CN117644022A - Mems超声换能器器件及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及MEMS超声换能器器件及其制造工艺。一种MEMS超声换能器MUT器件，包括具有第一和第二主面的半导体本体，包括：从所述第二主面延伸到所述半导体本体中的调制腔体；膜体，悬置在所述调制腔体上并包括换能膜体和调制膜体；调制膜体上的压电调制结构；延伸到所述膜体内的换能腔体，所述换能膜体悬置在所述换能腔体上；以及换能膜体上的压电换能结构。调制膜体具有第一厚度，换能膜体具有小于第一厚度的第二厚度。在使用中，调制膜以第一频率振动，并且换能膜以高于第一频率的第二频率振动，以发射和/或接收频率取决于第一和第二频率的声波。
Description
技术领域
本公开涉及一种MEMS超声换能器MUT器件。此外，本公开涉及MUT器件的制造工艺和控制方法。特别地，MUT器件是频率可调的，并且在使用中发射和/或接收具有取决于发射方向的频率的声波。
背景技术
众所周知，近程传感器可以由飞行时间传感器提供。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。已知类型的MEMS超声换能器使用压电技术来发射和检测声波，如下面更好地描述的。
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，并被控制以生成和检测超声波(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生成超声波(或发射波，在图1中用附图标记We表示)，在存在沿声波的传播方向放置的物体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。因此，通过测量飞行时间，可以获得关于待检测对象O的信息。更详细地，超声换能器T包括膜，该膜例如通过压电可控制为振荡以生成发射波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，这允许例如通过压电检测反射波Wr。在这种情况下，超声换能器T交替地作为发射器和接收器工作；然而，类似地，可以具有作为发射器操作的第一超声换能器T和作为接收器操作的第二超声换能器T，并且第二超声换能器T被布置为检测由第一超声换能器T生成的发射波We引起的反射波Wr。
图2示意性地示出了使用MEMS技术制造的已知类型的超声换能器器件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集成在管芯中，该管芯包括具有第一和第二主面3A，3B的半导体材料(例如硅)的半导体本体3，例如单片。
MUT器件1包括延伸到半导体本体3中的MEMS超声换能器元件(或MUT元件)5。
MUT元件5包括第一掩埋腔15，该第一掩埋腔15布置在半导体本体3的第一主面3A附近并且与第一主面3A相距一定距离。存在于第一室15和半导体本体3的第一主面3A之间的半导体本体3的部分形成膜体18，该膜体18沿Z轴线具有均匀的厚度。
在膜体18上，在第一主面3A上布置已知类型的压电元件19，其与膜体18一起形成膜20。压电元件19包括沿Z轴线插置在两个电极之间的压电材料层，例如PZT。
在使用中，MUT器件1被传播介质(流体，例如液体或气体，特别是空气)包围，其中声波(详细地，超声波)由MUT器件1传播、生成或检测，MUT器件1可用作发射器和/或接收器。特别地，当MUT器件1作为发射器工作时，压电元件19通过驱动信号偏置，以便弹性变形，从而引起膜20的相应弹性变形(即，膜20的振动)。这生成通过传播介质传播的声波。另一方面，当MUT器件1用作接收器时，通过传播介质传播的到达MUT器件1的声波使膜20振动，并因此引起压电元件19的弹性变形，这生成表示检测到的声波的随后的电信号。
详细地，在发射模式和接收模式中，膜20以约等于MUT器件1的共振频率的振动频率振动。谐振频率以本身已知的方式取决于诸如MUT元件5的几何形状和材料(例如，膜20的形状和厚度以及半导体本体3和压电元件19的材料)之类的因素。
然而，已知的是以这样的方式电控制MUT器件1，使得电修改它的谐振频率以便使它更好地适应所要求的应用，从而改善MUT器件的性能。
例如，这在MUT器件1中通过除了向压电元件19施加驱动信号之外还施加调制信号(例如，DC类型的)来完成，以便引起其相应的和进一步的弹性调制变形，该弹性调制变形添加到由压电元件19生成的或在压电元件19中(分别在发射和接收模式中)感应的弹性调制变形。特别地，调制信号是DC类型的电压，例如具有大于0V的值，并且特别地取决于诸如所考虑的应用，MUT器件1的结构和制造它的材料之类的因素。施加调制信号的效果是在膜20中生成附加应力，该附加应力改变膜20的机械特性并因此改变膜20的振动特性，从而引起谐振频率的改变(即，“调谐”)。
另一方面，其它已知的解决方案涉及在膜体18上使用与压电元件19并排布置的一个或多个另外的压电元件。这些另外的压电元件独立于压电元件19而被电控制(例如，通过前面提到的调制信号)，并且被用于在膜20中生成附加应力，该附加应力改变膜20的机械特性，并因此改变膜20的振动特性，从而引起共振频率的改变。
另一方面，另一种已知的解决方案(例如，现有技术文献US2013/0162102A1)包括使用用于压电元件19的双压电晶片结构。在该方案中，压电元件19包括多个电极-PZT-电极堆叠，这些电极-PZT-电极堆叠沿Z轴线彼此重叠并且可彼此独立地电控制。以这种方式，考虑到例如两个叠加的堆叠，一个堆叠用于生成声波(例如，其被驱动信号偏置)，而另一个堆叠用于在膜20中生成附加应力，该附加应力修改膜20的机械特性并因此修改膜20的振动特性(例如，其被调制信号偏置)。
然而，在已知的解决方案中，在MUT器件1(即，超声换能器T)和要检测的物体O之间测量的声波的频率不取决于它们的发射方向，因此不取决于MUT器件1和物体O之间的相对角度。详细地，MUT器件1和物体O之间的相对角度由发射方向24和与半导体本体3的第一主面3A正交的参考方向22之间限定的倾斜角θ给出。例如，发射方向24连接物体O(示例性地认为是点状的)和MUT器件1(例如，在由X和Y轴线限定并平行于半导体本体3的第一主面3A的XY平面中截取的膜20的中心)。在已知的解决方案中，声波的频率相对于倾斜角θ是不变的。
这是已知解决方案的相关限制，因为它防止MUT器件1对所需物体O执行选择性测量；相反，当在MUT器件1的视场(FOV)中存在多个物体O时，后者只检测最靠近MUT器件1的物体O。换句话说，如图3所示，当例如第一对象O1和第二对象O2存在于MUT器件1的FOV26中时(第一对象O1处于零倾角θ并且与MUT器件1相距第一距离D1，而第二对象O2处于非零倾角θ并且与MUT器件1相距小于第一距离D1的第二距离D2)，MUT器件1仅检测第二距离D2。
发明内容
本公开涉及一种MEMS超声换能器器件，该MEMS超声换能器器件的制造工艺和控制方法，其克服了现有技术的缺点。
本公开涉及一种MEMS超声换能器(MUT)，其中支撑结构具有沿第一轴线彼此相对的第一和第二主面以及至少一个MUT元件。MUT元件包括调制腔体和支撑结构的膜体，调制腔体从第二主面朝第一主面延伸到支撑结构中，膜体沿第一轴线在调制腔体和第一主面之间延伸并固定到支撑结构上，膜体包括中心部分和一个或多个极值部分，极值部分正交于第一轴线被插置中心部分和支撑结构之间，并使中心部分和支撑结构相互耦合，中心部分限定至少一个换能膜体，一个或多个极值部分限定调制膜体。MUT元件的调制膜悬置在调制腔体上。存在至少一个延伸到膜体的中心部分中的换能腔体，换能膜体在换能腔体和第一主面之间沿第一轴线延伸。MUT元件的换能膜悬置在换能腔体上，调制膜体沿第一轴线具有第一厚度，并且换能膜体沿第一轴线具有小于第一厚度的第二厚度。
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示意性地示出了已知类型的超声换能器的操作；
图2是已知类型的MEMS超声换能器MUT的截面图；
图3示意性地示出了由已知类型的MUT操作的检测类型；
图4-图7是MEMS超声换能器MUT器件的各个实施例的剖视图，其中图4和图5是沿图9A所示的剖面线截取的，而图6和图7是沿图9B所示的剖面线截取的；
图8是图4-图7的MUT器件的细节的剖视图；
图9A-图9F是本MUT器件的各实施例的顶视图；
图10A-图10B是图6的MUT器件的剖视图，它示出了它在两种不同状态下的操作；
图11A-图11B是图7的MUT器件的剖视图，它示出了它在两种不同状态下的操作；
图12是表示作为时间函数的本MUT器件的调制膜的位移的曲线图；
图13A-图13D是示出图4的MUT器件的制造过程的各步骤的剖视图；
图14A-图14D是示出图5的MUT器件的制造过程的各步骤的剖视图；以及
图15示意性地示出了由本MUT器件操作的检测类型。
具体实施方式
具体地，参考由彼此正交的X轴线，Y轴线和Z轴线(或第一轴线Z)限定的三轴线笛卡尔系统示出附图。
在下面的描述中，不同实施例共有的元件用相同的附图标记表示。
图4示意性地示出了使用MEMS技术制造的超声换能器器件50，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50集成在管芯52中。管芯52包括半导体材料(例如硅，例如单片)的半导体本体53，其具有沿Z轴线彼此相对的第一和第二主面(或表面)53A，53B。
MUT器件50集成了一个或多个MEMS超声换能器元件(或MUT元件)55。在图4中示例性地示出并在下文中讨论的实施例中，MUT器件50包括单个MUT元件55；然而，MUT器件50可包括多个MUT元件55。
MUT元件55形成在半导体本体53中。
特别地，MUT元件55具有调制腔体65，调制腔体65从半导体本体53的第二主面53B朝向半导体本体53的第一主面53A延伸到半导体本体53中，而不到达半导体本体53的第一主面53A。详细地，调制腔体65由半导体本体53的第一底表面65A向上界定，并且由半导体本体53的第一侧表面65B横向界定，所述第一侧表面65B将半导体本体53的第一底表面65A与半导体本体53的第二主面53B连接。换句话说，调制腔体65具有第一底表面65A，并且具有沿Z轴线与第一底表面65A相对的开口，调制腔体65通过该开口与MUT器件50的外部连通。
在调制腔体65和半导体本体53的第一主面53A之间延伸的半导体本体53的部分形成MUT元件55的膜体67。
特别地，半导体本体53限定支撑结构53'，该支撑结构53'以膜体67悬置在调制腔体65上的方式支撑和锚定膜体67。在使用中，膜体67相对于支撑结构53'振荡。
详细地，膜体67包括限定换能膜体78的中心部分67'和限定调制膜体68的一个或多个极值(extremal)部分67”。膜体67的极值部分67”被插置于膜体67的中心部分67'和支撑结构53'之间，以便将中心部分67'和支撑结构53'彼此连接。更详细地，膜体67的中心部分67'正交于Z轴线(例如，沿X轴线)插置在膜体67的极值部分67”之间；换句话说，换能膜体78与Z轴线正交地位于调制膜体68的内部，具体地，位于调制膜体68的中心。
更详细地，调制膜体68沿Z轴线的厚度等于第一厚度S1。更详细地，沿半导体本体53的第一主面53A和第一底表面65A之间的Z轴线测量第一厚度S1。例如，第一厚度S1包括在约5μm与约50μm之间，特别是在约10μm与约20μm之间。特别地，调制膜体68沿Z轴线具有基本上均匀的厚度；例如，第一厚度S1是调制膜体68沿Z轴线的最小厚度。
MUT元件55的压电调制结构69存在于调制膜体68上，在第一主面53A上方。压电调制结构69与调制膜体68一起形成MUT元件55的调制膜73。具体地，压电调制结构69包括一个或多个压电元件71，其被配置为振动调制膜73，如下面更好地描述的。
MUT元件55还具有延伸到膜体67的中心部分67'中的换能腔体75。
在图4的实施例中，换能腔体75是掩埋型的，并且例如布置在半导体本体53的第一主面53A处。详细地，换能腔体75延伸到半导体本体53中，以便被后者包围，并因此被掩埋其中，并相对于MUT器件50的外部环境隔离(即，不连通)。例如，换能腔体75比第一底表面65A更靠近半导体本体53的第一主面53A。详细地，换能腔体75由半导体本体53的第一腔表面75A向上界定，并由半导体本体53的第二腔表面75B向下界定，相对于换能腔体75沿Z轴线彼此相对。
在换能腔体75和半导体本体53的第一主面53A之间延伸的半导体本体53的部分(详细地，膜体67的中心部分67')形成换能膜体78。
详细地说，换能膜体78沿Z轴线的厚度等于第二厚度S2，第二厚度S2小于第一厚度S1。更详细地，第二厚度S2沿半导体本体53的第一主面53A和半导体本体53的第一腔表面75A之间的Z轴线测量。例如，第二厚度S2包括在约500nm与约8μm之间，特别是在约1μm与约2μm之间。特别地，换能膜体78沿Z轴线具有基本均匀的厚度；例如，第二厚度S2是换能膜体78沿Z轴线的最大厚度。
MUT元件55的压电换能结构79存在于换能膜体78上，在第一主面53A上方。压电换能结构79与换能膜体78一起形成MUT元件55的换能膜83。具体地，压电换能结构79包括一个或多个压电元件71，其被配置为生成和/或检测换能膜83的振动，如下面更好地描述的。
压电换能结构79沿Z轴线叠加在换能腔体75上，并且与Z轴线正交地(例如，沿X轴线)并排布置在压电调制结构69上，而压电调制结构69相对于换能腔体75竖直交错(即，其不沿Z轴线叠加在换能腔体75上)。
详细地，MUT元件55可沿平行于或重合于Z轴线的中心轴线77具有轴对称性。
更详细地，换能腔体75和调制腔体65沿中心轴线77同心且同轴线。换句话说，换能腔体75和调制腔体65(这里示例性地认为是与Z轴线正交的圆形)与Z轴线正交地具有沿中心轴线77彼此对准的中心。因此，换能膜体78和调制膜体68也相对于换能腔体75和调制腔体65彼此同心和同轴线，并且在所考虑的示例中，它们也具有圆形形状。详细地，调制膜体68相对于中心轴线77径向地位于换能膜体78的外部。
例如，换能膜体78平行于XY平面(因此正交于Z轴线)具有比调制膜体68小的面积；类似地，换能腔体75平行于XY平面具有比调制腔体65小的面积。
此外，例如，腔体65，75以及相应的膜体68，78具有相对于相应的压电结构69，79的面积更大的面积(平行于XY平面)，使得它们的外围区域(这里示例性地具有圆环的形状)相对于相应的压电结构69，79横向突出。
图5示出了MUT器件50的另一实施例。
图5的MUT器件50类似于图4的MUT器件，然而，换能腔体75不是掩埋式的，而是暴露式的，并面对(即，连通)调制腔体65。
详细地，换能腔体75从半导体本体53的第一底表面65A朝向第一主面53A延伸到膜体67中，而不到达第一主面53A。详细地，换能腔体75由半导体本体53的第二底面75C向上界定，第二底面75C沿Z轴线距半导体本体53的第一主面53A的距离限定第二厚度S2；此外，换能腔体75由半导体本体53的第二侧表面75D横向限定，第二侧表面75D将第三底表面75C与第一底表面65A连接。换句话说，换能腔体75具有第二底表面75C，并且具有沿Z轴线与第二底表面75C相对的开口，开口延伸通过第一底表面65A，并且换能腔体75通过该开口与调制腔体65连通。因此，腔体65和75沿中心轴线77轴线向相邻。
详细地，第一底表面65A和第二底表面75C是膜体67的后表面的一部分，具有沿Z轴线的可变高度，并且特别地具有两个水平(level)(内部水平和外部水平，该外部水平径向地在内部水平的外部，并且与内部水平相比轴线向地更远离第一主面53A)。
图6示出了MUT器件50的另一实施例。
图6的MUT器件50类似于图4的MUT器件，然而，在膜体67的中心部分67'中存在多个掩埋型的换能腔体75，而不是仅仅一个。作为示例，图6示出了两个换能腔体75；然而，换能腔体75的数目同样可以更大。
详细地，换能腔体75正交于Z轴线(例如，沿X轴线)彼此并排布置，并且彼此隔开以便彼此绝缘。
半导体本体53的在每个换能腔体75和半导体本体53的第一主面53A之间延伸的部分形成相应的换能膜体78，换能膜体78沿Z轴线的厚度等于第二厚度S2。
MUT元件55的相应压电换能结构79存在于每个换能膜体78上，在第一主面53A上方。压电换能结构79正交于Z轴线(例如沿X轴线)彼此并排布置，特别是彼此间隔一定距离，并与相应换能膜体78一起形成MUT元件55的相应换能膜83。特别地，每个压电换能结构79包括一个或多个所述压电元件71，其被配置为生成和/或检测相应换能膜83的振动。
因此，压电换能结构79沿Z轴线叠加在相应的换能腔体75上，并且与Z轴线(例如，沿X轴线)正交地并排布置在压电调制结构69上，而压电调制结构69相对于换能腔体75竖直交错。
图7示出了MUT器件50的另一实施例。
图7的MUT器件50类似于图5的MUT器件，然而，在膜体67的中心部分67'中存在多个暴露类型的换能腔体75，而不是仅仅一个。作为示例，图7示出了两个换能腔体75；然而，换能腔体75的数目同样可以更大。
详细地，换能腔体75正交于Z轴线(例如，沿X轴线)彼此并排布置，并且彼此隔开以便彼此绝缘。
半导体本体53的在每个换能腔体75和半导体本体53的第一主面53A之间延伸的部分形成相应的换能膜体78，换能膜体78沿Z轴线的厚度等于第二厚度S2。
MUT元件55的相应压电换能结构79存在于每个换能膜体78上，在第一主面53A上方。压电换能结构79正交于Z轴线(例如沿X轴线)彼此并排布置，特别是彼此间隔一定距离，并与相应换能膜体78一起形成MUT元件55的相应换能膜83。特别地，每个压电换能结构79包括一个或多个所述压电元件71，其被配置为生成和/或检测相应换能膜83的振动。
因此，压电换能结构79沿Z轴线叠加在相应的换能腔体75上，并与Z轴线正交地(例如沿X轴线)面对压电调制结构69，压电调制结构69相对于换能腔体75竖直交错。
图8以非限制性示例的方式示出了压电调制结构69和压电换能结构79的压电元件71的结构的示例。例如，图8示例性地示出了压电换能结构79的压电元件71。
详细地，压电元件71形成在绝缘层181上，绝缘层181例如通过叠加热生长的氧化硅层和介电层而形成，并且覆盖半导体本体53的整个第一主面53A。在绝缘层181上方延伸有堆叠182，该堆叠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在堆叠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，钝化层190(例如通过CVD沉积的氧化硅和/或氮化硅)覆盖管芯52的除了电连接开口(在MUT元件55的接触焊盘上方)之外的所有顶表面。实际上，接触线188，189形成电连接并允许：为了通过MUT元件55生成发射波We，将电极183，184中的一个(例如底部电极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AC致动电压；或者，为了检测反射波Wr，获取由反射波Wr在换能膜83上的冲击引起的电极183和184之间的检测电位差。
图9A-图9F示意性地示出了MUT器件50的顶视图。换句话说，这些视图正交于Z轴线，即平行于XY平面。
特别地，图9A示出了图4或图5的MUT器件50的顶视图。如图9A所示，换能膜体78，压电换能结构79，换能腔体75，调制膜体68，压电调制结构69和调制腔体65平行于XY平面具有基本上圆形的形状并且彼此同心。
图9B示出了图6或图7的MUT器件50的顶视图。如图9B所示，换能膜体78，压电换能结构79，换能腔体75，调制膜体68，压电调制结构69和调制腔体65平行于XY平面具有基本上圆形的形状。压电调制结构69，调制膜体68和调制腔体65彼此同心，并且每个压电换能结构79与相应的换能膜体78和相应的换能腔体75彼此同心。特别地，换能膜体78由将它们连接到支撑结构53'的调制膜体68包围。
尽管图9A和图9B示出了所示元件的圆形形状，但是可以类似地使用其它闭合多边形形状(例如，三角形，正方形，六边形等)。此外，压电调制结构69和调制腔体65相对于压电换能结构79和换能腔体75的其它形状和布置也是可能的。
例如，在图9C的实施例中，调制膜体68由膜体67的多个所述极值部分67”形成。在顶视图中，膜体67的中心部分67'具有圆形形状，而极值部分67”具有环形扇形(annularsector)形状，并且沿圆周(circumferentially)彼此相邻地布置。特别地，每个极值部分67”具有第一端和第二端，所述第一端和第二端沿极值部分67”的主延伸部彼此相对(即，周向地到中心部分67')；极值部分67”通过相应的第一端固定到支撑结构53'，并通过相应的第二端固定到膜体67的中心部分67'。此外，膜体67的中心部分67'包括例如基本均匀地布置在中心部分67'中的多个换能腔体75，并因此包括各自的多个换能膜体78，每个换能膜体78由各自的压电换能结构79竖直地覆盖。
在图9D的实施例中，中心部分67'具有四边形，特别是正方形。调制膜体68由连接到中心部分67'的顶点的膜体67的多个所述极值部分67”形成。例如，极值部分67”也具有四边形，特别是正方形或矩形形状，并且具有固定到支撑结构53'的相应第一端和固定到中心部分67'的顶点的相应第二端。类似于图9C，膜体67的中心部分67'包括多个换能腔体75(并因此包括换能膜体78)，例如基本均匀地布置在中心部分67'中。
在图9E的实施例中，中心部分67'具有四边形，特别是正方形。调制膜体68由膜体67的两个极值部分67”形成，例如四边形(特别是矩形)形状，其具有基本上等于中央部分67'的边的长度的纵向延伸，并且其分别连接到中央部分67'的彼此相对的边。类似于图9C，膜体67的中心部分67'包括多个换能腔体75(并因此包括换能膜体78)，例如基本均匀地布置在中心部分67'中。
在图9F的实施例中，调制膜体68由膜体67的多个所述极值部分67”形成。在俯视图中，膜体67的中心部分67'具有六边形形状，而极值部分67”具有大致矩形形状，并且每个极值部分67”与中心部分67'的相应侧并排布置，以便沿周向彼此相邻地布置。特别地，极值部分67”通过相应的第一端固定到支撑结构53'，并通过相应的第二端固定到膜体67的中心部分67'的顶点。类似于图9C，膜体67的中心部分67'包括多个换能腔体75(并因此包括换能膜体78)，例如基本均匀地布置在中心部分67'中。
在使用中，MUT器件50以类似于已知器件(例如，图1的超声换能器T)的方式操作。特别地，在使用中，MUT器件50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50生成或检测的声波(详细地，超声波)传播。
当MUT元件55以自己的发射模式操作时(即，其作为致动器工作)，膜73和83由相应的压电结构69和79振动，并且如下文中更好地描述的，一个或多个换能膜83的振动(相对于其静止位置)引起声波在传播介质中的生成和传播。
具体地，在压电调制结构69的一个或多个压电元件71的电极183和184之间施加AC型的第一致动电压(例如，在包括在大约1kHz和大约100kHz之间的第一致动频率下，例如等于大约10kHz，并且具有等于大约40V的电压)，而AC型的第二致动电压(例如，在高于第一致动频率并且包括在大约500kHz和大约50MHz之间的第二致动频率下，例如等于大约5MHz，并且具有等于大约40V的电压)施加在压电换能结构79的一个或多个压电元件71的电极183和184之间。第一致动电压的施加交替地引起压电调制结构69的膜压电区域191的收缩和膨胀，并因此引起调制膜73在竖直方向上的偏转，交替地远离和朝向调制腔体65移动。第二致动电压的施加交替地引起压电换能结构79的膜压电区域191的收缩和膨胀，并因此引起换能膜83在竖直方向上的偏转，交替地远离和朝向换能腔体75移动。由于第一致动频率比第二致动频率低得多(例如，低约两个数量级)，所以调制膜73的振动以比换能膜83的振动慢得多的方式发生(即，调制膜73的第一振动频率比换能膜83的第二振动频率低例如低约两个数量级)。特别地，第一振动频率等于第一致动频率，第二振动频率等于第二致动频率。膜73和83的同时振动引起声波的生成，该声波在传播介质中从MUT器件50传播并且同时取决于膜73和83两者的运动。
特别地，调制膜73的振动运动增加了换能膜83的振动运动，因此生成了相对于已知情况发射的声波的频率的调制，在已知情况中仅存在换能膜83的唯一振动运动(以下称为声波参考频率)。
实际上，如图10A和图10B所示，示例性地参考图6的MUT器件50的实施例，当调制膜73在相对于调制腔体65(图10A)的相反方向上变形时，由于调制膜73的运动与第一声波80a的传播方向一致，所以在相对于调制腔体65的相反方向上传播的波前(以下也称为第一声波80a的第一波前)彼此更接近；因此，第一声波80a的频率高于参考频率。另一方面，当调制膜73朝向调制腔体65变形时(图10B)，由于调制膜73的运动与第一声波80a的传播方向不一致，所以第一波前彼此间隔开得更多；因此，第一声波80a的频率低于参考频率。
另一方面，图11A和图11B示出了图7的MUT器件50的操作。在这种情况下，声波80a(从MUT器件50的前部发射的)的特性类似于参照图10A和图10B所述的特性。此外，由于换能腔体75朝向MUT器件50的背面暴露并面对调制腔体65，换能膜83的振动还生成传播通过调制腔体65的第二声波80b。特别地，当调制膜73相对于调制腔体65在相反方向上变形时(图11A)，由于调制膜73的运动与第二声波80b的传播方向不一致，所以第二声波80b的第二波前彼此间隔更大；因此，第二声波80b的频率低于参考频率。另一方面，当调制膜73向调制腔体65移动时(图11B)，由于调制膜73的移动与第二声波80b的传播方向一致，所以第二波前彼此更接近；因此，第二声波80b的频率高于参考频率。
换句话说，调制膜73的振动运动通过多普勒效应调制声波80a，80b的频率。多普勒效应是与相对于波源移动的观察者相关的波的频率变化(或反之亦然)。在这种情况下，正是波源(即，调制膜73)相对于观察者(例如，待检测的对象)移动，从而生成多普勒效应。这意味着声波的频率取决于发射方向，如下面更好地描述的。
详细地，图12示出了调制膜73的振动运动，特别示出了作为时间函数的调制膜73沿Z轴线相对于其静止位置(当未施加第一致动电压时限定)的位移Zm。调制膜73的振动运动围绕其静止位置(在图12中被认为是零)基本上是正弦类型的。因此，MUT器件50可以在预定的并且周期性的时间间隔T*中用于发射模式，其中调制膜73以近似线性的方式沿Z轴线移动；特别地，时间间隔T*是其中调制膜73的位移Zm包括在其最大值的大约60％和其最小值的大约60％之间的时间间隔，反之亦然，并且其中，在每个时间间隔T*的中心时刻，调制膜73处于其静止位置。换句话说，在时间间隔T*中，位移Zm在时间上基本上是线性的。因此，在第一时间间隔T*1中，其中调制膜73相对于调制腔体65沿相反方向移动，MUT器件50如前面参照图10A和图11A所述那样线性地工作(因此，第一声波80a的频率较高，并且可能地，第二声波80b的频率较低)，而在第二时间间隔T*2中，其中调制膜73朝向调制腔体65移动，MUT器件50如前面参照图10B和图11B所述那样线性地工作(因此，第一声波80a的频率较低，并且可能地，第二声波80b的频率较高)。
