專利名稱：電容式微加工超聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲傳感器，尤其涉及一種電容式微加工超聲傳感器(cMUT)。
背景技術(shù)：
電容式微加工超聲傳感器是一種有著廣泛用途的靜電傳感器。超聲傳感器可以在 象液體，固體和氣體等多種介質(zhì)里工作。超聲傳感器已經(jīng)應(yīng)用在醫(yī)藥診斷和治療，無損傷材 料測試，聲納，通訊，接近傳感器，氣體流動測量，實時工藝控制，超聲顯微鏡等多種領(lǐng)域里。
跟廣泛應(yīng)用的用壓電陶瓷(PZT)技術(shù)做成的傳感器比較，電容式微加工超聲傳感 器在制作工藝，頻譜帶寬以及工作溫度等方面都有很大的優(yōu)勢。例如，用傳統(tǒng)的制作工藝做 傳感器陣列，需要分別切割每個陣元。所以耗時耗力，成本高。而且，切割方法精度有限，所 以做高頻，二維和一些特殊幾何形狀的傳感器陣列尤其困難。電容式微加工超聲傳感器是 用半導(dǎo)體工藝制成，所以很多傳感器可以在一起成批制造。半導(dǎo)體制作工藝的精度足夠滿 足電容式微加工超聲傳感器的需求。電容式微加工超聲傳感器陣列可以做到精度高，低成 本。電容式微加工超聲傳感器在所設(shè)計的工作頻率范圍里，其阻抗比壓電陶瓷傳感器的阻 抗低很多。所以電容式微加工超聲傳感器在醫(yī)藥成像應(yīng)用中不需要匹配層和較寬的帶寬。 電容式微加工超聲傳感器是由半導(dǎo)體材料制成，所以它比壓電陶瓷傳感器耐高溫。
電容式微加工超聲傳感器的基本結(jié)構(gòu)是一個剛性的下電極和在柔性膜上或其內(nèi) 的上電極的平行板電容。上電極依附在一個柔性薄膜上用來從相臨媒介中傳送和接收(RX) 超聲波。直流偏置電壓可以加在傳感器兩電極之間用來偏轉(zhuǎn)薄膜到一個優(yōu)化位置以得到最 佳的靈敏度和帶寬。發(fā)射(TX)時，一個交流電壓加在傳感器上。相應(yīng)的靜電力移動薄膜以 傳送超聲能量到臨近的介質(zhì)。接收時，介質(zhì)中的超聲波引起傳感器薄膜震動從而改變傳感 器的電容。電容變化能用相應(yīng)的電子電路探測到。 兩種有代表性的電容式微加工超聲傳感器分別是可變形薄膜電容式微加工超聲 傳感器(flexible membrane CMUT)和最近發(fā)明的彈簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器 (emdedded-spring CMUT， ESCMUT)。圖1是一個傳統(tǒng)的可變形薄膜電容式微加工超聲傳感 器100的截面示意圖。傳感器100有一個固定的包括一個第一電極120的襯[基]底101， 一個通過薄膜支撐130和襯底101相連的可變形薄膜IIO，一個可移動的第二電極150。薄 膜支撐130在可變形薄膜IIO和第一電極120之間形成一個傳感器空間160(傳感器空間 可以被封閉起來)。 圖2是一個彈簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器200的截面示意圖。此傳感器在 兩個PCT國際專利申請(PCT/IB2006/051568andPCT/IB2006/05159，申請日20060518 ;兩專 利名稱都是微機(jī)電傳感器"MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS")里有著詳細(xì)的描 述。此傳感器200包括一個襯[基]底201，一個彈簧固定物203，一個彈簧層210被彈簧 固定物203支撐在襯[基]底201上。 一個表面薄板240通過一個彈簧薄板連接物230和 彈簧層210相連。 一個第二電極依附在表面薄板240上。此傳感器200可以是一個傳感器 陣元的一部分。傳感器200可以有一個或多個被彈簧層支撐的薄板。
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在一些具體設(shè)備裝置(embodiments)中，圖1中的傳感器薄膜和圖2中的彈簧嵌 入式傳感器的薄板應(yīng)該用輕并硬的材料制成(例如低密度和高楊氏(Young' s)模量的材 料)。如果把材料選定以后，一個增強(qiáng)機(jī)構(gòu)(enhanced structure)可以做在傳感器的薄膜 或表面薄板去增強(qiáng)其性能。 圖3A顯示簡化了的電容式微加工超聲傳感器模型；以及圖3B顯示更加簡化電容 式微加工超聲傳感器為可變電容器的模型。(文章中缺少對圖3的必要解釋，故加入些段內(nèi) 容) 圖3A中，可變電容器310的上下極板310b、310a連接信號源380，上極板310b通 過彈性件320固定在支撐點(diǎn)330上，實現(xiàn)與下極板310a間的可變的傳感器空間360。彈性 件320有一個等效的彈簧系數(shù)k，上極板310b有一個等效的薄膜(薄板)質(zhì)量m。
圖3B中，對圖3A中的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，即可變電容310與信號源連接。
參考圖1，一個傳統(tǒng)式的電容式微加工超聲傳感器用在圖解里。雖然只顯示了一個 傳感器IOO，有共識地傳感器100可以是一個傳感器陣列的陣元。更具體地，圖4顯示一個 傳感器的可變形薄膜有一個均勻厚度或截面。圖4進(jìn)一步顯示，可變形薄膜110是一個均 勻厚度、的方形薄板。雖然圖4中可變形薄膜110是一個方形，但其他形狀的薄膜也應(yīng)該 包括在范圍里。例如，可變形薄膜IIO可以是六角形，長方形或圓形。 傳感器的可變薄膜影響第一共振頻率^和第二共振頻率f2。第二共振頻率f2限 制了傳感器的頻率帶寬。有些方法用一種叫"活塞"薄膜的設(shè)計來實現(xiàn)進(jìn)一步分離薄膜的 第一共振頻率^和第二共振頻率&。用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，"活塞"薄膜有一個厚的部分(活塞) 和薄的部分可以用來增加薄膜410的第一共振頻率^和第二共振頻率f2之間的分離。
