ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПРИЖАТАЯ ЯЧЕЙКА ЕМКОСТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, ПОЛУЧАЕМОГО ПУТЕМ МИКРООБРАБОТКИ, С ПРИЖАТОЙ ОБЛАСТЬЮ КОЛЬЦЕВОЙ ФОРМЫ
PRELIMINARY PRESSED-IN CAPACITIVE TRANSDUCER CELL, PRODUCED BY MICRO PROCESSING, WITH PRESSED-IN RING-SHAPED AREA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к предварительно прижатой ячейке емкостного получаемого путем микрообработки преобразователя, в частности к ячейке емкостного получаемого путем микрообработки ультразвукового преобразователя (cMUT) или к ячейке емкостного получаемого путем микрообработки преобразователя/датчика давления, а также к способу ее изготовления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последнее время разрабатываются получаемые путем микрообработки ультразвуковые преобразователи (MUT). Получаемые путем микрообработки ультразвуковые преобразователи изготавливаются с использованием двух конструктивных решений: в одном используется керамический слой с пьезоэлектрическими свойствами (pMUT), а в другом используются мембрана (или диафрагма) и подложка с электродами (или пластинчатыми электродами), образующими конденсатор - так называемый емкостный ультразвуковой преобразователь, получаемый путем микрообработки (cMUT).
Ячейка cMUT содержит полость под мембраной. При приеме ультразвуковых волн ультразвуковые волны заставляют мембрану перемещаться или вибрировать, при этом может обнаруживаться изменение емкости между электродами. Посредством этого ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. И наоборот, электрический сигнал, подаваемый на электроды, заставляет мембрану перемещаться или вибрировать, посредством этого передавая ультразвуковые волны. Механизм, с помощью которого происходит такой прием или передача волн, называется электромеханической связью или, коротко говоря, «связью».
Вначале ячейки cMUT изготавливались для работы в так называемом «неприжатом» режиме. Традиционная «неприжатая» ячейка cMUT является по существу нелинейным устройством, в котором связь сильно зависит от напряжения смещения, приложенного к электродам.
Чтобы решить эту проблему, недавно были разработаны так называемые «предварительно прижатые» ячейки cMUT. В предварительно прижатой ячейке cMUT часть или область мембраны прижата к дну полости (или подложки) - так называемая «прижатая область». В одном типе «предварительно прижатых» ячеек cMUT мембрана постоянно прижата или прикреплена к подложке, а в другом типе «предварительно прижатых» ячеек cMUT мембрана лишь временно прижата к подложке (например, лишь во время работы).
В широком диапазоне напряжений смещения связь предварительно прижатой ячейки cMUT практически не зависит от напряжения смещения, что делает ячейку cMUT значительно более линейной. Кроме того, в нормальном диапазоне применения напряжения такая «предварительно прижатая» ячейка cMUT обеспечивает более значительную связь, чем «неприжатая» ячейка cMUT. Причина состоит в том, что полость или зазор между фиксированным нижним электродом подложки и гибким верхним электродом мембраны определяет емкость ячейки и, следовательно, ее связь. Известно, что наибольшая связь достигается вплотную к точке, в которой мембрана входит в соприкосновение с подложкой. Область непосредственно вокруг прижатой области имеет наименьший зазор и, следовательно, вносит наибольший вклад в связь.
Предварительно прижатая ячейка cMUT, например, описана в WO 2010/097729 A1. В WO 2010/097729 A1 описана ячейка преобразователя cMUT, пригодная к использованию в массиве ультразвуковых преобразователей cMUT, содержащем мембрану с первым электродом, подложку со вторым электродом и полость между мембраной и подложкой. cMUT приводится в действие в предварительно прижатом состоянии путем смещения мембраны в прижатое состояние к дну полости, при этом на прижатую мембрану отливается линза. После того как материал линзы полимеризируется или приобретает достаточную прочность, напряжение смещения снимается и материал линзы сохраняет мембрану в прижатом состоянии.
Однако необходимо создать предварительно прижатую ячейку емкостного получаемого путем микрообработки преобразователя с улучшенными характеристиками.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, имеющего улучшенные характеристики, и способа ее изготовления.
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается предварительно прижатая ячейка емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, включающая в себя подложку, содержащую первый электрод, и мембрану, содержащую второй электрод, причем в ячейке имеется внешняя область, в которой мембрана закреплена на подложке, и внутренняя область, расположенная внутри внешней области или окруженная ей, причем мембрана прижата к подложке в первой прижатой области кольцевой формы, расположенной во внутренней области.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ изготовления предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, причем способ включает в себя обеспечение подложки, содержащей первый электрод, обеспечение мембраны, содержащей второй электрод, причем в ячейке имеется внешняя область, в которой мембрана закреплена на подложке, и внутренняя область, расположенная внутри внешней области или окруженная ей, и прижатие мембраны к подложке в первой прижатой области кольцевой формы, расположенной во внутренней области.
Основная идея изобретения состоит в обеспечении прижатой (или шарнирно закрепленной) области кольцевой формы. Таким образом, прижатая область ячейки не является прижатой областью круглой (некольцевой) формы в центре ячейки, что имело место в ячейках предыдущего уровня техники. Согласно определению в математике, кольцо является геометрической фигурой или телом (имеющим отверстие в своей середине) либо областью между двумя концентрическими замкнутыми кривыми, например двумя концентрическими окружностями. Понятно, что вместо двух окружностей может использоваться любой иной тип замкнутой кривой.
