電容型電氣機(jī)械變換器的制造方法
【專利說(shuō)明】電容型電氣機(jī)械變換器
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01080026305.X，申請(qǐng)日為2010年6月15日，題為“電容型電氣機(jī)械變換器”的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及諸如電容型微機(jī)械加工超聲換能器的電容型電氣機(jī)械變換器。
【背景技術(shù)】
[0003]作為執(zhí)行超聲波的傳送和接收中的至少任一種的電氣機(jī)械變換器，提出電容型微機(jī)械加工超聲換能器(CMUT)(例如，參照PCT日文翻譯專利公開(kāi)N0.2003-527947)。通過(guò)使用被應(yīng)用半導(dǎo)體工藝的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝來(lái)制造CMUT。
[0004]圖7是典型的CMUT的示意性截面圖。參照?qǐng)D7，一個(gè)第一電極102和一個(gè)第二電極105的集合被稱為一個(gè)單元。第一電極102與第二電極105相對(duì)，并且振動(dòng)膜101和間隙104被夾在它們之間。振動(dòng)膜101被在基板106上形成的支撐體103支撐。在CMUT中，所有第一電極102相互電連接。一定水平的直流(DC)電壓被均勻施加到第一電極102，使得在第一電極102和第二電極105之間產(chǎn)生希望的電勢(shì)差。對(duì)于每個(gè)元件(多個(gè)單元的群集)，第二電極105電氣分離。交流(AC)驅(qū)動(dòng)電壓被施加到第二電極105，以在第一和第二電極之間產(chǎn)生AC靜電吸引，這使振動(dòng)膜101以一定的頻率振動(dòng)，以傳送超聲波。另外，振動(dòng)膜101響應(yīng)于接收到的超聲波而振動(dòng)，以在第二電極105上產(chǎn)生由靜電感應(yīng)導(dǎo)致的微小電流。可以測(cè)量該電流的值以對(duì)于每個(gè)元件獲取接收信號(hào)。
[0005]超聲波的傳送和接收的特性由向第一電極102施加DC電壓時(shí)的振動(dòng)膜101的撓曲量確定。各單元的間隙104中的壓力一般低于大氣壓力，并且振動(dòng)膜101由于大氣壓力和間隙104中的壓力之間的差而向基板106撓曲(deflect1n)。振動(dòng)膜101的撓曲量由基于包括振動(dòng)膜101的尺寸、形狀、厚度和材料的參數(shù)的機(jī)械特性確定。當(dāng)CMUT工作時(shí)，為了增加超聲波的傳送和接收的效率，在兩個(gè)電極之間施加一定的電勢(shì)差，以在電極之間導(dǎo)致靜電吸引。振動(dòng)膜101由于該靜電吸引而進(jìn)一步向基板106撓曲。在超聲波的傳送中，由于靜電吸引與距離的平方成正比，因此，隨著電極之間的距離減小，傳送和接收的效率增加。作為對(duì)比，在超聲波的接收中，由于檢測(cè)到的微小電流的大小與電極之間的距離成反比并且與電極之間的電勢(shì)差成比例，因此，傳送和接收的效率也隨著電極之間的距離的減小而增加。
[0006]引文列表
[0007]專利文獻(xiàn)
[0008]PTL I:PCT 日文翻譯專利公開(kāi) N0.2003-527947

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]但是，增加兩個(gè)電極之間的電勢(shì)差導(dǎo)致由電極之間的靜電力和壓力差導(dǎo)致的力超過(guò)振動(dòng)膜的機(jī)械特性的復(fù)原力。作為結(jié)果，振動(dòng)膜與基板上的電極接觸以進(jìn)入塌陷狀態(tài)，因此CMUT的特性大大改變。因此，當(dāng)CMUT正常工作(不在塌陷狀態(tài)中被驅(qū)動(dòng))時(shí)，電極之間的電勢(shì)差被設(shè)定為使得實(shí)現(xiàn)高的傳送和接收效率并且振動(dòng)膜具有不導(dǎo)致塌陷狀態(tài)的撓曲量。
[0010]在現(xiàn)有技術(shù)中，在CMUT中所有的第一電極相互電連接。因此，在CMUT的工作期間向第一電極施加均勻的電壓。由于振動(dòng)膜的上述的參數(shù)由于CMUT的制造中的各種因素改變，因此即使電極之間沒(méi)有電勢(shì)差，也導(dǎo)致振動(dòng)膜的撓曲量的變化。另外，CMUT的工作期間的振動(dòng)膜的撓曲量也改變。
[0011]作為結(jié)果，傳送和接收的效率偏離期望值和/或有時(shí)在一些單元中導(dǎo)致塌陷狀態(tài)，從而大大改變每個(gè)元件的傳送和接收特性。為了解決以上的問(wèn)題，本發(fā)明提供了能夠?qū)τ诿總€(gè)元件任意地改變振動(dòng)膜的撓曲量的電容型電氣機(jī)械變換器。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電氣機(jī)械變換器包括多個(gè)包含至少一個(gè)包含第一電極和與第一電極相對(duì)且在其間具有間隙的第二電極的單元的元件，和被配置為對(duì)于各元件被設(shè)置并且向在各元件中的第一電極單獨(dú)地施加直流電壓的直流電壓施加單元。第一電極和第二電極對(duì)于每個(gè)元件電氣分離。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)τ诿總€(gè)元件任意地改變電氣機(jī)械變換器中的振動(dòng)膜的撓曲量。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的示意性截面圖。
[0015]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的配置的例子。
[0016]圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的截面圖。
[0017]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的配置的例子。
[0018]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的配置的例子。
[0019]圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的配置的例子。
[0020]圖6B示出根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的配置的另一例子。
[0021]圖7是現(xiàn)有技術(shù)中的電容型電氣機(jī)械變換器的示意性截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]這里，將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電容型電氣機(jī)械變換器。
[0023]第一實(shí)施例
[0024]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的示意性截面圖。在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一電極被稱為上電極，并且第二電極被稱為下電極。其上形成第一電極102的振動(dòng)膜101被在基板106上形成支撐體103支撐。振動(dòng)膜101連同第一電極102 —起振動(dòng)。在基板106上與振動(dòng)膜101上的第一電極102相對(duì)的位置處形成第二電極105，使得在它們之間夾有間隙104。在本發(fā)明的實(shí)施例中，包含彼此相對(duì)的并且在它們之間夾有間隙104的上電極和下電極的組成(composit1n)被稱為單元107。元件108包含至少一個(gè)單元107。具體地，元件108是包含一個(gè)單元107或包含相互電連接(并聯(lián)連接)的多個(gè)(至少兩個(gè))單元的組成。雖然在圖1中兩個(gè)單元構(gòu)成一個(gè)元件，但是，本發(fā)明不限于該配置。多個(gè)單元可按二維陣列圖案相互連接。在電氣機(jī)械變換器中形成多個(gè)(兩個(gè)或更多個(gè))元件。
[0025]在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的上電極可由包含鋁(Al)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、金(Au)、鉑(Pt)、銅(Cu)、銀(Ag)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉭(Ta)和鎳(Ni)的金屬和包含 AlS1、AlCu、AlT1、Moff和AlCr的合金中的至少一種制成。上電極可被設(shè)置在振動(dòng)膜的上表面上、振動(dòng)膜的背面上或振動(dòng)膜內(nèi)部其中至少之一，或者，當(dāng)振動(dòng)膜由導(dǎo)電材料或半導(dǎo)體材料制成時(shí)，振動(dòng)膜自身可用作上電極。在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的下電極可由與上電極相同的金屬或合金制成。當(dāng)基板由諸如硅的半導(dǎo)體材料制成時(shí)，基板可用作下電極。
[0026]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的配置的例子。根據(jù)第一實(shí)施例的電氣機(jī)械變換器的特征在于對(duì)于每個(gè)元件，不僅下電極105被電氣分離，而且上電極102被電氣分離。在各元件中，多個(gè)上電極102相互電連接，并且多個(gè)下電極105相互電連接。雖然在第一實(shí)施例中，各元件中的上電極對(duì)于每個(gè)單元單獨(dú)地形成并且通過(guò)在振動(dòng)膜上形成的布線(未示出)相互電連接，但是，可對(duì)于每個(gè)元件形成一個(gè)上電極。下電極也可如在第一實(shí)施例中那樣對(duì)于每個(gè)單元單獨(dú)形成，或者可對(duì)于每個(gè)元件形成一個(gè)下電極。
[0027]DC電壓施加單元201與各元件中的上電極102連接。DC電壓施加單元201對(duì)于每個(gè)元件向上電極施加希望水平的電壓，以在上電極和下電極之間導(dǎo)致與下電極的電壓的電勢(shì)差。振動(dòng)膜101的撓曲量由該電勢(shì)差確定。驅(qū)動(dòng)檢測(cè)單元202與各元件中的下電極105連接。驅(qū)動(dòng)檢測(cè)單元202包含AC電壓產(chǎn)生單元203、電流檢測(cè)單元205和保護(hù)開(kāi)關(guān)204。
[0028]當(dāng)電氣機(jī)械變換器包含N個(gè)元件時(shí)，在第一實(shí)施例的配置中包括N個(gè)DC電壓施加單元201。在第一實(shí)施例的配置中還包括