電容型電氣機械變換器的制造方法
【專利說明】電容型電氣機械變換器
[0001]本申請是申請?zhí)枮?01080026305.X，申請日為2010年6月15日，題為“電容型電氣機械變換器”的中國發(fā)明專利申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及諸如電容型微機械加工超聲換能器的電容型電氣機械變換器。
【背景技術】
[0003]作為執(zhí)行超聲波的傳送和接收中的至少任一種的電氣機械變換器，提出電容型微機械加工超聲換能器(CMUT)(例如，參照PCT日文翻譯專利公開N0.2003-527947)。通過使用被應用半導體工藝的微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝來制造CMUT。
[0004]圖7是典型的CMUT的示意性截面圖。參照圖7，一個第一電極102和一個第二電極105的集合被稱為一個單元。第一電極102與第二電極105相對，并且振動膜101和間隙104被夾在它們之間。振動膜101被在基板106上形成的支撐體103支撐。在CMUT中，所有第一電極102相互電連接。一定水平的直流(DC)電壓被均勻施加到第一電極102，使得在第一電極102和第二電極105之間產(chǎn)生希望的電勢差。對于每個元件(多個單元的群集)，第二電極105電氣分離。交流(AC)驅動電壓被施加到第二電極105，以在第一和第二電極之間產(chǎn)生AC靜電吸引，這使振動膜101以一定的頻率振動，以傳送超聲波。另外，振動膜101響應于接收到的超聲波而振動，以在第二電極105上產(chǎn)生由靜電感應導致的微小電流?？梢詼y量該電流的值以對于每個元件獲取接收信號。
[0005]超聲波的傳送和接收的特性由向第一電極102施加DC電壓時的振動膜101的撓曲量確定。各單元的間隙104中的壓力一般低于大氣壓力，并且振動膜101由于大氣壓力和間隙104中的壓力之間的差而向基板106撓曲(deflect1n)。振動膜101的撓曲量由基于包括振動膜101的尺寸、形狀、厚度和材料的參數(shù)的機械特性確定。當CMUT工作時，為了增加超聲波的傳送和接收的效率，在兩個電極之間施加一定的電勢差，以在電極之間導致靜電吸引。振動膜101由于該靜電吸引而進一步向基板106撓曲。在超聲波的傳送中，由于靜電吸引與距離的平方成正比，因此，隨著電極之間的距離減小，傳送和接收的效率增加。作為對比，在超聲波的接收中，由于檢測到的微小電流的大小與電極之間的距離成反比并且與電極之間的電勢差成比例，因此，傳送和接收的效率也隨著電極之間的距離的減小而增加。
[0006]引文列表
[0007]專利文獻
[0008]PTL I:PCT 日文翻譯專利公開 N0.2003-527947

【發(fā)明內容】

[0009]但是，增加兩個電極之間的電勢差導致由電極之間的靜電力和壓力差導致的力超過振動膜的機械特性的復原力。作為結果，振動膜與基板上的電極接觸以進入塌陷狀態(tài)，因此CMUT的特性大大改變。因此，當CMUT正常工作(不在塌陷狀態(tài)中被驅動)時，電極之間的電勢差被設定為使得實現(xiàn)高的傳送和接收效率并且振動膜具有不導致塌陷狀態(tài)的撓曲量。
[0010]在現(xiàn)有技術中，在CMUT中所有的第一電極相互電連接。因此，在CMUT的工作期間向第一電極施加均勻的電壓。由于振動膜的上述的參數(shù)由于CMUT的制造中的各種因素改變，因此即使電極之間沒有電勢差，也導致振動膜的撓曲量的變化。另外，CMUT的工作期間的振動膜的撓曲量也改變。
[0011]作為結果，傳送和接收的效率偏離期望值和/或有時在一些單元中導致塌陷狀態(tài)，從而大大改變每個元件的傳送和接收特性。為了解決以上的問題，本發(fā)明提供了能夠對于每個元件任意地改變振動膜的撓曲量的電容型電氣機械變換器。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實施例，電氣機械變換器包括多個包含至少一個包含第一電極和與第一電極相對且在其間具有間隙的第二電極的單元的元件，和被配置為對于各元件被設置并且向在各元件中的第一電極單獨地施加直流電壓的直流電壓施加單元。第一電極和第二電極對于每個元件電氣分離。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，能夠對于每個元件任意地改變電氣機械變換器中的振動膜的撓曲量。
