具有環(huán)形塌陷區(qū)域的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元(10)，包括襯底(12)和薄膜(14)，所述襯底(12)包括第一電極(16)，所述薄膜(14)包括第二電極(18)，其中所述單元具有所述薄膜(14)被安裝到所述襯底(12)所在的外部區(qū)域(22)以及在所述外部區(qū)域(22)內(nèi)或被所述外部區(qū)域(22)包圍的內(nèi)部區(qū)域(20)，其中在位于所述內(nèi)部區(qū)域(20)內(nèi)的第一塌陷環(huán)形區(qū)域(24)中，所述薄膜(14)被塌陷到所述襯底(12)。
【專利說明】具有環(huán)形塌陷區(qū)域的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器元件，特別涉及電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)單元或電容式微機(jī)械壓力換能器/傳感器單元，以及制造其的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近來開發(fā)了微機(jī)械超聲換能器(MUT)。以兩種設(shè)計(jì)方法來制造微機(jī)械超聲換能器，一種使用具有壓電特性的陶瓷層(PMUT)，而另一種使用薄膜(或隔膜)以及具有形成電容器的電極(或電極板)的襯底，所謂的電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)。
[0003]cMUT單元包括在薄膜下方的腔。為了接收超聲波，超聲波使薄膜移動或振動，并且可以檢測電極之間的電容變化。由此將超聲波轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號。相反地，施加到電極的電信號使薄膜移動或振動，并且由此發(fā)送超聲波。波的這一接收或發(fā)送所憑借的機(jī)構(gòu)被稱為機(jī)電耦合，或簡稱為“耦合”。
[0004]最初，cMUT單元被制造成以已知的“未塌陷”模式操作。常規(guī)的“未塌陷” cMUT單元實(shí)質(zhì)上是非線性設(shè)備，其中耦合強(qiáng)烈地取決于電極之間所施加的偏置電壓。
[0005]為了解決該問題，所謂的“預(yù)塌陷”cMUT單元近來被開發(fā)。在預(yù)塌陷cMUT單元中，薄膜的一部分或區(qū)域塌陷到腔的底部(或襯底)，所謂的“塌陷區(qū)域”。在一種類型的“預(yù)塌陷” cMUT單元中，薄膜被永久地塌陷到或固定到襯底，而在另一種類型的“預(yù)塌陷” cMUT單元中，薄膜僅被暫時(shí)地塌陷到襯底(例如僅在操作期間)。
[0006]在寬范圍的偏置電壓上，預(yù)塌陷cMUT單元的耦合實(shí)質(zhì)上是與偏置電壓無關(guān)的，這使cMUT單元更加線性。此外，在使用的正常電壓范圍上，這樣的“預(yù)塌陷”cMUT單元提供了t匕“未塌陷”cMUT單元更大的耦合。理由是，在襯底的固定底部電極與薄膜的柔性頂部電極之間的腔或間隙決定了單元的電容并且因此決定了其耦合。已知的是，在與使薄膜和襯底接觸的點(diǎn)緊鄰處獲得了最高的耦合。恰好在塌陷區(qū)域周圍的區(qū)域具有最小的間隙，并因此對率禹合做出最大貢獻(xiàn)。
[0007]例如在W02010/097729A1 中公開了一種預(yù)塌陷 cMUT 單元。W02010/097729A1 公開了適于在超聲cMUT換能器陣列中使用的cMUT換能器單元，其具有含有第一電極的薄膜、含有第二電極的襯底、以及在薄膜和襯底之間的腔。通過將薄膜偏置到具有腔的底面的塌陷狀況來使該cMUT操作在預(yù)塌陷狀態(tài)下，并且將晶狀體(lens)投擲到塌陷的薄膜之上。當(dāng)晶狀體材料已聚合或具有足夠的硬度時(shí)，移除偏置電壓并且晶狀體材料將薄膜保持在塌陷狀態(tài)。
[0008]然而，仍然需要提供一種具有提高的性能的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供具有提高的性能的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元及其制造方法。
[0010]在本發(fā)明的第一方面中，提出一種預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元，其包括襯底和薄膜，該襯底包括第一電極，該薄膜包括第二電極，其中該單元具有薄膜被安裝到襯底所處的外部區(qū)域以及在外部區(qū)域內(nèi)或被外部區(qū)域包圍的內(nèi)部區(qū)域，其中在位于內(nèi)部區(qū)域內(nèi)的第一塌陷環(huán)形區(qū)域中，薄膜被塌陷到襯底。
[0011]在本發(fā)明的另一方面中，提出了一種制造預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的方法，該方法包括提供包括第一電極的襯底，提供包括第二電極的薄膜，其中該單元具有薄膜被安裝到襯底所處的外部區(qū)域以及在外部區(qū)域內(nèi)或被外部區(qū)域包圍的內(nèi)部區(qū)域，并且在位于內(nèi)部區(qū)域內(nèi)的第一塌陷環(huán)形區(qū)域中，將薄膜塌陷到襯底。
[0012]本發(fā)明的基本理念是提供一種環(huán)形塌陷(釘住)區(qū)域。因此，單元的塌陷區(qū)域不是在單元的中心的圓形(非環(huán)形)塌陷區(qū)域，而現(xiàn)有技術(shù)的單元的塌陷區(qū)域是這種情況。如數(shù)學(xué)上定義的，環(huán)是環(huán)狀幾何圖形或物體(在其中間具有孔)，或在兩個(gè)同心閉合曲線(例如兩個(gè)同心圓)之間的區(qū)域。應(yīng)當(dāng)理解的是，替代兩個(gè)圓形，可以使用任何其它類型的閉合曲線。
