Cmut設(shè)備中的溫度補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 【專利摘要】CMUT設(shè)備被用在許多應(yīng)用中，例如用于超聲成像和壓力測(cè)量。這些設(shè)備通過感測(cè)由膜的撓曲造成的電容的改變而運(yùn)行，所述膜包括處于所述設(shè)備中的電極對(duì)中的一個(gè)，所述膜的撓曲由膜的超聲暴露或施加在所述膜上的壓力導(dǎo)致。所述CMUT設(shè)備可能易受改變溫度的影響。
【專利說明】CMUT設(shè)備中的溫度補(bǔ)償
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及CMUT設(shè)備，涉及CMUT設(shè)備的應(yīng)用，以及涉及制造CMUT設(shè)備的方法。 本發(fā)明還涉及一種CMUT設(shè)備，其包括硅襯底、腔、以及膜。所述膜和所述硅襯底每個(gè)被布置 為形成所述腔的側(cè)部，所述側(cè)部定位為彼此相對(duì)。第一電極被布置為毗鄰并且平行于所述 腔，其被布置為鄰接所述硅襯底，并且第二電極被布置為毗鄰并且平行于所述腔，與所述第 一電極相對(duì)，并且被嵌入到所述膜中。
【背景技術(shù)】
[0002]CMUT (電容式微機(jī)械超聲換能器)為一種類型的MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))設(shè)備。 CMUT利用電力用于換能器作用。構(gòu)造通常通過在硅襯底上制造CMUT得以完成。在襯底的 區(qū)域中形成腔，并且跨過所述腔懸掛的薄層形成膜。電極被放在所述膜處和所述襯底處，以 形成電極對(duì)。
[0003]膜的振動(dòng)可以通過(例如使用超聲)施加壓力而被觸發(fā)，或這可以以電學(xué)方式誘 發(fā)。通常借助于ASIC (專用集成電路)到CMUT的電氣連接來便利設(shè)備的發(fā)送模式和接收 模式兩者。在接收模式中，所述膜位置的改變?cè)斐呻娙莸母淖?，其可以用電子的方式記載。 在發(fā)送模式中，施加電信號(hào)以造成所述膜的振動(dòng)。
[0004]CMUT設(shè)備一般利用所施加的偏置電壓工作。所述CMUT可以在所謂的塌陷模式中 工作，在所述塌陷模式中，所施加的偏置電壓增加到塌陷電壓以上，以限制膜并將其約束到 襯底。所述CMUT設(shè)備的操作頻率由所述膜的材料和物理性質(zhì)，例如硬度、以及腔的大小表 征。所述偏置電壓以及所述CMUT設(shè)備的應(yīng)用也影響工作模式。
[0005]CMUT通常被用在用于超聲成像應(yīng)用的設(shè)備中，以及利用所述CMUT來檢測(cè)流體或 空氣壓力的其他應(yīng)用中。壓力造成膜的撓曲，所述撓曲被以電子方式感測(cè)為電容的改變。然 后可以推導(dǎo)壓力讀數(shù)。
[0006]CMUT設(shè)備的問題在于，溫度變化也可以是膜撓曲的根源。在接收模式中，這給出了 從所述CMUT設(shè)備導(dǎo)出的信息的不準(zhǔn)確讀數(shù)。尤其是，這個(gè)問題可能對(duì)于用于醫(yī)學(xué)設(shè)備中的 CMUT基壓力傳感器有很大限制。在發(fā)送模式中，這造成減小的電力到壓力(例如超聲波)轉(zhuǎn) 換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目標(biāo)是克服CMUT設(shè)備的上述溫度敏感性問題。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，通過提供還包括溫度補(bǔ)償裝置的CMUT設(shè)備來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，這樣的裝 置被布置為通過使膜的熱誘導(dǎo)動(dòng)量最小化，減少所述膜的溫度誘導(dǎo)撓曲。
[0009]CMUT設(shè)備展示出在較高溫度時(shí)較高電容測(cè)量值的趨勢(shì)。因此，在由CMUT進(jìn)行壓力 測(cè)量的范例中，與工作于較高溫度區(qū)域相同設(shè)備相比，設(shè)備中要被測(cè)量的固定壓力在較低 溫度下將對(duì)應(yīng)于的較低電容?；蛘邠Q句話說，所述CMUT設(shè)備中的電容在較高溫度將匹配明 顯較低的壓力讀數(shù)。[0010]作為良好近似，該物理關(guān)系可以被描述為根據(jù)下式的線性效應(yīng):
[0011]P=P0+β T
[0012]其中P為表觀壓力，Ptl為實(shí)際壓力，T為溫度，并且0為與因溫度變化造成的壓力改變相關(guān)的系數(shù)。
[0013]這樣的系數(shù)，一旦已知，將允許對(duì)針對(duì)個(gè)體CMUT設(shè)備在不同溫度時(shí)壓力數(shù)據(jù)的表征和校正。
[0014]本申請(qǐng)的發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，溫度變化效應(yīng)的根源來自構(gòu)成所述膜的材料的設(shè)計(jì)與特性。通常，CMUT設(shè)備將電極(這里標(biāo)記為第二電極)并入它的膜中。所述電極由不同于膜自身的材料的導(dǎo)電材料制成。在溫度變化的影響下，兩種材料以不同比率膨脹或收縮，并且具有不同的膨脹特性。這在膜區(qū)域內(nèi)形成應(yīng)力和動(dòng)量，其觸發(fā)所述膜的移動(dòng)，由此刺激電容的改變。借助于本發(fā)明，熱誘導(dǎo)力在所述膜上和/或熱誘導(dǎo)動(dòng)量在所述膜中的作用得以最小化，從而導(dǎo)致所述膜的低得多的熱誘導(dǎo)撓曲。
[0015]在本發(fā)明另外的實(shí)施例中，已根據(jù)下式對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的膜的撓曲進(jìn)行了建模:
【權(quán)利要求】
1.一種CMUT設(shè)備，包括:硅襯底(10)，腔(12)，膜(13)，所述膜和所述硅襯底中的每個(gè)被布置為形成所述腔的側(cè)部，所述側(cè)部定位為彼此相對(duì)，布置為毗鄰并且平行于所述腔的第一電極(11)，其被布置為鄰接所述硅襯底，布置為毗鄰并且平行于所述腔的第二電極(14)，其與所述第一電極相對(duì)，并且被嵌入所述膜中，其特征在于，所述CMUT設(shè)備還包括溫度補(bǔ)償裝置(30)，這樣的裝置被布置為通過將所述膜的熱誘導(dǎo)動(dòng)量最小化來減少所述膜的溫度誘導(dǎo)撓曲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMUT設(shè)備，所述溫度補(bǔ)償裝置被布置為根據(jù)下式來減少所述膜的溫度誘導(dǎo)撓曲h:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMUT設(shè)備，其中，所述第二電極關(guān)于所述膜的高度對(duì)稱地布置，使得(hi+h2) /2等于或大致等于1/2 h3，由此使M向著0減小，其中，hp h2和h3分別為從構(gòu)成所述腔的所述側(cè)部的所述膜的所述側(cè)部測(cè)量的，到所述第二電極的第一側(cè)部的距離、到所述第二電極的第二側(cè)部的距離和所述膜的厚度，并且，M為所述膜的熱誘導(dǎo)動(dòng)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMUT設(shè)備，其中，減小所述第二電極的厚度，并且關(guān)于平行于所述腔的所述膜的中心軸偏移所述第二電極的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMUT設(shè)備，所述第二電極平行于所述腔延伸跨過整個(gè)膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMUT設(shè)備，其中，rb=rm，其中， rffl為從所述腔的所述中心點(diǎn)定義的所述膜的半徑，并且 rb為從所述腔的所述中心點(diǎn)定義的所述第二電極的半徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMUT設(shè)備，其中，所述CMUT設(shè)備還包括第一補(bǔ)償板，所述第一補(bǔ)償板由與所述第二電極相同的材料構(gòu)成，并且定位于與所述腔相對(duì)的所述膜的外表面上，在平行于所述腔的側(cè)部上，所述板具有從所述腔的所述中心點(diǎn)測(cè)量的半徑rb_t()p，使得 rb-top ≤ Tb 其中，rb為從所述腔的所述中心點(diǎn)定義的所述第二電極的半徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMUT設(shè)備，其中，所述CMUT設(shè)備還包括第二補(bǔ)償板，所述第二補(bǔ)償板根據(jù)所述第二電極的尺寸和組成布置，所述第二補(bǔ)償板和所述第二電極關(guān)于所述膜的中心軸被對(duì)稱地置于所述膜中并平行于所述腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的CMUT設(shè)備，所述CMUT設(shè)備第二電極包括窄環(huán)，所述窄環(huán)被布置為將所述第二電極的內(nèi)部與外部分尚并電氣斷開。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的CMUT設(shè)備，其中，所述膜包括氮化硅并且所述第二電極包括鋁或鋁化合物。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的CMUT設(shè)備，還包括專用ASIC，所述ASIC為獨(dú)立部件或者與所述CMUT集成。
12.—種超聲成像設(shè)備，其包括根據(jù)前述權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的CMUT設(shè)備。
13.一種壓力感測(cè)設(shè)備，其包括根據(jù)前述權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的CMUT設(shè)備。
14.一種對(duì)包括根據(jù)前述權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的CMUT設(shè)備的設(shè)備的使用方法，用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的壓力測(cè)量的應(yīng)用，所述醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括對(duì)血管中阻塞或狹窄部分的定位。
15.一種對(duì)根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備的使用方法，用于支架放置流程。
16.一種制造根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的CMUT設(shè)備的方法，包括如下步驟:制作根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的CMUT設(shè)備，提供針對(duì)所述CMUT設(shè)備的測(cè)試設(shè)施，所述測(cè)試設(shè)施能夠通過一定的溫度范圍運(yùn)行，測(cè)量所述CMUT設(shè)備的溫度依賴性。
17.一種制造根據(jù)權(quán)利要求16所述的CMUT設(shè)備的方法，還包括如下步驟:通過進(jìn)一步制造，增加第一補(bǔ)償板或額外的第一補(bǔ)償板，來校正所述CMUT設(shè)備的不足的溫度依賴性，所述補(bǔ)償板由與所述第二電極相同的材料構(gòu)成，并且定位于所述膜的與所述腔相對(duì)的外表面上，在平行于所述腔的側(cè)部上，所述板具有從所述腔的中心點(diǎn)測(cè)量的半徑rb_t()p，使得rb-top ≤ rb，其中，rb為從所述腔的所述中心點(diǎn)定義的所述第二電極的半徑。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求16或17的制造如權(quán)利要求11所述的CMUT設(shè)備的方法，包括如下額外的步驟:將所測(cè)量的所述CM UT設(shè)備的溫度依賴性的永久記錄和/或唯一識(shí)別符增加到所述 ASIC0
【文檔編號(hào)】B06B1/02GK103459051SQ201280018005
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月13日
【發(fā)明者】P·迪克森, A·萊韋斯泰因 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司