電容式轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電容式轉(zhuǎn)換器。提供一種電容式轉(zhuǎn)換器，該電容式轉(zhuǎn)換器包括包含多個單元的元件，所述多個單元中的每一個包括：第一電極；以及振動膜，該振動膜包括第二電極，第二電極以一間隙與第一電極相對；以及振動膜支持部，該振動膜支持部支持振動膜，以形成所述間隙，其中，所述元件包括第一單元和第二單元，第一單元包括具有第一彈簧常數(shù)的振動膜，第二單元包括具有低于第一彈簧常數(shù)的第二彈簧常數(shù)的振動膜；并且，要在第一單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓高于要在第二單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓。
【專利說明】電容式轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及要用作超聲轉(zhuǎn)換器元件等的電容式轉(zhuǎn)換器(capacitivetransducer)、以及制造該電容式轉(zhuǎn)換器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]迄今為止，要使用微機(jī)械加工技術(shù)制造的微機(jī)械構(gòu)件可以以微米的量級被處理，并且，使用這樣的微機(jī)械構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)各種功能微元件。使用這種技術(shù)的電容式轉(zhuǎn)換器作為使用壓電元件的轉(zhuǎn)換器的替代物正在被研究。利用這種電容式轉(zhuǎn)換器，諸如超聲波、聲波和聲光波的聲學(xué)波(在下文中，有時由超聲波代表)可以通過使用振動膜的振動來發(fā)送和接收，特別是，可以容易地獲得液體中的良好的寬帶特性(在寬頻域中具有相對高的接收靈敏度或發(fā)送靈敏度的特性)。
[0003]作為上述技術(shù)，提出了實(shí)現(xiàn)寬帶特性的電容式轉(zhuǎn)換器，其包括:包含具有高彈簧常數(shù)的振動膜的單元和包含具有低彈簧常數(shù)的振動膜的單元(參見美國專利N0.5，870，351)。還提出了實(shí)現(xiàn)寬帶特性的另一種電容式轉(zhuǎn)換器，該電容式轉(zhuǎn)換器包含一組具有高彈簧常數(shù)的多個單元和一組具有低彈簧常數(shù)的多個單元(參見美國專利申請公開N0.2007/0059858)ο
[0004]上述的電容式轉(zhuǎn)換器能夠通過向共用電極施加共用電壓來發(fā)送和接收驅(qū)動。但是，在這種情況下，機(jī)電變換比在多種單元(即，包含具有高彈簧常數(shù)的振動膜的單元和包含具有低彈簧常數(shù)的振動膜的單元)之間不同。因此，盡管實(shí)現(xiàn)了寬帶特性，但是，因?yàn)闄C(jī)電變換比在多種單元之間不同，所以，表示發(fā)送聲壓與電壓之比的發(fā)送靈敏度或者表示接收電信號與接收聲壓之比的接收靈敏度可能被降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述問題，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，提供了一種電容式轉(zhuǎn)換器，該電容式轉(zhuǎn)換器包括包含多個單元的元件:所述多個單元中的每一個包括:第一電極；振動膜，該振動膜包括第二電極，第二電極以一間隙與第一電極相對；以及振動膜支持部，該振動膜支持部支持振動膜，以形成所述間隙。所述元件包括第一單元和第二單元，第一單元包括具有第一彈簧常數(shù)的振動膜，第二單元包括具有低于第一彈簧常數(shù)的第二彈簧常數(shù)的振動膜。要在第一單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓高于要在第二單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓。
[0006]根據(jù)下面參照附圖的對示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征將會變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1A和IB是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和實(shí)例I的電容式轉(zhuǎn)換器的示圖。