[0013]因?yàn)閾Q能器單元的最強(qiáng)烈耦合區(qū)域緊鄰塌陷區(qū)域，所以本發(fā)明增大了高耦合區(qū)域。因此增大了單元的有效耦合。因此，因?yàn)樵龃罅颂峁└唏詈系拿娣e，所以提高了單元的性能。特別地，在襯底和薄膜之間的腔的高度在塌陷區(qū)域處平滑地或持續(xù)地減小到零。與現(xiàn)有技術(shù)的單元的中心塌陷區(qū)域相比，該環(huán)形塌陷區(qū)域可特別地更接近或靠近單元的周邊?？商娲行乃輩^(qū)域，而使用該環(huán)形塌陷區(qū)域，或除中心塌陷區(qū)域之外，還使用該環(huán)形塌陷區(qū)域。
[0014]在單元的內(nèi)部區(qū)域中，在薄膜和襯底之間形成至少一個(gè)腔。因?yàn)榇嬖诃h(huán)形塌陷區(qū)域，在薄膜和襯底之間形成至少兩個(gè)腔。第一腔形成在環(huán)形塌陷區(qū)域內(nèi)部(或被環(huán)形塌陷區(qū)域包圍)的區(qū)域中的薄膜和襯底之間，而第二腔形成在環(huán)形塌陷區(qū)域外部(或包圍環(huán)形塌陷區(qū)域)的區(qū)域中的薄膜和襯底之間。
[0015]利用本發(fā)明，提高了單元的換能效率。首先，從電能到機(jī)械能的換能通常僅發(fā)生在薄膜中緊鄰塌陷區(qū)域的區(qū)域中。這是薄膜中薄膜經(jīng)歷由于電荷的緊密接近或集中所致的強(qiáng)靜電力并且薄膜能夠響應(yīng)于該力同時(shí)移動所在的區(qū)域。薄膜中已經(jīng)與襯底接觸的區(qū)域(例如塌陷區(qū)域)不能夠移動。薄膜中能夠移動但是未緊靠塌陷區(qū)域的區(qū)域并不具有電荷的大集中。第二，因?yàn)橥ǔ⒋蟮碾娦盘栍糜诎l(fā)送，并且在薄膜中引起大的運(yùn)動，因此強(qiáng)換能的實(shí)際區(qū)域跨越換能器單元的表面來回移動。通過具有環(huán)形塌陷區(qū)域，高機(jī)電耦合的區(qū)域(其是活躍的換能區(qū))已被從單元的中心移走。另外，可以建立兩個(gè)換能區(qū)，而不是一個(gè)。因?yàn)檫@將活躍的換能區(qū)的面積變成兩倍多，因此提高了換能效率。換言之，這將活躍的換能區(qū)的長度變成兩倍多，而不減小其有效寬度。
[0016]在從屬權(quán)利要求書中限定了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，所要求保護(hù)的方法具有與所要求保護(hù)的單元以及與從屬權(quán)利要求中定義的相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例。
[0017]在第一實(shí)施例中，第二電極位于環(huán)形第一塌陷區(qū)域內(nèi)的或被環(huán)形第一塌陷區(qū)域包圍的第一換能區(qū)域中。
[0018]在第二實(shí)施例中，第二電極位于環(huán)形第一塌陷區(qū)域外的或包圍環(huán)形第一塌陷區(qū)域的第二換能區(qū)域中。該實(shí)施例可特別用作第一實(shí)施例的替代或與第一實(shí)施例結(jié)合使用。
[0019]在變型中，第二電極至少設(shè)置成緊靠環(huán)形第一塌陷區(qū)域。在該區(qū)域中，在薄膜的第二電極和襯底的相對應(yīng)的第一電極之間僅存在小間隙。以該方式，提供了增大的或最大化的機(jī)電耦合。該變型可特別與第一實(shí)施例和/或第二實(shí)施例一起使用。
[0020]在另一實(shí)施例中，第二電極和/或第一電極具有環(huán)形。因此，電極最佳地適配于環(huán)形塌陷區(qū)域。以該方式，電極可使單元的電容的非機(jī)電耦合部分最小化。該實(shí)施例可特別與任何其它實(shí)施例結(jié)合使用。
[0021]在另外的實(shí)施例中，環(huán)形第一塌陷區(qū)域設(shè)置成以單元或薄膜的中心為圓心。以該方式，可提供對稱的塌陷區(qū)域和單元。該實(shí)施例可特別與任何其它實(shí)施例結(jié)合使用。
[0022]在另一實(shí)施例中，薄膜被進(jìn)一步塌陷到位于內(nèi)部區(qū)域內(nèi)的第二塌陷區(qū)域中的襯底。以該方式，進(jìn)一步擴(kuò)大了單元的機(jī)電耦合面積。該實(shí)施例可特別與第一和/或第二實(shí)施例一起使用。在變型中，第二塌陷區(qū)域位于單元或薄膜的中心區(qū)域或中心。第二塌陷區(qū)域可特別具有圓形(非環(huán)形)。在另一變型中，第二電極至少設(shè)置成緊靠第二塌陷區(qū)域。例如，第二電極的外邊緣可緊靠第一塌陷區(qū)域，并且第二電極的內(nèi)邊緣可緊靠第二塌陷區(qū)域。
[0023]在另外的實(shí)施例中，薄膜在內(nèi)部區(qū)域中具有固有應(yīng)力。以該方式，在薄膜塌陷到環(huán)形第一塌陷區(qū)域中的襯底時(shí)或期間，可形成或維持薄膜和襯底之間的腔。因此，可以以簡單方式提供薄膜和襯底之間的腔。特別地，固有應(yīng)力可使薄膜凸起遠(yuǎn)離襯底。
[0024]在另外的實(shí)施例中，薄膜進(jìn)一步包括位于第一塌陷區(qū)域中的第三電極。以該方式，可以以簡單和/或可靠的方式提供環(huán)形第一塌陷區(qū)域。特別地，可以在襯底的第一(底部)電極和第三電極之間施加足夠的電壓，以便使薄膜塌陷并且提供環(huán)形第一塌陷區(qū)域。第三電極可特別具有圓形形狀。
[0025]因此，在另一實(shí)施例或變型中，當(dāng)薄膜進(jìn)一步包括位于第一塌陷區(qū)域中的第三電極時(shí)，將薄膜塌陷到襯底包括在第一電極和第三電極之間施加電壓。
