pMUT及pMUT换能器阵列的电极配置的制作方法

相关申请案交互参照

本专利主张2016年5月3日提出申请的美国临时专利申请案第62/330,881号，标题为「methodandsystemfordenserultrasonictransducerarraysusinglimitedsetofelectricalcontacts」的优先权。

此专利是关于压致微机械超音波换能器(pmut)，而且特别的是，是关于pmut及包括pmut的换能器阵列用的电极配置。

背景技术：

微机械超音波换能器(mut)持续发展成为人机介面与健康照护应用中的技术元件。随着诸如关键尺寸等限制已获得解决而达到可估量的阶段，微制造技术与技巧近来已进步到使得pmut可应用于更广且创新的领域。pmut与电容性微机械超音波换能器(cmut)不同，并不需要高直流极化电压与小电容性间隙，因而降低驱动电路系统与制造的复杂度。

pmut的阵列可应用于各种感测领域。举例而言，在大约5毫米(mm)乘5毫米接触区使用大约100个换能器乘100个换能器的阵列可当作每英寸500点(dpi)(间距为50微米(μm))指纹感测器使用。

在pmut阵列中，各换能器充当像素，并且同时当作驱动器与感测器使用。n个换能器元件的阵列因此需要n²个换能器连接。因此，即便是大小适中的阵列，也需要大量的换能器连接。

典型的pmut阵列其元件数量少(少于100个振动膜)，正因如此，将各膜片连接至对应的驱动电路系统时，是使各膜片电极对与驱动电子器件进行线接合、覆晶接合、或任何其它一对一对应来达成。先进、高解析度超音波成像用的大量pmut进行整合时，需要的连接数可能会太复杂且繁琐而无法直接实施。在这些应用中，阵列里的各pmut典型会有自己的顶端电极，而且这些典型以并联方式连接为单列或行。

因此，希望提供可靠、个别定址的pmut。另外，希望减少pmut阵列里需要的换能器连接数，同时仍维持此阵列的逼真度。重新组配可在此阵列中使用的pmut换能器的电极配置时，可能导致换能器连接数减少。此外，具有已重新组配电极配置的pmut换能器阵列可降低连接需求。将pmut的电极配置重新组配时，可通过以最少量电接触进行阵列元件的列/行定址，而更有助于此阵列的操作。再者，其它所欲特征及特性经由随后的详细说明及随附权利要求且搭配附图及此先前技术将变为显而易见。

技术实现要素：

根据本文所述例示性具体实施例所提供的是各具有第一电极的压致微机械超音波换能器(pmut)，该第一电极包括第一电极部与第二电极部。该第二电极部可与该第一电极部分开操作。第二电极与该第一电极隔开并且在该第一电极与该第二电极间界定空间。压电材料设置于该空间中。

根据本文所述具体实施例进一步提供的是包括多个pmut的阵列。阵列中的各pmut具有含第一电极部与第二电极部的第一电极。该第二电极部可与该第一电极部分开操作。第二电极与该第一电极隔开以在该第一电极与该第二电极间界定空间。压电材料设置于该空间中。各pmut的该第一电极部耦合至第一电连接，并且各pmut的该第二电极部耦合至第二电连接，其与该第一电连接不同。该第二电极耦合至参考。

根据本文进一步所述的具体实施例，提供有一种超音波感测装置。该装置包括压致微机械超音波换能器(pmut)的阵列，其中该阵列中的各pmut具有含第一电极部、及与可该第一电极部分开操作的第二电极部的第一电极。第二电极与该第一电极隔开以在该第一电极与该第二电极间界定空间。压电材料设置于该空间中。一种集成电路耦合至该阵列。各pmut的该第一电极部耦合至该集成电路的第一电连接。各pmut的该第二电极部分别耦合至该集成电路的第二电连接，其与该第一电连接不同。该第二电极耦合至该集成电路的参考。

