[发明专利]带弯曲聚焦的电容式微机电超声传感器的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子元器件领域，尤其是超声传感器。

背景技术

电容式微机电超声传感器是一种有着广泛用途的静电传感器。超声传感器可以在液体，固体和气体等多种介质里工作。超声传感器已经应用在医药诊断和治疗，无损伤材料测试，声纳，通讯，接近传感器，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)技术做成的传感器比较，电容式微机电超声传感器在制作工艺，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传感器阵列，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传感器阵列尤其困难。电容式微机电超声传感器是用半导体工艺制成，所以很多传感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机电超声传感器的需求。电容式微机电超声传感器阵列可以做到精度高，低成本。电容式微机电超声传感器在所设计的工作频率范围里，其阻抗比压电陶瓷传感器的阻抗低很多。所以电容式微机电超声传感器在医药成像应用中不需要匹配层和较宽的带宽。电容式微机电超声传感器是由半导体材料制成，所以它比压电陶瓷传感器耐高温。

电容式微机电超声传感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（RX）超声波。直流偏置电压可以加在传感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(TX)时，一个交流电压加在传感器上。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传感器薄膜震动从而改变传感器的电容。电容变化能用相应的接收电路探测到。

两种有代表性的电容式微机电超声传感器分别是可变形薄膜电容式微机电超声传感器(flexible membrane CMUT) 和最近发明的弹簧坎入式电容式微机电超声传感器(embedded-spring CMUT, ESCMUT)。图1是一个传统的可变形薄膜电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元100的放大图。传感器100 有一个固定的包括一个下电极160的衬[基]底120，一个通过薄膜支撑130和衬底120相连的可变形薄膜110，一个可移动的上电极 150附着在薄膜110上或中。薄膜110本身也可以作为上电极。薄膜支撑130在可变形薄膜110和下电极160之间形成一个传感器空间 170（传感器空间可以被封闭起来）。一个介电绝缘层140可以选择性的放在两电极之间。

图2一个弹簧坎入式电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元200的放大图。此弹簧坎入式电容式微机电超声传感器两个PCT国际专利申请（No. PCT/IB2006/051568 and No. PCT/IB2006/05159, 申请时间是2006年5月18号；两个专利的标题都是 MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS）里有着详细的描述。此传感器200包括一个衬[基]底230，一个弹簧固定物231，一个弹簧层220被弹簧固定物231支撑在衬[基]底230上。一个表面薄板210通过一个弹簧薄板连接物240和弹簧层220相连。一个上电极250依附在表面薄板210上。表面薄板210本身也可以是上电极的一部分。在上电极和下电极260之间是传感空间270。 传感器可以由一个或多个基元200组成。传感器200可以有一个或多个被弹簧层支撑的薄板。一个介电绝缘层280可以选择性的放在两电极之间。

上述两种电容式微机电超声传感器或PZT压电陶瓷传感器,在很多应用中，需要加一个声学透镜在其表面上用以控制波束。大部分情况下，橡胶材料（例如RTV）用来作为传感器的声学透镜。此材料和水或人体组织有很相近的声学阻抗，但声波在其中的传播有很大的衰减，从而降低了传感器的性能。另一个很常见的办法是把传感器的发射表面做成弯曲的形状来聚焦。由于PZT材料易碎以及其传感器性能和传感器的几何形状有关，在这些传感器的应用中，很难做到所需要的弯曲形状。