[0026]在另外的實(shí)施例中，薄膜進(jìn)一步包括位于第二塌陷區(qū)域中的第四電極。以該方式，可以以簡單和/或可靠的方式提供第二塌陷區(qū)域。特別地，可以在襯底的第一(底部)電極和第四電極之間施加足夠的電壓，以便使薄膜塌陷并且提供中心第二塌陷區(qū)域。第四電極可特別具有圓形形狀。
[0027]因此，在另一實(shí)施例或變型中，當(dāng)薄膜進(jìn)一步包括位于第二塌陷區(qū)域中的第四電極時(shí)，將薄膜塌陷到襯底包括在第一電極和第四電極之間施加電壓。
[0028]在另一實(shí)施例中，第二電極和/或第三電極在其環(huán)形形狀中具有至少一個(gè)開口，其中到第四電極和/或第二電極的連接器位于該開口內(nèi)。這提供了成本節(jié)約和較不復(fù)雜的單元，因?yàn)椴恍枰陔姌O的頂部上的過孔。在一個(gè)示例中，第二電極可以在其環(huán)形形狀中具有至少一個(gè)開口，其中到第四電極的連接器位于該開口中。在另一示例中，第三電極可以在其環(huán)形形狀中具有至少一個(gè)開口，其中到第二電極的連接器位于該開口中。
[0029]在另一實(shí)施例或變型中，第三電極被分隔為多個(gè)區(qū)段，其中到第二電極的連接器在第三電極的多個(gè)區(qū)段中的兩個(gè)區(qū)段之間延伸。以該方式，第二電極和第三電極相互電氣分離或相互電氣絕緣。
[0030]在另一實(shí)施例中，薄膜被永久性塌陷。因此，薄膜被永久地固定到襯底或被機(jī)械地塌陷。該實(shí)施例可特別與任何其它實(shí)施例結(jié)合使用。
[0031]在另一實(shí)施例中，薄膜僅在單元的操作期間被塌陷。因此，薄膜僅被臨時(shí)塌陷到襯底(非永久地)，或被電氣地塌陷(例如通過在兩個(gè)電極之間施加偏置電壓)。因此，單元的操作可包括偏置電壓的施加。該實(shí)施例可特別與任何其它實(shí)施例結(jié)合使用。
[0032]在另一實(shí)施例中，單元是圓形單元。圓形形狀提供了對可用空間的相當(dāng)良好的填充和/或非常少的高階振動模式(特別是與傳輸能量的期望模式競爭或產(chǎn)生使期望的接收信號模糊的非期望信號的振動模式)。該實(shí)施例可特別與任何其它實(shí)施例結(jié)合使用。
[0033]在另外的實(shí)施例中，該單元是用于傳輸和/或接收超聲波的電容式微機(jī)械超聲換能器單元(cMUT)。在可替代實(shí)施例中，該單元是用于測量壓力的電容式微機(jī)械超聲換能器(或傳感器)單元。該實(shí)施例可特別與任何其它實(shí)施例結(jié)合使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]根據(jù)下文描述的實(shí)施例本發(fā)明的這些和其它方面將是清楚的，并且參考下文描述的實(shí)施例來闡明本發(fā)明的這些和其它方面。在下面的附圖中，
[0035]圖1示出并非根據(jù)本發(fā)明的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，
[0036]圖1a示出圖1的單元的頂視圖，
[0037]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，
[0038]圖2a示出圖2的單元的頂視圖，
[0039]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，
[0040]圖3a示出圖3的單元的頂視圖，
[0041]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，
[0042]圖4a示出圖4的單元的頂視圖，
[0043]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，
[0044]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，
[0045]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，
[0046]圖8a-c每個(gè)示出根據(jù)圖6的第五實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的電極的頂視圖的不同示例，
[0047]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的另外實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，以及
[0048]圖9a示出圖9的單元的頂視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049]圖1示出并非根據(jù)本發(fā)明的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元10的截面圖，并且圖1a示出圖1的單元的頂視圖。在圖1中，預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元10包括襯底12和薄膜14，該襯底12包括第一(底部)電極16，該薄膜14包括第二(頂部)電極18。在襯底12和薄膜14之間形成腔13。在位于單元10的薄膜14的中心C(或單元C的中心C)中的塌陷區(qū)域中，將薄膜14塌陷到襯底12。
