[发明专利]电容型电气机械变换器

说明书

本申请是申请号为201080026305.X，申请日为2010年6月15日，题为“电容型电气机械变换器”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及诸如电容型微机械加工超声换能器的电容型电气机械变换器。

背景技术

作为执行超声波的传送和接收中的至少任一种的电气机械变换器，提出电容型微机械加工超声换能器(CMUT)(例如，参照PCT日文翻译专利公开No.2003-527947)。通过使用被应用半导体工艺的微机电系统(MEMS)工艺来制造CMUT。

图7是典型的CMUT的示意性截面图。参照图7，一个第一电极102和一个第二电极105的集合被称为一个单元。第一电极102与第二电极105相对，并且振动膜101和间隙104被夹在它们之间。振动膜101被在基板106上形成的支撑体103支撑。在CMUT中，所有第一电极102相互电连接。一定水平的直流(DC)电压被均匀施加到第一电极102，使得在第一电极102和第二电极105之间产生希望的电势差。对于每个元件(多个单元的群集)，第二电极105电气分离。交流(AC)驱动电压被施加到第二电极105，以在第一和第二电极之间产生AC静电吸引，这使振动膜101以一定的频率振动，以传送超声波。另外，振动膜101响应于接收到的超声波而振动，以在第二电极105上产生由静电感应导致的微小电流。可以测量该电流的值以对于每个元件获取接收信号。

超声波的传送和接收的特性由向第一电极102施加DC电压时的振动膜101的挠曲量确定。各单元的间隙104中的压力一般低于大气压力，并且振动膜101由于大气压力和间隙104中的压力之间的差而向基板106挠曲(deflection)。振动膜101的挠曲量由基于包括振动膜101的尺寸、形状、厚度和材料的参数的机械特性确定。当CMUT工作时，为了增加超声波的传送和接收的效率，在两个电极之间施加一定的电势差，以在电极之间导致静电吸引。振动膜101由于该静电吸引而进一步向基板106挠曲。在超声波的传送中，由于静电吸引与距离的平方成正比，因此，随着电极之间的距离减小，传送和接收的效率增加。作为对比，在超声波的接收中，由于检测到的微小电流的大小与电极之间的距离成反比并且与电极之间的电势差成比例，因此，传送和接收的效率也随着电极之间的距离的减小而增加。

引文列表

专利文献

PTL 1：PCT日文翻译专利公开No.2003-527947

发明内容

但是，增加两个电极之间的电势差导致由电极之间的静电力和压力差导致的力超过振动膜的机械特性的复原力。作为结果，振动膜与基板上的电极接触以进入塌陷状态，因此CMUT的特性大大改变。因此，当CMUT正常工作(不在塌陷状态中被驱动)时，电极之间的电势差被设定为使得实现高的传送和接收效率并且振动膜具有不导致塌陷状态的挠曲量。

在现有技术中，在CMUT中所有的第一电极相互电连接。因此，在CMUT的工作期间向第一电极施加均匀的电压。由于振动膜的上述的参数由于CMUT的制造中的各种因素改变，因此即使电极之间没有电势差，也导致振动膜的挠曲量的变化。另外，CMUT的工作期间的振动膜的挠曲量也改变。

作为结果，传送和接收的效率偏离期望值和/或有时在一些单元中导致塌陷状态，从而大大改变每个元件的传送和接收特性。为了解决以上的问题，本发明提供了能够对于每个元件任意地改变振动膜的挠曲量的电容型电气机械变换器。

根据本发明的实施例，电气机械变换器包括多个包含至少一个包含第一电极和与第一电极相对且在其间具有间隙的第二电极的单元的元件，和被配置为对于各元件被设置并且向在各元件中的第一电极单独地施加直流电压的直流电压施加单元。第一电极和第二电极对于每个元件电气分离。

根据本发明，能够对于每个元件任意地改变电气机械变换器中的振动膜的挠曲量。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的电气机械变换器的示意性截面图。

图2示出根据本发明的第一实施例的电气机械变换器的配置的例子。

图3是根据本发明的第二实施例的电气机械变换器的截面图。

图4示出根据本发明的第三实施例的电气机械变换器的配置的例子。

图5示出根据本发明的第四实施例的电气机械变换器的配置的例子。

图6A示出根据本发明的第五实施例的电气机械变换器的配置的例子。

图6B示出根据本发明的第五实施例的电气机械变换器的配置的另一例子。