具有機械塌陷保持的預塌陷cmut的製作方法

2023-09-17 16:47:20

專利名稱：具有機械塌陷保持的預塌陷cmut的製作方法
具有機械塌陷保持的預塌陷CMUT本發明涉及醫學診斷超聲成像，並且尤其涉及使用電容式微加工超聲換能器 (CMUT)的超聲探頭。用於醫學成像的超聲換能器具有導致產生高質量診斷圖像的各種特性。其中包括寬的帶寬以及在超聲頻率下對於低水平聲學信號的高靈敏度。傳統上，具有這些特性並且因而用於超聲換能器的壓電材料由PZT和PVDF材料製成，其中PZT是最優選的。然而，陶瓷PZT材料需要包括明顯不同且複雜的切片(dicing)、匹配層粘結、填料、電鍍和互連的製造工序並且需要擴展處理，所有這些會導致小於所期望的換能器堆疊單元產量。而且，這一製造複雜性增加了最終換能器探頭的成本。隨著超聲系統主機(mainframe)變得更小並且主要由現場可編程門陣列(FPGA)和用於多數信號處理功能的軟體來控制，系統主機的成本隨著系統的尺寸而降低。現在，可獲得廉價的可攜式、桌面和手持形式的超聲系統。結果，換能器探頭的成本佔系統總成本的百分比日益增長，並且用於3D成像的更高元件計數陣列的出現加速了這一增長。因此，期望能夠以提高的產量以及低成本製造換能器陣列，以促進對於低成本超聲系統的需求。近來的發展已經導致能夠通過半導體工藝來製造醫用超聲換能器的前景。期望的是，這些工藝應該與用於製造超聲探頭所需的電路的工藝相同，例如CMOS工藝。這些發展已經產生微加工超聲換能器或者MUT0已按照兩種設計方案製造MUT，一種是使用具有壓電特性的半導體層(PMUT)而另一種是使用表現出電容效應的具有電極板的膜片以及襯底 (CMUT)。CMUT換能器是具有電極的微小膜片狀的器件，其將所接收的超聲信號的聲音振動轉換為調製電容。為了傳輸，對施加到電極的電容電荷進行調製以振動該器件的膜片並且從而傳輸聲波。由於這些器件通過半導體工藝製造，因此該器件通常具有10-200微米範圍的尺度，但是可以達到300-500微米的器件直徑。可以將許多這樣單獨的CMUT連接到一起並且作為單個換能器元件整體操作。例如，可以將四到十六個CMUT耦合到一起以整體用作單個換能器元件。典型的2D換能器陣列目前將具有2000-3000個壓電換能器元件。在製造為CMUT陣列時，將使用超過一百萬個CMUT單元。令人驚訝的是，早期結果表明，這一尺寸的半導體製造(fab)CMUT陣列的產量應比用於幾千個換能器元件的PZT陣列的產量有明顯提尚ο最初製造的CMUT以現在已知為「未塌陷(imcollapsed) 」模式進行操作。參照圖 1，以截面圖示出典型的未塌陷CMUT換能器單元10。CMUT換能器單元10與諸如矽的襯底 12上的多個類似的相鄰單元一起製造。可以由氮化矽製成的膜片或者膜14由絕緣支撐體 16支撐在襯底上方，該絕緣支撐體16可以由氧化矽或者氮化矽製成。膜和襯底之間的腔室18可以是空氣或者氣體填充的，或者完全或部分抽空。諸如金的導電薄膜或者層20在該膜片上形成電極，並且類似的薄膜或者層22在襯底上形成電極。由介電腔室18分隔開的這兩個電極形成電容。在聲學信號使膜14振動時，能夠檢測電容的變化，從而將聲學波換能為相應的電信號。相反，施加到電極20，22的交流信號將調製該電容，使該膜移動並且從而傳輸聲學信號。由於典型CMUT的微米尺寸量級尺度，通常密集地製造大量CMUT單元以形成單個換能器元件。單獨的單元可以具有圓形、矩形、六邊形或者其它外圍形狀。圖3是由本發明的圓形CMUT單元的光學幹涉儀產生的地形(topographical)圖像。圖4是圓形CMUT單元陣列的幹涉圖像。