CN108698084B - 压电微机械超声换能器和换能器阵列 - Google Patents

压电微机械超声换能器和换能器阵列 Download PDF

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Abstract

一种设备可包含一或多个分段压电微机械超声换能器PMUT元件。每个分段PMUT元件可包含衬底、安置在所述衬底上的锚定结构以及安置成接近于所述锚定结构的膜。所述膜可包含压电层叠层和机械层。所述锚定结构可包含将所述分段PMUT元件划分成分段的边界部分。每个分段可具有对应的分段空腔。所述边界部分可对应于整个膜的节线。所述膜可包含安置成接近于每个分段空腔的膜分段。所述膜可经配置以当所述分段PMUT元件接收或发射信号时进行挠曲运动和振动中的一或两者。

Description

压电微机械超声换能器和换能器阵列
优先权主张
本申请主张标题为“压电微机械超声换能器谐波阵列(PIEZOELECTRICMICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCER HARMONIC ARRAYS)”且在2016年2月29日递交的第62/301,532号美国临时申请的优先权，所述申请以引用的方式并入本文中。本申请还主张标题为“压电微机械超声换能器和谐振阵列(PIEZOELECTRIC MICROMECHANICALULTRASONIC TRANSDUCERS AND TRANSDUCER ARRAYS)”且在2017年2月23日递交的第15/441,128号美国申请的优先权，所述申请以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及超声换能器且更具体地说涉及压电超声换能器。
背景技术
薄膜压电微机械超声换能器(PMUT)对于许多应用是有吸引力的候选，这些应用例如生物计量传感器系统(包含但不限于指纹传感器系统)、手势检测系统、麦克风和扬声器、超声成像系统以及化学传感器系统。PMUT通常包含悬置在空腔上方的压电叠层。压电叠层可包含压电材料的层和在压电层的每一侧上的经图案化或未经图案化的电极的层。虽然一些PMUT和基于PMUT的装置可提供令人满意的结果，但是改进的PMUT和基于PMUT的装置会是所期望的。
发明内容
本发明的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责本文中所公开的所期望的属性。
本发明中所描述的标的物的至少一个创新方面涉及包含分段压电微机械超声换能器(PMUT)元件的设备。分段PMUT元件可包含衬底、安置在衬底上的锚定结构以及安置成接近于锚定结构的膜。所述膜可包含压电层叠层和机械层。
在一些实例中，锚定结构可包含将分段PMUT元件划分成分段的边界部分。每个分段可具有对应的分段空腔。在一些实施方案中，边界部分可对应于整个膜的节线。膜可包含安置成接近于每个分段空腔的膜分段。所述膜可经配置以当分段PMUT元件接收或发射超声波信号时进行挠曲运动和振动中的一或两者。
在一些实施方案中，边界部分可对应于整个膜的一级谐波、二级谐波或更高级谐波的节线。在此文档中，术语“谐波”与术语“振荡模式”或简单地“模式”同义。根据一些此类实施方案，膜分段可经配置以在可与一级模式、二级模式或更高级模式对应的频率下谐振。
根据一些实例，分段PMUT元件可具有大体上圆形形状。边界部分可沿分段PMUT元件的一或多个直径延伸。根据一些此类实例，第一边界部分可以大体上与第二边界部分正交。根据一些此类实施方案，分段可以大体上是半圆形或四分之一圆形。然而，在替代实施方案中，分段PMUT元件可具有另一形状，例如，大体上六边形、正方形或矩形形状。
在一些实例中，压电层叠层可包含压电层、安置在压电层的第一侧上的第一电极层以及安置在压电层的第二侧上的第二电极层。举例来说，压电层叠层可包含压电层、安置在压电层下方的下部电极层以及安置在压电层上方的上部电极层。根据一些此类实例，第一电极层和第二电极层可经配置使得分段PMUT元件的每个分段单独地可控制。在一些此类实例中，分段PMUT元件可经配置以经由分段PMUT元件的个体分段提供波束控制。然而，在替代实施方案中，上部电极层和下部电极层可经配置使得分段PMUT元件的所有分段可经配置以被同相驱动。举例来说，控制系统106可经配置以用于将电信号提供到上部电极层和下部电极层，使得分段PMUT元件所有分段被同相驱动。
根据一些实施方案，所述设备可包含PMUT元件的阵列。PMUT元件的阵列可包含分段PMUT元件的多个例子。在一些实例中，所述阵列可包含至少一个非分段PMUT元件。非分段PMUT元件可包含膜，所述膜经配置以在与零级模式对应的基频下谐振。根据一些实例，非分段PMUT元件的锚定结构可不包括用于将非分段PMUT元件划分成分段的边界部分。
在一些实施方案中，衬底可包含曲面。根据一些此类实施方案，PMUT元件的阵列可以安置在曲面上。在一些实例中，衬底的至少一部分可包含柔性材料。根据一些实例，所述设备可为包含PMUT元件的阵列的超声成像装置。
本文中所公开的标的物的其它创新方面可以在包含分段PMUT元件的设备中实施。在一些实例中，分段PMUT元件可包含衬底、安置在衬底上的锚定结构以及安置成接近于锚定结构的膜。所述膜可包含压电层叠层和机械层。
在一些实例中，锚定结构可包含将分段PMUT元件划分成分段的边界部分。每个分段可具有对应的分段空腔。根据一些实例，分段PMUT元件可具有大体上圆形形状。边界部分可沿分段PMUT元件的一或多个直径延伸。膜可包含安置成接近于每个分段空腔的膜分段。所述膜可经配置以当分段PMUT元件接收或发射超声波信号时进行挠曲运动和振动中的一或两者。
根据一些此类实例，第一边界部分可以大体上与第二边界部分正交。根据一些此类实施方案，分段可以大体上是半圆形或四分之一圆形。然而，在替代实施方案中，分段PMUT元件可具有另一形状，例如，大体上六边形、正方形或矩形形状。
在一些实施方案中，边界部分可对应于整个膜的节线。在一些此类实施方案中，边界部分可对应于整个膜的一级模式、二级模式或更高级模式的节线。根据一些此类实施方案，膜分段可经配置以在可与一级模式、二级模式或更高级模式对应的频率下谐振。
在一些实例中，所述设备可包含PMUT元件的阵列。所述阵列可包含分段PMUT元件的多个例子。根据一些实例中，所述阵列可包含至少一个非分段PMUT元件。根据一些此类实例，所述非分段PMUT元件可包含经配置以在与零级模式对应的基频下谐振的膜。
附图说明
在本发明和附图中阐述本说明书中所描述的标的物的一或多个实施方案的细节。通过审核本发明，其它特征、方面和优点将变得显而易见。应注意，本发明的图式和其它图的相对尺寸可不按比例绘制。本发明中所示和描述的大小、厚度、布置、材料等仅借助于实例作出且不应理解为限制。各个图式中的相同参考数字及名称指示相同元件。
图1A是示出包含至少一个PMUT元件的设备的实例元件的方块图。
图1B是示出包含PMUT元件的一或多个阵列的系统的实例的方块图。
图1C示出了穿过非分段PMUT元件的截面的实例。
图2A-2C示出了振动圆盘的振荡的模式的实例。
图3示出了分段PMUT元件的实例，其中锚定结构包含将PMUT元件划分成分段的边界部分。
图4A和4B是说明一些所公开实施方案的潜在优点的曲线。
图5A指示具有8个不同半径的PMUT元件，其与图4A中所指示的8个半径对应。
图5B指示具有在图4B中指示的3个不同半径的PMUT元件。
