CN101772383A - 具有高k电介质的cmut - Google Patents

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Abstract

一种电容式超声换能器，包括第一电极、第二电极和第三电极；所述第三电极包括相对于所述第一电极可塌陷地间隔设置的中央区域，和从所述中央区域向外设置并相对于所述第二电极可塌陷地间隔设置的外围区域。该所述换能器还包括高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间。所述换能器可以塌陷模式操作，其中所述第三电极的所述外围区域相对于所述第二电极振荡，并且所述第三电极的所述中央区域相对于所述第一电极完全塌陷，从而使所述电介质层被夹入其中。可还包括诸如d31和d33模型压电驱动之类的压电驱动。医学成像系统包括设置在公共基板上的这种电容式超声换能器的阵列。

Description

具有高K电介质的CMUT
本公开涉及用于生成医学诊断图像的系统和方法，更特别的涉及超声换能器。
超声换能器典型地由压电材料制造，并构造为当向传感器的各个电极两端施加电压时发射超声波。探测作为材料中的电极化的背向散射波。然而，至少部分地由于在压电陶瓷和感兴趣的空气或者流体之间的阻抗不匹配而导致压电换能器在空气或者流体耦合应用中具有不足。
由于与当前的陶瓷换能器相比CMUT或者电容式微加工超声换能器的制造成本较低，通常尺寸上更小，可实现更高频率成像，以及也能典型地实现更高的集成水平，因此其是新一代换能器的可能候选。CMUT可以以非塌陷或者塌陷的状态或者“模式”操作。当前研究显示在塌陷模式下的CMUT操作，至少在一些例子中，可以改进功率发射。
现参考图1-3，在CMUT100中示出了典型的CMUT。该CMUT100包括基板102和通常(例如，当未激活时)设置和/或悬置于基板102之上的隔板104，从而使得隔板104通过间隙106与基板102分隔。间隙腔可是空的(真空)或者充满气体。隔板104是CMUT100的“活动”部分，至少由于隔板104能够朝着基板102弹性偏移。
CMUT100还包括顶部电极108和底部电极110。顶部电极108附贴并设置在隔板104的顶上。底部电极110可以在基板102的顶上形成(例如，包括沉积其上的导电材料层)，或者可以形成基板的一部分。
如以下参考图2和3所显示和描述的，CMUT100可在至少两个不同模式下操作。
特别参考图2，在以非塌陷模式操作CMUT100时，在顶部电极108和底部电极110两端施加幅值足够大的DC驱动电压，以由于静电吸引使隔板104朝着基板102向下偏移，但是幅值并不会大到使将隔板104和基板102分隔的间隙106消失。应注意图1-3可不是按比例的。在隔板104将趋向于变得不稳定并向基板102塌陷之前，隔板104的典型位移可少于间隙106的50％。
在顶部电极108和底部电极110两端的DC电压上加入AC电压时，在隔板104中产生的振荡运动(未明确示出)可继而导致CMUT100发射超声波(未示出)。当隔板104经受冲击超声压力场(未示出)时，在隔板104和顶部电极108中类似地产生振荡运动(未明确示出)，从而当DC偏置电压已经在顶部电极108和底部电极110两端施加时，在顶部电极108和底部电极110之间的作为结果的相关运动生成AC探测电流。
现转至图3，在以塌陷模式操作CMUT100期间，在顶部电极108和底部电极110两端施加的DC驱动电压的幅值足够大以使隔板104朝着基板102向下偏移，并与底部电极110直接接触。这有效消除了在隔板104和基板102之间并处于隔板104中央部分的间隙106(图1)。隔板104的未与底部电极110接触的其余部分仍然可以操作，并且由于减小的间隙而导致在相同电压下可施加更高的静电力。为了避免短路，隔板104包括电介质材料。电介质材料的击穿和固定电荷捕捉是在以塌陷模式操作CMUT100期间对其性能有不良影响的两个重要问题。例如，隔板104的电介质材料中的固定电荷可趋向于导致CMUT100的DC驱动电压的改变。
尽管迄今作出了努力，但是仍需要高效和有效的CMUT设备及其使用方法。通过以下描述可显而易见到：所公开的设备、系统和方法可满足这些和其它需要。
