专利名称：用于形成与微机械加工式超声换能器的连接的方法和相关的装置的制作方法
技术领域：
本发明的多个方面涉及超声换能器，尤其涉及用于形成与限定空气支持的腔的压电微机械加工式超声换能器的连接的方法以及相关联的装置。
背景技术：
例如,一些微机械加工式超声换能器(MUT)可以被配置成压电微机械加工式超声换能器(PMUT)，正如美国专利7，449，821中所揭示的那样，该美国专利已被转让给“三角形研究学会(Research Triangle Institute)”,也正是本申请的受让人,该美国专利的全部内容通过弓I用被包括在本文中。形成pMUT器件(比如限定空气支持的腔的pMUT器件，正如美国专利7，449，821所揭示的那样)可能涉及到在换能器器件的第一电极(即底部电极)与共形金属层之间形成导电连接，其中，该第一电极被置于该PMUT器件的空气支持的腔之内，该共形金属层被施加到该空气支持的腔以提供后续的连接(比如连接到集成电路(IC)或柔性电缆)。在一些实例中，例如，排布在换能器阵列中的一个或多个pMUT可以被包括在细长导管或内窥镜的末端之中。在那些实例中，对于前视排布方式，pMUT器件的换能器阵列必须被排布成使每一个PMUT器件的压电元件的平面都被放置成垂直于上述导管/内窥镜的轴。在换能器阵列是一维(ID)阵列的情况下，到pMUT器件的外部信号连接可以通过柔性电缆来实现，该柔性电缆横跨在换能器阵列中的一系列PMUT器件以便通过其共形金属层与每一个pMUT器件电啮合(即接合)。例如，在一个示例性一维换能器阵列100 (比如Ix 64个元件)中，形成这些阵列元件120的pMUT器件可以被直接附接到柔性电缆140，该柔性电缆140包括每一个pMUT器件一个导电信号引线，以及接地引线。对于前视换能器阵列，在换能器阵列的相对的末端附近使柔性电缆140弯曲，以使柔性电缆140可以穿过上述导管/内窥镜的内腔，在一个实例中，上述导管/内窥镜可以包括超声探头。然而，对于相对较小的导管/内窥镜中的前视换能器阵列，这种排布方式可能难以实现，因为为了让换能器阵列被置于相对较小的导管/内窥镜的内腔之内对柔性电缆的弯曲要求很严(即大约90度)。此外，对于前视二维(2D)换能器阵列，与单独的pMUT器件进行信号互连可能也是困难的。S卩，与一维换能器阵列相比，在示例性的二维换能器阵列(比如14x14到40x40元件)中，可能需要与PMUT器件进行更多的信号互连。这样，可能需要更多的导线和/或多层柔性电缆组件来与换能器阵列中所有的PMUT器件进行互连。然而，当导线和/或柔性电缆组件的数目增大时，更难以让更多的信号互连在换能器器件的末端附近弯曲以实现将换能器阵列集成到导管/内窥镜中所必需的90度弯曲。相应地，这些限制可能令人不悦地限制了很容易实现的导管/内窥镜的最小尺寸(即直径)。由此，在超声换能器领域存在一种需要，特别是关于具有空气支持的腔的压电微机械加工式超声换能器(“PMUT”)，需要在pMUT器件和例如集成电路(IC)或柔性电缆之间形成导电连接的改进的方法。更特别的是，例如在心血管器件和血管内超声器件中所使用的探头/导管/内窥镜的尖端中进行集成时，期望这种与PMUT器件的导电连接被配置成避免让柔性电缆/导线在pMUT器件附近弯曲。这种解决方案应该期望被有效地用于二维换能器阵列，特别是二维PMUT换能器阵列，但是也应该可应用于一维换能器阵列，并且应该期望允许将这种换能器阵列集成于其中的探头/导管/内窥镜的尺寸有更大的可缩放性。
发明内容
本发明的多个方面满足了上述和其它需求，其中，一个这样的方面涉及一种形成与压电超声换能器装置的连接的方法，该压电超声换能器装置包括被置于一器件基板上的介电层上的换能器器件，其中，该换能器器件包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料。该器件基板和介电层限定了延伸至第一电极的第一通孔。第一通孔基本上被第一导电材料填充。该换能器器件进一步包括一支撑构件，该支撑构件与该器件基板和第一导电材料相啮合。该支撑构件限定了延伸至它的第二通孔，其中，该第二通孔具有被置于其上的第二导电材料，并且形成了与第一导电材料的导电啮合，其中，第二导电材料从第二通孔向外延伸以便可从外部到达该支撑构件。所述方法包括使一连接支撑基板接合到上述支撑 构件和第二导电材料之一；蚀刻该连接支撑基板以限定延伸至第二导电材料的第三通孔；以及使一连接元件接合到上述连接支撑基板，该连接元件被插入第三通孔中并且与第二导电材料保持导电哨合。本发明的又一个方面提供了一种用于形成与压电超声换能器装置的连接的方法，该压电超声换能器装置包括被置于一器件基板上的介电层上的换能器器件，其中，该换能器器件包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料。该器件基板和介电层限定了延伸至第一电极的第一通孔，其中，第一通孔基本上被第一导电材料填充。该换能器器件进一步包括一支撑构件，该支撑构件与该器件基板和第一导电材料相哨合，并且限定了延伸至它的第二通孔，其中，第二通孔具有被置于其上的第二导电材料并且形成了与第一导电材料的导电啮合。第二导电材料也从第二通孔向外延伸以便可从外部到达该支撑构件。所述方法包括蚀刻一连接支撑基板以限定延伸穿透它的第三通孔；使一连接元件接合到上述连接支撑基板，该连接元件被插入且延伸穿透该第三通孔；以及使上述连接元件与连接支撑基板之一接合到上述支撑构件与第二导电材料之一，以使该连接元件与第二导电材料导电
口四合。本发明的另一个方面提供了一种压电超声换能器装置，包括被置于一器件基板上的介电层上的换能器器件，其中，该换能器器件包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料。该器件基板和介电层限定了延伸至第一电极的第一通孔，其中，第一通孔基本上被第一导电材料填充。该换能器器件进一步包括一支撑构件，该支撑构件与该器件基板和第一导电材料相啮合，并且限定了延伸至它的第二通孔。该第二通孔具有被置于其上的第二导电材料，该第二导电材料形成了与第一导电材料的导电啮合。第二导电材料从第二通孔向外延伸以便可从外部到达该支撑构件。一连接元件延伸穿透由一连接支撑基板所限定的第三通孔，其中，该连接元件与第二导电材料导电啮合，通过啮合于其间的接合材料该连接元件和连接支撑基板之一被接合到该支撑构件与第二导电材料之一。本发明的另一个方面提供了一种形成与压电超声换能器装置的连接的方法，该压电超声换能器装置包括被置于一器件基板上的介电层上的换能器器件，其中，该换能器器件包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料。该器件基板和介电层限定了延伸至第一电极的第一通孔，其中，第一通孔基本上被第一导电材料填充。该换能器器件进一步包括一支撑构件，该支撑构件与该器件基板和第一导电材料相啮合，并且限定了延伸至它的第二通孔。第二通孔具有被置于其上的第二导电材料，并且在第二通孔的端壁附近形成了与第一导电材料的导电啮合。所述方法包括将一连接元件接合到所述支撑构件，其中，该连接元件被容纳到第二通孔中以便与第二导电材料导电啮合并且与第二通孔的端壁间隔开。本发明的另一个方面提供了一种压电超声换能器装置，包括被置于一器件基板上的介电层上的换能器器件，并且包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料。该器件基板和介电层限定了延伸至第一电极的第一通孔，并且第一通孔基本上被第一导电材料填充。该换能器器件进一步包括一支撑构件，该支撑构件与该器件基板和第一导电材料相啮合，并且限定了延伸至它的第二通孔。第二通孔具有被置于其上的第二导电材料，并且在第二通孔的端壁附近形成了与第一导电材料的导电啮合。一连接元件被容纳到由一连接支撑基板所限定的第二通孔中，并且通过啮合于其间的接合材料而被接合到该支撑构件。该连接元件与第二导电材料导电啮合，并且与第二通孔的端壁间隔开。
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由此，本发明的多个方面解决了所标识的多种需要，并且提供了本文详细描述的其它优点。
在由此概括地描述了本发明以后，现在将参考附图，这些附图不一定是按比例绘制的，其中图I示意性地示出了一种用于形成与被置于内腔中的前视换能器装置的连接的现有技术的排布方式；图2示意性地示出了根据本发明用于形成与前视二维压电微机械加工式超声换能器阵列的连接的一般性排布方式；图3-5示意性地示出了根据本发明的一个方面用于形成与前视二维压电微机械加工式超声换能器阵列的连接的排布方式；图6-10示意性地示出了根据本发明的另一个方面用于形成与前视二维压电微机械加工式超声换能器阵列的连接的排布方式；图11-13示意性地示出了根据本发明的又一个方面用于形成与前视二维压电微机械加工式超声换能器阵列的连接的排布方式；图14示意性地示出了根据本发明的再一个方面用于形成与前视二维压电微机械加工式超声换能器阵列的连接的排布方式；图15和16示意性地示出了根据本发明的另一个方面用于形成与前视二维压电微机械加工式超声换能器阵列的连接的排布方式。
具体实施例方式
下面将参考附图来更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些方面但不是所有的方面。事实上，本发明可按很多不同的形式来具体实施且不应被解释为限于本文所阐述的那些方面；相反，提供这些方面以使得本文将满足可适用的法律要求。在全文中，相同的附图标记指代相同的元素。本发明的多个方面一般可应用于超声换能器，尽管一些特定的方面特别涉及到具有空气支持的腔的压电微机械加工式超声换能器(“pMUT”)。更特别的是，本发明的多个方面涉及在PMUT器件与例如集成电路(IC)、柔性电缆或电缆组件之间形成导电连接的改进的方法，由此，这些单独的信号引线与换能器阵列的操作方向平行地延伸以啮合该换能器阵列中的各个PMUT器件(一 般参见例如图2)。在这些方面中，一种代表性的pMUT器件(例如如图3所示，被实现在一维和二维换能器阵列中)可以包括换能器器件200，该换能器器件200被置于一器件基板240上的介电层220之上,其中，该换能器器件200包括被置于第一电极280和第二电极300之间的压电材料260。