CN108140722A - 超声波换能器 - Google Patents
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Abstract
提供超声波换能器的系统和技术。基板可以包括主腔、副腔和通道。所述主腔可以具有比所述副腔深的深度。所述副腔可以具有比所述通道深的深度。第一台阶可以形成于所述主腔与所述副腔的交叠处。第二台阶可以形成于所述副腔与所述通道的交叠处。机电有源器件可以在所述第一台阶和所述第二台阶处附接于所述基板，使得所述机电有源器件的自由端悬在所述主腔的上方。膜可以连结于所述基板，使得膜覆盖所述主腔和所述副腔，并且所述膜连结于所述机电有源器件的自由端。
Description
相关申请的引用
本申请要求于2015年5月20日递交的美国临时专利申请No.62/164,108的优先权。
背景技术
机电有源器件可以使用在多种应用中。例如，机电有源器件可以使用在换能器、传感器和致动器中。在一些使用中，机电有源器件可以用于通过机电有源器件的振动而产生包括超声波的声波。膜或隔膜可以添加至机电有源器件，以提供供诸如空气等的介质利用机电有源器件的振动而移动的额外的表面面积。
发明内容
根据所公开主题的实施方式，基板可以包括主腔。机电有源器件可以附接于基板，使得机电有源器件的自由端悬在主腔的底部的上方。膜部可以连结于基板和机电有源器件。
基板可以包括主腔、副腔和通道。所述主腔可以具有比所述副腔深的深度，所述副腔可以具有比所述通道深的深度，第一台阶可以形成于所述主腔与所述副腔的交叠处，第二台阶可以形成于所述副腔与所述主腔的交叠处。机电有源器件可以在所述第一台阶和所述第二台阶处附接于所述基板，使得所述机电有源器件的自由端悬在所述主腔的底部的上方。膜可以连结于所述基板，使得膜覆盖所述主腔和所述副腔，并且所述膜连结于所述机电有源器件的自由端，使得所述机电有源器件在超声波频率下的振动致使所述膜在超声波频率下振动。
基板可以包括两个主腔。两个机电有源器件可以附接于所述基板，使得所述两个机电有源器件中的第一机电有源器件的自由端悬在所述两个主腔中的第一主腔的底部的上方，所述两个机电有源器件中的第二机电有源器件的自由端悬在所述两个主腔中的第二主腔的底部的上方。膜可以连结于所述基板，使得第一膜部覆盖所述两个主腔中的第一主腔，第二膜部覆盖所述两个主腔中的第二主腔。所述第一膜部可以连结于所述两个机电有源器件中的第一机电有源器件，所述第二膜部可以连结于所述两个机电有源器件中的第二机电有源器件。
本文公开的系统和技术可以允许用于超声波换能器。从以下详细说明、附图和权利要求考虑，可以阐述所公开的主题的其它特征、优点和示例或使所公开的主题的其它特征、优点和示例显而易见。另外，要理解的是，前述发明内容和以下详细说明两者均是示例性的，并且意在提供进一步的解释，而非限制权利要求的范围。
附图说明
所包括的用于提供对所公开主题的进一步理解的附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图还示出了所公开主题的示例，并且与具体说明一起用于解释所公开主题的示例的原理。未尝试示出比必要地基本理解所公开主题更详细的结构细节以及可以实践的各种方式。
图1示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。
图2示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。
图3示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。
图4A示出根据所公开主题的实施方式的示例性机电有源器件。
图4B示出根据所公开主题的实施方式的示例性机电有源器件。
图5示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。
图6A示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图6B示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图6C示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图7示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图8A示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图8B示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图8C示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图9A示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图9B示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图9C示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。
图10示出根据所公开主题的实施方式的示例性机电换能器阵列。
图11示出根据所公开主题的实施方式的示例性机电换能器阵列。
图12A示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波器件。
