Тонкопленочный детектор для детектирования присутствия

Тонкопленочный детектор для детектирования присутствия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящая система относится к датчикам, таким как датчики для детектирования присутствия, детектирования движения и формирования изображения в режиме реального времени с использованием ультразвуковых датчиков, включающих в себя тонкопленочные ультразвуковые датчики и матрицы, используемые для детектирования присутствия и/или движения объекта (объектов) и формирования изображения в режиме реального времени, включающие в себя неподвижный и подвижный объект (объекты), и для определения различных параметров, таких как скорость, местоположение и/или количество объектов.

Датчики находят широкое применение, например, в качестве датчиков для детектирования движения и присутствия. Основные побудительные мотивы их использования представляют собой экономию энергии в офисных зданиях и в жилых домах посредством включения включения/выключения света в соответствии с потребностью, а также для повышение срока службы ламп. Считается, что рынок датчиков для детектирования движения/присутствия будет быстро расти. В этой растущей области требуется использовать компактные, недорогостоящие и имеющие низкий профиль (практически невидимые) датчики с минимальными ошибками детектирования или триггеры. Также желательно, чтобы такие датчики были более интеллектуальными, и обеспечивали возможность, например, детектирования количества людей и месторасположения людей в помещении, а также детектирования движения и направления движения людей в помещении. Кроме того, желательно разработать датчики, которые работали бы с низким потреблением энергии для обеспечения возможности беспроводной работы.

Ультразвуковые датчики также представляют собой привлекательные устройства, используемые в качестве датчиков в других областях применения, таких как управление вне помещения, например, для включения/выключения освещения или для регулирования с локальным приглушением света, например, в городах, зданиях, на улицах и т.д. Их также можно применять для детектирования злоумышленников, когда они автоматически включают устройства наблюдения.

Современные датчики движения включают в себя керамические ультразвуковые детекторы движения и пассивные инфракрасные (IR, ИК) детекторы, основанные на пироэлектрических керамических устройствах. Такие обычные инфракрасные устройства являются очень громоздкими, и типично их устанавливают на потолке помещения. В патентном документе DE4218789 авторов Klee и др. описан пироэлектрический детектор, подвергнутый микромеханической обработке, и этот документ представлен здесь полностью в качестве ссылочного документа. Инфракрасные датчики детектируют движение людей на основе изменений принимаемой инфракрасной энергии. Недостатки этих пироэлектрических инфракрасных детекторов включают в себя необходимость обеспечения прямой видимости для правильного детектирования, и эта прямая видимость должна быть чистой и не содержать препятствий. Кроме того, работа инфракрасных детекторов может быть легко нарушена прямым солнечным светом и изменением окружающего освещения, они также чувствительны к дыму и теплу, что приводит к их фальшивому срабатыванию.

Для снижения вероятности фальшивых срабатываний или переключений используют комбинации пироэлектрических пассивных детекторов и ультразвуковых детекторов, где ультразвуковые датчики устанавливают рядом с пассивным инфракрасным детектором. Такие комбинированные устройства имеют еще большие размеры, чем типичный инфракрасный детектор, типичный размер которого составляет 11 см в диаметре и 3,5 см в высоту. На фиг. 1 представлена диаграмма 100 направленного типичного датчика. Как показано на фиг. 1, типично датчик передает исключительно узкий луч 110 и, таким образом, имеет широкие слепые области 120, 130.

Для уменьшения явления или устранения слепых областей предусматривают массив датчиков, сигналами которых для каждого элемента или датчика в массиве управляют отдельно для формирования и управления ультразвуковым лучом, передаваемым из массива. Это обеспечивает, например, возможность сканирования в помещении или в области для детектирования места расположения людей. Используя массив датчиков, также становится возможным фокусировать луч, что улучшает разрешающую способность и отношение сигнал/шум. Ультразвуковые массивы также позволяют, используя соответствующие электронные схемы, детектировать и формировать ультразвуковые изображения.

Такие ультразвуковые датчики также используют для управления воздушными подушками безопасности в транспортных средствах, для включения/выключения воздушных подушек безопасности пассажиров в зависимости от детектирования присутствия или отсутствия пассажира. Другие варианты использования датчиков включают в себя измерение расстояния. Кроме того, такие датчики также может быть интересно использовать в автомобильной промышленности, например, в качестве датчиков присутствия пассажиров, для включения/выключения воздушных подушек безопасности. Кроме того, ультразвуковые датчики также используют для предотвращения аварий или в системах защиты, как описано в патенте США № 6549487 автора Gualtieri, который приведен здесь полностью в качестве ссылочного материала, где управляемый электронной схемой ультразвуковой луч используют для измерения расстояния, угловой протяженности и углового направления объекта. Ультразвуковые приемники принимают акустические волны, отраженные от объектов, для обработки, выполняемой для определения информации, такой как расстояние до таких объектов, их протяженность, размер и направление на них. Эти системы типично строят из отдельных дискретных датчиков.

Известны пьезоэлектрические ультразвуковые датчики на кремниевых диафрагмах, такие как описаны в статье Kaoru Yamashita и др. под названием "Sensitivity Improvement of Diaphragm Type Ultrasonic Sensors by Complementary Piezoelectric Polarization" (Yamashita), которая приведена здесь полностью в качестве ссылочного материала. Кроме того, в статье автора Valentin Magori под названием "Ultrasonic Sensors in Air," которая также приведена здесь в качестве ссылочного материала, описаны интеллектуальные ультразвуковые датчики, включающие в себя пьезоэлектрические ультразвуковые датчики, работающие как фазированные решетки с электронным управлением излучаемого луча, используемые для распознавания объекта и детектирования расстояний на основе эхо-сигналов, отраженных от объекта.

Как отмечено в публикации Yamashita, устройства формирования трехмерных изображений, используя распространяющийся в воздухе ультразвук, можно применять для управления транспортным средством, детектирования объектов для автономных роботов и поддержки активности визуально неполноценных людей и роботов, занятых в области инспектирования. Как отмечено выше, ультразвуковое измерение в воздухе имеет преимущество по сравнению с электромагнитной волной, включая в себя световые волны и миллиметровые волны, при точном измерении расстояний в диапазоне меньше, чем несколько метров, благодаря адекватно низкой скорости распространения ультразвуковых волн.

В патентах США №№ 6515402 и 6548937, оба авторов Klee и др., переданных их правопреемнику, содержание каждого из которых приведено здесь полностью в качестве ссылочного материала, описаны массивы ультразвуковых датчиков, электроды которых могут быть расположена с одной стороны пьезоэлектрического слоя или с обеих его сторон, как также описано в публикации Yamashita. Такие датчики имеют подложку, обработанную с помощью микромеханической обработки, для формирования отверстия.

На фиг. 2A представлен ультразвуковой датчик 200, как описано в патенте США № 6548937, имеющий кремниевую подложку 210, поверх которой сформирована мембрана 220. Барьерная структура 230, такая как слой из TiO₂, сформирована поверх мембраны 220. Пьезоэлектрический слой 240 сформирован поверх барьерного слоя 230. Первый и второй электроды 250, 255 расположены на противоположных концах в поперечном направлении пьезоэлектрического слоя 240 для работы с пьезоэлектрическим слоем 240 с поперечными полюсами. Кроме того, участок подложки 210 удален для формирования отверстия 260, которое открывает мембрану 220 в соответствующем местоположении относительно пьезоэлектрического слоя 240 и электроды 250, 255. Для изготовления массива таких ультразвуковых датчиков формируют несколько отверстий для формирования нескольких мембран на одной кремниевой подложке. Мембрана 220, открытая через отверстие 260, может колебаться (например, при приложении переменного напряжения), благодаря наличию такого отверстия 260.

В частности, приложение переменного напряжения к электродам 250, 255 через первый и второй контакты 270, 275 подачи тока приводит к возбуждению в пьезоэлектрическом слое 240 продольного колебания в плоскости слоя 240. Изменение длины пьезоэлектрического элемента возбуждает мембрану 220, заставляя ее колебаться. Электроды 250, 255 могут представлять собой чередующиеся электроды 250, 255, как показано на фиг. 2B.

На фиг. 2C представлен ультразвуковой датчик 200', как описано в патенте США № 6515402 и в публикации Yamashita, где электроды 250', 255' сформированы на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя 240. Оба датчика 200, 200', показанные на фиг. 2A, 2C, требуют формирования отверстия 260 в соответствующем местоположении путем удаления участка подложки 210, используя, например, технологии объемной механической микрообработки, или литографию по шаблону, которая является трудоемкой и повышает стоимость производства таких массивов датчиков. Кроме того, подложка должна быть выровнена для формирования отверстия в правильном местоположении, что дополнительно увеличивает время изготовления и затраты, а также вводит ошибки, уменьшая, таким образом, прибыль. Кроме того, типично используют слоистые структуры типа SOI (КНИ, кремний на изоляторе), как описано в публикации Yamashita, которые являются относительно дорогостоящими, в которых мембрану формируют из кремния (2 мкм) и оксида кремния (0,4 мкм).

Следует отметить, что электрическое поле прикладывают между двумя противоположными электродами 250', 255', как показано на фиг. 2C. Такое электрическое поле расположено перпендикулярно пьезоэлектрическому слою. В отличие от этого, электрическое поле между двумя соседними электродами 250, 575 на фиг. 2A расположено параллельно пьезоэлектрическому слою 240 или в его плоскости. Благодаря размещению расположенных близко друг к другу электродов, которые типично располагают с их чередованием, как показано на фиг. 2B, требуется прикладывать меньше напряжения для получения требуемого электрического поля, чем при использовании только двух электродов для каждой мембраны.

Конечно, в дополнение к использованию передаваемого через воздух ультразвука для формирования изображения, ультразвук также применяют в текучих средах и твердых веществах, и используют для формирования изображения, например, в медицинской сонографии и для формирования подводных изображений, где можно использовать тонкие пленки ферроика, как описано в патенте США № 6323580 автора Bernstein (ниже называется публикацией Bernstein), который приведен здесь полностью в качестве ссылочного материала. В публикации Bernstein чередующиеся электроды сформированы только с одной стороны диафрагмы ферроика, сформированной поверх слоя изолятора из Al₂O₃, который, в свою очередь, установлен на конструктивном слое из кремниевой мембраны. Кремниевая мембрана расположена на слое из SiO₂ или Si₃N₄ остановки вытравливания, сформированного поверх кремниевой подложки.

Кремниевую подложку избирательно вытравливают (вплоть до слоя остановки вытравливания из SiO₂ или Si₃N₄), для формирования отверстия ниже кремниевой мембраны. Следует отметить, что здесь используют дорогостоящую технологию формирования многослойной структуры SOI, а также наносят дополнительный слой Al₂O₃, что дополнительно увеличивает время и затраты на обработку. Затраты дополнительно повышаются, поскольку аналогично отверстию 260, описанному со ссылкой на фиг. 2A-2B, отверстия в публикации Bernstein также формируют в результате избирательного удаления подложки, например, путем вытравливания и микромеханической обработки, где требуется, например, обеспечить 2-стороннюю литографию и совмещение для правильного размещения отверстия в требуемом местоположении ниже электродов.

Другие сформированные с использованием микромеханической обработки датчики описаны в статье авторов Zhihong Wang и др., под названием "Ultrasound Radiating Performances of Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transmitter," (Wang)), которая приведена здесь полностью в качестве ссылочного материала. Для такого датчика также требуется выравнивание подложки и микромеханическая обработка для формирования совмещенного отверстия на подложке. В публикации Wang мембрана сформирована из Si₃N₄ со слоем остановки вытравливания SiO₂, сформированным между мембраной Si₃N₄ и подложкой из кремния.

В соответствии с этим, существует потребность в улучшенных миниатюрных датчиках, которые были бы более тонкими, менее объемными и гибкими и были бы менее дорогостоящими и более простыми при производстве, с уменьшенным количеством этапов производства и/или с пониженными требованиями к выравниванию, и которые имели бы высокие электроакустические рабочие характеристики. Интеграция других функций, таких как инфракрасное детектирование, позволила бы обеспечить дополнительную миниатюризацию.

Одна из целей представленных здесь систем и способов состоит в преодолении недостатков обычных датчиков, включающих в себя предоставление датчиков с комбинированными ультразвуковыми и пироэлектрическими детекторами для детектирования ультразвуковых и/или инфракрасных сигналов.

В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения предусматривают датчик и массив из датчиков, которые можно использовать, например, для формирования изображения в режиме реального времени в воздухе, а также в текучих средах и в твердых веществах, и для детектирования присутствия и/или движения объекта (объектов), используя эффект Доплера, например, включающего в себя неподвижный и подвижный объект (объекты), и определения различных параметров, таких как скорость, направление движения, местоположение и/или количество объекта (объектов). В одном варианте выполнения датчик содержит мембрану, сформированную поверх передней подложки; пьезоэлектрический слой сформирован поверх мембраны на активном участке и на периферийных участках, которые расположены в непосредственной близости к активному участку. Если требуется, пьезоэлектрический слой может быть сформирован с определенной структурой. Сформированный с определенной структурой электропроводный слой, включающий в себя первый и второй электроды, сформирован поверх пьезоэлектрического слоя. Кроме того, задняя поверхность структуры предусмотрена так, что она имеет держатели, расположенные на периферийных участках, рядом с активным участком. Высота держателей больше, чем комбинированная высота пьезоэлектрического слоя с определенной структурой и электропроводного слоя с определенной структурой. Множество датчиков могут быть соединены для формирования массива, где контроллер может быть предусмотрен для управления массивом, например, для управления лучом массива, и обработки сигналов, принимаемых массивом, например, для детектирования присутствия или движения и/или для формирования изображения.

Различные датчики могут быть предусмотрены на гибкой фольге для формирования гибких датчиков, которые могут быть сформированы с требуемой формой. Кроме того, различные типы датчиков или детекторов могут быть скомбинированы или интегрированы в один множественный датчик, такой как множественный датчик, включающий в себя комбинированные ультразвуковые и пироэлектрические детекторы, для детектирования ультразвуковых и/или инфракрасных сигналов. Такие датчики можно использовать в различных вариантах применения, таких как формирование изображения (формирования ультразвукового и/или инфракрасного изображения), а также для детектирования движения или присутствия, в случае, когда ультразвуковой датчик (датчики) не требует обеспечения прямой видимости для работы, в отличие от инфракрасного датчика (датчиков), для работы которых требуется обеспечение прямой видимости, включая в себя передачу и/или прием ультразвуковых и/или инфракрасных сигналов.

Другие области применения настоящих систем и способов будут понятны из представленного ниже подробного описания. Следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, которые, хотя и обозначают примерные варианты выполнения систем и способов, предназначены только для иллюстрации и не предназначены для ограничения объема изобретения.

Эти и другие свойства, аспекты, и преимущества устройств, систем и способов настоящего изобретения будут более понятны из следующего описания, приложенной формулы изобретения и приложенных чертежей, на которых:

на фиг. 1 показаны результаты измерения диаграммы направленности излучения типичного датчика;

на фиг. 2A-2C представлен обычный датчик, реализованный с использованием объемной микромеханической обработки;

на фиг. 3 представлен массив из датчиков в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 4A-4B представлен датчик, имеющий электроды на одной стороне, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 5 представлен датчик, имеющий электроды на противоположной стороне, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 6 представлен массив датчиков с задней подложкой в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 7 представлен массив датчиков, имеющий чередующиеся электроды, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 8A-8C представлен датчик с задней подложкой, поддерживаемой на опорах в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 8D представлена резистивная сеть смещения в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 9 представлен график зависимости электрического импеданса от частоты датчика в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 10 представлены два ультразвуковых датчика, которые формируют гибкий массив датчиков на гибкой фольге, взаимно соединенные в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг. 11 представлены два устройства ультразвуковых датчиков, покрытых с обеих сторон гибкими взаимными соединениями в виде слоев, которые формируют гибкий массив из датчиков с тонкопленочными пьезоэлектрическими элементами на верхней стороне, установленными на кремниевых частях с электронными устройствами или без них, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг.12 представлен гибкий массив из двух или больше ультразвуковых датчиков в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг.13А-13С представлены массивы, включающие в себя комбинацию ультразвукового датчика и пироэлектрического датчика с отдельно установленной электрической схемой на печатной плате в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг.14А-14С представлены массивы, включающие в себя комбинацию из ультразвукового датчика и пироэлектрического датчика со схемой, установленной с использованием монтажа типа перевернутой микросхемы или с проводным соединением в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг.15А-15С показаны массивы, включающие в себя комбинацию из ультразвукового датчика и пироэлектрического датчика, с интегральной микросхемой, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы;

на фиг.16А-16В представлены массивы, включающие в себя комбинацию из ультразвукового датчика и пироэлектрического датчика, с электродами на обеих сторонах пьезоэлектрических областей, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы; и

на фиг.17А-17С представлены массивы, включающие в себя комбинацию ультразвукового датчика и пироэлектрического датчика, имеющие пьезоэлектрические области с различными присадками, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящей системы.

Ниже представлено описание иллюстративных вариантов выполнения, которые, когда их рассматривают совместно с чертежами, демонстрируют описанные выше, а также дополнительные свойства и преимущества. В следующем описании, с целью пояснения, а не для ограничения, представлены иллюстративные детали, такие как элементы архитектуры, интерфейсы, технологии, атрибуты элементов и т.д. Однако для специалистов в данной области техники должно быть понятно, что другие варианты выполнения, которые отличаются от этих деталей, также следует рассматривать, как находящиеся в пределах объема приложенной формулы изобретения.

Таким образом, приведенное ниже описание определенных примерных вариантов выполнения представляет просто примеры по своей природе и оно никоим образом не предназначено для ограничения изобретения и его вариантов применения или использования. В следующем подробном описании вариантов выполнения настоящих систем и способов сделана ссылка на приложенные чертежи, которые формируют их часть, и которые представлены в качестве иллюстрации конкретных вариантов выполнения, в которых могут быть выполнены на практике описанные системы и способы. Эти варианты выполнения описаны достаточно подробно для обеспечения для специалистов в данной области техники возможности выполнения на практике раскрытых в настоящее время систем и способов, и следует понимать, что можно использовать другие варианты выполнения и что конструктивные и логические изменения могут быть выполнены без выхода за пределы сущности и объема настоящей системы.

Следующее подробное описание изобретения поэтому не следует рассматривать в качестве ограничения, и объем настоящей системы определен только приложенной формулой изобретения. Первая цифра (цифры) номеров ссылочных позиций на фигурах здесь типично соответствует номеру фигуры, за исключением идентичных компонентов, которые появляются на множестве чертежей, и которые обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций. Кроме того, для ясности, подробное описание известных устройств, схем и способов исключено, чтобы не усложнять описание настоящей системы.

Различные варианты выполнения настоящего датчика, включающего в себя пьезоэлектрический тонкопленочный датчик (датчики) и массив (массивы) датчиков представляют собой эффективные с точки зрения затрат, эффективные и миниатюрные ультразвуковые датчики/массивы. Ультразвуковой датчик в соответствии с различными вариантами выполнения представляет собой плоский ультразвуковой датчик низкого профиля, который занимает меньший объем, чем обычные керамические ультразвуковые датчики, используемые, например, для детектирования присутствия и/или движения. Другие варианты выполнения включают в себя плоский массив тонкопленочных датчиков с низким профилем, который обеспечивает возможность сканирования и электронного управления ультразвуковым лучом для детектирования различных параметров, таких как присутствие, скорость, направление движения, местоположение, движение и/или количество живых и неодушевленных объектов, таких как люди, животные, транспортные средства и т.д. Такие компактные и имеющий низкий профиль ультразвуковые датчики/массивы могут найти различное применение, в частности, поскольку для них не требуется обеспечивать линию прямой видимости, и они не чувствительны к дыму и теплу, в отличие от инфракрасных датчиков.

В иллюстративном варианте выполнения тонкопленочные массивы пьезоэлектрических датчиков используют для детектирования присутствия и/или движения, или тому подобное, где на фиг. 3 представлен массив 300 тонкопленочных элементов 310 пьезоэлектрических датчиков. Массив 300 и/или каждый элемент 310 могут иметь любой размер и форму. Шаг 320 размещения элементов 310 выбирают на основе варианта применения. Для детекторов движения, для достижения низкой степени затухания в воздухе, массивы разрабатывают так, чтобы они работали на частотах 50-450 кГц. Для работы на этих низких частотах шаг 320 элементов приблизительно составляет от нескольких сотен микрометров до нескольких тысяч микрометров. Шаг 320 представляет собой ширину 330 элементов плюс зазор 340 между элементами, который отделяет один элемент от соседнего элемента.

Как показано на фиг. 3, массив может быть соединен с контроллером или процессором 350, с соответствующими электронными элементами, такими как элементы сдвига фазы, выводы задержки, преобразователи и т.п., как описано в патенте США № 6549487 автора Gualtieri, для управления массивом и обработки информации, принятой из массива 300, например, чтобы обеспечить возможность электронного управления ультразвуковым лучом для обеспечения более широкого охвата и уменьшения или устранения слепых пятен 120, 130, описанных со ссылкой на фиг. 1. Запоминающее устройство 360 также может быть функционально соединено с процессором 350 для сохранения различных данных и программных приложений, и программных инструкций или кодов для управления и обеспечения работы системы массива, когда их выполняют с помощью процессора 350.

Для того чтобы достичь высокого значения коэффициента связи устройств, который представляет собой величину электрической энергии, преобразуемой в механическую энергию (то есть эффективность электромеханического преобразования), предусмотрен датчик 400, как показано на фиг. 4A, где вместо электродов на противоположных сторонах пьезоэлектрического материала электроды сформированы в результате обработки на одной и той же стороне пьезоэлектрической тонкой пленки, и элементы работают в направлении размещения полюсов, параллельно плоскости преобразователя. В частности, расположенное в плоскости электрическое поле между парой электродов 430, 440 и 430', 440', которые могут быть установлены со взаимным перемежением, как показано на фиг. 2B, обеспечивают колебания продольного механического напряжения в плоскости пьезоэлектрической тонкой пленки, что, в свою очередь, приводит к колебаниям изгиба мембраны. Уменьшенный промежуток между электродами 430, 440 обеспечивает возможность работы с более низкими напряжениями. В следующем описании "положительное" и "отрицательное" напряжения используют для обозначения электрического поля в пьезоэлектрическом материале, параллельно или антипараллельно направлению между полюсами, соответственно.

Датчик 400, кроме того, что он имеет более высокие коэффициенты связи, также должен иметь меньшее количество этапов обработки, поскольку в нем присутствует на один слой меньше из-за отсутствия слоя электрода на одной стороне пьезоэлектрической тонкой пленки, что обеспечивает возможность эффективного по затратам производства таких устройств 400. Датчик 400 включает в себя мембрану 410, сформированную на подложке, которую удаляют после формирования датчика 400 для обеспечения возможности движения мембраны 410. Пьезоэлектрический материал 420, 420' сформирован на мембране 410, которая, например, может быть сформирована в виде требуемой структуры для улучшения рабочей характеристики. Кроме того, пара электродов 430, 440, 430', 440' сформирована в соответствующих пьезоэлектрических областях 420, 420' на выполненном с определенной структурой пьезоэлектрическом материале.

Как показано на фиг. 4A, когда положительное напряжение прикладывают к электроду 440, 440' на внутренней кромке, и отрицательное напряжение прикладывают к электроду 430, 430' на внешней кромке, который, в качестве альтернативы, может быть заземлен, удлинение 450 пьезоэлектрических слоев приводит к изгибу 460 вниз многослойной мембраны, как показано на фиг. 4B. В результате изменения полярности напряжений, приложенных к парам 430, 440 и 430', 440' электродов, на обратную, происходит изгиб многослойной мембраны вверх. Импульсы напряжения или любой сигнал переменного тока (АС, ПерТ), приложенный к пьезоэлектрическим слоям, формирует ультразвуковые волны, которые могут отражаться от объектов для их детектирования.

Принцип работы мембранного датчика поясняется на фиг. 4B, где представлен фундаментальный режим изгиба. Смещение 404 мембраны приводит к изгибу секций 401, 401' и 402. Секции 403 остаются практически недеформируемыми. Пьезоэлектрическая активация используется для изгиба одной или нескольких изогнутых секций 401, 401' или 402. Многослойную мембрану используют, по меньшей мере, в этих деформируемых или подвижных частях 401, 401', 402 и, в качестве примера, она будет представлена в следующих секциях. Данный вариант выполнения не накладывает какие-либо ограничения на свободу выбора, какую секцию мембраны требуется активировать. Например, многослойная структура 440, 430, 420, 410 на фиг. 4A формирует секцию 401 возбуждения, представленную на фиг. 4B. Конечно, в секции 402 также может быть размещена деформируемая и подвижная многослойная структура.

Конечно, если требуется, пара электродов, вместо расположения их с одной стороны, например, с верхней стороны пьезоэлектрического материала, может быть предусмотрена с обеих сторон, например, так, что пьезоэлектрический материал 520, 525 будет расположен между ними, как показано в датчике 500 на фиг. 5. В этом случае напряжение прикладывают через верхнюю и нижнюю пары 530, 540 и 530', 540' электродов. Когда разность напряжений между верхними электродами 530, 530' и нижними электродами 540, 540' будет положительной, сжатие 550, 555 пьезоэлектрического слоя в плоскости и его удлинение перпендикулярно мембране приводит к выталкиванию вверх многослойного набора мембраны, как показано стрелкой 560.

Датчики 400, 500 являются менее дорогостоящими, поскольку они эффективно сформированы и требуют меньшего количества операций обработки. Например, многослойную структуру и мембрану производят, не используя дорогостоящее производство SOI, но, как описано более подробно со ссылкой на фиг. 8A-8C, они могут представлять собой нитрид кремния, оксид кремния, или комбинацию нитрида кремния и оксида кремния, которые могут быть нанесены, используя стандартные процессы формирования полупроводников и являются менее дорогостоящими. Конечно, помимо этих материалов, можно использовать любые другие неорганические или органические материалы, совместимые с обработкой пьезоэлектрической тонкой пленки. Кроме того, может не потребоваться формировать структуру нижней подложки 615, показанной пунктирными линиями на фиг. 6, например, используя структуру, сформированную в объеме с помощью микромеханической обработки и 2-сторонней литографии для удаления участков подложки и формирования отверстия 260, как описано со ссылкой на фиг. 2A и 2B, для того, чтобы открыть мембрану.

Таким образом, датчик устанавливают на матрице, и выполняют полное повсеместное вытравливание для удаления всей нижней подложки 615. Таким образом, литография или формирование структуры происходит только с одной стороны, например, для формирования структуры электродов и/или пьезоэлектрического материала, если это требуется. С другой стороны, например, нижняя сторона, представленная на фиг. 4A и 5, может потребовать любой литографии или формирования структуры. Вместо этого может быть выполнено полное вытравливание для удаления нижней и передней оконечной части подложки 615, с тем, чтобы открыть мембрану 410, 510, 610 после установки массива датчиков или элементов на матрице или на задней части подложки 640, как показано на фиг. 6.

Затраты и время производства уменьшаются не только благодаря структурированному вытравливанию подложки, если это необходимо, но также и поскольку нет необходимости выравнивать маски передней стороны и задней стороны для того, чтобы соответствующим образом выполнить вытравливание требуемых участков подложки для получения отверстия 260 (фиг. 2A, 2C) в соответствующих местах положения. Это не только уменьшает время обработки и затраты, но также повышает производительность, благодаря исключению ошибок выравнивания и проблем обработки хрупких перфорированных подложек. Кроме того, для случая, когда электроды расположены только с одной стороны пьезоэлектрического материала, как показано на фиг. 4A, 6 и 8A, например, требуется меньшее количество слоев, а именно, из-за отсутствия электродов на другой стороне пьезоэлектрического материала, это позволяет уменьшить время и затраты на производство.

Основной модуль пьезоэлектрических тонкопленочных датчиков представляет собой многослойный набор тонкопленочных мембран, как представлено номерами ссылочных позиций 410, 510 на фиг. 4A и 5A, соответственно, и 610 на фиг. 6. В качестве иллюстрации, мембрану 410, 510, 610 формируют из нитрида кремния, оксида кремния, или из комбинаций нитрида кремния и оксида кремния. Мембрана 410, 510, 610 может быть нанесена, например, в результате обработки химического осаждения из паровой фазы (CVD, ОПФ) с низким давлением, например, на подложке 615, которую впоследствии полностью вытравливают для того, чтобы открыть одну сторону мембраны. Подложка может быть кремниевой подложкой или может быть изготовлена из любого другого соответствующего материала. Поверх мембран 410, 510, 610 предусмотрен барьерный слой 617 из тонкой пленки, например, из оксида титана, оксида циркония или оксида алюминия, который может быть нанесен в соответствии с необходимостью, как показано на фиг. 6.

В варианте выполнения, представленном на фиг. 6 (который относится к варианту выполнения, представленному на фиг. 4A, в котором электроды используются только с одной стороны пьезоэлектрического слоя), поверх слоя 610 мембраны (410 на фиг. 4A) или поверх барьерного слоя 617, когда он присутствует, формируют пьезоэлектрическую тонкую пленку, обработанную и структурированную (если это требуется), для формирования пьезоэлектрических областей 620, 622, 624. В качестве иллюстрации, пьезоэлектрическая тонкая пленка может быть изготовлена из титаната-цирконата свинца, который представлен либо без присадок, или с присадками, с использованием, например, La, но который также может представлять собой любой другой пьезоэлектрический материал. Пьезоэлектрический слой 620 может представлять собой непрерывный или структурированный слой, который соответствует ширине блока активации (402 на фиг. 4B). Множество элементов 600 датчика могут быть расположены в виде одномерного или двумерного массива, где шаг элементов может быть таким же малым, как и ширина 626 элемента (также обозначен номером 330 ссылочной позиции на фиг. 3). Правая и левая пьезоэлектрические области 622, 624, показанные на фиг. 6, не имеют какую-либо пьезоэлектрическую функцию, но используются как распорки или опорные элементы, как будет описано ниже. Полость высотой 826 может быть заполнена газом, или газ может быть откачан из нее во время обработки соединения, в зависимости от варианта применения. Например, преимущества полости, заполненной газом, включают в себя обеспечение лучшей герметизации, аналогично герметичному пакету, для обеспечения лучшей надежности в жестких условиях окружающей среды. Преимущества использования вакуума внутри полости включают в себя свободное движение мембраны, в частности, для датчиков, работающих в воздухе, но недостаток представляет собой более жесткие мембраны. Полость также может быть оставлена открытой для окружающей среды для обеспечения выравнивания давления с окружающей средой, уменьшая, таким образом, или исключая сдвиги или дрейф параметров, такие как сдвиг резонансной частоты, чувствительности и т.п. Однако открытая полость может быть более чувствительной к влаге и условиям окружающей среды. Выбор зависит от варианта применения в окружающей среде.

Затем один или больше слоев металлизации наносят с одной стороны пьезоэлектрической тонкой пленки и формируют их структуру для формирования электродов, показанных как полоски 630 на фиг. 6. В качестве иллюстрации, формируют первый металлический многослойный набор, который может представлять собой тонкий слой TiW и слой Al, имеющий общую толщину приблизительно 1 мкм, в качестве примера, и формируют его структуру для получения первого набора полосок 630, 630' электродов, и формируют второй металлический с