CN103459051B - Cmut设备中的温度补偿 - Google Patents
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Abstract
CMUT设备被用在许多应用中,例如用于超声成像和压力测量。这些设备通过感测由膜的挠曲造成的电容的改变而运行,所述膜包括处于所述设备中的电极对中的一个,所述膜的挠曲由膜的超声暴露或施加在所述膜上的压力导致。所述CMUT设备可能易受改变温度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及CMUT设备,涉及CMUT设备的应用,以及涉及制造CMUT设备的方法。本发明还涉及一种CMUT设备,其包括硅衬底、腔、以及膜。所述膜和所述硅衬底每个被布置为形成所述腔的侧部,所述侧部定位为彼此相对。第一电极被布置为毗邻并且平行于所述腔,其被布置为邻接所述硅衬底,并且第二电极被布置为毗邻并且平行于所述腔,与所述第一电极相对,并且被嵌入到所述膜中。
背景技术
CMUT(电容式微机械超声换能器)为一种类型的MEMS(微电子机械***)设备。CMUT利用电力用于换能器作用。构造通常通过在硅衬底上制造CMUT得以完成。在衬底的区域中形成腔,并且跨过所述腔悬挂的薄层形成膜。电极被放在所述膜处和所述衬底处,以形成电极对。
膜的振动可以通过(例如使用超声)施加压力而被触发,或这可以以电学方式诱发。通常借助于ASIC(专用集成电路)到CMUT的电气连接来便利设备的发送模式和接收模式两者。在接收模式中,所述膜位置的改变造成电容的改变,其可以用电子的方式记载。在发送模式中,施加电信号以造成所述膜的振动。
CMUT设备一般利用所施加的偏置电压工作。所述CMUT可以在所谓的塌陷模式中工作,在所述塌陷模式中,所施加的偏置电压增加到塌陷电压以上,以限制膜并将其约束到衬底。所述CMUT设备的操作频率由所述膜的材料和物理性质,例如硬度、以及腔的大小表征。所述偏置电压以及所述CMUT设备的应用也影响工作模式。
CMUT通常被用在用于超声成像应用的设备中,以及利用所述CMUT来检测流体或空气压力的其他应用中。压力造成膜的挠曲,所述挠曲被以电子方式感测为电容的改变。然后可以推导压力读数。
CMUT设备的问题在于,温度变化也可以是膜挠曲的根源。在接收模式中,这给出了从所述CMUT设备导出的信息的不准确读数。尤其是,这个问题可能对于用于医学设备中的CMUT基压力传感器有很大限制。在发送模式中,这造成减小的电力到压力(例如超声波)转换效率。
发明内容
本发明的目标是克服CMUT设备的上述温度敏感性问题。
根据本发明,通过提供还包括温度补偿装置的CMUT设备来实现该目标,这样的装置被布置为通过使膜的热诱导动量最小化,减少所述膜的温度诱导挠曲。
CMUT设备展示出在较高温度时较高电容测量值的趋势。因此,在由CMUT进行压力测量的范例中,与工作于较高温度区域相同设备相比,设备中要被测量的固定压力在较低温度下将对应于的较低电容。或者换句话说,所述CMUT设备中的电容在较高温度将匹配明显较低的压力读数。
作为良好近似,该物理关系可以被描述为根据下式的线性效应:
P=P0+βT
其中P为表观压力,P0为实际压力,T为温度,并且β为与因温度变化造成的压力改变相关的系数。
这样的系数,一旦已知,将允许对针对个体CMUT设备在不同温度时压力数据的表征和校正。
本申请的发明人已认识到,温度变化效应的根源来自构成所述膜的材料的设计与特性。通常,CMUT设备将电极(这里标记为第二电极)并入它的膜中。所述电极由不同于膜自身的材料的导电材料制成。在温度变化的影响下,两种材料以不同比率膨胀或收缩,并且具有不同的膨胀特性。这在膜区域内形成应力和动量,其触发所述膜的移动,由此刺激电容的改变。借助于本发明,热诱导力在所述膜上和/或热诱导动量在所述膜中的作用得以最小化,从而导致所述膜的低得多的热诱导挠曲。
