微机械装置及微机械系统制造方法及图纸

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。本实用新型专利技术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。装置和微机械系统。装置和微机械系统。

【技术实现步骤摘要】
微机械装置及微机械系统


[0001]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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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)。
[0004]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)。
[0005]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
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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
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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。
[0006]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。
[0007]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)。
[0008]因此，在空气中应用中，也需要具有大带宽的MUT(例如，在
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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。
[0009]对这个问题的已知解决方案：使用具有低阻抗的材料(例如，PVDF) 或者使用在与空气的界面处的层(例如，由诸如微泡沫的微孔材料制成) 以减小机械阻抗；使用电抗元件(例如，具有小厚度和重量并且因此具有低阻抗的振动隔膜)或阻抗变换器(例如，使用这些膜获得的圆锥形状的元件)；或者在这些膜中引入损耗(例如，在这些膜中或在这些膜所面对的腔壁中的孔)。然而，这些解决方案呈现了高制造复杂度，并且呈现了MUT的参数设计的复杂度。此外，通过耗散元件或穿孔膜引入损耗有助于增加带宽，但是这是以牺牲MUT的效率和灵敏度为代价的。引入电抗元件有助于增加带宽，但在选择可使用的材料方面存在最小声阻抗方面的限制(例如，这些微泡沫的最小阻抗是10kRayl的数量级的，因此远大于空气的声阻抗)，导致阻抗匹配的效果不佳。

技术实现思路

[0010]本公开旨在提供将至少克服上述部分缺点的至少一种解决方案。
[0011]根据本公开内容，提供了一种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。
[0012]在至少一个实施例中，该微机械装置包括：本体；至少一个间隔元件，耦接至本体；第一电极结构，耦接至至少一个间隔元件，第一电极结构叠加至本体并且与本体交叠，并且第一电极结构与本体电绝缘，第一电极结构、本体和至少一个间隔元件界定第一掩埋腔，第一掩埋腔具有在至少一个间隔元件中的间隔元件的相应的侧壁中的相对的侧壁之间延伸的第一尺寸；第一压电元件，耦接至第一电极结构，第一压电元件叠加至第一电极结构并与第一电极结构交叠，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之间延伸的第二尺寸，第二尺寸小于第一掩埋腔的第一尺寸；本体、第一电极结构和掩埋腔形成第一电容式超声换能器，并且第一电极结构和第一压电元件形成第一压电超声换能器。
[0013]根据一个实施例，第一电极结构可包括半导体材料的第一膜和在第一膜和第一压电元件之间延伸的第一导电层，第一膜形成用于第一电容式超声换能器的第一端子并且第一导电层形成用于第一压电超声换能器的第二端子。
[0014]根据一个实施例，微机械装置可进一步包括叠加至第一压电元件的第二导电层，第一导电层和第二导电层与第一压电元件电接触。
[0015]根据一个实施例，本体包括基板和第一导电层，第一导电层被插入在基板与第一掩埋腔之间，其中半导体材料的第一膜包括膜体和第二导电层，第二导电层被插入在第一掩埋腔与压电元件之间，并且其中第一导电层和第二导电层与第一掩埋腔形成第一电容器，并且其中第一导电层和第二导电层由第一掩埋腔彼此间隔开，并且与至少一个间隔元件一起界定第一掩埋腔。
[0016]根据一个实施例，本体具有第一导电层的第一表面，第一导电层的第一表面面向第一掩埋腔，并且其中第一膜具有第二导电层的第一表面，第二导电层的第一表面面向第一掩埋腔。
[0017]根据一个实施例，本体进一步包括第一绝缘层，第一绝缘层被叠加至第一导电层，第一绝缘层在第一导电层与第一掩埋腔之间；并且第一膜进一步包括第二绝缘层，第二绝缘层被叠加至第二导电层，第二绝缘层在第一掩埋腔与第二导电层之间。
[0018]根据一个实施例，第一导电层和第二导电层被电连接至调谐电路和偏置电路。
[0019]根据一个实施例，调谐电路包括调谐阻抗。
[0020]根据一个实施例，调谐阻抗包括以下项中的至少一项：短路、开路、彼此并联的电阻器和第一电容器、彼此并联的第一电感器和第二电容器、彼此并联的多个电容器、以及负阻抗电路。
[0021]根据一个实施例，其中调谐电路包括有源网络或无源网络。
[0022]根据一个实施例，第一导电层和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微机械装置，其特征在于，包括：本体；至少一个间隔元件，被耦接到所述本体；第一电极结构，被耦接到所述至少一个间隔元件，所述第一电极结构叠加至所述本体并与所述本体交叠，所述第一电极结构与所述本体电绝缘，并且所述第一电极结构、所述本体和所述至少一个间隔元件界定第一掩埋腔，所述第一掩埋腔具有第一尺寸，所述第一尺寸在所述至少一个间隔元件中的间隔元件的相应的侧壁中的相对的侧壁之间延伸；以及第一压电元件，被耦接至所述第一电极结构，所述第一压电元件被叠加至所述第一电极结构并与所述第一电极结构交叠，所述第一压电元件与所述第一掩埋腔交叠，所述第一压电元件具有在所述第一压电元件的相应侧壁中的相对侧壁之间延伸的第二尺寸，所述第二尺寸小于所述第一掩埋腔的所述第一尺寸，其中所述本体、所述第一电极结构和所述掩埋腔形成第一电容式超声换能器，并且所述第一电极结构和所述第一压电元件形成第一压电超声换能器。2.根据权利要求1所述的微机械装置，其特征在于，所述第一电极结构包括半导体材料的第一膜以及第一导电层，所述第一导电层在所述第一膜与所述第一压电元件之间延伸，所述第一膜形成所述第一电容式超声换能器的第一端子，并且所述第一导电层形成所述第一压电超声换能器的第二端子。3.根据权利要求2所述的微机械装置，其特征在于，进一步包括第二导电层，所述第二导电层被叠加至所述第一压电元件，所述第一导电层和所述第二导电层与所述第一压电元件电接触。4.根据权利要求2所述的微机械装置，其特征在于，所述本体包括基板和第一导电层，所述第一导电层被插入在所述基板与所述第一掩埋腔之间，其中半导体材料的所述第一膜包括膜体和第二导电层，所述第二导电层被插入在所述第一掩埋腔与所述压电元件之间，并且其中所述第一导电层和所述第二导电层与所述第一掩埋腔形成第一电容器，并且其中所述第一导电层和所述第二导电层由所述第一掩埋腔彼此间隔开，并且与所述至少一个间隔元件一起界定所述第一掩埋腔。5.根据权利要求4所述的微机械装置，其特征在于，所述本体具有所述第一导电层的第一表面，所述第一导电层的第一表面面向所述第一掩埋腔，并且其中所述第一膜具有所述第二导电层的第一表面，所述第二导电层的第一表面面向所述第一掩埋腔。6.根据权利要求4所述的微机械装置，其特征在于：所述本体进一步包括第一绝缘层，所述第一绝缘层被叠加至所述第一导电层，所述第一绝缘层在所述第一导电层与所述第一掩埋腔之间；并且所述第一膜进一步包括第二绝缘层，所述第二绝缘层被叠加至所述第二导电层，所述第二绝缘层在所述第一掩埋腔与所述第二导电层之间。7.根据权利要求4所述的微机械装置，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层被电连接至调谐电路和偏置电路。8.根据权利要求7所述的微机械装置，其特征在于，所述调谐电路包括调谐阻抗。
9.根据权利要求8所述的微机械装置，其特征在于，所述调谐阻抗包括以下项中的至少一项：短路、开路、彼此并联的电阻器和第一电容器、彼此并联的第一电感器和第二电容器、彼此并联的多个电容器、以及负阻抗电路。10.根据权利要求7所述的微机械装置，其特征在于，所述调谐电路包括有源网络或无源网络。11.根据权利要求7所述的微机械装...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
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：