CN114377931A - 压电式微机械超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及压电式微机械超声换能器。PMUT器件包括薄膜元件，该薄膜元件垂直于第一方向延伸并且被配置为通过关于平衡位置振荡来生成和接收超声波的。PMUT器件包括至少两个压电元件，其中每个压电元件沿着第一方向位于薄膜元件之上并且被配置为当电信号被施加到压电元件时引起薄膜元件振荡，以及响应于薄膜元件的振荡而生成电信号。薄膜元件沿垂直于第一方向的平面具有叶瓣形状，其中叶瓣形状包括至少两个叶瓣。对于每个压电构件，薄膜元件包括对应的薄膜部分，该对应的薄膜部分包括对应的叶瓣，其中每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上。

Description

压电式微机械超声换能器
技术领域
本公开涉及微机电系统(以下简称“MEMS”)领域。特别地，本公开涉及一种压电式微机械超声换能器(以下简称“PMUT”)。
背景技术
MEMS器件包括通过微加工技术(例如，光刻、沉积、蚀刻、沉积、生长)集成在相同半导体材料衬底(例如硅)中的小型化机械、电气和/或电子部件。
微机械超声换能器器件(以下简称“MUT器件”)是一种适于发射/接收频率在20kHz以上的超声波的MEMS器件。在已知的MUT器件中，压电式MUT器件(以下简称“PMUT器件”)是已知的。PMUT器件是一种MUT器件，其操作基于与薄压电元件机械耦合的一个或多个薄膜元件的弯曲运动。
当PMUT器件作为发射器操作时，当交流电信号被施加到压电元件时，膜元件在压电元件的作用下关于平衡位置弯曲和振荡。薄膜元件的振荡因而引起超声波的生成。
当PMUT器件作为接收器操作时，击中薄膜元件的超声波引起薄膜关于其平衡位置振荡。薄膜元件的振荡作用于压电元件上，从而生成对应的交流电信号。
在超声波的生成和接收期间(即，在PMUT器件作为发射器操作的情况下和在PMUT器件作为接收器操作的情况下)，薄膜元件以对应的谐振频率关于其平衡位置振荡。
PMUT器件可以方便地用于接近度和测距应用，以用于评估障碍物/目标的位置和/或距离。更特别地，PMUT器件发射超声波脉冲。当击中障碍物/目标时，超声波脉冲以回波的形式反射回来。PMUT器件接收回波，并且在电域中对其进行转换，以形成对应的交流电信号，交流电信号然后被放大和处理以提取出飞行时间信息(即从超声波脉冲的发射到回波的接收所花费的时间)。飞行时间信息然后被处理以用于计算障碍物/目标相对于PMUT器件的位置和/或距离。这种应用通常用于其中超声波脉冲和回波在低密度介质(例如空气)中行进的场景。
典型的PMUT器件在低密度介质(例如空气)中操作时会受到低阻尼因子的负面影响，使得不期望的自由振荡无法被有效抑制。所述自由振荡引起所谓的振铃信号的生成，振铃信号对由障碍物/目标响应于超声波脉冲的发射而反射的回波的正确接收和检测生成负面影响。
PMUT器件的品质因数Q越高，由自由振荡引起的振铃信号的持续时间就越长。当PMUT的薄膜在2MHz的频率范围内振荡时，这个问题会加剧，因为在这些频率下对应于空气的阻尼因子特别低。
为了减轻这些问题以改善回波检测，PMUT的“盲区”——即回波克服振铃的空间区域——以及PMUT器件的带宽应该被增加。
根据本领域已知的解决方案，通过提供被配置为减少自由振荡的阻尼器来增加PMUT器件的带宽。例如，PMUT器件可以配备无源或有源阻尼器(有源阻尼器是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种解决方案，提供算法来检测由于回波引起的振铃的包络的衰减变化。
发明内容
申请人已经发现，已知的用于增加PMUT器件的带宽以便改善回波检测的解决方案由于受到缺陷的影响而效率不高。
特别地，采用无源阻尼器的已知解决方案会引起强烈的功率损耗。此外，由于环境条件的变化，已知解决方案的无源阻尼器不能容易地允许与PMUT器件的阻抗完美匹配。
提供有源阻尼器的已知解决方案受到阻抗匹配问题的负面影响。
采用算法来检测振铃的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。
鉴于上述情况，申请人设计了一种改善的PMUT器件，该改善的PMUT器件具有增加的带宽，同时不受上述影响本领域已知解决方案的缺点的影响。
本公开的方面涉及PMUT器件。
PMUT器件包括：
-薄膜元件，垂直于第一方向延伸并且被适于通过关于平衡位置振荡来生成和接收超声波；
