JP2014533907A - 円環形状の崩壊領域を持つ崩壊前の静電容量型トランスデューサーセル - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の電極１６を有する基板１２及び第２の電極１８を有する膜１４を有する崩壊前の静電容量型トランスデューサーセル１０に関する。ここで前記セルは、膜１４が基板１２に取り付けられている外側領域２２、及び外側領域２２の内側にある又は外側領域２２により囲まれる内側領域２０を有する。ここで膜１４は、内側領域２０内に置かれる円環形状の第１の崩壊領域２４において基板１２に崩壊している。

Description

本発明は、崩壊前(pre-collapsed)の静電容量型トランスデューサーセル、特に静電容量型超音波トランスデューサー（ｃＭＵＴ）セル又は静電容量型圧力トランスデューサー／センサーセル、及びこれらの製造方法に関する。

近年では、超音波トランスデューサー（ＭＵＴ）が開発されている。超音波トランスデューサーは、２つの設計手法で製造されている。１つは、圧電特性を備えるセラミック層（ｐＭＵＴ）を使用する、並びにもう１つはコンデンサを形成する電極（又は電極版）を備える基板及び膜（又はダイアフラム）、いわゆる静電容量型超音波トランスデューサー（ｃＭＵＴ）を使用することである。

ｃＭＵＴセルは、膜の下に空洞を有する。超音波を受信するために、超音波は前記膜を動かす又は振動させ、電極間における静電容量の変化が検出されることができる。それにより、前記超音波は、対応する電気信号に変換される。反対に、電極に印加される電気信号が前記膜を動かす又は振動させ、それにより超音波を送信する。この波を受信する又は送信することが起こる機構は電気機械結合又は簡単に"結合"と呼ばれる。

最初に、ｃＭＵＴセルは、"無崩壊(uncollapsed)"モードとして知られるモードで動作するように生成される。従来の"無崩壊の"ｃＭＵＴセルは本質的に、非線形装置であり、前記結合は、電極間に印加されるバイアス電圧に大きく依存している。

この問題を解決するために、近年では、いわゆる"崩壊前の"ｃＭＵＴセルが開発されている。崩壊前のｃＭＵＴにおいて、膜の一部又は領域は、空洞の下部（又は基板）に崩壊する、いわゆる"崩壊領域"である。ある形式の"崩壊前の"ｃＭＵＴセルにおいて、前記膜は恒久的に基板に崩壊する又は固定される、及びもう１つの形式の"崩壊前の"ｃＭＵＴセルにおいて、前記膜は、一時的にのみ（例えば動作中に）膜に崩壊する。

広範囲のバイアス電圧にわたり、崩壊前のｃＭＵＴセルの結合は実質的にバイアス電圧に依存していない。これはｃＭＵＴセルをさらに線形にする。さらに、通常の使用の電圧範囲にわたり、このような"崩壊前の"ｃＭＵＴセルは、"無崩壊の"ｃＭＵＴセルよりも多くの結合を提供する。これは、基板の固定した下部電極と膜の柔軟な上部電極との間にある空洞又は間隙がセルの静電容量及び故にセルの結合を決定するからである。膜が基板に引き寄せられ接触する地点のすぐ近隣において最も高い結合が得られることが分かっている。崩壊領域のすぐ周りの領域は、空洞が最も小さく、故に結合に対し最も貢献する。

崩壊前のｃＭＵＴセルは、例えば国際特許出願公開番号WO2010/097729 A1に開示されている。WO2010/097729 A1は、第１の電極を備える膜、第２の電極を備える基板及び前記膜と前記基板との間に空洞を持つ超音波ｃＭＵＴトランスデューサーアレイにおいて使用するのに適したｃＭＵＴトランスデューサーセルを開示している。このｃＭＵＴは、崩壊前の状態で動作して、膜にバイアスをかけることにより空洞の床部に崩壊した状態にする。レンズは崩壊した膜の上に向けられる。レンズの材料が重合する又は十分な剛性であるとき、バイアス電圧は解除され、このレンズの材料は膜が崩壊した状態を保つ。

しかしながら依然として、崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの性能を向上させる必要がある。

本発明の目的は、性能が向上した崩壊前の静電容量型トランスデューサーセル、及びこのトランスデューサーセルを製造する方法を提供することである。

本発明の第１の態様において、第１の電極を有する基板、第２の電極を有する膜を有する崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルが示される。ここで前記セルは、前記膜が前記基板に取り付けられる外側領域、及び前記外側領域の内側にある又は外側領域により囲まれる内側領域を持ち、前記膜は、前記内側領域内にある円環形状の第１の崩壊領域において前記基板に崩壊する。

本発明の他の態様において、崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルを製造する方法が示され、この方法は、第１の電極を有する基板を設けるステップ、第２の電極を有する膜を設けるステップであり、前記セルは前記膜が前記基板に取り付けられる外側領域、及び前記外側領域の内側にある又は前記外側領域により囲まれる内側領域を持つ前記ステップ、並びに前記内側領域内にある円環形状の第１の崩壊領域において前記膜を前記基板に崩壊させるステップを有する。