CMUT單元可以具有不同的尺度以使得換能器元件將具有不同單元尺寸的組合特性，從而為換能器給出寬帶特性。一般而言，由於大多數CMUT通常具有所施加信號帶寬的100%或者更大的帶寬，因此這樣的單元尺寸差異不是必需的。CMUT本質上是二次(quadratic)器件，因此聲學信號通常是所施加信號的諧波， 即，聲學信號將是所施加電信號頻率的兩倍。為了防止這一二次行為，向兩個電極施加偏置電壓，使膜片由所產生的庫倫力向襯底吸引。這在圖2中示意性示出，其中DC偏置電壓Vb 施加到作為端子M Wbi並且通過向交流信號施加諸如電感阻抗的高阻抗Z的路徑而耦合到膜電極20。交流信號從信號端子沈電容耦合到膜電極或者從該膜電極電容耦合。膜14 上的正電荷使該膜在被吸引到襯底12上的負電荷時膨脹。CMUT單元在這一偏置狀態下連續操作時僅微弱地表現出二次行為。已經發現在膜膨脹以使得該電容式器件的兩個相反充電的板儘可能接近到一起時，CMUT最靈敏。兩個板的緊密接近將由CMUT產生聲學和電信號能量之間的更大耦合。因而期望增加偏置電壓Vb直到膜14和襯底12之間的介電間隔32儘可能小到能夠維持在操作信號條件下。在所構成的實施例中，該間隔處於一微米或者更小的量級。然而，如果所施加的偏置電壓太大，則膜會接觸襯底，由於範德瓦爾斯(Vander Wals)力將器件的兩個板粘貼在一起，因此使該器件短路。這一粘貼會在CMUT單元被過驅動時發生，並且由於製造公差變化，對於相同的偏置電壓Vb器件之間也會變化。儘管通過在電絕緣層(例如氮化矽) 中嵌入器件電極能夠減小永久粘貼，但是當試圖在最大靈敏度範圍內操作未塌陷CMUT時， 塌陷和未塌陷狀態之間的操作非線性是固有的缺陷。即使在膜被偏置以產生非常小的亞微米介電間隔時，CMUT的靈敏度也會小於所期望的靈敏度。這是由於以下事實儘管膜的中心32處的電荷相對接近相對電荷並且將相對於該相反電荷顯著移動，但是在由支撐體16支撐該膜的外圍34處的電荷將幾乎不移動並且因而幾乎不參與由器件進行的信號換能。消除該差異的一種方法是使用不延伸到支撐體 16的較小的膜電極20。這將膜電極上的電荷限制到將強烈參與膜的移動並且因而由器件進行的換能的器件中心。仍然必須具有一個或者多個電導體以向膜電極20施加偏置電壓 Vb並且將交流信號耦合到電極或者耦合來自電極的交流信號。這些電導體必須非常薄，具有向交流信號施加不期望的大阻抗的尺度，從而限制了器件的靈敏度。本發明的目的在於提供一種具有良好靈敏度但是不受膜粘貼問題影響的CMUT換能器單元。本發明的另一目的在於提供一種能夠利用低偏置電壓維持在有效操作範圍內的 CMUT換能器單元。本發明的又一目的在於提供一種在存在預期製造公差的情況下大批量均一致操作的CMUT換能器單元。本發明的又一目的在於提供一種CMUT換能器陣列，其能夠利用與用於操作CMUT 換能器陣列的集成電路的半導體工藝兼容的半導體工藝，諸如CMOS工藝來製造。根據本發明的原理，提供一種以「預塌陷」模式操作的超聲換能器CMUT單元陣列。 在所述預塌陷模式下，由於膜與CMUT單元的腔室底面連續接觸，因此避免了粘貼問題。通過使用不在未塌陷和預塌陷狀態之間切換的操作範圍並且在預塌陷模式下連續操作而避免滯後。通過物理上保持膜的塌陷狀況的機械結構來替代傳統上將膜維持在預塌陷模式所需的偏置電壓。這使得CMUT能夠以低操作和偏置電壓在有利的操作範圍內操作。在優選實施例中，將CMUT單元維持在塌陷狀況的機械結構是超聲換能器陣列的透鏡。在附圖中

