CN1714754A - 高灵敏度的电容性显微机械加工的超声波传感器 - Google Patents

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CN1714754A CN200510089698.XA CN200510089698A CN1714754A CN 1714754 A CN1714754 A CN 1714754A CN 200510089698 A CN200510089698 A CN 200510089698A CN 1714754 A CN1714754 A CN 1714754A
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Abstract

一种电容性显微机械加工的超声波传感器(cMUT)包括下部电极。而且，cMUT包括与下部电极相邻设置的隔板，使得在隔板和下部电极之间形成具有第一间隙宽度的间隙。此外，cMUT包括形成在间隙中的至少一个部件，该至少一个部件设置为在隔板和下部电极之间具有第二间隙宽度。

Description

高灵敏度的电容性显微机械加工的超声波传感器
技术领域
本发明总体涉及医学成像系统，并且尤其涉及电容性显微机械加工的超声波传感器(cMUT)。
背景技术
传感器是将一种形式的输入信号转换成不同形式的输出信号的设备。通常所用的传感器包括光传感器，热传感器和声传感器。声传感器的一个例子就是超声波传感器，其可以应用在医学成像，非破坏性测定和其它应用系统中。
当前，超声波传感器的一种形式就是电容性显微机械加工的超声波传感器(cMUT)。cMUT单元通常包括包含有下部电极的衬底，通过支柱悬挂在衬底上方的隔板，和充当上部电极的镀金属层。下部电极，隔板和上部电极限定出腔体。常规的cMUT设备中，当cMUT收发器用作接收器时cMUT单元的上部和下部电极之间的间隙设计成均衡而且狭窄以便增加灵敏度。但是，cMUT收发器用作发射器时小腔体的深度限制了隔板位移的最大幅值。因此，为了增加发射脉冲的幅值，希望发射cMUT在上部和下部电极之间具有较大的间隙以得到较大的隔板偏移。
此外，希望在作为发射器和接收器工作期间提高cMUT的灵敏度和性能。同样，希望能够有效控制cMUT的声音区域(间隙)和腔体深度。
发明内容
简单地说，根据本发明的一个实施例提供一种电容性显微机械加工的超声波传感器(cMUT)。cMUT包括下部电极。此外，cMUT包括与下部电极相邻设置的隔板，使得在隔板和下部电极之间形成具有第一间隙宽度的间隙。此外，cMUT包括至少一个形成在间隙中的部件，其中该至少一个部件设置为在隔板和下部电极之间具有第二间隙宽度。
根据本发明的另一个实施例，提供一种cMUT单元。该cMUT包括由顶部和底部构成的下部电极。此外，多个支柱设置在下部电极的顶部并且构造成限定出一个腔体。此外，隔板设置在多个支柱上以提供由隔板和下部电极限定的间隙。此外，cMUT包括设置在隔板顶部的上部电极。此外，cMUT包括至少一个形成在腔体中并构造成在下部电极和上部电极之间具有间隙宽度的部件，其小于腔体的深度。
根据本发明的另一方面，提供一种制造cMUT的方法。该方法包括在下部电极上形成多个支柱以在支柱之间限定出腔体。此外，该方法包括在腔体中形成至少一个部件。此外，该方法包括在多个支柱上设置隔板以在下部电极和隔板之间形成间隙。此外，该方法包括在隔板上设置上部电极。
根据本发明的一个方面，提供一种cMUT单元结构。该cMUT单元结构包括形成为在接收模式下工作的第一单元，其中该第一单元包括下部电极和上部电极。此外，该cMUT单元结构包括形成为在发射模式下工作的第二单元，其中该第二单元包括下部电极和上部电极。此外，该cMUT单元结构包括排列成在每个第一单元和第二单元之间形成腔体的多个支柱。该cMUT单元结构还包括设置在支柱上的多个隔板。此外，该cMUT单元结构包括至少一个突起部件和形成在第一单元和第二单元的腔体中的凹陷部件。
根据本发明的还一方面，提供一种制造cMUT单元结构的方法。该方法包括制造构成为在接收模式下工作的第一单元，其中该第一单元包括下部电极和上部电极。此外，该方法包括制造构成为在发射模式下工作的第二单元，其中该第二单元包括下部电极和上部电极。
根据本发明的一个方面，提供一种包括cMUT和连接到cMUT的电阻器的系统。此外，该系统包括偏置电压组，其中该偏置电压组连接到该电阻器。此外，该系统包括多路复用器，其中该多路复用器连接到该电阻器。此外，该系统包括连接到多路复用器的开关，其中该开关构成为控制cMUT的工作模式。该系统还包括连接到开关的控制电路，其中该控制电路构成为控制偏置电压组和开关的工作。此外，该系统包括连接到开关的脉冲发生器，其中脉冲发生器构成为产生交流触发脉冲。同样，该系统包括连接到开关的低噪声放大器，其中该低噪声放大器构成为增强信号。
