电容式射频微机电开关的系统和操作方法技术方案

公开了一种用于电容式射频微机电开关的系统和操作方法，所述电容式射频微机电开关是诸如用于超声系统中的CMUT单元。RFMEMS可以包括基板、连接到所述基板的第一电极、膜和连接到所述膜的第二电极。在一些范例中，在第一电极与第二电极和柔性膜之间存在电介质堆叠。电介质堆叠设计使膜塌陷电压中的漂移最小化。在其他范例中，电极之一是环形形式的，并且第三电极被提供为占据环的中心的空间。备选地，第一和第二电极两者都是环形形式的并且在环内部在电极之间存在支撑件。

The System and Operating Method of Capacitive RF Microelectromechanical Switch

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容式射频微机电开关的系统和操作方法
本专利技术涉及电容式射频微机电开关RFMEMS，并且具体地涉及用于超声成像系统中的电容式加工超声换能器CMUT。本专利技术还涉及一种操作所述电容式RFMEMS和CMUT的方法。
技术介绍
用于医学成像的超声换能器具有实现高质量诊断图像的产生的许多特性。其中包括实现高分辨率和高灵敏度的宽带宽，以及实现超声频率处的声学信号的场的大的深度的大的压力输出。通常，拥有这些特性的压电材料已经由PZT和PVDF材料制成，PZT作为选择的材料特别受欢迎。然而，PZT具有多个显著的缺点。首先，陶瓷PZT材料需要包括切割、匹配层粘合、填料、电镀和互连的制造工艺，其明显不同且复杂并且需要大量操纵，所有这些能够导致比期望的更低的换能器堆叠单元产量。该制造复杂性增加了最终换能器探头的成本，并且对元件之间的最小间距以及个体元件的尺寸放置了设计限制。此外，PZT材料具有与水或生物组织的不充分匹配的阻抗，使得匹配层需要被添加到PZT材料，以便获得与感兴趣介质的期望的声学阻抗匹配。因为超声系统主机已经变得更小并且由现场可编程门阵列(FPGA)和用于许多信号处理功能的软件主导，因此系统主机的成本已经随着系统的尺寸而下降。超声系统现在以费用低的便携式、台式和手持形式而可用，例如以用作超声诊断成像系统或用作超声治疗系统，其中，使用高能超声脉冲来消融具体(组织)异常。因此，换能器探头的成本是系统总成本中的不断增加的百分比，即由于在超声诊断成像系统的情况下用于3D成像的更高元件计数阵列的出现而已经加速的增加。用于具有电子操纵的超声3D成像的探头依赖于专门的半导体设备专用集成电路(ASIC)，所述专门的半导体设备专用集成电路执行用于换能器元件的二维(2D)阵列的微波束形成。因此，期望能够以改进的产量和较低成本制造换能器阵列，以便利对低成本超声系统的需求，并且优选地通过与半导体生产兼容的制造工艺来制造换能器阵列。最近的发展已经导致医学超声换能器能够通过半导体工艺批量制造的前景。理想地，这些工艺应该与用于产生由超声探头所需的ASIC电路的工艺相同，例如CMOS工艺。这些发展已经产生了微机械超声换能器或MUT，优选的形式是电容式MUT(CMUT)。CMUT换能器是具有电极的微小膜片状设备，所述电极将接收到的超声信号的声音振动转换为调制电容。对于发射，施加到电极的电容电荷被调制为振动/移动设备的膜片，并且从而发射超声波。由于这些膜片是通过半导体工艺制造的，因此设备通常能够具有10-500微米范围内的尺寸，膜片直径例如被选择为使膜片直径与膜片的期望谐振频率(范围)匹配，其中，个体膜片之间的间距小于几微米。许多这样的个体CMUT单元能够连接在一起并且作为单个换能器元件一致地进行操作。例如，4到16个CMUT单元能够耦合在一起以作为单个换能器元件一致地工作。通过范例，典型的2D换能器阵列能够具有2000-10000个CMUT换能器元件或单元。