一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件及制备方法

本发明属于电容性微机械超声传感器(cmut)领域，特别涉及cmut的结构、加工方法、材料等。

背景技术：

1、电容性微机械超声传感器(capacitive micro-machined ultrasonictransducers,cmut)是一种采用mems技术制备的超声发射和接收装置，cmut传感器从结构上看，cmut基本结构包括基底(通常是高掺杂浓度的硅，因此可以作为底电极)、空腔、支撑壁、薄膜及薄膜上的顶电极，因而可以看作是一个电容器。如图1单个器件的剖面图所示。振动薄膜受到加在顶电极与底电极上的电压产生的静电力驱动而产生振动，发射超声波；也可以受到外界超声波的激励而产生顶电极与底电极之间的电容变化，从而可以接收超声波。与传统的压电传感器相比，cmut传感器由于具备带宽大、易于与集成电路集成等优势，有着良好的应用前景。尤其是2018年掌上超声butterfly iq的发布，证明了cmut在医学成像领域有很大潜力。

2、如图1所示为现有cmut器件的剖面图。包含了顶电极、底电极以及空腔，振动薄膜，绝缘层和支撑壁等部件。

3、超声聚焦可以提升超声波的声压和超声波的穿透力。cmut在现有的制备工艺下，实现超声聚焦功能，第一种方式是通过不同的阵元(element)的不同发射脉冲的延时控制电路来实现(如“i.o.wygant et al.,"an integrated circuit with transmitbeamforming flip-chip bonded to a 2-d cmut array for 3-d ultrasound imaging,"in ieee transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,vol.56,no.10,pp.2145-2156,october 2009.”，“a.stuart savoia et al.,"a256-element spiral cmut array with integrated analog front end and transmitbeamforming circuits,"2018ieee international ultrasonics symposium(ius),kobe,japan,2018,pp.206-212”)，第二种方式是通过将不同的阵元固定在一个聚焦平面上(如“cn109499866u”，“cn107670183a”)，或者利用超声波空间散发特性进行聚焦(如“cn111250376b”)。

4、第一种方式，需要有比较复杂的外围电路才能正常工作，也会导致整个超声系统变得比较复杂；第二种方式，聚焦的焦点受固定平面限制不可调节。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件及制备方法，本发明通过在阵元中的一个或者多个cmut单元增加控制部件，通过这些控制部件控制单个或者多个cmut单元或者阵元中的cmut薄膜转动合适的方向，进行聚焦控制；使得外围电路更简单，且聚焦焦点可调。

2、本发明采用的技术方案之一为：一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，包括若干阵元，每个阵元中包括若干自聚焦电容性微机械超声传感器，每个自聚焦电容性微机械超声传感器包括：底电极、顶电极、绝缘层、空腔、支撑壁、振动薄膜；

3、所述绝缘层设置在所述底电极的上表面；

4、所述振动薄膜的形状与所述空腔的形状相匹配且所述空腔设置在所述振动薄膜和所述绝缘层之间；所述支撑壁围绕所述空腔的边缘设置；所述顶电极设置在所述振动薄膜的上；

5、阵元中的这若干个自聚焦电容性微机械超声传感器的顶电极并联；

6、所述振动薄膜基于静电方式控制进行转动方向的控制；具体的：阵元中一个或多个自聚焦电容性微机械超声传感器还包括设置在所述振动薄膜的上的控制电极；控制电极与外接电极连接。

7、本发明采用的技术方案之二为：一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件制备方法，包括：

8、s1、在高掺杂硅片基底上生长一层氧化硅和一层氮化硅，作为绝缘层；

9、s2、在所述绝缘层的上表面沉积多晶硅制备牺牲层；所述牺牲层包括圆形主体和与所述圆形主体连接的多个释放通道；

10、s3、在所述牺牲层上沉积氮化硅薄膜；同时生成支撑壁；

11、s4、在各个所述释放通道的开孔位置开设腐蚀孔，对牺牲层进行释放，形成空腔；

12、s5、在所述牺牲层释放完毕后密封所述腐蚀孔；

13、s6、执行减薄操作以恢复薄膜厚度；

14、s7、在所述薄膜的上表面沉积金属层，所述金属层包括：顶电极与控制电极。

15、本发明的有益效果：本发明通过在阵元中的一个或者多个cmut单元增加控制部件，通过这些控制部件控制单个或者多个cmut单元或者阵元中的cmut薄膜转动合适的方向，进行聚焦控制；由于这些控制部件直接放到了cmut单元或者阵元上面，从而不需要复杂外围电路；另外一个方面，这些控制部件所外接的控制强度可以调节，从而可以改变聚焦的焦点；本发明具备以下优点：

16、1.本发明提出的cmut单元及阵元控制方法，可以使得cmut单元及阵元以希望的方式进行转角，从而可以达到超声聚焦的目的。左侧增加电极：薄膜向左倾斜并聚焦，不同电压倾斜角度不一样。右侧增加电极：薄膜向右倾斜并聚焦，不同电压倾斜角度不一样。两侧增加电极：可以利用两侧电压差产生的力差，精细调节倾斜量。

17、2.本发明提出的cmut单元及阵元器件，驱动方式省去了复杂的外围集成电路方式，也可以根据需要进行聚焦点的控制，增加了聚焦的灵活度。

技术特征：

1.一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，包括若干阵元，每个阵元中包括若干自聚焦电容性微机械超声传感器，每个自聚焦电容性微机械超声传感器包括：底电极、顶电极、绝缘层、空腔、支撑壁、振动薄膜；

2.根据权利要求1所述的一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，同一阵元中的每个自聚焦电容性微机械超声传感器分别对应一个独立外接电极；各自聚焦电容性微机械超声传感器的控制电极与其对应的独立外接电极连接。

3.根据权利要求1所述的一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，同一阵元包括若干区域，每个区域对应一个独立外接电极；各区域中的所有自聚焦电容性微机械超声传感器的控制电极并联后与该区域对应的独立外接电极连接。

4.根据权利要求1所述的一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，同一阵元对应一个独立外接电极；同一阵元中的所有自聚焦电容性微机械超声传感器的控制电极并联后与该区域对应的独立外接电极连接。

5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件，其特征在于，通过调节外接电极的电压大小，控制自聚焦电容性微机械超声传感器的振动薄膜的振动方向。

6.一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件制备方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种自聚焦电容性微机械超声传感器器件及制备方法，应用于电容性微机械超声传感器(CMUT)领域，针对现有超声聚焦技术存在外围电路复杂、聚焦焦点不可调的问题；本发明通过在阵元中的一个或者多个CMUT单元增加控制部件，通过这些控制部件控制单个或者多个CMUT单元或者阵元中的CMUT薄膜转动合适的方向，进行聚焦控制；本发明的器件不需要复杂外围电路；并且聚焦的焦点可调。

技术研发人员：王久江,余远昱,张双
受保护的技术使用者：内江师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16