IT201800002952A1 - Trasduttore ultrasonico microlavorato (mut) perfezionato, metodo di fabbricazione del mut, e metodo di progettazione del mut - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“TRASDUTTORE ULTRASONICO MICROLAVORATO (MUT) PERFEZIONATO, METODO DI FABBRICAZIONE DEL MUT, E METODO DI PROGETTAZIONE DEL MUT”

la presente invenzione è relativa ad trasduttore ultrasonico microlavorato (“Micromachined Ultrasonic Transducer”, o MUT), ad un metodo di fabbricazione del MUT, e ad un metodo di progettazione del MUT. In particolare, la presente invenzione è relativa ad un MUT progettato e fabbricato in modo tale da tenere in considerazione i modi di risonanza acustica che si generano, durante l’uso, all’interno di un package che alloggia il MUT.

Come è noto, un trasduttore è un dispositivo che converte una variazione di una grandezza fisica in una variazione di una grandezza elettrica (una resistenza o una capacità), o viceversa. I trasduttori ad ultrasuoni sono dispositivi ben noti nello stato della tecnica e largamente utilizzati nell’ambito dei test non distruttivi, della rilevazione di velocità, nell’automazione industriale, nel riconoscimento di oggetti, nei sistemi anticollisione e nella diagnostica per immagini. I trasduttori ad ultrasuoni microlavorati sono provvisti di una struttura a membrana vibrante, con opportuna impedenza acustica per garantire un buon accoppiamento con un mezzo fisico di interesse, ad esempio aria o liquidi. La vibrazione della membrana, sotto il comando di un attuatore ad essa accoppiato, causa l’emissione di un fascio a ultrasuoni nel mezzo considerato (funzionamento come trasmettitore). Similmente, la ricezione di un segnale acustico ad ultrasuoni, induce nella membrana una vibrazione che viene trasdotta in un segnale elettrico, e quindi rilevata (funzionamento come ricevitore).

I MUT possono essere suddivisi in due principali tipologie, in base al meccanismo di attuazione: MUT capacitivi (CMUT) e MUT piezoelettrici (PMUT). In particolare, PMUT di tipo noto vengono fabbricati secondo un procedimento di attacco (“etching”) dal retro di un substrato semiconduttore, così da definire una membrana sospesa sulla quale si estendono gli attuatori / rilevatori piezoelettrici.

La membrana sospesa viene comandata in oscillazione o vibrazione (ad esempio con un movimento di tipo a pistone) ad una specifica frequenza, tipicamente la frequenza di risonanza della membrana stessa dipendente dalle caratteristiche costruttive della membrana (geometria, spessore, diametro, ecc.), in modo di per sé noto.

Dispositivi di trasduzione ad ultrasuoni MUT includono tipicamente un trasduttore che può essere realizzato in tecnologia MEMS (“Micro-Electro-Mechanical-System”), ovvero mediante fasi di lavorazione di un corpo semiconduttore, ed un package protettivo che include una base di appoggio per il MUT ed un cappuccio definenti congiuntamente una camera in cui il MUT è alloggiato. Le onde acustiche generate dal MUT durante l’uso si propagano all’interno della camera del package e vengono trasmesse all’esterno attraverso il cappuccio.

È noto che la forma e le dimensioni della camera interna del package hanno un impatto significativo sulle performance del dispositivo trasduttore ad ultrasuoni, in particolare sulla pressione dell’onda generata in uscita e sulla banda. Infatti, durante l’uso, onde stazionarie si generano all’interno della cavità del package, dando origine, in modo noto, a modi di risonanza acustica. Tali modi di risonanza acustica dipendono fortemente dalle caratteristiche geometriche della cavità interna del package e possono essere identificati con i programmi di simulazione e progettazione attualmente disponibili.

La Richiedente ha verificato che, a causa della presenza di tali modi di risonanza acustica, comandare il MUT alla sua frequenza di risonanza non comporta necessariamente una elevata pressione dell’onda generata in uscita dal package (segnale utile trasmesso). Al contrario, esistono condizioni operative in cui i modi di risonanza acustica interni al package riducono significativamente la pressione dell’onda in uscita.

Le difficoltà sopra discusse rendono il progetto di dispositivi di trasduzione acustica particolarmente complesso.

Scopo della presente invenzione è quindi mettere a disposizione un trasduttore ultrasonico microlavorato (MUT), un metodo di fabbricazione del MUT, e un metodo di progettazione del MUT, che consentano di superare gli svantaggi della tecnica nota.

Secondo la presente divulgazione vengono dunque forniti un trasduttore ultrasonico microlavorato (MUT), un metodo di fabbricazione del MUT, e un metodo di progettazione del MUT, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per la comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 illustra un trasduttore ultrasonico piezoelettrico microlavorato (“Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer” - PMUT) secondo una forma di realizzazione di tipo noto;

- la figura 2 illustra una vista superiore del PMUT di figura 1;

- la figura 3 illustra un PMUT secondo una ulteriore forma di realizzazione di tipo noto;

- la figura 4 illustra un trasmettitore basato su PMUT includente un package che alloggia al suo interno una piastrina integrante una pluralità di PMUT del tipo mostrato in figura 1;

- la figura 5 illustra, per diversi valori di frequenza, la pressione esercitata in un mezzo di propagazione (qui, aria) da onde di risonanza acustica generate, in uso, dalla pluralità PMUT di figura 4;