-至少两个压电元件，每个压电元件沿着所述第一方向位于所述薄膜元件之上并且被配置为：
-当电信号被施加到压电元件时，引起薄膜元件振荡，并且
-响应于薄膜元件的振荡而生成电信号，
其中：
-薄膜元件沿垂直于第一方向的平面具有叶瓣形状，所述叶瓣状包括至少两个叶瓣；
-对于每个压电构件，薄膜元件包括对应的薄膜部分，该对应的薄膜部分包括对应的叶瓣，每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上。
根据本公开的实施例，每个薄膜部分具有与其他薄膜部分相同的形状但不同的尺寸。
根据本公开的实施例，每个薄膜部分是具有所述形状的薄膜元件的最大部分，所述薄膜元件的最大部分具有围绕与其同轴的对应压电构件的形状。
根据本公开的实施例，所述形状是在以下项中选择的形状：
-基本上圆形；
-基本上正方形；
-基本上矩形；
-基本上三角形；
-基本上六边形；
-基本上八边形。
根据本公开的实施例，PMUT器件还包括：
-阻尼器，被配置为减少薄膜元件的自由振荡，所述阻尼器包括：
-阻尼器腔，围绕薄膜元件；
-聚合物构件，其至少一部分沿所述第一方向在所述阻尼器腔之上。
根据本公开的实施例，所述聚合物构件包括聚合物材料。
根据本公开的实施例，所述聚合物材料具有在从0.3至3kPa*s的范围内的值的粘度。
根据本公开的实施例，所述聚合物材料具有在从0.5至2GPa的范围内的值的杨氏模量。
根据本公开的实施例，所述阻尼器腔沿着基本上垂直于所述第一方向的平面环绕薄膜元件。
根据本公开的实施例，PMUT器件包括半导体衬底。
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衬底中。
根据本公开的实施例，PMUT器件还包括沿着所述第一方向位于所述薄膜元件之下的中心腔。
根据本公开的实施例，所述阻尼器腔垂直于所述第一方向围绕中心腔。
根据本公开的实施例，所述薄膜元件包括单晶硅或多晶硅。
本公开的另一方面涉及一种包括至少一个或多个PMUT器件的电子系统。
本公开的另一方面涉及一种用于制造PMUT器件的方法。
根据本公开的实施例，该方法包括以下阶段：
-形成垂直于第一方向延伸的薄膜元件；
-沿第一方向在所述薄膜元件之上形成至少两个压电元件，其中：
-薄膜元件沿垂直于第一方向的平面具有叶瓣形状，所述叶瓣形状包括至少两个叶瓣；对于每个压电构件，薄膜元件包括对应的薄膜部分，该对应的薄膜部分包括对应的叶瓣，每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上。
根据本公开的实施例，该方法还包括：
-形成阻尼器，所述形成阻尼器包括：
-形成围绕薄膜元件的阻尼器腔，以及
-形成聚合物构件，该聚合物构件的至少其中一部分沿所述第一方向在所述阻尼器腔之上。
附图说明
结合附图阅读以下仅作为非限制性示例提供的其中实施例的详细描述，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。在这点上，明确地意图是，附图不一定按比例绘制(其中一些细节可能被夸大和/或简化)，除非另有说明，否则它们仅用于概念性地说明所描述的结构和程序。特别地：
图1A示意性地图示了根据本公开的实施例的PMUT器件的截面图；
图1B图示了图1A的PMUT器件的一部分的透视图；
图1C图示了图1A和图1B的PMUT器件的平面图；
图2是显示图1A和图1C的PMUT器件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表；
图3A和3B描绘了图1A和1C的PMUT器件的频率响应的图表；
图4A至图4G图示了根据本公开的实施例的用于制造图1A至图1C的PMUT器件的制造过程的主要阶段；
图5A和图5B图示了根据本公开的其他实施例的PMUT器件；
图6A图示了根据本公开的另一个实施例的PMUT的平面图；
图6B图示了根据本公开的另一个实施例的PMUT的平面图；
图7以简化框图的形式图示了包括图1A至图1C、图5A、图5B、图6A、图6B的PMUT器件中的至少一个PMUT器件的电子系统。
具体实施方式
图1A示意性地图示了根据本公开的实施例的全局用附图标记100标识的PMUT器件的截面图。
在本说明书的以下内容中，方向术语(例如，顶部、底部、较高、较低、侧向、中央纵向、横向、竖直)将仅用于与附图中所示的非常特定的方向有关地描述PMUT器件100，而不是用于描述PMUT器件100在其操作期间将具有的可能的特定方向。
在这点上，参考方向系统被显示为包括三个正交方向X、Y、Z。
