CN116140172A - 具有改进的膜振荡阻尼的mems超声换能器器件及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及去除所述半导体本体的从所述第二表面向所述第二腔室的一个或多个相应的选择性部分。一种MEMS超声换能器MUT器件，包括具有第一主表面和第二主表面的半导体本体并且包括：第一腔室，其在距所述第一主表面一定距离处延伸到所述半导体本体中；由所述半导体本体在所述第一主表面和所述第一腔室之间形成的膜；膜上的压电元件；在所述第一腔室和所述第二主表面之间延伸到所述半导体本体中的第二腔室；中心流体通道，所述中心流体通道从所述第二主表面到所述第一腔室延伸到所述半导体本体中并且横穿所述第二腔室；以及一个或多个横向流体通道，所述一个或多个横向流体通道从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中到达所述第二腔室。
Description
技术领域
本公开涉及至少一种MEMS超声换能器(MUT)器件及其制造工艺，该MEMS超声换能器器件具有对其膜的振荡的改进的阻尼。特别地，本公开涉及形成在半导体本体中并包括一个或多个MUT元件的至少一个MUT器件，每个MUT元件具有面对半导体本体的表面的流体再循环路径，该表面相对于半导体本体与一个或多个MUT元件的一个或多个相应振动膜相对。
背景技术
众所周知，接近传感器包括飞行时间传感器。特别地，飞行时间传感器可以是例如使用MEMS(“微机电系统”)技术制造的超声换能器。
在使用中，超声换能器浸没在流体(通常具有低密度，例如空气)中，并被控制以产生和检测超声波(例如，具有包括在20kHz和500MHz之间的频率，例如等于2或3MHz)。详细地，如图1中示例性地所示，超声换能器T产生超声波(或发射波，在图1中用附图标记We表示)，在存在沿声波传播方向布置的物体O的情况下，该超声波被反射，形成可通过同一超声换能器T检测的超声回波(或反射波，在图1中用附图标记Wr表示)；发射波We的发射和反射波Wr的接收之间的时间距离表示超声换能器T和探测对象O之间的相对距离D。结果，通过测量飞行时间，可以具有关于要检测的对象O的信息。更详细地，超声换能器T包括膜，该膜例如压电地或电容地可控振荡，以便产生发射波We。该膜还被配置为当反射波Wr撞击在超声换能器T上时振荡；因此，这允许例如压电地或电容地检测反射波Wr。
图2示出了作为时间的函数的超声换能器T的膜相对于膜的静止位置(即，对应于当膜不振荡时且因此当超声换能器T既不发射也不检测时膜所呈现的位置)的位移(在图2中用附图标记Xm表示)。如可以注意到的，图2的曲线图示出了第一波形Xm,e和第二波形Xm,r，第一波形Xm,e表示产生发射波We的发射的膜的位移，第二波形Xm,r表示通过彼此连续地接收反射波Wr而产生的膜的位移。第一波形Xm,e具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有沿着振铃间隔Tup的振荡趋势，其中第一波形Xm,e的相应峰值具有作为时间的函数而增大的最大幅值，所述第二部分与第一部分连续并且具有沿着振铃间隔Tdown的振荡趋势，其中第一波形Xm,e的相应峰值具有作为时间的函数而减小的最大幅值(例如，以指数方式)。振铃间隔Tup对应于使膜以发射波We的期望发射频率振荡所需的时间间隔，而振铃间隔Tdown对应于中断膜振荡所需的时间间隔(例如，当膜振荡具有小于最大阈值幅度的最大幅度时，例如可与测量噪声相比，振铃间隔Tdown结束)。第二波形Xm,r代之以具有沿着回波间隔Techo的振荡趋势，其中第二波形Xm,r的相应峰值具有作为时间函数的第一最大幅值增加然后减小。通常，在发射波We的发射和反射波Wr的接收之间(换句话说，在振铃间隔Tdown的结束和回波间隔Techo的开始之间)存在盲区间隔Tblind，在超声换能器T的正确操作期间，该盲区间隔Tblind不为零。详细地，振铃间隔Tup，振铃间隔Tdown和盲区间隔Tblind的和定义了超声换能器T的飞行时间TTOF。结果，盲区间隔Tblind与物体O相对于超声换能器T的相对距离D相关。
然而，当相对距离D小于阈值相对距离时，发射波We和反射波Wr最终部分重叠(即，盲区间隔Tblind为零)，使得难以将反射波Wr与发射波We区分开，因此使得测量相对距离D变得复杂或不可能。换句话说，阈值相对距离(也称为盲区)是物体O和超声换能器T之间的最小可检测相对距离D，而没有由于发射波We和反射波Wr的叠加而造成的任何信息损失。
已知的超声换能器T在设计期间被优化为具有高品质因数(例如，大于150)，以便减少它们在操作期间的能量损失。然而，膜振荡的能谱的较小带宽和该振荡的较低阻尼对应于增加的品质因数。换言之，较大的振铃间隔Tdown对应于较大的品质因数，因此盲区间隔Tblind减小。由于盲区间隔Tblind减小，发射波We和反射波Wr重叠的风险以及因此不能检测相对距离D的风险增加。结果，当品质因数增加时，最小可检测阈值相对距离增加。这主要是由于超声换能器T通常浸没在低密度传播介质(例如介质(例如，空气)中操作，这不允许对膜振荡的有效阻尼，尤其是在膜的典型工作振荡频率(例如，约2MHz)下，并且因此具有以下事实：已知的超声换能器T不能检测与其太接近的物体O。
增加膜振荡的阻尼的已知解决方案包括使用无源阻尼器(例如，布置在膜上的合适聚合物材料层)或有源阻尼器(例如，在引起膜振荡的有源脉冲之后向膜提供反相激励)或算法来检测由反射波Wr引起的第一波形Xm,e的第二部分的包络的衰减变化，以便补偿其影响。然而，这些解决方案具有许多关键点，例如识别合适的阻尼器，即使当具有浸入其中的超声换能器T的流体的环境条件变化时，其也允许超声换能器T的阻抗和流体的功率耗散之间的正确耦合，或超声换能器T的阻抗和流体的功率耗散之间的耦合问题，或对第二波形Xm,r的形状和待检测的对象O的过度依赖。
