Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers und eine Anordnung einer Mehrzahl von kapazitiven Ultraschallwandlern. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen von kapazitiven Ultraschallwandlern (”Capacitive micro-machined ultrasonic transducers”, CMUT) für einen Betrieb im kollabierten Zustand.Embodiments of the present invention relate to a method for manufacturing a capacitive ultrasonic transducer and an arrangement of a plurality of capacitive ultrasonic transducers. Other embodiments of the present invention relate to a method of fabricating capacitive micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) for collapsed state operation.
Wie in (I. Ladabaum, XC. Jin, HT. Soh, A Atalar, BT. Khuri-Yakub, ”Surface micromachined capacitive ultrasonic transducers”, IEEE Transactions an Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control”, Vol 45, Iss. 3, pp: 678–690, 1998) beschrieben, stellen kapazitive Ultraschallwandler (”Capacitive micro-machined ultrasonic transducers”, CMUT) eine wachsende Technologie dar und werden dazu verwendet, um Ultraschallwellen zu erzeugen und zu detektieren.As described in (I. Ladabaum, XC Jin, HT Soh, A Atalar, BT Khuri Yakub, "Surface micromachined capacitive ultrasonic transducers", IEEE Transactions on Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control ", Vol 45, Iss. 3, pp : 678-690, 1998), capacitive micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) are a growing technology and are used to generate and detect ultrasonic waves.
In (B. Bayram, E. Haeggstrom, GG. Yaralioglu, BT. Khuri-Yakub, ”A new regime for operating capacitive micromachined ultrasonic transducers”, IEEE Transactions an Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control”, Vol. 50, Iss. 9, pp: 1184–1190, 2003) und in der US 2005/0234342 A1 wird der Betrieb von bekannten kapazitiven Ultraschallwandlern im kollabierten Zustand beschrieben.B. Bayram, E. Haeggstrom, GG, Yaralioglu, BT, Khuri-Yakub, A new regime for operating capacitive micromachined ultrasonic transducers, IEEE Transactions on Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. pp: 1184-1190, 2003) and in the US 2005/0234342 A1 the operation of known capacitive ultrasonic transducers in the collapsed state will be described.
Gemäß dem Stand der Technik werden derzeit die folgenden vier Techniken dazu verwendet, um einen kapazitiven Ultraschallwandler (CMUT) für einen Betrieb im kollabierten Zustand herzustellen. In der US 2013/0087867 A1 wird beschrieben, dass der kapazitive Ultraschallwandler (CMUT) in einer Hochdruckumgebung betrieben wird. Dies führt dazu, dass die bewegliche Elektrode (bzw. Elektrodenplatte) in Kontakt mit der nicht beweglichen Elektrode kommt. Somit kann der kapazitive Ultraschallwandler (CMUT) in dem kollabierten Zustand betrieben werden.In the prior art, the following four techniques are currently used to fabricate a capacitive ultrasonic transducer (CMUT) for collapsed state operation. In the US 2013/0087867 A1 It is described that the capacitive ultrasonic transducer (CMUT) is operated in a high pressure environment. This causes the movable electrode (or electrode plate) to come into contact with the non-movable electrode. Thus, the capacitive ultrasonic transducer (CMUT) can be operated in the collapsed state.
In der US 2013/0088118 A1 wird beschrieben, dass eine elektrische Ladung zunächst absichtlich in einem Dielektrikum zwischen den zwei Elektroden eines gewöhnlichen kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT) gefangen wird. Dann wird der Schaltkreis zum Injizieren der Ladungen geöffnet, und solange das Dielektrikum die Ladungen hält, wird der kapazitive Ultraschallwandler (CMUT) in dem kollabierten Zustand gehalten.In the US 2013/0088118 A1 For example, it is described that an electrical charge is initially intentionally trapped in a dielectric between the two electrodes of a conventional capacitive ultrasonic transducer (CMUT). Then, the charge injection circuit is opened, and as long as the dielectric holds the charges, the capacitive ultrasonic transducer (CMUT) is kept in the collapsed state.
Im Stand der Technik wird ferner beschrieben, dass ein elektrostatisches Feld zwischen den Elektroden eines gewöhnlichen kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT) angelegt wird. Während die Deformation durch die elektrostatische Kraft gehalten wird, wird eine polymerartige Lösung angewendet. Zu diesem Zeitpunkt wird das Polymer ausgehärtet, und danach wird die elektrostatische Kraft entfernt. Hierbei wird der kollabierte Zustand aufgrund des ausgehärteten Polymers gehalten.It is further described in the prior art that an electrostatic field is applied between the electrodes of a conventional capacitive ultrasonic transducer (CMUT). While the deformation is held by the electrostatic force, a polymer-type solution is used. At this time, the polymer is cured, and then the electrostatic force is removed. Here, the collapsed state is held due to the cured polymer.
In der US 2010/0207485 A1 wird beschrieben, dass vor dem Auslösen eines gewöhnlichen kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT) zunächst ein Loch in die Mitte der Membran des CMUT geätzt wird. Danach wird das Auslösen des kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT) durchgeführt. Dann wird eine elektrostatische Kraft zwischen den zwei Elektroden des kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT) angelegt. Während der kapazitive Ultraschallwandler (CMUT) in dem kollabierten Zustand gehalten wird, wird ein Versiegelungsmaterial aufgebracht.In the US 2010/0207485 A1 It is described that, prior to the initiation of a conventional capacitive ultrasonic transducer (CMUT), a hole is first etched into the center of the membrane of the CMUT. Thereafter, the triggering of the capacitive ultrasonic transducer (CMUT) is performed. Then, an electrostatic force is applied between the two electrodes of the capacitive ultrasonic transducer (CMUT). While holding the capacitive ultrasonic transducer (CMUT) in the collapsed state, a sealing material is applied.
Ein generelles Problem der im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers ist jedoch, dass dieselben relativ kompliziert sind bzw. der Betrieb des kapazitiven Ultraschallwandlers in den kollabierten Zustand desselben nicht präzise genug ist.However, a general problem of the above-described methods of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer is that they are relatively complicated and the operation of the capacitive ultrasonic transducer in the collapsed state thereof is not precise enough.
Die WO 2013/061298 A2 beschreibt einen vorkollabierten kapazitiven Schallwandler, bei dem der kollabierte Zustand durch eine Schicht mit mechanischer Spannung erzielt wird, die bei Aufbringung der Schicht induziert wird. Das geschieht über Ausnutzung des bimorphen Prinzips: Die Schicht 17 mit mechanischer Spannung fungiert als eine jenseits der Mitte bzw. neutralen Faser der Membran des Wandlers angeordnete Schicht, d. h. eine Schicht, die ober- oder unterhalb der eigentlichen Membran angeordnet ist, um die Schicht bimorph zu der Mitte hin in Richtung des Substrats zu biegen. Um dies zu ermöglichen, wird die Membran in der Mitte mit einem Loch geöffnet, so dass die bimorph erhaltene Biegung entlang des Rands der Membran in radialer Richtung nur einseitig gekrümmt ist, d. h. zum Substrat hin gekrümmt ist.The WO 2013/061298 A2 describes a precollated capacitive transducer in which the collapsed state is achieved by a layer of mechanical stress induced upon application of the layer. This is done by taking advantage of the bimorph principle: The mechanical stress layer 17 acts as a layer located beyond the center or neutral fiber of the transducer membrane, ie, a layer located above or below the actual membrane to make the layer bimorphic to bend towards the center in the direction of the substrate. To make this possible, the membrane is opened in the middle with a hole, so that the bimorph obtained bending along the edge of the membrane in the radial direction is curved only on one side, that is curved toward the substrate.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Konzept zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers zu schaffen, das durch eine große Einfachheit ausgezeichnet ist und gleichzeitig einen zuverlässigeren Betrieb des kapazitiven Ultraschallwandlers in dem kollabierten Zustand desselben ermöglicht.Therefore, the object of the present invention is to provide a concept for manufacturing a capacitive type ultrasonic transducer which is excellent in simplicity and at the same time enables more reliable operation of the capacitive type ultrasonic transducer in the collapsed state thereof.
Diese Aufgabe wird durch dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is solved by the subject matter of the independent claims.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats mit einer ersten Elektrodenschicht, ein Aufbringen einer Trennschicht auf das Substrat, ein Ausnehmen eines Hohlraums aus der Trennschicht, ein Füllen des Hohlraums mit einer Opferschicht, ein Aufbringen einer zweiten Elektrodenschicht auf die Trennschicht und die Opferschicht, ein Erzeugen einer Öffnung, die sich durch die zweite Elektrodenschicht bis in die Opferschicht erstreckt, ein Entfernen der Opferschicht unter Verwendung der Öffnung in der zweiten Elektrodenschicht und ein Kontrollieren einer mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht, so dass sich ein Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht in Richtung des Substrats bewegt und an das Substrat oder an eine Zwischenschicht angrenzt, so dass ein kollabierter Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers erhalten wird.Embodiments of the present invention provide a method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer. The method comprises providing a substrate with a first electrode layer, applying a release layer to the substrate, removing a cavity from the separation layer, filling the Cavity having a sacrificial layer, depositing a second electrode layer on the separation layer and the sacrificial layer, forming an opening extending through the second electrode layer into the sacrificial layer, removing the sacrificial layer using the opening in the second electrode layer and controlling a sacrificial layer stress in the second electrode layer so that a portion of the second electrode layer moves toward the substrate and abuts the substrate or an intermediate layer, so that a collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer is obtained.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist es, dass der oben genannte zuverlässigere Betrieb des kapazitiven Ultraschallwandlers und die gleichzeitig große Einfachheit der Herstellung desselben erreicht werden kann, falls die mechanische Spannung in der zweiten Elektrodenschicht so kontrolliert wird, dass sich ein Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht in Richtung des Substrats mit der ersten Elektrodenschicht bewegt und an das Substrat oder an eine Zwischenschicht angrenzt, so dass der kollabierte Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers erhalten wird. Dadurch können Zuverlässigkeitsprobleme während des Betriebs des kapazitiven Ultraschallwandlers vermieden werden. Somit kann einerseits der kapazitive Ultraschallwandler relativ einfach hergestellt werden, und andererseits kann gleichzeitig der zuverlässigere Betrieb desselben erreicht werden.The gist of the present invention is that if the stress in the second electrode layer is controlled so that a portion of the second electrode layer moves in the direction of the above-mentioned more reliable operation of the capacitive type ultrasonic transducer and the great ease of manufacturing the same of the substrate is moved with the first electrode layer and adjacent to the substrate or to an intermediate layer, so that the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer is obtained. As a result, reliability problems during operation of the capacitive ultrasonic transducer can be avoided. Thus, on the one hand, the capacitive ultrasonic transducer can be relatively easily manufactured, and on the other hand, the same time the more reliable operation thereof can be achieved.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner ein Bereitstellen einer inneren Versiegelungsschicht. Hierbei ist ein erster Abschnitt der inneren Versiegelungsschicht auf einer dem Substrat abgewandten Seite der ersten Elektrodenschicht angeordnet. Ferner ist ein zweiter Abschnitt der inneren Versiegelungsschicht auf einer dem Substrat zugewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht angeordnet. Der erste Abschnitt der inneren Versiegelungsschicht und der zweite Abschnitt der inneren Versiegelungsschicht sind ausgebildet, um den kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers aufrechtzuerhalten. Somit kann durch das Kontrollieren der mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht und durch das Bereitstellen der inneren Versiegelungsschicht der kollabierte Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers erreicht werden bzw. während des Betriebs desselben aufrechterhalten werden.In further embodiments of the present invention, the method further comprises providing an inner sealant layer. In this case, a first section of the inner sealing layer is arranged on a side of the first electrode layer facing away from the substrate. Further, a second portion of the inner sealing layer is disposed on a side of the second electrode layer facing the substrate. The first portion of the inner sealing layer and the second portion of the inner sealing layer are formed to maintain the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer. Thus, by controlling the stress in the second electrode layer and providing the inner sealant layer, the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer can be achieved or maintained during operation thereof.