使用微圆顶阵列的压电式换能器制造技术

一种超声波压电式换能器装置，包括换能器阵列和基底，换能器阵列由振动元件阵列组成，换能器阵列中的振动元件阵列附接至基底。基底包括集成电互连，用于在振动元件和外部控制电路之间传送驱动信号和感测信号。基底可以是ASIC晶圆，其包括集成电路，用于控制对所感测信号的驱动和处理。基底中的互连和控制电路基本装配在位于多个振动元件阵列下方的区域内。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2012年2月14日、申请号为201280018636.8、专利技术名称为“使用微圆顶阵列的压电式换能器”的专利技术专利申请的分案申请。
本说明书涉及压电式换能器。
技术介绍
压电式换能器包括压电元件，压电元件能够将电能转换为机械能(例如，声音或超声能量)，反之亦然。因此，压电式换能器既可充当机械能的发送器，又可充当影响机械能的传感器。超声波压电式换能器装置可包括压电振动元件，其响应于随时间变化的驱动电压以高频振动，并在与振动元件暴露的外表面接触的传播介质(例如空气、水或组织)中产生高频压力波。该高频压力波能够传播进其它介质中。该相同的振动元件还可接收来自传播介质的反射压力波，并将接收到的压力波转换为电信号。该电信号可与驱动电压信号结合处理，以获得与传播介质中的密度或弹性模量变化有关的信息。超声波压电式换能器装置可包括压电振动元件阵列，每个振动元件可以以各自的驱动电压和时间延迟独立地控制，使得可通过振动元件阵列共同地在传播介质中生成具有期望方向、形状和焦点的压力波，并且可基于由压电振动元件阵列捕获的反射和/或折射压力波更精确和准确地探知与传播介质中的密度或弹性模量变化有关的信息。通常，许多超声波换能器装置使用这样的振动元件，其通过机械地切割大块压电材料而形成或者通过将注入有压电陶瓷晶体的支承材料注射成型而形成。
技术实现思路
本说明书描述了与压电式换能器有关的技术。压电式换能器装置可包括一个或多个振动元件，每个振动元件具有悬于基底之上并附接至基底的内表面以及暴露于传播介质的外表面。所述一个或多个振动元件可响应于所施加的随时间变化的驱动电压而振动，并在与振动元件的暴露的外表面接触的传播介质中产生压力波。每个振动元件可包括布置在驱动电极和参比电极之间的压电元件。远离基底的电极是振动元件的向外朝向电极。驱动电极、参比电极和压电元件均具有相应柔性部和邻接(例如包围)柔性部的相应静止部，在振动元件上没有施加电压的情况下，驱动电极、参比电极和压电元件的相应柔性部(换言之，整个振动元件的柔性部)相对于基底凹地或凸地弯曲。或者，振动元件可以是平坦的。每个振动元件的暴露的外表面可包括振动元件的向外朝向电极的外表面，或者覆盖振动元件的向外朝向电极的柔性保护涂层的外表面。在换能器装置中，相同的一个或多个振动元件还可充当感测元件，其响应于由传播介质中反射的压力波施加的变化的机械压力，可在电极对之间的压电元件上产生感测的电压。换能器装置可根据定时切换在驱动模式和感测模式之间交替。在各实施方式中，压电式换能器装置可包括由振动元件阵列构成的换能器阵列和附接有换能器阵列中的振动元件阵列的基底。在一些实施方式中，基底可包括用于在换能器阵列的振动元件以及外部控制电路之间传送驱动信号和感测信号的多个集成电互连。在一些实施方式中，基底可以是ASIC晶圆，其包括集成电路，用于将驱动电压信号发送至振动元件阵列以及记录来自振动元件阵列的感测电压。ASIC晶圆可基本装配在多个振动元件阵列下方的区域内。换能器阵列中的振动元件阵列在一侧可共享一公共参比电极，并在相对侧具有各自可独立控制的驱动电极。振动元件的公共参比电极和可独立控制的驱动电极可电连接到ASIC晶圆中的集成电路。竖直取向的互连可形成在每个振动元件的驱动电极和ASIC晶圆中的控制电路之间。竖直取向的互连使得大量连接件能够容纳在由振动元件阵列占据的小横向区域内。在各实施方式中，压电式换能器装置(包括振动元件(例如弯曲或平坦的压电振动元件)阵列的压电元件、驱动电极、公共参比电极以及关于ASIC晶圆中的集成电路制成的电连接件)可使用各种半导体制造技术(例如，材料沉积、光刻构图、通过刻蚀形成特征等)制造。本说明书所述主题的特定实施方式可以实施成实现下列优点中的一个或多个。在一些实施方式中，压电式换能器装置中的振动元件阵列可使用半导体制造工艺制成，与通过机械切割大块压电材料或通过注射成型而形成的振动元件中可获得的尺寸和间距相比，该阵列中振动元件的尺寸和间距可制得更小，并被更加精确地控制。较小的振动元件和相邻振动元件之间较精细的间距使得可基于由振动元件接收的反射和折射压力波实现较高成像分辨率。而且，可使用半导体制造工艺在相同晶圆上制造多个换能器装置，从而减少了单独换能器装置的成本。在各实施方式中，可以在附接至弯曲的振动元件阵列下侧的基底的AISC层中实施用于压电式换能器装置的控制电路和感测电路。由于ASIC层可使用少量外部输入连接件支持大量内部输出连接件，所以包括用于提供驱动信号的集成AISC层的换能器装置可具有少量的外部输入线，例如要连接到换能器装置的线束可以较薄。通过减少容纳换能器装置的外部输入连接件所需的横向区域，换能器装置的总尺寸得以减小，这可允许所述装置在较小空间内使用，由此可用于各种各样的应用。而且，可在AISC层中实施更多用于控制传输的压力波的方向、焦点、形状和/或频率的处理逻辑单元，以减少压电式换能器的周界支撑设备(例如，外部驱动电路和连接电缆)的总成本。在一些实施方式中，可通过具有集成电互连的基底实现装置尺寸的减小，集成电互连在不位于换能器阵列正下方的适当位置处连接到外部控制电路或控制电路板。此外，对于给定的施加电压，弯曲的压电元件(例如，压电薄膜具有由平面部包围的圆顶部)具有比相当大小的平坦的压电膜或压电体(例如杆)大的位移(例如5-10倍)。因此，通过在压电式换能器装置的每个振动元件中使用弯曲的压电元件，可使用给定的驱动电压产生较强的压力波。类似地，对于给定的可接受的感测电压等级，需要较低的机械压力。例如，与100-200伏特用于由切割的大块压电材料形成的超声波换能器装置相比，10-20伏特或更小的驱动电压可用于由微圆顶换能器阵列制成的超声波换能器装置。在较低的所需驱动电压的情况下，还可以避免因欧姆加热引起的功耗和损失以及换能器装置上的过高温度。这还可允许该装置用在各种各样的应用中。此外，由于使用半导体制造技术可获得的振动元件的小尺寸、ASIC层的紧凑尺寸以及用于驱动振动元件所需的低驱动电压，可使用本说明书中公开的设计来研发适用于高精度医疗诊断和治疗应用的压电式换能器装置。例如，在与病人皮肤接触或在病人身体内使用时，换能器装置的低电压、低热量和小尺寸使得其更安全和/或更舒适。此外，通过本说明书中公开的换能器设计可对病人体内小的、精细的和难以接近的区域(例如，眼睛、血管或大脑)进行动态成像。此外，提供具有与振动元件阵列对应的、竖直连接到振动元件的驱动电路阵列的ASIC层使得可紧密地封装振动元件，这可提高图像质量。这与允许以小尺寸沉积压电元件的沉积技术(例如溅射)的结合是特别有效的。此外，例如，可通过改变弯曲的压电元件的尺寸、形状和厚度而在压电式换能器的设计和制造过程中控制弯曲的振动元件的共振频率和阻抗。因此，可适应所有要求不同操作频率范围和不同类型传播介质(例如不同阻抗)的应用。在一些实施方式中，可通过将压电材料粒子沉积(例如溅射)在弯曲的轮廓传递基层(profile-transferringsurface)上而形成弯曲的压电元件。或者，溅射的压电材料可形成平坦的压电元件。通过沉积而形成的弯曲或平坦的压电元件具有相对于压电元件的弯曲或平坦表面对准并垂直取向的柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电式换能器，包括：支撑结构，其中具有孔；以及换能器元件，具有固定到支撑结构的第一表面的内表面，该换能器包括驱动电极、参比电极以及布置在驱动电极和参比电极之间的换能器元件，换能器元件具有定位成接收或产生外部介质中的压力波的外表面，并且其中，驱动电极、参比电极和压电元件均包括相应柔性部和连接到该相应柔性部的相应静止部，其中，驱动电极、参比电极和压电元件的柔性部悬于所述支撑结构的孔之上，并在所述驱动电极和所述参比电极之间没有施加电压以及没有施加会增加柔性部上的机械应力的力的情况下相对于支撑件的第一表面在第一方向上弯曲，并且其中，所述参比电极、驱动电极和压电元件的柔性部响应于在所述驱动电极和所述参比电极之间施加的驱动电压而偏转。

【技术特征摘要】
2011.02.15 US 61/443,0421.一种压电式换能器，包括：支撑结构，其中具有孔；以及换能器元件，具有固定到支撑结构的第一表面的内表面，该换能器包括驱动电极、参比电极以及布置在驱动电极和参比电极之间的换能器元件，换能器元件具有定位成接收或产生外部介质中的压力波的外表面，并且其中，驱动电极、参比电极和压电元件均包括相应柔性部和连接到该相应柔性部的相应静止部，其中，驱动电极、参比电极和压电元件的柔性部悬于所述支撑结构的孔之上，并在所述驱动电极和所述参比电极之间没有施加电压以及没有施加会增加柔性部上的机械应力的力的情况下相对于支撑件的第一表面在第一方向上弯曲，并且其中，所述参比电极、驱动电极和压电元件的柔性部响应于在所述驱动电极和所述参比电极之间施加的驱动电压而偏转。2.如权利要求1所述的压电式换能器，其中，所述支撑结构包括基底，该基底具有第一表面和形成在基底第一表面中的空腔，以提供所述孔。3.如权利要求1所述的压电式换能器，其中，所述支撑结构包括基底以及位于基底和换能器元件之间的支撑件，并且其中，所述孔穿过该支撑件而形成，并且所述基底跨越所述孔。4.如权利要求3所述的压电式换能器，其中，所述支撑件具有第一侧和第二侧，所述第一侧附接至所述基底的第一表面，所述第二侧附接至驱动电极和参比电极中定位成更靠近基底第一表面的那个电极的相应静止部。5.如权利要求3所述的压电式换能器，其中，所述支撑件是导电的。6.如权利要求4所述的压电式换能器，其中，所述支撑件包括金属环。7.如权利要求6所述的压电式换能器，其中，所述金属环提供所述基底和所述换能器元件之间的共晶键合。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：A比布尔，HFS劳，K冯艾森，MG奥托森，
申请(专利权)人：富士胶卷迪马蒂克斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US