[发明专利]薄膜压电超声换能器

说明书

技术领域

本发明属于超声成像领域，具体的说，本发明涉及一种用于超声成像系统的压电超声换能器。

背景技术

超声成像系统被广泛应用于医学诊断、工业检测等领域。例如医学中对心脏、腹部器官以及胎儿的检查。工业上对钢管、焊缝等的无损检测。超声成像是通过超声换探头向目标物发射超声信号，接收目标物不同位置的反射信号，分析和处理目标物反射信号的特性，获取超声成像信息。

超声成像所使用的探头一般为多个声学换能器组成的换能器阵列，如压电超声换能器阵列。一般的制作方法是将压电片切割成一定尺寸的阵元，按照一定的间距排列粘在一定材料的背衬上，压电片的上下表面分别引出导线进行信号的传输。这种传统的超声换能器阵列制作方法，虽然能够制作出多个阵元的超声换能器阵列，但是无法形成具有几百至几万个微小尺寸阵元的大型声学换能器阵列。随着用硅微加工技术的发展，可以在半导体基片上制作出阵元小，数量多，体积小的大型声学换能器阵列，而且它具有易于优化设计，易于互连，易于重复制造的优点。

现有的薄膜压电超声换能器如图1所示，其结构主要由上电极1，压电层2，下电极3，支撑层4及空心硅基底5组成。其中上电极1，压电层2和下电极3构成换能器单元。该换能单元与支撑层4构成薄膜换能器的振动膜。该振动膜位于空心的硅杯结构上，该硅杯结构是将硅片进行体刻蚀后形成。当有时变电压信号加在上电极1和下电极3时，由于压电层2的压电效应，使得振动膜发生形变振动，并向外辐射出声波。当外界有声波作用到振动膜上时，振动膜上的换能单元会将振动膜的形变和振动相应的转换成电信号。如美国专利No.6548937就是采用这种结构，其缺点是，薄膜换能器的振动膜下方的硅杯空腔是由各项异性的体硅刻蚀工艺形成，硅杯空腔的侧壁会形成一定的倾斜角，这使得底部的体刻蚀掩膜窗口比上部振动膜的尺寸大。利用这种技术制作的阵列，其阵元间距受底部体刻蚀窗口尺寸限制，无法形成元件密排的阵列。

发明内容

因此，本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够形成元件密排阵列的薄膜压电超声换能器及其制作方法。

为实现上述发明目的，本发明提供的薄膜压电超声换能器包括，具有硅杯结构的硅基片100，位于该硅基片100上的支撑层103以及位于支撑层103上的N个压电换能单元；其特征在于，所述硅基片100的硅杯结构上部具有选择性掺杂层，该选择性掺杂层上具有N个与所述压电换能单元相对应的通孔；所述N至少为2。

上述技术方案中，所述支撑层103可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜。

上述技术方案中，所述通孔可以是圆形或矩形。

上述技术方案中，所述压电换能单元由下电极107，压电薄膜108和上电极109组成。

为实现上述发明目的，本发明提供的薄膜压电超声换能器制作方法包括如下步骤：

1)选择一硅基片100，从该硅基片100的上表面101对其进行选择性掺杂，形成一个连续的掺杂区域105和N个非掺杂区域106；

2)在所述硅基片100的上表面101上制备支撑层103；

3)在所述支撑层103上制备N个压电换能单元，该N个压电换能单元的位置与所述N个非掺杂区域106的位置相对应；

4)从硅基片100的下表面102开始对硅基片100进行硅体刻蚀，形成硅杯结构并继续刻蚀非掺杂区域106形成N个通孔；所述N至少为2。

上述技术方案中，所述步骤1)中，所述选择性掺杂可以采用浓硼扩散或注入掺杂，也可采用浓磷扩散或注入掺杂。

上述技术方案中，所述步骤1)包括如下子步骤：

11)在硅基片100的上表面101制成掩膜110；

12)在掩膜110的覆盖区域之外，从上表面101对硅基片100进行掺杂，形成所述的掺杂区域105和N个非掺杂区域106。

上述技术方案中，所述步骤11)包括如下子步骤：

111)硅基片100经过高温氧化工艺生长一层高温二氧化硅；

112)在硅基片100的上表面101上对该层高温二氧化硅进行光刻；

113)最后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜110。

与现有技术相比，本发明能够达到以下技术效果：

本发明可以用常规的体硅刻蚀工艺实现密排阵元的薄膜压电换能器阵列，该阵列的阵元间距不受阵元间侧墙厚度及倾角的限制，可根据阵列设计需要任意调整。

附图说明

图1是现有的硅微压电换能器阵列的示意图

图2是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的示意图