CN209968843U - 用于在传播介质中发射超声声波的设备和电子系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于在传播介质中发射超声声波的设备和电子系统。一种用于在传播介质中发射超声声波的设备，包括：封装，该封装包括基部衬底和封盖，该封盖耦合至基部衬底并且与基部衬底一起限定封装中的腔室；半导体裸片，在腔室中耦合至基部衬底、包括半导体本体；以及微机械超声换能器(MUT)，微机械超声换能器至少部分地集成在半导体本体中并且包括半导体本体中的空腔、悬置在空腔之上的膜、以及操作地耦合至膜的致动器，其能够被操作以用于生成膜的偏转。膜以如下方式被设计：其共振频率与在MUT的操作期间在封装的上述腔室中产生的声共振频率匹配。本实用新型的实施例能够在节省功耗的情况下实现所发射声波的压力的增加。
Description
技术领域
本公开涉及微机械超声换能器(MUT)。具体地，本公开关于一种被设计和加工以将在使用时在容纳MUT的封装内生成的声共振模式纳入考虑的MUT。
背景技术
众所周知，换能器是一种将物理量的变化转换成有关电的量(例如，电阻或电容)的变化或将有关电的量的变化转换成物理量的变化的设备。超声换能器是本领域所熟知的且广泛用于非破坏性测试、速度检测、工业自动化、物体识别、防撞系统和医学成像中的设备。微机械超声换能器设置有振动膜结构，振动膜结构具有适当的声阻抗来确保与所感兴趣的物理介质(例如，空气或液体)的良好耦合。膜在与其耦合的致动器的控制下的振动引起了在所考虑的介质中的超声波的发射(作为发送器的操作)。同样，超声声信号的接收在膜中引起振动，该振动被转换成电信号并且然后被检测到(作为接收器的操作)。
基于致动机制，MUT可以分成两种主要的类型：电容性MUT(CMUT)和压电MUT(PMUT)。具体地，根据从半导体衬底的背部进行蚀刻以便限定压电致动器/检测器在其上延伸的悬置的膜的工艺，来制造已知类型的PMUT。
按照本身已知的方式，以通常是膜自身的共振频率的特定频率来驱动悬置的膜振荡或振动(例如，利用活塞类移动)，膜自身的共振频率取决于膜的构造特点(几何形状、厚度、直径等)。
MUT设备通常包括：换能器，其可以利用MEMS(微机电系统)技术来提供，即，借助于半导体本体的加工步骤；以及保护性封装，其包括用于MUT的搁置基部和封盖，该搁置基部和封盖共同限定了MUT被容纳在其中的腔室。由MUT在使用中生成的声波在封装的腔室内传播并且通过封盖被传输至外部。
已知的是，封装的内腔室的形状和大小对超声换能器设备的性能有重大的影响，特别是对在输出处生成的波的压力以及对带宽有重大的影响。事实上，在使用中，在封装的空腔内生成驻波，从而以已知的方式产生声共振模式。上述声共振模式明显取决于封装的内空腔的几何特点并且可以利用当前可用的仿真和设计程序被标识。
实用新型内容
本申请人已经发现，考虑到上述声共振模式的存在，以其共振频率来驱动MUT并不一定使在来自封装的输出(所传输的有用信号)处生成的波为高压。相反，存在封装内部的声共振模式显著降低输出处的波的压力的操作条件。
上面讨论的难点使得声换能器设备的设计特别复杂。
本公开的至少一些实施例力求提供将能够克服已知领域的缺点的微机械超声换能器(MUT)。
根据本公开，因此提供了用于在传播介质中发射超声声波的设备和电子系统。
在一个方面中，提供了一种用于在传播介质中发射超声声波的设备，其特征在于，包括：封装，封装包括基部衬底和封盖，封盖耦合至基部衬底并且与基部衬底一起限定封装中的腔室；半导体裸片，半导体裸片在腔室中耦合至基部衬底并且包括半导体本体；以及微机械超声换能器，微机械超声换能器至少部分地集成在半导体本体中并且包括在半导体本体中的空腔、悬置在空腔之上的膜、以及操作地耦合至膜并且能够操作以用于生成膜的偏转的致动器，其中膜被配置为具有共振频率，共振频率与微机械超声换能器的操作期间在封装的腔室中产生的声共振频率匹配。
在一些实施例中，膜由从由以下组成的组中选择的材料制成：半导体或介电材料。
在一些实施例中，膜具有从以下项中选择的形状：圆形、四边形和多边形。
在一些实施例中，膜是圆形的，膜具有被包括在1μm与5μm之间的范围内的厚度，并且膜具有被包括在50μm与2mm之间的范围内的直径。
在一些实施例中，微机械超声换能器是被集成在裸片中的多个微机械超声换能器中的一个微机械超声换能器，多个微机械超声换能器中的每个微机械超声换能器包括：在半导体本体中的相应空腔和悬置在相应空腔之上的相应膜；以及操作地耦合至相应膜的相应致动器，每个致动器被配置为生成相应膜的偏转，每个膜被配置为具有与声共振频率匹配的相应共振频率。
在一些实施例中，每个微机械超声换能器和裸片相对于封盖被布置，使得每个微机械超声换能器与封盖的多个区域中的一个相应区域对齐，多个区域在使用中对应于具有由以声共振频率发射的声波在传播介质中施加的最大或最小压力的区。
在一些实施例中，集成在裸片中的每个微机械超声换能器相对于封盖被布置，使得相应微机械超声换能器与封盖的相应区域的对齐沿着以声共振频率发射的声波的主传播方向。
在一些实施例中，微机械超声换能器是压电微机械超声换能器。
在另一方面中，提供了一种电子系统，包括：封装，封装包括基部衬底和封盖，封盖耦合至基部衬底并且与基部衬底一起限定封装中的腔室；半导体裸片，半导体裸片在腔室中耦合至基部衬底并且包括半导体本体；以及微机械超声换能器阵列，至少部分地集成在半导体本体中，每个微机械超声换能器包括在半导体本体中的空腔、悬置在空腔之上的膜、以及操作地耦合至膜并且能够操作以用于生成膜的偏转的致动器，其中膜被配置为具有共振频率，共振频率与在微机械超声换能器的操作期间在封装的腔室中产生的声共振频率匹配。
在一些实施例中，电子系统是以下之一：非破坏性测试系统、速度检测系统、物体识别系统、防撞系统、和医学成像系统。
在一些实施例中，系统包括被配置为控制微机械超声换能器阵列的微机械超声换能器控制器，微机械超声换能器控制器被配置为在第一操作条件下引起膜中的一个或多个膜的偏转以便生成压力波的发射和/或被配置用于在第二操作条件下获取换能信号，换能信号是根据由接收到的压力波对膜中的一个或多个膜的偏转。
本实用新型的实施例能够在节省功耗的情况下实现所发射声波的压力的增加。
附图说明
为了理解本公开，现在参照附图仅以非限制性示例的方式描述本公开的优选实施例，其中：
图1图示了根据已知类型的一个实施例的压电微机械超声换能器(PMUT)；
图2是图1所示PMUT的俯视图；
图3图示了根据已知类型的另一实施例的PMUT；
图4图示了基于PMUT的发送器，其包括封装，该封装内部容纳有裸片，该裸片集成了图1所示类型的多个PMUT；
图5针对不同的频率值示出了由图4中的多个PMUT在使用中所生成的声共振波在传播介质(此处，空气)中施加的压力；
图6示出了由图4中的发送器在根据本公开的一个方面被改进时所发射的声波在传播介质(此处，空气)中施加的压力；
图7A是根据通过本公开的非限制性示例提供的一个实施例的、集成了图4中的多个PMUT的裸片的一部分的透视图；
图7B是根据通过本公开的非限制性示例提供的一个实施例的、集成了图4和图7A中的多个PMUT的裸片的俯视平面图；
图8根据与图7B相同的视图图示了图4的基于PMUT的发送器的一部分，其中灰色的阴影从图形上表示由传播介质(此处，空气)传输至图4中的封装的封盖的压力；
图9示出了当PMUT如图8所示那样被布置时PMUT的控制信号；以及
图10示意性地图示了包括根据本公开的实施例中的任何一个实施例的一个或多个PMUT的电子系统。
具体实施方式
图1是压电微机械超声换能器(在下文中，PMUT)1的横向截面图。
图1的横截面图被表示成彼此正交的笛卡尔轴X、Y和Z的坐标系，并且沿着图2所示的剖面线I-I截取。PMUT 1包括半导体本体2，该半导体本体2包括由诸如硅的半导体材料制成的衬底、以及生长在衬底上的一个或多个外延区域，这些外延区域也由诸如硅的半导体材料制成。半导体本体2具有沿着轴Z彼此相对的第一面2a和第二面2b。在平面XY中具有例如圆形形状的掩埋空腔6在半导体本体2内延伸并且通过至少部分地悬置在空腔6之上的膜8而与第一面2a分开。同样，在以示例的方式提供的本实施例中，膜8在平面XY中具有圆形形状。
按照本身已知的方式，可选地在与膜8相对应的区中在半导体本体的第一面2a上延伸的是界面层14(例如，由氧化硅制成)，并且在界面层14之上延伸的是由底部电极16、压电体18(例如，锆钛酸铅(PZT)或氮化铝(AlN))和顶部电极20形成的堆叠。界面层14具有在底部电极16与半导体本体2之间的电绝缘体的功能，并且此外，具有在膜8处生成压应力的功能，该压应力抵抗膜8鉴于在空腔6内部的压力与空腔6外部的环境压力之间的过大压力差而朝向空腔6的内部的可能坍塌。
在一个实施例中，底部电极16和压电体18在平面XY中的视图中具有圆形形状，其中相应的直径等于或大于空腔6的直径d1。压电体18还具有贯通开口21，通过该贯通开口21暴露出来的是底部电极16的表面部分，以支持底部电极16的后续电接触。顶部电极20具有甜甜圈形的圆形形状并且在膜8的边缘区域处延伸。显然，在不同实施例(未图示)中，顶部电极20可以具有不同的形状，例如完整的圆形形状，并且可以延伸以覆盖膜8的整个表面或仅覆盖其一部分(例如，顶部电极20与膜8同心但具有比膜8的直径小的直径)。在使用中，当向顶部电极20和底部电极16供应交流电流/电压以便激活压电体18时，膜8沿Z的偏转被生成。
通常，PMUT 1可以同时用作发送器和接收器。作为发送器，顶部电极20与底部电极16之间的电场由于逆压电效应而在压电体18中生成横向应力。由此生成的应力引起弯曲力矩，该弯曲力矩迫使膜偏转出平面XY，从而在PMUT 1所插入的环境中生成压力的变化，这种压力的变化作为压力波在所考虑的介质(例如，空气)中在平行于轴Z的主传播方向上传播远离PMUT 1。作为接收器，入射的压力波引起膜的偏转并且经由压电效应产生横向应力，该横向应力导致顶部电极与底部电极之间的电荷的变化。
如可以注意到的，PMUT 1的膜8在静态时不偏转，而是在使用中，当借助于适当的交流电压(例如，余弦波或正弦波)使电极16和20偏置时，膜8以特定的频率(共振频率f0)振动。根据其密度ρ，膜8自身的质量会影响动态行为。由膜8在其中振动的介质(例如，空气)提供的阻力(声阻抗)也影响振动的频率(在空气的情况下，可以忽略该参数)。另一些重要的参数有关膜的形状、其厚度及其直径。
考虑到这种多域依赖性，通常经由利用本领域的技术人员可用的适当计算机程序的有限元建模(FEM)软件来表征PMUT的振动膜的共振频率f0。然而，对于首次近似，共振频率f0，特别是对于从圆形、四边形(例如，方形)和多边形中选择的形状的膜8，可以被视为与比率(t1/L2)成比例，其中t1是膜8的厚度，并且L是为膜8选择的形状的特征尺寸(即，在圆形膜的情况下是直径d1，在方形膜的情况下是边长或对角线，或者在多边形膜的情况下是对角线)或根据需要选择的一些其它特征尺寸。显然，膜8的特征尺寸可以与上面指示的特征尺寸不同；具体地，其可以是与上面指示的尺寸通过比例因子而关联的尺寸(例如，在圆形膜的情况下是半径和直径；在方形膜的情况下是边长和对角线；等等)。
更精确地说，将空气视为膜8所浸入的介质，可以使用以下公式(1)来评估圆形膜的共振频率f0：
其中E是杨氏模量，ρ是制成膜的材料的密度，并且ν是泊松比。参数B是基于为膜锚固(anchorage)所选择的配置而限定的常数，并且特别地：对于在边缘处被约束的膜，等于11.84(因而防止膜在边缘处的旋转和平移)；对于在边缘处是自由的且无约束的膜，等于6.09(可以用在仿真期间的理想情况)；对于在中心处被约束且在边缘处自由的膜，等于4.35；以及对于在边缘处被铰接的膜，即对于被设计为支持在边缘处的平移但不支持旋转的膜，等于5.90。
在本公开的仅仅出于非限制性描述的目的而提供的一个实施例中，将膜8视为调整大小以便获得95kHz的共振频率，并且特别地在平面XY中的视图中具有圆形形状，并且具有直径d1＝500μm(相应选择其它参数)。
对于表征膜8有用的另一指示与最大偏转幅度有关。这取决于用于形成膜的材料，也取决于其厚度和由压电电阻器18赋予膜8的机械命令的强度。在仅仅以描述的方式而提供的该示例中，膜8沿着Z的最大偏转被视为是相对于0偏转的情况(即，膜未被致动)±1μm。
此外，表示PMUT 1的带宽的质量因子Q被视为被包括在94.2kHz与95.8kHz之间，特别是100kHz。
显然，为了获得具有与95kHz不同的值的共振频率，至少可以修改针对膜8的形状的参数以及d1和t1的值。为了获得具体的共振频率而对上述参数的改变是在本领域的技术人员所能及的范围内，有可能经由已知类型的FEM设计软件的帮助。
通常，根据本公开的一个方面，可以通过设置以下参数来设计PMUT 1。空腔6具有被包括在50μm与800μm之间的直径d1和沿着Z被包括在200μm与5μm之间的最大厚度d2。膜8具有在空腔6与第一面2a之间测得的几微米的厚度，例如在1μm与5μm之间。
图3图示了根据图1所示实施例的一个备选实施例的PMUT 30。在这种情况下(共同的元件由相同的附图标记标识并且不再进一步描述)，掩埋类型的空腔6不存在，并且替代地由从第二面2b开始延伸通过半导体本体2的空腔32代替。在该实施例中，在使用中，空腔32处于与PMUT被布置在其中的环境相同的压力。因此，克服了由于膜8鉴于在空腔6内部的压力与空腔6外部的环境压力之间的过大压力差而可能坍塌的任何缺点。
图1和图2以示例的方式图示了单个PMUT 1。然而，为了发射具有特定方向性和长传播距离(例如，在1m与2m之间)的超声波，可以提供包括根据特定图案布置的PMUT 1的线性或二维阵列(通常，“阵列”)的发射器设备，特定图案例如由Kaoru Yamashita等人于2002年发表在Sensors and Actuators的A 97-98第302-307页的“Arrayed ultrasonicmicrosensors with high directivity for in-air use using PZT thin film onsilicon diaphragms”所描述的、或如图7A和图7B中以示例的方式所图示的圆形或线性图案。
图4在横向截面图中示意性地示出了封装50，封装50容纳裸片35，裸片35又容纳或集成图1所示类型的多个PMUT 1。封装50包括基部衬底36和保护性封盖38，封盖38借助于耦合区域39而耦合至基部衬底36并且与基部衬底36一起限定封装35的内部空腔40。显然，在一个备选实施例中，封盖38和耦合区域39可以是一个整体。在本公开的非限制性实施例中，封盖38和耦合区域39的面向空腔40的壁是刚性的(在这种上下文中，通过术语“刚性的”，要理解的是，在由裸片35的PMUT 1在使用中生成的声波的作用下不发生变形的材料)。例如，如果封盖38和耦合区域39选自金属(例如，铝封盖)或聚合材料、或半导体材料(例如，硅)，则当受到在102Pa与105Pa之间的范围内的声压力时，它们是“刚性的”。
基部衬底36可以由诸如FR-4(玻璃环氧层压板)或BT(双马来酰亚胺三嗪)的层压材料制成，或者一般地由塑料材料制成或者仍然由半导体材料制成。
在以示例的方式提供的该实施例中，裸片35具有方形形状，具有大约为7.15μm的边长l1(沿X和Y)、每个PMUT 1的每个膜8的大约为500μm的半径d1(在XY平面中)、裸片35的大约为400μm的厚度d4(沿Z)。此外，此处考虑大体上为方形形状的封盖38，具有大约为10mm的边长l2(沿X和Y)和大约为150μm的厚度d3(沿Z)。裸片35与封盖38之间的距离g1大约为500μm。在封装50内部的空腔40在平面XY中的视图中具有方形形状的延伸。例如，在封装50内部的空腔40的体积为50mm3。
此外，在实施例的该示例中，裸片35容纳9个PMUT 1。特别地，裸片35容纳9个PMUT1，该9个PMUT 1被集成在一个相同的半导体本体2中并且被设置成膜的形式，这些膜并排布置并且可以由相应的压电致动器驱动。
封装50和裸片35一起形成超声换能器设备51。
以图4中仅示意性地图示的方式，还存在借助于一个或多个相应的电压生成器46来使压电电阻器18偏置的电连接44，电压生成器46被配置为生成电压信号Vp。
如上面讨论的，空腔40的形状和大小对由超声换能器设备51发射的声波的功率具有影响，特别是考虑到在由裸片35承载的PMUT 1的操作期间在空腔40内生成的声共振模式。
本申请人已经发现，在输出处生成的压力波42的功率方面，PMUT 1的共振频率具有影响，相对于由于源自空腔40中的声共振模式而在输出处生成的另外的(不期望的)压力波的影响，这种影响可以被视为是可忽略的。上述另外的压力波由设备51传输，各自以其自己的频率传输。例如，如图5所示，通过以95kHz(在该示例中，该频率是PMUT 1中的每一个的共振频率)的频率驱动裸片35的PMUT 1振荡并且分析在很大范围的频率(此处，在25kHz与110kHz之间)内由超声换能器设备51发射的声波42，可以注意到处于各种频率的多个峰值，其中的每一个对应于存在于空腔40中的声共振模式。如可以注意到的，以95kHz的频率在介质(此处，空气)中生成的压力相对于以70kHz和98.4kHz的频率在相同介质中生成的压力是可忽略的。
因此，根据本公开的一个方面，裸片35的每个PMUT 1被设计以使得其共振频率f0与空腔40中存在的声共振模式中的一个声共振模式的共振频率大体上匹配(即，具有由制造工艺的局限性给予的相对于理论设计的误差裕度)。本领域的技术人员可以自由地进行声共振模式的选择。然而，可取的是通过选择生成最高输出压力以便使所发射的声信号42的功率最大化的声共振频率(在图5中考虑的示例中，98.4kHz的频率)来进行频率匹配。
在所考虑的示例中(要理解，该示例决不限制本公开的范围)，可以通过设计膜8以便获得98.4kHz的共振频率(例如，遵循上面针对共振频率f0指示的公式，包括膜8的形状、材料、厚度t1、和直径或对角线d1)，以本领域技术人员所已知的方式来设计容纳在裸片35中的每个PMUT 1。
显然，作为本公开的基础的实用新型思想不限于前面提到的特定值。事实上，空腔40的形状、内部几何形状、体积和材料的差异导致空腔40中对应于图5所示类型的压力峰值的声共振频率的相应变化。因此，每个PMUT 1的设计也需要将上述变化纳入考虑，以便设计具有与所期望的声共振频率匹配的共振频率f0的PMUT 1。因此，本领域技术人员通过改变上面提到的参数(具体地，以下中的至少一种：膜的形状、膜的材料/多种材料、膜的厚度、膜的直径或对角线)，可以设计具有精确共振频率的PMUT，特别是具有根据本公开的等于所选择的声共振频率的频率。
如关于在封装50内部的声模式的共振频率的分析，这也在本领域技术人员所能及的范围内，只要针对为封装50选择的任何几何形状，其能以自动的方式(对用户而言是透明的)借助于常用的FEM软件执行。
本申请人已经发现，通过根据本公开的一般性教导来设计超声换能器51，在频率匹配情况下生成的声波42的功率(在所考虑的介质中的压力方面)大大高于通过以PMUT 1自己的共振频率而不存在匹配来驱动PMUT 1所生成的波的功率。为此，考虑图6中的曲线图，从该图可以注意到在频率匹配情况下在所考虑的介质(此处，再次为空气)中生成的压力的幅度，如上所述。
应该注意，在存在匹配的情况下(此处，以98.4kHz)生成的声波的压力比通过由空腔40中的声共振的单一影响产生的声波(再次是以98.4kHz)而生成的压力高一个数量级，并且比由通过将PMUT1设计为以95kHz的共振频率操作而产生的声波生成的压力高两个数量级。
图7A是裸片35的一部分的截面透视图，而图7B是裸片35在平面XY中的俯视平面图，从该图可以理解容纳在半导体本体2中的PMUT 1中的每一个的膜的相互布置。
根据本公开的另一方面，除了前面提到的频率匹配之外，如裸片35在封装50中的空间位置那样，PMUT 1在裸片35中的布局根据空腔40内生成的声共振模式来选择。特别地，在已经选择了用于执行PMUT 1的共振频率的匹配的声共振频率(例如，由图5中的峰值标识的频率中的一个频率)后，检查施加在封盖38上的声压力，例如借助于FEM仿真(特别地，借助于使用诸如Comsol
的仿真软件进行的模型分析)。
图8以示例的方式示出了经由FEM仿真获得的受到由空腔40的声共振模式引起的不同压力的封盖38区域。由附图标记61表示的区(以深灰色阴影)是压力为正的区域，即，在轴Z的正方向上取向，而由附图标记62表示的区(以浅灰色阴影)是压力为负的区域，即，在轴Z的负方向上取向。图8中白色表示的过渡区域63在任何情况下都存在于区61与区62之间。
对图7B中图示的并且在图8中再提出的特定布局的选择(关于PMUT 1的具体布置)是根据由在空腔40中生成的声波施加在封盖38上的并且在封盖38面向空腔40的一侧上影响封盖38的压力。
如可以注意到的，存在其中压力具有相反符号的区61和区62、以及其中压力具有可忽略值的中间区63。区61和62可以通过在设计阶段期间通过从设备的被设计为容纳PMUT的区域朝向封盖38施加至少一个声波(即，累积的声波，而不是在使用期间由PMUT实际产生的波)而被标识，而不管PMUT的存在。区61和62的存在和空间布置根据空腔40的形状/体积(由于封盖38和基部衬底36的相互布置)、以及空腔40中的(一个或多个)声波的频率而变化。
在所示的示例中，当最大压力处于区61时，对应的最小压力处于区62，其中共振振荡频率(如上述的)为98.4kHz。
根据本公开的一个方面，每个PMUT形成在裸片35的特定区中，并且同样，裸片35布置在封装的空腔40中，使得每个PMUT 1的每个膜8沿着Z(即，在所发射的声波42的主传播方向上)大体上与区61和区62之间的相应的一个区对齐。通过用信号V1适当地驱动每个PMUT1，可以使区61中施加的压力最大化，从而获得由超声换能器设备51发射的声波在所考虑的传播介质中施加的压力的极大增加，信号V1使得上述膜8以针对相应PMUT 1而选择的共振频率(如前面描述的并且遵循所提出的示例，以98.4kHz，以便对应于所选择的声模式的共振频率)振动。按照显然的方式，每个PMUT 1的激励与所考虑的声振动模式同相地发生，以便使封盖38上的压力影响最大化，并且因此使所发射的能量最大化。
用相应信号V2来驱动剩余PMUT(即，与其中压力为最小值的区62相对应的那些PMUT)的膜8，该信号V2相对于与区61对齐的PMUT 1的驱动信号V1相位相反。
图9是驱动信号V1和V2(此处，是正弦类型)的图形表示。备选地，可以使用方波类型的信号。
可以使用与参照图8和图9描述的驱动方法不同的其它驱动方法。
例如，再次参照图8，可以专门驱动位于与区61对应的位置中的PMUT 1(使上述PMUT与处于所考虑的98.4kHz的频率的共振声波同相地振动)。位于与区62对应的位置中的剩余PMUT 1保持关断。相较于已知的技术，该实施例提供了如下优点：实现所发射的声波42的压力的增加，但相较于前面参照图8和图9描述的情况，还节省了功耗。
根据另一实施例，还可以驱动位于与区61对应的位置中的PMUT 1中的仅一些或仅一个(使上述PMUT与处于所考虑的98.4kHz的频率的共振声波同相地振动)，而所有其它PMUT则保持关断。
最后，即使可以利用一个相同的电压信号(例如，通过仅施加电压信号V1或仅施加电压信号V2)来同时驱动所有PMUT 1，本实施例也不导致特定优点。
图10是包括超声换能器51的电子系统100的示意图。电子系统100还包括用于控制PMUT阵列的控制组件102，该控制组件102被配置为：根据前面已经描述的，在其中PMUT阵列用作发送器的操作条件下，使阵列中的每个PMUT的底部电极16和顶部电极20偏置，以便引起相应压电体18的偏转以及因此的膜8的受控偏转。
用于控制PMUT阵列的控制组件102还被配置为：在其中PMUT阵列用作接收器的操作条件下，接收和处理由压电体18转换的电信号，其根据由撞击在PMUT的膜8上的压力波引起的膜8的偏转。
在一个实施例中，可以使用包括已编程处理器的微控制器连同适当的数模和模数转换器一起来实现控制组件102。备选地，可以使用专用的仿真控制电路、或者可以被配置为执行本文讨论的功能的任何其它控制器来实现控制组件102。
显然，根据操作背景和应用，电子系统100(以及特别是控制组件102)可以被配置为仅在前面提到的两种操作模式中的一种操作模式下操作。
例如，电子系统100是以下中的一种：非破坏性测试系统、速度检测系统、物体识别系统、防撞系统和医学成像系统。
可以由根据本公开的PMUT、在相应实施例中和根据相应制造方法实现的优点从前面已经描述的内容是明显的。
特别地，所描述的本公开实现了对于生成以高压力发射的波而言最佳的PMUT阵列的实施例。
最后，要清楚的是，可以对所描述和图示的设备进行众多修改和改变，所有这些修改和改变都落入本公开的范围内。
特别地，以本领域技术人员已知的方式，本公开也适用于电容性微机械超声换能器(CMUT)。
此外，显然，可以对其中裸片35容纳(集成)有多个PMUT 1的图4实施例进行修改，使得裸片35容纳仅一个PMUT 1和/或使得空腔40容纳各自包括一个或多个PMUT 1的多个裸片。
上面描述的各个实施例可以相组合以提供另外的实施例。鉴于上面的详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在权利要求书中，所使用的术语不应该被理解为将权利要求书局限于在本说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而是应该被理解为包括所有可能的实施例以及该权利要求书有权得到的等价物的整个范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。
Claims (11)
1.一种用于在传播介质中发射超声声波的设备，其特征在于，包括：
封装，所述封装包括基部衬底和封盖，所述封盖耦合至所述基部衬底并且与所述基部衬底一起限定所述封装中的腔室；
半导体裸片，所述半导体裸片在所述腔室中耦合至所述基部衬底并且包括半导体本体；以及
微机械超声换能器，所述微机械超声换能器至少部分地集成在所述半导体本体中并且包括在所述半导体本体中的空腔、悬置在所述空腔之上的膜、以及操作地耦合至所述膜并且能够操作以用于生成所述膜的偏转的致动器，
其中所述膜被配置为具有共振频率，所述共振频率与所述微机械超声换能器的操作期间在所述封装的所述腔室中产生的声共振频率匹配。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述膜由从由以下组成的组中选择的材料制成：半导体或介电材料。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述膜具有从以下项中选择的形状：圆形、四边形和多边形。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述膜是圆形的，所述膜具有被包括在1μm与5μm之间的范围内的厚度，并且所述膜具有被包括在50μm与2mm之间的范围内的直径。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述微机械超声换能器是被集成在所述裸片中的多个微机械超声换能器中的一个微机械超声换能器，
所述多个微机械超声换能器中的每个微机械超声换能器包括：在所述半导体本体中的相应空腔和悬置在所述相应空腔之上的相应膜；以及操作地耦合至所述相应膜的相应致动器，每个致动器被配置为生成所述相应膜的偏转，
每个膜被配置为具有与所述声共振频率匹配的相应共振频率。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，每个微机械超声换能器和所述裸片相对于所述封盖被布置，使得每个微机械超声换能器与所述封盖的多个区域中的一个相应区域对齐，所述多个区域在使用中对应于具有由以所述声共振频率发射的所述声波在所述传播介质中施加的最大或最小压力的区。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，集成在所述裸片中的每个微机械超声换能器相对于所述封盖被布置，使得相应微机械超声换能器与所述封盖的所述相应区域的所述对齐沿着以所述声共振频率发射的所述声波的主传播方向。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述微机械超声换能器是压电微机械超声换能器。
9.一种电子系统，其特征在于，包括：
封装，所述封装包括基部衬底和封盖，所述封盖耦合至所述基部衬底并且与所述基部衬底一起限定所述封装中的腔室；
半导体裸片，所述半导体裸片在所述腔室中耦合至所述基部衬底并且包括半导体本体；以及
微机械超声换能器阵列，至少部分地集成在所述半导体本体中，每个微机械超声换能器包括在所述半导体本体中的空腔、悬置在所述空腔之上的膜、以及操作地耦合至所述膜并且能够操作以用于生成所述膜的偏转的致动器，其中所述膜被配置为具有共振频率，所述共振频率与在所述微机械超声换能器的操作期间在所述封装的所述腔室中产生的声共振频率匹配。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电子系统是以下之一：非破坏性测试系统、速度检测系统、物体识别系统、防撞系统、和医学成像系统。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，包括被配置为控制所述微机械超声换能器阵列的微机械超声换能器控制器，所述微机械超声换能器控制器被配置为在第一操作条件下引起所述膜中的一个或多个膜的偏转以便生成压力波的发射和/或被配置用于在第二操作条件下获取换能信号，所述换能信号是根据由接收到的压力波对所述膜中的一个或多个膜的偏转。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |