[发明专利]基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器及其制备方法

说明书

本发明为一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器及其制备方法，属于MEMS技术领域。该换能器由SOI片和氧化片通过共晶键合技术制备而成，包括沉积在SOI片器件层的金属上电极、氧化片的氧化层图形化空腔结构后沉积金属下电极，SOI片器件层和氧化片金属图形化面共晶键合形成密封真空电容腔，SOI片衬底层刻蚀有硅波导管。本发明换能器设计了集成硅波导管结构，上下电极在同侧引出，具有发射超声波束能量集中，改善了CMUT的方向性，能抑制阵元间的串扰等优点。

技术领域

本发明属于MEMS技术领域，具体是一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器及其制备方法。

背景技术

超声波具有方向性好、穿透能力强、声能易集中、水中传播距离远等特点，已成为传递物质信息的一种重要手段，可用于医学诊断、无损检测、测距、测速、清洗、焊接、杀菌消毒等方面，在医学、军事、工业、农业等众多领域有着广泛的应用。在医学方面，超声成像在实时监控、定量分析和治疗规划等方面都具有很大的潜力，通过计算机对医学超声图像进行分析，可以给医疗专家提供更精确的辅助诊断数据，使医疗专家摆脱繁重的人工观察和诊断。医学超声影像学极大地拓展了临床医学的领域，丰富了临床医学的内容，为医疗卫生事业的发展做出了积极的贡献，已成为临床医学中不可缺少的、自成体系的一门独立学科。

研究CMUT的想法最初是为了研制一种能够工作于MHz频率范围的高性能空气耦合超声换能器。后来，一个简单的水下试验表明密封CMUT在水中比压电换能器具有巨大的带宽优势，由此引起了浸水应用密封CMUT的研究和发展。CMUT是静电换能器，其优点在于电容空腔内具有很大的电场，并具有比压电材料更高的机电耦合系数。利用MEMS技术可以实现小真空腔，并能够通过相对低的电压建立较高的电场。因此可以研制出可用的器件，甚至可以直接与电子电路进行集成。目前，CMUT的发射和接收灵敏度有待进一步增强，以更好的解决超声换能器的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器。本发明换能器设计了集成硅波导管结构，上下电极在同侧引出，具有发射超声波束能量集中、改善了CMUT的方向性、能抑制阵元间的串扰等优点。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器，主要由SOI片结构和氧化片结构对接键合而成；

SOI片结构包括圆形的SOI片， SOI片自上而下依次为器件层、埋氧层和衬底层，器件层的顶面设置有氧化硅绝缘层，氧化硅绝缘层的顶面设置有金属Cr层，金属Cr层的顶面设置有金属Au层；SOI片结构上设置有上电极引线孔、下电极引线孔和波导槽，波导槽从衬底层的底面中心处向上延设并截止于器件层处；上电极引线孔和下电极引线孔对称的设置在波导槽的两侧，上电极引线孔和下电极引线孔均是从衬底层的底面向上延设并依次贯穿过衬底层、埋氧层、器件层和氧化硅绝缘层后截止于金属Cr层；SOI片结构上设置有圆环形凹槽和下电极引线过渡孔，圆环形凹槽的外径与波导槽的直径相同，圆环形凹槽从金属Au层的顶面中心处向下延设并依次贯穿过金属Au层和金属Cr层后截止于氧化硅绝缘层处，位于圆环形凹槽内的金属Au层顶面设置有SiO₂绝缘层；下电极引线过渡孔设置于圆环形凹槽的一侧，下电极引线过渡孔的直径与下电极引线孔的直径相同，下电极引线过渡孔从金属Au层的顶面向下延设并依次贯穿过金属Au层和金属Cr层后与下电极引线孔对接连通；