Поскольку наиболее сильно связанная область преобразователя непосредственно прилегает к прижатой области, настоящее изобретение увеличивает область сильной связи. Поэтому эффективная связь ячейки увеличивается. При этом характеристики ячейки улучшаются, поскольку область, обеспечивающая сильную связь, увеличивается. В частности, высота полости между подложкой и мембраной плавно или непрерывно уменьшается до нуля к прижатой области. Такая прижатая область кольцевой формы может, в частности, находиться ближе к границе ячейки или на меньшем расстоянии от нее по сравнению с центральной прижатой областью ячейки предыдущего уровня техники. Прижатая область кольцевой формы может использоваться вместо центральной прижатой области или в дополнение к ней.
Во внутренней области ячейки образуется, по меньшей мере, одна полость между мембраной и подложкой. Поскольку имеется прижатая область кольцевой формы, между мембраной и подложкой образуются, по меньшей мере, две полости. Первая полость образуется между мембраной и подложкой в некоторой области внутри прижатой области кольцевой формы (или в окруженной ей области), а вторая полость образуется между мембраной и подложкой в некоторой области снаружи прижатой области кольцевой формы (или в окружающей ее области).
При использовании настоящего изобретения эффективность преобразования ячейки улучшается. Во-первых, преобразование из электрической энергии в механическую энергию, как правило, происходит только в области мембраны, которая находится в непосредственной близости от прижатой области. Это область мембраны, в которой мембрана испытывает действие значительной электростатической силы ввиду непосредственной близости и концентрации заряда и в которой мембрана может в то же время перемещаться под действием этой силы. Область мембраны, которая уже соприкасается с подложкой, такая как прижатая область, не может перемещаться. Область мембраны, которая может перемещаться, но не находится в непосредственной близости от прижатой области, не имеет большой концентрации электрического заряда. Во-вторых, поскольку для передачи, как правило, используются большие электрические сигналы и в мембране получаются большие перемещения, фактическая область сильной передачи движется вперед и назад поперек поверхности ячейки преобразователя. Благодаря наличию прижатой области кольцевой формы область сильной электромеханической связи, которая является зоной активного преобразования, удалена от центра ячейки. Кроме того, могут быть созданы две зоны преобразования, а не одна. Поскольку это больше чем вдвое увеличивает площадь зоны активного преобразования, эффективность преобразования повышается. Иными словами, это больше чем вдвое увеличивает длину зоны активного преобразования без уменьшения ее эффективной ширины.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявляемый способ имеет предпочтительные варианты осуществления, аналогичные и/или идентичные заявляемой ячейке и определяемые в зависимых пунктах формулы изобретения.
В первом варианте осуществления второй электрод расположен в первой области преобразования внутри первой прижатой области кольцевой формы или в окруженной ей области.
Во втором варианте осуществления второй электрод расположен во второй области преобразования снаружи первой прижатой области кольцевой формы или в окружающей ее области. Такой вариант осуществления может, в частности, использоваться в качестве альтернативы первому варианту осуществления или в сочетании с ним.
В одном варианте второй электрод расположен, по меньшей мере, в непосредственной близости от первой прижатой области кольцевой формы. На этом участке имеется лишь небольшой зазор между вторым электродом мембраны и соответствующим первым электродом подложки. Посредством этого обеспечивается повышенная или максимальная электромеханическая связь ячейки. Данный вариант может, в частности, использоваться в первом варианте осуществления и/или втором варианте осуществления.
В еще одном варианте осуществления второй электрод и/или первый электрод имеют кольцевую форму. При этом электрод (электроды) оптимально вписывается в прижатую область кольцевой формы. Посредством этого электрод может минимизировать неэлектромеханически связанную часть емкости ячейки. Данный вариант может, в частности, использоваться в сочетании с любым другим вариантом (вариантами) осуществления.
В еще одном варианте осуществления первая прижатая область кольцевой формы сосредоточена вокруг центра ячейки или мембраны. Посредством этого может быть создана симметричная прижатая область. Данный вариант может, в частности, использоваться в сочетании с любым другим вариантом (вариантами) осуществления.
В еще одном варианте осуществления мембрана дополнительно прижата к подложке во второй прижатой области, расположенной во внутренней области. Посредством этого электромеханически связанный участок ячейки дополнительно увеличивается. Данный вариант может, в частности, использоваться в сочетании с первым и/или вторым вариантом осуществления. В одном варианте вторая прижатая область расположена в центральной области или в центре ячейки или мембраны. Вторая прижатая область может, в частности, иметь круглую (некольцевую) форму. В еще одном варианте второй электрод расположен, по меньшей мере, в непосредственной близости от второй прижатой области. Например, внешняя граница второго электрода может находиться в непосредственной близости от первой прижатой области, а внутренняя граница второго электрода может находиться в непосредственной близости от второй прижатой области.
