力测量和触摸感测集成电路器件的制作方法

背景技术：：：压电微机械超声换能器(pmut)的制造可以与cmos半导体工艺集成。pmut可以通过mems处理来制造，并且包括处于压电电容器配置的压电层，该压电电容器配置包括在压电层的一侧上的一个电极和在压电层的另一侧上的另一电极。例如，pmut可以被配置为发送器(超声发送器)或接收器(超声接收器)。所得的集成电路可以是触摸感测集成电路，并且可以包括半导体基板(通常是硅基板)、半导体基板上的信号处理电路以及覆于半导体基板上的一个或多个pmut。可以通过将pmut电极连接到半导体基板上的信号处理电路来实现高集成度。在某些用例(usecase)中，上述触摸感测集成电路被处理成集成电路封装。ic封装通常在pmut的顶部包含环氧粘合剂。ic封装与具有暴露的外表面并具有内表面的覆盖层结合，ic封装通过另一粘合剂附接到该内表面。在这样的用例中，触摸感测集成电路可以用于检测诸如人的手指等指头(digit)对暴露的外表面的触摸。然而，为了获得更好的功能性和辨别力，期望一种能够同时检测触摸并测量施加力的集成电路器件。技术实现要素：在一方面，力测量和触摸感测集成电路器件包括半导体基板、覆于半导体基板上的薄膜压电叠层、压电微机械测力元件(pmfe)和压电微机械超声换能器(pmut)。薄膜压电叠层包括压电层。pmfe和pmut沿薄膜压电叠层位于相应的横向位置处，使得pmfe和pmut中的每一个包括薄膜压电叠层的相应部分。在另一方面，每个pmut具有：(1)腔体；(2)薄膜压电叠层的相应部分；(3)在薄膜压电叠层的一侧上的第一pmut电极；以及(4)在薄膜压电叠层的另一侧上的第二pmut电极。腔体位于薄膜压电叠层和半导体基板之间。pmut包括发送器和接收器。发送器被配置为在相应的pmut电极之间施加电压信号时，沿大致正交于压电层的法线方向并且远离腔体以纵向模式发送超声信号。接收器被配置为响应于沿法线方向到达的超声信号，输出相应的pmut电极之间的电压信号。在又一方面，每个pmfe具有：(1)薄膜压电叠层的相应部分；(2)在薄膜压电叠层的一侧上的第一pmfe电极；以及(3)在薄膜压电叠层的另一侧上的第二pmfe电极。每个pmfe被配置为根据由低频机械变形导致的压电层的相应部分处的时变应变，输出pmfe电极之间的电压信号。本发明的以上发明内容并非旨在描述本发明的每个公开的实施例或每个实现方式。下面的描述更具体地举例说明了说明性实施例。在整个申请的几个地方，通过示例提供了指导，这些示例可以以各种组合的方式使用。在列表的每个实例中，列举的列表仅用作代表组，而不应解释为排他性列表。附图说明结合附图考虑以下对本公开的各种实施例的详细描述，可以更完全地理解本公开，附图中：图1是包括至少一个力测量、触摸感测集成电路器件的说明性装置的示意图。图2是力测量、触摸感测集成电路器件的示意性截面图。图3是图2的力测量、触摸感测集成电路器件的特定部分的示意性截面图。图4是薄膜压电叠层的可变形部分的示意性截面图。图5、图6和图7是pmut发送器的示意性截面图。图8、图9和图10是pmut接收器的示意性截面图。图11是压电微机械测力元件(pmfe)的示意性截面图。图12、图13和图14是彼此附接并经受变形的力测量、触摸感测集成电路器件和覆盖层的示意性侧视图。图15、图16和图17是力测量、触摸感测集成电路器件的mems部分的示意性俯视图。图18、图19、图20、图21和图22是pmut阵列的示意性俯视图。图23是根据本发明的制造集成电路器件和装置的过程的流程图。图24是根据本发明的力测量、触摸感测集成电路器件的电子框图。图25是成组(成对)的压电微机械测力元件(pmfe)的示意性截面图。图26是示出根据本发明的集成电路器件中的图25的pmfe对与相关信号处理电路的电连接的框图。图27是示出根据本发明的集成电路器件中的成组的pmfe与相关信号处理电路的电连接的框图。图28是pmut的示意性俯视图，示出了外部电极和释放孔。图29是示出根据本发明的集成电路器件中的图26的pmut与相关信号处理电路的电连接的框图。图30、图31、图32、图33和图34是力测量、触摸感测集成电路器件和关联电路的不同实现方式的框图。图35是示出了在较长的时间段内示例pmut数字数据的图形曲线图的图。图36是示出了在较短的时间段内示例pmut数字数据的图形曲线图的图。图37和图38是分别示出了响应于示例触摸事件的pmut数字数据和pmfe数字数据的图形曲线图的图。具体实施方式本公开涉及力测量和触摸感测集成电路器件以及结合了该器件的装置。在本公开中：词语“优选的”和“优选地”是指在某些情况下可以提供某些益处的本发明的实施例。然而，在相同或其他情况下，其他实施例也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施例的叙述并不意味着其他实施例没有用，并且不旨在将其他实施例排除在本发明的范围之外。术语“包括”及其变型在说明书和权利要求书中出现这些术语的地方不具有限制性含义。除非另有说明，否则“一个”、“一种”、“该”和“至少一个”可互换使用并且表示一个或多于一个。通过端点对数值范围的叙述包括该范围内包含的所有数字(例如，1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。对于本文公开的包括离散步骤的任何方法，这些步骤可以以任何可行的顺序进行。适当时，可以同时进行两个或更多个步骤的任意组合。图1是根据本发明的装置100的示意图。在所示的示例中，装置100包括力测量和触摸感测集成电路(fmtsic)器件102、106。我们有时将fmtsic器件称为fmtsic。在其他示例中，装置可以具有单个集成电路器件或多于两个的集成电路器件。fmtsic器件102、106中的每一个具有电互连表面(底表面)101、105和超声透射表面(顶表面)103、107。在所示的示例中，fmtsic器件102、106中的每一个为封装中的半导体裸片的形式。fmtsic器件安装到电互连表面101、105上的柔性电路基板108(例如，fpc或柔性印刷电路)。柔性电路基板108经由连接器116电和机械地连接到印刷电路板(pcb)112。其他ic114安装在pcb112上，例如，这类其他ic114可以是微控制器(mcu)、微处理器(mpu)和/或数字信号处理器(dsp)。这些其他ic114可用于运行程序和算法，以基于从fmtsic器件102、106接收的数据来分析和分类触摸事件。装置100包括具有暴露的外表面124并具有内表面122的覆盖层120。覆盖层120可以是传输超声波的任何结实的层，例如木材、玻璃、金属、塑料、皮革、织物和陶瓷。覆盖层应该是结实的，但是应该具有足够的可变形性，以使覆盖层的变形被传递到fmtsic器件中的pmfe，如图12、图13和图14所示。覆盖层120也可以是任何上述材料的复合叠层。fmtsic器件102、106通过粘合剂的层110粘附或附接到覆盖层120的内表面122。粘合剂110的选择没有特别限制，只要fmtsic保持附接于覆盖层即可。粘合剂110可以是例如双面胶带、压敏粘合剂(psa)、环氧粘合剂或丙烯酸粘合剂。fmtsic器件102、106耦接到内表面122。在运行中，fmtsic器件102、106产生沿法线方向190传播的纵向模式的超声波，该法线方向190在图1中示出为近似正交于覆盖层的暴露的外表面124和内表面122。更准确地说，法线方向190正交于压电层。由于压电层限定压电电容器的平面，所以法线方向190近似正交于压电电容器的平面。产生的超声波通过相应的超声透射表面103、107、通过粘合层110、然后通过内表面122、然后通过覆盖层120离开fmtsic器件102、106。超声波到达暴露的外表面124的感测区域126。感测区域126是暴露的外表面124的与fmtsic器件102、106重叠的区域。图1示出了以下用例：在该用例中，人的手指118正在感测区域126处触摸覆盖层。如果没有对象触摸感测区域126，则已经通过覆盖层120传播的超声波在暴露的外表面处(在空气-材料界面处)被反射，剩余的回波超声波朝向fmtsic器件102、106行进回来。另一方面，如果有手指118触摸感测区域，则通过手指的吸收，存在超声波相对较大的衰减。因此，可以通过测量到达fmtsic器件102、106的回波超声波的相对强度或能量来检测触摸事件。例如，可以在触摸感测区域126的手指和落在感测区域126上的水滴之间进行区分。当手指触摸感测区域126时，手指还将在覆盖层120上施加力。由手指施加在覆盖层120上的力可以使用fmtsic中的pmfe来检测和测量。另一方面，当水滴落在感测区域上时，水滴在pmfe上施加的力将非常小，并且可能小于噪声阈值。更一般而言，可以在触摸和按压感测区域126的指头和与感测区域126接触的无生命对象之间进行区分。在两种情况下(手指触摸感测区域或水滴落在感测区域上)，pmut接收器信号的幅度都将有显著的降低，表示在感测区域处的触摸，但是可能没有足够的来自pmut接收器信号的信息来区分手指和水滴。装置100有许多可能的实施例。例如，fmtsic可以代替智能电话上的常规按钮、计算机键盘上的键、滑块或触控板。装置100的内部内容物128(例如，fmtsic102、106、柔性电路基板108、连接器116、pcb112，其他ic114)可以与覆盖层120的外部123密封隔开，从而在外部123的液体无法渗透到装置100的内部121中。将装置的内部与外部密封隔开的能力有助于使诸如智能电话或膝上型计算机之类的装置防水。存在一些强烈需要防水按钮和键盘的应用，例如，医疗应用。装置100可以例如是移动装置(例如，智能手机、平板计算机、膝上型计算机)、家用电器(例如，洗衣机、烘干机、电灯开关、空调、冰箱、烤箱、遥控器装置)、医疗装置、工业装置、办公装置、汽车或飞机。力测量、触摸感测集成电路(fmtsic)器件在图2中更详细地示出。图2是fmtsic器件20的截面图，fmtsic器件20类似于图1中的器件102、106。fmtsic器件20被示出为包围在封装22中，具有超声透射表面(顶表面)26和电互连表面(底表面)24。超声透射表面26类似于图1中的表面103、107，而电互连表面24为类似于图1中的表面101、105。fmtsic器件20包括封装基板30、安装到封装基板30的半导体部分(芯片)28以及诸如环氧粘合剂等封装粘合剂32。在半导体裸片28安装到封装基板30之后，在裸片28和封装基板30之间形成引线键合连接38。然后，包括裸片28和封装基板30的整个组件被模制(包裹)在环氧粘合剂32中。fmtsic器件的环氧侧(顶表面或超声透射表面26)粘附(耦接)到覆盖层120的内表面122。fmtsic器件20被示出为安装到柔性电路基板108。优选的是，fmtsic器件的横向尺寸不大于10mm乘以10mm。在半导体裸片28的顶表面36和封装基板30之间形成引线键合连接。可替代地，可以在半导体裸片28的底表面34和封装基板之间形成电互连。半导体裸片28由专用集成电路(asic)部分和微机电系统(mems)部分组成。半导体裸片28的选定部分130在图3中以横截面示出。图3是图2的力测量、触摸感测集成电路器件的部分130的示意性截面图。半导体裸片28包括mems部分134和asic部分136。在asic部分136和mems部分134之间，mems部分134更靠近超声透射表面26，而asic部分136更靠近电互连表面24。asic部分136由半导体基板150和其上的信号处理电路137组成。通常，半导体基板是硅基板，但是也可以使用其他半导体基板，例如绝缘体上硅(soi)基板。mems部分134包括pmut发送器142、pmut接收器144和pmfe146。mems部分134包括覆于半导体基板150上的薄膜压电叠层162。薄膜压电叠层162包括压电层160，其是表现出压电效应的层。用于压电层160的合适的材料例如是氮化铝、掺杂钪的氮化铝、聚偏二氟乙烯(pvdf)、锆钛酸铅(pzt)、kxna1-xnbo3(knn)、石英、氧化锌和铌酸锂。例如，压电层是厚度约为1μm的氮化铝层。压电层160具有顶部主表面166和与顶部主表面166相对的底部主表面164。在所示的示例中，薄膜压电叠层162还包括顶部机械层156和底部机械层154，该顶部机械层156附接到或邻近于(耦合到)顶部主表面166，该底部机械层154附接到或邻近于(耦合到)底部主表面164。在所示的示例中，顶部机械层156的厚度大于底部机械层154的厚度。在其他示例中，顶部机械层156的厚度可以小于底部机械层154的厚度。用于机械层的合适材料例如是硅、氧化硅、氮化硅和氮化铝。用于机械层的合适的材料也可以是压电层160中包括的材料，在这种情况下，该材料是氮化铝。在所示的示例中，顶部机械层和底部机械层包含相同的材料。在其他示例中，顶部机械层和底部机械层是不同的材料的。在其他示例中，顶部机械层和底部机械层中的一个可以被省略。当耦合到覆盖层时，fmtsic器件20优选地被定向为使得压电层160面向覆盖层120。例如，fmtsic器件20被定向为使得压电层160和覆盖层120近似平行。为了便于讨论，在图3中仅示出了一个pmut发送器、一个pmut接收器和一个pmfe。但是，典型的fmtsic可以包含多个pmut发送器、多个pmut接收器和多个pmfe。pmut发送器、pmut接收器和pmfe沿薄膜压电叠层162沿相应的横向位置定位。每个pmut发送器、每个pmut接收器和每个pmfe包括薄膜压电叠层的相应部分。每个pmut被配置为发送器(142)或接收器(144)。每个pmut(142、144)包括腔(192、194)和覆于腔(192、194)上的薄膜压电叠层162的相应部分。腔由支撑薄膜压电叠层的锚定层152横向界定。用于锚定层152的合适的材料例如是硅、氮化硅和氧化硅。用于锚定层152的合适的材料也可以是压电层160中包括的材料，在这种情况下，该材料是是氮化铝。每个pmut(142、144)包括位于压电层160的第一侧(底表面)164上的第一pmut电极(172、174)和位于与第一侧相对的第二侧(顶表面)166上的第二pmut电极(182、184)。在每个pmut(142、144)中，第一pmut电极(172、174)、第二pmut电极(182、184)以及它们之间的压电层160构成压电电容器。第一pmut电极(172、174)和第二pmut电极(182、184)耦接到信号处理电路137。腔(172、174)位于薄膜压电叠层162和半导体基板150之间。在所示的示例中，fmtsic器件20为被封装的封装22的形式。腔192、194优选地处于低压下(低于大气压的压力或处于真空中)，并且由于封装22而保持如此。每个pmfe146包括薄膜压电叠层162的相应部分。每个pmfe146包括位于压电层160的第一侧(底表面)164上的第一pmfe电极176和位于与第一侧相对的第二侧(顶表面)166上的第二pmfe电极186。在每个pmfe146中，第一pmfe电极176、第二pmfe电极186以及它们之间的压电层160构成压电电容器。pmfe耦接到信号处理电路137。在所示示例中，pmfe不覆于任何腔上。pmut发送器142在图5、图6和图7中以横截面示出。在所示的示例中，顶部机械层156的厚度大于底部机械层154的厚度，顶部机械层156和底部机械层154包含相同的材料氮化铝。在这种情况下，中性轴158位于顶部机械层156内。中性轴是梁(beam)中的轴(在这种情况下，梁是压电叠层162)，在弯曲期间沿该梁不存在法向应力或应变。图5示出了处于静止状态的pmut发送器，在该状态中，第一pmut电极172和第二pmut电极182之间没有施加电压。压电层160具有近似平行于法线方向190的内建极化(压电极化)。法线方向190正交于压电层160。法线方向190大致正交于相应的压电电容器的平面。图6示出了处于第一发送器状态的pmut发送器，在该第一发送器状态中，电极(172，182)之间施加有第一发送器电压vtx1(对应于一定的极性和大小)。因此，压电叠层162向上弯曲(远离腔192)。在图5中，压电叠层162的覆于腔192上的部分40是可弯曲的，而压电叠层162的其他部分(66a，66b)被锚定在锚定层152上。图4是薄膜压电叠层162的可弯曲部分40的横截面示意图。为了简化讨论，已经省略了图5和图6中存在的各个电极和覆盖层。在理想情况下，所示部分40的左边缘(67a)和右边缘(67b)被锚定并且不能移动。图4示出了第一状态，在该第一状态中，压电叠层162向上弯曲。从静止状态偏离最大的点标记为42，并且大致对应于锚定边缘(67a，67b)之间的中心点。在中心点42处，在中性轴158上方的区域56中存在最大的拉伸(正)应变，在中性轴158下方的区域58中存在最大的压缩(负)应变。从中心点42朝向锚定边缘(67a或67b)径向向外行进，中性轴158上方的区域56中的拉伸(正)应变在拐点(44a或44b)处减小到0。从中心点42朝向锚定边缘(67a或67b)径向向外行进，中性轴158下方区域58中的压缩(负)应变在拐点(44a或44b)处减小为0(绝对值变小并达到0)。此外，在拐点(44a或44b)和锚定边缘(67a或67b)之间的外部区域中，应变的极性相反。具体而言，在中性轴158上方的区域62a、62b中，应变是压缩(负)的，而在中性轴158下方的区域64a、64b中，应变是拉伸(正)的。薄膜压电叠层的拐点给出了沿薄膜压电叠层的应力为0的横向位置。横向穿过拐点时，应力改变符号(从负到正或从正到负)。在压电叠层的拐点之间的中间区域中，在中性轴158下方的压电叠层162的包括压电层160的部分中存在压缩(负)应变，而在中性轴158上方的压电叠层162的部分中存在拉伸(正)应变。在第一状态下，压电层160在该中间区域收缩或处于压缩状态(负应变)。在该中间区域中，压电层被pmut电极(172、182)覆盖。图7示出了处于第二发送器状态的pmut发送器，在该第二发送器状态中，在pmut电极(172、182)之间施加第二发送器电压vtx2(对应于一定的极性和大小)。在压电叠层的拐点之间的中间区域中，在中性轴158下方的包括压电层160的压电叠层162的部分中存在拉伸(正)应变，而在中性轴158上方的压电叠层162的部分中存在压缩(负)应变。因此，压电叠层162的覆于腔192上的部分向下弯曲(朝向腔192)。信号处理电路137被操作为在pmut发送器142的pmut电极(172、182)之间产生并施加时变电压信号vtx(t)。如果时变电压信号以特定频率在第一发送器电压和第二发送器电压之间振荡，则压电叠层162的部分以该频率在第一发送器状态和第二发送器状态之间振荡。因此，在施加时变电压信号时，pmut发送器产生(发送)沿法线方向190传播的超声信号。由于存在处于低压的腔192，所以产生的超声能量的相对较小的部分朝向腔192向下传输，而产生的超声能量的相对较大的部分远离腔192向上传输。pmut发送器被配置为发送频率在0.1mhz至25mhz范围内的超声信号。在图8、9和10中以横截面示出了pmut接收器144。图8示出了处于静止状态的pmut接收器，在该静止状态中，压电叠层162没有远离或朝向腔194弯曲。在静止状态下，pmut电极(174、184)之间不产生电压。图9示出了处于第一接收器状态的pmut接收器，在该第一接收器状态中，正的超声压力波沿法线方向190入射在pmut接收器上，以使压电叠层162的覆于腔194上的部分向下弯曲(朝向腔194)。在压电叠层的拐点之间的中间区域中，在中性轴158下方的包括压电层160的压电叠层162的部分中存在拉伸(正)应变，而在中性轴158上方的压电叠层162的部分中存在压缩(负)应变。因此，在pmut电极(174、184)之间产生第一接收器电压vrx1(对应于特定极性和大小)。图10示出了处于第二接收器状态的pmut接收器，在该第二接收器状态中，负超声压力波沿法线方向190入射在pmut接收器上，以使压电叠层162的覆于腔194上的部分向上弯曲(远离腔194)。在压电叠层的拐点之间的中间区域中，在中性轴158下方的包括压电层160的压电叠层162的部分中存在压缩(负)应变，而在中性轴158上方的压电叠层162的部分中存在拉伸(正)应变。因此，在pmut电极(174、184)之间产生第二接收器电压vrx2(对应于一定的极性和大小)。如果超声信号沿法线方向190入射在pmut接收器144上，使压电叠层162的部分在第一接收器状态和第二接收器状态之间振荡，则在pmut电极(174、184)之间产生在第一接收器电压和第二接收器电压之间振荡的时变电压信号vrx(t)。该时变电压信号由信号处理电路137进行放大和处理。在运行中，pmut发送器142被配置为在pmut发送器电极(172、182)之间施加电压信号时，以沿大致正交于压电层160的法线方向190远离腔192朝向感测区域126传播的纵向模式发送第一频率f1的超声信号。超声信号朝向与fmtsic20耦接的覆盖层120的感应区域126传播。在施加电压信号时，压电叠层的覆于(pmut发送器142的)腔192上的相应的部分以第一频率f1在第一发送器状态和第二发送器状态之间振荡，以产生第一频率f1的超声信号。pmut接收器144被配置为响应于沿法线方向到达的第一频率f1的超声信号，输出在pmut接收器电极(174、184)之间的电压信号。响应于沿法线方向到达的第一频率f1的超声信号，薄膜压电叠层162的覆于腔上的部分以第一频率f1振荡。由pmut发送器142发送的超声信号的一部分作为回波超声信号返回到pmut接收器144。在图1所示的用例中，回波超声信号的相对幅度或能量取决于触摸感测区域126的指头(例如，人的手指)或其他对象(例如，水滴)的存在。如果感测区域126被指头或其他对象触摸，则与在感测区域126处没有触摸的情况相比，回波超声信号有更大的衰减。通过在信号处理电路处放大和处理来自pmut接收器的时变电压信号，可以检测到这些触摸事件。fmtsic20的包含pmfe146的部分130在图11中以横截面示出。还示出了在pmfe146下方的asic部分136和在pmfe146上方的封装粘合剂32。图11示出了处于静止状态的pmfe，在该静止状态下，压电叠层162没有弯曲。在静止状态下，在pmfe电极(176、186)之间没有产生电压。图12、图13和图14是彼此附接或粘附(耦合)的fmtsic20和覆盖层120的示意性侧视图。fmtsic20的顶表面(超声透射表面)26耦合到覆盖层120的内表面122。fmtsic20和覆盖层120覆于刚性基板135上。为了便于观看，装置100的其他组件(例如，柔性电路基板108、ic114)已被省略。fmtsic20包括pmfe146。在所示的示例中，两个锚定柱(anchorposts)131、133将覆盖层120的两端固定到基板135。在图12的示例中，fmtsic20没有锚定到刚性基板135，并且当覆盖层120向上或向下挠曲(deflect)时可以与覆盖层120一起移动。例如，通过指头(或另一个对象)在显示区域126处按压覆盖层120的外表面124而施加向下的力117，该向下的力117示出为向下的箭头。按压或敲击外表面124的指头是触摸激励或更一般地说是激励的示例。在图12所示的示例中，响应于在感测区域126处的触摸激励，覆盖层120在第一方向上(例如，向下)挠曲。fmtsic20近似位于锚定柱131、133之间的一半处，并且感测区域126与fmtsic20重叠。中性轴125位于覆盖层120内。在中性轴125下方的覆盖层120的下部127处于感测区域126处的拉伸(正)应变下，由指向外的箭头表示，其主要沿垂直于法线方向190的横向方向191。横向方向191在压电层160的相应位置(区域126)处大致平行于压电层160。在中性轴125上方的覆盖层120的上部129处于感测区域126处的压缩(负)应变下，由指向内的箭头表示，其主要沿横向方向191。由于fmtsic20耦合到与下部127相邻的内表面122，pmfe146也处于拉伸(正)应变下。通常，整个fmtsic20可以在施加的向下的力117的作用下挠曲。在图12所示的示例中，pmfe146处于正应变下，并且pmfe146处的压电层160的相应的部分经受沿横向方向的膨胀。因此，在相应的pmfe电极(176、186)之间的每个pmfe(146)处产生电荷。该电荷可检测为第一挠曲电压vd1(对应于一定极性和大小的应变)。pmfe处的第一挠曲电压vd1的极性取决于pmfe的相应的pmfe电极之间的压电层的相应部分处的应变的极性(正应变(拉伸)或负应变(压缩))。pmfe处的第一挠曲电压vd1的大小取决于pmfe的相应的pmfe电极之间的压电层的相应部分处的应变的大小。随后，当向下的力117不再施加到感测区域126时，覆盖层120在与第一方向相反的第二方向上(例如，向上)挠曲。这可以检测为第二挠曲电压vd2(对应于一定极性和大小的应变)。pmfe处的第二挠曲电压vd2的极性取决于pmfe的相应的pmfe电极之间的压电层的相应部分处的应变的极性。pmfe处的第二挠曲电压vd2的大小取决于pmfe的相应的pmfe电极之间的压电层的相应部分处的应变的大小。图12示出了包括fmfe146a的第二fmtsic20a。fmtsic20a的顶表面(超声波透射表面)26a耦合到覆盖层120的内表面122。fmtsic20a覆于刚性基板135上，并位于锚定柱131和第一fmtsic20之间的第二区域126a处。注意，fmtsic20a从向下的力117施加到外表面124(在感测区域126处)的位置横向移位。覆盖层120的下部127在第二区域126a处处于压缩(负)应变，由指向内的箭头表示，其主要沿垂直于法线方向190a的横向方向191a。横向方向191a在压电层160的相应位置(在第二区域126a处)处大致平行于压电层160。覆盖层120的上部129在第二区域126a处处于拉伸(正)应变，由指向外的箭头表示，其主要沿横向方向191a。由于fmtsic20a耦合到与下部127相邻的内表面122，所以pmfe146a也处于压缩(负)应变下。这些示例说明，当覆盖层和fmtsic响应于外表面处的触摸激励而经受挠曲时，压电层沿横向方向的膨胀和/或压缩可能由覆盖层的挠曲引起。在图13所示的示例中，fmtsic20的底表面24被锚定到刚性基板135。当向下的力117在感测区域126处施加到覆盖层120的外表面124时，覆盖层120在感测区域126处的部分沿法线方向190传输向下的力。覆盖层120在感测区域126处的部分和fmtsic20经受沿法向方向190的压缩。