另一方面，当MUT元件55以自己的接收模式操作时(即，其作为传感器工作)，来自传播介质的声波(即，反射波Wr)撞击在一个或多个换能膜83上并引起其振动。该振动在一个或多个压电换能结构79的压电元件71中引起应力，该应力又在电极183和184之间生成电势差，表示由冲击声波引起的换能膜83的振动。特别地，每个换能膜83的感应振动的频率可以通过如前所述振动调制膜73来调制，即通过使每个压电调制结构69偏置通过第一致动电压并测量在时间间隔T*期间在压电换能结构79中感应的电势差来调制。因此，对多普勒效应的考虑也适用于接收模式，该多普勒效应类似于前面参照发射模式讨论的多普勒效应。
接收模式和发射模式彼此交替：因此，MUT器件50可以只在接收时工作，只在发射时工作，或者既在接收时又在发射时工作，但在彼此交替的时间段工作。
图13A-图13D示出了图4的MUT器件50的制造过程的步骤。
最初，在图13A中，在半导体材料(例如单晶硅)的晶片100中形成换能腔体75。例如，在欧洲专利EP1577656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(即，在其一个顶表面上)形成抗蚀剂的第一掩模101，该第一掩模101在晶片100的旨在容纳换能腔体75的区域处具有例如布置在蜂窝栅格中的开口。通过使用第一掩模101执行晶片100的各向异性化学蚀刻，以便形成多个沟槽102，其具有例如10μm的深度，彼此连通并界定多个硅柱(也称为柱结构)103。
随后，在图13B中，去除第一掩模101，并在还原环境中执行外延生长。因此，例如N型且厚度为约10μm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，例如以1190℃进行30分钟，优选在氢气或可选地氮气气氛中进行。
如上述文献中所讨论的，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。因此，同样由于柱103之间的紧密距离，其硅原子完全迁移并形成换能腔体75。具有沿Z轴线的第二厚度S2的硅层，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(其将成为换能膜体78)，保持在换能腔体75之上。如此处理的晶片100形成半导体本体53。
然后，在图13C中，以本身已知的方式在半导体本体53的第一主面53A上形成压电结构69和79的压电元件71。特别地，压电元件71沿X轴线彼此并排布置，使得压电换能结构79的压电元件71竖直重叠(沿Z轴线)在换能腔体75上，而压电调制结构69的一个或多个压电元件71相对于换能腔体75竖直交错。
例如并且以图13C中未详细示出的方式，在半导体本体53的第一主面53A上沉积第一介电层，其形成绝缘层181，例如包括诸如SiO2的绝缘材料并且例如具有约1μm的厚度；特别地，这通过执行晶片100的热氧化工艺而发生，该热氧化工艺导致在半导体本体53的第一主面53A上形成第一电介质层，并且在半导体本体53的第二主面53B上形成第二电介质层(类似于第一电介质层)。压电元件19形成在绝缘层181上。例如，首先通过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185，186，从而形成开口187；形成第二接触线189，沉积并限定钝化层190，从而在接触焊盘(未示出)上开口。
然后，在图13D中，通过在半导体本体53的第二主面53B处从背面执行硅的第一深蚀刻来形成调制腔体65。
特别地，通过已知的氧化物构图技术处理第二介电层，以提供具有开口的氧化物的第二掩模106，该开口暴露将被去除的半导体本体53的区域以形成调制腔体65。详细地说，该区域沿Z轴线与压电结构69和79对齐，因此与换能腔体75对齐。通过使用第二掩模106执行半导体本体53的第一深蚀刻(例如，各向异性化学蚀刻)，以便形成具有沿Z轴线的深度的调制腔体65，从而限定具有第一厚度S1的调制膜体68。
在执行包括打开接触件和切割晶片100的最终制造步骤之后，获得图4的MUT器件50。
类似地，也可以获得图6的MUT器件50，特别是通过形成多个沿X轴线彼此并排布置的换能腔体75并在换能腔体75上形成相应的压电换能结构79。
图14A-图14D示出了图5的MUT器件50的制造过程的步骤。
首先，在图14A中，布置半导体材料例如单晶硅的晶片100，其形成半导体本体53。
图14B，压电结构69和79的压电元件71以本身已知的方式形成在半导体本体53的第一主面53A上。具体地，压电元件71沿X轴线彼此并排布置。例如，以未在图14B中详细示出的方式，压电元件71的形成类似于先前参照图13C描述的形成。
然后，在图14C中，在半导体本体53的第二主面53B处从背面执行硅的第一深蚀刻，形成调制腔体65。
特别地，通过已知的氧化物构图技术处理先前形成的第二电介质层，以提供氧化物的第一掩模107，其具有暴露将被去除的半导体本体53的区域以形成调制腔体65的开口。详细地说，该区域沿Z轴线与压电结构69和79对准。通过使用第一掩模107执行半导体本体53的第一深蚀刻(例如，各向异性化学蚀刻)，以便形成具有沿Z轴线的深度的调制腔体65，从而限定具有第一厚度S1的调制膜体68。
然后，在图14D中，通过在第一底表面65A处从背面执行硅的第二深蚀刻来形成换能腔体75。
特别地，在半导体本体53的第一底表面65A上形成第三电介质层，类似于针对第二电介质层所描述的。第三介电层提供具有开口的氧化物的第二掩模109，该开口暴露将被去除的半导体本体53的区域以形成换能腔体75。详细地，该区域沿Z轴线与压电换能结构79对准。通过使用第二掩模109执行半导体本体53的第二深蚀刻(例如，各向异性化学蚀刻)，以便沿Z轴线在深度上形成换能腔体75，从而限定具有第二厚度S2的换能膜体78。
在执行包括打开接触和切割晶片100的最终制造步骤之后，获得图5的MUT器件50。
类似地，也可以获得图7的MUT器件50，特别是通过形成沿X轴线彼此并排布置的多个压电换能结构79并形成沿Z轴线与压电换能结构79对准的相应换能腔体75。
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，MUT器件50生成频率可调制的声波，允许所生成的声波与传播介质和待检测物体的特性更好地对应，从而确保MUT器件50在更大的应用范围内具有更好的性能。
此外，已经证实MUT器件50允许生成具有取决于声波发射方向的频率f0的波前(例如，第一或第二声波80a和80b的波前)。换言之，频率f0是在声波的发射方向和与半导体本体53的第一主面53A正交的参考方向(例如，中心轴线77)之间考虑的倾斜角θ的函数。特别地，倾斜角θ被限定在参考方向和发射方向之间，所述发射方向指示待检测对象O相对于MUT器件50的位置，并且例如将待检测对象O(示例性地认为是点状的)与MUT器件50(详细地，MUT器件50的参考点，诸如在顶视图中的膜体67的中心部分67'的中心)连接。
具体地，通过将具有正弦轮廓的第一致动电压施加到第一致动频率，调制膜73以第一振动频率(这里用附图标记fr1表示并且等于第一致动频率)振荡，并且调制膜73沿Z轴线的位移Zm是正弦类型的。
