專利名稱：微機電系統(tǒng)換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及換能器，具體而言，涉及微機電系統(tǒng)(MEMQ超聲波換能器。
背景技術(shù)：
容積超聲成像——由此獲得3D空間中所有點的全部數(shù)據(jù)——受下一代需求所驅(qū) 動，以在一次操作中獲得以及取回完整的信息集，并且使所述信息集可用于日后的檢查和 分析。這些需求由各種市場分割——包括軍事(聲納)、工業(yè)(非破損試驗)、汽車(防撞) 以及醫(yī)學(xué)(非侵入性成像)市場——所驅(qū)動。除了市場驅(qū)動和市場需求，還存在明顯的技術(shù)問題，這也加速了發(fā)展。由于允許 大量并行信號的實時數(shù)據(jù)分析的增強的數(shù)字處理能力，實時超聲波容積成像目前才成為可 能。然而，這需要高密度的2D超聲波換能器陣列，以在例如醫(yī)學(xué)應(yīng)用中提供足夠的空間分 辨率。另外，這些高密度矩陣配置可允許電子波束控制來快速并且精確地掃描整個完整的 體積。為了便于大量數(shù)據(jù)傳送至2D陣列以及從2D陣列傳送，數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)后處理必 須盡可能接近2D陣列進(jìn)行。這利用當(dāng)前的壓電晶體換能器來實現(xiàn)尤其困難。還有低密度分布的超聲換能器的應(yīng)用。例如，一種發(fā)展領(lǐng)域是在僅采用幾個換能 器的設(shè)備中的手勢識別領(lǐng)域。所述換能器可發(fā)射超聲波并且檢測來自附近的使用者的反射 波。所檢測到的反射波可被處理，以確定例如由使用者的手所表現(xiàn)的手勢，從而所述手勢用 于控制設(shè)備本身。這可包括換能器被封裝在其中的應(yīng)用。半導(dǎo)體技術(shù)理想地適合于滿足容積成像的要求，因為半導(dǎo)體制作技術(shù)允許在優(yōu)化 的配置中相對大的陣列尺寸，并且還允許換能器與相對鄰近陣列的處理電子線路的單片集 成。這與當(dāng)前用于超聲波探針的生產(chǎn)的壓電晶體技術(shù)形成對比。這些是在一個連續(xù)的生產(chǎn) 工藝中從大塊材料機械加工而成的并且要求所有單個像素的引線接合。另外，這些壓電元 件的頻率響應(yīng)對于高頻、混頻和高帶寬操作不是最優(yōu)的，這就限制了它們在一些新興的超 聲陣列的先進(jìn)應(yīng)用中的使用。微機電系統(tǒng)(MEMQ超聲換能器是超聲傳感器的一種新方法。它們通過使用硅微 機械加工技術(shù)被構(gòu)造，該技術(shù)使多個微米級尺寸的小膜懸浮在亞微米間隙上方，從而使用 比之前都高的精確度來構(gòu)造。在所述領(lǐng)域中，從學(xué)術(shù)界到商業(yè)界已經(jīng)有許多興趣和活動，因此多種生產(chǎn)工藝已 被發(fā)展用于生產(chǎn)MEMS超聲波換能器。主要的方法是犧牲釋放工藝。盡管該工藝的許多改 型已經(jīng)被公開，但是它們都基于相同的原理通過生長/沉積犧牲層以及在所述犧牲層上 方沉積膜，以在懸浮的柔性膜下生成空腔或者氣腔(air-space)；然后所述犧牲層被移除， 使所述膜自由并且允許其移動。圖1示出了這種已知的生產(chǎn)工藝。圖Ia示出了基底10以及所述基底10上方的絕緣層12。在該工藝的第一步中，電 極14被沉積在絕緣層12上。然后犧牲材料的部分16被沉積在電極上方(圖lb)。合適的犧牲材料的一個實施例是聚酰胺。將犧牲部分16以所要求的形狀和位置沉積的一種方法是首先將一層犧牲材 料沉積在絕緣層12上方。然后犧牲層在升高的溫度中固化，且用光刻膠形成圖案。通過用 各向異性氧等離子體蝕刻而實現(xiàn)最終的犧牲部分16。然后膜層18被沉積在絕緣材料12和犧牲部分16上方(圖Ic)。一種合適的膜材 料是氮化硅。第二電極20被沉積在膜層18上，在犧牲部分16上方(圖Id)。釋放孔22蝕 刻穿過第二電極20和膜層18(圖Ie)。最后，犧牲部分16在濕法蝕刻工藝中被蝕刻除去， 例如，釋放孔22允許蝕刻劑接近下方的犧牲材料，并且允許所蝕刻的材料流出換能器。因 此所述膜可相對于基底自由移動(圖If)。在操作中，通過在兩個電極14、20之間施加電位差，換能器可被用于生成壓力波 (例如，聲波信號和超聲波信號)。電位差引起膜移位，因而已調(diào)制的電位差可用于生成可 變頻率的波?；蛘撸瑩Q能器還可用于檢測所述壓力波。輸入波將導(dǎo)致膜移位，并且可測量這引起 的在兩個電極14、20之間電容的變化，以確定輸入波的頻率和幅度。Ergun 等人的題為"Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers Fabrication Technology，，(IEEE Trans. Ultra. Ferro. Control, pp2242_58, December 2005)的論文描述了 2D陣列超聲波換能器的制作。然而，該研究的目標(biāo)是生產(chǎn)一種在形狀、 尺寸等方面盡可能統(tǒng)一的換能器的陣列。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種微機電系統(tǒng)(MEMQ設(shè)備，包括基底；以及， 定位在所述基底上的多個換能器，所述多個換能器包括至少第一換能器，適于發(fā)射壓力 波；以及，至少第二換能器，適于檢測壓力波。在一個實施方案中，所述第一和第二換能器中的至少一個包括一個空腔，所述空 腔與換能器的外部隔離。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種生產(chǎn)微機電系統(tǒng)(MEMQ設(shè)備的方法，所述 MEMS設(shè)備包括基底，所述基底具有適于發(fā)射壓力波的第一換能器的至少第一位置；以及， 適于檢測壓力波的第二換能器的至少第二位置；所述方法包括在所述第一位置上形成所 述第一換能器，以及在所述第二位置上形成所述第二換能器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種微機電系統(tǒng)(MEMQ設(shè)備，包括基底；以及， 定位在所述基底上的多個換能器，所述多個換能器包括至少第一換能器，適于發(fā)射或者檢 測具有第一頻率的壓力波；以及，至少第二換能器，適于發(fā)射或者檢測具有第二頻率的壓力 波，其中所述第一頻率不同于所述第二頻率。在一個實施方案中，所述第一和第二換能器中的至少一個包括一個空腔，所述空 腔與換能器的外部隔離。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種生產(chǎn)微機電系統(tǒng)(MEMQ系統(tǒng)的方法，所述 MEMS設(shè)備包括基底，所述基底具有適于發(fā)射或檢測具有第一頻率的壓力波的第一換能器 的至少第一位置；以及適于發(fā)射或檢測具有第二頻率的壓力波的第二換能器的至少第二位 置，所述第一頻率不同于所述第二頻率，所述方法包括在所述第一位置上形成所述第一換 能器，以及在所述第二位置上形成所述第二換能器。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種生產(chǎn)微機電系統(tǒng)(MEMQ設(shè)備的方法，所述 MEMS設(shè)備包括基底，所述基底具有適于發(fā)射或檢測壓力波的第一換能器的至少第一位 置，所述方法包括將第一犧牲材料部分沉積在所述第一位置上；將第一膜層沉積在至少 所述第一位置上方；在沉積所述第一犧牲材料部分的步驟之前形成釋放通道；經(jīng)由釋放通 道蝕刻除去所述第一犧牲材料部分；以及，密封所述釋放通道。


為了對本發(fā)明有更好的理解，并且為了更清楚地示出本發(fā)明如何被付諸實施，現(xiàn) 在將以實施例的方式做出對下列附圖的參考，其中圖Ia至圖If示出了生產(chǎn)MEMS換能器的一種已知工藝；圖2是一幅對比具有相對高的Q因數(shù)的膜與具有相對低的Q因數(shù)的膜的頻率響應(yīng) 的圖表；圖3是一幅模擬換能器的第一諧振頻率隨著膜的厚度而變化的圖表；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的2D陣列；圖如和圖恥示出了根據(jù)本發(fā)明的各方面的適于發(fā)射壓力波的換能器以及適于檢 測壓力波的換能器；圖6a和圖6b示出了根據(jù)本發(fā)明的其他方面的適于發(fā)射壓力波的換能器以及適于 檢測壓力波的換能器；圖7a和圖7b示出了根據(jù)本發(fā)明的另一些方面的適于發(fā)射壓力波的換能器以及適 于檢測壓力波的換能器；圖至圖池示出了根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)MEMS設(shè)備的工藝；以及圖9a至圖9p示出了根據(jù)本發(fā)明的生產(chǎn)MEMS設(shè)備的替代性工藝。
具體實施例方式本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)使MEMS換能器特定地適用于發(fā)射或檢測壓力波是可能的。 具體地，發(fā)現(xiàn)通過改變與換能器相關(guān)聯(lián)的各種尺寸和參數(shù)，換能器的Q因數(shù)可被改變。具有 相對高的Q因數(shù)的換能器更適合于發(fā)射壓力波，因為它在相對窄的頻率范圍內(nèi)具有高響應(yīng) (即，它發(fā)射具有界限相對明確的頻率和高幅度的壓力波)。相反，具有較低Q因數(shù)的換能 器更適合于檢測壓力波，因為它在相對寬的頻率范圍內(nèi)具有較弱但是更一致的響應(yīng)(即， 它可檢測可能具有較寬頻率范圍的輸入壓力波)。下面描述的本發(fā)明的各種實施方案中的一些將涉及與環(huán)境參數(shù)隔離或者隔絕的 MEMS設(shè)備。所述隔離意味著換能器包括至少一個與外部隔絕的內(nèi)部空腔。應(yīng)注意，本發(fā)明的隔離方面是關(guān)于包括多個換能器的實施方案進(jìn)行描述的。但是， 應(yīng)注意，本發(fā)明的隔離方面還適用于僅單個的換能器。圖2是一幅對比具有相對高的Q因數(shù)的膜與具有相對低的Q因數(shù)的膜的頻率響應(yīng) 的圖表。可以看出，具有相對高的Q因數(shù)的膜在窄的頻率范圍內(nèi)——在示出的實施例中，在 約為370kHz的中心頻率附近——具有高響應(yīng)；所述膜在遠(yuǎn)離所述中心頻率的頻率處的響 應(yīng)相當(dāng)?shù)?。具有相對低的Q因數(shù)的膜具有相同的中心頻率370kHz ；在所述中心頻率處，膜 的響應(yīng)較低，但是在遠(yuǎn)離所述中心頻率的頻率處，其響應(yīng)高于具有高的Q因數(shù)的膜。也就是9說，在較大的頻率范圍中，具有低的Q因數(shù)的膜的響應(yīng)比具有高的Q因數(shù)的膜的響應(yīng)相對地更加一致。在圖2中，所述兩個膜具有相同的中心，即諧振頻率。這可通過如下面更詳細(xì)地描 述的適當(dāng)?shù)卣{(diào)整所述換能器的參數(shù)和尺寸而實現(xiàn)。但是，另外，形成具有不同諧振頻率的換 能器是具有優(yōu)勢的，這也將在下面更詳細(xì)地描述。影響換能器的性能的一個尺寸是膜的厚度。圖3是一幅當(dāng)所有其他尺寸和參數(shù)保 持恒定時，模擬換能器的第一諧振頻率隨著膜的厚度而變化的圖表。在示出的實施例中，膜 的直徑是500 μ m。應(yīng)理解，相應(yīng)的模擬將適用于不同的膜的直徑，并且旨在落入本發(fā)明的范 圍內(nèi)?？梢钥吹?，所述變化是一條曲線，從而對于每一具體的第一諧振頻率，這里有兩種 解決方案。在示出的實施例中，對于約為240kHz的諧振頻率，0. 2um和1. 2 μ m的膜厚度是 合適的。另外，較厚的膜導(dǎo)致較高的Q因數(shù)。從而，0.2μπι厚度的膜適合于檢測MOkHz或 240kHz附近的壓力波，以及1. 2 μ m厚度的膜適合于發(fā)射240kHz或接近于240kHz的壓力波。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的MEMS換能器34的2D陣列30。陣列30包括多個非等同的子陣列32。每一子陣列32包括多個MEMS換能器34， 例如上面參考圖1所描述的。然而，根據(jù)本發(fā)明，一些子陣列32a(圖4中的非陰影元件) 包括特別適于檢測壓力波的MEMS換能器。其他的子陣列32b(圖4中的陰影元件)與“檢 測”子陣列3 交錯，包括特別適于發(fā)射壓力波的MEMS換能器。在本申請中，“壓力波”是由MEMS換能器的膜的振蕩生成的任何波，而不考慮那些 振蕩的頻率。因此，該術(shù)語包括超聲波，以及低頻聲波。因而，在適于檢測壓力波的多個子陣列32a中的單個MEMS換能器34可具有相對 低的Q因數(shù)；在適于發(fā)射壓力波的多個子陣列32b中的單個MEMS換能器34可具有相對高 的Q因數(shù)。當(dāng)然，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明顯的是圖4中示出的實施方案僅僅是一種可 能的布置，在本發(fā)明的范圍內(nèi)換能器的替代性布置是可能的。特別地，子陣列32可采用任 何形狀。但是，六邊形的子陣列32是有利的，因為在給定的基底上它們使浪費的空間量最 小化。另外，每一子陣列32可以排他性地包括發(fā)射或檢測換能器；相反，每一子陣列32可 即包括發(fā)射換能器又包括檢測換能器。在一個替代實施方案中，單個換能器34可不按所描 述的子陣列布置，而以一種單一陣列布置。在另一實施方案中，多個換能器可以設(shè)置為具有一定范圍的發(fā)射或檢測特性，而 非用于發(fā)射壓力波的第一多個基本等同的換能器以及用于檢測壓力波的第二多個基本等 同的換能器。也就是說，可設(shè)置用于發(fā)射壓力波的多個換能器，每一換能器都具有不同的尺 寸、Q因數(shù)等，從而每一換能器主要在一個具體的、不同的諧振頻率發(fā)射。類似地，可設(shè)置用 于檢測壓力波的多個換能器，每一換能器都具有不同的尺寸、Q因數(shù)等，從而每一換能器主 要檢測一個具體的、不同的諧振頻率。一種包括具有一定范圍的諧振頻率的發(fā)射和檢測換能器的MEMS設(shè)備對不同的頻 率非常敏感，并且能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)射。如前面所提及的，可修改各種尺寸、參數(shù)等，從而使換能器適于發(fā)射或者檢測壓力波，或者用于調(diào)整換能器的諧振頻率。在下文的各種實施方案的描述中，對分別適于發(fā)射和 檢測壓力波的兩種換能器的參考將被用來進(jìn)一步包括適于分別在各自不同的頻率上發(fā)射 或檢測壓力波的兩種換能器。圖fe示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的MEMS設(shè)備40。MEMS設(shè)備40包括第一換能器42，被優(yōu)化用于發(fā)射壓力波，具有直徑DMl ；以及， 第二換能器44，被優(yōu)化用于檢測壓力波，具有直徑DM2?？梢钥闯龅诙Q能器44的膜的直 徑DM2大于第一換能器42的直徑DMl，意味著第二換能器44對輸入壓力波更敏感，從而更 適于檢測壓力波。第一換能器42的膜的較小直徑DMl意味著它可生成具有更大幅度的壓 力波，即，它可在生成更大的壓力變化，從而更適于發(fā)射壓力波。圖恥示出的實施方案類似，因此相同的數(shù)字被用于表示相同的部件，但是兩個換 能器都被密封。第一換能器42包括第一空腔45，以及第二換能器44包括第二空腔46。所 述空腔45通過經(jīng)由釋放通道47移除犧牲材料來形成，而第二空腔46通過經(jīng)由釋放通道48 移除犧牲材料來形成。在移除所述犧牲材料后，所述空腔45和46通過分別地堵塞釋放孔 47a和48a來密封。圖6a示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的MEMS設(shè)備50，以及圖6b示出了 一個密 封的實施方案。在每一實例中，MEMS設(shè)備50包括第一換能器52，被優(yōu)化用于發(fā)射壓力波；以及， 第二換能器M，被優(yōu)化用于檢測壓力波。所述第一換能器52的電極53a、5;3b的直徑DEl大 于所述第二換能器討的電極55a、5^的直徑DE2。兩個電極53a、5;3b之間的力與它們的面 積成比例，所以更大的面積意味著所述換能器52可生成更大的力，使所述換能器52更適合 于發(fā)射壓力波，因為可獲得更高的幅度。所述第二換能器M的電極55a、55b的較小的直徑 使所述膜更柔韌，從而對輸入壓力波更敏感。在一個替代實施方案中，電極的質(zhì)量(mass)可被調(diào)整而非更改它們的直徑。具有 相對高質(zhì)量的電極的換能器更適合于發(fā)射壓力波，因為它可生成具有相對較高幅度的波。 同樣，具有相對低質(zhì)量的電極的換能器更適合于檢測壓力波，因為所述膜更易于被輸入波 偏斜。這可以例如通過將較重的導(dǎo)體用作電極材料，或者通過使電極更厚來實現(xiàn)。在圖6b所示出的實施方案中，所述第一換能器52包括第一空腔51，以及第二換能 器M包括第二空腔56。所述空腔51通過經(jīng)由釋放通道57移除犧牲材料來形成，而所述第 二空腔56通過經(jīng)由釋放通道58移除犧牲材料來形成。在移除所述犧牲材料后，所述空腔 51、56通過分別地堵塞釋放孔57a和58a來密封。圖7a示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的MEMS設(shè)備60。所述MEMS設(shè)備60包括第一換能器62，被優(yōu)化用于發(fā)射壓力波，具有第一膜厚 Tl ；以及，第二換能器64，被優(yōu)化用于檢測壓力波，具有第二膜厚T2。所述第二換能器64的 膜厚T2小于所述第一換能器62的膜厚Tl，意味著所述第二換能器64對輸入壓力波更敏 感，從而更適合于檢測壓力波。所述第一換能器62的膜的較大厚度意味著它能生成具有較 大幅度的壓力波，即，它可在壓力上產(chǎn)生更大的變化，從而更適合于發(fā)射壓力波。圖7b示出了具有密封空腔的一個相似的實施方案。所述第一換能器62包括第一 空腔65，以及所述第二換能器64包括第二空腔66。所述空腔65通過經(jīng)由釋放通道67移 除犧牲材料來形成，而所述第二空腔66通過經(jīng)由釋放通道68移除犧牲材料來形成。在移除所述犧牲材料后，所述空腔65、66通過分別地堵塞釋放孔67a和68a來密封。圖至圖池示出了本發(fā)明的一種生產(chǎn)MEMS設(shè)備的方法，具體地，所述實施方案 相對于圖7a進(jìn)行描述。但是，這些圖還將被用于描述本發(fā)明的其他實施方案的一種可能的生產(chǎn)工藝。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進(jìn)一步應(yīng)理解，所示出的方法的一些步驟不必按這里所陳述 的順序執(zhí)行。然而，還將明顯的是，一些步驟可能必須在其他步驟之前或在其他步驟之后被 執(zhí)行，從而生成期望的結(jié)構(gòu)。圖8a示出了生產(chǎn)工藝的起始點。基底100在其頂部設(shè)有絕緣層102。在所述實施 例中，為了與CMOS工藝技術(shù)兼容，所述基底100是硅片，但是應(yīng)理解其他基底材料和電子制 作技術(shù)可被替代使用。絕緣層102可通過如下方式形成硅片的熱氧化作用；形成氧化層； 或者使用多種已知技術(shù)中的一種——例如，等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)——來沉 積絕緣材料。然后氮化硅的基底層104被沉積在絕緣層102的頂部(圖8b)?；讓?04可通 過使用PECVD被沉積。然而，應(yīng)理解，可使用其他介電層和/或工藝。例如，所述層可以不 是純二氧化硅；還可使用硼磷硅玻璃(BPSG)。現(xiàn)在參考圖8c，電極106、108被分別沉積在發(fā)射換能器和檢測換能器的位置處。 電極106、108可通過在基底層104的表面上濺射或者沉積導(dǎo)電材料例如鋁而形成。在本實 施例中，電極106、108具有相同的尺寸和形狀。然而，當(dāng)形成參照圖6所描述的換能器52、 54時，電極106、108的尺寸和/或形狀在此階段可改變。例如，發(fā)射換能器的電極106可比 檢測換能器的電極108具有更大的直徑或者更大的質(zhì)量。通過濺射來沉積電極106、108優(yōu)選于其他方法，例如熱蒸發(fā)，因為濺射使用了低 的基底溫度。這就保證了與COMS制作工藝的兼容性。另外，當(dāng)非鋁的材料被沉積時，該方 法得益于精確地控制所沉積的薄膜的構(gòu)造的能力。在所有表面上均勻地濺射沉積材料，從 而所沉積的薄膜必須通過如下方式形成圖案，即通過抗蝕劑的施加以及使用C12/BC13混合 氣體的干法蝕刻來限定電極106、108的形狀以及限定允許電路區(qū)域相互連接(即，下面的 CMOS電路或者芯片外的電路，都未示出)的相互連接點(在圖中未示出)。下面參考圖8d，犧牲層110、112分別被沉積在電極106、108上方。為了保證與 COMS制作技術(shù)的兼容性，例如，犧牲層110、112可由多種材料制成，所述多種材料可使用 干法釋放或者濕法釋放工藝移除。使用干法釋放工藝是有利的，原因在于在所述犧牲層 被釋放后，不要求額外的工藝步驟或干燥。聚酰胺優(yōu)選作為犧牲層，因為它可輕易地被旋 涂(spun)在基底上，且可使用氧等離子體被干凈地移除。通過使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 所熟悉的參數(shù)和技術(shù)，所述聚酰胺涂層被旋涂在晶片上，以形成保形涂層。一種底層涂料 (primer)可被用于聚酰胺層。然后所述聚酰胺層利用光刻膠形成圖案，且以各向異性氧等 離子體被蝕刻，因而留下如圖8d所示的犧牲層110、112。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可使 用沉積犧牲層110、112的替代方法，例如施加并蝕刻光敏聚酰胺。所述犧牲層110、112限定所述膜下方的空腔或者空間的尺寸和形狀，當(dāng)所述犧牲 層110、112按下面所討論的方式被移除時，所述空腔或者空間將被留下。由于多種原因，設(shè)置了犧牲層110、112。這些原因包括在生產(chǎn)工藝中支撐和保護(hù) MEMS設(shè)備的膜。犧牲層110、112還被設(shè)置用于限定膜的直徑，從而所述膜的尺寸可通過更CN 102056680 A說明書7/12 頁改犧牲層110、112的直徑而改變。在本實施例中，犧牲層110、112在形狀和尺寸上基本相 同。然而，當(dāng)生產(chǎn)關(guān)于圖5所描述的換能器42、44時，所述犧牲層110、112可具有不同的直 徑。具體地，發(fā)射換能器的犧牲層110比檢測換能器的犧牲層112具有更小的直徑。下面參考圖8e，膜層114被沉積在基底層104和犧牲層110、112上方。膜層114 可通過使用PECVD沉積氮化硅而被形成，如前面所述，盡管可使用替代的多晶硅。另外，鈦 粘合層可被應(yīng)用在鋁和氮化硅之間。盡管未在圖8d和圖Se中示出，但是所述犧牲層110、112的上表面可在它們的外 部區(qū)域(即，在所述犧牲層110、112的周緣附近)形成有一個或多個凹陷(dimple)(以小 空腔的形式)。結(jié)果，所述膜層114的沉積導(dǎo)致一個或多個凹陷(以突出物的形式)在所述 膜的外部區(qū)域或者周緣形成。在過壓或者膜吸合的情況下，即由此所述膜的表面與MEMS設(shè) 備的另一表面相接觸，膜114的外部區(qū)域的這些凹陷減少了所述膜與下面的基底的接觸面 積。所述凹陷減小了靜摩擦力，使得它們在回復(fù)力(即，膜張力)之下，從而允許所述膜釋 放自身。下面參考圖8f，第二電極116、118基本上分別沉積在所述犧牲層110、112上方。 通常，為了生產(chǎn)工藝的簡單性，所述第二電極116、118與它們各自的相應(yīng)電極106、108具有 基本上相同的尺寸和形狀；但是，這并不是一個嚴(yán)格的要求。例如，當(dāng)生產(chǎn)例如關(guān)于圖6所 描述的換能器52、54時，發(fā)射換能器52的電極116比檢測換能器M的電極118具有更大的質(zhì)量和/或直徑和/或厚度。第二電極116、118以與第一電極106、108基本上相同的方式被沉積。下面參考圖8g，釋放孔120被蝕刻穿過電極116和膜層114，以允許接近犧牲層 110，以及釋放孔122被蝕刻穿過電極118和膜層114，以允許接近犧牲層112。在示出的實 施方案中，釋放孔120、122穿過膜層114和電極116、118而形成；然而，當(dāng)電極的直徑小于 膜的直徑時，例如，釋放孔可基本上定位在膜的周緣周圍，使得它們不穿過電極本身。應(yīng)理 解，根據(jù)涉及的材料以及所使用的蝕刻工藝，穿過各自的電極116、118和膜層114的釋放孔 120、122的形成可在一個工藝步驟或幾個工藝步驟中形成。應(yīng)理解，當(dāng)生產(chǎn)關(guān)于圖7所描述的MEMS設(shè)備60時，用于發(fā)射壓力波的換能器中的 釋放孔120在該階段不是必須的。在此階段，MEMS設(shè)備40、50的生產(chǎn)方法基本上是完整的(即，具有不同的直徑或 者不同的電極直徑或者尺寸的膜)。犧牲層110、112優(yōu)選地通過使用干法蝕刻工藝移除，例 如氧等離子體系統(tǒng)，從而所述膜可在兩個換能器中自由移動。圖他至圖池描述了用于生產(chǎn)關(guān)于圖7所描述的MEMS設(shè)備60的方法的進(jìn)一步的 步驟(即，具有不同膜厚的換能器的設(shè)備)。參考圖8h，另一犧牲層IM被沉積在電極118上方，通過釋放孔122與犧牲層112 連接。所述另一犧牲層124同樣可由氮化硅，或者一種前面提及的替代性材料形成。同樣 地，前面所提及的任一種技術(shù)可被用于沉積犧牲層124。下面參考圖8i，另一膜層1 被沉積在第一膜層114、電極116和另一犧牲層IM 上方。在一個優(yōu)選的實施方案中，第二膜層126由與第一膜層114相同的材料形成，從而兩 個層114、1沈基本上粘結(jié)在一起，以形成一個單一的材料層。第二膜層1 可由第一膜層 114的任何替代物形成。
在圖8j中，釋放孔1 被蝕刻穿過發(fā)射換能器的加厚的膜層(即，第一和第二膜 層114、126)。如之前所述，釋放孔128可穿過電極116，或者在電極116的周緣附近。另外，所述第二膜層1 從檢測換能器中的犧牲層124的上方移除，以在膜層1 中生成開口 130。最后，如圖池所示，最終的設(shè)備60通過移除犧牲層110、112、1M而生成。犧牲層 110、112、IM優(yōu)選地通過使用干法蝕刻工藝移除，例如氧等離子體系統(tǒng)，從而所述膜在兩個 換能器中都可以自由移動。在示出的實施方案中，所述第一和第二膜層114、126基本上圍住發(fā)射換能器的電 極116。這種夾層結(jié)構(gòu)的形成具有減少膜中不想要的變形的優(yōu)點。換句話說，如果電極被布 置在兩層氮化物之間，或者相反，則壓力更均衡，并且導(dǎo)致所述膜移動具有較少的不想要的 變形。然而，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明顯的是，電極116的沉積可在以后的階段發(fā)生，使得 電極116被定位在加厚的膜的頂部之上。圖9a至圖9p示出了本發(fā)明的一種用于形成具有密封空腔的MEMS換能器的工藝。 所述方法可使用幾個相同的步驟，且提供如上面涉及圖8a至圖池所描述的相同的結(jié)構(gòu)，因 此將使用相似的參考數(shù)字。圖9a示出了該生產(chǎn)工藝的起始點?；?00在其頂部設(shè)有絕緣層102。在所述實 施例中，為了與COMS工藝技術(shù)兼容，基底100是硅片，但是應(yīng)理解其他基底材料和電子制作 技術(shù)可被替代使用。絕緣層102可通過如下方式形成硅片的熱氧化形成；形成氧化層；或 者使用多種已知的技術(shù)中的任何一種——例如等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)——來 沉積絕緣材料。然后氮化硅的基底層104被沉積在絕緣層102的頂部(圖9b)?；讓?04可通 過使用PECVD被沉積。然而，應(yīng)理解，可使用其他介電層和/或工藝。例如，所述層可以不 是純二氧化硅；還可使用硼磷硅玻璃(BPSG)。下面參考圖9c，電極106、108被分別被沉積在發(fā)射換能器和檢測換能器的位置 處。電極106、108可通過在基底層104的表面上濺射或者沉積導(dǎo)電材料例如鋁而形成。在 本實施例中，電極106、108具有相同的尺寸和形狀。然而，當(dāng)形成關(guān)于圖6b所描述的換能 器52、54時，電極106、108的尺寸和/或形狀可在此階段被改變。例如，發(fā)射換能器的電極 106可比檢測換能器的電極108具有更大的直徑或更大的質(zhì)量。通過濺射來沉積電極106、108優(yōu)選于其他方法例如熱蒸發(fā)，因為濺射使用了低的 基底溫度。這就保證了與COMS制作工藝的兼容性。另外，當(dāng)非鋁材料被沉積時，該方法得 益于精確地控制所沉積的薄膜的構(gòu)造的能力。在所有表面上均勻地濺射沉積材料，所以沉 積薄膜必須通過抗蝕劑的施加以及使用C12/BC13混合氣體的干法蝕刻形成圖案，從而限定 電極106、108的形狀以及限定允許電路區(qū)域相互連接(即，下面的CMOS電路或者芯片外的 電路，都未示出)的相互連接點(圖中未示出)。下面參考圖9d，釋放通道107、109在基底層104和絕緣層102中形成。設(shè)置了釋 放通道107、109，從而使蝕刻路徑與隨后步驟中將要沉積的犧牲材料一起形成，如下面將要 解釋的。盡管釋放通道107、109被示出穿透基底層104和絕緣層102，應(yīng)注意，釋放通道還 可這樣被形成，以使它們僅穿透基底層104。另外，在未設(shè)置基底層104的實施方案中，釋 放通道107、109將僅穿透絕緣層102。另外，盡管未示出，釋放通道可形成基底100的一部分。存在多種可能性來實現(xiàn)釋放通道107、109。例如，釋放通道107、109可作為圍繞 MEMS換能器的周緣制作的連續(xù)通道而形成。換句話說，圖9d中示出的釋放通道107、109形 成圍繞MEMS換能器的連續(xù)槽或者環(huán)的一部分。根據(jù)另一實施方案，每一釋放通道107、109 都可作為離散通道而形成，所述離散通道生成一個隧道狀的結(jié)構(gòu)，用于允許蝕刻材料到達(dá) 犧牲材料。在后面的實施方案中，多個單獨的釋放通道107、109可圍繞MEMS換能器的周緣 而形成。應(yīng)注意，如果期望，可顛倒步驟9c和9d，使得釋放通道107、109在沉積電極106、 108之前形成。在該方法中，在沉積電極106、108之前，犧牲材料可沉積在形成的釋放通道 107,109 中。下面參考圖9e，犧牲層110、112可分別沉積在電極106、108上方。用于沉積犧牲 層110、112的犧牲材料還可被沉積在釋放通道107、109內(nèi)，假設(shè)釋放通道107、109之前未 被填充，如前面的段落所描述的。為了保證與COMS制作技術(shù)的兼容性，犧牲層110、112可 由多種材料制成，所述多種材料可使用干法釋放或者濕法釋放工藝移除。使用干法釋放工 藝是有利的，原因在于在所述犧牲層被釋放后，額外的工藝步驟或干燥是不要求的。聚酰胺 優(yōu)選作為犧牲層，因為它可輕易地被旋涂在基底上，且可使用氧等離子體被干凈地移除。通 過使用本領(lǐng)域普通技術(shù)人數(shù)所熟悉的參數(shù)和技術(shù)，所述聚酰胺涂層被旋涂在晶片上，以形 成保形涂層。一種底層涂料可被用于聚酰胺層。然后所述聚酰胺層用光刻膠形成圖案，且 以各向異性等離子體被蝕刻，因而留下犧牲層110、112，以及釋放通道107、109之內(nèi)的犧牲 材料，如圖9e所示。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可使用替代方法類沉積犧牲層110、112 和釋放通道107、109內(nèi)的犧牲材料，例如施加并蝕刻光敏聚酰胺。如可從圖9e看到，犧牲材料110、112被形成，以使每一犧牲層110、112的一部分 疊置在各自的釋放通道107、109的一部分上。犧牲材料110、112限定所述膜下方的空腔的尺寸和形狀，當(dāng)所述犧牲材料110、 112按下面所討論的被移除時，所述空腔將被留下。由于多種原因，設(shè)置了犧牲層110、112。這些原因包括在生產(chǎn)過程中支撐和保護(hù) MEMS設(shè)備的膜。犧牲層110、112還可被設(shè)置用于限定膜的直徑，使得所述膜的尺寸可通過 更改犧牲層110、112的直徑而改變。在本實施例中，犧牲層110、112在形狀和尺寸上基本 相同。然而，當(dāng)生產(chǎn)關(guān)于圖恥所描述的換能器42、44時，所述犧牲層110、112可具有不同 的直徑。具體地，發(fā)射換能器的犧牲層110可比檢測換能器的犧牲層112具有較小的直徑。下面參考圖9f，膜層114沉積在犧牲層110、112上方、基底層104的至少一部分上 方以及釋放通道107、119的一部分上方。膜層114可通過使用PECVD沉積氮化硅形成，如 前面所述，盡管可使用替代的多晶硅。另外，鈦粘合層可被使用在鋁和氮化硅之間。盡管在圖9e和圖9f中未示出，但是所述犧牲層110、112的上表面可在它們的外 部區(qū)域(即，在所述犧牲層110、112的外緣附近)形成一個或多個凹陷(以小空腔的形式)。 結(jié)果，所述膜層114的沉積導(dǎo)致一個或多個凹陷(以突出物的形式)在所述膜的外部區(qū)域 或者周緣形成。在過壓或者膜吸合的情況下，即由此所述膜的表面與MEMS設(shè)備的另一表面 相接觸，膜114的外部區(qū)域的這些凹陷減小了所述膜與下面的基底的接觸面積，所述凹陷 減小了靜摩擦力，使得它們在回復(fù)力(即，膜張力)之下，從而允許所述膜釋放自身。15
下面參考圖9g，第二電極116、118基本上分別沉積在犧牲層110、112上方。通常， 為了生產(chǎn)工藝的簡單性，所述第二電極116、118與它們各自的相應(yīng)電極106、108具有基本 上相同的尺寸和形狀；但是，這并不是一個嚴(yán)格的要求。例如，當(dāng)生產(chǎn)例如關(guān)于圖6b所描述 的換能器52、54時，發(fā)射換能器52的電極116可比檢測換能器M的電極118具有更大的質(zhì)量和/或直徑和/或厚度。第二電極116、118以與第一電極106、108基本上相同的方式被沉積。在此階段，MEMS設(shè)備40、50的生產(chǎn)方法基本上是完整的(即，具有不同的直徑或 者不同的電極直徑或者尺寸的膜)，除了將在下面描述的犧牲層110、112的移除以外。下面參考圖9h，釋放孔117被蝕刻穿過膜層114，以允許接近釋放通道107中的犧 牲材料，所述釋放通道被連接至犧牲層110。以相似的方式，釋放孔119在膜層114中被蝕 刻，以允許接近釋放通道109中的犧牲材料，所述釋放通道被連接至犧牲層112。如可看到 的，第一和第二釋放孔117、119穿過膜層114對應(yīng)于各自的釋放通道107、109的第二部分 的區(qū)域而形成，所述各自的釋放通道107、109的第二部分在由第一和第二犧牲層110、112 所限定的各自的區(qū)域外部。釋放通道107、109以及犧牲層110、112中的犧牲材料優(yōu)選地通過使用干法蝕刻工 藝移除，例如氧等離子體系統(tǒng)，使得所述膜可在兩個換能器中自由移動。參考圖9i，當(dāng)犧牲材料從釋放通道107、109以及犧牲層110、112中移除以后，所述 釋放孔117、119被一種合適的密封劑所密封或者堵塞，從而阻止水分或其他環(huán)境參數(shù)穿透 所述MEMS換能器。圖9j至圖9ο描述了圖9h至圖9i示出的那些步驟的替代步驟，用于生產(chǎn)關(guān)于圖 7b所描述的MEMS設(shè)備60( S卩，具有不同的膜厚度的換能器的設(shè)備)。因此，根據(jù)該實施方案，一旦MEMS設(shè)備已被制作至步驟9g，隨后是下面的步驟，以 制作關(guān)于圖7b所描述的MEMS設(shè)備60。參考圖9j，釋放孔122被蝕刻穿過電極118和膜層 114，以允許進(jìn)入犧牲層112。在示出的實施方案中，釋放孔122穿過膜層114和電極118 而形成；然而，當(dāng)電極的直徑小于膜的直徑時，例如，所述釋放孔可基本上被定位在所述膜 的周緣周圍，使得它們不會穿過電極本身。應(yīng)理解，根據(jù)所涉及的材料以及所使用的蝕刻工 藝，通過電極118和膜層114的釋放孔122可以在一個工藝步驟或幾個工藝步驟中形成。參考圖9k，另一犧牲層IM沉積在電極118的上方，通過釋放孔122與犧牲層112 連接。另一犧牲層1 可同樣由氮化硅或前面提及的替代材料中的一種形成。同樣地，前 面提及的任一種技術(shù)都可被用于沉積犧牲層124。下面參考圖91，又一膜層1 被沉積在第一膜層114、電極116以及另一犧牲層 124的上方。在一個優(yōu)選實施方案中，第二膜層126由與第一膜層114相同的材料形成，以 使兩個層114、1沈基本上粘結(jié)在一起，從而形成單一的材料層。第二膜層1 可由第一膜 層114的任何替代方案形成。在圖9m中，釋放孔127被蝕刻穿過膜層114，以允許接近釋放通道107中的犧牲材 料，所述釋放通道依次被連接至犧牲層110。以相似的方式，釋放孔1 在膜層114中被蝕 刻，以允許接近釋放通道109中的犧牲材料，所述釋放通道依次連接至犧牲層112，并經(jīng)由 釋放孔122被連接至犧牲層124。下面如圖9η所示，通過從釋放通道107、109和犧牲層110、112、IM移除犧牲材料，生成了最終的設(shè)備60。從釋放通道107、109以及犧牲層110、112、1M移除犧牲材料優(yōu)選地通過使用干法蝕刻工藝，例如氧等離子體系統(tǒng)，使得所述膜可在兩個換能器中自由移 動。最后，如圖9ο所示，MEMS設(shè)備通過對孔127、1 進(jìn)行密封而被密封且免受環(huán)境參 數(shù)的影響。最終的MEMS設(shè)備60包括具有第一厚度Tl的膜的第一換能器，以及具有第二厚度 T2的膜的第二換能器。具有第一厚度Tl的膜的換能器尤其地適合用作發(fā)射機，而具有第二 厚度T2的膜的換能器(其中T2 < Tl)尤其地適合用作接收機。在圖9j至圖9ο中，第二換能器的制作被示出具有釋放孔122，以使得能夠通過首 先從釋放通道109和犧牲層112蝕刻除去犧牲材料而使?fàn)奚牧螴M被蝕刻。然而，根據(jù) 又一實施方案，圖9 j中蝕刻釋放孔的步驟可被省略，并且取而代之犧牲層IM可按如下方 式移除。圖9k至圖9ο示出的步驟將按照上面所述進(jìn)行。然而，缺少釋放孔122將導(dǎo)致犧 牲層1 通過使用釋放通道109和犧牲層112不可接近。同樣，犧牲層IM通過首先移除 膜126的一部分，然后從上方蝕刻除去犧牲層IM而被移除。這將導(dǎo)致生成圖9ρ中示出的 設(shè)備。最終的設(shè)備仍被密封，通過犧牲層112的移除而生成的空腔與環(huán)境隔離。盡管關(guān)于在相同的基底上具有第一和第二換能器的設(shè)備描述了制作密封的換能 器的方法，應(yīng)注意，所述方法同樣適用于單一的換能器的制作。在示出的實施方案中，所述第一和第二膜層114、126基本上圍住發(fā)射換能器的電 極116。這種夾層結(jié)構(gòu)的形成具有減少膜中不想要的變形的優(yōu)點。換句話說，如果電極被布 置在兩層氮化物之間，或者相反，則壓力更均衡，并且導(dǎo)致所述膜移動而具有較少的不想要 的變形。然而，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員明顯的是，電極116的沉積可在以后的階段進(jìn)行，使 得電極116被定位在加厚的膜的頂部之上。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進(jìn)一步應(yīng)理解，在上面的方法中未描述的是沉積用于電極的 連接墊的步驟。然而明顯的是，在整個方法中，在各個階段這些都可被沉積并連接至電極。 另外，未來的技術(shù)可允許換能器自身內(nèi)部的電子線路的直接集成；這種改進(jìn)當(dāng)然也可被認(rèn) 為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)，如所附的權(quán)利要求限定的。因此，可以看出，本發(fā)明提供用于在相同的基底和以相同的工藝生產(chǎn)具有不同膜 厚的第一和第二換能器62、64的方法。應(yīng)理解，上面所描述的實施方案的各種組合可被組合在一個具體的換能器或者換 能器陣列中。也就是說，盡管所示出的實施方案描述了單一基底上僅具有一個不同的參數(shù)/ 尺寸的換能器，但是應(yīng)理解，在單一基底上的換能器可具有不同的膜厚度、不同的膜直徑以 及不同的電極直徑、厚度或質(zhì)量的任何組合。上面的參數(shù)的任何或者全部可被改變，從而獲 得換能器的一個特別的諧振頻率或者頻率響應(yīng)特性。另外，盡管該描述主要針對了具有適于發(fā)射壓力波的第一換能器以及適于檢測壓 力波的第二換能器的基底，應(yīng)理解，本發(fā)明還提供具有適于傳遞或者接收壓力波的兩個或 更多個換能器的基底，其中所述兩個或更多個換能器各自具有不同的諧振頻率。另外，應(yīng)注意，盡管在任何實施方案中未示出，但是所述換能器可設(shè)有后部體積 (back volume)0本發(fā)明還可在如下應(yīng)用中被使用，由此MEMS設(shè)備在外殼或者結(jié)構(gòu)中形成，并且由此用于增強超聲波發(fā)射的流體在所述外殼中被提供，例如在MEMS設(shè)備和外殼或結(jié)構(gòu)的表 面之間。所述外殼可被用在成像應(yīng)用中。本發(fā)明可被包括在許多系統(tǒng)和設(shè)備中，包括例如醫(yī)藥超聲成像儀和聲納接收機和 發(fā)射機，以及移動電話、PDA、MP3播放器和用于手勢識別目的的膝上電腦。應(yīng)注意，上面提及的實施方案示出而非限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將 能夠設(shè)計許多替代的實施方案而不背離所附權(quán)利要求的范圍。術(shù)語“包括”不排除除了權(quán) 利要求中所列舉的元件或步驟的存在，“一個”或“一”不排除多個，以及單一的處理器或者 其他單元可完成權(quán)利要求中所記載的多個單元的功能。權(quán)利要求中的任何參考符號應(yīng)不被 解釋為限制它們的范圍。以特定順序引用多個步驟的方法權(quán)利要求不排除包括以一種除了 所陳述的替代順序的多個步驟的方法。
權(quán)利要求
1.一種微機電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備，包括基底；和多個換能器，被定位在所述基底上，所述多個換能器包括至少一個第一換能器，適于發(fā)射壓力波；和至少一個第二換能器，適于檢測壓力波。
2.如權(quán)利要求1中所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一和第二換能器中的至少一個包括一 個空腔，所述空腔與換能器的外部隔離。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一換能器具有第一Q因 數(shù)，以及其中所述第二換能器具有第二 Q因數(shù)，所述第一 Q因數(shù)大于所述第二 Q因數(shù)。
4.如任一前述權(quán)利要求所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一換能器包括第一膜，以及其中 所述第二換能器包括第二膜。
5.如權(quán)利要求4所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一膜具有第一厚度，以及其中所述第二 膜具有第二厚度，所述第一厚度與所述第二厚度不同。
6.如權(quán)利要求5所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一厚度大于所述第二厚度。
7.如權(quán)利要求4-6中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一膜具有第一直徑，以及其中 所述第二膜具有第二直徑，所述第一直徑不同于所述第二直徑。
8.如權(quán)利要求7所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一直徑小于所述第二直徑。
9.如權(quán)利要求4-8中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一換能器包括定位在所述第一 膜上的第一電極，所述第一電極具有第一質(zhì)量，以及其中所述第二換能器包括定位在所述 第二膜上的第二電極，所述第二電極具有第二質(zhì)量，所述第一質(zhì)量不同于所述第二質(zhì)量。
