CN102738383B - 机电变换器和光声装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机电变换器和光声装置。本发明提供一种机电变换器，其可防止光入射在接收面上，而不使振动膜的机械特性劣化。所述机电变换器具有至少一个单元(2)，在单元(2)中，振动膜(7)被能振动地支承，振动膜(7)包含两个电极(3)和(8)中的一个电极(8)，所述两个电极(3)和(8)被设置为在其之间插入间隙(5)。所述机电变换器具有形成在振动膜(7)上的、具有与振动膜(7)的声阻抗匹配的声阻抗的应力松弛层(9)，并且具有形成在应力松弛层(9)上的光反射层(6)。

Description

机电变换器和光声装置

技术领域

本发明涉及一种机电变换器(诸如用作超声变换器的电容式机电变换器等)和光声装置。

背景技术

按照惯例，要使用微加工技术制造的微机械构件可按测微量级(micro-metric order)进行处理，并且通过使用这些构件来实现各种微功能元件。使用这样的技术的电容式机电变换器(诸如CMUT(电容微加工超声变换器))已被作为压电元件的替换物进行了研究。这样的电容式机电变换器可通过使用振动膜的振动来发送和接收声波(诸如超声波)，并且它可容易地获得超宽带特性，特别是在液体中。另一方面，提出了一种超声变换器，其用照射光(近红外线等)照射将被测量的对象，并且接收由此从被检体内部发射的光声波(参见日本专利申请公开No.2010-075681)。所提及的变换器设有用于反射光的光反射构件，该光反射构件被构造为比超声变换器的接收光声波的接收面大。

发明内容

在电容式机电变换器用作用于接收光声波的传感器的情况下，当用于产生光声波的光入射在变换器上时，在变换器的接收面中产生光声波，以引起噪声。在日本专利申请公开No.2010-075681中，为了防止这样的情形，紧临电容式机电变换器的接收面的前面布置反射构件，以使得光不入射在变换器上。作为现有技术的改进，需要减小构成变换器的振动膜的弹簧常数的改变和振动膜的变形量的分散(dispersion)，从而有效地防止灵敏度的劣化和分散以及带宽的减小。

根据本发明的机电变换器是关于上述问题而设计，并且具有至少一个单元，在所述单元中，振动膜被能振动地支承，所述振动膜包含两个电极中的一个电极，所述两个电极被设置为在它们之间插入间隙。所述机电变换器包括设置在振动膜上的应力松弛层和设置在应力松弛层上的光反射层。

根据本发明的机电变换器具有设置在作为变换器的接收面的振动膜上的应力松弛层，并且具有设置在应力松弛层上的光反射层。因此，所述接收面不太受到光反射层的应力的影响，因此，振动膜阻挡在其中引起变形等。从而，其中形成有光反射层的机电变换器可降低其性能的分散，并且可接收弹性波，诸如光声波。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得明白。

附图说明

图1A是示出本发明的实施例和示例性实施例1中的机电变换器的视图。

图1B是沿着图1A的1B-1B截取的截面图。

图2是示出本发明的示例性实施例2中的机电变换器的截面图。

图3是示出本发明的光声装置的示意图。

具体实施方式

现在将根据附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

根据本发明的机电变换器具有下述特征，即，在单元的振动膜上提供应力松弛层，并且在所述应力松弛层上设置光反射层。所述单元由例如基板、在所述基板的一个表面侧的第一电极、具有第二电极的振动膜和振动膜支承部分形成，所述振动膜支承部分支承振动膜，以便在第一电极与振动膜之间形成间隙。所述单元可通过所谓的牺牲型方法、接合型方法等来制作。图1A和图1B的示例具有可通过接合型方法制作的结构，图2的示例具有可通过牺牲型方法制作的结构。

以下将参照图1A和图1B对本发明的一个实施例进行描述。图1A是本实施例的电容式机电变换器的顶部俯视图；图1B是沿着图1A的线1B-1B截取的截面图。本机电变换器具有多个元件1，元件1中具有单元2。在图1A和图1B中，虽然仅提供了四个元件1，但是元件的数量可以是任何数量。另外，虽然每个元件1包括九个单元2，但是单元2的数量可以是任何数量。

