CN102158794A

CN102158794A - 电容型机电变换器

Info

Publication number: CN102158794A
Application number: CN2011100276060A
Authority: CN
Inventors: 香取笃史; 真岛正男
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102158794B; JP5550363B2; JP2011155345A; US20110182149A1; US8654614B2

Abstract

本发明涉及电容型机电变换器。提供可动区域中的电极不太可能影响可动区域的机械特性并且可动区域中的电极的表面的不均匀电势分布受到抑制的变换器。所述变换器包含第一电极和与第一电极相对的第二电极，在它们之间插入间隙。第一电极的单位面积的电阻在相对于第二电极的可动区域和相对于第二电极的不可动区域中不同。可动区域中的第一电极和不可动区域中的第一电极具有不同的厚度。

Description

电容型机电变换器

技术领域

本发明涉及发射和/或接收诸如超声波之类的弹性波的电容型机电变换器。

背景技术

作为电容型机电变换器的电容型微机械加工(micromachined)超声变换器(CMUT)被提出作为发射和/或接收超声波的变换器(参见PCT日本翻译专利公开No.2003-527947)。可通过应用了半导体工艺的微机电系统(MEMS)工艺制造CMUT。图3A～3C是MEMS的示意图；图3A是顶视图；图3B是沿线IIIB切取的断面图；图3C是沿线IIIC切取的断面图。图3A～3C示出振动膜(membrane)101、第一电极(上电极)102、支撑部分105、间隙106、第二电极(下电极)107和基板108。在CMUT中，在振动膜101上形成第一电极102。通过在基板108上形成的支撑部分105来支撑振动膜101。在基板108上，在振动膜101上形成第一电极102，并且，第二电极107与上电极102相对，其间设置有间隙106(各间隙通常为10～900nm)。在图3中，由于外力，振动膜101向基板108松垂(sag)。彼此相对的、其间夹有振动膜101和间隙106之一的各对电极被称为单元。作为变换器阵列的CMUT包含约200～4000个元件，每个元件包含多个单元(通常为约100～3000个单元)。CMUT的实际尺寸一般为约10mm～10cm。

在CMUT中，所有的第一电极102被电连接。振动膜101具有其中不形成第一电极102的区域P(由图3A中的阴影区域表示)。振动膜101使这样的区域P将它的特别影响振动特性的电极面积减小到不显著影响发射和/或接收效率的尺寸。在振动膜101上形成的第一电极102的厚度为约一个亚微米(submicron)，这对于具有约0.1～1.0μm的厚度的振动膜101来说是不可忽视的。因此，第一电极102对于CMUT的振动特性具有显著的影响。因此，振动膜101上的第一电极102的厚度要被最小化。但是，当设置薄的第一电极102时，所述电极的布线电阻成分变大，从而导致在CMUT的表面上被施加到第一电极102的电势的不均匀分布。在CMUT进行的发射和/或接收操作中，预定的电势被施加到第一电极102上，从而导致第一电极102和第二电极107的电势的差异。该电势差在第一电极102和第二电极107之间产生作为外力的静电吸引力，从而导致振动膜101向着基板108松垂。在这种状态下，执行超声波的发射和/或接收。松垂的量确定超声波的发射和/或接收效率。因此，当在CMUT的第一电极102的表面上产生不均匀的电势分布时，振动膜101的松垂的量改变，从而导致CMUT的发射和/或接收特性的波动。这种波动导致基于超声波的信息被再现的图像的质量的劣化。

发明内容

根据本发明的一个方面，变换器包括第一电极和与第一电极相对的第二电极。执行通过借助于产生静电吸引力以使第一电极振动来发射弹性波的发射操作和检测由于第一电极的振动而导致的在第一电极和第二电极之间的电容的变化的接收操作中的至少一个，所述静电吸引力在第一电极和第二电极之间被调制。而且，第一电极的单位面积的电阻在相对于第二电极的可动区域和不可动区域中不同。此外，可动区域中的第一电极的厚度小于或者等于不可动区域中的第一电极的厚度。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得清晰。

