具有减小的应力敏感度的超声MEMS声换能器及其制造工艺的制作方法

本公开涉及一种具有减小的应力敏感度的mems(微机电系统)类型的超声声换能器及其制造工艺。

背景技术：

使用半导体技术获得的声换能器是已知的，该声换能器根据电容或压电原理操作以用于超声声波的换能。特别地，这些换能器被称为mut(微加工超声换能器)，并且可以是电容类型(cmut，电容微加工超声换能器)或压电类型(pmut，压电微加工超声换能器)的。在下文中，将参照pmut声换能器，但是这绝不意味着失去一般性。

图1示意性地示出了pmut声换能器1(在下文中，称为换能器1)。

特别地，换能器1包括半导体材料(例如，硅)的本体3，本体3具有第一表面3a和第二表面3b。

本体3具有腔5，该腔5从第二表面3b在本体3中延伸；特别地，腔5在侧面由壁5a界定，并且在顶部由底表面5b界定。被界定在底表面5b和本体3的第一表面3a之间的本体3的部分形成膜7，因此，该膜与本体3是单片式的。

压电致动器10在本体3的第一表面3a上延伸；特别地，压电致动器10由层的堆叠形成。更具体地，层的堆叠包括第一电极12、压电层13和第二电极14，压电层13例如是pzt(锆钛酸铅，pb[zrxti1-x]o3)或氮化铝(aln)，在第一电极12上延伸，第二电极14在压电层13上延伸。

在本体3的第二表面3b处，换能器1通过结合层16(例如，胶或氧化物)耦合至板19(例如，pcb，印刷电路板)。

在使用中，换能器1可以根据各种操作模式操作，例如作为发射器或接收器操作。

当换能器1用作发射器时，在压电致动器10的第一电极12和第二电极14之间施加周期性电势差，以便在平行于笛卡尔参考系统xyz的轴线z的方向上生成膜7的周期性偏转，并生成超声声波。

当换能器1用作接收器时，入射的超声声波使换能器1的膜7偏转，并且膜7在压电层13中生成周期性的机械应力。因此，在压电致动器10的第一电极12和第二电极14之间创建周期性电势差，该周期性电势差可以由耦合至换能器1的读取电路(未图示)读取。

图1所示类型的一个或多个换能器可用于各种应用领域。

例如，图2示出了感测系统20，该感测系统20能够通过以本身已知的方式测量飞行时间(tof)来确定物体的距离，该物体是至少部分地反射性的。在实践中，感测系统20使用两个换能器1(在图2中分别称为第一换能器21和第二换能器23)，这两个换能器1分别作为发射器和接收器操作，并测量在第一超声声波的发出和第二声波的接收之间流逝的时间，该第一超声声波由第一换能器21生成，该第二声波由第二换能器23接收，通过第一声波被待测物体反射而被生成，该待测物体由附图标记22标出。

在所考虑的示例中，第一声换能器21和第二声换能器23分别具有第一谐振频率fr1和第二谐振频率fr2。在使用中，第一换能器21在谐振条件下被致动，即，第一换能器21以其自身的第一谐振频率fr1发射超声声波si(在下文中被限定为发射波si)。通过这种方式，膜的位移和第一换能器21的发射功率被最大化。发射波si被物体22反射并生成反射波sr，该反射波sr具有与发射波si近似相同的振荡频率fr1。反射波sr由第二换能器23检测，并以本身已知的方式换能成电输出信号。

如果第一谐振频率fr1等于第二谐振频率fr2，则由反射波sr引起的第二换能器23的膜的位移被放大；因此，感测系统20具有高敏感度和高snr(信噪比)，并且电输出信号被放大。

相反，如果第一谐振频率fr1和第二谐振频率fr2不匹配并且存在频率偏移δf，在第二换能器23的膜上引起的位移较小，因此，敏感度较低，snr较低，并且电输出信号减小。

频率偏移δf可能是例如由于第一换能器21的膜上存在不期望有的周期性机械应力，这可能导致不期望有的膜的偏转。这些机械应力是由于各种因素，诸如温度、湿度、与封装的结合、ews(电晶片分选)测试以及弯曲现象。

类似的问题可能会出现在图1所示类型的换能器系统中，该换能器系统用于对物体相对于参考空间(例如，由笛卡尔参考系统xyz限定的三维空间)的位置进行三角测量和绘图。

即使在这种情况下，pmut优选地在谐振条件下操作；因此，谐振频率是pmut恰当操作的重要参数。

技术实现要素：

本公开的一个或多个实施例涉及一种声换能器和制造工艺。在至少一个实施例中，声换能器可以对应力较不敏感。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在参照附图，完全通过非限制性示例的方式来描述本公开的优选实施例，其中，

图1示意性地示出了已知类型的声换能器；

图2示意性地示出了已知类型的系统，该系统用于检测物体；

图3以平面顶视图示出了本声换能器的一个实施例；

图4示出了沿图3的声换能器的截面线iv-iv截取的横截面；

图5以平面顶视图示出了本声换能器的另一个实施例；

图6至图11示出了图3至图5的声换能器的制造工艺的一个实施例的连续步骤；

图12是本声换能器的又一个实施例的横截面图，该横截面图是沿图3的截面线iv-iv截取的；以及

图13至图15示出了图12的声换能器的本制造工艺的另一个实施例的连续步骤；

具体实施方式

图3和图4示意性地示出了pmut类型的换能器30，该换能器30具有第一平面延伸轴线s1、第二平面延伸轴线s2和180°旋转对称轴线o(在下文中也称为中心轴线o)，该第一平面延伸轴线s1和第二平面延伸轴线s2分别平行于笛卡尔参考系统xyz的轴线y和轴线x，该180°旋转对称轴线o平行于笛卡尔参考系统xyz的轴线z延伸。特别地，在所示的实施例中，换能器30具有180°旋转对称性，即，对于结构中存在的每个元件都存在相同尺寸和形状的对应元件，该对应元件绕中心轴线o旋转180°布置。

特别地，图4，换能器30包括半导体材料(例如硅)的本体32，本体32具有彼此相对的第一表面32a和第二表面32b。

本体32容纳第一腔34和多个去耦合沟槽36(在图3中图示了四个)，该第一腔34在平面顶视图(图3)中具有例如四边形(例如，矩形)的形状，其顶表面在与笛卡尔参考系统xyz的轴线z平行的方向上被布置在距第一表面32a的第一深度t1处，并且与参考系统xyz的平面xy平行；该多个去耦合沟槽36从第一表面32a延伸直到第一腔34。此外，第一腔34具有第一长度l1，该第一长度l1是沿着笛卡尔参考系统xyz的轴线x测量的(图4)。

例如，去耦合沟槽36在平面顶视图(图3)中是l形的，并且侧向地界定本体32的敏感部分38，敏感部分38在第一腔34上方延伸。

在实践中，本体32的敏感部分38通过去耦合沟槽36与本体32的外围部分32'分离，并经由腔34与本体32的下层部分32”分离。去耦合沟槽36使第一腔34与外部环境连通。

此外，去耦合沟槽36在它们之间侧向地界定多个弹簧元件40(在图3中图示了四个)。例如，弹簧元件40在平面顶视图(图3)中为l形的，支撑敏感部分38，并将敏感部分38连接至本体32的外围部分32'。

弹簧元件40在此包括第一、第二、第三和第四弹簧元件40a-40d，每个弹簧元件均包括相应的第一臂41a-41d和相应的第二臂43a-43d。第一臂41a-41d和第二臂43a-43d彼此横向(特别地，垂直)。特别地，第一弹簧元件40a和第三弹簧元件40c绕中心轴线o彼此成180°对称，即它们可以通过例如使第一弹簧元件40a绕中心轴线o旋转180°而获得。同样地，第二弹簧元件40b和第四弹簧元件40d绕中心轴线o成180°对称。因此，弹簧元件40a-40d关于中心轴线o成对对称，并且布置为围绕敏感部分38的侧面。

