用于可转移微机加工压电换能器阵列的方法，设备和系统的制作方法
【专利摘要】用来为微机加工压电换能器阵列提供机械支撑的技术和机构。在实施例中，换能器阵列包括换能器元件，每一个换能器元件包括各自的膜部分和布置在那个膜部分的外周上或周围的各自的支撑结构。该换能器元件最初形成在牺牲晶片上，其中该换能器元件的支撑结构促进牺牲晶片的后续移除和/或换能器元件的后续传送。在另一实施例中，聚合物层被布置在换能器元件上以在这种后续传送期间提供柔性支撑。
【专利说明】
用于可转移微机加工压电换能器阵列的方法，设备和系统
[0001 ] 背景1.
技术领域
[0002]本发明的实施例一般涉及微机加工换能器阵列，并且更特别地但不排他地涉及用于这种阵列的晶片级制造的技术。
2.
【背景技术】
[0003 ]压电换能器包括压电元件，该压电元件能够将电能转化为机械能(例如，动能，声能或超声能)，并且反之亦然。因此，压电换能器可以用作机械能的发送器和冲击机械能的传感器。压电元件可以用作致动器，喷墨膜，超声换能器，传感器(例如，加速计，陀螺仪，压力传感器等等)或其它装置以便能量获取，混合，栗送或任何各种其它应用。
[0004]换能器装置可以很方便地使用各种微机加工技术(例如，材料沉积，光刻图案化，通过蚀刻的特征形成，等等)被廉价地制造到非常高的尺寸公差。例如，这种装置包括微机加工换能器阵列，诸如电容换能器和/或压电换能器的阵列。典型地，换能器阵列的压电结构被构造在半导体晶片上，该半导体晶片随后被切割成裸片，该裸片多样地并入到相应的装置中。
【附图说明】
[0005]本发明的各种实施例通过例子的方式并且不通过限制的方式在附图的图中被示出，并且其中:
[0006]图1示出根据实施例的用来提供要被包括在一个或更多个装置中的换能器的过程。
[0007]图2A到2L是剖视图，该剖视图各示出根据实施例的用来制造换能器阵列的过程的相应阶段的元件。
[0008]图3是流程图，该流程图示出根据实施例的用来制造换能器阵列的方法的要素。
[0009]图4A和4B示出根据对应实施例的各包括一个或更多个换能器的相应装置的元件。
【具体实施方式】
[0010]在这里讨论的实施例多样地包括用来为换能器阵列提供机械支撑的技术和/或机构。例如，根据实施例的换能器阵列包括一个或更多个换能器元件，每一个换能器元件包括各自的膜部分和各自的支撑结构，该支撑结构布置在那个膜部分的外周上或周围。一个或更多个换能器元件的一些或全部可以最初形成在牺牲晶片上，例如，其中支撑结构助于牺牲晶片的后续移除和/或一个或更多个换能器元件的后续传送。替代地或另外地，聚合物层可以被布置在该一个或更多个换能器元件上以在这种后续传送期间提供柔性支撑。
[0011]这种支撑结构可以多样地促进可转移的且/或可顺从的换能器阵列作为裸片级模块粘结或其它方法组装到任何很多种类型的材料和结构中或上，例如，使用拾取和放置技术。从牺牲晶片(或从这种晶片切割的裸片)到各种类型的裸片、晶片、基片或其它这种结构的任何的换能器阵列的可转移性可以提供任何各种益处。这种益处的一些例子包括减小的生产成本，改善的过程灵活性，混合的微/宏制造过程的可用性，可用材料选择的较宽范围，改善的预组装裸片级测试能力，和较高规模集成的机会。
[0012]图1示出根据实施例的用来提供从晶片转移的换能器元件的加工100的要素。在加工100期间，晶片110(例如包括块状硅)可以被提供用于半导体制造过程以在其上形成换能器结构。这种过程可以包括在晶片110上形成凸出微块和/或凹入微块结构(未示出)。替代地或另外地，这种过程可以包括但不限于光刻、蚀刻、溅射、电镀和/或各种其它添加和/或减去任何过程以在这种微块结构上多样地形成换能器部件。
[0013]通过例示且非限制的方式，形成在晶片110上的换能器元件120可以包括凹入的、凸出的和/或平面的膜结构，例如，其中换能器元件120的其它结构将为这种膜结构提供柔性支撑。这种支撑可以至少部分地设置有例如环式支撑元件，该环式支撑元件各被布置在相应的膜结构的外周上或周围。替代地或另外地，这种支撑可以至少部分地设置有聚合物层，该聚合物层形成在这种环式支撑元件和/或一个或更多个膜结构上。
[0014]根据各种实施例的为换能器元件120提供的柔性支撑可以允许换能器元件120从它们最初形成在其上的晶片110上移除。例如，传送晶片(handling wafer) 130可以粘附或其他方式结合到换能器元件120的后侧。在这种情况下，后侧指的是与包括换能器元件120的膜结构的一侧相对的一侧。传送晶片(handling wafer) 130可以在将换能器元件120从晶片110分离或其他方式移除的加工期间提供换能器元件120的暂时机械支撑。晶片110的这种移除可以暴露换能器元件120的膜结构的一些或全部(如由例示性膜140代表的)。
[0015]在移除晶片110之后，换能器元件120可以是对加工可用的以将一些或全部这种换能器元件选择性地转移到很多种装置的任何装置。通过例示且非限制的方式，包括传送晶片(handling wafer) 130和换能器元件120的该组件可以被切割成多个裸片150。一些或全部这种裸片150的换能器元件然后可以被多样地包含，例如，根据从常规拾取和放置加工改变的技术，各被包含到相应的装置(或装置部件)中。例如，裸片150的一个或更多个换能器元件可以被粘结到打印机160的打印头上，或与该打印头成整体，或者另外被包括在该打印头中。替代地或另外地，一个或更多个这种换能器元件可以被类似地包含到探头162(诸如用于任何不同医疗应用的那些探头)中或到柔性片材164(该柔性片材将用作任何不同柔性MEM装置)上。
[0016]根据各种实施例提供的柔性支撑允许大量微机加工压电换能器的一些或全部各多样地粘结到相应的结构上，该相应的结构例如还没有通过半导体制造加工而形成。例如，裸片150的换能器元件可以直接粘附到已经通过塑料挤出，塑料注射成型和/或类似技术形成的打印头的本体或其它这种结构。这些结构可以是与形成半导体结构不相容的过程的结果，例如，其中这种过程与半导体加工相比相对廉价、危险且/或容易污染。根据各种实施例提供的柔性支撑也允许微机加工压电换能器阵列符合它们粘结到其上的装置(或装置部件)的弯曲的且/或柔性的表面。
[0017]图2A-2L示出根据实施例用来制造换能器阵列的过程的各种阶段的剖视图。例如，图2A-2L中描绘的加工可以形成换能器阵列106、126、136的一个或更多个。图2A-2L中多样地描绘的操作和它们的相对于彼此的顺序仅仅是说明性的，并且一些或全部这种操作可以根据不同的实施例被多样地重新排序，去除且/或与其它加工步骤组合。
[0018]图2A示出制造的阶段200a，在该阶段期间，晶片202被制备用于后续加工以在晶片202中或上形成相应换能器元件的各种结构。在实施例中，晶片202将用作牺牲(或“供体”)晶片，该牺牲晶片最终将与形成在其上的换能器元件结构分离。虽然某些实施例在这一点上不受限制，但晶片202可以包括该技术领域中适用于微电子/微机加工处理的任何已知的各种基片材料。通过例示且非限制的方式，晶片202可以包括诸如硅的块状晶体半导体，和/或各种类型的半导体晶片的材料。在另一实施例中，晶片202包括与这里讨论的加工相容的玻璃或其它这种材料。
[0019]在这里讨论某些实施例，该某些实施例关于微圆顶类型换能器元件的制造，该微圆顶类型换能器元件各包括凸出的压电结构。然而，这种讨论可以被扩展以另外地或替代地适用于各种任何其它类型的换能器元件(例如，包括替代地包括凹入的(或者甚至平的)压电结构的换能器元件)。例如，在阶段200a的加工可以为晶片202上的一个或更多个微块结构的形成做准备。在例示性实施例中，光刻掩模204可以布置在晶片202的表面上，其中由掩模204形成的图案选择性地允许晶片202的部分暴露到蚀刻加工。
[0020]现在参考图2B的阶段200b，在这种蚀刻之后剩下的晶片202的材料可以形成为在晶片202的表面上方延伸的微块(例如，包括例示性块结构206a、206b)。这种微块的形成可以包括将块回流加工应用于晶片202的其它先前被掩蔽的部分。替代地或另外地，凹入的压痕可以形成在晶片202中，例如，而不是凸出的块结构206a、206b。这种压痕可以用来建立换能器元件的凹入形状的活动结构。
[0021]后续减去的和/或添加的半导体加工技术(例如，包括材料沉积、光刻图案化、通过蚀刻的特征形成等等的一种或更多种)可以根据各种实施例被改变以在块结构206a、206b上多样地形成压电元件。通过例示且非限制的方式，现在参考图2C的阶段200c，剖视图示出可以用于形成阵列的两个相邻的微机加工压电换能器元件的结构。在实施例中，电介质材料的任选的层210可以被布置在形成块结构206a、206b的晶片202的表面上。层210可以包括能够促进后续蚀刻加工的任何不同地电介质材料以便晶片202从形成在其上的换能器元件结构的分离或其它移除。通过例示且非限制的方式，层210可以包括Si02、SiNx或适合于用作蚀刻停止层的任何不同地其它材料的以提供形成在晶片202上的结构的释放。层210可以通过等离子体增强的化学蒸汽沉积(PECVD)过程而形成，虽然某些实施例在这一点上不受限制。
[0022]如阶段200c中另外描绘的，用于相应的换能器元件的底部电极212a、212b可以布置在层210上。压电膜216a和216b可以布置成分别与底部电极212a、212b的顶表面直接接触。底部电极212a、212b可以各包括导电材料的薄膜层(例如，通过物理蒸汽沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、化学蒸汽沉积(CVD)等等被沉积)，该导电材料与压电膜材料相容(例如，热稳定的，具有良好的粘附性，低的应力)，诸如但不限于Au、Pt、N1、Ir、Sn等等的一种或更多种，其合金(例如，AuSn、IrTiW、AuTiW、AuNi等等)，其氧化物(例如，Ir02、Ni02、Pt02、氧化铟锡(ITO)等等)，或两种或更多种这种材料的复合堆叠。在例示性实施例中，压电膜216a和216b包括锆钛酸铅(PZT)，虽然也可以使用适于常规微机加工的该技术领域中已知的任何压电材料，诸如但不限于聚偏氟乙稀(PVDF)聚合物粒子，BaT13,单晶PMN-PT，和氮化铝(AlN)0
[0023]薄膜电介质层218(例如，Si02、Si3Nx)还可以布置在压电膜216a、216b的部分上，并且在一实施例中在膜216a、216b之间的区域中布置在晶片202上。电介质层218可以通过PECVD而形成，虽然某些实施例在这一点上不受限制。如示出的，顶部电极金属化220可以被布置成与压电膜216a和216b的顶表面直接接触。顶部电极金属化220可以用于将换能器元件(或多个元件)的一个或更多个终端连接到共同的参考平面电势(例如，接地)平面。在实施例中，电介质层218使底部电极212a、2121b与相应的顶部电极金属化220绝缘。
[0024]在实施例中，互连214a、214b可以分别电连接到底部电极212a、2121b。互连214a、214b可以各包括能够提供低的电阻且适于图案化的任何常规成分的导电材料(诸如但不限于Au、Al、W或Cu)的薄膜层(例如，通过PVD、ALD、CVD等等被沉积)。顶部电极金属化220可以用作参考(接地)平面以屏蔽一个或更多个换能器元件使其在操作期间免受周围环境中的电磁和表面电荷干涉。在这种实施例中，底部电极212a、2121b和互连214a、214b可以用作驱动/感测信号终端。
[0025]现在参考图2D，示出阶段200d，其中一个或更多个支撑结构(例如，包括例示性支撑结构224a、224b)各形成在相应的换能器元件的结构上或周围。通过例示且非限制的方式，电镀加工可以用于构造支撑结构224a、224b的一个或两个，每一个支撑结构作为相应的加强支柱以为对应的压电膜提供机械强度。例如，铜电镀可以对结构224a、224b执行，每一个结构将具有3μπι到30μπι的范围的厚度。在一个实施例中，结构224a、224b各具有5μπι的厚度。
[0026]支撑结构224a、224b的特征现在参考支撑结构224a被考虑。在实施例中，支撑结构224a可以在换能器元件的膜部分的外周上或周围延伸。换能器元件的膜部分可以包括在换能器元件的操作期间内振动的结构(例如，包括压电元件的一部分和/或邻接电极的一部分)，例如，其中这种结构将跨越允许这种振动的腔。在实施例中，支撑结构224a包括一个或更多个内壁，该一个或更多个内壁至少部分地限定孔222a，该孔从膜部分的表面延伸并且至少部分地通过支撑结构224a。支撑结构224b可以类似地限定对应的孔222b。压电膜，电极和/或膜部分的其它结构的一些或全部可以被布置在孔222a中或在孔222a的开口。支撑结构224a、224b可以多样地提供刚性以保护这种结构，例如在后续操作期间用来从晶片202分离这种结构和/或将这种结构耦合到另一晶片、裸片、基片等等。在实施例中，支撑结构224a(或支撑结构224b)的一些部分具有环形的横截面轮廓或另外限定延伸通过那个部分的孔。一个这种环形类型支撑结构的例子在详细视图224c中被示出。
[0027]现在参考图2E，示出阶段200e，其中牺牲材料230a、230b分别被布置在孔222a、222b中以准备聚合物材料的后续施加。牺牲材料230a、230b可以通过诸如PECVD的沉积过程通过图案化掩模(未示出)被选择性地布置在相应的孔222a、222b中。在实施例中，牺牲材料230a、230b可以包括氧化物(例如S12)或适合于后续移除(例如，通过HF蒸汽蚀刻或其它这种蚀刻加工)的任何不同地其它材料。在替代实施例中，支撑结构224a至少部分地延伸跨越布置在其周围的膜结构，例如，其中支撑结构224a形成倒置的杯结构以便提高的强度。在这种实施例中，支撑结构224a可以形成在牺牲材料230a上，即，在形成牺牲材料230a之后。
[0028]现在参考图2F，示出阶段200f，其中聚合物层235被旋转涂覆或另外形成在阶段200e中示出的结构上。例如，聚合物层235可以具有大约10-50μπι的厚度。然而，这种厚度仅仅是一个实施例的例示，并且可以根据实施例特有的细节明显不同。在实施例中，聚合物层235包括聚酰胺和/或适合于用作电介质的另一聚合物材料，为通过图2A-2L的加工形成的大量一系列换能器阵列元件提供柔性支撑。这种柔性支撑可以促进这种阵列从晶片202的后续移除，例如，其中聚合物层235至少在传送期间将用作该阵列的基片以将这种阵列转移到交替的晶片、裸片或其它结构。例如，聚合物层235可以允许换能器元件之间的弯曲，而支撑结构224a、224b在这种弯曲期间为单个换能器元件提供刚性支撑。
[0029]现在参考图2G，示出阶段200g，其中一个或更多个通孔(例如，包括例示性通孔250a、250b、255)可以形成为通过聚合物层235到达位于下面的电极和/或换能器元件的互连结构。例如，通过以掩蔽蚀刻图案化聚合物层235并且通过执行后续电镀以在聚合物层235的表面和位于聚合物层235下面的相应电极之间多样地形成导电路径，可以形成该一个或更多个通孔。例如，通孔250a、250b可以分别耦合到互连214a、214b以提供驱动信号和/或感测信号的通信。替代地或另外地，通孔255可以耦合到顶部电极金属化220以提供参考(例如，接地)电势到一个或更多个换能器元件。根据不同的实施例，单层或多层电互连/布线可以被构造在聚合物层235的顶部上。
[0030]现在参考图2H，示出阶段200h，其中接近孔240a被蚀刻或另外形成为通过聚合物层235到达孔222a中的牺牲材料230a。替代地或另外地，接近孔240b可以类似地形成以提供到孔222b中的牺牲材料230b的入口。接近孔240a、240b可以为HF蒸汽蚀刻(或其它蚀刻加工)做准备以接近牺牲材料230a、230b且从相应的孔222a、222b移除牺牲材料230a、230b。如图21的阶段200i中示出的，牺牲材料230a、230b的这种移除可以导致孔222a、222b中的相应的腔245a、245b的形成。随后，接近孔240a、240b可以至少部分地被封闭，例如，通过另外的聚合物材料，虽然某些实施例在这一点上不受限制。
[0031]一些实施例还包括制备阶段200i中示出的结构以便从晶片202的后续分离。通过例示且非限制的方式，图2J示出阶段200j，其中传送层265被粘附或其他方式暂时连接到这种结构，例如，通过粘合剂层260。在实施例中，粘合剂层260包括SU-8、P1、HD-3007或适合于形成粘结的其它这种粘合剂材料，该粘结可容易地从形成在其中/其上的聚合物层235和/或结构移除。
[0032]如图2K的阶段200k中示出的，换能器元件的相应结构然后可以通过蚀刻(例如，包括HF蒸汽蚀刻)，研磨和/或其它减去加工从晶片202被释放。在阶段200k的晶片202的移除可以暴露位于下面的表面，该位于下面的表面包括例如换能器膜结构的相应的弯曲表面部分275a、275b。
[0033]虽然某些实施例在这一点上不受限制，但阶段200k还可以包括将作为结果的组件270(例如，包括传送晶片(handling wafer)265，粘合剂层260，聚合物层235和其它换能器阵列结构)粘结到一些其它晶片，裸片，基片或其它结构，如由例示性支撑结构280代表的。在实施例中，组件270是通过切割形成在晶片202上的结构而形成的裸片，例如，其中这种切割在晶片202的材料从形成在其上的换能器结构分离之前或之后被执行。例如，形成在晶片202上的结构可以在与一个或更多个交替结构粘结之前被切成裸片级模块，该裸片级模块多样地包括单个换能器元件，单排换能器元件，2D阵列的换能器元件和/或类似物。
[0034]如图2L的阶段2001中示出的，支撑结构280(例如，晶片，裸片，注射成型塑料结构等等)可以通过粘结层282(例如，包括永久粘合剂材料)粘结到通过移除晶片202被暴露的组件270的那个表面。粘结层282可以在组件270和支撑结构280之间形成例如共熔粘结，虽然根据不同的实施例可以形成多种粘合剂或其它任何类型的粘结。支撑结构280可以包括凹部，该凹部与弯曲的表面部分275a、275b对准以与组件270形成腔284a、284b。结果，换能器元件286a、286b的相应的膜可以被允许振动以便多样地提供驱动/感测功能。在实施例中，组件270作为裸片级模块被拾取且放置在更换结构上，该更换结构例如可以是另一MEMS晶片。作为结果的结构还可以被后加工，例如，包括附接ASIC 290(如果需要的话)。
[0035]阶段2001代表根据实施例的一个例示性例子，其中支撑结构280是打印头(例如，用于喷墨打印机)的本体。然而，根据不同的实施例，支撑结构280替代地可以是由塑料，金属，半导体，织物，玻璃和/或其它材料形成的多种任何其它结构。此外，虽然换能器元件286a、286b被示出为粘结到支撑结构280的平的表面，但某些实施例在这一点上不受限制。
[0036]在示出的实施例中，支撑结构280包括或耦合到一个或更多个墨储存器(例如，包括例示性储存器288a、288b)以便提供要分别通过换能器元件286a、286b被分配的墨。例如，支撑结构280可以形成储存器288a和腔284a之间的通道，和储存器288b和腔284b之间的另一通道。在这种实施例中，可以提供发信号(例如，通过使用通孔250a、250b、255的一些或全部的ASIC 290)以便换能器元件286a、286b的相应的膜结构的操作以将墨多样地吸过这种通道且/或从腔284a、284b通过相应的喷嘴292a、292b多样地输出这种墨。
[0037]图3示出根据实施例的制造微机加工换能器阵列的方法300的要素。方法300可以包括图2A-2L中描绘的制造过程的特征的一些或全部。在实施例中，方法300的执行产生一个或更多个阵列，诸如换能器阵列106、126、136的一些或全部。
[0038]方法300可以包括在牺牲晶片上形成多个换能器元件的操作。在310，对于该多个换能器元件的每一个换能器元件，这种操作可以包括形成换能器元件的压电元件，参考电极和信号电极。通过例示且非限制的方式，信号电极(也称为驱动/感测电极)可以包括底部电极212a、2121b的一个。替代地或另外地，参考电极可以包括在压电膜216a和216b的一个上延伸的顶部电极金属化220的一部分。根据不同的实施例，另外的或替代的任何不同地电极结构可以在310形成。
[0039]在310形成的压电元件可以布置在对应换能器元件的参考电极和信号电极之间，其中该换能器元件的膜部分包括压电元件的至少一部分。如这里使用的，“膜部分”指的是将跨越一个或更多个腔的换能器元件的一部分，该一个或更多个腔允许那个膜部分的振动。例如，换能器元件286a的膜部分可以包括跨越腔245a和/或腔284a(并且在实施例中将紧接着腔245a和/或腔284a振动)的底部电极212a，压电膜216a和/或顶部电极金属化220的相应的部分。
[0040]多个换能器元件的形成还可以包括，在320，对于该多个换能器元件的每一个，在换能器元件的膜部分上或周围形成支撑结构。该支撑结构可以限定孔，该孔从换能器元件的膜部分延伸至少部分地通过该支撑结构。例如，第一换能器元件可以包括第一支撑结构，该第一支撑结构的至少一部分具有环形的横截面轮廓。
