专利名称：用于可重构传感器阵列的集成接口电子元件的制作方法
技术领域：
本发明从总体上涉及可重构的传感器阵列(例如，光、热、压力、超声波等)。本发明尤其涉及可重构的微机械超声换能器(MUT)阵列。MUT的一个具体应用是医疗诊断超声成像系统。另一个具体实例是用于材料的无损测评(NDE)，例如铸件、锻件、管道等。
背景技术：
传统超声成像系统包括一个超声换能器阵列，用于发射超声波束，之后接收从待研究的物体反射回来的波束。此类扫描包括一系列测量，其中，发射聚焦的超声波，在短时间间隔之后系统切换至接收模式，之后，接收反射回来的超声波，并对其进行波形形成和处理以便于显示。通常在每一测量过程中，发射和接收都是沿相同的方向聚焦的，以便从沿声束或扫描线分布的一系列点上获得数据。在接收反射的超声波时，沿扫描线对接收器连续重新调焦。
对于超声成像来讲，所述阵列通常具有多个按一行或多行排列的换能器，其有单独的发射电压驱动。通过选择所加电压的时间延迟(或相位)和幅度，可以控制指定行中的各个换能器，以产生各超声波，所述超声波合成一网络超声波，其沿优选的矢量方向传播，并沿波束在选定的区域内聚焦。
在接收模式中采用换能器探头接收反射声波时，应用同样的原理。将接收换能器处产生的电压加和，从而以这一净信号表示从物体的单个聚焦带反射回来的超声波。在发射模式下，通过为来自每一接收换能器的信号分配单独的时间延迟(和/或相移)和增益的方法，实现超声波能量的聚焦接收。通过增大返回信号的深度的方法调整时间延迟，以提供接收时的动态聚焦。
所形成的图像的质量或分辨率部分地是换能器数量的函数，所述换能器分别构成了换能器阵列的发射和接收孔径。因此，要想获得高图像质量，需要大量换能器，以满足两维和三维成像应用的需要。超声波换能器通常位于手持换能器探头中，所述换能器探头通过软电缆连接至处理换能器信号并生成超声波图像的电子单元上。所述换能器探头既可以安装超声波发射电路，又可以安装超声波接收电路。
可重构的超声波阵列允许子元件组动态地连接起来，以便使所得到的元件造型可以与波前的形状相匹配。这可以改善性能和/或减少信道量。采用切换网络可以实现再配置性。
最近，有人采用半导体工艺制作超声换能器，将其类型称为微机械超声换能器(MUT)，这种换能器可以是电容(MUT)或压电(pMUT)种类。MUT是类似微型膜片的器件，其带有电极，将接收到的超声波信号的声振动转换成调制电容。对于发射而言，电容性电荷受到调制，使器件膜片振动，以此发射声波。MUT的一个优点在于能够采用半导体生产工艺制作，例如包含在“微机械加工”标题下的微型制造工艺。由微机械加工工艺得到的系统通常被称为微机电系统(MEMS)。具体解释参见美国专利No.6359367微机械加工是指采用以下工具的组合或其子集形成微观结构(A)构图工具(通常为投影式对准仪或晶片分步器等光刻工具)，和(B)PVD(物理汽相淀积)、CVD(化学气相淀积)、LPCVD(低压化学气相淀积)、PECVD(等离子体化学气相淀积)等淀积工具，以及(C)湿法化学蚀刻、等离子体蚀刻、离子铣削、溅射蚀刻或激光蚀刻等蚀刻工具。通常在由硅、玻璃、蓝宝石或陶瓷制成的衬底或晶片上进行微机械加工。这样的衬底或晶片通常非常平坦、光滑，并且具有几英寸的侧向尺寸。在从加工工具之间转移时，通常放在盒子中成组处理。每一衬底可以有利地(但不一定)包含大量相同的产品。有两种一般的机械加工类型…1)体微机械加工，其中，晶片或衬底的大部分厚度受到雕刻，和2)表面微机械加工，其中，雕刻一般限于表面，尤其限于表面上淀积的薄膜。这里使用的微机械加工的定义包括采用传统或已知的可微机械加工的材料，其中包括硅，蓝宝石，各种类型的玻璃材料，聚合物(例如聚酰亚胺)，多晶硅，氮化硅，氮氧化硅，铝合金、铜合金以及钨等薄膜金属，旋涂玻璃(spin-on-glasses，SOG)，可注入的或经扩散的掺杂剂，以及硅氧化物和氮化物等生长膜。
这里采纳了同样的微机械加工定义。
CMUT通常为六角形结构，其具有跨越这些六角形结构拉伸的薄膜。通过施加偏压使所述薄膜贴近衬底表面。通过向已经偏置的cMUT施加振荡信号，可以使所述薄膜振动，从而辐射出声能。同样地，在声波入射到薄膜上时，可以通过cMUT上的电压变化检测到所产生的振动。CMUT单元是一个用于描述这些六角形“鼓”结构中的单个结构的术语。CMUT单元可以是非常小的结构。典型的单元尺寸为从六角形的平边到平边的距离为25-50微米。所述单元的尺寸在很多方面由设计好的声学响应决定。就预期的频率响应和灵敏度而言，不太可能在制作更大的单元的同时仍然保持良好的性能。
令人遗憾的是，难以生产出允许对这样的小型单元进行单独控制的电子器件。尽管就阵列整体的声学性能而言，小单元尺寸是极好的，可以得到显著的灵活性，但控制仅限于更大的结构。将多个单元组成一组，并将这些单元进行电连接，可以创建更大的子元件，这种做法可以在保持预期的声学响应的同时获得单独控制。这样的子元件是一组电连接的单元，不能对这一子单元进行重新配置。从本说明书的目的出发，所述子元件是最小的可单独控制的声学单元。可以采用开关网络将子元件连接起来形成环或元件。可以通过改变开关网络的状态对元件进行重新配置。但是，子元件所包括的相互连接的单元是无法通过开关断开连接的，因此无法重新配置。如果所述阵列是由PZT或其他通用的或将来采用的换能器技术实现的，那么所有的下述分析都是正确的。
在美国专利申请No.10/383990中对采用基于硅的超声波换能器子元件的再配置性进行了说明。再配置性的一种形式是镶嵌(mosaic)环形阵列，在该申请中也对这种阵列进行了描述。镶嵌环形阵列的原理包括采用可重构的电子开关网络将子元件组合起来，从而建立环形元件。其目标在于降低波束形成的信道的数量，同时保持图像质量，提高薄片(slice)厚度。为了减少系统信道，镶嵌环形阵列利用了这样的事实对于未操纵的波束而言，在位于二维换能器阵列之下的表面上延迟等高线为环形。换句话说，等延迟曲线为围绕波束中心的环带。延迟的圆对称可以将具有共同延迟的子元件明确地划分成一组，并且引出了环形阵列原理。可以利用再配置性对沿更大的下层二维换能器阵列传播的波束进行分步测量，以形成扫描记录或图像。对于多种发射应用而言，可以利用这种再配置性通过将更多信道分配给位于近场(near field)中的更小有源(active)孔径的方式改善性能。在很多其他的应用中，也证明再配置性是有用的。
在镶嵌环形换能器阵列以及其他镶嵌换能器阵列中，必须采用分布式开关矩阵将大量超声波换能器子元件连接在一起。所述子元件构建起了更大的元件，用于发射和接收超声波信号。每次元件的配置改变并因此子元件也随之改变时，获取一行新的数据或“视图”。配置每发生一次改变，开关矩阵中的所有开关的状态(开或关)都必须更新，以建立所需的相互连接，最终构建起元件和子元件的新状态。
在可重构的传感器阵列中，必须通过系统电子器件访问大量的传感器子元件。就信号路由和相关系统处理电子器件的控制线而言，这是一个显著的瓶颈。
在当前的高信道数量的系统当中，采用单独的软线连接各个传感器元件，并将其路由至容纳必要的扫描电子器件的外部印制电路板上。线路和印制电路板体积大，当前，不适用于数量巨大的换能器子元件，镶嵌换能器阵列就是这种情况。
可重构的超声波阵列需要复杂的开关网络，这样的开关网络难以或不可能利用目前可用的电子器件实施。必须简化开关网络，使其应用在超声波换能器子元件阵列，以及其他类型的传感器阵列当中(例如光、热、压力)等。此外，还需要这样一种构造，其包括布置在传感器阵列之下的集成交换电子器件，用于对传感器阵列进行快速重新配置。
发明内容
本发明针对一种用于对镶嵌传感器阵列的子元件重新配置的集成开关矩阵。开关矩阵的配置是完全可编程的。所述开关矩阵包括将子元件连接至总线线路的访问开关和在子元件间起连接作用的矩阵开关。每个子元件具有与之相关的单位开关单元。在实施例中，每个单位开关单元包括至少一个访问开关、至少一个矩阵开关、用于存储每一开关的未来状态的一对相应的锁存器、以及用于每一开关的相应控制电路。访问开关和矩阵开关所属的类型具有存储表示开关的当前开关状态的控制数据的能力，所述控制数据包括一个输入到包含在控制电路中的开启/关闭电路和关闭电路的数据位。所述传感器可以是光、热或压力传感器或超声换能器。可以将传感器阵列和开关矩阵置入共集成结构的不同的层中，也可以置于相互电连接的单独晶片上。也有可能将传感器构建在电子元件所在的同一层上；但是，这样会减少电子元件可拥有的面积量，因此是不可取的。如果在六边形网格上布置传感器，那么既可以在六角形网格上又可以在矩形网格上布置单位开关单元。
这里公开的实施例采用了电容性微机械加工超声波换能器(cMUT)的二维阵列作为下层网格，在这一下层网格上将构建更大的元件。但是，本发明不仅限于cMUT结构，同样适用于其他传统的、或将来出现的换能器技术。
本发明在一方面提供了一种器件，其包括在第一层中，沿大致平行的第一组线排列的大量传感器；在第二层中，沿第二组大致平行的线排列的大量单位电子元件单元，第一组线和第二组线大致相互平行并且相互对准；以及大量的电连接，每一电连接将相应的一个单位电子元件单元电连接至相应的一个传感器，其中，每一单位电子元件单元包括相应的多个开关，用于关闭至相应连接点的相应通路，所述连接点电连接至相应的传感器，并且与相应的传感器不是可以通过开关断开的；和相应的控制电路，用于控制开关的开关状态。
本发明在另一方面提供了一种器件，其包括构建在第一衬底中、或构建在第一衬底上的大量传感器；集成到第二衬底当中的大量单位电子元件单元，第二衬底与第一衬底相邻设置并面对第一衬底；由第二衬底支持的大量总线线路；以及布置在第一和第二衬底之间的大量电连接，每一电连接均将相应的一个单位电子元件单元电连接至相应的一个传感器，其中，每一单位电子元件单元包括相应的多个开关，以及用于控制开关的开关状态的相应控制电路，所述多个开关中的每一个包括访问开关，其开启时，连接相关访问开关与某一总线线路；以及矩阵开关，在单位电子单元的访问开关和矩阵开关开启时，所述矩阵开关将与相邻单位电子元件单元相关的传感器通过访问开关连接至一条总线线路。
本发明在又一方面提供了一种器件，其包括布置在第一层中的大量超声换能器子元件，每一子元件包括相互电连接、并且彼此不能通过开关断开的相应多个cMUT单元；沿位于第一层之下的第二层排列的大量单位CMOS电子元件单元；大量总线线路；以及大量电连接，每一电连接将相应的一个单位CMOS电子元件单元电连接至相应的一个超声换能器子元件，其中，每一单位CMOS电子元件单元包括相应的多个开关，以及用于控制开关的开关状态的相应控制电路，所述多个开关的每一个包括访问开关，其开启时，连接相关的超声换能器子元件与某一总线线路；以及矩阵开关，在单位CMOS电子单元的访问开关和矩阵开关开启时，所述矩阵开关将与相邻单位CMOS电子元件单元相关的超声换能器子元件通过访问开关连接至一条总线线路。
在下文中公开了本发明的其他方面。
图1是典型cMUT单元的截面图；图2是由七个六角形MUT单元构成的“雏菊”子元件的示意图，其顶部和底部电极分别连接起来，没有插入开关。该图引自美国专利申请No.10/383990；图3是镶嵌阵列的一个扇形部分的示意图，如美国专利申请No.10/383990所公开的，其包括四个环形元件，每个元件包括棋盘式布置的“雏菊”子元件，每个元件的面积近似相等；图4是共集成的cMUT和专用集成电路(ASIC)阵列的截面图；图5是连接至ASIC开关矩阵的cMUT器件衬底的截面图；图6是位于与单位开关单元相关的六角形阵列之上的，cMUT子元件的六角形阵列的俯视图；图7是位于与单位开关单元相关的矩形阵列之上的，cMUT子元件的六角形阵列的俯视图；图8是环形换能器元件跨越阵列平移的示意图；图9是一个架构示意图，其中所有的系统信道贯穿阵列分布，使得每一换能器子元件均能访问每一系统信道；图10是一个架构示意图，其中，由于每行子元件具有一根总线线路，所以每个子元件中开关的数目受到限制，所述总线线路通过复用器连接至系统信道；图11是一个架构示意图，其中，每行子元件具有多根总线线路，因而，有可能在同一行的不同系统信道上创建子元件组；图12是根据本发明的一实施例的架构示意图，其允许将位于第一行中的子元件连接至针对第二行子元件设置的总线线路上，具体方式是，这一子元件通过第一行中子元件的矩阵开关连接至第二行中相邻子元件的访问开关上；图13是根据本发明的另一实施例的架构示意图，其允许将位于cMUT阵列的特定行中的特定子元件连接至大量系统信道总线线路中的任意一个；图14为子元件六角形阵列的示意图，其总线线路通过访问开关(图中实心点所示)连接至相应的子元件列；图15为子元件六角形阵列的示意图，其中，一些子元件通过相应的访问开关(图中实心点所示)连接至垂直和水平总线线路；图16是子元件六角形阵列的示意图，其中，总线线路沿六角形阵列的中轴倾斜布置。访问开关由实心点表示；图17是在与特定声学子元件相关的电子元件中与公共连接点的连接关系的示意图，其中所述的特定声学子元件与图13中所示的实施例一致；图18为在声学子元件之下构建，并与之电连接的典型单位开关单元的组件示意图；图19是访问开关和用于控制访问开关的状态的电路的示意图，具体如在先公开的美国专利申请No.10/248968所述；图20是访问开关和矩阵开关的配置示意图，所述访问和矩阵开关用于具有单个子元件宽度的环(图中用虚线弧线表示其中一部分)，所述环紧密堆积在一起。用实心点表示访问开关，用虚线表示阵列开关；图21是典型的cMUT单元的示意图，其顶部和底部电极通过金属化的通路连接至电子元件层；及图22是本发明的一实施例的示意图，其中，传感器和电子元件平面之间的金属路由包括允许采用比传感器阵列大的电子元件芯片的重新路由。
现在，参照附图进行说明，其中在不同的附图中类似元件采用相同的附图标记。
具体实施例方式
本发明涉及可重构的、具有集成开关矩阵的传感器阵列。出于举例说明的目的，将参照电容性的微机械加工超声波换能器(cMUT)对所述的可重构阵列予以说明。但是，应当理解的是，这里公开的本发明的各个方面不仅限于应用到采用cMUT的探头上，还可以应用到采用pMUT、甚至切割(diced)压电陶瓷阵列的探头上，其中，每一切割子元件均通过互连装置连接到下层开关层。本发明相同的方面还可以应用到光、热或压力传感器的可重构阵列中。
参照图1，示出典型cMUT换能器单元2的截面。通常在诸如重掺杂硅(半导体)晶片的衬底4上制作cMUT换能器单元阵列。对于每一cMUT换能器单元，在衬底4之上悬挂可由氮化硅构成的薄膜或膜片8。通过绝缘支架6支撑膜片8的周边，支架6可以由氧化硅或氮化硅构成。位于膜片8和衬底4之间的空腔14中可以填充空气或气体，或者全部或部分排空。通常，在工艺允许的情况下，尽可能排除cMUT中的空气。在膜片8上，由诸如铝合金或其他合适的导电材料构成的导电材料膜或导电材料层形成电极12，在衬底4上由导电材料构成的另一膜或层形成电极10。或者，可由适当掺杂半导体衬底4形成底电极。
由空腔14分隔的两电极10和12形成电容。在撞击的声信号引起膜片振动时，可以采用相关的电子元件(图1中未示出)检测到电容的变化，从而将声信号转换成电信号。相反，将AC信号施加到某一电极上将对电极上的电荷进行调制，反过来，对电荷的调制又可以对电极之间的电容性作用力进行调制，后者引起膜片的移动，由此发射声信号。
各个单元可以为圆形、长方形、六角形或其他外围形状。六角形外形可以提供换能器子元件的cMUT单元的密堆积。CMUT单元可以具有不同的尺寸，使得换能器子元件具有不同单元尺寸的复合特性，为换能器提供宽波段特性。
令人遗憾的是，难以生产出允许对这样的小型单元进行单独控制的电子器件。尽管在将阵列作为一个整体时，就其声学性能而言，小单元尺寸是极好的，可以得到显著的灵活性，但控制仅限于更大的结构。将多个单元组成一组，并将这些单元进行电连接，可以创建更大的子单元，这种做法可以在保持预期的声学响应的同时获得单独控制。可以采用开关网络将子元件连接起来形成环或元件。可以通过改变开关网络的状态对元件进行重新配置。但是，无法对单独的子元件进行重新配置，以形成不同的子元件。
可以在机械加工过程中将MUT单元连接起来(即，不插入开关)，以形成子元件。在下文中对这样的群集予以说明时，采用“声学子元件”这一术语。将通过微电子开关将这些声学子元件相互连接起来，形成更大的元件，所采用的方式是在硅层中或在直接邻近换能器阵列的不同衬底上布置这样的开关。这一构造以可低成本大规模进行的半导体加工工艺为基础。
在本说明书中，术语“声学子元件”为单个单元或一组不能重新配置的经电连接的单元，即子元件是受到独立控制的最小声学单元。术语“子元件”是指声学子元件，以及与之相关的集成电子元件。“元件”是由通过开关网络连接起来的子元件形成的。可以通过改变开关网络的状态对元件进行重新配置。至少一些包含在所述开关网络中的开关是“相关的集成电子元件”的一部分，下文中将予以更为详细的说明。
出于举例说明的目的，图2示出了由七个六角形cMUT单元2构成的“雏菊”换能器子元件16一个中央单元，周围围绕由六个单元构成的环，环中的每个单元与中央单元的相应侧以及环中的邻近单元相连。每个cMUT单元2的顶部电极12均通过无法采用开关断开的连接电耦合在一起。就六角形阵列而言，六个导体从顶部电极12向外辐射，并相应地连接至邻近cMUT单元的顶部电极(外围单元的情况除外，其连接至三个其他单元，而不是六个)。类似地，每个单元2的底部电极10均通过无法通过开关断开的连接电耦合起来，形成七倍大的电容换能器子元件16。
可对图2中所示类型的子元件进行排列，从而在半导体衬底(例如硅衬底)上形成二维阵列。可以采用开关网络对这些子元件重新配置，以形成元件，例如环圈。在美国专利申请No.10/383990中对采用基于硅的超声波换能器子元件的再配置性进行了说明。再配置性的一种形式是镶嵌(mosaic)环形阵列，在该专利申请中也对这种阵列进行了描述。镶嵌环形阵列的原理包括采用可重构的电子开关网络将子元件组合起来，从而建立环形元件。其目标在于降低波束形成的信道的数量，同时保持图像质量，提高薄片(slice)厚度。为了减少系统信道，镶嵌环形阵列利用了这样的事实对于未操纵的波束而言，在位于二维换能器阵列之下的表面上延迟等高线为环形。换句话说，等延迟曲线为围绕波束中心的环带。延迟的圆对称实现了对那些具有共同延迟的子元件的明显组合。可以利用再配置性对沿更大的下层二维换能器阵列传播的波束进行分步测量，以形成扫描记录或图像。
存在很多种利用MUT单元和声学子元件形成换能器阵列的方法。图3示出了声学子元件的棋盘式布置的一个例子，以形成镶嵌阵列。在图3的实施例中，配置了四个大致为环形的元件(附图标记分别为18A至18D)，每个元件具有大致相等的面积，其中每个元件均包含镶嵌的“雏菊”声学子元件(每个子元件由七个MUT单元连接在一起)的棋盘式布置。在所有情况下，均可由多种子元件类型构成棋盘式布置。阵列图案不一定是棋盘式布置，某些区域可以没有声学子元件。例如，可以存在为阵列下的声学子元件或单元提供顶部电极连接的通路。
可以改变本发明的配置，以优化诸如波束宽度、旁瓣水平或焦深的各种声学参数。或者，可对声学子元件分组，以形成用于发射操作的一个孔径，并且可以将其立即切换到另一个用于接收部分的孔径。虽然图3中示出了近似为环形的元件的相应部分，但是，还可以实施其他配置，例如非连续环、八边形环或弧形等。图案的选择取决于应用的需要。
大多数孔径由邻接的分组子元件构成，这些子元件相互连接形成单个更大的元件，例如图3中所示的环形元件。在这种情况下，不必将每一子元件直接连接至相应的总线线路。在指定的组中连接有限数目的子元件就足够了，之后将剩余子元件相互连接。发射信号通过这种方式从系统沿总线线路传送，并沿有限数目的访问点进入元件。信号从那里通过本地连接在元件内部传播。
就具体几何结构而言，可重构的阵列将声学子元件映射到系统信道。设计映射的目的在于提供改善的性能。映射是通过开关网络实现的，所述开关网络理想地直接布置在其上构建cMUT单元的衬底内，但是，也可以布置在邻近换能器衬底集成的不同衬底中。由于cMUT阵列直接构建在硅衬底的顶部，所以开关电子元件可以包含在衬底之中。对于PZT或更为传统的实施而言，只需在单独的硅衬底中制作交换网络，并附着于PZT阵列。
图4中示出了共集成cMUT和ASIC阵列的截面图，从而对如何实现ASIC到cMUT的连接进行了举例说明。如图所示，采用单个通路56将每一cMUT子元件32连接至对应的CMOS子元件(或“单元”)50上。将信号电极的衬垫65连接至形成于开关ASIC上的相应导电衬垫66上的通路56可以嵌入到隔音填料层62或其他合适的隔离材料中。
图21示出了形成于衬底90中的电子元件单元的部分50A和50B，衬底90通过钝化层92与cMUT子元件32隔开。图中仅示出了子元件32的一个cMUT单元2，但是应当承认的是，每一子元件均包含不止一个cMUT单元，这些cMUT单元通过无法采用开关断开的方式连接起来。如图21所示，每个子元件具有不止一个信号是可取的。特别地，顶部电极12和底部电极10均可以向下引至电子元件单元，例如通过穿过钝化层92的金属化通路。这为cMUT子元件的两面提供了单独控制，可以利用这种单独控制对阵列中的所有cMUT子元件进行单独偏压，使其具有不同的偏置电压。例如，可以利用这一功能使发射脉冲的极性相反或通过调整使子元件之间的cMUT灵敏度略有不同。
也可能在单独的衬底(例如晶片)上构建cMUT，并如图5所示，将它们单独连接至ASIC开关矩阵。例如，这里采用导电凸块64和导电衬垫65、66将各个cMUT子元件32连接至与之配对的开关电子元件50。也可以采用其他互连技术，例如各向异性导电膏(ACP)，各向异性导电膜(ACF)，导电聚合物，金属化凸块，z轴插入件等垂直互连系统，柔性印刷电路，或金属化通路。
为了获得最佳堆积密度，在如图6所示的六边形网格上平铺cMUT子元件32和相关的电子元件是有用的，图6中示出了ASIC开关矩阵的俯视图。这里，CMOS单位开关单元50按列布置，其中每隔一列偏移半个单元的高度。如图所示，适当选择单元尺寸，可以获得衬垫66的理想六角形阵列。之后，将通路56(也按六角形阵列排列)连接至相应的衬垫(图4中未示出)所述衬垫为与上面的换能器层的连接形成了基础，所述换能器层包括六角形阵列子元件。图7中示出了更为简明的ASIC实施方式。这里，CMOS单位开关单元50按水平行排列和垂直列排列，以形成矩形网格，而位于其上的六角子元件32则形成六边形网格。如图7所示，按行和列排列以形成矩形阵列的单位开关单元衬垫66仍然恰当地排齐，以形成将单位开关单元50电连接至相应六角形子元件32的连接。在任一情况下，子元件的六边形网格图案都使实现如图3所示的镶嵌式环形阵列波束图案成为了可能。