本实施例的单元2包括振动膜7、间隙5(诸如空隙)、能振动地支承振动膜7的振动膜支承部分4和硅基板3。振动膜7被例示为单晶硅，或者它还可以是通过堆叠技术形成的成膜的振动膜(例如，氮化硅膜)。振动膜7具有设置在振动膜中或者振动膜的外面上的、变为第二电极的金属(铝薄膜8等)。在本发明中，由氮化硅膜或单晶硅膜形成的膜部分和第二电极部分的组装件被称为振动膜。然而，当振动膜7是具有低电阻的单晶硅时，所述单晶硅可用作第二电极，因此，可不布置变为第二电极的金属。硅基板3具有低电阻，并且它可用作第一电极。当硅基板不用作第一电极时，可在基板上形成作为第一电极的金属。此外，在诸如玻璃基板的绝缘基板被用作基板的情况下，在基板上形成第一电极。第一电极和第二电极被设置为在它们之间插入间隙5。

本实施例的机电变换器具有在声波接收面上的应力松弛层9。当第一电极形成在振动膜中时，应力松弛层9直接形成在振动膜上，或者当第一电极形成在振动膜上时，应力松弛层9形成在第一电极上。希望的是将应力松弛层9布置为比包括所有单元的接收面的总表面大。应力松弛层是不增大振动膜7的变形量并且不改变振动膜7的机械特性(诸如弹簧常数)的层。另外，应力松弛层可具有与具有振动膜7的接收面的声阻抗大致相同水平的声阻抗。具体地讲，杨氏模量可以是0MPa或更大且100MPa或更小，并且声阻抗可以是1MRayls或更大且2MRayls或更小。如果应力松弛层具有100MPa或更小的杨氏模量，则应力松弛层减轻光反射层6(稍后将描述)的应力对振动膜的影响，并且应力松弛层因为具有足够低的刚性(杨氏模量)，所以几乎不改变振动膜7的机械特性。另外，当应力松弛层具有1MRayls或更大且2MRayls或更小的声阻抗时，应力松弛层具有与声波接收面的声阻抗大致相同水平的声阻抗，因此，它可减小振动膜7与应力松弛层9之间的界面处的声波的反射。接收面的声阻抗可从振动膜的弹簧常数和质量、元件的电容等转换得到，并且在例如具有1MHz至10MHz的中心频率的CMUT的情况下，接收面的声阻抗为0.01MRayls至5MRayls。然而，接收面的声阻抗根据单元的形状等而改变。当本实施例的机电变换器用在具有低声阻抗的诸如水(其中，水的声阻抗大约为1.5MRayls)的介质中时，如果应力松弛层的声阻抗为1MRayls或更大且2MRayls或更小，则机电变换器可减小应力松弛层与该介质之间的界面处的反射。

本实施例的机电变换器具有设置在应力松弛层9上的光反射层6。光反射层6是主要用于反射具有从要被用于照射被检体以产生光声波的光源发射的波长的光的层，并且它可以是相对于光源所具有的波长显示出高反射率的膜。使用Al、Au、电介质多层等作为光反射层6。希望的是将光反射层6布置在应力松弛层9的整个面上。更希望的是将光反射层6布置在机电变换器中的被定位为比接收面更接近被检体侧的所有构件上。通过本结构，可防止在机电变换器中由于激光束辐照而产生的噪声。光反射层6相对于将用于机电变换器的光的反射率可以为80％或更大，并且可进一步为90％或更大。另外，光反射层6理想地可以是薄的，这是因为光反射层6布置在接收面上，因此，需要使声波传播通过光反射层6，而几乎不使声波衰减。光反射层可具有具体为10μm或更小的厚度。

本实施例的机电变换器的驱动原理如下。元件1形成在用作第一电极的硅基板3上，并且振动膜7用作第二电极。对于元件1，可通过将未显示的提取线(drawing wire)设置在基板上或者在作为通孔基板的基板中从第一电极或第二电极提取电信号。当接收声波时，预先通过未显示的电压施加单元将直流电压施加于第一电极或第二电极。当机电变换器接收声波时，振动膜7变形，因此，包含第二电极的振动膜7与作为第一电极的基板3之间的间隙5的距离改变。从而，电容改变。由于电容改变，电流在未显示的提取线中通过。机电变换器可通过用未显示的电流/电压转换元件将该电流转换为电压来接收声波。机电变换器还可通过下述方式用静电力使单晶硅振动膜7振动，即，将直流电压和交流电压施加于作为第一电极的硅基板3或者施加于作为第二电极的振动膜7。从而，机电变换器还可发送声波。

