CN114377930B - 减小自由振荡的压电微机械超声换能器 - Google Patents

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Abstract

公开了减小自由振荡的压电微机械超声换能器。一种PMUT设备包括膜元件，该膜元件适于通过在相应的共振频率下围绕平衡位置振荡来产生和接收超声波。压电元件沿第一方向位于膜元件上方，并且被配置为当电信号施加到压电元件时使膜元件振荡，并且响应于膜元件的振荡而产生电信号。阻尼器被配置为减少膜元件的自由振荡，并且阻尼器包括围绕膜元件的阻尼器腔，以及聚合物构件，该聚合物构件的至少一部分沿第一方向在阻尼器腔上方。

Description

减小自由振荡的压电微机械超声换能器
技术领域
本公开涉及微机电系统(以下称为“MEMS”)领域。特别地，本公开涉及压电微机械超声换能器(以下称为“PMUT”)。
背景技术
MEMS设备包括通过微机械技术(例如，光刻、沉积、蚀刻、沉积、生长)集成在相同半导体材料基板(例如硅)中的小型化机械、电气和/或电子部件。
微机械超声换能器设备(以下简称“MUT设备”)是一种适于发射/接收频率在20kHz以上的超声波的MEMS设备。在已知的MUT设备中，压电MUT设备(以下称为“PMUT设备”)是已知的。PMUT设备是一种MUT设备，其操作基于与薄压电元件机械耦合的一个或多个膜元件的弯曲运动。
当PMUT设备作为发射机工作时，当AC电信号施加到压电元件时，膜元件在压电元件的作用下围绕平衡位置弯曲和振荡。膜元件的振荡从而引起超声波的产生。
当PMUT设备作为接收机工作时，超声波击中膜元件导致膜围绕其平衡位置振荡。膜元件的振动作用在压电元件上，压电元件相应地产生对应的AC电信号。
在超声波的产生和接收期间(即，在PMUT设备作为发射机操作的情况下和在PMUT设备作为接收机操作的情况下)，膜元件以相应的共振频率围绕其平衡位置振荡。
PMUT设备可方便地用于接近和测距应用，用于评估障碍物/目标的位置和/或距离。更具体地，PMUT设备发射超声波脉冲。当撞击障碍物/目标时，超声波脉冲以回波的形式反射回来。PMUT设备接收回波，并将其在电域中转换成对应的AC电信号，然后将其放大和处理以提取飞行时间信息(即从超声波脉冲发射到接收回波所花费的时间)。然后处理飞行时间信息以计算障碍物/目标相对于PMUT设备的位置和/或距离。这种应用通常用于超声波脉冲和回波在低密度介质(例如空气)中传播的场景。
典型的PMUT设备在低密度介质(如空气)中工作时受到低阻尼因子的负面影响，从而不能有效地抑制不希望的自由振荡。所述自由振荡导致产生所谓的振铃信号，该振铃信号对正确接收和检测由障碍物/目标响应于超声波脉冲的发射而反射的回波产生负面影响。
PMUT设备的Q因子越高，由自由振荡引起的振铃信号的持续时间越长。当PMUT的膜在2MHz的频率范围内振荡时，这一问题加剧，因为在这些频率下与空气相对应的阻尼因子特别低。
为了解决这些问题，提高回波检测性能，必须增加PMUT的“盲区”，即回波克服振铃的空间区域，从而增加PMUT设备的带宽。
根据本领域中已知的解决方案，通过提供被配置为减少自由振荡的阻尼器来增加PMUT设备的带宽。例如，PMUT设备可以配备有无源或有源阻尼器(有源阻尼器是被配置为在有源脉冲之后执行反相激励的阻尼器)。
根据本领域已知的另一解决方案，提供了检测由于回波引起的振铃的包络的衰减变化的算法。
发明内容
申请人已经发现，由于受到缺点的影响，用于增加PMUT设备带宽以改善回波检测的已知解决方案不是有效的。
特别地，使用无源阻尼器的已知解决方案导致强烈的功率耗散。此外，由于环境条件的变化，已知方案的无源阻尼器不容易与PMUT设备的阻抗完全匹配。
为主动阻尼器提供的已知解决方案受到阻抗匹配问题的负面影响。
使用算法来检测振铃包络的衰减变化的已知解决方案强烈依赖于回波的形状和障碍物/目标。
鉴于上述，本申请人设计了一种改进的PMUT设备，其具有增加的带宽，同时不受影响本领域已知解决方案的上述缺点的影响。
本公开的一个方面涉及一种PMUT设备。
该PMUT设备包括膜元件，该膜元件适于通过在相应的共振频率下围绕平衡位置振荡来产生和接收超声波。
PMUT设备包括压电元件，压电元件沿第一方向位于所述膜元件上方，并且被配置为：
当电信号施加到压电元件时，使膜元件振荡；并且
响应膜元件的振荡产生电信号，
PMUT设备包括被配置为减少膜元件的自由振荡的阻尼器。
阻尼器包括围绕膜元件的阻尼器腔。
阻尼器还包括聚合物构件，聚合物构件的至少一部分沿所述第一方向在所述阻尼器腔上方。
根据本公开的实施例，所述阻尼器腔沿基本上垂直于所述第一方向的平面包围膜元件。
根据本公开的实施例，PMUT设备还包括半导体基板。
根据本公开的实施例，所述阻尼器腔至少部分地形成在所述半导体基板中。
根据本公开的实施例，PMUT设备还包括沿所述第一方向在所述膜元件下面的中心腔。
根据本公开的实施例，所述阻尼器腔具有与垂直于所述第一方向围绕所述中心腔的环相对应的至少一部分。
根据本公开的实施例，聚合物构件具有基本上对应于环的沿垂直于所述第一方向的方向的形状。
根据本公开的实施例，所述聚合物构件具有范围为0.3至3kPa*s的粘度值。
根据本公开的实施例，所述聚合物构件具有范围为0.5至2GPa的杨氏模量值。
根据本公开的实施例，所述膜元件包括单晶硅。
根据本公开的实施例，所述聚合物构件具有范围为2至4kPa*s的粘度值。
根据本公开的实施例，所述聚合物构件具有范围为1MPa至10GPa的杨氏模量值。
根据本公开的实施例，所述膜元件包括多晶硅。
根据本公开的实施例，所述膜元件包括多孔多晶硅。
本公开的另一方面涉及一种包括至少一个或多个PMUT设备的电子系统。
本公开的另一方面涉及一种用于制造PMUT设备的方法。
根据本公开的实施例，该方法包括以下阶段：
形成膜元件；
沿第一方向在所述膜元件上形成压电元件；以及
形成阻尼器，所述形成阻尼器包括：
形成围绕膜元件的阻尼器腔；和
形成聚合物构件，所述聚合物构件的至少一部分沿所述第一方向在所述阻尼器腔上方。
附图说明
通过阅读下面结合附图阅读的仅通过非限制性示例提供的实施例的详细描述，将更好地理解根据本公开的解决方案的这些和其他特征和优点。关于这一点，明确旨在，附图不必按比例绘制(其某些细节可以被夸大和/或简化)，并且除非另有说明，它们只是用于概念性地说明所描述的结构和过程。特别地：
图1示意性地示出了根据本公开的实施例的PMUT设备的截面图；
图2示出了图1的PMUT设备的一部分的透视图；
图3A是示出图1和图2的PMUT设备的带宽百分比作为聚合物构件的聚合物材料的粘度和杨氏模量的函数的图；
图3B更详细地示出了图3A的图的放大部分；
图4A至图4G示出了根据本公开的实施例的用于制造图1和图2的PMUT设备的制造工艺的主要阶段；
图5A和图5B示出了根据本公开的其他实施例的PMUT设备；
图6示意性地示出了根据本公开的又一实施例的PMUT设备的截面图；
图7示出了图6的PMUT设备的一部分的透视图；
图8A是示出图6和图7的PMUT设备的带宽百分比作为聚合物构件的聚合物材料的粘度和杨氏模量的函数的图；
图8B更详细地示出了图8A的图的放大部分；
图9A至图9I示出了根据本公开的实施例的用于制造图6和图7的PMUT设备的制造工艺的主要阶段；和
图10以简化块的形式示出了包括图1、图5A、图5B、图6的PMUT设备中的至少一个的电子系统。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本公开的实施例的用参考标号100全局标识的PMUT设备的截面图。
在本说明书的如下描述中，方向术语(例如，顶部、底部、较高、较低、侧面、中心纵向、横向、垂直)将仅用于描述与图中所示的非常特定的方向有关的PMUT设备100，而不用于描述PMUT设备100在其操作期间将具有的可能的特定方向。
在这方面，示出了一个包括三个正交方向X，Y，Z的参考方向系统。
根据本公开的实施例，PMUT设备100具有圆形(或基本上圆形)形状(沿平行于方向Y和Z的平面)。根据本公开的其他(未示出)实施例，PMUT设备100具有不同的形状，例如正方形(或基本上正方形)形状、矩形(或基本上矩形)形状、三角形(或基本上三角形)形状、六边形(或基本上六边形)形状或八边形(或基本上八边形)形状。
图2示出了通过沿平行于穿过PMUT设备100的中心的方向X和Z的第一剖面以及沿平行于穿过PMUT设备100的中心的方向X和Y的第二剖面切割PMUT设备100而获得的图1的PMUT设备100的一部分的透视图。
根据本公开的实施例，PMUT设备100包括集成PMUT设备100本身的部件的半导体基板110。根据本公开的实施例，半导体基板110是单晶硅基板，以下简称为硅基板110。图1所示的PMUT设备100的硅基板110具有前操作表面112和相对(沿方向X)的后操作表面114。前操作表面112和后操作表面114平行于方向Y和Z延伸。
根据本公开的实施例，硅基板110包括腔120，该腔120限定由基本上沿方向X延伸的侧壁、基本上沿方向Y和X延伸的底壁和基本上沿方向Y和Z延伸的顶壁所限定的中空空间。在腔120的侧壁相对于方向X倾斜和/或腔的底壁和/或顶壁相对于方向Z和/或方向Y倾斜的情况下，适用类似的考虑。
根据本公开的实施例，PMUT设备100包括膜元件125，膜元件125适于通过以相应的共振频率围绕平衡位置振荡来产生和接收超声波。根据本公开的实施例，PMUT设备100具有几MHz量级的谐振频率。根据本公开的优选实施例，谐振频率为1.1MHz。
根据本公开的实施例，膜元件125具有基本上沿Y和Z方向延伸的顶表面128和底表面130。
根据本公开的实施例，膜元件125具有圆形(或基本上圆形)形状(沿平行于方向Y和Z的平面)。根据本公开的其他实施例，膜元件125具有不同的形状，例如正方形(或基本上正方形)形状、矩形(或基本上矩形)形状、三角形(或基本上三角形)形状、六边形(或基本上六边形)形状或八边形(或基本上八边形)形状。
根据本公开的实施例，膜元件125的底表面130对应于由腔120限定的中空空间的顶表面。
根据本公开的实施例，膜元件125的顶表面128与硅基板110的前操作表面112齐平。
根据本公开的实施例，膜元件125由硅基板110的相同材料(即硅，特别是单晶硅)制成。
根据本公开的实施例，膜元件125的厚度(沿X方向)范围为2至20μm。根据本公开的实施例，膜元件125具有约5μm的厚度，例如5.2μm。
根据本公开的实施例，膜元件125具有范围为50μm至1000μm的直径。根据本公开的实施例，膜元件125具有约300μm的直径。
根据本公开的实施例，PMUT设备100包括压电元件150，压电元件150位于膜元件125的顶表面128上方，并且被配置为：
当电信号被施加到压电元件150上时，使膜元件125振荡；并且
响应于膜元件125的振荡产生电信号。
根据本公开的实施例，压电元件150具有圆形(或基本上圆形)形状(沿平行于方向Y和Z的平面)。根据本公开的其他实施例，压电元件150具有不同的形状，例如正方形(或基本上正方形)形状、矩形(或基本上矩形)形状、三角形(或基本上三角形)形状、六边形(或基本上六边形)形状或八边形(或基本上八边形)形状。
根据本公开的实施例，压电元件150包括压电材料层155，例如，包括第一导电层160和第二导电层162之间的氮化铝。根据本公开的实施例，第一导电层160包括钛-钨(TiW)。根据本公开的实施例，第二导电层162为铂。如果将其他导电材料用于第一导电层160和第二导电层162，则适用类似的考虑。
第一层160和第二层162形成压电元件150的电极，通过该电极可以：
向压电材料155施加电信号，以引起用于发射超声波脉冲的膜元件125的振荡；并且
收集由压电材料155响应于膜元件125的振动(例如由接收回波引起的振动)而产生的电信号。
根据本公开的实施例，绝缘材料层168(例如二氧化硅)位于压电元件150和膜元件125之间。
根据本公开的实施例，压电元件150被钝化元件覆盖，例如，钝化元件包括第一钝化层170(包括未掺杂硅酸盐玻璃(USG))和第二钝化层172(在第一钝化层170上)，第二钝化层172包括氮化硅。自然，如果钝化元件包括单个钝化层和/或如果使用不同的钝化材料，则适用类似的考虑。
根据本公开的实施例，PMUT设备100包括阻尼器180，阻尼器180被配置为减小(阻尼)膜元件125的不希望的自由振荡，从而增加PMUT设备100本身的带宽。
根据本公开的实施例，阻尼器180包括围绕膜元件125的腔185。
根据本公开的实施例，阻尼器180的腔185以相对于方向Y和Z包围膜元件125的方式形成在硅基板110中。
根据本公开的实施例，阻尼器180还包括沿方向X位于腔185上方的聚合物构件190。
根据本公开的实施例，阻尼器180的聚合物构件190沿方向X位于阻尼器180的腔上方。
根据本公开的实施例，阻尼器180的聚合物构件190相对于方向Y和X围绕膜元件125。
根据本公开的实施例，阻尼器180的腔185和膜元件125基本上彼此同心，腔185沿基本上平行于方向Y和Z的平面包围膜元件125。
在聚合物构件190下方的腔185的存在有利地确保了围绕膜元件125的聚合物构件190有效地阻尼影响膜元件125的不希望的自由振荡。
根据本公开的实施例，阻尼器180的腔185包括：
水平部分195，具有平行于腔120的顶壁并与之对准(因此平行于膜元件125的底面130并与之对准)的顶表面和平行于腔120的底壁并与之对准的底表面；和
垂直部分198，包括在硅基板110的前操作表面112中开口并沿方向X延伸直到到达水平部分195的沟槽。
根据本公开的实施例，腔185的水平部分195沿Z和Y方向的形状基本上对应于沿Z和Y方向围绕腔120的环。
根据本公开的实施例，腔185的垂直部分198沿Z和Y方向的形状基本上对应于沿Z和Y方向围绕腔120的环。根据本公开的一个实施例，腔185的垂直部分198的宽度W(作为环的较大半径和较低半径之间的差)具有范围为0.1至100μm的值。根据本公开的实施例，宽度W具有5μm的值。
根据本公开的实施例，聚合物构件190沿Z和Y方向的形状基本上对应于环。
根据本公开的实施例，聚合物构件190以沿X方向覆盖阻尼器180的腔185的垂直部分198的方式放置在硅基板110的前操作表面112上。
根据本公开的实施例，聚合物构件190的高度(沿X方向)Ph值的范围为1至200μm。根据本公开的实施例，高度Ph值为20μm。
由于图1和图2所示的根据本公开的实施例的阻尼器180，可以有效地减小膜元件125的自由振荡，从而增加PMUT设备100的带宽。例如，在所考虑的示例中，其中PMUT 100具有以1.1MHz振荡的膜元件125，以1.1MHz为中心的带宽百分比可以有利地达到16％。
根据本公开的实施例的阻尼器180被配置为通过适当地设置聚合物构件190的聚合物材料的粘度和/或杨氏模量来有效地阻尼膜元件125的自由振荡。事实上，申请人已经观察到聚合物材料的粘度对带宽百分比有非常大的影响，并且聚合物材料的杨氏模量对带宽百分比有相当大的影响。相反，申请人发现泊松比和聚合物材料的密度对带宽百分比没有任何显著影响。
图3A是示出包括根据图1和图2所示的根据本公开的实施例的阻尼器180的PMUT设备100的当聚合物材料的泊松比为0.22并且杨氏模量等于10GPa(正方形符号)、5GPa(菱形符号)和1GPa(圆形符号)时,以1MHz为中心的带宽百分比作为聚合物构件190的所述聚合物材料的粘度的函数的图。
图3B更详细地示出了图3A的图的放大部分，对应于0到5kPa*s的粘度范围和等于1GPa的杨氏模量。
申请人发现，根据图1和图2所示的本公开的实施例的阻尼器180在阻尼膜元件125的不希望的自由振荡方面的效率在以下情况下特别高：
聚合物构件190的聚合物材料的粘度具有范围为0.3至3kPa*s的值；和/或
聚合物构件190的聚合物材料的杨氏模量具有范围为0.5值2GPa的值。
图4A至图4G示出了根据本公开的实施例的用于制造图1和图2的PMUT设备100的制造工艺的主要阶段。
参照图4A，根据本公开的该实施例的制造工艺开始于提供硅基板110，然后在所述硅基板110中形成腔120和围绕腔120本身的腔185的水平部分195(参见图1)。
根据本公开的实施例，腔120和腔185的水平部分195的形成是基于专利US 7,294,536和专利申请US 2008/261345(由同一申请人提交)中公开的方法进行的。简单地说，使用具有蜂窝格子的光刻掩模。然后，使用所述掩模，对硅基板进行沟槽蚀刻以形成相应的硅柱。在移除光刻掩模之后，在脱氧环境中(例如，在具有高浓度氢的大气中，优选使用SiHCl3)进行外延生长，使得外延层生长在硅柱的顶部，捕获其中存在的气体(H2)。然后进行退火步骤，导致硅原子迁移，它们倾向于将自己排列在较低的能量位置。因此，硅柱的硅原子完全迁移，形成腔120和腔185的水平部分195。
硅基板110的直接在腔120上方的部分形成膜元件125。
如图4B所示，根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段包括例如通过低压化学气相沉积(使用正硅酸四乙酯作为前体的LPCVD)在前操作表面112上沉积氧化物层402。
如图4C所示，根据本公开的该实施例的制造过程的下一阶段提供：
在氧化物层402上沉积叠层，叠层包括压电材料层，例如包括氮化铝，位于两个导电层之间，例如TiW层和铂层，并且通过获得层155、160、162来图案化所述叠层以形成与腔120对准的压电元件150(参见图1)；以及
用包括氮化硅的第一钝化层410(包括USG)和第二钝化层412(在第一钝化层410上)覆盖压电元件150。
根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段，如图4D所示，提供使用适当限定的光刻掩模420选择性地移除第一钝化层410、第二钝化层412和氧化物层402，以获得第一钝化层170、第二钝化层172和绝缘材料层168(参见图1)。
根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段，如图4E所示，提供在腔185的水平部分195上方的硅基板110的前操作表面112中打开沟槽，直到到达所述水平部分195，以便形成腔185的垂直部分198(参见图1)。根据本公开的实施例，该阶段通过使用适当定义的光刻掩模430执行选择性干式硅蚀刻来执行。
如图4F所示，根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段提供移除光刻掩模420和430，然后沉积层压干燥聚合物膜440，其中覆盖腔185的水平部分195。
如图4G所示，根据本公开的该实施例的制造工艺的以下阶段提供选择性地移除层压干燥聚合物膜440，以获得腔185上的聚合物构件190(然后获得图1的PMUT设备100)。
图5A示出了根据本公开的另一实施例的PMUT设备100的不同版本，用参考标号100'标识。与PMUT设备100的元件相对应的PMUT设备100'的元件将使用图1中使用的相同的参考标号来标识，并添加顶点(apex)，并且为了简洁起见，将省略它们的描述。与图1的PMUT设备100相比，并利用参照图4A至图4G描述的制造工艺制造PMUT设备100'，通过使用绝缘体上硅(SOI)基板110'作为起始基板来形成腔120'和腔185'，所述SOI基板110'包括(从顶部开始，然后沿方向X向底部进行)有源层(器件层)、埋氧化层(盒层)和支撑层(手柄层)，从而制造PMUT设备100'。根据本公开的这个实施例，腔120'和腔185'是通过选择性地移除盒层的部分来实现的，如图5A中用参考标号510所示。
图5B示出了根据本公开的另一实施例的用参考标号100”标识的PMUT设备100的不同版本。与PMUT设备100的元件相对应的PMUT设备100”的元件将使用图1中使用的相同的参考标号来标识，并添加双顶点，并且为了简洁起见，将省略它们的描述。与图1中的PMUT设备100相比，并使用参照图4A至图4G描述的制造工艺进行制造，PMUT设备100″是通过使用在硅基板110″上沉积的多孔多晶硅520形成腔120″和185″以及膜而被制造的。根据本公开的一个实施例，使用LPCVD工艺在600℃下从550毫托(mtorr)的纯硅烷源气体沉积多孔多晶硅520。由于多孔多晶硅520的孔隙率，多孔多晶硅520对HF蚀刻是可渗透的。
图6示意性地示出了根据本公开的又一实施例的用参考标号100”'全局标识的PMUT设备的截面图。
图7示出了通过沿平行于方向X和Z穿过PMUT设备100”'的中心的第一剖面以及沿平行于方向X和Y穿过PMUT设备100”'的中心的第二剖面切割PMUT设备100”'而获得的图6的PMUT设备100”'的一部分的透视图。
根据本公开的一个实施例，PMUT设备100包括集成PMUT设备100”'本身的部件的半导体基板110”'。根据本公开的实施例，半导体基板110”'是(单晶)硅基板。图1所示的PMUT设备100的硅基板110具有前操作表面112”'和相对(沿方向X)的后操作表面114”'。前操作表面112”'和后操作表面114”'平行于Y和Z方向延伸。
根据本公开的实施例，硅基板110”'包括腔120”'和顶壁，该腔120”'定义了由基本上沿X方向延伸的侧壁以及基本上沿Y和Z方向延伸的顶壁限定的中空空间。与图1所示的PMUT设备100的腔120不同，腔120”'沿X方向从前操作表面112”'延伸到后操作表面114”'。
类似的考虑适用于腔120”'的侧壁相对于方向X倾斜的情况。
根据本公开的实施例，PMUT设备100”'的膜元件，以参考标号125”'标识，是覆盖在硅基板110”'的前操作表面112”'上方的多晶硅层126”'的一部分。
根据本公开的实施例，膜元件125”'具有基本上沿Y和Z方向延伸的顶表面128”'和底表面130”'。
根据本公开的实施例，膜元件125”'的底表面130”'对应于由腔120”'限定的中空空间的顶表面。
根据本公开的实施例，膜元件125”'具有范围为1至50μm的厚度(沿X方向)。根据本公开的实施例，膜元件125”'具有约5μm的厚度TH。
根据本公开的实施例，膜元件125”'具有范围为50μm至1000μm的直径。根据本公开的实施例，膜元件125”'具有约250μm的直径。
根据本公开的实施例，PMUT设备100”'包括位于膜元件125”'的顶表面128”'上的压电元件150”'。根据本公开的实施例，压电元件150”'等效于图1的PMUT设备100的压电元件150，并且相应地包括在第一导电层160”'和第二导电层162”'之间的压电材料层155”'。
根据本公开的实施例，绝缘材料层168”'(例如，二氧化硅)位于压电元件150”'和膜元件125”'之间。
类似于图1的PMUT设备100，根据本公开的实施例，压电元件150”'被钝化元件覆盖，例如，钝化元件包括第一钝化层170”'和第二钝化层172”'。
类似于图1的PMUT设备100，根据本公开的实施例，PMUT设备100”'包括阻尼器180”'，其被配置为减小(阻尼)膜元件125”'的不希望的自由振荡，从而增加PMUT设备100”'本身的带宽。
根据本公开的实施例，阻尼器180”'包括围绕膜元件125”'的腔185”'。
根据本公开的实施例，阻尼器180”'的腔185”'以相对于方向Y和X包围膜元件125”'的方式形成在硅基板110”'中。
根据本公开的实施例，阻尼器180”'的腔185”'也形成在硅基板110”'上方的多晶硅层126”'中。
根据本公开的实施例，阻尼器180”'还包括聚合物构件190”'，该聚合物构件190”'包括沿方向X位于阻尼器180”'的腔185”'上方的部分190(u)。
根据本公开的实施例，阻尼器180”'的聚合物构件190”'相对于方向Y和X围绕膜元件125”'。
根据本公开的实施例，阻尼器180”'的腔185”'和膜元件125”'基本上彼此同心，腔185”'沿基本上平行于Y和Z方向的平面包围膜元件125”'。
在聚合物构件190”'的部分190(u)下方的腔185”'的存在有利地确保了围绕膜元件125”'的聚合物构件190”'有效地阻尼影响膜元件125”'的不希望的自由振荡。
根据本公开的实施例，阻尼器180”'的腔185”'包括沟槽，沟槽穿过多晶硅层126”'和硅基板110”'的下层前操作表面112”'的一部分，并且沿方向X延伸。根据本公开的示例性实施例，腔185”'从前操作表面112”'沿方向X的长度等于15μm。
根据本公开的实施例，腔185”'沿Z和Y方向的形状基本上对应于沿Z和Y方向围绕腔120”'的环。
根据本公开的实施例，硅基板110”'处的腔185”'的宽度W(l)”'(旨在作为环的较大半径和较低半径之间的差)具有等于或低于膜元件125”'的厚度TH的值。根据本公开的实施例，宽度W(l)”'具有5μm的值。根据本公开的实施例，在多晶硅层126”'处的腔185”'的宽度W(u)”'大于宽度W(l)”'并且具有范围为0.1至100μm的值。
根据本公开的实施例，聚合物构件190”'沿Z和Y方向的形状基本上对应于环。
根据本公开的实施例，聚合物构件190”'包括：
下部190(l)”'，其宽度对应于宽度W(u)”'，并且位于腔185”'的在多晶硅层126”'处的部分中；和
上部190(u)”'，其宽度大于宽度W(u)”'，并且位于多晶硅层126”'的顶表面上，位于硅基板110”'处的腔185”'上方。
换句话说，根据本公开的该实施例，聚合物构件190”'沿平行于X方向的截面平面的截面具有“T”或“蘑菇”状形状，顶部比下部宽。
根据本公开的实施例，聚合物构件190”'的上部190(u)”'的高度(沿方向X)Ph”'具有范围为1至200μm的值。根据本公开的实施例，高度Ph”'具有5μm的值。
与图1的PMUT设备100的阻尼器180类似，由于图6和图7所示的根据本公开的实施例的阻尼器180”'，可以有效地减小膜元件125”'的自由振荡，从而增加PMUT设备100”'的带宽。例如，在所考虑的示例中，其中PMUT 100”'具有以1.1MHz振荡的膜元件125”'，以1.1MHz为中心的带宽百分比可以有利地达到7％。
图8A是示出根据图6和图7所示的本公开的实施例的包括阻尼器180”'的PMUT设备100”'，当聚合物材料的泊松比为0.22并且杨氏模量等于10GPa、5GPa和1GPa时，以1.2MHz为中心的带宽百分比作为聚合物构件190”'的所述聚合物材料的粘度的函数的图。
图8B更详细地显示了图8A的图的放大部分，对应于0至10kPa*s的粘度范围和等于1GPa的杨氏模量。
申请人发现，当聚合物构件190”'的聚合物材料的粘度范围为2至4kPa*，且杨氏模量范围为1MPa至10GPa时，根据图6和图7所示的本公开的实施例的阻尼器180”'在阻尼膜元件125”'的不希望的自由振荡方面的效率特别高。
图9A至图9I示出了根据本公开的实施例的用于制造图6和图7的PMUT设备100”'的制造工艺的主要阶段。
参照图9A，根据本公开的该实施例的制造工艺开始于提供硅基板110”'，例如通过使用正硅酸四乙酯(tetraethyl orthosilicate)作为前驱物的LPCVD技术在硅基板110”'的前操作表面112”'上沉积氧化层902，然后根据膜元件125”'和腔185”'将形成的位置选择性地蚀刻氧化层902，以露出前操作表面112”'的部分。特别地，在选择性蚀刻之后，氧化物层902以这样的方式包括：
第一窗口904，其将用于限定腔185”'(如将在下面详细描述的)；和
第二窗口906，限定氧化物层902的中心部分908，该第二窗口906将用于接着限定膜元件125”'(如将在下面详细描述)。
根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段，如图9B所示，提供在硅基板110”'的前操作表面112”'和图案化氧化物层902上方外延生长多晶硅，以形成用于产生膜元件125”'的多晶硅层126”'的层(参见图6)。多晶硅层126”'相对于氧化物层902沿方向X的厚度将限定膜元件125”'的厚度TH(参见图6)。根据本公开的实施例，以约5μm的厚度生长多晶硅层126”'。根据本公开的实施例，制造工艺的该阶段还包括在多晶硅层126”'上沉积绝缘材料层909(见图6)。例如，根据本公开的实施例，通过使用正硅酸四乙酯作为前驱物的LPCVD技术，在多晶硅层126”'上沉积二氧化硅层(例如，具有1μm的厚度)。
如图9C所示，根据本公开的该实施例的制造过程的下一阶段提供：
在绝缘材料层909上沉积包括压电材料层(例如，包括氮化铝)的叠层，压电材料层位于两个导电层(例如，TiW层和铂层)之间，并通过获得层155”'、160”'、162”'，对所述叠层进行图案化以形成压电元件150”'(参见图6)；和
用第一钝化层910(包括USG)和包括氮化硅的第二钝化层912(在第一钝化层910上)覆盖压电元件150”'。
根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段，如图9D所示，提供使用适当限定的光刻掩模920选择性地移除第一钝化层910、第二钝化层912和绝缘材料层909，以获得第一钝化层170”'、第二钝化层172”'和绝缘材料层168”'(参见图6)。
如图9E所示，根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段提供应用光刻掩模930，该掩模930以这样的方式被图案化，以包括掩模窗口935，使得与氧化物层902的第一窗口904对准的多晶硅层126”'的一部分未被覆盖。根据本公开的实施例，虽然氧化物层902的第一窗口904具有对应于宽度W(l)”'的宽度，但掩模窗口935的宽度对应于W(u)”'(参见图6)。
根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段，如图9F所示，提供通过利用图案化光刻掩模930通过蚀刻工艺在多晶硅层126”'中打开沟槽并通过氧化物层902的第一窗口904在下面的硅基板110”'中形成腔185”'。
根据本公开的该实施例的制造工艺的下一阶段，如图9G所示，提供移除光刻掩模930和910，沉积层压干聚合物膜，部分地填充腔185”'，然后选择性地移除层压干聚合物膜以获得在腔185”'上的聚合物构件190”'。
根据本公开的该实施例的制造工艺的以下阶段，如图9H所示，提供将部分制造的设备颠倒，使得硅基板110”'的后操作表面114”'朝上，用光刻掩模950覆盖所述后操作表面114”'，该光刻掩模950以这样的方式被图案化，以暴露后操作表面114”'垂直对准压电元件150”'(即，沿方向X)的部分，然后执行干蚀刻攻击以去除硅基板110”'的未覆盖部分，直到到达氧化层902的中心部分908，并相应地限定腔120”'(参见图6)。
根据本公开的该实施例的制造工艺的最后阶段，如图9I所示，提供将部分制造的设备转回到原始取向，用光刻掩模980覆盖其顶部--即压电元件150”'和聚合物构件190”'所在的部分，然后用湿法蚀刻攻击从下面移除氧化物层902的中心部分908，以限定膜元件125”'。
然后，移除光刻掩模980，并且获得图6的PMUT设备100”'。
图10以简化块的方式示出了电子系统1000(或其一部分)，该电子系统1000包括根据上述公开的实施例的PMUT设备100、100'、100″或100”'中的至少一个。
根据本公开的实施例，电子系统1000适于用于电子设备，例如个人数字助理、计算机、平板电脑和智能手机。
根据本公开的实施例，电子系统1000除了PMUT设备100、100'、100″或100”'之外，还可以包括控制器1005，例如一个或多个微处理器和/或一个或多个微控制器。
根据本公开的实施例，电子系统1000除了PMUT设备100、100'、100”或100”'之外，还可以包括用于生成/接收消息/命令/数据和/或用于接收/发送数字和/或模拟信号的输入/输出设备1010(例如键盘、和/或触摸屏和/或可视显示器)。
根据本公开的实施例，电子系统1000除了PMUT设备100、100'、100”或100”'，还可以包括用于例如通过射频信号与无线通信网络(未示出)交换消息的无线接口1015。无线接口1015的示例可以包括天线和无线收发器。
根据本公开的实施例，电子系统1000除了PMUT设备100、100'、100″或100”'之外，还可以包括存储设备1020，例如易失性和/或非易失性存储器设备。
根据本公开的实施例，电子系统1000除了PMUT设备100、100'、100″或100”'，还可以包括用于向电子系统1000供应电力的供应设备，例如电池1025。
根据本公开的实施例，电子系统1000可包括一个或多个通信信道(总线)，用于允许在PMUT设备100、100'、100”或100”'与控制器1005、和/或输入/输出设备1010、和/或无线接口1015、和/或存储设备1020和/或电池1025之间进行数据交换(当它们存在时)。
自然，为了满足局部和特定要求，本领域技术人员可以对上述解决方案应用许多逻辑和/或物理修改和改变。更具体地，尽管已经参照本公开的优选实施例以一定程度的特殊性描述了本公开，但应当理解，形式和细节以及其他实施例中的各种省略、替换和改变是可能的。特别地，本公开的不同实施例甚至可以在没有前述描述中阐述的特定细节的情况下实施，以提供对其更透彻的理解；相反，众所周知的特征可能已经被省略或简化，以避免用不必要的细节阻碍描述。此外，明确地希望结合本公开的任何公开实施例描述的特定元件和/或方法步骤可以并入其他实施例中。
一种PMUT设备(100；100'；100”；100”')可以概括为包括：膜元件(125；125'；125”；125”')，适于通过以相应的共振频率围绕平衡位置振荡来产生和接收超声波；压电元件(150；150'；150”；150”')，沿第一方向(X)位于所述膜元件上方，并且被配置为：当电信号被施加到所述压电元件时，使所述膜元件振荡；以及响应于膜元件的振荡而产生电信号；以及阻尼器(180；180'；180”；180”')，被配置为减小膜元件的自由振荡，所述阻尼器包括：围绕膜元件的阻尼器腔(185；185'；185”；185”')；以及聚合物构件(190；190'；190”；190”')，其至少一部分沿第一方向在阻尼器腔上方。
阻尼器腔(185；185'；185”；185”')可以沿基本上垂直于第一方向(X)的平面包围膜元件。
PMUT设备(100；100'；100”；100”')还可以包括半导体基板(110；110'；110”；110”')，阻尼器腔(185；185'；185”；185”')至少部分地形成在所述半导体基板中。
PMUT设备(100；100'；100”；100”')还可以包括沿第一方向(X)在膜元件(125；125'；125”；125”')下方的中心腔(120；120'；120”；120”')；阻尼器腔(185；185'；185”；185”')具有对应于垂直于第一方向(X)围绕中心腔的环的至少一部分。
聚合物构件(190；190'；190”；190”')可以具有基本上对应于环的沿垂直于第一方向的方向的形状。聚合物构件(190；190')可以具有：范围为0.3至3kPa*s的粘度值；范围为0.5至2GPa的杨氏模量值。膜元件(125；125')可以包括单晶硅。聚合物构件(190”')可以具有：范围为2至4kPa*s的粘度值；范围为1MPa到10GPa的杨氏模量值。膜元件(125”；125”')可以包括多晶硅。膜元件(125”)可以包括多孔多晶硅。
一种电子系统(1000)可以包括一个或多个PMUT设备。
一种用于制造PMUT设备(100；100'；100”；100”')的方法可以概括为包括以下阶段：形成膜元件(125；125'；125”；125”')；沿第一方向(X)在膜元件上形成压电元件(150；150'；150”；150”')；以及形成阻尼器(180；180'；180”；180”')，形成阻尼器可包括：形成围绕膜元件的阻尼器腔(185；185'；185”；185”')；以及形成聚合物构件(190；190'；190”；190”')，其至少一部分沿第一方向在阻尼器腔上方。
以上描述的各种实施例可以组合以提供进一步的实施例。根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其他更改。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制到说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求有权享有的等效物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种压电微机械超声换能器PMUT设备，包括：
膜元件，被配置为通过以相应的共振频率围绕平衡位置振荡来产生和接收超声波；
压电元件，沿第一方向位于所述膜元件之上，并且所述压电元件被配置为：
当电信号被施加到所述压电元件时，使所述膜元件振荡；并且
响应于所述膜元件的振荡产生电信号；以及
阻尼器，被配置为减少所述膜元件的自由振荡，所述阻尼器包括：
阻尼器腔，围绕所述膜元件；以及
聚合物构件，所述聚合物构件的至少一部分沿所述第一方向在所述阻尼器腔之上。
2.根据权利要求1所述的PMUT设备，其中所述阻尼器腔沿基本上垂直于所述第一方向的平面包围所述膜元件。
3.根据权利要求1所述的PMUT设备，还包括半导体基板，所述阻尼器腔被至少部分地形成在所述半导体基板中。
4.根据权利要求1所述的PMUT设备，还包括中心腔，所述中心腔沿所述第一方向在所述膜元件下方，所述阻尼器腔具有与垂直于所述第一方向围绕所述中心腔的环相对应的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的PMUT设备，其中所述聚合物构件具有基本上对应于环的沿垂直于所述第一方向的方向的形状。
6.根据权利要求1所述的PMUT设备，其中所述聚合物构件具有：
在从0.3kPa*s至3kPa*s范围内的粘度值；以及
在从0.5GPa至2GPa范围内的杨氏模量值。
7.根据权利要求1所述的PMUT设备，其中所述膜元件包括单晶硅。
8.根据权利要求1所述的PMUT设备，其中所述聚合物构件具有：
范围为从2至4kPa*s的粘度值；以及
范围为从1MPa至10GPa的杨氏模量值。
9.根据权利要求8所述的PMUT设备，其中所述膜元件包括多晶硅。
10.根据权利要求9所述的PMUT设备，其中所述膜元件包括多孔多晶硅。
11.一种电子系统，包括：
压电微机械超声换能器PMUT设备，包括：
膜元件，被配置为通过以相应的共振频率围绕平衡位置振荡来产生和接收超声波；
压电元件，沿第一方向位于所述膜元件之上，并且所述压电元件被配置为：
当电信号被施加到所述压电元件时，使所述膜元件振荡；并且
响应于所述膜元件的振荡产生电信号；以及
阻尼器，被配置为减少所述膜元件的自由振荡，所述阻尼器包括：
阻尼器腔，围绕所述膜元件；以及
聚合物构件，所述聚合物构件的至少一部分沿所述第一方向在所述阻尼器腔之上；以及
控制器，耦接至所述PMUT设备。
12.根据权利要求11所述的电子系统，还包括输入/输出设备，所述输入/输出设备耦合到所述PMUT设备和所述控制器。
13.根据权利要求11所述的电子系统，还包括无线接口，所述无线接口耦合到所述PMUT设备和所述控制器。
14.根据权利要求11所述的电子系统，还包括存储器设备，所述存储器设备耦合到所述PMUT设备和所述控制器。
15.根据权利要求11所述的电子系统，其中所述阻尼器腔沿基本上垂直于所述第一方向的平面包围所述膜元件。
16.根据权利要求11所述的电子系统，其中所述PMUT设备包括中心腔，所述中心腔沿所述第一方向在所述膜元件下方，所述阻尼器腔具有至少一部分，所述至少一部分与垂直于所述第一方向围绕所述中心腔的环相对应。
17.一种用于制造PMUT设备的方法，包括：
形成膜元件；
沿第一方向在所述膜元件之上形成压电元件；以及
形成阻尼器，所述形成阻尼器包括：
形成围绕所述膜元件的阻尼器腔；以及
形成聚合物构件，所述聚合物构件的至少一部分沿所述第一方向在所述阻尼器腔之上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中形成所述阻尼器腔包括：沿基本上垂直于所述第一方向的平面形成包围所述膜元件的所述阻尼器腔。
19.根据权利要求17所述的方法，其中形成所述阻尼器腔包括：至少部分地在半导体基板中形成所述阻尼器腔。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括：沿所述第一方向在所述膜元件下面形成中心腔，所述阻尼器腔具有至少一部分，所述至少一部分对应于垂直于所述第一方向围绕所述中心腔的环。
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