在典型操作中，对可重构的阵列编程，其具有与图3中所示的孔径图案类似的初始孔径图案。这一图案可以使射束形成器在阵列前面创建一波束。在成像过程中，如图8所示跨越阵列60对孔径进行扫描，其中，环从t＝1时的环1移动至t＝2时的环2，最后t＝N时移动到环N，t为时间，N为大于2的正整数。波束采用这种方式在阵列前面的空间内扫过，并采用形成波束的(beamformed)回波构建图像的连续谱线。可重构阵列的意义在于能够针对任意复杂的阵列图案，通过电子的方式取得如图8所示的成像操作。先前的超声扫描仪能够完成电子扫描，但是由于在竖直方向和固定几何结构中传感器子元件缺乏精细的分布，所以其受限于孔径的复杂性。
在实施过程中，图8所示的完全可重构的阵列提出了很多显著的挑战。所述传感器阵列被划分成了数以万计的子元件。按照子元件与有限数量的系统发射/接收信道和波束形成信道的连接，对子元件分组，由此建立波束图案。在采用可重构阵列实施镶嵌环形阵列原理时，可重构阵列将形成多个通过电子方式跨越阵列平移的环。在平移的每一新步骤中，将整个环形图案重新编程至阵列中，以创建新的配置。此外，还可以提供在发射和接收之间，以及在接收过程中的多个间隔处(interval)更新环形图案的能力，从而减少所形成的波束的失真，以此提高图像质量。
在典型系统中，采用128或更多波束形成信道。当前的超声波系统采用多路复用结构，所述结构能够将128个系统信道路由至固定数目的换能器元件。对这些复用器网络进行明智的设计，有可能采用有限数量的电子元件创建标准的扫描图案。但是，在大多数情况下，由于网络的限制，扫描图案是固定的，并且是不可重构的。完全可重构的阵列不会受到这些限制，但是其要求非常密集的开关矩阵才能实施。
如图8所示，可重构阵列的基本特性要求将任何子元件可任意连接至任何系统信道。例如，当孔径从第一位置扫描到下一位置时，子元件S2首先必须为内环(未示出)的一部分，之后必须是环2的一部分。这意味着必须在短时间内，从与第一系统信道连接切换至与不同系统信道的连接。在扫描操作过程中，对于阵列中的大量子元件基本上都是适用的。
满足这一要求的最简单的方法在于贯穿所述阵列分布所有系统信道，使得每一子元件能够访问每一系统信道。图9中示出了这一架构。这里仅示出了5个系统信道，用于举例说明。每一系统信道利用本地开关，通过总线线路贯穿每一子元件，所述本地开关用于选择由哪一个子元件选择哪一个系统信道。
在矩阵电子元件直接位于换能器阵列后面的系统中，用于每一子元件的开关电子元件的空间降至子元件的尺寸。在典型的超声波系统中，这一尺寸的数量级是几百微米，但是有可能小于这一尺寸。由于开关的尺寸与接通电阻呈反向变化，所以要面临这样的折衷更多的带有更高接通电阻的开关和更少的带有更低接通电阻的开关。但是，即使在极端情况下，使开关尽可能小，那么显然在当前的半导体技术中，无法在所分配的空间中轻易地安装远超过16个的开关。虽然对于一个实际阵列而言，如图9所示的完全填充架构可以包含更多的开关，但是，就现有技术水平而言，似乎还是难以处理。
尽管未来技术可以使在同样的空间中集成更多的开关十分可行，但是超声波领域中的发展倾向于缩小分配的单元尺寸，因为，其涉及到成像器的波长，要想改善图像质量其必须缩小。此外，诸如数字控制和发射/接收电路的很多其他元件将迁移到前述的有限区域中。因此，完全填充的架构尽管在简洁性方面很具有吸引力，但不是立即站得住脚或行得通的。
对于上述互连问题的一个更好的解决方案是限制每一个子元件中开关的数量，与此同时提供可重构的阵列中所需的灵活性。可以通过采用有限数量的总线线路，并使之可重构来实现这一目标，如图10所示。这里复用器70用于任意选择将任何系统信道38(CH.1到CH.N)连接至任何总线线路74，每行子元件32仅由单根总线线路提供服务。通过相应的访问开关30将每一子元件的cMUT单元2(每一子元件仅示出了一个cMUT单元)连接至总线线路。这一架构的关键特点在于，很多开关位于阵列之外，因此不受换能器几何结构的约束。采用这一架构，可以通过依次选择将哪一行子元件连接至哪一系统信道跨越所述阵列扫描一维图案。图11示出了对这一架构的进一步改进。这里，沿每一行子元件32路由多个总线线路74和76。可以将每一子元件32的cMUT单元2通过访问开关30′连接至总线线路74或通过访问开关30连接至总线线路76。现在，有可能对位于不同系统信道上的，处于同一行中的子元件分组，因此，这一架构可以在水平方向提供灵活性。
由于实现了大多数孔径由相互连接以形成单个较大元件的邻接分组子元件构成，因此，上述架构得到了进一步改进。在这种情况下，不必将每一子元件直接连接至相应的总线线路。在指定的组中连接有限数目的子元件就足够了，之后将剩余子元件相互连接。发射信号通过这种方式从系统沿总线线路传送，并沿有限数目的访问点进入元件。信号从那里通过本地连接在元件内部传播。图12中示出了这一架构。这里，可以将独立的子元件32通过访问开关30连接至与它们的行相关的总线线路，也可以通过矩阵开关36将其连接至与相邻行相关的总线线路，矩阵开关36将子元件与相邻子元件相连。
图13中示出的本发明的实施例包含了上面提及的所有改进。这里，采用访问开关30将指定子元件32连接至总线34的一行总线线路。这一架构直接适用于镶嵌环形阵列。在这样的一个器件当中，可以采用这一架构形成多个环，其中，采用一个或多个访问开关将每一环连接至单个系统信道，每一访问开关均连接至总线线路，总线线路又依次连接系统信道。
如图13所示，对访问开关交错配置，以降低指定数目的总线线路所需的访问开关的数量，下文将对此予以进一步说明。也可以采用访问开关到总线线路的随机排序(未示出)，以减少重复图案造成的伪像。可以利用每一子元件中超过一个的访问开关改进阵列的灵活性。在这样的架构中，将在灵活性和每一子元件的访问开关的数量之间折中，其中访问开关的数量仍明显小于总线线路和系统信道的数量。也有可能在每一元件中，针对每一总线线路采用超过一个的访问开关。由于采用冗余访问开关将绕过不起作用的访问开关，因此，将提高器件的成品率。
如图13所示，采用交叉点开关矩阵将行总线线路连接至系统信道。也可以采用稀疏的交叉点开关，其中所需的复用器开关更少。这样的架构在利用空间方面更有效，但是要求审慎地选择开关配置，以确保所有的总线线路都得到适当的连接。如图12所示，每行可以采用多根总线线路。更多的总线线路提高了阵列的灵活性，其代价是需要更多的复用器开关，以及阵列中更大的路由区域。有可能跳过行或在不同行上采用不同数量的总线线路。例如，要想节约面积，每对相邻的子元件行可以共享一组总线线路。
尽管到目前为止只讨论了水平总线线路，但是也有可能在阵列内布置垂直和水平运行的总线线路。如图14所示，可以垂直布置总线线路(见总线线路72、74和76)。参照图15，可以水平布置一组总线线路82，并垂直布置另一组(图中仅示出了一根总线线路84)。在这种情况下，每个子元件或每组子元件都可以通过一个访问开关与垂直总线线路连接，并且通过不同的访问开关与水平总线线路进一步连接。但是，在总线线路沿两个方向延伸的情况下，由于总线线路的电子元件实际可用面积(electronic real estate)越来越小，并且需要更多的总线线路，但是在子元件中仍然只具有单个访问开关，所以每个子元件的访问开关可以连接至水平总线线路或垂直总线线路，而不是与二者均保持连接。最后，如图16所示，也可以沿斜向布置总线线路。这些总线线路76和80分别沿六角形阵列的两个中轴延伸，并因此简化了子元件的寻址。
访问开关和行总线线路的数量由尺寸限制和应用决定。出于公开示范性的、非限定性实施的目的(如图13所示)，假设，每一子元件32采用单个访问开关30，阵列的每行采用四行总线线路34a-34d。第二种类型的开关是矩阵开关36，其用于将一个子元件的连接点42(参见图17)连接至邻近子元件的连接点。这样，可以使声学子元件32通过与邻近声学子元件相关的集成电子器件连接至系统信道。这还意味着，尽管不是通过访问开关直接连接，但是仍然可以将声学子元件连接至系统信道。尽管图13中示出了每个子元件具有三个阵列开关36，但是，为了节约面积或考虑到具有较低接通电阻并因此具有更大面积的开关，矩阵开关36的数量可以小于3。另外，对于指定阵列而言，可以采用矩阵开关通过路由绕过已知的故障子元件。最后，尽管图中示出了六角形子元件，但是也可能采用长方形子元件，其需要的开关可能更少。
参照图17，每一子元件包括位于与声学子元件32相关的电子元件中的公共连接点42。这一公共连接点42电连接位于每个子元件中的八个部件。公共连接点42将声学子元件或换能器32连接至用于该子元件的访问开关30，连接至与该子元件相关的三个矩阵开关36以及通过连接46连接至与邻近的三个子元件相关的三个矩阵开关。通过矩阵开关传输的信号连接至邻近子元件的公共连接点。
图13示出了对于特定子元件而言，开关网络是如何工作的。这仅仅是一个示范性的布置。包含四行总线线路34a至34d的总线34沿一行子元件32延伸。图13中这行只示出了三个子元件，但是应当理解的是，图中未示出位于这一行中的其他子元件。总线34的行总线线路在行末尾处，通过复用开关40复用至系统信道总线38的系统信道总线线路，所述复用开关形成了交叉点开关矩阵。如图13所示，通过开启适当的多路复用开关40和关闭将某一行总线线路连接至其他系统信道总线线路的多路复用开关，可以将每一行总线线路34a-34d连接至总线38的系统信道总线线路中的任何一条上。这些多路复用电子元件可以移至旁边，因此不受尺寸的限制。图13示出了完全填充的交叉点开关。但是，在没有必要具备将每一总线线路均连接至每一系统信道的开关的情况下，可以采用稀疏的交叉点开关，其中仅把系统信道的小子集连接至指定总线线路，在这种情况下，只具有图13中所示的开关40中的一部分。
之所以命名为访问开关，是因为其能够为子元件提供对总线线路的直接访问。在图13中所示的示范性实施中，每个子元件具有六个其他开关连接。这些连接采取了矩阵开关36的形式。矩阵开关允许将子元件连接至相邻的子元件上。尽管在这一六角形图案中，对于每个子元件有六个到相邻子元件的连接，但是，只有三个开关存留在每个子元件中，而其他三个连接则有相邻子元件中的开关控制。因此，在每个子元件中，总共有四个开关以及相关的数字寻址和控制逻辑(未示出)。这只是一个示范性实施。总线线路的数目、访问开关的数目、及矩阵开关的数目和拓扑结构都可以有所不同，但是基本的原理是一样的。
图18示出了构建在声学子元件(未示出)之下、并与之电连接(通过连接点42)的典型单位开关单元的一些部件。所述单位开关单元可以通过图4中所示类型的金属衬垫66电连接至声学子元件。单位开关单元包括将连接点42连接至总线34的访问开关30和三个矩阵开关36。这些开关所属的类型具有存储当前开关状态的开关状态存储器。所述单位开关单元进一步包括锁存器88(只示出了一个)，用于存储表示访问开关30和三个矩阵开关36未来开关状态的数据。所述锁存器是标准的CMOS存储器元件，但是，也可以采用诸如EPROM、EEPROM、MRAM或MEMS的其他存储元件。通过包含多根总线线路(图18中仅示出了一根总线线路)的数字数据总线45接收未来的开关状态数据。作为对通过控制总线44接收到的写入信号的响应，将数据总线45上的未来开关状态数据写入锁存器88，所述控制总线44包含多根总线线路(图中仅示出了一根)。作为对后续周期中、通过控制总线44接收的读取信号的响应，从锁存器中读取开关状态数据，并将其转换(通过逻辑，未示出)为相应改变开关状态的控制信号。这些新的开关状态将被存储到开关的开关状态存储器中。锁存器88和开关30、36接收通过电源线90提供的电压。
