ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области устройств CMUT, к использованию устройства CMUT и к способу изготовления устройства CMUT. Кроме того, настоящее изобретение относится к устройству CMUT, содержащему кремниевую подложку, полость и мембрану. Мембрана и кремниевая подложка, каждая, выполнены с возможностью образования боковой стороны полости, причем упомянутые боковые стороны располагаются друг напротив друга. Первый электрод, расположенный рядом с полостью и параллельно с ней, выполнен соприкасающимся с кремниевой подложкой, и второй электрод расположен рядом с полостью и параллельно ей, напротив первого электрода, и встроен в мембрану.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
CMUT (полученный путем микрообработки емкостной ультразвуковой преобразователь) представляет сбой один из типов устройств MEMS (микроэлектромеханических систем). CMUT использует электрические силы для осуществления преобразования. Конструкцию обычно получают посредством изготовления CMUT на кремниевой подложке. В области подложки формируют полость, и тонкий слой подвешивается вдоль полости для формирования мембраны. На мембране и на подложке помещают электроды для формирования пары электродов.
Вибрацию мембраны можно запускать посредством приложения давления (например, с использованием ультразвука), или ее можно вызывать электрическим способом. Электрическое соединение с CMUT, часто посредством ASIC (специализированной интегральной схемы), способствует как режиму передачи, так и режиму приема. В режиме приема изменения положения мембраны вызывают изменения электрической емкости, которая может регистрироваться электронным способом. В режиме передачи приложение электрического сигнала вызывает вибрацию мембраны.
Устройства CMUT, как правило, работают при приложенном напряжении смещения. CMUT может работать в так называемом режиме коллапса, когда приложенное напряжение смещения повышают выше напряжения коллапса для ограничения мембраны и смыкания ее с подложкой. Частота работы устройства CMUT характеризуется материалом и физическими свойствами мембраны, такими как жесткость, и размером полости. Напряжение смещения и применение устройства CMUT также влияют на режим работы.
CMUT часто используют в устройствах для применений ультразвукового формирования изображения и в других применениях, где CMUT используют для детектирования давлений текучей среды или воздуха. Давление вызывает отклонение мембраны, которое регистрируется электронным способом как изменение электрической емкости. Затем могут быть получены данные о давлении.
Одна из проблем с устройствами CMUT заключается в том, что изменение температуры также может представлять собой основную причину отклонения мембраны. В режиме приема это дает неточные данные для информации, получаемой от устройства CMUT. В частности, эта проблема может существенно ограничивать использование датчиков давления на основе CMUT, используемых в медицинских устройствах. В режиме передачи это вызывает понижение эффективности преобразования электрической энергии в давление (такое как ультразвуковые волны).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является решение указанной выше проблемы температурной чувствительности устройства CMUT.
Эта цель достигается в соответствии с настоящим изобретением посредством обеспечения устройства CMUT, дополнительно содержащего средства температурной компенсации, причем такие средства выполнены с возможностью уменьшения вызванного температурой отклонения мембраны посредством сведения к минимуму вызванного температурой момента мембраны.
Устройства CMUT имеют тенденцию к измерению более высокой электрической емкости при более высоких температурах. Таким образом в примере измерения давления с помощью CMUT фиксированное давление, которое должно измеряться, соответствовало бы более низкой электрической емкости в устройстве при более низкой температуре, чем тогда, когда это же устройство работает в режиме более высоких температур. Или, другими словами, электрическая емкость в устройстве CMUT будет регистрировать данные для значительно более низкого давления при более высокой температуре.
В качестве хорошей аппроксимации это физическое соотношение может быть описано как линейный эффект в соответствии с:
P=P0+βT
где P представляет собой показанное давление, P0 представляет собой реальное давление, T представляет собой температуру и β представляет собой коэффициент, связывающий изменение давления с изменением температуры.
Такой коэффициент, когда он известен, делает возможным характеризацию и коррекцию данных относительно давления при различных температурах для отдельного устройства CMUT.
Авторы настоящей заявки считают, что основная причина эффектов температурных изменений заключена в конструкции и характеристиках материалов, составляющих мембрану. Обычно устройство CMUT содержит в своей мембране электрод (в настоящем документе отмечен как второй электрод). Электрод изготовлен из электропроводящего материала, который отличается от материала самой мембраны. Под влиянием изменения температуры эти два материала расширяются или сжимаются с различными скоростями и с различными характеристиками расширения. Это создает напряжения и моменты в области мембраны, которые обуславливают движения в мембране, стимулируя изменения тем самым электрической емкости. С помощью настоящего изобретения воздействие вызванных температурой сил на мембрану и/или моменты в мембране сводятся к минимуму так, что в результате получается гораздо меньшие, вызванные температурой отклонения мембраны.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения отклонение мембраны, симметричной относительно вращения, может моделироваться в соответствии с:
где
h представляет собой вызванное температурой отклонение мембраны в направлении подложки в центральной точки полости,
M представляет собой вызванный температурой момент мембраны,
D представляет собой изгибную жесткость пластины,
rm представляет собой радиус мембраны, в качестве заданного от центральной точки полости,
rb представляет собой радиус второго электрода, в качестве заданного от центральной точки полости,
h1, h2 и h3 представляют собой расстояния до первой боковой стороны второго электрода, второй боковой стороны второго электрода и толщину мембраны соответственно, как измерено от боковой стороны мембраны, образующей боковую сторону полости,
ν представляет собой коэффициент Пуассона,
S представляет собой термическое напряжение в мембране,
E представляет собой модуль Юнга материала мембраны, E1 и E2 относятся к мембране и второму электроду соответственно,
ΔT представляет собой изменение температуры и
α представляет собой коэффициент расширения материала, α1 и α2 относятся к мембране и второму электроду соответственно.
Средства температурной компенсации по настоящему изобретению выполнены с возможностью уменьшения вызванного температурой отклонения мембраны h посредством регулировки различных параметров, используемых в соотношениях выше, в конструкции CMUT. Таким образом средства температурной компенсации содержат несколько различных вариантов осуществления настоящего изобретения, которые описываются в терминах физических характеристик устройств CMUT, которые возникают в результате манипуляций с конкретным параметром или параметрами, запускающими отклонения мембраны.
Варианты осуществления устройства по настоящему изобретению, представленные ниже, могут осуществляться по отдельности или в сочетании по желанию.
Формула, приведенная выше, описывается в отношении осесимметричного устройства CMUT, в частности, устройства CMUT, где мембрана и второй электрод являются приблизительно круговыми по форме. Именно с этим связано использование радиусов для описания размеров, связанных с мембраной и электродами. Концепция настоящего изобретения может также применяться к устройствам, где симметрия является в основном круговой, но где CMUT и/или компоненты CMUT не имеют полностью круговой симметрии, но имеют форму n-угольника, например, восьмиугольника.
В случае CMUT с мембраной и электродом, например, в форме прямоугольника, концепция настоящего изобретения по-прежнему может применяться посредством преобразования параметра радиуса, r, к единственному аксиальному параметру, заданному вдоль длинной или короткой оси прямоугольника, например, в заданном направлении x. Тогда параметр x может быть подставлен в качестве аппроксимации параметра r в уравнение 1, выше.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения второй электрод располагается симметрично по отношению к высоте мембраны, так что (h1+h2)/2 равно или приблизительно равно ½h3, тем самым уменьшая M до 0.
Второй электрод часто располагается в мембране ближе к полости, чем к верху мембраны. Это дает более высокую чувствительность устройства при измерениях. Расположение второго электрода в соответствии с этим вариантом осуществления настоящего изобретения дает симметрию положения второго электрода внутри мембраны, тем самым уравнивая моменты и силы, возникающие, когда уравнивается распределение материала.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения толщина второго электрода уменьшена, и положение второго электрода смещено по отношению к центральной оси мембраны параллельной полости.
Тогда момент в мембране может быть представлен как
M=2Sδz,
где M представляет собой вызванный температурой момент мембраны,
S представляет собой термическое напряжение в мембране,
δ представляет собой толщину второго электрода (= h2-h1), и
z представляет собой расстояние до второго электрода от центральной оси мембраны параллельной полости до соседней поверхности второго электрода.
Толщина второго электрода не может непрерывно уменьшаться по технологическим соображениям во время изготовления CMUT. Однако влияние на момент масштабируется линейно с толщиной второго электрода, и это является предпочтительным при уменьшении температурных эффектов.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения второй электрод продолжается вдоль всей мембраны, в частности, параллельно полости, так что rb=rm.
В этом варианте осуществления электрод покрывает всю мембрану, и как электрод, так и мембрана фиксируются в точке крепления. Это удобно для применений, где высокая чувствительность устройства не является такой уж критичной.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения устройство CMUT дополнительно содержит первую компенсирующую пластину, причем первая компенсирующая пластина состоит из такого же материала, как и второй электрод, и располагается на наружной поверхности мембраны, противоположной по отношению к полости, на боковой стороне, параллельной полости, пластина имеет радиус rb-top, как измерено от центральной точки полости, так что rb-top≤rb.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения устройство CMUT дополнительно содержит вторую компенсирующую пластину, вторая компенсирующая пластина выполнена в соответствии с размерами и составом второго электрода, вторая компенсирующая пластина и второй электрод располагаются в мембране симметрично по отношению к центральной оси мембраны и параллельно полости.
Центральная ось мембраны, параллельная полости, может рассматриваться как некоторый вид линии или оси симметрии. Температурные эффекты в электродах или пластинах, помещенных по любую сторону от этой линии, компенсируют друг друга, поскольку их температурные эффекты являются противоположными.
Первая компенсирующая пластина может использоваться для уравновешивания температурного эффекта второго электрода, когда он располагается на поверхности мембраны, противоположной по отношению к полости - по существу «на верхней» поверхности. Такая пластина находится на некотором расстоянии от центра оси мембраны, отличном от расстояния до второго электрода. Моменты, генерируемые двумя компонентами под воздействием термических напряжений, должны быть противоположными по воздействию и должны взаимно уравновешиваться. Это достигается посредством изменения радиуса первой компенсирующей пластины по отношению к второму электроду. Радиус первой компенсирующей пластины конструируется меньшим, чем радиус второго электрода. Этот вариант осуществления имеет преимущество в том, что первая компенсирующая пластина может добавляться к существующему устройству CMUT. Первая компенсирующая пластина не требует осуществления нового конструирования CMUT. Кроме того, это решение является относительно простым для осуществления с точки зрения простоты по отношению к другим технологическим этапам.
Альтернативно, если радиус первой компенсирующей пластины равен радиусу второго электрода, компенсация может происходить посредством осуществления изменений толщины первой компенсирующей пластины. Например, первый компенсирующий слой алюминия может быть сделан более тонким, чем второй электрод, также изготовленный из алюминия, когда оба они имеют одинаковое значение радиуса.
На другом этапе тонкий пассивирующий слой, например, 100-нм слой нитрида, может покрывать первую компенсирующую пластину для ее защиты от окружающей среды.
Альтернативно может осуществляться вторая компенсирующая пластина. Эта вторая пластина состоит из такого же материала и имеет такие же размеры, как и второй электрод, и устройство CMUT конструируется таким образом, что как вторая компенсирующая пластина, так и второй электрод расположены симметрично на одинаковых расстояниях от центральной оси мембраны.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения второй электрод устройства CMUT содержит узкое кольцо, расположенное для разделения и электрического разъединения внутренней части второго электрода от наружной части.
Этот вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя второй электрод, который продолжается до точки крепления вместе с мембраной. Второй электрод содержит узкое кольцо (или зазор в случае прямоугольного, не имеющего круговой симметрии электрода). Это узкое кольцо или зазор электрически разъединяет внутреннюю часть второго электрода от наружной части. Положение кольца или зазора может оптимизироваться таким образом, что радиальное положение оптимального положения кольца r (или эквивалентный параметр зазора) определяется как r=rm/√e.
В другом конкретном варианте осуществления настоящего изобретения первая компенсирующая пластина может иметь радиус, больший, чем радиус второго электрода. Это должно помочь при дополнительной компенсации, связанной с толщиной (допусками) первой компенсирующей пластины, во время изготовления.
В другом варианте осуществления устройства мембрана содержит нитрид кремния и второй электрод содержит алюминий или соединение алюминия.
Эти материалы, как показано, очень подходят для процессов изготовления, используемых для изготовления CMUT, и для рабочих характеристик устройства. Простота изготовления является исключительно важной. В отношении теплового расширения, однако, эти материалы при изменении температуры ведут себя очень по-разному. В уравнении 1 S=αE для нитрида кремния имеет значение 573, в то время как для Al оно равно 1610. Эти материалы не согласуются. Одна из альтернатив для улучшения температурных рабочих характеристик представляла бы собой использование материалов для мембраны и электрода, которые лучше согласуются термически. Однако такие материалы, как Cu, W и Mo, обычно используемые в технологии, не дают преимущества в этом отношении, имея значения S, равные 1980, 1850 и 1579 соответственно.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть расширены посредством объединения устройства CMUT со специальной интегральной схемой (ASIC). ASIC зависит от применения, для которого должно использоваться устройство CMUT. В применениях, где размер CMUT является критичным, таких как регистрация давления внутри сосуда в организме, например, давления крови в сосудах вокруг сердца, CMUT, объединенные с ASIC, экономят пространство и увеличивают функциональность устройства.
Устройство CMUT в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в разнообразных применениях. Особенно подходящие применения представляют собой ультразвуковое формирование изображения и регистрацию давлений, когда температурная зависимость может представлять собой критический фактор для надежности информации, получаемой с помощью устройства CMUT.
Другой аспект настоящего изобретения включает в себя способ изготовления устройства CMUT в соответствии с настоящим изобретением. Такой способ включает в себя этапы:
изготовления устройства CMUT по любому из пп. 1-11, обеспечения испытательного оборудования для устройства CMUT, причем испытательное оборудование выполнено с возможностью приведения в действие в диапазоне температур,
измерения температурной зависимости устройства CMUT.
Процессы изготовления устройства CMUT в соответствии с настоящим изобретением могут представлять собой стандартные процессы изготовления. Не нужно никаких специальных материалов или специальных технологических требований за исключением возможных дополнительных (обычных) этапов для изготовления структуры или конкретного слоя в устройстве. Устройство CMUT в соответствии с настоящим изобретением, как предполагается, является настолько нечувствительным к температуре, насколько это возможно. Этот новый параметр является важным для функционирования устройства и для целевых применений устройства. Таким образом этап испытания в процессе изготовления, где определяется температурная чувствительность CMUT, представляет собой важный аспект применения настоящего изобретения. В зависимости от целевого применения устройства CMUT может определяться диапазон температур для испытания. Стандартные обычные испытательные боксы могут покрывать диапазон температур, по меньшей мере, от -55°C до +200°C. Однако для медицинских применений диапазон температур от + 10°C до +60°C представляет собой более значимый и критичный диапазон температур, попадающий в область вблизи параметров нормальной температуры тела и включающий в себя этапы процедур, которые могут включать введение лечебных веществ в организм при различных температурах в область, в которой работает устройство CMUT.
Температурная зависимость устройства CMUT в соответствии с настоящим изобретением может характеризоваться коэффициентом β. Он может использоваться как параметр качества для устройства CMUT. Дополнительная первая компенсирующая пластина может добавляться к устройству для дополнительной температурной компенсации с помощью дополнительной обработки.
Если в сочетании с устройством CMUT присутствует ASIC, могут использоваться известные технологии маркировки для маркировки ASIC с помощью идентификатора и/или для коэффициента температурной зависимости для этого устройства. Это может быть особенно важным в медицинских применениях, где отслеживаемость является очень важной, а иногда обязательной.
ASIC может также быть снабжена датчиком температуры на схеме. Этот сигнал температуры можно использовать для тонкой калибровки и коррекции данных для давления. Дополнительная необязательная функциональность относится к методике артериальной термодилюции, где холодная текучая среда, такая как солевой раствор, вводится в виде инъекции в сосуды вблизи сердца. Дальше по ходу кровотока измеряют температурный профиль (зависимость температуры от времени). Конкретный профиль температуры как функция времени представляет собой меру для скорости потока. Датчик температуры может использоваться для облегчения этого измерения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь настоящее изобретение будет дополнительно объяснено в отношении фигур:
фиг. 1 схематически иллюстрирует устройство CMUT предыдущего уровня техники.
Фиг. 2 иллюстрирует преимущество температурной чувствительности в соответствии с настоящим изобретением для устройства CMUT, используемого для измерения давления. Фиг. 2a показывает зависимость электрической емкости от давления для CMUT предыдущего уровня техники; фиг. 2b показывает зависимость электрической емкости от давления для CMUT в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 3a-i иллюстрируют различные аспекты и признаки устройства CMUT в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 4 иллюстрирует устройство CMUT в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, где фиг. 4a показывает топологию маски, пригодную для добавления дополнительного компенсирующего слоя, формирования структуры устройства CMUT, имеющего необязательную функциональность обеспечения дополнительной объединенной ASIC, и где фиг. 4b показывает устройство CMUT, структурированное с использованием такой маски, на следующем этапе изготовления.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг. 1 иллюстрирует упрощенный пример устройства CMUT предыдущего уровня техники. В этом примере CMUT действует в качестве датчика давления, но необходимо отметить, что устройство CMUT по настоящему изобретению не ограничивается таким применением. Чертеж упрощен для объяснения признаков, наиболее важных для понимания настоящего изобретения. Необходимо отметить, что устройство CMUT может содержать другие признаки или слои или наборы слоев, как необходимо для обработки и электрических операций устройства. Внешнее соединение с возможной ASIC, связанной с устройством, или любые другие соединения с внешним окружением здесь не показаны.
Основное CMUT находится на кремниевой подложке 10. Эта кремниевая подложка 10 снабжена первым электродом 11, в общем известным как нижний электрод, который может находиться непосредственно в контакте с кремниевой подложкой 10 или может быть расположен вблизи кремниевой подложки 10, но отделен с помощью некоторых других основных слоев обработки. Предусматривается полость 12; эта полость, как правило, удерживается при низком давлении, близком к вакууму, и обеспечивает некоторое пространство между кремниевой подложкой 10 и мембраной 13 из нитрида кремния. Мембрана 13 из нитрида кремния может также быть смещена в называемом режиме «коллапса», в этом случае мембрана может находиться в контакте с кремниевой подложкой 10 благодаря приложению прикладываемого напряжения. Мембрана 13 из нитрида кремния имеет второй электрод 14, встроенный в нее. Этот второй электрод 14 образует пару электродов с первым электродом 11 и в общем известен как «верхний» электрод. Емкостной эффект CMUT возникает при обеспечении этих двух электродов 11 и 14. Общее значение длины электродов 11 и 14, как показано стрелкой 15, составляет от 200 нм до 20 мкм. Электроды 11 и 14, как правило, изготавливаются так, чтобы они имели сходную длину. Типичная высота вакуумной полости 12 составляет примерно 0,5 мкм, как показано стрелкой 16. Типичная высота мембраны 13 из нитрида кремния составляет примерно 1 мкм, как показано стрелкой 17. При работе мембрана 13 из нитрида кремния испытывает давление, как показано стрелкой 18, которое вызывает изгиб мембраны 13 из нитрида кремния. Изменение положения мембраны 13 из нитрида кремния вызывает изменение расстояния между первым и вторым электродами 11 и 14, изменяя тем самым электрическую емкость, установившуюся между ними. Это изменение электрической емкости детектируется и преобразуется в изменение измеряемого давления.
Фиг. 2 иллюстрирует, как электрическая емкость (емкостная характеристика) устройства CMUT предыдущего уровня техники связана с измерением давления. Различные линии на графике показывают соотношения при различных температурах, температура увеличивается в направлении стрелки. Из этой фигуры видно, что некоторая электрическая емкость CMUT будет представлять собой показатель различных давлений в зависимости от температуры, делая тем самым данные по давлению чувствительными к температуре. Фиг. 2b иллюстрирует такой же эксперимент, осуществляемый с использованием CMUT в соответствии с настоящим изобретением, для такого же диапазона температур. CMUT соединено с первой компенсирующей пластиной в соответствии с настоящим изобретением, где слой материала, сходного со вторым электродом, присутствующим в мембране CMUT, наносят поверх мембраны таким образом, что термические и механические воздействия этой первой компенсирующей пластины действуют, компенсируя термические и механические воздействия второго электрода, когда CMUT подвергается воздействию изменений температуры. CMUT в соответствии с настоящим изобретением, как можно увидеть, является нечувствительным к температуре. Полученные данные подтверждаются компьютерным моделированием.
Фиг. 3 изображает сечение устройства CMUT 30 в соответствии с настоящим изобретением, при этом различные аспекты настоящего изобретения иллюстрируются на различных фигурах. Различные фигуры на фиг. 3 содержат одинаковую нумерацию для ясности. Стрелка 31 иллюстрирует, что это конкретное устройство CMUT имеет круговую симметрию. Сечения устройства CMUT на фиг. 3 концентрируются на мембране 32 и втором электроде 33. Также показана точка крепления для мембраны 34.
Основная фигура представляет собой фиг. 3a. Это фигура связана с уравнением 1 описания для изображения некоторых его параметров. Фиг. 3a иллюстрирует отклонение мембраны посредством линии, обозначенной 35. Стрелка 36 указывает составляющую h в уравнении 1. Графические представления составляющих h1, h2 и h3 даются с помощью стрелок 37, 38 и 39 соответственно и представляют собой расстояние от нижней части мембраны до нижней части второго электрода, расстояние до верхней части второго электрода и толщину мембраны. Радиус мембраны и второго электрода показаны стрелками 40 и 41 соответственно. Радиусы берутся от центральной точки мембраны на оси 31 вращения и симметрии.
Фиг. 3b иллюстрирует один из аспектов настоящего изобретения. Здесь второй электрод 33 симметрично располагается в пределах мембраны.
Фиг. 3c иллюстрирует другой аспект настоящего изобретения. В этом случае второй электрод 33 изготавливают более тонким, чем обычно, и он смещен от центральной поперечной оси 42 мембраны.
Фиг. 3d иллюстрирует другой аспект настоящего изобретения. Здесь второй электрод 33 продолжается по всему диаметру мембраны 32 так, что радиус мембраны 32 является таким же, как и радиус второго электрода 33.
Фиг. 3e-3g иллюстрируют другой аспект настоящего изобретения. В этом сценарии первая компенсирующая пластина 43 располагается поверх мембраны 32. Радиус первой компенсирующей пластины 43 (rb-top) и положение первой компенсирующей пластины 43 по отношению к центральной поперечной оси 42 мембраны и к положению второго электрода 33 может изменяться для получения различных эффектов компенсации. Фиг. 3g иллюстрирует ситуацию, где может обеспечиваться пассивирующий слой 44 в качестве защиты для первой компенсирующей пластины 43 от окружающей среды.
Фиг. 3h иллюстрирует специальный случай, где симметричная система первой компенсирующей пластины 43 со вторым электродом 33 располагается вокруг центральной поперечной оси 42 мембраны.
Фиг. 3i иллюстрирует другой аспект настоящего изобретения. Здесь второй электрод 33 снабжен зазором, здесь иллюстрируется оптимальное положение зазора с радиусом 45.
Фиг. 4 показывает вид сверху маски (фиг. 4a) и устройств (фиг. 4b), связанных с одним из аспектов настоящего изобретения, где первая компенсирующая пластина 43 обеспечена в качестве решения для термической чувствительности. На фиг. 4a показан слой 46 устройства CMUT, с некоторыми компонентами, имеющими необязательную функциональность ассоциированной ASIC 47. Фиг. 4b показывает вид устройства сверху вниз со связанным с ним соединением с ASIC 49, с разделенным вторым электродом 33, который имеет наружную часть 50 и внутреннюю часть 51.
Список ссылочных позиций
1 устройство CMUT
10 кремниевая подложка
11 первый электрод
12 полость
13 мембрана из нитрида кремния
14 второй электрод
15 стрелка
16 стрелка
17 стрелка
18 стрелка
30 сечение устройства CMUT в соответствии с настоящим изобретением
31 стрелка
32 мембрана
34 точка крепления для мембраны
35 указание отклонения мембраны
36-41 стрелки
42 центральная поперечная ось мембраны
43 первая компенсирующая пластина
44 пассивирующий слой
45 оптимальное положение зазора
46 слой устройства CMUT
47 ASIC
48 устройство CMUT
49 соединение с ASIC
50 наружная часть второго электрода
51 внутренняя часть второго электрода.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для температурной компенсации в устройстве CMUT. Устройства CMUT используют во многих применениях, например, ультразвукового формирования изображения и измерения давления. Эти устройства работают посредством считывания изменения электрической емкости, вызываемого отклонением мембраны (32), содержащей один из пары электродов в устройстве, из-за ультразвукового воздействия или давления, приложенного к мембране. Устройство CMUT может быть восприимчивым к воздействиям изменения температуры. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 14 ил.
1. Устройство CMUT, содержащее
кремниевую подложку (10),
полость (12),
мембрану (13),
причем мембрана и кремниевая подложка, каждая, выполнены с возможностью образования боковой стороны полости, упомянутые боковые стороны расположены друг напротив друга,
первый электрод (11), расположенный рядом с полостью и параллельно ей, выполненный соприкасающимся с кремниевой подложкой,
второй электрод (14), расположенный рядом с полостью и параллельно ей, напротив первого электрода и встроенный в мембрану,
отличающееся тем, что
устройство CMUT дополнительно содержит средства (30) температурной компенсации,
причем такие средства выполнены с возможностью уменьшения вызванного температурой отклонения мембраны, h, в соответствии с:
где
h представляет собой вызванное температурой отклонение мембраны в направлении подложки в центральной точке полости,
М представляет собой вызванный температурой момент мембраны, D представляет собой изгибную жесткость пластины, xm представляет собой размер мембраны в качестве заданного от центральной точки полости,
xb представляет собой размер второго электрода в качестве заданного от центральной точки полости,
h1, h2 и h3 представляют собой расстояния до первой боковой стороны второго электрода, второй боковой стороны второго электрода и толщину мембраны соответственно, как измерено от боковой стороны мембраны, образующей боковую сторону полости,
ν представляет собой коэффициент Пуассона,
S представляет собой термическое напряжение в мембране,
Е представляет собой модуль Юнга материала мембраны, причем Е1 и Е2 относятся к мембране и второму электроду соответственно,
ΔТ представляет собой изменение температуры, и
α представляет собой коэффициент расширения материала, причем α1 и α2 относятся к мембране и второму электроду соответственно.
