CN112974201B - 包括可调谐的亥姆霍兹谐振器的微机械超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及包括可调谐的亥姆霍兹谐振器的微机械超声换能器。提出了一种微机械超声换能器。该微机械超声换能器包括用于发射/接收超声波的膜元件，在超声波的发射/接收期间，膜元件以相应的谐振频率关于平衡位置振荡。膜元件的平衡位置可以根据施加到膜元件的偏置电信号而可变化。该微机械超声换能器进一步包括帽结构，在膜元件上方延伸；帽结构在其与膜元件之间标识出腔体，该腔体的体积根据膜元件的平衡位置而可变化。帽结构包括用于将超声波输入到腔体/从腔体输出超声波的开口。帽结构和膜元件用作可调谐的亥姆霍兹谐振器，由此谐振频率根据腔体的体积而可变化。
Description
技术领域
本公开总体上涉及微机电设备的领域，在下文中称为MEMS(“微机电系统”)设备。更具体地，本公开涉及微机械超声换能器，在下文中被称为MUT(“微机械超声换能器”)换能器。
背景技术
MEMS设备包括通过微加工技术(例如，光刻、沉积和蚀刻)以高度小型化形式集成在半导体材料(例如，硅)中的相同基底上的机械部件、电气部件和/或电子部件。
MUT换能器是适合用于超声波的发射/接收的MEMS设备的示例。
常规MUT换能器包括以柔性方式(通常借助于合适的弹簧元件)悬置在基底上方的膜或隔膜元件。
在MUT换能器作为发射器的操作中，膜元件响应于在交流电(AC)中的电信号的施加而关于膜元件的平衡位置振荡(或振动)，从而生成超声波。
在MUT换能器作为接收器的操作中，由于超声波入射到其上，膜元件关于其平衡位置振荡(或振动)，生成对应的电信号(例如，电流信号和/或电压电信号)。
在超声波的生成/接收期间，膜元件以其相应的谐振频率关于其平衡位置振荡。
可以在设计阶段期间根据诸如膜元件的大小和材料的参数来限定谐振频率。
发明内容
申请人认为，常规的MUT换能器并不令人满意，特别是在使用多个(例如，两个或更多个)MUT换能器以便以协作方式操作的应用中(例如，发射器MUT换能器/接收器MUT换能器对和MUT换能器阵列)。
实际上，在这种应用中，期望的是MUT换能器的谐振频率严格地对应。
尽管从原则上讲，微加工技术允许使MUT换能器具有预定的谐振频率，但实际上不可避免的工艺公差会引起在膜元件特性中的变化(例如，厚度和残余应力)，这些变化会转化为与默认谐振频率不同的(有效的)谐振频率。
对于在相同基底上形成的MUT换能器，以及(甚至)在不同基底上形成的MUT换能器，都可以发现这些不可避免的工艺公差。
申请人意识到存在精整技术，诸如基于激光的精整技术(“激光修整”)，该精整技术允许通过对电子电路施加有针对性的结构(几何形状)变化(例如，通过燃烧和汽化操作)来调整电子电路的操作参数。尽管激光微调技术允许获取具有准确谐振频率的MUT换能器，但是它们利用专用仪器和较长的处理时间，这显著地增加了生产成本。
申请人已经面对上述问题，并且已经构思了能够克服这些问题的MUT换能器。
概括地说，根据本公开的各种实施例的MUT换能器包括膜元件和形成在膜元件上方的帽结构，使得帽结构和膜元件通过充当亥姆霍兹谐振器而允许根据膜元件的平衡位置来调整膜元件振荡的谐振频率。
更具体地，本公开的各种实施例涉及一种微机械超声换能器。
该微机械超声换能器包括：膜元件，用于发射/接收超声波，在超声波的发射/接收期间，膜元件以相应的谐振频率关于其平衡位置振荡。膜元件的平衡位置根据被施加到膜元件的偏置电信号而可变。
微机械超声换能器进一步包括在膜元件上方延伸的帽结构。所述帽结构在其与所述膜元件之间标识腔体，该腔体的体积根据膜元件的平衡位置而可变化。所述帽结构包括用于将超声波输入腔体/从腔体输出超声波的开口。所述帽结构和所述膜元件充当可调谐的亥姆霍兹谐振器，由此所述谐振频率根据腔体的体积而可变。
根据一个实施例，作为前述实施例中的任何实施例的附加或备选，微机械超声换能器包括：至少一个第一电极，用于发送/接收适于引起/检测膜元件振动的交流电信号；以及至少一个第二电极，用于接收适于将膜元件偏置在相应的平衡位置中的直流偏置电信号。
根据一个实施例，作为前述实施例中的任何实施例的附加或备选，至少一个第一电极不同于至少一个第二电极。
根据一个实施例，作为前述实施例中的任何实施例的附加或备选，微机械超声换能器进一步包括半导体材料的基底。所述膜元件以柔性方式被悬置在基底上方。
根据一个实施例，作为前述实施例中的任何实施例的附加或备选，帽结构由半导体材料制成。
根据一个实施例，作为前述实施例中的任何实施例的附加或备选，微机械超声换能器是压电微机械超声换能器。
根据一个实施例，作为前述实施例中的任何实施例的附加或备选，微机械超声换能器是电容性微机械超声换能器。
本公开的另一个实施例涉及包括一个或多个这样的微机械超声换能器的电子系统。
本公开的额外实施例涉及用于操作这样的微机械超声换能器的方法。
根据一个实施例，方法包括：
提供至少一个微机械超声换能器，其中至少一个微机械超声换能器被设计成具有预定的谐振频率，以及
向至少一个微机械超声换能器的膜元件施加偏置电信号，以便用于改变腔体的体积，从而将膜元件振荡的谐振频率设置为目标谐振频率。
根据一个实施例，作为前述实施例中的任何实施例的附加或备选，至少一个微机械超声换能器包括：多个微机械超声换能器，被设计为具有预定的谐振频率，每个微机械超声换能器展现出不同于预定谐振频率的相应的有效谐振频率。该方法包括：
对于每个微机械超声换能器，向相应的膜元件施加对应的偏置电信号，以便获取用于多个微机械超声换能器的等于所述预定谐振频率的相同的目标谐振频率。
附图说明
参照以下非限制性示例提供的详细描述，将与附图一起阅读，以更好地理解本公开的一个或多个实施例及其进一步的特征和优点(对应的元件用相同或相似的附图标记表示，并且为了简洁起见，不再重复其说明)。在这方面，明确理解的是，附图不一定按比例绘制(具有一些可能被放大和/或简化的细节)，并且除非另有说明，否则它们仅用于概念上说明所描述的结构和过程。尤其是：
图1示意性地示出了根据本公开的实施例的MUT换能器的截面视图；
图2是示出根据本公开的实施例的图1的MUT换能器的谐振频率的趋势的曲线图，并且
图3示出了根据本公开的实施例的包括图1的MUT换能器的电子系统的简化框图。
具体实施方式
参考图1，其示意性地示出了根据本公开的实施例的微机械超声换能器(MUT)100的截面图，在下文中被称为MUT换能器。
在下文中，当通过措词“根据实施例”引入MUT换能器100的一个或多个特征时，除非另外明确指出和/或除非对于本领域技术人员来说显而易见的特征的组合之间不兼容，否则它们可以被解释为对先前引入的任何功能的附加或备选的功能。
在下文中，将与MUT换能器100及其部件相关联的方向性术语(例如，上、下、侧向、中心、纵向、横向和垂直)结合它们在附图中的定向一起使用，并且不会指示其使用的(各种可能的方向中的)任何特定方向。
在这方面中，图1示出了由三个正交方向X、Y和Z标识的参考系统，以下将它们称为纵向X、横向Y和竖向Z。
根据一个实施例，MUT换能器100具有圆形(或基本圆形)的形状。根据备选的实施例，MUT换能器100具有正方形(或基本正方形)、三角形(或基本三角形)、矩形(或基本矩形)、六边形(或基本六边形)或八边形(或基本八边形)的形状。
根据一个实施例，MUT换能器100包括基底105。根据一个实施例，基底105包括半导体材料(例如，硅)的晶片。
根据一个实施例，基底105具有内部中空的结构。根据一个实施例，基底105包括基底底部105B和基底周边部分105P，基底周边部分105P的高度(即，沿竖直方向Z)延伸超过基底底部105B；以这种方式，基底周边部分105P和基底底部105B界定了相应的腔体110(在下文中，基底腔体)。
根据一个实施例，MUT换能器100包括适合用于声波(例如，超声波)的发射/接收的膜或隔膜元件115。
根据一个实施例，膜元件115以柔性方式被悬置在基底105上方。
根据一个实施例，MUT换能器100包括多个(即，两个或更多个)弹簧元件115S，每一个弹簧元件在膜元件115(即，其相应的区域)与基底105(即，基底周边部分105P的相应区域)之间建立相应的连接。
在MUT换能器100作为发射器的操作中，响应于在交流电(AC)中施加的电信号，膜元件115关于其平衡位置振荡，从而生成超声波。换句话说，在MUT换能器100作为发射器的操作中，施加到膜元件115的AC电信号充当刺激膜元件115的振荡的AC电信号。
在MUT换能器100作为接收器的操作中，当膜元件115由于入射在其上的超声波而关于其平衡位置振荡时，对应的(并且通常通过适当的(未示出，例如集成在MUT换能器100中的)电子电路获取和/或处理的)AC电子信号(例如，电流和/或电压AC电信号)被生成。换句话说，在MUT换能器100作为接收器的操作中，由膜元件115生成的AC电信号充当检测膜元件115的振荡的AC电信号。
根据一个实施例，在超声波的生成/接收期间，膜元件115以相应的谐振频率关于其平衡位置振荡。
谐振频率可以在设计阶段处基于参数(诸如，膜元件115的大小和材料)被限定。在任何情况下，不可避免的工艺公差会引起在膜元件115的特性(例如，厚度和残余应力)中的变化，该变化转化为与在设计阶段中的谐振频率(或预定的谐振频率)不同的(有效)谐振频率。
根据一个实施例，膜元件115的平衡位置根据(例如，通过被用于AC电信号的施加的一个或多个电极或者通过如下所述的一个或多个专用电极)被施加到膜元件115的电偏置信号(例如，以直流方式)而可变化。因此，出于本公开的目的，膜元件115的平衡位置是指由于电偏置信号的施加(并且在不施加电信号AC的情况下)而由膜元件115占据的位置。
根据一个实施例，MUT换能器100与适合用于生成电偏置信号的一个或多个电子电路120相关联，例如，这样的一个或多个电子电路120被包括在MUT换能器100中、或者被包括在MUT换能器100外部(并且与MUT换能器100电气地耦合或连接)。
根据一个实施例，MUT换能器100包括适合用于生成电偏置信号的一个或多个电子电路120。
根据一个实施例，电子电路120进一步被适于生成刺激膜元件115的振荡的电信号AC(在备选的实施例中，MUT换能器100可以包括未示出的专用于MUT换能器的另一电子电路)。
根据一个实施例，电子电路120进一步适于接收检测膜元件115的振荡的电信号AC(在备选的实施例中，MUT换能器100可以包括未示出的专用于MUT换能器的另一电子电路)。
在附图中借助于示意图表示的电子电路120本身是众所周知的，其被电连接到用于电信号(即，偏置电信号和/或刺激和/或检测AC电信号的AC电信号)的交换的一个或多个电极。
根据一个实施例，MUT换能器100是电容性MUT换能器，或者CMUT换能器(“电容性微机械超声换能器”)。在该实施例中，膜元件115可以由电绝缘材料(例如，氮化硅(Si3N4))制成，或者由导电材料(例如，多晶硅)制成。
在CMUT换能器作为发射器的操作中，由于在膜元件115与基底105之间(例如，在位于膜元件115的下方的电极T1与位于基底底部105B上方的电极T2之间，或者当膜元件115由导电材料制成时，在电极T2与本身作为电极的膜元件115之间)通过施加交流电信号(AC)而引起的静电力的调制，膜元件115关于其平衡位置振荡，从而生成超声波。在CMUT换能器作为接收器的操作中，当膜元件115由于入射在其上的超声波而关于其平衡位置振荡时，基底腔体110的高度被对应地调制，并且在容量中的对应的变化可以被检测并且由电信号(例如，电流电信号和/或电压电信号)表示。
根据备选的实施例，MUT换能器100是压电MUT换能器或PMUT(“压电微机械超声换能器”)换能器。在该实施例中，可以在膜元件115的上方形成未示出的压电材料层(例如，钛铅锆(PZT))，或者膜元件115可以由压电材料制成。在PMUT换能器作为发射器的操作中，由于在膜元件115的端部处(例如，在位于压电材料层的上方的电极(未示出)与位于压电材料层的下方的电极(未示出)之间，或者当膜元件115由压电材料制成时，在位于膜元件115的上方的电极(未示出)与位于膜元件115的下方的电极(未示出)之间)通过施加AC电信号而引起的变形，膜元件115关于其平衡位置振荡，从而生成超声波。在PMUT换能器作为接收器的操作中，当膜元件115由于入射在其上的超声波而关于其平衡位置振荡时，与变形成比例的对应的电信号(例如，电流电信号和/或电压电信号)被生成并且被正确地检测。
如上所述，根据一个实施例，膜元件115的平衡位置根据通过被用于施加AC电信号的电极(例如，电极T1和T2，或者在CMUT换能器的情况下的电极T2和膜元件115)而被施加到膜元件115的电偏置信号而可变化。
如前所述，根据一个实施例，膜元件115的平衡位置根据通过一个或多个专用电极施加到膜元件115的电偏置信号而可变化。
例如，在CMUT换能器的情况下，可以在位于膜元件115的下方的专用电极T1D与位于基底底部105B的上方的专用电极T2D之间(或者当膜元件115由导电材料制成时，在专用电极T2D与本身作为电极的膜元件115之间)施加偏置电信号。
例如，在PMUT换能器的情况下，可以在位于压电材料层上方的专用电极(未示出)与位于压电材料层下方的专用电极(未示出)之间(或者当膜元件115由压电材料制成时，在位于膜元件115的上方的专用电极(未示出)与位于膜元件115的下方的专用电极(未示出)之间)施加偏置电信号。
为了简洁起见，已经引入和描述了被认为与理解本公开相关的元件。
根据本公开的原理，MUT换能器100进一步包括可调亥姆霍兹谐振器，如在下文中更好地讨论的，其允许调谐由膜元件115发射和/或接收的超声波的谐振频率。
按照其经典定义，亥姆霍兹谐振器是颈部比身体小很多的瓶子。
根据一个实施例，MUT换能器100包括在基底105上方(例如，从基底周边部分105P)沿着竖直方向Z延伸的帽结构125和膜元件115。
根据一个实施例，帽结构125由半导体材料(例如，硅)制成或包括半导体材料。
根据一个实施例，帽结构125在其与膜元件115之间标识出腔体130(如将很快明白的在下文中将其称为谐振腔体的原因，这种腔体130表示可调谐的亥姆霍兹谐振器的腔体)。如上所述，由于膜元件115的平衡位置根据施加到膜元件115的偏置电信号(即，该偏置电信号适于将膜元件偏置在相应的平衡位置)而可变化，因此谐振腔体130的体积根据膜元件115的平衡位置而可变化。
根据一个实施例，帽结构125包括开口125A—如将很快明白的，开口125A表示可调谐的亥姆霍兹谐振器的谐振腔体130的出口。
因此，根据示例性考虑的实施例的帽结构125限定了内部中空的开放帽。
根据一个实施例，通过沉积覆盖基底周边部分105P、膜元件115和弹簧元件115S的临时涂层的已知技术可以获取帽结构125，并且通过蚀刻或选择性蚀刻该临时涂层的已知技术来获取开口125A和谐振腔体130。
根据一个实施例，在MUT换能器100作为接收器的操作中，开口125A被适用于允许将超声波输入到谐振腔体130中(并且因此由膜元件115拦截)。
根据一个实施例，在MUT换能器100作为发射器的操作中，开口125A被适用于允许从谐振腔体130(并且，更一般而言，从MUT换能器100)输出(作为膜元件115的振荡的结果而生成的)超声波。
开口125A可以根据特定的设计标准被适当地确定大小。例如，可以根据谐振腔体130和/或膜元件115的长度、宽度和/或高度来选择诸如开口125A的长度(即，开口125A沿纵向X的延伸)、开口125A的宽度(即，开口125A沿横向Y的延伸)以及开口125A的高度(即，开口125A沿竖向Z的延伸)的参数。
特别地，为了使帽结构125和膜元件115可以用作亥姆霍兹谐振器，开口125A的大小必须以使得开口125A的体积(等于开口125A的长度、宽度和高度之间的乘积)远小于谐振腔体的体积的方式确定。
在示例性但非限制性的所图示实施例中，开口125A沿着纵向X相对于膜元件115基本居中。
根据一个实施例，帽结构125和膜元件115用作可调谐的亥姆霍兹谐振器，由此膜元件115振荡的谐振频率根据谐振器130的(可变)体积而可变。
特别地，根据亥姆霍兹谐振器的原理，MUT换能器100的谐振频率ω可以被表示为：
其中A是开口125A的面积(即，开口125A的长度与开口125A的宽度之间的乘积)，L是开口125A的高度，V是谐振腔体130的体积，并且v是空气中超声波的速度。
如上所述，为了使帽结构125和膜元件115可以用作亥姆霍兹谐振器，腔体130的体积V必须远高于(例如，从10倍到1000倍)开口125A的体积(即A*L)。
现在参考图2，其示出了图示当膜元件115的平衡位置改变时MUT换能器100的谐振频率的趋势的曲线图。更具体地，该图在右侧示出了具有机械原点的谐振频率的趋势(在下文中称为机械谐振频率)，该趋势将类似地存在于常规的MUT换能器(即，能够形成可调谐的亥姆霍兹谐振器的没有帽结构的MUT换能器)中，并且在中心示出了由于根据本公开的各种实施例的可调谐的亥姆霍兹谐振器的存在的具有声学原点(在下文中称为声学谐振频率)的谐振频率的趋势。
图中所示的谐振频率的值是由申请人使用数值建模和模拟技术获取的，所使用的是：具有长度为1mm高度为15μm并且谐振频率为75kHz的膜元件、具有数目等于4的弹簧元件、以及具有高度等于220μm的帽结构、具有高度等于70μm的谐振腔体和具有宽度等于350μm的开口。
如上所述，通过改变膜元件的平衡位置来获取图中所示的谐振频率的值。特别地，在膜元件的三个不同的平衡位置中，具体地是在由于不存在偏置电信号而导致的平衡位置(在下文中称为不具有偏移的平衡位置)中，在通过施加与膜元件相对于无偏移的平衡位置升高20μm的位置的膜元件的运动相对应的偏置电信号导致的平衡位置(在下文中称为具有正偏移的平衡位置)中，以及在通过施加与膜元件相对于无偏移的平衡位置降低20μm的位置的膜元件的运动相对应的偏置电信号而导致的平衡位置(在下文中称为具有负偏移的平衡位置)中，获取图中所示的谐振频率值的值。
如图2中可见，机械谐振频率的值(即，不具有适于形成可调谐的亥姆霍兹谐振器的帽结构的MUT换能器的值，以及类似地，具有与膜元件的尺寸和弹簧元件的尺寸相同尺寸的常规MUT换能器的值)等于75kHz，而不管膜元件的平衡位置如何，即膜元件处于平衡位置而无偏移(曲线“astd”)，膜元件处于平衡位置并且具有正偏移(曲线“bstd”)，以及膜元件处于平衡位置并且具有负偏移(曲线“cstd”)。
如图2中可见，根据膜元件的平衡位置，声学谐振频率(即，具有适用于根据本公开的各种实施例形成可调谐的亥姆霍兹谐振器的帽结构的MUT换能器的声学谐振频率)取不同的值，并且当膜元件处于无偏移的平衡位置(曲线“ainv”)时等于45kHz，当膜元件处于具有正偏移的平衡位置(曲线“binv”)时等于53.5kHz，并且当膜元件处于具有负偏移的平衡位置(曲线“cinv”)时等于39.6kHz。
因此，根据本公开的各种实施例的MUT换能器的谐振频率可以在宽范围的谐振频率之上调节，以便补偿由于不可避免的工艺公差而导致的预定谐振频率的变化。
就这一点而言，根据本公开的各种实施例的操作该MUT换能器的方法包括向MUT换能器的膜元件施加偏置电信号以改变腔体的体积，从而将膜元件振荡的谐振频率设置为与预定谐振频率不同的目标谐振频率。
根据一个实施例，目标谐振频率与预定谐振频率相同的谐振频率；在该实施例中，根据本公开的各种实施例的MUT换能器和相对操作方法可以被用于恢复预定谐振频率(由于不可避免的工艺公差，该预定谐振频率可能已经发生了不可预测的改变)。
根据本公开的各种实施例的MUT换能器也可以被用于提供多个适用于以协作方式操作的不同的MUT换能器的应用中，该MUT换能器通常具有特别严格的谐振频率均匀性特征。
根据一个实施例，当提供了被设计成具有相同的预定谐振频率的多个(例如，两个或更多个)MUT换能器时，其中每个MUT换能器展现出与预定谐振频率不同的相应的有效谐振频率，根据本公开的实施例的方法包括：针对每个MUT换能器，将对应的(并且不同的)偏置电信号施加到相应的膜元件(从而改变相应的谐振腔体的体积)，以便恢复用于多个MUT换能器的相同的预定谐振频率。
根据一个实施例，当提供被设计成具有相应的预定谐振频率的多个(例如，两个或更多个)MUT换能器时，根据本公开的实施例的方法包括：针对每个MUT换能器，将对应的(并且不同的)偏置电信号施加到相应的膜元件，以便获取用于多个MUT换能器的相同的目标谐振频率。
根据该实施例，目标谐振频率与预定谐振频率不同；实际上，在该实施例中，MUT换能器和相关的操作方法被用于使在相同目标谐振频率处的多个不同的(并且不同地设计和/或制造的)MUT换能器均衡。
根据本公开的各种实施例的MUT换能器的谐振频率的调节(为了补偿预定谐振频率的改变和/或为了使适用于在相同谐振频率下以协作方式操作的多个MUT换能器均衡)以简单且有效的方式被获取，即无需使用利用专用仪器和较长处理时间的精整技术(诸如，基于激光的精加工技术或“激光修整”技术)。
现在参考图3，其示出了根据本公开的实施例的包括MUT换能器100(或更多个MUT换能器100)的电子系统300(即，MUT换能器100的一部分)的简化框图。
根据一个实施例，电子系统300适用于在电子设备(诸如，手持计算机(PDA，“个人数字助理”)、笔记本计算机或便携式计算机、以及移动电话(例如，智能电话))中使用。
根据一个实施例，除了MUT换能器100之外，电子系统300还包括控制器305(例如，一个或多个微处理器和/或一个或多个微控制器)。例如，控制器305可以被用于控制MUT换能器100。
根据一个实施例，附加地或备选地除了控制器305，电子系统300还包括输入/输出设备310(例如，键盘和/或屏幕)。例如，输入/输出设备310可以被用于生成和/或接收消息。例如，输入/输出设备310可以被配置为接收/提供数字信号和/或模拟信号。
根据一个实施例，附加地或备选地除了控制器305和/或输入/输出设备310，电子系统300还包括无线接口315，无线接口315用于(例如，借助于射频信号)与无线通信网络(未示出)交换消息。无线接口的示例可以包括天线和无线收发器。
根据一个实施例，附加地或备选地除了控制器305和/或输入/输出设备310和/或无线接口315，电子系统300还包括存储设备320(例如，易失性存储器或非易失性存储器)。
根据一个实施例，附加地或备选地除了控制器305和/或输入/输出设备310和/或无线接口315和/或存储设备320，电子系统300还包括用于向电子系统300供电的电源设备(例如，电池325)。
根据一个实施例，电子系统300包括：一个或多个通信信道(总线)330(以允许在MUT换能器100之间交换数据)、控制器305(当被提供时)、输入/输出设备310(当被提供时)、无线接口315(当被提供时)、存储设备320(当被提供时)和电源设备325(当被提供时)。
