[發(fā)明專利]微加工超聲換能器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910052196.8
• 申請日: 2009-05-27
• 公開（公告）號: CN101898743A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 漆斌;莊雪鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 漆斌;莊雪鋒
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C3/00;B81C1/00;B81B7/04
• 代理公司: 上海東亞專利商標(biāo)代理有限公司 31208
• 代理人: 董梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于微加工超聲換能器(Micromachined?UltrasonicTransducer，MUT)，具體涉及彈簧嵌入式微加工超聲換能器(ESMUT)，特別是關(guān)于彈簧嵌入式電容式微加工超聲換能器(Capacitive?MicromachinedUltrasonic?Transducer?Having?Embedded?Springs，ESCMUT)。

技術(shù)背景

電容式微加工超聲換能器(Capacitive?Micromachined?UltrasonicTransducer，CMUT)是一種有著廣泛用途的靜電換能器。超聲換能器可以在象液體，固體和氣體等多種介質(zhì)里工作。超聲換能器已經(jīng)應(yīng)用在醫(yī)藥診斷和治療，無損傷材料測試，聲納，通訊，接近換能器，流量測量，實(shí)時(shí)工藝控制，超聲顯微鏡等領(lǐng)域里。

跟廣泛應(yīng)用的用壓電陶瓷(PZT)技術(shù)做成的換能器，電容式微加工超聲換能器在制作工藝，頻譜帶寬以及工作溫度等方面都有很大的優(yōu)勢。例如，用傳統(tǒng)的制作工藝做換能器陣列，需要分別切割每個(gè)陣元。所以耗時(shí)耗力，成本高。而且，切割方法精度有限，所以做高頻，二維和一些特殊幾何形狀的換能器陣列尤其困難。電容式微加工超聲換能器是用半導(dǎo)體工藝制成，所以很多換能器可以在一起成批制造。半導(dǎo)體制作工藝的精度足夠滿足電容式微加工超聲換能器的需求。電容式微加工超聲換能器陣列可以做到精度高，低成本。電容式微加工超聲換能器在所設(shè)計(jì)的工作頻率范圍里，其阻抗比壓電陶瓷換能器的阻抗低很多。所以電容式微加工超聲換能器在醫(yī)藥成像應(yīng)用中不需要匹配層和較寬的帶寬。電容式微加工超聲換能器是由半導(dǎo)體材料制成，所以它比壓電陶瓷換能器耐高溫。

微加工超聲換能器可以分類成很多種，其中，電容式微加工超聲換能器是最常見的。電容式微加工超聲換能器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)固定下電極和活動(dòng)上電極的平行板電容。活動(dòng)上電極依附在一個(gè)可變形的薄膜上用來傳送超聲波到臨近的介質(zhì)和從臨近的介質(zhì)中接收(Reception，RX)超聲波。直流偏置電壓可以加在換能器兩電極之間用來設(shè)置薄膜到一個(gè)優(yōu)化位置以得到最佳的靈敏度和帶寬。發(fā)射(Transmission，TX)時(shí)，一個(gè)交流電壓加在換能器上。相應(yīng)的靜電力移動(dòng)薄膜以傳送超聲能量到臨近的介質(zhì)。接收時(shí)，介質(zhì)中的超聲波引起換能器薄膜震動(dòng)從而改變換能器的電容。電容變化能用相應(yīng)的接收電路探測到。

圖一是一個(gè)現(xiàn)有的傳統(tǒng)的可變形薄膜電容式微加工超聲換能器10的截面示意圖。換能器10有一個(gè)固定的包括一個(gè)下電極12的基片11，一個(gè)通過薄膜支撐(Anchor)18和基片11相連的可變形薄膜16，一個(gè)附著在可變形薄膜16上的可移動(dòng)的上電極14。薄膜支撐18在可變形薄膜16和下電極12之間形成一個(gè)換能器空間19(換能器空間可以被封閉起來)。

現(xiàn)有的可變形薄膜電容式微加工超聲換能器有很多缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)是因?yàn)槊總€(gè)現(xiàn)有的換能器都是由很多單元組成，而每個(gè)單元有一個(gè)邊上被固定的薄膜。下面是列出一些現(xiàn)有換能器的缺點(diǎn)：

1)因?yàn)楸∧ぴ谶吷媳还潭?，薄膜的平均位?average?displacement)較小。因此換能器的發(fā)射和接收性能較差。

2)薄膜支撐結(jié)構(gòu)占據(jù)了換能器表面的有用面積，而這些面積對換能器性能沒有貢獻(xiàn)，從而降低了換能器的效率。

3)有寄身電容存在于薄膜支撐結(jié)構(gòu)中，從而降低了換能器的靈敏度。

4)有周期性的薄膜支撐結(jié)構(gòu)也可以干擾換能器的正常工作，從而影響換能器的帶寬。

5)由于制作工藝的誤差，換能器里每個(gè)單元的機(jī)械性質(zhì)有一定的差別。可以導(dǎo)致在換能器的運(yùn)作中，每個(gè)單元在換能器里的相位有所不同?？梢詫?dǎo)致?lián)Q能器的平均位移的下降。這個(gè)問題在換能器工作在品質(zhì)因子(Q-factor)較高的情形下較嚴(yán)重。例如換能器工作在空氣和真空里。超聲能量也可以通過薄膜支撐結(jié)構(gòu)耦合到基底中常產(chǎn)生一些不好的現(xiàn)象，比如陣元之間的交叉耦合和發(fā)射脈沖中的不必要的振蕩。另外，在圖一中的可變形薄膜電容式微加工超聲換能器的彈簧模量和質(zhì)量是高度相關(guān)的，所以很難單獨(dú)改變其中一個(gè)參數(shù)。這影響了換能器設(shè)計(jì)的靈活性。

因?yàn)橐陨显颍孕枰业揭粋€(gè)結(jié)構(gòu)更好的微加工超聲換能器來提高其性能和解決可變形薄膜電容式微加工超聲換能器中以上提到的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)更好的微加工超聲換能器。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述微加工超聲換能器的制作方法。