本発明の基本的な考えは、円環形状の崩壊（又はピン止め）領域を提供することである。従って、セルの崩壊領域は、従来技術のセルの事例であったセルの中心における円形（円環ではない）形状の崩壊領域ではない。数学的に定義されるように、円環は、（その真ん中に穴がある）リング形状の幾何学的図形又は物体である、又は例えば２つの同心円のような２つの同心の閉曲線の間にあるエリアである。２つの円の代わりに、他の如何なる形式の閉曲線が使用され得ると理解されたい。

トランスデューサーの最も強く結合されるエリアは崩壊領域のすぐ近隣にあるので、本発明は、この高い結合エリアを増大させる。従って、効果的なセルの結合が増大する。故に、高い結合を与えるエリアが増大するので、セルの性能は向上する。特に、基板と膜との間にある空洞の高さが崩壊領域において零になるまで円滑に又は連続して減少する。この円環形状の崩壊領域は特に、従来のセルの中央にある崩壊領域に比べ、セルの外縁により近くに又はより近づくことができる。この円環形状の崩壊領域は、中央の崩壊領域の代わりに又は中央の崩壊領域に加えて使用されてもよい。

前記セルの内側領域において、前記膜と前記基板との間に少なくとも１つの空洞が形成される。円環形状の崩壊領域があるので、前記膜と前記基板との間に少なくとも２の空洞が形成される。第１の空洞は、円環形状の崩壊領域の内側にある（又はその崩壊領域により囲まれる）領域において、前記膜と前記基板との間に形成され、並びに第２の空洞は、前記円環形状の崩壊領域の外側にある（又はその崩壊領域を囲んでいる）領域において、前記膜と前記基板との間に形成される。

本発明を用いる場合、セルの変換効率が向上する。第１に、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換は一般的に、前記崩壊領域のすぐ近くにある膜の領域にのみ起こる。これは、電荷の近接及び濃度のために膜が強い静電力を受けている、及びその力に応答して同時に膜が動く膜の領域である。例えば崩壊領域のような、既に基板と接している膜の領域は動くことができない。動くことができるが、崩壊領域に近接していない膜の領域は、大きな電荷濃度を持たない。第２に、一般的に大きな電気信号が送信に使用される及び前記膜において大きな動きが生じるので、実際の強い変換の領域がトランスデューサーセルの表面を交差して前後に動く。円環形状の崩壊領域を持つことにより、活性変換区域である高い電気機械結合の領域はセルの中心から離れるように動く。さらに、１ではなく２つの変換区域が作成されることができる。これは、前記活性変換区域のエリアを２倍以上にするので、変換効率は向上する。言い換えると、これは、前記活性変換区域の有効幅を減らすことなく、この活性変換区域の長さを２倍以上にする。

本発明の好ましい実施例は、独立請求項に規定される。請求する方法は、請求するセルと及び独立請求項に規定されるのと類似及び/又は同一の好ましい実施例を持つと理解されたい。

第１の実施例において、前記第２の電極は、前記円環形状の第１の崩壊領域の内側にある又は前記崩壊領域により囲まれる第１の変換領域内にある。

第２の実施例において、前記第２の電極は、前記円環形状の第１の崩壊領域の外側にある又は前記崩壊領域を囲んでいる第２の変換領域内にある。本実施例は特に、第１の実施例の代替案として又は第１の実施例と組み合わせて使用されることができる。

変形例において、前記第２の電極は、少なくとも前記円環形状の第１の崩壊領域にごく近接して置かれる。このエリアにおいて、膜の第２の電極と、基板の対応する第１の電極との間に小さな間隙だけが存在する。このようにして、セルの増大する又は最大の電気機械結合が与えられる。この変形例は特に、第１の実施例及び/又は第２の実施例を用いて使用されることができる。

他の実施例において、第２の電極及び/又は第１の電極は円環形状を持つ。従って、これら電極は、前記円環形状の崩壊領域に最適に適合される。このように、電極はセルの静電容量の電気機械結合していない部分を最小にすることができる。この実施例は特に、如何なる他の実施例と組み合わせて使用されることができる。

他の実施例において、円環形状の第１の崩壊領域は、セル又は膜の中心を軸に置かれる。このようにして、対称な崩壊領域及びセルが与えられることができる。この実施例は特に如何なる他の実施例と組み合わせて使用されることができる。

他の実施例において、膜はさらに内側領域内にある第２の崩壊領域において前記基板に崩壊する。このようにして、セルの電気機械結合エリアはさらに大きくなる。この実施例は特に、第１及び/又は第２の実施例と組み合わせて使用されることができる。変形例において、第２の崩壊領域は、セル若しくは膜の中心領域又は中心に置かれる。前記第２の崩壊領域は特に、円形（非円環）形状を持つ。他の変形例において、第２の電極は、少なくとも第２の崩壊領域にごく近接して置かれる。例えば、第２の電極の外縁は、第１の崩壊領域にごく近接することができ、及び第２の電極の内縁は、第２の崩壊領域にごく近接することができる。

他の実施例において、膜は内側領域に内部応力(built-in stress)を持つ。このようにして、円環形状の第１の崩壊領域において膜が基板に崩壊している間又は崩壊するとき、膜と基板との間に空洞が形成される又は維持される。従って、膜と基板との間にある空洞は、簡単な方法で設けられることができる。特に、前記内部応力は、膜を基板から離れる方に膨らませることができる。