[0050]在圖1以及圖1a中，腔13中的陰影或加點(diǎn)表示根據(jù)位置的機(jī)電耦合。增大的點(diǎn)密度表示增大的耦合。如可看到的，在中心C周圍的中心區(qū)域不具有耦合，這是因?yàn)槠浔凰?釘住)到襯底12。就在薄膜14與襯底12接觸的點(diǎn)處獲得最高的耦合。原因是(固定的)底部電極16和(柔性)的頂部電極18之間的腔13 (或間隙)的高度決定了換能器單元10的電容，并且因此決定了其耦合。[0051]在圖1中，由于連續(xù)的頂部電極18在整個(gè)薄膜區(qū)域之上延伸，中心C中的塌陷區(qū)域加入了寄生電容，但不是耦合，因?yàn)槠洳荒芤苿?。如在圖1中可看到的，腔13(或間隙)的高度從塌陷區(qū)域的邊緣向著周邊單調(diào)地增大。距中心C越遠(yuǎn)，增加的區(qū)域越大，但是腔13(或間隙)的高度越大?？衫缤ㄟ^施加更多的偏置電壓來增大高耦合區(qū)域。這將增大塌陷區(qū)域的面積和周邊，而周邊提供增大的耦合。不幸的是，這還將增大塌陷區(qū)域的非期望電容。
[0052]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元10的截面圖，并且圖2a示出圖2的單元的頂視圖。預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元10包括襯底12和可移動或柔性薄膜14，該襯底12包括第一電極16，該可移動或柔性薄膜14包括第二電極18。在第一(底部)電極16和第二(頂部)電極18之間形成電容器。在襯底基礎(chǔ)材料上應(yīng)用第一電極16，并在薄膜基礎(chǔ)材料上應(yīng)用第二電極18。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，第一電極16也可嵌入襯底基礎(chǔ)材料，而第二電極18也可嵌入薄膜基礎(chǔ)材料14中，或以任何其它適當(dāng)?shù)姆绞街糜谄渲谢蚱渖稀?br> [0053]在襯底12和薄膜14之間形成腔13。當(dāng)接收到例如超聲波時(shí)，超聲波引起薄膜14移動或振動，并且可檢測到電極16、18之間的電容變化。由此將超聲波轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號。相反，施加到電極16、18的電信號引起薄膜14移動或振動，并由此傳輸超聲波。
[0054]襯底12的基礎(chǔ)材料可例如是導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料，例如是硅。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用任何其它適當(dāng)?shù)牟牧?。如果襯底12的基礎(chǔ)材料是導(dǎo)電的或半導(dǎo)體的，則可在襯底基礎(chǔ)材料和第一(底部)電極16之間施加絕緣層。絕緣層可被涂敷在第一(底部)電極16的頂部上。以該方式，接觸表面兩者或都是相同的絕緣體。薄膜14的基礎(chǔ)材料例如是絕緣材料，例如二氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用任何其它適當(dāng)?shù)牟牧稀?br> [0055]如在圖2a中看出的，該實(shí)施例的單元10是具有中心C的圓形單元。該單元是圍繞中心C(圓形)對稱的。單元10具有薄膜14被安裝到襯底12所在的外部區(qū)域22。在圖2的實(shí)施例中，該單元包括在襯底12和薄膜14之間的支撐物15，其用于將薄膜14安裝到襯底12。腔的高度(或間隙厚度)在支撐物15處突然地或不連續(xù)地(從其最大高度)到零。支撐物15可以是環(huán)形支撐物。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以任何其它適當(dāng)?shù)姆绞綄⒈∧ぐ惭b到襯底。
[0056]單元10還包括在外部區(qū)域22內(nèi)或被外部區(qū)域22包圍的內(nèi)部區(qū)域20。內(nèi)部區(qū)域20被支撐物15限制。在單元的內(nèi)部區(qū)域20中，形成腔。在位于內(nèi)部區(qū)域20內(nèi)的第一塌陷區(qū)域24中，薄膜14被塌陷到襯底12。第一塌陷區(qū)域24具有環(huán)形形狀(或圓環(huán)形狀)。環(huán)形第一塌陷區(qū)域24被設(shè)置成以單元10的中心C(或薄膜14的中心C)為圓心。腔13的高度(或間隙厚度)在塌陷區(qū)域24處平滑地或連續(xù)地減小到零。換能器單元10的最高耦合區(qū)域緊鄰塌陷區(qū)域24。因此，增大了單元的耦合。在圖2以及圖2a中，腔13中的陰影或加點(diǎn)表示根據(jù)位置的耦合。增大的點(diǎn)密度表示增大的耦合。如可看到的，耦合在單元的中心C中是可忽略的，并且從中心C向著預(yù)塌陷區(qū)域24增大。機(jī)電耦合有時(shí)還被稱為單元的“靈敏度”，雖然靈敏度嚴(yán)格說來取決于外部條件以及機(jī)電耦合。
[0057]因?yàn)樵趦?nèi)部區(qū)域20內(nèi)存在環(huán)形塌陷區(qū)域24，因此形成了第一腔13和第二腔17。第一腔13在環(huán)形塌陷區(qū)域24內(nèi)部。換言之，第一腔13形成在薄膜14和襯底12之間的環(huán)形塌陷區(qū)域24內(nèi)部的區(qū)域中或被環(huán)形塌陷區(qū)域24包圍的區(qū)域中。第二腔17在環(huán)形塌陷區(qū)域24外部。換言之，第二腔17形成在薄膜14和襯底12之間的環(huán)形塌陷區(qū)域24外部的區(qū)域中或包圍環(huán)形塌陷區(qū)域24的區(qū)域中。第二腔17是環(huán)形的。
[0058]第二(頂部)電極18具有環(huán)形形狀。因此，第二電極18最優(yōu)地適于環(huán)形塌陷區(qū)域24。以該方式，第二電極18可使單元的電容的非機(jī)電耦合部分最小化。機(jī)電耦合取決于使當(dāng)薄膜移動時(shí)電容改變的部分與不改變的部分的比率最大化。這通過使用環(huán)形第二電極18并因此使在預(yù)塌陷區(qū)域24之上的電極暴露最小化來實(shí)現(xiàn)。替代地，還可使用未電連接到第二電極18的獨(dú)立電極。
[0059]第二電極18(至少)設(shè)置成緊靠(或緊鄰)環(huán)形第一塌陷區(qū)域24。第二電極18位于第一腔13之上的在腔13的高度平滑地或連續(xù)地減小到零的區(qū)域中。如在圖2中看到的，第二電極18的外邊緣18a終止在塌陷區(qū)域24開始的點(diǎn)處。第二電極18的內(nèi)邊緣18b限定了環(huán)形電極18的孔。在圖2示出的實(shí)施例中，第二電極18位于環(huán)形第一塌陷區(qū)域24內(nèi)部(或被環(huán)形第一塌陷區(qū)域24包圍)的第一換能區(qū)域26內(nèi)。換言之，第二(頂部)電極18位于第一腔13之上和第一(底部)電極16之上。這形成了單元的活躍換能區(qū)。
[0060]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，并且圖3a示出了圖3的單元的頂視圖。第一實(shí)施例的相應(yīng)解釋和附圖標(biāo)記還適用于圖3的實(shí)施例。與圖1的第一實(shí)施例比較，在圖3的實(shí)施例中，第二電極18位于環(huán)形第一塌陷區(qū)域24外部或圍繞環(huán)形第一塌陷區(qū)域24的第二換能區(qū)域27內(nèi)。換言之，第二電極18位于第二腔17之上。第二電極18 (至少)設(shè)置成緊靠(或緊鄰)環(huán)形第一塌陷區(qū)域24。第二電極18位于在腔17之上的腔17的高度平滑地或連續(xù)地減小到零的區(qū)域中。在圖3以及圖3a中，腔17中的陰影或加點(diǎn)表示根據(jù)位置的耦合。增大的點(diǎn)密度表示增大的耦合。如可看到的，耦合在支撐物15 (或單元的外部區(qū)域22)處是最小的或可忽略的，并且向著預(yù)塌陷區(qū)域24增大。
[0061]應(yīng)當(dāng)理解的是，第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的組合也是可以的。在這樣的情況下，第二電極18可包括位于第一換能區(qū)域26內(nèi)的第一電極部分和位于第二換能區(qū)域27內(nèi)的第二電極部分。
[0062]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，并且圖4a示出了圖4的單元的頂視圖。之前實(shí)施例的相應(yīng)解釋和附圖標(biāo)記還適用于圖4的實(shí)施例。圖4的實(shí)施例的單元基于圖2的實(shí)施例的單元。然而，在圖4的實(shí)施例中，薄膜14進(jìn)一步在位于內(nèi)部區(qū)域20內(nèi)的第二塌陷區(qū)域28中被塌陷到襯底12。以該方式，進(jìn)一步擴(kuò)大了單元的機(jī)電耦合面積。第二塌陷區(qū)域28位于單元10或薄膜14的中心C。第一腔13現(xiàn)在具有環(huán)形形狀。第二塌陷區(qū)域28具有圓形(非環(huán)形)形狀。在圖4的實(shí)施例中，如參考圖2解釋的，環(huán)形第二電極18位于第一換能區(qū)域26內(nèi)。第二電極18(至少)設(shè)置成緊靠(或緊鄰)第二塌陷區(qū)域28。第二電極18設(shè)置成緊靠第一塌陷區(qū)域24并且緊靠第二塌陷區(qū)域28。更具體地，第二電極18的外邊緣18a設(shè)置成緊靠第一塌陷區(qū)域24，并且第二電極18的內(nèi)邊緣18b設(shè)置成緊靠第二塌陷區(qū)域28。在圖4以及圖4a中，腔13中的陰影或加點(diǎn)表示根據(jù)位置的耦合。增大的點(diǎn)密度表示增大的耦合。如可看到的，耦合在環(huán)形腔13的中心中是最小的或可忽略的，并且向著第一塌陷區(qū)域24和向著第二塌陷區(qū)域28增大。
[0063]在上面討論的實(shí)施例中，薄膜14可以是永久塌陷的(機(jī)械塌陷的)或薄膜14可以僅在單元的操作期間是塌陷的(電塌陷的)?，F(xiàn)在，參考圖5到圖8，將描述使用附加的塌陷電極的電塌陷的情況。
[0064]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖。之前實(shí)施例的相應(yīng)解釋和附圖標(biāo)記還適用于圖5的實(shí)施例。圖5的實(shí)施例的單元基于圖2的實(shí)施例的單元。然而，在圖5的實(shí)施例中，薄膜14進(jìn)一步包括位于第一塌陷區(qū)域24中的第三電極19。第三電極19用于將薄膜14塌陷到襯底12。通過在第一電極16和第三電極19之間施加(足夠的)電壓來將薄膜12塌陷到襯底12。因此，薄膜14的第三電極19用于使薄膜或單元塌陷(也被稱為塌陷電極)，并且薄膜14的第二電極18是感測電極。因?yàn)檫@些電極18、19是電氣分離的，因此預(yù)塌陷區(qū)域24不會有助于寄生電容。
[0065]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖。之前實(shí)施例的相應(yīng)解釋和附圖標(biāo)記還適用于圖6的實(shí)施例。圖6的實(shí)施例的單元基于圖4的實(shí)施例的單元。然而，在圖6的實(shí)施例中，薄膜14進(jìn)一步包括位于第一塌陷區(qū)域24中的第三電極19 (見圖5的解釋)和位于第二塌陷區(qū)域28中的第四電極21。第三電極19和第四電極21用于將薄膜14塌陷到襯底12。通過在第一電極16和第三電極19之間施加(足夠的)電壓并通過在第一電極16和第四電極21之間施加(足夠的)電壓來將薄膜12塌陷到襯底12。因此，薄膜14的第三電極19和第四電極21用于使薄膜或單元塌陷(也被稱為塌陷電極)，并且薄膜14的第二電極18是感測電極。
[0066]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖。之前實(shí)施例的相應(yīng)解釋和附圖標(biāo)記還適用于圖7的實(shí)施例。圖7的實(shí)施例的單元基于第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的組合的單元。因而，第二電極包括第一環(huán)形電極部分18’(位于第一換能區(qū)域26內(nèi))和第二環(huán)形電極部分18’ ’ (位于第二換能區(qū)域27內(nèi))。然而，在圖7的實(shí)施例中，薄膜14進(jìn)一步包括位于第一塌陷區(qū)域24中的第三電極19 (見圖5或圖6的解釋)。因此第三電極19位于第一環(huán)形(內(nèi)部)電極部分18’ (其在環(huán)形塌陷區(qū)域24內(nèi)部)和第二環(huán)形(外部)電極部分18’’(其在環(huán)形塌陷區(qū)域24外部)之間。
[0067]圖8a_c每個(gè)示出根據(jù)圖6的第五實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的電極的頂視圖的不同示例。在圖8a_c的每個(gè)中，示出第二(感測)電極18、第三(塌陷)電極19和第四(塌陷)電極21。第二(感測)電極18與第三(塌陷)電極19和/或第四(塌陷)電極21電氣分離。第三和第四(塌陷)電極19、21可電氣連接。然而，如果需要或期望將不同的電壓施加到第三和第四(塌陷)電極19、21的話，第三和第四(塌陷)電極19、21也可電氣分離。
[0068]圖Sb或圖Sc還示出到第二環(huán)形電極18的連接器38和到第三電極19和第四電極21的連接器39。因此，圖Sb或圖Sc示出示例性電極幾何尺寸，以便為電極規(guī)劃路線，以提供到中心的獨(dú)立通道。在圖8a_c中的每個(gè)中，需要到中心的獨(dú)立通道以將電壓加到電極21，而不將其連接到電極18。在圖8a中，這將例如通過在電極18的頂部上的過孔來實(shí)現(xiàn)。然而，這將要求幾個(gè)額外的處理步驟，從而增加設(shè)備的成本和復(fù)雜性。在圖8b中，第二電極18在其環(huán)形形式中具有單個(gè)開口，并且第三電極19在其環(huán)形形狀中具有單個(gè)開口。到第四電極21的連接器39位于第二電極18的開口中，并且到第二電極18的連接器38位于第三電極19的開口中。在圖Sc中，第二電極18在其環(huán)形形狀中具有多個(gè)開口，并且第三電極19在其環(huán)形形狀具有多個(gè)開口。以該方式，第二電極18和第三電極19每個(gè)被分隔成多個(gè)區(qū)段。在圖8c中，電極18、19中的每個(gè)被分隔成四個(gè)區(qū)段。可期望的是將每個(gè)電極分隔成更多的區(qū)段，以提供更適當(dāng)?shù)膹较驅(qū)ΨQ。然而，還可將電極分隔成更少的區(qū)段，因此分隔成至少兩個(gè)區(qū)段?？稍趦?nèi)部區(qū)域(或薄膜區(qū)域)之外外部地連接區(qū)段。如在圖8c中可看到的，到第二電極18的每個(gè)連接器38在第三電極19的兩個(gè)區(qū)段之間延伸。每個(gè)連接器39在第二電極18的兩個(gè)區(qū)段之間延伸。換言之，到第四電極21的一個(gè)連接器39位于第二電極18的每個(gè)開口中，并且到第二電極18的一個(gè)連接器38位于第三電極19的每個(gè)開口中。
[0069]通常，在預(yù)塌陷單元中，可使用不同方法(例如使用電塌陷或機(jī)械塌陷)來使薄膜塌陷。在一個(gè)示例中，薄膜14可在內(nèi)部區(qū)域中具有固有應(yīng)力。特別地，該固有應(yīng)力可引起薄膜從襯底凸出。以該方式，提供了薄膜14和襯底12之間的腔13、17。在不具有固有應(yīng)力的情況下，第一換能區(qū)域26 (在環(huán)形塌陷區(qū)域24內(nèi)部的區(qū)域或被環(huán)形塌陷區(qū)域24包圍的區(qū)域)可以保持與襯底12接觸。
[0070]在一個(gè)示例中，薄膜14在第一換能區(qū)域25中的殘余應(yīng)力可抗壓，從而存在第一腔13(或間隙)。壓應(yīng)力區(qū)域?qū)⒈仨毺幱诒∧さ闹行云矫媾c薄膜中(背對)遠(yuǎn)離腔或間隙的表面之間。此外，壓應(yīng)力區(qū)域可從中心延伸出到大約環(huán)形塌陷區(qū)域的半徑。如在板或殼的機(jī)械工程理論中已知的，在薄膜中存在中性平面，其在薄膜是彎曲的時(shí)候不經(jīng)受拉伸或壓縮。在中性平面的一側(cè)上的任何壓應(yīng)力將薄膜凹陷遠(yuǎn)離被加壓側(cè)彎曲，并且相反地，在中性平面的一側(cè)上的任何拉應(yīng)力將薄膜凹陷向著被加壓側(cè)彎曲。
[0071]在可替代示例中，應(yīng)力可以是拉伸的，并且在薄膜的中性平面和薄膜的鄰近(或面向)腔或間隙的表面之間。其它示例可包括塌陷環(huán)上的拉伸遠(yuǎn)端(distal)，在塌陷環(huán)上的壓縮近端(proximal)，或前述示例的任意組合。另外，在塌陷環(huán)之外可存在附加層，例如壓縮和遠(yuǎn)端、或拉伸近端。
[0072]薄膜的固有應(yīng)力可例如通過薄膜的化學(xué)計(jì)量和/或通過使用具有不同材料和層中應(yīng)力的多層薄膜來控制。例如，材料沉積條件可影響薄膜應(yīng)力。作為特定的示例，如果薄膜的基礎(chǔ)材料由二氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅制成，二氧化硅可以是壓縮的，氮化硅可以是拉伸的，并且氮氧化硅中的應(yīng)力可利用化學(xué)計(jì)量來控制。電極材料的組成還可有助于應(yīng)力?？赏ㄟ^電極材料和沉積參數(shù)的選擇以及通過適當(dāng)?shù)母郊硬牧系膱D案層來包括附加的應(yīng)力貢獻(xiàn)。
[0073]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的另外實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元的截面圖，并且圖9a示出圖9的單元的頂視圖。之前實(shí)施例的相應(yīng)解釋和附圖標(biāo)記還適用于圖9的實(shí)施例。在圖9的實(shí)施例中，通過在襯底12(或其電極16)的平面表面上的柱或突出物15a將薄膜14安裝至中心區(qū)域29中的襯底12。突出物15a位于襯底12和薄膜14之間。第一環(huán)形腔13形成在薄膜14和襯底12之間的包圍突出物15a的區(qū)域中。優(yōu)選地，可在與設(shè)置支撐物15相同的步驟中設(shè)置突出物15a。突出物15a是圓形的，并且位于圍繞單元的中心C的中心區(qū)域29中。在突出物15a處，腔13的高度(或間隙厚度)突然地或不連續(xù)地(從其最大高度)變到零。因此，突出物15a不是第二塌陷區(qū)域，并且并不提供更多的耦合(與具有第二塌陷區(qū)域的圖4或圖6相比)。然而，圖9的實(shí)施例是牢固的并且容易制造。在圖9的實(shí)施例中，通過施加到第三(塌陷)電極19的偏置電壓，而不是通過在薄膜14上施加應(yīng)力來使薄膜14塌陷。因此，薄膜中的固有應(yīng)力在圖9的實(shí)施例中不是必須的。
[0074]在圖9以及圖9a中，第一腔13和第二腔17中的陰影或加點(diǎn)表示根據(jù)位置的耦合。增大的點(diǎn)密度表示增大的耦合。如可看到的，在環(huán)形第二腔17中，耦合在支撐物15處(或在單元的區(qū)域22之外)是最小的或可忽略的，并且向著預(yù)塌陷區(qū)域24增大。在環(huán)形第一腔13中，耦合在突出物15a處(在中心C處)是最小的或可忽略的，并且向著預(yù)塌陷區(qū)域24增大。
[0075]應(yīng)指出的是，圖9的截面圖示出單個(gè)(圓形)單元10，如在圖9a的頂視圖中可看出。單元10是圍繞中心C或中心突出物15a(圓形)對稱。另外，在圖9的實(shí)施例中，第二電極包括第一環(huán)形電極部分18’(位于第一換能區(qū)域26中)和第二環(huán)形電極部分18’’(位于第二換能區(qū)域27中)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，第二電極也可僅位于第一換能區(qū)域26或第二換能區(qū)域27中。
[0076]在上面參考圖2到圖9描述的實(shí)施例中，第一(底部)電極16被示為被施加到襯底基礎(chǔ)材料和在整個(gè)內(nèi)部區(qū)域20(或薄膜或單元)延伸的連續(xù)層。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用任何適當(dāng)?shù)牡谝浑姌O。例如，第一電極可以是環(huán)形電極和/或可不在整個(gè)內(nèi)部區(qū)域(或薄膜或單元)延伸。雖然，在上面參考圖2到圖7描述的實(shí)施例中，第二電極18是環(huán)形電極并且不在整個(gè)內(nèi)部區(qū)域20(或薄膜或單元)延伸，應(yīng)當(dāng)理解的是可使用任何適當(dāng)?shù)牡诙姌O。例如，第二電極可以是圓形電極和/或可在整個(gè)內(nèi)部區(qū)域(或薄膜或單元)延伸。在本文描述的所有情況或?qū)嵤├?，在不影響換能器單元操作的情況下，可以在薄膜和襯底之間互換電極配置。
[0077]在上面參考圖2到圖9描述的實(shí)施例中，單元10是圓形單元。圓形形狀提供了對可用空間的相當(dāng)好的填充和/或非常少的高階振動模式(特別是與傳送能量的期望模式競爭或產(chǎn)生使期望的接收信號模糊的非期望信號的振動模式)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用任何適當(dāng)?shù)膯卧螤?，例如橢圓形、多邊形、六角形、矩形或正方形等。因此，用于描述概念的圓形對稱不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的。
[0078]可基于一個(gè)或多個(gè)以下實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。在第一實(shí)施例中，代替在中心中的通常塌陷區(qū)域，塌陷在遠(yuǎn)離中心的環(huán)形區(qū)域中被發(fā)起，或除了在中心中的通常塌陷區(qū)域之外，塌陷還在遠(yuǎn)離中心的環(huán)形區(qū)域中被發(fā)起。以該方式，大大增加了有效換能器的面積。在第二實(shí)施例中，一個(gè)或兩個(gè)電極可提供塌陷區(qū)域，一個(gè)在設(shè)備的中心，而第二個(gè)進(jìn)一步在周邊。在第三實(shí)施例中，單獨(dú)的環(huán)形電極被設(shè)置用于換能。在第四實(shí)施例中，薄膜可被構(gòu)建有固有應(yīng)力分布，其將引起薄膜在換能區(qū)域中凸起遠(yuǎn)離襯底。
[0079]從技術(shù)觀點(diǎn)，本發(fā)明的預(yù)塌陷電容式微機(jī)械超聲換能器單元(特別是cMUT)可原理上按照與常規(guī)(未塌陷)電容式微機(jī)械超聲換能器單元(特別是cMUT)相同或相似的方式制造，該常規(guī)(未塌陷)電容式微機(jī)械換能器單元例如在W02010/032156(其通過引用并入本文)中被詳細(xì)描述。
[0080]本發(fā)明可應(yīng)用于用于發(fā)射和/或接收超聲波的任何電容式微機(jī)械超聲換能器單元(cMUT)，特別是大到足以支撐多個(gè)電極結(jié)構(gòu)(例如，至少高到30MHz或更高)的cMUT單元。然而，原則上，本發(fā)明還適用于任何其它預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器，例如用于測量壓力的壓力傳感器或換能器。應(yīng)當(dāng)理解的是，術(shù)語換能器還包括傳感器的特定例子。
[0081]盡管在附圖和前面描述中詳細(xì)說明和描述了本發(fā)明，然而這樣的說明和描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是說明性或示例性而不是限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐所要求保護(hù)的發(fā)明，根據(jù)對附圖、公開文本和所附權(quán)利要求的研究，可理解和實(shí)現(xiàn)對所公開的實(shí)施例的其它變型。
[0082]在權(quán)利要求中，詞語“包括”并不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一個(gè)(a) ”或“一種(an)”并不排除多個(gè)。單個(gè)元件或其它單元可實(shí)現(xiàn)在權(quán)利要求中記載的數(shù)項(xiàng)功能。某些措施被記載在相互不同的從屬權(quán)利要求中的事實(shí)并不表明這些措施的組合不能用于改進(jìn)。
[0083]權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被認(rèn)為限制范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元(10)，包括: -襯底(12)，所述襯底(12)包括第一電極(16), -薄膜(14)，所述薄膜(14)包括第二電極(18)， 其中，所述單元具有所述薄膜(14)被安裝到所述襯底(12)所處的外部區(qū)域(22)以及在所述外部區(qū)域(22)內(nèi)或被所述外部區(qū)域(22)包圍的內(nèi)部區(qū)域(20)， 其中，在位于所述內(nèi)部區(qū)域(20)內(nèi)的第一塌陷環(huán)形區(qū)域(24)中，使所述薄膜(14)塌陷到所述襯底(12)。
2.如權(quán)利要求1所述的單元，其中，所述第二電極(18)位于所述環(huán)形第一塌陷區(qū)域(24)內(nèi)的或被所述環(huán)形第一塌陷區(qū)域(24)包圍的第一換能區(qū)域(26)中。
3.如權(quán)利要求1所述的單元，其中，所述第二電極(18)位于所述環(huán)形第一塌陷區(qū)域(24)外的或包圍所述環(huán)形第一塌陷區(qū)域(24)的第二換能區(qū)域(27)中。
4.如權(quán)利要求2或3所述的單元，其中，所述第二電極(18)至少設(shè)置成緊靠所述環(huán)形第一塌陷區(qū)域(24)。
5.如權(quán)利要求1所述的單元，其中，所述第二電極(18)和/或所述第一電極(16)具有環(huán)形形狀。
6.如權(quán)利要求1所 述的單元，其中，所述環(huán)形第一塌陷區(qū)域(24)設(shè)置成以所述單元(10)或薄膜(14)的中心(C)為圓心。
7.如權(quán)利要求1所述的單元，其中，在位于所述內(nèi)部區(qū)域(20)內(nèi)的第二塌陷區(qū)域(28)中，所述薄膜(14)被進(jìn)一步塌陷到所述襯底(12)。
8.如權(quán)利要求7所述的單元，其中，所述第二塌陷區(qū)域(28)位于所述單元(10)或薄膜(14)的中心區(qū)域或所述中心(C)中。
9.如權(quán)利要求1所述的單元，其中，所述薄膜(14)在所述內(nèi)部區(qū)域(20)中具有固有應(yīng)力。
10.如權(quán)利要求1所述的單元，其中，所述薄膜(14)還包括位于所述第一塌陷區(qū)域(24)中的第三電極(19)。
11.如權(quán)利要求1所述的單元，所述第二電極(18)和/或所述第三電極(19)具有至少一個(gè)開口，其中，到所述第四電極(21)和/或所述第二電極(18)的連接器(38、39)位于所述開口中。
12.如權(quán)利要求1所述的單元，其中，所述薄膜(14)被永久性塌陷。
13.如權(quán)利要求1所述的單元，其中，所述薄膜(14)僅在所述單元的操作期間被塌陷。
14.一種制造預(yù)塌陷電容式微機(jī)械換能器單元(10)的方法，所述方法包括: -提供包括第一電極(16)的襯底(12), -提供包括第二電極(18)的薄膜(14)，其中，所述單元具有所述薄膜(14)被安裝到所述襯底(12)所處的外部區(qū)域(22)以及在所述外部區(qū)域(22)內(nèi)或被所述外部區(qū)域(22)包圍的內(nèi)部區(qū)域(22)，并且 -在位于所述內(nèi)部區(qū)域(20)內(nèi)的第一塌陷環(huán)形區(qū)域(24)中，使所述薄膜(14)塌陷到所述襯底(12)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，所述薄膜(14)還包括位于所述第一塌陷區(qū)域(24)中的第三電極(19)，其中， 使所述薄膜(14)塌陷到所述襯底(12)包括在所述第一電極(16)和所述第三電極(19)之間施加電壓。
【文檔編號】B06B1/02GK103958079SQ201280056554
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月17日
【發(fā)明者】A·L·魯濱遜, J·D·弗雷澤 申請人:皇家飛利浦有限公司