[发明专利]一种CMUT芯片及其加工方法、CMUT

说明书

本发明公开了一种CMUT芯片及其加工方法、CMUT，CMUT芯片包括上电极焊盘、下电极焊盘、振动薄膜、支撑元件、腔体、氧化层和衬底，上电极焊盘和下电极焊盘均分布在振动薄膜的表面上；在振动薄膜上形成有隔离槽，将振动薄膜分隔成两部分，两部分中较大的部分作为上电极，较小的部分作为下电极引出端，使得下电极引出端与振动薄膜的其他部分电学隔离，在隔离槽内填充有多晶硅，保证了振动薄膜对腔体的密封性。由于上电极和下电极均为低电阻率硅，与传统结构相比，避免了振动薄膜厚度产生的等效距离，有效地减小了上电极和下电极之间的距离，增大了振动薄膜受到的静电力，可以有效地提高CMUT的发送电压响应。

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，具体地涉及一种CMUT芯片及其加工方法，以及具有该CMUT芯片或具有通过所述加工方法加工而成的CMUT芯片的CMUT。

背景技术

电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer, CMUT)是一种可以实现声电转换的器件，由若干个相同的阵元组成，典型的CMUT结构如图1所示，主要由上电极1’、振动薄膜5’、腔体6’以及衬底7’组成，上电极1’是金属材料，分布在振动薄膜5’上，在上电极1’与振动薄膜5’之间有一层氧化层4’，衬底7’是一层低电阻率硅，该衬底7’的底部设有下电极8’。当CMUT上、下电极的电压差为V时，振动薄膜受到的静电力为：

（1）

式中，为真空介电常数(8.854×10^-12F/m)；A为传感器上、下极板正对有效面积；，为CMUT上、下极板之间的有效距离；为振动薄膜的厚度，为硅的相对介电常数，为真空腔体的高度，为氧化层的厚度，为氧化层的相对介电常数。

假设CMUT受一个幅值为V_AC、频率为f的交流激励电压信号的作用，则理想情况下CMUT的发射功率为：

（2）

式中，为振动薄膜在电压V_AC作用下的振动幅值。

从公式(2)可以看出，对于变极距型CMUT，其发射功率与上、下极板间有效距离平方的倒数成正比。因此，减小上、下极板间的有效距离可以有效地提高CMUT的发射能力。

中国申请专利《一种复合微机械电容式超声换能器》，申请号CN201620866657.0，公开了CMUT低频结构包括第一电极和振动薄膜的支撑体，二者通过绝缘层隔离，第一电极为硼重掺杂衬底，高频结构包括振动薄膜层和设置在振动薄膜表面的第二电极，高频腔体支撑墙与振动薄膜层形成高频腔体。

中国申请专利《收发性能平衡的微机电超声换能器面阵探头及制备方法》，申请号CN201710009233.1，公开了CMUT面阵探头包括硅衬底、氧化层、振动薄膜、隔离层、隔离槽和上电极。隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜，隔离层的上表面上正对每个空腔的中心位置处设有上电极。

中国申请专利《一种超宽频带MEMS换能器》，申请号CN201710217878.4，公开了CMUT阵元上设置有至少两组大小不同的振动微元，每个CMUT阵元均包括由下到上依次设置的基座层、绝缘层和振动薄膜层，振动薄膜层上设置有多个图形化的上电极，基座层上与多个上电极对应位置设置有空腔，每一个上电极及与其对应的振动薄膜层、绝缘层、空腔、基座层、下电极和基座构与一个振动微元，不同组的振动微元交错设置在CMUT阵元上。