他の実施例において、前記膜はさらに、第１の崩壊領域に置かれる第３の電極を有する。このようにして、円環形状の第１の崩壊領域は、簡単及び/又は信頼できる方法で設けられる。特に、膜を崩壊させて、前記円環形状の第１の崩壊領域を設けるために、基板の第１の（下部）電極と前記第３の電極との間に十分な電圧が印加されることができる。この第３の電極は特に円形状である。

従って、他の実施例又は変形例において、前記膜がさらに前記第１の崩壊領域に置かれる第３の電極を有するとき、膜の基板への崩壊は、第１の電極と第３の電極との間に電圧を印加することを有する。

他の実施例において、前記膜はさらに、第２の崩壊領域に置かれる第４の電極を有する。このようにして、第２の崩壊領域は、簡単及び/又は信頼できる方法で設けられる。特に、膜を崩壊させて、中心の第２の崩壊領域を設けるために、基板の第１の（下部）電極と前記第４の電極との間に十分な電圧が印加されることができる。前記第４の電極は特に円形状である。

従って、他の実施例又は変形例において、前記膜がさらに前記第２の崩壊領域に置かれる第４の電極を有するとき、膜の基板への崩壊は、第１の電極と第４の電極との間に電圧を印加することを有する。

他の実施例において、前記第２の電極及び/又は前記第４の電極は、その円環形状に少なくとも１つの開口を持っている。ここで第４の電極及び/又は第２の電極へのコネクタは、その開口内に置かれる。これは、電極の上部にバイアスは必要とされないので、コスト効率の良い及びそんなに複雑ではないセルを提供する。ある例において、第２の電極は、この電極の円環形状に少なくとも１つの開口を持つことができ、ここで第４の電極へのコネクタは、前記開口内に置かれる。他の実施例において、前記第３の電極は、この電極の円環形状に少なくとも１つの開口を持ち、ここで第２の電極へのコネクタは、前記開口内に置かれる。

他の実施例又は変形例において、第３の電極は２つのセグメントに分割され、ここで第２の電極へのコネクタは、前記第３の電極の２つのセグメントの間に延在している。このようにして、前記第２の電極及び前記第３の電極は互いに電気的に分離又は絶縁されている。

他の実施例において、前記膜は恒久的に崩壊している。従って、この膜は恒久的に膜に固定される、すなわち機械的に崩壊している。この実施例は特に如何なる他の実施例と組み合わせて使用されることができる。

他の実施例において、前記膜はセルの動作中にのみ崩壊する。従って、この膜は一時的にのみ（恒久的ではなく）基板に崩壊する、すなわち（例えば２つの電極間にバイアス電圧を印加することにより）電気的に崩壊する。従って、前記セルの動作はバイアス電圧の印加を有する。この実施例は特に如何なる他の実施例と組み合わせて使用されることができる。

他の実施例において、前記セルは円形状のセルである。円形状は、利用可能な空間のかなり良い充填及び/又はほんのわずか高い次元の振動モード、特に送信されるエネルギーに望ましいモードと競合する又は所望する受信信号を不明瞭にする不要な信号を作る振動モードを提供する。この実施例は特に他の如何なる他の実施例と組み合わせて使用されることができる。

他の実施例において、セルは、超音波を送信及び/又は受信するための静電容量型トランスデューサーセル（ｃＭＵＴ）である。代替実施例において、セルは、圧力を測定するための静電容量型圧力トランスデューサー（又はセンサー）セルである。この実施例は特に如何なる他の実施例と組み合わせて使用されることができる。

本発明に従っていない崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。 図１のセルの上面図を示す。 本発明の第１の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。 図２のセルの上面図を示す。 本発明の第２の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。 図３のセルの上面図を示す。 本発明の第３の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。 図４のセルの上面図を示す。 本発明の第４の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。 本発明の第５の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。 本発明の第６の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。 図６の第５の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの電極の上面図の例を示す。 図６の第５の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの電極の上面図の例を示す。 図６の第５の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの電極の上面図の例を示す。 本発明の他の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。 図９のセルの上面図を示す。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に開示される実施例から明らかであり、これら実施例を参照して説明される。

図１は、本発明によらない崩壊前の静電容量型トランスデューサーセル１０の断面図を示し、図１ａは図１のセルの上面図を示す。図１において、この崩壊前の静電容量型トランスデューサー１０は、第１の（下部）電極１６を有する基板１２と、第２の（上部）電極１８を有する膜１４とを有する。基板１２と膜１４との間に空洞１３が形成される。膜１４は、セル１０の膜１４の中心Ｃ（又はセル１０の中心Ｃ）にある崩壊領域において基板１２に崩壊する。

図１及び図１ａにおいて、空洞１３における陰影又はドットは、電気機械結合を位置関数として示す。高いドットの密度は、高い結合を示す。図に示すように、膜１４が基板１２に崩壊して（又はピン止めされて）いるので、中心Ｃの周りの中心領域には結合がない。膜１４が引き寄せられ、基板１２と接触する地点において最も高い結合が得られる。その理由は、（固定した）下部電極１６と（柔軟な）上部電極１８との間にある空洞１３（又は間隙）の高さが前記トランスデューサーセル１０の静電容量、故にその結合を決めるからである。

図１において、膜の全領域にわたり延在している連続する上部電極１８により、中心Ｃにおける崩壊領域は、寄生容量を追加するが、その領域は動かないので、結合は存在しない。図１に見られるように、空洞１３（又は間隙）の高さは、崩壊領域の縁から外周に向かって単調増加する。中心Ｃから離れるほど、増分エリアは大きくなるが、空洞１３（又は間隙）の高さも高くなる。高い結合領域は例えば、より多くのバイアス電圧を印加することにより増大することができる。これは、前記エリア及び崩壊領域の外周を増大させ、この外周は結合の増大をもたらす。残念なことに、これは、崩壊領域の望まない静電容量も増大させてしまう。

図２は、本発明の第１の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセル１０の断面図を示し、図２ａは図２のセルの上面図を示す。崩壊前の静電容量型トランスデューサーセル１０は、第１の電極１６を有する基板１２と、第２の電極１８を有する移動可能又は柔軟な膜１４とを有する。第１の（下部）電極１６と第２の（上部）電極１８との間にコンデンサが形成される。第１の電極１６は、基板の基材に付けられ、第２の電極１８は膜の基材に付けられる。しかしながら、第１の電極１６が前記基板の基材に組み込まれること、及び第２の電極１８が前記膜の基材に組み込まれることもでき又は他の如何なる適切な方法で基材内に若しくは基材上に置かれることもできると理解されたい。

基板１２と膜１４との間に空洞１３が形成される。例えば超音波を受信するとき、超音波が膜１４を動かす又は振動させ、電極１６、１８の間における静電容量の変化が検出される。それにより、前記超音波は対応する電気信号に変換される。逆に、電極１６、１８に印加される電気信号が膜１４を動かす又は振動させ、それにより超音波を送信する。

基板１２の基材は、例えばシリコンのような導体材料又は半導体材料とすることができる。しかしながら、他の如何なる適切な材料も使用され得ると理解されたい。基板１２の基材が導体又は半導体である場合、基板の基材と第１の（下部）電極１６との間に絶縁層が適用される。絶縁層は第１の（下部）電極１６の上に適用されることができる。このように、接触面は、共に又は全て同じ絶縁体である。膜１４の基材は、例えば二酸化ケイ素、窒化ケイ素及び/又はオキシ窒化ケイ素のような絶縁材料とすることができる。しかしながら、他の如何なる適切な材料も使用され得ると理解されたい。

図２ａに見られるように、この実施例のセル１０は、中心Ｃを持つ円形状のセルである。このセルは、中心Ｃを軸に（円）対称である。このセル１０は、膜１４が基板１２に取り付けられる外側領域２２を持つ。図２の実施例において、前記セルは基板１２と膜１４との間に支持体１５を有し、この支持体１５は膜１４を基板１２に取り付けるのに使用される。空洞の高さ（又は間隙の厚さ）は、支持体１５において（この空洞の最大の高さから）急に又は不連続的に零になる。支持体１５は、円環形状の支持体とすることができる。しかしながら、膜は他の如何なる適切な方法で基板に取り付けられると理解されたい。

セル１０はさらに、外形領域２２の内側にある又は外形領域２２により囲まれる内側領域２０を有する。この内側領域２０は支持体１５により制限される。セルの内側領域２０に空洞が形成される。膜１４は、この内側領域２０内にある第１の崩壊領域２４において基板１２に崩壊する。この第１の崩壊領域２４は、円環形状（又はリング状）である。この円環形状の第１の崩壊領域２４は、セル１０の中心Ｃ（又は膜１４の中心Ｃ）を中心として置かれる。空洞１３の高さ（又は間隙の厚さ）は、崩壊領域２４において円滑に又は連続して零まで減少する。トランスデューサーセル１０の最も高い結合エリアは崩壊領域２４のすぐ近隣にある。従って、セルの結合は増大する。図２及び図２ａにおいて、空洞１３における陰影又はドットは、結合を位置関数として示す。ドットの密度の増大は、結合の増大を示している。図に示すように、セルの中心Ｃにおいて、結合はごく僅かであり、中心Ｃから崩壊領域２４にかけて増大する。厳密に言えば感度は電気機械結合だけでなく、外的条件にも依存していても、電気機械結合はときどき、セルの"感度"とも呼ばれる。

内側領域２０内に円環形状の崩壊領域２４が存在しているので、第１の空洞１３及び第２の空洞１７が形成される。第１の空洞１３は、円環形状の崩壊領域２４の内側にある。言い換えると、円環形状の崩壊領域２４の内側にある又はこの崩壊領域２４により囲まれる領域において、膜１４と基板１２との間に第１の空洞１３が形成される。第２の空洞１７は、前記円環形状の崩壊領域２４の外側にある。言い換えると、前記円環形状の崩壊領域２４の外側にある又はこの崩壊領域２４を囲んでいる領域において、膜１４と基板１２との間に第２の空洞１７が形成される。この第２の空洞１７は円環形状である。

第２の（上部）電極１８は円環形状である。故に、この第２の電極１８は前記円環形状の崩壊領域２４に適切に適合される。このように、第２の電極１８は、前記セルの静電容量の電気機械結合されない部分を最小にすることができる。電気機械結合は、変化しない静電容量の部分に膜が移動するとき、変化する静電容量の部分の比の最大化に依存する。これは、円環形状の第２の電極１８を使用することにより達成され、故に崩壊領域２４にわたる電極見え(electrode exposure)を最小限にする。代わりに、第２の電極１８に電気接続されていない別個の電極が使用されることもできる。

第２の電極１８は、円環形状の第１の崩壊領域２４に（少なくとも）極めて近接して（又はすぐ近隣に）置かれている。第２の電極１８は、空洞１３の高さが円滑に又は連続して零に減少する領域において、この第１の空洞１３の上に置かれる。図２に見られるように、第２の電極１８の外縁１８ａは、崩壊領域２４が始まる地点で終了する。第２の電極１８の内縁１８ｂは、円環形状の電極１８の穴を規定する。図２に示される実施例において、第２の電極１８は、円環形状の第１の崩壊領域２４の内側にある（又はその領域２４により囲まれる）第１の変換領域２６内に置かれる。言い換えると、第２の（上部）電極１８は、第１の空洞１３の上及び第１の（下部）電極１６の上に置かれる。これがセルの活性変換区域を形成する。

図３は、本発明の第２の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示し、図３ａは図３のセルの上面図を示す。第１の実施例に対する夫々の説明及び参照番号は、図３の実施例にも適用する。図１の第１の実施例と比較して、図３の実施例において、第２の電極１８は、円環形状の第１の崩壊領域２４の外側にある又はその領域２４を囲んでいる第２の変換領域２７内に置かれる。言い換えると、第２の電極１８は、第２の空洞１７の上に置かれる。第２の電極は、円環形状の第１の崩壊領域２４に（少なくとも）極めて近接して（又はすぐ近隣に）置かれている。第２の電極１８は、空洞１７の高さが円滑に又は連続して零に減少する領域において、この空洞１７の上に置かれる。図３及び図３ａにおいて、空洞１７における陰影又はドットは、結合を位置関数として示す。ドットの密度の増大は、結合の増大を示している。図に示すように、支持体１５（又はセルの外側領域２２）において結合は最少又はごく僅かであり、崩壊領域２４にかけて増大している。

第１の実施例と第２の実施例とを組み合わせるのも可能であると理解されたい。このような場合、第２の電極１８は、第１の変換領域２６内に置かれる第１の電極部と、第２の変換領域２７内に置かれる第２の電極部とを有する。

図４は、本発明の第３の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示し、図４ａは図４のセルの上面図を示す。先行する実施例に対する夫々の説明及び参照番号は、図４の実施例にも適用する。図４の実施例のセルは、図２の実施例のセルに基づいている。しかしながら、図４の実施例において、膜１４はさらに、内側領域２０内に置かれる第２の崩壊領域２８において基板１２に崩壊している。このように、セルの電気機械結合エリアはさらに拡大する。第２の崩壊領域２８は、セル１０又は膜１４の中心Ｃに置かれる。第１の空洞１３はここで円環形状である。第２の崩壊領域２８は、円（円環ではない）形状である。図４の実施例において、円環形状の第２の電極１８は、図２を参照して説明されるように、第１の変換領域２６内に置かれる。第２の電極１８は、第２の崩壊領域２８に（少なくとも）極めて隣接して（又はすぐ近隣に）置かれている。第２の電極は、第１の崩壊領域２４にも極めて隣接して及び第２の崩壊領域２８のすぐ近隣にの両方で置かれる。特に、第２の電極１８の外縁１８ａは、第１の崩壊領域２４に極めて近接して置かれ、第２の電極１８の内縁１８ｂは、第２の崩壊領域２８に極めて近接して置かれる。図４及び図４ａにおいて、空洞１３における陰影又はドットは、結合を位置関数として示す。ドットの密度の増大は、結合の増大を示している。図に示すように、円環形状の空洞１３の中央において結合は最少又はごく僅かであり、第１の崩壊領域２４及び第２の崩壊領域２８の両方にかけて増大している。

上述した実施例において、膜１４は、恒久的に崩壊する（機械的に崩壊する）ことができる、又は膜１４は、セルの動作中にのみ崩壊する（電気的に崩壊する）ことができる。ここで、図５から図８を参照して、追加の崩壊電極を使用して電気的な崩壊の事例が説明される。

図５は、本発明の第４の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。先行する実施例に対する夫々の説明及び参照番号は、図５の実施例にも適用する。図５の実施例のセルは、図２のセルに基づいている。しかしながら、図５の実施例において、膜１４はさらに、第１の崩壊領域２４に置かれる第３の電極１９を有する。この第３の電極１９は、膜１４を基板２に崩壊させるのに使用される。膜１４は、第１の電極１６と第３の電極１９との間に（十分な）電圧を印加することにより、基板１２に崩壊する。従って、膜１４の第３の電極１９は、膜又はセルを崩壊させるのに使用され（崩壊電極とも呼ばれる）、及び膜１４の第２の電極１８はセンス電極(sense electrode)である。これらの電極１８、１９は電気的に分離されているので、崩壊領域２４は、寄生容量の一因ではない。