图6示出了包含PMUT元件(例如，图5B中示出的那些)的PMUT阵列的实例。
图7A-7D示出了根据本发明所公开的技术的一些方面配置的PMUT叠层的实施方案的实例。
图8说明PMUT的另一实例实施方案。
图9A和9B说明用于制造PMUT的过程流程的实例。
图10A-10K示出了PMUT和锚定结构的各种几何配置的俯视图。
具体实施方式
以下描述涉及出于描述本发明的创新方面的目的的某些实施方案。然而，所属领域的技术人员将易于认识到，可以许多不同方式应用本文中的教示。所述描述的实施方案可被实施在包含超声波传感器的任何装置、设备或系统中。举例来说，预期所描述的实施方案可包含在多种电子装置中或与多种电子装置相关联，所述电子装置例如但不限于：医疗装置、包含但不限于超声成像装置、计费装置、通信装置、例如，移动电话、具多媒体因特网功能的蜂窝电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、
Figure BDA0001765639640000041
装置、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件接收器、手持式或便携式计算机、上网本、笔记本计算机、智慧笔记型计算机、平板计算机、打印机、复印机、扫描仪、传真装置、全球定位系统(GPS)接收器/导航仪、相机、数字媒体播放器(例如，MP3播放器)、摄录影机、游戏控制台、腕表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、电子读取装置(例如，e-阅读器)、移动健康装置、计算机监视器、汽车显示器(包含里程表和速度计显示器等)、驾驶舱控制器和/或显示器、相机视图显示器(例如，车辆中的后视相机的显示器)、电子相片、电子布告板或标牌、投影仪、架构结构、微波炉、冰箱、立体声系统、盒式录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、收音机、便携式存储器芯片、洗涤器、干燥器、洗涤器/干燥器、停车计时器、封装(例如在包含微机电系统(MEMS)应用的机电系统(EMS)应用中，以及非EMS应用)、美观性结构(例如，在一件珠宝或衣服上显示图像)以及多种EMS装置。本文中的教示还可用于例如但不限于以下应用中：电子开关装置、射频滤波器、传感器、加速计、陀螺仪、运动感测装置、磁力计、用于消费型电子产品的惯性组件、消费型电子产品的零件、变容二极管、液晶装置、电泳装置、驱动方案、制造过程和电子测试设备。因此，所述教示并不意图仅限于图中所描绘的实施方案，而是替代地具有广泛适用性，如所属领域的技术人员将容易显而易见的。
本发明的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责本文中所公开的所期望的属性。本发明中所描述的标的物的一个创新方面可实施于具有分段膜的PMUT元件中。(在本文中，术语“PMUT元件”、“PMUT”和“传感器像素”可互换使用。)在一些实施方案中，PMUT元件的膜可根据整个膜的节线分段。根据一些此类实施方案，PMUT元件的膜可根据整个膜的一级或二级模式分段。PMUT元件的分段可经配置以在与一级或二级模式对应的频率下谐振。
在一些此类实例中，PMUT元件的整个膜可具有圆形形状或大体上圆形形状。根据一些此类实例，PMUT元件的膜可沿圆形形状的一或多个直径分段。一些此类PMUT元件可包含分段成半圆的膜，而其它此类元件可包含分段成四分之一圆的膜。在替代实例中，PMUT元件的整个膜可具有椭圆形状、卵形形状、正方形形状、矩形形状等。
本发明中所描述的标的物的各种方面可以在包含PMUT元件的阵列的设备中实施。在一些实施方案中，所述阵列可包含分段PMUT元件。在一些此类实施方案中，所述阵列可包含分段PMUT元件和非分段PMUT元件。举例来说，所述阵列可包含具有相同半径或直径的分段PMUT元件和非分段PMUT元件。非分段PMUT元件可经配置以在与零级模式对应的基频下谐振，而分段PMUT元件可经配置以在与一级或二级模式对应的频率下谐振。
包含具有分段PMUT元件和非分段PMUT元件的PMUT阵列的实施方案具有各种潜在优点。举例来说，根据药物检查要求，执业医生需要可在一个单元中跨越从2MHz到20MHz频率而非在若干换能器头之间切换的超声成像系统。此外，执业医生需要与现有技术超声成像系统相比相对较小且更加便携的超声成像系统。允许在单个PMUT阵列中的宽频率范围会需要PMUT元件具有封装到相同阵列(或多个单独阵列)中的许多不同直径以满足此需要连同复杂的驱动电子元件。
然而，包含具有分段PMUT元件和非分段PMUT元件的PMUT阵列的实施方案可提供多个发射/接收频率且仍具有相同直径或半径，因此减少在单个阵列中所需的PMUT大小的数目同时仍然跨越所希望的频率范围，例如，2-20MHz范围。在一些实例中，PMUT阵列大小可通过高效封装减小。
图1A是示出包含至少一个PMUT元件的设备的实例元件的方块图。在此实例中，设备100包含至少一个分段PMUT元件101a。在一些此类实例中，设备100包含分段PMUT元件101a的阵列。在一些此类实例中，设备100还可包含一或多个非分段PMUT元件。一些实施方案可包含非分段PMUT元件的阵列。根据此实例，分段PMUT元件101a包含衬底103a、锚定结构105和膜107a。在一些实施方案中，锚定结构105安置在衬底上并且膜107a接近锚定结构105。在一些实例中，膜107a包含压电层叠层和机械层。
锚定结构105可包含将分段PMUT元件101a划分成分段的边界部分。每个分段可具有对应的分段空腔。在一些实施方案中，边界部分可对应于整个膜的节线。膜可包含安置在每个分段空腔上的膜分段。本文中公开了各种实例。
所述膜可经配置以当分段PMUT元件101a接收或发射信号时，进行挠曲运动和振动中的一或两者。根据一些实例，所述信号可以是超声波信号。
在一些实施方案中，设备100包含控制系统106。控制系统106在图1A中的虚线轮廓中示出以指示取决于特定实施方案控制系统106可以是或可以不是设备100的部分。控制系统106可包含一或多个通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其组合。
控制系统106还可包含一或多个存储器装置(如一或多个随机存取存储器(RAM)装置、只读存储器(ROM)装置等)及/或可经配置以与一或多个存储器装置通信。相应地，设备100可具有包含一或多个存储器装置的存储器系统，然而所述存储器系统并未在图1A中示出。
设备100的一些实施方案可包含接口系统104。在一些实例中，接口系统可包含有线或无线接口系统。在一些实施方案中，接口系统可包含用户接口系统、一或多个网络接口、控制系统106与存储器系统之间的一或多个接口和/或控制系统106与一或多个外部装置接口之间的一或多个接口(例如，端口或应用程序处理器)。
接口系统104可经配置以提供设备100的其它组件之间的通信(其可包含有线或无线通信，例如，电通信、无线电通信等)。在一些此类实例中，接口系统104可经配置以提供控制系统106与分段PMUT元件101a的阵列之间的通信。一些此类实例还可包含非分段PMUT元件的阵列。根据一些此类实例，接口系统104的一部分可将控制系统106的至少一部分耦合到分段PMUT元件101a的阵列和/或非分段PMUT元件的阵列，例如，经由导电材料。根据一些实例，接口系统104可经配置以提供设备100与其它装置和/或人类之间的通信。在一些此类实例中，接口系统104可包含一或多个用户接口。在一些实例中，接口系统104可包含一或多个网络接口和/或一或多个外部装置接口(例如，一或多个通用串行总线(USB)接口)。在一些实施方案中，设备100可包含存储器系统。在一些实例中，接口系统104可包含控制系统106与存储器系统之间的至少一个接口。
