CN112672260B - 换能器、包括换能器的mems设备及用于制造换能器的方法 - Google Patents

换能器、包括换能器的mems设备及用于制造换能器的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种换能器、包括换能器的MEMS设备及用于制造换能器的方法。换能器包括支撑体和机械地耦合到支撑体的悬置结构。悬置结构具有沿轴线彼此相对的第一表面和第二表面，并且被配置为在具有与轴线平行的至少一个分量的振荡方向上振荡。第一压电换能器被布置在该悬置结构的第一表面上，并且第二压电换能器被布置在该悬置结构的第二表面上。

Description

换能器、包括换能器的MEMS设备及用于制造换能器的方法
技术领域
本公开涉及换能器、包括该换能器的MEMS设备、以及用于制造该换能器的方法。具体地，本公开涉及具有改进的压电布置的换能器，其使得能够实现先进的功能。
背景技术
众所周知，大范围的设备使用膜(或悬臂)结构作为致动器和/或换能器，用于发射信号或从所接收的信号获取信息。
膜的致动通常由压电型致动器执行，当由适当的信号驱动时，压电型致动器在膜上施加受控变形。同样，通过生成作为膜的空间位移或偏转的函数的电信号来执行所接收的信号的转换。
可能发生的是，由于形成该膜的材料中的残余拉伸或压缩应力，该膜在这些制造步骤结束时不是完全平面的。在这种情况下，膜呈现出偏转或翘曲，所述偏转或翘曲在致动期间和检测期间都可能不利地影响膜的正确操作(例如，由于所允许的行进的减少)。
类似的考虑适用于悬臂结构，并且通常适用于微加工的悬置结构。
已知通过适当地设计由形成悬置结构的层产生的应力来调整此类悬置结构的翘曲或偏转以便获得压缩应力和拉伸应力的平衡。然而，由于可以补偿的有限的偏转程度以及该方法的复杂性，这些解决方案不总是可应用的，明显取决于制造条件(这些制造条件并非总是可以事先预见)。这样的方法与已经存在于被加工的晶圆上的结构的兼容性是要考虑的另一个方面。
另一方面，过多的残余应力可能引起相应悬置结构的可靠性问题，其中包括悬置结构发生故障以及对适当或期望的运动的阻碍。
因此，需要克服上述缺点。
发明内容
在各个实施例中，本公开提供了能够克服上述缺点的换能器、包括该换能器的MEMS设备以及用于制造该换能器的方法。
根据本公开，因此提供了一种换能器、包括该换能器的MEMS设备、以及用于制造该换能器的方法。
在一个或多个实施例中，提供了一种换能器，该换能器包括支撑体和机械地耦合到该支撑体上的悬置结构。悬置结构具有沿轴线彼此相对的第一表面和第二表面，并且被配置为沿具有与轴线平行的至少一个分量的振荡方向振荡。第一压电换能器在悬置结构的第一表面上，并且第二压电换能器在悬置结构的第二表面上。
在一个或多个实施例中，提供包括至少一个换能器的MEMS设备。该至少一个换能器包括支撑体和机械地耦合到该支撑体的悬置结构。悬置结构具有沿轴线彼此相对的第一表面和第二表面，并且被配置为沿具有与轴线平行的至少一个分量的振荡方向上振荡。第一压电换能器在悬置结构的第一表面上，并且第二压电换能器在悬置结构的第二表面上。
在一个或多个实施例中，提供了一种用于制造换能器的方法，该方法包括：在支撑主体上形成悬置结构，该悬置结构具有沿轴线彼此相对的第一表面和第二表面，并且被配置为在具有平行于该轴线的至少一个分量的振荡方向上振荡；在该悬置结构的第一表面上形成第一压电换能器；以及在该悬置结构的第二表面上形成第二压电换能器。
附图说明
为了理解本公开，现在参照附图，仅通过非限制性示例的方式描述本公开的优选实施例，其中：
图1是根据本公开的一个实施例的换能器的截面图；
图2A是根据本公开的另一实施例的换能器的截面图；
图2B是根据本公开的又另一个实施例的换能器的截面图；
图3A-3G示出了根据本公开的一个实施例用于生产图1的换能器的制造步骤；
图4A-4D示出了根据本公开的另外一个实施例的用于生产图1的换能器的制造步骤；
图5A-5F示出了根据本公开的另外一个实施例的用于生产图2A/2B的换能器的制造步骤；
图6A和6B分别以俯视图和截面图示出了包括图2A所示类型的换能器的压电微加工超声换能器(PMUT)；并且
图7是包括图1中所示类型的多个换能器的微致动反射镜的俯视图。
具体实施方式
图1示出了笛卡尔三轴参考系X、Y、Z中的MEMS设备1(具体地，换能器)的一部分的侧截面图，该部分对于理解本公开是有用的。
