微机械超声换能器与制造和设计微机械超声换能器的方法技术

本公开涉及微机械超声换能器与制造和设计微机械超声换能器的方法。一种用于在传播介质中发射超声声波的设备，包括：封装，该封装包括基部衬底和封盖，该封盖耦合至基部衬底并且与基部衬底一起限定封装中的腔室；半导体裸片，在腔室中耦合至基部衬底、包括半导体本体；以及微机械超声换能器(MUT)，微机械超声换能器至少部分地集成在半导体本体中并且包括半导体本体中的空腔、悬置在空腔之上的膜、以及操作地耦合至膜的致动器，其能够被操作以用于生成膜的偏转。膜以如下方式被设计：其共振频率与在MUT的操作期间在封装的上述腔室中产生的声共振频率匹配。

【技术实现步骤摘要】
微机械超声换能器与制造和设计微机械超声换能器的方法
本公开涉及微机械超声换能器(MUT)、用于制造MUT的方法、以及用于设计MUT的方法。具体地，本公开关于一种被设计和加工以将在使用时在容纳MUT的封装内生成的声共振模式纳入考虑的MUT。
技术介绍
众所周知，换能器是一种将物理量的变化转换成有关电的量(例如，电阻或电容)的变化或将有关电的量的变化转换成物理量的变化的设备。超声换能器是本领域所熟知的且广泛用于非破坏性测试、速度检测、工业自动化、物体识别、防撞系统和医学成像中的设备。微机械超声换能器设置有振动膜结构，振动膜结构具有适当的声阻抗来确保与所感兴趣的物理介质(例如，空气或液体)的良好耦合。膜在与其耦合的致动器的控制下的振动引起了在所考虑的介质中的超声波的发射(作为发送器的操作)。同样，超声声信号的接收在膜中引起振动，该振动被转换成电信号并且然后被检测到(作为接收器的操作)。基于致动机制，MUT可以分成两种主要的类型：电容性MUT(CMUT)和压电MUT(PMUT)。具体地，根据从半导体衬底的背部进行蚀刻以便限定压电致动器/检测器在其上延伸的悬置的膜的工艺，来制造已知类型的PMUT。按照本身已知的方式，以通常是膜自身的共振频率的特定频率来驱动悬置的膜振荡或振动(例如，利用活塞类移动)，膜自身的共振频率取决于膜的构造特点(几何形状、厚度、直径等)。MUT设备通常包括：换能器，其可以利用MEMS(微机电系统)技术来提供，即，借助于半导体本体的加工步骤；以及保护性封装，其包括用于MUT的搁置基部和封盖，该搁置基部和封盖共同限定了MUT被容纳在其中的腔室。由MUT在使用中生成的声波在封装的腔室内传播并且通过封盖被传输至外部。已知的是，封装的内腔室的形状和大小对超声换能器设备的性能有重大的影响，特别是对在输出处生成的波的压力以及对带宽有重大的影响。事实上，在使用中，在封装的空腔内生成驻波，从而以已知的方式产生声共振模式。上述声共振模式明显取决于封装的内空腔的几何特点并且可以利用当前可用的仿真和设计程序被标识。
技术实现思路
本申请人已经发现，考虑到上述声共振模式的存在，以其共振频率来驱动MUT并不一定使在来自封装的输出(所传输的有用信号)处生成的波为高压。相反，存在封装内部的声共振模式显著降低输出处的波的压力的操作条件。上面讨论的难点使得声换能器设备的设计特别复杂。本公开的至少一些实施例力求提供将能够克服已知领域的缺点的微机械超声换能器(MUT)、用于制造MUT的方法、以及用于设计MUT的方法。根据本公开，因此提供了微机械超声换能器(MUT)、用于制造MUT的方法、以及用于设计MUT的方法。附图说明为了理解本公开，现在参照附图仅以非限制性示例的方式描述本公开的优选实施例，其中：图1图示了根据已知类型的一个实施例的压电微机械超声换能器(PMUT)；图2是图1所示PMUT的俯视图；图3图示了根据已知类型的另一实施例的PMUT；图4图示了基于PMUT的发送器，其包括封装，该封装内部容纳有裸片，该裸片集成了图1所示类型的多个PMUT；图5针对不同的频率值示出了由图4中的多个PMUT在使用中所生成的声共振波在传播介质(此处，空气)中施加的压力；图6示出了由图4中的发送器在根据本公开的一个方面被改进时所发射的声波在传播介质(此处，空气)中施加的压力；图7A是根据通过本公开的非限制性示例提供的一个实施例的、集成了图4中的多个PMUT的裸片的一部分的透视图；图7B是根据通过本公开的非限制性示例提供的一个实施例的、集成了图4和图7A中的多个PMUT的裸片的俯视平面图；图8根据与图7B相同的视图图示了图4的基于PMUT的发送器的一部分，其中灰色的阴影从图形上表示由传播介质(此处，空气)传输至图4中的封装的封盖的压力；图9示出了当PMUT如图8所示那样被布置时PMUT的控制信号；以及图10示意性地图示了包括根据本公开的实施例中的任何一个实施例的一个或多个PMUT的电子系统。