在本发明另外的实施例中,已根据下式对旋转对称的膜的挠曲进行了建模:
其中
方程1
M=S·((h2-0.5h3)2-(h1-0.5h3)2)
S=(α1·E1-α2·E2)·ΔT
其中,
h为所述膜在所述腔的中心点处朝向所述衬底的温度诱导挠曲,
M为所述膜的热诱导动量,
D为板的抗弯刚度,
rm为从所述腔的所述中心点定义的所述膜的半径,
rb为从所述腔的所述中心点定义的所述第二电极的半径,
h1、h2和h3分别为从构成所述腔的侧部的所述膜的侧部测量的,到所述第二电极的第一侧部的距离、到所述第二电极的第二侧部的距离和所述膜的厚度,
υ为泊松比,
S为所述膜中的热应力,
E为所述膜的材料的杨氏模量,E1和E2分别与所述膜和所述第二电极相关,
ΔT为温度变化,并且
α为材料的膨胀系数,α1和α2分别与所述膜和所述第二电极相关。
本发明的温度补偿装置被布置为通过对以上与CMUT的设计有关的各个参数的控制,来减少所述膜的温度诱导挠曲。所述温度补偿装置因此包括本发明的几个不同实施例,在所述CMUT设备的物理特性方面描述了这些实施例,所述物理特性起因于对触发膜挠曲的特定参数或多个参数的操纵。
下文展示的本发明设备的实施例可以根据期望被单独实施,或组合实施。
以上公式是关于旋转对称的CMUT设备描述的,所述设备特别是膜和第二电极大致为圆形形状的CMUT设备。因此,使用半径来描述与所述膜和电极相关联的尺寸。本发明的概念也可以被应用于对称性基本上为圆形的设备,但所述CMUT和/或CMUT部件不具有完全圆形的对称性,而是形状上呈n边形,例如八边形的形式。
在具有矩形形状的膜和电极的CMUT的情况中,仍可以通过将半径参数r转换为沿所述矩形的长轴或短轴(例如在所定义的x方向)定义的单轴参数,来应用本发明的概念。所述x参数可以然后被替换为上文方程1中的r参数的近似值。
在本发明另外的实施例中,第二电极被相对于膜的高度对称地布置,从而(h1+h2)/2等于或大致等于1/2 h3,由此使M向着0减小。
第二电极通常被定位在所述膜中更接近所述腔,而不是所述膜的顶部。这提供了所述设备中更大的测量敏感性。根据本发明的该实施例的第二电极的放置,为所述第二电极在所述膜内提供了对称性,由此随着材料分布得以均衡,而使积累的动量和力均衡。
在本发明另外的实施例中,减小了所述第二电极的厚度,并且将所述第二电极的位置关于所述膜的中心轴平行于所述腔偏置。
所述膜中的动量可以被表示为
M=2Sδz,
其中,M为所述膜的热诱导动量,
S为所述膜中的热应力,
δ为所述第二电极的厚度(=h2–h1),并且
z为所述第二电极从所述膜的中心轴平行于所述腔到所述第二电极的毗邻表面的距离。
由于所述CMUT的制造期间的加工考虑,不能不断地减小所述第二电极的厚度。然而,动量上的效应随着所述第二电极的厚度线性增大,并且在减小温度效应的方面是有益的。
在本发明另外的实施例中,所述第二电极跨过整个膜平行于所述腔延伸,尤其是使得rb=rm。
在该实施例中,所述电极覆盖整个膜,并且所述电极和所述膜两者均被固定在锚点。这对于述设备中的高灵敏度不是那么关键的应用是适当的。
在本发明另外的实施例中,所述CMUT设备还包括第一补偿板,所述第一补偿板由与所述第二电极相同的材料构成,并且位于所述膜的外表面上与所述腔相对,在平行于所述腔的侧部上,所述板具有如从所述腔的中心点测量的半径rb-top,使得rb-top≤rb。
在本发明另外的实施例中,所述CMUT设备还包括第二补偿板,所述第二补偿板根据所述第二电极的尺寸和组成布置,所述第二补偿板和所述第二电极关于所述膜的中心轴被对称地布置在所述膜中并平行于所述腔。
所述膜的中心轴(平行于所述腔)可以被设想为一种对称线或轴。被放置在该线的每个侧部上的电极或板中的温度效应由于它们的温度效应相反,而彼此补偿。
第一补偿板可以被用于平衡所述第二电极在其被放置在所述膜与所述腔相对的表面(实质上为“顶”表面)上时的温度效应。这样的板在距所述膜的中心轴不同于所述第二电极距离的距离处。由这两个部件在热应力下生成的力矩应在效应上应该是相反的,并且应该平衡。这通过对所述第一补偿板的半径相对于所述第二电极的改变,得以达到。所述第一补偿板的半径被设计为小于所述第二电极的半径。该实施例的优点在于,所述第一补偿板可以被增加到现有的CMUT设备。所述第一补偿板不需要重新设计要被实施的CMUT。此外,在相对于其他处理步骤的容易性方面,该方案相对容易处理。
备选地,如果所述第一补偿板的半径等于所述第二电极的半径,则可以通过实现对所述第一补偿板的厚度的改变,来做出补偿。例如,当两者具有相同的半径值时,可以将铝质的第一补偿层做得比第二电极(其也由铝构造)更薄。
在另外的步骤中,可以用薄的钝化层(例如100nm氮化物)覆盖所述第一补偿板,以保护它免受环境影响。
备选地,可以实施第二补偿板。该第二板与所述第二电极具有相同的材料和尺寸,并且所述CMUT设备被设计为使得所述第二补偿板与所述第二电极两者对称地远离所述膜的中心轴。
在本发明另外的实施例中,所述CMUT设备第二电极包括窄环,其被布置为将所述第二电极的内部部分与外部部分分离并电气断开。
本发明的该实施例包括第二电极,其与所述膜一起延伸到锚点。所述第二电极包括窄环(或在矩形、非圆形对称电极的情况中为间隙)。该窄环或间隙将所述第二电极的内部与外部电气断开。所述环或间隙的位置可以被优化为,使得所述环的优化位置的半径位置r(或等同的间隙参数)由r=rm/√e给出。
在本发明另外的特殊实施例中,所述第一补偿板的半径可以大于所述第二电极的半径。这是为了允许在制造期间,因所述第一补偿板的厚度(容差)造成的进一步的补偿。
在所述设备的另外的实施例中,所述膜包括氮化硅并且所述第二电极包括铝或铝化合物。
这些材料已被证明非常适合用于生产CMUT的制造过程,并且非常适合所述设备的性能。制造的容易性极为重要。然而,在热膨胀方面,这些材料在温度变化下行为大不相同。在方程1中,S=αE对于氮化硅具有为573的值,而对于Al具有为1610的值。材料不匹配。辅助温度性能的一种供替代的选择将是使用针对所述膜和电极热匹配更好的材料。然而,通常被用于处理的诸如Cu、W和Mo的材料,在这方面没有优势,其分别具有1980、1850和1579的S值。
可以通过所述CMUT设备与专用ASIC的关联,来扩展本发明的实施例。所述ASIC依赖于所述CMUT要被用于的应用。在所述CMUT的大小为关键性的应用中,例如体内血管内部的压力(例如,心脏周围血管中的血压)感测,与ASIC集成的CMUT节省空间并且为所述设备增加功能。
根据本发明的CMUT设备可以被用于多种应用。尤其合适的应用为超声成像和压力感测,其中温度依赖性可能是经由所述CMUT设备获得的信息的可靠性的关键因素。
本发明的另一方面包括一种制造根据本发明的CMUT设备的方法。这样的方法包括如下的步骤:
制作根据权利要求1至11中任一项所述的CMUT设备,
为所述CMUT设备提供测试设施,所述测试设施能够通过一定温度范围运行,
测量所述CMUT设备的温度依赖性。
制作根据本发明的CMUT设备的制造过程可以为标准制造过程。不需要特殊的材料或特殊加工要求,无需可能的额外的(常规)步骤,以装配所述设备中的图案或特殊层。根据本发明的所述CMUT设备旨在尽可能地对温度不敏感。新的参数对于所述设备的运作以及对于所述设备的目标应用是重要的。因此,在所述制造过程中的测试步骤(其中确定所述CMUT的温度敏感性)是利用本发明的重要方面。取决于所述CMUT设备的目标应用,可以确定要被测试的温度范围。标准常规测试间可以覆盖至少-55℃至+200℃的温度范围。然而,对于医学应用,+10℃至+60℃为更相关且关键的温度范围,落入正常体温参数附近的区,并且并入程序性步骤,所述程序性步骤可以涉及治疗物质在不同的温度,在(所述CMUT设备在其中操作的)不同的区,引入到人体中。
