[发明专利]一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用，所述电容式微机械超声换能器包括：第一组件以及第二组件，所述第二组件包括振动极板层和悬壁梁，所述第二组件中的振动极板层通过悬臂梁和第一组件相连，所述第二组件的振动极板层悬设在第一组件的内部；电容式微机械超声换能器在具有较好超声强度以及超声频率的前提下，能够大大降低器件面积，便于电容式微机械超声换能器阵列化；在制备过程中采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止；避免了多次光刻等，且能保证工艺操作过程中的一致性和可重复性；此外在刻蚀过程中产生的立柱，能够进一步增加支撑性能，避免第一组件和第二组件相互粘连。

技术领域

本发明属于微机电技术领域，涉及一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用。

背景技术

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好能够成为射线而定向传播等特点。超声波，能够传递信息，易于获得较集中的声能。超声波对液体、固体的穿透能力强，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。因此超声波检测广泛应用在工业、农业、国防、医学等方面。

通常，超声换能器由诸如PZT的压电陶瓷材料或诸如PVDF的压电聚合物形成。目前换能器可以通过半导体工艺来制成。这样的换能器由其中振动膜生成并且接收超声能量的微小的半导体单元形成，并且被称为微机械超声换能器(MUT)。两种这样的换能器类型是：在膜上利用压电材料的那些，被称为压电微机械超声换能器(PMUT)；以及那些利用导电膜与另一电极之间的电容效应的那些，被称为电容式微机械超声换能器(CMUT)。个体换能器元件可以由一致操作的数十个或数百个这样的MUT单元形成。由于这些单元非常小，每个MUT单元仅产生或响应于小量的声能。通常使用单个换能器阵列化的方法来增大声能，而阵列对于压电微机械超声换能器(PMUT)而言难以实现。电容式微机械超声换能器(CMUT)的出现，很好地克服了压电传感器的许多缺点，且具有易于制造、尺寸小、自身噪声低、工作温度范围大以及易于实现大规模阵列电子集成等众多优点，大有取代压电传感器之势。

基于腐蚀牺牲层技术的电容式微加工超声传感器(CMUT)基本结构由上下电极与电极之间的牺牲层组成。为释放牺牲层形成空腔间隙，上电极与下电极之间必须形成腐蚀区域，倒入腐蚀溶液，待空腔间隙形成后，把腐蚀溶液清除。在实际操作中，这种工艺方法会产生如下两种问题：1.在湿法腐蚀的过程中，腐蚀的成都会因腐蚀液的浓度及腐蚀时间造成腐蚀程度不同从而降低的工艺一致性。2.腐蚀液清除的过程中，由于空腔间隙微小(2um)及液体表面张力的存在，容易引起上塌陷，导致上下电极粘附在一起，从而导致器件失效。

因此，提供一种器件面积小，便于器件阵列化，且制备过程中能够自停止的电容式微机械超声换能器及其制备方法非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式微机械超声换能器及其制备方法和应用，其中通过在第二组件上设置悬壁梁，使得到的电容式微机械超声换能器在具有较好超声强度以及超声频率的前提下，能够大大降低器件面积，便于电容式微机械超声换能器阵列化；在制备过程中采用反应离子深刻蚀和湿法刻蚀配合使用，便于在制备过程中自停止；避免了多次光刻等，且能保证工艺操作过程中的一致性和可重复性；此外在刻蚀过程中产生的立柱，能够进一步增加支撑性能，避免第一组件和第二组件相互粘连。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种电容式微机械超声换能器，所述电容式微机械超声换能器包括：第一组件以及第二组件，所述第二组件包括振动极板层和悬壁梁，所述第二组件中的振动极板层通过悬臂梁和第一组件相连，所述第二组件的振动极板层悬设在第一组件的内部。

在本发明中，通过在第二组件上设置悬壁梁，使得到的电容式微机械超声换能器在具有较好超声强度以及超声频率的前提下，能够大大降低器件面积，便于电容式微机械超声换能器阵列化。