具体实施方式图1是压电微机械超声换能器(在下文中，PMUT)1的横向截面图。图1的横截面图被表示成彼此正交的笛卡尔轴X、Y和Z的坐标系，并且沿着图2所示的剖面线I-I截取。PMUT1包括半导体本体2，该半导体本体2包括由诸如硅的半导体材料制成的衬底、以及生长在衬底上的一个或多个外延区域，这些外延区域也由诸如硅的半导体材料制成。半导体本体2具有沿着轴Z彼此相对的第一面2a和第二面2b。在平面XY中具有例如圆形形状的掩埋空腔6在半导体本体2内延伸并且通过至少部分地悬置在空腔6之上的膜8而与第一面2a分开。同样，在以示例的方式提供的本实施例中，膜8在平面XY中具有圆形形状。按照本身已知的方式，可选地在与膜8相对应的区中在半导体本体的第一面2a上延伸的是界面层14(例如，由氧化硅制成)，并且在界面层14之上延伸的是由底部电极16、压电体18(例如，锆钛酸铅(PZT)或氮化铝(AlN))和顶部电极20形成的堆叠。界面层14具有在底部电极16与半导体本体2之间的电绝缘体的功能，并且此外，具有在膜8处生成压应力的功能，该压应力抵抗膜8鉴于在空腔6内部的压力与空腔6外部的环境压力之间的过大压力差而朝向空腔6的内部的可能坍塌。在一个实施例中，底部电极16和压电体18在平面XY中的视图中具有圆形形状，其中相应的直径等于或大于空腔6的直径d1。压电体18还具有贯通开口21，通过该贯通开口21暴露出来的是底部电极16的表面部分，以支持底部电极16的后续电接触。顶部电极20具有甜甜圈形的圆形形状并且在膜8的边缘区域处延伸。显然，在不同实施例(未图示)中，顶部电极20可以具有不同的形状，例如完整的圆形形状，并且可以延伸以覆盖膜8的整个表面或仅覆盖其一部分(例如，顶部电极20与膜8同心但具有比膜8的直径小的直径)。在使用中，当向顶部电极20和底部电极16供应交流电流/电压以便激活压电体18时，膜8沿Z的偏转被生成。通常，PMUT1可以同时用作发送器和接收器。作为发送器，顶部电极20与底部电极16之间的电场由于逆压电效应而在压电体18中生成横向应力。由此生成的应力引起弯曲力矩，该弯曲力矩迫使膜偏转出平面XY，从而在PMUT1所插入的环境中生成压力的变化，这种压力的变化作为压力波在所考虑的介质(例如，空气)中在平行于轴Z的主传播方向上传播远离PMUT1。作为接收器，入射的压力波引起膜的偏转并且经由压电效应产生横向应力，该横向应力导致顶部电极与底部电极之间的电荷的变化。如可以注意到的，PMUT1的膜8在静态时不偏转，而是在使用中，当借助于适当的交流电压(例如，余弦波或正弦波)使电极16和20偏置时，膜8以特定的频率(共振频率f0)振动。根据其密度ρ，膜8自身的质量会影响动态行为。由膜8在其中振动的介质(例如，空气)提供的阻力(声阻抗)也影响振动的频率(在空气的情况下，可以忽略该参数)。另一些重要的参数有关膜的形状、其厚度及其直径。考虑到这种多域依赖性，通常经由利用本领域的技术人员可用的适当计算机程序的有限元建模(FEM)软件来表征PMUT的振动膜的共振频率f0。然而，对于首次近似，共振频率f0，特别是对于从圆形、四边形(例如，方形)和多边形中选择的形状的膜8，可以被视为与比率(t1/L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在传播介质中发射超声声波的设备，包括：封装，所述封装包括基部衬底和封盖，所述封盖耦合至所述基部衬底并且与所述基部衬底一起限定所述封装中的腔室；半导体裸片，所述半导体裸片在所述腔室中耦合至所述基部衬底并且包括半导体本体；以及微机械超声换能器(MUT)，所述微机械超声换能器(MUT)至少部分地集成在所述半导体本体中并且包括在所述半导体本体中的空腔、悬置在所述空腔之上的膜、以及操作地耦合至所述膜并且能够操作以用于生成所述膜的偏转的致动器，其中所述膜被配置为具有共振频率，所述共振频率与所述MUT的操作期间在所述封装的所述腔室中产生的声共振频率匹配。

【技术特征摘要】
2018.02.22 IT 1020180000029521.一种用于在传播介质中发射超声声波的设备，包括：封装，所述封装包括基部衬底和封盖，所述封盖耦合至所述基部衬底并且与所述基部衬底一起限定所述封装中的腔室；半导体裸片，所述半导体裸片在所述腔室中耦合至所述基部衬底并且包括半导体本体；以及微机械超声换能器(MUT)，所述微机械超声换能器(MUT)至少部分地集成在所述半导体本体中并且包括在所述半导体本体中的空腔、悬置在所述空腔之上的膜、以及操作地耦合至所述膜并且能够操作以用于生成所述膜的偏转的致动器，其中所述膜被配置为具有共振频率，所述共振频率与所述MUT的操作期间在所述封装的所述腔室中产生的声共振频率匹配。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述膜由从由以下组成的组中选择的材料制成：半导体或介电材料。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述膜具有从以下项中选择的形状：圆形、四边形和多边形。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述膜是圆形的，所述膜具有被包括在1μm与5μm之间的范围内的厚度，并且所述膜具有被包括在50μm与2mm之间的范围内的直径。5.根据权利要求1所述的设备，其中：所述MUT是被集成在所述裸片中的多个MUT中的一个MUT，所述多个MUT中的每个MUT包括：在所述半导体本体中的相应空腔和悬置在所述相应空腔之上的相应膜；以及操作地耦合至所述相应膜的相应致动器，每个致动器被配置为生成所述相应膜的偏转，每个膜被配置为具有与所述声共振频率匹配的相应共振频率。6.根据权利要求5所述的设备，其中每个MUT和所述裸片相对于所述封盖被布置，使得每个MUT与所述封盖的多个区域中的一个相应区域对齐，所述多个区域在使用中对应于具有由以所述声共振频率发射的所述声波在所述传播介质中施加的最大或最小压力的区。7.根据权利要求6所述的设备，其中集成在所述裸片中的每个MUT相对于所述封盖被布置，使得相应MUT与所述封盖的所述相应区域的所述对齐沿着以所述声共振频率发射的所述声波的主传播方向。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述MUT是压电微机械超声换能器。9.一种电子系统，包括：封装，所述封装包括基部衬底和封盖，所述封盖耦合至所述基部衬底并且与所述基部衬底一起限定所述封装中的腔室；半导体裸片，所述半导体裸片在所述腔室中耦合至所述基部衬底并且包括半导体本体；以及微机械超声换能器(MUT)阵列，至少部分地集成在所述半导体本体中，每个MUT包括在所述半导体本体中的空腔、悬置在所述空腔之上的膜、以及操作地耦合至所述膜并且能够操作以用于生成所述膜的偏转的致动器，其中所述膜被配置为具有共振频率，所述共振频率与在所述MUT的操作期间在所述封装的所述腔室中产生的声共振频率匹配。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述电子系统是以下之一：非破坏性测试系统、速度检测系统、物体识别系统、防撞系统、和医学成像系统。11.根据权利要求9所述的系统，包括被配置为控制所述MUT阵列的MUT控制器，所述MUT控制器被配置为在第一操作条件下引起所述膜中的一个或多个膜的偏转以便生成压力波的发射和/或被配置用于在第二操作条件下获取换能信号，所述换能信号是根据由接收到的压力波对所述膜中的一个或多个膜的偏转。12.一种制造用于发射超声声波的设备的方法，包括：通过将封盖耦合在基部衬底上来形成封装，并且从而限定所述封装中的腔室；至少部分地在裸片的半导体本体中形成微机械超声换能器(MUT)，包括：形成所述半导体本体中的空腔和悬置在所述空腔之上的膜；以及将致动器耦合至所述膜以用于在使用中生成所述膜的偏转；以及将所述半导体裸片在所述腔室中耦合至所述基部衬底，其中形成所述MUT包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·普罗科皮奥，F·夸利亚，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT