超聲波傳感器微陣列和其制造方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請是2013年3月14日提交的美國專利申請序列號13/804279的部分接續(xù)案。
[0003] 本申請涉及2013年11月01日提交的名稱為"Ultrasonic Sensor Microarray and Method of Manufacturing Same (超聲波傳感器微陣列和其制造方法）"的共同擁有的 國際專利申請序列號PCT/CA2013/000937,并且以全文引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及一種微機械系統(tǒng)（MEMS)和其制造方法，并且更具體地是可充當(dāng)電容 式微加工超聲波換能器（CMUT)的部件的三維MEMS器件如傳感器微陣列。在一種優(yōu)選應(yīng)用 中，本發(fā)明涉及一種超聲波傳感器微陣列和其制造方法，其包含或模擬雙曲拋物面形傳感 器配置或芯片，并且其包括苯并環(huán)丁烯（BCB)作為結(jié)構(gòu)部件。CMUT的合適用途包括醫(yī)療和 其它非車輛應(yīng)用，以及用于車輛或汽車傳感器用途的應(yīng)用，例如在車輛盲點、障礙物的監(jiān)測 中和/或在自主車輛駕駛和/或停車應(yīng)用中。
【背景技術(shù)】
[0005] 在出版物 Design of a MEMS Discretized Hyperbolic Paraboloid Geometry Ultrasonic Sensor Microarray(MEMS離散化雙曲拋物面幾何結(jié)構(gòu)超聲波傳感器微陣 列的設(shè)計），IEEE Transactions On Ultrasonics, Ferroelectrics, And Frequency Control (IEEE超聲學(xué)、鐵電體與頻率控制匯刊），第55卷，第6期，2008年6月（在此以引 用的方式將其公開內(nèi)容并入本文）中，本發(fā)明人描述了電容式微加工超聲波換能器（CMUT) 的離散化雙曲拋物面幾何形狀波束形成陣列的概念，所述陣列組裝在微制造的分層幾何結(jié) 構(gòu)上。
[0006] 在CMUT的最初制造概念中，對絕緣體上硅（SOI)晶片進行初步清潔，然后使用射 頻磁控濺射在其上沉積IOnm的鉻種晶層以提供粘合層。在沉積所述鉻粘合層后，使用常規(guī) 的CMUT沉積方法沉積200nm厚金層。在沉積金層后，將AZ4620光致抗蝕劑薄層旋轉(zhuǎn)沉積 (spin-deposite)在所述金層上，進行圖案化和蝕刻。然后通過將所述晶片浸沒在碘化鉀溶 液中，接著在稀王水中對鉻種晶層進行蝕刻并且其后進行沖洗來蝕刻金層。其后進一步對 器件層進行蝕刻以提供聲學(xué)端口，所述聲學(xué)端口用于隔膜內(nèi)的靜壓力均衡并且允許在釋放 階段（release stage)去除 SiO20
[0007] 在感應(yīng)親合等離子體反應(yīng)離子蝕刻機（ICP-RIE)中使用波希法（Bosch process) 深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE)對頂部SOI晶片進行蝕刻。在利用Bosch和DRIE蝕刻進行金屬蝕 刻后，通過O 2灰化處理去除剩余的光致抗蝕劑。將Bosch蝕刻的晶片浸沒在緩沖氧化物蝕 刻（BOE)溶液中以在不顯著蝕刻單晶硅的情況下選擇性地蝕刻SiO 2來釋放選擇性隔膜。在 蝕刻和沖洗后，每個陣列的感測表面（染料）在系統(tǒng)級芯片制造中進行組裝并使用導(dǎo)電粘 合劑環(huán)氧樹脂進行粘結(jié)。
[0008] 然而，本申請人已經(jīng)了解，用于制造電容式微加工超聲波換能器的現(xiàn)有工藝需要 精確的制造公差。結(jié)果，CMUT傳感器或換能器的陣列在商業(yè)規(guī)模上的制造尚未在市場中得 到廣泛的普及。
[0009] 以引用的方式將其全文并入本文中的Chou等的美國專利No. 6942750描述了在3D MEMS結(jié)構(gòu)的制造中使用光敏苯并環(huán)丁烯（BCB)粘結(jié)的圖案化晶片的構(gòu)造（construct)和 方法。特別地，Chou等公開了使用光活化的感光BCB作為用于實現(xiàn)精確圖案化晶片粘結(jié)的 組件粘合劑，同時用BCB粘合層實現(xiàn)的所得三維MEMS微結(jié)構(gòu)增加了組裝晶片復(fù)合體的Z高 度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明人已經(jīng)了解，通過改進的制造方法和/或利用可調(diào)節(jié)的工作頻率可實現(xiàn)新 型和/或更可靠的CMUT陣列設(shè)計。本發(fā)明的一個非限制性目的為提供一種超聲波傳感器， 其包含用于發(fā)送和接收信號的一個或多個CMUT微陣列或模塊，并且其可能更加不受多種 不同類型的超聲背景噪音源中的一種或多種的影響，所述噪音源為諸如道路噪音、行人、騎 自行車者和/或動物通行、汽車碰撞聲音、工業(yè)性作業(yè)、發(fā)電源等。
[0011] 在一種結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明提供一種三維MEMS器件并且更優(yōu)選是CMUT換能器，其包含 硅基晶片、作為Z軸中的結(jié)構(gòu)部件的苯并環(huán)丁烯（BCB)樹脂如Cyclotene?，和硅和/或BCB 基隔膜或膜片層。
[0012] 另一種非限制性結(jié)構(gòu)提供一種基于超聲波CMUT的微陣列，其提供可編程的帶寬 控制，并且其允許更容易地修改CMUT微陣列設(shè)計以用于多種不同的傳感器應(yīng)用。
[0013] 另一種非限制性結(jié)構(gòu)提供一種超聲波傳感器，其包含具有基本上扁平的曲率，優(yōu) 選具有小于±10°并且更優(yōu)選小于約±Γ的曲率的換能器微陣列模塊或子組件，并且其 在操作中模擬雙曲拋物面形芯片陣列幾何形狀。
[0014] 本發(fā)明的一個實施方式提供一種包含多個換能器的基于電容式微加工超聲波換 能器（CMUT)的微陣列模塊。所述微陣列模塊適合用于車輛，以及非車輛軌道、飛機和其它 傳感器應(yīng)用。例如，所述模塊可提供作為手或身體位置傳感器的一部分，以及在用于監(jiān)測盲 點、相鄰障礙物和隱患的警報和/或控制系統(tǒng)中，和/或車輛道路位置警報和/或自主駕駛 應(yīng)用中。
[0015] 本發(fā)明的另一個實施方式提供一種用于制造基于CMUT的換能器/傳感器的微陣 列并且更優(yōu)選基于CMUT的微陣列模塊的方法，所述微陣列模塊可操作以在多個頻率和/或 頻率范圍內(nèi)發(fā)射信號，并且其可被布置為使來自相鄰傳感器的頻率干擾最小化。在一種可 能的優(yōu)選制造方法中，常規(guī)的（即非光敏的）苯并環(huán)丁烯（BCB)如Cyclotcne?在作為晶片 構(gòu)造的微陣列的形成中被用作粘合層。在一種可能的結(jié)構(gòu)中，BCB進一步用于形成可替換 的換能器膜片或隔膜。
[0016] 可以設(shè)想，一種制造模擬雙曲拋物線幾何形狀或以雙曲拋物線幾何形狀提供的 CMUT微陣列模塊的可能的簡化和可靠方法可使用模制、沖壓或三維（3D)打印方法來形成 在上面安裝換能器模塊的微陣列的背襯或基底。此外，通過改變在傳感器陣列中的單獨的 CMUT微陣列模塊的定向（orientation)或操作，可選擇優(yōu)選的或提供可變的輸出波束形 狀。
[0017] 在另一個非限制性實施方式中，本發(fā)明提供一種傳感器組件，其設(shè)置有一個或多 個電容式微加工超聲波換能器（CMUT)微陣列模塊，所述模塊設(shè)置有多個單獨的換能器。在 一個非限制性最終傳感器結(jié)構(gòu)中，對CMUT微陣列模塊進行布置以使單獨的換能器模擬或 定向為通常的雙曲拋物面幾何形狀。然而，其它的模塊布置和幾何形狀是可能的。
[0018] 優(yōu)選地，所述傳感器組件包含至少一個CMUT微陣列模塊，所述模塊包含多個單獨 的換能器/傳感器，并且所述換能器/傳感器可單獨地、選擇性地或共同地激活以發(fā)射和接 收反射信號。為了使傳輸干擾最小化，在每個模塊內(nèi)最優(yōu)選以矩形矩陣布置換能器/傳感 器，并且換能器/傳感器可同時被選擇性地激活。更優(yōu)選地，在每個傳感器組件中設(shè)置多個 微陣列。所述微陣列通常以3X3或更多的正方形或矩形矩陣布置進行安裝，并且其中每個 微陣列模塊含有至少36個且優(yōu)選至少200個單獨的超聲波換能器/傳感器。雖然不是必需 的，但在一種簡化設(shè)計中，將傳感器微陣列模塊物理定位在三維背襯上，形成所述三維背襯 以定向微陣列模塊并以離散化、通常雙曲拋物面形狀提供傳感器陣列。當(dāng)提供用于汽車應(yīng) 用中時，選擇所述模塊的雙曲拋物面定向，使得換能器/傳感器工作以輸出在15°與40° 之間、并且優(yōu)選在約20°與25°之間的優(yōu)選波束視場。
[0019] 所述傳感器換能器可在低至40kHz的合適頻率范圍下工作。在車輛應(yīng)用中，更優(yōu) 選地，用于獨立激活的每個微陣列的換能器/傳感器可在至少IOOkHz并且最優(yōu)選約150kHz 的頻率下操作以使空氣阻尼的作用最小化。在一個優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，當(dāng)提供傳感器組件用于 作為車輛盲點傳感器工作時，所述傳感器組件被形成為具有緊湊的傳感器設(shè)計，其特征在 于：
[0020] 包裝尺寸 PGA 68 stick lead mount
[0021] 升級速率50至100毫秒并且優(yōu)選約80毫秒
[0022] 陣列分布至少3X3 ;并且優(yōu)選5X5雙曲拋物面或更大
[0023] 波束視場15至170度或更大；并且對于汽車優(yōu)選為25至140度
[0024] 頻率范圍50至200kHz ;并且優(yōu)選100至170kHz
[0025] 檢測范圍目標(biāo)3. 5至7米；并且優(yōu)選約5. 0米
[0026] 應(yīng)理解，在其它應(yīng)用中，可提供具有不同數(shù)目的微陣列模塊和波束寬度和/或含 有更大數(shù)目的單獨的換能器/傳感器的CMUT微陣列模塊的不同尺寸的傳感器。取決于應(yīng) 用，考慮到整體傳感器組件尺寸、預(yù)期用途和組件需求，單獨的換能器/傳感器的數(shù)目可能 超過數(shù)千個或數(shù)萬個。
[0027] 在另一個實施方式中，微陣列模塊被安裝到背襯，所述背襯呈基本上扁平幾何形 狀并且其優(yōu)選具有小于±10°并且更優(yōu)選小于±1°的曲率。盡管傳感器組件可包含少至 一個微陣列模塊，但更優(yōu)選提供多個CMUT微陣列模塊，并且其以5 X 5或更大的正方形矩陣 模塊布置進行排列。任選地，可以允許自由形態(tài)成形的通常柔性片的形式形成單獨的CMUT 微陣列模塊，以容許更大范圍的輸出波束形狀和/或配置。
[0028] 每個微陣列模塊自身優(yōu)選設(shè)置有至少5 X 5并且優(yōu)選40 X 40或更多的單獨CMUT 換能器/傳感器的傳感器陣列。每個微陣列模塊中的換能器/傳感器本身還可以電學(xué)上細(xì) 分成兩個或更多的分組。在一個簡化設(shè)計中，每個微陣列模塊的換能器以矩形矩陣定向并 且電學(xué)上細(xì)分成多個平行的行和/或列。然而，其它的細(xì)分布置是可能的，包括將單獨的換 能器/傳感器電隔離以用于獨立激活。微陣列換能器細(xì)分為平行的列或行分組允許單獨的 換能器/傳感器分組選擇性地耦合（couple)至頻率發(fā)生器并按組激活。更優(yōu)選地，所述傳 感器組件可編程以選擇性地激活或停用每個CMUT微陣列模塊內(nèi)的換能器/傳感器的分組。
[0029] 在另一個實施方式中，可對每個傳感器組件中的微陣列模塊進行配置以彼此獨立 地選擇性地激活。以這種方式，本申請人已經(jīng)了解，根據(jù)應(yīng)用和/或環(huán)境，可以動態(tài)地實現(xiàn) 傳感器組件波束寬度、形狀和/或發(fā)射波長的變化。更優(yōu)選地，使CMUT微陣列模塊適于電 子輸出具有多種不同波束形狀、長度和/或輪廓（profile)的波束。
[0030] 在一種優(yōu)選操作模式中，對每個模塊中的換能器分組或列的不同組合實現(xiàn)選擇性 的電力切換。本申請人已經(jīng)了解，通過這樣的切換，因此可改變由傳感器組件發(fā)射的發(fā)送信 號的輸出形狀，例如，以更好地將輸出信號從傳感器組件導(dǎo)向相關(guān)目標(biāo)區(qū)域。以這種方式， 根據(jù)應(yīng)用（即環(huán)境、車輛速度、驅(qū)動方式（正向與反向運動）和/或傳感器用途），可對輸出 波束幾何形狀進行配置以避免來自其它車輛或外部來源的錯誤信號；或提供在頻率或波束 寬度范圍內(nèi)可改變的輸出波束以檢測不同類型的障礙物。
[0031] 在一個優(yōu)選的操作模式中，將電力選擇性地供應(yīng)至傳感器陣列矩陣內(nèi)的每個單獨 的CMUT微陣列模塊。以這種方式，可激活單獨的模塊以實現(xiàn)飛行時間物體檢測和/或得到 位置。另外，單獨的CMUT微陣列模塊以及其中換能器/傳感器的分組的選擇性控制和激活 有利地允許寬泛范圍的三維波束成形，以允許更寬的傳感器應(yīng)用或需求。
[0032] 在一種可能的結(jié)構(gòu)中，提供微處理器控制。所述微處理器控制驅(qū)動切換單元和單 元頻率發(fā)生器。更優(yōu)選地，微處理器控制驅(qū)動切換單元和發(fā)生器以實現(xiàn)每個CMUT微陣列模 塊內(nèi)的換能器的列和行的組合的計算機化序列，并且以預(yù)定的序列或范圍改變傳感器組件 輸出信號的形狀、頻率。以這種方式，可進一步區(qū)分或最小化來自可能接近的其它汽車傳感 器的干擾和錯誤讀數(shù)。
[0033] 在最終設(shè)計中，將硅晶片的活性硅晶片部件用作每個CMUT換能器的膜片，同時基 底晶片形成底部硅層。使用作為主要粘結(jié)劑的BCB的結(jié)構(gòu)層來粘結(jié)基底與硅頂部晶片。優(yōu) 選在150°C下進行粘結(jié)過程以驅(qū)除任何殘余溶劑并允許有最大粘結(jié)強度。然后在250°C下 的氮氣環(huán)境中將粘結(jié)的樣品固化約1小時。
[0034] 因此，提供本發(fā)明的多個非限制性方面，并且其包括：
[0035] -種形成用于具有多個換能器的微陣列中的電容式微加工超聲波換能器（CMUT) 的方法，所述方法包括：提供具有通常平坦的上表面和下表面的第一硅基晶片，提供作為器 件層的第二晶片，所述器件層具有通常平坦的平行頂表面和底表面，所述器件層具有選擇 為約0. 05至5微米并且優(yōu)選為約0. 2至1微米的厚度，在所述器件層的所述頂表面或所述 底表面中的一個之上形成苯并環(huán)丁烯（BCB)層，對所述BCB層的表面進行蝕刻以形成其中 具有多個凹穴的蝕刻表面，所述凹穴中的每個具有預(yù)選幾何形狀，所述凹穴的特征在于各 自的側(cè)壁延伸至約0. 1至15微米、優(yōu)選約0. 2至8微米并且最優(yōu)選約3至4微米的深度， 并且將所述BCB層的蝕刻表面的一部分與所述器件層的所述頂表面或所述底表面中的另 一個對齊，利用插入其間的所述BCB層將所述第一晶片粘結(jié)至所述器件層，由此所述凹穴 形成各自的換能器氣隙，將導(dǎo)電金屬施加至所述第一晶片和所述第二晶片中的至少一個。
[0036] -種形成用于包含多個換能器的微陣列中的電容式微加工換能器的方法，所述方 法包括：提供具有通常平坦的平行前表面和后表面的硅背襯晶片，所述背襯晶片具有選擇 為約10至500微米的厚度，在所述前表面之上形成苯并環(huán)丁烯（BCB)結(jié)構(gòu)層，所述結(jié)構(gòu)層 具有選擇為約〇. 5至15微米并且優(yōu)選約1至10微米并且最優(yōu)選3至微米的厚度，對所述 BCB結(jié)構(gòu)層的表面進行光等離子體蝕刻以在其中形成多個凹穴，所述凹穴具有通常常見的 幾何形狀并且特征在于各自的側(cè)壁通常垂直于所述前表面延伸并延伸至約〇. 1至10微米 的深度，提供具有通常平坦的平行相對前表面和后表面的器件層，所述器件層具有選擇為 約0. 05至10微米、優(yōu)選為約0. 2至2微米并且最優(yōu)選為小于1微米的厚度，布置為基本上 連續(xù)地將所述器件晶片的所述后表面粘結(jié)在所述前表面上以基本上密封每個凹穴作為各 自的換能器氣隙，并且其中利用作為結(jié)構(gòu)粘合成分的所述BCB結(jié)構(gòu)層將所述器件晶片相對 于所述第一晶片進行粘結(jié)，將導(dǎo)電金屬層施加至所述第一晶片和所述器件晶片中的至少一 個的至少一部分。
[0037] -種用于發(fā)送和/或接收傳感器波束的超聲波傳感器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括頻率發(fā) 生器和傳感器組件，所述傳感器組件包含背襯、多個電容式微加工超聲波換能器（CMUT)微 陣列模塊，所述微陣列模塊在所述背襯上以柵格矩陣定向配置，每個所述微陣列包含具有 換能器氣隙和隔膜構(gòu)件的多個換能器，所述微陣列模塊包含：具有通常平坦的頂表面和底 表面的底部硅層；具有通常平行的平坦前表面和后表面的苯并環(huán)丁烯（BCB)結(jié)構(gòu)層，向后 延伸到所述BCB結(jié)構(gòu)層的所述前表面中的多個凹穴，所述每個凹穴各自限定相應(yīng)的換能器 氣隙的側(cè)面和底部并且以陣列定向并具有選擇為約〇. 2至5微米、優(yōu)選3至4微米的深度 和選擇為5至200微米并且優(yōu)選10至50微米的寬度，和具有前表面和后表面的器件層，所 述器件層具有選擇為約0. 1至25微米并且優(yōu)選小于1微米的厚度，所述BCB結(jié)構(gòu)層插入所 述器件層的底部與所述底部硅層的所述頂表面之