附图说明

图1A-1、图1A-2、图1A-3、图1B-1和图1B-2示出根据第一实施例和第二实施例的电容型机电变换器。

图2A-1、图2A-2、图2B-1和图2B-2示出根据第三实施例和第四实施例的电容型机电变换器。

图3A、图3B和图3C示出已知的电容型机电变换器。

具体实施方式

以下将描述本发明的实施例。通过根据本发明的电容型机电变换器，重要的是，可动区域和不可动区域的第一电极上的单位面积的电阻不同，这里，可动区域的厚度被设为小于或等于不可动区域的厚度。第一电极的厚度影响可动部分的机械特性的提高，并且，电阻影响对于第一电极中的不均匀电势分布的抑制。基于这种概念，根据本发明的电容型机电变换器具有上面描述的基本配置。基于该基本配置，得到下面描述的各种实施例。

一般地，为了容易地抑制第一电极的表面上的不均匀电势分布，不可动区域的电阻被设为小于可动区域的电阻。可在由支撑部分支撑的振动膜上形成第一电极，并且，第一电极的在第一电极下方不设置支撑部分的区域(即，上述可动区域)中的弹簧常数可被设为小于振动膜的弹簧常数(参见下面描述的实施例)。但是，振动膜可兼作第一电极。第一电极的电极材料在可动区域和不可动区域中相同，并且，可动区域中的第一电极的厚度可被设为比不可动区域中的第一电极的厚度小(参见下面描述的第一实施例)。也可以对于可动区域和不可动区域中的第一电极使用不同的电极材料(参见下面描述的第二实施例)。可通过在不可动区域中层叠与在第一电极的可动区域中使用的电极材料不同的电极材料来形成第一电极(参见下面描述的第三实施例)。通过不松垂的可动区域中的第一电极，可动区域和不可动区域中的第一电极可被设为相同的高度(参见下面描述的第四实施例)。在这种情况下，在不可动区域中的由相同材料制成的第一电极的一部分可填充支撑第一电极的支撑部分中的沟槽(参见下面描述的第四实施例)。但是，可通过对于可动区域和不可动区域使用不同的电极材料来提供这种配置(参见下面描述的第二实施例和第三实施例)。

可在绝缘材料的基板上设置与第一电极相对的第二电极。作为替代，基板可由导电材料制成并兼作第一电极。如上所述，一般地，电容型机电变换器包含多个元件，每个元件包含多个单元；并且，在元件中，第一电极与电路连接，并且，第二电极与电路独立地连接。通过这种配置，可以执行通过第一电极和第二电极之间的电容的变化来检测弹性波(例如声波、超声波、音波(acoustic wave)和光声波)的接收操作。此外，可通过产生作为在第一电极和第二电极之间施加调制电压的结果的调制的静电吸引力以使第一电极振动，执行发射诸如超声波之类的弹性波的发射操作。此外，可通过多个单元形成连续的振动部分，并且，其可动部分可以是振动膜，其不可动部分可以是支撑部分。可通过表面微机械加工来容易地制造这种配置。

可通过体微机械加工(bulk micromachining)来制造电容型机电变换器，在体微机械加工中，在硅基板上形成空腔结构，并且，接合SOI基板。作为体微机械加工的替代，可以使用表面微机械加工作为制造方法。特别地，例如，可以如下面描述的那样执行表面微机械加工。在用于空腔形成的多晶硅层的牺牲层上形成硅氮化物(siliconnitride)膜，并且，形成蚀刻孔。蚀刻孔执行牺牲层蚀刻以形成空腔。最后，用硅氮化物膜填充蚀刻孔以形成空腔。

根据本发明的电容型机电变换器中的第二电极由下列材料制成。即，第二电极可由导体、半导体和合金中的至少一种制成，这里，导体选自Al、Cr、Ti、Au、Pt、Cu、Ag、W、Mo、Ta、Ni等，半导体是Si等，合金选自AlSi、AlCu、AlTi、MoW、AlCr、TiN、AlSiCu等。第一电极可被设置在上表面上、后表面上和/或振动膜内部，或者，作为替代，当振动膜如上面描述的那样由导体或半导体制成时，振动膜可兼作第一电极。根据本发明的第一电极也可以按照与第二电极相同的方式由导体或半导体形成。第一电极和第二电极可由不同的材料制成。如上所述，当基板为诸如硅之类的半导体基板时，基板可兼作第二电极。

以下将参照附图来描述根据本发明的电容型机电变换器的实施例。

第一实施例

图1A-1、图1A-2和图1A-3示出作为根据第一实施例的电容型机电变换器的CMUT。图1A-1是顶视图；图1A-2是沿线IA-2切取的断面图；图1A-3是沿线IA-3切取的断面图。该图示出振动膜101、作为第一电极的上电极102、作为设置在第一区域中的上电极的第一区域上电极103、作为设置在第二区域中的上电极的第二区域上电极104、支撑部分105、间隙106、作为第二电极的下电极107和基板108。在本实施例中，在振动膜101上形成上电极102。CMUT中的所有上电极102被电连接。振动膜101被在基板108上形成的支撑部分105支撑，并且与第一区域上电极103一起振动。在基板108上在跨过间隙106与振动膜101上的第一区域上电极103相对的位置处形成下电极107。

如下面描述的那样，在不设置支撑部分105的区域中的上电极102被称为第一区域上电极103(与上述的可动区域中的第一电极对应)。不设置支撑部分105的区域是当发射和/或接收超声波时振动膜101振动的区域。换句话说，它是振动膜101和第一区域上电极103可相对于下电极107移动的区域。在设置支撑部分105的区域中的上电极102被称为第二区域上电极104(与上述的不可动区域中的第一电极对应)。设置支撑部分105的区域是当发射和/或接收超声波时实际上不振动的区域。换句话说，它是第二区域上电极104不能相对于下电极107移动的区域。在本实施例中，第一区域上电极103的单位面积的电阻与第二区域上电极104的单位面积的电阻不同。此外，不设置支撑部分105的区域中的第一区域上电极103的厚度小于或等于设置支撑部分105的区域中的第二区域上电极104的厚度。第二区域上电极104的单位面积的电阻被设为小于第一区域上电极103的单位面积的电阻。在CMUT中，从周边部分向上电极102施加预定的电势。如上所述，CMUT包含多个小的单元，并且，CMUT的表面被支撑部分105细微地分切。因此，第一区域上电极103中的布线电阻比第二区域上电极104中的布线电阻小。因此，通过降低支撑部分105上的上电极102(即，第二区域上电极104)的电阻成分，可以容易地抑制整个CMUT的不均匀电势。

在本实施例中，作为设定与第二区域上电极104的单位面积的电阻不同的第一区域中的上电极102的单位面积的电阻的方法，上电极102的厚度被控制。特别地，第一区域上电极103的厚度被设为比第二区域中的第二区域上电极104的厚度小。这里，第一区域上电极103和第二区域上电极104由相同的金属制成。如上面描述的那样设定厚度。在本实施例中，使用铝作为金属材料。但是，作为替代，也可使用其它的金属。

CMUT的振动特性由振动膜101的弹簧常数和第一区域上电极103的弹簧常数确定。特别地，圆形振动膜的弹簧常数k可由下式表达。

k＝(16π＊Y₀＊tn³)/(1-ρ²)＊a²)

这里，Y₀表示杨氏模量，ρ表示密度，a表示半径，tn表示厚度。因此，为了弱化上电极102对于振动膜101的振动特性的影响，第一区域上电极103的厚度被设为使得第一区域上电极103的弹簧常数比振动膜101的弹簧常数小。同时，支撑部分105上的振动膜101和上电极102是固定的，并且即使当振动膜101振动时，它们也几乎不移动。因此，支撑部分105上的振动膜101和第二区域上电极104不大大地影响CMUT的振动特性。因此，即使当支撑部分105上的上电极102(即，第二区域上电极104)的厚度增加时，CMUT的振动特性也不受影响。

通过增加第二区域上电极104的厚度，即使当上电极102由与第二区域上电极104相同的材料制成时，支撑部分105上的上电极102(即，第二区域上电极104)的电阻也可与厚度成比例地降低。因此，可有效地降低来自被施加了电势的上电极102的周边部分的布线电阻。

