一種駐極體電容式超聲傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電容式超聲傳感器領(lǐng)域，更具體地涉及一種駐極體電容式超聲傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲傳感器在醫(yī)療成像、無損檢測以及超聲顯微鏡等方面都有廣泛的應(yīng)用。近年來，一種電容式超聲傳感器逐漸成為超聲換能器的主要研究方向之一。電容式超聲傳感器采用大規(guī)模集成電路的制作方法，易于與電子電路集成，適合制造二維面陣結(jié)構(gòu)，可以批量制造，制造成本低。與壓電式超聲換能器相比，具有更低的機(jī)械阻抗，對溫度不敏感，因此具有更加廣泛的應(yīng)用范圍。微型化、集成化、高分辨、低功耗、安全性高是電容式超聲傳感器的發(fā)展趨勢。但是，傳統(tǒng)電容式微加工超聲傳感器(CMUT器件)工作時需要外界提供幾十伏的直流偏置電壓，大大增加了外圍集成電路的復(fù)雜度和難度，同時，人體能夠耐受的安全電壓低于36V，因此傳統(tǒng)的CMUT器件存在直流電壓過高、危險性較大、功耗較大、驅(qū)動電路不易芯片集成等問題，不利于傳感器的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提出一種駐極體電容式超聲傳感器及其制造方法，從而可以利用事先已注入電荷而被極化的薄膜駐極體材料提供電容式超聲傳感器正常工作時需要的直流電場。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種駐極體電容式超聲傳感器，包括駐極體材料層、支撐層、振膜和上電極，所述支撐層位于所述駐極體材料層之上，所述上電極為在所述振膜上沉積導(dǎo)電材料形成的圖形陣列，其特征在于，在所述支撐層中形成二維空腔陣列結(jié)構(gòu)，在所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)之上由SOI外延片通過鍵合技術(shù)形成所述振膜。
[0005]其中，所述上電極的圖形陣列中的圖形與所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)的圖形--對應(yīng)分布O
[0006]其中，所述駐極體材料層采用有機(jī)或無機(jī)駐極體材料。
[0007]其中，所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)中的空腔和所述上電極圖形陣列中的圖形均為圓形。
[0008]作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種電容式超聲傳感器的制造方法，包括以下步驟:
[0009]步驟1:在襯底上形成無機(jī)或有機(jī)駐極體層；
[0010]步驟2:在所述駐極體層上沉積絕緣層；
[0011 ] 步驟3:在所述絕緣層上沉積支撐層；
[0012]步驟4:在所述支撐層中形成二維空腔陣列結(jié)構(gòu)；
[0013]步驟5:在所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)之上形成振膜；
[0014]步驟6:在所述振膜上沉積上電極，其中所述上電極為圖形陣列。
[0015]其中，所述上電極圖形陣列中的圖形與所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)的圖形一一對應(yīng)分布。
[0016]其中，所述步驟4進(jìn)一步包括:在所述支撐層上涂抹光刻膠，經(jīng)過曝光、顯影之后，通過濕法腐蝕或干法刻蝕，在所述支撐層中形成所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)，最后去除殘留光刻膠。
[0017]其中，所述步驟5進(jìn)一步包括:將帶有所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)的襯底與待加工的SOI外延片進(jìn)行濕法和干法表面活化處理，采用鍵合技術(shù)，將所述SOI外延片倒裝鍵合于所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)之上，形成一個整體結(jié)構(gòu)；鍵合完成后，將所述SOI外延片的底硅和埋氧層腐蝕掉，只留下頂層硅作為所述振膜。
[0018]其中，步驟6中所述在振膜上沉積上電極的步驟包括:在所述振膜上涂抹光刻膠，經(jīng)曝光、顯影后，在所述振膜上形成彼此交聯(lián)的上電極圖形陣列，去除殘留光刻膠，形成圖形化的所述上電極。