图12B示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波器件。
图13示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。
图14示出根据所公开主题的实施方式的示例性机电换能器阵列。
具体实施方式
超声波换能器可以包括附接于基板中的腔的壁的诸如悬臂或柔性件等的机电有源器件。机电有源器件可以由层叠材料制成，并且可以包括电极。基板可以包括具有布线的台阶结构，该布线可以与机电有源器件的电极接触。超声波换能器可以包括膜，该膜可以覆盖超声波换能器的顶表面并可以附接于机电有源器件。超声波的基板可以为印刷电路板(PCB(Printed Circuit Board))的层，或者可以为诸如铜或铝等的刚性材料。该刚性材料可以附接于超声波换能器的底部。可以使用同一基板件形成多个超声波换能器，以形成机电换能器阵列。
超声波换能器可以包括基板。基板可以为任意适当的材料，并且可以为例如具有任意适当数量的层的PCB的顶层。PCB的顶层可以为诸如FR-4等的非导电材料。基板可以具有任意适当的形状，并且基板的表面可以是平坦的或可以是以任意适当的方式弯曲或制绒(textured)的。基板可以包括下凹的特征。基板可以限定超声波换能器的结构、提供电接触、刚性地固定机电有源器件并允许固定机电有源器件的刚性的变化。基板可以形成可以包括多个超声波换能器的机电换能器阵列的基底。基板中的下凹腔可以用于在构建包括多个超声波换能器的机电换能器阵列期间提供定位和对准(positive alignment)。基板可以以例如使用PCB制造技术等的任意适当的方式制成和构成。例如，下凹腔可以形成有磨削孔。可以使用层层叠、切锯切割和环氧树脂充填布线来形成基板的结构。还可以使用阴模铸造或减法处理的指令来形成基板的结构。基板可以为PCB的顶面的非导电层，这可以使机电换能器阵列的超声波换能器与PCB的导电层和连接布线隔开。将PCB用作基板还可以允许机电换能器阵列的电控制电路放置在机电换能器阵列的PCB的背侧。如下其它材料也可以用作基板或使用在基板中，并且可以对机电换能器阵列的元件中的悬臂提供不同程度的机械支撑：诸如陶瓷、塑料或可以被涂覆或阳极氧化成非导电的包括例如铝、铜、硅/铝合金和硅的金属。例如，基板可以为铝，并且可以以任意适当的方式附接于PCB的顶层。
可以使用利用切锯的子切割设计基板，子切割可能会破坏机电换能器阵列的机电有源器件中的振荡的横向模式(lateral mode)和寄生模式(parasitic mode)。基板可以由具有任意适当硬度的材料制成。基板的材料的硬度可以决定可以供机电有源器件连结的基底的刚性。基板可以是非平面的，并且还可以为柔性的。基板可以为非均质的(anisotropic)。基板的被子切割的部分可以是留空的，或者可以充填有例如诸如硅橡胶等的吸收材料的其它材料。
超声波换能器的腔可以具有任意适当的形状，并且可以具有任意适当的深度。例如，腔可以是圆形的。机电有源器件可以以任意适当的方式附接于腔的壁。例如，可以在腔的边缘形成台阶结构或搁板，可以使用诸如导电环氧树脂等的任意适当的粘接剂使机电有源器件连结于台阶结构。台阶结构可以通过在基板中形成额外的腔而建成。该额外的腔可以与腔部分地交叠，并且可以比腔浅。这可以在额外的腔与腔的交叠处形成台阶，额外的腔可以在基板中呈现为月牙形。第二台阶可以通过在基板中形成与额外的腔部分交叠的具有任意适当形状的通道而生成。通道可以比额外的腔浅，以在交叠处形成第二台阶。台阶和第二台阶可以对齐。台阶结构中的可以供机电有源器件连结的阶面、搁板(shelf)或各台阶的长度可以决定机电有源器件的自由共振的长度。基板的诸如腔等的下凹表面可以被设计成允许与机电有源器件具有变化和可控的强度的连结，该连结可以影响机电有源器件的性能和超声波换能器的输出。改变可以供机电有源器件连结的区域的长度可以影响超声波换能器的频率和振幅或输出的速度或振幅。基板的结构可以为机电有源器件提供能够上下移动任意适当距离的间隙。
基板的台阶结构可以由沟槽进一步限定，该沟槽可以被形成为具有任意适当的深度，并且可以穿过各交叠部位。例如，可以在腔与额外的腔的交叠处形成深度与腔相同的沟槽，并且可以在通道与额外的腔的交叠处形成深度与额外的腔相同的沟槽。沟槽可以例如用于形成台阶和第二台阶的平坦前壁或竖板。腔、额外的腔、通道和沟槽可以以包括诸如钻、磨和切锯切割等的减法处理和加法处理的任意适当的方式形成在超声波换能器的基板中。
基板可以包括任意适当数量的布线。布线可以被例如彼此成对错开地图案化。一对布线中的一个布线可以与机电有源器件的诸如导电金属等的电无源层的电极电接触。例如，电极可以在基板的台阶结构的台阶的阶面上与布线接触。一对布线中的另一布线可以与机电有源器件的诸如压电陶瓷等的电有源材料上的电极电接触。例如，电极可以在台阶结构的另一台阶的阶面上与另一布线接触。电极可以为例如薄膜电极。布线可以充填有导电环氧树脂，使得当使用切锯形成用于收纳机电有源器件的诸如台阶结构等的凹部时，可以降低在布线的电接触点处损失导电性的风险。
基板可以包括用于单个机电有源器件的任意数量的布线。布线可以为盲布线(blind vias)、埋布线(buried vias)和贯通布线的任意适当的组合。可以使用其它数量的布线和不同类型的两种布线的连接来与机电换能器阵列的超声波换能器建立电传导。例如，在一个布线的情况下，机电换能器阵列的超声波换能器的连接可以为共地的机电有源器件的热连接(hot connection)。在两个布线的情况下，超声波换能器的连接可以为一个热连接和一个地连接，或者一个正极连接和一个负极连接。在三个布线的情况下，超声波换能器的连接可以为两个热连接和一个地连接、两个地连接和一个热连接，或者一个正极连接、一个负极连接和一个地连接。基板的结构可以允许机电换能器阵列的组成部件之间电隔离。
超声波换能器可以包括附接于基板的机电有源器件。机电有源器件可以为悬臂或柔性件，并且可以为例如压电单晶片、压电双晶片或压电三晶片。机电有源器件可以包括能够将电激励转换成高频振动以产生超声波发射的电有源材料，诸如压电材料或压电陶瓷、电致伸缩材料或铁电材料。机电有源器件的几何形状可以在机电有源器件被驱动输出超声时影响由机电有源器件产生的频率、速度、力、位移、电容、带宽和机电能量转化的效率，并且可以在机电有源器件被接收到的超声驱动时影响由机电有源器件生成的电压和电流以及机电能量转化的效率。机电有源器件可以具有矩形的外形，或者可以具有基于诸如梯形几何形状等的任意其它适当的几何形状的外形。机电有源器件的几何形状可以被选择成例如调谐机电有源器件的平衡和其它各种特性。机电有源器件可以使用层叠于单种无源基板材料的单层压电材料制成。机电有源器件还可以制成有：单压电层和多层无源层；反相运行的两层压电层，或者与一种或多种电无源材料组合的反相运行的两层压电层。机电有源器件的不同层可以具有不同的形状。例如，在压电单晶片中，可以将压电材料成形为具有与供该压电材料连结的无源基板材料不同的形状。机电有源器件中使用的例如压电陶瓷的压电材料可以以任意适当的方式被极化成具有任意适当的方向上的极性。
机电有源器件可以具有用于在超声波换能器中使用和在超声波频率下振动的任意适当的尺寸。例如，机电有源器件可以具有0.5mm至1.5mm的宽度、0.4mm至0.5mm的高度和2.0mm至3.0mm的长度，尽管机电有源器件的不同的层可以具有不同的长度以允许与基板的台阶结构连结。机电有源器件可以以诸如通过将较大的层叠材料切成矩形几何形状等的任意适当的方式制成。层叠材料可以由例如使用任意适当的连结技术和材料连结于电无源基板(例如金属，诸如铝、因瓦合金(Invar)、可伐合金(Kovar)、硅/铝合金、不锈钢和铜等)的如压电陶瓷材料的电有源材料制成。所使用的材料可以为对单个的机电有源器件的性能而言非最佳的材料。例如，可以出于使较大数量的机电有源器件具有一致的性能或为了易于制造的目的来选择材料。机电有源器件可以包括可以用于使机电有源器件固定于超声波换能器的基板并可以便于例如与基板中的布线电接触的尾部。机电有源器件的尾部可以突出超过超声波换能器的基板。尾部可以通过例如利用从机电有源器件中切去陶瓷材料的减法处理而构成。还可以使用例如如下的加法处理：首先，将层叠材料的压电层构造成期望的几何形状，然后以与机电有源器件的期望长度大约相等的节距连结至无源基板材料，此后，可以从连结的材料切出矩形的机电有源器件。
机电有源器件可以以任意适当的角度定向在腔中。例如，机电有源器件可以沿着圆形腔的直径定向，并且可以到达腔的大约一半。机电有源器件的例如可以为压电单晶片的无源材料或压电双晶片的有源材料的顶表面可以与腔的顶面齐平或近似齐平。机电有源器件可以以任意适当的方式附接于超声波换能器的基板。例如，机电有源器件的下侧或两侧中的任一者可以例如在基板的台阶结构处连结于基板。所使用的用于使机电有源器件固定于基板的连结物可以为使用诸如环氧树脂或接合物(solder)等的任意适当的导电和非导电连结材料的有机或无机连结物的任意适当的组合。机电有源器件与基板之间的接触的区域可以具有任意适当的尺寸和形状。在一些实施方式中，超声波换能器可以在腔内包括多个机电有源器件。超声波器件可以包括被任意适当配置的任意数量的超声波换能器。
机电有源器件可以连结在基板上的适当位置，并且根据机电有源器件为压电单晶片、压电双晶片、压电三晶片还是具有一些其它结构，机电有源器件的无源或有源层向下面对。连结可以使用任意适当的连结剂、接合物或环氧树脂。例如，可以在机电有源器件的待连结于基板的区域施加导电粘接薄膜。机电有源器件可以被压入基板并被拉回，使得可以拉动机电有源器件的背壁与基板的台阶结构平齐。可以通过例如使用UV释放胶带(UVrelease tape)来拾取机电有源器件的拾置机(pick and place machine)将机电有源器件放置在基板上。导电粘接薄膜可以固化，此后机电有源器件可以通过暴露于例如UV光的释放剂而与UV释放胶带分离。在机电换能器阵列中，可以供机电有源器件连结的区域可以延伸到单个超声波换能器的外侧并延伸进入相邻的相邻超声波换能器，以便使用位于各超声波换能器所在侧的相反侧的其它未使用的空间。这可以在机电换能器阵列的一个边缘处产生小的额外空间。
膜可以连结于超声波换能器，以形成具有膜的超声波器件。膜可以以如下方式附接有粘接剂：可以限定膜将覆盖的机电换能器阵列的多个单元的外形，其中各单元均可以包括超声波换能器。被覆盖的超声波换能器的机电有源器件可以在例如机电有源器件处、或机电有源器件的末端附近连结于膜。膜可以为均可以覆盖一个超声波换能器或多个超声波换能器的材料的多个分离件，或者可以为可以覆盖机电换能器阵列的所有超声波换能器的材料的单个件。膜可以与一个或多个超声波换能器对齐并被压入基板以形成覆盖层。由于悬臂的运动可以使膜移动，所以膜可以用于使悬臂的运动与空气声学地耦合。膜可以以诸如如下的任意其它适当的方式附接于基板：包括超声波焊接、激光焊接或电子束焊接的焊接于基板，或者机械地附接或销接(pin)于基板。可以例如使用以任意适当的方式施加的任意适当的环氧树脂使膜连结于基板。
