具有减小的应力敏感度的超声MEMS声换能器及其制造工艺制造技术

本公开涉及具有减小的应力敏感度的超声MEMS声换能器及其制造工艺。一种超声MEMS声换能器形成在半导体材料的本体中，该本体具有彼此相对的第一表面和第二表面。第一腔在本体中延伸，并在底部界定敏感部分，该敏感部分在第一腔与本体的第一表面之间延伸。敏感部分容纳第二腔并形成膜，该膜在第二腔和本体的第一表面之间延伸。弹性支撑结构在敏感部分和本体之间延伸，并悬置在第一腔上方。

Ultrasonic MEMS transducer with reduced stress sensitivity and its manufacturing process

【技术实现步骤摘要】
具有减小的应力敏感度的超声MEMS声换能器及其制造工艺
本公开涉及一种具有减小的应力敏感度的MEMS(微机电系统)类型的超声声换能器及其制造工艺。
技术介绍
使用半导体技术获得的声换能器是已知的，该声换能器根据电容或压电原理操作以用于超声声波的换能。特别地，这些换能器被称为MUT(微加工超声换能器)，并且可以是电容类型(CMUT，电容微加工超声换能器)或压电类型(PMUT，压电微加工超声换能器)的。在下文中，将参照PMUT声换能器，但是这绝不意味着失去一般性。图1示意性地示出了PMUT声换能器1(在下文中，称为换能器1)。特别地，换能器1包括半导体材料(例如，硅)的本体3，本体3具有第一表面3A和第二表面3B。本体3具有腔5，该腔5从第二表面3B在本体3中延伸；特别地，腔5在侧面由壁5A界定，并且在顶部由底表面5B界定。被界定在底表面5B和本体3的第一表面3A之间的本体3的部分形成膜7，因此，该膜与本体3是单片式的。压电致动器10在本体3的第一表面3A上延伸；特别地，压电致动器10由层的堆叠形成。更具体地，层的堆叠包括第一电极12、压电层13和第二电极14，压电层13例如是PZT(锆钛酸铅，Pb[ZrxTi1-x]O3)或氮化铝(AlN)，在第一电极12上延伸，第二电极14在压电层13上延伸。在本体3的第二表面3B处，换能器1通过结合层16(例如，胶或氧化物)耦合至板19(例如，PCB，印刷电路板)。在使用中，换能器1可以根据各种操作模式操作，例如作为发射器或接收器操作。当换能器1用作发射器时，在压电致动器10的第一电极12和第二电极14之间施加周期性电势差，以便在平行于笛卡尔参考系统XYZ的轴线Z的方向上生成膜7的周期性偏转，并生成超声声波。当换能器1用作接收器时，入射的超声声波使换能器1的膜7偏转，并且膜7在压电层13中生成周期性的机械应力。因此，在压电致动器10的第一电极12和第二电极14之间创建周期性电势差，该周期性电势差可以由耦合至换能器1的读取电路(未图示)读取。图1所示类型的一个或多个换能器可用于各种应用领域。例如，图2示出了感测系统20，该感测系统20能够通过以本身已知的方式测量飞行时间(ToF)来确定物体的距离，该物体是至少部分地反射性的。在实践中，感测系统20使用两个换能器1(在图2中分别称为第一换能器21和第二换能器23)，这两个换能器1分别作为发射器和接收器操作，并测量在第一超声声波的发出和第二声波的接收之间流逝的时间，该第一超声声波由第一换能器21生成，该第二声波由第二换能器23接收，通过第一声波被待测物体反射而被生成，该待测物体由附图标记22标出。在所考虑的示例中，第一声换能器21和第二声换能器23分别具有第一谐振频率fr1和第二谐振频率fr2。在使用中，第一换能器21在谐振条件下被致动，即，第一换能器21以其自身的第一谐振频率fr1发射超声声波Si(在下文中被限定为发射波Si)。通过这种方式，膜的位移和第一换能器21的发射功率被最大化。发射波Si被物体22反射并生成反射波Sr，该反射波Sr具有与发射波Si近似相同的振荡频率fr1。反射波Sr由第二换能器23检测，并以本身已知的方式换能成电输出信号。如果第一谐振频率fr1等于第二谐振频率fr2，则由反射波Sr引起的第二换能器23的膜的位移被放大；因此，感测系统20具有高敏感度和高SNR(信噪比)，并且电输出信号被放大。相反，如果第一谐振频率fr1和第二谐振频率fr2不匹配并且存在频率偏移Δf，在第二换能器23的膜上引起的位移较小，因此，敏感度较低，SNR较低，并且电输出信号减小。频率偏移Δf可能是例如由于第一换能器21的膜上存在不期望有的周期性机械应力，这可能导致不期望有的膜的偏转。这些机械应力是由于各种因素，诸如温度、湿度、与封装的结合、EWS(电晶片分选)测试以及弯曲现象。类似的问题可能会出现在图1所示类型的换能器系统中，该换能器系统用于对物体相对于参考空间(例如，由笛卡尔参考系统XYZ限定的三维空间)的位置进行三角测量和绘图。即使在这种情况下，PMUT优选地在谐振条件下操作；因此，谐振频率是PMUT恰当操作的重要参数。
技术实现思路
本公开的一个或多个实施例涉及一种声换能器和制造工艺。在至少一个实施例中，声换能器可以对应力较不敏感。附图说明为了更好地理解本公开，现在参照附图，完全通过非限制性示例的方式来描述本公开的优选实施例，其中，图1示意性地示出了已知类型的声换能器；图2示意性地示出了已知类型的系统，该系统用于检测物体；图3以平面顶视图示出了本声换能器的一个实施例；图4示出了沿图3的声换能器的截面线IV-IV截取的横截面；图5以平面顶视图示出了本声换能器的另一个实施例；图6至图11示出了图3至图5的声换能器的制造工艺的一个实施例的连续步骤；图12是本声换能器的又一个实施例的横截面图，该横截面图是沿图3的截面线IV-IV截取的；以及图13至图15示出了图12的声换能器的本制造工艺的另一个实施例的连续步骤；具体实施方式图3和图4示意性地示出了PMUT类型的换能器30，该换能器30具有第一平面延伸轴线S1、第二平面延伸轴线S2和180°旋转对称轴线O(在下文中也称为中心轴线O)，该第一平面延伸轴线S1和第二平面延伸轴线S2分别平行于笛卡尔参考系统XYZ的轴线Y和轴线X，该180°旋转对称轴线O平行于笛卡尔参考系统XYZ的轴线Z延伸。特别地，在所示的实施例中，换能器30具有180°旋转对称性，即，对于结构中存在的每个元件都存在相同尺寸和形状的对应元件，该对应元件绕中心轴线O旋转180°布置。特别地，图4，换能器30包括半导体材料(例如硅)的本体32，本体32具有彼此相对的第一表面32A和第二表面32B。本体32容纳第一腔34和多个去耦合沟槽36(在图3中图示了四个)，该第一腔34在平面顶视图(图3)中具有例如四边形(例如，矩形)的形状，其顶表面在与笛卡尔参考系统XYZ的轴线Z平行的方向上被布置在距第一表面32A的第一深度T1处，并且与参考系统XYZ的平面XY平行；该多个去耦合沟槽36从第一表面32A延伸直到第一腔34。此外，第一腔34具有第一长度L1，该第一长度L1是沿着笛卡尔参考系统XYZ的轴线X测量的(图4)。例如，去耦合沟槽36在平面顶视图(图3)中是L形的，并且侧向地界定本体32的敏感部分38，敏感部分38在第一腔34上方延伸。在实践中，本体32的敏感部分38通过去耦合沟槽36与本体32的外围部分32'分离，并经由腔34与本体32的下层部分32”分离。去耦合沟槽36使第一腔34与外部环境连通。此外，去耦合沟槽36在它们之间侧向地界定多个弹簧元件40(在图3中图示了四个)。例如，弹簧元件40在平面顶视图(图3)中为L形的，支撑敏感部分38，并将敏感部分38连接至本体32的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声类型的MEMS声换能器，包括：/n半导体材料的本体，所述本体具有彼此相对的第一表面和第二表面；/n第一腔，在所述本体中；/n敏感部分，悬置在所述第一腔处，并且在所述第一腔和所述本体的所述第一表面之间延伸，所述敏感部分容纳第二腔，所述敏感部分包括膜，所述膜在所述第二腔和所述本体的所述第一表面之间延伸；以及/n弹性支撑结构，将所述敏感部分耦合至所述本体，所述弹性支撑结构由所述第一腔悬置。/n

【技术特征摘要】
20181121 IT 1020180000104851.一种超声类型的MEMS声换能器，包括：
半导体材料的本体，所述本体具有彼此相对的第一表面和第二表面；
第一腔，在所述本体中；
敏感部分，悬置在所述第一腔处，并且在所述第一腔和所述本体的所述第一表面之间延伸，所述敏感部分容纳第二腔，所述敏感部分包括膜，所述膜在所述第二腔和所述本体的所述第一表面之间延伸；以及
弹性支撑结构，将所述敏感部分耦合至所述本体，所述弹性支撑结构由所述第一腔悬置。


2.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，进一步包括：
外围部分；以及
去耦合沟槽，在所述本体中从所述第一表面延伸至所述第一腔，所述去耦合沟槽侧向地界定所述敏感部分和所述弹性支撑结构，
其中所述弹性支撑结构被布置在所述敏感部分和所述外围部分之间。


3.根据权利要求2所述的MEMS声换能器，其中所述弹性支撑结构包括具有L形的一个或多个弹簧元件，所述一个或多个弹簧元件中的每个弹簧元件包括第一端部和第二端部，所述第一端部耦合至所述敏感部分，所述第二端部耦合至所述本体的所述外围部分。


4.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，其中所述弹性支撑结构包括围绕所述敏感部分的第一弹簧元件、第二弹簧元件、第三弹簧元件和第四弹簧元件，所述第一弹簧元件和所述第三弹簧元件绕所述本体的第一轴线彼此对称，所述第二弹簧元件和所述第四弹簧元件绕所述本体的第二轴线彼此对称，其中所述第一轴线正交于所述第二轴线。


5.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，其中所述膜具有：
通气孔，穿过所述膜延伸至所述第二腔；以及
压电致动器，耦合至所述膜的表面。


6.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，其中所述第一腔从所述本体的所述第二表面延伸至所述敏感部分，并且由第一腔壁侧向地界定，所述本体进一步包括第一本体部分、第二本体部分和锚固元件，其中所述锚固元件被布置在所述第一本体部分和所述第二本体部分之间、在所述第一腔壁处的凹进部分中，并且所述凹进部分限定相对于所述第一腔壁偏移的贯穿开口。


7.根据权利要求6所述的MEMS声换能器，其中所述第二腔在所述膜和所述第一腔之间延伸，并且由第二腔壁侧向地界定，所述第二腔与所述第一腔连通，并且在所述膜下方形成凹部，所述凹部相对于所述第二腔壁偏移。


8.一种用于制造超声MEMS声换能器的方法，所述方法包括：
在半导体晶片中形成第一腔，所述半导体晶片具有第一表面和第二表面，
在所述第一表面和所述第一腔之间形成在所述半导体晶片中的第二腔；以及
在所述第一腔上方的所述半导体晶片中形成敏感部分和弹性支撑结构，所述弹性支撑结构支撑所述敏感部分，其中所述敏感部分包括所述第二腔。


9.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述第一腔包括在晶片中形成第一掩埋腔，所述方法进一步包括在所述晶片上并且在所述第一掩埋腔上方...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·加特瑞，C·瓦尔扎希纳，F·韦尔切西，G·阿勒加托，
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