图1B图示了通过沿着平行于方向X和Y的截面中心切割图1A的PMUT器件100获得的PMUT器件100的一部分的透视图。
图1C图示了图1A和图1B所示的PMUT器件100的平面图，其中部分去除的部分取自平行于方向Y和Z的平面。
根据本公开的实施例，PMUT器件100包括集成PMUT器件100本身的部件的半导体衬底110。根据本公开的实施例，半导体衬底110为单晶硅衬底，以下简称为硅衬底110。图1图示的PMUT器件100的硅衬底110具有前操作表面112和相对的(沿方向X)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，硅衬底110包括腔体120，腔体120限定了由基本上沿X方向延伸的侧壁，基本上沿Y和X方向延伸的底壁，以及基本上沿Y和Z方向延伸的顶壁界定的中空空间。在腔体120的侧壁相对于方向X倾斜和/或腔体的底壁和/或顶壁相对于方向Z和/或相对于方向Y倾斜的情况下，类似的考虑适用。
根据本公开的实施例，PMUT器件100包括沿X方向位于腔体120之上的薄膜元件125。图1C仅描绘了薄膜元件125的轮廓，以便显示下方的腔体120。
薄膜元件125适于通过以对应的谐振频率关于平衡位置振荡来生成和接收超声波。根据本公开的实施例，PMUT器件100具有数MHz量级的谐振频率。
根据本公开的实施例，薄膜元件125具有基本上沿方向Y和Z延伸的顶部表面128和底部表面130。
根据本公开的实施例，薄膜元件125的底部表面130对应于由腔体120限定的中空空间的底部表面。
根据本公开的实施例，薄膜元件125的顶部表面128与硅衬底110的前操作表面112齐平。
根据本公开的实施例，薄膜元件125由与硅衬底110相同的材料制成，即硅，尤其是单晶硅。
根据本公开的实施例，薄膜元件125的厚度(沿X方向)在从1μm至50μm的范围内。根据本公开的实施例，薄膜元件125的厚度约为5μm，例如5.2μm。
根据本公开的实施例，PMUT器件100包括位于薄膜元件125的顶部表面128上的至少两个压电元件。
根据图1A至图1C图示的本公开的实施例，PMUT器件100包括位于薄膜元件125的顶部表面128上的第一压电元件150(1)和第二压电元件150(2)。
第一压电元件150(1)被配置为：
-当电信号被施加到压电元件150(1)上时，引起薄膜元件125振荡，并且
-响应于薄膜元件125的振荡而生成电信号。
类似地，第二压电元件150(2)被配置为：
-当电信号被施加到压电元件150(2)上时，引起薄膜元件125振荡，并且
-响应于薄膜元件125的振荡而生成电信号。
如下文将要更详细地描述的，第一压电元件150(1)和第二压电元件150(2)被配置为同时被操作。
根据本公开的实施例，压电元件150(1)和150(2)具有圆形(或基本上圆形)形状(沿着平行于方向Y和Z的平面)。根据本公开的其他实施例，压电元件150(1)和150(2)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(1)和150(2)包括在第一导电层160与第二导电层162之间的压电材料155的层，例如，包括氮化铝。根据本公开的实施例，第一导电层160包括钛钨合金(TiW)。根据本公开的实施例，第二导电层162为铂。如果其他导电材料用于第一导电层160和第二导电层162，则类似的考虑适用。
第一导电层160和第二导电层162形成压电元件150(1)、150(2)的电极，跨该电极可以：
-向压电材料155施加电信号以用于引起薄膜元件125的振荡从而传输超声波脉冲，以及
-收集由压电材料155响应于薄膜元件125的振荡而生成的电信号，例如由回波的接收引起的振荡。
根据本公开的实施例，包括二氧化硅层168和未掺杂硅酸盐玻璃(USG)层169的绝缘元件位于压电元件150(1)、150(2)以及薄膜元件125之间。
根据本公开的实施例，压电元件150(1)、150(2)覆盖有钝化元件，例如包括第一钝化层170(包括未掺杂的硅酸盐玻璃(USG))和第二钝化层172(在第一钝化层170之上)，第二钝化层172包括氮化硅。自然地，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，则类似的考虑适用。
根据本公开的实施例，薄膜元件125沿Y和Z方向的形状为叶瓣形状，即包括沿Y和Z方向的至少两个叶瓣或突起。换言之，薄膜元件125的形状沿Y和Z方向是凹形的，即它具有向内弯曲或折弯的形状，或者从更正式的角度来看，允许在该形状的两点之间勾画具有至少部分落在形状本身之外的至少一条线段的形状。
根据本公开的实施例，针对每个压电构件，叶瓣状薄膜元件125包括对应的薄膜部分，该对应的薄膜部分包括对应的一个叶瓣。根据本公开的实施例，每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上(沿方向X)。
参考图1A、图1B、图1C所示的本公开的实施例，薄膜元件125具有8字形状，包括两个叶瓣，特别是第一叶瓣L(1)和第二叶瓣L(2)。
根据本公开的其中提供了两个压电元件150(1)、150(2)的该实施例，薄膜元件125包括：
第一薄膜部分MP(1)，对应于压电元件150(1)并且包括第一叶瓣L(1)，以及
第二薄膜部分MP(2)，对应于压电元件150(2)并且包括第一叶瓣L(2)。
从图1C中可以看出，第一薄膜部分MP(1)和第二薄膜部分MP(2)彼此部分重叠。
根据本公开的实施例，每个薄膜部分具有相同的形状，例如圆形(或基本上圆形)形状、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。
在图1A、图1B、图1C所示的本公开的实施例中，第一薄膜部分MP(1)和第二薄膜部分MP(2)具有圆形形状。
根据本公开的实施例，每个薄膜部分具有相同的形状，但同时其尺寸与其他薄膜部分膜部的尺寸不同。
在图1A、图1B、图1C所示的本公开的实施例中，第一薄膜部分MP(1)大于第二薄膜部分MP(2)。
例如，根据本公开的示例性实施例，第一薄膜部分MP(1)具有约300μm的直径，第二薄膜部分MP(2)具有约260μm的直径。自然地，本公开的概念直接适用于不同的直径值。
根据本公开的实施例，每个薄膜部分是薄膜元件125的最大部分，薄膜元件125的最大部分具有围绕与其同轴的对应的压电构件的所述相同形状。
通过参考图1C所示的本公开的实施例：
-第一薄膜部分MP(1)是围绕与其同轴的压电构件150(1)的整个薄膜元件125的最大圆形部分；
-第二薄膜部分MP(2)是围绕与其同轴的压电构件150(2)的整个薄膜元件125的最大圆形部分。
根据本公开的实施例的PMUT器件100在概念上是由两个或更多个部分重叠的基础PMUT器件(每个都包括单个压电元件)结合起来给出的，PMUT器件被结合以便共享具有叶瓣形状的相同的单个薄膜元件125。所述单个薄膜元件被细分为(部分重叠的)薄膜部分，每一薄膜部分对应于相应的一个基础PMUT器件。
例如，图1A至图1C中所示的本公开的实施例的PMUT器件100可以通过由具有对应于第一薄膜部分MP(1)的薄膜元件的第一基础PMUT器件与对应于第二膜部分MP(2)的薄膜元件的第二基础PMUT器件结合起来而在概念上给出。
如果单独考虑所述概念性的基础PMUT器件中的每个概念性的基础PMUT器件，则其薄膜元件—对应于整个薄膜元件125的特定薄膜部分—将以由所述特定薄膜部分的尺寸给出的谐振频率振荡。
由于薄膜部分的部分重叠，这样的薄膜部分具有基本上彼此接近的谐振频率。根据本公开的实施例的具有薄膜元件125的PMUT器件100的带宽由对应于薄膜元件125的各个薄膜部分的带宽的结合/重叠给出。由于对应于薄膜元件125的各个薄膜部分的谐振频率被选择为彼此接近，因此对应于所述薄膜部分的带宽的结合/重叠引起PMUT器件100的所得到的带宽的有利提高。
根据本公开的实施例，PMUT器件100包括阻尼器180，其被配置为减少(阻尼)薄膜元件125的不期望的自由振荡，从而进一步增加PMUT器件100本身的带宽。
根据本公开的实施例，阻尼器180包括围绕薄膜元件125的腔体185。
根据本公开的实施例，阻尼器180的腔体185以相对于方向Y和Z围绕薄膜元件125的方式形成在硅衬底110中。
根据本公开的实施例，阻尼器180还包括沿着方向X在腔体185之上的聚合物构件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的腔体上方。
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围绕薄膜元件125。
根据本公开的实施例，阻尼器180的腔体185和薄膜元件125基本上彼此同轴，腔体185沿着基本上平行于方向Y和Z的平面环绕薄膜元件125。
聚合物构件190下方的腔体185的存在有利地确保围绕薄膜元件125的聚合物构件190有效地减弱不期望的自由振荡对薄膜元件125的影响。
根据本公开的实施例，阻尼器180的腔体185包括：