膜可以为用于在超声波频率下振动的可以具有任意适当硬度和重量的任意适当的材料或复合材料结构。例如，膜可以硬且轻。例如，膜可以为铝补偿料、金属图案化的Kapton或任意其它金属图案化的薄膜。膜可以是与空气匹配的阻抗，以允许超声波换能器的更有效的空气耦合。膜可以包括诸如位于膜的将与机电有源器件的末端接触处的环结构等的额外结构。
膜可以沿着可以例如为固化了的环氧树脂的连结线附接于机电换能器阵列。连结线可以将机电换能器阵列分隔成具有诸如正方形等的任意适当形状的超声波换能器。膜还可以连结于机电换能器阵列的各机电有源器件的自由端的末端。这可以使各超声波换能器均被如下的膜部覆盖：在该超声波换能器周围连结于基板，并且还连结于超声波换能器的机电有源器件的自由端的末端的膜部。机电有源器件的自由端的末端可以与膜部的中央略微偏离地对齐。这可以使膜部被机电有源器件向外推动，使得膜部的最高点位于膜部的中央。尽管膜可以保持单件材料，但是各膜部均能够独立于其它任何膜部移动。由固化了的环氧树脂形成的连结线可以使各膜部彼此机械地隔开。一个膜部的移动可以不传递超过膜与基板连结所在处的连结线而到达另一膜部。
机电换能器阵列可以包括任意数量的超声波换能器。超声波换能器可以共享作为基板的共用的材料件，或者可以使用任意适当数量的单独的材料件，例如各超声波换能器均具有其自己的单独的基板材料件。可以将机电换能器阵列的超声波换能器分隔成单元。各单元可以均包括由膜或膜部覆盖的单个超声波换能器，或者可以包括多个超声波换能器。单元可以具有任意适当的形状和任意适当的图案。例如，单元可以为正方形、矩形、圆形、六边形、不规则多边形并具有一个或多个弯曲的边界。可以将单元配置成任意适当的图案。例如，可以将单元配置成网格图案、圆形图案或六边形图案。
机电换能器阵列的基板可以为PCB的顶层，或者可以附接于PCB的顶层。机电换能器阵列上或中、例如基板上或中或PCB的除了供基板附接的层以外的其它层上或中可以安装有ASIC和其它电子件。基板中还可以埋设有用于一个或多个电阻-电感-电容(RLC(resistor-inductor-capacitor))电路的组成部件。机电换能器阵列中可以包括具有任意适当尺寸的电池、具有任意适当容量和任意适当电性能的电容(包括超级电容)。基板的材料可以对例如可以包含或包括机电换能器阵列的壳体或其它外壳增加刚性，并且可以保护机电换能器阵列的组成部件或其它组成部件。机电换能器阵列的底部可以附接有材料层，以对机电换能器阵列和超声波换能器提供增强了的刚性。例如，铝板可以以任意适当的方式连结于机电换能器阵列的底部的背面。
基板能够支撑由机电有源器件引起的横向模式，或者能够将来自一个超声波换能器的运动传递至与该超声波换能器相邻的超声波换能器。在设计和制造基板时可以使用任意适当的技术，以使串扰和横向模式最小化。例如，基板可以是子切割的(sub-diced)，其可以包括利用锯将图案切成深入基板的后侧的特定深度。这可以确保不存在任何用于横向传播波的路径。通过子切割形成的沟槽可以充填有诸如硅橡胶等的阻尼(damping)或吸收材料，以减少横向波。为了使机电换能器阵列的各种导电组成部件的电串扰隔离，可以在通过子切割形成的沟槽中使用例如电绝缘层。在机电换能器阵列的单元之间可以使用例如导电障碍物(electrically conductive barriers)作为屏蔽面。
机电换能器阵列可以被设计成适应制成该机电换能器阵列的各种材料的热膨胀，以减轻或消除热膨胀对机电换能器阵列的性能的影响。机电换能器阵列可以被设计成对振动和冲击具有鲁棒性(robust)。
在一些实施方式中，可以将多于一个膜连结于机电换能器阵列。例如，可以使用相同材料或不同材料的多个单独膜来覆盖机电换能器阵列的超声波换能器。可以例如使用不同的材料，以允许超声波器件的不同部分具有不同的运行特性。
图1示出了根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。超声波换能器100可以包括基板160、PCB165和膜190。基板160可以为任意适当的材料，例如诸如FR-4等的PCB的非导电层或可以比FR-4更硬的诸如铝等的金属。基板160可以具有任意适当的形状和任意适当的厚度。基板160可以包括主腔130、副腔140、通道150、沟槽142、沟槽152和机电有源器件120。基板160可以包括任意数量的基准点，该基准点可以例如预钻而成。主腔130可以为通过任意适当的加法处理或减法处理形成的位于基板160中的腔，并且可以具有任意适当的形状和任意适当的深度。例如，主腔160可以为具有1.0mm至1.5mm的半径的圆形，并且可以具有0.5mm至0.6mm的深度。副腔140可以为与主腔130交叠的位于基板160中的腔，并且可以具有任意适当的形状和任意适当的深度。例如，副腔140可以为深度小于主腔130的半圆形腔(例如，深度为0.4mm至0.5mm)，副腔140在其与主腔130相交处形成第一台阶。副腔140可以具有例如0.5mm至1.0mm的半径。如果在主腔130之前形成副腔140，则副腔140可以呈现圆形，但是在主腔130之后，副腔140可以呈现月牙形。通道150可以为以任意适当的方式制成的具有任意适当宽度和深度的通道，通道150可以延伸穿过主腔130和副腔140的中央。例如，可以使用切锯(dicing saw)将通道150切成穿过第一腔130和第二腔140的任意适当的宽度。通道150可以比副腔140浅，使得通道在其与副腔140的交叠处形成第二台阶。第二台阶可以与第一台阶对齐。通道150可以延伸穿过多个诸如超声波换能器100等的超声波换能器。例如，超声波换能器在机电换能器阵列中可以是对齐的，使得来自切锯的直线切割可以穿过对齐的超声波换能器的组中的诸如主腔130等的所有主腔的中央和诸如副腔140等的所有副腔的中央。主腔130、副腔140和通道150可以以任意适当的顺序形成在基板160中。