10.如權(quán)利要求9所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一質(zhì)量大于所述第二質(zhì)量。
11.如權(quán)利要求4-10中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一換能器包括定位在第一膜 上的第一電極，所述第一電極具有第一直徑，以及其中所述第二換能器包括定位在第二膜 上的第二電極，所述第二電極具有第二直徑，所述第一直徑不同于所述第二直徑。
12.如權(quán)利要求11所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一直徑大于所述第二直徑。
13.如前述權(quán)利要求中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述多個換能器進(jìn)一步包括適于檢 測壓力波的多個第一換能器。
14.如權(quán)利要求13所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一多個換能器中的每一換能器適于主 要檢測各自具有不同頻率的壓力波。
15.如前述權(quán)利要求中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述多個換能器進(jìn)一步包括適于發(fā) 射壓力波的第二多個換能器。
16.如權(quán)利要求14所述的MEMS設(shè)備，其中所述第二多個換能器中的每一換能器適于主 要發(fā)射各自具有不同頻率的壓力波。
17.如權(quán)利要求13-16中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一多個換能器中的每一換 能器，或者所述第二多個換能器中的每一換能器，各自都具有不同的Q因數(shù)。
18.如權(quán)利要求13-17中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一多個換能器中的每一換 能器，或者所述第二多個換能器中的每一換能器，都包括各自的膜。
19.如權(quán)利要求18所述的MEMS設(shè)備，其中每一各自的膜都具有各自不同的厚度。
20.如權(quán)利要求18或19所述的MEMS設(shè)備，其中每一各自的膜都具有各自不同的直徑。
21.如權(quán)利要求18-20中任一所述的MEMS設(shè)備，其中每一各自的膜包括各自的電極，每 一各自的電極具有各自不同的質(zhì)量。
22.如權(quán)利要求18-20中任一所述的MEMS設(shè)備，其中每一各自的膜包括各自的電極，每 一各自的電極具有各自不同的直徑。
23.一種生產(chǎn)微機電系統(tǒng)(MEMQ設(shè)備的方法，所述MEMS設(shè)備包括基底，所述基底具有 適于發(fā)射壓力波的第一換能器的至少第一位置；和，適于檢測壓力波的第二換能器的至少 第二位置；所述方法包括在所述第一位置上形成所述第一換能器，以及在所述第二位置上形成所述第二換能器。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述形成步驟進(jìn)一步包括 將第一犧牲材料部分沉積在第一位置；將第二犧牲材料部分沉積在第二位置；以及 將第一膜層沉積在至少所述第一位置和第二位置上方。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，進(jìn)一步包括 將第三犧牲材料部分沉積在第二位置；以及將第二膜層沉積在至少所述第一位置和第二位置上方。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括將所述第二膜層從所述第二位置蝕刻除去，以使整個膜在所述第一位置處比在所述第二位置處厚。
27.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述第一犧牲材料部分具有不同于第二所述犧牲 材料部分的直徑。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述第一犧牲材料部分的直徑小于所述第二犧牲 材料部分的直徑。
29.如權(quán)利要求M所述的方法，進(jìn)一步包括 將第一電極沉積在第一位置；以及將第二電極沉積在第二位置，其中所述第一電極的質(zhì)量不同于所述第二電極的質(zhì)量。
30.如權(quán)利要求四所述的方法，其中所述第一電極的質(zhì)量大于所述第二電極的質(zhì)量。
31.如權(quán)利要求M所述的方法，進(jìn)一步包括 將第一電極沉積在第一位置；以及將第二電極沉積在第二位置，其中所述第一電極的直徑不同于所述第二電極的直徑。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述第一電極的直徑大于所述第二電極的直徑。
33.一種生產(chǎn)微機電系統(tǒng)(MEMQ設(shè)備的方法，所述MEMS設(shè)備包括基底，所述基底具有 適于發(fā)射或者檢測壓力波的第一換能器的至少第一位置，所述方法包括將第一犧牲材料部分沉積在所述第一位置上； 將第一膜層沉積在至少第一位置上方； 在沉積所述第一犧牲材料部分的步驟之前，形成釋放通道； 經(jīng)由所述釋放通道來蝕刻除去所述第一犧牲材料部分；以及 密封所述釋放通道。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述釋放通道在基底層中形成，所述基底層支撐所述第一犧牲材料部分。
35.如權(quán)利要求33或34所述的方法，其中所述釋放通道在絕緣層中形成，所述絕緣層 支撐所述第一犧牲材料部分。
36.如權(quán)利要求33-35中任一所述的方法，其中所述釋放通道包括第一部分，定位在 對應(yīng)于所述第一位置的區(qū)域內(nèi)；以及，第二部分，定位在對應(yīng)于所述第一位置的區(qū)域外。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中沉積所述第一犧牲材料部分的步驟包括將犧牲材 料沉積在釋放通道內(nèi)的步驟。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中沉積所述膜層的步驟包括將所述膜層沉積在所述 釋放通道的第二部分上方的步驟。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，進(jìn)一步包括在對應(yīng)于所述釋放通道的第二部分區(qū)域形 成穿過膜層的釋放孔的步驟。
40.如權(quán)利要求33-39中任一所述的方法，其中所述第一位置上的第一換能器適于發(fā) 射壓力波，并且其中所述方法進(jìn)一步包括在所述基底的第二位置上形成第二換能器的步 驟，所述第二換能器適于檢測壓力波。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中所述第二位置上的第二換能器通過如下步驟形成將第二犧牲材料部分沉積在所述第二位置上； 將第二膜層沉積在至少第二位置上方； 在沉積所述第二犧牲材料部分的步驟之前，形成釋放通道； 經(jīng)由所述釋放通道，蝕刻除去所述第二犧牲材料部分；以及 密封所述釋放通道。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，進(jìn)一步包括 將第三犧牲材料部分沉積在第二位置處；以及 將第二膜層沉積在所述至少第一位置和第二位置上方。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，進(jìn)一步包括從所述第二位置蝕刻除去所述第二膜層，使得整個膜在所述第一位置處比在所述第二 位置處厚。
