电容式微加工超声传感器的制作方法

专利名称：电容式微加工超声传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声传感器，尤其涉及一种电容式微加工超声传感器(cMUT)。
背景技术：
电容式微加工超声传感器是一种有着广泛用途的静电传感器。超声传感器可以在 象液体，固体和气体等多种介质里工作。超声传感器已经应用在医药诊断和治疗，无损伤材 料测试，声纳，通讯，接近传感器，气体流动测量，实时工艺控制，超声显微镜等多种领域里。
跟广泛应用的用压电陶瓷(PZT)技术做成的传感器比较，电容式微加工超声传感 器在制作工艺，频谱带宽以及工作温度等方面都有很大的优势。例如，用传统的制作工艺做 传感器阵列，需要分别切割每个阵元。所以耗时耗力，成本高。而且，切割方法精度有限，所 以做高频，二维和一些特殊几何形状的传感器阵列尤其困难。电容式微加工超声传感器是 用半导体工艺制成，所以很多传感器可以在一起成批制造。半导体制作工艺的精度足够满 足电容式微加工超声传感器的需求。电容式微加工超声传感器阵列可以做到精度高，低成 本。电容式微加工超声传感器在所设计的工作频率范围里，其阻抗比压电陶瓷传感器的阻 抗低很多。所以电容式微加工超声传感器在医药成像应用中不需要匹配层和较宽的带宽。 电容式微加工超声传感器是由半导体材料制成，所以它比压电陶瓷传感器耐高温。
电容式微加工超声传感器的基本结构是一个刚性的下电极和在柔性膜上或其内 的上电极的平行板电容。上电极依附在一个柔性薄膜上用来从相临媒介中传送和接收(RX) 超声波。直流偏置电压可以加在传感器两电极之间用来偏转薄膜到一个优化位置以得到最 佳的灵敏度和带宽。发射(TX)时，一个交流电压加在传感器上。相应的静电力移动薄膜以 传送超声能量到临近的介质。接收时，介质中的超声波引起传感器薄膜震动从而改变传感 器的电容。电容变化能用相应的电子电路探测到。 两种有代表性的电容式微加工超声传感器分别是可变形薄膜电容式微加工超声 传感器(flexible membrane CMUT)和最近发明的弹簧嵌入式电容式微加工超声传感器 (emdedded-spring CMUT， ESCMUT)。图1是一个传统的可变形薄膜电容式微加工超声传感 器100的截面示意图。传感器100有一个固定的包括一个第一电极120的衬[基]底101， 一个通过薄膜支撑130和衬底101相连的可变形薄膜IIO，一个可移动的第二电极150。薄 膜支撑130在可变形薄膜IIO和第一电极120之间形成一个传感器空间160(传感器空间 可以被封闭起来)。 图2是一个弹簧嵌入式电容式微加工超声传感器200的截面示意图。此传感器在 两个PCT国际专利申请(PCT/IB2006/051568andPCT/IB2006/05159，申请日20060518 ;两专 利名称都是微机电传感器"MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS")里有着详细的描 述。此传感器200包括一个衬[基]底201，一个弹簧固定物203，一个弹簧层210被弹簧 固定物203支撑在衬[基]底201上。 一个表面薄板240通过一个弹簧薄板连接物230和 弹簧层210相连。 一个第二电极依附在表面薄板240上。此传感器200可以是一个传感器 阵元的一部分。传感器200可以有一个或多个被弹簧层支撑的薄板。
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在一些具体设备装置(embodiments)中，图1中的传感器薄膜和图2中的弹簧嵌 入式传感器的薄板应该用轻并硬的材料制成(例如低密度和高杨氏(Young' s)模量的材 料)。如果把材料选定以后，一个增强机构(enhanced structure)可以做在传感器的薄膜 或表面薄板去增强其性能。 图3A显示简化了的电容式微加工超声传感器模型；以及图3B显示更加简化电容 式微加工超声传感器为可变电容器的模型。(文章中缺少对图3的必要解释，故加入些段内 容) 图3A中，可变电容器310的上下极板310b、310a连接信号源380，上极板310b通 过弹性件320固定在支撑点330上，实现与下极板310a间的可变的传感器空间360。弹性 件320有一个等效的弹簧系数k，上极板310b有一个等效的薄膜(薄板)质量m。
图3B中，对图3A中的模型结构进一步简化，即可变电容310与信号源连接。
参考图1，一个传统式的电容式微加工超声传感器用在图解里。虽然只显示了一个 传感器IOO，有共识地传感器100可以是一个传感器阵列的阵元。更具体地，图4显示一个 传感器的可变形薄膜有一个均匀厚度或截面。图4进一步显示，可变形薄膜110是一个均 匀厚度、的方形薄板。虽然图4中可变形薄膜110是一个方形，但其他形状的薄膜也应该 包括在范围里。例如，可变形薄膜IIO可以是六角形，长方形或圆形。 传感器的可变薄膜影响第一共振频率^和第二共振频率f2。第二共振频率f2限 制了传感器的频率带宽。有些方法用一种叫"活塞"薄膜的设计来实现进一步分离薄膜的 第一共振频率^和第二共振频率&。用适当的设计，"活塞"薄膜有一个厚的部分(活塞) 和薄的部分可以用来增加薄膜410的第一共振频率^和第二共振频率f2之间的分离。
现在参考图5显示电容式微加工超声传感器的一种活塞式薄膜的透视图以及图6 显示电容式微加工超声传感器的另外一种活塞式薄膜的透视图，图5和图6中，两个"活塞" 薄膜410和510，其中，图5显示了一个正方形的"活塞"薄膜410，图5显示了一个圆形的 "活塞"薄膜510。各个"活塞"薄膜都分别有一个薄的部分412和512。"活塞"薄膜410和 510被薄膜支撑130(见图1)支撑在薄膜支撑130之间。较薄的部分412和512分别有一 个均匀厚度^和t3。各个"活塞"薄膜也分别有一个厚的部分414和514。厚的部分414 和514可以附在薄的部分412和512的任何一面。较厚的部分414和514也分别有一个均 匀厚度t4和t5。 如图5和图6，薄的部分412和512和厚的部分414和514分别有其相应的形状。 例如，薄的部分412和512都是方形。但是厚的部分414和514可以有不同的形状。薄的部 分412和512也分别有宽度巧和^(或其他尺寸)代表其大小尺寸。厚的部分414和514
也分别有宽度^和^(或其他尺寸)代表其大小尺寸。厚的部分一般都小于薄的部分。
在这儿进一步强调，如前面描述的一样，"活塞"薄膜410和510是用来进一步分离 薄膜的第一共振频率^和第二共振频率f2。所以"活塞"薄膜410和510不是用来优化薄 膜的共振频率f。和薄膜的等效薄膜质量m之间的比率(f。/m)。事实上，"活塞"薄膜一般反 而降低了薄膜的共振频率f。和薄膜的等效薄膜质量m之间的比率(f。/m)。所以，如果用比 率(f。/m)来衡量，"活塞"薄膜设计是不理想的设计，甚至比一般均匀薄膜设计更差。

发明内容
本发明采用下列技术方案解决上述技术问题针对已有的超声传感器存在频率响
应灵敏度不够高的问题，提供一种频率响应灵敏的电容式微加工超声传感器。 —个电容式微加工超声传感器，包括第一支撑层、结合在第一支撑层上的第一电
极、第二支撑层和设置在第二支撑层上的第二电极，其中，第二支撑层与第一支撑层通过弹
性机构连接，所述的第二支撑层上设有增强机构，该增强机构能够有效提高所述的第二支
撑层的共振频率和其等效薄膜质量之间的比率(f。/m)，增加电容式微加工超声传感器的频
率响应灵敏度。
所述的第一支撑层为衬底；第二支撑层为可变形薄膜；弹性机构为薄膜支撑。
所述的第一支撑层为衬底；第二支撑层为表面薄板； 弹性机构为，在表面薄板下面设置弹簧连接物和弹簧层，弹簧连接物下面连接弹 簧层，弹簧层通过弹簧固定物连接衬底。 所述的增强机构为，在可变形薄膜或者表面薄板上设置一个或几个互相平行的第
一横梁。 所述的增强机构为，在可变形薄膜或者表面薄板上设置一个或几个互相平行的第 一横梁，同时设置一个或几个与第一横梁交叉的第二横梁，其中，第一横梁与第二横梁交叉 的角度为0 90°中的任意角度。
所述的增强机构为在可变形薄膜或者表面薄板上设置包括蜂窝状结构、菱形窝
状结构、梯形结构、三角窝状结构和圆环形窝状结构在内的一个或几个窝状结构。 所述的窝状结构位于可变形薄膜或者表面薄板中央，并在窝状结构边缘设置横梁
延伸至可变形薄膜或者表面薄板的边缘。 所述的增强机构为褶皱的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上设置一个或几个开 口朝下的开口槽。 所述的增强机构为褶皱的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上设置一个或几个互 相平行的开口朝下的第一开口槽，同时设置一个或几个互相平行的第二开口槽，第一开口 槽和第二开口槽以0 90。中的任意角度交叉。 所述的增强机构为褶皱的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上设置一个或几个开 口朝下的蜂窝状开口槽、菱形开口槽、三角开口槽或圆环形开口槽。 所述的开口槽位于薄膜或表面薄板的中央，并在开口槽边缘设置开口槽延伸至薄 膜或表面薄板的边缘。 