附图说明
参考附图阅读下面的详细描述，本发明的这些和其它特征，方面和优点将得到更好的理解，其中整个附图中相同的符号表示相同的部件。
图1示出了根据本发明一个方面的包括环形螺柱并工作在发射模式下的cMUT收发器的示意性实施例的截面侧视图；
图2示出了根据本发明各个方面的包括环形螺柱并工作在接收模式下的图1的cMUT收发器的示意性实施例的截面测视图；
图3是图1的cMUT收发器沿截面线3-3的截面顶视图；
图4示出了根据本发明各个方面的包括单个螺柱的图1的cMUT收发器的可替换示意性实施例的截面侧视图；
图5示出了根据本发明各个方面的包括螺柱阵列的图1的cMUT收发器的另一示意性实施例的截面侧视图；
图6示出了根据本发明各个方面的包括阱的图1的cMUT收发器的另一示意性实施例的截面侧视图；
图7示出了根据本发明各个方面的包括单个螺柱的图2的cMUT收发器的另一示意性实施例的截面侧视图；
图8示出了根据本发明各个方面的包括螺柱阵列的图2的cMUT收发器的另一示意性实施例的截面侧视图；
图9示出了根据本发明各个方面的包括阱的图2的cMUT收发器的另一示意性实施例的截面侧视图；
图10是图4的cMUT收发器沿截面线10-10的截面顶视图；
图11是图5的cMUT收发器沿截面线11-11的截面顶视图；
图12是图6的cMUT收发器沿截面线12-12的截面顶视图；
图13示出了根据本发明各个方面的双腔体cMUT单元的示意性实施例的截面侧视图；
图14示出了根据本发明各个方面的图13的双腔体cMUT单元的可替换构造的示意性实施例的截面侧视图；
图15-20示出了制造图1的cMUT单元的示意性流程；
图21-26示出了制造图1的cMUT单元的可替换示意性流程；
图27-32示出了制造图1的cMUT单元的另一示意性流程；以及
图33是根据本发明的一个方面的采用cMUT收发器的系统的方框图。
具体实施方式
许多领域中，如医学成像和非破坏性测定，可利用能够产生高质量诊断图像的超声波传感器。可以借助超声波传感器如电容性显微机械加工的超声波传感器来得到高质量诊断图像，其在超声波频率下对低电平声音信号表现出高灵敏度。本文所讨论的技术是针对这些问题的一些或全部来说的。
现在参考图1，所示为电容性显微机械加工的超声波传感器(cMUT)收发器10的实施例的截面侧视图。本领域技术人员将会理解，附图只是示意性目的而不是按照比率绘制的。图1示出了工作在发射模式下的cMUT收发器10。cMUT传感器10包括下部电极12，其具有顶部和底部，可以设置在衬底(未示出)上。例如，下部电极12的厚度可以是大约20到500微米的范围内。包括顶部和底部的多个支柱14可以设置在下部电极12的顶部上。可替换地，多个支柱14可以直接设置在衬底上。支柱14可以构成为限定出腔体20。通常，支柱14的高度为大约十分之一到几微米(μm)。同样，支柱14可以由例如氧化硅或氮化硅材料制成，但不限于这样的材料。此外，可以在多个支柱14的顶部设置隔膜或者隔板16。此外，根据用于制造cMUT的显微机械加工方法，隔板16可以采用如氮化硅，氧化硅，单晶硅，外延硅，多晶硅以及其它半导体材料的材料制成，但不限于这些材料。隔板16的厚度可以是例如大约在0.1到5微米的范围内。cMUT收发器10可以包括由顶部和底部组成的上部电极18，其中上部电极18可以设置在隔板16的顶部。上部电极18的厚度可以是例如大约0.1到1微米的范围内。cMUT收发器10可以包括由下部电极12和隔板16限定的间隙。腔体20可以是空气或者气体填充的或者全部或部分抽空的。但是，根据本发明的实施例，可以采用全部或部分抽空的腔体20。此外，腔体20包括介电板24。腔体20可以具有大约十分之一微米到几微米的深度。
根据本发明的代表性实施例，如下面进一步所描述，可以在腔体20中形成至少一个部件，如突起部件(如图1-5)或凹陷部件(如图6)，并且构成为调节间隙，即间隙宽度，低于在某些工作模式中的下部电极12和上部电极18之间的腔体20的深度。尤其是，在第一代表性实施例中，至少一个部件包括突起部件，如螺柱22。螺柱22可以设置在下部电极12的顶部。可替换地，螺柱22可以设置在隔板16的底部。
螺柱22可以包括两层。如图1的螺柱放大图所示，螺柱22的顶层可以包括绝缘材料如介电层以防止下部电极12和上部电极18之间短路。介电层可以包括但不限于如氧化硅，氮化硅，聚合体和其它非导电材料这样的材料。此外，螺柱22的底层可以包括导电材料，例如但不限于金属，外延硅，单晶硅，多晶硅以及其它半导体材料。螺柱22可以表现出各种形状，如圆形，矩形和六边形，但不限于这些形状。此外，螺柱22可以为单个螺柱，环形形状螺柱，下文所指为环形螺柱，或者各种排列的螺柱，如螺柱阵列，但不限于螺柱阵列。同样，螺柱22的侧壁可以是垂直，锥形或者圆形的。
此外，可以形成在cMUT收发器10的腔体20中的至少一个部件可以是凹陷部件如阱26。阱26可以被蚀刻在腔体20中(下面参考图6进行描述和讨论)此外，cMUT收发器10可以包括螺柱22和阱(未示出)。可替换地，阱可以被蚀刻在下部电极12上，螺柱22可以形成在隔板16上。根据另一个构造，螺柱22可以形成在阱内。
可替换地，根据本发明的还一方面，cMUT收发器10可以包括偏压源(未示出)，其中该偏压源构成为使得隔板16向下部电极12扩张。根据本发明的一个实施例，下部电极12和上部电极18之间的间隙宽度可以通过改变螺柱22的高度和/或阱的深度，和通过根据cMUT收发器的工作模式改变偏压来进行改变。当cMUT收发器10作为发射器工作时，增大腔体的深度有利于隔板的更大偏转以增强发射信号的幅值。但是，当cMUT收发器作为接收器工作时，有利的是在下部电极12和上部电极18之间设置较小的间隙以增强信号的接收。因此，cMUT收发器10的灵敏度可以通过调节下部电极12和上部电极18之间的间隙大小得到提高，从而有利于优化cMUT收发器10的发射和接收信号的性能。
本领域技术人员将会理解，由腔体20隔开的下部电极12和上部电极18形成一个电容。对于工作在如图1所示的发射模式下的cMUT收发器10，可以通过较深的腔体20得到隔板的大偏转以增强发射脉冲的幅值。在发射模式下，小直流电流(DC)偏压引起将要使用的大交流电流(AC)触发脉冲，这有利于得到cMUT收发器10的较大隔膜偏转和较高的信噪比。
但是，对于工作在接收模式下的cMUT收发器10，可能希望在下部电极12和上部电极18之间具有较小的间隙以提高cMUT收发器10的灵敏度。图2示出了工作在接收模式下的cMUT收发器10的截面侧视图。如图2所示，腔体20的深度可以小于工作在发射模式的图1的cMUT收发器10的腔体深度。该较小的腔体深度可以引起较大的电容，其反过来有利于使得cMUT收发器10的灵敏度提高。如图2所示，当偏压源施加到cMUT收发器10时，隔板16可以向下部电极12偏转。但是，由于腔体20中有螺柱22，所以腔体20的深度明显减小。因此，具有减小的腔体深度的隔板16的偏转可以使得作为接收器的cMUT收发器10的灵敏度提高。
图3是沿线3-3的图1的cMUT收发器10的截面顶视图。在图3所示的实施例中，所示为环形螺柱。但是，如上所述，螺柱可以是圆形，矩形，六边形或者任意其它形状。
图4-6示出了工作在发射模式下的cMUT收发器10的替换实施例的截面图。特别参考图4，示出了工作在发射模式下并具有设置在腔体20中的单个螺柱22的cMUT收发器10的替换实施例的截面侧视图。此外，图5还示出了工作在发射模式下并具有形成在腔体20中以阵列布置的多个螺柱22的cMUT收发器10的另一替换实施例。根据本发明的另外方面，可以在腔体20中形成凹陷部件。图6示出了工作在发射模式下并具有被蚀刻在腔体20中的凹陷部件如阱26的cMUT收发器10的实施例。
参考图6，阱26可以包括两层。如图6中阱26的放大图所示，阱26的顶层可以包括绝缘材料如介电层以防止下部电极12和上部电极18之间短路。介电层可以包括如氧化硅，氮化硅，聚合物和其它非导电材料这样的材料，但不限于这些材料。此外，阱26的底层可以包括如金属，外延硅，单晶硅，多晶硅以及其它半导体材料这样的导电材料，但不限于这些材料。阱26可以表现为各种形状如圆形，矩形和六边形，但不限于这些形状。此外，阱26可以为单阱，环形形状阱，下文所指为环形阱，或者任何排列的阱，如阵列阱，但不限于此。同样，阱26的侧壁可以是垂直，锥形或者圆形的。
图7-9示出了工作在接收模式下的图4-6所示的cMUT收发器10的相应截面图。图7所示为工作在接收模式下图4的cMUT收发器10。类似地，图8所示为工作在接收模式下图5的cMUT收发器10。同样的方式，图9所示为用作接收器的图6的cMUT收发器10。
图10-12示出了图4-6所示的cMUT收发器10的相应的截面顶视图。尤其参考图10，所示为沿线10-10截取并具有设置在cMUT收发器10的腔体20中的单个螺柱22的图4的cMUT收发器10的顶视图。图11所示为沿线11-11截取的图5的cMUT收发器10的顶视图，其中cMUT收发器10的腔体20中设置有螺柱22阵列。类似地，示出了沿线12-12截取并具有被蚀刻在cMUT收发器10的腔体20中的阱26的图6的cMUT收发器10的顶视图。
螺柱22和阱26可以用于改变cMUT收发器10的腔体20的深度。另外，通过改变偏压，下部电极12和上部电极18之间的间隙的尺寸可以优化用于发射和接收信号。当cMUT收发器10工作在发射和/或接收模式下时，这种优化可以通过采用偏压源来控制隔板16的偏转来实现。例如，当cMUT收发器工作在发射模式下时，如图1所示，可以采用偏压源施加低于崩溃电压(colltagevoltage)的DC偏压，其有利于得到如图1所示的下部电极12和上部电极18之间的较大间隙。本领域技术人员将会理解，崩溃电压是当用于小隔膜偏转的隔膜偏转的机械恢复力不能与静电力平衡时的偏置电压。该小的DC偏压使得将要施加的大AC触发脉冲有效，该脉冲使得工作在发射模式下的cMUT收发器10产生较大的隔膜偏转以及较高的信噪比。
此外，在接收模式，可以通过偏压源施加足以使隔板16坍塌到螺柱22上的DC偏压。施加的电压可以使隔板16偏转到螺柱22上，如图2所示。下部电极12和上部电极18之间减小的间隙宽度有利于对于给定的入射声波产生较大的电容变化，其也可以使得cMUT收发器10的灵敏度提高。此外，工作在接收模式下的cMUT收发器10的下部电极12和上部电极18之间的间隙宽度小于工作在发射模式下的cMUT收发器10的间隙宽度。此外，当施加到用作接收器的cMUT收发器10的偏置电压足以将上部电极18吸引到螺柱22上时，偏置电压可以低于下部电极12和上部电极18的崩溃电压。
如上所述，螺柱22可以从腔体20的底部突起。因此，螺柱22的顶部与上部电极18之间的腔体20的有效深度(即“间隙”)可以较小，从而成为使得隔板16坍塌到螺柱22上的必要的较小偏置电压。例如，在一个实施例中，螺柱22的高度可以小于0.2微米。此外，螺柱可以设置在下部电极12或者上部电极18上。当隔板16坍塌到螺柱22上时用作接收器的cMUT收发器10的腔体20的深度可以由螺柱22的高度来调节。较小的腔体深度有利于对于给定的入射超声波产生较大的电容变化，并因此可以使得工作在接收模式下的cMUT收发器10的灵敏度提高。
根据本发明的实施例，描述了一种cMUT收发器10，其下部电极12和上部电极18之间的间隙可以通过采用螺柱和/或阱，并且通过改变偏置电压来进行调节。根据当前实施例，cMUT收发器10可以优化作为发射器和接收器的性能。类似原理可以应用到具有单独的发射和接收单元的结构中，从而分别优化充当发射器和接收器的cMUT单元，如下面将描述的。
图13和14示出了双腔体cMUT单元28的替换实施例，其具有不同的发射器和接收器单元使得在每个发射和接收模式下可以采用具有不同深度的间隙。当前的结构中，图13和14所示的cMUT单元28包括第一单元(接收器单元30)，其构成为工作在接收模式。如下面的进一步描述，接收器单元30包括下部电极和上部电极以及具有第一间隙宽度的间隙。此外，cMUT单元28包括构成为工作在发射模式的第二单元(发射器单元32)。如接收器单元30，发射器单元32也包括下部电极和上部电极，以及具有大于第一间隙宽度的第二间隙宽度的间隙，如下面的进一步描述。
首先参考图13，接收器单元30包括下部电极34。可以在下部电极34上设置多个支柱36。而且，可以在该多个支柱36上设置隔板38。此外，可以在隔板38上设置上部电极40。接收器单元30包括在下部电极34和上部电极40之间具有第一间隙宽度的间隙。第一间隙宽度可以形成为当cMUT单元28工作在接收模式下时使得对于给定入射超声波信号的电容变化最优化。
cMUT单元28还包括发射器单元32，其可以与接收器单元30相邻设置，可以包括下部电极42。可替换地，发射器单元32也可以设置为与接收器单元30隔离。如接收器单元30，发射器单元32还包括设置在下部电极42上的多个支柱36。此外，可以在该多个支柱36上设置隔板44并且可以在隔板44上设置上部电极46。此外，根据本实施例，发射器单元32可以包括显微机械加工的阱48。与接收器单元30的间隙宽度相比，阱48的出现在发射下部电极42和发射上部电极46之间提供了具有较大间隙宽度的间隙，当cMUT单元28工作在发射模式下时这反而有利于提高发射隔板44的位移。因此，当cMUT单元28工作在发射模式下时可以得到幅值增强的超声波。此外，可以在接收下部电极34，发射下部电极42和阱48的底部上设置绝缘层50。
