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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gegenstand
der Erfindung ist allgemein jede mikrobearbeitete Struktur, bei
der es gewünscht
wird, die Auswirkungen mechanischer Anregungen der Vorderseite in
Folge mechanischer, auf das Grundsubstrat übertragener Kräfte zu mindern.
Die Erfindung ist sowohl bei Oberflächen- als auch Substratmikrobearbeitung
einsetzbar und wirksam.
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Neuerdings
werden zur Herstellung von Ultraschalltransducern, die als mikrobearbeitete
Ultraschalltransducer (MUTs) der kapazitiven (cMUT) oder piezoelektrischen
(PMUT) Bauart bekannt sind, Halbleiterfertigungsverfahren eingesetzt.
cMUTs sind kleine membranartige Einrichtungen mit Elektroden, die
die Schallschwingung eines empfangenen Ultraschallsignals in eine
Kapazitätsmodulation
umsetzen. Zum Sendebetrieb wird die elektrische Ladung moduliert,
um die Membran der Einrichtung vibrieren zu lassen und dadurch eine
Schallwelle auszusenden.
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Ein
Vorzug der MUTs ist, dass sie unter der Nutzung von Halbleiterherstellungsverfahren
hergestellt werden können,
wie beispielsweise Mikroherstellungsverfahren, die unter der Überschrift „Mikrobearbeitung" oder „micromachining" zusammengefasst
werden. Wie in dem US-Patent Nr. 6 359 367 erläutert ist:
Ist Mikrobearbeitung
die Ausbildung mikroskopischer Strukturen unter Nutzung einer Kombination
oder einer Teilmenge von (a) Pattern Generationswerkzeugen (allgemeine
Lithographie, wie beispielsweise projection aligners oder wafer
steppers) und (b) Beschichtungstechniken wie beispielsweise PVD
(physikalische Dampfphasenabscheidung), CVD (chemische Dampfphasenabscheidung),
LPCVD (chemische Niederdruckdampfphasenabscheidung), PECVD (chemische
Plasmadampfabscheidung) sowie (c) Ätztechniken wie beispielsweise
chemisches Nassätzen,
Plasmaätzen,
Ionenabtragung, Sputtern oder Laserätzen. Mikrobearbeitung wird
typischerweise an Substraten oder Wafern durchgeführt, die
aus Silizium, Glas, Saphir oder Keramik bestehen. Solche Substrate
oder Wafer sind allgemein sehr flach und glatt und haben Querabmessungen
im Zollbereich. Sie werden üblicherweise
als in Kassetten zusammengefasste Gruppen bearbeitet, in denen sie
von Prozessstufe zu Prozessstufe weiter gegeben werden. Jedes Substrat
kann vorzugsweise (jedoch nicht notwendigerweise) mehrere gleiche
Produkte umfassen. Es existieren zwei allgemeine Grundtypen der
Mikrobearbeitung ... 1) Körpermikrobearbeitung,
bei der große
Partien von der Dicke des Wafers oder Substrats abgetragen werden
und 2) Oberflächenmikrobearbeitung,
bei der die Bearbeitung generell auf die Oberfläche beschränkt ist, wobei insbesondere
dünne Schichten
auf der Oberfläche
niedergeschlagen werden können.
Die hier benutzte Mikrobearbeitungsdefinition umfasst die Verwendung
konventioneller oder bekannter mikrobearbeitbarer Materialien, zu
denen Silizium, Saphir, Glasmaterialien aller Arten, Polymere (wie
beispielsweise Polyimide), Polysilizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid,
dünne Metallfilme,
wie beispielsweise Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Wolfram, Spin-on-glasses
(SOGs), implantierbare oder diffundierte Dotierungsstoffe, aufgewachsene
Schichten, wie beispielsweise Siliziumoxide und -nitride gehören.
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Die
gleiche Definition der Mikrobearbeitung wird hier zugrunde gelegt.
Die aus solchen Mikrobearbeitungsvorgängen hervorgehenden Systeme
werden typischerweise als „mikrobearbeitete
elektromechanische Systeme" (MEMS)
bezeichnet.
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Konventionelle
cMUTs erinnern an kleine Trommeln, die elektrostatisch „geschlagen" werden. Das Trommelfell
vibriert, wobei es Ultraschallwellen sowohl aussendet als auch empfängt. Eine
cMUT-Sonde besteht aus einem Array (d.h. einer Anordnung) vieler
Elemente, wobei jedes Element eine entsprechende Vielzahl individueller
cMUT-Zellen aufweist.
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Eine
typische cMUT-Zelle weist eine dünne
Membran (beispielsweise aus Silizium oder Siliziumnitrid) auf, über der
eine Metallelektrode angeordnet ist und die über einem (üblicherweise evakuierten) Hohlraum aufgehängt ist,
der über
oder in einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist. In oder an dem Siliziumsubstrat
ist eine Bodenelektrode ausgebildet. Es können Gruppen von cMUT-Zellen
elektrisch durch eine feste Verdrahtung der oberen Elektroden miteinander
elektrisch verbunden werden. Die treibende Kraft für die Durchbiegung
der Membran ist die elektrostatische Anziehung zwischen den oberen
und den unteren Elektroden, wenn an diese eine Spannung angelegt
wird. Wenn die Membran von einer Wechselspannung angetrieben wird,
ergibt sich eine erhebliche Ultraschallerzeugung. Umgekehrt werden,
wenn die Membran entsprechend vorgespannt und einer ankommenden
Ultraschallwelle ausgesetzt wird, ansehnliche Detektionsströme erzeugt.
Die Dicke der Membran und des Zwischenraums liegen typischerweise
in der Größenordnung
von 0,5 Mikrometer. Die Querabmessungen der cMUT-Zelle reichen von
100 bis 30 Mikrometer für
ein cMUT-Array mit Betriebsfrequenzen von 2 bis entsprechend 15
MHz.
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Die
meisten cMUTs bestehen aus kleinen Trommelfellmembranen, die über die
Fläche
verteilt sind. Typischerweise sind die Membranen rings herum von
zwischen den individuellen cMUT-Zellen angeordneten steifen Wänden gehalten.
Diese steife Stützstruktur
zwischen den Membranen reduziert die wirksame Fläche des Transducerarrays und
kann zu unerwünschten
Körperresonanzen
und Übersprechen
zwischen den Transducerelementen führen. Die Auslenkung des Trommelfells
ist ungleichmäßig, am
größten in
der Mitte und an den Kanten Null.
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Die
Wandlerleistungsfähigkeit
solcher cMUT-Zellen hängt
von dem Abstand zwischen den Elektroden, der Nachgiebigkeit der
Aufhängungen
und der Steifigkeit der Membran (sowie von Faktoren wie beispielsweise der
Dichte und dem Poisson-Verhältnis
der Membran) ab. Bei steifen Aufhängungen und flexiblen Membranen verhält sich
die Struktur wie ein Trommelfell, d.h. ein traditionelles cMUT.
Es besteht jedoch das Bedürfnis
nach neuen cMUT-Strukturen, die die Leistungsfähigkeit herkömmlicher
cMUT-Arrays übertreffen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf cMUT-Zellen gerichtet, die eine nachgiebige
Stützstruktur
aufweisen. Die nachgiebige Stützstruktur
entkoppelt die nicht zur Membran gehörige Außenfläche jeder cMUT-Zelle von dem
Stützsubstrat.
Während
konventionelle Ultraschall-cMUTs heute mit kleinen Membranen (in
der Größenordnung
eines Durchmessers von 100 Mikrometern) aufgebaut werden, sollte
es der hier vorgeschlagene Ansatz gestatten, viel größere Strukturen
im Millimeterbereich zu erzeugen, während die Empfindlichkeit über einen
weiten Frequenzbereich erhalten bleibt.
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In
Kombination mit einer relativ steifen Membran gestattet die nachgiebige
Stützstruktur:
1. die Erzielung einer größeren Membranauslenkung
pro Einheit des auftreffenden Schalldrucks oder pro Einheit der
angelegten elektrischen Erregung, so dass eine effizientere Wandlung
zwischen elektrischen und Ultraschallsignalen erhalten wird; 2.
die Erzielung einer einheitlicheren Membranauslenkung, nämlich einer
großflächigen kolbenartigen
Verlagerung an Stelle vieler kleinflächiger Trommelfelle; 3. die
Erhöhung
des wirksame Bereiches des Transducers durch Beseitigung der relativ
steifen, sich nicht verlagernden Stützwände zwischen vielen cMUT-Zellen
eines konventionellen Transducerelements und 4. die Reduktion der
Kopplung zwischen dem Schallfeld und dem cMUT-Transducersubstrat,
wodurch das Übersprechen
und die Effekte von Strukturresonanzen in dem Substrat vermindert
werden.
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Es
können
durch Oberflächen-
oder Körpermikrobearbeitung
nachgiebige Stützstrukturen
ausgebildet werden. Beispiele solcher nachgiebiger oberflächenmikrobearbeiteter
Stützstrukturen
sind hier geoffenbart. Bei der Körpermikrobearbeitung
können
nachgiebige Stützstrukturen
ausgebildet werden, indem Teile des Substrats (d.h. des ersten Wafers)
entfernt werden, um Ausnehmungen auszubilden und indem dann auf
den ersten Wafer ein zweiter Wafer aufgebondet wird, der die Membranen
und anderes entfernbares Material enthält, wobei die Membranen über den
in dem Grundsubstrat ausgebildeten Ausnehmungen liegen.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung mit einer in oder auf
einem Substrat angeordneten mikrobearbeiteten mechanischen Struktur,
wobei die mechanische Struktur eine nachgiebige Stützstruktur
beinhaltet und von der nachgiebigen Stützstruktur ein Element abgestützt ist,
wobei sich die Größe oder
Form der nachgiebigen Stützstruktur
während
der Bewegung des Elements ändert.
Bei einer Ausführungsform
gehört zu
dem Element eine Membran und eine erste von der Membran getragene
Elektrode sowie außerdem
eine zweite Elektrode, die in einem Abstand zu der ersten Elektrode
angeordnet ist, um mit dem dazwischen eingeschlossenen Zwischenraum
einen Kondensator zu bilden. In diesem Fall ändert die nachgiebige Stützstruktur
während
der Kompression/Expansion der Membran ihre Größe oder Form.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist ein cMUT-Zellenarray mit einer
nachgiebigen Stützstruktur,
einer ersten mittels der nachgiebigen Stützstruktur über einer ersten Ausnehmung
gehaltenen Membran, einer von der ersten Membran getragenen ersten
Elektrode, einer zweiten Elektrode, die mit der ersten Elektrode
einen Kondensator bildet, wobei die erste Ausnehmung zwischen der
ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, einer zweiten von
der nachgiebigen Stützstruktur über einer
zweiten Ausnehmung gehaltenen Membran, einer dritten von der zweiten
Membran gehaltenen und elektrisch mit der ersten Elektrode verbundenen
Elektrode und mit einer vierten Elektrode, die elektrisch mit der
zweiten Elektrode verbunden so angeordnet ist, dass sie mit der
dritten Elektrode einen Kondensator bildet, wobei die zweite Ausnehmung
zwischen der dritten und der vierten Elektrode angeordnet ist, wobei
ein Abschnitt der nachgiebigen Stützstruktur zwischen der ersten
und der zweiten Ausnehmung angeordnet ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
einer Stützstruktur
zum Abstützen einer
Membran einer cMUT-Zelle über
einem Substrat mit den folgenden Schritten: a) Ablagern einer ersten Schicht
eines ersten permanenten Materials mit einer ersten Dicke auf einem
ersten Bereich des Substrats mit einer ersten ringartigen Form;
b) Ablagern einer ersten Schicht entfernbaren Materials mit der
ersten Dicke über
einem zweiten Bereich des Substrats mit einer zweiten ringartigen
Form sowie auf einem dritten Bereich des Substrats mit einer dritten
ringartigen Form, wobei der erste Bereich mit dem zweiten Bereich
benachbart ist und der zweite Bereich mit dem dritten Bereich benachbart
ist; c) Ablagern einer ersten Schicht eines zweiten permanenten
Materials mit einer zweiten Dicke auf dem den ersten Schichten in
einem Bereich, der den ersten bis den dritten Bereich überlappt;
d) Ablagern einer zweiten Schicht des ersten permanenten Materials mit
einer dritten Dicke über
der ersten Schicht des zweiten permanenten Materials in einen Bereich,
der den dritten Bereich überlagert;
e) Ablagern einer zweiten Schicht entfernbaren Materials mit einer
dritten Dicke über der
ersten Schicht des zweiten permanenten Materials in einem Bereich,
der den ersten und den zweiten Bereich überlagert; f) Ablagern einer
Schicht aus Membranmaterial über
der zweiten Schicht des ersten permanenten Materials und der zweiten
Schicht entfernbaren Materials, wobei die Membranmaterialschicht
den ersten bis dritten Bereich und einen vierten überlagert,
der von dem ersten bis dritten Bereich eingeschlossen ist und g)
Entfernen des entfernbaren Materials ohne Entfernung des ersten
und zweiten permanenten Materials oder des Membranmaterials, wobei
der Schritt g) nach den Schritten a) bis f) durchgeführt wird.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung mit einer in oder
an einem Substrat mikrobearbeiteten mechanischen Struktur, wobei
die mechanische Struktur eine Anzahl nachgiebiger Stützstrukturen und
ein Element enthält,
das von der Anzahl mechanischer Stützstrukturen getragen ist,
wobei die nachgiebigen Stützstrukturen
während
einer Bewegung des Elements ihre Größe oder Form ändern. In
einer anderen Ausführungsform
weist das Element eine Membran, eine erste von der Membran getragene
Elektrode und eine zweite Elektrode auf, die in einem Abstand von
der ersten Elektrode angeordnet ist, um mit einem zwischen beiden
vorgesehenen Hohl- oder Zwischenraum einen Kondensator zu bilden.
In diesem Fall ändern
die nachgiebigen Stützstrukturen
während
der Kompression/Expansion der Membran ihre Größe oder Form.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren der Herstellung
einer Stützstruktur
zum Lagern einer Membran einer cMUT-Zelle über einem Substrat mit den
folgenden Schritten: a) Ablagern einer ersten Schicht eines ersten
permanenten Materials mit einer ersten Dicke über einem ersten Bereich des
Substrats; b) Ablagern einer ersten Schicht entfernbaren Materials
mit einer ersten Dicke über
einem zweiten Bereich des Substrats, wobei der erste Bereich an
den zweiten Bereich grenzt; c) Ablagern einer Schicht zweiten permanenten
Materials mit einer zweiten Dicke über den ersten Schichten in
einem Bereich, der den ersten und zweiten Bereich überlappt;
d) Ablagern einer zweiten Schicht des ersten permanenten Materials
mit einer dritten Dicke über
der ersten Schicht des zweiten permanenten Materials in einem Bereich,
der einen ersten Ab schnitt des zweiten Bereichs überlagert; e) Ablagern einer
zweiten Schicht des entfernbaren Materials mit einer dritten Dicke über der
Schicht des zweiten permanenten Materials in einem Bereich, der
den ersten Bereich und einen zweiten Abschnitt des zweiten Bereichs überlagert,
wobei sich der erste und der zweite Abschnitt des zweiten Bereichs
nicht überlappen;
f) Ablagern einer Membranmaterialschicht über der zweiten Schicht des
ersten permanenten Materials und der zweiten Schicht entfernbaren
Materials, wobei die Membranmaterialschicht den ersten und zweiten
Bereich und einen dritten Bereich außerhalb des ersten und zweiten
Bereichs überlappt und
g) Entfernen des entfernbaren Materials ohne das erste und zweite
permanente Material oder das Membranmaterial zu entfernen, wobei
der Schritt g) nach den Schritten a) bis f) durchgeführt wird.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Transducerelement:
eine Membran, eine steife Umfangswand, wobei der Rand der Membran
mit der steifen Umfangswand verbunden ist und eine Anzahl von Transducerzellen,
die innerhalb der steifen Umfangswand angeordnet sind, wobei jede
der Zellen eine entsprechende nachgiebige Stützstruktur aufweist, die mit
einem entsprechenden Abschnitt der Membran verbunden ist.
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Andere
Aspekte der Erfindung sind nachstehend geoffenbart und beansprucht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Zeichnung, die einen Querschnitt durch eine typische cMUT-Zelle
zeigt.
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2 ist
eine Zeichnung, die ein „Gänseblümchen"-Element veranschaulicht, das aus sieben
hexagonalen cMUT-Zellen
gebildet ist, deren obere und untere Elektroden miteinander fest
verdrahtet sind.
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3 ist
eine Zeichnung, die ein „Sechseck"-Element veranschaulicht,
das aus 19 hexagonalen cMUT-Zellen besteht, deren obere und untere
Elektroden jeweils miteinander fest verdrahtet sind.
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4 ist
eine Zeichnung einer Schnittansicht eines Abschnitts eines cMUT-Zellenarrays
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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5 ist
eine Zeichnung einer Querschnittsansicht eines Abschnitts einer
cMUT-Zellenarrays gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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6 ist
eine Zeichnung einer Querschnittsansicht eines Abschnitts eines
cMUT-Zellenarrays gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine Zeichnung einer Querschnittsansicht eines Abschnitts eines
cMUT-Zellenarrays gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung.
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8 ist
eine Zeichnung einer Querschnittsansicht von Abschnitten benachbarter
cMUT-Elemente oder Elemente gemäß der in 7 veranschaulichten
Ausführungsform.