- la figura 6 illustra la pressione esercitata in un mezzo di propagazione (qui, aria) da un’onda acustica emessa dal trasmettitore di figura 4 quando perfezionato secondo un aspetto della presente invenzione;

- la figura 7A illustra, in vista prospettica, una porzione della piastrina integrante la pluralità di PMUT della figura 4, secondo una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa della presente invenzione;

- la figura 7B illustra, in vista in pianta (“top plan view”), la piastrina integrante la pluralità di PMUT delle figure 4 e 7A, secondo una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa della presente invenzione; - la figura 8 illustra, secondo la stessa vista di figura 7B, una porzione del trasmettitore basato su PMUT di figura 4, in cui gradazioni di grigio illustrano graficamente la pressione trasmessa dal mezzo di propagazione (qui, aria) al cappuccio del package di figura 4;

- la figura 9 mostra segnali di comando dei PMUT quando disposti come illustrato in figura 8; e

- la figura 10 illustra schematicamente un sistema elettronico includente uno o più PMUT secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione della presente divulgazione.

La figura 1 è una vista in sezione laterale di un trasduttore ultrasonico piezoelettrico microlavorato (nel seguito, PMUT) 1.

La sezione di figura 1 è rappresentata in un sistema di assi cartesiani X, Y e Z ortogonali tra loro, ed è presa lungo una linea di sezione I-I mostrata in figura 2. Il PMUT 1 comprende un corpo semiconduttore 2, includente un substrato di materiale semiconduttore quale silicio, ed una o più regioni epitassiali, anch’esse di materiale semiconduttore quale silicio, cresciute sul substrato. Il corpo semiconduttore 2 ha una prima faccia 2a ed una seconda faccia 2b, opposte tra loro lungo l’asse Z. Una cavità sepolta 6, di forma esemplificativamente circolare sul piano XY, si estende all’interno del corpo semiconduttore 2, separata dalla prima faccia 2a mediante una membrana 8 almeno in parte sospesa sulla cavità 6. Anche la membrana 8 ha, in questa forma di realizzazione esemplificativa, forma circolare sul piano XY.

In modo di per sé noto, sulla prima faccia 2a del corpo semiconduttore, in corrispondenza della membrana 8, si estende opzionalmente uno strato di interfaccia 14 (ad esempio di ossido di silicio) e al di sopra di quest’ultimo una pila (“stack”) formata da un elettrodo inferiore 16, un piezoelettrico 18 (ad esempio, PZT o AlN) ed un elettrodo superiore 20. Lo strato di interfaccia 14 ha la funzione di isolante elettrico tra l’elettrodo inferiore 16 ed il corpo semiconduttore 2 ed ha altresì la funzione di generare uno stress compressivo, in corrispondenza della membrana 8, che si oppone ad un eventuale collasso della membrana 8 verso l’interno della cavità 6 a causa di una eccessiva differenza di pressione tra la pressione interna alla cavità 6 e la pressione ambientale esterna ad essa.

In una forma di realizzazione, l’elettrodo inferiore 16 ed il piezoelettrico 18 hanno, in vista sul piano XY, forma circolare con rispettivi diametri pari o maggiori del diametro d1 della cavità 6; il piezoelettrico 18 presenta inoltre una apertura passante 21 attraverso cui è esposta una porzione superficiale dell’elettrodo inferiore 16, per consentire il successivo contatto elettrico di quest’ultimo. L’elettrodo superiore 20 ha forma circolare a ciambella e si estende in corrispondenza di regioni di bordo della membrana 8. Risulta evidente che, in diverse forme di realizzazione, non illustrate, l’elettrodo superiore 20 può avere forma diversa, ad esempio forma circolare piena, e si può estendere a coprire l’intera superficie della membrana 8 o solo una sua parte (ad esempio l’elettrodo superiore 20 è concentrico alla membrana 8 ma ha diametro inferiore a quello della membrana 8). In uso, quando una corrente/tensione AC viene alimentata agli elettrodi superiore 20 ed inferiore 16 al fine di attivare il piezoelettrico 18, si genera una deflessione della membrana 8 lungo Z.

In generale, il PMUT 1 può funzionare sia come trasmettitore che come ricevitore. In qualità di trasmettitore, il campo elettrico tra l’elettrodo superiore 20 e l’elettrodo inferiore 16 genera uno stress trasverso nel piezoelettrico 18 a causa dell’effetto piezoelettrico inverso. Lo stress così generato causa un momento flettente che forza la membrana a deflettersi fuori dal piano XY, generando una variazione di pressione dell’ambiente in cui il PMUT 1 è inserito, che si propaga come onda di pressione nel mezzo considerato (es., aria), lungo una direzione di propagazione principale parallela all’asse Z, in allontanamento dal PMUT 1. In qualità di ricevitore, un’onda di pressione incidente causa una deflessione della membrana e crea uno stress trasverso che risulta in una variazione di carica elettrica tra l’elettrodo superiore e l’elettrodo inferiore, per via dell’effetto piezoelettrico.

Come noto, la membrana 8 del PMUT 1 non si deflette solo staticamente ma, in uso, quando gli elettrodi 16 e 20 sono polarizzati mediante una opportuna tensione AC (es., un’onda sinusoidale o onda quadra), la membrana 8 vibra ad una frequenza specifica (frequenza di risonanza f0). La massa della membrana 8 stessa influisce sul comportamento dinamico, in funzione della sua densità ρ. Anche la resistenza (impedenza acustica) offerta dal mezzo (es., aria) in cui la membrana 8 vibra influisce sulla frequenza di vibrazione (nel caso dell’aria, questo parametro può essere trascurato). Ulteriori parametri rilevanti riguardano la forma della membrana, il suo spessore ed il suo diametro.

