CN108366774A - 电容式微机械超声换能器（cmut）的偏置及相关装置和方法 - Google Patents

电容式微机械超声换能器（cmut）的偏置及相关装置和方法 Download PDF

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Abstract

描述了对超声器件的超声换能器的电偏置。超声换能器可以是电容式微机械超声换能器(CMUT)。超声换能器可以被分组在一起，其中不同的组接收不同的偏置电压。可以选择用于各组超声换能器的偏置电压以产生各组之间的差异。

Description

电容式微机械超声换能器(CMUT)的偏置及相关装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请是继续申请，根据35 U.S.C.§120要求于2015年12月2日提交的题为“BIASING OF CAPACITIVE MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCERS(CMUTS)AND RELATEDAPPARATUS AND METHODS”的代理人案卷号B1348.70021US00的美国专利申请序列号14/957,098的权益，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本文描述的技术涉及微机械超声换能器(CMUT)以及相关装置和方法。
背景技术
电容式微机械超声换能器(CMUT)是包括在微机械腔上方的膜的已知器件。可以使用膜将声信号转换成电信号，反之亦然。因此，CMUT可以作为超声换能器工作。
发明内容
根据本申请的一方面，提供了一种超声器件，该超声器件包括：衬底；多个超声换能器，所述多个超声换能器与衬底集成并且包括第一组超声换能器和第二组超声换能器；多个可单独电控制的偏置电极，包括与第一组超声换能器相对应的第一偏置电极以及与第二组超声换能器相对应的第二偏置电极。
根据本申请的一方面，提供了一种操作超声器件的方法，该超声器件具有衬底和与衬底集成的多个超声换能器。该方法包括以第一偏置电压对与多个超声换能器中的第一组超声换能器对应的第一偏置电极进行电偏置；以及在对第一偏置电极进行偏置的同时，以不同于第一偏置电压的第二偏置电压对与多个超声换能器中的第二组超声换能器对应的第二偏置电极进行电偏置。
附图说明
将参照以下附图来描述本申请的各个方面和实施方式。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。在多个附图中出现的项在其出现的所有附图中由相同的附图标记来指示。
图1示出了根据非限制性实施方式的包括多个CMUT偏置区域的超声器件的俯视图。
图2是根据非限制性实施方式的CMUT的截面图。
图3是根据非限制性实施方式的共享公共膜的多个图2所示类型的CMUT的截面图。
图4是根据非限制性实施方式的包括具有图1所示类型的多个超声器件的晶圆(wafer)的俯视图。
图5是根据非限制性实施方式的图1所示类型的超声器件连同多个电压源和检测电路的俯视图。
具体实施方式
根据本申请的一方面，实现分段偏置方案以偏置超声器件的超声换能器组。超声器件可以是超声探头，并且可以包括被配置成产生和/或检测超声信号的多个超声换能器。超声换能器可以是CMUT。CMUT的适当操作可以包括例如通过偏置CMUT的膜来电偏置CMUT。不是经由公共电极向所有CMUT提供单个偏置信号，而是可以创建两个或更多个不同的偏置段。因此，不同组的CMUT可以接收不同的偏置信号，从而使得能够进行改进操作。
下面进一步描述上述各方面和实施方式以及另外的方面和实施方式。这些方面和/或实施方式可以单独使用、全部一起使用或者以两种或更多种的任意组合来使用，这是因为本申请在这方面不受限制。
图1是根据本申请的第一方面的超声器件的俯视图，其中包括多个偏置区域。器件100包括具有高度H和宽度W的器件表面102以及八个偏置区域104a至104h。器件表面102可以表示诸如半导体衬底或互补金属氧化物半导体(CMOS)衬底的衬底的表面，并且因此在一些实施方式中可以被称为半导体器件表面。多个CMUT可以被形成在器件100的器件表面102中。为了简化说明，针对偏置区域104b和104c，将多个CMUT 106简单地示出为虚线框，这是因为从图1的俯视图来看多个CMUT 106是不可见的。在一些实施方式中，图1中可见的顶表面可以表示CMUT 106的膜，例如下面描述的图2中的膜204。然而，本申请的各方面在这方面不受限制，并且同样适用于其他配置。应该理解的是，所示的偏置区域104a至104h中的每一个都可以包括一个或更多个CMUT 106，并且在一些实施方式中确实包括一个或更多个CMUT106。偏置区域104a至104h表示可以被独立地电偏置的单独的CMUT组。
图2是根据本申请的各方面的可以实现的CMUT的非限制性示例的截面图。所示的CMUT可以表示图1中的CMUT 106。CMUT 106包括由于支座203而被宽度(或直径)为D的间隙206隔开的衬底202和膜204。间隙206可以是真空腔，然而替选方案也是可以的。直径D可以是数微米、数十微米、数百微米或者任何其他适当的直径。集成电路系统208可以可选地被包括在衬底202中。例如，衬底202可以是半导体衬底如硅衬底，并且集成电路系统208可以是硅电路系统。如关于图5进一步详细描述的，集成电路系统208可以被配置成控制CMUT106的操作和/或检测CMUT 106的响应。
