FR3114255A1 - CMUT Transducer - Google Patents
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Abstract
Transducteur CMUT La présente description concerne un transducteur CMUT (200) comportant une membrane flexible (109) suspendue au-dessus d'une cavité (103), et une électrode inférieure (101) située au fond de la cavité (103), en vis-à-vis de la membrane flexible (109),dans lequel l'électrode inférieure (101) est en un matériau semiconducteur dopé d'un premier type de conductivité, et la membrane flexible (109) en un matériau semiconducteur dopé d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité. Figure pour l'abrégé : Fig. 2ACMUT transducer The present description relates to a CMUT transducer (200) comprising a flexible membrane (109) suspended above a cavity (103), and a lower electrode (101) located at the bottom of the cavity (103), facing -with respect to the flexible membrane (109), in which the lower electrode (101) is made of a semiconductor material doped with a first type of conductivity, and the flexible membrane (109) is made of a semiconductor material doped with a second type of conductivity opposed to the first type of conductivity. Figure for the abstract: Fig. 2A
Description
La présente description concerne de façon générale le domaine des transducteurs ultrasonores, et vise plus particulièrement un transducteur ultrasonore capacitif à membrane, aussi appelé transducteur CMUT (de l'anglais "Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer" – transducteur ultrasonore capacitif micro-usiné)The present description relates generally to the field of ultrasonic transducers, and more particularly relates to a capacitive ultrasonic transducer with a membrane, also called a CMUT transducer (from the English "Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer")
De façon classique, un transducteur CMUT comprend une membrane flexible suspendue au-dessus d'une cavité, une première électrode, appelée électrode inférieure, située du côté de la cavité opposé à la membrane, et une deuxième électrode, appelée électrode supérieure, située du côté de la cavité opposé à l'électrode inférieure et solidaire mécaniquement de la membrane flexible. Lorsqu'une tension d'excitation appropriée est appliquée entre les électrodes du transducteur, la membrane flexible entre en vibration et émet une onde acoustique ultrasonore. A l'inverse, lorsque le transducteur reçoit une onde acoustique dans une certaine gamme de fréquence, la membrane flexible entre en vibration, conduisant à l'apparition d'une tension entre les électrodes du transducteur.Conventionally, a CMUT transducer comprises a flexible membrane suspended above a cavity, a first electrode, called the lower electrode, located on the side of the cavity opposite the membrane, and a second electrode, called the upper electrode, located on the side of the cavity opposite the lower electrode and mechanically integral with the flexible membrane. When an appropriate excitation voltage is applied between the electrodes of the transducer, the flexible membrane vibrates and emits an ultrasonic acoustic wave. Conversely, when the transducer receives an acoustic wave in a certain frequency range, the flexible membrane begins to vibrate, leading to the appearance of a voltage between the electrodes of the transducer.
Un transducteur CMUT est classiquement couplé à un circuit électronique de contrôle configuré pour, lors d'une phase d'émission, appliquer une tension d'excitation entre les électrodes inférieure et supérieure du transducteur, de façon à provoquer l'émission d'une onde ultrasonore par le transducteur, et, lors d'une phase de réception, lire la tension générée entre les électrodes inférieure et supérieure du transducteur sous l'effet de l'onde acoustique reçue.A CMUT transducer is conventionally coupled to an electronic control circuit configured to, during an emission phase, apply an excitation voltage between the lower and upper electrodes of the transducer, so as to cause the emission of a wave ultrasound by the transducer, and, during a reception phase, reading the voltage generated between the lower and upper electrodes of the transducer under the effect of the acoustic wave received.
Il serait souhaitable de pouvoir disposer d'une structure de transducteur CMUT palliant tout ou partie des inconvénients des structures connues.It would be desirable to be able to have a CMUT transducer structure that overcomes all or part of the drawbacks of known structures.