A causa di questa dipendenza multidominio, la frequenza di risonanza f0 della membrana vibrante di un PMUT viene tipicamente caratterizzata mediante software di modellizzazione a elementi finiti, FEM, sfruttando opportuni programmi per elaboratore disponibili al tecnico del ramo. Tuttavia, in prima approssimazione, è possibile considerare la frequenza di risonanza f0, in particolare per una membrana 8 di forma (in vista superiore, sul piano XY) scelta tra circolare, quadrangolare (es., quadrata) e poligonale, come proporzionale al rapporto (t1/L<2>), dove t1 è lo spessore della membrana 8 e L è una dimensione caratteristica della forma scelta per la membrana 8 (ovvero il diametro d1 nel caso di membrana circolare, il lato o la diagonale nel caso di membrana quadrata, o la diagonale nel caso di membrana poligonale), o altra dimensione caratteristica scelta secondo necessità. Risulta evidente che la dimensione caratteristica della membrana 8 può essere diversa da quelle sopra indicate, in particolare può essere una dimensione legata da un fattore di proporzionalità con quelle sopra indicate (es., raggio e diametro nel caso di membrana circolare; lato e diagonale nel caso di quadrato; ecc.).

Più precisamente, la frequenza di risonanza f0 per una membrana circolare può essere valutata utilizzando la seguente equazione (1), considerando l’aria come mezzo in cui la membrana 8 è immersa:

dove E è il modulo di Young, ρ la densità del materiale di cui la membrana è costituita, e v il coefficiente di Poisson (anche noto come “Poisson's ratio”). Il parametro B è una costante definita in base alla configurazione scelta per gli ancoraggi di membrana, in particolare pari a: 11.84 per membrana vincolata ai bordi (impedendo la rotazione e la traslazione della membrana ai bordi); 6.09 per membrana libera ai bordi e priva di vincolo (caso ideale, utilizzabile durante una simulazione); 4.35 per membrana vincolata al centro e libera ai bordi; 5.90 per membrana incernierata (“hinged”) ai bordi, ovvero atta a permettere traslazione, ma non una rotazione, ai bordi.

In una forma di realizzazione della presente divulgazione, a puro scopo descrittivo e non limitativa, si considera che la membrana 8 sia dimensionata in modo da ottenere una frequenza di risonanza di 95 kHz, ed in particolare con forma, in vista sul piano XY, circolare e diametro d1=500µm (gli altri parametri sono scelti di conseguenza).

Una ulteriore indicazione utile per caratterizzare la membrana 8 riguarda l’ampiezza di deflessione massima. Questa dipende dai materiali utilizzati per costruire la membrana, oltre che dal suo spessore e dall’entità del comando meccanico impartito dal piezoresistore 18 alla membrana 8. Si considera in questo esempio, a puro scopo descrittivo, che la deflessione massima della membrana 8 lungo Z sia pari a ±1µm rispetto alla condizione di deflessione nulla (ovvero con membrana non attuata).

Inoltre, si considera che il fattore di qualità Q, rappresentativo della larghezza di banda del trasduttore PMUT 1, sia compreso tra 94.2 kHz e 95.8 kHz, in particolare pari a 100.

Risulta evidente che per ottenere frequenze di risonanza di valore diverso da 95 kHz, almeno i parametri relativi alla forma della membrana 8 ed i valori di d1 e t1 possono essere modificati. La variazione di tali parametri, per ottenere una specifica frequenza di risonanza, è alla portata del tecnico del ramo, eventualmente mediante l’ausilio di software di progettazione FEM di tipo noto.

In generale, secondo un aspetto della presente invenzione, è possibile progettare il PMUT 1 impostando i seguenti parametri. La cavità 6 ha diametro d1 compreso tra 50 µm e 800 µm e spessore massimo d2, lungo Z, compreso tra 200 µm e 5 µm. La membrana 8 ha spessore t1, misurato tra la cavità 6 e la prima faccia 2a, pari ad alcuni micrometri, ad esempio compreso tra 1 µm e 5 µm.

La figura 3 illustra un PMUT 30 secondo una forma di realizzazione alternativa a quella di figura 1. In questo caso (elementi comuni sono identificati con gli stessi numeri di riferimento e non ulteriormente descritti), la cavità 6 di tipo sepolto non è presente, ed è invece sostituita da una cavità 32 che si estende attraverso il corpo semiconduttore 2 a partire dalla seconda faccia 2b. In questa forma di realizzazione, la cavità 32 è alla stessa pressione dell’ambiente in cui il PMUT è disposto durante l’uso. Si superano così eventuali inconvenienti dovuti ad un possibile collasso della membrana 8 a causa di una eccessiva differenza di pressione tra la pressione interna alla cavità 6 e la pressione ambientale esterna ad essa.

Le figure 1-2 illustrano esemplificativamente un singolo PMUT 1; tuttavia, al fine di emettere un’onda ultrasonica con specifica direttività e elevata distanza di propagazione (es., tra 1 e 2 metri), è possibile realizzare un dispositivo emettitore includente una matrice o vettori (in generale “array”) di PMUT 1 organizzati secondo uno specifico pattern, ad esempio un pattern circolare o lineare come descritto da Kaoru Yamashita et al. in “Arrayed ultrasonic microsensors with high directivity for in-air use using PZT thin film on silicon diaphragms”, Sensors and Actuators, A 97-98 (2002), p. 302-307, oppure come illustrato esemplificativamente nelle figure 7A e 7B.

La figura 4 mostra schematicamente, in vista in sezione laterale, un package 50 che alloggia una piastrina (“die”) 35 che alloggia o integra una pluralità di PMUT 1 del tipo mostrato in figura 1. Il package 50 comprende un substrato di base 36 ed un cappuccio protettivo (“protective cap”) 38, accoppiato al substrato di base 36 mediante regioni di accoppiamento 39 e definente con esso una cavità interna 40 del package 35. Risulta evidente che, in una forma di realizzazione alternativa, il cappuccio 38 e le regioni di accoppiamento 39 possono essere un corpo monolitico. In una forma di realizzazione non limitativa della presente invenzione, le pareti del cappuccio 38 e delle regioni di accoppiamento 39 rivolte verso la cavità 40 sono rigide (in questo contesto, si intende con il termine “rigido” un materiale che non si deforma sotto l’azione delle onde acustiche generate, durante l’uso, dai PMUT 1 della piastrina 35). Ad esempio, scegliendo il cappuccio 38 e le regioni di accoppiamento 39 di metallo (es., cappuccio in Alluminio) o materiale polimerico, o materiale semiconduttore (es., Silicio), essi risultano essere “rigidi” quando sottoposti a pressioni acustiche nell’intervallo 10<2 >Pa – 10<5 >Pa.

Il substrato di base 36 può essere di materiale laminato come FR-4 o BT (Bismaleimide / Triazina), o genericamente in materiale plastico o, ancora, in materiale semiconduttore.

In questa forma di realizzazione esemplificativa, la piastrina 35 ha forma quadrata, con lato l1 (lungo X e Y) pari a circa 7.15 µm, raggio d1 (sul piano XY) di ciascuna membrana 8 di ciascun PMUT 1 pari a circa 500 µm, spessore d4 della piastrina 35 (lungo Z) pari a circa 400 µm. Inoltre, si considera qui un cappuccio 38 di forma sostanzialmente quadrata, con lato l2 (lungo X e Y) pari a circa 10 mm e spessore d3 (lungo Z) pari a circa 150 µm. La distanza g1 tra la piastrina 35 e il cappuccio 38 è pari a circa 500 µm. La cavità 40 interna al package 50 ha estensione, in vista sul piano XY, di forma quadrata. Il volume della cavità 40 interna al package 50 è ad esempio pari a 50 mm<3>.

Inoltre, in questo esempio realizzativo, la piastrina 35 alloggia nove PMUT 1. In particolare, la piastrina 35 alloggia nove PMUT 1 integrati in uno stesso corpo semiconduttore 2, e realizzati in forma di membrane tra loro affiancate e comandabili da rispettivi attuatori piezoelettrici.

Il package 50 e la piastrina 35 formano, insieme, un dispositivo di trasduzione ad ultrasuoni 51.

In modo illustrato solo schematicamente in figura 4, sono presenti altresì connessioni elettriche 44 per la polarizzazione dei piezoresistori 18 mediante uno o più rispettivi generatori di tensione 46, configurati per generare un segnale di tensione Vp.

Come sopra discusso, la forma e le dimensioni della cavità 40 hanno un impatto sulla potenza dell’onda acustica emessa dal dispositivo di trasduzione ad ultrasuoni 51, in particolar modo a causa dei modi di risonanza acustica che si generano all’interno della cavità 40 durante il funzionamento dei PMUT 1 portati dalla piastrina 35.

La Richiedente ha verificato che la frequenza di risonanza dei PMUT 1 ha una influenza, in termini di potenza dell’onda pressoria 42 generata in uscita, che può essere considerata trascurabile rispetto all’influenza delle ulteriori onde pressorie (indesiderate) che si generano in uscita per effetto dei modi di risonanza acustica originati nella cavità 40. Tali ulteriori onde pressorie vengono trasmesse dal dispositivo 51, ciascuna ad una propria frequenza. Come ad esempio illustrato in figura 5, comandando i PMUT 1 della piastrina 35 in oscillazione alla frequenza di 95kHz (in questo esempio, questa frequenza è la frequenza di risonanza di ciascuno dei PMUT 1), e analizzando le onde acustiche 42 emesse dal dispositivo di trasduzione ad ultrasuoni 51 in un ampio intervallo di frequenze (qui, tra 25 kHz e 110 kHz), si osservano una pluralità di picchi a varie frequenze, ciascuno di essi corrispondente ad un modo di risonanza acustica presente nella cavità 40. Come si può osservare, la pressione generata nel mezzo (qui, aria) alla frequenza di 95 kHz è trascurabile rispetto alla pressione generata nello stesso mezzo alle frequenze di 70 kHz e 98.4 kHz.

Pertanto, secondo un aspetto della presente invenzione, ciascun PMUT 1 della piastrina 35 è progettato in modo tale per cui la sua frequenza di risonanza f0 corrisponda sostanzialmente (ovvero, con un margine di errore dato dalle limitazioni dei processi di fabbricazione rispetto al progetto teorico) alla frequenza di risonanza di uno dei modi di risonanza acustica presenti nella cavità 40. La scelta del modo di risonanza acustica può essere lasciata alla libertà del tecnico del ramo; tuttavia, è consigliabile che il matching di frequenze avvenga scegliendo la frequenza di risonanza acustica che genera la maggior pressione in uscita, per massimizzare la potenza del segnale acustico 42 emesso (nell’esempio considerato in figura 5, la frequenza di 98.4 kHz).

