压电式微加工超声换能器(PMUT)的制作方法

本申请要求由ng等人于2016年5月4日提交的名称为“钉扎式(pinned)超声换能器”、代理人案号为ivs-681.pr的共同未决的美国专利临时专利申请62/331,919的优先权和权益，该申请被转让给本申请的受让人，其全部内容通过参考并入本文。

本申请还是ng等人于2016年7月8日提交的名称为“压电式微加工超声换能器(pmut)”、代理人案号为ivs-681的共同未决的美国专利申请no.15/205,743的继续申请并且要求其优先权，该申请被转让给本申请的受让人，其全部内容通过参考并入本文。

背景技术：

压电材料促进机械能与电能之间的转换。此外，压电材料可以在受到机械应力时产生电信号，并且可以在受到电压时振动。压电材料广泛用于压电式超声换能器中，以基于施加至压电式超声换能器的电极的致动电压而产生声波。

附图说明

结合在具体实施方式中并形成该具体实施方式的一部分的附图示出了本发明的各种实施例，并且与具体实施方式一起用于解释下面所论述的本发明的原理。除非明确指出，否则本附图说明中所涉及的附图不应当被理解为是按比例绘制的。在本文中，相同的部件用相同的附图标记标注。

图1是示出了根据一些实施例的具有中心钉扎膜的pmut装置的图。

图2是示出了根据一些实施例的在pmut装置致动期间的膜移动示例的图。

图3是根据一些实施例的图1所示pmut装置的俯视图。

图4是示出了根据一些实施例的图1至图3所示pmut装置的膜的最大竖向移位的模拟图。

图5是根据一些实施例的呈圆形形状的示例性pmut装置的俯视图。

图6是根据一些实施例的呈六边形形状的示例性pmut装置的俯视图。

图7示出了根据一些实施例的圆形pmut装置的示例性阵列。

图8示出了根据一些实施例的方形pmut装置的示例性阵列。

图9示出了根据一些实施例的六边形pmut装置的示例性阵列。

图10示出了根据一些实施例的pmut阵列中的一对示例性pmut装置，其中，每个pmut均具有不同的电极图案。

图11a、图11b、图11c和图11d示出了根据各种实施例的内部支承结构的替代性示例。

图12示出了根据一些实施例的在超声指纹感测系统中使用的pmut阵列。

图13示出了根据一些实施例的通过将用于限定pmut装置的cmos逻辑晶片与微机电(mems)晶片进行晶片键合而形成的集成指纹传感器。

具体实施方式

以下具体实施方式仅通过示例而非限制的方式提供。此外，无意受前面的背景技术中或以下的具体实施例中提出的任何明确的或暗指的理论的约束。

现在将详细参照本发明的各种实施例，其示例在附图中示出。虽然本文论述了各种实施例，但是应当理解的是，并不旨在限于这些实施例。相反，所呈现的实施例旨在覆盖替代方案、改型和等同方案，这些替代方案、改型和等同方案可以包括在如由所附权利要求限定的各种实施例的精神和范围内。此外，在该具体实施方式中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的各实施例的透彻理解。然而，也可以在没有这些具体细节的情况下实施各实施例。在其他情况下，并未详细地描述公知的方法、公知的过程、公知的部件以及公知的电路，以免不必要地模糊所描述的实施例的方面。

符号和术语

接下来详细描述的一些部分描述了对电气设备内数据操作的过程、逻辑块、处理和其他符号。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将他们工作的实质最有效地传达给本领域其他技术人员的手段。在本申请中，过程、逻辑块、处理等被设想为是促成期望结果的一个或更多个自洽过程或指令。过程是那些需要物理操纵物理量的过程。通常，尽管不是必须的，但是这些量采取能够由电子设备发送和接收的声学(例如，超声波)信号的形式和/或采取能够在电气设备中被存储、传送、组合、比较和以其他方式操纵的电或磁信号的形式。

然而，应该记住的是，所有这些和类似术语都与适当的物理量相关联，并且所有这些和类似术语仅仅是应用于这些量的方便标签。除非从以下论述中明确地另外说明，否则应当理解的是，在整个实施方式的描述中，利用诸如“发送”、“接收”、“感测”、“生成”、“成像”等术语的论述指电子设备比如电气设备的动作和过程。

可以在驻留在由一个或更多个计算机或其他设备执行的某种形式的非暂时性处理器可读介质比如程序模块上的处理器可执行指令的一般内容下讨论本文中所描述的实施例。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。在各种实施例中，可以根据需要组合或分发程序模块的功能。

在附图中，单个块可以被描述为执行一个或多个功能，然而，在实际实施中，由该块执行的一个功能或多个功能可以在单个部件中执行或跨多个部件执行，和/或可以使用硬件、使用软件、或者使用硬件和软件的组合来执行。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经在其功能方面一般性地描述了各种说明性的部件、块、模块、逻辑、电路和步骤。将此功能实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以不同的方式实现所描述的功能，但是这种实现决策不应被解释为导致脱离本公开的范围。此外，本文中所描述的示例性指纹感测系统和/或移动电子设备可以包括除了示出的那些部件之外的部件，包括公知的部件。

除非明确地描述为以特定方式实施，否则本文中所描述的各种技术可以用硬件、软件、固件或其任意组合来实现。描述为模块或部件的任何特征也可以在集成逻辑设备中一起实现，或者作为离散但可互操作的逻辑设备单独实现。如果以软件实施，则所述技术可以至少部分地由包含指令的非暂时性处理器可读存储介质来实现，所述指令在被执行时执行本文中所描述的方法中的一种或更多种方法。非暂时性处理器可读数据存储介质可以形成计算机程序产品的一部分，该计算机程序产品可以包括封装材料。

非暂时性处理器可读存储介质可以包括：随机存取存储器(ram)比如同步动态随机存取存储器(sdram)、只读存储器(rom)、非易失性随机存取存储器(nvram)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪存，其他已知的存储介质等。附加地或替代性地，所述技术可以至少部分地由处理器可读通信介质来实现，该处理器可读通信介质以指令或数据结构的形式承载或传送代码并且可以由计算机或其他处理器访问、读取和/或执行。

本文中所描述的各种实施例可以由一个或更多个处理器执行，所述一个或更多个处理器比如为一个或更多个运动处理单元(mpu)、传感器处理单元(spu)、主处理器或其核、数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、专用指令集处理器(asip)、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑控制器(plc)、复杂可编程逻辑装置(cpld)、分立栅极或晶体管逻辑、分立硬件部件、或其设计成用于执行本文中所描述的功能的任意组合、或其他等效的集成或离散逻辑电路。本文中所使用的术语“处理器”可以指任何前述结构或适合于实现本文所述技术的任何其他结构。如在本说明书中所采用的，术语“处理器”可以指基本上任何计算处理单元或设备，计算处理单元或设备包括但不限于包括单核处理器；具有软件多线程执行能力的单处理器；多核处理器；具有软件多线程执行能力的多核处理器；具有硬件多线程技术的多核处理器；并行平台；以及具有分布式共享内存的并行平台。此外，处理器可以利用纳米级架构——比如但不限于基于分子和量子点的晶体管、开关和门——以优化空间使用或增强用户装备的性能。处理器也可以实现为计算处理单元的组合。

另外，在一些方面，可以在如本文所述配置的专用软件模块或硬件模块内提供本文中所描述的功能。此外，这些技术可以在一个或更多个电路或逻辑元件中完全实现。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如spu/mpu和微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或更多个微处理器结合spu核、mpu核或任何其他这样的配置。

论述概览

论述始于根据各种实施例的示例性压电式微加工超声换能器(pmut)的描述。随后对包括pmut装置的示例性阵列进行描述。随后对pmut装置的示例性阵列的示例性操作进行进一步地描述。

能够产生和检测压力波的常规压电超声换能器可以包括具有压电材料的膜、支承层、以及与电极下方的腔结合的电极。微型化版本称为pmut。典型的pmut使用边缘锚定膜或膜片，该边缘锚定膜或膜片在膜的中心处或附近以与h/a2成比例的共振频率(f)最大地振荡，其中，h是膜的厚度，并且a是膜的半径。通过增加膜厚度、减小膜半径、或者增加膜厚度和减小膜半径两者可以产生更高频率的膜振荡。增加膜厚度有其局限性，这是因为增加的厚度限制了膜的移位。减小pmut膜半径也有局限性，这是因为较大百分比的pmut膜面积用于边缘锚固。

本文中所描述的实施例涉及用于超声波生成和感测的pmut装置。根据各种实施例，描述了这种pmut装置的阵列。pmut包括基板和连接至基板的边缘支承结构。膜连接至边缘支承结构，使得在膜与基板之间限定有腔，其中，膜被配置成能够以超声频率移动。膜包括压电层和连接至压电层的相对侧的第一电极和第二电极。在腔内设置有内部支承结构，该内部支承结构连接至基板和膜。

