本发明专利技术涉及一种预塌陷电容式微机械换能器单元(10)，包括衬底(12)和薄膜(14)，所述衬底(12)包括第一电极(16)，所述薄膜(14)包括第二电极(18)，其中所述单元具有所述薄膜(14)被安装到所述衬底(12)所在的外部区域(22)以及在所述外部区域(22)内或被所述外部区域(22)包围的内部区域(20)，其中在位于所述内部区域(20)内的第一塌陷环形区域(24)中，所述薄膜(14)被塌陷到所述衬底(12)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种预塌陷电容式微机械换能器单元(10)，包括衬底(12)和薄膜(14)，所述衬底(12)包括第一电极(16)，所述薄膜(14)包括第二电极(18)，其中所述单元具有所述薄膜(14)被安装到所述衬底(12)所在的外部区域(22)以及在所述外部区域(22)内或被所述外部区域(22)包围的内部区域(20)，其中在位于所述内部区域(20)内的第一塌陷环形区域(24)中，所述薄膜(14)被塌陷到所述衬底(12)。【专利说明】具有环形塌陷区域的预塌陷电容式微机械换能器元件
本专利技术涉及预塌陷电容式微机械换能器元件，特别涉及电容式微机械超声换能器(cMUT)单元或电容式微机械压力换能器/传感器单元，以及制造其的方法。
技术介绍
近来开发了微机械超声换能器(MUT)。以两种设计方法来制造微机械超声换能器，一种使用具有压电特性的陶瓷层(PMUT)，而另一种使用薄膜(或隔膜)以及具有形成电容器的电极(或电极板)的衬底，所谓的电容式微机械超声换能器(cMUT)。cMUT单元包括在薄膜下方的腔。为了接收超声波，超声波使薄膜移动或振动，并且可以检测电极之间的电容变化。由此将超声波转换为对应的电信号。相反地，施加到电极的电信号使薄膜移动或振动，并且由此发送超声波。波的这一接收或发送所凭借的机构被称为机电耦合，或简称为“耦合”。最初，cMUT单元被制造成以已知的“未塌陷”模式操作。常规的“未塌陷” cMUT单元实质上是非线性设备，其中耦合强烈地取决于电极之间所施加的偏置电压。为了解决该问题，所谓的“预塌陷”cMUT单元近来被开发。在预塌陷cMUT单元中，薄膜的一部分或区域塌陷到腔的底部(或衬底)，所谓的“塌陷区域”。在一种类型的“预塌陷” cMUT单元中，薄膜被永久地塌陷到或固定到衬底，而在另一种类型的“预塌陷” cMUT单元中，薄膜仅被暂时地塌陷到衬底(例如仅在操作期间)。在宽范围的偏置电压上，预塌陷cMUT单元的耦合实质上是与偏置电压无关的，这使cMUT单元更加线性。此外，在使用的正常电压范围上，这样的“预塌陷”cMUT单元提供了t匕“未塌陷”cMUT单元更大的耦合。理由是，在衬底的固定底部电极与薄膜的柔性顶部电极之间的腔或间隙决定了单元的电容并且因此决定了其耦合。已知的是，在与使薄膜和衬底接触的点紧邻处获得了最高的耦合。恰好在塌陷区域周围的区域具有最小的间隙，并因此对率禹合做出最大贡献。例如在W02010/097729A1 中公开了一种预塌陷 cMUT 单元。W02010/097729A1 公开了适于在超声cMUT换能器阵列中使用的cMUT换能器单元，其具有含有第一电极的薄膜、含有第二电极的衬底、以及在薄膜和衬底之间的腔。通过将薄膜偏置到具有腔的底面的塌陷状况来使该cMUT操作在预塌陷状态下，并且将晶状体(lens)投掷到塌陷的薄膜之上。当晶状体材料已聚合或具有足够的硬度时，移除偏置电压并且晶状体材料将薄膜保持在塌陷状态。然而，仍然需要提供一种具有提高的性能的预塌陷电容式微机械换能器单元。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供具有提高的性能的预塌陷电容式微机械换能器单元及其制造方法。在本专利技术的第一方面中，提出一种预塌陷电容式微机械换能器单元，其包括衬底和薄膜，该衬底包括第一电极，该薄膜包括第二电极，其中该单元具有薄膜被安装到衬底所处的外部区域以及在外部区域内或被外部区域包围的内部区域，其中在位于内部区域内的第一塌陷环形区域中，薄膜被塌陷到衬底。在本专利技术的另一方面中，提出了一种制造预塌陷电容式微机械换能器单元的方法，该方法包括提供包括第一电极的衬底，提供包括第二电极的薄膜，其中该单元具有薄膜被安装到衬底所处的外部区域以及在外部区域内或被外部区域包围的内部区域，并且在位于内部区域内的第一塌陷环形区域中，将薄膜塌陷到衬底。本专利技术的基本理念是提供一种环形塌陷(钉住)区域。因此，单元的塌陷区域不是在单元的中心的圆形(非环形)塌陷区域，而现有技术的单元的塌陷区域是这种情况。如数学上定义的，环是环状几何图形或物体(在其中间具有孔)，或在两个同心闭合曲线(例如两个同心圆)之间的区域。应当理解的是，替代两个圆形，可以使用任何其它类型的闭合曲线。因为换能器单元的最强烈耦合区域紧邻塌陷区域，所以本专利技术增大了高耦合区域。因此增大了单元的有效耦合。因此，因为增大了提供高耦合的面积，所以提高了单元的性能。特别地，在衬底和薄膜之间的腔的高度在塌陷区域处平滑地或持续地减小到零。与现有技术的单元的中心塌陷区域相比，该环形塌陷区域可特别地更接近或靠近单元的周边。可替代中心塌陷区域，而使用该环形塌陷区域，或除中心塌陷区域之外，还使用该环形塌陷区域。在单元的内部区域中，在薄膜和衬底之间形成至少一个腔。因为存在环形塌陷区域，在薄膜和衬底之间形成至少两个腔。第一腔形成在环形塌陷区域内部(或被环形塌陷区域包围)的区域中的薄膜和衬底之间，而第二腔形成在环形塌陷区域外部(或包围环形塌陷区域)的区域中的薄膜和衬底之间。利用本专利技术，提高了单元的换能效率。首先，从电能到机械能的换能通常仅发生在薄膜中紧邻塌陷区域的区域中。这是薄膜中薄膜经历由于电荷的紧密接近或集中所致的强静电力并且薄膜能够响应于该力同时移动所在的区域。薄膜中已经与衬底接触的区域(例如塌陷区域)不能够移动。薄膜中能够移动但是未紧靠塌陷区域的区域并不具有电荷的大集中。第二，因为通常将大的电信号用于发送，并且在薄膜中引起大的运动，因此强换能的实际区域跨越换能器单元的表面来回移动。通过具有环形塌陷区域，高机电耦合的区域(其是活跃的换能区)已被从单元的中心移走。另外，可以建立两个换能区，而不是一个。因为这将活跃的换能区的面积变成两倍多，因此提高了换能效率。换言之，这将活跃的换能区的长度变成两倍多，而不减小其有效宽度。在从属权利要求书中限定了本专利技术的优选实施例。应当理解的是，所要求保护的方法具有与所要求保护的单元以及与从属权利要求中定义的相似和/或相同的优选实施例。在第一实施例中，第二电极位于环形第一塌陷区域内的或被环形第一塌陷区域包围的第一换能区域中。在第二实施例中，第二电极位于环形第一塌陷区域外的或包围环形第一塌陷区域的第二换能区域中。该实施例可特别用作第一实施例的替代或与第一实施例结合使用。在变型中，第二电极至少设置成紧靠环形第一塌陷区域。在该区域中，在薄膜的第二电极和衬底的相对应的第一电极之间仅存在小间隙。以该方式，提供了增大的或最大化的机电耦合。该变型可特别与第一实施例和/或第二实施例一起使用。在另一实施例中，第二电极和/或第一电极具有环形。因此，电极最佳地适配于环形塌陷区域。以该方式，电极可使单元的电容的非机电耦合部分最小化。该实施例可特别与任何其它实施例结合使用。在另外的实施例中，环形第一塌陷区域设置成以单元或薄膜的中心为圆心。以该方式，可提供对称的塌陷区域和单元。该实施例可特别与任何其它实施例结合使用。在另一实施例中，薄膜被进一步塌陷到位于内部区域内的第二塌陷区域中的衬底。以该方式，进一步扩大了单元的机电耦合面积。该实施例可特别与第一和/或第二实施例一起使用。在变型中，第二塌陷区域位于单元或薄膜的中心区域或中心。第二塌陷区域可特别具有圆形(非环形)。在另一变型中，第二电极本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种预塌陷电容式微机械换能器单元(10)，包括：‑衬底(12)，所述衬底(12)包括第一电极(16)，‑薄膜(14)，所述薄膜(14)包括第二电极(18)，其中，所述单元具有所述薄膜(14)被安装到所述衬底(12)所处的外部区域(22)以及在所述外部区域(22)内或被所述外部区域(22)包围的内部区域(20)，其中，在位于所述内部区域(20)内的第一塌陷环形区域(24)中，使所述薄膜(14)塌陷到所述衬底(12)。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·L·鲁滨逊，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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