本发明专利技术涉及一种预塌陷电容式微加工换能器单元(10)，所述单元(10)包括基底(12)和覆盖总膜区域(A总)的膜(14)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之间，所述膜包括孔(15)和围绕所述孔(15)的边缘部分(14a)。所述单元(10)还包括所述膜(14)上的应力层(17)，所述应力层(17)相对于膜(14)具有预定应力值，所述应力层(17)适于在所述膜(14)上在朝向所述基底(12)的方向上提供弯曲力矩，以使得所述膜(14)的所述边缘部分(14a)塌陷至所述基底(12)。本发明专利技术还涉及制造所述预塌陷电容式微加工换能器单元(10)的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有应力层的预塌陷电容式微加工换能器单元专利
本专利技术涉及一种预塌陷电容式微加工换能器单元，特别地涉及一种电容式微加工超声换能器(capacitive micro-machined ultrasound transducer) (cMUT)单兀或一种电容式微加工压力传感器单元，以及制造所述换能器单元的方法。
技术介绍
最近，已开发出微加工超声换能器(MUT)。微加工超声换能器已以两种设计方法进行制造，一种利用具有压电性能的半导体层(PMUT)，而另一种利用形成电容器(所谓的电容式微加工超声换能器(cMUT))的膜(或隔膜)和具有电极的基底(或电极板)。cMUT单元包括膜下方的腔室。为了接收超声波，超声波引起膜移动或振动，并且电极之间的电容的振动可被检测。因此，超声波转变为相应的电信号。相反地，施加至电极的电信号引起膜移动或振动，并且从而发射超声波。初始地，cMUT单元生产成以已知为“未塌陷”模式操作。常规的“未塌陷” cMUT单元本质上为非线性装置，其中效率高度取决于电极之间施加的偏置电压。为解决这个问题，最近已开发出所谓的“预塌陷” cMUT单元。在预塌陷cMUT单元中，膜的一部分永久性地塌陷或固定至腔室的底部(或基底)。在一定的偏置电压之上，预塌陷cMUT的效率基本上与偏置电压无关，这使得cMUT单元更具线性。在预塌陷cMUT单元中，膜可利用不同的方法塌陷，例如，利用电塌陷或机械塌陷。电塌陷例如可利用偏置电压实现。W02009/037655A2公开了一种生产cMUT的方法，所述方法包括:提供几乎完整的cMUT，其中所述几乎完整的cMUT限定一个或多个cMUT元件，所述cMUT元件包括:(i)基底层，(ii)电极板，(iii)膜层，和(iv)电极环；限定穿过每个cMUT元件的膜层的至少一个孔；施加横跨一个或多个cMUT元件的膜层和基底层的偏置电压以使膜层相对于基底层塌陷；以及通过施加封装层而使塌陷膜层相对于基底层固定并密封。机械塌陷例如可利用环境空气压力实现。W02010/097729A1公开了一种cMUT单元，该cMUT单元包括基底、附接至基底的第一电极、以与第一电极间隔开的关系形成的可移动膜、附接至膜的第二电极和保持构件；该保持构件在膜处于预塌陷状态时遮盖可移动膜，这在不存在偏置电压的情况下作用以将膜保持在其预塌陷状态。在一个实例中，保持构件铸造(cast)于cMUT换能器单元上方，同时膜通过对该膜施加(大气)压力被带入至预塌陷状态。如W02010/097729A1中所公开的预塌陷cMUT单元已成功地制造为具有较大直径膜的低频cMUT单元。塌陷压力是低的并且cMUT单元通过环境空气压力塌陷(即，膜接触腔室的底部)。然而，关于高频cMUT单元，不能施加如W02010/097729A1所公开的保持构件，因为塌陷压力非常大并且可容易地超出例如5巴或甚至10巴。在这种情况下，如W02010/097729A1中所公开的保持层的强度不足以将膜保持到位。因此，如W02010/097729A1中所公开的cMUT单元的问题为，其本质上为“大膜”解决方案，但是对具有小膜直径的高频cMUT单元不起作用。存在改善此类预塌陷电容式微加工换能器单元(特别是高频)的需求。
技术实现思路
本专利技术的目标是提供一种改善的预塌陷电容式微加工换能器单元和制造该换能器单元的方法，特别是针对高频预塌陷电容式微加工换能器单元。在本专利技术的第一方面，提出一种预塌陷电容式微加工换能器单元，其包括基底、覆盖总膜区域的膜，其中腔室形成于膜和基底之间，膜包括孔和围绕该孔的边缘部分。所述单元还包括在膜上的应力层的至少一部分，应力层相对于膜具有预定应力值，应力层适于在膜上在朝向基底的方向上提供弯曲力矩以使得膜的边缘部分塌陷至基底。在本专利技术的另一方面，提出了一种预塌陷电容式微加工换能器单元，其包括基底、膜和形成于膜和基底之间的腔室，膜包括孔和围绕孔的边缘部分，膜的边缘部分塌陷至基底。所述单元还包括形成在膜上的应力层的至少一部分，应力层相对于膜具有预定应力或应力值。在本专利技术的又一方面，提出了一种制造预塌陷电容式微加工换能器单元的方法，所述方法包括以下步骤:提供基底，提供覆盖总膜区域的膜，其中腔室形成于膜和基底之间。该方法还包括以下步骤:在膜上提供应力层，应力层相对于膜具有预定应力值；在膜中提供孔以使得膜包括围绕孔的边缘部分，应力层适于在膜上在朝向基底的方向上提供弯曲力矩以使得膜的边缘部分塌陷至基底。本专利技术的基本思想是提供一种简约解决方案，以用于提供一种预塌陷电容式微加工换能器单元，特别地高频预塌陷电容式微加工换能器单元。相对于膜具有特定应力或应力值的应力层(或成品单元中的应力层的至少一部分)存在或形成于膜上。应力层适于或构造成在膜上在朝向基底的方向上提供弯曲力矩(或膜的偏转)，以使得膜的边缘部分塌陷至基底。换句话说，弯曲力矩充分大以使基底的边缘部分塌陷至基底。应力层用于将膜的边缘部分带至基底(或腔室的底部)。换句话说，应力层引起弯曲力矩，该弯曲力矩迫使膜塌陷(特别地，弯曲力矩足够大以使膜弯曲至基底或腔室的底部)。应力层因此迫使膜塌陷。特别地，偏转的幅度或无约束偏转(即，在不存在基底的情况下)应超出腔室的高度(或间隙距离)，以使得膜塌陷至基底。特别地，如果应力层布置在膜的背离基底的侧面上，那么应力值应为负的，因而是压缩应力或压缩力。在这种情况下，应力层具有预定量的压缩应力。或者，如果应力层布置在膜的面向基底的侧面上，那么应力值应为正的，因而是拉伸应力。在这种情况下，应力层具有预定量的拉伸应力。额外应力层被施加或引入所述单元(形成于膜上)，额外应力层具有(有意地产生的)特定应力值或水平并且优选是特定位置，以迫使膜塌陷。另外，应力层的位置可有助于在膜上在朝向基底的方向上提供弯曲力矩(或在朝向基底的方向上产生膜的位移)。应力层的应力值以及可能地还有其位置可选择成使得在膜中提供孔时膜的边缘部分塌陷至基底。应力层可临时存在(例如，仅在制造过程中)或永久性地存在(例如，在制造的成品单元中)。本专利技术的优选实施例限定于从属权利要求中。应理解，所要求保护的制造方法具有与所要求保护的单元和从属权利要求中所限定的优选实施例类似的和/或等同的优选实施例。在一个实施例中，应力层延伸超过总膜区域。如此，应力层的位置在膜上在朝向基底的方向上提供了弯曲力矩。例如，在圆形单元和膜的情况下，总膜区域可由膜(或腔室)的直径限定。在该情况下，应力层的外半径可大于总膜区域的半径。在另一个实施例中，应力层包括孔。如此，可容易地在膜中(特别地在总膜区域的中心)提供孔。应力层中的孔也可特别地处于总膜区域的中心。优选地，应力层中的孔的中心和膜中的孔的中心对齐。在本实施例的变型中，应力层的孔大于膜的孔。如此，应力层的位置有助于在膜上在朝向基底的方向上提供弯曲力矩，特别是在结合先前实施例使用时。应力层的这种孔对膜的偏转外形具有有益效果。孔的尺寸可优化以实现最大效果。例如，在圆形单元和膜的情况下，应力层的内半径(或边缘部分的边缘)可大于膜的孔的半径。在又一个实施例中，应力层由金属或金属合金制成。这些材料已表现出以容易方式提供所需的应力值。在又一个实施例中，应力层由从包括钨(W)、钛钨(TiW)、钥(Mo)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种预塌陷电容式微加工换能器单元(10)，包括：‑基底(12)，‑膜(14)，所述膜(14)覆盖总膜区域(A总)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之间，所述膜包括孔(15)和围绕所述孔(15)的边缘部分(14a)，‑在所述膜(14)上的应力层(17)的至少一部分，所述应力层(17)相对于所述膜(14)具有预定应力值，所述应力层(17)适于在所述膜(14)上在朝向所述基底(12)的方向上提供弯曲力矩，以使得所述膜(14)的所述边缘部分(14a)塌陷至所述基底(12)。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.28 US 61/552,4821.一种预塌陷电容式微加工换能器单元(10)，包括: -基底(12)， -膜(14)，所述膜(14)覆盖总膜区域(A,6)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之间，所述膜包括孔(15)和围绕所述孔(15)的边缘部分(14a)， -在所述膜(14)上的应力层(17)的至少一部分，所述应力层(17)相对于所述膜(14)具有预定应力值，所述应力层(17)适于在所述膜(14)上在朝向所述基底(12)的方向上提供弯曲力矩，以使得所述膜(14)的所述边缘部分(14a)塌陷至所述基底(12)。2.根据权利要求1所述的单元，所述应力层(17)延伸超过所述总膜区域(Ag)。3.根据权利要求1所述的单元，其中所述应力层(17)包括孔(19)。4.根据权利要求3所述的单元，其中所述应力层(17)的所述孔(19)大于所述膜(14)的所述孔(15)。5.根据权利要求1所述的单元，其中所述应力层(17)由金属或金属合金制成。6.根据权利要求1所述的单元，其中所述应力层(17)由从包括钨(W)、钛钨(TiW)、钥(Mo)和钥铬(MoCr)的组中选择的至少一种材料制成。7.根据权利要求1所述的单元，其中所述膜(14)的塌陷压力(Pc)大于I巴，特别地大于5巴或10巴。8.根据权利要求1所述的单元，其中所述膜(14)的直径小于150μπι。9.根据权利要求1所述的单...
【专利技术属性】
技术研发人员：P·迪克森，R·德克尔，V·A·亨内肯，A·莱韦斯泰因，B·马赛利斯，J·D·弗雷泽，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL
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