電容式換能器、其制造方法和被檢體信息獲取裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了電容式換能器、其制造方法和被檢體信息獲取裝置。提供了具有寬頻帶頻率特性的電容式換能器。電容式換能器包括具有多種單元的元件，每個(gè)單元包括：第一電極；包括第二電極的振動(dòng)膜，第二電極通過(guò)間隙與第一電極相對(duì)；以及支持部，支持振動(dòng)膜以形成間隙。當(dāng)從振動(dòng)膜的法線方向看時(shí)，多種單元具有不同的、第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率。多種單元中的第一電極或第二電極電連接在一起。
【專利說(shuō)明】電容式換能器、其制造方法和被檢體信息獲取裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將被用作超聲換能器等的電容式換能器(capacitive transducer)以及電容式換能器制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]被設(shè)計(jì)為發(fā)送和接收超聲波的超聲換能器被用在診斷裝置中來(lái)對(duì)例如活體內(nèi)的腫瘤進(jìn)行診斷。近些年，正在開發(fā)使用微加工技術(shù)的電容式換能器(電容式微加工超聲換能器:CMUT)。CMUT比使用壓電元件的傳統(tǒng)超聲換能器的優(yōu)越之處在于:容易地獲得寬頻帶特性，并且振動(dòng)模式的數(shù)量更少且噪聲低。CMUT的特征在于利用輕質(zhì)振動(dòng)膜發(fā)送或接收諸如超聲波、音波和光聲波之類的聲波(下文中有時(shí)用超聲波來(lái)代表)。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)診斷模態(tài)相比，使用CMUT來(lái)進(jìn)行精確超聲診斷的這項(xiàng)有前景的技術(shù)正受到關(guān)注。
[0003]作為上述技術(shù)，已經(jīng)提出一種實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性(在寬頻域中具有相對(duì)高的電氣機(jī)械變換比率的特性)的電容式換能器，其包括含彈簧常數(shù)(spring constant)高的振動(dòng)膜的單元以及含彈簧常數(shù)低的振動(dòng)膜的單元(參見美國(guó)專利N0.5，870，351)。已經(jīng)提出實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性的另一種電容式換能器，其具有彈簧常數(shù)高的多個(gè)單元的單元組以及彈簧常數(shù)低的多個(gè)單元的單元組(參見US2007/0059858)。
[0004]在上述電容式換能器中，利用含彈簧常數(shù)不同的多個(gè)振動(dòng)膜的多個(gè)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻帶。因此，電容式換能器通常包括含面積不同的多個(gè)振動(dòng)膜的多個(gè)單元。
[0005]例如，利用表面微加工技術(shù)，主要利用犧牲層蝕刻技術(shù)來(lái)制造電容式換能器。然而，在表面微加工技術(shù)中，稍后要被整形為振動(dòng)膜的薄膜部分可能在犧牲層的蝕刻之后的干燥步驟中粘附到通過(guò)蝕刻犧牲層而形成的間隙的下表面上。即使當(dāng)能夠制造電容式換能器時(shí)，振動(dòng)膜也因應(yīng)力而容易翹曲，尤其是，面積大的振動(dòng)膜因彈簧常數(shù)低而容易翹曲。取決于振動(dòng)膜的應(yīng)力分布，振動(dòng)膜不均勻地翹曲從而使性能劣化。實(shí)現(xiàn)具有電氣機(jī)械變換比率高的寬頻帶特性的電容式換能器的挑戰(zhàn)是:通過(guò)在單個(gè)元件中均一地制造電氣機(jī)械變換比率的頻率特性不同的多個(gè)單元來(lái)形成設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明，提供一種包括具有多種單元的元件的電容式換能器，每個(gè)單元包括:第一電極；包括第二電極的振動(dòng)膜，第二電極通過(guò)間隙與第一電極相對(duì)；以及支持振動(dòng)膜以便形成間隙的振動(dòng)膜支持部。當(dāng)從振動(dòng)膜的法線方向看時(shí)，多種單元具有不同的、第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率。多種單元中的第一電極或第二電極電連接在一起。
[0007]根據(jù)參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清楚。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1A和圖1B是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例及示例I的電容式換能器的圖示。[0009]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例及示例2的電容式換能器的圖示。
[0010]圖3A、圖3B、圖3C、圖3D、圖3E及圖3F是示出根據(jù)本發(fā)明的制造電容式換能器的示例性方法的圖示。
[0011]圖4是示出利用根據(jù)本發(fā)明的電容式換能器獲取被檢體信息的示例性裝置的圖
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【具體實(shí)施方式】
[0012]根據(jù)本發(fā)明的電容式換能器的特征在于:提供多種(兩種或至少三種)單元，當(dāng)從振動(dòng)膜的法線方向看時(shí)，所述多種單元具有不同的、第一電極或第二電極的面積與間隙的面積的比率，以便實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性。該結(jié)構(gòu)特征使多種單元能夠被設(shè)計(jì)為具有各種結(jié)構(gòu)。例如，多種單元的振動(dòng)膜可以被形成為具有相等的彈簧常數(shù)以便使制造加工容易?？商娲?，多種單元的振動(dòng)膜可以被形成為具有不同的彈簧常數(shù)，從而振動(dòng)膜的彈簧常數(shù)大的單元的上述比率可以大于振動(dòng)膜的彈簧常數(shù)小的單元的上述比率。在圖1A和圖1B中示出該結(jié)構(gòu)示例，并且多種單元可以被形成為具有彼此接近的吸合(pull-1n)電壓。這里使用的吸合電壓是指第一電極與第二電極之間的如下施加電壓，在該施加電壓處?kù)o電引力變得大于振動(dòng)膜的復(fù)原力從而使振動(dòng)膜與間隙的下表面接觸。當(dāng)被施加等于或大于吸合電壓的電壓時(shí)，振動(dòng)膜被使得與間隙的下表面接觸。還可替代地，多種單元的振動(dòng)膜可以被形成為具有不同的面積，從而振動(dòng)膜的面積小的單元的上述比率可以大于振動(dòng)膜的面積大的單元的上述比率。同樣在該結(jié)構(gòu)中，可以將吸合電壓設(shè)定為彼此接近。仍可替代地，多種單元的振動(dòng)膜可以被形成為具有不同的厚度，從而振動(dòng)膜的厚度大的單元的上述比率可以大于振動(dòng)膜的厚度小的單元的上述比率。圖2中示出該結(jié)構(gòu)示例。同樣在該結(jié)構(gòu)中，多種單元可以被形成為具有彼此接近的吸合電壓。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，例如，即使當(dāng)多種單元的振動(dòng)膜具有相同或接近的彈簧常數(shù)、面積或厚度時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)寬頻帶的靈敏度。在那些情況下，所有單元的振動(dòng)膜具有接近的彈簧常數(shù)、面積或厚度并且因此可容易地均一地進(jìn)行制造。另一方面，即使當(dāng)多種單元的振動(dòng)膜具有不同的彈簧常數(shù)、面積或厚度時(shí)，通過(guò)適當(dāng)改變多種單元之間的上述比率，例如，通過(guò)使多種單元具有彼此接近的吸合電壓，也可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。即使在共用電壓施加單元被使用時(shí)，這也可防止發(fā)送靈敏度或接收靈敏度降低。應(yīng)理解，取決于吸合電壓的差異，可將分立的電壓施加單元用于多種單元。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的電容式換能器，可以增大接收或發(fā)送頻帶寬度，并且，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)上述比率，也可以提高發(fā)送靈敏度或接收靈敏度。
