[发明专利]电容式超声传感器及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种电容式超声传感器及其制备方法。

【背景技术】

自上世纪50年代初医学超声设备问世以来，超声一直在医学成像设备市场占据着很大的份额。医用超声波可以看穿肌肉及软组织，使得这项技术常用来扫描很多器官，以协助医疗上的诊断和治疗。产科超声波也常用在怀孕时期的检查。随着3D和4D等新技术的不断完善，使超声影像质量不断提高，并因此使临床效果得到改善。

超声设备中的核心器件就是超声传感器，它是设备中负责发射或接收超声波的结构。目前，实际应用中最为成熟、几乎占据了全部市场的传感器产品是压电陶瓷超声传感器(PZTs)。基于硅的电容式微加工超声传感器(capacitiveultrasonic transducers，CMUTs)的第一电极层固定，第二电极层可移动。发射时在上下两极板间施加某恒定的直流电压基础上，再施加一高频的小幅交流电，使得第二电极层同时以同样的频率上下移动，从而产生超声波。

与PZTs相比，CMUTs有如下几个方面的优势：

1、CMUTs能采用标准IC工艺实现大批量生产，因此能够很容易集成外围的各种信号处理电路，这既能大大提高芯片和整机的良率和信噪比，也能大大降低工艺成本，利于产业化，大大增加利润空间，而这对于使用铅，锌，钛等材料制造的压电式超声传感器无法实现。

2、传统的PZTs因为表面需要特殊压电材料和加工工艺，尺寸比较大，而使用微加工工艺制造的CMUTs尺寸非常微小，因此CMUTs更容易实现阵列化，将CMUTs应用在多维成像方面(如医疗超声诊断)的前景广阔。

3、传统的PZTs环境温度高于居里点(约350℃)的时候，其压电特性会逐渐消失，从而导致传感器失效；而CMUTs的工作温度范围通常只受限于薄膜表面的金属层。因此，对于常用Al做金属层的CMUTs来说，通常都可以在高达500℃的温度下正常工作。

4、CMUTs的声阻抗取决于振动薄膜的机械属性，因此，对于一个给定的工作频率范围，可以将CMUTs的声阻抗设计得和周转的环境相匹配，从而使超声能量能更有效的辐射出去；

5、CMUTs带宽更宽，噪声更低，动态响应好。

然而，传统的CMUTs为上下单层电极结构，灵敏度不高，发射和接收性能较低。

【发明内容】

基于此，有必要提供至少一种灵敏度高，发射和接收性能较高的电容式超声传感器及其制备方法。

一种电容式超声传感器，包括掺杂硅衬底、固定在所述掺杂硅衬底上的第一电极层以及间隔设置在所述第一电极层上的第二电极层；所述第一电极层包括固定在所述掺杂硅衬底上的绝缘层、固定在所述绝缘层外沿的侧边电极以及固定在所述绝缘层中间的中间电极，所述侧边电极与所述中间电极通过所述绝缘层隔开；所述第二电极层通过所述绝缘层与所述侧边电极和所述中间电极隔开，所述绝缘层、所述侧边电极、所述中间电极以及所述第二电极层围成作为电容极板间隙的空腔。

优选的，所述绝缘层边缘设有凸起，所述第二电极层与所述凸起接触，并通过所述凸起与所述侧边电极和所述中间电极隔开。

优选的，所述第二电极层包括网孔结构的上电极以及设置在所述上电极边缘并向外延伸的支撑臂，所述支撑臂与所述凸起接触以支撑所述第二电极层。

优选的，所述电容式超声传感器还包括设置在所述凸起上的金属焊盘，以及设置在所述凸起内的、用于连接所述金属焊盘和所述侧边电极的导通孔。

优选的，所述绝缘层材质为氧化硅。

一种电容式超声传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、提供标准CMOS集成电路制造工艺制造的半成品，所述半成品以掺杂硅作为衬底，所述衬底表面沉积绝缘层，所述绝缘层表面沉积金属掩模层，所述金属掩模层表面沉积钝化层；所述绝缘层外沿处设有侧边电极，所述绝缘层中间设有中间电极，所述绝缘层内还设有第二电极层和金属牺牲层，所述金属牺牲层设置在所述第二电极层与所述中间电极之间，并被绝缘层隔开；

步骤二、以所述金属掩模层为掩模，干法刻蚀除去钝化层，并在所述绝缘层上刻蚀所述绝缘层至金属牺牲层，形成刻蚀及腐蚀窗口；

步骤三、通过刻蚀及腐蚀窗口，湿法腐蚀除去所述金属掩模层和金属牺牲层，电容上下极板之间形成空腔；

步骤四、以所述第二电极层为掩模，干法刻蚀除去未被遮掩的绝缘层结构，所述空腔进一步被扩大，所述空腔由所述绝缘层、所述侧边电极、所述中间电极以及所述第二电极层围成，得到所述电容式超声传感器。