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner ein Bereitstellen einer inneren Versiegelungsschicht. Hierbei ist ein erster Abschnitt der inneren Versiegelungsschicht auf einer dem Substrat abgewandten Seite der ersten Elektrodenschicht angeordnet. Ferner ist ein zweiter Abschnitt der inneren Versiegelungsschicht auf einer dem Substrat zugewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht angeordnet. Der erste Abschnitt der inneren Versiegelungsschicht und der zweite Abschnitt der inneren Versiegelungsschicht sind ausgebildet, um die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht elektrisch voneinander zu isolieren. Durch die elektrische Isolation der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht mit der inneren Versiegelungsschicht kann ein Kurzschluss zwischen denselben vermieden werden bzw. ein noch zuverlässigerer Betrieb des kapazitiven Ultraschallwandlers erreicht werden.In further embodiments of the present invention, the method further comprises providing an inner sealant layer. In this case, a first section of the inner sealing layer is arranged on a side of the first electrode layer facing away from the substrate. Further, a second portion of the inner sealing layer is disposed on a side of the second electrode layer facing the substrate. The first portion of the inner sealant layer and the second portion of the inner sealant layer are formed to electrically isolate the first electrode layer and the second electrode layer from each other. The electrical insulation of the first electrode layer and the second electrode layer with the inner sealing layer, a short circuit between the same can be avoided or even more reliable operation of the capacitive ultrasonic transducer can be achieved.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird der kollabierte Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers ausschließlich durch das Kontrollieren der mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht erhalten. Somit können komplizierte Verfahren zur Herstellung des kapazitiven Ultraschallwandlers vermieden werden, bzw. der kapazitive Ultraschallwandler kann relativ einfach hergestellt werden.In further embodiments of the present invention, the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer is obtained solely by controlling the stress in the second electrode layer. Thus, complicated processes for manufacturing the capacitive ultrasonic transducer can be avoided, or the capacitive ultrasonic transducer can be manufactured relatively easily.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Anordnung einer Mehrzahl von kapazitiven Ultraschallwandlern. Die Anordnung umfasst eine erste Gruppe von kapazitiven Ultraschallwandlern mit einer ersten Ausdehnung und eine zweite Gruppe von kapazitiven Ultraschallwandlern mit einer zweiten Ausdehnung. Hierbei weist jeder der kapazitiven Ultraschallwandler der ersten Gruppe einen kollabierten Zustand auf. Ferner weist jeder der kapazitiven Ultraschallwandler der zweiten Gruppe einen nicht-kollabierten Zustand auf. Die erste Ausdehnung der kapazitiven Ultraschallwandler der ersten Gruppe ist größer als die zweite Ausdehnung der kapazitiven Ultraschallwandler der zweiten Gruppe. Somit kann eine flexible Anordnung geschaffen werden, die gleichzeitig den Betrieb der kapazitiven Ultraschallwandler der ersten Gruppe in dem kollabierten Zustand und den Betrieb der kapazitiven Ultraschallwandler der zweiten Gruppe in dem nicht-kollabierten Zustand ermöglicht.Further embodiments of the present invention provide an arrangement of a plurality of capacitive ultrasonic transducers. The arrangement comprises a first group of capacitive ultrasonic transducers having a first extension and a second group of capacitive ultrasonic transducers having a second extension. Here, each of the capacitive ultrasonic transducers of the first group has a collapsed state. Further, each of the capacitive ultrasonic transducers of the second group has a non-collapsed state. The first extension of the capacitive ultrasonic transducers of the first group is greater than the second extension of the capacitive ultrasonic transducers of the second group. Thus, a flexible arrangement can be provided which simultaneously enables the operation of the capacitive ultrasonic transducers of the first group in the collapsed state and the operation of the capacitive ultrasonic transducers of the second group in the non-collapsed state.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren, in denen gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying figures, in which identical or equivalent elements are designated by the same reference numerals. Show it:
1a ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1a a flowchart of a method of manufacturing a capacitive ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention;
1b ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1b a flowchart of a method for producing a capacitive ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention;
2a–2h Seitenansichten von Komponenten eines kapazitiven Ultraschallwandlers zur Verdeutlichung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß 1; 2a - 2h Side views of components of a capacitive ultrasonic transducer to illustrate the embodiment of the method according to 1 ;
3a, 3b schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Schritts des Kontrollierens der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß 1; 3a . 3b schematic representations for illustrating a step of controlling the mechanical stress of the embodiment of the method according to 1 ;
4a, 4b schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des Schritts des Kontrollierens der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels der Verfahrens gemäß 1; 4a . 4b schematic representations for illustrating the step of controlling the mechanical stress of the embodiment of the method according to 1 ;
5 ein beispielhaftes Diagramm zur Veranschaulichung des Schritts des Kontrollierens der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß 1; 5 an exemplary diagram for illustrating the step of controlling the mechanical stress of the embodiment of the method according to 1 ;
6 eine Seitenansicht eines kapazitiven Ultraschallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 6 a side view of a capacitive ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention;
7 eine Seitenansicht eines kapazitiven Ultraschallwandlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 7 a side view of a capacitive ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention;
8 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Anordnung einer Mehrzahl von kapazitiven Ultraschallwandlern mit einer ersten Gruppe von kapazitiven Ultraschallwandlern und einer zweiten Gruppe von kapazitiven Ultraschallwandlern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 8th a schematic representation of an arrangement of a plurality of capacitive ultrasonic transducers with a first group of capacitive ultrasonic transducers and a second group of capacitive ultrasonic transducers according to an embodiment of the present invention; and
9 eine Seitenansicht von kapazitiven Ultraschallwandlern des Ausführungsbeispiels der Anordnung gemäß 8. 9 a side view of capacitive ultrasonic transducers of the embodiment of the arrangement according to 8th ,
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen gleiche Elemente oder funktionell gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Eine Beschreibung von Elementen mit gleichen Bezugszeichen ist daher gegenseitig austauschbar und/oder in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aufeinander anwendbar.Before the present invention is explained in more detail below with reference to the figures, it is pointed out that in the exemplary embodiments illustrated below, identical elements or functionally identical elements in the figures are provided with the same reference numerals. A description of elements with the same reference numerals is therefore interchangeable and / or applicable to each other in the various embodiments.
1a zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1a gezeigt, umfasst das Verfahren 100 zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers 200 ein Bereitstellen 110 eines Substrats 205 mit einer ersten Elektrodenschicht 210 und einer Oberfläche (z. B. die Oberfläche 202 in 2c), in der eine Ausnehmung 222 gebildet ist, ein Füllen 140 der Ausnehmung 222 mit einem Opfermaterial 230, ein Aufbringen 150 einer zweiten Elektrodenschicht 240 auf die Oberfläche 202 inklusive dem Opfermaterial 230, so dass sich die erste und die zweite Elektrodenschicht 210, 240 über das Opfermaterial 230 gegenüberliegen und ein Entfernen 170 des Opfermaterials 230 unter Verwendung einer Öffnung 242. Hierbei wird das Aufbringen 150 der zweiten Elektrodenschicht 240 so durchgeführt, dass sich eine mechanische Spannung in der zweiten Elektrodenschicht 240 ausbildet, so dass sich nach dem Entfernen 170 des Opfermaterials 230 ein Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 in Richtung des Substrats 205 bewegt und an das Substrat 205 oder an eine Zwischenschicht 212 angrenzt, so dass ein kollabierter Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 erhalten wird. 1a shows a flowchart of a method 100 for producing a capacitive ultrasonic transducer 200 according to an embodiment of the present invention. As in 1a shown includes the method 100 for producing a capacitive ultrasonic transducer 200 a provision 110 a substrate 205 with a first electrode layer 210 and a surface (eg, the surface 202 in 2c ), in which a recess 222 is formed, a filling 140 the recess 222 with a sacrificial material 230 , an application 150 a second electrode layer 240 on the surface 202 including the sacrificial material 230 such that the first and second electrode layers 210 . 240 about the sacrificial material 230 opposite and a removal 170 of the sacrificial material 230 using an opening 242 , This is the application 150 the second electrode layer 240 performed such that there is a mechanical stress in the second electrode layer 240 forms so that after removal 170 of the sacrificial material 230 a section 245 the second electrode layer 240 in the direction of the substrate 205 moved and to the substrate 205 or to an intermediate layer 212 adjacent, so that a collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 is obtained.
Dadurch können Zuverlässigkeitsprobleme während des Betriebs des kapazitiven Ultraschallwandlers vermieden werden. Somit kann einerseits der kapazitive Ultraschallwandler relativ einfach hergestellt werden, und andererseits kann gleichzeitig der zuverlässigere Betrieb desselben erreicht werden.As a result, reliability problems during operation of the capacitive ultrasonic transducer can be avoided. Thus, on the one hand, the capacitive ultrasonic transducer can be relatively easily manufactured, and on the other hand, the same time the more reliable operation thereof can be achieved.
1b zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Herstellen eines kapazitiven Ultraschallwandlers 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ferner zeigen 2a bis 2h Seitenansichten von Komponenten eines kapazitiven Ultraschallwandlers 200 zur Verdeutlichung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 gemäß 1b. Wie in 1b und 2a bis 2h beispielhaft dargestellt, umfasst das Verfahren 100 zum Herstellen des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 die folgenden Schritte. Zunächst wird ein Substrat 205 mit einer ersten Elektrodenschicht 210 bereitgestellt (Schritt 110). Dann wird eine Trennschicht 220 auf das Substrat 205 aufgebracht (Schritt 120). Dann wird ein Hohlraum (bzw. eine Ausnehmung) 222 aus der Trennschicht 220 ausgenommen (Schritt 130). Dann wird der Hohlraum 222 mit einer Opferschicht (bzw. einem Opfermaterial) 230 gefüllt (Schritt 140). Dann wird eine zweite Elektrodenschicht 240 auf die Trennschicht 220 und die Opferschicht 230 aufgebracht, wie beispielsweise mit einer kontrollierten mechanischen Spannung (Schritt 150). Dann wird eine Öffnung 242, die sich durch die zweite Elektrodenschicht 240 bis in die Opferschicht 230 erstreckt, erzeugt (Schritt 160). Dann wird die Opferschicht 230 unter Verwendung der Öffnung 242 in der zweiten Elektrodenschicht 240 entfernt (Schritt 170). Bei dem Schritt 150 wird eine mechanische Spannung in der zweiten Elektrodenschicht 240 kontrolliert, so dass sich ein Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 in Richtung des Substrats 205 bewegt und an das Substrat 205 oder an eine Zwischenschicht 212 angrenzt, so dass ein kollabierter Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 erhalten wird (was im Folgenden auch als ein Schritt des Kontrollierens 180 der mechanischen Spannung bezeichnet wird). 1b shows a flowchart of a method 100 for producing a capacitive ultrasonic transducer 200 according to another embodiment of the present invention. Further show 2a to 2h Side views of components of a capacitive ultrasonic transducer 200 to illustrate the embodiment of the method 100 according to 1b , As in 1b and 2a to 2h exemplified, the method comprises 100 for producing the capacitive ultrasonic transducer 200 the following steps. First, a substrate 205 with a first electrode layer 210 provided (step 110 ). Then a separation layer 220 on the substrate 205 applied (step 120 ). Then a cavity (or a recess) 222 from the release layer 220 except (step 130 ). Then the cavity becomes 222 with a sacrificial layer (or a sacrificial material) 230 filled (step 140 ). Then, a second electrode layer 240 on the release layer 220 and the sacrificial layer 230 applied, such as with a controlled mechanical stress (step 150 ). Then an opening 242 passing through the second electrode layer 240 to the sacrificial layer 230 extends, generates (step 160 ). Then the sacrificial layer becomes 230 using the opening 242 in the second electrode layer 240 removed (step 170 ). At the step 150 becomes a stress in the second electrode layer 240 controlled, so that a section 245 the second electrode layer 240 in the direction of the substrate 205 moved and to the substrate 205 or to an intermediate layer 212 adjacent, so that a collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 (which is also referred to below as a step of controlling 180 the mechanical stress is called).
Beispielsweise ist die Öffnung 242, die sich durch die zweite Elektrodenschicht 240 bis in die Opferschicht 230 erstreckt, in einem Randbereich der zweiten Elektrodenschicht 240 und nicht in einem zentralen Bereich (bzw. in dem Abschnitt 245) der zweiten Elektrodenschicht 240 angeordnet.For example, the opening 242 passing through the second electrode layer 240 to the sacrificial layer 230 extends, in an edge region of the second electrode layer 240 and not in a central area (or in the section 245 ) of the second electrode layer 240 arranged.
Ferner kann das Kontrollieren bzw. Einstellen der mechanischen Spannung durch einen nachgelagerten Schritt des „Annealing” durchgeführt werden, wie es anhand von 3a, 3b noch beispielhaft erläutert wird.Furthermore, the control or adjustment of the mechanical stress can be performed by a subsequent step of the "annealing", as shown by 3a . 3b will be explained by way of example.
Dadurch, dass die mechanische Spannung in der zweiten Elektrodenschicht so kontrolliert wird, dass sich ein Abschnitt der zweiten Elektrodenschicht in Richtung des Substrats mit der ersten Elektrodenschicht bewegt und an das Substrat oder an eine Zwischenschicht angrenzt, so dass der kollabierte Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers erhalten wird, können Zuverlässigkeitsprobleme während des Betriebs des kapazitiven Ultraschallwandlers vermieden werden. Das in 1b und in 2a bis 2h beispielhaft dargestellte Verfahren zum Herstellen des kapazitiven Ultraschallwandlers zeichnet sich dadurch aus, dass einerseits der kapazitive Ultraschallwandler relativ einfach hergestellt werden kann. Ferner zeichnet sich das anhand von 1b und 2a bis 2h beispielhaft dargestellte Verfahren dadurch aus, dass andererseits gleichzeitig der zuverlässigere Betrieb desselben erreicht werden kann.By controlling the stress in the second electrode layer so that a portion of the second electrode layer moves toward the substrate with the first electrode layer and adjoins the substrate or an intermediate layer, so that the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer is obtained , Reliability problems during the operation of the capacitive ultrasonic transducer can be avoided. This in 1b and in 2a to 2h Exemplary illustrated method for producing the capacitive ultrasonic transducer is characterized in that on the one hand, the capacitive ultrasonic transducer can be relatively easily manufactured. Furthermore, this is distinguished by the 1b and 2a to 2h exemplified method characterized in that on the other hand at the same time the more reliable operation of the same can be achieved.
Die in 2a bis 2h gezeigten Komponenten des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 stellen jeweils diejenigen Komponenten dar, die nach dem Durchführen der einzelnen Schritte 110 bis 170 des Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 gemäß 1b erhalten werden.In the 2a to 2h shown components of the capacitive ultrasonic transducer 200 each represent those components that after performing the individual steps 110 to 170 the embodiment of the method 100 according to 1b to be obtained.
Gemäß Ausführungsbeispielen werden die beiden Komponenten von 2g und 2h nach dem Schritt 170 erhalten, wobei kein weiterer Verfahrensschritt mehr durchgeführt werden muss. Anders ausgedrückt, die beiden Komponenten von 2g und 2h sind im Wesentlichen identisch und stellen die Bewegung des Abschnitts 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 beispielhaft dar. Die Bewegung erfolgt hierbei durch die Relaxation der vorher kontrolliert eingestellten mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht.According to embodiments, the two components of 2g and 2h after the step 170 obtained, with no further process step must be performed. In other words, the two components of 2g and 2h are essentially identical and represent the movement of the section 245 the second electrode layer 240 The movement takes place here by the relaxation of the previously controlled adjusted mechanical stress in the second electrode layer.
Ferner stellen die in 2c, 2d, 2e und 2g gezeigten Komponente jeweils diejenigen Komponenten dar, die nach dem Durchführen der Schritte 110, 140, 150 und 170 des Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 gemäß 1a erhalten wird.Furthermore, the in 2c . 2d . 2e and 2g The component shown in each case are those components that after performing the steps 110 . 140 . 150 and 170 the embodiment of the method 100 according to 1a is obtained.
In 2a sind das Substrat 205 mit der ersten Elektrodenschicht 210 und die (optionale) Zwischenschicht 212 beispielhaft dargestellt. Wie in 2a gezeigt, ist die erste Elektrodenschicht 210 beispielsweise an oder auf einer oberen Oberfläche des Substrats 205 angeordnet. Ferner ist die Zwischenschicht 212 beispielsweise auf dem Substrat 205 mit der ersten Elektrodenschicht 210 angeordnet. Bei Ausführungsbeispielen ist die erste Elektrodenschicht 210 ganzflächig oder strukturiert ausgebildet. Ferner ist bei Ausführungsbeispielen das Vorsehen der Zwischenschicht 212 optional.In 2a are the substrate 205 with the first electrode layer 210 and the (optional) interlayer 212 exemplified. As in 2a is the first electrode layer 210 for example, on or on an upper surface of the substrate 205 arranged. Further, the intermediate layer 212 for example on the substrate 205 with the first electrode layer 210 arranged. In embodiments, the first electrode layer is 210 formed over the entire surface or structured. Furthermore, in embodiments, the provision of the intermediate layer 212 optional.
In 2b sind die Elemente 205, 210 und 212 sowie die Trennschicht 220 beispielhaft dargestellt. Wie in 2b gezeigt, ist die Trennschicht 220 beispielsweise auf der Zwischenschicht 212 angeordnet. Bei Ausführungsbeispielen ist die Trennschicht 220 an oder auf der oberen Oberfläche des Substrats 205 angeordnet. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Zwischenschicht 212 gemäß Ausführungsbeispielen weggelassen wird.In 2 B are the elements 205 . 210 and 212 as well as the separating layer 220 exemplified. As in 2 B shown is the separation layer 220 for example, on the interlayer 212 arranged. In embodiments, the release layer is 220 on or on the upper surface of the substrate 205 arranged. This is the case, for example, if the intermediate layer 212 is omitted according to embodiments.
In 2c sind die Elemente 205, 210, 212 und 220 sowie der Hohlraum 222 beispielhaft dargestellt. Wie in 2c gezeigt, ist die beispielsweise strukturierte erste Elektrodenschicht 210 in einem zentralen Bereich und nicht in einem Randbereich des Substrats 205 angeordnet. Ferner ist der Hohlraum 222 beispielsweise oberhalb der in dem zentralen Bereich und nicht in dem Randbereich des Substrats 205 angeordneten Elektrodenschicht 210 vorgesehen.In 2c are the elements 205 . 210 . 212 and 220 as well as the cavity 222 exemplified. As in 2c is shown, for example, the structured first electrode layer 210 in a central area and not in a peripheral area of the substrate 205 arranged. Further, the cavity 222 for example, above that in the central area and not in the edge area of the substrate 205 arranged electrode layer 210 intended.
In 2d sind die Elemente 205, 210, 212 und 220 sowie die Opferschicht 230 beispielhaft dargestellt. Wie in 2d gezeigt, ist die Opferschicht 230 beispielsweise in dem gesamten Bereich des in 2c gezeigten Hohlraums 222 vorgesehen. Ferner erstreckt sich die Opferschicht 230 beispielsweise durch die gesamte Trennschicht 220.In 2d are the elements 205 . 210 . 212 and 220 as well as the sacrificial layer 230 exemplified. As in 2d shown is the sacrificial layer 230 for example, in the entire area of in 2c shown cavity 222 intended. Furthermore, the sacrificial layer extends 230 for example, through the entire separation layer 220 ,
In 2e sind die Elemente 205, 210, 212, 220, 230 sowie die zweite Elektrodenschicht 240 beispielhaft dargestellt. Wie in 2e gezeigt, ist die zweite Elektrodenschicht 240 auf der Trennschicht 220 und der Opferschicht 230 angeordnet. Bei Ausführungsbeispielen ist die zweite Elektrodenschicht 240 eine elastische Membran.In 2e are the elements 205 . 210 . 212 . 220 . 230 and the second electrode layer 240 exemplified. As in 2e is the second electrode layer 240 on the release layer 220 and the sacrificial layer 230 arranged. In embodiments, the second electrode layer is 240 an elastic membrane.
In 2f sind die Elemente 205, 210, 212, 220, 230 und 240 sowie die Öffnung 242 beispielhaft dargestellt. Wie in 2f gezeigt, erstreckt sich die Öffnung 242 beispielsweise ausschließlich durch die zweite Elektrodenschicht 240 bis in die Opferschicht 230.In 2f are the elements 205 . 210 . 212 . 220 . 230 and 240 as well as the opening 242 exemplified. As in 2f shown extends the opening 242 for example, only by the second electrode layer 240 to the sacrificial layer 230 ,
In 2g sind die Elemente 205, 210, 212, 220, 240 und 242 sowie ein Hohlraum 226 beispielhaft dargestellt. Wie in 2g gezeigt, entspricht der Hohlraum 226 im Wesentlichen demjenigen Bereich in der Trennschicht 220, der nach dem Entfernen der Opferschicht 230 erhalten wird.In 2g are the elements 205 . 210 . 212 . 220 . 240 and 242 as well as a cavity 226 exemplified. As in 2g shown corresponds to the cavity 226 essentially the area in the separation layer 220 after removing the sacrificial layer 230 is obtained.
In 2h sind die Elemente 205, 210, 212, 220, 240, 242 sowie der Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 beispielhaft dargestellt. Wie es in 2h durch die gestrichelten und durchgezogenen Linien für die Darstellung der zweiten Elektrodenschicht 240 und den Pfeil 255 angedeutet ist, bewegt sich durch das Kontrollieren der mechanischen Spannung der Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 in Richtung des Substrats 205 (bzw. senkrecht zur Oberfläche des Substrats 205) und grenzt an die Zwischenschicht 212 an. Mit anderen Worten, die Bewegung des Abschnitts 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 erfolgt durch die Relaxation der vorher kontrolliert eingestellten mechanischen Spannung. Die Relaxation erfolgt beispielsweise dann, wenn das Eulersche Knick-Kriterium erfüllt ist bzw. die mechanische Spannung die kritische mechanische Spannung überschreitet (siehe z. B. in 5 den ansteigenden Zweig der Kurve 515). Alternativ grenzt der Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 gemäß Ausführungsbeispielen an die obere Oberfläche des Substrats 205 mit der ersten Elektrodenschicht 210 an. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Zwischenschicht 212 gemäß Ausführungsbeispielen weggelassen wird. Die in 2h gezeigte Struktur stellt ein Ausführungsbeispiel des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 dar, der mit dem Verfahren 100 gemäß 1 erhalten werden kann.In 2h are the elements 205 . 210 . 212 . 220 . 240 . 242 as well as the section 245 the second electrode layer 240 exemplified. As it is in 2h by the dashed and solid lines for the representation of the second electrode layer 240 and the arrow 255 is indicated moves by controlling the mechanical tension of the section 245 the second electrode layer 240 in the direction of the substrate 205 (or perpendicular to the surface of the substrate 205 ) and borders on the intermediate layer 212 at. In other words, the movement of the section 245 the second electrode layer 240 takes place by the relaxation of the previously controlled mechanical tension. The relaxation occurs, for example, when the Euler's kink criterion is met or the mechanical stress exceeds the critical mechanical stress (see, for example, in US Pat 5 the rising branch of the curve 515 ). Alternatively, the section borders 245 the second electrode layer 240 according to embodiments of the upper surface of the substrate 205 with the first electrode layer 210 at. This is the case, for example, if the intermediate layer 212 is omitted according to embodiments. In the 2h Structure shown represents an embodiment of the capacitive ultrasonic transducer 200 that with the procedure 100 according to 1 can be obtained.
3a, 3b zeigen schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Schritts des Kontrollierens 180 der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 gemäß 1. Bezug nehmend auf 3a kann das Kontrollieren 180 der mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht 240 beispielsweise so durchgeführt werden, dass dieselbe in Abhängigkeit von einem oder mehreren Abscheideparametern 302 eingestellt wird. Ferner kann Bezug nehmend auf 3b das Kontrollieren 180 der mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht 240 beispielsweise so durchgeführt werden, dass dieselbe in Abhängigkeit von einem Ausheilparameter 304 eingestellt wird. 3a . 3b show schematic representations to illustrate a step of controlling 180 the mechanical stress of the embodiment of the method 100 according to 1 , Referring to 3a can control 180 the mechanical stress in the second electrode layer 240 For example, be carried out so that the same depending on one or more Abscheideparametern 302 is set. Further, referring to FIG 3b controlling 180 the mechanical stress in the second electrode layer 240 For example, be carried out so that the same depending on a Ausheilparameter 304 is set.
Durch die Einstellung der mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht 240 in Abhängigkeit von dem einen oder den mehreren Abscheideparametern 302 bzw. dem Ausheilparameter 304 kann der Schritt des Kontrollierens 180 der mechanischen Spannung flexibel und zuverlässig durchgeführt werden.By adjusting the mechanical stress in the second electrode layer 240 depending on the one or more deposition parameters 302 or the annealing parameter 304 may be the step of controlling 180 the mechanical stress can be performed flexibly and reliably.
4a, 4b zeigen weitere schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des Schritts des Kontrollierens 180 der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 gemäß 1. In der schematischen Darstellung von 4a stellt die X-Achse den Zerstäubungsdruck 401 dar, während die Y-Achse die mechanische Spannung 402 darstellt. Ferner ist in der schematischen Darstellung von 4a eine gestrichelte Linie 405 gezeigt, wobei der Bereich 407 oberhalb der gestrichelten Linie 405 einem Zug entspricht, während der Bereich 409 unterhalb der gestrichelten Linie 405 einem Druck entspricht. Bei Ausführungsbeispielen beschreibt die Kurve 411 in der schematischen Darstellung von 4a die Abhängigkeit der mechanischen Spannung 402 von dem Zerstäubungsdruck 401. In der schematischen Darstellung von 4b stellt die X-Achse eine Temperatur 403 dar, während die Y-Achse die mechanische Spannung 402 darstellt. Ferner ist in der schematischen Darstellung von 4b eine gestrichelte Linie 405 gezeigt, wobei der Bereich 407 oberhalb der gestrichelten Linie 405 einem Zug entspricht, während der Bereich 409 unterhalb der gestrichelten Linie 405 einem Druck entspricht. Bei Ausführungsbeispielen beschreibt die Kurve 413 eine Hysterese der mechanischen Spannung während eines thermischen Zyklus. Hierbei verdeutlichen die Pfeile 415, 417 eine Heizphase bzw. eine Abkühlphase, während der Pfeil 419 eine Änderung der mechanischen Spannung 402 verdeutlicht. Ferner ist in der schematischen Darstellung von 4b die Ausheizendtemperatur TA gezeigt, die der Hysteresekurve 413 zugeordnet ist. 4a . 4b show further schematic representations to illustrate the step of controlling 180 the mechanical stress of the embodiment of the method 100 according to 1 , In the schematic representation of 4a the x-axis represents the atomization pressure 401 while the Y axis is the mechanical stress 402 represents. Furthermore, in the schematic representation of 4a a dashed line 405 shown, the area 407 above the dashed line 405 corresponds to a train while the area 409 below the dashed line 405 corresponds to a pressure. In embodiments, the curve describes 411 in the schematic representation of 4a the dependence of the mechanical stress 402 from the atomization pressure 401 , In the schematic representation of 4b the x-axis is a temperature 403 while the Y axis is the mechanical stress 402 represents. Furthermore, in the schematic representation of 4b a dashed line 405 shown, the area 407 above the dashed line 405 corresponds to a train while the area 409 below the dashed line 405 corresponds to a pressure. In embodiments, the curve describes 413 a hysteresis of the mechanical stress during a thermal cycle. This is illustrated by the arrows 415 . 417 a heating phase or a cooling phase, while the arrow 419 a change in the mechanical stress 402 clarified. Furthermore, in the schematic representation of 4b the bakeout temperature T A shown, that of the hysteresis curve 413 assigned.
Bei Ausführungsbeispielen können die in 4a gezeigte Kurve 411 und die in 4b gezeigte Kurve 413 dazu verwendet werden, um die mechanische Spannung in der zweiten Elektrodenschicht 240 zu kontrollieren. Hierbei kann für die Einstellung der mechanischen Spannung die Abhängigkeit derselben von dem einen oder den mehreren Abscheideparametern, wie beispielsweise dem Zerstäubungsparameter, bzw. die Abhängigkeit von dem Ausheilparameter, wie beispielsweise der Temperatur, ausgenutzt werden. Somit kann das flexible und zuverlässige Kontrollieren der mechanischen Spannung erreicht werden.In embodiments, the in 4a shown curve 411 and the in 4b shown curve 413 be used to apply the stress in the second electrode layer 240 to control. In this case, the dependence of the same on the one or more deposition parameters, such as, for example, the sputtering parameter or the dependence on the annealing parameter, such as the temperature, can be utilized for setting the mechanical stress. Thus, the flexible and reliable control of the mechanical stress can be achieved.
In Bezug auf 3a, 3b und 4a, 4b ist anzumerken, dass beinahe jeder Dünnfilm bzw. jede Dünnschicht, der oder die unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren, wie beispielsweise der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD, ”Physical Vapor Deposition”) und der verschiedenen Arten der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD, ”Chemical Vapor Deposition”), aufgebracht wird, in einem Zustand der mechanischen Spannung ist. Der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Dünnfilms und des Substrats verursacht die thermische Komponente der gesamten mechanischen Spannung des Dünnfilms. Der zweite Teil der gesamten mechanischen Spannung ist die sogenannte intrinsische mechanische Spannung. Die Ursprünge der intrinsischen mechanischen Spannung sind vielfältig. Sie können sich unter anderem auf die morphologischen Eigenschaften, die Mikrostruktur, die chemische Komposition und den Einschluss von Fremdatomen beziehen.In relation to 3a . 3b and 4a . 4b It should be noted that almost any thin film or thin film, or the one using conventional methods, such as physical vapor deposition (PVD) and the various types of chemical vapor deposition (CVD, "Chemical Vapor Deposition"). ), applied in a state of mechanical Tension is. The difference between the thermal expansion coefficients of the thin film and the substrate causes the thermal component of the total stress of the thin film. The second part of the total stress is called intrinsic stress. The origins of intrinsic mechanical stress are diverse. Among other things, they may refer to the morphological properties, the microstructure, the chemical composition and the inclusion of foreign atoms.
Bei Ausführungsbeispielen können die gerade genannten Effekte im Zusammenhang mit dem Vorhandensein der mechanischen Spannung in Dünnfilmen (Dünnschichten) ausgenutzt werden. Beispielsweise kann das Kontrollieren der mechanischen Spannung in dem Dünnfilm (Dünnschicht) bzw. in der zweiten Elektrodenschicht des kapazitiven Ultraschallwandlers flexibel und zuverlässig durchgeführt werden.In embodiments, the effects just mentioned can be exploited in connection with the presence of the mechanical stress in thin films (thin layers). For example, the control of the stress in the thin film (thin film) or in the second electrode layer of the capacitive ultrasonic transducer can be performed flexibly and reliably.
Bei Ausführungsbeispielen kann die mechanische Spannung des Dünnfilms (Dünnschicht) bzw. der zweiten Elektrodenschicht durch die Änderung der Abscheideparameter kontrolliert werden. Diese Parameter (Abscheideparameter 302) umfassen beispielsweise die Zusammensetzung von reaktiven und inerten Gasen, die Abscheidetemperatur, den Abscheidedruck und die Leistung für Plasma-basierte Prozesse, wie beispielweise Zerstäubung (”Sputtering”) und Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD, ”Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition”). Der Schritt des Kontrollierens 180 der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 gemäß 1 kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass die in 4a beispielhaft dargestellte Abhängigkeit der mechanischen Spannung 402 von dem Zerstäubungsdruck 401 verwendet wird. Hierbei kann die mechanische Spannung 402 beispielsweise in dem Dünnfilm (Dünnschicht) bzw. der zweiten Elektrodenschicht durch Abscheiden mittels Zerstäubung erzeugt werden. Wie in 4a beispielhaft dargestellt, kann durch eine Vergrößerung des Zerstäubungsdrucks die mechanische Spannung des Dünnfilms bzw. der zweiten Elektrodenschicht beispielsweise von dem Bereich 409 entsprechend dem Druck zu dem Bereich 407 entsprechend dem Zug verschoben werden.In embodiments, the mechanical stress of the thin film (thin film) or the second electrode layer can be controlled by changing the deposition parameters. These parameters (deposition parameters 302 ) include, for example, the composition of reactive and inert gases, the deposition temperature, the deposition pressure and the power for plasma-based processes, such as sputtering and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). ). The step of controlling 180 the mechanical stress of the embodiment of the method 100 according to 1 can for example be carried out in such a way that the in 4a exemplified dependence of the mechanical stress 402 from the atomization pressure 401 is used. Here, the mechanical stress 402 for example, in the thin film (thin film) and the second electrode layer are formed by sputter deposition. As in 4a By way of example, by increasing the atomization pressure, the mechanical stress of the thin film or of the second electrode layer can be determined, for example, from the region 409 according to the pressure to the area 407 be moved according to the train.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Schritt des Kontrollierens 180 der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 gemäß 1 bzw. des Kontrollierens der mechanischen Spannung in dem Dünnfilm (Dünnschicht) unter Verwendung einer nachfolgenden thermischen Verarbeitung, die als Ausheilen (”Annealing”) bezeichnet wird, durchgeführt werden. In Bezug auf 4b kann das Ausheilen beispielsweise abhängig von dem Material und der Temperatur 403 dazu verwendet werden, um die mechanische Spannung 402 in dem Dünnfilm bzw. der zweiten Elektrodenschicht in den Bereich 407 entsprechend dem Zug oder in den Bereich 409 entsprechend dem Druck zu verschieben. In 4b ist ein Beispiel für die mechanische Spannung in dem Dünnfilm bzw. in der zweiten Elektrodenschicht während eines Ausheilzyklus beispielhaft dargestellt. Während der Heizphase und der Abkühlphase wird die mechanische Spannung in dem Dünnfilm bzw. in der zweiten Elektrodenschicht gemäß Ausführungsbeispielen hauptsächlich durch eine Fehlanpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE, „Coefficient of Thermal Expansion”) des Dünnfilms (Dünnschicht) bzw. der zweiten Elektrodenschicht und dem Substrat kontrolliert. Falls die Ausheizendtemperatur (TA) für den Spannungsänderungsmechanismus, wie beispielsweise Phasenübergänge, erreicht und für eine bestimmte Zeit gehalten wird, ändert sich die intrinsische mechanische Spannung (4b). Ferner ist in 4b zu erkennen, dass der Dünnfilm (Dünnschicht) bzw. die zweite Elektrodenschicht am Ende des Temperaturzyklus einen unterschiedlichen Spannungszustand als den Spannungszustand nach dem Abscheiden haben wird.In embodiments, the step of controlling 180 the mechanical stress of the embodiment of the method 100 according to 1 or controlling the stress in the thin film (thin film) using subsequent thermal processing called annealing. In relation to 4b For example, annealing can be dependent on the material and the temperature 403 to be used for the mechanical tension 402 in the thin film and the second electrode layer in the region, respectively 407 according to the train or in the area 409 to move according to the pressure. In 4b For example, an example of the stress in the thin film and in the second electrode layer during an annealing cycle is exemplified. During the heating phase and the cooling phase, the stress in the thin film and in the second electrode layer, respectively, is mainly determined by a coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch of the thin film and the second electrode layer and the second electrode layer Substrate controlled. If the bake end temperature (T A ) for the voltage change mechanism, such as phase transitions, is reached and held for a certain time, the intrinsic stress changes ( 4b ). Furthermore, in 4b to recognize that the thin film (thin film) and the second electrode layer at the end of the temperature cycle will have a different state of stress than the state of stress after deposition.
