IT202000024466A1 - Trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico con oscillazioni libere ridotte - Google Patents

Trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico con oscillazioni libere ridotte Download PDF

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Marco Ferrera
Fabio Quaglia
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Description

TRASDUTTORE ULTRASONICO MICROLAVORATO PIEZOELETTRICO
CON OSCILLAZIONI LIBERE RIDOTTE
Sfondo della invenzione
Campo della presente invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi microelettromeccanici (Micro Electro Mechanical Systems, di seguito denominato "MEMS"). In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, di seguito denominato "PMUT").
Panoramica della tecnica correlata
Un dispositivo MEMS comprende componenti meccanici, elettrici e / o elettronici miniaturizzati integrati in uno stesso substrato di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, mediante tecniche di microlavorazione (ad esempio litografia, deposizione, incisione, deposizione, crescita).
Un dispositivo trasduttore a ultrasuoni microlavorato (dispositivo Micromachined Ultrasonic Transducer, di seguito denominato "dispositivo MUT ") ? un tipo di dispositivo MEMS atto a trasmettere / ricevere onde ultrasoniche con frequenze superiori a 20 kHz . Tra i dispositivi MUT conosciuti, sono noti i dispositivi MUT piezoelettrici (di seguito denominati ?dispositivi PMUT?). Un dispositivo PMUT ? un dispositivo MUT il cui funzionamento ? basato sul movimento flessionale di uno o pi? sottili elementi a membrana accoppiati meccanicamente ad un sottile elemento piezoelettrico.
Quando il dispositivo PMUT funziona come trasmettitore, l' elemento a membrana si flette e oscilla attorno ad una posizione di equilibrio sotto l'azione dell'elemento piezoelettrico quando a quest'ultimo viene applicato un segnale elettrico alternato (AC). Le oscillazioni dell'elemento a membrana provocano cos? la generazione di onde ultrasoniche.
Quando il dispositivo PMUT funziona come ricevitore, onde ultrasoniche che colpiscono l?elemento a membrana fanno in modo che la membrana di oscilli attorno alla sua posizione di equilibrio. Le oscillazioni dell?elemento a membrana agiscono sull?elemento piezoelettrico, che genera di conseguenza un corrispondente segnale elettrico AC.
Durante la generazione e la ricezione di onde ultrasoniche (ovvero, sia nel caso in cui il dispositivo PMUT funziona come trasmettitore sia nel caso in cui il dispositivo PMUT funziona come ricevitore), l'elemento a membrana oscilla attorno alla sua posizione di equilibrio in corrispondenza di una frequenza di risonanza corrispondente.
Un dispositivo PMUT pu? essere opportunamente utilizzato in applicazioni di prossimit? e portata per valutare la posizione e / o la distanza di ostacoli / bersagli. Pi? in particolare, il dispositivo PMUT trasmette un impulso ad onde ultrasoniche. Quando colpisce un ostacolo / bersaglio, l' impulso ad onde ultrasoniche viene riflesso indietro sotto forma di un'onda di eco. Il dispositivo PMUT riceve l'onda di eco e la converte nel dominio elettrico per formare un segnale elettrico AC corrispondente, che viene quindi amplificato ed elaborato per estrarre un'informazione sul tempo di volo (ovvero il tempo trascorso dalla trasmissione dell?impulso ad onde ultrasoniche alla ricezione dell'onda di eco). Le informazioni sul tempo di volo vengono quindi elaborate per calcolare la posizione e / o la distanza dell'ostacolo / bersaglio rispetto al dispositivo PMUT. Questo tipo di applicazione viene solitamente impiegata in scenari in cui l'impulso ad onda ultrasonica e l'onda di eco viaggiano in un mezzo a bassa densit? , come ad esempio l'aria.
I dispositivi PMUT tipici sono influenzati negativamente da un fattore di smorzamento basso quando funzionano in un mezzo a bassa densit?, come l' aria, cosicch? le oscillazioni libere indesiderate non possono essere soppresse in modo efficiente. Dette oscillazioni libere provocano la generazione di un cosiddetto segnale di ronzio (?ringing?) che influisce negativamente sulla corretta ricezione e rilevazione delle onde di eco riflesse da ostacoli / bersagli in risposta alla trasmissione di un impulso ad onde ultrasoniche.
Maggiore ? il fattore Q del dispositivo PMUT, maggiore ? la durata del segnale di ringing causato da oscillazioni libere. Questo problema ? aggravato quando la membrana del PMUT oscilla nella gamma di frequenze dei 2MHz, perch? il fattore di smorzamento corrispondente all'aria a queste frequenze ? particolarmente basso.
Per mitigare questi problemi allo scopo di migliorare il rilevamento dell'onda d'eco, la "zona cieca" del PMUT - cio? la zona spaziale in cui l'eco supera il ringing -e quindi la larghezza di banda del dispositivo PMUT, dovrebbe essere aumentata.
Secondo soluzioni note nello stato della tecnica, la larghezza di banda del dispositivo PMUT ? aumentata prevedendo uno smorzatore configurato per ridurre le oscillazioni libere. Ad esempio, il dispositivo PMUT pu? essere dotato di uno smorzatore passivo o attivo (uno smorzatore attivo ? uno smorzatore configurato per eseguire un'eccitazione in contro-fase dopo un impulso attivo).
Secondo un'altra soluzione nota nello stato della tecnica, sono previsti algoritmi per rilevare la variazione di decadimento di un inviluppo del ringing causata da un'onda di eco.
Sommario della invenzione
La Richiedente ha trovato che le soluzioni note per incrementare la banda del dispositivo PMUT allo scopo di migliorare la rilevazione dell?onda di eco non sono efficienti perch? afflitte da inconvenienti.
In particolare, le soluzioni note che impiegano uno smorzatore passivo causano una forte dissipazione di potenza. Inoltre, a causa della variazione di condizioni ambientali, gli smorzatori passivi delle soluzioni note non possono permettere facilmente un adattamento perfetto con la impedenza del dispositivo PMUT.
Le soluzioni note che prevedono smorzatori attivi sono afflitte negativamente da problemi di adattamento di impedenza.
Le soluzioni note che impiegano algoritmi per rilevare variazioni di decadimento di un inviluppo del ringing sono fortemente dipendenti dalla forma della onda di eco e dall?ostacolo / bersaglio.
