CN105721990A - 声电隔离设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及的一种声电隔离设备包括能够传输声波的衬底。振动膜电声换能器的第一网络布置在衬底的第一表面上。振动膜电声换能器的第二网络布置在衬底的第二相对表面上。衬底的有效厚度在第一和第二表面之间相对于传播声波显示出梯度。

Description

声电隔离设备

优先权

本申请要求2014年12月17日提交的法国专利申请第1462598号的优先权，其内容通过全文引用而以法律允许的最大范围引入本申请。

技术领域

本发明涉及声电隔离设备。

背景技术

图1是示意性示出法国专利第2954014号(通过引用并入)中描述的声电隔离设备的示例的截面图。

该设备包括硅衬底10，其上表面上涂覆有绝缘材料层12A。层12A具有电声换能器的网络14A，其上形成有振动膜。这种换能器在本领域通常称为CMUT(电容式微机加工超声换能器)。这种换能器包括形成在绝缘层12A上并形成所有换能器公用的第一电极的导电层16A。在导电层16A上方形成介电材料层17A。膜18A限定在腔20A上方的层17A中。膜18A和相对的腔20A其上形成有第二电极22A。一个或多个接触件24A形成在第一电极16A上。电极22A连接至节点26A。

对称地，衬底10的下表面包括与元件12A、14A、16A、17A、18A、20A、22A、24A和26A类似的元件12B、14B、16B、17B、18B、20B、22B、24B和26B。

在操作中，DC偏置电压被施加在换能器的第一网络14A的接触件24A和26之间以及换能器的第二网络14B的接触件24B和26B之间。频率f0的AC电压(输入信号)在接触件24A和26B之间被施加给第一换能器网络14A。这种AC电压在网络14A的换能器的膜18A的频率f0处产生振荡。生成的声音超声波朝向换能器网络14B在衬底10中传播。选择衬底厚度促进频率f0的声波的传播。由衬底10传输的声波到达第二网络14B的换能器，这引起其膜18B的振动。这导致在接触件24B和26B之间出现频率f0的AC电压(输出信号)。

当输入信号频率与选择衬底10的厚度的频率f0偏移时，可以观察到输出信号的振幅的强烈衰减。因此，这种声电隔离设备仅在输入信号的频率保持接近预定频率f0的情况下能够适当操作。这意味着将声电隔离设备与传输保持接近设备的优选操作的频率f0的频率的AC输入信号发生器相关联。没有偏移地设置这种发生器传输，精确的频率使得该发生器应该相对复杂且其成本较高。

因此，需要一种可以接受频率在相对较宽范围内的AC输入信号的声电隔离设备。

发明内容

因此，实施例提供了一种声电隔离设备，其包括：衬底，能够传输声波；振动膜电声换能器的第一网络，布置在衬底的第一表面上；以及振动膜电声换能器的第一网络，布置在衬底的第二相对表面上，其中衬底在第一表面和第二表面之间具有有效厚度梯度。

根据一个实施例，衬底由非多孔硅和或多孔硅制成，以及第一表面和第二表面是平坦的且相互平行，非多孔硅和多孔硅之间的界面是不平坦的。

根据一个实施例，非多孔硅的厚度离散地变化。

根据一个实施例，非多孔硅与多孔硅接触的表面是凹陷的。

根据一个实施例，衬底由单种材料制成。

根据一个实施例，材料的厚度离散地变化。

根据一个实施例，第一表面和第二表面中的至少一个表面是凹陷的。

根据一个实施例，衬底还包括布置在衬底的外围处并从第一表面延伸到第二表面的多孔硅区域。

根据一个实施例，声波具有在高频率f_max和低频率f_min的范围内的频率，并且衬底具有最大有效厚度L_max和最小有效厚度L_min，被选择以使得：

$L_{\max }=n\frac{c}{2f_{\min }},,$ 且

$L_{\min }=n\frac{c}{2f_{\max }},,$

n是整数，并且c表示衬底的材料中的声波的速率。

根据一个实施例，该设备包括能够修改换能器的偏置以使换能器的谐振频率适应于声波的频率的装置。

附图说明

结合附图，在以下具体实施例的非限制描述中详细讨论前述和其他特征和优势。

图1如前所述示意性示出了在法国专利第2954014号中描述的声电隔离设备的示例；

图2是示意性示出声电隔离设备的截面图；

图3是示意性示出图2的设备的实施例的截面图；

图4是示出图2的设备的可选实施例的截面图；

图5是示意性示出声电隔离设备的另一实施例的截面图；

图6是示意性示出图5的设备的可选实施例的截面图；

图7是示意性示出图6的设备的可选实施例的截面图；以及

图8是示意性示出图6的设备的另一可选实施例的截面图。

具体实施方式

在图2至图8中，相同的元件用相同的参考标号来表示，并且进一步地，附图没有按比例绘制。为了清楚，在这种附图中，以简单方式示出CMUT换能器。此外，诸如“上”、“下”、“横向”等的术语应用于如对应附图所示定向的设备，应该理解，实际上设备可以具有不同的定向。在以下描述中，除非另有指定，否则术语“基本上”意味着“在10％内”

图2是示意性示出被设置为在振动膜电声换能器的输入和输出信号之间传输AC信号的声电隔离设备的截面图。

该设备包括由能够传输超声波的任何材料制成的衬底30。CMUT类型的电声换能器34A和34B的第一和第二网络32A和32B分别布置在衬底30的上表面和下表面上。这些网络的每个部件都如参照图1所述来形成。衬底30的下表面是平坦的，而衬底的上表面是不平坦的(例如，凹陷)。因此，衬底30在沿着与声波传播方向垂直的衬底的横向维度延伸的上表面和下表面之间具有厚度梯度。衬底30的厚度沿着其横向维度从最大值L_max变为最小值L_min，衬底的厚度L_max和L_min促进相应频率f_min和f_max的声波的传播。

因此，图2的设备传输基本相同强度的AC输入信号，每一个都具有在从低频率f_min到高频率f_max扩展的相对较宽频率范围内的不同频率。

图3是示意性示出图2的设备的一个实施例的截面图。在该实施例中，衬底30的凹陷上表面沿着横向维度以阶梯状台阶36进行构造。在所示截面图中，为了简化，横跨每个台阶36布置单个换能器34A。由于台阶具有平坦的上表面，所以每个换能器34A平行于换能器34B延伸。

图4是示意性示出图2的设备的可选实施例的截面图。在该变形中，，衬底30的上表面和下表面均凹陷并沿着横向维度以阶梯状台阶36来构造。

作为示例，在图2至图4的设备中，衬底30由硅或玻璃制成。衬底的上表面的轮廓以及可能的下表面的轮廓可以通过蚀刻来得到。在衬底30的上表面和下表面均凹陷的情况下，可以分别蚀刻两个衬底部分，然后例如通过分子接合而相互接合。

图5是示意性示出被设置为在振动膜电声换能器的输入和输出网络之间传输AC信号的声电隔离设备的另一实施例的截面图。

该设备包括衬底30以及CMUT类型的换能器34A和34B的第一和第二网络32A和32B。衬底30包括由多孔硅制成的上部38以及由非多孔硅制成(例如由单晶硅制成)的下部40。衬底30的上表面和下表面是平坦的且相互平行。与部分38接触的部分40的上表面42沿着横向维度是凹陷的。

在操作中，当波在衬底30中从换能器34A传播向相对的换能器34B时，其横跨多孔硅和非多孔硅。对于具有给定多孔硅厚度和给定非多孔硅厚度的衬底来说，由相同频率的声波在相同时间内横跨非多孔硅衬底的厚度可以称为衬底的有效厚度。

衬底30具有沿着横向维度的有效厚度梯度。因此，如参照图2的设备所讨论的，图5的设备有效地传输相对较宽频率范围内的信号。通过选择沿着横向维度的部分38和40的厚度以及衬底42的轮廓，使得衬底30的有效厚度从L_min变为L_max，该频率范围将从f_min扩展到f_max。

此外，由于衬底30的上表面和下表面是平坦的事实，相对于这些表面弯曲或包括位于不同高度的部分的情况，简化形成换能器34A和34B所需的沉积和蚀刻操作。

作为示例，可以通过以下处理来得到多孔硅：在硅衬底的上表面上沉积阻掩模(其厚度以补偿期望形成的多孔硅的厚度的方式变化)，然后执行电化学阳极氧化步骤，即将衬底浸入电解槽中并使电流循环通过掩模和衬底。

图6是图5的设备的可选实施例的简化截面图。在该变形中，代替规则地凹陷，部分40的上表面42沿着横向维度以阶梯状台阶44来构造。因此，衬底的上部38的厚度离散地变化。因此。简化了多孔硅的形成。作为示例，可以通过重复在衬底的上表面的部分上沉积绝缘掩模以及该衬底的电化学阳极氧化的步骤来得到各种多孔硅厚度。

图7是示意性示出图6的设备的可选实施例的截面图。在该变形中，沿着横向维度，各个深度的多孔硅部分相互分离。横跨每个多孔硅部分的宽度布置多个换能器34A。

应该注意，诸如图5至图7的阶梯状实施例可以包括有限数量的台阶(例如，如图7所示仅包括4个)。由此限制了需要形成这种设备的台阶数量。

图8是示意性示出图6的设备的另一可选实施例的截面图。在该变形中，多孔硅46在衬底30的外围处延伸，从衬底的上表面延伸到下表面。多孔硅46限制了可能的横向声波的传播。这导致边缘效应的降低。在衬底30由硅制成并且在图5至图7的设备中的情况下，该布局还可以设置在图2至图4的设备中。

在图2至图8的设备中，沿着横向维度的有效衬底厚度的值L_min和L_max根据AC输入信号的频率(在最小频率f_min到最大频率f_max的范围内)来选择。该有效厚度对应于图2至图4的设备中的衬底的实际厚度，并且考虑图5至图8的设备中的多孔硅和非多孔硅的堆叠。具体地，选择L_min和L_max以使得：

$L_{\max }=n\frac{c}{2f_{\min }},,$ 且

$L_{\min }=n\frac{c}{2f_{\max }},,$

n是整数，并且c表示从一个换能器网络到另一个换能器网络的方向上衬底的材料或材料组件中的声音的速率。作为示例，对于f_min＝11MHz，f_max＝13MHz，n＝2和硅衬底30，c＝8,433m.s^-1，L_min＝648.7μm且L_max＝766.7μm。

已经描述了具体实施例。本领域技术人员可以进行各种修改和改进。实际上，网络32A和32B包括大量的换能器34A和34B，例如从几千个到几万个换能器。

在图2至图8的设备中，描述了具有可变有效厚度的衬底。为了进一步减小以不同高频率传输的信号之间的强度差，可以设置为使换能器34A和34B的谐振频率适应于AC输入信号的频率。这例如可以如美国专利申请公开第2013/0135970号(通过引用并入)中所描述的进行，而不修改换能器34A和34B的结构特性，但是仅根据AC信号的频率修改这些换能器的偏置电压。可以设置输入信号的频率与该偏置电压之间的反馈控制。

可以在图2至图8的设备中使用不同类型的振动膜电声换能器。例如，可以设置为使用CMUT类型的换能器，诸如在美国专利申请第8,791,624(通过引用并入)中所描述的，以去耦用于偏置这些换能器的施加至DC电压的换能器34A和34B的AC电压。

在图2至图8的设备中，衬底30相对于中心轴对称。然而，衬底30可以不对称。此外，图2至图4的设备的衬底的上表面以及可能的下表面可以具有除凹陷之外的轮廓。类似地，可以修改图5至图8的设备的衬底的多孔硅和非多孔硅之间的界面的轮廓。

类似于参照图7所描述的，可以横跨图3和图4的设备的每个台阶36的宽度布置多个换能器34A，并且多个换能器34A可以布置在衬底的上表面上，与图6和图8的设备的相同台阶44相对。

在图5至图8的设备中，为了改变衬底的有效厚度，类似于参照图4所描述的，多孔硅可以形成在衬底的下表面侧和上表面侧上。

上面描述了具有不同变形的各种实施例。本领域技术人员可以组合这些各个实施例和变形的各种元件而不需要任何创造性劳动。

这些修改、改变和改进均作为本公开的一部分，并且用于包括在本发明的精神和范围内。因此，上面的描述仅仅是示例性的而不用于限制。本发明仅限于以下权利要求及其等效物。

Claims (20)

1.一种声电隔离设备，包括：

衬底，配置用于传输声波；

振动膜电声换能器的第一网络，布置在所述衬底的第一表面上；以及

振动膜电声换能器的第二网络，布置在所述衬底的与所述第一表面相对的第二表面上；

其中所述衬底在所述第一表面和所述第二表面之间具有有效厚度梯度。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底包括非多孔硅部分和多孔硅部分，其中所述第一表面和所述第二表面是平坦的且相互平行，并且其中所述非多孔硅部分和所述多孔硅部分之间的界面是不平坦的。

3.根据权利要求2所述的设备，其中限定不平坦的界面的所述非多孔硅部分的厚度以离散阶梯的方式变化。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述非多孔硅部分和所述多孔硅部分之间的界面是凹陷的。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底由单种材料制成。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述衬底的单种材料的厚度以离散阶梯的方式变化。

7.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一表面和所述第二表面中的至少一个表面是凹陷的。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底包括非多孔硅部分以及布置在所述衬底的外围处并从所述第一表面延伸到所述第二表面的多个多孔硅区域。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述声波具有在高频率f_max和低频率f_min的范围内的频率，并且所述衬底具有最大有效厚度L_max和最小有效厚度L_min，所述最大有效厚度L_max和所述最小有效厚度L_min被选择以使得：

$L_{\max }=n\frac{c}{2f_{\min }},,$ 且

$L_{\min }=n\frac{c}{2f_{\max }},,$

n是整数，并且c表示所述衬底的材料中的声波的速率。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括能够修改所述换能器的偏置以使所述换能器的谐振频率适应于所述声波的频率的装置。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述衬底包括非多孔硅部分和布置在所述第一表面中的多个多孔硅区域，每个多孔硅区域均与至少一个换能器相关联，并且每个多孔硅区域均具有从所述第一表面延伸到所述衬底中的不同深度。

12.一种声电隔离设备，包括：

衬底，配置用于传输声波；

振动膜电声换能器的第一网络，沿横向维度布置在所述衬底的第一表面上；以及

振动膜电声换能器的第二网络，沿所述横向维度布置在所述衬底的与所述第一表面相对的第二表面上；

其中所述第一表面和所述第二表面之间用于声波传播的有效厚度沿所述横向维度变化。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述有效厚度沿所述横向维度以离散阶梯的方式变化。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一表面是阶梯状表面。

15.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一表面和所述第二表面是平坦的且相互平行，所述衬底包括在沿所述横向维度阶梯设置的界面处相互接触的非多孔硅部分和多孔硅部分。

16.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一表面和所述第二表面是平坦的且相互平行，所述衬底包括非多孔硅部分和形成在所述第一表面中、相互分离且沿所述横向维度具有不同深度的多个多孔硅区域。

17.根据权利要求12所述的设备，其中所述有效厚度沿所述横向维度连续变化。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述第一表面是沿所述横向维度的连续弯曲的凹面。

19.根据权利要求17所述的设备，其中所述第一表面和所述第二表面是平坦的且相互平行，所述衬底包括在沿所述横向维度具有连续弯曲的凹陷形状的界面处相互接触的非多孔硅部分和多孔硅部分。

20.根据权利要求12所述的设备，其中所述衬底包括非多孔硅部分和布置在所述衬底的外围处且从所述第一表面延伸到所述第二表面的多个多孔硅区域。