以压印技术制作微电容式超声波换能器的方法技术

一种利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其步骤包括：　　　　（ａ）提供可导电的一基板；　　　　（ｂ）于该基板上形成一支座薄膜层；　　　　（ｃ）利用压印方式于该支座薄膜层上形成阵列状排列的数个凹槽；　　　　（ｄ）提供一聚合物薄膜层，具有一上表面与一下表面；　　　　（ｅ）于该聚合物薄膜层的上表面形成阵列状排列的数个上电极，而相邻两该上电极之间有导电连线将其连结；　　　　（ｆ）将该聚合物薄膜层的下表面黏合于该支座薄膜层上方，使电极与薄膜层凹槽相对应形成数个封闭腔体，组成微电容式超声波换能器。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超声波换能器的制作方法，特别是有关一种微电容式超声波换能器的制作方法。
技术介绍
超声波检测技术自第二次世界大战开始发展，早期用于国防军事用途，直到1950年代后期才开始大量应用于医学检测方面。而在所有超声波检测技术中，超声波换能器(Ultrasonic Transducer)扮演极为重要的角色，过去几十年来，产、官、学、研各界均已投入大量的研究与发展，相关技术亦已日趋成熟，而其中的主流研究方向则一直是压电式超声波换能器。所谓压电效应有两种正压电效应(direct piezoelectric effect)及逆压电效应(converse piezoelectric effect)。当压电体受到电场作用时，电偶极矩会被拉长，压电体会沿电场方向伸长，此即将电能转换为机械能。反之，对压电体施加压力，则体内的电偶极矩会随材质的压缩而变短，此时压电体内为了抵抗此种趋势，将产生电压以保持原状态。利用此特点，压电式超声波换能器可将电压信号转换为音波信号发射出去，亦可将接收到的音波信号转换成微电压信号，因此能做为超声波检测的探头(probe)。常见的压电体的材料有陶瓷类，如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅锆(PZT)等，还有单晶类，如石英、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐等。惟此类压电式超声波换能器的成本过高，且组件特性方面，压电材料的晶格振荡易导致频宽与音压相对降低，尤有甚者，当其应用于非接触检测时，因压电材料与空气的声音阻抗差异过大，极易造成不匹配的状况发生，造成音波信号于接触接口产生大量反射的情况而降低检测效率。此外，由于分辨率与频宽的限制，其更难以应用于纳米等级的精密检测技术上。有鉴于此，微电容式超声波换能器遂成为近年来各界积极发展研究的主题，亦已发表了数项相关的专利，例如美国US6,426,582、US6,004,832以及US6,295,247等等。微电容式超声波换能器的构造主要如图1所示，基板11上有数个支撑座12，支撑座12上方为一振荡薄膜13，而振荡薄膜13上方则是上电极层14。其中基板11掺有杂质而具有导电性，其与上电极层14构成一电容式结构，而由基板11、支撑座12与振荡薄膜13所包围构成的中空激振腔体15，则提供振荡薄膜13振荡时其薄膜上下振动所需的振幅空间。此种微电容式超声波换能器具有下列的优点(1)频宽可以加大。(2)容易形成具有高频的阵列(array)。(3)可将前段的电路整合于同一硅晶圆片上。(4)可大量生产降低成本。微电容式超声波换能器的特点为该中空激振腔体与振荡薄膜的设计，而此激振腔体与振荡薄膜的各项几何特征，例如振荡薄膜的半径与厚度、电极间的垂直距离等均攸关整个微电容式超声波换能器的效能与表现，因此制作工艺中所有参数的设定莫不希望能将所有的尺寸控制于稳定且一致的规格。目前微电容式超声波换能器的制作方式如图2A至图2C所示，首先，于一基板21上依序形成一支撑氧化层22、一振荡薄膜层23与一导电层24，再以蚀刻微影方式形成贯穿振荡薄膜层23与导电层24的数个孔洞25，最后透过该孔洞25对支撑氧化层22进行蚀刻。利用蚀刻液对支撑氧化层22和振荡薄膜层23两种不同材料的蚀刻选择性不同的特性，可针对支撑氧化层22加以蚀刻，而不大会蚀刻振荡薄膜层23。因此经由时间的控制，最后可于支撑氧化层22上形成以孔洞25的位置为中心而向外扩张呈圆柱状的激振腔体221，如图所示，一完整的微电容式超声波换能器的结构遂可完成。依此制作方式，难控制激振腔体221的形状且难以检验，其完全需仰赖经验法则，对于制作上的变异，例如蚀刻液浓度的变化等均容易造成激振腔体221尺寸的变化，进而影响整个组件的特性。此外，孔洞25系作为蚀刻液的流入与蚀刻副产品(by product)流出的通道，然以此方式易造成激振腔体221的污染且清洗不易，而所残留的物质更将影响组件的特性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种，其利用一具有特定图案的母模压印形成微电容式超声波换能器所须的激振腔体，以达到大量生产、均匀控制并减低成本的功效。本专利技术的次要目的是提供一种，藉由精密加工母模的方式，精确控制微电容式超声波换能器中激振腔体的几何尺寸，使电极间的距离尽可能缩小，以达到提高超声波换能器灵敏度的功效。本专利技术的又一目的是提供一种，可避免现有技术必须利用孔洞作为被蚀刻物排出与蚀刻物流入的通道的制作方法，以达到提高腔体洁净度的功效。为达上述的目的，本专利技术一种，其步骤系包括(a)提供一基板，该基板可导电。(b)于该基板上形成一支座薄膜层；(c)提供一母模，该母模具有形成特定凹凸排列的阵列图案的表面。(d)加压于该母模，使其具有阵列图案的表面压入该支座薄膜层，则该母模表面上的该阵列图案可转移至该支座薄膜层。(e)将该母模移除，则该支座薄膜层上形成有特定排列的数个凹槽。(f)提供一聚合物薄膜层。(g)于该聚合物薄膜层上形成阵列状排列的数个上电极板，而相邻两上电极板之间有一导电连线将其连结。(h)将该聚合物薄膜层的下表面黏着于该支座薄膜层的上方，薄膜层该数个凹槽遂形成数个封闭腔体，其中该封闭腔体的上方为该聚合物薄膜层，而该聚合物薄膜层上方则为数个上电极板，且该数个上电极板分别一一对应于该数个封闭腔体。上面各步骤所用材料均爲標準半導体工艺所使用的材料，例如基板材料爲硅晶片等；支座薄膜层材料例如是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等可塑性聚合物材料；聚合物薄膜层材料可與支座薄膜层相同，即可使用PMMA等；金屬层可爲鋁、銅或是鋁銅合金等。此外，为达上述的目的，本专利技术一种还具有一较佳实施例，其步骤包括(a’)提供一基板，该基板可导电。(b’)于该基板上形成一支座薄膜层。(c’)提供一圆柱状母模，该母模具有形成特定凹凸排列的阵列图案的外表面。(d’)利用一驱动装置驱动该圆柱状母模加压滚过该支座薄膜层，该阵列图案即可转移至该支座薄膜层，于该支座薄膜层上形成特定排列的薄膜层凹槽。(e’)提供一聚合物薄膜层。(f’)于该聚合物薄膜层上形成阵列状排列的数个上电极板，而相邻两上电极板之间有一导电连线将其连结。(g’)将该聚合物薄膜层的下表面黏着于该支座薄膜层的上方，该薄膜层数个凹槽遂形成数个封闭腔体，其中该封闭腔体的上方为该聚合物薄膜层，而聚合物薄膜层上方则为数个上电极板，且该数个上电极板分别一一对应于该数个封闭腔体。本专利技术的上述与其它目的、特征及优点，通过配合下列说明及附图，将获得更好的理解。附图说明图1为微电容式超声波换能器基本构造的示意图；图2A至图2C为现有技术中微电容式超声波换能器的制作方法的示意图；图3A至图3E为将压印微影技术应用于半导体工艺上的示意图；图4A至图4G为本专利技术利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法的第一较佳实施例示意图；图4H为本专利技术所制成的微电容式超声波换能器的上视图；图5A至图5G为本专利技术利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法的第二较佳实施例示意图。附图标记说明11基板；12支撑座；13振荡薄膜；14上电极层；15激振腔体；21基板；22支撑氧化层；221激振腔体；23振荡薄膜层；24导电层；25孔洞；31基板；32绝缘层；33可塑性材料薄膜；331较薄区块；34母模；41基板；42支座薄膜层；421薄膜层凹槽；4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：粘金重，贺陈弘，张明，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：