CN217479067U - 微机械装置及微机械系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种微机械装置及微机械系统。该装置包括：本体；间隔元件，耦接至本体；第一电极结构，耦接至间隔元件且叠加至本体并与本体交叠且与本体电绝缘，第一电极结构、本体和至少一间隔元件界定具有在间隔元件的相应侧壁中相对的侧壁间延伸的第一尺寸的第一掩埋腔；第一压电元件，耦接且叠加至并交叠第一电极结构，第一压电元件与第一掩埋腔交叠，第一压电元件具有在第一压电元件的相应侧壁中的相对侧壁间延伸的小于第一掩埋腔的第一尺寸的第二尺寸；本体、第一电极结构和掩埋腔形成第一电容式超声换能器，第一电极结构和第一压电元件形成第一压电超声换能器。本实用新型的技术以简单的方式获得了高通用性、适应性的微机械装置和微机械系统。

Description

微机械装置及微机械系统
技术领域
本公开涉及用于在传播介质中转换声波的微机械装置以及包括该微机械装置的设备。
背景技术
如已知的，超声换能器是能够通过机电、声或光能的转换在流体(液体或气体)和/或固体传播介质中发射和接收声波(具体地，频率介于 20kHz与100MHz之间的超声)的装置。
详细地，使用硅的体微机械加工和/或表面微机械加工的方法来制造微机械加工的超声换能器(MUT)。MUT包括能够在声波的传输状态和接收状态下都振动的膜。目前，膜的振动操作基于压电效应(压电MUT、 PMUT)或静电效应(电容MUT、CMUT)。
发射/接收的能量的电声转换效率、频率响应增益和带宽是MUT的识别参数。这些取决于适合于MUT的因素(诸如换能器的几何结构和材料，其确定MUT的机械阻抗)和适合声波在其中传播的介质的因素 (诸如传播介质的密度和由此携带的声音的速度，其确定声阻抗)。
通常，在超声应用中，并且具体地在低功率应用中，为了获得MUT 的高性能，并且具体地为了获得高灵敏度(因此获得高信噪比-SNR)和宽带宽(测量分辨率)，需要高值的电声转换效率和带宽。可以通过将 MUT设计为使得MUT的机械阻抗的值接近传播介质的声阻抗的值来获得优化的性能，其中，MUT插入在前面提到的工作频率的范围内。换言之，在MUT的机械阻抗与传播介质的声阻抗匹配的条件下获得MUT的性能的优化。例如，在MUT的工作带宽为-3dB时，当机械阻抗的值小于或等于传播介质的声阻抗的值时，MUT被认为是优化的。具体地，这是通过适当地选择该MUT的材料和结构和/或通过在该MUT的膜与声波的传播介质之间的界面处插入能够改变该MUT的机械阻抗(将其匹配以便减小上述阻抗值之间的差)的材料层实现的。
上述阻抗匹配问题在传播介质是气态介质(例如，空气)的情况下尤为明显，考虑到声阻抗的值较低(等于约400Rayl)，这导致与MUT 的机械阻抗(通常介于约1kRayl与约10MRayl之间)的高度失配。
具体地，空气中的不同超声应用是已知的，例如基于脉冲回波的检测的距离的测量以及物体和环境的成像，即在传输声波(例如，超声脉冲)时和在接收由声波在环境中的反射和扩散产生的超声回波时。超声回波的空间分布和所包含的谐波由传播介质中的密度变化引起，并且指示其中存在的物体和/或不均匀性。空气中的超声应用的另一示例为超声通信，这意味着通过声通道传输和接收调制信号。在这些应用中，带宽直接影响测量的分辨率(脉冲回波的检测)或数据的传输/接收(超声波通信)。
因此，在空气中应用中，也需要具有大带宽的MUT(例如，在-3dB 下的百分比在约3％与约50％之间可变)。然而，使用MEMS(微机电系统)技术微机械加工的换能器由材料(诸如硅、氧化物、氮化物、金属)制成并且具有它们的振动膜的典型尺寸(例如，范围从几百纳米到几十或几百微米的尺寸)，这使得难以获得足够低的机械阻抗值。由上述材料制成并且具有上述尺寸的膜在与空气耦合的条件下表现出具有高品质因数(Q)的谐振行为，并且因此在传输和接收两者中均表现出具有窄带宽的电声频率响应。
对这个问题的已知解决方案：使用具有低阻抗的材料(例如，PVDF) 或者使用在与空气的界面处的层(例如，由诸如微泡沫的微孔材料制成) 以减小机械阻抗；使用电抗元件(例如，具有小厚度和重量并且因此具有低阻抗的振动隔膜)或阻抗变换器(例如，使用这些膜获得的圆锥形状的元件)；或者在这些膜中引入损耗(例如，在这些膜中或在这些膜所面对的腔壁中的孔)。然而，这些解决方案呈现了高制造复杂度，并且呈现了MUT的参数设计的复杂度。此外，通过耗散元件或穿孔膜引入损耗有助于增加带宽，但是这是以牺牲MUT的效率和灵敏度为代价的。引入电抗元件有助于增加带宽，但在选择可使用的材料方面存在最小声阻抗方面的限制(例如，这些微泡沫的最小阻抗是10kRayl的数量级的，因此远大于空气的声阻抗)，导致阻抗匹配的效果不佳。
实用新型内容
本公开旨在提供将至少克服上述部分缺点的至少一种解决方案。
根据本公开内容，提供了一种用于在传播介质中转换声波的微机械装置以及包括该微机械装置的设备。
在至少一个实施例中，该微机械装置包括：本体；至少一个间隔元件，耦接至本体；第一电极结构，耦接至至少一个间隔元件，第一电极结构叠加至本体并且与本体交叠，并且第一电极结构与本体电绝缘，第一电极结构、本体和至少一个间隔元件界定第一掩埋腔，第一掩埋腔具有在至少一个间隔元件中的间隔元件的相应的侧壁中的相对的侧壁之间延伸的第一尺寸；第一压电元件，耦接至第一电极结构，第一压电元件叠加至第一电极结构并与第一电极结构交叠，第一压电元件与第一掩埋腔交叠，第一压电元件具有在第一压电元件的相应侧壁中的相对侧壁之间延伸的第二尺寸，第二尺寸小于第一掩埋腔的第一尺寸；本体、第一电极结构和掩埋腔形成第一电容式超声换能器，并且第一电极结构和第一压电元件形成第一压电超声换能器。
根据一个实施例，第一电极结构可包括半导体材料的第一膜和在第一膜和第一压电元件之间延伸的第一导电层，第一膜形成用于第一电容式超声换能器的第一端子并且第一导电层形成用于第一压电超声换能器的第二端子。
根据一个实施例，微机械装置可进一步包括叠加至第一压电元件的第二导电层，第一导电层和第二导电层与第一压电元件电接触。
根据一个实施例，本体包括基板和第一导电层，第一导电层被插入在基板与第一掩埋腔之间，其中半导体材料的第一膜包括膜体和第二导电层，第二导电层被插入在第一掩埋腔与压电元件之间，并且其中第一导电层和第二导电层与第一掩埋腔形成第一电容器，并且其中第一导电层和第二导电层由第一掩埋腔彼此间隔开，并且与至少一个间隔元件一起界定第一掩埋腔。
根据一个实施例，本体具有第一导电层的第一表面，第一导电层的第一表面面向第一掩埋腔，并且其中第一膜具有第二导电层的第一表面，第二导电层的第一表面面向第一掩埋腔。
根据一个实施例，本体进一步包括第一绝缘层，第一绝缘层被叠加至第一导电层，第一绝缘层在第一导电层与第一掩埋腔之间；并且第一膜进一步包括第二绝缘层，第二绝缘层被叠加至第二导电层，第二绝缘层在第一掩埋腔与第二导电层之间。
根据一个实施例，第一导电层和第二导电层被电连接至调谐电路和偏置电路。
根据一个实施例，调谐电路包括调谐阻抗。
根据一个实施例，调谐阻抗包括以下项中的至少一项：短路、开路、彼此并联的电阻器和第一电容器、彼此并联的第一电感器和第二电容器、彼此并联的多个电容器、以及负阻抗电路。
根据一个实施例，其中调谐电路包括有源网络或无源网络。
根据一个实施例，第一导电层和第二导电层被配置为接收第一电压，第一电压用于致动第一压电元件；并且偏置电路被配置为生成第二电压，第二电压用于控制第一电容器。
根据一个实施例，第一导电层和第二导电层被配置为生成第一电压；以及第一导电层和第二导电层被配置为生成第二电压，第一电压、第二电压指示第一膜的振动，第一膜的振动是由来自传播介质并且入射在第一膜上的声波引起的。
根据一个实施例，至少一个间隔元件在本体与第一膜之间延伸，并且侧向地界定第一掩埋腔。
根据一个实施例，进一步包括绝缘材料的膜，绝缘材料的膜面向第一掩埋腔，其中第一电极结构包括导电材料的第一导电层，导电材料的第一导电层在膜之上延伸并且被布置在膜与第一压电元件之间，第一导电层形成第一电容式超声换能器和第一压电超声换能器的公共端子。
本公开的实施例还提供了一种微机械装置，其包括：基板；第一导电层，在基板上，第一导电层具有第一表面，第一表面背离基板；至少一个间隔元件，在第一导电层的第一表面上，至少一个间隔元件包括第一侧壁和与第一侧壁相对的第二侧壁；第二导电层，在至少一个间隔元件上，第二导电层具有面向基板的第二表面；掩埋腔，由第一表面、第一侧壁、第二侧壁和第二表面界定，掩埋腔具有第一尺寸，第一尺寸从第一侧壁延伸到第二侧壁；膜体，在第二导电层上；第三导电层，在膜体上；压电元件，在第一导电层上，第一导电层具有第三侧壁和第四侧壁，第四侧壁与第三侧壁相对，压电元件具有第二尺寸，第二尺寸从第三侧壁延伸到第四侧壁，第二尺寸小于第一尺寸；以及第四导电层，在压电元件上。
根据一个实施例，该微机械装置还包括：电容式超声换能器，包括第一导电层和第二导电层；以及压电超声换能器，包括第二导电层和第三导电层。
本公开的实施例还提供了一种微机械系统。微机械系统包括多个换能器。多个换能器中的每一个换能器包括：电容式超声换能器，被配置为由第一电压控制，并且被配置为响应于第一电压产生弹簧软化效应，第一电压被配置为控制电声响应的相位；以及压电超声换能器，在电容式超声换能器上并且被耦接到电容式超声换能器，压电换能器被配置为由与第一电压不同的第二电压控制，第二电压被配置为控制电声响应的幅度。
根据一个实施例，第一电压是恒定的。
根据一个实施例，电容式超声换能器被配置为由第三电压控制，并且被加载外部控制的可变电阻抗，以控制电声响应的相位。
根据一个实施例，多个换能器被配置为响应于电容式超声换能器的弹簧软化效应来执行相位延迟波束成形，相位延迟波束成形包括波束聚焦和转向。
本实用新型的技术以非常简单的方式获得了高通用性、适应性的微机械装置及微机械系统和微机械系统。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图来描述本公开的一些实施例，在附图中：
图1示出了根据一个实施例的本微机械装置的截面；
图2是图1的微机械装置在其操作模式下的等效电路图；
图3是示意性地示出了作为图1的微机械装置的振动单元的振动频率的函数的图2的操作模式下的压力谱的曲线图；
图4A是图1的微机械装置在不同操作模式下的截面图；
图4B是在图4A的操作模式下的本微机械装置的等效电路图；
图5A和5B是示出了微机械装置在图4A的操作模式下的调谐阻抗的电路表示；
图6A和6D是示意性地表示根据图4A的操作模式下的微机械装置的调谐阻抗的实施例的作为振动元件的振动频率的函数的压力谱的曲线图；
图6B和6C是示意性地示出根据在图5A和5B中示出的调谐阻抗的实施例的作为振动元件的振动频率的函数的压力谱的另外的曲线图；
图7A和7B示出了根据一个实施例的用于制造图1的微机械装置的方法的相应步骤；
图8A-8D示出了根据不同实施例的用于制造图1的微机械装置的方法的相应步骤；以及
图9-11以截面图示出了根据相应的另外实施例的本微机械装置。
图12A涉及传统的波束成形器；
图12B涉及波束成形器的实施例；
图12C涉及波束成形器的实施例；
图13A涉及元件的子阵列，每个元件包括本公开的换能器的一个或多个实施例的子阵列的阵列，其；
图13B涉及元件的子阵列，每个元件包括如图13A中所示的本公开的换能器的一个或多个实施例的子阵列的阵列；
图14A和图14B涉及关于包括如图13A和图13B所示的本公开的换能器的一个或多个实施例的子阵列的元件的曲线图；以及
图15涉及包括本公开的换能器的一个或多个实施例的子阵列的阵列的实施例。
具体实施方式
下面描述的本微机械装置的各种实施例共有的元件，这些元件在下文中由相同的附图标记表示。
图1在轴X、Y、Z的(三轴)笛卡尔参考系中示出了微机械装置 20，该微机械装置可以是微机电装置。
详细地，在所示出的实施例的示例中，微机械装置20构成MEMS 超声换能器装置或MUT。具体地，装置20被配置为安装在使用中耦接至具有低声阻抗的材料的设备(未示出，诸如笔记本、蜂窝电话、电视机、机动车辆、智能手表、超声探测器或用于非破坏性测试的换能器) 中，如下文在本公开内容中更全面地描述的。
使用MEMS(微机电系统)技术获得的装置20包括半导体本体22 (例如由硅制成)，该半导体本体设置有第一表面22a和与第一表面22a 相对的第二表面22b。换言之，第一表面22a和第二表面22b分别彼此相对。
装置20进一步包括振动元件，该振动元件在此由半导体材料(例如，硅)的膜24形成，该膜面向半导体本体22的第一表面22a并且被设置在与半导体本体22相距一定距离处，以限定在膜24与半导体本体22 之间延伸的腔27(其被掩埋并且与装置20外部的环境流体地隔离)。详细地，膜24设置有其自身的第一表面24a(在一定距离处面向半导体本体22的第一表面22a)和其自身的与第一表面24a相对的第二表面 24b。
装置20可包括插入在膜24与半导体本体22之间的一个或多个间隔元件26以侧向地界定腔27。
装置20进一步包括压电元件28(或压电致动器)，该压电元件机械地耦接至膜24(详细地，在膜24的第二表面24b上延伸)并且可以被致动以引起膜24的振动。因此，压电元件28与膜24一起形成压电换能器，该压电换能器可以是压电超声换能器。具体地，压电元件28和膜 24相对于彼此固定并形成振动单元36。压电元件28设置有其自身的第一表面28a和其自身的第二表面28b(面向膜24的第二表面24b)，第一表面和第二表面彼此相对。压电元件28包括一层或多层设置在彼此顶部上的压电材料，并且在平行于Z轴的方向上至少部分覆盖腔27。更详细地，在平行于Z轴的方向上，压电元件28相对于腔27被设置在中心处。
如装置20的图1所示，腔27包括尺寸W1，该尺寸从界定腔27的间隔元件26的相应侧壁中的相对侧壁延伸。压电元件28包括从压电元件28的相应侧壁中的相对侧壁延伸的尺寸W2。腔27的尺寸W1小于压电元件28的尺寸W2。
例如，压电元件28在第一PZT(锆钛酸铅)电极32a和第二PZT 电极32b之间延伸，该第一PZT电极和第二PZT电极分别与压电元件 28的第二表面24b和压电元件28的第一表面24a接触。第一PZT电极 32a和第二PZT电极32b由导电材料制成，例如由金属材料(诸如Au、Cu、Pt、TiW、Mo、氧化钇、Ru)或具有高浓度掺杂剂物质的半导体材料(例如，具有高于1018at/cm3的N型掺杂剂物质的浓度的硅)制成，以对压电元件28进行偏置。
如装置20的图1所示，压电元件28的相应侧壁与第一PZT电极32a 的相应侧壁和第二PZT电极32b的相应侧壁基本上共面并且基本上齐平。如图1所示，第一PZT电极32a和第二PZT电极32b分别具有与压电元件28相似的尺寸W2。
此外，膜24和半导体本体22形成电容效应超声换能器。
具体地，半导体本体22包括基板23以及第一导电层30a，该第一导电层设置在基板23的顶部上并且形成半导体本体22的第一表面22a。如装置20的图1所示，半导体本体22具有在半导体本体22的相应侧壁的相对侧壁之间延伸的尺寸W3。半导体本体22的尺寸W3大于压电元件28的尺寸W1，并且大于腔27的尺寸W2。半导体本体22的相应侧壁与间隔元件26的相应侧壁和膜24的相应侧壁基本上共面并且基本上齐平。换言之，基于如图1所示的装置20的取向，基板23、第一导电层 30a、间隔元件26、第二导电层30b和膜体25的相应侧壁在装置20的左手侧和右手侧基本上彼此共面。
膜24包括膜体25和设置在膜体25顶部并形成膜24的第一表面24a 的第二导电层30b。
第一导电层30a和第二导电层30b由金属材料(诸如Au、Cu、Pt、 TiW、Mo、氧化钇、Al、Ru)或具有高浓度掺杂剂物质的半导体材料(例如，具有高于1018at/cm3的N型掺杂剂物质的浓度的硅)制成。因此，第一导电层30a和第二导电层30b通过腔27面向彼此，并且与腔27一起限定电容器30的极板。
在装置20的静止状态下(即，当在PZT电极32a、32b之间以及在导电层30a、30b之间不施加电压时)，腔27具有在第一导电层30a和第二导电层30b之间沿着Z轴测量的深度d1，该深度介于0.05μm与 100μm之间、更具体地介于0.1μm与5μm之间；例如，深度等于1μm。
根据通过举例提供的实施例，半导体本体22的厚度d2(在其表面 22a与22b之间)介于10μm与710μm之间，更具体地介于160μm与200μm 之间，例如等于180μm，并且膜24的厚度d3(在其表面24a与24b之间) 介于0.5μm与50μm之间，更具体地介于2μm与20μm之间，例如等于 3μm。
具体地，膜24在其每个部分中均具有相同的厚度d3(即，其在任何地方具有均匀的厚度)。
在使用中，装置20由传播介质(流体，具体地空气)包围，在传播介质中传播由装置20产生或检测的声波34。详细地，传播介质34与膜 24的第二表面24b接触。
当装置20在其自身的传输模式下操作时(即，其用作致动器)，膜 24由压电元件28和/或电容器30设置为振动，并且膜24的振动导致声波34在传播介质中的产生和传播。
当装置20在其自身的接收模式下操作(即，其用作传感器)时，来自传播介质的声波34(例如，由装置20外部的发射器本体产生的)撞击在膜24上并且引起其振动。所引起的膜24的振动在压电元件28中产生应力并且在电容器30中产生电容的变化，使得能够通过压电元件28 和/或电容器30进行检测，如下文中更全面地描述的。
参考传输模式，第一电压V1(频率介于30kHz与100MHz之间并且在图4A中示出的a.c.(交流)电压)可以根据不同的方式施加在PZT 电极32a和32b之间，在下文中描述其中一些方式。以此方式，压电元件28被偏置(并且因此被致动)并且将振动能量传递至膜24，从而导致膜的偏转和振荡。
此外，第二电压V2(在图4A中示出的d.c.(直流)电压)可以施加在导电层30a、30b之间，以在电容器30中产生延伸穿过腔27的电场。所述电场在导电层30a和30b之间产生吸引力，该吸引力导致膜24与半导体本体22之间的相对接近。当在PZT电极32a和32b之间施加第一电压V1时，在导电层30a、30b之间施加第二电压V2引起膜24的进一步偏转并且改变膜的机械顺应性，从而改变装置20的机械阻抗(并且因此改变其频率响应)，如以下更全面描述的。
可替换地，在传输模式下，第一电压V1可以是d.c.(直流)电压并且第二电压V2可以是a.c.(交流)电压，以便通过电容效应将膜24设置为振动并且由于压电效应而在膜上施加应力(导致膜的偏转)。
因此，可以通过改变电压V1和V2的值来控制膜24的振动特性。具体地，可以通过控制压电元件28和/或通过控制电容器30来将膜24设置为振动。
参考接收模式，检测第一电压V1和/或第二电压V2，只要它们指示由入射在膜上的声波34引起的膜24的振动。可选地，为了提高声波34 接收的灵敏度，可以通过压电元件28和电容器30之间的一个(例如，通过压电效应)将膜24设置为振动，并且同时通过压电元件28和电容器30之间的另一个(例如，电容性地)检测声波34。
接收模式和传输模式是彼此交替的：因此装置20可以仅在接收、仅在传输、或在接收和传输两者但在彼此交替的时间段中操作。
因此，装置20作为压电/电容微加工超声换能器(PCMUT)操作。
下面参考传输模式以举例的方式描述装置20的各种操作模式。
根据装置20的第一操作模式(参考图2描述的)，压电元件28以导致膜24振动的方式被致动(在第一交流电压V1下偏置)，并且电容器30被放电并且不被偏置或连接至任何电路。换言之，电容器30相当于开路。
图2示出了在第一操作模式下操作时的装置20的等效电路图50。具体地，电路图50是集总元件(lumped-element)模型，并且对装置20 的线性化动态小信号行为进行建模以描述其电能和机械能的转换机制。
在图2中，第一机电变压器52(具有其自身的匝数比ηp)将电网 53(与电流I和第一初级电压Vp1相关联，如在下文中所解释的)与机械网54(与速度<v>和第一次级绕组力Fs2相关联，如在下文中所解释的) 耦接在一起，从而使得能够在网53与54之间交换能量。
第一电网53包括第一电节点56和第二电节点57，它们分别对应于图1的PZT电极32b和32a。第一变压器52的初级绕组52a在电节点 56和57之间延伸，并且PZT电容器Cp被设置为与初级绕组52a并联。 PZT电容器Cp对应于在PZT电极32b和32a之间测量的压电元件28的电容。
机械网54包括第一变压器52的次级绕组52b。与次级绕组52b并联，机械网状物54还包括由膜阻抗Zm和辐射阻抗Zr形成的串联电路。
膜阻抗Zm进而包括膜电阻rm、膜电容1/km、以及膜电感mm，它们串联连接在一起并且形成膜24的阻抗。膜电阻rm、膜电容1/km、以及膜电感mm分别表示膜24的机械损耗、膜24的机械顺应性、以及膜24的质量。
辐射阻抗Zr表示声波34在传播介质中的传播。
如已知的，在所考虑的类型的换能器中，在传输模式下，对应于第一电压V1在小信号状态下的变化的第一小信号电压V1′被施加在第一节点56与第二节点57之间并且在第一变压器52的初级绕组52a两端产生第一初级电压Vp1。第一初级电压Vp1在机械网54中被转换为在第一变压器52的次级绕组52b两端的第一次级绕组力Fs2。由于第一次级绕组力Fs2，振动单元36将辐射阻抗Zr两端识别的力(称为“辐射力”Fr) 传递到传播介质。相反，在接收模式下，振动单元36经受由传播介质施加的力，并且产生存在于电节点56与57之间的第一小信号电压V1′。
辐射力Fr以已知的方式与由振动单元36在传播介质上(在传输模式下)产生的或由传播介质施加在振动单元36上(在接收模式下)的压力P相关，以下参见图3论述该压力的演变。
图3示出了与辐射力Fr相关的压力P的演变。当振动单元36在第一操作模式下操作时，在膜24的第二表面24b上测量作为振动单元36 的振动频率的函数的压力P。
具体地，振动单元36的压力P示出了在第一谐振频率fr1处具有峰值并且具有与带宽的低值(例如，低于1％)相关的第一品质因数Q1的谐振行为。
在参考图4A论述的装置20的第二操作模式下，压电元件28通过用第一电压V1(这里是交流电压)激励/驱动它而被致动，以使得膜24 振动，并且将图1的电容器30在第二电压V2(这里是直流电压)下进行偏置。
