CN101919079A - 用于存在性检测的薄膜检测器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种换能器(800)，其中隔膜(830)在前衬底(615)上形成；并且压电层(820)在隔膜(830)上的活性部分(821)和位于活性部分(821)邻近的***部分处形成。此外，提供了后衬底结构，其具有位于邻近活性部分(821)的***部分处的支撑物(822，824)。支撑物(822，824)的高度(826)大于图案化压电层和图案化导电层的组合高度(828)。可以连接许多换能器以形成阵列，其中可以提供控制器，其用于控制该阵列(例如操纵该阵列的束、处理该阵列接收的信号)，用于例如存在性或运动检测和/或成像。

Description

用于存在性检测的薄膜检测器
本***涉及例如用于存在性检测、运动检测和实时成像的换能器(transducer)，利用包括薄膜超声换能器的超声换能器以及用于目标的存在性和/或运动检测以及实时成像的阵列，包括无生命和有生命的目标，并且确定诸如目标的速度、位置和/或数量之类的各种参数。
换能器正得到广泛的应用，例如用于运动和存在性检测的传感器。主要的驱动因素是在办公大楼和住宅中节能，根据需要打开/关闭灯，以及增加灯的寿命。预计运动/存在性检测传感器市场将迅速增长。对于该增长的领域，具有最少虚假检测或触发器的紧凑、低成本且不显眼(近乎不可见)的传感器是所希望的。进一步希望的是，这样的传感器更加智能，允许例如检测房间中的人数和人的位置，以及检测房间中人的运动和人的运动方向。此外，工作于低功率下以允许实现无线操作的换能器也是恰当的。
超声换能器作为用于其他应用的传感器也是吸引人的，所述其他应用例如室外控制，例如以便打开/关闭灯或者例如在城市、建筑、街道等等中局部地对灯进行调光。它们也可以用于入侵者检测，其自动地打开监视设备。
当前的运动传感器包括基于热电陶瓷设备的陶瓷超声运动检测器和无源红外(IR)检测器。这样的常规IR设备体积非常大并且典型地安装在房间的天花板上。Klee等人的专利文献DE4218789描述了一种微加工热电检测器，并且通过引用全部合并于此。所述IR传感器根据接收的红外能量的变化检测运动的个人或者人的运动。这些热电IR检测器的缺点包括需要应当清晰且无阻碍的视线以便进行正确的检测。此外，IR检测器容易受到直射阳光和环境光变化的干扰，并且对烟和热敏感，从而提供虚假警报。
为了使虚假警报或触发器最少，使用热电无源检测器和超声检测器的组合，其中超声换能器被安装成邻近无源红外检测器。这样的组合的设备甚至比典型的IR检测器更大，具有直径为11cm和高度为3.5cm的典型尺寸。图1示出了典型换能器的辐射模式100。如图1所示，换能器典型地发射相当窄的束110并且因而具有大的盲区120、130。
为了减小或消除盲区，提供了换能器阵列，其中单独地控制来自该阵列的每个元件或换能器的信号以便定形和操纵从该阵列发射的超声束。这允许完整地扫描房间或区域以检测人的位置。使用换能器阵列，还可以聚焦所述束，这提高了分辨率和信噪比。这些超声阵列还允许使用关联的电子电路***(circuitry)以检测和形成超声图像。
也可以设想将这样的超声传感器用于车辆中的气囊控制，根据乘客的存在或不存在的检测打开/关闭乘客的气囊。关于换能器的其他应用包括测量距离。此外，这样的换能器在汽车用途方面也可能是令人感兴趣的，例如打开/关闭气囊的乘客占位传感器。此外，如Gualtieri的美国专利No.6549487中所描述的，超声换能器也用于碰撞预防或防护***，该文献通过引用全部合并于此，其中电子操纵的超声束用来测量目标的范围、角展度(extent)和角方向。超声接收器接收从目标反射的声波以供处理，以便确定诸如这样的目标的范围、展度、尺寸和方向之类的信息。这些***典型地由分立的单个换能器构成。
硅膜板(diaphragm)上的压电超声传感器是已知的，例如KaoruYamashita等人的题为“Sensitivity Improvement of Diaphragm TypeUltrasonic Sensors by Complementary Piezoelectric Polarization”(Yamashita)的论文中所描述的，该文献通过引用全部合并于此。此外，同样通过引用全部合并于此的Valentin Magori的题为“Ultrasonic Sensorsin Air”的论文描述了包括作为相控阵列而工作的压电超声换能器的智能超声传感器，其中对发出的束进行电子操纵，以便根据从目标反射的回波进行目标识别和距离检测。
如Yamashita中所指出的，使用空载超声的三维成像设备可以用于车辆控制、自主机器人的目标检测以及视障人和检查机器人的活动的支持。如所指出的，空气中的超声测量相对于包括光和毫米波的电磁波在精确距离测量方面具有优势，其由于超声波的足够低的传播速度而处于小于数米的范围内。
转让给其受让人的Klee等人的美国专利No.6515402和No.6548937描述了一种超声换能器阵列，其中电极可以在压电层一侧上或者像Yamashita中也描述的那样在两侧上，这两篇文献中的每一篇的内容通过引用全部合并于此。这样的换能器具有经过微加工以形成开口的衬底。
图2A示出了如美国专利No.6548937中所描述的超声换能器200，该超声换能器具有在其上形成隔膜(membrane)220的硅衬底210。阻挡结构230(例如TiO2层)形成于隔膜220上。压电层240形成于阻挡层230上。第一和第二电极250、255设置在压电层240的横向相对的末端处，以用于压电层240的横向极化操作。此外，衬底210的一部分被去除以便在相对于压电层240和电极250、255的适当位置产生使隔膜220曝光的开口260。为了制造这样的超声换能器的阵列，在一个硅衬底上产生若干开口以便形成若干隔膜。由开口260暴露的隔膜220由于该开口260的原因能够(例如在施加AC电压时)振荡。
特别地，通过第一和第二电流供应触点270、275向电极250、255施加AC电压引起压电层240被激发成在该层240的平面内纵向振荡。该压电元件的长度变化激发隔膜220振荡。电极250、255可以是如图2B所示的交叉指状电极250、255。
图2C示出了如美国专利No.6515402和Yamashita中所描述的超声换能器200′，其中电极250′、255′形成于压电层240的两侧上。图2A、图2C中示出的两个换能器200、200′都要求通过去除衬底210的一部分，例如通过批量微加工技术或者图案光刻来在适当的位置形成开口260，这是费时的且增大了制造这样的换能器阵列的成本。此外，衬底必须经过对准以便在适当的位置形成开口，这进一步增加了制造时间和成本，也引入了误差，从而降低了产量。此外，如Yamashita中所描述的，典型地使用SOI(绝缘体上硅)晶片，其相对昂贵，其中隔膜由硅(2μm)和氧化硅(0.4μm)形成。
应当指出的是，在图2C中电场介于两个相对的电极250′、255′之间。该电场垂直于压电层。相反地，图2A中的两个相邻电极250、575之间的电场平行于压电层240的平面或者在该平面内。与每个隔膜仅有两个电极的情况相比，通过提供典型地为如图2B所示的交叉指状的小间隔电极，需要较小的电压来产生希望的电场。
当然，除了将空载超声用于成像之外，超声也应用于流体和固体中并且用于成像，例如医疗超声波扫描和水下成像，其中可以如Bernstein的美国专利No.6323580(此后称为Bernstein)中所描述的那样使用薄铁性(ferroic)膜，该文献通过引用全部合并于此。在Bernstein中，交叉指状电极仅在铁性膜板的一侧上形成，该铁性膜板在Al2O3的绝缘层上形成，所述绝缘层反过来位于硅隔膜的结构层上。该硅隔膜位于在硅衬底上形成的SiO2或Si3N4的蚀刻停止层上。硅衬底被选择性地蚀刻(直到SiO2或Si3N4的蚀刻停止层)以便在硅隔膜之下形成开口。应当指出的是，这里使用了昂贵的SOI晶片技术，也应用了附加的Al2O3层，这进一步增加了处理时间和成本。成本被进一步增加，因为与结合图2A-2B描述的开口260类似的是，Bernstein开口也例如通过蚀刻和微加工由选择性的衬底去除来形成，其中需要双侧光刻和对准以便例如正确地在电极之下的希望的位置处提供开口。