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9 ist
eine Zeichnung verschiedener Schichten einer mikrobearbeiteten Struktur,
die eine der hier geoffenbarten nachgiebigen cMUT-Membranstützstrukturen
enthalten kann.
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Es
wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Elemente
in unterschiedlichen Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen tragen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Kapazitive
mikrobearbeitete Ultraschalltransducer (cMUTs) sind auf Silizium
basierende Bauelemente, die kleine (z.B. 50 μm messende) kapazitive „Trommelfelle" oder Zellen aufweisen,
die Ultraschallenergie senden und empfangen können. In 1 ist
eine typische MUT-Transducerzelle 2 im Querschnitt veranschaulicht.
Typischerweise wird ein Array solcher MUT-Transducerzellen in (Bulk-
oder Körpermikrobearbeitung) oder
an (Oberflächenmikrobearbeitung)
einem Substrat 4, wie beispielsweise einem Siliziumwafer,
ausgebildet. Jede MUT-Transducerzelle weist eine dünne flexible
Membran oder Wand 8 auf, die über einer Ausnehmung 20 aufgehängt ist.
Die Membran 8 ist an ihrem Rand von einer isolierenden
Stütze 6 getragen.
Die isolierende Stütze 6 weist
typischerweise eine relativ steife vertikale Wand auf, die den Hohlraum 20 unterhalb der
Membran 8 umgibt. Eine cMUT-Zelle teilt sich typischerweise
Abschnitte der Wand mit ihren Nachbarzellen. Der Hohlraum 20 zwischen
der Membran 8 und dem Substrat 4 kann luft- oder
gasgefüllt
oder vollständig oder
teilweise evakuiert sein. Ein Film oder eine Schicht leitfähigen Materials,
wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung oder anderem leitenden
Material, bildet eine Elektrode 12 auf der Membran 8 und
ein weiterer Film oder eine Schicht aus leitendem Material bildet
eine Elektrode 10 auf dem Substrat 4. Alternativ
kann das Substrat dotiert sein, um die untere Elektrode auszubilden.
Außerdem
kann die Elektrode 12 an Stelle auf, wie in 1 gezeigt,
der Unter seite an der Oberseite der Membran 8 angeordnet
sein.
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Die
beiden von dem Hohlraum 20 getrennten Elektroden 10 und 12 definieren
eine Kapazität.
Wenn ein auftreffendes akkustisches Signal die Membran 8 veranlasst
zu vibrieren, kann die Veränderung
der Kapazität
von einer zugeordneten Elektronik (in 1 nicht
dargestellt) erfasst werden, so dass das akustische Signal in ein
elektrisches Signal umgesetzt werden. Umgekehrt moduliert ein an
die Elektroden angelegtes Wechselspannungssignal die Ladung auf
den Elektroden, was wiederum eine Modulation der elektrostatischen
Kraft zwischen den Elektroden bewirkt, wobei letzteres die Membran
zur Bewegung veranlasst und dadurch ein akustisches Signal aussendet.
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In
Betrieb hat die cMUT-Zelle typischerweise eine Vorspannungsgleichspannung
V
bias, die signifikant höher ist als die zeitveränderliche
Spannung v(t), die an den Elektroden angelegt ist. Die Vorspannung
spannt die obere Elektrode in Folge von Coulomb-Kräften gegen
die untere Elektrode. In diesem stark vorgespannten Fall erfahren
die cMUT-Trommelfelle eine Membranverlagerung u, die folgendermaßen gegeben
ist:
wobei d der Abstand zwischen
den Elektroden oder Platten des Kondensators und ε die wirksame
Dielektrizitätskonstante
der Zelle ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Empfindlichkeit
der cMUT-Zelle am größten ist, wenn
die Vorspannung hoch ist und die Elektroden näher bei einander sind.
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In
Folge der im Mikrobereich liegenden Abmessungen einer typischen
cMUT-Zelle können
typischerweise viele cMUT-Zellen in enger Nachbarschaft zueinander
hergestellt werden, um ein einziges Transducerelement zu bilden.
Die individuellen Zellen können
rund, rechteckig, sechseckig sein oder einen anderen Umriss aufweisen.
Die sechseckigen bzw. hexagonalen Formen liefern eine dichte Packung
der cMUT-Zellen eines Transducerelements.
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Zum
Zwecke der Veranschaulichung zeigt 2 ein „Gänseblümchen"-Element 14,
das aus sieben hexagonalen cMUT-Zellen 2 besteht: eine zentrale
Zelle ist von einem Ring aus sechs Zellen umgeben, wobei jede Zelle
in dem Ring an eine entsprechende Seite der Zentralzelle und der
benachbarten Zellen in dem Ring grenzt. Die Deckelektroden jeder
Zelle des Elements sind miteinander fest verdrahtet. Die Bodenelektroden aller
Zellen sind ebenfalls elektrisch miteinander verbunden und bilden
ein sieben mal größeres kapazitives Element.
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In 3 ist
ein alternatives „hexagonales" Element 16 veranschaulicht,
das aus 19 cMUT-Zellen besteht. Die Deckelektroden der Zellen jeder
Gruppe sind miteinander fest verdrahtet; in ähnlicher Weise sind die Bodenelektroden
der Zellen jeder Gruppe miteinander verbunden und formen somit ein
größeres kapazitives Element.
Weil die MUT-Zelle sehr klein gemacht werden kann ist es möglich, Mosaikarrays
mit sehr feiner Teilung zu erzielen.
