压电式微机械超声换能器PMUT器件以及电子系统技术方案

本公开的实施例涉及压电式微机械超声换能器PMUT器件以及电子系统。一种压电式微机械超声换能器PMUT器件，其特征在于，包括：硅基底；膜元件，被配置为通过以共振频率关于平衡位置振荡来生成超声波和接收超声波；锚定部分，将膜元件固定到硅基底，以及压电元件，在膜元件上，压电元件被配置为：当电信号被施加至压电元件时，引起膜元件振荡，以及响应于膜元件的振荡生成电信号，其中，膜元件和锚定部分由单晶硅制成。利用本公开的实施例，在完成的PMUT器件中得到的膜元件的厚度非常精确，并且较少受到工艺失配的影响。较少受到工艺失配的影响。较少受到工艺失配的影响。

【技术实现步骤摘要】
压电式微机械超声换能器PMUT器件以及电子系统


[0001]本公开涉及微机电系统(下文称为“MEMS”)的领域。特别地，本公开涉及一种压电式微机械超声换能器(下文称为“PMUT”)。

技术介绍

[0002]MEMS器件包括借助微机械技术(例如，光刻、沉积、蚀刻、沉积、生长)在相同半导体材料基底(例如硅)中集成小型化机械、电气和/ 或电子部件。
[0003]微机械超声换能器器件(下文称为“MUT器件”)是一种适于发射/接收超声波的MEMS器件。在已知的MUT器件之间，压电MUT器件 (以下称为“PMUT器件”)是已知的。PMUT器件是一种MUT器件，其操作基于与薄压电元件机械耦合的一个或多个薄膜元件的弯曲运动。
[0004]当PMUT器件作为发射器操作时，在对压电元件施加AC电信号时，膜元件在压电元件的作用下在平衡位置周围弯曲和振荡。因此，膜元件的振荡会导致超声波的生成。
[0005]当PMUT器件作为接收器操作时，超声波撞击膜元件会导致膜在其平衡位置周围振荡。膜元件的振荡作用在压电元件上，压电元件相应地生成AC电信号。
[0006]在超声波的生成和接收期间(即，在PMUT器件作为发射器操作的情况下以及PMUT器件作为接收器操作的情况下)，膜元件以对应的共振频率在其平衡位置周围振荡。
[0007]为了在其平衡位置周围自由振荡，(一个或多个)膜元件相对于 PMUT器件的半导体基底悬置(例如，悬臂式)。
[0008]为此目的，在PMUT器件的制造期间，已知形成锚定部分，该锚定部分适用于将PMUT器件的(一个或多个)膜元件机械地连接到其半导体基底。
[0009]在设计阶段，PMUT器件的共振频率是基于诸如膜元件的大小和材料的参数确定的。给定具体的材料的情况下，(一个或多个)膜元件的厚度是定义共振频率的最重要参数之一。
[0010]美国专利No.6,913,941公开了一种用于创建MEMS结构的方法。根据所述方法，提供了一种基底，具有布置在其上的牺牲层和布置在牺牲层之上的硅层。第一沟槽被创建，其延伸穿过二氧化硅层和牺牲层，并且第一沟槽将牺牲层分隔成由第一沟槽包围的第一区域以及在第一沟槽外部的第二区域。将第一材料沉积到第一沟槽中，使得第一材料填充第一沟槽的深度至少等于牺牲层的厚度。在第一沟槽的外部形成第二沟槽，第二沟槽至少延伸穿过硅层并且暴露牺牲层的第二区域的至少部分。牺牲层的第二区域通过第二沟槽与适用于蚀刻牺牲层的化学蚀刻溶液接触，蚀刻溶液对第一材料具有选择性。

技术实现思路

[0011]本公开的目的是提供一种压电式微机械换能器以及一种电子系统，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
[0012]本公开的一方面提供了一种用于制造压电式微机械超声换能器 PMUT器件的方法，PMUT器件具有位于膜元件处的压电元件，方法包括：接收绝缘体上硅基底，绝缘体上硅
基底包括：第一硅层、氧化物层和第二硅层，第一硅层沿着第一方向堆叠在氧化物层上，并且氧化物层沿着第一方向堆叠在第二硅层上；通过移除第一硅层的暴露侧部分以及氧化物层的对应的部分，暴露先前由氧化物层覆盖的第二硅层的第一表面的部分，以及限定包括第一硅层的剩余部分和氧化物层的剩余部分的中心部分；在第二硅层的第一表面的暴露部分处形成用于膜元件的锚定部分；沿着第一方向在中心部分之上形成压电元件；以及通过选择性地移除第二层、并且从第一硅层的剩余部分下方移除氧化物的剩余部分来限定膜元件，膜元件包括第一硅层的剩余部分。
[0013]根据一个或多个实施例，其中第一硅层沿着第一方向的厚度对应于膜元件沿着第一方向的厚度。
[0014]根据一个或多个实施例，其中第一硅层沿着第一方向的厚度小于膜元件沿着第一方向的厚度，方法进一步包括：在形成压电元件之前，在第一硅层的剩余部分上生长硅，直到第一硅层的剩余部分的厚度达到膜元件的厚度为止。
[0015]根据一个或多个实施例，其中在第一硅层的剩余部分上生长硅包括使用外延技术生长硅。
[0016]根据一个或多个实施例，其中形成锚定部分包括在第二硅层的第一表面的暴露部分上生长硅。
[0017]根据一个或多个实施例，其中在第二硅层的第一表面的暴露部分上生长硅包括使用外延技术生长硅。
[0018]根据一个或多个实施例，方法进一步包括执行平滑过程，以从所生长的硅获得由单晶硅制成的基本平坦的顶表面。
[0019]根据一个或多个实施例，其中平滑过程包括以下至少一项：化学机械抛光技术，以及高温氢退火技术。
[0020]根据一个或多个实施例，方法进一步包括，在形成压电元件之后、并且在移除氧化物的剩余部分之前，选择性地移除第一硅层的剩余部分，直到到达氧化物的剩余部分为止。
[0021]根据一个或多个实施例，其中第一硅层、第二硅层和锚定部分由单晶硅制成。
[0022]本公开的另一方面提供了一种压电式微机械超声换能器PMUT器件，包括：硅基底；膜元件，被配置为通过以共振频率关于平衡位置振荡来生成超声波和接收超声波；锚定部分，将膜元件固定到硅基底，以及压电元件，在膜元件上，压电元件被配置为：当电信号被施加至压电元件时，引起膜元件振荡，以及响应于膜元件的振荡生成电信号，其中，膜元件和锚定部分由单晶硅制成。
[0023]根据一个或多个实施例，其中锚定部分由外延生长的单晶硅形成。
[0024]根据一个或多个实施例，其中膜元件具有与硅基底的前表面平齐的表面。
[0025]根据一个或多个实施例，其中锚定部分直接在硅基底与膜元件之间延伸。
[0026]根据一个或多个实施例，其中膜元件具有在从1μm至2.5μm范围内的厚度。
[0027]根据一个或多个实施例，其中PMUT器件前述一个或多个实施例制造。
[0028]本公开的另一方面提供了一种电子系统，包括：一个或多个压电式微机械超声换能器PMUT器件，一个或多个PMUT器件中的每个PMUT 器件包括：硅基底；膜元件，被配置为通过以共振频率关于平衡位置振荡来生成超声波和接收超声波；锚定部分，将膜元件固定到硅基底，以及压电元件，在膜元件上，压电元件被配置为：当电信号被施加至压电元件时，引
起膜元件振荡，以及响应于膜元件的振荡生成电信号，其中，膜元件和锚定部分由单晶硅制成。
[0029]根据一个或多个实施例，其中锚定部分由外延生长的单晶硅形成。
[0030]根据一个或多个实施例，电子系统进一步包括：控制器，通信地耦合到一个或多个PMUT器件；存储器器件，通信地耦合到一个或多个 PMUT器件；以及电源，电耦合到以下至少一项：控制器、存储器器件、或一个或多个PMUT器件。
[0031]利用本公开的实施例，在完成的PMUT器件中得到的膜元件的厚度非常精确，并且较少受到工艺失配的影响。
附图说明
[0032]通过阅读以下仅通过非限制性示例提供的对其实施例进行的详细描述(将结合附图阅读)，将更好地理解根据本公开的解决方案的这些和其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电式微机械超声换能器PMUT器件，其特征在于，包括：硅基底；膜元件，被配置为通过以共振频率关于平衡位置振荡来生成超声波和接收超声波；锚定部分，将所述膜元件固定到所述硅基底，以及压电元件，在所述膜元件上，所述压电元件被配置为：当电信号被施加至所述压电元件时，引起所述膜元件振荡，以及响应于所述膜元件的振荡生成电信号，其中，所述膜元件和所述锚定部分由单晶硅制成。2.根据权利要求1所述的PMUT器件，其特征在于，所述锚定部分由外延生长的单晶硅形成。3.根据权利要求1所述的PMUT器件，其特征在于，所述膜元件具有与所述硅基底的前表面平齐的表面。4.根据权利要求1所述的PMUT器件，其特征在于，所述锚定部分直接在所述硅基底与所述膜元件之间延伸。5.根据权利要求1所述的PMUT器件，其特征在于，所述膜元件具有在从1μm至2.5μm范围内的厚度。6.根据权利要求1所述的PMUT器件，其特征在于，所述PMUT器件根据权利要求1制造。7.一种电子系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：