В еще одном варианте осуществления во внутренней области мембраны имеется остаточное напряжение, возникшее при изготовлении. Таким образом, может формироваться или поддерживаться полость между мембраной и подложкой, в то время как или в тех случаях, когда мембрана прижата к подложке в первой прижатой области кольцевой формы. При этом полость между мембраной и подложкой легко может быть создана. В частности, остаточное напряжение, возникшее при изготовлении, может заставлять мембрану выпучиваться в сторону от подложки.
В еще одном варианте осуществления мембрана дополнительно содержит третий электрод, расположенный в первой прижатой области. Таким образом, первая прижатая область кольцевой формы может быть создана легким и/или надежным способом. В частности, между первым (нижним) электродом подложки и третьим электродом может быть приложено достаточное напряжение, чтобы прижать мембрану и создать первую прижатую область кольцевой формы. Третий электрод может, в частности, иметь круглую форму.
Поэтому в еще одном варианте осуществления или варианте в тех случаях, когда мембрана дополнительно содержит третий электрод, расположенный в первой прижатой области, прижатие мембраны к подложке включает в себя приложение напряжения между первым электродом и третьим электродом.
В еще одном варианте осуществления мембрана дополнительно содержит четвертый электрод, расположенный во второй прижатой области. Таким образом, вторая прижатая область может быть создана легким и/или надежным способом. В частности, между первым (нижним) электродом подложки и четвертым электродом может быть приложено достаточное напряжение, чтобы прижать мембрану и создать центральную вторую прижатую область. Четвертый электрод может, в частности, иметь круглую форму.
Поэтому в еще одном варианте осуществления или варианте в тех случаях, когда мембрана дополнительно содержит четвертый электрод, расположенный во второй прижатой области, прижатие мембраны к подложке включает в себя приложение напряжения между первым электродом и четвертым электродом.
В еще одном варианте осуществления второй электрод и/или третий электрод имеют, по меньшей мере, одно отверстие в своей кольцевой форме, причем в отверстии расположен соединитель с четвертым электродом и/или вторым электродом. Это дает дешевую и менее сложную ячейку, поскольку при этом не требуются какие-либо межсоединения над электродами. В одном примере второй электрод может иметь, по меньшей мере, одно отверстие в своей кольцевой форме, причем в отверстии расположен соединитель с четвертым электродом. В одном примере третий электрод имеет, по меньшей мере, одно отверстие в своей кольцевой форме, причем в отверстии расположен соединитель со вторым электродом.
Поэтому в еще одном варианте осуществления или варианте третий электрод разделен на сегменты, причем соединитель со вторым электродом проходит между двумя сегментами третьего электрода. Таким образом, второй электрод и третий электрод электрически развязаны или изолированы друг от друга.
В еще одном варианте осуществления мембрана постоянно прижата. При этом мембрана постоянная прикреплена к подложке или механически прижата. Данный вариант осуществления может, в частности, использоваться в сочетании с любым другим вариантом (вариантами) осуществления.
В еще одном варианте осуществления мембрана прижата только во время работы ячейки. При этом мембрана лишь временно прижата к подложке (не постоянно) либо прижата электрически (например, путем подачи напряжения смещения на два электрода). Поэтому работа ячейки может включать в себя подачу напряжения смещения. Данный вариант может, в частности, использоваться в сочетании с любым другим вариантом (вариантами) осуществления.
В еще одном варианте осуществления ячейка представляет собой ячейку круглой формы. Круглая ячейка дает довольно хорошее заполнение имеющегося пространства и/или очень мало колебательных мод более высокого порядка, в частности колебательных мод, которые конкурируют с желательной модой для передаваемой энергии или создают мешающие сигналы, затрудняющие прием полезных принимаемых сигналов. Данный вариант осуществления может, в частности, использоваться в сочетании с любым другим вариантом (вариантами) осуществления.
В еще одном варианте осуществления ячейка представляет собой ячейку емкостного получаемого путем микрообработки ультразвукового преобразователя (cMUT) для передачи и/или приема ультразвуковых волн. В альтернативном варианте осуществления ячейка представляет собой ячейку емкостного получаемого путем микрообработки преобразователя (датчика) давления для измерения давления. Данный вариант осуществления может, в частности, использоваться в сочетании с любым другим вариантом (вариантами) осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения будут понятны из описываемого ниже варианта (вариантов) осуществления и объяснены применительно к нему. На нижеследующих чертежах
на фиг. 1 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного получаемого путем микрообработки преобразователя не в соответствии с изобретением,
на фиг. 1а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 1,
на фиг. 2 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 2а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 2,
на фиг. 3 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 3а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 3,
на фиг. 4 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 4а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 4,
на фиг. 5 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 6 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения,
на фиг. 7 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения,
на каждой из фиг. 8а-с изображен свой пример вида сверху электродов предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с пятым вариантом осуществления, показанным на фиг. 6,
на фиг. 9 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, и
на фиг. 9а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 9.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки 10 емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки не в соответствии с изобретением, а на фиг. 1а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 1. На фиг. 1 предварительно прижатый емкостный преобразователь, получаемый путем микрообработки 10 содержит подложку 12, содержащую первый (нижний) электрод 16, а мембрана 14 содержит второй (верхний) электрод 18. Между подложкой 12 и мембраной 14 образована полость 13. Мембрана 14 прижата к подложке 12 в прижатой области, расположенной в центре С мембраны 14 ячейки 10 (или центре С ячейки С).