本实施例的电容式机电变换器可用于接收光声波。光声波是从吸收了以短脉冲激光辐照该被检体的光的被检体产生的声波(典型地，超声波)。因此，未显示的被检体需要用诸如激光的光进行辐照。当从该激光等的光源发射的散射光等入射在变换器的接收面上时，构成接收面的振动膜7吸收从光源发射的散射光等，以导致在接收面中产生声波，这可引起噪声。为了防止所述噪声，使用光反射层，但是在具有直接设置在接收面上的光反射层的电容式机电变换器的情况下，由于光反射层的应力等，机械特性(诸如振动膜的变形量和振动膜的弹簧常数)可改变。于是，可出现每个单元之间和每个元件之间的灵敏度分散以及带分散。与此相对照，本实施例的电容式机电变换器具有设置在应力松弛层9上的光反射层6。因为应力松弛层9具有小的杨氏模量，所以即使当应力松弛层是通过固化处理形成的时，该应力松弛层也可减小由于固化处理中的应力等而导致的振动膜的变形和弹簧常数的改变。另外，因为应力松弛层具有与接收面的声阻抗类似水平的声阻抗，所以它可减小在应力松弛层与接收面之间的界面处接收的声波的反射。此外，因为电容式机电变换器具有光反射层6，所以光不入射在接收面上。因此，当本实施例的变换器用作用于接收光声波的传感器时，可减小噪声。另外，因为光反射层6被布置在接收面附近，所以电容式机电变换器可防止光(诸如从各个角度入射的散射光)入射在接收面上。另外，因为光反射层6与接收面被一体化，所以可使接收光声波的电容式机电变换器的尺寸缩小，并且它可容易地被合并到另一装置中。

本实施例的电容式机电变换器还可具有光反射层支承层，其支承光反射层，设置在应力松弛层9与光反射层6之间(参见稍后将描述的示例性实施例2)。当光反射层为直接在应力松弛层上形成的膜时，因为应力松弛层具有低的杨氏模量，所以由于光反射层的应力等，光反射层可能会翘曲或变形。另外，当光反射层与应力松弛层之间的粘合性低时，光反射层有时从应力松弛层剥落。在本结构中，光反射层形成在具有比应力松弛层的刚性高的刚性的光反射层支承层上，因此，即使当光反射层支承层接合到应力松弛层上时，也可防止光反射层翘曲或变形。希望支承光反射层6的光反射层支承层的杨氏模量为100MPa或更大且20GPa或更小。另外，光反射层由光反射层支承层支承，并且光反射层支承层和应力松弛层可用显示高粘合强度的粘合方法或粘合剂彼此接合。因此，与光反射层为直接形成在应力松弛层上的膜的情况相比，使用光反射层支承层的结构可更切实地防止光反射层翘曲或变形，并且它可提高粘合强度。支承光反射层6的光反射层支承层可具有大约1MRayls或更大且5MRayls或更小的声阻抗。通过使支承光反射层6的光反射层支承层的声阻抗接近应力松弛层9的声阻抗，可以减小支承光反射层6的光反射层支承层与应力松弛层9之间的界面处的声波的反射量。

在上述结构中，希望应力松弛层9由聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)制成。应力松弛层9还可由下述材料形成：其中二氧化硅粒子等被添加到PDMS中的材料；其中PDMS的氢的一部分被氟代替的氟硅酮烷(fluorosilicone)；或者其中二氧化硅粒子被添加到氟硅酮烷的材料。声阻抗可通过添加二氧化硅粒子等来调整。因为PDMS具有约1MRayls至2MRayls的声阻抗，所以它可减小应力松弛层与接收面之间的界面处的声波的反射。此外，PDMS与活体具有高兼容性。希望支承光反射层6的光反射层支承层具有比应力松弛层9的刚性高的刚性。当聚二甲基硅氧烷用作应力松弛层时，可使用由例如聚甲基戊烯、聚碳酸酯、丙烯酸、聚酰亚胺(polyimide)、聚乙烯、聚丙烯等的树脂形成的这样的光反射层支承层。然而，用于光反射层支承层的材料不限于这些材料，只要支承层具有比应力松弛层的刚性高的刚性即可。具体地讲，三甲基戊烯的声阻抗大约为1.8MRayls，聚碳酸酯的声阻抗大约为2.5MRayls。声阻抗低至3MRayls或更小。因此，可减小支承光反射层6的光反射层支承层与应力松弛层9之间的界面处的声波的反射量。此外，当本实施例的机电变换器用在具有低声阻抗的介质中时，支承光反射层6的光反射层支承层与该介质之间存在小的声阻抗差异，因此，可减小它们之间的界面处的声波的反射量。此外，聚碳酸酯可降低表面粗糙度，因此，它还可降低反射膜的表面粗糙度，并且它可防止反射率的降低。

以下将参照更具体的示例性实施例对本发明进行详细描述。

(示例性实施例1)