-水平部分195，其顶部表面平行于腔体120的顶壁并且与腔体120的顶壁对齐(因此平行于薄膜元件125的底部表面130并与薄膜元件125的底部表面130对齐)以及其底部表面平行于腔体120的底壁并且与腔体120的底壁对齐，以及
-竖直部分198，包括在硅衬底110的前操作表面112中开口并且沿方向X延伸直到到达水平部分195的沟槽。
根据本公开的示例性实施例，水平部分195垂直于方向X的宽度为55μm。自然地，本公开的概念直接适用于不同的宽度值。
根据本公开的实施例，聚合物构件190以沿着方向X覆盖阻尼器180的腔体185的竖直部分198的方式搁置在硅衬底110的前操作表面112上。
根据本公开的示例性实施例，水平部分190沿方向X的厚度为20μm。自然地，本公开的概念直接适用于不同的厚度值。
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薄膜元件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具有非常大的影响，并且聚合物材料的杨氏模量对带宽百分比具有相当大的影响。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着影响。
图2是图示了当所述聚合物材料的泊松比为0.22并且杨氏模量等于1GPa时，根据图1A至图1B中所示的本公开的实施例的示例性PMUT器件100的以1MHz为中心的带宽百分比作为聚合物构件190的聚合物材料的粘度的函数的图表。
申请人发现，根据图1A至图1B所示的本公开的实施例的阻尼器180在阻尼薄膜元件125的不期望的自由振荡方面的效率在以下情况下特别高：
-在聚合物构件190的聚合物材料具有从0.3到3kPa*s的范围内的值的粘度时，和/或
-在聚合物构件190的聚合物材料具有从0.5到2GPa的范围内的值的杨氏模量时。
图3A描绘了图1A至图1C中所示的PMUT器件100的频率响应的图，其中第一薄膜部分MP(1)具有300μm的直径并且第二薄膜部分MP(2)具有260μm的直径。图3B是图3A中由虚线矩形框300突出显示的部分的放大图。
PMUT器件100的频率响应表现出两个频率峰值，每个频率峰值对应于对应的薄膜部分的谐振频率。在所讨论的示例中，这两个峰值包括：
-在0.92MHz处的第一个峰值，对应于第一个薄膜部分MP(1)，和
-在1.1MHz处的第二个峰值，对应于第二个薄膜部分MP(2)。
第一薄膜部分MP(1)与第二薄膜部分MP(2)之间的部分重叠确保所述两个峰值彼此靠近。因此，所述两个峰值合并为一个更大的峰值，对应于以大约1MHz为中心的(更大的)带宽百分比。由于阻尼器180的阻尼效应，PMUT器件100的所得到的带宽百分比进一步增加。在所讨论的示例中，以1.1MHz为中心的带宽百分比可以有利地达到37％。
图4A至图4G图示了根据本实施例的用于制造图1A至图1C的PMUT器件100的制造过程的主要阶段。
参考图4A，根据本公开的这个实施例的制造过程开始于提供硅衬底110，然后在所述硅衬底110中形成腔体120和围绕腔体120本身的腔体185的水平部分195(参见图1A)。
根据本公开的实施例，腔体120和腔体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)中公开的方法执行的。简而言之，使用具有蜂巢晶格的光刻掩模。然后，使用所述掩模对硅衬底进行沟槽刻蚀，以形成对应的硅柱。在去除光刻掩膜之后，在脱氧环境(例如在具有高浓度氢气的气氛中，优选地使用SiHCl3)中进行外延生长，使得外延层生长在硅柱顶部，捕获气体(H2)存在于其中。然后进行退火步骤，导致硅原子迁移，这些硅原子倾向于将自身布置在较低能量的位置。最终，硅柱的硅原子完全迁移，形成腔体120和腔体185的水平部分195。
直接在腔体120之上的硅衬底110的部分形成薄膜元件125。
如图4B所示，根据本公开的该实施例的制造过程的下一阶段包括在前操作表面112上沉积氧化物层401，例如通过低压化学气相沉积(LPCVD，使用原硅酸四乙基作为前体)。
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：
-在氧化层401上沉积USG层402；
-在USG层402上沉积包括在两个导电层(例如TiW层和铂层)之间的压电材料层(例如包括氮化铝)的堆叠，并且图案化所述堆叠，以通过获得层155、160、162(参见图1A)而在腔体120之上形成压电元件150(1)和150(2)；
-利用包括USG的第一钝化层覆盖压电元件150(1)和150(2)，并且图案化所述钝化层以获得第一钝化层170，以及
-沉积包括氮化硅的第二钝化层412。
如图4D所示，根据本公开的该实施例的制造过程的下一阶段提供使用合适限定的光刻掩模410选择性地去除第二钝化层412、USG层402和氧化物层401，以获得第二钝化层172、USG层162和绝缘材料层168(参见图1C)。
如图4E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腔体185的水平部分195之上的硅衬底110的前操作表面112中打开沟槽直到到达所述水平部分195，以便形成腔体185的竖直部分198(见图1A)。根据本公开的实施例，该阶段通过使用合适限定的光刻掩模430执行选择性干法硅蚀刻来进行。
如图4F所示，根据本公开的该实施例的制造过程的下一阶段提供去除光刻掩模420和430，然后沉积层叠干聚合物膜440，覆盖腔体185的水平部分195以及其他部分。
如图4G所示，根据本公开的该实施例的制造过程的以下阶段提供选择性地去除沉积层叠干聚合物膜440，以获得在腔体185之上的聚合物构件190(然后获得图1A的PMUT器件100)。
图5A示出了根据本公开的另一个实施例的用附图标记100'标识的PMUT器件100的不同版本。与PMUT器件100的元件相对应的PMUT器件100'的元件将使用与图1A中使用的相同的附图标记添加了一撇(’)来标识，并且为了简洁起见将省略它们的描述。与图1A的PMUT器件100相比，并且使用参照图4A至图4G描述的制造过程制造，通过使用绝缘体上硅(SOI)衬底110'作为起始衬底形成腔体120'和腔体185'来制造PMUT器件100'，绝缘体上硅(SOI)衬底110'包括(从顶部开始，然后沿着方向X向底部行进)有源层(器件层)、掩埋氧化物层(盒层)和支撑层(处理层)。根据本公开的该实施例，腔体120'和腔体185'通过选择性地去除在图5A中用附图标记510标识的盒层的部分来实现。
图5B示出了根据本公开的另一个实施例的用附图标记100”标识的PMUT器件100的不同版本。与PMUT器件100的元件相对应的PMUT器件100”的元件将使用图1A中使用的相同附图标记添加了两撇来标识，并且为了简洁起见将省略它们的描述。与图1A的PMUT器件100相比，并且使用参照图4A至4G描述的制造过程制造，通过使用沉积在硅衬底110”上的多孔多晶硅520形成腔体120”和185”以及薄膜来制造PMUT器件100”。根据本公开的实施例，使用LPCVD工艺以600℃处从550mtorr的纯硅烷源气体沉积多孔多晶硅520。由于其多孔性，多孔多晶硅520可渗透以HF蚀刻。
虽然在前面的图中参考了PMUT器件，该器件包括位于薄膜元件的顶部表面上的两个压电构件，并且因此其中薄膜元件包括两个薄膜部分，但本公开的概念直接适用于以下情况：提供了更多数目的压电构件以及因此提供了更多数目薄膜部分。
例如，在图6A所示的示例中，提供了三个薄膜部分MP(1)、MP(2)、MP(3)，对应于三个相应的压电构件150(1)、150(2)、150(3)，而在图6B所示的示例中，提供了四个薄膜部分MP(1)、MP(2)、MP(3)、MP(4)，对应于四个相应的压电构件150(1)、150(2)、150(3)、150(4)。
图7以简化框图的形式图示了包括根据上述公开内容的实施例的PMUT器件100、100'或100”中的至少一个的电子系统700(或其一部分)。
根据本公开的实施例，电子系统700适于用于例如个人数字助理、计算机、平板计算机和智能电话等电子设备中。
根据本公开的实施例，除了PMUT器件100、100'或100”之外，电子系统700还可以包括控制器705，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，除了PMUT器件100、100'或100”之外，电子系统700可以包括输入/输出器件710(例如键盘，和/或触摸屏和/或视觉显示器)，以用于生成/接收消息/命令/数据，和/或用于接收/发送数字和/或模拟信号。
根据本公开的实施例，除了PMUT器件100、100'或100”之外，电子系统700可以包括用于与无线通信网络(未示出)，例如通过射频信号，交换消息的无线接口715。无线接口715的示例可以包括天线和无线收发器。
根据本公开的实施例，除了PMUT器件100、100'或100”之外，电子系统700还可以包括存储器件720，例如易失性和/或非易失性存储器器件。
根据本公开的实施例，除了PMUT器件100、100'或100”之外，电子系统700可以包括用于向电子系统供电的供电器件，例如电池725。
根据本公开的实施例，电子系统700可以包括一个或多个通信信道(总线)730，用于允许PMUT器件100、100'或100”与控制器705，和/或输入/输出器件710，和/或无线接口715，和/或存储器件720，和/或电池725(当它们存在时)之间的数据交换。
自然地，为了满足本地和特定的需求，本领域技术人员可以对上述解决方案进行许多逻辑和/或物理修改和变更。更具体地，虽然本公开已经结合其优选实施例对一定程度的特性进行了描述，但是应当理解，形式上和细节上的各种省略、替换和变化以及其他实施例都是可能的。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具体细节的情况下实践，以提供对本公开的更透彻的理解；相反，众所周知的特征可能已被省略或简化，以免不必要的细节妨碍描述。此外，明确表示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器件可以概括为包括：薄膜元件，垂直于第一方向延伸并且适于通过关于平衡位置振荡来生成和接收超声波；至少两个压电元件，每个压电元件沿所述第一方向位于所述薄膜元件之上并且被配置为：当电信号被施加到压电元件时引起薄膜元件振荡，以及响应于薄膜元件的振荡而生成电信号。薄膜元件沿垂直于第一方向的平面具有叶瓣形状，所述叶瓣形状包括至少两个叶瓣；并且对于每个压电构件，薄膜元件包括对应的薄膜部分，该对应的薄膜部分包括对应的叶瓣，每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上。
每个薄膜部分具有与其他薄膜部分相同的形状但不同的尺寸。
每个薄膜部分可以是薄膜元件的最大部分，该薄膜元件的最大部分具有围绕与其同轴的对应压电构件的所述形状。
该形状可以是在以下项中选择的形状：基本上圆形；基本上正方形，基本上矩形；基本上三角形；基本上六边形；或基本上八边形。
PMUT器件还可以包括：阻尼器，被配置为减少薄膜元件的自由振荡，阻尼器包括：阻尼器腔，围绕薄膜元件；聚合物构件，至少一部分沿所述第一方向位于所述阻尼器腔之上。
聚合物构件可包括聚合物材料，所述聚合物材料具有：具有在从0.3到3kPa*s的范围内的值的粘度，和/或具有在从0.5到2GPa的范围内的值的杨氏模量。
阻尼器腔可以沿着基本垂直于所述第一方向的平面环绕薄膜元件。
PMUT器件还可以包括半导体衬底，所述阻尼器腔至少部分地形成在所述半导体衬底中。
PMUT器件还可包括沿所述第一方向在所述薄膜元件之下的中心腔，所述阻尼器腔垂直于所述第一方向围绕中心腔。
薄膜元件可以包括单晶硅或多晶硅。
电子系统可以概括为包括一个或多个如上所述的PMUT器件。
一种用于制造PMUT器件的方法可以概括为包括以下阶段：形成垂直于第一方向延伸的薄膜元件；沿着第一方向在所述薄膜元件之上形成至少两个压电元件，其中：所述薄膜元件沿着垂直于所述第一方向的平面具有叶瓣形状，所述叶瓣形状包括至少两个叶瓣，对于每个压电构件，薄膜元件包括对应的薄膜部分，对应的薄膜部分包括对应的叶瓣，每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上。
该方法还可以包括：形成阻尼器，所述形成阻尼器包括：形成围绕薄膜元件的阻尼器腔，以及形成聚合物构件，聚合物构件的至少一部分沿第一方向位于阻尼器腔之上。
可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般而言，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于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为对包括所有可能的实施例以及其等效物的全部范围都是是有权利的。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种压电式微机械超声换能器PMUT器件，包括：
薄膜元件，垂直于第一方向延伸并且被配置为通过关于平衡位置振荡来生成和接收超声波；
至少两个压电元件，所述至少两个压电元件中的每个压电元件沿着所述第一方向位于所述薄膜元件之上并且被配置为：
当电信号被施加到所述压电元件时引起所述薄膜元件振荡，以及
响应于所述薄膜元件的振荡而生成电信号，
其中：
所述薄膜元件沿垂直于所述第一方向的平面具有叶瓣形状，所述叶瓣形状包括至少两个叶瓣；以及
对于每个压电构件，所述薄膜元件包括对应的薄膜部分，所述对应的薄膜部分包括对应的叶瓣，每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上。
2.根据权利要求1所述的PMUT器件，其中每个薄膜部分具有与其他薄膜部分相同的形状但不同的尺寸。
3.根据权利要求2所述的PMUT器件，其中每个薄膜部分是所述薄膜元件的最大部分，所述薄膜元件的最大部分具有围绕与其同轴的对应压电构件的形状。
4.根据权利要求2所述的PMUT器件，其中所述形状是在以下项中选择的形状：
基本上圆形；
基本上正方形；
基本上矩形；
基本上三角形；
基本上六边形；或者
基本上八边形。
5.根据权利要求1所述的PMUT器件，还包括：
阻尼器，被配置为减少所述薄膜元件的自由振荡，所述阻尼器包括：
阻尼器腔，围绕所述薄膜元件；
聚合物构件，其具有的至少一部分沿所述第一方向位于所述阻尼器腔之上。
6.根据权利要求5所述的PMUT器件，其中所述聚合物构件包括聚合物材料，所述聚合物材料具有以下至少一项：
具有在从0.3至3kPa*s的范围内的值的粘度，或者
具有在从0.5至2GPa的范围内的值的杨氏模量。
7.根据权利要求5所述的PMUT器件，其中所述阻尼器腔沿着基本上垂直于所述第一方向的平面环绕所述薄膜元件。
8.根据权利要求5所述的PMUT器件，还包括半导体衬底，所述阻尼器腔至少部分地形成在所述半导体衬底中。
9.根据权利要求5所述的PMUT器件，还包括沿着所述第一方向在所述薄膜元件之下的中心腔，所述阻尼器腔垂直于所述第一方向围绕所述中心腔。
10.根据权利要求1所述的PMUT器件，其中所述薄膜元件包括单晶硅或多晶硅。
11.一种电子系统，包括：
压电式微机械超声换能器PMUT器件，包括：
薄膜元件，垂直于第一方向延伸并且被配置为通过关于平衡位置振荡来生成和接收超声波；
至少两个压电元件，所述至少两个压电元件中的每个压电元件沿着所述第一方向位于所述薄膜元件之上并且被配置为：
当电信号被施加到所述压电元件时引起所述薄膜元件振荡，以及
响应于所述薄膜元件的振荡而生成电信号，其中：
所述薄膜元件沿垂直于所述第一方向的平面具有叶瓣形状，所述叶瓣形状包括至少两个叶瓣；以及
对于每个压电构件，所述薄膜元件包括对应的薄膜部分，所述对应的薄膜部分包括对应的叶瓣，每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上；以及
控制器，耦合到PMUT器件。
12.根据权利要求11所述的电子系统，还包括耦合到所述PMUT器件和所述控制器的输入/输出器件。
13.根据权利要求11所述的电子系统，还包括耦合到所述PMUT器件和所述控制器的无线接口。
14.根据权利要求11所述的电子系统，还包括耦合到所述PMUT器件和所述控制器的存储器器件。
15.根据权利要求11所述的电子系统，其中每个薄膜部分具有与其他薄膜部分相同的形状但不同的尺寸。
16.根据权利要求15所述的电子系统，其中每个薄膜部分是所述薄膜元件的最大部分，所述薄膜元件的最大部分具有围绕与其同轴的对应压电构件的形状。
17.一种用于制造PMUT器件的方法，包括：
形成垂直于第一方向延伸的薄膜元件；
在所述薄膜元件之上沿所述第一方向形成至少两个压电元件，其中：
所述薄膜元件沿垂直于所述第一方向的平面具有叶瓣形状，所述叶瓣形状包括至少两个叶瓣；对于每个压电构件，所述薄膜元件包括对应的薄膜部分，所述对应的薄膜部分包括对应的叶瓣，每个压电构件位于其对应的薄膜部分之上。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
形成阻尼器，所述形成阻尼器包括：
形成围绕所述薄膜元件的阻尼器腔，以及
形成聚合物构件，所述聚合物构件具有的至少一部分沿所述第一方向位于所述阻尼器腔之上。
19.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述阻尼器腔包括形成沿着基本垂直于所述第一方向的平面环绕所述薄膜元件的所述阻尼器腔。
20.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述阻尼器腔包括形成至少部分地在半导体衬底中的所述阻尼器腔。
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