专利名称：具有增加的有效电容的柔性电容式微加工超声换能器阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的电容式微加工超声换能器(CMUT)以及用于制造CMUT的方法。
背景技术：
图1至图3示出了具有平坦底部电极140的电容式微加工超声换能器(CMUT) 100 的传统工作原理。参照图1，CMUT 100类似于平行板电容器，具有位于介质薄膜120上的顶部电极 110，该介质薄膜120通过真空或空气腔室130与底部电极140隔离。底部电极140通常形成在平坦的导电基板上。顶部电极110和底部电极140可以由诸如导电硅基板之类的导电材料制成。薄膜120由导电材料制成或涂覆有导电材料。当利用交流电压通过静电力致动时，薄膜120能够像鼓膜片一样振动而产生超声。因此，CMUT 100能够用作超声发射器和接收器。只有在薄膜120的中心附近的区域的25%被构图而具有顶部电极110，这是因为其余75%区域具有太小的电容变化，这被认为是将要被去除的寄生电容。换句话说，只有薄膜120的中心区域的25%被构图而具有顶部电极110以执行有效电容。在图2中，当施加直流偏压时，静电力将薄膜120推向底部电极140。有效电容与顶部电极110和底部电极140之间的空气腔室130的间隙距离成反比。换句话说，只有在该间隙距离较小时才能获得有效电容。即使整个薄膜120都被构图而具有顶部电极110，也只有薄膜120的中间部分能够产生有效电容，这是因为底部电极140具有平坦底部。例如， 在区域150中产生的电容被认为是寄生电容。为了增加灵敏度，施加直流偏压以给电容器装载电荷，这也能够将薄膜120拉近底部电极140以获得更高电容。当薄膜120在不坍塌在底部电极140上的情况下最接近底部电极140时能够获得最大灵敏度。当直流偏压增加时，薄膜120的挠曲也增加。然而，当直流偏压增加到一定电压以上时，静电力挤压薄膜120而使其坍塌在底部电极140上。图3示出了使用直流偏压坍塌薄膜120的情况。结果，显著地降低了受影响区域 160对有效电容的贡献。当直流偏压足够大而使得薄膜120挠曲超过空气间隙130的间隙距离的1/3时，薄膜120将坍塌并与底部电极140接触。图4示出了传统的CMUT阵列。顶部电极310只能覆盖薄膜的一部分。参照图5，电容仅仅是两个平行板电容器的串联组合，电容C1是介质薄膜的电容， 而C2是空气腔室的电容，其中Cl1是薄膜的厚度，d2是空气腔室的深度，b是顶部电极的半径，”和ε 2是相对介电常数，^是真空介电常数。
权利要求
1.一种电容式微加工超声换能器，该电容式微加工超声换能器包括 操作地连接至顶部电极的薄膜；和具有凹穴的底部电极；其中所述薄膜被构造成在施加直流偏压时朝向所述底部电极挠曲，使得所述薄膜的周边边缘区域紧密接近所述底部电极，并且所述薄膜的所述周边边缘区域附近的静电力得到增加。
2.根据权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中当施加所述直流偏压时，所述薄膜的所述周边边缘区域与所述底部电极之间的距离小于所述所述薄膜的中央区域与所述底部电极之间的距离。
3.根据权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中当所施加的直流偏压高于预定量而使所述薄膜朝向所述底部电极坍塌时，所述薄膜与所述底部电极之间的接触到所述薄膜的中央区域时变成最小。
4.根据权利要求3所述的电容式微加工超声换能器，其中当所述薄膜朝向所述底部薄膜坍塌时所述薄膜的大约25%与所述底部电极接触。
5.根据权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中所述顶部电极具有与所述底部电极的凹穴相同的直径。
6.根据权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中所述薄膜是平坦的或挠曲的。
7.根据权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中所述薄膜的尺寸从大约 500μπι到5μπι，且空中频率范围从IOOkHz到IOOMHz。
8.根据权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中所述薄膜的厚度从大约 0. 1 μ m 至Ij 10 μ m。
9.根据权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中所述电容式微加工超声换能器具有薄膜的阵列，其中每个顶部电极填满每个薄膜的全部区域，由此仅留出用于锚固每个薄膜的小空隙。
10.一种用于制造电容式微加工超声换能器的方法，该方法包括在硅基板上喷溅作为晶种层的Cr/AU的层，所述硅基板包括氮化硅层，以形成电容式微加工超声换能器薄膜；涂覆图案化光致抗蚀剂以限定电容式微加工超声换能器单元的活性区域； 熔化所述图案化光致抗蚀剂以通过表面张力形成球形轮廓；以及利用所述晶种层进行镍的电镀以通过过镀覆盖所述图案化光致抗蚀剂而形成所述底部电极。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述氮化硅的杨氏模量为大约200GPa。
12.根据权利要求10所述的方法，该方法进一步包括在将空气截留在电容式微加工超声换能器的腔室内的情况下利用硅基聚二甲基硅氧烷即PDMS密封由所述电镀引起的释放孔的步骤。
13.根据权利要求10所述的方法，该方法进一步包括在真空室内涂覆聚对二甲苯C的步骤。
14.根据权利要求10所述的方法，该方法进一步包括通过停止于所述氮化硅薄膜的单侧氢氧化钾即KOH蚀刻而移除所述硅基板的步骤。
15.根据权利要求12所述的方法，该方法进一步包括对所述PDMS构图以形成薄膜区域和阵列元件的步骤。
16.根据权利要求10所述的方法，该方法进一步包括将导线至前端电子器件的步骤。
全文摘要
一种电容式微加工超声换能器(CMUT)(200)，该电容器微加工超声换能器包括操作地连接至顶部电极(210)的薄膜(220)和具有凹穴(230)的底部电极。在施加直流(DC)偏压时，所述薄膜(220)朝向所述底部电极挠曲，使得所述薄膜(220)的周边边缘区域接近所述底部电极，并且所述薄膜的所述周边边缘区域附近的静电力得到增加。
文档编号H01L41/08GK102498586SQ201080041013
公开日2012年6月13日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月21日
发明者郑庆祥, 钞晨 申请人:香港理工大学