5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm zur Veranschaulichung des Schritts des Kontrollierens 180 der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100 gemäß 1. Mit anderen Worten, das Diagramm von 5 zeigt die Spannung (Druck) unter der eine Membran bestimmter Größe in den kollabierten Zustand geht. In dem beispielhaften Diagramm von 5 entspricht die X-Achse der mechanischen Spannung 402 (in MPa), während die Y-Achse einer Verschiebung 502 (in μm) der zweiten Elektrodenschicht 240 entspricht. Ferner ist in dem beispielhaften Diagramm von 5 eine Kurve 515 gezeigt, die eine bespielhafte Abhängigkeit der Verschiebung 502 von der mechanischen Spannung 402 beschreibt. Wie in 5 zu erkennen, umfasst die Kurve 515 unterhalb einer kritischen mechanischen Spannung 505 (”Critical Stress”) einen ersten Abschnitt 507, während die Kurve 515 oberhalb der kritischen mechanischen Spannung 505 einen zweiten Abschnitt 509 umfasst. Hierbei beträgt die kritische mechanische Spannung 505 in dem beispielhaften Diagramm von 5 ungefähr 52 MPa. Der Verlauf der Kurve 515 ist beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung 502 der zweiten Elektrodenschicht 240 in dem ersten Bereich 507 der Kurve 515 verschwindet, während die Verschiebung 502 der zweiten Elektrodenschicht 240 oberhalb der kritischen mechanischen Spannung 505 in dem zweiten Bereich 509 der Kurve 515 monoton ansteigt. Der in 5 beispielhaft dargestellte Verlauf der Kurve 515 ergibt sich beispielsweise aus den in 5 gezeigten Gleichungen 512, 514, wobei W0 die Verschiebung eines zentralen Bereichs der zweiten Elektrodenschicht 240 (bzw. die Verschiebung des an das Substrat 205 oder an die Zwischenschicht 212 angrenzenden Abschnitts 245 der zweiten Elektrodenschicht 240), der Parameter h die Dicke der Membran bzw. der zweiten Elektrodenschicht 240, der Parameter Scr die kritische mechanische Spannung und S die mechanische Spannung ist. Hierbei ist der Parameter Scr durch die folgende Gleichung gegeben wobei der Parameter a eine Breite der Membran bzw. der zweiten Elektrodenschicht 240, der Parameter E das Elastizitätsmodul (bzw. sogenannte Young'sche Modul) und der Parameter ν die Poisson-Zahl ist. Zur Herleitung der obigen Gleichungen wird auch auf (D. S. Popescu, T. S. J. Lammerink und M. Elwenspoek, ”Buckled Membranes for Microstructures”, IEEE Micro Electro Mechanical Systems, pp: 188–192, 1994) verwiesen. Für die Berechnung der in 5 gezeigten Kurve 515 wurden die folgenden beispielhaften Parameter verwendet. Die Breite der Membran beträgt beispielsweise 200 μm, die Dicke der Membran beträgt beispielsweise 2 μm, das Elastizitätsmodul (bzw. Young'sche Modul) beträgt beispielsweise 112.000 MPa, die Poisson Zahl beträgt beispielsweise 0,25 und die kritische mechanische Spannung beträgt beispielsweise ungefähr 52 MPa. Bei Ausführungsbeispielen können andere geeignete Werte für diese Parameter ausgewählt werden. 5 shows an exemplary diagram for illustrating the step of controlling 180 the mechanical stress of the embodiment of the method 100 according to 1 , In other words, the diagram of 5 shows the tension (pressure) under which a membrane of a certain size goes into the collapsed state. In the exemplary diagram of 5 the X-axis corresponds to the mechanical stress 402 (in MPa) while the y-axis is a shift 502 (in μm) of the second electrode layer 240 equivalent. Further, in the example diagram of FIG 5 a curve 515 shown a playful dependency of the shift 502 from the mechanical tension 402 describes. As in 5 to recognize, includes the curve 515 below a critical stress 505 ("Critical Stress") a first section 507 while the curve 515 above the critical stress 505 a second section 509 includes. This is the critical mechanical stress 505 in the exemplary diagram of 5 about 52 MPa. The course of the curve 515 is for example characterized in that the shift 502 the second electrode layer 240 in the first area 507 the curve 515 disappears while the shift 502 the second electrode layer 240 above the critical stress 505 in the second area 509 the curve 515 increases monotonously. The in 5 illustrated course of the curve 515 results, for example, from the in 5 shown equations 512 . 514 . where W 0 is the displacement of a central region of the second electrode layer 240 (or the displacement of the to the substrate 205 or to the intermediate layer 212 adjacent section 245 the second electrode layer 240 ), the parameter h, the thickness of the membrane or the second electrode layer 240 , the parameter S cr is the critical stress and S is the stress. Here, the parameter S cr is given by the following equation wherein the parameter a is a width of the membrane or the second electrode layer 240 , the parameter E is the Young's modulus and the parameter ν is the Poisson number. Reference is also made to (DS Popescu, TSJ Lammerink and M. Elwenspoek, "Buckled Membranes for Microstructures", IEEE Micro Electro Mechanical Systems, pp: 188-192, 1994) for the derivation of the above equations. For the calculation of in 5 shown curve 515 the following exemplary parameters were used. The width of the membrane is for example 200 microns, the thickness of the membrane is for example 2 microns, the modulus of elasticity (or Young's modulus) is for example 112,000 MPa, the Poisson number is for example 0.25 and the critical stress is about 52, for example MPa. In embodiments, other suitable values for these parameters may be selected.
Somit kann der Schritt des Kontrollierens 180 der mechanischen Spannung des Ausführungsbeispiels der Verfahrens 100 gemäß 1 anhand der schematischen Darstellungen von 3a, 3b und 4a, 4b sowie anhand des beispielhaften Diagramms von 5 flexibel und zuverlässig durchgeführt werden. Dies erlaubt eine einfache Herstellung des kapazitiven Ultraschallwandlers und einen zuverlässigeren Betrieb desselben in dem kollabierten Zustand.Thus, the step of controlling 180 the mechanical stress of the embodiment of the method 100 according to 1 Based on the schematic representations of 3a . 3b and 4a . 4b and with reference to the exemplary diagram of 5 be carried out flexibly and reliably. This allows easy fabrication of the capacitive ultrasonic transducer and more reliable operation thereof in the collapsed state.
6 zeigt eine Seitenansicht eines kapazitiven Ultraschallwandlers 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der Seitenansicht von 6 sind die Elemente 205, 210, 212 (optional), 220, 240, 242 und 245 des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 gezeigt. Ferner umfasst der in 6 gezeigte kapazitive Ultraschallwandler 200 die weiteren Elemente 224, 602, 604, 610 und 620, die im Folgenden näher erläutert werden. 6 shows a side view of a capacitive ultrasonic transducer 200 according to an embodiment of the present invention. In the side view of 6 are the elements 205 . 210 . 212 (Optional) 220 . 240 . 242 and 245 of the capacitive ultrasonic transducer 200 shown. Furthermore, the in 6 shown capacitive ultrasonic transducer 200 the other elements 224 . 602 . 604 . 610 and 620 , which are explained in more detail below.
Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel definiert der an das Substrat 205 oder an die Zwischenschicht 212 angrenzende Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 in Draufsicht auf das Substrat 205 einen lateral (beispielsweise ringförmig) umlaufenden Hohlraum 224 zwischen der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240.At the in 6 shown embodiment of the substrate 205 or to the intermediate layer 212 adjacent section 245 the second electrode layer 240 in plan view of the substrate 205 a laterally (for example annular) circumferential cavity 224 between the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 ,
Dadurch wird es ermöglicht, dass frei schwebende Bereiche der zweiten Elektrodenschicht 240 in dem kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 im Wesentlichen frei beweglich sind, so dass ein Abstand zwischen den frei schwebenden Bereichen der zweiten Elektrodenschicht 240 und der ersten Elektrodenschicht 210 variabel ist, bzw. im Betrieb des kapazitiven Ultraschallwandlers die frei schwebenden Bereiche frei schwingen können.This makes it possible for free-floating regions of the second electrode layer 240 in the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 are substantially free to move, so that a distance between the free-floating regions of the second electrode layer 240 and the first electrode layer 210 is variable, or in the operation of the capacitive ultrasonic transducer, the free-floating areas can swing freely.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 6 umfasst das Verfahren 100 ferner ein Bereitstellen einer inneren Versiegelungsschicht 610. Hierbei ist ein erster Abschnitt 602 der inneren Versiegelungsschicht 610 auf einer dem Substrat 205 abgewandten Seite der ersten Elektrodenschicht 210 angeordnet. Ferner ist ein zweiter Abschnitt 604 der inneren Versiegelungsschicht 610 auf einer dem Substrat 205 zugewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht 240 angeordnet. Der erste Abschnitt 602 der inneren Versiegelungsschicht 610 und der zweite Abschnitt 604 der inneren Versiegelungsschicht 610 sind ausgebildet, um den kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 aufrechtzuerhalten.In embodiments according to 1 and 6 includes the method 100 further providing an inner sealing layer 610 , Here is a first section 602 the inner sealing layer 610 on a the substrate 205 opposite side of the first electrode layer 210 arranged. There is also a second section 604 the inner sealing layer 610 on a the substrate 205 facing side of the second electrode layer 240 arranged. The first paragraph 602 the inner sealing layer 610 and the second section 604 the inner sealing layer 610 are formed to the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 maintain.
Durch das Kontrollieren der mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht 240 und durch das Bereitstellen der inneren Versiegelungsschicht 610 kann der kollabierte Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 erreicht werden bzw. während des Betriebs desselben aufrechterhalten werden.By controlling the stress in the second electrode layer 240 and by providing the inner sealant layer 610 can the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 be achieved or maintained during its operation.
Bei Ausführungsbeispielen ist die innere Versiegelungsschicht 610 eine Atomlagenabscheidungs(ALD, ”Atomic Layer Deposition”)-Schicht.In embodiments, the inner sealing layer is 610 an atomic layer deposition (ALD, "Atomic Layer Deposition") layer.
In der Seitenansicht des kapazitiven Ultraschallwandlers von 6 wird beispielhaft gezeigt, wie die ALD-Schicht für die Versiegelung und außerdem für die Erzeugung einer mechanischen Kopplung mit der Oberfläche des Bodens (bzw. mit dem Substrat oder der Zwischenschicht) verwendet werden kann. Hierbei ist in 6 die untere Elektrode bzw. die erste Elektrodenschicht als strukturierte Elektrode dargestellt. Die untere Elektrode kann jedoch auch eine ganzflächig ausgebildete Elektrode sein, wie es in 7 beispielhaft dargestellt ist.In the side view of the capacitive ultrasonic transducer of 6 By way of example, it will be shown how the ALD layer can be used for the sealing as well as for the creation of a mechanical coupling with the surface of the floor (or with the substrate or the intermediate layer). Here is in 6 the lower electrode or the first electrode layer is shown as a structured electrode. The lower electrode can However, also be a full-surface electrode, as in 7 is shown by way of example.
Ferner kann bei Ausführungsbeispielen die innere Versiegelungsschicht 610 so angeordnet sein, dass sie den lateral umlaufenden Hohlraum 224 begrenzt bzw. versiegelt. Wie in 6 gezeigt, kann hierbei ein dritter Abschnitt 606 der inneren Versiegelungsschicht 610 auf einer inneren Oberfläche von seitlichen Abschnitten der Trennschicht 220 angeordnet sein.Further, in embodiments, the inner sealing layer 610 be arranged so that they the laterally encircling cavity 224 limited or sealed. As in 6 shown, this can be a third section 606 the inner sealing layer 610 on an inner surface of lateral portions of the separation layer 220 be arranged.
Durch das Bereitstellen der inneren Versiegelungsschicht für den kapazitiven Ultraschallwandler kann vermieden werden, dass sich die Ausdehnung des lateral umlaufenden Hohlraums 224 zwischen der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 (bzw. der jeweilige Luftspalt zwischen den beiden Elektrodenschichten) während des Betriebs des kapazitiven Ultraschallwandlers unkontrolliert verändert, wodurch sich wiederum die Frequenzantwort des kapazitiven Ultraschallwandlers unkontrolliert verändern würde. Somit können gemäß Ausführungsbeispielen Zuverlässigkeitsprobleme während des Betriebs des kapazitiven Ultraschallwandlers vermieden werden.By providing the inner sealing layer for the capacitive ultrasonic transducer can be avoided that the expansion of the laterally encircling cavity 224 between the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 (or the respective air gap between the two electrode layers) changed uncontrollably during operation of the capacitive ultrasonic transducer, which in turn would change the frequency response of the capacitive ultrasonic transducer uncontrolled. Thus, according to embodiments reliability problems during operation of the capacitive ultrasonic transducer can be avoided.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 6 umfasst das Verfahren 100 ein Bereitstellen einer inneren Versiegelungsschicht 610. Hierbei ist ein erster Abschnitt 602 der inneren Versiegelungsschicht 610 auf einer dem Substrat 205 abgewandten Seite der ersten Elektrodenschicht 210 angeordnet. Ferner ist ein zweiter Abschnitt 604 der inneren Versiegelungsschicht 610 auf einer dem Substrat 205 zugewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht 240 angeordnet. Der erste Abschnitt 602 der inneren Versiegelungsschicht 610 und der zweite Abschnitt 604 der inneren Versiegelungsschicht 610 sind ausgebildet, um die erste Elektrodenschicht 210 und die zweite Elektrodenschicht 240 elektrisch voneinander zu isolieren. Durch die elektrische Isolation der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 mit der inneren Versiegelungsschicht 610 kann ein Kurzschluss zwischen denselben vermieden werden, wodurch der noch zuverlässigere Betrieb des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 erreicht werden kann.In further embodiments according to 1 and 6 includes the method 100 providing an inner sealing layer 610 , Here is a first section 602 the inner sealing layer 610 on a the substrate 205 opposite side of the first electrode layer 210 arranged. There is also a second section 604 the inner sealing layer 610 on a the substrate 205 facing side of the second electrode layer 240 arranged. The first paragraph 602 the inner sealing layer 610 and the second section 604 the inner sealing layer 610 are formed around the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 electrically isolate each other. By the electrical insulation of the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 with the inner sealing layer 610 For example, a short circuit between them can be avoided, resulting in even more reliable operation of the capacitive ultrasonic transducer 200 can be achieved.
Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrodenschicht 210 ringförmig ausgebildet. Hierbei ist in dem kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 der an das Substrat 205 oder an die Zwischenschicht 212 angrenzende Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 in Draufsicht auf das Substrat 205 von der ersten Elektrodenschicht 210 ringförmig umgeben.At the in 6 the embodiment shown is the first electrode layer 210 ring-shaped. Here, in the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 the to the substrate 205 or to the intermediate layer 212 adjacent section 245 the second electrode layer 240 in plan view of the substrate 205 from the first electrode layer 210 surrounded by a ring.
Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel, wobei die erste Elektrodenschicht 210 ringförmig ausgebildet ist, grenzt der Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 nicht an die erste Elektrodenschicht 210 an. Dies ist selbst dann der Fall, wenn die (optionale) Zwischenschicht 212 weggelassen wird.At the in 6 shown embodiment, wherein the first electrode layer 210 is annular, the section is adjacent 245 the second electrode layer 240 not to the first electrode layer 210 at. This is the case even if the (optional) interlayer 212 is omitted.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 6 umfasst das Verfahren 100 ferner ein Bereitstellen der Zwischenschicht 212, die auf der ersten Elektrodenschicht 210 angeordnet ist. Hierbei ist die Zwischenschicht 212 beispielsweise eine Isolatorschicht, die ausgebildet ist, um die erste Elektrodenschicht 210 von der zweiten Elektrodenschicht 240 elektrisch voneinander zu isolieren.In embodiments according to 1 and 6 includes the method 100 further providing the intermediate layer 212 on the first electrode layer 210 is arranged. Here is the intermediate layer 212 For example, an insulator layer formed around the first electrode layer 210 from the second electrode layer 240 electrically isolate each other.
Das Bereitstellen der Zwischenschicht 212 dient dazu, die elektrische Isolation der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht noch weiter zu verbessern.Providing the intermediate layer 212 serves to further improve the electrical insulation of the first electrode layer and the second electrode layer.
7 zeigt eine Seitenansicht eines kapazitiven Ultraschallwandlers 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei umfasst der in 7 gezeigte Ultraschallwandler im Wesentlichen die gleichen Elemente wie der in 6 gezeigte Ultraschallwandler. Allerdings ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 die erste Elektrodenschicht 210 ganzflächig ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel von 7, wobei die erste Elektrodenschicht 210 ganzflächig ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn die (optionale) Zwischenschicht 212 vorgesehen ist. In diesem Fall grenzt der Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240 nur an die Zwischenschicht 212 und nicht an die ganzflächig ausgebildete erste Elektrodenschicht 210 an. Dadurch kann die elektrische Isolation der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 gewährleistet werden. 7 shows a side view of a capacitive ultrasonic transducer 200 according to another embodiment of the present invention. Here, the in 7 shown ultrasonic transducers essentially the same elements as in 6 shown ultrasonic transducer. However, in the embodiment according to 7 the first electrode layer 210 formed over the entire surface. In the embodiment of 7 wherein the first electrode layer 210 is formed over the entire surface, it is advantageous if the (optional) intermediate layer 212 is provided. In this case, the section borders 245 the second electrode layer 240 only to the intermediate layer 212 and not to the entire surface formed first electrode layer 210 at. As a result, the electrical insulation of the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 be guaranteed.
Im Folgenden werden verschiedene Modifikationen des in 1 gezeigten Verfahrens 100 näher erläutert.The following are various modifications of the in 1 shown method 100 explained in more detail.
Bei Ausführungsbeispielen kann der kapazitive Ultraschallwandler 200 einem auf denselben wirkenden externen Gasdruck von mindestens 1 atm (1.01325 Pa) ausgesetzt werden, um den kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 aufrechtzuerhalten.In embodiments, the capacitive ultrasonic transducer 200 to be exposed to an external gas pressure of at least 1 atm (1.01325 Pa) acting thereon, to the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 maintain.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 100 ferner ein Bereitstellen eines Dielektrikums zwischen der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 umfassen. Hierbei kann das Dielektrikum ausgebildet sein, um den kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 aufrechtzuerhalten.In further embodiments, the method 100 further providing a dielectric between the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 include. In this case, the dielectric may be formed to the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 maintain.
Somit kann die Menge der zu injizierenden Ladung, die für die Aufrechterhaltung des kollabierten Zustands des kapazitiven Ultraschallwandlers benötigt wird, signifikant reduziert werden. Dies ergibt sich daraus, dass die vorgeformte Platte (bzw. der Abschnitt 245 der zweiten Elektrodenschicht 240) bereits den unteren Teil des kapazitiven Ultraschallwandlers (bzw. das Substrat 205 oder die Zwischenschicht 212) berührt und somit die elektrostatische Kraft nicht die gesamte Rückstellkraft, die durch die Platte erzeugt wird, ausgleichen muss.Thus, the amount of charge to be injected, which is essential for the maintenance of the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer is significantly reduced. This results from the fact that the preformed plate (or the section 245 the second electrode layer 240 ) already the lower part of the capacitive ultrasonic transducer (or the substrate 205 or the intermediate layer 212 ) and thus the electrostatic force does not have to balance the entire restoring force generated by the plate.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 100 ferner ein Anlegen eines elektrostatischen Feldes zwischen der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 für die Erzeugung einer elektrostatischen Kraft umfassen. Hierbei kann während des Anlegens des elektrostatischen Feldes ein Polymer bereitgestellt werden, das zwischen der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 angeordnet ist. Ferner kann das Polymer ausgebildet sein, um den kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 aufrechtzuerhalten.In further embodiments, the method 100 further, applying an electrostatic field between the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 for generating an electrostatic force. In this case, during the application of the electrostatic field, a polymer may be provided which is located between the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 is arranged. Further, the polymer may be configured to the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 maintain.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 100 ferner ein Anlegen eines elektrostatischen Feldes zwischen der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 für die Erzeugung einer elektrostatischen Kraft umfassen. Hierbei kann während des Anlegens des elektrostatischen Feldes eine äußere Versiegelungsschicht 620 bereitgestellt werden (siehe z. B. 6 und 7), wobei die äußere Versiegelungsschicht 620 auf einer dem Substrat 205 abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht 240 angeordnet ist. Ferner kann die äußere Versiegelungsschicht 620 ausgebildet sein, um den kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 aufrechtzuerhalten.In embodiments, the method 100 further, applying an electrostatic field between the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 for generating an electrostatic force. In this case, during the application of the electrostatic field, an outer sealing layer 620 be provided (see eg 6 and 7 ), wherein the outer sealing layer 620 on a the substrate 205 opposite side of the second electrode layer 240 is arranged. Furthermore, the outer sealing layer 620 be formed to the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 maintain.
Wie in 6 beispielhaft dargestellt, kann die äußere Versiegelungsschicht 620 beispielsweise auch dazu verwendet werden, um die Öffnung 242 zu versiegeln.As in 6 exemplified, the outer sealing layer 620 for example, also used to the opening 242 to seal.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Versiegelungsschicht 610 das Loch zum Freilegen (bzw. die Öffnung 242) komplett ausfüllen, wie es in 6, 7 und 9 schematisch dargestellt ist.According to embodiments, the sealing layer 610 the hole to expose (or the opening 242 ) completely fill, as it is in 6 . 7 and 9 is shown schematically.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann somit das externe elektrostatische Feld, das während eines Ausheilens des Polymers angelegt wird, reduziert oder weggelassen werden, wodurch die Herstellung einfacher wird.Thus, according to embodiments, the external electrostatic field applied during annealing of the polymer can be reduced or eliminated, thereby simplifying fabrication.
Somit gibt es gemäß Ausführungsbeispielen verschiedene Möglichkeiten, womit der kollabierte Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers erhalten bzw. aufrechterhalten werden kann. Dies ist dahin gehend vorteilhaft, dass der Betrieb des kapazitiven Ultraschallwandlers noch zuverlässiger durchgeführt werden kann.Thus, according to embodiments, there are various possibilities with which the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer can be obtained or maintained. This is advantageous in that the operation of the capacitive ultrasonic transducer can be performed even more reliably.
In Bezug auf 1 und 6 kann das Verfahren 100 somit ferner ein Bereitstellen einer äußeren Versiegelungsschicht 620 umfassen, wobei die äußere Versiegelungsschicht 620 auf einer dem Substrat 205 abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht 240 angeordnet ist. Gemäß Ausführungsbeispielen ist die äußere Versiegelungsschicht 620 ausgebildet, um den kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 aufrechtzuerhalten. Hierbei hat die äußere Versiegelungsschicht 620 die Funktion, die elastische Membran bzw. zweite Elektrodenschicht 240 im Wesentlichen in ihrer jeweiligen Lage zu halten, so dass sich während des Betriebs des kapazitiven Ultraschallwandlers dessen Frequenzantwort nicht verschlechtert.In relation to 1 and 6 can the procedure 100 thus further providing an outer sealant layer 620 comprising, wherein the outer sealing layer 620 on a the substrate 205 opposite side of the second electrode layer 240 is arranged. According to embodiments, the outer sealing layer is 620 formed to the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 maintain. Here, the outer sealing layer has 620 the function, the elastic membrane or second electrode layer 240 essentially in their respective positions, so that during operation of the capacitive ultrasonic transducer whose frequency response does not deteriorate.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der kollabierte Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 ausschließlich durch das Kontrollieren 180 der mechanischen Spannung in der zweiten Elektrodenschicht 240 erhalten werden.In further embodiments, the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 solely by checking 180 the mechanical stress in the second electrode layer 240 to be obtained.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 100 so durchgeführt werden, dass in dem kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 ein Abstand zwischen der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 im Vergleich zu dem Abstand zwischen der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240 in einem nicht-kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 verringert ist, so dass im Sendebetrieb eine vergleichsweise hohe Effizienz und im Empfangsbetriebs eine vergleichsweise hohe Sensitivität des kapazitiven Ultraschallwandlers 200 erreicht wird.In embodiments, the method 100 be performed so that in the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 a distance between the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 in comparison to the distance between the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 in a non-collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer 200 is reduced, so that in the transmission mode, a comparatively high efficiency and in the receiving mode, a comparatively high sensitivity of the capacitive ultrasonic transducer 200 is reached.
Bei Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren 100 ein Erzeugen einer Öffnung, die sich durch die zweite Elektrodenschicht bis in die Opferschicht bzw. bis auf ein Opfermaterial erstreckt.In embodiments, the method includes 100 producing an opening that extends through the second electrode layer into the sacrificial layer or up to a sacrificial material.
Somit kann gemäß Ausführungsbeispielen ein Herstellungsverfahren für den kapazitiven Ultraschallwandler geschaffen werden, das durch eine große Einfachheit ausgezeichnet ist.Thus, according to embodiments, a manufacturing method for the capacitive ultrasonic transducer excellent in simplicity can be provided.
Gemäß Ausführungsbeispielen besteht der kapazitive Ultraschallwandler (CMUT, ”Capacative micro-machined ultrasonic transducer”) aus zwei Elektroden bzw. der ersten Elektrodenschicht 210 und der zweiten Elektrodenschicht 240, die durch einen Luftspalt (bzw. die zwei voneinander getrennten Hohlräume 224) getrennt sind und beispielsweise auch aus einem Dielektrikum, das dazu verwendet wird, um Kurzschlüsse zwischen den zwei Elektroden bzw. Elektrodenschichten zu vermeiden. Während des erfindungsgemäßen Sendebetriebs kann eine Wechselspannung (AC) an die zwei Elektroden angelegt werden, so dass sich eine der Elektroden mit der doppelten Frequenz der angelegten Wechselspannung (AC) bewegt, wodurch ein Luftdruckunterschied während der Bewegung und somit wiederum eine Ultraschallwelle erzeugt werden. Während des erfindungsgemäßen Empfangsbetriebs trifft die zu detektierende Schallwelle auf die bewegliche Elektrode (z. B. die zweite Elektrodenschicht 240) auf und erzeugt eine Verschiebung bzw. Deformation der Elektrode. Bei Ausführungsbeispielen kann diese Deformation in eine Änderung der Kapazität zwischen den zwei Elektroden umgewandelt werden. Somit wird es ermöglicht, den empfangenen Schalldruck zu messen bzw. zu quantifizieren.According to embodiments, the capacitive ultrasonic transducer (CMUT, "capacitive micro-machined ultrasonic transducer") consists of two electrodes or the first electrode layer 210 and the second electrode layer 240 through an air gap (or the two separate cavities 224 ) are separated and, for example, from a dielectric, which is used to avoid short circuits between the two electrodes or electrode layers. During the transmission operation according to the invention can An alternating voltage (AC) is applied to the two electrodes so that one of the electrodes moves at twice the frequency of the applied alternating voltage (AC), whereby an air pressure difference during the movement and thus again an ultrasonic wave are generated. During the receiving operation according to the invention, the sound wave to be detected strikes the movable electrode (eg the second electrode layer 240 ) and generates a displacement or deformation of the electrode. In embodiments, this deformation may be converted into a change in capacitance between the two electrodes. This makes it possible to measure or quantify the received sound pressure.
Um den erzeugten Schalldruck während des Sendebetriebs und auch die Sensitivität (wie z. B. das Umwandlungsverhältnis von Druck zu elektrischem Signal) während des Empfangsbetriebs zu optimieren, kann beispielsweise der Abstand zwischen den zwei Elektroden minimiert werden. Hierbei folgt die elektrostatische Kraft im Wesentlichen einer 1/Abstand2-Relation. Dies führt dazu, dass falls der Abstand beispielsweise halbiert wird, sich die elektrostatische Kraft vervierfacht. Für den Sendebetrieb bedeutet dies, dass eine Verringerung des Abstands (”Gap”) zu einem größeren Verhältnis zwischen Verschiebung und elektrischer Spannung führt, wodurch die Effizienz des kapazitiven Ultraschallwandlers verbessert werden kann. Für den Empfangsbetrieb bedeutet dies, dass falls die Elektroden relativ nahe zueinander angeordnet sind, größere elektrische Signale erreicht werden können, und zwar für denselben Wert der Verschiebung bzw. Deflexion, die durch die einfallende Ultraschallwelle erzeugt wird.For example, in order to optimize the generated sound pressure during the transmission operation and also the sensitivity (such as the conversion ratio of pressure to electrical signal) during the reception operation, the distance between the two electrodes can be minimized. Here, the electrostatic force essentially follows a 1 / distance 2 relation. This results in that if the distance is halved, for example, the electrostatic force quadruples. For the transmit mode, this means that a reduction of the gap results in a larger ratio between displacement and electrical voltage, whereby the efficiency of the capacitive ultrasonic transducer can be improved. For receiving operation, this means that if the electrodes are arranged relatively close to each other, larger electrical signals can be obtained for the same value of the displacement produced by the incident ultrasonic wave.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann ein Konzept geschaffen werden, um die Vorteile dieser Anordnung, bei der die beiden Elektroden relativ nahe zueinander angeordnet sind, was auch als Betrieb im kollabierten Zustand bezeichnet wird, auszunutzen. In diesem Zustand kontaktieren sich die beiden Elektroden innerhalb eines vorgegebenen Flächenbereichs, während sie in manchen anderen Bereichen frei schwebend sind.According to embodiments, a concept may be provided to exploit the advantages of this arrangement, in which the two electrodes are arranged relatively close to each other, which is also referred to as operation in the collapsed state. In this state, the two electrodes contact each other within a given area, while in some other areas they are free-floating.
Im Vorhergehenden wurden verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben, wie solch eine Struktur bzw. der kapazitive Ultraschallwandler hergestellt werden kann, um mögliche Zuverlässigkeitsprobleme, die im Stand der Technik auftreten, zu vermeiden.In the foregoing, various embodiments have been described of how such a structure or the capacitive ultrasonic transducer can be made in order to avoid potential reliability problems that occur in the prior art.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, die nur in Differenzdruck-Situationen angewendet werden können, kann eine Variation der Leistung in Abhängigkeit von einem externen Druck verringert bzw. vermieden werden. Ferner kann im Gegensatz zu bekannten Verfahren auf das Bereitstellen von elektrischen Ladungen und/oder das Durchführen von zusätzlichen, nicht trivialen Schritten bei der Herstellung verzichtet werden.In contrast to known methods, which can only be used in differential pressure situations, a variation of the power in dependence on an external pressure can be reduced or avoided. Furthermore, in contrast to known methods, it is possible to dispense with the provision of electrical charges and / or the carrying out of additional, non-trivial steps in the production.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Konzept, wobei der kollabierte Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT, ”Capacitive micro-machined ultrasonic transducer”) durch das Kontrollieren der mechanischen Spannung mittels des Abscheideprozesses während der Herstellung des kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT) selbst erzeugt wird. Bei Ausführungsbeispielen liefert eine Kontrolle über die mechanischen Spannungen, die in den Schichten des kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT) eingeprägt sind, die Mittel für die Kontrolle der Deformation der CMUT-Platte (bzw. der zweiten Elektrodenschicht 240).Embodiments of the present invention provide a concept wherein the collapsed state of the Capacitive Micro-Machined Ultrasonic Transducer (CMUT) is generated by controlling the stress by means of the deposition process during fabrication of the capacitive ultrasonic transducer (CMUT) itself. In embodiments, control over the mechanical stresses impressed in the layers of the capacitive ultrasonic transducer (CMUT) provides the means for controlling the deformation of the CMUT plate (or second electrode layer) 240 ).
Bei Ausführungsbeispielen kann das erfindungsgemäße Verfahren ausschließlich unter Verwendung der mechanischen Spannung in den Schichten durchgeführt werden. Ferner kann die Verwendung der mechanischen Spannung auch in Kombination mit einer der im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren durchgeführt werden.In embodiments, the method according to the invention can be carried out exclusively by using the mechanical stress in the layers. Furthermore, the use of the mechanical stress can also be carried out in combination with one of the methods described above.
Falls gemäß Ausführungsbeispielen das Verfahren ausschließlich durch das Kontrollieren der mechanischen Spannung durchgeführt wird, kann es beispielsweise sein, dass sich der zentrale Bereich des kapazitiven Ultraschallwandlers (CMUT) weiterhin bewegt, und zwar aufgrund von mechanischen Harmonischen, wodurch die akustischen Eigenschaften des CMUT möglicherweise verschlechtert werden. Um dies zu vermeiden, können jedoch Van-der-Waals bzw. Casimir-Kräfte verwendet werden, die den zentralen Bereich des CMUT festhalten und dadurch seine Bewegung verhindern.For example, according to embodiments, if the method is performed solely by controlling the mechanical stress, it may be that the central region of the capacitive ultrasonic transducer (CMUT) continues to move due to mechanical harmonics, possibly degrading the acoustic properties of the CMUT , To avoid this, however, van der Waals or Casimir forces can be used, which hold the central area of the CMUT and thereby prevent its movement.
