CN117019606A - 一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件及制备方法，应用于电容性微机械超声传感器(CMUT)领域，针对现有超声聚焦技术存在***电路复杂、聚焦焦点不可调的问题；本发明通过在阵元中的一个或者多个CMUT单元增加控制部件，通过这些控制部件控制单个或者多个CMUT单元或者阵元中的CMUT薄膜转动合适的方向，进行聚焦控制；本发明的器件不需要复杂***电路；并且聚焦的焦点可调。
Description
技术领域
本发明属于电容性微机械超声传感器(CMUT)领域，特别涉及CMUT的结构、加工方法、材料等。
背景技术
电容性微机械超声传感器(Capacitive Micro-machined UltrasonicTransducers,CMUT)是一种采用MEMS技术制备的超声发射和接收装置，CMUT传感器从结构上看，CMUT基本结构包括基底(通常是高掺杂浓度的硅，因此可以作为底电极)、空腔、支撑壁、薄膜及薄膜上的顶电极，因而可以看作是一个电容器。如图1单个器件的剖面图所示。振动薄膜受到加在顶电极与底电极上的电压产生的静电力驱动而产生振动，发射超声波；也可以受到外界超声波的激励而产生顶电极与底电极之间的电容变化，从而可以接收超声波。与传统的压电传感器相比，CMUT传感器由于具备带宽大、易于与集成电路集成等优势，有着良好的应用前景。尤其是2018年掌上超声Butterfly IQ的发布，证明了CMUT在医学成像领域有很大潜力。
如图1所示为现有CMUT器件的剖面图。包含了顶电极、底电极以及空腔，振动薄膜，绝缘层和支撑壁等部件。
超声聚焦可以提升超声波的声压和超声波的穿透力。CMUT在现有的制备工艺下，实现超声聚焦功能，第一种方式是通过不同的阵元(Element)的不同发射脉冲的延时控制电路来实现(如“I.O.Wygant et al.,"An integrated circuit with transmitbeamforming flip-chip bonded to a 2-D CMUT array for 3-D ultrasound imaging,"in IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,vol.56,no.10,pp.2145-2156,October 2009.”，“A.Stuart Savoia et al.,"A256-Element Spiral CMUT Array with Integrated Analog Front End and TransmitBeamforming Circuits,"2018IEEE International Ultrasonics Symposium(IUS),Kobe,Japan,2018,pp.206-212”)，第二种方式是通过将不同的阵元固定在一个聚焦平面上(如“CN109499866U”，“CN107670183A”)，或者利用超声波空间散发特性进行聚焦(如“CN111250376B”)。
第一种方式，需要有比较复杂的***电路才能正常工作，也会导致整个超声***变得比较复杂；第二种方式，聚焦的焦点受固定平面限制不可调节。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件及制备方法，本发明通过在阵元中的一个或者多个CMUT单元增加控制部件，通过这些控制部件控制单个或者多个CMUT单元或者阵元中的CMUT薄膜转动合适的方向，进行聚焦控制；使得***电路更简单，且聚焦焦点可调。
本发明采用的技术方案之一为：一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，包括若干阵元，每个阵元中包括若干自聚焦电容性微机械超声传感器，每个自聚焦电容性微机械超声传感器包括：底电极、顶电极、绝缘层、空腔、支撑壁、振动薄膜；
所述绝缘层设置在所述底电极的上表面；
所述振动薄膜的形状与所述空腔的形状相匹配且所述空腔设置在所述振动薄膜和所述绝缘层之间；所述支撑壁围绕所述空腔的边缘设置；所述顶电极设置在所述振动薄膜的上；
阵元中的这若干个自聚焦电容性微机械超声传感器的顶电极并联；
所述振动薄膜基于静电方式控制进行转动方向的控制；具体的：阵元中一个或多个自聚焦电容性微机械超声传感器还包括设置在所述振动薄膜的上的控制电极；控制电极与外接电极连接。
本发明采用的技术方案之二为：一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件制备方法，包括：
S1、在高掺杂硅片基底上生长一层氧化硅和一层氮化硅，作为绝缘层；
S2、在所述绝缘层的上表面沉积多晶硅制备牺牲层；所述牺牲层包括圆形主体和与所述圆形主体连接的多个释放通道；
S3、在所述牺牲层上沉积氮化硅薄膜；同时生成支撑壁；
S4、在各个所述释放通道的开孔位置开设腐蚀孔，对牺牲层进行释放，形成空腔；
S5、在所述牺牲层释放完毕后密封所述腐蚀孔；
S6、执行减薄操作以恢复薄膜厚度；
S7、在所述薄膜的上表面沉积金属层，所述金属层包括：顶电极与控制电极。
本发明的有益效果：本发明通过在阵元中的一个或者多个CMUT单元增加控制部件，通过这些控制部件控制单个或者多个CMUT单元或者阵元中的CMUT薄膜转动合适的方向，进行聚焦控制；由于这些控制部件直接放到了CMUT单元或者阵元上面，从而不需要复杂***电路；另外一个方面，这些控制部件所外接的控制强度可以调节，从而可以改变聚焦的焦点；本发明具备以下优点：
1.本发明提出的CMUT单元及阵元控制方法，可以使得CMUT单元及阵元以希望的方式进行转角，从而可以达到超声聚焦的目的。左侧增加电极：薄膜向左倾斜并聚焦，不同电压倾斜角度不一样。右侧增加电极：薄膜向右倾斜并聚焦，不同电压倾斜角度不一样。两侧增加电极：可以利用两侧电压差产生的力差，精细调节倾斜量。
2.本发明提出的CMUT单元及阵元器件，驱动方式省去了复杂的***集成电路方式，也可以根据需要进行聚焦点的控制，增加了聚焦的灵活度。
附图说明
图1为现有CMUT器件的剖面图；
图2为现有CMUT器件与本发明CMUT器件俯视图对比；
其中，(a)为现有CMUT器件俯视图，(b)为本发明CMUT器件俯视图；
图3为现有阵元与本发明阵元中各CMUT器件连接方式对比；
其中，(a)为现有阵元中CMUT器件连接方式，(b)为本发明阵元中CMUT器件连接方式；
图4为现有CMUT器件与本发明CMUT器件的主要部件说明；
图5为本发明阵元中CMUT器件左右两侧增加电极的示意图；
图6为简化的声波聚焦图；
图7为简化器件数量的CMUT阵元图；
图8为本发明的两侧都有控制电极的一种实现方式；
图9为本发明的单个CMUT器件的剖面图；
图10为本发明的采用静电方式控制聚焦的一种器件制备方法；
其中，(a)为绝缘层生成示意图，(b)为牺牲层生成示意图，(c)为氮化硅薄膜生成示意图，(d)为空腔生成示意图，(e)为密封腐蚀孔示意图，(f)金属层生成示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明通过在阵元中的一个或者多个CMUT单元增加控制部件，通过这些控制部件控制单个或者多个CMUT单元或者阵元中的CMUT薄膜转动合适的方向，进行聚焦控制。由于这些控制部件直接放到了CMUT单元或者阵元上面，就可以避免了前述背景技术中现有的第一种制备方式中所需的复杂***电路。另外一个方面，这些控制部件所外接的控制强度可以调节，从而可以改变聚焦的焦点，就可以避免前述背景技术中现有的第二种方式的焦点固定的情况。
阵元是由多个CMUT单元组成，每个CMUT单元上加了控制部件，也就相当于阵元上加了控制部件。
这些控制部件，可以是静电方式控制，也可以是电热方式控制，也可以是电磁等其他方式控制。所述电热方式具体为：阵元中一个或多个自聚焦电容性微机械超声传感器还包括设置在所述振动薄膜的上的发热形变材料层；所述电磁方式具体为：阵元中一个或多个自聚焦电容性微机械超声传感器还包括设置在所述振动薄膜的上的磁性材料。
本实施例以静电控制方式为例进行说明。
现有器件简化的俯视图如图2(a)所示，包含了薄膜(虚线部分)及顶电极(实线部分)。以静电方式控制为例的单个器件简单俯视图如图2(b)所示，除了薄膜及顶电极，还有控制部件。
以静电方式控制为例，图2中，虚线圆圈代表器件振动薄膜，实线圆圈代表上电极。图2(b)的两侧梭形代表本发明新增加的控制电极，针对不同的应用，可以同时存在，也可以放置一个。通过左侧电极可以使器件向左侧聚焦，通过施加不同大小电压，聚焦角度及深度不同；通过右侧电极可以使器件向右侧聚焦，通过施加不同大小电压，聚焦角度及深度不同；两侧同时存在，可以通过调节两侧电压差别，精确调整聚焦角度和深度。
本领域技术人员应知上电极与控制电极设置在振动薄膜上表面与下表面均不影响其功能的实现。
针对CMUT器件来说，工作时，一般是多个器件并联到一起组成一个阵元，现有阵元一般采用图3(a)中的连接方式，即将阵元中的各CMUT器件的顶电极并联；本发明采用图3(b)中连接方式，增加了左侧和右侧的电极，以及电极连线；具体的除了将阵元中的各CMUT器件的顶电极并联，对同一阵元的聚焦控制还包括阵元中的各CMUT器件的顶电极同一侧的控制电极并联。
常用的CMUT制备方法，是通过牺牲层释放法或者键合法制备出固定薄膜的CMUT单元和阵元，这些器件通过薄膜的上下振动产生超声波或者接收超声波。
本发明通过控制CMUT单元薄膜的电极结构或者CMUT阵元结构，从而可以以预定的方式控制部分CMUT单元或者阵元进行偏转，从而可以在不增加复杂***控制电路的情况下达到超声聚焦的目的。
本领域技术人员应知阵元的偏转具体为阵元中所有CMUT单元偏转且偏转状态或者方向一致。
图4左边为现有器件与本发明器件各自的主要部件示意图；图4中虚线圆圈代表器件振动薄膜，实线圆圈代表上电极。两侧梭形代表本发明新增加的控制电极。
图5所示为本发明的器件左右两侧增加电极，可以分别控制器件向左及向右偏转；其中方块代表外接电极；图5中圆圈代表单个器件，圆圈左右侧竖线代表增加的左右侧电极，所有电极是连接到一起的。
图6所示为简化的声波聚焦图。在一个器件或者阵元右侧电极施加电压，超声波向右侧汇聚；在一个器件或者阵元左侧电极施加电压，超声波向左侧汇聚。
图7为本发明的CMUT器件一侧有控制电极实现方式中，简化器件数量的CMUT阵元图。
其中顶部的方块是顶电极外接电极，底部的方块是底电极外接电极；其余部分的长条形是连接导线；虚线圆形是CMUT的圆形振动膜；实线圆形是器件的顶电极；器件的底电极用的是高掺杂硅衬底。
左侧梭形及右侧梭形是用来控制振动薄膜向左或向右偏移从而达到自聚焦的目的。左侧控制电极连线和右侧控制电极连线用来将多个器件中的梭形部分电极并联到一起。
两侧都有控制电极的一种实现方式如图8所示。图8为简化器件数量的CMUT阵元图。其中顶部的方块是顶电极外接电极，底部的方块是底电极外接电极；其余部分的长条形是连接导线；虚线圆形是CMUT的圆形振动膜；实线圆形是器件的顶电极；器件的底电极用的是高掺杂硅衬底。左右两侧的控制电极部分，分别用不同的外接电极控制。所涉及的电极连接方式不限于图8中所示的方式。
单个CMUT器件的剖面图如图9所示(以圆形振动薄膜为例)。
从下往上包含了底电极(硅基底)100；第一层绝缘层氧化硅200，第二层绝缘层氮化硅210；空腔300；支撑壁左侧400和右侧410；振动薄膜500；顶电极600及左右侧电极610,620。
本发明控制CMUT器件或阵元聚焦的方式，包括但不限于以下几种：
1.对同一阵元中的CMUT器件单独进行控制；CMUT器件单独控制，即对应单个器件就要有一个外接电极；进行单独控制的不同CMUT器件之间就不再进行并联连接，相当于每个器件都是独立的。
2.对同一阵元中的不同区域的CMUT器件，分别进行控制；
3.对同一阵元进行统一控制。
本发明对CMUT器件或阵元的控制，包括但不限于以下几种：
1.静电方式控制；
2.电热方式控制；
3.电磁方式控制。
采用静电方式控制的一种制备方式如图10：
第一步，是在高掺杂硅基底100上生长一层氧化硅200和一层氮化硅210，作为绝缘层，得到如图10(a)所示的结构。
第二步，在绝缘层210上，沉积牺牲层多晶硅350，然后进行图形化，以便后续去掉牺牲层后，产生空腔300，得到如图10(b)所示的结构。
第三步，在牺牲层350上，沉积氮化硅薄膜500；同时也会生成支撑壁400和410，得到如图10(c)所示的结构。
第四步，完成淀积氮化硅薄膜后，在旁边开个腐蚀孔700和710，腐蚀孔和腐蚀沟道相连，腐蚀沟道另外一端连接到牺牲层，腐蚀液可以通过腐蚀孔将腐蚀沟道里面的材料以及牺牲层全部腐蚀掉，从而在原来牺牲层的部分，产生如图10(d)所示的空腔，这个过程叫牺牲层释放。腐蚀液一般为KOH溶液。
空腔也可以是圆形、方形、六边形等。
第五步，牺牲层释放结束以后，为了让器件可以在液体中使用，需要将腐蚀孔密封起来；可以使用PECVD方式对腐蚀孔进行密封；密封腐蚀孔的同时，也增加了整个硅片上氮化硅的厚度，薄膜厚度也增加了，所以需要进行减薄，恢复薄膜厚度，得到如图10(e)所示的结构。
第六步，在减薄薄膜厚度的基础上，进行金属溅射并进行图形化，形成顶电极以及左右两侧控制电极和所有的电极连线，得到如图10(f)所示的结构。
采用电热控制，需要对待控制的部分的CMUT器件或者阵元，外加一个可动的部件，一般是两层不同的材料，加电后材料发热不同导致变形，从而产生位置变化。
采用电磁控制，需要外加磁性材料及外加磁场，通过磁场变化或者磁性材料中电流变化，产生力，引起位置变化。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，包括若干阵元，每个阵元中包括若干自聚焦电容性微机械超声传感器，每个自聚焦电容性微机械超声传感器包括：底电极、顶电极、绝缘层、空腔、支撑壁、振动薄膜；
所述绝缘层设置在所述底电极的上表面；
所述振动薄膜的形状与所述空腔的形状相匹配且所述空腔设置在所述振动薄膜和所述绝缘层之间；所述支撑壁围绕所述空腔的边缘设置；所述顶电极设置在所述振动薄膜的上；
阵元中的这若干个自聚焦电容性微机械超声传感器的顶电极并联；
所述振动薄膜基于静电方式控制进行振动方向的控制；具体的：阵元中一个或多个自聚焦电容性微机械超声传感器还包括设置在所述振动薄膜的上的控制电极；控制电极与外接电极连接。
2.根据权利要求1所述的一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，同一阵元中的每个自聚焦电容性微机械超声传感器分别对应一个独立外接电极；各自聚焦电容性微机械超声传感器的控制电极与其对应的独立外接电极连接。
3.根据权利要求1所述的一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，同一阵元包括若干区域，每个区域对应一个独立外接电极；各区域中的所有自聚焦电容性微机械超声传感器的控制电极并联后与该区域对应的独立外接电极连接。
4.根据权利要求1所述的一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，同一阵元对应一个独立外接电极；同一阵元中的所有自聚焦电容性微机械超声传感器的控制电极并联后与该区域对应的独立外接电极连接。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，通过调节外接电极的电压大小，控制自聚焦电容性微机械超声传感器的振动薄膜的振动方向。
6.一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件制备方法，其特征在于，包括：
S1、在高掺杂硅片基底上生长一层氧化硅和一层氮化硅，作为绝缘层；
S2、在所述绝缘层的上表面沉积多晶硅制备牺牲层；所述牺牲层包括圆形主体和与所述圆形主体连接的多个释放通道；
S3、在所述牺牲层上沉积氮化硅薄膜；同时生成支撑壁；
S4、在各个所述释放通道的开孔位置开设腐蚀孔，对牺牲层进行释放，形成空腔；
S5、在所述牺牲层释放完毕后密封所述腐蚀孔；
S6、执行减薄操作以恢复薄膜厚度；
S7、在经步骤S6处理后的薄膜上表面沉积金属层，所述金属层包括：顶电极与控制电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |