CN101573861A

CN101573861A - 微机电换能器

Info

Publication number: CN101573861A
Application number: CNA2006800171390A
Authority: CN
Inventors: 黄勇力
Original assignee: Kolo Technologies Inc
Current assignee: Kolo Medical, Ltd.
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: CN101573861B; WO2006123298A2; CN101223633A; CA2607885A1; EP1883956A4; EP1883956A2; JP2008541473A; CN101589543B; WO2006123298A3; US20120112324A1; CN101578686A; US9224648B2; US8105941B2; CN101578686B; US20080203556A1; CN101589543A

Abstract

本发明公开了一种微机电换能器(诸如cMUT)。该换能器(500)具有衬底(501)、顶板(540)和其间的中间弹性层(520)。衬底(501)和中间弹性层(520)在其间限定以支承特征部为侧壁的空腔。中间弹性层(520)由支承特征部锚固以在空腔上形成悬臂以实现位于中间弹性层(520)上的连接器的垂直位移。连接器在中间弹性层(520)和顶板(540)之间限定换能空间。通过连接器的垂直位移以类似于活塞的运动移动顶板(540)，来改变换能空间并实现能量转换。各种构造的悬臂包括单悬臂、背对背双悬臂和头对头的双悬臂(桥)是可能的。

Description

微机电换能器

本申请要求以下美国临时申请的优先权：2005年5月18日提交的第60/682,619号；2005年6月17日提交的第60/692,038号；2005年8月3日提交的第60/705,606号；2006年4月4日提交的第60/744242号，这些专利申请的内容通过引用整体结合于此。

本申请还通过引用结合了以下申请的全部内容：

由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为THROUGH-WAFERINTERCONNECTION(代理机构案号03004.01)的国际申请(PCT)；

由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为METHODS FORFABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES(代理机构案号03004.02)的国际申请(PCT)；

由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS(代理机构案号03004.04)的国际申请(PCT)。

技术领域

本申请涉及具有用于能量转换的可移动机械部件的微机电装置，尤其涉及诸如电容式微加工超声换能器(cMUT)之类的微加工超声换能器(MUT)。

背景技术

微机电换能器通常共用公共特征部，它包括用于能量转换的可移动机械部件。这种微机电换能器的一个例子是微加工的超声换能器(MUT)。超声换能器执行一系列的能量转换以实现其换能器的功能。在其接收模式中，在放置了换能器的介质中传播的超声波的声能转换成换能器中的可移动部件(通常是振动膜)的机械能。然后可移动部件的运动转换成可检测的电磁(通常是电)信号。在其发射器模式中，发生反向的能量转换过程。

已经开发了用于发射和接收超声波的各种类型的超声换能器。超声换能器可在各种介质中工作，包括液体、固体和气体。这些换能器通常用于诊断和治疗的医学成像、生物化学成像、材料的非破坏性检测、声纳、通信、贴近式传感器、气流测量、现场过程监视、声学显微镜、水下传感和成像以及其它。除分立的超声换能器外，还开发了包含多个换能器的超声换能器阵列。例如，开发了用于成像应用的二维阵列超声换能器。

与广泛使用的压电(PZT)超声换能器相比，MUT在器件制造方法、带宽和工作温度方面具有优势。例如，制造常规的PZT换能器阵列包括切割并连接各个的压电元件。该过程充满了困难和高花费，更不用说由这些元件造成的对发射/接收电子装置的大的输入阻抗失配问题。在比较中，在制造MUT中使用的微加工技术更加能够制造这种阵列。在性能方面，MUT证明了可与PZT换能器的动态性能相比较的动态性能。由于这些原因，MUT变为压电(PZT)超声换能器的引人注目的选择对象。

在几种MUT中，广泛使用电容式微加工超声换能器(cMUT)，它采用静电换能器。还采用利用压电(pMUT)和磁(mMUT)换能器的其它MUT。现有技术的cMUT结构的例子在图1A-1C、图2-3和图4A-4B中示出。

图1A示出了具有多个单元的现有技术cMUT的基本结构的横截面图。图1B示出单个cMUT单元10的放大视图。图1C示出同一现有技术的多单元cMUT结构的对应的示意性俯视图。实际上，功能cMUT可具有至少一个独立的可寻址cMUT元件。基于常规的设计，每一个cMUT元件由很多并联连接的cMUT单元组成。在图1A中示出了四个单元，图1B中示出了单个单元，而图1C中示出了十个单元，但在图1A-1C中所有的单元属于单个cMUT元件。

图1A-1C的cMUT构造在衬底11上。如所选择的cMUT单元10所示，每一个cMUT单元具有平行板电容器，它由刚性底电极12和位于柔性膜16上或其中并用于在相邻介质中发射或接收声波的顶电极14组成。每一个单元中柔性膜16由绝缘壁或柱18支承。膜16从衬底11和顶电极12分隔开以在其间限定换能空间19。将DC偏压施加在电极12和14之间，以使膜16偏转到用于cMUT工作的最优位置，通常以使灵敏度和带宽最大化为目标。在发射期间，将AC信号施加到换能器。顶电极和底电极之间的交替的静电力激励膜16，以便将声能传递到cMUT周围的介质(未示出)中。在接收期间，碰撞的声波振动膜16，因此改变了两电极之间的电容。电子电路检测该电容变化。

或者可利用压电换能器(pMUT)和磁换能器(mMUT)激励膜并检测膜的位移。图2示出pMUT单元20，除电容器(电极12和14)由膜26上的压电构件24替换外，它具有与cMUT单元10类似的结构。图3示出mMUT单元30，除电容器(电极12和14)由膜36上的磁性层34替换外，它具有与cMUT单元10类似的结构。

已经开发了用于制造图1A-1C所示的cMUT的制造方法。在美国专利第6,632,178号和6,958,255号中公开了示例性方法。

在现有技术的结构和方法的cMUT中存在缺点。这些缺点中的很多涉及这样的事实，即每一个可寻址cMUT元件由很多单独的单元形成并且每一个单元具有其夹在或固定在由相邻的单元共用的边缘上的cMUT膜。以下列出了缺点的例子。

(1)由于夹紧边缘，膜的平均位移小。结果装置的发射和接收性能都差

(2)由夹紧区域(例如边缘)和壁或柱占用的表面面积不活动，因此降低了装置的填充因数和总效率。

(3)锚固区域引入寄生电容，这降低了装置的灵敏度。

(4)cMUT元件的表面内的锚固图案可导致超声波干涉这限制了装置带宽。

(5)膜的不一致的放置可扰乱超声波图案。例如，不一致的放置可影响从换能器表面发射的超声束图案并导致通过换能器表面的声交叉耦合。

(6)由于工艺变化同一cMUT元件中的各个单元的谐振频率可能互不相同。这导致工作期间同一cMUT元件中不同单元之间膜运动的相位差。结果，cMUT元件的平均位移的和将显著劣化。该问题劣化了装置的性能，尤其是在cMUT在高品质因数(Q-因数)条件下工作时，例如在空气中。

(7)声能可通过支承壁耦合到换能器衬底并导致诸如cMUT元件之间的声交叉耦合之类的不希望的效应。通过引入具有期望声音特性的材料降低通过衬底的交叉耦合的工作需要占用元件之间额外的空间。

以上的问题也存在于现有技术的pMUT和mMUT中因为它们具有与如图1所示cMUT相似的结构。

在美国专利第7,030,536号中公开了另一种cMUT装置，它具有构造在衬底上的柔性的(compliant)支承结构以支承膜。根据该设计的cMUT在图4A-4B中示出。图4A示出如该专利公开的单个cMUT单元40的横截面图。图4B示出如该专利公开的多个cMUT单元的示意性俯视图。与图1A-1C中所示的常规的cMUT相比，美国专利第7,030,536号中公开的cMUT结构利用代替常规的绝缘壁18的柔性支承结构48来限定每一个cMUT单元40的膜46的周边，使得顶电极44和膜46能以类似于活塞的方式运动。这具有潜在的优点，但根据该专利的设计也引入了其自身的问题，在详细描述中将参考本发明来讨论。

由于这些MUT装置的重要性，期望在性能、功能性和可制造性方面改进技术。

附图说明

图1A示出具有多个单元的现有技术cMUT的基本结构的横截面图。

图1B示出图1A的单个cMUT单元的放大图。

图1C示出同一现有技术多单元cMUT结构的对应的示意性俯视图。

图2示出现有技术的pMUT单元。

图3示出现有技术的mMUT单元。

图4A示出另一个用于辩论的单个cMUT单元的横截面图。

图4B示出图4A的多个cMUT单元的对应的示意性俯视图。

图5A示出cMUT结构的横截面图，它示出完整的cMUT元件和相邻的cMUT元件的部件。

图5B示出在没有示出顶板的情况下图5A中的cMUT元件的示意性俯视图。

图5C示出所选择的cMUT部分的放大图，它是图5A中的完整的cMUT元件的一部分。

图5D示出不同选择的cMUT部分的放大图，它是图5A中的完整的cMUT元件的另一部分。

图6A-6E示出与弹簧(悬臂)分布剖面结合的顶板构造的例子。

图7示出根据本发明的具有层叠电容器的cMUT。

图8示出根据本发明的具有层叠电容器的cMUT的另一个例子。

图9示出普通的现有技术连接方案，其中单个电容器用于发射和接收(检测)。

图10示出第一示例性电容器连接方案，其中两个层叠的电容器分别用于发射和接收。

图11示出第二示例性连接方案，其中两个电容器都专用于发射。

图12示出第三示例性连接方案，其中两个电容器都专用于接收。

图13示出硅中间弹性层的掺杂剖面的例子。

图14示出具有运动制动器以限制顶板的最大垂直位移的本发明cMUT的所选择的部分的放大图。

图15A-15C示出顶板层的三个示例性结构。

图15D示出作为三种构造中所示的蚀刻孔的直径的函数的第1谐振频率对顶板总质量的对应的比的图。

图15E示出具有构造于其中的孔的顶板的另一个例子。

图16示出根据本发明的示例性实施例的pMUT元件的一部分的横截面图。

图17示出根据本发明的示例性实施例的mMUT元件的一部分的横截面图。

图18示出根据本发明与IC集成的cMUT的横截面图。

图19示出表征自对准悬臂的cMUT结构的横截面图。

发明内容

本发明公开了一种微机电换能器(诸如cMUT)，它具有可移动机械部件以转换能量。该换能器具有衬底、顶板和位于其间的中间弹性层。衬底具有以支承特征部为侧壁围成的空腔。中间弹性层由支承特征部锚固以在空腔上形成悬臂以实现位于中间弹性层上的连接器的垂直位移。连接器在中间弹性层和顶板之间限定换能空间。通过连接器的垂直位移以类似于活塞的运动移动顶板以改变换能空间并实现能量转换。各种构造的悬臂包括单悬臂、背对背双悬臂和头对头双悬臂(桥)有可能。

根据本发明的第一方面，微机电换能器包括背对背双悬臂结构。该换能器具有：

(a)衬底；

(b)位于衬底上的中间弹性层，其中衬底和中间弹性层在其间限定第一空腔和第二空腔，第一空腔和第二空腔共用支承特征部，支承特征部包括作为第一空腔的边界的第一侧壁和作为第二空腔的边界的相对的第二侧壁，且其中中间弹性层具有连接到第一侧壁并覆盖第一空腔的至少一部分的第一部分以及连接到第二侧壁并覆盖第二空腔的至少一部分的第二部分；

(c)在中间弹性层的第一部分上具有连接器高度的第一连接器，第一连接器在水平方向上离开第一侧壁足够的长度，使得第一连接器和第一侧壁之间的中间弹性层的第一部分限定在第一侧壁处锚固的第一悬臂；

(d)在中间弹性层的第二部分上具有基本相同的连接器高度的第二连接器，第二连接器在水平方向上离开第二侧壁足够的长度，使得第二连接器和第二侧壁之间的中间弹性层的第二部分限定在第二侧壁处锚固的第二悬臂；以及

(e)位于第一连接器和第二连接器上的顶板，连接器将顶板与中间弹性层分离以在顶板下限定换能空间。

第一悬臂和第一空腔实现所述第一连接器的垂直位移，而第二悬臂和第二空腔实现第二连接器的垂直位移，连接器的垂直位移使顶板基本垂直地移动，由此改变换能空间并激活用于能量转换的换能器中的换能构件。

在一个实施例中，第一空腔和第二空腔互相连接。例如，第一空腔和第二空腔是圆形空腔的不同的部分。此外，第一连接器和第二连接器也可以是圆形连接器的不同的部分。

衬底可以是导电的晶片，诸如硅晶片。顶板也可包括导电层，诸如硅层。这可得益于利用基于硅的制造工艺。

当顶板在其底部附近具有导电层时，可将绝缘层置于连接器和顶板之间用于绝缘的目的。或者连接器的垂直位移被限制在小于所述顶板通过所述换能空间移动的最大的垂直距离的最大垂直位移。实现它的一种方式是通过设置在空腔中的运动制动器来限制连接器的最大垂直位移。另一种方式是限制中间弹性层下的空腔的深度。

本发明的微机电换能器的一个例子是电容式微加工超声换能器，其中换能构件包括顶电极和底电极。顶电极包括沉积在顶板的表面上的导电层。如果衬底的支承特征部是导电的，则底电极可包括衬底的支承特征部的至少一部分。但底电极还可以是沉积在中间弹性层上的分离的导电层。

本发明的微机电换能器的其它例子包括：pMUT，其中换能构件包括沉积在顶板上的压电构件；以及mMUT，其中换能构件包括沉积在顶板上的磁性构件。

中间弹性层和顶板层均可具有很多构造。例如，中间弹性层可以是位于衬底的支承特征部上的连续层并在侧壁上延伸以覆盖空腔的至少一部分。中间弹性层包括第一区和第二区，其中第一区可具有低掺杂或本征硅材料，而第二区包括具有增加的导电率的高度掺杂的硅材料。两个区可形成PN结以增强高压保护。顶板可具有至少有两个不同的厚度的厚度剖面。顶板还可包括两种不同的材料。例如，第一材料可以是由分离沟槽分割的多个部分而第二材料通过在各分离的沟槽上横跨来连接另一材料的这些部分。第二材料可填充或部分填充所述沟槽。

具体的，顶板可以是微加工的结构以具有诸如形成于其中的孔之类的内部结构。孔可具有对顶板的期望的刚度/质量比优化的尺寸和位置剖面。

较佳的是，顶板比中间弹性层显著刚硬，并且在通过连接器的垂直位移的移动时基本不弯曲。

换能器结构可与集成电路集成。例如，集成电路可形成于顶板中。

根据本发明的换能器的层结构可与另一个换能器层叠，后者可以是根据本发明的设计或任何其它常规的换能器。例如，本发明的换能器可以是cMUT换能器其中换能构件包括第一电容器，而cMUT换能器还包括第二换能构件，后者包括层叠在第一电容器的顶部的第二电容器。两电容器可以配置在不同的模式(发射或接收)下工作或者它们可以配置在相同的模式下工作。

在本发明的另一个方面中，微机电换能器包括头对头双悬臂结构，该换能器具有：

(a)衬底；

(b)位于衬底上的中间弹性层，其中衬底和中间弹性层在其间限定空腔，空腔以第一支承特征部和第二支承特征部为边界，第一支承特征部具有作为空腔的边界的第一侧壁，而第二支承特征部在相对的侧面具有作为空腔的边界的第二侧壁，其中中间弹性层从第一侧壁延伸到第二侧壁以覆盖空腔；

(c)在中间弹性层上具有连接器高度的一个连接器，该连接器在水平方向上离开第一侧壁和第二侧壁，使得第一侧壁和第二侧壁之间的中间弹性层限定在第一侧壁和第二侧壁处锚固的相对连接的双悬臂；以及

(d)位于连接器上的顶板，连接器将顶板与中间弹性层分离以在顶板下限定换能空间.

双悬臂和空腔实现连接器的垂直位移，连接器的垂直位移使顶板基本垂直地移动，由此改变换能空间并激活用于能量转换的换能器中的换能构件。类似于背对背双悬臂构造的很多实施例对于头对头双悬臂(桥)构造也是可能的。

换能器还可包括单个悬臂中的基本的构造单元，单个悬臂是背对背双悬臂或头对头双悬臂的一半。尽管在制造工艺方面这不是最有效率的，但以由共同申请人在同一日期提交的本文确定的几篇其它专利申请中公开的新颖的制造方法制造这一换能器是可行的。

从以下参考附图详细描述的几个实施例将更清楚上述和其它的特征和优点。

详细描述

将连同附图详细描述本发明的诸如电容式微加工超声换能器(cMUT)之类的微机电换能器，在所有附图中类似的部件用类似的标号或文字来标记。微机电换能器可利用任何合适的方法来制造，尤其是利用本文确认的由共同申请人在相同的日期提交的几篇其他专利申请中公开的方法。

下面参考特定的实施例描述本发明。在大多数情况下，cMUT结构用于说明本发明。然而应该意识到本发明不限于cMUT。本领域的技术人员将清楚，可在不背离本发明的较宽的范围的情况下进行各种修改并且可采用其它实施例。因此，对特定实施例的这些或其它改变应由本发明覆盖。本领域的技术人员将意识到可单独或联合地使用结合实施例公开的各种特征。

注意，在本说明书中在广义上使用术语“换能器”和“换能构件”，不仅包括进行执行和感觉功能的装置还包括进行执行功能或感觉功能的装置。还应注意，在本说明书中在广义上使用术语“悬臂”以描述具有锚固端、弹性部分的结构，该弹性部分从锚固端延伸至施力端(exerting end)以激活或移动该弹性部分。因此悬臂不一定指字面上的一维梁形悬臂，还包括具有诸如桥或横梁之类的沿不同方向延伸的多梁的类似的结构，最确切地还包括区域或平面弹簧(二维“悬臂”)，其中锚固端是作为其区域或部分的闭合周界的延伸线，弹性部分是延伸区域而施力端可以是单个点、小的区域或延伸的线(闭合端、开口端或分段)。此外，词“圆形的”和“环形的”仅在最广泛的意义下表示形状具有圈的形式、接近圈的弯曲的形状或一般类似于环状的布置，而不表示特定的圆形或任何其它形状，也不表示圈或环是完全完整的或不断开的。

为了说明本发明，首先根据本发明讨论依照现有技术的设计的某些方面。注意，为了更清楚地说明的目的，本文的讨论将本发明划成对现有技术设计的后见之明。

参考图4A和4B，示出的现有技术cMUT设计利用柔性支承结构48代替常规的绝缘壁18以限定用于每一个cMUT单元40的膜46的周界端，使得顶电极44和膜46可以类似于活塞的方式通过底电极42和顶电极44之间的空间45运动。顶电极44附连到膜46的底部。底电极42位于基座43的顶部。在每一个cMUT单元中，膜46固定到柔性支承结构48，它是基本密封的侧壁，来以与图1A-1C中示出的基于固定膜的cMUT设计相同的方式构成每一个cMUT单元40的周界48(图4B)。这在图4B所示的多单元结构的背景下更易理解。

以上的结构具有潜在的优点但也引入了其自身的问题。首先，应注意，图4A-4B所示的现有技术cMUT设计的概念是利用由柔性支承结构制成的柔性单元侧壁48来替换常规的刚性单元侧壁18。因为相对复杂的柔性单元侧壁48代替图1中的简单且狭窄的绝缘侧壁18，存在使由那些根据该设计的外围柔性单元侧壁48占据的无用面积的影响最小化的增加的挑战。建议将补充电极制造在柔性单元侧壁48中的柔性支承结构上以减小由柔性支承结构占用的无用面积。然而，没有迹象表明这一设计将解决该问题，并且也没有迹象表明从制造的观点上看该设计是否实际。

其次，如图4B所示，柔性单元侧壁48确定了整个cMUT结构中的边界。因此cMUT单元40的大部分面积由刚性且不可移动的底座43占据，该底座由外围柔性单元侧壁48围绕(但与其分离)。在边缘上的柔性单元侧壁48是支承单元40的整个膜46的单独结构。这保留了图1A-1C中示出了cMUT的设计中存在的相同的单元限制。例如，它限制了每一个单个cMUT单元40的总尺寸。大的cMUT单元将需要大的膜46，该膜46必需很坚硬并且厚，以维持所需的谐振频率。这是常规的cMUT结构的最重要的限制之一，由于这个原因每一个可寻址cMUT元件必须由多个单元形成。例如，在医学相阵列中使用的cMUT结构中，cMUT元件的尺寸是声波的半波长(例如，对于10MHz装置是75um，对于5MHz是150um而对于1MHz装置是750um)。为了得到所需的装置工作频率，必须使常规的cMUT单元的尺寸比必须要使用不合理的厚度的膜的元件或装置尺寸小得多。由于其内在的设计概念，图4A和4B中示出的cMUT可能在这方面上表现得与其它cMUT结构十分相似，因此不能保证解决有关的问题。事实上，可想象将与图1A-1C中示出的cMUT结构中得到的类似的多个小的单元用于图4A-4B中的cMUT结构。

可设想本发明免除cMUT单元要求。正如接下来所示，尽管本发明仍可用于制造每一个都具有多个单元的cMUT元件，但不是必需这样。事实上，由于根据本发明的cMUT设计的内在特性，从制造的观点上看较佳的是制造每一个可寻址cMUT元件而没有任何内部的单元边界。此外，即使在根据本发明的可寻址cMUT元件由多个较小的部分(诸如各区域具有其自身的顶板层部分它与其它的顶板层分开)形成时，这些较小的部分不需要具有夹紧的周界或外围支承壁，且还不需要在尺寸或形状上彼此相同。

图5A是cMUT结构的横截面图，示出完整的cMUT元件500和每侧一个的相邻的cMUT元件500A和500B的部分。cMUT结构构造在衬底晶片501上，并也具有中间弹性层520和顶板540。衬底晶片501、中间弹性层520和顶板层540以下面的方式从底部排列到顶部：顶板层540的底侧面面向中间弹性层520的顶侧面且中间弹性层520的底侧面面向衬底晶片501的前侧面。cMUT元件500、500A和500B由穿过顶板540和中间弹性层520形成的分离沟槽515分隔。

在描述中，cMUT或微机电元件指的是能够通过外部或内置控制电路的控制执行能量转换并可通过外部或内置的控制电路单独寻址的装置单元。每一个可寻址cMUT限定衬底晶片的装置元件区域和对应的顶板层的装置元件区域。因为将三层(衬底晶片501、中间弹性层520和顶板层540)安排成彼此基本相互平行并直接层叠在彼此的顶部，衬底晶片的装置元件区域和对应的顶板层的装置元件区域在垂直方向上彼此重叠并在纵向上彼此重合(在层的表面尺寸上)。

在本发明的一个方面中，设置了具有分布在装置元件区域上的多个连接器的弹性结构(诸如图5A中所示的例子中的中间弹性层520)以垂直移动具有分布的不限于边缘(外围区域)的支承的顶层。在图5A所示的示例性结构中，例如，顶板540通过多个板弹性连接器530、530a和530b连接到中间弹性层520。尽管连接器530b位于由分离沟槽515限定的装置元件外围附近，但其它连接器530和530a朝向装置元件区域的中心充分远离装置元件的外围以提供对顶板层540更灵活、更有效且更分散的支承。该分布式支承可有助于构造用于实现期望的频率响应和模态根形的cMUT元件。

然而，对于具有很高的工作频率的cMUT，图5C-5D中示出的基本单元可用作完整的CMUT装置或元件。

图5B是在不示出顶板540的情况下的cMUT元件500的示意性俯视图。图5A中示出了沿图5B显示的虚线截取的cMUT元件500的横截面图。在该示例性结构中，cMUT元件500一般形成同心正方形图案。中心是位于简单形状的空腔502的顶部的简单的分立连接器530(如图5A中的横截面图所示，连接器530位于覆盖空腔502的中间层520上)，空腔502由圆形侧壁锚503围绕，而侧壁又由圆形空腔502a围绕。另一个较大的圆形连接器530a位于圆形空腔502a的顶部，空腔502a由下一级的圆形侧壁锚503a围绕。然而，图5B所示的特定的结构仅仅是为了说明的目的。如由共同申请人在同一日期提交的本文确认的几篇相关专利申请所示，不限数量的结构对于本发明是可能的。

图5C是所选择的cMUT部分510的放大图，它是完整的cMUT元件500的一部分。所选择的cMUT部分510是完整的cMUT元件500(和其它cMUT元件500A和500B)的基本单元。所选的cMUT部分510的结构提供了理解完整的cMUT元件500的基础。

如图5C所示，所选择的cMUT部分500包括以从顶部至底部通过该结构的想象的垂直线(未示出)为中心的两个半部分。如所述，对于具有高工作频率的诸如CMUT之类的某些应用，一个完整的CMUT元件或装置可仅使用类似于cMUT部分510的一个基本单元。对于其它应用，较佳的是使用图5C和图5D所示的多个基本单元的组合。

cMUT部分510构造在衬底501上，衬底上有支承特征部(在下文中称为“侧壁锚”)503，它具有在两个相对的侧上的两个侧壁，分别作为空腔502和502a的边界。支承特征部(侧壁锚)503可以是作为形成空腔502和502a的结果形成的衬底501的集成部分，但也可以是附加到分离衬底上的附加的结构。在一个实施例中，例如，侧壁锚503是中间弹性层520的一部分。衬底501可以由诸如硅和多晶硅之类的非导电材料或导电材料制成。在侧壁锚503是分离结构的构造中，侧壁锚503的导电率可与衬底501的导电率相同或不同。例如，衬底501可由非导电材料制成而侧壁锚503是诸如金属、硅或多晶硅之类的导电材料。

所示cMUT结构还具有位于侧壁锚503的另一侧的第二空腔502a。取决于如何及何处从cMUT元件500取得cMUT部分510，第二空腔502a可属于不同的和分离的空腔，或仅仅是与空腔502的圆形或延伸空腔相同的另一部分。所选择的cMUT部分510在另一半中还具有第二连接器530a。此外，取决于如何及何处从cMUT元件500取得cMUT部分510，第二连接器530a可以是不同的或分离的连接器的一部分，或仅仅是与连接器530相同的圆形或延伸连接器的一部分。

CMUT结构部分510还具有这些部件：中间弹性层520，它较佳的是弹性膜；位于中间弹性层520上的底电极525；位于中间弹性层520顶部的连接器530和530a；位于连接器530上的绝缘层535；通过介于其间的绝缘层535连接到连接器530和530a的顶板540以及顶电极550。

顶板540的底侧面面向中间弹性层520的顶侧，而中间弹性层520的底侧面面向衬底晶片的前侧面，从而连接器530从中间弹性层520直立以在顶板540下限定换能空间560。换能空间560一般限定在顶板层540和中间弹性层520的顶部表面或侧壁锚503的顶部表面中较高的表面之间。当在顶板层540和中间弹性层520的顶部表面或侧壁锚503的顶部表面之间有介入层时，可用的换能空间可能减小。例如，如果将另一层沉积在中间弹性层520或侧壁锚503上，则将侧壁锚的顶部表面定义为沉积在侧壁锚503上的层的未覆盖的表面。在图5C所示的示例性构造中，可用的换能空间560的实际高度可能由于绝缘层535、底电极525和中间弹性层520的厚度而减小。应注意在某些实施例中可将顶板层540和侧壁锚503的顶部表面中间的整个高度用于换能空间560。例如，如果其它特征部(例如，运动制动器)用于防止两电极之间的电短路则可去除绝缘层；导电衬底晶片自身可用于实现衬底上的底电极(例如在侧壁锚503上)，而不需要单独的电极层；而悬臂可用在与侧壁锚503的顶部表面齐平或低于该表面的侧面连接到侧壁锚503的中间弹性层的部分形成，而不是利用位于侧壁锚503的顶部的连续的中间弹性层。

在某些实施例中，包括侧壁锚503和中间弹性层520的两衬底501均是导电的。在这种情况下，衬底501可用作导体以接入导电的中间弹性层520，而中间弹性层520可用作底电极。

连接器530和530a位于中间弹性层520上并且各自具有基本相同的连接器高度。连接器530和530a各自在水平方向上远离各自的侧壁锚503的侧壁足够的长度。这限定了各自锚固在侧壁锚503的各自的侧面上，具有背对背的双悬臂构造的两个悬臂。悬臂可通过各自的连接器(530或530a)在布置连接器(530或530a)的施力端(例如，左侧悬臂上的522)处激发。悬臂和各自的空腔502和502a实现连接器530和530a的垂直位移，这使顶板540以类似于活塞的运动基本垂直地运动，由此改变了换能空间560。当cMUT结构510的两个半部分以相同的相位运动时，进一步保证了垂直的类似于活塞的运动。

在所示的具体的例子中，侧壁锚503的顶部表面由中间弹性层520覆盖，弹性层进而由底电极525覆盖。此外，顶板540和连接器530不直接相互连接，而由其间的绝缘层535介于其间。因此换能空间560由中间弹性层520、底电极525和绝缘层535部分地占据。应注意，覆盖侧壁锚503的顶部表面的中间弹性层520的部分、底电极525和绝缘层535是可选的。在任何情况下，为了实现预期的能量转换，如果结构中包括额外的层，则换能空间560不应完全由这些额外的层占据。

图5D是不同选择的cMUT部分511的放大图，它是完整的cMUT元件500的另一部分。与图5C中所示的所选择的cMUT部分510相比，所选的cMUT部分511从偏移的位置取得。所选择的cMUT部分511构造在衬底501上，它具有以两个相反侧面上的两个侧壁锚503和503a作为边界的空腔502。cMUT结构部分511还具有这些组件：中间弹性层520、位于中间弹性层520上的底电极525、位于中间弹性层520上的连接器530、位于连接器530上的绝缘层535、通过介入的绝缘层535连接到连接器530的顶板540和顶电极550。

连接器530(也在图5中示出)位于中间弹性层上，并在水平方向上远离两个侧壁锚503和侧壁锚503a的侧壁。侧壁锚503和侧壁锚503a之间的中间弹性层520限定了在侧壁锚503和侧壁锚503a处锚固的双悬臂。双悬臂在位置522处头对头地连接，在此处设置连接器530以形成桥。

顶板540位于连接器530上，连接器530将顶板540与中间弹性层520分离以在顶板下限定换能空间560。双悬臂和空腔502实现连接器530的垂直位移，这基本垂直地移动顶板540，因此改变换能空间并激活用于能量转换的换能器的换能构件。

以上的设计可用作用于构造各种具有可移动机械部件以转换能量的微机电换能器的基本的构造单元。具体地，已将基本的概念有效地用于由共同的申请人在同一日期提交的本文确认的几篇专利申请中的一个中描述的新颖的cMUT结构中。新颖的cMUT结构基本去除了单元绝缘壁的常规的概念，单元绝缘壁将cMUT元件分为单元并需要在每一个cMUT单元的周界支承并夹紧膜。

图1所示的常规的cMUT设计-包括美国专利第7,030,536号中公开的cMUT设计，那些设计都需要在每一个cMUT单元的周界处的单元绝缘壁(例如，图1A-1C中的单元绝缘壁18或图4A-4B中的柔性单元绝缘壁48)以支承和夹紧膜的周界。单元绝缘壁限定了现有技术cMUT单元。在由绝缘壁限定的周界内，现有技术的cMUT结构中的底电极直接沉积在衬底11上(图1)或沉积在底座43的顶部(图4A)，它与单元绝缘壁分离。由于大部分膜(图1中的16或图4A中的46)是未被支承的，所以每一个单元的尺寸和用于该膜的的材料的选择是受限制的。

相反，以图5A-5D所示的cMUT设计，cMUT元件不再需要分为单元因此不需要绝缘壁来限定单元周界。顶板层540和顶电极550由弹性结构(所示实施例中的多个悬臂)通过基于需要自由布置和分布的多个连接器来支承，因此将顶板540的整个负载有效分布在多个弹簧(悬臂)上。这解决了现有技术设计内在的单元受限制的问题。中间弹性层520和底电极525由也可基于需要分布在整个衬底晶片501上的多个侧壁锚503支承，而不限于外围区域。没有中心底座和分离的外围柔性支承结构。仅需要分布在整个装置元件区域上的多个侧壁锚503来支承中间弹性层520和底电极525。每一个侧壁锚既用作底电极的支承又用作对应的悬臂的锚(或在图5C中示出的构造中的两个悬臂，侧壁锚503的每一侧有一个)。

以此设计，可形成具有很大的有效区域的cMUT元件。cMUT元件的工作频率不仅可由用于顶板540的材料的选择来调节而且可由多个悬臂的构造-包括各个悬臂的弹性强度和cMUT元件的区域中悬臂分布密度情况-来调节。

原则上，本发明的cMUT元件的活动面积可显著大于关于常规的cMUT结构可能的活动面积。cMUT的活动面积可定义为总的可移动面积。对于相当的总尺寸(cMUT元件面积)的cMUT元件，本发明的cMUT元件的活动面积仍然比常规的cMUT元件的中的多个cMUT单元的总的活动面积大得多。例如，本发明的cMUT的活动面积接近元件(装置)面积的100％，而常规的cMUT元件的多个cMUT单元的总的活动面积可以是元件(装置)面积的约60-90％之间。通常，工作频率越高，对于常规的cMUT来说活动面积的百分比越低。此外，即使对于给定的可移动面积，本发明的cMUT可能产生较大的有效活动面积，它可定义为有效电场激发电容器的面积。

衬底晶片501上形成的整个顶板540是可移动的，而没有任何夹紧或固定的区域。如果期望的话，多个cMUT元件可通过形成穿过顶板540的分离沟槽515来形成。在某些构造中，抑制沟槽也可切穿中间弹性层520。然而，原则上，具有很大的活动面积的整个cMUT结构可用作单个cMUT元件。

此外，与常规cMUT中在其边缘(或柱)处夹紧的柔性膜不同，可将图5A-5D中示出的顶板540设计成柔性或刚性的。以刚性顶板，包括任何数量的分离的较小的顶板540的cMUT的整个表面可以非常均匀的位移样子运动。

换能器还可包括在单个悬臂中的构造单元，它可以是背对背双悬臂或头对头双悬臂中的一半。尽管以由共同申请人在同一日期提交的在本文中确认的几篇其它专利申请中公开的新颖的制造方法，这在制造工艺方面可能不是最有效的结构，但制造这一换能器是可行的。

顶电极550的位置可处于换能空间560的任何位置。底电极525可位于衬底晶片501上和/或中间弹性层520的一部分上。顶板540由施加在两电极550和525之间的电场激励以向介质中发射超声，而如果超声撞击顶板540导致两电极550和525之间的电容改变则可检测到该超声。

在图5A-5D所示的示例性cMUT结构中，侧壁锚503是衬底501的整体部分。可意识到其它的构造可用于形成衬底501和中间弹性层520之间限定的空腔502和侧壁锚503。例如，侧壁锚503的部分或整体可以是中间弹性层520和衬底501之间引入的分离层或中间弹性层520的整体部分。

所示的中间弹性层520是位于多个侧壁锚503和多个空腔502的顶部上的连续层。以此在所示的实施例中，中间弹性层520在长度方向(即，在横向或表面维度上)上占据整个装置元件面积。该结构使得整个顶板540通过连接器530由悬臂支承，该连接器530位于或分布在整个装置元件面积上，而不限于位于元件的边缘附近。然而，应意识到中间弹性层520可包括在某些点处互相连接或彼此完全分离的多个小部分。具体地，中间弹性层520的部分以以下的方式使用：每一个部分连接或锚固在各个侧壁锚503上并覆盖相应空腔502的至少一部分，以允许形成悬臂，但使侧壁锚503的顶表面的部分未覆盖。这种构造可允许使用不同材料和不同厚度于中间弹性层520的灵活性，但可使制造工艺变复杂。

不管中间弹性层的构造如何，可设想在某些较佳的实施例中，形成悬臂的锚表面(侧壁锚503的顶表面)和cMUT元件500的相关联的悬臂面积一起覆盖装置元件面积的至少一半，以实现顶板540的有效分布的悬臂支承和较大的有效活动面积。可将悬臂面积定义为空腔的总面积，或者中间弹性层520覆盖空腔的总面积。较佳的是，形成悬臂的锚的面积和悬臂面积至少是装置元件面积的80％，接近装置元件面积的100％更佳，正如图5A所示的情况。不需要不用于锚固悬臂的底座，且较佳的是在衬底晶片501的装置元件表面内根本不形成底座，以使如上所述形成悬臂的锚的面积最大化。在某些实施例中，使悬臂面积和相关联的连接器面积最小化同时使形成悬臂的锚的面积最大化，用于更高效的电场面积。对于给定数量的悬臂，可通过利用较薄的中间弹性层和较短的悬臂尺寸同时仍实现期望的弹性强度来使悬臂面积最小化。这些构造对于具有用于夹紧膜的外围支承的现有技术设计具有潜在的优点。

在本发明的一般的原理内，在每一个可寻址装置元件的总尺寸；空腔的尺寸、形状和布置；用于悬臂的锚的尺寸、形状和布置；连接器的尺寸、形状和布置；以及每一层(衬底晶片、中间弹性层和顶板层)的厚度、形状、分隔(分离)图案和材料选择方面有很大的自由设计选择余地。

根据本发明利用基本的构造单元构造的cMUT元件不再必须由各自具有柔性膜的多个单元形成。相反，cMUT元件可具有单个(刚性或柔性)顶板。即使采用多个顶板，这些顶板也不必类似于现有技术中的每一个单元的膜那样在某些单元边界处夹紧。多个顶板也不必互相一致，一般而言，即使具有多个顶板，仅小数量的顶板对于每一个可寻址装置元件是必须的，比在常规的cMUT设计中所需的单独夹紧的单元的数量小得多。

由弹性中间层形成的悬臂用作可以是各种弹性强度、尺寸和密度变化的嵌入式弹簧。这些嵌入式弹簧可由单个连续的柔性膜形成或由相同或不同尺寸和形状的多个柔性膜形成。可设计板弹簧连接器(例如，连接器530)的位置以获得cMUT工作期间用于顶板的最佳的位移或用于cMUT的期望的频率响应。也可调节顶板540的结构，诸如利用较小的顶板部分，以实现用于具有相对大尺寸的cMUT元件的期望的频率响应。

总之，与现有技术的cMUT不同，在本发明的某些实施例中在换能器表面上没有夹紧(或固定)区域，并且cMUT的顶部表面可由单个顶板或多个顶板形成，它们由在关键位置布置的弹簧(悬臂)支承。结果，根据本发明利用基本构造单元构造的cMUT具有解决在背景技术部分提到的现有技术cMUT的很多问题的可能性。这些可能的优点可包括：

(1)因为换能器的整个顶部表面是可移动的并具有十分一致的位移，所以可提高cMUT元件的两电极之间的平均位移和平均电场。这可得到更好的发射和接收性能。

(2)以本发明的设计，可制造没有或具有非常小的不活动表面面积的换能器，使得装置填充因数接近完美。这对于高频cMUT尤其重要，因为换能器尺寸很小。

(3)可通过选择适当性能的中间弹性层来显著降低换能器的寄生电容。例如，可将非导电材料用于中间弹性层。这提高了换能器的灵敏度。

(4)可通过将适当的材料用于中间弹性层来提高换能器击穿电压，使得可在两电极之间获得高的电场以提高装置性能。

(5)可通过增加顶板的硬度来进一步提高cMUT表面位移的均匀性。用适当选择的顶板厚度，cMUT表面位移对从换能器表面发射的超声波图案具有最小的影响或没有影响。

(6)因为以新的设计可去除cMUT元件表面内的cMUT单元边界图案，所以没有由这种单元边界图案导致的高频限制。这可提高cMUT的带宽。

(7)在不需要在每一个cMUT元件中使用大量的单元的情况下，cMUT表面上的不同位置(不同单元)处运动的相位差最小化。如果采用刚性顶板尤其如此。这可改进装置性能，尤其是在cMUT工作在高品质因数(Q因数)条件下，例如，在空气或低压环境中。

(8)cMUT的锚(用于锚固中间弹性层520的侧壁锚503)可做得略小于顶板使得cMUT元件边缘有更多的空间用于在cMUT元件之间添加去耦合元件以降低交叉耦合。

(9)本发明对MUT提供比现有技术更大的设计灵活性。例如，可将顶板540设计成不同的形状和构造；嵌入式弹簧(例如、如图5A-5D所示由中间弹性层形成的悬臂)可通过选择适当的膜尺寸具有不同的形状和不同的弹性常数。此外，嵌入式弹簧可附连到顶板540上的不同位置。

如由共同申请人在同一日期提交的本文确认的几篇专利申请所述，在本发明的精神范围内可用多种构造。通过形成空腔可在衬底晶片上形成岛。尽管在原理上不是所有的岛都必须用作形成悬臂的锚，但较佳的是，同样多的岛有效地用作锚以优化性能和设计自由。

可在形成悬臂的区域形成多个悬臂。中间弹性层可具有连接到顶板层的多个连接器。多个连接器可分布在装置元件区上以限定指示中间弹性层上每一个位置处每一面积的平均连接器密度的连接器密度情况。可将每一个连接器和其对应的悬臂视为具有弹性强度的弹簧，它在与位置处各自的平均连接器密度结合时可限定有效的弹簧密度情况。例如，可将有效的弹簧密度定义为一位置处每单位面积的弹性强度，它可通过将各个悬臂的弹性强度和单位面积中悬臂的数量(弹性密度)结合来确定。

锚(例如，侧壁锚503)及其对应的连接器可以任何图案分布在衬底晶片上以实现期望的支承特性，诸如装置频率响应和态振形。

可用各种材料和构造形成顶板540。当与各种悬臂/连接器分布图案结合时，可实现不同性能，诸如工作频率。

图6A-6E示出了与弹簧(悬臂)分布情况结合的顶板构造的例子。

图6A示出具有由弹簧670a和较强的弹簧670b表示的两种悬臂的cMUT元件600A。在该例子中，装置元件区域包括第一区610a和第二区610b、顶板层640A的厚度在第一区610a中大于在第二区610b。第一区610a的厚度可对应于顶板层640A的正常厚度，而第二区610b中的较小的厚度可对应于形成于顶板层640A上的空腔的底部厚度。

图6B示出具有由弹簧670表示的多个悬臂的另一个cMUT元件600B。在该例子中，顶板层640E具有在装置元件区域上交替的两个不同厚度612a和612b的厚度剖面。较大的厚度可对应于顶板层640B的正常厚度，而较小的厚度可对应于顶板层640B上形成的空腔的底部厚度。两个厚度612a和612b可在装置元件区域上有规律地改变。该构造有助于提高顶板的刚度/质量比。

图6C示出具有由弹簧670表示的多个悬臂的另一个cMUT元件600C。在该例子中，顶板层640C由两种不同材料形成。第一材料可构成由分离沟槽645分割的多个部分641。可将第二材料设置为通过跨越沟槽645连接部分641的连接器。第二材料642可填充或部分填充沟槽645。

图6D示出具有由弹簧670a和较强的弹簧670b表示的两种悬臂的cMUT元件600D。较强的弹簧670b布置在cMUT元件600D的边缘处。在该例子中，顶板层640D具有厚度剖面，其中顶板层640D在中间区域比接近cMUT元件600D的周界的区域厚。

图6E示出具有由均匀分布在cMUT区域的中间区域的弹簧670表示的多个悬臂的另一个cMUT元件600E。在该例子中，顶板层640E具有厚度剖面，其中顶板层640E在cMUT元件的周界处比中间区域显著薄。在一个实施例中，顶板层640E接近周界处非常薄且柔软但在中间区域刚硬。顶板层640E可甚至在周界侧壁681处夹紧或接近夹紧，而没有悬臂(弹簧)的支承。然而，即使在该特定的情况下，除边缘外cMUT元件的表面内没有夹紧(或固定)区域，并且cMUT元件6000E仍至少具有由位于下面的嵌入式弹簧支承的顶板层640E的中心部分，以类似于活塞运动移动。因此，在这种特定的构造中的cMUT仍可得益于本发明对于常规的cMUT具有的可能的优越性。

可获得关于本发明的用于顶板和嵌入式弹簧的很多其它可能cMUT的设计。

利用本发明的设计灵活性，可使换能器具有期望频率响应和优化的发射和接收性能。除如上所示的悬臂分布情况和材料选择、顶板层的质量和厚度剖面的变化外，可将实施例的其它特征或变化结合到根据本发明的微机电换能器。

本发明的微机电换能器的基本设计的一种应用是利用根据本发明构造的换能器的相对厚且刚硬的顶板的优越性，以在换能器的顶部构造附加的特征部。换能器的顶板用作这种附加的制造的平台。

例如，基于电容器的附加的cMUT可构造在第一cMUT结构的顶部以形成层叠的两个电容器cMUT。层叠的电容器可用于各种组合包括分离的发射和接收、双发射或双接收。

在正规的cMUT元件中，一个电容器(或彼此并联连接的多个电容器)通常用于发射和接收(检测)。有时期望的是具有以各种组合构造的两个电容器。通常，在将第一电容器用于发射而第二电容器用于接收的设计中，两电容器并排放置。某些缺点与此方法相关联。首先换能器占用较大的面积。这对于具有大量元件的换能器尤其不理想。第二，因为用于发射和接收的电容器位于不同的表面位置，并可进一步具有不同的形状或图案，产生了差异，在没有额外的校准工作的情况下导致发射和接收之间的不同的束图案并可能具有对于系统性能(诸如测距和成像的准确度)的其它不期望的影响。

根据本发明的一个方面，两电容器层叠在一起。该设计使得两电容器的形状和图案至少在横向方向上相同。此外，两电容器的位置在换能器表面上相同，仅具有很小的不同深度，其影响通常可忽略，因为深度差比工作频率附近的超声波的波长小得多。

用根据本发明的基本的cMUT结构，可能有很多换能器结构和相关联的制造方法来实现本发明的层叠的电容器设计。参考图7-12描述了某些例子。

图7示出了根据本发明具有层叠的电容器的示例性cMUT。用于两个层叠电容器的区域由两个虚线框700A(第一电容器)和700B(第二电容器)指示。cMUT 700具有衬底701、侧壁锚703、衬底空腔702、位于侧壁锚703顶上的中间弹性层720、作为第一电容器的底电极的第一电极725、连接器730、绝缘层735、顶板层740、作为第一电容器的顶电极和第二电容器的底电极的第二电极750、顶空腔765、膜支承壁705、膜780和作为第二电容器的顶电极的第三电极752。

应意识到，诸如图7所示的如绝缘层735之类的很多部件是可选的。例如，如果衬底和中间弹性层的部分是导电的则作为分离的层的第一电极725是可选的。在浸入应用中衬底空腔702和顶部空腔712是真空密封的。

以上图7中所示的设计是基于按照本发明的基本的微机电换能器的设计的具有顶板740下的嵌入式弹簧(悬臂)的第一cMUT电容器700A。可以是任何可用的设计的第二cMUT电容器构造在第一嵌入式弹簧cMUT的顶板740顶上。在图7所示的实施例中，第二cMUT具有常规的设计，其中柔性膜780被设计成相对于空腔712下的底电极(共用电极750)振动。顶板层740(或共用电极750)可用作接地或偏置电极。因此顶板层740(或共用电极750)可在装置工作期间隔离掉发射信号和接收信号之间的耦合。

两个cMUT电容器制造在同一晶片位置上。首先制造具有期望的设计的第一电容器700A的第一cMUT，然后在第一cMUT上制造具有期望的设计的第二电容器700B的第二cMUT。两个cMUT共用相同的共用电极750。

基于以上的设计可实现进一步的集成。例如，如果适当选择第一cMUT的顶板层740的材料(例如，具有适当掺杂水平和厚度的单晶硅层)，在完成第一cMUT后较佳的是在沉积共用电极750之前可在顶板740上制造集成电路(IC)。然后在集成电路(IC)的顶部制造第二cMUT。以此设计，构造在顶板740上的前端的电路十分接近换能器700，结果噪声和寄生电容显著降低。因此，可进一步提高cMUT性能。

图8示出根据本发明的具有层叠电容器的cMUT结构的另一个例子。用于两个层叠的cMUT电容器的区域由两个虚线框800A(第一电容器)和800B(第二电容器)示出。cMUT 800具有衬底801、侧壁锚803、衬底空腔802、作为用于第一cMUT电容器800A的底电极的第一电极853、中间弹性层820、作为用于第一cMUT电容器800A的顶电极和第二cMUT电容器800B的底电极的第二电极825、连接器830、绝缘层835、顶板层840和作为第二cMUT电容器800B的顶电极的第三电极850。此外，cMUT 800还具有集成在顶板层840上的IC 880。

cMUT 800也基于具有顶板下的嵌入式弹簧(悬臂)的cMUT。与其中构造了附加的顶部空腔712、支承壁705和膜780用于第二cMUT电容器700B的cMUT 700不同，cMUT 800利用第一cMUT电容器800A的基本结构提供第二cMUT电容器800B而不添加另外的空腔或支承壁。在图8所示的特定的实施例中，衬底801由非导电材料制成(例如玻璃、蓝宝石、由绝缘层覆盖的硅等)。侧壁锚803可以是附加到衬底801上的不同的材料。第一电极853(第二电容器的底电极)可以是设置在衬底801上的图案化导电层。正如通常关于本发明的衬底的情况，衬底801还可由具有期望的电路的印刷电路板(PCB)或具有期望的IC的晶片替代。在本实施例中衬底801和第一电极853还可结合作为具有期望的IC和金属图案的晶片。

可利用任何可用的技术来制造cMUT 700和800，尤其是在由共同申请人在同一日期提交的在本文指出的几篇其它的专利申请中公开的制造方法。

可以用各种方式布线或构造以上示出的cMUT 700和800中的层叠的电容器，以实现某些功能或性能。连接方案的例子参考图9-12示出。

图9示出普通的现有技术连接方案，其中单个电容器兼用于发射和接收(检测)。电容器C(可寻址cMUT元件的符号表示)通过开关箱920连接到偏置910并连接到发射控制电路930和接收控制电路940，开关箱920在发射控制电路930和接收控制电路940之间切换。

现有技术cMUT的基本结构是可变电容器C。在为大部分应用设计的换能器中，相同的电容器C(或cMUT)如图9所示兼用于发射和接收。对于该方法有很多缺点，首先，它需要开关电路来保护接收电路的前置放大器。即使具有开关电路，发射信号仍可通过寄生电容耦合到接收电路940并影响性能。第二，因为发射和接收操作使用同一电容器C(cMUT)，整个装置性能在发射和接收性能之间作出折衷。

根据本发明的层叠的电容器允许有对现有技术设计的各种令选方案。图10示出第一示例性电容器连接方案，其中两个层叠的电容器单独用于发射和接收。层叠电容器C1和C2(诸如根据本发明的cMUT结构700和800之类的层叠cMUT结构的符号表示)通过电容器C1和C2的中间(共用电极)连接到偏置1010。电容器C1通过发射控制电路1030专用于发射。电容器C2通过接收控制电路专用于接收。通过本发明实现的该设计可具有几个可能的优点。不再需要开关电路来保护接收电路的前置放大器。来自发射器的电信号由连接到偏置1010的中间的偏置电极(共用电极)隔离开来，所以发射和接收之间的串扰最小化。结果，可优化前端接收电路，而不用考虑诸如来自发射信号的耦合的饱和之类的问题。此外，因为发射和接收操作采用不同的电容器(cMUT)，所以不需要在发射和接收性能之间作出折衷。可同时优化两个性能。这种优化可显著提高整个装置性能。例如，接收电容器C2(cMUT)可具有很薄的绝缘层和很窄的间隙，使得需要低的DC偏置电压。这可显著增加接收cMUT的电容并提高cMUT的灵敏度。

此外，取决于需要，也可以用其它方式构造本发明实现的层叠电容器。图11示出第二示例性连接方案，其中两个电容器均专用于发射。与图10中的第一方案相同，层叠电容器C1和C2通过电容器C1和C2的中间(共用电极)连接到偏置1110。两电容器C1和C2分别通过发射控制电路1130和1140专用于发射。具有该连接方案的cMUT元件可与另一个cMUT元件结合使用，诸如与以下利用图12所示的方案的cMUT元件串联，以提高性能。

图12示出第三示例性连接方案，其中两电容器均专用于接收。层叠电容器C1和C2通过电容器C1和C2的中间(共用电极)连接到偏置1210。两个电容器C1和C2分别通过接收控制电路1230和1240专用于接收。具有该连接方案的cMUT元件可与另一个cMUT元件结合使用，诸如与以上利用图11所示的方案的cMUT元件串联，以提高性能。

在根据本发明的微机电换能器中材料的性质和尺寸、组件的形状和位置有很多可能的组合。在电学上，期望材料和补充选择的组合应防止两cMUT电极之间的电短路。还期望该组合应对于给定输入电压增强两电极之间的电场并降低cMUT的寄生电容。重要的是选择具有较好可靠性的材料。例如，中间弹性层的机械可靠性是重要的，因为该层承受装置的最大机械应力。为了这个因素，单晶硅是良好的选择。此外，可将中间弹性层的导电率设计得很低以减小寄生电容。因此，介电材料(例如，氮化硅)是合适的。如果选择单晶硅作为用于中间弹性层的材料，则低掺杂或本征硅可用作中间弹性层的原材料，随后在设计为底电极的区域中将被选择并高度掺杂。

图13示出硅中间弹性层的掺杂剖面的例子。类似于本文示出的其它的MUT结构，图13中的MUT结构具有空腔1302(在浸入应用中是真空密封的)、侧壁锚1303、板弹簧连接器1330和顶板层1340。然而，图13中的MUT具有硅中间弹性层，它具有两种不同类型的区域，它们是本征或很轻掺杂的硅区1320a和高度掺杂的硅区1320b。可将高度掺杂的硅区1320b实现为底电极以取代如其它实施例所示的沉积在中间弹性层上作为底电极的单独的导电层。或者，底电极可利用导电衬底晶片1301来实现。

此外，不管如何制造或实现底电极，可在图13的中间弹性层中的区域1320a和1320b之间形成不同的掺杂类型以在两区域之间形成PN结。这可通过在PN结上选择适当的偏置电压来进一步增加换能器的击穿电压并减小寄生电容。

在本发明的cMUT结构中，顶电极可位于任何位置只要它与顶板一起运动即可。但期望将顶电极设计成使两电极之间的电场最大化，而没有电短路。例如，如果顶板是导电的(例如高掺杂硅)，则顶电极(通常是金属层)可位于顶板的顶部。如果顶板是不导电的(例如，利用氮化硅、LTO或PMMA)，则顶电极可位于顶板层的底侧，较佳的在位于板弹簧连接器上的绝缘层(例如，图5C中的绝缘层535)的顶部。这有助于在两电极之间获得较强的电场。

用于在本发明的cMUT结构中形成或引入顶板的高度有效的方法是使用晶片接合技术，其中将原始硅片或在绝缘层上具有期望的硅层的SOI晶片接合到衬底和中间弹性层上。在那种情况下，所得的顶板将包括硅层或多晶硅层。为了本发明设想的应用的目的这一层是相对导电的。相应地，可采用减小顶电极和底电极之间的短路的可能性的措施。

诸如图5C中的绝缘层535之类的绝缘层被用于防止在工作期间两电极相互接触的情况下两电极之间的短路。绝缘层可位于两电极之间限定的激活空间的顶侧或底侧上。图5C中的绝缘层535是以前类型的构造的例子。通常，较佳的是使绝缘层位于顶板的一侧而不是使其在中间弹性层上。这是因为需要良好地控制中间弹性层的性质，而使绝缘层位于其上可对性质和行为的这种控制施加不利的限制。绝缘层可以是连续的单层或图案化的。如果中间弹性层自身由介电材料形成(例如，氮化硅)，则绝缘层是可选的。

诸如绝缘层535之类的绝缘层的主要功能是防止两电极在cMUT工作期间短路。然而，利用绝缘层可带来缺点。首先，它将捕集某些电荷，这将劣化换能器的可靠性。其次，在绝缘层两端存在电压降，而该电压降可降低换能器的效率，尤其是对于需要小的垂直位移和高的输入电压的cMUT(例如，高频cMUT)。

根据本发明的一个方面，以上的缺点可通过利用特殊的设计执行绝缘层的等价的功能排除绝缘层535的需要来克服。

在一种设计中，衬底晶片中的空腔的深度(垂直高度)被设计成小于顶板和中间弹性层之间的可用的换能空间的深度(垂直高度)。在该设计中，中间弹性层可在导电顶板和顶电极到达底电极以导致两电极之间的短路之前由衬底晶片中的空腔的底部终止。这可有效地防止顶板层接触底电极以导致短路，因此不需要顶板层下的绝缘层。

如果期望用于中间弹性层下空腔的很大的深度，则可将运动制动器引入空腔以实现以下参考图14描述的类似的功能。

图14示出具有运动制动器以限制顶板的最大垂直位移的cMUT元件的所选的部分的放大图。所选的cMUT部分1410类似于图5中的所选的cMUT部分510，但具有运动制动器1490以防止短路。所选的cMUT部分1410具有以从顶部至底部通过结构的想像的垂直线(未示出)为中心的两个半部分。cMUT元件的基本结构构造在衬底晶片1401上并具有这些组件：由侧壁锚1403限定的空腔1402；中间弹性层1420，它较佳的是弹性膜；位于中间弹性层1400上的底电极1425、位于中间弹性层1420顶部的连接器1430；位于连接器1430上的绝缘层1435、顶板1440和顶电极1450。与图5A-5D中的cMUT结构不同，在顶板层1440和连接器1430之间没有介入的绝缘层。

连接器1430从中间弹性层1420直立以限定在顶板层1440下的换能空间1460。在该特定的实施例中，在图14中所示的构造中换能空间1460的实际高度D_a被底电极1425和中间弹性层1420的厚度减小。连接器1430在水平方向上远离侧壁锚1403足够的距离以限定在侧壁锚1403处锚固的悬臂。悬臂和空腔1402实现了连接器1430的垂直位移，这使顶板1440以类似于活塞的运动基本垂直地运动，因此该变了换能空间1460。当cMUT结构1410的两个半部分以同一相位运动时，进一步保证了垂直的类似于活塞的运动。

如图14所示，连接器1430的最大垂直位置D_m由位于空腔1402中的运动停止器1490限制。当将D_m设计成不大于(较佳的是小于)D_a时，连接器1430的垂直位移(因此顶板层1440的最大垂直运动距离)被限制成小于换能空间D_a的高度。这有效地防止了顶板层1440接触底电极1425而导致短路。因此不需要顶板层1440下的绝缘层。在较佳的实施例中D_m至少比D_a小1/3。

制动器1490可位于不同的位置具有期望的高度。此外，正如本文所述的其它设计，如果衬底晶片1401和/或中间弹性层的至少一部分是导电的则底电极1425是可选的。

一般而言，如果衬底晶片和中间弹性层是导电的，这些层较佳地应电连接在一起(例如，以具有相同的电位)。或者，衬底晶片或中间弹性层中的任一个或两者由绝缘材料制成。

理想的是，顶板应轻(即，具有较小的质量)并刚硬。第1谐振频率对顶板的总质量的声学比可用于评价顶板的材料选择和结构设计。较高值的声学比一般对于顶板较佳。以下描述了几种不同的设计考虑因素。

(1)如果顶板由单一材料的固体板形成，则所选的材料自身应具有低的质量密度和高的杨氏模量(例如，金刚石是用于这一目的的最佳材料中的一种)。

(2)如果已经选择了某种材料用于顶板，某些结构设计可用于进一步提高声学比。例如，使材料多孔通常增加以上定义的声学比。多孔硅可通过在富HF的电解质中的硅的电化学蚀刻来形成。对于另一个例子，可微加工顶板以具有良好设计的空心结构以实现第1谐振频率对总质量的较大的比。微加工可通过利用期望的掩模图案蚀刻来完成。

(3)对于给定的材料，可引入某些处理以在不增加质量的情况下增加该材料的等价杨氏模量。这样做的一种可能的方式是在材料中引入拉应力。例如，可在薄膜形成时通过控制工艺参数来引入应力；如果使用硅也可通过适当的掺杂引入应力。

也可将上述的考虑因素和方法应用到中间弹性层的材料。

顶板和中间弹性层均可以是微加工的结构，诸如多孔结构以实现改进的机械性质。例如，顶板可由具有构造于其中的孔的板形成。或者孔可以是形成于顶板的顶部的半穿过的空腔，而不穿透其整个厚度。还可在顶板内形成诸如孔隙之类的空心结构，而在顶板的表面上没有开口或仅有很小的开口。

图15A-15D示出应用到顶板的孔或空心结构，以优化诸如顶板的刚度/质量比之类的性质。

图15A-15C示出本发明的顶板的三个示例性构造。图15D示出作为在三种构造中蚀刻孔的直径的函数的第1谐振频率对顶板总质量的对应的比的图。在图15A所示的第一种构造中，在顶板1540A上形成直径是8μm的孔1544A的阵列。相邻孔之间的分隔距离是10μm。在图15B所示的第二种构造中，在顶板1540B上形成直径是4μm的孔1544B的阵列。相邻孔之间的分隔距离是10μm。在图15C示的第三种构造中，采用其中没有形成孔的固体顶板1540C。

如图15D的曲线所示，图15A所示的第一构造是较佳的顶板设计因为它证明是最高的硬度/质量比。在这些图中，对于用于顶板的三种不同的硅结构设计的比的结果由固体硅平面的比例归一化。

图15A-15C所示的空心结构仅仅是一些例子。应意识到具有不同的沟槽形状、尺寸、密度和构造的很多其它可能的空心结构图案(例如，六边形、正方形或三角形)可用于本发明的目的。例如，图15E示出具有构造于其中的孔的顶板的另一个例子。顶板1540E具有从顶板1540E的侧面而不是主表面(例如，顶表面)构造的孔1544E。

如果需要的话，可将空心结构设计成使得可利用具有期望性质的材料(例如，轻且硬的材料)再次填充或密封孔。

一般而言，较佳的是顶板比中间弹性层要刚硬得多并且在通过连接器的垂直位移移动时基本不弯曲。例如，如果相同或类似的材料用于顶板层和中间弹性层，则期望顶板层的厚度至少是中间弹性层的厚度的三倍，是其厚度的至少五倍则更佳。

在电容微加工超声换能器(cMUT)中，底电极可在中间弹性层上或在衬底晶片上。在本描述中，术语“在...上”不一定表示分离的材料或层位于另一层上。底电极可以是中间弹性层或衬底晶片的一部分。例如，中间弹性层可包括导电材料以实现底电极。

在一个实施例中，在同一衬底晶片上制造多个可寻址装置元件。如果衬底晶片是导电晶片，则多个可寻址装置元件可通过形成于衬底晶片上的嵌入式绝缘体来彼此绝缘。由共同申请人在同一日期提交的本文确认的几篇专利申请中公开的绝缘体及其制造方法可用于该目的。例如，嵌入式绝缘体可具有绝缘空腔，它具有期望的总厚度并由介电材料填充。嵌入式绝缘体或者可具有包括衬底晶片的自身氧化材料的实线的图案化空腔。可在顶板层上形成类似的嵌入绝缘体。

本发明的微机电换能器可使用各种寻址方案以确定本文所述的可寻址装置元件的地址。具体地，可从衬底晶片的背侧经由穿过衬底晶片形成的穿过晶片的互连确定可寻址装置元件的地址，正如由共同申请人在同一日期提交的文本确认的几篇专利申请中公开的那样。例如，可采用导电衬底晶片，且由导电晶片的自身材料形成的具有围绕穿过晶片的导体的环形沟槽的穿过晶片的互连可用于互连多个换能器元件。穿过晶片的互连还可包括填充到环形沟槽的介电材料以将穿过晶片的导体与衬底的晶片的其余部分绝缘。在一个实施例中，穿过晶片的导体直接位于可寻址装置元件的下面。

尽管大部分利用cMUT作为例子说明了本发明的微机电换能器，但可利用根据本发明的相同的概念来形成诸如pMUT和mMUT之类的其它类型的换能器。

图16示出根据本发明的示例性实施例的pMUT元件的横截面图。pMUT类似于本文示出的cMUT，并具有衬底晶片1601、空腔1602、侧壁锚1603、中间弹性层1620、板弹簧连接器1630、顶板1640和位于中间弹性层1620上的介电构件1675。与cMUT不同，pMUT结构不具有形成含有静止电极和可移动电极的电容器的电极。相反，压电构件1675与由弹性的中间弹性层1620形成的悬臂结合用作换能构件。每一个压电构件1675可包括将其间的压电层夹在中间的两个电极。尽管在总体结构上类似，但pMUT的材料选择是不同的，因为由于不同的能量转换方法，pMUT换能器中的电连接是不同的。

图17示出根据本发明的示例性实施例的mMUT元件的一部分横截面图。mMUT类似于本文示出的cMUT和pMUT，并具有衬底晶片1701、空腔1702、侧壁锚1703、中间弹性层1720、板弹簧连接器1730、顶板1740和位于顶板层1740上的磁性构件1775。与cMUT不同，mMUT结构不具有形成电容器的电极。磁性构件1775用作换能构件或能量交换器，它们响应于由弹性的中间弹性层1720形成的悬臂导致的顶板层1740的基本垂直的运动而激发顶板。尽管在总体结构上类似，但mMUT的材料选择是不同的，因为由于不同的能量转换方法，mMUT换能器中的电连接是不同的。

本文所述的微机电换能器的基本结构可与集成电路(IC)集成。图18示出了与IC集成的cMUT的横截面图。cMUT 1800包括衬底晶片1801、空腔1802、侧壁锚1803、中间弹性层1820、板弹簧连接器1830、顶板1840、顶电极1850、底电极1825以及构造在顶板1840上的集成电路1849。金属化可用于形成cMUT 1800的顶电极1850并将附近的cMUT元件与IC连接。

因为顶板1840可由具有期望性质(晶向、掺杂水平和类型以及厚度等)的单晶硅形成，所以集成电路(IC)1849可直接在顶板1840上制造以实现如图18所示的集成。可在板1840的顶部形成或放置后立即制造IC 1849。在该工艺阶段，具有嵌入式换能器的制造的晶片的表面是顶板层1840的裸面，这与最初的晶片几乎相同。因此可通过标准的IC制造方法来制造IC 1849。应仔细选择制造IC 1849后的工艺使得IC不会被随后的工艺损坏(例如，温度或蚀刻剂)。通常在形成或放置顶板1840后，不需要高温工艺来完成换能器的制造，以便使集成可行。

可在所示的装置元件区内在cMUT顶板1840的顶部上制造IC1849，或在装置元件区外(未示出)的顶板1840上的邻近区域，诸如在两个装置元件之间为IC制造保留的区域中制造。

或者，可引入具有预先形成的期望的IC的晶片并在换能器制造期间与cMUT晶片接合以实现集成。应仔细选择引入IC晶片后的工艺以避免在余下的工艺步骤期间损坏IC。

本发明的微机电换能器可利用由共同申请人在同一日期提交的本文确认的几篇专利申请中描述的制造方法来制造。用于制造本发明的基本的微机电换能器的制造方法包括(1)利用晶片接合技术制造；(2)利用牺牲技术制造；以及(3)利用晶片接合和牺牲技术的组合制造。

除互连的任何其它可用的设计和方法外，还可采用本文确认的几篇专利申请中公开的连接和互连的设计和制造。

在某些应用中需要密封微机电换能器元件之间的沟槽。例如，密封结构可帮助防止介质或湿气漏入沟槽。也可将密封结构设计成使元件之间的耦合最小化并提供元件之间的电连接。可在装置制造期间或之后密封沟槽。可采用本文确认的几篇专利申请中公开的用于密封装置元件之间的沟槽的技术。

本发明的诸如cMUT之类的微机电装置可能需要通过接合引线或探针互连至外部。为此，需要电接口焊盘(例如，引线接合焊盘或探针焊盘)。接口焊盘通常引入某些不希望有的寄生参数(例如，寄生电容或电感)。为了提高换能器性能，需要使寄生参数最小化。

除用于减小寄生电容的任何可用方法外，还可采用了本文确定的几篇专利申请中公开的通过增加互联焊盘下的绝缘体的厚度减小互联焊盘的寄生电容的新颖的方法。该方法使得衬底上的绝缘层的厚度由蚀刻深度确定而不是由膜沉积的厚度确定，因此可制造厚度显著大于利用膜沉积技术可能的厚度的绝缘体。

设想了基本元件微机电装置上的另外的特征并可利用以下描述的方法来制造。

图19示出表征自对准悬臂的cMUT结构的横截面图。为了更清楚起见，在图19中省略了诸如包含在单独的层中的顶电极和底电极和绝缘层之类的可选部件。(正如本文所讨论的，尽管cMUT结构需要一对电极以形成电容器，但这些电极不必体现在单独的层中。)

图19中的cMUT结构1911类似于图5C所示的cMUT部分511。CMUT结构1911构造在衬底1901上，并具有中间弹性层1920和顶板1940。空腔1902限定在衬底1901和中间弹性层1920之间。空腔1902以两个相对的侧面上的两个侧壁锚1903和1903m为界。连接器1930位于中间弹性层1920的顶部，并连接到顶板1940。连接器1930在水平方向上远离两个侧壁锚1903和侧壁锚1903m的侧壁。侧壁锚1903和侧壁锚1903m之间的中间弹性层1920确定了在侧壁锚1903和侧壁锚1903m处锚固的双悬臂。在布置连接器1930以形成桥的位置头对头地连接双悬臂。将顶板1940放置在连接器1930上，连接点将顶板1940从中间弹性层1920分离以在顶板1940下限定换能空间。双悬臂和空腔1902实现了连接器1930的垂直位移，这使顶板1940基本垂直地移动，因此改变了换能空间并激活了用于能量转换的换能器的换能部件。

在图5A-5C所示的cMUT结构中，采用具有基本一致的厚度的中间弹性层520，结果所形成的悬臂的梁的长度由相对于各自的侧壁锚503或503m的边缘位置的对应的板弹簧连接器530的位置520来确定。梁长度和对应的悬臂弹性强度的精确控制通过相对于各自侧壁锚的位置的中间弹性层上的板弹簧连接器的位置的精确控制来实现。因为在板弹簧连接器的制造方法的某些实施例中，在不同的光刻工艺中限定侧壁锚和空腔，可能很难实现这种精确的控制。这些不同的步骤中任何对准误差可使悬臂长度于其期望值不同。

与图5A-5C所示的cMUT结构相反，cMUT结构1911特征在于自对准悬臂梁。为了实现此目的，采用厚的中间弹性层1920。悬臂长度La和Lb由弹性膜层1920的各自的较薄的部分1924a和1924b限定。在所示的例子中，两个较薄的部分1924a和1924b由弹性膜层1920形成的桥的中部的较厚的部分1922分离。在此处所示的桥构造中，，较厚的部件1922用作悬臂分离部分。在其他的构造中，较厚的部件1922可以是悬臂的终结器，仅在一侧形成悬臂的末端。两个锚固的较厚的部分1922a和1922b分别在两侧壁锚1903和1903m的顶部。在某些实施例中，两个锚固的较厚的部件1922a和1922b形成两侧壁锚1903和1903m的至少一部分，甚至是整个侧壁锚1903和1903m。

板弹簧连接器1930位于较厚的部分1922上。在该构造中悬臂长度La由较厚的部分1922的边缘1906和较厚的部分1922a的边缘1904之间的距离确定。类似地确定悬臂长度Lb。因此可在制造期间预先确定或自对准悬臂长度La和Lb。连接器1931相对于中间弹性层1920(或者准确的是较厚的部分1922)的任何未对准，或者中间弹性层1920(或较厚的部分1922a和1922b)相对于侧壁锚1903或1903m的未对准将对悬臂长度和对应的悬臂的弹性强度的效果具有最小的影响。cMUT结构1911中的悬臂长度La和Lb和对应的弹性长度很少依赖或毫不依赖于各个制造步骤中的任何差异。

以上的描述是在图19所示的横截面图的背景下给出的。应意识到在三维视图中，悬臂可以不是类似于梁的结构，而是如本文定义的区域或平面悬臂。例如，较薄的部分1924a和1924b各自是延伸的条带形状或环状的。

结合附图和示例性实施例描述了根据本发明的微机电换能器。换能器可潜在地减少或排除关于现有技术的很多问题。本发明不必利用大量的较小的单元来形成可寻址换能器元件。利用该技术，对于每一个可寻址换能元件必需的是很少的单元或仅一个单元。本发明的微机电换能器的设计尤其适合于电容式微加工超声换能器(cMUT)的应用，但也可用于具有可移动的机械部件以转换能量的其它的微机械装置。

具体地，根据本发明的微机电换能器可利用名为“THROUGH-WAFERINTERCONNECTION”代理机构案号为03004.01名为“METHODS FORFABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES”，代理机构案号为03004.02以及名为“MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS”代理机构案号为03004.03的国际专利申请(PCT)中公开的新颖的制造方法来制造，这些专利申请都由共同的申请人在同一日期提交。这些专利申请通过引用结合与此。

在以上的说明中，参考其特定的实施例描述了本发明公开的内容，但本领域的技术人员将意识到本发明公开的内容不限于此。上述发明公开内容中的各个特征和方面可单独或结合地使用。此外，本发明公开内容可在除本文描述以外的很多种环境和应用中使用，而不背离说明书的较宽的精神和范围。我们要求专利保护落入所附权利要求的范围和精神内的各种修改和变化。因此，应将说明书和附图视为说明性的而不是限制性的。应意识到如本文所使用的术语“包括”、“包含”和“具有”明确地确定为开放式技术术语。

Claims

1.一种具有可移动机械部件以转换能量的微机电换能器，所述换能器包括：

衬底；

位于所述衬底上的中间弹性层，所述衬底和所述中间弹性层在其间限定第一空腔和第二空腔，所述第一空腔和第二空腔共用支承特征部，所述支承特征部包括作为第一空腔的边界的第一侧壁和作为第二空腔的边界的相对的第二侧壁，其中所述中间弹性层具有连接到所述第一侧壁并覆盖所述第一空腔的至少一部分的第一部分以及连接到所述第二侧壁并覆盖所述第二空腔的至少一部分的第二部分；

在所述中间弹性层的第一部分上具有连接器高度的第一连接器，所述第一连接器在水平方向上远离所述第一侧壁足够的长度，使得在所述第一连接器和所述第一侧壁之间的所述中间弹性层的第一部分限定在所述第一侧壁处锚固的第一悬臂；

在所述中间弹性层的第二部分上具有基本相同的连接器高度的第二连接器，所述第二连接器在水平方向上远离所述第二侧壁足够的长度，使得第二连接器和所述第二侧壁之间的所述中间弹性层的第二部分限定在所述第二侧壁处锚固的第二悬臂；以及

位于所述第一连接器和所述第二连接器上的顶板，所述连接器将所述顶板与所述中间弹性层分离以限定在所述顶板下的换能空间，

其中所述第一悬臂和所述第一空腔实现所述第一连接器的垂直位移，而所述第二悬臂和所述第二空腔实现所述第二连接器的垂直位移，所述连接器的垂直位移使顶板基本垂直地移动，由此改变换能空间并激活用于能量转换的所述换能器中的换能构件。

2.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板包括硅层或多晶硅层。

3.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一空腔和所述第二空腔是延伸的空腔的不同的部分。

4.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一空腔和所述第二空腔是延伸的空腔的不同的部分，并且所述第一连接器和所述第二连接器是延伸的连接器的不同的部分。

5.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底是导电的。

6.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器是电容式微加工超声换能器，其中所述换能构件包括顶电极和底电极。

7.如权利要求6所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶电极包括沉积在所述顶板的表面上的导电层。

8.如权利要求6所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底上的支承特征部是导电的，并且底电极包括所述衬底的支承特征部的至少一部分。

9.如权利要求6所述的微机电换能器，其特征在于，所述底电极包括沉积在所述中间弹性层上的分离的导电层。

10.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器是pMUT，其中所述换能构件包括沉积在所述中间弹性层上的压电构件。

11.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器是mMUT，其中所述换能构件包括沉积在所述顶板上的磁性构件。

12.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，还包括沉积在所述连接器和所述顶板之间的绝缘层。

13.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述中间弹性层是位于所述衬底的所述支承特征部上的连续层并在所述侧壁上延伸以覆盖所述空腔的至少一部分。

14.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述中间弹性层包括第一区和第二区，且其中所述第一区包括低掺杂或本征硅材料，而所述第二区包括具有增加的导电率的高度掺杂的硅材料。

15.如权利要求14所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一区接近所述连接器，而所述第二区在所述支承特征部的顶部表面上，并且所述第一区和所述第二区形成PN结。

16.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板的厚度剖面至少具有两个不同的厚度。

17.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板包括第一材料和与所述第一材料不同的第二材料。

18.如权利要求17所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一材料包括由分离沟槽分割的多个部分而第二材料通过在所述沟槽上横跨来连接所述部分，所述第二材料可填充或部分填充所述沟槽。

19.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板包括形成于其中的孔。

20.如权利要求19所述的微机电换能器，其特征在于，所述孔具有对所述顶板的期望的刚度/质量比优化的尺寸和位置分布图。

21.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板比所述中间弹性层显著刚硬，并且在通过所述连接器的垂直位移的移动时基本不弯曲。

22.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述连接器的所述垂直位移被限制在最大垂直位移内，所述最大垂直位移小于所述顶板通过所述换能空间移动的最大的垂直距离。

23.如权利要求22所述的微机电换能器，其特征在于，所述连接器的最大垂直位移由设置在所述空腔中的运动制动器来限制。

24.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，还包括形成于所述顶板上的集成电路。

25.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底包括不导电晶片，且所述支承特征部由不同于所述衬底的材料形成。

26.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，还包括：

所述顶板上的第二支承特征部，所述第二支承特征部包括在所述顶板上限定第三空腔的第三侧壁；以及覆盖所述第三空腔的膜，所述膜具有固定在所述第二支承特征部上的周界，其中所述膜适于由于第二换能构件的激发而振动。

27.如权利要求26所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器是电容式微加工超声换能器，其中所述换能构件包括所述换能空间下的第一电极和所述换能空间上的第二电极，并且所述第二换能构件包括所述第二电极和在所述第三空腔上的第三电极。

28.如权利要求26所述的微机电换能器，其特征在于，所述第二支承特征部是圆形结构。

29.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述换能构件包括第一电容器和第二电容器，所述第一电容器包括所述中间弹性层以下并与其间隔的第一底电极以及在所述第一或第二空腔以上但在换能空间以下的第一顶电极，所述第二电容器包括在所述第一或第二空腔上但在换能空间以下的第二底电极和在所述换能空间以上的第二顶电极。

30.如权利要求29所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一底电极包括沉积在所述第一空腔或第二空腔的底面上的电极层。

31.如权利要求29所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一顶电极包括沉积在所述中间弹性层上的电极层。

32.如权利要求29所述的微机电换能器，其特征在于，所述中间弹性层的至少一部分是导电的，并且所述第一顶电极包括所述中间弹性层的导电部分。

33.如权利要求29所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一顶电极和所述第二底电极是由所述第一电容器和所述第二电容器共享的公用电极。

34.如权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器是cMUT换能器，其中所述换能构件包括第一电容器，并且所述cMUT换能器还包括第二换能构件，所述第二换能构件包括层叠在所述第一电容器的顶部的第二电容器。

35.如权利要求34所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一电容器用于在发射模式和接收模式中的一种模式中工作，且所述第二电容器用于在发射模式和接收模式中的另一种模式中工作。

36.如权利要求34所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一电容器和所述第二电容器都用于在发射模式中工作。

37.如权利要求34所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一电容器和所述第二电容器都用于在接收模式中工作。

38.一种具有可移动机械部件以转换能量的微机电换能器，所述换能器包括：

衬底；

位于所述衬底上的中间弹性层，所述衬底和所述中间弹性层在其间限定空腔，所述空腔以第一支承特征部和第二支承特征部为边界，所述第一支承特征部具有作为所述空腔的边界的第一侧壁，而所述第二支承特征部在相对的侧面具有作为所述空腔的边界的第二侧壁，其中所述中间弹性层从所述第一侧壁延伸到所述第二侧壁以覆盖所述空腔；

在所述中间弹性层上具有连接器高度的连接器，所述连接器在水平方向上远离所述第一侧壁和所述第二侧壁，使得所述第一侧壁和所述第二侧壁之间的所述中间弹性层限定在所述第一侧壁和所述第二侧壁处锚固的头对头连接的双悬臂；以及

位于所述连接器上的顶板，所述连接器将所述顶板与所述中间弹性层分离以在所述顶板下限定换能空间，

其中所述双悬臂和所述空腔实现所述连接器的垂直位移，所述连接器的垂直位移使顶板基本垂直地移动，由此改变所述换能空间并激活用于能量转换的所述换能器中的换能构件。

39.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板包括硅层或多晶硅层。

40.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一支承特征部和所述第二支承特征部是延伸的支承特征部的不同的部分。

41.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器是电容式微加工超声换能器，其中所述换能构件包括顶电极和底电极。

42.如权利要求41所述的微机电换能器，其特征在于，所述底电极包括沉积在所述中间弹性层上的分离的导电层。

43.如权利要求41所述的微机电换能器，其特征在于，还包括沉积在所述连接器和所述顶板之间的绝缘层。

44.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述中间弹性层包括第一区和第二区，其中所述第一区包括低掺杂或本征硅材料，而所述第二区包括具有增加的导电率的高度掺杂的硅材料。

45.如权利要求44所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一区接近所述连接器，而所述第二区在所述支承结构的顶部表面上，并且所述第一区和所述第二区形成PN结。

46.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板的厚度剖面至少具有两个不同的厚度。

47.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板包括在由分离沟槽分割成多个部分中的第一材料和通过在所述沟槽上横跨来连接所述沟槽的第二材料。

48.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板包括形成于其中的孔。

49.如权利要求48所述的微机电换能器，其特征在于，所述孔具有对所述顶板的期望的刚度/质量比优化的尺寸和位置分布图。

50.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述连接器的所述垂直位移被限制在最大垂直位移内，所述最大垂直位移小于所述顶板通过所述换能空间移动的最大的垂直距离。

51.如权利要求50所述的微机电换能器，其特征在于，所述连接器的最大垂直位移由设置在所述空腔中的运动制动器来限制。

52.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板比所述中间弹性层显著刚硬，并且在通过所述连接器的垂直位移移动时基本不弯曲。

53.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，还包括形成于所述顶板上的集成电路。

54.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，还包括：

所述顶板上的第三支承特征部，所述第三支承特征部包括在所述顶板上限定顶部空腔的第三侧壁；以及覆盖所述第二空腔的膜，所述膜具有固定在所述第三支承特征部上的周界，其中所述膜适于由于第二换能构件的激发而振动。

55.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器是cMUT换能器，其中所述换能构件包括第一电容器，并且所述cMUT换能器还包括第二换能构件，所述第二换能构件包括层叠在所述第一电容器的顶部的第二电容器。

56.如权利要求55所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一电容器用于在发射模式和接收模式中的一种模式中工作，所述第二电容器用于在发射模式和接收模式中的另一种模式中工作。

57.如权利要求55所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一电容器和所述第二电容器都用于在发射模式中工作。

58.如权利要求55所述的微机电换能器，其特征在于，所述第一电容器和所述第二电容器都用于在接收模式中工作。

59.如权利要求38所述的微机电换能器，其特征在于，所述中间弹性层包括第一厚度的第一区、第二厚度的第二区以及第三厚度的第三区，所述第二区在所述第一区和所述第三区之间，所述第二厚度显著小于所述第一厚度或所述第三厚度，其中所述第一区形成所述侧壁的至少一部分，所述第二区和所述第三区设置在所述空腔上，而所述连接器位于所述第三区上。

60.一种具有可移动机械部件以转换能量的微机电换能器，所述换能器包括：

衬底；

位于所述衬底上的中间弹性层，所述衬底和所述中间弹性层在其间限定空腔，所述空腔以所述衬底和所述中间弹性层之间的支承特征部的侧壁为边界，其中所述中间弹性层从所述侧壁延伸以覆盖所述空腔的至少一部分，所述中间弹性层支承具有连接器高度的连接器，所述连接器在水平方向上远离所述侧壁，使得所述连接器和所述侧壁之间的所述中间弹性层限定在所述侧壁处锚固的悬臂；以及

包括硅层的顶板，所述顶板位于所述连接器上，所述连接器将所述顶板与所述中间弹性层分离以在所述顶板下限定换能空间，

其中所述双悬臂和所述空腔实现所述连接器的垂直位移，所述连接器的垂直位移使顶板基本垂直地移动，由此改变所述换能空间并激活所述换能器中的换能构件。

61.如权利要求60所述的微机电换能器，其特征在于，所述换能构件包括所述换能空间上的顶电极。

62.如权利要求60所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底是导电的，并且所述换能构件包括所述导电衬底的至少一部分作为底电极。

63.如权利要求60所述的微机电换能器，其特征在于，还包括沉积在所述连接器和所述顶板之间的绝缘层。

64.如权利要求60所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板比所述中间弹性层显著刚硬，并且在通过所述连接器的垂直位移的移动时基本不弯曲。