硅基压电式超声芯片及应用其的超声探头的制作方法

本技术涉及微电子器件，医用超声诊断设备制造等，尤其涉及一种硅基压电式超声芯片及应用其的超声探头。

背景技术：

1、医用超声探头是一种医用成像器械，主要用于超声成像检查。它是通过将超声波传输到人体内部，然后接收反射回来的超声波信号来生成图像。从物理层面来看，超声探头是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声信号转换为电信号的能量转换器件。

2、压电式超声波探头是利用压电材料的压电效应来工作的，实验表明压电层材料的压电性能和最终所制备的超声探头的信号成正相关。压电探头常使用声透镜为基底来实现信号的传输，相较于聚焦式探头的声透镜，平探头对应的透镜制作相对简单，但它也需要对透镜进行机械研磨和抛光处理，其加工费用较昂贵且需要一定的加工周期。

3、硅基底作为半导体行业研究最为深入的一种基底材料，也被用于超声芯片的制备当中，既节约了成本且能实现探头的批量生产。然而，直接在金属电极上制备压电层材料往往性能较差，严重影响超声探头的性能。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本实用新型期望能够至少部分解决上述技术问题中的其中之一。

3、(二)技术方案

4、本实用新型第一个方面中，提供了一种硅基压电式超声芯片，包括：硅基底；sio2热氧层，形成于硅基底的正面；压电层，形成于sio2热氧层上。

5、在本实用新型的一些实施例中，压电层的材料为zno。

6、在本实用新型的一些实施例中，sio2热氧层为非晶态sio2热氧层；压电层为c轴择优生长的(002)晶向的zno层。

7、在本实用新型的一些实施例中，硅基压电式超声芯片的背面形成背腔，该背腔自硅基底的背面延伸至sio2热氧层的起始位置或sio2热氧层内；硅基压电式超声芯片还包括：下电极，形成于背腔内。

8、在本实用新型的一些实施例中，下电极为填充于背腔内的导电材料，并且该导电材料延伸至硅基底的背面。

9、在本实用新型的一些实施例中，硅基压电式超声芯片还包括：上电极，形成于压电层上。

10、在本实用新型的一些实施例中，导电材料为导电银胶。

11、在本实用新型的一些实施例中，上电极包括：黏附层和金层，依次形成于压电层上。

12、本实用新型第二个方面中，提供了一种超声探头，包括：外壳，呈空心筒状；如上的硅基压电式超声芯片，固定于外壳内的探测端；超声接头，固定于外壳内的信号端；其中，硅基压电式超声芯片的下电极朝向外壳的内侧，电性连接至超声接头的第一信号端；硅基压电式超声芯片的上电极朝向外壳的外侧，电性连接至超声接头的第二信号端。

13、在本实用新型的一些实施例中，外壳为导电外壳；超声探头还包括：金属层，一体化形成于压电层及导电外壳的外侧；其中，形成于压电层上的金属层构成硅基压电式超声芯片的上电极，形成于导电外壳外侧的金属层构成上电极与导电外壳的电性连接通道。

14、在本实用新型的一些实施例中，导电外壳的材料为金属。

15、在本实用新型的一些实施例中，硅基压电式超声芯片通过绝缘环氧胶固定于导电外壳内的探测端；硅基压电式超声芯片的下电极与导电外壳绝缘。

16、在本实用新型的一些实施例中，超声接头为sma接头，硅基压电式超声芯片的下电极电性连接至sma接头的中心端，上电极通过电性连接通道、导电外壳连接至sma接头的侧壁。

17、在本实用新型的一些实施例中，还包括：声阻抗匹配层，形成于金属层的外侧，其材料为以下一种或多种：parylene-c、铝、环氧树脂。

18、(三)有益效果

19、从上述技术方案可知，本实用新型相对于现有技术至少具有以下有益效果之一：

20、(1)在硅基底上外延生长的sio2热氧层界面上生长压电层，压电层的生长质量更好。制备出择优度更优的压电层，间接提高了所制备的超声探头的信号。

21、此外，sio2热氧层不仅充当了压电层的“种子层”，也充当了深硅刻蚀的“截止层”，如果沉积的是压电层薄膜或所制备的压电膜不致密，上述sio2热氧层薄膜也充当“隔离层”防止了上、下电极的导通。

22、(2)通过热化学方法外延生长在单晶硅表面的sio2热氧层，不仅具有良好的晶体结构和界面性质，还具有较低的缺陷密度和杂质含量，此sio2热氧层虽不是单晶体结构，但其晶体结构和性能与硅外延层的晶体结构和性能密切相关，此非晶态的sio2热氧层中的原子分布具有短程有序性，故而单从晶格的角度来考虑，此sio2热氧层充当了压电层的“种子层”，在硅外延生长的sio2热氧层界面上制备压电层zno将比在金属界面上制备zno择优度生长更高。

23、(3)下电极为填充于背腔内的，一体化的导电材料，其延伸至硅基底的背面，导电材料例如可以是导电银胶。该导电银胶充当下电极的同时也充当了背衬层，用于吸收从压电层向后传播的超声波信号，有效地减小超声信号的反射并提高检测的分辨率。

24、此外，在制备过程中，直接在背腔内填充导电银胶作为下电极并连接导线，其节省了工艺流程，节省了工艺成本。

25、(4)在超声探头的探测端，金属层不仅溅射在压电层的表面也溅射到金属外壳的底面及部分侧壁，由此，上电极的信号可通过金属外壳传递给sma接口的侧壁，实现信号的输出，节省了后续连接上电极和金属外壳的步骤和成本。

26、(5)在超声探头探测端的金属层上，形成声阻抗匹配层，用于降低压电层和检测对象之间声阻抗差异，使得从压电层产生的超声波的主要部分能够传送给检测对象。

技术特征：

1.一种硅基压电式超声芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的硅基压电式超声芯片，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的硅基压电式超声芯片，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的硅基压电式超声芯片，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的硅基压电式超声芯片，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的硅基压电式超声芯片，其特征在于，

7.一种超声探头，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的超声探头，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的超声探头，其特征在于，

10.根据权利要求8所述的超声探头，其特征在于，还包括：

技术总结本技术涉及微电子器件，医用超声诊断设备制造等技术领域，尤其涉及一种硅基压电式超声芯片及应用其的超声探头。本技术硅基压电式超声芯片包括：硅基底；SiO<subgt;2</subgt;热氧层，形成于硅基底的正面；压电层，形成于SiO<subgt;2</subgt;热氧层上。本技术中，在硅基底上外延生长的SiO<subgt;2</subgt;热氧层界面上生长压电层，压电层的生长质量更好。制备出择优度更优的压电层，间接提高了所制备的超声探头的信号。此外，SiO2热氧层不仅充当了压电层的“种子层”，也充当了深硅刻蚀的“截止层”，并且，SiO<subgt;2</subgt;热氧层薄膜也充当“隔离层”防止了上、下电极的导通。技术研发人员：黄燕峰,刘端受保护的技术使用者：安徽奥飞声学科技有限公司技术研发日：20231101技术公布日：2024/7/25