集成超声换能器制造技术

换能器组件(700)包括：微机电系统(MEMS)管芯(702)，其包括多个压电元件(720)；互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯(704)，其通过第一多个凸块(712)电耦合到MEMS管芯(702)，并包括用于控制多个压电元件(720)的至少一个电路；封装(706)，其通过粘合剂层(710)固定到CMOS管芯(704)并电连接到CMOS管芯(704)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成超声换能器
本专利技术涉及成像设备，更具体地，涉及具有集成到互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯(die)/晶片(wafer)的微机电系统(MEMS)管芯的成像设备。
技术介绍
用于对人体的内部器官进行成像并显示内部器官的图像的非侵入式成像系统/探针需要将信号传输到人体中并从器官接收发射或反射的信号。通常，在成像系统中使用的换能器称为收发器，而某些收发器基于光声或超声效应。用于医学成像的常规超声探针通常使用压电材料，例如，用于高端成像器的锆酸钛酸铅(PZT)和铌酸镁铅-钛酸铅(PMN-PT)。探针通常容纳换能器和某些其他电子设备，其带有使图像显示在显示单元上的装置。为了制造用于换能器的常规块状压电元件，可以简单地将厚压电材料板切割成矩形压电元件。然而，这些矩形压电元件的制造成本很高，这是因为制造过程涉及一次一个精确地切割矩形厚的PZT，并且需要200V量级的高驱动电压。基于硅的电容式微机械超声换能器cMUT于1990年代末出现，作为执行医学成像的新工具，能够在硅晶片上批量制造cMUT。预期的好处之一是将cMUT与CMOS集成的潜力，这是朝着降低成本和降低功耗迈出的又一步。演示了几种将cMUT与CMOS原型集成的方法：单片集成，其中cMUT位于CMOS电路上方，而cMUT与电路相邻，在中间基板(中介层)上倒装MEMS和CMOS，以及在MEMS和CMOS之间倒装芯片。然而，这些概念的商业实施遇到了许多挑战。例如，常规的cMUT传感器由于在高压操作过程中积累的电荷而特别容易出现故障或性能下降，显示出非线性传递函数，限制了谐波成像，并且需要与常规探针相比高的驱动电压。MEMS技术的最新进展使得有可能在硅上沉积压电薄膜，从而能够在硅晶片上批量制造压电微机械超声换能器(pMUT)，从而消除了cMUT的基本问题。尽管cMUT需要高电压来调节隔膜下的间隙以产生超声波，但pMUT的压电层用于使用比cMUT低得多的电压来偏转隔膜。pMUT的传递函数是线性的，其启用谐波成像，并且操作对移动电荷不敏感。通常，对于高性能3D成像，需要将大量pMUT集成在单个管芯上。通常，每个pMUT元件可能需要一个或多个电连接，这使得PMUT芯片和CMOS芯片之间的引线键合对于低成本3D成像器而言不是实际的解决方案。此外，不希望在pMUT的人体一侧具有引线键合，因为它们可能会拾取电磁干扰信号。因此，需要诸如由CMOS晶片或管芯上的pMUTMEMS管芯的倒装芯片所提供的pMUTMEMS管芯与ASIC管芯之间的短连接，以实现电连接并确保低电磁干扰信号。
技术实现思路
在各实施方式中，一种换能器组件包括：微机电系统(MEMS)管芯，其包括多个压电元件；互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，其通过第一多个凸块(或柱)电耦合至MEMS管芯，并且包括至少一个用于控制多个压电元件的电路；封装，其通过粘合剂层固定到CMOS管芯并电连接到CMOS管芯。在下文中，术语凸块和柱可互换使用。在各实施方式中，成像设备包括换能器组件。换能器组件包括：微机电系统(MEMS)管芯，其包括多个压电元件；互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，其通过第一多个凸块电耦合至MEMS管芯，并且包括至少一个用于控制多个压电元件的电路；封装，其通过粘合剂层固定到CMOS管芯并电连接到CMOS管芯。多个压电元件产生压力波，响应于从外部接收到的压力波而产生电荷，并产生与电荷相对应的电信号。封装处理电信号以生成图像。附图说明将参考本专利技术的实施方式，其示例可以在附图中示出。这些图仅是说明性的，而非限制性的。尽管一般在这些实施方式的上下文中描述了本专利技术，但是应当理解，其并不旨在将本专利技术的范围限制为这些特定实施方式。图(或“图”)1示出了根据本公开的实施方式的成像系统。图2示出了根据本公开的实施方式的示例性超声成像器的框图。图3示出了根据本公开的实施方式的示例性MEM管芯的简化俯视图。图4示出了根据本公开的实施方式的pMUT元件的示意性截面图。图5A示出了根据本公开的实施方式的在CMOS晶片上的倒装芯片组装的pMUT管芯的俯视图。图5B示出了根据本公开的实施方式沿方向5-5截取的图5中的倒装芯片组件的截面图。图6示出了根据本公开的实施方式的包括MEMS管芯和CMOS管芯的单片倒装芯片组件的截面图。图7示出了根据本公开的实施方式的MEMS-CMOS组件的截面图。图8示出了根据本公开的实施方式的MEMS-CMOS组件的截面图。图9示出了根据本公开的实施方式的MEMS-CMOS组件的截面图。图10示出了根据本公开的实施方式的MEMS-CMOS组件的示例性示意图。图11A示出了根据本公开的实施方式的pMUT的电连接的示意图。图11B示出了根据本公开的实施方式的pMUT的电连接的示意图。图11C示出了根据本公开的实施方式的pMUT的电连接的示意图。具体实施方式在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的理解。然而，本领域的技术人员容易理解可以在没有这些细节的情况下实践本公开。此外，本领域技术人员将认识到，以下描述的本公开的实施方式可以以多种方式来实现，诸如装置、系统或设备。图中所示的元件/组件是本公开的示例性实施方式的说明，并且意在避免使本公开模糊。说明书中对“一个实施方式”、“优选实施方式”、“一个实施方式”或“实施方式”的引用是指结合该实施方式描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本专利技术的至少一个实施方式中并且可以在一个以上的实施方式中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施方式中”、“在各实施方式中”或“在各实施方式中”不一定都指的是同一实施方式。术语“包括”、“包括”、“包含”和“包含”应被理解为开放术语，并且以下的任何列表都是示例，并不意味着限于所列出的项目。本文使用的任何标题仅用于组织目的，并且不应用于限制说明书或权利要求书的范围。此外，在说明书中的各个地方使用某些术语是为了说明，而不应解释为限制性的。在各实施方式中，pMUT和换能器组件/封装可用于对人/动物体的内部器官成像以及其他治疗应用，其中超声束用于加热组织以愈合或聚焦高功率超声束以用于显微术手术。在各实施方式中，pMUT和换能器组件/封装也可以用于超声层析成像应用。在各实施方式中，可以通过应用现代的半导体和晶片处理技术来降低pMUT的制造成本。在各实施方式中，薄膜压电层可以被旋转或溅射在半导体晶片上，并且随后被图案化以创建各自具有两个或更多个电极的压电换能器。在各实施方式中，每个压电元件可以被设计为具有在特定频率范围内发射或接收信号的能力。在下文中，术语压电元件、pMUT、传感器、换能器、收发器和单位像素可互换使用。图1示出了根据本公开的实施方式的成像系统100的示意图。如图所示，系统100可以包括：成像设备(或简称为成像器)120，其以发射模式/过程产生并向诸如心脏的内部器官112发送压力波122，并接收从内部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种换能器组件，包括：/n微机电系统(MEMS)管芯，所述MEMS管芯包括多个压电元件；/n互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯，所述CMOS管芯通过第一多个凸块电耦合至所述MEMS管芯，并且包括用于控制所述多个压电元件的至少一个电路；和/n封装，所述封装通过粘合剂层固定至所述CMOS管芯并电连接至所述CMOS管芯。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180322 US 15/933,3091.一种换能器组件，包括：
微机电系统(MEMS)管芯，所述MEMS管芯包括多个压电元件；
互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯，所述CMOS管芯通过第一多个凸块电耦合至所述MEMS管芯，并且包括用于控制所述多个压电元件的至少一个电路；和
封装，所述封装通过粘合剂层固定至所述CMOS管芯并电连接至所述CMOS管芯。


