電容型微加工超聲換能器和包含其的被檢體信息獲取設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用作例如聲波轉(zhuǎn)換元件的電容型微加工超聲換能器和包含電容型微加工超聲換能器的被檢體信息獲取設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]通過使用微加工技術(shù)制造的微機(jī)械部件可執(zhí)行微米級(jí)加工操作，并且，可通過使用這種微機(jī)械部件開發(fā)各種微功能元件。
[0003]利用這種技術(shù)的電容型微加工超聲換能器(CMUT)已被研究以替代壓電元件。
[0004]電容型微加工超聲換能器具有用于通過使膜片(membrane)(振動(dòng)膜片)振動(dòng)來(lái)傳送聲波的致動(dòng)器功能和以膜片的位移變化的形式接收由被檢體反射的聲波的傳感器功能。
[0005]通過利用這種電容型微加工超聲換能器的振動(dòng)膜片的振動(dòng)，可傳送和接收聲波。特別地，在液體中，可容易地獲得優(yōu)異的寬帶特性。這里使用的術(shù)語(yǔ)“聲波”指的是音波、超聲波或光聲波。
[0006]聲波診斷設(shè)備從電容型微加工超聲換能器向被檢體傳送聲波并且通過使用電容型微加工超聲換能器接收來(lái)自被檢體的反射信號(hào)。然后，聲波診斷設(shè)備基于接收信號(hào)獲得聲波圖像。
[0007]日本專利公開N0.2008-288813(以下，稱為“專利文獻(xiàn)I”)描述了適于聲波診斷設(shè)備的電容型微加工超聲換能器的兩個(gè)電極之間的電介質(zhì)強(qiáng)度的改進(jìn)。
[0008]在專利文獻(xiàn)I中描述的發(fā)明基于硅氮化物膜的介電常數(shù)比硅氧化物膜的介電常數(shù)高的發(fā)現(xiàn)以及硅氮化物膜容易地蓄積由泄漏電流導(dǎo)致的電荷。更具體而言，專利文獻(xiàn)I描述了這樣一種技術(shù)，即，通過設(shè)置由硅氧化物膜形成的絕緣膜的一部分使得該部分與構(gòu)成CMUT的兩個(gè)電極中的每一個(gè)接觸并且設(shè)置由硅氮化物膜形成的部分使得該部分不與這些電極接觸，來(lái)增大設(shè)置在這兩個(gè)電極之間的絕緣膜的電介質(zhì)強(qiáng)度電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]例如，為了獲得高傳送聲壓水平，需要向構(gòu)成CMUT的兩個(gè)電極之間施加高電壓，使得振動(dòng)膜片的位移增大。但是，在專利文獻(xiàn)I中描述的發(fā)明僅旨在增大絕緣膜的電介質(zhì)強(qiáng)度電壓。即，在專利文獻(xiàn)I中描述的發(fā)明不旨在同時(shí)增加聲壓水平和增加電介質(zhì)強(qiáng)度電壓。因此，根據(jù)在專利文獻(xiàn)I中描述的發(fā)明，如果振動(dòng)膜片上的絕緣膜的厚度增加，那么不總是提供具有優(yōu)異的高聲壓水平和優(yōu)異的靈敏度特性的電容型微加工超聲換能器。
[0010]本發(fā)明提供除了具有優(yōu)異的高聲壓水平和優(yōu)異的靈敏度特性以外還具有優(yōu)異的電介質(zhì)強(qiáng)度電壓的電容型微加工超聲換能器。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，電容型微加工超聲換能器包括:被設(shè)置為其間有間隙的第一絕緣膜和第二絕緣膜;分別設(shè)置在第一和第二絕緣膜的外表面上的、其間具有所述間隙的第一電極和第二電極;至少一個(gè)單元，具有第一電極和第二電極之間的靜電電容，該靜電電容隨由第二絕緣膜與第二電極的位移導(dǎo)致的所述間隙的厚度的變化而變化；以及被配置為向第一電極和第二電極之間施加電壓的電壓施加裝置。施加到第一絕緣膜的電場(chǎng)強(qiáng)度與施加到第二絕緣膜的電場(chǎng)強(qiáng)度相比更接近導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0012]參照附圖閱讀示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清晰。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器的頂視圖。
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明的沿圖1的線I1-1I切取的電容型微加工超聲換能器的截面圖。
[0015]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器的絕緣膜的電流-電壓特性的例子。
[0016]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器的第一絕緣膜的電流-電壓特性的例子的示圖。
[0017]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器的第二絕緣膜的電流-電壓特性的例子的示圖。
[0018]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用了電容型微加工超聲換能器的被檢體信息獲取設(shè)備。
[0019]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電容型微加工超聲換能器的傳送和接收電路的例子。
[0020]圖8是根據(jù)本發(fā)明的包含電容型微加工超聲換能器的超聲探測(cè)器的透視圖。
[0021]圖9A?9E示出根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器的制造方法。
[0022]圖1OA和圖1OB示出根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器的制造方法。
[0023]圖11示出根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器的間隙G與第二絕緣膜的厚度之間的關(guān)系的例子。
[0024]圖12是根據(jù)第一示例性實(shí)施例的電容型微加工超聲換能器的頂視圖。
[0025]圖13是示出根據(jù)第一示例性實(shí)施例的電容型微加工超聲換能器的圖12的放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下，參照?qǐng)D1和圖2描述根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器。圖1是根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器的示意性頂視圖。圖2是沿圖1的線I1-1I切取的截面圖。
[0027]在圖1中，示出電容型微加工超聲換能器1、單元2、由多個(gè)單元2形成的元件3、以及用于檢測(cè)由兩個(gè)電極之間的電容的變化產(chǎn)生的電流的電極焊盤42。
[0028]如圖2(圖1的截面圖)所示，本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器I包括被設(shè)置為其間有間隙(空腔)8的第一絕緣膜7和第二絕緣膜9、以及分別設(shè)置在第一絕緣膜7和第二絕緣膜9的外表面上的、其間具有間隙8的第一電極6和第二電極10。
[0029]電容型微加工超聲換能器I還包含多個(gè)單元2(參照?qǐng)D1)和電壓施加裝置14。在單元2中的每一個(gè)中，如果第二絕緣膜9和第二電極10位移，那么間隙8的厚度改變，因此，第一電極6與第二電極10之間的電容改變。電壓施加裝置14向第一電極6與第二電極10之間施加電壓。注意，圖2是圖1所示的多個(gè)單元2中的一個(gè)的截面圖。
[0030]本發(fā)明的配置的特征在于，施加到第一絕緣膜7的電場(chǎng)強(qiáng)度與施加于第二絕緣膜9的電場(chǎng)強(qiáng)度相比更接近導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的電容型微加工超聲換能器具有上述的基本配置。
[0032]在下面詳細(xì)描述特征性配置之前，先描述圖2所示的部件(包含光學(xué)部件)。
[0033]如圖2所示，第三絕緣膜5被設(shè)置在由例如硅形成的基板4上。在第三絕緣膜5上形成第一電極6。注意，如果基板4由諸如玻璃基板的絕緣基板形成，那么可以不需要第三絕緣膜5。
[0034]第二電極10被設(shè)置在第二絕緣膜9上。在第二電極10上形成密封膜11作為絕緣膜。以這種方式，形成振動(dòng)膜片12。在本例子中，在第二電極10上形成另一絕緣膜，并且，該絕緣膜也是可位移的。
[0035]振動(dòng)膜片12由振動(dòng)膜片支撐部件13支撐。振動(dòng)膜片支撐部件13具有用于引出導(dǎo)線的包含第二電極10的部分和不包含第二電極10的部分。
[0036]第一電壓施加裝置14向單元2的第一電極6和第二電極10之間施加電壓。第二電壓施加裝置15向第二電極10施加傳送電壓。
[0037]第一電壓施加裝置14可向第一電極6施加偏置電壓。如果向第一電極6施加偏置電壓，那么在第一電極6與第二電極10之間出現(xiàn)電勢(shì)差。由于該電勢(shì)差，振動(dòng)膜片12位移，直到振動(dòng)膜片的恢復(fù)力與靜電吸引力平衡。
[0038]此時(shí)，如果聲波到達(dá)振動(dòng)膜片12，那么振動(dòng)膜片12振動(dòng)。因此，第一電極6與第二電極1之間的靜電電容改變，并且，電流在第二電極1中流動(dòng)。
[0039]通過從電極焊盤42取出電流，聲波可以被以電信號(hào)的形式檢測(cè)到，所述電極焊盤42從第二電極10引出。
[0040]當(dāng)通過第一電壓施加裝置14向第一電極6施加偏置電壓時(shí)，并且，如果通過第二電壓施加裝置15向第二電極10施加傳送電壓，那么可以傳送聲波?？梢允褂镁哂性试S傳送希望的聲波的波形的任何傳送電壓。例如，可以使用單極脈沖、雙極脈沖、突發(fā)(burst)波或連續(xù)波。
[0041 ]如上所述，圖2是圖1所示的單元2中的一個(gè)的截面圖。在圖1中，構(gòu)成單元2的間隙8(即，振動(dòng)膜片12的振動(dòng)的部分)的頂表面的形狀是圓形的。但是，間隙8的頂表面的形狀可以是諸如方形或矩形的各種形狀中的一種。
[0042]如圖1所示，形成例如三個(gè)元件，并且，通過具有形成單元2中的每一個(gè)的第一電極6的共用層的多個(gè)單元2，形成這些元件中的每一個(gè)。即，多個(gè)單元形成一個(gè)元件。
[0043I 在圖1中，44個(gè)單元2形成這些元件中的每一個(gè)。但是，形成元件的單元2的數(shù)量不限于此。通過考慮希望的超聲換能器的性能，確定單元2的數(shù)量。這同樣適用于元件的數(shù)量。
[0044]如圖1所示，除了格子布置以外，單元2的布置還可以是諸如交錯(cuò)布置的多種布置之一。而且，除了圖1所示的矩形形狀以外，元件3的大致輪廓的形狀還可以是諸如方形或六角形的多種形狀之一。以下描述作為本發(fā)明的特征的配置。即，該配置允許施加到第一絕緣膜的電場(chǎng)強(qiáng)度與施加到第二絕緣膜的電場(chǎng)強(qiáng)度相比更接近導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0045]在圖2中，如果施加到第一電極6的電壓增加，那么靜電吸引力變得比振動(dòng)膜片12的恢復(fù)力高。因此，振動(dòng)膜片12與作為間隙8的底表面的第一絕緣膜7接觸。該電壓被稱為“吸合電壓”(pull-1n voltage)。當(dāng)偏置電壓與吸合電壓的比增大時(shí)，用于將接收的聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或者將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波的轉(zhuǎn)換效率增大。
[0046]如果向電極之間施加高于或等于吸合電壓的電壓，那么振動(dòng)膜片12與間隙8的底表面接觸。因此，元件的頻率特性明顯改變，由此，可檢測(cè)的聲波接收靈敏度明顯改變。另夕卜，可傳送的聲波的強(qiáng)度和頻率特性明顯改變。
[0047]如果向第一電極6和第二電極10之