Pour cela, un mode de réalisation prévoit un transducteur CMUT comportant une membrane flexible suspendue au-dessus d'une cavité, et une électrode inférieure située au fond de la cavité, en vis-à-vis de la membrane flexible,
dans lequel l'électrode inférieure est en un matériau semiconducteur dopé d'un premier type de conductivité, et la membrane flexible en un matériau semiconducteur dopé d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité.For this, one embodiment provides a CMUT transducer comprising a flexible membrane suspended above a cavity, and a lower electrode located at the bottom of the cavity, opposite the flexible membrane,
wherein the lower electrode is made of a semiconductor material doped with a first type of conductivity, and the flexible membrane is made of a semiconductor material doped with a second type of conductivity opposite to the first type of conductivity.
Selon un mode de réalisation, au moins une partie centrale de la membrane flexible est directement en vis-à-vis de l'électrode inférieure, c'est-à-dire qu'aucune couche intermédiaire ne s'étend entre ladite partie centrale de la membrane flexible et l'électrode inférieure.According to one embodiment, at least a central part of the flexible membrane is directly opposite the lower electrode, that is to say that no intermediate layer extends between said central part of the flexible membrane and the lower electrode.
Selon un mode de réalisation, le transducteur comporte en outre une électrode supérieure revêtant la face de la membrane flexible opposée à la cavité.According to one embodiment, the transducer further comprises an upper electrode coating the face of the flexible membrane opposite the cavity.
Selon un mode de réalisation, l'électrode supérieure est en métal.According to one embodiment, the upper electrode is made of metal.
Selon un mode de réalisation, le transducteur comporte en outre un circuit de contrôle adapté à appliquer, entre l'électrode inférieure et l'électrode supérieure, une tension adaptée à déformer la membrane flexible par effet électrostatique, jusqu'à mettre la face inférieure de la membrane flexible en contact avec la face supérieure de l'électrode inférieure, de façon à former une jonction PN polarisée en inverse entre la membrane flexible et l'électrode inférieure.According to one embodiment, the transducer further comprises a control circuit adapted to apply, between the lower electrode and the upper electrode, a voltage adapted to deform the flexible membrane by electrostatic effect, until the lower face of the the flexible membrane in contact with the upper face of the lower electrode, so as to form a reverse biased PN junction between the flexible membrane and the lower electrode.
Selon un mode de réalisation, l'électrode inférieure et la membrane flexible sont en silicium.According to one embodiment, the lower electrode and the flexible membrane are made of silicon.
Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième types de conductivité sont respectivement le type N et le type P.According to one embodiment, the first and second types of conductivity are respectively the N type and the P type.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :These characteristics and advantages, as well as others, will be set out in detail in the following description of particular embodiments given on a non-limiting basis in relation to the attached figures, among which:
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.The same elements have been designated by the same references in the different figures. In particular, the structural and/or functional elements common to the various embodiments may have the same references and may have identical structural, dimensional and material properties.
Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les diverses applications que peuvent avoir les transducteurs décrits n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles de transducteurs ultrasonores, notamment dans des dispositifs d'imagerie ultrasonore et/ou des dispositifs de biométrie. En outre, les circuits de contrôle des transducteurs décrits n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles tous ou la plupart des circuits connus de contrôle de transducteurs CMUT, moyennant éventuellement des adaptations à la portée de la personne du métier à la lecture de la présente description.For the sake of clarity, only the steps and elements useful for understanding the embodiments described have been represented and are detailed. In particular, the various applications that the transducers described may have have not been detailed, the embodiments described being compatible with the usual applications of ultrasonic transducers, in particular in ultrasonic imaging devices and/or biometric devices. In addition, the transducer control circuits described have not been detailed, the embodiments described being compatible with all or most of the known CMUT transducer control circuits, possibly subject to adaptations within the reach of the person skilled in the art. reading this description.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.Unless otherwise specified, when reference is made to two elements connected together, this means directly connected without intermediate elements other than conductors, and when reference is made to two elements connected (in English "coupled") between them, this means that these two elements can be connected or be linked through one or more other elements.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.In the following description, when referring to absolute position qualifiers, such as "front", "rear", "up", "down", "left", "right", etc., or relative, such as the terms "above", "below", "upper", "lower", etc., or to qualifiers of orientation, such as the terms "horizontal", "vertical", etc., it reference is made unless otherwise specified to the orientation of the figures.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.Unless specified otherwise, the expressions “about”, “approximately”, “substantially”, and “of the order of” mean to within 10%, preferably within 5%.