在一些实施方案中，控制系统106可驻留在超过一个装置中。举例来说，控制系统106的一部分可驻留在一个装置中并且控制系统106的另一部分可驻留在另一装置中，例如，移动装置(例如，智能手机)。在一些此类实例中，接口系统104还可驻留在超过一个装置中。
图1B是示出包含PMUT元件的一或多个阵列的系统的实例的方块图。在此实例中，系统120包含装置122和装置126。根据此实施方案，装置122包含PMUT元件的一或多个阵列124，其可包含分段PMUT元件101a和/或非分段PMUT元件。在一些实例中，分段PMUT元件101a的阵列和/或非分段PMUT元件的阵列可为一维阵列或二维阵列。在一些实施方案中，装置122可为执业医生的超声成像系统的装置，例如，“棒”或类似装置。此处，装置122包含接口系统部分104a和控制系统部分106a。
根据一些实例，装置126可为系统120的控制模块，例如，超声成像系统的控制模块。在此实例中，装置126包含接口系统部分104b和控制系统部分106b。接口系统部分104a和104b可例如包含一或多个有线和/或无线接口，所述接口经配置以提供装置122与装置126之间的信号的通信。在一些实例中，接口系统部分104a和104b可包含一或多个用户接口以用于控制系统120或其部分。
再次参考图1A，在一些实例中，控制系统106能够控制分段PMUT元件101a中的一或多个以接收或发射信号。根据一些实例，所述信号可以是超声波信号。
在一些实施方案中，控制系统106可以能够同相驱动分段PMUT元件101a的所有分段。此类实施方案具有简化驱动方案的潜在优点，因为相同驱动信号可适用于分段PMUT元件的所有分段。
然而，一些实施方案控制系统106可以能够单独地驱动分段PMUT元件101a的每个分段。此类实施方案具有经由单个分段PMUT元件的个体分段提供“像素级”波束控制的潜在优点。根据一些此类实施方案，控制系统106可经配置以用于提供电信号以经由分段PMUT元件的个体分段提供波束控制。
如上所述，在一些实例中分段PMUT元件101a的阵列和/或非分段PMUT元件的阵列可为一维阵列或二维阵列。根据一些此类实例，分段PMUT元件101a的阵列和/或非分段PMUT元件的阵列可以放置在显示器的背板或超声指纹传感器阵列下方、旁边、一起、上面或上方。
然而，在一些实施方案中，PMUT元件的阵列可以安置在曲面上。此类实施方案可尤其有利于部署在医疗装置中，例如，用于超声成像应用的棒。在一些此类实例中，PMUT元件的阵列可至少部分安置在柔性衬底上。
图1C示出了穿过非分段PMUT元件的截面的实例。在图1C中所示的实例中，非分段PMUT元件101b包含压电层叠层110，所述压电层叠层安置在机械层130和可形成于例如绝缘体上硅(SOI)晶片中的空腔120上。在此实施方案中，压电层叠层110包含压电层115，所述压电层具有分别安置在压电层115下方和上方的相关联的下部电极112和上部电极114。空腔120可形成于半导体衬底160中，例如，硅晶片，或在一些实施方案中，绝缘体上硅(SOI)晶片。在一些实例中，机械层130可从SOI晶片的活性硅层中形成。如下文更详细地描述，空腔120可通过移除牺牲层形成。在此实例中，空腔120已形成于衬底160内，而在下文描述的实例中，空腔可形成于已形成于衬底上的锚定结构内。相应地，在此实例中，衬底160的部分具有与下文描述的锚定结构相似的功能。
机械层130连同压电层叠层110可形成空腔120上方的鼓状膜107b。膜107b可经配置以当非分段PMUT元件101b接收或发射声波或超声波信号时进行挠曲运动和/或振动。在图1中说明的配置中，非分段PMUT元件101b的机械层130在压电层叠层110与空腔120之间。非分段PMUT元件101b可以能够在与空腔120的尺寸对应的基频下谐振。
下文描述PMUT元件的各种替代实施方案以及制造此类PMUT元件的方法。在本文中所公开描述的一些分段PMUT元件中，锚定结构可包含将PMUT元件(包含膜)划分成分段的边界部分。每个分段可具有对应的分段空腔。边界部分可对应于整个膜的节线。在一些此类替代实施方案中，压电层叠层可在空腔与机械层之间。
在一些实施方案中，PMUT阵列可以是可配置的以在对应于多个频率范围的模式中操作。在一些实施方案中，例如，控制系统(例如，图1A的控制系统106)可经配置以用于控制PMUT阵列以在对应于低频范围(例如，50kHz到200kHz)的低频模式中操作或在对应于高频范围(例如，1MHz到25MHz)的高频模式中操作。当在高频模式中操作时，设备可以能够以相对较高的分辨率成像。相应地，在一些药物超声成像系统实施方案中，所述系统可以能够进行高分辨率和低分辨率成像两者。在一些显示装置实施方案中，所述设备可以能够检测来自对象的触摸、指纹、触笔和生物计量信息，例如，放置在显示装置的表面上的手指。在一些此类实施方案中，高频模式可与指纹传感器模式对应且较低频模式可与触摸模式或触笔模式对应。
当在低频模式中操作时，所述设备可以能够发出比当所述设备在高频模式中操作时能够相对更大穿透到空气中的声波。此类较低频声波可穿过各种覆盖层发射，所述各种覆盖层包含玻璃盖片、触摸屏、显示器阵列、背光源或被放置在超声波发射器与显示器或传感器表面之间的其它层。在一些实施方案中，端口可穿过覆盖层中的一或多个开启以优化从PMUT阵列到空气中的声波耦合。所述较低频声波可穿过在显示器或传感器表面上方的空气发射、从接近所述表面的一或多个对象反射、穿过空气发射且穿过覆盖层返回，并且由超声波接收器检测。相应地，当在低频模式中操作时，所述设备可以能够以手势检测模式操作，其中可检测到接近显示器的自由空间手势。
替代地或另外，在一些实施方案中，PMUT阵列可以是可配置的以在对应于在低频范围与高频范围之间的频率范围的中频模式中操作(例如，大约200kHz到大约1MHz)。当在所述中频模式中操作时，所述设备可以能够提供触摸传感器功能，尽管在某种程度上具有比高频模式更低的分辨率。
所述PMUT阵列可以是可寻址的，以用于波前波束成形、波束控制、接收面波束成形和/或返回信号的选择性读出。举例来说，个体列、行、传感器像素、传感器像素的分段和/或传感器像素的群组可以是可单独寻址的。控制系统可控制发射器的阵列以产生特定形状的波前，例如平面、圆形或圆柱形波前。控制系统可控制发射器的阵列的幅值和/或相位以在所希望的位置中产生相长或相消干涉。举例来说，控制系统可控制发射器的阵列的幅值和/或相位以在已检测到触摸或手势的一或多个位置中产生相长干涉。
在一些实施方案中，PMUT装置可与薄膜晶体管(TFT)电路在相同衬底上共同制造，在一些实例中，所述衬底可为玻璃或塑料衬底。所述TFT衬底可包含行和列寻址电子元件、多路复用器、局部放大级和控制电路。在一些实施方案中，包含驱动器级和感测级的接口电路可用于激励PMUT装置且检测来自相同装置的响应。在其它实施方案中，第一PMUT装置可充当声波或超声波发射器以及第二PMUT装置可充当声波或超声波接收器。在一些配置中，不同的PMUT装置可以能够低频和高频操作(例如，用于手势和用于指纹检测)。在其它配置中，相同PMUT装置可用于低频和高频操作。在一些实施方案中，所述PMUT可使用硅晶片制造，所述硅晶片具有在硅晶片中制造的活性硅电路。所述活性硅电路可包含起PMUT或PMUT阵列的作用的电子元件。
图2A-2C示出了振动圆盘的振荡的模式的实例。举例来说，振动圆盘可与在圆形膜的周长处附接到圆形锚定结构的PMUT元件的振动圆形膜对应。在图2A中所示的实例的中，圆盘在频率ω0下在振荡的基础或零级模式中振动，不具有内部节线。在此实例中，整个圆盘200示出为在相对于周长205的升高位置中。
在图2B中所示的实例中，圆盘200示出为在频率ω1下在振荡的一级模式中振动。在振荡的此模式中，圆盘分段210a和圆盘分段210b异相振荡180度并且通过节线215分隔开。在此实例中，相对于节线215，圆盘分段210a示出为在升高位置中并且圆盘分段210b示出为在降低位置中。振动圆盘的振动模式通过贝塞尔方程的解来描述，根据贝塞尔方程的解ω1＝1.59ω0。
在图2C中所示的实例中，圆盘200示出为在频率ω2下在振荡的二级模式中振动。根据贝塞尔方程，ω2＝2.13ω0。在振荡的此模式中，圆盘分段210c和圆盘分段210e异相振荡180度并且通过节线215分隔开。类似地，圆盘分段210d和210f异相振荡180度并且通过节线215分隔开。因为圆盘200示出为在振荡的二级模式中振动，所以存在额外的节线-节线216。在此实例中，圆盘分段210c和210d异相振荡180度并且通过节线216分隔开。类似地，圆盘分段210e和210f异相振荡180度并且通过节线216分隔开。
基于前文论述，可以确定对于任何半径，PMUT元件的膜分段的振荡的较高级模式出现在固定比率的频率处。换句话说，虽然基频ω0基于整个膜的尺寸(例如，半径)，但是对应于膜分段的振荡的较高级模式的固定比率的频率并不取决于半径，而是简单地基频ω0的非整数倍。
图3示出了分段PMUT元件的实例，其中锚定结构包含将PMUT元件划分成分段的边界部分。在此实例中，分段PMUT元件300包含边界部分315和316，所述边界部分将整个膜划分成膜分段305a、305b、305c和305d。此处，膜分段305a-305d中的每一个具有对应的分段空腔310，所述空腔以边界部分315和316为界。锚定结构还可包含支撑膜分段305a-305d的周长的周长部分(图3中未图示)。下文参考图10A-10F描述一些实例。
根据此实施方案，边界部分315和316对应于用于整个膜的二级模式的节线。相应地，膜分段305a-305d经配置以在与二级模式对应的频率ω2下谐振。在此实例中，分段PMUT元件300具有大体上圆形形状并且边界部分315和316沿分段PMUT元件的直径延伸。相应地，在一些实例中，第一边界部分(例如，边界部分315)可大体上与第二边界部分(例如，边界部分316)正交。因为分段PMUT元件300具有大体上圆形形状，所以PMUT元件的分段和膜分段305a-305d具有大体四分之一圆形形状。
在一些实施方案中，边界部分可仅对应于整个膜的一级模式的节线，例如，图2B中示出的节线215。相应地，膜分段可经配置以在与一级模式对应的频率ω1下谐振。下文描述了一些实例。如果分段PMUT元件具有大体上圆形形状，那么PMUT元件的分段和膜分段可具有大体半圆形形状。
在图3中所示的实例中，分段PMUT元件300的所有分段经配置以被同相驱动。举例来说，本文中所公开的各种实施方案具有压电层叠层，所述压电层叠层包含压电层、安置在压电层下方的下部电极层以及安置在压电层上方的上部电极层。在一些实施方案中，上部电极层和下部电极层可经配置使得分段PMUT元件的所有分段经配置以被同相驱动。
然而，在一些实施方案中，上部电极层和下部电极层可经配置使得分段PMUT元件的每个分段单独地可控制。在一些此类实施方案中，分段PMUT元件可经配置以经由分段PMUT元件的个体分段提供波束控制。举例来说，上部电极层和下部电极层可被划分成多个电极层分段。多个电极层分段中的每一个可对应于分段PMUT元件的单独分段。
图4A和4B是说明一些所公开实施方案的潜在优点的曲线。图4A和图4B的纵轴都指示以MHz为单位的频率，而横轴指示以微米为单位的个体PMUT元件的直径。图4B的曲线405、410和415指示对应于每个半径的基础模式、一级模式和二级模式。
图4A表明如果仅非分段的圆形PMUT元件包含在PMUT阵列中，那么将会必需的是在PMUT阵列中包含具有8个不同半径的PMUT元件，以便跨越用于具有8个不同频率设置的药物超声成像装置应用的2-20MHz的所要求的频率范围。在此实例中，半径范围的大小从大约40到220微米。
然而，如图4B中所示，通过在PMUT阵列中包含分段的圆形PMUT元件，仅会必需的是包含在PMUT阵列中具有3个不同半径的PMUT元件以便跨越具有8个不同频率设置的2-20MHz的频率范围。
图5A指示具有8个不同半径的PMUT元件，其与图4A中所指示的8个半径对应。图5B指示具有在图4B中指示的3个不同半径的PMUT元件。在此实例中，图5B中示出的PMUT元件包含非分段和分段PMUT元件两者。举例来说，具有220微米直径的PMUT元件包含非分段PMUT元件505a，其经配置以针对220微米直径膜在基频下谐振。具有220微米直径的PMUT元件还包含：分段PMUT元件505b，其经配置以在与一级模式对应的频率下谐振；以及分段PMUT元件505b，其经配置以在与二级模式对应的频率下谐振。
具有105微米直径的PMUT元件包含非分段PMUT元件505d，其经配置以在基频下谐振。具有105微米直径的PMUT元件还包含：分段PMUT元件505e，其经配置以在与一级模式对应的频率下谐振；以及分段PMUT元件505f，其经配置以在与二级模式对应的频率下谐振。在此实例中，具有55微米直径的PMUT元件包含非分段PMUT元件505g，其经配置以在基频下谐振。具有55微米直径的元件还包含分段PMUT元件505e，其经配置以在与一级模式对应的频率下谐振。
除了需要较小PMUT元件半径之外，与包含PMUT元件(例如，图5A中示出的那些)的PMUT阵列的封装密度相比，可以增大包含PMUT元件(例如，图5B中示出的那些)的PMUT阵列的封装密度。因此，此类实施方案包含减小总体PMUT阵列大小的潜在的优点。
图6示出了包含PMUT元件(例如，图5B中示出的那些)的PMUT阵列的实例。在此实例中，PMUT元件布置在与最大PMUT元件的半径对应的间距中，所述半径是PMUT元件505a、505b和505c的220微米半径。在此实施方案中，具有105微米半径的PMUT元件505d、505e和505f的三个例子可以封装到220微米半径间距中。此处，具有55微米半径的PMUT元件505g和505h的九个例子可以封装到220微米半径间距中。
图7A-7D示出了根据本发明所公开的技术的一些方面配置的PMUT叠层的实施方案的实例。图7A-7D中所示的实例可以被实施为分段PMUT元件或非分段PMUT元件。举例来说，参考图7A，通过省略任选边界部分716，PMUT 700A可形成为非分段PMUT元件。替代地，通过包含任选边界部分716，PMUT 700A可形成为分段PMUT元件。在图7A-7D中仅示出了任选边界部分716的截面。在一些实施方案中，任选边界部分716可具有与图3中所示的边界部分315或边界部分316相同的形状。其它实施方案可包含具有其它形状和/或定向的边界部分。在所说明的实施方案中，PMUT 700A包含安置在压电层叠层710上方的机械层730。压电层叠层710包含压电层715，所述压电层715具有分别安置在压电层115下方或上方的相关联的下部电极712和上部电极714。在图7A和7B中所示的实例中，钝化层775驻留在下部电极712与锚定结构770之间。机械层730安置在与衬底相对的压电叠层的一侧上方。
机械层730安置在与空腔720相对的压电层叠层710的一侧上方，并且连同压电层叠层710一起可在空腔720上方形成鼓状膜。所述膜可经配置以当PMUT元件接收或发射声波或超声波信号时，进行挠曲运动和/或振动。在图7A中说明的实施方案中，压电层叠层710在空腔720与机械层730之间，而在图1中说明的配置中，PMUT 101b的机械层130在压电层叠层110与空腔120之间。在一些实施方案中，机械层730可大体上比压电层叠层更厚。
机械层730可由电绝缘材料制成并且可朝向微制造过程的末端沉积，即，在形成和图案化压电层叠层710以及压电层叠层710被安置在其上方的空腔720之后。机械层730可经配置以具有使得PMUT叠层的中间轴750在压电层叠层710上方的距离处的尺寸和机械特性。更具体地说，中间轴750安置在包含机械层730在压电层叠层710上方的平面中。可以观察到机械层730接近于与空腔720相对且与衬底760相对的压电层叠层710的一侧。在一些实施方案中，中间轴750可安置在大体上平行于压电层叠层710的平面中，在朝向机械层730的方向上穿过压电层叠层710距压电层叠层710的中间轴一定距离。
对于包含压电层的许多多层微观结构装置来说，多层叠层的中间轴距压电层的中间轴有一定距离是优选的。举例来说，本发明所公开的PMUT的机械层730使得多层叠层的中间轴750距压电层710的中间轴一定距离。所述距离可以通过各种层的厚度及其弹性属性来确定，这些继而可通过换能器的谐振频率和品质因数要求来确定。在一些实施方案中，中间轴750可为距压电层710的中间轴一定距离并朝向机械层730移位，但中间轴750可仍然驻留在压电层内或压电叠层内。举例来说，机械层730可以具有允许多层叠层的平面外弯曲模式的厚度。在一些实施方案中，机械层730可经配置以允许多层叠层主要以平面外模式(例如，活塞模式或基本模式)激发。所述平面外模式可以致使多层叠层的部分(可在本文中被称作“释放部分”)的位移接近于空腔720，例如，在圆形、正方形或矩形形状的PMUT的中心。在一些实施方案中，中间轴750的位移准许换能器在d31或e31模式中操作，其中在转换区域中的膜的多层叠层的中间轴可从在叠层中的活性压电材料的中间轴偏移。
如将在下文更详细地描述，机械层730可经配置以提供密封空腔720的囊封层。此外，机械层730可充当用于压电层叠层710的电极的钝化层。通过材料属性的明智选择，机械层730的厚度和内应力、某些换能器参数可以得到改进。举例来说，可从各种层中的残余应力产生的谐振频率、静态和动态偏转、声压输出以及膜形状(弓曲)可通过以适当方式配置机械层730来调谐。
在一些实施方案中，机械层730可经配置以提供用于声波偶合层的附接、用于在换能器制造之后构建电路的平面化，和/或提供绝缘层以在机械层730的顶部上形成另外的路由层以用于关于压电层叠层710的电容性去耦。
在一些实施方案中，机械层730可包含减小PMUT叠层的一部分的总厚度的凹部。所述凹部的大小和几何形状和凹部特征可被设计成用于影响换能器参数，例如，谐振频率、静态和动态偏转、声压输出、机械品质因数(Q)和膜形状(弓曲)。图7B示出PMUT结构的截面图，所述PMUT结构具有在机械层730的上部中形成的凹部732，所述机械层在此处局部变薄。在所示的实施方案中，凹部732在PMUT 700B的机械层730的中心区中形成。
可以观察到中间轴750向下朝向空腔720接近于凹部732移动。凹部732可包含大体上轴对称的特征，例如在接近隔膜中心，部分成形于圆形PMUT隔膜中的圆或环，或接近圆形隔膜的外围形成的角沟槽或角沟槽的部分。在一些实施方案中，凹部732可包含在接近正方形或矩形PMUT隔膜的中心的机械层730中形成的正方形或矩形特征。在一些实施方案中，凹部732可包含特征，例如接近正方形、矩形或圆形隔膜的外围形成的窄矩形、局部沟槽或狭槽。在一些实施方案中，一系列放射状狭槽可与中心或外围凹部特征组合。在一些实施方案中，凹部或凹进特征可以通过部分或大体上蚀刻穿过机械层730、停止在底层压电层叠层710上来形成。在一些实施方案中，凹部732和/或其特征可以例如基于蚀刻时间形成到机械层730中。在一些实施方案中，机械层730可包含两个或两个以上的沉积层，其中的一层可充当蚀刻终止层或屏障层以允许在制造期间精确定义凹部和凹进特征。
图7C示出根据本发明所公开的技术配置的PMUT叠层的实施方案的另一实例。在所说明的实施方案中，PMUT 700C的机械层730安置在空腔720上方及压电层叠层710下方。因此，机械层730安置在面对空腔720和衬底760的压电层叠层710的一侧下方。机械层730连同压电层叠层710一起可在空腔720上方形成鼓状膜或隔膜，当PMUT接收或发射声波或超声波信号时所述鼓状膜或隔膜经配置以进行挠曲运动和/或振动。在一些实施方案中，机械层730可大体上比压电层叠层更厚。
如将在下文更详细地描述，机械层730可经配置以提供密封空腔720的囊封层。通过材料属性的明智选择，机械层730的厚度和内应力、某些换能器参数可以得到改进。举例来说，可从各种层中的残余应力产生的谐振频率、静态和动态偏转、声压输出以及膜形状(弓曲)可通过以适当方式配置机械层730来调谐。
在一些实施方案中，机械层730可包含减小PMUT叠层的一部分的总厚度的凹部。所述凹部的大小和几何形状和凹部特征可被设计成用于影响换能器参数，例如，谐振频率、静态和动态偏转、声压输出、机械品质因数(Q)和膜形状(弓曲)。图7D示出PMUT结构的截面图，所述PMUT结构具有在机械层730的下部中形成的凹部732，机械层730在此处局部变薄。在所示的实施方案中，凹部732在PMUT 700D的机械层730的中心区中形成。
凹部732可包含大体上轴对称的特征，例如在接近隔膜中心，部分成形于圆形PMUT隔膜中的圆或环，或接近圆形隔膜的外围形成的角沟槽或角沟槽的部分。在一些实施方案中，凹部732可包含在接近正方形或矩形PMUT隔膜的中心的机械层730中形成的正方形或矩形特征。在一些实施方案中，凹部732可包含特征，例如接近正方形、矩形或圆形隔膜的外围形成的窄矩形、局部沟槽或狭槽。在一些实施方案中，一系列放射状狭槽可与中心或外围凹部特征组合。在一些实施方案中，凹部或凹进特征可以通过在机械层730和压电层叠层710的沉积之前部分地穿过底层牺牲层(未图示)蚀刻而形成。在一些实施方案中，凹部732和/或其特征可以通过基于蚀刻时间部分地蚀刻到底层牺牲层中而形成。在一些实施方案中，所述牺牲层可包含两个或两个以上沉积层的叠层，其中的一者可允许牺牲层的局部升高部分在机械层730和压电层叠层710的沉积之前形成，并且其中的一者可充当蚀刻终止层或屏障层以允许在制造期间精确定义凹部和凹进特征。在一些实施方案中，机械层730的上部表面可以在形成压电层叠层710之前平面化。举例来说，机械层730可以通过化学-机械抛光(CMP)平面化，也被称作化学-机械平面化。
图8说明PMUT的另一实例实施方案。图8、9A和9B中所示出的实例可以实施为分段PMUT元件或非分段PMUT元件。举例来说，参考图8的截面A-A，通过省略任选边界部分816，PMUT 800可以形成为非分段PMUT元件。替代地，通过包含任选边界部分816，PMUT 800可形成为分段PMUT元件。在图8中仅示出了任选边界部分816的截面。在一些实施方案中，任选边界部分816可具有与图3中所示的边界部分315或边界部分316相同的形状。其它实施方案可包含具有其它形状和/或定向的边界部分。所说明的PMUT 800包含被安置在空腔820i上方的压电层叠层810。如下文更详细地描述，空腔820i可以通过穿过一或多个释放孔820o形成于锚定结构870内的牺牲层的移除而形成。如下文更详细地描述，锚定结构870可以沉积在衬底860上。为了可扩展性，这些结构使用在IC、MEMS和LCD行业中共同的过程制成是优选的。
在所说明的实施方案中，压电层叠层810包含安置在下部电极812与上部电极814之间的压电层815。在图8的自上而下的视图中，示出了上部电极814的任选中心部分814a。本文中所公开的其它PMUT的一些替代实施方案可包含如同中心部分814a的中心部分。机械层830安置在与空腔820i相对的压电层叠层810的一侧上方，并且连同压电层叠层810可形成在空腔820i上方的鼓状膜或隔膜，所述鼓状膜或隔膜经配置以当PMUT接收或发射声波或超声波信号时，进行挠曲运动和/或振动。在一些实施方案中，机械层830可以经配置以便规定中间轴850大体上安置到压电层叠层810外部(上方)。有利的是，机械层830可充当囊封层，其密封一或多个释放孔820o并且隔离空腔820i与外部液体和气体，如图8的区段B-B中所示，同时还为PMUT 800提供额外的结构支撑。
图9A和9B说明用于制造PMUT的过程流程的实例。在所说明的实例中，在步骤S901处，锚定结构970的第一层部分972被沉积到衬底860上。第一层部分972也可被称作氧化缓冲层。在一些实施方案中，氧化缓冲层972可以是具有在大约500到大约
Figure BDA0001765639640000151
的范围内的厚度的二氧化硅(SiO2)层。举例来说，在一实施方案中，氧化缓冲层972的厚度是约
Figure BDA0001765639640000152
衬底360可以是玻璃衬底、硅晶片或其它合适的衬底材料。
在所说明的实例中，在步骤S902处，牺牲区925i和925o可以通过首先将可包含非晶硅(a-Si)、多晶硅(多晶Si)或a-Si和多晶Si的组合的牺牲材料的牺牲层925沉积到氧化缓冲层972上而形成。替代地，可使用其它牺牲层材料，例如，钼(Mo)、钨(W)、聚乙烯碳酸盐(PEC)、聚丙烯碳酸盐(PPC)或聚降冰片烯(PNB)。步骤S902还可包含图案化和蚀刻牺牲层925以形成牺牲区925i和925o。内牺牲区925i可被安置在对应于图3的空腔320i的位置处，而外牺牲区925o可被安置在对应于释放孔320o的位置处。牺牲层材料的一或多个释放通道或释放通孔(未示出)可连接外牺牲区925o与内牺牲区925i。在使用PEC、PPC或PNB的一些实施方案中，在PMUT中形成底层空腔可能不需要释放通道或释放通孔，这是因为这些牺牲材料可被热分解以产生气态副产品，例如可在某种程度上穿过可穿透覆盖层扩散的二氧化碳(CO2)、单原子或二原子氢或单原子或二原子氧。在一些实施方案中，牺牲层925具有在大约500到
Figure BDA0001765639640000161
的范围内的厚度。举例来说，在一实施方案中，牺牲层925的厚度大约为
Figure BDA0001765639640000162
在所说明的实例中，在步骤S903处，锚定结构970的锚定部分974被沉积到氧化缓冲层972上，以便包含牺牲区925i和925o。在一些实施方案中，锚定部分974可为具有在大约750到大约
Figure BDA0001765639640000163
的范围内的厚度的SiO2层。举例来说，在一实施方案中，锚定部分974的厚度是大约
Figure BDA0001765639640000164
在沉积之后，锚定部分974可以任选地进行化学机械平面化(CMP)以使沉积层的上部部分平面化。替代地或另外，锚定部分974可通过化学、等离子体或其它材料移除方法变薄。
在所说明的实例中，在步骤S904处，压电层叠层910形成于锚定结构970上。更具体地说，在一些实施方案中可以执行一系列沉积过程，这些过程产生氮化铝(AlN)、二氧化硅(SiO2)的第一层(或“屏障层”)911或沉积到锚定结构970和牺牲区925i和925o上的其它合适的耐蚀刻层；钼(Mo)、铂(Pt)或沉积到屏障层911上的其它合适的导电材料的下部电极层912；压电层915，例如AlN、氧化锌(ZnO)、铅锆酸盐钛酸盐(PZT)或沉积到下部电极层912上的其它合适的压电材料；以及Mo、Pt的上部电极层914或沉积到压电层915上的其它合适的导电层。在一些实施方案中，屏障层911可以具有在大约300到
Figure BDA0001765639640000165
的范围内的厚度。举例来说，在一实施方案中，屏障层911的厚度是大约
Figure BDA0001765639640000166
在一些实施方案中，下部电极层912可以具有在大约1000到
Figure BDA0001765639640000167
的范围内的厚度。举例来说，在一实施方案中，下部电极层912的厚度是大约
Figure BDA0001765639640000168
在一些实施方案中，压电层915可以具有在大约1000到
Figure BDA0001765639640000169
的范围内的厚度。举例来说，在一实施方案中，活性压电层915的厚度是大约
Figure BDA00017656396400001610
在一些实施方案中，上部电极层914可以具有在大约1000到
Figure BDA00017656396400001611
的范围内的厚度。举例来说，在一实施方案中，上部电极层914的厚度是大约
Figure BDA00017656396400001612
在一些实施方案中，第一层或屏障层911可充当晶种层以用于随后的下部电极和/或压电层沉积。
在步骤S904之后，可以执行一系列图案化和成型操作以便在所希望的几何配置中选择性地暴露包含于压电层叠层910中的各种层。在所说明的实例中，在步骤S905处，钼的上部电极层914可进行图案化和蚀刻以暴露压电层915的选定区域。在步骤S906处，AlN或其它压电材料的压电层915可进行图案化和蚀刻以便暴露下部电极层912的选定区域。在步骤S907处，钼的下部电极层912可进行图案化和蚀刻以便暴露屏障层911的选定区域。
在所说明的实例中，在步骤S908处，隔离层916可以沉积到上部电极层914和在步骤S904到S907的前一掩蔽和蚀刻操作期间曝露的其它表面上。在一些实施方案中，隔离层916可以是例如SiO2，并且具有在大约300到
Figure BDA0001765639640000171
的范围内的厚度。举例来说，在一实施方案中，隔离层916的厚度是大约
Figure BDA0001765639640000172
步骤S908还可包含图案化和蚀刻隔离层916以便暴露上部电极层914、下部电极层912和外牺牲区925o的选定区域。在使用热可分解牺牲材料(例如，PEC、PPC或PNB)的一些实施方案中，图案化和蚀刻隔离层916不必暴露任何外牺牲区925o。
在所说明的实例中，在步骤S909处，金属互连层918可以沉积到在步骤S908的前一掩蔽和蚀刻操作期间曝露的表面上。互连层918可以是例如铝，并且具有在大约1000到
