CN117943268A - 超声换能器和用于生产超声换能器的方法 - Google Patents

超声换能器和用于生产超声换能器的方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明构思的一方面，提供了一种用于生产超声系统的超声换能器的方法，其中该方法包括：1)形成第一层结构，包括：(a)在第一基板上形成前板柔性层；(b)形成超声换能器元件的阵列；以及2)提供第二层结构，所述第二层结构至少包括背板层；其中1)和/或2)包括：1)(c)在超声换能器元件的阵列上形成第一腔限定层和/或2)(a)在背板层上形成第二腔限定层；以及在第一和/或第二腔限定层中限定腔的阵列；3)通过将第一层结构粘性结合到第二层结构来进行贴附，其中超声换能器元件的阵列在前板柔性层和背板层之间；以及4)去除第一基板。

Description

超声换能器和用于生产超声换能器的方法
技术领域
本发明构思涉及超声成像领域。
更具体地，本发明构思涉及用于生产包括超声换能器元件的阵列的超声换能器的方法。
背景技术
超声阵列的大型2D阵列在医疗市场和消费电子产品中有多种应用。例如，医学成像、手势识别、定向声音、指纹检测和半空中触觉。
微机械超声换能器(MUT)的标准结构在本领域中是已知的。制作了一个小圆筒，其中在小腔顶部上有悬浮的膜。该腔的尺寸与膜的刚度相结合将决定特定MUT的谐振频率。作为示例，MUT可由压电效应(pMUT)驱动。通过在压电材料上施加处于谐振频率的交流电场，在压电材料和膜之间产生应力差，并且这将引起振动和声波的发射。典型频率的范围在20kHz到100MHz。这转化成空气传播波的从1cm到<100um的波长范围。使用波束成形在发射中创建焦斑或在接收中对小光斑成像的应用需要更大的超声换能器阵列来一起工作。
阵列中的后续各元件之间的对于理想波束成形技术而言最优的间距是波长/2。取决于所使用的堆叠，这意味着各元件之间的间距将接近分立换能器的尺寸。结果是高pMUT元件密度，且各元件之间几乎没有空间。
此外，在每个个体pMUT旁边可能需要小电路，用于设置正确的相位或读出相位/振幅。该电路可能相对复杂，并且在与pMUT相同的平面中可能没有空间。
因此，在本领域中需要改进可以按大阵列制造的超声换能器的设计。此外，在平面刚性基板上制造的超声换能器可能不适合扫描弯曲对象。操作者必须将平面换能器移动并压靠待检查的弯曲对象，这导致图像再现等方面的困难。因此，在本领域中还需要允许改进对弯曲对象的检查的超声换能器。此外，大规模的超声换能器可能难以制造。因此，在本领域中需要改进的制造方法。
发明内容
本发明构思的目的是至少部分地克服现有技术的一个或多个限制。具体而言，本发明的目的是提供一种用于生产适用于大规模换能器的超声换能器的方法。
本发明的这一目的和其他目的至少部分地由独立权利要求中限定的本发明来满足。优选实施例在从属权利要求中陈述。
作为第一方面，提供了一种用于生产超声系统的超声换能器(1)的方法，其中该方法包括：
1)形成第一层结构，所述形成包括：
(a)在第一基板上形成前板柔性层，其中在前板柔性层和第一基板之间形成临时接合；
(b)在前板柔性层上形成超声换能器元件的阵列；以及
2)提供包括至少背板层的第二层结构；
其中1)形成第一层结构还包括和/或2)提供第二层结构包括：1)(c)在超声换能器元件的阵列上形成第一腔限定层和/或2)(a)在背板层上形成第二腔限定层；以及在第一腔限定层和/或第二腔限定层中限定腔的阵列；
3)通过将第一层结构粘性结合到第二层结构来进行贴附，其中超声换能器元件阵列在前板柔性层和背板层之间；以及
4)去除第一基板。
该方法用于生产超声换能器，特别适合于生产大面积超声换能器。超声换能器可以是柔性超声换能器。该方法同样特别适合于生产柔性超声换能器。然而，应该认识到，该方法不必一定被用于生产大面积超声换能器或柔性超声换能器。