На фиг. 1, а также на фиг. 1а затенение или изображение пунктиром в полости 13 означает электромеханическую связь в зависимости от положения. Увеличенная плотность пунктира означает увеличенную связь. Как можно видеть, центральная область вокруг центра С не имеет никаких связей, поскольку она прижата (или шарнирно прикреплена) к подложке 12. Наибольшая связь обеспечивается непосредственно в том месте, в котором мембрана 14 входит в соприкосновение с подложкой 12. Причина состоит в том, что высота полости 13 (или зазора) между (фиксированным) нижним электродом 16 и (гибким) верхним электродом 18 определяет емкость ячейки 10 преобразователя и, следовательно, ее связь.
На фиг. 1 из-за сплошного верхнего электрода 18, проходящего по всей области мембраны, прижатая область в центре С увеличивает паразитную емкость, но не связь, поскольку она не может двигаться. Как видно на фиг. 1, высота полости 13 (или зазора) монотонно увеличивается от края прижатой области по направлению к периметру. Чем дальше от центра С, тем больше увеличивающаяся площадь, но тем больше высота полости 13 (или зазора). Область сильной связи может, например, быть увеличена путем подачи большего напряжения смещения. Это увеличит площадь и периметр прижатой области, при этом периметр обеспечивает увеличенную связь. К сожалению, это также увеличит нежелательную емкость прижатой области.
На фиг. 2 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки 10 емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, а на фиг. 2а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 2. Предварительно прижатый емкостный получаемый путем микрообработки преобразователь 10 содержит подложку 12, содержащую первый электрод 16, и подвижную или гибкую мембрану 14, содержащую второй электрод 18. Между первым (нижним) электродом 16 и вторым (верхним) электродом 18 сформирован конденсатор. Первый электрод 16 нанесен на материал основы подложки, а второй электрод 18 нанесен на материал основы мембраны. Однако понятно, что первый электрод 16 может также быть вделан в материал 14 основы мембраны или помещен в него или на него любым подходящим способом.
Между подложкой 12 и мембраной 14 образована полость 13. При приеме, например, ультразвуковых волн ультразвуковые волны заставляют мембрану 14 перемещаться или вибрировать, при этом может обнаруживаться изменение емкости между электродами 16, 18. Посредством этого ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. И наоборот, электрический сигнал, подаваемый на электроды 16, 18, заставляет мембрану 14 перемещаться или вибрировать, посредством этого передавая ультразвуковые волны.
Материал основы подложки 12 может, например, представлять собой проводящий или полупроводящий материал, такой как, например, кремний. Однако понятно, что может использоваться любой подходящий материал. Если материал основы подложки 12 является проводящим или полупроводящим, может быть нанесен изолирующий слой между материалом основы подложки и первым (нижним) электродом 16. Изолирующий слой может наноситься на верхнюю сторону первого (нижнего) электрода 16. Таким образом, обе или все соприкасающиеся поверхности являются одинаковыми изоляторами. Материал основы мембраны 14 может, например, представлять собой изолирующий материал, такой как, например, диоксид кремния, нитрид кремния и/или оксинитрид кремния. Однако понятно, что может использоваться любой подходящий материал.
Как видно на фиг. 2а, ячейка 10 данного варианта осуществления представляет собой ячейку круглой формы, имеющую центр С. Ячейка симметрична (с круговой симметрией) относительно центра С. Ячейка 10 имеет внешнюю область 22, в которой мембрана 14 установлена на подложке 12. В варианте осуществления на фиг. 2 ячейка содержит опору 15 между подложкой 12 и мембраной 14, которая используется для установки мембраны 14 на подложку 12. Высота полости (или толщина зазора) резко или скачком падает (от своего максимального значения) до нуля в опоре 15. Опора 15 может представлять собой опору кольцевой формы. Однако понятно, что мембрана может устанавливаться на подложке любым иным подходящим способом.
Ячейка 10 дополнительно содержит внутреннюю область 20, расположенную внутри внешней области 22 или окруженную ей. Внутренняя область 20 ограничена опорой 15. Мембрана 14 прижата к подложке 12 в первой прижатой области 24, расположенной во внутренней области 20. Первая прижатая область 24 имеет кольцевую форму (или форму кольца). Первая прижатая область 24 кольцевой формы сосредоточена вокруг центра С ячейки 10 (или центра С мембраны 14). Высота полости 13 (или толщина зазора) плавно или непрерывно уменьшается до нуля в прижатой области 24. Наиболее сильно связанный участок ячейки 10 преобразователя непосредственно прилегает к прижатой области 24. Поэтому связь ячейки увеличивается. На фиг. 2, а также на фиг. 2а затенение или изображение пунктиром в полости 13 означает электромеханическую связь в зависимости от положения. Увеличенная плотность пунктира означает увеличенную связь. Как можно видеть, связь пренебрежимо мала в центре С ячейки и увеличивается от центра С в направлении предварительно прижатой области 24. Электромеханическая связь иногда также называется «чувствительностью» ячейки несмотря на то, что чувствительность, строго говоря, зависит от внешних условий, а также от электромеханической связи.