所述pmut装置和pmut装置阵列可以用于在各种应用中产生声学信号或者测量声学感测数据，所述各种应用比如但不限于医疗应用、安全系统、生物识别系统(例如，指纹传感器和/或运动/姿势识别传感器)、移动通信系统、工业自动化系统、消费电子设备、机器人等。在一个实施方式中，pmut装置可以促进超声信号生成和感测(换能器)。此外，本文中所描述的实施例提供了一种感测部件，该感测部件包括具有二维(或一维)超声换能器阵列的硅晶片。

本文中所描述的实施例提供了一种pmut，该pmut以高频率操作以用于通过高声速材料(例如，玻璃、金属)来减少声学衍射，并且该pmut用于较短的脉冲使得能够时间选通出寄生反射。本文中所描述的实施方式还提供了一种pmut，该pmut具有低品质因数，从而提供较短的启动和关闭时间，以使得能够通过时间选通更好地抑制寄生反射。本文中所描述的实施例还提供一种pmut，该pmut具有高填充因子从而提供大的发送和接收信号。

压电式微加工超声换能器(pmut)

在一个或更多个方面中，本文中所公开的系统和方法提供用于声换能器(例如，压电致动换能器或pmut)的有效结构。现在参照附图对一个或更多个实施例进行描述，其中，相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在以下描述中，出于说明的目的，阐述了许多具体细节以便提供对各种实施例的透彻理解。然而，明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施各种实施例。在其他实例中，以框图形式示出了公知的结构和装置，以便于更详细地描述各实施例。

如在本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中能够清楚，否则“x采用a或b”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果x采用a、x采用b、或者x采用a和b两者，则在任何前述情况下均满足“x采用a或b”。另外，本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应理解为表示“一个或更多个”，除非另有说明或从上下文清楚地指向单数形式。另外，词语“耦接”在本文中用于表示直接或间接的电或机械耦接。另外，词语“示例”在本文中用于表示用作示例、实例或图示。

图1是示出了根据一些实施例的具有中心钉扎膜的pmut装置100的图。pmut装置100包括内部钉扎膜120，该内部钉扎膜120定位在基板140上方以限定腔130。在一个实施例中，膜120附接至周围边缘支承件102和内部支承件104。在一个实施例中，边缘支承件102连接至电势。边缘支承件102和内部支承件104可以由导电材料制成，所述导电材料比如但不限于铝、钼或钛。边缘支承件102和内部支承件104也可以由介电材料——比如二氧化硅、氮化硅或氧化铝——制成，所述介电材料在通过边缘支承件102或内部支承件104的侧面或通孔中具有电连接，并且所述介电材料将下电极106电耦接至基板140中的电布线。

在一个实施例中，边缘支承件102和内部支承件104两者都附接至基板140。在各种实施方式中，基板140可以包括硅或氮化硅中的至少一者，但不限于此。应当理解的是，基板140可以包括电布线和连接，比如铝或铜。在一个实施例中，基板140包括键合至边缘支承件102和内部支承件104的cmos逻辑晶片。在一个实施例中，膜120包括多层。在示例性实施例中，膜120包括下电极106、压电层110和上电极108，其中，下电极106和上电极108耦接至压电层110的相对侧。如示出的，下电极106耦接至压电层110的下表面，并且上电极108耦接至压电层110的上表面。应当理解的是，在各种实施例中，pmut装置100是微机电(mems)装置。

在一个实施例中，膜120还包括用以对层进行机械地加强的机械支承层112(例如，加强层)。在各种实施例中，机械支承层112以包括硅、氧化硅、氮化硅、铝、钼、钛等中的至少一者，但不限于此。在一个实施例中，pmut装置100还包括声学耦接层114，该声学耦接层114位于膜120上方用于支持声学信号的传输。应当理解的是，声学耦接层可以包括空气、液体、凝胶状材料、或用于支持声学信号的传输的其他材料。在一个实施例中，pmut装置100还包括压板层116，该压板层116位于声学耦接层114上方，用于容纳声学耦接层114并且为pmut装置100提供手指或其他感测对象的接触表面。应当理解的是，在各种实施例中，声学耦接层114提供接触表面，使得压板层116是可选的。此外，应当理解的是，声学耦接层114和/或压板层116可以包括在多个pmut装置中或与多个pmut装置结合使用。例如，pmut装置阵列可以与单个声学耦接层114和/或压板层116耦接。