Nell’esempio considerato, non limitativo della presente invenzione, ciascun PMUT 1 alloggiato nella piastrina 35 può essere progettato in modo di per sé evidente al tecnico del ramo, progettando la membrana 8 al fine di ottenere una frequenza di risonanza di valore pari a 98.4 kHz (es., seguendo la formula sopra indicata per la frequenza di risonanza f0, includendo forma (“shape”), materiale, spessore t1, diametro o diagonale d1 della membrana 8).

Risulta evidente che il concetto inventivo della presente divulgazione non è limitato agli specifici valori precedentemente menzionati. Infatti, differenze nella forma, geometria interna, volume, materiali della cavità 40 comporta una conseguente variazione delle frequenze di risonanza acustica nella cavità 40 corrispondenti a picchi pressori del tipo illustrato in figura 5. Di conseguenza, anche il progetto di ciascun PMUT 1 dovrà tenere in considerazione tali variazioni, al fine di progettare il PMUT 1 la cui frequenza di risonanza f0 corrisponda alla frequenza di risonanza acustica desiderata. Peraltro, è pratica comune del tecnico del ramo, variando i parametri sopra menzionati (in particolare almeno uno tra: forma della membrana, il/i materiale/i della membrana, spessore della membrana, diametro o diagonale della membrana), progettare PMUT con una precisa frequenza di risonanza, in particolare, secondo la presente invenzione, pari alla frequenza di risonanza acustica scelta.

Per quanto riguarda l’analisi delle frequenze di risonanza dei modi acustici interni al package 50, anche questa è alla portata del tecnico del ramo, in quanto eseguibile in modo automatizzato, e trasparente per l’utilizzatore, mediante comuni software FEM, per qualsiasi geometria scelta per il package 50.

La Richiedente ha verificato che, progettando un trasduttore a ultrasuoni 51 secondo l’insegnamento generale della presente invenzione, la potenza (in termini di pressione nel mezzo considerato) dell’onda acustica 42 generata nel caso di matching di frequenze è considerevolmente maggiore rispetto alla potenza dell’onda generata comandando i PMUT 1 alla loro propria frequenza di risonanza ma in assenza di matching. A tal fine, si consideri il grafico in figura 6, da cui si può osservare l’ampiezza della pressione generata nel mezzo considerato (qui, sempre aria) nel caso di matching in frequenza, come sopra descritto.

Si nota che la pressione dell’onda acustica generata in presenza di matching, qui a 98.4 kHz, è di un ordine di grandezza maggiore rispetto alla pressione generata dall’onda acustica, sempre a 98.4 kHz, prodotta per il solo effetto della risonanza acustica nella cavità 40 e di due ordini di grandezza maggiore rispetto alla pressione generata dall’onda acustica prodotta progettando i PMUT 1 in modo tale da operare alla frequenza di risonanza di 95 kHz.

La figura 7A è una vista prospettica, sezionata, di una porzione della piastrina 35, mentre la figura 7B è una vista superiore, sul piano XY, della piastrina 35, da cui è possibile apprezzare la disposizione reciproca delle membrane di ciascun PMUT 1 alloggiato nel corpo semiconduttore 2.

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, in aggiunta al summenzionato matching di frequenze, la disposizione, o layout, dei PMUT 1 nella piastrina 35, così come la dislocazione spaziale della piastrina 35 nel package 50, sono scelti in funzione dei modi di risonanza acustica generati all’interno della cavità 40. In particolare, scelta una frequenza di risonanza acustica con cui eseguire il matching della frequenza di risonanza dei PMUT 1 (es., una tra le frequenze identificate dai picchi in figura 5), si esamina, ad esempio mediante simulazione FEM (in particolare, mediante analisi modale utilizzando un software di simulazione quale ad esempio Comsol Multiphysics®) la pressione acustica esercitata sul cappuccio 38.

La figura 8 mostra esemplificativamente regioni del cappuccio 38 soggette a differenti pressioni, causate dai modi di risonanza acustica della cavità 40, ottenute mediante simulazione FEM. Le zone indicate con il numero di riferimento 61, in gradazioni di grigio scure, sono regioni in cui la pressione è positiva, ovvero diretta con verso lungo il verso positivo dell’asse Z; mentre le zone indicate con il numero di riferimento 62, in gradazioni di grigio chiare sono regioni in cui la pressione è negativa, ovvero diretta con verso lungo il verso negativo dell’asse Z. Regioni di transizione 63, rappresentate di colore bianco in figura 8, sono comunque presenti tra le zone 61 e le zone 62.

La scelta del particolare layout illustrato in figura 7B, e riproposto in figura 8, relativo alla specifica disposizione dei PMUT 1, è funzione della pressione esercitata, sul cappuccio 38, dalle onde acustica generate nella cavità 40 ed impattanti sul cappuccio 38 dal lato di quest’ultimo rivolto verso la cavità 40.

Come si osserva, esistono zone 61 e zone 62 in cui la pressione ha segno opposto, e zone intermedie 63 in cui la pressione ha valore trascurabile. Ad un massimo pressorio in corrispondenza delle zone 61 corrisponde, in questo esempio, un minimo pressorio in corrispondenza delle zone 62, e viceversa, con una frequenza di oscillazione in risonanza, come detto, pari a 98.4 kHz.

Secondo un aspetto della presente invenzione, ciascun PMUT viene formato in una specifica zona della piastrina 35, e altresì la piastrina 35 viene disposta nella cavità 40 del package, in modo tale per cui ciascuna membrana 8 di ciascun PMUT 1 sia sostanzialmente allineata, lungo Z (ovvero lungo la direzione di propagazione principale dell’onda acustica 42 emessa), ad una rispettiva tra le zone 61 e 62. Pilotando opportunamente ciascun PMUT 1 con un segnale V1 che causa una vibrazione di tali membrane 8 alla frequenza di risonanza scelta per il rispettivo PMUT 1 (come precedentemente descritto e seguendo l’esempio proposto, a 98.4 kHz in modo da corrispondere alla frequenza di risonanza del modo acustico scelto), è possibile massimizzare la pressione esercitata in corrispondenza delle zone 61, ottenendo un considerevole incremento della pressione esercitata, nel mezzo di propagazione considerato, dall’onda acustica emessa dal dispositivo di trasduzione a ultrasuoni 51. In modo di per sé evidente, l’eccitazione di ciascun PMUT 1 avviene in fase con il modo di vibrazione acustico considerato, in modo da massimizzare l’effetto pressorio sul cappuccio 38 e, conseguentemente, l’energia emessa.

Le membrane 8 dei restanti PMUT 1, ossia quelli corrispondenti alle zone 62 in cui la pressione è minima, vengono pilotati con un rispettivo segnale V2 che è in opposizione di fase rispetto al segnale V1 di pilotaggio dei PMUT 1 allineati alle zone 61.

La figura 9 è una rappresentazione grafica dei segnali di pilotaggio V1 e V2, qui di tipo sinusoidale. Alternativamente, è possibile utilizzare segnali di tipo a onda quadra.

Altri metodi di pilotaggio, diversi da quello descritto con riferimento alle figure 8 e 9, possono essere utilizzati.

Ad esempio, facendo ancora riferimento alla figura 8, è possibile pilotare esclusivamente i PMUT 1 dislocati in corrispondenza delle zone 61 (tali PMUT vengono fatti vibrare in fase con l’onda acustica risonante alla frequenza di 98.4 kHz considerata). I restanti PMUT 1, dislocati in corrispondenza delle zone 62, sono mantenuti spenti. Questa forma di realizzazione ha il vantaggio di consentire un incremento della pressione dell’onda acustica 42 emessa rispetto alla tecnica nota, ma con un risparmio in termini di consumi rispetto al caso precedentemente descritto con riferimento alle figure 8 e 9.

Secondo una ulteriore forma di realizzazione, è altresì possibile pilotare solo alcuni, o solo uno, tra i PMUT 1 dislocati in corrispondenza delle zone 61 (tali PMUT vengono fatti vibrare in fase con l’onda acustica risonante alla frequenza di 98.4 kHz considerata), mentre tutti gli altri vengono mantenuti spenti.

Infine, sebbene sia possibile pilotare tutti i PMUT 1 contemporaneamente con uno stesso segnale di tensione (ad esempio applicando il solo segnale di tensione V1 o il solo segnale di tensione V2), questa forma di realizzazione non porta a particolari vantaggi.

La figura 10 mostra, schematicamente, un sistema elettronico 100 includente il trasduttore ad ultrasuoni 51. Il sistema elettronico 100 include inoltre una unità di controllo 102 dell’array di PMUT, configurata per polarizzare, in una condizione operativa in cui l’array di PMUT funziona come trasmettitore, gli elettrodi inferiori e superiori 16, 20 di ciascun PMUT dell’array al fine di causare una deflessione del rispettivo piezoelettrico 18 e, di conseguenza, una deflessione controllata della membrana 8, secondo quanto precedentemente descritto.

L’unità di controllo 102 dell’array di PMUT è altresì configurata per ricevere ed elaborare, in una condizione operativa in cui l’array di PMUT funziona come ricevitore, un segnale elettrico trasdotto dal piezoelettrico 18 che è funzione di una deflessione della membrana 8 causata da un’onda pressoria impattante sulla membrana 8 dei PMUT.

Risulta evidente che, in funzione del contesto operativo e delle necessità applicative, il sistema elettronico 100 (e in particolare l’unità di controllo 102) può essere configurato per operare in una sola tra le due modalità operative summenzionate.

Il sistema elettronico 100 è, ad esempio, uno tra: un sistema per test non distruttivi, un sistema di rilevazione di velocità, un sistema di riconoscimento di oggetti, un sistema anticollisione, un sistema di diagnostica per immagini.

I vantaggi ottenibili dai PMUT secondo la presente divulgazione, nelle rispettive forme realizzative e secondo i rispettivi metodi di fabbricazione, sono evidenti da quanto precedentemente descritto.

In particolare, l’invenzione descritta consente una attuazione di un array di PMUT che risulta essere ottimale per la generazione di un’onda emessa con elevata pressione.

Risulta infine chiaro che al dispositivo descritto ed illustrato possono essere apportate numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, la presente invenzione si applica, in modo di per sé evidente al tecnico del ramo, anche a trasduttori ultrasonici microlavorati di tipo capacitivo (CMUT).