図６は、本発明の第５の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示す。先行する実施例に対する夫々の説明及び参照番号は、図６に実施例にも適用する。図６の実施例のセルは、図４の実施例のセルに基づいている。しかしながら、図６の実施例において、膜１４はさらに、第１の崩壊領域２４に置かれる第３の電極１９（図５の説明を参照）及び第２の崩壊領域２８に置かれる第４の電極２１を有する。第３の電極１９及び第４の電極２１は、膜１４を基板１２に崩壊させるのに使用される。膜１４は、第１の電極１６と第３の電極１９との間に（十分な）電圧を印加することにより、及び第１の電極１６と第４の電極２１との間に（十分な）電圧を印加することにより、基板１２に崩壊する。従って、膜１４の第３の電極１９及び第４の電極２１は、膜又はセルを崩壊させるのに使用され（崩壊電極とも呼ばれる）、膜１４の第２の電極１８はセンス電極である。

図７は、本発明の第６の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセル１０の断面図を示す。先行する実施例に対する夫々の説明及び参照番号は、図７の実施例にも適用する。図７の実施例のセルは、第１の実施例と第２の実施例とを組み合わせたセルに基づいている。従って、第２の電極は、（第１の変換領域２６内に置かれる）第１の円環形状の電極部１８'及び（第２の変換領域２７内に置かれる）第２の円環形状の電極部１８"を有する。しかしながら、図７の実施例において、膜１４はさらに、第１の崩壊領域２４に置かれる第３の電極１９を有する（図５又は図６の説明を参照）。第３の電極は従って（円環形状の崩壊領域２４の内側にある）第１の円環形状の（内側）電極部１８'と、（円環形状の崩壊領域２４の外側にある）第２の円環形状の（外側）電極部１８"との間に置かれる。

図８ａ−８ｃは各々、図６の第５の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの電極の上面図の異なる例を示す。図８ａ−８ｃの各々において、第２の（センス）電極１８、第３の（崩壊）電極１９及び第４の（崩壊）電極２１が示される。第２の（センス）電極１８は、第３の（崩壊）電極１９及び/又は第４の（崩壊）電極２１とは電気的に分離されている。第３及び第４の（崩壊）電極１９、２１は電気接続されている。しかしながら、第３及び第４の（崩壊）電極１９、２１に別々の電圧を印加する必要がある又は印加を望む場合、第３及び第４の（崩壊）電極１９、２１が電気的に分離されることもできる。

図８ｂ又は８ｃは、第２の円環形状の電極１８とのコネクタ３８、並びに第３の電極１９及び第４の電極２１とのコネクタ３９も示す。従って、図８ｂ又は８ｃは、中心への独立したアクセスを与えるための電極を通すために例示的な電極形状を示す。図８ａ−８ｃの各々において、中心への独立したアクセスは、電極２１を電極１８に接続することなく、この電極２１への電圧を得るのに必要である。図８ａにおいて、これは例えば電極１８の上部にわたるバイアスにより達成される。しかしながら、これは幾つかの余分なステップ、追加のコスト及び装置の複雑さを要求する。図８ｂにおいて、第２の電極１８は、この電極の円環形状において１つの開口を持ち、第３の電極１９は、この電極の円環形状において１つの開口を持つ。第４の電極２１へのコネクタ３９は、第２の電極１８の開口内に置かれ、第２の電極１８へのコネクタ３８は、第３の電極１９の開口内に置かれる。図８ｃにおいて、第２の電極１８は、この電極の円環形状において複数の開口を持ち、第３の電極１９は、この電極の円環形状において複数の開口を持つ。このように、第２の電極１８及び第３の電極１９は各々セグメントに分けられている。図８ｃにおいて、電極１８、１９の各々は、４つのセグメントに分けられている。さらに近似した放射相称を与えるために、各電極をさらに多くのセグメントに分けることが望ましい。しかしながら、これら電極がより少ないセグメント、従って少なくとも２つのセグメントに分けられることもできる。これらセグメントは、前記内側領域（又は膜領域）の外側において外部から接続されることができる。図８ｃに見られるように、第２の電極１８との各々のコネクタ３８は、第３の電極１９の２つのセグメントの間を延在している。各々のコネクタ３９は、第２の電極１８の２つのセグメントの間を延在している。言い換えると、第４の電極２１への１つのコネクタ３９は、第２の電極１８の各々の開口内に置かれ、第２の電極１８への１つのコネクタ３８は、第３の電極１９の各々の開口内に置かれる。

一般的に、崩壊前のセルにおいて、例えば電気的な崩壊又は機械的な崩壊を用いるような、異なる方法を用いて膜が崩壊することができる。ある例において、膜１４は、内側領域に内部応力を持つことができる。特に、この内部応力が膜１４を基板から離れて膨らませることができる。このように、膜１４と基板１２との間に空洞１３、１７が設けられる。内部応力が無いと、第１の変換領域２６（円環形状の崩壊領域２４の内側にある又はこの領域２４により囲まれる領域）は、基板１２と接したまま留まる。

ある例において、第１の変換領域２５における膜１４の残留応力は、空洞１３（又は間隙）が存在するように圧縮されることができる。この圧縮される応力の領域は、膜の中立面と、空洞若しくは間隙から遠位にある（又は離れた側を向く）膜の表面との間になければならない。さらに、圧縮される応力の領域は、円環形状の崩壊領域の中心から略半径に延在することができる。プレート及びシェルの機械工学の理論において知られるように、膜が曲げられるとき、伸長又は圧縮を受けない中立面が膜に存在する。この中立面の一方の側にある如何なる圧縮応力も、応力を受けた側から離れて凹むように膜を曲げ、反対に中立面の一方の側の如何なる引張応力も応力を受けた側に向かい凹むように膜を曲げる。

