CN111479514A - 超声设备和用于制造超声装置的方法 - Google Patents

超声设备和用于制造超声装置的方法 Download PDF

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Abstract

本文中描述的技术的各方面涉及超声装置，该超声装置包括：第一小片，其包括超声换能器；第一专用集成电路(ASIC)，其接合至第一小片并且包括脉冲发生器；以及与第二ASIC通信的第二ASIC，该第二ASIC包括集成数字接收电路系统。在一些实施方式中，第一ASIC可以接合至第二ASIC，并且第二ASIC可以包括模拟处理电路系统和模拟‑数字转换器。在这样的实施方式中，第二ASIC可以包括帮助第一ASIC和第二ASIC之间通信的硅通孔(TSV)。在一些实施方式中，SERDES电路系统帮助第一ASIC和第二ASIC之间的通信，并且第一ASIC包括模拟处理电路系统和模拟‑数字转换器。在一些实施方式中，第一ASIC的技术节点与第二ASIC的技术节点不同。

Description

超声设备和用于制造超声装置的方法
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2017年11月15日提交的代理人案号为B1348.70065US00并且题为“METHODS AND APPARATUS FOR IMPLEMENTING INTEGRATEDTRANSMIT AND RECEIVE CIRCUITRY IN AN ULTRASOUND DEVICE”的美国临时专利申请序列第62/586,716号的权益，该专利申请在此通过引用以其全部内容并入本文中。
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年6月19日提交的代理人案号为B1348.70083US00并且题为“APPARATUSES INCLUDING A CAPACITIVE MICROMACHINEDULTRASONIC TRANSDUCER DIRECTLY COUPLED TO AN ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER”的美国临时专利申请序列第62/687,189号的权益，该专利申请在此通过引用以其全部内容并入本文中。
技术领域
一般地，本文中描述的技术的各方面涉及超声装置。一些方面涉及在超声装置中实现集成的发送电路系统和集成的接收电路系统。
背景技术
超声探头可以用于：使用具有比人类可听见的频率更高的频率的声波来执行诊断成像和/或治疗。超声成像可以用于观察内部软组织身体结构。当超声的脉冲被发送至组织中时，不同幅度的声波可以在不同的组织界面处朝向探头被反射回去。然后，这些被反射的声波可以被记录并且作为图像被显示给操作员。声音信号的强度(幅度)和波穿过人体所花费的时间可以提供用于产生超声图像的信息。可以使用超声装置形成许多不同类型的图像。例如，可以生成如下图像，所述图像示出了组织的二维截面、血流、组织随着时间的运动、血液的位置、特定分子的存在、组织的刚度或三维区域的解剖结构。
发明内容
根据技术的一个方面，提供了一种超声装置，所述超声装置包括：第一小片，其包括超声换能器；第一专用集成电路(ASIC)，其接合至第一小片并且包括脉冲发生器；以及与第一ASIC进行通信的第二ASIC，所述第二ASIC包括集成的数字接收电路系统。还描述了用于实现超声换能器、发送电路系统和接收电路系统的可替选配置。
附图说明
将参照以下示例性和非限制性的附图来描述各个方面和实施方式。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个附图中的项在它们出现的所有附图中由相同或相似的附图标记表示。
图1示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的框图；
图2示出了根据本文中描述的某些实施方式的另一超声装置的框图；
图3示出了根据本文中描述的某些实施方式的另一超声装置的框图；
图4示出了根据本文中描述的某些实施方式的另一超声装置的框图；
图5示出了根据本文中描述的某些实施方式的另一超声装置的框图；
图6示出了根据本文中描述的某些实施方式的另一超声装置的框图；
图7示出了根据本文中描述的某些实施方式的另一超声装置的框图；
图8示出了根据本文中描述的某些实施方式的另一超声装置的框图；
图9示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的范例；
图10至图32示出了在用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的制造序列期间超声装置的示例截面；
图33至图42示出了在根据本文中描述的某些实施方式的图20至图32的制造序列的替选制造序列期间超声装置的示例截面；
图43至图45示出了在根据本文中描述的某些实施方式的替选制造序列期间超声装置的简化截面；
图46示出了根据本文中描述的某些实施方式的被实现为重构晶片的装置的示例；
图47示出了用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例过程；
图48示出了用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例过程；
图49示出了用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例过程；
图50示出了用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例过程；
图51示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例框图；以及
图52示出了电耦接至Δ-Σ(delta-sigma)模拟-数字转换器的超声换能器的图。
具体实施方式
常规的超声系统是大型、复杂且昂贵的系统，所述系统通常仅由具有大量财务资源的大型医疗机构购买。近来，已经引入了成本较低且较不复杂的超声成像装置。这样的成像装置可以包括单片集成至单个半导体小片上以形成单片超声器件的超声换能器。这样的片上超声器件的各方面在于2017年1月25日提交且被公布为美国专利公布第2017/0360397A1号(并且被转让给本申请的受让人)的题为“UNIVERSAL ULTRASOUND DEVICE ANDRELATED APPARATUS AND METHODS”的美国专利申请第15/415,434号中被描述，该美国专利申请在此通过引用以其全部内容并入本文中。
单片超声器件的一些实现可以包括在同一器件(例如，小片)中实现的集成发送电路系统和集成接收电路系统。集成发送电路系统和集成接收电路系统可以是例如互补金属氧化物半导体(CMOS)电路系统。集成发送电路系统可以被配置成驱动超声换能器以将脉冲超声信号发射至主体例如患者中。集成发送电路系统可以包括集成模拟电路系统，例如脉冲发生器。脉冲超声信号可以从身体中的结构例如血细胞或肌肉组织被反向散射，以产生返回至超声换能器的回波。然后，这些回波可以由换能器元件转换成电信号。集成接收电路系统可以被配置成将表示接收到的回波的电信号转换成超声数据，该超声数据可以例如被形成在超声图像中。集成接收电路系统可以包括：诸如模拟处理电路系统的集成模拟电路系统、模拟-数字转换器(ADC)以及诸如图像形成电路系统的集成数字电路系统。
发明人已经认识到，在某些实施方式中，它可能有助于：在接合至包括超声换能器的器件的一个器件(例如，专用集成电路(ASIC))中实现集成发送电路系统的模拟部分(例如，脉冲发生器)以及集成接收电路系统的模拟部分(例如，放大器和ADC)，并且在另一器件(例如，ASIC)中实现集成接收电路系统的数字部分(例如，图像形成电路系统)。这可以允许在与具有集成数字电路系统的器件不同的技术节点中实现具有集成模拟电路系统的器件。在一些实施方式中，任何数字发送电路系统可以分散在器件之间，或者被整体实现在器件中的一个器件或另一个器件上。如以下将描述的，集成模拟电路系统可以受益于在比集成数字电路系统更不先进(更大)的技术节点中的实现，并且集成数字电路系统可以受益于在比集成模拟电路系统更先进(更小)的技术节点中的实现。
为了驱动超声换能器，发明人已经认识到脉冲发生器可以受益于在高电压下操作，所述高电压大约等于或大于10V，例如10V、20V、30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V、100V、200V或者>200V，或者在10V和300V之间的任何值。由集成发送电路系统输出至超声换能器的电信号的越来越高的电压水平可以对应于由超声换能器输出的声音信号的更高的压力水平。由于随着声音信号传播至患者体内更深处，声音信号的压力水平衰减，因此高的压力水平可能有助于将声音信号发射至患者体内。对于某些类型的超声成像例如组织谐波成像，高的压力水平也可能是必需的。能够在可接受的高电压水平下操作的电路器件可以仅在诸如65nm、80nm、90nm、110nm、130nm、150nm、180nm、220nm、240nm、250nm、280nm、350nm、500nm、>500nm等足够大的技术节点中可用。
此外，当放大器和ADC与脉冲发生器在同一器件中时，放大器和ADC可以通过两个器件之间的接合从超声换能器接收弱的信号，对所述信号进行放大，并且对所述信号进行数字化。因此，具有集成模拟电路系统的器件与具有集成数字电路系统的器件之间的紧密耦接(例如，低电阻路径)可能不是必需的，原因是由集成模拟电路系统中的模拟-数字转换器输出至具有集成数字电路系统的器件的数字化的信号可能对衰减和噪声是能复原的。在一些实施方式中，高速通信链路例如串行解串器(SERDES)链路可以便利具有集成模拟电路系统的器件与具有集成数字电路系统的器件之间的通信。
它可能有助于可以执行数字处理操作的集成数字电路系统，以在大约等于或低于例如1.8V——例如，1.8V、1.5V、1V、0.95V、0.9V、0.85V、0.8V、0.75V、0.7V、0.65V、0.6V、0.55V、0.5V和0.45V——的低电压下操作。集成数字电路系统可以被密集地集成以增加其并行计算能力，并且可以消耗超声装置的功率的大部分(例如，一半)。将集成接收电路系统的操作电压按比例缩小因子N(其中，N>1)可以将功率消耗降低因子Nx(其中，x≥1)，例如N2。在一些实施方式中，能够在可接受的低电压水平下操作的电路器件可能仅在诸如90nm、80nm、65nm、55nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm、5nm、3nm等的技术节点中可用。此外，发明人已经认识到，它可能有益于集成数字电路系统包括例如由诸如90nm、80nm、65nm、55nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm、5nm、3nm等的技术节点提供的尺寸的较小器件，以增加可以被包括在给定尺寸的小片中的器件的数目，从而增加集成数字电路系统的处理(例如，数据转换和图像形成)能力。
发明人还已经认识到，在某些实施方式中，它可能有助于：在接合至包括超声换能器的器件的一个器件中实现集成发送电路系统(例如，脉冲发生器)，并且在另一器件中实现集成接收电路系统(例如，放大器、ADC和图像形成电路系统)。这可以允许在与具有集成接收电路系统的器件不同的技术节点中实现具有集成发送电路系统的器件。集成发送电路系统可以受益于在比集成接收电路系统更先进(更小)的技术节点中的实现，并且集成接收电路系统可以受益于在比集成发送电路系统更不先进(更大)的技术节点中的实现。
对于上述的考虑，集成发送电路系统(例如，脉冲发生器)可以受益于可能仅在诸如65nm、80nm、90nm、110nm、130nm、150nm、180nm、220nm、240nm、250nm、280nm、350nm、500nm、>500nm等的技术节点中可用的高电压下操作。针对上述功率和密度考虑，集成接收电路系统(例如，放大器、ADC和图像形成电路系统)可以受益于在诸如90nm、80nm、65nm、55nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm、5nm、3nm等的技术节点中的实现，这些技术节点提供了能够在可接受的低电压水平下操作的小的电路器件。该实施方式和上述实施方式(在上述实施方式中，诸如放大器、ADC和脉冲发生器的集成模拟电路系统在具有更不先进(更大)的技术节点的一个器件中，而集成数字电路系统在具有更先进(更小)的技术节点的另一器件中)之间的差异可能在于：在该实施方式中，模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)可以被实现在更先进的技术节点中。因为放大器和ADC可以消耗大量的功率，所以在更先进的技术节点中实现这些电路可以进一步减少由超声装置消耗的功率。
因此，在该实施方式中，超声装置可以包括三个器件(例如，晶片或小片)的堆叠：第一器件，其包括超声换能器；接下来是第二器件，其包括集成发送电路系统；接下来是第三器件，其包括集成接收电路系统，每个器件接合至相邻的(一个或多个)器件。
发明人还已经认识到，在上述堆叠中，可能需要使表示从第一器件接收到的超声回波的相对弱的模拟电信号(例如，以毫伏或微伏为量级)传输通过第一器件下方的第二器件并且到达第三器件以用于由集成接收电路系统进行处理(例如，放大和数字化)，其中第一器件接收超声回波。发明人已经认识到，在第二器件中实现的硅通孔(TSV)可以使弱的电信号能够以可接受的低衰减穿过第二器件。发明人还已经认识到，这可能有助于使第二器件变薄，以减小TSV的高度，例如以减小TSV的电容。
在某些实施方式中，以上实施方式的混合可以包括三小片堆叠，在该三小片堆叠中，SERDES通信链路便利从第二器件通过TSV至第三器件的高速通信。
如本文在说明书和权利要求书中所提及的，包括特定类型的电路系统的器件应当被理解成意味着：该器件仅包括该特定类型的电路系统或者该器件包括该特定类型的电路系统和另一类型/其他类型的电路系统。例如，如果超声装置包括第二器件和第三器件，其中，第二器件包括“集成发送电路系统”或“该集成发送电路系统”，并且第三器件包括“集成接收电路系统”或“该集成接收电路系统”，这可能意味着：第二器件包括超声装置中的所有集成发送电路系统，第二器件包括超声装置中的集成发送电路系统的一部分，第三器件包括超声装置中的所有集成接收电路系统以及/或者第三器件包括超声装置中的集成接收电路系统的一部分。此外，第二器件可以仅包括集成发送电路系统或其他类型的电路系统。例如，第二器件可以包括集成发送电路系统和集成接收电路系统二者。此外，第三器件可以仅包括集成接收电路系统或其他类型的电路系统。例如，第三器件可以包括集成接收电路系统和集成发送电路系统二者。
应当理解，本文中描述的实施方式可以以许多方式中的任何方式来实现。以下仅出于说明性目的提供了特定实现的示例。应当理解，所提供的这些实施方式和特征/能力可以单独地被使用、全部一起被使用或者以两个或更多个的任意组合被使用，原因是本文中描述的技术的各方面在这点上不受限制。
图1示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置100的框图。超声装置包括第一器件102、第二器件104、第三器件106和通信链路108。第一器件102和第二器件104可以是例如小片。第二器件104可以是专用集成电路(ASIC)。每个器件可以包括多个材料(例如，硅、氧化物、金属等)层。第一器件102和第二器件104接合在一起。第一器件102的底表面接合至第二器件104的顶表面。第一器件102和第二器件104之间的接合可以包括例如热压缩(在本文中也被称为“热压”)、共晶接合、硅化物接合(该硅化物接合是通过在足够的压力和温度下使一个基板的硅与第二基板上的金属接触以形成金属硅化物、创建机械接合和电气接合而形成的接合)或焊接接合。第一器件102和第二器件104可以已经接合在一起作为包括随后被切块的多个小片的晶片。第三器件106可以是例如小片(例如，专用集成电路(ASIC))或另一类型的电子器件(例如，微处理器或者现场可编程门阵列(FPGA))。
超声装置100可以被配置成：驱动超声换能器以将脉冲超声信号发射至主体例如患者体内。脉冲超声信号可以从身体中的结构例如血细胞或者肌肉组织被反向散射，以产生返回至超声换能器的回波。然后，这些回波可以由换能器元件转换成电信号。然后，表示接收到的回波的电信号被转换成超声数据。
第一器件102包括超声换能器。示例超声换能器包括电容式微机械超声换能器(CMUT)、CMOS超声换能器(CUT)和压电式微机械超声换能器(PMUT)。例如，CMUT和CUT可以包括形成在基板中的腔，其中一个膜/多个膜覆盖在腔上。超声换能器可以以阵列(例如，一维或二维)被布置。第二器件104包括集成模拟电路系统，该集成模拟电路系统可以包括集成模拟发送电路系统和集成模拟接收电路系统。集成模拟发送电路系统可以包括一个或更多个脉冲发生器，所述一个或更多个脉冲发生器被配置成：从一个或更多个波形发生器接收波形并且将与所述波形相对应的驱动信号输出至超声换能器。集成模拟接收电路系统可以包括一个或更多个模拟放大器、一个或更多个模拟滤波器、模拟波束形成电路系统、模拟去调频电路系统、模拟正交解调(AQDM)电路系统、模拟时间延迟电路系统、模拟移相器电路系统、模拟求和电路系统、模拟时间增益补偿电路系统、模拟平均电路系统以及/或者一个或更多个模拟-数字转换器。第三器件106包括集成数字接收电路系统，该集成数字接收电路系统可以包括例如一个或更多个数字滤波器、数字波束形成电路系统、数字正交解调(DQDM)电路系统、平均电路系统、数字去调频电路系统、数字时间延迟电路系统、数字移相器电路系统、数字求和电路系统、数字乘法电路系统、再量化电路系统、波形去除电路系统、图像形成电路系统、后端处理电路系统以及/或者一个或更多个输出缓冲器。
第二器件104可以在与第三器件106的技术节点不同的技术节点中被实现，并且第三器件106的技术节点可以是比实现了第二器件104的技术节点具有更小特征尺寸的更先进的技术节点。例如，第二器件104的技术节点可以是如下技术节点，所述技术节点提供能够在大约80V至200V的范围内例如80V、90V、100V、200V、或>200V的电压下操作的电路器件(例如，晶体管)。在一些实施方式中，第二器件104的技术节点可以是如下技术节点，所述技术节点提供能够在其他电压例如在大约5V至30V的范围内的电压或在大约30V至80V的范围内的电压下操作的电路器件(例如，晶体管)。通过在这样的电压下操作，第二器件104中的电路系统可能能够驱动第一器件102中的超声换能器，以发射具有可接受的高压力的声波。第二器件104的技术节点可以是例如65nm、80nm、90nm、110nm、130nm、150nm、180nm、220nm、240nm、250nm、280nm、350nm、500nm、>500nm或者任何其他合适的技术节点。
例如，第三器件106的技术节点可以是如下技术节点，所述技术节点提供能够在大约0.45V至0.9V的范围内例如0.9V、0.85V、0.8V、0.75V、0.7V、0.65V、0.6V、0.6V、0.55V、0.5V和0.45V的电压下操作的电路器件(例如，晶体管)。在一些实施方式中，第三器件106的技术节点可以是如下技术节点，所述技术节点提供能够在大约1V至1.8V或大约2.5V至3.3V的范围内的电压下操作的电路器件。通过在这样的电压下操作，第三器件106中的电路系统的功率消耗可以被减少至可接受的水平。另外地，由技术节点提供的器件的特征尺寸可以使实现第三器件106中的电路系统的可接受的高程度的集成密度。第三器件106的技术节点可以是例如90nm、80nm、65nm、55nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm、5nm、3nm等。
通信链路108可以便利第二器件104和第三器件106之间的通信。例如，第二器件104可以通过通信链路108将数据卸载至第三器件106。为了以高数据速率卸载数据，通信链路108可以包括一个或更多个串行解串器(SERDES)链路。SERDES链路可以包括第二器件104中的SERDES发送电路系统、第三器件106中的SERDES接收电路系统以及SERDES发送电路系统和SERDES接收电路系统之间的电气链路迹线。在一些实施方式中，超声装置100可以包括第一器件102、第二器件104和第三器件106耦接至的PCB。例如，第一器件102和第二器件104的接合堆叠可以在一个位置处耦接至PCB，第三器件106可以在另一位置处耦接至PCB，实现通信链路108的部分的迹线可以在两个位置之间延伸。特别地，当SERDES链路被使用时，通信链路108可以包括将第二器件104中的SERDES发送电路系统电连接至第三器件106中的SERDES接收电路系统的PCB上的迹线。在一些实施方式中，通信链路108(例如，SERDES链路)可能能够以大约2吉比特/秒至5吉比特/秒的速率发送数据。在一些实施方式中，可以存在多于一个并行操作的通信链路108。在一些实施方式中，可以存在大约等于或者在1至100个之间的并行SERDES通信链路108。在一些实施方式中，可以存在大约等于或者在1至10,000个之间的并行SERDES通信链路108。所有并行通信链路的数据卸载速率可以使超声装置100在声学上受限制，这意味着在超声数据的帧的收集之间插入不期望的时间以从超声装置100卸载数据可能不是必需的。数据卸载速率可以帮助高脉冲重复间隔(例如，大于或等于大约10kHz)。
图2示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置200的示例框图。超声装置200包括第一器件202、第二器件204和第三器件206。如更详细地示出的，超声装置200、第一器件202、第二器件204和第三器件206可以分别是超声装置100、第一器件102、第二器件104和第三器件106的示例。超声装置200包括多个元件458(其也可以被认为是像素)。尽管在图2中仅示出了四个元件458，然而应当理解，可以包括另外许多元件458，例如数百、数千或数万个元件。元件458中的每一个包括超声换能器260、脉冲发生器264、接收开关262、模拟处理电路系统210块以及模拟-数字转换器(ADC)212。第一器件202包括超声换能器260。第二器件204包括脉冲发生器264、接收开关262、模拟处理电路系统210、ADC 212以及SERDES发送电路系统252。第三器件206包括SERDES接收电路系统254和数字处理电路系统276。接合点216使第一器件202中的超声换能器260电连接至第二器件204中的脉冲发生器264和接收开关262。通信链路250使第二器件204中的SERDES发送电路系统252电连接至第三器件206中的SERDES接收电路系统254。
脉冲发生器264可以被配置成：通过接合点216将驱动信号输出至超声换能器260。脉冲发生器264可以从波形发生器(未示出)接收波形，并且脉冲发生器264可以被配置成输出与接收到的波形相对应的驱动信号。当脉冲发生器264正在驱动超声换能器260(“发送阶段”)时，接收开关262可以被打开，从而使得驱动信号不被施加至接收电路系统(例如，模拟处理电路系统210)。
超声换能器260可以被配置成：响应于从脉冲发生器264接收到的驱动信号，将脉冲超声信号发射至主体例如患者体内。脉冲超声信号可以从身体中的结构例如血细胞或者肌肉组织被反向散射，以产生返回至超声换能器260的回波。超声换能器260可以被配置成将这些回波转换成电信号。当超声换能器260正在接收回波(“接收阶段”)时，接收开关262可以被关闭，从而使得超声换能器260可以通过接合点216和接收开关262将表示接收到的回波的电信号发送至模拟处理电路系统210。
模拟处理电路系统210可以包括例如一个或更多个模拟放大器、一个或更多个模拟滤波器、模拟波束形成电路系统、模拟去调频电路系统、模拟正交解调(AQDM)电路系统、模拟时间延迟电路系统、模拟移相器电路系统、模拟求和电路系统、模拟时间增益补偿电路系统和/或模拟平均电路系统。模拟处理电路系统210的模拟输出被输出至ADC 212，以用于转换为数字信号。ADC 212的数字输出被输出至SERDES发送电路系统252。
SERDES发送电路系统252可以被配置成：将ADC 212的并行数字输出转换为串行数字流，并且通过通信链路250以高速(例如，2吉比特/秒至5吉比特/秒)输出串行数字流。如上所述，第一器件202和第二器件204的接合堆叠可以在一个位置处耦接至PCB，并且第三器件206可以在另一位置处耦接至PCB。通信链路250可以例如是将第二器件204中的SERDES发送电路系统252电连接至第三器件206中的SERDES接收电路系统254的PCB上的迹线。SERDES接收电路系统254可以被配置成：将从通信链路250接收到的串行数字流转换为并行数字输出，并且将该并行数字输出输出至数字处理电路系统276。SERDES发送电路系统252、SERDES接收电路系统254以及通信链路250可以是通信链路108的示例。