根据本发明的CMUT设备的温度依赖性可以以系数β表征。这可以被用作所述CMUT设备的质量参数。另外的第一补偿板可以被增加到所述设备,用于通过额外的处理的进一步的温度补偿。
如果ASIC与所述CMUT设备联合存在,那么已知的标记技术可以被用于以标识符和/或针对该设备的温度依赖性系数的记录,来标记所述ASIC。这在可追踪性高度重要并且有时为强制性的医学应用中尤其重要。
所述ASIC也可以被提供有在电路上的温度传感器。这种温度信号可以被用于对压力读数的精细校准和校正。额外的选项涉及热稀释技术,其中冷流体,例如盐水,被注射到心脏附近的血管中。测量血流下游的温度曲线(时间相关温度)。实时特定温度曲线是对流速的度量。所述温度传感器可以被用于方便这种测量。
附图说明
现在将参考附图进一步阐明本发明:
图1示意性地图示了现有技术的CMUT设备。
图2图示了根据本发明针对用于压力测量的CMUT设备的温度敏感性优势。图2a示出针对现有技术的CMUT的电容对压力;图2b示出针对根据本发明的CMUT的电容对压力。
图3分成a到i,图示了根据本发明的CMUT设备的不同方面及特征。
图4图示了根据本发明一方面的CMUT设备,其中图4a示出了适于增加额外的补偿层的掩模布局,所述CMUT设备图样结构具有提供额外的组合ASIC的选项,并且其中,图4b示出了在随后的制造阶段使用这样的掩模图样处理的CMUT设备。
附图标记:
1CMUT设备
10硅衬底
11第一电极
12腔
13氮化硅膜
14第二电极
15箭头
16箭头
17箭头
18箭头
30根据本发明的CMUT设备的截面
31箭头
32膜
34膜的锚点
35膜挠曲的指示
36至41箭头
42中心横向膜轴
43第一补偿板
44钝化层
45最佳间隙位置
46CMUT设备层
47ASIC
48CMUT设备
49到ASIC的连接
50外部第二电极
51内部第二电极
具体实施方式
图1图示了现有技术的CMUT设备的简化范例。在该范例中,所述CMUT充当压力传感器,但应注意,本发明的所述CMUT设备不限于该应用。附图已被简化,以解释对本发明的理解最相关的特征。应注意,根据所述设备的加工和电气操作的需要,所述CMUT设备可以包括其他特征或层或层堆叠。这里未示出对可能的关联ASIC的外部连接或对外部环境的任意其他连接。
基础CMUT建立在硅衬底10上。该硅衬底10被提供有第一电极11,通常被称为底电极,其可以直接与硅衬底10接触,或者可以被布置为接近硅衬底10但被某种其他基础处理层分离。提供腔12——该腔一般被保持为接近真空的低压,并且在硅衬底10与氮化硅膜13之间提供间隔。氮化硅膜13也可以被偏置成所谓的“塌陷”模式,在这种情况中,所述膜可以因的外加电压的施加而与硅衬底10接触。氮化硅膜13具有嵌入其中的第二电极14。该第二电极14与第一电极11形成电极对,并且通常被称作“顶”电极。所述CMUT的电容效应来自这两个电极11和14的提供。如由箭头15指示的电极11和14的常用长度值为200nm至20μm。电极11和14一般被制造为具有相似的长度。真空腔12的典型高度为约0.5μm,如由箭头16指示。氮化硅膜13的典型高度为约1μm,如由箭头17指示。工作时,氮化硅膜13经受压力,如由箭头18指示,这造成氮化硅膜13挠曲。氮化硅膜13的位置改变引起第一电极11与第二电极14之间的距离改变,由此改变在它们之间建立的电容。探测该电容的改变,并将其转换成压力测量改变。
