[发明专利]压电式微加工超声换能器及其制造方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Tao Wang)等人的“A Piezoelectric Micro-machined UltrasonicTransducer Using Piston-Like Membrane Motion(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(Yongli Huang)等人的“Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers withPiston-Shaped Membranes:Fabrication and Experimental Characterization(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。

发明内容

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

为了理解本发明，现参照附图仅通过非限制性示例的方式来描述本发明的优选实施例，在附图中：