超声换能器对于将超声信号发射到对象或发射到对象中是有用的。超声换能器可以仅被用于将超声信号发射到对象或发射到对象中，并且可以被用在包括发射超声信号的超声换能器的超声系统中。超声信号可以例如被发射(进入)到对象，以用于引起超声信号和对象之间的所需相互作用，例如用于对象的任何类型的超声治疗。
超声换能器还可有用于接收基于所发射的超声信号的超声响应信号。超声换能器因此可以被用在超声监测系统中。此类系统还可以包括用于处理从被检查对象获得的所得回波信号或响应信号的单独的处理装置、用于显示由超声换能器获得的图像的显示装置以及用于将信息从处理装置传送到显示装置的单独的通信装置。
该方法包括形成第一层结构和提供第二层结构。第一层结构和第二层结构可被彼此分开地形成。这意味着用于形成第一层结构的工艺可以针对第一层结构来被优化，而用于形成第二层结构的工艺可以针对第二层结构来被优化。这允许在进行各层之间的互连之前，分别优化第一层和第二层的处理。该方法与形成柔性结构和刚性结构兼容。
第一层结构可以是多层结构，诸如包括金属-绝缘体-金属层堆叠的多层结构。在一些实施例中，此类金属-绝缘体-金属层堆叠可以被用于提供基于压电效应的超声换能器功能，绝缘体是压电材料。
在形成第一层结构期间，可以使用低于350℃的温度，例如在200℃和300℃之间的温度。
前板柔性层可以形成膜，该膜可以被配置成当超声换能器被用于生成要由超声换能器发射的超声信号时振动。柔性层可以被认为是“前板”层，因为该层位于超声换能器的发射超声的一侧处。
超声换能器元件的阵列被布置在第一层结构中。该阵列可以是二维阵列。阵列的表面积可以是小的表面积，诸如1cm2或10cm2。阵列的表面积可以是较大的面积，诸如至少100cm2，诸如至少400cm2。
超声换能器元件的阵列被配置成产生在主方向上(即沿换能器轴线Z)传播的超声能量。
超声换能器可以是片材的形式。片材可以具有彼此相对地布置的第一外表面和第二外表面，即具有指向两个不同且平行的方向的法向量。多层结构的外层可以分别形成第一外部片材和第二外部片材。片材的表面积可以是小的表面积，诸如1cm2或10cm2。片材的表面积，诸如第一或第二外表面的表面积可以是较大的面积，诸如至少100cm2，诸如至少400cm2。
在本公开中，层或层结构的位置可以被定义成“在轴向上位于另一层或层结构之上”或“在轴向上位于另一层或层结构之下”。术语“轴向”是指换能器轴线Z，并且在轴向上布置在另一层或层结构上的层或层结构因此布置在沿正Z方向进一步延伸的位置处。因此，如果换能器轴线Z垂直向上，则“轴向上方”对应于“垂直上方”，“轴向下方”对应于“垂直下方”。
超声换能元件的谐振频率可以是在20kHz到100MHz的范围中。这转化成范围从1cm减小到<100um的波长。
第二层结构可以是多层结构。第二层结构可以另选地仅包括背板层。术语“提供第二层结构”因此可以仅涉及形成背板层或者使得第二层结构仅包括背板层，该背板层可用于将第一层结构贴附到第二层结构的处理(诸如将第二层结构带到将第一层结构贴附到第二层结构的处理中)。根据其他实施例，术语“提供第二层结构”可以涉及形成多层结构。
背板层可以包括合适的基板，用于超声换能器的组件可被形成在该基板上。背板层可以仅用作承载这些组件的基板，并且因此可以由许多不同的材料形成。在各实施例中，背板层可以被用作在其上形成控制电路和/或其他电路系统的基板。背板层因此可包括薄膜半导体材料，诸如IGZO(铟镓锌氧化物)和/或LTPS(低温多晶硅)。背板层可以是柔性薄层。背板层可以是玻璃层。
背板层可以被认为是“背面板”层，因为该层位于超声换能器的发射超声的一侧的相对侧处。
背板层可以是柔性层或刚性层。当背板层是柔性层时，整个超声换能器可以是柔性的。
