[实用新型]微机械装置及微机械系统

说明书

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。

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。