附图说明

通过搭配附图参照以下详细说明，将得以轻易获知且更加理解例示性具体实施例更为完整的内容、及其附属优点，其中：

图1为压致微机械超音波换能器(pmut)的横截面示意图，其可根据本文所述之一或多项具体实施例来组配。

图2为根据本文所述具体实施例的pmut用电极配置的俯视示意图。

图3为根据本文所述具体实施例的pmut用电极配置的俯视示意图。

图4为根据本文所述具体实施例的pmut用电极配置的俯视示意图。

图5为根据本文所述具体实施例的pmut用电极配置的俯视示意图。

图6为根据本文所述具体实施例的pmut用电极配置的俯视示意图。

图7为压致微机械超音波换能器(pmut)及相关联控制电路的截面示意图，其可根据本文所述之一或多项具体实施例来组配。

图8为根据本文所述具体实施例的pmut阵列的示意图。

图9为根据本文所述具体实施例的pmut阵列的示意图。

图10为根据本文所述具体实施例的pmut阵列的示意图。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅属于例示性，而且用意不在于限制各项具体实施例或应用及其用途。再者，用意不在于受限于先前背景或以下详细说明中所介绍的任何理论。本发明中所述的具体实施例大体上针对压致微机械超音波换能器(pmut)、以及其组配与操作方法。可将本文所述的各种结构、元件、工作及步骤并入具有本文中未详述的附加元件、步骤或功能的综合结构、程序或过程内。特别的是，产生pmut、pmut阵列、并有pmut的电路与感测器的结构、设计及方法有许多属于众所周知，所以，为了简便起见，此类装置与集合体有许多现有态样将只在本文中简述、或将完全省略而未提供众所周知的细节。

为了简洁起见，本文中可能不详述装置、系统、以及系统的个别操作组件的现有组件与技巧、以及其它功能性态样。再者，本文中所含各图中所示的连接线用意在于表示各个元件间功能性关系及/或实体耦合的实施例。应注意的是，许多替代或附加功能性关系或实体连接可在各项具体实施例中出现。最后，相似的参考元件符号用于指认全篇申请案中各项具体实施例的相似元件。

一般而言，pmut阵列具有少量元件(少于100个pmut及相关联压电层或膜)，而且正因如此，将各pmut连接至对应的驱动电路系统时，是使各pmut对驱动电子器件进行线接合、覆晶接合、或任何其它一对一对应来达成。先进、高解析度超音波成像用的大量pmut进行整合时，需要的连接数会太复杂且繁琐而无法直接实施。在那些情况下，定址各声学像素的列/行形态更为可行且更不复杂。若要减少pmut阵列所需的连接数，可使用现有的连接技术。

就根据本文所述具体实施例的pmut、以及并有此类pmut的阵列而言，不对pmut的第二或底端电极进行图型化可带来便利性，因为那样可能干扰薄膜压电层的结晶品质，进而可能影响压电层的压电系数。此一组态需要第一或顶端电极的独特组态，用来促进密集pmut阵列内的列/行定址。

因此，根据本文所述的具体实施例，压致微机械超音波换能器(pmut)在设计方面旨在具有(多个)顶端电极金属化层，以助于仅使用顶端电极便能进行列/行定址。此配置允许pmut配置成复杂阵列，并且使用基于行与列的电信号驱动方式。此pmut能够经由第一与第二电极间的可压电变形层产生并且检测声波，其囊括形成已悬挂压电层或膜的(多个)结构化薄膜。顶端电极部可操作成用于通过电信号，经由压电层的动态激发以传送超音波。如将会说明者，此阵列的各个pmut可透过分别施加至顶端电极部的相移信号进行定址。压电层可遭受箝制或按另一种方式采可操作方式设置于此等电极间，以供通过将电信号施加至顶端电极部而进行激发，而且其可呈圆形、矩形、方形、或任何其它二维形状。

图1示范典型pmut100的截面示意图。在横截面图中，第一或顶端电极102位于pmut100的顶端，并且可直接将其置放于压电层104顶部，其使得顶端电极102与第二或底端电极106分离。要注意的是，诸如顶端、底端、上面、下面等及类似用语在全文用于说明如图式中所示结构的方位，而且不应该用来指示根据本文具体实施例所述装置实际实作态样中所需的位置或方位。位在第二电极106下面的是结构层108，此层108的厚度可用来透过现有的压电设计原理，调整压电层104的调谐频率，并从而操作pmut。位在此层108下方的是隔离介电质110及例如硅112所制成的支撑结构。

压电层104形成为薄层或膜，其使用已知的微制造技巧，由诸如氮化铝(aln)的合适材料所制造，但也可使用其它现有的压电材料。如此，若对第一与第二电极102与106施加时变电信号，则已悬挂压电层104可机械变形并且振荡。反过来，若对此层104施加诸如声压的振荡机械力，其将会振动，并进而产生将会在电极102与106检测到的时变电信号。

根据本文所述的各个具体实施例，pmut装置100具有图型化第一或顶端电极102，而第二或底端电极106则未进行图型化。具体而言，第二电极图型化可能损害装置效能，并且影响压电层104的品质。正因如此，第二电极106可形成构成pmut阵列的微晶片的连续底端表面，并且可电接地以降低此阵列的不同元件间的串音。举例而言，第二电极106可如沉积时(as-deposited)存在而不用进行后续材料移除。再者，将第二电极106形成为连续层得改善结晶品质，同时降低缺陷密度，在压电层104中尤其如此。第一与第二电极102与106可由导电材料制成，其典型为，但不局限于金属。此类金属的实例为钼、铝、镍、铂、钛、钴、钨以及类似金属。

请继续参照图1，并且也请参阅第2至6图所示的各项具体实施例，压致微机械超音波换能器(pmut)100包括第一电极102及第二电极106(第2至6图中未绘示)。第二电极106与第一电极102隔开，以在第一电极102与第二电极106间界定其内设置压电层104的空间。第一电极102更具有第一电极部114及第二电极部116。第一电极部114可与第二电极部11分开操作，亦即，可定址以产生信号或感测信号。

请继续参阅第2至6图，根据各项本文所述具体实施例，第一电极102进行图型化，并且至少包括第一电极部114与第二电极部116。第一电极部114采可操作方式耦合而经由第一电连接118，通过第一(列/行)电信号来驱动。第二电极部116采可操作方式耦合而经由第二电连接120，通过第二(列/行)电信号来驱动。第一与第二电连接118与120采可操作方式耦合至驱动电路元件122。驱动电路122在第2至6图中展示为分离功能元件，并且其可以是任何合适的脉波器型驱动电子器件及相关联感测电子器件。可再耦合驱动电路122以将信号接收自及传达至附加处理电路系统，正如现有。驱动电路122尽管是以分离功能元件展示，仍可将其结构化形成为具有pmut或pmut阵列的整合型结构。

在图2所示pmut100的具体实施例中，第一电极102呈圆形。第一电极102可具有其它形状，包括椭圆形、方形、矩形及类似者。第一电极102如呈圆形，则第一电极部114为电极102的第一半圆形部124，且第二电极部116为电极102的第二半圆形部126。

在图3所示pmut100的具体实施例中，第一电极102呈圆形。第一电极部114包括该电极的第一半圆形部128，且第二电极部116包括该电极的第二半圆形部130。

在图4所示pmut100的具体实施例中，第一电极102呈圆形。第一电极部114为环形部132与圆形部134，且第二电极部116为与环形部132及圆形部134同心的环形部136。

在图5所示pmut100的具体实施例中，第一电极102呈圆形。第一电极部114包括电极102的第一半圆形部138、以及电极102的第一半环形部138。第二电极部116包括电极102的第二半圆形部140、以及第二半环形部140。

在图6所示pmut100的具体实施例中，第一电极102呈圆形。第一电极部114包括电极102的第一半圆形部142、以及电极102的第一半环形部144。第二电极部116包括该电极的第二半圆形部146、以及第二半环形部148。

尽管第2至6图中所示各具体实施例的第一电极102呈圆形，并且第一电极部114与第二电极部116呈半圆形或半环形，第一电极102仍可为方形或矩形，并且举例而言，第一电极部114与第二部分116可为方形或矩形。第一电极102几乎可具有附带第一电极部114、及含已适当组配几何形状的第二电极部116的任何其它适当形状。此外，将会领会的是，可运用例如，但不局限于，第2至6图所示及本文中按另一种方式所述的各种形状组合以形成第一电极部114及第二电极部116。

根据本文所述的具体实施例，可分开激发或感测第一电极部114及第二电极部116，亦即，其可分开操作以对应地传送超音波、以及接收此超音波的反射部分。在阵列组态中，各第一电极部114可属于可列或行定址，而第二电极部116可对应地属于可列或行定址。

pmut100的本文所述组态如具有图型化第一或顶端电极102及未图型化第二或底端电极106组态，在操作时获得基本模式(亦称为第一模式)，该基本模式附带具有与压致层104第一模式相对应频率的正弦交流电压/电流驱动源、以及以0(零)度相位差施加至第一电极部114与第二电极部116的交流驱动源。此交流驱动源如仅施加至第一电极部114或第二电极部116的其中一者，动态位移将会是由驱动相中第一电极部114与第二电极部116所获得的第一模式的一半。如果第一电极部114与第二电极部116是以与压致层104的第一模式对应的频率通过交流驱动源来驱动，但异相180度，即相位差180度，则此层104的振动会显著衰减，并且无可测位移。因此，即使对第一电极部114与第二电极部116两者施加交流驱动源，此层104的机械振荡也会停止。

通过使用电性双极信号，此等第一与第二电极部的驱动极性可设为相同，通过在压致层104中诱发振动而开启pmut。第一与第二电极部可驱动为相反极性，亦即等位准信号180°相移，将pmut压致层104的振动关闭。再者，通过使用相反的极性模式、以及与异相双电极组态振型相匹配的膜片更高模式共振相对应的驱动频率，可变更pmut的操作频率。此能力有助于使二维pmut阵列里的波束形成图型进阶。

谈到制造，氮化铝(aln)可当作主动压电层104使用，具有大约1μm至大约4μm的厚度，安置于顶端与底端电极102与106之间，其可以是沉积于大约3μm至大约10μm硅被动膜层108上方的0.2μm厚的钼。在替代具体实施例中，压致层104可使用诸如锆钛酸铅(pzt)、氧化锌(zno)等材料、以及具类似物理特性的材料。当然，其它合适的压电材料可用于形成此层104，而且顶端与底端电极102与106可使用其它合适的金属。电极102的面积中可有大约60％至大约70％的压致层104区域，可接着将此区域图型化成第一电极部114及第二电极部116，例如，图型化成两个半圆形部124与126，各部连接至不同的电连接垫118与120。底端电极106并没有为了对应于顶端电极102的114与116两部分而进行图型化，或按另一种方式，并且将此层104的整个底侧实质包覆。

如图7中所示，pmut100可与互补式金属氧化物半导体(cmos)为主的驱动器及信号处理特定应用集成电路(asic)150耦合，其包括cmos层152及贯穿硅通孔(tsv)层154。tsv层154将cmos层152与pmut100电隔离，而tsv层154提供垂直电连接通道158。支座156将此层104与tsv层154隔离。支座156的厚度可为1um至3um。tsv层的厚度可为100um至250um。通孔160的尺寸比可为20至30。在本具体实施例中，此层104的厚度可为1um至4um。

asic150可属于180nm双极性cmos-dmos(bcd)技术，其可采可操作方式组配成用来驱动pmut100，并用来处理来自pmut100的电子信号。此驱动电路可含有高电压脉波器，正如已知，其可升压3.3伏特至5伏特(自cmos输入)到10伏特至60伏特。asic150更可包括时间增益补偿与低杂讯放大，以提供20分贝至40分贝(db)的增益。

一种根据本文所述具体实施例形成压致微机械超音波换能器

(pmut)100的方法因此可包括提供起始晶圆。此起始晶圆正如众所周知，可以是硅绝缘体(soi)型晶圆。压电材料层104可在起始晶圆上形成，然后在此层104上形成第一电极102及第二电极106。第一电极102可接着进行图型化以形成第一电极部114及第二电极部116。将会领会的是，制造微机械装置时，正如众所周知，可运用几乎任何形式的增补、消去、沉积、蚀刻或其它技巧。再者，将会领会的是，可根据所运用的各个制造过程，改变或遵照本文所述形成过程的顺序。

将第一电极102图型化成至少第一与第二电极部时，分别提供本文所述、及如所属技术领域中技术人员将会了解的第一与第二电极部114与116的各种组态。

pmut100、以及经由独特图型化顶端电极102结构对各pmut进行列/行定址的能力有可能用来组配密集的nxnpmut阵列。图8为包括多个pmut100之阵列162的绘图。为求清楚，图8省略阵列162里pmut100的电连接。

为了绘示并且论述，图9绘示包括四(4)个pmut100的二乘二(2x2)pmut阵列170。pmut100配置成列172与174及行176与178。电连接118将阵列170里第一多个pmut100的第一电极部114电耦合以形成第一列172。电连接118将阵列170里第二多个pmut100的第一电极部114电耦合以形成第二列174。按照对应方式，电连接120将阵列170里第一多个pmut100的第二电极部116电耦合以形成第一行176，而电连接120将阵列170里第二多个pmut100的第二电极部116电耦合以形成第二行178。列172与174及行176与178各耦合至电子电路系统(图9中未绘示)以使阵列170的操作生效。

图10绘示pmut100的八乘八(8x8)阵列180，其中此阵列里有阵列部182、184、186及188。各阵列部组配为四乘四(4x4)阵列，其采类似于图9所示阵列170的方式来组配。各阵列部182、184、186及188可具有不同组态的pmut100，诸如但不局限于第2至6图所示的各种组态。这容许对阵列180某些部分进行调协而使阵列部具有所欲响应特性。替代地，此等阵列部全都可组配成一样。在所有情况下，阵列180及此等阵列部里pmut达成列与行定址所需的连接数得以显著减少。

第9与10图绘示为了进行列与行选择而通过连接不同驱动线所形成的复杂阵列(170与180)，至少用到两个顶端电极部(一者用于列选择，而另一者用于行选择)，还有组配为参考的底端电极，例如接地。

电子脉冲控制器将脉冲极性从例如代表逻辑1的4伏特(v)变更为代表逻辑的-4v。当顶端电极部114与116两者都有同极性的脉冲时，压致层104以此层104的共振频率振动(选作为脉冲调变信号的载波频率)。压致层104在这两个电极部114与116遭由相反极性的脉冲驱动时停止振动。

所进行的干涉图分析示范pmut100的行为状态。举例而言，顶端电极以1.99mhz共振的基本模式遭由自1.975mhz扫描至1.997mhz的同相4vpp交流信号所驱动，则此层104中诱发对应的共振型振动。将电极部114或116的其中一者切换到反相信号极性(180°相移)时，位移会看不出来。

在根据本文所述具体实施例的阵列里，pmut100的nxn阵列仅需使用2n便可进行电连接，而传统则需要用到n²。本设计的另一效益在于高对比接通断开比，不用对机械换能诱发残余压电的浮动接地/信号。

根据本发明的附加具体实施例，pmut装置阵列可操作为感测装置，而且尤其是超音波感测装置。

因此，根据本文所述的具体实施例，一种控制诸如pmut100等的pmut、及包括pmut装置的阵列(例如，但不局限于，组配为阵列100、170及180的阵列)的方法可包括将第一相位的第一交流驱动信号施加至第一电极部与第二电极部的各者，用以达成压电层的第一动态位移。可将不同于第一相位的第二相位的第二交流驱动信号施加至第一电极部与第二电极部其中一者，用以抑制压电层的动态位移。

第一相位与第二相位可为180度异相以确保此层的动态位移有遭受充分抑制。尽管交流驱动信号几乎可呈任何组态，一种合适的组态为频率与压电层的第一模式相对应的正弦。另外，要降低此层的动态位移，可通过仅对第一电极部与第二电极部其中一者或其中另一者施加交流驱动信号来达成。

在用以提供pmut列/行定址之一具体实施例中，此等第一电极部通过可操作电连接到此阵列的诸列而联结，而此等第二电极部通过可操作电连接到此阵列的诸行而联结。可基于第一电极部之一列及第二电极部之一行，自该阵列里的多个pmut，指认出该阵列里之一pmut。就此而言，可造成个别pmut产生动态位移，或可将其定址以感测响应。

再者，通过将多个pmut的第一pmut群组联结到第一阵列部，并且将多个pmut中与该第一pmut群组不同的第二pmut群组联结到第二阵列部，可获得如本文所述pmut阵列的能力。在按照这种方式组配的阵列中，可调协不同阵列部以提供特定动态响应、感测能力及其它功能。此外，如要达到出自此阵列的波束形成响应，可将交流驱动信号施加至多个pmut中遭选定者的第一电极部及第二电极部，比此阵列里的全部多个pmut更少。

尽管前述详细说明中已介绍至少一项例示性具体实施例，应领会的是，大量变例仍然存在。亦应领会的是，例示性具体实施例仅为实施例，并且用意不在于以任何方式限制本申请案的范畴、适用性或组态。反而，前述详细说明将会为所属领域技术人员提供用于实施一或多项具体实施例的便利路图，要理解的是，如随附权利要求中所提，可就例示性具体实施例中所述元件的功能及配置施作各种变更而不会脱离此范畴。