本公开总体上涉及超声换能器领域，并且更具体地，涉及电容式微机械超声换能器，也称为CMUT换能器。
背景技术
通常，CMUT换能器包括悬挂在空腔上方的柔性膜、位于空腔与膜相对的一侧上的被称为下电极的第一电极，以及位于空腔与第一电极相对的一侧上并牢固地附接到柔性膜上的被称为上电极的第二电极。当在换能器的下电极和上电极之间施加适当的激励电压时，柔性膜在下电极和上电极之间施加的静电力的作用下开始振动，并发射超声波。相反，当换能器接收到给定频率范围内的声波时，柔性膜开始振动，这导致在电极间电容变化(当在下电极和上电极之间施加DC偏压时)的作用下，换能器的下电极和上电极之间出现交流电压。
CMUT换能器通常耦合到电子控制电路，该电子控制电路被配置为在传输阶段期间，在换能器电极之间施加激励电压，以使换能器传输超声波，并且在接收阶段期间，在接收到的超声波的作用下，读取换能器的下电极和上电极之间产生的电压。
期望拥有克服已知CMUT换能器结构的全部或部分缺点的CMUT换能器结构。
技术实现要素：
为了实现这一点，实施例提供了一种CMUT换能器，包括：
-涂覆有介电层的基板；
-形成在介电层中的空腔；
-悬挂在空腔上方的导电或半导体膜；以及
-介电涂层，其被布置在空腔底部的基板的上表面上或空腔顶部的膜的下表面上，并且在俯视图中，介电涂层在空腔的大部分表面上延伸，
其中介电涂层被构造成与空腔相对。
根据实施例，介电涂层包括具有与空腔的外围部分相对的第一厚度的第一部分，以及具有与空腔的中心部分相对的大于第一厚度的第二厚度的第二部分。
根据实施例，介电涂层还包括在第一部分和第二部分之间的至少一个第三部分，该第三部分具有在该第一厚度和第二厚度之间的中间厚度。
根据实施例，介电涂层包括具有与空腔的外围部分相对的第一厚度的第一部分，以及具有与空腔的中心部分相对的小于第一厚度的第二厚度的第二部分。
根据实施例，介电涂层还包括在第一部分和第二部分之间的至少一个第三部分，该第三部分具有在该第一厚度和第二厚度之间的中间厚度。
根据实施例，介电涂层包括第一部分、第二部分和第三部分，该第一部分具有与空腔的外围部分相对的第一厚度，并且该第二部分具有与空腔的中心部分相对的大于第一厚度的第二厚度，以及该第三部分在该第一部分和第二部分之间具有大于第二厚度的第三厚度。
根据实施例，介电涂层相对于空腔的外围区域被中断。
根据实施例，基板由硅制成。
根据实施例，介电层由氧化硅制成。
根据实施例，膜由硅制成。
根据实施例，介电涂层由氧化硅制成。
实施例提供了一种制造CMUT换能器的方法，包括以下连续步骤：
a)在基板的上表面上形成介电层；
b)在介电层的上表面侧上形成空腔；并且
c)将膜转移到空腔上方的介电层的上表面上。
根据实施例，步骤b)包括在不同深度和使用不同蚀刻掩模的多个连续蚀刻步骤，以形成介电涂层的不同厚度水平。
附图说明
将在下面参考附图以说明而非限制的方式给出的具体实施例的描述中详细描述上述特征和优点以及其它特征和优点，其中：
图1是示意性地示出CMUT换能器的示例的横截面图；
图2A和图2B分别是示意性地示出CMUT换能器的实施例的简化横截面图和简化俯视图；
图3是示意性地示出CMUT换能器的另一实施例的横截面图；
图4A和图4B分别是示意性地示出CMUT换能器的另一实施例的横截面图和俯视图；以及
图5是示意性地示出CMUT换能器的另一实施例的横截面图。
具体实施方式
在各个附图中，已经由相似的附图标记标明相似的特征。特别地，在各种实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记并且可以设置相同的结构、尺寸和材料特性。
为了清楚起见，仅详细说明和描述了对理解本文描述的实施例有用的步骤和元件。特别地，尚未详细说明所述换能器的各种可能的应用，所述实施例与超声换能器的通常应用兼容，特别是在超声成像设备中。此外，尚未详细说明用于控制所述换能器的电路，所述实施例与所有或大多数已知的CMUT换能器控制电路兼容。
除非另有说明，否则当提及两个元件被连接在一起时，这表示直接连接，除了导体之外没有任何中间元件，并且当提及两个元件耦合在一起时，这表示这两个元件可以被连接或者它们可以经由一个或多个其它元件耦合。
