[发明专利]包括可调谐的亥姆霍兹谐振器的微机械超声换能器

说明书

本公开的实施例涉及包括可调谐的亥姆霍兹谐振器的微机械超声换能器。提出了一种微机械超声换能器。该微机械超声换能器包括用于发射/接收超声波的膜元件，在超声波的发射/接收期间，膜元件以相应的谐振频率关于平衡位置振荡。膜元件的平衡位置可以根据施加到膜元件的偏置电信号而可变化。该微机械超声换能器进一步包括帽结构，在膜元件上方延伸；帽结构在其与膜元件之间标识出腔体，该腔体的体积根据膜元件的平衡位置而可变化。帽结构包括用于将超声波输入到腔体/从腔体输出超声波的开口。帽结构和膜元件用作可调谐的亥姆霍兹谐振器，由此谐振频率根据腔体的体积而可变化。

技术领域

本公开总体上涉及微机电设备的领域，在下文中称为MEMS(“微机电系统”)设备。更具体地，本公开涉及微机械超声换能器，在下文中被称为MUT(“微机械超声换能器”)换能器。

背景技术

MEMS设备包括通过微加工技术(例如，光刻、沉积和蚀刻)以高度小型化形式集成在半导体材料(例如，硅)中的相同基底上的机械部件、电气部件和/或电子部件。

MUT换能器是适合用于超声波的发射/接收的MEMS设备的示例。

常规MUT换能器包括以柔性方式(通常借助于合适的弹簧元件)悬置在基底上方的膜或隔膜元件。

在MUT换能器作为发射器的操作中，膜元件响应于在交流电(AC)中的电信号的施加而关于膜元件的平衡位置振荡(或振动)，从而生成超声波。

在MUT换能器作为接收器的操作中，由于超声波入射到其上，膜元件关于其平衡位置振荡(或振动)，生成对应的电信号(例如，电流信号和/或电压电信号)。

在超声波的生成/接收期间，膜元件以其相应的谐振频率关于其平衡位置振荡。

可以在设计阶段期间根据诸如膜元件的大小和材料的参数来限定谐振频率。

发明内容

申请人认为，常规的MUT换能器并不令人满意，特别是在使用多个(例如，两个或更多个)MUT换能器以便以协作方式操作的应用中(例如，发射器MUT换能器/接收器MUT换能器对和MUT换能器阵列)。

实际上，在这种应用中，期望的是MUT换能器的谐振频率严格地对应。

尽管从原则上讲，微加工技术允许使MUT换能器具有预定的谐振频率，但实际上不可避免的工艺公差会引起在膜元件特性中的变化(例如，厚度和残余应力)，这些变化会转化为与默认谐振频率不同的(有效的)谐振频率。

对于在相同基底上形成的MUT换能器，以及(甚至)在不同基底上形成的MUT换能器，都可以发现这些不可避免的工艺公差。

申请人意识到存在精整技术，诸如基于激光的精整技术(“激光修整”)，该精整技术允许通过对电子电路施加有针对性的结构(几何形状)变化(例如，通过燃烧和汽化操作)来调整电子电路的操作参数。尽管激光微调技术允许获取具有准确谐振频率的MUT换能器，但是它们利用专用仪器和较长的处理时间，这显著地增加了生产成本。

申请人已经面对上述问题，并且已经构思了能够克服这些问题的MUT换能器。

概括地说，根据本公开的各种实施例的MUT换能器包括膜元件和形成在膜元件上方的帽结构，使得帽结构和膜元件通过充当亥姆霍兹谐振器而允许根据膜元件的平衡位置来调整膜元件振荡的谐振频率。

更具体地，本公开的各种实施例涉及一种微机械超声换能器。

该微机械超声换能器包括：膜元件，用于发射/接收超声波，在超声波的发射/接收期间，膜元件以相应的谐振频率关于其平衡位置振荡。膜元件的平衡位置根据被施加到膜元件的偏置电信号而可变。