CN101898743A - 微加工超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明是关于微加工超声换能器，具体涉及弹簧嵌入式微加工超声换能器，特别是关于弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器。一种微加工超声换能器，包括第一支撑层、第一支撑层上设置第一电极，第二支撑层、第二支撑层上设置第二电极，其中，所述第二支撑层为基片，基片上设有开口结构，分上部分和下部分，第二电极设在上部分上；所述的第一支撑层为表面薄板，在第一支撑层与第二支撑层之间通过一垂直有弹性的连接器连接且形成有间隙。因为微加工超声换能器有较好的发射和接收性能，且整个换能器表面都可以是有用的区域，从而使微加工超声换能器可以有完美的填充因数。降低了寄生电容，提高了灵敏度、击穿电压及换能器设计的灵活性，提高其可靠性和带宽。

Description

微加工超声换能器

技术领域

本发明是关于微加工超声换能器(Micromachined UltrasonicTransducer，MUT)，具体涉及弹簧嵌入式微加工超声换能器(ESMUT)，特别是关于弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器(Capacitive MicromachinedUltrasonic Transducer Having Embedded Springs，ESCMUT)。

技术背景

电容式微加工超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer，CMUT)是一种有着广泛用途的静电换能器。超声换能器可以在象液体，固体和气体等多种介质里工作。超声换能器已经应用在医药诊断和治疗，无损伤材料测试，声纳，通讯，接近换能器，流量测量，实时工艺控制，超声显微镜等领域里。

跟广泛应用的用压电陶瓷(PZT)技术做成的换能器，电容式微加工超声换能器在制作工艺，频谱带宽以及工作温度等方面都有很大的优势。例如，用传统的制作工艺做换能器阵列，需要分别切割每个阵元。所以耗时耗力，成本高。而且，切割方法精度有限，所以做高频，二维和一些特殊几何形状的换能器阵列尤其困难。电容式微加工超声换能器是用半导体工艺制成，所以很多换能器可以在一起成批制造。半导体制作工艺的精度足够满足电容式微加工超声换能器的需求。电容式微加工超声换能器阵列可以做到精度高，低成本。电容式微加工超声换能器在所设计的工作频率范围里，其阻抗比压电陶瓷换能器的阻抗低很多。所以电容式微加工超声换能器在医药成像应用中不需要匹配层和较宽的带宽。电容式微加工超声换能器是由半导体材料制成，所以它比压电陶瓷换能器耐高温。

微加工超声换能器可以分类成很多种，其中，电容式微加工超声换能器是最常见的。电容式微加工超声换能器的基本结构是一个固定下电极和活动上电极的平行板电容。活动上电极依附在一个可变形的薄膜上用来传送超声波到临近的介质和从临近的介质中接收(Reception，RX)超声波。直流偏置电压可以加在换能器两电极之间用来设置薄膜到一个优化位置以得到最佳的灵敏度和带宽。发射(Transmission，TX)时，一个交流电压加在换能器上。相应的静电力移动薄膜以传送超声能量到临近的介质。接收时，介质中的超声波引起换能器薄膜震动从而改变换能器的电容。电容变化能用相应的接收电路探测到。

图一是一个现有的传统的可变形薄膜电容式微加工超声换能器10的截面示意图。换能器10有一个固定的包括一个下电极12的基片11，一个通过薄膜支撑(Anchor)18和基片11相连的可变形薄膜16，一个附着在可变形薄膜16上的可移动的上电极14。薄膜支撑18在可变形薄膜16和下电极12之间形成一个换能器空间19(换能器空间可以被封闭起来)。

现有的可变形薄膜电容式微加工超声换能器有很多缺点。这些缺点是因为每个现有的换能器都是由很多单元组成，而每个单元有一个边上被固定的薄膜。下面是列出一些现有换能器的缺点：

1)因为薄膜在边上被固定，薄膜的平均位移(average displacement)较小。因此换能器的发射和接收性能较差。

2)薄膜支撑结构占据了换能器表面的有用面积，而这些面积对换能器性能没有贡献，从而降低了换能器的效率。

3)有寄身电容存在于薄膜支撑结构中，从而降低了换能器的灵敏度。

4)有周期性的薄膜支撑结构也可以干扰换能器的正常工作，从而影响换能器的带宽。

5)由于制作工艺的误差，换能器里每个单元的机械性质有一定的差别。可以导致在换能器的运作中，每个单元在换能器里的相位有所不同。可以导致换能器的平均位移的下降。这个问题在换能器工作在品质因子(Q-factor)较高的情形下较严重。例如换能器工作在空气和真空里。超声能量也可以通过薄膜支撑结构耦合到基底中常产生一些不好的现象，比如阵元之间的交叉耦合和发射脉冲中的不必要的振荡。另外，在图一中的可变形薄膜电容式微加工超声换能器的弹簧模量和质量是高度相关的，所以很难单独改变其中一个参数。这影响了换能器设计的灵活性。

因为以上原因，所以需要找到一个结构更好的微加工超声换能器来提高其性能和解决可变形薄膜电容式微加工超声换能器中以上提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更好的微加工超声换能器。

本发明的再一目的在于提供上述微加工超声换能器的制作方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：一种微加工超声换能器，包括第一支撑层、第一支撑层上设置第一电极，第二支撑层、第二支撑层上设置第二电极，所述第二支撑层为基片，基片可以是连续结构或单片结构，基片上设有开口结构，分上部分和下部分，第二电极设在上部分上；所述的第一支撑层为表面薄板，在表面薄板与基片之间通过一垂直有弹性的连接器连接且形成有间隙。因为弹性连接器的弹性作用，所述的间隙是可调、可变化的。

