專利名稱：具有增加的有效電容的柔性電容式微加工超聲換能器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的電容式微加工超聲換能器(CMUT)以及用于制造CMUT的方法。
背景技術(shù)：


圖1至圖3示出了具有平坦底部電極140的電容式微加工超聲換能器(CMUT) 100 的傳統(tǒng)工作原理。參照?qǐng)D1，CMUT 100類(lèi)似于平行板電容器，具有位于介質(zhì)薄膜120上的頂部電極 110，該介質(zhì)薄膜120通過(guò)真空或空氣腔室130與底部電極140隔離。底部電極140通常形成在平坦的導(dǎo)電基板上。頂部電極110和底部電極140可以由諸如導(dǎo)電硅基板之類(lèi)的導(dǎo)電材料制成。薄膜120由導(dǎo)電材料制成或涂覆有導(dǎo)電材料。當(dāng)利用交流電壓通過(guò)靜電力致動(dòng)時(shí)，薄膜120能夠像鼓膜片一樣振動(dòng)而產(chǎn)生超聲。因此，CMUT 100能夠用作超聲發(fā)射器和接收器。只有在薄膜120的中心附近的區(qū)域的25%被構(gòu)圖而具有頂部電極110，這是因?yàn)槠溆?5%區(qū)域具有太小的電容變化，這被認(rèn)為是將要被去除的寄生電容。換句話說(shuō)，只有薄膜120的中心區(qū)域的25%被構(gòu)圖而具有頂部電極110以執(zhí)行有效電容。在圖2中，當(dāng)施加直流偏壓時(shí)，靜電力將薄膜120推向底部電極140。有效電容與頂部電極110和底部電極140之間的空氣腔室130的間隙距離成反比。換句話說(shuō)，只有在該間隙距離較小時(shí)才能獲得有效電容。即使整個(gè)薄膜120都被構(gòu)圖而具有頂部電極110，也只有薄膜120的中間部分能夠產(chǎn)生有效電容，這是因?yàn)榈撞侩姌O140具有平坦底部。例如， 在區(qū)域150中產(chǎn)生的電容被認(rèn)為是寄生電容。為了增加靈敏度，施加直流偏壓以給電容器裝載電荷，這也能夠?qū)⒈∧?20拉近底部電極140以獲得更高電容。當(dāng)薄膜120在不坍塌在底部電極140上的情況下最接近底部電極140時(shí)能夠獲得最大靈敏度。當(dāng)直流偏壓增加時(shí)，薄膜120的撓曲也增加。然而，當(dāng)直流偏壓增加到一定電壓以上時(shí)，靜電力擠壓薄膜120而使其坍塌在底部電極140上。圖3示出了使用直流偏壓坍塌薄膜120的情況。結(jié)果，顯著地降低了受影響區(qū)域 160對(duì)有效電容的貢獻(xiàn)。當(dāng)直流偏壓足夠大而使得薄膜120撓曲超過(guò)空氣間隙130的間隙距離的1/3時(shí)，薄膜120將坍塌并與底部電極140接觸。圖4示出了傳統(tǒng)的CMUT陣列。頂部電極310只能覆蓋薄膜的一部分。參照?qǐng)D5，電容僅僅是兩個(gè)平行板電容器的串聯(lián)組合，電容C1是介質(zhì)薄膜的電容， 而C2是空氣腔室的電容，其中Cl1是薄膜的厚度，d2是空氣腔室的深度，b是頂部電極的半徑，”和ε 2是相對(duì)介電常數(shù)，^是真空介電常數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種電容式微加工超聲換能器，該電容式微加工超聲換能器包括 操作地連接至頂部電極的薄膜；和具有凹穴的底部電極；其中所述薄膜被構(gòu)造成在施加直流偏壓時(shí)朝向所述底部電極撓曲，使得所述薄膜的周邊邊緣區(qū)域緊密接近所述底部電極，并且所述薄膜的所述周邊邊緣區(qū)域附近的靜電力得到增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲換能器，其中當(dāng)施加所述直流偏壓時(shí)，所述薄膜的所述周邊邊緣區(qū)域與所述底部電極之間的距離小于所述所述薄膜的中央?yún)^(qū)域與所述底部電極之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲換能器，其中當(dāng)所施加的直流偏壓高于預(yù)定量而使所述薄膜朝向所述底部電極坍塌時(shí)，所述薄膜與所述底部電極之間的接觸到所述薄膜的中央?yún)^(qū)域時(shí)變成最小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容式微加工超聲換能器，其中當(dāng)所述薄膜朝向所述底部薄膜坍塌時(shí)所述薄膜的大約25%與所述底部電極接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲換能器，其中所述頂部電極具有與所述底部電極的凹穴相同的直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲換能器，其中所述薄膜是平坦的或撓曲的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲換能器，其中所述薄膜的尺寸從大約 500μπι到5μπι，且空中頻率范圍從IOOkHz到IOOMHz。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲換能器，其中所述薄膜的厚度從大約 0. 1 μ m 至Ij 10 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微加工超聲換能器，其中所述電容式微加工超聲換能器具有薄膜的陣列，其中每個(gè)頂部電極填滿每個(gè)薄膜的全部區(qū)域，由此僅留出用于錨固每個(gè)薄膜的小空隙。
10.一種用于制造電容式微加工超聲換能器的方法，該方法包括在硅基板上噴濺作為晶種層的Cr/AU的層，所述硅基板包括氮化硅層，以形成電容式微加工超聲換能器薄膜；涂覆圖案化光致抗蝕劑以限定電容式微加工超聲換能器單元的活性區(qū)域； 熔化所述圖案化光致抗蝕劑以通過(guò)表面張力形成球形輪廓；以及利用所述晶種層進(jìn)行鎳的電鍍以通過(guò)過(guò)鍍覆蓋所述圖案化光致抗蝕劑而形成所述底部電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述氮化硅的楊氏模量為大約200GPa。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法進(jìn)一步包括在將空氣截留在電容式微加工超聲換能器的腔室內(nèi)的情況下利用硅基聚二甲基硅氧烷即PDMS密封由所述電鍍引起的釋放孔的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法進(jìn)一步包括在真空室內(nèi)涂覆聚對(duì)二甲苯C的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法進(jìn)一步包括通過(guò)停止于所述氮化硅薄膜的單側(cè)氫氧化鉀即KOH蝕刻而移除所述硅基板的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，該方法進(jìn)一步包括對(duì)所述PDMS構(gòu)圖以形成薄膜區(qū)域和陣列元件的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法進(jìn)一步包括將導(dǎo)線至前端電子器件的步驟。
全文摘要
一種電容式微加工超聲換能器(CMUT)(200)，該電容器微加工超聲換能器包括操作地連接至頂部電極(210)的薄膜(220)和具有凹穴(230)的底部電極。在施加直流(DC)偏壓時(shí)，所述薄膜(220)朝向所述底部電極撓曲，使得所述薄膜(220)的周邊邊緣區(qū)域接近所述底部電極，并且所述薄膜的所述周邊邊緣區(qū)域附近的靜電力得到增加。
文檔編號(hào)H01L41/08GK102498586SQ201080041013
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者鄭慶祥, 鈔晨 申請(qǐng)人:香港理工大學(xué)