[发明专利]一种压电微型超声换能器及其制备方法

说明书

本发明提供一种压电微型超声换能器及其制备方法，所述超声换能器包括单晶硅片和阵列排列在所述单晶硅片单面的多个超声换能器单元，所述超声换能器单元至少包括腔体结构以及悬空支撑在所述腔体结构上方的多层复合膜结构，各个超声换能器单元的腔体结构之间通过至少一条腐蚀通道连通，所述多层复合膜结构自下而上依次包括弹性层、绝缘层以及压电敏感层，所述腐蚀通道可以加快芯片的结构释放速率，提高器件敏感结构的占空比。本发明的超声换能器是通过在一块单晶硅片的同一面进行表面硅微机械工艺制作而成，另一面并不参与工艺制作，避免了传统双面对准/曝光和键合工艺，大大降低芯片尺寸，减少制作成本，且与IC工艺兼容，可实现大批量制作。

技术领域

本发明属于硅微机械传感器领域，涉及一种超声换能器及其制备方法，特别是涉及一种压电微型超声换能器及其制备方法。

背景技术

超声换能器已经在许多领域取得了广泛的应用，例如：无损检测、目标识别、医学成像等等。传统的超声换能器大多基于体压电陶瓷制作，与空气或液体的声学耦合较差，同时，在三维成像领域，将体压电材料加工成二维传感器阵列的成本高昂，这些都限制了传统超声换能器的应用。

随着微机电系统(Micro-Electro Mechanical System，MEMS)技术的不断进步，MEMS传感器以其芯片结构尺寸更小、制作成本更低、性能更出众和后续安装应用成本更低的等优势在各行各业得到了广泛应用，利用MEMS技术开发的微型超声换能器也获得了越来越多研究人员的关注。微型超声换能器往往具有一声学阻抗较低的柔性膜结构，能够实现与空气和液体更好的声学耦合。此外，利用MEMS技术制作的微型超声换能器还具备尺寸小、功耗低、带宽更宽、成本更低、易于实现大规模阵列化和紧凑的设计以及易于与电路集成等优点。

微型超声换能器现在已经演化出两个不同的技术方向，一个是电容式的微型超声换能器，另一个则是基于压电原理的微型超声换能器。相比于发展较为成熟的电容式微型超声换能器，新兴的压电微型超声换能器有许多优势。如压电微型超声换能器不需要极化电压便可实现正常工作要求的灵敏度，而相比之下某些电容式微型超声换能器所要求的极化电压则高达190V，此外，电容式微型压电超声换能器还要求非常小的间隙来实现相应的灵敏度，这增加了制造的复杂性和成本。压电微型超声换能器的另一个优点是其具备较大的电容，这有助于降低电学阻抗，实现与后端信号处理电路更好的匹配以及降低寄生电容的影响。这些优势使得压电微型超声换能器具有非常广阔的应用前景。

在压电微型超声换能器的众多应用场景中，指纹识别已经吸引了来自学术界和产业界越来越多的关注。随着智能设备的普及，指纹识别技术凭借其安全性和实用性，在电子支付、健康检测等场景获得了广泛的应用。而压电微型超声换能器应用于指纹识别领域，克服了传统指纹识别技术方案(包括基于光学原理的指纹识别和基于电容原理的指纹识别)的诸多不足，例如，基于光学的原理的指纹识别难以实现微型化，同时易于破解。而电容式的指纹识别在潮湿或者指纹表面有沾污的情况下抗干扰性差，容易产生误判。此外，基于压电微型超声换能器的指纹识别不仅能够准确可靠的识别指纹表层的图像，还可以深入到皮下，获取皮下组织的生物信息，也就是说，基于压电微型超声换能器的指纹识别可以同时检测到人体表皮层和真皮层的指纹信息，真皮层的生物信息不仅仅可以在表皮指纹受损时成为指纹生物信息的有益补充，而且对真皮层指纹信息的检测极大的增加了破解指纹识别的难度，对于提升指纹识别的安全性有很大的帮助。因此，基于压电微型超声换能器的指纹识别方案有望在将来渗透到更多的智能设备当中，获得广泛的应用。

传统的压电微型超声波指纹识别芯片结构多以Cavity SOI或多层键合结构为主，通常采用双面微机械制作工艺、键合工艺、Cavity-SOI工艺以及CMOS-MEMS技术等加工制作。这种双面体硅工艺和键合技术制作的器件工艺很复杂，制作成本很高。此外，不同键合材料之间的热膨胀系数不同以及键合过程中所引入的残余应力都会恶化传感器的输出稳定性，尤其在温度环境比较恶劣的条件下。

因此，提供一种新的压电微型超声换能器及其制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。

发明内容