(57)【要約】【課題】  多要素電極を有する容量性微小機械加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）と多要素電極を有するｃＭＵＴを組み込んだｃＭＵＴ撮像アレイとの製作に関する技術を提供する。【解決手段】  複数電極要素の容量性微小機械加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）素子及び製作方法。ｃＭＵＴ素子は、一般的に、薄膜内に配置された上部電極、基板上に配置された下部電極、及び薄膜と下部電極の間の空洞を含む。本発明の好ましい実施形態では、第１の電極及び第２の電極の少なくとも一方は、複数の電極要素を含む。電極要素は、薄膜を形作るように配置されて励起され、超音波のような超音波エネルギを効率的に送信及び受信することができる。他の実施形態も特許請求して説明する。【選択図】      図１
2007527285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極要素と第２の電極要素とを有する多要素第１電極、
を含み、
前記第１及び第２の電極要素は、超音波を送信するようになっている、
ことを特徴とするｃＭＵＴ。
【請求項２】
前記多要素第１電極は、ｃＭＵＴのホット電極であることを特徴とする請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項３】
前記第１及び第２の電極要素は、薄膜内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項４】
前記第１及び第２の電極要素は、基板に隣接していることを特徴とする請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項５】
前記第１の電極要素及び前記第２の電極要素は、電気的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項６】
薄膜と、前記第１の電極要素及び前記第２の電極要素の少なくとも一方を含む薄膜成形手段とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項７】
前記多要素第１電極は、第３の電極要素を更に含み、前記第１の電極要素は、ｃＭＵＴの第１の側面に隣接し、前記第２の電極要素は、ｃＭＵＴの他方の側面に隣接し、該第３の電極要素は、ｃＭＵＴの中央に隣接していることを特徴とする請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項８】
前記第１の電極要素及び前記第２の電極要素は、側面電極要素対であり、超音波信号の送信中に協働して薄膜を成形するように互いに電気的に結合されていることを特徴とする請求項７に記載のｃＭＵＴ。
【請求項９】
下部電極を更に含み、
前記薄膜及び前記下部電極は、電気的中性の状態では間隙距離によって分離されており、
前記側面電極要素対は、超音波の送信中に前記薄膜を前記間隙距離の１／３よりも大きく曲げるようになっている、
ことを特徴とする請求項８に記載のｃＭＵＴ。
【請求項１０】
前記側面電極要素対は、送信要素であり、前記第３の要素は、受信要素であり、該側面電極要素対の前記第１及び第２の電極要素の各々は、てこの作用の曲げを利用するようにｃＭＵＴのそれぞれの側面に位置していることを特徴とする請求項８に記載のｃＭＵＴ。
【請求項１１】
超音波を送受信する方法であって、
第１の電極要素と第２の電極要素とを組み込んだ多要素第１電極を有するｃＭＵＴを設ける段階と、
超音波を送信するために前記第１の電極要素及び前記第２の電極要素に第１の電圧を印加する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
超音波信号を受信するために前記第１の電極要素及び前記第２の電極要素にバイアス電圧を印加する段階を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記受信した超音波信号を光学的に感知する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記受信した超音波信号を電気的に感知する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
ｃＭＵＴを製作する方法であって、
上部導電体を設ける段階と、
前記上部導電体から間隙距離だけ分離された下部導電体を設ける段階と、
前記上部及び下部導電体の少なくとも一方を複数の電極要素に構成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記上部及び下部導電体を電圧供給装置に電気的に結合するように適応させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１の電圧を前記複数の電極要素の第１の電極要素に供給する段階と、
第２の電圧を前記複数の電極要素の第２の電極要素に供給する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の導電体に隣接して犠牲層を設ける段階と、
前記犠牲層に隣接して第１の薄膜層を設ける段階と、
前記第２の導電体に隣接して第２の薄膜層を設ける段階と、
前記犠牲層を除去する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の導電体は、前記第１の薄膜層と前記第２の薄膜層の間に配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の電極要素のうちの少なくとも２つの電極要素を電気的に結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照及び優先権の請求
本出願は、２００４年２月２７日出願の米国特許仮出願第６０／５４８，１９３号、及び２００４年９月１６日出願の米国特許仮出願第６０／６１１，０４９号の恩典を請求するものである。
本発明は、一般的にはチップの製作に関し、より詳細には、多要素電極を有する容量性微小機械加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）と、多要素電極を有するｃＭＵＴを組み込んだｃＭＵＴ撮像アレイとの製作に関する。
【背景技術】
【０００２】
容量性微小機械加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）素子は、一般的に、機械的及び電子的構成要素を非常に小さなパッケージに組み合わせる。機械的及び電子的構成要素は、互いに作動して機械的エネルギを電気的エネルギに又はその反対に変換する。ｃＭＵＴは、典型的に非常に小さく、機械的及び電気的部分の両方を有するので、それらは、一般的に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子と呼ばれる。
【０００３】
従来のｃＭＵＴは、一般的にグランド電極とホット電極を有する。ホット電極は、超音波撮像中に超音波音響波を送信及び受信するために使用することができる。超音波の送信及び受信に関連した異なる特性のために、従来のｃＭＵＴホット電極は、一般的に、最大送信パワーが妥協される一方で超音波を高感度で受信又は送信するように最適化される。この最適化は、非最適化アクションのために犠牲になった素子性能をもたらし、受信又は送信波に対してだけ最適化されたホット電極を有するｃＭＵＴによって送信又は収集されたデータの品質を最終的に犠牲にする。
【０００４】
この問題に対処する１つの手法は、並べて配置した２つのｃＭＵＴを使用することを含む。ｃＭＵＴの一方は、超音波を送信するために最適化することができ、同時に他方のｃＭＵＴは、超音波を受信するために最適化することができる。この手法は、超音波を送信又は受信するために最適化されたホット電極に関連する問題に対処する一方で、いくつかの欠点がある。例えば、この解決法に関連する主な欠点には、超音波を送信及び受信するために１つではなく２つのｃＭＵＴが使用された時に犠牲にされる空間の量が含まれる。ｃＭＵＴは、小規模な用途に対して望ましいことが多く、複数のｃＭＵＴの使用に付随して増加した空間は、ｃＭＵＴを使用する好ましさを大幅に損なうと考えられる。
【０００５】
従来のｃＭＵＴに関連する別の問題は、それらの最大送信圧力が圧電超音波変換器と比較して低いことである。信号透過を増加させて撮像されている媒体から反射する超音波の力を増大するには、より高い送信圧力が一般的に望ましい。薄膜が休止位置から崩壊近くまで移動される従来のｃＭＵＴ作動では、変位が初期間隙の１／３に制限されるために出力圧力が制限される。ｃＭＵＴに出力される出力送信圧力を医療撮像用途に望ましい例えば１ＭＰａ（メガパスカル）まで上げるために、ｃＭＵＴ薄膜に対する崩壊及び崩壊反発作動状態が提案されている。これらの提案された手法は、ｃＭＵＴ出力送信圧力を上げるものであるが、送信信号の形状を制限する非線形作動モードであり、作動中に誘電体層間の頻繁な接触のために激しい誘電性帯電を引き起こす可能性がある。
