[发明专利]一种电容式微机电超声传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子元器件领域，具体地，涉及一种电容式微机电超声传感器及其制作方法。

背景技术

在电子元器件领域，电容式微机电超声传感器，是一种有着广泛用途的静电传感器。超声传感器可以在液体、固体和气体等多种介质里工作。超声传感器已经应用在医药诊断和治疗，无损伤材料测试，声纳，通讯，接近传感器，流量测量，实时工艺控制，以及超声显微镜等领域里。

跟广泛应用的用压电陶瓷（即PZT）技术做成的传感器相比，电容式微机电超声传感器在制作工艺、频谱带宽以及工作温度等方面都有很大的优势。例如，用传统的制作工艺做传感器阵列，需要分别切割每个阵元，所以耗时耗力、成本高；而且，切割方法精度有限，所以做高频、二维和一些特殊几何形状的传感器阵列尤其困难。

电容式微机电超声传感器是用半导体工艺制成，所以很多传感器可以在一起成批制造。半导体制作工艺的精度足够满足电容式微机电超声传感器的需求。电容式微机电超声传感器阵列可以做到精度高、且低成本，电容式微机电超声传感器在所设计的工作频率范围里，其阻抗比压电陶瓷传感器的阻抗低很多。所以电容式微机电超声传感器在医药成像应用中不需要匹配层和较宽的带宽。电容式微机电超声传感器是由半导体材料制成，所以它比压电陶瓷传感器耐高温。

电容式微机电超声传感器的基本结构是一个固定下电极和活动上电极的平行板电容，活动上电极依附在一个可变形的薄膜上用来传送超声波到临近的介质和从临近的介质中接收（RX）超声波，直流偏置电压可以加在传感器两电极之间用来设置薄膜到一个优化位置以得到最佳的灵敏度和带宽。发射（TX）时，一个交流电压加在传感器上，相应的静电力移动薄膜以传送超声能量到临近的介质；接收（RX）时，介质中的超声波引起传感器薄膜震动，从而改变传感器的电容；电容变化能用相应的接收电路探测到。

两种有代表性的电容式微机电超声传感器，分别是可变形薄膜电容式微机电超声传感器（flexible membrane CMUT） 和最近发明的弹簧坎入式电容式微机电超声传感器（embedded-spring CMUT，简称ESCMUT）。图1是一个可变形薄膜电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元100的放大图。传感器100 有一个固定的包括一个下电极（第一电极）160的衬（或基）底120，一个通过薄膜支撑130和衬底120相连的可变形薄膜110，一个可移动的上电极（第二电极）150附着在薄膜110上或中。薄膜110本身也可以作为上电极。薄膜支撑130在可变形薄膜110和下电极160之间形成一个传感器空间170（传感器空间可以被封闭起来）。一个介电绝缘层140可以选择性的放在两电极之间。此电容式微机电超声传感器可以用来接收和发射超声波。当一个所需电信号加在上下电极之间时，可移动（或可变形）的薄膜110和上电极（第二电极）150在传感空间170里的电场作用下移动（或变形），将超声波传输出去。当有一个超声波作用在可移动（或可变形）的薄膜110和上电极（第二电极）150上时， 他们会根据所受的超声波移动（或变形），从而改变传感空间的大小（等效于改变传感器等效电容值）。如果在两个电极之间有一个偏值电信号（可以是直流或交流信号），此传感空间（或传感器电容值）的改变可以转换成电信号并被相应的电路探测到。