Inoltre, risulta evidente che la forma di realizzazione di figura 4, in cui una piastrina 35 alloggia (integra) una pluralità di PMUT 1, può essere modificata in modo tale per cui la piastrina 35 alloggia un solo PMUT 1 e/o in modo tale per cui la cavità 40 alloggia una pluralità di piastrine ciascuna includente uno o più PMUT 1.

Claims (24)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (51) di emissione di un’onda acustica (42) ad ultrasuoni in un mezzo di propagazione, comprendente: - un package (50) includente un substrato di base (36) ed un cappuccio (38) accoppiato al substrato di base e definente con esso una camera (40) nel package (50); - una piastrina a semiconduttore (35), accoppiata al substrato di base (36) nella camera (40), comprendente un corpo semiconduttore (2); - un trasduttore ultrasonico microlavorato, MUT, (1; 30) integrato almeno in parte nel corpo semiconduttore (2), ed includente una cavità (6; 32) nel corpo semiconduttore (2) ed una membrana (8) sospesa sulla cavità (6); ed un attuatore (18), operativamente accoppiato alla membrana (8), operabile per generare una deflessione della membrana (8), caratterizzato dal fatto che almeno un parametro fisico (t1; d1) di detta membrana (8) è progettato in modo tale per cui una frequenza di risonanza (f0) della membrana (8) corrisponda (“match”) ad una frequenza di risonanza acustica che, durante il funzionamento del MUT (1; 30), si sviluppa in detta camera (40) del package (50).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto parametro fisico è uno tra: forma (“shape”), materiale, spessore (t1), diametro o diagonale (d1).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detta membrana (8) è di un materiale scelto nel gruppo: silicio, ossido di silicio, o genericamente materiale semiconduttore o dielettrico.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detta forma della membrana (8) è scelta tra: circolare, quadrangolare, poligonale.
5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la forma della membrana (8) è circolare, lo spessore (t1) della membrana (8) è compreso nell’intervallo 1 µm - 5 µm, ed il diametro (d1) della membrana (8) è compreso nell’intervallo 50 µm -2 mm.
6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una pluralità di MUTs (1; 30) integrati nella piastrina (35), ciascun MUT (1; 30) di detta pluralità includendo: una rispettiva cavità (6; 32) nel corpo semiconduttore (2) ed una rispettiva membrana (8) sospesa sulla rispettiva cavità (6; 32); ed un rispettivo attuatore (18), operativamente accoppiato alla rispettiva membrana (8), operabile per generare una deflessione della rispettiva membrana (8), in cui almeno un parametro fisico di ciascuna membrana (8), in particolare scelto tra forma, materiale, spessore (t1), diametro o diagonale (d1), è progettato in modo tale per cui una frequenza di risonanza (f0) di ciascuna rispettiva membrana (8) corrisponda a detta frequenza di risonanza acustica.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui ciascun MUT (1; 30) integrato nella piastrina (35) e la piastrina (35) sono disposti rispetto al cappuccio (38) in modo tale per cui ciascun MUT (1; 30) è allineato ad una rispettiva tra regioni del cappuccio (38) corrispondenti, in uso, a zone di massima e minima pressione esercitata, nel mezzo di propagazione, dall’onda acustica (42) emessa a detta frequenza di risonanza acustica.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui ciascun MUT (1; 30) integrato nella piastrina (35) è disposto rispetto al cappuccio (38) in modo tale per cui detto allineamento sia lungo una direzione (Z) principale di propagazione dell’onda acustica (42) emessa a detta frequenza di risonanza acustica.
9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto MUT è un trasduttore piezoelettrico PMUT o un trasduttore capacitivo CMUT.
10. 10. Sistema elettronico (100) includente un array di MUT (1; 30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9, detto sistema elettronico (100) essendo uno tra: un sistema per test non distruttivi, un sistema di rilevazione di velocità, un sistema di riconoscimento di oggetti, un sistema anticollisione, un sistema di diagnostica per immagini.
11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 10, comprendente mezzi di controllo (102) dell’array di MUT configurati per causare, in una prima condizione operativa, una deflessione della membrana (8) tale da generare l’emissione di un’onda pressoria e/o per acquisire, in una seconda condizione operativa, un segnale trasdotto che è funzione di una deflessione della membrana (8) generata da un’onda pressoria ricevuta.
12. 12. Metodo di fabbricazione di un dispositivo (51) per l’emissione di un’onda acustica (42) ad ultrasuoni, comprendente: - formare un package (50) accoppiando un cappuccio (38) su un substrato di base (36) e definendo così una camera (40) nel package (50); - formare, almeno in parte in un corpo semiconduttore (2) di una piastrina (35), un trasduttore ultrasonico microlavorato, MUT, (1; 30), includendo: formare una cavità (6; 32) nel corpo semiconduttore (2) ed una membrana (8) sospesa sulla cavità (6); e accoppiare un attuatore (18), alla membrana (8) per generare, in uso, una deflessione della membrana (8); e - accoppiare detta piastrina a semiconduttore (35) al substrato di base (36), nella camera (40), caratterizzato dal fatto che la fase di formare il MUT (1; 30) comprende progettare almeno un parametro fisico (t1; d1) di detta membrana (8) in modo tale per cui una frequenza di risonanza (f0) della membrana (8) corrisponda (“match”) ad una frequenza di risonanza acustica che, durante il funzionamento del MUT (1; 30), si sviluppa in detta camera (40) del package (50).
