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.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102498586 A (43)申请公布日 2012.06.13 C N 1 0 2 4 9 8 5 8 6 A *CN102498586A* (21)申请号 201080041013.3 (22)申请日 2010.09.21 61/272,404 2009.09.21 US H01L 41/08(2006.01) H01L 21/02(2006.01) (71)申请人香港理工大学 地址中国香港九龙红磡 (72)发明人郑庆祥 钞晨 (74)专利代理机构北京金思港知识产权代理有 限公司 11349 代理人邵毓琴 (54) 发明名称 具有增加的有效电容的柔性电容式微加工超

2、 声换能器阵列 (57) 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。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.03.15 (86)PCT申请的申请数据 PCT/CN2010/077178 2010.09.21 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/032520

3、EN 2011.03.24 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书7页 附图9页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 9 页 1/2页 2 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

4、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

5、电容式微加工超声换能器，其中所述薄膜的尺寸从大约 500m到5m，且空中频率范围从100kHz到100MHz。 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 0.1m到10m。 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

6、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 权 利 要 求 书CN

7、 102498586 A 2/2页 3 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。 权 利 要 求 书CN 102498586 A 1/7页 4 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 技术领域 0001 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 0002 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

8、工作原理。 0003 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。

9、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。 0004 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。 0005 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12

10、0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。 0006 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。 0007 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。 0008 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。 0009 参照图5，电容仅仅是两个平行板电容器的串联组合，电容C 1

11、 是介质薄膜的电容， 而C 2 是空气腔室的电容，其中d 1 是薄膜的厚度，d 2 是空气腔室的深度，b是顶部电极的半 径， 1 和 2 是相对介电常数， 0 是真空介电常数。 0010 说 明 书CN 102498586 A 2/7页 5 0011 参照图6，对于传统的CMUT的具有挠曲薄膜的平坦底部电极来说，假定挠曲的圆 形薄膜是被顶部电极部分地覆盖的球形壳体，其中R a 是内壳半径，R b 是壳体半径，h是内壳 体的高度。来自挠曲的介质薄膜的C 1 利用具有部分球形壳体面积的平行板电容器公式计 算。 0012 0013 半径为R b 的挠曲薄膜的底部与平坦底部电极之间的空气腔室的电容按如

12、下进行 计算。 0014 C 2 (平坦底部电极和假想平板(虚线)之间的平行板电容)-(半径为R b 的球 形壳体和假想平板之间的电容)。 0015 0016 0017 其中： 0018 R b R a +d 1 ， 0019 图7是具有平坦底部电极的传统CMUT的有效电容相对于薄膜挠曲的曲线图。氮 化硅薄膜的直径为100m，薄膜的厚度为0.2m，空气腔室的深度是1m。将这些值应用 到上述推导出的公式。氮化硅薄的相对介电常数是7.5。对于具有平坦底部电极的CMUT来 说，当顶部电极的直径为84m时电容变化达到其22的最大值。当顶部电极充满薄膜时 电容变化下降至9。坍塌模式下的最大电容只能达到0

13、.075pF。 发明内容 0020 因此，本发明的目的是提供一种电容式微加工超声换能器，该电容器微加工超声 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。由此，在施加直流偏 压时，所述薄膜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。 0021 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 离可以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。 0022 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可以到所述薄膜的中央

14、区域时变成最小。 0023 当所述薄膜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。 0024 所述顶部电极可以具有与所述底部电极的空穴相同的直径。 说 明 书CN 102498586 A 3/7页 6 0025 所述薄膜可以是平坦的或挠曲的。 0026 所述薄膜的尺寸可以从大约500m到5m，且空中频率范围从100kHz到 100MHz。 0027 所述薄膜的厚度可以从大约0.1m到10m。 0028 所述电容式微加工超声换能器可以具有薄膜的阵列，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。 0029 在另一个实施方式中，提供了一种用于制造电容式

15、微加工超声换能器的方法，该 方法包括如下特征：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。 0030 所述氮化硅的杨氏模量可以为大约200GPa。 0031 该方法可以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。 0032 该方法可以进一步包括在真空室内涂覆

16、聚对二甲苯。 0033 该方法可以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。 0034 该方法可以进一步包括对所述PDMS构图以形成薄膜区域和阵列元件。 0035 该方法可以进一步包括将导线结合至前端电子器件。 0036 从下文中给出的详细描述将更清楚本发明的进一步的应用范围。然而，应该理解 的是，所述的详细描述和具体示例尽管表明了本发明的优选实施方式，但仅仅是以示例说 明的方式给出的，对于本领域技术人员来说，从该详细描述将清楚在本发明的精神和范围 内的各种改变和修改。 附图说明 0037 从以下给出的详细描述和仅仅以示例方式给出的附图将更充分地理解本发明

17、，这 些附图并不限制本发明，其中： 0038 图1示出了具有平坦底部电极的CMUT的传统工作原理； 0039 图2示出了当施加直流偏压时具有平坦底部电极的CMUT的传统工作原理； 0040 图3示出了当施加直流偏压以使薄膜坍塌时具有平坦底部电极的CMUT的传统工 作原理； 0041 图4示出了传统的CMUT阵列排列； 0042 图5示出了具有平坦底部电极的CMUT的传统工作原理； 0043 图6示出了具有平坦底部电极的CMUT的传统工作原理； 0044 图7示出了具有平坦底部电极的传统CMUT的有效电容相对于薄膜挠曲的曲线 图； 0045 图8示出了根据本发明的一个实施方式的具有凹入式底部电极

18、的CMUT； 0046 图9示出了当施加直流偏压时根据本发明的一个实施方式的具有凹入式底部电 极的CMUT； 说 明 书CN 102498586 A 4/7页 7 0047 图10示出了当施加直流偏压以使薄膜坍塌时根据本发明的一个实施方式的具有 凹入式底部电极的CMUT； 0048 图11示出了根据本发明的一个实施方式的示例性CMUT阵列排列； 0049 图12示出了根据本发明的一个实施方式的具有凹入式底部电极的CMUT的工作原 理； 0050 图13示出了根据本发明的一个实施方式的具有凹入式底部电极的CMUT的工作原 理； 0051 图14示出了根据本发明的一个实施方式的具有凹入式底部电极的

19、CMUT的有效电 容相对于薄膜挠曲的曲线图；以及 0052 图15示出了具有凹入式底部电极的CMUT阵列的示例性制造过程。 具体实施方式 0053 参照图8至10，示出了具有凹入形状的底部电极240的电容式微加工超声换能器 (CMUT)200。凹入式空气腔室230由底部电极240的凹部限定。转到图8，顶部电极210覆 盖了空气腔室230上方的薄膜220的区域260的100。因此，CMUT 200的有效电容可以 显著地高于图1的传统CMUT(其具有仅覆盖薄膜区域120的25的顶部电极110)的有效 电容。 0054 转到图9，当施加直流(DC)偏压时，空气腔室230上方的薄膜220的整个区域26

20、0 被认为都产生有效电容。底部电极240的凹部在施加直流偏压时与薄膜220的挠曲基本相 配。 0055 如果底部电极240限定有凹入形状或弯曲轮廓，则当薄膜220挠曲时，薄膜220能 够完全遵循底部电极240的顶表面并与底部电极240的顶表面相配，特别是在空气腔室230 上方的薄膜220的外边缘270周围。这能够增加薄膜220的边缘270周围的用来向下拉动 薄膜220的静电力，因此可以使用更小的直流偏压。当将换能器探针插入人体内进行血管 内应用时使用更小的直流偏压十分重要。由于薄膜220的大部分处于来自直流偏压的静电 力的作用下，因此还能够提高CMUT 200的带宽，这能够增加薄膜220上的拉

21、伸应力，以降低 振铃彗尾(ringing tail)。 0056 转到图10，当直流偏压超过一定电压水平时，薄膜220坍塌在底部电极240上。在 这种情况下，薄膜220大约仅有25接触底部电极240。因此，作为接近周边边缘的区域 270的薄膜220的75(即，薄膜220的区域270，该区域不在空气腔室230上方与底部电 极240接触)被认为是有效电容。 0057 CMUT还可以以坍塌模式操作以具有增加的敏感度和带宽。该敏感度在接触区域周 围的最小间隙处从增加的电容开始增加。带宽能够得到提高，因为薄膜220的运动能够通 过底部电极240衰减以降低振铃彗尾。当实现凹入形状的底部电极240以在坍塌模

22、式下操 作CMUT 200时，整个薄膜220几乎不能接触底部电极240，从而增加了带宽和灵敏度。具体 地说，薄膜220的中心区域周围通过底部电极240而衰减。因而，CMUT 200能够增加有效 电容，以提高换能器的占空因数、输出压力、带宽和灵敏度。 0058 CMUT的共振频率取决于薄膜的尺寸和厚度。薄膜的尺寸可以从500m到5m， 空中频率范围从100KHz直到100MHz。薄膜的厚度可以从0.1m到10m。由于CMUT的 说 明 书CN 102498586 A 5/7页 8 每个薄膜都非常小，因此需要用于CMUT的薄膜的阵列来填充单个换能器元件的区域。 0059 图11示出了示例性CMUT

23、阵列。顶部电极320能够填充薄膜的整个区域，仅留出 用于锚固薄膜的小空隙，这将占空因数增加为传统CMUT的四倍。也可以对顶部电极320进 行构图以制成用于2-D超声成像的1-D CMUT。另外，还可以对电镀底部电极进行构图以隔 离用于3-D超声成像的2-D陈列元件。 0060 平行板电容器的电容可以根据有效电容的面积A和顶部电极与底部电极之间的 距离d确定，该电容表示如下： 0061 0062 对于串联电容器 0063 0064 根据CMUT的几何形状，可以按如下方式计算CMUT的电容，其中电极直径远大于腔 室深度(2c2bd 2 )，电容C 2 假定为平行板电容器。 0065 参照图12，对

24、于具有平坦薄膜的凹入式底部电极来说，通过平行板电容器公式计 算介质薄膜C 1 的电容。平坦薄膜的底表面到具有球形表面的凹入式底部电极的电容C 2 也 利用球形壳体到平板的电容公式来计算： 0066 0067 0068 0069 其中： 0070 0071 参照图13，对于具有挠曲薄膜的凹入式底部电极来说，假定薄膜变形成与图6的 情况类似的球形形状。凹入式底部电极也假定为具有球形表面。对于薄膜电容C 1 ，其按上 述方式与图6类似地计算。对于C 2 ，首先计算相对于虚拟平板的腔室电容。因此，腔室电容 被减去两个球形表面之间的电容以获得C 2 。获得C 1 和C 2 的公式如下： 0072 007

25、3 C2(底部电极和虚拟平板(虚线)之间的电容)-(半径为R b 的球形壳体和虚 拟平板之间的电容) 说 明 书CN 102498586 A 6/7页 9 0074 0075 0076 其中 0077 R b R a +d 2 ， 0078 图14示出了具有凹入式底部电极的CMUT的有效电容相对于薄膜挠曲的曲线图。 对于使用凹入式底部电极的CMUT，当将顶部电极的直径扩大到99.8m时电容变化可以增 加到79。坍塌模式下的最大电容可以达到0.7pF，这几乎是使用平坦底部电极的CMUT的 十倍。根据库仑定律，平行板电容器的静电力表示如下，其中Q是电荷，E是电场，V是电压。 0079 0080 其

26、中： 0081 0082 对于输出压力，由于静电力与腔室深度的平方成反比，这意味着当电容增加是一 个数量级时，缩短腔室深度能够估计到在输出压力上具有两个数量级的的增加。 0083 图15示出了制造具有凹入式底部电极的CMUT的方法。该制造开始于使用硅晶 片的步骤S601，该硅晶片包括用作CMUT薄膜的氮化硅层。该氮化硅的杨氏模量为大约 200GPa。在步骤S602，喷溅Cr/Au层以作为用于电镀的晶种层。通过旋涂机涂覆光致抗蚀 剂以获得大约1m的厚度，并对光致抗蚀剂构图以限定CMUT单元的活性区域。接下来，在 步骤S603，以150执行30分钟热回流处理，以熔化图案化的光致抗蚀剂，从而通过表面

27、张 力形成球形轮廓。在步骤S604，利用Cr/Au晶种层执行镍的电镀，以通过过镀覆盖光致抗蚀 剂牺牲层而形成底部电极。步骤S605示出了电镀留下了用于移除腔室中的光致抗蚀剂和 Cr/Au的小孔。 0084 最后，在步骤S606，首先在将空气截留在CMUT腔室内的情况下通过硅基聚二甲基 硅氧烷(PDMS)密封释放孔。之后在真空室中进行聚对二甲苯C的涂覆。真空室通过透气的 PDMS将所截留的空气吸出，以便形成真空密封的腔室，这是因为聚对二甲苯是不透气的。然 后通过停止于氮化硅薄膜的单侧氢氧化钾(KOH)蚀刻而移除硅基板。这消除了薄膜静摩擦 问题，因为利用PDMS和聚对二甲苯涂层的保护，在湿蚀刻过程

28、中腔室保持干燥。此时PDMS 用作柔性基板，且氮化硅薄膜准备好沉积用于顶部电极的金属。然后对PDMS进行构图，以 限定薄膜区域和阵列元件。在将导线结合至前端电子器件之后，CMUT阵列准备好使用。 0085 本领域技术人员应意识到，在不脱离所宽泛描述的本发明的范围或精神的情况 说 明 书CN 102498586 A 7/7页 10 下，可以对具体实施方式中所示的本发明进行各种变型和/或修改。因此，当前实施方式应 被认为在所有方面都是示意性而非限制性的。 说 明 书CN 102498586 A 10 1/9页 11 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102498586 A 11 2/9页

29、12 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102498586 A 12 3/9页 13 图6 说 明 书 附 图CN 102498586 A 13 4/9页 14 图7 说 明 书 附 图CN 102498586 A 14 5/9页 15 图8 图9 图10 说 明 书 附 图CN 102498586 A 15 6/9页 16 图11 图12 说 明 书 附 图CN 102498586 A 16 7/9页 17 图13 说 明 书 附 图CN 102498586 A 17 8/9页 18 图14 说 明 书 附 图CN 102498586 A 18 9/9页 19 图15 说 明 书 附 图CN 102498586 A 19