圖1是典型CMUT換能器單元的截面圖。圖2是典型CMUT單元的電特性的示意性說明。圖3是本發明的CMUT單元的地形幹涉圖像。圖4是圓形CMUT單元陣列的幹涉圖像。圖5是根據本發明的原理構建的CMUT單元的截面圖。圖6示出在偏置到塌陷狀態時圖5的CMUT單元。圖7示出在通過製成於CMUT單元頂部上的透鏡將膜保持在塌陷狀態時圖6的 CMUT單元。圖8示出通過對於CMUT單元陣列提供聚焦特性的透鏡保持在預塌陷狀態的CMUT 單元陣列。圖9示出預塌陷和未塌陷CMUT單元的耦合係數隨著電壓的變化。圖10示出本發明的構建實施例的所測量的耦合係數隨著電壓的變化。參照圖5，繪出CMUT元件5的示意性截面圖。CMUT元件5包括襯底層12、電極22， 膜層14和膜電極環觀，在圖3和圖4中可見圓形的CMUT元件。在該示例中，電極22配置為圓形並且嵌入在襯底層12中。此外，膜層14相對於襯底層12的頂部表面固定並且被配置/設計尺度為在膜層14和襯底層12之間限定球形或者圓柱形腔室18。如先前提及的， 單元及其腔室18可以限定替代的幾何尺寸。例如，腔室18能夠限定矩形和/或正方形截面、六邊形截面、橢圓截面或者不規則截面。底部電極22典型地利用附加層(未示出)在其腔室相對表面上絕緣。優選的絕緣層是形成在襯底電極上方且膜電極下方的氧化物-氮化物-氧化物(ONO)介電層。ONO-介電層有利地降低了電極上的電荷累積，該電荷累積會導致器件不穩定性以及聲學輸出壓力的漂移和降低。在Klootwijk等人於2008年9月16日遞交的發明名稱為「Capacitive micromachined ultrasound transducer」的歐洲專利申請No. 08305553. 3 中詳細討論了在 CMUT上製造ONO-介電層。對於比未塌陷器件更易受到電荷保持影響的預塌陷CMUT，期望使用ONO-介電層。所公開的部件可以由兼容CMOS材料製造，例如Al、Ti、氮化物(例如氮化矽)、氧化物(各種等級)、四乙基原矽酸鹽(TE0S)、多晶矽等。在例如CMOS製造中，可以通過化學氣相沉積方法形成氧化物和氮化物層並且通過濺射工藝設置金屬(電極)層。適合的CMOS工藝是LPCVD和PECVD，後者具有小於400°C的相對低的操作溫度。用於製造所公開的腔室18的示例性技術包括在添加膜層14的頂部表面之前在膜層14的初始部分中限定出腔室。其它製造細節可以在美國專利No. 6，3 ，697 (Fraser)中找到。在圖5所示的示例性實施例中，圓柱形腔室18的直徑大於圓形配置的電極板22的直徑。電極環觀可以具有與圓形配置的電極板22相同的外徑，儘管並不要求這樣的一致性。因而，在本發明的示例性實施例中，電極環觀相對於膜層14的頂部表面固定，以與下方的電極板22對準。
圖6示出在偏置到預塌陷狀態時圖5的CMUT單元，其中膜片14與腔室18的底面接觸。這通過向兩個電極施加DC偏置電壓來實現，該DC偏置電壓由施加到電極環觀的電壓％以及施加到襯底電極22的基準電勢(地)指示。儘管電極環觀也能夠形成為中心沒有孔的連續盤狀，但是圖6示出這不是必需的原因。在如圖所示將膜14偏置到其預塌陷狀態時，膜的中心與腔室18的底面接觸。由此，膜14的中心在CMUT的操作期間未移動。而是位於腔室18的剩餘開放空隙的上方並且位於環電極下方的膜14的外圍區域移動。通過將膜電極觀形成為環，器件的電容的上板電荷位於在CMUT作為換能器操作時表現出運動和電容變化的CMUT的區域上方。因而，改善了 CMUT換能器的耦合係數。通過施加典型地在50-100伏特範圍內的必要偏置電壓，可以將膜14帶入與以36 標記的腔室18的底面接觸的預塌陷狀態。隨著電壓增加，利用電容計監視CMUT單元的電容。電容的突變表明膜已塌陷到腔室的底面。該膜可以偏置直到其正好接觸到以36標記的腔室的底面，或者可以進一步向下偏置到超出最小接觸的增加塌陷。