Поскольку во внутренней области 20 имеется прижатая область 24 кольцевой формы, образуются первая полость 13 и вторая полость 17. Первая полость 13 находится внутри прижатой области 24 кольцевой формы. Иными словами, первая полость 13 образуется между мембраной 14 и подложкой 12 в некоторой области, расположенной внутри прижатой области 24 кольцевой формы или окруженной ей. Вторая полость 17 находится снаружи прижатой области 24 кольцевой формы. Иными словами, вторая полость 17 образуется между мембраной 14 и подложкой 12 в некоторой области, расположенной снаружи прижатой области 24 кольцевой формы или окружающей ее. Вторая полость 17 имеет кольцевую форму.
Второй (верхний) электрод 18 имеет кольцевую форму. При этом второй электрод 18 оптимально вписывается в прижатую область 24 кольцевой формы. Посредством этого второй электрод 18 может минимизировать неэлектромеханически связанную часть емкости ячейки. Электромеханическая связь зависит от максимизации отношения доли емкости, которая изменяется при перемещении мембраны, к доле, которая не изменяется. Это достигается использованием второго электрода 18 кольцевой формы и, следовательно, минимизацией открытости электрода по всей предварительно прижатой области 24. В соответствии с другим вариантом, может также использоваться отдельный электрод, не соединенный электрически со вторым электродом 18.
Второй электрод 18 расположен (по меньшей мере) в непосредственной близости от (или непосредственно прилегает к) первой прижатой области 24 кольцевой формы. Второй электрод 18 расположен над первой полостью 13 в той области, в которой высота полости 13 плавно или непрерывно уменьшается до нуля. Как видно на фиг. 2, внешний край 18а второго электрода 18 заканчивается в точке, в которой начинается прижатая область 24. Внутренний край 18b второго электрода 18 ограничивает собой отверстие электрода 18 кольцевой формы. В варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, второй электрод 18 расположен в первой области 26 преобразования, которая находится внутри первой прижатой области 24 кольцевой формы (или окружена ей). Иными словами, второй (верхний) электрод 18 расположен над первой полостью 13 и над первым (нижним) электродом 16. Этим формируется зона активного преобразования ячейки.
На фиг. 3 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, а на фиг. 3а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 3. Соответствующие пояснения и ссылочные позиции для первого варианта осуществления распространяются также на вариант осуществления, изображенный на фиг. 3. По сравнению с вариантом осуществления на фиг. 1 в варианте осуществления на фиг. 3 второй электрод 18 расположен во второй области 27 преобразования, которая находится снаружи первой прижатой области 24 кольцевой формы (или окружает ее). Иными словами, второй электрод 18 расположен над второй полостью 17. Второй электрод 18 расположен (по меньшей мере) в непосредственной близости от (или непосредственно прилегает к) первой прижатой области 24 кольцевой формы. Второй электрод 18 расположен над второй полостью 17 в той области, в которой высота полости 17 плавно или непрерывно уменьшается до нуля. На фиг. 3, а также на фиг. 3а затенение или изображение пунктиром в полости 17 означает связь в зависимости от положения. Увеличенная плотность пунктира означает увеличенную связь. Как можно видеть, связь является наименьшей или незначительной на опоре 15 (или внешней области 22 ячейки) и увеличивается в направлении предварительно прижатой области 24.
Понятно, что возможно также сочетание первого варианта осуществления и второго варианта осуществления. В таком случае второй электрод 18 может содержать первую часть электрода, расположенную в первой области 26 преобразования, и вторую часть электрода, расположенную во второй области 27 преобразования.
На фиг. 4 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, а на фиг. 4а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 4. Соответствующие пояснения и ссылочные позиции для предыдущих вариантов осуществления распространяются также на вариант осуществления, изображенный на фиг. 4. Ячейка варианта осуществления на фиг. 4 основана на ячейке варианта осуществления на фиг. 2. Однако в варианте осуществления на фиг. 4 мембрана 14 дополнительно прижата к подложке 12 во второй прижатой области 28, расположенной во внутренней области 20. Таким образом, электромеханически связанный участок ячейки дополнительно увеличивается. Вторая прижатая область 28 расположена в центре С ячейки 10 мембраны 14. Первая полость 13 в этом случае имеет кольцевую форму. Вторая прижатая область 28 имеет круглую (некольцевую) форму. В варианте осуществления на фиг. 4 второй электрод 18 кольцевой формы расположен в первой области преобразования 26, как объяснено со ссылкой на фиг. 2. Второй электрод 18 расположен (по меньшей мере) в непосредственной близости от второй прижатой области 28 (или непосредственно прилегает к ней). Второй электрод расположен как в непосредственной близости от первой прижатой области 24, так и в непосредственной близости от второй прижатой области 28. В частности, внешний край 18а второго электрода 18 расположен в непосредственной близости от первой прижатой области 24, а внутренний край 18b второго электрода 18 расположен в непосредственной близости от второй прижатой области 28. На фиг. 4, а также на фиг. 4а затенение или изображение пунктиром в полости 13 означает связь в зависимости от положения. Увеличенная плотность пунктира означает увеличенную связь. Как можно видеть, связь является наименьшей или незначительной в центре полости 13 кольцевой формы и увеличивается как в направлении первой прижатой области 24, так и в направлении второй прижатой области 28.
