[发明专利]微加工超声换能器

说明书

技术领域

本发明是关于微加工超声换能器(Micromachined UltrasonicTransducer，MUT)，具体涉及弹簧嵌入式微加工超声换能器(ESMUT)，特别是关于弹簧嵌入式电容式微加工超声换能器(Capacitive MicromachinedUltrasonic Transducer Having Embedded Springs，ESCMUT)。

技术背景

电容式微加工超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer，CMUT)是一种有着广泛用途的静电换能器。超声换能器可以在象液体，固体和气体等多种介质里工作。超声换能器已经应用在医药诊断和治疗，无损伤材料测试，声纳，通讯，接近换能器，流量测量，实时工艺控制，超声显微镜等领域里。

跟广泛应用的用压电陶瓷(PZT)技术做成的换能器，电容式微加工超声换能器在制作工艺，频谱带宽以及工作温度等方面都有很大的优势。例如，用传统的制作工艺做换能器阵列，需要分别切割每个阵元。所以耗时耗力，成本高。而且，切割方法精度有限，所以做高频，二维和一些特殊几何形状的换能器阵列尤其困难。电容式微加工超声换能器是用半导体工艺制成，所以很多换能器可以在一起成批制造。半导体制作工艺的精度足够满足电容式微加工超声换能器的需求。电容式微加工超声换能器阵列可以做到精度高，低成本。电容式微加工超声换能器在所设计的工作频率范围里，其阻抗比压电陶瓷换能器的阻抗低很多。所以电容式微加工超声换能器在医药成像应用中不需要匹配层和较宽的带宽。电容式微加工超声换能器是由半导体材料制成，所以它比压电陶瓷换能器耐高温。

微加工超声换能器可以分类成很多种，其中，电容式微加工超声换能器是最常见的。电容式微加工超声换能器的基本结构是一个固定下电极和活动上电极的平行板电容。活动上电极依附在一个可变形的薄膜上用来传送超声波到临近的介质和从临近的介质中接收(Reception，RX)超声波。直流偏置电压可以加在换能器两电极之间用来设置薄膜到一个优化位置以得到最佳的灵敏度和带宽。发射(Transmission，TX)时，一个交流电压加在换能器上。相应的静电力移动薄膜以传送超声能量到临近的介质。接收时，介质中的超声波引起换能器薄膜震动从而改变换能器的电容。电容变化能用相应的接收电路探测到。

图一是一个现有的传统的可变形薄膜电容式微加工超声换能器10的截面示意图。换能器10有一个固定的包括一个下电极12的基片11，一个通过薄膜支撑(Anchor)18和基片11相连的可变形薄膜16，一个附着在可变形薄膜16上的可移动的上电极14。薄膜支撑18在可变形薄膜16和下电极12之间形成一个换能器空间19(换能器空间可以被封闭起来)。

现有的可变形薄膜电容式微加工超声换能器有很多缺点。这些缺点是因为每个现有的换能器都是由很多单元组成，而每个单元有一个边上被固定的薄膜。下面是列出一些现有换能器的缺点：

1)因为薄膜在边上被固定，薄膜的平均位移(average displacement)较小。因此换能器的发射和接收性能较差。

2)薄膜支撑结构占据了换能器表面的有用面积，而这些面积对换能器性能没有贡献，从而降低了换能器的效率。

3)有寄身电容存在于薄膜支撑结构中，从而降低了换能器的灵敏度。

4)有周期性的薄膜支撑结构也可以干扰换能器的正常工作，从而影响换能器的带宽。

5)由于制作工艺的误差，换能器里每个单元的机械性质有一定的差别。可以导致在换能器的运作中，每个单元在换能器里的相位有所不同。可以导致换能器的平均位移的下降。这个问题在换能器工作在品质因子(Q-factor)较高的情形下较严重。例如换能器工作在空气和真空里。超声能量也可以通过薄膜支撑结构耦合到基底中常产生一些不好的现象，比如阵元之间的交叉耦合和发射脉冲中的不必要的振荡。另外，在图一中的可变形薄膜电容式微加工超声换能器的弹簧模量和质量是高度相关的，所以很难单独改变其中一个参数。这影响了换能器设计的灵活性。

因为以上原因，所以需要找到一个结构更好的微加工超声换能器来提高其性能和解决可变形薄膜电容式微加工超声换能器中以上提到的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构更好的微加工超声换能器。

本发明的再一目的在于提供上述微加工超声换能器的制作方法。