所述的增强机构由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，褶皱的薄膜 设置一个或几个开口朝下的开口槽。 所述的增强机构由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，褶皱的薄膜 设置一个或几个互相平行的开口朝下的第一开口槽，同时设置一个或几个互相平行的第二 开口槽，第一开口槽和第二开口槽以0 90°中的任意角度交叉。 所述的增强机构由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，褶皱的薄膜 上设置一个或几个开口朝下的蜂窝状开口槽、菱形开口槽、梯形开口槽、三角开口槽或圆环 形开口槽。 所述的增强机构由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，褶皱的薄膜
6薄膜的中央，并在开口槽边缘设置开口槽延伸至薄板的边缘。
在所述的第二电极通过连接构件连接表面薄板。 所述的表面薄板与连接构件重合部分设置开口槽，从而在第二电极上形成由腔体 和开口槽构成的增强机构。 所述的薄膜或表面薄板上设有第三电极，这样，在第一电极和第二电极之间形成 一个电容结构，在第三电极与第二电极之间形成另一个电容结构。 所述的第三电极与薄膜或表面薄板之间设有弹簧薄板连接器，弹簧薄板连接器采 用绝缘材料，第三电极采用导电材料。
本发明的构思及原理说明如下 轻且硬的传感器薄膜或表面薄板被发现比重且软的传感器薄膜或表面薄板更能 提高传感器的性能，特别是传感器的频谱响应。因此，理想情况下，在图l传感器中可变薄 膜110和图2中弹簧嵌入式传感器的表面薄板240都应该设计成轻且硬的材料或结构。在 下文中，图1中的可变薄膜110和图2中的表面薄板240都被统一称为薄膜。如果薄膜材 料已经选定，传感器性能优化可以通过在此描述的薄膜结构来实现。更具体地讲，当等效的 薄膜质量或密度定下来后，薄膜结构能够增加薄膜的硬度(stiffness)。
与传感器的频谱性能有关的两个参数是其声学阻抗(acousticalimpedance)和 其共振频率(resonant frequency)。 一般来讲，在给定的频率范围内，传感器的声学阻抗 希望设计得较低从而得到较宽的频率带宽(特别是但不限于高频的传感器)。从纯数学角 度讲，一个传感器薄膜可以用一个质量(m)和弹簧(k)系统表示。m代表等效的薄膜质量， k代表等效的薄膜弹簧系数。f。代表薄膜在真空中的共振频率。此共振频率可以用等效的 薄膜质量m和等效的薄膜弹簧系数k表示如下
/0 =(7/2;r)VA;/w 薄膜的声学阻抗Zm可以表示如下
Zm = j (m2 Ji f_k/2 Ji f) 代入k，薄膜的声学阻抗Zm可以表示如下
U2鹏(/-/。2//) 因此，对于有一个设定共振频率f。的薄膜，有较低等效质量的薄膜有较低的声学 阻抗Zm。或者，对于有一个设定等效质量的薄膜，有较高共振频率的薄膜有较低的声学阻抗 Zm。所以，优化薄膜的共振频率f。和薄膜的等效质量m之间的比率(f。/m)可以提高传感器 的频谱响应特性。相应的，本发明一方面用薄膜的共振频率f。和等效薄膜质量m之间的比 率(f。/m)作为判定各种薄膜设计优劣的依据。另外，对一些具体设备装置，适当的比率也 可以用来判定各种薄膜设计优劣的依据。例如，除了用质量，等效薄膜质量或等效薄膜质量 密度也可以用在上面的比率里。 本发明的技术优点在可变形薄膜或表面薄膜上设置增强机构，大大提高了薄膜 的共振频率和其等效薄膜质量之间的比率(f。/m)，增加电容式微加工超声传感器的频率响 应灵敏度。


图1是一个传统的可变形薄膜电容式微加工超声传感器的截面示意图。2是一个弹簧嵌入式电容式微加工超声传感器的截面示意图。 图3为电容式微加工超声传感器模型，其中，图3A显示简化了的电容式微加工超
声传感器模型；图3B显示更加简化电容式微加工超声传感器为可变电容器的模型。 图4显示电容式微加工超声传感器的薄膜或表面薄板的视图。 图5显示电容式微加工超声传感器的一种活塞式薄膜的视图。 图6显示电容式微加工超声传感器的另外一种活塞式薄膜的视图。 图7为本发明电容式微加工超声传感器的一种有增强机构的薄膜的视图。 图8为本发明电容式微加工超声传感器的另外一种有增强机构的薄膜的视图。 图9为本发明电容式微加工超声传感器的另外一种有增强机构的薄膜的视图。 图10是一个有增强机构的薄膜的共振频率与有增强机构薄膜的横梁厚度之间的
曲线图。 图11为本发明的一个有增强机构的薄膜的共振频率与传统的薄膜的共振频率的 比值对应增强机构的横梁厚度的曲线图。 图12显示多种电容式微加工超声传感器的有增强机构的薄膜，其中，