图2是示出了根据一些实施例的在pmut装置100致动期间的膜移动的示例的图。如图2所示，在操作中，响应于靠近压板层116的对象，电极106和电极108将高频电荷传递至压电层110，从而使膜120的未钉扎至周围边缘支承件102或内部支承件104的那些部分向上移位到声学耦接层114中。这将产生可以用于对象的信号探测的压力波。返回回波可以被检测为引起膜运动的压力波，其中，压电材料在膜中的压缩引起与压力波的振幅成比例的电信号。

所描述的pmut装置100可以与几乎任何将压力波转换成机械振动和/或电信号的电气设备一起使用。在一个方面，pmut装置100可以包括产生和感测超声波的声学感测元件(例如，压电元件)。生成的声波的路径中的对象可以产生随后可以被感测的干扰(例如，频率或相位、反射信号、回声等的变化)。可以分析干扰以确定物理参数，比如(但不限于)对象的距离、密度和/或速度。作为示例，pmut装置100可以用于各种应用中，所述各种应用比如但不限于适用于无线设备工业系统、汽车系统、机器人、通信设备、安全设施、医疗设备等的指纹传感器或者生理传感器。例如，pmut装置100可以是传感器阵列的一部分，该传感器阵列包括各种逻辑电子设备、控制电子设备和通信电子设备以及沉积在晶片上的多个超声换能器。传感器阵列可以包括同质或相同的pmut装置100、或许多不同或异质的装置结构。

在各种实施例中，pmut装置100采用压电层110，压电层110由比如但不限于氮化铝(aln)、锆钛酸铅(pzt)、石英、聚偏二氟乙烯(pvdf)和/或氧化锌的材料构成，以促进声学信号的产生和感测。压电层110可以在机械应力下产生电荷，并且相反地在存在电场的情况下经历机械应变。例如，压电层110可以感测由超声信号引起的机械振动并且以振动的频率(例如，超声频率)产生电荷。附加地，压电层110可以通过以可以与由施加在压电层110上的交流(ac)电压产生的输入电流相同的频率(例如，超声频率)的振荡方式振动来产生超声波。应当理解的是，压电层110可以包括几乎任何具有压电特性的材料(或材料的组合)，使得材料的结构不具有对称中心，并且施加至材料的拉伸或压缩应力会改变电池中正电荷位置与负电荷位置之间的分离，从而导致材料表面的极化。极化与施加的应力成正比，并且极化取决于方向，使得压缩应力和拉伸应力导致相反极化的电场。

此外，pmut装置100包括向压电层110供给电荷和/或从压电层110收集电荷的电极106和电极108。应当理解的是，电极106和电极108可以是连续电极和/或图案化电极(例如，在连续层和/或图案化层中)。例如，如示出的，电极106是图案化电极，并且电极108是连续电极。作为示例，电极106和电极108可以由几乎任何金属层——比如但不限于铝(al)/钛(ti)、钼(mo)等——构成，电极106和电极108与压电层110的相对侧耦接。在一个实施例中，pmut装置还包括第三电极，如图10所示和如下所述。

根据实施例，声学耦接层114的声阻抗被选择为类似于压板层116的声阻抗，使得声波通过声学耦接层114和压板层116有效地传播至膜120或从膜120有效地传播。作为示例，压板层116可以包括具有0.8mrayl至4mrayl范围内的声阻抗的各种材料，所述各种材料比如但不限于塑料、树脂、橡胶、特氟隆、环氧树脂等。在另一示例中，压板层116可以包括具有高声阻抗(例如，大于10mirayl的声阻抗)的各种材料，所述各种材料比如但不限于玻璃、铝基合金、蓝宝石等。通常，可以基于传感器的应用来选择压板层116。例如，在指纹识别应用中，压板层116可以具有与人体皮肤的声阻抗(例如，1.6×106rayl)相匹配(例如，精确地或近似地)的声阻抗。此外，在一个方面，压板层116还可以包括薄的抗刮擦材料层。在各种实施例中，压板层116的抗刮擦层小于待产生和/或感测的声波的波长，以在声波传播期间提供最小干扰。作为示例，抗刮擦层可以包括各种硬且耐刮擦的材料(例如，莫氏硬度超过7的莫氏硬度)，所述材料比如但不限于蓝宝石、玻璃、mn、氮化钛(tin)、碳化硅(sic)、金刚石等。作为示例，pmut装置100可以以20mhz操作，并且因此通过声学耦接层114和压板层116传播的声波的波长可以是70微米-150微米。在该示例场景中，通过利用厚度为1微米的抗刮擦层和整体厚度为1毫米-2毫米的压板层116，可以减少插入损耗并且可以提高声波传播效率。应当指出的是，本文中所使用的术语“抗刮擦材料”涉及耐刮擦和/或防刮擦的材料并且提供防刮擦标记的实质性保护。

根据各种实施例，pmut装置100可以包括图案化的金属层(例如，铝(al)/钛(ti)、钼(mo)等)以形成特定形状(例如，环形、圆形、方形、八边形、六边形等)的电极106，金属层与膜120限定在平面中。电极可以放置在膜120的最大应变区域处，或者放置在靠近周围边缘支承件102和内部支承件104中的任一者或两者处。此外，在一个示例中，电极108可以形成为连续层，从而提供与机械支承层112相接触的接地平面，机械支承层112可以由硅或其他合适的机械加强材料形成。在其他实施例中，电极106可以沿着内部支承件104布线，从而与沿着边缘支承件102布线相比有利地减小了寄生电容。

例如，当致动电压施加至电极时，膜120将变形并移出平面。然后，该运动推动与其相接触的声学耦接层114，并且产生了声学波(超声波)。通常，在腔130内存在真空，因此可以忽略由腔130内的介质产生的阻尼。然而，膜120的另一侧上的声学耦接层114可以基本上改变pmut装置100的阻尼。例如，当pmut装置100在具有大气压力的空气中操作时(例如，声学耦接层114是空气)，可以观察到大于20的品质因数，并且如果pmut装置100在水中操作时(例如，声学耦接层114是水)，则可以观察到降低到低于2的品质因数。

图3是图1的pmut装置100的俯视图，该pmut装置100呈大致方形形状，其部分地对应于沿着图3中的虚线101的横截面。示出了周围边缘支承件102、内部支承件104和下电极106的布局，其中，未示出其他连续层。应当理解的是，术语“大致方形形状”中的“大致”旨在表达pmut装置100呈大致方形，从而使得能够因制造工艺和公差引起的变化，并且与方形形状略有偏差(例如，圆角、略微摇摆的线、与完全正交的角或交叉点的偏差等)可以存在于制造的装置中。虽然示出了大致方形布置的pmut装置，但是可以想到包括矩形、六边形、八边形、圆形或椭圆形的替代实施例。在其他实施例中，可以使用包括不规则和非对称布局的更复杂的电极或pmut装置的形状，比如用于边缘支承件和电极的人字形或五边形。

图4是示出了图1至图3中示出的pmut装置100的膜120的最大竖向移位的模拟地形图400。如所指出的，最大移位通常沿着下电极的中心轴线发生，其中，拐角区域具有最大移位。与其他图一样，出于说明的目的，图4未按比例绘制，其中，竖向移位被夸大，并且最大竖向移位是水平表面区域的包括pmut装置100的一部分。在示例性pmut装置100中，最大竖向移位可以以纳米为单位测量，而单个pmut装置100的表面区域可以以平方微米测量。

图5是图1的pmut装置100的另一示例的俯视图，该pmut装置100呈大致圆形形状，其部分地对应于沿着图5中的虚线101的横截面。示出了周围边缘支承件102、内部支承件104和下部电极106的布局，其中，未示出其他连续层。应当理解的是，术语“大致圆形形状”中的“大致”旨在表达pmut装置100呈大致圆形，从而使得能够因制造工艺和公差引起的变化，并且与圆形形状略有偏差(例如，与中心的径向距离的轻微偏差等)可以存在于制造的装置中。

图6是图1的pmut装置100的另一示例的俯视图，该pmut装置100呈大致六边形形状，其部分地对应于沿着图6中的虚线101的横截面。示出了周围边缘支承件102、内部支承件104和下电极106的布局，其中，未示出其他连续层。应当理解的是，术语“大致六边形形状”中的“大致”旨在表达pmut装置100呈大致六边形，从而使得能够因制造工艺和公差引起的变化，并且与六边形形状略有偏差(例如，圆角、略微摇摆的线、与完全正交的角或交叉点的偏差等)可以存在于制造的装置中。

图7示出了由pmut装置形成的圆形pmut装置701的示例性二维阵列700，pmut装置具有与结合图1、图2和图5所论述的圆形形状类似的大致圆形形状。示出了圆形周围边缘支承件702、内部支承件704、和围绕内部支承件704的环状或环形下电极706的布局，而为清楚起见，未示出其他连续层。如示出的，阵列700包括偏移的圆形pmut装置701的列。应当理解的是，圆形pmut装置701可以更靠近在一起，使得圆形pmut装置701的列的边缘重叠。此外，应当理解的是，圆形pmut装置701可以彼此接触。在各种实施例中，相邻的圆形pmut装置701电隔离。在其他实施例中，多组相邻的圆形pmut装置701电连接，其中，多组相邻的圆形pmut装置701电隔离。

