微机械构件、声换能器设备和用于制造微机械构件的方法与流程

本发明涉及一种用于声换能器设备的微机械构件、一种声换能器设备和一种用于制造用于声换能器设备的微机械构件的方法。微机械构件也可以构型为用作空间分辨的材料探测器、用作光学镜或用作干涉仪。

背景技术：

1、超声换能器可以构造为微电子机械系统(mems)。这种类型的、借助压电效应发出并探测超声波的设备，被称为压电微机械超声换能器(piezoelectric micromachinedultrasonic transducer，pmut)。由wo2016/106153al已知示例性的具有低应力敏感性的pmut。

2、pmut的突出之处在于紧凑的构造以及高分辨率。压电元件产生膜片和周围的液体的振动，由此发出超声波。借助压电元件来探测经反射的超声波。基于半导体制造工艺，可以在芯片上特别容易且成本有利地将多个单个的pmut组合成阵列。通过使用这种类型的pmut的阵列，可以由此对环境进行制图(kartographiert)。因此，mems-pmut尤其适合用于成像方法，例如在医疗技术方面。

3、在图1中示出超声波头7的示例性构造，其中，构造有具有多个pmut单元3的阵列。通过压电层2激励薄的膜片1进行振动，所述振动传递到凝胶8上。给每个单个的pmut单元3供应电信号，该电信号由操控芯片或专用集成电路(英语：application-specificintegrated circuit，asic)芯片5提供。

4、在一种经典方案中，典型地将两个芯片4、5组合。在第一mems芯片4上提供具有pmut单元3的阵列。第二asic芯片5在mems芯片4旁边布置在共同的衬底上。

5、通过键合线6建立mems芯片4与asic芯片5之间的多个电连接，所述键合线分别放置在两个芯片4、5的边缘上。

6、在该布置中，在阵列中，可以仅在mems芯片4的边缘上实现通过键合线6进行的电连接。mems芯片4的边缘的长度与mems芯片4的直径成比例，而mems芯片4上可能的pmut3的数量与该mems芯片的面积、即直径的平方成比例。由此，尤其对于大的阵列来说，mems芯片4的接通变得困难。

7、另外，对于经典的引线键合技术，asic芯片5必须尽可能布置在mems芯片4旁边。由于两个芯片4、5的平行布置，超声波头7变得比其出于技术原因所必需的更大。

8、附加地，必须保护键合线6，其中，同时应尽可能不受干扰地发出pmut3的超声波信号。为此，需要复杂的构造。在这种类型的布置中，定义的凝胶工艺变得困难，其中，凝胶8施加在膜片1上。

9、在图2所示的替代方案中，在完成的asic晶圆上通过附加步骤在asic芯片上制造mems-pmut3。借助适合的措施在asic芯片与pmut3之间建立直接的电连接。因此，一方面可以制造非常大的pmut阵列，一方面可以实现较成本有利且较小的构造方案。

10、在该方案中，如果pmut单元应布置在asic芯片上，则在pmut单元3的制造工艺方面产生限制。例如，典型的asic晶圆不允许在较长的时间内被加热到高于400℃。因此，制造成本有利且高效性的pmut是困难的。尤其是，在此难以制造具有高压电系数的压电层。

11、此外，如果应在pmut与asic之间建立电接通，则必须匹配asic制造工艺。这降低系统的灵活性。如果提供优点的新的asic工艺进入市场，则在可以使用该工艺之前，必须首先匹配该工艺。

12、此外，asic芯片和mems芯片必须具有相同尺寸。如果所述芯片中的一个芯片默认较大，则较小类型的尺寸必须相应匹配，由此产生附加成本。

技术实现思路

1、本发明提供具有独立权利要求的特征的一种用于声换能器设备的微机械构件、一种声换能器设备和一种用于制造用于声换能器设备的微机械构件的方法。

2、优选的实施方式是相应从属权利要求的主题。

3、因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于声换能器设备的微机械构件。该微机械构件包括衬底、膜片、至少一个压电元件和至少一个电接通连接。膜片以可振动的方式构型并与衬底连接。至少一个压电元件布置在膜片与衬底之间并与膜片连接。至少一个压电元件构造用于产生和/或探测膜片的在超声波范围中的振动。至少一个电接通连接(kontaktverbindung)与至少一个压电元件电连接。微机械构件能够以倒装芯片技术与操控电路如此连接，使得至少一个压电元件能够通过至少一个电接通连接与操控电路电连接。术语“能够连接”在此应如此理解：存在至少一种状态，在该状态中压电元件通过电接通连接与操控电路电连接。

4、因此，根据第二方面，本发明涉及一种具有根据本发明的微机械构件的声换能器设备。此外，该声换能器设备包括操控电路。微机械构件以倒装芯片技术与操控电路连接。微机械构件的至少一个压电元件通过至少一个电接通连接与操控电路电连接。

5、根据第三方面，本发明涉及一种用于制造微机械构件的方法。提供衬底。构造与该衬底连接的可振动的膜片。提供至少一个压电元件，该至少一个压电元件布置在膜片与衬底之间并与膜片连接。该至少一个压电元件构造用于产生和/或探测膜片的在超声波范围中的振动。构造至少一个电接通连接，该至少一个电接通连接与至少一个压电元件电连接。微机械构件能够以倒装芯片技术与操控电路如此连接，使得至少一个压电元件能够通过至少一个电接通连接与操控电路电连接。术语“能够连接”在此应如此理解：存在至少一种状态，在该状态中压电元件通过电接通连接与操控电路电连接。

6、本发明的优点

7、根据本发明，压电元件、即pmut元件通过电接通连接与借助倒装芯片技术装配的操控电路耦合。由此消除对用于接通压电元件的单独键合线的需要。由此能够特别容易且成本有利地执行接通。

8、通过使用倒装芯片技术，压电元件与操控电路之间的可能的电连接的数量与直径的平方成比例。由此，阵列中的压电元件(pmut)的数量原则上可以选择得任意大。

9、电接通连接通过布置在压电元件的下方而能够容易且可靠地被保护。

10、通过布置在膜片的背侧(即膜片的朝向衬底定向的侧)上，也特别好地保护压电元件。

11、此外，可以实现微机械构件的简单构造，因为在构造中压电元件与操控电路之间的键合线不暴露并且不需要被保护。

12、通过微机械构件与操控电路的竖直的、堆叠的布置，能够实现横向上特别小的构造。

13、微机械构件也可以构型为用作空间分辨的材料探测器、用作光学镜或者用作干涉仪。

14、声换能器设备的借助倒装芯片装配的制造同样能够特别容易且成本有利地执行。

15、此外，用于微机械构件和操控电路的制造工艺完全彼此分离，这不仅涉及单个元件的尺寸、还涉及工艺控制。这例如允许在特别高的温度的情况下制造压电元件，因此，可以制造具有特别高的压电系数的压电元件。

16、“操控电路”可以理解为如下电路：该电路构造用于操控至少一个压电元件，以便由此引起膜片的振动。附加地或者替代地，“操控电路”也可以理解为如下电路：该电路被至少一个压电元件操控，即该电路接收测量信号。至少一个压电元件将膜片的振动转换为电测量信号，并且将所述电测量信号通过至少一个电接通连接传递给操控电路。操控电路用作分析处理电路，即可以对接收到的测量信号进行分析处理。在使用压电元件阵列时，可以例如根据多个压电元件的接收到的测量信号对环境进行制图。

17、“电接通连接”应理解为如下连接：通过该连接能够发送电信号，例如从操控电路发送到至少一个压电元件的操控信号，或者从至少一个压电元件发送到操控电路的测量信号。

18、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，操控电路是asic芯片。asic芯片可以包括存储器以及计算装置、例如微处理器，并且可以构造用于进一步分析处理从至少一个压电元件接收的测量信号。asic芯片也可以通过相应的操控信号来操控至少一个压电元件，以便激励膜片进行振动。

19、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个电接通连接包括通孔(durchkontaktierung)(英语：“through silicon via”，硅通孔，tsv)，该通孔延伸穿过衬底。

20、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，衬底借助键合连接与膜片和/或至少一个压电元件连接。由此，膜片和衬底可以首先彼此独立地制造，并且随后借助键合方法连接。

21、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，键合连接包括铝和锗中的至少一个。

22、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，围绕至少一个键合连接在衬底中构造有环绕的绝缘沟槽。由此将键合连接电绝缘，该键合连接是电接通连接的一部分，该电接通连接将至少一个压电元件与操控电路连接。

23、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，在衬底的表面上在绝缘沟槽的区域中构造有电绝缘的材料。由此改进电绝缘。

24、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个电接通连接包括至少一个焊球。尤其是，可以为每个压电元件设置自己的电接通连接，该电接通连接具有相应的焊球。通过每个焊球，操控电路可以由此将恰好一个压电元件接通。

25、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个电接通连接附加地或者替代地包括在衬底的背离膜片的侧上的至少一个第一印制导线。

26、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个压电元件中的至少一个压电元件通过第二印制导线与至少一个键合连接电连接。

27、尤其是，每个压电元件可以通过第二印制导线与至少一个键合连接电连接。

28、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，电接通连接从压电元件经由第二印制导线延伸到构成通孔的键合连接，并且进一步经由第一印制导线延伸到焊球。

29、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，第二印制导线的材料包括铝。

30、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个压电元件通过完全环绕的键合框架包围。该键合框架将衬底和膜片连接。由此保护压电元件不受环境影响。

31、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，衬底是经掺杂的硅衬底。

32、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，膜片至少部分地由硅构成。膜片的厚度优选小于30微米。膜片可以在部分区域中实施得更厚，或者在部分区域中配备有一个或者多个附加层。优选地，膜片层完全封闭地实施。

33、根据微机械构件的一种优选的扩展方案，在衬底中在面向膜片的侧上设置有凹槽。

34、根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，在载体衬底的表面上构造蚀刻停止层，用以构造与衬底连接的可振动的膜片。此外，在蚀刻停止层上构造膜片层。至少部分地移除载体衬底，其中，该移除至少部分地通过使用蚀刻方法进行。由此可以制造薄且均匀的膜片。

35、根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，仅部分地移除载体衬底和蚀刻停止层。载体衬底和蚀刻停止层在边缘区域中结构化。由此可以例如简化随后的凝胶工艺。

36、根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，膜片借助键合连接与衬底连接。

37、根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，对于键合方法，在膜片侧上使用包括铝的层。在衬底侧上使用包括锗的层。

38、根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，围绕至少一个键合连接在衬底中构造环绕的绝缘沟槽。

39、根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，在衬底的表面上在绝缘沟槽的区域中构造电绝缘的材料。

40、此外，本发明涉及一种用于制造声换能器设备的方法。为此，根据上述方法制造的微机械构件借助倒装芯片技术与操控电路连接，使得微机械构件的至少一个压电元件通过至少一个电接通连接与操控电路电连接。