具有高Ｋ电介质的ＣＭＵＴ制造技术

一种电容式超声换能器，包括第一电极、第二电极和第三电极；所述第三电极包括相对于所述第一电极可塌陷地间隔设置的中央区域，和从所述中央区域向外设置并相对于所述第二电极可塌陷地间隔设置的外围区域。该所述换能器还包括高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间。所述换能器可以塌陷模式操作，其中所述第三电极的所述外围区域相对于所述第二电极振荡，并且所述第三电极的所述中央区域相对于所述第一电极完全塌陷，从而使所述电介质层被夹入其中。可还包括诸如ｄ３１和ｄ３３模型压电驱动之类的压电驱动。医学成像系统包括设置在公共基板上的这种电容式超声换能器的阵列。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高K电介质的CMUT 本公开涉及用于生成医学诊断图像的系统和方法，更特别的涉及超声换能器。 超声换能器典型地由压电材料制造，并构造为当向传感器的各个电极两端施加电 压时发射超声波。探测作为材料中的电极化的背向散射波。然而，至少部分地由于在压电 陶瓷和感兴趣的空气或者流体之间的阻抗不匹配而导致压电换能器在空气或者流体耦合 应用中具有不足。 由于与当前的陶瓷换能器相比CMUT或者电容式微加工超声换能器的制造成本较 低，通常尺寸上更小，可实现更高频率成像，以及也能典型地实现更高的集成水平，因此其 是新一代换能器的可能候选。CMUT可以以非塌陷或者塌陷的状态或者"模式"操作。当前 研究显示在塌陷模式下的CMUT操作，至少在一些例子中，可以改进功率发射。 现参考图l-3，在CMUT100中示出了典型的CMUT。该CMUT100包括基板102和通常 (例如，当未激活时)设置和/或悬置于基板102之上的隔板104，从而使得隔板104通过 间隙106与基板102分隔。间隙腔可是空的(真空)或者充满气体。隔板104是CMUT100 的"活动"部分，至少由于隔板104能够朝着基板102弹性偏移。 CMUT100还包括顶部电极108和底部电极110。顶部电极108附贴并设置在隔板 104的顶上。底部电极IIO可以在基板102的顶上形成(例如，包括沉积其上的导电材料 层)，或者可以形成基板的一部分。 如以下参考图2和3所显示和描述的，CMUT100可在至少两个不同模式下操作。 特别参考图2，在以非塌陷模式操作CMUT100时，在顶部电极108和底部电极110 两端施加幅值足够大的DC驱动电压，以由于静电吸引使隔板104朝着基板102向下偏移， 但是幅值并不会大到使将隔板104和基板102分隔的间隙106消失。应注意附图说明图1-3可不是 按比例的。在隔板104将趋向于变得不稳定并向基板102塌陷之前，隔板104的典型位移 可少于间隙106的50%。 在顶部电极108和底部电极IIO两端的DC电压上加入AC电压时，在隔板104中产 生的振荡运动(未明确示出)可继而导致CMUT100发射超声波(未示出)。当隔板104经 受冲击超声压力场(未示出)时，在隔板104和顶部电极108中类似地产生振荡运动(未 明确示出)，从而当DC偏置电压已经在顶部电极108和底部电极110两端施加时，在顶部电 极108和底部电极110之间的作为结果的相关运动生成AC探测电流。 现转至图3，在以塌陷模式操作CMUT100期间，在顶部电极108和底部电极110两 端施加的DC驱动电压的幅值足够大以使隔板104朝着基板102向下偏移，并与底部电极 110直接接触。这有效消除了在隔板104和基板102之间并处于隔板104中央部分的间隙 106 (图1)。隔板104的未与底部电极IIO接触的其余部分仍然可以操作，并且由于减小的 间隙而导致在相同电压下可施加更高的静电力。为了避免短路，隔板104包括电介质材料。 电介质材料的击穿和固定电荷捕捉是在以塌陷模式操作CMUT100期间对其性能有不良影 响的两个重要问题。例如，隔板104的电介质材料中的固定电荷可趋向于导致CMUT100的 DC驱动电压的改变。尽管迄今作出了努力，但是仍需要高效和有效的CMUT设备及其使用方法。通过以下描述可显而易见到所公开的设备、系统和方法可满足这些和其它需要。本公开的各方面包括电容式超声换能器，其包括第一电极；第二电极；第三电极，所述第三电极包括相对于所述第一电极可塌陷地间隔设置的中央区域，和从所述中央区域向外设置并相对于所述第二电极可塌陷地间隔设置的外围区域；以及高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间。根据本公开的各方面，所述电容式超声换能器可以塌陷模式操作，其中所述第三电极的所述外围区域相对于所述第二电极振荡，并且所述第三电极的所述中央区域相对于所述第一电极完全塌陷，从而使所述高介电常数材料层被夹入其中。可还包括诸如d31和d33压电驱动之类的压电驱动。还提供医学成像系统，其包括设置在当前基板上的这种电容式超声换能器的阵列。 根据本公开的方面的电容式超声换能器的操作方法，包括提供电容式超声换能 器，其包括第一电极、第二电极、相对于所述第一和第二电极中的每个可塌陷地间隔的第三 电极，以及高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三 电极和所述第二电极之间；相对于所述第一电极使所述第三电极的中央区域塌陷，从而使 所述高介电常数材料层被夹入其中；以及相对于所述第二电极使从所述中央区域向外设置 的所述第三电极的外围区域振荡。 为了帮助本领域技术人员制造和使用所公开的设备、系统和方法，参考附图，其 中 图1图示了现有技术的CMUT ; 图2图示了以非塌陷模式操作的图1的CMUT ; 图3图示了以塌陷模式操作的图1的CMUT ; 图4图示了根据本公开的CMUT ; 图5图示了根据本公开的以塌陷模式操作的图4的CMUT ; 图6图示了根据本公开的另一 CMUT ; 图7图示了根据本公开的另一 CMUT ; 图8图示了根据本公开的另一 CMUT。 现参考图4，根据本公开的示例性方面示出了 CMUT400。 CMUT400可包括电极402 和晶片404，其中电极402悬置在晶片404上。电极402可包括一个或多个外围区域406和 中央区域408，其中中央区域408可邻近外围区域406和/或在各外围区域406之间设置。 电极402相对于晶片404可偏移(例如，向下可偏移)，并可从CMUT400的一侧接地。 CMUT400可还包括一个或多个间隔件410，电极402可经由该间隔件410相对于晶 片404间隔装配。例如，间隔件410可与晶片404耦接并从晶片404处向上延伸，而电极 402可经由与间隔件410耦接的电极402的外围区域406附贴于间隔件410。在这种情况 下，CMUT400可，至少在无操作或者无驱动模式下，呈现或者包括在电极402和晶片404之 间的间隙412。根据本公开的各方面，可通过形成晶片404上的层或者材料层(未示出) 而产生间隙412。这种材料或者各材料可包括，例如PMMA、硅、金属或者其它适当材料。电 极402可在这种材料或者各材料的顶上形成，之后可使用例如适当的蚀刻流程或者热分解 步骤来将这种材料或者各材料移除。根据本公开的各方面，间隙412可通过这样产生单独 制造电极402，之后使用例如标准晶片粘合技术，经由间隔件410将该电极402附着于晶片的(真空)或者可包括气体。 CMUT400可包括电极402形成其一部分的顶部隔板(未单独示出)。在一些方面 中，这种顶部隔板可包括电极402以及形成在电极402上的另外的电介质层(未示出)。在 一些方面中，这种顶部隔板可包括设置在电极402之下的至少一薄电介质层(未示出)，并 在牺牲层移除期间提供以作为保护。 晶片404可包括基板414。该基板414可是具有适当尺寸、结构和成分以支持和/ 或允许制造、包含或者装配CMUT400的其它元件的任意基板。基板414可还包括驱动电子 器件和/或接收电子器件(未示出)。晶片40本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式超声换能器，包括：第一电极；第二电极；第三电极，所述第三电极包括相对于所述第一电极可塌陷地间隔设置的中央区域，和从所述中央区域向外设置并相对于所述第二电极可塌陷地间隔设置的外围区域；以及高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间。

【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：AL鲁斯特，K赖曼，M克莱，JTM范贝克，JD弗雷泽，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]