[發明專利]一種電容式微機械超聲換能器及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910818366.2
• 申請日: 2019-08-30
• 公開（公告）號: CN110510573B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 劉嘉俊;彭本賢;于峰崎
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B81B7/00
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明提供了一種電容式微機械超聲換能器及其制備方法和應用，所述電容式微機械超聲換能器包括：第一組件以及第二組件，所述第二組件包括振動極板層和懸壁梁，所述第二組件中的振動極板層通過懸臂梁和第一組件相連，所述第二組件的振動極板層懸設在第一組件的內部；電容式微機械超聲換能器在具有較好超聲強度以及超聲頻率的前提下，能夠大大降低器件面積，便于電容式微機械超聲換能器陣列化；在制備過程中采用反應離子深刻蝕和濕法刻蝕配合使用，便于在制備過程中自停止；避免了多次光刻等，且能保證工藝操作過程中的一致性和可重復性；此外在刻蝕過程中產生的立柱，能夠進一步增加支撐性能，避免第一組件和第二組件相互粘連。

技術領域

本發明屬于微機電技術領域，涉及一種電容式微機械超聲換能器及其制備方法和應用。

背景技術

超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，它具有頻率高、波長短、繞射現象小、方向性好能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波，能夠傳遞信息，易于獲得較集中的聲能。超聲波對液體、固體的穿透能力強，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、農業、國防、醫學等方面。

通常，超聲換能器由諸如PZT的壓電陶瓷材料或諸如PVDF的壓電聚合物形成。目前換能器可以通過半導體工藝來制成。這樣的換能器由其中振動膜生成并且接收超聲能量的微小的半導體單元形成，并且被稱為微機械超聲換能器(MUT)。兩種這樣的換能器類型是：在膜上利用壓電材料的那些，被稱為壓電微機械超聲換能器(PMUT)；以及那些利用導電膜與另一電極之間的電容效應的那些，被稱為電容式微機械超聲換能器(CMUT)。個體換能器元件可以由一致操作的數十個或數百個這樣的MUT單元形成。由于這些單元非常小，每個MUT單元僅產生或響應于小量的聲能。通常使用單個換能器陣列化的方法來增大聲能，而陣列對于壓電微機械超聲換能器(PMUT)而言難以實現。電容式微機械超聲換能器(CMUT)的出現，很好地克服了壓電傳感器的許多缺點，且具有易于制造、尺寸小、自身噪聲低、工作溫度范圍大以及易于實現大規模陣列電子集成等眾多優點，大有取代壓電傳感器之勢。

基于腐蝕犧牲層技術的電容式微加工超聲傳感器(CMUT)基本結構由上下電極與電極之間的犧牲層組成。為釋放犧牲層形成空腔間隙，上電極與下電極之間必須形成腐蝕區域，倒入腐蝕溶液，待空腔間隙形成后，把腐蝕溶液清除。在實際操作中，這種工藝方法會產生如下兩種問題：1.在濕法腐蝕的過程中，腐蝕的成都會因腐蝕液的濃度及腐蝕時間造成腐蝕程度不同從而降低的工藝一致性。2.腐蝕液清除的過程中，由于空腔間隙微小(2um)及液體表面張力的存在，容易引起上塌陷，導致上下電極粘附在一起，從而導致器件失效。

因此，提供一種器件面積小，便于器件陣列化，且制備過程中能夠自停止的電容式微機械超聲換能器及其制備方法非常有必要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種電容式微機械超聲換能器及其制備方法和應用，其中通過在第二組件上設置懸壁梁，使得到的電容式微機械超聲換能器在具有較好超聲強度以及超聲頻率的前提下，能夠大大降低器件面積，便于電容式微機械超聲換能器陣列化；在制備過程中采用反應離子深刻蝕和濕法刻蝕配合使用，便于在制備過程中自停止；避免了多次光刻等，且能保證工藝操作過程中的一致性和可重復性；此外在刻蝕過程中產生的立柱，能夠進一步增加支撐性能，避免第一組件和第二組件相互粘連。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：

本發明的目的之一在于提供一種電容式微機械超聲換能器，所述電容式微機械超聲換能器包括：第一組件以及第二組件，所述第二組件包括振動極板層和懸壁梁，所述第二組件中的振動極板層通過懸臂梁和第一組件相連，所述第二組件的振動極板層懸設在第一組件的內部。

在本發明中，通過在第二組件上設置懸壁梁，使得到的電容式微機械超聲換能器在具有較好超聲強度以及超聲頻率的前提下，能夠大大降低器件面積，便于電容式微機械超聲換能器陣列化。