【附圖說明】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電氣機械變換器的示意性截面圖。
[0015]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電氣機械變換器的配置的例子。
[0016]圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的電氣機械變換器的截面圖。
[0017]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的電氣機械變換器的配置的例子。
[0018]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的電氣機械變換器的配置的例子。
[0019]圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的電氣機械變換器的配置的例子。
[0020]圖6B示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的電氣機械變換器的配置的另一例子。
[0021]圖7是現(xiàn)有技術中的電容型電氣機械變換器的示意性截面圖。
【具體實施方式】
[0022]這里，將參照附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的電容型電氣機械變換器。
[0023]第一實施例
[0024]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電氣機械變換器的示意性截面圖。在本發(fā)明的實施例中，第一電極被稱為上電極，并且第二電極被稱為下電極。其上形成第一電極102的振動膜101被在基板106上形成支撐體103支撐。振動膜101連同第一電極102 —起振動。在基板106上與振動膜101上的第一電極102相對的位置處形成第二電極105，使得在它們之間夾有間隙104。在本發(fā)明的實施例中，包含彼此相對的并且在它們之間夾有間隙104的上電極和下電極的組成(composit1n)被稱為單元107。元件108包含至少一個單元107。具體地，元件108是包含一個單元107或包含相互電連接(并聯(lián)連接)的多個(至少兩個)單元的組成。雖然在圖1中兩個單元構成一個元件，但是，本發(fā)明不限于該配置。多個單元可按二維陣列圖案相互連接。在電氣機械變換器中形成多個(兩個或更多個)元件。
[0025]在本發(fā)明的實施例中使用的上電極可由包含鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)、銀(Ag)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉭(Ta)和鎳(Ni)的金屬和包含 AlS1、AlCu、AlT1、Moff和AlCr的合金中的至少一種制成。上電極可被設置在振動膜的上表面上、振動膜的背面上或振動膜內部其中至少之一，或者，當振動膜由導電材料或半導體材料制成時，振動膜自身可用作上電極。在本發(fā)明的實施例中使用的下電極可由與上電極相同的金屬或合金制成。當基板由諸如硅的半導體材料制成時，基板可用作下電極。
[0026]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的電氣機械變換器的配置的例子。根據(jù)第一實施例的電氣機械變換器的特征在于對于每個元件，不僅下電極105被電氣分離，而且上電極102被電氣分離。在各元件中，多個上電極102相互電連接，并且多個下電極105相互電連接。雖然在第一實施例中，各元件中的上電極對于每個單元單獨地形成并且通過在振動膜上形成的布線(未示出)相互電連接，但是，可對于每個元件形成一個上電極。下電極也可如在第一實施例中那樣對于每個單元單獨形成，或者可對于每個元件形成一個下電極。
[0027]DC電壓施加單元201與各元件中的上電極102連接。DC電壓施加單元201對于每個元件向上電極施加希望水平的電壓，以在上電極和下電極之間導致與下電極的電壓的電勢差。振動膜101的撓曲量由該電勢差確定。驅動檢測單元202與各元件中的下電極105連接。驅動檢測單元202包含AC電壓產(chǎn)生單元203、電流檢測單元205和保護開關204。
[0028]當電氣機械變換器包含N個元件時，在第一實施例的配置中包括N個DC電壓施加單元201。在第一實施例的配置中還包括