Zhihong Wang等人的题为“Ultrasound Radiating Performances ofPiezoelectric Micromachined Ultrasonic Transmitter”(Wang)的论文中描述了另一种微加工换能器，该文献通过引用全部合并于此。该换能器也要求衬底对准和微加工以便在衬底中形成对准的开口。在Wang中，隔膜由Si3N4形成，其中在Si3N4隔膜和Si衬底之间形成SiO2蚀刻停止层。
因此，需要改进的微型传感器，其更薄、体积更小、柔软、不那么昂贵且制造更简单，具有减少的步骤和/或降低的对准要求，并且仍然具有高的电声性能。诸如红外检测之类的其他功能的集成将允许实现甚至进一步的小型化。
这里给出的***和方法的一个目的是克服常规传感器的缺点，包括提供具有组合的超声和热电检测器的传感器以用于检测超声和/或红外信号。
依照说明性实施例，提供了一种换能器和换能器阵列，其可以用于例如空气以及流体和固体中的实时成像，以及用于通过使用例如多普勒效应进行目标的存在性和/或运动检测，包括无生命和有生命目标，并且确定诸如目标的速度、运动方向、位置和/或数量之类的各种参数。在一个实施例中，所述换能器包括在前衬底上形成的隔膜；压电层在隔膜上的活性部分和邻近活性部分的***部分处形成。如果希望的话，可以图案化压电层。包括第一和第二电极的图案化导电层在压电层上形成。此外，提供了后衬底结构，其具有位于邻近活性部分的***部分处的支撑物。支撑物的高度大于图案化压电层和图案化导电层的组合高度。可以连接许多换能器以形成阵列，其中可以提供控制器以控制该阵列，例如操纵该阵列的束以及处理该阵列接收的信号，以便例如进行存在性或运动检测和/或成像。
可以在柔性箔上提供各种传感器以形成柔性传感器，所述柔性传感器可以被制成任何希望的形状。此外，可以将不同类型的传感器或检测器组合或集成为单个多传感器，例如包括用于检测超声和/或红外信号的组合的超声和压电检测器的多传感器。这些传感器可以用于各种应用中，例如成像(超声和/或IR成像)以及运动或存在性检测，其中与需要视线以进行操作的IR传感器形成对照的是，超声传感器不需要视线以进行操作，包括超声和/或IR信号的发射和/或接收。
本***和方法的另外的可应用领域根据下面提供的详细描述将变得清楚明白。应当理解的是，这些详细描述和特定实例尽管表示了本***和方法的示例性实施例，但是预期仅用于说明的目的，并非意在限制本发明的范围。
本发明的设备、***和方法的这些和其他特征、方面和优点根据以下描述、所附权利要求和附图将得到更好的理解，在附图中：
图1示出了典型换能器的辐射模式的测量结果；
图2A-2C示出了利用批量微加工实现的常规传感器；
图3示出了依照本***一个实施例的换能器阵列；
图4A-4B示出了依照本***一个实施例的在一侧上具有电极的换能器；
图5示出了依照本***一个实施例的在相对侧上具有电极的换能器；
图6示出了依照本***一个实施例的具有后衬底的换能器阵列；
图7示出了依照本***一个实施例的具有交叉指状电极的换能器阵列；
图8A-8C示出了依照本***一个实施例的具有在底座(mount)上支撑的后衬底的换能器；
图8D示出了依照本***一个实施例的电阻偏压网络；
图9示出了依照本***一个实施例的换能器的电阻抗-频率曲线图；
图10示出了依照本***一个实施例的在具有互连的柔性箔上形成柔性换能器阵列的两个超声换能器；
图11示出了依照本***一个实施例的在两侧覆盖有柔性层互连的两个超声换能器设备，其形成上侧的薄膜压电元件安装在具有或者没有电子器件的硅部分上的柔性换能器阵列；
图12示出了依照本***一个实施例的两个或更多超声换能器的柔性阵列；
图13A-13C示出了依照本***一个实施例的包括超声换能器和压电换能器的组合的阵列，其具有在板上分开安装的电路***；
图14A-14C示出了依照本***一个实施例的包括超声换能器和压电换能器的组合的阵列，其具有通过倒装芯片式安装或者引线键合而安装的电路***；
图15A-15C示出了依照本***一个实施例的包括超声换能器和压电换能器的组合的阵列，其具有集成电路***；
图16A-16C示出了依照本***一个实施例的包括超声换能器和压电换能器的组合的阵列，其具有在压电区域的两侧上的电极；以及
图17A-17C示出了依照本***一个实施例的包括超声换能器和压电换能器的组合的阵列，其具有不同地掺杂的压电区域。
以下是对说明性实施例的描述，其在结合附图考虑时将表明上面指出的特征和优点以及另外的特征和优点。在下面的描述中，出于解释而不是限制的目的，阐述了若干说明性细节，例如架构、界面、技术、元件属性等等。然而，本领域技术人员应当清楚的是，偏离这些细节的其他实施例仍然应当被理解成处于所附权利要求书的范围之内。
因此，特定示例性实施例的以下描述本质上仅仅是示例性的，绝非意在限制本发明、其应用或用途。在本***和方法的实施例的以下详细描述中，参照了形成其一部分并且其中通过举例说明示出了特定实施例的附图，在所述特定实施例中，可以实施所描述的***和方法。这些实施例被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实施当前公开的***和方法，应当理解的是，可以利用其他的实施例并且可以在不脱离本***的精神和范围的情况下做出若干结构和逻辑变化。
因此，下面的详细描述不应当在限制意义上进行理解，并且本***的范围仅由所附权利要求书进行限定。在这里，附图中的附图标记的前导数字通常对应于图号，例外之处在于，在多幅附图中出现的相同部件由相同的附图标记标识。而且，为了清楚起见，省略了公知设备、电路和方法的详细描述以便不使本***的描述模糊不清。
包括压电薄膜换能器和换能器阵列的当前传感器的各个实施例允许实现成本有效、高效且小型的超声换能器/阵列。依照各个实施例的超声换能器是平坦的不显眼的超声换能器，其比例如用于占位和/或运动检测的常规陶瓷超声换能器体积小。另一实施例包括平坦的不显眼的薄膜换能器阵列，其允许对超声束进行扫描和电子操纵以检测诸如有生命和无生命目标(例如人类、动物、车辆等等)的存在性、速度、运动方向、位置、运动和/或数量之类的各种参数。这样的紧凑且不显眼的超声换能器/阵列可以得到各种应用，特别是因为与红外传感器形成对照，它们与不需要视线并且对烟和热不敏感。
在一个说明性实施例中，薄膜压电换能器阵列用于存在性和/或运动检测等等，其中图3示出了薄膜压电换能器元件310的阵列300。阵列300和/或每个元件310可以具有任何尺寸和形状。元件310的间距320根据应用进行选择。对于运动检测器而言，为了在空气中实现低的衰减，所述阵列被设计成工作于50-450KHz的频率下。为了工作于这些低频下，元件间距320大约为数百微米到数千微米。间距320为元件的宽度330加上将一个元件与相邻元件分开的间隙340。
如图3所示，所述阵列可以如Gualtieri的美国专利No.6549487中描述的那样连接到具有关联的电子器件(例如相移器、延迟抽头、转换器等等)的控制器或处理器350，以便控制该阵列并且处理从该阵列300接收的信息，从而允许实现电子操纵超声束以得到更宽的覆盖范围并且减少或消除结合图1所描述的盲点120、130。存储器360也可以操作时耦合到处理器350以便存储用于当由处理器350执行时控制和操作阵列***的各种数据和应用程序以及软件指令或代码。
为了实现设备的高耦合效率，所述耦合效率为转换成机械能的电能量(即电-机转换效率)，提供了如图4A所示的传感器400，其中代替压电材料的相对侧处的电极的是，这些电极在压电薄膜的相同侧上加工，并且这些元件工作于与换能器的平面平行的极化方向上。特别地，可以为如图2B所示的交叉指状的成对电极430、440和430′、440′之间的平面内电场在压电薄膜的平面内造成纵向应力振荡，其转而导致隔膜的弯曲振荡。电极430、440之间的减小的间隔允许工作于更低的电压下。在下面的描述中，“正”和“负”电压用来分别表示压电材料中的电场平行于或反向平行于极化方向。
除了具有更高的耦合效率之外，传感器400还需要更少的加工步骤，这是因为由于在压电薄膜的一侧上缺少电极层而少了一层，这允许成本有效地生产这样的设备400。传感器400包括在衬底上形成的隔膜410，所述衬底在形成传感器400之后被去除以便允许隔膜410的运动。压电材料420、420′形成于隔膜410上，如果希望的话，其可以被图案化以便提高性能。此外，成对的电极430、440、430′、440′形成于图案化压电材料的对应压电区域420、420′上。