在这种情况下，调制膜73的振荡速度Vm等于Vm(t)＝2πfr1Z1sin(2πfr1t)，其中Z1是调制膜73的振荡幅度(即，调制膜73相对于其静止位置沿Z轴线的位移的最大值的两倍)。此外，Vs(t，θ)＝Vm(t)·cos(θ)因此是MUT器件50与要检测的物体O之间(即，声源与观察者之间)的相对速度，并且是倾斜角θ的函数。
此外，所发射或所检测的声波具有的频率(在此用附图标记f0表示在下文中也称为声波频率)等于：
其中c是MUT器件50浸入其中的流体中的声速(例如在应用于空气中的情况下，声速约为340m/s)，fr2是换能膜83的第二振动频率(等于第二致动频率)。
更详细地，所发射或检测到的声波相对于第二致动频率fr2具有频率差Df，该频率差等于：
此外，Vm，max＝2πfr1Z1是调制膜73的振荡速度Vm的最大值。
仅出于说明性和非限制性的目的，报告了MUT器件50的以下示例性实施例。除了以上所指出的之外，Df，max表示频率差Df的最大值，并且Df，min表示频率差Df的最小值，其中Df，max和Df，min可以在绝对值上彼此不同并且由以下表达式定义：
根据第一示例，fr1＝10kHz，Z1＝50μm，fr2＝5MHz，Df，max＝46.6kHz，Df，min＝-45.7kHz。根据第二示例，fr1＝10kHz，Z1＝50μm，fr2＝500kHz，Df，max＝4.6kHz，Df，min＝-4.6kHz。根据第三示例，fr1＝25kHz，Z1＝10μm，fr2＝500kHz，Df，max＝2.3kHz，Df，min＝-2.3kHz。根据第四示例，fr1＝25kHz，Z1＝50μm，fr2＝500kHz，Df，max＝11.8kHz，Df，min＝-11.3kHz。根据第五示例，fr1＝25kHz，Z1＝50μm，fr2＝1MHz，Df，max＝23.6kHz，Df，min＝-22.6kHz。根据第六示例，fr1＝5kHz，Z1＝50μm，fr2＝1MHz，Df，max＝4.6kHz，Df，min＝-4.6kHz。此外，换能膜83的振荡幅度Z2(即，换能膜83相对于其静止位置沿Z轴线的位移的最大值的两倍)例如等于大约数纳米或数十纳米，例如等于大约10nm。
由于声波频率f0取决于声波的发射方向，因此MUT器件50允许以预定的倾斜角度θ执行选择性测量，并因此允许在存在于MUT器件50的视场FOV中的多个物体O之间进行区分。这允许不必测量存在于FOV中并且更靠近MUT器件50的物体，而是能够在不同的发射方向之间进行区分，并且因此甚至能够测量不靠近MUT器件50的物体O的距离。
例如，图15示出了MUT器件50，其FOV96由第一倾斜角度范围(即，由θmin≤θ≤θmax限定)限定。第一和第二对象O1和O2以不同的倾斜角θ存在于FOV96中(即，它们具有不同的发射方向)，其中第二对象O2比第一对象O1更靠近MUT器件50。通过能够区分倾斜角θ，MUT器件还可以测量第一物体O1的距离，而不仅仅测量第二物体O2的距离。这通过仅在小于第一倾斜角范围的第二倾斜角范围内生成发射波We(发射模式)，或通过仅考虑该第二倾斜角范围内的反射波Wr(接收模式)而发生。
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，所描述的不同实施例可以彼此组合以提供进一步的解决方案。
此外，MUT器件50可以包括多个相互并排布置的MUT元件55，例如在顶视图中在行和列上对齐。例如，以未示出的方式，每个MUT元件55通过电连接和接触焊盘独立地连接到控制单元(通常布置在不同的管芯中，例如布置为ASIC，“专用集成电路”)。可替换地，MUT元件55可以连接到组，其中组的MUT元件55被单独控制并且组是单独可控的，以减少数目并简化电连接。
一种MEMS超声换能器，MUT，器件(50)，可以被概括为包括半导体材料的半导体本体(53)，其限定支撑结构(53')，具有沿第一轴线(Z)彼此相对的第一(53A)和第二(53B)主面，并且集成至少一个MUT元件(55)，包括：调制腔体(65)，其从所述第二主面(53B)朝向所述第一主面(53A)延伸到所述半导体本体(53)中；半导体本体(53)的膜体(67)，其在调制腔体(65)和第一主面(53A)之间沿第一轴线(Z)延伸，并固定到支撑结构(53')以悬置在调制腔体(65)上，膜体(67)包括中心部分(67')和与第一轴线(Z)正交地插置中心部分(67')和支撑结构(53')之间并将中心部分(67')和支撑结构(53')相互耦合的一个或多个极值部分(67”)，中心部分(67')限定至少一个换能膜体(78)，一个或多个极值部分(67”)限定调制膜体(68)；压电调制结构(69)，其在所述第一主面(53A)上在所述调制膜体(68)上延伸，并与所述调制膜体(68)一起形成所述MUT元件(55)的调制膜(73)，悬置在所述调制腔体(65)上；至少一个换能腔体(75)，其延伸到所述膜体(67)的中心部分(67')中，所述换能膜体(78)在所述换能腔体(75)与所述第一主面(53A)之间沿所述第一轴线(Z)延伸；以及压电换能结构(79)，其在换能膜体(78)上在第一主面(53A)上延伸，并与换能膜体(78)一起形成MUT元件(55)的换能膜(83)，其悬置在换能腔体(75)上，其中，调制膜体(68)沿第一轴线(Z)具有第一厚度(S1)，换能膜体(78)沿第一轴线(Z)具有小于第一厚度(S1)的第二厚度(S2)，并且其中所述压电调制结构(69)是电可控的，以便以第一振动频率振动所述调制膜(73)，并且所述压电换能结构(79)被配置为以高于所述第一振动频率的第二振动频率生成和/或检测所述换能膜(83)的振动，以便通过所述换能膜(83)发射和/或接收频率(f0)的声波，所述频率(f0)取决于所述第一振动频率和所述第二振动频率。
第一厚度(S1)可以是调制膜体(68)沿第一轴线(Z)的最小厚度，第二厚度(S2)可以是换能膜体(78)沿第一轴线(Z)的最大厚度。
换能腔体(75)可以是掩埋型或暴露型，并且可以面对调制腔体(65)。
压电换能结构(79)可沿第一轴线(Z)叠加在换能腔体(75)上，并且压电调制结构(69)可沿第一轴线(Z)相对于换能腔体(75)交错，压电换能结构(79)和压电调制结构(69)正交于第一轴线(Z)彼此并排布置。
MUT元件(55)可沿平行于或重合于第一轴线(Z)的中心轴线(77)轴线对称。
调制膜体(68)和换能膜体(78)可以沿中心轴线(77)同心且同轴线，调制膜体(68)相对于中心轴线(77)径向地位于换能膜体(78)的外部。