发明内容
本发明提供了至少一种MEMS超声换能器器件及其制造工艺，其克服了现有技术的缺点。
例如，在本公开的至少一个实施例中，一种MEMS超声换能器器件包括：一种半导体材料的半导体本体，其具有第一主表面和第二主表面并集成第一MUT元件，所述第一MUT元件包括：第一腔室，其在距所述第一主表面一定距离处延伸到所述半导体本体中；由所述半导体本体在所述第一主表面和所述第一腔室之间形成的膜；压电元件，其在所述膜上方在所述半导体本体的所述第一主表面上延伸；在所述第一腔室和所述第二主表面之间延伸到所述半导体本体中的第二腔室；中心流体通道，所述中心流体通道从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中到达所述第一腔室并且横穿所述第二腔室；以及一个或多个横向流体通道，所述一个或多个横向流体通道从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中，其中所述一个或多个横向流体通道，所述中心流体通道和所述第二腔室限定流体再循环路径，所述流体再循环路径将所述第一腔室与所述半导体本体的外部流体连接。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在参照附图仅通过非限制性示例描述优选实施例，其中：
图1示意性地示出了产生发射波并接收反射波以检测物体距离的超声换能器；
图2是示出了作为时间的函数的图1的超声换能器的膜关于自身静止位置的位移的曲线图，其指示发射波和反射波；
图3是本超声换能器器件的实施例的顶视图；
图4示出了图3的超声换能器器件的一部分的横截面，其涉及并排布置的多个致动器元件；
图5示出了图3的超声换能器器件的一部分的放大横截面，其涉及单个致动器元件；
图6A和6B分别是图5的致动器元件的放大顶视图和底视图；
图7是图5的致动器元件的一部分的放大的截面；
图8A－8H示出了图5的致动器元件在制造过程的实施例的后续制造步骤中的截面；
图9A－9F示出了图5的致动器元件在制造过程的不同实施例的后续制造步骤中的截面；
图10是示出图3的超声换能器器件的带宽作为其一些物理量的函数的趋势的曲线图；以及
图11是本超声换能器器件的不同实施例的顶视图。
具体实施方式
图3示意性地示出了使用MEMS技术制造的超声换能器器件1，因此在下文中也称为MUT(“微机械超声换能器”)器件。例如，MUT器件1被集成到管芯2中。
MUT器件1包括一个或多个MEMS超声换能器元件(或MUT元件)5。在图1所示的示例性实施例中，MUT器件1包括相互并排布置的多个MUT元件5，例如在行和列上对齐。在图1的实施例中，MUT元件5具有圆形形状(也参见图6)。
每个MUT元件5通过示意性示出的电连接6和焊盘7独立地连接到控制单元8，控制单元8通常形成在不同的管芯9中，例如形成为ASIC(专用集成电路)。可替换地，MUT元件5可以连接到组，其中组的MUT元件5被单独控制并且组是可单独控制的，以减少数量并简化电连接。
参考图4，管芯2包括具有第一和第二主面3A，3B并形成多个MUT元件5的半导体材料(例如硅，例如单片)的半导体本体3。
每个MUT元件5包括中心流体通道13和一个或多个横向流体通道10。对于每个MUT元件5，中心流体通道10和一个或多个横向流体通道10分别通过中心开口11和一个或多个横向开口12(每个横向流体通道10一个)在第二主表面3B上开口。任选地，横向开口12可以连接到未示出的外部流体回路，例如以允许吸入容纳在罐中的液体或气体，或直接与外部环境连通，例如用于从环境中吸入空气；类似地，根据预期的应用，中心开口11可以连接到未示出的外部流体回路或连接到外部。
如图5中详细示出的，每个MUT元件5还包括设置在半导体本体3的第一主面3A附近的第一腔室15，以及在第一腔室15和半导体本体3的第二主面3B之间延伸的第二腔室20。
每个MUT元件5还包括在横向开口12和第二腔室20之间延伸的横向沟槽21(每个横向开口12对应一个)，以及穿过第二腔室20在第一腔室15和中心开口11之间延伸的中心沟槽22。在每个MUT元件5包括单个横向沟槽21的情况下，中心沟槽22和横向沟槽21彼此以一定距离并排布置；另外，在每个MUT元件5包括两个或多个横向沟槽21的情况下，中心沟槽22插入在横向沟槽21之间(特别地，在底视图中，中心沟槽22相对于横向沟槽21位于中心，其围绕中心沟槽22布置，即，它们相对于中心沟槽22位于径向外部)。
每个横向沟槽21限定相应的横向流体通道10，并且中心沟槽22限定中心流体通道13。
横向沟槽21，中心沟槽22和第二腔室20限定流体再循环路径(未示出)，该流体再循环路径将第一腔室15与MUT器件1的外部流体连接。流体再循环路径构造成允许存在于第一腔室15中的流体或气体再循环，如下面更好地描述的。
半导体本体3腔15和管芯2的第一主表面3A之间的半导体本体3的部分形成相应的膜18，并且在每个膜18上，在第一主表面3A上方布置相应的压电元件19。
第一腔室和第二腔室15，20(这里示例性地具有圆形形状)具有沿中心轴线25彼此对准的中心。因此，膜18与腔室15，20同心，并且在所考虑的示例中，其也具有圆形形状。根据图6A和6B中所示的实施例，第一腔室15具有大于第二腔室20的面积(在图6A中的俯视图中，或在图6B中的仰视图中)，使得其外围区域中的一者(此处为圆形环形状)相对于第二腔室20横向地突出。尽管如此并且以未示出的方式，第一腔室15也可以具有小于或等于第二腔室20的面积。
横向沟槽21在横向开口12和第二腔室20之间垂直延伸(垂直于半导体本体3的第一和第二主面3A，3B)。在图6B所示的实施例中，对于每个MUT元件5，横向开口12是四个，并具有弯曲形状，具有圆形冠状扇形，在圆周上彼此对齐。这里，横向沟槽21具有与横向开口12相同的形状和面积，并且具有比第二腔室20小的内径，使得第二腔室20以一定距离围绕它们。
这里，每个MUT元件5的中心沟槽22具有与相应的MUT元件5的中心轴线25平行且同心的圆柱形形状，具有与相应的中心开口11相同的面积(在仰视图中)，并且横穿第二腔室20以到达第一腔室15。
压电元件19可以具有图7的截面中所示的结构。
详细地，压电元件19形成在绝缘层181上，例如通过热生长氧化硅层和介电层的叠加形成，如下面参照图8A－8H详细讨论的，并且压电元件19覆盖半导体本体3的整个第一主面3A。在绝缘层181上方延伸有叠层182，该叠层182包括：底部电极183，由导电材料制成，例如钛(Ti)或铂(Pt)；薄膜压电区域191；以及顶部电极184，例如TiW。底部电极183与第一接触线188电接触(例如，其形成在同一层中并通过已知的光刻步骤图案化)。例如通过CVD(化学气相沉积)沉积的氧化硅和氮化硅的第一和第二介电层185，186在叠层182上延伸。导电材料(例如铝和/或铜)的第二接触线189在介电层185，186上方延伸并延伸到其开口187中，以电接触顶部电极184。可选地，例如通过CVD沉积的氧化硅和/或氮化硅的钝化层190覆盖管芯2的整个顶表面，除了电连接开口(焊盘7上方)。在实践中，接触线188，189形成图3的电连接6并且允许：为了通过MUT元件5产生发射波We，将电极183，184中的一个(例如，所有致动器元件5的底部电极183)电连接到参考电位，典型地连接到地，并且将电极183，184中的另一个(例如，顶部电极184)偏置到交流激励电压；或者，为了检测反射波Wr，在电极183和184之间获得由反射波Wr在膜18上的冲击引起的检测电位差。
MUT器件1的操作类似于已知器件(例如，图1的超声换能器T)。特别地，在使用中，MUT器件1被传播介质(诸如液体或气体的流体，特别是空气)包围，其中由MUT器件1产生或检测的声波(详细地，超声波)传播。
当MUT元件5以自己的传输模式操作时(即，它们作为致动器工作)，通过压电元件19使膜18振动，并且膜18的振动引起声波传播介质中的产生和传播。具体地，在电极183和184上施加交流激励电压(例如，在包括在约20kHz与约100MHz之间的频率下并且具有等于约40V的电压)。在电极183和184之间施加交流激励电压导致薄膜压电区域191的收缩和膨胀以及随之而来的薄膜18在垂直方向上的偏转，交替地远离和朝向腔室15和20移动，导致腔室15和20的体积相应地增加和减小。这些体积变化使得存在于第一腔室15中的传播介质(下文中称为空气)气动移动，并相对于MUT器件1的外部环境进行再循环。实际上，这种体积变化允许第一腔室15的(相对于彼此交替连续地)部分耗尽步骤和填充步骤。第一腔室15的每个部分耗尽步骤包括朝向第二腔室20并通过中心沟槽22抽吸存在于第一腔室15中的空气，并随后通过中心沟槽22和横向沟槽21将其排出到外部环境中。相反，第一腔室15的每个部分填充步骤包括通过中心沟槽22和横向沟槽21并朝向第二腔室20抽吸存在于外部环境中的空气，并随后通过中心沟槽22将其引入第一腔室15中。
当MUT元件5以自己的接收模式操作时(即，它们作为传感器工作)，来自传播介质的声波(即，反射波Wr)撞击膜18并引起其振动。每个膜18的这种引起的振动引起第一空腔15中的空气再循环(类似于先前描述的)和压电元件19中的应力，压电元件19中的应力又产生电极183和184之间的检测电位差，指示由冲击声波引起的膜18的振动。
接收模式和传输模式彼此交替：因此，MUT器件1可以只在接收中，只在发射中，或在接收和发射中，但在彼此交替的时间周期中工作。
根据一个实施例，MUT器件1可以被提供为，如下文参照图8A－8H所述，示例性地示出单个MUT元件5的制造(MUT器件1的其它MUT元件5以未示出的方式同时制造，横向并排布置)。
首先，图8A，每个MUT元件5的第二腔室20形成在半导体材料例如单晶硅的晶片100中。例如，在欧洲专利EP1577656(对应于专利US8173513)中描述并在下面简要概述的制造工艺可以用于该目的。
详细地，在晶片100上方，形成具有蜂窝栅格开口的抗蚀剂掩模101。使用掩模101，执行晶片100的各向异性蚀刻，以便形成多个沟槽102，其具有例如15μm的深度，彼此连通并界定多个硅柱103。
随后，图8B，去除掩模101并在还原环境中执行外延生长。结果，例如N型且厚度为30μm的外延层在柱103上方生长，从而向上封闭沟槽102。
然后进行退火步骤，例如在1190℃下进行30分钟，优选在氢气或可选地氮气气氛中进行。
如在前述专利中所讨论的，退火步骤引起硅原子的迁移，其倾向于移动到较低能量位置。结果，同样由于柱103之间的紧密距离，这些柱的硅原子完全迁移并形成第二腔室20。在第二腔室20上方保留硅层，部分由外延生长的硅原子形成，部分由迁移的硅原子形成，并形成单晶硅的封闭层105。
然后，在图8C中，从封闭层105进行另一外延生长，厚度为几十微米，例如等于50μm。以这种方式，晶片100包括覆盖第二腔室20的单晶硅的第一厚区108。
随后，在图8D中，例如通过重复在欧洲专利EP1577656中描述的和先前参考图8A和8B描述的制造工艺，在第一厚区域108中形成第一腔室15。以这种方式，晶片100具有对应于半导体本体3的第一和第二主面3A，3B的第一和第二表面，并且在第二腔室20上方容纳第一腔室15和膜18。
然后，在图8E中，使用未示出的掩模层，形成孔115，每个第一腔室15一个孔，每个孔从晶片100的第一表面3A延伸到相应的第一腔室15。具有例如2μm的直径的孔115优选地形成在相应膜18的外边缘附近，以便不改变其弹性特征。
然后，在图8F中，进行热氧化，形成厚度例如为1μm的氧化物层。具体地，在每个第一腔室15的侧面上形成涂覆氧化物部分116A，在晶片100的面3A和3B上分别形成第一和第二表面氧化物部分116B和116C，并且在每个孔115内形成封闭氧化物部分116D。然后，第一腔室15被涂覆氧化物部分116A完全覆盖，并且孔115被封闭氧化物部分116D封闭。
随后，图8G，在第一表面氧化物部分116B上，沉积例如TEOS(tetraethylorthosilicate)的介电材料层117，其与第一表面部分116B一起形成图7的绝缘层181。介电材料层117可以具有例如1μm的厚度。
然后，在介电材料层117上形成压电元件19。例如，参考图7，首先使用已知的沉积和掩模技术形成电极183和第一接触线188。然后，连续地沉积薄膜压电层(例如，PZT－Pb，Zr，TiO3)和电极层，其由已知的掩模和限定技术限定，以便形成薄膜压电区域191和顶部电极184。然后，沉积并限定第一和第二介电层186，186，从而形成开口187；形成第二接触线189并沉积和限定钝化层190，钝化层190因此在焊盘(未示出)上开口。
然后，在图8H中，从背面通过第二表面氧化物部分116C穿过第二表面氧化物部分116C直到到达第二腔室20来执行硅的第一深度蚀刻，从而形成横向沟槽22和横向开口11。此外，该蚀刻还形成中心沟槽22(直到到达第二腔室20)和中心开口12的一部分。在该步骤中，涂覆氧化物部分116A用作蚀刻停止层。
此外，在图8H中，从背面穿过中心开口22直到到达第一腔室15(即，穿过涂覆氧化物部分116A)来执行硅的第二深度蚀刻，结束中心沟槽22的形成并使其与第一腔室15流体连通。
在执行包括打开触点和切割晶片100的最终制造步骤之后，获得图3－6B的MUT器件1。
根据图9A－9F所示的另一实施例，通过使用多孔硅和牺牲区来提供MUT器件1。
详细地，参考图9A，晶片200包括半导体材料(此处为硅，例如单晶)的衬底201，以及热生长或沉积在衬底201上(例如，在衬底201的第一表面201A上)的第一牺牲区204。第一牺牲区204用于形成第二空腔20，并且可以是例如氧化硅，BPSG(硼磷硅玻璃)或氮化硅。
在图9B中，多孔硅的第一结构层210沉积在衬底201的第一表面201A上并覆盖第一牺牲区204。例如，第一结构层210可以通过LPCVD(“低压化学气相沉积”)工艺由纯硅烷气体以550mtorr的压力在600℃处沉积。第一结构层210可以例如具有包括在100和150nm之间的厚度。
以本领域技术人员已知的方式，第一结构层210的多孔硅通过微孔的存在来识别，所述微孔使其可渗透液体，特别是诸如HF(氢氟酸)的蚀刻剂。
此外，参考图9B，例如通过热生长在第一结构层210中形成第二牺牲区204。第二牺牲区205与第一牺牲区204接触，用于形成包括在第一和第二空腔15，20之间的中心沟槽22的部分，并且可以是例如氧化硅，BPSG(硼磷硅玻璃)或氮化硅。
然后，图9C，在第一结构层210和第二牺牲区205上沉积多孔硅的第二结构层211。此外，例如通过热生长在第二结构层211中形成第三牺牲区204。第三牺牲区206与第二牺牲区205接触，在第二牺牲区205上和第二牺牲区204上延伸，用于形成第一空腔15，并且可以是例如氧化硅，BPSG或氮化硅。第一，第二和第三牺牲区204，205，206一起形成氧化硅，BPSG或氮化硅的牺牲区207。
在图9D中，多孔硅的第三结构层212沉积在第二结构层211和第三牺牲区206上。叠加在第三牺牲区206上的第三结构层212的部分用于形成膜18。第一，第二和第三结构层210，211和212一起形成多孔硅的结构区域202。结构区域202与衬底201一起形成半导体本体3(其中第一主表面3A在结构区域202处并且第二主表面3B在衬底201处)。
此外，图9D，压电元件19形成在第二结构层212上，类似于先前参考图8G所描述的。
接着，图9E，执行从第二主表面3B直到到达牺牲区域207的硅的第一深蚀刻，从而形成横向沟槽22和横向开口11。此外，该蚀刻还形成中心沟槽22(直到到达第二腔室20的位置)和中心开口12的一部分。
在图9F中，执行第二蚀刻(化学蚀刻，例如通过HF)以例如从第一主表面3A并通过结构区域202去除牺牲区域207。由于这种类型的蚀刻允许去除氧化硅(即牺牲区207的去除)，但不去除硅，在蚀刻结束时，在晶片200中形成第一和第二空腔15和20以及包含在它们之间的中心沟槽22的部分，从而获得MUT器件1。
从对根据本公开内容作出的本公开内容的特征的考察，其提供的优点是明显的。
特别地，由于每个MUT元件5的第二腔室20和沟槽21和22，MUT器件1允许存在于第一空腔15中的空气再循环。已经证实，这增加了膜18的振荡的阻尼，从而减小了振铃间隔Tdown。这降低了发射波We和反射波Wr之间的重叠概率，并改善了待检测物体和MUT器件1之间的最小可检测相对距离。详细地，这是由于空气再循环在膜18的振荡中产生能量损失并避免由于膜18的振荡而加热存在于第一腔室15中的空气，膜18的振荡周期性地压缩第一腔室15的体积。由于膜18的环降(ring-down)振荡是第一空腔15中的空气温度的函数，因此防止第一空腔15中的温度升高避免了膜18的振荡的放大，从而提高了MUT器件1的测量精度。换句话说，膜18的振荡的能量谱的带宽增加，并且例如可以超过35％(与已知的超声换能器不同，在已知的超声换能器中其通常小于5％)。
此外，每个MUT元件5的结构专门设计成提高其频率响应。特别地，尽管第一腔室15中的空气再循环可能在膜18上存在的声压的频谱中引入寄生峰(即，相对于指示由发射波We和由反射波Wr引起的膜18的振荡的期望峰的附加峰)，但是在半导体本体3的第一主表面3A和面对半导体本体3的第二主表面3B的中心和横向沟槽22，21处具有膜18使这些寄生峰的数量和幅度最小化，并且相对于指示发射波We和反射波Wr的峰增加其频率距离；这防止了这种可能的虚假峰值叠加在指示发射波We和反射波Wr的峰值上，并且因此防止了影响对要检测的对象的距离的测量(如果沟槽21和22的至少一部分面向第一主表面3A，也使膜18面向第一主表面3A，则会发生这种情况)。
MUT元件5的结构允许在不需要使用检测信号的后处理算法的情况下检测待检测对象的距离，并且最小化测量对外部可变因素(例如传播介质的特性)的依赖性(与已知解决方案不同)。
MUT器件1具有小的外部尺寸和高的灵活性和通用性。
例如，利用所描述的解决方案，可以形成具有边S＝20mm的管芯2，其包括1600(40×40)个MUT元件5，每个MUT元件5具有460μm的直径K(第二腔室20的尺寸，参见图3)以40μm的距离L布置。管芯2的厚度(半导体本体3的厚度)可以在200和710μm之间。
此外，在每个MUT元件5中，第一腔室15可具有350μm的直径和3.5μm的厚度，第二腔室20可具有460μm的直径和3μm的厚度，第一腔室15和第二腔室20之间的距离dcc(图5)可在约3μm和约40μm之间变化，并且膜18可具有例如约6μm的厚度。中心沟槽21可以具有包括在约3μm与约60μm之间的直径dt，并且横向沟槽22具有比中心沟槽21更小的直径并且例如可以具有13μm的直径。薄膜压电区域191可以具有2μm的厚度，并且压电元件19可以具有包括在2.1和3μm之间的总厚度。
特别地，图10示出了作为距离dcc和直径dt的函数的膜18的振荡的能谱的带宽BW(例如，在－3dB处)的依赖性。当距离dcc增大时，带宽BW的最大值增大，并且当直径dt增大时，带宽BW具有增大然后减小的趋势，其中当直径dt增大时，带宽BW的最大值减小得越多。特别地，当直径dt包括在大约10μm和大约35μm之间并且距离dcc包括在大约5μm和大约30μm之间时，带宽BW被最大化。
然而，上述值仅仅是指示性的，并且特别地，根据应用和期望的流量，腔室15，20和沟槽21，22的形状和尺寸可以广泛地变化。
例如，根据不同的实施例(图11)，MUT器件1包括多个四边形的MUT元件5，例如正方形，具有K＝350μm的边(第二腔室20的边)，布置在距离L＝40μm处。压电元件19在此也是方形的。然而，其它形状(例如，椭圆形，六边形，八边形等)和其它尺寸也是可能的。
最后，清楚的是，在不脱离如所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以对本文描述和示出的本公开进行修改和变化。
例如，横向沟槽21和横向开口12的形状以及它们的数量可以变化(例如，每个MUT元件5具有三个或更多个横向开口12，并且具有弯曲形状，具有圆形冠状扇形，周向地彼此对准；或相对于中心开口11彼此相对的两个横向开口12，或甚至仅一个横向开口12)。此外，横向沟槽21可以连接到通向外部的单个供应通道。
一种MEMS超声换能器MUT器件(1)，可以被概括为包括半导体材料的半导体本体(3)，该半导体本体(3)具有第一主表面(3A)和第二主表面(3B)，并且集成第一MUT元件(5)，该第一MUT元件(5)包括在距第一主表面(3A)一定距离处延伸到半导体本体(3)中的第一腔室(15)；膜(18)，其由所述半导体本体(3)在所述第一主表面(3A)和所述第一腔室(15)之间形成；压电元件(19)，其在所述膜(18)上方在所述半导体本体(3)的所述第一主表面(3A)上延伸；第二腔室(20)，在所述第一腔室(15)和所述第二主表面(3B)之间延伸到所述半导体本体(3)中；中心流体通道(22)，从所述第二主表面(3B)延伸到所述半导体本体(3)中，到达所述第一腔室(15)并且横穿所述第二腔室(20)；以及一个或多个横向流体通道(21)，所述一个或多个横向流体通道(21)从所述第二主表面(3B)延伸到所述半导体本体(3)中至所述第二腔室(20)，其中所述一个或多个横向流体通道(21)、所述中心流体通道(22)和所述第二腔室(20)限定流体再循环路径，所述流体再循环路径将所述第一腔室(15)与所述半导体本体(3)的外部流体连接。
流体再循环路径可以被配置为允许传播介质在第一腔室(15)和半导体本体(3)的外部之间再循环，所述再循环由第一腔室和第二腔室(15，20)的体积的交替连续的膨胀和收缩引起，所述膨胀和收缩由膜(18)的振荡产生并且分别将传播介质泵入和泵出第一腔室(15)。
第一腔室(15)和第二腔室(20)可以是同心的并且沿着第一MUT元件(5)的中心轴线(25)对齐，垂直于第一主表面(3A)，其中，中心流体通道(22)可以相对于第一腔室(15)和第二腔室(20)布置在中心，并且可以沿着中心轴线(25)对齐，并且一个或多个横向流体通道(21)可以围绕中心轴线(25)相对于中心流体通道(22)径向地位于外部。
MUT器件可包括围绕中心流体通道(22)布置的多个所述横向流体通道(21)。