设备1配备有悬置结构2(在此为悬臂)，该悬置结构具有沿轴线X的主要延伸、沿轴线Y的次要延伸、以及沿轴线Z的厚度。悬臂2在顶部由顶侧2a界定并且在底部由底侧2b界定，这些侧在轴线Z的方向上彼此相对。
悬臂2具有自由移动的第一端子部分2’和约束到固体(solid body,实心体)8上的第二端子部分2”。
悬臂2例如由半导体材料(例如，硅)制成，而固体8由例如半导体材料(例如，硅)的第一结构区域10和在第一结构区域10之上延伸的第二结构区域12(例如，氧化硅)构成。显然，用于悬臂2和固体8的材料仅以举例的方式提供并且可以根据需要进行选择。
第一换能器4和第二换能器6耦合到悬臂2。第一换能器4耦合到顶侧2a，而第二换能器6耦合到底侧2b。
在一个实施例中，可以控制第一换能器4和第二换能器6以在由图1的箭头15和16指示的方向上分别产生悬臂2向上和向下的运动。具体地，第一换能器4被配置为引起悬臂2向上的变形(即，在箭头15的方向上)，而第二换能器6被配置为引起悬臂2向下的变形(即，在箭头16的方向上)。
具体地，第一换能器4和第二换能器6是压电换能器。第一换能器4包括由底部电极4a、顶部电极4b以及布置在顶部电极4b与底部电极4a之间的压电层4c形成的压电堆叠体。同样地，第二换能器6包括由底部电极6a、顶部电极6b以及布置在顶部电极6b与底部电极6a之间的压电层6c形成的压电堆叠体。第一换能器4和第二换能器6通过各自的底部电极4a、6a耦合到悬臂2。钝化层18(例如，由氧化物或电介质制成)覆盖第一换能器4的压电堆叠体以使压电堆叠体与外部环境电绝缘并且保护压电堆叠体免受任何可能的损坏。钝化层19(例如，由氧化物或电介质制成)覆盖第二换能器6的压电堆叠体以使压电堆叠体与外部环境电绝缘并且保护压电堆叠体免受任何可能的损坏。
在使用中，电极4a、4b、6a、6b可以通过导电路径(图1中未详细示出)被偏置，以便在工作电压(用于第一换能器4的VB’、VT1’、用于第二换能器6的VB”、VT”)下偏置电极，从而产生悬臂2的期望的偏转，或变形。工作电压的选择取决于具体应用、取决于用于悬臂2的材料(材料限定其刚度)、以及通常取决于设计规范，这些设计规范不涉及本公开的上下文。
图1的实施例使得能够根据需要同时地或交替地驱动换能器4和6以移动悬臂2。例如，如果它们相对于彼此交替地被驱动，则可以使悬臂2在两个方向上偏转：向上，在由箭头15指示的方向上；和向下，在由箭头16指示的方向上。相反，如果它们被同时驱动，则可以通过换能器4和6中的一个来平衡或补偿悬臂2的可能的残余应力，并且通过换能器4和6中的另一个来偏转悬臂2。
图2A示出了根据本公开的一个方面的设备20’的另一实施例。与图1的那些元件相同的元件由相同的参考号指示并且不再进一步描述。
在这种情况下，悬置结构是膜22，该膜平行于平面XY(膜22的所在的平面)延伸(理想地，在没有应力的情况下)、在方向Z上具有厚度、并且具有与底侧22b相对(沿着Z)的顶侧22a。尽管未在图中示出，但根据需要并且根据将使用设备20’的技术应用，膜22可以是穿孔的。
膜22在多个点上被约束到固体8上，例如在形成膜22的周边区域或边缘区域的一部分的端部22’和22”处。显然，这仅是通过举例的方式提供的实施例，并且膜22可以沿着其整个周边或者在周边的一些区域(彼此不相邻)中或者以某种其他方式受到约束。
设备20’包括已经参见图1描述的第一换能器4和第二换能器6。
在这个实施例中，在平面XY中的俯视图中，第一换能器4和第二换能器6具有圆形(例如，如图6A中所示出的)的形状，具体地，其中心与悬置结构的几何中心重合。
包括参见图2A描述的所有元件的图2B示出了设备20”的另一实施例，其中，第一换能器4和第二换能器6不具有圆形形状。设备20”进一步包括第三换能器24和第四换能器26。关于结构、材料和操作，第三换能器24对应于第一换能器4。关于结构、材料和操作，第四换能器26对应于第二换能器6。第一换能器4和第三换能器24耦合到膜22的顶侧22a处，而第二换能器6和第四换能器26耦合到膜22的底侧22b处。
第一换能器4和第二换能器6被布置在端部22’附近(如在图1中)，而第三换能器24和第四换能器26被布置在端部22”附近。
