CN102205311B

CN102205311B - 具有宽束超声波换能器的短距离超声波装置

Info

Publication number: CN102205311B
Application number: CN201110045691.3A
Authority: CN
Inventors: 欧斯瓦尔多·布卡福斯卡; 史蒂文·马丁; 布鲁斯·比奥德瑞
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-02-23
Also published as: US20110204749A1; US8258678B2; CN102205311A

Abstract

本发明涉及具有宽束超声波换能器的短距离超声波装置。一种设备包括第一换能器支撑件，用于在第一开口内接收第一换能器。换能器的第一面的表面位于第一平面内。该设备还包括第二换能器支撑件，用于在第二开口内接收第二换能器。第二换能器的表面位于与第一平面大体上平行的第二平面内。

Description

具有宽束超声波换能器的短距离超声波装置

相关申请的交叉引用

本申请涉及本申请人拥有的于2006年11月27日递交、发明名称为“TRANSDUCERS WITH ANNULAR CONTACTS”并且发明人为R.Shane Fazzio等人的美国专利申请11/604,478，以及于2007年4月19日递交、发明名称为“MULTI-LAYER TRANSDUCERS WITH ANNULARCONTACTS”并且发明人为R.Shane Fazzio等人的美国专利申请11/737,725。这些相关申请的全部公开内容通过引用方式专门结合于此。

技术领域

本发明涉及具有宽束超声波换能器的短距离超声波装置。

背景技术

超声波换能器在被施加电信号时发射超声波，并/或在超声波信号入射在其上时产生电信号。

一种公知的超声波换能器是压电超声波换能器。压电超音速换能器具有位于电极之间的压电材料。施加时变电信号可使得换能器产生机械振动，由此发出声学信号。相反，向压电超声波换能器施加时变声学信号将使得换能器的压电材料产生时变电信号。很多公知的超声波换能器均具有较窄的传播束以及较窄的接收角度。

超声波换能器可用于各种应用领域。例如，超声波换能器可用于测量及误差检测应用领域。一种测量应用领域以超声波换能器与超声波接收器之间的超声波吸收程度作为依据。

如图1所示，一种包括用于吸收测量的超声波换能器的公知的设置方式利用通用窄束换能器。超声波设备100包括发射器支撑件101及接收器支撑件102。发射器支撑件101包括第一容器103，在第一容器103中设置有超声波换能器104。接收器支撑件102包括第二容器105，在第二容器105中设置有接收换能器106。发射超声波换能器104发出相对较窄超声波束107(小于约10°)，该相对较窄超声波束107由也具有相对较窄接收角度(小于约10°)的接收换能器106接收。

如图1所示，发射及接收换能器104，105以角度偏移方式彼此相对布置。整体角度设置需要避免(即，因相长干涉或破坏干涉)在换能器104，105之间产生驻波，并避免在换能器104，105之间产生吸收媒介。此外，发射及接收换能器104，105还倾斜设置以避免发射超声波换能器104与接收超声波换能器106之间的驻波。如本领域技术人员所知，该驻波会不利地影响接收换能器106处检测到的声波的振幅。在依赖于相对精确的振幅测量及检测的应用领域(例如吸收测量领域)中，驻波会导致不可接受的测量不确定度。

虽然公知的超声波设备100设置可用于减小发射及接收换能器104，106之间驻波的产生，但超声波设备100存在一些缺陷。例如，对第一及第二容器103，105的精确定位增加了支撑件101，102的制造复杂程度。此外，因为相对较窄的超声波束107，对准公差相对较严，由此增加了制造处理中的劳动强度。最后，最终产品的成本，或换能器104，106的对准精确性，或两者均会受到不利影响。此外，换能器104，106的角度偏差导致不能够有效地利用空间，由此对在特定应用领域中减小设备100的整体尺寸构成限制。

因此，需要一种至少可克服公知换能器的上述缺陷的设备。

发明内容

根据代表性实施例，一种设备包括：第一换能器支撑件，用于在第一开口内接收第一换能器，其中第一换能器的第一面的表面位于第一平面内；以及第二换能器支撑件，用于在第二开口内接收第二换能器。第二换能器的表面位于与第一平面大体上平行的第二平面内

根据另一代表性实施例，一种超声波装置包括：第一换能器支撑件，包括第一开口；第一超声波换能器，其布置在第一开口内，第一超声波换能器具有第一宽度，第一宽度与第一超声波换能器发送或接收的第一波长在大小方面大体上相同，其中，第一换能器的第一面的表面位于第一平面内；第二换能器支撑件，包括第二开口；以及第二超声波换能器，其布置在所述第二开口内，第二超声波换能器具有第二宽度，第二宽度与第二超声波换能器发送或接收的第二波长在大小方面大体上相同。第二换能器的表面位于第二平面内。

附图说明

参考附图，根据以下具体描述可充分理解本发明。特征并非按比例绘制。在适当的情况下，使用类似的参考标号来表示类似的特征。

图1示出了公知的超声波设备。

图2A示出了根据代表性实施例的设备。

图2B示出了根据代表性实施例的设备。

图3A示出了根据代表性实施例的压电微加工超声波换能器(pMUT)的剖视图。

图3B示出了图3A所示的pMUT的俯视图。

图4A-4C示出了根据代表性实施例的pMUT的剖视图。

具体实施方式

这里，未特定指明的要素的数目可以是单数或复数。

除了其常规意思之外，术语“大致”或“大体上”对本领域的普通技术人员而言意指具有可接受的限度或程度。例如，“大体上消除”意指本领域的技术人员认为消除是可接受的。

除了其常规意思之外，术语“约”对本领域的普通技术人员而言意指在可接受的限度或量内。例如，“约相同”意指本领域的技术人员将认为被比的项相同。

在以下详细描述中，为了说明而非限制目的，给出了揭示了具体细节的代表性实施例以助于对本申请的深入理解。可能会省略对公知装置、材料及制造方法的描述以避免模糊对代表性实施例的描述。但是，根据代表性实施例，可以使用对本领域的普通技术人员而言公知的那些装置、材料及方法。

图2A示出了根据代表性实施例的设备200。设备200包括第一换能器支撑件201及第二换能器支撑件202。第一换能器支撑件201包括第一开口203，而第二换能器支撑件202包括第二开口204。第一换能器205布置在第二开口204内，而第二换能器206布置在第二开口204内。如下所述，第一及第二换能器205，206可以是各种相对较宽束(或相对较广束)超声波换能器中的一种，例如微加工超声波换能器MUT。

第一换能器205包括第一面207，而第二换能器206包括第二面208。在本实施例中，第一及第二面207，208具有可与换能器205，206的发射射线的波长相比较的线性尺寸“w”(即，在换能器的面大致呈圆形的情况下为直径)。如根据诸如活塞的单一声学模型而言，该相对尺寸确保了换能器205，206的较宽束发射以及较大接收角度。第一换能器205位于开口203内，由此第一面207与第二内表面210大致平齐。第二换能器206位于第二开口204内，由此第二面208与第二内表面210大致齐平。

如图2A所示，第一内表面209与第二内表面210相对，并且通过缝隙211而与第二内表面210相分离。因此，将第一换能器205布置在第一开口203中以及将第二换能器布置在第二开口204中使得将第一面207(沿x-z平面)以及第二面208(沿x-z平面)布置为相对关系，并且被缝隙211分离(图2A中尺寸“g”所示)。第一换能器205的第一面207与第二换能器206的第二面208可以彼此平行(即，位于平行平面内)。此外，开口203及204被布置使得第一及第二换能器205、，206彼此横向偏移了一个偏移距离“d”(图2A所示)，其中“d”是从第二换能器206的中心至第一换能器205的中心的距离。注意，第一及第二换能器205、206(以及第一及第二面207、208)的横向偏移仅是示意性质。可以想到小于图示及大于图示的横向偏移。但是，为了使第一及第二换能器205，206之间的驻波的形成最小化，偏移“d”不应小于“w”。此外，为了确保从发射换能器(例如，205)到接收换能器(例如，206)接收到足够的能量，横向偏移应当不大于束角“A”的正切与分离距离g的乘积：d≤tan(A)*g。

在代表性实施例中，第一换能器205起发射器的作用，并提供相对较宽束超声波信号213，其在入射平面具有宽度214(宽度214等于2*tan(A)*g)，该入射平面是第二换能器206的第二面208的平面。说明性地，第一换能器205的束角“A”处于约15°至约80°的范围内。第二换能器206起具有相对较宽接收角的接收器的作用。说明性地，第二换能器206的接收角处于约15°至约80°的范围内。设备200中换能器205，206的相对位置、超声波信号213的相对较宽宽度214以及接收器206的相对较大接收角使得允许从入射在第二换能器206的第二面208上的一部分束接收足够的能量，由此允许精确测量，例如位于缝隙211内或横越缝隙211的物体(例如，固体、液体或气体)的吸收程度。此外，因为换能器205，206的横向偏移，大体上避免了形成驻波。例如，因为超声波的入射角等于超声波的反射角，故从第二换能器206及第二内表面210反射的信号213的绝大部分能量并未被反射返回至第一换能器205。优选地，通过以上述代表性实施例的方式来使换能器横向偏移，大体上避免了有害的驻波的产生，此外超声波信号213的足够一部分入射在第二换能器206的第二面208上，由此足够的超声波能量跨过缝隙211被传递至第二换能器206。

示出第一及第二开口203，204延伸通过其各自的换能器支撑件201，202的厚度，以便于放置、安装并替换换能器205，206。这仅是说明性质，希望将开口203，204安装在腔(未示出)内。可利用公知的机械加工方法来制造换能器支撑件201，202的满足要求公差的各种特征。此外，可由塑料材料、金属、金属合金或陶瓷材料或其组合来制造换能器支撑件201，202。

图2B示出了根据各个实施例的设备217。上述设备200的很多细节在设备217的描述中同样适用，因此为了避免造成对代表性实施例的描述模糊而不再重复描述。设备217包括布置在第二换能器支撑件202中的第三开口219内的第三换能器218。第三换能器218包括第三面220，其说明性地大体上与第二内表面210的平面齐平。如图所示，超声波信号213的一部分入射在第三换能器218的第三面220上。第三换能器218被布置使得第三面220有利地与第一面207平行。此外，换能器218相对于换能器205具有偏移d2，其不一定要与d1相同。

在代表性实施例中，第一换能器205起发射换能器的作用，而第二及第三换能器206，218起接收换能器的作用。第一换能器205提供相对较宽束超声波信号213，其中发射角处于约15°至约80°的范围内。束在入射平面(x-z平面)处具有宽度214，该入射平面是第二换能器206的第二面208以及第三换能器218的第三面220的平面。接收换能器205，218具有相对较宽接收角，其也处于约15°至约80°的范围内。在设备217中换能器205，206及218的相对位置、超声波信号的相对较大宽度214以及接收换能器的较大接收角使得允许从入射在第三换能器218的第三面220上的信号信号213的一部分束接收到额外的声学能量。因此，可以实现额外的信号接收由此提高测量精度，例如位于缝隙211内或横越缝隙211的物体(例如，固体、液体或气体)的吸收程度。

此外，与设备200类似，因为换能器205，218的横向偏移，故大体上避免了驻波的形成。例如，因为超声波的入射角与超声波的反射角相同，故从第三换能器218以及第二内表面210反射的信号213的绝大部分能量均未被反射返回至第一换能器205。优选地，通过以代表性实施例的方式使换能器205，218横向偏移，大体上避免了在第一换能205与第三换能器218之间有害的驻波的产生，此外超声波信号213的足够一部分入射在第二换能器206的第二面208以及第三换能器218的第三面220上，由此足够的超声波能量跨过缝隙211被传递至第二换能器206及第三换能器218。

参考图3A-4C，以下描述在设备200中使用的换能器的实施例。说明性地，换能器包括根据本发明描述的压电微加工超声波换能器(pMUT)。说明性地，PMUT基于膜体声学(FBA)换能器技术或体声学(BAW)技术。这里强调pMUT仅是说明性质，还想到其他类型的换能器，例如电容微加工超声波换能器(cMUT)。以下描述的换能器可用于发送相对较宽束超声波信号并接收超声波信号，并连接至合适的发射(驱动)电路及合适的接收(检测)电路(未示出)。因此，取决于其构造，换能器可被应用为上述结合图2A-2B描述的代表性实施例的换能器205，206，218。这里强调，下述换能器仅是说明性质，并且想到将其他用于提供相对较宽束超声波信号的换能器与图2A-2B的实施例结合使用。

图3A示出了根据代表性实施例的换能器300的剖视图。图3B示出了换能器300的俯视图。沿线3A-3A取剖面。换能器包括衬底301，其说明性地是与公知半导体加工方法兼容的硅(Si)或其他合适的材料。腔302设置在衬底301内。换能器300还包括膜303，其形成在衬底301上并横越衬底内的腔302。在代表性实施例中，膜可以是聚硅、氮化硅、碳化硅、硼硅玻璃或磷硅玻璃。这些材料仅是说明性质，还可想到适用于膜303并且与选择用于制造换能器300的半导体加工方法兼容的其他材料。

因为在这里描述的实施例中腔并未延伸通过厚度，膜303被大体上密封。需要使膜303两侧之间的压力相同。说明性地，通过在膜303中或衬底301中设置孔(未示出)，或者使装置上的膜303一侧与膜303相对一侧的腔之间的压力相等来实现上述目的。替代地，腔302可延伸通过衬底的厚度。

可通过公知蚀刻方法(包括本领域普通技术人员公知的湿法蚀刻及干法蚀刻技术)来形成腔302。例如，可通过诸如所谓“Bosch法”的公知的深反应离子蚀刻(DRIE)法来设置腔302，由此设置具有希望高宽比的开口。注意，可在下述形成换能器的其他部件之前或之后来设置开口。

下电极304被设置在膜303上。在各个实施例中，下电极304大体上为圆形。根据各个实施例，下电极304可包括与半导体加工兼容的诸如钼、钨或铝的金属或其合适的合金。

利用公知方法将压电层305设置在下电极304上。在本实施例中，压电层305也大体上为圆形，并具有与下电极304大约相同的尺寸及形状。压电层305可以是与用于制造换能器300的半导体加工兼容的诸如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)的压电膜或其他膜。

上电极306设置在膜303上。在本实施例中，上电极306大体上为圆形，并具有与下电极304及压电层305大约相同的尺寸及形状。上电极306可以由与下电极304的相同材料制成。

换能器300可选地包括钝化层307以保护下电极304、压电层305及上电极306以防止诸如湿度的环境因素的影响。最终，设置接触垫308以将换能器300连接至发射器电路(未示出)或接收器电路(未示出)或两者。接触垫308连接至顶及底电极，并根据标准半导体制造工艺来制成。

换能器300具有有源区域直径309。根据代表性实施例，直径309被选择为由换能器发送或接收的超声波信号的波长的数量级。例如，选择直径309具有超声波信号213的数量级。通过选择直径309具有超声波信号的波长的大小，可实现相对较广或较宽束宽度。因此，利用相对较宽束超声波信号213，可实现以上结合图2A-2B描述的代表性实施例中的换能器205，206，218的设置，其中仅一部分来自换能器205的信号被入射在换能器206，218上。

图4A-4C分别示出了pMUT 401、402及403的剖视图。pMUT 401-403包括很多与上述换能器300相同的特征。为了避免模糊对本实施例的描述，pMUT的很多相同细节将不再重复描述。

pMUT 401包括具有腔302的衬底301。下电极404设置在腔302并横越腔302。在代表性实施例中，下电极404大体上呈圆形并具有直径408。根据代表性实施例，下电极404可包括与半导体加工兼容的诸如钼、钨或铝的金属或其合适的合金。利用公知方法将压电层405设置在下电极404上。在本实施例中，压电层405也大体上为圆形，并具有与下电极404大约相同的直径。压电层405可以是与用于制造pMUT 401的半导体加工兼容的诸如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)的压电膜或其他膜。上电极406设置在压电层405上。在本实施例中，上电极406大体上为圆形，并具有与下电极404大约相同的尺寸及形状。上电极406可由与下电极404的相同材料制成。

pMUT 402包括具有腔302的衬底301。在代表性实施例中，下电极404大体上呈圆形并具有直径408。根据代表性实施例，下电极404可包括与半导体加工兼容的诸如钼、钨或铝的金属或其合适的合金。利用公知方法将压电层405设置在下电极404上。在本实施例中，压电层405也大体上为圆形，并具有与下电极404大约相同的直径。如图所示，压电层405横越腔302。压电层405可以是与用于制造pMUT 401的半导体加工兼容的诸如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)的压电膜或其他膜。上电极406设置在压电层405上。在本实施例中，上电极406大体上为圆形，并具有与下电极404大约相同的尺寸及形状。上电极406可由与下电极404的相同材料制成。

pMUT 403包括具有腔302的衬底301。下电极404设置在腔302上并横越腔302。在代表性实施例中，下电极404大体上呈圆形并具有直径408。根据代表性实施例，下电极404可包括与半导体加工兼容的诸如钼、钨或铝的金属或其合适的合金。利用公知方法将压电层405设置在下电极404上。在本实施例中，压电层405也大体上为圆形，并具有与下电极404大约相同的直径。压电层405可以是与用于制造pMUT 401的半导体加工兼容的诸如氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)的压电膜或其他膜。上电极406设置在压电层405上。在本实施例中，上电极406大体上为圆形，并具有与下电极404大约相同的尺寸及形状。上电极406可由与下电极404的相同材料制成。