如图4A所示，当正电压施加给内边缘电极440、440′并且负电压施加给外边缘电极430、430′(其可替换地可以接地)时，压电层的伸长450导致隔膜叠层的向下弯曲460，如图4B所示。反转施加给电极配对430、440和430′、440′的电压的极性使得隔膜叠层向上弯曲。施加给压电层的电压脉冲或者任何交变电流(AC)信号产生可以从目标反射以便对其检测的超声波。
图4B中解释了隔膜换能器的工作原理，其中描绘了基本的弯曲模式。隔膜的移位404导致部分401、401′和402的弯曲。部分403保持几乎没有形变。压电驱动用来弯曲一个或多个弯曲的部分401、401′或402。分层隔膜至少用于这些可变形或可移动的部分401、401′、402中并且将在下文中进行举例说明。给出的实现方式应当不对选择驱动隔膜的哪部分的自由度施加限制。例如，图4A的叠层440、430、420、410形成图4B中示出的驱动部分401。当然，也可以将可变形或可移动的叠层置于部分402处。
当然，如果希望的话，那么代替位于压电材料的一侧上(例如位于顶侧上)的是，所述电极配对可以位于两侧上，例如以便将压电材料520、525夹在中间，如图5的传感器500中所示。在这种情况下，在顶部和底部电极配对530、540和530′、540′两端提供电压。当顶部电极530、530′与底部电极540、540′之间的电压差为正时，平面内压电层的收缩550、555以及垂直于隔膜的伸长导致牵拉隔膜叠层，如箭头560所示。
传感器400、500较不昂贵，因为它们的制造更有效并且需要较少的工艺操作。例如，晶片和隔膜不遵循昂贵的SOI生产来制造，而是如结合图8A-8C所更详细地描述的，可以为氮化硅、氧化硅或者氮化硅和氧化硅的组合，其可以通过使用标准的半导体工艺来沉积并且较不昂贵。当然，除了这些材料之外，也可以使用与压电薄膜工艺兼容的任何其他无机或有机材料。此外，可以不需要如结合图2A和图2B所描述的那样例如通过图案化批量微加工和双侧光刻对如图6中的虚线所示的下部衬底615图案化以去除该衬底的若干部分并且形成开口260，以便使隔膜暴露。
相反地，将传感器安装到管芯上并且进行处处完全蚀刻以去除整个的下部衬底615。因此，光刻或图案化仅发生在一侧上，例如以便图案化电极和/或压电材料(如果希望的话)。另一侧(例如图4A和图5中示出的底侧)可以要求任何光刻或图案化。相反地，如图6所示，可以在将传感器阵列或元件安装到管芯或后端衬底640上之后执行完全蚀刻以去除下部或前端衬底615并且使隔膜410、510、610暴露。
成本和生产时间减少了，这不仅因为不需要对衬底进行图案化蚀刻，而且因为不需要对准前侧和后侧掩模以正确地蚀刻衬底的希望的部分以便在适当的位置获得开口260(图2A、图2C)。这通过消除对准误差和处理易损坏穿孔衬底的问题不仅降低了加工时间和成本，而且增加了产量。此外，对于其中例如如图4A、图6和图8A所示电极仅位于压电材料一侧上的情况而言，少一层是需要的，换言之，因为在压电材料另一侧上缺少电极，因而降低了生产时间和成本。
压电薄膜换能器的基本模块是薄膜隔膜的叠层，分别如图4A和图5A中的附图标记410、510以及图6中的附图标记610所示。举例来说，隔膜410、510、610由氮化硅、氧化硅或者氮化硅和氧化硅的组合制成。隔膜410、510、610可以例如在低压化学气相沉积(CVD)工艺中沉积在例如衬底615上，所述衬底615随后被完全蚀刻掉以便使隔膜的一侧暴露。该衬底可以是硅或者任何其他适当的材料。在隔膜410、510、610之上，可以在必要时施加例如氧化钛、氧化锆或氧化铝的薄膜阻挡层617，如图6所示。
在图6所示的实施例(其与图4A所示的实施例相关，仅在压电层的一侧上具有电极)中，在隔膜层610(图4A中的410)之上或者在阻挡层617(当存在时)之上，形成、加工并图案化(如果希望的话)压电薄膜以形成压电区域620、622、624。举例来说，压电薄膜可以是未被掺杂或者掺杂了例如La的锆钛酸铅，但是也可以是任何其他的压电材料。压电层620可以是连续的或者被图案化以匹配驱动部分(图4B中的402)的宽度。可以将多个换能器元件600设置成一维或二维阵列，其中元件的间距可以与元件的宽度626(在图3中也示为附图标记330)一样小。图6中示出的右和左压电区域622、624没有压电功能，而是用作隔离物或者支撑底座，如将要描述的那样。根据应用，具有高度826的腔体在键合工艺期间可以填充气体或者被抽空。例如，填充了气体的腔体的优点包括类似于气密封装，提供了更好的密封，以便在恶劣的环境中得到更好的可靠性。在腔体中具有真空的优点包括尤其对于空气换能器而言，隔膜的***，但是缺点是隔膜更刚硬。腔体也可以保持对环境开放以提供与环境的压力平衡，从而降低或避免参数的平移或漂移，例如谐振频率、灵敏度等等的平移。然而，开放腔体可能对湿度和环境更敏感。选择取决于应用环境。
此外，在压电薄膜一侧上施加一个或多个金属化层并且将其图案化以形成如图6中的带630所示的电极。举例而言，形成可以是具有例如总厚度为大约1μm的薄TiW层和Al层的第一金属叠层且将其图案化以形成第一组电极带630、630′，并且在该第一组电极带630、630′上形成第二金属层且将其图案化以形成第二组电极带635、635′。应当理解的是，这里所提及的叠层或者层可以是例如单个层或者以交替层形成的两种或更多材料的多层。第二金属带635、635可以是例如具有总厚度大约为1μm的Ti层和Au层的金属叠层。当然，例如包括来自例如Ti和Au的叠层的仅仅一个金属叠层的任何适当的金属组合和类型可以用来形成所述电极。压电薄膜和金属层的图案化可以借助于任何适当的方法，例如公知的光刻方法，其使用例如光阻层和蚀刻。
在每个阵列元件或压电区域的相对边缘处，金属层可以更厚，并且可以包括在先前形成的金属带上形成的另外的金属层650、650′，以增加***金属带的高度并且形成具有大约为200nm-2μm或更高(例如高达20μm)的高度或厚度的支撑底座660、660′。所述另外的金属层650、650′也可以是Ti和/或Au或者任何适当的金属组合和类型。
如结合图8A-8B更详细地描述的，所述变厚的末端或***金属层(具有所述附加的或者另外的金属层650、650′)也充当支撑底座660、660′，其用于在其上安装后端衬底640。特别地，在图6中示出的设备600之上，即在压电区域620、622、624或阵列元件的相对边缘处的***金属带或支撑底座650、650′上，通过使用适当的接触金属(例如Ti/Au)进行超声键合来安装后端衬底640。当然，也可以使用任何其他的键合方案，例如热压缩键合等等。后端衬底640可以是例如硅并且通过使用任何适当的粘合剂的任何其他键合技术来安装，其中金属层650、650′和所述第二组电极带635、635′二者可以是Au，其非常适用于彼此超声键合。
其中安装了后端衬底640的***金属带或支撑物660、660′可以在压电层上具有0.5-30μm的厚度。当然，代替在***金属带635、635′上形成所述另外的金属带650、650′以增加其高度的是，也可以在后端衬底640上施加所述另外的金属带650、650′，该后端衬底然后安装到***金属带635、635′上，其中进行简单的金属(635)上金属(650)键合，其中在超声键合的情况下，Au适用于两个金属层650、635。当然，如果希望的话，可以在后端衬底640上形成具有希望的高度的支撑底座，其中后端衬底640的这样的支撑底座键合在隔膜610或者隔膜610上形成的适当层之上。
如果希望的话，为了在后端衬底640与交替叠层的压电换能器区域之间实现非常大的间隙826，可以在其中驱动压电隔膜610的区域中将凹槽蚀刻到后端衬底640中。为了实现这点，在沉积和图案化可以是后端衬底640(其可以例如为具有例如2μm厚的SiO2层的Si衬底)上的例如薄Ti和Au层的金属区域650和650′之后，在其中没有沉积Ti/Au的区域中应用用于SiO2和Si的干蚀刻工艺步骤。除了干蚀刻过程之外，也可以应用用于SiO2和Si的湿蚀刻技术。SiO2和Si的图案化允许在压电换能器与后端衬底640之间实现数微米直到数十微米的间隙。
后端衬底640可以是具有或者没有集成电子器件的硅衬底、玻璃衬底或者任何其他衬底。安装的后端衬底640也可以包括具有集成电子器件、晶体管、无源元件等等的Si设备。也可以在后端衬底640中提供开口或通孔以允许实现用于例如一维和/或二维阵列的高元件计数互连。
在换能器阵列之下承载的虚线615所示的前或下部硅衬底615(在其上形成和图案化了各个层，例如隔膜、阻挡、压电和金属化层)在形成和图案化所述各个层、加厚阵列元件的边缘处的金属化区域并且在其上安装后衬底640之后被全部或者部分地蚀刻掉。前或下部硅衬底615通过例如湿化学蚀刻或干蚀刻或研磨和/或抛光或者其组合来全部或部分地蚀刻掉。应当指出的是，不需要对前或下部衬底615进行任何对准或者使用批量微加工或光刻蚀刻，因为它未被图案化并且反而在活性阵列区域中大体上被完全去除。换言之，双侧光刻是不需要的。这降低了生产时间和成本。
如结合图3所描述的，可以在阵列300中提供多个元件310，其范围可以从一个元件到数十到数百或者甚至数千个相同和/或不同尺寸和/或形状的元件。为了在例如50-450KHz的频率下操作所述设备，这些元件被设计成间距大约为数百微米到数千微米。图7中示出了工作于200-300KHz下的换能器阵列的设计实例，其中图8A中示出了元件710的截面。应当理解的是，允许换能器有效工作于这些低频下的任何其他设计(例如圆形隔膜或元件以及任何形状的阵列)也是可能的。
为了允许工作于低电压下并且仍然实现设备的大约50-450KHz范围的希望谐振频率，换能器元件800可以具有400-1500μm的间距，如图8A所示，其是与图4A关联的设计，其中交叉指状电极840、845仅在压电层820的一侧上形成，类似于图2B中示出的交叉指状电极250、255。
图8A也示出了隔膜830，压电层820在该隔膜上形成并且被图案化以形成在其上应用具有交叉指状布局的电极840、845的中心活性区域821。利用交叉指状电极840、845之间的非常小的间隔以及交叉指状电极的增加的数量，可以实现低电压操作。
压电材料622、624也保留在***区域822、824处，金属化层在所述***区域上形成，其被图案化以形成电极840、845以及压电***区域622、624上的第一金属区域860。第二金属化层870在第一金属区域860上利用相同或不同的金属形成(如也结合图6所描述的)。第二金属化层870使***区域或支撑底座822、824的厚度或高度826(或者图8B中的826′)增加到超过活性区域821中的电极和压电层820的厚度或高度828(或者图8B中的828′)。换能器元件通过粘合剂、超声键合或者热压缩键合安装(例如夹紧)到顶部或后衬底640。
换能器元件阵列(图7中的700和图3中的300)可以被形成配置用于扫描和束操纵，其中例如具有400-800μm的间距320(图3)的元件可以并联连接。如结合图4A和图4B所描述的，隔膜830包括在前或下部衬底(其之后如图6中的虚线615所示被去除)上形成的氮化硅层847以及在氮化硅层847上形成的氧化硅层850或者氮化硅和氧化硅层的组合。
如前所述，电压信号被施加到交叉指状电极840、845以便在相邻电极上提供不同符号(或极性)的电压，从而在电极840、845之间产生平面内电场，从而激发压电层820在压电层820的平面内纵向振荡。压电元件的长度变化激发隔膜830振荡。
当然，代替其中在压电层一侧上提供电极的设计的是，可以在压电层的两侧上提供电极，如结合图5所描述的并且如图8B所示，其中图案化压电层或者区域820′夹在两个相对的电极840′、845′之间。在这种情况下，压电层820′被图案化成与图案化的相对电极840′、845′匹配的区域。
在图8B中示出的实施例中，压电层820′从两侧覆盖有用于在其两端施加电压的一对辅助电极840′、845′。当然，图8A或图8B中示出的任一实施例中的电极之一可以接地。举例而言，底部电极840′例如为Ti/Pt电极并且顶部电极845′为Ti/Au电极。当然，也可以使用与压电层兼容的任何其他电极材料。
可以通过如绘出了依照另一实施例的换能器801的图8C所示使用串联的驱动区域来修改该设计以匹配驱动电子器件的电阻抗。这种设计也可以使用具有仍然可容忍的欧姆损耗的更薄的电极。可以在***顶部电极880、885之间施加信号电压，可以通过添加额外的金属层630而不妨碍隔膜的弯曲模式来使得所述顶部电极更好地传导。压电层620的相对侧上的重叠电极890、895可以是浮动的或者连接到外部小泄漏分压器，例如一连串高值电阻器。在图8C中，压电层620的活性部分被划分成若干段，这些段通过重叠的底部和顶部电极890、895之间的电容耦合串联连接起来。然而，另一个可替换方案(同样对于所有实例有效)是施加DC偏压以便增强压电耦合，如图8D所示。该偏压可以通过端口892、894经由电阻器891、893提供给元件880、885、887、890。输入信号也可以例如经由端口895、896来提供。通过这种方式，电致伸缩材料可以用作活性层620或者偏压连接可以用于压电材料的极化。
这样的薄膜换能器阵列可以如图9的曲线图900所示工作于50-450KHz的频率下，用于自由直立(free standing)薄膜压电换能器隔膜，其中x轴为频率，y轴为电阻抗的实部。
本领域技术人员根据这里的描述也可以提供各种修改。例如，驱动电极可以在隔膜的中心或边缘处形成单板电容器。可替换地，可以将该单板电容器划分成更小的区域，所述区域可以以串联配置连接以便匹配驱动电路的工作电压。上述换能器、传感器和***中的每一个都可以结合另外的***加以利用。
此外，各种材料可以用于不同的层，如转让给本受让人的Fraser等人的WO03/092916、Klee等人的WO03/092915以及美国专利No.6515402和No.6548937中所描述的，这些文献中的每一篇的内容通过引用全部合并于此。例如，阻挡层可以由以下材料中的一种或多种形成：TiO2、Al2O3、HfO2、MgO和/或矿石ZrO2。这些压电薄膜材料可以包括：
1.具有和没有掺杂物的PbZrxTi1-xO3(0≤x≤1)。所述掺杂物可以包括La、Mn、Fe、Sb、Sr、Ni或者这些掺杂物的组合。
2.Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(Sc1/3Nb2/3)O3-PbTiO3、Pb(Zn1/3Nb2/3)1-x-y(Mn1/2Nb1/2)xTiyO3(0≤x≤1，0≤y≤1)、Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3、Sr3TaGa3Si2O14、K(Sr1-xBax)2Nb5O15(0≤x≤1)、Na(Sr1-xBax)2Nb5O15(0≤x≤1)、BaTiO3、(K1-xNax)NbO3(0≤x≤1)、(Bi，Na，K，Pb，Ba)TiO3、(Bi，Na)TiO3、Bi7Ti4NbO21、(K1-xNax)NbO3-(Bi，Na，K，Pb，Ba)TiO3(0≤x≤1)、a(BixNa1-x)TiO3-b(KNbO3-c)1/2(Bi2O3-Sc2O3)(0≤x≤1，a+b+c＝1)、(BaaSrbCac)TixZr1-xO3(0≤x≤1，a+b+c＝1)、(BaaSrbLac)Bi4Ti4O15(a+b+c＝1)、Bi4Ti3O12、LiNbO3、La3Ga5.5Nb0.5O14、La3Ga5SiO14、La3Ga5.5Ta0.5O14
此外，形成支撑底座822、824的各种叠层或层(例如，如图8B所示)可以在压电层622和后衬底640中的一个或两个上形成。例如，两个金属层630、635可以在压电层622上形成并且一个金属层650可以在后衬底640上形成，以便键合第二金属层635。可替换地或者此外，第一金属层630可以在压电层622上形成并且两个金属层650、635可以在后衬底640上形成，其中第二金属层635键合到第一金属层630。
形成支撑底座(例如图8B中所示的支撑底座822、824)的各个叠层或者层可以包括以下材料中的一种或多种，其中第一金属层630在压电层622上形成，并且第二金属层635在第一金属层630上形成。另一个金属层650在后衬底640上形成，如表1所示。例如，表1的第一行示出了一个实施例，其中Ti层在压电层622上形成并且Au层在Ti层上形成，其中Ti和Au层形成第一金属层630。另一Au层形成为第一金属层的Au层上的第二金属层635。在后衬底640上，形成Ti层。在该Ti层上，形成Au层，其中这些Ti和Au层形成后衬底640上的附加的或者另外的层650。接下来，该另外的层650的Au层键合到第二金属层635的Au层。