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4 veranschaulicht
eine nachgiebige Struktur in der Form eines Balgs 22 zum
Abstützen
der Membranen 8 in einem cMUT-Zellenarray. Die nachgiebige
Struktur kann auf einem Substrat 4, wie beispielsweise einem
Siliziumwafer oder auf einer Schicht einer CMOS-Elektronik ausgebildet werden,
wie detailliert später mit
Bezug auf 9 beschrieben wird. In dem Fall
der in den 2 und 3 veranschaulichten
Hexagonalmuster wird die nachgiebige Struktur jedes Elements gemäß dem gleichen
Muster ausgebildet, so dass innere Zellen entsprechende Abschnitte
der hexagonalen Wand mit ihren sechs Nachbarn teilen. Es sollte
zur Kenntnis genommen werden, dass 4 vom Grundsatz
her lediglich einen Schnitt durch einen Abschnitt der nachgiebigen
Struktur 22 veranschaulicht. Die Membranen 8 können durch
eine durchgehende Schicht relativ steifen Membranmaterials gebildet
sein, das sich über
eine Vielzahl von Zellen, die ein Element ausmachen, hinaus erstreckt,
so dass die Membranen benachbarter Zellen sich bei der Vibrationsbewegung
gemeinsam im Sinne einer Kolbenschwingung bewegen. Die Bälge 22 reduzieren
die Kopplung (d.h. die Schallübertragung) zwischen
der Membran und dem Substrat. Außerdem kann der Balg den Rand
der Membran abdichten und das Gas oder Vakuum innerhalb der cMUT-Zelle
von dem äußeren akustischen
Medium abtrennen.
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Alternativ
können
die hier für
jede cMUT-Zelle geoffenbarten nachgiebigen Abstützungen von der Umfangswand
des aus einer Gruppe solcher cMUT-Zellen bestehenden Elements getrennt
ausgebildet sein. In diesem Fall haben die nachgiebigen Abstützungen
nichts mit der Abdichtung zu tun. Es wird auf 2 verwiesen,
die ein aus sieben individuellen Zellen bestehendes Element veranschaulicht.
Jede Zellenmembran ist unabhängig
davon, wie die Struktur auch aussieht, mit dem Zellenrand verbunden.
Die Umfangswand für
das Element muss nicht denselben Aufbau wie die Umfangswand einer
Zelle aufweisen. Insbesondere existieren Wände innerhalb des Elements,
die wie die in 4 veranschaulichte Struktur
aussehen können,
während
die Umfangswand des Elements steif ist. Ein Trommelfell weist viele
Schwingungsmoden auf. Der niedrigst frequente Schwingungsmode ist
zirkular symmetrisch, wobei eine einzelne halbe Wellenlänge den
gesamten Durchmesser abdeckt. Dies ist näherungsweise der am meisten
gewünschte
Schwingungsmodus für
eine cMUT-Zelle. Höher
frequente Moden können
mit mehreren Wellenlängen über den
Durchmesser symmetrisch sein oder eine reduzierte Symmetrie aufweisen.
So beispielsweise eine Schwingung mit einer Knotenlinie entlang
eines Durchmessers, wobei die linke Seite aufwärts geht während die rechte Seite nach
unten geht. Bei Verwendung nachgiebiger Innenwände wird die niedrig frequente
Mode für
die individuellen Zellen beibehalten, während die Vibrationen des Elements
auf spezielle kontrollierte Kombinationen der Grundzellen beschränkt sind.
Insbesondere ist die Bewegung auf eine gleichphasige oder kohärente Bewegung
der Zellen beschränkt.
Somit können
unsymmetrische (unerwünschte)
Moden unterdrückt
werden.
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4 veranschaulicht
eine Schnittansicht eines Abschnitts eines cMUT-Zellenarrays gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung. In diesem Fall ist die nachgiebige Struktur wiederum
eine geschlossene Wand, die den Innenraum der Zelle von dem externen
akustischen Medium trennt. Bei dieser Ausführungsform ist das Profil der
nachgiebigen Stützstruktur
ein umgekehrtes Y, d.h. die Struktur weist an der Basis einen Bogen
in Form eines umgekehrten V und eine Wand auf, die sich von der
Spitze des Bogens nach oben erstreckt. Die Membranen 8 benachbarter
Zellen sind durch das obere Ende dieser Wand abgestützt. Wiederum
kann die Membranschicht 8 relativ steif sein während die
Stützstruktur
relativ nachgiebig ist, was es den Membranen gestattet, nach Art
eines Kolbens zu schwingen. Der Wechsel von einer einfachen Vertikalwand
zu einer strukturierten Unterstützung
kann Wand- und substratreso nanzen aus dem Frequenzband heraus verschieben,
in dem der Transducer genutzt wird.
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6 veranschaulicht
eine Schnittansicht eines Abschnitts eines cMUT-Zellenarrays gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung. Es sind Teile zweier benachbarter cMUT-Zellen veranschaulicht.
Diese Struktur beinhaltet ein Substrat 4 auf dem die cMUT-Zellen
unter Nutzung der MEMS-Techniken erzeugt worden sind. Die Membranen 8 werden
durch eine nachgiebige Stützstruktur
gestützt,
die einen Querschnitt aufweist, der an einem einseitig gelagerten
Hebel oder Balken erinnert. Diese einseitig gehaltene Balkenkonstruktion
erhöht
die Nachgiebigkeit der Membranunterstützung und kann unter Nutzung
von MEMS-Prozessen erzeugt werden. Jede Zelle weist außerdem ein
Podest 32 auf (das Podest der Zelle an der linken Seite
in 6 ist nicht veranschaulicht), das auf dem Substrat
in dem Bereich ausgebildet ist, der unter einer entsprechenden Zellenmembran
liegt. Eine Metallschicht 10 bildet eine Elektrode auf
der Oberseite des Podests 32 während eine andere Metallschicht 12 eine
Elektrode an der Membran 8 bildet. Die Elektroden 10 und 12 bilden
einen Kondensator. Die Höhe
des Podests unter der Membran reduziert den Kondensatorspalt, so
dass die Empfindlichkeit erhöht
wird. Die Elektroden 10 und 12 sind entsprechend
mit den entsprechenden Elektroden einer benachbarten cMUT-Zelle fest verdrahtet
(nicht veranschaulicht).
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Die
ausschnittsweise in 6 veranschaulichte nachgiebige,
nach Art eines einarmigen Balkens ausgebildete Stützstruktur
weist eine ringförmige
(beispielsweise hexagonale) Wand 26, die auf dem Substrat 4 aufgebaut
ist, eine ringförmige
(d.h. hexagonale) Platte 28, die entlang eines Randes durch
die Wand 26 gehalten ist, und eine ringförmige (d.h.
hexagonale) Wand 30 auf, die an dem anderen Rand der Platte 28 ausgebildet
ist. Die Membran 8 ist durch die Wand 30 abgestützt, die
sich in Folge der Nachgiebigkeit der Platte 28 vertikal
verlagern kann. Die Platte 28 kann aus einem Material ausgebildet
sein, das nachgiebiger ist als das Material der Wände 26 und 30.
Wenn das Membranmaterial ausreichend steif ist, dann können sich
die Membranen benachbarter Zellen während des Schwingungsvorgangs
gemeinsam wie ein Kolben bewegen. Die nachgiebige Platte 28 entkoppelt
die Wand 30 von dem Substrat 4. Wiederum können die
Wände 26 und 30 und
die Platte 28 jeder Zelle eine geschlossene Struktur bilden,
die den Innenraum der Zelle von der Umgebung trennt.
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Die
ausschnittsweise in 6 veranschaulichte cMUT-Zellenkonfiguration
kann in der folgenden Weise unter Nutzung von MEMS-Techniken erzeugt
werden. Es wird in einem ersten Bereich des Substrats mit einer
ersten ringförmigen
Gestalt eine erste Schicht, wie z.B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid,
mit einer ersten Dicke abgelagert. Die erste Siliziumoxidschicht
oder Siliziumnitridschicht wird die Wand 26 der endgültigen Struktur
bilden. Außerdem
wird eine erste Schicht eines entfernbaren (beispielsweise ätzbaren)
Materials in der ersten Dicke auf einem zweiten Substratbereich
abgelagert, der eine zweite Ringform aufweist, sowie auf einem dritten
Bereich des Substrats mit einer dritten ringartigen Form. Der erste
Bereich grenzt an den zweiten Bereich und der zweite Bereich grenzt
an den dritten Bereich. Die entsprechenden, von diesem entfernbaren Material
eingenommenen Räume,
die die vorgenannten dritten und vierten Bereiche auf dem Substrat überlagern,
sind in 6 durch gestrichelte Linien
veranschaulicht und entsprechend durch Bezugszeichen 50 und 52 bezeichnet.
Danach wird eine Schicht eines nachgiebigen Materials mit einer
zweiten Dicke auf den vorgenannten ersten Schichten in einem Bereich
abgelagert, der den ersten bis zum dritten Bereich überlagert.
Das nachgiebige Material kann Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder
ein Material mit größerer Nachgiebigkeit
sein. Die Schicht nachgiebigen Materials wird die Platte 28 des
fertigen Produkts bilden. In der nächsten Stufe der Mikrofabrikation
wird eine zweite Schicht des Siliziumoxids oder Siliziumnitrids
mit einer dritten Dicke auf der Platte 28 in einem Bereich
abgeschieden, der den dritten Bereich überlagert (d.h. den Raum 52 überlappt). Diese
dritte Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid wird die Wand 36 der
endgültigen
Struktur bilden. Zusätzlich
wird auf der Platte 28 in Räumen 56 und 54 den
ersten bzw. zweiten Bereich überlappend
eine zweite Schicht des entfernbaren Materials mit der dritten Dicke
abgelagert.
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Zusätzlich wird
auf einem vierten Bereich des Substrats, der von den vorgenannten
ersten und dritten Bereichen umgeben ist, das Podest 32 aufgebaut.
Dann wird auf dem Podest eine erste Metallschicht abgelagert, wobei
diese Schicht die Elektrode 10 der fertigen Struktur bilden
wird. Es wird dann entfernbares Material auf der metallisierten
Oberfläche
des Podests sowie in dem generell ringförmigen leeren Raum abgelagert,
der das Podest von der umgebenden nachgiebigen Stützstruktur
trennt. Auf der Schicht entfernbaren Materials, das auf der Elektrode 10 angeordnet
worden ist, wird eine zweite Metallschicht abgelagert. Die zweite
Metallschicht wird die Elektrode 12 der Endstruktur bilden.
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Nachdem
alle vorgenannten Schritte ausgeführt worden sind, wird eine
Schicht Membranmaterial auf der bisher erzeugten Struktur abgelagert.
Das Membranmaterial deckt die Elektrode 12, die Wand 30 und
das entfernbare Material ab, das die verbleibenden Räume ausfüllt. Dann
wird das entfernbare Material entfernt, beispielsweise durch Ätzen, wobei
die in 6 veranschaulichte mikrobearbeitete Struktur zurückbleibt.
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7 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts eines cMUT-Zellenarrays
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Wiederum sind Abschnitte von zwei benachbarten cMUT-Zellen
veranschaulicht. Zwischen den entsprechenden Podesten 32 der
benachbarten Zellen ist eine nachgiebige Stützstruktur mit einem Querschnitt
angeordnet, der an eine aus einseitig eingespannten Balken oder
Armen bestehende Doppelstruktur erinnert. Diese Ein-Arm-Doppelstruktur
erbringt eine nachgiebige Membranunterstützung und kann unter Nutzung
von MEMS-Prozessen erzeugt werden, die den vorstehend beschriebenen ähnlich sind.
Wiederum reduziert die Höhe
des entsprechenden Podests unter jeder Membran den Kondensatorspalt,
wodurch die Empfindlichkeit erhöht
wird, während
die Elektroden 10 und 12 jeder cMUT-Zelle entsprechend
mit den korrespondierenden Elektroden der benachbarten cMUT-Zelle
fest verdrahtet sind.
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Die
in 7 ausschnittsweise veranschaulichte nachgiebige
doppelte Ein-Arm-Konstruktion weist eine ringförmige auf dem Substrat 4 aufgebaute
Wand 32, eine ringförmige
entlang eines Randes durch die Wand 32 gestützte Platte 34,
eine ringförmige
auf dem anderen Rand der Platte 34 ausgebildete ringförmige Wand 30,
eine ringförmige über der
Platte 34 liegende und entlang eines Randes durch die zwischenliegende Wand 36 gestützte Platte 38 sowie
eine ringförmige
Wand 40 auf, die auf dem anderen Rand der Platte 38 aufgebaut
ist. Die Membran 8 ist von der Wand 40 getragen
und kann sich in Folge der Nachgiebigkeit der Stützstruktur vertikal verlagern.
Die Platten 34 und 38 können aus einem Material ausgebildet
sein, das nachgiebiger ist als das Material der Wände 32, 36 und 40.
Wie vorstehend diskutiert, können
die Membranen benachbarter Zellen, wenn das Membranmaterial steif
genug ist, sich gemeinsam bei dem Schwingungsvorgang wie ein Kolben
bewegen. Die nachgiebigen Platten 34 und 38 entkoppeln
die Wand 40 von dem Substrat 4. Außerdem bilden
die Wände 32, 36 und 40 und
die Platte 34 sowie 38 jeweils eine geschlossene
Struktur, die den Innenraum der Zelle gegen die Umgebung abdichtet.
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Die
in 7 veranschaulichte Ausführungsform weist außerdem eine
Anzahl von Parallel-Plattenkondensatoren auf, die in der Doppel-Arm-Tragstruktur
untergebracht sind und bei der Kompression und Expansion eine zusätzliche
Kapazitätsänderung
erbringen, so dass die Empfangsempfindlichkeit erhöht wird.
Dies ermöglicht
der nachgiebigen Tragarmstruktur zusätzlich als ein elektrostatischer
Aktuator zu dienen. Der erste in die nachgiebige Struktur eingebaute
Kondensator umfasst eine Elektrode 10a, die auf der Oberseite
der Platte 38 ausgebildet ist und eine Elektrode 12a,
die an der Unterseite der Membran 8 ausgebildet ist. Die
Elektrode 12a ist mit einer der beiden Elektroden 12 verbunden,
während
die Elektrode 10a mit einer der beiden Elektroden 10 verbunden
ist. Der zweite Kondensator weist eine an der Unterseite der Platte 38 ausgebildete Elektrode 10b und
eine an der Oberseite der Platte 34 ausgebildete Elektrode 12b auf.
Die Elektrode 12b kann mit der Elektrode 12a verbunden
sein und die Elektrode 10b kann mit der Elektrode 10a verbunden
sein. Der dritte Kondensator weist eine an der Oberseite des Substrats 4 ausgebildete
Elektrode 10c und eine an der Unterseite der Platte 34 ausgebildete
Elektrode 12c auf. Die Elektrode 12c kann mit
der Elektrode 12b verbunden sein während die Elektrode 10c mit
der Elektrode 10b verbunden sein kann. Jeder dieser Kondensatoren erzeugt
bei einer Kompression/Expansion der nachgiebigen Abstützung zusätzliche
Ladung. Diese Ladung kommt zu der von den Elektroden 10 und 12 bei
der Kompression/Expansion erzeugten Ladung hinzu. Ähnliche
Kondensatoren können
bei der nachgiebigen Tragarmstruktur nach 6 hinzu
gefügt
werden.
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Der
in 7 ausschnittsweise veranschaulichte cMUT-Zellaufbau
kann mit den gleichen MEMS-Techniken erzeugt werden, der zur Herstellung
der in 6 veranschaulichten Ausführungsform beschrieben worden
ist, wobei folgende Unterschiede vorhanden sind: 1. zur Ausbildung
der Platte 38 wird eine zweite Schicht nachgiebigen Materials
abgelagert; 2. zur Ausbildung der Wand 40 wird eine dritte
Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht aufgebracht; 3. um in der
Doppel-Tragarmstruktur einen dritten Luftspalt auszubilden, wird
eine dritte Schicht entfernbaren Materials aufgebracht und 4. es
werden auf jeder Schicht entfernbaren Materials und auf jeder gegenüber liegenden
Oberfläche
Metallschichten aufgebracht, bevor die entsprechenden Schichten
entfernbaren Materials aufgebracht werden. Die Reihenfolge in der
die verschiedenen Schichten aufgebracht werden, wird weitgehend
durch die Reihenfolge der verschiedenen Luftspalte und Schichten
diktiert, in der diese in der Ausführungsform gemäß 7 übereinander
angeordnet sind.
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8 veranschaulicht
entsprechende Ausschnitte benachbarter cMUT-Elemente oder von Elementen der
nachgiebigen Doppel-Tragarm-Membrantragstruktur. Diese Zeichnung
weicht von 7 dahingehend ab, dass letztere
einen Ausschnitt aus einer zwei benachbarten Zellen eines Elements
gemeinsamen Wand veranschaulicht während 8 entsprechende
Ausschnitte aus entsprechenden Außenwänden von Zellen benachbarter
Elemente oder von Elementen veranschaulicht. Die in 8 veranschaulichten
nachgiebigen Stützstrukturen
liegen über
dem äußeren Rand
jedes Elements während
die in 7 veranschaulichte, im Wesentlichen identische
nachgiebige Stützstruktur
in dem Innenraum eines Elements oder von Elementen angeordnet ist.
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Jede
oben geoffenbarte nachgiebige Membranstütze weist eine geschlossene
Struktur auf, die den Umfang jeder Zelle abdichtet und das Gas oder
Vakuum in der cMUT-Zelle von dem äußeren akustischen Medium trennt.
Alternativ kann der Aufbau der oben geoffenbarten Ausführungsformen
abgewandelt werden, um Öffnungen
oder Schlitze vorzusehen, die einen freien Gasaustausch zwischen
dem Innenraum und der Umgebung jeder cMUT-Zelle gestatten.