Figure BDA0001765639640000173
的范围内的厚度。举例来说，在一实施方案中，互连层918的厚度是大约
Figure BDA0001765639640000174
步骤S909还可包含图案化和蚀刻互连层918以便暴露隔离层916和外牺牲区925o的选定区域。在使用热可分解牺牲材料的实施方案中，图案化和蚀刻互连层918不必暴露任何外牺牲区925o。
在所说明的实例中，在步骤S910处，在步骤S902处被沉积以形成内牺牲区925i和外牺牲区925o的牲材料可被移除，由此形成释放孔920o和空腔920i。从内牺牲区925i、外牺牲区925o以及在外牺牲区925o与内牺牲区925i之间的一或多个连接释放通道移除牺牲材料可穿过释放孔920o发生。举例来说，a-Si/多晶Si牺牲层925可通过将牺牲材料暴露于蚀刻剂(例如，二氟代氙(XeF2))来移除。通过提供耦合外牺牲区925o和内牺牲区925i的释放通道或通孔，可穿过一或多个释放孔920o移除内牺牲区925i的大体上全部的牺牲材料。在使用热可分解牺牲材料的一些实施方案中，将衬底的温度升高到分解温度(例如，对于PEC，约200C，以及对于PNB，约925C)可选择性地移除牺牲材料，其中在分解期间气态副产品穿过覆盖层扩散或穿过任何暴露的释放通道或通孔发散。
在所说明的实例中，在步骤S911处，机械层930可以沉积到在步骤909的前一掩蔽和蚀刻操作期间曝露的表面上。机械层930可包含SiO2、SiON、氮化硅(SiN)、其它电介质材料或电介质材料或层的组合。机械层930可以具有在大约1000到
Figure BDA0001765639640000175
的范围内的厚度。举例来说，在一实施方案中，机械层930的厚度是大约
Figure BDA0001765639640000176
步骤S909还可包含图案化和蚀刻机械层930以便获得所希望的轮廓。如图9A-9B所说明，机械层930可经配置以机械密封(囊封)释放孔920o。因此，在步骤S911处的机械层930的沉积可提供囊封空腔920i与周围环境之间的相当大程度的隔离。机械层930也可充当在上部电极层914和其它暴露层上方的钝化层。在使用热可分解牺牲材料的实施方案中，密封或以其它方式囊封底层空腔920i可能不需要机械层930的沉积。
图10A-10K示出了PMUT和锚定结构的各种几何配置的俯视图。在图10A中示出具有圆形膜1030和外围锚定结构1070的圆形非分段PMUT 1000a。在图10B中示出具有圆形膜1030和包含外围锚定结构1070和边界部分1016a的锚定结构的圆形分段PMUT 1000b。图10C示出了具有圆形膜1030和包含外围锚定结构1070和边界部分1016a和1016b的锚定结构的圆形分段PMUT 1000c。
图10D示出了具有外围锚定结构1070和正方形膜1030的正方形非分段PMUT1000d。图10E示出了具有包含外围锚定结构1070以及边界部分1016c和1016d的锚定结构的分段PMUT 1000e。分段PMUT 1000e的一些替代实施方案可仅包含边界部分1016c或边界部分1016d。
图10F示出了具有外围锚定结构1070和矩形膜1030的非分段长矩形PMUT 1000f。图10G示出了具有包含外围锚定结构1070和边界部分1016e的锚定结构的分段长矩形PMUT1000g。分段PMUT 1000g的一些替代实施方案可包含垂直于边界部分1016e的额外的边界部分。
图10H示出了具有外围锚定结构1070和六边形膜1030的非分段六边形PMUT1000h。图10I示出了具有包含外围锚定结构1070和边界部分1016f的锚定结构的分段六边形PMUT 1000i。图10J示出了具有包含外围锚定结构1070和边界部分1016f和1016g的锚定结构的分段六边形PMUT 1000j。图10K示出了具有包含外围锚定结构1070和边界部分1016h、1016i和1016j的锚定结构的分段六边形PMUT 1000k。替代的分段六边形PMUT可包含如同边界部分1016g的边界部分，但是可不包含如同边界部分1016f的边界部分。
在图10A-10K中示出的PMUT 1000a-1000f是说明性的，其具有连接电极、衬垫、迹线、蚀刻孔以及为了清楚起见省略的其它特征。在一些实施方案中，尤其是在具有中心或以其它方式位于中心的锚定结构的实施方案中，锚定结构可被称为锚定柱或简单地被称为“柱”。在图10A-10K中示出的PMUT可经配置具有放置在压电层叠层上方的机械层的相当大部分，如图7A所示，或具有放置在压电层叠层下方的机械层的相当大部分，如图7C所示。
因此，已经公开了各种类型的分段和非分段PMUT元件以及用于制造此类PMUT元件的技术。将了解可以构想出多种替代配置和制造技术。
如本文中所使用，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包含单个成员。作为实例，“以下各项中的至少一个：a、b或c”意图涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
结合本文中所公开的实施方案描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、电路和算法过程可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。硬件与软件的互换性已大体在功能性方面加以描述，且在上文所描述的各种说明性组件、块、模块、电路及过程中加以说明。将此功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。
结合本文中所公开的方面描述的用于实施各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件和数据处理设备可通过以下各者来实施或执行：通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合。通用处理器可为微处理器或任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或多个微处理器与DSP核心结合，或任何其它此类配置。在一些实施方案中，特定过程和方法可由特定针对给定功能的电路执行。
在一或多个方面中，可以硬件、数字电子电路、计算机软件、固件(包含本说明书中所公开的结构及其结构等效物)或以其任何组合来实施所描述的功能。本说明书中所描述的标的物的实施方案还可实施为一或多个计算机程序，即，计算机程序指令的一或多个模块，所述计算机程序指令编码于计算机存储媒体上以供由数据处理设备执行或以控制数据处理设备的操作。
如果在软件中实施，那么所述功能可作为一或多个指令或代码而存储于计算机可读媒体(例如，非暂时性媒体)上或经由所述计算机可读媒体(例如，非暂时性媒体)发射。本文中所公开的方法或算法的过程可以在可以驻留于计算机可读媒体上的处理器可执行软件模块中实施。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，通信媒体包含可经启用以将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可为由计算机存取的任何可供使用的媒体。借助于实例而非限制，非暂时性媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于以指令或数据结构形式存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且，可将任何连接适当地称为计算机可读媒体。如本文中所使用的磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘用激光以光学方式再现数据。以上各项的组合也应包含于计算机可读媒体的范围内。另外，方法或算法的操作可作为代码及指令中的任一者或任何组合或集合驻留于可并入到计算机程序产品中的机器可读媒体及计算机可读媒体上。
对于所属领域的技术人员而言本发明中所描述的实施方案的各种修改可以是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中所定义的一般原理可适用于其它实施方案。因此，权利要求书并不意图限于本文中所示的实施方案，而应符合与本发明、本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广泛范围。另外，如所属领域的技术人员将容易地理解，术语“上部”和“下部”、“顶部”和“底部”、“前部”和“后部”、以及“上方”、“上覆的”、“上”、“下方”和“下面的”有时用于易于描述图和指示对应于正确地定向的页上的图的定向的相对位置，且可能并不反映所实施的装置的正确定向。
在本说明书中在单独实施方案的情形下描述的某些特征也可在单个实施方案中组合地实施。相反地，在单个实施方案的情形下描述的各种特征还可单独在多个实施方案中实施或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用且甚至最初按此主张，但在一些情况下，可将来自所主张的组合的一或多个特征从组合中删除，且所主张的组合可涉及子组合或子组合的变化。
类似地，虽然在图式中按特定次序描绘操作，但此情形不应被理解为要求按所示出的特定次序或按顺序次序进行此类操作，或进行所有所说明的操作，以实现所期望的结果。另外，图式可以流程图形式示意性地描绘一个以上实例过程。然而，可将未描绘的其它操作并入于经示意性说明的实例过程中。举例来说，可在所说明的操作之前、之后、同时地或之间执行一或多个额外操作。在某些情况下，多任务处理和并行处理可为有利的。此外，上文所描述的实施方案中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方案中要求此分离，且应理解，所描述的程序组件和系统一般可一起集成在单个软件产品中或包装到多个软件产品中。另外，其它实施方案在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，权利要求书中所叙述的动作可以不同次序来执行且仍获得所期望的结果。

Claims (25)

1.一种换能器设备，其包括：
分段压电微机械超声换能器PMUT元件，其包含：
衬底；
锚定结构，其安置在所述衬底上；
膜，其安置成接近于所述锚定结构，所述膜包含压电层叠层和机械层，其中：
所述锚定结构包含将所述分段PMUT元件划分成分段的边界部分，每个分段具有对应的分段空腔，其中所述边界部分对应于所述膜的节线；
所述膜包含安置成接近于每个分段空腔的膜分段；以及
所述膜经配置以当所述分段PMUT元件接收或发射超声波信号时进行挠曲运动和振动中的一或两者。
2.根据权利要求1所述的换能器设备，其中所述锚定结构包含至少一个二氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的换能器设备，其中所述边界部分对应于所述膜的一级模式、二级模式或更高级模式的节线。
4.根据权利要求3所述的换能器设备，其中所述膜分段经配置以在与所述一级模式、二级模式或更高级模式对应的频率下谐振。
5.根据权利要求1所述的换能器设备，其中所述分段PMUT元件具有大体上圆形形状并且其中所述边界部分沿所述分段PMUT元件的一或多个直径延伸。
6.根据权利要求5所述的换能器设备，其进一步包含第一边界部分以及大体上与所述第一边界部分正交的第二边界部分。
7.根据权利要求1所述的换能器设备，其中所述分段是大体上半圆形或四分之一圆形。
8.根据权利要求1所述的换能器设备，其中所述压电层叠层包含压电层、安置在所述压电层的第一侧上的第一电极层以及安置在所述压电层的第二侧上的第二电极层。
9.根据权利要求8所述的换能器设备，其中所述第一电极层和所述第二电极层经配置使得所述分段PMUT元件的每个分段单独地可控制。
10.根据权利要求9所述的换能器设备，其进一步包括控制系统，所述控制系统经配置以用于提供电信号以经由所述分段PMUT元件的个体分段提供波束控制。
11.根据权利要求8所述的换能器设备，其进一步包括控制系统，所述控制系统经配置以用于将电信号提供到所述第一电极层和所述第二电极层使得所述分段PMUT元件的所有分段被同相驱动。
12.根据权利要求1所述的换能器设备，其中所述分段PMUT元件具有大体上六边形、正方形或矩形形状。
13.根据权利要求1所述的换能器设备，其进一步包括PMUT元件的阵列，所述PMUT元件的阵列包含所述分段PMUT元件的多个例子。
14.根据权利要求13所述的换能器设备，其中所述阵列包含至少一个非分段PMUT元件，所述非分段PMUT元件包含经配置以在与零级模式对应的基频下谐振的膜。
15.根据权利要求14所述的换能器设备，其中所述非分段PMUT元件的锚定结构不包含用于将所述非分段PMUT元件划分成分段的边界部分。
16.根据权利要求13所述的换能器设备，其中所述衬底包含曲面并且其中所述PMUT元件的阵列安置在所述曲面上。
17.根据权利要求13所述的换能器设备，其中所述衬底的至少一部分包含柔性材料。
18.根据权利要求13所述的换能器设备，其中所述设备包括超声成像装置，所述超声成像装置包含所述PMUT元件的阵列。
19.一种换能器设备，其包括：
分段压电微机械超声换能器PMUT元件，其包含：
衬底；
锚定结构，其安置在所述衬底上；
膜，其安置成接近于所述锚定结构，所述膜包含压电层叠层和机械层，其中：
所述锚定结构包含将所述分段PMUT元件划分成分段的边界部分，每个分段具有对应的分段空腔，其中所述分段PMUT元件具有大体上圆形形状并且其中所述边界部分沿所述分段PMUT元件的一或多个直径延伸；
所述膜包含安置成接近于每个分段空腔的膜分段；以及
所述膜经配置以当所述分段PMUT元件接收或发射超声波信号时进行挠曲运动和振动中的一或两者。
20.根据权利要求19所述的换能器设备，其进一步包含第一边界部分以及大体上与所述第一边界部分正交的第二边界部分。
21.根据权利要求19所述的换能器设备，其中所述分段是大体上半圆形或四分之一圆形。
22.根据权利要求19所述的换能器设备，其中所述边界部分对应于所述膜的一级模式、二级模式或更高级模式的节线。
23.根据权利要求22所述的换能器设备，其中所述膜分段经配置以在与所述一级模式、二级模式或更高级模式对应的频率下谐振。
24.根据权利要求19所述的换能器设备，其进一步包括PMUT元件的阵列，所述PMUT元件的阵列包含所述分段PMUT元件的多个例子。
25.根据权利要求24所述的换能器设备，其中所述阵列包含至少一个非分段PMUT元件，所述非分段PMUT元件包含经配置以在与零级模式对应的基频下谐振的膜。
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