构的面积占比，缩短电荷传输距离，减小路径噪声，利于下层电极21-e将传感电荷输运至集成电路3相应的集成电路单元31。为了避免像素单元之间的信号串扰，在实际应用中，可以将振膜诸层中的si层21-a蚀刻分离，也可将振膜诸层中的多个膜层(si层21-a、sio2层21-b、上层电极21-c及压电层21-d)蚀刻分离。48.具体的，本发明实施例中的亥姆霍兹型微腔超表面结构1、微机械超声换能器阵列2以及集成电路3三者之间通过晶圆级低温工艺键合，例如低温al-ge金属键合。49.另外，本发明实施例中的集成电路3中的集成电路单元31具有与微机械超声换能器阵列2的超声换能器单元21对应的信号处理通道，并且集成电路3优选为一种入射声场声压峰值的检波整流寻址读出电路，也可以为像素级的多通道时域采样电路，具体本发明实施例对此不做特殊限定。微机械超声换能器阵列2可以为压电式微机械超声换能器阵列，也可以在更改部分工艺后设计为电容式微机械超声换能器阵列，具体本发明实施例对此不做特殊限定。50.可见，本发明实施例中的高灵敏的声学图像传感器由亥姆霍兹型微腔超表面结构、位于该亥姆霍兹型微腔超表面结构下方的微机械超声换能器阵列以及位于该微机械超声换能器阵列下方的集成电路三者键合互连而成。并且，亥姆霍兹型微腔超表面结构是基于亥姆霍兹微腔在像素平面上的亚波长周期阵列超构形成，每个微腔结构的尺寸均可以达到亚波长量级，接近于入射声波波长。因此，利用该结构的超表面局域谐振特性，可以通过亥姆霍兹型微腔超表面结构中的每个微腔结构对入射超声波进行有效吸收和声压增强，且将声能传递至微机械超声换能器阵列中对应的超声换能器单元生成对应的传感电荷，再传输至对应的集成电路单元，以便各个集成电路单元对该电信号处理后，由所有像素单元的电信号组合成超声图像。本发明能够对入射超声声波进行有效吸收和声压增强，实现对超声声波的图像传感。51.在上述实施例的基础上，本发明实施例中还提供了一种高灵敏的声学图像传感器的制备方法，具体请参照图7。该方法包括：52.s110：将第一soi晶圆的器件层蚀刻多个第一通孔和位于第一通孔下方的第一腔体；53.具体的，如图8中的所示，在第一soi晶圆soi-1的器件层上整块做图形化蚀刻，得到多个第一通孔11-a和位于每个第一通孔11-a下方的第一腔体11-b。54.s120：将蚀刻完成的第一soi晶圆与第二soi晶圆整块进行si-si键合后，蚀刻去掉第二soi晶圆的基底层和氧化层，形成键合晶圆体；55.需要说明的是，如图8中的所示，将s110中蚀刻完成的第一soi晶圆与第二soi晶圆soi-2整块进行si-si键合，并在键合完成后，蚀刻去掉基底层和氧化层，形成键合晶圆体，具体可以参照图8中的56.s130：在键合晶圆体中的每个第一腔体下方蚀刻第二通孔和位于第二通孔下方的第二腔体，第二通孔连接第一腔体和第二腔体，形成具有亚波长周期阵列超构的亥姆霍兹型微腔超表面结构；每个第一通孔、对应的第一腔体、对应的第二通孔和对应的第二腔体构成一个多个微腔结构；57.具体的，进一步对键合晶圆体中的每个第一腔体下方同时第二通孔11-c，以及同时蚀刻第二腔体11-d，每个第一通孔、第一腔体、第二通孔和第二腔体一一对应形成微腔结构，从而形成包括多个微腔结构的亥姆霍兹型微腔超表面结构。58.s140：将键合晶圆体与微机械超声换能器阵列及集成电路依次进行整块键合，之后去除基底层和氧化层得到声学图像传感器；其中，每个微腔结构与微机械超声换能器阵列中的每个超声换能器单元和集成电路中的每个集成电路单元一一对应。59.具体的，如图8所示的将键合晶圆体中的每个微腔结构与预先制备的微机械超声换能器阵列2的每个超声换能器单元整板通过金属键合层4低温键合，然后再将微机械超声换能器阵列2的每个超声换能器单元与集成电路3中每个集成电路单元整板通过金属键合层4低温键合，去除基底层和氧化层即可得到声学图像传感器。60.可理解的是，在实际应用中可以预先制备倒置设计的微机械超声换能器阵列，然后将上述制备好的亥姆霍兹型微腔超表面结构与微机械超声换能器阵列进行晶圆级的低温金属键合，然后再通过电极间低温金属键合，将微机械超声换能器阵列中与集成电路(cmos asic)中进行整板的晶圆级键合，得到制备完成的高灵敏的声学图像传感器。其中，图8中的pzt表示压电薄膜。61.由此可知，本发明实施例可以通过亥姆霍兹型微腔超表面结构中的每个微腔结构对超声波进行有效吸收和声压增强，并将声能传递至微机械超声换能器阵列中对应的超声换能器单元生成对应的传感电荷，再传输至对应的集成电路单元，以便各个集成电路单元对该的电信号处理后，由所有像素单元的电信号组合成超声图像62.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。63.还需要说明的是，在本说明书中，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。64.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。