DE10122765A1 - Electroacoustic transducer for generating or detecting ultrasound, transducer array and method for manufacturing the transducer or transducer array - Google Patents
Electroacoustic transducer for generating or detecting ultrasound, transducer array and method for manufacturing the transducer or transducer arrayInfo
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Abstract
Es wird ein elektroakustischer Wandler sowie ein Wandler-Array angegeben zur Erzeugung oder Erfassung von Ultraschall, mit einem festen, biegesteifen Substrat, einer flexiblen Membran aus einem Halbleitermaterial, deren Rand an dem Substrat befestigt ist, einem Hohlraum zwischen Membran und Substrat, und Elektroden zum Anlegen oder Abgreifen einer Spannung zwischen der Membran und dem Substrat. Die Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene lokale Zonen Z¶1¶, Z¶2¶, der Membran (8) eine verschieden hohe Fremdstoffkonzentration N¶1¶, N¶2¶, und/oder Massebelegung M¶1¶, M¶2¶ aufweisen.There is an electroacoustic transducer and a transducer array for generating or detecting ultrasound, with a solid, rigid substrate, a flexible membrane made of a semiconductor material, the edge of which is attached to the substrate, a cavity between the membrane and the substrate, and electrodes for Applying or tapping a voltage between the membrane and the substrate. The invention is characterized in that at least two different local zones Z¶1¶, Z¶2¶, the membrane (8) have a different concentration of foreign substances N¶1¶, N¶2¶, and / or mass assignment M¶1¶, Have M¶2¶.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler zur Erzeugung oder Erfassung von Ultraschall, mit einem festen, biegesteifen Substrat, einer flexiblen Membran aus einem Halbleitermaterial, deren Rand an dem Substrat befestigt ist, einem Hohlraum zwischen Membran und Substrat, und Elektroden zum Anlegen oder Abgreifen einer Spannung zwischen der Membran und dem Substrat, wobei die Membran mit Feststoffen dotiert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein aus derartigen Wandlern aufgebautes Array und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Wandler bzw. Wandler-Arrays.The invention relates to an electroacoustic transducer for generating or Detection of ultrasound, with a solid, rigid substrate, a flexible Membrane made of a semiconductor material, the edge of which is attached to the substrate, a cavity between the membrane and the substrate, and electrodes for application or tapping a voltage between the membrane and the substrate, wherein the membrane is doped with solids. The invention further relates to a Array constructed in such transducers and a method for producing such Transducers or transducer arrays.
Derartige elektroakustische Wandler sind bekannt und kommen in einer Reihe kommerzieller Anwendungen, beispielsweise bei der zerstörungsfreien Werkstoff prüfung oder der medizinischen Diagnostik zum Einsatz. Mit Hilfe derartiger Wandler können Systeme zur Abstandsmessung oder zur Durchflußmessung realisiert oder aber Gestaltmerkmale mittels bildgebender Verfahren in akustisch transparenten Körpern, beispielsweise dem menschlichen Körper, aufgenommen werden. Such electroacoustic transducers are known and come in a row commercial applications, for example in the non-destructive material testing or medical diagnostics. With the help of such converters can implement systems for distance measurement or flow measurement or but design features by means of imaging processes in acoustically transparent Bodies, for example the human body.
Zur Erzeugung von Ultraschall wird bei derartigen Wandlern die flexible Membran mittels einer elektrischen Wechselspannung ausgelenkt, mit einer Frequenz, die der mechanischen Resonanzfrequenz des Systems entspricht. Der nutzbare Ultraschall wird durch die mechanische periodische Auslenkung der Membran und der damit abwechselnden Kompression und Verdünnung der Gas- oder Flüssigkeitsumgebung in Form von Druckgradienten auf der Vorderseite der Membran erzeugt. Der resultierende Ultraschall breitet sich von dieser Membran ausgehend in dem umgebenden Gas oder in Flüssigkeit aus. Neben der anregenden Wechselspannung wird zwischen den beiden Elektroden zudem eine vom Betrag größere Ruhespan nung angelegt, damit die Membran eine Schwingung in der Frequenz der anregen den Wechselspannung ausführt. Tritt umgekehrt Ultraschall von außen auf die Membran auf und erregt diese in ihrer mechanischen Resonanz, so führt dies zur Auslenkung der Membran, und hierdurch wird der Abstand zwischen den beiden Elektroden, d. h. der Membran und des Substrats, verändert. Durch eine geeignete Auswerteschaltung können diese Abstandsänderungen als Kapazitätsänderungen gemessen werden, die dem auftreffenden Ultraschall proportional sind.In such transducers, the flexible membrane is used to generate ultrasound deflected by means of an alternating electrical voltage, at a frequency which the mechanical resonance frequency of the system corresponds. The usable ultrasound is due to the mechanical periodic deflection of the membrane and thus alternating compression and dilution of the gas or liquid environment generated in the form of pressure gradients on the front of the membrane. The resulting ultrasound spreads from this membrane in the surrounding gas or liquid. In addition to the stimulating AC voltage between the two electrodes there is also a larger quiescent chip voltage applied so that the membrane excite an oscillation in the frequency of the the AC voltage executes. Conversely, external ultrasound occurs on the Membrane and excites it in its mechanical resonance, this leads to Deflection of the diaphragm, and this causes the distance between the two Electrodes, d. H. the membrane and the substrate. By a suitable one Evaluation circuit can these changes in distance as changes in capacity are measured, which are proportional to the incident ultrasound.
Die mechanische Resonanz der Membran wird insbesondere von der mechanischen Steifigkeit der Membran und von deren Einspannung sowie der Beschaffenheit des unterhalb der Membran befindlichen Hohlraums bestimmt. Die mechanische Steifigkeit wiederum ist einerseits von den geometrischen Abmessungen der flexiblen Membran und andererseits von ihrer mechanischen Eigenspannung und weiterer Materialparameter bestimmt. Dabei ist es nachteilig, dass die bekannten elektroakustischen Wandler, die als Membranschwinger arbeiten, aufgrund ihres Aufbaus nur in einem relativ geringen Frequenzbereich betrieben werden können, der durch die Breite der Resonanzüberhöhung des Wandlers, also durch seine nutzbare Bandbreite, bestimmt ist. Für den Einsatz als Bildwandler bei bildgebenden Ultraschall-Diagnoseverfahren sind jedoch Wandler mit geringer aktiver Bandbreite nachteilig, da bei der Bildverarbeitung impulsförmige Signale und deren unter schiedliche Laufzeiten durch verschiedene Substanzen, beispielsweise Körpergewe be, detektiert werden müssen. Die Verarbeitung von impulsförmigen Signalen ist jedoch auf Wandler angewiesen, die eine große nutzbare Bandbreite besitzen. The mechanical resonance of the membrane is particularly influenced by the mechanical Rigidity of the membrane and its clamping as well as the nature of the cavity located below the membrane determined. The mechanical Stiffness, on the other hand, is due to the geometric dimensions of the flexible membrane and on the other hand from their mechanical residual stress and further material parameters determined. It is disadvantageous that the known electroacoustic transducers that work as membrane vibrators due to their Can only be operated in a relatively low frequency range, that by the width of the resonance increase of the transducer, that is by its usable bandwidth is determined. For use as an image converter for imaging However, ultrasound diagnostic methods are transducers with a low active bandwidth disadvantageous because the image processing pulse signals and their under Different run times due to different substances, for example body tissues be, must be detected. The processing of pulse-shaped signals is however, relies on converters that have a large usable bandwidth.
Aus der US 5,870,351 ist ein elektroakustischer Wandler der eingangs genannten Art sowie ein Wandlerarray bekannt, welches eine Vielzahl derartiger Wandler mit unterschiedlich großen Membranen umfasst. Die Größe der Membranfläche legt die mechanische Resonanzfrequenz des betreffenden Wandlers fest, und die Größen in dem bekannten Wandler-Array werden so aufeinander abgestimmt, dass die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Wandler einen vorgegebenen Abstand voneinander aufweisen, dass also Wandler mit ganz unterschiedlichen Resonanz frequenzen in dem Wandler-Array vorhanden sind, so dass sich die gesamte Bandbreite des Wandler-Arrays aus einer Überlagerung der einzelnen - beabstande ten - Resonanzkurven der einzelnen Wandler ergeben. Die Herstellung derartiger bekannter Arrays mit unterschiedlich großen Membranen ist nicht flächenoptimal. Um die Vergrößerung der nutzbaren Bandbreite zu verwirklichen, werden in dem Array - pro Flächeneinheit - nur jeweils relativ wenige Wandler mit gleich großer Membran angeordnet sein, d. h. die lokale Dichte der jeweiligen Membran-Größen ist vergleichsweise gering, die lokale Auflösung ist daher unbefriedigend, wenn derartige Wandler-Arrays beispielsweise für die Bildbearbeitung eingesetzt werden. Außerdem besteht bei der Wandlerstruktur gemäß US 5,870,351 die flexible Membran aus Isolatormaterial, und die mit der Membran verbundene Elektrode ist als Metallschicht auf die Membran aufgebracht, so dass zwischen der ersten, substratfesten Elektrode und der zweiten Elektrode zusätzlich zu dem Hohlraum auch noch die Membrandicke vorhanden ist, wodurch die Ruhekapazität, um die herum die Kapazitätsänderung infolge einer Membranauslenkung erfolgt, ent sprechend kleiner, die Detektion der Kapazitätsänderung und damit des Ultraschalls weniger empfindlich ist.From US 5,870,351 is an electroacoustic transducer of the aforementioned Art and a transducer array known, which a variety of such transducers different sized membranes. The size of the membrane area defines the mechanical resonance frequency of the transducer in question, and the sizes in the known transducer array are coordinated so that the Resonance frequencies of the various transducers a predetermined distance have from each other, that is transducers with very different resonance frequencies are present in the transducer array so that the entire Bandwidth of the transducer array from an overlay of the individual - distances ten - give resonance curves of the individual transducers. The manufacture of such Known arrays with membranes of different sizes are not optimal in terms of area. In order to increase the usable bandwidth, the Array - per unit area - only relatively few transducers with the same size Membrane be arranged, d. H. the local density of the respective membrane sizes is comparatively low, the local resolution is therefore unsatisfactory if converter arrays of this type are used, for example, for image processing. In addition, the converter structure according to US 5,870,351 is flexible Membrane made of insulator material, and is the electrode connected to the membrane applied to the membrane as a metal layer, so that between the first, substrate-fixed electrode and the second electrode in addition to the cavity also the membrane thickness is present, which increases the resting capacity to the around the capacity change occurs due to a membrane deflection, ent speaking smaller, the detection of the change in capacitance and thus the ultrasound is less sensitive.
Aus der Vortragsveröffentlichung "A new class of capacitive micromachined ultrasonic transducers" von Ahrens et al., gehalten auf "Ultrasonic Symposium 2000", Puerto Rico, Oct. 2000, sind Wandler der eingangs genannten Art bekannt, bei denen die flexible Membran aus einem uniform dotierten polykristallinen Siliziummaterial besteht. Aufgrund einer relativ hohen Dotierung mit Dotierstoffen besitzt die Membran eine gute Leitfähigkeit und lässt sich dadurch als Gegenelektrode zu der substratfesten Basiselektrode einsetzen. Dadurch ist das Verhältnis aus Kapazitätsänderung und Ruhekapazität bei einer Auslenkung der Membran bei Ultraschallerzeugung/Beaufschlagung erfolgt, größer, und die Empfindlichkeit, mit der Ultraschall detektiert werden kann, ist entsprechend größer. Nachteilig ist dabei, dass durch diejenigen Randbereiche der Membran, die wegen ihrer Nähe zu dem eingespannten Rand keine oder nahezu keine Auslenkung erfahren, gleichwohl nicht nutzbare Kapazitätsanteile zur Ruhekapazität beisteuern. Zur Vergrößerung der aktiven Bandbreite sind wiederum - entsprechend der Lehre der US 5,870,351 - diese bekannten Wandler mit unterschiedlicher Membrangröße nebeneinander auf der Fläche zu verteilen.From the lecture publication "A new class of capacitive micromachined ultrasonic transducers "by Ahrens et al., held at" Ultrasonic Symposium 2000 ", Puerto Rico, Oct. 2000, converters of the type mentioned at the outset are known, where the flexible membrane is made of a uniformly doped polycrystalline There is silicon material. Due to a relatively high doping with dopants the membrane has good conductivity and can therefore be used as a counter electrode to the substrate-fixed base electrode. This ends the relationship Capacity change and resting capacity when the membrane deflects Ultrasound generation / exposure takes place, larger, and the sensitivity with the ultrasound can be detected is correspondingly larger. The disadvantage is that through those edge areas of the membrane that because of their proximity to that clamped edge experience no or almost no deflection, however not Contribute usable capacity shares to the rest capacity. To enlarge the active bandwidth are in turn - according to the teaching of US 5,870,351 - these known transducers with different membrane size side by side to distribute the area.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wandler oder ein Wandler-Array der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die nutzbare Bandbreite des Wandlers bzw. des Arrays vergrößert ist. Aufgabe ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung des Wandlers bzw. des Wandler-Arrays anzugeben.The object of the invention is to provide a converter or a converter array at the beginning mentioned type in such a way that the usable bandwidth of the converter or the array is enlarged. It is also the task of a method of manufacture of the converter or converter array.
Diese Aufgabe wird bei dem Wandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens zwei verschiedene lokale Zonen Z1, Z2, der Membran eine verschieden hohe Fremdstoffkonzentration N1, N2, und/oder Massebelegung M1, M2 aufweisen.This object is achieved according to the invention in the converter of the type mentioned at the outset in that at least two different local zones Z 1 , Z 2 , the membrane have a different concentration of foreign substances N 1 , N 2 , and / or masses M 1 , M 2 .
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass die unterschiedlich starke Dotierung verschiedener lokaler Zonen oder Flächen der Membran mit Fremdstoffen und/oder die unterschiedlichen Massenbelegungen dieser Zonen, die material spezifischen oder herstellungsspezifischen Eigenschaften, wie beispielsweise den E-Modul, die Membrandichte oder die Poissonzahl des Halbleitermaterials bzw. die Membrandicke und die Membraneigenspannung verändert, so dass Zonen unter schiedlicher mechanischer Materialeigenschaften entstehen mit der Folge, dass die verschiedenen Zonen der Membran verschiedene diskrete Resonanzfrequenzen aufweisen, wodurch die nutzbare Bandbreite des Wandlers - bei Überlagerung der Einzelresonanzen - verbreitert wird. Erfindungsgemäß ist es also möglich, durch Dotierungsprozesse bzw. durch chemische oder physikalische Ätzprozesse oder durch chemische oder physikalische Materialabscheidung (chemical vapor deposition CVD bzw. physical vapor deposition PVD), die in der Halbleitertechnolo gie außerordentlich präzise beherrscht werden, dem einzelnen Wandler und dem aus diesen Wandlern aufgebauten Wandler-Array eine vergrößerte nutzbare Bandbreite und damit verbesserte Eigenschaften zu verleihen.The advantages of the invention are in particular that the different strengths Doping various local zones or areas of the membrane with foreign substances and / or the different mass assignments of these zones, the material specific or manufacturing-specific properties, such as the E-module, the membrane density or the Poisson number of the semiconductor material or the Membrane thickness and the membrane residual stress changed so that zones under Different mechanical material properties arise with the consequence that the different zones of the membrane different discrete resonance frequencies have, whereby the usable bandwidth of the converter - when superimposing the Individual resonances - is broadened. According to the invention, it is therefore possible to Doping processes or by chemical or physical etching processes or by chemical or physical material deposition (chemical vapor deposition CVD or physical vapor deposition PVD) used in semiconductor technology be controlled extremely precisely, the individual converter and the an increased usable bandwidth and thus to give improved properties.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine erste Elektrode, auch als Basiselektrode bezeichnet, an der Oberfläche des Substrats angeordnet, welche der Membran benachbart ist, also an den Hohlraum angrenzt. Bevorzugt besteht das Substrat aus Halbleitermaterial. Alternativ ist das Substrat auch als ein Grundkörper aus Isolatormaterial mit einer oberen Halbleiterschicht realisierbar. Auf der dem Hohlraum zugewandten Seite ist bevorzugt die erste Elektrode oder Basiselektrode durch eine hochdotierte leitende Zone in dem Substrat verwirklicht.According to a particularly preferred embodiment of the invention is a first Electrode, also referred to as a base electrode, on the surface of the substrate arranged, which is adjacent to the membrane, ie adjacent to the cavity. The substrate preferably consists of semiconductor material. Alternatively, the substrate is also as a base body made of insulator material with an upper semiconductor layer realizable. The first is preferably on the side facing the cavity Electrode or base electrode through a highly doped conductive zone in the substrate realized.
Besonders bevorzugt werden als Fremdstoffe zum Dotieren der verschiedenen Membranzonen Dotierstoffe, also Donatoren oder Akzeptoren, eingesetzt, welche neben den mechanischen Eigenschaften des Halbleitermaterials auch die elek trischen Eigenschaften verändern.Particularly preferred as foreign substances for doping the various Membrane zone dopants, i.e. donors or acceptors, are used, which in addition to the mechanical properties of the semiconductor material, the elec change trical properties.
Bevorzugt wird eine zentrale Zone der Membran mit Donatoren oder Akzeptoren besonders stark dotiert und weist dadurch eine hohe Leitfähigkeit aus, aufgrund derer die Membran selbst als zweite Elektrode geschaltet werden kann und die Gegenelektrode zu der Basiselektrode bildet. Bei dieser Ausführungsform liegen die beiden Elektroden, welche zum Anlegen der Erzeugerspannung bzw. zum Abgreifen der erzeugten Spannungsänderungen/Kapazitätsänderungen dienen, unmittelbar an der Grenzschicht zu dem Hohlraum, besitzen also einen besonders geringen Abstand zueinander, wodurch die entsprechende Ruhekapazität bzw. die Kapazitätsänderungen besonders groß sind. Der Wandler besitzt daher eine größere Empfindlichkeit als bei Ausführungsformen, bei denen die Elektroden einen größeren Abstand voneinander besitzen. Durch die hohe Dotierstoffkonzentration N einzelner örtlicher Zonen, d. h. durch die definierte örtlich eingegrenzte Einbringung von Dotierstoffen, Donatoren oder Akzeptoren, werden die entsprechenden Zonen gezielt zu elektrischen Leitern bzw. Elektroden. Hierdurch wird die zwischen der Basiselektrode und der Gegenelektrode vorhandene Kapazität beeinflusst, unerwünschte Kapazitätsanteile werden reduziert, die sich ansonsten insbesondere am Randbereich der Membran ausbilden und das Signal-Rausch-Verhältnis reduzieren.A central zone of the membrane with donors or acceptors is preferred particularly heavily doped and therefore has a high conductivity due to which the membrane itself can be switched as a second electrode and which Forms counter electrode to the base electrode. In this embodiment, the two electrodes, which are used to apply the generator voltage or to tap of the generated voltage changes / changes in capacity serve immediately the boundary layer to the cavity, so have a particularly low Distance from each other, whereby the corresponding resting capacity or Changes in capacity are particularly large. The converter therefore has a larger one Sensitivity than in embodiments in which the electrodes are larger Distance from each other. Due to the high dopant concentration N individual local zones, d. H. through the defined local introduction of Dopants, donors or acceptors become the corresponding zones targeted to electrical conductors or electrodes. As a result, the between the Base electrode and the counter electrode influences the existing capacity, unwanted capacity shares are reduced, which are otherwise particularly at the edge of the membrane and form the signal-to-noise ratio to reduce.
Bevorzugt ist die Membran über eine isolierende Zwischenschicht mit ihrem Rand umlaufend an dem Substrat befestigt oder eingespannt.The edge of the membrane is preferred over an insulating intermediate layer attached or clamped all around on the substrate.
