IT202000024469A1 - Trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico - Google Patents
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Description
TRASDUTTORE ULTRASONICO MICROLAVORATO PIEZOELETTRICO
Sfondo della invenzione
Campo della presente invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi microelettromeccanici (Micro Electro Mechanical Systems, di seguito denominato "MEMS"). In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, di seguito denominato "PMUT").
Panoramica della tecnica correlata
Un dispositivo MEMS comprende componenti meccanici, elettrici e / o elettronici miniaturizzati integrati in uno stesso substrato di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, mediante tecniche di microlavorazione (ad esempio litografia, deposizione, incisione, deposizione, crescita).
Un dispositivo trasduttore a ultrasuoni microlavorato (dispositivo Micromachined Ultrasonic Transducer, di seguito denominato "dispositivo MUT ") ? un tipo di dispositivo MEMS atto a trasmettere / ricevere onde ultrasoniche con frequenze superiori a 20 kHz. Tra i dispositivi MUT conosciuti, sono noti i dispositivi MUT piezoelettrici (di seguito denominati ?dispositivi PMUT?). Un dispositivo PMUT ? un dispositivo MUT il cui funzionamento ? basato sul movimento flessionale di uno o pi? sottili elementi a membrana accoppiati meccanicamente ad un sottile elemento piezoelettrico.
Quando il dispositivo PMUT funziona come trasmettitore, l' elemento a membrana si flette e oscilla attorno ad una posizione di equilibrio sotto l'azione dell'elemento piezoelettrico quando a quest'ultimo viene applicato un segnale elettrico alternato (AC). Le oscillazioni dell'elemento a membrana provocano cos? la generazione di onde ultrasoniche.
Quando il dispositivo PMUT funziona come ricevitore, onde ultrasoniche che colpiscono l?elemento a membrana fanno in modo che la membrana di oscilli attorno alla sua posizione di equilibrio. Le oscillazioni dell?elemento a membrana agiscono sull?elemento piezoelettrico, che genera di conseguenza un corrispondente segnale elettrico AC.
Durante la generazione e la ricezione di onde ultrasoniche (ovvero, sia nel caso in cui il dispositivo PMUT funziona come trasmettitore sia nel caso in cui il dispositivo PMUT funziona come ricevitore), l'elemento a membrana oscilla attorno alla sua posizione di equilibrio in corrispondenza di una frequenza di risonanza corrispondente.
Un dispositivo PMUT pu? essere opportunamente utilizzato in applicazioni di prossimit? e portata per valutare la posizione e / o la distanza di ostacoli / bersagli. Pi? in particolare, il dispositivo PMUT trasmette un impulso ad onde ultrasoniche. Quando colpisce un ostacolo / bersaglio, l' impulso ad onde ultrasoniche viene riflesso indietro sotto forma di un'onda di eco. Il dispositivo PMUT riceve l'onda di eco e la converte nel dominio elettrico per formare un segnale elettrico AC corrispondente, che viene quindi amplificato ed elaborato per estrarre un'informazione sul tempo di volo (ovvero il tempo trascorso dalla trasmissione dell?impulso ad onde ultrasoniche alla ricezione dell'onda di eco). Le informazioni sul tempo di volo vengono quindi elaborate per calcolare la posizione e / o la distanza dell'ostacolo / bersaglio rispetto al dispositivo PMUT. Questo tipo di applicazione viene solitamente impiegata in scenari in cui l'impulso ad onda ultrasonica e l'onda di eco viaggiano in un mezzo a bassa densit?, come ad esempio l'aria.
I dispositivi PMUT tipici sono influenzati negativamente da un fattore di smorzamento basso quando funzionano in un mezzo a bassa densit?, come l' aria, cosicch? le oscillazioni libere indesiderate non possono essere soppresse in modo efficiente. Dette oscillazioni libere provocano la generazione di un cosiddetto segnale di ronzio (?ringing?) che influisce negativamente sulla corretta ricezione e rilevazione delle onde di eco riflesse da ostacoli / bersagli in risposta alla trasmissione di un impulso ad onde ultrasoniche.
Maggiore ? il fattore Q del dispositivo PMUT, maggiore ? la durata del segnale di ringing causato da oscillazioni libere. Questo problema ? aggravato quando la membrana del PMUT oscilla nella gamma di frequenze dei 2MHz, perch? il fattore di smorzamento corrispondente all'aria a queste frequenze ? particolarmente basso.
Per mitigare questi problemi allo scopo di migliorare il rilevamento dell'onda d'eco, la "zona cieca" del PMUT - cio? la zona spaziale in cui l'eco supera il ringing -e quindi la larghezza di banda del dispositivo PMUT, dovrebbe essere aumentata.
Secondo soluzioni note nello stato della tecnica, la larghezza di banda del dispositivo PMUT ? aumentata prevedendo uno smorzatore configurato per ridurre le oscillazioni libere. Ad esempio, il dispositivo PMUT pu? essere dotato di uno smorzatore passivo o attivo (uno smorzatore attivo ? uno smorzatore configurato per eseguire un'eccitazione in contro-fase dopo un impulso attivo).
Secondo un'altra soluzione nota nello stato della tecnica, sono previsti algoritmi per rilevare la variazione di decadimento di un inviluppo del ringing causata da un'onda di eco.
Sommario della invenzione
La Richiedente ha trovato che le soluzioni note per incrementare la banda del dispositivo PMUT allo scopo di migliorare la rilevazione dell?onda di eco non sono efficienti perch? afflitte da inconvenienti.