在一个实施例中，第一换能器4和第三换能器24相对于穿过膜22的几何中心且正交于膜22所在的平面(此处，XY)的第一平面是彼此镜面的。同样，第二换能器6和第四换能器26相对于穿过膜22的几何中心且与膜22所在的平面正交的第二平面也是彼此镜面的。基于源自特定应用的、不形成本公开的主题的考虑，第二平面可以与第一平面重合或不重合。
此外，在图2B的实施例中，第一换能器4和第三换能器24相对于膜22所在的平面是彼此镜面的。同样，第二换能器6和第四换能器26相对于膜22所在的平面也是彼此镜面的。
然而，通常，第一换能器4和第三换能器24可以相对于膜22所在的平面不是彼此镜面的，并且同样地第二换能器6和第四换能器26也是如此。
在使用中，第一换能器4、第二换能器6、第三换能器24和第四换能器26可利用彼此相等或彼此不同，或者成对相等(例如，第一换能器和第三换能器的电压相同；第二换能器和第四换能器的电压相同)的操作电压(分别为：VB1，VT1；VB2，VT2；VB3，VT3；VB4，VT4)偏置。
现在描述用于制造图1的设备1的实施例(限于理解本发明所必需的实施例)。所描述的内容以本身对本领域技术人员显而易见的方式应用于制造图2A的设备20’和图2B的设备20”。
第一实施例(制造方法)
参见图3A-3G。图3A-3G中使用的附图标记对应于图1中已经使用的附图标记，其中所述附图标记标识与图1的那些相同的元件。
参见图3A，形成在属于半导体晶圆30的衬底32的顶面32a上的(仅示出对于理解本发明有用的部分)是压电堆叠体6。
第二换能器6的形成包括形成如下文所描述的压电堆叠体。
首先，在衬底32的顶面32a上形成的是底部电极6a(例如，从具有晶种层功能的AlN可选层开始获得，其厚度介于10nm至60nm之间)，包括第一导电材料层，其厚度介于50nm与250nm之间。
这之后在底部电极6a上沉积压电层6c，具体地通过沉积PZT(Pb、Zr、TiO3)层，其厚度介于0.3μm与3.0μm之间、通常为2μm。压电层6c可替代地由氮化铝(AlN)、AlNSc(钪掺杂的AlN)或具有压电特性的一些其他材料制成。
接下来，在压电层6c上沉积的是第二导电材料，其厚度介于50nm与250nm之间，以形成顶部电极6b。可用于形成顶部电极6b和底部电极6a的材料包括但不限于Mo、Pt、TiPt、LNO、Al、TiW、Ir、IrO2、ITO、RuO2、TiW-Ir、ZrO2。
为了限定电极层6a、6b和压电层6c所期望的几何形状，这些层被沉积并且经受光刻和蚀刻步骤，以便如所希望的将它们图案化，上述步骤以未在附图中详细示出的方式进行，因为该方式本身对本领域的普通技术人员是显而易见的。
然后在第一致动器6的堆叠体上形成一个或多个钝化层以形成钝化层18。所述一个或多个钝化层包括介电材料、氧化物、氮化物、碳化物(例如，SiO2或SiN或Al2O3等)中的一种或多种，其厚度介于例如0.1μm与3μm之间。然后在选择性区域中蚀刻钝化层以产生朝向底部电极6a和顶部电极6c的接入沟槽。这之后是在由此产生的沟槽内沉积导电材料的步骤，诸如金属(例如，铝或金，可能还包括阻挡层和粘合层，诸如Ti、TiN、TiW或Ta、TaN)，以便电接触电极6a和6b。随后的图案化步骤导致形成导电路径33、35，使得能够分别接入底部电极6a和顶部电极6b，以使得能够在使用期间对其进行电偏置。此外，可以形成用于保护导电路径33、35的另外的钝化层(例如，SiO2或SiN层，未示出)。一个或多个电接触区域(未示出)同样可以形成在衬底32中(例如，通过注入掺杂剂物质)，并电耦合到导电路径33、35。
然后(图3B)，执行在晶圆30上沉积电介质或氧化物材料(在此，例如，TEOS)的结构层38的步骤，其厚度介于2μm与5μm之间。具体地，结构层38完全覆盖钝化层18和导电路径33、35两者。
然后执行对结构层38进行平坦化的步骤以减小其厚度并使其表面平坦化。在平坦化步骤之后，结构层38仍具有完全覆盖钝化层18和导电路径33、35两者的厚度，例如，其厚度介于0.3μm与1μm之间(从衬底32的顶面32a开始沿着Z测量)。
然后(图3C)，执行晶圆到晶圆接合步骤以将晶圆30的钝化层18机械地接合到包括衬底42的另一晶圆40。与衬底32类似，衬底42由半导体材料(例如，硅)制成。
因此，根据可用的技术中的任意一种技术，钝化层18和衬底42的材料被选择为使得能够实现所述接合步骤。
在300℃与400℃之间的温度下的退火步骤改善了衬底42的硅与层38的氧化物之间的粘附性。
接下来(图3D)，利用研磨操作或适合于该目的的一些其他技术来使衬底32变薄。在随后的制造步骤之后，衬底32将形成图1的悬置结构(悬臂)2。因此，执行图3D的变薄步骤以达到等于在悬置结构2的设计阶段中所希望或确定的厚度(例如，在0.5μm与100μm之间)的最终厚度(沿着Z)。
然后形成第一换能器4(图3E)。用于生产第一换能器4的制造步骤与已经参见图3A针对第二换能器6所描述的那些制造步骤相对应，并且因此在此将不再进一步描述。
参见图3F，衬底42被蚀刻。在此蚀刻步骤之后，选择性地去除衬底42以形成图1的第一结构区域10。换言之，除了一个或多个部分之外，衬底42被去除，该一个或多个部分的形状是根据需要来选择的，特别是为了支撑并保持悬置结构2的目的。
然后(图3G)，结构层38的选择性蚀刻使得能够释放现在自由移动的悬置结构2。结构层38所采用的蚀刻工艺的类型是例如在层38是氧化硅的情况下的湿蚀刻工艺(例如，使用HF)。蚀刻工艺在方向Z上比在方向X上以更高的速率进行。通过监测蚀刻时间，因此可以在结构层38已经从悬置结构2完全去除时停止蚀刻，在使用中，需要将结构层38的一部分偏转并且保持在第一结构区域10中，因此形成了图1的第二结构区域12。
由此获得图1的MEMS设备1。
显然，参见图3A-3G所描述的工艺步骤可以用于在同一晶圆上形成多个MEMS设备1。同样，尽管已经描述了用于形成悬臂的步骤，但是类似的步骤可以以本身显而易见的方式实现，以形成设置有根据图2A的圆形压电换能器或者设置有根据图2B的四个压电堆叠体(四个换能器)的膜。
第二实施例(制造方法)
参见图4A-4D。图4A-4D中使用的附图标记对应于图1和/或图3A-3G中已经使用的附图标记，其中所述附图标记标识与图1和/或图3A-3G的那些相同的元件。
参见图4A，执行已经参见图3A描述的制造步骤并且因此将不再进一步描述。同样使用相同的附图标记。
接下来(图4B)，通过微机械加工步骤对包括衬底42的另一晶圆40进行机加工，以在其中形成具有一定深度的凹部45，该深度使得在耦合到晶圆30时能够容纳第二换能器6。因此形成帽结构46，该帽结构被适配为在第二换能器6旁边耦合到晶圆30，并且使得凹部45完全容纳第二换能器6。
可替代地，帽结构46可以从其他来源获取。
晶圆40通过已知的接合技术耦合到晶圆30。例如，在一个实施例中，晶圆30的衬底32和晶圆40的衬底42都是硅的。在这种情况下，通过在晶圆40的表面上形成氧化硅层48(例如，通过热氧化或沉积)来获得接合步骤。接着，执行如此形成的氧化硅层48与衬底32的硅之间的接合。在300℃与400℃之间的温度下的退火步骤使得该耦合能够稳定。
然后(图4C)，通过研磨操作或适合于该目的的一些其他技术来使衬底32变薄。在随后的制造步骤之后，衬底32将形成图1的悬置结构2(悬臂)。因此，执行图4C的变薄步骤以达到衬底32的最终厚度(沿着Z)，该最终厚度等于在悬置结构2的设计阶段中所希望或确定的厚度(例如，在0.5μm与200μm之间)。
接下来，在变薄的衬底32上(具体地，在与容纳第二换能器6的表面相对的表面上)，形成第一换能器4。同样在这种情况下，用于获得第一换能器4的制造步骤与之前参见图3A已经描述的那些制造步骤相似，并且因此不再进一步描述，因为它们本身是显而易见的。
接下来(图4D)，帽46经受精磨或研磨步骤以减小其沿着Z的厚度并且使得第一换能器流体地可接入(流体可以例如是空气)。
可以省略图4D的步骤，或者可以对帽46进行穿孔，以便减少第二换能器6受到使用该设备的环境中存在的颗粒物质、灰尘或其他污染物的污染。
可以执行另外的掩模蚀刻步骤以限定悬置结构2的期望形状。
悬置结构2可以被选择性地蚀刻以形成悬臂，或者保持悬置在帽46的其余部分上的膜的形式。
因此形成了图1的MEMS设备1或图2A的设备20’(根据压阻换能器4、6的设计阶段中选择的形状以及其被选择为形成悬臂还是膜)。可替代地，通过形成悬置结构以使得其是膜型的并且形成其他压阻换能器24、26(以本身显而易见的方式并且在分别用于获得换能器4和6的相同制造步骤过程中)，获得图2B的设备20”。
与图3A-3G相比，这个实施例呈现了以下优点：不设想通过湿蚀刻(去除层38)来释放悬置结构2的步骤，因此，制造工艺与可能存在于晶圆30上并且可能被湿蚀刻损坏的其他材料的兼容性增加。
第三实施例(制造方法)
参见图5A-5F。图5A-5F中使用的附图标记对应于图1和/或图3A-3G中已经使用的附图标记，其中所述附图标记标识与图1和/或图3A-3G的那些相同的元件。
图5A-5F涉及包括膜悬置结构的MEMS设备的制造，该膜悬置结构例如可用作用于自动聚焦应用的透镜。
参见图5A，提供了晶圆60，其包括：(例如，由诸如硅的半导体材料制成的)衬底62；以及(例如，由诸如氧化硅的电介质或绝缘材料制成的)中间层63，其在衬底62的顶面62a上延伸。中间层63具有例如介于0.1μm与1μm之间的厚度。
在中间层63上以与参见图3A所描述的类似的方式执行用于形成换能器66的压电堆叠体65的步骤，堆叠体包括：底部电极66a，顶部电极66b和介于底部电极66a与顶部电极66b之间的压电层66c。
与压电堆叠体65形成的同时，同样形成用于偏置顶部电极66b和底部电极66a的电接触结构68、69；这些电接触结构68、69在压电堆叠体65旁边延伸。电接触结构68包括导电垫，该导电垫与底部电极66a同时形成并且通过导电路径(图中未示出)电连接到底部电极66a。电接触结构69包括类似于压电堆叠体65并且与压电堆叠体65同时形成的堆叠体。换言之，电接触结构69包括与底部电极66a同时形成的底部导电垫69a、与顶部电极66b同时形成的顶部导电垫69b、以及与压电层66c同时形成的中间压电层69c。换能器66的顶部电极66b被电耦合(以图中未示出的方式)到电接触结构69的顶部导电垫69b。然后，执行用于形成(例如，由电介质或绝缘材料制成的)钝化层72的步骤，该钝化层完全覆盖压电堆叠体65以及电接触结构68和69。
然后，在顶部导电垫69b与底部导电垫69a之间形成电接触70，以便将这两个导电垫69a、69b电连接在一起。电接触70的形成包括穿过钝化层72，打开朝向两个导电垫69a、69b的接入沟槽的步骤。对于此连接，导电垫69a、69b两者在使用中被偏置为相同电势，并且因此压电层69c不被用作致动器。
接下来(图5B)，执行结构层76的沉积步骤。如关于后续制造步骤所讨论的，该层将形成由压阻换能器致动的悬置结构(类似于图2A/2B的结构2)；在一个实施例中，结构层76实现用于自动聚焦应用的透镜。
在一个实施例中，结构层76的形成包括以下步骤：使用CVD沉积适合于具体应用的材料(例如，在制造透镜的情况下的BPSG/USG)，直到钝化层72被完全覆盖(例如，达到介于2μm与22μm之间的厚度)；以及通过CMP(化学机械抛光)平坦化由此沉积的材料，以减小其厚度并平坦化表面(达到介于1μm与20μm之间的最终厚度)。
接下来(图5C)，执行晶圆到晶圆接合的步骤，用于将结构层76机械地耦合到包括衬底82的另一晶圆80。这个步骤基本上大致与参见图3C所描述的内容相对应。衬底82例如由诸如硅的半导体材料制成。结构层76和衬底82的材料被选择为使得能够根据任何可用的技术执行所述接合步骤。在300℃与400℃之间的温度下的退火步骤改善了衬底82的硅与层76的氧化物之间的粘附性。
接下来(图5D)，通过研磨技术完全去除衬底62以留下小厚度的硅，并且进行蚀刻毯干式蚀刻以除去以去除剩余的硅，从而暴露中间层63。
这之后(图5E)，在中间层63的、在图5D的步骤中所暴露的表面上形成另一换能器74。用于制造换能器74的步骤与先前已经描述(例如用于形成图3A的第一换能器4的)的那些步骤相对应。制造步骤还包括形成用于电接入换能器74的顶部电极和底部电极的导电路径75、76。
此外，再次参见图5E，通过在电接触结构68和69处蚀刻中间层63的选择性部分来形成朝向电接触结构68和69的电接入通孔。具体地，中间层63被蚀刻以形成朝向电接触结构68的第一接入路径和朝向电接触结构69的底部导电垫69a的第二接入路径。这之后是例如通过沉积金属材料来形成相应的导电路径77、78。可注意到，由于底部导电垫69a电连接到顶部导电垫69b，顶部导电垫69b又电耦合到换能器66的顶部电极66b，所以此实施例使得能够电接入设备的同一侧上的换能器74和66两者的所有电极。
朝向换能器74和换能器66的电极的电接入路径的形成可以同时执行(例如，在涂覆换能器74的钝化层具有可以用与用于蚀刻中间层63的相同蚀刻化学剂蚀刻的材料的情况下)。同样，导电路径75、76、77、78的形成也可以同时执行。
参见图5F，选择性地蚀刻衬底82，直到到达结构层76。以此方式，结构层76被暴露并且形成(膜型的)悬置结构，如图2A/2B中所示的并且由附图标号2指定的。这个步骤中使用的蚀刻掩模是根据希望赋予悬置结构的形状来选择和/或适配的。换言之，除了一个或多个部分之外，将衬底82移除，该一个或多个部分的形状是根据需要来选择的，特别是为了支撑和保持悬置结构的目的。
可以执行本身显而易见的制造步骤以形成多个压电换能器，例如，如图2B中所示出的相对于所形成的膜的几何中心在沿直径方向相对的四个换能器。
图5F中的电接触结构68、69的形状、数量和空间布置仅以示例的方式提供，并且所述电接触结构68、69可以形成在根据脱离本公开的上下文的设计选择而制造的晶圆或器件的任何区域中。
在所描述和示出的所有先前实施方式中，本公开可以应用于广泛的技术领域并且可以在广泛的应用中使用。
图6A示出了PMUT 100的一部分的俯视图。图6B示出了PMUT100的截面图(图6B是沿图6A的截面线VI-VI截取的)。
PMUT 100包括(在可能的情况下，使用与图2A的附图标记相同的附图标记作为参考)膜22和两个换能器4和6，膜22由固体8支撑并且可选地设置有中心孔101。如可以从图6A中注意到的，换能器4和换能器6两者都具有圆形形状。此外，第一换能器4和第二换能器6相对于膜22彼此不是镜面的。事实上，为了在发射过程中同时最大化膜22的变形并且优化对所接收的信号的检测，本公开的一方面设想在膜的变形最大的几何中心附近形成第一换能器4，并且在该膜22与该固体8之间的结合区域的附近形成第二换能器6，以便在发射过程中在膜22上施加最大偏转。
此外，根据本公开的另一方面，使用AlN作为相应的压电层的材料来制造第一换能器4，而使用PZT作为相应的压电层的材料来制造第二换能器6。事实上，AlN呈现出可用作非常有效的感测材料的优点，而PZT呈现出就致动而言具有更高性能的优点。因此可以充分利用各种材料的特性。
在使用中，当交流电流/电压被供应至换能器6的顶部电极6b和底部电极6a以便激活压电体6c时，产生膜22沿着Z的偏转。
如上所述，PMUT 100能够既用作发送器又用作接收器。作为发射器，由于反向压电效应，顶部电极6b与底部电极6a之间的电场在压电体6c中产生横向应力。由此产生的应力引起迫使膜偏转出平面XY的弯曲力矩，由此在插入PMUT 100的环境中产生压力变化，该压力变化在所考虑的介质中作为压力波传播。作为接收器，入射压力波引起膜22的偏转并且产生横向应力，该横向应力由于压电效应而导致换能器4的顶部电极4b与底部电极4a之间的电荷变化。
图6A和6B仅通过示例的方式示出了单个PMUT 100；然而，为了发射具有特定传播方向性和传播距离的超声波，可以生产包括根据特定图案(例如圆形或线性图案)组织的PMUT 100的2D阵列或1D阵列(通常为阵列)的发射器设备。
其他应用是可能的，例如用于制造MEMS扬声器、微反射镜等。
作为示例，图7是压电致动微反射镜200的示意图(俯视图)，其设置有四个致动臂202-205，每个臂又设置有两个压电换能器(沿着Z彼此相对)，其操作为用于产生相应臂202-205的偏转的致动器。
在沿图7的截面线VII-VII的截面图中，每个臂202-205具有基本上与图1的视图相对应的悬臂形状，并且包括(使用图1的相同附图标记)耦合到每个相应的臂202-205的沿着Z彼此相对的表面的相应的第一换能器4和相应的第二换能器6。
根据先前描述的内容，由根据本公开的相应实施例中的公开内容并且根据相应的制造方法提供的优点是明显的。
具体地，本公开使得能够在两个方向上偏转悬置结构，根据该悬置结构的偏转情况来致动换能器/致动器。
此外，可以通过用电压偏置压电换能器以产生能够补偿应力的悬置结构的偏转来补偿源自于制造悬置结构的过程的任何残余应力。根据具体应用所设想的，另一个换能器可以被致动以用于使悬置膜偏转。以此方式，该悬置结构的静止状态下的固有应力被有效地补偿。因此简化了生产过程。
通过适当地选择压电材料的类型，同样可以尽可能多地利用这种材料的固有特性，例如在图6A/6B的情况下所描述的。
最后，清楚的是，可以对在此描述和示出的设备进行许多修改和变化，所有这些修改和变化都落入本公开的发明范围内。
上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。根据上述详细描述，可以对实施例做出这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及赋予这样的权利要求的等同物的全部范围。因此，权利要求书不受本公开的限制。

Claims (22)

1.一种换能器，包括：
支撑体；
悬置结构，机械地耦合到所述支撑体，具有沿轴线彼此相对的第一表面和第二表面，并且被配置为沿着具有与所述轴线平行的至少一个分量的振荡方向振荡；
第一压电换能器，在所述悬置结构的所述第一表面上；以及
第二压电换能器，在所述悬置结构的所述第二表面上；
其中所述第一压电换能器或所述第二压电换能器中的至少一个压电换能器被布置在所述悬置结构的致动的区域处，在所述区域处，所述第一压电换能器或所述第二压电换能器中的所述至少一个压电换能器的致动使所述悬置结构沿着所述振荡方向的偏转最大化；
其中当所述第一压电换能器和所述第二压电换能器被同时驱动时，所述第一压电换能器和所述第二压电换能器之一能够平衡或补偿所述悬置结构的可能的残余应力，并且所述第一压电换能器和所述第二压电换能器中的另一个压电换能器能够偏转所述悬置结构。
2.根据权利要求1所述的换能器，其中所述第一压电换能器包括第一堆叠体，所述第一堆叠体具有第一电极、第二电极以及在所述第一电极与所述第二电极之间的第一压电层，并且所述第二压电换能器包括第二堆叠体，所述第二堆叠体具有第三电极、第四电极以及介于所述第三电极与所述第四电极之间的第二压电层，
其中所述第一压电换能器和所述第二压电换能器的所述第一压电层和所述第二压电层分别包括以下各项中的至少一项：氮化铝、PZT、掺杂铌的PZT、掺杂钪的氮化铝、KNN、BaTiO3或PZT-Mn。
3.根据权利要求1所述的换能器，其中所述第一压电换能器和所述第二压电换能器相对于平行于所述第一表面和所述第二表面且穿过所述悬置结构的几何中心的对称平面彼此对称地布置。
4.根据权利要求1所述的换能器，其中所述第一压电换能器和所述第二压电换能器相对于平行于所述第一表面和所述第二表面且穿过所述悬置结构的几何中心的对称平面彼此交错地布置。
5.根据权利要求1所述的换能器，其中所述悬置结构是悬臂型的，具有耦合到所述支撑体的第一端和在所述振荡方向上自由振荡的第二端，所述致动区域在所述第一端的附近。
6.根据权利要求1所述的换能器，其中所述悬置结构是膜型的，具有至少部分地被约束至所述支撑体的边缘区域以及由所述边缘区域围绕的、在所述振荡方向上自由振荡的中心区域，所述致动区域在所述边缘区域附近延伸。
7.一种换能器，包括：
支撑体；
悬置结构，机械地耦合到所述支撑体，具有沿轴线彼此相对的第一表面和第二表面，并且被配置为沿着具有与所述轴线平行的至少一个分量的振荡方向振荡；
第一压电换能器，在所述悬置结构的所述第一表面上；以及
第二压电换能器，在所述悬置结构的所述第二表面上；
其中所述第一压电换能器或所述第二压电换能器中的至少一个压电换能器被布置在所述悬置结构的检测区域中，所述检测区域被配置为当所述悬置结构响应于所述换能器外部的力而偏转时经受最大变形；
其中当所述第一压电换能器和所述第二压电换能器被同时驱动时，所述第一压电换能器和所述第二压电换能器之一能够平衡或补偿所述悬置结构的可能的残余应力，并且所述第一压电换能器和所述第二压电换能器中的另一个压电换能器能够偏转所述悬置结构。
8.根据权利要求7所述的换能器，其中所述悬置结构是悬臂型的，具有耦合到所述支撑体的第一端和在所述振荡方向上自由振荡的第二端，所述检测区域在所述第二端的附近。
9.根据权利要求7或8所述的换能器，其中所述第一压电换能器和所述第二压电换能器相对于平行于所述第一表面和所述第二表面且穿过所述悬置结构的几何中心的对称平面彼此交错地布置。
10.根据权利要求7所述的换能器，其中所述悬置结构是膜型的，具有至少部分地被约束到所述支撑体的边缘区域，以及由所述边缘区域围绕的、沿着所述振荡方向自由振荡的中心区域，其中所述第一压电换能器或所述第二压电换能器中的一个压电换能器被布置在所述检测区域处与所述边缘区域相距一距离，所述距离大于所述第一压电换能器或所述第二压电换能器中的另一个压电换能器被布置成与所述边缘区域相距的距离。
11.根据权利要求7所述的换能器，其中所述第一压电换能器和所述第二压电换能器相对于平行于所述第一表面和所述第二表面且穿过所述悬置结构的几何中心的对称平面彼此对称地布置。
12.一种MEMS设备，包括至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的换能器。
