CN105592942B

CN105592942B - 具有切换操作模式的压电超声换能器阵列

Info

Publication number: CN105592942B
Application number: CN201480054928.6A
Authority: CN
Inventors: A·哈贾蒂; D·加德纳
Original assignee: Dimatix Inc
Current assignee: Fujifilm Dimatix Inc
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2034-09-08
Also published as: WO2015050675A1; US9475093B2; JP2016541136A; US20150097468A1; EP3053203A1; EP3053203A4; CN105592942A; JP6482539B2; EP3053203B1

Abstract

描述可切换微机加工换能器阵列，其中一个或多个开关或继电器与压电微机加工换能器阵列(pMUT)中的换能器元件整体地集成。在实施例中，MEMS开关与换能器阵列被实施在相同的基板上以便切换换能器阵列的操作模式。在实施例中，多个换能器在第一时间段期间在第一操作模式(例如，驱动模式)中通过一个或多个MEMS开关并联地互连，并且然后在第二时间段期间在第二操作模式(例如，感测模式)中通过一个或多个MEMS开关与该换能器的至少一些换能器串联地互连。

Description

具有切换操作模式的压电超声换能器阵列

技术领域

本发明的实施例主要涉及压电换能器的阵列，并且更特别地，涉及微电机械系统(MEMS)切换压电换能器阵列。

背景技术

换能器阵列被用于许多应用，例如，一种广泛的应用是被用于喷墨或3D打印机的打印头。换能器阵列也在超声成像中获得应用。换能器阵列经常使用电容性或压电换能器元件。通常，压电换能器元件(换能器)包括压电膜，该压电膜能够响应于随时间变化的驱动电压而进行膜的机械偏转。对于打印头，该膜被驱动以从室中以可控制的方式排出墨或其它流体，对于超声压电换能器装置，该膜被布置在封闭的腔上并且被驱动以在与换能器元件的暴露外表面接触的传播介质(例如，空气、水或身体组织)中产生高频率压力波。这种高频率压力波可以传播到其它介质中。该压电膜也可以从传播介质接收反射的压力波并且将接收的压力波转化为电信号。该电信号连同驱动电压信号可以被处理以获得关于传播介质中的密度或弹性模量的变化的信息。

虽然使用压电膜的许多换能器装置可以通过机械地切割大块压电材料或通过注射成型充满压电陶瓷晶体的载体材料而形成，但装置可以有利地使用各种微机加工技术(例如，材料沉积、平版图案化、通过蚀刻的特征形成等等)以非常高的尺寸公差廉价地被制造，该微机加工技术通常涉及压电微机加工换能器(pMT)，并且更特别地当构造用于超声换能时涉及压电微机加工超声换能器(pMUT)。

一维(1D)换能器阵列通常被使用，其中提供n个通道，并且该n个通道的每一个通道电驱动或感测作为单组的m个换能器。在该阵列的操作期间，驱动或感测模式中的n个通道的给定的一个通道具有从通道信号线施加或感测的电势，该通道信号线电并联地耦合到该m个换能器。到/来自1D阵列的n个通道的信号然后可以通过多路复用技术(诸如时间延迟的扫描)被实现。

图1A示出具有多个通道110、120、130、140的1D pMUT阵列100，该多个通道布置在由基板101的第一尺寸x和第二尺寸y限定的区域上。该通道的每一个通道(例如，110)电地可寻址作为独立于任何其它驱动/感测通道(例如，120或130)的n通道的一个通道，该驱动/感测通道寻址元件110A、110B…110N的每一个。参考(例如，接地)电极轨也典型地在驱动/感测通道布线下方的平面中被见到。驱动/感测通道110、120代表1D阵列100中的重复单元，第一驱动/感测通道110耦合到第一总线127，并且邻近的驱动/感测通道120耦合第二总线128以形成相互交叉手指结构。该驱动/感测通道130、140重复相互交叉单元结构，另外的单元形成任意尺寸(例如，128个通道、256个通道等等)的1D电极阵列。

驱动和感测微机加工换能器阵列内的许多通道是技术上的挑战，因为通道的绝对数量需要排列的换能器装置(例如，超声换能器头等等)和离开换能器基板的经常实施在CMOS中的电控制/采样电路之间的复杂装置互连，诸如多层柔性组件。作为这种架构的例子，图1B是1D pMUT阵列100的剖视侧视图，该1D pMUT阵列100布置在基板101上并且通过延伸离开基板101的柔性电缆耦合到ASIC(CMOS)控制器112。通过这种架构，换能器装置阵列和/或换能器元件的互连的增加的复杂性引起阵列基板的显著开销，并且因此固定的单个操作模式被设计到换能器阵列的物理架构中。然而，这种固定的单模式操作可能不利地限制换能装置的性能和/或应用。

因此，以装置互连、多层柔性组件等等的复杂性的微小增加实现多模式阵列操作的换能器阵列结构、架构和技术是有利的。

发明内容

在这里描述切换的微机加工换能器阵列。该开关可以是串联开关，例如，如在通门中。在实施例中，微电机械系统(MEMS)开关或继电器与换能器元件集成在一起。在实施例中，MEMS开关与换能器阵列被实施在相同的基板中，或者被实施在粘结到换能器阵列的基板的分离基板中，从而实现一个或更多个电路拓扑结构切换功能、逻辑门、移位寄存器、换能器控制、或换能器元件寻址功能，而不是将所有这些功能委托(releglating)给通过互连耦合到换能器阵列基板的CMOS ASIC。在实施例中，阵列的一个或多个第一压电换能器元件通过至少一个MEMS开关互连到该阵列的一个或多个第二压电换能器元件以提供该阵列的可切换操作模式。在某些实施例中，MEMS开关使用该换能器中使用的相同压电材料。在其它实施例中，MEMS开关是电容性的、静电的或电磁的，而该换能器是电容性的或压电的。

在实施例中，耦合到一个或多个开关的开关控制器在给定时间致动该开关的一个或多个以将一个或多个感测或驱动电路耦合到以特别的电拓扑结构互连的换能器元件。在实施例中，该阵列的给定通道内的换能器元件或多个元件可以通过一个或更多个开关在电并联和串联电路构造之间切换。在某些这种实施例中，换能器阵列以驱动模式操作，与以感测模式操作时相比，通道具有更多换能器电并联。在另外实施例中，通道内的所有换能器在驱动操作模式期间电并联，并且然后该换能器的一个或多个换能器在感测操作模式期间切换到电串联中。在另外实施例中，该开关控制器被实施成具有CMOS逻辑，该CMOS逻辑在与换能器阵列的基板分离的基板上。在另外实施例中，单个开关控制信号线跨越换能器阵列中的多个分离的通道耦合到控制换能器互连的MEMS开关。

附图说明

在附图的图中通过例子并且不是限制的方式示出本发明的实施例，其中：

图1A是具有多个换能器的常规1D微机加工换能器阵列的平面图；

图1B是具有图1A中描绘的1D微机加工换能器阵列的基板的剖视侧视图，并且该1D微机加工换能器阵列通过柔性电缆耦合到控制器ASIC；

图1C是根据实施例的具有换能器阵列的基板的剖视侧视图，该换能器阵列与相同基板上的MEMS开关集成在一起，并且通过柔性电缆耦合到控制器ASIC；

图1D是根据实施例的具有换能器阵列的第一基板的剖视侧视图，该换能器阵列粘结到具有MEMS开关的第二基板以形成3D集成装置，该3D集成装置通过柔性电缆耦合到控制器ASIC；

图1E是具有换能器阵列的第一基板的剖视侧视图，该换能器阵列粘结到具有MEMS开关的第二基板，该MEMS开关粘结到CMOS基板，从而形成完全集成的pMUT装置；

图2A是根据实施例的第一操作模式中的多模式换能器阵列电路拓扑结构的示意图；

图2B是根据实施例的第二操作模式中的多模式换能器阵列电路拓扑结构的示意图；

图2C是根据实施例的时间图，该时间图示出在对应于一个或多个开关状态的发送和接收模式之间切换的多模式换能器阵列；

图3A是根据实施例的被构造用于两个相邻换能器的极性倒转的可切换换能器通道阵列的示意图；

图3B是根据实施例的四路MEMS开关的示例性实施例的示意图，该四路MEMS开关使用通门来倒转换能器阵列的通道中的两个相邻换能器的极性；

图3C是示意图，该示意图示出根据实施例的开关控制线路，该开关控制线路跨越多个换能器通道耦合到MEMS开关；

图4A是根据实施例的用于操作多个模式中的换能器阵列的方法的流程图；

图4B是在换能器阵列的驱动和感测操作之间切换一个或多个MEMS开关的方法的流程图；

图4C是根据实施例的切换一个或多个MEMS开关以驱动并联的多个换能器并且感测该多个换能器(该多个换能器的至少一些换能器串联)的方法的流程图；

图5A、5B和5C是根据实施例的压电换能器元件的剖视图，该压电换能器元件的一个或更多个用于MEMS可切换pMUT阵列；

图6是根据实施例的压电MEMS开关元件的剖视图，该压电MEMS开关元件用于MEMS可切换pMUT阵列；并且

图7是根据本发明的实施例的超声成像系统的功能块图，该超声成像系统使用微机加工压电阵列。

具体实施方式

在以下描述中阐明了许多细节。然而，对于本领域技术人员来说将显而意见的是，本发明可以被实施成没有这些特定细节。在一些情况中，公知的方法和装置以块图形式而不是详细地被示出以避免模糊本发明。贯穿本说明书，提及“实施例”或“在一个实施例中”意指结合该实施例描述的特别的特征、结构、功能或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处的短语“在实施例中”的出现不是必须指本发明的相同实施例。此外，特别的特征、结构、功能或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。例如，在这两个实施例不相互排斥的任何情况下，第一实施例可以与第二实施例组合。

术语“耦合的”和“连接的”与它们的派生词一起在这里可以用于描述部件之间的结构关系。应当理解，这些术语不意图作为彼此的同义词。更确切地，在特别的实施例中，“连接的”可以用于指示两个或更多个元件处于直接的物理或电的彼此接触中。“耦合的”可以用于指示两个或更多个元件处于直接的或间接的(在它们之间具有其它中介元件)物理或电的彼此接触中，和/或该两个或更多个元件彼此协作或相互作用(例如，如在因果关系中)。

包括可切换换能器元件的切换微机加工换能器阵列在这里被描述。在这里，某些实施例的特征在构造具有MEMS开关的pMT的各种操作模式的情况下被讨论。然而，根据不同的实施例，这种讨论可以被扩展以应用于构造具有任何多种另外或替代类型的开关元件的这种操作模式。通过说明和非限制，根据实施例的pMUT的构造(例如，包括重构)可以包括任何一个或多个MEMS继电器、固态继电器、微型化电机械继电器和/或类似物的多种组合的操作。

在实施例中，MEMS开关与阵列的换能器元件(换能器)集成在一起。在一个示例性实施例中，一个或多个MEMS开关被用于将多个换能器可选择地互连成多于一个互连架构。在某些这种实施例中，一个或多个MEMS开关用于在第一模式期间以电并联方式互连该换能器的至少一些换能器并且然后在第二模式期间以电串联方式互连该换能器的至少一些换能器。与多通道阵列的每一个通道关联的MEMS开关还可以由一个或更多个开关控制信号控制，因此减小换能器阵列的互连路由需求，并且在该阵列被制造在与驱动/感测和/或开关控制电路的基板分离的基板上的情况下，该基板之间的电缆组件的带宽相对于那些没有可切换换能器元件的基板可以是极小的。图1C是根据实施例的具有微机加工换能器阵列的基板101的剖视侧视图，该微机加工换能器阵列包括与基板101上的MEMS开关201A、201B、201N集成在一起的换能器元件110A、110B、110N，该微机加工换能器阵列然后通过柔性电缆被耦合到控制器ASIC 212。对于这些实施例，ASIC 212可操作用于发送和接收与换能器元件110A、110B、110N的超声驱动和感测模式关联的信号，并且还控制MEMS开关201A、201B、201N的切换。

在实施例中，MEMS开关通过3D集成技术与换能器阵列集成在一起。对于这些实施例，在晶片级或芯片级，具有MEMS开关的基板物理地粘结或另外固定到具有微机加工换能器阵列的基板。图1D是根据实施例的具有包括换能器元件110A、110B、110N的换能器阵列的第一基板101的剖视侧视图，该第一基板101粘结到具有MEMS开关201A、201B、201N的第二基板150以形成3D集成装置，该3D集成装置然后通过柔性电缆耦合到控制器ASIC 212。对于这些实施例，可以使用该技术领域中已知的任何粘结技术(例如，共晶层155等等)。

在实施例中，MEMS开关通过3D集成技术与微机加工换能器阵列并且与CMOS逻辑电路集成在一起。对于这些实施例，具有MEMS开关的基板物理地固定到具有换能器阵列的基板，该具有换能器阵列的基板另外固定到包括晶体管299的CMOS电路布置在其上的基板。图1E是具有包括换能器元件110A、110B、110N的阵列(例如，pMUT阵列)的第一基板101的剖视侧视图，该第一基板粘结到具有MEMS开关201A、201B、201N的第二基板150，粘结到第三基板180以形成3D集成装置，该3D集成装置然后被封装。对于这些高度集成的实施例，到封装的装置的柔性电缆连接的复杂性可以大大减小。这里也一样，可以使用该技术领域中已知的任何3D堆叠技术(例如，共晶层155，堆积层175等等)。

通常，在这里描述的切换微机加工换能器阵列可以以任何已知换能器技术为前提，该任何已知换能器技术包括但不限于电容和压电原理。在某些实施例中，MEMS开关与换能器阵列的那些MEMS开关依靠相同的换能原理以实现该阵列中的换能器元件的动态可重构互连拓扑结构。例如，在该换能器阵列使用电容换能器元件的情况下，集成的MEMS开关使用电容控制的切换元件，并且对于压电换能器阵列，集成的MEMS开关使用压电切换元件。显然，即使在相同的换能原理在MEMS开关和排列的换能器之间被共享的情况下，MEMS开关的共振频率可以显著地不同于换能器元件的共振频率(例如，显著较高或较低)。而且，虽然从最直接地将MEMS开关集成到给定的换能器制造过程的立场中MEMS开关和排列的换能器之间的共同换能原理是有利的，但MEMS开关和排列的换能器依靠不同的换能原理的替代实施例(例如，与压电换能器集成在一起的电容MEMS开关等等)也是可能的。类似地，虽然主要在压电换能器阵列的情况中提供详细描述(部分地因为优于竞争性技术的技术优点(例如，压电换能器目前实现比电容换能器高的灵敏度)，并且部分地为了描述的清楚)，但本领域技术人员将理解，这里描述的原理可以容易地应用于其它已知换能器技术(例如，电容的，电磁的，等等)。

在实施例中，微机加工换能器阵列包括可构造成交替操作模式的微机加工换能器元件。图2A是根据实施例的第一操作模式中的多模式换能器阵列210的示意图。换能器210A、210B、210M和210N的每一个换能器包括膜(压电的，电容的，等等)，取决于设计和应用，该膜具有宽频带内的任何地方的基频共振。在示例性实施例中，该膜具有超声带中的共振(例如，100kHz-100MHz，并且更特别地1MHz-50MHz)使得该阵列210是压电微机加工超声换能器。不管是电容的还是压电的换能方案被使用在阵列210内，该多个换能器210A-210N都可以电地表示为跨越由发电机240驱动的一对电极而耦合的电容器。如示出的，该电极被互连以将多个电容器布置成电并联(即，所有换能器共享相同的顶部/驱动电极并且所有换能器共享相同的底部/参考电极)。在一个这种实施例中，这些并联互连的电容器形成多通道阵列中的一个通道的至少一部分。在示例性实施例中，多通道阵列中的给定通道的所有换能器在该通道的发送(Tx)模式期间被构造成电并联。

图2B是根据实施例的第二操作模式中的阵列210的示意图。如示出的，换能器210A、210B、210M和210N具有电极，该电极被互连以将多个电容器的至少一些电容器布置成电串联(即，一个换能器的底部/感测电极耦合到另一换能器的顶部/驱动电极)。在一个这种实施例中，多通道阵列中的一个通道包括串联互连的电容器。通常，在串联电路拓扑结构中，与第一操作模式(例如，图2A中描绘的)中的并联拓扑结构中存在的相比，存在与其它换能器并联的至少一个更少换能器。任何数量的换能器可以被互连成任何并联/串联构造，并且在某些实施例中，第一模式中的并联的所有换能器被互连成第二模式中的纯串联构造。在图2B中描绘的示例性实施例中，该多个换能器的第一子集(例如，换能器210A和210B)具有它们各自的电并联的对的电极，该多个换能器的第二子集(例如，换能器210M和210N)也这样。第一和第二子集然后被构造成串联以便跨越感测电路241的并联-串联布置。在这个示例性实施例中，不是多通道阵列中的给定通道的所有换能器在该通道的接收(Rx)模式期间被构造成电并联。在某些这种实施例中，换能器的第一和第二子集的每一个子集包括总数量的一半的换能器，该总数量的一半的换能器在Tx模式期间被互连成电并联(例如，多通道阵列的给定通道中的一半换能器)。当然，通道内的多个换能器可以分成更大数量的子集，伴随着切换复杂性的增加。

在实施例中，换能器阵列通过电互连该换能器的一个或多个开关在操作模式之间切换。通常，该一个或多个开关在至少第一状态和第二状态之间电可切换。在第一状态中，该一个或多个开关以电并联方式互连该多个换能器的至少两个换能器，并且在第二状态中，该一个或多个开关以电串联方式互连该至少两个换能器。例如，在某些实施例中，对于图2A和2B中描绘的通道换能器，该一个或多个开关将在Tx模式(例如，第一状态中的开关)和Rx模式(例如，第二状态中的开关)之间切换。

图2C是时间图，该时间图示出根据实施例的对应于一个或多个开关的状态在发送和接收模式(例如，图2A和2B)之间切换的多模式换能器阵列。在时间t0，互连通道中的多个换能器的两个或更多个换能器的一个或多个开关SWch从第一状态(例如，逻辑低)切换到第二状态(例如，逻辑高)。在该开关SWch在第二状态中的情况下，先前(在时间t0之前)被构造成并联并且具有有利于发送模式的对应地高的通道电容(Cch)和低的通道阻抗(Zch)的换能器被再连接到电路拓扑结构中，该电路拓扑结构至少部分地与有利于信号接收模式的对应地较低的通道电容(Cch)和较高的通道阻抗(Zch)串联。

在Tx模式中，该换能器的并联互连在相对高的电流下以相对小的电压实现激励，而Rx模式中的该换能器的更多串联互连在相对低的电流输出下实现相对高的输出电压。例如，一些m换能器可以在时间t0从构造成用于Tx模式的彼此并联转变到构造成用于Rx模式的彼此串联。在具有相同特性的m换能器的理想化例子中，跨越m换能器的总电容Cch可以从用于Tx模式的电容值C₁转变到用于Rx模式的比较小的电容值C₁/m²。相比之下，跨越m换能器的总阻抗Zch可以从用于Tx模式的阻抗值Z₁转变到用于Rx模式的比较大的阻抗值Z₁·m²。对应地，在t0从Tx模式到Rx模式的转变可以引起通过m换能器的电流水平至少最初以系数(1/m)减小和/或可以引起跨越m换能器的电压水平至少最初以系数m增加。

在时间t1，开关返回到第一状态，例如以便另一发送循环。低阻抗低电压发送模式和高阻抗高电压接收模式之间的切换实现更好的性能(例如，低噪音感测)并且在例如信号感测放大器电路的设计中提供更大的自由度。

图3A示出电路310，该电路可以被构造用来以并联或串联的方式互连换能器210B的一对电极与换能器210M的一对电极。在实施例中，换能器210B、210M可以是压电的，其中极性不是并联构造和串联构造之间的切换中的因素。电路310可以包括：S1开关，该S1开关相对于彼此将提供类似的切换操作；和开关S2，该开关S2将提供与S1开关的切换操作互补的切换操作。例如，S1开关都可以基于开关信号同时地在相同的关闭(或打开)状态中，而电路310的开关S2将基于那个开关信号而处于互补的打开(或关闭)状态。例如，这种开关信号可以包括图2C的SWch。

在电路310中，换能器210B、210M的各自的参考电极可以独立于任何开关/继电器耦合到彼此，而换能器210B、210M的各自的的驱动/感测电极可以通过S1开关耦合到彼此。另一S1开关可以与换能器210B、210M的各自的参考电极和换能器210M的驱动/感测电极之间的S2开关串联耦合。在Tx操作模式中，电路310的S1开关可以关闭，并且S2开关打开，导致换能器210B、210M彼此并联耦合。相比之下，Rx操作模式可以包括电路310的S1开关打开，并且S2开关关闭以将换能器210B、210M彼此串联耦合。

虽然该技术领域中已知的任何技术可以用于这里描述的一个或更多个开关，但在示例性实施例中，该开关技术是与换能器阵列基板相容并且与该换能器的制造中使用的操作相容的开关技术。在一个示例性实施例中，用于切换换能器阵列的操作模式的该一个或多个开关是MEMS开关。单个MEMS开关可以包括切换构件或曲柄，如至少取决于切换构件的电机械，该切换构件是通常关闭的(NC)或通常打开的(NO)。取决于该实施例，任何静电、压电和电磁技术可以用于实现MEMS开关中的切换构件的侧向或竖直偏转。还取决于该实施例，MEMS开关的切换频率可以根据MEMS开关功能广泛地变化。在一个实施例中，MEMS开关是具有微秒致动时间或更好的致动时间的RF或微波MEMS开关。该MEMS开关可以是电容性的，具有充分小的电容以电容地耦合换能器元件的带宽内的所有频率。关于操作弹性、可制造性等等，电容性开关实施例具有优于电阻性MEMS开关实施例的优点。基于电阻性接触的MEMS开关有利于换能器“驱动”模式，在该换能器“驱动”模式中，具有非零DC值的高的电压脉冲被发送。然而，这里描述的实施例中使用的MEMS开关也可以实现为电阻性开关，该电阻性开关在关闭状态中实现金属到金属接触。对于电容性或电阻性开关实施例，MEMS开关将引起被切换的极之间的导电路径以经历从打开开关状态中的大阻抗到关闭开关状态中的低阻抗(例如，短路)的改变。在实施例中，参考电极和驱动/感测电极中的至少一者耦合到实施在与布置换能器膜相同的基板上的MEMS开关的极。换句话说，MEMS开关整体地集成到换能器基板上。这种MEMS开关可以使用一个或更多个压电、静电或电磁切换构件，并且如在这里在其它地方进一步描述的，对于一个示例性压电换能器实施例，MEMS开关与该换能器使用相同的压电材料。

虽然存在可以以图3A中描绘的方式实施开关换能器电极互连的许多开关架构，但图3B提供用来实现这种切换的另一技术的另外图示。如图3B中所示，电路311可以被构造用来以并联或串联的方式将换能器210B’的一对电极与换能器210M’中的一对电极互连。电路311可以包括：S1开关，该S1开关相对彼此将提供类似的切换操作；和开关S2，该开关S2相对彼此将提供与S1开关的类似的切换操作互补的类似的切换操作。例如，S1开关都可以基于开关信号同时地处于相同的关闭(或打开)状态，而电路311的开关S2的每一个将基于那个开关信号处于互补的打开(或关闭)状态。

在电路311中，换能器210B’、210M’各自的参考(例如，接地)电极可以通过S1开关耦合到彼此，并且换能器210B’、210M’各自的驱动/感测电极也可以通过S1开关耦合到彼此。一S1开关可以与换能器210B’的参考电极和换能器210M’的参考电极之间的S2开关串联耦合。另一S2开关还可以耦合在换能器210B’的参考电极和换能器210M’的驱动/感测电极之间。与电路310的情况一样，在Tx操作模式中，电路311的S1开关可以关闭，并且S2开关打开，导致换能器210B’、210M’彼此并联耦合。相比之下，Rx操作模式可以包括电路311的S1开关打开，并且S2开关关闭以将换能器210B’、210M’彼此串联耦合。

电路310和/或电路311的开关S1、S2可以耦合到控制器(未示出)。在实施例中，这种控制器可以提供一个或多个控制信号，该控制信号例如引起充分大小(例如，1V-100V)的电压阶跃以根据时间改变一个或多个MEMS开关的状态。在第一实施例中，这种控制器还包括逻辑门，该逻辑门实施有另外的MEMS开关，例如，该另外的MEMS开关还耦合到受控制的高压电源。对于这种实施例，该控制器可以与开关S1、S2一起整体地集成到换能器基板上。在第二实施例中，该控制器被实施成离开换能器基板，例如在具有控制信号线的CMOS ASIC中，该控制信号线然后延伸到换能器基板(例如，作为柔性电缆的一部分，等等)。

在多个换能器形成多通道阵列的一个通道的实施例中，例如如图3C中示出的，该阵列的每一个通道在每一个通道内的换能器并联(例如，一个通道中的所有换能器并联)的第一状态和每一个通道中的换能器的第一子集与每一个通道中的换能器的第二子集串联(例如，每一个通道中的换能器的一半与该换能器的另一半串联)的第二状态之间可切换。在每一个通道具有相同数量的换能器的特别实施例中，每一个通道根据给定通道操作超过给定时间段的模式被切换到两个相同的换能器电路构造(所有换能器并联或者一半换能器与第二一半换能器串联以便并联-串联互连)的一个中。以这种方式，可能需要仅仅少许控制线路来控制布置在换能器阵列上的许多开关，相同的控制线路用于同时地致动该通道的每一个通道中的一个或多个MEMS开关。图3C是示意图，该示意图示出根据实施例的跨越组成多通道阵列312的多个换能器通道110、120、130和140的耦合到MEMS开关的开关控制线路。如示出的，第一控制信号线“开关控制1”耦合到互连通道110上的换能器的MEMS开关372A，并且类似地耦合到开关372B、372C和372D，所有这些开关互连对应通道内的换能器。因此，在阵列312的操作期间，开关控制器设置“开关控制1”的状态并且引起开关372A以第一电路拓扑结构(例如，全部并联)互连通道110的换能器，并且然后重设“开关控制1”的状态并且引起开关372A以第二电路拓扑结构(例如，第一子集与第二子集串联)互连通道110的换能器。通过开关372A的该设置，开关372B-372D也被设置到相同的状态。阵列312的扫描然后可以在所有开关372A-372D在相同的状态中的情况下进行，或者替代地，开关372A-372D可以在该阵列的不同通道被扫描时切换状态。取决于由每一个通道支撑的操作模式和/或开关的数量，一个或多个另外控制线路(例如，“开关控制N”)可以另外连接到互连每一个通道中的各个换能器的其它MEMS开关(例如，371A-371D)。

通过现在描述的许多示例性多模式可切换微机加工换能器阵列架构，现在描述操作这种多模式阵列的方法。图4A是根据实施例的方法401的流程图，该方法401用来特别地以多个模式操作压电换能器阵列。该方法401开始于操作410，在该操作410中，以具有第一电路拓扑结构的第一构造电互连压电换能器元件。在操作420，通过第一电路拓扑结构施加驱动或感测信号，例如用来驱动或感测超声带中的换能器共振。在操作430，排列的压电换能器元件被电地切换到第二构造中，该第二构造具有不同于第一电路拓扑结构的第二电路拓扑结构。然后，在操作440，通过第二电路拓扑结构施加驱动或感测信号，例如用来驱动或感测超声带中的换能器共振。

图4B是方法402的流程图，该方法402用来在换能器阵列的驱动和感测操作之间切换一个或多个MEMS开关。方法402可以例如应用于存在于换能器阵列的特别通道中的MEMS开关，并且还可以跨越多个MEMS开关被应用，该多个MEMS开关横跨换能器阵列的多个通道。该方法402开始于操作411，将一个或多个MEMS开关设置到第一状态(例如，打开或关闭)。在操作421，驱动或感测信号通过处于第一状态中的MEMS开关耦合到换能器的通道，例如用来驱动或感测超声带中的共振。在操作431，在操作421被设置到第一状态的一个或多个MEMS开关被改变到第二(交替)状态。在操作441，驱动或感测信号通过处于第二状态中的MEMS开关耦合到换能器的通道，例如用来驱动或感测超声带中的共振。

图4C是根据实施例的切换一个或多个MEMS开关以驱动并联的多个换能器并且感测该多个换能器(该多个换能器的至少一些换能器串联)的方法403的流程图。该方法403可以例如通过执行方法401和402的一个或多个而被执行。参考图4C，方法403以操作410开始，在该操作410中，阵列中的通道的压电换能器(换能器元件)并联地电互连。在操作422，驱动信号波形被施加到具有并联的压电换能器的通道。接下来，在操作432，压电换能器的至少一些压电换能器与该通道的其它换能器串联地电互连。在操作442，感测来自通道的信号，该通道中的一些压电换能器与其它换能器串联。该方法403然后在操作450通过将感测到的信号加工成图像(例如，通过使用任何常规技术)而完成。

图5A、5B和5C是根据实施例的压电换能器元件的剖视图，该压电换能器元件中的一个或多个换能器元件用于MEMS可切换换能器阵列。在图5A-5C的情况中，现在简要描述单个换能器元件的示例性结构方面。应当理解，图5A-5C中描绘的结构主要被包括作为本发明的特别方面的背景，并且另外示出关于压电换能器元件结构的本发明的广泛可应用性。图6是根据实施例的可以用于MEMS可切换换能器阵列的压电开关元件的剖视图，并且还示出压电MEMS开关到压电换能器基板中的整体集成。

在图5A中，例如，凸出的换能器元件502包括顶表面504，该顶表面在操作期间形成MEMS开关pMUT阵列的振动外表面的一部分。换能器元件502也包括底表面506，该底表面附接到换能器基板501的顶表面。换能器元件502包括凸出的或圆顶形的压电膜510，该凸出的或圆顶形的压电膜布置在参考电极512和驱动/感测电极514之间。在一个实施例中，例如，通过将压电材料粒子以均匀的层沉积(例如，溅射)在轮廓传递基板(例如，硅)上，可以形成压电膜510，该轮廓传递基板具有形成在平的顶表面上的圆顶。示例性压电材料是锆钛酸铅(PZT)，虽然也可以使用经得起常规微机加工的该技术领域中的任何已知材料，诸如但不限于掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯(PMM)聚合物粒子，聚偏氟乙稀(PVDF)，单晶PMN-PT，BaTiO3和氮化铝(AlN)。驱动/感测电极和参考电极514、512各可以是在轮廓传递基板上沉积(例如，通过PVD、ALD、CVD等等)导电材料的薄膜层。用于驱动电极层的导电材料可以是用于这种功能的该技术领域中的任何已知导电材料，诸如但不限于Au、Pt、Ni、Ir等等的一种或更多种，其合金(例如，AdSn、IrTiW、AdTiW、AuNi等等)，其氧化物(例如，IrO2、NiO2、PtO2等等)，或两种或更多种这种材料的复合堆叠。

如图5A中另外示出的，在一些实施例中，换能器元件502可以任选地包括诸如二氧化硅的薄膜层522，该薄膜层可以在制造期间用作支撑件和/或蚀刻停止件。电介质膜524还可以用于在压电膜510外部的区域中使驱动/感测电极514与参考电极512绝缘。竖直取向的电互连526通过驱动/感测电极轨517将驱动/感测电极514连接到驱动/感测通道和/或MEMS开关。类似的互连532将参考电极512连接到参考轨534。环形支撑件536(具有孔541，该孔具有对称轴线，该对称轴线限定换能器元件502的中心)将压电膜510机械地耦合到换能器基板501。该支撑件536可以为任何常规材料，诸如但不限于二氧化硅、多晶硅、多晶锗、SiGe等等。对于具有超声带中(例如1-50MHz)的基频共振的实施例，支撑件536的示例性厚度从10μm到100μm，并且膜524的示例性厚度从1μm到15μm，膜510的示例性直径从10μm到200μm。

图5B示出换能器元件542的另一示例性构造，其中功能上类似于换能器元件502中的那些结构的结构由相似的附图标记标识。换能器元件542示出凹入的压电膜550，该凹入的压电膜在静止状态中是凹入的。驱动/感测电极214布置在凹入的压电膜550的底表面下方，而参考电极512布置在顶表面上方并且耦合到参考电极轨517。

图5C示出换能器元件582的另一示例性构造，其中功能上类似于换能器元件502中的那些结构的结构由相似的附图标记标识。换能器元件582示出平的压电膜590(该平的压电膜在静止状态中是平的)并且与元件502不一样，在弯曲模式中操作并且因此还使用膜575(典型地硅的)。在这里同样，驱动/感测电极514布置在平的压电膜590的底表面下方，而参考电极512布置在顶表面上方。与图2A-2C的每一者中描绘的电极构造相反的电极构造当然也是可能的。

图6是根据实施例的用于MEMS可切换换能器阵列的压电MEMS开关元件601的剖视图。为了强调MEMS开关元件601和换能器元件502、524和526的整体性质，与图5A-5C的换能器元件中的那些结构相容的图6中的结构由相似的附图标记标识。如示出的，MEMS开关元件601包括固定梁切换构件，虽然在替代实施例中，可以使用悬臂梁等等。该开关元件包括平的压电膜590，该平的压电膜590布置在膜585(例如，金属或重掺杂的硅的)上，该膜585适合于弯曲模式操作。替代地或另外地，金属条570可以布置在膜585和/或膜590的下侧上以当膜585、590的一个或两个的存在充分偏转时提供布置在嵌入支撑件637上的接触件680的短路。开关驱动电极614布置在平的压电膜590的底表面下方，而参考电极612布置在压电膜590的顶表面上方。电极的顺序也可以颠倒(即，顶电极可以用作驱动并且底电极用作参考)。薄膜层522(诸如二氧化硅电介质层等等)提供在开关致动期间阻止驱动信号短路下电极680的另外功能。当压电膜590响应于驱动(开关控制)信号偏转时，高频率换能器信号可以在阵列中的连续换能器的电极之间经过。当驱动信号不存在，并且压电膜590没有充分地偏转时，电容耦合不足以传递高频率换能器驱动/感测信号，因此以可选择的方式绝缘或耦合给定的换能器元件。由于在该技术领域中已知许多替代开关架构，感兴趣的读者参考文献，这些参考文献用于如这里描述的适合于以可选择的方式将阵列的换能器元件构造为交替的电路拓扑结构的压电MEMS开关的另外描述。

图7是根据本发明的实施例的使用pMUT阵列的超声换能器设备700的功能块图。在示例性实施例中，超声换能器设备700用来产生及感测介质(诸如水、组织物质等等)中的压力波。超声换能器设备700具有许多应用，其中诸如在医疗诊断、产品缺陷检测等等中，所关心的是介质或多种介质内的内部结构变化的成像。该设备700包括至少一个MEMS可切换阵列716，该至少一个MEMS可切换阵列可以是具有任何MEMS可寻址换能器元件的本文在别处描述的任何MEMS可切换阵列。在示例性实施例中，MEMS可切换阵列716是被容纳在把手部分714中的2D换能器阵列，该把手部分可以由机器或由该设备700的用户操纵以如所描述地随意地改变MEMS可切换阵列716的外表面的面向方向和定位(例如，面向要被成像的区域)。电连接器720将阵列716的驱动/感测通道电耦合到换能器基板的并且在把手部分714外部的通信接口。

在实施例中，该设备700包括信号发生器，该信号发生器可以是该技术领域中任何已知信号发生器，该信号发生器例如通过电连接器720耦合到MEMS可切换阵列716。该信号发生器用来在各个驱动/感测通道上提供电驱动信号。在一个特定实施例中，该信号发生器用来施加电驱动信号以引起被寻址的压电换能器元件以1MHz和50MHz之间的频率共振。在某些实施例中，该信号发生器是该技术领域中已知的任何高电压脉冲发生器。在使用发送波束成型的其它实施例中，该信号发生器包括并行化器704，该并行化器用来并行化控制信号，该控制信号然后被多路分解器706多路分解。数模转换器(DAC)708然后将数字控制信号转换成用于MEMS可切换pMUT阵列716中的单个换能器元件通道的驱动电压信号。相应的时间延迟可以由可编程时间延迟控制器710添加到单个驱动电压信号以跨越该阵列的通道和/或跨越给定通道的换能器元件进行波束控制，产生希望的波束形状、焦点和方向等等。通道连接器702和信号发生器之间的耦合是控制器712，该控制器712负责发送连接器702的控制通道上的MEMS开关控制信号到MEMS可切换阵列716的MEMS开关。控制器712还可以包括开关网络以便以与MEMS开关的状态协调的方式在驱动和感测模式之间切换。以这种方式，一个或更多个信号发生器施加电驱动信号到通过一个或更多个MEMS开关并联连接的换能器。

在实施例中，该设备700包括信号接收器，该信号接收器可以是该技术领域中的任何已知信号接收器，该信号接收器耦合到MEMS可切换换能器阵列716，例如通过电连接器720。该信号接收器用来从MEMS可切换换能器阵列716中的驱动/感测电极通道收集电感测信号，其中两个或更多个换能器通过一个或多个MEMS开关串联连接。在信号接收器的一个示例性实施例中，模数转换器(ADC)714用来接收电压信号并且将它们转换为数字信号。该数字信号然后可以存储到存储器(未描绘)或者首先传递到信号处理器。示例性信号处理器包括用来压缩数字信号的数据压缩单元726。多路转换器718和串行化器728还可以在将接收的信号中继到存储器、其它存储装置或下游处理器(诸如图像处理器，该图像处理器用来基于接收的信号产生图形显示)之前处理接收的信号。

应当理解，上述描述意图是说明性的，而不是限制性的。例如，虽然图中的流程图示出由本发明的某些实施例执行的操作的特别顺序，但应当理解，除一个操作的输入内在地依靠另一操作的输出之外，这种顺序不是必需的(例如，替代实施例可以不同的顺序执行该操作，组合某些操作，重叠某些操作等等)。此外，在阅读和理解上述描述时，许多其它实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，虽然明确地描述超声成像设备，但充分的细节被提供以便本领域技术人员将MEMS可切换压电阵列应用于其它设备，诸如但不限于压电打印头。因此，虽然已经参考特定的示例性实施例描述了本发明，但将认识到，本发明不限于描述的实施例，而是在所附权利要求的范围内可以被实施成具有修改和变化。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求和这种权利要求赋予的等效的全范围而被确定。

Claims

1.一种微机加工换能器阵列，所述微机加工换能器阵列包括：

换能器基板；

多个换能器，布置在所述换能器基板上；以及

一个或多个开关，布置在所述换能器基板上，其中所述一个或多个开关能够在第一状态和第二状态之间进行电切换，所述第一状态以彼此电并联方式互连所述多个换能器的至少三个换能器，并且所述第二状态以彼此电串联方式互连所述多个换能器的至少两个换能器，其中与所述第一状态相比，所述第二状态包括与其它换能器并联的至少一个更少的换能器。

2.根据权利要求1所述的换能器阵列，其中所述一个或多个开关包括一个或多个MEMS开关。

3.根据权利要求1所述的换能器阵列，其中所述第一状态以彼此并联方式布置所述多个换能器的所有换能器，并且所述第二状态将所述多个换能器的第一子集布置成与所述多个换能器的第二子集串联。

4.根据权利要求3所述的换能器阵列，其中所述第一子集包括彼此电并联连接的多个换能器，并且所述第二子集包括彼此电并联连接的多个换能器。

5.根据权利要求3所述的换能器阵列，其中所述多个换能器包括多通道阵列的一个通道，所述阵列的每一个通道包括相同数量的换能器，并且所述阵列的每一个通道能够在所述第一状态和所述第二状态之间切换，所述第一状态使每一个通道的所有换能器彼此并联，并且所述第二状态使每一个通道的所述第一子集与每一个通道的所述第二子集串联。

6.根据权利要求5所述的换能器阵列，其中所述一个或多个开关包括MEMS开关，每一个MEMS开关与所述阵列的各自的通道关联，并且其中所有第一MEMS开关耦合到单控信号线，所述单控信号线用来将所述阵列的所有通道同时设置成所述第一状态或所述第二状态。

7.根据权利要求6所述的换能器阵列，其中所述MEMS开关包括压电、静电或电磁的切换构件，并且其中所述多个换能器是在超声频率带内共振的。

8.根据权利要求7所述的换能器阵列，其中所述多个换能器的每一个换能器包括压电材料，并且其中所述一个或多个MEMS开关包括压电构件，所述压电构件与所述多个换能器使用相同的压电材料。

9.根据权利要求8所述的换能器阵列，其中所述MEMS开关包括电容性开关，所述电容性开关包括悬臂或固定梁，所述悬臂或固定梁还包括所述压电材料。

10.根据权利要求6所述的换能器阵列，其中所述MEMS开关包括：

第一MEMS开关，所述第一MEMS开关串联连接在第一换能器的接地电极和第二换能器的驱动电极之间；

第二MEMS开关，所述第二MEMS开关连接在所述第一换能器的驱动电极和所述第二换能器的所述驱动电极之间；

第三MEMS开关，所述第三MEMS开关连接在所述第一换能器的所述接地电极和所述第二换能器的接地电极之间；

第四MEMS开关和第五MEMS开关，所述第四MEMS开关和第五MEMS开关彼此串联地连接在所述第一换能器的所述接地电极和所述第二换能器的所述接地电极之间，所述第一MEMS开关和所述第五MEMS开关耦合到一个或多个开关控制器以致动到相同的打开或关闭状态中，所述第二MEMS开关、所述第三MEMS开关和所述第四MEMS开关耦合到所述一个或多个开关控制器以随着所述第一MEMS开关和所述第五MEMS开关致动，但处于与所述第一MEMS开关和所述第五MEMS开关的那些状态互补的打开或关闭状态中。

11.根据权利要求6所述的换能器阵列，其中所述MEMS开关包括：

第一MEMS开关，所述第一MEMS开关连接在第一换能器的驱动电极和第二换能器的驱动电极之间；

第二MEMS开关和第三MEMS开关，所述第二MEMS开关和第三MEMS开关彼此串联地连接在所述第二换能器的所述驱动电极和耦合所述第一换能器和所述第二换能器的各自的接地电极的结点之间，所述第一MEMS开关和所述第二MEMS开关耦合到一个或多个开关控制器以致动到相同的打开或关闭状态中，所述第三MEMS开关耦合到所述一个或多个开关控制器以随着所述第一MEMS开关和所述第二MEMS开关致动，但处于与所述第一MEMS开关和所述第二MEMS开关的那些状态互补的打开或关闭状态中。

12.根据权利要求10所述的换能器阵列，其中所述一个或多个开关控制器包括布置在所述换能器基板上的另外的MEMS开关或布置在CMOS基板上的CMOS晶体管。

13.一种用来产生和感测介质中的压力波的设备，所述设备包括：

根据权利要求1所述的换能器阵列；

一个或多个信号发生器，所述一个或多个信号发生器耦合到所述换能器阵列以在第一驱动/感测通道上施加电驱动信号；

一个或多个接收器，所述一个或多个接收器耦合到所述换能器阵列以从所述第一驱动/感测通道接收电响应信号；

一个或多个开关控制器，所述一个或多个开关控制器连接到所述MEMS开关的至少第一MEMS开关以随着时间而以串联或并联构造来耦合所述压电换能器的不同的压电换能器；以及

至少一个信号处理器，所述至少一个信号处理器耦合到所述接收器以将从所述驱动/感测通道接收的多个电响应信号处理成图像。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述一个或多个信号发生器用来施加电驱动信号到通过所述一个或多个MEMS开关而并联连接的换能器。

15.根据权利要求14所述的设备，其中所述一个或多个接收器被耦合用来从通过所述一个或更多个MEMS开关而串联连接的换能器收集电感测信号。

16.根据权利要求15所述的设备，其中所述换能器由所述一个或多个发生器驱动从而以1MHz和50MHz之间的频率共振，其中串联连接的所述换能器还包括所述多个换能器的第一子集，所述多个换能器的第一子集与所述多个换能器的第二子集串联，并且其中所述第一子集内的换能器彼此电并联地连接，并且所述第二子集内的换能器彼此电并联地连接。

17.一种产生和感测介质中的压力波的方法，所述方法包括：

在第一时间段期间通过设置到第一状态的一个或多个开关而彼此电并联地连接布置在换能器基板上的换能器阵列的多个微机加工换能器的至少三个换能器；

在所述第一时间段期间以电信号驱动所述多个换能器；

在第二时间段期间通过将所述一个或多个开关设置到第二状态而电串联地再连接所述多个换能器的至少一些换能器，其中与所述第一状态相比，所述第二状态包括与其它换能器并联的至少一个更少的换能器；以及

在所述第二时间段期间从所述多个换能器接收电响应信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述连接还包括发送一个或多个第一控制信号到所述一个或多个开关以设置所述第一状态，并且其中所述再连接还包括发送一个或多个第二控制信号到所述一个或多个开关以设置所述第二状态。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述换能器阵列包括多个通道，每一个通道包括多个换能器，并且其中发送所述一个或多个第一和第二控制信号还包括同时地发送相同的第一和第二控制信号到所述多个通道的每一个通道中的MEMS开关。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述换能器包括压电材料，并且其中发送所述一个或多个第一控制信号包括施加电压到耦合到第一MEMS开关的压电构件的电极，该电压足以短路或电容性耦合所述第一MEMS开关的极，其中所述第一MEMS开关耦合在两个换能器的各自的电极之间。