In vista di quanto esposto sopra, la Richiedente ha concepito un dispositivo PMUT migliorato avente una banda incrementata che allo stesso tempo non ? afflitta dagli inconvenienti sopracitati che affliggono le soluzioni note nello stato della tecnica.
Un aspetto della presente invenzione si riferisce ad un dispositivo PMUT. Il dispositivo PMUT comprende un elemento a membrana atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando, attorno ad una posizione di equilibrio, ad una corrispondente frequenza di risonanza;
Il dispositivo PMUT comprende un elemento piezoelettrico posizionato su detto elemento a membrana lungo una prima direzione e configurato per:
- far oscillare l'elemento a membrana quando vengono applicati segnali elettrici all'elemento piezoelettrico, e
- generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana.
Il dispositivo PMUT comprende uno smorzatore configurato per ridurre le oscillazioni libere dell'elemento a membrana.
Lo smorzatore comprende una cavit? dello smorzatore che circonda l'elemento a membrana.
Lo smorzatore comprende inoltre un elemento polimerico avente almeno una sua porzione sopra detta cavit? dello smorzatore lungo detta prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detta cavit? dello smorzatore circonda l'elemento a membrana lungo un piano sostanzialmente perpendicolare a detta prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT comprende inoltre un substrato semiconduttore.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detta cavit? dello smorzatore ? almeno parzialmente formata in detto substrato semiconduttore.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT comprende inoltre una cavit? centrale sotto detto elemento a membrana lungo la detta prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detta cavit? dello smorzatore ha almeno una porzione corrispondente ad un anello che circonda la cavit? centrale perpendicolarmente a detta prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento polimerico ha una forma lungo direzioni perpendicolari a detta prima direzione sostanzialmente corrispondenti ad un anello.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento polimerico ha un valore di viscosit? compreso tra 0,3 e 3 kPa * s.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento polimerico un valore del modulo di Young compreso tra 0,5 e 2 GPa.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento a membrana comprende silicio monocristallino.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento polimerico ha un valore di viscosit? compreso tra 2 e 4 kPa * s.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento polimerico ha un valore del modulo di Young compreso tra 1 MPa e 10 GPa.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento a membrana comprende polisilicio.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento a membrana comprende polisilicio poroso.
Un altro aspetto della presente invenzione si riferisce ad un sistema elettronico comprendente uno o pi? dispositivi PMUT secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
Un altro aspetto della presente invenzione si riferisce ad un metodo per la produzione di un dispositivo PMUT.
In accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende le seguenti fasi:
-formare un elemento a membrana;
- formare su detto elemento a membrana lungo una prima direzione un elemento piezoelettrico;
- formare uno smorzatore, detto formare uno smorzatore comprendendo: - formare una cavit? dello smorzatore che circonda l'elemento a membrana, e - formare un elemento polimerico avente almeno una sua porzione su detta cavit? dello smorzatore lungo detta prima direzione.
Breve descrizione dei disegni
Queste e altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno pi? chiaramente leggendo la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione esemplificativa della stessa, fornita puramente mediante esempio non limitativo, da leggersi facendo riferimento ai disegni allegati. A questo proposito, ? inteso specificamente che i disegni non sono necessariamente in scala (con alcuni dettagli di essi che sono esagerati e/o semplificati) e che, salvo dove indicato altrimenti, sono solo utilizzati per illustrare in maniera concettuale le strutture e procedure descritte. In particolare:
La Figura 1 illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un dispositivo PMUT secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
La Figura 2 illustra una vista prospettica di una porzione del dispositivo PMUT di Figura 1;
La Figura 3A ? un diagramma che mostra la % di larghezza di banda del dispositivo PMUT delle Figure 1 e 2 in funzione della viscosit? e del modulo di Young del materiale polimerico dell'elemento polimerico;
La Figura 3B mostra in maggior dettaglio una porzione ingrandita del diagramma di Figura 3A;
Le Figure 4A - 4G illustrano le fasi principali di un processo di fabbricazione per fabbricare il dispositivo PMUT delle Figure 1 e 2 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
Le Figure 5A e 5B mostrano dispositivi PMUT secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione;
La Figura 6 illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un dispositivo PMUT secondo ancora un'ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;
La Figura 7 illustra una vista prospettica di una porzione del dispositivo PMUT di Figura 6;
La Figura 8A ? un diagramma che mostra la % di larghezza di banda del dispositivo PMUT delle Figure 6 e 7 in funzione della viscosit? e del modulo di Young del materiale polimerico dell'elemento polimerico;
La Figura 8B mostra in maggiore dettaglio una porzione ingrandita del diagramma di Figura 8A;
Le Figure 9A - 9I illustrano le fasi principali di un processo di fabbricazione per la fabbricazione del dispositivo PMUT delle Figure 6 e 7 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, e
La Figura 10 illustra in termini di blocchi semplificato di un sistema elettronico comprendente almeno uno dei dispositivi PMUT delle Figure 1, 5A, 5B, Descrizione dettagliata
La Figura 1 illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un dispositivo PMUT, globalmente identificato con il riferimento 100, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
Nel seguito della presente descrizione, terminologia riguardante le direzioni (come ad esempio, superiore, inferiore, superiore, inferiore, laterale, centrale longitudinale, trasversale, verticale) verr? utilizzata solo per descrivere il dispositivo PMUT 100 in relazione all'orientamento specifico illustrato nelle figure, e non per descrivere un possibile orientamento specifico che il dispositivo PMUT 100 avr? durante il suo funzionamento.
A questo proposito, un sistema di riferimento direzionale ? mostrato comprendente tre direzioni ortogonali X, Y , Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 ha una forma circolare (o sostanzialmente circolare) (lungo un piano parallelo alle direzioni Y e Z). Secondo altre forme di realizzazione (non illustrate) della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 ha forme diverse, come una forma quadrata (o sostanzialmente quadrata), una forma rettangolare (o sostanzialmente rettangolare), una forma triangolare (o sostanzialmente triangolare), forma esagonale (o sostanzialmente esagonale) o ottagonale (o sostanzialmente ottagonale).
La Figura 2 illustra una vista prospettica di una porzione del dispositivo PMUT 100 di Figura 1 ottenuta tagliando il dispositivo PMUT 100 lungo un primo piano di sezione parallelo alle direzioni X e Z che attraversa il centro del dispositivo PMUT 100, e lungo un secondo piano di sezione parallelo alle direzioni X e Y che attraversa il centro del dispositivo PMUT 100.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un substrato semiconduttore 110 che integra i componenti del dispositivo PMUT 100 stesso. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il substrato semiconduttore 110 ? un substrato di silicio monocristallino , di seguito denominato semplicemente substrato di silicio 110. Il substrato di silicio 110 del dispositivo PMUT 100 illustrato nella Figura 1 ha una superficie operativa anteriore 112 e una superficie operativa posteriore 114 opposta (lungo la direzione X). La superficie operativa anteriore 112 e la superficie posteriore operativa 114 si estendono parallelamente alle direzioni Y e Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il substrato di silicio 110 comprende una cavit? 120 che definisce uno spazio cavo delimitato da pareti laterali che si estendono sostanzialmente lungo la direzione X, una parete inferiore che si estende sostanzialmente lungo le direzioni Y e X, e una parete superiore che si estende sostanzialmente lungo direzioni Y e Z. Considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui le pareti laterali della cavit? 120 sono inclinate rispetto alla direzione X e / o la parete inferiore e / o la parete superiore della cavit? sono inclinate rispetto alla direzione Z e / o alla direzione Y.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un elemento a membrana 125 atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando, attorno ad una posizione di equilibrio, ad una corrispondente frequenza di risonanza. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 ha una frequenza di risonanza che ? dell'ordine di qualche MHz. Secondo una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, la frequenza di risonanza ? di 1,1 MHz.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 presenta una superficie superiore 128 e una superficie inferiore 130, che si estendono sostanzialmente lungo le direzioni Y e Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha una forma circolare (o sostanzialmente circolare) (lungo un piano parallelo alle direzioni Y e Z). Secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha forme diverse, come una forma quadrata (o sostanzialmente quadrata), una forma rettangolare (o sostanzialmente rettangolare), una forma triangolare (o sostanzialmente triangolare), esagonale (o sostanzialmente forma esagonale), o una forma ottagonale (o sostanzialmente ottagonale).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la superficie inferiore 130 dell'elemento a membrana 125 corrisponde alla superficie superiore dello spazio cavo definito dalla cavit? 120.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la superficie superiore 128 dell'elemento a membrana 125 ? a filo con la superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ? realizzato con lo stesso materiale del substrato di silicio 110, cio? silicio, in particolare silicio monocristallino.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha uno spessore (lungo la direzione X) compreso tra 2 e 20 ?m. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha uno spessore di circa 5 ?m, ad esempio 5,2 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha un diametro compreso tra 50 e 1000 ?m. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha un diametro di circa 300 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un elemento piezoelettrico 150 situato sulla superficie superiore 128 dell'elemento a membrana 125 e configurato per:
- fare in modo che l'elemento membrana 125 oscilli quando i segnali elettrici vengono applicati ai capi dell'elemento piezoelettrico 150, e
- generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana 125.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150 ha una forma circolare (o sostanzialmente circolare) (lungo un piano parallelo alle direzioni Y e Z). Secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150 ha forme diverse, come una forma quadrata (o sostanzialmente quadrata), una forma rettangolare (o sostanzialmente rettangolare), una forma triangolare (o sostanzialmente triangolare), esagonale (o sostanzialmente forma esagonale) o ottagonale (o sostanzialmente ottagonale).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150 comprende uno strato di materiale piezoelettrico 155, ad esempio, comprendente nitruro di alluminio, tra un primo strato conduttivo 160 e un secondo strato conduttivo 162. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il primo strato conduttivo 160 comprende titanio-tungsteno (TiW). Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il secondo strato conduttivo 162 comprende platino. Considerazioni simili si applicano se altri materiali conduttivi vengono utilizzati per il primo strato conduttivo 160 e il secondo strato conduttivo 162.
Il primo strato 160 e il secondo strato 162 formano elettrodi dell'elemento piezoelettrico 150 attraverso i quali ? possibile :
- applicare segnali elettrici al materiale piezoelettrico 155 per provocare oscillazioni dell'elemento a membrana 125 per la trasmissione di impulsi di onde ultrasoniche , e
- raccogliere segnali elettrici generati dal materiale piezoelettrico 155 in risposta ad oscillazioni dell'elemento a membrana 125, ad esempio provocate dalla ricezione di onde d'eco.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, uno strato di materiale isolante 168, ad esempio biossido di silicio, ? posizionato tra l'elemento piezoelettrico 150 e l' elemento a membrana 125.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150 ? ricoperto da un elemento di passivazione, ad esempio comprendente un primo strato di passivazione 170 (comprendente vetro siliceo non drogato (Undoped Silicate Glass, ?USG?) e un secondo strato di passivazione 172 (sopra il primo strato di passivazione 170) comprendente nitruro di silicio. Naturalmente, considerazioni simili si applicano se l'elemento di passivazione comprende un singolo strato di passivazione e / o se vengono utilizzati materiali di passivazione diversi.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende uno smorzatore 180 configurato per ridurre (smorzare) le oscillazioni libere indesiderate dell'elemento a membrana 125, aumentando cos? la larghezza di banda del dispositivo PMUT 100 stesso.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo smorzatore 180 comprende una cavit? 185 che circonda l'elemento a membrana 125.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185 dello smorzatore 180 ? formata nel substrato di silicio 110 in modo tale da circondare l?elemento a membrana 125 rispetto alle direzioni Y e Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo smorzatore 180 comprende inoltre un elemento polimerico 190 sopra la cavit? 185 lungo la direzione X.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l?elemento polimerico 190 dello smorzatore 180 si trova sopra la cavit? dello smorzatore 180 lungo la direzione X.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l?elemento polimerico 190 dello smorzatore 180 circonda l' elemento a membrana 125 rispetto alle direzioni Y e X.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185 dello smorzatore 180 e l'elemento a membrana 125 sono sostanzialmente concentriche tra loro, con la cavit? 185 che circonda l'elemento a membrana 125 lungo un piano sostanzialmente parallelo alle direzioni Y e Z.
La presenza della cavit? 185 al di sotto dell?elemento polimerico 190 vantaggiosamente assicura che l?elemento polimerico 190 che circonda l' elemento a membrana 125 smorzi efficacemente oscillazioni libere indesiderate che interessano l'elemento a membrana 125.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185 della smorzatore 180 comprende :
- una porzione orizzontale 195 avente una superficie superiore parallela e allineata alla parete superiore della cavit? 120 (e quindi parallela e allineata con la superficie inferiore 130 dell'elemento a membrana 125) e una superficie inferiore parallela e allineata alla parete di fondo della cavit? 120 e
- una porzione verticale 198 comprendente una trincea aperta nella superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110 ed estendentesi lungo la direzione X fino a raggiungere la porzione orizzontale 195.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la forma della porzione orizzontale 195 della cavit? 185 lungo le direzioni Z e Y corrisponde sostanzialmente ad un anello che circonda la cavit? 120 lungo le direzioni Z e Y.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la forma della porzione verticale 198 della cavit? 185 lungo le direzioni Z e Y corrisponde sostanzialmente ad un anello che circonda la cavit? 120 lungo le direzioni Z e Y. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la larghezza W (intesa come differenza tra il raggio maggiore e il raggio inferiore dell'anello) della porzione verticale 198 della cavit? 185 ha un valore compreso tra 0,1 e 100 ?m. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la larghezza W ha un valore di 5?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la forma dell?elemento polimerico 190 lungo le direzioni Z e Y sostanzialmente corrisponde ad un anello.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento polimerico 190 poggia sulla superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110 in modo tale da coprire - lungo la direzione X - la porzione verticale 198 della cavit? 185 dello smorzatore 180.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'altezza (lungo la direzione X) Ph dell?elemento polimerico 190 ha un valore compreso tra 1 a 200 um. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'altezza Ph ha un valore di 20 ?m.
Grazie allo smorzatore 180 secondo la forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 1 e 2, le oscillazioni libere dell'elemento a membrana 125 possono essere efficacemente ridotte, aumentando cos? la larghezza di banda del dispositivo PMUT 100. Ad esempio, nell'esempio considerato, in cui il dispositivo PMUT 100 ha un elemento a membrana 125 oscillante a 1,1 MHz, la % di larghezza di banda centrata su 1,1 MHz pu? vantaggiosamente raggiungere il 16%.
Lo smorzatore 180 secondo le forme di realizzazione della presente invenzione ? configurato in modo da smorzare efficientemente le oscillazioni libere dell'elemento a membrana 125 impostando opportunamente la viscosit? e / o il modulo di Young del materiale polimerico dell?elemento polimerico 190. Infatti, la Richiedente ha osservato che la viscosit? del materiale polimerico ha un grande impatto sulla % di larghezza di banda, e il modulo di Young del materiale polimerico ha un impatto piuttosto grande sulla % di larghezza di banda. Viceversa, la Richiedente trovato che il rapporto di Poisson e la densit? del materiale polimerico non hanno alcun impatto significativo sulla % di banda.
La Figura 3A ? un diagramma che mostra la % di larghezza di banda centrata su 1 MHz del dispositivo PMUT 100 comprendente lo smorzatore 180 secondo le forme di realizzazione dell'invenzione illustrate nelle Figure 1 e 2 in funzione della viscosit? del materiale polimerico dell'elemento polimerico 190 quando detto materiale polimerico ha un rapporto di Poisson di 0,22 e un modulo di Young pari a 10GPa (simbolo quadrato), 5GPa (simbolo del diamante) e 1GP a (simbolo del cerchio).
La Figura 3B mostra in maggior dettaglio una porzione ingrandita del diagramma di Figura 3A corrispondente ad un intervallo di viscosit? da 0 a 5 kPa * s ed a un modulo di Young uguale a 1 GPa .
La Richiedente ha riscontrato che l'efficienza dello smorzatore 180 secondo le forme di realizzazione dell'invenzione illustrate nelle Figure 1 e 2 nello smorzamento delle oscillazioni libere indesiderate dell'elemento a membrana 125 ? particolarmente elevato quando :
- la viscosit? del materiale polimerico dell?elemento polimerico 190 ha un valore compreso tra 0,3 e 3 kPa * s, e / o
- il modulo di Young del materiale polimerico dell?elemento polimerico 190 ha un valore compreso tra 0,5 e 2 GPa.
Le Figure 4A - 4G illustrano le fasi principali di un processo di fabbricazione per fabbricare il dispositivo PMUT 100 delle Figure 1 e 2 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
Facendo riferimento alla Figura 4A, il processo di fabbricazione secondo la presente forma di realizzazione dell'invenzione inizia prevedendo il substrato di silicio 110 e poi formando in detto substrato di silicio 110 la cavit? 120 e la porzione orizzontale 195 della cavit? 185 che circonda la cavit? 120 stessa (vedi Figura 1).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la formazione della cavit? 120 e della porzione orizzontale 195 della cavit? 185 viene eseguita in base al metodo descritto nel brevetto US 7,294,536 e nella domanda di brevetto US 2008/261345 (depositate dalla medesima Richiedente). In breve, si utilizzano maschere litografiche con reticolo a nido d'ape. Quindi, utilizzando dette maschere, viene eseguito una incisione a trincea del substrato di silicio per formare corrispondenti colonne di silicio. Dopo la rimozione delle maschere litografiche, vien eseguita una crescita epitassiale in un ambiente disossidante (ad esempio, in un'atmosfera con un'alta concentrazione di idrogeno, preferibilmente utilizzando SiHCl3), in modo che uno strato epitassiale cresca sopra le colonne di silicio, intrappolando il gas (H2) presente in esso. Viene quindi eseguita una fase di ricottura (annealing), che provoca una migrazione degli atomi di silicio, i quali tendono a disporsi in posizioni a minore energia. Di conseguenza, gli atomi di silicio delle colonne di silicio migrano formando completamente la cavit? 120 e la porzione orizzontale 195 della cavit? 185.
La porzione del substrato di silicio 110 direttamente sopra la cavit? 120 forma l'elemento a membrana 125.
La successiva fase del processo di fabbricazione secondo la presente forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 4B, comprende la deposizione di uno strato di ossido 402 sulla superficie operativa anteriore 112, per esempio mediante un una deposizione chimica da vapore a bassa pressione (Low Pressure Chemical Vapor Deposition, ?LPCVD?), usando ortosilicato tetraetile come precursore.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 4C, prevede di:
- depositare sullo strato di ossido 402 una pila comprendente uno strato di materiale piezoelettrico, ad esempio, comprendente nitruro di alluminio, tra due strati conduttivi, ad esempio uno strato di TiW e uno strato di platino, e modellare detta pila per formare l'elemento piezoelettrico 150 allineato con la cavit? 120 ottenendo gli strati 155, 160, 162 (vedere Figura 1) e
- rivestire l'elemento piezoelettrico 150 con un primo strato di passivazione 410 (comprendente USG) e un secondo strato di passivazione 412 (sopra il primo strato di passivazione 410) comprendente nitruro di silicio.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 4D, prevede la rimozione selettiva del primo strato di passivazione 410, del secondo strato di passivazione 412 e dello strato di ossido 402 utilizzando una maschera litografica 420 opportunamente definita per ottenere il primo strato di passivazione 170, il secondo strato di passivazione 172 e lo strato di materiale isolante 168 (vedere la Figura 1).
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 4E , prevede l' apertura di una trincea nella superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110 sulla porzione orizzontale 195 della cavit? 185 fino a raggiungere detta porzione orizzontale 195 in modo da formare la porzione verticale 198 della cavit? 185 (vedere la Figura 1). Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, questa fase viene eseguita eseguendo una incisione selettiva del silicio a secco utilizzando una maschera litografica 430 opportunamente definita .
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 4F, prevede la rimozione delle maschere litografiche 420 e 430, e quindi la deposizione di una pellicola di polimero secco laminato 440, che copre, tra le altre cose, la porzione orizzontale 195 della cavit? 185.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 4G, prevede la rimozione selettiva della pellicola di polimero secco laminato 440 per ottenere l'elemento polimerico 190 sulla cavit? 185 (e quindi per ottenere il dispositivo PMUT 100 di Figura 1).
La Figura 5A mostra una versione diversa del dispositivo PMUT 100, identificato con il riferimento 100?, secondo un'altra forma di realizzazione della presente invenzione. Gli elementi del dispositivo PMUT 100? corrispondenti agli elementi del dispositivo PMUT 100 verranno identificati utilizzando gli stessi riferimenti utilizzati in Figura 1 con l'aggiunta di un apice, e la loro descrizione sar? omessa per brevit?. Rispetto al dispositivo PMUT 100 di Figura 1, e fabbricato con il processo di fabbricazione descritto con riferimento alle Figure 4A - 4G, il dispositivo PMUT 100? ? fabbricato formando la cavit? 120' e la cavit? 185? utilizzando come substrato di partenza un substrato silicio su isolante (Silicon-On-Insulator, ?SOI?) 110? comprendente (partendo dall'alto e quindi procedendo lungo la direzione X verso il basso) uno strato attivo (strato di device), uno strato di ossido sepolto (strato di box) e uno strato di supporto (strato di handle). Secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, la cavit? 120' e la cavit? 185? sono realizzate rimuovendo selettivamente porzioni dello strato di box, identificate in Figura 5A con il riferimento 510.
La Figura 5B mostra una versione diversa del dispositivo PMUT 100 identificato con il riferimento 100", secondo un'altra forma di realizzazione della presente invenzione. Gli elementi del dispositivo PMUT 100?' corrispondenti agli elementi del dispositivo PMUT 100 verranno identificati utilizzando gli stessi riferimenti utilizzati in Figura 1 con l'aggiunta di un doppio apice, e la loro descrizione sar? omessa per brevit?. Rispetto al dispositivo PMUT 100 di Figura 1, e realizzato con il processo di fabbricazione descritto con riferimento alle Figure 4A -4G, il dispositivo PMUT 100?? ? realizzato formando le cavit? 120'' e 185?' e la membrana utilizzando polisilicio poroso 520 depositato sul substrato di silicio 110??. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il polisilicio poroso 520 viene depositato utilizzando un processo LPCVD a 600?C da una sorgente di gas silano puro a 550 mtorr. Grazie alla sua porosit?, il polisilicio poroso 520 ? permeabile all?incisione da HF.
La Figura 6 illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un dispositivo PMUT, globalmente identificato con il riferimento 100???, secondo un'ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.
La Figura 7 illustra una vista prospettica di una porzione del dispositivo PMUT 100??? di Figura 6 ottenuta tagliando il dispositivo PMUT 100??? lungo un primo piano di sezione parallelo alle direzioni X e Z che attraversa il centro del dispositivo PMUT 100???, e lungo un secondo piano di sezione parallelo alle direzioni X e Y che attraversa il centro del dispositivo PMUT 100???.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un substrato semiconduttore 110?" che integra i componenti del dispositivo PMUT 100??? stesso. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il substrato semiconduttore 110??? ? un substrato di silicio (monocristallino). Il substrato di silicio 110 del dispositivo PMUT 100 illustrato in Figura 1 ha una superficie operativa anteriore 112???e una superficie operativa posteriore 114??? opposta (lungo la direzione X). La superficie operativa anteriore 112??? e la superficie operativa posteriore 114??? si estendono parallelamente alle direzioni Y e Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il substrato di silicio 110?'' comprende una cavit? 120??? definente uno spazio vuoto delimitato da pareti laterali che si estendono sostanzialmente lungo la direzione X, e una parete superiore parete che si estende sostanzialmente lungo le direzioni Y e Z. A differenza della cavit? 120 del dispositivo PMUT 100 illustrato in Figura 1, la cavit? 120''' si estende lungo la direzione X dalla superficie operativa anteriore 112'?' alla superficie operativa posteriore 114???.
Considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui le pareti laterali della cavit? 120''' sono inclinate rispetto alla direzione X.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana del dispositivo PMUT 100??', identificato con il riferimento 125??', fa parte di uno strato di polisilicio 126??? posto sopra la superficie operativa anteriore 112??? del substrato di silicio 110?''.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125??? ha una superficie superiore 128''' ed una superficie inferiore 130???, che si estendono sostanzialmente lungo le direzioni Y e Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la superficie inferiore 130??? dell'elemento a membrana 125??? corrisponde alla superficie superiore dello spazio vuoto definito dalla cavit? 120???.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125??? ha uno spessore (lungo la direzione X) compreso tra 1 e 50 ?m. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125?'' ha uno spessore TH di circa 5?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125?'' ha un diametro compreso tra 50 e 1000 ?m. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125?'' ha un diametro di circa 250 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100??? comprende un elemento piezoelettrico 150??? posizionato sulla superficie superiore 128??? dell'elemento a membrana 125???. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150??? ? equivalente all'elemento piezoelettrico 150 del dispositivo PMUT 100 di Figura 1, e di conseguenza comprende uno strato di materiale piezoelettrico 155??? tra un primo strato conduttivo 160''' e un secondo strato conduttivo 162'''.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, uno strato di materiale isolante 168??? (ad esempio biossido di silicio), ? situato tra l'elemento piezoelettrico 150??? e l'elemento a membrana 125?'.
Come il dispositivo PMUT 100 di Figura 1, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150??? ? coperto da un elemento di passivazione, ad esempio comprendente un primo strato di passivazione 170??? e un secondo strato di passivazione 172'''.
Come il dispositivo PMUT 100 di Figura 1, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100?' comprende uno smorzatore 180??? configurato per ridurre (smorzare) oscillazioni libere indesiderate dell'elemento a membrana 125???, aumentando cos? la larghezza di banda del dispositivo PMUT 100??' stesso.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo smorzatore 180??? comprende una cavit? 185?'' che circonda l'elemento a membrana 125?''.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185?'' dell'ammortizzatore 180??? ? formata nel substrato di silicio 110?'' in modo tale da circondare l'elemento a membrana 125??? rispetto alle direzioni Y e X.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185?" dello smorzatore 180??? ? anche formata nello strato di polisilicio 126??? sul substrato di silicio 110?".
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo smorzatore 180?'' comprende inoltre un elemento polimerico 190''' comprendente una porzione 190(u) situato sopra la cavit? 185?'' dello smorzatore 180?'' lungo la direzione X.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento polimerico 190??? dello smorzatore 180??? circonda l'elemento a membrana 125??? rispetto alle direzioni Y e X.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185??? dello smorzatore 180?'' e l'elemento a membrana 125??? sono sostanzialmente concentrici tra loro, con la cavit? 185??? che circonda l'elemento a membrana 125??? lungo un piano sostanzialmente parallelo alle direzioni Y e Z.
La presenza della cavit? 185??? al di sotto della porzione 190(u) dell?elemento polimerico 190??? garantisce vantaggiosamente che l'elemento polimerico 190??? che circonda l'elemento a membrana 125??? smorzi efficacemente le oscillazioni libere indesiderate che interessano l?elemento a membrana 125???.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la cavit? 185??? dell'ammortizzatore 180??? comprende una trincea che attraversa lo strato di polisilicio 126??? e una porzione della sottostante superficie operativa anteriore 112??? del substrato di silicio 110???, e che si estende lungo la direzione X. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione, la lunghezza della cavit? 185??? lungo la direzione X dalla superficie operativa anteriore 112??? ? pari a 15 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la forma della cavit? 185??? lungo le direzioni Z e Y corrisponde sostanzialmente ad un anello che circonda la cavit? 120??? lungo le direzioni Z e Y.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la larghezza W(l)??? (intesa come la differenza tra il raggio maggiore e il raggio inferiore dell'anello) della cavit? 185??? presso il substrato di silicio 110??? ha un valore uguale o inferiore allo spessore TH dell'elemento a membrana 125???. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la larghezza W(l)??? ha un valore di 5?m. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la larghezza W(u)''' della cavit? 185??' presso lo strato di polisilicio 126??? ? maggiore della larghezza W(l)''' e ha un valore compreso tra 0,1 e 100 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la forma dell'elemento polimerico 190??? lungo le direzioni Z e Y corrisponde sostanzialmente ad un anello.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento polimerico 190??? comprende:
- una porzione inferiore 190(l)??? avente una larghezza corrispondente alla larghezza W(u)??? e situata nella porzione della cavit? 185??? presso lo strato di polisilicio 126???, e
- la porzione superiore 190(u)???, di larghezza maggiore della larghezza W(u)??? e poggiante su una superficie superiore dello strato di polisilicio 126???, sopra la cavit? 185??' presso il substrato di silicio 110???.
In altre parole, secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, le sezioni del elemento polimerico 190??? lungo un piano di sezione parallelo alla direzione X hanno una forma a 'T' o a 'fungo', con la porzione superiore pi? larga della porzione inferiore.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'altezza (lungo la direzione X) Ph??? della porzione superiore 190(u)??? dell?elemento polimerico 190??? ha un valore che varia da 1 a 200 um. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'altezza Ph??? ha un valore di 5 ?m.
Come per lo smorzatore 180 del dispositivo PMUT 100 di Figura 1, grazie allo smorzatore 180??? secondo la forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 6 e 7, le oscillazioni libere dell'elemento a membrana 125??? possono essere ridotte efficacemente, aumentando cos? la larghezza di banda del dispositivo PMUT 100???. Ad esempio, nell'esempio considerato, in cui il dispositivo PMUT 100??? ha un elemento a membrana 125?'' oscillante a 1,1 MHz, la % di larghezza di banda centrata su 1,1 MHz pu? vantaggiosamente raggiungere il 7 %.
La Figura 8A ? un diagramma che mostra la % di larghezza di banda centrata a 1,2 MHz del dispositivo PMUT 100??' comprendente lo smorzatore 180??? secondo le forme di realizzazione dell'invenzione illustrate nelle Figure 6 e 7, in funzione della viscosit? del materiale polimerico dell'elemento polimerico 190??? quando detto materiale polimerico ha un rapporto di Poisson di 0,22 e un modulo di Young pari a 10GPa, 5GPa e 1GPa.
La Figura 8B mostra in maggior dettaglio una porzione ingrandita del diagramma di Figura 8A corrispondente ad un intervallo di viscosit? da 0 a 10 kPa * s e ad un modulo di Young pari a 1 GPa.
La Richiedente ha riscontrato che l'efficienza dello smorzatore 180??? secondo le forme di realizzazione dell'invenzione illustrate nelle Figure 6 e 7 nello smorzamento delle oscillazioni libere indesiderate dell'elemento a membrana 125??? ? particolarmente elevata quando la viscosit? del materiale polimerico dell'elemento polimerico 190??? ha un valore compreso tra 2 e 4 kPa * s e il modulo di Young varia da 1 MPa a 10 GPa.
Le Figure 9A - 9I illustrano fasi principali di un processo di fabbricazione per la fabbricazione del dispositivo PMUT 100??? delle Figure 6 e 7, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
Facendo riferimento alla Figura 9A, il processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione inizia fornendo il substrato di silicio 110???, depositando uno strato di ossido 902 sulla superficie operativa anteriore 112''' del substrato di silicio 110??? - ad esempio mediante una tecnica LPCVD che utilizza tetraetil otosilicato come precursore - e quindi incidendo selettivamente lo strato di ossido 902 per scoprire porzioni della superficie operativa anteriore 112''' in accordo con le posizioni in cui verranno formati l'elemento a membrana 125??? e la cavit? 185???. In particolare, dopo l'attacco selettivo, lo strato di ossido 902 ? modellato in modo tale da comprendere:
- una prima finestra 904 che verr? utilizzata per definire la cavit? 185??? (come verr? descritto in dettaglio nel seguito);
- una seconda finestra 906 definente una porzione centrale 908 dello strato di ossido 902 che verr? utilizzata per definire a sua volta l'elemento a membrana 125??? (come verr? descritto in dettaglio nel seguito).
La fase successiva del processo di produzione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 9B, prevede la crescita epitassiale di polisilicio sopra la superficie operativa anteriore 112??? del substrato di silicio 110??? e lo strato di ossido modellato 902 per formare lo strato di polisilicio 126??? utilizzato per generare l'elemento a membrana 125??? (si veda la Figura 6). Lo spessore dello strato di polisilicio 126??? rispetto allo strato di ossido 902 lungo la direzione X definir? lo spessore TH dell'elemento a membrana 125??? (si veda la Figura 6). Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo strato di polisilicio 126??? viene cresciuto con uno spessore di circa 5?m. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, questa fase del processo di fabbricazione comprende inoltre la deposizione di uno strato di materiale isolante 909 (si veda la Figura 6) sullo strato di polisilicio 126'''. Ad esempio, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, uno strato (ad esempio, avente uno spessore di 1?m) di biossido di silicio viene depositato sullo strato di polisilicio 126??? mediante una tecnica LPCVD che utilizza tetraetil otosilicato come precursore.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 9C, prevede:
- depositare sullo strato di materiale isolante 909 una pila comprendente uno strato di materiale piezoelettrico, ad esempio, comprendente nitruro di alluminio, tra due strati conduttivi, ad esempio uno strato di TiW e uno strato di platino, e modellare detta pila per formare l'elemento piezoelettrico 150??? ottenendo gli strati 155??? , 160???, 162??? (si veda la Figura 6) e
- ricoprire l'elemento piezoelettrico 150??? con un primo strato di passivazione 910 (comprendente USG) e un secondo strato di passivazione 912 (sopra il primo strato di passivazione 910) comprendente Nitruro di Silicio.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 9D, prevede la rimozione selettiva del primo strato di passivazione 910, del secondo strato di passivazione 912 e dello strato di materiale isolante 909 utilizzando una maschera litografica opportunamente definita 920 per ottenere il primo strato di passivazione 170???, il secondo strato di passivazione 172??? e lo strato di materiale isolante 168??? (si veda la Figura 6).
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 9E, prevede l'applicazione di una maschera litografica 930 modellata in modo tale da includere una finestra di maschera 935 che lasci scoperta una porzione dello strato di polisilicio 126??? allineata alla prima finestra 904 dello strato di ossido 902. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, mentre la prima finestra 904 dello strato di ossido 902 ha una larghezza corrispondente alla larghezza W(l)???, la larghezza della finestra di maschera 935 corrisponde a W(u)??? (si veda la Figura 6).
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 9F, prevede la formazione della cavit? 185??? aprendo una trincea nello strato di polisilicio 126??? e, attraverso la prima finestra 904 dello strato di ossido 902, nel sottostante substrato di silicio 110??? attraverso un processo di attacco che sfrutta la maschera litografica modellata 930.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 9G, prevede la rimozione delle maschere litografiche 930 e 910, il deposito di una pellicola di polimero secco laminato, il riempimento parziale della cavit? 185???, e quindi la rimozione selettiva della pellicola di polimero secco laminato per ottenere l'elemento polimerico 190??? sulla cavit? 185???.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata in Figura 9H, prevede di capovolgere il dispositivo parzialmente fabbricato in modo tale che la superficie operativa posteriore 114??? del substrato di silicio 110??? sia rivolta verso l'alto, coprire detta superficie operativa posteriore 114??? con una maschera litografica 950 modellata in modo tale da scoprire una porzione della superficie operativa posteriore 114??? allineata verticalmente (cio? lungo la direzione X) all'elemento piezoelettrico 150??? e quindi eseguire un attacco ad incisione secco per rimuovere la porzione scoperta del substrato di silicio 110??? fino a raggiungere la porzione centrale 908 dello strato di ossido 902 e definire di conseguenza la cavit? 120??? (si veda la Figura 6).
L'ultima fase del processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, illustrata nella Figura 9I, prevede di riportare il dispositivo parzialmente fabbricato all'orientamento originale, coprire la parte superiore, ovvero la porzione in cui l'elemento piezoelettrico 150??? e l'elemento polimerico 190??? sono posizionati, con una maschera litografica 980, e quindi rimuovere la porzione centrale 908 dello strato di ossido 902 dal basso con un attacco ad incisione umido per definire l'elemento a membrana 125???.
Quindi, la maschera litografica 980 viene rimossa e si ottiene il dispositivo PMUT 100??? di Figura 6.