44.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述第一犧牲材料部分具有不同于所述第二犧牲 材料部分的直徑。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述第一犧牲材料部分的直徑小于所述第二犧牲 材料部分的直徑。
46.如權(quán)利要求41所述的方法，進(jìn)一步包括 將第一電極沉積在第一位置處；并且將第二電極沉積在第二位置處，其中所述第一電極的質(zhì)量不同于所述第二電極的質(zhì)量。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其中所述第一電極的質(zhì)量大于所述第二電極的質(zhì)量。
48.如權(quán)利要求41所述的方法，進(jìn)一步包括 將第一電極沉積在第一位置處；以及將第二電極沉積在第二位置處，其中所述第一電極的直徑不同于所述第二電極的直徑。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述第一電極的直徑大于所述第二電極的直徑。
50.一種微機電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備，包括 基底；以及多個換能器，被定位在所述基底上，所述多個換能器包括 至少第一換能器，適于發(fā)射或檢測具有第一頻率的壓力波；以及 至少第二換能器，適于發(fā)射或檢測具有第二頻率的壓力波， 其中所述第一頻率不同于所述第二頻率。
51.如權(quán)利要求50所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一和第二換能器中的至少一個包括空 腔，所述空腔與換能器的外部隔離。
52.如權(quán)利要求50或權(quán)利要求51所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一換能器包括第一膜， 以及其中所述第二換能器包括第二膜。
53.如權(quán)利要求52所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一膜具有第一厚度，以及其中所述第 二膜具有第二厚度，所述第一膜厚度不同于所述第二膜厚度。
54.如權(quán)利要求52或53所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一膜具有第一直徑，以及其中所 述第二膜具有第二直徑，所述第一直徑不同于所述第二直徑。
55.如權(quán)利要求52-54中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一換能器包括定位在所述 第一膜上的第一電極，所述第一電極具有第一質(zhì)量，并且其中所述第二換能器包括定位在 第二膜上的第二電極，所述第二電極具有第二質(zhì)量，所述第一質(zhì)量不同于所述第二質(zhì)量。
56.如權(quán)利要求52-55中任一所述的MEMS設(shè)備，其中所述第一換能器包括定位在所述 第一膜上的第一電極，所述第一電極具有第一直徑，以及其中所述第二換能器包括定位在 第二膜上的第二電極，所述第二電極具有第二質(zhì)量，所述第一直徑不同于所述第二直徑。
57.一種生產(chǎn)微機電系統(tǒng)(MEMQ設(shè)備的方法，所述MEMS設(shè)備包括基底，所述基底具有 適于發(fā)射或檢測具有第一頻率的壓力波的第一換能器的至少第一位置；和，適于發(fā)射或檢 測具有第二頻率的壓力波的第二換能器的至少第二位置；所述第一頻率不同于所述第二頻 率，所述方法包括在所述第一位置上形成所述第一換能器，以及在所述第二位置上形成所述第二換能ο
58.如權(quán)利要求57所述的方法，其中所述形成步驟進(jìn)一步包括 將第一犧牲材料部分沉積在第一位置；將第二犧牲材料部分沉積在第二位置；以及 將第一膜層沉積在至少第一位置和第二位置上方。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，進(jìn)一步包括 將第三犧牲材料部分沉積在第二位置；和將第二膜層沉積在至少第一位置和第二位置上方。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，進(jìn)一步包括將所述第二膜層從所述第二位置蝕刻除去，使得整個膜在所述第一位置處比在所述第二位置處厚。
61.如權(quán)利要求58所述的方法，其中所述第一犧牲材料部分具有不同于所述第二犧牲材料部分的直徑。
62.如權(quán)利要求58所述的方法，進(jìn)一步包括 將第一電極沉積在第一位置；以及將第二電極沉積在第二位置，其中所述第一電極的質(zhì)量不同于所述第二電極的質(zhì)量。
63.如權(quán)利要求58所述的方法，進(jìn)一步包括 將第一電極沉積在第一位置；以及將第二電極沉積在第二位置，其中所述第一電極的直徑不同于所述第二電極的直徑。
64.一種超聲波成像儀，包括如權(quán)利要求1-22以及50-56中任一所述的MEMS設(shè)備。
65.一種聲納發(fā)射機，包括如權(quán)利要求1-22以及50-56中任一所述的MEMS設(shè)備。
66.一種聲納接收機，包括如權(quán)利要求1-22以及50-56中任一所述的MEMS設(shè)備。
67.一種移動電話，包括如權(quán)利要求1-22以及50-56中任一所述的MEMS設(shè)備。
68.一種個人桌面助理，包括如權(quán)利要求1-22以及50-56中任一所述的MEMS設(shè)備。
69.一種MP3播放器，包括如權(quán)利要求1-22以及50-56中任一所述的MEMS設(shè)備。
70.一種筆記本電腦，包括如權(quán)利要求1-22以及50-56中任一所述的MEMS設(shè)備。
71.—種成像設(shè)備，包括一個外殼，其中如權(quán)利要求1-22以及50-56中任一所述的 MEMS設(shè)備被設(shè)置在所述外殼內(nèi)。
72.如權(quán)利要求71所述的成像設(shè)備，進(jìn)一步包括所述外殼內(nèi)的流體。
全文摘要
一種MEMS設(shè)備，包括基底，其具有至少第一換能器，被優(yōu)化用于發(fā)射壓力波；以及至少第二換能器，被優(yōu)化用于檢測壓力波。通過改變每一各自換能器的膜和/或電極的直徑、厚度或者質(zhì)量，所述換能器可被優(yōu)化用于發(fā)射或者接收。描述了各種實施方案，并示出了具有發(fā)射和接收換能器的不同配置的換能器陣列。還公開了具有發(fā)射換能器陣列和接收換能器陣列的實施方案，其中發(fā)射和/或接收換能器陣列中的元件被布置具有不同的諧振頻率。所述第一和第二換能器中的至少一個可包括一個與換能器的外部隔離的內(nèi)部空腔。
文檔編號B06B1/02GK102056680SQ200980121004
公開日2011年5月11日 申請日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者A·B·特雷納, R·E·麥克馬倫, R·I·拉明, T·H·胡克斯特拉 申請人:沃福森微電子股份有限公司