薄膜超聲換能器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種換能器（11），包括：-隔膜（31），配置為響應于力而改變形狀，所述隔膜（31）具有第一主要表面（16）和第二主要表面（17）；-在所述隔膜（31）的第一主要表面（16）之上形成的壓電層（18），所述壓電層（18）具有活性部分；-與所述壓電層（18）相接觸的第一和第二電極（19），其中，第一和第二電極（19）之間的電場確定所述壓電層（18）的機械移動；-所述壓電層（18）的活性部分的相鄰側(cè)上隔膜（15）的第二主要表面（17）處的支座結(jié)構(gòu)（40），所述支座結(jié)構(gòu)（40）的至少一部分形成與所述隔膜（31）的第二主要表面（17）垂直或至少不平行的壁，以形成位于所述活性部分之下的任何形狀的溝槽（41），從而獲得超聲換能器，所述超聲換能器在支座側(cè)處具有與相反側(cè)處相比高的輸出壓力。本發(fā)明專利技術(shù)還涉及一種形成這種換能器的方法以及一種包括這樣的至少一個換能器的陣列。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及換能器的領(lǐng)域，并且更具體地，涉及包括薄膜超聲換能器的超聲換能器以及換能器陣列。本專利技術(shù)涉及超聲換能器，其還可以用于例如在建筑物中的存在性檢測以用于照明控制、用于空氣調(diào)節(jié)控制、用于安全和保安、用于活動感測。換能器陣列還可以用于接近性檢測，覆蓋例如移動電話的例如定位、或者用于例如機器人的導航、或者用于在諸如停車輔助、避碰之類的許多應用中的距離測量，或者用于用戶界面中的姿勢控制或者用于流量感測、或者用于C02感測、或者用于基于超聲的跟蹤或還用于包括醫(yī)療成像的超聲成像。在本專利技術(shù)的實施例中，公開了超聲換能器和換能器陣列的工藝和設計，使得能夠?qū)崿F(xiàn)展示出小尺寸、平坦、緊湊、低成本陣列上的增強的輸出壓力的超聲薄膜換能器陣列。
技術(shù)介紹
正在發(fā)現(xiàn)超聲換能器廣泛的應用，例如用于運動和存在性檢測的傳感器。超聲換能器是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的器件。最通常地，術(shù)語“超聲換能器”用于指代經(jīng)由壓電現(xiàn)象將電能轉(zhuǎn)換為超聲的壓電換能器。壓電晶體和壓電陶瓷具有以下屬性:當施加電信號時，改變尺寸，從而施加交流電信號使這些壓電晶體和壓電陶瓷振蕩。器件的共振頻率取決于器件的尺寸和構(gòu)造。由于當對壓電晶體或陶瓷施加機械力時，壓電晶體或陶瓷生成電信號，因此相同的晶體或陶瓷可以用作超聲發(fā)射機和超聲接收機。WO 2009/004558描述了一種換能器，其中，在正面襯底之上形成隔膜，并且在活性部分(active portion)以及位置上與活性部分相鄰的外圍部分處，在隔膜之上形成壓電層。在壓電層之上形成包括第一和第二電極的圖案化的導電層。此外，提供了背面襯底結(jié)構(gòu)，具有位于與活性部分相鄰的外圍部分處的支座。支座的高度大于圖案化的壓電層和圖案化的導電層的組合高度。可以將許多換能器相連接以形成陣列。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的實施例的目的是提供在大批量生產(chǎn)、低成本中實現(xiàn)的具有高輸出壓力、小尺寸且平坦緊湊的超聲換能器以及換能器陣列。以上目的由根據(jù)本專利技術(shù)的方法和器件實現(xiàn)。在本專利技術(shù)中，已經(jīng)專利技術(shù)超聲換能器陣列的工藝和設計，使得能夠?qū)崿F(xiàn)展示出來自小尺寸、平坦、緊湊低成本陣列的增強的輸出壓力的超聲薄膜換能器陣列。根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的超聲換能器或超聲換能器陣列的特殊特征在于:器件在與襯底相連接的隔膜的那一側(cè)上比在相反側(cè)上展示出更高輸出。所測量出的輸出壓力是因子1.5至2.0，并在與襯底相連接的隔膜的那一側(cè)上甚至比在相反側(cè)上更高。在所附的獨立和從屬權(quán)利要求中闡述了本專利技術(shù)的特定和優(yōu)選方面。在適當時并且不僅如權(quán)利要求中所明確闡述的，可以將來自從屬權(quán)利要求的特征與獨立權(quán)利要求的特征和其他從屬權(quán)利要求的特征進行組合。本專利技術(shù)的這些和其他方面將從以下描述的實施例中顯而易見并參照以下描述的實施例而闡明。附圖說明圖1示意了根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的超聲換能器陣列。作為選項，在電極層19那側(cè)上的隔膜上方，可以施加無機材料(比如，氮化硅或氧化硅或者氧化硅和氮化硅的組合)的保護層或有機保護層或者有機和無機保護層的組合。圖2a和2b示出了與處理器和存儲器相耦合的根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的超聲換能器陣列的示意框圖。圖3a、3b和3c示意了根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的處理超聲換能器的方法。圖3d是示意了作為超聲換能器陣列的支座側(cè)40上的角度的函數(shù)而測量的超聲換能器陣列的歸一化輸出壓力(相對于最大輸出壓力歸一化)的曲線圖。圖3e是示意了作為與支座側(cè)40相反那側(cè)上的角度的函數(shù)而測量的超聲換能器陣列的歸一化輸出壓力(相對于在圖3d中所不的支座側(cè)40處測量的最大輸出壓力歸一化)的曲線圖。圖4是根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的經(jīng)過一個換能器元件的橫截面，示出了可根據(jù)本專利技術(shù)的實施例使用的尺寸的幾何結(jié)構(gòu)。圖5是示意了針對換能器元件的襯底支座的高度(襯底以下的溝槽的深度)的多個值、輸出壓力作為頻率的函數(shù)的仿真的曲線圖。在具體說明襯底支座的聲學效果的這些仿真中，該元件被簡單地建模為無限固體隔板中的支座之間的活塞。所仿真的元件在與圖4所示的橫截面垂直的尺寸上是無限的。圖6是示意了針對換能器元件的寬度的多個值、輸出壓力作為頻率的函數(shù)的仿真的曲線圖。仿真模型細節(jié)如圖5中所示。圖7是示意了在0.8 _寬度的根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的換能器元件的各個頻率處、輸出壓力增強因子(隔膜的支座側(cè)處的輸出壓力與另一側(cè)處的輸出壓力之比)作為襯底(例如，硅)支座高度(溝槽深度)的函數(shù)的曲線圖。仿真模型細節(jié)如圖5中所示。圖8a示出了遵照本專利技術(shù)的超聲換能器陣列，其中，該換能器陣列是在塑料封裝中實現(xiàn)的。在該特殊封裝中，支座40部分地由Si實現(xiàn)，并部分地由封裝中的塑料材料構(gòu)建。在塑料封裝中，可選地，可以實現(xiàn)吸收層。對于換能器的損壞保護，可以在封裝上方應用網(wǎng)狀物。圖Sb示出了遵照本專利技術(shù)的超聲換能器陣列，其中，該換能器陣列是在塑料封裝中實現(xiàn)的。在該特殊封裝中，支座40以Si實現(xiàn)。在塑料封裝中，可選地，可以實現(xiàn)吸收層。對于換能器的損壞保護，可以在封裝上方應用網(wǎng)狀物。 為了防止封裝中的超聲換能器元件之間的串擾，在與支座40相對的每個元件之間的封裝中實現(xiàn)分離的部件。這些分離的部件可以由無機或有機材料實現(xiàn)。圖Sc示出了遵照本專利技術(shù)的超聲換能器陣列，其中，該換能器陣列是在陶瓷或玻璃封裝中實現(xiàn)的。在該特殊封裝中，支座40部分地由Si實現(xiàn)，并部分地由封裝中的陶瓷或玻璃材料構(gòu)建。在塑料封裝中，可選地，可以實現(xiàn)吸收層。對于換能器的損壞保護，可以在封裝上方應用網(wǎng)狀物。圖8d示出了遵照本專利技術(shù)的超聲換能器陣列，其中，該換能器陣列是在塑料封裝中實現(xiàn)的。在該特殊封裝中，支座40完全由塑料材料實現(xiàn)。在塑料封裝中，可選地，可以實現(xiàn)吸收層。對于換能器的損壞保護，可以在封裝上方應用網(wǎng)狀物。圖9a是根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的結(jié)構(gòu)化溝槽內(nèi)的超聲換能器的基本示意。圖9b示出了遵照本專利技術(shù)的超聲換能器陣列，其中，該換能器陣列是在塑料封裝中實現(xiàn)的。在該特殊封裝中，結(jié)構(gòu)化支座40部分地由Si實現(xiàn)，并部分地由封裝中的塑料材料構(gòu)建。在塑料封裝中，可替換地，可以實現(xiàn)吸收層。對于換能器的損壞保護，可以在封裝上方應用網(wǎng)狀物。圖10是示意了在w=0.8 mm的換能器寬度的情況下作為溝槽的深度hi的函數(shù)以及作為wl的值的函數(shù)的圖9a中簡述的結(jié)構(gòu)化溝槽的壓力的曲線圖。圖11是包括以相同技術(shù)集成的超聲換能器陣列和至少一個麥克風的根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的多傳感器的示意圖。 圖12示意了根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的波束轉(zhuǎn)向的結(jié)果。圖13是包括所集成的超聲換能器陣列和至少一個熱電傳感器的根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的多傳感器的示意圖。圖14是根據(jù)本專利技術(shù)的可替換實施例的多傳感器的第一示例的示意圖。圖15A和15B是根據(jù)本專利技術(shù)的可替換實施例的多傳感器的其他示例的示意圖。附圖僅是示意性的，而非限制性的。在附圖中，出于示意目的，一些元件的尺寸可以夸大而不按比例繪制。參照附圖且在權(quán)利要求中提到的任何附圖標記不應解釋為限制范圍。在不同附圖中，相同附圖標記指代相同或相似元件。具體實施例方式包括壓電薄膜換能器和換能器陣列的根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的傳感器的各個實施例允許實現(xiàn)有成本效益、高效且小型的超聲換能器/陣列。根據(jù)本專利技術(shù)的實施例的超聲換能器是平坦、低廓形(low profile)超聲換能器。本專利技術(shù)的其他實施例包括平坦、低廓形薄膜換能器陣列，其實現(xiàn)了對超聲波束的掃描和電子轉(zhuǎn)向。這種緊湊且低廓形的超聲換能器本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.07.30 EP 10305849.1;2011.06.14 EP 11305741.81.種換能器(11),包括: -隔膜(31)，配置為響應于力而改變形狀，所述隔膜(31)具有第一主要表面(16)和第二主要表面(17)； -在所述隔膜(31)的第一主要表面(16)之上形成的壓電層(18)，所述壓電層(18)具有活性部分； -與所述壓電層(18)相接觸的第一和第二電極(19)，其中，第一和第二電極(19)之間的電場確定所述壓電層(18)的機械移動； -所述壓電層(18)的活性部分的相鄰側(cè)上隔膜(31)的第二主要表面(17)處的支座結(jié)構(gòu)(40)，所述支座結(jié)構(gòu) (40)的至少一部分形成與所述隔膜(15、31)的第二主要表面(17)垂直或至少不平行的壁，以形成位于所述活性部分之下的任何形狀的溝槽(41)，從而獲得超聲換能器，所述超聲換能器在支座側(cè)(40)處具有與相反側(cè)處的輸出壓力相比更高的輸出壓力。2.據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，所述隔膜包括位于氮化硅層之上的氧化硅層，或者，所述隔膜包括氧化硅、氮化硅、氧化硅層的疊層，所述壓電層位于氧化硅層之上。3.據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，還包括阻擋層，所述壓電層或者電極層之一位于所述阻擋層之上。4.據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，還包括諸如氮化硅或氧化硅之類的無機層、或者有機層、或者無機和有機層的組合，作為保護層。5.據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，所述支座結(jié)構(gòu)適于與半開口管類似地工作，以在支座側(cè)上實現(xiàn)與另一側(cè)相比更高的輸出壓力，并且其中，所述管具有與通過所述管行進的超聲波的共振條件相匹配的長度。6.據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中，溝槽(41)沿與所述第二主要表面(17)平行的方向形成具有不同尺寸的至少兩個腔，使得緊鄰所述隔膜(15、31)的第一腔具有比第二腔更大的容積；所述腔使得其形成亥姆霍茲共振器，從而使支座側(cè)上的輸出壓力比另一側(cè)上更高。7.據(jù)權(quán)利要求5和權(quán)利要求6所述的換能器，其中，所述溝槽的第一部分是在襯底中提供的，并且所述溝槽的第二部分是在所述襯底的另一側(cè)上的附加層中提供的，所述附加層是封裝的一部分。8.據(jù)權(quán)利要求6所述的換能器，其中，所述支座結(jié)構(gòu)是在所述封裝中實現(xiàn)的，其中，所述封裝包括在包括以下各項的組中:塑料封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝、硅封裝或者硅和塑料封裝的組合。9.據(jù)權(quán)利要求6所述的換能器，其中，在所述支座結(jié)構(gòu)(40)上，定位有用于保護所述換能器免受機械損壞的網(wǎng)狀物。10.據(jù)權(quán)利要求6所述的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：M克里，R毛茨奧克，HMJ布特斯，NMA德維爾德，BK斯里德哈蘭奈爾，O旺尼科，WF帕斯維爾，D范德拉格馬特，P迪克森，
申請(專利權(quán))人：皇家飛利浦電子股份有限公司，
類型：
國別省市：