CN102530839A - 带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，包括以下步骤：将组成电容式微机电传感器的器件层和基底制作为一体，在传感器基底和衬底之间放置垫片；对上述放置垫片的传感器加力进行弯曲，直到弯曲到所需的弯曲度；保持传感器的上述弯曲度。另一种方案为在基底形成空腔，将空腔的边界墙作为垫片；将另一个具有一定厚度的基片放在垫片上，覆盖了基底空腔：在基片上制作电容式微机电超声传感器；弯曲传感器，至所需的弯曲度。本发明的技术方案具有方法简单，精度高，成本低，适用大规模生产的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件领域，尤其是超声传感器。
背景技术
电容式微机电超声传感器是一种有着广泛用途的静电传感器。超声传感器可以在液体，固体和气体等多种介质里工作。超声传感器已经应用在医药诊断和治疗，无损伤材料测试，声纳，通讯，接近传感器，流量测量，实时工艺控制，超声显微镜等领域里。
跟广泛应用的用压电陶瓷(PZT)技术做成的传感器比较，电容式微机电超声传感器在制作工艺，频谱带宽以及工作温度等方面都有很大的优势。例如，用传统的制作工艺做传感器阵列，需要分别切割每个阵元。所以耗时耗力，成本高。而且，切割方法精度有限，所以做高频，二维和一些特殊几何形状的传感器阵列尤其困难。电容式微机电超声传感器是用半导体工艺制成，所以很多传感器可以在一起成批制造。半导体制作工艺的精度足够满足电容式微机电超声传感器的需求。电容式微机电超声传感器阵列可以做到精度高，低成本。电容式微机电超声传感器在所设计的工作频率范围里，其阻抗比压电陶瓷传感器的阻抗低很多。所以电容式微机电超声传感器在医药成像应用中不需要匹配层和较宽的带宽。电容式微机电超声传感器是由半导体材料制成，所以它比压电陶瓷传感器耐高温。
电容式微机电超声传感器的基本结构是一个固定下电极和活动上电极的平行板电容。活动上电极依附在一个可变形的薄膜上用来传送超声波到临近的介质和从临近的介质中接收（RX）超声波。直流偏置电压可以加在传感器两电极之间用来设置薄膜到一个优化位置以得到最佳的灵敏度和带宽。发射(TX)时，一个交流电压加在传感器上。相应的静电力移动薄膜以传送超声能量到临近的介质。 接收时，介质中的超声波引起传感器薄膜震动从而改变传感器的电容。电容变化能用相应的接收电路探测到。
两种有代表性的电容式微机电超声传感器分别是可变形薄膜电容式微机电超声传感器(flexible membrane CMUT) 和最近发明的弹簧坎入式电容式微机电超声传感器(embedded-spring CMUT, ESCMUT)。图1是一个传统的可变形薄膜电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元100的放大图。传感器100 有一个固定的包括一个下电极160的衬[基]底120，一个通过薄膜支撑130和衬底120相连的可变形薄膜110，一个可移动的上电极 150附着在薄膜110上或中。薄膜110本身也可以作为上电极。薄膜支撑130在可变形薄膜110和下电极160之间形成一个传感器空间 170（传感器空间可以被封闭起来）。一个介电绝缘层140可以选择性的放在两电极之间。
图2一个弹簧坎入式电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元200的放大图。此弹簧坎入式电容式微机电超声传感器两个PCT国际专利申请（No. PCT/IB2006/051568 and No. PCT/IB2006/05159, 申请时间是2006年5月18号；两个专利的标题都是 MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS）里有着详细的描述。此传感器200包括一个衬[基]底230，一个弹簧固定物231，一个弹簧层220被弹簧固定物231支撑在衬[基]底230上。一个表面薄板210通过一个弹簧薄板连接物240和弹簧层220相连。一个上电极250依附在表面薄板210上。表面薄板210本身也可以是上电极的一部分。在上电极和下电极260之间是传感空间270。 传感器可以由一个或多个基元200组成。传感器200可以有一个或多个被弹簧层支撑的薄板。一个介电绝缘层280可以选择性的放在两电极之间。
上述两种电容式微机电超声传感器或PZT压电陶瓷传感器,在很多应用中，需要加一个声学透镜在其表面上用以控制波束。大部分情况下，橡胶材料（例如RTV）用来作为传感器的声学透镜。此材料和水或人体组织有很相近的声学阻抗，但声波在其中的传播有很大的衰减，从而降低了传感器的性能。另一个很常见的办法是把传感器的发射表面做成弯曲的形状来聚焦。由于PZT材料易碎以及其传感器性能和传感器的几何形状有关，在这些传感器的应用中，很难做到所需要的弯曲形状。
图3为常用的弯曲方法制造电容式微机电超声传感器，此图中用了一个简化了的模型310来表示一个电容式微机电超声传感器(例如图1，图2中的电容式微机电超声传感器)，其结构只包含了电容式微机电超声传感器的器件层311和基底312。器件层311包括了微机电超声传感器除了基底外的所有其它构件（例如，上下电极，传感空间等）。为了使图示简洁清楚，在以下的示意图中，我们都用这种简化了的模型310来表示各种电容式微机电超声传感器。 图3是弯曲电容式微机电超声传感器（传感器310包括传感器311及其基底312）的制作方法之一。首先把电容式微机电超声传感器310做成适当的柔韧度，并同时在传感器衬底320上形成一个需要的弯曲面 322〔3a〕。然后将传感器310附着到这个有设计需要弯曲度的衬底320上（如3b）。这种方法需要对衬底320精细加工，而每个衬底都是分批加工，对加工精度要求较高且费时，从而成本较高。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种制作容易，成本较低的带弯曲聚焦功能的电容式微机电超声传感器的制作方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
方案一：
（1）将组成电容式微机电传感器的器件层和基底制作为一体，在传感器基底和衬底之间放置垫片；
（2）对上述放置垫片的传感器加力进行弯曲，直到弯曲到所需的弯曲度；
（3）保持传感器的上述弯曲度。
根据本发明的优选实施例，上述垫片附着在基底或衬底其中之一上。
根据本发明的优选实施例，上述垫片直接在基底或衬底上用微机电工艺刻蚀而成。
根据本发明的优选实施例，上述基底或衬底中埋一个刻蚀阻止层，刻蚀上述垫片时刻蚀停止在该刻蚀阻止层处。
根据本发明的优选实施例，上述基底或衬底采用硅片制成，上述刻蚀阻止层为埋在硅片中的氧化层。
根据本发明的优选实施例，上述基底和衬底采用硅片制成，上述刻蚀阻止层为埋在硅片中的氧化层。
根据本发明的优选实施例，上述垫片直接在基底或衬底上用半导体封装工艺制成。
根据本发明的优选实施例，上述基底或衬底上的垫片可以用半导体封装工艺的焊接材料制成。
根据本发明的优选实施例，上述半导体封装工艺的焊接材料是倒装芯片封装工艺的焊接球。
根据本发明的优选实施例，上述垫片可通过硅片键合方法附着到衬底或基底上，也可通过中间材料胶水或环氧树脂胶合到衬底上。
根据本发明的优选实施例，上述步骤（2）中弯曲传感器时可以直接加力弯曲，也可以用空腔和外界的气压差来弯曲。
根据本发明的优选实施例，上述垫片是由导体或半导体材料制成。
根据本发明的优选实施例，上述垫片用以作为传感器和衬底之间的电连接。
方案二：
（1）在基底形成空腔，将空腔的边界墙作为垫片；
（2）将另一个具有一定厚度的基片放在垫片上，覆盖了基底空腔；
（3）在基片上制作电容式微机电超声传感器；
（4）弯曲传感器，至所需的弯曲度。
还包括：
（5）在传感器下面加入填充材料或制作隆起的支撑块来支撑传感器的步骤。
根据本发明的优选实施例，基底采用硅片或石英片制成。
根据本发明的优选实施例，基片是硅片或用SOI硅片，并在其上制作超声传感器。
根据本发明的优选实施例，上述步骤（4）中弯曲传感器时可以直接加力弯曲，也可以用空腔和外界的气压差来弯曲。
本发明的技术方案采用微机电或半导体及其封装工艺来控制以及实现电容式微机电超声传感器的弯曲。不同于在衬底上形成一个弯曲面来实现电容式微机电超声传感器的弯曲，本发明的技术方案用一个垫片来精确的控制电容式微机电超声传感器的弯曲度。由于此垫片可以用微机电或半导体制作工艺以及封装工艺来实现，所以可以得到很好的精度且其制作成本较低。同时还具有方法简单，操作容易，适用于大规模生产的有益效果。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1 是一个已有的可变形薄膜电容式微机电超声传感器的截面示意图；
图1a 是图1中a处的放大图；
图2 是一个已有弹簧坎入式电容式微机电超声传感器的截面示意图；
图2a是图2中b处的放大图；
图3 以通用的弯曲方法制造电容式微机电超声传感器；
图4本发明实施例一所述的电容式微机电超声传感器的制作方法；
图5本发明实施例二所述的电容式微机电超声传感器的制作方法；
图6本发明实施例三所述的电容式微机电超声传感器的制作方法；
图7本发明实施例四所述的电容式微机电超声传感器的制作方法。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。
实施例1：
本例为用微机电或半导体制作工艺及其封装工艺来控制以及实现电容式微机电超声传感器弯曲的例子之一。具体是由图4所示的用垫片的方法来实施的。
在基底412上方制作需要弯曲的电容式微机电超声传感器件层411，在基底下方用微机电的刻蚀工艺制成垫片413，为了得到更高的精度和均匀性，可以在基底上预先设置刻蚀阻止层，这样就可以高度精确的垫片。
将上述制作的带有垫片的超声传感器410附着到传感器衬底421上，421具有平面420，例如利用环氧树脂或其他键合方法将平面420与垫片413胶接在一起。
将超声传感器弯曲到所需的弯曲度。弯曲时直接将力加到超声传感器上，最后可以使弯曲的基底412与420面刚好接触。一般而言，所需超声传感器弯曲度是根据超声传感器设计的聚焦位置来决定的。
图4中4a是弯曲传感器的制作的第一步，一个垫片413制作在电容式微机电超声传感器410上，传感器410包括电容式微机电超声传感器的器件层411和基底412。这种情况下可以使用一个通用的平底传感器衬底420。有多种微机电的刻蚀制作工艺可以直接在传感器基底412上形成垫片413。为了得到更好的精度以及均匀性，一个刻蚀阻止层可以预先埋在传感器基底412内（例如可以用一个SOI硅片作为传感器的基底，其中绝缘氧化层作为制作垫片413中的刻蚀阻止层），刻蚀阻止层可以阻止基底被刻蚀工艺过量或不均匀地刻蚀从而得到精确的垫片高度。如果需要的话，这个垫片413也可以制作在传感器衬底420上。图4中4b是弯曲传感器的制作的第二步，将有垫片413的传感器410附着到传感器衬底420上。附着的方法可以很有种，比如可以用各种硅片键合方法（e.g. eutectic bonding, fusion bonding, eutectic bonding, and thermal compression bonding, flip-chip bonding etc.）。 也可以用中间材料（例如胶水，环氧树脂等）胶合。图4中4c或4d是弯曲传感器的制作的第三步，弯曲传感器到需要的弯曲度。弯曲可以用传感器下空间414和传感器外面的气压差得到。弯曲也可以直接在传感器411上施压得到。弯曲的传感器可以接触到衬底420的表面（如4c步骤），也可以不接触其表面(如4d步骤)。图4中4e是弯曲传感器的制作的第四步，填充材料415可以填入传感器下空间414。填充材料415可以加固传感器的弯曲。填充材料415可以是有特殊性质的材料（例如高声损耗材料等）。如果传感器的弯曲度可以用其他方法维持，此步可以是选项。
如果垫片是由导体或半导体材料做成，也可以用其作为传感器和衬底的电连接。
实施例2：
如图5所示，是一个用垫片来弯曲微机电超声传感器的流程的基本步骤。在微机电超声传感器（包括其基底）和传感器衬底之间放置垫片。此垫片可以制作或附着在微机电超声传感器上，也可以制作或附着在传感器衬底上。将跨在垫片上的传感器弯曲到希望的弯曲度。用适当的方法保持传感器的弯曲度。
实施例3：
本例为用微机电或半导体制作工艺及其封装工艺来控制和实现电容式微机电超声传感器弯曲的例子之二。具体是由图6所示的用倒装芯片焊料球和焊接盘的方法来实现的。
（1）在基底612上方制作所需要弯曲的超声传感器611，在基底下方制作倒装芯片焊料球613，其高度精确控制，衬底620为具有平面621的金属材料制成，在与焊料球相应位置的衬底上制作焊料球的焊接盘622，和电连接线623。
（2）将传感器610与衬底620连接，即通过半导体封装工艺将倒装芯片焊料球与焊接盘封装在一起。
（3）将超声传感器弯曲到所需的弯曲度，弯曲时可以直接通过加压到超声传感器上得到，也可以通过基底612与衬底620之间的气压和外界的气压差得到，在基底弯曲位移最大处与衬底平面621可以接触，也可以不接触。从设计上讲，以传感器位移最大处刚好接触到传感器衬底表面最好。
（4）在基底与衬底未接触的空间中用倒装芯片底部填充胶625填充此步为选项。
6a是弯曲传感器的制作的第一步，传感器610包括电容式微机电超声传感器的器件层611和基底612。在传感器610上加上垫片613。垫片613可以用很多半导体封装工艺(e.g. flip-chip bonding, eutectic bonding etc.) 的焊接材料做成。例如垫片613可以是倒装芯片(flip-chip)焊料球(solder ball)。传感器衬底620可以是由衬底材料层621和其上的金属层制成（例如各种硬性或柔性电路板等）。金属层可以做成不同的样式，例如可以用来作焊料球(solder ball) 613的焊接盘622和/或电的相互连接线623。如果需要，焊接盘622 可以加UBM（under bump metallization）。另外，其中焊接盘622和焊料球 613的位置可以互换，例如焊料球(solder ball) 613可以做在传感器衬底620上，焊接盘622可以做在基底612上 。6b是弯曲传感器的制作的第二步，将传感器610安装(或封装)到传感器衬底620上。半导体封装工艺(e.g. flip-chip bonding, eutectic bonding etc.) 可以直接使用在这一步。倒装芯片焊料球613不但可以用来决定传感器弯曲后的弯曲度，同时也可以作为传感器610和传感器衬底620之间的电连接。6c是弯曲传感器的制作的第三步，弯曲传感器到需要的弯曲度。一般来讲，以传感器位移最大处刚好接触到传感器衬底620表面最好。6d是弯曲传感器的制作的第四步，如果需要的话，可以用材料625填充到传感器610下面帮助更好地固定弯曲的传感器。此材料可以是倒装芯片(flip-chip)中使用的底部填充胶(underfill material)。
实施例4：
本例为用微机电或半导体制作工艺来控制和实现电容式微机电超声传感器弯曲的例子之三。具体是由图7所示的用带有空腔的基底来实施的。
在用硅片制作的基底721上挖一个空坑714，空腔四周的边界墙713的高度用微机电的工艺精确控制。
将用适当厚度的硅片作为基片712，基片712用微机电工艺放在空坑714上。
在基片712上制作超声传感器。根据具体的制作流程的要求，超声传感器的制作可以是在基片712放在空坑714上之前或之后进行。
弯曲超声传感器到所需要的弯曲度，通过对超声传感器直接加力的方式或空腔内外的气压差进行弯曲。7a是弯曲传感器的制作的第一步，先在传感器制作的基（片）底721上挖一个空坑(recession/cavity)714,空坑714的边界墙713就可以作为垫片。此基底可以是硅片，玻璃片或石英片等。7b是弯曲传感器的制作的第二步，然后将另一个需要厚度的基片712放在空坑714上从而形成空腔。此基片712可以是用一般硅片然后磨薄到需要的厚度，也可以是用SOI硅片，然后用其器件层作为传感器的基片。根据使用的材料和制作工艺的要求，基片712可以用不同的微机电工艺放在空坑714上， 例如fusion bonding, anodic bonding, eutectic bonding, 或thermal compression bonding, 等等。 7c是弯曲传感器的制作的第三步，在基片712上制作电容式微机电超声传感器711。根据制作工艺或制作材料的实际情况，第三步（7c）和第一步（7a）及第二步（7b）的制作次序可以互换。及可以先在基片712上制作好传感器711，然后将其放在基底的空坑714上。7d或7e是弯曲传感器的制作的第四步，弯曲传感器到所需要的弯曲度。弯曲可以直接加压力，也可以利用空腔和外界的气压差来实现。弯曲传感器的基片712底部可以接触到空腔的底部722（如7e步骤），也可以不接触（如7d步骤）。如果弯曲传感器的基片712底部接触到空腔的的底部，为了控制接触的范围，也可以预先在空腔底部与其接触部做一个小面积的隆起的支撑块 723（如7f步骤）。如果需要，可以用材料填充到传感器下面帮助更好地固定弯曲的传感器。弯曲的传感器可以直接放在传感器封装时所用的衬底上。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，制作方法包括以下步骤： （1）将组成电容式微机电传感器的器件层和基底作为一体，在传感器基底和衬底之间放置垫片；
（2）对上述放置垫片的传感器加力进行弯曲，直到弯曲到所需的弯曲度；
（3）保持传感器的上述弯曲度。
2.根据权利要求1所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述垫片附着在基底或衬底其中之一上。
3.根据权利要求2所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述垫片直接在基底或衬底上用微机电工艺刻蚀而成。
4.根据权利要求3所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述基底或衬底中埋一个刻蚀阻止层，刻蚀上述垫片时刻蚀停止在该刻蚀阻止层处。
5.根据权利要求4所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述基底或衬底采用硅片制成，上述刻蚀阻止层为埋在硅片中的氧化层。
6.根据权利要求4所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述基底和衬底采用硅片制成，上述刻蚀阻止层为埋在硅片中的氧化层。
7.根据权利要求2所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述垫片直接在基底或衬底上用半导体封装工艺制成。
8.根据权利要求2所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述基底或衬底上的垫片可以用半导体封装工艺的焊接材料制成。
9.根据权利要求8所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述半导体封装工艺的焊接材料之一是倒装芯片封装工艺的焊接球。
10.根据权利要求1所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述垫片可通过硅片键合方法附着到衬底或基底上，也可通过中间材料胶水或环氧树脂胶合到衬底上。
11.根据权利要求1所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述步骤（2）中弯曲传感器时可以直接加力弯曲，也可以用空腔和外界的气压差来弯曲。
12. 根据权利要求1所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述垫片是由导体或半导体材料制成。
13. 根据权利要求12所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述垫片用以作为传感器和衬底之间的电连接。
14.带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为制作方法包括：
（1）在基底形成空腔，将空腔的边界墙作为垫片；
（2）将另一个具有一定厚度的基片放在垫片上，覆盖了基底空腔；
（3）在基片上制作电容式微机电超声传感器；
（4）弯曲传感器，至所需的弯曲度。
15.根据权利要求14所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为还包括：
（5）在传感器下面加入填充材料或制作隆起的支撑块来支撑传感器的步骤。
16.根据权利要求14所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述基底采用硅片或石英片制成。
17.根据权利要求14所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述基片是硅片或用SOI硅片，并在其上制作超声传感器。
18.根据权利要求14所述的带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法，其特征为，上述步骤（4）中弯曲传感器时可以直接加力弯曲，也可以用空腔和外界的气压差来弯曲。
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