表1
  第一金属层630(在压电层622上形成)   第二金属层635(在第一金属层630上形成)   另外的金属层650(在后衬底640上形成)
  Ti层+Au层   Au层或Ti层+Au层   Au层+Ti层
  Cr层+Au层   Au层或Cr层+Au层   Au层+Cr层
  Cu层+Ni层   Au层   Au层+Ni层
  TiW层+Al层   Ti层+Au层   Au层+Ti层
  Ti层+Au层   Sn层   Sn层+Au层+Ti层
  Ti层+Pt层   Au层   Au+Pt+Ti
当然，任何其他金属和金属叠层的组合都可以用来形成所述各个层。此外，代替在后衬底640上仅形成所述另外的层650的是，第二金属层635也可以在所述另外的层650上形成(代替在第一金属层630上形成)。在后衬底640上形成层650、635的叠层之后，第二金属层635于是可以键合到在压电层622上形成的第一金属层630。在这种情况下，第二金属层635将覆盖所述另外的层650(代替例如如图6和图8B所示覆盖第一金属层630)。表2示出了在其中所述另外的层650在后衬底640上形成并且第二金属层635在所述另外的层650上形成的情况下所述层的各种实施例。
表2
  第一金属层630(在压电层622上形成)   第二金属层635在所述另外的金属层650上形成(所述另外的金属层在后衬底640上形成)
  Ti层+Au层   厚的Au层+Ti层
  Cr层+Au层   厚的Au层+Cr层
  Cu层+Ni层+Au层   厚的Au层+Ni层
  Ti层+Au层   厚的Au层+Ti层+Al层+TiW层
  Ti层+Au层   Sn层+Au层+Ti层
  Ti层+Pt层+Au层   Au层+Pt层+Ti层
应当指出的是，如表2所示，代替在所述另外的层650的各层之一处形成第一Au层并且然后(在第一Au层上)将第二Au层形成为第二层635的是，单个厚的Au层可以在(所述另外的层650的)Ti层上形成，在Ti层在后衬底640上形成。像在表1第一行的情况中一样，在表2的行1所示的实施例中，Ti层在压电层622上形成并且Au层在Ti层上形成以便形成第一层630，其然后键合到后衬底640的Ti层上形成的厚的Au层。当然，任何其他金属以及金属叠层的组合也可以用来形成表2中指出的各个层。
在特定应用中，不同形状的换能器阵列是所希望的。例如，通过引用全部合并于此的Wilser的美国专利申请公开No.2007/0013264描述了一种在半导体材料载体衬底的厚片(slab)上形成的电容隔膜超声换能器阵列。衬底的两个厚片由允许弯曲的更薄的衬底桥分开或连接。这些分开的或者薄连接的厚片可以沿着刚性弯曲表面放置，从而导致弯曲的阵列。厚片由足够柔软以经受弯曲度的导电互连连接。尽管通过将这些厚片放置在弯曲的表面上实现了希望的形状，但是连接这些厚片的薄的桥或导体是易损坏的。此外，弯曲的表面自身是刚性的而非柔性的。
在本设备和***的一个实施例中，提供了改进的或者真正柔性的换能器阵列，其得到更好的保护并且可以单独形成希望的形状而不需要刚性表面。例如，图3中示出的阵列300可以包括至少一个薄膜柔性超声换能器，其被配置成至少一个全向运动和存在性检测器。代替或者附加于所述柔性超声换能器的是，也可以提供至少一个薄膜柔性热电传感器。柔性超声和热电传感器的组合提供了更少的虚假关闭或虚假警报，利用了两种类型的传感器，即热电和超声传感器，其中热电传感器基于温度变化的检测，例如使用红外(IR)信号(其具有需要视线以用于IR信号检测的缺点)，并且其中超声传感器检测阻挡物周围的超声信号并且不需要直接的视线。
超声和/或热电换能器阵列的柔性允许实现各种形状的阵列。这样的柔性换能器阵列可以以任何希望的形状(例如锥形)来制成和安装到天花板上。这允许超声和/或IR信号的全向发射和检测。
可以实现包括任何类型换能器的柔性换能器阵列的实施例，例如图10中所示的陶瓷压电元件和/或例如图11-12中所示的薄膜换能器。
特别地，图10示出了包括陶瓷压电元件的柔性换能器1010阵列1000的一个实施例，所述陶瓷压电元件具有夹在两个电极1030、1040之间的压电材料1020层。当然，如果希望的话，这些电极可以类似于上面例如结合图2A、图4A、图6和图8A所描述的位于压电材料1020的仅仅一侧上。
如图10所示，换能器1010作为例如列和行的阵列安装到柔性载体1050上，所述柔性载体包括如虚线1060所示的可以是线焊(wirebond)或者图案化导电路径的互连。互连1060将所述电极彼此互连或者根据需要互连到其他元件，例如连接到电源、电子电路、控制器、晶体管、开关、无源或有源设备等等。柔性超声换能器阵列1000允许实现具有任何希望的形状、用于全向运动检测的传感器，其可以包括薄膜超声和/或热电换能器。换能器1010不必是柔性的，并且可以简单安装(例如键合)到柔性箔1050，由允许柔性箔1050的运动并且允许将阵列1000定形为任何希望的形状的间隙1070分开。
应当指出的是，图10所示的实施例中的换能器1010不包含隔膜并且压电厚片1020目的不在于弯曲柔性载体1050。换能器阵列1010由于柔性载体1050的原因而是柔性的，但是柔性载体1050的硬度典型地太低而不能充当良好的隔膜。然而，如果希望的话，可以在制造期间引入对称性破缺(symmetry break)，例如预弯曲，使得平面内应力被转换成弯曲。此外，可以在图10中示出的下部电极1030上提供可选的匹配层1075，例如以便在声阻抗不匹配(例如压电材料1020比水或空气硬)的情况下进行宽带操作。此外，可以提供具有中间硬度的层以增加带宽并且促进能量传输。当然，也可以使用机械变换器，例如弯曲隔膜。
图11示出了阵列1100的另一实施例，其中示出了两个超声换能器设备，其在上侧具有薄膜压电元件，安装在具有或者没有电子器件的硅部分上。所述超声换能器设备在两侧上覆盖有示为附图标记1150、1155的柔性层。该柔性压电超声换能器阵列1100通过所述的薄膜加工来实现。在图11中，所述两个薄膜压电超声换能器元件被示为附图标记1110、1120。当然，可以以任何希望的配置或拓扑结构将任意希望数量的换能器元件包括在阵列中，所述配置或拓扑结构例如具有相同或不同数量的列和行。可以应用薄膜加工以便实现柔性超声换能器阵列。可替换地或者此外，也可以实现柔性电容微加工超声换能器阵列。上面结合薄膜柔性超声检测器描述的相同技术可以用来实现薄膜柔性热电检测器。
特别地，图11中示出的柔性阵列1100的实施例包括薄膜超声换能器，其中示出了两个换能器1110、1120。换能器1110、1120在两侧由第一和第二柔性层1150、1555包围。图11示出了具有所述两个换能器1110和1120的柔性换能器阵列1100，其包括具有或者没有集成电子器件的半导体部分(例如硅(Si)部分1130)以及嵌入到Si部分1130上的电介质层中的互连结构1132。用于不同换能器元件1142的互连线1140包括例如基于电镀金(Au)的再分布互连层。可以提供包括例如氮化硅和/或氧化硅的薄膜隔膜1186。在隔膜1186上，可以形成1184压电薄膜层1184。可以施加包括例如钛(Ti)和/或Au的金属化层1182以形成接触以便通过例如超声键合将压电部分1184安装到Si部分1130上。该接触1182也可以充当地接触。也可以形成另外的金属接触1188，其包括例如在压电层1184上并且用作信号线的Ti和/或Au层。当然，本领域技术人员根据本说明书应当清楚的是，图11中示出的实施例是连接地和信号线以驱动压电元件的一个选项，但是其他连接方式也是可能的。
除了柔性之外，薄膜超声换能器阵列1100也受该阵列的两侧上的两个柔性箔1150、1555保护。当然，附加于或者代替薄膜超声换能器的是，可以使用热电换能器。
图12示出了具有两个或更多超声换能器1210、1220的柔性阵列1200的另一实施例，其中每个换能器可以类似于例如结合图8A所描述的超声换能器800。如图12所示，每个超声换能器1210、1220的后衬底1240附接(例如键合)到柔性箔或聚合物层1250。后衬底1240可以是任何适当的衬底，例如玻璃或和诸如硅(Si)之类的半导体材料，并且可以不仅是载体，而且可以包括有源和/或无源元件，例如晶体管、开关、放大器以及用于控制和操作换能器的希望的电子器件。