图12A为正方形薄板上有两个交叉的横梁分别位于正方形薄板的对角线上；图 12B在图12A基础上有一圆形开口槽以对角线交叉点为圆心；图12C显示了两个交叉的横 梁分别位于正方形薄板的对角线上； 图12D显示了一个縮小了的图12A位于薄板716D的中间；图12E进一步显示了 在正方形薄板上有图12D横梁样式阵列的增强机构；12F显示了有一个蜂窝状的横梁构造 的增强机构的薄膜710F ;图12G另外一种有蜂窝状横梁样式的增强机构的薄膜；图12H显 示了一个有多个长方形阵列的增强机构的薄膜710H;图12I显示了另外一种有多个长方形 阵列的增强机构的薄膜7101 ;图12J显示了另外一各多个长方形阵列的增强机构的薄膜 710J。 图13为另一种电容式微加工超声传感器有增强机构薄膜的视图。 图14为另外一种电容式微加工超声传感器有增强机构的薄膜的截面视图。 图15为一种电容式微加工超声传感器有另外一种增强机构薄膜的俯视图； 图16为一种弹簧嵌入式电容式微加工超声传感器的截面图； 图17为另外一种弹簧嵌入式电容式微加工超声传感器的截面图。
具体实施例
实施例1 本实施例是在已有的可变形薄膜电容式微加工超声传感器结构基础上进行的改 进，其整体结构示意图如图1所示，这里着重对可变形薄膜进行详细描述。
如图7为本发明电容式微加工超声传感器的一种有增强机构的薄膜的视图、图8 为本发明电容式微加工超声传感器的另外一种有增强机构的薄膜的视图和图9为本发明 电容式微加工超声传感器的另外一种有增强机构的薄膜的视图所示，几种有增强机构的薄 膜610,612和614应用到电容式微加工超声传感器。增强机构的薄膜610,612和614可以 设计成希望的共振频率f。且优化共振频率f。和薄膜的等效薄膜质量m之间的比率(f。/m)。 更具体的讲，增强机构的薄膜610， 612和614可以设计得比传统的均匀可变形薄膜110 (见
8图4)相对更轻和更硬。例如，有多种不同特性的增强机构的薄膜610，612和614可以显著 提高其弹簧系数k(spring constants)并且对其质量m有很小的影响。因此，有增强机构 的薄膜610,612和614可以提供达到指定频率和带宽的各种传感器。 增强机构的薄膜610,612和614可以包括薄板616和一个或多个横梁618。横梁 618和薄板616结合在一起构成传感器的增强机构的薄膜。在此，"薄板"可以理解为各种 形状的相对平的构件(flatmember)，如矩形的、正方形、圆形等。相对的，在弹簧嵌入式电容 式微加工超声传感器中提及的专用术语"表面薄板"指的是暴露在环境介质中的薄板，也可 以是一个薄板。横梁618可以整个或部分横跨薄板616的表面，横梁618和薄板616可以用 相同的材料或不同的材料做成。具体的，横梁618可以设计成一些在此处进一步讨论的样 式。横梁618可以选择一个厚度te(或高度)和宽度^用来增加薄板616的硬度，所以能 够提高增强机构的薄膜610,612和614的有效弹簧系数。横梁618可以相对较窄，其宽度 W5可以跟其厚度te差不多或更小。在一些具体设备装置(embodiments)中，横梁618的宽 度ws可以小于整个薄板616的宽度we。在一些具体设备装置(embodiments)中，横梁618 的宽度w5可以远小于整个薄板616的宽度w6。更进一步，横梁618的厚度t6大于薄板616 的厚度t7。图7到图9显示了几个差不多一样宽度w5和高度t6的横梁618A-618F，许多的 具体设备装置(embodiments)中，增强机构的薄膜可以有不同的厚度，宽度和长度的横梁。 图7到图9显示了横梁618有一个长方形的横截面，但横梁618也可以有其他形状(例如 三角形，梯形)的横截面。 图7到图9在此显示了不同的增强机构的薄膜610，612和614，其横梁618可以有 不同样式。如图7显示了交叉样式的横梁618，横梁618中第一条横梁618A从薄板616的 一边的中间横穿而过，第二条横梁618B也从薄板616另外一边的中间横穿而过且和第一条 横梁618A相交。图8显示了另外一个具体设备装置中的增强机构，在此具体设备装置中， 一对平行且相距一定距离的横梁618A从薄板616的一边横穿而过，另外一对平行且相距一 定距离的横梁618B从薄板616的另外一边横穿而过，且和横梁618A相交。图7和图8显 示了不同的横梁618相互正交。作为共识，在本发明中不同的横梁618也可以相交成从0 度到90度的任何角度。 图9显示了另外样式的横梁618。更具体的，横梁618C和横梁618D只部分横穿薄 板616。这些具体的横梁618C和横梁618D刚好从薄板616边上开始，但是，各种横梁618 可以开始和结束在薄板616上的任何位置。如横梁618E和横梁618F作为一组聚集在薄板 616中心形成框620。因此，薄板616和横梁618的材料和构造可以被设计为象增强机构的 薄膜610,612和614 —样，从而增强机构的薄膜610,612和614有一个优化了的共振频率 f。和薄膜的等效薄膜质量m之间的比率(f。/m)。相应的，增强机构的薄膜610，612和614 的构造能够使传感器100 (见图1)具有优化的频谱响应和带宽。 图10是一个有增强机构的薄膜的共振频率与有增强机构薄膜的横梁厚度之间的 曲线图。此图显示了一个可变形薄膜110(见图4)的模拟第一共振频率和一个有增强机构 的薄膜610(见图7)的模拟第一共振频率之间的比较。在图10中，计算的增强机构的薄膜 610(见图7)的共振频率f。被绘制成其横梁厚度te的函数。针对每一个横梁厚度te值，薄 板616的厚度作相应的调整让可变形薄膜110和增强机构的薄膜610有相同的等效薄膜质 量m。在当前具体设备装置(embodiment)中，可变形薄膜110和增强机构的薄膜610都是
9边长30微米的正方形。横梁618的宽度^是1.5微米。图IO显示在这些条件下，增强机 构的薄膜610的共振频率f。随着薄板厚度t7增加的速率大概是可变形薄膜110 (见图4) 的共振频率fu随着薄板厚度t7增加速率的4倍。 图11为本发明的一个有增强机构的薄膜的共振频率与传统薄膜的共振频率的比 值对应增强机构的横梁厚度的曲线图。是一个增强机构的薄膜610共振频率f。和可变形 薄膜110(见图4)的共振频率fu之间的比率f。/fu的曲线图。图11的数据是从图10中的 数据中导出的。从图11可以看出，增强机构的薄膜610的共振频率是可变形薄膜共振频率 的两倍。这个效应可以看成把可变形薄膜110的杨氏模量或硬度提高了4倍。在一些具体 设备装置中，根据不同的增强机构的薄膜的设计，其共振频率f。的增加以及f。/fu的比率会 有不同。 可以看出增加电容式微加工超声传感器薄板的构造也可以提高频率响应特性，另 外，在此进一步描述可效仿的传感器薄板的具体结构薄膜。更独特的，图12显示了几种横 梁的样式，可以用来增加传感器薄膜的构造以实现选择共振频谱或优化频率响应特性。例 如。图12A显示了两个交叉的横梁分别位于正方形薄板716A的对角线上。图12B显示了 在图12A中的横梁被一个圆形的位于正方形薄板716B中心的横梁縮短了。图12C显示了 两个对角线斜放的横梁分别位于沿着薄板716C边缘组成正方形。 一个由12C变化来的图 12D，显示了一个縮小了的在图12C中的横梁样式，位于薄板716D的中心。
图12E进一步显示了不同的横梁样式(例如那些在图12D中的样式)能够在正方 形薄板716E上复制成一个横梁样式的阵列。参考图12F显示了有一个蜂窝状的横梁样式 的薄膜710F。另外一个蜂窝状横梁样式显示在图12G。图12H显示了一个增强机构的薄膜 710H视图，具有一沿长薄板716H的连续十字形交叉的横梁样式。图12I显示了另外一种增 强机构的薄膜7101， 一系列与伸长的薄板7161的伸长方向垂直横向伸展的横梁样式。而 且，图12J显示了变化了的图121中横梁式样，另外加上了一个沿长薄板716J伸长方向的 横梁。此横梁和在图121中的横梁相交。 图7-9和图12显示了各种横梁样式的例子。这些横梁样式的例子只是可能设计
的横梁样式的部分例子，所以这些例子不应限制本专利申请中的可能的横梁样式设计。
实施例2 本实施例是在已有的可变形薄膜电容式微加工超声传感器进行的改进，其整体结 构示意图如图2所示，这里着重对表面薄板进行详细描述。 图13显示了可以用于一个电容式微加工超声传感器的增强机构的薄膜810的透 视图。此增强机构有一个褶皱的轮廓。增强机构的薄膜810包括几个薄板部分816和一对 开口槽818。开口槽818横跨薄膜810并和几个薄板部分816连接。 一对开口槽818在薄 膜810中心交叉。但是，开口槽818可以被设计成任何样式(例如那些在图7-图9和图 12中显示的横梁样式)。进一步可以看见，开口槽818定义了一个宽度为w7，深度为&的 空隙820。薄板部分816有一个均匀的厚度t9，开口槽818的壁的厚度可以为^。和tn。在 一些具体设备装置中，厚度t9-tn可以是一样的，也可以不一样。因此，和同样大小的平的 均与的薄膜相比，开口槽818加强了薄膜810的硬度并且空隙820使开口槽818在增强薄 膜810的硬度同时尽量不增加薄膜810的质量。相应的，开口槽818提高了有增强机构的 薄膜810的共振频率f。且基本上不增加薄膜810的质量，所以开口槽818能够很有效地提高薄膜810的共振频率f。和等效薄膜质量m之间的比率(f。/m)。
以开口槽形成的增强机构具体如下 所述的增强机构为褶皱的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上设置一个或几个开 口朝下的开口槽。 所述的增强机构为褶皱的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上设置一个或几个互 相平行的开口朝下的第一开口槽，同时设置一个或几个互相平行的第二开口槽，第一开口 槽和第二开口槽以0 90。中的任意角度交叉。 所述的增强机构为褶皱的薄膜或表面薄板，薄膜或表面薄板上设置一个或几个开 口朝下的蜂窝状开口槽、菱形开口槽、三角开口槽或圆环形开口槽。(与图12类似)
所述的开口槽位于薄膜或表面薄板的中央，并在开口槽边缘设置开口槽延伸至薄 膜或表面薄板的边缘。(与图9类似)
实施例3 图14显示了另外一个增强机构的薄膜910的具体设备装置例子。增强机构的薄 膜910包括了一个薄板部分916，一个开口槽918和一个基片922，基片922可以横跨开口 槽918，所以在基片922和开口槽918之间形成一个空间924。增强机构的薄膜910的尺寸 t12-t14， (12，和w8可以和增强机构的薄膜910相应的尺寸与增强机构的薄膜810的t9-tn， 4，和^相同(或不同)。开口槽818和918可以在增强机构的薄膜810和910上设计成 图7-9和12中显示的样式。图14显示了一个和图121中横梁样式相似的开口槽样式的例 子。当然，开口槽样式也可以设计成跟图7-图9和12中显示的不同的样式。
以薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成的增强机构具体如下
类似图7和图13，由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，褶皱的薄膜 设置一个或几个互相平行的开口朝下的第一开口槽，同时设置一个或几个互相平行的第二 开口槽，第一开口槽和第二开口槽以0 90°中的任意角度交叉。 类似图8，由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，褶皱的薄膜上设置
一个或几个开口朝下的蜂窝状开口槽、菱形开口槽、三角开口槽或圆环形开口槽。 类似图9，由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，褶皱的薄膜上设置
开口槽位于薄板的中央，并在开口槽边缘设置开口槽延伸至表面薄板的边缘。 实施例4 —项PCT申请PCT/IB2006/052658，名称为MICR0-ELECTR0-MECHANCIAL TRANSDUCER HAVING A SURFACE PLATE,作者Yongli Huang)公开了多种有表面薄板的弹 簧嵌入式电容式微加工超声传感器(ESCMUT)。其中，表面薄板可以设计成跟图13-15相似 的薄板。图16显示了一个弹簧嵌入式电容式微加工超声传感器阵列1000的具体设备装置。 在放大的窗口里显示了更具体的弹簧嵌入式电容式微加工超声传感器陈列1000。弹簧嵌入 式电容式微加工超声传感器陈列1000包括了基片1001，第一电极1020，至少一个弹簧支撑 1030，由弹簧支撑1030支撑弹簧薄板1010，第二电极1050，表面薄板1080和至少一个弹簧 薄板连接构件1082。第一电极1020可以在基片1001上形成。如果基片IOOI是导电的，基 片1001可以作为第一电极1020。弹簧支撑1030可以用在基片1001或第一电极1020上的 绝缘介质形成。弹簧支撑1030让第一电极1020和第二电极1050相互分开。弹簧薄板连 接构件1082可以在弹簧薄板1010的有效区域上(或在第二电极1050)形成，其直接由弹
11簧支撑1030支撑弹簧薄板1010，或弹簧薄板连接构件1082。 弹簧薄板1010的有效区域一般来讲位于离弹簧支撑1030较远的地方，所以有较 大的自由达到较大的形变。而弹簧薄板1010在弹簧支撑1030上或附近有很小或没有形变。 所以把弹簧薄板连接构件1082放在弹簧薄板1010的有效区域上可以通过连接构件1082 让传感器的表面薄板1080得到较大的位移，从而提高传感器1000的效率。
图17显示了一个有齿形的表面薄板1180的弹簧嵌入式电容式微加工超声传感器 1100的具体设备装置。此具体的超声传感器1100可以有较好的传感效率和频率响应。更 具体的，如图17所示的超声传感器1100可以在超声传感器IOOO(图16)中去掉相应部分 1084而形成一个空隙1184。去掉的相应部分1084可以包括部分的表面薄板1080和弹簧 薄板连接构件1082。图17也显示了在超声传感器1000 (图16)中去掉相应部分可以形成 一个在图13中的开口槽818(和空隙820)相似的开口槽1118(和空隙1124)。开口槽1118 可以用来横跨弹簧薄板1010上不活动的区域(例如在弹簧支撑1130上或附近的区域)且 和弹簧薄板1010上的活动的区域连接并一起移动。因此，传感器1100有一个钝锯齿形的 表面薄板1180，此有钝锯齿形的表面薄板弹簧薄板1010由顶部第二电极的暴露部分1185 和开口槽1118组成。 在传感器1100的工作中，空隙1184的形成可以暴露第二电极1150的一部分 1185。相应的，当弹簧薄板1110被电极1120和1150取代时，表面薄板1180上的开口槽 1118移动的位移近似于没有在传感器IIOO上形成空隙1184那些部份的位移。另外，弹簧 薄板1110的暴露部份(或更合适第二电极1150)被位移依照第一电级1120和第二电极 1150间的电动能发展。缺少开口槽1118，弹簧薄板1110的不活动部份相对静态，然而，传感 器1000工作时，弹簧薄板1110的不活动部份对位移贡献小或没有。传感器表面薄板1180 的位移是第二电极的被暴露一部分1185的位移和开口槽1118的位移的总和。因为开口槽 1118遮住了弹簧薄板1110上位移相对较小的区域从而提高了传感器的效率，所以传感器 1100的表面薄板1180的位移和图16中的传感器1000的表面薄板1080的位移相似。而 且，开口槽1118提供了表面薄板较强的硬度，但却有较轻的质量。传感器的钝锯齿形表面 薄板1180不但能提高传感器的效率，也能够很有效地提高薄膜810的共振频率f。和等效 薄膜质量m之间的比率(f。/m)，从而有较好的频率响应。 进一步地，第三个电极可以附着在开口槽1118上和电极1150形成另外一个电容 器结构。在表面薄板1180开口槽1118上部可形成第三个电极，弹簧薄板连接器1182可以 由绝缘材料做成。第三个电极和附着在弹簧薄板上的电极1150之间形成了一个空隙1124， 从而形成了另外一个电容器结构。 本发明不限于本项申请中所涉及的结构实例。
1权利要求
一个电容式微加工超声传感器，包括第一支撑层、结合在第一支撑层上的第一电极、第二支撑层和设置在第二支撑层上的第二电极，其中，第二支撑层与第一支撑层通过弹性机构连接，其特征在于所述的第二支撑层上设有增强机构，该增强机构能够有效增大所述的第二支撑层的共振频率与其等效薄膜质量之间的比率(f0/m)，提高电容式微加工超声传感器的频率响应灵敏度。
2. 根据权利要求1所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的第一支撑层 为衬底；第二支撑层为可变形薄膜，在可变形薄膜上设置增强机构；弹性机构为薄膜支撑。
3. 根据权利要求1所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的第一支撑层 为衬底；第二支撑层为表面薄板，在可变形薄板上设置增强机构；弹性机构为在表面薄板 下面的弹簧连接物和弹簧层，弹簧连接物连接弹簧和表面薄板，弹簧连接物下面，弹簧层通 过弹簧支撑连接衬底。
4. 根据权利要求2或3所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的增强机 构为设置在可变形薄膜或者表面薄板上一个或几个互相平行的第一横梁。
5. 根据权利要求4所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的增强机构为 设置在可变形薄膜或者表面薄板上一个或几个互相平行的第一横梁，同时设置一个或几个 与第一横梁交叉的第二横梁，其中，第一横梁与第二横梁交叉的角度为0 90。中的任意角度。
6. 根据权利要求2或3所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的增强机 构为设置在可变形薄膜或者表面薄板上的窝状结构，包括蜂窝状结构、菱形窝状结构、梯形 结构、三角窝状结构和圆环形窝状结构在内的一个或几个窝状结构。
7. 根据权利要求6所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的窝状结构位 于可变形薄膜或者表面薄板中央，并在窝状结构边缘设置横梁延伸至可变形薄膜或者表面 薄板的边缘。
8. 根据权利要求2或3所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的增强机 构为设在薄膜或表面薄板上有一个或几个褶皱。
9. 根据权利要求8所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的褶皱为开口朝下的开口槽。
10. 根据权利要求8所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的褶皱为一个或几个互相平行的开口朝下的第一开口槽，同时设置一个或几个互相平行的第二开口槽，第一开口槽和第二开口槽以0 90。中的任意角度交叉。
11. 根据权利要求8所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的褶皱为一个或几个开口朝下的蜂窝状开口槽、菱形开口槽、三角开口槽或圆环形开口槽。
12. 根据权利要求11所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的开口槽位于薄膜或表面薄板的中央，并在开口槽边缘设置开口槽延伸至薄膜或表面薄板的边沿。
13. 根据权利要求2或3所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的增强机构由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，所述的褶皱为一个或几个开口朝下 的开口槽。
14. 根据权利要求13所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的增强机构由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，其中，所述的褶皱为一个或几个互相平行的开口朝下的第一开口槽，同时设置一个或几个互相平行的第二开口槽，第一开口槽和第二 开口槽以0 90°中的任意角度交叉。
15. 根据权利要求2或3所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的增强机 构由一薄板和设置在薄板上的褶皱的薄膜构成，所述的褶皱为一个或几个开口朝下的蜂窝 状开口槽、菱形开口槽、梯形开口槽、三角开口槽或圆环形的环形开口槽。
16. 根据权利要求15所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的环形开口 槽设在薄膜的中央，并在环形开口槽边缘设置开口槽延伸至薄板的边沿。
17. 根据权利要求2或3所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于在所述的第二 电极上方通过连接构件连接一表面薄板。
18. 根据权利要求17所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的表面薄板与连接构件重合部分设置开口槽，从而在第二电极上形成由表面薄板和开口槽构成有空间 的增强机构。
19. 根据权利要求l-18之一所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于在所述的薄膜或表面薄板上设有第三电极，这样，在第一电极和第二电极之间形成一个电容结构，在 第三电极与第二电极之间形成另一个电容结构。
20. 根据权利要求19所述的电容式微加工超声传感器，其特征在于所述的第三电极与薄膜或表面薄板之间设有弹簧薄板连接构件，弹簧薄板连接构件采用绝缘材料，第三电 极采用导电材料。
全文摘要
本发明涉及一种超声传感器，尤其涉及一种电容式微加工超声传感器(cMUT)。一个电容式微加工超声传感器，包括第一支撑层、结合在第一支撑层上的第一电极、第二支撑层和设置在第二支撑层上的第二电极，第二支撑层与第一支撑层通过弹性机构连接，其中，所述的第二支撑层上设有增强机构，该增强机构能够有效增大所述的第二支撑层的共振频率与其等效薄膜质量之间的比率(f0/m)，提高电容式微加工超声传感器的频率响应灵敏度。本发明的在可变形薄膜或表面薄膜上设置增强机构，大大提高了薄膜的共振频率和其等效薄膜质量之间的比率(f0/m)，增加电容式微加工超声传感器的频率响应灵敏度。
文档编号B81B7/02GK101746707SQ200910209028
公开日2010年6月23日 申请日期2009年10月23日 优先权日2008年12月3日
发明者黄勇力 申请人:黄勇力