Die lokale Dotierung einer definierten, örtlich eingegrenzten Zone der Membran erfolgt mit den bekannten Verfahren zur strukturierten Stoffeinbringung. Durch die Dotierung einzelner Zonen mit Fremdstoffatomen in unterschiedlicher Konzentration N werden die mechanischen Eigenschaften dieser Zonen unterschiedlich beeinflusst. Insbesondere wird der E-Modul und/oder die Poissonzahl und/oder die Mem brandichte und die mechanische Eigenspannung der an dem Substrat randseitig umlaufend eingespannten Membran lokal entsprechend verändert, und zwar in dieser besonderen Ausführungsform mit zunehmender Fremdstoffkonzentration reduziert. Die Eigenspannung ist ein Maß für die Steifigkeit der betreffenden Membran-Zone. Aufgrund der veränderten Steifigkeit besitzt die betreffende hochdotierte Zone eine andere mechanische Resonanz als die gesamte Membran einschließlich der hochdotierten Zone. Insgesamt stellt sich in der Membran eine resultierende Eigenspannung ein, die sich gegenüber der Eigenspannung der ganzflächig homogenen Membran unterscheidet.The local doping of a defined, localized zone of the membrane takes place with the known methods for structured material introduction. Through the Doping individual zones with foreign substance atoms in different concentrations N the mechanical properties of these zones are influenced differently. In particular, the modulus of elasticity and / or the Poisson number and / or the mem fire-resistant and the mechanical residual stress on the edge of the substrate circumferentially clamped membrane changed locally accordingly, namely in this particular embodiment with increasing foreign substance concentration reduced. The residual stress is a measure of the rigidity of the concerned Membrane zone. Due to the changed stiffness, the one in question highly doped zone has a different mechanical resonance than the entire membrane including the highly doped zone. Overall, there is one in the membrane resulting residual stress, which is compared to the residual stress of the homogeneous membrane over the entire surface.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung trägt entweder die Membran auf ihrer Unterseite bzw. das Substrat auf seiner Oberseite eine Isolierschicht. Dadurch wird verhindert, dass Membran und Substrat einander berühren und elektrischen Kontakt bilden, der den Wandler beschädigen könnte. According to a further particularly preferred embodiment of the invention either the membrane on its underside or the substrate on its top an insulating layer. This prevents the membrane and substrate from joining each other touch and make electrical contact that could damage the converter.
Zwischen der hochdotierten zentralen Zone und der schwach dotierten bzw. undotierten Randzone lässt sich erfindungsgemäß noch eine umlaufende dritte Zone vorsehen, die konzentrisch um die zentrale Zone umläuft und deren Fremdstoff konzentration N von derjenigen der beiden anderen Zonen verschieden ist. Zwischen der konzentrisch umlaufenden dritten Zone und der zentralen ersten Zone kann noch eine Zwischenzone angeordnet sein, die eine eigene, von den anderen Fremdstoff konzentrationen abweichende Fremdstoffkonzentration N besitzt, die jedoch bevorzugt wie die Randzone undotiert oder schwach dotiert ist. Statt konzentrisch angeordneter Zonen lassen sich die verschieden dotierten Zonen auch beliebig, also beispielsweise nebeneinander oder als Inseln innerhalb anderer Zonen anordnen. Die Form der Membran ist bevorzugt rund oder quadratisch oder hexagonal oder polygonal.Between the highly doped central zone and the weakly doped or According to the invention, an undoped edge zone can also be a circumferential third zone provide that concentric around the central zone and its foreign matter concentration N is different from that of the other two zones. Between the concentrically rotating third zone and the central first zone can still an intermediate zone can be arranged, one of its own, from the other foreign matter Concentrations deviating foreign substance concentration N has, however preferably how the edge zone is undoped or weakly doped. Instead of concentric arranged zones, the differently doped zones can also be arbitrarily, that is for example, side by side or as islands within other zones. The The shape of the membrane is preferably round or square or hexagonal or polygonal.
Als Material für das Substrat wird in einer bevorzugten Ausführungsform monokristallines Silizium verwendet, dessen an den Hohlraum angrenzende Oberfläche eine stark dotierte und damit gut leitende Zone besitzt, welche die Basis elektrode darstellt. Die Basiselektrode ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung ihrerseits über eine in das Substrat eingebrachte hochdotierte Halbleiterstruktur elektrisch kontaktierbar. Die Membran besteht in dieser Ausführungsform aus polykristallinem Silizium, welches am Rand schwach oder nicht dotiert ist und in der zentralen Zone ebenfalls eine hohe Dotierungskonzentration N aufweist.In a preferred embodiment, the material for the substrate is monocrystalline silicon is used, its adjacent to the cavity Surface has a heavily doped and therefore highly conductive zone, which is the basis represents electrode. The base electrode is in this embodiment of the invention in turn via a highly doped semiconductor structure introduced into the substrate electrically contactable. In this embodiment, the membrane consists of polycrystalline silicon, which is weakly or not doped at the edge and in the central zone also has a high doping concentration N.
In der vorliegenden Patentanmeldung bedeutet N die Fremstoffkonzentration bei einer Dotierung der Membran mit beliebigen geeigneten Fremdstoff-Atomen, insbesondere jedoch auch bei einer Dotierung mit Dotierstoffen, also Donatoren oder Akzeptoren. Im letzteren Fall wird N auch als Dotierungskonzentration oder Dotierstoffkonzentration bezeichnet. Ni, mit i = 2, 3, . . . bedeutet die Fremdstoffkon zentration in der lokalen Zone Zi.In the present patent application, N means the impurity concentration when the membrane is doped with any suitable impurity atoms, but in particular also when doping with dopants, ie donors or acceptors. In the latter case, N is also referred to as the doping concentration or dopant concentration. N i , with i = 2, 3,. , , means the foreign substance concentration in the local zone Z i .
Mi, mit i = 2, 3, . . . bedeutet die Massebelegung der Membran, die als Masse/ Flächeneinheit definiert ist, jeweils in der lokalen Zone Zi. M i , with i = 2, 3,. , , means the mass assignment of the membrane, which is defined as mass / area unit, in each case in the local zone Z i .
Die Erfindung betrifft außerdem ein Array aus mehreren kapazitiven Membran schwingern, die alle auf einem gemeinsamen festen, biegesteifen Substrat angeordnet sind und einen Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweisen.The invention also relates to an array of several capacitive membranes vibrate, all on a common solid, rigid substrate are arranged and have a structure according to one of claims 1 to 16.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzen die Membranen in einem derartigen Array von Ultraschallwandlern alle dieselbe Größe. Alternativ besitzen die Membranen verschiedene Größen und/oder verschiedene Dicken, um die Resonanz frequenzen der einzelnen Wandler unterschiedlich auszulegen. Zusätzlich - oder bei gleich großen Membranen alternativ - lassen sich die Membranen der einzelnen Wandler auch unterschiedlich stark mit Fremdstoffen dotieren, und/oder mit verschiedenen Massebefegungen versehen, um auf diese Weise die mechanischen Eigenspannungsbereiche der einzelnen Wandler noch stärker voneinander zu unterscheiden.According to one embodiment of the invention, the membranes are in one such array of ultrasonic transducers are all the same size. Alternatively, they have Membranes of different sizes and / or different thicknesses to get the resonance to interpret the frequencies of the individual transducers differently. In addition - or at membranes of the same size alternatively - the membranes of the individual Doping transducers with different amounts of foreign substances, and / or with various mass movements to ensure the mechanical Residual stress ranges of the individual transducers from each other to an even greater extent differ.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandler- Arrays besitzen die Membranen und die Wandler alle denselben Aufbau und dieselbe Größe. In benachbarten Membranen werden jedoch vergleichsweise unterschiedlich große lokale Zonen mit einer hohen Fremdstoffkonzentration und/oder verschiedener Massenbelegung vorgesehen, die in benachbarten Membranen auch noch verschieden hoch sein kann, wodurch sich die mechani schen Eigenspannungen der benachbarten Wandler voneinander unterscheiden. Dadurch wird die gesamte aktive Bandbreite des Wandlerarrays aufgespreizt und vergrößert.In a particularly preferred embodiment of the converter The membranes and transducers all have the same structure and arrays same size. In neighboring membranes, however, are comparative local zones of different sizes with a high concentration of foreign substances and / or different mass occupancy provided in neighboring Membranes can also be of different heights, which means that the mechani distinguish between the residual stresses of the neighboring transducers. This spreads the entire active bandwidth of the transducer array and increased.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Wandlers oder eines Wandler-Arrays, deren Aufbau gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24 ausgebildet ist. Bei dem Verfahren wird eine flexible Membran aus Halbleitermaterial umlaufend an ihrem Rand auf einem biegesteifen und festen Substrat befestigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene lokale Zonen Zi, i = 2, 3, . . . der Membran mit Fremdstoffen unter schiedlich stark dotiert werden. Als Fremdstoffe werden bevorzugt die in der Halbleitertechnologie bekannten Dotierstoffe verwendet, welche bei ihrem Einbringen neben den mechanischen Eigenschaften der Membran auch ihre elektrische Eigenschaften verändern.The invention also relates to a method for producing a converter or a converter array, the construction of which is designed according to one of Claims 1 to 24. In the process, a flexible membrane made of semiconductor material is attached all around at its edge to a rigid and rigid substrate. The method according to the invention is characterized in that at least two different local zones Z i , i = 2, 3,. , , the membrane can be doped with different amounts of foreign substances. The dopants known in semiconductor technology are preferably used as foreign substances, which change their electrical properties in addition to the mechanical properties of the membrane when they are introduced.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass in verschiedenen Zonen Zi, i = 2, 3, . . . der Membran die Dicke der Membran durch Materialauftrag oder Materialabtrag, und damit die Massebele gung der Membran unterschiedlich eingestellt wird. Zu diesem Zweck wird die Dicke der Membran entweder durch chemisches oder physikalisches Ätzen lokal abgetragen oder es wird Material lokal durch chemisches oder physikalisches Abscheiden aus der Dampfphase aufgetragen.An embodiment of the method according to the invention is further characterized in that in different zones Z i , i = 2, 3,. , , the membrane the thickness of the membrane by material application or material removal, and thus the mass supply of the membrane is set differently. For this purpose, the thickness of the membrane is either removed locally by chemical or physical etching, or material is applied locally by chemical or physical deposition from the vapor phase.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unter ansprüche gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are due to the features of the sub claims marked.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The following are exemplary embodiments of the invention with reference to the drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 ein Diagramm, welches als Funktion der Zeit und Behandlungsart die mechanische Eigenspannung einer Membran und den spezifischen Flächenwiderstand angibt, die während einer Rekristallisationsphase und einer anschließenden Dotierungsphase in einer Membran vorlegen; Fig. 1 is a diagram that indicates, as a function of time and type of treatment, the mechanical residual stress of a membrane and the specific surface resistance, present during a recrystallization phase and a subsequent phase doping in a membrane;
Fig. 2a bis 2d einen Querschnitt eines elektroakustischen Wandlers in verschiedenen Phasen seiner Herstellung; FIG. 2a to 2d is a cross section of an electroacoustic transducer in various stages of its manufacture;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Wandler-Arrays aus mehreren in Zeilen und Spalten angeordneten Wandlern mit rechteckförmigen Membranen; Fig. 3 is a perspective view of a transducer array of a plurality of arranged transducers in rows and columns with rectangular membranes;
Fig. 4 die Membran eines elektroakustischen Wandlers jeweils in Aufsicht und mit verschieden dotierten Zonen; FIG. 4 shows the membrane of an electroacoustic transducer, respectively in plan view and with differently doped zones;
Fig. 5 die Membran eines elektroakustischen Wandlers in Aufsicht, dargestellt sind verschiedene Wandlerformen und verschiedene Zonen unter schiedlicher Dotierung; und Figure 5 shows the membrane of an electroacoustic transducer in plan view, are shown various transducers shapes and different zones under schiedlicher doping. and
Fig. 6 verschiedene Wandler-Arrays mit jeweils zugeordneter schematisch dargestellter resultierender Bandbreite. Fig. 6 different transducer arrays, each with associated schematically shown resulting bandwidth.
Fig. 1 zeigt die mechanische Eigenspannung, gemessen in MPa sowie den spezifischen Flächenwiderstand, gemessen in Ohm/sq, wie er typischerweise bei einer Kristallisation oder Rekristallisation einer Membran und bei einem an schließenden Dotierungsschritt vorliegt. Die Membran besteht in dem gemessenen Ausführungsbeispiel aus einer dünnen Halbleiterschicht von etwa 0,5 bis 2 µm. Beachtlich ist dabei, dass während einer Rekristallisationsphase die mechanische Eigenspannung der Membran, d. h. die Spannung in der Membranebene zuerst negativ sein kann und mit zunehmender Kristallisationszeit stark ansteigt, so dass die Membran mit der wachsenden Kristallisation immer gespannter und damit immer steifer wird. Wird anschließend die Membran dotiert, so nimmt die mechanische Eigenspannung als Funktion der Dotierungszeit und -konzentration wieder stark ab. Zudem stellt sich die Abnahme des spezifischen Widerstandes ein. Der in Fig. 1 dargestellte physikalische Effekt lässt sich erfindungsgemäß heranziehen, um die mechanischen Eigenschaften der Membran eines auf Halbleiterbasis hergestellten kapazitiven elektroakustischen Wandlers bereichsweise, d. h. in verschiedenen Teilflächen oder Zonen unterschiedlich einzustellen. Bei einer geringen Dotierungs konzentration N liegt eine vergleichsweise große mechanische Eigenspannung vor, mit zunehmender Dotierungskonzentration wird diese Eigenspannung reduziert. Fig. 1 shows the mechanical residual stress, measured in MPa and the specific surface resistance, measured in Ohm / sq, as is typically present in a crystallization or recrystallization of a membrane and in a subsequent doping step. In the exemplary embodiment measured, the membrane consists of a thin semiconductor layer of approximately 0.5 to 2 μm. It is noteworthy that during a recrystallization phase the mechanical internal stress of the membrane, ie the tension in the membrane plane can initially be negative and increases sharply with increasing crystallization time, so that the membrane becomes more and more tense with increasing crystallization and therefore always stiffer. If the membrane is subsequently doped, the mechanical residual stress as a function of the doping time and concentration decreases again sharply. In addition, the specific resistance decreases. The physical effect shown in FIG. 1 can be used according to the invention in order to adjust the mechanical properties of the membrane of a capacitive electroacoustic transducer produced on a semiconductor basis in different areas, ie differently in different partial areas or zones. With a low doping concentration N, there is a comparatively large mechanical residual stress; this residual stress is reduced with increasing doping concentration.
Die Fig. 2a bis 2c zeigen einen Querschnitt durch einen kapazitiven elektroakusti schen Wandler in verschiedenen Zeitpunkten seiner Herstellung. Fig. 2d zeigt eine zur Darstellung gemäß Fig. 2c alternative Ausführungsform. Ein Halbleitersubstrat 2 wird an seiner Oberfläche mit einer hoch dotierten Zone 4 versehen, die als erste Elektrode oder Basiselektrode des Wandlers dient und mit einer Anschlussleitung nach außen geführt ist. Über der ersten Elektrode 4 werden eine oder mehrere Opferschichten, außerhalb der Basiselektrode 4 und außerhalb der Opferschicht wird eine Isolierschicht 12 angeordnet. Über die Opferschicht 5, die aus mehreren Materialschichten bestehen kann, wird eine dünne Halbleiterschicht 7 aufgebracht, welche im dargestellten Beispiel undotiert oder nur eine schwache Dotierungskon zentration N aufweist. Die Halbleiterschicht 7 wird anschließend in den äußeren, die Opferschichten 5 teilweise noch überlappenden Zonen, beispielsweise mittels eines Fotolacks 30 abgedeckt. Die fotolackfreie zentrale Zone der Halbleiterschicht 7, die sich über der Basiselektrode 4 und den darüber liegenden Opferschichten 5 befindet, wird anschließend einem Dotierungsschritt unterworfen und erhält dadurch eine hohe Dotierungskonzentration an Dotierstoffen, beispielsweise an Donatoren oder an Akzeptoren. Anschließend wird der Fotolack 30 entfernt. Anschließend wird die Membranschicht strukturiert und erhält dadurch ihre endgültigen lateralen Abmessungen, also beispielsweise eine runde oder quadratische, hexagonale oder polygonale Form. Dann werden die Opferschichten 5 entfernt, auf diese Weise wird der Hohlraum 6 erzeugt. Schließlich wird die Membran 8 mittels schon vorhandener oder noch aufzubringender Isolierschichten 12 an ihrem Rand umlaufend mit dem Substrat verbunden und damit randseitig vollständig eingespannt. Abschließend wird eine metallische Anschlussleitung 20 aufgebracht, welche entweder über einen hochleitenden Steg am Rand der Membran bis zu der zentralen, hoch dotierten und damit gut elektrisch leitenden Zone Z1 verbunden vgl. Fig. 2c und 4b oder direkt bis zur zentralen Zone Z1 geführt und mit dieser kontaktiert wird, vgl. Fig. 2d. FIGS. 2a to 2c show a cross section through a capacitive transducer in elektroakusti rule different times its production. FIG. 2d shows an alternative embodiment to the representation according to FIG. 2c. A semiconductor substrate 2 is provided on its surface with a highly doped zone 4 , which serves as the first electrode or base electrode of the converter and is led to the outside with a connecting line. One or more sacrificial layers are arranged above the first electrode 4 , an insulating layer 12 is arranged outside the base electrode 4 and outside the sacrificial layer. A thin semiconductor layer 7 is applied over the sacrificial layer 5 , which can consist of several material layers, which in the example shown is undoped or has only a weak doping concentration N. The semiconductor layer 7 is then covered in the outer zones, which partially overlap the sacrificial layers 5 , for example by means of a photoresist 30 . The photoresist-free central zone of the semiconductor layer 7 , which is located above the base electrode 4 and the sacrificial layers 5 above, is then subjected to a doping step and thereby receives a high doping concentration of dopants, for example donors or acceptors. The photoresist 30 is then removed. The membrane layer is then structured and thereby receives its final lateral dimensions, for example a round or square, hexagonal or polygonal shape. Then the sacrificial layers 5 are removed, in this way the cavity 6 is created. Finally, the membrane 8 is connected circumferentially to the substrate at its edge by means of already existing or still to be applied insulating layers 12 and thus completely clamped in at the edge. Finally, a metallic connecting line 20 is applied, which is connected either via a highly conductive web at the edge of the membrane to the central, highly doped and thus well electrically conductive zone Z 1 , cf. Is guided Fig. 2c and 4b or directly to the central zone Z 1 and contacted with this, see FIG. Fig. 2d.
In Fig. 2c ist der typische Aufbau eines kapazitiven elektroakustischen Ultraschall wandlers auf Halbleitermaterial-Basis im Querschnitt dargestellt. Das Substrat 2 enthält eine erste Elektrode 4, die Basiselektrode, die als hoch dotierte Zone im Substrat 2 implementiert ist. Darüber befindet sich ein Hohlraum 6, über dem Hohlraum liegt die dünne, flexible Membran 8, die ebenfalls aus Halbleitermaterial besteht und an ihrem Rand mittels geeigneter Isolierschichten 12 isoliert gegen das Substrat 2 eingespannt ist.In Fig. 2c, the typical structure of a capacitive electroacoustic ultrasound transducer based on semiconductor material is shown in cross section. The substrate 2 contains a first electrode 4 , the base electrode, which is implemented as a highly doped zone in the substrate 2 . A cavity 6 is located above it, and above the cavity is the thin, flexible membrane 8 , which likewise consists of semiconductor material and is clamped against the substrate 2 at its edge by means of suitable insulating layers 12 .
Die Membran 8 gemäß Fig. 2c besitzt erfindungsgemäß unterschiedlich dotierte Zonen Z, die eine unterschiedliche Dotierungskonzentration N entweder aus Akzeptoren A oder Donatoren D aufweisen. In dem in Fig. 2c dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zentrale Zone Z1 mit einer hohen Dotierungskonzentration N1 versehen. Diese Zone Z1 besitzt daher - gemäß dem Diagramm nach Fig. 1 - eine geringe mechanische Eigenspannung. Die Randzone Z2 ist dagegen nicht oder nur schwach dotiert, sie weist die Dotierungskonzentration N2 auf. Diese Randzone Z2 besitzt daher eine vergleichsweise hohe mechanische Eigenspannung und somit Steifigkeit, vgl. Fig. 1.According to the invention, the membrane 8 according to FIG. 2 c has differently doped zones Z which have a different doping concentration N either from acceptors A or donors D. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2c, the central zone Z 1 is provided with a high doping concentration N 1 . This zone Z 1 therefore has - according to the diagram in FIG. 1 - a low mechanical residual stress. The edge zone Z 2 , on the other hand, is not or only weakly doped, it has the doping concentration N 2 . This edge zone Z 2 therefore has a comparatively high mechanical internal stress and therefore rigidity, cf. Fig. 1.
In der in Fig. 2c dargestellten Ausführungsform wird die hoch leitende zentrale Zone Z1 als zweite Elektrode - auch Membranelektrode genannt - verwendet, wegen der hoch leitenden Eigenschaften dieses zentralen Bereiches kann auf die ansonsten übliche zusätzliche Aufbringung einer Metallelektrode auf die Membran 8 verzichtet werden. Die beiden Elektroden 4, Z1 fluchten übereinander, sie enden seitlich einen vorgegebenen Abstand vor dem eingespannten, und damit unbeweglichen Rand der Membran 8. Dadurch ist sichergestellt, dass die Kapazität zwischen den Elektroden 4 und Z1 nur in demjenigen Bereich der Membran 8 definiert ist, welcher an der Bewegung der Membran 8, hervorgerufen durch eine angelegte Spannung oder durch auftreffenden Ultraschall, teilnimmt. Ungenützte Anteile der Ruhekapazität und im weiteren auch parasitäre Kapazitäten von Zuleitungen werden über die beiden Elektroden 4, Z1 nicht erfasst, sie reduzieren daher nicht die Mess empfindlichkeit.In the embodiment shown in FIG. 2c, the highly conductive central zone Z 1 is used as the second electrode - also called the membrane electrode - because of the highly conductive properties of this central area, the otherwise customary additional application of a metal electrode to the membrane 8 can be dispensed with. The two electrodes 4 , Z 1 are aligned one above the other, they end laterally at a predetermined distance in front of the clamped and thus immovable edge of the membrane 8 . This ensures that the capacitance between the electrodes 4 and Z 1 is only defined in that area of the membrane 8 which participates in the movement of the membrane 8 , caused by an applied voltage or by incident ultrasound. Unused portions of the quiescent capacitance and also parasitic capacitances of supply lines are not detected via the two electrodes 4 , Z 1 , so they do not reduce the measuring sensitivity.
In Fig. 2c ist diejenige Ausführungsform des Wandlers dargestellt, bei dem die hoch dotierte zentrale Zone Z1 einen schmalen, stegförmigen Abschnitt enthält, der sich bis zu dem Rand der Membran 8 hin erstreckt und dort direkt von einer elektrischen Anschlussleitung 20 kontaktiert ist. Eine derartige Konfiguration der Membran ist beispielsweise auch in Fig. 4b in Aufsicht dargestellt.In Fig. 2c that embodiment of the transducer is shown, in which the highly doped central zone Z 1 comprises a narrow, web-shaped portion up to the edge of the membrane 8 towards extends and is contacted there directly from an electrical connecting line 20. Such a configuration of the membrane is, for example, also shown in a top view in FIG. 4b.
Fig. 2d zeigt demgegenüber eine Ausführungsform des Wandlers, bei der die hoch dotierte zentrale Zone Z1 vollständig von der schwach bzw. nicht dotierten Randzone Z2 umgeben ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Randzone Z2 an einer Stelle - in dem dargestellten Querschnitt links - von einer Isolierschicht 12 abgedeckt, und über diese Isolierschicht 12 ist die elektrische Anschlussleitung 20 bis in die zentrale Zone Z1 geführt, um die zentrale Zone Z1 dort zu kontaktieren. In contrast, FIG. 2d shows an embodiment of the converter in which the highly doped central zone Z 1 is completely surrounded by the weakly or non-doped edge zone Z 2 . In this embodiment, the edge zone Z 2 is covered at one point - in the cross-section shown on the left - by an insulating layer 12 , and the electrical connecting line 20 is led via this insulating layer 12 into the central zone Z 1 , around the central zone Z 1 there to contact.
Fig. 3 zeigt ein Array aus mehreren Wandlern, das auf einem Halbleitersubstrat 2 angeordnet ist und jeweils eine erste Elektrode 4 und darüber eine rechteckförmige Membran 8 aufweist. Zwischen den Membranen verlaufen elektrische Anschluss leitungen 22, um die Elektroden 4, Z1 zu kontaktieren. Fig. 3 shows an array of a plurality of transducers disposed on a semiconductor substrate 2 and each having a first electrode 4 and above a rectangular diaphragm 8. Electrical connecting lines 22 run between the membranes in order to contact the electrodes 4 , Z 1 .
Die Fig. 4 zeigt Aufsichten auf verschiedene Membranen 8, die alle eine quadrati sche Grundform aufweisen und verschiedene, unterschiedlich dotierte Zonen Z2, Z3 und Z4. . . mit jeweils dem zugehörigen unterschiedlichen Fremdstoffkonzen trationen N1, N2, N3 und N4. . . zeigen, wobei als Fremdstoffe prinzipiell alle chemischen Elemente verwendet werden können. FIG. 4 shows plan views of various membranes 8, all of which have a specific basic shape and quadrati different, differently doped zones Z 2, Z 3 and Z 4. , , each with the associated different foreign substance concentrations N 1 , N 2 , N 3 and N 4 . , , show, in principle, all chemical elements can be used as foreign substances.
Fig. 5 zeigt ebenfalls Aufsichten auf verschiedene Membranen, die in unter schiedlichen Zonen Z1, Z2. . . mitunterschiedlichen Fremdstoffkonzentrationen N2. . . versehen sind. Während die Membranen gemäß Fig. 4 eine quadratische Gesamtfläche besitzen, sind die Membranen 8 gemäß Fig. 5 entweder rund, hexagonal oder quadratisch ausgebildet. Fig. 5 also shows top views of various membranes in different zones Z 1 , Z 2 . , , with different concentrations of foreign substances N 2 . , , are provided. While the membranes according to FIG. 4 have a square total area, the membranes 8 according to FIG. 5 are either round, hexagonal or square.
In den Fig. 4 und 5 sind hoch dotierte Zonen Z mit verschiedener Schraffur dargestellt, schwach oder undotierte Zonen sind nicht schraffiert. Allen Membranen gemäß Fig. 4 und 5 ist gemeinsam, dass die Randzone Z2 undotiert ist oder eine schwache Dotierung N2 besitzt. In bestimmten Fällen kann die Erniedrigung der mechanischen Eigenspannung in der Randzone durch eine Dotierung mit Fremd stoffen angestrebt werden. Demgegenüber ist bei nahezu allen dargestellten Ausführungsformen eine zentrale Zone Z1 vorgesehen, die eine hohe Fremdstoff konzentration N1 besitzt und die beispielsweise in Fig. 4b sogar mit einem Steg bis zum Rand der Membran herausgeführt ist, an welchem dann eine metallische Anschlussleitung die zentrale Zone Z1 kontaktiert.In Figs. 4 and 5 highly doped zones Z are shown with different hatching, weak or non-doped regions are not hatched. It is common to all membranes according to FIGS. 4 and 5 that the edge zone Z 2 is undoped or has a weak doping N 2 . In certain cases, the lowering of the mechanical residual stress in the peripheral zone can be aimed at by doping with foreign substances. In contrast, in almost all of the illustrated embodiments, a central zone Z 1 is provided which has a high concentration of foreign matter N 1 and which, for example in FIG. 4 b, is even led out with a web to the edge of the membrane, on which a metallic connecting line then runs the central zone Z 1 contacted.
In Fig. 4c sind zwei separate Zonen Z3, Z4 mit einer hohen Konzentration an Dotierstoffen N3, N4 versehen, die übrigen Bereiche der Membranen, auch Grundzone ZG genannt, schließen die Randzone Z2 ein und besitzen die schwache Dotierungskonzentration N2 bzw. sind nicht dotiert. Two separate zones Z 3, Z 4 are shown in Fig. 4c is provided with a high concentration of dopants N 3, N 4, referred to the remaining portions of the membranes, also subterranean zone Z G, the edge zone close Z 2 and have the weak doping concentration N 2 or are not endowed.
In allen Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und 5 sind an der Grundzone ZG, die auch die Randzone Z2 mit der schwachen Dotierungskonzentration N2 enthält, mindestens eine hoch dotierte Zone, beispielsweise die zentrale Zone Z1 mit der Dotierungskonzentration N1 eingebracht. In den Beispielen gemäß Fig. 4d, Fig. 4e und Fig. 4f sind in geringem Abstand von der zentralen Zone Z1 weitere umlaufende Zonen Z3 mit der hohen Konzentration N3 und die Zone Z4 mit der hohen Konzentration N4 in geringem Abstand von den benachbarten Zonen angeordnet, wobei die Dotierung der hoch dotierten Zonen eine identische Konzentration oder unterschiedliche Konzentrationen N an Fremdstoffen aufweisen können.In all embodiments according to FIGS. 4 and 5 are, at least, introduced, for example, the central zone Z 1, with the doping concentration N 1 to the base zone Z G, which also contains the peripheral zone Z2 with the weak doping concentration N 2 a highly doped zone. In the examples shown in Fig. 4d, FIG. 4e and FIG. 4f a small distance from the central zone Z 1 other peripheral zones Z 3 having the high concentration N 3 and the zone Z 4 with the high concentration N 4 at a short distance arranged from the adjacent zones, the doping of the highly doped zones having an identical concentration or different concentrations N of foreign substances.
Fig. 6 zeigt die schematische Aufsicht auf mehrere Wandler innerhalb verschiedener Wandler-Arrays. Das Array A ist gemäß dem Stand der Technik ausgebildet, bei dem alle Wandler eine identische Membran aufweisen, die sowohl hinsichtlich Größe als auch Gestalt als auch Dotierung identisch ist. Alle einzelnen Wandler besitzen daher eine scharfe Resonanzfrequenz, bei der die Membran in mechanische Schwingungen versetzt werden kann, d. h. die Bandbreite B des Wandler-Arrays ist gering, vgl. Fig. 6b. Fig. 6 shows the schematic plan view of multiple transducers within different transducer arrays. The array A is designed in accordance with the prior art, in which all transducers have an identical membrane which is identical in terms of size, shape and doping. All individual transducers therefore have a sharp resonance frequency at which the membrane can be set in mechanical vibrations, ie the bandwidth B of the transducer array is small, cf. Fig. 6b.
Fig. 6b zeigt ein Wandler-Array, bei dem viele erfindungsgemäße Wandler auf ein Substrat angebracht sind, wobei die einzelnen Membranen hoch dotierte zentrale Zonen Z1 mit der Fremdstoffkonzentration N1 und schwach dotierte Randzonen Z2 mit der niedrigen Fremdstoffkonzentration N2 aufweisen. Gemäß der Darstellung nach Fig. 6d besitzt somit jeder Wandler zwei verschiedene Resonanzfrequenzen, einmal gerät die gesamte Membran, d. h. die Randzone gemeinsam mit der zentralen Zone, in Resonanz, mit einer anderen Frequenz gerät dann die weniger steife zentrale Zone Z1 allein in Resonanz. Durch die Überlagerung zweier Resonanzen ergibt sich eine Verbreiterung der aktiven Bandbreite des Arrays, vgl. Fig. 6d. Fig. 6b shows a transducer array, in which many converter according to the invention are mounted on a substrate, where the individual membranes highly doped central zone Z 1, with the impurity concentration of N 1 and lightly doped peripheral zones Z 2 with the low impurity concentration N 2 have. According to the representation according to FIG. 6d, each transducer thus has two different resonance frequencies, one is that the entire membrane, ie the edge zone together with the central zone, is in resonance, with a different frequency then the less rigid central zone Z 1 is alone in resonance. The overlaying of two resonances results in a broadening of the active bandwidth of the array, cf. Fig. 6d.
Fig. 6e zeigt ein Wandler-Array, bei dem die zentralen Zonen Z1, Z3 wiederum mit der Konzentration N1 hoch dotiert sind, während die Randzonen Z2 eine schwache Dotierung besitzen. Außerdem sind die hoch dotierten Zonen Z bei unterschiedli chen Wandlern verschieden groß. Aufgrund dieser Konstellation ergeben sich wenigstens zwei und bis zu vier diskrete mechanische Resonanzen, die aus einer Überlagerung dieser Resonanzen entstehende gesamte nutzbare Bandbreite wird vergrößert, vgl. Fig. 6f. FIG. 6e shows a transducer array, wherein the central zones Z 1, Z 3 are, in turn, highly doped with N concentration of 1, while the edge zones Z 2 have a weak doping. In addition, the highly doped zones Z are different in size with different transducers. This constellation results in at least two and up to four discrete mechanical resonances, the total usable bandwidth resulting from a superimposition of these resonances is increased, cf. Fig. 6f.
Fig. 6g zeigt ein Wandler-Array, bei dem die Membranen alle dieselbe Fläche besitzen, und bei denen die zentralen hoch dotierten Zonen Z1 ebenfalls alle dieselbe Größe besitzen. Während jedoch einige Wandler eine hohe Dotierungskon zentration N11 aufweisen, besitzen andere Wandler eine hiervon abweichende hohe Dotierungskonzentration N12. Aus diesem Grund hat das dargestellte Wandlerfeld mindestens zwei und bis zu vier diskrete mechanische Resonanzfrequenzen. Die aus Überlagerung entstehende nutzbare gesamte Bandbreite ist entsprechend groß, vgl. Fig. 6h. FIG. 6g shows a transducer array in which the membranes all have the same area and in which the central, highly doped zones Z 1 also have the same size. However, while some transducers have a high doping concentration N 11 , other transducers have a differing high doping concentration N 12 . For this reason, the transducer field shown has at least two and up to four discrete mechanical resonance frequencies. The usable total bandwidth resulting from superimposition is correspondingly large, cf. Fig. 6h.
Claims (30)
einem festen, biegesteifen Substrat,
einer flexiblen, mit ihrem Rand an dem Substrat befestigten Membran aus Halbleitermaterial,
einem Hohlraum zwischen Membran und Substrat, und mit Elektroden zum Anlegen oder Abgreifen einer Spannung zwischen der Membran und dem Substrat,
wobei die Membran insbesondere mit Fremdstoffen dotiert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene lokale Zonen Z1, Z2, der Membran (8) eine verschieden hohe Fremdstoffkonzentration N1, N2, und/oder eine verschieden hohe Massebelegung M1, M2 aufweisen.1. Electroacoustic transducer for generating or detecting ultrasound, with
a solid, rigid substrate,
a flexible membrane made of semiconductor material with its edge attached to the substrate,
a cavity between the membrane and the substrate, and with electrodes for applying or tapping a voltage between the membrane and the substrate,
the membrane being doped in particular with foreign substances,
characterized in that at least two different local zones Z 1 , Z 2 , the membrane ( 8 ) have different concentrations of foreign matter N 1 , N 2 , and / or different levels of mass M 1 , M 2 .
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |