專利名稱：用于存在性檢測的薄膜檢測器的制作方法
用于存在性檢測的薄膜檢測器本系統(tǒng)涉及例如用于存在性檢測、運(yùn)動(dòng)檢測和實(shí)時(shí)成像的換能器(transducer)， 利用包括薄膜超聲換能器的超聲換能器以及用于目標(biāo)的存在性和/或運(yùn)動(dòng)檢測以及實(shí)時(shí) 成像的陣列，包括無生命和有生命的目標(biāo)，并且確定諸如目標(biāo)的速度、位置和/或數(shù)量之類 的各種參數(shù)。換能器正得到廣泛的應(yīng)用，例如用于運(yùn)動(dòng)和存在性檢測的傳感器。主要的驅(qū)動(dòng)因 素是在辦公大樓和住宅中節(jié)能，根據(jù)需要打開/關(guān)閉燈，以及增加燈的壽命。預(yù)計(jì)運(yùn)動(dòng)/存 在性檢測傳感器市場將迅速增長。對于該增長的領(lǐng)域，具有最少虛假檢測或觸發(fā)器的緊湊、 低成本且不顯眼(近乎不可見)的傳感器是所希望的。進(jìn)一步希望的是，這樣的傳感器更加 智能，允許例如檢測房間中的人數(shù)和人的位置，以及檢測房間中人的運(yùn)動(dòng)和人的運(yùn)動(dòng)方向。 此外，工作于低功率下以允許實(shí)現(xiàn)無線操作的換能器也是恰當(dāng)?shù)?。超聲換能器作為用于其他應(yīng)用的傳感器也是吸引人的，所述其他應(yīng)用例如室外控 制，例如以便打開/關(guān)閉燈或者例如在城市、建筑、街道等等中局部地對燈進(jìn)行調(diào)光。它們 也可以用于入侵者檢測，其自動(dòng)地打開監(jiān)視設(shè)備。當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)傳感器包括基于熱電陶瓷設(shè)備的陶瓷超聲運(yùn)動(dòng)檢測器和無源紅外 (IR)檢測器。這樣的常規(guī)IR設(shè)備體積非常大并且典型地安裝在房間的天花板上。Klee等 人的專利文獻(xiàn)DE4218789描述了一種微加工熱電檢測器，并且通過引用全部合并于此。所 述IR傳感器根據(jù)接收的紅外能量的變化檢測運(yùn)動(dòng)的個(gè)人或者人的運(yùn)動(dòng)。這些熱電IR檢測 器的缺點(diǎn)包括需要應(yīng)當(dāng)清晰且無阻礙的視線以便進(jìn)行正確的檢測。此外，IR檢測器容易受 到直射陽光和環(huán)境光變化的干擾，并且對煙和熱敏感，從而提供虛假警報(bào)。為了使虛假警報(bào)或觸發(fā)器最少，使用熱電無源檢測器和超聲檢測器的組合，其中 超聲換能器被安裝成鄰近無源紅外檢測器。這樣的組合的設(shè)備甚至比典型的IR檢測器更 大，具有直徑為Ilcm和高度為3. 5cm的典型尺寸。
圖1示出了典型換能器的輻射模式100。 如圖1所示，換能器典型地發(fā)射相當(dāng)窄的束110并且因而具有大的盲區(qū)120、130。為了減小或消除盲區(qū)，提供了換能器陣列，其中單獨(dú)地控制來自該陣列的每個(gè)元 件或換能器的信號(hào)以便定形和操縱從該陣列發(fā)射的超聲束。這允許完整地掃描房間或區(qū)域 以檢測人的位置。使用換能器陣列，還可以聚焦所述束，這提高了分辨率和信噪比。這些超 聲陣列還允許使用關(guān)聯(lián)的電子電路系統(tǒng)(circuitry)以檢測和形成超聲圖像。也可以設(shè)想將這樣的超聲傳感器用于車輛中的氣囊控制，根據(jù)乘客的存在或不存 在的檢測打開/關(guān)閉乘客的氣囊。關(guān)于換能器的其他應(yīng)用包括測量距離。此外，這樣的換 能器在汽車用途方面也可能是令人感興趣的，例如打開/關(guān)閉氣囊的乘客占位傳感器。此 外，如Gualtieri的美國專利No. 6549487中所描述的，超聲換能器也用于碰撞預(yù)防或防護(hù) 系統(tǒng)，該文獻(xiàn)通過引用全部合并于此，其中電子操縱的超聲束用來測量目標(biāo)的范圍、角展度 (extent)和角方向。超聲接收器接收從目標(biāo)反射的聲波以供處理，以便確定諸如這樣的目 標(biāo)的范圍、展度、尺寸和方向之類的信息。這些系統(tǒng)典型地由分立的單個(gè)換能器構(gòu)成。硅膜板(diaphragm)上的壓電超聲傳感器是已知的，例如KaoruYamashita等 人的題為"Sensitivity Improvement of Diaphragm TypeUltrasonic Sensors by
5Complementary Piezoelectric Polarization，，(Yamashita)的論文中所描述的，該文獻(xiàn) 通過引用全部合并于此。此外，同樣通過引用全部合并于此的Valentin Magori的題為 "Ultrasonic Sensorsin Air”的論文描述了包括作為相控陣列而工作的壓電超聲換能器 的智能超聲傳感器，其中對發(fā)出的束進(jìn)行電子操縱，以便根據(jù)從目標(biāo)反射的回波進(jìn)行目標(biāo) 識(shí)別和距離檢測。如Yamashita中所指出的，使用空載超聲的三維成像設(shè)備可以用于車輛控制、自 主機(jī)器人的目標(biāo)檢測以及視障人和檢查機(jī)器人的活動(dòng)的支持。如所指出的，空氣中的超聲 測量相對于包括光和毫米波的電磁波在精確距離測量方面具有優(yōu)勢，其由于超聲波的足夠 低的傳播速度而處于小于數(shù)米的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)讓給其受讓人的Klee等人的美國專利No. 6515402和No. 6548937描述了一種 超聲換能器陣列，其中電極可以在壓電層一側(cè)上或者像Yamashita中也描述的那樣在兩側(cè) 上，這兩篇文獻(xiàn)中的每一篇的內(nèi)容通過引用全部合并于此。這樣的換能器具有經(jīng)過微加工 以形成開口的襯底。圖2A示出了如美國專利No. 6548937中所描述的超聲換能器200，該超聲換能器具 有在其上形成隔膜(membrane) 220的硅襯底210。阻擋結(jié)構(gòu)230 (例如TiO2層)形成于隔 膜220上。壓電層240形成于阻擋層230上。第一和第二電極250、255設(shè)置在壓電層240 的橫向相對的末端處，以用于壓電層240的橫向極化操作。此外，襯底210的一部分被去除 以便在相對于壓電層240和電極250、255的適當(dāng)位置產(chǎn)生使隔膜220曝光的開口 260。為 了制造這樣的超聲換能器的陣列，在一個(gè)硅襯底上產(chǎn)生若干開口以便形成若干隔膜。由開 口 260暴露的隔膜220由于該開口 260的原因能夠(例如在施加AC電壓時(shí))振蕩。特別地，通過第一和第二電流供應(yīng)觸點(diǎn)270、275向電極250、255施加AC電壓引起 壓電層240被激發(fā)成在該層240的平面內(nèi)縱向振蕩。該壓電元件的長度變化激發(fā)隔膜220 振蕩。電極250、255可以是如圖2B所示的交叉指狀電極250、255。圖2C示出了如美國專利No. 6515402和Yamashita中所描述的超聲換能器200'， 其中電極250' ,255'形成于壓電層240的兩側(cè)上。圖2A、圖2C中示出的兩個(gè)換能器200、 200'都要求通過去除襯底210的一部分，例如通過批量微加工技術(shù)或者圖案光刻來在適 當(dāng)?shù)奈恢眯纬砷_口 260，這是費(fèi)時(shí)的且增大了制造這樣的換能器陣列的成本。此外，襯底必 須經(jīng)過對準(zhǔn)以便在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬砷_口，這進(jìn)一步增加了制造時(shí)間和成本，也引入了誤差， 從而降低了產(chǎn)量。此外，如Yamashita中所描述的，典型地使用SOI (絕緣體上硅)晶片，其 相對昂貴，其中隔膜由硅(2ym)和氧化硅(0.4μπι)形成。應(yīng)當(dāng)指出的是，在圖2C中電場介于兩個(gè)相對的電極250' ,255'之間。該電場垂 直于壓電層。相反地，圖2Α中的兩個(gè)相鄰電極250、575之間的電場平行于壓電層240的平 面或者在該平面內(nèi)。與每個(gè)隔膜僅有兩個(gè)電極的情況相比，通過提供典型地為如圖2Β所示 的交叉指狀的小間隔電極，需要較小的電壓來產(chǎn)生希望的電場。當(dāng)然，除了將空載超聲用于成像之外，超聲也應(yīng)用于流體和固體中并且用于成像， 例如醫(yī)療超聲波掃描和水下成像，其中可以如Bernstein的美國專利No. 6323580 (此后稱 為Bernstein)中所描述的那樣使用薄鐵性(ferroic)膜，該文獻(xiàn)通過引用全部合并于此。 在Bernstein中，交叉指狀電極僅在鐵性膜板的一側(cè)上形成，該鐵性膜板在Al2O3的絕緣層 上形成，所述絕緣層反過來位于硅隔膜的結(jié)構(gòu)層上。該硅隔膜位于在硅襯底上形成的SiO2或Si3N4的蝕刻停止層上。硅襯底被選擇性地蝕刻(直到SiO2或Si3N4的蝕刻停止層)以 便在硅隔膜之下形成開口。應(yīng)當(dāng)指出的是，這里使用了昂貴的SOI晶片技術(shù)，也應(yīng)用了附加 的Al2O3層，這進(jìn)一步增加了處理時(shí)間和成本。成本被進(jìn)一步增加，因?yàn)榕c結(jié)合圖2A-2B描 述的開口 260類似的是，Bernstein開口也例如通過蝕刻和微加工由選擇性的襯底去除來 形成，其中需要雙側(cè)光刻和對準(zhǔn)以便例如正確地在電極之下的希望的位置處提供開口。Zhihong Wang 等人 的題為 “Ultrasound Radiating Performances ofPiezoelectric Micromachined Ultrasonic Transmitter，，(Wang)的論文中描述了另一 種微加工換能器，該文獻(xiàn)通過引用全部合并于此。該換能器也要求襯底對準(zhǔn)和微加工以便 在襯底中形成對準(zhǔn)的開口。在Wang中，隔膜由Si3N4形成，其中在Si3N4隔膜和Si襯底之間 形成SiO2蝕刻停止層。因此，需要改進(jìn)的微型傳感器，其更薄、體積更小、柔軟、不那么昂貴且制造更簡 單，具有減少的步驟和/或降低的對準(zhǔn)要求，并且仍然具有高的電聲性能。諸如紅外檢測之 類的其他功能的集成將允許實(shí)現(xiàn)甚至進(jìn)一步的小型化。這里給出的系統(tǒng)和方法的一個(gè)目的是克服常規(guī)傳感器的缺點(diǎn)，包括提供具有組合 的超聲和熱電檢測器的傳感器以用于檢測超聲和/或紅外信號(hào)。依照說明性實(shí)施例，提供了一種換能器和換能器陣列，其可以用于例如空氣以及 流體和固體中的實(shí)時(shí)成像，以及用于通過使用例如多普勒效應(yīng)進(jìn)行目標(biāo)的存在性和/或運(yùn) 動(dòng)檢測，包括無生命和有生命目標(biāo)，并且確定諸如目標(biāo)的速度、運(yùn)動(dòng)方向、位置和/或數(shù)量 之類的各種參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述換能器包括在前襯底上形成的隔膜；壓電層在隔膜 上的活性部分和鄰近活性部分的外圍部分處形成。如果希望的話，可以圖案化壓電層。包 括第一和第二電極的圖案化導(dǎo)電層在壓電層上形成。此外，提供了后襯底結(jié)構(gòu)，其具有位于 鄰近活性部分的外圍部分處的支撐物。支撐物的高度大于圖案化壓電層和圖案化導(dǎo)電層的 組合高度?？梢赃B接許多換能器以形成陣列，其中可以提供控制器以控制該陣列，例如操縱 該陣列的束以及處理該陣列接收的信號(hào)，以便例如進(jìn)行存在性或運(yùn)動(dòng)檢測和/或成像?？梢栽谌嵝圆咸峁└鞣N傳感器以形成柔性傳感器，所述柔性傳感器可以被制成 任何希望的形狀。此外，可以將不同類型的傳感器或檢測器組合或集成為單個(gè)多傳感器，例 如包括用于檢測超聲和/或紅外信號(hào)的組合的超聲和壓電檢測器的多傳感器。這些傳感器 可以用于各種應(yīng)用中，例如成像(超聲和/或IR成像)以及運(yùn)動(dòng)或存在性檢測，其中與需 要視線以進(jìn)行操作的IR傳感器形成對照的是，超聲傳感器不需要視線以進(jìn)行操作，包括超 聲和/或IR信號(hào)的發(fā)射和/或接收。本系統(tǒng)和方法的另外的可應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)下面提供的詳細(xì)描述將變得清楚明白。應(yīng) 當(dāng)理解的是，這些詳細(xì)描述和特定實(shí)例盡管表示了本系統(tǒng)和方法的示例性實(shí)施例，但是預(yù) 期僅用于說明的目的，并非意在限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的設(shè)備、系統(tǒng)和方法的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)以下描述、所附權(quán) 利要求和附圖將得到更好的理解，在附圖中圖1示出了典型換能器的輻射模式的測量結(jié)果；圖2A-2C示出了利用批量微加工實(shí)現(xiàn)的常規(guī)傳感器；圖3示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的換能器陣列；圖4A-4B示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的在一側(cè)上具有電極的換能器；
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圖5示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的在相對側(cè)上具有電極的換能器；圖6示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的具有后襯底的換能器陣列；圖7示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的具有交叉指狀電極的換能器陣列；圖8A-8C示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的具有在底座(mount)上支撐的后襯底的 換能器；圖8D示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的電阻偏壓網(wǎng)絡(luò)；圖9示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的換能器的電阻抗-頻率曲線圖；圖10示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的在具有互連的柔性箔上形成柔性換能器陣 列的兩個(gè)超聲換能器；圖11示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的在兩側(cè)覆蓋有柔性層互連的兩個(gè)超聲換能 器設(shè)備，其形成上側(cè)的薄膜壓電元件安裝在具有或者沒有電子器件的硅部分上的柔性換能 器陣列；圖12示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的兩個(gè)或更多超聲換能器的柔性陣列；圖13A-13C示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的包括超聲換能器和壓電換能器的組 合的陣列，其具有在板上分開安裝的電路系統(tǒng)；圖14A-14C示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的包括超聲換能器和壓電換能器的組 合的陣列，其具有通過倒裝芯片式安裝或者引線鍵合而安裝的電路系統(tǒng)；圖15A-15C示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的包括超聲換能器和壓電換能器的組 合的陣列，其具有集成電路系統(tǒng)；圖16A-16C示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的包括超聲換能器和壓電換能器的組 合的陣列，其具有在壓電區(qū)域的兩側(cè)上的電極；以及圖17A-17C示出了依照本系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的包括超聲換能器和壓電換能器的組 合的陣列，其具有不同地?fù)诫s的壓電區(qū)域。以下是對說明性實(shí)施例的描述，其在結(jié)合附圖考慮時(shí)將表明上面指出的特征和優(yōu) 點(diǎn)以及另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。在下面的描述中，出于解釋而不是限制的目的，闡述了若干說明 性細(xì)節(jié)，例如架構(gòu)、界面、技術(shù)、元件屬性等等。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚的是，偏離這 些細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例仍然應(yīng)當(dāng)被理解成處于所附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。因此，特定示例性實(shí)施例的以下描述本質(zhì)上僅僅是示例性的，絕非意在限制本發(fā) 明、其應(yīng)用或用途。在本系統(tǒng)和方法的實(shí)施例的以下詳細(xì)描述中，參照了形成其一部分并且 其中通過舉例說明示出了特定實(shí)施例的附圖，在所述特定實(shí)施例中，可以實(shí)施所描述的系 統(tǒng)和方法。這些實(shí)施例被足夠詳細(xì)地描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┊?dāng)前公開的系統(tǒng) 和方法，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以利用其他的實(shí)施例并且可以在不脫離本系統(tǒng)的精神和范圍的 情況下做出若干結(jié)構(gòu)和邏輯變化。因此，下面的詳細(xì)描述不應(yīng)當(dāng)在限制意義上進(jìn)行理解，并且本系統(tǒng)的范圍僅由所 附權(quán)利要求書進(jìn)行限定。在這里，附圖中的附圖標(biāo)記的前導(dǎo)數(shù)字通常對應(yīng)于圖號(hào)，例外之處 在于，在多幅附圖中出現(xiàn)的相同部件由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)。而且，為了清楚起見，省略了 公知設(shè)備、電路和方法的詳細(xì)描述以便不使本系統(tǒng)的描述模糊不清。包括壓電薄膜換能器和換能器陣列的當(dāng)前傳感器的各個(gè)實(shí)施例允許實(shí)現(xiàn)成本有 效、高效且小型的超聲換能器/陣列。依照各個(gè)實(shí)施例的超聲換能器是平坦的不顯眼的超
8聲換能器，其比例如用于占位和/或運(yùn)動(dòng)檢測的常規(guī)陶瓷超聲換能器體積小。另一實(shí)施例 包括平坦的不顯眼的薄膜換能器陣列，其允許對超聲束進(jìn)行掃描和電子操縱以檢測諸如有 生命和無生命目標(biāo)(例如人類、動(dòng)物、車輛等等)的存在性、速度、運(yùn)動(dòng)方向、位置、運(yùn)動(dòng)和/ 或數(shù)量之類的各種參數(shù)。這樣的緊湊且不顯眼的超聲換能器/陣列可以得到各種應(yīng)用，特 別是因?yàn)榕c紅外傳感器形成對照，它們與不需要視線并且對煙和熱不敏感。在一個(gè)說明性實(shí)施例中，薄膜壓電換能器陣列用于存在性和/或運(yùn)動(dòng)檢測等等， 其中圖3示出了薄膜壓電換能器元件310的陣列300。陣列300和/或每個(gè)元件310可以 具有任何尺寸和形狀。元件310的間距320根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行選擇。對于運(yùn)動(dòng)檢測器而言，為 了在空氣中實(shí)現(xiàn)低的衰減，所述陣列被設(shè)計(jì)成工作于50-450KHZ的頻率下。為了工作于這 些低頻下，元件間距320大約為數(shù)百微米到數(shù)千微米。間距320為元件的寬度330加上將 一個(gè)元件與相鄰元件分開的間隙340。如圖3所示，所述陣列可以如Gualtieri的美國專利No. 6549487中描述的那樣連 接到具有關(guān)聯(lián)的電子器件(例如相移器、延遲抽頭、轉(zhuǎn)換器等等)的控制器或處理器350，以 便控制該陣列并且處理從該陣列300接收的信息，從而允許實(shí)現(xiàn)電子操縱超聲束以得到更 寬的覆蓋范圍并且減少或消除結(jié)合圖1所描述的盲點(diǎn)120、130。存儲(chǔ)器360也可以操作時(shí) 耦合到處理器350以便存儲(chǔ)用于當(dāng)由處理器350執(zhí)行時(shí)控制和操作陣列系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)和 應(yīng)用程序以及軟件指令或代碼。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高耦合效率，所述耦合效率為轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電能量(即電-機(jī) 轉(zhuǎn)換效率)，提供了如圖4A所示的傳感器400，其中代替壓電材料的相對側(cè)處的電極的是， 這些電極在壓電薄膜的相同側(cè)上加工，并且這些元件工作于與換能器的平面平行的極化方 向上。特別地，可以為如圖2B所示的交叉指狀的成對電極430、440和430' ,440'之間的平 面內(nèi)電場在壓電薄膜的平面內(nèi)造成縱向應(yīng)力振蕩，其轉(zhuǎn)而導(dǎo)致隔膜的彎曲振蕩。電極430、 440之間的減小的間隔允許工作于更低的電壓下。在下面的描述中，“正”和“負(fù)”電壓用來 分別表示壓電材料中的電場平行于或反向平行于極化方向。除了具有更高的耦合效率之外，傳感器400還需要更少的加工步驟，這是因?yàn)橛?于在壓電薄膜的一側(cè)上缺少電極層而少了一層，這允許成本有效地生產(chǎn)這樣的設(shè)備400。傳 感器400包括在襯底上形成的隔膜410，所述襯底在形成傳感器400之后被去除以便允許隔 膜410的運(yùn)動(dòng)。壓電材料420、420'形成于隔膜410上，如果希望的話，其可以被圖案化以 便提高性能。此外，成對的電極430、440、430' ,440'形成于圖案化壓電材料的對應(yīng)壓電區(qū) 域 420、420'上。如圖4A所示，當(dāng)正電壓施加給內(nèi)邊緣電極440,440'并且負(fù)電壓施加給外邊緣電 極430、430'(其可替換地可以接地)時(shí)，壓電層的伸長450導(dǎo)致隔膜疊層的向下彎曲460， 如圖4B所示。反轉(zhuǎn)施加給電極配對430、440和430' ,440'的電壓的極性使得隔膜疊層向 上彎曲。施加給壓電層的電壓脈沖或者任何交變電流(AC)信號(hào)產(chǎn)生可以從目標(biāo)反射以便 對其檢測的超聲波。圖4B中解釋了隔膜換能器的工作原理，其中描繪了基本的彎曲模式。隔膜的移位 404導(dǎo)致部分401、40Γ和402的彎曲。部分403保持幾乎沒有形變。壓電驅(qū)動(dòng)用來彎曲 一個(gè)或多個(gè)彎曲的部分401、401'或402。分層隔膜至少用于這些可變形或可移動(dòng)的部分 401,401'、402中并且將在下文中進(jìn)行舉例說明。給出的實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)當(dāng)不對選擇驅(qū)動(dòng)隔膜的哪部分的自由度施加限制。例如，圖4A的疊層440、430、420、410形成圖4B中示出的驅(qū) 動(dòng)部分401。當(dāng)然，也可以將可變形或可移動(dòng)的疊層置于部分402處。當(dāng)然，如果希望的話，那么代替位于壓電材料的一側(cè)上(例如位于頂側(cè)上)的是， 所述電極配對可以位于兩側(cè)上，例如以便將壓電材料520、525夾在中間，如圖5的傳感器 500中所示。在這種情況下，在頂部和底部電極配對530、540和530' ,540'兩端提供電 壓。當(dāng)頂部電極530、530'與底部電極540、540'之間的電壓差為正時(shí)，平面內(nèi)壓電層的收 縮550、555以及垂直于隔膜的伸長導(dǎo)致牽拉隔膜疊層，如箭頭560所示。傳感器400、500較不昂貴，因?yàn)樗鼈兊闹圃旄行Р⑶倚枰^少的工藝操作。例 如，晶片和隔膜不遵循昂貴的SOI生產(chǎn)來制造，而是如結(jié)合圖8A-8C所更詳細(xì)地描述的，可 以為氮化硅、氧化硅或者氮化硅和氧化硅的組合，其可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝來沉 積并且較不昂貴。當(dāng)然，除了這些材料之外，也可以使用與壓電薄膜工藝兼容的任何其他無 機(jī)或有機(jī)材料。此外，可以不需要如結(jié)合圖2A和圖2B所描述的那樣例如通過圖案化批量 微加工和雙側(cè)光刻對如圖6中的虛線所示的下部襯底615圖案化以去除該襯底的若干部分 并且形成開口 260，以便使隔膜暴露。相反地，將傳感器安裝到管芯上并且進(jìn)行處處完全蝕刻以去除整個(gè)的下部襯底 615。因此，光刻或圖案化僅發(fā)生在一側(cè)上，例如以便圖案化電極和/或壓電材料(如果希 望的話)。另一側(cè)(例如圖4A和圖5中示出的底側(cè))可以要求任何光刻或圖案化。相反 地，如圖6所示，可以在將傳感器陣列或元件安裝到管芯或后端襯底640上之后執(zhí)行完全蝕 刻以去除下部或前端襯底615并且使隔膜410、510、610暴露。成本和生產(chǎn)時(shí)間減少了，這不僅因?yàn)椴恍枰獙σr底進(jìn)行圖案化蝕刻，而且因?yàn)椴?需要對準(zhǔn)前側(cè)和后側(cè)掩模以正確地蝕刻襯底的希望的部分以便在適當(dāng)?shù)奈恢毛@得開口 260 (圖2A、圖2C)。這通過消除對準(zhǔn)誤差和處理易損壞穿孔襯底的問題不僅降低了加工時(shí) 間和成本，而且增加了產(chǎn)量。此外，對于其中例如如圖4A、圖6和圖8A所示電極僅位于壓電 材料一側(cè)上的情況而言，少一層是需要的，換言之，因?yàn)樵趬弘姴牧狭硪粋?cè)上缺少電極，因 而降低了生產(chǎn)時(shí)間和成本。壓電薄膜換能器的基本模塊是薄膜隔膜的疊層，分別如圖4A和圖5A中的附圖標(biāo) 記410、510以及圖6中的附圖標(biāo)記610所示。舉例來說，隔膜410、510、610由氮化硅、氧 化硅或者氮化硅和氧化硅的組合制成。隔膜410、510、610可以例如在低壓化學(xué)氣相沉積 (CVD)工藝中沉積在例如襯底615上，所述襯底615隨后被完全蝕刻掉以便使隔膜的一側(cè)暴 露。該襯底可以是硅或者任何其他適當(dāng)?shù)牟牧?。在隔?10、510、610之上，可以在必要時(shí) 施加例如氧化鈦、氧化鋯或氧化鋁的薄膜阻擋層617，如圖6所示。在圖6所示的實(shí)施例(其與圖4A所示的實(shí)施例相關(guān)，僅在壓電層的一側(cè)上具有電 極)中，在隔膜層610(圖4A中的410)之上或者在阻擋層617(當(dāng)存在時(shí))之上，形成、加 工并圖案化(如果希望的話)壓電薄膜以形成壓電區(qū)域620、622、624。舉例來說，壓電薄膜 可以是未被摻雜或者摻雜了例如La的鋯鈦酸鉛，但是也可以是任何其他的壓電材料。壓電 層620可以是連續(xù)的或者被圖案化以匹配驅(qū)動(dòng)部分(圖4B中的402)的寬度?？梢詫⒍鄠€(gè) 換能器元件600設(shè)置成一維或二維陣列，其中元件的間距可以與元件的寬度626 (在圖3中 也示為附圖標(biāo)記330) —樣小。圖6中示出的右和左壓電區(qū)域622、624沒有壓電功能，而是 用作隔離物或者支撐底座，如將要描述的那樣。根據(jù)應(yīng)用，具有高度826的腔體在鍵合工藝
10期間可以填充氣體或者被抽空。例如，填充了氣體的腔體的優(yōu)點(diǎn)包括類似于氣密封裝，提供 了更好的密封，以便在惡劣的環(huán)境中得到更好的可靠性。在腔體中具有真空的優(yōu)點(diǎn)包括尤 其對于空氣換能器而言，隔膜的自由運(yùn)動(dòng)，但是缺點(diǎn)是隔膜更剛硬。腔體也可以保持對環(huán)境 開放以提供與環(huán)境的壓力平衡，從而降低或避免參數(shù)的平移或漂移，例如諧振頻率、靈敏度 等等的平移。然而，開放腔體可能對濕度和環(huán)境更敏感。選擇取決于應(yīng)用環(huán)境。此外，在壓電薄膜一側(cè)上施加一個(gè)或多個(gè)金屬化層并且將其圖案化以形成如圖6 中的帶630所示的電極。舉例而言，形成可以是具有例如總厚度為大約1 μ m的薄TiW層和 Al層的第一金屬疊層且將其圖案化以形成第一組電極帶630、630'，并且在該第一組電極 帶630、630'上形成第二金屬層且將其圖案化以形成第二組電極帶635、635'。應(yīng)當(dāng)理解 的是，這里所提及的疊層或者層可以是例如單個(gè)層或者以交替層形成的兩種或更多材料的 多層。第二金屬帶635、635可以是例如具有總厚度大約為1 μ m的Ti層和Au層的金屬疊 層。當(dāng)然，例如包括來自例如Ti和Au的疊層的僅僅一個(gè)金屬疊層的任何適當(dāng)?shù)慕饘俳M合 和類型可以用來形成所述電極。壓電薄膜和金屬層的圖案化可以借助于任何適當(dāng)?shù)姆椒ǎ?例如公知的光刻方法，其使用例如光阻層和蝕刻。在每個(gè)陣列元件或壓電區(qū)域的相對邊緣處，金屬層可以更厚，并且可以包括在先 前形成的金屬帶上形成的另外的金屬層650、650'，以增加外圍金屬帶的高度并且形成具 有大約為200ηπι-2μπι或更高(例如高達(dá)20μπι)的高度或厚度的支撐底座660、660'。所 述另外的金屬層650、650'也可以是Ti和/或Au或者任何適當(dāng)?shù)慕饘俳M合和類型。如結(jié)合圖8Α-8Β更詳細(xì)地描述的，所述變厚的末端或外圍金屬層(具有所述附加 的或者另外的金屬層650、650')也充當(dāng)支撐底座660、660'，其用于在其上安裝后端襯底 640。特別地，在圖6中示出的設(shè)備600之上，即在壓電區(qū)域620、622、624或陣列元件的相 對邊緣處的外圍金屬帶或支撐底座650、650'上，通過使用適當(dāng)?shù)慕佑|金屬(例如Ti/Au) 進(jìn)行超聲鍵合來安裝后端襯底640。當(dāng)然，也可以使用任何其他的鍵合方案，例如熱壓縮鍵 合等等。后端襯底640可以是例如硅并且通過使用任何適當(dāng)?shù)恼澈蟿┑娜魏纹渌I合技術(shù) 來安裝，其中金屬層650、650'和所述第二組電極帶635、635' 二者可以是Au，其非常適用 于彼此超聲鍵合。其中安裝了后端襯底640的外圍金屬帶或支撐物660、660'可以在壓電層上具 有0.5-30μπι的厚度。當(dāng)然，代替在外圍金屬帶635、635'上形成所述另外的金屬帶650、 650'以增加其高度的是，也可以在后端襯底640上施加所述另外的金屬帶650、650'，該 后端襯底然后安裝到外圍金屬帶635、635'上，其中進(jìn)行簡單的金屬(635)上金屬(650)鍵 合，其中在超聲鍵合的情況下，Au適用于兩個(gè)金屬層650、635。當(dāng)然，如果希望的話，可以在 后端襯底640上形成具有希望的高度的支撐底座，其中后端襯底640的這樣的支撐底座鍵 合在隔膜610或者隔膜610上形成的適當(dāng)層之上。如果希望的話，為了在后端襯底640與交替疊層的壓電換能器區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)非常 大的間隙826，可以在其中驅(qū)動(dòng)壓電隔膜610的區(qū)域中將凹槽蝕刻到后端襯底640中。為 了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，在沉積和圖案化可以是后端襯底640(其可以例如為具有例如2μπι厚的SiO2 層的Si襯底)上的例如薄Ti和Au層的金屬區(qū)域650和650'之后，在其中沒有沉積Ti/ Au的區(qū)域中應(yīng)用用于SiO2和Si的干蝕刻工藝步驟。除了干蝕刻過程之外，也可以應(yīng)用用 于Si02和Si的濕蝕刻技術(shù)。SiO2和Si的圖案化允許在壓電換能器與后端襯底640之間實(shí)現(xiàn)數(shù)微米直到數(shù)十微米的間隙。后端襯底640可以是具有或者沒有集成電子器件的硅襯底、玻璃襯底或者任何其 他襯底。安裝的后端襯底640也可以包括具有集成電子器件、晶體管、無源元件等等的Si 設(shè)備。也可以在后端襯底640中提供開口或通孔以允許實(shí)現(xiàn)用于例如一維和/或二維陣列 的高元件計(jì)數(shù)互連。在換能器陣列之下承載的虛線615所示的前或下部硅襯底615(在其上形成和圖 案化了各個(gè)層，例如隔膜、阻擋、壓電和金屬化層)在形成和圖案化所述各個(gè)層、加厚陣列 元件的邊緣處的金屬化區(qū)域并且在其上安裝后襯底640之后被全部或者部分地蝕刻掉。前 或下部硅襯底615通過例如濕化學(xué)蝕刻或干蝕刻或研磨和/或拋光或者其組合來全部或部 分地蝕刻掉。應(yīng)當(dāng)指出的是，不需要對前或下部襯底615進(jìn)行任何對準(zhǔn)或者使用批量微加 工或光刻蝕刻，因?yàn)樗幢粓D案化并且反而在活性陣列區(qū)域中大體上被完全去除。換言之， 雙側(cè)光刻是不需要的。這降低了生產(chǎn)時(shí)間和成本。如結(jié)合圖3所描述的，可以在陣列300中提供多個(gè)元件310，其范圍可以從一個(gè) 元件到數(shù)十到數(shù)百或者甚至數(shù)千個(gè)相同和/或不同尺寸和/或形狀的元件。為了在例如 50-450KHZ的頻率下操作所述設(shè)備，這些元件被設(shè)計(jì)成間距大約為數(shù)百微米到數(shù)千微米。圖 7中示出了工作于200-300KHZ下的換能器陣列的設(shè)計(jì)實(shí)例，其中圖8A中示出了元件710的 截面。應(yīng)當(dāng)理解的是，允許換能器有效工作于這些低頻下的任何其他設(shè)計(jì)(例如圓形隔膜 或元件以及任何形狀的陣列)也是可能的。為了允許工作于低電壓下并且仍然實(shí)現(xiàn)設(shè)備的大約50-450KHZ范圍的希望諧振 頻率，換能器元件800可以具有400-1500 μ m的間距，如圖8A所示，其是與圖4A關(guān)聯(lián)的設(shè) 計(jì)，其中交叉指狀電極840、845僅在壓電層820的一側(cè)上形成，類似于圖2B中示出的交叉 指狀電極250、255。圖8A也示出了隔膜830，壓電層820在該隔膜上形成并且被圖案化以形成在其上 應(yīng)用具有交叉指狀布局的電極840、845的中心活性區(qū)域821。利用交叉指狀電極840、845 之間的非常小的間隔以及交叉指狀電極的增加的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)低電壓操作。壓電材料622、624也保留在外圍區(qū)域822、824處，金屬化層在所述外圍區(qū)域上形 成，其被圖案化以形成電極840、845以及壓電外圍區(qū)域622、624上的第一金屬區(qū)域860。第 二金屬化層870在第一金屬區(qū)域860上利用相同或不同的金屬形成(如也結(jié)合圖6所描述 的)。第二金屬化層870使外圍區(qū)域或支撐底座822、824的厚度或高度826 (或者圖8B中 的826')增加到超過活性區(qū)域821中的電極和壓電層820的厚度或高度828(或者圖8B 中的828')。換能器元件通過粘合劑、超聲鍵合或者熱壓縮鍵合安裝(例如夾緊)到頂部 或后襯底640。換能器元件陣列(圖7中的700和圖3中的300)可以被形成配置用于掃描和束 操縱，其中例如具有400-800 μ m的間距320 (圖3)的元件可以并聯(lián)連接。如結(jié)合圖4A和 圖4B所描述的，隔膜830包括在前或下部襯底(其之后如圖6中的虛線615所示被去除) 上形成的氮化硅層847以及在氮化硅層847上形成的氧化硅層850或者氮化硅和氧化硅層 的組合。如前所述，電壓信號(hào)被施加到交叉指狀電極840、845以便在相鄰電極上提供不同 符號(hào)(或極性)的電壓，從而在電極840、845之間產(chǎn)生平面內(nèi)電場，從而激發(fā)壓電層820在
12壓電層820的平面內(nèi)縱向振蕩。壓電元件的長度變化激發(fā)隔膜830振蕩。當(dāng)然，代替其中在壓電層一側(cè)上提供電極的設(shè)計(jì)的是，可以在壓電層的兩側(cè)上提 供電極，如結(jié)合圖5所描述的并且如圖8B所示，其中圖案化壓電層或者區(qū)域820'夾在兩個(gè) 相對的電極840' ,845'之間。在這種情況下，壓電層820'被圖案化成與圖案化的相對電 極840' ,845'匹配的區(qū)域。在圖8B中示出的實(shí)施例中，壓電層820'從兩側(cè)覆蓋有用于在其兩端施加電壓的 一對輔助電極840' ,845'。當(dāng)然，圖8A或圖8B中示出的任一實(shí)施例中的電極之一可以 接地。舉例而言，底部電極840'例如為Ti/Pt電極并且頂部電極845'為Ti/Au電極。當(dāng) 然，也可以使用與壓電層兼容的任何其他電極材料。可以通過如繪出了依照另一實(shí)施例的換能器801的圖8C所示使用串聯(lián)的驅(qū)動(dòng)區(qū) 域來修改該設(shè)計(jì)以匹配驅(qū)動(dòng)電子器件的電阻抗。這種設(shè)計(jì)也可以使用具有仍然可容忍的歐 姆損耗的更薄的電極?？梢栽谕鈬敳侩姌O880、885之間施加信號(hào)電壓，可以通過添加額 外的金屬層630而不妨礙隔膜的彎曲模式來使得所述頂部電極更好地傳導(dǎo)。壓電層620的 相對側(cè)上的重疊電極890、895可以是浮動(dòng)的或者連接到外部小泄漏分壓器，例如一連串高 值電阻器。在圖8C中，壓電層620的活性部分被劃分成若干段，這些段通過重疊的底部和 頂部電極890、895之間的電容耦合串聯(lián)連接起來。然而，另一個(gè)可替換方案(同樣對于所 有實(shí)例有效)是施加DC偏壓以便增強(qiáng)壓電耦合，如圖8D所示。該偏壓可以通過端口 892、 894經(jīng)由電阻器891、893提供給元件880、885、887、890。輸入信號(hào)也可以例如經(jīng)由端口 895、 896來提供。通過這種方式，電致伸縮材料可以用作活性層620或者偏壓連接可以用于壓電 材料的極化。這樣的薄膜換能器陣列可以如圖9的曲線圖900所示工作于50-450KHZ的頻率 下，用于自由直立(free standing)薄膜壓電換能器隔膜，其中χ軸為頻率，y軸為電阻抗 的實(shí)部。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)這里的描述也可以提供各種修改。例如，驅(qū)動(dòng)電極可以在隔 膜的中心或邊緣處形成單板電容器。可替換地，可以將該單板電容器劃分成更小的區(qū)域，所 述區(qū)域可以以串聯(lián)配置連接以便匹配驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。上述換能器、傳感器和系統(tǒng)中 的每一個(gè)都可以結(jié)合另外的系統(tǒng)加以利用。此外，各種材料可以用于不同的層，如轉(zhuǎn)讓給本受讓人的Fraser等人的 W003/092916、Klee 等人的 W003/092915 以及美國專利 No. 6515402 和 No. 6548937 中所描 述的，這些文獻(xiàn)中的每一篇的內(nèi)容通過引用全部合并于此。例如，阻擋層可以由以下材料中 的一種或多種形成Ti02、Al203、Hf02、Mg0和/或礦石&02。這些壓電薄膜材料可以包括1.具有和沒有摻雜物的PbZrJi^OjO彡χ彡1)。所述摻雜物可以包括La、Mn、 Fe、Sb、Sr、Ni或者這些摻雜物的組合。2. Pb (Znl73Nb 273) 03_PbTi03、Pb (Mg1/3Nb2/3) 03_PbTi03、Pb (Ni1/3Nb2/3) O3-PbTiO3^ Pb (Scl73Nb273) O3-PbTiO3^ Pb (Zn1/3Nb2/3) lTy (Mn1/2Nb1/2) JiyO3 (0 彡 χ 彡 1， 0 ^ y ^ 1), Pb (Inl72Nbl72) O3-PbTiO3^ Sr3TaGa3Si2O14, K (Sr1^xBax) 2Nb5015 (0 彡 χ 彡 1)、 Na(SrhBax)2Nb5O15(C)彡 χ 彡 l)、BaTi03、(K1^xNax)NbO3(0 彡 χ 彡 1)、(Bi，Na，K，Pb，Ba) Ti03、 (Bi, Na)Ti03、Bi7Ti4NbO21, (K1^xNax)NbO3-(Bi, Na, K, Pb, Ba)TiO3(0 彡 χ 彡 1)、a(BixNa1J Ti03_b (KNb03_c) 1/2 (Bi2O3-Sc2O3) (0 彡 χ 彡 l，a+b+c = 1)、(BaaSrbCac)TixZr1^xO3 (0 彡 χ 彡 1，
13a+b+c = 1)、 (Ba3SrbLac) Bi4Ti4O15 (a+b+c = 1) > Bi4Ti3O12^ LiNbO3^ La3Ga5.5Nb0.5014> La3Ga5SiO14、La3Ga5 5Ta0 5014此外，形成支撐底座822、824的各種疊層或?qū)?例如，如圖8B所示)可以在壓電 層622和后襯底640中的一個(gè)或兩個(gè)上形成。例如，兩個(gè)金屬層630、635可以在壓電層622 上形成并且一個(gè)金屬層650可以在后襯底640上形成，以便鍵合第二金屬層635?？商鎿Q地 或者此外，第一金屬層630可以在壓電層622上形成并且兩個(gè)金屬層650、635可以在后襯 底640上形成，其中第二金屬層635鍵合到第一金屬層630。形成支撐底座(例如圖8B中所示的支撐底座822、824)的各個(gè)疊層或者層可以包 括以下材料中的一種或多種，其中第一金屬層630在壓電層622上形成，并且第二金屬層 635在第一金屬層630上形成。另一個(gè)金屬層650在后襯底640上形成，如表1所示。例 如，表1的第一行示出了一個(gè)實(shí)施例，其中Ti層在壓電層622上形成并且Au層在Ti層上 形成，其中Ti和Au層形成第一金屬層630。另一 Au層形成為第一金屬層的Au層上的第二 金屬層635。在后襯底640上，形成Ti層。在該Ti層上，形成Au層，其中這些Ti和Au層 形成后襯底640上的附加的或者另外的層650。接下來，該另外的層650的Au層鍵合到第 二金屬層635的Au層。表 1 當(dāng)然，任何其他金屬和金屬疊層的組合都可以用來形成所述各個(gè)層。此外，代替在 后襯底640上僅形成所述另外的層650的是，第二金屬層635也可以在所述另外的層650 上形成(代替在第一金屬層630上形成)。在后襯底640上形成層650、635的疊層之后，第 二金屬層635于是可以鍵合到在壓電層622上形成的第一金屬層630。在這種情況下，第二 金屬層635將覆蓋所述另外的層650 (代替例如如圖6和圖8B所示覆蓋第一金屬層630)。 表2示出了在其中所述另外的層650在后襯底640上形成并且第二金屬層635在所述另外 的層650上形成的情況下所述層的各種實(shí)施例。表 2 應(yīng)當(dāng)指出的是，如表2所示，代替在所述另外的層650的各層之一處形成第一 Au 層并且然后(在第一 Au層上)將第二 Au層形成為第二層635的是，單個(gè)厚的Au層可以在 (所述另外的層650的)Ti層上形成，在Ti層在后襯底640上形成。像在表1第一行的情 況中一樣，在表2的行1所示的實(shí)施例中，Ti層在壓電層622上形成并且Au層在Ti層上 形成以便形成第一層630，其然后鍵合到后襯底640的Ti層上形成的厚的Au層。當(dāng)然，任 何其他金屬以及金屬疊層的組合也可以用來形成表2中指出的各個(gè)層。在特定應(yīng)用中，不同形狀的換能器陣列是所希望的。例如，通過引用全部合并于此 的Wilser的美國專利申請公開No. 2007/0013264描述了一種在半導(dǎo)體材料載體襯底的厚 片(slab)上形成的電容隔膜超聲換能器陣列。襯底的兩個(gè)厚片由允許彎曲的更薄的襯底 橋分開或連接。這些分開的或者薄連接的厚片可以沿著剛性彎曲表面放置，從而導(dǎo)致彎曲 的陣列。厚片由足夠柔軟以經(jīng)受彎曲度的導(dǎo)電互連連接。盡管通過將這些厚片放置在彎曲 的表面上實(shí)現(xiàn)了希望的形狀，但是連接這些厚片的薄的橋或?qū)w是易損壞的。此外，彎曲的 表面自身是剛性的而非柔性的。在本設(shè)備和系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，提供了改進(jìn)的或者真正柔性的換能器陣列，其 得到更好的保護(hù)并且可以單獨(dú)形成希望的形狀而不需要?jiǎng)傂员砻妗＠?，圖3中示出的陣 列300可以包括至少一個(gè)薄膜柔性超聲換能器，其被配置成至少一個(gè)全向運(yùn)動(dòng)和存在性檢 測器。代替或者附加于所述柔性超聲換能器的是，也可以提供至少一個(gè)薄膜柔性熱電傳感 器。柔性超聲和熱電傳感器的組合提供了更少的虛假關(guān)閉或虛假警報(bào)，利用了兩種類型的 傳感器，即熱電和超聲傳感器，其中熱電傳感器基于溫度變化的檢測，例如使用紅外(IR) 信號(hào)(其具有需要視線以用于IR信號(hào)檢測的缺點(diǎn))，并且其中超聲傳感器檢測阻擋物周圍 的超聲信號(hào)并且不需要直接的視線。超聲和/或熱電換能器陣列的柔性允許實(shí)現(xiàn)各種形狀的陣列。這樣的柔性換能器 陣列可以以任何希望的形狀(例如錐形)來制成和安裝到天花板上。這允許超聲和/或IR 信號(hào)的全向發(fā)射和檢測?？梢詫?shí)現(xiàn)包括任何類型換能器的柔性換能器陣列的實(shí)施例，例如圖10中所示的
15陶瓷壓電元件和/或例如圖11-12中所示的薄膜換能器。特別地，圖10示出了包括陶瓷壓電元件的柔性換能器1010陣列1000的一個(gè)實(shí)施 例，所述陶瓷壓電元件具有夾在兩個(gè)電極1030、1040之間的壓電材料1020層。當(dāng)然，如果 希望的話，這些電極可以類似于上面例如結(jié)合圖2A、圖4A、圖6和圖8A所描述的位于壓電 材料1020的僅僅一側(cè)上。如圖10所示，換能器1010作為例如列和行的陣列安裝到柔性載體1050上，所述 柔性載體包括如虛線1060所示的可以是線焊(wirebond)或者圖案化導(dǎo)電路徑的互連?；?連1060將所述電極彼此互連或者根據(jù)需要互連到其他元件，例如連接到電源、電子電路、 控制器、晶體管、開關(guān)、無源或有源設(shè)備等等。柔性超聲換能器陣列1000允許實(shí)現(xiàn)具有任何 希望的形狀、用于全向運(yùn)動(dòng)檢測的傳感器，其可以包括薄膜超聲和/或熱電換能器。換能器 1010不必是柔性的，并且可以簡單安裝(例如鍵合)到柔性箔1050，由允許柔性箔1050的 運(yùn)動(dòng)并且允許將陣列1000定形為任何希望的形狀的間隙1070分開。應(yīng)當(dāng)指出的是，圖10所示的實(shí)施例中的換能器1010不包含隔膜并且壓電厚片 1020目的不在于彎曲柔性載體1050。換能器陣列1010由于柔性載體1050的原因而是柔 性的，但是柔性載體1050的硬度典型地太低而不能充當(dāng)良好的隔膜。然而，如果希望的話， 可以在制造期間引入對稱性破缺(symmetry break)，例如預(yù)彎曲，使得平面內(nèi)應(yīng)力被轉(zhuǎn)換 成彎曲。此外，可以在圖10中示出的下部電極1030上提供可選的匹配層1075，例如以便在 聲阻抗不匹配(例如壓電材料1020比水或空氣硬)的情況下進(jìn)行寬帶操作。此外，可以提 供具有中間硬度的層以增加帶寬并且促進(jìn)能量傳輸。當(dāng)然，也可以使用機(jī)械變換器，例如彎 曲隔膜。圖11示出了陣列1100的另一實(shí)施例，其中示出了兩個(gè)超聲換能器設(shè)備，其在上側(cè) 具有薄膜壓電元件，安裝在具有或者沒有電子器件的硅部分上。所述超聲換能器設(shè)備在兩 側(cè)上覆蓋有示為附圖標(biāo)記1150、1155的柔性層。該柔性壓電超聲換能器陣列1100通過所述 的薄膜加工來實(shí)現(xiàn)。在圖11中，所述兩個(gè)薄膜壓電超聲換能器元件被示為附圖標(biāo)記1110、 1120。當(dāng)然，可以以任何希望的配置或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將任意希望數(shù)量的換能器元件包括在陣列 中，所述配置或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)例如具有相同或不同數(shù)量的列和行?？梢詰?yīng)用薄膜加工以便實(shí)現(xiàn) 柔性超聲換能器陣列?？商鎿Q地或者此外，也可以實(shí)現(xiàn)柔性電容微加工超聲換能器陣列。上 面結(jié)合薄膜柔性超聲檢測器描述的相同技術(shù)可以用來實(shí)現(xiàn)薄膜柔性熱電檢測器。特別地，圖11中示出的柔性陣列1100的實(shí)施例包括薄膜超聲換能器，其中示出了 兩個(gè)換能器1110、1120。換能器1110,1120在兩側(cè)由第一和第二柔性層1150,1555包圍。 圖11示出了具有所述兩個(gè)換能器1110和1120的柔性換能器陣列1100，其包括具有或者 沒有集成電子器件的半導(dǎo)體部分(例如硅(Si)部分1130)以及嵌入到Si部分1130上的 電介質(zhì)層中的互連結(jié)構(gòu)1132。用于不同換能器元件1142的互連線1140包括例如基于電 鍍金(Au)的再分布互連層?？梢蕴峁┌ɡ绲韬?或氧化硅的薄膜隔膜1186。在 隔膜1186上，可以形成1184壓電薄膜層1184?？梢允┘影ɡ玮?Ti)和/或Au的金 屬化層1182以形成接觸以便通過例如超聲鍵合將壓電部分1184安裝到Si部分1130上。 該接觸1182也可以充當(dāng)?shù)亟佑|。也可以形成另外的金屬接觸1188，其包括例如在壓電層 1184上并且用作信號(hào)線的Ti和/或Au層。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本說明書應(yīng)當(dāng)清楚 的是，圖11中示出的實(shí)施例是連接地和信號(hào)線以驅(qū)動(dòng)壓電元件的一個(gè)選項(xiàng)，但是其他連接方式也是可能的。除了柔性之外，薄膜超聲換能器陣列1100也受該陣列的兩側(cè)上的兩個(gè)柔性箔 1150、1555保護(hù)。當(dāng)然，附加于或者代替薄膜超聲換能器的是，可以使用熱電換能器。圖12示出了具有兩個(gè)或更多超聲換能器1210、1220的柔性陣列1200的另一實(shí)施 例，其中每個(gè)換能器可以類似于例如結(jié)合圖8A所描述的超聲換能器800。如圖12所示，每 個(gè)超聲換能器1210、1220的后襯底1240附接(例如鍵合)到柔性箔或聚合物層1250。后 襯底1240可以是任何適當(dāng)?shù)囊r底，例如玻璃或和諸如硅(Si)之類的半導(dǎo)體材料，并且可以 不僅是載體，而且可以包括有源和/或無源元件，例如晶體管、開關(guān)、放大器以及用于控制 和操作換能器的希望的電子器件。值得注意的是，所述兩個(gè)換能器1210、1220的后襯底1240不彼此直接連接。相反 地，后襯底1240由柔性聚合物層1250連接，從而為換能器陣列1200提供柔性，該換能器陣 列可以制成任何希望的形狀。還應(yīng)當(dāng)指出的是，與被配置用于非柔性陣列的換能器(例如圖8A中示出的換能器 800)相比，換能器1210、1220具有更薄的后襯底1240。將諸如隔膜1230、壓電層1222和 電極1242之類的換能器元件安裝到薄的后襯底1240上，該后襯底可以為例如變薄的Si襯 底。后襯底1240的減小的厚度以及換能器1210、1220的襯底1240之間的間隔或間隙1260 提高了陣列1200的柔性。在Si襯底1240中，可以形成單獨(dú)的通孔1270以用于將換能器1210、1220互連到 包括電源和地的各種元件?？梢栽诤笠r底1240中或者在柔性箔之中或之上加工所需要的 各種元件(例如無源和有源元件、電路等等)，其包括用于信號(hào)和地連接的多級(jí)互連。為了 實(shí)現(xiàn)柔性設(shè)備，各個(gè)換能器1210、1220之間的隔膜1230是分開的。代替或者附加于柔性超 聲換能器的是，也可以形成熱電柔性薄膜傳感器。應(yīng)當(dāng)指出的是，上面示出的所有不同的技 術(shù)也可以用來實(shí)現(xiàn)熱電傳感器和柔性超聲換能器陣列的組合。圖12還示出了如結(jié)合圖8A所描述的支撐底座822、824，其中支撐底座822、824可 以在壓電區(qū)域622上形成并且包括兩個(gè)金屬層870、860，所述金屬層類似于例如結(jié)合圖8A 所描述的金屬層以及類似于結(jié)合圖6示出和描述的兩個(gè)金屬層630、635。當(dāng)然，另外的金屬 層也可以包含在支撐底座822、824中，例如結(jié)合圖6所示出和描述的附加金屬層650。還應(yīng)當(dāng)指出的是，圖12中示出的隔膜1230可以包括各個(gè)層，例如在前或下部襯底 (其之后如圖6中的虛線615所示被去除)上形成的氮化硅層847以及在氮化硅層847上 形成的氧化硅層850或者氮化硅和氧化硅層的組合，如結(jié)合圖8A所示出和描述的。當(dāng)然， 可以使用包括氧化物、氮化物或者氧化物疊層或氧化物和氮化物疊層的隔膜層的任何其他 組合。在上面的柔性換能器的另一實(shí)施例中，還有非常薄的后襯底1240，其可以為例如 50 μ m薄Si襯底，其中可以安裝電介質(zhì)層和互連物。該非常薄的襯底1240于是可以作為柔 性襯底而工作，從而無需附加的柔性層1250。另外的實(shí)施例包括至少一個(gè)壓電薄膜超聲換能器和/或壓電換能器陣列與用于 檢測紅外輻射(IR)的至少一個(gè)薄膜熱電傳感器和/或熱電傳感器的組合，其可以具有各種 不同的應(yīng)用，例如用于運(yùn)動(dòng)和/或存在性檢測。超聲和熱電換能器二者都可以利用相似的 工藝制成薄膜，并且可以同時(shí)或者并發(fā)地一起被制成。壓電材料可以用于超聲和IR信號(hào)的
17產(chǎn)生/發(fā)射以及接收/檢測。當(dāng)然，也可以應(yīng)用不同的壓電和熱電材料。下面的附圖示出 了組合的薄膜超聲和熱電檢測器的不同說明性實(shí)施例。圖13A示出了包括超聲換能器1310和熱電換能器1320的組合的陣列1300。當(dāng)然， 代替被設(shè)置成陣列的是，所述組合的超聲和熱電換能器可以是獨(dú)立的檢測器或者以任何希 望的配置與其他檢測器一起使用。作為單個(gè)元件或者作為元件陣列的超聲和/或熱電換能 器在隔膜之上加工，所述隔膜可以是例如氮化硅或者氧化硅，或者硅氮化物和氧化物的組 合。圖13A示出了也結(jié)合圖8A和圖12描述的在氮化硅層847上形成的氧化硅層850。當(dāng) 然，在這個(gè)和其他實(shí)施例中，也可以使用諸如Si之類的任何其他隔膜或者Si和氧化硅(例 如SiO2)的隔膜疊層的組合。硅氧化物氮化物層的優(yōu)點(diǎn)在于低比熱和低的熱導(dǎo)率，其增大 了熱電設(shè)備的熱時(shí)間常數(shù)，所述熱時(shí)間常數(shù)為溫度增強(qiáng)德耳塔(delta)T松弛到其背景值 的時(shí)間。鄰近熱電檢測器1320集成薄膜超聲換能器1310可以以不同的版本實(shí)現(xiàn)。例如， 后襯底1340可以僅僅安裝到換能器部分上，如圖13A所示。在目的在于機(jī)械地穩(wěn)定化大的 隔膜的可替換技術(shù)中，所述隔膜包括集成的超聲換能器1310和熱電檢測器1320，所安裝的 后襯底1340也可以如圖13B中所示覆蓋熱電檢測器1320，其中集成的超聲換能器1310和 熱電檢測器1320覆蓋有后襯底1340?？商鎿Q地或者此外，為了穩(wěn)定化集成的超聲換能器 1310和熱電檢測器1320的大的隔膜，隔膜1330 (例如氮化硅隔膜)之下的Si襯底210'可 以部分地保留在超聲換能器與熱電檢測器1310、1320之間的區(qū)域中，如圖13C所示。當(dāng)然， 可以將任何希望數(shù)量的超聲換能器1310和熱電檢測器1320集成在一起，其中圖13A-13C 示出了鄰近示為附圖標(biāo)記A和B的兩個(gè)熱電檢測器1320的兩個(gè)超聲換能器1310。在圖13A所示的這個(gè)實(shí)例中，可以為未摻雜的或者摻雜了 La或Mn的鋯鈦酸鉛的 壓電層1322在隔膜1330之上加工。在隔膜1330與壓電層1322之間，可以施加阻擋層 1317，其類似于圖2A中示為附圖標(biāo)記230并且圖6中示為617的阻擋層，并且可以是例如 氧化鈦或者氧化鋯(例如TiO2或&02)。該壓電層1322也用作熱電檢測器1320的熱電傳感器材料，所述熱電檢測器鄰近 超聲換能器1310而形成和加工。使熱電檢測器1320與自由隔膜1330上的其他元件(例 如其他換能器)隔離的優(yōu)點(diǎn)在于，這些元件是熱隔離的。具有熱隔離的熱電檢測器1320防 止了由于通過襯底的熱傳導(dǎo)而引起的溫度降低。壓電或熱電層1322具有典型的1-6 μ m的 厚度。壓電/熱電層1322可以被圖案化以便防止陣列1300的超聲換能器元件1310之間 以及超聲和熱電設(shè)備或元件1310、1320之間的串?dāng)_。頂部電極1342被應(yīng)用(類似于圖12中的電極1242和/或圖8A中示出的交叉指 狀電極840、845)，其可以為具有大約50nm的厚度的鈦(Ti)和大約1 μ m的金(Au)。然而， 其他的材料也可以用于所述電極，例如提供對IR輻射的最佳吸收的鎳/鉻(Ni/Cr)電極。 電極1342被圖案化以產(chǎn)生用于超聲換能器1310的電極以及還有用于熱電檢測器設(shè)備1320 的電極?？商鎿Q地，用于超聲換能器1310的電極可以由Ti/Au制成以便具有用于超聲鍵合 襯底管芯的最佳電極，并且用于IR傳感器1320的電極可以由Ni/Cr制成。該Ni/Cr可以 是用作用于超聲換能器的更厚金屬的粘合層的相同層。每個(gè)壓電元件1320可以像在圖2B中一樣具有在圖13A中示為附圖標(biāo)記1342的 交叉指狀頂部電極。對于最高的靈敏度，它們形成兩個(gè)傳感器。一個(gè)傳感器由紅外光例如
18通過透鏡照射，而第二個(gè)傳感器未被照射。差分信號(hào)指示紅外輻射的任何變化，而環(huán)境溫度 的緩慢變化被抵消?？梢园ㄗ顑?yōu)化包含信噪比的信號(hào)的光學(xué)系統(tǒng)，例如菲涅爾透鏡。熱 電或壓電材料1322可以通過在升高的溫度(例如180°C )下施加DC (直流)場來極化。在 一個(gè)熱電元件1320中由于聚焦到該一個(gè)熱電元件1320上的IR輻射的原因而引起的溫度 的升高可以用于運(yùn)動(dòng)檢測。熱電元件1320的溫度的變化導(dǎo)致熱電元件1320的極化的變化 并且因而也導(dǎo)致表面處電荷的釋放。這些電荷引起由前置放大器讀出的電壓，其指示運(yùn)動(dòng) (或者溫度的變化)。眾所周知的是，可以在熱電元件1320的隔膜1330之前提供透鏡1380以接收IR 輻射1385。透鏡1380可以與隔膜1330隔離以降低熱傳導(dǎo)并且可以被配置成有方向的以接 收來自希望的方向的IR輻射1385?？梢杂沙晸Q能器1310發(fā)射或接收的超聲波在圖13A 中示為箭頭1387。對于希望的操作而言，不同的設(shè)計(jì)是可能的。在一種版本中，兩個(gè)熱電元件可以以 串聯(lián)設(shè)計(jì)并且具有相反的極化。這種雙元件布局可以用來補(bǔ)償背景溫度的變化，所述背景 溫度同時(shí)加熱這兩個(gè)元件。除了圖13B-13C中示出的雙元件設(shè)計(jì)之外，可以使用采用了任 何希望數(shù)量的熱電元件的其他設(shè)計(jì)，例如四個(gè)或者更多元件?？梢蕴峁├缂稍谝r底1340中的另外的設(shè)備、電路和電子器件?？梢詾镕ET(場 效應(yīng)晶體管)1390的諸如放大器之類的電子器件可以單獨(dú)地安裝到板1395上并且線焊到 所述設(shè)備，其包括超聲換能器和熱電傳感器。圖13A中示出了一個(gè)實(shí)例。也可以形成系統(tǒng) 的任何其他的疊層。例如，圖13B中示出了一個(gè)可替換的實(shí)施例，其中襯底1340安裝到超 聲換能器/陣列上并且也在熱電傳感器/陣列上延伸以及用來保護(hù)該熱電傳感器/陣列。 當(dāng)然，可以形成任何其他希望的疊層。在圖13C中，示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中在隔膜下去 除了前襯底210’，使得它形成壓電超聲換能器或換能器陣列與熱電傳感器或傳感器陣列之 間的支撐物210〃。因此，檢測器陣列可以包括僅僅超聲檢測器、僅僅IR檢測器或者超聲和IR檢測器 的組合，使用任何希望數(shù)量的檢測器或者檢測器組合，其中任何希望數(shù)量的紅外元件可以 鄰近超聲元件而形成，以便形成可以用于超聲和紅外發(fā)射、檢測和成像的組合陣列。這樣的 組合的超聲和IR換能器陣列可以通過薄膜工藝來形成，其中電極可以位于壓電材料的相 同側(cè)或者相對側(cè)上，這類似于前面例如結(jié)合圖2A-8D所描述的情況。在圖14A中示出的陣列1400的另一實(shí)施例中，諸如放大器1390之類的電路系統(tǒng) 可以通過在載體或前襯底210'上鄰近換能器和熱電元件1310、1320倒裝芯片式安裝或線 焊1495來安裝以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案。典型地為Si載體的該載體210'也可以包括 其他元件、功能和設(shè)備，例如電阻器。應(yīng)當(dāng)指出的是，載體或前Si襯底210'類似于圖2A、 圖2C中示出的前襯底210。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)基本上小型化的不顯眼超聲檢測器陣 列和熱電檢測器陣列，如圖14A所示。類似于圖13B，如同14B所示，后襯底1340可以被延 伸并且用來也保護(hù)熱電傳感器?？商鎿Q地，如圖14C所示，為了支撐所述設(shè)備，前襯底210’ 可以被圖案化，以便形成將壓電超聲換能器和熱電傳感器分開的支撐物210"，這類似于結(jié) 合圖13C所描述的情況。在圖15所示的換能器陣列1500的另一個(gè)可替換的實(shí)施例中，可以通過將可以為 例如FET的諸如放大器之類的電路系統(tǒng)集成到前Si襯底210'來實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的小型化，所述前Si襯底類似于圖2A、圖2C中示出的前襯底210。這與具有非集成放大器形成對照， 所述非集成放大器可以是獨(dú)立的并且通過諸如倒裝芯片式安裝或者線焊1495之類的任何 手段連接或安裝到換能器，如結(jié)合圖14A所描述的。同樣如結(jié)合圖2A、圖2C所描述的是， 前襯底210、210'用作在其上形成并且圖案化所述各個(gè)層以便實(shí)現(xiàn)超聲換能器和/或熱電 換能器的載體。如前所述，前襯底的部分被去除(例如以便形成如圖2A、圖2C中示出的開 口 260)，從而留下襯底部分210、210'?？梢愿鶕?jù)需要例如在電極1342與集成到前Si襯 底210'中的FET之間提供互連1515?？商鎿Q地，類似于結(jié)合圖13B和圖14B所描述的情況，后襯底1340可以不僅用于 安裝到壓電換能器上，而且可以在熱電傳感器上延伸并且用來保護(hù)熱電傳感器，如圖15B 所示。此外，前襯底210'可以被圖案化，使得它將壓電超聲換能器和熱電傳感器分開，如圖 15C中所示并且類似于圖13C和圖14C中所示。應(yīng)當(dāng)理解的是，示出電極在壓電層一側(cè)上(稱為d33模式)的各個(gè)實(shí)施例的上面 的描述同樣適用于工作于d31模式下的實(shí)施例，其中電極位于壓電層的相對側(cè)上，如結(jié)合 圖5和圖8B-8C所示出和描述的。例如，在圖16中示出的換能器陣列1600的實(shí)施例中，超聲換能器1610工作于d31 模式下(與前面的例如圖12-15中示出的工作于d33模式下的實(shí)施例形成對照)。在d31 模式下，驅(qū)動(dòng)壓電層的電極設(shè)計(jì)在壓電膜的相對側(cè)上。該設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)換能器可以工 作于低電壓下。超聲換能器1610可以類似于前面所述來形成，例如類似于結(jié)合圖2C、圖5 和圖8B-8C所述來形成。在圖16A中示出的陣列1600的另一實(shí)施例中，除了在壓電區(qū)域1621兩側(cè)上具有 電極的超聲換能器1610之外，熱電檢測器元件1620也被加工成電極位于熱電層1622的 相對側(cè)上的板電容器。熱電IR換能器1620可以通過在完整的前襯底210'上承載的隔膜 1330上形成第一或前電極1642來實(shí)現(xiàn)(即在去除襯底210'的若干部分以便使隔膜1330 暴露，類似于上面例如結(jié)合圖2C、圖5和圖8B-8C所描述的情況)。接下來，在前電極1642 上形成熱電壓電層1622，在壓電層1622上形成第二或后電極1644并且如果希望的話則圖 案化。接著，根據(jù)需要去除前襯底210'的若干部分以便使隔膜1330暴露，并且根據(jù)需要去 除隔膜1330的若干部分以便使前電極1642暴露，所述前電極可以根據(jù)需要圖案化。接著， 可以在前電極1642的部分上提供透鏡1380，其中可以熱隔離該透鏡。熱電/壓電區(qū)域和層1621、1622通過施加DC場并且在升高的溫度(例如 100-3000C (如180°C ))下極化。熱電壓電層1621、1622的極化垂直于層1621、1622。兩 個(gè)或更多彼此極化相對的熱電元件可以被設(shè)計(jì)成串聯(lián)。這些元件由于來自紅外輻射的溫 度變化而引起的極化變化利用前置放大器來讀出，所述前置放大器可以是集成到前硅襯底 210'或者與任何其他希望的電子部件和電路一起安裝/連接到換能器的FET。換言之，包 括該FET的電子電路可以在單獨(dú)的印刷電路板(PCB)上實(shí)現(xiàn)，和/或通過例如線焊或倒裝 芯片式安裝到Si載體210'上來安裝。在圖16A的可替換方案中，電極和熱電層之下的隔 膜也可以不被去除，如圖16B所示。應(yīng)當(dāng)指出的是，各個(gè)附圖中示出的IR檢測器的透鏡1380典型地分割成具有不同 特性(例如不同曲率和不同厚度)的段，這類似于菲涅爾透鏡，其中每個(gè)段被配置成接收來 自特定區(qū)域或區(qū)帶的IR輻射。段的數(shù)量和類型可以基于覆蓋區(qū)域而變化，其中典型地更寬
20的覆蓋區(qū)域要求更高數(shù)量的段。取決于針對IR輻射監(jiān)控的覆蓋區(qū)域的尺寸，與IR檢測器 一起使用的典型透鏡包括7-14個(gè)段。這樣的透鏡相對昂貴并且成本隨著段的數(shù)量的增加 而增大。代替具有含有許多段的昂貴透鏡的是，薄膜傳感器陣列可以與具有減少的段或者 沒有段并且仍然具有寬的覆蓋區(qū)域的透鏡一起使用。因此，使用薄膜換能器陣列允許使得 透鏡更易于設(shè)計(jì)并且減小了厚度，從而提供緊湊的設(shè)備以及降低成本。例如，用于天花板應(yīng) 用的IR運(yùn)動(dòng)/存在性傳感器可以具有4個(gè)元件或傳感器(象限(quad)設(shè)備)以及含有14 個(gè)段的透鏡以便提供4乘14或者56個(gè)檢測區(qū)域。相反地，IR熱電傳感器可以包含14個(gè) 元件或傳感器并且所述透鏡可以僅有4個(gè)段并且仍然具有相同數(shù)量的檢測區(qū)域，即14乘4 或者56個(gè)檢測區(qū)域。在圖17A-17C中示出的另一實(shí)例中，工作于d33或d31模式下的超聲換能器1310 使用具有專用組成的壓電薄膜層，并且熱電檢測器1320使用具有特殊組成的另一專用層， 所述特殊組成不同于超聲換能器1310的壓電薄膜層的組成。在圖17A-17C中示出的集成 超聲和熱電/紅外(IR)設(shè)備的這些實(shí)施例中，集成超聲換能器1310可以具有含有摻雜了 La的鋯鈦酸鉛的專用壓電組成，并且集成IR檢測器1320可以具有摻雜了 La、Mn的鋯鈦酸 鉛的專用熱電組成。圖17A中給出了一個(gè)說明性實(shí)例或?qū)嵤├?。類似于圖13A，該實(shí)施例示出了超聲換 能器系統(tǒng)或者超聲換能器陣列以及熱電傳感器或者熱電傳感器陣列。在該實(shí)例中，壓電超 聲換能器工作于d33模式下。在可以為例如氮化硅和氧化硅但是也可以是任何其他的隔膜 疊層的隔膜1330的一部分上，壓電層1322(例如摻雜了鑭(La)的鋯鈦酸鉛層)被沉積和 圖案化，使得它僅僅位于其中超聲換能器起作用的區(qū)域。在熱電傳感器或者傳感器陣列所 在的隔膜1330的另一部分上，熱電薄膜層1722沉積在隔膜1330上。該熱電薄膜層可以為 例如摻雜了鑭和錳(Mn)的鋯鈦酸鉛層。圖17B和圖17C示出了圖17A的修改，其中類似于圖13A-13C，安裝的后襯底1340 延伸以覆蓋超聲換能器和熱電傳感器，如圖17B所示。在圖17C中，具有專用壓電薄膜材 料的超聲換能器區(qū)域通過圖案化前襯底210’而與熱電傳感器區(qū)域分開，這類似于結(jié)合圖 13C、圖14C和圖15C所描述的情況。最后，上面的討論預(yù)期僅僅說明本系統(tǒng)并且不應(yīng)當(dāng)視為將所附權(quán)利要求限制到任 何特定的實(shí)施例或?qū)嵤├M。因此，盡管參照了其特定示例性實(shí)施例特別詳細(xì)地描述了本 系統(tǒng)，但是同樣應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離下面的權(quán)利要求書中闡述的本系 統(tǒng)的更寬的和預(yù)期的精神和范圍的情況下，可以設(shè)計(jì)出許多修改和可替換實(shí)施例。因此，說 明書和附圖應(yīng)當(dāng)以說明性的方式來理解，并不預(yù)期限制所附權(quán)利要求書的范圍。在解釋所附權(quán)利要求書時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解的是a)措詞“包括/包含”并沒有排除存在給定權(quán)利要求中未列出的其他元件或動(dòng)作；b)元件之前的措詞“一”或“一個(gè)”并沒有排除存在多個(gè)這樣的元件；c)權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記并沒有限制其范圍；d)若干“裝置”可以由相同或不同的項(xiàng)目或者硬件或軟件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或功能來表 示；e)所公開的任何元件可以包括硬件部分(例如包括分立和集成的電子電路系
21統(tǒng))、軟件部分(例如計(jì)算機(jī)編程)及其任意組合；f)硬件部分可以包括模擬和數(shù)字部分之一或者二者；g)除非另有特定說明，所公開的任何設(shè)備或者其部分可以組合在一起或者分為另 外的部分；h)除非特定指明，不預(yù)期要求特定序列的動(dòng)作或步驟；以及i)措詞“多個(gè)”元件包括兩個(gè)或更多所述元件，并且不意味著元件數(shù)量的任何特定 范圍；換言之，多個(gè)元件可以少至兩個(gè)元件，并且可以包括不可計(jì)數(shù)的元件。
2權(quán)利要求
一種形成換能器(800)的方法，包括以下動(dòng)作在前襯底(615)上形成隔膜(830)；在隔膜(830)上形成壓電層(820)；在壓電層(820)的活性部分(821)上形成包括第一和第二電極(840，845)的圖案化導(dǎo)電層；以及形成具有位于活性部分(821)的相鄰側(cè)上的支撐物(822，824)的后襯底結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中支撐物(822，824)的支撐高度(826)大于所述壓電層和圖 案化導(dǎo)電層的組合高度(828)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述形成后襯底的動(dòng)作包括以下動(dòng)作 在后襯底(640)上形成支撐物(822，824)；以及將支撐物(822，824)附接到鄰近活性部分(82)的位置。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述形成支撐物(822，824)的動(dòng)作包括以下動(dòng)作中的至少 一個(gè)在后襯底(640)上形成至少一個(gè)導(dǎo)電層(650)以便形成支撐物(822，824)；以及 在支撐物(822，824)之間局部地蝕刻后襯底(640)。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述形成后襯底的動(dòng)作包括以下動(dòng)作在支撐物(822，824)上形成附加層(870)以便將支撐物(822，824)的厚度增加到超 過所述壓電層和圖案化導(dǎo)電層的總厚度，這些支撐物包括所述壓電層和圖案化導(dǎo)電層的部 分；以及將后襯底(640)安裝到支撐物(822，824)的附加層(870)上。
6.權(quán)利要求1的方法，還包括全部地或者部分地去除前襯底(815)的動(dòng)作。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述形成隔膜(830)的動(dòng)作包括以下動(dòng)作 在前襯底(615)上形成氮化硅層(847)；以及在氮化硅層(847)上形成氧化硅層(850)。
8.權(quán)利要求1的方法，還包括將活性部分(821)劃分成段的動(dòng)作，所述段通過重疊的底 部和頂部電極(890，895)之間的電容耦合而串聯(lián)連接。
9.權(quán)利要求8的方法，還包括將電阻器(891，893)連接到重疊的底部和頂部電極 (890,895)以便提供偏壓的動(dòng)作。
10.一種形成換能器(800)的方法，包括以下動(dòng)作 在前襯底(615)上形成隔膜(830)；在隔膜(830)上的活性部分(821)以及鄰近活性部分(821)的外圍部分處形成壓電層 (820)；在壓電層(820)上形成圖案化導(dǎo)電層；以及形成具有位于活性部分(821)的相鄰側(cè)上的支撐物(822，824)的后襯底結(jié)構(gòu)。
11.權(quán)利要求10的方法，其中支撐物(822，824)的支撐高度(826)大于所述壓電層和 圖案化導(dǎo)電層的組合高度(828)。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述形成后襯底的動(dòng)作包括以下動(dòng)作 在后襯底(615)上形成導(dǎo)電層(870)；以及將導(dǎo)電層(870)附接到支撐物(822，824)。
13.權(quán)利要求10的方法，其中所述形成后襯底的動(dòng)作包括以下動(dòng)作在支撐物(822，824)上形成附加層(870)以便將支撐物(822，824)的厚度增加到超 過所述壓電層和圖案化導(dǎo)電層的總厚度，這些支撐物包括所述壓電層和圖案化導(dǎo)電層的部 分；將后襯底(640)安裝到支撐物(822，824)的附加層(870)上；以及在其中沒有應(yīng)用支撐物(822，824)的區(qū)域中將凹槽蝕刻到后襯底(640)中。
14.權(quán)利要求10的方法，其中所述形成圖案化導(dǎo)電層的動(dòng)作包括在圖案化壓電層 (820)的活性部分(821)上形成第一和第二電極(840,845).
15.權(quán)利要求10的方法，還包括形成另外的圖案化導(dǎo)電層(840')的動(dòng)作，其中壓電 層(820)夾在所述圖案化導(dǎo)電層與所述另外的圖案化導(dǎo)電層之間。
16.權(quán)利要求10的方法，其中所述形成隔膜(830)的動(dòng)作包括以下動(dòng)作在前襯底(615)上形成氮化硅層(847)；以及在氮化硅層(847)上形成氧化硅層(850)。
17.權(quán)利要求10的方法，還包括將活性部分(821)劃分成段的動(dòng)作，所述段通過重疊的 底部和頂部電極(890，895)之間的電容耦合而串聯(lián)連接。
18.一種換能器(800)，包括隔膜(830)，其被配置成響應(yīng)于力而改變形狀；壓電層(820)，其在隔膜(830)上形成；第一和第二電極(840，845)，其與壓電層(820)接觸，其中第一和第二電極(840，845) 之間的電場與壓電層(820)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)成比例；第一和第二支撐物(822，824)，其位于壓電層(820)的外圍側(cè)；以及襯底(640)，其由所述第一和第二支撐物(822，824)支撐。
19.權(quán)利要求18的換能器，其中當(dāng)?shù)谝缓偷诙姌O在壓電層的一側(cè)上形成時(shí)，第一和 第二支撐物(822，824)的支撐高度(828)大于壓電層和第一電極的第一組合高度(828)，并 且其中當(dāng)?shù)谝缓偷诙姌O在壓電層的相對側(cè)上形成時(shí)，所述支撐高度大于壓電層以及第一 和第二電極的第二組合高度。
20.權(quán)利要求18的換能器，其中第一和第二支撐物(822，824)包括壓電層的壓電材料 以及第一和第二電極的導(dǎo)電材料。
21.權(quán)利要求18的換能器，其中隔膜(830)包括位于氮化硅層(847)上的氧化硅層 (850)，壓電層(820)位于氧化硅層(850)上。
22.權(quán)利要求18的換能器，還包括阻擋層(617)，其中隔膜(830)包括在氮化硅層 (847)上形成的氧化硅層(850)；阻擋層(617)位于氧化硅層(850)上并且壓電層位于阻擋 層(617)上。
23.一種包括權(quán)利要求18的換能器的陣列。
24.一種用于存在性檢測的傳感器，包括權(quán)利要求18的換能器。
25.一種用于存在性檢測的運(yùn)動(dòng)傳感器，包括權(quán)利要求18的換能器。
26.一種用于實(shí)時(shí)成像的成像傳感器，包括權(quán)利要求18的換能器。
27.一種換能器陣列(1100，1200)，包括至少兩個(gè)薄膜換能器元件(1210，1220)，其具有壓電層(1222)、至少兩個(gè)電極(1242)以及隔膜(1230)，該隔膜(1230)被配置成響應(yīng)于力而改變形狀；以及柔性箔(1150,1250)；其中所述至少兩個(gè)薄膜換能器元件(1210,1220)附接到所述換能器陣列的第一側(cè)上 的柔性箔(1150,1250)。
28.權(quán)利要求27的換能器陣列(1100，1200)，還包括在換能器元件(1110,1120)的第 二側(cè)上的另外的柔性箔(1155)，使得所述柔性箔(1150)以及所述另外的柔性箔(1155)基 本上覆蓋所述換能器陣列的第一側(cè)和第二側(cè)。
29.權(quán)利要求27的換能器陣列(1100，1200)，其中柔性箔(1250)附接到換能器元件 (1210,1220)的半導(dǎo)體襯底(1240)，該半導(dǎo)體襯底(1240)具有減小的厚度并且包括用于將 換能器元件(1210,1220)連接到另外的元件的至少一個(gè)單獨(dú)的通孔(1270)。
30.權(quán)利要求27的換能器陣列(1100，1200)，其中所述至少兩個(gè)薄膜換能器元件包括 薄膜超聲換能器元件和薄膜熱電換能器元件。
31.權(quán)利要求27的換能器陣列(1100，1200)，還包括位于所述至少兩個(gè)薄膜換能器元 件中的至少一個(gè)的外圍處的支撐物之間的襯底(1240)。
32.權(quán)利要求27的換能器陣列(1100，1200)，還包括位于與壓電層(1222)相對的隔膜 (1230) —側(cè)上的所述至少兩個(gè)薄膜換能器元件之間的支撐物(210")。
33.權(quán)利要求27的換能器陣列(1100，1200)，其中所述至少兩個(gè)薄膜換能器元件包括 薄膜超聲換能器元件和薄膜熱電換能器元件，該換能器陣列還包括位于與壓電層(1222) 相對的隔膜(1230) —側(cè)上的至少所述薄膜超聲換能器元件和熱電換能器元件之間的支撐 物(210〃)。
34.一種換能器陣列(1000)，包括至少兩個(gè)薄膜換能器元件(1010)，其具有夾在至少兩個(gè)電極(1030,1040)之間的壓電 層(1020)；以及柔性箔(1050)；其中所述至少兩個(gè)薄膜換能器元件(1010)附接到所述換能器陣列的第一側(cè)上的柔性 箔(1050)并且由間隙(1070)分開以便增強(qiáng)柔性箔(1050)的運(yùn)動(dòng)并且允許對陣列(1000) 定形。
35.一種設(shè)備，包括換能器陣列，其具有含有壓電層的至少兩個(gè)薄膜換能器元件；熱電陣列，其具有含有熱電層的至少兩個(gè)薄膜熱電檢測器；以及至少兩個(gè)電極；所述壓電層和熱電層夾在所述至少兩個(gè)電極之間。
36.權(quán)利要求35的設(shè)備，還包括柔性箔，其中所述換能器陣列和熱電陣列安裝在該柔 性箔上。
37.權(quán)利要求36的設(shè)備，其中所述換能器陣列和熱電陣列被分開以便使所述柔性箔的 一部分暴露，從而提高柔性。
全文摘要
提供了一種換能器(800)，其中隔膜(830)在前襯底(615)上形成；并且壓電層(820)在隔膜(830)上的活性部分(821)和位于活性部分(821)鄰近的外圍部分處形成。此外，提供了后襯底結(jié)構(gòu)，其具有位于鄰近活性部分(821)的外圍部分處的支撐物(822，824)。支撐物(822，824)的高度(826)大于圖案化壓電層和圖案化導(dǎo)電層的組合高度(828)?？梢赃B接許多換能器以形成陣列，其中可以提供控制器，其用于控制該陣列(例如操縱該陣列的束、處理該陣列接收的信號(hào))，用于例如存在性或運(yùn)動(dòng)檢測和/或成像。
文檔編號(hào)H01L41/22GK101919079SQ200880023261
公開日2010年12月15日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月3日
發(fā)明者B·K·斯里達(dá)蘭奈爾, C·A·本德斯, C·范希施, D·里夫曼, E·J·克尼貝, H·M·J·布茨, H·范埃希, K·賴曼, M·克利, M·德威爾德, O·武尼克, P·德克森, R·A·H·布里恩, R·P·A·德爾諾伊, R·德克, R·莫西奧克, W·F·帕斯維爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司