第一台阶的竖板(riser)还可以由沟槽142限定。沟槽142可以以例如通过切锯切割的任意适当的方式形成，并且可以在主腔130和副腔140的交叠处与它们交叉。沟槽142可以形成第一台阶的平坦竖板。第二台阶的平坦竖板还可以由沟槽152限定。沟槽152可以以例如通过切锯切割的任意适当的方式形成，并且可以在副腔140和通道150的交叠处与它们交叉。沟槽152可以形成第二台阶的平坦竖板。沟槽142和152可以具有诸如0.1mm至0.3mm等的任意适当的宽度。
第一台阶可以包括布线180，第二台阶可以包括布线175。布线175和180可以为具有任意适当尺寸和形状的任意适当的布线。布线175和180可以是导电的，并且可以例如充填有导电环氧树脂。布线175和180可以向下穿过基板160，并且可以提供与PCB165的组成部件的电连接。布线175和180可以以诸如通过对基板160进行钻孔等的任意适当的方式形成在基板160中。布线175和180可以均由电极覆盖，以利于通过布线175和180电连接。布线175和180可以具有例如0.2mm的直径。
机电有源器件120可以为在例如超过20000Hz频率的超声波频率下振动的任意适当的机电有源器件。机电有源器件120可以为例如可以使用连结于电无源基板的压电陶瓷材料的压电单晶片或压电双晶片。机电有源器件120可以具有任意适当的形状，并且可以为例如悬臂或柔性件。例如，机电有源器件120可以包括例如连结于电有源材料124的电无源材料122，电无源材料122可以为例如不锈钢、铝、因瓦合金、可伐合金或硅/铝合金，电有源材料124可以为例如压电陶瓷。超声波换能器100的机电有源器件120可以在机电有源器件120的自由端在主腔130的底部上方突出并悬在主腔130的底部上方的情况下在第一和第二台阶处连结于基板160。电无源材料122可以包括电极126，电有源材料124可以包括电极128。当机电有源器件120在第一和第二台阶处连结于基板160时，电极126可以与第二台阶上的布线175对齐，电极128可以与第一台阶上的布线180对齐。可以使用导电环氧树脂使电极126和128连结于布线175和180，这可以允许机电有源器件120与PCB165和PCB165的组成部件之间电连接。这可以允许通过PCB165向机电有源器件120供给电流，从而使机电有源器件120例如通过电有源材料124响应于电流的变形或移动而在超声波频率下振动。这还可以允许当机电有源器件120受到接收到的超声波的作用而振动时，向PCB165供给通过机电有源器件120的变形所产生的电流。机电有源器件120的顶表面可以与基板160的顶表面齐平或略微低于基板160的顶表面。
可以将膜190切成用于超声波换能器100或包括超声波换能器100的机电超声波阵列的适当尺寸。例如，膜190可以略微大于膜190要覆盖机电换能器阵列所需的面积。膜190可以为用于在超声波频率下振动的任意适当的轻且硬的材料，诸如铝补偿料(aluminumshim stock)、金属图案化的Kapton或任意其它金属图案化的膜等。膜190还可以包括适当的图案化结构。
具有膜190的一部分、基板160和PCB165的超声波换能器100可以形成机电换能器阵列的换能器单元195。机电换能器阵列可以包括以任意适当的方式配置的任意数量的诸如换能器单元195等的换能器单元。
图2示出了根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。机电有源器件120可以连结于基板160的第一台阶和第二台阶。机电有源器件120的顶面可以与基板160的顶面齐平或近似齐平，机电有源器件120的末端可以在主腔130上方突出大约一半。
图3示出了根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。可以将膜190放置在超声波换能器100上，并且可以使用任意适当的技术使膜190连结于基板160。例如，可以使用环氧树脂使膜190连结于基板160。膜190的一部分可以覆盖超声波换能器100，并且可以在机电有源器件120的末端附近连结于机电有源器件120。膜190的一部分可以连结于换能器单元195的边界，并且可以使主腔130和副腔140全部或部分密封。
图4A示出了根据所公开主题的实施方式的示例性机电有源器件。电无源材料122可以比电有源材料124长。电无源材料122和电有源材料124可以在机电有源器件120的一端对齐，电无源材料122可以在机电有源器件120的另一端延伸超过电有源材料124。由电无源材料122形成的悬出部或尾部可以允许机电有源器件120嵌入基板160的包括第一台阶和第二台阶的台阶结构。在一些实施方式中，机电有源器件120可以为压电双晶片或压电三晶片，尾部可以为电有源材料和电无源材料的任意适当组合。
图4B示出了根据所公开主题的实施方式的示例性机电有源器件。机电有源器件120的下侧(underside)可以包括电有源材料124的下侧和其电极128。电极126可以覆盖电无源材料122的下侧的不连结于电有源材料124的顶面的部分。
图5示出了根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。沟槽142可以形成在主腔130的边缘的主腔130与副腔130相遇的位置处。沟槽142可以具有与主腔130相同的深度，并且可以例如使主腔130的圆形边缘平坦化，从而形成用于从主腔130至副腔140的第一台阶的平坦竖板。沟槽152可以形成在副腔140的边缘的副腔140与通道150相遇的位置处。沟槽152可以具有与副腔140相同的深度，并且可以例如使副腔140的圆形边缘平坦化，从而形成用于从副腔140至通道150的第二台阶的平坦竖板。
图6A示出了根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。布线175和180可以向下穿过基板160的深度、到达PCB165。这可以允许布线175和180将电从PCB165和PCB165的组成部件输送至位于副腔140中的第一台阶的阶面(tread)和位于通道150中的第二台阶的阶面。
图6B示出了根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。在通道150的任一侧，基板160均可以是最高的。可以贯穿基板160的宽度地切割沟槽152。
图6C示出了根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。在副腔140的任一侧，基板160均可以是最高的。可以贯穿基板160的宽度地切割沟槽142。
图7示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。机电有源器件120可以以任意适当的方式连结于基板160。机电有源器件120可以以如下方式在基板160中对齐：使得机电有源器件120的自由端在主腔130上方向主腔130的与第一台阶和第二台阶所在侧的另一侧(far side)突出和悬出大约一半。
图8A示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。电极128可以连结于位于副腔140中的第一台阶的阶面。电极128可以例如通过导电环氧树脂与布线180电接触，从而使电极128和电有源材料124与PCB165和PCB165的组成部件电连接。电极126可以连结于位于通道150中的第二台阶的阶面。电极126可以例如通过导电环氧树脂与布线175电接触，从而使电极126和电无源材料122与PCB165和PCB165的组成部件电连接。通过布线175和180与PCB165的电连接可以允许机电有源器件120被通过PCB165供给的电信号驱动，或者当机电有源器件120被接收到的超声波驱动时向PCB165供给电信号。例如，电源和/或电存储件可以为PCB165的一部分或与PCB165连接，并且可以通过布线175和180供给可以用于驱动机电有源器件120的电，从而使机电有源器件120在超声波频率下振动，或者当机电有源器件120受到超声波的作用而振动时存储由机电有源器件120产生的电。
图8B示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。机电有源器件120的顶面可以与超声波换能器100的基板160的顶面齐平或近似齐平。
图8C示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。机电有源器件120的自由端可以在主腔130的上方延伸出来，并且可以具有在主腔130内向下移动的空间。
图9A示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。膜190可以连结于超声波换能器100。例如，膜190可以通过连结结构910连结于机电有源器件120的末端。连结结构910可以将膜190保持在机电有源器件160的顶表面的上方。连结结构910可以例如为可以具有任意适当厚度的环氧树脂的点，并且可以在膜190与机电有源器件120连结在一起时用作膜190与机电有源器件120的末端之间的支架(standoff)。连结结构910还可以为由诸如金属、陶瓷或塑料等任意适当的材料制成的小支架，并且连结结构910可以与机电有源器件120和膜190两者连结。机电有源器件120的末端可以略微偏离膜190的覆盖超声波换能器100的部分的中央。
图9B示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。膜190可以以如下方式连结于超声波换能器100：膜190的覆盖超声波换能器100的部分的边缘位于超声波换能器100的换能器单元195的边缘。膜190可以覆盖主腔130、副腔140和通道150。
图9C示出根据所公开主题的实施方式的超声波换能器的示例性截面图。机电有源器件120的自由端可以在主腔130的上方延伸出来，并且可以具有在主腔130内向下移动的空间，从而将膜190拉入主腔130。
图10示出根据所公开主题的实施方式的示例性机电换能器阵列。机电换能器阵列1000可以包括任意数量的诸如超声波换能器100等的超声波换能器。超声波换能器可以诸如以网格图案等的任意适当的方式配置。沟槽152和142可以与多个超声波换能器交叉。机电换能器阵列1000的超声波换能器可以共用同一基板160，基板160可以为例如FR-4或可以对机电换能器阵列1000提供比FR-4大的刚性的诸如铝等的金属的基板材料的连续件。在一些实施方式中，可以使用基板材料的分离件，例如基板材料的各个件均具有一个超声波换能器或多个超声波换能器，从而形成物理上分离的超声波换能器或超声波换能器的分离的组。分离的超声波换能器或超声波换能器的分离的组可以附接于同一PCB165。
图11示出根据所公开主题的实施方式的示例性机电换能器阵列。膜190可以具有多个诸如膜部1110等的膜部，该膜部可以由形成在膜190与机电换能器阵列1000的基板160连结处的膜边界1120限定。例如，膜边界1120可以由使膜190连结于基板160的环氧树脂的线形成。膜190的诸如膜部1100等的各膜部均可以覆盖机电换能器阵列1000的诸如超声波换能器100等的超声波换能器。膜边界1120可以形成用于每个超声波换能器的诸如换能器单元195等的换能器单元的轮廓。
图12A示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波器件。膜190的膜部1110可以覆盖机电换能器阵列1000的超声波换能器100。通过膜190至基板160的附接，可以为例如由固化了的环氧树脂形成的连结线的膜边界1120可以使膜部彼此机械地隔开。膜部1110可以通过连结结构910保持在机电有源器件120的顶表面的上方。连结结构910可以略微偏离膜部1110的中央地连结于机电有源器件120的末端。
图12B示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波器件。膜190的诸如膜部1110、1215和1290等的膜部可以通过位于膜190与基板160之间的例如位于膜边界1120处的连结物而彼此机械地隔开。例如，当机电有源器件120被启动(activated)并向上弯曲时，可以在连结结构910所在处向上推动膜部1110。因为连结结构910可以略微偏离中央，所以膜部1110可以在其中央处被连结结构910和机电有源器件120的弯曲了的末端向上推动。位于膜边界1120处的连结物可以使膜部1110与相邻的膜部1290机械地隔开，使得膜部1110因机电有源器件120的移动的移动不会导致膜部1290的任何移动或被干扰。类似地，机电有源器件1225可以被启动并向上弯曲，从而向上推动膜部1215。相邻的膜部1290可以通过位于膜190与基板160之间的、位于膜边界1120处的连结物与膜部1215机械地隔开。因而，通过诸如膜部1100、1215和1290等的膜部的独立移动，机电换能器阵列1000的诸如超声波换能器100等的超声波换能器可以独立于相邻的超声波换能器地在超声波频率下产生声波。
图13示出根据所公开主题的实施方式的示例性超声波换能器。超声波换能器100可以添加有刚性块(rigid mass)1300。刚性块1300可以以例如使用任意适当的粘接剂、连结剂或环氧树脂的任意适当的方式连结于超声波换能器100的PCB165的背表面。刚性块1300可以为例如铝、铜、硅/铝合金或硅的片或板，并且可以用于增强超声波换能器100的刚性。这可以减少超声波换能器100在机电有源器件120在超声波频率下振动和使膜190移动时的不期望的振动。可以在基板160为诸如FR-4等的较小刚性材料时将刚性块1300添加至超声波换能器100。还可以在基板160为诸如铝等的较大刚性材料时将刚性块1300添加至超声波换能器100，以进一步增强超声波换能器100的刚性。在一些实施方式中，刚性块1300可以连结于基板160的背表面、而不连结于PCB165，或者可以将另一刚性块连结于基板160的背面。
图14示出根据所公开主题的实施方式的示例性机电换能器阵列。刚性块1300可以连结于机电换能器阵列1000的PCB165的背面。刚性块1300可以减少机电换能器阵列1000的超声波换能器的不期望的振动。在一些实施方式中，刚性块1300可以连结于基板160的背面、而不连结于PCB165，或者可以将另一刚性块连结于基板160的背面。
出于解释的目的，已经参照具体的实施方式对前述说明进行了说明。然而，以上说明性的讨论不意在穷举或将所公开的主题的示例限制于公开的这种形式。鉴于以上教导，能够有很多变型和变化。为了解释所公开的主题的示例的原理及其实际应用，对示例进行了选择和说明，由此使本领域技术人员能够利用这些示例以及可以适用于所设想的特定用途的各种变型的各种示例。
Claims (34)
1.一种超声波换能器，其包括：
基板，其包括主腔、副腔和通道，其中所述主腔具有比所述副腔深的深度，所述副腔具有比所述通道深的深度，第一台阶形成于所述主腔与所述副腔的交叠处，第二台阶形成于所述副腔与所述主腔的交叠处；
机电有源器件，其在所述第一台阶和所述第二台阶处附接于所述基板，使得所述机电有源器件的自由端悬在所述主腔的底部的上方；以及
膜部，其连结于所述基板，使得膜覆盖所述主腔和所述副腔，并且所述膜连结于所述机电有源器件的自由端，使得所述机电有源器件在超声波频率下的振动致使所述膜在超声波频率下振动。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述膜包括与空气匹配的材料阻抗。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述基板还包括形成了用于所述第一台阶的平坦竖板的第一沟槽和形成了用于所述第二台阶的平坦竖板的第二沟槽。
4.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器还包括连结于所述基板的PCB，所述PCB包括至少一层导电层。