在以下公开中，除非另有说明，否则当引用绝对位置限定词时，诸如术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“左”、“右”等，或相对位置限定词，诸如术语“上方”、“下方”、“更高”、“更低”等，或方向限定词，诸如“水平”、“垂直”等，参考图中所示的方向。
除非另有说明，否则表述“大约”、“大概”、“基本上”和“大致”表示在10％以内，并且优选地在5％以内。
图1是示意性地示出CMUT换能器100的示例的横截面图。
换能器100包括掺杂半导体层101，例如，其由硅制成，其限定换能器的下电极E1。
半导体层101在其上表面侧上涂覆有由介电材料例如氧化硅制成的刚性支撑层103。在所示示例中，层103通过其下表面与半导体层101的上表面接触。
换能器100还包括形成在层103中的空腔105。空腔105从层103的上表面朝向其下表面垂直延伸。在所示示例中，空腔105是非贯穿的，即它不会出现在层103的下表面侧上。换句话说，由层103的厚度的下部分形成的介电涂层104在空腔105底部的电极101的上表面上延伸。
换能器100还包括悬挂在空腔105上方的柔性膜107。在该示例中，膜107由半导体材料(例如硅)制成。膜107在空腔105上方延伸并且在空腔105的外围通过其下表面附接到介电层103的上表面。作为示例，膜107的下表面直接与空腔105的外围处的介电层103的上表面接触。
换能器100还包括在膜107上方的导电层109，例如金属层。例如，导电层109基本上在膜107的整个上表面上延伸。在所示示例中，导电层109通过其下表面与膜107的上表面接触。导电层109和半导体膜107限定了换能器的上电极E2。
换能器100可以被耦合到电子控制电路CTRL(未详细说明)，该电子控制电路CTRL被连接到换能器100的下电极E1和上电极E2，该电路被配置为在传输阶段期间，在电极E1和电极E2之间施加激励电压，并且在接收阶段期间，读取电极E1和E2之间的电压。作为示例，该控制电路可以被配置为在传输和/或接收阶段期间，在电极E1和E2之间施加DC偏置电压。在传输阶段期间，控制电路还在电极E1和E2之间施加叠加到DC偏置电压上的AC激励电压，以引起膜107的振动，从而导致超声波的传输。在接收阶段期间，在接收到的声波的作用下，电极E1和E2之间出现了叠加到DC偏置电压上的AC电压。由控制电路读取AC电压。
当施加在换能器的电极E1和E2之间的电压在绝对值上超过被称为“崩溃电压”的给定阈值时，柔性膜107能够通过其下表面在空腔105的中心区域(在俯视图中)与空腔105的底部接触。在膜的这个被称为塌陷的位置，位于空腔105底部的介电涂层104能够避免换能器的电极E1和E2之间的短路(经由半导体膜107)。
图1的结构具有需要完全或部分克服的某些限制。
根据下文与图2A、图2B、图3、图4A、图4B和图5相关的所述实施例的共同方面，提供了构造在空腔105的底部处的电极E1的上表面上延伸的介电涂层104，以克服图1结构的全部或部分限制。
与图1相关的所述类型的CMUT换能器的限制是其相对低的灵敏度。与图1相关的所述类型的CMUT换能器的灵敏度特别地与在换能器的电极E1和电极E2之间形成的所谓有源电容和所谓寄生电容的比率相关。在位于空腔105的中心部分对面的电极E1和电极E2的部分之间形成的电容，其中膜的垂直位移的幅度相对较大，被称为有源电容，因为它主动参与超声转导。在位于空腔105的外围部分对面，紧邻空腔的边缘的电极E1和电极E2的部分之间形成的电容，其中膜的垂直位移幅度为零或可忽略不计，被称为寄生电容，因为它不参与或仅轻微参与超声传导。
图2A和2B分别是示意性地示出根据实施例的CMUT换能器200的示例的横截面图和俯视图。
换能器200具有与图1的换能器100共同的元件。共同的元件将不再详述。在描述的其余部分中，将仅强调关于换能器100的差异。
换能器200与图1的换能器100的不同主要在于，在换能器200中，被布置在空腔105底部的基板101的上表面上的介电涂层104是结构化的，即它不会在空腔105的整个下表面上以均匀的厚度延伸。
更具体地，在该示例中，涂层104包括具有厚度tl的部分204a，在俯视图中，其与空腔105的外围部分相对地延伸，以及具有大于tl的厚度t2的部分204b，在俯视图中，其与空腔105的中心部分相对地延伸。作为示例，在俯视图中，部分204a具有通过其外边缘与空腔105的边缘接触(例如，整个沿着空腔105的外围)的环的形状。部分204b例如具有与空腔105的整个剩余表面相对延伸的实心板的形状。作为非限制性示例，空腔105在俯视图中具有矩形形状，例如正方形，并且介电涂层104的部分204a具有基本上均匀宽度的矩形环的形状，该部分204a通过其外边缘与空腔105的边缘整个沿空腔105的外围接触。在所示示例中，介电涂层104的厚度t1沿涂层104的整个外围部分204a基本恒定，并且涂层104的厚度t2在涂层104的整个中心部分204b上基本恒定。
基板101优选地是重掺杂的，例如，其掺杂水平在从1013到1018atoms/cm3的范围内。例如，层103具有在从10nm到5μm的范围内的厚度，例如大约为0.5μm范围内的厚度。空腔105的横向尺寸例如在从5μm到500μm的范围内。例如，介电涂层104在其外围部分204a中的厚度t1比涂层104在其中心部分204b中的厚度t2小至少10nm。作为示例，介电涂层104在其外围部分204a中的厚度t1比涂层104在其中心部分204b中的厚度t2小至少两倍。作为示例，厚度t1在从10nm到300nm的范围内，并且厚度t2在从100nm到500nm的范围内。例如，半导体膜107的厚度在从10nm到10μm的范围内。半导体膜107可以是掺杂的或未掺杂的。例如，半导体膜107具有比基板101轻的掺杂水平，例如，从0至1018atoms/cm3范围内的掺杂水平。尽管这在图2A和图2B中未示出，但与图1的示例中所描述的类似，金属层可以被布置在膜107的上表面上并与膜107的上表面接触，以增加换能器的上电极E2的电导率。
为了更清楚，换能器200的上电极E2未在图2B的俯视图中示出。
在换能器200中，电极E1的上表面和与空腔105相对的电极E2的下表面之间的距离对应于空腔105的深度(在图2A的方向上的垂直尺寸)和介电涂层104的厚度(在图2A的方向上的垂直尺寸)之和。
形成涂层104的绝缘材料的介电常数大于真空或空气填充空腔105的介电常数，相对于图1的换能器100，在空腔105的底部的介电涂层104的结构导致位于涂层104的外围部分204a的对面的电极E1和电极E2部分之间形成的电容相对减少，该电容对应于换能器的寄生电容，和/或导致位于涂层104的中心部分204b对面的电极E1和E2的部分之间形成的电容相对增加，该电容对应于换能器的有源电容。
这导致换能器的有源电容与寄生电容的比率增加，并因此导致相对于图1的结构，换能器的灵敏度增加。
应当注意，在图2A和图2B的示例中，介电涂层104仅具有两个厚度水平t1和t2。作为一种变型实施例，可以提供大于2的多个厚度水平，然后随着到空腔105的中心部分的距离增加，介电涂层104的厚度逐渐或以阶梯方式减小。
图3是示意性地示出了与图2A和图2B相关的所述换能器200的替代实施例的横截面图。
图3的变型实施例与图2A和图2B的示例的不同之处在于，在该变型实施例中，介电涂层104的外围部分204a被完全去除，即其厚度t1为零。换言之，在该变型实施例中，基板101的上表面直接暴露在空腔105的外围部分的底部。这使得与空腔105的中心部分相比，能够更进一步减小在与空腔105的外围部分相对的电极E1和电极E2的部分之间形成的寄生电容，与在电极E1和电极E2的部分之间形成的有源电容相对。
图3的变型实施例还能够克服图1结构的另一个限制，即与将寄生电荷注入在空腔105底部的介电涂层104中的现象相关的寿命限制。
在使用图1的换能器一段时间后，可以观察到电荷被捕获在空腔105底部的介电涂层104中。这种电荷可以引起驱动换能器所需的偏置电压的改变。在某些条件下，该电荷可以导致在空腔105底部的介电层104击穿。
将寄生电荷注入图1的换能器的介电涂层104的第一原因是，在膜107的塌陷位置，在空腔105底部与膜107接触的介电涂层104的部分中产生强电场。这可能导致电荷从膜107或从基板101转移到介电涂层104。
这种电荷注入的第一原因也存在于图3的换能器200中。