本公开的各方面包括电容式超声换能器，其包括第一电极；第二电极；第三电极，所述第三电极包括相对于所述第一电极可塌陷地间隔设置的中央区域，和从所述中央区域向外设置并相对于所述第二电极可塌陷地间隔设置的外围区域；以及高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间。根据本公开的各方面，所述电容式超声换能器可以塌陷模式操作，其中所述第三电极的所述外围区域相对于所述第二电极振荡，并且所述第三电极的所述中央区域相对于所述第一电极完全塌陷，从而使所述高介电常数材料层被夹入其中。可还包括诸如d31和d33压电驱动之类的压电驱动。还提供医学成像系统，其包括设置在当前基板上的这种电容式超声换能器的阵列。
根据本公开的方面的电容式超声换能器的操作方法，包括提供电容式超声换能器，其包括第一电极、第二电极、相对于所述第一和第二电极中的每个可塌陷地间隔的第三电极，以及高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间；相对于所述第一电极使所述第三电极的中央区域塌陷，从而使所述高介电常数材料层被夹入其中；以及相对于所述第二电极使从所述中央区域向外设置的所述第三电极的外围区域振荡。
为了帮助本领域技术人员制造和使用所公开的设备、系统和方法，参考附图，其中：
图1图示了现有技术的CMUT；
图2图示了以非塌陷模式操作的图1的CMUT；
图3图示了以塌陷模式操作的图1的CMUT；
图4图示了根据本公开的CMUT；
图5图示了根据本公开的以塌陷模式操作的图4的CMUT；
图6图示了根据本公开的另一CMUT；
图7图示了根据本公开的另一CMUT；
图8图示了根据本公开的另一CMUT。
现参考图4，根据本公开的示例性方面示出了CMUT400。CMUT400可包括电极402和晶片404，其中电极402悬置在晶片404上。电极402可包括一个或多个外围区域406和中央区域408，其中中央区域408可邻近外围区域406和/或在各外围区域406之间设置。电极402相对于晶片404可偏移(例如，向下可偏移)，并可从CMUT400的一侧接地。
CMUT400可还包括一个或多个间隔件410，电极402可经由该间隔件410相对于晶片404间隔装配。例如，间隔件410可与晶片404耦接并从晶片404处向上延伸，而电极402可经由与间隔件410耦接的电极402的外围区域406附贴于间隔件410。在这种情况下，CMUT400可，至少在无操作或者无驱动模式下，呈现或者包括在电极402和晶片404之间的间隙412。根据本公开的各方面，可通过形成晶片404上的层或者材料层(未示出)而产生间隙412。这种材料或者各材料可包括，例如PMMA、硅、金属或者其它适当材料。电极402可在这种材料或者各材料的顶上形成，之后可使用例如适当的蚀刻流程或者热分解步骤来将这种材料或者各材料移除。根据本公开的各方面，间隙412可通过这样产生：单独制造电极402，之后使用例如标准晶片粘合技术，经由间隔件410将该电极402附着于晶片404。间隙412可是空的(真空)或者可包括气体。
CMUT400可包括电极402形成其一部分的顶部隔板(未单独示出)。在一些方面中，这种顶部隔板可包括电极402以及形成在电极402上的另外的电介质层(未示出)。在一些方面中，这种顶部隔板可包括设置在电极402之下的至少一薄电介质层(未示出)，并在牺牲层移除期间提供以作为保护。
晶片404可包括基板414。该基板414可是具有适当尺寸、结构和成分以支持和/或允许制造、包含或者装配CMUT400的其它元件的任意基板。基板414可还包括驱动电子器件和/或接收电子器件(未示出)。晶片404可还包括第一电极416、第二电极418和第三电极420。如图4所示，第一电极416、第二电极418和第三电极420可在晶片404的普通平面之内以横向间隔的关系布置，从而使第三电极420设置于第一电极416和第二电极418之间和/或第一电极416和第二电极418位于第三电极420的两侧，该布置的重要性将在以下更加详细地讨论。第一电极416、第二电极418和第三电极420可利用标准平版印刷步骤制造，并可包括与高介电常数(“高k”)处理相兼容的导电材料，其特征的重要性将在以下更加详细地讨论。例如，根据本公开的各方面，可由铂(Pt)制造第一电极416、第二电极418和第三电极420，并利用或者不利用阻挡层(例如钛)地将其加工在基板414的顶部，然后平版印刷形成图案。也可能用其它材料制造这种电极。例如，该电极可包括植入基板414中的高导电硅区域。