In particolare, le soluzioni note che impiegano uno smorzatore passivo causano una forte dissipazione di potenza. Inoltre, a causa della variazione di condizioni ambientali, gli smorzatori passivi delle soluzioni note non possono permettere facilmente un adattamento perfetto con la impedenza del dispositivo PMUT.
Le soluzioni note che prevedono smorzatori attivi sono afflitte negativamente da problemi di adattamento di impedenza.
Le soluzioni note che impiegano algoritmi per rilevare variazioni di decadimento di un inviluppo del ringing sono fortemente dipendenti dalla forma della onda di eco e dall?ostacolo / bersaglio.
In vista di quanto esposto sopra, la Richiedente ha concepito un dispositivo PMUT migliorato avente una banda incrementata che allo stesso tempo non ? afflitta dagli inconvenienti sopracitati che affliggono le soluzioni note nello stato della tecnica.
Una aspetto della presente invenzione si riferisce ad un dispositivo PMUT. Il dispositivo PMUT comprende:
-un elemento a membrana estendentesi perpendicolarmente ad una prima direzione ed atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando attorno ad una posizione di equilibrio;
- almeno due elementi piezoelettrici ciascuno disposto sopra detto elemento a membrana lungo detta prima direzione e configurato per:
- fare in modo che l'elemento a membrana oscilli quando vengono applicati segnali elettrici all'elemento piezoelettrico, e
- generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana,
in cui:
- l'elemento a membrana ha una forma lobata lungo un piano perpendicolare alla prima direzione, detta forma lobata comprendendo almeno due lobi;
- l'elemento a membrana comprende per ciascun elemento piezoelettrico una porzione di membrana corrispondente includente un lobo corrispondente, ciascun elemento piezoelettrico essendo disposto sulla sua porzione di membrana corrispondente.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, ciascuna porzione di membrana ha una stessa forma ma una dimensione diversa dalla dimensione delle altre porzioni di membrana.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, ciascuna porzione di membrana ? la porzione pi? grande dell?elemento a membrana avente detta forma che circonda il corrispondente elemento piezoelettrico coassialmente ad esso.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detta forma ? una selezionata tra:
- una forma sostanzialmente circolare;
- una forma sostanzialmente quadrata;
- una forma sostanzialmente rettangolare;
- una forma sostanzialmente triangolare;
- una forma sostanzialmente esagonale;
- una forma sostanzialmente ottagonale.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT comprende inoltre:
- uno smorzatore configurato per ridurre oscillazioni libere dell'elemento a membrana, lo smorzatore comprendendo:
- una cavit? dello smorzatore che circonda l'elemento a membrana;
- un elemento polimerico avente almeno una sua porzione su detta cavit? dello smorzatore lungo detta prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento polimerico comprende un materiale polimerico.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto materiale polimerico ha una viscosit? avente un valore compreso tra 0,3 e 3 kPa * s, e / o Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto materiale polimerico ha un modulo di Young avente un valore compreso tra 0,5 e 2 GPa. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detta cavit? dello smorzatore circonda l'elemento a membrana lungo un piano sostanzialmente perpendicolare a detta prima direzione. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT comprende inoltre un substrato semiconduttore. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detta cavit? dello smorzatore ? almeno parzialmente formata in detto substrato semiconduttore. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT comprende inoltre una cavit? centrale sotto detto elemento a membrana lungo detta prima direzione. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detta cavit? dello smorzatore circonda la cavit? centrale perpendicolarmente a detta prima direzione. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento a membrana comprende silicio monocristallino o polisilicio. ;Un altro aspetto della presente invenzione si riferisce ad un sistema elettronico comprendente uno o pi? dispositivi PMUT. ;Un altro aspetto della presente invenzione si riferisce ad un metodo per la fabbricazione di un dispositivo PMUT. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende le seguenti fasi: ;-formare un elemento a membrana estendentesi perpendicolarmente ad una prima direzione; ;- formare su detto elemento a membrana lungo la prima direzione almeno due elementi piezoelettrici, in cui: ;- l'elemento di membrana ha una forma lobata lungo un piano perpendicolare alla prima direzione, detta forma lobata comprendendo almeno due lobi, l'elemento di membrana comprendendo per ciascun elemento piezoelettrico una porzione di membrana corrispondente che include un lobo corrispondente, ciascun elemento piezoelettrico essendo situato sopra la sua porzione di membrana corrispondente. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende inoltre: ;- formare uno smorzatore, detto formare uno smorzatore comprendendo: - formare una cavit? dello smorzatore che circonda l'elemento a membrana, e - formare un elemento polimerico avente almeno una sua porzione su detta cavit? dello smorzatore lungo detta prima direzione. ;;Breve descrizione dei disegni ;Queste e altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno pi? chiaramente leggendo la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione esemplificativa della stessa, fornita puramente mediante esempio non limitativo, da leggersi facendo riferimento ai disegni allegati. A questo proposito, ? inteso specificamente che i disegni non sono necessariamente in scala (con alcuni dettagli di essi che sono esagerati e/o semplificati) e che, salvo dove indicato altrimenti, sono solo utilizzati per illustrare in maniera concettuale le strutture e procedure descritte. In particolare: ;La Figura 1A illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un dispositivo PMUT secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; ;La Figura 1B illustra una vista prospettica di una porzione del dispositivo PMUT di Figura 1A; ;La Figura 1C illustra una vista in pianta del dispositivo PMUT delle Figure 1A e 1B; ;La Figura 2 ? un diagramma che mostra la % di larghezza di banda del dispositivo PMUT delle Figure 1A e 1C in funzione della viscosit? e del modulo di Young del materiale polimerico dell'elemento polimerico; ;Le Figure 3A e 3B raffigurano diagrammi della risposta in frequenza del dispositivo PMUT delle Figure 1A e 1C; ;Le Figure 4A - 4G illustrano le fasi principali di un processo di fabbricazione per fabbricare il dispositivo PMUT delle Figure 1A - 1C secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; ;Le Figure 5A e 5B mostrano dispositivi PMUT secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione; ;La Figura 6A illustra una vista in pianta di un PMUT secondo un'altra forma di realizzazione dell'invenzione; ;La Figura 6B illustra una vista in pianta di un PMUT secondo un'altra forma di realizzazione dell'invenzione; ;La Figura 7 illustra in termini di blocchi semplificati un sistema elettronico comprendente almeno uno dei dispositivi PMUT delle Figure 1A-1C, 5A, 5B, 6A, 6B. ;;Descrizione dettagliata ;La Figura 1 illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un dispositivo PMUT, globalmente identificato con il riferimento 100, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. ;Nel seguito della presente descrizione, la terminologia riguardante le direzioni (come ad esempio, superiore, inferiore, superiore, inferiore, laterale, centrale longitudinale, trasversale, verticale) verr? utilizzata solo per descrivere il dispositivo PMUT 100 in relazione all'orientamento specifico illustrato nelle figure, e non per descrivere un possibile orientamento specifico che il dispositivo PMUT 100 avr? durante il suo funzionamento. ;A questo proposito, un sistema di riferimento direzionale ? mostrato comprendente tre direzioni ortogonali X, Y , Z. ;La Figura 1B illustra una vista prospettica di una porzione del dispositivo PMUT 100 di Figura 1A ottenuto tagliando centralmente il dispositivo PMUT 100 lungo un piano di sezione parallelo alle direzioni X e Y. ;La Figura 1C illustra una vista in pianta del dispositivo PMUT 100 delle Figure 1A e 1B con porzioni parzialmente rimosse presa da un piano parallelo alle direzioni Y e Z. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un substrato semiconduttore 110 che integra i componenti del dispositivo PMUT 100 stesso. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il substrato semiconduttore 110 ? un substrato di silicio monocristallino, di seguito denominato semplicemente substrato di silicio 110. Il substrato di silicio 110 del dispositivo PMUT 100 illustrato nella Figura 1 ha una superficie operativa anteriore 112 e una superficie operativa posteriore 114 opposta (lungo la direzione X). La superficie operativa anteriore 112 e la superficie operativa posteriore 114 si estendono parallelamente alle direzioni Y e Z. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il substrato di silicio 110 comprende una cavit? 120 che definisce uno spazio cavo delimitato da pareti laterali che si estendono sostanzialmente lungo la direzione X, una parete inferiore che si estende sostanzialmente lungo le direzioni Y e X, e una parete superiore che si estende sostanzialmente lungo le direzioni Y e Z. Considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui le pareti laterali della cavit? 120 sono inclinate rispetto alla direzione X e / o la parete inferiore e / o la parete superiore della cavit? sono inclinate rispetto alla direzione Z e / o alla direzione Y. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un elemento a membrana 125 localizzato sopra la cavit? 120 lungo la direzione X. La Figura 1C mostra solo un profilo dell'elemento di membrana 125, in modo da mostrare la cavit? 120 sottostante. ;L'elemento a membrana 125 ? atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando, attorno ad una posizione di equilibrio, ad una corrispondente frequenza di risonanza. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 ha una frequenza di risonanza che ? dell'ordine di pochi MHz. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 presenta una superficie superiore 128 e una superficie inferiore 130, che si estendono sostanzialmente lungo le direzioni Y e Z. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la superficie inferiore 130 dell'elemento a membrana 125 corrisponde alla superficie superiore dello spazio cavo definito dalla cavit? 120. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la superficie superiore 128 dell'elemento a membrana 125 ? a filo con la superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ? realizzato con lo stesso materiale del substrato di silicio 110, cio? silicio, in particolare silicio monocristallino. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha uno spessore (lungo la direzione X) compreso tra 1 ?m e 50 ?m. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha uno spessore di circa 5 ?m , ad esempio 5,2 ?m. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende almeno due elementi piezoelettrici situati sulla superficie superiore 128 dell'elemento a membrana 125. ;Secondo la forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 1A-1C, il dispositivo PMUT 100 comprende un primo elemento piezoelettrico 150(1) e un secondo elemento piezoelettrico 150(2) localizzati sulla superficie superiore 128 dell'elemento a membrana 125. ;Il primo elemento piezoelettrico 150(1) ? configurato per: ;- fare in modo che l'elemento a membrana 125 oscilli quando i segnali elettrici vengono applicati ai capi dell'elemento piezoelettrico 150(1), e ;- generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana 125. ;Allo stesso modo, il secondo elemento piezoelettrico 150(2) ? configurato per: ;- fare in modo che l'elemento a membrana 125 oscilli quando i segnali elettrici vengono applicati ai capi dell'elemento piezoelettrico 150(2), e ;- generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana 125. ;Come verr? descritto in maggiore dettaglio in seguito, il primo elemento piezoelettrico 150(1) e il secondo elemento piezoelettrico 150(2) sono configurati per essere azionati contemporaneamente. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, gli elementi piezoelettrici 150(1) e 150(2) hanno una forma circolare (o sostanzialmente circolare) (secondo un piano parallelo alle direzioni Y e Z). Secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione, gli elementi piezoelettrici 150(1) e 150(2) hanno forme diverse, come una forma quadrata (o sostanzialmente quadrata), una forma rettangolare (o sostanzialmente rettangolare), una forma triangolare (o sostanzialmente triangolare), una forma esagonale (o sostanzialmente esagonale), o una forma ottagonale (o sostanzialmente ottagonale). ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, gli elementi piezoelettrici 150(1) e 150(2) comprendono uno strato di materiale piezoelettrico 155, ad esempio, comprendente nitruro di alluminio, tra un primo strato conduttivo 160 e un secondo strato conduttivo 162. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il primo strato conduttivo 160 comprende titanio-tungsteno (TiW). Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il secondo strato conduttivo 162 comprende platino. Considerazioni simili si applicano se per il primo e il secondo strato conduttivo 160, 162 vengono usati altri materiali conduttivi. ;Il primo strato 160 e il secondo strato 162 formano elettrodi degli elementi piezoelettrici 150(1), 150(2) attraverso i quali ? possibile: ;- applicare segnali elettrici al materiale piezoelettrico 155 per provocare oscillazioni dell'elemento a membrana 125 per la trasmissione di impulsi di onde ultrasoniche, e ;- raccogliere segnali elettrici generati dal materiale piezoelettrico 155 in risposta ad oscillazioni dell'elemento a membrana 125, ad esempio provocate dalla ricezione di onde d'eco. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, un elemento isolante, comprendente uno strato di biossido di silicio 168 e uno strato 169 di vetro siliceo non drogato (Undoped Silicate Glass, ?USG?), ? localizzato tra gli elementi piezoelettrici 150(1), 150(2) e l' elemento a membrana 125. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, gli elementi piezoelettrici 150(1), 150(2) sono coperti da un elemento di passivazione, ad esempio comprendente un primo strato di passivazione 170 (comprendente vetro siliceo non drogato (USG)) e un secondo strato di passivazione 172 (sopra il primo strato di passivazione 170) comprendente nitruro di silicio . Naturalmente, considerazioni simili si applicano se l'elemento di passivazione comprende un unico strato di passivazione e / o se vengono utilizzati materiali di passivazione differenti. ;Secondo le forme di realizzazione della presente invenzione, la forma dell'elemento a membrana 125 lungo le direzioni Y e Z ? lobata, cio?, comprende almeno due lobi o sporgenze lungo le direzioni Y e Z. In altre parole, la forma dell'elemento a membrana 125 lungo le direzioni Y e Z ? concava, cio? ha una forma che si curva o si piega verso l'interno, oppure, da un punto di vista pi? formale, una forma che permette di tracciarne almeno una segmento di linea compreso tra due punti della forma, con detto segmento di linea che ricade almeno parzialmente all'esterno della forma stessa. ;Secondo le forme di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana a forma lobata 125 comprende per ciascun elemento piezoelettrico una corrispondente porzione di membrana che include uno corrispondente dei lobi. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, ciascun elemento piezoelettrico ? posizionato sopra (lungo la direzione X) la sua porzione di membrana corrispondente. ;Facendo riferimento alla forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 1A, 1B, 1C, l'elemento a membrana 125 ha una forma ad otto, comprendente due lobi, ed in particolare un primo lobo L(1) e un secondo lobo L(2). ;Secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, in cui sono previsti due elementi piezoelettrici 150(1), 150(2), l'elemento a membrana 125 comprende: ;- una prima porzione di membrana MP(1) corrispondente all'elemento piezoelettrico 150(1), e comprendente il primo lobo L(1), e ;- una seconda porzione di membrana MP(2) corrispondente all'elemento piezoelettrico 150(2), e comprendente il primo lobo L(2). ;Come si pu? vedere nella Figura 1C, la prima porzione di membrana MP(1) e la seconda porzione di membrana MP(2) si sovrappongono parzialmente l'una all'altra. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, ciascuna porzione di membrana ha una stessa forma, come ad esempio una forma circolare (o sostanzialmente circolare), una forma quadrata (o sostanzialmente quadrata), una forma rettangolare (o sostanzialmente rettangolare), una forma triangolare (o sostanzialmente triangolare), forma esagonale (o sostanzialmente esagonale), o una forma ottagonale (o sostanzialmente ottagonale). ;Nella forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 1A, 1B, 1C, la prima porzione membrana di MP(1) e la seconda porzione di membrana MP(2) hanno una forma circolare. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, ciascuna porzione di membrana ha una stessa forma ma allo stesso tempo ha una dimensione diversa dalla dimensione delle altre porzioni di membrana. ;Nella forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 1A, 1B, 1C, la prima porzione di membrana MP(1) ? pi? grande della seconda porzione di membrana MP(2). ;Ad esempio, secondo una forma di realizzazione esemplificativa dell'invenzione, la prima porzione di membrana MP(1) ha un diametro di circa 300?m e la seconda porzione di membrana MP(2) ha un diametro di circa 260 ?m. Naturalmente, i concetti della presente invenzione si applicano direttamente a differenti valori di diametro. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, ciascuna porzione di membrana ? la porzione pi? grande dell'elemento a membrana 125 avente detta stessa forma che circonda il corrispondente elemento piezoelettrico coassialmente ad esso. ;Facendo riferimento alla forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 1C: ;- la prima porzione di membrana MP(1) ? la porzione circolare pi? grande dell'intero elemento a membrana 125 che circonda l'elemento piezoelettrico 150(1) coassialmente ad esso; ;- la seconda porzione di membrana MP(2) ? la porzione circolare pi? grande dell'intero elemento a membrana 125 che circonda l'elemento piezoelettrico 150(2) coassialmente ad esso. ;Il dispositivo PMUT 100 secondo le forme di realizzazione dell'invenzione ? concettualmente dato dall'unione di due o pi? dispositivi PMUT di base parzialmente sovrapposti (ciascuno comprendente un singolo elemento piezoelettrico) in modo da condividere uno stesso, unico elemento a membrana 125 avente una forma lobata. Detto elemento a membrana singola ? suddiviso in porzioni di membrana (parzialmente sovrapposte), ciascuna corrispondente ad un rispettivo dispositivo PMUT di base. ;Ad esempio, il dispositivo PMUT 100 della forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 1A - 1C pu? essere concettualmente dato dall'unione di un primo dispositivo PMUT di base avente un elemento a membrana corrispondente alla prima porzione di membrana MP(1) e un secondo dispositivo PMUT di base avente un elemento a membrana corrispondente alla seconda porzione di membrana MP(2). ;Se ciascuno di detti dispositivi PMUT di base concettuali fosse considerato da solo, il suo elemento a membrana - corrispondente ad una specifica porzione di membrana dell'intero elemento a membrana 125 - oscillerebbe ad una frequenza di risonanza data dalla dimensione di detta specifica porzione di membrana. ;Grazie alla parziale sovrapposizione delle porzioni di membrana, tali porzioni di membrana presentano frequenze di risonanza sostanzialmente vicine tra loro. La larghezza di banda del dispositivo PMUT 100 avente l'elemento a membrana 125 secondo le forme di realizzazione dell'invenzione ? data dall'unione / sovrapposizione delle larghezze di banda corrispondenti alle varie porzioni di membrana dell'elemento a membrana 125. Poich? le frequenze di risonanza corrispondenti alle varie porzioni di membrana dell'elemento a membrana 125 sono selezionate per essere vicine tra loro, l'unione / sovrapposizione delle larghezze di banda corrispondenti a dette porzioni di membrana provoca un vantaggioso aumento della larghezza di banda risultante del dispositivo PMUT 100. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende uno smorzatore 180 configurato per ridurre (smorzare) le oscillazioni libere indesiderate dell'elemento a membrana 125, aumentando cos? ulteriormente la larghezza di banda del dispositivo PMUT 100 stesso. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo smorzatore 180 comprende una cavit? 185 che circonda l'elemento a membrana 125. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185 dello smorzatore 180 ? formata nel substrato di silicio 110 in modo tale da circondare l?elemento a membrana 125 rispetto alle direzioni Y e Z. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo smorzatore 180 comprende ulteriormente elemento polimerico 190 sopra la cavit? 185 lungo la direzione X. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l?elemento polimerico 190 dello smorzatore 180 ? posizionato sopra la cavit? dello smorzatore 180 lungo la direzione X. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l?elemento polimerico 190 dello smorzatore 180 circonda l'elemento a membrana 125 rispetto alle direzioni Y e X. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185 dello smorzatore 180 e l'elemento a membrana 125 sono sostanzialmente concentrici tra loro, con la cavit? 185 che circonda l'elemento a membrana 125 lungo un piano sostanzialmente parallelo alle direzioni Y e Z. ;La presenza della cavit? 185 al di sotto dell?elemento polimerico 190 assicura vantaggiosamente che l?elemento polimerico 190 che circonda l'elemento a membrana 125 smorzi efficacemente oscillazioni libere indesiderate che interessano l'elemento a membrana 125. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185 della smorzatore 180 comprende: ;- una porzione orizzontale 195 avente una superficie superiore parallela e allineata con la parete superiore della cavit? 120 (e quindi parallela e allineata con la superficie inferiore 130 dell'elemento a membrana 125) e una superficie inferiore parallela e allineata con la parete inferiore della cavit? 120 e ;- una porzione verticale 198 comprendente una trincea aperta nella superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110 ed estendentesi lungo la direzione X fino a raggiungere la porzione orizzontale 195. ;Secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione, la larghezza della porzione orizzontale 195 perpendicolarmente alla direzione X ? 55 ?m. Naturalmente, i concetti della presente invenzione si applicano direttamente a differenti valori di larghezza. ;Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l?elemento polimerico 190 poggia sulla superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110 in modo da coprire - lungo la direzione X ? la porzione verticale 198 della cavit? 185 dello smorzatore 180. ;Secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione, lo spessore dell'elemento polimerico 190 lungo la direzione X ? di 20 ?m. Naturalmente, i concetti della presente invenzione si applicano direttamente a diversi valori di spessore. ;Lo smorzatore 180 secondo le forme di realizzazione della presente invenzione ? configurato in modo da smorzare efficientemente le oscillazioni libere dell'elemento a membrana 125 modificando opportunamente la viscosit? e / o il modulo di Young del materiale polimerico del membro polimerico 190. Infatti, la Richiedente ha osservato che la viscosit? del materiale polimerico ha un grande impatto sulla % di larghezza di banda, e il modulo di Young del materiale polimerico ha un impatto abbastanza grande sulla % di larghezza di banda. Viceversa, la Richiedente ha trovato che il rapporto di Poisson e la densit? del materiale polimerico o non hanno alcun impatto significativo sulla % di larghezza di banda La Figura 2 ? un diagramma che mostra la % di larghezza di banda centrata su 1 MHz di un dispositivo PMUT 100 esemplificativo secondo la forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 1A-1B come funzione della viscosit? del materiale polimerico dell?elemento polimerico 190 quando detto materiale polimerico ha un rapporto di Poisson di 0,22 e un modulo di Young pari a 1GP a. ;La Richiedente ha riscontrato che l'efficienza dello smorzatore 180 secondo le forme di realizzazione dell'invenzione illustrate nelle Figure 1A-1B nello smorzamento delle oscillazioni libere indesiderate dell'elemento a membrana 125 ? particolarmente elevata quando: ;- la viscosit? del materiale polimerico dell?elemento polimerico 190 ha un valore compreso tra 0,3 e 3 kPa *s, e / o
- il modulo di Young del materiale polimerico dell?elemento polimerico 190 ha un valore compreso tra 0,5 e 2 GPa.
La Figura 3A illustra un diagramma della risposta in frequenza del dispositivo PMUT 100 illustrato nelle Figure 1A-1C, in cui la prima porzione di membrana MP(1) ha un diametro di 300 um e la seconda porzione di membrana MP(2) ha un diametro di 260 ?m. La Figura 3B ? una vista ingrandita della porzione del diagramma di Figura 3A evidenziata dalla cornice rettangolare tratteggiata 300.
La risposta in frequenza del dispositivo PMUT 100 mostra due picchi di frequenza, ciascuno corrispondente alla frequenza di risonanza di una corrispondente porzione di membrana. Nell'esempio in questione, questi due picchi comprendono:
- un primo picco a 0,92 MHz e corrispondente alla prima porzione di membrana MP(1), e
- un secondo picco a 1,1 MHz e corrispondente alla seconda porzione di membrana MP(2).
La parziale sovrapposizione tra la prima e la seconda porzione di membrana MP(1), MP(2) garantisce che detti due picchi siano vicini l'uno all'altro. Di conseguenza, detti due picchi si fondono in un picco pi? largo corrispondente ad una % di larghezza di banda (pi? grande) centrata a circa 1 MHz. La % di larghezza di banda risultante del dispositivo PMUT 100 ? ulteriormente aumentata grazie all'effetto di smorzamento dello smorzatore 180. Nell'esempio in questione, la % di larghezza di banda centrata su 1,1 MHz pu? vantaggiosamente raggiungere il 37 %.
Le Figure 4A - 4G illustrano le fasi principali di un processo di fabbricazione per fabbricare il dispositivo PMUT 100 delle Figure 1 A - 1C secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
Facendo riferimento alla Figura 4A, il processo di fabbricazione secondo la presente forma di realizzazione dell'invenzione inizia fornendo il substrato di silicio 110 e poi formando in detto substrato di silicio 110 la cavit? 120 e la porzione orizzontale 195 della cavit? 185 che circonda la cavit? 120 stessa (vedi Figura 1A).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la formazione della cavit? 120 e della porzione orizzontale 195 della cavit? 185 viene eseguita in base al metodo descritto nel brevetto US 7,294,536 e nella domanda di brevetto US 2008/261345 (depositate dallo stesso Richiedente). In breve, si utilizzano maschere litografiche con reticolo a nido d'ape. Quindi, utilizzando dette maschere, viene effettuata una incisione di trincea del substrato di silicio per formare corrispondenti colonne di silicio. Dopo la rimozione delle maschere litografiche, la crescita epitassiale viene eseguita in un ambiente disossidante (ad esempio, in un'atmosfera con un'alta concentrazione di idrogeno, preferibilmente utilizzando SiHCl3), in modo che uno strato epitassiale cresca sopra le colonne di silicio, intrappolando il gas (H2) presente in esso. Viene quindi eseguita una fase di ricottura (annealing), che provoca una migrazione degli atomi di silicio, i quali tendono a disporsi in posizioni a minore energia. Di conseguenza, gli atomi di silicio delle colonne di silicio migrano formando completamente la cavit? 120 e la porzione orizzontale 195 della cavit? 185.
La porzione del substrato di silicio 110 direttamente sopra la cavit? 120 forma l'elemento a membrana 125.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 4B, comprende la deposizione di uno strato di ossido 401 sulla superficie operativa anteriore 112, per esempio mediante un una deposizione chimica da vapore a bassa pressione (Low Pressure Chemical Vapor Deposition, ?LPCVD?), usando ortosilicato tetraetile come precursore.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 4C, prevede di:
- depositare sullo strato di ossido 401 uno strato di USG 402;
- depositare sullo strato di USG 402 una pila comprendente uno strato di materiale piezoelettrico, ad esempio, comprendente nitruro di alluminio, tra due strati conduttivi, ad esempio uno strato TiW e uno strato di platino, e modellare detta pila per formare gli elementi piezoelettrici 150(1) e 150(2) sopra la cavit? 120 ottenendo gli strati 155, 160, 162 (si veda la Figura 1A);
- coprire gli elementi piezoelettrici 150(1) e 150(2) con un primo strato di passivazione comprendente USG, e modellare detto strato di passivazione per ottenere il primo strato di passivazione 170, e
- depositare un secondo strato di passivazione 412 comprendente nitruro di silicio.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 4D, prevede la rimozione selettiva del secondo strato di passivazione 412, dello strato di USG 402 e dello strato di ossido 401 utilizzando una maschera litografica 410 opportunamente definita per ottenere il secondo strato di passivazione 172, lo strato di USG 162 e lo strato di materiale isolante 168 (si veda la Figura 1C).
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 4E, prevede l'apertura di una trincea nella superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110 al di sopra della porzione orizzontale 195 della cavit? 185 fino a raggiungere detta porzione orizzontale 195 in modo da formare la porzione verticale 198 della cavit? 185 (si veda la Figura 1A). Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, questa fase viene eseguita eseguendo una incisione selettiva del silicio a secco utilizzando una maschera litografica 430 opportunamente definita.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 4F, prevede la rimozione delle maschere litografiche 420 e 430, e quindi il deposito di una pellicola di polimero secco laminato 440, che copre, tra gli altri, la porzione orizzontale 195 della cavit? 185.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 4G , prevede la rimozione selettiva della pellicola di polimero secco laminato 440 per ottenere l' elemento polimerico 190 al di sopra della cavit? 185 (e quindi per ottenere il dispositivo PMUT 100 di Figura 1A).
La Figura 5A mostra una versione diversa del dispositivo PMUT 100, identificato con il riferimento 100', secondo un'altra forma di realizzazione della presente invenzione. Gli elementi del dispositivo PMUT 100' corrispondenti agli elementi del dispositivo PMUT 100 verranno identificati utilizzando gli stessi riferimenti utilizzati nella Figura 1A con l'aggiunta di un apice, e la loro descrizione sar? omessa per brevit?. Rispetto al dispositivo PMUT 100 di Figura 1A, e fabbricato con il processo di fabbricazione descritto con riferimento alle Figure 4A -4G, il dispositivo PMUT 100' ? fabbricato formando la cavit? 120' e la cavit? 185' utilizzando come substrato di partenza un substrato di silicio su isolante (Silicon On Insulator, ?SOI?) 110' comprendente (partendo dall'alto e quindi procedendo lungo la direzione X verso il basso) uno strato attivo (strato di dispositivo), uno strato di ossido sepolto (strato di box) e uno strato di supporto (strato di handle). Secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, la cavit? 120' e la cavit? 185' sono realizzate rimuovendo selettivamente porzioni dello strato di box, identificate in Figura 5A con il riferimento 510.
La Figura 5B mostra una versione diversa del dispositivo PMUT 100 identificata con il riferimento 100", secondo un'altra forma di realizzazione della presente invenzione. Gli elementi del dispositivo PMUT 100?' corrispondenti agli elementi del dispositivo PMUT 100 verranno identificati utilizzando gli stessi riferimenti utilizzati in Figura 1A con l'aggiunta di un doppio apice, e la loro descrizione sar? omessa per brevit?. Rispetto al dispositivo PMUT 100 di Figura 1A e realizzato con il processo di fabbricazione descritto con riferimento alle Figure 4A - 4G, il dispositivo PMUT 100?? ? realizzato formando le cavit? 120'' e 185?' e la membrana utilizzando polisilicio poroso 520 depositato sul substrato di silicio 110??. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il polisilicio poroso 520 viene depositato utilizzando un processo LPCVD a 600?C da una sorgente di gas silano puro a 550 mtorr. Grazie alla sua porosit?, il polisilicio poroso 520 ? permeabile all?incisione da HF.
Mentre nelle figure precedenti ? stato fatto riferimento ad un dispositivo PMUT comprendente due elementi piezoelettrici situati sulla superficie superiore dell'elemento a membrana, e quindi in cui l'elemento a membrana comprende due porzioni di membrana, i concetti della presente invenzione si applicano direttamente ai casi in cui ? previsto un numero maggiore di elementi piezoelettrici, e quindi di porzioni di membrana.
Ad esempio, nell'esempio illustrato nella Figura 6A, sono fornite tre porzioni di membrana MP(1), MP(2), MP(3), corrispondenti a tre rispettivi elementi piezoelettrici 150(1), 150(2), 150(3), mentre nell'esempio illustrato in Figura 6B, sono previste quattro porzioni di membrana MP(1), MP(2), MP(3), MP(4), corrispondenti a quattro rispettivi elementi piezoelettrici 150(1), 150(2), 150(3), 150(4).
La Figura 7 illustra in termini di blocchi semplificati un sistema elettronico 700 (o una sua porzione) comprendente almeno uno tra i dispositivi PMUT 100, 100?, o 100?? secondo le forme di realizzazione dell'invenzione descritte in precedenza.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 700 ? atto ad essere utilizzato in dispositivi elettronici come ad esempio assistenti digitali personali (Personal Digital Assistant, ?PDA?), computer, tablet e smartphone.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 700 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, o 100??, un controller 705, come ad esempio uno o pi? microprocessori e / o uno o pi? microcontrollori.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 700 pu? comprendere, oltre al dispositivo 100, 100?, o 100??, un dispositivo di ingresso / uscita 710 (come ad esempio una tastiera, e / o un touch screen e / o un display visivo) per generare / ricevere messaggi / comandi / dati e / o per ricevere / inviare segnali digitali e / o analogici.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 700 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, o 100??, un'interfaccia wireless 715 per lo scambio di messaggi con una rete di comunicazione senza fili (non mostrata), ad esempio tramite segnali a radiofrequenza. Esempi di interfaccia wireless 715 possono comprendere antenne e ricetrasmettitori senza fili.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 700 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, o 100??, un dispositivo di memorizzazione 720, come ad esempio un dispositivo di memoria volatile e / o un dispositivo di memoria non volatile.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 700 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, o 100??, un dispositivo di alimentazione, ad esempio una batteria 725, per fornire potenza elettrica al sistema elettronico 700.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 700 pu? comprendere uno o pi? canali di comunicazione (bus) per consentire lo scambio di dati tra il dispositivo PMUT 100, 100?, o 100??, il controller 705 e / o il dispositivo di input / output 710 e / o l'interfaccia wireless 715 e / o il dispositivo di memorizzazione 720 e / o la batteria 725, quando sono presenti.
Naturalmente, al fine di soddisfare requisiti locali e specifici, una persona esperta del settore pu? applicare all'invenzione sopra descritta diverse modifiche e alterazioni logiche e / o fisiche. Pi? specificamente, sebbene la presente invenzione sia stata descritta con un certo grado di particolarit? con riferimento alle sue forme di realizzazione preferite, si dovrebbe comprendere che sono possibili varie omissioni, sostituzioni e modifiche nella forma e nei dettagli, nonch? altre forme di realizzazione. In particolare, diverse forme di realizzazione dell'invenzione possono anche essere messe in pratica senza i dettagli specifici indicati nella descrizione precedente per fornire una comprensione pi? approfondita di essa; al contrario, funzioni ben note potrebbero essere state omesse o semplificate per non appesantire la descrizione con dettagli non necessari. Inoltre, si intende espressamente che elementi specifici e / o fasi del metodo descritti in relazione a qualsiasi forma di realizzazione descritta dell'invenzione possono essere incorporati in qualsiasi altra forma di realizzazione.
Claims (13)
1. Un dispositivo PMUT comprendente:
-un elemento a membrana estendentesi perpendicolarmente ad una prima direzione ed atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando attorno ad una posizione di equilibrio;
- almeno due elementi piezoelettrici ciascuno disposto sopra detto elemento a membrana lungo detta prima direzione e configurato per:
- fare in modo che l'elemento a membrana oscilli quando vengono applicati segnali elettrici all'elemento piezoelettrico, e
- generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana,
in cui:
- l'elemento a membrana ha una forma lobata lungo un piano perpendicolare alla prima direzione, detta forma lobata comprendendo almeno due lobi;
- l'elemento a membrana comprende per ciascun elemento piezoelettrico una porzione di membrana corrispondente includente un lobo corrispondente, ciascun elemento piezoelettrico essendo disposto sulla sua porzione di membrana corrispondente.
2. Il dispositivo PMUT secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuna porzione di membrana ha una stessa forma ma una dimensione diversa dalla dimensione delle altre porzioni di membrana.
3. Il dispositivo PMUT secondo la rivendicazione 2, in cui ciascuna porzione di membrana ? la porzione pi? grande dell?elemento a membrana avente detta forma che circonda il corrispondente elemento piezoelettrico coassialmente ad esso.
4. Il dispositivo PMUT della rivendicazione 2 o della rivendicazione 3, in cui detta forma ? una selezionata tra:
- una forma sostanzialmente circolare;
- una forma sostanzialmente quadrata;
- una forma sostanzialmente rettangolare;
- una forma sostanzialmente triangolare;
- una forma sostanzialmente esagonale;
- una forma sostanzialmente ottagonale.
5. Il dispositivo PMUT di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre:
- uno smorzatore configurato per ridurre oscillazioni libere dell'elemento a membrana, lo smorzatore comprendendo:
- una cavit? dello smorzatore che circonda l'elemento a membrana;
- un elemento polimerico avente almeno una sua porzione su detta cavit? dello smorzatore lungo detta prima direzione.
6. Il dispositivo PMUT della rivendicazione 5, in cui detto elemento polimerico comprende un materiale polimerico, detto materiale polimerico avendo:
- una viscosit? avente un valore compreso tra 0,3 e 3 kPa * s, e / o
- un modulo di Young avente un valore compreso tra 0,5 e 2 GPa.
7. Il dispositivo PMUT secondo la rivendicazione 5 o 6 , in cui detta cavit? dello smorzatore circonda l'elemento a membrana lungo un piano sostanzialmente perpendicolare a detta prima direzione.
8. Il dispositivo PMUT secondo la rivendicazione s 5, 6 o 7 , comprendente inoltre un substrato semiconduttore, detta cavit? dello smorzatore essendo almeno parzialmente formata in detto substrato semiconduttore.
9. Dispositivo PMUT secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5, 6 , 7 o 8, comprendente inoltre una cavit? centrale sotto detto elemento a membrana lungo detta prima direzione, detta cavit? dello smorzatore circondando la cavit? centrale perpendicolarmente a detta prima direzione.
10. Il dispositivo PMUT di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento a membrana comprende silicio monocristallino o polisilicio.
11. Un sistema elettronico comprendente uno o pi? dispositivi PMUT secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
12 . Un metodo per la fabbricazione di un dispositivo PMUT comprendente le seguenti fasi:
-formare un elemento a membrana estendentesi perpendicolarmente ad una prima direzione;
- formare su detto elemento a membrana lungo la prima direzione almeno due elementi piezoelettrici, in cui:
- l'elemento di membrana ha una forma lobata lungo un piano perpendicolare alla prima direzione, detta forma lobata comprendendo almeno due lobi, l'elemento di membrana comprendendo per ciascun elemento piezoelettrico una porzione di membrana corrispondente che include un lobo corrispondente, ciascun elemento piezoelettrico essendo situato sopra la sua porzione di membrana corrispondente.
13. Il metodo della rivendicazione 12, comprendente inoltre:
- formare uno smorzatore, detto formare uno smorzatore comprendendo: - formare una cavit? dello smorzatore che circonda l'elemento a membrana, e - formare un elemento polimerico avente almeno una sua porzione su detta cavit? dello smorzatore lungo detta prima direzione.
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