图8示出了由pmut装置形成的方形pmut装置801的示例性二维阵列800，pmut装置具有类似于结合图1、图2和图3所论述的方形形状类似的大致方形形状。示出了方形周围边缘支承件802、内部支承件804、和围绕内部支承804的方形下电极806的布局，而为清楚起见，未示出其他连续层。如示出的，阵列800包括行和列的方形pmut装置801的列。应当理解的是，方形pmut装置801的行或列可以偏移。此外，应当理解的是，方形pmut装置801可以彼此接触或者间隔开。在各种实施例中，相邻的方形pmut装置801电隔离。在其他实施例中，多组相邻的方形pmut装置801电连接，其中，多组相邻的方形pmut装置801电隔离。

图9示出了由pmut装置形成的六边形pmut装置901的示例性二维阵列900，pmut装置具有与结合图1、图2和图6所论述的六边形形状类似的大致六边形形状。示出了六边形周围边缘支承件902、内部支承件904、和围绕内部支承件904的六边形下电极906的布局，而为清楚起见，未示出其他连续层。应当理解的是，六边形pmut装置901的行或列可以偏移。此外，应该理解的是，六边形pmut装置901可以彼此接触或者间隔开。在各种实施例中，相邻的六边形pmut装置901电隔离。在其他实施方式中，多组相邻的六边形pmut装置901电连接，其中，多组相邻的六边形pmut装置901电隔离。而图7、图8和图9示出了具有不同形状的pmut装置的示例性布局，应当理解的是，可以使用许多不同的布局。此外，根据各种实施例，pmut装置阵列包括在mems层内。

在操作中，在传输期间，二维阵列中的选择的pmut装置组可以传输声学信号(例如，短超声脉冲)，并且在感测期间，二维阵列中的一组有源pmut装置可以检测到声学信号与对象的干扰(在声波的路径中)。然后，可以分析所接收到的干扰信号(例如，基于来自对象的声学信号的反射、回声等而产生)。作为示例，可以基于干扰信号的频率和/或相位与声学信号的频率和/或相位的比较来确定对象的图像、对象与感测部件的距离、对象的密度、对象的运动等。此外，可以通过显示设备(未示出)进一步分析或呈现所产生的结果。

图10示出了pmut阵列中的一对示例性pmut装置1000，其中，每个pmut均共用至少一个公共边缘支承件1002。如示出的，pmut装置具有两组标记为1006和1026的独立下电极。这些不同的电极图案实现了pmut装置1000的反相操作，并且增加了装置操作的灵活性。在一个实施例中，所述一对pmut可以是相同的，但是这两个电极可以驱动相同pmut反相的不同部分(一个收缩，而一个膨胀)，使得pmut移位变大。虽然为清楚起见，未示出其他连续层，但每个pmut均还包括上电极(例如，图1的上电极108)。因此，在各种实施例中，pmut装置可以包括至少三个电极。

图11a、图11b、图11c和图11d示出了根据各种实施例的内部支承结构的替代性示例。内部支承结构也可以称为“钉扎结构”，这是因为内部支承结构操作成将膜用钉固定至基板。应当理解的是，内部支承结构可以定位在pmut装置的腔内的任何位置，并且可以具有任何类型的形状(或各种形状)，并且在pmut装置内可以存在多于一个的内部支承结构。而图11a、图11b、图11c和图11d示出了内部支承结构的替代性示例，应当理解的是，出于说明的目的，这些示例并不旨在限制pmut装置的内部支承结构的数量、位置或类型。

例如，内部支承结构不必在pmut装置区域的中心定位，而是可以非中心地定位在腔内。如图11a所示，内部支承件1104a相对于边缘支承件1102定位在非中心的离轴位置。在其他实施例中，比如图11b中所看到的，可以使用多个内部支承件1104b。在该实施例中，一个内部支承件相对于边缘支承件1102居中定位，而多个不同形状和尺寸的内部支承件围绕中心定位的支承件。在其他实施例中，比如参见图11c和图11d，内部支承件(分别为1104c和1104d)可以接触公共边缘支承件1102。在图11d中示出的实施例中，内部支承件1104d可以有效地将pmut装置分成子像素。这将使得能够例如致动较小区域以产生高频超声波，并且利用pmut装置的较大区域来感测返回的超声回波。应当理解的是，各个钉扎结构可以组合成阵列。