值得注意的是，所述两个换能器1210、1220的后衬底1240不彼此直接连接。相反地，后衬底1240由柔性聚合物层1250连接，从而为换能器阵列1200提供柔性，该换能器阵列可以制成任何希望的形状。
还应当指出的是，与被配置用于非柔性阵列的换能器(例如图8A中示出的换能器800)相比，换能器1210、1220具有更薄的后衬底1240。将诸如隔膜1230、压电层1222和电极1242之类的换能器元件安装到薄的后衬底1240上，该后衬底可以为例如变薄的Si衬底。后衬底1240的减小的厚度以及换能器1210、1220的衬底1240之间的间隔或间隙1260提高了阵列1200的柔性。
在Si衬底1240中，可以形成单独的通孔1270以用于将换能器1210、1220互连到包括电源和地的各种元件。可以在后衬底1240中或者在柔性箔之中或之上加工所需要的各种元件(例如无源和有源元件、电路等等)，其包括用于信号和地连接的多级互连。为了实现柔性设备，各个换能器1210、1220之间的隔膜1230是分开的。代替或者附加于柔性超声换能器的是，也可以形成热电柔性薄膜传感器。应当指出的是，上面示出的所有不同的技术也可以用来实现热电传感器和柔性超声换能器阵列的组合。
图12还示出了如结合图8A所描述的支撑底座822、824，其中支撑底座822、824可以在压电区域622上形成并且包括两个金属层870、860，所述金属层类似于例如结合图8A所描述的金属层以及类似于结合图6示出和描述的两个金属层630、635。当然，另外的金属层也可以包含在支撑底座822、824中，例如结合图6所示出和描述的附加金属层650。
还应当指出的是，图12中示出的隔膜1230可以包括各个层，例如在前或下部衬底(其之后如图6中的虚线615所示被去除)上形成的氮化硅层847以及在氮化硅层847上形成的氧化硅层850或者氮化硅和氧化硅层的组合，如结合图8A所示出和描述的。当然，可以使用包括氧化物、氮化物或者氧化物叠层或氧化物和氮化物叠层的隔膜层的任何其他组合。
在上面的柔性换能器的另一实施例中，还有非常薄的后衬底1240，其可以为例如50μm薄Si衬底，其中可以安装电介质层和互连物。该非常薄的衬底1240于是可以作为柔性衬底而工作，从而无需附加的柔性层1250。
另外的实施例包括至少一个压电薄膜超声换能器和/或压电换能器阵列与用于检测红外辐射(IR)的至少一个薄膜热电传感器和/或热电传感器的组合，其可以具有各种不同的应用，例如用于运动和/或存在性检测。超声和热电换能器二者都可以利用相似的工艺制成薄膜，并且可以同时或者并发地一起被制成。压电材料可以用于超声和IR信号的产生/发射以及接收/检测。当然，也可以应用不同的压电和热电材料。下面的附图示出了组合的薄膜超声和热电检测器的不同说明性实施例。
图13A示出了包括超声换能器1310和热电换能器1320的组合的阵列1300。当然，代替被设置成阵列的是，所述组合的超声和热电换能器可以是独立的检测器或者以任何希望的配置与其他检测器一起使用。作为单个元件或者作为元件阵列的超声和/或热电换能器在隔膜之上加工，所述隔膜可以是例如氮化硅或者氧化硅，或者硅氮化物和氧化物的组合。图13A示出了也结合图8A和图12描述的在氮化硅层847上形成的氧化硅层850。当然，在这个和其他实施例中，也可以使用诸如Si之类的任何其他隔膜或者Si和氧化硅(例如SiO2)的隔膜叠层的组合。硅氧化物氮化物层的优点在于低比热和低的热导率，其增大了热电设备的热时间常数，所述热时间常数为温度增强德耳塔(delta)T松弛到其背景值的时间。
邻近热电检测器1320集成薄膜超声换能器1310可以以不同的版本实现。例如，后衬底1340可以仅仅安装到换能器部分上，如图13A所示。在目的在于机械地稳定化大的隔膜的可替换技术中，所述隔膜包括集成的超声换能器1310和热电检测器1320，所安装的后衬底1340也可以如图13B中所示覆盖热电检测器1320，其中集成的超声换能器1310和热电检测器1320覆盖有后衬底1340。可替换地或者此外，为了稳定化集成的超声换能器1310和热电检测器1320的大的隔膜，隔膜1330(例如氮化硅隔膜)之下的Si衬底210′可以部分地保留在超声换能器与热电检测器1310、1320之间的区域中，如图13C所示。当然，可以将任何希望数量的超声换能器1310和热电检测器1320集成在一起，其中图13A-13C示出了邻近示为附图标记A和B的两个热电检测器1320的两个超声换能器1310。
在图13A所示的这个实例中，可以为未掺杂的或者掺杂了La或Mn的锆钛酸铅的压电层1322在隔膜1330之上加工。在隔膜1330与压电层1322之间，可以施加阻挡层1317，其类似于图2A中示为附图标记230并且图6中示为617的阻挡层，并且可以是例如氧化钛或者氧化锆(例如TiO2或ZrO2)。
该压电层1322也用作热电检测器1320的热电传感器材料，所述热电检测器邻近超声换能器1310而形成和加工。使热电检测器1320与自由隔膜1330上的其他元件(例如其他换能器)隔离的优点在于，这些元件是热隔离的。具有热隔离的热电检测器1320防止了由于通过衬底的热传导而引起的温度降低。压电或热电层1322具有典型的1-6μm的厚度。压电/热电层1322可以被图案化以便防止阵列1300的超声换能器元件1310之间以及超声和热电设备或元件1310、1320之间的串扰。
顶部电极1342被应用(类似于图12中的电极1242和/或图8A中示出的交叉指状电极840、845)，其可以为具有大约50nm的厚度的钛(Ti)和大约1μm的金(Au)。然而，其他的材料也可以用于所述电极，例如提供对IR辐射的最佳吸收的镍/铬(Ni/Cr)电极。电极1342被图案化以产生用于超声换能器1310的电极以及还有用于热电检测器设备1320的电极。可替换地，用于超声换能器1310的电极可以由Ti/Au制成以便具有用于超声键合衬底管芯的最佳电极，并且用于IR传感器1320的电极可以由Ni/Cr制成。该Ni/Cr可以是用作用于超声换能器的更厚金属的粘合层的相同层。
每个压电元件1320可以像在图2B中一样具有在图13A中示为附图标记1342的交叉指状顶部电极。对于最高的灵敏度，它们形成两个传感器。一个传感器由红外光例如通过透镜照射，而第二个传感器未被照射。差分信号指示红外辐射的任何变化，而环境温度的缓慢变化被抵消。可以包括最优化包含信噪比的信号的光学***，例如菲涅尔透镜。热电或压电材料1322可以通过在升高的温度(例如180℃)下施加DC(直流)场来极化。在一个热电元件1320中由于聚焦到该一个热电元件1320上的IR辐射的原因而引起的温度的升高可以用于运动检测。热电元件1320的温度的变化导致热电元件1320的极化的变化并且因而也导致表面处电荷的释放。这些电荷引起由前置放大器读出的电压，其指示运动(或者温度的变化)。
众所周知的是，可以在热电元件1320的隔膜1330之前提供透镜1380以接收IR辐射1385。透镜1380可以与隔膜1330隔离以降低热传导并且可以被配置成有方向的以接收来自希望的方向的IR辐射1385。可以由超声换能器1310发射或接收的超声波在图13A中示为箭头1387。
对于希望的操作而言，不同的设计是可能的。在一种版本中，两个热电元件可以以串联设计并且具有相反的极化。这种双元件布局可以用来补偿背景温度的变化，所述背景温度同时加热这两个元件。除了图13B-13C中示出的双元件设计之外，可以使用采用了任何希望数量的热电元件的其他设计，例如四个或者更多元件。
可以提供例如集成在衬底1340中的另外的设备、电路和电子器件。可以为FET(场效应晶体管)1390的诸如放大器之类的电子器件可以单独地安装到板1395上并且线焊到所述设备，其包括超声换能器和热电传感器。图13A中示出了一个实例。也可以形成***的任何其他的叠层。例如，图13B中示出了一个可替换的实施例，其中衬底1340安装到超声换能器/阵列上并且也在热电传感器/阵列上延伸以及用来保护该热电传感器/阵列。当然，可以形成任何其他希望的叠层。在图13C中，示出了另一个实施例，其中在隔膜下去除了前衬底210’，使得它形成压电超声换能器或换能器阵列与热电传感器或传感器阵列之间的支撑物210″。
因此，检测器阵列可以包括仅仅超声检测器、仅仅IR检测器或者超声和IR检测器的组合，使用任何希望数量的检测器或者检测器组合，其中任何希望数量的红外元件可以邻近超声元件而形成，以便形成可以用于超声和红外发射、检测和成像的组合阵列。这样的组合的超声和IR换能器阵列可以通过薄膜工艺来形成，其中电极可以位于压电材料的相同侧或者相对侧上，这类似于前面例如结合图2A-8D所描述的情况。
