[发明专利]微机电换能器

说明书

本申请要求以下美国临时申请的优先权：2005年5月18日提交的第60/682,619 号；2005年6月17日提交的第60/692,038号；2005年8月3日提交的第60/705,606 号；2006年4月4日提交的第60/744242号，这些专利申请的内容通过引用整体结 合于此。

本申请还通过引用结合了以下申请的全部内容：

由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为THROUGH-WAFER INTERCONNECTION(代理机构案号03004.01)的国际申请(PCT)；

由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为METHODS FOR FABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES(代理机构案号 03004.02)的国际申请(PCT)；

由共同的申请人在与本申请相同的日期提交的名为MICRO-ELECTRO- MECHANICAL TRANSDUCERS(代理机构案号03004.04)的国际申请(PCT)。

技术领域

本申请涉及具有用于能量转换的可移动机械部件的微机电装置，尤其涉及诸 如电容式微加工超声换能器(cMUT)之类的微加工超声换能器(MUT)。

背景技术

微机电换能器通常共用公共特征部，它包括用于能量转换的可移动机械部件。 这种微机电换能器的一个例子是微加工的超声换能器(MUT)。超声换能器执行一系 列的能量转换以实现其换能器的功能。在其接收模式中，在放置了换能器的介质中 传播的超声波的声能转换成换能器中的可移动部件(通常是振动膜)的机械能。然后 可移动部件的运动转换成可检测的电磁(通常是电)信号。在其发射器模式中，发生 反向的能量转换过程。

已经开发了用于发射和接收超声波的各种类型的超声换能器。超声换能器可 在各种介质中工作，包括液体、固体和气体。这些换能器通常用于诊断和治疗的医 学成像、生物化学成像、材料的非破坏性检测、声纳、通信、贴近式传感器、气流 测量、现场过程监视、声学显微镜、水下传感和成像以及其它。除分立的超声换能 器外，还开发了包含多个换能器的超声换能器阵列。例如，开发了用于成像应用的 二维阵列超声换能器。

与广泛使用的压电(PZT)超声换能器相比，MUT在器件制造方法、带宽和工 作温度方面具有优势。例如，制造常规的PZT换能器阵列包括切割并连接各个的 压电元件。该过程充满了困难和高花费，更不用说由这些元件造成的对发射/接收 电子装置的大的输入阻抗失配问题。在比较中，在制造MUT中使用的微加工技术 更加能够制造这种阵列。在性能方面，MUT证明了可与PZT换能器的动态性能相 比较的动态性能。由于这些原因，MUT变为压电(PZT)超声换能器的引人注目的选 择对象。

在几种MUT中，广泛使用电容式微加工超声换能器(cMUT)，它采用静电换 能器。还采用利用压电(pMUT)和磁(mMUT)换能器的其它MUT。现有技术的cMUT 结构的例子在图1A-1C、图2-3和图4A-4B中示出。

图1A示出了具有多个单元的现有技术cMUT的基本结构的横截面图。图1B 示出单个cMUT单元10的放大视图。图1C示出同一现有技术的多单元cMUT结 构的对应的示意性俯视图。实际上，功能cMUT可具有至少一个独立的可寻址 cMUT元件。基于常规的设计，每一个cMUT元件由很多并联连接的cMUT单元 组成。在图1A中示出了四个单元，图1B中示出了单个单元，而图1C中示出了 十个单元，但在图1A-1C中所有的单元属于单个cMUT元件。

图1A-1C的cMUT构造在衬底11上。如所选择的cMUT单元10所示，每一 个cMUT单元具有平行板电容器，它由刚性底电极12和位于柔性膜16上或其中 并用于在相邻介质中发射或接收声波的顶电极14组成。每一个单元中柔性膜16 由绝缘壁或柱18支承。膜16从衬底11和顶电极12分隔开以在其间限定换能空间 19。将DC偏压施加在电极12和14之间，以使膜16偏转到用于cMUT工作的最 优位置，通常以使灵敏度和带宽最大化为目标。在发射期间，将AC信号施加到换 能器。顶电极和底电极之间的交替的静电力激励膜16，以便将声能传递到cMUT 周围的介质(未示出)中。在接收期间，碰撞的声波振动膜16，因此改变了两电极之 间的电容。电子电路检测该电容变化。