Les figures 1A et 1B sont des vues en coupe schématiques d'un exemple d'un transducteur CMUT 100 dans respectivement deux configurations de fonctionnement distinctes.Figures 1A and 1B are schematic cross-sectional views of an example of a CMUT transducer 100 in two distinct operating configurations, respectively.
Le transducteur 100 comprend une électrode inférieure 101 en un matériau semiconducteur dopé, par exemple en silicium dopé. L'électrode 101 peut elle-même reposer sur un substrat de support, non représenté. Le substrat de support peut être en un matériau semiconducteur, auquel cas une couche diélectrique, non représentée, peut faire interface entre le substrat de support et l'électrode 101. A titre de variante, le substrat de support peut être en un matériau diélectrique, par exemple en verre. Dans le cas où le substrat est en un matériau semiconducteur dopé, ce dernier peut directement servir d'électrode inférieure.The transducer 100 comprises a lower electrode 101 made of a doped semiconductor material, for example of doped silicon. Electrode 101 may itself rest on a support substrate, not shown. The support substrate can be made of a semiconductor material, in which case a dielectric layer, not shown, can interface between the support substrate and the electrode 101. As a variant, the support substrate can be made of a dielectric material, for example glass. In the case where the substrate is made of a doped semiconductor material, the latter can directly serve as the lower electrode.
Le transducteur 100 comporte, en vis-à-vis de l'électrode 101, du côté de la face supérieure de l'électrode 101, une cavité 103 formée dans une couche support rigide 105, par exemple une couche diélectrique, par exemple une couche d'oxyde de silicium. A titre d'exemple, la couche 105 repose, par sa face inférieure, sur la face supérieure de l'électrode 101. La cavité 103 correspond à une ouverture ou un évidement localisé formé dans la couche 105, en vis-à-vis d'une partie centrale de l'électrode 101. Dans cet exemple, la cavité 103 s'étend verticalement depuis la face supérieure de la couche 105, en direction de sa face inférieure. Les parois latérales de la cavité 103 sont formées par une région périphérique non évidée de la couche 105.The transducer 100 comprises, vis-à-vis the electrode 101, on the side of the upper face of the electrode 101, a cavity 103 formed in a rigid support layer 105, for example a dielectric layer, for example a layer of silicon oxide. By way of example, layer 105 rests, by its lower face, on the upper face of electrode 101. Cavity 103 corresponds to an opening or a localized recess formed in layer 105, facing a central part of the electrode 101. In this example, the cavity 103 extends vertically from the upper face of the layer 105, in the direction of its lower face. The side walls of the cavity 103 are formed by an unrecessed peripheral region of the layer 105.
Dans cet exemple, au fond de la cavité 103, une couche diélectrique 107, par exemple en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium, revêt la face supérieure de l'électrode 101. La couche 107 est en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de l'électrode 101. La couche 107 peut par exemple correspondre à une partie inférieure de la couche 105.In this example, at the bottom of cavity 103, a dielectric layer 107, for example made of silicon oxide or silicon nitride, coats the upper face of electrode 101. Layer 107 is in contact, by its lower face, with the upper face of the electrode 101. The layer 107 can for example correspond to a lower part of the layer 105.
Le transducteur 100 comporte de plus une membrane flexible 109 suspendue au-dessus de la cavité 103. A la périphérie de la cavité 103, la membrane 109 est en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la couche 105. En partie centrale du transducteur, la face inférieure de la membrane 109 est séparée de la face supérieure de la couche diélectrique 107 par la cavité 103. La membrane 109 peut être en un matériau semiconducteur, par exemple en silicium. A titre de variante, la membrane 109 peut être en un matériau diélectrique, par exemple du nitrure de silicium ou de l'oxyde de silicium.The transducer 100 further comprises a flexible membrane 109 suspended above the cavity 103. At the periphery of the cavity 103, the membrane 109 is in contact, by its lower face, with the upper face of the layer 105. Partly central of the transducer, the lower face of the membrane 109 is separated from the upper face of the dielectric layer 107 by the cavity 103. The membrane 109 can be made of a semiconductor material, for example silicon. As a variant, the membrane 109 can be made of a dielectric material, for example silicon nitride or silicon oxide.
Le transducteur 100 comporte en outre une électrode supérieure 111, par exemple en métal, revêtant la face supérieure de la membrane flexible 109. Dans l'exemple représenté, l'électrode 111 est en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure de la membrane 109. L'électrode supérieure 111 est située à l'aplomb de la cavité 103. A titre d'exemple, l'électrode supérieure 111 s'étend sur sensiblement toute la surface supérieure de la membrane flexible 109.The transducer 100 further comprises an upper electrode 111, for example made of metal, coating the upper face of the flexible membrane 109. In the example shown, the electrode 111 is in contact, by its lower face, with the upper face of the membrane 109. The upper electrode 111 is located directly above the cavity 103. By way of example, the upper electrode 111 extends over substantially the entire upper surface of the flexible membrane 109.
Le transducteur 100 comprend de plus un circuit électronique de contrôle CTRL, non détaillé, connecté à ses électrodes inférieure 101 et supérieure 111 et configuré pour, lors d'une phase d'émission, appliquer une tension d'excitation entre les électrodes 101 et 111, et, lors d'une phase de réception, lire une tension entre les électrodes 101 et 111. A titre d'exemple, le circuit de contrôle CTRL peut être configuré pour, lors des phases d'émission et/ou de réception, appliquer une tension de polarisation continue entre les électrodes 101 et 111. Lors des phases d'émission, le circuit de contrôle CTRL applique en outre une tension d'excitation alternative superposée à la tension de polarisation continue, de façon à provoquer une vibration de la membrane 109 conduisant à l'émission d'une onde acoustique ultrasonore. Lors des phases de réception, une tension alternative superposée à la tension de polarisation continue apparaît entre les électrodes 101 et 111 sous l'effet de l'onde acoustique reçue. Cette tension alternative est lue par le circuit de contrôle CTRL.The transducer 100 further comprises an electronic control circuit CTRL, not detailed, connected to its lower 101 and upper 111 electrodes and configured to, during an emission phase, apply an excitation voltage between the electrodes 101 and 111 , and, during a reception phase, read a voltage between the electrodes 101 and 111. By way of example, the control circuit CTRL can be configured to, during the transmission and/or reception phases, apply a DC bias voltage between the electrodes 101 and 111. During the emission phases, the control circuit CTRL also applies an AC excitation voltage superimposed on the DC bias voltage, so as to cause vibration of the membrane 109 leading to the emission of an ultrasonic acoustic wave. During the reception phases, an AC voltage superimposed on the DC bias voltage appears between the electrodes 101 and 111 under the effect of the acoustic wave received. This alternating voltage is read by the control circuit CTRL.
La figure 1A est une vue du transducteur dans une première configuration dite suspendue. Dans cette configuration, une distance non nulle sépare la face inférieure de la membrane flexible 109 du fond de la cavité 103, c'est-à-dire de la face supérieure de la couche diélectrique 107. Cette configuration peut être obtenue lorsqu'une tension de polarisation continue nulle ou relativement faible (en valeur absolue) est appliquée entre les électrodes 101 et 111 par le circuit de contrôle CTRL.FIG. 1A is a view of the transducer in a first so-called suspended configuration. In this configuration, a non-zero distance separates the lower face of the flexible membrane 109 from the bottom of the cavity 103, that is to say from the upper face of the dielectric layer 107. This configuration can be obtained when a voltage zero or relatively low DC bias (in absolute value) is applied between the electrodes 101 and 111 by the control circuit CTRL.
La figure 1B est une vue du transducteur dans une deuxième configuration dite affaissée ("collapsed" en anglais). Dans cette configuration, la face inférieure de la membrane flexible 109 vient en contact avec le fond de la cavité 103, c'est-à-dire avec la face supérieure de la couche diélectrique 107. Cette configuration peut être obtenue lorsqu'une tension de polarisation continue supérieure (en valeur absolue) à un seuil d'affaissement VCest appliquée entre les électrodes 101 et 111 par le circuit de contrôle CTRL.FIG. 1B is a view of the transducer in a second so-called collapsed configuration. In this configuration, the lower face of the flexible membrane 109 comes into contact with the bottom of the cavity 103, that is to say with the upper face of the dielectric layer 107. This configuration can be obtained when a voltage of DC bias greater (in absolute value) than a sag threshold V C is applied between electrodes 101 and 111 by control circuit CTRL.
