压电式微加工超声换能器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及压电式微加工超声换能器及其制造方法。一种压电式微加工超声换能器(PMUT)(1)，包括：半导体本体(2)，该半导体本体具有第一空腔(6)和膜(8)，该膜悬置在该第一空腔(6)之上并且面向该半导体本体(2)的前侧(2a)；以及压电式换能器组件(16，18，20)，该压电式换能器组件至少部分地在该膜(8)之上延伸，该压电式换能器组件可被致动以用于生成对该膜(8)的偏转。第二空腔(4)延伸成掩埋在该膜(8)的外围区域(8a)中并且界定该膜(8)的中心区域(8b)。此外，该外围部分(8a)的刚度低于该中心部分(8b)的刚度。

Piezoelectric micro machining ultrasonic transducer and its manufacturing method

The invention relates to a piezoelectric micro machining ultrasonic transducer and a manufacturing method thereof. A piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (PMUT) (1), comprising: a semiconductor body (2), which has a first cavity (6) and a film (8), which is suspended above the first cavity (6) and facing the front side (2a) of the semiconductor body (2); and the piezoelectric transducer assembly (16, 18, 20), and the piezoelectric transducer assembly. The piezoelectric transducer module can be actuated to generate the deflection of the membrane (8) in a small part extending over the membrane (8). The second cavity (4) extends into a peripheral area (8a) buried in the membrane (8) and defines the central area (8B) of the membrane (8). In addition, the stiffness of the outer part (8a) is lower than that of the center part (8B).

【技术实现步骤摘要】
压电式微加工超声换能器及其制造方法
本专利技术涉及一种压电式微加工超声换能器(PMUT)并且涉及一种用于制造PMUT的方法。
技术介绍
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(TaoWang)等人的“APiezoelectricMicro-machinedUltrasonicTransducerUsingPiston-LikeMembraneMotion(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(YongliHuang)等人的“CapacitiveMicro-machinedUltrasonicTransducerswithPiston-ShapedMembranes:FabricationandExperimentalCharacterization(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。
技术实现思路
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)以及一种用于制造PMUT的方法，作为已知解决方案的替代方案并且以便克服其缺点。根据本公开，如在所附权利要求书中所限定的，因此提供了一种压电式微加工超声换能器(PMUT)以及一种用于制造PMUT的方法。附图说明为了理解本专利技术，现参照附图仅通过非限制性示例的方式来描述本专利技术的优选实施例，在附图中：-图1以沿图2的剖面线I-I截取的侧向截面的视图示出了根据本专利技术的一个实施例的PMUT；-图2以顶视平面图示出了图1的PMUT；-图3以侧向截面图示出了根据本专利技术的另外实施例的PMUT；-图4至图13示出了用于制造图1的PMUT的步骤；-图14以侧向截面图示出了根据本专利技术的另外实施例的PMUT；以及-图15是根据图1至图3以及图14的实施例中的任一实施例的包括一个或多个PMUT的电子系统的示意性图示。具体实施方式根据本公开的一个方面，图1示出了PMUT1的侧向截面图。图1的截面表示在彼此正交的笛卡尔轴X、Y和Z的参考系中，并且沿在图2中示出的剖面线I-I被截取。PMUT1包括：半导体本体2，该半导体本体包括采用半导体材料(比如硅)的衬底；以及一个或多个外延区域，该一个或多个外延区域也采用在该衬底上生长的半导体材料(比如硅)。半导体本体2具有沿Z轴彼此相反的第一面2a和第二面2b。具有通过示例的方式在平面XY中为圆形形状的掩埋空腔6在半导体本体2内延伸、通过至少部分地悬置在空腔6之上的膜8与第一面2a分离开。在通过示例的方式描述的此实施例中，膜8在平面XY中也有圆形形状。膜8容纳有在膜8的外围区域8a中延伸的空腔4，这些外围区域围绕膜8的中心区域8b。在顶视平面图中，在平面XY中，空腔4具有圆柱环或圈的形状，并且内部地界定膜8的中心区域8b，该中心区域的刚度高于容纳空腔4的外围区域8a的刚度。由于空腔4在用于将膜8机械耦合至半导体本体2的区域的附近延伸，因此减小了膜8的外围区域8a的刚度。明显的是，空腔4的安排存在各种可能性。例如，空腔4可以基本上对准空腔6的外边缘而延伸。在此情况下，当在平面XY中观察时，空腔4的最大直径基本上等于空腔6的直径(并且因此基本上等于膜8的直径)。可替代地，空腔4可以在距空腔6的外边缘一定距离(即，例如，几微米)处延伸。在此情况下，当在平面XY中观察时，空腔4的最大直径小于空腔6的直径(并且因此小于膜8的直径)。更加详细地，如从图1中可见的，空腔4通过第一耦合区域10与空腔6分离开并且通过第二耦合区域12与第一面2a分离开。第一和第二耦合区域10、12支撑膜8的中心区域8b并且在使用中经受使得中心区域8b能够进行类活塞移动的在Z方向上的偏转，该中心区域还在Z方向上移动。在静止条件下，第一和第二耦合区域10、12基本上彼此平行并且与平面XY平行。应当注意的是，第一和第二耦合区域10、12是膜8的组成部分并且在膜8的中心区域8b与半导体本体2的块之间形成连接桥。膜8的外围区域8a(以及因此第一和第二耦合区域10、12)和中心区域8b由单件与半导体本体2的其余部分一起制成(由此形成单片块)。第一和第二耦合区域10、12的沿Z的厚度包括在1μm至4μm之间，并且在任何情况下都根据操作要求(例如，期望的振荡频率、声阻抗和增益)进行选择。在非限制性实施例中，空腔6的直径d1包括在50μm至800μm之间，并且沿Z的最大厚度d2包括在2μm至5μm之间。空腔4具有可以是四边形、或者椭圆形或圆形、或者大致上多边形或曲线的截面。通过示例的方式，空腔4在平面XY中具有最大延伸s1，该最大延伸被选择以满足上述操作要求，并且具体地使得s1小于d1/2并且s2(与平面XY正交的延伸)为几微米(例如，在2μm至4μm之间)。膜8在中心区域8b中的厚度t1为几微米，例如，包括在4μm至12μm之间。膜8的厚度t1以及空腔6的延伸d1以本身已知的方式根据期望的振动频率被选择，并且不形成本公开的主题。以本身已知的方式，在与膜8相对应的区域中在半导体本体的第一面2a之上延伸的是界面层14(例如由氧化硅制成的)以及在该界面层上由底部电极16、压电体18(例如，PZT或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之间进行电绝缘的功能并且此外具有在膜8处生成压缩应力的功能，该压缩应力抵抗由于空腔6内部的压力与在其外部的环境压力之间过大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电式微加工超声换能器(PMUT)(1)，包括：‑半导体本体(2)，所述半导体本体具有第一空腔(6)和膜(8)，所述膜悬置在所述第一空腔(6)之上并且面向所述半导体本体(2)的前侧(2a)；以及‑压电式换能器组件(16，18，20)，所述压电式换能器组件至少部分地在所述膜(8)之上延伸，所述压电式换能器组件可被致动以用于生成对所述膜(8)的偏转，其特征在于，第二空腔(4)延伸成掩埋在所述膜(8)的外围区域(8a)中并且界定所述膜(8)的中心区域(8b)。

【技术特征摘要】
2016.12.28 IT 1020160001318441.一种压电式微加工超声换能器(PMUT)(1)，包括：-半导体本体(2)，所述半导体本体具有第一空腔(6)和膜(8)，所述膜悬置在所述第一空腔(6)之上并且面向所述半导体本体(2)的前侧(2a)；以及-压电式换能器组件(16，18，20)，所述压电式换能器组件至少部分地在所述膜(8)之上延伸，所述压电式换能器组件可被致动以用于生成对所述膜(8)的偏转，其特征在于，第二空腔(4)延伸成掩埋在所述膜(8)的外围区域(8a)中并且界定所述膜(8)的中心区域(8b)。2.根据权利要求1所述的PMUT，其中，所述外围部分(8a)的刚度低于所述中心区域(8b)的刚度。3.根据权利要求1或权利要求2所述的PMUT，其中，所述第二空腔(4)在所述第一空腔(6)与所述压电式换能器组件(16，18，20)之间沿所述膜(8)的整个周边延伸。4.根据权利要求3所述的PMUT，其中，在所述第二空腔(4)与所述第一空腔(6)之间延伸的膜区域形成所述膜(8)的第一柔性部分(12)，并且在所述第二空腔(4)与所述换能器组件(16，18，20)之间延伸的膜区域形成所述膜(8)的第二柔性部分(10)，所述压电式换能器组件(16，18，20)被配置成用于生成所述第一和第二柔性部分(12，10)的偏转。5.根据权利要求4所述的PMUT，其中，所述膜(8)的所述中心区域(8b)的厚度包括在4μm至12μm之间；所述第一柔性部分(12)的厚度包括在1μm至4μm之间；并且所述第二柔性部分(10)的厚度包括在1μm至4μm之间。6.根据权利要求1至5中任一项所述的PMUT，其中，所述第二空腔(4)是完全空的。7.根据权利要求1至5中任一项所述的PMUT，其中，所述第二掩埋空腔(4)内部容纳有形成错综复杂的空腔(70)的多个柱状物(72)。8.根据权利要求1至7中任一项所述的PMUT，其中，所述第一空腔(6)为掩埋在所述半导体本体(2)中的密封空腔。9.根据权利要求1至7中任一项所述的PMUT，其中，所述第一空腔(6)为从所述半导体本体(2)的与所述前侧(2a)相反的后侧(2b)开始在所述半导体本体(2)中延伸的挖掘部(32)。10.根据权利要求1至9中任一项所述的PMUT，其中，所述压电式换能器组件(16，18，20)包括在所述膜(8)上的底部电极(16)；在所述底部电极(16)上的压电体(18)；以及在所述压电体(18)上的顶部电极(20)，其中，所述顶部电极(20)延伸成选择性地覆盖所述掩埋区域(4)。11.一种电子系统(100)，包括根据权利要求1至10中任一项所述的PMUT阵列，所述电子系统(100)为来自以下各项当中的一个系统：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。12.根据权利要求11所述的系统，包括用于控制(102)所述PMUT阵列的装置，所述装置被配置成用于在第一操作条件下使所述膜(8)偏转以生成压力波的发射和/或用于在第二操作条件下获取由所述压电式换能器组件(16，18，20)根据由接收到的压力波所生成的所述膜(8)的偏转而换能的信号。13.一种用于制造压...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·方希里诺，F·F·维拉，A·迪马特奥，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT