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】
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 d1 是薄膜的厚度, d2 是空气腔室的深度, b 是顶部电极的半 ε0 是真空介电常数。 径, ε1 和 ε2 是相对介电常数,
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 Ra 是内壳半径, Rb 是壳体半径, h 是内壳 体的高度。来自挠曲的介质薄膜的 C1 利用具有部分球形壳体面积的平行板电容器公式计 算。
半径为 Rb 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下进行计算。
C2 = ( 平坦底部电极和假想平板 ( 虚线 ) 之间的平行板电容 )-( 半径为 Rb 的球 形壳体和假想平板之间的电容 )。
其中 : Rb = Ra+d1,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 100μm, 薄膜的厚度为 0.2μm, 空气腔室的深度是 1μm。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 84μm 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 0.075pF。发明内容
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。
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。
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区域时变成最小。
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。
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。所述薄膜可以是平坦的或挠曲的。
所 述 薄 膜 的 尺 寸 可 以 从 大 约 500μm 到 5μm, 且 空 中 频 率 范 围 从 100kHz 到 100MHz。
所述薄膜的厚度可以从大约 0.1μm 到 10μm。
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。
在另一个实施方式中, 提供了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。
所述氮化硅的杨氏模量可以为大约 200GPa。
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。
该方法可以进一步包括在真空室内涂覆聚对二甲苯。
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。
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。
该方法可以进一步包括将导线结合至前端电子器件。
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
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, 这 些附图并不限制本发明, 其中 :
图 1 示出了具有平坦底部电极的 CMUT 的传统工作原理 ;
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 ;
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 ;
图 4 示出了传统的 CMUT 阵列排列 ;
图 5 示出了具有平坦底部电极的 CMUT 的传统工作原理 ;
图 6 示出了具有平坦底部电极的 CMUT 的传统工作原理 ;
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;
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的 CMUT ;
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 ;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 ;
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 ;
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;
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;
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 CMUT 的有效电 容相对于薄膜挠曲的曲线图 ; 以及
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
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。 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 260 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。
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 上的拉伸应力, 以降低 振铃彗尾 (ringing tail)。
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。
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。
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 500μm 到 5μm, 空中频率范围从 100KHz 直到 100MHz。薄膜的厚度可以从 0.1μm 到 10μm。由于 CMUT 的
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。
图 11 示出了示例性 CMUT 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。
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 :
对于串联电容器根据 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 (2c > 2b >> d2), 电容 C2 假定为平行板电容器。
参照图 12, 对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 C1 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 C2 也 利用球形壳体到平板的电容公式来计算 :
其中 :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 其按上 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 C1, 述方式与图 6 类似地计算。对于 C2, 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 C2。获得 C1 和 C2 的公式如下 :
C2 = ( 底部电极和虚拟平板 ( 虚线 ) 之间的电容 )-( 半径为 Rb 的球形壳体和虚 拟平板之间的电容 )
其中 Rb = Ra+d2,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 99.8μm 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。
其中 :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。
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 1μm 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。
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。
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
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。