【０００６】
従来のｃＭＵＴに関連する別の問題は、ｃＭＵＴ薄膜の形状の制御が困難なことである。ｃＭＵＴ薄膜の幾何学形状が全体のｃＭＵＴ素子の性能に大きく影響を及ぼすので、超音波を送信及び受信する時にはｃＭＵＴ薄膜の形状を制御することが望ましい。
従来のｃＭＵＴに対する付加的な欠点は、単一の受信及び送信ｃＭＵＴ電極と調和して使用すべきである複雑なスイッチング回路と信号発生及び検出回路とを含む。一般的に、受信器の増幅器に大きな送信信号が入力されるのを防止するために保護回路を使用すべきであるから、単一の受信及び送信ｃＭＵＴ電極に対して複雑な回路が必要である。これらの保護回路は、ｃＭＵＴと平行して寄生容量を増加させ、受信信号を更に劣化させる。スイッチング過渡電流が受信増幅器を飽和させることがあり、変換器アレイに近い領域を撮像することができない画像内の死角をもたらす。
【０００７】
従って、ｃＭＵＴ素子の性能を上げて強化するために、少なくとも１つの多要素電極を用いたｃＭＵＴの製作を可能にするｃＭＵＴ製作方法に対する必要性が当業技術に存在する。
更に、ｃＭＵＴ素子の性能を上げて強化するために、制御可能な薄膜を有するｃＭＵＴを製作する必要性が当業技術に存在する。
更に、超音波を送信及び受信する機能を同時に最適化することができるように、複数のホット電極又は別々の送信及び受信電極を有するｃＭＵＴ素子に対する必要性が当業技術に存在する。
更に、単一の送信イベントから複数の出力信号を発生して出力信号の異なる周波数コンテンツを利用することができるｃＭＵＴに対する必要性が存在する。
本発明の実施形態が主として関連するのは、そのようなｃＭＵＴの製作とｃＭＵＴ撮像アレイの製作とを提供することである。
【０００８】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／５４８，１９３号
【特許文献２】米国特許仮出願第６０／６１１，０４９号
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、多要素ｃＭＵＴアレイ変換器の製作方法及びシステムを含む。本発明は、医療撮像用途で特に有用とすることができる超音波の送信及び受信を最適化するための多要素電極を有する撮像用途のためのｃＭＵＴを提供する。本発明のｃＭＵＴはまた、受信信号の周波数コンテンツを利用することによって単一の送信イベントから複数の受信信号を発生するように適応させることができる。ｃＭＵＴは、以下に限定されるものではないが、シリコン、水晶、又はサファイアのような誘電性又は透明基板上に製作することができ、素子の寄生容量を低減し、従って、電気的な性能を改善して光学的検出法を使用することを可能にするが、他の半透明又は不透明な材料を使用することもできる。更に、本発明によって構成されたｃＭＵＴは、血管内カテーテル及び超音波撮像のような液浸用途に使用することができる。
【００１０】
本発明により製作されたｃＭＵＴは、基板に最も近いｃＭＵＴを含むことができる。基板は、シリコン基板であるか、又は透明な材料で形成することができる。回路は、ｃＭＵＴへ及びそこから光学又は電気信号を受信して向けるために、基板に埋め込むか又は基板の最も近くに配置することができる。ｃＭＵＴはまた、ｃＭＵＴを形作り、超音波を送信及び受信するための最適薄膜形状を準備するのを助ける少なくとも１つの多要素電極を含むことができる。多要素電極はまた、超音波を受信及び送信することができる。超音波を送信及び受信する時にｃＭＵＴ薄膜の形状を適正に制御又は調節することにより、画像の解像度を高め、送信信号深度侵入を強化し、送信出力圧力を高め、周波数コンテンツが異なる複数の出力信号を発生することが可能である。
【００１１】
好ましい実施形態では、本発明は、超音波を送信するようになった第１の電極要素及び第２の電極要素を有する多要素第１電極を含むｃＭＵＴである。第１の電極要素と第２の電極要素は、一般的に物理的に分離されているが、電気的に結合することができる。多要素第１電極は、薄膜内に配置することができる。多要素第１電極は、基板の最も近くに配置することができる。
好ましいｃＭＵＴは、可撓性薄膜と、好ましくは第１の電極要素及び第２の電極要素の少なくとも一方である薄膜成形手段とを有する。ｃＭＵＴは、更に下部電極を含むことができ、薄膜と下部電極は、間隙距離によって電気的に中性の状態で分離され、側面電極要素の対は、超音波の送信中に間隙距離の１／３よりも大きく薄膜を撓ませるようになっている。
【００１２】
本発明の別の実施形態による超音波を送受信する方法は、好ましくは、第２の電極要素と、第２の電極要素から分離している第１の電極要素とを組み込んだ多要素第１電極を有するｃＭＵＴを設ける段階と、第１の電極要素と第２の電極要素に第１の電圧を印加して超音波を送信する段階とを含む。超音波を送受信する好ましい方法は、第１の電極要素と第２の電極要素にバイアス電圧を印加して超音波信号を受信する段階と、受信した超音波信号を光学的に感知する段階と、受信した超音波信号を電気的に感知する段階とを更に含むことができる。
【００１３】
本発明の別の実施形態によるｃＭＵＴを製作する方法は、上部導体を設ける段階と、間隙距離によって上部導体から分離された下部導体を設ける段階と、後の製作段階で電極要素の２つ又はそれよりも多くを電気的に結合することはできるが、上部及び下部導体の少なくとも一方を互いに物理的に分離された複数の電極要素内に構成する段階とを含む。上部及び下部導体は、同じ材料又は異なる材料で形成することができる。上部及び下部導体は、超音波信号の送信及び受信の両方を行うように適応させることができる。
ｃＭＵＴを製作する方法は、更に、第１の導体に隣接して犠牲層を設ける段階と、犠牲層に隣接して第１の薄膜層を設ける段階と、第２の導体に隣接して第２の薄膜層を設ける段階と、犠牲層を除去する段階とを含むことができる。
【００１４】
本発明の別の好ましい実施形態は、第１の電極要素と第１の電極要素の近くの第２の電極要素とを組み込んだ第１の電極を含むｃＭＵＴを含む。本発明による複数の要素を有する電極は、超音波信号を効率よく送信及び受信することができる。電極要素は、送信と、超音波音響波の送信及び受信に対してｃＭＵＴが最適化されるようにｃＭＵＴ薄膜を成形する助けとの両方に使用することができる。本発明の好ましい実施形態は、てこの作用の曲げを利用して、薄膜の変位を初期ｃＭＵＴ空洞の１／３からほぼ初期ｃＭＵＴ全体まで崩壊なしに増大することができる。
【００１５】
本発明の別の好ましい実施形態では、ｃＭＵＴを製作する方法は、第１の導電層を設ける段階と、第２の導電層を設ける段階と、第１及び第２の導電層の一方をパターン化して複数の電極要素にする段階とを含む。第１の導電層は、基板に隣接させることができ、かつ第２の導電層から隔離することができる。ｃＭＵＴの製作方法はまた、第１の導電層に隣接して犠牲層を設ける段階と、犠牲層に隣接して第１の薄膜層を設ける段階と、第２の導電層に隣接して第２の薄膜層を設ける段階と、犠牲層を除去して空洞を形成する段階とを含むことができる。第１の導電層及び第２の導電層の複数の要素は、この複数の要素を窒化珪素のような誘電体に包むことによって互いからに隔離することができる。複数の要素は、物理的に互いに別々であるが、後の製作で２つ又はそれよりも多くの要素を電気的に結合することができる。
【００１６】
本発明の更に別の好ましい実施形態では、ｃＭＵＴを使用して超音波を送受信する方法は、第１の電極要素に第１のバイアス電圧を印加して間隙距離を増大する段階と、第１の電極要素にＡＣ信号を印加して超音波を送信する段階とを含む。本方法は、第１の電極要素に第２のバイアス電圧を印加して間隙距離を低減する段階と、超音波信号を受信する段階とを更に含むことができる。
この構成は、以下に限定されるものではないが、送信モード中の最大圧力振幅を大幅に増大することができることを含むいくつかの利点を有する。送信電極を薄膜の縁部近くに配置することにより、てこの作用の曲げは、薄膜を崩壊させることなく最大変位を増大することができる。
更に別の好ましい実施形態では、本発明は、薄膜を形作るようになった第１の電極要素と第２の電極要素とを有する多要素第１電極を含むｃＭＵＴである。
本発明の様々な好ましい実施形態を特徴付けるこれらの及び他の特徴並びに利点は、以下の詳細説明を読んで関連する図面を精査することから明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
ｃＭＵＴは、特に微小規模及びアレイ用途に対する圧電超音波変換器の代替として開発されたものである。ｃＭＵＴは、典型的には表面を微小機械加工され、一次元又は二次元アレイに製作されて特定用途のためにカスタマイズすることができる。ｃＭＵＴは、帯域幅とダイナミック・レンジの点で圧電変換器に同等の性能を有することができる。