可使用MEMS技术来制造根据本实施例的CMUT。在形成CMUT的除了上电极102以外的部分之后，在整个表面上以相同的厚度(即，与第二区域上电极104相同的厚度)形成上电极102，然后，通过借助于蚀刻去除相同的深度来形成第一区域上电极103。在另一个可能的方法中，在形成CMUT的除了上电极102以外的部分之后，在整个表面上以相同的厚度(即，与第一区域上电极103相同的厚度)形成上电极102，然后，用抗蚀剂保护第一区域。然后，使用诸如电镀或剥离之类的方法，将第二区域上电极104设为希望的厚度以形成电极。

通过根据本实施例的配置，振动膜101上的上电极102(即，第一区域上电极103)不需要厚，并且，可以抑制作为第一电极的上电极的表面的不均匀电势分布。因此，可以与上电极的电势分布无关地设计CMUT的振动特性，从而，允许灵活的设计。因此，可以提供具有优异的超声波的发射和/或接收特性以及小的变化的电容型机电变换器。通过允许改变上电极的厚度，可通过对于上电极使用相同的金属材料并且在不大大地改变变换器的已知配置和制造方法的情况下提供电容型机电变换器。

第二实施例

将参照图1B-1和图1B-2来描述第二实施例，图1B-1和图1B-2分别为图1A-2和图1A-3的断面图。在第二实施例中，第二区域上电极104的配置与第一实施例中的不同。其它配置与第一实施例的相同。在本实施例中，作为设定与第二区域上电极104的单位面积的电阻不同的第一区域上电极103的单位面积的电阻的方法，在第一区域和第二区域中使用不同的电极材料。

在图1B-1和图1B-2中，第一区域上电极103由第一电极材料201单独地制成，并且，第二区域上电极104由第二材料202单独地制成。在本实施例中，第一材料201为铝，第二材料202为铜。但是，作为替代，也可使用其它的金属。通过根据本实施例的配置，由于第一区域和第二区域中的上电极102的电极材料不同，因此，考虑到CMUT的振动特性和电气特性，对于第一区域选择第一电极材料201(这里为铝)。在第二区域中，不需要考虑CMUT的振动特性，因此，可以选择第二电极材料202(这里为铜)。特别地，由于第二区域上电极104由第二电极材料202单独地制成，因此对于布线设计没有限制，并且可以提供最佳的布线电阻。

第三实施例

下面，将参照图2A-1和图2A-2来描述第三实施例，其中，图2A-1和图2A-2分别与图1A-2和图1A-3中的断面图对应。在第三实施例中，第二区域中的上电极的配置与第一实施例的不同。其它配置与第一实施例的相同。在本实施例中，作为设定与第二区域上电极104的单位面积的电阻不同的第一区域上电极103的单位面积的电阻的方法，控制第二区域上电极104的厚度。

图2A-1和图2A-2示出第一电极材料201和第二电极材料202。在本实施例中，第一区域上电极103由第一电极材料201单独地制成。第二区域上电极104分别通过在第一电极材料201上层叠第二电极材料202形成。在本实施例中，第一电极材料201为铝，第二电极材料202为铜。但是，作为替代，可以使用其它的金属。

通过本实施例的配置，支撑部分105上的上电极102(即，第二区域上电极104)可被视为串联连接的两个不同的电极材料的布线电阻器。因此，可有效地降低第二区域上电极104的布线电阻。通过这种配置，振动膜101上的上电极102(即，第一区域上电极103)不需要厚，并且，可以抑制不均匀的电势分布。另外，由于第二电极材料202不影响振动，因此，不需要考虑其机械特性，因此，可通过仅考虑电阻的电气特性，选择第二电极材料202。因此，可更有效地降低第二区域上电极104的布线电阻。

可使用MEMS技术通过以下方法来制造根据本实施例的CMUT。在形成CMUT的除了上电极102以外的部分之后，以相同的厚度(与第一区域上电极103相同的厚度)在整个表面上形成第一电极材料201作为上电极。然后，在第一电极材料201上施加第二电极材料202，使得第一电极材料201和第二电极材料202的总厚度与第二区域上电极104的相同。因此，使用仅熔融第二电极材料202并使第一电极材料201保持不受损伤的蚀刻方法，去除在第一区域中施加的第二电极材料202。以这种方式，可根据施加的第一电极材料201的厚度的可控制性来确定第一区域上电极103的厚度，并且，可容易地抑制CMUT的振动特性的变化。

也可使用其它的制造方法。在形成CMUT的除了上电极102以外的部分之后，以相同的厚度(即，与第一区域上电极103相同的厚度)在整个表面上形成第一电极材料201作为上电极。然后，用抗蚀剂保护向第一区域施加的第一电极材料201。然后，在整个表面上施加第二电极材料202，使得第一电极材料201和第二电极材料202的总厚度与第二区域上电极104的相同。最后，去除抗蚀剂和在其上施加的第二电极材料202，使得在第一区域中仅保留第一电极材料201。该过程被已知为“剥离”。作为替代，在用抗蚀剂保护之后，可对于制造使用在第二区域上选择性施加第二电极材料的电镀方法。

第四实施例

下面，将参照图2B-1和图2B-2来描述第四实施例，其中，图2B-1和图2B-2分别与图1A-2和图1A-3中的断面图对应。在第四实施例中，上电极102的配置与第一到第三实施例的不同。其它配置与第一到第三实施例的相同。在本实施例中，当第一区域上电极103不松垂时，第一区域上电极103的上表面的高度和第二区域上电极104的上表面的高度基本上相同。

图2B-1和图2B-2示出沟槽301。沟槽301在支撑部分105中被形成。第二区域上电极104的一部分填充支撑部分105中的沟槽301。第一区域上电极103的上表面的高度和第二区域上电极104的上表面的高度基本上相同。通过在支撑部分105中形成沟槽301，第二区域上电极104的布线电阻降低而所有上电极102的高度被设为基本上相同。因此，当发射和/或接收特性由于上电极102的不均匀性对于发射和/或接收的超声波的影响而可能被劣化并可能导致一些问题时，可以防止这些问题。

通过本实施例的配置，各上电极102的高度基本上相同。因此，可以在不影响被发射和/或接收的超声波并且不增加振动膜101上的上电极102(第一区域上电极103)的厚度的情况下，抑制作为第一电极的上电极的表面的不均匀电势。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims

1.一种变换器，包括：

第一电极；和

第二电极，所述第二电极与第一电极相对，在第一电极和第二电极之间插入间隙，

其中，执行通过借助于产生在第一电极和第二电极之间被调制的静电吸引力以使第一电极振动来发射弹性波的发射操作和检测由于第一电极中的振动而导致的第一电极和第二电极之间的电容的变化的接收操作中的至少一个，

其中，第一电极的单位面积的电阻在相对于第二电极的可动区域和不可动区域中不同，以及

其中，可动区域中的第一电极的厚度小于或等于不可动区域中的第一电极的厚度。

2.根据权利要求1的变换器，其中，不可动区域中的电阻比可动区域中的电阻小。

3.根据权利要求1或2的变换器，

其中，第一电极被设置在由支撑部分支撑的振动膜上，以及

其中，在第一电极下方不设置支撑部分的区域中的第一电极的弹簧常数比振动膜的弹簧常数小。

4.根据权利要求1的变换器，

其中，第一电极的电极材料在可动区域和不可动区域中相同，以及

其中，可动区域中的第一电极的厚度比不可动区域中的第一电极的厚度小。

5.根据权利要求1的变换器，其中，不可动区域中的第一电极通过层叠与可动区域中的第一电极的电极材料不同的电极材料而构成。

6.根据权利要求1的变换器，其中，可动区域中的第一电极的电极材料与不可动区域中的第一电极的电极材料不同。

7.根据权利要求1的变换器，其中，在可动区域和不可动区域中，在可动区域中的第一电极不松垂的状态下，第一电极的高度相同。

8.根据权利要求1的变换器，其中，不可动区域中的第一电极的一部分填充支撑第一电极的支撑部分中的沟槽。