5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器还包括布置在所述第一台阶中的第一布线和布置在所述第二台阶中的第二布线，所述第一布线和所述第二布线向下穿过所述基板，以与所述PCB的至少一层导电层连接。
6.根据权利要求5所述的超声波换能器，其特征在于，所述机电有源器件的第一电极连结于所述第一布线，所述机电有源器件的第二电极连结于所述第二布线。
7.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述基板包括硬度比FR-4大的材料。
8.根据权利要求4所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器还包括连结于所述PCB的刚性块。
9.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述机电有源器件包括压电单晶片或压电双晶片。
10.一种机电换能器阵列，其包括：
基板，其包括两个主腔；
两个机电有源器件，其附接于所述基板，使得所述两个机电有源器件中的第一机电有源器件的自由端悬在所述两个主腔中的第一主腔的底部的上方，所述两个机电有源器件中的第二机电有源器件的自由端悬在所述两个主腔中的第二主腔的底部的上方；
膜，其连结于所述基板，使得第一膜部覆盖所述两个主腔中的第一主腔，第二膜部覆盖所述两个主腔中的第二主腔，所述第一膜部连结于所述两个机电有源器件中的第一机电有源器件，所述第二膜部连结于所述两个机电有源器件中的第二机电有源器件。
11.根据权利要求10所述的机电换能器阵列，其特征在于，所述机电换能器阵列还包括连结于所述基板的PCB。
12.根据权利要求11所述的机电换能器阵列，其特征在于，所述机电换能器阵列还包括连结于所述基板或所述PCB的刚性块。
13.根据权利要求10所述的机电换能器阵列，其特征在于，所述基板还包括与所述两个主腔中的第一主腔交叠以形成第一台阶的副腔。
14.根据权利要求10所述的机电换能器阵列，其特征在于，所述基板还包括与所述副腔交叠以形成第二台阶的通道。
15.根据权利要求14所述的机电换能器阵列，其特征在于，所述机电换能器阵列还包括布置在所述第一台阶中的第一布线和布置在所述第二台阶中的第二布线，所述两个机电有源器件中的第一机电有源器件包括连结于所述第一布线的第一电极和连结于所述第二布线的第二电极。
16.根据权利要求10所述的机电换能器阵列，其特征在于，所述第一膜部与所述第二膜部机械地隔开，使得所述第一膜部和所述第二膜部能够独立地移动。
17.一种超声波换能器，其包括：
基板，其包括主腔；
机电有源器件，其附接于所述基板，使得所述机电有源器件的自由端悬在所述主腔的底部的上方；以及
膜部，其连结于所述基板和所述机电有源器件。
18.根据权利要求17所述的超声波换能器，其特征在于，所述机电有源器件包括层叠材料。
19.根据权利要求17所述的超声波换能器，其特征在于，所述机电有源器件包括连结于电有源材料的电无源材料。
20.根据权利要求19所述的超声波换能器，其特征在于，所述电有源材料包括压电陶瓷。
21.根据权利要求20所述的超声波换能器，其特征在于，所述基板还包括与所述主腔至少部分交叠的副腔，所述副腔比所述主腔浅。
22.根据权利要求21所述的超声波换能器，其特征在于，第一台阶形成于所述副腔与所述主腔的交叠处。
23.根据权利要求22所述的超声波换能器，其特征在于，所述基板还包括与所述副腔至少部分交叠的通道，所述通道比所述主腔浅。
24.根据权利要求23所述的超声波换能器，其特征在于，第二台阶形成于所述通道与所述副腔的交叠处。
25.根据权利要求24所述的超声波换能器，其特征在于，所述基板还包括布置在所述第一台阶中的第一布线和布置在所述第二台阶中的第二布线。
26.根据权利要求25所述的超声波换能器，其特征在于，所述机电有源器件还包括第一电极和第二电极。
27.根据权利要求25所述的超声波换能器，其特征在于，所述第一布线和所述第二布线向下穿过所述基板，以与布置在所述基板下方的PCB的至少一层电接触。
28.根据权利要求26所述的超声波换能器，其特征在于，所述机电有源器件在所述第一台阶和所述第二台阶处附接于所述基板，使得所述第一电极与所述第一布线电接触，所述第二电极与所述第二布线电接触。
29.根据权利要求17所述的超声波换能器，其特征在于，所述膜部围绕所述主腔连结于所述基板，使得所述膜覆盖所述主腔。
30.根据权利要求17所述的超声波换能器，其特征在于，所述膜在所述机电有源器件的自由端处连结于所述机电有源器件，使得所述机电有源器件在超声波频率下的振动致使所述膜在超声波频率下振动。
31.根据权利要求24所述的超声波换能器，其特征在于，所述基板还包括第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽形成用于所述第一台阶的平坦竖板，所述第二沟槽形成用于所述第二台阶的平坦竖板。
32.根据权利要求17所述的超声波换能器，其特征在于，所述基板包括铝、铜、硅/铝合金或硅。
33.根据权利要求17所述的超声波换能器，其特征在于，所述超声波换能器还包括连结于所述超声波换能器的刚性块。
34.根据权利要求33所述的超声波换能器，其特征在于，所述刚性块连结于PCB，所述PCB连结于所述基板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180608 |