电容式超声传感器及其制备方法

于峰崎, 俞挺

2011年9月14日

2011年2月14日

2011年2月14日

中国科学院深圳先进技术研究院

A61B8/00GK102178545SQ20111003720

电容式 超声 传感器

1.一种电容式超声传感器，其特征在于，包括掺杂硅衬底、固定在所述掺杂硅衬底上的第一电极层以及间隔设置在所述第一电极层上的第二电极层；所述第一电极层包括固定在所述掺杂硅衬底上的绝缘层、固定在所述绝缘层外沿的侧边电极以及固定在所述绝缘层中间的中间电极，所述侧边电极与所述中间电极通过所述绝缘层隔开；所述第二电极层通过所述绝缘层与所述侧边电极和所述中间电极隔开，所述绝缘层、所述侧边电极、所述中间电极以及所述第二电极层围成作为电容极板间隙的空腔2.如权利要求1所述的电容式超声传感器，其特征在于，所述绝缘层边缘设有凸起，所述第二电极层与所述凸起接触，并通过所述凸起与所述侧边电极和所述中间电极隔开3.如权利要求2所述的电容式超声传感器，其特征在于，所述第二电极层包括网孔结构的上电极以及设置在所述上电极边缘并向外延伸的支撑臂，所述支撑臂与所述凸起接触以支撑所述第二电极层4.如权利要求2所述的电容式超声传感器，其特征在于，所述电容式超声传感器还包括设置在所述凸起上的金属焊盘，以及设置在所述凸起内的、用于连接所述金属焊盘和所述侧边电极的导通孔5.如权利要求1或2所述的电容式超声传感器，其特征在于，所述绝缘层材质为氧化娃6.一种电容式超声传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一、提供标准CMOS集成电路制造工艺制造的半成品，所述半成品以掺杂硅作为衬底，所述衬底表面沉积绝缘层，所述绝缘层表面沉积金属掩模层，所述金属掩模层表面沉积钝化层；所述绝缘层外沿处设有侧边电极，所述绝缘层中间设有中间电极，所述绝缘层内还设有第二电极层和金属牺牲层，所述金属牺牲层设置在所述第二电极层与所述中间电极之间，并被绝缘层隔开；步骤二、以所述金属掩模层为掩模，干法刻蚀除去钝化层，并在所述绝缘层上刻蚀所述绝缘层至金属牺牲层，形成刻蚀及腐蚀窗口 ；步骤三、通过刻蚀及腐蚀窗口，湿法腐蚀除去所述金属掩模层和金属牺牲层，在所述第一电极层和所述第二电极层之间形成空腔；步骤四、以所述第二电极层为掩模，干法刻蚀除去未被遮掩的绝缘层结构，所述空腔进一步被扩大，所述空腔由所述绝缘层、所述侧边电极、所述中间电极以及所述第二电极层围成，得到所述电容式超声传感器7.如权利要求6所述的电容式超声传感器的制备方法，其特征在于，所述金属牺牲层具有网孔结构，步骤二中，金属牺牲层被除去后形成柱状结构，所述第二电极层被所述柱状结构支撑8.如权利要求7所述的电容式超声传感器的制备方法，其特征在于，所述第二电极层为与所述柱状结构相对应的网孔结构，所述网孔结构的第二电极层的网孔正对所述柱状结构，步骤四中，以所述第二电极层为掩模，所述柱状结构通过干法刻蚀除去9.如权利要求8所述的电容式超声传感器的制备方法，其特征在于，所述第二电极层包括网孔结构的上电极以及设置在所述上电极边缘并向外延伸的支撑臂；步骤四中，所述空腔形成后，所述支撑臂支撑起所述第二电极层10.如权利要求6所述的电容式超声传感器的制备方法，其特征在于，所述绝缘层边缘处设有金属焊盘，步骤二和步骤四中，干法刻蚀时金属焊盘作为掩模，在绝缘层边缘处形成凸起

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种电容式超声传感器及其制备方法背景技术自上世纪50年代初医学超声设备问世以来，超声一直在医学成像设备市场占据着很大的份额医用超声波可以看穿肌肉及软组织，使得这项技术常用来扫描很多器官，以协助医疗上的诊断和治疗产科超声波也常用在怀孕时期的检查随着3D和4D等新技术的不断完善，使超声影像质量不断提高，并因此使临床效果得到改善超声设备中的核心器件就是超声传感器，它是设备中负责发射或接收超声波的结构目前，实际应用中最为成熟、几乎占据了全部市场的传感器产品是压电陶瓷超声传感器 (PZjTs)基于硅的电容式微加工超声传感器(capacitiveultrasonic transducers, CMUTs) 的第一电极层固定，第二电极层可移动发射时在上下两极板间施加某恒定的直流电压基础上，再施加一高频的小幅交流电，使得第二电极层同时以同样的频率上下移动，从而产生超声波与PZTs相比，CMUTs有如下几个方面的优势UCMUTs能采用标准IC工艺实现大批量生产，因此能够很容易集成外围的各种信号处理电路，这既能大大提高芯片和整机的良率和信噪比，也能大大降低工艺成本，利于产业化，大大增加利润空间，而这对于使用铅，锌，钛等材料制造的压电式超声传感器无法实现2、传统的PZTs因为表面需要特殊压电材料和加工工艺，尺寸比较大，而使用微加工工艺制造的CMUTs尺寸非常微小，因此CMUTs更容易实现阵列化，将CMUTs应用在多维成像方面(如医疗超声诊断)的前景广阔3、传统的PZTs环境温度高于居里点(约350°C)的时候，其压电特性会逐渐消失， 从而导致传感器失效；而CMUTs的工作温度范围通常只受限于薄膜表面的金属层因此，对于常用Al做金属层的CMUTs来说，通常都可以在高达500°C的温度下正常工作4XMUTs的声阻抗取决于振动薄膜的机械属性，因此，对于一个给定的工作频率范围，可以将CMUTs的声阻抗设计得和周转的环境相匹配，从而使超声能量能更有效的辐射出去；5、CMUTs带宽更宽，噪声更低，动态响应好然而，传统的CMUTs为上下单层电极结构，灵敏度不高，发射和接收性能较低发明内容基于此，有必要提供至少一种灵敏度高，发射和接收性能较高的电容式超声传感器及其制备方法一种电容式超声传感器，包括掺杂硅衬底、固定在所述掺杂硅衬底上的第一电极层以及间隔设置在所述第一电极层上的第二电极层；所述第一电极层包括固定在所述掺杂硅衬底上的绝缘层、固定在所述绝缘层外沿的侧边电极以及固定在所述绝缘层中间的中间电极，所述侧边电极与所述中间电极通过所述绝缘层隔开；所述第二电极层通过所述绝缘层与所述侧边电极和所述中间电极隔开，所述绝缘层、所述侧边电极、所述中间电极以及所述第二电极层围成作为电容极板间隙的空腔优选的，所述绝缘层边缘设有凸起，所述第二电极层与所述凸起接触，并通过所述凸起与所述侧边电极和所述中间电极隔开优选的，所述第二电极层包括网孔结构的上电极以及设置在所述上电极边缘并向外延伸的支撑臂，所述支撑臂与所述凸起接触以支撑所述第二电极层优选的，所述电容式超声传感器还包括设置在所述凸起上的金属焊盘，以及设置在所述凸起内的、用于连接所述金属焊盘和所述侧边电极的导通孔优选的，所述绝缘层材质为氧化硅一种电容式超声传感器的制备方法，包括如下步骤步骤一、提供标准CMOS集成电路制造工艺制造的半成品，所述半成品以掺杂硅作为衬底，所述衬底表面沉积绝缘层，所述绝缘层表面沉积金属掩模层，所述金属掩模层表面沉积钝化层；所述绝缘层外沿处设有侧边电极，所述绝缘层中间设有中间电极，所述绝缘层内还设有第二电极层和金属牺牲层，所述金属牺牲层设置在所述第二电极层与所述中间电极之间，并被绝缘层隔开；步骤二、以所述金属掩模层为掩模，干法刻蚀除去钝化层，并在所述绝缘层上刻蚀所述绝缘层至金属牺牲层，形成刻蚀及腐蚀窗口 ；步骤三、通过刻蚀及腐蚀窗口，湿法腐蚀除去所述金属掩模层和金属牺牲层，电容上下极板之间形成空腔；步骤四、以所述第二电极层为掩模，干法刻蚀除去未被遮掩的绝缘层结构，所述空腔进一步被扩大，所述空腔由所述绝缘层、所述侧边电极、所述中间电极以及所述第二电极层围成，得到所述电容式超声传感器优选的，所述金属牺牲层具有网孔结构，步骤二中，金属牺牲层被除去后形成柱状结构，所述第二电极层被所述柱状结构支撑优选的，所述第二电极层为与所述柱状结构相对应的网孔结构，所述网孔结构的第二电极层的网孔正对所述柱状结构，步骤四中，以所述第二电极层为掩模，所述柱状结构通过干法刻蚀除去优选的，所述第二电极层包括网孔结构的上电极以及设置在所述上电极边缘并向外延伸的支撑臂；步骤四中，所述空腔形成后，所述支撑臂支撑起所述第二电极层优选的，所述绝缘层边缘处设有金属焊盘，步骤二和步骤四中，干法刻蚀时金属焊盘作为掩模，在绝缘层边缘处形成凸起这种电容式微加工超声传感器的第一电极层采用包括侧边电极和中间电极的双层电极结构，相对于传统的单层电极结构，灵敏度高，发射和接收超声性能均得到提高

下面结合附图及实施例对电容式微加工超声传感器及其制备方法做进一步的解释说明如图1和图2所示的一实施方式的电容式微加工超声传感器，包括掺杂硅衬底10、 固定在掺杂硅衬底10上的第一电极层20、间隔设置在第一电极层20上的第二电极层30第一电极层20包括固定在掺杂硅衬底10上的绝缘层22、固定在绝缘层22外沿的侧边电极24、固定在绝缘层22中间的中间电极26、以及固定在绝缘层22边缘的金属焊盘27和导通孔观侧边电极M与中间电极沈通过绝缘层22隔开绝缘层22边缘设有凸起222，金属焊盘27设置在凸起222上导通孔28设置在凸起222内，导通孔金属焊盘 27和侧边电极M通过导通孔28相连第二电极层30包括网孔结构的上电极32以及设置在上电极32边缘并向外延伸的支撑臂34，支撑臂34与凸起222接触以支撑第二电极层30第二电极层30通过支撑臂34搭在凸起222上，与侧边电极M和中间电极沈隔开，上电极32、绝缘层22、侧边电极M和中间电极沈围成作为电容极板间隙的空腔40，这样使得上电极32悬空上电极32、侧边电极M和中间电极沈三者均为标准CMOS工艺制程中的盒属介质层掺杂硅衬底10材质上可以是P型硅或是N型硅，绝缘层22的材质为绝缘氧化物， 本实施例中为氧化硅这种电容式微加工超声传感器的第一电极层20采用包括侧边电极M和中间电极 26的双层电极结构，相对于传统的单层电极结构的第一电极层，灵敏度高，发射和接收超声性能均得到提高如图3所示的上述电容式微加工超声传感器的制备方法，包括如下步骤S10、提供标准CMOS集成电路制造工艺制造的半成品如图4所示的半成品，以掺杂硅制作掺杂硅衬底10，掺杂硅衬底10表面沉积有绝缘层22，绝缘层22表面沉积有金属掩模层50，金属掩模层50表面沉积有钝化层60绝缘层22内设有彼此绝缘的导电结构，包括外沿处设有的侧边电极24，中间设有的中间电极26，第二电极层30和网孔结构的金属牺牲层70金属牺牲层70设置在第二电极层30和中间电极26之间，上极板30包括网孔结构的上电极32以及设置在上电极32边缘并向外延伸的支撑臂34 (参阅图2)S20、进行第一次干法刻蚀如图5所示，以金属掩模层50为掩模，干法刻蚀除去钝化层60，并在绝缘层22上刻蚀绝缘层22至金属牺牲层70，形成刻蚀及腐蚀窗口 42S30、进行湿法腐蚀