图2a图示了现有技术的CMUT设备的容积(电容)如何与压力的测量相关。不同的图形线指示在不同温度的关系,温度沿箭头的方向增加。从附图明显可见,所述CMUT的某些电容将取决于温度而指示不同的压力,由此使压力读数为温度敏感性的。图2b图示了针对相同的温度范围,使用根据本发明的CMUT作用的相同实验。所述CMUT已配有根据本发明的第一补偿板,其中已将类似于在所述CMUT的所述膜中存在的所述第二电极的一层材料应用在所述膜的顶上,从而该第一补偿板的热效应和机械效应起作用,以在所述CMUT经受温度变化时调节所述第二电极的热效应和机械效应。根据本发明的所述CMUT可见为温度不敏感的。计算机模拟支持所获得的数据。
图3描绘了根据本发明的CMUT设备30的截面,在不同的图中图示本发明的不同方面。为清晰起见,图3中不同的图包含一致的标号。箭头31图示了该特定CMUT设备具有圆对称性。所述CMUT设备在图3中的剖面集中在膜32和第二电极33上。也示出了膜34的锚点。
基础图为图3a。该图涉及说明书中的方程1,以描绘其中的一些参数。图3a借助于标号为35的线图示了膜的挠曲。箭头36指示方程1中的项h。项h1、h2和h3的图像表示分别由箭头37、38和39给出,并且表示从所述膜的底部到所述第二电极的底部、所述第二电极的顶部的距离,以及所述膜的厚度。所述膜与第二电极的半径分别由箭头40和41指示。所述半径取自旋转称性的轴31处的所述膜的中心点。
图3b图示了本发明的一方面。这里第二电极33被对称地放置在所述膜内。
图3c图示了本发明另外一方面。在该情况中,第二电极33被做得比正常更薄,并且被定位为从中心横向膜轴42偏移。
图3d图示了本发明另外一方面。这里第二电极33延伸通过膜32的整个直径,使得膜32的半径与第二电极33的半径相同。
图3e至图3g图示了本发明另外方面。在该情形中,第一补偿板43位于膜32的顶上。可以变化第一补偿板43的半径(rb-top),以及相对于中心横向膜轴32和第二电极33的位置的第一补偿板43的位置,以产生不同的补偿效应。在图3g图示的情况中,可以提供钝化层44,作为第一补偿板43对抗环境影响的保护。
图3h图示了特殊情况,其中,在中心横向膜轴43周围布置第一补偿板43与第二电极33的对称布置。
图3i图示了本发明另外一方面。这里第二电极33被提供有间隙,在这里被图示在半径45中的最佳间隙位置。
图4示出与本发明的一方面相关联的掩模(图4a)和设备(图4b)的顶视图,其中,提供第一补偿板43作为对热灵敏性的解决方案。在图4a中,示出了CMUT设备层46,其中一些部件具有相关联的ASIC47的选项。图4b示出了所述设备的自顶向下视图,其具有对ASIC49的关联连接,其具有分离的第二电极33,第二电极33具有外部50和内部51。
Claims (23)
1.一种CMUT设备,包括:
硅衬底(10),
腔(12),
膜(13),
所述膜和所述硅衬底中的每个被布置为形成所述腔的侧部,所述侧部定位为彼此相对,
布置为毗邻并且平行于所述腔的第一电极(11),其被布置为邻接所述硅衬底,
布置为毗邻并且平行于所述腔的第二电极(14),其与所述第一电极相对,并且被嵌入所述膜中,
其特征在于,
所述CMUT设备还包括温度补偿装置(30),这样的装置被布置为通过所述膜的设计特性来减少所述膜的温度诱导挠曲,其中,所述膜的所述设计特性导致所述膜的热诱导动量最小化。
2.根据权利要求1所述的CMUT设备,其中,
所述温度补偿装置被布置为根据下式来减少所述膜的温度诱导挠曲h:
其中
M=S·((h2-0.5h3)2-(h1-0.5h3)2)
S=(α1·E1-α2·E2)·ΔT
其中,
h为所述膜在所述腔的中心点处朝向所述衬底的温度诱导挠曲,
M为所述膜的热诱导动量,
D为板的抗弯刚度,
rm为从所述腔的所述中心点定义的所述膜的半径,
rb为从所述腔的所述中心点定义的所述第二电极的半径,
h1、h2和h3分别为从构成所述腔的所述侧部的所述膜的所述侧部测量的,到所述第二电极的第一侧部的距离、到所述第二电极的第二侧部的距离和所述膜的厚度,
υ为泊松比,
S为所述膜中的热应力,