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Weitere
Möglichkeiten
nachgiebiger Stützstrukturen
sind „Schraubenfeder"-artige Strukturen,
die an vielen Punkten zur Abstützung
der Membran angeordnet sind, Tragarme, die als punktuelle Stützen genutzt werden
sowie Tragarme, die als Linien- oder Kantenunterstützungen
genutzt werden. Beispielsweise kann an Stelle einer nachgiebigen
Stützstruktur
in Form eines durchgehenden Rings mit Tragarmprofil die nachgiebige Struktur
durch eine Anzahl von einander beabstandeter Strukturen gebildet
werden, die das gleiche Tragarmprofil aufweisen, jedoch durch Herstellung
lediglich einer Anzahl von Abschnitten des durchgehenden Rings erzeugt
sind. In solchen Fällen
ist jede Zellenmembran nicht entlang eines durchgehenden Rands sondern
lediglich an einer Anzahl diskreter Stellen abgestützt.
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Zur
Herstellung solcher Stützstrukturen
können
die gleichen Mustererzeugungs-, Aufbring- und Ätztechniken verwendet werden.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
kann eine Anzahl von nachgiebigen Stützstrukturen mit einer Umfangswand
kombiniert werden, die die Membran stützt und unter der Membran einen
Hohlraum definiert. In diesem Fall sind die Stützstrukturen innerhalb des
Randes der Wand angeordnet, wobei die nachgiebigen Stützstrukturen
außerdem
dazu dienen, entsprechende auslenkbare Abschnitte der Membran abzustützen (d.h.
Abschnitte, die nicht mit der Umfangswand verbunden sind).
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Gemäß einer
weiteren Abwandlung kann die nachgiebige Membranstützstruktur
mit einer gesteuerte Öffnung
versehen sein, die eine Fluidverbindung zwischen dem Volumen unter
der Membran und der Umgebung oder einem anderen Volumen ermöglicht.
Die Größe der Öffnung,
die Eigenschaften des Gases oder des Fluids unter der Membran und
die Volumina unter der Membran oder die von der Membran verdrängt werden, und
das Volumen der Reservoirs beeinflussen die Dämpfung der Membran stark. Ventile
für Fluidkanäle (Gase oder
Flüssigkeiten)
werden in der MEMS-Technologie häufig
als Membranventile aufgebaut.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen
können
auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut werden und sie können auf
einem Substrat aufgebaut werden, das elektronische Schichten, z.B.
CMOS-Elektronik, enthält.
Ein cMUT-Array mit großer
Bandbreite kann mit konventionellen CMOS-Schaltern und Vorverstärker/Puffer-Schaltungen
auf einem Siliziumwafer integriert werden, um rekonfigurierbare
strahlformende Elemente zu schaffen. Bei einer solchen integrierten Struktur
legt die Größe der Transducerelemente
die Dimensionen der Zellen für
die Mikroelektronik in dem Silizium unmittelbar unter dem Array
fest. Eine solche integrierte Struktur ist in 9 allgemein
veranschaulicht. Auf dem Siliziumsubstrat 40 ist eine Passivierungsschicht 42 (die
beispielsweise aus einen Oxid hergestellt ist) angeordnet. Auf der
Passivierungsschicht ist eine CMOS-Elektronik 44 erzeugt.
Auf der CMOS-Elektronik sind die cMUT-Elemente erzeugt. Die cMUT-Elemente 46
können
gemäß einer
der oben beschriebenen Ausführungsformen
mit nachgiebigen Membranstützen
versehen sein.
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Bei
den meisten vorhandenen cMUTs ist ein Problem, dass sie eine hohe
Gleichspannung zur Vorspannung und hohe Treiberwechselspannungen
benötigen.
Um die cMUTs maximal zu nutzen ist es zu wünschen, die Sende- und Empfangselektronik
nahe an den Transducereinrichtungen anzuordnen. Jedoch erfordern
Hochspannungstransistoren eine große Fläche und sie sind nur aus wenigen
Quellen beziehbar. Die nachgiebigen Stützstrukturen reduzieren die
zum Treiben der cMUTs erforderliche Spannung signifikant und erleichtern
deshalb die Integration der cMUTs für kompakte hochleistungsfähige Ultraschalltransducer
erheblich.
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Die
hier speziell geoffenbarten Ausführungsformen
der Erfindung sind mikrobearbeitete Ultraschalltransducerarrays.
Jedoch versteht es sich, dass die Erfindung allgemein auf jede mikrobearbeitete
Struktur bezogen ist, bei der der Effekt einer mechanischen Anregung
einer Vorderfläche
von einem Trägersubstrat
ferngehalten werden soll.
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Ein
mikrobearbeitetes Ultraschalltransducerarray weist eine Anzahl von
cMUT-Zellen auf, die auf einem Substrat 4 aufgebaut sind.
Jede cMUT-Zelle weist eine nach giebige Stützstruktur 22 oder 24 auf,
die auf dem Substrat ausgebildet ist, sowie eine Membran 8,
die von der nachgiebigen Stützstruktur über eine
Ausnehmung 20 gehalten ist, eine erste Elektrode 12,
die von der Membran getragen ist und eine zweite Elektrode 10,
die mit der ersten Elektrode einen Kondensator bildet, wobei die
Ausnehmung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ausgebildet
ist. Die nachgiebige Stützstruktur
entkoppelt die nicht zur Membran gehörige Außenfläche jeder cMUT-Zelle von dem
Grundsubstrat.
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Während die
Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden
ist, versteht es sich für
den Fachmann, dass viele Veränderungen
vorgenommen und äquivalente
zum Ersatz von vorhandenen Elementen eingesetzt werden können, ohne
den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen
werden, um eine Anpassung an spezielle Situationen vorzunehmen,
ohne den Schutzbereich zu verlassen. Es ist deshalb beabsichtigt,
dass die Erfindung nicht auf die als beste Ausführungsform beschriebene Ausführung beschränkt ist
sondern alle Ausführungsformen
umfasst, die in den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallen.