第一电极416和第二电极418可是共电的。在本公开的各方面中，第一电极416和第二电极418可彼此相对地设置和/或从第三电极420向外(例如，放射状地向外)设置(例如，在其相对两侧上)，和/或可形成同一电极的一部分(例如，形成环形或者其它封闭形状)。为了例如最佳区域覆盖和最易制造，可优化第一电极416和第二电极418的横向几何结构，并且所述几何结构可包括各种形状，包括线性/细长、圆形、同质多晶型和/或矩形。其它电极构型也是可能的，包括第一电极416和第二电极418电隔离的构型。
如图4所示，电极402可构成整个隔板。可选择的，并如以下进一步讨论，电极402可构成多部件隔板的一部分，并被形成图案以覆盖第一电极416、第二电极418和第三电极420。
晶片404可还包括由高k电介质材料组成并设置在第一电极416、第二电极418和第三电极420的顶上的电介质层422。可使用任意适当和/或常规工艺来使电介质层422的高k电介质材料沉积，例如公知的溶胶-凝胶工艺，接着是快速热退火(RTA)处理以提供适当程度的结构密度。诸如反应溅射法或者化学气相沉积(CVD)之类的用于形成电介质层422的其它工艺也是可能的。高k电介质材料还可以是任意适当的这种材料，包括但不限于钛酸锶钡(BST)和/或锆钛酸(PZT)。这种高k层的沉积可是掺杂或不掺杂的。其它高k电介质材料也是可能的。诸如Al2O3，TiN，TiO2，ZrO2，SiO2，Si3N4和/或IrO2之类的阻挡和/或粘附层(未示出)也可在电介质层422和/或第一电极416、第二电极418和第三电极420之下或者之上使用。这种阻挡和/或粘附层可，例如在牺牲层蚀刻之后从电介质层422的顶部被移除或者变薄，或者与高k层或者电极416、418、420一起被形成图案以限制寄生电效应。
其中目前在CMUT中使用的电介质典型的是氧化硅或者氮化硅，根据本公开利用诸如BST之类的更高介电常数的材料替代这种材料，其可具有将间隙412中的电场集中的效果。以此方式，CMUT400可具有更低阻抗和/或操作电压，并可便于标准驱动电子器件的使用。对于塌陷模式还有另外的显著优点，以下更加充分地描述。电介质层422内部的电场以与相关联的介电常数K相等的系数小于间隙412中的场，从而可降低电荷捕捉。可这样选择和/或形成CMUT400的高k材料从而使电介质吸收和电荷捕捉只轻微地影响它们的性能。这一性能特性可，例如由于很容易对电荷进行补偿的巨大的内部极化而导致。根据本公开的一些方面，为了防止电荷在电介质层422的内部和表面上积聚，或者为了有意地允许一些漏电流以完全防止电荷存储发生，可进一步对这种材料掺杂。根据本公开的一些方面，诸如锆钛酸铅(PZT)之类高k压电材料的集成可允许电容式(CMUT)和压电式(PMUT)的组合操作。如以下进一步的描述，根据本公开可提供电极给CMUT以提高CMUT设备的有效机电耦合系数。根据本公开的各方面，机电耦合系数的这种提高可独立于所使用的特定电介质层而实现。
现参考图5，在操作时，可在CMUT400的电极402两端和晶片404的第三电极420两端施加DC电压，从而使电极402向下偏移而与晶片404接触，使CMUT400在塌陷模式下操作。根据本公开的各方面，AC信号只施加给第一电极416和第二电极418。通过将塌陷部分的寄生电容绝缘来分隔电极可增加耦合系数。根据本公开的各方面，第一电极416和第二电极418与中央设置的第三电极420相比可负载更高的偏置电压，从而优化耦合系数。
可调整第三电极420上的DC电压以得到最佳结果，和/或可利用该电压作为反馈并控制电极来设置最佳操作点(例如，相对于电极402的偏移程度)。根据本公开的各方面，电极402的形状可是任意适当形状，包括但不限于矩形、六边形和/或圆形，从而使电极构型所带来的任意限制被大致地最小化。
