CN107343246A - 具有减少的非期望声波的传播的集成声学换能器 - Google Patents
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Abstract
本公开的声学器件具有微机械声学换能器元件(15)；声学衰减区域(40)；以及声学匹配区域(32)，被布置在声学换能器元件(15)和声学衰减区域(40)之间。声学换能器元件(15)被形成在第一衬底(25)中，所述第一衬底容纳定界膜(16)的腔(19)。半导体材料的第二衬底(30)集成电子电路被布置在声学换能器元件(15)和声学衰减区域(40)之间。声学匹配区域(32)具有带有第二衬底的第一界面(32A)和具有带有声学衰减区域(40)的第二界面(32B)。声学匹配区域(32)具有与在第一界面(32A)邻近的第二衬底(30)的阻抗匹配的阻抗，以及与在第二界面(32B)邻近的声学衰减区域(40)的阻抗匹配的阻抗。
Description
技术领域
本发明涉及具有减少的非期望声波的传播的集成声学换能器。
背景技术
使用半导体技术制造的集成声学换能器是已知的并且根据电容原理操作。在一些应用中，这些换能器被用来换能超声波。在这种情况下，无论是电容型(CMUT-电容微机械超声换能器)还是压电型(PMUT-压电的微机械超声换能器)，它们被称为MUT(微机械超声换能器)。例如，CMUT被使用在超声图像生成系统中用于医疗诊断。
该类型的换能器元件的示例在图1中被示出。
图1的换能器元件，整体用附图标记1表示，包括膜2(例如，氮化硅)，其悬置在腔3上并且形成在硅芯片4中或硅芯片上。腔3可以包含空气或气体或部分或全部在真空条件中。导电材料层(例如，铝)通常形成在膜2上并且形成第一电极6。在芯片4中，在腔3下面另一导电材料层形成第二电极10。
通常，声波换能器元件1被耦合到集成电子电路的半导体材料芯片(例如，ASIC(专用集成电路)8)，用于处理由声学换能器元件1生成或向其发送的信号。在图示的实施例中，ASIC 8被固定在声学换能器元件1的后面。在图1的换能器元件1中，第一和第二电极6、7形成电容器，当声波碰撞膜2时，该电容器发生电容变化，引起膜2偏转。在两个电极6、7之间的电容可以由表示被集成在ASIC 8中的电子电路检测，因此将声信号换能为电信号。同样地，当a.c.电信号被施加到一个或两个电极6、7上时，引起因此生成声信号的膜2的运动。出于此原因，换能器元件1可以操作为声波的传感器和发射声波的扩音器二者。
在实际应用中，归因于声学换能器元件的微米量级小尺寸，它们通常被形成为彼此靠近，从而形成尺寸适于设想的应用的声学器件。
当声学换能器元件1操作为声波的生成器时，它生成主要朝向外部世界的声波。然而，该声能量的一部分向ASIC 8回传。由于后者与ASIC 8之间的接口，该声能量可以朝向换能器元件1反射。为了防止这样的背向反射，其可能引起与声信号一起的非期望的干扰现象，已经提出了在芯片5和ASIC 8之间布置衰减层9(参见例如美国专利号6831394和7280435)。
衰减层9可以例如由塑料材料(诸如，环氧树脂。聚氯乙烯或特氟龙)形成，其包换填充材料(诸如，银、钨、BN、AlN或Al2O3)。
然而，由于存在现有接口，已知的方案不能确保足够的反射减少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种换能器设备，其能够解决先前技术中遇到的问题。
根据本发明，提供了根据所附权利要求的声学换能器设备。
在实践中，本发明的换能器设备提供被布置在换能器元件和衰减层之间的声学匹配区域。这里该匹配区域是多孔硅，并且在其整个厚度上具有可变声阻抗，该阻抗被匹配以使得具有接近邻近区域的值。以这样的方式，从膜向后传播的声波不会遇到横穿(traversed)介质的声阻抗的任何不连续，并且朝向膜的声波的反射被减少。
附图说明
为了更好地理解本发明，参照附图，现在仅仅以非限制的示例的方式描述其优选的实施例，其中：
图1是已知的声学换能器元件的横截面；
图2是本发明的声学换能器元件的横截面；
图3示出了图2的声学换能器元件的放大的细节图；
图4示出了图3的细节图的放大部分；
图5至图9是本发明声学换能器元件的不同实施例的横截面；以及
图10是器件的横截面，该器件具有多个在图2至图9中示出的换能器元件并且该换能器元件被形成在单个衬底上以便形成阵列。
具体实施方式
图2示出了声学换能器设备的实施例，整体用附图标记10表示。
声学换能器设备10包括形成在半导体材料的衬底25中的换能器元件15。衬底25具有腔19，该腔在底部处定界膜16，第一电极20和第二电极21分别被布置在膜16的上方和腔19的底部上。衬底15(通常是单晶硅和/或多晶硅)可以通过经由导电材料的通孔26被横穿。
在衬底25相对于膜的远离的侧面上，ASIC 30被键合到衬底25。ASIC 30具有第一面30A和第二面30B，并且包括衬底29，其形成面向第一面30A的有源区31。有源区31容纳电子电路(未示出)，该电子电路经由焊盘27和电连接线(未示出)被连接到声学换能器15的衬底25。焊盘27与声学换能器元件15的衬底25的通孔26接触，该通孔在覆盖衬底29的隔离层28内部。
图2中，ASIC 30还形成了声学匹配元件32，该声学匹配元件32从第二面30B朝向衬底29的内部延伸。声学匹配元件32这里与键合到ASIC 8的第二面30B的声学衰减区域40接触。
如图3的放大细节图中示出，声学匹配元件32与ASIC 30的衬底29一起形成第一界面32A以及与声学衰减区域40一起形成第二界面32B。
声学匹配元件32是多孔硅并且在第一和第二界面32A、32B之间具有可变的阻抗。具体地，在每个界面32A、32B邻近的声学匹配元件32的阻抗值被选择以对应于它所接触的材料的声阻抗。特别地，第一界面32A具有与ASIC 30的衬底32A相似的声阻抗，并且第二界面32B具有与声学衰减区域40相似的声阻抗。
在两个界面32A、32B上的阻抗匹配实现了反射的声能量的减少。事实上，在界面32A上所反射的声能量由以下公式给出：
其中Z32A是邻近第一界面32A的声学匹配元件32的阻抗，Z29是衬底29(硅)的材料的阻抗，以及UT是由换能器元件15向后发射的声能量。
通过调节邻近第一界面32A的声学匹配元件32的阻抗Z32A，使得其近似等于硅衬底29的阻抗Z29，Z32A≈Z29，反射的声能量可以被彻底地减少几乎到零。
同样的，在界面32B上所反射的声能量由以下公式给出：
其中Z32B是邻近第二界面32B的声学匹配元件32的阻抗，Z40是声学衰减区域40的材料的阻抗，以及UT1是横穿第二界面32B的声能量。
同样在这种情况下，通过调节邻近第二界面32B的声学匹配元件32的阻抗Z32B，使得其近似等于声学衰减区域40的阻抗Z40，Z32B≈Z40，在第二界面32B上反射的声能量被减少。
在实践中，从膜16传播回来的任何声波不会遇到它们横穿的材料的阻抗中的任何不连续，并且因此不会生成朝向膜16反射的声波，因此防止与有用的声信号一起的任何非期望干扰现象。
声学匹配元件32的阻抗的变化由调节多孔硅的多孔部分获得。特别地，多孔部分可以通过选择地调节孔的尺寸控制，使得其在第一界面32A的邻近较小，在第二界面32B的邻近较大，从第一界面32A到第二界面32B连续地变化。
声学匹配元件32可以例如通过选择地从第二面32A开始利用P类型掺杂物(例如，硼)给ASIC 30的衬底26掺杂，以及执行电化学腐蚀被制造。特别地，在形成有源部分31中的电元件之前，旨在形成ASIC 30的半导体材料晶片与P类型掺杂物一起被植入并且接着被浸入酸液池中。通过施加适当的电势差以及随时间调节晶片中的电流，孔被形成在掺杂范围。特别地，如S.Matthias,F.Müller,J.Schilling,“Pushing the limits ofmicroporous silicon etching”,Appl.Phys.A 80,1391–1396(2005),文章中所解释的，多孔部分以及因此孔的直径作为深度的函数可以通过改变腐蚀参数被调节，特别地，施加的电压和在腐蚀时间期间的电流，从而得到期望的阻抗值。
声学匹配区域32还可以从使用N类型掺杂(例如，使用磷掺杂)的区域开始被获得，其经由电化学腐蚀实施孔，可能地在暴露于紫外线和/或可见光之下执行。同样在这种情况下，多孔部分以及因此孔的直径可以通过相应地改变腐蚀参数(特别地，电压和在腐蚀时间期间的电流)作为深度的函数被调节。
在另一实施例中，图5中示出，声学匹配元件(这里由132标出)被形成在衬底之中(这里由125标出)，而不是ASIC 30内部。在这样的情况下，界面132A和132B的阻抗分别地与衬底125和ASIC 30的阻抗相似。
图6示出另一实施例，包括第一和第二声学匹配元件232、233。第一声学匹配元件232与图5的声学匹配元件132相似。因此，它被形成在声学换能器元件215的衬底225中并且在第一界面232A的邻近处具有与衬底225相似的阻抗，以及在第二界面232B的邻近处具有与ASIC 230相似的阻抗。第二声学匹配元件233与图2的声学匹配元件32相似。因此，它在ASIC 30中被形成并且在第一界面233A的邻近具有与ASIC 230相似的阻抗，以及在第二界面233B的邻近具有与声学衰减区域240相似的阻抗。
以这样的方式，存在在衬底225和ASIC 230之间以及ASIC 230和声学衰减区域240之间双重的声学匹配。
在另一实施例中，图7中示出，声学匹配元件(这里由332标出)被形成为单独的芯片，其被布置在ASIC 30和声学衰减区域340之间。同样在这种情况下，面332A和332B的阻抗分别与ASIC330的阻抗和声学衰减区域340的阻抗相似。
在另一实施例中，图8中示出，声学匹配元件(这里由432标出)被形成为单独的芯片，其被布置在声学换能器元件415的衬底425和ASIC 430之间。同样在这种情况下，面432A和432B的阻抗分别与衬底425的阻抗和ASIC 430的阻抗相似。
图9示出图6的实施例的改变，其中第一和第二声学匹配元件(这里由532、533标出)二者被形成在单独的块(dice)中。
在所有图示的实施例中，声学匹配元件或元件32、132、232、332、432、532、233、533通过消除任何阻抗的任何急剧的改变减少非期望的反射波的生成。
描述的解决方案还具有以下的优点，多孔硅的使用实现了可观的设计自由，特别地，关于ASIC 30、130、230、330、430、530和衬底25、125、225、325、425、525之间的寄生电容的减少。
以上描述的声学换能器设备10、110、210、310、410、510可以包括多个换能器元件，多个换能器元件具有图2-9中图示的结构并且被形成在单个的衬底中。例如，图10示出衬底625覆盖多个换能器元件615，每个被布置在相应的有源区631和相应的声学匹配区域632。
图10的声学换能器设备可以形成例如用于医疗使用的超声换能器(无论是电容类型，被称为CMUT，还是压电型，被称为PMUT)，该超声换能器操作在包括1和15MHz之间的频率。然而，它可以被用于其中期望高程度的微型化的用户应用。此外，它还可以被用于高电压设备和光学设备。
最后，清楚的是。在不脱离本发明的范围的条件下，可以对本文中描述的和图示的设备进行修改和改变，如所附权利要求所定义的。
例如，声学衰减区域40可以被布置在换能器元件15和ASIC 8之间。在这种情况下，声学匹配元件可以被布置在换能器元件15和声学衰减区域40之间。
Claims (17)
1.一种声学器件，包括：
微机械声学换能器元件(15；115；215；315；415；515)；
声学衰减区域(40；140；240；340；340；440；540)；以及
声学匹配区域(32；132；232；432；532；233；533)，被布置在所述声学换能器元件(15；115；215；315；415；515)和所述声学衰减区域(40；140；240；340；340；440；540)之间。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述声学换能器元件(15；115；215；315；415；515)被形成在第一衬底(25；125；225；325；325；425；525)中，所述第一衬底容纳定界膜(16)的腔(19)。
3.根据权利要求2所述的器件，还包括半导体材料的第二衬底(30；130；230；230；330；430；530)，所述第二衬底集成电子电路并且被布置在所述声学换能器元件(15；115；215；315；415；515)和所述声学衰减区域(40；140；240；340；340；440；540)之间。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述声学匹配区域(132；232；432；532)被布置在所述声学换能器元件(115；215；415；515)和所述第二衬底(130；230；430；530)之间。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述声学匹配区域(132；232)被形成在所述声学换能器元件(115；215)的所述第一衬底(125；225)中。
6.根据权利要求4所述的器件，其中所述声学匹配区域(432；532)被形成在半导体材料本体中，所述半导体材料本体被布置在所述第一衬底(425；525)和所述第二衬底(430；530)之间。
7.根据权利要求5或6所述的器件，其中所述声学匹配区域(232；532)是第一声学匹配区域，所述器件还包括被布置在所述第二衬底(30)和所述声学衰减区域(240；540)之间的第二声学匹配区域(233；533)。
8.根据权利要求7所述的器件，其中所述第二声学匹配区域(233)被形成在所述第二衬底(230)中。
9.根据权利要求4所述的器件，其中所述声学匹配区域(32；233；332；532)被布置在所述第二衬底(30；230；330；530)和所述声学衰减区域(40；240；340；540)之间。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述声学匹配区域(32；233)被形成在所述第二衬底(30；230)中。
11.根据权利要求9所述的器件，其中所述声学匹配区域(332；533)被形成在半导体材料本体中，所述半导体材料本体被布置在所述第二衬底(330；530)和所述声学衰减区域(340；540)之间。
12.根据权利要求10所述的器件，其中所述第二声学匹配区域(533)被形成在半导体材料本体中，所述半导体材料本体被布置在所述第二衬底(530)和所述声学衰减区域(540)之间。
13.根据权利要求3-12中任一项所述的器件，其中所述第一声学匹配元件(32；132；232；432；532；233；533)包括可变的阻抗层。
14.根据权利要求13所述的器件，其中所述第一声学匹配区域(32；132；232；432；532；233；533)具有第一界面(32A；132A；232A；432A；532A；233A；533A)以及第二界面(32B；132B；232B；432B；532B；233B；533B)，所述第一界面带有在所述声学换能器元件(15；115；215；315；415；515)和所述第二衬底(30；1310；230；230；330；430；530)之间选择的第一元件，所述第二界面具有带有在所述第二衬底(30；1310；230；230；330；430；530)和所述声学衰减区域(40；140；240；340；340；440；540)之间选择的第二元件，所述第一元件具有第一阻抗以及所述第二元件具有第二阻抗，以及所述声学匹配区域(32；132；232；432；532；233；533)具有匹配所述第一阻抗的、在所述第一界面的附近的第三阻抗和匹配所述第二阻抗的、在所述第二界面的附近的具有第四阻抗。
15.根据权利要求14所述的器件，其中所述声学匹配区域(32；132；232；432；532；233；533)是多孔硅。
16.根据权利要求15所述的器件，其中所述声学匹配区域(32；132；232；432；532；233；533)具有多个孔，其中所述孔的尺寸在所述第一界面(32A；132A；232A；432A；532A；233A；533A)和所述第二界面(32B；132B；232B；432B；532B；233B；533B)是可变的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的器件，形成用于医疗使用的超声换能器(CMUT；PMUT)。
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