2. Устройство CMUT по п. 1, в котором мембрана является осесимметричной, причем xm представляет собой размер, который является радиусом rm мембраны в качестве заданного от центральной точки полости, и xb представляет собой размер, который является радиусом rb второго электрода в качестве заданного от центральной точки полости.
3. Устройство CMUT по п. 1 или 2, в котором второй электрод расположен симметрично по отношению к высоте мембраны таким образом, что (h1+h2)/2 равно или приблизительно равно ½ h3, тем самым уменьшая М до 0.
4. Устройство CMUT по п. 1 или 2, в котором толщина второго электрода уменьшена и положение второго электрода смещено по отношению к центральной оси мембраны, параллельной полости.
5. Устройство CMUT по п. 1 или 2, в котором второй электрод продолжается по всей мембране параллельно полости.
6. Устройство CMUT по п. 5, в котором rb=rm.
7. Устройство CMUT по п. 1 или 2, в котором устройство CMUT дополнительно содержит первую компенсирующую пластину, причем первая компенсирующая пластина состоит из такого же материала, как и второй электрод, и расположена на наружной поверхности мембраны, противоположной по отношению к полости, на боковой стороне, параллельной полости, пластина имеет радиус rb-top, как измерено от центральной точки полости так, что rb-top≤rb.
8. Устройство CMUT по п. 1 или 2, в котором устройство CMUT дополнительно содержит вторую компенсирующую пластину, причем вторая компенсирующая пластина выполнена в соответствии с размерами и составом второго электрода, вторая компенсирующая пластина и второй электрод расположены симметрично в мембране по отношению к центральной оси мембраны и параллельно полости.
9. Устройство CMUT по п. 1 или 2, в котором второй электрод устройства CMUT содержит узкое кольцо, расположенное для разделения и электрического разъединения внутренней части второго электрода и наружной части.
10. Устройство CMUT по п. 1 или 2, в котором мембрана содержит нитрид кремния, и второй электрод содержит алюминий или соединение алюминия.
11. Устройство CMUT по п. 1 или 2, дополнительно содержащее специальную интегральную схему (ASIC), причем ASIC представляет собой независимый компонент или интегрирована с CMUT.
12. Устройство ультразвукового формирования изображения, содержащее устройство CMUT по любому из указанных выше пп. 1-11.
13. Устройство регистрации давления, содержащее устройство CMUT по любому из указанных выше пп. 1-11.
14. Способ изготовления устройства CMUT по пп. 1-11, содержащий этапы:
изготовления устройства CMUT по любому из пп. 1-11,
обеспечения испытательного оборудования для устройства CMUT, причем испытательное оборудование выполнено с возможностью приведения в действие в диапазоне температур, предпочтительно содержащем диапазон температур, по меньшей мере, -55°С - +200°С, более предпочтительно содержащем диапазон температур +10°С +60°С,
измерения температурной зависимости устройства CMUT, характеризуемой коэффициентом β.
15. Способ изготовления устройства CMUT по п. 14, дополнительно содержащий этап:
корректировки неполной температурной зависимости устройства CMUT посредством дополнительного изготовления для добавления первой или дополнительной первой компенсирующей пластины по п. 7.
16. Способ изготовления устройства CMUT по п. 11, по п. 14 или 15, содержащий дополнительный этап:
добавления постоянных данных о коэффициенте температурной зависимости β и/или уникального идентификатора в ASIC.
| WO 2010032156 A2 , 25.03.2010 | |||
| US 20100195851 A1 , 05.08.2010 | |||
| ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ | 1991 |
|
RU2010197C1 |
| US 20050200241 A1 , 15.09.2005 | |||
| US 20080089180 A1 , 17.04.2008 | |||
| ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ | 2006 |
|
RU2310176C1 |