中心部分(67')可限定多个所述换能膜体(78)，所述换能膜体(78)正交于第一轴线(Z)彼此并排布置，并且MUT元件(55)可包括：相应的多个所述换能腔体(75)，所述换能腔体(75)延伸到所述膜体(67)的中心部分(67')中，并与所述第一轴线(Z)正交地彼此并排布置，每个换能膜体(78)在相应的换能腔体(75)和所述第一主面(53A)之间沿所述第一轴线(Z)延伸；以及与所述第一轴线(Z)正交地彼此并排布置的相应多个所述压电换能结构(79)，每个所述压电换能结构在所述第一主表面(53A)上在相应换能膜体(78)上延伸，并且与相应的所述换能膜体(78)一起形成所述MUT元件(55)的相应换能膜(83)，相应的所述换能膜(83)悬置在相应的所述换能腔体(75)上，其中每个换能膜体(78)沿所述第一轴线(Z)具有所述第二厚度(S2)。
一种制造MEMS超声换能器MUT器件(50)的工艺可概括为包括在半导体材料的半导体本体(53)中形成至少一个MUT元件(55)的步骤，所述半导体本体(53)限定支撑结构(53')并具有沿第一轴线(Z)彼此相对的第一主面(53A)和第二主面(53B)，其中形成所述至少一个MUT元件(55)的步骤包括：在所述半导体本体(53)中从所述第二主面(53B)朝向所述第一主面(53A)形成调制腔体(65)，由此限定所述半导体本体(53)的膜体(67)，所述膜体(67)在所述调制腔体(65)与所述第一主面(53A)之间沿所述第一轴线(Z)延伸，并且固定到所述支撑结构(53')以悬置在所述调制腔体(65)上，所述膜体(67)包括中心部分(67')和一个或多个极值部分(67”)，所述极值部分(67”)正交于所述第一轴线(Z)地插置在所述中心部分(67')与所述支撑结构(53')之间，并且将所述中心部分(67')和所述支撑结构(53')相互连接，限定调制膜体(68)的一个或多个极值部分(67”)；在所述膜体(67)的中心部分(67')中形成至少一个换能腔体(75)，从而限定所述中心部分(67')的至少一个换能膜体(78)，所述换能膜体(78)在所述换能腔体(75)和所述第一主面(53A)之间沿所述第一轴线(Z)延伸；在所述第一主面(53A)上形成所述调制膜体(68)上的压电调制结构(69)和所述换能膜体(78)上的压电换能结构(79)，所述压电调制结构(69)与所述调制膜体(68)一起形成悬置在所述调制腔体(65)上的所述MUT元件(55)的调制膜(73)，并且所述压电换能结构(79)与所述换能膜体(78)一起形成悬置在所述换能腔体(75)上的所述MUT元件(55)的换能膜(83)，其中所述调制膜体(68)沿所述第一轴线(Z)具有第一厚度(S1)，并且所述换能膜体(78)沿所述第一轴线(Z)具有小于所述第一厚度(S1)的第二厚度(S2)，并且其中所述压电调制结构(69)是电可控的，以便以第一振动频率振动所述调制膜(73)，并且所述压电换能结构(79)被配置为以高于所述第一振动频率的第二振动频率生成和/或检测所述换能膜(83)的振动，以便通过所述换能膜(83)发射和/或接收频率(f0)的声波，所述频率(f0)取决于所述第一振动频率和所述第二振动频率。
形成所述换能腔体(75)的步骤可以包括：在半导体材料的衬底(100)中形成由柱结构(103)相互分隔的多个沟槽(102)；在还原环境中进行外延生长以形成半导体材料的第一表面层，向上封闭沟槽(102)；以及执行退火，以便引起柱结构(103)的半导体材料的原子迁移，从而形成掩埋型的换能腔体(75)和向上封闭换能腔体(75)的换能膜体(78)。
形成压电调制结构(69)和压电换能结构(79)的步骤可以在形成换能腔体(75)之后执行，形成调制腔体(65)的步骤可以在形成压电调制结构(69)和压电换能结构(79)之后执行，并且可以包括从半导体本体(53)的第二主面(53B)执行硅的第一深蚀刻。
形成调制腔体(65)的步骤可以在半导体本体(53)的第一主表面(53A)上形成压电调制结构(69)和压电换能结构(79)之后执行，并且可以包括在沿第一轴线(Z)与压电调制结构(69)和压电换能结构(79)对准的半导体本体(53)的第一区域处从半导体本体(53)的第二主表面(53B)执行硅的第一深蚀刻，调制腔体(65)由半导体本体(53)的第一底表面(65A)向上界定。并且形成换能腔体(79)的步骤可以在形成调制腔体(65)之后执行，并且可以包括在沿第一轴线(Z)与压电换能结构(79)对准的半导体本体(53)的第二区域处从半导体本体(53)的第一底表面(65A)执行硅的第二深蚀刻。
一种控制MEMS超声换能器MUT器件(50)的方法，所述控制方法可概括为包括以下步骤：电控制所述压电调制结构(69)以所述第一振动频率振动所述调制膜(73)；以及在所述MUT器件(50)的发射模式中，电控制所述压电换能结构(79)，以便以所述第二振动频率振动所述换能膜(83)以生成所述声波，或者在所述MUT器件(50)的接收模式中，通过所述压电换能结构(79)检测由撞击在所述MUT器件(50)上的所述声波引起的所述换能膜(83)以所述第二振动频率的振动。
在MUT器件(50)的发射模式中电控制压电换能结构(79)的步骤和在MUT器件(50)的接收模式中检测换能膜(83)的振动的步骤可以在一个或多个时间间隔(T*)内执行，其中调制膜(73)相对于其静止位置沿第一轴线(Z)线性移动。
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 (18)
1.一种MEMS超声换能器MUT器件，包括：
支撑结构，具有沿第一轴线彼此相对的第一主面和第二主面；
至少一个MUT元件，包括：
调制腔体，从所述第二主面朝向所述第一主面延伸到所述支撑结构中；
所述支撑结构的膜体，在所述调制腔体和所述第一主面之间沿所述第一轴线延伸并且被固定到所述支撑结构，所述膜体包括中心部分和一个或多个极值部分，所述极值部分正交于所述第一轴线被插置在所述中心部分和所述支撑结构之间并且所述极值部分将所述中心部分和所述支撑结构相互耦合，所述中心部分限定至少一个换能膜体，并且所述一个或多个极值部分限定调制膜体；
所述MUT元件的调制膜，悬置在调制腔体上；
至少一个换能腔体，所述至少一个换能腔体延伸到所述膜体的所述中心部分中，所述换能膜体在所述换能腔体和所述第一主面之间沿所述第一轴线延伸；以及
所述MUT元件的换能膜，悬置在所述换能腔体上，
其中，所述调制膜体沿所述第一轴线具有第一厚度，并且所述换能膜体沿所述第一轴线具有小于所述第一厚度的第二厚度。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述调制膜包括在所述第一主面上在所述调制膜体上延伸的压电调制结构。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述换能膜包括在所述第一主面上在所述换能膜体上延伸的压电换能结构。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述压电调制结构是电可控的，从而以第一振动频率振动所述调制膜，并且所述压电换能结构被配置为以高于所述第一振动频率的第二振动频率生成或检测所述换能膜的所述振动，以便通过所述换能膜发射和/或接收声波，所述声波的频率取决于所述第一振动频率和所述第二振动频率。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一厚度是所述调制膜体沿所述第一轴线的最小厚度，并且所述第二厚度是所述换能膜体沿所述第一轴线的最大厚度。
6.根据权利要求5所述的器件，其中所述压电换能结构沿所述第一轴线被叠加在所述换能腔体上，并且所述压电调制结构沿所述第一轴线相对于所述换能腔体交错，所述压电换能结构和所述压电调制结构正交于所述第一轴线被彼此并排布置。
7.根据权利要求6所述的器件，其中所述调制膜体和所述换能膜体沿所述中心轴线同心且同轴线，所述调制膜体相对于所述中心轴线在所述换能膜体的径向外部。
8.根据权利要求7所述的器件，其中所述中心部分限定多个所述换能膜体，所述换能膜体正交于所述第一轴线彼此并排布置，并且
其中所述MUT元件包括：
相应的多个所述换能腔体，延伸到所述膜体的所述中心部分中，并且所述多个换能腔体与所述第一轴线正交地彼此并排布置，每个换能膜体在相应的所述换能腔体与所述第一主面之间沿所述第一轴线延伸；以及
相应的多个所述压电换能结构，与所述第一轴线正交地彼此并排布置，每个压电换能结构在所述第一主面上在相应的所述换能膜体上延伸，并且与相应的所述换能膜体一起形成所述MUT元件的相应换能膜，所述MUT元件的相应换能膜悬置在相应的所述换能腔体上，
其中每个换能膜体具有沿所述第一轴线的第二厚度。
9.一种制造MEMS超声换能器MUT器件的方法，包括：
在半导体材料的半导体本体中形成至少一个MUT元件，所述半导体本体限定支撑结构并具有沿第一轴线彼此相对的第一主面和第二主面，
其中形成所述至少一个MUT元件包括：
在所述半导体本体中从所述第二主面朝向所述第一主面形成调制腔体，从而限定所述半导体本体的膜体，所述膜体在所述调制腔体与所述第一主面之间沿所述第一轴线延伸并且被固定至所述支撑结构以便悬置在所述调制腔体上，所述膜体包括中心部分和一个或多个极值部分，所述一个或多个极值部分正交于所述第一轴线被插置在所述中心部分与所述支撑结构之间并且将所述中心部分与所述支撑结构相互耦合，所述一个或多个极值部分限定调制膜体；
在所述膜体的所述中心部分中形成至少一个换能腔体，从而限定所述中心部分的至少一个换能膜体，所述换能膜体在所述换能腔体和所述第一主面之间沿所述第一轴线延伸；
在所述第一主面上形成在所述调制膜体上的压电调制结构和在所述换能膜体上的压电换能结构，所述压电调制结构与所述调制膜体一起形成悬置在所述调制腔体上的所述MUT元件的调制膜，并且所述压电换能结构与所述换能膜体一起形成悬置在所述换能腔体上的所述MUT元件的换能膜，
其中所述调制膜体沿所述第一轴线具有第一厚度，并且所述换能膜体沿所述第一轴线具有小于所述第一厚度的第二厚度，
其中所述压电调制结构是电可控的，从而以第一振动频率振动所述调制膜，并且所述压电换能结构被配置为以高于所述第一振动频率的第二振动频率生成和/或检测所述换能膜的所述振动，以便通过所述换能膜发射和/或接收声波，所述声波的频率取决于所述第一振动频率和所述第二振动频率。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其中形成所述换能腔体的步骤包括：
在半导体材料的衬底中形成由柱结构相互分隔的多个沟槽；
在还原环境中执行外延生长以形成半导体材料的第一表面层，从而向上封闭所述沟槽；以及
执行退火，以便引起所述柱结构的半导体材料的原子迁移，从而形成掩埋型的所述换能腔体，并且所述换能膜体向上封闭所述换能腔体。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其中形成所述压电调制结构和所述压电换能结构是在形成所述换能腔体之后执行的；以及
其中形成所述调制腔体是在形成所述压电调制结构和所述压电换能结构之后执行的，并且包括从所述半导体本体的所述第二主面执行所述硅的第一深蚀刻。
12.根据权利要求9所述的制造方法，其中形成所述调制腔体是在所述半导体本体的所述第一主面上形成所述压电调制结构和所述压电换能结构之后执行的，并且包括在沿所述第一轴线与所述压电调制结构和所述压电换能结构对准的所述半导体本体的第一区域处，从所述半导体本体的所述第二主面执行所述硅的第一深蚀刻，所述调制腔体由所述半导体本体的第一底表面向上界定，以及
其中形成所述换能腔体是在形成所述调制腔体之后执行的，并且包括在沿所述第一轴线与所述压电换能结构对准的所述半导体本体的第二区域处，从所述半导体本体的所述第一底表面执行所述硅的第二深蚀刻。
13.一种方法，包括：
控制MEMS超声换能器MUT器件，所述控制包括：
通过电控制压电调制结构来以第一振动频率振动调制膜；以及
在所述MUT器件的发射模式中以第二振动频率振动换能膜，从而电控制所述压电换能结构；
在所述MUT器件的接收模式中通过所述压电换能结构检测所述换能膜以所述第二振动频率的振动，所述振动是由撞击在所述MUT器件上的声波引起的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在一个或多个时间间隔中在所述MUT器件的所述发射模式中电控制所述压电换能结构，并且在所述MUT器件的所述接收模式中检测所述换能膜的所述振动，在所述一个或多个时间间隔中所述调制膜沿所述第一轴线相对于静止位置线性移动。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述MUT器件包括支撑结构和至少一个MUT元件，所述支撑结构具有沿第一轴线彼此相对的第一主面和第二主面，所述至少一个MUT元件包括：
调制腔体，所述调制腔体从所述第二主面朝向所述第一主面延伸到所述支撑结构中；
所述支撑结构的膜体。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述膜体沿所述第一轴线在所述调制腔体和所述第一主面之间延伸，并且所述膜体固定到所述支撑结构，所述膜体包括中心部分和一个或多个极值部分，所述一个或多个极值部分正交于所述第一轴线被插置在所述中心部分和所述支撑结构之间并且将所述中心部分和所述支撑结构相互耦合，所述中心部分限定至少一个换能膜体，并且所述一个或多个极值部分限定调制膜体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述MUT元件包括：
所述MUT元件的调制膜，悬置在所述调制腔体上；
至少一个换能腔体，所述至少一个换能腔体延伸到所述膜体的所述中心部分中，所述换能膜体沿所述第一轴线在所述换能腔体和所述第一主面之间延伸；以及
所述MUT元件的换能膜，悬置在换能腔体上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述MUT元件包括沿所述第一轴线具有第一厚度的调制膜体，以及沿所述第一轴线具有小于所述第一厚度的第二厚度的所述换能膜体。
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