CN112221918B

CN112221918B - 换能器

Info

Publication number: CN112221918B
Application number: CN202011089455.7A
Authority: CN
Inventors: 邱品翔; 黄泰翔; 邱炜茹; 陈政翰; 李文渊
Original assignee: AU Optronics Corp
Current assignee: AU Optronics Corp
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2021-12-10
Anticipated expiration: 2040-10-13
Also published as: TW202135167A; TWI740410B; CN112221918A

Abstract

本发明提供一种换能器，其包括多个工作结构。工作结构包括第一电极、空腔定义层、第二电极及封止件。空腔定义层设置于第一电极上。空腔定义层具有振荡膜。振荡膜设置于第一电极的上方。振荡膜具有主要部及由主要部向外延伸的多个辅助部。振荡膜的主要部与第一电极之间具有空腔。振荡膜的多个辅助部与第一电极之间具有多个通道。振荡膜的多个辅助部分别具有多个贯孔。第二电极设置于振荡膜的主要部上。多个封止件设置于空腔定义层上和多个贯孔中。多个工作结构的第一工作结构的多个通道包括多个通道组。通道组的多个通道设置于第一工作结构的空腔的相对两侧。位于通道组的通道上的贯孔设置于第一工作结构的空腔与相邻的另一工作结构的空腔之间。

Description

换能器

技术领域

本发明涉及一种换能器。

背景技术

超音波换能器包括块材压电陶瓷换能器、电容式微机械超音波换能器及压电式微机械超音波换能器。近几年，许多厂商及研究单位纷纷投入电容式微机械超音波换能器的开发。此技术利用半导体工艺，可使超音波换能器的体积微小化，相较于传统的块材压电材料，更易整合至各种产品上。

电容式微机械超音波换能器包括第一电极、位于第一电极上方的振荡膜以及位于振荡膜上的第二电极，其中第一电极与振荡膜之间具有一空腔。第一电极与第二电极之间的电场可使振荡膜在空腔中摆动，由此，便可发出超音波。

目前制作空腔其中一种方式是：先在基板上形成牺牲图案层，再形成空腔定义层，以包覆牺牲图案层；之后，利用蚀刻液去除空腔定义层内的牺牲图案层；由此，便可形成多个空腔。然而，当靠近基板边缘的空腔内的牺牲图案层去除干净时，靠近基板中间的空腔内的牺牲图案层却尚未去除干净。为使所有空腔内的牺牲图案层皆去除干净，需增加工艺时间，而不利于量产。另一方面，若不增加工艺时间，残留在空腔内的牺牲图案层会造成空腔的均匀性下降，影响电容式微机械超音波换能器的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能佳的换能器。

本发明一实施例的换能器，包括多个工作结构。每一工作结构包括第一电极、空腔定义层、第二电极以及多个封止件。空腔定义层设置于第一电极上。空腔定义层具有振荡膜。振荡膜设置于第一电极的上方。振荡膜具有主要部以及由主要部向外延伸的多个辅助部。振荡膜的主要部与第一电极之间具有空腔。振荡膜的多个辅助部与第一电极之间具有多个通道，且振荡膜的多个辅助部分别具有多个贯孔。第二电极设置于振荡膜的主要部上。多个封止件设置于空腔定义层上和多个贯孔中。多个工作结构包括第一工作结构。第一工作结构的多个通道包括多个通道组。每一通道组的多个通道设置于第一工作结构的空腔的相对两侧。位于每一通道组的每一通道上的贯孔设置于第一工作结构的空腔与相邻的另一工作结构的空腔之间，且第一工作结构的多个通道组是交错设置。

本发明另一实施例的换能器，包括多个工作结构。每一工作结构包括第一电极、空腔定义层、第二电极以及多个封止件。空腔定义层设置于第一电极上。空腔定义层具有振荡膜。振荡膜设置于第一电极的上方。振荡膜具有主要部以及由主要部向外延伸的多个辅助部。振荡膜的主要部与第一电极之间具有空腔。振荡膜的多个辅助部与第一电极之间具有多个通道，且振荡膜的多个辅助部分别具有多个贯孔。第二电极设置于振荡膜的主要部上。多个封止件设置于空腔定义层上和多个贯孔中。多个工作结构包括第一工作结构。第一工作结构的多个通道包括多个通道组。每一通道组的多个通道设置于第一工作结构的空腔的相对两侧。位于每一通道组的每一通道上的贯孔设置于第一工作结构的空腔与相邻的另一工作结构的空腔之间。

附图说明

图1为本发明一实施例的超音波探头的示意图。

图2为本发明一实施例的换能器的示意图。

图3为本发明一实施例的换能器的一个单元的俯视示意图。

图4为本发明一实施例的一工作结构的放大示意图。

图5为本发明一实施例的工作结构的剖面示意图。

图6为本发明一实施例的工作结构的剖面示意图。

图7为本发明一实施例的工作结构的剖面示意图。

图8为本发明一实施例的换能器的一个单元100A的俯视示意图。

图9为本发明一实施例的换能器的一个单元100B的俯视示意图。

图10为本发明一实施例的换能器的一个单元100C的俯视示意图。

图11为本发明一实施例的换能器的一个单元100D的俯视示意图。

图12为本发明一实施例的换能器的一个单元100E的俯视示意图。

附图标记如下：

1:超音波探头

10:换能器

100、100A、100B、100C、100D、100E:单元

110:基板

120:第一电极

130:空腔定义层

130h:贯孔

131:振荡膜

131a:主要部

131b:辅助部

132:支撑部

132a、132b:侧壁

140:封止件

150:第二电极

151:第一部

152:第二部

A-A’:剖线

B-B’:剖线

C-C’:剖线

D1、D2:厚度

G1、G2、G3:通道组

K:拟直线

P1、P2:间距

r:直径

U:工作结构

U1:第一工作结构

V1:空腔

V2、V2-1、V2-2、V2-3:通道

W11、W12、W2、W3、L1、L2:宽度

x、y、d1、d2:方向

θ:夹角

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

应当理解，当诸如层、膜、区域或基板的元件被称为在另一元件“上”或“连接到”另一元件时，其可以直接在另一元件上或与另一元件连接，或者中间元件可以也存在。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。如本文所使用的，“连接”可以指物理及/或电性连接。再者，“电性连接”或“耦合”可以是二元件间存在其它元件。

本文使用的“约”、“近似”、或“实质上”包括所述值和在本领域普通技术人员确定的特定值的可接受的偏差范围内的平均值，考虑到所讨论的测量和与测量相关的误差的特定数量(即，测量系统的限制)。例如，“约”可以表示在所述值的一个或多个标准偏差内，或±30％、±20％、±10％、±5％内。再者，本文使用的“约”、“近似”或“实质上”可依光学性质、蚀刻性质或其它性质，来选择较可接受的偏差范围或标准偏差，而可不用一个标准偏差适用全部性质。

除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在通常使用的字典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化的或过度正式的意义，除非本文中明确地这样定义。

图1为本发明一实施例的超音波探头1的示意图。图2为本发明一实施例的换能器10的示意图。

请参照图1及图2，在本实施例中，换能器10可包括多个单元100。每一单元100能接收第一电信号并根据第一电信号朝外界发射声波。每一单元100能接收来自于外界的声波并根据外界声波转换出第二电信号。举例而言，在本实施例中，换能器10可应用于医疗用的超音波探头1中，但本发明不以此为限。

图3为本发明一实施例的换能器10的一个单元100的俯视示意图。

请参照图2及图3，在本实施例中，换能器10的每一单元100包括多个工作结构U。同一单元100的多个工作结构U的多个第一电极120是彼此电性连接，且同一单元100的多个工作结构U的第二电极150是彼此电性连接。也就是说，同一单元100的多个工作结构U是用以同时发射/接收声波。

请参照图3，单元100的多个工作结构U设置于基板110上。举例而言，在本实施例中，基板110的材质可以是玻璃、石英、有机聚合物、或其它可适用的材料。

图4为本发明一实施例的一工作结构U的放大示意图。图5为本发明一实施例的工作结构U的剖面示意图。图5对应图4的剖线A-A’。图6为本发明一实施例的工作结构U的剖面示意图。图6对应图4的剖线B-B’。图7为本发明一实施例的工作结构U的剖面示意图。图7对应图4的剖线C-C’。