自然地，为了满足偶然和特定的需求，本领域技术人员可以将许多逻辑和/或物理修改和变型应用于本公开的各种实施例。更具体地，尽管已经参照本公开的一个或多个实施例以某种程度的特殊性描述了本公开的各种实施例，但是应当理解，形式和细节以及其上的各种省略、替换和改变以及其它实施例也是可能的。
特别地，甚至可以在没有先前描述中阐述的具体细节(例如，数字示例)的情况下实践本公开的不同实施例，以提供对其更透彻的理解。相反，可能省略或简化了众所周知的特征，以免不必要的细节使描述不清楚。此外，应当明确理解的是，结合本公开的任何公开的实施例描述的特定元件和/或方法步骤可以被结合在任何其它实施例(诸如，正常的设计选择)中。在任何情况下，序数或其它限定词仅用作标签来区分具有相同名称的元件，但并不表示这些元件具有任何优先权、优先级或顺序。此外，术语包括、理解、具有、包含和暗示(及其任何形式)应被理解为开放且非详尽的含义(即，不限于所列举的元件)，术语基于、取决于、根据、其功能(及其任何形式)应被理解为具有非排他性的关系(即，涉及任何进一步的变量)，并且术语一个应被理解为一个或多个元件(除非另有说明)。
特别地，如果MUT换能器(或包括这些MUT换能器中的一个或多个换能器的电子系统)具有不同的结构或包括等效部件，则适用类似的考虑。在任何情况下，其任何部件都可以被分成几个元件，或者两个或多个部件可以被组合成一个元件；另外，每个部件都可以被复制以支持并行执行对应的操作。还应注意的是(除非另有说明)，不同部件之间的任何交互通常不需要是连续的，并且可以通过一个或多个中介直接或间接进行。
更具体地，本公开的各种实施例适合于通过等效方法来实现(通过使用类似的步骤，去除一些不是必需的步骤或添加进一步的可选步骤)；此外，可以以不同的顺序，同时地或以交错的方式(至少部分地)执行步骤。
可以将上述各种实施例组合以提供进一步的实施例。
可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其它改变。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说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。
Claims (14)
1.一种压电式微机械超声换能器，包括：
膜元件，被配置为发射或接收超声波，其中在超声波的发射或接收期间，所述膜元件以谐振频率关于平衡位置振荡，其中所述膜元件的所述平衡位置根据施加到所述膜元件的偏置电信号而可变化；以及
帽结构，覆盖所述膜元件，其中所述帽结构在所述帽结构与所述膜元件之间形成腔体，其中所述腔体的体积根据所述膜元件的所述平衡位置而可变化，其中所述帽结构包括开口，所述开口被配置为将所述超声波输入到所述腔体中或从所述腔体输出所述超声波，其中所述帽结构和所述膜元件用作可调谐的亥姆霍兹谐振器，在所述可调谐的亥姆霍兹谐振器中，所述谐振频率根据所述腔体的所述体积而可变化。
2.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，进一步包括：
至少一个第一电极，被配置为发送或接收适于引起或检测所述膜元件的所述振荡的交流电信号；以及
至少一个第二电极，被配置为接收适于在所述平衡位置中偏置所述膜元件的直流偏置电信号。
3.根据权利要求2所述的压电式微机械超声换能器，其中所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极不同。
4.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，进一步包括：
半导体材料的基底，其中所述膜元件以柔性方式被悬置在所述基底之上。
5.根据权利要求1所述的压电式微机械超声换能器，其中所述帽结构由半导体材料制成。
6.一种电子系统，包括：
至少一个压电式微机械超声换能器，所述至少一个压电式微机械超声换能器中的每个压电式微机械超声换能器包括：
膜元件，被配置为发射或接收超声波，其中在超声波的发射或接收期间，所述膜元件以谐振频率关于平衡位置振荡，其中所述膜元件的所述平衡位置根据施加到所述膜元件的偏置电信号而可变化；以及
帽结构，覆盖所述膜元件，其中所述帽结构在所述帽结构与所述膜元件之间形成腔体，其中所述腔体的体积根据所述膜元件的所述平衡位置而可变化，其中所述帽结构包括开口，所述开口被配置为将所述超声波输入到所述腔体中或从所述腔体输出所述超声波，其中所述帽结构和所述膜元件用作可调谐的亥姆霍兹谐振器，在所述可调谐的亥姆霍兹谐振器中，所述谐振频率根据所述腔体的所述体积而可变化。
7.根据权利要求6所述的电子系统，其中所述至少一个压电式微机械超声换能器中的每个压电式微机械超声换能器包括：
至少一个第一电极，被配置为发送或接收适于引起或检测所述膜元件的所述振荡的交流电信号；以及
至少一个第二电极，被配置为接收适于在所述平衡位置中偏置所述膜元件的直流偏置电信号。
8.根据权利要求6所述的电子系统，其中所述至少一个压电式微机械超声换能器中的每个压电式微机械超声换能器包括：
半导体材料的基底，其中所述膜元件以柔性方式被悬置在所述基底之上。
9.根据权利要求6所述的电子系统，其中所述帽结构由半导体材料制成。
10.一种方法，包括：
形成至少一个压电式微机械超声换能器，其中所述至少一个压电式微机械超声换能器被设计成具有预定谐振频率，其中所述至少一个压电式微机械超声换能器的所述形成包括：
在基底上形成膜元件，其中所述膜元件以柔性方式被悬置在所述基底之上，其中所述膜元件被配置为发射或接收超声波，其中在超声波的发射或接收期间，所述膜元件以谐振频率关于平衡位置振荡，其中所述膜元件的所述平衡位置根据施加到所述膜元件的偏置电信号而可变化；并且
形成帽结构，所述帽结构覆盖所述膜元件，其中所述帽结构在所述帽结构与所述膜元件之间形成腔体，其中所述腔体的体积根据所述膜元件的所述平衡位置而可变化，其中所述帽结构包括开口，所述开口被配置为将所述超声波输入到所述腔体中或从所述腔体输出所述超声波，其中所述帽结构和所述膜元件用作可调谐的亥姆霍兹谐振器，在所述可调谐的亥姆霍兹谐振器中，所述谐振频率根据所述腔体的所述体积而可变化；并且
将所述偏置电信号施加到所述至少一个压电式微机械超声换能器的所述膜元件，以改变所述腔体的所述体积，并且从而将所述膜元件以其振荡的所述谐振频率设置为目标谐振频率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个压电式微机械超声换能器包括被设计成具有所述预定谐振频率的多个压电式微机械超声换能器，并且所述多个压电式微机械超声换能器中的每个压电式微机械超声换能器展现出与所述预定谐振频率不同的相应的有效谐振频率，所述方法包括：
对于所述多个压电式微机械超声换能器中的每个压电式微机械超声换能器，将对应的偏置电信号施加到相应的所述膜元件，以获取所述目标谐振频率，所述目标谐振频率等于所述预定谐振频率。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个压电式微机械超声换能器的所述形成包括：
形成至少一个第一电极，所述至少一个第一电极被配置为发送或接收适于引起或检测所述膜元件的所述振荡的交流电信号；并且
形成至少一个第二电极，所述至少一个第二电极被配置为接收适于在所述平衡位置中偏置所述膜元件的直流偏置电信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个第一电极与所述至少一个第二电极不同。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述帽结构由半导体材料制成。
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