以下将参照图1A和图1B对示例性实施例1的电容式机电变换器的结构进行描述。本示例性实施例的机电变换器中具有多个元件1。虽然在图1A和图1B中仅提供了四个元件1，但是元件的数量可以是任何数量。

单元2包括厚度为1μm的单晶硅振动膜7、间隙5、电阻率为0.01Ωcm的支承单晶硅振动膜7的振动膜支承部分4和硅基板3。硅基板3具有300μm的厚度和0.01Ωcm的电阻率。本示例性实施例的振动膜7的形状是直径为30μm的圆，其还可以是四边形、六边形等。单晶硅振动膜7主要由单晶硅形成，并且它不具有形成在其上的具有大的残余应力的层，因此它对于所述元件给出每个元件1之间高的均匀性，并且它可减小其发送和接收性能的分散。可形成厚度为大约200nm的铝薄膜8，以便提高单晶硅振动膜7的导电特性。在本结构中，振动膜支承部分4是氧化硅，其具有300nm的高度。间隙5的缝隙(gap)为200nm。

因为单晶硅振动膜7和基板3都具有低电阻，所以它们可用作第一电极或第二电极。本示例性实施例的电容式机电变换器可通过下述方式从第一电极或第二电极提取电信号，即，在硅基板上形成提取线，或者制备具有通孔互连的硅基板。接收和发送的驱动原理如上述实施例部分中所述。

在本示例性实施例的电容式机电变换器中，应力松弛层9布置在接收面上，光反射层6布置在应力松弛层9上。应力松弛层9由PDMS制成，光反射层6由金制成。应力松弛层9具有1.8MRayls的声阻抗和100μm的厚度。因为应力松弛层9和硅振动膜7之间的声阻抗差异极小，所以声波在应力松弛层与接收面之间的界面处几乎不反射。另外，当本实施例的机电变换器用在具有低声阻抗的介质(诸如水)中时，由于应力松弛层9与该介质之间的声阻抗差异极小，因此可减小应力松弛层与该介质之间的界面处的声波的反射。因此，当接收声波时，机电变换器不引起接收信号的强度的劣化。光反射层6是主要用于反射具有从要被用于辐照被检体以产生光声波的光源发射的波长的光的层，并且它可以是相对于光源所具有的波长显示出高反射率的膜。还可使用铝(Al)、电介质多层等作为光反射层6。如上述实施例中所述的，本示例性实施例的电容式机电变换器可用于接收光声波。

(示例性实施例2)

以下将参照图2对示例性实施例2的电容式机电变换器的结构进行描述。示例性实施例2的机电变换器具有与示例性实施例1的结构大致类似的结构。所述单元包括上电极37、厚度为1μm的振动膜36、间隙34、支承振动膜36的振动膜支承部分35、绝缘膜33、下电极32和基板30。基板30是硅基板，振动膜36和振动膜支承部分35是氮化硅膜，上电极37和下电极32是铝。氧化物膜31布置在基板30与下电极32之间，并且它使它们二者彼此绝缘。当基板30是低电阻硅基板或者由玻璃等制成的绝缘基板时，无需在它们之间形成氧化物膜31。

基板30具有300μm的厚度。在本结构中，振动膜36的形状是直径为30μm的圆。振动膜支承部分35具有300nm的高度，并且它具有200nm的间隙34的缝隙。应力松弛层38布置在接收面上，并且光反射层41布置在应力松弛层38上。光反射层41形成在高刚性的光反射层支承层40上，以便保持光反射层41的刚性。具有光反射层41的高刚性光反射层支承层40通过树脂39接合到应力松弛层38上。

应力松弛层38由PDMS制成。应力松弛层38具有1.8MRayls的声阻抗和50μm的厚度。希望应力松弛层38具有1MRayls至2MRayls的声阻抗。当应力松弛层具有所述值的声阻抗时，声波在应力松弛层与接收面之间的界面处几乎不反射。因此，当接收声波时，机电变换器不引起接收信号的强度的劣化。应力松弛层38可通过旋涂法、滴制法、使用模具的压制法、或者附连已通过模具形成的应力松弛层的方法来制作。

光反射层41由金制成，并且支承光反射层41的高刚性光反射层支承层40由聚碳酸酯制成。所述支承层具有2.5×10⁹Pa的杨氏模量和100μm的厚度。因为应力松弛层38具有低的杨氏模量，所以由于光反射层的应力等，光反射层41有时翘曲或变形。另外，当光反射层41与应力松弛层38之间的粘合性低时，光反射层有时从应力松弛层剥落。在本结构中，因为光反射层41形成在具有比应力松弛层38的刚性高的刚性的光反射层支承层40上，所以即使当光反射层支承层40接合到应力松弛层38上时，也可防止光反射层41翘曲或变形。另外，光反射层41由光反射层支承层40支承，并且光反射层支承层40和应力松弛层38可通过显示出高粘合强度的粘合方法或者粘合剂彼此接合。因此，与光反射层为直接形成在应力松弛层上的膜的情况相比，使用光反射层支承层的结构可提高粘合强度。

光反射层支承层40的聚碳酸酯具有2.4MRayls的声阻抗。因为应力松弛层38、高刚性光反射层支承层40和接收面之间的声阻抗差异相对地小，所以在各界面处声波的反射非常小。因此，机电变换器可接收声波信号，而不降低强度。高刚性光反射层支承层40可具有与应力松弛层38的声阻抗大致相等的声阻抗，并且它还可以是丙烯酸、聚酰亚胺、聚乙烯等。希望高刚性光反射层支承层40具有1MRayls至5MRayls的声阻抗。基于硅的粘合剂可用于树脂39，以将高刚性光反射层支承层40接合到应力松弛层38。还可使用环氧树脂等的粘合剂。本示例性实施例还显示与上述实施例和示例性实施例的效果类似的效果。

(示例性实施例3)

上述每个示例性实施例中的机电变换器都可用于使用光声成像技术的光声装置。光声成像技术是下述技术：首先用脉冲光辐照被检体；使光吸收体吸收在被检体中传播/扩散的光的能量；从而接收所产生的声波；并且通过使用该声波的接收信号来将被检体的内部的信息成像。因此，光声装置可获得作为图像数据的关于被检体中的光学性质的分布的信息，诸如初期压力的产生的分布和光吸收系数的分布。

图3示出可应用本发明的光声装置的示意图。根据本发明的光声装置至少具有光源51、上述每个示例性实施例中的机电变换器57(其为声波接收器)、信号处理部分59和数据处理部分50。在本示例性实施例中，从光源51发射的振荡光52通过光学构件54(诸如透镜、反射镜和光纤)辐照被检体53。在被检体中，被检体中的光吸收体55(例如，肿瘤、血管等)吸收辐照该被检体的光，以产生声波56。声波接收器57接收声波56，它将上述声波转换为电信号，然后它将所述电信号输出到信号处理部分59。信号处理部分59对输入的电信号进行信号处理，诸如A/D转换和放大，并且它将经处理的信号输出到数据处理部分50。数据处理部分50将输入信号转换为图像数据，并且它将所述图像数据输出到显示部分58。显示部分58基于输入的图像数据显示图像。

根据本发明的光声装置，作为声波接收器的机电变换器可产生包含较少噪声的图像数据，这是因为该机电变换器具有光反射膜，因此光不入射在接收面上。

尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应该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泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (9)

1.一种机电变换器，包括：

至少一个单元，所述单元包括被形成为在第一电极和第二电极之间插入空隙的第一电极和具有第二电极的振动膜，其中，振动膜被能振动地支承；

应力松弛层，所述应力松弛层被设置在所述振动膜上；和

光反射层，所述光反射层被设置在所述应力松弛层上，从而所述应力松弛层位于所述振动膜与所述光反射层之间。

2.根据权利要求1所述的机电变换器，其中，所述单元包含在基板的一个表面侧的第一电极、具有第二电极的振动膜、以及振动膜支承部分，所述振动膜支承部分支承所述振动膜。

3.根据权利要求1所述的机电变换器，还包括被设置在所述应力松弛层与所述光反射层之间的支承所述光反射层的光反射层支承层，

其中，所述光反射层支承层具有比所述应力松弛层的刚性高的刚性。

4.根据权利要求1所述的机电变换器，其中，所述应力松弛层具有1MRayls或更大且2MRayls或更小的声阻抗。

5.根据权利要求1所述的机电变换器，其中，所述应力松弛层具有0MPa或更大且100MPa或更小的杨氏模量。

6.根据权利要求3所述的机电变换器，其中，所述光反射层支承层具有1MRayls或更大且5MRayls或更小的声阻抗。

7.根据权利要求3所述的机电变换器，其中，所述光反射层支承层具有100MPa或更大且20GPa或更小的杨氏模量。

8.根据权利要求1所述的机电变换器，其中，所述应力松弛层由聚二甲基硅氧烷制成。

9.一种光声装置，所述光声装置包括根据权利要求1的机电变换器、光源和数据处理装置，其中，

所述机电变换器接收当被检体被从所述光源发射的振荡光辐照时所产生的声波，并且将所述声波转换为电信号，并且

所述数据处理装置使用所述电信号来产生图像数据。