更具体地，第一弹簧元件40a的第一臂41a和第三弹簧元件40c的第一臂41c平行于轴线x延伸，并且在相应的第一端部41a'、41c'处连接至敏感部分38。第一弹簧元件40a的第二臂43a和第三弹簧元件40c的第二臂43c平行于轴线y延伸，并且在第一端部43a'、43c'处连接至相应的第一臂41a、41c的第二端部41a”、41c”，并且在第二端部43a”、43c”处连接至外围部分32'。

第二弹簧元件40b的第一臂41b和第四弹簧元件40d的第一臂41d平行于轴线y延伸，并且在相应的第一端部41b'、41d'处连接至敏感部分38。第二弹簧元件40b的第二臂43b和第四弹簧元件40d的第二臂43d平行于轴线x延伸，并且在第一端部43b'、43d'处连接至相应的第一臂41b、41d的第二端部41b”、41d”，并且在第二端部43b”、43d”处连接至外围部分32'。

此外，弹簧元件40a-40d和敏感部分38具有例如在10μm至80μm之间的厚度(沿轴线z)。

敏感部分38具有顶表面和底表面38b，该顶表面由本体32的第一表面32a形成，并且敏感部分38在底表面38b处由第一腔34在下方界定。此外，敏感部分38容纳第二腔42，该第二腔42具有例如以中心轴线o为中心的圆形形状(图3)，并且在平行于轴线z的方向上从第二深度t2开始，在本体32的第一表面32a下方延伸。第二深度t2小于第一腔34的第一深度t1。第二腔42具有直径l2，该直径l2小于第一腔34的长度l1；此外，第一腔34相对于第二腔42在所有侧上(在与笛卡尔参考系统xyz的平面xy平行的平面中)突出。

敏感部分38限定膜45，膜45在顶部由本体32的第一表面32a界定，在底部由第二腔42界定。

通风孔44在敏感部分38中从本体32的第一表面32a穿过膜45的厚度延伸直到第二腔42；特别地，通气孔44在平面顶视图(图3)中具有例如圆形形状，并且沿着中心轴线o布置。通风孔44使第二腔42与外部环境连通；通过这种方式，可以平衡作用在膜45上的压力。

在膜45的顶部上，压电致动器50在本体32的第一表面32a上延伸。具体地，压电致动器50由层的堆叠形成，该层的堆叠包括第一电极51、压电层52和第二电极53，该第一电极51例如是钛、钼或铂的；该压电层52例如是pzt或氮化铝(aln)的，在第一电极51上延伸；该第二电极53例如是tiw(钛和钨的合金)或钼的，在压电层52上延伸。例如，压电致动器50具有以中心轴线o为中心的环形形状；特别地，压电致动器50在距通风孔44一定距离处围绕通风孔44。

压电致动器50的第一电极51和第二电极53分别通过(在图3中示意性图示的)第一导电路径55a和第二导电路径55b连接至第一接触焊盘60和第二接触焊盘62，该第一接触焊盘60和第二接触焊盘62布置在本体32的外围部分32'中。特别地，第一导电路径55a和第二导电路径55b是诸如钼(mo)、金(au)、铝(al)或铝和铜的合金(alcu)的导电材料的。此外，第一接触焊盘60和第二接触焊盘62也是诸如金属的导电材料的，该金属例如为金(au)、铝(al)或铝和铜的合金(alcu)。

在本实施例中，第一导电路径55a和第二电路径55b在第二弹簧元件40b上方延伸，并穿过第二弹簧元件40b直至第一接触焊盘60和第二接触焊盘62。

在使用中，换能器30根据以下描述的操作模式操作。

根据第一操作模式，在压电致动器50的第一电极51和第二电极53之间施加周期性电势差(具有例如等于第一频率f'的振荡频率)，以便以第一频率f'在压电层52中引起周期性机械应力，从而在平行于轴线z的方向上以第一频率f'生成膜45的周期性偏转。膜45的周期性偏转使得换能器30能够发射声波，特别是超声波，从而作为发射器操作。

根据第二操作模式，换能器30作为超声声波的接收器操作。在这种情况下，换能器30的膜45由于超声声波(具有等于第二频率f”的振荡频率)而周期性地偏转，该超声声波来自外部环境并入射在膜45上。膜45的在第二频率f”处的周期性偏转在压电层52中生成周期性的机械应力，并且从而生成在第二频率f”处的、在压电致动器50的第一电极51和第二电极53之间的周期性电势差。特别地，第一电极51和第二电极53之间的周期性电势差可以由电耦合至换能器30的读取电路(未图示)读取。

在一些操作模式中，第一频率f'和第二频率f”对应于压电致动器50的谐振频率。

在两种操作模式中，本换能器30对外部应力、特别是对机械应力具有减小的敏感度。

实际上，第一腔34、去耦合沟槽36和弹簧元件40使得敏感部分38能够从本体32的外围部分32'和下层部分32”去耦合，从而减小由部分32'和32”中的可能的机械应力对膜45施加的影响、和随之而来的换能器30的谐振频率的变化。

特别地，弹簧元件40的质量和刚度被设计为限定动态行为，并从而限定它们的谐振频率。更具体地，弹簧元件40被设计为使得它们的谐振频率低于膜45的谐振频率(例如，是膜45的谐振频率的十分之一或二十分之一)。通过这种方式，可以防止弹簧元件40与敏感部分38之间的能量转移，可能对膜45的偏转能力(特别是膜45的振荡振幅)产生不利影响的转移。

在其他实施例中，换能器30还可以只包括两个弹簧元件，这两个弹簧元件相对于第一平面延伸轴线s1或第二平面延伸轴线s2彼此相对；例如，参照图3和图4，可以只提供第一弹簧元件40a和第三弹簧元件40c，或者，备选地，可以只提供第二弹簧元件40b和第四弹簧元件40d。

在进一步的实施例中，换能器还可以只包括一个弹簧元件。在这方面，图5示出了换能器80，该换能器80具有类似于图3至图4的换能器30的一般结构；因此，与参照图3至图4图示和描述的部件类似的部件在图5中用相同的附图标记增加50来标出，并且将不再进一步描述。特别地，换能器80在这里包括弹簧元件90a，其类似于图3至图4的换能器30的第一弹簧元件40a。

如下文参照图6至图11所描述的那样来制造图3至图4的换能器30。

首先，图6，对单晶硅晶片132进行加工，以便形成第一掩埋腔34。第一掩埋腔34可以以各种方式形成，例如，如美国专利公开号2005/0208696中所教导的方式，该专利通过引用并入本文。

参照图7，在晶片132的面132a上，生长单晶硅或多晶硅的外延层133'(由图7中的虚线所表示)，这在图7中由132'标出。特别地，晶片132'具有顶面和底面，该顶面对应于图3至图4的本体32的第一表面32a，该底面对应于图3至图4的本体32的第二表面32b。

加工晶片132'以形成换能器30的第二掩埋腔42。特别地，第二掩埋腔42可以以各种方式形成，例如，如美国专利公开号2005/0208696中所教导的方式，并且因此，以类似于第一掩埋腔34的方式。

因此，换能器30的膜45形成在第二掩埋腔34上。

参照图8，通过以已知的方式沉积层的堆叠并限定层，在晶片132'的顶面32a上形成压电致动器50。在该步骤中，以已知的方式，导电路径55a、55b例如由与电极51、53中的一个电极相同的材料制成，并且与该电极同时制成。

在导电路径55a、55b之后，或与导电路径55a、55b同时，形成接触焊盘60、62。

其后，图9，氧化物(例如，氧化硅)的第一掩模244以本身已知的方式被形成。特别地，第一掩模244具有开口144，在该开口处期望随后形成通风孔44。

参照图10，以已知的方式，在第一掩模244上和在通风开口144中提供第二掩模344，例如抗蚀剂掩模。

使用第二掩模344，使用已知的各向异性蚀刻技术，例如，drie(深反应离子蚀刻)，蚀刻第一掩模244和晶片132'，直至第一掩埋腔34。在蚀刻结束时，获得去耦合沟槽36和弹簧元件40。

参照图11，除去第二掩模344，并且从顶面32a进行进一步的各向异性蚀刻，达到直到第二掩埋腔42的深度。在蚀刻结束时，获得膜45和通气孔44。

以本身已知的方式(例如，通过用氢氟酸hf的湿法蚀刻)，除去第一掩模244，并且将晶片132'切块，以便获得图3至图4的换能器30。

本制造工艺还可以用于制造图5的换能器80；为此，修改第一掩模244和第二掩模344的形状，以限定弹簧元件90a的形状和去耦合沟槽86的形状。

图12示出了本换能器的另一个实施例。具体地，图12示出了换能器430，该换能器430具有类似于图3至图4的mems压力传感器30的一般结构。因此，与参照图3至图4图示和描述的部件类似的部件在图12中用相同的附图标记增加400来标出，并且将不再进一步描述。

在图12中，本体432包括第一本体部分433'和第二本体部分433”。

特别地，第一本体部分433'在底部由第二表面432b界定，并且被贯穿腔480横穿，贯穿腔480在本体432中由第一腔壁480a侧向地界定。

电介质层470在第一本体部分433'上方延伸，该电介质层470例如是氧化硅(sio2)的。

第二本体部分433”在电介质层470上延伸，并且在顶部由第一表面432a界定。

在本实施例中，第二本体部分433”包括敏感部分438、多个弹簧元件440以及本体432的外围部分432'。第二本体部分433”进一步包括锚固元件483，该锚固元件483具有闭合的形状(其两个部分在图12中可见)，并且穿过电介质层470朝向第二本体部分433”延伸；因此，锚固元件483具有与中间层470相同的厚度(沿轴线z测量)，并且在这里与第一本体部分433'和第二本体部分433”是单片式的。

电介质层470具有贯穿开口482，该贯穿开口482作为贯穿腔480的延续而被形成，但是具有比后者更大的面积，以便相对于第一贯穿腔480的第一腔壁480a凹进并且偏移。贯穿腔480和贯穿开口482两者均具有比敏感部分438大的面积(在平面顶视图中，平行于平面xy)，该敏感部分438因此悬置在它们上方。

敏感部分438从它底表面438b开始具有盲腔490，该盲腔490在敏感部分438中由第二腔壁490a侧向地界定，并且在它底壁上由膜445界定。具体地，盲腔490是贯穿腔480和贯穿开口482的延续。凹部492在盲腔490的底壁处、在盲腔490旁边延伸，以便相对于第二腔壁490a凹进。

如下文参照图13至图15所描述的那样来制造图12的换能器430。

首先，图13，以本身已知的方式，在单晶硅晶片533的面533a上，沉积并限定(例如氧化硅的)电介质层470；特别地，电介质层470具有第一限定开口572'和第二限定开口572”。

在电介质层470上，外延生长单晶硅或多晶硅的第一结构层535。在此步骤中，第一结构层535填充第一限定开口572'以及第二限定开口572”。特别地，在此步骤中形成锚固元件483。在第一结构层535的外延生长结束时，获得晶片600。

图14，以本身已知的方式，在晶片600的面600a上，沉积并限定电介质材料(例如，氧化硅)的限定层575。特别地，形成第三限定开口577和通风开口444。

在限定层575和第一结构层535的表面上，外延生长单晶硅或多晶硅的第二结构层537。特别地，第二结构层535填充第三限定开口577以及通风开口444。在第二结构层537的外延生长工艺结束时，获得晶片700，该晶片700包括第一本体部分433'、电介质层470和第二本体部分433”，并具有顶面和底面，该顶面对应于本体432的第一表面432a，该底面对应于本体432的第二表面432b。

以类似于参照图8所描述的方式，在第一表面432a上沉积适于形成图12所示的压电致动器450的层的堆叠、以及第一导电路径455a和第二导电路径455b和对应的接触焊盘(未图示)。

从第二表面432b开始从背面蚀刻晶片700。

具体地，掩模(未图示)被布置在第二表面432b上，并使用已知的蚀刻技术(例如，干法蚀刻)蚀刻晶片700。

蚀刻继续进行直至电介质层470，以形成贯穿腔480。蚀刻继续进行，以便除去第一限定开口572'和第二限定开口572”中的半导体部分、以及第二本体部分433”的下层部分。特别地，在此步骤中，蚀刻在限定层575处停止，从而形成盲腔490，并且蚀刻在其他地方继续进行，直到晶片700的第一表面432a，以形成通风孔444和去耦合沟槽436，并限定敏感部分438和弹簧元件440。

除去晶片700的第二表面432b上的掩模，并以本身已知的方式(例如，通过用氢氟酸hf进行湿法蚀刻)，除去电介质层470和限定层575的通过之前的蚀刻步骤暴露的部分，以释放膜445。将晶片700切块，以便获得图12的换能器430。

图3至图4的换能器30、图5的换能器80和图12的换能器430可以用于图2所示类型的系统中，并且一般而言可以以类似于参照图1和图2讨论的方式用于任何定位和/或三角测量系统中。

本声换能器及其工艺具有几个优点。

特别地，弹簧元件被设计为使敏感部分(并从而使致动膜)与声换能器的本体的其余部分去耦合，并吸收现有的机械应力。通过这种方式，敏感部分在物理上并且在操作上与声换能器的本体隔离。

因此，在本声换能器中，机械应力对敏感部分的影响的减小使得能够显著减小由于机械应力而产生的频率偏移。因此，当本声换能器在谐振条件下例如作为发射器操作(并因此膜以谐振频率振动)时，发射的超声声波将具有大体上等于声换能器的谐振频率的频率。该优点在图2所示类型的发射器-接收器系统中和/或在通用定位/三角测量系统中特别有用，该通用定位/三角测量系统包括图3至图5和图12所示类型的多个声换能器。

最后，显然对本文中描述和图示的mems器件以及制造工艺可以做出修改和变化，而不会由此脱离本公开的范围。

例如，所描述的各种实施例可以组合，以便提供进一步的解决方案。

此外，在图3至图5所示类型的声换能器的敏感部分38和图12所示类型的声换能器的敏感部分438中，可以布置多个压电致动器、以及相应的膜、相应的第二腔和相应的通风孔，以便增大声换能器每单位表面发射的声功率。例如，声换能器30、430的敏感部分38、438可以包括一对压电致动器50、450，每个压电致动器与相应的膜45、445、相应的第二腔42、442以及相应的通风孔44、444关联。特别地，压电致动器50、450(以及相应的膜45、445、相应的第二腔42、442和相应的通风孔44、444)可以沿着参考系统xyz的轴线x和/或轴线y被布置在彼此旁边，例如以相对于中心轴线o对称的方式。

可以将上面所描述的各种实施例组合以提供进一步的实施例。根据上面的详细描述，可以对实施例做出这些和其他改变。一般而言，在所附权利要求书中，所使用的术语不应解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而应当解释为包括所有可能的实施例、以及这样的权利要求有权享有的等同物的全范围。因此，权利要求不受本公开的限制。