現(xiàn)在參考圖5顯示電容式微加工超聲傳感器的一種活塞式薄膜的透視圖以及圖6 顯示電容式微加工超聲傳感器的另外一種活塞式薄膜的透視圖，圖5和圖6中，兩個"活塞" 薄膜410和510，其中，圖5顯示了一個正方形的"活塞"薄膜410，圖5顯示了一個圓形的 "活塞"薄膜510。各個"活塞"薄膜都分別有一個薄的部分412和512。"活塞"薄膜410和 510被薄膜支撐130(見圖1)支撐在薄膜支撐130之間。較薄的部分412和512分別有一 個均勻厚度^和t3。各個"活塞"薄膜也分別有一個厚的部分414和514。厚的部分414 和514可以附在薄的部分412和512的任何一面。較厚的部分414和514也分別有一個均 勻厚度t4和t5。 如圖5和圖6，薄的部分412和512和厚的部分414和514分別有其相應(yīng)的形狀。 例如，薄的部分412和512都是方形。但是厚的部分414和514可以有不同的形狀。薄的部 分412和512也分別有寬度巧和^(或其他尺寸)代表其大小尺寸。厚的部分414和514
也分別有寬度^和^(或其他尺寸)代表其大小尺寸。厚的部分一般都小于薄的部分。
在這兒進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，如前面描述的一樣，"活塞"薄膜410和510是用來進(jìn)一步分離 薄膜的第一共振頻率^和第二共振頻率f2。所以"活塞"薄膜410和510不是用來優(yōu)化薄 膜的共振頻率f。和薄膜的等效薄膜質(zhì)量m之間的比率(f。/m)。事實上，"活塞"薄膜一般反 而降低了薄膜的共振頻率f。和薄膜的等效薄膜質(zhì)量m之間的比率(f。/m)。所以，如果用比 率(f。/m)來衡量，"活塞"薄膜設(shè)計是不理想的設(shè)計，甚至比一般均勻薄膜設(shè)計更差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用下列技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題針對已有的超聲傳感器存在頻率響
應(yīng)靈敏度不夠高的問題，提供一種頻率響應(yīng)靈敏的電容式微加工超聲傳感器。 —個電容式微加工超聲傳感器，包括第一支撐層、結(jié)合在第一支撐層上的第一電
極、第二支撐層和設(shè)置在第二支撐層上的第二電極，其中，第二支撐層與第一支撐層通過彈
性機(jī)構(gòu)連接，所述的第二支撐層上設(shè)有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)，該增強(qiáng)機(jī)構(gòu)能夠有效提高所述的第二支
撐層的共振頻率和其等效薄膜質(zhì)量之間的比率(f。/m)，增加電容式微加工超聲傳感器的頻
率響應(yīng)靈敏度。
所述的第一支撐層為襯底；第二支撐層為可變形薄膜；彈性機(jī)構(gòu)為薄膜支撐。
所述的第一支撐層為襯底；第二支撐層為表面薄板； 彈性機(jī)構(gòu)為，在表面薄板下面設(shè)置彈簧連接物和彈簧層，彈簧連接物下面連接彈 簧層，彈簧層通過彈簧固定物連接襯底。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為，在可變形薄膜或者表面薄板上設(shè)置一個或幾個互相平行的第
一橫梁。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為，在可變形薄膜或者表面薄板上設(shè)置一個或幾個互相平行的第 一橫梁，同時設(shè)置一個或幾個與第一橫梁交叉的第二橫梁，其中，第一橫梁與第二橫梁交叉 的角度為0 90°中的任意角度。
所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為在可變形薄膜或者表面薄板上設(shè)置包括蜂窩狀結(jié)構(gòu)、菱形窩
狀結(jié)構(gòu)、梯形結(jié)構(gòu)、三角窩狀結(jié)構(gòu)和圓環(huán)形窩狀結(jié)構(gòu)在內(nèi)的一個或幾個窩狀結(jié)構(gòu)。 所述的窩狀結(jié)構(gòu)位于可變形薄膜或者表面薄板中央，并在窩狀結(jié)構(gòu)邊緣設(shè)置橫梁
延伸至可變形薄膜或者表面薄板的邊緣。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為褶皺的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上設(shè)置一個或幾個開 口朝下的開口槽。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為褶皺的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上設(shè)置一個或幾個互 相平行的開口朝下的第一開口槽，同時設(shè)置一個或幾個互相平行的第二開口槽，第一開口 槽和第二開口槽以0 90。中的任意角度交叉。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為褶皺的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上設(shè)置一個或幾個開 口朝下的蜂窩狀開口槽、菱形開口槽、三角開口槽或圓環(huán)形開口槽。 所述的開口槽位于薄膜或表面薄板的中央，并在開口槽邊緣設(shè)置開口槽延伸至薄 膜或表面薄板的邊緣。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，褶皺的薄膜 設(shè)置一個或幾個開口朝下的開口槽。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，褶皺的薄膜 設(shè)置一個或幾個互相平行的開口朝下的第一開口槽，同時設(shè)置一個或幾個互相平行的第二 開口槽，第一開口槽和第二開口槽以0 90°中的任意角度交叉。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，褶皺的薄膜 上設(shè)置一個或幾個開口朝下的蜂窩狀開口槽、菱形開口槽、梯形開口槽、三角開口槽或圓環(huán) 形開口槽。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，褶皺的薄膜
6薄膜的中央，并在開口槽邊緣設(shè)置開口槽延伸至薄板的邊緣。
在所述的第二電極通過連接構(gòu)件連接表面薄板。 所述的表面薄板與連接構(gòu)件重合部分設(shè)置開口槽，從而在第二電極上形成由腔體 和開口槽構(gòu)成的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)。 所述的薄膜或表面薄板上設(shè)有第三電極，這樣，在第一電極和第二電極之間形成 一個電容結(jié)構(gòu)，在第三電極與第二電極之間形成另一個電容結(jié)構(gòu)。 所述的第三電極與薄膜或表面薄板之間設(shè)有彈簧薄板連接器，彈簧薄板連接器采 用絕緣材料，第三電極采用導(dǎo)電材料。
本發(fā)明的構(gòu)思及原理說明如下 輕且硬的傳感器薄膜或表面薄板被發(fā)現(xiàn)比重且軟的傳感器薄膜或表面薄板更能 提高傳感器的性能，特別是傳感器的頻譜響應(yīng)。因此，理想情況下，在圖l傳感器中可變薄 膜110和圖2中彈簧嵌入式傳感器的表面薄板240都應(yīng)該設(shè)計成輕且硬的材料或結(jié)構(gòu)。在 下文中，圖1中的可變薄膜110和圖2中的表面薄板240都被統(tǒng)一稱為薄膜。如果薄膜材 料已經(jīng)選定，傳感器性能優(yōu)化可以通過在此描述的薄膜結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。更具體地講，當(dāng)?shù)刃У?薄膜質(zhì)量或密度定下來后，薄膜結(jié)構(gòu)能夠增加薄膜的硬度(stiffness)。
與傳感器的頻譜性能有關(guān)的兩個參數(shù)是其聲學(xué)阻抗(acousticalimpedance)和 其共振頻率(resonant frequency)。 一般來講，在給定的頻率范圍內(nèi)，傳感器的聲學(xué)阻抗 希望設(shè)計得較低從而得到較寬的頻率帶寬(特別是但不限于高頻的傳感器)。從純數(shù)學(xué)角 度講，一個傳感器薄膜可以用一個質(zhì)量(m)和彈簧(k)系統(tǒng)表示。m代表等效的薄膜質(zhì)量， k代表等效的薄膜彈簧系數(shù)。f。代表薄膜在真空中的共振頻率。此共振頻率可以用等效的 薄膜質(zhì)量m和等效的薄膜彈簧系數(shù)k表示如下
/0 =(7/2;r)VA;/w 薄膜的聲學(xué)阻抗Zm可以表示如下
Zm = j (m2 Ji f_k/2 Ji f) 代入k，薄膜的聲學(xué)阻抗Zm可以表示如下
U2鵬(/-/。2//) 因此，對于有一個設(shè)定共振頻率f。的薄膜，有較低等效質(zhì)量的薄膜有較低的聲學(xué) 阻抗Zm。或者，對于有一個設(shè)定等效質(zhì)量的薄膜，有較高共振頻率的薄膜有較低的聲學(xué)阻抗 Zm。所以，優(yōu)化薄膜的共振頻率f。和薄膜的等效質(zhì)量m之間的比率(f。/m)可以提高傳感器 的頻譜響應(yīng)特性。相應(yīng)的，本發(fā)明一方面用薄膜的共振頻率f。和等效薄膜質(zhì)量m之間的比 率(f。/m)作為判定各種薄膜設(shè)計優(yōu)劣的依據(jù)。另外，對一些具體設(shè)備裝置，適當(dāng)?shù)谋嚷室?可以用來判定各種薄膜設(shè)計優(yōu)劣的依據(jù)。例如，除了用質(zhì)量，等效薄膜質(zhì)量或等效薄膜質(zhì)量 密度也可以用在上面的比率里。 本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在可變形薄膜或表面薄膜上設(shè)置增強(qiáng)機(jī)構(gòu)，大大提高了薄膜 的共振頻率和其等效薄膜質(zhì)量之間的比率(f。/m)，增加電容式微加工超聲傳感器的頻率響 應(yīng)靈敏度。


圖1是一個傳統(tǒng)的可變形薄膜電容式微加工超聲傳感器的截面示意圖。2是一個彈簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器的截面示意圖。 圖3為電容式微加工超聲傳感器模型，其中，圖3A顯示簡化了的電容式微加工超
聲傳感器模型；圖3B顯示更加簡化電容式微加工超聲傳感器為可變電容器的模型。 圖4顯示電容式微加工超聲傳感器的薄膜或表面薄板的視圖。 圖5顯示電容式微加工超聲傳感器的一種活塞式薄膜的視圖。 圖6顯示電容式微加工超聲傳感器的另外一種活塞式薄膜的視圖。 圖7為本發(fā)明電容式微加工超聲傳感器的一種有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的視圖。 圖8為本發(fā)明電容式微加工超聲傳感器的另外一種有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的視圖。 圖9為本發(fā)明電容式微加工超聲傳感器的另外一種有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的視圖。 圖10是一個有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的共振頻率與有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)薄膜的橫梁厚度之間的
曲線圖。 圖11為本發(fā)明的一個有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的共振頻率與傳統(tǒng)的薄膜的共振頻率的 比值對應(yīng)增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的橫梁厚度的曲線圖。 圖12顯示多種電容式微加工超聲傳感器的有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜，其中，
圖12A為正方形薄板上有兩個交叉的橫梁分別位于正方形薄板的對角線上；圖 12B在圖12A基礎(chǔ)上有一圓形開口槽以對角線交叉點(diǎn)為圓心；圖12C顯示了兩個交叉的橫 梁分別位于正方形薄板的對角線上； 圖12D顯示了一個縮小了的圖12A位于薄板716D的中間；圖12E進(jìn)一步顯示了 在正方形薄板上有圖12D橫梁樣式陣列的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)；12F顯示了有一個蜂窩狀的橫梁構(gòu)造 的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜710F ;圖12G另外一種有蜂窩狀橫梁樣式的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜；圖12H顯 示了一個有多個長方形陣列的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜710H;圖12I顯示了另外一種有多個長方形 陣列的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜7101 ;圖12J顯示了另外一各多個長方形陣列的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜 710J。 圖13為另一種電容式微加工超聲傳感器有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)薄膜的視圖。 圖14為另外一種電容式微加工超聲傳感器有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的截面視圖。 圖15為一種電容式微加工超聲傳感器有另外一種增強(qiáng)機(jī)構(gòu)薄膜的俯視圖； 圖16為一種彈簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器的截面圖； 圖17為另外一種彈簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器的截面圖。
具體實施例
實施例1 本實施例是在已有的可變形薄膜電容式微加工超聲傳感器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行的改 進(jìn)，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，這里著重對可變形薄膜進(jìn)行詳細(xì)描述。
如圖7為本發(fā)明電容式微加工超聲傳感器的一種有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的視圖、圖8 為本發(fā)明電容式微加工超聲傳感器的另外一種有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的視圖和圖9為本發(fā)明 電容式微加工超聲傳感器的另外一種有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的視圖所示，幾種有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄 膜610,612和614應(yīng)用到電容式微加工超聲傳感器。增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610,612和614可以 設(shè)計成希望的共振頻率f。且優(yōu)化共振頻率f。和薄膜的等效薄膜質(zhì)量m之間的比率(f。/m)。 更具體的講，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610， 612和614可以設(shè)計得比傳統(tǒng)的均勻可變形薄膜110 (見
8圖4)相對更輕和更硬。例如，有多種不同特性的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610，612和614可以顯著 提高其彈簧系數(shù)k(spring constants)并且對其質(zhì)量m有很小的影響。因此，有增強(qiáng)機(jī)構(gòu) 的薄膜610,612和614可以提供達(dá)到指定頻率和帶寬的各種傳感器。 增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610,612和614可以包括薄板616和一個或多個橫梁618。橫梁 618和薄板616結(jié)合在一起構(gòu)成傳感器的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜。在此，"薄板"可以理解為各種 形狀的相對平的構(gòu)件(flatmember)，如矩形的、正方形、圓形等。相對的，在彈簧嵌入式電容 式微加工超聲傳感器中提及的專用術(shù)語"表面薄板"指的是暴露在環(huán)境介質(zhì)中的薄板，也可 以是一個薄板。橫梁618可以整個或部分橫跨薄板616的表面，橫梁618和薄板616可以用 相同的材料或不同的材料做成。具體的，橫梁618可以設(shè)計成一些在此處進(jìn)一步討論的樣 式。橫梁618可以選擇一個厚度te(或高度)和寬度^用來增加薄板616的硬度，所以能 夠提高增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610,612和614的有效彈簧系數(shù)。橫梁618可以相對較窄，其寬度 W5可以跟其厚度te差不多或更小。在一些具體設(shè)備裝置(embodiments)中，橫梁618的寬 度ws可以小于整個薄板616的寬度we。在一些具體設(shè)備裝置(embodiments)中，橫梁618 的寬度w5可以遠(yuǎn)小于整個薄板616的寬度w6。更進(jìn)一步，橫梁618的厚度t6大于薄板616 的厚度t7。圖7到圖9顯示了幾個差不多一樣寬度w5和高度t6的橫梁618A-618F，許多的 具體設(shè)備裝置(embodiments)中，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜可以有不同的厚度，寬度和長度的橫梁。 圖7到圖9顯示了橫梁618有一個長方形的橫截面，但橫梁618也可以有其他形狀(例如 三角形，梯形)的橫截面。 圖7到圖9在此顯示了不同的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610，612和614，其橫梁618可以有 不同樣式。如圖7顯示了交叉樣式的橫梁618，橫梁618中第一條橫梁618A從薄板616的 一邊的中間橫穿而過，第二條橫梁618B也從薄板616另外一邊的中間橫穿而過且和第一條 橫梁618A相交。圖8顯示了另外一個具體設(shè)備裝置中的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)，在此具體設(shè)備裝置中， 一對平行且相距一定距離的橫梁618A從薄板616的一邊橫穿而過，另外一對平行且相距一 定距離的橫梁618B從薄板616的另外一邊橫穿而過，且和橫梁618A相交。圖7和圖8顯 示了不同的橫梁618相互正交。作為共識，在本發(fā)明中不同的橫梁618也可以相交成從0 度到90度的任何角度。 圖9顯示了另外樣式的橫梁618。更具體的，橫梁618C和橫梁618D只部分橫穿薄 板616。這些具體的橫梁618C和橫梁618D剛好從薄板616邊上開始，但是，各種橫梁618 可以開始和結(jié)束在薄板616上的任何位置。如橫梁618E和橫梁618F作為一組聚集在薄板 616中心形成框620。因此，薄板616和橫梁618的材料和構(gòu)造可以被設(shè)計為象增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的 薄膜610,612和614 —樣，從而增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610,612和614有一個優(yōu)化了的共振頻率 f。和薄膜的等效薄膜質(zhì)量m之間的比率(f。/m)。相應(yīng)的，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610，612和614 的構(gòu)造能夠使傳感器100 (見圖1)具有優(yōu)化的頻譜響應(yīng)和帶寬。 圖10是一個有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的共振頻率與有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)薄膜的橫梁厚度之間的 曲線圖。此圖顯示了一個可變形薄膜110(見圖4)的模擬第一共振頻率和一個有增強(qiáng)機(jī)構(gòu) 的薄膜610(見圖7)的模擬第一共振頻率之間的比較。在圖10中，計算的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜 610(見圖7)的共振頻率f。被繪制成其橫梁厚度te的函數(shù)。針對每一個橫梁厚度te值，薄 板616的厚度作相應(yīng)的調(diào)整讓可變形薄膜110和增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610有相同的等效薄膜質(zhì) 量m。在當(dāng)前具體設(shè)備裝置(embodiment)中，可變形薄膜110和增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610都是
9邊長30微米的正方形。橫梁618的寬度^是1.5微米。圖IO顯示在這些條件下，增強(qiáng)機(jī) 構(gòu)的薄膜610的共振頻率f。隨著薄板厚度t7增加的速率大概是可變形薄膜110 (見圖4) 的共振頻率fu隨著薄板厚度t7增加速率的4倍。 圖11為本發(fā)明的一個有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的共振頻率與傳統(tǒng)薄膜的共振頻率的比 值對應(yīng)增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的橫梁厚度的曲線圖。是一個增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610共振頻率f。和可變形 薄膜110(見圖4)的共振頻率fu之間的比率f。/fu的曲線圖。圖11的數(shù)據(jù)是從圖10中的 數(shù)據(jù)中導(dǎo)出的。從圖11可以看出，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜610的共振頻率是可變形薄膜共振頻率 的兩倍。這個效應(yīng)可以看成把可變形薄膜110的楊氏模量或硬度提高了4倍。在一些具體 設(shè)備裝置中，根據(jù)不同的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜的設(shè)計，其共振頻率f。的增加以及f。/fu的比率會 有不同。 可以看出增加電容式微加工超聲傳感器薄板的構(gòu)造也可以提高頻率響應(yīng)特性，另 外，在此進(jìn)一步描述可效仿的傳感器薄板的具體結(jié)構(gòu)薄膜。更獨(dú)特的，圖12顯示了幾種橫 梁的樣式，可以用來增加傳感器薄膜的構(gòu)造以實現(xiàn)選擇共振頻譜或優(yōu)化頻率響應(yīng)特性。例 如。圖12A顯示了兩個交叉的橫梁分別位于正方形薄板716A的對角線上。圖12B顯示了 在圖12A中的橫梁被一個圓形的位于正方形薄板716B中心的橫梁縮短了。圖12C顯示了 兩個對角線斜放的橫梁分別位于沿著薄板716C邊緣組成正方形。 一個由12C變化來的圖 12D，顯示了一個縮小了的在圖12C中的橫梁樣式，位于薄板716D的中心。
圖12E進(jìn)一步顯示了不同的橫梁樣式(例如那些在圖12D中的樣式)能夠在正方 形薄板716E上復(fù)制成一個橫梁樣式的陣列。參考圖12F顯示了有一個蜂窩狀的橫梁樣式 的薄膜710F。另外一個蜂窩狀橫梁樣式顯示在圖12G。圖12H顯示了一個增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜 710H視圖，具有一沿長薄板716H的連續(xù)十字形交叉的橫梁樣式。圖12I顯示了另外一種增 強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜7101， 一系列與伸長的薄板7161的伸長方向垂直橫向伸展的橫梁樣式。而 且，圖12J顯示了變化了的圖121中橫梁式樣，另外加上了一個沿長薄板716J伸長方向的 橫梁。此橫梁和在圖121中的橫梁相交。 圖7-9和圖12顯示了各種橫梁樣式的例子。這些橫梁樣式的例子只是可能設(shè)計
的橫梁樣式的部分例子，所以這些例子不應(yīng)限制本專利申請中的可能的橫梁樣式設(shè)計。
實施例2 本實施例是在已有的可變形薄膜電容式微加工超聲傳感器進(jìn)行的改進(jìn)，其整體結(jié) 構(gòu)示意圖如圖2所示，這里著重對表面薄板進(jìn)行詳細(xì)描述。 圖13顯示了可以用于一個電容式微加工超聲傳感器的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜810的透 視圖。此增強(qiáng)機(jī)構(gòu)有一個褶皺的輪廓。增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜810包括幾個薄板部分816和一對 開口槽818。開口槽818橫跨薄膜810并和幾個薄板部分816連接。 一對開口槽818在薄 膜810中心交叉。但是，開口槽818可以被設(shè)計成任何樣式(例如那些在圖7-圖9和圖 12中顯示的橫梁樣式)。進(jìn)一步可以看見，開口槽818定義了一個寬度為w7，深度為&的 空隙820。薄板部分816有一個均勻的厚度t9，開口槽818的壁的厚度可以為^。和tn。在 一些具體設(shè)備裝置中，厚度t9-tn可以是一樣的，也可以不一樣。因此，和同樣大小的平的 均與的薄膜相比，開口槽818加強(qiáng)了薄膜810的硬度并且空隙820使開口槽818在增強(qiáng)薄 膜810的硬度同時盡量不增加薄膜810的質(zhì)量。相應(yīng)的，開口槽818提高了有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的 薄膜810的共振頻率f。且基本上不增加薄膜810的質(zhì)量，所以開口槽818能夠很有效地提高薄膜810的共振頻率f。和等效薄膜質(zhì)量m之間的比率(f。/m)。
以開口槽形成的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)具體如下 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為褶皺的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上設(shè)置一個或幾個開 口朝下的開口槽。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為褶皺的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上設(shè)置一個或幾個互 相平行的開口朝下的第一開口槽，同時設(shè)置一個或幾個互相平行的第二開口槽，第一開口 槽和第二開口槽以0 90。中的任意角度交叉。 所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為褶皺的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上設(shè)置一個或幾個開 口朝下的蜂窩狀開口槽、菱形開口槽、三角開口槽或圓環(huán)形開口槽。(與圖12類似)
所述的開口槽位于薄膜或表面薄板的中央，并在開口槽邊緣設(shè)置開口槽延伸至薄 膜或表面薄板的邊緣。(與圖9類似)
實施例3 圖14顯示了另外一個增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜910的具體設(shè)備裝置例子。增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄 膜910包括了一個薄板部分916，一個開口槽918和一個基片922，基片922可以橫跨開口 槽918，所以在基片922和開口槽918之間形成一個空間924。增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜910的尺寸 t12-t14， (12，和w8可以和增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜910相應(yīng)的尺寸與增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜810的t9-tn， 4，和^相同(或不同)。開口槽818和918可以在增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的薄膜810和910上設(shè)計成 圖7-9和12中顯示的樣式。圖14顯示了一個和圖121中橫梁樣式相似的開口槽樣式的例 子。當(dāng)然，開口槽樣式也可以設(shè)計成跟圖7-圖9和12中顯示的不同的樣式。
以薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)具體如下
類似圖7和圖13，由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，褶皺的薄膜 設(shè)置一個或幾個互相平行的開口朝下的第一開口槽，同時設(shè)置一個或幾個互相平行的第二 開口槽，第一開口槽和第二開口槽以0 90°中的任意角度交叉。 類似圖8，由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，褶皺的薄膜上設(shè)置
一個或幾個開口朝下的蜂窩狀開口槽、菱形開口槽、三角開口槽或圓環(huán)形開口槽。 類似圖9，由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，褶皺的薄膜上設(shè)置
開口槽位于薄板的中央，并在開口槽邊緣設(shè)置開口槽延伸至表面薄板的邊緣。 實施例4 —項PCT申請PCT/IB2006/052658，名稱為MICR0-ELECTR0-MECHANCIAL TRANSDUCER HAVING A SURFACE PLATE,作者Yongli Huang)公開了多種有表面薄板的彈 簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器(ESCMUT)。其中，表面薄板可以設(shè)計成跟圖13-15相似 的薄板。圖16顯示了一個彈簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器陣列1000的具體設(shè)備裝置。 在放大的窗口里顯示了更具體的彈簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器陳列1000。彈簧嵌入 式電容式微加工超聲傳感器陳列1000包括了基片1001，第一電極1020，至少一個彈簧支撐 1030，由彈簧支撐1030支撐彈簧薄板1010，第二電極1050，表面薄板1080和至少一個彈簧 薄板連接構(gòu)件1082。第一電極1020可以在基片1001上形成。如果基片IOOI是導(dǎo)電的，基 片1001可以作為第一電極1020。彈簧支撐1030可以用在基片1001或第一電極1020上的 絕緣介質(zhì)形成。彈簧支撐1030讓第一電極1020和第二電極1050相互分開。彈簧薄板連 接構(gòu)件1082可以在彈簧薄板1010的有效區(qū)域上(或在第二電極1050)形成，其直接由彈
11簧支撐1030支撐彈簧薄板1010，或彈簧薄板連接構(gòu)件1082。 彈簧薄板1010的有效區(qū)域一般來講位于離彈簧支撐1030較遠(yuǎn)的地方，所以有較 大的自由達(dá)到較大的形變。而彈簧薄板1010在彈簧支撐1030上或附近有很小或沒有形變。 所以把彈簧薄板連接構(gòu)件1082放在彈簧薄板1010的有效區(qū)域上可以通過連接構(gòu)件1082 讓傳感器的表面薄板1080得到較大的位移，從而提高傳感器1000的效率。
圖17顯示了一個有齒形的表面薄板1180的彈簧嵌入式電容式微加工超聲傳感器 1100的具體設(shè)備裝置。此具體的超聲傳感器1100可以有較好的傳感效率和頻率響應(yīng)。更 具體的，如圖17所示的超聲傳感器1100可以在超聲傳感器IOOO(圖16)中去掉相應(yīng)部分 1084而形成一個空隙1184。去掉的相應(yīng)部分1084可以包括部分的表面薄板1080和彈簧 薄板連接構(gòu)件1082。圖17也顯示了在超聲傳感器1000 (圖16)中去掉相應(yīng)部分可以形成 一個在圖13中的開口槽818(和空隙820)相似的開口槽1118(和空隙1124)。開口槽1118 可以用來橫跨彈簧薄板1010上不活動的區(qū)域(例如在彈簧支撐1130上或附近的區(qū)域)且 和彈簧薄板1010上的活動的區(qū)域連接并一起移動。因此，傳感器1100有一個鈍鋸齒形的 表面薄板1180，此有鈍鋸齒形的表面薄板彈簧薄板1010由頂部第二電極的暴露部分1185 和開口槽1118組成。 在傳感器1100的工作中，空隙1184的形成可以暴露第二電極1150的一部分 1185。相應(yīng)的，當(dāng)彈簧薄板1110被電極1120和1150取代時，表面薄板1180上的開口槽 1118移動的位移近似于沒有在傳感器IIOO上形成空隙1184那些部份的位移。另外，彈簧 薄板1110的暴露部份(或更合適第二電極1150)被位移依照第一電級1120和第二電極 1150間的電動能發(fā)展。缺少開口槽1118，彈簧薄板1110的不活動部份相對靜態(tài)，然而，傳感 器1000工作時，彈簧薄板1110的不活動部份對位移貢獻(xiàn)小或沒有。傳感器表面薄板1180 的位移是第二電極的被暴露一部分1185的位移和開口槽1118的位移的總和。因為開口槽 1118遮住了彈簧薄板1110上位移相對較小的區(qū)域從而提高了傳感器的效率，所以傳感器 1100的表面薄板1180的位移和圖16中的傳感器1000的表面薄板1080的位移相似。而 且，開口槽1118提供了表面薄板較強(qiáng)的硬度，但卻有較輕的質(zhì)量。傳感器的鈍鋸齒形表面 薄板1180不但能提高傳感器的效率，也能夠很有效地提高薄膜810的共振頻率f。和等效 薄膜質(zhì)量m之間的比率(f。/m)，從而有較好的頻率響應(yīng)。 進(jìn)一步地，第三個電極可以附著在開口槽1118上和電極1150形成另外一個電容 器結(jié)構(gòu)。在表面薄板1180開口槽1118上部可形成第三個電極，彈簧薄板連接器1182可以 由絕緣材料做成。第三個電極和附著在彈簧薄板上的電極1150之間形成了一個空隙1124， 從而形成了另外一個電容器結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明不限于本項申請中所涉及的結(jié)構(gòu)實例。
1權(quán)利要求
一個電容式微加工超聲傳感器，包括第一支撐層、結(jié)合在第一支撐層上的第一電極、第二支撐層和設(shè)置在第二支撐層上的第二電極，其中，第二支撐層與第一支撐層通過彈性機(jī)構(gòu)連接，其特征在于所述的第二支撐層上設(shè)有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)，該增強(qiáng)機(jī)構(gòu)能夠有效增大所述的第二支撐層的共振頻率與其等效薄膜質(zhì)量之間的比率(f0/m)，提高電容式微加工超聲傳感器的頻率響應(yīng)靈敏度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的第一支撐層 為襯底；第二支撐層為可變形薄膜，在可變形薄膜上設(shè)置增強(qiáng)機(jī)構(gòu)；彈性機(jī)構(gòu)為薄膜支撐。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的第一支撐層 為襯底；第二支撐層為表面薄板，在可變形薄板上設(shè)置增強(qiáng)機(jī)構(gòu)；彈性機(jī)構(gòu)為在表面薄板 下面的彈簧連接物和彈簧層，彈簧連接物連接彈簧和表面薄板，彈簧連接物下面，彈簧層通 過彈簧支撐連接襯底。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的增強(qiáng)機(jī) 構(gòu)為設(shè)置在可變形薄膜或者表面薄板上一個或幾個互相平行的第一橫梁。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)為 設(shè)置在可變形薄膜或者表面薄板上一個或幾個互相平行的第一橫梁，同時設(shè)置一個或幾個 與第一橫梁交叉的第二橫梁，其中，第一橫梁與第二橫梁交叉的角度為0 90。中的任意角度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的增強(qiáng)機(jī) 構(gòu)為設(shè)置在可變形薄膜或者表面薄板上的窩狀結(jié)構(gòu)，包括蜂窩狀結(jié)構(gòu)、菱形窩狀結(jié)構(gòu)、梯形 結(jié)構(gòu)、三角窩狀結(jié)構(gòu)和圓環(huán)形窩狀結(jié)構(gòu)在內(nèi)的一個或幾個窩狀結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的窩狀結(jié)構(gòu)位 于可變形薄膜或者表面薄板中央，并在窩狀結(jié)構(gòu)邊緣設(shè)置橫梁延伸至可變形薄膜或者表面 薄板的邊緣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的增強(qiáng)機(jī) 構(gòu)為設(shè)在薄膜或表面薄板上有一個或幾個褶皺。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的褶皺為開口朝下的開口槽。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的褶皺為一個或幾個互相平行的開口朝下的第一開口槽，同時設(shè)置一個或幾個互相平行的第二開口槽，第一開口槽和第二開口槽以0 90。中的任意角度交叉。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的褶皺為一個或幾個開口朝下的蜂窩狀開口槽、菱形開口槽、三角開口槽或圓環(huán)形開口槽。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的開口槽位于薄膜或表面薄板的中央，并在開口槽邊緣設(shè)置開口槽延伸至薄膜或表面薄板的邊沿。
13. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，所述的褶皺為一個或幾個開口朝下 的開口槽。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，其中，所述的褶皺為一個或幾個互相平行的開口朝下的第一開口槽，同時設(shè)置一個或幾個互相平行的第二開口槽，第一開口槽和第二 開口槽以0 90°中的任意角度交叉。
15. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的增強(qiáng)機(jī) 構(gòu)由一薄板和設(shè)置在薄板上的褶皺的薄膜構(gòu)成，所述的褶皺為一個或幾個開口朝下的蜂窩 狀開口槽、菱形開口槽、梯形開口槽、三角開口槽或圓環(huán)形的環(huán)形開口槽。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的環(huán)形開口 槽設(shè)在薄膜的中央，并在環(huán)形開口槽邊緣設(shè)置開口槽延伸至薄板的邊沿。
17. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于在所述的第二 電極上方通過連接構(gòu)件連接一表面薄板。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的表面薄板與連接構(gòu)件重合部分設(shè)置開口槽，從而在第二電極上形成由表面薄板和開口槽構(gòu)成有空間 的增強(qiáng)機(jī)構(gòu)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l-18之一所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于在所述的薄膜或表面薄板上設(shè)有第三電極，這樣，在第一電極和第二電極之間形成一個電容結(jié)構(gòu)，在 第三電極與第二電極之間形成另一個電容結(jié)構(gòu)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的電容式微加工超聲傳感器，其特征在于所述的第三電極與薄膜或表面薄板之間設(shè)有彈簧薄板連接構(gòu)件，彈簧薄板連接構(gòu)件采用絕緣材料，第三電 極采用導(dǎo)電材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲傳感器，尤其涉及一種電容式微加工超聲傳感器(cMUT)。一個電容式微加工超聲傳感器，包括第一支撐層、結(jié)合在第一支撐層上的第一電極、第二支撐層和設(shè)置在第二支撐層上的第二電極，第二支撐層與第一支撐層通過彈性機(jī)構(gòu)連接，其中，所述的第二支撐層上設(shè)有增強(qiáng)機(jī)構(gòu)，該增強(qiáng)機(jī)構(gòu)能夠有效增大所述的第二支撐層的共振頻率與其等效薄膜質(zhì)量之間的比率(f0/m)，提高電容式微加工超聲傳感器的頻率響應(yīng)靈敏度。本發(fā)明的在可變形薄膜或表面薄膜上設(shè)置增強(qiáng)機(jī)構(gòu)，大大提高了薄膜的共振頻率和其等效薄膜質(zhì)量之間的比率(f0/m)，增加電容式微加工超聲傳感器的頻率響應(yīng)靈敏度。
文檔編號B81B7/02GK101746707SQ200910209028
公開日2010年6月23日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者黃勇力 申請人:黃勇力