在超声装置200中，SERDES发送电路系统252的一个块接收来自多个ADC 212的数据，并且通过通信链路250电耦接至与数字处理电路系统276耦接的SERDES接收电路系统254的一个块。可以存在SERDES发送电路系统252、通信链路250和SERDES接收电路系统254的多个实例，每个都接收来自多个ADC 212的数据。在一些实施方式中，每个ADC212和/或每个超声换能器260或者更一般地每个元件458都可以存在SERDES发送电路系统252、通信链路250和SERDES接收电路系统254的一个实例。
在一些实施方式中，SERDES接收电路系统254可以包括均步接收器。在一些实施方式中，SERDES接收电路系统254可以包括数字锁相环(PLL)、数字时钟和数据恢复电路以及均衡器。在一些实施方式中，SERDES接收电路系统254的PLL可以使用快速开/关技术，当超声装置不生成数据时，所述快速开/关技术允许PLL掉电且节省电力，而当超声装置再次开始生成数据时，所述快速开/关技术允许PPL加电以在可接受的快速时间段内完全操作。对于快速开/关技术的进一步描述，请参见以下文献：Wei，Da等，“A 10-Gb/s/ch,0.6-pJ/bit/mm Power Scalable Rapid-ON/OFF Transceiver for On-Chip Energy ProportionalInterconnects”，IEEE固态电路期刊(IEEE Journal of Solid-State Circuits)53.3(2018)：873-883。在一些实施方式中，在先进的技术节点(例如，90nm、80nm、65nm、55nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm、5nm、3nm等)中实现第三器件可以帮助SERDES接收电路系统254在高数据速率(例如，2吉比特/秒至5吉比特/秒)下操作。
数字处理电路系统276可以包括例如一个或更多个数字滤波器、数字波束形成电路系统、数字正交解调(DQDM)电路系统、平均电路系统、数字去调频电路系统、数字时间延迟电路系统、数字移相器电路系统、数字求和电路系统、数字乘法电路系统、再量化电路系统、波形去除电路系统、图像形成电路系统、后端处理电路系统以及/或者一个或更多个输出缓冲器。数字处理电路系统276中的图像形成电路系统可以被配置成：执行变迹、反向投影和/或快速分层反向投影、插值范围偏移(例如，Stolt插值)或其他傅里叶重采样技术、动态聚焦技术、延迟与求和技术、层析重建技术、多普勒计算、频率和空间复合以及/或者低通滤波和高通滤波等。
第二器件204另外包括电力电路系统248、通信电路系统222、时钟电路系统224、控制电路系统226和排序电路系统228。第二器件204中的通信电路系统222可以被配置成：在通信链路270(或多于一个通信链路270)上提供第二器件204和第三器件206之间的通信。通信链路270可以例如是将第二器件204电连接至第三器件206的PCB上的一个或更多个迹线。通信电路系统222可以帮助信号从第二器件204上的任意电路系统至第三器件206的通信以及/或者帮助信号从第三器件206上的任意电路系统至第二器件204的通信(除了由SERDES发送电路系统252、通信链路250和SERDES接收电路系统254帮助的通信之外)。
第二器件204中的时钟电路系统224可以被配置成：生成在第二器件204和/或第三器件206中使用的时钟中的一些或全部。在一些实施方式中，时钟电路系统224可以接收来自外部源的高速时钟(例如，1.5625GHz或2.5GHz时钟)，时钟电路系统224可以将该高速时钟馈送至超声装置200的各种电路部件。在一些实施方式中，时钟电路系统224可以对接收到的高速时钟进行分频和/或相乘以产生不同频率(例如，20MHz、40MHz、100MHz或200MHz)的时钟，时钟电路系统224可以将所述不同频率的时钟馈送至超声装置200的各种部件。在一些实施方式中，时钟电路系统224可以分开接收不同频率例如上述频率的两个或更多个时钟。
第二器件204中的控制电路系统226可以被配置成控制第二器件204中的各种电路部件。例如，控制电路系统226可以控制和/或参数化脉冲发生器264、接收开关262、模拟处理电路系统210、ADC 212、SERDES发送电路系统252、电力电路系统248、通信电路系统222、时钟电路系统224、排序电路系统228、数字波形发生器、延迟网格和/或时间增益补偿电路系统(其中后三个在图2中未示出)。控制电路系统226也可以被配置成控制第三器件206上的任意电路系统。
第二器件204中的排序电路系统228可以被配置成：协调第二器件204上的可以或可以不数字地被参数化的各种电路部件。在一些实施方式中，排序电路系统228可以控制第二器件204和/或第三器件206中的参数改变的定时和排序，控制发送和接收事件的触发，以及控制数据流(例如，从第二器件204至第三器件206)。在一些实施方式中，排序电路系统228可以控制可以特定于所选择的成像模式、预设和用户设置的成像序列的执行。在一些实施方式中，第二器件204中的排序电路系统228可以被配置为触发在第三器件206中的排序电路系统236上的事件的主定序器，第三器件206中的排序电路系统236被配置为从定序器并且已经数字地被参数化。在一些实施方式中，第三器件206中的排序电路系统236被配置为触发在第二器件204中的排序电路系统228上的事件的主定序器，第二器件204中的排序电路系统228被配置为从定序器并且已经数字地被参数化。在一些实施方式中，第二器件204中的排序电路系统228被配置成：控制在第二器件204和第三器件206二者上的参数化的电路部件。在一些实施方式中，第二器件204中的排序电路系统228和第三器件206中的排序电路系统236可以通过使用从相同源得到(例如，由时钟电路系统提供)的时钟来同步地操作。
第二器件204中的电力电路系统248可以包括低压差稳压器、开关电源和/或DC-DC转换器，以供给第一器件202、第二器件204和/或第三器件206。在一些实施方式中，电力电路系统248可以包括多级脉冲发生器和/或电荷再循环电路系统。对多级脉冲发生器和电荷再循环电路系统的进一步描述，请参见于2016年11月15日授权的题为“MULTI-LEVELPULSER AND RELATED APPARATUS AND METHODS”的美国专利第9,492,144号以及作为美国专利第10,082,565号被发布的题为“MULTILEVEL BIPOLAR PULSER”的美国专利申请第15/087,914号，这两个美国专利中的每一个都被转让给本申请的受让人，这两个美国专利中的每一个都在此通过引用以其全部内容并入本文中。
第三器件206另外包括通信电路系统230、时钟电路系统232、控制电路系统234、排序电路系统236、外设管理电路系统238、存储器240、电力电路系统272、处理电路系统256和监测电路系统274。第三器件206中的通信电路系统230可以被配置成：通过通信链路270(或多于一个通信链路270)提供第三器件206和第二器件204之间的通信。通信电路系统230可以帮助信号从第三器件206上的任意电路系统至第二器件204的通信以及/或者信号从第二器件204上的任意电路系统至第三器件206的通信。
第三器件206中的时钟电路系统232可以被配置成：生成在第三器件206和/或第二器件204中使用的时钟中的一些或全部。在一些实施方式中，时钟电路系统232可以接收高速时钟(例如，1.5625GHz或2.5GHz的时钟)，时钟电路系统232可以将该高速时钟馈送至超声装置200的各种电路部件。在一些实施方式中，时钟电路系统232可以对接收到的高速时钟进行分频和/或相乘以产生不同频率(例如，20MHz、40MHz、100MHz或200MHz)的时钟，时钟电路系统232可以将所述不同频率的时钟馈送至各种部件。在一些实施方式中，时钟电路系统232可以分开接收不同频率例如上述频率的两个或更多个时钟。
第三器件206中的控制电路系统234可以被配置成控制第三器件206中的各种电路部件。例如，控制电路系统234可以控制和/或参数化SERDES接收电路系统254、数字处理电路系统276、通信电路系统230、时钟电路系统232、排序电路系统236、外设管理电路系统238、存储器240、电力电路系统272和处理电路系统256。控制电路系统234也可以被配置成控制第二器件204上的任意电路系统。
第三器件206中的排序电路系统236可以被配置成：协调第三器件206上的可以或可以不数字地被参数化的各种电路部件。在一些实施方式中，第三器件206中的排序电路系统236被配置为触发在第二器件204中的排序电路系统228上的事件的主定序器，第二器件204中的排序电路系统228已经数字地被参数化。在一些实施方式中，第二器件204中的排序电路系统228被配置为触发在第二器件204中的排序电路系统236上的事件的主定序器，第二器件204中的排序电路系统236被配置为从定序器并且已经数字地被参数化。在一些实施方式中，第三器件206中的排序电路系统236被配置成：控制在第二器件204和第三器件206二者上的参数化的电路部件。在一些实施方式中，第三器件206中的排序电路系统236和第二器件204中的排序电路系统228可以通过使用从相同源得到(例如，由时钟电路系统提供)的时钟来同步地操作。
外设管理电路系统238可以被配置成生成高速串行输出数据流。例如，外设管理电路系统238可以是通用串行总线(USB)2.0、3.0或3.1模块。外设管理电路系统238可以另外地或可替选地被配置成：允许外部微处理器通过USB连接来控制超声装置200的各种电路部件。作为另一示例，外设管理电路系统238可以包括WiFi模块或者用于控制另一类型的外设的模块。在一些实施方式中，该高速串行输出数据流可以被输出至外部装置。
存储器240可以被配置成：缓冲和/或存储数字化的图像数据(例如，由数字处理电路系统276中的图像形成电路系统和/或其他电路系统产生的图像数据)。例如，存储器240可以被配置成：在不存在与存储图像数据的远程服务器的无线连接的情况下，使得超声装置200能够检索图像数据。此外，例如，当与远程服务器的无线连接可用时，存储器240也可以被配置成：提供对无线连接条件例如有损信道、间歇连接和较低数据速率的支持。除了存储数字化的图像数据之外，存储器240还可以被配置成：存储用于同步和协调超声装置200中的元件的操作的定时和控制参数。
电力电路系统272可以包括用于向第三器件206提供电力的电源放大器。
可以呈一个或更多个嵌入式处理器的形式的处理电路系统256可以被配置成执行处理功能。在一些实施方式中，处理电路系统256可以被配置成：针对第二器件204或针对第三器件206，执行排序功能。例如，处理电路系统256可以控制第二器件204和/或第三器件206中的参数改变的定时和排序，控制发送和接收事件的触发以及/或者控制数据流(例如，从第二器件204至第三器件206)。在一些实施方式中，处理电路系统256可以控制可以特定于所选择的成像模式、预设和用户设置的成像序列的执行。在一些实施方式中，处理电路系统256可以执行外部系统控制，例如，控制外设管理电路系统238、处理电路系统256、控制电力排序(例如，用于电力电路系统248和/或电力电路系统272)以及与监测电路系统274接口。在一些实施方式中，处理电路系统256可以执行内部系统控制，例如，配置芯片中的数据流(例如，从第二器件204至第三器件206)、计算或控制处理和图像形成参数的计算(例如，用于图像形成电路系统)、控制片上时钟(例如，用于时钟电路系统224和/或时钟电路系统232)以及/或者控制电力(例如，用于电力电路系统248和/或电力电路系统272)。处理电路系统256可以被配置成执行如由超声装置200的其他部件执行的上述功能，并且在一些实施方式中，如果它们的功能由处理电路系统256执行，则本文中描述的某些部件可以不存在。
监测电路系统274可以包括但不限于：温度监测电路系统(例如，热敏电阻)、电力测量电路系统(例如，电压和电流传感器)、九轴运动电路系统(例如，陀螺仪、加速度计、罗盘)、电池监测电路系统(例如，库仑计数器)以及/或者检查其他板上电路的状态或者异常情况的电路系统(例如，功率控制器、保护电路系统等)。
应当理解，可以存在图2中示出的每个部件的另外许多实例。例如，可以存在数百、数千或数万个超声换能器260、脉冲发生器264、接收开关262、模拟处理电路系统210块、SERDES发送电路系统252块、SERDES接收电路系统254块和/或数字处理电路系统276块。另外地，应当理解，图2中示出的某些部件可以从比所示出的部件更多的部件接收信号或者将信号发送至比所示出的部件更多的部件(例如，以多路复用的方式或在平均之后)。例如，给定的脉冲发生器264可以将信号输出至一个或更多个超声换能器260，给定的接收开关262可以从一个或更多个超声换能器260接收信号，给定的模拟处理电路系统210块可以从一个或更多个接收开关262接收信号，给定的ADC 212可以从模拟处理电路系统210中的一个或更多个块接收信号，给定的SERDES发送电路系统252块可以从一个或更多个ADC 212接收信号。在一些实施方式中，给定的超声元件可以具有超声换能器260和专用的脉冲发生器264、接收开关262、模拟处理电路系统210块、ADC 212和/或SERDES发送电路系统252块。还应当理解，超声装置的某些实施方式可以具有比图2中示出的部件更多或更少的部件。
对于超声装置200的电路部件的进一步描述，请参见于2016年12月20日授权(并且转让给本申请的受让人)的题为“MONOLITHIC ULTRASONIC IMAGING DEVICES,SYSTEMS,ANDMETHODS”的美国专利第9,521,991号，该美国专利在此通过引用以其全部内容并入本文中。
图3示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置300的框图。超声装置包括第一器件302、第二器件304和第三器件306。第一器件302、第二器件304和第三器件306可以是例如小片(例如，专用集成电路(ASIC))或者被切块的晶片，并且每个器件可以包括多个材料(例如，硅、氧化物、金属等)层。第一器件302的底表面接合至第二器件304的顶表面。第二器件304的底表面接合至第三器件306的顶表面。第一器件302与第二装置第二器件304之间的接合以及第二器件304与第三器件306之间的接合可以包括例如热压缩(本文中也被称为“热压”)、共晶接合、硅化物接合(该硅化物接合是通过在足够的压力和温度下使一个基板的硅与第二基板上的金属接触以形成金属硅化物、创建机械接合和电气接合而形成的接合)或者焊接接合。
超声装置300被配置成：驱动超声换能器以将脉冲超声信号发射至主体例如患者体内。脉冲超声信号可以从身体中的结构例如血细胞或肌肉组织被反向散射，以产生返回至超声换能器的回波。然后，这些回波可以由换能器元件转换成电信号。然后，表示接收到的回波的电气信号被转换成超声数据。
第一器件302包括超声换能器。示例超声换能器包括电容式微机械超声换能器(CMUT)、CMOS超声换能器(CUT)和压电式微机械超声换能器(PMUT)。例如，CMUT和CUT可以包括形成在基板中的腔，其中一个膜/多个膜覆盖在腔上。超声换能器可以以阵列(例如，一维或二维)被布置。第二器件304包括集成发送电路系统，该集成发送电路系统可以包括一个或更多个脉冲发生器，所述一个或更多个脉冲发生器被配置成：从一个或更多个波形发生器接收波形并且将与波形相对应的驱动信号输出至超声换能器。第三器件包括集成接收电路系统，该集成接收电路系统可以包括一个或更多个模拟放大器、一个或更多个模拟滤波器、模拟波束形成电路系统、模拟去调频电路系统、模拟正交解调(AQDM)电路系统、模拟时间延迟电路系统、模拟移相器电路系统、模拟求和电路系统、模拟时间增益补偿电路系统、模拟平均电路系统、模拟-数字转换器、数字滤波器、数字波束形成电路系统、数字正交解调(DQDM)电路系统、平均电路系统、数字去调频电路系统、数字时间延迟电路系统、数字移相器电路系统、数字求和电路系统、数字乘法电路系统、再量化电路系统、波形去除电路系统、图像形成电路系统、后端处理电路系统以及/或者一个或更多个输出缓冲器。
第二器件304可以在与第三器件306不同的技术节点中被实现，并且第三器件306的技术节点可以是比实现了第二器件304的技术节点具有更小特征尺寸的更先进的(更小的)技术节点。例如，第二器件304的技术节点可以是如下技术节点，所述技术节点提供能够在大约80V至200V的范围内例如80V、90V、100V、200V或>200V的电压下操作的电路器件(例如，晶体管)。在一些实施方式中，第二器件304的技术节点可以是如下技术节点，所述技术节点提供能够在其他电压例如大约5V至30V的范围内的电压或大约30V至80V的范围内的电压下操作的电路器件(例如，晶体管)。通过在这样的电压下操作，第二器件304中的电路系统可能能够驱动第一器件302中的超声换能器，以发射具有可接受的高压力的声波。第二器件304的技术节点可以是例如65nm、80nm、90nm、110nm、130nm、150nm、180nm、220nm、240nm、250nm、280nm、350nm、500nm、>500nm或者任何其他合适的技术节点。
例如，第三器件306的技术节点可以是如下技术节点，所述技术节点提供能够在大约0.45V至0.9V的范围内例如0.9V、0.85V、0.8V、0.75V、0.7V、0.65V、0.6V、0.6V、0.55V、0.5V和0.45V的电压下操作的电路器件(例如，晶体管)。在一些实施方式中，第三器件306的技术节点可以是如下技术节点，所述技术节点提供能够在大约1V至1.8V或大约2.5V至3.3V的范围内的电压下操作的电路器件。通过在这样的电压下操作，可以将第三器件306中的电路系统的功率消耗减少至可接受的水平。与超声装置100相比，在第三器件306而不是第二器件304中包括集成模拟接收电路系统可以进一步减少功率消耗。另外，由技术节点提供的器件的特征尺寸可以使实现第三器件306中的电路系统的可接受的高程度的集成密度。第三器件306的技术节点可以例如是90nm、80nm、65nm、55nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm、5nm、3nm等。
图4示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置400的示例框图。超声装置400包括第一器件402、第二器件404和第三器件406。如更详细地示出的，超声装置400、第一器件402、第二器件404和第三器件406可以分别是超声装置300、第一器件302、第二器件304和第三器件306的示例。超声装置400包括多个元件458(其也可以被认为是像素)。尽管在图4中仅示出了四个元件458，然而应当理解，可以包括另外许多元件458，例如，数百、数千或数万个元件。元件458中的每一个包括超声换能器260、脉冲发生器264、接收开关262、硅通孔(TSV)408、模拟处理电路系统210块、模拟-数字转换器(ADC)212以及数字处理电路系统414块。第一器件402包括超声换能器260。第二器件404包括脉冲发生器264、接收开关262和TSV 408。第三器件406包括模拟处理电路系统210、ADC 212、数字处理电路系统414和多路复用数字处理电路系统220。接合点216将第一器件402中的超声换能器260电连接至第二器件404中的脉冲发生器264和接收开关262。接合点418将第二器件404中的TSV 408电连接至第三器件406中的模拟处理电路系统210。
可以参照图2找到超声换能器260、脉冲发生器264和接收开关262的进一步描述。与超声装置200相比，当超声换能器260正在接收回波(“接收阶段”)时，超声换能器260可以通过接合点216、接收开关262、TSV408和接合点418将表示接收到的回波的电信号发送至模拟处理电路系统210。
TSV 408是穿过第二器件404的过孔，并且帮助表示接收到的回波的电信号从第一器件402中的超声换能器260沿着低电阻路径通过第二器件404传输至第三器件406中的模拟处理电路系统210。因为表示接收到的回波的电信号可能是相对弱的(例如，以毫伏或微伏为量级)，所以可能特别期望沿着低电阻路径传输电信号以避免衰减。TSV 408可能有助于使这些相对弱的信号以可接受的低衰减传输通过第二器件404。另外，TSV408可能有助于以可以增加信噪比和带宽的低寄生电容传输这些信号。
可以参照图2找到模拟处理电路系统210和ADC 212的进一步描述。ADC 212的数字输出被发送至数字处理电路系统414。数字处理电路系统414可以包括例如一个或更多个数字滤波器、数字波束形成电路系统、数字正交解调(DQDM)电路系统、平均电路系统、数字去调频电路系统、数字时间延迟电路系统、数字移相器电路系统、数字求和电路系统、数字乘法电路系统以及/或者输出缓冲器。来自每个元件458的每个数字处理电路系统414的数字输出被发送至多路复用数字处理电路系统220，该多路复用数字处理电路系统220以多路复用的方式处理来自每个元件458的数字输出。多路复用数字处理电路系统220可以包括例如再量化电路系统、波形去除电路系统、图像形成电路系统和后端处理电路系统的组合。数字处理电路系统414中的图像形成电路系统可以被配置成：执行变迹、反向投影和/或快速分层反向投影、插值范围偏移(例如，Stolt插值)或其他傅里叶重采样技术、动态聚焦技术和/或延迟与求和技术、层析重建技术等。
第二器件404另外包括电力电路系统248、通信电路系统222、时钟电路系统224、控制电路系统226和/或排序电路系统228。第三器件406另外包括通信电路系统230、时钟电路系统232、控制电路系统234、排序电路系统236、外设管理电路系统238、存储器240、电力电路系统272、处理电路系统256和监测电路系统274。通信电路系统222可以通过TSV408和接合点418与通信电路系统230进行通信。可以参照图2找到这些部件的进一步描述。
如在图4中可以看到的，对于给定的元件458，第一器件402中的单个超声换能器260被电连接至第二器件404中的单个TSV 408，并且单个TSV 408被电连接至第二器件404中的单个脉冲发生器264、第三器件406中的单个接收电路系统块(即，单个模拟处理电路系统210、ADC 212和数字处理电路系统414)。第一器件402、第二器件404和第三器件406之间的这种原位(in-situ)、元件匹配的电气连接帮助三个器件之间的紧密集成，以便使弱的模拟电信号在没有不可接受的衰减的情况下从第一器件402通过第二器件404传递至第三器件406。在一些实施方式中，多个TSV408和接合点418可以被多路复用至单个接收电路系统块(即，单个模拟处理电路系统210、ADC 212和数字处理电路系统414)。通过TSV 408发送的信号都可以一个接一个地被连接至接收电路系统块。
从图4中应当理解，在一些实施方式中，每个超声换能器可以存在一个TSV 408。另外，从图4中应当理解，在一些实施方式中，每个脉冲发生器264可以存在一个TSV 408。在一些实施方式中，每个发送电路系统的实例可以存在一个TSV 408。例如，一个TSV 408可以被多路复用至多个脉冲发生器264。
应当理解，可以存在图4中示出的每个部件的另外许多实例。例如，可以存在数百、数千或数万个超声换能器260、脉冲发生器264、接收开关262、模拟处理电路系统210块、数字处理电路系统414块和多路复用数字处理220块。另外，应当理解，图4中示出的某些部件可以从比所示出的部件更多的部件接收信号或者将信号发送至比所示出的部件更多的部件(例如，以多路复用的方式或在平均之后)。例如，给定的脉冲发生器264可以将信号输出至一个或更多个超声换能器260，给定的接收开关262可以从一个或更多个超声换能器260接收信号，给定的TSV 408可以从一个或更多个接收开关262接收信号，给定的模拟处理电路系统210块可以从一个或更多个TSV 408接收信号，给定的ADC 212可以从模拟处理电路系统210中的一个或更多个块接收信号，并且给定的数字处理电路系统414块可以从一个或更多个ADC 212接收信号。还应当理解，超声装置的某些实施方式可以具有比图4中示出的部件更多或更少的部件。
图5示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置500的示例框图。超声装置500包括第一器件502、第二器件504和第三器件506。如更详细地示出的，超声装置500、第一器件502、第二器件504和第三器件506可以分别是超声装置300、第一器件302、第二器件304和第三器件306的示例。超声装置500与超声装置400的不同之处在于：超声装置500包括在接收开关262和TSV 408之间的前置放大器542。
图6示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置600的示例框图。超声装置600包括第一器件602、第二器件604和第三器件606。如更详细地示出的，超声装置600、第一器件602、第二器件604和第三器件606可以分别是超声装置300、第一器件302、第二器件304和第三器件306的示例。超声装置600和超声装置500的不同之处在于：超声装置600包括在前置放大器542和TSV 408之间的时间增益补偿(TGC)电路系统644。
图7示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置700的示例框图。超声装置700包括第一器件702、第二器件704和第三器件706。如更详细地示出的，超声装置700、第一器件702、第二器件704和第三器件706可以分别是超声装置300、第一器件302、第二器件304和第三器件306的示例。超声装置700和超声装置600的不同之处在于：超声装置700包括在TGC电路系统644和TSV 408之间的模拟波束形成电路系统746。
图8示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置800的示例框图。超声装置800包括第一器件802、第二器件804和第三器件806。超声装置800可以被认为是超声装置200和超声装置400的混合。和超声装置200一样，在超声装置800中，第二器件804包括脉冲发生器264、接收开关262、模拟处理电路系统210、ADC 212和SERDES发送电路系统252，并且第三器件806包括SERDES接收电路系统254和数字处理电路系统220。和超声装置400一样，第三器件806在接合点418处接合至第二器件804，TSV 408帮助电信号从第二器件804传输至第三器件806。特别地，TSV 408帮助电信号从SERDES发送电路系统252传输至SERDES接收电路系统254。因此，超声装置800可以被认为是超声装置200的三个器件堆叠的版本，其中，第二器件804和第三器件806之间的通信通过TSV 408发生，并且由于SERDES发送电路系统252和SERDES接收电路系统254，因此通信以高速发生。
在超声装置800中，SERDES发送电路系统252中的一个块接收来自多个ADC 212的数据，并且通过TSV 408和接合点418电耦接至SERDES接收电路系统254中的与数字处理电路系统276耦接的一个块。可以存在SERDES发送电路系统252、TSV 408、接合点418和SERDES接收电路系统254的多个实例，每个都接收来自多个ADC 212的数据。在一些实施方式中，每个ADC 212和/或每个超声换能器260或者更一般地每个元件458可以存在SERDES发送电路系统252、TSV 408、接合点418和SERDES接收电路系统254的一个实例。
应当理解，在一些实施方式中，超声装置200、400、500、600、700和800中的任何一个可以并入参考其他超声装置示出的特征的组合。例如，超声装置400可以包括在接收开关262和TSV 408之间的时间增益补偿电路系统644，但是不包括前置放大器542。作为另一示例，超声装置400可以包括接收开关262和TSV 408之间的时间增益补偿电路系统644和模拟波束形成电路系统746，但是不包括前置放大器542。作为另一示例，超声装置400可以包括接收开关262和TSV 408之间的前置放大器542和模拟波束形成电路系统746，但是不包括时间增益补偿电路系统542。作为另一示例，超声装置800可以包括前置放大器542、时间增益补偿电路系统644和/或模拟波束形成电路系统746中的任意一个。还应当理解，某些实施方式可以具有比附图中示出的部件更多或更少的部件。
图9示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的范例。图9示出了第一器件902和第二器件904的部分或者其部分。第一器件902包括超声换能器266和超声换能器260。第二器件904包括脉冲发生器264、接合点268和接合点216。在图9中，脉冲发生器264被配置成：在发送阶段期间通过接合点268向超声换能器266输出驱动信号。接合点268使第一器件902中的超声换能器266电连接至第二器件304中的脉冲发生器264。超声换能器266可以被配置成将脉冲超声信号发射至患者体内，并且超声换能器260可以被配置成：在接收阶段期间将接收到的回波转换成电信号并且通过接合点216将表示接收到的回波的电信号发送至第二器件904。在图9中，接合点216使第一器件902中的超声换能器260电连接至第二器件904。因为超声换能器266执行发送操作并且超声换能器260执行接收操作，所以不需要接收开关262。超声装置200、400、500、600、700或800的实施方式中的任何一个可以并入图9的范例，图9的范例包括两个超声换能器260和266、两个接合点216和268并且不包括接收开关262。接合点216连接至的第二器件904中的电路系统可以取决于超声装置(例如，超声装置400中的TSV 408；超声装置500、600和700中的前置放大器542；或者超声装置200和800中的模拟处理电路系统210)。
图10至图32示出了在用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置300的制造序列期间超声装置300的示例截面。将理解的是，示出的制造序列不是限制性的，并且一些实施方式可以包括另外的步骤以及/或者省略某些示出的步骤。如图10中所示，第一器件302以绝缘体上硅(SOI)晶片1000开始，该绝缘体上硅(SOI)晶片1000包括处理层1002(例如，硅处理层)、掩埋氧化物(BOX)层1004和硅器件层1108。氧化物层1005被设置在处理层1002的背侧上，但是在一些实施方式中，氧化物层1005可以是可选的。
硅器件层1108可以由单晶硅形成，并且在一些实施方式中，硅器件层1108可以被掺杂。在一些实施方式中，硅器件层1108可以是高掺杂的P型，但是可替选地，可以使用N型掺杂。当使用掺杂时，掺杂可以是均匀的或者可以被图案化(例如，通过在图案化的区域中注入)。由于掺杂的方式不是限制性的，因此当采购SOI晶片1000时，硅器件层1108可能已经被掺杂，或者硅器件层1108可能通过离子注入被掺杂。在一些实施方式中，硅器件层1108可以由多晶硅或非晶硅形成。在任何一种情况下，硅器件层1108可以被掺杂或未被掺杂。
如图11中所示，氧化物层1112形成在SOI晶片1000上。氧化物层1112用于至少部分地限定超声换能器的一个腔/多个腔，因此可以具有任何合适的厚度以提供期望的腔深度。氧化物层1112可以是热硅氧化物，但是应当理解，可以替选地使用除热氧化物以外的氧化物。
如图12中所示，使用任何合适的技术(例如，使用合适的蚀刻)对氧化物层1112进行图案化以形成腔1106。在该非限制性的实施方式中，腔1106延伸至硅器件层1108的表面，但是在可替选的实施方式中，腔1106可以不延伸至硅器件层1108的表面。在一些实施方式中，氧化物层1112可以被蚀刻至硅器件层1108的表面，然后可以形成氧化物(例如，热硅氧化物)的另外的层，使得腔1106被氧化物的层限定。在一些实施方式中，腔1106可以延伸至硅器件层1108中。此外，在一些实施方式中，诸如隔离柱的结构可以形成在腔1106内。
由于本申请的各方面在这点上不受限制，因此可以形成任何合适数目和配置的腔1106。因此，尽管在图12的非限制性截面视图中仅示出了一个腔1106，但是应当理解，在一些实施方式中可以形成另外许多腔1106。例如，腔1106的阵列可以包括数百个腔、数千个腔、数万个腔或者更多个腔，以形成期望尺寸的超声换能器阵列。
当最终形成超声换能器时，腔1106可以采用各种形状(从顶侧观察)之一以提供期望的膜形状。例如，腔1106可以具有圆形轮廓或者多边轮廓(例如，矩形轮廓、六边形轮廓、八边形轮廓)。
图13示出了SOI晶片1000和硅晶片1008。硅晶片1008包括硅层1010、氧化物层1114和氧化物层1014。
如图14中所示，SOI晶片1000接合至硅晶片1008。可以在低温下执行接合(例如，450℃以下的熔融接合)，但是接合之后可以是在高温下(例如，在大于500℃下)的退火以确保足够的接合强度。在示出的实施方式中，SOI晶片1000和硅晶片1008之间的接合是氧化物层1112和氧化物层1014之间的SiO2—SiO2接合。氧化物层1112和氧化物层1014的组合被示出为氧化物层1116。
如图15中所示，以任何合适的方式去除氧化物层1114并使硅层1010变薄。例如，可以使用研磨、蚀刻或者任何其他合适的技术或技术的组合。因此，从硅晶片1008剩余的层包括硅层1010和氧化物层1014。这些层可以是薄的(例如，40微米、30微米、20微米、10微米、5微米、2.5微米、2微米、1微米或更小，包括在小于40微米的范围内的任何范围或值)。然而，因为硅层1010和氧化物层1014接合至具有其相应的处理层1002的SOI晶片1000，所以对于这个处理步骤以及对于进一步的处理步骤，可以保持足够的结构完整性。
在一些实施方式中，可能期望使第一器件302的一个或更多个超声换能器电隔离。因此，如图16中所示，隔离沟槽1018形成在硅层1010中。在示出的实施方式中，隔离沟槽1018从硅层1010的背侧延伸至氧化物层1116，并且比叠加的氧化物层1116的(一个或多个)部分更窄(沿图中从左至右的方向)，每个隔离沟槽1018与叠加的氧化物层1116接触，以防止无意地穿过氧化物层1116进入腔1106中。因此，隔离沟槽1018不影响腔1106的结构完整性。然而，可替选的配置是可以的。
图17示出了使用任何合适的技术(例如，合适的沉积)使隔离沟槽1018填充有绝缘材料1020(例如，热硅氧化物与未掺杂的多晶硅组合)。应当注意，在示出的实施方式中，绝缘材料1020完全地填充隔离沟槽1018，而并非简单地填塞隔离沟槽1018，在该阶段中，这可以进一步有助于器件的结构完整性，从而使器件更适合于进一步的处理。
如图18中所示，绝缘材料1020被图案化(使用任何合适的蚀刻技术)，以准备形成用于第一器件302和第二器件304的稍后接合的接合位置。
然后，如图19中所示，接合结构1026形成在第一器件302上，以准备第一器件302和第二器件304接合。包括在接合结构1026中的材料的类型可以取决于要形成的接合的类型。例如，接合结构1026可以包括适合于热压接合、共晶接合或硅化物接合的金属。在一些实施方式中，接合结构1026可以包括导电材料，使得可以在第一器件302和第二器件304之间传送电信号。例如，在一些实施方式中，接合结构1026可以包括金，并且可以通过电镀而形成。在一些实施方式中，用于晶片级封装的材料和技术可以适用于第一器件302与第二器件304接合的情境。因此，例如，可以使用被选择以提供期望的粘附性、相互扩散阻挡功能性和高接合质量的金属的堆叠，并且接合结构1026可以包括这样的金属的堆叠。在图19中，接合结构1026被示出为粘附至硅层1010上的粘附结构1024。
如图20中所示，第二器件304包括基础层(例如，体硅晶片)1118、绝缘层1120、金属化1122、过孔1124、金属化1126、过孔1128和TSV 408。过孔1124使金属化1122电连接至金属化1126。过孔1128使金属化1126电连接至TSV 408。绝缘层1028形成在基础层1118的背侧上。金属化1122可以由铝、铜或任何其他合适的金属化材料形成，并且可以表示在第二器件304中形成的集成电路的至少一部分。例如，金属化1122和金属化1126可以用作布线层，可以被图案化以形成一个或更多个电极，或者可以用于其他功能。实际上，第二器件304可以包括多于两个的金属化层和/或后处理的再分布层，但是为了简单起见，仅示出了两个金属化。TSV 408可以由诸如铜、掺杂的多晶硅或钨的金属形成。第二器件304可以在商业代工厂被制造。
如图21中所示，层1030和层1032形成在第二器件304上。层1030可以是例如氮化物层，并且可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)而形成。层1032可以是氧化物层，例如，通过氧化物的PECVD而形成。
在图22中，从层1032至金属化1122形成开口1034。制造这样的开口以准备形成接合点。
在图23中，在第二器件304上(通过合适的沉积和图案化)在用于使第一器件302与第二器件304接合的位置处形成接合结构1036。接合结构1036被示出为粘附至粘附结构1040和1022。接合结构1036可以包括用于与第一器件302上的接合结构1026接合的任何合适的材料。如先前描述的，在一些实施方式中，可以形成低温共晶接合，并且在这样的实施方式中，接合结构1026和接合结构1036可以形成共晶对。例如，接合结构1026和接合结构1036可以形成铟-锡(In—Sn)共晶对、金-锡(Au—Sn)共晶对和铝-锗(Al—Ge)共晶对或锡-银-铜(Sn—Ag—Cu)组合。在Sn—Ag—Cu的情况下，材料中的两种可以在第一器件302上形成为接合结构1026，其中剩余的材料形成为接合结构1036。接合结构1036(以及本文中描述的具有相似形式的其他接合结构)可能没有按比例示出，例如，接合结构1036中示出的向下的突起可能在高度上大大小于接合结构1036的其余部分的高度。
如图24中所示，然后，第一器件302和第二器件304接合在一起。如先前所述，在一些实施方式中，这样的接合可以仅涉及低温(例如，在450℃以下)的使用，这可以防止对第二器件304上的其他部件和金属化1126、金属化1122的损坏。
在示出的非限制性示例中，接合是共晶接合，使得接合结构1026与接合结构1036组合形成接合点216。接合点216形成第一器件302和第二器件304之间的电气接触。作为进一步的非限制性示例，可以使用Au作为接合材料来形成热压接合。例如，接合结构1026可以包括在其上形成有镀Au的Ti/TiW/Au的种子层(通过溅射或者以其他方式形成)，并且接合结构1036可以包括在其上形成有镀Ni/Au的TiW/Au的种子层(通过溅射或者以其他方式形成)。钛的层可以用作粘附层。TiW层可以用作粘附层和扩散阻挡层。镍可以用作扩散阻挡层。Au可以形成接合。可以替选地使用其他接合材料。
如图25中所示，绝缘层1028被去除，TSV 408和基础层1118的高度减小。例如，可以使用研磨和/或蚀刻。TSV 408的高度可以减小至例如在大约4微米和大约750微米之间的高度。减小TSV 408的高度可以有助于减小TSV 408的电容，这又可以减小TSV 408的带宽和噪声性能的劣化。此外，如果散热片最终被放置在超声装置300的背侧上，则减小TSV408的高度可以减小第二器件304和第一器件302至散热片的距离，这可以减少超声装置300的发热。通过还没有被去除的处理层1002，可以为该处理步骤提供足够的结构完整性。
在一些实施方式中，第二器件304包括电连接至TSV 408的接合结构。例如，第二器件304可以由商业代工厂制造，并且接合结构也可以由代工厂制造，以便提供与TSV 408以及TSV 408电连接至的电路系统和/或布线层(例如，金属化1122)的外部电连接。在这样的实施方式中，处理可以包括：去除与TSV 408电接触的现有的接合结构。接合结构可以包括例如可以在研磨处理中被研磨并且可以是与TSV 408不同的材料的材料。在第二器件304变薄之后，可以重新形成接合结构以提供与TSV 408的外部电连接。
图26示出了使用任何合适的技术(例如，合适的沉积)在第二器件304上沉积绝缘材料1042(例如，硅氧化物)。
如图27中所示，与如关于图18描述的类似，绝缘材料1042被图案化(使用任何合适的蚀刻技术)，以准备形成用于第二器件304与第三器件306的稍后接合的接合位置。
在图28中，与如关于图19描述的类似，在第二器件304上(通过合适的沉积和图案化)在用于使第一器件302与第二器件304接合的位置处形成接合结构1046。接合结构1046被示出为粘附至粘附结构1048。
如图29中所示，第三器件306包括基础层(例如，体硅晶片)1050、绝缘层1052、金属化1054、过孔1068和金属化1070。过孔1068电连接金属化1054和金属化1070。绝缘层1056形成在基础层1050的背侧上。金属化1054和金属化1070可以由铝、铜或任何其他合适的金属化材料形成，并且可以表示在第三器件306中形成的集成电路的至少一部分。例如，金属化1054和金属化1070可以用作布线层，可以被图案化以形成一个或更多个电极，或者可以用于其他功能。实际上，第三器件306可以包括多于两个金属化层和/或后处理的再分布层，但是为了简单起见，仅示出了两个金属化。第三器件306可以由商业代工厂制造。
如图30中所示，以与关于图21至图23描述的方式类似的方式，在第三器件306上形成层1058和1060、接合结构1062以及粘附结构1064和1066。
如图31中所示，与如关于图24描述的类似，然后，第三器件306和第二器件304被接合在一起。在示出的非限制性示例中，接合是共晶接合，使得接合结构1026与接合结构1036组合形成接合点418。作为进一步的非限制性示例，可以形成热压接合。
如图32中所示，与如关于图15描述的类似，以任何合适的方式去除氧化物层1005、处理层1002和BOX层1004。例如，可以使用研磨、蚀刻或任何其他合适的技术或技术的组合。通过基础层1050可以为该处理步骤提供足够的结构完整性。
在去除氧化物层1005、处理层1002和BOX层1004之后，可以执行在硅器件层1108的顶部上的另外处理。例如，可以在硅器件层1108上形成电触点(其可以由金属或任何其他合适的导电接触材料形成)。在一些实施方式中，可以在硅器件层1108上的触点与第二器件304和/或第三器件306上的接合焊盘之间提供电连接。例如，可以提供引线接合，或者导电材料(例如，金属)可以沉积在超声装置300的上表面上方并且被图案化以形成从触点至接合焊盘的导电路径。然而，可以使用将触点连接至第二器件304和/或第三器件306的可替选的方式。在一些实施方式中，可以提供从硅器件层1108至第二器件304和/或第三器件306的嵌入式过孔。
对于超声装置的制造以及可以执行的另外的处理步骤的进一步描述，请参见于2015年6月30日授权(并且转让给本申请的受让人)的题为“MICROFABRICATED ULTRASONICTRANSDUCERS AND RELATED APPARATUS AND METHODS”的美国专利第9,067,779号，该美国专利在此通过引用以其全部内容并入本文中。
应当理解，图10至图32中描述的序列的可替选的制造序列是可能的。在一些实施方式中，制造序列可以以与图10至图32中示出的顺序不同的顺序进行。在一些实施方式中，可以不使第二器件304变薄。在一些实施方式中，第二器件304可以在接合至第一器件302之前接合至第三器件306。在这样的实施方式中，可以不使第二器件304变薄，或者如果使第二器件304变薄，则第二器件304可以首先接合至载体晶片以为变薄处理提供结构完整性。可以在将第二器件304接合至第三器件306之前使第二器件304变薄。可以在将第二器件304接合至第三器件306之前或之后去除载体晶片。
图33至图42示出了在图20至图32的制造序列的可替选的制造序列期间超声装置300的示例截面。图33示出了与图20的第二器件304相同的第二器件304。如图34中所示，开口1072形成在绝缘层1120中(使用任何合适的蚀刻技术)以暴露金属化1122的一部分。在图35中，焊料球1074沉积在金属化1120的暴露的部分上。图36示出了与图29的第三器件306相同的第三器件306。如图37中所示，开口1076形成在绝缘层1052中(使用任何合适的蚀刻技术)以暴露金属化1054的构成接合焊盘的一部分。
在图38中，通过使第二器件304按照图33至图35中示出的取向从顶部翻转至底部来使第二器件304和第三器件306接合。第二器件304和第三器件306被放在一起，使得第二器件304中的焊料球1074接触第三器件306中的金属化1054的暴露的部分并且形成在金属化1122与金属化1054之间的电连接，从而创建接合点418。接合点418形成在第二器件304与第三器件306之间的电接触。焊料球1074可以在接触金属化1054之后被再熔化。在第二器件304和第三器件306是小片的实施方式中，该接合处理可以创建倒装芯片接合。在第二器件304和第三器件306是晶片的实施方式中，该接合处理可以创建倒装芯片接合的晶片级等同物，在倒装芯片接合的晶片级等同物中，第二器件304上的一个或更多个焊料球接合至第三器件306上的一个或更多个接合焊盘。在图39中，与如参照图25描述的类似，绝缘层1028被去除，TSV 408和基础层1118的高度减小。在图40中，与如参照图26至图27描述的类似，绝缘材料1078沉积在第二器件304上并且被图案化。此外，层1086和1088、接合结构1084以及粘附结构1080和1082以与关于图21至图23描述的方式类似的方式形成在第二器件304上。
在图41中，以与关于图24描述的方式类似的方式，第一器件302接合至第二器件304以形成接合点216。如图42中所示，与如关于图32描述的类似，氧化物层1005、处理层1002和BOX层1004被去除。
应当理解，图33至图42中描述的序列的可替选的制造序列是可能的。在一些实施方式中，制造序列可以以与图10至图32中示出的顺序不同的顺序进行。在一些实施方式中，可以不使第二器件304变薄。在一些实施方式中，第二器件304可以在接合至第三器件306之前接合至第一器件302。在这样的实施方式中，可以不使第二器件304变薄，或者如果使第二器件304变薄，则第二器件304可以首先接合至载体晶片以为变薄处理提供结构完整性。可以在将第二器件304接合至第三器件306之前使第二器件304变薄。可以在将第二器件304接合至第三器件306之前或之后去除载体晶片。
还应当注意，可以使用再分布和焊料凸点技术来实现第一器件302和第二器件304之间的接合以及/或者第二器件304和第三器件306之间的接合。使用再分布和焊料凸点技术接合的进一步描述可以在于2015年7月14日提交并且被公布为美国专利公布第2016/0009544A1号(并且被转让给本申请的受让人)的题为“MICROFABRICATED ULTRASONICTRANSDUCERS AND RELATED APPARATUS AND METHODS”的美国专利申请第14/799,484号中找到，该美国专利申请在此通过引用以其全部内容并入本文中。
图43至图45示出了在用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置300的可替选的制造序列期间第二器件304的简化的截面。在图43中，第二器件304的简化的版本包括不延伸至第二器件304的底表面4304的多个TSV 408。为了简化说明起见，从该附图中省略了包括先前描述的那些部件的第二器件304的其他部件。在图43中，多个TSV 408是圆锥形的。集成电路代工厂通常在他们制造的集成电路上施加设计规则。例如，针对TSV的设计规则可以限制TSV可以彼此间隔开的紧密程度。在图43中，与延伸至第二器件304的底表面4304的TSV的宽端相比，多个TSV 408的宽端具有更小的直径。因此，与如果多个TSV 408延伸至第二器件304的底表面4304相比，控制TSV的间隔的设计规则可以允许图43中的多个TSV 408具有更小的间距。如上所述，因为第二器件304中的多个TSV 408中的每一个可以对应于第一器件302中的单个超声换能器260，所以减小多个TSV 408的间距可以使得能够减小超声换能器260的间距并且增加可以在第一器件302中实现超声换能器260的数目。在图44中，使用与关于图25和图39描述的处理类似的处理，使第二器件304变薄以暴露出多个TSV 408。在图45中，使用与关于图26至图28和图40描述的处理相同或大体上类似的处理，在多个TSV 408的暴露出的表面处实现接合结构4306，以在第三器件306接合至第二器件304时帮助TSV与第三器件306的电连接。与如图43中示出的宽端接近于第二器件304的底表面4304相对照，在一些实施方式中，多个TSV 408可以是圆锥形的，其中多个TSV 408的窄端接近于第二器件304的底表面4304。在这样的实施方式中，仍然可以通过限制多个TSV 408从其窄端延伸至其宽端的距离以与上面描述的方式类似的方式来实现以上的优点。在一些实施方式中，多个TSV 408可以不是圆锥形的。
应当理解，可以使用本文中描述的制造序列中的任意制造序列来制造超声装置300、400、500、600、700或800。另外，尽管第二器件可能缺少TSV 408，但是图10至图25中示出的制造序列可以用于在超声装置100和200中使第一器件接合至第二器件。
图46示出了根据本文中描述的某些实施方式的被实现为重构晶片的器件的示例。如本文中提及的，“重构晶片”是在其上安装有多个小片的晶片。重构晶片4600包括晶片4602和多个小片4604。多个小片4604例如通过塑封料(mold compound)耦接至晶片4602。因为可以在形成重构晶片4600之前测试小片的功能/性能并且基于测试来选择哪些小片将被包括在重构晶片4600中，所以将第二器件304和/或第三器件306实现为重构晶片4600可能是有益的。另外，如上所述，第三器件306和第二器件304可以是小片。如上面进一步描述的，与第二器件304相比，第三器件306可以在更先进的技术节点中被实现。由于成本和产量方面的考虑，可能不期望在更先进的(更小的)技术节点中制造与在更不先进的(更大的)技术节点中制造的小片相同尺寸的小片。如果作为小片的第三器件306和作为小片的第二器件304的尺寸并不相同，则第三器件306可能不能够接合至第二器件304上的每个接合点。当第二器件304是包括多个小片的晶片时，如果第二器件304被实现为重构晶片4600并且多个小片4604包括集成接收电路系统，则多个小片4604中的两个或更多个的组可以与在第二器件304中包括集成发送电路系统的一个小片对准并且接合至在第二器件304中包括集成发送电路系统的一个小片。例如，当第三器件306中的多个小片4604在尺寸上小于第二器件304中的小片时，这可能是有益的。
图47示出了用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例过程4700。在动作4702中，例如，如以上参照图10至图24所描述的，包括超声换能器的第一器件接合至包括集成发送电路系统(例如，脉冲发生器)的第二器件。在一些实施方式中，第二器件还可以包括集成模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)。然后，过程4700继续进行至动作4704。在动作4704中，例如，如以上参照图25至图32所描述的，包括集成数字接收电路系统的第三器件接合至第二器件。在一些实施方式中，第三器件还可以包括集成模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)。在一些实施方式中，可以不存在动作4704，并且第三器件可以不接合至第二器件。替代地，第三器件可以耦接至与第一器件和第二器件的堆叠相同的PCB，并且第三器件可以与第二器件通信(例如，通过PCB上的迹线)。
图48示出了用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例过程4800。在动作4802中，例如，如以上参照图33至图38所描述的，包括集成数字接收电路系统的第三器件接合至包括集成发送电路系统(例如，脉冲发生器)的第二器件。在一些实施方式中，第二器件还可以包括集成模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)。在一些实施方式中，第三器件还可以包括集成模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)。然后，过程4800继续进行至动作4804。在动作4804中，例如，如以上参照图39至图42所描述的，包括超声换能器的第一器件接合至第二器件。在一些实施方式中，可以不存在动作4802，并且第三器件可以不接合至第二器件。替代地，第三器件可以耦接至与第一器件和第二器件的堆叠相同的PCB，并且第三器件可以与第二器件通信(例如，通过PCB上的迹线)。
图49示出了用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例过程4900。在动作4902中，例如，如以上关于图10至图15描述的，包括超声换能器的第一器件由SOI晶片和硅晶片形成。然后，处理4900继续进行至动作4904。在动作4904中，例如，如以上关于图16至图24描述的，第一器件接合至包括集成发送电路系统(例如，脉冲发生器)和TSV的第二器件。然后，过程4900继续进行至动作4906。在动作4906中，例如，如以上关于图25所描述的，使第二器件变薄。然后，过程4900继续进行至动作4908。在动作4908中，例如，如以上关于图26至图28所描述的，形成电连接至TSV的接合结构。然后，过程4900继续进行至动作4910。在动作4910中，例如，如以上关于图29至图31所描述的，第二器件接合至包括集成数字接收电路系统的第三器件。然后，过程4900继续进行至动作4912。在动作4912中，例如，如以上关于图32所描述的，SOI晶片的处理层被去除。在一些实施方式中，第二器件还可以包括集成模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)。在一些实施方式中，第三器件还可以包括集成模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)。在一些实施方式中，可以不存在动作4910，并且第三器件可以不接合至第二器件。替代地，第三器件可以耦接至与第一器件和第二器件的堆叠相同的PCB，并且第三器件可以与第二器件通信(例如，通过PCB上的迹线)。
图50示出了用于形成根据本文中描述的某些实施方式的超声装置的示例过程5000。在动作5002中，例如，如以上关于图33至图38所描述的，包括集成发送电路系统(例如，脉冲发生器)的第二器件接合至包括集成数字接收电路系统的第三器件。然后，过程5000继续进行至动作5004。在动作5004中，例如，如以上关于图39所描述的，使第二器件变薄。然后，过程5000继续进行至动作5006。在动作5006中，例如，如以上关于图40所描述的，形成电连接至TSV的接合结构。然后，过程5000继续进行至动作5008。在动作5008中，例如，如以上关于图41至图42所描述的，包括超声换能器的第一器件302接合至第二器件304。在一些实施方式中，第二器件还可以包括集成模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)。在一些实施方式中，第三器件还可以包括集成模拟接收电路系统(例如，放大器和ADC)。在一些实施方式中，可以不存在动作5002，并且第三器件可以不接合至第二器件。替代地，第三器件可以耦接至与第一器件和第二器件的堆叠相同的PCB，并且第三器件可以与第二器件通信(例如，通过PCB上的迹线)。
如上所述，将理解的是，替选的过程是可能的。在一些实施方式中，可以不使第二器件变薄。在一些实施方式中，第二器件可以在接合至第一器件之前接合至第三器件。在这样的实施方式中，可以不使第二器件变薄，或者如果使第二器件变薄，则第二器件可以首先接合至载体晶片以为变薄处理提供结构完整性。可以在将第二器件接合至第三器件之前使第二器件变薄。可以在使第二器件接合至第三器件之前或之后去除载体晶片。
各种发明构思可以体现为已经提供了示例的一个或更多个过程。可以以任何合适的方式对作为每个过程的一部分执行的动作进行排序。因此，即使在说明性实施方式中被示出为顺序动作，也可以构造如下实施方式，在所述实施方式中，以与所示出的顺序不同的顺序执行动作，这可以包括同时执行一些动作。此外，可以组合和/或省略过程中的一个或更多个，并且过程中的一个或更多个可以包括另外的步骤。
图51示出了根据本文中描述的某些实施方式的超声装置5100的示例框图。超声装置5100包括第一器件5102、第二器件5104和第三器件5106。如更详细地示出的，超声装置5100、第一器件5102、第二器件5104和第三器件5106可以分别是超声装置300、第一器件302、第二器件304和第三器件306的示例。超声装置5100与超声装置400的不同之处在于：每个超声换能器260通过接收开关262、TSV 208和接合点418连接至ADC5180，之后是滤波器5182，之后是数字波束形成电路系统5184。
数字波束形成电路系统5184可以被配置成执行数字波束形成。与模拟波束形成相比，数字波束形成可以提供更高的信噪比(SNR)、更高的采样分辨率、由数字波束形成电路系统5184实现的延迟模式的更大的灵活性以及在对用于波束形成的超声换能器260分组时更大的灵活性。然而，数字波束形成需要从每个超声换能器260接收到的模拟超声信号分别被数字化。对于上述的某些超声装置而言，每个元件可以包括一个ADC；由此，超声装置5100示出了实现每个元件数字化的具体示例。(在图5100中，元件是一个超声换能器260，但是在一些实施方式中，一个元件可以是超声换能器260的组)。在图51中，ADC 5180是Δ-Σ(delta-sigma)ADC(有时也被称为Σ-Δ(sigma-delta)ADC)。对于实现每个元件数字化和数字波束形成的超声装置5100而言，与其他类型的ADC相比，由Δ-ΣADC 5180的相对小的功率消耗和面积可以使Δ-ΣADC 5180是实用的。当在如上所述的足够小的技术节点(例如，90nm、80nm、65nm、55nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm、5nm或3nm)中实现第三器件5106时，实现每个超声换能器260(或者，在一些实施方式中，每个元件)一个Δ-ΣADC 5180可能是可行的。每个Δ-ΣADC 5180直接电耦接至超声换能器260。使超声换能器260直接电耦接至ADC 5180可能意味着：在超声换能器260与ADC 5180之间不存在放大器或多路复用器，但不排除超声换能器260通过开关262、TSV 408和接合点418电耦接至ADC 5180的可能性。当超声换能器260是CMUT时，如以下将描述的，CMUT固有的寄生电容可以为Δ-ΣADC5180提供通常由单独的积分器部件提供的积分能力。避免对单独的积分器部件的需要可能进一步减小功率消耗和面积。滤波器5182可以抽取来自Δ-ΣADC5180的过采样输出信号，以便改善Δ-ΣADC 5180的信号量化噪声比(SQNR)。滤波器5182可以是级联积分梳状(CIC)滤波器。
图52示出了根据某些实施方式的电耦接至Δ-ΣADC 5180的超声换能器260的图。为了简单起见，在图52中，省略了脉冲发生器264、开关262、TSV 408和接合点418。在图52中，超声换能器是CMUT并且由CMUT的电路模型表示。超声换能器260的电路模型包括电流源5102、电阻器5104、电容器5106、电感器5108、电容器5110、节点5112、输出端子5114和地5116。电流源5102电耦接在节点5112和地5116之间。电阻器5104电耦接在节点5112和地5116之间。电容器5106和电感器5108串联地电耦接并且电耦接在节点5112和输出端子5114之间。电容器5110电耦接在输出端子5114和地5116之间。电流源5102可以响应于超声波而对由超声换能器260生成的电流信号进行建模。电阻器5104、电容器5106和电感器5108可以对超声换能器260的谐振特性进行建模。电容器5110可以对超声换能器260的寄生电容进行建模。进入输出端子5114的电流与通过电容器5110离开输出端子5114的电流之间的电流差ICMUT可以被认为是超声换能器260的输出电流。
由电阻器5104、电容器5106和电感器5108形成的谐振器可以被认为是低Q谐振器，原因是谐振器的Q可以小于0.5。电阻器5104的电阻可以显著地大于1/(ω*Cp)，其中，ω是电流信号ICMUT的频率，Cp是电容器5110的电容。在一些实施方式中，Cp可以在毫微微法拉的十分之一至数十毫法拉的量级上。在一些实施方式中，ICMUT可以在数十皮安至数百微安的量级上，包括那些范围中的任何值。
尽管典型的Δ-ΣADC包括电流积分器，但是将超声换能器260的输出端子5114直接电耦接至Δ-ΣADC 5180可以避免对独特的电流积分器的需要，原因是电容器5110可以用作电流积分器。应当注意，超声换能器260的电容器5110可以被认为是在Δ-ΣADC 5180的反馈环路中。因此，除了使用超声换能器260的电容器5110作为电流积分器之外，Δ-ΣADC5180还包括电压量化器5220和电流数字-模拟转换器(电流DAC或IDAC)5222。电压量化器5220包括输入端子5228和输出端子5232。电流DAC5222包括输入端子5234和输出端子5236。电流DAC 5222的输出端子5236电耦接至超声换能器260的输出端子5114。超声换能器260的输出端子5114也电耦接至量化器5220的输入端子5228。电压量化器5220的输出端子5232电耦接至电流DAC 5222的输入端子5234。
在操作中，电流ICMUT可以是Δ-ΣADC 5180从模拟转换至数字的信号。电压量化器5220的输出端子5232处的电压DOUT可以被认为是Δ-ΣADC5180的输出，并且可以是模拟信号ICMUT的数字表示。Δ-ΣADC 5180包括反馈环路，其中，电容器5110(用作电流积分器)和电压量化器5220在反馈环路的前向路径中，并且电流DAC 5222在反馈环路的反馈路径中。电容器5110可以被配置成：对ICMUT进行积分以产生输出电压。量化器5220可以被配置成接受该输出电压作为输入，并且根据电压是小于还是大于阈值电压来输出数字逻辑电平。随着时间的过去，该数字逻辑电平可以是Δ-ΣADC的输出DOUT。电流DAC 5222可以被配置成接受数字逻辑电平作为输入，并且输出相应的模拟电流Ifeedback。通过反馈环路，可以在超声换能器260的输出端子5114处将Ifeedback添加至ICMUT。该反馈环路可以提供负反馈，当响应于对量化器5220的正输入信号时，量化器5220可以输出由电流DAC 5222转换为负Ifeedback的数字逻辑电平；当响应于对量化器5220的负输入信号时，量化器5220可以输出由电流DAC 5222转换为正Ifeedback的数字逻辑电平。DOUT可以是脉冲流，在脉冲流中，脉冲的频率可以与对Δ-ΣADC 5180的输入即模拟电流信号ICMUT成比例。该频率可以由Δ-ΣADC 5180的反馈环路强制执行。Δ-ΣADC 5180可以对经处理的输入电流信号ICMUT进行过采样(例如，在量化器5220处)，并且滤波器可以抽取过采样的信号，以便改善Δ-ΣADC 5180的信号量化噪声比(SQNR)。
应当理解，在一些实施方式中，可以使用Δ-ΣADC 5180的不同架构。在一些实施方式中，Δ-ΣADC 5180可以是二阶或三阶Δ-ΣADC。在一些实施方式中，Δ-ΣADC 5180可以包括二阶环路滤波器。在一些实施方式中，Δ-ΣADC 5180可以包括三阶环路滤波器。在一些实施方式中，Δ-ΣADC 5180可以包括两个反馈路径。在一些实施方式中，Δ-ΣADC5180可以包括三个反馈路径。在一些实施方式中，Δ-ΣADC 5180可以包括一个反馈路径和一个前馈路径。在一些实施方式中，Δ-ΣADC 5180可以包括两个反馈路径和一个前馈路径。
本公开内容的各个方面可以单独地、组合地或以前面所述的实施方式中没有具体描述的各种各样的布置被使用，因此在其应用方面不限于前面的描述中阐述的或附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方式中描述的各方面可以与其他实施方式中描述的各方面以任何方式进行组合。
除非明确相反地指出，否则如本文中在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一个(a)”和“一个(an)”应该被理解为意味着“至少一个”。
如本文中在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当被理解为意味着这样结合的要素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要素中的“任一个或两个”。以“和/或”列出的多个要素应当以相同的方式被解释，即，这样结合的要素中的“一个或更多个”。除了由“以及/或者”分句具体确定的要素之外，无论与具体确定的那些要素是相关还是不相关，都可以可选地存在其他要素。因此，作为非限制性示例，当与开放式的语言例如“包括”结合使用时，在一个实施方式中，对“A和/或B”的提及可以指代仅A(可选地包括除了B以外的要素)；在另一实施方式中，对“A和/或B”的提及可以指代仅B(可选地包括除了A以外的要素)；在又一实施方式中，对“A和/或B”的提及可以指代A和B两者(可选地包括其他要素)；等。
如本文中在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或更多个要素的列表时，短语“至少一个”应该被理解为意味着选自要素列表中的任何一个或更多个要素中的至少一个要素，但不一定包括要素列表内具体列出的每一个和每个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中的要素的任意组合。该定义还允许：除了在短语“至少一个”指代的要素列表内具体确定的要素之外，无论与具体确定的那些要素是相关还是不相关，都可以可选地存在要素。因此，作为非限制性示例，在一个实施方式中，“A和B中的至少一个”(或者，等同地，“A或B中的至少一个”，或者，等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指代至少一个A，可选地，在B不存在的情况下包括多于一个A(以及可选地包括除了B以外的要素)；在另一实施方式中，“A和B中的至少一个”(或者，等同地，“A或B中的至少一个”，或者，等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指代至少一个B，可选地在A不存在的情况下包括多于一个B(以及可选地包括除了A以外的要素)；在又一实施方式中，“A和B中的至少一个”(或者，等同地，“A或B中的至少一个”，或者，等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指代：至少一个A，可选地包括多于一个A；以及至少一个B，可选地包括多于一个B(以及可选地包括其他要素)；等。
在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数术语来修改权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先级、优先顺序或次序或者执行方法的动作的时间顺序，而仅仅被用作标记以对具有某个名称的一个权利要求要素和具有同一名称的另一要素(除了序数术语的使用以外)进行区分，以区分权利要求要素。
在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可以用于表示在目标值的±20％内；在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可以用于表示在目标值的±10％内；在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可以用于表示在目标值的±5％内；然而在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可以用于表示在目标值的±2％内。术语“大约”和“约”可以包括目标值。
此外，本文中使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应该被视为进行限制。在本文中，“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”、“包含”、“涉及”及其变型的使用意在包括其后列出的项及其等同物以及附加项。
上面已经描述了至少一个实施方式的若干方面，应当理解的是，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这些改变、修改和改进意在作为本公开内容的目的。因此，前述说明书和附图仅作为示例。

Claims (24)

1.一种超声装置，包括：
第一小片，其包括超声换能器；
第一专用集成电路(ASIC)，其接合至所述第一小片并且包括脉冲发生器；以及
与所述第一ASIC通信的第二ASIC，所述第二ASIC包括集成数字接收电路系统。
2.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述第一ASIC接合至所述第二ASIC。
3.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述第二ASIC还包括模拟处理电路系统。
4.根据权利要求3所述的超声装置，其中，所述模拟处理电路系统包括：模拟放大器、模拟滤波器、模拟波束形成电路系统、模拟去调频电路系统、模拟正交解调(AQDM)电路系统、模拟时间延迟电路系统、模拟移相器电路系统、模拟求和电路系统、模拟时间增益补偿电路系统和/或模拟平均电路系统。
5.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述第二ASIC还包括模拟-数字转换器。
6.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述第一ASIC包括硅通孔(TSV)。
7.根据权利要求6所述的超声装置，其中，对于所述第一小片中的每个超声换能器，所述第一ASIC包括一个TSV。
8.根据权利要求6所述的超声装置，其中，对于所述第一ASIC中的每个脉冲发生器，所述第一ASIC包括一个TSV。
9.根据权利要求6所述的超声装置，其中，所述TSV的高度在大约4微米与大约750微米之间。
10.根据权利要求6所述的超声装置，其中：
所述第一ASIC包括接收开关；
所述第二ASIC包括模拟处理电路系统；以及
所述TSV被设置在所述接收开关与所述第二ASIC中的模拟处理电路系统之间。
11.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述第一ASIC还包括模拟处理电路系统。
12.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述第一ASIC还包括模拟-数字转换器。
13.根据权利要求1所述的超声装置，还包括被布置在所述第一ASIC和所述第二ASIC之间的通信链路，所述通信链路具有大约2吉比特/秒至5吉比特/秒的数据速率。
14.根据权利要求1所述的超声装置，其中：
所述第一ASIC包括串行解串器(SERDES)发送电路系统；
所述第二ASIC包括SERDES接收电路系统；
通信链路被布置在所述SERDES发送电路系统与所述SERDES接收电路系统之间；以及
所述SERDES发送电路系统和所述SERDES接收电路系统被配置成：帮助所述第一ASIC和所述第二ASIC之间通过所述通信链路的通信。
15.根据权利要求14所述的超声装置，其中：
(a)接合的第一小片和第一ASIC以及(b)所述第二ASIC耦接至包括迹线的PCB；以及
所述PCB上的迹线包括所述通信链路。
16.根据权利要求14所述的超声装置，其中：
所述第一ASIC接合至所述第二ASIC；
所述第一ASIC包括TSV；以及
所述TSV包括所述通信链路。
17.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述集成数字接收电路系统包括：一个或更多个数字滤波器、数字波束形成电路系统、数字正交解调(DQDM)电路系统、平均电路系统、数字去调频电路系统、数字时间延迟电路系统、数字移相器电路系统、数字求和电路系统、数字乘法电路系统、再量化电路系统、波形去除电路系统、图像形成电路系统、后端处理电路系统以及/或者一个或更多个输出缓冲器。
18.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述第一ASIC在第一技术节点中被实现，所述第二ASIC在第二技术节点中被实现，并且所述第一技术节点与所述第二技术节点不同。
19.根据权利要求18所述的超声装置，其中，所述第二技术节点是比所述第一技术节点更小的技术节点。
20.根据权利要求18所述的超声装置，其中，所述第二技术节点是65nm、80nm、90nm、110nm、130nm、150nm、180nm、220nm、240nm、250nm、280nm、350nm或500nm。
21.根据权利要求18所述的超声装置，其中，所述第一技术节点是90nm、80nm、65nm、55nm、45nm、40nm、32nm、28nm、22nm、20nm、16nm、14nm、10nm、7nm、5nm或3nm。
22.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述集成数字接收电路系统被配置成在大约0.45伏至0.9伏的范围内的操作电压下操作。
23.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述集成数字接收电路系统被配置成在大约1伏至1.8伏的范围内的操作电压下操作。
24.根据权利要求1所述的超声装置，其中，所述集成数字接收电路系统被配置成在大约2.5伏至3.3伏的范围内的操作电压下操作。
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