CMUT 106可以可选地包括附加层，例如隔离层、氧化物(例如，硅氧化物)层或其他层。为了简单起见并且由于本文描述的各个方面不限于使用任何特定类型的CMUT，因此未示出这些层。
可以通过向膜204施加电压例如交流(AC)电压或者响应于接收到超声信号来使膜204振动，其中膜204可以由硅或其他适当材料制成。可能需要向膜施加直流(DC)偏置信号。这样的偏置信号可以导致所谓的“弹性软化”，或者更一般地可以用于调节膜的振动能力。因此，施加适当的偏置信号可以改变CMUT对于发送模式操作和接收模式操作二者的灵敏度。如图2所示，偏置电压V可以由电压源210来施加。电压源210可以被两个或更多个CMUT106共享，并且在一些实施方式中可以与器件100集成。图3示出了示例。
在图3中，三个CMUT 106共享电压源210。它们还共享公共衬底202和膜204。因此，可以使用单个电压源210利用公共电压来偏置所示出的所有三个CMUT。应该理解，多于三个CMUT可以共享公共膜，并且同样地，多于三个CMUT可以通过公共电压源偏置。事实上，再次参照图1，偏置区域104a至104h中的每一个都可以表示具有公共膜的一组CMUT。给定偏置区域的CMUT可以通过相同的偏置信号偏置，但是不同的偏置信号可以被用于不同的偏置区域。作为示例，偏置区域104b的CMUT 106可以共享公共膜并且可以通过例如来自诸如电压源210的电压源的相同偏置信号进行偏置。类似地，偏置区域104c的CMUT 106可以共享公共膜并且可以通过相同的偏置信号进行偏置。然而，偏置区域104b和104c可以被独立地进行偏置。
尽管图2和图3示出了直接向CMUT膜施加偏置电压，但应该理解的是，在一些实施方式中，电极可以被布置在膜上。例如，可以在膜204上设置电极，使得偏置区域104a至104h可以对应于被配置成偏置相应组的CMUT的八个不同电极。在这样的情况下，可以通过形成跨器件100的单个毯式电极并且然后将毯式电极蚀刻为对应于偏置区域104a至104h的八个段来制造分离的电极。然而，其他配置和制造技术也是可以的。
尺寸H和W越大，独立偏置超声器件的不同组的CMUT的能力可以更有益。用于制作CMUT的制造工艺可能导致超声器件的CMUT之间的变化。例如，在晶圆上制造许多CMUT通常将涉及诸如沉积、光刻和蚀刻的工艺的使用，这些工艺可能不能被均匀地应用在晶圆上。参照图4，晶圆400可以包括具有图1所示类型的多个超声器件100。在一些实施方式中，每个器件100可以是不同的晶片(die)。应用于晶圆400的典型微制造步骤，例如沉积和蚀刻，与应用于朝向晶圆400边缘的器件100相比，可以不同地应用于晶圆400中心的器件100。如果尺寸H和W足够大，则制造步骤可能会在器件100内不均匀地应用。作为非限制性示例，在一些实施方式中，W可以在20mm与40mm之间，可以大于10mm、大于20mm、在10mm与50mm之间，或者是在这样的范围内的任何值或值的范围。H可以在2mm与10mm之间、3mm与5mm之间、大于2mm，或者是在这样的范围内的任何其他值或值的范围。这些尺寸可以跨越数十个、数百个、数千个或更多个CMUT。标准微制造工艺可能随这些尺寸而变化。因此，CMUT可能被不均匀地制造并且可能表现出不同的固有操作特性。因此，提供被独立偏置的离散CMUT区域的本申请的各方面可以是有利的。
再次参照图1，尽管关于偏置区域104b和104c中的每一个示出了大约20个CMUT，但是在实践中可以存在任意适当的数量，包括比所示出的更多的数量。例如，器件100可以包括以阵列或其他布置跨宽度W和高度H散布的数千个、数十万个或数百万个CMUT。
在一些实施方式中，施加至不同偏置区域104a至104h的偏置电压的差异可以在3％与30％之间、5％与20％之间，或者是在这样的范围内的任何值或值的范围。例如，大约60伏的偏置电压可以被施加至偏置区域104a并且大约80伏的偏置电压可以被施加至偏置区域104d。然而，这些是非限制性示例。在一些实施方式中，偏置区域104a至104h中的两个或更多个可以接收相同的偏置值。在一些实施方式中，所有偏置区域104a至104h可以接收不同的偏置值。施加至给定偏置区域的偏置值可以取决于器件的预期应用以及该偏置区域内的CMUT的确定性能。
因此，本申请的一方面提供了用于确定要施加至超声器件的偏置区域的偏置值的电路系统和方法。参照图5，器件500类似于图1的器件100，但是另外包括多个电压源和多个检测电路。电压源502a耦接至偏置区域104a以经由偏置线504a提供偏置信号。可以施加偏置信号并且可以由检测电路506a检测来自该偏置区域的CMUT的响应。响应可以是电响应。根据检测到的响应，可以确定偏置信号应该被改变以实现期望的CMUT操作。类似地，对于偏置区域104b，可以由电压源502b经由偏置线504b施加偏置信号，并且由检测电路506b检测响应。可以根据需要来调整所施加的偏置信号的值以实现期望的CMUT操作。