尽管访问开关和矩阵开关可以是单独封装的部件，但是有可能在其上制作MUT阵列的同一半导体衬底内制作这些开关。访问开关和矩阵开关可以包括名为“Integrated high-voltage Switching Circuit for Ultrasound TransducerArray”的美国专利申请NO.10/248968中公开的类型的高压开关电路。如图19所示，每一开关(例如，访问开关30)包括背对背连接(源极节点短路)以实现双极操作的两个DMOS FET。无论何时开启两个FET，均有电流通过开关端子。通过相应的开关控制电路52控制开关的状态。依次地，通过由编程电路54输出的口令支配开关控制电路的状态，编程电路54根据预期的开关配置对开关控制电路编程。可以采用与本申请同时提交的、名为“Methodand Apparatus for Controlling Scanning of Mosaic Transducer Array”的美国专利申请No.10/978,012中公开的类型的视图发生器、以及地址和数据发生器电路实施所述编程电路，这里引用其全文，以做参考。也可以根据后一专利申请中公开的实施例之一实施开关控制电路。所述开关可以是CMOS、DMOS、BiCMOS、BCDMOS、MEMS或当前或将来可以采用的任何其他高度集成开关技术。
图19示出了通过公共连接点42连接至访问开关30的声学子元件32。图中未示出连接至连接点42的其他六条线路。对于这个例子而言，访问开关30包括前面提到的一对背对背的DMOS FET。在编程电路54发送的开关状态数据信号的作用下，控制电路52开启或关闭开关30。在开启访问开关30时，将声学子元件32(例如，相互连接的cMUT单元的子阵列)连接至一行总线线路34a。对于这一配置，与每一声学子元件相关的电子元件(即“单位开关单元”)将包括一个访问开关、三个矩阵开关、用于四个开关中的每一个的相应控制电路、和将公共连接点连接至三个邻近子元件(未示出)的矩阵开关的相应导体。作为选择，每个单位开关单元还包括用于存储位于该单位开关单元内的开关的未来开关状态的锁存器，这一点已经在与本申请一起提交的美国专利申请No.10/978,196中公开了。以锁存器形式增加的数字存储器的用处在于，其满足了在相继的发射与接收操作之间实现孔径图案快速转移的要求。
仍然参照图19，从声学子元件32传输至行总线线路34a的信号为电接收信号。这里，接收信号为声压波与换能器相互作用时、声学子元件32生成的电响应。发射信号由行总线线路34a传输至声学子元件32，其中发射信号的电脉冲是由超声波系统生成的。对于指定信道，这一电激励脉冲通过系统信道总线线路传输至行总线线路。信号从行总线线路通过访问开关30传输至声学子元件，此外，还通过矩阵开关(图19中未示出)传输至其他子元件。
在所述声学子元件的后面安装的开关的数量是有限的。开关的尺寸决定了开关的接通电阻，开关越小，接通电阻越大。由切换开关引起的延迟和失真随着开关接通电阻的增大而增大。这意味着在位于声学子元件之后的开关数量与这些开关引起的延迟之间存在折中。解决这种折中的一个方案包括将开关数量减小到一个小数目，与此同时尽可能大地保持灵活性。可以采用矩阵开关使声学子元件通过其他子元件附着于系统信道，并将访问开关的数目限制为一个小数目，从而实现这种减少。
将访问开关连接至系统信道的总线线路也占据电子层中的空间，因此，将总线线路的数目降至最低也是有益的。能够直接连接至位于同一行中的声学子元件的特定信道的数量由总线线路的数量决定。但是，由于矩阵开关允许将一行中的子元件连接至位于其他行中的子元件，因此矩阵开关增大了同一行中的信道的数目。这可以使总线线路的数目保持小的同时，仍然能为大量信道服务。当然，具有更多的总线线路增大了灵活性，但需要更大的空间。
矩阵开关的使用意味着每一子元件后面的访问开关的数量可以减少。在极端情况下，每一子元件只具有一个访问开关。但是，如果具有布置一根总线线路，必须决定每一访问开关应当连接至哪一总线线路。解决方案之一是交错配置连接，使得一行中每N个子元件重复一次总线线路的连接，其中N是由如下所述的最小信号失真要求确定的数字。返回图13，一行中的每一子元件32均通过相应的访问开关30连接至行总线34中的一根行总线线路。这一交错配置的连接图案每四个子元件重复一次。这种交错配置可以使更多的总线线路利用更少的访问开关，并与矩阵开关相结合，并且就将哪个系统信道连接至每一子元件而言仍然可以获得极大的灵活性。当然，每个单元具有超过一个的访问开关增大了连接的灵活性，但是要求具有更高接通电阻的更小开关。
通常，行数目N由矩阵开关的最大数目决定，其中，每N行图案重复一次，可以将矩阵开关串连起来，与此同时仍然保持足够的信号完整性。这一数字源自这样一种理解矩阵开关电阻和cMUT电容一起形成RC延迟线，其延迟的时间常数随串行支线(series tap)的数目N呈指数变化。在既定的延迟线的限制下，交错配置位于多根行总线线路上的访问开关可以使能够被支持的元件数量增大。如图20所示，对于这种设计而言，最糟糕的情况出现在将具有单个子元件宽度的环(图中用续弦表示出了其中一部分)紧密堆积在一起时。在这种设计当中，由于总线线路74和76水平延伸，所以环的垂直部分将出现最差状况。在环的水平部分中，由于总线线路沿环平行延伸，所以它们都是相同的，因此在每个子元件处可以仅采用单个访问开关。但是，在垂直部分中，每行子元件32与连接至不同系统信道的不同总线线路相关。所以，在这一区域中垂直隔开的子元件可只被采用用长划线表示的矩阵开关36支持。在图20中，每行有两根总线线路，并且访问开关30(由点表示)的图案每四行子元件重复一次。在每行中，由两个访问开关以及与其相关的采用矩阵开关分组的子元件串支持两个环。由于每四行图案重复一次，这一独特的架构将支持最多2×4＝8个环。通常，对于一个每行上具有M根总线线路、每串子元件具有N条支线的阵列而言，最多可以支持K个系统信道，其中K＝M×N。当然，环的大部分既不是精确水平，也不是精确垂直的。因此，系统设计者的任务在于在架构的制约下，优化孔径中所有点处的阵列配置。在与本申请同时提交的、名为“Optimized Switching Configurationsfor Reconfigurable Transducer Arrays”的美国专利申请第10/978,175号中公开了优化这种开关切换配置的各种方法。
根据本发明的又一方面，传感器和电子元件平面之间的金属路由包括允许使用面积大于传感器阵列面积的单个或多个电子芯片的重新路由(rerouting)，具体参见22。图22中示出了构建在衬底94上的多个换能器子元件32，其具有层压在衬底94底部的一对电子芯片90A和90B，每个芯片包括相应的多个单位开关单元50。金属路由96发散开来，其中，将与传感器平面的连接限制到一个面积小于电子芯片90A和90B的面积的区域中。
尽管参照优选实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员应当理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，对于本发明中的元件可以作出各种改变或采用等价物件替代。此外，在不背离本发明的实质范围的情况下可以予以修改，以使特定情况适应本发明的教导。因此，本发明不限于为实施本发明而构思的作为最佳模式的具体实施例，相反，本发明包括落在附加权利要求书所界定的范围内的所有实施例。
本申请为2003年3月6日提交的题为“Mosaic Arrays UsingMicromachined Ultrasound Transducers”的美国专利申请No.10/383990的部分继续申请，并要求享有其优先权。
权利要求
1.一种器件，其包括在第一层(62)中沿第一组大致平行的线排列的大量传感器(32)；在第二层中沿第二组大致平行的线排列的大量单位电子元件单元(50)；以及大量电连接(56)，所述电连接中的每一个将所述单位电子元件单元中的相应一个电连接至所述传感器中的相应一个，其中，所述单位电子元件单元中的每一个包括用于关闭到相应连接点的相应通路的相应的多个开关(30，36)，所述连接点电连接至相应传感器；以及用于控制所述开关的开关状态的控制电路(52)。
2.如权利要求1所述的器件，其中，每一个所述电连接均包括由导电材料制成的相应凸块、各向异性导电膏(ACP)、各向异性导电膜(ACF)、导电聚合物、金属化凸块、以z轴插入件为例的垂直互连系统、柔性印刷电路或金属化通路。
3.如权利要求1所述的器件，其进一步包括一布置在所述第一和第二层之间的材料层，其中，每一所述电连接包括位于所述材料层中的相应金属化通路。
4.如权利要求1所述的器件，其中，每一所述传感器包括相应的超声换能器子元件。
5.如权利要求4所述的器件，其中，每一所述超声换能器子元件包括相应的大量电容性微机械加工超声换能器单元(2)，所述超声换能器单元相互连接，并且不能通过开关彼此断开。
6.如权利要求1所述的器件，其中，每一所述单位电子元件单元包括相应的多个存储器件(88)，用于存储所述开关的未来开关状态。
7.如权利要求1所述的器件，其中，所述大量传感器和所述大量单位电子元件单元共集成在同一衬底上。
8.如权利要求1所述的器件，其中，在第一衬底中或第一衬底上对所述大量传感器进行微机械加工，所述大量单位电子元件单元集成在第二衬底上，所述第一和第二衬底经排列形成叠层。
9.如权利要求1所述的器件，其中，所述传感器排列在六边形网格中，每一所述单位电子元件单元包括三个矩阵开关(36)，用于将每一单位电子元件单元连接至三个相邻的单位电子元件单元。
10.如权利要求1所述的器件，其中，所述传感器排列在六边形网格中，并且，每一所述单位电子元件单元包括由导电材料制成的相应衬垫(56)，每一衬垫电连接至所述电连接中的相应一个，所述衬垫按照矩形阵列排列。
全文摘要
一种用于对镶嵌传感器阵列的子元件(32)进行重新配置以形成元件的集成开关矩阵。开关矩阵的配置是完全可编程的。开关矩阵包括将子元件连接至总线线路(34)的访问开关(30)和在子元件间起连接作用的矩阵开关(36)。每一子元件具有一个单位电子元件单元(50)，单位电子元件单元包括至少一个访问开关、至少一个矩阵开关、用于存储每一开关的未来状态的相应存储元件(88)、以及用于每一开关的相应控制电路(52)。访问开关和矩阵开关所属的类型具有存储表示开关的当前开关状态的控制数据的能力，控制数据包括一个输入到包含在控制电路中的开启/关闭电路的数据位。可将传感器阵列和开关矩阵置入共集成结构的不同层中，也可置于电连接的单独晶片上。
文档编号A61B8/00GK1767192SQ20051010965
公开日2006年5月3日 申请日期2005年9月19日 优先权日2004年10月29日
发明者卡伊·E·托梅纽斯, 雷伊特·A·费希尔, 罗伯特·G·沃德尼基, 小威廉·E·伯迪克 申请人:通用电气公司