薄膜超声换能器制造技术

本发明专利技术涉及一种换能器（11），包括：-隔膜（31），配置为响应于力而改变形状，所述隔膜（31）具有第一主要表面（16）和第二主要表面（17）；-在所述隔膜（31）的第一主要表面（16）之上形成的压电层（18），所述压电层（18）具有活性部分；-与所述压电层（18）相接触的第一和第二电极（19），其中，第一和第二电极（19）之间的电场确定所述压电层（18）的机械移动；-所述压电层（18）的活性部分的相邻侧上隔膜（15）的第二主要表面（17）处的支座结构（40），所述支座结构（40）的至少一部分形成与所述隔膜（31）的第二主要表面（17）垂直或至少不平行的壁，以形成位于所述活性部分之下的任何形状的沟槽（41），从而获得超声换能器，所述超声换能器在支座侧处具有与相反侧处相比高的输出压力。本发明专利技术还涉及一种形成这种换能器的方法以及一种包括这样的至少一个换能器的阵列。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及换能器的领域，并且更具体地，涉及包括薄膜超声换能器的超声换能器以及换能器阵列。本专利技术涉及超声换能器，其还可以用于例如在建筑物中的存在性检测以用于照明控制、用于空气调节控制、用于安全和保安、用于活动感测。换能器阵列还可以用于接近性检测，覆盖例如移动电话的例如定位、或者用于例如机器人的导航、或者用于在诸如停车辅助、避碰之类的许多应用中的距离测量，或者用于用户界面中的姿势控制或者用于流量感测、或者用于C02感测、或者用于基于超声的跟踪或还用于包括医疗成像的超声成像。在本专利技术的实施例中，公开了超声换能器和换能器阵列的工艺和设计，使得能够实现展示出小尺寸、平坦、紧凑、低成本阵列上的增强的输出压力的超声薄膜换能器阵列。
技术介绍
正在发现超声换能器广泛的应用，例如用于运动和存在性检测的传感器。超声换能器是将电能转换为机械能的器件。最通常地，术语“超声换能器”用于指代经由压电现象将电能转换为超声的压电换能器。压电晶体和压电陶瓷具有以下属性:当施加电信号时，改变尺寸，从而施加交流电信号使这些压电晶体和压电陶瓷振荡。器件的共振频率取决于器件的尺寸和构造。由于当对压电晶体或陶瓷施加机械力时，压电晶体或陶瓷生成电信号，因此相同的晶体或陶瓷可以用作超声发射机和超声接收机。WO 2009/004558描述了一种换能器，其中，在正面衬底之上形成隔膜，并且在活性部分(active portion)以及位置上与活性部分相邻的外围部分处，在隔膜之上形成压电层。在压电层之上形成包括第一和第二电极的图案化的导电层。此外，提供了背面衬底结构，具有位于与活性部分相邻的外围部分处的支座。支座的高度大于图案化的压电层和图案化的导电层的组合高度。可以将许多换能器相连接以形成阵列。
技术实现思路
本专利技术的实施例的目的是提供在大批量生产、低成本中实现的具有高输出压力、小尺寸且平坦紧凑的超声换能器以及换能器阵列。以上目的由根据本专利技术的方法和器件实现。在本专利技术中，已经专利技术超声换能器阵列的工艺和设计，使得能够实现展示出来自小尺寸、平坦、紧凑低成本阵列的增强的输出压力的超声薄膜换能器阵列。根据本专利技术的实施例的超声换能器或超声换能器阵列的特殊特征在于:器件在与衬底相连接的隔膜的那一侧上比在相反侧上展示出更高输出。所测量出的输出压力是因子1.5至2.0，并在与衬底相连接的隔膜的那一侧上甚至比在相反侧上更高。在所附的独立和从属权利要求中阐述了本专利技术的特定和优选方面。在适当时并且不仅如权利要求中所明确阐述的，可以将来自从属权利要求的特征与独立权利要求的特征和其他从属权利要求的特征进行组合。本专利技术的这些和其他方面将从以下描述的实施例中显而易见并参照以下描述的实施例而阐明。附图说明图1示意了根据本专利技术的实施例的超声换能器阵列。作为选项，在电极层19那侧上的隔膜上方，可以施加无机材料(比如，氮化硅或氧化硅或者氧化硅和氮化硅的组合)的保护层或有机保护层或者有机和无机保护层的组合。图2a和2b示出了与处理器和存储器相耦合的根据本专利技术的实施例的超声换能器阵列的示意框图。图3a、3b和3c示意了根据本专利技术的实施例的处理超声换能器的方法。图3d是示意了作为超声换能器阵列的支座侧40上的角度的函数而测量的超声换能器阵列的归一化输出压力(相对于最大输出压力归一化)的曲线图。图3e是示意了作为与支座侧40相反那侧上的角度的函数而测量的超声换能器阵列的归一化输出压力(相对于在图3d中所不的支座侧40处测量的最大输出压力归一化)的曲线图。图4是根据本专利技术的实施例的经过一个换能器元件的横截面，示出了可根据本专利技术的实施例使用的尺寸的几何结构。图5是示意了针对换能器元件的衬底支座的高度(衬底以下的沟槽的深度)的多个值、输出压力作为频率的函数的仿真的曲线图。在具体说明衬底支座的声学效果的这些仿真中，该元件被简单地建模为无限固体隔板中的支座之间的活塞。所仿真的元件在与图4所示的横截面垂直的尺寸上是无限的。图6是示意了针对换能器元件的宽度的多个值、输出压力作为频率的函数的仿真的曲线图。仿真模型细节如图5中所示。图7是示意了在0.8 _宽度的根据本专利技术的实施例的换能器元件的各个频率处、输出压力增强因子(隔膜的支座侧处的输出压力与另一侧处的输出压力之比)作为衬底(例如，硅)支座高度(沟槽深度)的函数的曲线图。仿真模型细节如图5中所示。图8a示出了遵照本专利技术的超声换能器阵列，其中，该换能器阵列是在塑料封装中实现的。在该特殊封装中，支座40部分地由Si实现，并部分地由封装中的塑料材料构建。在塑料封装中，可选地，可以实现吸收层。对于换能器的损坏保护，可以在封装上方应用网状物。图Sb示出了遵照本专利技术的超声换能器阵列，其中，该换能器阵列是在塑料封装中实现的。在该特殊封装中，支座40以Si实现。在塑料封装中，可选地，可以实现吸收层。对于换能器的损坏保护，可以在封装上方应用网状物。 为了防止封装中的超声换能器元件之间的串扰，在与支座40相对的每个元件之间的封装中实现分离的部件。这些分离的部件可以由无机或有机材料实现。图Sc示出了遵照本专利技术的超声换能器阵列，其中，该换能器阵列是在陶瓷或玻璃封装中实现的。在该特殊封装中，支座40部分地由Si实现，并部分地由封装中的陶瓷或玻璃材料构建。在塑料封装中，可选地，可以实现吸收层。对于换能器的损坏保护，可以在封装上方应用网状物。图8d示出了遵照本专利技术的超声换能器阵列，其中，该换能器阵列是在塑料封装中实现的。在该特殊封装中，支座40完全由塑料材料实现。在塑料封装中，可选地，可以实现吸收层。对于换能器的损坏保护，可以在封装上方应用网状物。图9a是根据本专利技术的实施例的结构化沟槽内的超声换能器的基本示意。图9b示出了遵照本专利技术的超声换能器阵列，其中，该换能器阵列是在塑料封装中实现的。在该特殊封装中，结构化支座40部分地由Si实现，并部分地由封装中的塑料材料构建。在塑料封装中，可替换地，可以实现吸收层。对于换能器的损坏保护，可以在封装上方应用网状物。图10是示意了在w=0.8 mm的换能器宽度的情况下作为沟槽的深度hi的函数以及作为wl的值的函数的图9a中简述的结构化沟槽的压力的曲线图。图11是包括以相同技术集成的超声换能器阵列和至少一个麦克风的根据本专利技术的实施例的多传感器的示意图。 图12示意了根据本专利技术的实施例的波束转向的结果。图13是包括所集成的超声换能器阵列和至少一个热电传感器的根据本专利技术的实施例的多传感器的示意图。图14是根据本专利技术的可替换实施例的多传感器的第一示例的示意图。图15A和15B是根据本专利技术的可替换实施例的多传感器的其他示例的示意图。附图仅是示意性的，而非限制性的。在附图中，出于示意目的，一些元件的尺寸可以夸大而不按比例绘制。参照附图且在权利要求中提到的任何附图标记不应解释为限制范围。在不同附图中，相同附图标记指代相同或相似元件。具体实施例方式包括压电薄膜换能器和换能器阵列的根据本专利技术的实施例的传感器的各个实施例允许实现有成本效益、高效且小型的超声换能器/阵列。根据本专利技术的实施例的超声换能器是平坦、低廓形(low profile)超声换能器。本专利技术的其他实施例包括平坦、低廓形薄膜换能器阵列，其实现了对超声波束的扫描和电子转向。这种紧凑且低廓形的超声换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.30 EP 10305849.1;2011.06.14 EP 11305741.81.种换能器(11),包括: -隔膜(31)，配置为响应于力而改变形状，所述隔膜(31)具有第一主要表面(16)和第二主要表面(17)； -在所述隔膜(31)的第一主要表面(16)之上形成的压电层(18)，所述压电层(18)具有活性部分； -与所述压电层(18)相接触的第一和第二电极(19)，其中，第一和第二电极(19)之间的电场确定所述压电层(18)的机械移动； -所述压电层(18)的活性部分的相邻侧上隔膜(31)的第二主要表面(17)处的支座结构(40)，所述支座结构 (40)的至少一部分形成与所述隔膜(15、31)的第二主要表面(17)垂直或至少不平行的壁，以形成位于所述活性部分之下的任何形状的沟槽(41)，从而获得超声换能器，所述超声换能器在支座侧(40)处具有与相反侧处的输出压力相比更高的输出压力。2.据权利要求1所述的换能器，其中，所述隔膜包括位于氮化硅层之上的氧化硅层，或者，所述隔膜包括氧化硅、氮化硅、氧化硅层的叠层，所述压电层位于氧化硅层之上。3.据权利要求1所述的换能器，还包括阻挡层，所述压电层或者电极层之一位于所述阻挡层之上。4.据权利要求1所述的换能器，还包括诸如氮化硅或氧化硅之类的无机层、或者有机层、或者无机和有机层的组合，作为保护层。5.据权利要求1所述的换能器，其中，所述支座结构适于与半开口管类似地工作，以在支座侧上实现与另一侧相比更高的输出压力，并且其中，所述管具有与通过所述管行进的超声波的共振条件相匹配的长度。6.据权利要求1所述的换能器，其中，沟槽(41)沿与所述第二主要表面(17)平行的方向形成具有不同尺寸的至少两个腔，使得紧邻所述隔膜(15、31)的第一腔具有比第二腔更大的容积；所述腔使得其形成亥姆霍兹共振器，从而使支座侧上的输出压力比另一侧上更高。7.据权利要求5和权利要求6所述的换能器，其中，所述沟槽的第一部分是在衬底中提供的，并且所述沟槽的第二部分是在所述衬底的另一侧上的附加层中提供的，所述附加层是封装的一部分。8.据权利要求6所述的换能器，其中，所述支座结构是在所述封装中实现的，其中，所述封装包括在包括以下各项的组中:塑料封装、陶瓷封装、玻璃封装、硅封装或者硅和塑料封装的组合。9.据权利要求6所述的换能器，其中，在所述支座结构(40)上，定位有用于保护所述换能器免受机械损坏的网状物。10.据权利要求6所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M克里，R毛茨奧克，HMJ布特斯，NMA德维尔德，BK斯里德哈兰奈尔，O旺尼科，WF帕斯维尔，D范德拉格马特，P迪克森，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：
国别省市：