醫用微電容超聲換能器面陣探頭及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種醫用微電容超聲換能器面陣探頭，包括硅襯底（1），所述硅襯底（1）的上表面為氧化層（2），所述氧化層（2）的上表面開設有若干空腔（3），若干空腔（3）成排、列布置，所述氧化層（2）的上表面鍵合振動薄膜（4），所述振動薄膜（4）的上表面設隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動薄膜（4）后，其槽底開設于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對每個空腔（3）的中心位置處設有上電極（7）。本發明專利技術設計合理，該醫用微電容超聲換能器面陣探頭具有結構新穎、重量輕、體積小，具有可控性高、靈敏度大、雜散電容小等優點。

Medical micro capacitor ultrasonic transducer, surface array probe and preparation method thereof

The invention discloses a medical micro capacitive ultrasonic transducer array probe, comprising a silicon substrate (1), the silicon substrate (1) on the surface of the oxide layer (2), the oxide layer (2) on the surface is provided with a plurality of cavities (3), a plurality of cavities (3) rows. Column layout, the oxide layer (2) on the surface of the bonding vibrating film (4), the vibration film (4) on the surface of the isolation layer is arranged on the isolation layer (5), (5) the edges and its interior is equipped with a groove sink (6), the isolation slot (6) through the isolation layer (5) and vibration (4), the film opened in the bottom oxide layer (2); the isolation layer (5) on the upper surface of each cavity (3) is the center position is provided with an upper electrode (7). The invention has the advantages of reasonable design, light weight, small volume, high controllability, large sensitivity, small stray capacitance, etc. the probe has the advantages of novel structure, light weight, small volume and the like.

【技術實現步驟摘要】
醫用微電容超聲換能器面陣探頭及其制備方法
本專利技術涉及MEMS傳感器領域，具體是微加工電容超聲換能器，特別是一種用于醫學成像的微加工電容超聲換能器面陣及其制備方法。
技術介紹
隨著微機電系統（Microelectromechanicalsystem，MEMS）和微納米技術的快速發展，MEMS超聲傳感器（micro-electromechanicalsystemsultrasonictransducer，簡稱MUT）的應用也越來越廣泛，它是一種采用了微機械加工技術制作的新型傳感器，相比較于傳統的超聲傳感器，MEMS超聲傳感器具有低成本、低功耗、寬頻帶、高靈敏度、方便與后續電路集成以及易攜帶等優勢，具有廣闊的應用前景。MUT主要包括壓電超聲傳感器（PiezoelectricMUT）、壓阻式超聲傳感器（PiezoresistiveMUT）以及電容式超聲傳感器（CapacitiveMUT）等。其中，壓阻式超聲傳感器制作工藝與CMOS兼容性比較好，且后續電路簡單，并可集成到同一芯片上，但是由于其工作頻率不高，在高頻領域應用較少。