ｃＭＵＴは、一般的に、導電性基板の上方に吊り下げられた薄膜内に配置された上部電極、又は基板の近くか又はそれに連結された下部電極を組み込んでいる。任意的に、基板と下部電極の間に接着層又は他の層を配置することができる。薄膜は、弾性特性を有し、刺激に応答してそれを変動させることができる。例えば、刺激は、薄膜に圧力を作用する外力と、ｃＭＵＴ電極を通して印加される静電気力とを含むことができる。
【００１８】
ｃＭＵＴは、音響波を送信及び受信することができる。音響波を送信するために、ｃＭＵＴ薄膜内に配置されたｃＭＵＴ電極にＡＣ信号と大きなＤＣバイアス電圧を印加することができる。代替的に、電圧は、下部電極に印加することができる。ＤＣ電圧は、変換が効率的な場所に薄膜を引き下ろすことができ、ｃＭＵＴの応答を線形化することができる。ＡＣ電圧は、ガス又は流体のような周囲媒体内に音響波を発生させるために、望ましい周波数で薄膜を動かすことができる。音響波を受信するために、衝突する音響波がｃＭＵＴ薄膜を動かす時のｃＭＵＴ電極間のキャパシタンスの変化を測定することができる。
【００１９】
本発明は、少なくとも１つの多要素電極を含むｃＭＵＴを提供する。上部電極と下部電極は、両方とも複数要素を有するように製作することができる。好ましくは、上部電極又は下部電極の一方だけが複数要素を有する。一部の実施形態では、上部電極と下部電極の両方が複数要素を有することができる。多要素電極は、ｃＭＵＴの制御を助け、音響波の送信及び受信の両方を最大にすることができる。多要素電極を有するｃＭＵＴは、多要素電極に様々な信号が印加された時の最適な信号の送信及び受信のためにｃＭＵＴ薄膜を成形又は変更するのを助けることができる。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態に従ってｃＭＵＴを製作するための例示的な機器は、ＰＥＣＶＤシステムと、ドライエッチングシステムと、金属スパッタリングシステムと、ウェットベンチと、フォトリソグラフィ機器とを含むことができる。本発明に従って製作されたｃＭＵＴは、一般的に、積層工程で基板上に堆積させてパターン化した材料を含む。本発明は、金属犠牲層が使用された時の好ましくは最大処理温度である約２５０℃で様々な窒化珪素層を堆積するために低温ＰＥＣＶＤ工程を利用することができる。代替的に、他の好ましい実施形態による本発明は、約３００℃で犠牲層として堆積したアモルファスシリコン犠牲層を利用することができる。
【００２１】
ここで、同じ数字が同じ要素を表す図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は、本発明の好ましい実施形態による多要素上部電極を有するｃＭＵＴ１００の断面図である。ｃＭＵＴ１００は、基板１０５に隣接して様々な材料層を含む。基板１０５は、シリコンを含むことができ、本発明によって利用される光学検出法を可能にする材料、好ましくは透明な材料を含むこともできる。材料層は、接着層１１０と、下部電極１１５と、隔離層１２０と、薄膜１３０と、複数の電極要素１３５、１４０、及び１４５に構成された上部電極層とを含むことができる。下部電極１１５と上部電極要素１３５、１４０、及び１４５は、導電金属又はシリコン基板のドープ表面のような多くの導電材料とすることができる。以下により詳細に説明するように、複数の電極要素１３５、１４０、及び１４５を形成する上部電極層が一般的に堆積され、次に複数の電極要素１３５、１４０、及び１４５に構成される。
【００２２】
基板１０５は、シリコンで形成することができ、信号発生及び受信回路１５０を収容することができる。例えば、基板１０５は、基板１０５に組み込まれた集積回路１５０を含み、ｃＭＵＴ１００が超音波を送信及び受信することを可能にすることができる。図１は、組み込まれた集積回路１５０を示しているのに対して、図２は、回路２５０が基板の近くにあるが必ずしも基板に組み込まれていない代替的実施形態である。集積回路１５０は、信号を発生及び受信して画像処理プロセッサ１５５に信号を提供するように適応させることができる。集積回路１５０は、信号発生及び受信回路の両方を収容するか、又は別々の集積発生及び受信回路を利用することもできる。画像処理プロセッサ１５５は、信号を処理して信号から画像を作成することができる。
【００２３】
接着層１１０は、基板１０５上に置くことができ、かつ基板１０５と下部電極１１５の間に配置することができる。接着層１１０は、クロムか又は他の多くの適切な材料とすることができ、一部の実施形態では任意的がある。基板、例えばシリコン基板のドープ表面が下部電極を形成する時には、接着層１１０を利用しない場合がある。下部電極１１５は、好ましくは、金又はアルミニウムのような導電材料で製作される。接着層１１０は、下部電極１１５を基板１０５に適切に結合するために使用することができる。
【００２４】
ｃＭＵＴ１００はまた、隔離層１２０と薄膜層１３０によって形成された空洞１２５とを含むことができる。隔離層１２０は、下部電極１１５上に堆積させることができ、かつ窒化珪素を含むことができる。隔離層１２０は、空洞１２５を形成するために使用されたエッチング液から下部電極１１５を隔離することができる。一部の実施形態では、隔離層１２０を利用しない場合がある。図示のように、空洞１２５は、一般的に隔離層１２０と薄膜１３０の間に配置される。隔離層１２０のない実施形態では、空洞１２５は、一般的に下部電極１１５と薄膜１３０の間に配置されるであろう。空洞１２５は、一般的に下部電極１１５と薄膜１３０の間に配置された犠牲層を除去するか又はエッチングすることによって形成することができる。
【００２５】
薄膜１３０は、弾性特性を有することができ、基板１０５に対してそれを移動可能にする。薄膜１３０は、窒化珪素を含むことができ、かつ複数の薄膜層で形成することができる。例えば、薄膜１３０は、第１の薄膜層と第２の薄膜層で形成することができる。更に、薄膜層１３０は、空洞１２５を形成するために様々な薄膜層を堆積して犠牲層を除去することによって製作中に形成された側面１３１及び１３２を有することができる。図示のように、薄膜１３０は、一般的に側面１３１と１３２の間に均一に配置された中心区域１３３を有する。
【００２６】
好ましい実施形態では、ｃＭＵＴ１００はまた、薄膜１３０内に配置された複数の電極要素１３５、１４０、及び１４５で形成された上部電極層を含むことができる。複数の電極要素１３５、１４０、及び１４５の２つ又はそれよりも多くは、連結されて電極要素対を形成することができる。好ましくは、側面電極要素１３５及び１４５は、薄膜１３０の側面１３１及び１３２のより近くに形成され、中心電極要素１４０は、薄膜１３０の中心区域１３３のより近くに形成される。電極要素１３５、１４０、及び１４５は、金又はアルミニウムのような導電材料を使用して製作することができる。側面電極要素１３５及び１４５は、電気的に結合されて中心電極要素１４５から隔離され、電極中に電極要素対を形成することができる。電極要素１３５、１４０、及び１４５は、同じ導電材料で形成することができ、薄膜１３０内で所定の位置と様々な幾何学構成を有するようにパターン化することができる。側面電極要素対１３５及び１４５は、中心電極要素１４０よりも小さな幅を有することができ、対１３５及び１４５の一部分は、中心電極要素１４０として基板１０５からほぼ同じ距離に配置することができる。他の実施形態では、付加的な複数の電極要素は、基板１０５から様々な距離で薄膜１３０に形成することができる。好ましい実施形態では、各側面電極要素１３５及び１４５は、側面電極要素対１３５及び１４５の組み合わせた容積が中心電極要素１４０の容積とほぼ等しいように、中心電極要素１４０の容積の約半分の容積を有する。
【００２７】
電極要素１３５、２４０、及び１４５は、異なる電圧供給装置から信号を受信することによって超音波音響波のような超音波エネルギを送信及び受信するように適応させることができる。側面電極要素１３５及び１４５は、第１の電圧供給装置１６０（Ｖ1）から第１の信号を提供されるように示されており、中心電極要素１４０は、第２の電圧供給装置１６５（Ｖ2）から第２の信号を提供されるように示されている。側面電極要素１３５及び１４５は、電極要素１３５及び１４５の一方に供給された電圧又は信号が電極要素１３５及び１４５の他方に供給されることになるように電気的に結合することができる。これらの信号は、ＤＣバイアス電圧及びＡＣ信号のような電圧とすることができる。好ましくは、側面電極要素１３５及び１４５は、側面電極要素１３５及び１４５による超音波の送信のための比較的大きな間隙を形成する大きな変位の振れを有するように薄膜１３０を成形するようになっている。送信中により大きな送信圧力を考慮する間隙サイズを使用することが望ましい。更に、側面電極要素１３５及び１４５は、中心電極要素１４０による超音波の受信のための比較的小さな間隙を形成するように薄膜１３０を成形するように適応させることができる。ｃＭＵＴ１００のより高い感度を考慮する受信のための間隙サイズを使用することが望ましい。中心電極要素１４０と側面電極要素１３５及び１４５はまた、両方とも超音波のような超音波エネルギを受信及び送信することができる。
