电容式换能器、其制造方法和被检体信息获取装置与流程

技术领域

本发明涉及将被用作超声换能器等的电容式换能器(capacitive transducer)以及电容式换能器制造方法。

背景技术：

被设计为发送和接收超声波的超声换能器被用在诊断装置中来对例如活体内的肿瘤进行诊断。近些年，正在开发使用微加工技术的电容式换能器(电容式微加工超声换能器：CMUT)。CMUT比使用压电元件的传统超声换能器的优越之处在于：容易地获得宽频带特性，并且振动模式的数量更少且噪声低。CMUT的特征在于利用轻质振动膜发送或接收诸如超声波、音波和光声波之类的声波(下文中有时用超声波来代表)。与传统医学诊断模态相比，使用CMUT来进行精确超声诊断的这项有前景的技术正受到关注。

作为上述技术，已经提出一种实现宽频带特性(在宽频域中具有相对高的电气机械变换比率的特性)的电容式换能器，其包括含弹簧常数(spring constant)高的振动膜的单元以及含弹簧常数低的振动膜的单元(参见美国专利No.5,870,351)。已经提出实现宽频带特性的另一种电容式换能器，其具有弹簧常数高的多个单元的单元组以及弹簧常数低的多个单元的单元组(参见US 2007/0059858)。

在上述电容式换能器中，利用含弹簧常数不同的多个振动膜的多个单元来实现宽频带。因此，电容式换能器通常包括含面积不同的多个振动膜的多个单元。

例如，利用表面微加工技术，主要利用牺牲层蚀刻技术来制造电容式换能器。然而，在表面微加工技术中，稍后要被整形为振动膜的薄膜部分可能在牺牲层的蚀刻之后的干燥步骤中粘附到通过蚀刻牺牲层而形成的间隙的下表面上。即使当能够制造电容式换能器时，振动膜也因应力而容易翘曲，尤其是，面积大的振动膜因弹簧常数低而容易翘曲。取决于振动膜的应力分布，振动膜不均匀地翘曲从而使性能劣化。实现具有电气机械变换比率高的宽频带特性的电容式换能器的挑战是：通过在单个元件中均一地制造电气机械变换比率的频率特性不同的多个单元来形成设备。

技术实现要素：

鉴于上述问题，根据本发明，提供一种包括具有多种单元的元件的电容式换能器，每个单元包括：第一电极；包括第二电极的振动膜，第二电极通过间隙与第一电极相对；以及支持振动膜以便形成间隙的振动膜支持部。当从振动膜的法线方向看时，多种单元具有不同的、第一电极和第二电极中的一个的面积与间隙的面积的比率。多种单元中的第一电极或第二电极电连接在一起。

根据参照附图对示例性实施例进行的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1A和图1B是示出根据本发明一个实施例及示例1的电容式换能器的图示。

图2是示出根据本发明另一实施例及示例2的电容式换能器的图示。

图3A、图3B、图3C、图3D、图3E及图3F是示出根据本发明的制造电容式换能器的示例性方法的图示。

图4是示出利用根据本发明的电容式换能器获取被检体信息的示例性装置的图示。

具体实施方式

根据本发明的电容式换能器的特征在于：提供多种(两种或至少三种)单元，当从振动膜的法线方向看时，所述多种单元具有不同的、第一电极或第二电极的面积与间隙的面积的比率，以便实现宽频带特性。该结构特征使多种单元能够被设计为具有各种结构。例如，多种单元的振动膜可以被形成为具有相等的弹簧常数以便使制造加工容易。可替代地，多种单元的振动膜可以被形成为具有不同的弹簧常数，从而振动膜的弹簧常数大的单元的上述比率可以大于振动膜的弹簧常数小的单元的上述比率。在图1A和图1B中示出该结构示例，并且多种单元可以被形成为具有彼此接近的吸合(pull-in)电压。这里使用的吸合电压是指第一电极与第二电极之间的如下施加电压，在该施加电压处静电引力变得大于振动膜的复原力从而使振动膜与间隙的下表面接触。当被施加等于或大于吸合电压的电压时，振动膜被使得与间隙的下表面接触。还可替代地，多种单元的振动膜可以被形成为具有不同的面积，从而振动膜的面积小的单元的上述比率可以大于振动膜的面积大的单元的上述比率。同样在该结构中，可以将吸合电压设定为彼此接近。仍可替代地，多种单元的振动膜可以被形成为具有不同的厚度，从而振动膜的厚度大的单元的上述比率可以大于振动膜的厚度小的单元的上述比率。图2中示出该结构示例。同样在该结构中，多种单元可以被形成为具有彼此接近的吸合电压。如上所述，根据本发明的结构，例如，即使当多种单元的振动膜具有相同或接近的弹簧常数、面积或厚度时，也可实现宽频带的灵敏度。在那些情况下，所有单元的振动膜具有接近的弹簧常数、面积或厚度并且因此可容易地均一地进行制造。另一方面，即使当多种单元的振动膜具有不同的弹簧常数、面积或厚度时，通过适当改变多种单元之间的上述比率，例如，通过使多种单元具有彼此接近的吸合电压，也可以提高发送灵敏度或接收灵敏度。即使在共用电压施加单元被使用时，这也可防止发送灵敏度或接收灵敏度降低。应理解，取决于吸合电压的差异，可将分立的电压施加单元用于多种单元。如上所述，根据本发明的电容式换能器，可以增大接收或发送频带宽度，并且，通过适当设计上述比率，也可以提高发送灵敏度或接收灵敏度。

下面参照附图对本发明的实施例进行描述。图1A是根据该实施例的电容式换能器1的顶视图，图1B是沿图1A的1B-1B线取得的截面图。根据该实施例的电容式换能器1包括两个单元组2和3。单元组2包括多个单元4，单元组3包括多个单元5。单元组2和3彼此电连接，并且这两个单元组形成一个元件6。虽然图1A仅示出一个元件6，但电容式换能器1可以包括含多个元件6的阵列元件。在图1A中，虽然单元4和5以正方形格子状布置，但也可以以交错方式或任何其他方式布置。

单元4和5分别包括形成于衬底7上的共用第一电极8、通过蚀刻牺牲层而形成的间隙9和10、振动膜13和14以及支持振动膜13和14的支持部15和16。振动膜13和14分别包括通过间隙与第一电极8相对的第二电极11和12。在图1A和图1B中，当从振动膜的法线方向看时，振动膜13和14为圆形，但也可以为四边形、六边形、椭圆形等。衬底7可以是将用于制造典型的集成电路或典型的光学设备的晶片，并且可以是例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、玻璃(SiO₂)、SiC或绝缘体上硅(SOI)。第一电极8和第二电极11和12只需要由金属薄膜制成，例如是Al、Ti、Co、Cu、Mo及W，作为其化合物的AlSi、AlCu、AlSiCu、TiW、TiN及TiC，以及其叠层。第一电极8可以与衬底7绝缘，或者可以在衬底7由导电材料制成时连接到衬底7。衬底7可以与第一电极8一体化，并且例如，硅(Si)衬底自身可以用于充当第一电极8。

在电容式换能器1的单元4和5中，第一电极8与第二电极11和12分别彼此电连接，并且第一电极8与第二电极11和12通过绝缘膜17和18彼此绝缘。可以省略两个绝缘膜17和18中的任一个。在电容式换能器1中，取决于要振动的振动膜13和14，电容随时间改变。当振动膜13和14被周期性振动时，声波被生成。当接收声波时，振动膜13和14被振动从而生成AC电流。

在图1B中，振动膜13和14为分别包括第二电极11和12的三层结构。除第二电极11和12之外的其他组件的材料的示例包括硅氮化物、金刚石、硅碳化物、硅氧化物及多晶硅。尽管未示出，但设置有用于在第一电极8与第二电极11和12之间施加电压(DC电压或AC电压)的电压施加单元。

在用于实现本发明的上述目的的该实施例中，单元组2的单元中的第二电极11的面积(从振动膜的法线方向看时的面积；同样适用于下文)与间隙9的面积之间的比率不同于单元组3的单元中的第二电极12的面积与间隙10的面积之间的比率。希望一个元件6内的单元具有均一的电气机械变换特性。这是因为当振动膜同相工作时，电气机械变换特性变为最大。根据包括该实施例在内的本发明，单元组2和单元组3被形成为在间隙9和10的面积与间隙上方的第二电极11和12的面积之间的比率不同，从而改变电气机械变换比率的频率特性并实现宽频带。除此之外，通过进行适当的设计，所有单元的电气机械变换特性可被设定为基本上均一从而也提高电气机械变换比率。

例如，在间隙9和10具有相同面积并且振动膜13和14具有相同结构的情况下，如果第二电极11和12具有不同面积，则当在电极之间施加相同电压时不同程度地出现由静电力引起的负刚度(stiffness)。因此，当施加电压时，振动膜13和14的机械阻抗彼此不同。结果，在单元组2与单元组3之间获得不同的频率特性，由此实现宽频带特性。

当振动膜13和14具有不同的弹簧常数时，更加增强了获得宽频带特性的效果。要施加到单元的电压的最佳值取决于振动膜的弹簧常数和电极面积。当单元具有均一的电气机械变换特性时，希望将施加电压设定为比使振动膜与间隙的下表面接触的电压(吸合电压)小10％-20％的值。这是因为，尽管电气机械变换特性随施加电压变大而得到改善，但是当施加电压过于接近吸合电压时工作因单元的特性波动而变得不稳定。

“弹簧常数”被定义为其中第一电极和第二电极彼此相对的区域的平均位移，其是由静电力引起的。当弹簧常数用k表示，电容用C表示，振动膜的其中电极彼此相对的区域(下文也称作“电极部分”)的平均位移用x表示，且第一电极与第二电极之间的电势差用V表示时，弹簧常数k用下面的表达式1的关系表示。

随着电极的面积变小，由于因偏置电压引起的静电力，在振动膜中发生更大位移。另一方面，随着电极的面积变小，静电力变小。随着电极的面积变大，在振动膜的支持部的附近发生更小位移。因此，电极面积与弹簧常数之间的关系为具有极限值的下凸函数。在任何情况下，通过改变电极面积，弹簧常数被简单地改变，并且当具有相对于间隙面积而言不同的电极面积的多种单元被设置在一个元件中时，频带被增大。然而，电气机械变换比率随电极面积变小而变小，因此希望电极面积是间隙部分的面积的50％或更多。

可想到一些结构来设定振动膜13和14的不同弹簧常数。振动膜13和14的厚度可以不同，或者振动膜13和14相对于间隙9和10的面积可以不同。可替代地，可以将另一种材料只添加到单元中的一种的振动膜13上。还可替代地，可以将支持部15和16的面积变为不同。

上文描述了第二电极11和12相对于间隙面积的面积比率。然而，在第一电极8相对于间隙9和10的面积比率不同的情况下，同样可得到相同的效果。

下面参照图3A-3F描述根据本发明的制造电容式换能器的示例性方法。通过导体成膜、光刻、和图案化来在衬底31上形成第一电极32(图3A)。在这种情况下，第一电极32和衬底31可以彼此电连接或彼此绝缘。在使衬底31与第一电极32绝缘的情况下，在形成第一电极32之前形成绝缘膜。图1B中所示的间隙9和10以及形成于其上的隔膜(membrane)被要求为厚度波动较小且平滑，因此衬底31、第一电极32等被要求是平滑的。间隙9和10各自具有约100-300纳米的高度，因此平滑度优选地为约1-2纳米。

形成绝缘膜34。绝缘膜34例如是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成且厚度为50-150纳米的硅氧化物膜。并不总是要求形成绝缘膜34。接下来，通过成膜、光刻、和图案化来在第一电极32上形成牺牲层33(图3B)。同样要求牺牲层和绝缘膜具有与上述平滑度类似的高平滑度。考虑到牺牲层决定型腔形状的事实，牺牲层33需要由相对于周围材料具有良好加工选择性且图案化波动较小的材料制成。牺牲层33的厚度决定图1B的间隙9和10的高度。因此，要求牺牲层33具有小的厚度分布并且如上所述是平滑的。牺牲层33的材料的示例包括铬、钼、铝、其化合物、非晶硅及硅氧化物。

在牺牲层33上形成第一隔膜35(图3C)。随后，通过成膜来形成导体，并且该导体经过光刻和图案化从而形成第二电极36(图3D)。

在第一隔膜35中形成孔37以便暴露牺牲层33的一部分。对牺牲层33进行蚀刻以形成间隙38(图3E)。在这种情况下，如果第一隔膜35的弹簧常数太小，则第一隔膜35可能粘附到间隙38的下表面上。此外，即使在完成牺牲层蚀刻步骤之后，第一隔膜35也可能因施加到其上的应力而大幅翘曲并且性能可能劣化。根据本发明，通过改变电极面积与间隙面积的比率实现了宽频带，因此，即使当图1B的振动膜13和14的弹簧常数之间的差异减小时，也可降低换能器的制造中的风险。

此后，封闭孔37，同时形成第二隔膜39(图3F)。第一隔膜、第二电极36以及第二隔膜一起构成振动膜。这种制造方法可以进行如下修改。在形成第二电极36之后，形成第二隔膜，并在第二隔膜和第一隔膜中形成孔。然后，对牺牲层进行蚀刻，并封闭孔。通过用本发明的制造方法来制造电容式换能器，可以实现具有宽频带宽度的发送/接收特性。此外，通过调节电极面积与间隙面积的比率，在具有不同频率特性的单元之间可以将吸合电压设定为彼此更接近，因此，即使在使用共用电压施加单元时，也可提高所有单元的电气机械变换比率。

现在，下面将通过更多具体示例来详细描述本发明。

(示例1)

现在描述根据本发明的示例1的电容式换能器。图1A和图1B示出示例1。单元组2包括8个单元4且单元组3包括8个单元5，但单元的数量不限于此。然而，如果单元组之一中的单元的数量太大，则增大频带的效果被减弱，因此，希望单元组2和3的占用面积尽可能相等。

如图1A所示，当不同种类的单元中的振动膜13和14或间隙9和10被形成为圆形时，其直径为20-50微米。在图1A和图1B中，间隙9的直径大于间隙10的直径，但是它们可以彼此相等。在这种情况下，第二电极11与间隙9的面积比率小于第二电极12与间隙10的面积比率。因此，当间隙9与间隙10的面积相等时，第二电极11小于第二电极12。图1A中的第二电极11和12用圆圈和连接线示出。然而，第二电极11和12并不总是被要求为圆形，而是可以为矩形、多边形等。

在厚度为300微米的热氧化单晶硅衬底7上形成单元组2中的单元4。尽管未示出，但是热氧化膜的厚度为100纳米至2微米。通过成膜和图案化来在衬底7上形成第一电极8。通过在第一电极8上形成间隙9、包括第二电极11的振动膜13以及支持部15来构成单元4。在间隙9或支持部15与第一电极8之间形成绝缘膜17，从而使第一电极8与第二电极11绝缘。该绝缘膜是通过PECVD形成且厚度为100纳米的硅氧化物膜。第一电极8由厚度为50纳米的钛制成，第二电极11由厚度为100纳米的铝制成。除第二电极11之外，振动膜13是硅氮化物膜，且通过PECVD形成。第二电极11下的振动膜13的厚度为400纳米，且这部分还充当针对第一电极8的绝缘膜18。另一方面，第二电极11顶部上的硅氮化物膜的厚度为1,000纳米。该硅氮化物膜形成有200MPa或更小的拉伸应力。

在上述结构中，例如，间隙9的直径为36微米并且第二电极11的直径为30微米。吸合电压为150V。振动膜13的弹簧常数为37kN/m。如上所述，基于由静电力引起的振动膜的电极部分的平均位移来计算“弹簧常数”。在示例1中，电极部分的面积与形成于间隙部分上方的第二电极的面积对应。

在另一单元5中，当间隙10的直径为36微米且第二电极12的直径为35微米时，与单元4和5具有相等电极面积的情况相比，频带被增大。在这种情况下，振动膜14的弹簧常数为64kN/m，其大于单元4的振动膜13的弹簧常数(37kN/m)。在单元4和5的振动膜具有不同尺寸的情况下，通过改变电极面积与间隙面积之间的比率可增强增大频带的效果。例如，在单元5中，当间隙10的直径为34微米且第二电极12的直径为33微米时，吸合电压为174V且振动膜14的弹簧常数为70kN/m，因此增大频带宽度。

根据示例1，在单元组之间，振动膜具有不同的弹簧常数，并且电极面积与间隙面积的比率被改变，因此可实现具有宽频带特性的电容式换能器。

(示例2)

现在描述根据本发明的示例2的电容式换能器。示例2是示例1的修改。图2示出示例2，示出与图1B中的相同的截面。单元组2中的单元4具有与示例1中的相同的结构。

在单元105中，间隙110的直径等于间隙9的直径，并且第二电极112的直径等于示例1中的第二电极12的直径。振动膜114的结构与单元4的振动膜13的相同之处在于第二电极112下的厚度为400纳米，而不同之处在于第二电极顶部上的硅氮化物膜的厚度为1,100纳米。在这种情况下，振动膜114的弹簧常数为77kN/m，其大于振动膜13的弹簧常数(37kN/m)。以这种方式，与示例1类似地，频带被增大。

例如，通过以下方法来改变单元105的第二电极112上方的硅氮化物膜的厚度。在单元组2上形成金属膜，并通过PECVD在其上形成硅氮化物膜。此后，通过光刻胶保护仅仅单元组3上的区域，并对硅氮化物膜进行蚀刻。在这种情况下，当金属膜由耐蚀刻的材料制成时，单元组2被保护。此后，除去光刻胶，并除去金属膜，从而制造出图2的结构。

根据示例2，在单元组之间，振动膜具有不同厚度，并且电极面积与间隙面积的比率被改变，因此可实现具有宽频带特性的电容式换能器。

(示例3)

包括在上述实施例或示例中描述的电容式换能器的探头可应用于使用声波的被检体信息获取装置。来自被检体的声波被电容式换能器接收，并且输出电信号被用于获取被检体信息，该被检体信息反映被检体的光学属性值，比如光吸收系数。

图4示出使用光声效应的示例3的被检体信息获取装置。从用于生成脉冲形式的光的光源151发出的脉冲光152经由诸如透镜、反射镜或光纤之类的光学部件154照射被检体153。被检体153内的光吸收体155吸收脉冲光的能量从而生成作为声波的光声波156。配备有容纳本发明的具有宽频带特性的电容式换能器的壳体的探头157接收光声波156以将光声波156转换为电信号，并将电信号输出至信号处理器159。信号处理器159使输入电信号经过诸如A/D转换和放大之类的信号处理，并将结果信号输出至数据处理器150。数据处理器150使用输入信号来获取作为图像数据的被检体信息(反映被检体的诸如光吸收系数之类的光学属性值的被检体信息)。显示部件158基于从数据处理器150输入的图像数据来显示图像。探头可被配置成机械地进行扫描或可被配置成由诸如医生或工程师之类的用户相对于被检体移动(手持式)。应理解，作为本发明的电气机械换能器的电容式换能器也可以用在用于检测来自被用声波照射的被检体的声波的被检体诊断装置中。同样在这种情况下，来自被检体的声波被电容式换能器检测到，并且转换后的信号被信号处理器处理，从而获取被检体内的信息。在这种情况下，本发明的电容式换能器可以用于向被检体发送声波。

根据本发明的电容式换能器可应用于用以获取诸如活体之类的测量目标中的信息的光学成像设备、传统超声诊断装置等。根据本发明的电容式换能器还可应用于包括超声探伤仪的其他应用。

根据本发明的电容式换能器包括多种单元，多种单元具有不同的电极面积与间隙面积之间的比率且被并行地电连接。结果，包括电气机械变换比率的频率特性不同的多种单元并因此具有宽的接收频带宽度或发送频带宽度的电容式换能器可根据所出现的需求通过灵活设计来实现。

尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这些修改以及等同结构和功能。