将寄生电荷注入图1的换能器的介电涂层104的第二原因与电极E1和电极E2分别与支撑半导体膜107的介电壁的上表面和下表面直接接触的事实相关，该介电壁由横向围绕空腔105的介电层103的部分形成。因此，寄生电荷被注入到空腔105外围处的介电层103中。这种寄生电荷通常对换能器工作没有影响。然而，在实践中，可以观察到，随着时间的推移，这些电荷的一部分通过扩散迁移到在空腔105底部的介电涂层104中。这会导致换能器寿命缩短，并且即使确定永远不会将膜107置于塌陷位置。
由于膜107的支撑件的外围介电壁和介电涂层104之间的物理不连续性，在图3的结构中，电荷注入的这个第二原因被抑制。与图1的结构相比，这能够延长换能器的使用寿命。
应当注意，图3的变型实施例与图2A和图2B的变型实施例可以被组合。因此，可以在空腔105的边缘附近设置介电涂层104的中断，如关于图3所描述的，随后随着到空腔边缘的距离增加，介电涂层104的厚度逐渐或阶梯式增加，如关于图2A和图2B所描述的。
图4A和图4B分别是示意性地示出根据实施例的CMUT换能器400的另一个示例的横截面图和俯视图。
换能器400具有与图1的换能器100和图2A与图2B的换能器200相同的元件。此类共同元件将不再详述。在描述的其余部分中，将仅强调关于换能器100和换能器200的差异。
图4A和图4B的换能器400与图1的换能器100的不同之处主要在于，在换能器400中，被布置在空腔105底部的基板101的上表面上的介电涂层104是结构化的，即，它不会在空腔105的整个下表面上以均匀的厚度延伸。
与图2A和图2B的换能器200不同，在换能器400中，涂层104包括具有厚度t3的部分404a，在俯视图中，其与空腔105的外围部分相对地延伸，以及具有小于t3的厚度t2的部分404b，在俯视图中，其与空腔105的中心部分相对地延伸。作为示例，在俯视图中，部分404a具有通过其外边缘与空腔105的边缘接触(例如，整个沿着空腔105的外围)的环的形状。例如，部分404b具有与空腔105的整个剩余表面相对延伸的完整板的形状。作为非限制性示例，空腔105在俯视图中具有矩形形状，例如正方形，并且介电涂层104的中心部分404b具有以空腔105的中心为中心的圆盘形状。
例如，介电涂层104在其外围部分404a中的厚度t3比涂层104在其中心部分404b中的厚度t2大至少10nm。作为示例，介电涂层104在其外围部分404a中的厚度t1比涂层104在其中心部分404b中的厚度t2大至少两倍。作为示例，厚度t3在从200nm到5μm的范围内，例如在从200nm到3000nm的范围内，并且厚度t2在从100nm到500nm的范围内。
在换能器400中，对于给定的偏置电压，由于介电涂层104的外围部分404a的较大厚度，施加在膜107的外围部分上的静电力大于将被施加在关于图1描述的类型的换能器中的这个相同外围部分上的静电力(考虑介电层104具有均匀厚度t2)。这里再次是由于形成涂层104的材料的介电常数大于真空或空气填充空腔105的介电常数的事实。因此，对于电极E1和电极E2之间的给定距离以及在电极E1和电极E2之间施加的给定电压，由电极E1施加在电极E2上的静电力随着介电涂层104的厚度的增加而增大。这使得能够增加与膜的外围部分相对的膜的垂直运动的幅度，其中由于膜的附接外围区域接近介电层103的上表面，位移受到机械限制，而不增加膜中心部分的位移幅度，这将有导致膜塌陷的风险。因此，介电层104的结构能够调整静电力的表面分布，以在膜塌陷之前使膜位移的平均幅度最大化。此外，介电层104的结构能够降低将膜置于塌陷位置所需的电压。这里这再次能够提高关于图1的换能器的灵敏度。
应当注意，在图4A和图4B的示例中，介电涂层104仅具有两个厚度水平t3和t2。作为一种变型实施例，可以提供大于2的多个水平，然后随着到空腔105的中心部分的距离减小，介电涂层104的厚度逐渐或以阶梯方式减小。
一方面即图2A、图2B和图3的实施例(在空腔105的边缘附近的介电涂层104的厚度相对减小)，和另一方面即图4A和图4B的实施例(在空腔105边缘附近的介电涂层104的厚度相对增加)形成替代的解决方案，以提高CMUT换能器的灵敏度。根据换能器的一般配置和/或通过常规测试或模拟来选择最适合的解决方案将在本领域技术人员的能力范围内。
作为一种变型实施例，这两种解决方案可以被组合以进一步提高换能器的灵敏度，如下文关于图5更详细地描述的。
