三端口压电超声换能器的制作方法
相关申请案的交叉参考
本申请案主张以下专利申请案的优先权：2014年10月15日申请的标题为“三端口压电超声换能器(three-portpiezoelectricultrasonictransducer)”的第62/064,416号美国临时专利申请案、2014年10月15日申请的标题为“用于压电超声换能器阵列的主动波束成形技术(activebeam-formingtechniqueforpiezoelectricultrasonictransducerarray)”的第62/064,417号美国临时专利申请案、2014年10月15日申请的标题为“用于2-d波束成形的压电超声换能器的超像素阵列(superpixelarrayofpiezoelectricultrasonictransducersfor2-dbeamforming)”的第62/064,418号美国临时专利申请案、2015年10月14日申请的标题为“集成式压电微机械超声换能器像素和读出(integratedpiezoelectricmicromechanicalultrasonictransducerpixelandreadout)”的第62/241,651号美国临时专利申请案、2015年10月14日申请的标题为“三端口压电超声换能器(three-portpiezoelectricultrasonictransducer)”的第14/883,583号美国专利申请案、2015年10月14日申请的标题为“用于压电超声换能器阵列的主动波束成形技术(activebeam-formingtechniqueforpiezoelectricultrasonictransducerarray)”的第14/883,585号美国专利申请案、以及2015年10月14日申请的标题为“用于2-d波束成形的压电超声换能器的超像素阵列(superpixelarrayofpiezoelectricultrasonictransducersfor2-dbeamforming)”的第14/883,586号美国专利申请案，所述专利申请案的揭示内容特此以全文引用的方式并入到本申请案中。
本发明涉及压电换能器以及制造和操作压电换能器的技术，且更确切地说，涉及适合用于电子传感器阵列或交互式显示器中以用于生物识别感测、成像和触摸或手势辨识的压电超声换能器。
背景技术：
薄膜压电声学换能器对于包含例如指纹传感器的生物识别传感器、手势检测、麦克风和扬声器、超声成像以及化学传感器的众多应用是有吸引力的候选对象。此类换能器可包含压电微机械超声换能器(pmut)，其被配置为包含压电层堆叠和安置于腔上方的机械层的多层堆叠。所述压电层堆叠可包含压电材料层。在压电层的上部表面和下部表面中的每一者上或附近，可安置相应的上部电极层和下部电极层。所述电极层可经图案化或未经图案化。
参考图1a，压电超声换能器100可经配置以使得其包含压电层堆叠110和机械层130，所述机械层经安置以便在腔120上方形成受锚定结构170支撑的膜片。压电层堆叠110包含压电层115，其具有分别安置于压电层115下方和上方的相关联下部电极112和上部电极114。腔120可形成于半导体衬底160中，所述半导体衬底例如硅晶片、绝缘体上硅(soi)晶片，或具有薄膜晶体管(tft)电路的玻璃或聚合物衬底。
现参考图1b，在操作期间，可响应于由收发器电路1010跨越下部电极112和上部电极114应用的时变激励电压而致使压电层堆叠110和机械层130振动。因此，具有处于(例如)超声频段中的频率的一或多个超声压力波122可传播到传播介质124中。在一些实施方案中，传播介质124可包含空气、台板、盖玻璃、装置罩壳、或声学耦合或匹配层。压电层堆叠110可同样地从传播介质中的对象接收反射的超声压力波，并将所接收的超声压力波转换成可被收发器电路1010读取的电信号。
技术实现要素：
本发明的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责本文所揭示的合乎需要的属性。
本发明中揭示的标的物的一个创新性方面涉及一种方法，其包含：在第一时间段期间，响应于来自收发器电路的信号，借助于压电微机械超声换能器(pmut)的第一电极发射第一超声信号，所述pmut包含安置于腔上方的膜片，所述膜片包含压电层堆叠，所述压电层堆叠包含压电层、所述第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极中的每一者与所述收发器电路电耦合；和在第二时间段期间，借助于所述第二电极接收第二超声信号。所述第一时间段和所述第二时间段至少部分地重叠。
在一些实例中，所述pmut可经配置以同时地借助于所述第一电极发射第一超声信号并借助于所述第二电极接收第二超声信号。
在一些实例中，所述第一电极和所述第二电极中的每一者安置于所述压电层的第一表面上或附近，所述第一表面与所述腔对置。所述第一电极可安置于所述膜片的内部部分中，且所述第二电极安置于所述膜片的外部部分中，所述外部部分接近于所述腔的壁且处在所述壁与所述第一电极之间。在一些实例中，所述第二电极的一部分延伸超出所述腔的所述壁。在一些实例中，所述膜片包含第三电极，所述第三电极安置于所述压电层与所述腔之间。在一些实例中，所述第三电极可被配置为与所述第一电极和所述第二电极中的每一者一样的参考电极。在一些实例中，所述参考电极的电压可箝位到接地或其它参考电压。
在一些实例中，所述膜片可受锚定结构支撑并可在所述腔上方延伸，所述膜片经配置以在所述pmut接收或发射超声信号时，经历挠曲运动和振动中的一者或两者并在第一挠曲模式中操作。在一些实例中，在所述第一挠曲模式中，所述第一电极和所述第二电极中的每一者可经历包含拉伸和压缩应力的交替周期的相应的第一振荡负载循环和第二振荡负载循环。在一些实例中，所述第一振荡负载循环和所述第二振荡负载循环可大致同相。在一些实例中，所述第一振荡负载循环和所述第二振荡负载循环可异相。在一些实例中，所述第一振荡负载循环和所述第二振荡负载循环可异相180°。
在一些实例中，所述第二电极可经配置以在所述第一时间段期间处于发射模式中且在所述第二时间段期间处于接收模式中。
根据一些实施方案，一种设备包含：压电微机械超声换能器(pmut)，所述pmut包含：膜片，其安置于腔上方，所述膜片包含压电层堆叠，所述压电层堆叠包含压电层、与收发器电路电耦合的第一电极以及与所述收发器电路电耦合的第二电极。所述第一电极安置于所述膜片的第一部分中，且所述第二电极安置于所述膜片的第二部分中，所述第一部分与所述第一部分间隔开。所述第一电极和所述第二电极中的每一者安置于所述压电层的第一表面上或附近，所述第一表面与所述腔对置。所述pmut经配置以在第一时间段期间借助于所述第一电极发射第一超声信号并在第二时间段期间借助于所述第二电极接收第二超声信号，所述第一时间段与所述第二时间段至少部分地重叠。
在一些实例中，所述第二电极可安置在接近于所述腔的壁处且处在所述壁与所述第一电极之间。在一些实例中，所述第二电极的一部分可延伸超出所述腔的所述壁。
在一些实例中，所述pmut可经配置以同时地借助于所述第一电极发射第一超声信号并借助于所述第二电极接收第二超声信号。
在一些实例中，所述膜片可包含第三电极，所述第三电极安置于所述压电层与所述腔之间。在一些实例中，所述第一电极为发射电极，所述第二电极为接收电极，且所述第三电极被配置为与所述发射电极和所述接收电极中的每一者一样的参考电极。
在一些实例中，所述膜片可包含机械层，所述机械层定位于所述压电层堆叠与所述腔之间或定位于所述压电层堆叠的与所述腔对置的侧上。
在一些实例中，所述设备可进一步包含安置于衬底上方的锚定结构，其中所述膜片受所述锚定结构支撑并在所述腔上方延伸，所述膜片经配置以在所述pmut接收或发射超声信号时，经历挠曲运动和振动中的一者或两者。在一些实例中，所述膜片可被配置为具有长度l的纵向尺寸和宽度w的细长矩形，l是w的至少两倍。在一些实例中，所述锚定结构可在所述膜片的接近于所述纵向尺寸的近端的第一离散位置处以及所述膜片的接近于所述纵向尺寸的远端的第二离散位置处支撑所述膜片。在一些实例中，所述锚定结构可在所述膜片的中心部分中支撑所述膜片。在一些实例中，所述锚定结构可在所述膜片的外围区中支撑所述膜片。在一些实例中，所述膜片可为基本上圆形的。在一些实例中，所述锚定结构可在所述膜片的中心部分中支撑所述膜片。
在一些实例中，所述腔可通过穿过至少一个释放孔移除牺牲材料而形成。在一些实例中，所述释放孔可经安置穿过所述膜片。
在一些实例中，所述第一电极与所述第二电极可大致共平面。
根据一些实施方案，一种设备包含压电微机械超声换能器(pmut)传感器阵列和声学耦合介质。至少一个pmut包含安置于腔上方的膜片，所述膜片包含压电层堆叠，所述压电层堆叠包含压电层、与收发器电路电耦合的第一电极以及与所述收发器电路电耦合的第二电极。所述第一电极安置于所述膜片的第一部分中，且所述第二电极安置于所述膜片的第二部分中，所述第一部分与所述第二部分间隔开。所述第一电极和所述第二电极中的每一者安置于所述压电层的第一表面上或附近，所述第一表面与所述腔对置。所述pmut经配置以在第一时间段期间借助于所述第一电极发射第一超声信号并在第二时间段期间借助于所述第二电极接收第二超声信号，所述第一时间段与所述第二时间段至少部分地重叠。所述声学耦合介质安置于所述压电层堆叠上方。所述pmut经配置以通过所述声学耦合介质接收或发射超声信号。
在一些实例中，所述pmut感测器阵列可包含台板，其中所述声学耦合介质安置于所述pmut感测器与所述台板之间。
在一些实例中，所述pmut可经配置以同时地借助于所述第一电极发射第一超声信号并借助于所述第二电极接收第二超声信号。
在一些实例中，所述膜片可包含第三电极，所述第三电极安置于所述压电层与所述腔之间。在一些实例中，所述第一电极可为发射电极，所述第二电极可为接收电极，且所述第三电极可被配置为与所述发射电极和所述接收电极中的每一者一样的参考电极。
在一些实例中，所述pmut传感器阵列可被配置为超声指纹传感器阵列。
根据一些实施方案，一种上面存储有软件的非暂时性计算机可读媒体，所述软件包含用于致使设备执行以下操作的指令：在第一时间段期间，响应于来自收发器电路的信号，借助于压电微机械超声换能器(pmut)的第一电极发射第一超声信号，所述pmut包含安置于腔上方的膜片，所述膜片包含压电层堆叠，所述压电层堆叠包含压电层、所述第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极中的每一者与所述收发器电路电耦合；和在第二时间段期间，借助于所述第二电极接收第二超声信号。所述第一时间段和所述第二时间段至少部分地重叠。
附图说明
在本发明和附图中阐述本说明书中所描述的标的物的一或多个实施方案的细节。通过阅览本发明，其它特征、方面和优点将变得显而易见。应注意，本发明的附图和其它图示的相对尺寸可不按比例绘制。在本发明中所示出和描述的大小、厚度、布置、材料等仅以实例方式作出并且不应理解为具有限制性。各个图式中的相同参考标号和名称指示相同元件。
图1a到1b说明压电超声换能器的实例。
图2a到2c说明pmut超声传感器阵列的各种配置的横截面图。
图3描绘表示所发射的和所接收的超声信号的随时间而变的信号波形。
图4a和4b分别说明根据一些实施方案的三端口pmut的横截面图和平面视图。
图5说明与收发器电路耦合的三端口pmut的布置。
图6说明根据一些实施方案的三端口pmut的随时间而变的发射和接收电压信号的曲线图。
图7说明根据一些实施方案的三端口pmut的另一布置。
图8说明根据一些实施方案的三端口pmut的长矩形膜片的实例配置。
图9说明根据一些实施方案的三端口pmut的长矩形膜片的另一实例配置。
图10说明根据一些实施方案的三端口pmut的长矩形膜片的又一实例配置。
图11a到11c说明根据各种实施方案的三端口pmut的圆形膜片的实例配置。
图12说明根据一些实施方案的用于操作pmut传感器的方法的实例。
图13a到13d说明根据一些实施方案的具有圆形膜片和各种电极配置的三端口pmut的平面视图。
图14a到14d说明根据一些实施方案的具有圆形膜片和中心释放孔的三端口pmut的平面视图，所述圆形膜片具有各种电极配置。
图15说明根据一些实施方案的用于操作具有至少一个专用接收电极的pmut传感器的方法的框图。
图16说明根据一些实施方案的具有至少一个专用接收电极的三端口pmut的收发器电路和各种配置的示意图。
图17说明根据一些实施方案的具有至少一个专用接收电极的三端口pmut的随时间而变的推挽式发射信号和说明性接收信号的曲线图。
图18说明根据一些实施方案的用于操作具有至少一个可切换发射/接收电极的pmut传感器的方法的框图。
图19说明根据一些实施方案的具有至少一个可切换发射/接收电极的三端口pmut的收发器电路和各种配置的示意图。
图20说明根据一些实施方案的具有至少一个可切换发射/接收电极的三端口pmut的随时间而变的推挽式发射信号和说明性接收信号的曲线图。
具体实施方式
以下描述针对出于描述本发明的创新方面的目的的某些实施方案。然而，所属领域的技术人员将容易认识到，可以许多不同方式应用本文中的教示。所描述的实施方案可实施于包含超声传感器或发射极的任何装置、设备或系统中。举例来说，预期所描述的实施方案可包含在多种电子装置中或与其相关联，所述电子装置例如(但不限于)：移动电话、具多媒体因特网功能的蜂巢式电话、移动电视接收器、无线装置、智能手机、
