ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПРИСУТСТВИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01L41/08 

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 слой и формируют его структуру поверх первого набора полосок 630, 630' электродов для формирования второго набора полосок 635, 635' электродов. Следует понимать, что многослойный набор или слой, как показано здесь, может представлять собой одиночный слой или множество слоев из двух или больше материалов, сформированных, например, в виде чередующихся слоев. Вторые металлические полоски 635, 635' могут представлять собой, например, набор из металлических слоев из слоя Ti и слоя Au, имеющих общую толщину приблизительно 1 мкм. Конечно, любую соответствующую комбинацию и тип металла (металлов), такую как включающую в себя только один набор металлов, например набор из Ti и Au, можно использовать для формирования электродов. Для придания структуры пьезоэлектрической тонкой пленке и слою (слоям) металла можно использовать любой соответствующий способ, например, такой как хорошо известный фотолитографический способ, в котором используется слой фоторезиста и вытравливание.

На противоположных кромках каждого элемента массива или пьезоэлектрической области слой металла может быть более толстым и может включать в себя дополнительный слой (слои) 650, 650' металла, сформированные поверх ранее сформированной полоски металла, для увеличения высоты периферийных металлических полосок и формирования опорных креплений 660, 660', имеющих высоту или толщину приблизительно от 200 нм до 2 мкм или больше, например вплоть до 20 мкм. Дополнительный слой (слои) 650, 650' металла может также представлять собой Ti и/или Au, или любую соответствующую комбинацию и типы металла (металлов).

Как более подробно описано со ссылкой на фиг. 8A-8B, утолщенные оконечные или периферийные слои металла (имеющие дополнительный слой (слои) (650, 650') металла, также действуют как опорные крепления 660, 660' для установки на них задней оконечной подложки 640. В частности, в верхней части устройства 600, показанного на фиг. 6, а именно поверх периферийной полоски металла или опорных креплений 650, 650' на противоположных кромках пьезоэлектрических областей 620, 622, 624 или элементов массива устанавливают заднюю оконечную подложку 640, используя ультразвуковое соединение, с помощью соответствующих контактных металлов, таких как, например, Ti/Au. Конечно, можно использовать любую другую схему соединения, такую как соединение с термопрессованием и т.д. Задняя оконечная подложка 640 может быть выполнена, например, из кремния и установлена с помощью любой другой технологии соединения, используя любые соответствующие клеящие составы, где слой (слои) 650, 650' металла и второй набор полосок 635, 635' электродов обе могут быть из золота (Au), которое также очень пригодно для ультразвукового соединения друг с другом.

Периферийные полоски металла или держатели 660, 660', на которые устанавливают заднюю оконечную подложку 640, могут иметь толщину на пьезоэлектрическом слое 0,5-30 мкм. Конечно, вместо формирования дополнительные полосок 650, 650' металла поверх периферийным полосок 635, 635' металла для увеличения их высоты также можно нанести дополнительные металлические полоски 650, 650' на заднюю оконечную подложку 640, которую затем монтируют поверх периферийной металлической полоски 635, 635', где выполняют простое соединение металла (650) на металл (635), где Au пригодно для использования в обоих слоях 650, 635 металла, в случае ультразвукового соединения. Конечно, если требуется, опорные крепления требуемой высоты могут быть сформированы на задней оконечной подложке 640, где такие опорные крепления на задней оконечной подложке 640 соединяют поверх мембраны 610 или соответствующего слоя, сформированного на мембране 610.

Для достижения, если это требуется, очень большого зазора 826 между задней оконечной подложкой 640 и областью пьезоэлектрического датчика, в альтернативном наборе, канавки могут быть вытравлены на задней оконечной подложке 640 в области, где осуществляется возбуждение пьезоэлектрической мембраны 610. Для достижения этого, после нанесения и придания структуры металлическим областям 650 и 650', которые могут представлять собой, например, тонкий слой из Ti и Au в верхней части задней оконечной подложки 640 (которая может представлять собой, например, подложку Si со слоем SiO₂ толщиной, например, 2 мкм), выполняют этап обработки сухого вытравливания для SiO₂, и Si наносят в областях, где был нанесен Ti/Au. Помимо процедур сухого вытравливания также можно применять технологии влажного вытравливания для SiO₂ и Si. Придание структуры для SiO₂ и Si позволяет обеспечить зазоры между пьезоэлектрическим преобразователем и задней оконечной подложкой 640 размером от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров.

Задняя оконечная подложка 640 может представлять собой кремниевую подложку с интегральными электронными схемами или без них, стеклянную подложку или любую другую подложку. Установленная задняя оконечная подложка 640 также может включать в себя кремниевые устройства с интегральными электронными схемами, транзисторы, пассивные элементы и т.п. Отверстия или межслойные переходные отверстия также могут быть предусмотрены в задней оконечной подложке 640, которые обеспечивают взаимное соединение между большим количеством элементов, например, в одно- и/или в двумерном массиве.

Переднюю или нижнюю кремниевую подложку 615, расположенную под массивом датчиков, показанную пунктирными линиями 615 (поверх которой сформированы и структурированы различные слои, например мембрана, барьерный слой, пьезоэлектрический и слой металлизации), полностью или частично вытравливают после формирования и придания структуры различных слоев, утолщения областей металлизации на кромках элементов массива и установки на него задней подложки 640. Переднюю или нижнюю кремниевую подложку 615 полностью или частично вытравливают с использованием, например, влажного химического вытравливания или сухого вытравливания, или шлифования, и/или полировки или их комбинации. Следует отметить, что нет необходимости обеспечивать какое-либо выравнивание или использование объемной микромеханической обработки или литографического вытравливания на передней или задней подложке 615, поскольку ей не придают форму, а скорее ее, в основном, полностью удаляют в области активного массива.

Таким образом, нет необходимости использования двухсторонней литографии. Это снижает время, затрачиваемое на выполнение операций, и затраты на производство.

Как описано со ссылкой на фиг. 3, множество элементов 310 могут быть предусмотрены в массиве 300, количество которых может составлять от одного элемента до нескольких десятков, сотен или даже тысяч элементов одного и/или разных размеров и/или формы. Для обеспечения возможности работы устройств с частотами, например, 50-450 кГц, элементы размещены с определенным шагом порядка от нескольких сотен микрометров до нескольких тысяч микрометров. Пример конструкции для массива 700 датчика, работающего на частотах 200-300 кГц, показан на фиг. 7, где поперечные сечения элементов 710 представлены на фиг. 8A. Следует понимать, что также возможны любые другие конструкции, которые обеспечивают эффективную работу датчика на этих низких частотах, например мембраны круглой формы или элементы и массивы любой формы.

Для обеспечения возможности работы с низкими напряжениями и все еще достижения требуемых резонансных частот устройств в диапазоне приблизительно 50-450 кГц элемент 800 датчика может иметь шаг 626, составляющий 400-1500 мкм, как показано на фиг. 8A, на которой представлена конструкция, ассоциированная с фиг. 4A, где чередующиеся электроды 840, 845 сформированы только с одной стороны пьезоэлектрического слоя 820, аналогично чередующимся электродам 250, 255, показанным на фиг. 2B.

На фиг. 8A также показана мембрана 830, поверх которой сформирован пьезоэлектрический слой 820, и ему была придана структура с формированием центральной активной области 821, поверх которой нанесены электроды 840, 845 с чередующейся компоновкой. Используя очень малый промежуток между чередующимися электродами 840, 845 и увеличенное количество чередующихся электродов, можно обеспечить возможность работы с низким напряжением.

Пьезоэлектрический материал 622, 624 также остается в периферийных областях 822, 824, поверх которых сформирован слой металлизации, который имеет такую структуру, что формирует электрод 840, 845 и первую металлическую область 860 поверх пьезоэлектрических периферийных областей 622, 624. Второй слой 870 металлизации сформирован поверх первой металлической области 860, используя тот же или другой металл (как также описано со ссылкой на фиг. 6). Второй слой 870 металлизации увеличивает толщину или высоту 826 (или 826' на фиг. 8B) периферийных областей или опорных креплений 822, 824 выше толщины или высоты 828 (или 828' на фиг. 8B) пьезоэлектрического слоя 820 и электродов в активной области 821. Элементы датчика устанавливают, например, зажимают, используя клей, ультразвуковое соединение или тепловое соединение со сжатием на верхней или задней подложке 640.