横向流体通道(21)可具有平行于第二主表面(3B)的弯曲形状，并在一定距离处横向围绕中心流体通道(22)。
第一腔室和第二腔室(15，20)可以具有圆形形状或具有多边形形状。
压电元件(19)可以包括叠层(182)，叠层(182)包括第一和第二电极(183，184)以及布置在第一和第二电极之间的薄膜压电区域(191)，MUT器件还可以包括多个电连接线(6)，电连接线(6)被成选择性地将第一MUT元件(5)的第一和第二电极(183，184)中的至少一个连接到控制单元(8)。
中心流体通道(22)可以由在第二主表面(3B)中限定中心开口(11)的中心沟槽形成，并且一个或多个横向流体通道(21)可以由一个或多个相应的横向沟槽形成，每个横向沟槽在第二主表面(3B)中限定相应的横向开口(12)。
所述MUT器件还可以包括集成一个或多个第二MUT元件(5)，每个第二MUT元件(5)包括在距所述第一主表面(3A)一定距离处延伸到所述半导体本体(3)中的相应的第一腔室(15)；由所述半导体本体(3)在所述第一主表面(3A)和所述第二MUT元件(5)的所述第一腔室(15)之间形成的相应膜(18)；相应的压电元件(19)，其在所述半导体本体(3)的所述第一主表面(3A)上在所述第二MUT元件(5)的所述膜(18)上方延伸；在所述第二MUT元件(5)的所述第一腔室(15)与所述第二主表面(3B)之间延伸到所述半导体本体(3)中的相应的第二腔室(20)；相应的中心流体通道(22)，所述中心流体通道(22)从所述第二主表面(3B)延伸到所述半导体本体(3)中，到达所述第二MUT元件(5)的所述第一腔室(15)，并且横穿所述第二MUT元件(5)的所述第二腔室(20)；以及一个或多个相应的横向流体通道(21)，其从所述第二主表面(3B)延伸到所述半导体本体(3)中，到达所述第二MUT元件(5)的所述第二腔室(20)，其中，所述一个或多个横向流体通道(21)，所述中心流体通道(22)和所述第二MUT元件(5)的所述第二腔室(20)限定相应的流体再循环路径，所述流体再循环路径将所述第二MUT元件(5)的所述第一腔室(15)与所述半导体本体(3)的外部流体连接。
一种用于制造MEMS超声换能器MUT器件(1)的方法，可概括为包括以下步骤：在具有第一主表面(3A)和第二主表面(3B)的半导体材料的半导体本体(3)中形成第一腔室(15)，所述第一腔室(15)在距所述第一主表面(3A)一定距离处延伸到所述半导体本体(3)中，其中在所述第一主表面(3A)和所述第一腔室(15)之间延伸的所述半导体本体(3)的一部分形成膜(18)；在所述半导体本体(3)中形成在所述第一腔室(15)和所述第二主表面(3B)之间延伸的第二腔室(20)；在半导体本体(3)的第一主表面(3A)上和膜(18)上方形成压电元件(19)；在所述半导体本体(3)中形成中心流体通道(22)，所述中心流体通道(22)从所述第二主表面(3B)延伸到所述第一腔室(15)并且横穿所述第二腔室(20)；以及在所述半导体本体(3)中形成从所述第二主表面(3B)延伸到所述第二腔室(20)的一个或多个横向流体通道(21)，其中所述第一腔室(15)，所述膜(18)，所述压电元件(19)，所述第二腔室(20)，所述中心流体通道(22)和所述一个或多个横向流体通道(21)限定所述MUT器件(1)的第一MUT元件(5)，并且其中所述一个或多个横向流体通道(21)，所述中心流体通道(22)和所述第二腔室(20)限定流体再循环路径，所述流体再循环路径将所述第一腔室(15)与所述半导体本体(3)的外部流体连接。
形成中心流体通道(22)可以包括从第二表面(3B)去除半导体材料晶片(100)的穿过第二腔室(20)到第一腔室(15)的选择性部分，并且形成一个或多个横向流体通道(21)可以包括从第二表面(3B)去除半导体材料晶片(100)的一个或多个相应的选择性部分到第二腔室(20)。
形成第二腔室(20)可包括在半导体材料的衬底(100)中形成由第一柱结构(103)相互分隔的多个第一沟槽(102)；在还原环境中进行外延生长以形成向上封闭第一沟槽(102)的第一半导体材料表面层(105)；进行退火，使第一柱结构(103)的半导体材料原子发生迁移，形成第二腔室(20)，形成第一腔室(15)可以包括进行第二外延生长，形成厚区(108)；在所述厚区域中形成由所述第二柱结构相互分隔的多个第二沟槽；在还原环境中进行第二外延生长以形成向上封闭第二沟槽的第二半导体材料表面层；以及执行退火，使得其引起第二柱结构的半导体材料原子的迁移以及第一腔室(15)和膜(18)的形成。
该工艺可以包括，在形成中心流体通道(22)之前，形成从半导体材料晶片(100)的第一表面(3A)延伸到第一腔室(15)的一个或多个孔(115)，并形成涂覆第一腔室(15)并封闭一个或多个孔(115)的氧化物层(16A)。
形成第一腔室(15)和形成第二腔室(20)可以包括在半导体材料的衬底(201)的第一表面(201A)上形成适于形成第二腔室(20)的第一牺牲区(204)；在所述衬底(201)的所述第一表面(201A)上和在所述第一牺牲区(204)上形成多孔硅的第一结构层(210)和第二牺牲区(205)，所述第二牺牲区(205)叠加在所述第一牺牲区(204)上并与所述第一牺牲区(204)接触，并且适于在所述第一腔室(15)和所述第二腔室(20)之间形成所述中心流体通道(22)的一部分，所述第一结构层(210)横向延伸到所述第二牺牲区(205)；在所述第一结构层(210)和所述第二牺牲区(205)上形成多孔硅的第二结构层(211)和第三牺牲区(206)，所述第三牺牲区(206)叠加在所述第二牺牲区(205)和所述第一结构层(210)的一部分上并与其接触，并且适于形成所述第一空腔(15)，所述第二结构层(211)横向延伸到所述第三牺牲区(206)；在所述第二结构层(211)和所述第三牺牲区(206)上形成适于形成所述膜(18)的多孔硅的第三结构层(212)；以及通过蚀刻穿过第一，第二和第三结构层(210，211，212)去除第一，第二和第三牺牲区域(204，205，206)，分别形成第一腔室(15)，第一腔室(15)和第二腔室(20)之间的中心流体通道(22)的部分，以及第二腔室(20)。
上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。如果需要，可以修改实施例的各方面以采用各种专利，申请和出版物的概念来提供另外的实施例。
根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制到在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求被授权的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
Claims (20)
1.一种器件，包括：
半导体材料的半导体本体，具有第一主表面和第二主表面并且集成第一MUT元件，所述第一MUT元件包括：
第一腔室，在距所述第一主表面一定距离处延伸到所述半导体本体中；
膜，由所述半导体本体在所述第一主表面和所述第一腔室之间形成；
压电元件，在所述膜上方在所述半导体本体的所述第一主表面上延伸；
第二腔室，在所述第一腔室和所述第二主表面之间延伸到所述半导体本体中；
中心流体通道，从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中到达所述第一腔室并且横穿所述第二腔室；以及
一个或多个横向流体通道，从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中到达所述第二腔室，
其中所述一个或多个横向流体通道、所述中心流体通道和所述第二腔室限定流体再循环路径、所述流体再循环路径将所述第一腔室与所述半导体本体的外部流体连接。
2.根据权利要求1所述的器件，被配置为浸没在从所述半导体本体的外部延伸到所述第一腔室的液体或气体传播介质中，
其中所述流体再循环路径被配置为允许所述传播介质在所述第一腔室与所述半导体本体的外部之间再循环，所述再循环是由所述第一腔室和所述第二腔室的体积的交替连续的膨胀和收缩引起的，所述膨胀和收缩是由所述膜的所述振荡产生的并且所述膨胀和收缩将所述传播介质分别泵送到所述第一腔室中以及从所述第一腔室泵送出。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一腔室和所述第二腔室是同心的并且沿着所述第一MUT元件的、与所述第一主表面正交的中心轴线对齐，
其中所述中心流体通道相对于所述第一腔室和所述第二腔室居中地布置并且沿所述中心轴线对齐，并且
其中所述一个或多个横向流体通道围绕所述中心轴线相对于所述中心流体通道径向地位于外部。
4.根据权利要求3所述的器件，包括围绕所述中心流体通道布置的多个所述横向流体通道。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述横向流体通道具有平行于所述第二主表面的弯曲形状，并且在距所述中心流体通道一定距离处横向围绕所述中心流体通道。
6.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一腔室和所述第二腔室具有圆形形状或具有多边形形状。
7.根据权利要求1所述的器件，进一步包括多个电连接线和控制单元，所述多个电连接线被配置为选择性地将所述第一MUT元件的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极耦合到所述控制单元，并且其中所述压电元件包括叠层，所述叠层包括第一电极和第二电极以及布置在所述第一电极与所述第二电极之间的薄膜压电区。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述中心流体通道由中心沟槽形成，所述中心沟槽在所述第二主表面中限定中心开口，并且
其中所述一个或多个横向流体通道由一个或多个相应的横向沟槽形成，每个横向沟槽在所述第二主表面中限定相应的横向开口。
9.根据权利要求1所述的器件，进一步包括一个或多个第二MUT元件，所述一个或多个第二MUT元件中的每个第二MUT元件包括：
相应的第一腔室，在距所述第一主表面一定距离处延伸到所述半导体本体中；
相应的膜，由所述半导体本体在所述第一主表面和所述第二MUT元件的所述第一腔室之间形成；
相应的压电元件，在所述第二MUT元件的所述膜上方在所述半导体本体的所述第一主表面上延伸；
相应的第二腔室，在所述第二MUT元件的所述第一腔室和所述第二主表面之间延伸到所述半导体本体中；
相应的中心流体通道，从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中，到达所述第二MUT元件的所述第一腔室，并横穿所述第二MUT元件的所述第二腔室；以及
一个或多个相应的横向流体通道，从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中到达所述第二MUT元件的所述第二腔室，
其中所述一个或多个横向流体通道、所述中心流体通道和所述第二MUT元件的所述第二腔室限定相应的流体再循环路径，所述流体再循环路径将所述第二MUT元件的所述第一腔室与所述半导体本体的外部流体连接。
10.一种方法，包括：
在具有第一主表面和第二主表面的半导体材料的半导体本体中形成与所述第一主表面相距一定距离的所述半导体本体中的第一腔室，并且所述半导体本体的一部分在所述第一主表面和所述第一腔室之间延伸从而形成膜；
在所述半导体本体中形成在所述第一腔室和所述第二主表面之间延伸的第二腔室；
在所述半导体本体的所述第一主表面上形成与所述膜重叠的压电元件；
在所述半导体本体中形成中心流体通道，所述中心流体通道从所述第二主表面延伸到所述第一腔室并且横穿所述第二腔室；以及
在所述半导体本体中形成从所述第二主表面延伸到所述第二腔室的一个或多个横向流体通道，
其中所述第一腔室、所述膜、所述压电元件、所述第二腔室、所述中心流体通道和所述一个或多个横向流体通道限定第一MUT元件，并且
其中所述一个或多个横向流体通道，所述中心流体通道和所述第二腔室限定流体再循环路径，所述流体再循环路径将所述第一腔室与所述半导体本体的外部流体连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述中心流体通道包括：将所述半导体本体的选择性部分从所述第二表面去除，所述选择性部分横穿所述第二腔室到达所述第一腔室，以及
其中形成所述一个或多个横向流体通道包括：去除所述半导体本体的从所述第二表面向所述第二腔室的一个或多个相应的选择性部分。
12.根据权利要求10所述的方法，其中：
形成第二腔室包括：
在所述半导体本体中形成由第一柱结构相互分隔的多个第一沟槽；
在还原环境中执行外延生长以形成向上封闭所述第一沟槽的第一半导体材料层；以及
执行退火以引起所述第一柱结构的半导体材料原子的迁移并且形成所述第二腔室，以及
形成所述第一腔室包括：
执行第二外延生长以形成厚区；
在所述厚区中形成由第二柱结构相互分隔的多个第二沟槽；
在还原环境中执行第二外延生长以形成向上封闭所述第二沟槽的第二半导体材料层；以及
执行退火以引起所述第二柱结构的半导体材料原子的迁移并且形成所述第一腔室以及形成膜。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：在形成所述中心流体通道之前，形成从所述半导体本体的所述第一表面延伸到所述第一腔室的一个或多个孔，以及形成涂覆所述第一腔室并且封闭所述一个或多个孔的氧化物层。
14.根据权利要求12所述的方法，其中：
形成所述第一腔室还包括以在横向于所述半导体本体的所述第一主表面和所述第二主表面的方向上延伸的第一尺寸形成所述第一腔室；
形成所述中心流体通道还包括以在所述方向上的第二尺寸形成所述中心流体通道，所述第二尺寸小于所述第一尺寸；
形成所述第二腔室还包括以在所述方向上的第三尺寸形成所述第二腔室，所述第三尺寸小于所述第一尺寸并且大于所述第二尺寸。
15.一种方法，包括：
在半导体材料的衬底的第一表面上形成第一牺牲区；
在所述衬底的所述第一表面上和所述第一牺牲区上形成第一结构层和第二牺牲区，所述第一结构层和所述第二牺牲区与所述第一牺牲区接触，并且所述第一结构层沿所述第一牺牲区横向延伸到所述第二牺牲区；
在所述第一结构层和所述第二牺牲区上形成第二结构层和第三牺牲区，所述第二结构层和所述第三牺牲区与所述第二牺牲区和所述第一结构层接触，并且所述第二结构层横向延伸穿过所述第一结构层，横向延伸到所述第三牺牲区；
在所述第二结构层和所述第三牺牲区上形成第三结构层；以及
通过蚀刻所述第一牺牲区、所述第二牺牲区和所述第三牺牲区来去除所述第一牺牲区、所述第二牺牲区和所述第三牺牲区，从而形成第一空腔、第二空腔和在所述第一空腔与所述第二空腔之间的中心流体通道的第一部分。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
去除所述第一牺牲区形成所述第二空腔；
去除所述第二牺牲区形成所述中心流体通道的所述部分；以及
去除所述第三牺牲区形成所述第一空腔。
17.根据权利要求16所述的方法，其中：
形成所述第一牺牲区包括以在横向于所述衬底的所述第一表面的方向上延伸的第一尺寸形成所述第一牺牲区；
形成所述第二牺牲区包括以在所述方向上延伸的第二尺寸形成所述第二牺牲区，所述第二尺寸小于所述第一尺寸；
形成第三牺牲区包括以在所述方向上延伸的第三尺寸形成所述第三牺牲区，所述第三尺寸分别大于所述第一尺寸和所述第二尺寸。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在通过蚀刻所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和所述第三牺牲层来去除所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和所述第三牺牲层之前，通过形成延伸到所述衬底的与所述第一表面相对的第二表面中的多个沟槽来暴露所述第一牺牲区。
19.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述多个沟槽进一步包括：
形成相对于所述第一牺牲区的第二端更靠近所述第一牺牲区的第一端的第一沟槽，所述第二端与所述第一端相对；
形成更靠近所述第一牺牲区的第二端的第二沟槽；
形成所述中心流体通道的第二部分，所述中心流体通道的第二部分与所述中心流体通道的第一部分对齐并重叠。
20.根据权利要求15所述的方法，其中去除所述第一牺牲区、所述第二牺牲区和所述第三牺牲区限定所述第三结构层的膜。
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