一种基于MEMS技术的高频超声阵列换能器及制作方法

摘要

本发明公开了一种基于MEMS技术的高频超声阵列换能器及制作方法，该换能器采用夹层式结构，它包括衬底、下电极、压电薄膜、上电极及声阻抗匹配层，所述压电薄膜置于衬底上，并被夹在所述上电极和下电极之间，所述声阻抗匹配层设置在超声阵列换能器的表面，用于提高换能器的带宽和声波透射效率。该方法用来制作上述换能器。本发明具有工艺简单、工作频率高、串扰低、分辨率高、可实现具有高深宽比的全缝隙隔离等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到超声换能器领域，特指一种基于MEMS技术的高频超声阵列换能器及制作方法。

背景技术

超声成像技术利用物体声学特性的差异来显示物体，在集成电路和材料科学无损检测，尤其是生物医学活体观察领域具有广泛应用。超声成像的精度与频率关系密切，当超声波频率为3至5MHz时，精度为数百微米，可实现对胎儿等成像；频率为100MHz以上时，精度达数微米，可对眼角膜等微小组织甚至单细胞成像。然而，目前大于50MHz的超声成像不管是反射式的还是透射式的，都仍然采用机械扫描的方式，极大地限制了扫描速度，一幅声像通常需几分钟至几十分钟才能完成。这极大限制了声束变化的灵活性，限制了扫描成像的速度，且机械移动装置体积大、易磨损、可靠性差。

相比于传统的机械扫描单探头换能器，超声相控阵换能器可在毫秒量级内完成电子扫描，在提高检测效率、灵活性和可靠性等方面有巨大优势。它由多个独立的压电换能器组成几何阵列，用电子控制系统按一定的时序延迟规则激发各个阵列单元，来控制超声束的位置聚焦和方向扫描。但受限于压电材料技术和微纳加工水平等，在50MHz以上的超声成像系统中，高频超声相控阵换能器的制备一直是关键技术瓶颈，迫切需要探索新型微纳加工技术研究制备高频超声相控阵换能器。

目前，应用较为广泛的高频超声阵列换能器中压电材料特性及其厚度决定了工作频率。现有结构被认为在100MHz以上的超声阵列换能器中是一种很有潜力的选择，但其制备工艺还存在严峻挑战。比如，加工中心工作频率为100MHz的阵列，通常压电薄膜的厚度在30微米左右，而阵元中心间距(pitch)理论上要被限制在半波长约7.5微米以内(媒介为水)。要制备出一系列各自独立的阵元，刻蚀缝隙宽度需要在2微米左右，这就需要采用刻蚀等微加工技术在压电薄膜上刻蚀出深宽比大约为15:1(30微米：2微米)的缝隙，这个要求对于现阶段的压电材料刻蚀技术是个极大的挑战。

现有技术中，已存在的50MHz以上的高频超声阵列换能器尚未解决高深宽比刻蚀技术难点，制备的高频超声阵列换能器尚未实现全缝隙隔离，换能器阵元会产生较严重的串扰，从而降低成像质量。为此，迫切需要寻找新途径、探索新工艺来制备全缝隙隔离的高频超声阵列换能器。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种工艺简单、工作频率高、串扰低、分辨率高、可实现具有高深宽比的全缝隙隔离的基于MEMS技术的高频超声阵列换能器及制作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于MEMS技术的高频超声阵列换能器，采用夹层式结构，它包括衬底、下电极、压电薄膜、上电极及声阻抗匹配层，所述压电薄膜置于衬底上，并被夹在所述上电极和下电极之间，所述声阻抗匹配层设置在超声阵列换能器的表面，用于提高换能器的带宽和声波透射效率。

作为本发明结构的进一步改进：所述压电薄膜为具有高深宽比的压电层，高深宽比的缝隙中深宽比为大于10：1。

作为本发明结构的进一步改进：所述高深宽比的压电层结构通过压电材料生长的方式形成。

作为本发明结构的进一步改进：所述声阻抗匹配层为单层结构或多层结构。

作为本发明结构的进一步改进：所述衬底与下电极之间设置有绝缘层薄膜，所述绝缘层薄膜为在微电子工艺中可以生长的绝缘材料。

本发明进一步提供一种基于MEMS技术的高频超声阵列换能器的制作方法，其步骤为：

a)在衬底上生长绝缘层薄膜；

b)淀积下电极的材料并得到底电极图形；

c)淀积压电材料种子层并形成图形；

d)涂胶光刻，露出压电材料种子层；

e)在种子层上继续生长压电材料，得到高深宽比的缝隙；

g)填充缝隙作为隔离层；

h)淀积上电极和声阻抗匹配层。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤a)中，选用的衬底(1)为硅片，通过热氧化的方式在硅片表面生长氧化硅薄膜作为绝缘层。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤b)中，在氧化硅上蒸发Ti/Pt或Cr/Au，并通过剥离工艺得到下电极(3)的结构。

作为本发明方法的进一步改进：采用射频磁控溅射得到厚度为几十至数百纳米的氧化锌薄膜种子层，对准光刻后湿法腐蚀氧化锌得到氧化锌种子层仅留存在局部选定区域，去胶后再次对准光刻，仅暴露氧化锌种子层区域，采用氧化锌生长法沉积氧化锌薄膜，得到高深宽比的全隔离缝隙。

作为本发明方法的进一步改进：采用涂胶将缝隙填充作为隔离层，并采用多次光刻技术直至氧化锌薄膜顶部暴露。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明为基于微机电技术的新型高频超声阵列换能器，使用多层四分之一波长的声阻抗匹配层的复合结构，提高了超声换能器阵列的带宽和声波透射效率。

2、本发明使用压电材料生长的方式避免了高深宽比缝隙的刻蚀，实现了高深宽比的结构，解决了全缝隙隔离的高频超声阵列换能器的制备难题，实现了全缝隙隔离，工艺简单，最终得到的超声阵列换能器工作频率高，串扰低，分辨率高。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明制作方法的工艺流程示意图。

图例说明：

1、衬底；2、绝缘层薄膜；3、下电极；4、压电薄膜；5、光刻胶；6、上电极；7、声阻抗匹配层。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种基于MEMS技术的高频超声阵列换能器，采用夹层式结构，它包括衬底1、下电极3、压电薄膜4、上电极6及声阻抗匹配层7，该压电薄膜4置于衬底1上，并被夹在上电极6和下电极3之间，声阻抗匹配层7设置在超声阵列换能器的表面，即位于上电极6的外侧面。声阻抗匹配层7用于提高换能器的带宽和声波透射效率，在实际应用时可以是单层结构，也可以是多层结构。

该压电薄膜4为具有高深宽比的压电层，根据实际需要，它可以采用的MEMS技术(微机电技术)制作。在具体应用实例中，所述高深宽比的缝隙，深宽比为大于10：1，优选为15：1，用以满足高频超声换能器的需求。

在具体应用实例中，根据实际需要，衬底1可以采用硅片，也可以采用玻璃或其他微电子工艺中可使用的衬底材料，均应在本发明的保护范围之内。

作为较佳的应用实例，在衬底1与下电极3之间设置有绝缘层薄膜2；在具体应用实例中，绝缘层薄膜2可以是氧化硅、氮化硅等微电子工艺中可以生长的绝缘材料；生长方法可以是热氧、PECVD、LPCVD等微电子加工工艺。

在具体应用实例中，下电极3和上电极6的材料可以是金属，也可以是多晶硅等导体材料；生长可以使用蒸发、溅射、LPCVD等工艺；图形化可以使用剥离、刻蚀、湿法腐蚀等方法实现，只要能够满足本发明的基本功能即可，均应在本发明的保护范围之内。

在具体应用实例中，该压电薄膜4的压电材料根据实际需要可以采用氧化锌、氮化铝、PZT压电陶瓷等压电材料；图形化可以使用湿法腐蚀，干法刻蚀等方法实现，只要能够满足本发明的基本功能即可，均应在本发明的保护范围之内。

如图2所示，本发明进一步提供了一种制作上述高频超声阵列换能器的方法，其步骤为：

a)在衬底1(基片)上生长绝缘层薄膜2；

b)淀积下电极3的材料并得到底电极图形；

c)淀积压电材料种子层并形成图形；

d)涂胶光刻，露出压电材料种子层；

e)在种子层上继续生长压电材料，得到高深宽比的缝隙；

g)填充缝隙作为隔离层；

h)淀积上电极6和声阻抗匹配层7。

在上述步骤中，所选用的衬底1(基片)为硅片，通过热氧化的方式在硅片表面生长氧化硅薄膜作为绝缘层(图2a)。

在上述步骤中，在氧化硅上蒸发Ti/Pt或Cr/Au，并通过剥离工艺得到下电极3的结构(图2b)。

在上述步骤中，采用射频磁控溅射得到厚度为几十至数百纳米的氧化锌薄膜种子层(图2c)。

在上述步骤中，对准光刻后湿法腐蚀氧化锌得到氧化锌种子层仅留存在局部选定区域(图2d)。

在上述步骤中，去胶后再次对准光刻，仅暴露氧化锌种子层区域(图2e)，采用氧化锌生长法沉积氧化锌薄膜至30微米厚度，得到高深宽比的全隔离缝隙(图2f)。所述工艺步骤e所得到的光刻胶图形是作为后续工艺中控制压电材料生长方向的隔离层，也可使用能达到同样效果的其它材料或方法。

在上述步骤中，涂胶将缝隙填充作为隔离层，并采用多次光刻技术直至氧化锌薄膜顶部暴露(图2g)；

在上述步骤中，沉积上电极6作为阵列单元共用地端，最后依次制备多层复合声阻抗匹配层7(图2h)。

由上可知，本发明使用压电材料生长的方式避免了高深宽比缝隙的刻蚀，实现了高深宽比的结构，解决了全缝隙隔离的高频超声阵列换能器的制备难题，实现了全缝隙隔离，工艺简单，最终得到的超声阵列换能器工作频率高，串扰低，分辨率高。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。