超声换能器阵列器件制造技术

本发明专利技术涉及一种超声换能器多层结构，包括：限定二极管的半导体层堆叠；与所述二极管电串联的并且包括至少部分设置在二极管上的第一导电层的微加工的超声换能器MUT层堆叠；腔，该腔在包括该半导体层堆叠的至少一部分和第一导电层的区域上延伸，其中该MUT层堆叠包括至少部分地在所述区域上延伸的膜。根据本发明专利技术的超声换能器多层结构可被用在用于测量对象的至少一个特性的传感器装置中，其中该传感器装置用于医学成像，诸如心脏成像、产科、妇科、腹部成像、血管内成像和乳房X线摄影，或无损检测(NDA)、指纹传感器、测距仪、手势识别、超声触觉反馈、超声通信或MEMs扬声器。超声通信或MEMs扬声器。超声通信或MEMs扬声器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超声换能器阵列器件
专利

[0001]本专利技术通常涉及超声换能器领域，并且尤其涉及被配置成传送和接收超声信号的超声换能器阵列器件，以及用于制造这种超声换能器阵列器件的方法。
[0002]专利技术背景
[0003]超声成像，特别是3D超声成像，是一种强大的成像手段并且在诸如声纳、姿势识别、指纹传感器、医学成像和无损检测(NDT)等应用中特别有用。采集3D图像的一种方式是使用超声换能器的二维阵列，这消除了对机械电机的需要或对换能器的一维阵列的手动移动的需要。
[0004]制造换能器2D阵列的主要困难之一是接入各个体换能器的布线。2D阵列中的各个体换能器可以通过将完全切块的压电换能器或电容式换能器矩阵直接与前端电子器件结合或集成(例如在CMOS芯片的顶部上(即CMOS集成))来被接入。以这种方式，每个压电或电容式元件都可以访问其自己的前端，并且可以被单独控制。这要求CMOS芯片的尺寸与换能器阵列器件矩阵的尺寸相同，这使得整个器件极其昂贵，这是制造非常大的2D阵列的壁垒。此外，这一技术不能被用于柔性超声换能器，诸如在柔性基板(如硅弹性体)上制造的超声换能器。
[0005]对于高分辨率成像应用，可以使用微加工的超声换能器(MUT)。微加工的超声换能器(MUT)技术基于半导体材料和光刻技术，并且在不同的应用中正成为基于大块PZT的换能器的主要替代方案。MUT具有相对简单的制造工艺，并且可以被小型化以获得更好的图像分辨率。
[0006]通常，MUT在两种不同的机制中工作：电容力(称为“电容式MUT”或“cMUT”)或压电(也称为“压电MUT”和“pMUT
””
)感应致动。因此，cMUT和pMUT是常用类型的MUT。
[0007]CMUT基于两个平行的膜，在膜之间具有非常小的真空间隙(约200nm)。上部膜通过静电力被吸引到下部膜，该静电力由施加在膜上的电压引起。CMUT具有许多限制，其中要求高DC偏置电压，这在换能器是手持设备的一部分的应用中是特别的缺点；由于在所需的高电压操作期间积累的电荷而导致的故障或性能漂移；以及难以生成足够高的声压。
[0008]pMUT包括薄膜，该薄膜由于由薄压电层生成的施加力而振动。压电层被沉积在膜的顶部，并由电信号驱动。PMUT由于低机电耦合因子而遭受低带宽和低输出压力，这是超声成像在尤其是医学和NDT应用两者中的两个重要因素。低带宽导致难以实现高空间分辨率所需的短脉冲响应。低输出压力导致发射的超声的低振幅，这可能导致低信噪比。因此，仍然需要能够容易地被小型化并且具有足够高的输出压力和带宽的超声换能器。
[0009]与传统换能器相比，MUT具有更简单且更便宜的制造工艺。此外，MUT可以被小型化以获得更好的图像分辨率。例如，对于小尺寸矩阵，例如MUT的16
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16矩阵布置，个体引线接合仍然是可能的，以便能够单独地接入矩阵中的所有换能器。引线接合是一种便宜的工艺，它允许CMOS芯片独立于矩阵的尺寸来设计和制造。然而，对于较大的矩阵，对于cMUT和pMUT两者而异，MUT技术在制造2D阵列时具有与常规技术相同的问题。归因于换能器矩阵中元件的密度，通过引线接合触点进行寻址变得非常困难。
[0010]“Acoustical cross
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talk in row
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column addressed 2
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D transducer arrays for ultrasound imaging(用于超声成像的行
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列寻址二维换能器阵列中的声学串扰)”(T.Christiansen等人，Ultrasonics，卷63，2015年12月，第174
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178页)描述了一种行
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列寻址布置，其用于减少cMUT二维阵列中所需的触点数量。这将换能器的n
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n阵列所需的电触点数量从n2减少到2n。
[0011]然而，MUT阵列中的行
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列寻址受到交叉耦合的影响：当通过向行
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列对施加信号来寻址特定换能器时，该信号可能电容耦合到相邻的行和列，因此导致其他换能器在不需要时被激活。因此，单独的行
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列寻址对于MUT阵列的2D阵列是低效的解决方案。
[0012]除了需要能够容易地被小型化并且具有足够高的输出压力和带宽的超声换能器之外，因此在本领域中仍然需要解决以上概述的问题中的至少一些的超声换能器和相关联的阵列。

技术实现思路

[0013]本专利技术的实施例的目的是提供一种超声换能器阵列或超声换能器阵列器件，其允许换能器(特别是MUT)的单独寻址，同时最小化电子触点的数量并降低相邻电极之间的交叉耦合。该目的通过根据本专利技术的超声换能器阵列器件和超声换能器多层结构来实现。
[0014]本专利技术的实施例的优点在于，不需要最新的前端电子器件(例如CMOS芯片)就能访问具有阵列配置的各个体超声换能器，这允许提供与包括超声阵列器件的前端电子器件相比相对便宜的器件。
[0015]本专利技术的实施例的另一优点是，使用用于连接在阵列配置中沿第一方向的超声换能器的第一电极和连接在阵列配置中沿第二方向的超声换能器的第二电极，显著减少了所需的电触点的数量。
[0016]本专利技术的实施例的又一优点是，对于阵列配置中的至少一个超声换能器，第一电极经由与相应超声换能器串联的二极管连接到第二电极，从而降低电极之间的电容性交叉耦合。
[0017]本专利技术的实施例的又一优点是，由于使用了廉价的现成组件并且不需要昂贵的前端电子器件就能单独地接入各超声换能器，所以阵列配置中的超声换能器多层结构和相关阵列器件的制造工艺可以是简单且便宜的。
[0018]本专利技术的实施例的又一优点是腔能够支持驻波，这允许调整所发射的超声波的带宽。由于腔的频率与膜的频率相结合，带宽可以增加，从而提供具有多个谐振频率的换能器并且因此提供比不包括能够支持驻波的腔的换能器更宽的带宽。
[0019]本专利技术的实施例的又一优点是，腔中的至少一种声学上合适的介质可以帮助阻尼膜的振动，这有助于阻止嗡嗡声(ringing)，而不需要在膜上提供(各)阻尼层。
[0020]在一个方面，本专利技术涉及一种被配置成发射和接收超声信号的超声换能器阵列器件，包括：以阵列配置布置的多个超声换能器；至少一个第一电极，用于连接在所述阵列配置中沿第一方向的超声换能器；至少一个第二电极，用于连接在所述阵列配置中沿第二方向的超声换能器；其中至少一个第一电极经由与相应超声换能器串联的二极管连接到至少一个第二电极，其中当使用时，从二极管的阳极到阴极的方向与从相应超声换能器的高电位侧到低电位侧的方向一致，并且其中相应超声换能器的低电位侧与二极管的阳极连接。
[0021]在一些实施例中，阵列配置是m行和n列的m
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n行
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列配置，其中m和n是总和等于或大于3的正整数，并且其中第一方向对应于沿行m的方向，并且其中第二方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种超声换能器多层结构，包括：半导体层堆叠，所述半导体层堆叠限定二极管，微加工的超声换能器MUT层堆叠，所述MUT层堆叠与所述二极管电串联并且包括第一导电层，所述MUT层堆叠至少部分地设置在所述二极管上，腔，所述腔在包括所述半导体层堆叠的至少一部分和所述第一导电层的区域上方延伸，其中所述MUT层堆叠包括至少部分地在所述区域上方延伸的膜。2.根据权利要求1所述的超声换能器多层结构，其特征在于，还包括：第一基板结构，所述第一基板结构用于支撑所述多层结构；作为所述MUT层堆叠的一部分的第一非导电层和第二非导电层；其中所述腔是由所述第一导电层、所述第一非导电层和所述第二非导电层限定的cMUT封闭腔，并且其中第一电极设置在所述区域内在所述第二非导电层的至少一部分上；并且其中第二电极设置在所述半导体层堆叠的凹陷中。3.根据权利要求1所述的超声换能器多层结构，其特征在于，还包括：第二基板结构，所述第二基板结构用于支撑所述多层结构；所述半导体层堆叠的第一半导体层被第一导电类型的掺杂剂弱掺杂；第二层，所述第二层是半导体层或绝缘层，所述半导体层是用所述第一导电类型的掺杂剂掺杂的基板，优选地比所述第一半导体层的掺杂剂浓度低至少102倍；所述半导体层堆叠的第三半导体层被所述第一导电类型的掺杂剂重度掺杂；其中所述腔是由所述第二基板结构限定的pMUT腔，并且所述区域包括所述半导体层堆叠的至少所述部分和所述第一导电层；其中所述MUT层堆叠包括压电层；以及其中所述第一导电层的第一部分在所述区域内夹在所述第一半导体层和所述压电层的至少一部分之间，并且其中所述第一导电层的第二部分设置在所述第二半导体层的至少一部分上，使得所述第一电传导层的所述第一部分和所述第二部分限定第一导电层间隙；并且其中所述第一半导体层在所述区域内夹在所述第三半导体层的至少一部分和所述第一导电层的所述第一部分之间。4.根据权利要求3所述的超声换能器多层结构，其特征在于，还包括用第二导电类型的掺杂剂重度掺杂的所述半导体层堆叠的第四半导体层，其中所述第四半导体层在所述区域内夹在所述第一半导体层和所述第一导电层的所述第一部分之间。5.根据权利要求1所述的超声换能器多层结构，其特征在于，还包括：第三基板结构，所述第三基板结构用于支撑所述多层结构；所述半导体层堆叠的第一半导体层被第一导电类型的掺杂剂弱掺杂；第二层，所述第二层是绝缘层；所述半导体层堆叠的第三半导体层被所述第一导电类型的掺杂剂重度掺杂；其中所述腔是由所述第三基板结构限定的pMUT腔，并且所述区域包括所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：鲁汶天主教大学，
类型：发明
国别省市：