代替例において、前記応力は、張力であり及び膜の中立面と、空洞若しくは間隙に隣接する（又はそれに向いている）膜の表面との間にある。他の例は、崩壊したリングの遠位及びその上にある張力、崩壊したリングの近位及びその上にある圧縮、又は上述した例の如何なる組み合わせを含むこともできる。さらに、例えば圧縮及び遠位又は張力及び近位のような崩壊したリングの外側に追加の層が存在することができる。

膜の内部応力は例えば、膜の化学量論により又は異なる材料による多層の膜と、これら膜にある応力とを使用することにより制御されることができる。例えば、材料析出条件も膜の応力に影響を及ぼす。特別な例として、膜の基材が二酸化ケイ素、窒化ケイ素及び/又はオキシ酸化ケイ素から作られる場合、二酸化ケイ素は圧縮であり、窒化ケイ素は張力である、及びオキシ酸化ケイ素における応力は、化学量論を用いて制御されることができる。電極材料の構成は、前記応力にも影響を及ぼすことがある。電極材料及び堆積パラメタの選択を介した、並びに適切な追加の材料からなるパターン層を介した、追加の応力の寄与は含まれる。

図９は、本発明の他の実施例による崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルの断面図を示し、図９ａは、図９のセルの上面図を示す。先行する実施例に対する夫々の説明及び参照番号は、図９の実施例にも適用する。図９の実施例において、膜１４は、基板１２（又は電極１６）の平面上にある柱又は突起部１５ａにより、中央領域２９において基板１２に取り付けられている。突起部１５ａは、基板１２と膜１４との間に置かれる。第１の円環形状の空洞１３は、突起部１５ａを取り囲む領域において膜１４と基板１２との間に形成される。好ましくは突起部１５ａは、支持体１５を設けるのと同じ処理ステップで設けられる。突起部１５ａは円形状であり、セルの中心Ｃの周りの中央領域２９に置かれる。空洞１３の高さ（又は間隙の厚さ）は、突起部１５ａにおいて（空洞の最大の高さから）急に又は不連続に零になる。従って、突起部１５ａは、第２の崩壊領域ではなく、故に（第２の崩壊領域を持つ図４又は図６の実施例に比べ）多くの結合は提供しない。しかしながら、図９の実施例は、強固であり、製造が容易である。図９の実施例において、膜１４は、第３の（崩壊）電極１９に印加されるバイアス電圧により崩壊し、膜１４に応力を加えることで崩壊はしない。従って、図９の実施例において、膜の内部応力は必要ない。

図９及び図９ａにおいて、第１の空洞１３及び第２の空洞１７における陰影又はドットは、結合を位置関数として示す。ドットの密度の増大は、結合の増大を示している。図に示すように、円環形状の第２の空洞１７において、支持体１５（又はセルの外側領域２２）における結合は最少又はごく僅かであり、崩壊領域２４にかけて増大する。円環形状の第１の空洞１３において、突起部１５ａ（又は中心Ｃ）における結合は最少又はごく僅かであり、崩壊領域２４にかけて増大する。

図９の断面図は、図９ａの上面図に見られるように、１つの単独（円形状）セル１０を示していると指摘される。セル１０は、中心Ｃ又は中心の突起部１５ａの周りで（円）対称である。さらに、図９の実施例において、第２の電極は、（第１の変換領域２６内にある）第１の円環形状の電極部１８'及び（第２の変換領域２７内にある）第２の円環形状の電極部１８"を有する。しかしながら、第２の電極は、第１の変換領域２６又は第２の変換領域２７の何れか一方にだけ置かれることもできると理解されたい。

図２から図９を参照して上述した実施例において、第１の（下部）電極１６は、基板の基材に付けられる、及び内側領域２０（又は膜若しくはセル）全体にわたり延在している連続層であるように示されている。しかしながら、他の如何なる適切な第１の電極が用いられ得ると理解されたい。例えば第１の電極は、円環形状の電極とすることができる及び/又は内側領域（又は膜若しくはセル）全体にわたり延在しないこともできる。図２から図７を参照して上述した実施例において、第２の電極１８は、円環形状の電極である、及び内側領域２０（又は膜若しくはセル）全体にわたり延在していなくても、他の如何なる適切な第２の電極が用いられ得ると理解されたい。例えば、第２の電極は、円環形状の電極とすることができる及び/又は内側領域（又は膜若しくはセル）全体にわたり延在することができる。ここに開示される全ての事例又は実施例において、電極の形状は、トランスデューサーセルの動作に影響を及ぼすことなく、膜と基板との間で交換されてもよい。

図２から図９を参照して上述した実施例において、セル１０は円形状のセルである。円形状は、利用可能な空間のかなり良い充填及び/又はほんのわずか高い次元の振動モード、特に送信されるエネルギーに望ましいモードと競合する又は所望する受信信号を不明瞭にする不要な信号を作る振動モードを提供する。しかしながら、他の如何なるセルの形状、例えば楕円形、多角形、六角形、矩形又は正方形等も使用され得ると理解されたい。従って、概念を説明するのに使用される円対称が限定であると考えるべきではない。