[0008]圖2A和2B是示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例和實(shí)例2的電容式轉(zhuǎn)換器的示圖。[0009]圖3A、3B、3C、3D和3E是示出制造根據(jù)本發(fā)明的電容式轉(zhuǎn)換器的示例方法的示圖。
[0010]圖4是示出通過使用根據(jù)本發(fā)明的電容式轉(zhuǎn)換器獲取測試對象信息的示例裝置的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011 ] 現(xiàn)在將根據(jù)附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的電容式轉(zhuǎn)換器的特征在于包括:包含具有第一彈簧常數(shù)的振動膜的第一單元；包含具有低于第一彈簧常數(shù)的第二彈簧常數(shù)的振動膜的第二單元；以及被配置為分別在第一單元和第二單元的第一電極和第二電極之間施加電壓的第一和第二電壓施加部件。機(jī)電變換比隨著施加的電壓與拉入電壓(pull-1n voltage)之比變高而變高。本文中所使用的拉入電壓是指靜電吸引力變成大于振動膜的恢復(fù)力時在第一電極和第二電極之間施加的電壓。當(dāng)被施加等于或高于拉入電壓的電壓時，使得振動膜與腔的下表面接觸。在施加的電壓被設(shè)置為不超過拉入電壓的情況中，機(jī)電變換比與第一電極和第二電極之間的電容和電場強(qiáng)度之積成比例。電場強(qiáng)度與施加的電壓成比例，由此，機(jī)電變換比與第一電極和第二電極之間的電容和施加的電壓之積成比例，并且在施加拉入電壓時變成最大。拉入電壓與彈簧常數(shù)的約0.5次冪成比例，并且與上電極和下電極之間的有效間隙的約1.5次冪成比例。本文中所使用的有效間隙是指腔間隙和通過將上電極和下電極之間形成的振動膜除以相對介電常數(shù)而獲得的值之和。具有高彈簧常數(shù)的振動膜的單元的拉入電壓高于具有低彈簧常數(shù)的振動膜的單元的拉入電壓。因此，通過如本發(fā)明的結(jié)構(gòu)所舉例說明的那樣在電極之間施加電壓，施加的電壓基本上具有與拉入電壓相同的比率，由此，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。從而，根據(jù)本發(fā)明的電容式轉(zhuǎn)換器，可以增大接收或發(fā)送頻帶寬度，并且，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。
[0013]參照附圖，下面描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1A是根據(jù)本實(shí)施例的電容式轉(zhuǎn)換器的俯視圖，圖1B是沿著圖1A的線1B-1B截取的剖視圖。本實(shí)施例舉例說明了多個電容式轉(zhuǎn)換器(元件)1，每一個電容式轉(zhuǎn)換器(元件)1包括多個第一單元12和多個第二單元19。圖1A和IB僅僅圖示兩個電容式轉(zhuǎn)換器，但是轉(zhuǎn)換器的數(shù)量并不限于此。多個電容式轉(zhuǎn)換器中的每一個都包括二十二個第一單元12和八個第二單元19，但是，各個單元的數(shù)量并不限于此。這些單元可以按照各種方式來布置。
[0014]第一單元12包括基板2、在基板2上形成的絕緣膜3、在絕緣膜3上形成的第一電極4和在第一電極4上形成的絕緣膜5。第一單元12還包括振動膜8、支持振動膜8的振動膜支持部10、以及腔(間隙)9。振動膜8包括與第一電極4相對的第二電極6、以及薄膜(membrane)7ο在基板2是諸如玻璃基板的絕緣基板的情況中,可以不形成絕緣膜3。第一單元12還包括用于在第一單元12的第一電極和第二電極之間施加電壓的第一電壓施加部件11。
[0015]第二單元19基本上具有與第一單元12相同的結(jié)構(gòu)。在第二單元19中，振動膜16具有低于第一單元12的振動膜8的彈簧常數(shù)的彈簧常數(shù)。在圖1B的實(shí)例中，振動膜16由與振動膜8相同的材料制成并具有與振動膜8相同的厚度。振動膜16的直徑被設(shè)置為大于振動膜8的直徑，從而降低彈簧常數(shù)。在本實(shí)施例中，振動膜的形狀是圓形，但是，也可以是正方形、長方形等。第二單元19還包括用于在第二單元19的第一電極和第二電極之間施加電壓的第二電壓施加部件18。第二單元19包括第一電極13、第二電極14、薄膜15和腔17。
[0016]振動膜8和16的薄膜7和15是絕緣膜。特別地，期望薄膜7和15由硅氮化物膜形成，因?yàn)楣璧锬た梢员恍纬蔀榫哂欣?00Mpa或更小的小張應(yīng)力，使得可以防止振動膜由于硅氮化物膜的殘余應(yīng)力而大大地變形。振動膜8和16的薄膜7和15不必一定是絕緣膜。例如，具有IQcm或更小的低電阻率的單晶硅可以用于薄膜7和15。在這種情況下，所述薄膜還可以用作第二電極。如上所述，第二單元19的振動膜16的彈簧常數(shù)低于第一單元12的振動膜8的彈簧常數(shù)。因此，可以增大接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度。
[0017]當(dāng)向第一電極4和13或者第二電極6和14施加共用電壓時，第一單元12具有低于第二單元16的機(jī)電變換比的機(jī)電變換比。這是因?yàn)榈诙卧?9的振動膜16的彈簧常數(shù)低于第一單元12的振動膜6的彈簧常數(shù)，由此，具有高彈簧常數(shù)的振動膜的單元的拉入電壓高于具有低彈簧常數(shù)的振動膜的單元的拉入電壓。如上所述，本文中所使用的拉入電壓是指靜電吸引力變成大于振動膜的恢復(fù)力時在電極之間施加的電壓。機(jī)電變換比隨著施加的電壓與拉入電壓之比變高而變高。
[0018]在本實(shí)施例中，要在具有高彈簧常數(shù)的振動膜的第一單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓被設(shè)置為高于要在具有低彈簧常數(shù)的振動膜的第二單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓。換句話說，例如，要向具有高拉入電壓的第一單元的第一電極4施加的電壓被設(shè)置為高于要向具有低拉入電壓的第二單元的第一電極13施加的電壓。因此，通過如這種結(jié)構(gòu)所舉例說明的那樣施加電壓，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。以這樣的方式，可以增大接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度，并且，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。
[0019]可替換地，電容式轉(zhuǎn)換器還可以包括多個第一單元或多個第二單元，多個第一單元或多個第二單元的第一電極或第二電極可以相互電耦接。其中電極相互耦接的這種結(jié)構(gòu)消除了在每一個單元中設(shè)置電壓施加部件的需要，由此，通過使用最小數(shù)量的電壓施加部件，可以增大頻帶寬度，并且，可以提高接收靈敏度或發(fā)送靈敏度。
[0020]第一單元的振動膜的面積可以被設(shè)置為小于第二單元的振動膜的面積，并且，第一單元的振動膜的厚度可以被設(shè)置為等于第二單元的振動膜的厚度。根據(jù)本結(jié)構(gòu)，可以在相同的制造過程中制造具有高彈簧常數(shù)的振動膜的單元和具有低彈簧常數(shù)的振動膜的單元。因此，能夠以低成本制造電容式轉(zhuǎn)換器。在第一單元的振動膜的厚度不等于第二單元的振動膜的厚度的情況中，例如，在膜形成后蝕刻振動膜之一或者以不同的厚度形成振動膜的情況中，第一單元的振動膜的彈簧常數(shù)和第二單元的振動膜的彈簧常數(shù)之比易于波動。如果第一單元的振動膜的彈簧常數(shù)和第二單元的振動膜的彈簧常數(shù)之比波動，那么電容式轉(zhuǎn)換器的發(fā)送或接收靈敏度或頻帶寬度并不總是被設(shè)置到期望的頻帶。因此，具有相同的振動膜厚度的這種結(jié)構(gòu)可以減少發(fā)送靈敏度、接收靈敏度和頻帶寬度的波動。
[0021]可替換地，第一單元的振動膜的厚度可以被設(shè)置為大于第二單元的振動膜的厚度，并且，第一單元的振動膜的面積可以被設(shè)置為等于第二單元的振動膜的面積。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，如圖2A所示，當(dāng)從上方觀看時,各單元具有相同的形狀，由此,福射阻抗(radiationimpedance)在所有的單元中匹配。圖2B是沿著圖2A的線2B-2B截取的剖視圖。本文中所使用的輻射阻抗是指振動膜的振動速度與來自振動膜的作用在外部(空氣、液體介質(zhì)等)上的力(壓力)之比，并且，取決于單元的形狀和振動膜的形狀。在這種結(jié)構(gòu)中，各單元具有相同的輻射阻抗，由此，各單元的振動膜以相同的方式振動，從而可以防止不期望的振動并確保操作效率和穩(wěn)定性。本文中所使用的不期望的振動是指由于各單元的不同的輻射阻抗而導(dǎo)致各單元以不同的相位振動的情況。
[0022]參照圖3A至3E，下面描述根據(jù)本實(shí)施例的示例性制造方法。圖3A至3E是電容式轉(zhuǎn)換器的剖視圖，圖示基本上與圖1A和IB相同的結(jié)構(gòu)。圖3A至3E對應(yīng)于沿著圖1A的線1B-1B截取的截面圖。
[0023]如圖3A所示，在基板42上形成絕緣膜43。基板42是硅基板。絕緣膜43用于將基板42與第一電極絕緣。在基板42是諸如玻璃基板的絕緣基板的情況中，并不總是要求形成絕緣膜43。期望基板42具有小的表面粗糙度。如果表面粗糙度大，那么甚至在該步驟之后的膜形成步驟中也轉(zhuǎn)印(transfer)表面粗糙度，并且，由于表面粗糙度而導(dǎo)致第一電極和第二電極之間的距離在各單元之間波動。距離的波動造成機(jī)電變換比的波動以及靈敏度和頻帶的波動。因此，期望基板43具有小的表面粗糙度。隨后形成第一電極44和53。期望第一電極44和53由具有小的表面粗糙度的導(dǎo)電材料制成。所述材料的例子包括鈦和鋁。如果第一電極的表面粗糙度大，那么由于所述表面粗糙度，第一電極和第二電極之間的距離在各單元和各元件之間波動。因此，類似于基板，期望具有小的表面粗糙度的導(dǎo)電材料。
[0024]接下來，如圖3B所示，形成絕緣膜45。期望絕緣膜45由具有小的表面粗糙度的絕緣材料制成。為了防止在第一電極和第二電極之間施加電壓時第一電極和第二電極之間的電短路或介質(zhì)擊穿，形成絕緣膜45。在以低電壓驅(qū)動電容式轉(zhuǎn)換器的情況中，并不總是要求形成絕緣膜45，因?yàn)楸∧こ洚?dāng)絕緣體。形成絕緣膜45的另一個目的在于，防止當(dāng)在該形成步驟之后的步驟中去除犧牲層時第一電極被蝕刻。在根據(jù)在去除犧牲層時使用的蝕刻氣體和蝕刻劑的類型而不蝕刻第一電極的情況中，并不總是要求形成絕緣膜45。如果絕緣膜45的表面粗糙度大，那么由于所述表面粗糙度，第一電極和第二電極之間的距離在各單元之間波動。因此，類似于基板42，期望具有小的表面粗糙度的絕緣膜。例如，絕緣膜45是硅氮化物膜或硅氧化物膜。
[0025]接下來，如圖3C所示，形成犧牲層49和57。期望犧牲層49和57由具有小的表面粗糙度的材料制成。如果犧牲層的表面粗糙度大，那么由于所述表面粗糙度，第一電極和第二電極之間的距離在各單元之間波動。因此，類似于基板，期望具有小的表面粗糙度的犧牲層。還期望該材料具有高的蝕刻速率，以便縮短用于去除犧牲層的蝕刻的蝕刻時間段。要求犧牲層由這樣的材料制成，絕緣膜和薄膜幾乎不被用于去除犧牲層的蝕刻氣體或蝕刻劑蝕刻。如果絕緣膜和薄膜被用于去除犧牲層的蝕刻氣體或蝕刻劑蝕刻，那么第一電極和第二電極之間的距離和振動膜的厚度易于波動。第一電極和第二電極之間的距離的波動和振動膜的厚度的波動造成各單元之間的靈敏度和頻帶的波動。在絕緣膜和薄膜是硅氮化物膜或硅氧化物膜的情況中，可以獲得小的表面粗糙度，并且，可以使用幾乎不蝕刻絕緣膜和薄膜的蝕刻氣體或蝕刻劑。犧牲層的期望的材料包括非晶硅、聚酰亞胺和鉻。特別地，在絕緣膜和薄膜是硅氮化物膜或硅氧化物膜的情況中期望的是鉻蝕刻劑，因?yàn)殂t蝕刻劑幾乎不蝕刻硅氮化物膜或硅氧化物膜。
[0026]接下來，如圖3D所示，形成薄膜47和55。期望薄膜47和55具有例如300Mpa或更小的低張應(yīng)力?？梢钥刂乒璧锬さ膽?yīng)力，并且，可以獲得300Mpa或更小的低的張應(yīng)力。在薄膜具有壓應(yīng)力的情況中，薄膜導(dǎo)致粘結(jié)或彎曲大大地變形。在薄膜具有大的張應(yīng)力的情況中，薄膜會破裂。因此，期望薄膜47和55具有低的張應(yīng)力。薄膜47和55由例如其應(yīng)力可以被控制以獲得低張應(yīng)力的硅氮化物膜制成。
[0027]此外，形成蝕刻孔(未示出)，并且，經(jīng)由蝕刻孔去除犧牲層49和57，隨后密封蝕刻孔。例如，可以用硅氮化物膜或硅氧化物膜密封蝕刻孔。犧牲層去除步驟或犧牲層密封步驟可以在形成第二電極之后執(zhí)行。
[0028]接下來，如圖3E所示，形成第二電極46和54。期望第二電極46和54由具有小的殘余應(yīng)力的材料制成。所述材料的例子包括鋁。在形成第二電極之后執(zhí)行犧牲層去除步驟或犧牲層密封步驟的情況中，期望第二電極由對犧牲層的蝕刻耐受并耐熱的材料制成。所述材料的例子包括鈦。以這樣的方式，形成第一單元52和第二單元59，第一單元52包括具有大的彈簧常數(shù)并包括第二電極46和薄膜47的振動膜48，第二單元59包括具有小的彈簧常數(shù)并包括第二電極54和薄膜55的振動膜56。
[0029]如上所述，該制造方法包括形成第一單元和第二單元的第一電極的步驟、在第一電極上形成犧牲層以便形成第一單元和第二單元的間隙的步驟、在犧牲層上形成第一單元和第二單元的振動膜的至少一部分的步驟、以及去除犧牲層的步驟。在形成犧牲層的步驟中，用于形成第一單元的間隙的犧牲層的面積被設(shè)置為小于用于形成第二單元的間隙的犧牲層的面積。在形成第一單元和第二單元的振動膜的至少一部分的步驟中，第一單元的振動膜的厚度被設(shè)置為等于第二單元的振動膜的厚度。另一方面，制造根據(jù)稍后描述的實(shí)例2的電容式轉(zhuǎn)換器的方法被修改如下。具體地說，在形成犧牲層的步驟中，用于形成第一單元的間隙的犧牲層的面積被設(shè)置為等于用于形成第二單元的間隙的犧牲層的面積。在形成第一單元和第二單元的振動膜的至少一部分的步驟中，第一單元的振動膜的厚度被設(shè)置為大于第二單元的振動膜的厚度。上述的制造方法可以制造具有寬的接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度以及提高了的發(fā)送靈敏度或接收靈敏度的靈敏的電容式轉(zhuǎn)換器。
[0030]現(xiàn)在，通過更具體的實(shí)例，在下面詳細(xì)描述本發(fā)明。
[0031](實(shí)例I)
[0032]本發(fā)明的實(shí)例I對應(yīng)于上面參照圖1A和IB描述的實(shí)施例。實(shí)例I舉例說明了多個電容式轉(zhuǎn)換器I，每一個電容式轉(zhuǎn)換器包括多個第一單兀12和多個第二電壓19。多個電容式轉(zhuǎn)換器中的每一個都包括22個第一單元12和8個第二單元19，但是，第一單元12和第二單元19的數(shù)量并不限于此。各單元的布置和振動膜的形狀被合適地確定。
[0033] 第一單元12包括具有300 μ m的厚度的硅基板2、在硅基板2上形成的絕緣膜3、在絕緣膜3上形成的第一電極4、以及在第一電極4上形成的絕緣膜5。第一單元12還包括振動I吳8、支持振動I吳8的振動I吳支持部10、以及腔9。振動I吳8包括弟二電極6和薄月吳
7。腔9具有IOOnm的高度。第一單元12還包括電壓施加部件11。
[0034]絕緣膜3是通過熱氧化形成的具有I μ m的厚度的硅氧化物膜。絕緣膜5是通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PE-CVD)形成的具有IOOnm的厚度的硅氧化物膜。第一電極由鈦制成并具有50nm的厚度。第二電極6由鋁制成并具有IOOnm的厚度。薄膜7是通過PE-CVD制造的硅氮化物膜，該硅氮化物膜被形成為具有200Mpa或更小的張應(yīng)力并具有1400nm的厚度。[0035]第二單元19基本上具有與第一單元12相同的結(jié)構(gòu)。在第一單元12中，振動膜8的直徑為32 μ m。另一方面，在第二單元19中，振動膜16的直徑為44 μ m。因此，振動膜16的彈簧常數(shù)低于第一單元12的彈簧常數(shù)。振動膜16由與振動膜8相同的材料制成，并且具有與振動膜8相同的厚度。振動膜16的直徑被設(shè)置為大于振動膜8的直徑，從而降低彈簧常數(shù)。第一單元12的彈簧常數(shù)為92kN/m,并且第二單元19的彈簧常數(shù)為55kN/m。本文中所使用的彈簧常數(shù)是指通過將振動膜上的負(fù)荷除以由于該負(fù)荷導(dǎo)致的振動膜的平均位移所確定的值。
[0036]根據(jù)實(shí)例I的電容式轉(zhuǎn)換器，可以使用引出布線(未示出)來從第二電極提取電信號。在通過電容式轉(zhuǎn)換器接收超聲波的情況中，預(yù)先向第一電極4和13施加DC電壓。當(dāng)接收到超聲波時，均包括第二電極的振動膜8和16變形，而改變第二電極6和14與第一電極4和13之間的腔9和17的相應(yīng)距離，結(jié)果，改變了電容。電容的改變導(dǎo)致電流流過上述的引出布線。該電流通過電流電壓轉(zhuǎn)換器(未示出)被轉(zhuǎn)換為電壓。以這樣的方式，可以接收超聲波。另一方面，通過向第一電極施加DC電壓并向第二電極施加AC電壓,振動膜6和16可以由于靜電力而振動。以這樣的方式，可以發(fā)送超聲波。
[0037]實(shí)例I的電容式轉(zhuǎn)換器包括包含具有高彈簧常數(shù)的振動膜的第一單元和包含具有低彈簧常數(shù)的振動膜的第二單元，由此，可以增大接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度。此外，在這種結(jié)構(gòu)中，振動膜16由與振動膜8相同的材料制成并具有與振動膜8相同的厚度，并且，絕緣膜5具有IOOnm的基本上均勻的厚度，由此，第一電極和第二電極之間的相應(yīng)距離基本上彼此相等。另外，振動膜的彈簧常數(shù)被如上所述地設(shè)置，并且，靜電吸引力變成大于振動膜的恢復(fù)力時的電壓是拉入電壓，由此，第一單元12的拉入電壓高于第二單元19的拉入電壓。第一單元12的拉入電壓是200V，并且，第二單元19的拉入電壓是100V。
[0038]在實(shí)例I中，向具有高彈簧常數(shù)的振動膜的第一單元的第一電極4施加180V的電壓，并且向具有低彈簧常數(shù)的振動膜的第二單元的第一電極13施加90V的電壓。換句話說，以施加的電壓是第一單元12和第二單元19的拉入電壓的90%的方式，向第一電極4施加的電壓被設(shè)置為高于向第一電極13施加的電壓。通過如這種結(jié)構(gòu)所舉例說明的那樣施加電壓，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。因此，可以增大接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度，并且，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。
[0039](實(shí)例2)
[0040]參照圖2A和2B描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例2的電容式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。圖2A是俯視圖，圖2B是沿著圖2A的線2B-2B截取的剖視圖。根據(jù)實(shí)例2的電容式轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)基本上與實(shí)例I中的相同。在圖2A和2B中，對應(yīng)于圖1A和IB的相應(yīng)部分的部分被給予圖1A和IB的相應(yīng)部分的附圖標(biāo)記加上20。
[0041]在實(shí)例2中，具有較高彈簧常數(shù)的振動膜的單元的振動膜厚度大于具有較低彈簧常數(shù)的振動膜的另一單元的振動膜厚度，并且，具有較高彈簧常數(shù)的振動膜的單元的振動膜面積等于具有較低彈簧常數(shù)的振動膜的另一單元的振動膜面積。第一單元32的振動膜28和第二單元39的振動膜36都具有32 μ m的直徑。振動膜28具有1400nm的厚度，并且，振動膜36具有1150nm的厚度。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，第一單元具有92kN/m的彈簧常數(shù)，并且，第二單元具有55kN/m的彈簧常數(shù)。以這樣的方式，根據(jù)實(shí)例2的電容式轉(zhuǎn)換器包括包含具有高彈簧常數(shù)的振動膜的第一單元和包含具有低彈簧常數(shù)的振動膜的第二單元，由此，可以增大接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度。
[0042]這種結(jié)構(gòu)被如下制造。形成第一單元32的第二電極26和第二單元39的第二電極34。其后，為了增大第一單元32的振動膜的厚度，形成由與薄膜27和35的材料相同的材料制成的硅氮化物膜。其后，通過蝕刻來去除層疊在第二電極34上的硅氮化物膜的一部分。在這種情況下，第二單元39的第二電極34充當(dāng)蝕刻停止層，由此，第一單元32的第二電極26和第一電極24之間的距離可以被容易地設(shè)置為等于第二單元39的第二電極34和第一電極33之間的距離。
[0043]此外，在這種結(jié)構(gòu)中，第一單元的拉入電壓高于第二單元的拉入電壓。第一單元32的拉入電壓是200V，并且，第二單元39的拉入電壓是100V。在實(shí)例2中，向具有高彈簧常數(shù)的振動膜的單元的第一電極24施加160V的電壓，并且向具有低彈簧常數(shù)的振動膜的單元的第一電極33施加80V的電壓。換句話說，以施加的電壓是第一單元12和第二單元19的拉入電壓的80%的方式，向第一電極24施加的電壓被設(shè)置為高于向第一電極33施加的電壓。通過如這種結(jié)構(gòu)所舉例說明的那樣施加電壓，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。
[0044]因此，可以增大接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度，并且，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。此外，根據(jù)本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)，如圖2A所示，當(dāng)從上方觀看時，各單元具有相同的形狀，由此，輻射阻抗在所有的單元之間匹配。各單元的相同的輻射阻抗意味著，各單元的振動膜以基本上相同的方式振動，這可以防止不期望的振動。
[0045](實(shí)例3)
[0046]包括在上述的實(shí)施例或?qū)嵗忻枋龅碾娙菔睫D(zhuǎn)換器的探測器(probe)可應(yīng)用于使用聲學(xué)波的測試對象信息獲取裝置。來自測試對象的聲學(xué)波由電容式轉(zhuǎn)換器接收，并且，使用輸出的電信號來獲取反映測試對象的光學(xué)特性值(例如，光吸收系數(shù))的測試對象信息。
[0047]圖4圖示使用光聲效應(yīng)的實(shí)例3的測試對象信息獲取裝置。從用于以脈沖的形式生成光的光源151發(fā)出的脈沖光152經(jīng)由諸如透鏡、反射鏡或?yàn)V光器的光學(xué)構(gòu)件154照射測試對象153。測試對象153內(nèi)部的光吸收體155吸收脈沖光的能量，以產(chǎn)生作為聲學(xué)波的光聲波156。裝備有容納電容式轉(zhuǎn)換器的殼體的探測器157接收光聲波156以將光聲波156轉(zhuǎn)換為電信號，并且將電信號輸出給信號處理器159。信號處理器159對輸入的電信號進(jìn)行諸如A/D轉(zhuǎn)換和放大的信號處理，并且將得到的信號輸出給數(shù)據(jù)處理器150。數(shù)據(jù)處理器150使用輸入的信號來獲取測試對象信息(反映測試對象的光學(xué)特性值(例如，光吸收系數(shù))的測試對象信息)作為圖像數(shù)據(jù)。顯示部件158基于從數(shù)據(jù)處理器150輸入的圖像數(shù)據(jù)來顯示圖像。探測器可以被配置為機(jī)械地掃描，或者可以被配置為由諸如醫(yī)生或工程師的用戶相對于測試對象進(jìn)行移動(手持類型)。應(yīng)該理解，作為本發(fā)明的機(jī)電轉(zhuǎn)換器的電容式轉(zhuǎn)換器還可以被用于測試對象診斷設(shè)備中，該測試對象診斷設(shè)備用于檢測來自被聲學(xué)波照射的測試對象的聲學(xué)波。此外，在這種情況中，來自測試對象的聲學(xué)波由電容式轉(zhuǎn)換器檢測，并且，轉(zhuǎn)換后的信號由信號處理器處理，從而獲取測試對象內(nèi)部的信息。在這種情況中，本發(fā)明的電容式轉(zhuǎn)換器可以被用來向測試對象發(fā)送聲學(xué)波。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的電容式轉(zhuǎn)換器可應(yīng)用于用于獲取諸如生命體的測量目標(biāo)中的信息的光學(xué)成像裝置、傳統(tǒng)的超聲診斷設(shè)備等。根據(jù)本發(fā)明的電容式轉(zhuǎn)換器也可應(yīng)用于包括超聲檢測器的其它應(yīng)用。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的電容式轉(zhuǎn)換器，可以增大接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度。此外，要在包括具有高彈簧常數(shù)的振動膜的第一單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓可以被設(shè)置為高于要在第二單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓，由此，可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。
[0050]雖然參考示例性實(shí)施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實(shí)施例。所附權(quán)利要求書的范圍應(yīng)該被賦予最寬泛的解釋，以涵蓋所有這樣的修改及等同結(jié)構(gòu)和功能。
[0051]附圖標(biāo)記列表[0052]I..?電容式轉(zhuǎn)換器，2..?基板，3，5..?絕緣膜，4，13..?第一電極，6, 14..?第二電極,7，15..?薄膜，8，16..?振動膜,9，17..?腔(間隙)，10..?振動膜支持部，11..?第一電壓施加部件12..?第一單元,18..?第二電壓施加部件,19...第二單元
【權(quán)利要求】
1.一種電容式轉(zhuǎn)換器，包括包含多個單元的元件，所述多個單元中的每一個包括:第一電極；振動膜，該振動膜包括第二電極，第二電極以一間隙與第一電極相對；以及振動膜支持部，該振動膜支持部支持所述振動膜，以形成所述間隙；其中，所述元件包括第一單元和第二單元，第一單元包括具有第一彈簧常數(shù)的振動膜，第二單元包括具有低于第一彈簧常數(shù)的第二彈簧常數(shù)的振動膜，其中，要在第一單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓高于要在第二單元的第一電極和第二電極之間施加的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式轉(zhuǎn)換器，其中:所述元件包括多個第一單元或多個第二單元；并且所述多個第一單元或所述多個第二單元的第一電極或第二電極相互電耦接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式轉(zhuǎn)換器，其中，第一單元的振動膜的面積小于第二單元的振動膜的面積，并且，第一單元的振動膜的厚度等于第二單元的振動膜的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式轉(zhuǎn)換器，其中，第一單元的振動膜的厚度大于第二單元的振動膜的厚度，并且，第一單元的振動膜的面積等于第二單元的振動膜的面積。
5.一種測試對象信息獲取裝置，包括:根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式轉(zhuǎn)換器；電壓施加部件，該電壓施加部件被配置為在所述電容式轉(zhuǎn)換器的第一電極和第二電極之間施加電壓；以及信號處理器，該信號處理器被配置為處理從所述電容式轉(zhuǎn)換器輸出的信號，其中，所述電容式轉(zhuǎn)換器被配置為接收聲學(xué)波，并且，信號處理器被配置為處理通過轉(zhuǎn)換為電信號而獲得的信號，從而獲取關(guān)于測試對象的信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測試對象信息獲取裝置，還包括被配置為發(fā)光的光源，其中，所述電容式轉(zhuǎn)換器被配置為接收由從光源發(fā)射以照射測試對象的光生成的聲學(xué)波，并且，所述信號處理器被配置為處理通過轉(zhuǎn)換為電信號而獲得的信號，從而獲取關(guān)于測試對象的信息。
7.—種制造根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式轉(zhuǎn)換器的方法，該方法包括:形成第一單元和第二單元中的每一個的第一電極；在第一電極上形成犧牲層，以形成第一單元和第二單元中的每一個的間隙；在犧牲層上形成第一單元和第二單元中的每一個的振動膜的至少一部分；以及去除犧牲層，其中，所述形成犧牲層包括將形成第一單元的間隙的犧牲層的面積設(shè)置為小于形成第二單元的間隙的犧牲層的面積，并且其中，所述形成第一單元和第二單元中的每一個的振動膜的至少一部分包括將第一單元的振動膜的厚度設(shè)置為等 于第二單元的振動膜的厚度。
8.—種制造根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式轉(zhuǎn)換器的方法，該方法包括:形成第一單元和第二單元中的每一個的第一電極；在第一電極上形成犧牲層，以形成第一單元和第二單元中的每一個的間隙；在犧牲層上形成第一單元和第二單元中的每一個的振動膜的至少一部分；以及去除犧牲層，其中， 所述形成犧牲層包括將形成第一單元的間隙的犧牲層的面積設(shè)置為等于形成第二單元的間隙的犧牲層的面積，并且其中，所述形成第一單元和第二單元中的每一個的振動膜的至少一部分包括將第一單元的振動膜的厚度設(shè)置為大于第二單元的振動膜的厚度。
【文檔編號】H04R19/00GK103533492SQ201310272423
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月6日
【發(fā)明者】虎島和敏, 秋山貴弘 申請人:佳能株式會社