專利名稱：具有機械塌陷保持的預(yù)塌陷cmut的制作方法
具有機械塌陷保持的預(yù)塌陷CMUT本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)診斷超聲成像，并且尤其涉及使用電容式微加工超聲換能器 (CMUT)的超聲探頭。用于醫(yī)學(xué)成像的超聲換能器具有導(dǎo)致產(chǎn)生高質(zhì)量診斷圖像的各種特性。其中包括寬的帶寬以及在超聲頻率下對于低水平聲學(xué)信號的高靈敏度。傳統(tǒng)上，具有這些特性并且因而用于超聲換能器的壓電材料由PZT和PVDF材料制成，其中PZT是最優(yōu)選的。然而，陶瓷PZT材料需要包括明顯不同且復(fù)雜的切片(dicing)、匹配層粘結(jié)、填料、電鍍和互連的制造工序并且需要擴(kuò)展處理，所有這些會導(dǎo)致小于所期望的換能器堆疊單元產(chǎn)量。而且，這一制造復(fù)雜性增加了最終換能器探頭的成本。隨著超聲系統(tǒng)主機(mainframe)變得更小并且主要由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和用于多數(shù)信號處理功能的軟件來控制，系統(tǒng)主機的成本隨著系統(tǒng)的尺寸而降低?，F(xiàn)在，可獲得廉價的便攜式、桌面和手持形式的超聲系統(tǒng)。結(jié)果，換能器探頭的成本占系統(tǒng)總成本的百分比日益增長，并且用于3D成像的更高元件計數(shù)陣列的出現(xiàn)加速了這一增長。因此，期望能夠以提高的產(chǎn)量以及低成本制造換能器陣列，以促進(jìn)對于低成本超聲系統(tǒng)的需求。近來的發(fā)展已經(jīng)導(dǎo)致能夠通過半導(dǎo)體工藝來制造醫(yī)用超聲換能器的前景。期望的是，這些工藝應(yīng)該與用于制造超聲探頭所需的電路的工藝相同，例如CMOS工藝。這些發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生微加工超聲換能器或者M(jìn)UT0已按照兩種設(shè)計方案制造MUT，一種是使用具有壓電特性的半導(dǎo)體層(PMUT)而另一種是使用表現(xiàn)出電容效應(yīng)的具有電極板的膜片以及襯底 (CMUT)。CMUT換能器是具有電極的微小膜片狀的器件，其將所接收的超聲信號的聲音振動轉(zhuǎn)換為調(diào)制電容。為了傳輸，對施加到電極的電容電荷進(jìn)行調(diào)制以振動該器件的膜片并且從而傳輸聲波。由于這些器件通過半導(dǎo)體工藝制造，因此該器件通常具有10-200微米范圍的尺度，但是可以達(dá)到300-500微米的器件直徑?？梢詫⒃S多這樣單獨的CMUT連接到一起并且作為單個換能器元件整體操作。例如，可以將四到十六個CMUT耦合到一起以整體用作單個換能器元件。典型的2D換能器陣列目前將具有2000-3000個壓電換能器元件。在制造為CMUT陣列時，將使用超過一百萬個CMUT單元。令人驚訝的是，早期結(jié)果表明，這一尺寸的半導(dǎo)體制造(fab)CMUT陣列的產(chǎn)量應(yīng)比用于幾千個換能器元件的PZT陣列的產(chǎn)量有明顯提尚ο最初制造的CMUT以現(xiàn)在已知為“未塌陷(imcollapsed) ”模式進(jìn)行操作。參照圖 1，以截面圖示出典型的未塌陷CMUT換能器單元10。CMUT換能器單元10與諸如硅的襯底 12上的多個類似的相鄰單元一起制造?？梢杂傻柚瞥傻哪て蛘吣?4由絕緣支撐體 16支撐在襯底上方，該絕緣支撐體16可以由氧化硅或者氮化硅制成。膜和襯底之間的腔室18可以是空氣或者氣體填充的，或者完全或部分抽空。諸如金的導(dǎo)電薄膜或者層20在該膜片上形成電極，并且類似的薄膜或者層22在襯底上形成電極。由介電腔室18分隔開的這兩個電極形成電容。在聲學(xué)信號使膜14振動時，能夠檢測電容的變化，從而將聲學(xué)波換能為相應(yīng)的電信號。相反，施加到電極20，22的交流信號將調(diào)制該電容，使該膜移動并且從而傳輸聲學(xué)信號。由于典型CMUT的微米尺寸量級尺度，通常密集地制造大量CMUT單元以形成單個換能器元件。單獨的單元可以具有圓形、矩形、六邊形或者其它外圍形狀。圖3是由本發(fā)明的圓形CMUT單元的光學(xué)干涉儀產(chǎn)生的地形(topographical)圖像。圖4是圓形CMUT單元陣列的干涉圖像。CMUT單元可以具有不同的尺度以使得換能器元件將具有不同單元尺寸的組合特性，從而為換能器給出寬帶特性。一般而言，由于大多數(shù)CMUT通常具有所施加信號帶寬的100%或者更大的帶寬，因此這樣的單元尺寸差異不是必需的。CMUT本質(zhì)上是二次(quadratic)器件，因此聲學(xué)信號通常是所施加信號的諧波， 即，聲學(xué)信號將是所施加電信號頻率的兩倍。為了防止這一二次行為，向兩個電極施加偏置電壓，使膜片由所產(chǎn)生的庫倫力向襯底吸引。這在圖2中示意性示出，其中DC偏置電壓Vb 施加到作為端子M Wbi并且通過向交流信號施加諸如電感阻抗的高阻抗Z的路徑而耦合到膜電極20。交流信號從信號端子沈電容耦合到膜電極或者從該膜電極電容耦合。膜14 上的正電荷使該膜在被吸引到襯底12上的負(fù)電荷時膨脹。CMUT單元在這一偏置狀態(tài)下連續(xù)操作時僅微弱地表現(xiàn)出二次行為。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在膜膨脹以使得該電容式器件的兩個相反充電的板盡可能接近到一起時，CMUT最靈敏。兩個板的緊密接近將由CMUT產(chǎn)生聲學(xué)和電信號能量之間的更大耦合。因而期望增加偏置電壓Vb直到膜14和襯底12之間的介電間隔32盡可能小到能夠維持在操作信號條件下。在所構(gòu)成的實施例中，該間隔處于一微米或者更小的量級。然而，如果所施加的偏置電壓太大，則膜會接觸襯底，由于范德瓦爾斯(Vander Wals)力將器件的兩個板粘貼在一起，因此使該器件短路。這一粘貼會在CMUT單元被過驅(qū)動時發(fā)生，并且由于制造公差變化，對于相同的偏置電壓Vb器件之間也會變化。盡管通過在電絕緣層(例如氮化硅) 中嵌入器件電極能夠減小永久粘貼，但是當(dāng)試圖在最大靈敏度范圍內(nèi)操作未塌陷CMUT時， 塌陷和未塌陷狀態(tài)之間的操作非線性是固有的缺陷。即使在膜被偏置以產(chǎn)生非常小的亞微米介電間隔時，CMUT的靈敏度也會小于所期望的靈敏度。這是由于以下事實盡管膜的中心32處的電荷相對接近相對電荷并且將相對于該相反電荷顯著移動，但是在由支撐體16支撐該膜的外圍34處的電荷將幾乎不移動并且因而幾乎不參與由器件進(jìn)行的信號換能。消除該差異的一種方法是使用不延伸到支撐體 16的較小的膜電極20。這將膜電極上的電荷限制到將強烈參與膜的移動并且因而由器件進(jìn)行的換能的器件中心。仍然必須具有一個或者多個電導(dǎo)體以向膜電極20施加偏置電壓 Vb并且將交流信號耦合到電極或者耦合來自電極的交流信號。這些電導(dǎo)體必須非常薄，具有向交流信號施加不期望的大阻抗的尺度，從而限制了器件的靈敏度。本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好靈敏度但是不受膜粘貼問題影響的CMUT換能器單元。本發(fā)明的另一目的在于提供一種能夠利用低偏置電壓維持在有效操作范圍內(nèi)的 CMUT換能器單元。本發(fā)明的又一目的在于提供一種在存在預(yù)期制造公差的情況下大批量均一致操作的CMUT換能器單元。本發(fā)明的又一目的在于提供一種CMUT換能器陣列，其能夠利用與用于操作CMUT 換能器陣列的集成電路的半導(dǎo)體工藝兼容的半導(dǎo)體工藝，諸如CMOS工藝來制造。根據(jù)本發(fā)明的原理，提供一種以“預(yù)塌陷”模式操作的超聲換能器CMUT單元陣列。 在所述預(yù)塌陷模式下，由于膜與CMUT單元的腔室底面連續(xù)接觸，因此避免了粘貼問題。通過使用不在未塌陷和預(yù)塌陷狀態(tài)之間切換的操作范圍并且在預(yù)塌陷模式下連續(xù)操作而避免滯后。通過物理上保持膜的塌陷狀況的機械結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)上將膜維持在預(yù)塌陷模式所需的偏置電壓。這使得CMUT能夠以低操作和偏置電壓在有利的操作范圍內(nèi)操作。在優(yōu)選實施例中，將CMUT單元維持在塌陷狀況的機械結(jié)構(gòu)是超聲換能器陣列的透鏡。在附圖中

圖1是典型CMUT換能器單元的截面圖。圖2是典型CMUT單元的電特性的示意性說明。圖3是本發(fā)明的CMUT單元的地形干涉圖像。圖4是圓形CMUT單元陣列的干涉圖像。圖5是根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)建的CMUT單元的截面圖。圖6示出在偏置到塌陷狀態(tài)時圖5的CMUT單元。圖7示出在通過制成于CMUT單元頂部上的透鏡將膜保持在塌陷狀態(tài)時圖6的 CMUT單元。圖8示出通過對于CMUT單元陣列提供聚焦特性的透鏡保持在預(yù)塌陷狀態(tài)的CMUT 單元陣列。圖9示出預(yù)塌陷和未塌陷CMUT單元的耦合系數(shù)隨著電壓的變化。圖10示出本發(fā)明的構(gòu)建實施例的所測量的耦合系數(shù)隨著電壓的變化。參照圖5，繪出CMUT元件5的示意性截面圖。CMUT元件5包括襯底層12、電極22， 膜層14和膜電極環(huán)觀，在圖3和圖4中可見圓形的CMUT元件。在該示例中，電極22配置為圓形并且嵌入在襯底層12中。此外，膜層14相對于襯底層12的頂部表面固定并且被配置/設(shè)計尺度為在膜層14和襯底層12之間限定球形或者圓柱形腔室18。如先前提及的， 單元及其腔室18可以限定替代的幾何尺寸。例如，腔室18能夠限定矩形和/或正方形截面、六邊形截面、橢圓截面或者不規(guī)則截面。底部電極22典型地利用附加層(未示出)在其腔室相對表面上絕緣。優(yōu)選的絕緣層是形成在襯底電極上方且膜電極下方的氧化物-氮化物-氧化物(ONO)介電層。ONO-介電層有利地降低了電極上的電荷累積，該電荷累積會導(dǎo)致器件不穩(wěn)定性以及聲學(xué)輸出壓力的漂移和降低。在Klootwijk等人于2008年9月16日遞交的發(fā)明名稱為“Capacitive micromachined ultrasound transducer”的歐洲專利申請No. 08305553. 3 中詳細(xì)討論了在 CMUT上制造ONO-介電層。對于比未塌陷器件更易受到電荷保持影響的預(yù)塌陷CMUT，期望使用ONO-介電層。所公開的部件可以由兼容CMOS材料制造，例如Al、Ti、氮化物(例如氮化硅)、氧化物(各種等級)、四乙基原硅酸鹽(TE0S)、多晶硅等。在例如CMOS制造中，可以通過化學(xué)氣相沉積方法形成氧化物和氮化物層并且通過濺射工藝設(shè)置金屬(電極)層。適合的CMOS工藝是LPCVD和PECVD，后者具有小于400°C的相對低的操作溫度。用于制造所公開的腔室18的示例性技術(shù)包括在添加膜層14的頂部表面之前在膜層14的初始部分中限定出腔室。其它制造細(xì)節(jié)可以在美國專利No. 6，3 ，697 (Fraser)中找到。在圖5所示的示例性實施例中，圓柱形腔室18的直徑大于圓形配置的電極板22的直徑。電極環(huán)觀可以具有與圓形配置的電極板22相同的外徑，盡管并不要求這樣的一致性。因而，在本發(fā)明的示例性實施例中，電極環(huán)觀相對于膜層14的頂部表面固定，以與下方的電極板22對準(zhǔn)。
圖6示出在偏置到預(yù)塌陷狀態(tài)時圖5的CMUT單元，其中膜片14與腔室18的底面接觸。這通過向兩個電極施加DC偏置電壓來實現(xiàn)，該DC偏置電壓由施加到電極環(huán)觀的電壓％以及施加到襯底電極22的基準(zhǔn)電勢(地)指示。盡管電極環(huán)觀也能夠形成為中心沒有孔的連續(xù)盤狀，但是圖6示出這不是必需的原因。在如圖所示將膜14偏置到其預(yù)塌陷狀態(tài)時，膜的中心與腔室18的底面接觸。由此，膜14的中心在CMUT的操作期間未移動。而是位于腔室18的剩余開放空隙的上方并且位于環(huán)電極下方的膜14的外圍區(qū)域移動。通過將膜電極觀形成為環(huán)，器件的電容的上板電荷位于在CMUT作為換能器操作時表現(xiàn)出運動和電容變化的CMUT的區(qū)域上方。因而，改善了 CMUT換能器的耦合系數(shù)。通過施加典型地在50-100伏特范圍內(nèi)的必要偏置電壓，可以將膜14帶入與以36 標(biāo)記的腔室18的底面接觸的預(yù)塌陷狀態(tài)。隨著電壓增加，利用電容計監(jiān)視CMUT單元的電容。電容的突變表明膜已塌陷到腔室的底面。該膜可以偏置直到其正好接觸到以36標(biāo)記的腔室的底面，或者可以進(jìn)一步向下偏置到超出最小接觸的增加塌陷。將膜14帶入到其預(yù)塌陷狀態(tài)的另一方式是向膜的頂部施加壓力。當(dāng)腔室形成部分或者完全真空時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)施加1巴(bar)的大氣壓力足以使膜14預(yù)塌陷而與腔室18 的底面接觸。也可以使用壓力差和偏置電壓的組合來可控地使膜14預(yù)塌陷，這對于具有高大氣塌陷壓力(例如10巴)的較小器件有效。根據(jù)本發(fā)明的原理，在將膜14偏置到如圖6所示的預(yù)塌陷狀態(tài)時，在該膜上方布置或者形成將該膜物理保持在其預(yù)塌陷狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。在用于超聲換能器的優(yōu)選實施例中， 該結(jié)構(gòu)形成換能器的透鏡40。換能器透鏡通常滿足三個要求。第一是該透鏡提供耐受由于在使用換能器探頭期間產(chǎn)生的摩擦接觸而導(dǎo)致的耐磨的結(jié)構(gòu)。實際上，該透鏡提供保護(hù)下方的換能器陣列免受物理磨損的物理覆蓋。第二，透鏡是不導(dǎo)電的并且從而在換能器的電氣元件和患者之間提供電絕緣。第三，透鏡能夠為探頭提供聚焦特性。在圖7的示例中，透鏡40提供了第四優(yōu)點，即將膜14物理地保持在預(yù)塌陷狀態(tài)?？梢允褂酶鞣N材料用于透鏡材料。