[发明专利]电容式机械波感测装置、阵列与机械波收发装置

说明书

一种电容式机械波感测装置，包含：一可动元件层，包含一第一导电层，具有至少一个机械波感测元件区；数个支撑柱，配置于该可动元件层的下方，依照一机械波感测元件形状定义该至少一个机械波感测元件区，该些支撑柱配置于该机械波感测元件区的角落，且与该第一导电层电性连接；及至少一基底电极，该基底电极的形状依据该机械波感测元件形状定义，配置于该可动元件层的该至少一个机械波感测元件区的对侧且与该些支撑柱隔离，该至少一基底电极与该第一导电层隔离而形成至少一电容结构。

技术领域

本发明是关于一种机械波感测元件，特别关于一种电容式机械波感测元件、支撑柱及机械波收发装置。

背景技术

定义上，机械波（Mechanical wave）是机械振动后所产生，其须通过介质来传播，例如空气与水。而机械波在空气中的传递，依据人类可听到或不可听到而区分为有声波、超音波两个类别。机械波的产生与感测元件，目前有巨观的元件制造与微观的元件制造方法，这两类方法分别可制造出尺度为公分级与微米级的机械波产生元件。

其中，微观的机械波元件制造，目前有两种方式，一种为运用微机电(MEMS)技术，第二种为运用金属氧化半导体制程(CMOS)技术。这两种不同的技术由于制程不同，开发人员往往会因为制程的差异而限制了元件的开发。因为，这两类不同的技术因为制程的差异性，导致其所能制造出来的结构是不同的。

其中，运用MEMS制程制作出来的机械波感测元件，分别有电容式、压电式感测元件。其中，声波感测元件最具代表性的厂商为美商楼式（Knowles）与英飞凌（Infineon），其主要运用MEMS制程来制作电容式声波感测元件；而超声波感测元件最具代表性的厂商为美商高通（Qualcomm），其主要运用MEMS制程来制作压电式超音波感测元件。此外，汤博凯（2010, CMOS微电容式式超音波感测器, CMOS Micromachined Capacitive UltrasonicSensors）运用了CMOS制程制作出电容式超音波感测器。

无论是运用MEMS制程或CMOS制程所制作出来的机械波感测器，当中的必要结构就是前述可动元件的部分。此可动元件都需要有一定的支撑力，让可动元件可以稳固地产生预期的物理变化(如：形变或位移等)，并于物理变化的过程产生所需要的感应讯号。前述的楼式、英飞凌、高通或汤博凯的解决方案，其可动元件的结构，均为周边支撑型的结构。换言之，在机械波感测薄膜的周围（圆形或方形可动元件）提供完整包覆式的支撑，让感测薄膜得以被控制其形变，进而控制感测薄膜的频率响应。

若要将前述的机械波感测元件整合成机械波感测阵列，以周边支撑型前述的技术来说，就必须将每个元件排列起来一起制作，并制作成阵列，例如加州大学教授DavidHorsley于2017年4月28的研讨会文章(Piezoelectric Micromachined UltrasonicTransducers in Consumer Electronics the Next Little Thing，Seminar, TohokuUniversity)指出，1996年Simens运用了电容式微机电超音波传感器(CapacitiveMicromachined Ultrasound Transducers, cMUT)制作出超音波传感器阵列，而此处的cMUT元件，即为采用封闭式环型支撑结构(Anchor)的电容式微机电超音波传感器。Horsley教授本身，则采用压电式微机电超音波传感器(Piezoelectric MicromachinedUltrasound Transducers, pMUT)，其同样采用封闭式环型支撑结构。在机械波感测薄膜的设计上，若为运用到液体的应用(water-coupled)，则机械波感测薄膜需为封闭者，且可动元件下方的空腔为抽取真空的状态。