E为所述膜的材料的杨氏模量,E1和E2分别与所述膜和所述第二电极相关,
ΔT为温度变化,并且
α为材料的膨胀系数,α1和α2分别与所述膜和所述第二电极相关。
3.根据权利要求1或2所述的CMUT设备,其中,所述第二电极关于所述膜的高度对称地布置,使得(h1+h2)/2等于或大致等于1/2h3,由此使M向着0减小。
4.根据权利要求1或2所述的CMUT设备,其中,减小所述第二电极的厚度,并且关于平行于所述腔的所述膜的中心轴偏移所述第二电极的位置。
5.根据权利要求1或2所述的CMUT设备,所述第二电极平行于所述腔延伸跨过整个膜。
6.根据权利要求5所述的CMUT设备,其中,rb=rm。
7.根据权利要求1所述的CMUT设备,其中,所述CMUT设备还包括第一补偿板,所述第一补偿板由与所述第二电极相同的材料构成,并且定位于与所述腔相对的所述膜的外表面上,在平行于所述腔的侧部上,所述板具有从所述腔的中心点测量的半径rb-top,使得rb-top≤rb。
8.根据权利要求2所述的CMUT设备,其中,所述CMUT设备还包括第一补偿板,所述第一补偿板由与所述第二电极相同的材料构成,并且定位于与所述腔相对的所述膜的外表面上,在平行于所述腔的侧部上,所述板具有从所述腔的所述中心点测量的半径rb-top,使得rb-top≤rb。
9.根据权利要求1或2所述的CMUT设备,其中,所述CMUT设备还包括第二补偿板,所述第二补偿板根据所述第二电极的尺寸和组成布置,所述第二补偿板和所述第二电极关于所述膜的中心轴被对称地置于所述膜中并平行于所述腔。
10.根据权利要求1或2所述的CMUT设备,所述CMUT设备第二电极包括窄环,所述窄环被布置为将所述第二电极的内部与外部分离并电气断开。
11.根据权利要求1或2所述的CMUT设备,其中,所述膜包括氮化硅并且所述第二电极包括铝或铝化合物。
12.根据权利要求1或2所述的CMUT设备,还包括专用ASIC,所述ASIC为独立部件或者与所述CMUT设备集成。
13.一种超声成像设备,其包括根据前述权利要求1至12中任一项所述的CMUT设备。
14.一种压力感测设备,其包括根据前述权利要求1至12中任一项所述的CMUT设备。
15.一种制造根据权利要求1至6、9至12中任一项所述的CMUT设备的方法,包括如下步骤:
制作根据权利要求1至6、9至12中任一项所述的CMUT设备,
提供针对所述CMUT设备的测试设施,所述测试设施能够通过一定的温度范围运行,
测量所述CMUT设备的温度依赖性。
16.根据权利要求15所述的方法,其中所述温度范围包括-55℃至+200℃的温度范围。
17.根据权利要求15所述的方法,其中所述温度范围包括+10℃至+60℃的温度范围。
18.根据权利要求15所述的方法,还包括如下步骤:
通过进一步制造,增加根据权利要求7或8所述的第一补偿板,来校正所述CMUT设备的不足的温度依赖性。
19.一种制造根据权利要求7或8所述的CMUT设备的方法,包括如下步骤:
制作根据权利要求7或8所述的CMUT设备,
提供针对所述CMUT设备的测试设施,所述测试设施能够通过一定的温度范围运行,
测量所述CMUT设备的温度依赖性。
20.根据权利要求19所述的方法,其中所述温度范围包括-55℃至+200℃的温度范围。
21.根据权利要求19所述的方法,其中所述温度范围包括+10℃至+60℃的温度范围。
22.根据权利要求19所述的方法,还包括如下步骤:
通过进一步制造,增加额外的第一补偿板,来校正所述CMUT设备的不足的温度依赖性。
23.根据权利要求15-22中的任一项所述的方法,制造如权利要求12所述的CMUT设备,包括如下额外的步骤:
将所测量的所述CMUT设备的温度依赖性的永久记录和/或唯一识别符增加到所述ASIC。
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