尽管图5示出了仅用于偏置区域104a和104b的电压源和检测电路，但应该理解的是，可以向每个偏压区域提供电压源和检测电路。在一些实施方式中，检测电路可以被实现为集成电路系统208。另外，图5的配置的替选配置是可以的。例如，可以利用适当的电路系统(例如，分压器、放大器等)将由电压源提供的电压调整为对于每一个偏置区域特定的值来向所有偏置区域提供单个电压源。更一般地，器件500可以是单衬底器件，其中示出的所有部件被单片集成在同一衬底上。包括多芯片配置的替选配置是可以的。
在一些实施方式中，所描述的检测CMUT性能以及调整所施加的偏置信号的操作可以以有限的次数来执行。例如，根据一个实施方式，在制造之后，对适当偏置电压的确定可以被确定一次。从这个意义上说，对适当偏置电压的确定可以被认为是制造中的校准步骤。在一些实施方式中，可以定期地执行确定以考虑器件老化，例如在超声器件500的设定数量的使用之后。在一些实施方式中，可以在超声器件500的操作期间动态地执行确定。
尽管图1和图5示出了八个偏置区域，然而应该理解的是，可以提供其他数量的偏置区域。例如，在一些实施方式中，可以提供多于两个偏置区域。在一些实施方式中，可以提供两个与十二个之间的偏置区域、在该范围内的任何数量的偏置区域或者更多个偏置区域。提供的偏置区域越多，向特定组的CMUT提供适当定制的偏置信号的能力越大。然而，还可能需要较大数量的偏置线，这会占用空间并增加布线复杂度。因此，可能打破平衡。
另外，尽管图1和图5示出了基本上为矩形的偏置区域，但是本申请不在这方面受限制。偏置区域可以呈现任何适当的形状以及相对于彼此的任何适当的布置。
根据前述内容应当理解的是，本申请的一个方面提供了用于偏置超声器件的CMUT的方法。该方法可以包括以第一偏置电压对与第一组超声换能器相对应的第一偏置电极进行电偏置，以及在对第一偏置电极进行偏置的同时，以不同于第一偏置电压的第二偏置电压对与第二组超声换能器相对应的第二偏置电极进行电偏置。对第一偏置电极进行电偏置可以包括对多个CMUT的公共膜进行电偏置。
可选地，响应于对第一偏置电极进行电偏置，可以检测第一组超声换能器的电响应，并且可以改变偏置信号。第一偏置电压可以比第二偏置电压高出多达大约30％，或者可以与第二偏置电压相差本文前面列出的任何百分比。
至此已经描述了本申请的技术的若干方面和实施方式，应当理解的是，本领域普通技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进意在在本申请中描述的技术的精神和范围内。因此，应当理解的是，前述实施方式仅以示例的方式提出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，发明性的实施方式可以以不同于具体描述的方式实践。此外，本文中描述的两个或更多个特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任意组合(如果这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾的话)包括在本公开内容的范围内。
作为非限制性示例，已经将各种实施方式描述为包括CMUT。在替选实施方式中，可以使用压电式微机械超声换能器(PMUT)来代替CMUT，或者除了CMUT之外还使用压电式微机械超声换能器(PMUT)。
此外，如所描述的，一些方面可以被体现为一个或更多个方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任意适当的方式排序。因此，可以构造其中以不同于所示的顺序的顺序执行动作的实施方式，该实施方式可以包括同时执行即使在说明性实施方式中被示为顺序动作的一些动作。
本文定义和使用的所有定义应理解为涵盖字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的通常含义。
除非有明确的相反指示，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”应被理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当被理解为意指这样结合的元件——即在一些情况下结合地存在并且在其他情况下分离地存在的元件——中的“任一个或两个”。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一系列一个或更多个元件时的短语“至少一个”应当被理解为意指选自一系列元件中的任何一个或更多个元件的至少一个元件，但是不一定包括在一系列元件中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除一系列元件中的元件的任意组合。除了短语“至少一个”所指的一系列元件中具体标识的元件之外，该定义还允许元件可以可选地存在，而不管与具体标识的那些元件相关还是不相关。
在权利要求中以及在上述说明书中，所有过渡短语如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由……组成”等应理解为是开放式的，即，意指包括但不限于。仅过渡短语“由......构成”和“基本上由......构成”应该分别是封闭式或半封闭式过渡短语。

Claims (13)

1.一种超声器件，包括：
衬底；
多个超声换能器，所述多个超声换能器与所述衬底集成并且包括第一组超声换能器和第二组超声换能器；以及
多个可单独电控制的偏置电极，所述多个可单独电控制的偏置电极包括对应于所述第一组超声换能器的第一偏置电极以及对应于所述第二组超声换能器的第二偏置电极。
2.根据权利要求1所述的超声器件，其中，所述第一组超声换能器是电容式微机械超声换能器。
3.根据权利要求2所述的超声器件，其中，所述第一偏置电极是所述电容式微机械超声换能器的公共膜。
4.根据权利要求2所述的超声器件，其中，所述衬底是半导体晶片，并且其中，所述电容式微机械超声换能器与所述半导体晶片进行单片集成。
5.根据权利要求2所述的超声器件，其中，所述衬底具有宽度在约20mm与约40mm之间并且高度在约2mm与约10mm之间的器件表面，并且其中，所述多个可单独电控制的偏置电极包括与所述多个超声换能器的各组相对应的四个与十个之间的偏置电极。
6.根据权利要求2所述的超声器件，还包括多个偏置线，所述多个偏置线与所述多个可单独电控制的多个偏置电极相对应，并且包括耦接至所述第一偏置电极和第一电源的第一偏置线以及耦接至所述第二偏置电极和第二电源的第二偏置线。
7.根据权利要求1所述的超声器件，还包括与所述衬底集成并且被配置成检测所述第一组超声换能器的电响应的检测电路。
8.根据权利要求1所述的超声器件，还包括与所述衬底集成并且被耦接至所述第一组超声换能器和所述第二组超声换能器的集成电路。
9.一种操作超声器件的方法，所述超声器件具有衬底和与所述衬底集成的多个超声换能器，所述方法包括：
以第一偏置电压对与所述多个超声换能器中的第一组超声换能器对应的第一偏置电极进行电偏置；以及
在对所述第一偏置电极进行偏置的同时，以不同于所述第一偏置电压的第二偏置电压对与所述多个超声换能器中的第二组超声换能器对应的第二偏置电极进行电偏置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一组超声换能器是电容式微机械超声换能器，并且其中，对所述第一偏置电极进行电偏置包括对所述电容式微机械超声换能器的公共膜进行电偏置。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：响应于对所述第一偏置电极进行电偏置来检测所述第一组超声换能器的电响应。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一偏置电压比所述第二偏置电压高出多达约30％。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，使用与所述衬底集成的集成电路来执行对所述第一偏置电极的电偏置。
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