超声换能器阵列器件

发明领域本发明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。

背景技术：

0、发明背景

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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16×16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。

8、“acoustical cross-talk in row-column addressed 2-d transducer arraysfor ultrasound imaging(用于超声成像的行-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174-178页)描述了一种行-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×n阵列所需的电触点数量从n2减少到2n。

9、然而，mut阵列中的行-列寻址受到交叉耦合的影响：当通过向行-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-列寻址对于mut阵列的2d阵列是低效的解决方案。

10、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

1、本发明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。该目的通过根据本发明的超声换能器阵列器件和超声换能器多层结构来实现。

2、本发明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。

3、本发明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。

4、本发明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。

5、本发明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。

6、本发明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。

7、本发明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。

8、在一个方面，本发明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。

9、在一些实施例中，阵列配置是m行和n列的m-n行-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，并且其中第二方向对应于沿列n的方向。

10、每个第一电极可以经由与相应超声换能器串联的二极管连接到每个第二电极，其中在使用时，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。优选地，所述多个超声换能器包括至少一个微加工的超声换能器(mut)，其中该至少一个mut是压电式微加工的超声换能器(pmut)或电容式微加工的超声换能器(cmut)。

11、有利地，二极管和与该二极管串联的相应超声换能器由如下所述的多层结构提供。

12、本发明的实施例的目的是提供一种用于超声换能器阵列器件的超声换能器多层结构，其允许对换能器(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。该目的是通过根据本发明的超声换能器多层结构来实现的。

13、在一个方面，本发明涉及一种超声换能器多层结构，包括：半导体层堆叠，该半导体层堆叠限定二极管；微加工的超声换能器(mut)层堆叠，该mut层堆叠与二极管电串联并且包括第一导电层(例如，金属层)，该mut层堆叠至少部分地布置在二极管上；腔，该腔在包括半导体层堆叠的至少一部分和第一导电层的区域上方延伸，其中该mut层堆叠包括至少部分地在该区域上方延伸的膜。

14、在另一方面，本发明涉及制造根据前述方面的任何实施例的超声多层结构或超声换能器阵列器件的方法，包括以下步骤：根据阵列配置提供第一晶片，其中第一晶片限定半导体层堆叠，所述半导体层堆叠限定二极管；提供第二晶片，优选地是包括sio2层或氮化硅层的硅基晶片；将第一晶片接合到第二晶片，限定绝缘体上硅(soi)晶片，其中第二晶片限定soi晶片的掩埋氧化物(box)层；将第一晶片加工至超声换能器阵列器件的预定厚度，在二极管上制造mut层堆叠，所述mut层堆叠包括第一导电层；产生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的腔。

15、本发明还涉及根据第一方面的任一实施例的超声换能器阵列器件在用于测量对象的至少一个特性的传感器装置中的用途，其中该传感器装置被用于医学成像，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。

16、本发明的另一目的是提供一种超声换能器，其可以容易地被小型化并且具有足够高的输出压力和带宽。该目的是通过提供一种微加工的超声换能器来实现的，该超声换能器包括腔和具有相长干涉的声学耦合的膜，以提供用于膜的振动的附加驱动力，从而造成与不发生相长干涉情况相比振动幅度的增加。本发明的实施例的另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。

17、本发明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，而不需要在膜上提供阻尼层。

18、在一方面，本发明涉及一种微加工的超声换能器，该超声换能器包括超声源，该超声源包括：具有沿第一方向限定的膜厚度的至少一个可振动膜，以及用于引起或检测所述至少一个可振动膜的振动以便发射或接收超声波的至少一个装置；腔，该腔能够支持驻波并且由第一端、第二端和侧壁限定，其中第一端沿第一方向与第二端相对，并且其中侧壁在第一端和第二端之间延伸；并且其中至少一个可振动膜在声学上耦合至腔并且封闭腔的第一端。

19、在一个实施例中，微加工的超声换能器包括设置在腔的第二端处的端壁，其中该端壁具有沿第一方向限定的端壁厚度。端壁厚度可以基本上大于该至少一个膜的厚度。在其他实施例中，端壁厚度基本上小于该至少一个膜的厚度。

20、在另一实施例中，侧壁具有小于端壁的声学阻抗的声学阻抗。

21、有利地，微加工的超声换能器还包括穿过端壁的第一微通道和可能的第二微通道。在一些实施例中，腔具有与至少一个可振动膜的截面尺寸基本相同的截面尺寸。

22、在另一实施例中，该至少一个可振动膜包括至少两个相邻的可振动膜和用于引起或检测对应的可振动膜的振动以便发射或接收超声波的至少两个对应装置。

23、在一个实施例中，超声源具有近场距离，并且腔具有小于近场距离的腔长度。

24、优选地，腔包括适配成支持驻波并且至少部分地连接至至少一个可振动膜的至少一种声学上合适的介质，其中该声学上合适的介质是气体、固体或液体介质，包括空气、氦气、硅油、蓖麻油、凝胶、聚氨酯、聚酯、环氧树脂、泡沫塑料、泡沫金属、软橡胶、硅橡胶、吸声橡胶、丁基橡胶、玻璃棉、玻璃纤维、毛毡、丝绸、布料和微孔板。

25、在优选实施例中，超声源和腔由如上所述的多层结构限定。

26、在另一方面，本发明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：按照阵列配置布置的多个根据本发明第一方面所述的至少一个实施例的微加工的超声换能器；至少一个第一电极，用于连接该阵列配置中沿第一方向的微加工的超声换能器；至少一个第二电极，用于连接该阵列配置中沿第二方向的微加工的超声换能器；其中至少一个第一电极经由与相应微加工的超声换能器串联的二极管连接至至少一个第二电极，其中当使用时，从二极管的阳极到阴极的方向与从相应微加工的超声换能器的高电位侧到低电位侧的方向一致，并且其中相应微加工的超声换能器的低电位侧与二极管的阳极连接。

27、在又一方面，本发明涉及如前所述的微加工的超声换能器或如前所提及的超声换能器阵列器件的用途，其中这种用途包括将至少一个膜与液体或凝胶接触，该液体或凝胶作为由微加工的超声换能器或微加工的超声换能器阵列生成的超声波的传输介质。

28、在又一方面，本发明涉及一种制造如上所述的微加工的超声换能器的方法，包括提供晶片、在晶片的背侧形成腔以及密封该腔的第二端的步骤。

29、出于对本发明以及相对于现有技术所实现的优点加以总结的目的，以上在本文中已描述了本发明的某些目的和优点。当然，应当理解，不必所有此类目的或优点都可根据本发明的任何特定实施例来实现。由此，例如，本领域技术人员将认识到，本发明能以实现或优化如本文中所教导的一个优点或一组优点的方式来具体化或执行，而不必实现如本文中可能教导或建议的其他目的或优点。

30、从本文以下描述的(诸)实施例，本发明的以上和其他方面将是显而易见的并参考(诸)实施例来阐明。