[发明专利]具有环形塌陷区域的预塌陷电容式微机械换能器元件

说明书

技术领域

本发明涉及预塌陷电容式微机械换能器元件，特别涉及电容式微机械超声换能器(cMUT)单元或电容式微机械压力换能器/传感器单元，以及制造其的方法。

背景技术

近来开发了微机械超声换能器(MUT)。以两种设计方法来制造微机械超声换能器，一种使用具有压电特性的陶瓷层(pMUT)，而另一种使用薄膜(或隔膜)以及具有形成电容器的电极(或电极板)的衬底，所谓的电容式微机械超声换能器(cMUT)。

cMUT单元包括在薄膜下方的腔。为了接收超声波，超声波使薄膜移动或振动，并且可以检测电极之间的电容变化。由此将超声波转换为对应的电信号。相反地，施加到电极的电信号使薄膜移动或振动，并且由此发送超声波。波的这一接收或发送所凭借的机构被称为机电耦合，或简称为“耦合”。

最初，cMUT单元被制造成以已知的“未塌陷”模式操作。常规的“未塌陷”cMUT单元实质上是非线性设备，其中耦合强烈地取决于电极之间所施加的偏置电压。

为了解决该问题，所谓的“预塌陷”cMUT单元近来被开发。在预塌陷cMUT单元中，薄膜的一部分或区域塌陷到腔的底部(或衬底)，所谓的“塌陷区域”。在一种类型的“预塌陷”cMUT单元中，薄膜被永久地塌陷到或固定到衬底，而在另一种类型的“预塌陷”cMUT单元中，薄膜仅被暂时地塌陷到衬底(例如仅在操作期间)。

在宽范围的偏置电压上，预塌陷cMUT单元的耦合实质上是与偏置电压无关的，这使cMUT单元更加线性。此外，在使用的正常电压范围上，这样的“预塌陷”cMUT单元提供了比“未塌陷”cMUT单元更大的耦合。理由是，在衬底的固定底部电极与薄膜的柔性顶部电极之间的腔或间隙决定了单元的电容并且因此决定了其耦合。已知的是，在与使薄膜和衬底接触的点紧邻处获得了最高的耦合。恰好在塌陷区域周围的区域具有最小的间隙，并因此对耦合做出最大贡献。

例如在WO2010/097729A1中公开了一种预塌陷cMUT单元。WO2010/097729A1公开了适于在超声cMUT换能器阵列中使用的cMUT换能器单元，其具有含有第一电极的薄膜、含有第二电极的衬底、以及在薄膜和衬底之间的腔。通过将薄膜偏置到具有腔的底面的塌陷状况来使该cMUT操作在预塌陷状态下，并且将晶状体(lens)投掷到塌陷的薄膜之上。当晶状体材料已聚合或具有足够的硬度时，移除偏置电压并且晶状体材料将薄膜保持在塌陷状态。

然而，仍然需要提供一种具有提高的性能的预塌陷电容式微机械换能器单元。

发明内容

本发明的目的是提供具有提高的性能的预塌陷电容式微机械换能器单元及其制造方法。

在本发明的第一方面中，提出一种预塌陷电容式微机械换能器单元，其包括衬底和薄膜，该衬底包括第一电极，该薄膜包括第二电极，其中该单元具有薄膜被安装到衬底所处的外部区域以及在外部区域内或被外部区域包围的内部区域，其中在位于内部区域内的第一塌陷环形区域中，薄膜被塌陷到衬底。

在本发明的另一方面中，提出了一种制造预塌陷电容式微机械换能器单元的方法，该方法包括提供包括第一电极的衬底，提供包括第二电极的薄膜，其中该单元具有薄膜被安装到衬底所处的外部区域以及在外部区域内或被外部区域包围的内部区域，并且在位于内部区域内的第一塌陷环形区域中，将薄膜塌陷到衬底。

本发明的基本理念是提供一种环形塌陷(钉住)区域。因此，单元的塌陷区域不是在单元的中心的圆形(非环形)塌陷区域，而现有技术的单元的塌陷区域是这种情况。如数学上定义的，环是环状几何图形或物体(在其中间具有孔)，或在两个同心闭合曲线(例如两个同心圆)之间的区域。应当理解的是，替代两个圆形，可以使用任何其它类型的闭合曲线。

因为换能器单元的最强烈耦合区域紧邻塌陷区域，所以本发明增大了高耦合区域。因此增大了单元的有效耦合。因此，因为增大了提供高耦合的面积，所以提高了单元的性能。特别地，在衬底和薄膜之间的腔的高度在塌陷区域处平滑地或持续地减小到零。与现有技术的单元的中心塌陷区域相比，该环形塌陷区域可特别地更接近或靠近单元的周边。可替代中心塌陷区域，而使用该环形塌陷区域，或除中心塌陷区域之外，还使用该环形塌陷区域。

在单元的内部区域中，在薄膜和衬底之间形成至少一个腔。因为存在环形塌陷区域，在薄膜和衬底之间形成至少两个腔。第一腔形成在环形塌陷区域内部(或被环形塌陷区域包围)的区域中的薄膜和衬底之间，而第二腔形成在环形塌陷区域外部(或包围环形塌陷区域)的区域中的薄膜和衬底之间。