В рассмотренных выше вариантах осуществления мембрана 14 может быть постоянно прижата (механически прижата) либо мембрана 14 может быть прижата лишь во время работы ячейки (электрически прижата). Далее со ссылкой на фиг. 5-8 описывается случай электрического прижатия с помощью дополнительных прижимающих электродов.
На фиг. 5 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения. Соответствующие пояснения и ссылочные позиции для предыдущих вариантов осуществления распространяются также на вариант осуществления, изображенный на фиг. 5. Ячейка варианта осуществления на фиг. 5 основана на ячейке варианта осуществления на фиг. 2. Однако в варианте осуществления на фиг. 5 мембрана 14 дополнительно содержит третий электрод 19, расположенный в первой прижатой области 24. Третий электрод 19 используется для прижатия мембраны 14 к подложке 12. Мембрана 14 прижимается к подложке 12 путем приложения (достаточного) напряжения между первым электродом 16 и третьим электродом 19. Таким образом, третий электрод 19 мембраны 14 используется для прижатия мембраны или ячейки (и называется также прижимающим электродом), а второй электрод 18 мембраны 14 является воспринимающим электродом. Поскольку эти электроды 18, 19 электрически развязаны, предварительно прижатая область 24 не вносит вклад в паразитную емкость.
На фиг. 6 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения. Соответствующие пояснения и ссылочные позиции для предыдущих вариантов осуществления распространяются также на вариант осуществления, изображенный на фиг. 6. Ячейка варианта осуществления на фиг. 6 основана на ячейке варианта осуществления на фиг. 4. Однако в варианте осуществления на фиг. 6 мембрана 14 дополнительно содержит третий электрод 19, расположенный в первой прижатой области 24 (см. пояснение к фиг. 5), и четвертый электрод 21, расположенный во второй прижатой области 28. Третий электрод 19 и четвертый электрод 21 используются для прижатия мембраны 14 к подложке 12. Мембрана 14 прижимается к подложке 12 путем приложения (достаточного) напряжения между первым электродом 16 и третьим электродом 19 и путем приложения (достаточного) напряжения между первым электродом 16 и четвертым электродом 21. Таким образом, третий электрод 19 и четвертый электрод 21 мембраны 14 используются для прижатия мембраны или ячейки (и называются также прижимающими электродами), а второй электрод 18 мембраны 14 является воспринимающим электродом.
На фиг. 7 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки 10 емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения. Соответствующие пояснения и ссылочные позиции для предыдущих вариантов осуществления распространяются также на вариант осуществления, изображенный на фиг. 7. Ячейка варианта осуществления на фиг. 7 основана на ячейке сочетания первого варианта осуществления и второго варианта осуществления. При этом второй электрод содержит первую часть 18' электрода кольцевой формы (расположенную в первой области 26 преобразования) и вторую часть 18'' электрода кольцевой формы (расположенную во второй области 27 преобразования). Однако в варианте осуществления на фиг. 7 мембрана 14 дополнительно содержит третий электрод 19, расположенный в первой прижатой области 24 (см. пояснение к фиг. 5 или фиг. 6). Третий электрод при этом расположен между первой (внутренней) частью 18' электрода кольцевой формы (которая находится внутри прижатой области 24 кольцевой формы) и второй (внешней) частью 18'' электрода кольцевой формы (которая находится снаружи прижатой области 24 кольцевой формы).
На каждой из фиг. 8а-с изображен свой пример вида сверху электродов предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с пятым вариантом осуществления, показанным на фиг. 6. На каждой из фиг. 8а-с показаны второй (воспринимающий) электрод 18, третий (прижимающий) электрод 19 и четвертый (прижимающий) электрод 21. Второй (воспринимающий) электрод 18 электрически развязан с третьим (прижимающим) электродом 19 и/или четвертым (прижимающим) электродом 21. Третий и четвертый (прижимающие) электроды 19, 21 могут быть электрически соединены. Однако третий и четвертый (прижимающие) электроды 19, 21 могут быть также электрически развязаны, если имеется необходимость или желание подавать различные напряжения на третий и четвертый (прижимающие) электроды 19, 21.
На фиг. 8b или фиг. 8с также изображен соединитель (соединители) 38 со вторым электродом 18 кольцевой формы и соединитель (соединители) 39 с третьим электродом 19 и четвертым электродом 21. При этом на фиг. 8b или фиг. 8с показаны примеры геометрии электродов, чтобы проложить электроды для обеспечения независимого доступа к центру. На каждой из фиг. 8а-с независимый доступ к центру необходим для подачи напряжения на электрод 21 без соединения его с электродом 18. На фиг. 8а это может, например, осуществляться с помощью межсоединений над электродом 18. Однако это потребует несколько дополнительных технологических операций, увеличивающих стоимость и сложность устройств. На фиг. 8b во втором электроде 18 имеется одно отверстие в его кольцевой форме, и в третьем электроде 19 имеется одно отверстие в его кольцевой форме. Соединитель 39 с четвертым электродом 21 расположен в отверстии второго электрода 18, а соединитель 38 со вторым электродом 18 расположен в отверстии третьего электрода 19. На фиг. 8с во втором электроде 18 имеется множество отверстий в его кольцевой форме, и в третьем электроде 19 имеется множество отверстий в его кольцевой форме. Таким образом, и второй электрод 18, и третий электрод 19 разделены на сегменты. На фиг. 8с каждый из электродов 18, 19 разделен на четыре сегмента. Желательно разделять каждый электрод на большее число сегментов для обеспечения более точной радиальной симметрии. Однако электроды могут также быть разделены на меньшее число сегментов, например, по меньшей мере, на два сегмента. Сегменты могут соединяться снаружи за пределами внутренней области (или области мембраны). Как видно на фиг. 8с, каждый соединитель 38 со вторым электродом 18 проходит между двумя сегментами третьего электрода 19. Каждый соединитель 39 проходит между двумя сегментами второго электрода 18. Иными словами, один соединитель 39 с четвертым электродом 21 расположен в каждом из отверстий второго электрода 18, а один соединитель 38 со вторым электродом 18 расположен в каждом из отверстий третьего электрода 19.
Вообще говоря, в предварительно прижатой области мембрана может быть прижата с помощью различных способов, например с помощью электрического прижатия или механического прижатия. В одном примере во внутренней области мембраны 14 может иметься остаточное напряжение, возникшее при изготовлении. В частности, остаточное напряжение, возникшее при изготовлении, может заставлять мембрану выпучиваться в сторону от подложки. Таким образом, создается полость 13, 17 между мембраной 14 и подложкой 12. Без остаточного напряжения, возникшего при изготовлении, первая область 26 преобразования (область, находящаяся внутри прижатой области 24 кольцевой формы или окруженная ей) может оставаться соприкасающейся с подложкой 12.
В одном примере остаточное напряжение мембраны 14 в первой области 25 преобразования может быть выполнено сжимающим, чтобы имелась первая полость 13 (или зазор). Область сжимающего напряжения должна проходить между нейтральной плоскостью мембраны и поверхностью мембраны, удаленной (или отвернутой) от полости или зазора. Кроме того, область сжимающего напряжения может проходить от центра наружу приблизительно до радиуса прижатой области кольцевой формы. Как известно из теории пластин и оболочек машиностроения, в мембране отсутствует нейтральная плоскость, которая не подвергается растяжению или сжатию при изгибе мембраны. Любое сжимающее напряжение с одной стороны нейтральной плоскости изогнет мембрану внутрь от сжатой стороны, и наоборот, любое растягивающее напряжение с одной стороны нейтральной плоскости изогнет мембрану внутрь по направлению к сжатой стороне.
В альтернативном примере напряжение может быть растягивающим и осуществляться между нейтральной плоскостью мембраны и поверхностью мембраны, близкой (или обращенной) к полости или зазору. Прочие примеры могут включать в себя растягивающее удаленное напряжение над прижатым кольцом, сжимающее близкое напряжение над прижатым кольцом или любое сочетание вышеупомянутых примеров. Кроме того, снаружи прижатого кольца могут находиться дополнительные слои, например сжимающее удаленное напряжение или растягивающее ближнее напряжение.
Управление остаточным напряжением, возникшим при изготовлении мембраны, может осуществляться, например, посредством стехиометрии мембраны и/или с помощью многослойной мембраны с различными материалами и напряжением в слоях. Например, условия осаждения материала также влияют на напряжение мембраны. В качестве конкретного примера, если материал основы мембраны изготовлен из диоксида кремния, нитрида кремния и/или оксинитрида кремния, диоксид кремния может быть сжимающим, нитрид кремния может быть растягивающим, а управление напряжением в оксинитриде кремния может осуществляться с помощью стехиометрии. Состав материалов электрода также может вносить вклад в напряжение. Дополнительный вклад в напряжение может учитываться посредством выбора материалов электрода и параметров осаждения, а также путем структурированных слоев соответствующих дополнительных материалов.
На фиг. 9 изображен вид в поперечном разрезе предварительно прижатой ячейки емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки, в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, а на фиг. 9а изображен вид сверху ячейки, показанной на фиг. 9. Соответствующие пояснения и ссылочные позиции для предыдущих вариантов осуществления распространяются также на вариант осуществления, изображенный на фиг. 9. В варианте осуществления на фиг. 9 мембрана 14 установлена на подложке 12 в центральной области 29 с помощью столбика или выступа 15а на плоской поверхности подложки 12 (или ее электрода 16). Выступ 15а расположен между подложкой 12 и мембраной 14. Первая полость 13 кольцевой формы формируется между мембраной 14 и подложкой 12 в области, окружающей выступ 15а. Предпочтительно выступ 15а может быть создан в ходе той же технологической операции, что и опора 15. Выступ 15а имеет круглую форму и расположен в центральной области 29 вокруг центра С ячейки. Высота полости 13 (или толщина зазора) резко или скачком падает (от своего максимального значения) до нуля в выступе 15а. При этом выступ 15а не является второй прижатой областью и, следовательно, не создает больше связи (по сравнению с вариантом осуществления на фиг. 4 или фиг. 6, имеющим вторую прижатую область). Однако вариант осуществления на фиг. 9 надежен и прост в изготовлении. В варианте осуществления на фиг. 9 мембрана 14 прижимается с помощью напряжения смещения, подаваемого на третий (прижимающий) электрод 19, а не с помощью внешнего механического напряжения на мембране 14. Таким образом, остаточное напряжение, возникшее при изготовлении, в мембране в варианте осуществления на фиг. 9 не требуется.
На фиг. 9, а также на фиг. 9а затенение или изображение пунктиром в первой полости 13 и во второй полости 17 означает связь в зависимости от положения. Увеличенная плотность пунктира означает увеличенную связь. Как можно видеть, во второй полости 17 кольцевой формы связь является наименьшей или незначительной на опоре 15 (или внешней области 22 ячейки) и увеличивается в направлении предварительно прижатой области 24. В первой полости 13 кольцевой формы связь является наименьшей или незначительной на выступе 15а (в центре С) и увеличивается в направлении предварительно прижатой области 24.
Необходимо отметить, что на виде в поперечном разрезе на фиг. 9 показана всего одна ячейка 10 (круглой формы), как можно видеть на виде сверху на фиг. 9а. Ячейка 10 симметрична (с круговой симметрией) относительно центра С или центрального выступа 15а. Кроме того, в варианте осуществления на фиг. 9 второй электрод содержит первую часть 18' электрода кольцевой формы (расположенную в первой области 26 преобразования) и вторую часть 18'' электрода кольцевой формы (расположенную во второй области 27 преобразования). Однако следует понимать, что второй электрод может также располагаться только либо в первой области 26 преобразования, либо во второй области 27 преобразования.
В вариантах осуществления, описанных выше со ссылкой на фиг. 2-9, показано, что первый (нижний) электрод 16 представляет собой сплошной слой, нанесенный на материал основы подложки и проходящий по всей внутренней области 20 (либо мембране или ячейке). Однако следует понимать, что может использоваться любой иной подходящий первый электрод. Например, первый электрод может представлять собой электрод кольцевой формы и/или может не проходить по всей внутренней области (либо мембране или ячейке). Даже в том случае, если в вариантах осуществления, описанных выше со ссылкой на фиг. 2-7, второй электрод 18 представляет собой электрод кольцевой формы и не проходит по всей внутренней области (либо мембране или ячейке), понятно, что может использоваться любой иной подходящий второй электрод. Например, второй электрод может представлять собой электрод круглой формы и/или может проходить по всей внутренней области (либо мембране или ячейке). Во всех случаях или вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, конфигурации электрода мембраны и подложки могут меняться местами, не влияя на действие ячейки преобразователя.
В вариантах осуществления, описанных выше со ссылкой на фиг. 2-9, ячейка 10 представляет собой ячейку круглой формы. Круглая ячейка дает довольно хорошее заполнение имеющегося пространства и/или очень мало колебательных мод более высокого порядка, в частности колебательных мод, которые конкурируют с желательной модой для передаваемой энергии или создают мешающие сигналы, затрудняющие прием полезных принимаемых сигналов. Однако понятно, что может использоваться любая другая подходящая форма ячейки, например эллиптическая, многоугольная, шестиугольная, прямоугольная или квадратная и т.п. Таким образом, круговая симметрия, используемая для описания концепций, не должна рассматриваться как ограничивающая.
Настоящее изобретение может быть дополнительно описано на основе одного или более из нижеследующих вариантов осуществления. В первом варианте осуществления прижатие выполняется в кольцевой области вдали от центра вместо традиционной области прижатия в центре или в дополнение к ней. Таким образом, участок активного преобразования значительно увеличивается. Во втором варианте осуществления один или два электрода могут создавать прижатые области: одну - в центре устройства, а вторую - дальше вокруг периметра. В третьем варианте осуществления для преобразования предусматривается отдельный кольцевой электрод. В четвертом варианте осуществления мембрана может быть выполнена с распределением остаточного напряжения, возникшего при изготовлении, которое заставляет мембрану выпучиваться в сторону от подложки в области преобразования.
С точки зрения технологии, предварительно прижатая ячейка емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки ультразвукового (cMUT), в соответствии с настоящим изобретением может, в принципе, изготавливаться тем же или подобным образом, что и традиционная «неприжатая» ячейка ультразвукового емкостного преобразователя, получаемого путем микрообработки (в частности, cMUT), которая, например, подробно описана в документе WO 2010/032156, включенном в настоящую заявку посредством ссылки.
Настоящее изобретение применимо к любой ячейке емкостного ультразвукового преобразователя, получаемого путем микрообработки (cMUT), для передачи и/или приема ультразвуковых волн, в частности, к ячейке cMUT, достаточно большой, чтобы выдерживать многоэлектродную структуру (например, по меньшей мере, до 30 МГц или выше). Однако, в принципе, настоящее изобретение также применимо к любому иному предварительно прижатому емкостному преобразователю, получаемому путем микрообработки, такому как, например, датчик или преобразователь давления для измерения давления. Понятно, что термин «преобразователь» также включает в себя частный случай датчика.
Несмотря на то что изобретение проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеизложенном описании, такое иллюстрирование и описание следует считать пояснительными или приводимыми в качестве примера, а не ограничительными; настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. При осуществлении заявляемого изобретения по результатам изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения помимо описанных вариантов осуществления специалистами могут быть поняты и реализованы другие варианты.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артикль не исключает множества. Отдельный элемент или иной блок может выполнять функции нескольких признаков, перечисленных в формуле изобретения. Сам по себе тот факт, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем формулы изобретения.