专利名称：微机电换能器的制作方法
技术领域：
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)。
背景技术：
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发明来讨论。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。
发明内容
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。
根据本发明的一个方面，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， 因此改变换能空间并激活换能构件。
在一个实施例中，弹性结构具有布置在衬底上的中间弹性层。中间弹性层 和衬底在装置元件区内限定至少一个空腔。空腔将装置元件区分为至少两个相 对的侧。至少一侧具有锚固中间弹性层的锚。多个连接器各自在水平方向上离 开锚足够的长度，以在连接器和锚之间限定悬臂。在该实施例中，每一个连接 器可具有期望的高度并从中间弹性层的顶部直立，以将顶板从中间弹性层分离 以在顶板层下限定换能空间。
在一个较佳的实施例中，衬底和中间弹性层限定将装置元件区分为几部分 的多个空腔，每一个部分都显著小于装置元件区。可将多个悬臂和桥限定在多 个空腔上以提供对顶板层的分布式支承。
在一个实施例中，空腔和对应的锚一起占据装置元件区的至少一半。在装置 元件区内，中间弹性层是覆盖锚的顶部表面的连续层。在一个实施例中，连续的中间弹性层覆盖装置元件区的至少一半，较佳的是连续的中间弹性层基本覆 盖整个装置元件区。
在一个实施例中，空腔具有将衬底晶片分为内部岛和外部区域的环形，内 部岛构成锚。锚可包括由内部岛构成的第一锚和由外部区域构成的对应的第二锚。
在一个实施例中，空腔包括在衬底晶片上形成空腔和锚的图案的第一多个 延伸空腔。可形成各种图案。
悬臂可以是各种结构。例如，空腔可由至少两个彼此相对的锚限定，且装 置元件区内的中间弹性层可连接到两个相对的锚。连接器可位于两个相对的锚 之间并在水平方向上远离两相对的锚中的每一个足够的长度以在设置连接器 的位置处限定头对头连接的两悬臂。对于另一个例子，锚可限定围绕空腔的圆 侧壁，中间弹性层可覆盖整个空腔，连接器可直接位于空腔的中间区域上以限 定二维平面悬臂。
本发明的一个方面是微机电换能器，其中中间弹性层具有连接到顶板层的 多个连接器。多个连接器分布在装置元件区上以限定连接器密度分布，它具有 每个区域位置的平均连接器密度。由此形成的每一个悬臂具有弹性强度，当弹 性强度与各个平均连接器密度结合时限定了有效弹性强度分布，其中有效弹性 强度剖面是每区域位置的弹性强度。有效弹性强度在装置元件区域上基本一致 或具有不一致的分布剖面图。例如，有效弹性强度在装置元件区的中心附近的 区域位置比装置元件区域的周界附近.的位置高很多。
在具有多个连接器的一个实施例中，装置元件区包括具有不同的顶板层厚 度和不同的弹性强度的两个区。例如，第一区的顶板层的厚度和有效弹性强度 比第二区大，或者反之亦然。在另一个实施例中装置元件区包括围绕中间区域 的外围，其中顶板层在周界附近柔软，但在中间区域坚硬，在周界侧壁夹紧并 由中心区域中的至少一个悬臂支承。
微机电换能器可具有另外的特征。例如，可寻址装置元件顶板层可具有在装 置元件区上具有至少两种不同的厚度的厚度剖面。两种不同的厚度包括对应于 顶板层的正常厚度的第一厚度和对应于形成于顶板层上的空腔的底部厚度的 第二厚度，第一厚度和第二厚度在装置元件区域上规则交替。对于另一个例子， 可寻址装置元件顶板层可包括第一材料和与第一材料不同的第二材料。在一个 实施例中，第一材料具有由分离沟槽分割的多个部分，而第二材料跨越沟槽以连接第一材料的诸部分。第二材料也可至少部分地填充分离沟槽。
在一个实施例中，微机电换能器是电容式微加工超声换能器(CMUT)，其中 每一个可寻址装置元件具有在顶板层上的顶电极和在中间弹性层或衬底晶片 上的底电极。例如，中间弹性层可包括导电材料以实现为底电极。或者，顶电 极可以是沉积在顶板层上的分离的导电层。
在另一个实施例中，微机电换能器具有多个可寻址装置元件，它由穿过顶 板层的至少一部分形成的分离沟槽分离。衬底晶片可以是导电晶片，且可寻址 装置元件通过形成于衬底晶片上的嵌入式绝缘体彼此绝缘，嵌入式绝缘体包括 具有期望总厚度并由介电材料填充的绝缘空腔。或者，可寻址装置元件由形成 于衬底晶片上的嵌入式绝缘体绝缘，嵌入式绝缘体包括含有衬底晶片的自身氧 化材料的实心线条的图案化空腔。嵌入式绝缘体也可形成于顶板层上。
在一个实施例中，从衬底的背侧经由穿过衬底晶片形成的穿过晶片的互连 来寻址可寻址装置元件。例如，可釆用导电衬底晶片，且穿过晶片的互连可包 括围绕由导电晶片的自身材料形成的穿过晶片的导体的环形沟槽。介电材料可 用于填充环形沟槽，以将穿过晶片的导体与衬底晶片的余下部分绝缘。在一个 具体的构造中，穿过晶片的导体直接位于可寻址装置元件之下。
微机电换能器还可以是pMUT，其中换能构件包括沉积在中间弹性层或顶 板层上的压电构件。微机电换能器还可以是mMUT，其中换能构件包括沉积在 中间弹性层或顶板层上的磁性构件。
可通过仔细地选择顶板材料或构造来提高微机电换能器的性能。例如，顶板 层可具有穿过它形成的孔。这些孔可具有对顶板层的刚度/质量比优化的尺寸和 位置分布。此外，为了避免电短路问题，连接器的最大垂直位移被限制在不大 于较佳的是小于顶板层和锚的顶部表面之间包括任何介入层的换能空间的高 度。在一个实施例中，连接器的最大位移由设置在空腔中的运动制动器限制。
根据本发明的另一个方面，微加工超声换能器(MUT)结构包括依后面的顺 序排列的衬底晶片、中间弹性层和顶板层，使得顶板层的底侧面面向中间弹性 层的顶侧面，而中间弹性层的底侧面面向衬底晶片的前侧面。该MUT结构包 括多个可寻址MUT元件，它们各自由衬底晶片的MUT元件区和顶板层的对应 的MUT元件区限定，多个可寻址MUT元件中的每一个具有换能构件且特点是
(a) MUT元件区在衬底和中间弹性层之间具有至少一个空腔，每一个空腔以 锚固中间弹性层的至少一个锚为侧壁；(b)中间弹性层覆盖每一个空腔的至少一部分；
(C)具有期望高度的至少一个连接器设置在每一个空腔上，连接器从中间弹性 层的顶部直立；
(d) 将顶板布置在连接器上以在顶板层下限定换能空间；
(e) 每一个连接器在水平方向上离开至少一个锚足够的长度，以在连接器和锚 之间限定悬臂，其中悬臂和空腔实现连接器的垂直位移，以类似于活塞的运动基本 垂直地移动顶板层，因此改变换能空间并激活换能构件；以及
(f) 至少一个空腔和对应的锚一起占据装置元件区的至少一半。 MUT结构可具有如上概括的附加的特征。
从以下参考附图详细描述的几个实施例将更清楚上述和其它的特征和优
图1A示出具有多个单元的现有技术cMUT的基本结构的横截面图。
图1B示出图1A的单个cMUT单元的放大图。
图lC示出同一现有技术多单元cMUT结构的对应的示意性俯视图。
图2示出现有技术的pMUT单元。
图3示出现有技术的mMUT单元。
图4A示出另一个用于讨论的单个cMUT单元的横截面图。
图4B示出图4A的多个cMUT单元的对应的示意性俯视图。
图5A示出根据本发明的cMUT结构的横截面图，它示出一个完整的cMUT
元件和相邻的cMUT元件的部件。
图5B示出在没有示出顶板的情况下图5A中的cMUT元件的示意性俯视图。
图5C示出图5A的cMUT结构的所选择的cMUT部分的放大图。
图5D示出不同选择的cMUT部分的放大图，它是图5A中的完整的cMUT元
件的另一部分。
图6示出根据本发明的可寻址cMUT元件的第一例子中顶板层下的空腔、锚 和连接器的表面图案的示意图。
图7示出根据本发明的可寻址cMUT元件的第二例子中顶板层下的空腔、锚 和连接器的表面图案的示意图。
图8示出根据本发明的可寻址cMUT元件的第三例子中顶板层下的空腔、锚
16和连接器的表面图案的示意图。
图9示出根据本发明的可寻址CMUT元件的第四例子中顶板层下的空腔、锚 和连接器的表面图案的示意图。。
图10示出根据本发明的可寻址cMUT元件的第五例子中顶板层下的空腔、锚 和连接器的表面图案的示意图。。
图11示出本发明的另一个cMUT结构的横截面图，它示出一个完整的cMUT 元件和相邻的cMUT元件的部件。
图12A-12J示出弹簧(悬臂)分布剖面图的例子。
图13示出硅中间弹性层的掺杂剖面的例子。
图14示出具有运动制动器以限制顶板的最大垂直位移的本发明cMUT的所选 择的部分的放大图。
图15A-15C示出顶板层的三个示例性结构。
图15D示出作为三种构造中所示的蚀刻孔的直径的函数的对应的第1谐振频 率对顶板总质量的比的图。
图15E示出具有构造于其中的孔的顶板的另一个例子。 图16示出根据本发明的示例性实施例的pMUT元件的一部分的横截面图。 图17示出根据本发明的示例性实施例的mMUT元件的一部分的横截面图。 图18示出根据本发明与IC集成的cMUT的横截面图。
详细描述
将连同附图详细描述本发明的诸如电容式微加工超声换能器(cMUT)之类的微 机电换能器，所有附图中类似的部件用类似的标号或文字来标记。微机电换能器可 利用任何合适的方法来制造，尤其是利用本文确认的由共同申请人在相同的日期提 交的几篇其它专利申请中公开的方法。
下面参考特定的实施例描述本发明。在大多数情况下，cMUT结构用于说明 本发明。然而应该意识到本发明不限于cMUT。本领域的技术人员将清楚，可在不 背离本发明的较宽的范围的情况下作出各种修改并且可采用其它实施例。因此，对 特定实施例的这些或其它改变应由本发明覆盖。本领域的技术人员将意识到可单独 或联合地使用结合实施例公开的各种特征。
注意，在本说明书中在广义上使用术语"换能器"和"换能构件"，不仅包 括同时进行执行和感觉功能的装置还包括进行执行功能或感觉功能的装置。还应注意，在本说明书中在广义上使用术语"悬臂"以描述具有锚固端、弹性部分的结构，
该弹性部分从锚固端延伸至施力端(exerting end)以激活或移动该弹性部分。因此 悬臂不一定指字面上的一维梁形悬臂，还包括具有诸如桥或横梁之类的沿不同方向 延伸的多梁的类似的结构，最确切地还包括区域或平面弹簧(二维"悬臂")，其中 锚固端是作为其区域或部分的闭合周界的延伸线，弹性部分是延伸区域而施力端可 以是单个点、小的区域或延伸的线(闭合端、开口端或分段)。此外，词"圆形的"
和"环形的"仅在最广泛的意义下表示形状具有圈的形式、接近圈的弯曲的形状或 一般类似于环状的布置，而不表示特定的圆形或任何其它形状，也不表示圈或环是 完全完整的或不断开的。
为了说明本发明，首先根据本发明讨论依照现有技术的设计的某些方面。注 意，为了更清楚地说明的目的，本文的讨论将本发明筹划成对现有技术设计的后见 之明。
参考图4A和4B，示出的现有技术cMUT设计利用柔性支承结构48代替常规 的绝缘壁18以限定用于每一个cMUT单元40的膜46的周界端，使得顶电极44 和膜46可以类似于活塞的方式通过底电极42和顶电极44之间的空间45运动。顶 电极44附连到膜46的底部。底电极42位于基座43的顶部。在每一个cMUT单 元中，膜46固定到柔性支承结构48，它是基本密封的侧壁，来以与图1A-1C中示 出的基于固定膜的cMUT设计相同的方式构成每一个cMUT单元40的周界48(图 4B)。这在图4B所示的多单元结构的背景下更易理解。
以上的设计具有潜在的优点但也产生了其自身的问题。首先，应注意，图4A-4B 所示的现有技术cMUT设计的概念是利用由柔性支承结构制成的柔性单元侧壁48 来替换常规的刚性单元侧壁18。因为相对复杂的柔性单元侧壁48代替图1中的简 单且狭窄的绝缘侧壁18，存在使由那些根据该设计的外围柔性单元侧壁48占据的 无用面积的影响最小化的增加的挑战。建议将补充电极制造在柔性单元侧壁48中 的柔性支承结构上以减小由柔性支承结构占用的无用面积。然而，没有迹象表明这 一设计将解决该问题，并且也没有迹象表明从制造的观点上看该设计是否切合实 际。
其次，如图4B所示，柔性单元侧壁48定义了整个cMUT结构中的边界。因 此cMUT单元40的大部分面积由刚性且不可移动的底座43占据，该底座由外围 柔性单元侧壁48围绕(但与其分离)。在边缘上的柔性单元侧壁48是支承单元40 的整个膜46的唯一结构。这保留了图1A-1C中示出了 cMUT的设计中存在的相同
18的单元限制。例如，它限制了每一个单个cMUT单元40的总尺寸。大的cMUT单 元将需要大的膜46，该膜46必需很坚硬并且厚，以维持所需的谐振频率。这是常 规的cMUT结构的最重要的限制之一，由于这个原因每一个可寻址cMUT元件必 须由多个单元形成。例如，在医学相阵列中使用的cMUT结构中，cMUT元件的 尺寸是声波的半波长(例如，对于10MHz装置是75um，对于5MHz装置是150um 而对于lMHz装置是750um)。为了得到所需的装置工作频率，必须使常规的cMUT 单元的尺寸比必须要使用不合理的厚度的膜的元件或装置尺寸小得多。由于其内在 的设计概念，图4A和4B中示出的cMUT可能在这方面上表现得与其它cMUT结 构十分相似，因此不能保证解决有关的问题。事实上，可想象将与图1A-1C中示 出的cMUT结构中得到的类似的多个小的单元用于图4A-4B中的cMUT结构。
可设想本发明免除对cMUT单元要求。正如接下来所示，尽管本发明仍可用 于制造每一个都具有多个单元的cMUT元件，但不是必需这样。事实上，由于根 据本发明的cMUT设计的内在特性，从制造的观点上看较佳的是制造每一个可寻 址cMUT元件而没有任何内部的单元边界。此外，即使在根据本发明的可寻址 cMUT元件由多个较小的部分(诸如各区域具有其自身的顶板层部分，它与于其它 区域的顶板层分开)形成时，这些较小的部分不需要具有夹紧的周界或外围支承壁， 且还不需要在尺寸或形状上彼此相同。
图5A是cMUT结构的横截面图，示出完整的cMUT元件500和每侧一个的 相邻的cMUT元件500A和500B的部分。cMUT结构构造在衬底晶片501上，并 也具有中间弹性层520和顶板540。衬底晶片501、中间弹性层520和顶板层540 以下面的方式从底部排列到顶部顶板层540的底侧面面向中间弹性层520的顶侧 面且中间弹性层520的底侧面面向衬底晶片501的前侧面。cMUT元件500、 500A 和500B由穿过顶板540和中间弹性层520形成的分离沟槽515分隔。
在描述中，cMUT元件或微机电元件指的是能够通过外部或内置控制电路的 控制执行能量转换并可通过外部或内置的控制电路单独寻址的装置单元。每一个可 寻址cMlJT元件限定衬底晶片的装置元件区域和对应的顶板层的装置元件区域。 因为将三层(衬底晶片501、中间弹性层520和顶板层540)安排成彼此基本相互平 行并直接层叠在彼此的顶部，衬底晶片的装置元件区域和对应的顶板层的装置元件 区域在垂直方向上彼此重叠并在纵向上彼此重合(在层的表面尺寸上)。
在本发明的一个方面中，提供了具有分布在装置元件区域上的多个连接器的 弹性结构(诸如图5A中所示的例子中的中间弹性层520)以垂直移动顶层。多个连接器便于使分布的支承不仅限于边缘(外围区域)。在图5A所示的示例性结构中，
例如，顶板540通过多个板弹性连接器530、 530a和530b连接到中间弹性层520。 尽管连接器530b位于由分离沟槽515限定的装置元件外围附近，但其它连接器530 和530a朝向装置元件区域的中心充分远离装置元件的外围以提供对顶板层540更 灵活、更有效且更分散的支承。该分布式支承可有助于构造较大尺寸的cMUT元 件。
然而，对于具有很高的工作频率的cMUT，图5C-5D中示出的基本单元可用 作完整的CMUT装置或元件。
图5B是在不示出顶板540的情况下的cMUT元件500的示意性俯视图。图 5A中示出了沿图5B显示的虚线截取的cMUT元件500的横截面图。在该示例性 构造中，cMUT元件500 —般形成同心正方形图案。中心是位于简单形状的空腔 502的顶部的简单的分立连接器530(如图5A中的横截面图所示，连接器530位于 覆盖空腔502的中间层520上)，空腔502由圆形侧壁锚503围绕，而侧壁锚又由 圆形空腔502a围绕。另一个较大的圆形连接器530a位于圆形空腔502a的顶部， 空腔502a由下一级的圆形侧壁锚503a围绕。然而，正如图6-10中所示，各种不 同的构造对于本发明是可能的。
图5C是所选择的cMUT部分510的放大图，它是完整的cMUT元件500的 一部分。所选择的cMUT部分510是完整的cMUT元件500(和其它cMUT元件500A 和500B)的基本单元。所选的cMUT部分510的结构提供了理解完整的cMUT元 件500的基础。
如图5C所示，所选择的cMUT部分510包括以从顶部至底部通过该结构的想 象的垂直线(未示出)为中心的两个半部分。如所述，对于具有高工作频率的诸如 CMUT之类的特定应用， 一个完整的CMUT元件或装置可仅使用一个cMUT部分 510。对于其它应用，较佳的是使用图5C和图5D所示的多个基本单元的组合。
cMUT元件的基本结构单元构造在衬底晶片501上，衬底顶部有支承特征部 (在下文中称为"侧壁锚")503，后者具有在两个相对的侧上的两个侧壁，分别作 为空腔502和502a的边界。支承特征部(侧壁锚)503可以是作为形成空腔502和 502a的结果形成的衬底501的集成部分，但也可以是附加到分离衬底上的附加的 结构。在一个实施例中，例如，侧壁锚503是中间弹性层520的一部分。衬底501 可以由诸如硅或多晶硅之类的非导电材料或导电材料制成。在侧壁锚503是分离结 构的构造中，侧壁锚503的导电率可与衬底501的导电率相同或不同。例如，衬底501可由非导电材料制成而侧壁锚503是诸如硅或多晶硅之类的导电材料。
所示cMUT结构还具有位于侧壁锚503的另一侧的第二空腔502a。取决于如 何及何处从cMUT元件500取得cMUT部分510，第二空腔502a可属于不同的和 分离的空腔，或仅仅是与空腔502相同的圆形或延伸空腔的另一部分。所选择的 cMUT部分510在另一半中还具有第二连接器530a。此外，取决于如何及何处从 cMUT元件500取得cMUT部分510，第二连接器530a可以是不同的或分离的连 接器的一部分，或仅仅是与连接器530相同的圆形或延伸连接器的一部分。
cMUT结构部分510还具有这些部件中间弹性层520，它较佳的是弹性膜； 位于中间弹性层520上的底电极525;位于中间弹性层520顶部的连接器530;位 于连接器530上的绝缘层535;通过介于其间的绝缘层535连接到连接器530的顶 板540以及顶电极550。
连接器530从中间弹性层520直立以在顶板540下限定换能空间560。换能空 间560 —般限定在顶板层540和中间弹性层520的顶部表面或侧壁锚503的顶部表 面中较高的表面之间。当在顶板层540和中间弹性层520的顶部表面或侧壁锚503 的顶部表面之间有介入层时，可用的换能空间可能减小。例如，如果将另一层沉积 在中间弹性层520或侧壁锚503上，而将又一层沉积在顶板540的底部，则将换能 空间限定在这两个介入层之间。在图5C所示的示例性构造中，可用的换能空间560 的实际高度减掉绝缘层535、底电极525和中间弹性层520的厚度。应注意在某些 实施例中可将顶板层540和侧壁锚503的顶部表面之间的整个高度用于换能空间 560。例如，导电衬底晶片自身可用于实现衬底上的底电极(例如在侧壁锚503上)， 而不需要单独的电极层；而悬臂可用在与侧壁锚503的顶部表面齐平或低于该表面 的侧面连接到侧壁锚503的中间弹性层的部分来形成，而不是利用位于侧壁锚503 的顶部的连续的中间弹性层。
在某些实施例中，包括侧壁锚503和中间弹性层520的两衬底501是均导电 的。在这种情况下，衬底501可用作导体以接入导电的中间弹性层520，而中间弹 性层520可用作底电极。
连接器530在水平方向上远离侧壁锚503足够的长度，以限定锚固在侧壁锚 503的悬臂，并具有在连接器530上的施力端522。悬臂和空腔502实现连接器530 的垂直位移，这使顶板540以类似于活塞的运动基本垂直地运动，由此改变了换能 空间560。当cMUT结构510的两个半部分以相同的相位运动时，进一步保证了垂 直的类似于活塞的运动。在所示的具体的例子中，侧壁锚503的顶部表面由中间弹性层520覆盖，弹 性层进而由底电极525覆盖。此外，顶板540和连接器530不直接相互连接，而由 其间的绝缘层535介于其间。因此顶板540和侧壁锚503的顶部表面之间的换能空 间560由中间弹性层520、底电极525和绝缘层535部分地占据。应注意，覆盖侧 壁锚503的顶部表面的中间弹性层520的部分、底电极525和绝缘层535是可选的。 在任何情况下，为了实现预期的能量转换，如果结构中包括额外的层，则换能空间 560不应完全由这些额外的层占据。
图5D是不同选择的cMUT部分511的放大图，它是完整的cMUT元件500 的另一部分。与图5C中所示的所选择的cMUT部分510相比，所选的cMUT部分 511从偏移的位置取得。所选择的cMUT部分511构造在衬底501上，它具有以两 个相反侧面上的两个侧壁锚503和503a作为边界的空腔502。 cMUT结构部分511 还具有这些组件中间弹性层520、位于中间弹性层520上的底电极525、位于中 间弹性层520的顶上的连接器530、位于连接器530上的绝缘层535、通过介入的 绝缘层535连接到连接器530的顶板540和顶电极550。
连接器530(也在图5中示出)位于中间弹性层上，并在水平方向上远离两个侧 壁锚503和侧壁锚503a的侧壁。侧壁锚503和侧壁锚503a之间的中间弹性层520 限定了在侧壁锚503和侧壁锚503a处锚固的双悬臂。双悬臂在位置522处头对头 地连接，在此处设置连接器530以形成桥。
顶板540位于连接器530上，连接器530将顶板540与中间弹性层520分离 以在顶板下限定换能空间560。双悬臂和空腔502实现连接器530的垂直位移，这 基本垂直地移动顶板540，因此改变换能空间并激活用于能量转换的换能器的换能 构件。
以上的新颖的cMUT设计基本去除了单元绝缘壁的传统的概念，传统概念将 cMUT元件分为单元并需要在每一个cMUT单元的周界支承并夹紧膜。图1所示 的常规的cMUT设计一包括美国专利第7,030,536号中公开的cMUT设计，那些设 计都需要在每一个cMUT单元的周界处的单元绝缘壁(例如，图1A-1C中的单元绝 缘壁18或图4A-4B中的柔性单元绝缘壁48)以支承和夹紧膜的周界。单元绝缘壁 限定了现有技术的cMUT单元。在由绝缘壁限定的周界内，现有技术cMUT结构 中的底电极直接沉积在衬底11上(图l)或沉积在与单元绝缘壁分离的底座43的顶 部(图4A)。由于大部分膜(图1中的16或图4A中的46)是未被支承的，所以每一 个单元的尺寸和用于该膜的的材料的选择是受限制的。
22相反，以图5A和5B所示的cMUT设计，cMUT元件不再需要分为单元因此 不需要绝缘壁来限定单元周界。顶板层540和顶电极550由弹性结构(所示实施例 中的多个悬臂)通过基于需要自由布置和分布的多个连接器来支承，因此将顶板层 540的整个负载有效分布在多个弹簧(悬臂)上。这解决了现有技术设计内在的单元 受限制的问题。中间弹性层520和底电极525由也可基于需要分布在整个衬底晶片 501上的多个侧壁锚503支承，而不限于外围区域。没有中心底座和分离的外围柔 性支承结构。仅需要分布在整个装置元件区域上的多个侧壁锚503来支承中间弹性 层520和底电极525。每一个侧壁锚503既用作底电极的支承又用作对应的悬臂的 锚(或在图5A或5B中示出的构造中的两个悬臂，侧壁锚503的每一侧有一个)。
以此设计，可形成具有很大的有效区域的cMUT元件。cMUT元件的工作频 率或频率响应不仅可由用于顶板540的材料的选择来调节而且可由多个悬臂的构 造一包括各个悬臂的弹性强度和cMUT元件的区域中悬臂分布密度情况一来调节。
原则上，本发明的cMUT元件的活动面积可显著大于关于常规的cMUT结构 可能的活动面积。cMUT的活动面积可定义为总的可移动面积。对于相当的总尺寸 (cMUT元件面积)的cMUT元件，本发明的cMUT元件的活动面积仍然比常规的 cMUT元件的中的多个cMUT单元的总的活动面积大得多。例如，本发明的cMUT 的活动面积接近元件(装置)面积的100%，而常规的cMUT元件的多个cMUT单元 的总的活动面积可以是元件(装置)面积的约60-90%之间。通常，工作频率越高， 对于常规的cMUT来说活动面积的百分比越低。此外，即使对于给定的可移动面 积，本发明的cMUT可能产生较大的有效活动面积，它可定义为有效电场激发电 容器的面积。 '
衬底晶片501上形成的整个顶板540是可移动的，而没有任何夹紧或固定的 区域。如果期望的话，多个cMUT元件可通过形成穿过顶板540和中间弹性层520 的分离沟槽515来形成。然而，原则上，具有很大的活动面积的整个cMUT结构 可用作单个cMUT元件。
此外，以图5A和5B中的cMUT结构设计，顶板540可分为尺寸和形状相同 或不同的多个较小的顶板。每一个较小的顶板可作为单个cMUT元件寻址；或者 多个较小的顶板可结合在一起并作为单个cMUT元件寻址。
此外，与常规cMUT中在其边缘(或柱)处夹紧的柔性膜不同，可将图5A和5B 中示出的顶板540设计成柔性或刚性的。以刚性顶板，包括任何数量的分离的较小 的顶板540的cMUT的整个表面可以非常均匀的位移分布运动。位置。底电极525可位于 衬底晶片501上和/或中间弹性层520的一部分上。顶板540由施加在两电极550 和525之间的电场激励以向介质中发射超声，而如果超声冲击顶板540导致两电极 550和525之间的电容改变则可检测到该超声。
在图5A和5B所示的示例性cMUT结构中，中间弹性层520是位于多个侧壁 锚503和多个空腔502的顶部上的连续层。中间弹性层520因此在长度方向(即， 在横向或表面维度上)上占据整个装置元件面积。该构造使得整个顶板540通过连 接器530由悬臂支承，该连接器530位于或分布在整个装置元件面积上，而不限于 位于元件的边缘附近。然而，应意识到中间弹性层520可包括在某些点处互相连接 或彼此完全分离的多个小部分。具体地，中间弹性层520的部分以下面的方式使用 每一个部分连接或锚固在相应的侧壁锚503上并覆盖相应的空腔502的至少一部 分，以允许形成悬臂，但使部分侧壁锚503的顶表面未覆盖。这种构造允许将不同 材料和不同厚度用于中间弹性层520的灵活性，但可使制造工艺变复杂。
不管中间弹性层的构造如何，可设想在某些较佳的实施例中，形成悬臂的锚 表面(侧壁锚503的顶表面)和cMUT元件500的相关联的悬臂面积一起覆盖装置元 件面积的至少一半，以实现顶板540的有效分布的悬臂支承和较大的有效活动面 积。可将悬臂面积定义为空腔的总面积，或者中间弹性层520覆盖空腔的总面积。 较佳的是，形成悬臂的锚的面积和悬臂面积至少是装置元件面积的80%,正如图 5A所示的情况，接近装置元件面积的则100%更佳。不需要不用于锚固悬臂的底 座，且较佳的是在衬底晶片501的装置元件表面内根本不形成底座，以使如上所述 形成悬臂的锚的面积最大化。在某些实施例中，使悬臂面积和相关联的连接器面积 最小化同时使形成悬臂的锚的面积最大化，用于更高效的能量转换的电场面积。对 于给定数量的悬臂，可通过利用较薄的中间弹性层和较短的悬臂尺寸同时仍实现期 望的弹性强度来使悬臂面积最小化。这些构造与具有用于夹紧膜的周界支承的现有 技术设计相比具有潜在的优点。
在本发明的一般的原理内，在每一个可寻址装置元件的总尺寸；空腔的尺寸、 形状和布置；用于悬臂的锚的尺寸、形状和布置；连接器的尺寸、形状和布置；以 及每一层(衬底晶片、中间弹性层和顶板层)的厚度、形状、分隔(分离)图案和材料 选择方面有很大的自由设计选择余地。
根据本发明的cMUT元件不再必须由各自具有柔性膜的多个单元形成。相反， cMUT元件可具有单个(刚性或柔性)顶板。即使采用多个顶板，这些顶板也不必类似于现有技术中的每一个单元的膜那样在某些单元边界处夹紧。多个顶板也不必互 相一致。 一般而言，即使具有多个顶板，仅小数量的顶板对于每一个可寻址装置元 件是必须的，比在常规的CMUT设计中所需的单独夹紧的单元的数量小得多。
由弹性中间层形成的悬臂用作可以是各种弹性强度、尺寸和密度变化的嵌入 式弹簧。这些嵌入式弹簧可由单个连续的柔性膜形成或由相同或不同尺寸和形状的
多个柔性膜形成。可设计板弹簧连接器(例如，连接器530)的位置以获得在cMUT 工作期间用于顶板的最佳的位移或获得cMUT的期望的频率响应。也可调节顶板 540的结构，诸如利用较小的顶板部分，以实现对具有相对大尺寸的cMUT元件的 期望的频率响应。
总之，与现有技术的cMUT不同，在本发明的换能器表面上没有夹紧(或固定) 区域，并且cMUT的顶部表面可由单个顶板或多个顶板形成，它们由在关键位置 布置的弹簧(悬臂)支承。结果，根据本发明的cMUT具有解决在背景技术部分提到 的现有技术cMUT的很多问题的可能性。这些可能的优点可包括
(1) 因为换能器的整个顶部表面是可移动的并具有十分一致的位移，所以可提 高cMUT元件的两电极之间的平均位移和平均电场。这可得到更好的发射和接收 性能。
(2) 以本发明的设计，可制造没有或具有非常小的不活动表面面积的换能器， 使得装置填充因数接近完美。这对于高频cMUT尤其重要，因为换能器尺寸很小。
(3) 可通过选择适当性能的中间弹性层来显著降低换能器的寄生电容。例如， 可将非导电材料用于中间弹性层。这提高了换能器的灵敏度。
(4) 可通过将适当的材料用于中间弹性层来提高换能器击穿电压，使得可在两 电极之间获得高的电场以提高装置性能。
(5) 可通过增加顶板的硬度来进一步提高cMUT表面位移的均匀性。用适当选 择的顶板厚度，cMUT表面位移对从换能器表面发射的超声波图案具有最小的影响 或没有影响。
(6) 因为以新的设计可去除cMUT元件表面内的cMUT单元边界图案，所以没 有由这种单元边界图案导致的高频限制。这可提高cMUT的带宽。
(7) 在不需要在每一个cMUT元件中使用大量的单元的情况下，cMUT表面上 的不同位置(不同单元)处运动的相位差最小化。如果采用刚性顶板尤其如此。这可 改进装置性能，尤其是在cMUT工作在高品质因数(Q因数)条件下，例如，在空气 或低压环境中。(8) cMUT的锚(用于锚固中间弹性层520的侧壁锚503)可做得略小于顶板，使 得cMUT元件边缘有更多的空间用于在cMUT元件之间添加去耦合元件以降低交 叉耦合。
(9) 本发明对MUT提供比现有技术更大的设计灵活性。例如，可将顶板540 设计成不同的形状和构造；嵌入式弹簧(例如、如图5A-5D所示由中间弹性层形成 的悬臂)可通过选择适当的膜尺寸具有不同的形状和不同的弹性常数。此外，嵌入 式弹簧可附连到顶板540上的不同位置。
图6-11示出根据本发明的弹簧(悬臂)分布的五个示例性设计。图6示出根据 本发明的可寻址cMUT元件的第一例子中顶板层下的空腔、锚和连接器的表面图 案的示意图。可寻址cMUT元件600具有总体的正方形形状，并包括-
(1) 限定cMUT元件600的外缘的环形的外围空腔602a;
(2) 位于外围空腔602a上的圆形连接器630a;
(3) 由外围空腔602a围绕的外部锚603a，外部的锚603a在除所示的内部开口 区域外的整个衬底晶片的一般装置元件区域上连续；
(4) 四个相同的内部空腔602b，每一个都具有环形形状，每一个空腔602b将 衬底晶片分为内岛(对应的锚603b)和外部区域(在该具体的例子中的共用的外部锚 603 a);
(5) 四个相同的内圆连接器630b，各自位于相应的内部空腔602b上；以及
(6) 由相应的内部空腔602b围绕的四个相同的内部锚603b。 在该例子中，装备锚603a通过中间弹性层(未示出)连接到圆形连接器630a。
中间弹性层可以是覆盖整个装置元件区域的连续的单层，或者是在所选择的位置处 连接到锚的分离的区域。尽管中间弹性层在其垂直尺寸上很薄，但它在表面上(长 度或横向尺寸上)可以是任何期望的跨度或尺寸直到覆盖整个装置元件区域。较佳 的是中间弹性层在大区域上是连续的，以形成平面悬臂而不是分离的窄的条形悬 臂。在图6所示的例子中，因为圆形连接器630a是连续的闭合圆，所以单一平面 悬臂可在外围空腔602a上形成，在外部锚603a的圆外缘处锚固。然而，应意识到， 连接器630a(或本文中的其它连接器)可以是任何的样式的，包括分离的各部分。将 类似的构造可能应用到四个连接器630b和四个空腔602b上形成的悬臂。应意识到， 可在不背离本发明的一般概念的情况下相当自由地改变空腔602b、连接器630b和 锚603b的形状和相对尺寸。具体地，在本说明书中使用的术语"圆"是指具有基 本的闭合端的构造的结构，而不以任何方式表示较佳的项或结构是圆形或任何其它的具体形状。
此外，可在外部锚603a或内部锚603b或两者上锚固空腔602b上形成的悬臂 (以形成头对头连接的类似于桥的双悬臂)。
图7示出根据本发明的可寻址cMUT元件的第二例子中顶板层下的空腔、锚 和连接器的表面图案的示意图。可寻址cMUT元件700具有总体的正方形形状， 并包括
(1) 尺寸递减的多个圆形空腔702a、 702b、 702c和702d，各自包含较小尺寸的 沟槽(如果有的话)；
(2) 分别位于空腔702a、702b、702c和702d上的多个圆形连接器器730a、730b、 730c和730d;以及
(3) 分别由空腔702a、 702b、 702c和702d围绕的多个锚703a、 703b、 703c和 703d。
用这些空腔、连接器和锚，以与上文讨论的方式类似的悬臂的各种结构是可 能的。
图8示出根据本发明的可寻址cMUT元件的第三例子中顶板层下的空腔、锚 和连接器的表面图案的示意图。可寻址cMUT元件800具有总体的正方形形状， 并包括
(1) 围绕外部圆形连接器830a的外部圆形空腔802a;
(2) 基本上互相平行的多个延伸的直空腔802b;
(3) 位于各个空腔802b上且基本上互相平行的多个延伸的直连接器830b;以
及
(4) 与其间的空腔802b交替并互相平行的多个延伸的直锚803b。
图9示出根据本发明的可寻址cMUT元件的第四例子中顶板层下的空腔、锚 和连接器的表面图案的示意图。可寻址cMUT元件900具有总体的正方形形状， 并包括
(1) 围绕外部圆形连接器930a的外部圆形空腔902a;
(2) 基本上互相平行的第一多个延伸的直空腔902b;
(3) 位于各个空腔902b上且基本上互相平行的第一多个延伸的直连接器930b;
(4) 基本上互相平行的第二多个延伸的直空腔902c;以及 (3)位于各个空腔卯2c上且基本上互相平行的第二多个延伸的直连接器930b。 第二多个延伸的直空腔902c与第一多个延伸的直空腔902b交叉以形成限定了分立的岛(锚)903的栅格的空腔的栅格。所得的空腔结构是多个小的正方形圆空腔。
图10示出示出根据本发明的可寻址cMUT元件的第五例子中顶板层下的空 腔、锚和连接器的表面图案的示意图。可寻址cMUT元件IOOO具有总体的正方形
形状，并包括
(1) 围绕外部的圆连接器1030a和连续的锚1003的外部圆空腔1002a;
(2) 互相分离并且并排布置的多个简单的空腔1002b;以及
(3) 位于各个简单的空腔上的多个分立的连接器1030b。
在该构造中，多个简单且分立的空腔1002b和多个分立的连接器1030b共用 公共的连续锚1003。
应注意，尽管图6-10中的示例性结构都具有限定可寻址cMUT元件的边界或 周界的外部的圆空腔，但不需要这一外部的圆空腔。这可利用参考图11的下一例 子示出。
图11是示出完整的cMUT元件1100和在其每一侧上的相邻的cMUT元件 1100A和1100B的部分的cMUT结构的横截面图。除形成cMUT元件(l 100、 1100A 和IIOOB)的间隔位于衬底上与图5A和5B不同的不同位置外，cMUT元件1100 十分类似于图5A和5B中的cMUT元件500。类似于图5A和5B中的cMUT结构， 图11中的cMUT结构构造在衬底晶片1101上并还具有中间弹性层1120和顶板 1140。 cMUT元件1100、 1102禾口 1104由穿过顶板1140和中间弹性层1120形成的 分离沟槽1115来分离。因为分离沟槽1115切穿换能空间1160而不是连接器 U30(如图5A和5B的情况)，在晶片衬底层上的cMUT元件1100的边界是锚1103 的一半而不是如cMUT元件结构500中的空腔。
此外，图6-10中的示例性结构都具有围绕cMUT元件的主体的圆形连接器， 在cMUT元件的外部周界的这一圆形连接器可用于在制造期间密封cMUT元件。 对于液态介质的应用密封是必要的，但对于空气或真空中的应用是不必要的。在任 何情况下，不需要在外部周界处的圆形连接器。
如以上的例子所示，各种结构在本发明的精神范围内是可用的。可通过形成 空腔在衬底晶片上形成岛。尽管原理上未必所有的岛都用作锚以形成悬臂，但较佳 的是尽可能多的岛被有效地用作锚，以优化性能和设计自由。
如以上的例子所示，可在形成悬臂的区域中形成多个悬臂。中间弹性层可具 有连接到顶板层的多个连接器。多个连接器可分布在装置元件区上以限定表示在中间弹性层上每一个位置处每个区域的平均连接器密度的连接器密度分布。可将每一 个连接器和其对应的悬臂视为具有弹性强度的弹簧，它在与该位置处各自的平均连 接器密度结合时可限定有效的弹簧密度分布。例如，可将有效的弹簧密度定义为一 位置处每单位面积的弹性强度，它可通过将各个悬臂的弹性强度和单位面积中悬臂 的数量(弹性密度)结合来确定。
正如本文所述的例子中所示，锚(例如，侧壁锚503)及其对应的连接器可以按 任何图案分布在衬底晶片上以实现期望的支承特性，诸如装置频率响应和模式形 状。
图12A-12J示出了弹簧(悬臂)分布图的例子。这些例子还将弹簧分布图与顶板
层的特定的形状和图案相结合。
图12A示出具有多个相同的悬臂的cMUT元件1200A，每一个悬臂都由弹簧 符号1270表示并均匀分布在装置元件区域上。所得的有效弹性强度在装置元件区 域中是基本一致的。
图12B示出具有由弹簧1270a和弹簧1270b表示的两种类型的悬臂的另一个 cMUT元件1200B。弹簧1270b利用较粗的弹簧符号以表示较强的弹性强度。在该 例子中，有效的弹性强度在装置元件区域的中心附近的区域位置显著高于装置元件 区域的周界附近的位置。
图12C示出具有由弹簧1270a和较强的弹簧1270b表示的两种类型的悬臂的 另一个cMUT元件1200C。在该例子中，有效的弹性强度在装置元件区域的中心 附近的区域位置低于装置元件区域的周界附近的位置。此外，弹簧1270a不均匀地 分布在装置元件区域中。
图12D示出具有由弹簧1270a和较强的弹簧1270b表示的两种类型的悬臂的 另一个cMUT元件1200D。在该例子中，装置元件区域包括第一区1210a和第二 区1210b。顶板层1240D的厚度在第一区1210a中比第二区1210b中要大。第一区 1210a中的厚度可对应于顶板层1240D的正常厚度，而第二区1210b中的厚度可对 应于形成于顶板层1240D上的空腔的底部厚度。
图12E示出具有由弹簧1270表示的多个悬臂的另一个cMUT元件1200E。在 该例子中，顶板层1240E具有含在装置元件区域中交替的两个不同的厚度1212a 和1212b的厚度分布。较大的厚度可对应于顶板层1240E的正常厚度，而较小的 厚度可对应于形成于顶板层1240E上的空腔的底部厚度。两个厚度1212a和1212b 可在装置元件区域上规则地交替。该构造可有助于提高顶板的刚度/质量比。图12F示出具有由弹簧1270表示的多个悬臂的另一个cMUT元件1200F。在 该例子中，顶板层1240F由两种不同的材料形成。第一材料可构成由分离沟槽1245 分割的多个部分1241。第一材料可构成由分离沟槽645分割的多个部分641。可将 第二材料设置为通过在沟槽645上跨越来连接部分641的连接器。第二材料642 可填充或部分填充沟槽645。
图12G示出由具有均匀分布在cMUT区域上由弹簧1270表示的多个悬臂的 另一个cMUT元件1200G。在该例子中，顶板层1240G具有厚度分布，其中顶板 层1240G在中心区域比在接近cMUT元件1200G的周界的区域厚。
图12H示出另一个cMUT元件1200H，除cMUT元件1200H具有由弹簧1270a 和较强的弹簧1270b表示的两种类型的悬臂外它与cMUT元件1200G类似。在 cMUT元件1200H的边缘处布置较强的弹簧1270b。
图121示出由具有均匀分布在cMUT区域的中间区域的弹簧1270表示的多个 悬臂的另一个cMUT元件12001。在该例子中，顶板层12401具有厚度分布，其中 顶板层1240G在cMUT元件的周界中比中间区域薄很多。在一个实施例中，顶板 层12401在周界附近很薄且柔软但在中间区域坚硬。在没有悬臂(弹簧)的支承的情 况下在周界侧壁1281处夹紧或接近夹紧顶板层12401。然而，即使在特殊的情况 下，除边缘外cMUT元件的表面内没有被夹紧(或固定)的区域，且cMUT元件12001 仍至少具有位于下面的嵌入式弹簧支承的顶板12491的中心部分，以便类似于活塞 运动地移动。因此，在这一特殊的构造中cMUT仍将得益于本发明相比于常规的 cMUT的潜在的优点。
图12J示出另一个cMUT元件1200J，除支承顶板层1240J的中部区域的弹簧 具有两种不同的弹性强度并以期望的分布图案分布外，它类似于cMUT元件12001。
可获得关于本发明的用于顶板和嵌入式弹簧的很多其它可能的cMUT设计。
利用本发明的设计灵活性，可使换能器形成具有期望频率响应和优化的发射 和接收性能。除如上所示的悬臂分布情况和材料选择、顶板层的质量和厚度分布的 变化外，可将实施例的其它特征或变化结合到根据本发明的微机电换能器。
在根据本发明的微机电换能器中材料的性质和尺寸、组件的形状和位置有很 多可能的组合。在电学上，期望材料和补充选择的组合应防止两cMUT电极之间 的电短路。还期望该组合应对于给定输入电压增强两电极之间的电场并降低cMUT 的寄生电容。重要的是选择具有较好可靠性的材料。例如，中间弹性层的机械可靠 性是重要的，因为该层承受装置的最大机械应力。为了这个因素，单晶硅是良好的选择。此外，可将中间弹性层的导电率设计得很低以减小寄生电容。因此，介电材 料(例如，氮化硅)是合适的。如果选择单晶硅作为用于中间弹性层的材料，则低掺 杂水平或本征硅可用作中间弹性层的原材料，随后在设计为底电极的区域中将被选 择并高度掺杂。
图13示出硅中间弹性层的掺杂分布剖面的例子。类似于本文示出的其它的
MUT结构，图13中的MUT结构具有空腔1302(在浸入应用中是真空密封的)、侧 壁锚1303、板弹簧连接器1330和顶板层1340。然而，图13中的MUT具有硅中 间弹性层，它具有两种不同类型的区域，它们是本征或很轻掺杂的硅区1320a和高 度掺杂的硅区1320b。可将高度掺杂的硅区1320b实现为底电极以取代如其它实施 例所示的沉积在中间弹性层上作为底电极的单独的导电层。或者，底电极可利用导 电衬底晶片1301来实现。
此外，不管如何制造或实现底电极，可在图13的中间弹性层中的区域1320a 和1320b之间形成不同的掺杂类型以在两区域之间形成PN结。这可通过在PN结 上选择适当的偏置电压来进一步增加换能器的击穿电压并减小寄生电容。
在本发明的cMUT结构中，顶电极可位于任何位置只要它与顶板一起运动即 可。但期望将顶电极设计成使两电极之间的电场最大化，而没有电短路。例如，如 果顶板是导电的(例如高掺杂硅)，则顶电极(通常是金属层)可位于顶板的顶部。如 果顶板是不导电的(例如，利用氮化硅、LTO或PMMA)，则顶电极可位于顶板层 的底侧，较佳的在位于板弹簧连接器上的绝缘层(例如，图5B中的绝缘层535)的 顶部。这有助于在两电极之间获得较强的电场。
用于在本发明的cMUT结构中形成或引入顶板的高度有效的方法是使用晶片 接合技术，其中将原始硅晶片或在绝缘层上具有期望的硅层的SOI晶片接合到衬 底和中间弹性层上。在那种情况下，所得的顶板将包括硅层或多晶硅层。为了本发 明设想的应用的目的这一层是相对导电的。相应地，可采用减小顶电极和底电极之 间的短路的可能性的措施。
诸如图5B中的绝缘层535之类的绝缘层被用于防止在工作期间两电极相互接 触的情况下两电极之间的短路。绝缘层可位于两电极之间限定的换能空间的顶侧或 底侧上。图5B中的绝缘层535是以前类型的构造的例子。通常，较佳的是使绝缘 层位于顶板的一侧而不是使其在中间弹性层上。这是因为需要良好地控制中间弹性 层的性质，而使绝缘层位于其上可对性质和行为的这种控制施加不利的限制。绝缘 层可以是连续的单层或图案化的。如果中间弹性层自身由介电材料形成(例如，氮化硅)，则绝缘层是可选的。
诸如绝缘层535之类的绝缘层的主要功能是防止两电极在cMUT工作期间短
路。然而，利用绝缘层可带来缺点。首先，它将捕集某些电荷，这将劣化换能器的 可靠性。其次，在绝缘层两端存在电压降，而该电压降可降低换能器的效率，尤其
是对于需要小的垂直位移和高的输入电压的cMUT(例如，高频cMUT)。
根据本发明的一个方面，以上的缺点可通过利用特殊的设计执行绝缘层的等 价功能以排除绝缘层535的需要来予以克服。
在一种设计中，衬底晶片中的空腔的深度(垂直高度)被设计成不大于最好是小 于顶板和中间弹性层之间的可用的换能空间的深度(垂直高度)。在该设计中，中间 弹性层可在导电顶板和顶电极触到底电极以导致两电极之间的短路之前由衬底晶 片中的空腔的底部终止。这可有效地防止顶板层接触底电极以导致短路，因此不需 要顶板层下的绝缘层。
如果期望用于中间弹性层下空腔具有很大的深度，则可将运动制动器引入空 腔以实现以下参考图14描述的类似的功能。
图14示出具有运动制动器以限制顶板的最大垂直位移的cMUT元件的所选的 部分的放大图。所选的cMUT部分1410类似于图5中的所选的cMUT部分510， 但具有运动制动器1490以防止短路。所选的cMUT部分1410具有以从顶部至底 部通过结构的想像的垂直线(未示出)为中心的两个半部分。cMUT元件的基本结构 构造在衬底晶片1401上并具有下列组件由侧壁锚1403限定的空腔1402;中间 弹性层1420,它较佳的是弹性膜；位于中间弹性层1400上的底电极1425、位于中 间弹性层1420顶部的连接器1430;顶板1440和顶电极1450。与图5A-5B中的cMUT 结构不同，在顶板层1440和连接器1430之间没有介入的绝缘层。
连接器1430从中间弹性层1420直立以限定在顶板层1440下的换能空间 1460。在该特定的实施例中，在图14中所示的构造中，换能空间1460的实际高度 Da减掉底电极1425和中间弹性层1420的厚度。连接器1430在水平方向上远离侧 壁锚1403足够的长度，以限定在侧壁锚1403处锚固的悬臂。悬臂和空腔1402实 现了连接器1430的垂直位移，这使顶板1440以类似于活塞的运动地基本垂直地运 动，因此该变了换能空间1460。当cMUT结构1410的两个半部分以同一相位运动 时，进一步保证了垂直的类似于活塞的运动。
如图14所示，连接器1430的最大垂直位置Dm由位于空腔1402中的运动停 止器1490限制。当将Dm设计成不大于(较佳的是小于)DJ寸，连接器1430的垂直
32位移(因此顶板层1440的最大垂直运动距离)被限制成小于换能空间Da的高度。这
有效地防止了顶板层1440接触底电极1425而导致短路。因此不需要顶板层1440 下的绝缘层。在较佳的实施例中，Dm至少比Da小1/3。
制动器14卯可位于不同的位置并具有期望的高度。此外，正如本文所述的其 它设计，如果衬底晶片1401和/或中间弹性层的至少一部分是导电的则底电极1425 是可选的。
一般而言，如果衬底晶片和中间弹性层是导电的，这些层较佳地应电连接在 一起(例如，以具有相同的电位)。或者，衬底晶片或中间弹性层中的任一个或两者 由绝缘材料制成。
理想的是，顶板应轻(即，具有较小的质量)并刚硬。第l谐振频率对顶板的总 质量的声学比一定义为刚度/质量比一可用于评价顶板的材料选择和结构设计。刚 度/质量比的值较高一般对于顶板较佳。以下描述了几种不同的设计考虑因素。
(1) 如果顶板由单一材料的固体板形成，则所选的材料自身应具有低的质量密 度和高的杨氏模量(例如，金刚石是用于这一目的的最佳材料中的一种)。
(2) 如果已经选择了某种材料用于顶板，某些结构设计可用于进一步提高刚度/ 质量比。例如，使材料多孔通常增加以上定义的刚度/质量比。多孔硅可通过在富 HF的电解质中的硅的电化学蚀刻来形成。对于另一个例子，可微加工顶板以具有 良好设计的空心结构以实现第1谐振频率对总质量的较大的比。微加工可通过利用 期望的掩模图案蚀刻来完成。
(3) 对于给定的材料，可引入某些处理以在不增加质量的情况下增加该材料的 等价杨氏模量。这样做的一种可能的方式是在材料中引入拉应力。例如，可在薄膜 形成时通过控制工艺参数来引入应力；如果使用硅也可通过适当的掺杂将应力引入 硅中。
也可将上述的考虑因素和方法应用到中间弹性层的材料。
顶板和中间弹性层均可以是微加工的结构，诸如多孔结构以实现改进的机械 性质。例如，顶板可由具有构造于其中的孔的板形成。或者孔可以是形成于顶板的 顶部的半穿透的空腔，而不穿透其整个厚度。还可在顶板内形成诸如孔隙之类的空 心结构，而在顶板的表面上没有开口或仅有很小的开口。
图15A-15D示出应用到顶板的有孔或空心结构，以优化诸如顶板的刚度/质量 比之类的性质。
图15A-15C示出本发明的顶板层的三个示例性构造。图15D示出为在三种构造中蚀刻孔的直径的函数的第1谐振频率对顶板总质量的对应的比的曲线图。在图
15A所示的第一种构造中，在顶板1540A上形成直径是8pm的孔1544A的阵列。 相邻孔之间的分隔距离是10,。在图15B所示的第二种构造中，在顶板1540B上 形成直径是4,的孔1544B的阵列。相邻孔之间的分隔距离是l(Him。在图15C 示的第三种构造中，采用其中没有形成孔的实心顶板1540C。
如图15D的图形所示，图15A所示的第一构造是较佳的顶板设计因为它表明 是最高的硬度/质量比。在这些图中，对于用于顶板的三种不同的硅结构设计的比 的结果由固体硅平面的比例归一化。
图15A-15C所示的空心结构仅仅是一些例子。应意识到具有不同的沟槽形状、 尺寸、密度和构造的很多其它可能的空心结构图案(例如，六边形、正方形或三角 形)可用于本发明的目的。例如，图15E示出具有构造于其中的孔的顶板的另一个 例子。顶板1540E具有从顶板1540E的侧面而不是主表面(例如，顶表面)构造的孔 1544E。
如果需要的话，可将空心结构设计成使得可利用具有期望性质的材料(例如， 轻且硬的材料)再次填充或密封孔。
一般而言，较佳的是顶板比中间弹性层要刚硬得多并且在通过连接器的垂直 位移移动时基本不弯曲。例如，如果相同或类似的材料用于顶板层和中间弹性层， 则期望顶板层的厚度至少是中间弹性层的厚度的三倍，是其厚度的至少五倍则更
在电容式微加工超声换能器(cMUT)中，底电极可在中间弹性层上或在衬底晶 片上。在本描述中，术语"在...上"不一定表示分离的材料或层位于另一层上。底 电极可以是中间弹性层或衬底晶片的一部分。例如，中间弹性层可包括导电材料以 实现底电极。
在一个实施例中，在同一衬底晶片上制造多个可寻址装置元件。如果衬底晶 片是导电晶片，则多个可寻址装置元件可通过形成于衬底晶片上的嵌入式绝缘体来 彼此绝缘。由共同申请人在同一日期提交的本文确认的几篇专利申请中公开的绝缘 体及其制造方法可用于该目的。例如，嵌入式绝缘体可具有绝缘空腔，它具有期望 的总厚度并由介电材料填充。嵌入式绝缘体或者可具有包括衬底晶片的自身氧化材 料的实心线条的图案化空腔。可在顶板层上形成类似的嵌入绝缘体。
本发明的微机电换能器可使用各种寻址方案以确定本文所述的可寻址装置元 件的地址。具体地，可从衬底晶片的背侧经由穿过衬底晶片形成的穿过晶片的互连
34确定可寻址装置元件的地址，正如由共同申请人在同一日期提交的文本确认的几篇 专利申请中公开的那样。例如，可采用导电衬底晶片，且由导电晶片的自身材料形 成的具有围绕穿过晶片的导体的环形沟槽的穿过晶片的互连可用于互连多个换能 器元件。穿过晶片的互连还可包括填充到环形沟槽的介电材料以将穿过晶片的导体 与衬底的晶片的其余部分绝缘。在一个实施例中，穿过晶片的导体直接位于可寻址 装置元件的下面。
尽管大部分利用CMUT作为例子说明了本发明的微机电换能器，还可利用根 据本发明的相同的概念来形成诸如pMUT和mMUT之类的其它类型的换能器。
图16示出根据本发明的示例性实施例的pMUT元件的一部分横截面图。 pMUT类似于本文示出的cMUT，并具有衬底晶片1601、空腔1602、侧壁锚1603、 中间弹性层1620、板弹簧连接器1630、顶板1640和位于中间弹性层1620上的压 电构件1675。与cMUT不同，pMUT结构不具有形成含有静止电极和可移动电极 的电容器的电极。相反，压电构件1675与由弹性的中间弹性层1620形成的悬臂结 合用作换能构件。每一个压电构件1675可包括将其间的压电层夹在中间的两个电 极。尽管在总体结构上类似，但pMUT的材料选择是不同的，因为由于不同的能 量转换方法，pMUT换能器中的电连接是不同的。
图17示出根据本发明的示例性实施例的mMUT元件的一部分的横截面图。 mMUT类似于本文示出的cMUT和pMUT，并具有衬底晶片1701、空腔1702、侧 壁锚1703、中间弹性层1720、板弹簧连接器1730、顶板1740和位于顶板层1740 上的磁性构件1775。与cMUT不同，mMUT结构不具有形成电容器的电极。磁性 构件1775用作换能构件或能量交换器，它们响应于由弹性的中间弹性层1720形成 的悬臂导致的顶板层1740的基本垂直的运动而激发顶板。尽管在总体结构上类似， 但mMUT的材料选择是不同的，因为由于不同的能量转换方法，mMUT换能器中 的电连接是不同的。
本文所述的微机电换能器的基本结构可与集成电路(IC)集成。图18示出了与 IC集成的cMUT的横截面图。cMUT 1800包括衬底晶片1801、空腔1802、侧壁 锚1803、中间弹性层1820、板弹簧连接器1830、顶板1840、顶电极1850、底电 极1825以及构造在顶板1840上的集成电路1849。金属化可用于形成cMUT 1800 的顶电极1850并将附近的cMUT元件与IC连接。
因为顶板1840可用具有期望性质(晶向、掺杂水平和类型以及厚度等)的单晶 硅形成，所以集成电路(IC)1849可直接制造在顶板1840上以实现如图18所示的集成。可在板1840的顶部形成或放置后立即制造IC 1849。在该工艺阶段，具有嵌入 式换能器的制造的晶片的表面是顶板层1840的裸面，这与最初的晶片几乎相同。 因此可通过标准的IC制造方法来制造IC 1849。应仔细选择制造IC 1849后的工艺 使得IC不会被随后的工艺损坏(例如，温度或蚀刻剂)。通常在形成或放置顶板1840 后，不需要高温工艺来完成换能器的制造，以便使集成可行。
可在所示的装置元件区内在cMUT顶板1840的顶部上制造IC1849，或在装 置元件区外(未示出)的顶板1840上的邻接区域，诸如在两个装置元件之间为IC制 造保留的区域中制造。
或者，可引入具有预先形成的期望的IC的晶片并在换能器制造期间与cMUT 晶片接合以实现集成。应仔细选择引入IC晶片后的工艺以避免在余下的工艺步骤 期间损坏IC。
本发明的微机电换能器可利用由共同申请人在同一日期提交的本文确认的几 篇专利申请中描述的制造方法来制造。用于制造本发明的基本的微机电换能器的制 造方法包括(l)利用晶片接合技术制造；(2)利用牺牲技术制造；以及(3)利用晶片接 合和牺牲技术的组合制造。
除互连的任何其它可用的设计和方法外，还可采用本文确认的几篇专利申请 中公开的连接和互连的设计和制造。
在某些应用中需要密封微机电换能器元件之间的沟槽。例如，密封结构可有 助于防止介质或湿气漏入沟槽。也可将密封结构设计成使元件之间的耦合最小化并 提供元件之间的电连接。可在装置制造期间或之后密封沟槽。可采用本文确认的几 篇专利申请中公开的用于密封装置元件之间的沟槽的技术。
本发明的诸如cMUT之类的微机电装置可能需要通过接合引线或探针互连至 外部。为此，需要电接口焊盘(例如，引线接合焊盘或探针焊盘)。接口悍盘通常引 入某些不希望有的寄生参数(例如，寄生电容或电感)。为了改善换能器性能，需要 使寄生参数最小化。
除用于减小寄生电容的任何可用方法外，还可采用了本文确定的几篇专利 申请中公开的通过增加互联焊盘下的绝缘体的厚度来减小互联焊盘的寄生电 容的新颖的方法。该方法允许衬底上的绝缘层的厚度由蚀刻深度确定而不是由 膜沉积的厚度确定，因此可制造厚度显著大于利用膜沉积技术可能的厚度的绝 缘体。
结合附图和示例性实施例详细描述了根据本发明的微机电换能器。换能器可潜在地减少或排除关于现有技术的很多问题。本发明不必利用大量的较小的 单元来形成可寻址换能器元件。利用该技术，对于每一个可寻址换能元件必须 是少得多的单元或仅一个单元。本发明的微机电换能器的设计尤其适合于电容 式微加工超声换能器(CMUT)的应用，但也可用于具有可移动的机械部件以转换 能量的其它的微机械装置。
具体地，根据本发明的微机电换能器可利用名为"THROUGH-WAFER INTERCONNECTION"代理机构案号为03004.01名为"METHODS FOR FABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES"，代理机构案号 为03004.02以及名为"MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS" 代理机构案号为03004.04的国际专利申请(PCT)中公开的新颖的制造方法来制 造，这些专利申请都由共同的申请人在同一日期提交。这些专利申请通过引用 结合与此。
在以上的说明中，参考其特定的实施例描述了本发明公开内容，但本领域 的技术人员将意识到本发明公开内容不限于此。上述发明公开内容中的各个特 征和方面可单独或结合地使用。此外，本发明公开内容可在除本文以外描述的 很多种环境和应用中使用，而不背离说明书的较宽的精神和范围。我们要求专 利保护落入所附权利要求的范围和精神内的各种修改和变化。因此，应将说明 书和附图视为说明性的而不是限制性的。应意识到如本文所使用的术语"包 括"、"包含"和"具有"明确地确定为开放式技术术语。
权利要求
1.一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。
2. 如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述弹性结构包括 布置在所述衬底上的中间弹性层，所述中间弹性层和所述衬底在所述装置元件 区内限定至少一个空腔，所述空腔将所述装置元件区分为至少两个相对的侧， 至少一侧具有锚固所述中间弹性层的锚，并且其中所述多个连接器各自在水平方向上离开所述锚足够的长度，以在所述连接器和所述锚之间限定悬臂。
3. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，将所述顶板布置在 所述多个连接器上，每一个连接器具有从所述中间弹性层的顶部直立的期望的 高度，以将所述顶板从所述中间弹性层分离以在所述顶板层下限定所述换能空间。
4. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底和所述中 间弹性层限定多个空腔，所述多个空腔将所述装置元件区分为几部分，每一个 所述部分都充分小于所述装置元件区。
5. 如权利要求4所述的微机电换能器，其特征在于，所述多个空腔包括 将所述装置元件区分为多个岛的第一多个延伸空腔，其中所述岛中的至少某些锚固所述中间弹性层。
6. 如权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一多个延伸 空腔包括基本上互相平行的直空腔。
7. 如权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一多个延伸 空腔包括圆空腔。
8. 如权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一多个延伸 空腔包括尺寸递减的圆空腔，每一个都包括较小尺寸的特征空腔(secular cavities)。
9. 如权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一多个延伸 空腔包括并排排列的类似尺寸的圆空腔。
10. 如权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，所述多个空腔包括 第二多个延伸空腔，且其中所述第二多个延伸空腔与所述第一多个延伸空腔交 叉以形成限定多个分立的岛的空腔的栅格，其中所述多个分立的岛中的至少某 些锚固所述中间弹性层。
11. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底具有多个 并排排列的多个分立的简单空腔。
12. 如权利要求11所述的微机电换能器，其特征在于，每一个所述分立 的简单空腔将所述衬底分为各个内岛和共用的外部部分。
13. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述至少一个空腔 和所述对应的锚一起占据所述装置元件区的至少一半。
14. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，在所述可寻址装置 元件中，所述中间弹性层是覆盖所述至少一个空腔和所述对应的锚的连续层。
15. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述中间弹性层是基本覆盖所述整个装置元件区的连续层。
16. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述至少一个空腔 具有将所述装置元件区分为内部岛和外部区域的环形。
17. 如权利要求16所述的微机电换能器，其特征在于，所述内部岛锚固 所述中间弹性层。
18. 如权利要求16所述的微机电换能器，其特征在于，所述内部岛和所 述夕卜部区域均锚固所述中间弹性层。
19. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述至少一个空腔的两相对侧是两个相对的锚，每一个都锚固所述中间弹性层。
20. 如权利要求19所述的微机电换能器，其特征在于，所述至少一个连 接器位于所述两个相对的锚之间并在水平方向上离开所述两相对的锚中的每 一个足够的长度以限定头对头连接的两悬臂。
21. 如权利要求2所述的微机电换能器，其特征在于，所述空腔具有环形，所述中间弹性层覆盖所述整个空腔，并且所述至少一个连接器位于所述空腔的 中间区域的正上方的环形周围，以限定二维平面悬臂。
22. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，所述多个连接器限 定连接器密度分布，所述连接器密度分布图表示每个区域位置的平均连接器密 度，并且所述弹性结构具有对应于作为施力点的每个连接器的弹性强度，其中 所述平均连接器密度和所述弹簧长度结合起来限定了表示每区域位置的弹性 强度的有效弹性强度分布。
23. 如权利要求22所述的微机电换能器，其特征在于，所述有效弹性强 度在所述装置元件区域上基本一致。
24. 如权利要求22所述的微机电换能器，其特征在于，所述有效弹性强 度在所述装置元件区的中心附近的区域位置比所述装置元件区域的周界附近 的位置高。
25. 如权利要求22所述的微机电换能器，其特征在于，所述装置元件区 域包括第一区和第二区，所述第一区具有所述顶板层的第一厚度和第一有效弹 性强度，而所述第二区具有所述顶板层的第二厚度和第二有效弹性强度，所述 第二厚度小于所述第一厚度，并且所述第二有效弹性强度小于所述第一有效弹 性强度。
26. 如权利要求22所述的微机电换能器，其特征在于，所述装置元件区 域包括围绕中间区域的周界，其中所述顶板层在周界附近柔软，但在所述中间 区域硬，所述顶板层在所述周界侧壁处夹紧并在中间区域由至少一个悬臂支 承。
27. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，在所述可寻址装置 元件中所述顶板具有在所述装置元件区上具有至少两种不同的厚度的厚度分 布。
28. 如权利要求27所述的微机电换能器，其特征在于，所述至少两种不 同的厚度包括对应于所述顶板层的正常厚度的第一厚度和对应于形成于所述顶板层上的所述空腔的底部厚度的第二厚度，所述第一厚度和所述第二厚度在 所述装置元件区域上规则交替。
29. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板层包括第 一材料和与第一材料不同的第二材料。
30. 如权利要求29所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一材料包 括由分离沟槽分割的多个部分，而所述第二材料跨越所述沟槽以机械连接诸部 分和/或部分填充所述分离沟槽。
31. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器 是电容式微加工超声换能器(cMUT)，其中所述可寻址装置元件具有在所述顶板 层上的顶电极和在所述弹性结构或所述衬底上的底电极。
32. 如权利要求31所述的微机电换能器，其特征在于，所述弹性结构包 括中间弹性层，且所述底电极在所述中间弹性层上。
33. 如权利要求32所述的微机电换能器，其特征在于，所述中间弹性层 包括导电材料以实现所述底电极。
34. 如权利要求31所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶电极是沉 积在所述顶板层上的分离的导电层。
35. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，所述换能器包括多 个可寻址装置元件。
36. 如权利要求35所述的微机电换能器，其特征在于，所述多个可寻址 装置元件由穿过所述顶板的至少一部分形成的分离沟槽分离。
37. 如权利要求35所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底是导电 晶片，所述多个可寻址装置元件通过形成于所述衬底上的嵌入式绝缘体彼此绝 缘，并且所述嵌入式绝缘体包括具有期望总厚度并由介电材料填充的绝缘空 腔。
38. 如权利要求35所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底是导电 晶片，所述多个可寻址装置元件各自由形成于所述衬底上的嵌入式绝缘体绝 缘，所述嵌入式绝缘体包括含有所述衬底的自身氧化材料的实心线条的图案化 空腔。
39. 如权利要求35所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底是导电 晶片，且所述多个可寻址装置元件各自由形成于所述顶板层上的嵌入式绝缘体 绝缘，所述嵌入式绝缘体包括含有所述顶板层的自身氧化材料的实心线条的图案化空腔。
40. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，从所述衬底的背侧经由穿过所述衬底形成的穿过晶片的互连来寻址所述可寻址装置元件。
41. 如权利要求40所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底是导电 晶片，且所述穿过晶片的互连包括围绕由所述导电晶片的自身材料制成的穿过 晶片的导体的环形沟槽。
42. 如权利要求41所述的微机电换能器，其特征在于，所述穿过晶片的 互连还包括填充到所述环形沟槽的介电材料，以将所述穿过晶片的导体与所述 衬底的剩余的部分绝缘。
43. 如权利要求41所述的微机电换能器，其特征在于，所述穿过晶片的 导体直接位于所述可寻址装置元件之下。
44. 如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器 是pMUT，其中所述换能构件包括设置在所述顶板或所述中间弹性层上的压电构 件。
45. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器 是mMUT，其中所述换能构件包括设置在所述顶板层上的磁性构件。
46. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板层包括形 成于其中的孔。
47. 如权利要求46所述的微机电换能器，其特征在于，所述孔具有对顶 板层的期望的刚度/质量比优化的尺寸和位置分布。
48. 如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述连接器的垂直 位移被限制在不大于所述换能空间的高度的最大位移。
49. 如权利要求48所述的微机电换能器，其特征在于，所述连接器的最 大位移比所述换能空间的高度小至少1/3。
50. 如权利要求48所述的微机电换能器，其特征在于，所述连接器的最 大垂直位移由设置在所述空腔中的运动制动器限制。
51. 如权利要求l所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板比所述弹 性结构显著刚硬，并且在通过所述连接器的垂直位移移动时基本不弯曲。
52. —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 括依后面的顺序排列的衬底、中间弹性层和顶板层，使得所述顶板层的底侧面 面向所述中间弹性层的顶侧面，而所述中间弹性层的底侧面面向所述衬底的前侧面，其中所述换能器包括至少一个可寻址装置元件，所述至少一个可寻址装 置元件区限定所述衬底的装置元件区和对应的所述顶板层的装置元件区，每一 个所述可寻址装置元件区具有换能构件且特点是(a) 所述装置元件区在所述衬底和所述中间弹性层之间具有至少一个空腔，每一个所述空腔以锚固所述中间弹性层的至少一个锚为侧壁；(b) 所述中间弹性层覆盖每一个所述空腔的至少一部分；(C)具有期望高度的至少一个连接器设置在每一个所述空腔上，所述连接器从 所述中间弹性层的顶部直立；(d) 将所述顶板布置在所述连接器上以在所述顶板层下限定换能空间；(e) 每一个所述连接器在水平方向上离开所述至少一个锚足够的长度，以在所 述连接器和所述锚之间限定悬臂，其中所述悬臂和所述空腔实现所述连接器的垂直 位移以基本垂直地移动所述顶板层，因此改变所述换能空间并激活所述换能构件； 以及(f) 所述至少一个空腔和所述对应的锚一起占据所述装置元件区的至少一半。
53. 如权利要求52所述的微机电换能器，其特征在于，所述至少一个空 腔在所述衬底的内部区域中并将所述衬底分为至少两部分。
54. 如权利要求52所述的微机电换能器，其特征在于，所述至少一个空 腔具有环形，将所述衬底分为内部导和外部区域。
55. 如权利要求52所述的微机电换能器，其特征在于，所述空腔以两个 相对的锚为侧壁，所述两个相对的锚的每一个锚固所述中间弹性层，且所述至 少一个连接器位于所述两个相对的锚之间，并在水平方向上离开所述两个相对 的锚中的每一个足够的长度，以限定包含头对头连接的两个悬臂的桥。
56. 如权利要求52所述的微机电换能器，其特征在于，所述空腔具有环 形，所述中间弹性层覆盖所述整个空腔，并且所述至少一个连接器位于所述空 腔的中间区域的正上方的所述环形周围以限定二维平面悬臂。
57. —种微加工超声换能器(MUT)结构，包括依后面的顺序排列的衬底、 中间弹性层和顶板层，使得所述顶板层的底侧面面向所述中间弹性层的顶侧 面，而所述中间弹性层的底侧面面向所述衬底的前侧面，其中所述MUT结构包 括多个可寻址MUT元件，所述多个可寻址MUT元件的每一个由所述衬底的MUT 元件区和对应的所述顶板层的MUT元件区限定，每一个所述多个可寻址MUT元 件具有换能构件且特点是(a) 所述MUT元件区在所述衬底和所述中间弹性层之间具有至少一个空腔，每 一个所述空腔以锚固所述中间弹性层的至少一个锚为侧壁；(b) 所述中间弹性层覆盖每一个所述空腔的至少一部分；(c) 具有期望高度的至少一个连接器设置在每一个所述空腔上，所述连接器从 所述中间弹性层的顶部直立；(d) 将所述顶板布置在所述连接器上以在所述顶板层下限定换能空间；(e) 每一个连接器在水平方向上离开所述至少一个锚足够的长度，以在所述连 接器和所述锚之间限定悬臂，其中所述悬臂和所述空腔实现所述连接器的垂直位 移，以类似于活塞的运动基本垂直地移动所述顶板层，因此改变所述换能空间并激 活所述换能构件；以及(f) 所述至少一个空腔和所述对应的锚一起占据所述MUT元件区的至少一半。
58. 如权利要求57所述的MUT结构，其特征在于，所述多个可寻址MUT 元件由穿过所述顶板层的至少一部分形成的分离沟槽分离。
59. 如权利要求57所述的MUT结构，其特征在于，利用密封材料密封所 述分离沟槽。
60. 如权利要求59所述的MUT结构，其特征在于，所述密封材料是布置 在所述分离沟槽的顶部的密封层。
61. 如权利要求57所述的MUT结构，其特征在于，所述衬底是导电晶片， 而所述可寻址MUT元件通过穿过晶片的互连寻址，所述穿过晶片的互连包括围 绕由所述导电晶片的自身材料制成的穿过晶片的导体的环形沟槽。
62. 如权利要求61所述的MUT结构，其特征在于，所述穿过晶片的导体 直接位于所述可寻址MUT元件之下。
63. 如权利要求57所述的MUT结构，其特征在于，所述MUT结构是cMUT 结构，其中所述换能构件包括位于所述顶板层上的顶电极和位于所述中间弹性 层或所述衬底上的底电极。
64. 如权利要求63所述的MUT结构，其特征在于，所述中间弹性层是硅 层，且所述底电极包括在所述中间弹性层上的高掺杂区。
65. 如权利要求57所述的MUT结构，其特征在于，所述顶板层包括穿过 它形成的孔，所述孔具有对所述底板层的期望的刚度/质量比优化的尺寸和位 置分布。
66. 如权利要求57所述的MUT结构，其特征在于，还包括构造在所述顶板层中的集成电路。
全文摘要
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。
文档编号H02N1/00GK101589543SQ200680017137
公开日2009年11月25日 申请日期2006年5月18日 优先权日2005年5月18日
发明者黄勇力 申请人:科隆科技公司