图5是示意性地示出根据实施例的CMUT换能器500的示例的横截面图。
换能器500具有与图1的换能器100、图2A和图2B的换能器200以及图4A和图4B的换能器400共同的元件。此类共同元件将不再详述。在描述的其余部分中，将仅强调关于换能器100、换能器200和换能器400的差异。
在这里再次说明，图5的换能器500与图1的换能器100的不同之处主要在于，在换能器500中，被布置在空腔105底部的基板101的上表面上的介电涂层104是结构化的，即，它不会在空腔105的整个下表面上以均匀的厚度延伸。
在换能器500中，涂层104包括：具有厚度tl的部分504a，在俯视图中，其与空腔105的外围部分相对地延伸，具有大于tl的厚度t2的部分504c，在俯视图中，其与空腔105的中心部分相对地延伸，以及具有大于t2的厚度t3的部分504b，在俯视图中，其在外围部分504a和中心部分504c之间延伸。
作为示例，在俯视图中，部分504a具有通过其外边缘与空腔105的边缘接触(例如，整个沿着空腔105的外围)的环的形状。例如在俯视图中，中间部分504b具有通过其外边缘与环504a的内边缘接触(例如整个沿着环504a的内边缘的长度)的环的形状。例如，部分504c具有与空腔105的整个剩余表面相对地延伸的实心板的形状。
图5的结构能够组合上述优点，即减小在空腔105边缘附近的电极E1和电极E2之间形成的寄生电容，以及增加施加在与空腔105的外围部分相对的电极E1和电极E2之间的静电力。
类似于上文针对换能器200所描述的，介电涂层104的外围部分504a可以包括多个不同厚度的水平，其小于中心部分504c的厚度t2。然后，随着到中间部分504b的距离减小，部分504a的厚度逐渐增加或以阶梯方式增加。类似地，以与上文针对换能器400所描述的相同方式，介电涂层104的中间部分504b可以包括多个不同厚度的水平，其大于中心部分504c的厚度t2。然后，随着到中心部分504c的距离减小，部分504b的厚度逐渐减小或以阶梯方式减小。
此外，图5的实施例可以与图3的变型实施例组合。换句话说，如关于图3所描述的，可以在空腔105边缘附近设置介电涂层104的中断。
上文关于图2A、图2B、图3、图4A、图4B和图5所描述的类型的CMUT换能器的制造可以例如包括以下连续步骤：
a)在基板101的上表面形成介电层103；
b)在介电层103的上表面侧上形成空腔105；并且
c)将膜107转移到介电层103的上表面上和空腔105上方。
在步骤a)中，可以通过氧化基板101的上部分形成介电层103，例如，根据干热氧化方法，或者通过在基板101的上表面上沉积介电材料。
在步骤b)中，可以通过从介电层103的上表面局部蚀刻形成空腔105。为了在空腔105的底部获得不同厚度水平的介电涂层104，通过使用多个不同的蚀刻掩模可以在不同深度的多个连续蚀刻步骤中形成空腔105。作为示例，连续蚀刻步骤的数量和使用的不同掩模的数量对应于空腔105底部的介电涂层104的不同厚度水平的期望数量。
在步骤c)中，半导体膜107可以通过将其下表面与介电层103的上表面直接键合或分子键合来附接。作为示例，膜107可以对应于SOI(绝缘体上的半导体)类型的堆叠的上半导体层。
已经描述了各种实施例和变型实施例。本领域技术人员将理解，这些不同实施例和变型实施例的某些特征可以组合，并且本领域技术人员将想到其它变型实施例。特别地，所描述的实施例不限于本公开中提到的尺寸和材料的示例。
此外，尽管在附图中示出了单个CMUT换能器，但实际上，可以在同一基板上同时单片地形成多个相同或类似的换能器。
此外，在所示示例中，每个换能器包括在其下电极E1和上电极E2之间的单个空腔105。作为一种变型实施例，在每个换能器101中，空腔105可以被分成多个基本空腔，例如，在俯视图中，排列成行和列的阵列，通过由介电层103的非蚀刻部分形成的侧壁彼此横向分隔开。
此外，在上述实施例中，作为变型实施例，结构化介电涂层104可以被布置在空腔顶部的膜107的下表面上，而不是被布置在空腔底部的基板的上表面上。
此外，可以由位于空腔底侧的基板101的上表面上的导电层(未示出)形成底部电极E1，而不是由基板101本身形成。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。