La couche diélectrique 107 permet, dans le cas où la membrane 109 est en un matériau semiconducteur, d'éviter un court-circuit entre l'électrode supérieure 111 et l'électrode inférieure 101 en position affaissée de la membrane. A titre de variante, la couche diélectrique 107 peut revêtir la face inférieure de la membrane 109.The dielectric layer 107 makes it possible, in the case where the membrane 109 is made of a semiconductor material, to avoid a short-circuit between the upper electrode 111 and the lower electrode 101 in the collapsed position of the membrane. As a variant, the dielectric layer 107 can cover the lower face of the membrane 109.
Une limitation du transducteur 100 des figures 1A et 1B est que, lors de l'affaissement de la membrane, la couche 107 est soumise à un fort champ électrique, pouvant provoquer l'injection de charges électriques dans la couche 107. Ces charges induisent une modification des tensions de polarisation requises pour piloter le transducteur. En particulier, la charge résiduelle dans la couche 107 provoque une diminution de la force électrostatique subie par la membrane, et donc une augmentation de la tension à appliquer pour placer la membrane en position affaissée. Dans certaines conditions, ce phénomène d'injection de charges peut aller jusqu'à provoquer un claquage de la couche diélectrique 107.A limitation of the transducer 100 of FIGS. 1A and 1B is that, during the collapse of the membrane, the layer 107 is subjected to a strong electric field, which can cause the injection of electric charges into the layer 107. These charges induce a changing the bias voltages required to drive the transducer. In particular, the residual charge in layer 107 causes a decrease in the electrostatic force experienced by the membrane, and therefore an increase in the voltage to be applied to place the membrane in the collapsed position. Under certain conditions, this charge injection phenomenon can go so far as to cause breakdown of the dielectric layer 107.
Les figures 2A et 2B sont des vues en coupe schématiques d'un exemple d'un transducteur CMUT 200 selon un mode de réalisation. La figure 2A représente le transducteur en configuration suspendue, et la figure 2B représente le transducteur en configuration affaissée.Figures 2A and 2B are schematic cross-sectional views of an example of a CMUT transducer 200 according to one embodiment. Figure 2A shows the transducer in the suspended configuration, and Figure 2B shows the transducer in the collapsed configuration.
Le transducteur 200 des figures 2A et 2B présente des éléments communs avec le transducteur 100 des figures 1A et 1B. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après. Dans la suite, seules les différences par rapport au transducteur 100 des figures 1A et 1B seront mises en exergue.The transducer 200 of Figures 2A and 2B has common elements with the transducer 100 of Figures 1A and 1B. These common elements will not be detailed again below. In the following, only the differences with respect to the transducer 100 of FIGS. 1A and 1B will be highlighted.
Le transducteur 200 diffère du transducteur 100 décrit précédemment principalement en ce que, dans le transducteur 200, la couche diélectrique 107 revêtant l'électrode inférieure du transducteur a été omise.Transducer 200 differs from transducer 100 previously described primarily in that in transducer 200 the dielectric layer 107 coating the bottom electrode of the transducer has been omitted.
Autrement dit, dans le transducteur 200, le fond de la cavité 103 est formé directement par la face supérieure de l'électrode inférieure 101 du transducteur. Ainsi, au niveau de la cavité 103, la face supérieure de l'électrode inférieure 101 est directement en regard de la face inférieure de la membrane flexible 109, c'est-à-dire qu'aucune couche intermédiaire ne s'étend entre la face supérieure de l'électrode 101 et la face inférieure de la membrane 109.In other words, in the transducer 200, the bottom of the cavity 103 is formed directly by the upper face of the lower electrode 101 of the transducer. Thus, at the level of the cavity 103, the upper face of the lower electrode 101 is directly opposite the lower face of the flexible membrane 109, that is to say that no intermediate layer extends between the upper face of the electrode 101 and the lower face of the membrane 109.
Dans le transducteur 200, l'électrode inférieure 101 est en un matériau semiconducteur, par exemple du silicium, et est dopée d'un premier type de conductivité, le type N dans l'exemple représenté.In transducer 200, lower electrode 101 is made of a semiconductor material, for example silicon, and is doped with a first type of conductivity, type N in the example shown.
De plus, la membrane flexible 109 est un matériau semiconducteur, par exemple le même matériau semiconducteur que l'électrode 101, et est dopée d'un deuxième type de conductivité opposé à celui de l'électrode 101, le type P dans l'exemple représenté.In addition, the flexible membrane 109 is a semiconductor material, for example the same semiconductor material as the electrode 101, and is doped with a second type of conductivity opposite to that of the electrode 101, the type P in the example represented.
Le fonctionnement du transducteur 200 des figures 2A et 2B est sensiblement identique à celui du transducteur 100 des figures 1A et 1B, à la différence près que, dans le transducteur 200, en position affaissée (figure 2B), la face inférieure de la membrane 109 vient directement en contact avec la face supérieure de l'électrode 101, formant ainsi une jonction PN. La polarité de la tension de polarisation continue appliquée entre les électrodes 101 et 111 est choisie pour que cette jonction PN soit polarisée en inverse. Ainsi, dans l'exemple représenté, le potentiel positif de la tension de polarisation continue appliquée entre les électrodes 101 et 111 est appliqué sur l'électrode inférieure 101 et le potentiel négatif de la tension de polarisation continue appliquée entre les électrodes 101 et 111 est appliqué sur l'électrode supérieure 111. A titre de variante, les types de conductivité de l'électrode 101 et de la membrane 109 peuvent être inversés, auquel cas la polarité de la tension de polarisation continue appliquée entre les électrodes 101 et 111 est inversée.The operation of the transducer 200 of FIGS. 2A and 2B is substantially identical to that of the transducer 100 of FIGS. 1A and 1B, with the difference that, in the transducer 200, in the collapsed position (FIG. 2B), the lower face of the membrane comes directly into contact with the upper face of the electrode 101, thus forming a PN junction. The polarity of the DC bias voltage applied between electrodes 101 and 111 is chosen so that this PN junction is reverse biased. Thus, in the example shown, the positive potential of the DC bias voltage applied between electrodes 101 and 111 is applied to the lower electrode 101 and the negative potential of the DC bias voltage applied between electrodes 101 and 111 is applied to upper electrode 111. Alternatively, the conductivity types of electrode 101 and membrane 109 may be reversed, in which case the polarity of the DC bias voltage applied between electrodes 101 and 111 is reversed .
Dans le transducteur 200, l'isolation entre l'électrode supérieur 111 et l'électrode inférieure 101 en position affaissée de la membrane est assurée par la jonction PN polarisée en inverse, formée à l'interface entre la membrane 109 et l'électrode 101.In the transducer 200, the isolation between the upper electrode 111 and the lower electrode 101 in the collapsed position of the membrane is provided by the reverse biased PN junction, formed at the interface between the membrane 109 and the electrode 101 .
Les niveaux de dopage respectifs de l'électrode 101 et de la membrane 109 peuvent être choisis de façon à contrôler la tension de claquage et le courant de fuite de la jonction PN. La tension de claquage est de préférence choisie supérieure à la tension de polarisation continue maximale susceptible d'être appliquée par le circuit de contrôle CTRL entre les électrodes 101 et 111.The respective doping levels of the electrode 101 and of the membrane 109 can be chosen so as to control the breakdown voltage and the leakage current of the PN junction. The breakdown voltage is preferably chosen to be greater than the maximum DC bias voltage likely to be applied by the control circuit CTRL between the electrodes 101 and 111.
Un avantage du transducteur 200 des figures 2A et 2B est que l'absence de couche diélectrique entre l'électrode supérieure 111 et l'électrode inférieure 101 dans la zone de contact entre la membrane flexible et le fond de la cavité permet d'éviter les phénomènes de piégeage de charges du type décrit ci-dessus en relation avec les figures 1A et 1B. Ceci permet d'augmenter la longévité du transducteur, et d'assurer un fonctionnement stable dans le temps du transducteur.An advantage of the transducer 200 of FIGS. 2A and 2B is that the absence of a dielectric layer between the upper electrode 111 and the lower electrode 101 in the contact zone between the flexible membrane and the bottom of the cavity makes it possible to avoid charge trapping phenomena of the type described above in relation to FIGS. 1A and 1B. This makes it possible to increase the longevity of the transducer, and to ensure stable operation over time of the transducer.
En outre, l'absence de la couche diélectrique permet, à hauteur de cavité équivalente, d'augmenter la force électrostatique générée par la tension de polarisation, et donc de réduire l'amplitude des tensions de pilotage.Furthermore, the absence of the dielectric layer makes it possible, at an equivalent cavity height, to increase the electrostatic force generated by the bias voltage, and therefore to reduce the amplitude of the driving voltages.
Un autre avantage est que l'absence de la couche diélectrique 107 facilite la réalisation du transducteur.Another advantage is that the absence of the dielectric layer 107 facilitates the production of the transducer.
A titre d'exemple, non limitatif, le procédé de fabrication du transducteur 200 peut comprendre les étapes successives suivantes :
a) formation de la couche d'électrode inférieure 101 en un matériau semiconducteur dopé d'un premier type de conductivité ;
b) formation de la couche diélectrique 105 sur la face supérieure de la couche 101 ;
c) formation, dans la couche diélectrique 105 formée à l'étape b), d'une ouverture traversante débouchant sur la face supérieure de la couche 101, correspondant à la cavité 103 ;
d) après l'étape c), report de la membrane semiconductrice 109 dopée du deuxième type de conductivité et fixation de la membrane 109 par collage direct ou collage moléculaire de la face inférieure de la membrane 109 sur la face supérieure de la couche diélectrique 105 ; et
e) après l'étape d), formation de l'électrode supérieure 111 sur et en contact avec la face supérieure de la membrane 109.By way of non-limiting example, the method for manufacturing the transducer 200 may comprise the following successive steps:
a) formation of the lower electrode layer 101 in a semiconductor material doped with a first type of conductivity;
b) formation of the dielectric layer 105 on the upper face of the layer 101;
c) formation, in the dielectric layer 105 formed in step b), of a through opening opening onto the upper face of the layer 101, corresponding to the cavity 103;
d) after step c), transfer of the semiconductor membrane 109 doped with the second type of conductivity and fixing of the membrane 109 by direct bonding or molecular bonding of the lower face of the membrane 109 on the upper face of the dielectric layer 105 ; And
e) after step d), formation of the upper electrode 111 on and in contact with the upper face of the membrane 109.
Bien qu'un unique transducteur CMUT ait été représenté sur les figures, en pratique, un grand nombre de transducteurs identiques ou similaires, par exemple disposés en matrice selon les lignes et des colonnes, peuvent être réalisés simultanément et intégrés de façon monolithique dans et sur une même puce.Although a single CMUT transducer has been shown in the figures, in practice, a large number of identical or similar transducers, for example arranged in a matrix along the rows and columns, can be produced simultaneously and integrated monolithically in and on the same chip.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas aux exemples de matériaux et/ou de dimensions mentionnés dans la description.Various embodiments and variants have been described. The person skilled in the art will understand that certain features of these various embodiments and variations could be combined, and other variations will occur to the person skilled in the art. In particular, the embodiments described are not limited to the examples of materials and/or dimensions mentioned in the description.
Claims (7)
dans lequel l'électrode inférieure (101) est en un matériau semiconducteur dopé d'un premier type de conductivité, et la membrane flexible (109) en un matériau semiconducteur dopé d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité.CMUT transducer (200) comprising a flexible membrane (109) suspended above a cavity (103), and a lower electrode (101) located at the bottom of the cavity (103), facing the membrane flexible (109),
wherein the lower electrode (101) is made of a semiconductor material doped with a first type of conductivity, and the flexible membrane (109) is made of a semiconductor material doped with a second type of conductivity opposite to the first type of conductivity.
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