【００２８】
ｃＭＵＴ１００は、薄膜１３０の形状を変えることによって超音波エネルギを送信及び受信するように最適化することができる。図４Ａと４Ｂに関連して以下により詳細に説明するように、電極要素１３５、１４０、及び１４５には、薄膜１３０の形状を変えるために様々なバイアス電圧と信号を供給することができる。更に、様々な電圧を供給することにより、ｃＭＵＴ１００は、送信状態と受信状態の２つの状態で作動することができる。例えば、受信状態中に、側面電極要素１３５及び１４５には、中心電極要素１４０を使用して音響超音波を受信し、同時に第２の電圧供給装置１６５（Ｖ2）からバイアス電圧を供給するように薄膜１３０の形状を最適化するために、第１の電圧供給装置１６０（Ｖ1）からバイアス電圧を供給することができる。側面電極要素１３５及び１４５はまた、超音波を受信するために使用することができる。同様に、送信状態中に、側面電極要素１３５及び１４５には、第１の電圧供給装置１６０（Ｖ1）からのバイアスに加えて第１の電圧供給装置１６０（Ｖ1）からＡＣ信号を供給し、音響超音波の送信のために薄膜１３０の形状を最適化することができる。ＡＣ信号とバイアス電圧は、送信状態中に第２の電圧供給装置１６５（Ｖ2）によって中心電極要素１４０に印加することができる。
【００２９】
第１及び第２の電圧供給装置１６０及び１６５（Ｖ1、Ｖ2）は、電極要素１３５、１４０、及び１４５にＡＣ及びＤＣ電圧の両方を供給するように適応させることができる。これらの電圧供給装置１６０及び１６５（Ｖ1、Ｖ2）は、デジタル超音波撮像システムで一般的に使用される高電圧信号成形回路によって制御することができる。第１及び第２の電圧供給装置１６０及び１６５（Ｖ1、Ｖ2）からの信号を電極要素１３５、１４０、及び１４５に供給することができるように、ｃＭＵＴ１００の材料層にバイアを形成することができる。
【００３０】
図２は、本発明の好ましい実施形態による多要素下部電極を有するｃＭＵＴ２００の断面図である。ｃＭＵＴ２００は、基板２０５の近くに様々な層を含む。これらの層は、接着層２１０と、誘電体層２１２と、第１の側面電極要素２１５と、中心電極要素２２０と、第２の側面電極要素２２５と、隔離層２３０と、薄膜２４０と、上部電極２４５とを含むことができる。側面電極要素２１５及び２２５は、一部の実施形態では電気的に結合して電極の電極要素対を形成することができる。
【００３１】
基板２０５は、シリコンを含むことができ、また、光学検出法を本発明に従って利用することを可能にする材料を含むことができる。例えば、透明又は半透明材料は、光学検出法を可能にするために使用することができると考えられる。基板２０５は、シリコンで形成することができ、集積回路２５０は、基板２０５に隣接させることができる。基板２０５は、ｃＭＵＴ２００に関連したキャパシタンスの変化を送信及び検出するために光信号の使用を可能にするように設計することができる。例えば、集積回路２５０は、光信号を発生及び受信し、光信号を画像処理プロセッサ２５５に供給するように適応させることができる。画像処理プロセッサ２５５は、光信号を処理して光信号から画像を作成することができる。シリコンと多くの他の材料は、所定の光学波長の信号に対して有用な特性を有することができる。
【００３２】
図２に示すように、接着層２１０は、基板２０５上に配置することができ、中心電極要素２２０に隣接させることができる。接着層２１０は、クロムか、又は下部電極要素２１５、２２０、及び２２５を基板２０５に適切に結合するようになった多くの他の材料にすることができる。一部の実施形態では、下部電極要素２１５、２２０、及び２２５が別々の接着層２１０を使用しないで堆積中に基板２０５に適切に結合される場合には、接着層２１０を使用しない場合がある。
【００３３】
電極要素２１５、２２０、及び２２５は、様々な場所に配置することができ、多くの導電材料で形成することができる。例えば、電極要素２１５、２２０、及び２２５は、金又はアルミニウムのような導電材料で製作することができる。中心電極要素２２０は、基板の中心領域に隣接させることができる。側面電極要素２１５及び２２５は、基板２０５及びｃＭＵＴ２００の側面領域に隣接させることができる。電極要素２１５、２２０、及び２２５はまた、異なる位置に配置することができる。側面電極要素２１５及び２２５は、中心電極要素２２０よりも基板２０５からより大きい距離に配置することができる。例えば、側面電極要素２１５及び２２５は、窒化珪素のような誘電体層２１２内に配置することができる。側面電極要素２１５及び２２５はまた、一部の実施形態では、基板２０５から中心電極要素２２０と同じ距離に配置することができる。電極要素２１５、２２０、及び２２５は、基板２０５と実質的に平行に向けるか、又はそれぞれを別々に異なる向きに配向することができる。
【００３４】
ｃＭＵＴ２００は、隔離層２３０を更に含むことができる。隔離層２３０は、電極要素２１５、２２０、及び２２５をそれぞれ物理的に隔離することができるが、製作の後の方の段階で、電極要素２１５、２２０、及び２２５は、電気的に結合することができる。隔離層２３０はまた、保護されていない電極要素２１５、２２０、及び２２５又は基板２０５をそうでなければ損傷するか又は劣化させるであろうｃＭＵＴを製作するためのある一定のエッチング液を使用可能にすることができる。隔離層２３０は、窒化珪素、又は多くの他の誘電体を含むことができる。一部の実施形態では、ある一定のエッチング液は、電極要素２１５、２２０、及び２２５又は基板２０５を損傷又は劣化させない場合があるので、隔離層２３０を利用しないことがある。
【００３５】
ｃＭＵＴ２００はまた、薄膜２４０によって形成された空洞２３５を含むことができる。空洞２３５は、隔離層２３０に近い犠牲層をエッチング又は除去することによって形成することができる。犠牲層は、好ましくはクロムを含む。エッチング手順によって除去することができる他の材料を使用することもできる。薄膜２４０は、犠牲層がエッチングされる前に犠牲層上に堆積させることができる。空洞２３５は、薄膜が刺激に応答して変動し、基板２０５に対して移動することを可能にする。薄膜２４０は、窒化珪素のような薄膜材料の複数の層を含むことができる。
【００３６】
ｃＭＵＴ２００はまた、薄膜２４０内に配置された上部電極２４５を含むことができる。上部電極２４５を薄膜材料の第１の層上に堆積することができ、次に、薄膜材料の第２の層を上部電極２４５上に堆積することができ、従って、上部電極２４５を薄膜２４０内に包み込む。上部電極２４５は、好ましくは、金又はアルミニウムのような導電材料を使用して製作される。
ｃＭＵＴ２００には、第１の電圧供給装置２６０（Ｖ1）と第２の電圧供給装置２６５（Ｖ2）から信号を供給することができる。第１の電圧供給装置２６０は、側面電極要素２１５及び２２５と上部電極２４５の間に第１の電圧（Ｖ1）を提供することができ、第２の電圧供給装置２６５は、中心電極要素２２０と上部電極２４５の間に第２の電圧（Ｖ2）を提供することができる。側面電極要素２１５及び２２５は、物理的にある一定の距離だけ分離されているが、電極要素２１５及び２２５の一方に供給された電圧又は信号が電極要素２１５及び２２５の他方に供給されることになるように電気的に結合することができる。これらの電圧を異なる時間間隔で提供することにより、ｃＭＵＴ２００は、超音波音響波を送信及び受信するように最適化することができる。
【００３７】
更に、これらの電圧（Ｖ1、Ｖ2）は、ｃＭＵＴ２００を受信状態と送信状態で作動させることを可能にすることができる。好ましくは、第１の電圧供給装置２６０（Ｖ1）は、送信状態と受信状態の両方の状態で側面電極要素２１５及び２２５と電極２４５の間に第１の電圧（Ｖ1）を供給するようになっている。また、第２の電圧供給装置２６０（Ｖ2）は、好ましくは、受信状態で中心電極要素２２０と上部電極２４５の間に第２の電圧（Ｖ2）を供給するようになっている。側面電極要素２１５及び２２５はまた、超音波音響波を受信することができ、中心電極要素２２０はまた、音響波のような超音波エネルギを送信することができる。
【００３８】
ｃＭＵＴ２００は、画像を感知するために利用することができる。例えば、ｃＭＵＴ２００は、環境要素（外部から印加された圧力のような）に応答して電極要素２１５、２２０、２２５、及び２４５間で変動するキャパシタンスを受信するように適応させることができる。ｃＭＵＴ２００はまた、受信キャパシタンスから画像を生成するシステムに対して、変動するキャパシタンスを供給するように適応させることができる。集積回路２５０は、側面電極要素２１５及び２２５と中心電極要素２２０に対する上部電極２４５の変動によって発生された信号を感知し、それらの電子信号を画像処理プロセッサ２５５に供給することができる。当業者は、画像処理プロセッサ２５５又は同様のシステムを使用してｃＭＵＴ撮像アレイ上のキャパシタンス測定値を画像に変換するための様々な方法を熟知しているであろう。電極要素２１５、２２０、２２５、及び２４５は、ｃＭＵＴ２００の層に形成されたバイアを通して集積回路２５０に結合させることができる。集積回路２５０は、ＣＭＯＳ電子素子又は他のトランジスタ型素子を含むことができる。
【００３９】
更に、ｃＭＵＴ２００は、様々なリアルタイム情報を感知するために利用することができる。例えば、この素子は、圧力センサ、温度センサ、流量センサ、ドップラー流量センサ、電気抵抗センサ、流体粘性センサ、ガスセンサ、化学物質センサ、加速度計、又は他の望ましいセンサであるように適応させることができる。更に、撮像用途で使用する時には、ｃＭＵＴ２００は、周囲組織及び流体からの反射及び散乱光を測定し、反射率及び蛍光性のような光学パラメータをモニタするようになった蛍光性又は光反射率センサとすることができる。
【００４０】
ｃＭＵＴ２００は、複数の層から製作することができる。導電材料は、電極要素２１５、２２５、２２０、及び２４５を形成するように構成することができる導電層を形成することができる。例えば、導電材料は、基板２０５のドープされたシリコン表面、ドープされたポリシリコン層、導電金属、又は他の適切な導電材料とすることができる。電極要素２１５、２２５、２２０、及び２４５は、集積電子回路２５０のような単一の発生及び検出回路に連結させることができる。一部の実施形態では、単一の発生及び検出回路は、基板内に埋め込むか又は基板２０５の近くの別のチップ上に配置することができる。
【００４１】
図３は、本発明の好ましい実施形態による多要素電極を有するｃＭＵＴ３００の上面図である。ｃＭＵＴ３００は、一般的に、基板３０５と、薄膜３１０と、中心電極要素３１５と、側面電極要素対３２０とを含む。本発明の他の実施形態では、より多くの電極要素を使用することができる。中心電極要素３１５と側面電極要素対３２０とは、基板３０５に隣接させることができ、部分的に薄膜３１０内に配置することができる。薄膜３１０は、基板３０５に隣接させることができ、好ましくは、図１と２に示すように空洞を形成する。更に、薄膜３１０は、薄膜３１０のいずれかの側面に側面区域３１１及び３１２を有することができる。
【００４２】
中心電極要素３１５と側面電極要素対３２０は、薄膜３１０内で様々な幾何学形状と位置を有することができる。図示のように、中心電極要素３１５は、矩形形状にして薄膜３１０内の中心に配置することができる。側面電極要素対３２０は、矩形形状にして図示のように側面電極要素３２０Ａ及び３２０Ｂを有することができる。側面電極要素対３２０はまた、本発明による２つよりも多い電極要素３２０Ａ及び３２０Ｂを有することができる。側面電極要素３２０Ａ及び３２０Ｂは、中心電極要素３１５と実質的に平行にすることができる。側面電極要素対３２０の電極要素３２０Ａ及び３２０Ｂは、中心電極要素３１５の幅よりも狭い幅を有することができ、薄膜３１０の側面区域３１１及び３１２に隣接して配置することができる。中心電極要素３１５と側面電極要素３２０Ａ及び３２０Ｂとの間の距離は変えることができる。この距離は、中心電極要素３１５と側面電極要素対３２０との間の距離が電極要素３１５及び３２０の間のキャパシタンスに影響を及ぼすので、中心電極要素３１５と側面電極要素対３２０の間の寄生キャパシタンスの制御を助けることができる。
【００４３】
中心電極要素３１５と側面電極要素対３２０は、超音波音響波を受信及び送信するように適応させることができる。一部の実施形態では、中心電極要素３１５は、超音波音響波を受信するように適応させることができ、側面電極要素３２０Ａ及び３２０Ｂは、超音波音響波を送信するように適応させることができる。中心電極要素３１５と側面電極要素対３２０は、異なる電圧供給装置に接続して超音波音響波の最適な受信及び送信を可能にすることができる。例えば、中心電極要素３１５は、第１の結合パッド区域３１７を有することができ、側面電極要素対３２０は、第２の結合パッド区域３２２を有することができ、各々が、中心電極要素３１５と側面電極要素対３２０とを異なる電圧供給装置に接続するための接続区域を提供する。電極要素３１５及び３２０の一方が受信電極要素として作動し、他方が送信電極要素として作動することが望ましいが、電極要素は、受信電極要素及び送信電極要素として作動することができる。薄膜３１０は、電極要素３１５及び３２０に印加された信号と電圧に応答して変動することができる。
【００４４】
図４Ａは、本発明の好ましい実施形態による多要素電極を含むｃＭＵＴに供給された信号のサンプルタイミング図である。多要素電極を有するｃＭＵＴを受信状態と送信状態に置くために２つの異なる電圧を使用することができる。図４Ａに示すように、電圧は、バイアス電圧にすることができる。例えば、第１の電圧供給装置１６０（Ｖ1）は、送信電極要素にＡＣ信号４０５を供給することができ、第２の電圧供給装置１６５（Ｖ2）は、受信電極要素にＤＣ電圧４１０を供給することができる。ｃＭＵＴにＡＣ信号とＤＣ電圧を供給すると、電極に電圧が供給されて薄膜４２０を成形又は調節することができるので、ｃＭＵＴの送信及び受信の作動状態を最適化することができる。
【００４５】
複数の電圧供給装置（Ｖ1、Ｖ2）１６０及び１６５は、ｃＭＵＴ電極要素にＡＣ信号４０５とバイアス電圧４１０を供給することができ、電圧供給装置１６０及び１６５は、同時に信号を供給することができる。更に、電圧供給装置１６０及び１６５は、送信サイクル４０６と受信サイクル４０７中にＡＣ信号４０５とバイアス電圧４１０を供給するように適応させることができる。送信サイクル４０６中に、ｃＭＵＴは、音響波の送信に対して最適化することができ、受信サイクル４０７中に、ｃＭＵＴは、音響波の受信に対して最適化することができる。ＡＣ信号４０５は、ベースレベルＡからＢの正のピークまで上昇し、Ｃの負のピークまで下降し、Ｃの正のピークまで上昇し、最終的に一定レベルＤまで上昇することができ、この一定レベルは、送信サイクル４０６と受信サイクル４０７の間のＢの正のピークにほぼ等しい。バイアス電圧４１０は、送信及び受信サイクル４０６及び４０７中に実質的に一定に留まることができる。バイアス電圧４１０のレベルは、送信サイクル４０６にある間は薄膜が崩壊に近いように、薄膜崩壊電圧に近くすることができる。受信サイクル４０７中に、ＡＣ信号４０５とＤＣ電圧４１０は、実質的に一定に留まって最適受信のために薄膜４２０を成形することができる。
【００４６】
図４Ｂは、本発明の好ましい実施形態によるｃＭＵＴに供給された図４Ａに示す信号４０５及び４１０に応答して変動するＭＵＴ薄膜４２０を示している。ｃＭＵＴ薄膜４２０がバイアス電圧でバイアスされていない時に、（電気的に中性の）それは、実質的に水平又は平面にすることができる。送信サイクル４０６を開始するとすぐに、Ａにおいて薄膜４２０が基板４２５に向けてバイアスされる（引き寄せられる）（４２０Ｂを参照されたい）。Ｂにおいては、送信サイクル４０６中に、薄膜４２０は、薄膜４２０が崩壊に近く、かつ基板４２５に接触するように、基板４２５に向けてバイアスされる（４２０Ｃを参照されたい）。Ｃにおいては、送信サイクル４０６中に、薄膜４２０は、バイアスのない位置に向けて反発することができる（４２０Ｃを参照されたい）。図示のように、薄膜４２０は、送信サイクル４０６中に４２０Ｂと４２０Ｃの間で比較的大きな変動４３０を有する可能性がある。
【００４７】
受信サイクル４０７を開始するとすぐに、かつＤにおいて、薄膜４２０が基板４２５に向けて移動することができるように、薄膜４２０をバイアスすることができる（４２０Ｄを参照されたい）。図４Ｂに示すように、薄膜４２０は、基板４２５に近づくことができ、受信サイクル４０７中に比較的小さな間隙４３５を発生することができる。複数の送信／受信サイクル中に、電圧供給装置は、ＡＣ信号４０５とＤＣ電圧４１０を連続して供給し、音響超音波の送信及び受信のための薄膜４２０の成形を助けることができる。
【００４８】
図５は、本発明の好ましい実施形態による多要素電極を有するｃＭＵＴを製作するために利用される製作工程を示している。典型的には、製作工程は、材料の様々な層を基板５０５上に堆積させる段階と、様々な層を所定の構成にパターン化して基板５０５上にｃＭＵＴを製作する段階とを含む積層工程である。
本発明の好ましい実施形態では、「Ｓｈｉｐｌｅｙ  Ｓ−１８１３」のようなフォトレジストを使用してｃＭＵＴの様々な層をリソグラフ的に形成する。そのようなフォトレジスト材料は、バイアと材料層とをパターン化するための従来の高温の使用を必要としない。代替的に、多くの他のフォトレジスト又はリソグラフ材料を使用することができる。
【００４９】
本発明の製作工程の第１の段階は、基板５０５上に下部電極５１０を準備するものである。基板５０５は、シリコン、水晶、ガラス、又はサファイアのような誘電体を含むことができる。一部の実施形態では、基板５０５は、集積電子機器１５０を収容し、集積電子機器１５０は、信号の送信及び受信に対して分離することができる。代替的に、適切な信号送信及び受信電子機器を収容する基板５０５に隣接して配置された第２の基板（図示しない）を使用することができる。導電性金属のような導電材料は、下部電極５１０を形成することができる。下部電極５１０はまた、シリコン基板５０５をドープすることにより、又は導電材料層（金属のような）を基板５０５上に堆積してパターン化することによって形成することができる。それでも、ドープされたシリコン下部電極５１０により、上部電極の全ての不動部分が寄生キャパシタンスを増大する可能性があり、従って、素子性能を劣化させて大部分の光学スペクトルに対して光学検出技術を妨害する。
【００５０】
これらの短所を克服するために、パターン化された下部電極５１０を使用することができる。図５（ａ）に示すように、下部電極５１０は、基板５０５とは異なる長さにパターン化することができる。下部電極５１０をパターン化することにより、素子の寄生キャパシタンスを著しく低減することができる。
下部電極５１０は、多要素電極にパターン化することができ、多要素電極は、基板５０５から様々な距離に配置することができる。アルミニウム、クロム、及び金は、下部電極５１０を形成するのに使用することができる例示的な材料である。本発明の好ましい実施形態では、下部電極５１０の厚さは、約１５００オングストロームであり、堆積の後に回折グレーディングとして及び／又は様々な長さを有するようにパターン化することができる。
【００５１】
次の段階では、隔離層５１５を堆積させる。隔離層５１５は、下部電極５１０上に置かれた他の層から下部電極５１０の各部分又はその全体を隔離することができる。隔離層５１５は、窒化珪素とすることができ、好ましくは、約１５００オングストロームの厚さにすることができる。「Ｕｎａｘｉｓ  ７９０  ＰＥＣＶＤ」システムを使用して、好ましい実施形態に従って約２５０℃で隔離層５１５を堆積させることができる。隔離層５１５は、ｃＭＵＴの製作中に使用されるエッチング液から下部電極５１０又は基板５０５を保護するのを助けることができる。下部電極層５１０上に堆積された状態で、隔離層５１５は、所定の厚さにパターン化することができる。代替的な好ましい実施形態では、隔離層５１５は利用されない。
【００５２】
隔離層５１５を堆積させた後で、犠牲層５２０が隔離層５１５上に堆積される。犠牲層５２０は、好ましくは、単に一時的な層であり、製作中にエッチングで除去される。隔離層５１５が使用されない時には、犠牲層５２０は、直接下部電極５１０上に堆積される。犠牲層５２０は、ｃＭＵＴの製作中に付加的な層を堆積する間の空間を保持するために使用される。犠牲層５２０は、製作中の空洞又はバイアのようなチャンバの作成を助けるために使用される。犠牲層５２０は、約３００℃で「Ｕｎａｘｉｓ  ７９０  ＰＥＣＶＤ」システムを使用して堆積させて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用してパターン化することができるアモルファスシリコンで形成することができる。犠牲層５２０を形成するために、スパッタリングされた金属もまた使用することができる。犠牲層５２０は、得られる空洞又はバイアに対して様々な幾何学的構成を提供するために、異なる区分、様々な長さ、及び異なる厚さにパターン化することができる。
【００５３】
図５（ｂ）に示すように、第１の薄膜層５２５を次に犠牲層５２０上に堆積させる。第１の薄膜層５２５は、例えば「Ｕｎａｘｉｓ  ７９０  ＰＥＣＶＤ」システムを使用して堆積させることができる。第１の薄膜層５２５は、窒化珪素又はアモルファスシリコンの層にすることができ、約６０００オングストロームの厚さを有するようにパターン化することができる。第１の薄膜層５２５の厚さは、特定の実施に応じて変えることができる。犠牲層５２０の上への第１の薄膜層５２５の堆積は、振動するｃＭＵＴ薄膜の形成を助けるものである。
【００５４】
第１の薄膜層５２５をパターン化した後で、図５（ｃ）に示すように第１の薄膜層５２５上に第２の導電層５３０を堆積させることができる。第２の導電層５３０は、ｃＭＵＴの上部電極を形成することができる。第２の導電層は、互いに別々の要素とすることができる電極要素５３０Ａ、５３０Ｂ、及び５３０Ｃにパターン化することができる。１つ又はそれよりも多くの電極要素５３０Ａ、５３０Ｂ、及び５３０Ｃを電気的に結合して電極要素対を形成することができる。電極要素５３０Ａ、５３０Ｂ、及び５３０Ｃは、基板５０５から異なる距離に配置することができる。図５（ｄ）に示すように、第２の導電層５３０は、第１の電極要素５３０Ａと第２の電極要素５３０Ｂとにパターン化することができる。第１の電極要素５３０Ａは、第３の電極要素５３０Ｃに接続して電極要素対を形成することができる。好ましくは、形成された電極の対５３０Ａ及び５３０Ｃは、第２の電極要素５３０Ｂから電気的に隔離されている。
【００５５】
電極要素対５３０Ａ及び５３０Ｃは、アルミニウム、クロム、金、又はその組合せのような導電材料で形成することができる。例示的な実施形態では、電極要素対５３０Ａ及び５３０Ｃは、厚さが約１２００オングストロームのアルミニウムと厚さが約３００オングストロームのクロムとを含む。アルミニウムは、良好な導電性を提供することができ、クロムは、堆積中にアルミニウムに形成されたあらゆる酸化の平滑化を助けることができる。更に、電極要素対５３０Ａ及び５３０Ｃは、第１の導電層５１０と同じ導電材料又は異なる導電材料を含むことができる。
【００５６】
次の段階では、図５（ｄ）に示すように、電極要素５３０Ａ、５３０Ｂ、及び５３０Ｃの上に第２の薄膜層５３５を堆積させる。第２の薄膜層５３５は、製作のこの時点でｃＭＵＴ薄膜層（第１及び第２の薄膜層５２５及び５３５によって形成された）の厚さを増加させ、ｃＭＵＴの製作中に使用されたエッチング液から第２の導電層５３０を保護するのに役立つことができる。第２の薄膜層５３５はまた、第１の電極要素５３０Ａの第２の電極要素５３０Ｂからの隔離を助けることができる。第２の薄膜層の厚さは、約６０００オングストロームにすることができる。一部の実施形態では、第２の薄膜層５３５は、第２の薄膜層５３５が最適な幾何学的構成を有するように堆積及びパターン化技術を使用して調節される。好ましくは、第２の薄膜層５３５が所定の幾何学的構成に従って調節された状態で、犠牲層５２０はエッチングで除去され、図５（ｆ）に示すように空洞５５０が残る。
【００５７】
エッチング液が犠牲層５２０まで到達することができるように、ＲＩＥ工程を使用して、第１及び第２の薄膜層５２５及び５３５を通して開口５４０及び５４５をエッチングすることができる。図５（ｅ）に示すように、犠牲層５２０までのアクセス経路は、第１及び第２の薄膜層５２５及び５３５をエッチングで除去することによって開口５４０及び５４５で形成することができる。アモルファスシリコン犠牲層５２０が使用される時には、シリコンに対するエッチング工程の選択性を知る必要がある。エッチング工程の選択性が低い場合、犠牲層５２０及び隔離層５１５を通して基板５０５まで簡単にエッチングすることができる。これが行われる場合、エッチング液が基板５０５を攻撃する可能性があり、ｃＭＵＴ素子を破壊する可能性がある。犠牲層と共に使用されるエッチング液に対して耐性がある金属で下部電極５１０が形成される時には、金属層がエッチング遅延剤として作用して基板５０５を保護することができる。犠牲層５２０がエッチングされた後で、空洞５５０は、図５（ｆ）に示すようにシール５４２及び５４７によって密封することができる。
【００５８】
隔離層５１５と薄膜層５２５及び５３５との間に空洞５５０を形成することができる。空洞５５０はまた、下部導電層５１０と第１の薄膜層５２５との間に配置することもできる。空洞５５０は、本発明の一部の好ましい実施形態による所定の高さを有するように形成することができる。空洞５５０により、第１及び第２の薄膜層５２５及び５３５によって形成されたｃＭＵＴ薄膜は、刺激に応答して変動及び共振することができる。犠牲層５２０をエッチングすることによって空洞５５０が形成された後に、第２の薄膜層５３５上にシーリング層（図示しない）を堆積させることによって空洞５５０を真空密封することができる。当業者は、空洞５５０にある一定の圧力を設定し、次にそれを密封して真空密封を形成する様々な方法を熟知しているであろう。
【００５９】
シーリング層は、一般的に、空洞５５０の高さよりも厚さが厚い窒化珪素の層である。例示的な実施形態では、シーリング層の厚さは、約４５００オングストロームであり、空洞５５０の高さは、約１５００オングストロームである。代替的な実施形態では、第２の薄膜層５３５は、局所シーリング技術を使用して密封されるか又は所定の加圧条件下で密封される。第２の薄膜層５３５のシールは、液浸用途に対してｃＭＵＴを適応させることができる。シーリング層を堆積した後に、ｃＭＵＴ薄膜が厚すぎて望ましい周波数で共振できない場合があるので、合成ｃＭＵＴ薄膜の厚さは、シーリング層を再びエッチングすることによって調節することができる。シーリング層をエッチングするために、ＲＩＥのようなドライエッチング工程を使用することができる。
【００６０】
本発明のｃＭＵＴ製作工程の最終段階は、電気接続性に対してｃＭＵＴを準備するものである。より詳細には、ＲＩＥエッチングを使用して、下部電極５１０上の隔離層５１５と上部電極５３０上の第２の薄膜層５３５とを貫通してエッチングし、電極５１０及び５３０をアクセス可能にすることができる。
付加的な結合パッドを形成して電極に接続することができる。結合剤パッドにより、ワイヤ結合を使用して上部及び下部電極５１０及び５３０に対して外部電気接続を行うことが可能になる。一部の実施形態では、結合剤パッド上に金を堆積してパターン化することができ、ワイヤ結合の信頼性を改善することができる。
【００６１】
本発明の代替的な実施形態では、犠牲層５２０は、第１の薄膜層５２５を堆積させた後にエッチングすることができる。この代替的な実施形態は、犠牲層５２０のエッチング段階を実行して薄膜層によって形成された薄膜を除去する前にｃＭＵＴ素子に時間を費やさない。上部電極５３０がまだ堆積されていないので、第２の薄膜層５３５にピンホールが発生して上部電極５３０がエッチング液によって破壊される危険性はない。
【００６２】
図６は、多要素電極を含むｃＭＵＴを製作するための好ましい方法を説明する論理流れ図を示している。第１の段階は、基板を準備する段階に関わるものである（６０５）。基板は、不透明、半透明、又は透明な基板とすることができる。例えば、基板は、シリコン、ガラス、又はサファイアで形成することができる。次に、基板上に隔離層を堆積させて所定の厚さを有するようにパターン化する（６１０）。隔離層は任意的であり、一部の実施形態では利用しない場合がある。一部の実施形態では、接着層もまた使用することができ、隔離層が確実に基板に結合される。
【００６３】
隔離層がパターン化された後に、隔離層上に第１の導電層を堆積させて所定の形状にパターン化する（６１５）。代替的に、基板のドープ表面、例えば、ドープされたシリコン基板表面は、第１の導電層を形成することができる。第１の導電層は、好ましくは、基板上にｃＭＵＴの下部電極を形成する。第１の導電層は、パターン化されて複数の電極を形成することができる。複数電極の少なくとも２つが互いに連結されて、複数の電極要素を有する電極を形成することができる。
【００６４】
第１の導電層が所定の形状にパターン化された状態で、第１の導電層上に犠牲層を堆積させることができる（６２０）。犠牲層は、選択的な堆積とパターン化によってそれが所定の厚さを有するようにパターン化される。次に、犠牲層上に第１の薄膜層５２５を堆積させることができる（６２５）。
堆積された第１の薄膜層は、次に、所定の厚さを有するようにパターン化され、第２の導電層を次に第１の薄膜層上に堆積させる（６３０）。第２の導電層は、好ましくは、ｃＭＵＴの上部電極を形成する。第２の導電層は、パターン化されて複数の電極要素を形成することができる。複数の電極要素の少なくとも２つは、互い連結されて電極要素対を形成する。第２の導電層が所定の形状にパターン化された後に、パターン化された第２の導電層上に第２の薄膜層を堆積させる（６３５）。第２の薄膜層もまた、最適な幾何学的構成を有するようにパターン化することができる。
【００６５】
第１及び第２の薄膜層は、第２の導電層をカプセル封入することができ、第１及び第２の薄膜層の弾性特性によってそれを第１の導電層に対して移動させることを可能にする。第２の薄膜層がパターン化された後に、犠牲層がエッチングによって除去され、第１及び第２の導電層の間に空洞を形成する（６３５）。第１及び第２の薄膜層の下部に形成された空洞は、第１及び第２の薄膜層を共振させて基板に対して移動させるための空間を提供する。この段階の最後の部分で、第２の薄膜層上にシーリング層を堆積することによって第２の薄膜層が密封される（６３５）。
本発明の実施形態はまた、ｃＭＵＴ撮像システムのｃＭＵＴアレイを形成するために利用することができる。図７及び８に示すｃＭＵＴ撮像アレイは、他の撮像アレイが本発明の実施形態に従って達成可能であるから単に例示的なものである。
【００６６】
図７は、基板上にリング−環状アレイに形成されたｃＭＵＴ撮像アレイ素子を示している。図示のように、素子７００は、基板７０５とｃＭＵＴアレイ７１０及び７１５とを含む。基板７０５は、好ましくは円盤形状であり、素子７００は、前向きｃＭＵＴ撮像アレイとして利用することができる。素子７００は、２つのｃＭＵＴアレイ７１０及び７１５と共に示されているが、他の実施形態は、１つ又はそれよりも多くのｃＭＵＴアレイを有することができる。１つのｃＭＵＴアレイが利用される場合、それは、基板７０５の外周の近くに配置することができる。複数のｃＭＵＴアレイが利用される場合、それらは、環状ｃＭＵＴアレイが共通の中心点を有するように同心状に形成することができる。一部の実施形態はまた、本発明の一部の実施形態による異なる幾何学的構成のｃＭＵＴアレイを利用することができる。
【００６７】
図８は、基板上の側方に向いたアレイに形成されたｃＭＵＴ撮像アレイシステムを示している。図示のように、素子８００は、基板８０５とｃＭＵＴアレイ８１０及び８１５とを含む。基板８０５は、円筒形状とすることができ、ｃＭＵＴアレイは、基板８０５の外面に連結することができる。ｃＭＵＴアレイ８１０及び８１５は、インターデジタル的に配置されて側方に向いたｃＭＵＴ撮像アレイのために使用されるｃＭＵＴ素子を含むことができる。素子８００の一部の実施形態は、円筒形状基板８００の外面上に離間した関係で１つ又は複数のｃＭＵＴ撮像アレイ８１０及び８１５を含むことができる。
【００６８】
本発明の別の好ましい実施形態では、ｃＭＵＴの構成要素は、所定の幾何学的構成により製作することができる。本発明の好ましい実施形態は、特定の寸法で説明されているが、寸法は、単に例示的であって本発明の範囲を制限するように意図されていないことを当業者は認識するであろう。便宜上、この好ましい実施形態でのｃＭＵＴの構成要素は、図１に関連して以下に説明する。しかし、構成要素の特定機能又は構成要素の特定の配置と大きさの説明は、図１の範囲を制約するように意図しておらず、制約としてではなく単に例示的に提供するものである。
【００６９】
好ましい実施形態では、２０ミクロン幅ｘ１００ミクロン長ｘ０．９ミクロン厚の矩形の窒化珪素薄膜１３０を組み込んだ０．３ｍｍｘ０．６５ｍｍの矩形ｃＭＵＴ１００が製作される。送信電極１３５及び１４５は、幅が４ミクロンであって薄膜１３０の縁部に配置され、８ミクロン幅の受信電極１４０は、薄膜１３０の中心部近くに配置される。この構造を使用した実験結果は、標準の単一電極送信に比べて側面電極励起による９ＭＨｚにおいて最大出力圧力の６．８ｄＢの増加をもたらした。
【００７０】
二重電極構造の第２の利点は、パルスエコー作動中の死角の減少である。電極要素のＤＣバイアスを独立に制御することができるので、受信電極要素１４０は、最適化された受信作動のために送信直後に崩壊近くまでバイアスすることができる。更に、切換の必要なしに送信及び受信するために別々の電子機器を使用することができる。送信電極要素１３５及び１４５によって生じた寄生キャパシタンスは無視することができ、受信特性に何の劣化も引き起こさないはずであることをシミュレーションは示した。
【００７１】
薄膜１３０の側面での送信電極要素１３５及び１４５の位置決めは、「てこの作用の曲げ」として公知の効果を利用して薄膜１３０の運動の安定領域を増大させる。てこの作用の曲げは、空洞１２５の１／３である典型的な変位に対して、静電気的に作動したＭＥＭＳ素子の移動の領域を全空洞１２５近くまで増大させる。薄膜１３０の運動の領域を増大することにより、容積置換を増大することができ、それによって送信圧力を増大することができる。
送信圧力を増大するのに加えて、複数の電極要素１３５、１４０、及び１４５は、送信及び受信の電子機器の分離を可能にし、問題の多い切換の必要性を制限又は除去することができる。この送信及び受信電子装置の分離は、増幅器における共鳴を低減することによって超音波画像の死角を低減する可能性を有する。
【００７２】
ＡＮＳＹＳにおける好ましい実施形態に対して結合場の静電解析が行われ、素子の崩壊電圧、変位プロフィール、及び漏話キャパシタンスが判断された。２０ミクロン幅及び０．９ミクロン厚の薄膜１３０が模擬試験された。崩壊電圧は、側面電極１３５及び１４５の長さの関数として判断され、実用的な電極要素の寸法と位置が判断された。予期されたように、崩壊電圧は、側面電極１３５及び１４５の長さが増大すると低下することが見出された。２０ミクロン幅の薄膜の場合のこの挙動のプロットは図９に示されている。図９に示すように、長さ４ミクロンの側面電極１３５及び１４５は、２００Ｖよりも低い崩壊電圧をもたらしている。
【００７３】
図１０は、崩壊直前の薄膜プロフィールの静電シミュレーションの結果を示している。図１０に示すように、中心電極要素１４０で素子が励起される時に、薄膜１３０は、予期されたように空洞１２５の約１／３で崩壊する。更に、側面電極要素１３５及び１４５の励起の下では、崩壊前の薄膜１３０の変位は、空洞１２５の２／３近くまで増加し、そのプロフィールは、中心電極要素１４０励起の場合よりも大きい容積置換を有する。この好ましい実施形態による素子の場合、側面電極要素励起は、単一電極要素設計と比較して約２．３の係数だけ薄膜１３０の容積置換を増大する。これは、側面電極要素励起の下での変換器の圧力出力が従来の単一電極励起よりも高いはずであることを示している。
【００７４】
本発明の好ましい実施形態に従って製作されたｃＭＵＴ１００を使用して実験が行われた。これらの実験の結果は、制約するようには意図されてなく、本発明の実施形態の作動を理解する助けになるように意図されている。呈示された実験の結果は、幅が２０ミクロンで厚さが０．９ミクロンの窒化珪素薄膜上に８ミクロンの中心電極要素と４ミクロンの側面電極要素とを有するｃＭＵＴを使用して得られたものである。多要素ｃＭＵＴは、最初に貯水槽中で試験され、送信周波数スペクトルの形状が判断された。
【００７５】
ｃＭＵＴの各電極要素は、６０Ｖまでバイアスされ、次に８ｎｓで２０Ｖのピークパルスで励起された。中心電極要素に印加されたこの電圧パルスは、水中で音響パルスを発生し、これは、次に水中聴音器で記録された。中心電極要素の波形を記録した後に、電気接続が側面電極要素の試験に切り換えられた。中心及び側面電極要素の下での受信信号の得られる周波数スペクトルは、図１１に示されている。
【００７６】
図１１に示すように、スペクトルは、約１０ＭＨｚに強い共振があるブロードバンドである。ｃＭＵＴ薄膜が最初に１０ＭＨｚで音響漏話モードを発生するように設計されていたので、この共振は予期されたものである。同じＤＣバイアスの場合、側面電極要素のスペクトルは、中心電極要素に対するものよりも約１０ｄＢ小さいことも観測することができる。これは、簡単な音響有限要素モデルを使用して確認された。送信圧力の利得は、中心電極要素で可能なものよりも大きな側面電極要素に対する振れ電圧の印加からもたらされる。
【００７７】
送信周波数応答を判断した後に、ｃＭＵＴは、９ＭＨｚのトーン・バーストと固定ＤＣバイアスとを用いて励起された。ＤＣバイアスは、最大ＡＣ又は振れ電圧を印加することができるように中心又は側面電極要素のいずれかに対しても崩壊電圧の半分に設定された。従って、バイアスは、中心電極要素１４０に対して６０Ｖ、及び側面電極要素に対して１２０Ｖに設定された。水中聴音器で受信した信号の振幅は、振れ電圧が変動した時に記録され、得られるデータは、図１２にプロットされている。
【００７８】
図１２に示すように、送信圧力は、中心電極要素の励起下よりも側面電極要素の励起下で６．８ｄＢ高いことが分る。これは、より高いＤＣバイアス電圧という代償を払ってもたらされたものであり、この電圧は、電極要素を基板により近く移動させることによって低下させることができる。当業者は、中心電極要素の面積が側面電極要素の面積と等しかったことを認識するであろう。代替的に、電極要素は、望ましい特性を達成するために代替寸法を有することができる。
【００７９】
受信したトーン・バーストのフーリエ変換は、中心及び側面電極要素の励起から得られる信号に対して計算された。ＡＣ振幅は、側面電極要素励起の圧力出力が中心電極要素励起下の最大圧力出力と等しくなるように調節された。スペクトルは、側面電極要素励起が４ｄＢ少ない第２高調波を発生することを示している。これは、ｃＭＵＴが側面電極要素励起下で崩壊から遠く離れて作動するので予期されたことである。
パルス−エコー実験は、中心電極要素と次に側面電極要素とを使用して行われた。アルミニウム反射器が基板から１．５ｍｍ離して配置され、間隙が水で充填された。電極要素は、９０Ｖまでバイアスされ、次に８ｎｓで１６Ｖのピークパルスで励起された。反射波形は、増幅された後に記録された。中心電極要素及び側面電極要素励起の周波数スペクトルは図１３に示されている。
【００８０】
図１３に示すように、中心電極要素及び側面電極要素励起に対するスペクトルの形状は、３５ＭＨｚまでの周波数に対しては類似している。しかし、５０から７０ＭＨｚの範囲では、周波数スペクトルはかなり異なっている。側面電極要素励起に対する曲線は、５８ＭＨｚ近辺で大きなピークを示しており、それは、２０ミクロン幅薄膜の第２共振モードに対応している。この挙動は、単純音響有限要素モデルと十分に比較できるものである。
例示的な実施形態を特に参照して本発明の様々な実施形態を詳細に説明したが、当業者は、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲内で変形及び修正を行うことができることを理解するであろう。従って、本発明の様々な実施形態の範囲は、上述の実施形態に制限されるべきではなく、特許請求の範囲及び全ての適用可能な均等物によってのみ規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の好ましい実施形態による多要素上部電極を有するｃＭＵＴの断面図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による多要素下部電極を有するｃＭＵＴの断面図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態による多要素電極を有するｃＭＵＴの上面図である。
【図４Ａ】本発明の好ましい実施形態による多要素電極を含むｃＭＵＴに供給された信号のサンプルタイミング図である。
【図４Ｂ】本発明の好ましい実施形態によるｃＭＵＴに供給されている図４Ａに示す信号に応答して達成されたｃＭＵＴ薄膜形状を示す図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態による多要素電極を含むｃＭＵＴを製作するために利用される製作工程を示す図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態による多要素電極を含むｃＭＵＴを製作するために利用される製作工程を説明する論理流れ図である。
【図７】本発明の好ましい実施形態によってリング−環状アレイに形成された複数の多要素電極ｃＭＵＴを含むｃＭＵＴ撮像アレイシステムを示す図である。
【図８】本発明の好ましい実施形態によって側方に向いたアレイに形成された複数の多要素電極ｃＭＵＴを含むｃＭＵＴ撮像アレイシステムを示す図である。
【図９】側面電極長さを関数とするサンプルｃＭＵＴ薄膜に対する崩壊電圧の図である。
【図１０】薄膜崩壊前のサンプル薄膜プロフィールの図である。
【図１１】本発明の好ましい実施形態によって中心及び側面電極要素刺激を有するサンプルｃＭＵＴに対する周波数スペクトルの図である。
【図１２】本発明の好ましい実施形態によるサンプルｃＭＵＴに対する入力揺れ電圧を関数とする水中聴音器出力信号の振幅の図である。
【図１３】パルス−エコー実験において中心及び側面電極要素刺激を有するサンプルｃＭＵＴに対する周波数スペクトルの図である。
【符号の説明】
【００８２】
１００  ｃＭＵＴ
１０５  基板
１３０  薄膜
１３５、１４０、１４５  上部電極要素
１５０  信号発生及び受信回路
【図１】
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【図２】
2007527285.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
2007527285.tif 000006
【図４Ｂ】
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【図５】
2007527285.tif 000008
【図６】
2007527285.tif 000009
【図７】
2007527285.tif 000010
【図８】
2007527285.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2007527285.tif 000014
【図１２】
2007527285.tif 000015
【図１３】
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【国際調査報告】
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