在上述方案基础上，所述的基片为连续的整体结构，表面薄板位于基片的上方通过多个垂直有弹性的连接器支撑并与基片连接，形成一个间隙。

所述的垂直有弹性的连接器包括弹簧层和一垂直的弹簧连接器，在第二支撑层下部分设有弹簧层，弹簧层连接不同位置处的多个支撑结构；多个弹簧连接器通过第二支撑层上的开口结构将第一支撑层和弹簧层连接，其中，所述的开口结构在边缘凹进去并在第二个支撑层下形成空隙，弹簧层连接在支撑结构(anchors)的侧面形成一个在空隙里的悬臂(梁)(cantilever)。

所述的第一电极为在表面薄板上的导电层；或者表面薄板为导电材料层；所述的第二电极为在基片的上部分设置一导电层，或者基片的上部分为导电材料层。

在上述方案基础上，所述空隙的下表面上可设有一限制表面薄板最大垂直位移的限位凸台。

所述的垂直有弹性的连接器也可以为垂直形或者弯曲形，分别连接表面薄板和基片的下部分，所述基片上部分有从表面到下部分的开口结构，其中，在开口结构中有多个垂直有弹性的连接器连接表面薄板和基片下部分。

在所述连接器底部和基片下部分设有具绝缘效果的弹簧支撑结构和/或在所述连接器顶部和表面薄板之间设有具绝缘效果的结构。

当所述的基片为一连续结构，在其上开设数个朝上的开口，开口至基片下部分的上表面，每个开口底部用于连接垂直有弹性的连接器。

所述垂直有弹性的连接器还可以包括一个第一垂直电极，为第一电极的延伸部，基片上部分有一个侧壁包括第二个垂直电极，为第二电极的延伸部，第一垂直电极和第二垂直电极之间有空歇形成一个垂直的电容器。

所述的垂直有弹性的连接器与表面薄板之间设有一绝缘层；或者将表面薄板的下表面制作成绝缘材料层。

本发明所述的换能器可以采用多种不同的工艺做成。一般来说，在引用的专利申请PCT/IB2006/051567(题目是：“METHODS OFFABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANCIAL DEVICES”，作者：Yongli Huang)中的基本制作技术和工艺以及他们的任意组合可以用来制作本发明的换能器。由于本发明中换能器的一些特殊结构，下面提供一些更方便实用的制作换能器方法。

针对上述微加工超声换能器，本发明提供一种制作方法，基片可以为连续的整体结构，采用晶片键和工艺按下述步骤制作：

步骤一、在基片上制作凹槽，形成支撑柱和需要的限位凸台；

步骤二、将一SOI晶片键和在基片上，然后去掉SOI晶片的支撑部分和绝缘层而形成弹簧层，并使弹簧层呈设计要求的样式，或者普通晶片键和到基片上，然后，把晶片成型为设计要求的样式的弹簧层；

步骤三、将一晶片键和到弹簧层上并把晶片按设计厚度作为基片的上部分，并在基板上部分的上表面制作一层导电材料作为第二电极；

步骤四、在晶片上键和一连接表面薄板的绝缘层，并将晶片层刻蚀成作为有缝隙的基片的上部分以及在缝隙里的弹簧连接器；

步骤五、一晶片被键和在弹簧连接器上，然后按设计要求的厚度制作成表面薄板；

步骤六、表面薄板上键和一层金属作为第一电极，或者，表面薄板为一导电材料层作为第一电极，制成换能器或换能器阵元，其中，在制成换能器或换能器阵元之间形成沟槽，使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

其中，连接表面薄板的绝缘层高于电极间的绝缘层。

所述步骤三之后，引进一个绝缘层562并制作成想要的样式作为弹簧薄板连接器的一部分去支撑后面引进的表面薄板，再进行步骤四的操作。

在步骤四中的绝缘层侧断面之间设置另外一个较薄的绝缘层，以之作为换能器电极之间的绝缘层。

本发明也可以采用下述工艺制作：

步骤一、在基片上设置不连续的第一绝缘层，并使之成为需要的结构；

步骤二、在基片上设置第二绝缘层，并使之成为需要的结构，且第二绝缘层位于第一绝缘层的断面之间，同时，将第一绝缘层制作成垂直弹簧的上部分；

步骤三、基片被刻蚀形成需要深度的沟槽，形成完整的垂直弹簧；

步骤四、将一个晶片键和在垂直弹簧上，并将该晶片制作成为表面薄板；

步骤五、表面薄板上复合一层金属作为第一电极；

步骤六、在换能器或换能器阵元之间形成沟槽，使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

本发明还可提供另一种所述的微加工超声换能器的制作方法，即采用牺牲层工艺制作，具体步骤为：

步骤一、在基片上形成第一牺牲层；

步骤二、在第一牺牲层上加一层材料形成弹簧层以及支撑弹簧层的换能器基板的下部分，在弹簧层上形成开口，以便后面去掉牺牲层；

步骤三、在弹簧层和第一牺牲层上形成第二牺牲层，做成想要的样式；第一层和第二层牺牲层开口连在一起以便在后面的工艺里一起去掉；

步骤四、加上一层材料作为换能器基片的上部分或者作为第二电极，再复合第三牺牲层，做成想要的样式，这层牺牲层部分形成两个电极之间的缝隙；

步骤五、在第三牺牲层上引进一个材料层并制作成想要的样式作为表面薄板的一部分，并设开口作为牺牲层的通道；

步骤六、将第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层刻蚀掉；

步骤七、在步骤五所述的材料层上复合一层金属作为第一电极；

步骤八、第一电极上覆盖一材料层作为表面薄板的一部分，从而完成表面薄板。

步骤九、在换能器或换能器阵元之间形成沟槽，使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

以下本发明用附图详细描述弹簧嵌入式微加工超声换能器。描述中用了多个附图，其中，如换能器各构件一般都用参考数字和字母表示。本发明还描述了弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的制作工艺。这些工艺也可以和任何其它适当的工艺结合，特别是那些和其他微加工超声换能器的制作工艺相关的工艺。

本发明实施例是用一些具体设备装置描述的。大部分情况下，本发明是用电容式微加工超声换能器结构来描述的。但本发明不限于电容式微加工超声换能器，也可以用于设计其它微加工超声换能器以及其他换能器。另外，有一定技术训练的人也可以对本发明的具体设备装置作一些修改，变动和合成，但这些都应该包括在本发明的范围以内。

本发明中，导电材料定义为其电阻率低于1×10⁴Ω-cm。因此硅和多晶硅在本发明里被视为导电材料。一个好的导电材料其电阻率希望低于1Ω-cm。除非专门说明，不然在本发明中，介质材料和绝缘材料是一样的，其电阻率应高于1×10⁴Ω-cm。一个好的绝缘材料其电阻率希望高于1×10⁸Ω-cm。一个绝缘体一般是用绝缘材料作成的，但特殊情况下，绝缘材料也包括空气和真空。

在本发明中，“换能器”(“transducer”)和“换能器构件”(“transducermember”)被赋予更广泛的定义，它不单包括那些用来同时做传感，控制和驱动的器件，也包括那些只用于传感，控制或驱动的器件。在本发明中，“单元”(“cell”)描述的是现有超声换能器设计中的基本元素，它一般都是相互独立的单元或有一样的大小和形状。“基本组件”(“basicunit”)描述的是本发明的超声换能器设计中的基本结构，它并不一定是一个独立运作的单位，很多情况下，它只是人为的从换能器中划出的一个可以代表换能器结构的部分以用于在发明里可以较简洁地描述超声换能器的结构和运作。它可以有不同大小和形状。在本发明中，“悬臂(梁)”(“cantilever”)也被赋予更广泛的定义，它描述了一个广义的结构：有支撑端，以及一个由支撑端伸展出来的有弹性的部分和一个受力端用来活动或移动此弹性部分。所以悬臂(梁)不必一定只是一个文字上的一维的横梁，它还可以包括多个从不同方向延展开来的横梁(例如像桥梁状)。对于微加工超声换能器，大多数情况下，悬臂(梁)是一个面积或平板式的弹簧结构(二维悬臂，例如有弹性的薄膜或薄板)：面积或平板式的弹簧结构可以支撑(固定)在点上，线上或一个面积上。活动或移动也可以加在点上，线上或一个面积上。另外，“圆的”和“环状的”也代表最广泛的成圈的或大概成圈的形状。它不一定是圆形的。例如可以是长方形，六角形等。“圆的”和“环状的”也不一定代表一个完全封闭的形状。

本发明是对新的弹簧嵌入式微加工超声换能器设计的进一步引申或补充。它与传统的(可变形薄膜)微加工超声换能器有一些根本的不同，从而克服了传统的(可变形薄膜)微加工超声换能器设计的很多缺点和技术问题。本发明的微加工超声换能器不但与(可变形薄膜)微加工超声换能器的基本结构不同，而且也没有(可变形薄膜)微加工超声换能器设计上的单元边界的要求。在器件设计的层次上，本发明一般来说适用于或遵循弹簧嵌入式微加工超声换能器(国际专利申请(No.PCT/IB2006/052658和No.PCT/IB2006/051569，题目是MICRO-ELECTRO-MECHANCIAL TRANSDUCER HAVING ASURFACE PLATE，作者：Yongli Huang))总的设计原理和组合，但有完全不一样的创新的弹簧设计。

虽然用本发明可以设计微加工超声换能器或微加工超声换能器阵元有多个单元，但本发明的微加工超声换能器并没有被限制在单元设计的框架里面。很多情况下，本发明中的微加工超声换能器是倾向没有内部单元的结构和边界的设计。另外，虽然本发明中的微加工超声换能器或微加工超声换能器阵元可以是几个较小的片段(例如一个部分有自己的表面薄板片段和弹簧层片段)组成的，每个片段的边界可以是被支撑(固定)的，也可以是被部分支撑或不被支撑的。而且每个片段不一定是在结构，大小，形状上一样的。

本发明的优越性在于：

1)因为微加工超声换能器的整个表面可以移动，从而换能器表面的位移要均匀得很多。因此微加工超声换能器的平均位移和在电极间的平均电场会提高很多。从而本发明里的换能器会有较好的发射和接收性能。

2)用本发明的微加工超声换能器设计，整个换能器表面都可以是有用的区域，从而使微加工超声换能器可以有完美的填充因数。因为高频微加工超声换能器的阵元面积较小，因此这个对高频微加工超声换能器特别重要。

3)如果能够选择适当的弹簧属性，微加工超声换能器的寄生电容会降低很多，从而提高其灵敏度。同时也可以提高微加工超声换能器的击穿电压，提高其可靠性。例如，可以选择绝缘材料作为弹簧层。

4)由于不再有现有微加工超声换能器中多个单元形成的有规律性的样式(pattern)，这样就没有这种样式(pattern)引起的对高频超声的干扰。从而可以提高微加工超声换能器的带宽。

5)不用像现有微加工超声换能器那样由多个单个单元组成，在本发明里的微加工超声换能器不同区域的表面位移相位区别很小或没区别，特别是当微加工超声换能器有较硬的表面薄板的情况。这可以大大提高微加工超声换能器在高品质因子(Q-factor)情形下的性能。

6)由于本发明微加工超声换能器的弹簧模量和质量相关度不高，所以可单独改变其中一个参数。提高了换能器设计的灵活性，赋予换能器很多设计自由。

附图说明

图1是一个传统的可变形薄膜电容式微加工超声换能器的基本结构的截面示意图。

图2显示了第一个本发明中的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的具体设备装置(embodiments)的截面示意图。

图3显示了第二个本发明中的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的具体设备装置(embodiments)的基本结构片段的截面示意图。

图4显示了第三个本发明中的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的具体设备装置(embodiments)的基本结构片段的截面示意图。

图5显示用晶(圆)片键合技术(wafer-bonding)制作本发明里的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的工艺。

图6显示用微电机牺牲层技术(sacrificial technology)制作本发明里的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的工艺。

图7显示另外一个制作本发明里的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的工艺。

具体实施方式

实施例1

电容式微加工超声换能器是最常见的微加工超声换能器，因此以下以电容式微加工超声换能器作为具体例子来说明。

图2显示了第一个本发明中的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的具体设备装置(embodiments)的截面示意图。在虚线的长方形窗口里是电容式微加工超声换能器的一个基本结构片段200的放大图。微加工超声换能器的基本结构片段200是一个完整换能器或换能器阵元CMUT1的一部分。换能器或换能器阵元CMUT1可以是一个单独的器件，也可以是一个有多个阵元(例如如图所示CMUT1，CMUT2和CMUT3)的器件的一部分。

换能器的基本结构片段200用来便于说明和理解整个完整的换能器的结构和工作原理。除了图2以外，更多的整个完整的换能器的设计和构成可以参考引用的国际专利申请(PCT/IB2006/052658和PCT/IB2006/051569)。

对于一些应用，例如高频微加工超声换能器，换能器的基本结构片段200本身就可以成为一个完整的换能器阵元或器件。对于另外一些应用，一个完整的换能器阵元或器件可以由多个一样或不一样的基本结构片段200组成(如图2)。

换能器的基本结构片段200是做在一个基片201上。基片201是一个可以看成一个上部分212和下部分210的基板。表面薄板240位于上部分212上面并与其形成一个间隙(换能器空间)265。在这个具体设备装置(embodiments)中，一个垂直有弹性的连接器包括弹簧层220和一垂直的弹簧连接器230；弹簧连接器连接表面薄板240和下部分210。弹簧层220连接到下部分210并形成一个悬臂(梁)似的弹簧。弹簧连接器230连接弹簧层220和表面薄板240。在工作中，弹簧层220的弯曲引起弹簧连接器230的纵向(上下)运动从而产生薄板240的上下运动。由于表面薄板240和多个类似的弹簧连接器230连接，所以弹簧层220的弯曲可以让整个薄板240作上下平行运动。在一些具体设备装置中，薄板希望是比较硬的(至少比弹簧层硬)以能够产生活塞式的上下运动。如果需要，表面薄板也可以设计成较软可以弯曲的。

为了避免电的短路，在表面薄板240和上部分212间可以选择性的放一层绝缘层235。如果表面薄板本身是绝缘材料作成的，这个绝缘层235就不需要了。

在图2中，在空洞225的下表面形成了制动结构215。该制动结构215作为限位凸台被放在弹簧层下面去限制弹簧层220的最大位移，从而限制了表面薄板240的最大位移。如果表面薄板240的最大位移限制比缝隙265小一些，那么就能避免两个电极250和260之间的短路，从而提高换能器的稳定性。另外，这种情况下就不需要绝缘层235。而且，制动结构215也可以放在表面薄板240和上部分212之间，起同样的作用。制动结构215可以在表面薄板下表面或第二电极(下电极)260上表面形成。另外，制动结构215可以有一个绝缘的增长部分延伸到其附着的结构里，具体绝缘增长部分设计可以参考引用的国际专利申请PCT/IB2006/051948。

在图2中，相对于位于上部分212的壁213，下部分210有一个凹陷的壁211。壁211在上部分212下面定义了一个空隙225。弹簧层220连接到壁211并在上部分212下面形成了一个悬臂(梁)。此悬臂(梁)一般位于空隙225里面。在电容式微加工超声换能器的结构里，在表面薄板240上有一个第一电极(上电极)250作为换能器构件之一。上电极250可以是附着在表面薄板表面或位于表面薄板中间。如果薄板是导电材料做成，薄板本身也可以作为上电极。相对应的，上部分212上有一个下电极260作为换能器构件之一。下电极260可以是附着在基片表面或位于基片中间。如果基片是导电材料做成，基片本身也可以作为下电极。

虽然在图2的横截面图里，弹簧层220形成的悬臂(梁)是一个一维横梁，但在具体设备装置中，悬臂(梁)是一个薄板或薄膜形成的二维横梁。如图所示一个完整的换能器器件可以包括多个基本组件。作为一个整体来看，一个完整的换能器器件(包括基本组件200)可以看成有三层，包括：1)一个第一个支撑层(表面薄板240)支撑一个第一个电极(上电极250)；2)一个第二个支撑层(基板的上部分212)支撑一个第二个电极(下电极260)；以及3)一个弹簧层220位于第一和第二个支撑层下面。第二个支撑层(基片的上部分212)有一些开口结构216并通过多个支撑点(基片的下部分210)和基片201相连。开口结构216可以是分离的窄的开口或横跨上部分212表面的长的沟漕。下部分210有一个壁211用于连接弹簧层220。不同样式的开口结构216可以用于设计不同分布的弹簧结构(图2中类似横梁弹簧结构)从而得到想要的换能器的性能。

换能器或换能器阵元进一步包括多个通过开口结构216去连接第一个支撑层(表面薄板240)和弹簧层220的垂直的弹簧连接器230。一个换能器或换能器阵元，表面薄板240可以是一个可以像一个物体那样移动的连续的薄板构件和多个分离的小薄板构件。表面薄板本身还可以设计成空心结构或有加强结构的薄板从而提高薄板的硬度和质量的比例。换能器的表面薄板240因此支撑在多个可以自由设计和分布的像横梁一样的垂直有弹性的连接器机构上。在一些具体设备装置中，弹簧层220是一个连续一层材料或几个完全分离的片断。

在本发明中，整个表面薄板都是可以移动的。而且换能器的频谱相应可以通过弹簧层和表面薄板的材料，样式分布比较自由的设计到需要的结果。原理上讲，相对于传统的可变形薄膜微加工超声换能器，在本发明里换能器很大地提高了换能器的有效工作面积从而能够很大程度上提高换能器的性能。

根据设计要求，在本发明里的换能器或换能器阵元可以有一个连续的表面薄板，也可以有多个一样或不一样形状的较小的表面薄板组成。同可变形薄膜微加工超声换能器不同，图2中的整个表面薄板都是可动的。根据需要，表面薄板可以设计成较硬或较软的。如果表面薄板设计得较硬，那整个换能器表面的就可以有很均匀的运动。

上电极250可以设计在空隙265上面任何位置。在换能器发射超声时，上下电极250和260之间所加电场驱使表面薄板240移动，从而表面薄板240发射超声到介质中。在换能器接收超声时，打到表面薄板240上的超声驱使附着在表面薄板240上的上电极250移动，从而引起上下电极250和260之间的电容变化。所以打到表面薄板240上的超声可以通过电容变化探测到。

无论弹簧层220做成什么样的组合和结构，可以看出在一些优选的具体设备装置中，在换能器中，形成悬臂(梁)的支撑部分(基片的下部分210)和相应的悬臂(梁)所占的面积总和至少大于换能器整个面积的一半。悬臂(梁)所占的面积可以定义为空隙225的总面积或在空隙225中悬臂(梁)占的总面积。更好的设计是形成悬臂(梁)的支撑部分(基片的下部分210)和相应的悬臂(梁)所占的面积总和至少大于换能器整个面积的80％或接近100％。

本发明的普遍原则赋予换能器很多设计自由。在换能器的整个尺寸形状，空隙的大小，形状和设计，悬臂(梁)的大小，形状和设计，连接器的大小，形状和设计，以及每层材料(换能器基板，弹簧层和表面薄板层)的厚薄，形状，和片断组合都有很大的自由设计空间。

本发明中的换能器或换能器阵元不一定要由可变形薄膜的多个一样的单元组成。相应的，本发明中的换能器可以只有一个(硬的或软的)表面薄板。即使多个表面薄板用在一个换能器里的情况，这些多个表面薄板也不用像现有换能器单元里的薄膜那样需要在边上固定住。而且这些多个表面薄板也不用像现有换能器单元里的薄膜那样设计成一样的尺寸，大小和形状。在一个换能器里的表面薄膜可以有不一样的大小和形状。

由弹簧层形成的悬臂(梁)可以根据需要设计成多种分布的有不同弹性强度和大小的组合。这些嵌入的弹簧可以由单个连接的可变形薄膜组成，也可以由多个有一样或不一样的大小和形状的可变形薄膜组成。弹簧连接器(例如230)可以设计在那些可以优化表面薄板在运行中的位移和达到相应频谱响应的位置。如果一个换能器设计多个薄板代替一个薄板，一般是为了达到一定的频谱响应。

总之，同现有的微加工超声换能器不同，本发明的微加工超声换能器在换能器表面可以没有固定的区域；换能器表面可以由在适当位置分布的弹簧(悬臂(梁))支撑的单个或多个表面薄板组成。因此，本发明的微加工超声换能器有潜力解决在背景材料里介绍的现有微加工超声换能器的那些问题。本发明的潜在优势有：本发明里的微加工超声换能器比现有的微加工超声换能器有更大的设计自由。例如表面薄板240可以设计成不同的形状和样式；嵌入的弹簧层220可以设计成不同的形状和样式。进一步的，嵌入的弹簧可以通过适当的弹簧连接器连在薄板240的适当地方去优化微加工超声换能器的性能。

本发明中，图2中类似悬臂(梁)(cantilever-like)的弹性结构(220和230)可以用另外的有一定弹性的结构取代去支撑表面薄板240，这种结构也许能更有效地提高微加工超声换能器的性能或制作工艺。下面介绍这些嵌入在薄板下的更多的弹性结构。

实施例2

图3显示了第二个本发明中的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的具体设备装置(embodiments)的基本结构片段的截面示意图。是一个弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器(整个换能器同图2一样，但没有在图3中显示)的基本结构片段300的放大图。两个弹簧类似的结构显示在图中只是方便换能器的结构描述，但根据设计要求，换能器的基本结构片段300可以有不同数目的一样或不一样的弹簧类似的弹性结构。

弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的基本结构片段300是做在一个基片301上。基片301是一个可以看成一个上部分312和下部分310的基板。一个表面薄板340位于上基板部分312上面并与其形成一个空隙(换能器空间)365。垂直有弹性的连接器320为垂直形的，连接表面薄板340和下部分310。所以，在这里，垂直有弹性的弹簧连接器320就是这个换能器的等效的嵌入式弹簧。绝缘结构315一般是根据需要选择性的加在垂直有弹性的连接器320和下部分310之间的绝缘层。如果在薄板340和垂直有弹性的弹簧连接器320之间已有绝缘结构(如图7)，绝缘结构315是可以去掉的。

在换能器运作中，垂直有弹性的弹簧连接器320的变形可以得到表面薄板340的纵向(垂直)位移。如果一个表面薄板340连接在多个适当分布的类似的垂直有弹性的弹簧连接器320上，多个垂直有弹性的弹簧连接器320的变形可以保证表面薄板340的纵向(垂直)运动。表面薄板可以是硬的或软的。在一些具体设备装置中，表面薄板可以设计成较硬(比弹簧320硬很多)，这样薄板340本身在运动中有很小的形变或没有形变，从而整个薄板240可以做活塞式的运动。

在电容式的换能器结构中，表面薄板340有一个第一电极(上电极)350作为换能器的换能器构件之一。相应的，上电极350可以是一层在上表面薄板340上的导电材料做成；如果表面薄板340是由导电材料做成的，表面薄板340本身就可以是上电极350或上电极350的一部分。相应的，在基片上部分312上有一个第二电极(下电极)360作为换能器的换能器构件之一。下电极360可以是一层在上部分312上的导电材料层；如果上部分312是由导电材料做成的，上部分312本身就可以是下电极360或下电极360的一部分。

另外，上部分312和下部分310可以是个完整的基板并是基片301的一部分或分别是放在基片301上的不同的材料层。在最简单的具体设备装置中，基片301上半部有窄的开口或沟槽325的那部分(那一层)可以就是上部分312；基片301下半部没有窄的开口或沟槽325的部分(一层)可以就是下部分310。窄的开口或沟槽325可以是在上部分312上分离的，连续的，或环状的开口。多个垂直有弹性的连接器320可以放在开口或沟槽325中。

实施例3

图4显示了第三个本发明中的弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器的具体设备装置的基本组件结构的截面示意图。图4是一个弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器(整个换能器同图2一样，但没有在图4中显示)的基本结构片段(basic unit)400的放大图。两个弹簧类似的弹性机构显示在图中只是方便换能器的结构描述，但根据设计要求，换能器的基本结构片段400可以有不同数目的一样或不一样的弹簧类似的结构。

换能器的基本结构片段400和换能器的基本结构片段300很相像。换能器的基本结构片段400有弹簧类似的垂直有弹性的连接器420为弯曲形的，连接表面薄板440和基片的下部分410。同垂直的连接器320相比，弯的连接器420更容易弯曲并且弯曲的行为更容易控制。一个同图3中绝缘结构315相似作用的绝缘结构415可以选择性的用在换能器的基本结构片段400。

在本实施例中，表面薄板440有一个第一电极(上电极)450作为换能器的换能器构件之一。相应的，上电极450可以是一层在上表面薄板440上的导电材料做成；如果表面薄板440是由导电材料做成的，表面薄板440本身就可以是上电极450或上电极450的一部分。相应的，在基片上部分412上有一个第二电极(下电极)460作为换能器的换能器构件之一。下电极460可以是一层在上基板部分412上的导电材料做成；如果上部分412是由导电材料做成的，上部分412本身就可以是下电极460或下电极460的一部分。

另外，上部分412和下部分410可以是个完整的基板，或者是基片401的一部分或分别是放在基片401上的不同的材料层。在最简单的具体设备装置中，基片401上半部有窄的开口或沟槽425的那部分(那一层)可以就是上部分412；基片401下半部没有开口或沟槽425的部分(一层)可以就是下部分410。窄的开口或沟槽425可以是在上部分412上分离的，连续的，或环状的开口。多个垂直有弹性的连接器420可以放在开口或沟槽425中。

进一步地，有垂直有弹性的连接器320或420也可以用导电材料做成并作为可动电极(例如上电极350或450)的一部分，为一垂直电极。这个在垂直有弹性的连接器320或420上的电极可以和延展的下电极360a或460a组成另外的电容器结构。延展的下电极360a或460a可以放在基片301或401的上部分312或412的侧壁314或414上。如果上部分312或412是用导电材料做成的，上部分312或412本身就可以就是延展的下电极360a或460a或电极延展的下电极360a或460a的一部分。因此，在图3和图4里的电容式微加工超声换能器可以比其他电容式微加工超声换能器有更多的电容从而有更好的性能。增加的电容器的换能空间325或425被定义为垂直有弹性的连接器(弹簧)320或420和延展的下电极360a或460a之间的空歇325和425。

本发明里的换能器制作工艺：

图5.1-5.11显示了一个用晶片键和(wafer-bonding)技术制作本发明中的换能器的制作工艺。具体工艺流程如下：

第一步(图5.1)，在基片501上形成一个想得到的凹凸结构。

第二步(图5.2)，在基片501进一步形成想得到的不同厚度的结构去定义支撑处(anchor)510和支撑柱(post)515。支撑处510将成为基板的下部分的一部分作为限位凸台去支撑后面形成的弹簧层。如果需要的话，支撑柱515可以选择性的成为制动器。

第三步(图5.3)，一个包含一个想得到的弹簧层520的SOI晶片可以用晶片键和(wafer-bonding)技术键和到基片501上。然后去掉SOI晶片的支撑部分和绝缘层而形成弹簧层520。作为一个选择，一个一般的晶片也可以键和到基片501上，然后用一定的工艺把晶片做到想要的厚度而形成弹簧层。

第四步(图5.4)，弹簧层520形成一个想要的结构以便去和弹簧连接器连接和在下一步去形成上部分。

第五步(图5.5)，一个一般的晶片560键和(bond)到弹簧层上并用一定的工艺把晶片做到想要的厚度作为基片的上部分。选择性的，一个SOI晶片也可以用在这步。如果需要的话，一层导电材料可以制作在上部分上面作为电极。

第六步(图5.6)，引进一个绝缘层562并制作成想要的结构作为弹簧连接器的一部分去支撑后面引进的表面薄板。

第七步(图5.7)，选择性的引进另外一个绝缘层564并制作成想要的样式作为换能器电极之间的绝缘层。一般来讲，去连接表面薄板的绝缘层562要比电极间的绝缘层564高些从而在绝缘层564和表面薄板之间保证一个缝隙。

第八步(图5.8)，晶片层560被刻蚀成作为有缝隙或开口的基片的上部分以及在缝隙或沟漕里的弹簧薄板连接器。

第九步(图5.9)，一个晶片被键和(bond)在弹簧连接器530上，然后制作到想要的厚度作为表面薄板。选择性的，在这步一个SOI晶片可以用来形成表面薄板。

第十步(图5.10)，一层金属550可以制作成想要的结构作为上电极。

第十一步(图5.11)，在换能器或换能器阵元之间形成沟槽555使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

本发明还提供下述述制作方法：

图6.1-6.10显示了一个用牺牲层(sacrificial)技术制作本发明中的换能器的制作工艺。具体工艺流程如下：

第一步(图6.1)，在基片601上形成第一牺牲层681。

第二步(图6.2)，再加一层材料并做成想要的结构去形成弹簧层620以及换能器基板的下部610去支撑弹簧层620。在弹簧层620上可以形成开口621以便后面去掉牺牲层。虽然在截面示意图中有开口621的弹簧层620看上去像不连续的，但在其他2维或3维空间上看这些弹簧是连续的并接在换能器基板的下部分610形成本发明里的弹簧类似的弹性机构。

第三步(图6.3)，第二牺牲层682被加上并做成想要的结构。第一层和第二层牺牲层可以通过开口621连在一起以便在后面的工艺里一起去掉。

第四步(图6.4)，一层材料660可以被加上作为换能器基片的上部分。如果材料层660是用导电材料做成，它可以成为下电极。如果需要，另外一个导电层也可以分开加上形成下电极。

第五步(图6.5)，第三牺牲层683被加上并做成想要的结构。这层牺牲层部分定义了两个电极之间的缝隙(换能器空间)。

第六步(图6.6)，引进一个材料层641并制作成想要的结构作为表面薄板640的一部分。开口(没有在图中显示)可以在这步形成以便作为牺牲层的通道。

第七步(图6.7)，牺牲层(681，682和683)被刻蚀掉。如果需要，刻蚀开口可以用另外的材料封住。

第八步(图6.8)，一层金属650可以加在材料层641上制作成想要的结构作为上电极。

第九步(图6.9)，引进一个想要厚度的材料层642并制作成想要的结构作为表面薄板640的一部分并完成表面薄板。在这个电容式微加工超声换能器的具体设备装置中，表面薄板640有一层薄膜层641，一层导电层650以及另外一层材料层642。所以在这个例子里上电极(650)嵌在表面薄板(640)里。另外一些设计，像整个表面薄板都可以由导电材料做成或导电层做在表面薄板的上面。

第十步(图6.10)，在换能器或换能器阵元之间形成沟槽655使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

本发明又提供一种制作工艺：

图7.1-7.7显示另外一个制作本发明中的换能器的制作工艺。具体工艺流程如下：

第一步(图7.1)，在基片701上形成第一绝缘层702(例如加热做成的氧化硅)。并做成想要的结构。

第二步(图7.2)，在基片701上形成第二绝缘层722(例如加热做成的氧化硅)并做成想要的结构作为换能器的绝缘层。同时，第一绝缘层702(例如加热做成的氧化硅)做成想要的形状作为垂直弹簧720的一部分。

第三步(图7.3)，基片701被刻蚀形成想要深度的沟槽725并完成垂直弹簧720的结构。

第四步(图7.4)，一个晶片被键和(bond)在垂直弹簧720上，然后制作到想要的厚度作为表面薄板740。选择性的，在这步一个SOI晶片也可以用在这步来形成表面薄板。

第五步(图7.5)，一层金属750可以制作成想要的结构作为上电极。

第六步(图7.6)，在换能器或换能器阵元之间形成沟槽755使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

虽然本发明的主题或主旨是结构特点和方法，但定义在本发明的权限和范围里的本发明的主题或主旨不受有用特殊据结构要点和方法所限制。其实，本发明的特殊据结构要点和方法只是实施本发明的权限的样例。

虽然本发明的设计特别适用于电容式微加工超声换能器，但它也适用于其他用运动机械部分去交换能量的微电机换能器。

特别是，本发明的微电机换能器可以用在下面列出的国际专利申请里的制作工艺做成：1)PCT/IB2006/051566，“THROUGH-WAFERINTERCONNECTION”；2)PCT/IB2006/051567，“METHODS FORFABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES；3)PCT/IB2006/051568，“MICRO-ELECTRO-MECHANICALTRANSDUCERS”；4)PCT/IB2006/051569，“MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS”；和5)PCT/IB2006/051948，“MICRO-ELECTRO-MECHANICALTRANSDUCER HAVING AN INSULATION EXTENSION”.这些专利申请将作为本发明的引用材料。

Claims (15)

1.一种微加工超声换能器，包括第一支撑层、第一支撑层上设置第一电极，第二支撑层、第二支撑层上设置第二电极，其特征在于：所述第二支撑层为基片，基片上设有开口结构，分上部分和下部分，第二电极设在上部分上；所述的第一支撑层为表面薄板，在第一支撑层与第二支撑层之间通过一垂直有弹性的连接器连接且形成有间隙。

2.根据权利要求1所述的微加工超声换能器，其特征在于：所述的基片为连续的整片结构，表面薄板位于基片的上方通过多个垂直有弹性的连接器支撑并与基片连接，表面薄板与基片间形成有间隙。

3.根据权利要求1或2所述的微加工超声换能器，其特征在于：所述的垂直有弹性的连接器包括弹簧层和一垂直的弹簧连接器，在第二支撑层下部分设有弹簧层，弹簧层连接不同位置处的多个支撑结构；多个弹簧连接器通过第二支撑层上的开口结构将第一支撑层和弹簧层连接，其中，所述的开口结构在边缘凹进去并在第二个支撑层下形成的空隙，弹簧层连接在支撑结构的侧面形成一个在空隙里的悬臂(梁)。

4.根据权利要求3所述的微加工超声换能器，其特征在于：所述的第一电极为在表面薄板上的导电层；或者表面薄板为导电材料层；所述的第二电极为在基片的上部分设置一导电层，或者基片的上部分为导电材料层。

5.根据权利要求4所述的微加工超声换能器，其特征在于：所述空隙的下表面上至少设有一限制表面薄板最大垂直位移的限位凸台。

6.根据权利要求1或2所述的微加工超声换能器，其特征在于：所述的垂直有弹性的连接器为垂直形或者弯曲形，分别连接表面薄板和基片的下部分，所述基片上部分有从表面到下部分的开口结构，其中，在开口结构中有垂直有弹性的连接器连接表面薄板和基片下部分。

7.根据权利要求6所述的微加工超声换能器，其特征在于：在所述连接器底部和基片下部分设有具绝缘效果的弹簧支撑结构和/或在所述连接器顶部和表面薄板之间设有具绝缘效果的结构。

8.根据权利要求6所述的微加工超声换能器，其特征在于：所述的基片为一连续结构，在其上开设数个朝上的开口，开口至基片下部分的上表面，每个开口底部用于连接垂直有弹性的连接器。

9.根据权利要求1或2所述的微加工超声换能器，其特征在于：所述垂直有弹性的连接器包括一个第一垂直电极，为第一电极的延伸部，基片上部分有一个侧壁包括第二个垂直电极，为第二电极的延伸部，第一垂直电极和第二垂直电极之间有空歇形成一个垂直的电容器。

10.根据权利要求1至9之一所述的微加工超声换能器，其特征在于：所述的垂直有弹性的连接器与表面薄板之间设有一绝缘层；或者将表面薄板的下表面制作成绝缘材料层。

11.一种针对权利要求2至10之一所述的微加工超声换能器的制作方法，采用晶片键和工艺按下述步骤制作：

步骤一、在基片上制作凹槽，形成支撑柱和需要的限位凸台；

步骤二、将一SOI晶片键和在基片上，然后去掉SOI晶片的支撑部分和绝缘层而形成弹簧层，并使弹簧层呈设计要求的样式，或者普通晶片键和到基片上，然后，把晶片成型为设计要求的样式的弹簧层；

步骤三、将一晶片键和到弹簧层上并把晶片按设计厚度作为基片的上部分，并在基板上部分的上表面制作一层导电材料作为第二电极；

步骤四、在晶片上形成一连接表面薄板的绝缘层，并将晶片层刻蚀成作为有缝隙的基片的上部分以及在缝隙里的弹簧连接器；

步骤五、一晶片被键和在弹簧连接器上，然后按设计要求的厚度制作成表面薄板；

步骤六、表面薄板上形成一层金属作为第一电极，或者，表面薄板为一导电材料层作为第一电极，制成换能器或换能器阵元，其中，在制成换能器或换能器阵元之间形成沟槽，使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

12.根据权利要求11所述的微加工超声换能器的制作方法，其特征在于：连接表面薄板的绝缘层高于电极间的绝缘层。

13.根据权利要求11所述的微加工超声换能器的制作方法，其特征在于：所述步骤三之后，引进一个绝缘层562并制作成想要的样式作为弹簧薄板连接器的一部分去支撑后面引进的表面薄板，再进行步骤四的操作。

14.针对权利要求2至10之一所述的微加工超声换能器的制作方法，按下述步骤制作：，

步骤一、在基片上按设计设置不连续的第一绝缘层；

步骤二、在基片上设置第二绝缘层，并使之成为需要的结构，且第二绝缘层位于第一绝缘层的断面之间，同时，将第一绝缘层制作成垂直有弹性连接器的上部分；

步骤三、基片被刻蚀形成需要深度的沟槽，形成垂直有弹性的连接器；

步骤四、将一个晶片键和在垂直弹簧上，并将该晶片制作成为表面薄板；

步骤五、表面薄板上复合一层金属层作为第一电极；

步骤六、在换能器或换能器阵元之间形成沟槽，使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

15.针对权利要求2至10之一所述的微加工超声换能器的制作方法，采用牺牲层工艺制作，具体步骤为：

步骤一、在基片上形成第一牺牲层；

步骤二、在第一牺牲层上加一层材料形成弹簧层以及支撑弹簧层的换能器基板的下部分，在弹簧层上形成开口，以便后面去掉牺牲层；

步骤三、在弹簧层和第一牺牲层上形成第二牺牲层，做成想要的样式；第一层和第二层牺牲层开口连在一起以便在后面的工艺里一起去掉；

步骤四、加上一层材料作为换能器基片的上部分或者作为第二电极，再复合第三牺牲层，做成想要的样式，这层牺牲层部分形成两个电极之间的缝隙；

步骤五、在第三牺牲层上引进一个材料层并制作成想要的样式作为表面薄板的一部分，并设开口作为牺牲层的通道；

步骤六、将第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层刻蚀掉；

步骤七、在步骤五所述的材料层上复合一层金属作为第一电极；

步骤八、第一电极上覆盖一材料层作为表面薄板的一部分，从而完成表面薄板。

步骤九、在换能器或换能器阵元之间形成沟槽，使换能器或换能器阵元能够相互独立地工作。

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