La Figura 10 illustra in termini di blocchi semplificati un sistema elettronico 1000 (o una sua porzione) comprendente almeno uno tra i dispositivi PMUT 100, 100?, 100??, o 100??? secondo le forme di realizzazione dell'invenzione descritte in precedenza.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 1000 ? atto ad essere utilizzato in dispositivi elettronici come ad esempio assistenti digitali personali (Personal Digital Assistant, ?PDA?), computer, tablet e smartphone.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 1000 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, 100?? o 100??? , un controller 1005, come ad esempio uno o pi? microprocessori e / o uno o pi? microcontrollori.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 1000 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, 100?? o 100???, un dispositivo di ingresso / uscita 1010 (come ad esempio una tastiera, e / o un touch screen e / o un display visivo) per generare / ricevere messaggi / comandi / dati e / o per ricevere / inviare segnali digitali e / o analogici.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 1000 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, 100?? o 100???, un'interfaccia wireless 1015 per lo scambio di messaggi con una rete di comunicazione senza fili (non mostrata), ad esempio tramite segnali a radiofrequenza. Esempi di interfaccia wireless 1015 possono comprendere antenne e ricetrasmettitori senza fili.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 1000 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, 100?? o 100???, un dispositivo di memorizzazione 1020, come ad esempio un dispositivo di memoria volatile e / o un dispositivo di memoria non volatile.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 1000 pu? comprendere, oltre al dispositivo PMUT 100, 100?, 100?? o 100???, un dispositivo di alimentazione, ad esempio una batteria 1025, per fornire potenza elettrica al sistema elettronico 1000.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 1000 pu? comprendere uno o pi? canali di comunicazione (bus) per consentire lo scambio di dati tra il dispositivo PMUT 100, 100?, 100?? o 100???, il controller 1005 e / o il dispositivo di input / output 1010 e / o l'interfaccia wireless 1015 e / o il dispositivo di memorizzazione 1020 e / o la batteria 1025, quando sono presenti.
Naturalmente, al fine di soddisfare requisiti locali e specifici, una persona esperta del settore pu? applicare all'invenzione sopra descritta diverse modifiche e alterazioni logiche e / o fisiche. Pi? specificamente, sebbene la presente invenzione sia stata descritta con un certo grado di particolarit? con riferimento alle sue forme di realizzazione preferite, si dovrebbe comprendere che sono possibili varie omissioni, sostituzioni e modifiche nella forma e nei dettagli, nonch? altre forme di realizzazione. In particolare, diverse forme di realizzazione dell'invenzione possono anche essere messe in pratica senza i dettagli specifici indicati nella descrizione precedente per fornire una comprensione pi? approfondita di essa; al contrario, funzioni ben note potrebbero essere state omesse o semplificate per non appesantire la descrizione con dettagli non necessari. Inoltre, si intende espressamente che elementi specifici e / o fasi del metodo descritti in relazione a qualsiasi forma di realizzazione descritta dell'invenzione possono essere incorporati in qualsiasi altra forma di realizzazione.

Claims (12)

RIVENDICAZIONI
1. Un dispositivo PMUT (100; 100?; 100??; 100???) comprendente:
-un elemento a membrana (125; 125?; 125??; 125???) atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando, attorno ad una posizione di equilibrio, ad una corrispondente frequenza di risonanza;
- un elemento piezoelettrico (150; 150?; 150??; 150???) posizionato su detto elemento a membrana lungo una prima direzione (X) e configurato per:
- far oscillare l'elemento a membrana quando vengono applicati segnali elettrici all'elemento piezoelettrico, e
- generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana,
- uno smorzatore (180; 180?; 180??; 180???) configurato per ridurre le oscillazioni libere dell'elemento a membrana, lo smorzatore comprendendo:
- una cavit? dello smorzatore (185; 185?; 185??; 185???) che circonda l'elemento a membrana;
- un elemento polimerico (190; 190?; 190"; 190?") avente almeno una sua porzione sopra detta cavit? dello smorzatore lungo detta prima direzione.
2. Il dispositivo PMUT (100; 100?; 100??; 100???) della rivendicazione 1, in cui detta cavit? dello smorzatore (185; 185?; 185??; 185???) circonda l'elemento a membrana lungo un piano sostanzialmente perpendicolare a detta prima direzione (X).
3. Il dispositivo PMUT (100; 100?; 100??; 100???) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un substrato semiconduttore (110;
110?; 110??; 110???), detta cavit? dello smorzatore (185; 185?; 185??; 185???) essendo almeno parzialmente formata in detto substrato semiconduttore.
4. Il dispositivo PMUT (100; 100?; 100??; 100???) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una cavit? centrale (120; 120'; 120'';
120''') sotto detto elemento a membrana (125; 125?; 125??; 125???) lungo la detta prima direzione (X), detta cavit? dello smorzatore (185; 185?; 185??; 185???) avendo almeno una porzione corrispondente ad un anello che circonda la cavit? centrale perpendicolarmente a detta prima direzione (X).
5. Il dispositivo PMUT (100; 100?; 100??; 100???) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento polimerico (190; 190'; 190''; 190''') ha una forma lungo direzioni perpendicolari a detta prima direzione sostanzialmente corrispondenti ad un anello.
6. Il dispositivo PMUT (100, 100?) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento polimerico (190; 190') ha:
- un valore di viscosit? compreso tra 0,3 e 3 kPa * s;
- un valore del modulo di Young compreso tra 0,5 e 2 GPa.
7. Il dispositivo PMUT (100, 100?) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elemento a membrana (125; 125') comprende silicio monocristallino.
8. Il dispositivo PMUT (100??, 100???) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui detto elemento polimerico (190''') ha:
- un valore di viscosit? compreso tra 2 e 4 kPa * s;
- un valore del modulo di Young compreso tra 1 MPa e 10 GPa.
9. Dispositivo PMUT (100", 100??? secondo la rivendicazione 8, in cui detto elemento a membrana (125 "; 125") comprende polisilicio.
10. Dispositivo PMUT (100") secondo la rivendicazione 9, in cui detto elemento a membrana (125") comprende polisilicio poroso.
11. Sistema elettronico (1000) comprendente uno o pi? dispositivi PMUT secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
12. Metodo per la produzione di un dispositivo PMUT (100; 100?; 100??; 100???) comprendente le seguenti fasi:
-formare un elemento a membrana (125; 125?; 125??; 125???);
- formare su detto elemento a membrana lungo una prima direzione (X) un elemento piezoelettrico (150; 150?; 150??; 150???);
- formare uno smorzatore (180; 180?; 180??; 180???), detto formare uno smorzatore comprendendo:
- formare una cavit? dello smorzatore (185; 185?; 185??; 185???) che circonda l'elemento a membrana, e
- formare un elemento polimerico (190; 190'; 190''; 190''') avente almeno una sua porzione su detta cavit? dello smorzatore lungo detta prima direzione.
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