具有改进的膜振荡阻尼的MEMS超声换能器器件及其制造工艺的制作方法

本公开涉及至少一种mems超声换能器(mut)器件及其制造工艺，该mems超声换能器器件具有对其膜的振荡的改进的阻尼。特别地，本公开涉及形成在半导体本体中并包括一个或多个mut元件的至少一个mut器件，每个mut元件具有面对半导体本体的表面的流体再循环路径，该表面相对于半导体本体与一个或多个mut元件的一个或多个相应振动膜相对。

背景技术：

1、众所周知，接近传感器包括飞行时间传感器。特别地，飞行时间传感器可以是例如使用mems(“微机电系统”)技术制造的超声换能器。

2、在使用中，超声换能器浸没在流体(通常具有低密度，例如空气)中，并被控制以产生和检测超声波(例如，具有包括在20khz和500mhz之间的频率，例如等于2或3mhz)。详细地，如图1中示例性地所示，超声换能器t产生超声波(或发射波，在图1中用附图标记we表示)，在存在沿声波传播方向布置的物体o的情况下，该超声波被反射，形成可通过同一超声换能器t检测的超声回波(或反射波，在图1中用附图标记wr表示)；发射波we的发射和反射波wr的接收之间的时间距离表示超声换能器t和探测对象o之间的相对距离d。结果，通过测量飞行时间，可以具有关于要检测的对象o的信息。更详细地，超声换能器t包括膜，该膜例如压电地或电容地可控振荡，以便产生发射波we。该膜还被配置为当反射波wr撞击在超声换能器t上时振荡；因此，这允许例如压电地或电容地检测反射波wr。

3、图2示出了作为时间的函数的超声换能器t的膜相对于膜的静止位置(即，对应于当膜不振荡时且因此当超声换能器t既不发射也不检测时膜所呈现的位置)的位移(在图2中用附图标记xm表示)。如可以注意到的，图2的曲线图示出了第一波形xm,e和第二波形xm,r，第一波形xm,e表示产生发射波we的发射的膜的位移，第二波形xm,r表示通过彼此连续地接收反射波wr而产生的膜的位移。第一波形xm,e具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有沿着振铃间隔tup的振荡趋势，其中第一波形xm,e的相应峰值具有作为时间的函数而增大的最大幅值，所述第二部分与第一部分连续并且具有沿着振铃间隔tdown的振荡趋势，其中第一波形xm,e的相应峰值具有作为时间的函数而减小的最大幅值(例如，以指数方式)。振铃间隔tup对应于使膜以发射波we的期望发射频率振荡所需的时间间隔，而振铃间隔tdown对应于中断膜振荡所需的时间间隔(例如，当膜振荡具有小于最大阈值幅度的最大幅度时，例如可与测量噪声相比，振铃间隔tdown结束)。第二波形xm,r代之以具有沿着回波间隔techo的振荡趋势，其中第二波形xm,r的相应峰值具有作为时间函数的第一最大幅值增加然后减小。通常，在发射波we的发射和反射波wr的接收之间(换句话说，在振铃间隔tdown的结束和回波间隔techo的开始之间)存在盲区间隔tblind，在超声换能器t的正确操作期间，该盲区间隔tblind不为零。详细地，振铃间隔tup，振铃间隔tdown和盲区间隔tblind的和定义了超声换能器t的飞行时间ttof。结果，盲区间隔tblind与物体o相对于超声换能器t的相对距离d相关。

4、然而，当相对距离d小于阈值相对距离时，发射波we和反射波wr最终部分重叠(即，盲区间隔tblind为零)，使得难以将反射波wr与发射波we区分开，因此使得测量相对距离d变得复杂或不可能。换句话说，阈值相对距离(也称为盲区)是物体o和超声换能器t之间的最小可检测相对距离d，而没有由于发射波we和反射波wr的叠加而造成的任何信息损失。

5、已知的超声换能器t在设计期间被优化为具有高品质因数(例如，大于150)，以便减少它们在操作期间的能量损失。然而，膜振荡的能谱的较小带宽和该振荡的较低阻尼对应于增加的品质因数。换言之，较大的振铃间隔tdown对应于较大的品质因数，因此盲区间隔tblind减小。由于盲区间隔tblind减小，发射波we和反射波wr重叠的风险以及因此不能检测相对距离d的风险增加。结果，当品质因数增加时，最小可检测阈值相对距离增加。这主要是由于超声换能器t通常浸没在低密度传播介质(例如介质(例如，空气)中操作，这不允许对膜振荡的有效阻尼，尤其是在膜的典型工作振荡频率(例如，约2mhz)下，并且因此具有以下事实：已知的超声换能器t不能检测与其太接近的物体o。

6、增加膜振荡的阻尼的已知解决方案包括使用无源阻尼器(例如，布置在膜上的合适聚合物材料层)或有源阻尼器(例如，在引起膜振荡的有源脉冲之后向膜提供反相激励)或算法来检测由反射波wr引起的第一波形xm,e的第二部分的包络的衰减变化，以便补偿其影响。然而，这些解决方案具有许多关键点，例如识别合适的阻尼器，即使当具有浸入其中的超声换能器t的流体的环境条件变化时，其也允许超声换能器t的阻抗和流体的功率耗散之间的正确耦合，或超声换能器t的阻抗和流体的功率耗散之间的耦合问题，或对第二波形xm,r的形状和待检测的对象o的过度依赖。

技术实现思路

1、本发明提供了至少一种mems超声换能器器件及其制造工艺，其克服了现有技术的缺点。

2、例如，在本公开的至少一个实施例中，一种mems超声换能器器件包括：一种半导体材料的半导体本体，其具有第一主表面和第二主表面并集成第一mut元件，所述第一mut元件包括：第一腔室，其在距所述第一主表面一定距离处延伸到所述半导体本体中；由所述半导体本体在所述第一主表面和所述第一腔室之间形成的膜；压电元件，其在所述膜上方在所述半导体本体的所述第一主表面上延伸；在所述第一腔室和所述第二主表面之间延伸到所述半导体本体中的第二腔室；中心流体通道，所述中心流体通道从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中到达所述第一腔室并且横穿所述第二腔室；以及一个或多个横向流体通道，所述一个或多个横向流体通道从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中，其中所述一个或多个横向流体通道，所述中心流体通道和所述第二腔室限定流体再循环路径，所述流体再循环路径将所述第一腔室与所述半导体本体的外部流体连接。

技术特征：

1.一种器件，包括：

2.根据权利要求1所述的器件，被配置为浸没在从所述半导体本体的外部延伸到所述第一腔室的液体或气体传播介质中，

3.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一腔室和所述第二腔室是同心的并且沿着所述第一mut元件的、与所述第一主表面正交的中心轴线对齐，

4.根据权利要求3所述的器件，包括围绕所述中心流体通道布置的多个所述横向流体通道。

5.根据权利要求4所述的器件，其中所述横向流体通道具有平行于所述第二主表面的弯曲形状，并且在距所述中心流体通道一定距离处横向围绕所述中心流体通道。

6.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一腔室和所述第二腔室具有圆形形状或具有多边形形状。

7.根据权利要求1所述的器件，进一步包括多个电连接线和控制单元，所述多个电连接线被配置为选择性地将所述第一mut元件的所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极耦合到所述控制单元，并且其中所述压电元件包括叠层，所述叠层包括第一电极和第二电极以及布置在所述第一电极与所述第二电极之间的薄膜压电区。

8.根据权利要求1所述的器件，其中所述中心流体通道由中心沟槽形成，所述中心沟槽在所述第二主表面中限定中心开口，并且

9.根据权利要求1所述的器件，进一步包括一个或多个第二mut元件，所述一个或多个第二mut元件中的每个第二mut元件包括：

10.一种方法，包括：

11.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述中心流体通道包括：将所述半导体本体的选择性部分从所述第二表面去除，所述选择性部分横穿所述第二腔室到达所述第一腔室，以及

12.根据权利要求10所述的方法，其中：

13.根据权利要求12所述的方法，包括：在形成所述中心流体通道之前，形成从所述半导体本体的所述第一表面延伸到所述第一腔室的一个或多个孔，以及形成涂覆所述第一腔室并且封闭所述一个或多个孔的氧化物层。

14.根据权利要求12所述的方法，其中：

15.一种方法，包括：

16.根据权利要求15所述的方法，其中：

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

19.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述多个沟槽进一步包括：

20.根据权利要求15所述的方法，其中去除所述第一牺牲区、所述第二牺牲区和所述第三牺牲区限定所述第三结构层的膜。

技术总结
本公开的实施例涉及去除所述半导体本体的从所述第二表面向所述第二腔室的一个或多个相应的选择性部分。一种MEMS超声换能器MUT器件，包括具有第一主表面和第二主表面的半导体本体并且包括：第一腔室，其在距所述第一主表面一定距离处延伸到所述半导体本体中；由所述半导体本体在所述第一主表面和所述第一腔室之间形成的膜；膜上的压电元件；在所述第一腔室和所述第二主表面之间延伸到所述半导体本体中的第二腔室；中心流体通道，所述中心流体通道从所述第二主表面到所述第一腔室延伸到所述半导体本体中并且横穿所述第二腔室；以及一个或多个横向流体通道，所述一个或多个横向流体通道从所述第二主表面延伸到所述半导体本体中到达所述第二腔室。

技术研发人员：D·朱斯蒂,M·费雷拉,L·滕托里
受保护的技术使用者：意法半导体股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12