[0013]下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。圖1A是根據(jù)該實(shí)施例的電容式換能器I的頂視圖，圖1B是沿圖1A的1B-1B線取得的截面圖。根據(jù)該實(shí)施例的電容式換能器I包括兩個(gè)單元組2和3。單元組2包括多個(gè)單元4，單元組3包括多個(gè)單元5。單元組2和3彼此電連接，并且這兩個(gè)單元組形成一個(gè)元件6。雖然圖1A僅示出一個(gè)元件6，但電容式換能器I可以包括含多個(gè)元件6的陣列元件。在圖1A中，雖然單元4和5以正方形格子狀布置，但也可以以交錯(cuò)方式或任何其他方式布置。
[0014]單元4和5分別包括形成于襯底7上的共用第一電極8、通過(guò)蝕刻犧牲層而形成的間隙9和10、振動(dòng)膜13和14以及支持振動(dòng)膜13和14的支持部15和16。振動(dòng)膜13和14分別包括通過(guò)間隙與第一電極8相對(duì)的第二電極11和12。在圖1A和圖1B中，當(dāng)從振動(dòng)膜的法線方向看時(shí)，振動(dòng)膜13和14為圓形，但也可以為四邊形、六邊形、橢圓形等。襯底7可以是將用于制造典型的集成電路或典型的光學(xué)設(shè)備的晶片，并且可以是例如硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、玻璃(Si02)、SiC或絕緣體上硅(SOI)。第一電極8和第二電極11和12只需要由金屬薄膜制成，例如是Al、T1、Co、Cu、Mo及W，作為其化合物的AlS1、AlCu、AlSiCu、Tiff,TiN及TiC，以及其疊層。第一電極8可以與襯底7絕緣，或者可以在襯底7由導(dǎo)電材料制成時(shí)連接到襯底7。襯底7可以與第一電極8 一體化,并且例如,娃(Si)襯底自身可以用于充當(dāng)?shù)谝浑姌O8。
[0015]在電容式換能器I的單元4和5中，第一電極8與第二電極11和12分別彼此電連接，并且第一電極8與第二電極11和12通過(guò)絕緣膜17和18彼此絕緣。可以省略兩個(gè)絕緣膜17和18中的任一個(gè)。在電容式換能器I中，取決于要振動(dòng)的振動(dòng)膜13和14，電容隨時(shí)間改變。當(dāng)振動(dòng)膜13和14被周期性振動(dòng)時(shí)，聲波被生成。當(dāng)接收聲波時(shí)，振動(dòng)膜13和14被振動(dòng)從而生成AC電流。
[0016]在圖1B中，振動(dòng)膜13和14為分別包括第二電極11和12的三層結(jié)構(gòu)。除第二電極11和12之外的其他組件的材料的示例包括硅氮化物、金剛石、硅碳化物、硅氧化物及多晶娃。盡管未不出，但設(shè)置有用于在第一電極8與第二電極11和12之間施加電壓(DC電壓或AC電壓)的電壓施加單元。
[0017]在用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的的該實(shí)施例中，單元組2的單元中的第二電極11的面積(從振動(dòng)膜的法線方向看時(shí)的面積；同樣適用于下文)與間隙9的面積之間的比率不同于單元組3的單元中的第二電極12的面積與間隙10的面積之間的比率。希望一個(gè)元件6內(nèi)的單元具有均一的電氣機(jī)械變換特性。這是因?yàn)楫?dāng)振動(dòng)膜同相工作時(shí)，電氣機(jī)械變換特性變?yōu)樽畲?。根?jù)包括該實(shí)施例在內(nèi)的本發(fā)明，單元組2和單元組3被形成為在間隙9和10的面積與間隙上方的第二電極`11和12的面積之間的比率不同，從而改變電氣機(jī)械變換比率的頻率特性并實(shí)現(xiàn)寬頻帶。除此之外，通過(guò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，所有單元的電氣機(jī)械變換特性可被設(shè)定為基本上均一從而也提高電氣機(jī)械變換比率。
[0018]例如，在間隙9和10具有相同面積并且振動(dòng)膜13和14具有相同結(jié)構(gòu)的情況下，如果第二電極11和12具有不同面積，則當(dāng)在電極之間施加相同電壓時(shí)不同程度地出現(xiàn)由靜電力引起的負(fù)剛度(stiffness)。因此，當(dāng)施加電壓時(shí)，振動(dòng)膜13和14的機(jī)械阻抗彼此不同。結(jié)果，在單元組2與單元組3之間獲得不同的頻率特性，由此實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性。
[0019]當(dāng)振動(dòng)膜13和14具有不同的彈簧常數(shù)時(shí)，更加增強(qiáng)了獲得寬頻帶特性的效果。要施加到單元的電壓的最佳值取決于振動(dòng)膜的彈簧常數(shù)和電極面積。當(dāng)單元具有均一的電氣機(jī)械變換特性時(shí)，希望將施加電壓設(shè)定為比使振動(dòng)膜與間隙的下表面接觸的電壓(吸合電壓)小10%-20%的值。這是因?yàn)?，盡管電氣機(jī)械變換特性隨施加電壓變大而得到改善，但是當(dāng)施加電壓過(guò)于接近吸合電壓時(shí)工作因單元的特性波動(dòng)而變得不穩(wěn)定。
[0020]“彈簧常數(shù)”被定義為其中第一電極和第二電極彼此相對(duì)的區(qū)域的平均位移，其是由靜電力引起的。當(dāng)彈簧常數(shù)用k表示，電容用C表示，振動(dòng)膜的其中電極彼此相對(duì)的區(qū)域(下文也稱作“電極部分”)的平均位移用X表示，且第一電極與第二電極之間的電勢(shì)差用V表示時(shí)，彈簧常數(shù)k用下面的表達(dá)式I的關(guān)系表示。
[0021 ] k=(V2/2)*((aC/^x)/x)(表達(dá)式 I)
[0022]隨著電極的面積變小，由于因偏置電壓引起的靜電力，在振動(dòng)膜中發(fā)生更大位移。另一方面，隨著電極的面積變小，靜電力變小。隨著電極的面積變大，在振動(dòng)膜的支持部的附近發(fā)生更小位移。因此，電極面積與彈簧常數(shù)之間的關(guān)系為具有極限值的下凸函數(shù)。在任何情況下，通過(guò)改變電極面積，彈簧常數(shù)被簡(jiǎn)單地改變，并且當(dāng)具有相對(duì)于間隙面積而言不同的電極面積的多種單元被設(shè)置在一個(gè)元件中時(shí)，頻帶被增大。然而，電氣機(jī)械變換比率隨電極面積變小而變小，因此希望電極面積是間隙部分的面積的50%或更多。
[0023]可想到一些結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)定振動(dòng)膜13和14的不同彈簧常數(shù)。振動(dòng)膜13和14的厚度可以不同，或者振動(dòng)膜13和14相對(duì)于間隙9和10的面積可以不同?？商娲兀梢詫⒘硪环N材料只添加到單元中的一種的振動(dòng)膜13上。還可替代地，可以將支持部15和16的面積變?yōu)椴煌?br> [0024]上文描述了第二電極11和12相對(duì)于間隙面積的面積比率。然而，在第一電極8相對(duì)于間隙9和10的面積比率不同的情況下，同樣可得到相同的效果。
[0025]下面參照?qǐng)D3A-3F描述根據(jù)本發(fā)明的制造電容式換能器的示例性方法。通過(guò)導(dǎo)體成膜、光刻、和圖案化來(lái)在襯底31上形成第一電極32 (圖3A)。在這種情況下,第一電極32和襯底31可以彼此電連接或彼此絕緣。在使襯底31與第一電極32絕緣的情況下，在形成第一電極32之前形成絕緣膜。圖1B中所示的間隙9和10以及形成于其上的隔膜(membrane)被要求為厚度波動(dòng)較小且平滑，因此襯底31、第一電極32等被要求是平滑的。間隙9和10各自具有約100-300納米的高度，因此平滑度優(yōu)選地為約1-2納米。
[0026]形成絕緣膜34。絕緣膜34例如是通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)形成且厚度為50-150納米的硅氧化物膜。并不總是要求形成絕緣膜34。接下來(lái)，通過(guò)成膜、光刻、和圖案化來(lái)在第一電極32上形成犧牲層33 (圖3B)。同樣要求犧牲層和絕緣膜具有與上述平滑度類似的高平滑度。考慮到犧牲層決定型腔形狀的事實(shí)，犧牲層33需要由相對(duì)于周圍材料具有良好加工選擇性且圖案化波動(dòng)較小的材料制成。犧牲層33的厚度決定圖1B的間隙9和10的高度。因此，要求犧牲層33具有小的厚度分布并且如上所述是平滑的。犧牲層33的材料的示例包括鉻、鑰、鋁、其化合物、非晶硅及硅氧化物。
[0027]在犧牲層33上形成第一隔膜35 (圖3C)。隨后，通過(guò)成膜來(lái)形成導(dǎo)體，并且該導(dǎo)體經(jīng)過(guò)光刻和圖案化從而形成第二電極36 (圖3D)。
[0028]在第一隔膜35中形成孔37以便暴露犧牲層33的一部分。對(duì)犧牲層33進(jìn)行蝕刻以形成間隙38 (圖3E)。在這種情況下，如果第一隔膜35的彈簧常數(shù)太小，則第一隔膜35可能粘附到間隙38的下表面上。此外，即使在完成犧牲層蝕刻步驟之后，第一隔膜35也可能因施加到其上的應(yīng)力而大幅翹曲并且性能可能劣化。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)改變電極面積與間隙面積的比率實(shí)現(xiàn)了寬頻帶，因此，即使當(dāng)圖1B的振動(dòng)膜13和14的彈簧常數(shù)之間的差異減小時(shí)，也可降低換能器的制造中的風(fēng)險(xiǎn)。
[0029]此后，封閉孔37，同時(shí)形成第二隔膜39(圖3F)。第一隔膜、第二電極36以及第二隔膜一起構(gòu)成振動(dòng)膜。這種制造方法可以進(jìn)行如下修改。在形成第二電極36之后，形成第二隔膜，并在第二隔膜和第一隔膜中形成孔。然后，對(duì)犧牲層進(jìn)行蝕刻，并封閉孔。通過(guò)用本發(fā)明的制造方法來(lái)制造電容式換能器，可以實(shí)現(xiàn)具有寬頻帶寬度的發(fā)送/接收特性。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)電極面積與間隙面積的比率，在具有不同頻率特性的單元之間可以將吸合電壓設(shè)定為彼此更接近，因此，即使在使用共用電壓施加單元時(shí)，也可提高所有單元的電氣機(jī)械變換比率。[0030]現(xiàn)在，下面將通過(guò)更多具體示例來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明。
[0031](示例I)
[0032]現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明的示例I的電容式換能器。圖1A和圖1B示出示例I。單元組2包括8個(gè)單元4且單元組3包括8個(gè)單元5,但單元的數(shù)量不限于此。然而,如果單元組之一中的單元的數(shù)量太大，則增大頻帶的效果被減弱，因此，希望單元組2和3的占用面積盡可能相等。
[0033]如圖1A所示，當(dāng)不同種類的單元中的振動(dòng)膜13和14或間隙9和10被形成為圓形時(shí)，其直徑為20-50微米。在圖1A和圖1B中，間隙9的直徑大于間隙10的直徑，但是它們可以彼此相等。在這種情況下，第二電極11與間隙9的面積比率小于第二電極12與間隙10的面積比率。因此，當(dāng)間隙9與間隙10的面積相等時(shí)，第二電極11小于第二電極12。圖1A中的第二電極11和12用圓圈和連接線示出。然而,第二電極11和12并不總是被要求為圓形，而是可以為矩形、多邊形等。
[0034]在厚度為300微米的熱氧化單晶硅襯底7上形成單元組2中的單元4。盡管未示出，但是熱氧化膜的厚度為100納米至2微米。通過(guò)成膜和圖案化來(lái)在襯底7上形成第一電極8。通過(guò)在第一電極8上形成間隙9、包括第二電極11的振動(dòng)膜13以及支持部15來(lái)構(gòu)成單元4。在間隙9或支持部15與第一電極8之間形成絕緣膜17，從而使第一電極8與第二電極11絕緣。該絕緣膜是通過(guò)PECVD形成且厚度為100納米的硅氧化物膜。第一電極8由厚度為50納米的鈦制成，第二電極11由厚度為100納米的鋁制成。除第二電極11之外，振動(dòng)膜13是硅氮化物膜，且通過(guò)PECVD形成。第二電極11下的振動(dòng)膜13的厚度為400納米，且這部分還充當(dāng)針對(duì)第一電極8的絕緣膜18。另一方面，第二電極11頂部上的硅氮化物膜的厚度為1，000納米。該硅氮化物膜形成有200MPa或更小的拉伸應(yīng)力。
[0035]在上述結(jié)構(gòu)中，例如，間隙9的直徑為36微米并且第二電極11的直徑為30微米。吸合電壓為150V。振動(dòng)膜13的彈簧常數(shù)為37kN/m。如上所述，基于由靜電力引起的振動(dòng)膜的電極部分的平均位移來(lái)計(jì)算“彈簧常數(shù)”。在示例I中，電極部分的面積與形成于間隙部分上方的第二電極的面積對(duì)應(yīng)。
[0036]在另一單元5中，當(dāng)間隙10的直徑為36微米且第二電極12的直徑為35微米時(shí)，與單元4和5具有相等電極面積的情況相比，頻帶被增大。在這種情況下，振動(dòng)膜14的彈簧常數(shù)為64kN/m，其大于單元4的振動(dòng)膜13的彈簧常數(shù)(37kN/m)。在單元4和5的振動(dòng)膜具有不同尺寸的情況下，通過(guò)改變電極面積與間隙面積之間的比率可增強(qiáng)增大頻帶的效果。例如，在單元5中，當(dāng)間隙10的直徑為34微米且第二電極12的直徑為33微米時(shí)，吸合電壓為174V且振動(dòng)膜14的彈簧常數(shù)為70kN/m，因此增大頻帶寬度。
[0037]根據(jù)示例1，在單元組之間，振動(dòng)膜具有不同的彈簧常數(shù)，并且電極面積與間隙面積的比率被改變，因此可實(shí)現(xiàn)具有寬頻帶特性的電容式換能器。
[0038](示例2)
[0039]現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明的示例2的電容式換能器。示例2是示例I的修改。圖2示出示例2,示出與圖1B中的相同的截面。單元組2中的單元4具有與示例I中的相同的結(jié)構(gòu)。
[0040]在單元105中，間隙110的直徑等于間隙9的直徑，并且第二電極112的直徑等于示例I中的第二電極12的直徑。振動(dòng)膜114的結(jié)構(gòu)與單元4的振動(dòng)膜13的相同之處在于第二電極112下的厚度為400納米，而不同之處在于第二電極頂部上的硅氮化物膜的厚度為1，100納米。在這種情況下，振動(dòng)膜114的彈簧常數(shù)為77kN/m，其大于振動(dòng)膜13的彈簧常數(shù)(37kN/m)。以這種方式，與示例I類似地，頻帶被增大。
[0041]例如，通過(guò)以下方法來(lái)改變單元105的第二電極112上方的硅氮化物膜的厚度。在單元組2上形成金屬膜，并通過(guò)PECVD在其上形成硅氮化物膜。此后，通過(guò)光刻膠保護(hù)僅僅單元組3上的區(qū)域，并對(duì)硅氮化物膜進(jìn)行蝕刻。在這種情況下，當(dāng)金屬膜由耐蝕刻的材料制成時(shí)，單元組2被保護(hù)。此后，除去光刻膠，并除去金屬膜，從而制造出圖2的結(jié)構(gòu)。
[0042]根據(jù)示例2，在單元組之間，振動(dòng)膜具有不同厚度，并且電極面積與間隙面積的比率被改變，因此可實(shí)現(xiàn)具有寬頻帶特性的電容式換能器。
[0043](示例3)
[0044]包括在上述實(shí)施例或示例中描述的電容式換能器的探頭可應(yīng)用于使用聲波的被檢體信息獲取裝置。來(lái)自被檢體的聲波被電容式換能器接收，并且輸出電信號(hào)被用于獲取被檢體信息，該被檢體信息反映被檢體的光學(xué)屬性值，比如光吸收系數(shù)。
[0045]圖4示出使用光聲效應(yīng)的示例3的被檢體信息獲取裝置。從用于生成脈沖形式的光的光源151發(fā)出的脈沖光152經(jīng)由諸如透鏡、反射鏡或光纖之類的光學(xué)部件154照射被檢體153。被檢體153內(nèi)的光吸收體155吸收脈沖光的能量從而生成作為聲波的光聲波156。配備有容納本發(fā)明的具有寬頻帶特性的電容式換能器的殼體的探頭157接收光聲波156以將光聲波156轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將電信號(hào)輸出至信號(hào)處理器159。信號(hào)處理器159使輸入電信號(hào)經(jīng)過(guò)諸如A/D轉(zhuǎn)換和放大之類的信號(hào)處理，并將結(jié)果信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)處理器150。數(shù)據(jù)處理器150使用輸入信號(hào)來(lái)獲取作為圖像數(shù)據(jù)的被檢體信息(反映被檢體的諸如光吸收系數(shù)之類的光學(xué)屬性值的被檢體信息)。顯示部件158基于從數(shù)據(jù)處理器150輸入的圖像數(shù)據(jù)來(lái)顯示圖像。探頭可被配置成機(jī)械地進(jìn)行掃描或可被配置成由諸如醫(yī)生或工程師之類的用戶相對(duì)于被檢體移動(dòng)(手持式)。應(yīng)理解，作為本發(fā)明的電氣機(jī)械換能器的電容式換能器也可以用在用于檢測(cè)來(lái)自被用聲波照射的被檢體的聲波的被檢體診斷裝置中。同樣在這種情況下，來(lái)自被檢體的聲波被電容式換能器檢測(cè)到，并且轉(zhuǎn)換后的信號(hào)被信號(hào)處理器處理，從而獲取被檢體內(nèi)的信息。在這種情況下，本發(fā)明的電容式換能器可以用于向被檢體發(fā)送聲波。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的電容式換能器可應(yīng)用于用以獲取諸如活體之類的測(cè)量目標(biāo)中的信息的光學(xué)成像設(shè)備、傳統(tǒng)超聲診斷裝置等。根據(jù)本發(fā)明的電容式換能器還可應(yīng)用于包括超聲探傷儀的其他應(yīng)用。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的電容式換能器包括多種單元，多種單元具有不同的電極面積與間隙面積之間的比率且被并行地電連接。結(jié)果，包括電氣機(jī)械變換比率的頻率特性不同的多種單元并因此具有寬的接收頻帶寬度或發(fā)送頻帶寬度的電容式換能器可根據(jù)所出現(xiàn)的需求通過(guò)靈活設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0048]盡管已參照示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所公開的示例性實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有這些修改以及等同結(jié)構(gòu)和功能。
【權(quán)利要求】
1.一種電容式換能器，包括具有多種單元的元件，每個(gè)單元包括:第一電極；包括第二電極的振動(dòng)膜，第二電極通過(guò)間隙與第一電極相對(duì)；以及支持部，支持振動(dòng)膜以形成間隙，其中，當(dāng)從振動(dòng)膜的法線方向看時(shí)，多種單元具有不同的、第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率，并且其中，多種單元中的第一電極或第二電極電連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式換能器，其中，多種單元的振動(dòng)膜各自具有相等的彈簧常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式換能器，其中，多種單元的振動(dòng)膜各自具有不同的彈簧常數(shù)，并且其中，在振動(dòng)膜的彈簧常數(shù)大的單元中的所述第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率大于在振動(dòng)膜的彈簧常數(shù)小的單元中的所述第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式換能器， 其中，多種單元的振動(dòng)膜各自具有不同的面積，并且其中，在振動(dòng)膜的面積小的單元中的所述第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率大于在振動(dòng)膜的面積大的單元中的所述第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式換能器，其中，多種單元的振動(dòng)膜各自具有不同的厚度，并且其中，在振動(dòng)膜的厚度大的單元中的所述第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率大于在振動(dòng)膜的厚度小的單元中的所述第一電極和第二電極中的一個(gè)的面積與間隙的面積的比率。
6.一種被檢體信息獲取裝置，包括:根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電容式換能器；電壓施加單元，被配置成在每個(gè)單元的第一電極和第二電極之間施加電壓；以及信號(hào)處理器，被配置成處理從電容式換能器輸出的信號(hào)，其中，電容式換能器被配置成接收聲波，并且信號(hào)處理器被配置成將通過(guò)轉(zhuǎn)換獲得的信號(hào)處理成電信號(hào)，從而獲取有關(guān)被檢體的信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的被檢體信息獲取裝置，還包括:被配置成發(fā)光的光源；其中，電容式換能器被配置成接收由從光源發(fā)出以照射被檢體的光生成的聲波，并且信號(hào)處理器被配置成將通過(guò)轉(zhuǎn)換獲得的信號(hào)處理成電信號(hào)，從而獲取有關(guān)被檢體的信息。
8.—種制造根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的電容式換能器的方法，所述方法包括:形成多種單元的第一電極；在第一電極上形成犧牲層以便形成多種單元中的每個(gè)單元的間隙；在犧牲層上形成多種單元中的每個(gè)單元的振動(dòng)膜的至少一部分；以及除去犧牲層，其中，形成犧牲層和形成振動(dòng)膜的至少一部分包括:設(shè)定不同的、多種單元中的每個(gè)單元的第二電極的面積與 形成多種單元中的每個(gè)單元的間隙的犧牲層的面積的比率。
【文檔編號(hào)】B06B1/02GK103521421SQ201310273140
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月6日
【發(fā)明者】秋山貴弘, 虎島和敏 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社