因此，与基于PZT的系统相比，基于CMUT换能器的超声系统的制造更具成本效益。此外，由于在这样的半导体工艺中使用的材料，CMUT换能器呈现出与水和生物组织的极大改进的声学阻抗匹配，这消除了对(多个)匹配层的需要并且产生了改进的有效带宽。为了优化由CMUT单元产生的声学功率(输出压力)，CMUT单元可以在所谓的塌陷(collapse)模式中操作，在所述塌陷模式中，CMUT单元由将膜片或柔性膜的中心部分跨间隙驱动到相对基板上的偏置电压驱动，并且被提供有设置频率的刺激，所述设置频率使膜片或柔性膜以设置频率谐振。膜片进入塌陷的电压被称为塌陷电压VC。然而，在塌陷模式中操作CMUT单元的缺点是其负面地影响CMUT单元的寿命。这主要地由发生在电介质层中的充电效应(即极化、电荷注入和空间电荷取向)引起，所述电介质层在由塌陷电压引起的高电场存在的情况下分离CMUT单元中的电极。这一点的进一步的效应是塌陷电压VC随时间的偏移(shifting)。CMUT单元具有偏置电压和单元电容的操作范围，其定义了用于所述单元的操作窗口。偏置电压或单元电容的偏移导致CMUT单元的发射和接收特性的偏移，从而对超声图像质量产生负面影响。CMUT单元本质上用作电容式RFMEMS开关。与针对CMUT单元特性的漂移有关的上述问题更一般地应用于MEMS开关，尤其是基于谐振操作模式的电容式RFMEMS开关。
技术实现思路
本专利技术由权利要求限定。根据本专利技术的一个方面的范例，提供了一种电容式射频微机电开关RFMEMS，包括：-基板；-连接到基板的第一电极；-柔性膜，其中，柔性膜在空间上与第一电极分离；-连接到柔性膜的第二电极；以及-第一电极与第二电极和柔性膜之间的电介质堆叠，所述电介质堆叠包括：-第一电介质层，其中，第一电介质层具有第一电活性缺陷密度；以及-第二电介质层，其中，第二电介质层具有低于第一电活性缺陷密度的第二电活性缺陷密度。例如，当电容式RFMEMS开关具有施加到第一电极的偏置电压时，将在第一和第二电极之间生成电场。如果偏置电压超过电容式RFMEMS开关的塌陷电压，则开关将以塌陷模式操作，例如被用于超声系统内的CMUT单元。电场密度在开关的塌陷部分内将是最强的，因为在该点处两个电极最接近。电场导致电介质堆叠的第一和第二电介质层的充电。电场使电介质层变为被极化，从而导致开关的塌陷电压的负偏移。极化程度取决于电介质层的电活性缺陷密度。塌陷电压的偏移被称为漂移电压。因此，漂移电压和漂移电压的测量结果指的是塌陷电压的变化。电场的另外的效应是电介质层内的空间电荷的取向。电介质层内的电荷载流子，即电介质层的导带内的电荷载流子将朝向开关的电极取向，从而生成跨电介质层的空间电荷。空间电荷的取向导致正漂移电压。该效应在具有低电活性缺陷密度的电介质中占主导。此外，由于来自第一和第二电极的电荷载流子的隧穿，在两个电介质层中都发生电荷注入。电荷注入导致负漂移电压，从而增加了电介质层的极化效应。通过提供分别生成塌陷电压中的负和正偏移的第一和第二电介质层，两个漂移电压能够彼此抵消。换言之，通过第一和第二电介质层的相反的充电效应使总体漂移电压最小化。通过“在第一电极与第二电极和柔性膜之间”是指在第一电极与第二电极和柔性膜的组合之间，或者换言之，在第一电极与第二电极和柔性膜两者之间。电介质堆叠可以连接到第一电极(即基板电极)，使得电介质堆叠在空间上与柔性膜分离。在实施例中，第一和第二电介质层由相同的材料构成。通过以不同方式制备两个层，对于相同材料而言能够呈现不同的电介质性质。在实施例中，第一和第二电介质层包括二氧化硅SiO2。二氧化硅SiO2是市售的电介质材料。二氧化硅的电介质性质根据制备方法而不同。在一些实施例中，使用原子层沉积ALD构建第一电介质层，从而导致对电场下的极化效应的更大的敏感性。通过经由SiO2的原子层沉积制造第一电介质层，与第二层相比，第一电介质层将示出更高程度的极化效应，从而导致负电压漂移的生成。在布置中，使用化学气相沉积CVD来构建第二电介质层，从而导致空间电荷取向的更大的敏感性。通过经由SiO2的化学气相沉积制造第二电介质层，与第一电介质层相比，第二电介质层将示出更高的空间电荷取向水平，从而导致正电压漂移的生成。在一些布置中，第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容式射频微机电开关(100’)RFMEMS，包括：‑基板(112)；‑第一电极(122)，其被连接到所述基板；‑柔性膜(114)，其中，所述柔性膜至少部分地在空间上与所述第一电极分离；‑第二电极(120)，其被连接到所述柔性膜；以及‑电介质堆叠(200)，其被设置在所述第一电极与所述第二电极和所述柔性膜之间，所述电介质堆叠包括：‑第一电介质层(210)，其中，所述第一电介质层具有第一电活性缺陷密度；以及‑第二电介质层(220)，其中，所述第二电介质层具有低于所述第一电活性缺陷密度的第二电活性缺陷密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.22 EP 16206333.31.一种电容式射频微机电开关(100’)RFMEMS，包括：-基板(112)；-第一电极(122)，其被连接到所述基板；-柔性膜(114)，其中，所述柔性膜至少部分地在空间上与所述第一电极分离；-第二电极(120)，其被连接到所述柔性膜；以及-电介质堆叠(200)，其被设置在所述第一电极与所述第二电极和所述柔性膜之间，所述电介质堆叠包括：-第一电介质层(210)，其中，所述第一电介质层具有第一电活性缺陷密度；以及-第二电介质层(220)，其中，所述第二电介质层具有低于所述第一电活性缺陷密度的第二电活性缺陷密度。2.如权利要求1所述的电容式RFMEMS，其中，所述第一电介质层(210)和所述第二电介质层(220)是由相同的材料构建的。3.如权利要求2所述的电容式RFMEMS，其中，所述第一电介质层(210)和所述第二电介质层(220)包括二氧化硅SiO2。4.如权利要求3所述的电容式RFMEMS，其中，所述第一电介质层(210)是使用原子层沉积ALD来构建的。5.如权利要求3所述的电容式RFMEMS，其中，所述第二电介质层(220)是使用化学气相沉积CVD来构建的。6.如权利要求4至5所述的电容式RFMEMS，其中，所述第二电介质层(220)比所述第一电介质层(210)更厚，例如所述第二电介质层(220)的厚度是所述第一电介质层(210)的厚度的至少两倍。7.如权利要求2所述的电容式RFMEMS，其中，所述第一电介质层(210)和所述第二电介质层(220)包括氧化铝Al3O2或氧化铪(IV)HfO2。8.如任一前述权利要求所述的电容式RFMEMS，其中，所述电介质堆叠(200)还包括：第三电介质层(215)，其中，所述第三电介质层是基于所述第一电介质层(210)和所述第二电介质层(220)的电介质性质来选择的。9.如权利要求8所述的电容式RFMEMS，其中，所述第一电介质(210)和所述第二电介质(220)包括二氧化硅SiO2，并且所述第三电介质层包括氧化铝Al3O2。10.如任一前述权利要求所述的电容式RFMEM，其中，所述电容式RFMEMS是电容式微机械超声换能器CMUT单元(100)。11.一种超声系统，包括：-超声探头，其中，所述超声探头包括CMUT单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：HP·勒布尔，S·舒列波夫，
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