具体地，电容器30电连接至偏置电路170，该偏置电路170使得电容器30能够直流偏置。此外，电容器30电连接至调谐阻抗Zc，使得可以调节和改变由电容器30施加在振动单元36上(具体地，在膜24上) 的静电效应，因此改变图1的装置20的机械阻抗，如下面详细描述的。
彼此串联的偏置电路170和调谐阻抗Zc电连接至图1的导电层30a 和30b。偏置电路170在调谐阻抗Zc与图1的第二导电层30b之间延伸。详细地，第一电容器Cb与电阻器Rb一起形成偏置电路170，该偏置电路因此被实现为RC电路。第一电容器Cb在调谐阻抗Zc与图1的第二导电层30b之间延伸；在第一电容器Cb与图1的第二导电层30b之间限定第一中间节点70，并且电阻器Rb在第一中间节点70与设置在第三电压V3(直流电压)的电源线173之间延伸。因此，在电容器30两端存在第二电压V2，该第二电压是基于偏置电路170、调谐阻抗Zc与电容器30 之间的第三电压V3的分压而设置的。
图4B示出了另一等效电路图150，该等效电路图对当装置20在第二操作模式(即，电容性与压电性两者)下被实现并且例如在传输模式下操作时的图1的装置20的线性化动态行为进行建模。
电路图150类似于图2的电路图50并且进一步包括第二机电变压器 160(具有其自身的匝数比ηc)，该第二机电变压器将机械网(类似于机械网54并且在此被标识为机械网154)耦接至第二电网162。
第二电网162包括分别电连接至图1的导电层30b和30a的第三电节点158和第四电节点159。第二变压器160的初级绕组160a和偏置电路170的第一电容器Cb在电节点158和159之间彼此串联连接并且限定第二中间节点172；电容器30被设置为在第二中间节点172与第四节点 159之间平行于初级绕组160a。此外，平行于电容器30和初级绕组160a 延伸的是偏置电路170的电阻器Rb。
调谐阻抗Zc连接在电节点158和159之间。
第二变压器160的次级绕组160b被包括在机械网154中，并且被设置为串联至第一变压器52的初级绕组52b和膜阻抗Zm。此外，机械网 154包括串联设置在第二变压器160的次级绕组160b与膜阻抗Zm之间的软化电容器(softening capacitor)Cd(具体地，具有负电容)。软化电容器Cd表示在直流偏置的静电微机械结构中弹性常数减小的效果。被称为振动单元36的“弹簧软化”的效应决定了膜24的共振频率的减小，该减小与第三电压V3成比例。软化电容器Cd的值与电容器30的电容 Cc相关，并且具体地等于Cc/ηc 2。此外，第二变压器160的匝数比ηc以直接成比例的方式取决于第三电压V3。
利用图4A的电路，在使用中，可以通过作用于第三电压V3和调谐阻抗Zc来修改振动单元36的压力的谐振频率和/或品质因数。事实上，如前所述，调谐阻抗Zc使得能够修改装置20的机械阻抗(具体地，由于由将网162和154耦接在一起的第二机电变压器160表示的能量交换机制)。此外，偏置电路170使得能够向电容器30施加第二电压V2并且因此修改膜24的机械顺应性，如之前所描述的。因此，通过作用于这些参数，可以控制和修改振动单元36的振动行为。
具体地，根据实施方式，可以使调谐阻抗Zc基本上为零(即，节点 158和159相对于彼此短路)。在这种情况下，如图6A中可见，作为其自身的振动频率的函数的振动单元36的压力的行为在低于第一谐振值 fr1的第二谐振值fr2处具有谐振，并且品质因数约等于第一品质因数Q1。具体地，第二谐振值fr2与第三电压V3成反比。
根据调谐阻抗Zc的不同的实施例(参考图5A论述)，调谐阻抗Zc由彼此并联的调谐电阻器Rc和调谐电容器Ce(具体地，具有负电容，并且更具体地，具有等于-Cc的值的电容)形成，即，Zc＝Rc||Ce。在这种情况下，如在图6B中可见，作为其自身的振动频率的函数的振动单元 36的压力的行为具有约等于第二谐振值fr2的谐振频率的谐振类型，并且具有以成反比的方式取决于调谐电阻器Rc的值的品质因数的值。换言之，考虑调谐电阻器Rc的两个值R1和R2，其中R2<R1，相应的谐振曲线图分别示出了第二品质因数Q2和第三品质因数Q3，其中Q3<Q2<Q1。例如，可以获得包括在约4％与约20％之间的装置20的压力响应的带宽的值。
根据调谐阻抗Zc的不同实施例(参考图5B论述)，调谐阻抗Zc由调谐电容器Ce和第三电容器C与第一电感器L之间的一个彼此并联形成，即，Zc＝C||Ce或Zc＝L||Ce(图5B通过示例的方式示出了Zc＝L||Ce的情况)。在这种情况下，如图6C中所示，作为其自身的振动频率的函数的振动单元36的压力的行为具有谐振，该谐振具有约等于第一质量因数 Q1的质量因数的值，并且具有与第二谐振频率fr2不同的谐振频率的值。具体地，在调谐阻抗Zc包括第三电容器C时，相应的曲线图具有高于第二谐振频率fr2的第三谐振频率fr3(第三谐振频率fr3与第三电容器C的值成正比)；在调谐阻抗Zc包括电感器L时，相应的曲线图具有低于第二谐振频率fr2的第四谐振频率fr4(第四谐振频率fr4与电感器L的值成反比)。
根据调谐阻抗Zc的另一实施例，调谐阻抗Zc具有等于-(L+C)||Ce的值。在这种情况下，如图6D中可见，作为其自身振动频率的函数的振动单元36的压力的行为具有谐振频率约等于第二谐振频率fr2的谐振，其衰减小于先前论述的情况(因此在较高压力值下并且具有较高灵敏度)，并且第四品质因数Q4低于第一品质因数Q1。具体地，第四品质因数Q4与第三电容器C的值和电感器L的值直接成正比。因此，降低品质因数的可能性决定了装置20的压力响应的带宽的相应增加(例如，包括在约0.5％与约4％之间)。
图1的装置20用以下所述的制造方法获得。
参见图7A和7B，描述根据一个实施例的制造方法。
在图7A中，半导体本体22(包括基板23和第一导电层30a)从半导体材料的第一晶片70开始形成。例如，第一导电层30a通过在基板 23上注入掺杂剂物质或沉积一个或多个金属层形成。此外，膜24(包括第二导电层30b)从半导体材料的第二晶片71开始形成。例如，第二导电层30b通过在膜体25上注入掺杂剂物质或沉积一个或多个金属和电介质层(例如，钝化层)形成。
在图7B中，半导体本体22和膜24通过间隔区域(其将形成间隔元件26)和接合层(未示出)的插入以第一导电层30a和第二导电层30b 面向彼此的方式接合在一起。例如，可以进行直接接合类型(例如Si-Si、 Si-SiOx、SiOx-SiOx)、金属类型、共晶类型、粘合剂类型或玻璃料类型的接合。
接下来，以未示出的方式，执行膜体25的研磨步骤以减小其厚度(使得膜24将具有先前描述的厚度d3)，并且在膜24的表面24b上形成压电元件28和PZT电极32a和32b以获得图1的装置20。
可替换地，在进行前述的接合之前，在第二晶片71上形成压电元件 28及其自身的PZT电极32a和32b。
参见图8A-8D，描述了根据不同实施例的制造方法。
在图8A中，以类似于上面关于图7A所描述的方式，从具有第一表面72a的半导体材料的第三晶片72开始形成半导体本体22。在第三晶片72上的第一表面72a的第一区域76处形成(例如，SiO2的)牺牲区域75(例如，通过热氧化或通过氧化物的沉积)。第一区域76面向腔 27。
在图8B中，在第三晶片72的第一表面72a的与第一区域76互补的第二区域77处形成间隔元件26。
在图8C中，例如通过硅的外延生长在间隔元件26上和牺牲区域75 上形成膜24(包括膜体25和第二导电层30b)。
在图8D中，通过蚀刻(例如，通过湿化学蚀刻)去除牺牲区域75 以形成腔27。具体地，从膜24的第二表面24b开始穿过膜24形成一个或多个孔，直到到达牺牲区域75，从而使得用于蚀刻的试剂能够到达牺牲区域75。
此外，压电元件28和PZT电极32a和32b以上述方式形成在膜24 的表面24b上以获得图1的装置20。
图9示出了根据不同实施例的装置20。具体地，在图8中，装置20 类似于图1中所示出的装置，但是包括多个压电元件28(每个压电元件具有相应的PZT电极32a和32b，并且在图8中未示出)、相应的多个腔27和相应的多个膜24。膜24共享相同的第二导电层30b(例如，金属层)，但是包括彼此间隔开的相应膜体25。每个膜24设置在相应的腔27的顶部上，并且与该腔和半导体本体22形成相应的电容器30。电容器30彼此并联电连接，因为它们共享导电层30a和30b。腔27彼此气动地隔离，并且相对于装置20外部的环境气动地隔离。详细地，多个压电元件28、腔27和膜24相对于彼此布置，以多次复制图1中示出的结构。换言之，图1的装置20仅包括用于转换声波的一个单元，而图9 的装置20包括用于转换声波的多个单元，这些单元彼此独立并且彼此并排设置在半导体本体22上(例如，在平行于X轴和/或Y轴的方向上)。
作为已经示出的替代方案，装置20包括彼此电去耦的多个第一导电层30a和彼此电去耦的多个第二导电层30b。在这种情况下，电容器30 彼此电去耦。
尽管在图9中仅以示例的方式示出了两个腔27、两个膜24和两个压电元件28，但应当理解的是，所述数量可以变化并且可以更大。
本装置提供了许多优点。
具体地，装置20操作为具有根据一些参数(施加在PZT电极32a 与32b之间的第一电压V1、施加到偏置电路170的第三电压V3、以及调谐阻抗Zc)可变的机械特性的超声换能器。事实上，通过在PZT电极 32a与32b之间施加第一电压V1，可以引起膜24振动，并且通过对电容器30进行充电(即，向偏置电路170施加第三电压V3并且设计调谐阻抗Zc)，可以改变装置20的等效机械特性。
此外，通过仅作用在电压V1和V3上来改变装置20的机械特性的可能性使得可以以非常简单的方式获得高的通用性、适应性和性能。这在诸如通过“阵列波束成形”技术形成和控制(偏转和聚焦)声束的应用中很重要。
装置20还可用于需要以装置20的小带宽进行操作的应用中，例如用于空气中。在这种情况下，事实上，装置20的功能可通过作用于前述参数、通过谐振频率的匹配以及品质因数的匹配以及通过减小振动单元 36的等效机械阻抗来优化。
作为先前已经描述的内容的替代，当压电元件28仅用于产生声波 34(例如，用于信号的传输)并且电容器20仅用于检测来自传播介质的声波34(例如，用于信号的接收)时，可以同时执行数据传输和接收的操作，反之亦然。
此外，可以通过例如使用压电元件28产生载波信号，并且使用电容器20产生叠加在载波信号上的调制信号(或反之亦然)来调制所传输的信号。
最后，清楚的是，可以对在此描述和示出的装置进行修改和变化，而不由此脱离本公开的范围。
具体地，由调谐阻抗Zc执行的膜24的特性的调节甚至不能仅由分立电路元件获得。在这种情况下，调谐阻抗Zc可由无源或有源类型的电路网络代替(并且因此包括诸如运算放大器等的元件)。
此外，作为先前已经描述的内容的替代，在接收模式下，压电元件28和电容器30之间的一个可以如先前描述的那样实现以修改装置20的机械阻抗，同时可以根据已知的压力检测技术来获得由入射声波34引起的膜24的振动的检测。例如，可以利用另一压电元件(未示出，与压电元件28类似，并且被设计为产生信号，该信号指示其机械地耦接到的膜 24的振动)，或者利用机械地耦接到膜24的一个或多个压力传感器(未示出，并且是已知类型的)。因此，装置20用于修改其机械阻抗(通过压电元件28或电容器30的控制)，而膜24的振动的检测由不包括在装置20中但耦接至该装置的元件执行。
可选地，如图10所示，半导体本体22还包括设置在第一导电层30a 之上并限定半导体本体22的第一表面22a的第一绝缘层38a(例如，由氧化硅或氮化硅制成)；并且膜24还包括设置在第二导电层30b之上并限定膜24的第一表面24a的第二绝缘层38b(例如，由氧化硅或氮化硅制成)。
第一绝缘层38a和第二绝缘层38b通过腔27面向彼此，并且即使在膜24的第一表面24a与半导体本体22的第一表面22a直接物理接触的情况下也能保证第一导电层38a和第二导电层38b的相互电绝缘。例如，所述接触可以由在平行于Z轴的方向上作用在膜24上的外力的施加引起，或者由膜24自身的振荡引起，例如产生膜的足够大的偏转，以使其与半导体本体22接触。
可选地，仅存在第一绝缘层38a和第二绝缘层38b之间的一个。而且在这种情况下，在膜24与半导体本体22直接物理接触的情况下，同样可以保证第一导电层38a和第二导电层38b的相互电绝缘。
此外，根据图11中示出的装置20的不同实施例，不存在第二导电层30b和第二绝缘层38b，并且膜体25由绝缘材料(例如，氧化硅或氮化硅)制成。在这种情况下，第一PZT电极32a形成在电容器30与压电换能器36之间共享的电极区域。实际上，电容器30由第一PZT电极 32a、膜体25和第一导电层30a形成；并且压电超声换能器由第一PZT 电极32a、压电元件28和第二PZT电极32b形成。
如本文中所论述的本公开的换能器36的实施例可用于通过利用静电转换的非线性来实现相移微波束成形器。
在传统的或通常的延迟和求和波束成形器100中，传输和接收信号由专用超声扫描器系统101处理的信号，换能器阵列102使用换能器阵列102的每个阵列元件108的连接阵列104中的一个连接106与该专用超声扫描器系统101接口连接。换能器阵列102与专用系统101之间的连接106的数量至少等于阵列元件108的总数。在一些超声扫描器系统中，可能存在被耦接在该换能器与该超声扫描器系统之间的数百或数千个连接。这些连接可以是具有必须耦接在换能器与接收器之间的单独端口的物理电缆。减少连接106的数量可有助于降低接口的复杂性和成本，尤其是在大元件计数阵列(例如，用于体积波束转向的2D阵列)的情况下。
在传输过程中，波束成形系统生成延迟电激励信号，并将其应用于换能器阵列元件，换能器阵列元件将其转换为延迟声波，延迟声波在介质(例如人体组织)中传播和干扰(相干求和)。介质反射并反向散射这些声波(回声)。在接收中，这些回波由换能器阵列元件转换为电信号，电信号由波束成形系统进行延迟和相加。
减少连接106的数量的一种方式称为“微波束成形”。该方法包括为换能器阵列102提供对阵列元件108的小组执行延迟和求和的能力。图12A给出了在系统侧上以收发器模式操作的经典延迟和求和波束成形方法的示意性描述(因为它通常在现有超声扫描系统中实现)。
在图12A中，点源110发射弯曲的波前112，该弯曲的波前从点源 110传播并且由N元件(例如，N＝16)阵列孔径(例如，换能器阵列102) 检测。N个声学信号通过N个连接106(例如，电缆)馈送至系统101。系统101通过应用N个延迟111a、111b、111c、111d等以方便地重新对齐波前116并且通过利用求和器118对对齐的信号116求和来执行信号的延迟和求和。每个延迟111稍微不同于相邻的延迟，这由矩形条111 的不同尺寸示出。表示每个延迟111的每个条是每个连接106或阵列元件108的精细或特定延迟。
通过将具有相似延迟值111的换能器的阵列元件108分组可实现相同的结果，相邻元件108通常就是这种情况。图12B是示出了延迟和求和波束成形器200的中间方案，其中，N个阵列元件108中的相邻阵列元件被分组在M个元件中的元件108a、108b、108c、108d中的子阵列，例如，如图12B中所示，M＝4。
对于每个组，相关联的延迟111可表示为一个共同的延迟(例如，应用于前四个阵列元件108的第一粗略延迟114a)和M个单独的“微”延迟(例如，前四个阵列元件108的“微”延迟113a、113b、113c、113d) 的总和。第二公共粗略延迟114b被应用于接下来的四个阵列元件108，并且与接下来的四个阵列元件108的接下来的四个微延迟求和。每个粗略延迟是相应阵列元件108的精细延迟111的近似值。每个组的每个延迟是表示单独的微延迟的较小的较浅的矩形条与表示共同的或公共的粗略延迟114a的方形的较深的条的相加。每个精细延迟111与第一粗略延迟114a之间的差异是微延迟113a、113b、113c、113d，用较浅的最右边的矩形示出。
图12C是在换能器侧而不是超声扫描器系统侧应用微延迟或公共延迟的替代实施例。在微波束成形系统200的一个实施例中，应用“微”延迟的任务由非常靠近换能器102或在换能器102内放置的专用处理单元120执行。微波束成形单元120对M个信号115进行延迟和求和，并将所得信号沿连接106馈送到超声扫描器系统101，每个单元108a、 108b、108c、108d仅使用一个连接106。在系统侧应用粗略延迟114以重新对齐波前116。微延迟等效物117a、117b、117c和117d应用于换能器侧，而粗略延迟114应用于系统侧。然后，系统对来自延迟114的输出求和，获得与图12A所示的常规波束成形方法相同的结果。连接106 的数量从M减少到N/M，如图12C所示。
由于传输信号的高电压特性，在微波束成形系统200的传输的情况下，将延迟和求和集成到换能器侧可能是有挑战性的。一些解决方案包括将微波束成形器ASIC集成到探头中，探头物理上靠近换能器。使用换能器元件中的本公开的压电和静电元件，系统可以简化换能器和超声扫描器系统之间的连接的数量，而不需要探头中所需的相同ASICS。例如，这可使大型的(例如具有数千个连接或通道)微波束成形系统受益，否则无法实现。例如，这些大型系统存在于医学超声成像阵列中。
幅度延迟117a、117b、117c、117d对应于图12B中的精细延迟111 与粗略延迟114之间的差，并且与图12B中的微延迟113a、113b、113c、 113d相同或者以其他方式表示图12B中的微延迟113a、113b、113c、 113d。延迟117a、117b、117c、117d处理未被与相邻元件(例如本示例中的顶部组的4个元件)相关联的较大的粗略延迟114a处理的延迟。超声扫描器系统被简化，因为单个连接与延迟114a相关联，对应于在应用延迟114a和来自图12B示例的精细延迟之间的差之后的4个元件的换能器侧总和。换言之，延迟117a、117b、117c、117d表示图12B中的精细延迟111与粗略延迟114之间的差或微延迟113a、113b、113c、113d。
根据实现方式，微波束成形器可应用相位延迟的时间延迟。在窄带或连续波(单色)信号的情况下，如上文所论述的两种方法提供完全相同的结果，而对于宽带信号，相位延迟实现方式可能不太准确。然而，相位延迟实现方式更容易实现，并且为特征在于约80％的分数带宽的宽带信号提供良好的结果。
基于电容微加工超声换能器(CMUT)的静电非线性的相移微波束成形器利用先前描述的弹簧软化效应，通过改变CMUT的偏置电压控制电声响应的相位。这允许实现在发射和接收操作中均可运行的微波束成形器，同时显著降低了控制电子电路的复杂性，所述控制电子电路可潜在地由每个微波束成形单元的M个电压发生器(未示出)以及简单的去耦和滤波网络(可使用无源组件来实现)组成。然而，其呈现了以下缺点：在CMUT中，改变偏置电压不仅对相位有影响，而且对电声响应的幅度也有影响。因此，该方法可包括附加衰减器块(每个阵列元件一个)，该附加衰减器块使由不同电压偏置的元件的响应幅度相等，这会降低发射和接收灵敏度方面的性能并且引入了附加硬件组件和控制信号的需要。
本公开涉及一种系统，该系统包括换能器元件中的PMUT和CMUT，其中CMUT偏置电压可用于管理相位，PMUT激励电压可用于管理幅度。集成本公开的CMUT和PMUT可以最小化当前系统中使用的专用电子设备，例如探头中使用的专用电子设备。
在传统的CMUT系统中，偏置电压的变化会影响响应的相位和幅度。通过利用本公开的CMUT和PMUT，系统可以管理相位和幅度。相位由CMUT的偏置电压控制，幅度由PMUT的激励电压控制。
CMUT和PMUT换能器布置可包括在图12C的系统中，其包括元件 108a、108b、108c、108d或压电和静电元件的组，其配置为从点源110 接收波前。每个换能器元件108可以是微型机电换能器装置之一，例如图1的装置20。集成到微波束成形系统200的换能器侧的本公开的压电和静电换能器装置可以通过减少连接或电缆106的数量来简化整个系统，并且可以简化系统侧以仅处理较粗略延迟114。
此外，将延迟和求和移动到换能器侧允许通过作用于施加到本公开的静电元件的偏置电压和压电元件的激励电压来进行相移管理。压电超声换能器是线性的，而静电换能器是非线性的。在单个换能器元件中使用具有线性响应的压电微机械超声换能器(PMUT)和具有非线性响应的CMUT允许控制频率响应。每个换能器元件有两个端口，即静电端口和压电端口，通过控制这些端口的不同电压可以实现幅度和相位调制。例如，静电端口CMUT允许控制响应的相位，PMUT允许控制响应的幅度。一个优点是使用本公开的装置将相位和幅度控制解耦。
由控制CMUT引起的影响相位和幅度的问题可使用本公开的换能器36的实施例来解决，通过在静电端口处施加电压信号(图4A的V2) 以控制软化量，并且通过在发射和接收模式下操作换能器36，通过在压电端口(图4A的V1)处分别利用电压信号驱动或通过读取电响应。
下面描述使用本公开配置的一个或多个所提出的换能器36的相移微波束成形器300的实现方式示例。在此示例中，考虑布置在M＝4个元素的元件302的子阵列中的N＝16个元素的阵列。在图13A和13B中由矩形表示的每个元件302可由并联连接的图1的一个或多个单元组成。考虑到阵列耦接至声速为c(λ＝c/f0)的传播介质，元件302的节距(即，两个相邻元件的中心之间的距离)例如等于在操作频率f0处的半波长(λ/2)(见图13B)。
在图13A中示出的元件302的四个压电端口连接到相同的系统通道 TX/RX，该系统通道可以在发射时驱动元件并且在接收时读取电信号。四个静电端口连接到四个单独的控制信号Vb1、Vb2、Vb3和Vb4，这些信号用于偏置各个电容部分以控制换能器36的相位响应。在图13A中可以容易地看到控制信号Vb1、Vb2、Vb3和Vb4。如果换能器36被设计成在耦接至传播介质时表现出宽带响应，则偏置电压的变化可以用于修改频率响应的相位，例如，对于为50％的单向-3dB分数带宽设计的换能器，可以通过将偏置电压从吸合电压(pull-in voltag)(Vpi)的50％改变至 98％来实现相位响应的90°的变化。此外，通过反转偏置电压的符号可以实现180°的相移。因此，通过施加等于Vb1＝0.5Vpi、Vb2＝0.98Vpi、 Vb3＝-0.5Vpi和Vb4＝-0.98Vpi的偏置电压，可以实现相邻元件之间的90°的相位延迟。如图13B所示，相邻元件302的相位可以由Φ1、Φ2、Φ3、Φ4表示。在这种偏置配置中，元件302将发射相对于与元件302的阵列正交的方向转向θ＝30°的波前。
图14A示出了四个阵列元件的复频率响应的幅度和相位，其中，对于频率f0，四个阵列元件的幅度相同，而相位延迟90°。图14B示出了由相同的宽带激励脉冲同时激励的四个子阵列元件的时域响应，该宽带激励脉冲由以f0＝1/T0为中心的2周期正弦脉冲组成。四个时域信号被偏移90°。
按照所描述的方法，如图15所示，可将若干元件302(在此示例中为N/M)组合在N＝16个元件的较大阵列中，其中TX/RX信号从N减少到N/M。在图15的示例中，通过将相同的控制信号用于所有元件302 来实现进一步的简化，将控制信号的数量从N减少到M。
一种用于在传播介质中转换声波(34)的微机械装置(20)可以被概述为包括本体(22)；第一电极结构(24；32a)，叠加至本体(22) 并与本体(22)电绝缘，第一电极结构(24；32a)和本体(22)在它们之间限定第一掩埋腔(27)；以及第一压电元件(28)，叠加至第一电极结构(24；32a)，其中，本体(22)、第一电极结构(24；32a)和掩埋腔(27)形成第一电容式超声换能器(30)，并且第一电极结构(24； 32a)和第一压电元件(28)形成第一压电超声换能器(36)。
第一电极结构(24；32a)可以包括半导体材料的第一膜(24)以及在第一膜(24)与第一压电元件(28)之间延伸的第一导电层(32a)，第一膜(24)形成用于第一电容式超声换能器(30)的第一端子并且第一导电层(32a)形成用于第一压电超声换能器(36)的第二端子。
微机械装置(20)还可以包括叠加至第一压电元件(28)的第二导电层(32b)，第一导电层(32a)和第二导电层(32b)与第一压电元件 (28)电接触。
本体(22)可以包括基板(23)以及插入在基板(23)与第一掩埋腔(27)之间的第一导电层(30a)，
其中，半导体材料的第一膜(24)可以包括膜体(25)和插入在基板(23)与第一掩埋腔(27)之间的第二导电层(30b)，并且
其中，第一导电层(30a)和第二导电层(30b)与所述第一掩埋腔 (27)形成第一电容器(30)。
本体(22)可以具有其自身的第一表面(22a)，该第一表面面向第一掩埋腔(27)并且由第一导电层(30a)形成，并且
其中，第一膜(24)可以具有其自身的第一表面(24a)，该第一表面面向第一掩埋腔(27)并且由第二导电层(30b)形成。
本体(22)还可以包括叠加至第一导电层(30a)并且面向第一掩埋腔(27)的第一绝缘层(38a)，和/或其中，该第一膜(24)还可以包括设置在第二导电层(30b)下面并且面向该第一掩埋腔(27)的第二绝缘层(38b)。
第一导电层(30a)和第二导电层(30b)可以电连接到调谐电路和偏置电路(170)。
调谐电路可以包括调谐阻抗(Zc)。
调谐阻抗(Zc)可以包括下列中的一个：短路；开路；彼此并联的电阻器(R)和第一电容器(Ce)；彼此并联的第一电感器(L)和第二电容器(Ce)；彼此并联的多个电容器(C，Ce)；以及负阻抗电路。
调谐电路可以包括有源网络或无源网络。
第一导电层(32a)和第二导电层(32b)可以被配置为接收用于致动该第一压电元件(28)的第一电压(V1)，并且偏置电路(170)可以被配置为生成用于控制该第一电容器(30)的第二电压(V3)。
第一导电层(32a)和第二导电层(32b)可以被配置为生成第一电压(V1)，和/或第一导电层(30a)和第二导电层(30b)可以被配置为生成第二电压(V2)，第一电压(V1)和/或第二电压(V2)指示由来自传播介质并且入射在第一膜(24)上的声波(34)引起的第一膜(24)的振动。
微机械装置(20)还可以包括在本体(22)与第一膜(24)之间延伸并且侧向地界定第一掩埋腔(27)的至少一个间隔元件(26)。
微机械装置(20)还可以包括叠加至本体(22)并且与本体(22) 电绝缘的至少一个第二电极结构(24；32a)，该第二电极结构(24；32a) 与本体(22)一起限定与该第一掩埋腔(27)气动隔离的相应的第二掩埋腔(27)；以及叠加至第二电极结构(24；32a)的第二压电元件(28)，
其中，本体(22)、第二电极结构(24；32a)和第二掩埋腔(27) 形成第二电容式超声换能器(30)，并且
其中，第二电极结构(24；32a)和第二压电元件(28)形成第二压电超声换能器(36)。
微机械装置(20)还可以包括面向第一掩埋腔(27)的绝缘材料的膜(24)，其中，第一电极结构(24；32a)可以包括在膜(24)之上延伸并且布置在膜(24)与第一压电元件(28)之间的导电材料的第一导电层(32a)，第一导电层(32a)形成用于第一电容式超声换能器(30) 和第一压电超声换能器(36)的公共端子。
一种用于制造用于在传播介质中转换声波(34)的微机械装置(20) 的方法可以被概述为包括以下步骤：在本体(22)上形成与本体(22) 电绝缘的第一电极结构(24；32a)，第一电极结构(24；32a)和本体 (22)在它们之间限定第一掩埋腔(27)；以及在第一电极结构(24； 32a)上形成第一压电元件(28)；本体(22)、第一电极结构(24；32a) 和掩埋腔(27)形成电容式超声换能器(30)；并且第一电极结构(24； 32a)和第一压电元件(28)形成压电超声换能器(36)。
本体(22)可以包括基板(23)和面向第一掩埋腔(27)的第一导电层(30a)。
形成该第一电极结构(24；32a)的步骤可以包括在膜体(25)上形成面向第一掩埋腔(27)的第二导电层(30b)。
形成第一电极结构(24；32a)的步骤可以包括通过插入一个或多个间隔元件(26)将本体(22)和第一电极结构(24；32a)结合在一起，该一个或多个间隔元件(26)将本体(22)和第一电极结构(24；32a) 彼此间隔开并且界定该第一掩埋腔(27)。
形成第一电极结构(24；32a)的步骤可以包括：在本体(22)的第一表面(22a)上的第一区域(76)处形成牺牲层(75)；在本体(22) 的第一表面(22a)上、在所述本体(22)的所述第一表面(22a)的与第一区域(76)相邻的第二区域(77)处形成间隔元件(26)；以及在间隔元件(22a)和牺牲层(75)上形成第一电极结构(24；32a)之后，通过蚀刻去除所述牺牲层(75)以在所述第一区域(76)处形成第一掩埋腔(27)。
一种系统可被概述为包括多个换能器，多个换能器中的每包括电容式超声换能器和压电超声换能器，电容式超声换能器被配置为接收第一电压或由第一电压控制，并且被配置为响应于第一电压产生弹簧软化效应，压电超声换能器在电容式超声换能器上并且耦合至电容式超声换能器，第一压电换能器被配置为由与第一电压不同的第二电压控制，第一电压和第二电压被配置为控制电声响应的相位和幅度。第一电压可以是偏置电压并且第二电压可以是激励或驱动电压。第二电压可以被配置为振动压电换能器以产生声波并控制幅度。第一电压可以被配置为控制相位。
第一偏置电压可以是恒定的。或者，第一电压可以在传输和接收时间间隔期间相对于激励电压缓慢变化。
电容式超声换能器可被配置为由第三电压(例如恒定偏置电压)控制，并加载有外部控制的可变电阻抗，从而控制电声响应的相位。
多个换能器可被配置为响应于电容式超声换能器的弹簧软化效应来执行包括波束聚焦和转向的相位延迟波束成形。
上述各个实施例可被组合以提供其他实施例。如果必要，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。
鉴于以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，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制于说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围。因此，权利要求书不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种微机械装置，其特征在于，包括：
本体；
至少一个间隔元件，被耦接到所述本体；
第一电极结构，被耦接到所述至少一个间隔元件，所述第一电极结构叠加至所述本体并与所述本体交叠，所述第一电极结构与所述本体电绝缘，并且所述第一电极结构、所述本体和所述至少一个间隔元件界定第一掩埋腔，所述第一掩埋腔具有第一尺寸，所述第一尺寸在所述至少一个间隔元件中的间隔元件的相应的侧壁中的相对的侧壁之间延伸；以及
第一压电元件，被耦接至所述第一电极结构，所述第一压电元件被叠加至所述第一电极结构并与所述第一电极结构交叠，所述第一压电元件与所述第一掩埋腔交叠，所述第一压电元件具有在所述第一压电元件的相应侧壁中的相对侧壁之间延伸的第二尺寸，所述第二尺寸小于所述第一掩埋腔的所述第一尺寸，
其中所述本体、所述第一电极结构和所述掩埋腔形成第一电容式超声换能器，并且
所述第一电极结构和所述第一压电元件形成第一压电超声换能器。
2.根据权利要求1所述的微机械装置，其特征在于，所述第一电极结构包括半导体材料的第一膜以及第一导电层，所述第一导电层在所述第一膜与所述第一压电元件之间延伸，所述第一膜形成所述第一电容式超声换能器的第一端子，并且所述第一导电层形成所述第一压电超声换能器的第二端子。
3.根据权利要求2所述的微机械装置，其特征在于，进一步包括第二导电层，所述第二导电层被叠加至所述第一压电元件，所述第一导电层和所述第二导电层与所述第一压电元件电接触。
4.根据权利要求2所述的微机械装置，其特征在于，所述本体包括基板和第一导电层，所述第一导电层被插入在所述基板与所述第一掩埋腔之间，
其中半导体材料的所述第一膜包括膜体和第二导电层，所述第二导电层被插入在所述第一掩埋腔与所述压电元件之间，并且
其中所述第一导电层和所述第二导电层与所述第一掩埋腔形成第一电容器，并且
其中所述第一导电层和所述第二导电层由所述第一掩埋腔彼此间隔开，并且与所述至少一个间隔元件一起界定所述第一掩埋腔。
5.根据权利要求4所述的微机械装置，其特征在于，所述本体具有所述第一导电层的第一表面，所述第一导电层的第一表面面向所述第一掩埋腔，并且
其中所述第一膜具有所述第二导电层的第一表面，所述第二导电层的第一表面面向所述第一掩埋腔。
6.根据权利要求4所述的微机械装置，其特征在于：
所述本体进一步包括第一绝缘层，所述第一绝缘层被叠加至所述第一导电层，所述第一绝缘层在所述第一导电层与所述第一掩埋腔之间；并且
所述第一膜进一步包括第二绝缘层，所述第二绝缘层被叠加至所述第二导电层，所述第二绝缘层在所述第一掩埋腔与所述第二导电层之间。
7.根据权利要求4所述的微机械装置，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层被电连接至调谐电路和偏置电路。
8.根据权利要求7所述的微机械装置，其特征在于，所述调谐电路包括调谐阻抗。
9.根据权利要求8所述的微机械装置，其特征在于，所述调谐阻抗包括以下项中的至少一项：短路、开路、彼此并联的电阻器和第一电容器、彼此并联的第一电感器和第二电容器、彼此并联的多个电容器、以及负阻抗电路。
10.根据权利要求7所述的微机械装置，其特征在于，所述调谐电路包括有源网络或无源网络。
11.根据权利要求7所述的微机械装置，其特征在于：
所述第一导电层和所述第二导电层被配置为接收第一电压，所述第一电压用于致动所述第一压电元件；并且
所述偏置电路被配置为生成第二电压，所述第二电压用于控制所述第一电容器。
12.根据权利要求4所述的微机械装置，其特征在于：
所述第一导电层和所述第二导电层被配置为生成第一电压；以及
所述第一导电层和所述第二导电层被配置为生成第二电压，所述第一电压、所述第二电压指示所述第一膜的振动，所述第一膜的振动是由来自传播介质并且入射在所述第一膜上的声波引起的。
13.根据权利要求2所述的微机械装置，其特征在于，所述至少一个间隔元件在所述本体与所述第一膜之间延伸，并且侧向地界定所述第一掩埋腔。
14.根据权利要求1所述的微机械装置，其特征在于，进一步包括绝缘材料的膜，所述绝缘材料的膜面向所述第一掩埋腔，其中所述第一电极结构包括导电材料的第一导电层，所述导电材料的第一导电层在所述膜之上延伸并且被布置在所述膜与所述第一压电元件之间，所述第一导电层形成所述第一电容式超声换能器和所述第一压电超声换能器的公共端子。
15.一种微机械装置，其特征在于，包括：
基板；
第一导电层，在所述基板上，所述第一导电层具有第一表面，所述第一表面背离所述基板；
至少一个间隔元件，在所述第一导电层的所述第一表面上，所述至少一个间隔元件包括第一侧壁和与所述第一侧壁相对的第二侧壁；
第二导电层，在所述至少一个间隔元件上，所述第二导电层具有面向所述基板的第二表面；
掩埋腔，由所述第一表面、所述第一侧壁、所述第二侧壁和所述第二表面界定，所述掩埋腔具有第一尺寸，所述第一尺寸从所述第一侧壁延伸到所述第二侧壁；
膜体，在所述第二导电层上；
第三导电层，在所述膜体上；
压电元件，在所述第一导电层上，所述第一导电层具有第三侧壁和第四侧壁，所述第四侧壁与所述第三侧壁相对，所述压电元件具有第二尺寸，所述第二尺寸从所述第三侧壁延伸到所述第四侧壁，所述第二尺寸小于所述第一尺寸；以及
第四导电层，在所述压电元件上。
16.根据权利要求15所述的微机械装置，其特征在于，还包括：
电容式超声换能器，包括所述第一导电层和所述第二导电层；以及
压电超声换能器，包括所述第二导电层和所述第三导电层。
17.一种微机械系统，其特征在于，包括：
多个换能器，所述多个换能器中的每一个换能器包括：
电容式超声换能器，被配置为由第一电压控制，并且被配置为响应于所述第一电压产生弹簧软化效应，所述第一电压被配置为控制电声响应的相位；以及
压电超声换能器，在所述电容式超声换能器上并且被耦接到所述电容式超声换能器，所述压电超声换能器被配置为由与所述第一电压不同的第二电压控制，所述第二电压被配置为控制所述电声响应的幅度。
18.根据权利要求17所述的微机械系统，其特征在于，所述第一电压是恒定的。
19.根据权利要求17所述的微机械系统，其特征在于，所述电容式超声换能器被配置为由第三电压控制，并且被加载外部控制的可变电阻抗，以控制所述电声响应的所述相位。
20.根据权利要求17所述的微机械系统，其特征在于，所述多个换能器被配置为响应于所述电容式超声换能器的所述弹簧软化效应来执行相位延迟波束成形，所述相位延迟波束成形包括波束聚焦和转向。
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