本申请公开了一种微机电换能器（诸如ｃＭＵＴ）。该换能器（５１１）具有衬底（５０１）、顶板（５０４）和其间的弹性结构（５２０）。弹性结构具有分布在装置元件区上的多个连接器（５３０）以垂直移动、具有分布的支承的顶层。弹性结构（５２０）可以是利用覆盖衬底上的空腔的中间弹性层形成的悬臂。连接器（５３０）在顶板（５４０）下限定换能空间。弹性结构（５２０）实现连接器的垂直位移，它使顶板（５４０）以类似于活塞的运动移动，以改变换能空间并实现能量转换。对于每一个可寻址换能器元件单独的单元是不必要的。可在同一衬底上形成多个装置元件。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请涉及具有用于能量转换的可移动机械部件的微机电装置，尤其涉及诸 如电容式微加工超声换能器(cMUT)之类的微加工超声换能器(MUT)。
技术介绍
微机电换能器通常共用公共特征部，它包括用于能量转换的可移动机械部件。 这种微机电换能器的一个例子是微加工的超声换能器(MUT)。超声换能器执行一系 列的能量转换以实现其换能器的功能。在其接收模式中，在放置了换能器的介质中 传播的超声波的声能转换成换能器中的可移动部件(通常是振动膜)的机械能。然后 可移动部件的运动转换成可检测的电磁(通常是电)信号。在其发射器模式中，发生 反向的能量转换过程。已经开发了用于发射和接收超声波的各种类型的超声换能器。超声换能器可 在各种介质中工作，包括液体、固体和气体。这些换能器通常用于诊断和治疗的医学成像、生物化学成像、材料的非破坏性检测、声纳、通信、贴近式传感器、气流 测量、现场过程监视、声学显微镜、水下传感和成像以及其它。除分立的超声换能 器外，还开发了包含多个换能器的超声换能器阵列。例如，开发了用于成像应用的 二维阵列超声换能器。与广泛使用的压电(PZT)超声换能器相比，MUT在器件制造方法、带宽和工 作温度方面具有优势。例如，制造常规的PZT换能器阵列包括切割并连接各个的 压电元件。该过程充满了困难和高花费，更不用说由这些元件造成的对发射/接收 电子装置的大的输入阻抗失配问题。在比较中，在制造MUT中使用的微加工技术 更加能够制造这种阵列。在性能方面，MUT证明了可与PZT换能器的动态性能相 比较的动态性能。由于这些原因，MUT变为压电(PZT)超声换能器的引人注目的替 代的选择对象。在几种MUT中，广泛使用电容式微加工超声换能器(cMUT)，它釆用静电换 能器。还采用利用压电(pMUT)和磁(mMUT)换能器的其它MUT。现有技术的cMUT 结构的例子在图1A-1C、图2-3和图4A-4B中示出。图lA示出了具有多个单元的现有技术cMUT的基本结构的横截面图。图1B 示出单个cMUT单元10的放大视图。图1C示出同一现有技术的多单元cMUT结 构的对应的示意性俯视图。实际上，功能cMUT可具有至少一个独立的可寻址 cMUT元件。基于常规的设计，每一个cMUT元件由很多并联连接的cMUT单元 组成。在图1A中示出了四个单元，图1B中示出了单个单元，而图1C中示出了 十个单元，但在图1A-lC中所有的单元属于单个cMUT元件。图1A-1C的cMUT构造在衬底11上。如所选择的cMUT单元10所示，每一 个cMUT单元具有平行板电容器，它由刚性底电极12和位于柔性膜16上或其中 并用于在相邻介质中发射或接收声波的顶电极14组成。每一个单元中柔性膜16 由绝缘壁或柱18支承。膜16从衬底11和顶电极12分隔开以在其间限定换能空间 19。将DC偏压施加在电极12和14之间，以使膜16偏转到用于cMUT工作的最 优位置，通常以使灵敏度和带宽最大化为目标。在发射期间，将AC信号施加到换 能器。顶电极和底电极之间的交替的静电力激励膜16，以便将声能传递到cMUT 周围的介质(未示出)中。在接收期间，紧密接触的声波振动膜16，因此改变了两电 极之间的电容。电子电路检测该电容变化。或者可利用压电换能器(pMUT)和磁换能器(mMUT)激励膜并检测膜的位移。 图2示出pMUT单元20，除电容器(电极12和14)由膜26上的压电构件24替换外，它具有与cMUT单元10类似的结构。图3示出mMUT单元30，除电容器(电极12 和14)由膜36上的磁性部分34替换外，它具有与cMUT单元10类似的结构。已经开发了用于制造图1A-1C所示的cMUT的制造方法。在美国专利第 6,632,178号和6, 958, 255号中公开了示例性方法。在现有技术的结构和方法的cMUT中存在缺点。这些缺点中的很多涉及这样 的事实，即每一个可寻址cMUT元件由很多单独的单元形成并且每一个单元具有 其夹在或固定在由相邻的单元共用的边缘上的cMUT膜。以下列出了缺点的例子。(1) 由于夹紧边缘，膜的平均位移小。结果装置的发射和接收性能都差。(2) 由夹紧区域(例如边缘)和壁或柱占用的表面面积不活动，因此降低了装置的 填充因数和总效率。(3) 锚固区域引入寄生电容，这降低了装置的灵敏度。(4) cMUT元件的表面内的锚固图案可导致超声波干涉这限制了装置带宽。(5) 膜的不一致的位移可扰乱超声波图案。例如，不一致的位移可影响从换能 器表面发射的超声束图案并导致通过换能器表面的声交叉耦合。(6) 由于工艺变化同一cMUT元件中的各个单元的谐振频率可能互不相同。这 导致工作期间同一 cMUT元件中不同单元之间膜运动的相位差。结果，cMUT元 件的平均位移的和将显著劣化。该问题劣化了装置的性能，尤其是在cMUT在高 品质因数(Q-因数)条件下工作时，例如在空气中。(7) 声能可通过支承壁耦合到换能器衬底并导致诸如cMUT元件之间的声交叉 耦合之类的不希望的效应。通过引入具有期望声音性的材料降低通过衬底的交叉耦 合的工作需要占用元件之间额外的空间。以上的问题也存在于现有技术的pMUT和mMUT中因为它们具有与如图1所 示cMUT相似的结构。在美国专利第7,030,536号中公开了另一种cMUT装置，它具有构造在衬底上 的柔性的(compliant)支承结构以支承膜。根据该设计的cMUT在图4A-4B中示出。 图4A示出如该专利公开的单个cMUT单元40的横截面图。图4B示出如该专利 公开的多个cMUT单元的示意性俯视图。与图1A-1C中所示的常规的cMUT相比， 美国专利第7,030,536号中公开的cMUT结构利用代替常规的绝缘壁18的柔性支 承结构48来限定每一个cMUT单元40的膜46的周边，使得顶电极44和膜46能 以类似于活塞的方式运动。这具有潜在的优点，但根据该专利的设计也产生了其自 身的问题，在详细描述中将参考本专利技术来讨论。由于这些MUT装置的重要性，期望在性能、功能性和可制造性方面改进技术。
技术实现思路
本申请公开了一种具有可移动构件以转换能量的微机电换能器(诸如cMUT)。该换能器具有衬底、顶板和其间的弹性结构。弹性结构具有分布在装 置元件区上的多个连接器以便垂直移动顶层，且分布的支承不限于边缘。弹性 结构可以是利用覆盖衬底上的空腔的中间弹性层形成的悬臂或诸如桥或横木 之类的包含悬臂的结构。连接器在顶板下限定换能空间。诸如悬臂之类的弹性 结构实现连接器的垂直位移，它使顶板以类似于活塞运动地移动，以改变换能 空间并实现能量转换。对于每一个可寻址换能器元件各个分开的单元是不必要 的。可在同一衬底上形成多个装置元件。根据本专利技术的一个方面，微机电换能器的特征在于(a) 弹性结构具有连接到衬底的下部和连接到顶板层的上部；(b) 弹性结构的上部具有连接到顶板层的多个连接器；(c) 多个连接器分布在装置元件区上并具有充分远离装置元件外围朝向装置元 件区的内部区域布置的至少一个连接器；(d) 在顶板层下限定换能空间；(e) 可寻址装置元件具有至少一个换能构件以引起能量转换；以及(f) 弹性结构实现多个连接器的垂直位移以在基本垂直的方向上移动顶板层， 因此改变换本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有可移动机械部件以转换能量的微机电换能器，所述换能器包括具有限定装置元件区的装置元件外围的可寻址装置元件，其中所述可寻址装置元件包括： 衬底； 设置在所述衬底上的顶板层；以及 在所述衬底和所述顶板层之间的弹性结构，其 中： （ａ）所述弹性结构具有连接到所述衬底的下部和连接到所述顶板层的上部； （ｂ）所述弹性结构的上部具有连接到所述顶板层的多个连接器； （ｃ）所述多个连接器分布在所述装置元件区上并具有充分远离所述装置元件外围朝向所述装置元 件区的内部区域布置的至少一个连接器； （ｄ）所述顶板层和所述连接器在所述顶板层下限定换能空间； （ｅ）所述可寻址装置元件具有至少一个换能构件以引起能量转换；以及 （ｆ）所述弹性结构实现所述多个连接器的垂直位移以在基本垂直的 方向上移动顶板层，因此改变换能空间并激活换能构件。
【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：黄勇力，
申请(专利权)人：科隆科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。