2.根据权利要求1所述的换能器组件，其中所述多个压电元件中的每个压电元件包括：
基板；
膜，所述膜设置在所述基板上；和
堆叠层，所述堆叠层设置在所述膜和所述基板中的至少一个上，并具有底部电极、压电层和顶部电极。


3.根据权利要求2所述的换能器组件，还包括：
形成在所述MEMS管芯上的多根电线，
其中所述多根电线中的至少一根电线与所述第一多个凸块直接接触。


4.根据权利要求2所述的换能器组件，还包括：
覆盖层，所述覆盖层用于覆盖所述多个压电元件的所述基板并且由阻抗匹配材料形成。


5.根据权利要求2所述的换能器组件，其中所述基板包括腔，并且通过所述腔变薄的所述基板的一部分对应于所述膜，并且其中所述堆叠层使所述膜振动以产生从所述膜传播的压力波。


6.根据权利要求1所述的换能器组件，其中所述粘合剂层由用于吸收穿过所述粘合剂层的压力波的声阻尼材料形成。


7.根据权利要求1所述的换能器组件，还包括：
密封环，所述密封环围绕所述MEMS管芯的周边设置，并且在所述MEMS管芯和所述CMOS管芯之间，从而限定出封闭空间，
其中所述封闭空间处于真空中。


8.根据权利要求1所述的换能器组件，还包括：
密封环，所述密封环围绕所述MEMS管芯的周边设置，并且在所述MEMS管芯和所述CMOS管芯之间，从而限定出封闭空间，
其中所述封闭空间填充有惰性气体和空气中的至少一种。


9.根据权利要求1所述的换能器组件，还包括：
底部填充层，所述底部填充层设置在所述MEMS管芯和所述CMOS管芯之间，并且将所述MEMS管芯机械固定到所述CMOS管芯。


10.根据权利要求9所述的换能器组件，其中所述底部填充层由吸收穿过所述材料的压力波的材料形成。


11.根据权利要求1所述的换能器组件，还包括：
由底部填充材料形成的层，并且所述层设置在所述MEMS管芯和所述CMOS管芯之间，并且将所述MEMS管芯固定到所述CMOS管芯，
其中所述底部填充材料包括用于吸收穿过所述底部填充材料的压力波的声阻尼材料。


12.根据权利要求1所述的换能器组件，还包括：
至少一根线，其一端连接到所述CMOS管芯，另一端连接到所述封装，
其中所述CMOS管芯经由所述至少一根线与所述封装电连通。


13.根据权利要求1所述的换能器组件，还包括：
在所述粘合剂层中形成的第二多个凸块，
其中所述CMOS管芯包括多个硅通孔(TSV)，并且所述第一多个凸块通过所述多个硅通孔电耦合至所述第二多个凸块。


14.根据权利要求1所述的换能器组件，还包括：
电耦合到所述多个压电元件的两个或更多个顶部电极的导体，
其中所述多个压电元件中的每个压电元件的底部电极电耦合到所述第一多个凸块中的一个凸块，并且其中所述导体电耦合到所述第一多个凸块中的另一个凸块。


15.根据权利要求1所述的换能器组件，其中所述顶部电极电耦合至所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅努什·布雷泽克，桑迪普·阿卡拉杰，优素福·哈克，乔·亚当，
申请(专利权)人：艾科索成像公司，
类型：发明
国别省市：美国;US