本发明的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责本文中所揭示的合乎需要的属性。本发明中所描述的标的物可实施于压电微机械超声换能器(pmut)中，其某些方面已描述于2014年12月12日申请的标题为“微机械超声换能器和显示器(micromechanicalultrasonictransducersanddisplay)”的第14/569,280号美国专利申请案以及2014年12月12日申请的标题为“压电超声换能器和工艺(piezoelectricultrasonictransducerandprocess)”的第14/569,256号美国专利申请案中，所述专利申请案各自转让给本发明的受让人且特此出于所有目的以全文引用的方式并入到本申请案中。本发明中所描述的标的物的一个新颖方面可实施于被配置为包含多层膜片结构的多层堆叠的pmut中，所述多层膜片结构包含压电层堆叠和三个或大于三个电极。所述三个电极可包含用于发射信号到相关联收发器电路以及从相关联收发器电路接收信号中的每一者的单独的电极，以及共同参考或接地电极。所述布置允许彼此独立的发射和接收时序，进而实现例如同时发射和接收超声波。在一些实施方案中，发射和接收电极可形成于同一电极层中。
在一些实施方案中，发射电极和接收电极中的每一者可在弯曲期间经历不同定向的机械应力或应变。举例来说，在一个电极安置成接近于膜片的内部区且另一电极安置成接近于膜片的外部区的情况下，压电层的接近于第一电极的第一部分可处于拉伸下，同时压电层的接近于第二电极的第二部分处于压缩下。可被称为“拐点区”的边界或边界区可位于压电层的此类部分之间。在典型的双端口pmut结构中，为有效地操作，发射/接收电极可经定位以覆盖压电层的拉伸应变区或压电层的压缩应变区中任一者，而非两者。因此，pmut装置膜片的一部分不用于典型的双端口实施方案中。相反地，在下文中描述的三端口pmut结构的实施方案中，在发射电极和单独的接收电极定位于拐点区的对置侧上的情况下，使用pmut装置膜片的较大部分，进而改进装置的效率。此外，所揭示的技术可实现两个电极之间的电隔离，使得发射电路可连接到发射电极，且单独的接收电路可连接到接收电极，从而去除对发射模式中的操作与接收模式中的操作之间的时间间隔的需要。
本发明中所描述的标的物的一个新颖方面可实施于包含定位于显示器或超声指纹传感器阵列的背板下方、旁边、上或上方或与所述背板一起定位的三端口压电微机械超声换能器(pmut)的一维或二维阵列的设备中。
在一些实施方案中，pmut阵列可配置以在对应于多个频率范围的模式中操作。举例来说，在一些实施方案中，pmut阵列可配置以在对应于低频率范围(例如，50khz到200khz)的低频率模式中或对应于高频率范围(例如，1mhz到25mhz)的高频率模式中操作。当在高频率模式中操作时，设备可能能够在相对较高分辨率下成像。因此，所述设备可能能够从对象(例如，放置在显示器或传感器阵列的表面上的手指)检测触摸、指纹、触笔和生物识别信息。此类高频率模式可在本文中称为指纹传感器模式。
当在低频率模式中操作时，所述设备可能能够发出与所述设备在高频率模式中操作时相比相对较大地渗透到空气中的声波。此类较低频率声波可发射穿过各种上覆层，包含盖玻璃、触摸屏、显示阵列、背光源、壳体或罩壳，或定位于超声发射器与显示器或传感器表面之间的其它层。在一些实施方案中，可开出穿过所述上覆层中的一或多者的端口，以优化从pmut阵列到空气中的声学耦合。较低频率声波可发射穿过显示器或传感器表面上方的空气，从所述表面附近的一或多个对象反射，发射穿过空气且往回穿过上覆层，且被超声接收器检测。因此，当在低频率模式中操作时，所述设备可能能够在手势检测模式中操作，其中可检测在显示器附近但未必触摸显示器的自由空间手势。
替代地或另外，在一些实施方案中，pmut阵列可配置以在对应于介于低频率范围与高频率范围之间的频率范围(例如，约200khz到约1mhz)的中频率模式中操作。当在中频率模式中操作时，所述设备可能能够提供触摸传感器功能性，但与高频率模式相比具有略微较低的分辨率。
pmut阵列对于波前波束成形、波束导引、接收侧波束成形和/或返回信号的选择性读出是可寻址的。举例来说，传感器像素的个别列、行、传感器像素和/或群组可为可单独寻址的。控制系统可控制发射器阵列产生特定形状的波前，例如平面、圆形或圆柱形波前。控制系统可控制发射器阵列的幅值和/或相位以在所要位置产生相长或相消干扰。举例来说，控制系统可控制发射器阵列的幅值和/或相位以在其中已检测到或可能将检测到触摸或手势的一或多个位置中产生相长干扰。
在一些实施方案中，pmut装置可与同一衬底上的薄膜晶体管(tft)电路共同制造，所述衬底在一些实例中可为硅、玻璃或塑料衬底。tft衬底可包含寻址电子装置、多路复用器、局部放大级和控制电路的行和列。在一些实施方案中，包含驱动器级和感测级的接口电路可用以激励pmut装置并检测来自同一装置的响应。在其它实施方案中，第一pmut装置可充当声学或超声发射器，且第二pmut装置可充当声学或超声接收器。在一些配置中，不同pmut装置可能能够低频率和高频率操作(例如，针对手势检测和针对指纹检测)。在其它配置中，同一pmut装置可用于低频率和高频率操作。在一些实施方案中，可使用硅晶片制造pmut，其中在硅晶片中制造主动硅电路。主动硅电路可包含用于pmut或pmut阵列运行的电子装置。
在一些实施方案中，pmut阵列可被配置为超声传感器阵列。图2a到2c说明pmut超声传感器阵列的各种配置的横截面图。图2a描绘具有pmut作为可使用的发射和接收元件(例如，作为超声指纹传感器、超声触摸板或超声成像器)的超声传感器阵列200a。pmut传感器阵列衬底260上的pmut传感器元件262可发出和检测超声波。如所说明，超声波264可从至少一个pmut传感器元件262发射。超声波264可穿过声学耦合介质265和台板290a朝向对象202(例如，定位于台板290a的外表面上的手指或触笔)行进。超声波264的一部分可穿过台板290a发射到对象202中，而第二部分从台板290a的表面往回朝向传感器元件262反射。反射波的振幅可部分地取决于对象202的声学性质。反射波可由传感器元件262检测，可从所述传感器元件获取对象202的图像。举例来说，通过具有约50微米(每英寸约500像素)的间距的传感器阵列，可检测指纹的脊线和谷线。可提供声学耦合介质265(例如粘附剂、胶、兼容层或其它声学耦合材料)以改进安置于传感器阵列衬底260上的pmut传感器元件262阵列与台板290a之间的耦合。声学耦合介质265可辅助发射去往和来自传感器元件262的超声波。台板290a可包含(例如)玻璃、塑料、蓝宝石金属、金属合金或其它台板材料层。声学阻抗匹配层(未示出)可安置于台板290a的外表面上。台板290a可在外表面上包含涂层(未示出)。
