[发明专利]压电微机械超声换能器、阵列芯片及制造方法

说明书

本发明公开一种压电微机械超声换能器、阵列芯片及制造方法，所述压电微机械超声换能器采用三维结构设计，能显著降低芯片尺寸，同时减少因为金属布线引起的寄生电阻，电容相关的功耗，延迟，不均匀性，对提高产品性能、降低成本、改善良率等具有显著效益，能实现芯片小型化、高密度集成。本发明的压电微机械超声换能器的制造工艺流程与半导体主流工艺与设备兼容，垂直方向连线与现有芯片BGA封装工艺兼容，具有广泛的适应性。

技术领域

本发明涉及压电微机械超声换能器（PMUT：Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducers ） 3D （3 dimensional三维）新结构，并且涉及用于制造3D PMUT的新型半导体微机械加工技术。同时，作为PMUT的直接应用，本发明涉及用于医学成像，指纹识别，触屏或手势识别的电子传感器阵列及相关显示器，其中都需要使用高性能，高分辨率的PMUT。

背景技术

超声诊断仪，通过其超声探头，向人体发射超声波，并利用其在人体器官、组织的传播过程中，由于声的反射、折射、衍射而产生的各种信息，将其接收、放大和进行信息处理，形成图像或血流多普勒，最终在显示器上显示。一台医用彩色超声诊断仪主要包括: 探头、主机、控制面板、显示器及其他附件。

在人类社会进入大医疗时代，医学超声应用得到快速发展。从医学成像，如胎儿B超，到肝脏，肾脏扫描，超声扫描已遍及全世界。与其他成像技术相比，超声成像技术具有对患者无创无痛苦、实时性好、安全、价格低廉等优点，在预防、诊断、治疗疾病患者中有很高的使用率，广泛应用于消化科、妇科、产科、泌尿 科、胸科、小器官、儿科、心脏科、急诊等多种检临床检查， 且逐渐与其他临床科室结合，发展出消化科(超声内镜)、心 外科(血管内超声)等检查应用，目前超声已是不可或缺的检查方法。

超声技术与产品正在快速进入人们的日常生活。智能手机是其中一个重要的应用。手机指纹识别不仅快捷，方便，也大大地提高了用户安全性。由于超声传感器具有宽视场，即使安装在手机的顶部或底部仍能够实现精确的距离测量，因此手机设计可以省略手机前面的光学接近传感器，方便实现手机全屏设计。

汽车中装了超声测距传感器后，能保持驾驶与倒车，停车安全距离，十分方便。进而广之，MEMS超声波传感器已进入无人机及机器人等应用领域。在这类应用中，微型超声波传感器可以精确地追踪目标，形成阵列空间雷达，实时监测人体移动，位置和动作变化，与VR/AR无缝连接。

超声波传感器在工业控制中也有广泛应用。例如，探测飞机机翼表面的形状改变，检测是否有结冰，从而影响飞行安全。超声波传感器安装在飞机发动机上，可以实时探测发动机引擎是否有裂纹，及时发现问题，进行维修，替换。

传统超声探头是用压电陶瓷晶体机械切割、排列、金属互连布线的方法实现的。如图2所示。首先取一块压电陶瓷晶体，固定在支撑衬底上，沿X， Y 方向进行机械切割。这种加工方式成品率低，容易造成机械损伤，成本难以管控，难以很难做到大规模生产。更重要的是，机械加工精度低，最小成品晶体的尺寸受到限制，达不到高分辨率医学成像对PMUT日益缩小尺寸的要求。

用压电陶瓷晶体机械切割，排列，金属互连布线的方法制作超声探头亦远远满足不了现代超声应用的要求。基于CMOS 工艺的 MEMS （微机电系统）技术开始受到重视，被视为超声传感器的发展方向。半导体MEMS 超声传感器得益于CMOS工艺的高精度，高成品率，是最有希望实现高分辨率医学超声阵列传感器的技术。