请注意，可通过各种不同材料、不同结构、构造及布局来设置根据本发明的MEMS装置、换能器及设备。此外，本发明可有利于小特征尺寸换能器之外的其他应用领域。此外，仅仅示例性而非限制性地给出了各种不同材料、结构及参数。根据本发明，在所附权利要求的范围之内，本领域的技术人员可实施本发明以决定其自身应用领域及在这些应用领域中所需的材料及设备。

Claims

1.一种设备，包括：

第一换能器支撑件，用于在第一开口内接收第一超声波换能器，其中，所述第一超声波换能器的第一面的表面位于第一平面内；

第二换能器支撑件，用于在第二开口内接收第二超声波换能器，其中，所述第二超声波换能器的表面位于与所述第一平面大体上平行的第二平面内；

其中，所述第一超声波换能器的所述表面与所述第一开口大体上共面，并且所述第二超声波换能器的所述表面与所述第二开口大体上共面。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一开口相对于所述第二开口线性偏移。

3.如权利要求2所述的设备，其中，所述第一超声波换能器用于发送超声波信号，所述第二超声波换能器用于接收所述超声波信号的一部分。

4.如权利要求1所述的设备，还包括位于所述第二换能器支撑件中的第三开口，所述第三开口用于接收第三超声波换能器。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述第三超声波换能器的表面与所述第三开口及所述第二开口大体上共面。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述第一开口相对于所述第二开口线性偏移。

7.如权利要求4所述的设备，其中，所述第一超声波换能器用于发射超声波信号，所述第二超声波换能器及所述第三超声波换能器各自用于接收所述超声波信号的相应部分。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一及第二超声波换能器各自包括压电超声波换能器。

9.如权利要求8所述的设备，其中，所述超声波换能器包括压电微加工超声波换能器（pMUT）。

10.如权利要求3所述的设备，其中，所述第一超声波换能器被构造成发射所述超声波束，所述超声波束具有处于15°至80°的范围内的束角度。

11.如权利要求3所述的设备，其中，所述第二超声波换能器被构造成接收处于接收角度内的所述超声波信号，所述接收角度处于15°至80°的范围内。

12.一种超声波装置，包括：

第一换能器支撑件，包括第一开口；

第一超声波换能器，其布置在所述第一开口内，所述第一超声波换能器具有第一宽度，所述第一宽度与所述第一超声波换能器发送或接收的第一波长在大小方面大体上相同，其中，所述第一超声波换能器的第一面的表面位于第一平面内；

第二换能器支撑件，包括第二开口；以及

第二超声波换能器，其布置在所述第二开口内，所述第二超声波换能器具有第二宽度，所述第二宽度与所述第二超声波换能器发送或接收的第二波长在大小方面大体上相同，其中，所述第二超声波换能器的表面位于第二平面内。

13.如权利要求12所述的超声波装置，其中，所述第一超声波换能器的所述表面与所述第一开口大体上共面，所述第二超声波换能器的所述表面与所述第二开口大体上共面。

14.如权利要求12所述的超声波装置，其中，所述第一开口相对于所述第二开口线性偏移。

15.如权利要求12所述的超声波装置，还包括位于所述第二换能器支撑件中的第三开口，所述第三开口用于接收第三超声波换能器。

16.如权利要求15所述的超声波装置，其中，所述第三超声波换能器的表面与所述第三开口及所述第二开口大体上共面。

17.如权利要求15所述的超声波装置，其中，所述第三超声波换能器具有第三宽度，所述第三宽度与所述第三超声波换能器发送或接收的第三波长在大小方面大体上相同，其中，所述第三超声波换能器的表面位于第三平面内。

18.如权利要求12所述的超声波装置，其中，所述第一波长以及所述第二波长大体上相同。

19.如权利要求17所述的超声波装置，其中，所述第一波长、所述第二波长以及所述第三波长大体上相同。