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui la fase di progettare detto parametro fisico (t1; d1) include progettare almeno uno tra forma (“shape”), materiale, spessore (t1), diametro o diagonale (d1) di detta membrana (8).
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta membrana (8) è di un materiale scelto nel gruppo: silicio, ossido di silicio, o genericamente materiale semiconduttore o dielettrico.
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui detta forma della membrana (8) è una tra: circolare, quadrangolare, poligonale.
16. 16. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-15, in cui detta fase di progettare comprende definire forma della membrana (8) come circolare, impostare lo spessore (t1) della membrana (8) nell’intervallo 1 µm - 5 µm, e impostare il diametro (d1) della membrana (8) nell’intervallo 50 µm -2 mm.
17. 17. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-16, comprendente inoltre la fase di formare una pluralità di MUTs (1; 30) nella piastrina (35), comprendente le sottofasi di: formare, per ciascun MUT, una rispettiva cavità (6; 32) nel corpo semiconduttore (2) ed una rispettiva membrana (8) sospesa sulla rispettiva cavità (6; 32); e formare, per ciascun MUT, un rispettivo attuatore (18) operabile per generare una deflessione della rispettiva membrana (8), in cui almeno un parametro fisico di ciascuna membrana (8) della pluralità di MUTs (1; 30), in particolare scelto tra forma, spessore (t1), diametro o diagonale (d1), è progettato in modo tale per cui una frequenza di risonanza (f0) di ciascuna rispettiva membrana (8) corrisponde a detta frequenza di risonanza acustica.
18. 18. Metodo secondo la rivendicazione 17, comprendente inoltre la fase di disporre (“arrange”) ciascun MUT (1; 30) nella piastrina (35), e disporre la piastrina (35), rispetto al cappuccio (38), in modo tale per cui ciascun MUT (1; 30) è allineato ad una rispettiva tra regioni del cappuccio (38) corrispondenti, in uso, a zone di massima e minima pressione esercitata dall’onda acustica (42) emessa a detta frequenza di risonanza acustica.
19. 19. Metodo secondo la rivendicazione 18, in cui la fase di disporre comprende disporre ciascun MUT (1; 30), rispetto al cappuccio (38), in modo tale per cui detto allineamento sia lungo una direzione (Z) principale di propagazione dell’onda acustica (42) emessa a detta frequenza di risonanza acustica.
20. 20. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-19, in cui detto MUT è un trasduttore piezoelettrico PMUT o un trasduttore capacitivo CMUT.
21. 21. Metodo di progettazione di un dispositivo (51) di emissione di un’onda acustica (42) ad ultrasuoni, comprendente: - progettare, in un software di modellizzazione a elementi finiti, FEM, un package (50) includente un substrato di base (36) ed un cappuccio (38) accoppiato al substrato di base e definente con esso una camera (40) nel package (50); - progettare, nel software FEM, una piastrina a semiconduttore (35), accoppiata al substrato di base (36) nella camera (40), comprendente un corpo semiconduttore (2); - progettare, nel software FEM, un trasduttore ultrasonico microlavorato, MUT, (1; 30) integrato almeno in parte nel corpo semiconduttore (2), ed includente una cavità (6; 32) nel corpo semiconduttore (2) ed una membrana (8) sospesa sulla cavità (6); ed un attuatore (18), operativamente accoppiato alla membrana (8), operabile per generare una deflessione della membrana (8), - identificare, mediante il software FEM, una frequenza di risonanza (f0) della membrana (8); - identificare, mediante il software FEM, almeno una frequenza di risonanza acustica che si sviluppa in detta camera (40) del package (50) durante una simulazione di funzionamento del MUT (1; 30); e - variare parametri di progetto del MUT in modo tale per cui la frequenza di risonanza (f0) della membrana (8) corrisponda (“match”) a detta frequenza di risonanza acustica.
22. 22. Metodo di progettazione secondo la rivendicazione 21, in cui detti parametri di progetto includono almeno uno tra forma (“shape”), materiale, spessore (t1), diametro o diagonale (d1) di detta membrana (8).
23. 23. Metodo di progettazione secondo la rivendicazione 21 o 22, comprendente inoltre la fase di progettare, nel software FEM, una pluralità di MUTs (1; 30) integrati nella piastrina (35), ciascun MUT (1; 30) di detta pluralità includendo: una rispettiva cavità (6; 32) nel corpo semiconduttore (2) ed una rispettiva membrana (8) sospesa sulla rispettiva cavità (6; 32); ed un rispettivo attuatore (18), operativamente accoppiato alla rispettiva membrana (8), operabile per generare una deflessione della rispettiva membrana (8), in cui almeno una forma, uno spessore (t1) ed un diametro (d1) di ciascuna membrana (8) sono progettati in modo tale per cui una frequenza di risonanza (f0) di ciascuna rispettiva membrana (8) corrisponda a detta frequenza di risonanza acustica.
24. 24. Metodo di progettazione secondo la rivendicazione 23, comprendente inoltre le fasi di: identificare, mediante il software FEM, regioni del cappuccio (38) corrispondenti, in uso, a zone di massima e minima pressione esercitata, nel mezzo di propagazione, dall’onda acustica (42) emessa a detta frequenza di risonanza acustica; progettare la disposizione di ciascun MUT (1; 30) nella piastrina (35), e la disposizione spaziale della piastrina (35) nella camera (40), rispetto al cappuccio (38), in modo tale per cui ciascun MUT (1; 30) è allineato a una rispettiva regione del cappuccio (38) corrispondente a dette zone di massima e minima pressione.