[实用新型]压电式微加工超声换能器和电子系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种压电式微加工超声换能器(PMUT)。

背景技术

如已知的，换能器是将物理量的变化转换成电学量(电阻或电容) 的变化(或者反之亦然)的设备。超声换能器是现有技术中熟知的并且在以下行业中广泛使用的设备：非破坏性测试(NDT)、速度检测、工业自动化、物体识别、防撞系统和医学成像。微加工超声换能器 (MUT)设置有振动膜结构，该振动膜结构具有合适的声阻抗用于保证与感兴趣的物理介质(例如，空气或液体)的良好耦合。在耦合至膜的致动器的控制下，膜的振动导致所考虑的介质中的超声束的发射 (作为发射器操作)。相反地，超声信号的接收诱发了被换能成电信号并且因此被检测到的在膜中的振动(作为接收器操作)。

在致动机制的基础上，MUT可被划分为两种主要类型：电容式 MUT(CMUT)和压电式MUT(PMUT)。具体地，根据从半导体衬底的背面进行蚀刻以限定悬置膜的工艺来制造已知类型的PMUT，在该悬置膜之上延伸的是压电致动器/检测器。

从衬底的前面形成膜的技术是有可能的，但是这些技术需要开孔以在衬底内部形成空腔，以及随后对该孔进行密封封闭(在MUT与液体直接接触而操作的情况下，此操作是最重要的)。

此外，具体实施例设想形成具有不同刚度的膜的区域，以及具体地膜的边缘区域中的更低刚度，以在使用中获得类活塞移动，这提供了相当多的优点。用于减小膜的边缘区域的刚度的已知技术包括在这些边缘区域中形成通孔，这些通孔然后插入有聚合物材料。参见例如王涛(Tao Wang)等人的“A Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer Using Piston-Like Membrane Motion(使用类活塞膜运动的压电式微加工超声换能器)”，IEEE电子器件报，第36卷，第9期， 2015年9月。然而，在填充聚合物材料的存在可能影响换能器的性能 (例如，修改膜的振动频率)的情况下，此实施例并非最佳。

进一步已知的技术包括形成薄膜并且然后通过施加质量块来选择性地在膜的中心区域中增加膜的厚度，以获得具有沿其横截面的可变厚度的最终膜。参见例如黄永利(Yongli Huang)等人的“Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers with Piston-Shaped Membranes: Fabrication and Experimental Characterization(具有活塞状膜的电容式微加工超声换能器：制造和实验特征)”，超声学、铁电体和频率控制IEEE会刊，第56卷，第1期，2009年1月。还在此情况下，中心质量块的存在可能导致谐振频率的不期望的变化并且增加声阻抗。此外，制造方法是复杂的。

实用新型内容

因此，本公开的目的是提供一种压电式微加工超声换能器 (PMUT)，作为已知解决方案的替代方案并且以便克服其缺点。

根据一些实施例，提供了一种压电式微加工超声换能器，包括： -半导体本体，半导体本体具有第一空腔和膜，膜悬置在第一空腔之上并且面向半导体本体的前侧；以及-压电式换能器组件，压电式换能器组件至少部分地在膜之上延伸，压电式换能器组件可被致动以用于生成对膜的偏转，第二空腔延伸成掩埋在膜的外围区域中并且界定膜的中心区域。

在一些实施例中，外围区域的刚度低于中心区域的刚度。

在一些实施例中，第二空腔在第一空腔与压电式换能器组件之间沿膜的整个周边延伸。

在一些实施例中，在第二空腔与第一空腔之间延伸的膜区域形成膜的第一柔性部分，并且在第二空腔与压电式换能器组件之间延伸的膜区域形成膜的第二柔性部分，压电式换能器组件被配置成用于生成第一和第二柔性部分的偏转。

在一些实施例中，膜的中心区域的厚度包括在4μm至12μm 之间；第一柔性部分的厚度包括在1μm至4μm之间；并且第二柔性部分的厚度包括在1μm至4μm之间。

在一些实施例中，第二空腔是完全空的。

在一些实施例中，第二空腔内部容纳有形成错综复杂的空腔的多个柱状物。

在一些实施例中，第一空腔为掩埋在半导体本体中的密封空腔。

在一些实施例中，第一空腔为从半导体本体的与前侧相反的后侧开始在半导体本体中延伸的挖掘部。

在一些实施例中，压电式换能器组件包括在膜上的底部电极；在底部电极上的压电体；以及在压电体上的顶部电极，其中，顶部电极延伸成选择性地覆盖第二空腔。