CN106028942A - 柔性微机械换能器设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了微机械换能器阵列的柔性的技术和结构。在实施方式中，换能器阵列包括多个换能器元件，每一个换能器元件包括压电元件和一个或多个设置在支撑层中或支撑层上的电极。支撑层被结合至包括聚合物材料的柔性层，其中换能器阵列的柔性部分由柔性层的总厚度所产生。在另一实施方式中，换能器阵列的柔性部分由在其中形成的一个或多个折曲结构所产生。

Description

柔性微机械换能器设备及其制造方法
技术领域
本发明的实施方式一般涉及微机械换能器阵列，且更特别地涉及到用于提供此类阵列的柔性的结构。
背景技术
换能器设备通常包括能够响应于时变驱动电压而振动的隔膜，以在与换能器元件的暴露的外表面接触的传播介质(如，空气、水或身体组织)中生成高频压力波。该高频压力波可以传播至其他介质中。相同的压电隔膜还可以从传播介质接收反射的压力波，并将所接收的压力波转化为电信号。电信号可以与驱动电压信号一起处理来获得关于在传播介质中的密度或弹性系数的变化的信息。
使用各种微机械技术(如，材料沉积、平版印刷图案化、通过蚀刻的特征形成等)，换能器设备可以以过高的维度公差被方便地廉价制造。例如，这种阵列设备包括微机械超声波换能器(MUT)阵列，诸如电容式换能器(cMUT)或压电换能器(pMUT)。
许多超声波应用——诸如血管内超声(IVUS)、超声内镜(EUS)或其他医学超声扫描(sonography)技术——使用导管或其他具有非平面表面的此类仪器。通常，换能器阵列被确定位置以避免或按大小分类以适应此类非平面表面的有点小的曲率半径(如，～5-10nm)。然而，随着连续几代的此类仪器继续在大小上扩展规模，存在随之而来的对换能器阵列支持在具有较小的曲率半径的表面上进行操作的迫切要求。
附图说明
本发明的各个实施方式在附图的示图中通过示例的方式而不是限制的方式被示出，并且其中：
图1A至图1D根据各自的实施方式示出了设备的示例配置，每一个设备包括柔性换能器阵列。
图2A至图2P是横截面视图，每一个视图根据各自的实施方式示出了制造柔性换能器的过程的阶段的元素。
图3是根据实施方式示出了制造柔性换能器阵列的方法的元素的流程图。
图4A是根据实施方式示出了柔性换能器阵列的元件的布局图示。
图4B是根据实施方式示出了柔性换能器阵列的元件的布局图示。
图5是根据实施方式示出了采用柔性换能器阵列的超声波换能器设备的元件的功能框图。
具体实施方式
于此所讨论的实施方式不同地允许压电换能器元件阵列的柔性。例如，于此所讨论的技术和结构不同地提供了包括微电子机械系统(MEMS)结构的换能器阵列，其中换能器阵列可以被折曲为曲率半径小到1mm，或甚至小于1mm。
于此所讨论的特定技术和结构额外地或可替换地使能适合于应用的电互连体(interconnect)和/或布线，其中换能器阵列将在小传感器设备的曲面上进行操作。例如，特定实施方式不同地提供了参考电压(如，接地)和/或驱动/感应信令，以通过换能器阵列的“后”侧进行通信——即其中阵列的压电隔膜结构被配置为经由换能器阵列的相对的“前”侧来传送/接收超声波(或其他)信号。相反，现有的平面(非柔性)传感器在它们各自的前侧上具有互连体触点。
在一些实施方式中，换能器阵列的压电隔膜结构和互连体/信令结构一起集成在分层结构中，该分层结构包括聚合物材料的柔性层。换能器元件的互连体可以延伸通过此类柔性层，以允许参考电压、驱动/感应信号和/或类似物的交换。例如，换能器元件可以经由柔性层不同地与另一潜在的柔性层、与专用集成电路(ASIC)和/或类似物交换此类电压/信号。
在特定实施方式中，换能器阵列结构可以在某些情况下形成在晶片上和/或耦合至晶片，从而它们可以在晶片级(例如，不是晶粒级(die level)或其他更小的级)进行处理。随后的处理可以包括将换能器阵列结构切割成一个或多个单独的换能器阵列以用于各自的晶粒级应用。例如，这种切割可以形成一个或多个1D(如，包括1×n阵列的换能器元件，对于整数n>1)换能器阵列和/或一个或多个2D换能器阵列(如，包括m×n阵列的换能器元件，其中整数m、n>1)。
图1A-1D示出了包括压电换能器元件的柔性阵列的设备的示例性配置。在一些实现中，换能器设备包括弯曲的换能器阵列，该弯曲的换能器阵列包括单排换能器元件。多个换能器阵列的元件中的一些或所有可以沿曲线分布。如图1A所示，换能器设备100a可以包括手柄部分104。设备100a的换能器阵列106可以在一个末端108附着至手柄部分104，其中手柄104的形状被修改(如，放宽、变平等)以适应换能器阵列106的形状和大小。在这个示例中，换能器阵列106的振动表面是呈弧形的，弧形面向的部分沿着手柄104的长轴。在其他实现中，换能器阵列106的暴露表面可以替换为是呈弧形的，弧形面向的部分垂直(或锐角)于手柄104的长轴。换能器设备100a的操作员可以操纵手柄104以根据所需(如，面向成像区域)改变换能器阵列106的振动表面的方向和位置。
压电换能器阵列100a可选择地包括在振动元件106的阵列下面和在手柄部分104内部(如，在放宽且变平的第一末端108内部)的集成ASIC晶片(未示出)。连接至ASIC晶片的外部输入连接体的线110可以从手柄104的后端伸出并连接至外部装备(如，控制设备和/或显示设备)。
在一些实现中，换能器设备可以包括二维换能器阵列。每一个二维换能器阵列可以包括分布在弯曲的二维阵列中的多个换能器元件。二维阵列覆盖的区域可以是各种形状的，如，矩形、正方形、圆形、八边形、六边形、圆形等。二维阵列中的振动元件可以被分布在由线构成的点阵上(如，正方形点阵或六边形点阵)或更复杂的图案构成的点阵上。二维换能器阵列的振动表面实质上可以在平面内，虽然特定实施方式并未限定在这一点上。二维换能器阵列可以被附着至手柄(如，在直的圆柱体手柄的一个末端)以形成换能器设备。换能器阵列的振动表面的平面可以包括一个或多个部分，这一个或多个部分不同地面向垂直于手柄的长轴的方向或不同地面向基本上平行于手柄的长轴的方向。
换能器设备的操作员可以操纵换能器设备的手柄以根据所需(如，面向成像区域)改变二维换能器的振动表面的面向方向和位置。例如，如图1B所示，换能器设备100b包括侧向换能器阵列126，该侧向换能器阵列126沿着手柄124的末端128的圆周运行。换能器设备100b还包括连接至ASIC晶片(未示出)并伸出手柄124的后端的线120。
现在参考图1C，根据另一实施方式的换能器设备100c包括前向二维换能器阵列136。换能器设备100c可以包括手柄部分134，其中换能器阵列136沿着手柄134的末端138的曲面延伸。如图1C所示，换能器阵列136可以沿着末端138的表面在多个方向上弯曲。换能器设备100c可以进一步包括连接至ASIC晶片(未示出)并伸出手柄134的后端的线170。
图1A-1C所示的换能器设备的配置仅仅是示意性的。在换能器设备的各种实现中，整个换能器阵列的振动表面的面向方向(如，前向、侧向或其他面向角度)和全部形状(如，平的或弯曲的、线状的、多边形的或环形的)、手柄上换能器阵列的位置及换能器阵列上振动元件的布局的不同结合是可能的。
现在参考图1D，根据另一实施方式的换能器设备100d包括设置在柔性衬底160上的换能器元件150的阵列。如图1D的视图170和详细视图180(不按比例)所示，柔性衬底160可以允许换能器元件150相对彼此容易重新定位。相应地，换能器设备100d可以充当绷带、贴片、薄板或可以被放置、穿戴或可以另外施加于一些用户(如，示意性的患者172)的其他柔性结构的至少部分。例如，换能器元件150可以符合患者172的组织182的表面并将压力波传播入(和/或接收压力波自)组织182——如，经由耦合流体184(如，胶体)。在实施方式中，包括在或耦合至换能器设备100d的电缆174包括一个或多个线，例如连接至ASIC晶片的外部输入连接体的线和/或连接至其他外部装备(如，控制设备和/或显示设备)的线。
此外，根据应用(如，所需的操作频率、成像区域、成像分辨率等)，换能器阵列中的振动元件的总数量、换能器阵列的大小及换能器阵列中振动元件的大小和间距也可以改变。在给定的阵列中，换能器元件各自的压电隔膜每一者可以包括各自的半球形或半椭球形圆顶结构。压电隔膜可以跨越具有例如从25μm至250μm的断面宽度范围的空腔。在一些实施方式中，阵列可以包括所有都沿着第一维度相对排列的换能器元件。例如，一维(1D)阵列可以包括排列的间距为150μm的128个换能器元件，其中每一个换能器元件具有跨越了具有60μm宽度的空腔的半球形圆顶。在另一示例中，1D阵列包括间距为350μm的128个换能器元件，每一个元件具有跨越了具有在64μm到92μm之间的宽度的空腔的半球形圆顶。在又一示例中，1D相控阵列可以包括排列的间距为130μm的96个换能器元件，其中阵列的所有半椭球形圆顶都具有沿着第一维度的相同的第一主轴直径和沿着第二维度的类似的第二主轴直径——如，主轴直径的范围为40μm到100μm。可替换地或额外地，阵列可以包括不同地沿着两个维度排列的换能器元件集。在一个示意性的实施方式中，二维(2D)阵列可以包括区域间距为120μm的64×16个换能器元件——如，其中阵列的圆顶结构的每一者跨越各自的具有在60μm到70μm之间的宽度的空腔。
图2A-2M根据实施方式显示了制造柔性换能器阵列的过程的各个阶段的横截面视图。图2N-2P根据实施方式显示了各自的横截面视图，每一个视图都是针对柔性换能器阵列。图2A-2J所示的处理可以形成例如换能器阵列106、126、136中的一者或多者。
图2A示出了制造的阶段200a，在该阶段200a期间，设备晶片201为随后的在设备晶片201内或上形成各自的换能器元件的各种结构的处理做准备。设备晶片201可以包括适合微电子/微机械处理的现有技术已知的各种衬底材料中的任意材料。通过说明而非限制的方式，设备晶片201可以包括诸如硅和/或各种类型的半导体晶片材料的大块晶体半导体。虽然特定的实施方式不限于这方面，但示意性的设备晶片201包括绝缘硅(SOI)材料。
于此讨论的特定实施方式是关于制造微圆顶类型的换能器元件，这些微圆顶类型的换能器元件的每一者包括设置在支撑层上的凸面压电结构。然而，这里所讨论的可以延伸为额外地或可替换地应用于各种其他类型的换能器元件中的任意类型——如，包括替代包括平的压电结构和/或凹面压电结构的换能器元件。例如，如图2A所示，在设备晶片201中和/或在设备晶片201上制造压电换能器元件可以包括蚀刻或另外形成一个或多个孔——如包括示意性的孔202a、202b，例如，每一个孔延伸至或延伸通过设备晶片201中的绝缘层。
现在参照图2B，在阶段200b，另一晶片203可以结合至设备晶片201。晶片203可以提供材料以促进形成换能器元件的凸面结构。例如，晶片203可以包括半导体材料，诸如设备晶片201的材料——如，其中，晶片203包括绝缘硅(SOI)材料。
如图2C的阶段200c所示，磨制、蚀刻(如，采用KOH)、抛光和/或其他处理可以导致晶片203变薄到厚度dx，这促进在晶片201上形成凸块结构。例如dx可以在6微米与12微米之间，然而特定实施方式不限于这一点。
现在参考图2D的阶段200d，晶片203剩余的材料可以被形成为微凸块——如包括示意性的凸块结构204a、204b——其延伸到表面205之上。这种微凸块的形成可以选择性地包括移除变薄的晶片203的部分——如，采用适应自传统的平版印刷和蚀刻技术的操作——并将凸块回流处理应用至晶片203的其他剩余的部分。
在形成这种微凸块之后，可以执行多种删减的和/或添加的半导体处理技术(如，包括材料沉积、平版印刷图案化、通过蚀刻的特征形成等中的一者或多者)中的任何技术以在设备晶片201中或设备晶片201上沉积或另外形成换能器结构。例如，如图2E的阶段200e所示，结构206可以在表面205上不同地形成，其中凸块结构204a、204b促进形成结构206的凸面部分。
通过这种处理产生的一些换能器元件的示例在图2F的阶段200f中示出。更特别地，阶段200f形成的多个换能器元件可以包括换能器元件214a和换能器元件214b。虽然特定实施方式不限于这一点，但是一个或多个其他结构可以被蚀刻或另外形成在换能器元件之间——从而以例如促进随后的在换能器元件214a、214b之间的弯曲点。例如，阶段200f包括在设备晶片201中蚀刻的空腔216(并且，在实施方式中，通过在设备晶片201上形成的一个或多个结构)。
图2G示出了换能器元件的详细视图200g，诸如那些在阶段200f的处理中被制造的换能器元件的一者。如视图200g所描述的，底部电极236可以设置在薄膜介电层246上，诸如二氧化硅，其可以充当支撑、制造期间的蚀刻终止、电绝缘体和/或扩散屏障。介电层246可以通过例如热氧化来设置。在实施方式中，压电元件232下面的介电层246的部分随后被蚀刻掉(除了设备晶片201的部分)，在蚀刻处理期间形成空腔230。压电元件232随后可以在底部电极236上形成。
在示意性的实施方式中，压电元件232包括锆钛酸铅(PZT)，尽管现有技术已知的适合传统微机械处理的任何压电材料也可以被利用，诸如但不限于聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物颗粒、BaTiO3、单个晶体PMN-PT和氮化铝(AlN)。底部电极236可以包括与压电隔膜材料兼容(如，热稳定的、具有良好粘附力、低压力)的传导性材料的薄膜层，诸如但不限于Au、Pt、Ni、Ir、Sn等的一个或多个、它们的合金(如，AuSn、IrTiW、AuTiW、AuNi等)、它们的氧化物(如，IrO2、NiO2、PtO2、氧化铟锡(ITO)等)或两种或更多种这样的材料的复杂堆叠。
第二介电层224(例如，包括SiNx或SiOx)可以被设置——如经由等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)——在底部电极236和/或压电元件232之上。介电层224可以提供底部电极236和将设置在介电层224之上的顶部电极234的电绝缘。如图所示，顶部电极234可以被设置与第二介电层224的顶部表面直接接触。在该示意性的实施方式中，顶部电极234被实施为参考(接地)平面来使换能器元件免遭在操作期间周围环境中的电磁干扰和表面电荷。同样地，底部电极236可以被实施为耦合至压电换能器元件的驱动/感应信号终端。底部电极236和/或顶部电极234可以例如通过物理气相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)等而被设置。
在实施方式中，蚀刻、掩模和/或其他处理可以提供各种空腔以延伸通过换能器元件的部分。例如，这样的处理可以形成一个或多个空腔以用于安置互连体结构。互连体结构可以包括用于提供参考电压(如接地)的参考互连体228和另一互连体238——简要来说，这里指仅作为驱动/感应(或简要来说，仅驱动)互连体——该另一互连体238用于提供驱动信号和/或感应信号。于此所使用的“驱动信号”指的是激活换能器设备的压电元件的信号，以及“感应信号”指的是响应于此类压电元件的激活而生成的信号。例如，驱动/感应互连体可以可替换地被称为信号互连体或主动互连体(activeinterconnect)。
在详细视图200g中，参考互连体228和驱动/感应互连体238的各自空腔的每一者从换能器元件的顶部表面226延伸通过至设备晶片201。互连体228、238可以被不同地建立，例如镀铜的互连体228、238，并分别电连接至顶部电极234和底部电极236。这种空腔的开口宽度可以是～6或7微米，虽然特定实施方式不限于这一点。互连体228、238可以包括能够提供低电阻并适合图案化的任何常规成分的导电材料(如，通过PVD、ALD、CVD等沉积)的各自薄膜层，诸如但不限于Au、Al、W或Cu。在一些实施方式中，互连体228、238可以通过隔离材料220(诸如Al2O3，如其中隔离材料通过ALD沉积)与设备晶片201的半导体材料和/或换能器元件的一种或多种结构电隔离。
在实施方式中，另一空腔230可以在换能器元件232下面蚀刻或另外形成。空腔230可以随后提供跨越空隙(spanning void)以允许换能器元件232的振动。空腔230可以至少部分通过相互对立的设备晶片201的侧壁218来限定。空腔230可以具有～100微米(如90-100微米)的宽度(如直径，其中换能器元件232为圆形)，虽然特定实施方式不限于这一点。如于此所讨论的，换能器元件可以进一步包括或邻接允许换能器阵列的柔性的一个或多个折曲结构。
现在参考图2H，显示了制造过程的阶段200h，其中子组件240经由临时结合材料242(诸如聚酰亚胺(日立化学杜邦显微系统(Hitachi ChemicalDupont Microsystems)的HD-3007)、布鲁尔科技(Brewer Science)的WaferBOND HT系列、光刻胶和SU-8中的任何材料)结合至牺牲(sacrificial)晶片244。子组件240可以包括在设备晶片中形成的换能器元件——如阶段200f所示的。牺牲晶片244可以为子组件240的操作和/或随后的处理提供机械支撑。例如，牺牲层244可以在子组件240倒置(inversion)和/或设备晶片变薄期间保护换能器元件。
通过说明而不是限制的方式，设备更安全的子组件240可以变薄，从阶段200h所示的总厚度d1变薄到修改后的子组件241产生的如图2I的阶段200i所示相对小的总厚度d2。这种变薄可以使用机械研磨、干式化学蚀刻(DCE)和/或各种其他适应传统的晶片变薄技术的方法中的任意方法来执行。总厚度d2可以等于或小于100微米(例如)并且在特定实施方式中可以等于或小于30微米。
子组件240中设备晶片的材料可以充当支撑层，该支撑层在换能器元件中/上提供对换能器元件的机械支撑。将支撑层变薄到总厚度d2可以允许换能器元件中和/或换能器元件之间的折曲，同时支撑层在该折曲期间提供对换能器元件的机械支撑。
例如，支撑层变薄形成子组件241可能暴露支撑层的侧边284。侧边284的暴露还可能暴露形成在支撑层中的各自空腔的一个或多个开口。通过说明而非限制的方式，支撑层变薄可能暴露开口280a、280b，开口280a、280b每一者对应各自换能器元件的各自跨越空隙。额外地或可替换地，这种变薄可能对于此所讨论的充当柔性结构的通道暴露开口282。
在实施方式中，支撑层变薄可能额外地或可替换地暴露换能器元件的一个或多个互连体。例如，暴露的侧边284可以包括各自的换能器元件的各个参考互连体和/或驱动/感应互连体的暴露部分。如于此所讨论的，额外的处理可以不同地耦合这些暴露的互连体的一些或全部，互连体的每一者对应柔性聚合物层的相应互连体。
现在参考图2J的阶段200j，额外的蚀刻或其他删减的处理可以通过暴露的开口280a、280b来执行，以移除促进形成换能器元件的凹面结构的晶片203的剩余材料。在实施方式中，这样的删减的处理会暴露换能器元件的底部电极236的下侧。
现在参考图2K，处理阶段200k被显示，其中子组件250包括阶段200i所示的粘附或另外结合至子组件252的结构。例如，子组件241的支撑层的侧边284可以经由包括导电填料260的粘合剂258而被结合至子组件252。可以分布在粘合剂材料258的各个地方的导电填料260可以在相互对准的一对互连体之间提供导电路径，并通过粘合剂材料258粘附。然而，填料260之间的粘合剂材料可以电隔离不同对的相互对准的互连体。在一个示意性的实施方式中，粘合剂材料258包括苯开环丁烯酮(BCB)和金属(和/或金属涂覆的)球体。可替换地，诸如杜邦公司(DuPont)的HD-700的聚酰亚胺材料可以代替用于粘合剂材料258的BCB来使用。
子组件252可以包括用于换能器元件的柔性支撑结构和各种电连接体结构。在实施方式中，在粘附至子组件250之前，子组件252在隔开的晶片上被制造——如其中一些或所有电连接体结构通过删减的和/或添加的处理不同地形成在柔性支撑载体中或柔性支撑载体上。通过说明而非限制的方式，子组件250可以包括结合至或另外形成在牺牲层254上的结构，该牺牲层254在随后的处理(诸如阶段200k期间的结合)期间为其他结构子组件250提供机械支撑。
在实施方式中，子组件252提供的柔性支撑结构包括聚合物层256，该聚合物层256包括诸如聚酰亚胺的弯曲的聚合物材料。用于聚合物层256的其他适合的聚合物材料的示例包括聚酯(PET)、聚乙烯奈(PEN)、聚醚酰亚胺(PEI)、连同各种含氟聚合物(fluropolymers)(FEP)和聚酰亚胺共聚物膜。聚合物层256可以被涂覆为单层或多层聚合物材料。
子组件252的电连接体结构可以包括一个或多个互连体，每一个互连体对应于子组件250的支撑层中的各自互连体。例如，子组件252可以包括每一者都延伸通过层256的聚合物材料的互连体。根据各个实施方式，各个删减的和/或添加的半导体处理技术(如，包括材料沉积、平版印刷图案化、通过蚀刻的特征形成等中的一者或多者)可以被适应，以不同地以聚合物材料形成这种互连体结构。通过说明而非限制的方式，这种互连体可以包括接地互连体266a、266b，接地互连体266a、266b的每一者耦合至子组件250的各自换能器元件的相应接地互连体。在实施方式中，子组件252进一步包括接地触点262a、262b，该接地触点262a、262b被电镀或另外设置在聚合物层256的表面上。接地互连体266a、266b可以不同地分别在接地触点262a、262b与子组件250的换能器元件之间提供电连接性。
可替换地或额外地，这种互连体可以包括驱动/感应互连体268a、268b，驱动/感应互连体268a、268b的每一者耦合至子组件250的各自换能器元件的相应驱动/感应互连体。子组件252可以包括驱动/感应触点264a、264b，该驱动/感应触点264a、264b被电镀或另外设置在聚合物层256上——如其中驱动/感应互连体268a、268b不同地分别在驱动/感应触点264a、264b与子组件250的换能器元件之间提供电连接性。
现在参考图2L，显示了处理的阶段200l，其中子组件250、252结合在一起。在阶段200l之后，可以执行随后的处理来移除子组件250的牺牲层244和/或子组件252的牺牲层254。图2M中显示了处理阶段200m产生的组件。在阶段200m中，换能器阵列包括换能器A1、B1，其中折曲结构270在换能器A1、B1之间提供了柔性。这种柔性可能额外地或可替换地促进换能器A1、B2的支撑层的总厚度d2，和/或通过换能器A1、B2下面的聚合物层促进换能器A1、B2的支撑层的总厚度d2。例如，图2N根据可替换的实施方式显示了制造过程的阶段200n。在阶段200n，形成类似的包括换能器A2、B2的换能器阵列，其中没有诸如折曲结构270的结构位于换能器A2、B2之间。图2N的换能器阵列的柔性至少部分可能是由换能器A2、B2的足够薄(如小于或等于30微米)的支撑层和支撑层下面的柔性聚合物层所产生。
在另一实施方式中，子组件250与子组件252之间的粘附可以通过低温共晶结合获得，诸如采用Au和AuSn获得。通过说明而非限制的方式，Au层可以被沉积在将结合至子组件252的子组件250的部分上，并且AuSn层可以被沉积在子组件252的部分上。在共晶结合之前，一个或两个此类层可以使用光刻和蚀刻被图案化以形成换能器A3、B3的所需的结合表面——如其中产生的结合点280不同地被图案化以封闭开口，为互连体提供各自的传导路径和/或另外提供牢固的机械结合。
在特定实施方式中，子组件250和子组件252使用非传导糊料(NCP)(诸如包括BCB或聚酰亚胺的材料)作为结合材料。子组件250上金属互连体之间的电流触点和子组件252上各自的金属触点可以至少部分通过子组件252的传导结构来获得——诸如互连体266a、266b、268a、268b——被蚀刻或另外形成从而不同地从此类金属触点延伸出并以至少等于粘附结合线厚度的高度形成延伸到聚合物层256之上的突出物。
在特定实施方式中，换能器阵列的柔性层包括一层或多层电分布结构，该电分布结构例如提供换能器元件的操作和/或与换能器元件的信号通信。例如，图2P显示了制造过程的阶段200p，该制造过程例如包括图2A-2M所示的过程的一些或所有特征。在阶段200p，包括换能器A4、B4的换能器阵列被类似地形成，其中换能器A4、B4的柔性层包括传导部分290，该传导部分290不同地从互连体结构(如接地互连体266a、266b和/或驱动/感应互连体268a、268b)延伸出。在实施方式中，此类传导部分290不同地在柔性层内横向(laterally)延伸，并额外地或可替换地在柔性层的下侧上耦合至各自触点，从而不同地分配功率、接地和/或信令至换能器，从换能器分配功率、接地和/或信令，和/或在换能器中分配功率、接地和/或信令。
图3根据实施方式示出了制造柔性换能器阵列的方法300的元素。方法300可以包括微加工和/或其他制造操作，从而不同地形成例如图2A-2J所示的一些或所有结构。
在实施方式中，方法300包括在310接收诸如设备晶片210的支撑层。方法300可以进一步包括在320形成多个换能器元件，每一个换能器元件例如包括各自的压电元件及各自的电极和互连体。在实施方式中，在320的形成包括针对多个换能器元件中的每一者在支撑层的第一侧上形成换能器元件的电极和换能器元件的压电元件，及进一步在支撑层中形成换能器元件的互连体，其中互连体被耦合至换能器元件的电极。通过说明而非限制的方式，针对多个换能器元件中的每一者，形成换能器元件可以包括在支撑层的第一侧上形成参考电极和驱动/感应电极，及在支撑层中形成参考互连体和驱动/感应互连体。如图2F、2G所示，例如，换能器元件的参考互连体和驱动/感应互连体可以分别耦合至该换能器元件的参考电极和驱动/感应电极。
方法300可以进一步包括在330变薄支撑层——如在在320形成多个换能器元件之后——以暴露支撑层的第二侧。例如，支撑层可以在330变薄到等于或小于35微米的总厚度。在一些实施方式中，支撑层在330变薄为等于或小于30微米的总厚度。
在实施方式中，在330变薄支撑层包括针对在320形成的多个换能器元件中的每一者暴露各自的对于延伸通过支撑层的跨越空隙的开口。在实施方式中，多个换能器元件的各自压电元件的每一者跨越支撑层的各自侧壁之间的距离，该距离包括跨越空隙。可替换地或额外地，多个换能器元件的各自互连体的每一者可以延伸通过支撑层的第一侧与支撑层的第二侧之间的支撑层。例如，在330变薄支撑层可以包括暴露多个换能器元件的各自的参考互连体和/或驱动/感应互连体。
方法300进一步包括在340将支撑层的暴露的第二侧结合至柔性层。在实施方式中，柔性层包括聚合物材料并且在320针对多个换能器元件的各自互连体的每一者形成延伸通过柔性层的相应互连体。例如，聚合物材料可以包括聚酰亚胺。支撑层和换能器元件可以在不同的晶片上首先形成而不是在其上首先形成柔性层。在实施方式中，在340将第二侧结合至柔性层可以包括与包括导电填料的粘合剂粘附。在另一实施方式中，在340的结合可以采用共晶结合。
虽然特定实施方式不限于这一点，但是方法300可以包括在第一换能器元件与第二换能器元件之间形成一个或多个折曲结构。此类折曲结构可以将支撑层的部分相互隔开——如其中折曲结构包括延伸通过支撑层的第一侧与第二侧之间的支撑层的通道。在实施方式中，多个折曲结构可以被形成，每一个折曲结构在多个换能器元件的各对之间。例如，多个折曲结构可以包括通道，每一个通道形成在换能器元件的各行之间。在实施方式中，此类多个折曲结构可以包括通过支撑层的第一通道和通过支撑层的第二通道，其中第一通道和第二通道沿着相互交叉的各自的方向线延伸。
图4A根据实施方式示出了柔性2D pMUT阵列400的元件。例如，阵列400可以包括图2M-2P中所示的换能器阵列中的一者的一些或所有特征。
在实施方式中，阵列400可以包括多个换能器元件，如示意性的二十(20)个换能器元件P11-P15、P21-P25、P31-P35、P41-P45和P41-P45所表示的。阵列400的换能器元件可以以行和列分配，如示意性的沿着x维度的行R1-R5级和沿着y维度的列C1-C4所表示的。
一个或多个通道——如包括示意性的通道G1、G2、G3——可以在阵列400的支撑层中形成(如，通过阵列400的支撑层)。此类通道可以充当允许阵列400的柔性的折曲结构。例如，此类折曲结构可以促进换能器阵列400的柔性，从而符合非平面表面。因此，此类换能器阵列例如可以被安装到弯曲的传感器表面上。通道G1、G2、G3可以起到支撑层中的截断线的功能，其中阵列在截断线处通过下面的聚合物(如，聚酰亚胺)层机械地被支撑。在实施方式中，额外的聚合物层(未示出)可以在第一聚合物层的背面上建立——如额外的聚合物层包括传导连接体，以将参考电势和/或信号线导向其他测试设备电路。
例如，阵列400可以包括信号线D1-D4的集合——如包括驱动/感应信号线和/或参考电压线——其不同地在柔性层下面延伸并耦合至设置在柔性层表面上的各自的互连体触点。所示的信号线D1-D4不同地沿着列C1-C4中的各自的一者延伸，虽然特定实施方式不限于这一点。在实施方式中，通道G1、G2、G3和信号线D1-D4在阵列400的相对侧(如，前侧和后侧)。
图4B是根据实施方式的多模式MUT阵列450平面视图。阵列450包括多个电极轨道460、470、480、490，这些轨道设置在由衬底450的第一维度x和第二维度y限定的区域上。驱动/感应电极轨道中的每一者(如，460)是从任意其他驱动/感应电极轨道(如，470或480)独立电可寻址的，并且从功能上将阵列450的通道隔开。一个或多个通道——如包括示意性的通道GX、GY、GZ——可以不同地在各自一个此类电极轨道间在阵列405的支撑层中形成(如通过阵列405的支撑层)。
每一个通道具有特征频率响应，该特征频率响应是来自通道内单个换能器元件的响应的合成。每一个通道的驱动/感应电极并行电耦合至每一个元件。例如在图4B中，换能器元件461A、462A、463A等被耦合在一起以由驱动/感应电极轨道460电驱动(如经由功能上对应于底部电极236的各自的结构)。类似地，另一通道的所有换能器元件(如包括471A)全部并行地一起耦合至驱动/感应电极轨道470。通常，许多换能器元件可以在通道内被一起分组——如根据隔膜直径、元件倾斜度(pitches)和分配给每一个通道的衬底面积。
在实施方式中，至少一个隔膜维度因设备的相同通道的元件而变化。通道内的和/或通道之间的这种变化可以提供阵列405的超宽带操作特征。如图4B所示，圆形隔膜直径沿着衬底的至少一个维度(如y维度)而变化，从而每一个通道包括一系列的隔膜大小。在所描述的阵列450的实施方式中，每一个通道包括相同数量的特定大小的隔膜和相同数量的不同大小的隔膜。由于共振频率是隔膜大小(与较小隔膜大小所关联的较大频率)的函数，在给定电驱动信号被施加于通道时，引起特定频率响应，或者在给定频率响应通过介质返回时，生成特定电感应信号。对于图4B所描述的实施方式，其中每一个通道具有相同种类的元件(相同数量和大小分布)和相同的空间布局，每一个通道可以被认为具有非常接近的相同频率响应。可替换地，具有不同元件种类的通道(即，不同数量的隔膜大小、不同数量的特定大小的隔膜、或衬底上的不同空间排列)可以被认为具有明显不同的频率响应。
如图4B所描述的，第一大小的换能器元件111A(如，最小直径的隔膜)接近第二大小的元件112A(如，下一个较大直径的隔膜)，并且隔膜大小在一直增加的隔膜大小的第一系列的元件中以步进式的方式逐渐增加，且然后第二系列步进式减小大小至最小的直径。图4B提供了对于任意数量的不同隔膜大小(如，图4B所描述的三个、四个或五个不同大小等)，具有一些通道种类的每一个元件接近相同大小的另一元件或下一个最小的另一元件或下一个最大大小的另一元件。
图5是根据实施方式的采用柔性换能器阵列的超声波换能器设备500的功能框图。在示例性实施方式中，超声波换能器设备500用于产生和感应介质(诸如水、组织物等)中的压力波。超声波换能器设备500具有许多应用，在这些应用中对诸如在医学诊断、产品缺陷检测等中的一种介质或多种介质内的内部结构改变的成像感兴趣。设备500包括至少一个换能器阵列516，该换能器阵列516可以是于此在其他地方描述的任意柔性换能器阵列。在示例性实施方式中，换能器阵列516被嵌入在手柄部分514中，该手柄部分514可以通过机器或通过设备500的使用者来操作以改变所需的换能器阵列516的外表面的面向方向和位置(如，面向成像区域)。电连接器520将换能器阵列516的驱动/感应电极电耦合至手柄部分514外部的通信接口。
在实施方式中，设备500包括至少一个信号生成器(该信号生成器可以是本领域出于该目的任意已知的技术)，该信号生成器例如通过电连接器520的方式耦合至换能器阵列516。信号生成器提供各个驱动/感应电极上的电驱动信号。在实施方式中，每一个信号生成器包括解串器(de-serializer)504来解串控制信号，该控制信号然后通过解复用器506来解复用。示例性信号生成器进一步包括数模转换器(DAC)508以针对换能器阵列516中单独的换能器元件通道将数字控制信号转换为驱动电压信号。各自的时间延迟可以通过可编程时间延迟控制器510添加至单独的驱动电压信号，以进行波束引导、创造所需的波束形状、聚焦和定向等。pMUT通道连接器502与信号生成器之间的耦合是交换网络512，以对换能器阵列516在驱动与感应模式之间交换换能器阵列516。
在实施方式中，设备500包括至少一个信号接收器(该信号接收器可以是本领域出于该目的任意已知的技术)，该信号接收器例如通过电连接器520的方式耦合至换能器阵列516。信号接收器从换能器阵列516中的每一个驱动/感应电极通道收集电响应信号。在信号接收器的一个示例性实施方式中，模数转换器(ADC)514接收电压信号并将其转换为数字信号。数字信号然后可以被存储至存储器(未描述)或首先被传递至信号处理器。示例性信号处理器包括数据压缩单元526，用于压缩数字信号。在将所接收到的信号中继到存储器、其他存储或下游处理器(诸如基于所接收到的信号产生图形化显示的图像处理器)之前，复用器518和串行器528可以进一步处理所接收到的信号。
于此描述了用于提供柔性换能器阵列的技术和架构。在以上描述中，出于解释的目的，许多具体细节是为了提供特定实施方式的深入理解而进行陈述的。然而，对本领域技术人员显而易见的是，特定实施方式可以在没有这些具体细节的情况下进行。在另外的实例中，为了避免使描述模糊，结构和设备以框图的形式显示。
在说明书中涉及的“一个实施方式”或“实施方式”意思是所描述的与实施方式有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。说明书中在各个地方出现的术语“在一个实施方式中”不是都必然指的是相同的实施方式。
这里具体的描述的一些部分是根据对计算机存储器中数据比特的操作的算法和符号表示提出的。这些算法的描述和表示是计算领域的技术人员使用的意思，以最有效地向本领域其他人员传达他们工作的实质。一般来说，这里的算法表达的是达到需要的结果的一贯序列的步骤。这些步骤需要对物理量进行物理操作。通常，即使没有必要，这些量采用能够被存储、转移、结合、比较及另外地操作的电信号或磁信号的形式。主要出于习惯用语的原因，把这些信号称作比特、值、元素、符号、字符等，已经证明有时是方便的。
应当考虑到的是，所有这些和类似的术语与合适的物理量相关联并仅仅是应用于这些量的方便的标签。除非特别说明，如果不是根据这里讨论显而易见的，应当理解在说明书中，使用诸如“处理”或“估算”或“计算”或“确定”或“显示”等术语的讨论指的是计算机系统或类似电子计算设备的动作或处理，操作并转换计算机系统的寄存器和存储器中表示为物理(电子)量的数据为计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、传输或看是设备中类似地表示为物理量的其他数据。
特定实施方式还涉及用于执行这里的操作的设备。该设备出于所需要的目的而被特别创立，或者其可以包括通用计算机，该通用计算机由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置。此类计算机程序可以被存储在计算机可读存储介质中并耦合至计算机系统总线，计算机可读存储介质诸如但不限于，包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘的任何类型的盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)(诸如动态RAM(DRAM))、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、或适于存储电子指令的任何类型的介质。
这里呈现的算法和显示并非固有地涉及任何特定计算机或其他设备。各种通用系统可以根据这里的启示与程序一起使用，或者可以证明便于构建更特别的设备来执行所需的方法步骤。用于各种这些系统的所需的结构将从本说明书中呈现。此外，特定实施方式并非参考任何特定编程语言来描述。应当理解的是各种编程语言都可以被用于实施这里所描述的实施方式的启示。
除了这里所描述的，可以对所公开的实施方式及其实现在不背离其范围的情况下进行各种修改。因此，这里的说明和示例应当被解释为示意性的，而非限制性的功能。本发明的范围应当参考权利要求书来单独量度。

Claims (22)

1.一种制造微机械换能器阵列的方法，该方法包括：
形成多个换能器元件，包括针对所述多个换能器元件中的每一者：
在支撑层的第一侧上形成所述换能器元件的电极；
在所述支撑层的所述第一侧上形成所述换能器元件的压电元件；以及
在所述支撑层中形成所述换能器元件的互连体，该互连体耦合至所述换能器元件的所述电极；
在形成所述多个换能器元件之后，将所述支撑层变薄以暴露所述支撑层的第二侧，其中所述多个换能器元件的各自互连体在所述支撑层的所述第一侧和所述第二侧之间延伸；以及
将所述第二侧结合至柔性层，其中所述柔性层包括聚合物材料和延伸通过所述柔性层的相应的互连体，该相应的互连体针对所述多个换能器元件的各自互连体中的每一者。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑层变薄至等于或小于35微米的总厚度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述支撑层变薄至等于或小于30微米的厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物材料包括聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述多个换能器元件包括针对所述多个换能器元件中的每一者：
在所述支撑层的所述第一侧上形成所述换能器元件的参考电极；
在所述支撑层的所述第一侧上形成所述换能器元件的驱动/感应电极；
在所述支撑层中形成所述换能器元件的参考互连体，所述参考互连体耦合至所述换能器元件的所述参考电极；以及
在所述支撑层中形成所述换能器元件的驱动/感应互连体，所述驱动/感应互连体耦合至所述换能器元件的所述驱动/感应电极。
6.根据权利要求1所述的方法，其中将所述支撑层变薄以暴露所述支撑层的所述第二侧包括：针对所述多个换能器元件中的每一者，暴露用于延伸通过所述支撑层的跨越空隙的开口。
7.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第二侧结合至所述柔性层使用包括导电填料的粘合剂来执行。
8.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括在第一换能器元件与第二换能器元件之间形成折曲结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述折曲结构将所述支撑层的部分相互隔开。
10.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括形成多个折曲结构，并且每一个折曲结构在所述多个换能器元件的各对之间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个折曲结构中的每一者在换能器元件的行之间形成通道。
12.一种微机械换能器阵列，该微机械换能器阵列包括：
多个换能器元件，每一个换能器元件包括：
设置在支撑层的第一侧的各自的电极；
设置在所述支撑层的所述第一侧的各自的压电元件；以及
在所述支撑层中的耦合至所述换能器元件的所述各自的电极的各自的互连体，其中所述互连体延伸通过在所述支撑层的所述第一侧和第二侧之间的所述支撑层；以及
结合至所述支撑层的所述第二侧的柔性层，其中所述柔性层包括聚合物材料和延伸通过所述柔性层的相应的互连体，该相应的互连体针对所述多个换能器元件的所述各自的互连体中的每一者。
13.根据权利要求12所述的微机械换能器阵列，其中在所述第一侧和所述第二侧之间的所述支撑层的总厚度等于或小于100微米。
14.根据权利要求12所述的微机械换能器阵列，其中所述聚合物材料包括聚酰亚胺。
15.根据权利要求12所述的微机械换能器阵列，其中所述多个换能器元件中的每一者包括：
设置在所述支撑层的所述第一侧上的参考电极；
设置在所述支撑层的所述第一侧上的驱动/感应电极；
在所述支撑层中的参考互连体，所述参考互连体耦合至所述换能器元件的所述参考电极；以及
在所述支撑层中的驱动/感应互连体，所述驱动/感应互连体耦合至所述换能器元件的所述驱动/感应电极。
16.根据权利要求12所述的微机械换能器阵列，其中包括导电填料的粘合剂将所述柔性层粘附至所述支撑层的所述第二侧。
17.根据权利要求12所述的微机械换能器阵列，其中所述支撑层进一步包括在第一换能器元件与第二换能器元件之间的折曲结构。
18.根据权利要求17所述的微机械换能器阵列，其中所述折曲结构将所述支撑层的部分相互隔开。
19.根据权利要求12所述的微机械换能器阵列，其中采用共晶结合，所述柔性层被结合至所述支撑层的所述第二侧。
20.根据权利要求12所述的微机械换能器阵列，其中所述柔性层包括第一互连体，该第一互连体包括沿着所述柔性层横向携带信号的第一部分。
21.一种用于生成和感应介质中的压力波的设备，该设备包括：
权利要求12至17所述的微机械换能器阵列；
生成装置，耦合至所述微机械换能器阵列，用于将电驱动信号施加在至少一个驱动/感应电极上；
接收装置，耦合至所述微机械换能器阵列，用于从至少一个驱动/感应电极接收电响应信号；以及
信号处理装置，耦合至所述接收装置，用于处理从所述多个驱动/感应电极接收到的电响应信号。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述生成装置施加电驱动信号以使所述多个换能器元件中的至少一个压电元件以超声波频率进行共振。
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