进一步，虽然图13所示的本实施例示出了形成在发射下部电极42中的阱48用于在每个接收器单元30和发射器单元32中提供不同的间隙宽度，但是在图14所示的替换实施例中，可以在接收下部电极34上设置突起部件，例如螺柱52。螺柱52可以形成为减小接收下部电极34和接收上部电极40之间的间隙宽度，从而使得对于给定入射超声波的电容变化最优。此外，可以在螺柱52上设置绝缘层。该绝缘层也可以设置在接收下部电极34上。可替换地，双腔体cMUT单元28可以形成为在发射器单元32中包括阱48，在接收器单元30中包括螺柱52，或者其中包括螺柱和阱的任意组合。
在图13-14所示的双腔体cMUT单元28的实施例中，接收器和发射器单元的横向尺寸可以不相同。这有利于将双腔体cMUT单元28应用于不同的领域。例如，可以发现双腔体cMUT单元28应用在谐波成像中，其中接收器单元30和发射器单元32的工作频率可以通过调节每个单元的各自尺寸而进行有利地改变。双腔体cMUT单元28可以与图1的cMUT收发器10尺寸相同。本领域技术人员将会理解，通过根据发射和接收的功能将cMUT单元分开，所以因发射器单元或接收器单元在工作的同时传感区域的减小而导致包括有多个不同发射器和接收器cMUT单元的传感区域可能出现信号损失。但是，如图13-14所示，将结构分成用于发射和接收的不同单元可能大大补偿了只有单组cMUT单元即发射器单元或接收器单元之一工作时所引起的信号损失。现在可以将发射器单元和接收器单元单独优化，从而使得超出有效传感区域中损失的灵敏度提高。
此外，如所述的cMUT收发器10，双腔体cMUT单元28可以包括至少一个偏置电压源，其中偏置电压源形成为使接收隔板38和发射隔板44向它们相应的下部电极34和42扩张。
根据本发明的其它方面，提供一种用于制造cMUT收发器的一个实例的方法。图15-20示出了用于制造cMUT收发器的工艺流程，其中可以在隔板上设置螺柱。图15示出了在制造底部54(低电阻率原始晶片)的过程中的最初步骤，其可以包括cMUT收发器的下部电极。如图15所示，可以通过氧化处理在衬底的相对侧例如高导电率硅层58上形成第一氧化物层56和第二氧化物层60，该氧化处理可以是干氧化处理，湿氧化处理，或者二者的组合。第二氧化物层60限定下部电极和上部电极之间的间隙。如图16所示，可以采用光刻和湿法蚀刻将第二氧化物层的部分蚀刻掉，从而限定出多个支柱62以及可以由该支柱限定的腔体64。接着。如图17所示，可以采用氧化处理在腔体64中形成电绝缘层66。
用于制造cMUT收发器的方法还包括制造包括上部电极的顶部68(绝缘体上硅(SOI)晶片)。可替换地，本领域技术人员将会理解，在cMUT收发器的制造中可以采用包括有硅衬底，掩埋氧化物层和硅处理晶片的预制SOI。如图18所示，顶部68包括可以设置在处理晶片72上的掩埋氧化物(“分隔”)层70。此外，可以在氧化物分隔层70上设置导电或低电阻率层，例如，但不限于，外延硅，单晶硅，和多晶硅层，其中该导电层可以用作隔板74。可替换地，可以在氧化物分隔层70上设置非导电或高电阻率层，例如，但不限于，外延硅，单晶硅，以及多晶硅层，其中该层可以形成为用作隔板74。此外，可以在隔板74上形成至少一个部件，例如突起螺柱76。螺柱76可以采用光刻处理而形成，随后是干法蚀刻程序，其之后进行热氧化处理以在螺柱76上形成绝缘层78。如本领域技术人员所理解，也可以采用但不限于等离子体增强化学气相淀积(PECVD)和低压化学气相淀积(LPCVD)法来形成螺柱76。可替换地，螺柱76可以通过在隔板74上沉积例如金属这样的材料而形成，之后通过介电沉积处理在螺柱76上形成绝缘层。此外，当cMUT收发器工作在接收模式下时所形成的螺柱76的高度可以形成为限定上部电极和下部电极之间的腔体64内部的间隙宽度。
此外，如图19所示，现在可以通过在SOI晶片和原始晶片54之间采取熔焊的方式将顶部68(SOI晶片)设置在底部54(原始晶片)上而形成结构80。可以采用机械抛光或者研磨，随后是利用化学药品的湿法蚀刻以去除处理晶片72，其中该化学药品是例如但不限于四甲基氢氧化铵(TMAH)，氢氧化钾(KOH)和乙二胺邻苯二酚(EDP)。去除处理晶片72之后，可以通过缓冲氢氟酸(BHF)去除氧化物分隔层70。接着，如图20所示，可以在隔板74上设置上部电极83从而形成cMUT收发器81。图20所示为隔板74上设置有螺柱76的cMUT收发器81。此外，本领域技术人员将会理解，也可以采用表面显微机械加工来形成螺柱和/或阱。由于表面显微机械加工，沉积隔板，而替代如在整体显微机械加工处理中从SOI晶片的焊接。其随后是去除隔板下的任何牺牲层(如氧化物)，真空密封腔体，和顶部电极沉积。
参考图15-20的工艺流程示出了制造在隔板74上设置有螺柱76的cMUT收发器的过程。本领域技术人员将会理解，也可以采用类似的技术来制造双腔体cMUT单元结构。以类似方式，图21-26示出了制造cMUT收发器的工艺流程，其中螺柱可以设置在下部电极上，如下面将要描述的，并且在先如图1所示。
图21示出了在制造cMUT收发器的底部54(低电阻率原始晶片)的过程中的最初步骤，其中通过例如不限于干氧化处理，湿氧化处理，或者二者的组合这样的氧化处理来制造第一氧化物层56和第二氧化物层60，并且可以设置在高导电率硅层58上。第二氧化物层60限定下部电极和上部电极之间的间隙宽度。如图22所示。可以采用光刻和湿法蚀刻来将第二氧化物层的部分蚀刻掉，从而限定出多个支柱62以及可以由这些支柱限定的腔体64。接着，如图23所示，可以在蚀刻处理之前进行光刻处理，从而在腔体64中形成螺柱76。如图24所示，可以在螺柱76形成之后，进行氧化处理以在螺柱76上形成电绝缘层78。可替换地，如上所述，可以通过在下部电极54上沉积例如金属这样的材料来形成螺柱76，之后是介电沉积处理以在螺柱76上形成绝缘层。
图25示出了本发明中在腔体64中设置螺柱76的替换实施例。本实施例用于制造cMUT收发器的方法还包括制造顶部68(SOI晶片)。可替换地，本领域技术人员将会理解，在cMUT收发器的制造中可以采用包括有硅衬底，掩埋氧化物层和硅处理晶片的预制SOI。如图25所示，顶部68包括设置在处理晶片72上的氧化物分隔层70。此外，可以在氧化物分隔层70上设置导电或低电阻率层，例如，但不限于，外延硅，单晶硅，或多晶硅层，其中该层可以形成为用作隔板74。可替换地，可以在氧化物分隔层70上设置非导电或高电阻率层，例如，但不限于，外延硅，单晶硅，和多晶硅层，其中该层可以形成为用作隔板74。
此外，如图25所示，现在可以通过在SOI晶片和原始晶片之间采取熔焊的方式将顶部68设置在底部54上而形成结构82。可以采用机械抛光或者研磨，随后是利用蚀刻剂的湿法蚀刻以去除处理晶片72，其中该蚀刻剂是例如但不限于TMAH，KOH和EDP。去除处理晶片之后，可以通过BHF去除氧化物分隔层70。接着，如图26所示，可以在隔板74上设置上部电极83从而形成cMUT收发器85。图26所示为下部电极58上设置有螺柱76的cMUT收发器85。此外，本领域技术人员将会理解，也可以采用表面显微机械加工来形成螺柱和/或阱。由于表面显微机械加工，沉积隔板，而取代如在整体显微机械加工处理中从SOI晶片的焊接。其随后是去除隔板下的任何牺牲层，如氧化物，真空密封腔体，和顶部电极沉积。
上文所描述的工艺流程描述了在cMUT收发器的腔体中形成螺柱的过程。如前面所提到的，也可以采用类似的技术来制造双腔体cMUT单元结构。本领域技术人员将会理解，可以按照类似的技术在cMUT收发器的腔体中蚀刻例如阱的凹陷部件，如下面参考图27-32所作的进一步描述。这个原理允许隔板坍塌到突起的、重掺杂区域上同时维持了在接收模式下所希望的薄间隙，从而提高了灵敏度。本领域技术人员将会理解，也可以采用类似的技术来制造双腔体cMUT单元结构。
图27-32示出了根据本发明各方面用于制造cMUT单元的示意性工艺流程，其中在下部电极和上部电极之间的间隙中形成有例如阱的凹陷部件。图27示出了在制造可以包括下部电极的cMUT单元的底部84(原始晶片)的过程中的最初步骤，其中通过例如不限于干氧化处理，湿氧化处理，或者二者的组合的氧化处理来制造第一氧化物层86和第二氧化物层90，并且可以设置在低导电率硅层88上。
如图28所示。可以采用第一光刻和蚀刻处理来蚀刻掉第二氧化物层90的一部分，从而限定出多个支柱92以及可以由这些支柱92限定的腔体94。此外，如图28所示，可以采用第二光刻和蚀刻步骤来限定形成在腔体94底部的例如阱96这样的凹陷部件。本实施例中，硅层88可以是重掺杂的，如在先提及的。可替换地，如图29所示，在与支柱92相邻的区域内可以重掺杂图27的轻掺杂硅层88。可以通过另外的掺杂步骤加入标记98所指的这些重掺杂区域。重掺杂区域98也可以应用于例如螺柱这样的突起部件，如在先所讨论的。掺杂步骤之后，可以通过氧化处理得到电绝缘层100，如图30所示。
此外，如上所述用于制造cMUT单元的方法还包括制造顶部104(SOI晶片)。可替换地，本领域技术人员将会理解，在cMUT收发器的制造中可以采用包括有硅衬底，掩埋氧化物层和硅处理晶片的预制SOI。如图31所示，顶部104可以包括具有第一侧面和第二侧面的氧化物分隔层106而且可以设置在处理晶片108上。另外，可以在氧化物分隔层106的第二侧面上设置导电或低电阻率层，例如，但不限于，外延硅，单晶硅，或多晶硅层，其中该层可以形成为用作隔板110。可替换地，可以在氧化物分隔层106的第二侧面上设置非导电或高电阻率层，例如，但不限于，外延硅，单晶硅，和多晶硅层，其中该层可以形成为用作隔板110。
此外，如图31所示，现在可以通过在SOI晶片和原始晶片之间采取熔焊的方式将顶部104设置在底部84上而形成结构102。可以采用机械抛光或者研磨，随后是利用蚀刻剂的湿法蚀刻以去除处理晶片108，其中该蚀刻剂是例如但不限于TMAH，KOH和EDP。可以通过BHF去除氧化物分隔层106。接着，如图31所示，可以在隔板110上设置上部电极113从而形成cMUT收发器112。图32所示为下部电极88上设置有阱96的cMUT收发器112。此外，本领域技术人员将会理解，也可以采用表面显微机械加工来形成螺柱和/或阱。由于表面显微机械加工，沉积隔板，而取代如在整体显微机械加工处理中从SOI晶片的焊接。其随后是去除隔板下的任何牺牲层，(如氧化物)，真空密封腔体，和顶部电极沉积。
上文所描述的工艺流程描述了在cMUT单元112的腔体中形成阱的过程。可以按照类似的过程在cMUT单元112的腔体中形成例如螺柱这样的突起部件。但是，根据本发明的示意性实施例，希望重掺杂区域依次位于螺柱的硅层中使得隔板优先被吸引到螺柱区，以得到减小的间隙宽度，从而改善接收模式的操作。
如前所述，根据本发明的其它实施例，可以制造如图13和14所示的双腔体单元这样的双腔体单元结构。如前所述，双腔体单元结构包括可以作为接收器工作的第一单元。此外，双腔体cMUT单元结构可以包括可以作为发射器工作的第二单元。根据本发明的其它方面，描述了用于制造双腔体cMUT单元结构的示意性方法。如前所述，可以采用参考图15-32所述的示意性方法来制造双腔体cMUT单元结构。该方法包括制造可以作为接收器工作的第一单元，该接收器cMUT单元可以包括下部电极和上部电极。此外，该方法可以继续限定制造可以工作在发射模式下的第二单元，该发射器cMUT单元可以包括下部电极和上部电极。此外，该方法可以继续限定在第一单元和第二单元之一中形成突起部件和凹陷部件中的一个。
图33是可以包括根据本发明各方面制造的示意性cMUT单元120的cMUT收发器系统118的方框图。系统118可以包括电阻器组122并且可以连接到cMUT单元120。此外，系统118可以包括可以连接到电阻器122的偏置电压组124，其可以由至少一个外部电压供电。此外，可以存在于偏置电压组中的DC-DC变换器可以产生各种的预定偏置电压，其可以是不连续的或者连续的。偏置电压组124可以采用设置在电路板上的分立电子元器件来实现。可替换地，偏置电压组可以作为专用集成电路(ASIC)来实现。通过采用ASIC来集成偏置电压组124和其它的功能块，可以得到芯片上系统(SOC)。
模块126可以包括多路复用器电路并且可以连接到电阻器122。可以连接到模块126的发射/接收(T/R)开关128典型地可以包括开关电路并且可以设计为在发射和接收信号之间进行转换。此外，系统118可以包括脉冲发生器130，其可以连接到T/R开关128并且可以用于产生AC触发脉冲。可以连接到T/R开关128的低噪声放大器(LNA)132可以用于增强信号。此外，根据本发明的示意性实施例，可以连接到T/R开关128的T/R控制块134可以用于协调偏置电压组124和T/R开关128的功能。可以采用可编程装置，例如但不限于现场可编程门阵列(FPGA)和逻辑电路，来实现T/R控制134。可以采用成品部件来作为脉冲发生器130和LNA 132。
当cMUT收发器120工作在发射模式下时，可以对cMUT收发器120施加由偏置电压组124提供的DC偏置电压和由脉冲发生器产生的AC触发脉冲。可以利用T/R控制134将偏置电压组124和T/R开关128设置为发射模式以将DC偏置电压和超声波脉冲输送到cMUT 120。这些超声波脉冲可以通过cMUT120转换为声信号。
当工作在接收模式下时，可以对cMUT 120施加由偏置电压组124提供的较大DC偏置电压。可以利用T/R控制134将偏置电压组124和T/R开关128设置为接收模式。根据所接收的反射声信号，cMUT 120可以将这些声信号转换为电信号。而且，这些电信号被输送到LNA 132以将信号放大。
根据本发明的一个方面，提供一种cMUT收发器。如上文参考附图所描述的，cMUT收发器可以包括下部电极。而且，隔板可以与下部电极相邻设置，使得在隔板和下部电极之间形成具有第一间隙宽度的间隙。此外，根据本发明的各方面，在间隙中可以形成有至少一个部件。该部件设置为在隔板和下部电极之间具有第二间隙宽度。在一个实施例中，第一间隙宽度大于第二间隙宽度。此外，该部件可以包括例如螺柱这样的突起部件。该部件还可以包括例如阱这样的凹陷部件。cMUT收发器可以包括连接到隔板的上部电极。此外，cMUT收发器可以包括偏置电压源，其可以在cMUT收发器工作期间用于使隔板向下部电极扩张。
上文所述的cMUT收发器10和制造cMUT收发器的方法能够制造出具有灵敏度提高的cMUT收发器。可以大大提高cMUT收发器作为发射器和接收器工作时的性能。可以发现这些cMUT收发器应用于各种领域，如医学成像，非破坏性测定，无线通信，安全应用，气体检测，以及其它应用。
此外，上文所述的双腔体cMUT单元28以及制造双腔体cMUT单元的方法有利于优化用于发射和接收信号的单个单元的工作，这使得双腔体cMUT单元的灵敏度提高。可以发现这些双腔体cMUT单元应用于各种领域，如医学成像，非破坏性测定，无线通信，安全应用，气体检测，以及其它应用。
虽然这里仅仅示出并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可以进行许多修改和变化。因此，应该理解所附的权利要求旨在涵盖本发明的实质精神内的所有修改和变化。

Claims (10)

1、一种电容性显微机械加工的超声波传感器单元(10)，包括：
下部电极(12)；
与下部电极(12)相邻设置的隔板(16)，使得在隔板(16)和下部电极(12)之间形成具有第一间隙宽度的间隙；以及
形成在间隙中的至少一个部件，其中该至少一个部件设置为在隔板(16)和下部电极(12)之间具有第二间隙宽度。
2、权利要求1的电容性显微机械加工的超声波传感器单元(10)，其中该至少一个部件包括突起部件。
3、权利要求1的电容性显微机械加工的超声波传感器单元(10)，其中该至少一个部件包括凹陷部件。
4、一种电容性显微机械加工的超声波传感器单元(10)，包括：
下部电极(12)，包括顶部和底部；
多个支柱(14)，设置在下部电极(12)的顶部上并限定出腔体(20)；
隔板(16)，设置在多个支柱(14)上以提供以隔板(16)和下部电极(12)为边界的间隙；
设置在隔板(16)上的上部电极(18)；以及
至少一个部件，形成在腔体(20)中并且被构成为在下部电极(12)和上部电极(18)之间具有间隙宽度，该间隙宽度小于腔体(20)的深度。
5、权利要求4的电容性显微机械加工的超声波传感器单元(10)，还包括偏置电压源，其中该偏置电压源被构成为使隔板(16)朝向下部电极(12)扩张。
6、一种用于制造电容性显微机械加工的超声波传感器单元的方法，该方法包括：
在下部电极(12)上形成多个支柱以在支柱(14)之间限定出腔体(20)；
在腔体(20)中形成至少一个部件；
在多个支柱(14)上设置隔板以在下部电极(12)和隔板(16)之间形成间隙；以及
在隔板(16)上设置上部电极。
7、一种电容性显微机械加工的超声波传感器单元结构(28)，该结构包括：
形成为工作在接收模式下的第一单元(30)，该第一单元(30)包括下部电极(34)和上部电极(40)；
形成为工作在发射模式下的第二单元(32)，该第二单元(32)包括下部电极(42)和上部电极(46)；
多个支柱(36)，被设置成在每个第一单元(30)和第二单元(32)之间形成腔体；
多个隔板(38，44)，设置在支柱(36)上；以及
突起部件和凹陷部件中的至少一个，其形成在第一单元(30)和第二单元(32)之一的腔体中。
8、一种用于制造电容性显微机械加工的超声波传感器单元结构的方法，该方法包括：
制造在工作于接收模式下的单元中的第一单元，该第一单元(30)包括下部电极(34)和上部电极(40)；以及
制造在工作于发射模式下的单元中的第二单元，该第二单元(32)包括下部电极(42)和上部电极(46)。
9、权利要求8的方法，还包括在第一单元(30)和第二单元(32)之一中形成突起部件和凹陷部件中的一个。
10、一种系统(118)，包括：
电容性显微机械加工的超声波传感器(120)；
连接到电容性显微机械加工的超声波传感器(120)的电阻器(122)；
连接到电阻器(122)的偏置电压组(124)；
连接到电阻器(122)的多路复用器(126)；
开关(128)，其连接到多路复用器(126)并且控制电容性显微机械加工的超声波传感器(120)的工作模式；
控制电路(134)，其连接到开关(128)并且控制偏置电压组(124)和开关(128)的操作；
脉冲发生器(130)，其连接到开关(128)并且产生交流触发脉冲；以及
低噪声放大器(132)，其连接到开关(128)并且放大信号。
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