[0019]其中，所述上電極圖形陣列中的圖形與所述二維空腔陣列結(jié)構(gòu)中的空腔均為圓形。
[0020]基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的駐極體電容式超聲傳感器及其制造方法具有以下有益效果:利用駐極體材料中存儲的極化電荷提供CMUT正常工作時需要的幾十伏甚至上百伏的直流偏置電壓，實(shí)現(xiàn)無需外加直流偏置電壓、超低功耗的新型電容式超聲傳感器結(jié)構(gòu)，簡化了外圍配制電路，并且實(shí)現(xiàn)器件的超低功耗工作，提高了器件的安全性和可靠性，具有更加廣闊的應(yīng)用范圍。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的電容式超聲傳感器單元器件的層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的圓形電容式超聲傳感器單元的二維陣列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明SOI硅片的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]駐極體材料是指具有長期儲存極化和空間電荷能力的功能電介質(zhì)材料，包括基于聚合物的有機(jī)駐極體和基于3102的無機(jī)駐極體。本發(fā)明即是利用駐極體材料和硅片鍵合技術(shù)，制備電容式超聲傳感器。本發(fā)明的電容式超聲傳感器包括低阻襯底，在襯底上沉積駐極體材料，采用電暈法制備駐極體層；采用PECVD或其他工藝在駐極體層上沉積絕緣層；在絕緣層上沉積支撐層，并通過刻蝕或腐蝕工藝在支撐層上形成圓形或其他形狀的空腔，并成排、列對齊布置，形成二維陣列結(jié)構(gòu)。將圖形化硅襯底與SOI片進(jìn)行濕法和干法表面活化處理，然后鍵合；鍵合完成后，將SOI底硅和埋氧層腐蝕掉，只剩下SOI頂硅作為振膜，之后在振膜上沉積金屬作為上電極，上電極為圓形或其他形狀的圖形陣列，并與襯底空腔的圖形對應(yīng)分布，彼此連接在一起。
[0026]由此，本發(fā)明的駐極體電容式超聲傳感器，依順序包括低阻襯底、駐極體材料、絕緣層、支撐層、在支撐層上形成的二維空腔陣列結(jié)構(gòu)；其中，在二維空腔陣列結(jié)構(gòu)之上形成的振膜是由SOI外延片通過鍵合技術(shù)形成；在振膜上沉積導(dǎo)電材料形成的上電極，該上電極為圖形陣列，并且上電極圖形陣列中的圖形與二維空腔陣列結(jié)構(gòu)的圖形一一對應(yīng)分布，彼此連接在一起。
[0027]其中，駐極體材料可以是有機(jī)或無機(jī)駐極體材料。二維空腔陣列結(jié)構(gòu)中的空腔為圓形或其他形狀，上電極圖形陣列中的圖形為圓形或其他形狀。
[0028]本發(fā)明中電容式超聲傳感器的結(jié)構(gòu)中，SOI硅片的頂硅以及圖形化金屬上電極構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)，其組成的振動薄膜作為本發(fā)明中電容式超聲傳感器的上極板，由于采用了 SOI頂硅作為振動薄膜，可以達(dá)到很好的厚度均勻性及較小的應(yīng)力。下電極采用低阻硅襯底作為一體結(jié)構(gòu)，最后刻蝕引出孔，沉積金屬作為下電極引出電極，增大了器件的可靠性。
[0029]本發(fā)明還公開了一種制作電容式超聲傳感器的方法，包括以下步驟:
[0030]步驟1:選取低阻襯底，在低阻襯底上形成無機(jī)或有機(jī)駐極體層；
[0031 ] 步驟2:在駐極體層上沉積絕緣層；
[0032]步驟3:在絕緣層上沉積支撐層；
[0033]步驟4:在支撐層中形成二維空腔陣列結(jié)構(gòu)；
[0034]步驟5:在二維空腔陣列結(jié)構(gòu)之上形成振膜；
[0035]步驟6:在振膜上沉積上電極，該上電極為圖形陣列，并且上電極圖形陣列中的圖形與二維空腔陣列結(jié)構(gòu)的圖形一一對應(yīng)分布，彼此連接在一起。
[0036]其中，步驟4進(jìn)一步包括:
[0037]在支撐層上涂抹一層光刻膠，準(zhǔn)備好光刻版，經(jīng)過曝光、顯影、后烘之后，通過濕法腐蝕或干法刻蝕，在支撐層中形成圓形或其他形狀的空腔陣列結(jié)構(gòu)，得到二維空腔陣列結(jié)構(gòu)，最后將襯底上殘留的光刻膠去除。
[0038]步驟5進(jìn)一步包括:
[0039]將帶有二維空腔陣列結(jié)構(gòu)的襯底與SOI外延片進(jìn)行濕法和干法表面活化處理，采用倒裝鍵合