Somit kann bei Ausführungsbeispielen das Verfahren ferner ein Ausnutzen von Van-der-Waals-Kräften und/oder Casimir-Kräften umfassen, um den kollabierten Zustand des kapazitiven Ultraschallwandlers aufrechtzuerhalten.Thus, in embodiments, the method may further include utilizing van der Waals forces and / or Casimir forces to maintain the collapsed state of the capacitive ultrasonic transducer.
Ferner kann gemäß Ausführungsbeispielen der Nachteil eines bekannten Verfahrens, dass sich der Flächenbereich, der die untere Elektrode (bzw. die erste Elektrodenschicht 210) kontaktiert, aufgrund eines Druckunterschiedes verändert, dadurch vermieden werden, dass eine ALD(Atomlagenabscheidung)-Schicht verwendet wird, wie es in 6 beispielhaft dargestellt ist.Furthermore, according to exemplary embodiments, the disadvantage of a known method is that the area that surrounds the lower electrode (or the first electrode layer 210 ), changed due to a pressure difference, can be avoided by using an ALD (atomic layer deposition) layer, as described in US Pat 6 is shown by way of example.
8 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Anordnung 900 einer Mehrzahl von kapazitiven Ultraschallwandlern 910, 920 mit einer ersten Gruppe 910 von kapazitiven Ultraschallwandlern 910, 920 und einer zweiten Gruppe 920 von kapazitiven Ultraschallwandlern 910, 920 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 8 beispielhaft dargestellt, umfasst die Anordnung 900 der Mehrzahl von kapazitiven Ultraschallwandlern 910, 920 eine erste Gruppe 910 von kapazitiven Ultraschallwandlern 910, 920 mit einer ersten Ausdehnung L1 und eine zweite Gruppe 920 von kapazitiven Ultraschallwandlern 910, 920 mit einer zweiten Ausdehnung L2. Hierbei weist jeder der kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 der ersten Gruppe 910 einen kollabierten Zustand auf, während jeder der kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 der zweiten Gruppe 920 einen nicht-kollabierten Zustand aufweist. Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Ausdehnung L1 der kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 der ersten Gruppe 910 größer als die zweite Ausdehnung L2 der kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 der zweiten Gruppe 920. 8th shows a schematic representation for illustrating an arrangement 900 a plurality of capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 with a first group 910 of capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 and a second group 920 of capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 according to an embodiment of the present invention. As in 8th exemplified, the arrangement comprises 900 the plurality of capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 a first group 910 of capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 with a first extension L1 and a second group 920 of capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 with a second extension L2. Here, each of the capacitive ultrasonic transducer 910 . 920 the first group 910 a collapsed state while each of the capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 the second group 920 has a non-collapsed state. At the in 8th the embodiment shown is the first extension L1 of the capacitive ultrasonic transducer 910 . 920 the first group 910 larger than the second extension L2 of the capacitive ultrasonic transducer 910 . 920 the second group 920 ,
Die in 8 beispielhaft dargestellte Anordnung 900 hat den Vorteil, dass die kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 der ersten Gruppe 910 für den kollabierten Zustand und die kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 der zweiten Gruppe 920 für den nicht-kollabierten Zustand gleichzeitig bereitgestellt werden können. Hierbei ermöglichen die kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 der ersten Gruppe 910, die den kollabierten Zustand aufweisen, jeweils eine verbesserte Sensitivität während des Empfangsmodus, während die kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 der zweiten Gruppe 920, die den nicht-kollabierten Zustand aufweisen, jeweils eine vergrößerte Sendeleistung während des Sendemodus ermöglichen. Somit können die vorteilhaften Eigenschaften während des Empfangsbetriebs der jeweiligen kapazitiven Ultraschallwandler in dem kollabierten Zustand und die vorteilhaften Eigenschaften während des Sendebetriebs der jeweiligen kapazitiven Ultraschallwandler in dem nicht-kollabierten Zustand kombiniert werden. Diese Kombination der vorteilhaften Eigenschaften kann dadurch erreicht werden, dass die kapazitiven Ultraschallwandler der ersten Gruppe und die kapazitiven Ultraschallwandler der zweiten Gruppe alle zusammen innerhalb einer Anordnung (wie beispielsweise der Anordnung 900 gemäß 8) vorgesehen werden.In the 8th exemplified arrangement 900 has the advantage that the capacitive ultrasonic transducer 910 . 920 the first group 910 for the collapsed state and the capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 the second group 920 can be provided for the non-collapsed state at the same time. In this case, the capacitive ultrasonic transducers allow 910 . 920 the first group 910 , which have the collapsed state, respectively, an improved sensitivity during the receiving mode, while the capacitive ultrasonic transducer 910 . 920 the second group 920 each having the non-collapsed state, each allowing increased transmission power during the transmission mode. Thus, the advantageous characteristics during the receiving operation of the respective capacitive ultrasonic transducers in the collapsed state and the advantageous characteristics during the transmitting operation of the respective capacitive ultrasonic transducers in the non-collapsed state can be combined. This combination of advantageous properties can be achieved by having the capacitive ultrasonic transducers of the first group and the capacitive ultrasonic transducers of the second group all together within an array (such as the array) 900 according to 8th ).
Mit anderen Worten, ein CMUT-Raster (bzw. die Anordnung 900 in 8) kann einige CMUT-Elemente umfassen, die für den Sendebetrieb bzw. den Betrieb in dem frei schwebenden (konventionellen) bzw. nicht-kollabierten Zustand ausgebildet sind, und es kann einige CMUT-Elemente umfassen, die für den Empfangsbetrieb bzw. den Betrieb in dem kollabierten Zustand ausgebildet sind. Dies kann auf einfache Weise erreicht werden, indem die kollabierten Elemente für den Empfangsbetrieb mit einer größeren Ausdehnung bereitgestellt werden, so dass dieselbe intrinsische mechanische Spannung eine Verschiebung bzw. Auslenkung erzeugt, wie sie auch für die nicht-kollabierten Elemente mit der kleineren Ausdehnung erhalten wird.In other words, a CMUT grid (or the arrangement 900 in 8th ) may comprise some CMUT elements adapted for transmit operation in the free-floating (conventional) and non-collapsed states, respectively, and may comprise some CMUT elements suitable for receive operation in FIG are formed in the collapsed state. This can be achieved in a simple manner by providing the collapsed elements for the receiving operation with a greater extent, so that the same intrinsic stress produces a displacement as is obtained for the non-collapsed elements with the smaller dimension ,
9 zeigt eine Seitenansicht von kapazitiven Ultraschallwandlern 910, 920 des Ausführungsbeispiels der Anordnung 900 gemäß 8. In der Seitenansicht von 9 ist ein CMUT-Element mit einer relativ großen Ausdehnung (Ausdehnung L1) in einem kollabierten Zustand auf der linken Seite von 9 gezeigt (wobei die Elektroden in dem Bereich geschnitten sind, wo die Platte den Boden berührt, um Auflade- bzw. Durchbruch-Effekte zu verringern). Ferner ist in der Seitenansicht von 9 ein CMUT-Element auf der rechten Seite von 9 gezeigt, das frei schwebend bzw. in dem nicht-kollabierten Zustand ist (da die kritische mechanische Spannung in der zweiten Elektrodenschicht größer ist als die mechanische Spannung). Der auf der linken Seite von 9 gezeigte Ultraschallwandler 910 entspricht einem der ersten Gruppe von kapazitiven Ultraschallwandlern mit der ersten Ausdehnung L1 gemäß 8, während der auf der rechten Seite von 9 gezeigte Ultraschallwandler 920 einem der zweiten Gruppe von kapazitiven Ultraschallwandlern mit der zweiten Ausdehnung L2 gemäß 8 entspricht. Ferner entsprechen die in 9 gezeigten kapazitiven Ultraschallwandler 910, 920 jeweils dem in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschriebenen kapazitiven Ultraschallwandler 200. Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechen die erste Ausdehnung L1 und die zweite Ausdehnung L2 jeweils einer lateralen Ausdehnung der zweiten Elektrodenschicht 240, wobei die laterale Ausdehnung jeweils durch die seitlichen Abschnitte der Trennschicht 220 definiert ist (siehe 9). 9 shows a side view of capacitive ultrasonic transducers 910 . 920 the embodiment of the arrangement 900 according to 8th , In the side view of 9 is a CMUT element having a relatively large extension (extension L1) in a collapsed state on the left side of FIG 9 (the electrodes are cut in the area where the plate touches the ground to reduce charge-on effects). Furthermore, in the side view of 9 a CMUT element on the right side of 9 which is free-floating or in the non-collapsed state (because the critical stress in the second electrode layer is greater than the stress). The one on the left side of 9 shown ultrasonic transducer 910 corresponds to one of the first group of capacitive ultrasonic transducers with the first dimension L1 according to FIG 8th while on the right side of 9 shown ultrasonic transducer 920 one of the second group of capacitive ultrasonic transducers with the second dimension L2 according to FIG 8th equivalent. Furthermore, the in 9 shown capacitive ultrasonic transducer 910 . 920 each to the capacitive ultrasonic transducer described in the previous embodiments 200 , At the in 9 In the embodiment shown, the first extension L1 and the second extension L2 each correspond to a lateral extent of the second electrode layer 240 wherein the lateral extent respectively through the lateral portions of the separation layer 220 is defined (see 9 ).
Die vorliegende Erfindung ist dahin gehend vorteilhaft, dass das Kontrollieren der mechanischen Spannung während des Abscheideprozesses keine zusätzlichen Kosten für die Produktion eines CMUT für einen kollabierten Zustand verursacht. Ferner ermöglichen Ausführungsbeispiele, dass eine sehr gute Kontrolle der mechanischen Spannung während des Abscheideprozesses in den CMUT-Schichten erreicht werden kann.The present invention is advantageous in that controlling the stress during the deposition process does not cause additional costs for the production of a CMUT for a collapsed state. Further, embodiments allow for very good control of the stress during the deposition process in the CMUT layers.
Zusammenfassend schaffen Ausführungsbeispiele die folgenden Möglichkeiten. Die mechanische Spannung während des Abscheideprozesses kann dazu verwendet werden, um den CMUT für den Betrieb in dem kollabierten Zustand herzustellen. CMUT-Elemente von verschiedener Größe können kombiniert werden, um CMUT-Elemente für den konventionellen (frei schwebenden) Betrieb in dem nicht-kollabierten Zustand und CMUT-Elemente für den Betrieb in dem kollabierten Zustand zu erhalten. Ferner kann eine ALD-Schicht für die Versiegelung der Kavität bzw. des lateral umlaufenden Hohlraums in dem CMUT verwendet werden. Ferner kann eine ALD-Schicht verwendet werden, um eine isolierende Schicht zwischen den Elektroden zu erzeugen. Sobald die mechanische Spannung den CMUT verformt bzw. deformiert, kann die ALD-Schicht den CMUT in dem kollabierten Zustand halten.In summary, embodiments provide the following possibilities. The mechanical stress during the deposition process may be used to fabricate the CMUT for operation in the collapsed state. CMUT elements of various sizes can be combined to obtain CMUT elements for conventional (free-floating) operation in the non-collapsed state and CMUT elements for operation in the collapsed state. Furthermore, an ALD layer may be used for the sealing of the cavity or laterally circulating cavity in the CMUT. Further, an ALD layer may be used to create an insulating layer between the electrodes. Once the mechanical stress deforms the CMUT, the ALD layer may hold the CMUT in the collapsed state.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können für jegliche Ultraschallanwendung verwendet werden, wie beispielsweise medizinische Abbildungssysteme, die Werkstoffprüfung (NOT, ”Non Destructive Testing”), usw.Embodiments of the present invention may be used for any ultrasound application, such as medical imaging systems, materials testing (NOT, non-destructive testing), etc.