13.根据权利要求12所述的MEMS设备，其中所述MEMS设备包括以下各项中的至少一项：压电微加工超声换能器(PMUT)、微反射镜、麦克风、扬声器、打印头或微泵。
14.一种用于制造换能器的方法，包括：
在支撑体上形成悬置结构，所述悬置结构具有沿轴线彼此相对的第一表面和第二表面，并且被配置为在具有与所述轴线平行的至少一个分量的振荡方向上振荡；
在所述悬置结构的所述第一表面上形成第一压电换能器；以及
在所述悬置结构的所述第二表面上形成第二压电换能器；
其中形成所述悬置结构包括：
在第一结构层上形成所述第二压电换能器；
在所述第一结构层上和所述第二压电换能器上形成第二结构层；
将第三结构层接合到所述第二结构层；
通过减小所述第一结构层的沿所述轴线的厚度来形成被约束到所述第二结构层的中间结构；
通过去除所述第三结构层的选择性部分来形成开口，所述第二结构层的表面区域通过所述开口被暴露；以及
通过去除所述第二结构层的通过所述开口被暴露的部分来释放所述中间结构。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述第一压电换能器包括：形成第一堆叠体，所述第一堆叠体具有第一电极、第二电极以及在所述第一电极与所述第二电极之间的第一压电层；并且
其中形成所述第二压电换能器包括：形成第二堆叠体，所述第二堆叠体包括第三电极、第四电极以及位于所述第三电极与所述第四电极之间的第二压电层，
其中所述第一压电换能器和所述第二压电换能器的所述第一压电层和所述第二压电层分别包括以下各项中的至少一项：氮化铝、PZT、掺杂铌的PZT、掺杂钪的氮化铝、KNN、BaTiO3或PZT-Mn。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一压电换能器和所述第二压电换能器以相对于平行于所述第一表面和所述第二表面且穿过所述悬置结构的几何中心的对称平面彼此对称的方式被形成。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一压电换能器和所述第二压电换能器相对于平行于所述第一表面和所述第二表面且穿过所述悬置结构的几何中心的对称平面彼此交错地被形成。
18.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述第一压电换能器在减小所述第一结构层的厚度之后被执行，所述第一表面是在减小所述第一结构层的厚度之后的所述中间结构的表面。
19.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述悬置结构包括：
在第一结构层上形成所述第二压电换能器；
将具有腔的帽结构接合到所述第一结构层，所述第二压电换能器被布置在所述腔内；以及
沿着所述轴线减小所述第一结构层的厚度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中形成所述第一压电换能器在减小所述第一结构层的厚度之后被执行，所述第一表面是在减小所述第一结构层的厚度之后的所述悬置结构的表面。
21.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述悬置结构包括：
在第一结构体的绝缘层上形成所述第二压电换能器，所述绝缘层在半导体本体上延伸；
在绝缘层上形成第一电接触结构并电连接到所述第二压电换能器的所述第四电极；
在绝缘层上形成第二电接触结构并电连接到所述第二压电换能器的所述第三电极；
在所述绝缘层上和所述第二压电换能器上形成结构层；
将第二结构体接合至所述结构层；
完全去除所述半导体本体，暴露所述绝缘层；
通过去除在所述第一电接触结构和所述第二电接触结构处的所述绝缘层的选择性部分，形成通孔，所述第一电接触结构和所述第二电接触结构的区域通过所述通孔被暴露；
在所述通孔中形成导电路径，所述导电路径被配置为电接触所述第一电接触结构和所述第二电接触结构的暴露区域；以及
去除所述第二结构体的选择性部分，从而悬置所述结构层的相应部分。
22.根据权利要求21所述的方法，其中形成所述第一压电换能器在完全去除所述半导体本体之后被执行，所述第一表面是所述绝缘层的暴露表面。
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