现参考图6，根据本公开的各方面以CMUT600的形式提供CMUT400的修改版本。在大多数或者所有重要方面中，CMUT600可与CMUT400具有类似的结构和/或功能，包括，例如呈现分别在中央设置的第三电极606两侧的第一电极602和第二电极604，高k电介质材料层608，和电极610，其中层608设置在第一电极602、第二电极604和第三电极606与电极610之间。CMUT600可还包括至少一些相对于CMUT400的差别；包括，例如以下马上要讨论的差别。
CMUT600可包括隔板611，其中隔板611可包括电极610和高k电介质材料层608两者。更具体地，层608可沉积在电极610上作为形成隔板611工艺的一部分。制造层608的高k电介质材料可是，例如BST或者PZT。以这种方式提供具有高k电介质层的CMUT600(例如，将层608沉积在电极610上以形成隔板611)可在某些粘合过程的情况下使制造变得容易。例如，层608可处理在与电极610一起(和/或与电极610可形成其一部分的又一更大的隔板(未示出)的其它层一起)的分隔载体上，然后与间隔件612粘合。
根据本公开的各方面，间隔件612可由多个部分形成。例如，如图6所示，间隔件612的第一部分614可在晶片616上形成，间隔件612的第二部分618可形成在隔板611上或与隔板611一起形成(例如，在电极610上和/或电介质层608上)。在这种情况下，为了提供粘合效果的最佳结合，可分别选择间隔件612的第一和第二部分614，618的材料。例如，间隔件612的至少第二部分618可由导电材料制造，从而例如形成适当的接触来建立与电极610的电连接。为了便于这种电接触，电介质层608可，例如根据需要形成图案以形成各个通孔。
晶片616可包括CMOS晶片，其除了包括第一电极602、第二电极604和第三电极606之外，还包括电子器件(未示出)。在本公开的各方面中，CMUT600的晶片616是CMOS晶片，相对于电极610的上述电接触布置可是尤其有利的。
如相关技术领域的技术人员所公知的，很多高k材料，尤其是钙钛矿型以及相关结构的材料，也呈现出压电特性。根据本公开的各方面，并例如，如在CMUT600中，当电介质层608与电极610组合形成更大的隔板611时，可开发这种压电特性以用于电极610的另外运动或者调整。以下参考图7和8而显示和讨论的本发明各个方面示例了这种设置。
现参考图7，根据本发明的各方面以CMUT700的形式提供图6的CMUT600的修改版本。在大多数或者所有重要方面中，CMUT700可与CMUT600具有类似的结构和/或功能，包括，例如呈现分别在中央设置的第三电极706两侧的第一电极702和第二电极704，高k电介质材料层708，电极710(其中层708沉积在电极710上以提供隔板711，并设置在第一电极702、第二电极704和第三电极706与电极710之间)，以及间隔件712，其中隔板711相对于晶片714可塌陷地安装在间隔件712上。CMUT700可还包括至少一些相对于CMUT600的差别；包括，例如以下马上要讨论的差别。
CMUT700的晶片714可包括基板716，并且第一电极702、第二电极704和第三电极706可沉积在基板716上。CMUT700可还包括一个或多个另外的电极718，每个另外的电极718可设置在间隔件712中相应的一个上。电介质层708可继而设置在电极710和电极718之间。在这种情况下，电极718根据所谓的压电操作“d31”模式可便于压电驱动。更具体的，以塌陷模式操作的CMUT700中的主要驱动应变可沿着方向720发生，并且同时，根据d31模式，CMUT700可使用沿着极化轴722对准的电场，其中极化轴722取向为相对于方向720基本垂直。
在一些方面中，电极710和718可例如是由Pt、Au、Ti、Cr、Ni、Al和/或Cu形成的金属层。在一些方面中，电极702、704、706、710、718可由Pt、Au、Ti、Cr、Ni、Al、Cu、Sn、或者Si，或者两种或更多种这些材料的组合形成。诸如导电氧化物和氮化物YBCO、TiN、SRO之类的其它材料也是可能的。
根据本公开的各方面，电极718可包括相对于隔板711的较宽侧向长度较简短的几何结构。这种布置可防止电极718与第一电极702、第二电极704或者第三电极706中的任一个或者所有重叠，并因而减少和/或消除了短路的风险。这种布置可进一步便于关键过程和驱动控制。在其它方面中，至少存在一些重叠。
CMUT700的晶片714可包括形成在基板716上的一个或多个另外电极724，其中另外电极724可与第一电极702、第二电极704和第三电极706一起形成晶片714的同一电极层的一部分，并且必要时或者根据需要电中断。根据本公开的各方面，间隔件712可在电极724处装配到晶片714，并可由适当的导电材料制造，从而间隔件712形成穿过晶片714和电极724的电通路的一部分，并且驱动电压经由该电通路施加到电极710、718两端。在本公开的至少一些方面中，间隔件712可基本上是不导电的，和/或可与CMUT600的间隔件612在结构和功能上类似。
现参考图8，根据本公开的各方面以CMUT800的形式提供图6的CMUT600的修改版本。在大多数或者所有重要方面中，CMUT800可与CMUT600具有类似的结构和/或功能，包括，例如呈现分别在中央设置的第三电极806两侧的第一电极802和第二电极804，高k电介质材料层808，电极810(其中层808沉积在电极810上作为隔板811的一部分，并设置在第一电极802、第二电极804和第三电极806与电极810之间)，以及间隔件812，其中隔板811相对于晶片814可塌陷地安装在间隔件812上。晶片814可进一步在结构上和/或功能上与CMUT700的晶片714类似，在于晶片814可包括基板816，并且第一电极802、第二电极804和第三电极806可沉积在基板816上。CMUT800可还包括至少一些相对于CMUT600的差别；包括，例如以下马上要讨论的差别。
CMUT800的隔板811在包含电极810的平面之内可包括一个或多个相互交叉的电极818。例如，并如图8所示，可将电极810形成图案以形成各个压电驱动区域820，其中电极810呈现指状物822的图案，所述指状物822与各个电极818的相应指状物824相互交叉。隔板811可任选的包括另外的隔板支持物826以改进强度并提供例如在相互交叉的各指状物822、824之间，以及在电极810和超声波发射和/或接收的介质之间的电绝缘。在这种情况下，电极814根据所谓的压电操作“d33”模式可便于压电驱动。更具体的，以塌陷模式操作的CMUT800中的主要驱动应变可沿着方向828发生，并且同时，根据d33模式，CMUT800可采用具有被导向为与方向828相同的极化轴的电场。d33模式(其中压电材料沿着与电场极化轴相关联的同一方向被驱动)可具有优点：至少不需要将另外的电极层相对于电介质层808沉积或者形成。
根据本公开的各方面，间隔件812可由适当的导电材料制造，从而使间隔件812形成穿过晶片814的电通路的一部分，并且驱动电压可沿着该电通路施加到电极810、818两端。在本公开的至少一些方面中，间隔件812可基本上是不导电的，和/或可与CMUT600的间隔件612在结构和功能上类似。各间隔件812可是共电的，并用于借助于电介质层808中的蚀刻通孔分别接触电极818。
隔板811可任选地用于根据本公开的所有CMUT例子，至少只要沿着另外的隔板支持物826提供电极810。隔板支持物826可用于改进机械性能，调整声阻抗，和/或例如通过提供蚀刻终止层或者阻挡层来改进制造过程。
根据本公开的各方面，只要(例如)通过例如使用两侧电极来注意保持低的寄生电容，则可使用分开的驱动和接收电子器件(未单独示出)。
所公开的设备、系统和方法可以在不脱离本公开精神和范围的情况下易有很多进一步的变型和替代应用。

Claims (22)

1.一种电容式超声换能器，包括：
第一电极；
第二电极；
第三电极，所述第三电极包括相对于所述第一电极可塌陷地间隔设置的中央区域，和从所述中央区域向外设置并相对于所述第二电极可塌陷地间隔设置的外围区域；以及
高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间。
2.根据权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，所述电容式超声换能器可以塌陷模式操作，其中，所述第三电极的所述外围区域相对于所述第二电极振荡，并且所述第三电极的所述中央区域相对于所述第一电极完全塌陷，从而使所述高介电常数材料层被夹入其中。
3.根据权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，所述高介电常数材料层相对于所述第一电极和所述第二电极中的每个可塌陷地间隔设置。
4.根据权利要求3所述的电容式超声换能器，其中，所述高介电常数材料层和所述第三层彼此附贴。
5.根据权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，所述高介电常数材料层附贴于所述第一电极和所述第二电极，从而使所述第三电极的所述中央和外围区域进一步相对于所述高介电常数材料层可塌陷地间隔。
6.根据权利要求1所述的电容式超声换能器，还包括压电层和第四电极，并且其中，所述第三电极和所述第四电极协作以将电场施加给所述压电层。
7.根据权利要求6所述的电容式超声换能器，其中，所述第三电极和所述第四电极中的每个都附贴于所述高介电常数材料层。
8.根据权利要求7所述的电容式超声换能器，其中，所述高介电常数材料层被夹在所述第三电极和所述第四电极之间，并形成所述压电层的至少一部分。
9.根据权利要求8所述的电容式超声换能器，其中，所述第三电极和所述第四电极协作以产生相对于所述压电层的d31模式压电耦合。
10.根据权利要求7所述的电容式超声换能器，其中，所述第三电极和所述第四电极沿着所述高介电常数材料层的公共侧设置。
11.根据权利要求10所述的电容式超声换能器，其中，所述第三电极和所述第四电极是相互交叉的。
12.根据权利要求10所述的电容式超声换能器，其中，所述第三电极和所述第四电极协作以产生相对于所述压电层的d33模式压电耦合。
13.根据权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，所述高介电常数材料层的所述介电常数具有至少100的值。
14.根据权利要求1所述的电容式超声换能器，还包括第四电极，其中，所述第二电极设置在所述第一电极和所述第四电极之间，并且所述第三电极还包括从所述中央区域向外设置并且相对于所述第四电极可塌陷地间隔设置的另一外围区域，并且其中，所述高介电常数材料层进一步设置在所述第三电极和所述第四电极之间。
15.一种医学成像系统，包括根据权利要求1所述的电容式超声换能器。
16.一种医学成像系统，包括设置在公共基板上的根据权利要求1所述的电容式超声换能器的阵列。
17.一种操作电容式超声换能器的方法，包括：
提供电容式超声换能器，所述换能器包括第一电极、第二电极、相对于所述第一电极和所述第二电极中的每个可塌陷地间隔的第三电极，以及高介电常数材料层，其中所述高介电常数材料层设置在所述第三电极和所述第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间；
相对于所述第一电极使所述第三电极的中央区域塌陷，从而使所述高介电常数材料层被夹入其中；以及
相对于所述第二电极使从所述中央区域向外设置的所述第三电极的外围区域振荡。
18.根据权利要求17所述的操作电容式超声换能器的方法，其中，所述电容式超声换能器还包括压电层和第四电极，并且所述方法还包括相协作地使用所述第三电极和第四电极以产生相对于所述压电层的压电耦合。
19.根据权利要求18所述的操作电容式超声换能器的方法，还包括利用所述压电耦合来校准从包括所述电容式超声换能器的间隙、硬度和性能的组中选择的至少一个。
20.根据权利要求18所述的操作电容式超声换能器的方法，还包括利用所述压电耦合来支持所述电容式超声换能器的电容驱动。
21.根据权利要求18所述的操作电容式超声换能器的方法，其中，所述压电耦合包括d33模式压电耦合。
22.根据权利要求18所述的操作电容式超声换能器的方法，其中，所述压电耦合包括d31模式压电耦合。
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