Массив (700 на фиг. 7 и 300 на фиг. 3) элементов датчика может быть выполнен с возможностью его сканирования и управления лучом, где элементы, имеющие шаг 320 (фиг. 3), равный 400-800 мкм, могут быть подключены, например, параллельно. Как описано со ссылкой на фиг. 4A и 4B, мембрана 830 включает в себя слой 847 из нитрида кремния, сформированный поверх передней или нижней подложки (которую впоследствии удаляют, как показано пунктирными линиями 615 на фиг. 6), и слой 850 оксида кремния, сформированный поверх слоя 847 нитрида кремния, или комбинацию из слоев нитрида кремния и оксида кремния.

Как описано выше, сигнал напряжения прикладывают к чередующимся электродам 840, 845 для получения напряжений разного знака (или полярности) на соседних электродах, формируя, таким образом, электрическое поле в плоскости между электродами 840, 845, возбуждая, таким образом, в пьезоэлектрическом слое 820 продольные колебания в плоскости пьезоэлектрического слоя 820. Изменение длины пьезоэлектрического элемента возбуждает колебание мембраны 830.

Конечно, вместо конструкции, где электроды предусмотрены с одной стороны пьезоэлектрического слоя, электроды могут быть предусмотрены на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, как описано со ссылкой на фиг. 5, и показано на фиг. 8B, где структурированный пьезоэлектрический слой или области 820' расположены между двумя противоположными электродами 840', 845'. В этом случае пьезоэлектрический слой 820' имеет структуру, разделяющую его на области, которые соответствуют структурированным противоположным электродам 840', 845'.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 8B, пьезоэлектрический слой 820' закрыт с обеих сторон парой взаимодополняющих электродов 840', 845' для приложения к ним напряжения. Конечно, один из электродов в любом варианте выполнения, показанном на фиг. 8A или 8B, может быть заземлен. В качестве иллюстрации, нижний электрод 840', например, представляет собой электрод Ti/Pt, и верхний электрод 845' представляет собой электрод Ti/Au. Конечно, можно использовать любой другой материал электрода, совместимый с пьезоэлектрическим слоем.

Конструкция может быть подогнана так, чтобы она соответствовала электрическому импедансу возбуждающей электронной схемы, путем использования последовательного соединения областей активации, как показано на фиг. 8C, на которой представлен датчик 801 в соответствии с другим вариантом выполнения. В такой конструкции также можно использовать более тонкие электроды, и при этом все еще обеспечиваются приемлемые омические потери. Напряжение сигнала можно подавать между верхними периферийными электродами 880, 885, проводимость которых может быть улучшена путем добавления дополнительного слоя 630 металла, так, что это не препятствует режиму изгиба мембраны. Перекрывающиеся электроды 890, 895 на противоположных сторонах пьезоэлектрического слоя 620 могут быть выполнены плавающими или могут быть соединены с внешним делителем с малой утечкой напряжения, например, цепочкой из резисторов с высоким значением. На фиг. 8C активный участок пьезоэлектрического слоя 620 разделен на сегменты, которые соединены последовательно с помощью емкостной связи между взаимно перекрывающимися нижним и верхним электродами 890, 895. Еще одна альтернатива (также действительная для всех примеров) состоит в том, что прикладывают постоянное напряжение смещения для улучшения пьезоэлектрической связи, как показано на фиг. 8D. Напряжение смещения может быть подано на элементы 880, 885, 887, 890 с помощью портов 892, 894 через резисторы 891, 893. Входной сигнал также может быть предусмотрен, например, через порты 895, 896. Таким образом, в качестве активного слоя 620 также можно использовать электрострикционные материалы, или соединение со смещением можно использовать для формирования полюсов пьезоэлектрического материала.

Такие тонкопленочные массивы датчиков могут работать на частотах 50-450 кГц, как показано на графике 900 на фиг. 9, для свободно установленной мембраны тонкопленочного пьезоэлектрического датчика, где на оси X обозначена частота, и на оси у показана действительная часть электрического импеданса.

Различные модификации также могут быть предусмотрены, как понятно для специалистов в данной области техники с учетом приведенного здесь описания. Например, используемые на практике электроды могут формировать конденсатор с одной пластиной в центре или на кромках мембраны. В качестве альтернативы, конденсатор с одной пластиной может быть разделен на меньшие области, которые могут быть соединены в последовательной конфигурации для согласования с рабочим напряжением схем привода. Каждый из описанных выше датчиков и систем можно использовать совместно с дополнительными системами.

Кроме того, различные материалы можно использовать для разных слоев, как описано в патентах США, №№ 6515402, 6548937, WO 03/092915 авторов Klee и др. и WO 03/092916 авторов Фрейзер и др., которые были переданы их правопреемнику, содержание каждого из которых приведено здесь полностью в качестве ссылочного материала. Например, барьерный слой (слои) может быть сформирован из одного или больше из следующих: TiO₂, Al₂O₃, HfO₂, MgO и/или ZrO₂. Пьезоэлектрические тонкопленочные материалы могут включать в себя:

1. PbZr_xTi_1-xO₃ (0≤x≤1) с легирующей примесью или без нее. Легирующая примесь может содержать La, Mn, Fe, Sb, Sr, Ni или комбинацию этих примесей.

2. Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Pb(Sc_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Pb(Zn_1/3Nb_2/3)_1-x-y(Mn_1/2Nb_1/2)_xTi_yO₃ (0≤x≤1, 0≤y≤1), Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃, Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄, K(Sr_1-xBa_x)₂Nb₅O₁₅ (0≤x≤1), Na(Sr_1-xBa_x)₂Nb₅O₁₅ (0≤x≤1), BaTiO₃, (K_1-xNa_x)NbO₃ (0≤x≤1), (Bi, Na, K, Pb, Ba)TiO₃, (Bi, Na)TiO₃, Bi₇Ti₄NbO₂₁, (K_1-xNa_x)NbO₃-(Bi, Na, K, Pb, Ba)TiO₃ (0≤x≤1), a(Bi_xNa_1-x)TiO_3-b(KNbO_3-c)1/2(Bi₂O₃-Sc₂O₃) (0≤x≤1, а+b+c=1), (Ba_aSr_bCa_c)Ti_xZr_1-xO₃ (0≤x≤1, а+b+c=1), (Ba_aSr_bLa_c)Bi₄Ti₄O₁₅ (a+b+c=1), Bi₄Ti₃O₁₂, LiNbO₃, La₃Ga_5,5Nb_0,5O₁₄, La₃Ga₅SiO₁₄, La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄.

Кроме того, различные наборы или слои, формирующие опорные держатели 822, 824 (как показано, например, на фиг. 8B) могут быть сформированы поверх одного или обоих пьезоэлектрического слоя 622 и задней подложки 640. Например, два металлических слоя 630, 635 могут быть сформированы на пьезоэлектрическом слое 622, и один металлический слой 650 может быть сформирован на задней подложке 640, для соединения второго металлического слоя 635. В качестве альтернативы или в дополнение, первый металлический слой 630 может быть сформирован на пьезоэлектрическом слое 622, и два металлических слоя 650, 635 могут быть сформированы на задней подложке 640, где второй металлический слой 635 соединен с первым металлическим слоем 630.

Различные наборы или слои, которые формируют опорные крепления (например, опорные крепления 822, 824, показанные на фиг. 8B) могут включать в себя один или больше из следующих материалов, где первый металлический слой 630 сформирован поверх пьезоэлектрического слоя 622, и второй металлический слой 635 сформирован поверх первого металлического слоя 630. Дополнительный металлический слой 650 сформирован на задней подложке 640, как показано в Таблице 1. Например, в первом ряду Таблицы 1 представлен вариант выполнения, где слой из Ti сформирован поверх пьезоэлектрического слоя 622, и слой из Au сформирован поверх слоя Ti, где слои Ti и Au формируют первый металлический слой 630. Другой слой Au сформирован как второй металлический слой 635 поверх слоя Au первого металлического слоя. На задней подложке 640 сформирован слой из Ti. Поверх этого слоя из Ti сформирован слой Au, где эти слои Ti и Au формируют дополнительный или еще один слой 650 на задней подложке 640. Затем слой Au дополнительного слоя 650 соединен со слоем Au второго металлического слоя 635.

Таблица 1 Первый металлический слой 630 (сформирован поверх пьезоэлектрического слоя 622) Второй металлический слой 635 (сформирован поверх первого металлического слоя 630) Дополнительный металлический слой 650 (сформирован поверх задней подложки 640) Слой Ti+Слой Au Слой Au или
Слой Ti+Слой Au Слой Au+Слой Ti Слой Cr+Слой Au Слой Au или
Слой Cr+Слой Au Слой Au+Слой Cr Слой Cu+Слой Ni Слой Au Слой Au+Слой Ni Слой TiW+Слой Al Слой Ti+Слой Au Слой Au+Слой Ti Слой Ti+Слой Au Слой Sn Слой Sn+Слой Au+Слой Ti Слой Ti+Слой Pt Слой Au Au+Pt+Ti

Конечно, любые другие металлы и комбинации наборов металлов можно использовать для формирования различных слоев. Кроме того, вместо формирования только дополнительного слоя 650 на задней подложке 640, также может быть сформирован второй металлический слой 635 на дополнительном слое 650 (вместо формирования его поверх первого металлического слоя 630). После формирования набора слоев 650, 635 на задней подложке 640 второй металлический слой 635 может быть соединен с первым металлическим слоем 630, сформированным поверх пьезоэлектрического слоя 622. В этом случае, второй металлический слой 635 будет наложен на дополнительный слой 650 (вместо наложения, например, на первый металлический слой 630, как показано на фиг. 6 и 8B). В Таблице 2 показаны различные варианты выполнения слоев в случае, когда дополнительный слой 650 сформирован на задней подложке 640, и второй металлический слой 635 сформирован на дополнительном слое 650.

Таблица 2 Первый металлический слой 630 (сформирован поверх пьезоэлектрического слоя 622) Второй металлический слой 635 сформирован поверх дополнительного металлического слоя 650 (который сформирован поверх задней подложки 640) Слой Ti+Слой Au Толстый слой Au+Слой Ti Слой Cr+Слой Au Толстый слой Au+Слой Cr Слой Cu+Слой Ni+Слой Au Толстый слой Au+Слой Ni Слой Ti+Слой Au Толстый слой Au+Слой Ti+Слой Al+ Слой TiW Слой Ti+Слой Au Слой Sn+Слой Au+Слой Ti Слой Ti+Слой Pt+Слой Au Слой Au+Слой Pt+Слой Ti

Следует отметить, что, как показано в Таблице 2, вместо формирования первого слоя из Au на одном из слоев дополнительного слоя 650 с последующим формированием второго слоя Au (поверх первого слоя Au) в качестве второго слоя 635, может быть сформирован один толстый слой из Au поверх слоя Ti (дополнительного слоя 650), который сформирован на задней подложке 640. Как и в случае первого ряда в Таблице 1, в варианте выполнения, показанном в ряду один в Таблице 2, слой из Ti сформирован поверх пьезоэлектрического слоя 622, и слой Au сформирован поверх слоя Ti, для формирования первого слоя 630, который затем соединили с толстым слоем Au, сформированным на слое Ti на задней подложки 640. Конечно, и любые другие металлы и комбинации многослойных наборов из металлов также можно использовать для формирования различных слоев, представленных в Таблице 2.

В определенных вариантах выполнения требуется использовать различные формы массивов датчиков. Например, в публикации заявки на патент США № 2007/0013264 автора Wilser, которая приведена здесь полностью в качестве ссылочного материала, описан массив ультразвуковых датчиков на основе емкостной мембраны, сформированный на листах несущих подложек из полупроводникового материала. Два листа подложек разделяют или соединяют, используя мостик из более тонкой подложки, который обеспечивает возможность изгиба. Разделенные или соединенные через тонкую перемычку листы могут быть расположены вдоль жесткой изогнутой поверхности, в результате чего получают изогнутый массив. Листы соединяют с помощью электропроводных взаимных соединений, которые являются достаточно гибкими, с тем, чтобы противостоять этой степени кривизны. Хотя требуемую форму получают путем размещения листов поверх изогнутых поверхностей, тонкие мостики или проводники, которые соединяют эти листы, являются хрупкими. Кроме того, изогнутые поверхности сами по себе являются жесткими, а не гибкими.

В одном варианте выполнения настоящих устройств и систем предусмотрен улучшенный или действительно гибкий массив датчиков, который лучше защищен и может быть сформирован с требуемой формой сам по себе, без необходимости использования жестких поверхностей. Например, массив 300, показанный на фиг. 3, может включать в себя, по меньшей мере, один тонкопленочный гибкий ультразвуковой датчик, выполненный, по меньшей мере, как всенаправленный детектор движения и присутствия. Вместо или в дополнение к гибкому ультразвуковому датчику (датчикам) также может быть предусмотрен, по меньшей мере, один тонкопленочный гибкий пироэлектрический датчик. Комбинация из гибких ультразвуковых и пироэлектрических датчиков обеспечивает меньшее количество нераспознанных объектов или меньшее количество сигналов ложной тревоги, благодаря использованию преимуществ двух типов датчиков, а именно пироэлектрического и ультразвукового датчиков, где пироэлектрический датчик (датчики) основан на детектировании изменения температуры, например, используя инфракрасные (ИК) сигналы (в связи с чем возникает недостаток, связанный с необходимостью обеспечения прямой линии видимости для детектирования ИК сигнала), и где ультразвуковой датчик (датчики) детектирует ультразвуковые сигналы вокруг барьеров и для них не требуется линия прямой видимости.

Гибкость массива ультразвуковых и/или пироэлектрических датчиков обеспечивает возможность реализации массивов в различных формах. Такие гибкие массивы датчиков могут быть сформированы и установлены с любой требуемой формой, например, в форме конуса на потолке. Они обеспечивают всенаправленную передачу и детектирование ультразвуковых и/или ИК сигналов.

Могут быть реализованы варианты выполнения, включающие в себя гибкий массив датчиков для любого типа датчиков, такие как керамические пьезоэлектрические элементы, как показано на фиг. 10, и/или тонкопленочные датчики, как показано, например, на фиг. 11-12.

В частности, на фиг. 10 показан один вариант выполнения гибкого массива 1000 датчиков 1010, содержащих керамические пьезоэлектрические элементы, имеющие слой из пьезоэлектрического материала 1020, размещенный между двумя электродами 1030, 1040. Конечно, если требуется, эти электроды могут быть расположены только с одной стороны пьезоэлектрического материала 1020, аналогично описанному выше, например, со ссылкой на фиг. 2A, 4A, 6 и 8A.

Как показано на фиг. 10, датчики 1010 размещены в виде массива, например в виде колонок и рядов, на гибком носителе 1050, содержащем соединения, представленные как пунктирные линии 1060, которые могут представлять собой проводные соединения или специальную структуру электропроводных дорожек. Взаимное соединение 1060 взаимно соединяет электроды друг с другом или с другими элементами, в соответствии с необходимостью, например для подключения к источникам питания, электронным схемам, контроллерам, транзисторам, переключателям, пассивным или активным устройствам и т.п. Гибкий массив 1000 ультразвуковых датчиков обеспечивает возможность реализации датчиков, имеющих любую требуемую форму для всенаправленного детектирования движения, которые могут включать в себя тонкопленочные ультразвуковые и/или пироэлектрические датчики. Датчики 1010 не обязательно должны быть гибкими и могут быть просто установлены, например, соединены с гибкой фольгой 1050, будучи разделенными зазором 1070, который обеспечивает возможность движения гибкой фольги 1050 и обеспечивает возможность придания формы массиву 1000 с любой требуемой формой.

Следует отметить, что датчики 1010 в варианте выполнения, показанном на фиг. 10, не включают в себя мембрану, и пьезоэлектрические листы 1020 не означают возможность изгиба гибкого носителя 1050. Массив 1010 датчиков выполнен гибким, благодаря использованию гибкого носителя 1050, но жесткость гибкого носителя 1050 обычно слишком мала, чтобы действовать как хорошая мембрана. Однако если требуется, может быть введен элемент (элементы) нарушения симметрии во время изготовления, например предварительный изгиб, таким образом, чтобы преобразовать механическое напряжение в плоскости в изгиб. Кроме того, один необязательный слой 1075 совмещения может быть предусмотрен на нижнем электроде 1030, показанном на фиг. 10, таким образом, например, для широкополосной работы, если акустические импедансы не согласованы, например, пьезоэлектрический материал 1020 выполнен более жестким, чем вода или воздух. Кроме того, слои с промежуточной жесткостью могут быть предусмотрены для увеличения полосы пропускания и для того, чтобы способствовать передаче энергии. Конечно, также можно использовать элементы механического преобразования, такие как мембраны изгиба.

На фиг. 11 представлен другой вариант выполнения массива 1100, где показаны два устройства ультразвуковых датчиков, имеющие тонкопленочные пьезоэлектрические элементы на верхней стороне, установленные на кремниевых частях с или без электронных элементов. Устройства ультразвукового датчика закрыты с обеих сторон гибким слоем, обозначенным номерами 1150, 1155 ссылочных позиций. Гибкий массив 1100 пьезоэлектрических ультразвуковых датчиков реализован с использованием обработки тонкой пленки, как описано выше. На фиг. 11 два тонкопленочных элемента пьезоэлектрического ультразвукового датчика обозначены номерами 1110, 1120 ссылочных позиций. Конечно, любое требуемое количество элементов датчика может быть включено в массив в любой требуемой конфигурации или топологии, например, имеющий одинаковое или разное количество колонок и рядов. Обработка тонких пленок может быть применена для реализации гибкого ультразвукового массива датчиков. В качестве альтернативы, или в дополнение, также может быть реализован гибкий емкостный, сформированный в результате микромеханической обработки массив ультразвуковых датчиков. Такую же технологию, описанную выше в связи с тонкопленочными гибкими ультразвуковыми детекторами, можно использовать для реализации тонкопленочных гибких пироэлектрических детекторов.

В частности, вариант выполнения гибкого массива 1100 датчиков, показанный на фиг. 11, содержит тонкопленочные ультразвуковые датчики, где показаны два датчика 1110, 1120. Датчики 1110, 1120 окружены с обеих сторон первым и вторым гибкими слоями 1150, 1555. На фиг. 11 показан гибкий массив 1100 датчиков с двумя датчиками 1110 и 1120, содержащими полупроводниковые части, такие как кремниевые (Si) части 1130 с интегрированными электронными устройствами или без них, и структуры 1132 взаимного соединения, внедренные в диэлектрические слои поверх кремниевых частей 1130. Линии 1140 взаимного соединения для различных элементов 1142 датчиков содержит распределительный слой взаимного соединения, например, на основе нанесенного способом электролитического покрытия золота (Au). Может быть предусмотрена тонкопленочная мембрана 1186, которая содержит, например, нитрид кремния и/или оксид кремния. На мембране 1186 может быть сформирован тонкопленочный пьезоэлектрический слой 1184. Слой 1182 металлизации, содержащий, например, титан (Ti) и/или Au, может быть нанесен для формирования контакта, для установки пьезоэлектрической части 1184 на части 1130 из кремния, используя, например, ультразвуковое соединение. Этот контакт 1182 также может действовать как контакт заземления. Кроме того, также могут быть сформированы металлические контакты 1188, содержащие, например, слой Ti и/или Au, поверх пьезоэлектрического слоя 1184, и их можно использовать как сигнальную линию. Конечно, вариант выполнения, показанный на фиг. 11, представляет собой один вариант подключения линии заземления и сигнала для возбуждения пьезоэлектрических элементов, но возможны также и другие способы соединения, как будет понятно для специалиста в данной области техники, с учетом настоящего описания.

В дополнение к тому, что они выполнены гибкими, тонкопленочные ультразвуковые массивы датчиков 1100 также защищены двумя слоями 1150, 1555 гибкой фольги с обеих сторон массива. Конечно, в дополнение или вместо тонкопленочных ультразвуковых датчиков можно использовать пироэлектрические датчики.

На фиг. 12 показан другой вариант выполнения гибкого массива 1200, состоящего из двух или больше ультразвуковых датчиков 1210, 1220, где каждый датчик может быть аналогичен ультразвуковому датчику 800, например, описанному со ссылкой на фиг. 8A. Как показано на фиг. 12, задняя подложка 1240 каждого ультразвукового датчика 1210, 1220 закреплена, например изогнута на гибком листе 1250 из фольги или полимера. Задняя подложка 1240 может представлять собой любую соответствующую подложку, например, из стекла и/или полупроводникового материала, такого как кремний (Si), и может представлять собой не только носитель, но также может включать в себя активные и/или пассивные элементы, такие как транзисторы, переключатели, усилители и требуемые электронные устройства для управления этими датчиками и обеспечения их работы.

Следует отметить, что задние подложки 1240 двух датчиков 1210, 1220 не соединены друг с другом непосредственно. Скорее задние подложки 1240 соединены с помощью гибкого полимерного слоя 1250, обеспечивая, таким образом, гибкость массива 1200 датчиков, который может быть сформирован с приданием любой требуемой формы.

Следует также отметить, что по сравнению с датчиком, выполненным с возможностью использования в негибком массиве, таком как датчик 800, показанный на фиг. 8A, датчики 1210, 1220 имеют более тонкую заднюю подложку 1240. Элементы датчика, такие как мембрана (мембраны) 1230, пьезоэлектрический слой 1222 и электроды 1242, установлены на тонкой задней подложке 1240, которая может быть утончена, например, вплоть до кремниевой подложки. Уменьшенная толщина задней подложки 1240 и разделение или зазор 1260 между подложками 1240 датчика 1210, 1220 улучшают гибкость массива 1200.

На кремниевой подложке 1240 могут быть сформированы изолированные переходные отверстия 1270 для взаимного соединения датчиков 1210, 1220 с различными элементами, включающими в себя схемы питания и заземление. Различные элементы, столь же необходимые, такие как пассивные элементы и активные компоненты, схемы и т.д., могут быть обработаны на задней подложке 1240, или в, или на гибкой фольге 1250, которая содержит многослойные взаимные соединения для передачи сигналов и соединения с заземлением. Для реализации гибкого устройства мембраны 1230 между различными датчиками 1210, 1220 разделены. Вместо или в дополнение к гибким ультразвуковым датчикам также могут быть сформированы пироэлектрические гибкие тонкопленочные датчики. Следует отметить, что все другие технологии, представленные выше, также можно использовать для реализации комбинаций массивов гибких ультразвуковых датчиков и пироэлектрических датчиков.

На фиг. 12 также показаны опорные держатели 822, 824, как описано со ссылкой на фиг. 8A, где опорные держатели 822, 824 могут быть сформированы поверх пьезоэлектрической области 622 и могут включать в себя два металлических слоя 870, 860, которые аналогичны, например, описанным со ссылкой на фиг. 8A, а также аналогичны двум металлическим слоям 630, 635, показанным и описанным со ссылкой на фиг. 6. Конечно, дополнительные металлические слои также могут быть включены в опорные держатели 822, 824, такие как дополнительные металлические слои 650, показанные и описанные, например, со ссылкой на фиг. 6.

Следует также отметить, что мембрана 1230, показанная на фиг. 12, может включать в себя различные слои, такие как слой 847 из нитрида кремния, сформированный поверх передней или нижней подложки (которую впоследствии удаляют, как показано пунктирными линиями 615 на фиг. 6), и слой 850 из оксида кремния сформирован поверх слоя 847 нитрида кремния, или комбинации слоев из нитрида кремния и оксида кремния, как показано и описано со ссылкой на фиг. 8A. Конечно, можно использовать любую другую комбинацию слоев мембраны, содержащих оксид кремния, нитриды или многослойные структуры из оксида кремния или многослойные структуры из оксидов и нитридов кремния.

В другом варианте выполнения описанных выше гибких датчиков также может быть установлена очень тонкая задняя подложка 1240, которая может быть представлена, например, как кремниевая подложка толщиной 50 мкм, где могут быть установлены диэлектрические слои и взаимные соединения. Эта подложка 1240 из очень тонкой пленки может затем работать как гибкая подложка, таким образом, что не требуется дополнительный гибкий слой 1250.

Дополнительные варианты выполнения включают в себя комбинацию, по меньшей мере, из одного тонкопленочного пьезоэлектрического ультразвукового датчика и/или массив из пьезоэлектрических датчиков, по меньшей мере, с одним тонкопленочным пироэлектрическим датчиком и/или массив из пироэлектрических датчиков, для детектирования инфракрасного излучения (ИК), которые могут иметь различные варианты применения, например, для детектирования движения и/или присутствия. Как ультразвуковой, так и пироэлектрический датчики могут быть сформированы как тонкие пленки, используя аналогичные процессы, и могут быть сформированы вместе одновременно или параллельно. Пьезоэлектрический материал можно использовать как для генерирования/передачи, так и для приема/детектирования ультразвуковых и инфракрасных сигналов. Конечно, также можно применять различные пьезоэлектрические и пироэлектрические материалы. На следующих чертежах, представленных ниже, показаны различные иллюстративные варианты выполнения комбинированных тонкопленочных ультразвуковых и пироэлектрических детекторов.

На фиг. 13A показан массив 1300, включающий в себя комбинацию из ультразвукового датчика 1310 и пироэлектрического датчика 1320. Конечно, вместо размещения в виде массива, комбинированный ультразвуковой и пироэлектрический датчик может быть установлен как отдельный детектор, или его можно использовать с другими детекторами в любой желательной конфигурации. Ультразвуковой и/или и пироэлектрический датчик, как единый элемент или как массив элементов, обрабатывают на верхней части мембраны 1330, которая может быть, например, выполнена из нитрида кремния или оксида кремния, или из комбинации нитрида кремния и оксида кремния. На фиг. 13A показан слой 850 из оксида кремния, сформированный поверх слоя 847 нитрида кремния, как также описано со ссылкой на фиг. 8A и 12. Конечно, в этом и других вариантах выполнения также можно использовать любой другой материал мембраны, такой как Si или комбинации из слоистого материала мембраны из кремния и оксида кремния (например, SiO₂). Преимущество слоя из оксида и нитрида кремния представляет собой низкую удельную теплоемкость и низкую теплопроводность, что повышает тепловую временную константу пироэлектрического устройства, которая представляет собой время, в течение которого температура улучшения дельта T релаксирует до ее фонового значения.

Интегрирование тонкопленочных ультразвуковых датчиков 1310 рядом с пироэлектрическим детектором 1320 может быть выполнено в различных версиях. Например, задняя подложка 1340 может быть установлена только на части датчика, как показано на фиг. 13A. В альтернативных технологиях, с целью механической стабилизации большой мембраны, которая содержит интегрированный ультразвуковой датчик 1310 и пироэлектрический детектор 1320, установленная задняя подложка 1340 также может покрывать пироэлектрический детектор 1320, как показано на фиг. 13B, где как интегрированный ультразвуковой датчик 1310, так и пироэлектрический детектор 1320 покрыты задней подложкой 1340. В качестве альтернативы, или в дополнение, для стабилизации больших мембран интегрируемых ультразвуковых датчиков 1310 и пироэлектрических детекторов 1320, подложка 210' из Si под мембраной 1330 (например, мембраной из нитрида кремния), может частично оставаться в областях между ультразвуковым датчиком и пироэлектрическими детекторами 1310, 1320, как показано на фиг. 13C. Конечно, любое требуемое количество ультразвуковых датчиков 1310 и пироэлектрических детекторов 1320 может быть интегрировано вместе, где на фиг. 13A-13C показаны два ультразвуковых датчика 1310, расположенных рядом с двумя пироэлектрическими детекторами 1320, показанными с обозначением их A и B.

В этом примере, показанном на фиг. 13A, пьезоэлектрический слой 1322, который может представлять собой нелегированный или легированный La или Mn, титанат-цирконата свинца, обрабатывают поверх мембраны 1330. Между мембраной 1330 и пьезоэлектрическим слоем 1322 может быть нанесен барьерный слой 1317, аналогичный барьерному слою, обозначенному номером 230 ссылочной позиции на фиг. 2A, и номером 617 ссылочной позиции на фиг. 6, и может представлять собой оксид титана или оксид циркония (например, TiO₂ или ZrO₂).

Пьезоэлектрический слой 1322 используется так же как материал пироэлектрического датчика в пироэлектрическом детекторе 1320, который сформирован и обработан рядом с ультразвуковым датчиком 1310. Преимущество использования пироэлектрического детектора 1320, изолированного от других элементов (например, других датчиков) на свободной мембране 1330, состоит в том, что элементы являются теплоизолированными. Благодаря наличию теплоизолированного пироэлектрического детектора (детекторов) 1320, предотвращается снижение температуры из-за теплопроводности через подложку. Пьезоэлектрический или пироэлектрический слой 1322 типично имеет толщину 1-6 мкм. Пьезоэлектрический/пироэлектрический слой 1322 может быть структурирован для исключения перекрестных наводок между элементами 1310 ультразвукового датчика массива 1300, а также между ультразвуковыми и пироэлектрическими устройствами или элементами 1310, 1320.

Наносят верхние электроды 1342 (аналогично электроду 1242 на фиг. 12 и/или чередующимся электродам 840, 845, показанным на фиг. 8A), которые могут быть изготовлены из титана (Ti), с толщиной приблизительно 50 нм, и золота (Au) толщиной приблизительно 1 мкм. Однако другие материалы также можно использовать в качестве электродов, такие как электроды из никеля/хрома (Ni/Cr), которые обеспечивают оптимальное поглощение инфракрасного излучения. Электроды 1342 структурированы так, что они формируют электроды для ультразвуковых датчиков 1310, а также электроды для устройств 1320 пироэлектрического детектора. В качестве альтернативы, электроды для ультразвуковых датчиков 1310 могут быть изготовлены из Ti/Au так, чтобы они имели оптимальные электроды для ультразвуковой связи с пресс-формами подложки, и электроды для инфракрасных датчиков 1320 могут быть сформированы из Ni/Cr. Ni/Cr может быть помещен в том же слое, который используют в качестве слоя адгезии для более толстых металлов ультразвукового датчика.

Каждый пироэлектрический элемент 1320 может иметь чередующиеся верхние электроды, как показано на фиг. 2B, обозначенные номерами 1342 ссылочных позиций на фиг. 13A. Для повышения чувствительности они формируют два датчика. Один датчик облучают инфракрасным светом, например, через объектив, в то время как второй датчик не освещают. Дифференциальный сигнал обозначает любое изменение инфракрасного излучения, в то время как медленные изменения в соответствии с окружающей температурой взаимно компенсируются. В качестве оптической системы, предназначенной для оптимизации сигналов, включая в себя отношение сигнал/шум, можно использовать линзы Френеля. В пироэлектрическом или пьезоэлектрическом материале 1322 могут быть сформированы полюса путем приложения поля постоянного тока (ПостТ) при повышенных температурах, таких как 180°C. Повышение температуры в одном пироэлектрическом элементе 1320 под воздействием инфракрасного излучения, сфокусированного на этом одном пироэлектрическом элементе 1320, можно использовать для детектирования движения. Изменение температуры пироэлектрического элемента 1320 уменьшает изменение поляризации пироэлектрического элемента 1320 и, следовательно, также приводит к высвобождению зарядов на поверхности. Эти заряды приводят к повышению напряжения, которое считывают с помощью предварительного усилителя, что обозначает движение (или изменение температуры).

Как также хорошо известно, объектив 1380 может быть предусмотрен перед мембраной 1330 пироэлектрического элемента 1320 для приема инфракрасного излучения 1385. Объектив 1380 может быть изолирован от мембраны 1330, для уменьшения теплопроводности и может быть выполнен с возможностью направленного приема инфракрасного излучения 1385 из требуемого направления. Ультразвуковые волны, которые могут быть переданы или могут быть приняты ультразвуковым датчиком 1310, показаны как стрелка 1387 на фиг. 13A.

Для обеспечения требуемых рабочих характеристик возможно использование других конструкций. В одной версии два пироэлектрических элемента могут быть разработаны последовательно и могут иметь противоположную полярность. Такая компоновка из двойного элемента может использоваться для компенсации изменений фоновой температуры, которая нагревает оба элемента одновременно. Помимо конструкции из двойных элементов, показанной на фиг. 13B-13C, можно использовать другие конструкции, в которых используется любое требуемое количество пироэлектрических элементов, например четыре элемента или больше.

Другие устройства, схемы и электронные схемы могут быть предусмотрены, такие как интегрированные схемы на подложке 1340. Электронные компоненты, такие как усилитель, который может быть выполнен на основе FET (ПТ, полевой транзистор) 1390, могут быть установлены отдельно на печатной плате 1395 и соединены проводами с устройством, содержащим ультразвуковые датчики и пироэлектрические датчики. Один пример показан на фиг. 13A. Также может быть сформирован любой другой многослойный набор из систем. Например, альтернативный вариант выполнения показан на фиг. 13B, где подложка 1340 установлена на ультразвуковых датчиках/массиве и также продолжается поверх них и используется для защиты пироэлектрических датчиков/массива. Конечно, можно сформировать любой другой требуемый многослойный набор. На фиг. 13C показан дополнительный вариант выполнения, где передняя подложка 210' удалена под мембраной, таким образом, что она формирует держатель 210" между пьезоэлектрическим ультразвуковым датчиком или массивами датчиков и пироэлектрическими датчиком или массивами датчиков.

Таким образом, массив детекторов может включать в себя только ультразвуковые детекторы, только инфракрасные детекторы или комбинацию ультразвуковых и инфракрасных детекторов, используя любое требуемое количество или комбинацию детекторов, где любое требуемое количество инфракрасных элементов может быть сформировано рядом с ультразвуковыми элементами для формирования комбинированных массивов, которые можно использовать как для ультразвуковой, так и для инфракрасной передачи, детектирования и формирования изображения. Такие комбинированные ультразвуковые и инфракрасные датчики могут быть сформированы с использованием тонкопленочной обработки, где электроды могут быть расположены на одной стороне или на противоположных сторонах пьезоэлектрического материала, аналогично тому, как описано выше, например, со ссылкой на фиг. 2A-8D.

В другом варианте выполнения массива 1400, показанного на фиг. 14A, схема, такая как усилитель 1390, может быть установлена с использованием монтажа типа перевернутой микросхемы или проводного соединения 1495, рядом с датчиком и пироэлектрическими элементами 1310, 1320 на носителе или на передней подложке 210', для получения системы с пакетным решением. Такой носитель 210', который типично представляет собой носитель из Si, также может содержать другие элементы, функции и устройства, например, такие как резисторы. Следует отметить, что носитель или передняя подложка 210' из Si аналогична передней подложке 210, показанной на фиг. 2A, 2C. Таким образом, массив ультразвуковых детекторов, по существу, с миниатюрным низким профилем и массив пироэлектрических детекторов могут быть получены, как показано на фиг. 14A. Аналогично фиг. 13B, как показано на фиг. 14B, задняя подложка 1340 может быть расширена и может использоваться для защиты также пироэлектрических датчиков. В качестве альтернативы, как показано на фиг. 14C, для поддержания устройства, передняя подложка 210' может быть структурирована таким образом, чтобы сформировать держатель 210", который разделяет пьезоэлектрические ультразвуковые датчики и пироэлектрические датчики, аналогично тому, что было описано со ссылкой на фиг. 13C.

В другом альтернативном варианте выполнения массива 1500 датчиков, который показан на фиг. 15, может быть достигнута даже дополнительная миниатюризация путем интеграции микросхем, таких как усилитель, который может быть выполнен, например, на основе ПТ, в передней подложке 210' Si, которая аналогична передней подложке 210, показанной на фиг. 2A, 2C. Это отличается от не интегрированного усилителя, который может быть выполнен как отдельное устройство и может быть подключен или установлен на датчике с использованием любого средства, такого как монтаж типа перевернутой микросхемы или соединение 1495 с помощью проводов, как описано со ссылкой на фиг. 14A. Как также описано со ссылкой на фиг. 2A, 2C, передняя подложка 210, 210' используется как носитель для формирования и структурирования на ней различных слоев, для реализации ультразвукового датчика и/или пироэлектрического датчика. Как описано выше, участки передней подложки удаляют (например, для формирования отверстия 260, показанного на фиг. 2A, 2C), оставляя, таким образом, участи 210, 210' подложки. Взаимные соединения 1515 могут быть предусмотрены в соответствии с необходимостью, например, между электродами 1342 и ПТ, интегрированным в переднюю подложку 210' из Si.

В качестве альтернативы, аналогично описанному со ссылкой на фиг. 13B и 14B, заднюю подложку 1340 можно использовать не только для установки на один пьезоэлектрический датчик, но она также может быть расширена на пироэлектрические датчики и может использоваться для защиты пироэлектрических датчиков, как показано на фиг. 15B. Затем передняя подложка 210' может быть структурирована таким образом, чтобы она разделяла пьезоэлектрические ультразвуковые датчики и пироэлектрические датчики, как показано на фиг. 15C, и аналогично, как показано на фиг. 13C и 14C.

Следует понимать, что приведенное выше описание различных вариантов выполнения, представляющих электроды на одной стороне пьезоэлектрического слоя (называется режим d33), в равной степени применимо для вариантов выполнения, работающих в режиме d31, где электроды расположены на противоположных сторонах пьезоэлектрического слоя, как показано и описано со ссылкой на фиг. 5 и 8B-8C.

Например, в варианте выполнения массива 1600 датчиков, показанного на фиг. 16, ультразвуковой датчик 1610 работает в режиме d31 (в отличие от предыдущего варианта выполнения, показанного на фиг. 12-15, например, который работает в режиме d33). В режиме d31 электроды для активации пьезоэлектрического слоя предусмотрены на противоположных сторонах пьезоэлектрической пленки. Такая конструкция имеет преимущество, состоящее в том, что датчики могут работать с более низкими напряжениями. Ультразвуковой датчик 1610 может быть сформирован аналогично описанному выше, такому как описано со ссылкой на фиг. 2C, 5 и 8B-8C.

В другом варианте выполнения массива 1600, показанного на фиг. 16A, в дополнение к ультразвуковому датчику 1610, имеющему электроды с обеих сторон пьезоэлектрических областей 1621, элементы 1620 пироэлектрического детектора также обрабатывают как плоскостные конденсаторы с электродами, расположенными на противоположных сторонах пироэлектрического слоя 1622. Пироэлектрический ИК датчик 1620 может быть реализован путем формирования первого или переднего электрода 1642 поверх мембраны 1330, которая установлена на полной передней подложке 210' (то есть до удаления участка 210' подложки, например, чтобы открыть мембрану 1330, аналогично описанному выше, так, как представлено на фиг. 2C, 5 и 8B-8C). Затем пироэлектрический пьезоэлектрический слой 1622 формируют поверх переднего электрода 1642, и второй или задний электрод 1644 формируют поверх пьезоэлектрического слоя 1622, и структурируют в соответствии с потребностью. Участки передней подложки 210' удаляют после этого, в соответствии с необходимостью, например, чтобы открыть мембрану 1330, и участки мембраны 1330 удаляют в соответствии с необходимостью, чтобы открыть передний электрод 1642, который может быть структурирован в соответствии с необходимостью. Затем объектив 1380 может быть предусмотрен на одном из участков переднего электрода 1642, где этот объектив может быть теплоизолирован.

В пироэлектрических/пьезоэлектрических областях и в слое 1621, 1622 могут быть сформированы полюса путем приложения постоянного электрического поля и при повышенных температурах, например, таких как 100-300°C (например, 180°C). Поляризация пироэлектрических, пьезоэлектрических слоев 1621, 1622 направлена перпендикулярно слоям 1621, 1622. Два или больше пироэлектрических элемента с поляризацией, противоположной друг другу, могут быть расположены последовательно. Изменение поляризации элементов из-за изменения температуры в результате инфракрасного излучения считывают с помощью предварительного усилителя, который может представлять собой усилитель на основе ПТ и может быть либо интегрирован в переднюю кремниевую подложку 210', или установлен/подключен к датчикам, наряду с любыми другими требуемыми электронными компонентами и схемами. Таким образом, электронные схемы, включающие в себя ПТ, могут быть реализованы, например, на отдельной печатной плате (pcb, пп), и/или установлены с использованием проводного соединения или монтажа типа "перевернутая микросхема" на кремниевом носителе 210'. В качестве альтернативы фиг. 16A, мембрана под электродными и пироэлектрическими слоями также не может быть удалена, как показано на фиг. 16B.

Следует отметить, что объектив 1380 инфракрасных детекторов, показанных на различных чертежах, обычно сегментируют на сегменты с различными характеристиками, такими как разная кривизна и разная толщина, аналогично линзам Френеля, где каждый сегмент выполнен с возможностью приема инфракрасного излучения из конкретной области или зоны. Количество и типы сегментов могут изменяться в зависимости от области охвата, где типично более широкая область охвата требует большего количества сегментов. В зависимости от размера области охвата, в которой отслеживают инфракрасное излучение, типичный объектив, используемый с инфракрасными детекторами, включает в себя 7-14 сегментов. Такие объективы являются относительно дорогостоящими и затраты увеличиваются при увеличении количества сегментов.

Вместо использования дорогостоящих объективов с множеством сегментов можно использовать массив из тонкопленочных датчиков с объективом, имеющим уменьшенное количество, или в котором отсутствуют сегменты, и также имеющим широкую область охвата. Таким образом, используя массив из тонкопленочных датчиков, обеспечивается возможность более простого по конструкции объектива, что уменьшает толщину, обеспечивая, таким образом, компактные устройства, а также снижает затраты. Например, инфракрасный датчик движения/присутствия, для установки его на потолке, может иметь 4 элемента или датчика (счетверенное устройство) и объектив с 14 сегментами для обеспечения 4 × 14 или 56 областей детектирования. Вместо этого инфракрасный пироэлектрический датчик может содержать 14 элементов или датчиков, и объектив может иметь только 4 сегмента, и все же может иметь то же количество областей детектирования, а именно в 14 × 4 или 56 областей детектирования.

В другом примере, показанном на фиг. 17A-17C, ультразвуковой датчик 1310, работающий в режиме d33 или d31, использует пьезоэлектрический тонкопленочный слой со специальной композицией, и пироэлектрический детектор 1320 использует другой выделенный слой со специальной композицией, которая отличается от композиции пьезоэлектрического тонкопленочного слоя ультразвукового датчика 1310. В этих вариантах выполнения интегрированные ультразвуковые и пироэлектрические/инфракрасные (ИК) устройства, показанные на фиг. 17A-17C, интегрированные ультразвуковые датчики 1310 могут иметь специализированную пьезоэлектрическую композицию с легированным La титаната-цирконата свинца, и интегрированные инфракрасные детекторы 1320 могут иметь специализированную пироэлектрическую композицию из титаната-цирконата свинца, легированного La, Mn.

Один иллюстративный пример или вариант выполнения представлен на фиг. 17A. В данном варианте выполнения показана система ультразвукового датчика или массива из ультразвуковых датчиков и пироэлектрического датчика или массивов из пироэлектрических датчиков, аналогично фиг. 13A.

Пьезоэлектрические ультразвуковые датчики в данном примере работают в режиме d33.

Поверх участка мембраны 1330, который может представлять собой, например, нитрид кремния и оксид кремния, но также и любые другие мембраны, уложенные в виде многослойного набора, нанесен пьезоэлектрический слой 1322, например слой из титаната-цирконата свинца, легированного лантаном (La), и структурирован таким образом, что он имеется только в области, где работает ультразвуковой датчик. С другой стороны часть мембраны 1330, где расположен пироэлектрический датчик или массив датчиков, пироэлектрический тонкопленочный слой 1722 нанесен поверх мембраны 1330. Пироэлектрический тонкопленочный слой может представлять собой, например, слой титаната-цирконата свинца, легированного лантаном и марганцем (Mn).

На фиг. 17B и 17C показана модификация фиг. 17A, где, аналогично фиг. 13A-13C, установленная задняя подложка 1340 продолжается так, что она закрывает ультразвуковой датчик (датчики) и пироэлектрический датчик (датчики), как показано на фиг. 17B. На фиг. 17C область ультразвукового датчика со специализированным пьезоэлектрическим тонкопленочным материалом отделена от области пироэлектрического датчика, путем формирования структуры передней подложки 210', аналогично тому, как описано со ссылкой на фиг. 13C, 14C и 15C.

В конечном итоге, приведенное выше описание предназначено только для иллюстрации настоящей системы, и его не следует рассматривать как ограничение приложенной формулы изобретения каким-либо конкретным вариантом выполнения или группой вариантов выполнения. Таким образом, хотя настоящая система была описана с определенными подробностями, со ссылкой на конкретные примерные варианты ее выполнения, следует также понимать, что различные модификации и альтернативные варианты выполнения могут быть разработаны специалистами в данной области техники, без выхода за пределы широкой и намеченной сущности и объема настоящей системы, которые представлены в следующей формуле изобретения. Описание и чертежи, соответственно, следует рассматривать как иллюстрацию, а не как попытку ограничить объем приложенной формулы изобретения.

При интерпретации приложенной формулы изобретения следует понимать, что:

a) слово "содержащий" не исключает присутствие других элементов или действий, кроме представленных в виде списка в данном пункте формулы изобретения;

b) слово "a" или "an" перед элементом не исключает присутствие множества таких элементов;

c) любой номер ссылочной позиции в формуле изобретения не ограничивает его объем;

d) несколько "средств" могут быть представлены одинаковым или разным элементом, или структурой или функцией, воплощенной в виде аппаратных или программных средств;

e) любой из раскрытых элементов может состоять из аппаратных участков (например, включающих в себя дискретные и интегрированные электронные схемы), программных участков (например, компьютерной программы) и любой их комбинации;

f) аппаратные участки могут состоять из одного или двух аналоговых и цифровых участков;

g) любое из раскрытых устройств или его участков могут быть скомбинированы вместе или разделены на несколько участков, если только не будет конкретно указано обратное;

h) ни одна из конкретных последовательностей или действий, или этапов не считается необходимой, если только это не будет специально указано; и

i) термин "множество" элементов включает в себя два или больше из заявленных элементов, и не подразумевает какой-либо конкретный диапазон количества элементов; то есть множество элементов может быть настолько мало, как два элемента, и может включать в себя неизмеримое количество элементов.

Использование: для детектирования присутствия. Сущность: заключается в том, что предусмотрен датчик (800), в котором мембрана (830) сформирована поверх передней подложки (615); и пьезоэлектрический слой (820) сформирован поверх мембраны (830) на активном участке (821), и периферийные участки расположены рядом с активным участком (821). Структурированный электропроводный слой, включающий в себя первый и второй электроды (840, 845), сформирован поверх пьезоэлектрического слоя (820). Кроме того, предусмотрена структура задней подложки, имеющей держатели (822, 824), расположенные на периферийных участках, прилегающих к активному участку (821). Высота (826) держателей (822, 824) больше, чем комбинированная высота (828) структурированного пьезоэлектрического слоя и структурированного электропроводного слоя. Множество датчиков может быть соединено для формирования массива, где контроллер может быть предусмотрен для управления массивом, например для управления лучом массива, и обработки сигналов, принимаемых массивом, для детектирования присутствия или движения, и/или, например, формирования изображения. Технический результат: обеспечение возможности создания улучшенных миниатюрных датчиков, которые являются более тонкими, менее объемными и гибкими, а также более простыми при производстве и имеют при этом высокие электроакустические рабочие характеристики. 10 н. и 27 з.п. ф-лы, 2 табл., 32 ил.

1. Способ формирования ультразвукового датчика (800), содержащий следующие действия:
формируют мембрану (830) поверх передней подложки (615);
формируют пьезоэлектрический слой (820) поверх мембраны (830);
формируют структурированный электропроводный слой, включающий в себя первый и второй электроды (840, 845), поверх активного участка (821) пьезоэлектрического слоя (820); и
формируют структуру задней подложки, имеющую держатели (822, 824), расположенные на соседних сторонах активного участка (821).

2. Способ по п.1, в котором высота держателя (826) из держателей (822, 824) больше, чем комбинированная высота (828) пьезоэлектрического слоя и структурированного электропроводного слоя.

3. Способ по п.1, в котором действие формирования задней подложки включает в себя следующие действия:
формируют держатели (822, 824) на задней подложке (640); и
закрепляют держатели (822, 824) к местам, прилегающим к активному участку (821).

4. Способ по п.3, в котором действие формирования держателей (822, 824) включает в себя, по меньшей мере, одно из действий:
формируют, по меньшей мере, один электропроводный слой (650) на задней подложке (640) для формирования держателей (822, 824); и
локально вытравливают заднюю подложку (640) между держателями (822, 824).

5. Способ по п.1, в котором действие формирования задней подложки включает в себя следующие действия:
формируют дополнительный слой (870) на держателях (822, 824) для увеличения толщины держателей (822, 824) за пределы общей толщины пьезоэлектрического слоя и структурированного электропроводного слоя, причем держатели включают в себя участки пьезоэлектрического слоя и структурированного электропроводного слоя; и
устанавливают заднюю подложку (640) на дополнительном слое (870) держателей (822, 824).

6. Способ по п.1, дополнительно содержащий действие полного или частичного удаления передней подложки (615).

7. Способ по п.1, в котором действие формирования мембраны (830) включает в себя следующие действия:
формируют слой (847) из нитрида кремния поверх передней подложки (615); и
формируют слой (850) оксида кремния поверх слоя (847) из нитрида кремния.

8. Способ по п.1, дополнительно содержащий действие: делят активный участок (821) на сегменты, которые соединяют последовательно с использованием емкостной связи между наложенными друг на друга нижним и верхним электродами (890, 895).

9. Способ по п.8, дополнительно содержащий действие: соединяют резисторы (891, 893) с перекрывающимися нижним и верхним электродами (890, 895) для подачи напряжения смещения.

10. Способ формирования ультразвукового датчика (800), содержащий следующие действия:
формируют мембрану (830) поверх передней подложки (615);
формируют пьезоэлектрический слой (820) поверх мембраны (830) на активном участке (821) и периферийных участках, расположенных прилегающими к активному участку (821);
формируют структурированный электропроводный слой поверх пьезоэлектрического слоя (820); и
формируют структуру задней подложки, имеющую держатели (822, 824), расположенные на прилегающих сторонах активного участка (821).

11. Способ по п.10, в котором высота (826) держателя из держателей (822, 824) больше, чем комбинированная высота (828) пьезоэлектрического слоя и структурированного электропроводного слоя.

12. Способ по п.10, в котором действие формирования задней подложки включает в себя следующие действия:
формируют электропроводный слой (870) на задней подложке (615); и
прикрепляют электропроводный слой (870) к держателям (822, 824).

13. Способ по п.10, в котором действие формирования задней подложки включает в себя следующие действия:
формируют дополнительный слой (870) на держателях (822, 824) для увеличения толщины держателей (822, 824) за пределы общей толщины пьезоэлектрического слоя и структурированного электропроводного слоя, причем держатели включают в себя участки пьезоэлектрического слоя и структурированного электропроводного слоя;
устанавливают заднюю подложку (640) на дополнительном слое (870) держателей (822, 824); и
вытравливают канавки в задней подложке (640) в областях, где держатели (822, 824) не применяются.

14. Способ по п.10, в котором действие формирования структурированного электропроводного слоя включает в себя: формируют первый и второй электроды (840, 845) поверх активного участка (821) структурированного пьезоэлектрического слоя (820).

15. Способ по п.10, дополнительно содержащий действие формирования дополнительного структурированного электропроводного слоя (840′), в котором пьезоэлектрический слой (820) зажат между структурированным электропроводным слоем и дополнительным структурированным электропроводным слоем.

16. Способ по п.10, в котором действие формирования мембраны (830) включает в себя следующие действия:
формируют слой (847) из нитрида кремния поверх передней подложки (615); и
формируют слой (850) из оксида кремния поверх слоя (847) из нитрида кремния.

17. Способ по п.10, дополнительно содержащий действие:
делят активный участок (821) на сегменты, которые соединены последовательно с помощью емкостной связи между перекрывающимися нижним и верхним электродами (890, 895).

18. Ультразвуковой датчик (800), содержащий:
мембрану (830), выполненную с возможностью изменения формы в ответ на силу;
пьезоэлектрический слой (820), сформированный поверх мембраны (830);
первый и второй электроды (840, 845), находящиеся в контакте с пьезоэлектрическим слоем (820), в котором электрическое поле между первым и вторым электродами (840, 845) пропорционально механическому движению пьезоэлектрического слоя (820);
первый и второй держатели (822, 824) расположены на периферийных сторонах пьезоэлектрического слоя (820); и
подложку (640), поддерживаемую упомянутыми первым и вторым держателями (822, 824).

19. Датчик по п.18, в котором высота (826) держателя из первого и второго держателей (822, 824) больше, чем первая комбинированная высота (828) пьезоэлектрического слоя и первого электрода, когда первый и второй электроды сформированы на одной стороне пьезоэлектрического слоя, и в котором высота держателя больше, чем вторая комбинированная высота пьезоэлектрического слоя и первого и второго электродов, когда первый и второй электроды сформированы на противоположных сторонах пьезоэлектрического слоя.

20. Датчик по п.18, в котором первый и второй держатели (822, 824) включают в себя пьезоэлектрический материал из пьезоэлектрического слоя и электропроводный материал из первого и второго электродов.

21. Датчик по п.18, в котором мембрана (830) содержит слой (850) из оксида кремния, расположенный поверх слоя (847) из нитрида кремния, пьезоэлектрический слой (820), расположенный поверх слоя (850) из оксида кремния.

22. Датчик по п.18, дополнительно содержащий барьерный слой (617), в котором мембрана (830) содержит слой (850) оксида кремния, сформированный поверх слоя (847) нитрида кремния (847); причем барьерный слой (617) расположен поверх слоя (850) оксида кремния, и пьезоэлектрический слой расположен поверх барьерного слоя (617).

23. Массив, содержащий датчик по п.18.

24. Сенсор для детектирования присутствия, содержащий ультразвуковой датчик по п.18.

25. Сенсор движения для детектирования присутствия, содержащий ультразвуковой датчик по п.18.

26. Сенсор формирования изображения для формирования изображения в режиме реального времени, содержащий ультразвуковой датчик по п.18.

27. Массив (1100, 1200) датчиков, содержащий:
по меньшей мере, два тонкопленочных элемента (1210, 1220) датчиков, имеющих пьезоэлектрический слой (1222), по меньшей мере, два электрода (1242) и мембрану (1230), мембрана (1230) выполнена с возможностью изменения формы в ответ на силу; и
гибкую фольгу (1150, 1250);
в котором, по меньшей мере, два тонкопленочных элемента (1210, 1220) датчика соединены с гибкой фольгой (1150, 1250) на первой стороне массива датчиков.

28. Массив (1100, 1200) датчиков по п.27, дополнительно содержащий дополнительную гибкую фольгу (1155) на второй стороне элементов (1110, 1120) ультразвукового датчика таким образом, что гибкая фольга (1150) и дополнительная гибкая фольга (1155), по существу, закрывают первую сторону и вторую сторону массива датчиков.

29. Массив (1100, 1200) датчиков по п.27, в котором гибкая фольга (1250) закреплена на полупроводниковой подложке (1240) элементов (1210, 1220) ультразвукового датчика, причем полупроводниковая подложка (1240) имеет уменьшенную толщину и включает в себя, по меньшей мере, одно изолированное переходное отверстие (1270), предназначенное для соединения элементов (1210, 1220) ультразвукового датчика с дополнительными элементами.

30. Массив (1100, 1200) датчиков по п.27, дополнительно содержащий элемент тонкопленочного пироэлектрического датчика.

31. Массив (1100, 1200) датчиков по п.27, дополнительно содержащий подложку (1240), расположенную между держателями и периферией, по меньшей мере, одного из, по меньшей мере, двух тонкопленочных элементов датчика.

32. Массив (1100, 1200) датчиков по п.27, дополнительно содержащий держатель (210"), расположенный, по меньшей мере, между двумя тонкопленочными элементами ультразвукового датчика на стороне мембраны (1230), противоположной пьезоэлектрическому слою (1222).

33. Массив (1100, 1200) датчиков по п.27, дополнительно содержащий тонкопленочный элемент пироэлектрического датчика, массив датчиков дополнительно содержит держатель (210"), расположенный между, по меньшей мере, одним из, по меньшей мере, тонкопленочных элементов ультразвукового датчика и тонкопленочных элементов пироэлектрического датчика на стороне мембраны (1230), противоположной пьезоэлектрическому слою (1222).

34. Массив (1100) датчика, содержащий:
по меньшей мере, два тонкопленочных элемента (1010) ультразвукового датчика, имеющих пьезоэлектрический слой (1020), зажатый, по меньшей мере, между двумя электродами (1030, 1040); и гибкий носитель (1050);
при этом, по меньшей мере, два тонкопленочных элемента (1010) ультразвукового датчика закреплены на гибкой фольге (1050) на первой стороне массива датчиков и разделены зазором (1070) для увеличения движения гибкой фольги (1050) и обеспечения возможности формирования массива (1000).

35. Устройство, содержащее:
массив ультразвуковых датчиков, имеющий, по меньшей мере, два тонкопленочных элемента ультразвукового датчика с пьезоэлектрическим слоем;
пироэлектрический массив, имеющий, по меньшей мере, два тонкопленочных пироэлектрических детектора с пироэлектрическим слоем; и
по меньшей мере, два электрода;
пьезоэлектрический слой и пироэлектрический слой зажаты между, по меньшей мере, двумя электродами.

36. Устройство по п.35, дополнительно содержащее гибкую фольгу, при этом массив ультразвуковых датчиков и пироэлектрический массив установлены на гибкой фольге.

37. Устройство по п.36, при этом массив ультразвуковых датчиков и пироэлектрический массив разделены так, что открыт участок гибкой фольги так, что гибкость повышается.