因此，包括压电层160的pmfe146沿大致正交于压电层160的法线方向190被压缩。因此，在pmfe电极(176、186)之间产生电荷。该电荷可检测为pmfe电极之间的电压vc(对应于一定极性和大小的应变)。在触摸激励期间，施加引起该压缩的向下的力117，例如在外表面124上敲击或按压外表面124。按压或敲击可以是重复的。通常，整个fmtsic20可能经受压缩。随后，压电层160从压缩状态松弛。在其他情况下，也可以有沿横向方向191或沿其他方向的压缩。在图14所示的示例中，fmtsic20未锚定至刚性基板135。向下的力139(如向下的箭头所示)在感测区域126处施加至覆盖层120的外表面124。由于感测区域126处的触摸激励的冲击而产生向下的力139。例如，由于指头(或另一个对象)在感测区域126处敲击外表面的冲击而产生向下的力139。触摸激励(例如，敲击)可以是重复的。触摸激励的冲击(例如，敲击)产生从冲击的位置(在感测区域126处的外表面124上)向外传播的弹性波，并且至少一些弹性波朝向内表面122传播。因此，弹性波的至少一些部分149入射在fmtsic20上。通常，触摸激励(例如，敲击)对叠层的表面(例如，覆盖层)的冲击可以产生不同类型的波，包括压力波、剪切波、表面波和兰姆波(lambwave)。压力波、剪切波和表面波为称为弹性波的一类波。压力波(也称为纵波或p波(primarywave))是其中分子振荡(粒子振荡)与波的传播方向平行的波。剪切波(也称为横波(secondarywave)或s波)是其中分子振荡(粒子振荡)垂直于波的传播方向的波。压力波和剪切波从冲击的位置径向向外传播。表面波是其中波的能量在距表面较短的深度之内被捕获的波，并且波沿叠层的表面传播。兰姆波是可以在板中传播的弹性波。当对象(例如，手指)撞击叠层的表面时，根据撞击的具体情况(例如，速度、角度、接触持续时间、接触表面的细节)、相关的材料属性(例如，对象和叠层的材料属性)以及边界条件，可以生成不同类型的弹性波。例如，当外表面处的触摸激励的冲击大致正交于外表面时，可以产生压力波。例如，当外表面处的触摸激励的冲击具有与外表面平行的分量时，例如手指以倾斜角度撞击外表面或手指在外表面上摩擦，可以产生剪切波。这些弹性波中的一些可以朝向fmtsic20和pmfe146传播。如果叠层足够薄，则表面波的某些部分可以朝向fmtsic20和pmfe146传播，并被pmfe146检测到。因此，当弹性波149入射在fmtsic20和pmfe146上时，弹性波在对pmfe146处的压电层160引起与时间有关的振荡变形。该振荡变形可以包括：横向变形(沿大致平行于压电层160的横向方向191的压缩和膨胀)、法向变形(沿大致正交于压电层160的法线方向190的压缩和膨胀)和剪切变形。因此，在相应的pmfe电极(176、186)之间的每个pmfe(146)处产生时变电荷。这些时变电荷可以检测为时变电压信号。信号处理电路放大并处理这些时变电压信号。通常，由触摸激励的冲击引起的与时间相关的振荡变形在10hz至1mhz的频率范围内。例如，假设弹性波149包括沿法线方向190入射在pmfe146上的压力波；这些压力波可引起压电层160沿法线方向190的压缩(在正压力波下)和膨胀(在负压力波下)。作为另一示例，假设弹性波149包括沿法线方向190入射在pmfe146上的剪切波；这些剪切波可以引起压电层160沿横向方向191的压缩和膨胀。考虑另一种情况，其中向下的力139a(如向下箭头所示)施加到锚定柱131和fmtsic20之间的第二区域126a处的外表面124。向下的力139a是由于第二区域126a处的触摸激励的冲击而产生。触摸激励的冲击产生从冲击的位置(区域126a)向外传播的弹性波，并且至少一些弹性波朝向内表面122传播。因此，弹性波的至少一些部分149a入射在fmtsic20上，使压电层160经受与时间有关的振荡变形。因此，在相应的pmfe电极(176、186)之间的每个pmfe(146)处产生时变电荷。这些时变电荷可被检测为时变电压信号，尽管触摸激励的冲击发生在从感测区域126横向移位的第二区域126a处。从区域126a到达fmtsic20的弹性波149a可能比从感测区域126到达fmtsic20的弹性波149更弱(例如，幅度更小)，因为冲击位置和fmtsic之间的距离更大。pmfe的阵列可以被配置为对触摸激励的冲击(例如，敲击)的位置敏感的位置敏感输入装置。pmfe的阵列可以是单个fmtsic中的pmfe的阵列，或者也可以是多个fmtsic中的pmfe的阵列。例如，表输入装置(tableinputapparatus)可以具有fmtsic的阵列，其位于表的顶表面下方的相应的横向位置处，其中每个fmtsic将包含至少一个pmfe，优选地包含多个pmfe。信号处理电路可以被配置为放大和处理来自pmfe的时变电压信号，并分析那些时变电压信号的某些特征。时变电压信号的特征的示例为：(1)时变电压信号的幅度，以及(2)时变电压信号的相对定时(“飞行时间(time-of-flight)”)。例如，呈现较短飞行时间的pmfe与呈现较长飞行时间的另一个pmfe相比，更靠近冲击的位置。信号处理电路可以分析来自pmfe的阵列中的pmfe的时变信号的特征(例如，幅度和/或飞行时间)，以估计触摸激励的冲击的位置。在运行中，pmfe146被配置为根据由低频机械变形导致的在pmfe电极(176，186)之间的压电层的相应部分处的时变应变在pmfe电极(176，186)之间输出电压信号。在覆盖层或与覆盖层机械耦接的另一组件处的触摸激励引起(该覆盖层或另一组件在激励点处的)低频机械变形。触摸激励引起包括挠曲(如图12所示)、压缩(如图13所示)和/或弹性波振荡(如图14所示)的效果。在实际的触摸事件中，可能观察到多于一个的这些效果。考虑通过手指进行敲击作为触摸激励的示例。当手指撞击外表面124时，产生弹性波，这些弹性波可检测为pmfe处的时变电压信号(图14)。弹性波是由于触摸激励的冲击而产生的。随后，当手指按压覆盖层时，fmtsic经受变形(图12)。压电层沿横向方向存在膨胀或压缩。低频机械变形可以由指头在fmtsic20所附接(耦合)到的覆盖层120的外表面处进行按压或敲击而引起。pmfe146耦接到信号处理电路137。通过在信号处理电路处放大和处理来自pmfe的电压信号，可以测量由压电层的机械变形导致的应变。可以调整可归因于弹性波振荡(图14)以及由于挠曲而引起的横向膨胀和压缩(图12)的pmfe电压信号的相对幅度。例如，可以选择覆盖层可更多或更少地变形。例如，图14的覆盖层120可以比图12的覆盖层120更厚和/或由更刚性的材料制成。pmfe146被配置为根据由低频机械变形导致的pmfe电极(176、186)之间的压电层的相应部分处的时变应变，输出在pmfe电极(176、186)之间的电压信号。通常，低频变形由触摸激励引起，该触摸激励不是重复的(有效的重复率为0hz)，或者是以100hz或更小、或10hz或更小的重复率而重复的。这些重复率对应于重复触摸激励(例如，指头重复按压或敲击感测区域)的重复率。参照图37和图38说明重复率计算的示例。触摸激励或更一般的说激励可以发生在感测区域以外的其他地方。考虑在诸如智能电话等便携式装置中实现的fmtsic。在某些情况下，fmtsic耦合到的覆盖层可以是智能手机壳体的一部分，而在其他情况下，壳体和覆盖层可以彼此附接，从而施加到壳体的力可以传递到覆盖层。我们可以将这两种情况称为组件(例如，壳体)机械耦接到覆盖层。诸如壳体的弯曲、扭曲、捏合、在壳体处打字和敲击壳体之类的激励也会引起低频机械变形。例如，在壳体处打字可以包括在智能手机的触摸面板上打字。由于该低频变形，在pmfe处的压电层的相应部分处可能存在时变应变(力)。fmtsic可以包含多个pmut发送器、pmut接收器和pmfe。图15是fmtsic器件的mems部分200的俯视图。pmut(示出为白色圆圈的pmut发送器204和示出为灰色圆圈的pmut接收器206)以二维阵列布置，沿x轴(220)和y轴(222)延伸。pmut以列(a、b、c和d)和行(1、2、3和4)布置。在所示的示例中，二维pmut阵列202具有正方形外周，但是在其他示例中，外周可以具有其他形状，例如矩形。在所示的示例中，pmut的总数为16，其中12个是pmut发送器204，4个是pmut接收器206。在此示例中，pmut接收器的数量少于pmut发送器。由于第一(底部)电极172和第二(顶部)电极174的重叠区域是大致圆形的，所以pmut被示为圆形。在其他示例中，重叠区域可以具有其他形状，例如正方形。在所示的示例中，pmut具有相同的横向尺寸(面积)，但在其他示例中，不同尺寸的pmut也可以。pmut发送器204被配置为在相应的第一pmut电极和相应的第二pmut电极之间施加电压信号时，以沿大致正交于压电层的法线方向远离腔并朝向感应区域传播的纵向模式发送第一频率f1的超声信号。pmut发送器的二维阵列的好处在于，通过优化对于每个pmut发送器的电压信号，可以根据需要使发送的超声信号相长干涉(interfereconstructively)以实现波束形成效果。pmut接收器206被配置为响应于沿法线方向到达的第一频率f1的超声信号，输出在相应的第一pmut电极和相应的第二pmut电极之间的电压信号。pmut接收器的二维阵列的的好处在于，阵列可以实现触摸事件的二维位置分辨率。例如，在图1所示的用例中，手指118在感测区域126处触摸覆盖层120。特别地，手指具有脊119和在脊之间的对应的谷。因此，一些pmut接收器可能接收在脊119处经历了较大衰减的回波超声信号，而另一些pmut接收器可能接收在脊119之间的谷处经历了较小衰减的回波超声信号。mems部分包括布置成二维阵列212的四个pmfe(214，标识为p、q、r和s的位置)。pmfe阵列212具有开口，该开口没有pmfe，阵列202设置在其中。在所示的示例中，在pmut阵列202的的左侧(p和q)和右侧(r和s的)存在pmfe。每个pmfe在不同的x和y位置处测量施加的力。因此，pmfe阵列212实现了施加的力测量的二维位置分辨率。将触摸感测(pmut)和力测量(pmfe)功能组合到一个集成电路器件中的优点在于，可以在触摸但不施加很大力的静止对象(例如，感应区域126上的水滴)和接触并施加很大力的移动对象(例如，手指)之间进行区分。图16是fmtsic器件的mems部分230的俯视图。pmut阵列202与图15所示的相同。mems部分包括包含八个pmfe(234)的pmfe阵列232。pmfe布置为四组(240、242、244和246)，其中每组与不同的x和y位置关联。因此，pmfe阵列232实现了施加的力测量的二维位置分辨率。每个pmfe组包含两个pmfe。在所示的示例中，组240包含p1和p2，组242包含q1和q2，组244包含r1和r2，组246包含s1和s2。注意，在每组中，两个pmfe在x方向上并排放置。一组中的pmfe相互电连接。下面参考图23、图24和图25详细描述一组中的pmfe之间的电连接。图17是fmtsic器件的mems部分250的俯视图。pmut阵列202与图15和图16所示的相同。mems部分包括包含八个pmfe(254)的pmfe阵列252。pmfe布置为四组(260、262、264和266)，其中每组与不同的x和y位置关联。因此，pmfe阵列252实现了施加的力测量的二维位置分辨率。该能力类似于pmfe阵列232的能力。每个pmfe组包含两个pmfe。在所示的示例中，组260包含t1和t2，组262包含u1和u2，组264包含v1和v2，组246包含w1和w2。pmfe阵列252在pmfe的总数、pmfe组的数量以及每个组中的pmfe的数量方面类似于pmfe阵列232。注意，每个pmfe的尺寸小于图16中的尺寸，从而使得可以在每个组中在y方向上并排布置两个pmfe。因此，mems部分250的总占地面积小于mems部分230的总占地面积。优选地，每个pmfe的横向尺寸不大于2.5mm乘以2.5mm。图18是pmut阵列270的示意性俯视图。pmut(示出为白色圆圈的pmut发送器274和示出为灰色圆圈的pmut接收器276)以二维阵列布置，沿x轴(220)和y轴(222)延伸。pmut布置成十二列(a到l)和十二行(1到12)。pmut阵列270具有正方形的外周。pmut的总数为144，其中128个是pmut发送器274，而16个是pmut接收器276。pmut接收器的数量少于pmut发送器。在pmut阵列270的中心点278周围绘制圆圈272，以帮助识别与中心点278近似等距的点。圆圈272与所有pmut接收器276相交。因此，所有接收器276与中心点278近似等距。图19是pmut阵列280的示意性俯视图。除了已去除了中心点278附近的十六个pmut发送器之外，阵列280与阵列270相同。在与列e、f、g和h以及行5、6、7和8相对应的中心区域282中缺少pmut发送器。因此，pmut的总数为128，其中112个是pmut发送器274，而16个是pmut接收器276。pmut接收器的数量少于pmut发送器的数量。注意，阵列280具有正方形的外周。没有pmut的中央区域282可以用作mems部分134(图3)中的互连通孔的空间。图15、图16、图17、图18和图19中所示的pmut阵列示出了被配置为以单个频率f1运行的pmut阵列的示例，其中，pmut发送器以f1发送超声信号，而pmut接收器被配置为以频率f1接收超声信号。图20、图21和图22是被配置为以频率f1和f2运行的pmut阵列的示意性俯视图。在图20、图21和图22的每一个中，pmut阵列(290、310、330)包含被配置为以第一频率f1发送超声信号的第一pmut发送器(294、314、334，示出为灰色圆圈)、被配置为以第一频率f1接收超声信号的第一pmut接收器(296、316、336，示出为对角线图案填充的圆圈)、被配置为以第二频率f2发送超声信号的第二pmut发送器(304、324、344，示出为水平图案填充的圆圈)，以及被配置为以第二频率f2接收超声信号的第二pmut接收器(306、326、346，示出为白色圆圈)。在图20、图21和图22的每一个中，对应于列f和g以及行6和7的中心区域缺少pmut。第一pmut发送器、第一pmut接收器、第二pmut发送器和第二pmut接收器的计数在表1中列出。在每种情况下，第一接收器的数量小于第一发送器的数量，第二接收器的数量小于第二发送器的数量。图号第一发送器第一接收器第二发送器第二接收器总数20568562014021481656201402248166016140在图20、图21和图22的每一个中，围绕pmut阵列(290、310、330)的中心点(298、318、338)绘制了较大的圆圈(292、312、332)和较小的圆圈(302、322、342)，以帮助识别与中心点(298、318、338)近似等距的点。第一发送器和第一接收器包含在远离中心点的四个角象限(每个象限为4列乘4行)中，对应于a，b，c，d，i，j，k和l列以及1、2、3、4、9、10、11、12行。第二发送器和第二接收器包含在剩余空间中。在图20和图21的情况下，所有第一接收器(296、316)与较大的圆圈(292、312)相交。因此，第一接收器(296、316)与中心点(298、318)近似等距。在图22的情况下，一半的第一接收器336与较大的圆332相交，而另一半的第一接收器336与其他第一接收器336相邻，这些其他第一接收器336与较大的圆圈332相交。因此，第一接收器336与中心点338近似等距。在图20、图21和图22的每一个中，第二接收器(306、326、346)与较小的圆圈(302、322、342)相交，或者与其他第二接收器(306、326、346)相邻，这些其他第二接收器(306、326、346)与较小的圆圈(302、322、342)相交。因此，第二接收器(306、326、346)与中心点(298、318、338)近似等距。平均而言，第二接收器(306、326、346)比第一接收器(296、316、336)更靠近pmut阵列(290、310、330)的中心点(298、318、338)。如果覆盖层120处于室温(大约25℃)且人的手指(大约37℃)在感测区域126触摸它，则感测区域126和包括fmtsic(102、106)在内的周围区域的温度可能增加。在pmut接收器处测量的超声信号中可能存在温度引起的漂移。为了减少这种温度引起的漂移的影响，优选的是在两个不同的频率f1和f2下运行pmut发送器和pmut接收器，因为与温度有关的漂移特性在不同的频率f1和f2下会不同。频率f1和f2均优选在0.1mhz至25mhz的范围内。为了最小化温度引起的漂移，优选地，频率f1和f2彼此充分不同，使得与温度相关的漂移特性将彼此充分不同。另一方面，假设第一发送器在第一中心频率f1以带宽δf1运行，而第二发送器在第二中心频率f2以带宽δf2运行，其中，f1＜f2。如果选择频率和带宽使得f1+δf1/2大于f2–δf2/2(第一频带和第二频带重叠)，那么第一发送器和第二发送器发送的功率将是相加的。因此，将频率f1和f2选择为彼此足够接近具有运行优势。图23示出了用于制造fmtsic器件20和装置100的过程的流程图350。该方法包括步骤352、354、356和358。在步骤352处，使用cmos制造工艺在半导体基板(晶片)150上制造包括信号处理电路137的asic部分136。在步骤354处，在asic部分136的顶部上制造mems部分134。在步骤356处，制造集成电路器件fmtsic20。该步骤356包括例如将晶片分切成裸片，将裸片安装到封装基板上，以及封装裸片，包括施加环氧粘合剂。fmtsic的制造在步骤356结束时完成。随后，在步骤358制造装置。例如，该装置可以是移动装置(例如，智能手机、平板计算机、膝上型计算机)、家用电器(例如，洗衣机、烘干机、电灯开关、空调、冰箱、烤箱、遥控器装置)、医疗装置、工业装置、办公装置、汽车或飞机，或以上任何组件。该步骤358包括例如将一个或多个fmtsic器件和其他ic安装到柔性电路基板和/或印刷电路板(pcb)上，并将fmtsic器件粘附到装置的覆盖层的内表面。步骤358可以包括在将fmtsic器件粘附到覆盖层的内表面之后在pmfe上执行的测试过程。该测试过程优选地包括在感测区域上施加在0.5n至10n范围内的测试力。例如，假设在施加7.5n的测试力时，pmfe数字数据的大小(最大pmfe数字数据(例如，图37中的1042)与最小pmfe数字数据(例如，图38中的1044)之间的差)为1280lsb。可以计算以下中的一项或两项：(1)pmfe数字数据的大小与物理力值的比率a；和/或(2)物理力值与pmfe数字数据的大小的比率b。在此示例中，比率a＝1280lsb/7.5n，比率b＝7.5n/1280lsb。这些比率a和b允许在pmfe数字数据(以lsb表示)和物理力值(以牛顿表示)之间进行转换。这些比率a和/或b可以被存储在相应的fmtsic器件的存储器库(非易失性存储器)中。步骤358可以包括在将fmtsic器件粘附到覆盖层的内表面之后在pmut上执行的测试过程。该测试过程优选地包括使对象接触感测区域(触摸事件)，其中在感测区域处施加范围在0.5n至10n内的力。例如，假设在接触对象时施加了7.5n的测试力，pmut数字数据降低了230lsb(例如，图36中从基线926到最小信号930)。因此，在施加7.5n的测试力的情况下，动态范围(基线和最小信号之间的差)为230lsb。这些动态范围和测试力数据可以存储在相应的fmtsic器件的存储器库(非易失性存储器)中。图24是fmtsic器件20的电子框图，其包括mems部分134和信号处理电路137。mems部分包括pmut发送器142、pmut接收器144和pmfe146。信号处理电路137包括高压域380和低压域390。高压域能够以驱动pmut发送器所需的更高电压运行。高压域包括高压收发器电路382，其包括高压驱动器。高压收发器电路382经由电互连(布线)384连接到pmut发送器的第一pmut电极和第二pmut电极。高压收发器被配置为取决于pmut发送器的要求而输出5v或更大的电压脉冲。处理电路块408电连接到高压收发器电路382和adc(396、406)。处理电路块408产生被发送到高压收发器电路382的时变信号。高压收发器电路382根据来自处理电路块408的时变信号将高压信号发送到pmut发送器142。低压域390包括放大器(392、402)和模数转换器(adc)(396、406)。处理电路块408也包含在低压域390中。由pmut接收器144(由灰色圆圈表示)输出的电压信号经由电互连(布线)404到达放大器402，并由放大器402放大。放大的电压信号被发送到adc406，以转换为可以由处理电路块408处理或存储的数字信号。类似地，由pmfe146输出的电压信号经由电互连(布线)394到达放大器392，并由放大器392放大。这些放大的电压信号被发送到adc396以被转换为可以由处理电路块408处理或存储的数字信号。处理电路块408可以例如是微控制器(mcu)、存储器和数字信号处理器(dsp)。布线(384、394、404)穿过包含信号处理电路137的半导体基板和包含pmfe146、pmut发送器142和pmut接收器144的mems部分134。在所示的示例中(图24)，构成pmut接收器144的压电电容器彼此并联连接。由于这些pmut接收器的电容相加在一起，因此pmut接收器的这种布置对寄生电容的影响不太敏感。因此，存在从pmut接收器144传输到放大器402的统一的电压信号。构成pmut发送器142的压电电容器并联连接。因此，存在从高压收发器电路382传输到pmut发送器142的时变信号。pmfe146被分为两组(左侧的p和q，右侧的r和s)，每组中的pmfe彼此串联连接。因此，存在从pmfe146传输到放大器392的两组pmfe信号。图25是pmfe510和520的组500的示意性截面图。还示出了在pmfe510、520下方的asic部分136以及在pmfe510和520上方的封装粘合剂32。图25示出了处于类似于参考图11描述的静止状态的静止状态的pmfe。参照图11描述了pmfe。在所示的示例中，压电叠层包括压电层160、顶部机械层156和底部机械层154。在变形状态下(例如，如图12、图13和图14所示)，在第一pmfe510的pmfe电极512和514之间以及在第二pmfe520的pmfe电极522和524之间产生电荷。对于每个pmfe(510、520)，第一pmfe电极(512、522)、第二pmfe电极(514、524)以及它们之间的压电层160构成压电电容器。图26是示出pmfe组(对)到信号处理电路137的某些部分的电连接的框图。在图26中，我们将每个pmfe(510、520)示出为压电电容器。pmfe510和520经由导线516串联连接，导线516包括穿透压电层160的通孔(图25)。导线516将第一pmfe510的第二电极(顶部电极)514连接到第二pmfe512的第一电极(底部电极)522。串联502中的pmfe电极的最外电极是第一pmfe510的第一电极512和第二pmfe520的第二电极524。串联502中的pmfe的第一pmfe电极和第二pmfe电极的这些最外电极作为差分输入551、552连接到信号处理电路137的放大器电路392。输入551、552处的电压信号被放大器电路392放大。放大的电压信号420从放大器电路392输出到模数转换器(adc)396。数字信号430从adc396输出。如图26的示例中所示，导线516连到公共节点518。在这种情况下，我们可以将串联连接的两个相邻的pmfe510、520之间的节点称为公共节点。如果公共节点的电压保持在0v，则输入到输入551的电压信号可以表示为-δv1，输入到输入552的电压信号可以表示为δv2，其中下标指代第一pmfe(510)或第二pmfe(520)。串联连接的相邻pmfe之间的节点为公共节点的优点在于，与公共节点电压的偏移电压降低，从而简化了低压信号的后续放大。图27是示出pmfe组(600)到信号处理电路137的某些部分的电连接的框图。图27类似于图26，除了组中有四个pmfe并且这四个pmfe串联连接。第一pmfe610的第二电极614连接到第二pmfe620的第一电极622，第二pmfe620的第二电极624连接到第三pmfe630的第一电极632，第三pmfe630的第二电极634连接到第四pmfe640的第一电极642。串联602中的pmfe电极的最外电极是第一pmfe610的第一电极612和第四pmfe640的第二电极644。串联602中的pmfe电极的这些最外电极作为差分输入651、652连接到信号处理电路137的放大器电路392。输入651、652处的电压信号被放大器电路392放大。放大的电压信号420从放大器电路392输出到模数转换器(adc)396。数字信号430从adc396输出。导线616将第二pmfe620的第二电极624连接到第三pmfe630的第一电极632。导线616连到公共节点618。如果公共节点的电压保持在0v，则输入到输入651的电压信号可以表示为-δv1-δv2，输入到输入652的电压信号可以表示为δv3+δv4，其中下标指代第一pmfe(610)、第二pmfe(620)、第三pmfe(630)和第四pmfe(640)。图28是pmut700的示意性俯视图，其包括第二pmut电极(顶部pmut电极)714，该第二pmut电极714示出为以中心点42为中心并围绕其的深灰色圆形区域。薄膜压电叠层的拐点线(inflectionline)44示出为以中心点42为中心并围绕其的圆圈，位于顶部pmut电极714的外部。拐点线44类似于在压电叠层的截面图(图4)的背景下讨论的拐点44a、44b。由于应变在横向穿过拐点线44时改变符号(正到负或负到正)，因此优选的是，第一pmut电极和第二pmut电极位于拐点线内部。在所示的示例中，顶部pmut电极(第二pmut电极)位于拐点线(圆圈)44内。隐藏在顶部pmut电极后面的底部pmut电极(第一pmut电极)也位于拐点线(圆圈)44内。在mems层的制造(图23的步骤354)期间，在薄膜压电叠层和在与pmut对应的的横向位置处的半导体基板之间形成腔。这些腔可以在形成随后的层(例如，薄膜压电叠层中的层)之后通过干法蚀刻工艺形成。为了执行该干法蚀刻工艺，应当为每个腔形成释放孔。释放孔是蚀刻剂可以通过其进入腔并且用过的蚀刻剂和蚀刻下的材料可以从腔中排出的孔。腔的释放孔连接到腔并延伸穿过薄膜压电叠层。优选的是，释放孔与压电叠层中应变为0的拐点线重叠。在图28所示的示例中，存在四个释放孔(760、762、764、766)。这些释放孔与拐点线44重叠。当我们称第一物体与第二物体重叠时，不必第二对象的全部被第一对象覆盖。而且，释放孔与第一pmut电极和第二pmut电极相对于彼此定位，使得释放孔不延伸穿过第一pmut电极和第二pmut电极。图28的pmut700另外包括外部压电电容器。第二外部pmut电极(顶部外部pmut电极)724被示为位于拐点线44外部的c形环。隐藏在顶部外部pmut电极后面的第一外部pmut电极(底部外部pmut电极)也位于拐点线(圆圈)44的外部。第一外部pmut电极和第二外部pmut电极位于压电层的相对侧，以构成外部压电电容器。释放孔与第一外部pmut电极和第二外部pmut电极相对于彼此定位，使得释放孔不延伸穿过第一外部pmut电极和第二外部pmut电极。pmut700可以被配置为接收器(pmut接收器)。图29是示出pmut700的电连接的框图。在图29中，压电电容器710(包含第一pmut电极712和第二pmut电极714)和外部压电电容器720(包含第一外部pmut电极722和第二外部pmut电极724)经由布线走线(wiringtrace)716串联702连接。在所示的示例中，布线走线716位于12点钟方向。布线走线716连接顶部外部pmut电极724和顶部pmut电极714。因此，布线走线716不穿透压电层。连接到顶部外部pmut电极724(12点钟方向)的布线走线718连接到公共节点。在所示示例中，布线走线716、718、顶部外部pmut电极724和顶部pmut电极714被包含在同一金属层中。串联702中的pmut电极的最外电极是第一pmut电极712和第一外部pmut电极722。这些最外电极作为差分输入751、752连接到信号处理电路137的放大器电路402。输入751、752处的电压信号被放大器电路402放大。放大的电压信号440从放大器电路402输出到模数转换器(adc)406。数字信号450从adc406输出。pmut700在被配置为接收器时有时被称为差分pmut接收器。pmut700在被配置为接收器时可以代替任何没有外部电极的pmut接收器。例如，pmut700在被配置为接收器时可以代替图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21和图22的阵列中的任何pmut接收器。如图28所示，布线走线711连接到底部pmut电极(第一pmut电极)712。布线走线711延伸至信号处理电路，特别是放大器电路402的输入751。布线走线721连接到底部外部pmut电极(第一外部pmut电极)722。布线走线721延伸到信号处理电路，特别是放大器电路392的输入752。在所示的示例中，布线走线711、721、底部外部pmut电极722和底部pmut电极712被包含在同一金属层中。第一外部pmut电极和第二外部pmut电极应当优选地成形为使得能够进行到第一pmut电极和第二pmut电极的布线连接。在所示的示例中，第一外部pmut电极722和第二外部pmut电极724的重叠区域是c形环，以容纳将第一pmut电极连接到信号处理电路的布线走线711。在图28所示的示例中，pmut700包括第一布线通道770和第二布线通道772。这些布线通道770、772穿过拐点线44。布线走线711包含在沿x延伸的第一布线通道770中。第一外部pmut电极722和第二pmut电极724成形为使得它们不与第一布线通道770重叠。垂直于第一布线通道770的第二布线通道772沿y方向222延伸。连接到第二pmut电极714的布线走线716包含在第二布线通道772中。释放孔(760、762、764、766)成形和定向为使得它们不与第一布线通道770和第二布线通道772重叠。释放孔成形和定向为使得它们不延伸穿过连接到第一pmut电极712或第二pmut电极714的任何布线。图30是fmtsic器件790的框图，其是集成到单个集成电路器件中的力测量和触摸感测系统的示例。fmtsic器件790包括mems部分134和asic部分796。mems部分134包括pmut发送器142、pmut接收器144和pmfe146。asic部分包括以下信号处理电路：高压收发器电路382，其包括高电压驱动器、放大器(392、402)、模数转换器(adc)(396、406)和微控制器(mcu)410。高压收发器电路382可操作地耦接到pmut发送器142的第一pmut电极和第二pmut电极。高压收发器被配置为输出5v或更高的电压脉冲，这取决于驱动pmut发送器的要求。可能存在位于芯片上(在asic部分中)的附加信号处理电路和/或位于芯片外的附加信号处理电路。这种芯片外信号处理电路将可操作地耦接到芯片上信号处理电路。mcu410可操作地耦接到高压收发器电路382和adc(396、406)。mcu410生成时变信号，这些时变信号被发送到高压收发器电路382。高压收发器电路382根据来自mcu410的时变信号将高压信号发送到pmut发送器142，从而导致pmut发送器142产生超声波。返回的超声波入射在pmut接收器144上。响应于入射在pmut接收器上的超声波，在pmut接收器处产生电压信号。由pmut接收器144输出的电压信号到达放大器402(其可操作地耦接到pmut接收器144)并被放大器402放大。这些放大的电压信号被发送至adc406(其可操作地耦接到放大器402)以被转换为可以由mcu410处理的数字信号(pmut数字数据)。类似地，响应于机械变形，在pmfe处产生电压信号。pmfe146输出的电压信号到达放大器392(其可操作地耦接到pmfe146)并被放大器392放大。这些放大的电压信号被发送到adc396(其可操作地耦接到放大器392)以被转换为可以由mcu410处理的数字信号(pmut数字数据)。可以使用从pmut接收器144和pmfe146得到的数字数据在mcu(410)处进行数据处理和算法。在所示示例中，构成pmut接收器144的压电电容器并联连接，并且构成pmut发送器142的压电电容器串联连接。pmfe146被分为组，其中，每组中的pmfe串联连接。图31是力测量和触摸感测系统800的示例的框图，该力测量和触摸感测系统800的一部分被集成到集成电路器件即fmtsic器件802中。力测量和触摸感测系统800包括fmtsic器件802和mcu810。fmtsic器件802包括mems部分134和asic部分806。mems部分134包括pmut发送器142、pmut接收器144和pmfe146。asic部分包括以下信号处理电路：高压收发器电路382，其包括高压驱动器、放大器(392、402)和模数转换器(adc)(396、406)。fmtsic器件802类似于fmtsic器件790，除了fmtsic器件802不包括mcu。mcu810可以是单独的ic，例如可商购的ic。mcu810可操作地耦接到高压收发器电路382和adc(396、406)，并且可以类似于图30的mcu410运行。图32是力测量和触摸感测系统820的示例的框图，该力测量和触摸感测系统包括fmtsic器件822和其他电路块824。fmtsic器件822包括mems部分134和asic部分826。mems部分134包括pmut发送器142、pmut接收器144和pmfe146。asic部分包括以下信号处理电路：高压收发器电路382，其包括高压驱动器和放大器(392、402)。图32所示的配置与图31所示的配置类似，除了adc从fmtsic移至其他电路块。其他电路块824包括mcu810和adc(836、846)。在图32所示的示例中，mcu810可操作地耦接到高压收发器电路382和adc(836、846)。由pmut接收器144输出的电压信号到达放大器402(其可操作地耦接到pmut接收器144)并被放大器402放大。这些放大的电压信号被发送到adc846(其可操作地耦接到放大器402)以被转换成可以由mcu810处理的数字信号(pmut数字数据)。由pmfe146输出的电压信号到达放大器392(其可操作地耦接到pmfe146)并被放大器392放大。这些放大的电压信号被发送到adc836(其可操作地耦接到放大器392)以被转换成可以由mcu810处理的数字信号(pmfe数字数据)。其他电路块824可以被实现为ic。例如，可以将可商购的mcu用作mcu810，并将可商购的mcu中的adc用作adc(836、846)。图33是力测量和触摸感测系统850的示例的框图，该力测量和触摸感测系统850包括fmtsic器件852和其他电路块854。fmtsic器件852包括mems部分134和asic部分856。mems部分134包括pmut发送器142、pmut接收器144和pmfe146。asic部分包括以下信号处理电路：放大器(392、402)。图33所示的配置与图32所示的配置类似，除了高压收发器电路从fmtsic移至其他电路块。其他电路块854包括mcu810、adc(836、846)和高压收发器电路858。mcu810可操作地偶街道高压收发器电路858。mcu810产生时变信号，这些时变信号被发送到高压收发器电路858。高压收发器电路858将高压信号发送到pmut发送器142。图34是力测量和触摸感测系统860的示例的框图，该力测量和触摸感测系统860包括fmtsic器件862和其他电路块864。fmtsic器件852包括mems部分134和半导体基板部分866。mems部分134包括pmut发送器142、pmut接收器144和pmfe146。半导体基板部分866包括将mems部分电连接到其他电路块864的电互连(布线)870。图34所示的配置类似于图33所示的配置，除了放大器从fmtsic移至其他电路块。其他电路块864包括mcu810、adc(836、846)、放大器(862、872)和高压收发器电路858。高压收发器电路858经由布线870将高压信号发送到pmut发送器142。由pmut接收器144输出的电压信号到达放大器872，这些放大器872(经由布线870)可操作地耦接到pmut接收器144，并且这些电压信号被放大器872放大。这些放大的电压信号被发送到adc846(其可操作地耦接到放大器872)以被转换成可以由mcu810处理的数字信号(pmut数字数据)。由pmfe146输出的电压信号到达放大器862，这些放大器862(经由布线870)可操作地耦接到pmfe146，并且这些电压信号被放大器862放大。这些放大的电压信号被发送到adc836(其可操作地耦接到放大器862)以被转换为可由mcu810处理的数字信号(pmfe数字数据)。半导体基板866上的布线870从半导体基板866延伸到pmut(142、144)和pmfe(146)。其他电路块854和其他芯片外信号处理电路经由半导体基板866上的布线870可操作地耦接到mems部分134。在图35中示出了pmut数字数据的示例，其示出了在adc之后并且在附加处理(例如，高通滤波)之前的说明性pmut数字数据的图形曲线图900。该图形曲线图具有示出时间t的水平轴902，其中1个分度(division)对应于5000ms，以及具有示出pmut数字数据(例如，从图30的adc406输出的数据)的垂直轴904。图形曲线图900包括部分906、914、908、916、910、912、918和912(顺序地排序)。图形曲线图部分906、908、910和912对应于没有任何物体触摸或接触感测区域的时间段。这些图形曲线图部分906、908、910和912示出了基线信号，该基线信号表现出漂移。曲线图部分914对应于指头(例如，手指)在感测区域上重复按压，其中，pmut信号中的每个谷915对应于指头在感测区域处按压出现一次。在所示的示例中，曲线图部分914示出了指头在感测区域处重复按压10次。每次重复之后，指头从感测区域完全释放(移开)。曲线图部分916也对应于指头在感测区域的重复按压，但是在每次重复之后，指头没有完全从感测区域移开。在曲线图部分916的持续时间期间，指头与感测区域接触。曲线图部分918对应于指头触摸感测区域并连续保持抵靠感测区域。图36示出了说明性pmut数字数据的图形曲线图920、940和970。图形曲线图具有示出时间t的水平轴922，其中1个分度对应于200ms，以及具有示出pmut数字数据的垂直轴924。图形曲线图920是pmut数字数据(例如，在附加处理之前从图30的adc406输出的数据)的图形曲线图，并且对应于指头在感测区域上按压出现一次并且该指头完全从感测区域移开(释放)。图形曲线图920包括曲线图部分926、928、930、932和934(顺序地排序)。图形曲线图部分926和934对应于没有任何物体触摸或接触感测区域的时间段。这些图形曲线图部分926和934示出了基线信号。在曲线图部分928的持续时间期间，pmut数字信号从基线开始减小(pmut数字信号相对于时间的导数为负)，大致对应于指头接触感测区域并且指头在感测区域处按压。pmut数字信号在曲线图部分930达到最小值。在曲线图部分932的持续时间期间，pmut数字信号从最小值开始增加(pmut数字信号相对于时间的导数为正)，大致对应于指头从感测区域释放。pmut数字信号(920)可以经受附加处理。在图36所示的示例中，有来自pmut数字信号的两个处理后的输出(940、970)。曲线图940、970示出了如下通过高通滤波器之后的pmut数字信号920：曲线图940示出了小于或等于0的高通滤波后的输出，曲线图970示出了大于或等于0的高通滤波后的输出。高通滤波器处理可以对来自adc(例如，图29的adc406)的输出执行。在图30所示的示例中，在mcu410处执行高通滤波处理。图形曲线图940(负侧高通滤波后的pmut数字信号)包括按顺序排序的曲线图部分942、944、946、948和950。曲线图部分942和950示出了基线信号。在曲线图部分944的持续时间期间，高通滤波后的pmut数字信号(负侧)从基线减小。高通滤波后的pmut数字信号(负侧)在曲线图部分946处达到最小值。在曲线图部分948的持续时间期间，高通滤波后的pmut数字信号(负侧)从最小值增加。曲线图部分944、946和948可以对应于对象(例如，指头)在感测区域处进行触摸和按压。因此，负侧高通滤波后的pmut数字信号有时被称为按压信号。图形曲线图970(正侧高通滤波后的pmut数字信号)包括按顺序排序的曲线图部分972、974、976、978和980。曲线图部分972和980示出了基线信号。在曲线图部分974的持续时间期间，高通滤波后的pmut数字信号(正侧)从基线增加。高通滤波后的pmut数字信号(正侧)在曲线图部分976处达到最大值。在曲线图部分978的持续时间期间，高通滤波后的pmut数字信号(正侧)从最大值减小。曲线图部分974、976和978可以对应于对象(例如，指头)从感测区域释放。因此，正侧高通滤波后的pmut数字信号有时被称为释放信号或解除信号。曲线图部分948的末端和曲线图部分974的开端大约同时发生，该曲线图部分948的末端对应于朝向基线增加的负侧高通滤波后的pmut数字数据，该曲线图部分974的开端对应于从基线增加的正侧高通滤波后的pmut数字数据。图37示出了在重复触摸事件期间的说明性pmut数字数据的图形曲线图1010。图形曲线图1010具有示出时间t的水平轴1012，其中1个分度对应于2.0秒，以及具有示出adc之后和高通滤波之前的pmut数字数据的垂直轴1014。图形曲线图1010包括曲线图部分1016、1018和1020(按顺序排序)。图形曲线图部分1016和1020对应于没有任何物体触摸或接触感测区域的时间段。这些图形曲线图部分1016和1020示出了基线信号。曲线图部分1018对应于指头(例如，手指)在感测区域上的重复按压，其中pmut信号中的每个谷(最小)1022对应于指头在感测区域按压出现一次。在所示的示例中，曲线图部分1018示出了指头在感测区域处按压重复10次。每次重复之后，指头从感测区域完全释放(移开)。如图37所示，在大约4.1秒的时间段内，发生指头感测区域处重复按压10次。因此，重复率约为2.4hz。图38示出了在图37中所示的重复触摸事件期间的说明性pmfe数字数据的图形曲线图1030。图形曲线图1030具有示出时间t的水平轴1032，其中1个分度对应于2.0秒，以及具有示出pmfe数字数据的垂直轴1034。图形曲线图1030包括曲线图部分1036、1038和1040(按顺序排序)。图形曲线图部分1036和1040对应于没有任何物体触摸或接触感测区域的时间段。这些图形曲线图部分1036和1040示出了基线信号。曲线图部分1038对应于指头(例如，手指)在感测区域上重复按压，类似于图37的曲线图部分1018。存在成对的最大pmfe数字数据1042和最小pmfe数字数据1044(在1042之后发生)，其对应于指头在感测区域处按压的一次重复和该指头从感测区域移开。当指头按压感测区域时，pmfe经历第一变形，从而导致第一pmfe信号，当指头从感测区域移开时，pmfe经历第二变形，从而导致第二pmfe信号。在这种情况下，第一变形和第二变形方向相反，并且第一pmfe信号和第二pmfe信号相对于基线信号具有相反的极性。如图12的示例中所示，第一变形可以是第一挠曲，在该第一挠曲期间第一挠曲电压vd1(对应于一定极性和大小的应变)是可检测的。第二变形可以是第二挠曲，在该第二挠曲期间第二挠曲电压vd2(对应于一定极性和大小的应变)是可检测的。如图38所示，在大约4.1秒的时间段期间，发生指头感测区域处重复按压10次。因此，重复率约为2.4hz。当前第1页12当前第1页12