壓電式超聲傳感器在超聲領域中應用較為廣泛，但是由于普通的壓電材料與空氣之間的不耦合現象非常嚴重，所以壓電超聲傳感器的效率并不高。而電容式超聲傳感器（CMUT）由于采用了表面微加工工藝，因此不存在壓電傳感器的那些缺點，并且電容式傳感器具有結構簡單、分辨率高、工作可靠、動態響應快、可非接觸測量、并能在高溫、輻射和強烈震動等惡劣條件下工作等優點已在工農業生產的各個領域得到廣泛應用。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，而提供了一種醫用微電容超聲換能器面陣探頭及其制備方法。本專利技術是通過如下技術方案實現的：一種醫用微電容超聲換能器面陣探頭，包括硅襯底，所述硅襯底的上表面為氧化層，所述氧化層的上表面開設有若干空腔，所述氧化層的上表面鍵合振動薄膜，所述振動薄膜的上表面設隔離層，圍繞隔離層的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽，所述隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；所述隔離層的上表面上正對每個空腔的中心位置處設有上電極。所述氧化層上的若干空腔位于同一隔離區域內后形成一個陣元；所述隔離層的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤，一個陣元內每排的兩個相鄰上電極之間以及每列的兩個相鄰上電極之間通過金屬引線連接，所述焊盤與離其最近的一個上電極之間通過金屬引線連接。所述硅襯底背面注入磷，并進行金屬濺射形成下電極。多個陣元成排、列對齊布置，形成CMUT面陣，該面陣排列為M*N，構成醫用微電容超聲換能器面陣探頭。工作時，在該面陣探頭的上下電極上施加直流電壓，兩極板之間將產生靜電力，在靜電力的作用下振動薄膜被拉向襯底，此時在上下電極上施加與振動薄膜工作頻率相同的交變電壓，這樣會使薄膜不斷振動，實現發射超聲波的功能。當施加有一定直流偏置電壓的振動薄膜上作用有外界聲壓時，真空腔體距離改變，電容變化，外部電路可將電容變化引起的電流轉換為可測的電壓信號，實現了超聲波的接收。上述醫用微電容超聲換能器面陣探頭的制備方法，包括如下步驟：（1）、選擇硅片和SOI晶片，并進行標準RCA清洗；（2）、對硅片進行氧化處理，使其上下表面都形成氧化層；（3）、在硅片上表面的氧化層上進行光刻，刻蝕出若干空腔；（4）、對硅片進行標準RCA清洗并進行激活，激活后使硅片上表面的氧化層與SOI晶片進行低溫鍵合；（5）、鍵合后用TMAH溶液對SOI晶片的襯底硅進行腐蝕，清洗后再用BOE溶液腐蝕掉硅片下表面上的氧化層和SOI晶片上的氧化層，此時的硅片即為硅襯底、SOI晶片剩余的硅層即為振動薄膜；（6）、采用LPCVD工藝在振動薄膜上沉積一層二氧化硅層作為隔離層；（7）、在隔離層的上表面濺射金屬，并用剝離的方法形成上電極和焊盤；（8）、圍繞隔離層的四周邊緣處及內部刻蝕出隔離槽，形成陣元陣列，并用TMAH溶液腐蝕出隔離槽，隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；（9）、通過金屬引線連接各上電極及焊盤；（10）、在硅片的背面注入磷，與硅片形成良好的歐姆接觸，并濺射金屬形成下電極。本專利技術設計合理，該醫用微電容超聲換能器面陣探頭具有結構新穎、重量輕、體積小，具有可控性高、靈敏度大、雜散電容小等優點，具有很好的市場推廣應用價值。附圖說明圖1表示本專利技術換能器面陣的結構示意圖。圖2-1表示本專利技術A部分換能器陣元（正六邊形）的結構示意圖。圖2-2表示本專利技術A部分換能器陣元（圓形）的結構示意圖。圖3表示圖1中B部分（也為一個單元cell）的剖視圖。圖4表示本專利技術換能器制備方法中步驟2）的示意圖。圖5表示本專利技術換能器制備方法中步驟3）的示意圖。圖6表示本專利技術換能器制備方法中步驟4）的示意圖。圖7表示本專利技術換能器制備方法中步驟5）的示意圖。圖8表示本專利技術換能器制備方法中步驟6）的示意圖。圖9表示本專利技術換能器制備方法中步驟7）的示意圖。圖10表示本專利技術換能器制備方法中步驟8）的示意圖。圖中：1-硅襯底，2-氧化層，3-空腔，4-振動薄膜，5-隔離層，6-隔離槽，7-上電極，8-焊盤，9-金屬引線。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的具體實施例進行詳細說明。一種醫用微電容超聲換能器面陣探頭，如圖1所示，由多個陣元A成排、列對齊布置，形成CMUT面陣探頭，該面陣可排列為M*N，其中M可取值16~512，N可取值16~512。如圖3所示，表示每個陣元中單個cell的剖視圖，包括硅襯底1，硅襯底1的上表面為氧化層2，氧化層2的上表面開設有若干圓柱形或者正六邊形空腔3，如圖2-1，2-2所示，若干空腔3成排、列對齊布置或對角布置，氧化層2的上表面鍵合振動薄膜4，振動薄膜4的上表面設隔離層5，圍繞隔離層5的四周邊緣處及內部開設有下沉的隔離槽6（隔離槽用于隔開各陣元），隔離槽6貫穿隔離層5和振動薄膜4后，其槽底開設于氧化層2上。隔離層5的上表面上正對每個空腔3中心的位置處設有上電極7（形成圖形化上電極），氧化層2上的若干空腔3位于同一隔離區域內后形成一個陣元；隔離層5的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設置有一個焊盤8，一個陣元內每排的兩個相鄰上電極7之間以及每列的兩個相鄰上電極7之間通過金屬引線9連接，焊盤8與離其最近的一個上電極7之間通過金屬引線9連接，形成一個陣元。上述醫用微電容超聲換能器面陣探頭的制備方法，包括如下步驟：1）、選擇6寸硅片和6寸SOI晶片，并進行標準RCA清洗，去除各種有機物、金塵埃和自然氧化層等，電阻率為0.01~0.08Ω.cm；2）、對硅片進行氧化處理，使其上下表面都形成氧化層，如圖4所示；3）、在硅片上表面的氧化層上進行光刻，刻蝕出若干圓柱形空腔，如圖5所示；4）、對硅片進行標準RCA清洗并進行激活，激活后使硅片上表面的氧化層與SOI晶片進行低溫鍵合，如圖6所示；5）、鍵合后用TMAH溶液對SOI晶片的襯底硅進行腐蝕，清洗后再用BOE溶液腐蝕掉硅片下表面上的氧化層和SOI晶片上的氧化層，此時的硅片即為硅襯底、SOI晶片剩余的硅層即為振動薄膜，如圖7所示；6）、采用LPCVD工藝在振動薄膜上沉積一層的二氧化硅層作為隔離層，如圖8所示；7）在隔離層的上表面濺射金屬，并用剝離的方法形成上電極和焊盤，如圖9所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種醫用微電容超聲換能器面陣探頭，其特征在于：包括硅襯底（1），所述硅襯底（1）的上表面為氧化層（2），所述氧化層（2）的上表面開設有若干空腔（3），所述氧化層（2）的上表面鍵合振動薄膜（4），所述振動薄膜（4）的上表面設隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動薄膜（4）后，其槽底開設于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對每個空腔（3）的中心位置處設有上電極（7）；所述氧化層（2）上的若干空腔（3）位于同一隔離區域內后形成一個陣元；所述隔離層（5）的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤（8），一個陣元內每排的兩個相鄰上電極（7）之間以及每列的兩個相鄰上電極（7）之間通過金屬引線（9）連接，所述焊盤（8）與離其最近的一個上電極（7）之間通過金屬引線（9）連接；多個陣元成排、列對齊布置，形成CMUT面陣，該面陣排列為M*N，構成醫用微電容超聲換能器面陣探頭。

【技術特征摘要】
1.一種醫用微電容超聲換能器面陣探頭，其特征在于：包括硅襯底（1），所述硅襯底（1）的上表面為氧化層（2），所述氧化層（2）的上表面開設有若干空腔（3），所述氧化層（2）的上表面鍵合振動薄膜（4），所述振動薄膜（4）的上表面設隔離層（5），圍繞隔離層（5）的四周邊緣處及其內部開設有下沉的隔離槽（6），所述隔離槽（6）貫穿隔離層（5）和振動薄膜（4）后，其槽底開設于氧化層（2）上；所述隔離層（5）的上表面上正對每個空腔（3）的中心位置處設有上電極（7）；所述氧化層（2）上的若干空腔（3）位于同一隔離區域內后形成一個陣元；所述隔離層（5）的上表面位于一個陣元內的邊緣處位置設有一個焊盤（8），一個陣元內每排的兩個相鄰上電極（7）之間以及每列的兩個相鄰上電極（7）之間通過金屬引線（9）連接，所述焊盤（8）與離其最近的一個上電極（7）之間通過金屬引線（9）連接；多個陣元成排、列對齊布置，形成CMUT面陣，該面陣排列為M*N，構成醫用微電容超聲換能器面陣探頭。2.根據權利要求1所述的醫用微電容超聲換能器面陣探頭，其特征在于：所述空腔（3）形狀為正六邊形或者圓形。3.根據權利要求1或2所述的醫用微...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何常德，張國軍，張斌珍，薛晨陽，張文棟，郝聰聰，
申請(專利權)人：中北大學，
類型：發明
國別省市：山西,14