请参照图4、图5及图6，每一工作结构U包括第一电极120、空腔定义层130、多个封止件140及第二电极150。

每一工作结构U的第一电极120设置于基板110上。在本实施例中，第一电极120例如是整面电极，但本发明不以此为限。第一电极120的材质可以是金属(例如但不限于：铝)、金属氧化物(例如但不限于：铟锡氧化物)或其它导电材料。

每一工作结构U的空腔定义层130设置于第一电极120上。空腔定义层130具有振荡膜131。振荡膜131设置于第一电极120的上方。振荡膜131具有主要部131a以及由主要部131a向外延伸的多个辅助部131b。振荡膜131的主要部131a与第一电极120之间具有空腔V1。振荡膜131的多个辅助部131b与第一电极120之间具有多个通道V2。通道V2的宽度W2小于空腔V1的宽度W11、W12。举例而言，在本实施例中，通道V2的宽度W2可落在3μm至8μm的范围，但本发明不以此为限。

请参照图4、图6及图7，空腔定义层130除了具有振荡膜131外还具有支撑部132。在附图中，振荡膜131是以密度较低的点表示，而支撑部132是以密度较高的点表示。空腔定义层130的支撑部132设置于第一电极120上；支撑部132的厚度D2大于振荡膜131的厚度D1；振荡膜131连接至支撑部132的远离第一电极120的一侧，以悬挂于第一电极120上方。

请参照图4及图5，振荡膜131的多个辅助部131b分别具有多个贯孔130h。在本实施例中，振荡膜131的贯孔130h于基板110上的垂直投影可位于通道V2于基板110上的垂直投影以内；也就是说，贯孔130h的直径r可小于通道V2的宽度W2。然而，本发明不限于此，在其它实施例中，贯孔130h的直径r也可等于通道V2的宽度W2。

在本实施例中，空腔定义层130的材质为一绝缘材料，其可为无机材料(例如：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或上述至少两种材料的堆叠层)、有机材料或上述的组合。

请参照图4及图5，每一工作结构U的多个封止件140设置于空腔定义层130上及振荡膜131的多个辅助部131b的多个贯孔130h中。

请参照图4及图6，空腔定义层130的振荡膜131的主要部131a及空腔定义层130的支撑部132的侧壁132a定义出空腔V1。请参照图4及图7，空腔定义层130的振荡膜131的辅助部131b及空腔定义层130的支撑部132的侧壁132b定义出通道V2。

在本实施例中，多个封止件140的材质为一绝缘材料，其可为无机材料(例如：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或上述至少两种材料的堆叠层)、有机材料或上述的组合。

请参照图4及图5，每一工作结构U的第二电极150设置于振荡膜131的主要部131a上。在本实施例中，第二电极150位于振荡膜131的辅助部131b外；也就是说，第二电极150不设置于通道V2及贯孔130h上。

在本实施例中，每一工作结构U的第二电极150具有第一部151和第二部152。第二电极150的第一部151设置于振荡膜131的主要部131a上。第二电极150的第二部152设置于空腔V1外。也就是说，第二电极150的第二部152设置于空腔定义层130的支撑部132上。第二电极150的第二部152在方向x上的宽度L2可小或等于第二电极150的第一部151在方向x上的宽度L1。举例而言，在本实施例中，0.01≤(L2/L1)≤1，但本发明不以此为限。

请参照图3及图4，多个工作结构U排成一阵列，每一列的多个工作结构U的多个主要部131a在方向x上排列，每一行的多个工作结构U的多个主要部131a在方向y排列，且方向x与方向y相交错。在本实施例中，同一行的多个工作结构U的多个第二电极150互相连接；特别是，同一行的多个工作结构U的多个第二电极150的多个第一部151(也可称多个粗部)与多个第二部152(也可称多个细部)在方向y上交替排列。

在本实施例中，第二电极150的材质可以是金属(例如但不限于：铝)、金属氧化物(例如但不限于：铟锡氧化物)或其它导电材料。

请参照图4及图5，第一电信号可施加至工作结构U的第一电极120与第二电极150，第一电极120与第二电极150之间的电场可使振荡膜131的主要部131a在空腔V1中摆动，以向外界发出声波；另一方面，来自于外界的声波可传递至振荡膜131的主要部131a并使振荡膜131的主要部131a摆动，而引起电容变化，根据所述电容变化可获可以与外界声波对应的第二电信号。简言之，包括多个工作结构U的换能器10是一个电容式微机械换能器。

请参照图3及图4，换能器10的多个工作结构U包括第一工作结构U1。第一工作结构U1的多个通道V2包括多个通道组G1、G2、G3，每一通道组G1、G2、G3的多个通道V2-1、V2-2、V2-3设置于第一工作结构U1的空腔V1的相对两侧。设置于每一通道组G1、G2、G3的每一通道V2-1、V2-2、V2-3上的贯孔130h设置于第一工作结构U1的空腔V1与相邻的另一工作结构U的空腔V1之间。

值得注意的是，在换能器10的制造过程中，蚀刻液可从多个通道组G1、G2、G3的多个通道V2-1、V2-2、V2-3上的多个贯孔130h渗入原本设置在多个通道V2-1、V2-2、V2-3中的牺牲图案层(未示出)，进而移除；更重要的是，蚀刻液会经由多个通道组G1、G2、G3的多个通道V2-1、V2-2、V2-3快速且充分渗入原本设置于空腔V1中的牺牲图案层(未示出)。由此，能快速地去除空腔V1中的牺牲图案层，牺牲图案层不易残留在空腔V1内，换能器10的制造时间能缩短，且多个空腔V1的均匀性能提升。

请参照图4，在本实施例中，第一工作结构U1的多个通道组G1、G2、G3可交错设置。请参照图3及图4，举例而言，多个工作结构U排成一阵列，每一列的多个工作结构U的多个空腔V1在方向x排列，每一行的多个工作结构U的多个空腔V1在方向y排列，且方向x与方向y相交错；第一工作结构U1除了具有在方向x上设置的通道组G1的多个通道V2-1外，还具有在方向d1上设置的通道组G2的多个通道V2-2以及在方向d2上设置的通道组G3的多个通道V2-3，其中方向d1、d2与方向x、y交错且不垂直于方向x、y。

请参照图3及图4，在本实施例中，拟直线K通过第一工作结构U1的通道组G2的多个通道V2-2上的多个贯孔130h，第一工作结构U1的第二电极150的第二部152的延伸方向y与拟直线K具有一夹角θ，且10°≤θ≤80°。

请参照图3及图4，举例而言，在本实施例中，一空腔V1在方向x上的宽度W11可为20μm，一空腔V1在方向y上的宽度W12可为20μm；一通道V2的宽度W2可为6μm，多个空腔V1在方向x以一间距(pitch)P1排列，多个空腔V1在方向y以一间距P2排列，P1＝P2＝40μm；一封止件140在方向x上的宽度W3可为10μm；第二电极150的第一部151在方向x上具有宽度L1，L1＝14μm，第二电极150的第二部152在方向x上具有宽度L2，L2＝8μm；但本发明不以此为限。

此外，在本实施例中，工作结构U的空腔V1于基板110上的垂直投影大致上呈正方形，工作结构U的通道V2于基板110上的垂直投影大致上呈长条状。然而，本发明不限于此，在其它实施例中，工作结构U的空腔V1及/或通道V2也可视实际需求设计为其它形状。

请参照图4及图6，换能器10发出的声波的频率f与工作结构U的构造具有下列关系：

在上式中，f为换能器10发出的声波的频率，λ为工作结构U的空腔V1的形状因子，D1为工作结构U的振荡膜131的厚度，W11为工作结构U的空腔V1的宽度(或称，直径)，E为工作结构U的振荡膜131的杨氏系数，d为工作结构U的振荡膜131的单位面积质量，ν为工作结构U的振荡膜131的浦松比。

请参照图4，第一工作结构U1的空腔V1于基板110上具有一空腔投影面积A1，第一工作结构U1的多个通道V2-1、V2-2、V2-3于基板110上具有多个通道投影面积，所述多个通道投影面积的和为A2，所述多个通道投影面积的和与空腔投影面积的比例(A2/A1)与换能器10发出的声波的频率f相关。

举例而言，假设工作结构U不具任何通道V2，换能器10所发出的声波的频率为f；若工作结构U具有通道V2，且A2/A1＝1/4，则换能器10所发出的声波的频率f下降为0.95f；若工作结构U具有通道V2，且A2/A1＝1/2，则换能器10所发出的声波的频率f下降为0.8f；若工作结构U具有通道V2，且A2/A1＝1，则换能器10所发出的声波的频率f下降为0.5f。在本实施例中，0.1≤(A2/A1)≤1。

在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重述。

图8的单元100A与图3的单元100类似，两者的差异在于：在图3的实施例中，第一工作结构U1的通道V2与相邻的另一工作结构U的通道V2直接地连接；但在图8的实施例中，第一工作结构U1的通道V2与相邻的另一工作结构U的通道V2彼此分离。具体而言，在图8的实施例中，第一工作结构U1的多个通道V2与相邻的另一工作结构U的多个通道V2是被空腔定义层130的支撑部132隔开而彼此独立。

图9的单元100B与图3的单元100类似，两者的差异在于：在图3的实施例中，第一工作结构U1的通道V2与位于其四周所有工作结构U的通道V2均直接连接；在图9的实施例中，第一工作结构U1的通道V2与位于同一行及同一列上且相邻的其它多个工作结构U的通道V2是直接连接，但第一工作结构U1的通道V2与位于其右上方、右下方、左上方及左下方的其它工作结构U1的通道V2并非直接连接。

图10的单元100C与图3的单元100类似，两者的差异在于：在图3的实施例中，第一工作结构U1的所有通道V2与位于其四周所有多个工作结构U的通道V2均直接连接；在图10的实施例中，第一工作结构U1的多个通道V2的一通道V2-2与相邻的另一工作结构U(例如：位于第一工作结构U1的左下方的工作结构U)的一通道V2直接地连接，且第一工作结构U1的多个通道V2的一通道V2-3与相邻的再一工作结构U(例如：位于第一工作结构U1的右下方的工作结构U)的一通道V2彼此分离。

图11的单元100D与图3的单元100类似，两者的差异在于：图11的工作结构U的空腔V1及通道V2的形态与图3的工作结构U的空腔V1及通道V2的形态不同。在图11的实施例中，工作结构U的空腔V1于基板110上的垂直投影可呈长方形，工作结构U的至少一通道V2于基板110上的垂直投影可呈弯曲状。

图12的单元100E与图10的单元100D类似，两者的差异在于：在图11的实施例中，第一工作结构U1的通道V2与位于其四周的所有多个工作结构U的通道V2均直接连接；在图12的实施例中，第一工作结构U1的通道V2与位于同一行且相邻的其它工作结构U1的通道V2直接连接，但第一工作结构U1的通道V2与位于同一列且相邻的其它工作结构U1的通道V2彼此分离。

Claims

1.一种换能器，包括：

多个工作结构，其中每一该工作结构包括：

一第一电极；

一空腔定义层，设置于该第一电极上，其中该空腔定义层具有一振荡膜和支撑部，该支撑部设置于第一电极上，该振荡膜连接至该支撑部的远离第一电极的一侧，以悬挂于该第一电极上方，该振荡膜设置于该第一电极的上方，该振荡膜具有一主要部以及由该主要部向外延伸的多个辅助部，该振荡膜的该主要部与该支撑部的侧壁以及该第一电极之间具有一空腔，该振荡膜的多个所述辅助部与该支撑部的侧壁以及该第一电极之间具有多个通道，且该振荡膜的多个所述辅助部分别具有多个贯孔；

一第二电极，设置于该振荡膜的该主要部上；以及

多个封止件，设置于该空腔定义层上和多个所述贯孔中；

其中，多个所述工作结构包括一第一工作结构，该第一工作结构的多个所述通道包括多个通道组，每一该通道组的多个通道设置于该第一工作结构的该空腔的相对两侧，位于每一该通道组的每一该通道上的一该贯孔设置于该第一工作结构的该空腔与相邻的另一该工作结构的该空腔之间，且该第一工作结构的多个所述通道组是交错设置。

2.如权利要求1所述的换能器，其中每一该工作结构的该第二电极具有一第一部和一第二部，该第二电极的该第一部设置于该振荡膜的该主要部上，该第二电极的该第二部设置于该空腔外，且该第二电极的该第二部的在一方向上的一宽度小于该第二电极的该第一部在该方向上的一宽度。

3.如权利要求2所述的换能器，其中一拟直线通过该第一工作结构的一该通道组的多个所述通道上的多个所述贯孔，该第一工作结构的该第二电极的该第二部的一延伸方向与该拟直线具有一夹角θ，且10°≤θ≤80°。

4.如权利要求2所述的换能器，其中该第二电极的该第一部的该宽度为L1，该第二电极的该第二部的该宽度为L2，且0.01≤(L2/L1)≤1。

5.如权利要求1所述的换能器，其中多个所述工作结构设置于一基板上，该第一工作结构的一该贯孔于该基板上的一垂直投影位于该第一工作结构的一该通道于该基板上的一垂直投影以内。

6.如权利要求1所述的换能器，其中该每一该通道的一宽度落在3μm至8μm的范围。

7.如权利要求1所述的换能器，其中该第一工作结构的至少一该通道与相邻的另一该工作结构的至少一该通道直接地连接。

8.如权利要求1所述的换能器，其中该第一工作结构的至少一该通道与相邻的另一该工作结构的至少一该通道彼此分离。

9.如权利要求1所述的换能器，其中该第一工作结构的一该通道与相邻的另一该工作结构的一该通道直接地连接，且该第一工作结构的另一该通道与相邻的再一该工作结构的一该通道彼此分离。

10.一种换能器，包括：

多个工作结构，其中每一该工作结构包括：

一第一电极；

一第二电极，设置于该振荡膜的该主要部上；以及

多个封止件，设置于该空腔定义层上和多个所述贯孔中；

其中，多个所述工作结构包括一第一工作结构，该第一工作结构的多个所述通道包括多个通道组，每一该通道组的多个通道设置于该第一工作结构的该空腔的相对两侧，且位于每一该通道组的每一该通道上的一该贯孔设置于该第一工作结构的该空腔与相邻的另一该工作结构的该空腔之间。

11.如权利要求10所述的换能器，其中每一该工作结构的该第二电极具有一第一部和一第二部，该第二电极的该第一部设置于该振荡膜的该主要部上，该第二电极的该第二部设置于该空腔外，且该第二电极的该第二部的在一方向上的一宽度小于该第二电极的该第一部在该方向上的一宽度。

12.如权利要求11所述的换能器，其中一拟直线通过该第一工作结构的一该通道组的多个所述通道上的多个所述贯孔，该第一工作结构的该第二电极的该第二部的一延伸方向与该拟直线具有一夹角θ，且10°≤θ≤80°。

13.如权利要求11所述的换能器，其中该第二电极的该第一部的该宽度为L1，该第二电极的该第二部的该宽度为L2，且0.01≤(L2/L1)≤1。

14.如权利要求10所述的换能器，其中多个所述工作结构设置于一基板上，该第一工作结构的一该贯孔于该基板上的一垂直投影位于该第一工作结构的一该通道于该基板上的一垂直投影以内。

15.如权利要求10所述的换能器，其中该每一该通道的一宽度落在3μm至8μm的范围。

16.如权利要求10所述的换能器，其中该第一工作结构的至少一该通道与相邻的另一该工作结构的至少一该通道直接地连接。

17.如权利要求10所述的换能器，其中该第一工作结构的至少一该通道与相邻的另一该工作结构的至少一该通道彼此分离。

18.如权利要求10所述的换能器，其中该第一工作结构的一该通道与相邻的另一该工作结构的一该通道直接地连接，且该第一工作结构的另一该通道与相邻的再一该工作结构的一该通道彼此分离。