CMUT的唯一要求是材料具有足夠的剛度以在去除偏置電壓之后將膜保持在其塌陷狀態(tài)。一種適合的材料是聚二甲基硅氧烷 (polydimethyl siloxane) (PDMS或者RTV橡膠)。在偏置電壓&將膜保持在其所需的塌陷狀態(tài)的同時，在CMUT上方模鑄(cast)RTV材料。在RTV聚合并且具有足夠剛度以將膜物理地保持在其預(yù)塌陷狀態(tài)之后，可以去除偏置電壓并且不需要重新施加直到偏置該器件用于操作。優(yōu)選地，將透鏡材料粘結(jié)到CMUT陣列的每一個膜周圍的區(qū)域。可適合于透鏡40的其它材料包括聚氨酯橡膠、乙烯基塑料和熱塑性彈性體。通過將膜物理地保持在其預(yù)塌陷狀態(tài)，不需要偏置來維持該預(yù)塌陷狀況，直到在器件的使用期間施加操作偏置。這意味著，CMUT能夠以更低的電壓操作，這有利于小的便攜式超聲系統(tǒng)。而且，能夠消除由于制造和材料特性的變化，諸如膜尺寸、剛度或者腔室深度的批量與批量之間的變化，導(dǎo)致的不利效果。這些變化意味著，需要或多或少的偏置電壓將CMUT帶入其預(yù)塌陷狀態(tài)。將偏置電壓相應(yīng)地調(diào)節(jié)到期望的塌陷程度，并且隨后透鏡材料將膜保持在該狀態(tài)。因而，即使在存在這些公差變化的情況下，也能夠?qū)τ谙嗤男阅芴匦曰蛘咂漶詈隙ㄖ圃O(shè)置每一個CMUT陣列。能夠?qū)崿F(xiàn)探頭在諸如操作電壓范圍、聲學(xué)阻抗、電容和耦合系數(shù)方面更大的一致性。圖8示出通過透鏡42將預(yù)塌陷的CMUT 5的陣列保持在預(yù)塌陷狀態(tài)的本發(fā)明的實施示例。該透鏡材料表現(xiàn)出比人體更慢的聲速，從而朝向中心聚焦區(qū)域聚焦該陣列。在沒有聚焦透鏡的情況下，單獨的CMUT將全部一直朝前聚焦并且該陣列作為整體聚焦在無限遠(yuǎn)處。在操作這樣的陣列以將其聚焦在期望的聚焦范圍內(nèi)時，需要相當(dāng)?shù)难舆t范圍以實現(xiàn)期望的聚焦。圖8所示的聚焦透鏡42能夠用于對陣列給出期望聚焦范圍內(nèi)的名義聚焦，該期望聚焦范圍諸如圖8的CMUT陣列前面示出的聚焦范圍FR。利用提供該初始聚焦的透鏡， 減小了將聚焦改變到聚焦范圍內(nèi)的特定點或者區(qū)域所需的延遲范圍。通過在感興趣的聚焦范圍內(nèi)布置透鏡焦點，與非聚焦平面波陣列所要求的相比，束形成器的延遲需求降低兩倍。 在操作陣列的束形成器的延遲需求降低時，束形成器一般不太昂貴并且不太難于設(shè)計和制造。在CMUT換能器單元的示例性構(gòu)造陣列中，每一個CMUT的膜的直徑或者寬度為 50·πι，腔室的深度為0.3因m，并且CMUT的厚度為1-5因m。透鏡的厚度可以是500-1000ISm 并且表現(xiàn)出1兆帕的剛度。預(yù)塌陷狀態(tài)下CMUT的耦合系數(shù)得到改善并且能夠以比在未塌陷狀態(tài)下操作時的 CMUT(圖1和圖2~)的情況更低的電壓而變化。CMUT單元的耦合系數(shù)是該器件的能量存儲效率的度量并且計算為
權(quán)利要求
1.一種CMUT換能器單元，包括 襯底；附接到所述襯底的第一電極；以與所述第一電極成間隔關(guān)系形成的可移動膜；附接到所述膜的第二電極；以及保持部件，所述保持部件在所述膜處于預(yù)塌陷狀態(tài)時覆蓋所述可移動膜，并用于在不存在偏置電壓的情況下將所述膜保持在其預(yù)塌陷狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的CMUT換能器單元， 其中，所述保持部件是換能器透鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的CMUT換能器單元，其中，所述換能器透鏡由聚二甲基硅氧烷、PDMS、RTV橡膠、聚氨酯、乙烯基塑料或者熱塑性彈性體的其中之一制成。
4.如權(quán)利要求1所述的CMUT換能器單元，其中，在通過偏置電壓使所述膜進(jìn)入預(yù)塌陷狀態(tài)時，將所述保持部件模鑄在所述CMUT 換能器單元上方。
5.如權(quán)利要求1所述的CMUT換能器單元，其中，在通過向所述膜施加壓力使所述膜進(jìn)入預(yù)塌陷狀態(tài)時，將所述保持部件模鑄在所述CMUT換能器單元上方。
6.如權(quán)利要求5所述的CMUT換能器單元， 其中，所述壓力是大氣壓力。
7.—種CMUT換能器陣列，包括多個如權(quán)利要求1所述的CMUT換能器單元， 其中，所述保持部件還包括形成在CMUT換能器單元的所述陣列上方的聲學(xué)透鏡。
8.如權(quán)利要求7所述的CMUT換能器陣列，其中，所述聲學(xué)透鏡向所述陣列提供在感興趣的場內(nèi)小于平面波的焦距的固定焦距。
9.如權(quán)利要求7所述的CMUT換能器陣列，其中，所述換能器陣列是利用兼容CMOS的半導(dǎo)體工藝形成的； 其中，所述換能器陣列被并入在診斷超聲探頭中；并且其中，所述超聲探頭還包括耦合到所述換能器陣列并用以操作所述陣列的電子電路， 其中，所述電子電路是利用兼容CMOS的半導(dǎo)體工藝形成的。
10.如權(quán)利要求9所述的CMUT換能器陣列， 其中，所述電子電路還包括微束形成器電路。
11.如權(quán)利要求10所述的CMUT換能器陣列，其中，所述換能器陣列和所述微束形成器電路還被制造在相同的半導(dǎo)體襯底上。
12.如權(quán)利要求7所述的CMUT換能器陣列，其中，所述換能器陣列是利用兼容CMOS的半導(dǎo)體工藝形成的； 其中，所述換能器陣列被并入在治療超聲探頭中；并且其中，所述超聲探頭還包括耦合到所述換能器陣列并用以操作所述陣列的電子電路， 其中，所述電子電路是利用兼容CMOS的半導(dǎo)體工藝形成的。
13.一種CMUT換能器單元，包括襯底；附接到所述襯底的第一電極；以與所述第一電極成間隔關(guān)系形成的可移動膜；附接到所述膜的第二電極；以及保持部件，所述保持部件在所述膜處于部分預(yù)塌陷狀態(tài)時覆蓋所述可移動膜，并用于在不存在偏置電壓的情況下將所述膜保持在其部分預(yù)塌陷狀態(tài)。
14.如權(quán)利要求13所述的CMUT換能器單元，還包括施加到所述第一電極和所述第二電極的偏置電壓，其中，所述保持部件和所述偏置電壓用于將所述膜保持在完全預(yù)塌陷狀態(tài)。
15.如權(quán)利要求14所述的CMUT換能器單元， 其中，所述保持部件是換能器透鏡。
全文摘要
一種適用于超聲CMUT換能器陣列中的CMUT換能器單元包括具有第一電極的膜、具有第二電極的襯底、以及位于所述膜和所述襯底之間的腔室。通過將所述膜偏置到與所述腔室的底面的塌陷狀況而在預(yù)塌陷狀態(tài)下操作所述CMUT，并且透鏡模鑄在塌陷的膜上方。在所述透鏡材料聚合或者具有足夠剛度時，去除所述偏置電壓而所述透鏡材料將所述膜保持在塌陷狀態(tài)。
文檔編號B06B1/02GK102333485SQ201080009239
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
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