图12示出了在超声指纹感测系统1250中使用的pmut阵列的实施例。指纹感测系统1250可以包括压板1216，人手指1252可以在压板1216上接触。超声信号由pmut装置阵列1200生成和接收，并且超声信号通过声学耦接层1214和压板1216来回传播。使用直接附接至pmut装置的处理逻辑模块1240(例如，控制逻辑电路)进行信号分析(通过晶片键合或其他合适的技术)。可以理解的是，图12中示出的压板1216和其他元件的尺寸可以根据特定应用而比如图中所示的尺寸大得多(例如，手印的尺寸)或小得多(例如，仅是指尖)。

在用于指纹识别应用的该示例中，人手指1252和处理逻辑模块1240可以基于声学信号与手指上的皮肤的谷和/或脊的干涉的差异来确定描绘手指的表皮层和/或真皮层的图像。此外，处理逻辑模块1240可以将图像与一组已知指纹图像进行比较，以便于识别和/或认证。此外，在一个示例中，如果找到匹配(或实质匹配)，则可以验证用户的身份。在另一示例中，如果找到匹配(或实质匹配)，则可以基于分配给所标识的用户的授权权限来执行命令/操作。在又一示例中，可以授权所识别的用户访问物理位置和/或网络/计算机资源(例如，文档、文件、应用程序等)。

在另一示例中，对于基于手指的应用，手指的移动可以用于光标跟踪/移动应用。在这样的实施例中，显示屏上的指针或光标可以响应于手指运动来移动。应当指出的是，处理逻辑模块1240可以包括一个或更多个处理器或连接至一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器被配置成至少部分地赋予系统1250的功能。为此，一个或更多个处理器可以执行存储在存储器例如易失性存储器和/或非易失性存储器中的代码指令。

图13示出了根据一些实施例的通过将限定pmut装置的cmos逻辑晶片与mems晶片进行晶片键合而形成的集成指纹传感器1300。图13以局部截面图示出了通过将限定pmut装置的基板1340cmos逻辑晶片与mems晶片进行晶片键合而形成的集成指纹传感器的一个实施例，该pmut装置具有公共边缘支承件1302和单独的内部支承件1304。例如，mems晶片可以使用铝和锗共晶合金键合至cmos逻辑晶片，如美国专利no.7,442,570中所描述的那样。pmut装置1300具有形成在腔1330上方的内部钉扎膜1320。膜1320附接到周围边缘支承件1302和内部支承件1304两者。膜1320由多层形成。

以上描述的内容包括本发明公开的示例。当然，出于描述发明的目的，不可能描述部件或方法的每个可想到的组合，但是应当理解的是，本发明公开的许多进一步的组合和置换是可能的。因此，所要求保护的发明旨在涵盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有这些改变、修改和变化。

特别地并且关于由上述部件、装置、电路、系统等执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些部件的术语(包括对“器件”的引用)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件(例如，功能等同物)，这些部件即使在结构上不等同于所公开的结构，但其在所要求保护发明的本文中示出的示例性方面中执行功能。

已经关于若干部件之间的交互的方面对前述系统和部件进行了描述。可以理解的是，根据前述的各种排列和组合，这样的系统和部件可以包括那些部件或指定的子部件、一些指定的部件或子部件、和/或附加部件。子部件也可以实现为通信地耦接至其他部件而非被包括在父部件(分层)内的部件。另外，应该指出的是，一个或更多个部件可以组合成提供聚合功能的单个部件或者分成若干个单独的子部件。本文中所描述的任何部件还可以与本文未具体描述的一个或更多个其他部件交互。

另外，尽管可能仅关于若干实施方案中的一个实施方案而公开了本发明创新的特定特征，但是这样的特征可以与其他实施方案的一个或更多个其他特征组合，如对于任何给定或特定的应用可能期望和有利的。此外，就在详细描述或权利要求中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、其变型以及其他类似词语而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”作为开放的过渡词的方式解释而不排除任何附加或其他元件。

作为简短总结，本文公开了至少下列广义的概念：

概念1.一种压电式微加工超声换能器(pmut)装置，包括：

基板；

边缘支承结构，所述边缘支承结构连接至所述基板；

膜，所述膜连接至所述边缘支承结构，使得在所述膜与所述基板之间限定有腔，所述膜被配置成允许以超声频率移动，所述膜包括：

压电层；以及

第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极耦接至所述压电层的相对侧；

以及

内部支承结构，所述内部支承结构设置在所述腔内并且连接至所述基板和所述膜。

概念2.根据概念1所述的pmut装置，还包括第二内部支承结构，所述第二内部支承结构设置在所述腔内并且连接至所述基板和所述膜。

概念3.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述内部支承结构接触所述边缘支承结构。

概念4.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述内部支承结构非中心地定位在所述腔内。

概念5.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述第一电极限定连续层。

概念6.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述第一电极是图案化层。

概念7.根据概念1所述的pmut装置，所述膜还包括：

连接至所述第一电极的机械支承层。

概念8.根据概念7所述的pmut装置，其中，所述机械支承层限定连续层。

概念9.根据概念7所述的pmut装置，其中，所述机械支承层是图案化层。

概念10.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述压电层限定连续层。

概念11.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述压电层是图案化层。

概念12.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述第二电极延伸到所述腔中并且限定所述边缘支承结构与所述内部支承结构之间的区域。

概念13.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述内部支承结构连接至所述膜的所述压电层。

概念14.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述pmut装置呈大致圆形，使得所述边缘支承结构和所述膜呈大致圆形。

概念15.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述pmut装置呈大致方形，使得所述边缘支承结构和所述膜呈大致方形。

概念16.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一者通过所述内部支承结构电耦接。

概念17.根据1所述的pmut装置，所述膜还包括第三电极，所述第三电极在所述压电层的与所述第一电极相对的一侧上耦接至所述压电层。

概念18.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述边缘支承结构连接至电位。

概念19.根据概念1所述的pmut装置，其中，所述基板包括cmos逻辑晶片。

概念20.一种压电式微加工超声换能器(pmut)阵列，包括：

多个pmut装置，其中，所述多个pmut装置中的至少一个pmut装置包括：

基板；

边缘支承结构，所述边缘支承结构连接至所述基板，其中，所述边缘支承结构连接至电场线；

膜，所述膜连接至所述边缘支承结构，使得在所述膜与所述基板之间限定有腔，所述膜被配置成允许以超声频率移动，所述膜包括：

压电层；

第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极耦接至所述压电层的相对侧；以及

机械支承层，所述机械支承层连接至所述第一电极；以及

内部支承结构，所述内部支承结构设置在所述腔内并且连接至所述基板和所述膜。

概念21.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述多个pmut装置中的所述至少一个pmut装置还包括第二内部支承结构，所述第二内部支承结构设置在所述腔内并且连接至所述基板和所述膜。

概念22.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述内部支承结构接触所述边缘支承结构。

概念23.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述内部支承结构非中心地定位在所述腔内。

概念24.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述第二电极延伸到所述腔中并且限定所述边缘支承结构与所述内部支承结构之间的区域。

概念25.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述内部支承结构连接至所述膜的所述压电层。

概念26.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一者通过所述内部支承结构电耦接。

概念27.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述基板包括cmos逻辑晶片。

概念28.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述多个pmut装置中的相邻pmut装置电隔离。

概念29.根据概念20所述的pmut阵列，其中，所述多个pmut装置中的多组相邻pmut装置电连接，并且其中，相邻pmut装置的相邻组电隔离。

概念30.一种图像感测系统，包括：

多个压电式微加工超声换能器(pmut)装置，其中，所述多个pmut装置中的至少一个pmut装置包括：

基板；

边缘支承结构，所述边缘支承结构连接至所述基板；

膜，所述膜连接至所述边缘支承结构，使得在所述膜与所述基板之间限定有腔，所述膜被配置成允许以超声频率移动，所述膜包括：

压电层；

第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极耦接至所述压电层的相对侧；以及

机械支承层，所述机械支承层连接至所述第一电极；以及

内部支承结构，所述内部支承结构设置在所述腔内并且连接至所述基板和所述膜；以及

控制逻辑电路，所述控制逻辑电路电耦接至所述多个pmut装置，所述控制逻辑电路用于感测图像。

概念31.根据概念30所述的图像感测系统，其中，所述第二电极延伸到所述腔中并且限定所述边缘支承结构与所述内部支承结构之间的区域。

概念32.根据概念31所述的图像感测系统，其中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一者通过所述内部支承结构电耦接。

因此，呈现本文中所阐述的实施例和示例是为了最好地解释本发明的各种选定实施方式及其特定应用，从而使本领域技术人员能够制造和使用本发明的实施方式。然而，本领域技术人员将认识到的是，仅出于说明和示例的目的呈现了前述描述和示例。所阐述的描述并非旨在穷举或将本发明的实施方式限于所公开的精确形式。