在图14A中示出的阵列1400的另一实施例中，诸如放大器1390之类的电路***可以通过在载体或前衬底210′上邻近换能器和热电元件1310、1320倒装芯片式安装或线焊1495来安装以实现***级封装解决方案。典型地为Si载体的该载体210′也可以包括其他元件、功能和设备，例如电阻器。应当指出的是，载体或前Si衬底210′类似于图2A、图2C中示出的前衬底210。通过这种方式，可以实现基本上小型化的不显眼超声检测器阵列和热电检测器阵列，如图14A所示。类似于图13B，如同14B所示，后衬底1340可以被延伸并且用来也保护热电传感器。可替换地，如图14C所示，为了支撑所述设备，前衬底210’可以被图案化，以便形成将压电超声换能器和热电传感器分开的支撑物210″，这类似于结合图13C所描述的情况。
在图15所示的换能器阵列1500的另一个可替换的实施例中，可以通过将可以为例如FET的诸如放大器之类的电路***集成到前Si衬底210′来实现更进一步的小型化，所述前Si衬底类似于图2A、图2C中示出的前衬底210。这与具有非集成放大器形成对照，所述非集成放大器可以是独立的并且通过诸如倒装芯片式安装或者线焊1495之类的任何手段连接或安装到换能器，如结合图14A所描述的。同样如结合图2A、图2C所描述的是，前衬底210、210′用作在其上形成并且图案化所述各个层以便实现超声换能器和/或热电换能器的载体。如前所述，前衬底的部分被去除(例如以便形成如图2A、图2C中示出的开口260)，从而留下衬底部分210、210′。可以根据需要例如在电极1342与集成到前Si衬底210′中的FET之间提供互连1515。
可替换地，类似于结合图13B和图14B所描述的情况，后衬底1340可以不仅用于安装到压电换能器上，而且可以在热电传感器上延伸并且用来保护热电传感器，如图15B所示。此外，前衬底210′可以被图案化，使得它将压电超声换能器和热电传感器分开，如图15C中所示并且类似于图13C和图14C中所示。
应当理解的是，示出电极在压电层一侧上(称为d33模式)的各个实施例的上面的描述同样适用于工作于d31模式下的实施例，其中电极位于压电层的相对侧上，如结合图5和图8B-8C所示出和描述的。
例如，在图16中示出的换能器阵列1600的实施例中，超声换能器1610工作于d31模式下(与前面的例如图12-15中示出的工作于d33模式下的实施例形成对照)。在d31模式下，驱动压电层的电极设计在压电膜的相对侧上。该设计具有以下优点：换能器可以工作于低电压下。超声换能器1610可以类似于前面所述来形成，例如类似于结合图2C、图5和图8B-8C所述来形成。
在图16A中示出的阵列1600的另一实施例中，除了在压电区域1621两侧上具有电极的超声换能器1610之外，热电检测器元件1620也被加工成电极位于热电层1622的相对侧上的板电容器。热电IR换能器1620可以通过在完整的前衬底210′上承载的隔膜1330上形成第一或前电极1642来实现(即在去除衬底210′的若干部分以便使隔膜1330暴露，类似于上面例如结合图2C、图5和图8B-8C所描述的情况)。接下来，在前电极1642上形成热电压电层1622，在压电层1622上形成第二或后电极1644并且如果希望的话则图案化。接着，根据需要去除前衬底210′的若干部分以便使隔膜1330暴露，并且根据需要去除隔膜1330的若干部分以便使前电极1642暴露，所述前电极可以根据需要图案化。接着，可以在前电极1642的部分上提供透镜1380，其中可以热隔离该透镜。
热电/压电区域和层1621、1622通过施加DC场并且在升高的温度(例如100-300℃(如180℃))下极化。热电压电层1621、1622的极化垂直于层1621、1622。两个或更多彼此极化相对的热电元件可以被设计成串联。这些元件由于来自红外辐射的温度变化而引起的极化变化利用前置放大器来读出，所述前置放大器可以是集成到前硅衬底210′或者与任何其他希望的电子部件和电路一起安装/连接到换能器的FET。换言之，包括该FET的电子电路可以在单独的印刷电路板(PCB)上实现，和/或通过例如线焊或倒装芯片式安装到Si载体210′上来安装。在图16A的可替换方案中，电极和热电层之下的隔膜也可以不被去除，如图16B所示。
应当指出的是，各个附图中示出的IR检测器的透镜1380典型地分割成具有不同特性(例如不同曲率和不同厚度)的段，这类似于菲涅尔透镜，其中每个段被配置成接收来自特定区域或区带的IR辐射。段的数量和类型可以基于覆盖区域而变化，其中典型地更宽的覆盖区域要求更高数量的段。取决于针对IR辐射监控的覆盖区域的尺寸，与IR检测器一起使用的典型透镜包括7-14个段。这样的透镜相对昂贵并且成本随着段的数量的增加而增大。
代替具有含有许多段的昂贵透镜的是，薄膜传感器阵列可以与具有减少的段或者没有段并且仍然具有宽的覆盖区域的透镜一起使用。因此，使用薄膜换能器阵列允许使得透镜更易于设计并且减小了厚度，从而提供紧凑的设备以及降低成本。例如，用于天花板应用的IR运动/存在性传感器可以具有4个元件或传感器(象限(quad)设备)以及含有14个段的透镜以便提供4乘14或者56个检测区域。相反地，IR热电传感器可以包含14个元件或传感器并且所述透镜可以仅有4个段并且仍然具有相同数量的检测区域，即14乘4或者56个检测区域。
在图17A-17C中示出的另一实例中，工作于d33或d31模式下的超声换能器1310使用具有专用组成的压电薄膜层，并且热电检测器1320使用具有特殊组成的另一专用层，所述特殊组成不同于超声换能器1310的压电薄膜层的组成。在图17A-17C中示出的集成超声和热电/红外(IR)设备的这些实施例中，集成超声换能器1310可以具有含有掺杂了La的锆钛酸铅的专用压电组成，并且集成IR检测器1320可以具有掺杂了La、Mn的锆钛酸铅的专用热电组成。
图17A中给出了一个说明性实例或实施例。类似于图13A，该实施例示出了超声换能器***或者超声换能器阵列以及热电传感器或者热电传感器阵列。在该实例中，压电超声换能器工作于d33模式下。在可以为例如氮化硅和氧化硅但是也可以是任何其他的隔膜叠层的隔膜1330的一部分上，压电层1322(例如掺杂了镧(La)的锆钛酸铅层)被沉积和图案化，使得它仅仅位于其中超声换能器起作用的区域。在热电传感器或者传感器阵列所在的隔膜1330的另一部分上，热电薄膜层1722沉积在隔膜1330上。该热电薄膜层可以为例如掺杂了镧和锰(Mn)的锆钛酸铅层。
图17B和图17C示出了图17A的修改，其中类似于图13A-13C，安装的后衬底1340延伸以覆盖超声换能器和热电传感器，如图17B所示。在图17C中，具有专用压电薄膜材料的超声换能器区域通过图案化前衬底210’而与热电传感器区域分开，这类似于结合图13C、图14C和图15C所描述的情况。
最后，上面的讨论预期仅仅说明本***并且不应当视为将所附权利要求限制到任何特定的实施例或实施例组。因此，尽管参照了其特定示例性实施例特别详细地描述了本***，但是同样应当理解的是，本领域技术人员在不脱离下面的权利要求书中阐述的本***的更宽的和预期的精神和范围的情况下，可以设计出许多修改和可替换实施例。因此，说明书和附图应当以说明性的方式来理解，并不预期限制所附权利要求书的范围。
在解释所附权利要求书时，应当理解的是：
a)措词“包括/包含”并没有排除存在给定权利要求中未列出的其他元件或动作；
b)元件之前的措词“一”或“一个”并没有排除存在多个这样的元件；
c)权利要求中的任何附图标记并没有限制其范围；
d)若干“装置”可以由相同或不同的项目或者硬件或软件实现的结构或功能来表示；
e)所公开的任何元件可以包括硬件部分(例如包括分立和集成的电子电路***)、软件部分(例如计算机编程)及其任意组合；
f)硬件部分可以包括模拟和数字部分之一或者二者；
g)除非另有特定说明，所公开的任何设备或者其部分可以组合在一起或者分为另外的部分；
h)除非特定指明，不预期要求特定序列的动作或步骤；以及
i)措词“多个”元件包括两个或更多所述元件，并且不意味着元件数量的任何特定范围；换言之，多个元件可以少至两个元件，并且可以包括不可计数的元件。

Claims (37)