该器件基板240和介电层220限定了延伸至第一电极280的第一通孔320,其中，第一通孔320基本上被第一导电材料340填充。该换能器器件200进一步包括一支撑构件360 (比如一种“绝缘体上硅”基板)，该支撑构件360与该器件基板240和第一导电材料340相啮合，并且限定了延伸至它的第二通孔380。该第二通孔380具有被置于其上的第二导电材料400，该第二导电材料400形成了与第一导电材料340的导电哨合。第二导电材料400从第二通孔380向外延伸，以便可从外部到达该支撑构件360。例如，在共同待批的美国专利申请61/299，514 (“Methods forForming a Micromachined Ultrasonic Transducer, and AssociatedApparatuses (用于形成微机械加工式超声换能器的方法和相关的装置)，，)中揭示了这种PMUT换能器器件200，该申请也被转让给了三角形研究学会，该申请的全部内容通过引用而被包括在本文中。在这一方面，例如，可被实现用于压电材料260的特定的材料包括含下列的陶瓷Ζη0，AlN,LiNbO4，锡酸铅锑，钽酸铅镁，钽酸铅镍；铅、钡、铋、或锶的钛酸盐、钨酸盐、锆酸盐、或铌酸盐，包括锆酸钛酸铅(Pb(ZrxTih)O3(PZT))、锆酸钛酸铅镧(PLZT)、锆酸钛酸铅铌(PNZT)、BaTiO3, SrTiO3、铌酸铅镁、铌酸铅镍、铌酸铅锰、铌酸铅锌、钛酸铅。也可以使用压电聚合物材料，比如聚偏二氟乙烯(PVDF)、氟化聚乙二烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、或氟化聚乙二烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)。在本发明的一个这样的方面中，形成与pMUT器件的导电连接的方法由此被示意性地示出在图3-5中。在这一方面，平行于换能器阵列的操作方向而延伸的单独的信号引线被配置成直接地啮合该换能器阵列中的各个PMUT器件。如图3所示，例如，通过使用环氧树脂、粘合带、或其它合适的粘合材料440，一连接支撑基板420 (比如硅基板)可以首先被接合到与形成PMUT阵列的一个或多个pMUT换能器器件200相关联的上述支撑构件360和第二导电材料400之一。更特别的是，粘合材料440可以一开始就被施加到上述连接支撑基板420，然后，该连接支撑基板420被施加到上述支撑构件360和第二导电材料400之一以便通过粘合材料440而固定到其上。在这样做的过程中，第二通孔380可以保持未填充，或者可以部分地或不完全地用声学材料(未示出)进行填充，以便在通过第一和第二电极280、300进行致动时允许压电材料弯曲伸缩并产生声能。在一些实例中，粘合材料440可以特别地包括一种非导电接合材料，比如SU-8可光成像的环氧树脂。然后，如图4所示，例如，通过使用深反应性离子蚀刻(DRIE)工艺，该连接支撑基板420可被蚀刻，以限定第三通孔460，该第三通孔460延伸穿透粘合材料440到达第二导电材料400。这样，与第一电极280导电卩齿合的第二导电材料400就通过第三通孔460而露出来了。如图5所示，一连接元件480接下来可以被接合到上述连接支撑基板420，使得该连接元件480被插入第三通孔460并且与第二导电材料400导电啮合。例如，该连接元件480可以通过一接合材料500 (比如导电环氧树脂)被接合到该连接支撑基板420，该接合材料500被置于第三通孔460之内且在该连接元件480和第二导电材料400之间。在上述连接元件480被插入其中之前该接合材料500可以被插入第三通孔460，或者在将其插入第三通孔460中之前该接合材料500可以被施加到单独的连接元件480。在一些实例中，该连接元件480可以包括细规格导线(比如45AWG，约50 μ m直径)，其中，在某些实例中，该导线可以包括被绝缘体围绕的细长导体。在这些实例中，该绝缘体可以被配置成在该导体与该连接支撑基板420之间提供电绝缘。在其它实例中，如果该导线不包括该绝缘体，则在蚀刻该连接支撑基板420之后且在接合该连接元件480之前，绝缘材料(未示出)可以首先被沉积在上述连接支撑基板420上以便延伸至第三通孔460中并且接近第二导电材料400，以使该导体与该连接支撑基板420电隔绝。在一些方面中，用啮合于其间的并且在第三通孔460外部的接合材料520，该连接元件480也可以被接合到该连接支撑基板420。例如，如图5所示，该连接元件480可以被 插入该连接支撑基板420，并且接下来，用接合材料520(比如非导电的环氧树脂)将其固定，该接合材料520被施加到与粘合材料440相反的基板表面上的连接元件480周围。例如，这种细规格导线可以按如下形式获得标准磁导线，微型同轴电缆，或微型带状电缆。在本发明的另一个方面中，形成与pMUT器件的导电连接的方法被示意性地示出在图6-10中。如上所述，单独的信号引线被排布成平行于换能器阵列的操作方向而延伸，同时直接地啮合该换能器阵列中的各个PMUT器件。如图6所示，例如，通过使用DRIE工艺，一连接支撑基板540首先被蚀刻，以限定一穿透其中的第三通孔560。然后，使一连接元件580接合到上述连接支撑基板540，该连接元件580被插入且延伸穿透该第三通孔560。在一些实例中，该连接元件580可以包括细规格导线，其中，在某些实例中，该导线可以包括被绝缘体围绕的细长导体。在这种实例中，该绝缘体可以被配置成在该导体与该连接支撑基板540之间提供电绝缘。在其它实例中，如果该导线不包括该绝缘体，则在蚀刻该连接支撑基板540之后，绝缘材料(未示出)可以首先被沉积在上述连接支撑基板540上以便延伸至第三通孔560，使该导体与该连接支撑基板540电隔绝。在一些方面中，用啮合于其间的并且在第三通孔560外部的接合材料600，该连接元件580可以被接合到该连接支撑基板540。例如，如图6所示，该连接元件580可以被插入由该连接支撑基板540所限定的第三通孔560，并且接下来，用接合材料600 (比如非导电的环氧树脂)将其固定，该接合材料600被施加到与该连接支撑基板540的被该连接元件580延伸穿透的表面相反的该连接支撑基板540的那个表面上的连接元件480周围。如图7所示，一旦将上述连接元件580固定到上述连接支撑基板540，该连接支撑基板540的被该连接元件580延伸穿透的表面就被平整化(例如，通过机械抛光工艺或化学机械抛光(CMP)工艺进行平整化)，以产生基本上平整的表面，该表面使该连接元件580的末端620露出来。在某些实例中，在该连接元件580与限定第三通孔560的壁之间的任何间隙都可以被填充有例如非导电的环氧树脂，以提供该连接支撑基板540的无空隙的平整表面从而便于后续的处理。该连接元件580和/或该连接支撑基板540接下来被接合到上述支撑构件360和/或第二导电材料400。在一个实例中，非导电的接合材料640 (比如经旋转涂敷的或层压的粘合剂，例如SU-8可光成像的环氧树脂)可以被施加到该连接支撑基板540的经平整化的表面。非导电的接合材料640可以接下来被选择性地除去(即被图案化)，以形成第四通孔660，该第四通孔660延伸穿透非导电的接合材料640并且使该连接元件580的末端620露出来。在其它实例中，在被施加到上述连接支撑基板540的经平整化的表面之前，非导电的接合材料640可以被预先图案化，使得在施加非导电的接合材料640时该连接元件580的末端620通过第四通孔660而露出来。如图8所示，第三导电材料680 (比如经镀覆的铜或导电环氧树脂)可以接下来被沉积到第四通孔660中，使得第三导电材料680与上述连接元件580形成导电啮合并且至少延伸穿过非导电的接合材料640。例如，通过使环氧树脂材料(该环氧树脂材料包括非导电的接合材料640)固化，上述连接支撑基板540可以接下来至少被接合到上述支撑构件360，使得该连接元件580与第二导电材料400形成导电啮合。在另一个方面中，如图9所示，例如，通过被置于其间的导电接合材料700，使导电元件580与第二导电材料400导电啮合。在一个这样的方面中，例如，如图9所示，该导电接合材料700可以包括焊料凸块。在这种实例中，通过使包括焊料凸块的焊料软熔，可以实现上述接合。在另一个方面中，上述 导电接合材料700可以包括用导线接合器或通过电镀而形成的金属(即Au、Al或Cu)螺柱凸块，其中，这种螺柱凸块可以是热压缩接合的，以提供导电啮合。在其它方面中，使用啮合于其间的各向异性导电环氧树脂710，就可以将上述连接元件580和/或连接支撑基板540接合到上述支撑构件360和/或第二导电材料400之一。在这一方面中，通过各向异性导电环氧树脂710，就可以在导电元件580和第二导电材料400之间形成导电啮合，而没有这样的导电啮合通过各向异性导电环氧树脂710而横向地延伸至其它换能器器件。在其它实例中，如图10所示，一集成电路器件和/或一重新分配元件720可以被插入该连接元件580和/或连接支撑基板540与该支撑构件360和/或第二导电材料400之间。在这种实例中，该集成电路器件和/或重新分配元件720可以通过分别啮合于其间的各向异性导电环氧树脂710、730而导电啮合于至少该连接元件580和第二导电材料400之间。例如，该集成电路器件和/或重新分配元件720也可以通过焊料凸块或通过金属螺柱凸块而导电啮合于至少该连接元件580和第二导电材料400之间。在这种情况下，该集成电路器件和/或重新分配元件720也可以包括一个或多个导电元件，这些导电元件通过相应的器件通孔725而延伸穿透该集成电路器件和/或重新分配元件720，并且被配置成例如在第二导电材料400和连接元件580之间提供电连接，这些相应的器件通孔725也由该集成电路器件和/或重新分配元件720限定并且从中延伸穿透。在本发明的又一个方面中，形成与pMUT器件的导电连接的方法被示意性地示出在图11-13中。如上所述，单独的信号引线被排布成平行于换能器阵列的操作方向而延伸，同时直接地啮合该换能器阵列中的各个PMUT器件。如图11所示，一连接元件740可以被直接地接合到上述支撑构件360，由此该连接元件740被容纳到该第二通孔380中，以便与第二导电材料400导电啮合并且与第二通孔380的端壁760间隔开，在该端壁760处该第二导电材料400形成了与第一导电材料340的导电啮合。该连接元件740与第二通孔380的端壁760间隔开，以便允许换能器器件200的压电材料260振动(即，在通过第一和第二电极280、300而致动时能弯曲伸缩)，由此，实现了预期的功能。连接元件740可以通过接合材料(比如导电环氧树脂)被接合到上述支撑构件360，该接合材料被置于第二通孔380之内且在连接元件740和第二导电材料400之间，其中，在其插入第二通孔380之前该接合材料可以被施加到单独的连接元件740。这样，连接元件740和端壁760之间的间距可以被维持。在其它实例中，用啮合于其间的并且在第二通孔380的外部的接合材料800(比如导电环氧树脂)，该连接元件740可以被接合到该支撑构件360。更特别的是，接合材料800可以被施加在该支撑构件380的表面上的连接元件740周围且在第二通孔380之外，使得接合材料800导电啮合于该连接元件740和第二导电材料400之间。在某些方面中，通过进入其第二通孔，接合材料800被施加，以便不污染任何相邻的pMUT器件，特别是在第二通孔彼此电隔绝的实例中。在一些实例中，如图12所示，在该连接元件740被接合到该支撑构件360之前，该连接元件740可以与一连接支撑基板820相啮合，该连接元件740被插入且延伸穿过由该连接支撑基板820所限定的第三通孔840，其中，该连接支撑基板820可以之前被蚀刻以限定穿透其中的第三通孔840。在其它实例中，如图13所示，在使连接元件740与连接支撑基板820相啮合之前，一声学构件860也可以与该连接支撑基板820相啮合，由此，该声学构件860可以同样地限定一声学构件通孔880 (它对应于由该连接支撑基板820所限定的第三通孔840)。这样，在使连接元件740接合到该支撑结构360之前，连接元件740可以被插·入且延伸穿过由该连接支撑基板820所限定的第三通孔840以及由该声学构件860所限定的声学构件通孔880。在这种实例中，可以根据合适的消音性质来选择上述声学构件860，以便为PMUT换能器阵列提供期望的消音(即，以便禁止或防止来自压电材料的振动又回响到该压电材料)。在其它方面中，连接元件740可以被插入到支撑构件360和连接支撑基板820中的至少一个中。在这种实例中,例如,声学构件860可以包括处于流体/液体状态中的聚合物材料，该聚合物材料可以被回填到该连接支撑基板820和该支撑构件360之间的间隙中以及上述连接元件740之间，其中，流体/液体聚合物可以接下来被固化以形成该声学构件860。在有关实例中，本发明的另一个方面涉及一个或多个连接元件与上述连接支撑基板(或pMUT换能器阵列)相啮合的情形。更特别的是，本发明的这些方面涉及使连接元件/连接支撑基板(或PMUT换能器阵列)啮合过程更容易和/或更快。在某些示例性实例中，在换能器阵列中的PMUT换能器器件的间距可能是在大约100 μ m和200 μ m之间的量级，而相应的连接元件(比如导线)的直径是在大约50 μ m的量级。这样，在制造过程中，使连接元件与连接支撑基板精确地对准是需要考虑的问题。由此，图14示意性地示出了本发明的一个方面，该方面涉及连接元件(即导线)900的二维阵列相对于连接支撑基板或PMUT换能器阵列(一般参见元件920)的组装情况。在一个实例中，引导基板940大约与连接支撑基板/换能器阵列920的一个维度一样宽，该引导基板940可以被配置成限定多个平行的间隔开的通道960，这些通道960横跨其宽度方向延伸(并且沿着该引导基板940的长度方向延伸)，其中，这些通道960的间距对应于由连接支撑基板所限定的第三通孔的间距和/或在换能器阵列中的PMUT器件的第二通孔的间距。在某些方面中，该引导基板940可以包括硅，并且通道960可以是“V”形的。通道960的“V”形(例如是通过硅的各向异性结晶蚀刻而形成的)可以促进例如上述连接元件900相对于其间期望的间距而对准。一旦这些连接元件900被放到各个通道960中以便纵向地向外延伸，则一锁紧构件980可以按可移除的方式被施加到通道960上以便将这些连接元件900保持在这些通道960之内。一旦被准备好，该引导基板940可以被置于预期的连接支撑基板/pMUT换能器阵列920附近(即通过使用微动台)，并且这些连接元件900滑动或以其它方式纵向地沿着通道960被弓I导以啮合上述预期的连接支撑基板/pMUT换能器阵列920。在一些实例中，通道960 (和锁紧构件980，如有必要的话)可以具有施加于其上的防静摩擦涂层(比如含氟聚合物)，以禁止或防止与连接元件900的静电吸引。在接合上述连接元件900时，必要的话，该锁紧构件980和引导基板940可以被移除，留下这些连接元件900与上述预期的连接支撑基板/pMUT换能器阵列920相啮合。如 图所示，该引导基板940/锁紧构件980可以被配置成一次对二维换能器阵列的一行(或一列)进行寻址。这样，重复应用本文所揭示的过程可能是必需的，以便用连接元件900的恰当的补集来填充上述二维换能器阵列。除了用于单独的连接元件的这样一种组装过程之外，如上所述，本发明的另一个方面可能涉及连接元件的合适组装的直接集成。在这一方面，本发明的某些方面可能涉及在恰当的载体基质1020中形成连接元件1000。例如，如图15示意性地示出，纳米纤维可以被形成于上述引导基板的通道中，如有必要，这些纳米纤维可以被镀上导电材料以产生导电的“电缆”。在其它实例中，例如，通过共挤成型工艺、柔性复合组装(将连接元件排布在聚合物基质中)来进行制造，就可以获得一种单片电缆。例如，一个这样的配置可以包括例如在绝缘体基质(包括未掺杂的PET或聚丙烯)中的掺杂的PET聚合物(即电阻率约为50hm-cm或更小，比如大约20 μ Ohm-cm)的共挤成型。在一个期望的实例中，每一个连接元件可以具有小于约20欧姆的电阻。一旦被形成，该单片电缆的一个末端可以被抛光(即垂直于纵轴)以便提供一平面，该平面使用合适的接合材料而接合到上述PMUT换能器阵列，正如图16所示那样。在特定的实例中，可以根据消音性质来选择用于绝缘体基质的聚合物，以便为PMUT换能器阵列提供期望的消音(即，以便禁止或防止来自压电材料的振动又回响到该压电材料)。本发明所属领域的技术人员在得益于上述描述和相关联附图呈现的教示之后将想到本文陈述的很多修改和其它方面。例如，本文所揭示的示例性方法及其多个方面也可以具有与之相关联的装置，正如以其它方式揭示于本文中。此外，例如，通过使用焊料凸块、金螺柱凸块、金属螺柱凸块、各向异性导电环氧树脂、或其它合适的导电连接设置，本文所描述的pMUT换能器器件可以按需要或按期望与IC (比如控制1C，例如放大器或多路复用器)、插入器(比如硅或柔性电缆)、或重新分配元件相啮合，以提供在特定的PMUT换能器器件的第二导电材料与上述1C、柔性电缆、电缆组件、插入器、或重新分配元件之间的导电啮合。另外，在本文所揭示的一些示例性方法中，接合材料有时候可以与上述支撑构件相啮合以便横跨所限定的第二通孔而延伸。在那些实例中，包括上述接合材料的恰当选择的材料可以允许该接合材料按期望起到消音的作用，以便吸收和/或耗散掉从压电材料发出的振动，由此禁止或防止沿着第二通孔的压电材料的回响。这样，在本发明的范围中，本文所揭示的装置和方法可以恰当地被调适以针对这些实例。因此，能够理解，本发明不限于所公开的具体方面，并且修改和其他方面旨在包括在所附权利要求书的范围内。尽管在此采用了特定术语，但是这些术语仅仅是在一般性和描述性意义上使用的，而不是用于限制的目的。
权利要求
1.一种形成与压电超声换能器装置的连接的方法，所述压电超声换能器装置包括被置于一器件基板上的介电层上的换能器器件，并且包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料，所述器件基板和所述介电层限定了第一通孔，所述第一通孔延伸至所述第一电极并且基本上被第一导电材料填充，所述换能器器件进一步包括与所述器件基板和所述第一导电材料相啮合的支撑构件，并且限定了延伸至它的第二通孔，所述第二通孔具有被置于其上的第二导电材料并且形成了与所述第一导电材料的导电啮合，所述第二导电材料从所述第二通孔向外延伸以便能够从外部到达所述支撑构件，所述方法包括 使一连接支撑基板接合到所述支撑构件和所述第二导电材料之一； 蚀刻所述连接支撑基板以限定第三通孔，所述第三通孔延伸至所述第二导电材料；以及 使一连接元件接合到所述连接支撑基板，所述连接元件被插入所述第三通孔中并且与所述第二导电材料导电哨合。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于， 接合一连接支撑基板进一步包括 用啮合于其间的非导电接合材料，使一连接支撑基板接合到所述支撑构件与所述第二导电材料之一。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于， 接合一连接元件进一步包括 用啮合于其间且在所述第三通孔之内的诸如导电环氧树脂这样的接合材料，使一连接元件接合到所述连接支撑基板和所述第二导电材料之一。
4.如权利要求I所述的方法，还包括 在蚀刻所述连接支撑基板之后且在接合所述连接元件之前，将绝缘材料沉积到所述连接支撑基板上，所述绝缘材料延伸至所述第三通孔中并接近所述第二导电材料。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于， 接合一连接元件进一步包括 使包括被绝缘体围绕的细长导体的连接元件接合到所述连接支撑基板，所述连接元件被插入所述第三通孔中，使得所述导体与所述第二导电材料导电啮合。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于， 使一连接元件接合到所述连接支撑基板进一步包括 用啮合于其间的并且在所述第三通孔外部的诸如非导电环氧树脂这样的接合材料，使一连接元件接合到所述连接支撑基板。
7.一种形成与压电超声换能器装置的连接的方法， 所述压电超声换能器装置包括被置于一器件基板上的介电层上的换能器器件，并且包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料，所述器件基板和所述介电层限定了第一通孔，所述第一通孔延伸至所述第一电极并且基本上被第一导电材料填充，所述换能器器件进一步包括与所述器件基板和所述第一导电材料相啮合的支撑构件，并且限定了延伸至它的第二通孔，所述第二通孔具有被置于其上的第二导电材料并且形成了与所述第一导电材料的导电啮合，所述第二导电材料从所述第二通孔向外延伸以便能够从外部到达所述支撑构件，所述方法包括蚀刻一连接支撑基板以限定延伸穿透它的第三通孔； 使一连接元件接合到所述连接支撑基板，所述连接元件被插入且延伸穿透所述第三通孔；以及 使所述连接元件与所述连接支撑基板之一接合到所述支撑构件与所述第二导电材料之一，使得所述连接元件与所述第二导电材料导电啮合。
8.如权利要求7所述的方法，还包括 在蚀刻所述连接支撑基板之后且在接 合所述连接元件和所述连接支撑基板之一之前，将绝缘材料沉积到所述连接支撑基板上，使得所述绝缘材料沿着所述第三通孔而延伸。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于， 接合一连接元件进一步包括 用啮合于其间的并且在所述第三通孔外部的诸如非导电环氧树脂这样的接合材料，使一连接元件接合到所述连接支撑基板。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于， 接合一连接元件进一步包括 使包括被绝缘体围绕的细长导体的连接元件接合到所述连接支撑基板，所述连接元件被插入所述第三通孔中，使得所述导体延伸穿过所述第三通孔。
11.如权利要求7所述的方法，还包括 在将所述连接元件和所述连接支撑基板之一接合到所述支撑构件和所述第二导电材料之一之前，使所述连接元件和所述连接支撑基板平整化。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于， 将所述连接元件和所述连接支撑基板之一接合到所述支撑构件和所述第二导电材料之一进一步包括 用啮合于其间的非导电接合材料，至少将所述连接支撑基板接合到所述支撑构件。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于， 将所述连接元件和所述连接支撑基板之一接合到所述支撑构件和所述第二导电材料之一进一步包括 将所述非导电接合材料施加到使所述连接元件延伸穿透其中的连接支撑基板； 选择性地除去所述非导电接合材料以便形成第四通孔，所述第四通孔延伸穿透所述非导电接合材料并且使所述连接元件露出来；以及 将第三导电材料沉积在所述第四通孔中，使得所述第三导电材料形成与所述连接元件的导电啮合，并且至少延伸穿过所述非导电接合材料以形成与所述第二导电材料的导电啮入口 ο
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于， 将所述连接元件和所述连接支撑基板之一接合到所述支撑构件和所述第二导电材料之一进一步包括 将所述非导电接合材料施加到使所述连接元件延伸穿透其中的连接支撑基板，所述非导电接合材料被预先图案化以便限定延伸穿过其中的第四通孔，并且使所述连接元件露出来；以及 将第三导电材料沉积在所述第四通孔中，使得所述第三导电材料形成与所述连接元件的导电啮合，并且至少延伸穿过所述非导电接合材料以形成与所述第二导电材料的导电啮口 O
15.如权利要求7所述的方法，其特征在于， 将所述连接元件和所述连接支撑基板之一接合到所述支撑构件和所述第二导电材料之一进一步包括 用啮合于其间的诸如各向异性导电环氧树脂这样的导电接合材料，至少将所述连接元件接合到所述第二导电材料，或者 用啮合于其间的导电焊料元件和导电螺柱元件之一，将所述连接元件接合到所述第二导电材料。
16.如权利要求15所述的方法,还包括 在所述连接元件和所述连接支撑基板之一以及所述支撑构件和所述第二导电材料之一之间，插入一集成电路器件，所述集成电路器件至少与所述连接元件和所述第二导电材料导电啮合，或者被配置成至少使所述连接元件和所述第二导电材料之间的导电啮合更容易。
17.—种压电超声换能器装置，包括 换能器器件，所述换能器器件被置于一器件基板上的介电层上，并且包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料，所述器件基板和所述介电层限定了第一通孔，所述第一通孔延伸至所述第一电极并且基本上被第一导电材料填充，所述换能器器件进一步包括与所述器件基板和所述第一导电材料相啮合的支撑构件，并且限定了延伸至它的第二通孔，所述第二通孔具有被置于其上的第二导电材料并且形成了与所述第一导电材料的导电啮合，所述第二导电材料从所述第二通孔向外延伸以便能够从外部到达所述支撑构件；以及连接元件，所述连接元件延伸穿过由一连接支撑基板所限定的第三通孔，并且与所述第二导电材料导电啮合，通过啮合于其间的接合材料，将所述连接元件和所述连接支撑基板之一接合到所述支撑构件和所述第二导电材料之一。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于， 用啮合于其间的非导电接合材料，将所述连接支撑基板接合到所述支撑构件。
19.如权利要求17所述的装置，其特征在于， 用啮合于其间的导电环氧树脂、导电焊料元件、导电螺柱元件和各向异性导电环氧树脂之一，将所述连接元件接合到所述第二导电材料。
20.如权利要求17所述的装置，其特征在于， 用啮合于其间的并且在所述第三通孔外部的非导电环氧树脂，使所述连接元件接合到所述连接支撑基板。
21.如权利要求17所述的装置，还包括 集成电路器件，所述集成电路器件被插入在所述连接元件和所述连接支撑基板之一以及所述支撑构件和所述第二导电材料之一之间，所述集成电路器件至少与所述连接元件和所述第二导电材料导电啮合，或者被配置成通过在由其限定的器件通孔中延伸穿透其中的导电元件而至少使所述连接元件和所述第二导电材料之间的导电啮合更容易。
22.—种形成与压电超声换能器装置的连接的方法，所述压电超声换能器装置包括被置于一器件基板上的介电层上的换能器器件，并且包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料，所述器件基板和所述介电层限定了第一通孔，所述第一通孔延伸至所述第一电极并且基本上被第一导电材料填充，所述换能器器件进一步包括与所述器件基板和所述第一导电材料相啮合的支撑构件，并且限定了延伸至它的第二通孔，所述第二通孔具有被置于其上的第二导电材料，并且在所述第二通孔的端壁附近形成了与所述第一导电材料的导电啮合，所述方法包括 使一连接元件接合到所述支撑构件，所述连接元件被容纳到所述第二通孔中，以便与所述第二导电材料导电啮合并且与所述第二通孔的端壁间隔开。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于， 接合一连接元件进一步包括 用啮合于其间的并且在所述第二通孔外部的诸如导电环氧树脂这样的接合材料，使一 连接元件接合到所述支撑构件。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于， 接合一连接元件进一步包括 用一导电环氧树脂，将一连接元件接合到所述支撑构件，所述导电环氧树脂导电啮合于所述连接元件和所述第二导电材料之间，所述导电环氧树脂被从外部放置到所述第二通孔。
25.如权利要求23所述的方法，还包括 在将所述连接元件接合到所述支撑构件之前，使所述连接元件与一连接支撑基板相啮合，所述连接元件被插入且延伸穿过由所述连接支撑基板所限定的第三通孔。
26.如权利要求25所述的方法,还包括 在将所述连接元件接合到所述连接支撑基板之前，蚀刻所述连接支撑基板以限定延伸穿透其中的第三通孔。
27.如权利要求25所述的方法，还包括 在使所述连接元件与所述连接支撑基板相啮合之前，使一声学构件与所述连接支撑基板相啮合，所述声学构件限定与所述第三通孔相对应的声学构件通孔，在将所述连接元件接合到所述支撑构件之前，所述连接元件被插入且延伸穿透由所述连接支撑基板所限定的第三通孔以及由所述声学构件所限定的声学构件通孔。
28.—种压电超声换能器装置，包括 换能器器件，所述换能器器件被置于一器件基板上的介电层上，并且包括被置于第一电极和第二电极之间的压电材料，所述器件基板和所述介电层限定了第一通孔，所述第一通孔延伸至所述第一电极并且基本上被第一导电材料填充，所述换能器器件进一步包括与所述器件基板和所述第一导电材料相啮合的支撑构件，并且限定了延伸至它的第二通孔，所述第二通孔具有被置于其上的第二导电材料，并且在所述第二通孔的端壁附近形成了与所述第一导电材料的导电哨合；以及 连接元件，所述连接元件被容纳到由所述支撑构件所限定的第二通孔中并且通过啮合于其间的接合材料而被接合到所述支撑构件，所述连接元件与所述第二导电材料导电啮合，并且与所述第二通孔的端壁间隔开。
29.如权利要求28所述的装置，其特征在于， 所述第二导电材料能够从外部达到所述支撑构件。
30.如权利要求28所述的装置，其特征在于， 所述接合材料包括一导电环氧树脂，所述导电环氧树脂进一步啮合于所述连接元件和所述第二导电材料之间且与它们导电啮合，并且在所述第二通孔外部。
31.如权利要求28所述的装置，还包括 连接支撑基板，所述连接支撑基板限定第三通孔，所述第三通孔使所述连接元件插入其中且延伸穿透其中。
32.如权利要求31所述的装置，还包括 声学构件，所述声学构件与所述连接支撑基板相啮合，所述声学构件限定与所述第三通孔相对应的声学构件通孔，并且使所述连接元件插入其中并延伸穿透其中。
全文摘要
提供了涉及一种压电微机械加工式超声换能器(pMUT)的方法和相关的装置，该换能器限定了空气支持的腔。由一器件基板和相关的介电层所限定的并且延伸至第一电极的第一通孔基本上是用第一导电材料填充的。与该器件基板相啮合的一支撑构件限定了第二通孔，该第二通孔延伸至第一导电材料。第二通孔具有被置于其上的第二导电材料，形成了与第一导电材料的导电啮合，并且从第二通孔向外延伸以从外部可达到上述支撑构件。一连接元件延伸穿透由一连接支撑基板所限定的第三通孔，并且与第二导电材料导电啮合，其中，通过啮合于其间的接合材料该连接元件和连接支撑基板之一被接合到该支撑构件与第二导电材料之一。
文档编号H01L41/047GK102971088SQ201180031798
公开日2013年3月13日 申请日期2011年4月22日 优先权日2010年4月29日
发明者D·道施, J·卡尔森, C·B·桑德斯, S·H·戈德温 申请人:三角形研究学会