图2b描绘具有共同制造于传感器和显示器衬底260上的pmut传感器元件262和显示像素266的超声传感器和显示阵列200b。传感器元件262和显示像素266可共置于单元阵列的每一单元中。在一些实施方案中，传感器元件262和显示像素266可并排制造于同一单元内。在一些实施方案中，传感器元件262中的部分或全部可制造于显示像素266上方或下方。台板290b可定位于传感器元件262和显示像素266上方且可充当或包含盖透镜或盖玻璃。盖玻璃可包含一或多个材料(例如玻璃、塑料或蓝宝石)层，且可包含用于电容式触摸屏的供应件。声学阻抗匹配层或涂层(未示出)可安置于台板290b的外表面上。可从一或多个传感器元件262发射和接收超声波264以提供针对对象202(例如，放置在盖玻璃290b上的触笔或手指)的成像能力。盖玻璃290b基本上透明以允许用户通过盖玻璃290b观察到来自显示像素266阵列的可见光(opticallight)。用户可选择触摸盖玻璃290b的一部分，且超声传感器阵列可检测到所述触摸。可例如在用户触摸盖玻璃290b的表面时获取生物识别信息(例如指纹信息)。可提供声学耦合介质265(例如粘附剂、胶或其它声学耦合材料)以改进传感器阵列衬底260与盖玻璃之间的声学、光学和机械耦合。在一些实施方案中，耦合介质265可为可充当液晶显示器(lcd)的部分的液晶材料。在lcd实施方案中，背光源(未示出)可光学耦合到传感器和显示器衬底260。在一些实施方案中，显示像素266可为具有发光显示像素的非晶型发光二极管(amoled)显示器的部分。在一些实施方案中，超声传感器和显示阵列200b可用于显示目的和用于触摸、触笔或指纹检测。
图2c描绘具有定位在显示阵列衬底260b之后的传感器阵列衬底260a的超声传感器和显示阵列200c。声学耦合介质265a可用以将传感器阵列衬底260a声学耦合到显示阵列衬底260b。光学和声学耦合介质265b可用以将传感器阵列衬底260a和显示阵列衬底260b光学和声学耦合到盖透镜或盖玻璃290c，所述盖透镜或盖玻璃还可充当用于检测指印的台板。声学阻抗匹配层(未示出)可安置于台板290c的外表面上。从一或多个传感器元件262发射的超声波264可行进穿过显示阵列衬底260b和盖玻璃290c，从盖玻璃290c的外表面反射，并且往回朝向传感器阵列衬底260a行进，其中可检测到反射的超声波，并获取图像信息。在一些实施方案中，超声传感器和显示阵列200c可用于提供视觉信息给用户以及用于来自用户的触摸、触笔或指纹检测。替代地，pmut传感器阵列可形成于显示阵列衬底260b的背侧上。替代地，具有pmut传感器阵列的传感器阵列衬底260a可附接到显示阵列衬底260b的背侧，其中传感器阵列衬底260a的背侧(例如)使用粘附层或粘附材料(未示出)直接附接到显示阵列衬底260b的背侧。
在pmut阵列中，需要具有单个膜片的每一pmut元件充当超声信号的发射器和接收器以便改进效率、速度和分辨率以及达成集成和成本收益。
也需要将尤其用于移动装置的指纹传感器的堆叠高度降到最低。因此，pmut元件与正被成像的手指或其它对象之间的距离可为极小的。图3描绘pmut阵列(具有定位于所述阵列的顶部上的约400微米厚台板)的表示随时间而变的所发射和所接收的超声信号的信号波形的实例。图3描绘应用于双端口pmut的一系列五音调突发(tb)循环(参见顶部图表)。第二图表中所描绘的声学发射功率展示在应用额外音调突发循环时，传感器堆叠中的声能的累积。当所应用的信号在发射(tx)模式结束时中断时，所发射的声功率下降。所发射的超声波的一部分可从台板表面往回朝向pmut阵列反射。在第三图表中展示pmut阵列处针对第一回声的声功率。典型的超声发射器信号可包含一系列的一或多个音调突发(tb)循环，且来自第一循环的回声可在完成音调突发循环之前往回到达接收器。不合需要地，输出的和返回的超声信号可大致上重叠。可观察到，输出的超声信号与返回的超声信号(对应的第1回声)之间的时间间隔可为极小(小于约0.2微秒)，其很大程度上取决于穿过台板的声学路径长度和声学路径中的材料的音速。由于传感器堆叠内部的声学波可在堆叠内混响，所以可发生额外回声，如在第四图表和第五图表中所描绘。在第六(底部)图表中，组合来自所有混响的声功率，说明检测用于对定位于台板的表面上的对象成像的最适合峰值的困难。对于需要在发射(tx)模式与接收(rx)模式之间切换的系统，可需要小但有限的时间ts在模式之间切换，防止做出返回信号的测量直到接收模式可用为止。此可使对来自第一回声的峰值信号的俘获变得困难。来自第二回声和后续回声的峰值信号随后在振幅上下降，从而降低可用的信号强度。
从pmut输出到收发器电路1010的电压可与pmut处的超声信号的振幅有关。图3的底部图表中展示的接收信号包络310描绘在音调突发循环已中断之后声学信号的累积和衰减。在不存在本发明教示的情况下，由于所输出/发射的超声信号与返回/接收的超声信号之间的大致重叠，为检测返回信号，收发器电路可需要从发射模式切换到接收模式。因为单对电极(例如，如图1a到1b中所展示的下部电极112和上部电极114)可与收发器电路1010电耦合，所以必须在来自所述电极对的发射信号与接收信号之间提供由切换间隔时间ts指示的在时间上的间隔。此布置的第一可测量回声可在完成切换间隔时间ts之后发生。应了解，ts与至少用于针对指纹传感器设定大小的pmut阵列的多个音调突发循环的时间可基本上超过超声信号的往返行进时间。
图4a和4b说明根据一些实施方案的三端口pmut的横截面图和平面视图。pmut400包含安置于腔420上方的压电层堆叠410和机械层430，所述压电层堆叠和所述机械层经配置以形成膜片440。膜片440由锚定结构470支撑于腔420上方。pmut400可经配置以使用膜片440操作以经历一或多个挠曲模式，其中当pmut发射或接收超声信号时，膜片440可经历挠曲运动和振动中的一者或两者。压电层堆叠410包含压电层415与具有安置于压电层415下方的相关联下部电极412。内部电极413安置于压电层415上方、膜片440的中心区中。在所说明的实施方案中，外部电极414也安置于压电层415上方。安置于压电层415的表面上的内部电极和外部电极可为基本上共平面的。在一个实例中，可通过使外部电极414部分或完全地围绕三端口pmut400的周边延伸而将外部电极414电连接在一起。替代地，在另一实例(未示出)中，膜片440上的分段外部电极414可在内部通过一或多个跨接线或在外部通过一或多个电互连件互连。触点和通孔结构可用以与下面的或外部的像素电路电接触。腔420可连接到一或多个蚀刻通道422和释放孔424，可穿过所述蚀刻通道和释放孔通过适合蚀刻剂移除牺牲材料(未示出)以形成腔420。金属或其它合适材料的一或多个插塞426可用以密封释放孔424，并在pmut操作期间保持腔420内部的受控制压力(例如，真空度)。在图4b中和其它处展示的pmut可为具有一或多个行和列(未示出)的pmut阵列的部分，平面视图的外围处的虚线指示形成于共同衬底上的额外pmut可定位于pmut400的一或多个侧上作为pmut阵列的部分。
以电方式，三端口pmut可被配置为具有至少一个发射电极、至少一个接收电极和至少一个参考电极的pmut。下文描述这些变化形式中的多者。对三端口pmut的替代性且有时为优选的解释是具有电输入(tx)端口、超声输出端口(也充当超声输入端口)和电输出(rx)端口的pmut。在这类实施方案中，电输入端口与电输出端口可分别物理地和电性地分离，且还可安置于pmut微观结构的同一部分上(例如，腔上方的膜片上)。
图5说明与收发器电路510耦合的三端口pmut的布置。在所说明的实施方案中，下部电极412、内部电极413和外部电极414可与收发器电路510电耦合，且可充当单独的电极，分别提供信号发射、信号接收和共同参考或接地。此布置允许彼此独立的发射(tx)和接收(rx)信号的时序。更确切地说，所说明的布置实现在压电超声换能器400与收发器电路510之间的信号的基本上同时的发射和接收。
有利地，发射和接收电极可在(例如)沉积、遮蔽和蚀刻的共同制造工艺期间形成于同一电极层中。在一些实施方案中，一或多个压电层和相关联的电极层可包含在压电堆叠(未示出)中。
仍参考图5，收发器电路510可借助于与收发器电路510相关联的三个输入/输出端子或端口以及与三端口pmut相关联的三个电极412、413和414，与压电超声换能器400电耦合。在所说明的实施方案中，第一端子或端口与下部(参考)电极412电耦合；第二端子或端口与内部(发射)电极413电耦合；且第三端子或端口与外部(接收)电极414电耦合。
应注意，在所说明的布置中，在pmut膜片振动期间，压电层415的接近于外部电极414的部分处于与压电层415的接近于内部电极413的部分相比相反的机械应力状态中。更确切地说，在图5中所说明的瞬时力矩下，压电层415的接近于外部电极414的部分处于压缩中，而压电层415的接近于内部电极413的部分处于拉伸中。因此，所述布置可使用膜片的内部区域与膜片的外部区域相比在机械应变方向上的差来改进发射器和接收器效率。举例来说，自pmut腔420为圆形的情况下，对于膜片440的安置于pmut腔420上方的一部分(膜片440的“悬置部分”)，拐点区存在于腔半径的约60％到70％处，即压电层堆叠410的同一侧(例如，顶部或底部)上的应力方向在拐点区的任一侧上具有相反意义。由图5中的虚线416指示拐点区的大致位置，其中内部电极413和外部电极414展示于拐点区的对置侧上。
为使发射器和接收器效率达到最大，需要覆盖悬置部分上具有共同意义的应力(例如，拉伸或压缩)的最大可能区域。因此，可通过将内部电极413的外部周边和外部电极414的内部周边定位于靠近于拐点区处，来改进发射器和接收器效率。对于其它形状(例如矩形或方形)的膜片，可应用类似方法来优化电极形状。外部电极414的外边缘可与腔420的周边基本上对准或可(如所说明)延伸超出腔420的壁。
pmut膜片可受锚定结构470支撑以允许膜片在腔420上方延伸。当pmut接收或发射超声信号时，所述膜片可经历挠曲运动。pmut膜片可在接收或发射超声信号时在第一挠曲模式中操作。在一些实施方案中，当在第一挠曲模式中操作时，内部电极和外部电极可经历包含拉伸应力和压缩应力的交替循环的相应的第一振荡负载循环和第二振荡负载循环。第一振荡负载循环和第二振荡负载循环可异相，也就是说，在拐点区的每一侧上，其一者拉伸，而另一者压缩，如图5中所展示。第一振荡负载循环和第二振荡负载循环可异相约180°。在其它实施方案中，例如在下文图8(细节a)、9(细节d)、10、11a到11c、13a到13d、以及14a到14c中所说明的实施方案中，第一振荡负载循环和第二振荡负载循环可大致同相。
因为本发明所揭示的技术实现tx电极与rx电极之间的物理隔离和电隔离，所以接收电极可操作以接收超声信号，而发射电极发出超声信号。图6说明根据一些实施方案的三端口pmut的随时间而变的发射电压信号和接收电压信号的曲线图。可通过比较图6和图3更好地了解本发明所揭示的技术的益处。不同于图3中所说明的时间上间隔开的发射模式和接收模式，本发明允许基本上同时地接收和发射电压信号。因此，可检测到大回声(例如，第1回声)，而与第一回声在时间上如何紧密地跟随第一音调突发(tb)信号无关。在一些实施方案中，超声波从正被成像的对象(手指)的反射可与音调突发信号显著地重叠，从而允许随pmut传感器阵列的表面上的指纹脊线或指纹谷线的存在而变化的声能的累积，如由接收信号包络610所展示。使用pmut传感器阵列俘获rx信号并确定脊线与谷线之间的信号振幅的差允许获取指纹的超声图像的图像信息。可通过引动发射电极并用pmut传感器阵列多次接收返回信号来获取多组图像信息，如图6中所指示。
本发明所揭示的技术的另一优点是，与双端口pmut相比，三端口pmut收发器可具有定位于发射电极和接收电极下方的单个下部电极，其连接到参考电压，例如接地电势。使下部电极接地或以其它方式将下部电极连接到低阻抗电压源可减少收发器电路的发射部分与接收部分之间的电串扰和/或减少相邻pmut传感器元件之间的串扰。对于双端口pmut设计，在同一端口用于发射和接收功能两者的情况下，来自发射器电子装置的寄生电容可使所接收的信号强度减少到原来的十分之一或小于十分之一。本发明所揭示的三端口pmut固有地使发射器与接收器隔开，进而减少对信号隔离的需要且使由相关联寄生电容引起的损失减到最小。这是可能的，因为三端口pmut配置允许在发射器连接到通常具有高寄生损失的较高电压电路时，使用用于接收电极的低寄生电容像素读出方案。因此，可使用三端口配置显著地改进接收器效率。
此外，因为双端口pmut中的端口可能不直接连接到地面，而是实际上可通过开关连接到地面，所以电串扰可影响性能。本发明所揭示的三端口pmut可部分地避免此问题，这是因为下部电极可很好地接地。因此，任何串扰信号可被吸收到地面，而不是在发射或接收时影响相邻像素。
再次参看图5，在所说明的实施方案中，机械层530安置于腔420与压电层415之间。此类布置可被称为“底部机械”布置。
图7说明根据一些实施方案的三端口pmut的另一布置。在所说明的实施方案中，三端口pmut700经配置于“顶部机械”布置中，其中压电层415安置于腔420与机械层730之间。
如上文所描述，本发明所揭示的技术可用基本上圆形的膜片实施。也预期到多个替代性配置。图8说明根据一些实施方案的三端口pmut的长矩形膜片的实例配置。在所说明的实施方案(可被称为长矩形板或“带配置”)中，膜片800的长尺寸l是宽度尺寸w的至少两倍。“长”矩形板或膜片可被界定为其长度为宽度的至少两倍的膜片。对于长矩形膜片，电极的形状还可变成具有较长侧边的矩形，较少关注电极沿着膜片的较短侧边的放置和形状。膜片800可受单独的锚定结构870支撑，所述锚定结构例如如所展示安置于接近于长尺寸l的对置端处。因此，如视图b-b和视图c-c中所说明的膜片800的挠曲运动可在超声波或信号的发射和接收期间发生。发射电极813(tx)和接收电极814(rx)可在各种布置中安置于膜片800上，所述各种布置中的数个布置借助于细节a、细节b和细节c中的实例说明。更确切地说，如可在细节a中观察到，在一些实施方案中，发射电极813和接收电极814可在大小上大致相等且可相对于膜片800对称地安置。如可在细节b中观察到，在其它实施方案中，发射电极813和接收电极814可具有显著不同的大小且可相对于膜片800对称地安置。最后，如可在细节c中观察到，可预期到发射电极813和接收电极814的不对称布置。虽然在细节a、b和c中展示的配置具有具体标记为tx或rx的电极，但在不失图8和贯穿本发明的一般性的情况下，标示为tx的电极可充当接收电极，且标示为rx的电极可充当发射电极。在不失一般性的情况下，所展示的膜片几何形状也可为方形或具有小于2:1的l:w比。为了清楚起见，在附图中未示出到发射电极和接收电极的电连接(例如，电迹线)以及到其的电接触。
图9说明根据一些实施方案的三端口pmut的矩形膜片的另一实例配置。在所说明的长矩形板配置中，膜片900可在全部四个侧边上由周边锚定结构970支撑，所述周边锚定结构例如如所展示安置于接近于膜片900的外围边缘处。因此，如视图d-d和视图e-e中所说明的膜片900的挠曲运动可在超声波或信号的发射和接收期间发生。发射电极913(tx)和接收电极914(rx)可在各种布置中安置于膜片900上，所述各种布置中的数个布置借助于细节d、细节e和细节f中的实例说明。更确切地说，如可在细节d中观察到，在一些实施方案中，发射电极913和接收电极914可在大小上大致相等且可相对于膜片900对称地安置。如可在细节e中观察到，在其它实施方案中，发射电极913和接收电极914可具有显著不同的大小且可相对于膜片900对称地安置。最后，如可在细节f中观察到，可预期到发射电极913和接收电极914的不对称布置。
图10说明根据一些实施方案的三端口pmut的矩形膜片的又一实例配置。在所说明的实施方案(可被称为“蘑菇形配置”)中，膜片1000可受居中安置的锚定结构1070支撑。因此，如视图f-f和视图g-g中所说明的膜片1000的挠曲运动可在超声波的发射和接收期间发生。发射电极1013(tx)和接收电极1014(rx)可在各种布置中安置于膜片1000上，所述各种布置中的数个布置借助于细节g、细节h和细节j中的实例说明。更确切地说，如可在细节g中观察到，在一些实施方案中，发射电极1013和接收电极1014可在大小上大致相等且可相对于膜片1000对称地安置。如可在细节h中观察到，在其它实施方案中，发射电极1013和接收电极1014可具有显著不同的大小且可相对于膜片1000对称地安置。最后，如可在细节j中观察到，可预期到发射电极1013和接收电极1014的不对称布置。
图11说明根据各种实施方案的三端口pmut的圆形膜片的另一实例配置。在细节k、细节l和细节m中所说明的蘑菇形配置的实例中的每一者中，圆形膜片1100受居中安置的锚定结构1170支撑。因此，如视图h-h中所说明的膜片1100的挠曲运动可在超声波的发射和接收期间发生。发射电极1113(tx)和接收电极1114(rx)可在各种配置中安置于膜片1100上。更确切地说，如可在细节k和细节l中观察到，在一些实施方案中，发射电极1113和接收电极1114可在大小上大致相等。如可在细节m中观察到，在其它实施方案中，发射电极1113和接收电极1114可具有显著不同的大小。
图12说明根据一些实施方案的用于操作pmut传感器的方法的实例。如上文所描述，pmut传感器可包含安置于腔上方的膜片，所述膜片包含压电层堆叠，所述压电层堆叠包含压电层、第一电极、第二电极和参考电极，第一电极、第二电极和参考电极中的每一者与收发器电路电耦合。在所说明的实施方案中，方法1200包含用于在第一时间段期间响应于来自收发器电路的信号借助于第一电极发射第一超声信号的步骤1210。
所述方法可继续在步骤1220处，在第二时间段期间借助于第二电极接收第二超声信号。有利地，第一时间段和第二时间段至少部分地重叠。在一些实施方案中，pmut可经配置以同时地借助于第一电极发射第一超声信号并借助于第二电极接收第二超声信号。
图13a到13d说明根据一些实施方案的具有圆形膜片和各种电极配置的三端口pmut的平面视图。图13a中的三端口pmut1300a具有定位于pmut膜片的内部区中的发射电极1313(tx)和接收电极1314(rx)。发射电极1313和接收电极1314两者均位于拐点区内部，因此两者在膜片振动时经历同号的弯曲应力(拉伸或压缩)，以发起超声波或接收超声波。下部参考电极1312展示为与上部发射电极1313和接收电极1314一起通过连接性电迹线和触点连接到收发器电路。pmut膜片在腔1320上方延伸。三端口pmut1300a展示在pmut膜片的内部区中(拐点区内部)的对称的发射电极和接收电极，而图13b中的三端口pmut1300b展示拐点区内部的不对称的发射电极和接收电极，其中具有较大发射电极和较小接收电极。较小接收电极可用于允许较大区域用于较大发射电极(例如，用于同一大小膜片和致动电压的较大声学发射功率)，同时仍然保持接收侧上的适当接收信号电平。
图13c中的三端口pmut1300c具有定位于pmut膜片的外部区中的对称的发射电极1313(tx)和接收电极1314(rx)，其中发射电极和接收电极定位于拐点区外部且因此在膜片振动时经历同号的弯曲应力(压缩或拉伸)。已预期到pmut膜片的外部部分中的不对称的发射电极和接收电极布置。图13d中的三端口pmut1300d展示膜片的外部区中的发射电极1313b(tx-)和接收电极1314(rx-)的不对称布置，以及定位于膜片的内部区中的额外发射电极1313a(tx+)。双发射电极(其中一个在pmut膜片的内部区中且一个在pmut膜片的外部区中)允许在以差分方式驱动时产生较大声功率，如下文更详细地描述。一般来说，发射电极和接收电极的对称或不对称布置可应用于在拐点区内部或外部的发射电极和/或接收电极。
图14a到14d说明根据一些实施方案的具有圆形膜片和中心释放孔1428的三端口pmut的平面视图，所述圆形膜片具有各种电极配置。中心释放孔1428可穿过pmut膜片形成以允许移除牺牲材料(未示出)从而形成腔1420，并且使pmut膜片悬置于腔区上方。三端口pmut1400a具有对称的发射电极1413(tx+)与接收电极1414(rx+)以及参考电极1412，其中发射电极和接收电极两者定位于膜片的内部部分中，在拐点区内部。三端口pmut1400b具有位于拐点区的同一侧上的不对称的发射电极1413(tx+)与接收电极1414(rx+)。三端口pmut1400c展示定位于pmut膜片的外部区域中在拐点区外部的对称的发射电极1413(tx-)与接收电极1414(rx-)。三端口pmut1400d展示具有推挽式发射电极1413a(tx+)和1413b(tx-)以及单个接收电极1414(rx-)的布置。发射电极1413a在拐点区内部，而发射电极1413b和接收电极1414在拐点区外部。具有发射电极和接收电极的对称或不对称布置的三端口pmut可应用于在拐点区内部或外部的一或多个发射电极和/或接收电极，所述三端口pmut具有或不具有中心释放孔，具有圆形、方形、矩形或长矩形膜片。
图15说明根据一些实施方案的用于操作具有至少一个专用接收电极的pmut传感器的方法1500的框图。如框1510中所展示，可将差分推挽式发射电压信号应用于定位于拐点区的对置侧上的pmut发射电极。如框1520中所展示，pmut膜片的振动可发起一或多个超声波。如框1530中所展示，可由一或多个专用pmut接收电极检测从远处或附近的对象反射的超声波。如框1540中所展示，可处理所接收的信号(例如)以在用作生物识别传感器(例如超声指纹传感器)时，产生超声图像、检测手势、确定触笔尖端的位置或验证用户。
图16说明根据一些实施方案的具有至少一个专用接收电极的三端口pmut的收发器电路1610和各种配置的示意图。收发器电路1610可包含用于产生超声波以及用于接收超声信号的控制单元1620。可使用发射器驱动电路1622放大、缓冲或以其它方式调节来自控制单元1620的信号，以提供可在适当时应用于三端口pmut的正发射电极(tx+)和负发射电极(tx-)的推挽式发射信号。pmut的参考电极可经由可从控制单元1620接收参考电平信号的参考电平驱动电路1628连接到参考电压电平(例如地面)。可使用接收电路1632放大、缓冲或以其它方式调节来自pmut上的一或多个接收电极的接收信号，且在由信号处理单元1630处理之前经由模/数(a/d)转换器1634将所述接收信号转换成数字信号。经处理信号可提供于一或多个数字输出线1640上以供例如使用移动装置的应用程序处理器进行进一步处理。细节p展示具有中心发射电极(tx+)和外部接收电极(rx-)以及可连接到收发器电路1610的参考电极(ref)的三端口pmut的横截面图。细节q展示具有推挽式发射电极(tx+和tx-)和单个专用接收电极(rx-)的三端口pmut。细节r展示具有单个发射电极(tx+)和一对差分接收电极(rx+和rx-)的三端口pmut的横截面图。差分接收电极可定位于拐点区的对置侧上，以增加可获得的输出信号的电平并且消除一些共模效应，例如两个接收电极所共同的温度变化或噪声信号。细节s展示具有差分对发射电极(tx+和tx-)和差分对接收电极(rx+和rx-)的三端口pmut的横截面图。
图17说明根据一些实施方案的具有至少一个专用接收电极的三端口pmut的随时间而变的推挽式发射信号1720、1722和说明性接收信号1730的曲线图。当在发射模式中操作时，一对差分发射信号1720和1722可应用于经适合地配置的三端口pmut上的差分对发射电极。反射的信号可在发起超声波之后不久发生，且可在接收模式期间检测到接收信号包络1732内的说明性接收信号1730并对其进行处理。在一些实施方案中，波峰检测器(未示出)可用以在发起超声波之后以预定获取时间延迟(例如，距离-门延迟或rgd)获取超声信号。波峰检测器可通过使用相对较窄获取时间窗(例如，范围-门窗或rgw)在相对较短时间段(例如，小于超声波的周期)内获取信号。可视需要针对pmut重复此过程。举例来说，可针对图像的每一帧，通过发起来自在发射模式中操作的pmut阵列的一或多个平面波，接着使用在接收模式中操作的pmut阵列俘获反射的超声信号来获取指纹图像。
图18说明根据一些实施方案的用于操作具有至少一个可切换发射/接收电极的pmut传感器的方法1800的框图。如框1810中所展示，可将差分推挽式发射电压信号应用于pmut发射电极。如框1820中所展示，pmut膜片的振动可发起一或多个超声波。如框1830中所展示，可在继续借助于至少一个发射电极发起超声波的同时，将一或多个发射/接收电极从发射模式切换到接收模式。如框1840中所展示，可通过经转换的pmut发射/接收电极来检测来自对象的经反射的超声波。如框1850中所展示，可处理所接收的信号。
图19说明根据一些实施方案的具有至少一个可切换发射/接收电极的三端口pmut的收发器电路1910和各种配置的示意图。收发器电路1910可包含用于产生超声波以及用于接收超声信号的控制单元1920。可使用发射器驱动电路1922放大、缓冲或以其它方式调节来自控制单元1920的信号，以提供可在适当时应用于三端口pmut的正发射电极(tx+)和负发射电极(tx-)的推挽式发射信号。替代地，可使用具有三态缓冲器1926或其它适合切换电路的发射器驱动电路1924放大、缓冲或以其它方式调节来自控制单元1920的信号，以在发射模式期间提供推挽式发射信号到一或多个发射/接收电极，以及在切换到接收模式时允许一或多个发射/接收电极充当接收电极。pmut的参考电极可经由参考电平驱动电路1928连接到参考电压电平(例如地面)。可使用接收电路1932放大、缓冲或以其它方式调节接收信号，并在由信号处理单元1930处理之前经由模/数转换器(a/d)1934将所述接收信号转换成数字信号。经处理信号可提供于一或多个数字输出线1940上以供(例如)使用移动装置的应用程序处理器进行进一步处理。细节t展示具有中心发射电极(tx+)和可切换外部发射/接收电极(tx-/rx-)以及可连接到收发器电路1910的参考电极(ref)的三端口pmut的横截面图。应注意，内部电极、外部电极中的任一者或两者可从发射模式切换到接收模式。细节u展示具有差分对发射电极(tx+和tx-)和差分对接收电极(rx+和rx-)的三端口pmut的横截面图，其中所述发射电极或接收电极中的一或多者可在发射模式与接收模式之间切换。
图20说明根据一些实施方案的具有至少一个可切换发射/接收电极的三端口pmut的随时间而变的推挽式发射信号2020、2022和说明性接收信号2030的曲线图。当在发射模式中操作时，一对差分发射信号2020和2022可应用于经适合地配置的三端口pmut上的差分对发射电极。反射的信号可在发起超声波之后不久发生，且可在接收模式期间检测到接收信号包络2032内的说明性接收信号2030并对其进行处理。可视需要针对每一pmut、pmut阵列或pmut阵列的部分重复此过程。三端口pmut可经配置有一或多个专用或切换的发射/接收电极，其具有发射电极和接收电极在拐点区内部或外部的对称或不对称布置，具有或不具有中心释放孔，具有圆形、方形、矩形或长矩形膜片，使用多种锚定结构。
因此，已揭示具有接地(参考)电极且经配置以同时地借助于第一电极发射第一超声信号并借助于第二电极接收第二超声信号的三端口pmut。应了解，可预期到多个替代性配置和制造技术。举例来说，关于图4b、8、9、10、11a到11c、13a到13d、14a到14d和本发明中其它处描述的电极布置可与在压电层堆叠下方具有机械层(也就是说，在压电层堆叠与腔之间具有机械层(例如，图4a))的pmut配置或在压电层堆叠上方具有机械层(也就是说，在机械层与腔之间具有压电层堆叠(例如，图7))的pmut配置一起使用。在一些实施方案中，压电层堆叠可形成于锚定结构上方。所述压电层堆叠可包含压电层，例如氮化铝(aln)、氧化锌(zno)、锆钛酸铅(pzt)或其它适合压电材料，其中一或多个电极层电耦合到所述压电层。所述压电层堆叠可经图案化和蚀刻以形成通孔、释放孔和其它特征。机械层可包含sio2、sion、氮化硅(sin)、其它介电材料，或介电材料或层的组合。在一些实施方案中，单个aln或pzt层可用作用于耦合到发射电极和接收电极两者的压电层。在一些实施方案中，aln层可与发射电极一起使用，且pzt层可与同一膜片中的接收电极一起使用。在一些实施方案中，pzt层可与发射电极一起使用，且aln层可与同一膜片中的接收电极一起使用。在一些实施方案中，pzt的压电层与aln的压电层可基本上共平面，也就是说，形成于多层pmut膜片的同一表面上或下方。在一些实施方案中，具有相同或不同压电材料的压电层的双层堆叠可用以形成上文所描述的三端口pmut。举例来说，pzt的第一层可与一或多个发射电极一起使用，且aln的第二层可与一或多个接收电极一起使用。发射压电层和接收压电层在堆叠配置中可为一个置于另一个上方；在其它实施方案中，发射压电层和接收压电层可在同一膜片上或中彼此相邻。参考电极可为一或多个相关联发射或接收电极所共同的。一或多个机械层和/或电极层可定位于各种压电层上方、下方或之间。
如本文中所使用，提到项目列表“中的至少一者”的短语是指那些项目的任何组合，包含单个成员。作为实例，“a、b或c中的至少一者”意在涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
结合本文中揭示的实施方案所描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、电路和算法过程可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。硬件与软件的互换性已大体在功能性方面加以描述，且在上文所描述的各种说明性组件、块、模块、电路和过程中加以说明。此类功能性是以硬件来实施还是以软件来实施取决于特定应用以及强加于整个系统的设计约束。
结合本文中所揭示的方面描述的用以实现各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件和数据处理设备可通过以下各者来实现或执行：通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑装置、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件，或经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合。通用处理器可为微处理器或任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，dsp与微处理器的组合、多个微处理器、一或多个微处理器结合dsp核心，或任何其它此类配置。在一些实施方案中，特定过程和方法可由特定针对给定功能的电路执行。
在一或多个方面中，可以硬件、数字电子电路、计算机软件、固件(包含本说明书中所揭示的结构和其结构等效物)或以其任何组合来实施所描述功能。本说明书中所描述的标的物的实施方案还可实施为在计算机存储媒体上编码以用于供数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作的一或多个计算机程序，即，计算机程序指令的一或多个模块。
如果实施于软体中，则所述功能可作为一或多个指令或代码存储于计算机可读媒体(例如，非暂时性媒体)上或经由所述计算机可读媒体(例如，非暂时性媒体)发射。本文中所揭示的方法或算法的过程可以在可以驻存于计算机可读媒体上的处理器可执行软件模块中实现。计算机可读媒体包含计算机存储媒体和通信媒体两者，通信媒体包含可经启用以将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可以是可通过计算机存取的任何可供使用的媒体。以实例说明而非限制，非暂时性媒体可包含ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于以指令或数据结构形式存储所期望的程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且，可将任何连接适当地称为计算机可读媒体。如本文中所用，磁盘和光盘包含压缩光盘(cd)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(dvd)、软性磁盘以及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘用激光以光学方式再现数据。以上各项的组合也应包含在计算机可读媒体的范围内。另外，方法或算法的操作可作为代码及指令中的任一者或任何组合或集合驻留于可并入到计算机程序产品中的机器可读媒体及计算机可读媒体上。
对于所属领域的技术人员来说，本发明中所描述的实施方案的各种修改可以是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中所定义的一般原理可适用于其它实施方案。因此，权力要求书并不意图限于本文中所展示的实施方案，而应符合与本发明、本文中所揭示的原理和新颖特征相一致的最广泛范围。另外，如所属领域的技术人员将容易地理解，术语“上部”和“下部”、“顶部”和“底部”、“前部”和“后部”、以及“上方”、“上覆的”、“上”、“下方”和“下面的”有时用于易于描述图和指示对应于正确地定向的页上的图的定向的相对位置，且可能并不反映所实施的装置的正确定向。
在本说明书中在单独实施方案的上下文中描述的某些特征也可在单个实施方案中组合地实施。相反地，在单个实施方案的上下文中描述的各种特征还可分别在多个实施方案中实施或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管上文可将特征描述为以某些组合起作用或甚至最初如此主张，但在一些情况下，可将来自所主张的组合的一或多个特征从组合中删除，并且所主张的组合可针对子组合或子组合的变化。
类似地，虽然在图式中按特定次序描绘操作，但此情形不应被理解为要求按所展示的特定次序或按顺序次序执行此类操作，或执行所有所说明的操作，以实现所要结果。另外，图式可以流程图形式示意性地描绘一个以上实例过程。然而，可将未描绘的其它操作并入于经示意性说明的实例过程中。举例来说，可在所说明的操作中的任一者之前、之后、同时地或之间执行一或多个另外操作。在某些情况下，多重任务处理和并行处理可为有利的。此外，上文所描述的实施方案中的各种系统组件的分开不应被理解为在所有实施方案中要求此分开，且应理解，所描述的程序组件和系统一般可一起集成在单个软件产品中或包装到多个软件产品中。另外，其它实施方案是在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，权利要求书中所叙述的动作可以不同次序来执行且仍实现合乎需要的结果。
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