1.一种形成换能器(800)的方法，包括以下动作：
在前衬底(615)上形成隔膜(830)；
在隔膜(830)上形成压电层(820)；
在压电层(820)的活性部分(821)上形成包括第一和第二电极(840，845)的图案化导电层；以及
形成具有位于活性部分(821)的相邻侧上的支撑物(822，824)的后衬底结构。
2.权利要求1的方法，其中支撑物(822，824)的支撑高度(826)大于所述压电层和图案化导电层的组合高度(828)。
3.权利要求1的方法，其中所述形成后衬底的动作包括以下动作：
在后衬底(640)上形成支撑物(822，824)；以及
将支撑物(822，824)附接到邻近活性部分(82)的位置。
4.权利要求3的方法，其中所述形成支撑物(822，824)的动作包括以下动作中的至少一个：
在后衬底(640)上形成至少一个导电层(650)以便形成支撑物(822，824)；以及
在支撑物(822，824)之间局部地蚀刻后衬底(640)。
5.权利要求1的方法，其中所述形成后衬底的动作包括以下动作：
在支撑物(822，824)上形成附加层(870)以便将支撑物(822，824)的厚度增加到超过所述压电层和图案化导电层的总厚度，这些支撑物包括所述压电层和图案化导电层的部分；以及
将后衬底(640)安装到支撑物(822，824)的附加层(870)上。
6.权利要求1的方法，还包括全部地或者部分地去除前衬底(815)的动作。
7.权利要求1的方法，其中所述形成隔膜(830)的动作包括以下动作：
在前衬底(615)上形成氮化硅层(847)；以及
在氮化硅层(847)上形成氧化硅层(850)。
8.权利要求1的方法，还包括将活性部分(821)划分成段的动作，所述段通过重叠的底部和顶部电极(890，895)之间的电容耦合而串联连接。
9.权利要求8的方法，还包括将电阻器(891，893)连接到重叠的底部和顶部电极(890，895)以便提供偏压的动作。
10.一种形成换能器(800)的方法，包括以下动作：
在前衬底(615)上形成隔膜(830)；
在隔膜(830)上的活性部分(821)以及邻近活性部分(821)的***部分处形成压电层(820)；
在压电层(820)上形成图案化导电层；以及
形成具有位于活性部分(821)的相邻侧上的支撑物(822，824)的后衬底结构。
11.权利要求10的方法，其中支撑物(822，824)的支撑高度(826)大于所述压电层和图案化导电层的组合高度(828)。
12.权利要求10的方法，其中所述形成后衬底的动作包括以下动作：
在后衬底(615)上形成导电层(870)；以及
将导电层(870)附接到支撑物(822，824)。
13.权利要求10的方法，其中所述形成后衬底的动作包括以下动作：
在支撑物(822，824)上形成附加层(870)以便将支撑物(822，824)的厚度增加到超过所述压电层和图案化导电层的总厚度，这些支撑物包括所述压电层和图案化导电层的部分；
将后衬底(640)安装到支撑物(822，824)的附加层(870)上；以及
在其中没有应用支撑物(822，824)的区域中将凹槽蚀刻到后衬底(640)中。
14.权利要求10的方法，其中所述形成图案化导电层的动作包括在图案化压电层(820)的活性部分(821)上形成第一和第二电极(840，845)。
15.权利要求10的方法，还包括形成另外的图案化导电层(840′)的动作，其中压电层(820)夹在所述图案化导电层与所述另外的图案化导电层之间。
16.权利要求10的方法，其中所述形成隔膜(830)的动作包括以下动作：
在前衬底(615)上形成氮化硅层(847)；以及
在氮化硅层(847)上形成氧化硅层(850)。
17.权利要求10的方法，还包括将活性部分(821)划分成段的动作，所述段通过重叠的底部和顶部电极(890，895)之间的电容耦合而串联连接。
18.一种换能器(800)，包括：
隔膜(830)，其被配置成响应于力而改变形状；
压电层(820)，其在隔膜(830)上形成；
第一和第二电极(840，845)，其与压电层(820)接触，其中第一和第二电极(840，845)之间的电场与压电层(820)的机械运动成比例；
第一和第二支撑物(822，824)，其位于压电层(820)的***侧；以及
衬底(640)，其由所述第一和第二支撑物(822，824)支撑。
19.权利要求18的换能器，其中当第一和第二电极在压电层的一侧上形成时，第一和第二支撑物(822，824)的支撑高度(828)大于压电层和第一电极的第一组合高度(828)，并且其中当第一和第二电极在压电层的相对侧上形成时，所述支撑高度大于压电层以及第一和第二电极的第二组合高度。
20.权利要求18的换能器，其中第一和第二支撑物(822，824)包括压电层的压电材料以及第一和第二电极的导电材料。
21.权利要求18的换能器，其中隔膜(830)包括位于氮化硅层(847)上的氧化硅层(850)，压电层(820)位于氧化硅层(850)上。
22.权利要求18的换能器，还包括阻挡层(617)，其中隔膜(830)包括在氮化硅层(847)上形成的氧化硅层(850)；阻挡层(617)位于氧化硅层(850)上并且压电层位于阻挡层(617)上。
23.一种包括权利要求18的换能器的阵列。
24.一种用于存在性检测的传感器，包括权利要求18的换能器。
25.一种用于存在性检测的运动传感器，包括权利要求18的换能器。
26.一种用于实时成像的成像传感器，包括权利要求18的换能器。
27.一种换能器阵列(1100，1200)，包括：
至少两个薄膜换能器元件(1210，1220)，其具有压电层(1222)、至少两个电极(1242)以及隔膜(1230)，该隔膜(1230)被配置成响应于力而改变形状；以及
柔性箔(1150，1250)；
其中所述至少两个薄膜换能器元件(1210，1220)附接到所述换能器阵列的第一侧上的柔性箔(1150，1250)。
28.权利要求27的换能器阵列(1100，1200)，还包括在换能器元件(1110，1120)的第二侧上的另外的柔性箔(1155)，使得所述柔性箔(1150)以及所述另外的柔性箔(1155)基本上覆盖所述换能器阵列的第一侧和第二侧。
29.权利要求27的换能器阵列(1100，1200)，其中柔性箔(1250)附接到换能器元件(1210，1220)的半导体衬底(1240)，该半导体衬底(1240)具有减小的厚度并且包括用于将换能器元件(1210，1220)连接到另外的元件的至少一个单独的通孔(1270)。
30.权利要求27的换能器阵列(1100，1200)，其中所述至少两个薄膜换能器元件包括薄膜超声换能器元件和薄膜热电换能器元件。
31.权利要求27的换能器阵列(1100，1200)，还包括位于所述至少两个薄膜换能器元件中的至少一个的***处的支撑物之间的衬底(1240)。
32.权利要求27的换能器阵列(1100，1200)，还包括位于与压电层(1222)相对的隔膜(1230)一侧上的所述至少两个薄膜换能器元件之间的支撑物(210″)。
33.权利要求27的换能器阵列(1100，1200)，其中所述至少两个薄膜换能器元件包括薄膜超声换能器元件和薄膜热电换能器元件，该换能器阵列还包括位于与压电层(1222)相对的隔膜(1230)一侧上的至少所述薄膜超声换能器元件和热电换能器元件之间的支撑物(210″)。
34.一种换能器阵列(1000)，包括：
至少两个薄膜换能器元件(1010)，其具有夹在至少两个电极(1030，1040)之间的压电层(1020)；以及
柔性箔(1050)；
其中所述至少两个薄膜换能器元件(1010)附接到所述换能器阵列的第一侧上的柔性箔(1050)并且由间隙(1070)分开以便增强柔性箔(1050)的运动并且允许对阵列(1000)定形。
35.一种设备，包括：
换能器阵列，其具有含有压电层的至少两个薄膜换能器元件；
热电阵列，其具有含有热电层的至少两个薄膜热电检测器；以及
至少两个电极；
所述压电层和热电层夹在所述至少两个电极之间。
36.权利要求35的设备，还包括柔性箔，其中所述换能器阵列和热电阵列安装在该柔性箔上。
37.权利要求36的设备，其中所述换能器阵列和热电阵列被分开以便使所述柔性箔的一部分暴露，从而提高柔性。
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