本発明はさらに、以下の実施例の１つ以上に基づいて説明されることができる。第１の実施例において、中心における通常の崩壊領域に代わり又はそれに加えて、この中心から離れた円環領域において崩壊を引き起こす。このように、活性変換のエリアが大きく増大する。第２の実施例において、１又は２つの電極が崩壊領域に設けてもよく、１つ目は装置の中心に、２つ目は外周の周りに設けられる。第３の実施例において、変換のために別個の円環電極が与えられる。第４の実施例において、膜は、変換領域においてこの膜を基板から離れるように膨らませる内部応力分布を用いて構成される。

技術的観点から、本発明の崩壊前の静電容量型トランスデューサーセル（特にｃＭＵＴ）は原則的に、例えば国際出願公開番号第2010/032156に詳細に開示される従来の"無崩壊の"静電容量型トランスデューサーセル（特にｃＭＵＴ）と同じ又は同様の方法で製造されることができ、この公報は、参照により含まれるものとする。

本発明は、超音波を送信及び/又は受信する如何なる静電容量型トランスデューサーセル（ｃＭＵＴ）、特に（例えば少なくとも３０ＭＨｚまで又はそれよりも高い）多重電極構造を支持するのに十分な大きさのｃＭＵＴセルに応用可能である。しかしながら、原則的に本発明は、例えば圧力を測定するための圧力センサー又はトランスデューサーのような他の如何なる崩壊前の静電容量型トランスデューサーにも応用可能である。トランスデューサーという言葉はセンサーの特別な事例も含んでいると理解されたい。

本発明が図面及び上記説明において詳細に説明及び記載されているのに対し、このような説明及び記載は、説明的又は例示的であり、限定的であるとは考えるべきではない。本発明は開示される実施例に限定はされない。開示した実施例以外の変形例は、図面、明細書及び特許請求の範囲を学ぶことにより、請求する本発明を実施する当業者により理解及びもたらされることができる。

請求項において、"有する"という言葉は、他の要素又はステップを排除するものではなく、複数あると述べないことが、それらが複数あることを排除するものではない。単独の要素又は他のユニットが請求項に挙げられる幾つかのアイテムの機能を果たしてもよい。ある方法が互いに異なる従属請求項に挙げられているという単なる事実は、これらの方法の組み合わせが有利に用いられないことを示してはいない。

これら請求項における如何なる参照符号は、その範囲を限定するとは考えない。

Claims (15)

1. −第１の電極を有する基板、及び
   −第２の電極を有する膜
   を有する崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルにおいて、
   前記セルは、前記膜が前記基板に取り付けられている外側領域と、前記外側領域の内側にある又は前記外側領域により囲まれる内側領域とを持ち、及び
   前記膜は、前記内側領域内に置かれる円環形状の第１の崩壊領域において前記基板に崩壊する、
   セル。
2. 前記第２の電極は、前記円環形状の第１の崩壊領域の内側にある又は前記崩壊領域により囲まれる第１の変換領域内に置かれる、請求項１に記載のセル。
3. 前記第２の電極は、前記円環形状の第１の崩壊領域の外側にある又は前記崩壊領域を囲んでいる第２の変換領域内に置かれる、請求項１に記載のセル。
4. 前記第２の電極は、前記円環形状の第１の崩壊領域に少なくとも極めて隣接して置かれる、請求項２又は３に記載のセル。
5. 前記第２の電極及び/又は前記第１の電極は円環形状である、請求項１に記載のセル。
6. 前記円環形状の第１の崩壊領域は、前記セル又は前記膜の中心を軸に、その周りに置かれている請求項１に記載のセル。
7. 前記膜はさらに、前記内側領域内に置かれる第２の崩壊領域において前記基板に崩壊する、請求項１に記載のセル。
8. 前記第２の崩壊領域は、前記セル若しくは前記膜の中心領域又は中心に置かれる、請求項７に記載のセル。
9. 前記膜は、前記内側領域において内部応力を持つ、請求項１に記載のセル。
10. 前記膜はさらに、前記第１の崩壊領域に置かれる第３の電極を有する、請求項１に記載のセル。
11. 前記第２の電極及び/又は前記第３の電極は少なくとも１つの開口を持ち、前記第４の電極及び/又は前記第２の電極とのコネクタは、前記開口内に置かれる、請求項１に記載のセル。
12. 前記膜は恒久的に崩壊する、請求項１に記載のセル。
13. 前記膜は前記セルの動作中にのみ崩壊する請求項１に記載のセル。
14. 崩壊前の静電容量型トランスデューサーセルを製造する方法において、
    −第１の電極を有する基板を設けるステップ、
    −第２の電極を有する膜を設けるステップであり、前記セルは、前記膜が前記基板に取り付けられている外側領域と、前記外側領域の内側にある又は前記外側領域により囲まれる内側領域とを持つ、前記膜を設けるステップ、並びに
    −前記内側領域内に置かれる円環形状の第１の崩壊領域において、前記膜を前記基板に崩壊させるステップ
    を有する方法。
15. 前記膜はさらに、前記第１の崩壊領域に置かれる第３の電極を有する請求項１４に記載の方法において、
    前記膜を前記基板に崩壊させるステップは、前記第１の電極と前記第３の電極との間に電圧を印加するステップを有する、方法。

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