[0041]虽然某些实施例在这一点上不受限制，但方法300可以包括另外的加工以形成多个换能器元件且/或准备该多个换能器元件以便随后从牺牲晶片分离。通过例示且非限制的方式，在330，方法300还可以包括形成邻接该多个换能器元件的聚合物层。在实施例中，该聚合物层包括聚酰亚胺材料。某些实施例包括形成在这种聚合物层内延伸或延伸通过这种聚合物层的结构。例如，对于多个换能器元件的每一个，聚合物层可以被蚀刻以形成邻接换能器元件的膜部分的相应的腔(诸如腔245a、245b的一个)。替代地或另外地，可以执行电镀以形成通孔，每一个通孔从该多个换能器元件的相应的电极延伸通过聚合物层。
[0042]在340，方法300还可以包括将传送晶片(诸如传送晶片(handling wafer)265)粘附到聚合物层。在340的传送层的粘附之后，在350，牺牲晶片可以从该多个换能器元件被移除(诸如通过蚀刻，研磨，抛光和/或类似方法)。虽然某些实施例在这一点上不受限制，但另外的加工(未示出)可以包括将基片粘结到该多个换能器元件，例如，其中该基片被粘结到通过在350执行的移除被暴露的该多个换能器元件的表面。在实施例中，这种粘结包括将该基片的凹部各与该多个换能器元件的相应的膜部分对准。
[0043]图4A示出根据实施例的探头装置400的例子，该探头装置包括压电换能器元件的一个或更多个阵列，该一个或更多个阵列例如各包括至少单排换能器元件。例如，这种换能器阵列的一些或全部换能器可以沿探头装置的弯曲表面分布。
[0044]如图4A中示出的，探头装置400可以包括具有远端部414的主体部分410，其中弯曲的侧部沿主体部分410的长度形成。探头装置400的换能器元件的多个阵列412可以沿主体部分410的这种弯曲的侧部多样地延伸，并且在一实施例中，该多个阵列412朝着远离主体部分410不同径向方向。因此，阵列412的换能器膜结构可以各沿远离主体部分410表面的相应的方向多样地振动。阵列412的一些或全部可以根据技术被多样地制造成具有图2A-2L中示出的特征的一些或全部。
[0045]在实施例中，阵列412包括一个或更多个二维换能器阵列。每一个二维换能器阵列可以包括多个换能器元件，该多个换能器元件以弯曲的二维阵列被分布。被该二维阵列覆盖的区域可以为各种形状，例如，矩形，正方形，圆形，八边形，六边形，圆形等等。二维阵列中的振动元件可以分布在由直线或更复杂的图案组成的格子(例如，正方形格子或六边形格子)上。二维换能器阵列的振动表面可以基本上在平面内，虽然某些实施例在这一点上不受限制。
[0046]探头装置400的操作者可以操纵主体部分410以按需要改变该组换能器阵列412的振动表面的方向和定位。压电探头装置400可以任选地包括集成的ASIC晶片(未示出)，该集成的ASIC晶片在主体部分410内或替代地耦合到主体部分410。例如，连接到这种ASIC的外部输入连接的导线110可以从主体部分410的后端部伸出并且连接到外部设备(例如，控制装置和/或显示装置)。
[0047]在一些实施例中，阵列412的一些或全部换能器元件各包括膜结构和环式支撑结构(例如，具有支撑结构224a、224b的特征的一些或全部)，该环式支撑结构布置在膜结构的外周上或周围。该支撑结构可以至少部分地提供那个特别的换能器元件的柔性支撑。替代地或另外地，这种阵列可以包括一层聚合物材料(例如，包括聚合物层235的特征的一些或全部)以提供一些或全部这种柔性支撑。通过这种结构，例如在操作期间可以提供柔性支撑以便将换能器阵列从该换能器阵列最初形成在其上的晶片移除和/或以便粘结该换能器阵列以符合主体部分410的弯曲的侧部。
[0048]图4B示出根据实施例的包括粘结到柔性片材432的pMUT阵列434的柔性MEMS装置430的元件。例如，阵列434可以包括根据诸如图2A-2L中描绘的那些过程的过程制造的换能器阵列的特征的一些或全部。在实施例中，阵列434包括多个换能器元件(如由例示性的六个换能器元件代表的)。阵列434的换能器元件可以分布成数排和数列，如示出的3X2布置例示的。
[0049]柔性片材432可以由从常规的柔性MEMS技术改变的任何不同地塑性材料组成。柔性片材432粘结到其上的阵列434的侧部可以包括换能器膜结构的相应的表面。在实施例中，柔性片材432形成凹部(未示出)，该凹部各与相应的膜结构对准以允许该膜结构的振动。
[0050]柔性MEMS装置430还可以包括输入/输出(I/O)电路436以与阵列434交换信令(例如，通过信号线438)。1/0电路436可以提供一个或更多个接触件(例如，焊接点，球状物，针状物和/或类似物)以提供柔性MEMS装置430到将与阵列434协作的信号源和/或信号汇的耦合。例如，I/O电路436可以提供MEMS装置430到ASIC或其它装置(未示出)的耦合，该ASIC或其它装置将与阵列434交换驱动/感测信号。替代地或另外地，I/O电路436可以包括任何不同地无线电频率(RF)传输电路(例如，诸如从常规的RF-MEMS架构改变的无线电频率传输电路)以响应于阵列434的换能器膜的操作输出RF信号。在实施例中，这种操作可以是响应于MEMS装置430经受的状况(例如，包括振动，温度，弯曲，压力和/或类似物)。
[0051]用来提供换能器阵列的技术和架构在这里被描述。在上述描述中，为了说明，阐明许多具体细节以便提供某些实施例的彻底理解。然而，对本领域技术人员来说将显然的是，某些实施例可以被实施成没有这些具体细节。在其它情况中，结构和装置以方块图形式被示出以便避免模糊该描述。
[0052]在本说明书中提及“一个实施例”或“实施例”意指结合该实施例描述的特别的特征，结构，或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中在各处的短语“在一个实施例中”的出现不一定都指的是相同的实施例。
[0053]详细描述的一些部分在这里在对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示方面被给出。这些算法描述和表示是计算领域中的本领域技术人员用来将他们的工作的内容最有效地传达给其它本领域技术人员的手段。算法在这里并且通常被设想为导致希望的结果的自相一致的一系列步骤。该步骤是要求物理量的物理操作的那些步骤。通常(虽然不是必然地)，这些量呈现能够被存储，传递，组合，对比，和另外操作的电或磁信号的形式。已经证明有时方便的是(主要由于常见用法的原因)，将这些信号称为位，值，要素，符号，字符，项，数字等等。
[0054]然而，应当记住，所有这些和类似的术语将与适当的物理量关联并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非另外特别声明(如根据这里的讨论显然的)，应当理解，贯穿该描述，使用诸如“加工”或“求解”或“计算”或“显示”等等的术语的讨论指的是计算机系统或类似电子计算装置的行动和过程，该计算机系统或类似电子计算装置将计算机系统的寄存器和存储器内的表示为物理(电子)量的数据操作且转换为计算机系统存储器或寄存器或其它这种信息存储，传输或显示装置内的类似地表示为物理量的其它数据。
[0055]某些实施例也涉及用来执行这里的操作的设备。这个设备可以被特别地构造用于要求的目的，或者它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重构的通用计算机。这种计算机程序可以被存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质诸如但不限于包括软盘，光盘，CD-ROM和磁光盘的任何类型的磁盘，只读存储器(R0M)，诸如动态RAM(DRAM)，EPR0M，EEPR0M，磁或光卡的随机存取存储器(RAM)，或适合于存储电子指令并且耦合到计算机系统总线的任何类型的介质。
[0056]这里给出的算法和显示不固有地涉及任何特别的计算机或其它设备。各种通用系统可以结合根据这里的教导的程序使用，或者可以证明方便的是构造更专业的设备以执行要求的方法步骤。用于多种这些系统的要求的结构将从这里的描述出现。此外，某些实施例不参考任何特别的编程语言被描述。将理解，多种编程语言可以用于实现如这里描述的这种实施例的教导。
[0057]除了这里描述的内容，可以对公开的实施例和其实现作出各种修改而不偏离它们的范围。因此，这里的例示和例子应当以例示性的且非限制性的意义被解释。本发明的范围应当仅通过参考下面的权利要求被衡量。
【主权项】
1.一种装置，所述装置包括: 微机加工换能器阵列，所述微机加工换能器阵列包括: 多个换能器元件，每一个换能器元件包括: 参考电极； 信号电极； 压电元件，所述压电元件布置在所述参考电极和所述信号电极之间，其中所述换能器元件的膜部分包括所述压电元件的至少一部分;和 支撑结构，所述支撑结构布置在所述膜部分的外周上或周围，所述支撑结构形成孔，所述孔从所述膜部分延伸至少部分地通过所述支撑结构。2.权利要求1所述的装置，所述微机加工换能器阵列还包括邻接所述多个换能器元件的聚合物层。3.权利要求2所述的装置，其中所述聚合物层包括聚酰亚胺。4.权利要求2所述的装置，其中对于所述多个换能器元件的每一个，所述聚合物层至少部分地形成邻接所述换能器元件的膜部分的相应的腔。5.权利要求2所述的装置，还包括通孔，每一个通孔从所述多个换能器元件的相应的电极延伸通过所述聚合物层。6.权利要求1所述的装置，其中所述多个换能器元件包括第一换能器元件，所述第一换能器元件包括第一支撑结构，其中所述第一支撑结构的横截面轮廓是环形的。7.权利要求1所述的装置，还包括牺牲晶片，所述牺牲晶片耦合到所述多个换能器元件，其中所述牺牲晶片的表面被粘结在所述多个换能器元件的相应的膜部分。8.权利要求7所述的装置，所述微机加工换能器阵列还包括邻接所述多个换能器元件的聚合物层;所述装置还包括粘附到所述聚合物层的传送晶片。9.权利要求1所述的装置，所述微机加工换能器阵列还包括耦合到所述多个换能器元件的基片，所述基片包括凹部，每一个凹部与所述多个换能器元件的相应的膜部分对准。10.—种制造微机加工换能器阵列的方法，所述方法包括: 在牺牲晶片上形成多个换能器元件，该步骤包括:对于所述多个换能器元件的每一个换能器元件: 形成所述换能器元件的压电元件、参考电极和信号电极，其中所述压电元件布置在所述参考电极和所述信号电极之间，并且其中所述换能器元件的膜部分包括所述压电元件的至少一部分； 在所述膜部分的外周上或周围形成支撑结构，其中所述支撑结构限定孔，所述孔从所述换能器元件的膜部分延伸至少部分地通过所述支撑结构。11.权利要求10所述的方法，还包括形成邻接所述多个换能器元件的聚合物层。12.权利要求11所述的方法，其中所述聚合物层包括聚酰亚胺。13.权利要求11所述的方法，还包括蚀刻所述聚合物层，以对于所述多个换能器元件的每一个，形成邻接所述换能器元件的膜部分的相应的腔。14.权利要求11所述的方法，还包括执行电镀以形成通孔，每一个通孔从所述多个换能器元件的相应电极延伸通过所述聚合物层。15.权利要求10所述的方法，其中所述多个换能器元件包括第一换能器元件，所述第一换能器元件包括第一支撑结构，其中所述第一支撑结构的横截面轮廓是环形的。16.权利要求10所述的方法，还包括从所述多个换能器元件移除所述牺牲晶片。17.权利要求16所述的方法，还包括: 形成邻接所述多个换能器元件的聚合物层;和 将传送晶片粘附到所述聚合物层。18.权利要求17所述的方法，还包括将基片粘结到所述多个换能器元件，所述基片包括凹部，每一个凹部与所述多个换能器元件的相应的膜部分对准。19.一种用来产生和感测介质中的压力波的系统，所述系统包括: 权利要求1到6的任何权利要求所述的装置； 产生装置，所述产生装置耦合到所述微机加工换能器阵列以在至少一个驱动/感测电极上施加电驱动信号； 接收装置，所述接收装置耦合到所述微机加工换能器阵列以从至少一个驱动/感测电极接收电响应信号;和 信号处理装置，所述信号处理装置耦合到所述接收装置以处理从所述多个驱动/感测电极接收的电响应信号。20.权利要求19所述的系统，其中所述产生装置用以施加电驱动信号以使所述多个换能器元件的至少一个压电元件以超声频率共振。
【文档编号】B06B1/06GK105873689SQ201480072349
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年9月9日
【发明人】A·哈贾蒂, U·陈, D·T·艾迈, M·斯科菲尔德
【申请人】富士胶片戴麦提克斯公司