CN109502541B - 一种压电mems超声波传感器及其制造方法 - Google Patents

一种压电mems超声波传感器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电MEMS超声波传感器及其制造方法，涉及传感器技术领域，本申请采用了MEMS工艺进行超声波传感器的制造，在硅基片上采用类似集成电路的光刻、刻蚀等方法实现传感器的制造，同时区别于传统的超声波传感器基于压电陶瓷的方案，本申请提出的超声波传感器基于微米厚度的压电薄膜，且基于弯曲振动模式，所制造的超声波传感器的尺寸可以小到毫米量级，因此采用本申请公开的制造方法制造得到的超声波传感器具有尺寸小、一致性高以及可以批量制造的优点，而且能够很容易实现阵列，扩展了超声波传感器的应用范围。

Description

一种压电MEMS超声波传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种压电MEMS超声波传感器及其制造方法。
背景技术
超声波传感器一般工作在20kHz-400kHz，在汽车的倒车雷达、工业中的液位仪和气体流量计等需要测距的场景中被广泛应用。
目前传统的超声波传感器采用压电陶瓷作为换能元件，压电陶瓷的上下表面镀有金属，再通过点胶等方式将压电陶瓷和声学振动结构固接在一起，形成超声波传感器的振动结构，比如专利号为201680075252.8的专利中描述的超声波传感器。采用这种方式制造的超声波传感器存在尺寸大、一致性差和制造麻烦等缺点。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种压电MEMS超声波传感器及其制造方法，采用MEMS工艺进行超声波传感器的制备，使用微米厚度的压电薄膜作为换能元件且基于弯曲振动模式，所制造得到的超声波传感器具有尺寸小、一致性高以及可批量制造的优点。
本发明的技术方案如下：
一种压电MEMS超声波传感器的制造方法，该方法包括：
准备第一硅片和第二硅片，对第二硅片标准清洗后进行热氧化，在第二硅片的上表面和下表面分别形成二氧化硅薄膜，将第二硅片置于第一硅片之上并将第一硅片与第二硅片对准进行键合；
对第二硅片进行抛光减薄去除第二硅片的上表面的二氧化硅薄膜以及预定厚度的第二硅片，形成位于第二硅片的下表面的二氧化硅薄膜上表面的硅振动膜，得到硅基结构；对制备得到的硅基结构进行热氧化，在硅基结构的上表面和下表面分别形成二氧化硅薄膜；
在硅基结构的上表面依次制备下电极和PZT压电薄膜，并对PZT压电薄膜进行光刻刻蚀形成预定结构；
在硅基结构的上表面沉积二氧化硅钝化层，并对PZT压电薄膜表面的二氧化硅钝化层进行光刻刻蚀；在硅基结构的上表面制备上电极，上电极位于PZT压电薄膜的上表面且形成与PZT压电薄膜的结构相匹配的预定结构，通过电极引线将上电极引出至上电极PAD；
对二氧化硅钝化层进行甩胶光刻腐蚀露出下电极形成下电极PAD；制备形成压电MEMS超声波传感器。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：对第一硅片的上表面进行深硅刻蚀形成圆形凹槽；
则将第一硅片与第二硅片对准进行键合，包括：在真空环境下对第一硅片和第二硅片进行键合使得圆形凹槽成为真空气隙。
其进一步的技术方案为，PZT压电薄膜和上电极形成的预定结构包括内部的圆形以及外部的带缺口的圆环；在上电极的结构中，圆形的直径为圆形凹槽的直径的60％-80％，圆环的外边缘与圆形凹槽的边缘之间的距离为5-10μm，圆环的内边缘与圆形的边缘之间的距离为10-20μm；
则通过电极引线将上电极引出至上电极PAD，包括：
通过电极引线分别将圆形结构以及圆环结构的上电极引出至两个上电极PAD。
其进一步的技术方案为，第一硅片的厚度为300-1000μm，圆形凹槽的深度为5-250μm，圆形凹槽的直径为100-1500μm。
其进一步的技术方案为，在硅基结构的上表面制备下电极，包括：
采用蒸镀或溅射的方法在硅基结构的上表面制备Pt/Ti下电极，Pt厚度为0.1-0.3μm，Ti厚度为0.01-0.04μm。
其进一步的技术方案为，在硅基结构的上表面制备上电极，包括：
采用溅射或蒸镀的方法在硅基结构的上表面制备Au/TiW上电极，Au厚度为0.1-0.4μm，TiW厚度为0.01-0.04μm。
其进一步的技术方案为，第二硅片的上表面和下表面形成的二氧化硅薄膜，以及，硅基结构的上表面和下表面的二氧化硅薄膜的厚度均为0.5-4μm；二氧化硅钝化层的厚度为0.3-0.8μm；硅振动膜的厚度为1-10μm；PZT压电薄膜的厚度为1-4μm。
一种压电MEMS超声波传感器，该压电MEMS超声波传感器采用上述制造方法制造而成，该压电MEMS超声波传感器包括：
由第一硅片、二氧化硅薄膜和硅振动膜从底至顶依次层叠形成的硅基结构；
以及，分别形成在硅基结构的上表面和下表面的二氧化硅薄膜；
以及，形成在硅基结构的上表面的二氧化硅薄膜上表面的下电极；
以及，形成在下电极上表面的PZT压电薄膜和二氧化硅钝化层，PZT压电薄膜形成为预定结构，二氧化硅钝化层形成在PZT压电薄膜以外的区域，二氧化硅钝化层露出下电极形成有下电极PAD；
以及，形成在PZT压电薄膜上表面的上电极，上电极形成与PZT压电薄膜的结构相匹配的预定结构，上电极通过电极引线引出至上电极PAD。
其进一步的技术方案为，第一硅片的顶部具有圆形凹槽，圆形凹槽形成为真空气隙。
其进一步的技术方案为，PZT压电薄膜与上电极形成的预定结构包括内部的圆形以及外部的带缺口的圆环，圆形结构以及圆环结构的上电极分别通过电极引线引出至两个上电极PAD。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种压电MEMS超声波传感器的结构以及相应的制造方法，本申请采用了MEMS工艺进行超声波传感器的制造，在硅基片上采用类似集成电路的光刻、刻蚀等方法实现传感器的制造，同时区别于传统的超声波传感器基于压电陶瓷的方案，本申请提出的超声波传感器基于微米厚度的压电薄膜，且基于弯曲振动模式，所制造的超声波传感器的尺寸可以小到毫米量级，因此采用本申请公开的制造方法制造得到的超声波传感器具有尺寸小、一致性高以及可以批量制造的优点，而且能够很容易实现阵列，扩展了超声波传感器的应用范围。
本申请提供的压电MEMS超声波传感器的硅振动膜下方有真空气隙，有利于减小超声波传感器的压膜阻尼，提高声发射效率。同时采用内外上电极差分激励，也有利于提高声发射效率。
附图说明
图1是本申请中的第一硅片的结构俯视图。
图2是在本申请的制造方法过程中的一个状态的结构层叠图。
图3是在本申请的制造方法过程中的另一个状态的结构层叠图。
图4是在本申请的制造方法过程中的另一个状态的结构层叠图。
图5是与图4同状态的结构俯视图。
图6是在本申请的制造方法过程中的另一个状态的结构层叠图。
图7是在本申请的制造方法过程中的另一个状态的结构层叠图。
图8是与图7同状态的结构俯视图。
图9是最终制造得到的压电MEMS超声波传感器的结构层叠图。
图10是最终制造得到的压电MEMS超声波传感器的结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种压电MEMS超声波传感器的制造方法，流程如下：
步骤S01:准备第一硅片1，第一硅片1的厚度为300-1000μm。可选的，本申请还对第一硅片1的上表面进行深硅刻蚀形成圆形凹槽2，请参考图1所示的俯视图。圆形凹槽2的深度为5-250μm，圆形凹槽2的直径为100-1500μm。
步骤S02，准备第二硅片3，对第二硅片3进行标准清洗，然后对第二硅片3进行热氧化，在第二硅片3的上表面和下表面分别形成二氧化硅薄膜4，请参考图2的层叠示意图。第二硅片3的上表面和下表面形成的二氧化硅薄膜4的厚度均为0.5-4μm。
步骤S03，将第二硅片3置于第一硅片1之上并将第一硅片1与第二硅片3对准，然后对第一硅片1和第二硅片3进行键合使其成为一个整体。当第一硅片1上刻蚀有圆形凹槽2时，在真空环境下对第一硅片1和第二硅片3进行键合使得圆形凹槽2形成为真空气隙。
步骤S04，对第二硅片3的上表面进行抛光减薄，去除第二硅片3的上表面的二氧化硅薄膜4以及预定厚度的第二硅片3，形成位于第二硅片3的下表面的二氧化硅薄膜4上表面的硅振动膜5。去除的第二硅片3的预定厚度根据所需的硅振动膜5的厚度决定，第二硅片3在抛光后剩下的部分即成为硅振动膜5。在本申请中，硅振动膜5的厚度为1-10μm。第一硅片1、二氧化硅薄膜4和硅振动膜5从底至顶依次层叠形成了硅基结构，请参考图3的层叠示意图。然后对硅基结构进行热氧化，在硅基结构的上表面和下表面分别形成二氧化硅薄膜6，硅基结构的上表面和下表面的二氧化硅薄膜6的厚度也均为0.5-4μm，如图3所示。由于标号6与标号4都表示二氧化硅薄膜，因此图3以相同的图示进行表示。
步骤S05，在硅基结构的上表面依次制备下电极7。在本申请中，采用蒸镀或溅射等方法在硅基结构的上表面制备Pt/Ti下电极7，Pt厚度为0.1-0.3μm，Ti厚度为0.01-0.04μm。
步骤S06，在硅基结构的上表面，也即下电极7的上表面制备PZT压电薄膜8，并对PZT压电薄膜8进行光刻刻蚀形成预定结构。在本申请中，采用溅射或Sol-gel方法制备PZT压电薄膜8，PZT压电薄膜8的厚度为1-4μm。可选的，本申请中PZT压电薄膜8形成的预定结构包括内部的圆形以及外部的带缺口的圆环，请参考图4的层叠示意图和图5的俯视图。
步骤S07，在硅基结构的上表面沉积二氧化硅钝化层9，并对PZT压电薄膜8表面的二氧化硅钝化层9进行光刻刻蚀，在PZT压电薄膜8的结构上开口，露出下方的PZT压电薄膜8，使得形成的二氧化硅钝化层9形成在下电极7的上表面的除PZT压电薄膜8以外的区域，请参考图6的层叠示意图。在本申请中，采用PECVD沉积二氧化硅钝化层9，二氧化硅钝化层9的厚度为0.3-0.8μm。
步骤S08，在硅基结构的上表面制备上电极10，上电极10位于PZT压电薄膜8的上表面，且上电极10形成与PZT压电薄膜8的结构相匹配的预定结构，通过电极引线将上电极10引出至上电极PAD。在本申请中，采用溅射或蒸镀的方法在硅基结构的上表面制备Au/TiW上电极10，Au厚度为0.1-0.4μm，TiW厚度为0.01-0.04μm。
则在本申请中，上电极10也形成为包括内部的圆形以及外部的带缺口的圆环的预定结构。对于上电极10的结构，圆形的直径为圆形凹槽2的直径的60％-80％，圆环的外边缘与圆形凹槽2的边缘之间的距离为5-10μm，圆环的内边缘与圆形的边缘之间的距离为10-20μm。通过电极引线分别将圆形以及圆环结构的上电极10引出至两个上电极PAD，请参考图7的层叠图和图8的俯视图。
步骤S09，对二氧化硅钝化层9进行甩胶光刻腐蚀露出下电极形7成下电极PAD11，制备形成压电MEMS超声波传感器。最终制备形成的MEMS超声波传感器的层叠图请参考图9、俯视图请参考图10，可以看出，该压电MEMS超声波传感器包括：
由第一硅片1、二氧化硅薄膜4和硅振动膜5从底至顶依次层叠形成的硅基结构。可选的，第一硅片1的顶部具有圆形凹槽2，圆形凹槽2形成为真空气隙。
还包括，分别形成在硅基结构的上表面和下表面的二氧化硅薄膜6。
还包括，形成在硅基结构的上表面的二氧化硅薄膜6上表面的下电极7。
还包括，形成在下电极7上表面的PZT压电薄膜8和二氧化硅钝化层9，PZT压电薄膜8形成为预定结构，二氧化硅钝化层9形成在PZT压电薄膜8以外的区域，二氧化硅钝化层9露出下电极7形成有下电极PAD 11。可选的，PZT压电薄膜8形成的预定结构包括内部的圆形以及外部的带缺口的圆环。
还包括，形成在PZT压电薄膜8上表面的上电极10，上电极10形成与压电薄膜8的结构相匹配的预定结构，上电极10通过电极引线引出至上电极PAD。则可选的，上电极10也形成为包括内部的圆形以及外部的带缺口的圆环的预定结构，圆形以及圆环结构的上电极10分别通过电极引线引出至两个上电极PAD。
以上的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压电MEMS超声波传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
准备第一硅片和第二硅片，对所述第一硅片的上表面进行深硅刻蚀形成圆形凹槽，对所述第二硅片标准清洗后进行热氧化，在所述第二硅片的上表面和下表面分别形成二氧化硅薄膜，将所述第二硅片置于所述第一硅片之上并将所述第一硅片与所述第二硅片对准进行键合；
对所述第二硅片进行抛光减薄去除所述第二硅片的上表面的二氧化硅薄膜以及预定厚度的所述第二硅片，形成位于所述第二硅片的下表面的二氧化硅薄膜上表面的硅振动膜，得到硅基结构；对制备得到的所述硅基结构进行热氧化，在所述硅基结构的上表面和下表面分别形成二氧化硅薄膜；
在所述硅基结构的上表面依次制备下电极和PZT压电薄膜，并对所述PZT压电薄膜进行光刻刻蚀形成预定结构；
在所述硅基结构的上表面沉积二氧化硅钝化层，并对所述PZT压电薄膜表面的所述二氧化硅钝化层进行光刻刻蚀；在所述硅基结构的上表面制备上电极，所述上电极位于所述PZT压电薄膜的上表面且形成与所述PZT压电薄膜的结构相匹配的所述预定结构，通过电极引线将所述上电极引出至上电极PAD；
对所述二氧化硅钝化层进行甩胶光刻腐蚀露出所述下电极形成下电极PAD；制备形成压电MEMS超声波传感器；
所述PZT压电薄膜和所述上电极形成的所述预定结构包括内部的圆形以及外部的带缺口的圆环；在所述上电极的结构中，圆形的直径为所述圆形凹槽的直径的60%-80%，圆环的外边缘与所述圆形凹槽的边缘之间的距离为5-10μm，圆环的内边缘与圆形的边缘之间的距离为10-20μm；则所述通过电极引线将所述上电极引出至上电极PAD，包括：通过电极引线分别将圆形结构以及圆环结构的所述上电极引出至两个所述上电极PAD。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述将所述第一硅片与所述第二硅片对准进行键合，包括：在真空环境下对所述第一硅片和所述第二硅片进行键合使得所述圆形凹槽成为真空气隙。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述第一硅片的厚度为300-1000μm，所述圆形凹槽的深度为5-250μm，所述圆形凹槽的直径为100-1500μm。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述硅基结构的上表面制备下电极，包括：
采用蒸镀或溅射的方法在所述硅基结构的上表面制备Pt/Ti下电极，Pt厚度为0.1-0.3μm，Ti厚度为0.01-0.04μm。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在所述硅基结构的上表面制备上电极，包括：
采用溅射或蒸镀的方法在所述硅基结构的上表面制备Au/TiW上电极，Au厚度为0.1-0.4μm，TiW厚度为0.01-0.04μm。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第二硅片的上表面和下表面形成的二氧化硅薄膜，以及，所述硅基结构的上表面和下表面的二氧化硅薄膜的厚度均为0.5-4μm；所述二氧化硅钝化层的厚度为0.3-0.8μm；所述硅振动膜的厚度为1-10μm；所述PZT压电薄膜的厚度为1-4μm。
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