將膜14帶入到其預塌陷狀態的另一方式是向膜的頂部施加壓力。當腔室形成部分或者完全真空時，已經發現施加1巴(bar)的大氣壓力足以使膜14預塌陷而與腔室18 的底面接觸。也可以使用壓力差和偏置電壓的組合來可控地使膜14預塌陷，這對於具有高大氣塌陷壓力(例如10巴)的較小器件有效。根據本發明的原理，在將膜14偏置到如圖6所示的預塌陷狀態時，在該膜上方布置或者形成將該膜物理保持在其預塌陷狀態的結構。在用於超聲換能器的優選實施例中， 該結構形成換能器的透鏡40。換能器透鏡通常滿足三個要求。第一是該透鏡提供耐受由於在使用換能器探頭期間產生的摩擦接觸而導致的耐磨的結構。實際上，該透鏡提供保護下方的換能器陣列免受物理磨損的物理覆蓋。第二，透鏡是不導電的並且從而在換能器的電氣元件和患者之間提供電絕緣。第三，透鏡能夠為探頭提供聚焦特性。在圖7的示例中，透鏡40提供了第四優點，即將膜14物理地保持在預塌陷狀態。可以使用各種材料用於透鏡材料。CMUT的唯一要求是材料具有足夠的剛度以在去除偏置電壓之後將膜保持在其塌陷狀態。一種適合的材料是聚二甲基矽氧烷 (polydimethyl siloxane) (PDMS或者RTV橡膠)。在偏置電壓&將膜保持在其所需的塌陷狀態的同時，在CMUT上方模鑄(cast)RTV材料。在RTV聚合併且具有足夠剛度以將膜物理地保持在其預塌陷狀態之後，可以去除偏置電壓並且不需要重新施加直到偏置該器件用於操作。優選地，將透鏡材料粘結到CMUT陣列的每一個膜周圍的區域。可適合於透鏡40的其它材料包括聚氨酯橡膠、乙烯基塑料和熱塑性彈性體。通過將膜物理地保持在其預塌陷狀態，不需要偏置來維持該預塌陷狀況，直到在器件的使用期間施加操作偏置。這意味著，CMUT能夠以更低的電壓操作，這有利於小的可攜式超聲系統。而且，能夠消除由於製造和材料特性的變化，諸如膜尺寸、剛度或者腔室深度的批量與批量之間的變化，導致的不利效果。這些變化意味著，需要或多或少的偏置電壓將CMUT帶入其預塌陷狀態。將偏置電壓相應地調節到期望的塌陷程度，並且隨後透鏡材料將膜保持在該狀態。因而，即使在存在這些公差變化的情況下，也能夠對於相同的性能特性或者其耦合定製設置每一個CMUT陣列。能夠實現探頭在諸如操作電壓範圍、聲學阻抗、電容和耦合係數方面更大的一致性。圖8示出通過透鏡42將預塌陷的CMUT 5的陣列保持在預塌陷狀態的本發明的實施示例。該透鏡材料表現出比人體更慢的聲速，從而朝向中心聚焦區域聚焦該陣列。在沒有聚焦透鏡的情況下，單獨的CMUT將全部一直朝前聚焦並且該陣列作為整體聚焦在無限遠處。在操作這樣的陣列以將其聚焦在期望的聚焦範圍內時，需要相當的延遲範圍以實現期望的聚焦。圖8所示的聚焦透鏡42能夠用於對陣列給出期望聚焦範圍內的名義聚焦，該期望聚焦範圍諸如圖8的CMUT陣列前面示出的聚焦範圍FR。利用提供該初始聚焦的透鏡， 減小了將聚焦改變到聚焦範圍內的特定點或者區域所需的延遲範圍。通過在感興趣的聚焦範圍內布置透鏡焦點，與非聚焦平面波陣列所要求的相比，束形成器的延遲需求降低兩倍。 在操作陣列的束形成器的延遲需求降低時，束形成器一般不太昂貴並且不太難於設計和製造。在CMUT換能器單元的示例性構造陣列中，每一個CMUT的膜的直徑或者寬度為 50·πι，腔室的深度為0.3因m，並且CMUT的厚度為1-5因m。透鏡的厚度可以是500-1000ISm 並且表現出1兆帕的剛度。預塌陷狀態下CMUT的耦合係數得到改善並且能夠以比在未塌陷狀態下操作時的 CMUT(圖1和圖2~)的情況更低的電壓而變化。CMUT單元的耦合係數是該器件的能量存儲效率的度量並且計算為
權利要求
1.一種CMUT換能器單元，包括 襯底；附接到所述襯底的第一電極；以與所述第一電極成間隔關係形成的可移動膜；附接到所述膜的第二電極；以及保持部件，所述保持部件在所述膜處於預塌陷狀態時覆蓋所述可移動膜，並用於在不存在偏置電壓的情況下將所述膜保持在其預塌陷狀態。
2.如權利要求1所述的CMUT換能器單元， 其中，所述保持部件是換能器透鏡。
3.如權利要求2所述的CMUT換能器單元，其中，所述換能器透鏡由聚二甲基矽氧烷、PDMS、RTV橡膠、聚氨酯、乙烯基塑料或者熱塑性彈性體的其中之一製成。
4.如權利要求1所述的CMUT換能器單元，其中，在通過偏置電壓使所述膜進入預塌陷狀態時，將所述保持部件模鑄在所述CMUT 換能器單元上方。
5.如權利要求1所述的CMUT換能器單元，其中，在通過向所述膜施加壓力使所述膜進入預塌陷狀態時，將所述保持部件模鑄在所述CMUT換能器單元上方。
6.如權利要求5所述的CMUT換能器單元， 其中，所述壓力是大氣壓力。
7.—種CMUT換能器陣列，包括多個如權利要求1所述的CMUT換能器單元， 其中，所述保持部件還包括形成在CMUT換能器單元的所述陣列上方的聲學透鏡。
8.如權利要求7所述的CMUT換能器陣列，其中，所述聲學透鏡向所述陣列提供在感興趣的場內小於平面波的焦距的固定焦距。
9.如權利要求7所述的CMUT換能器陣列，其中，所述換能器陣列是利用兼容CMOS的半導體工藝形成的； 其中，所述換能器陣列被併入在診斷超聲探頭中；並且其中，所述超聲探頭還包括耦合到所述換能器陣列並用以操作所述陣列的電子電路， 其中，所述電子電路是利用兼容CMOS的半導體工藝形成的。
10.如權利要求9所述的CMUT換能器陣列， 其中，所述電子電路還包括微束形成器電路。
11.如權利要求10所述的CMUT換能器陣列，其中，所述換能器陣列和所述微束形成器電路還被製造在相同的半導體襯底上。
12.如權利要求7所述的CMUT換能器陣列，其中，所述換能器陣列是利用兼容CMOS的半導體工藝形成的； 其中，所述換能器陣列被併入在治療超聲探頭中；並且其中，所述超聲探頭還包括耦合到所述換能器陣列並用以操作所述陣列的電子電路， 其中，所述電子電路是利用兼容CMOS的半導體工藝形成的。
13.一種CMUT換能器單元，包括襯底；附接到所述襯底的第一電極；以與所述第一電極成間隔關係形成的可移動膜；附接到所述膜的第二電極；以及保持部件，所述保持部件在所述膜處於部分預塌陷狀態時覆蓋所述可移動膜，並用於在不存在偏置電壓的情況下將所述膜保持在其部分預塌陷狀態。
14.如權利要求13所述的CMUT換能器單元，還包括施加到所述第一電極和所述第二電極的偏置電壓，其中，所述保持部件和所述偏置電壓用於將所述膜保持在完全預塌陷狀態。
15.如權利要求14所述的CMUT換能器單元， 其中，所述保持部件是換能器透鏡。
全文摘要
一種適用於超聲CMUT換能器陣列中的CMUT換能器單元包括具有第一電極的膜、具有第二電極的襯底、以及位於所述膜和所述襯底之間的腔室。通過將所述膜偏置到與所述腔室的底面的塌陷狀況而在預塌陷狀態下操作所述CMUT，並且透鏡模鑄在塌陷的膜上方。在所述透鏡材料聚合或者具有足夠剛度時，去除所述偏置電壓而所述透鏡材料將所述膜保持在塌陷狀態。
文檔編號B06B1/02GK102333485SQ201080009239
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月10日 優先權日2009年2月27日
發明者P·迪克森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司