刚柔融合电容式柔性mems超声换能器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及柔性电子、mems和超声换能器技术，特别涉及一种柔性的具有硬薄膜-软基底结构的cmuts及其制备方法，具体是刚柔融合电容式柔性mems超声换能器及其制备方法。
背景技术：
2.超声波技术因具有非侵入性、穿透性以及生物相容性等特性而广泛应用于医疗卫生、工业无损检测、化工生产、军事声呐等领域。超声换能器用于超声波的发射和接收，是超声波技术实施的基础元器件，对整个超声系统性能起着决定性作用。电容式微加工超声换能器(capacitive micromachined ultrasonic transducers,cmuts)是mems超声换能器研究的重要方向之一，与压电式微加工超声换能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducers,pmuts)构成mems超声换能器的完整集合。目前，cmuts在设计理论、制备以及性能等方面已取得显著进步，并已可与ics集成，实现了综合性能的提升及真正意义上的微型化。
3.尽管cmuts已经获得长足发展，但其结构主要基于硅、氮化硅、金属等刚性材料，器件本身很难进行弯曲、延展和扭转。因此，现有刚性cmuts在进行曲面结构检测时难以共形地贴附在曲面结构表面；这一方面使得在曲面结构检测时超声换能器会与曲面结构表面之间形成空气气隙，影响测量精度；另一方面在在整个管道径向界面或人体组织大范围超声检测时需要机械地移动超声换能器，增加了后续检测电路及图像重构算法设计的复杂性，难以实现大面积连续、实时检测。因此，现有刚性cmuts难以满足曲面检测需求，迫切需求开展具有拉伸性、扭转性能柔性mems超声换能器。
4.为实现柔性mems超声换能器，目前国内外一些研究人员采用在阵元之间填充柔性材料或通过结构化设计来实现整个换能器阵列的柔性。这种方法虽然能实现整个换能器阵列的延展和弯曲，但由于阵元本身不具备柔性，因而换能器阵列仍然难以实现小曲率半径、小面积曲面结构的超声检测。另外一些研究人员通过采用柔性电极连接或柔性材料填充来实现压电换能器单元的组装，制备柔性超声换能器。这种方法虽然也可以用来发展柔性cmuts阵元，但难以实现高密度/高填充因子换能器阵元设计，限制了换能器超声输出声压、接受灵敏度及成像分辨率等性能的提高。
5.综上所述，现有研究虽然在柔性cmuts设计与制备上取得一定尝试进展，但现有研究还无法解决换能器频率设计与其结构柔性性能设计之间的相互制约问题。此外，还难以实现高密度柔性cmuts二维换能器阵列的微加工。
技术实现要素：
6.为解决上述技术难题，本发明提出刚柔融合电容式柔性mems超声换能器及其制备方法，本发明可在实现cmuts结构的柔性同时，实现cmuts工作频率与结构柔性的独立灵活设计，有效减小结构变形对超声换能器稳定性的影响，且可实现柔性cmuts的微型化、高密
度二维柔性加工。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.刚柔融合电容式柔性mems超声换能器，包括柔性基底和若干换能单元，每个换能单元包括柔性上电极、刚性振动薄膜、柔性支柱和刚性下电极，刚性振动薄膜、柔性支柱和刚性下电极自上而下依次设置并密封形成空腔；
9.相邻的换能单元之间共用柔性支柱，相邻的换能单元的刚性振动薄膜之间设有间隙，相邻的换能单元的刚性下电极之间设有间隙；所有的换能单元设置于柔性基底上，所有的换能单元的刚性下电极之间电连接，所有的换能单元的柔性上电极之间设置电连接。
10.优选的，所述柔性支柱采用bcb材质的柔性支柱或su-8材质的柔性支柱，bcb、su-8材料具有拉伸以及扭转能力；刚性振动薄膜采用si3n4薄膜或sio2薄膜。
11.优选的，所述柔性基底为导电性柔性基底，所有的换能单元的刚性下电极之间通过所述柔性基底电连接。
12.优选的，所述柔性基底为绝缘性柔性基底，所述柔性基底的表面设有柔性导电层，所有的换能单元的刚性下电极设置于柔性导电层上并通过柔性导电层电连接。
13.优选的，柔性导电层采用ito或pedot:pss导电层。
14.优选的，柔性导电层还填充于相邻的换能单元的刚性下电极之间的间隙中。
15.优选的，柔性基底采用pi材质的柔性基底或pet材质的柔性基底，刚性下电极采用低阻硅材质的下电极、低阻poly硅材质的下电极。
16.优选的，柔性上电极、刚性振动薄膜、空腔和刚性下电极的形状一致；刚性振动薄膜和刚性下电极的横向尺寸一致，刚性振动薄膜和刚性下电极正对，刚性振动薄膜和刚性下电极的横向尺寸大于空腔的横向尺寸。
17.柔性上电极、刚性振动薄膜、空腔和刚性下电极的轴心同轴。
18.本发明如上所述的刚柔融合电容式柔性mems超声换能器的制备方法，包括如下步骤：
19.s1，在低阻双面抛光单晶硅片上表面氧化生成二氧化硅层；
20.s2，采用旋涂或沉积的方法在二氧化硅层表面制备柔性层；
21.s3，刻蚀柔性层，刻蚀停止于二氧化硅层上表面，在柔性层形成空腔对应的区域，剩余的柔性层作为柔性支柱；
22.s4，将已清洗的soi片的顶层低阻硅与剩余的柔性支柱上表面进行键合，soi片的顶层低阻硅、柔性支柱以及二氧化硅层将空腔对应的区域密封，形成空腔；
23.s5，将所述soi片的衬底硅以及埋层二氧化硅去除，释放soi片顶层硅；具体的，去除soi片的衬底硅以及埋层二氧化硅时，采用机械化学抛光的方法去除所述soi片厚度的80％，而后采用施法腐蚀的方法依次将所述soi片的剩余衬底硅以及埋层二氧化硅去除；
24.s6，光刻soi片顶层硅，图形化凹槽形状，刻蚀soi片顶层硅形成凹槽，该凹槽作为相邻的换能单元的刚性下电极之间的间隙，剩余soi片顶层硅形成换能单元的刚性下电极；
25.s7，采用沉积、旋涂等方法在刚性下电极(6)soi片顶层硅上制备柔性电极层(8)、实现所有换能单元的刚性下电极(6)电连接；
26.s8，采用键合、沉积等方法在柔性导电层上表面制备柔性基底；
27.s9，采用机械化学抛光法、刻蚀依次去除单晶硅片、衬底硅，刻蚀停止于二氧化硅
层；
28.s10，光刻二氧化硅层，图形化凹槽形状，刻蚀二氧化硅层形成刚性振动薄膜；
29.s11，在刚性振动薄膜层上制备柔性上电极层，光刻、刻蚀柔性上电极层，形成柔性上电极，完成制备。
30.优选的，对于所述s7：
31.当柔性基底为绝缘性柔性基底时，在soi片顶层硅上制备柔性导电层，所有换能单元的刚性下电极通过柔性导电层电连接，再在柔性导电层上制备柔性基底；制备柔性导电层时，采用沉积或旋涂的方法在刚性下电极soi片顶层硅上制备柔性电极层；采用键合或沉积的方法在柔性导电层上表面制备柔性基底；
32.柔性基底为导电性柔性基底时，所有换能单元的刚性下电极通过柔性基底电连接。
33.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
34.相比于现有技术，本发明cmuts具有刚性振动薄膜，因此具有高弹性模量，实现较高的谐振频率，保证器件工作频率能根据检测需求灵活设计，达到与传统刚性cmuts相媲美的水平；本发明具有柔性支柱和柔性基底，并且在支柱区域的上下表面，具有贯穿刚性振动薄膜和刚性下电极厚度方向的凹槽(即所述间隙)，保证cmuts阵元以及整个阵列结构的柔性；本发明具有刚性振动薄膜和刚性下电极，可以防止振动薄膜和下电极产生明显的弯曲变形，有效减小弯曲、拉伸以及扭转过程中振动薄膜及下电极的尺寸及形状变化，进而减小上下电极间正对面积的变化，提高cmuts工作频率、机电耦合系数等性能的稳定性；本发明具有柔性支柱，其弹性模量远小于刚性振动薄膜，能够在刚性薄膜振动时发生类似活塞的振动，引起cmuts空腔高度变化，进一步提高刚性薄膜的平均振动位移，进而提高输出声压和接收灵敏度；此外，该柔性cmuts的制备工艺与mems技术兼容，可以实现微型化、高密度二维柔性cmuts整理结构加工。综上，本发明的cmuts在保证超声发射和接收性能和传统刚性超声换能器相媲美的同时有效提升柔性，且具有工作性能稳定、可实现微型化、高密度二维阵列及高密度二维阵列的优点。
附图说明
35.图1为本发明实施例1刚柔融合电容式柔性mems超声换能器的结构示意图(剖面图)；
36.图2为本发明实施例2刚柔融合电容式柔性mems超声换能器的结构示意图(剖面图)；
37.图3为本发明实施例1刚柔融合电容式柔性mems超声换能器的制备工艺流程图。
38.图中：1-柔性上电极；2-刚性振动薄膜；3-凹槽；4-空腔；5-柔性支柱；6-刚性下电极；7-柔性基底；8-柔性导电层；9-单晶硅片；10-二氧化硅层；11-bcb层；12-ito层。
具体实施方式
39.以下，结合附图和实施例来对本发明进行详细说明：
40.实施例1
41.如图1所示，本实施例刚柔融合电容式柔性mems超声换能器包括柔性上电极1、刚
性振动薄膜2、凹槽3、空腔4、柔性支柱5、刚性下电极6、柔性基底7和柔性的导电层8；其中刚性振动薄膜2、柔性支柱5和刚性下电极6自上而下依次设置并一道将空腔4密封；刚性下电极6及刚性振动薄膜2与柔性支柱5接触的区域，在厚度方向上被凹槽3贯穿，相邻的换能单元的刚性振动薄膜2之间以凹槽3作为间隙，相邻的换能单元的刚性下电极6之间以凹槽3作为间隙。柔性上电极1、刚性振动薄膜2、空腔4和刚性下电极6形状一致；刚性振动薄膜2和刚性下电极6的横向尺寸一致，且大于空腔4的横向尺寸。
42.其中，刚性振动薄膜2主要采用si3n4、sio2刚性绝缘材料制成。刚性振动薄膜2采用刚性材料的目的是：弹性模量高于柔性材料，具有更高的谐振频率，保证柔性cmuts的工作频率能根据检测需求灵活设计，达到与传统刚性cmuts相媲美的水平；采用绝缘材料的目的是：降低寄生电容、提高机电耦合系数；刚性振动薄膜2横向尺寸需要大于空腔4的横向尺寸，以保证空腔的密封；
43.柔性上电极1采用ito、peot:pss这些柔性导电材料，且采用图形化上电极设计，以减小支柱区域因电极覆盖而产生的柔性电极；上电极1的横向尺寸小于刚性振动薄膜2的横向尺寸；
44.柔性支柱5采用bcb(benzocyclobutene,苯并环丁烯)、su-8这些绝缘柔性材料。采用柔性材料的目的是：实现器件的柔性(包括拉伸性和扭转性)，并使柔性支柱5的弹性模量远小于刚性振动薄膜2，能够在刚性振动薄膜2振动时发生类似活塞的振动，与刚性振动薄膜2的弯曲振动形成二级串联振动，进一步提高刚性振动薄膜2的平均振动位移，提高输出声压和接收灵敏度；此外，bcb、su-8材料与mems工艺兼容，便于实现柔性cmuts的微型化、高密度二维换能器阵列加工。
45.刚性下电极6采用低阻si、poly-si(polycrystalline silicon,多晶硅)等刚性导电材料，需要覆盖柔性基底7对应于空腔4的区域，柔性基底7采用pi(polyimide,聚酰亚胺)、pet(polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)这些柔性材料。刚性下电极6采用刚性材料的目的是：防止刚性下电极6产生弯曲变形，与刚性振动薄膜2一道保证在变形过程中上、下电极间正对面积保持不变，有效减小换能器变形对工作频率、机电耦合系数、收/发灵敏度等主要性能的影响；
46.凹槽3设置于刚性振动薄膜2和刚性下电极6的与柔性支柱5接触的区域，目的实现是实现各单元间刚性振动薄膜2和刚性下电极6的相互隔离，进而实现单元之间相对的拉伸、扭转变形；具体的，凹槽3为环形凹槽，环绕于空腔4外侧上方以及下方，凹槽3的中心轴线与空腔4的几何中心线重合。
47.导电层8采用(indium tin oxides,氧化铟锡)、pedot:pss(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate))这些柔性导电材料，实现刚性下电极6之间的电连接；基底7采用pi、pet这些柔性材料，保证器件整体的柔性。导电层8位于刚性下电极6下表面，且其位于支柱区域的结构部分填充于凹槽3内。
48.综上，本发明利用刚性振动薄膜来保证高谐振频率，保证cmuts谐振频率的灵活设计；利用柔性基底和支柱来实现cmuts的可拉伸、可扭转等柔性性能；利用柔性支柱与刚性薄膜形成二级串联振动系统，提高输出声压和接收灵敏度；利用刚性下电极和刚性振动薄膜减小振动过程中上下电极间正对面积的变化，提高换能器工作频率、机电耦合系数、收/发灵敏度等性能的稳定性。
49.参照图3，本实施例刚柔融合电容式柔性mems超声换能器的制备方法，包括如下步骤：
50.(1)取一低阻双面抛光单晶硅片9，采用湿法或干法氧化技术在单晶硅片9上表面氧化生成二氧化硅层10；
51.(2)在步骤(1)生成的二氧化硅层10表面沉积或旋涂bcb层11；
52.(3)光刻、刻蚀bcb层11，刻蚀停止于二氧化硅层10上表面，此时初步形成空腔4，剩余bcb层11形成cmut的柔性支柱5；另取一具有低阻顶层硅的soi片，清洗备用；
53.(4)将步骤(3)清洗好的soi片顶层硅与柔性支柱5上表面进行键合，此时空腔4被密封；
54.(5)采用化学机械抛光法减薄soi片80％的衬底硅，再采用湿法或干法刻蚀掉剩余衬底硅，并进一步湿法刻蚀soi片埋层二氧化硅，释放soi片顶层硅，初步形成刚性下电极；
55.(6)光刻soi片顶层硅，图形化凹槽形状，湿法刻蚀顶层硅形成凹槽3，形成最终刚性下电极6；
56.(7)在刚性下电极6上沉积ito或旋涂pedot：pss层12，实现刚性下电极6的电气连接；
57.(8)在ito层12上方旋涂或键合pi或pet，形成柔性基底7；
58.(9)采用化学机械抛光法、湿法刻蚀技术或干法刻蚀技术依次刻蚀单晶硅片9，去除衬底硅，刻蚀停止于二氧化硅层10；
59.(10)光刻二氧化硅层，图形凹槽形状，形成刚性振动薄膜2；
60.(11)在刚性振动薄膜(2)上沉积或旋涂ito或pedot:pss并光刻、刻蚀形成柔性上电极1,至此完成柔性cmuts制备。
61.实施例2
62.图2所示为本发明另一种刚柔融合电容式柔性mems超声换能器的示意图，为实施例1刚柔融合电容式柔性mems超声换能器的变化结构，该变化结构与图1所示实施例1结构的不同之处在于：无需设置导电层8，而直接将柔性基底7的材料替换为ito、pedot:pss这些柔性导电材料，以实现相邻下电极6之间的电连接。在制备工艺上，本实施例与实施例1类似，不同之处在于，在步骤(7)中直接在刚性下电极6上旋涂pi，形成柔性基底7，之后再进行实施例1中的步骤(9)-步骤(11)；本实施例与实施例1制备工艺中其他步骤相同，此处不再赘述。
63.综上可以看出，本发明利用刚性振动薄膜来保证高谐振频率，实现mems超声换能器频率的灵活设计；利用柔性基底和支柱来实现mems超声换能器的柔性，解决传感器频率和柔性设计相互制约的难题；利用柔性支柱与刚性薄膜形成二级串联振动系统，提高输出声压和接收灵敏度；利用刚性下电极和刚性振动薄膜减小振动过程中上下电极间正对面积的变化，提高工作频率、机电耦合系数、收/发灵敏度等性能的稳定性；利用mems工艺来实现微型化、高密度二维柔性超声换能器的制备。
64.以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。