第一腔限定层和/或第二腔限定层可以包括光致抗蚀剂材料。这适合于允许使用光刻在第一腔限定层和/或第二腔限定层中准确地限定腔。腔限定层可在步骤1(c)期间形成，其中腔限定层可以被形成在超声换能器元件的阵列上。腔限定层可另选地在步骤2(a)期间形成，其中腔限定层被形成在背板层上。腔限定层可以在两个分开的步骤1(c)和2(a)中组合地形成，使得在步骤1(c)中形成第一腔限定层并且在步骤2(a)中形成第二腔限定层，其中当在步骤3)中将第一层结构贴附到第二层结构时，第一腔限定层随后可被贴附到第二腔限定层，以用于形成经组合的腔限定层。换言之，腔限定层可在步骤1(c)被形成在超声换能器元件的阵列上以及在步骤2(a)被形成在背板层上。
如果腔限定层是仅通过形成第一腔限定层来被形成的，则腔的阵列将仅被限定在第一腔限定层中。如果腔限定层是仅通过形成第二腔限定层来被形成的，则腔的阵列将仅被限定在第二腔限定层中。如果腔限定层是通过形成第一腔限定层和形成第二腔限定层两者来被形成的，则腔的阵列可以仅被限定在第一腔限定层中或者仅被限定在第二腔限定层中或者被限定在第一腔限定层和第二腔限定层这两者中。
腔限定层可被用于结合(特别是粘性结合)包括前板层的第一层结构和包括背板层的第二层结构。此外，腔限定层可以被用于限定超声换能器的腔。腔的限定可以通过腔限定层的尺寸来被优化。所提供的方法允许微米分辨率的腔。腔限定层的厚度可以是0.1-100μm。腔的尺寸可以确定超声换能器元件的谐振频率。第一层结构和第二层结构通过粘性结合而彼此贴附。粘性结合可以由腔限定层和/或任何附加层来形成。第一层结构贴附到第二层结构，使得超声换能器元件位于前板柔性层和背板层之间。换言之，在贴附之后，超声换能器可以具有沿换能器轴线Z的正方向的以下顺序的多层结构：背板层、腔限定层、超声换能器元件的阵列、前板层。
通过具有这种层顺序，允许在去除第一基板之后在前板层的顶部上形成另外的层。这是有利的，因为附加层可以最小程度地影响超声换能器元件的阵列的输出功率或灵敏度。
又一优点是，这种附加层(例如钝化层、声学阻抗层)使中性轴线远离超声换能器元件的压电层。
此外，超声换能器元件的阵列由前板层保护免受诸如触摸、充电和刮擦之类的环境影响以及免于后续工艺步骤的影响。
在将第一层结构贴附到第二层结构之后，去除第一基板。通过在贴附之后的最后步骤去除第一基板，该方法允许用户避免处置大面积柔性结构的需要。第一基板的去除可以通过蚀刻该基板来进行。或者，可以通过研磨掉该基板来进行去除。
超声换能器结构可以是柔性的，或者它可以是刚性的。超声换能器可以适于检查弯曲对象。适用的弯曲对象可以是具有弯曲半径小于20cm(诸如小于10cm)的弯曲度的对象。由柔性层形成超声换能器结构使得柔性超声换能器能够弯曲并符合这样的弯曲对象，并且因此该结构的外层可以形成与弯曲对象的连续接触。
超声换能器的设计还使得可制造具有大面积——诸如具有至少100cm2(诸如至少400cm2)的面积——的柔性超声换能器。由于整个超声换能器是柔性的，因此可允许在超声成像期间贴合在弯曲对象周围。因此，本公开的柔性超声换能器可被用于医学成像、弯曲基板上的手势识别以及弯曲基板周围的无损检测。因此，可以检查的弯曲对象或基板可以是人体的一部分，诸如手臂或腿，但也可以是其他对象，诸如门把手和汽车的仪表板。
柔性超声换能器可以在正在移动的对象上使用，诸如在移动的人体部位上使用。因此，柔性超声换能器可以胶合或固定在人体上。
当彼此独立地处理第一层结构和第二层结构时，可以避免制造约束。因此，用于处理第一层结构的任何温度不受第二层结构的热属性的限制(诸如，举例而言，第二层结构的各层能够承受的最高温度)，且反之亦然。
该方法还允许超声换能器是薄的。例如，该方法可以生产厚度是2-3μm的超声换能器。
根据一个实施例，超声换能器元件可以包括压电元件。
压电元件可以包括掺杂钪的氮化铝(AlN)。掺杂钪的AlN可以是合适的，因为可以在沉积期间将基板温度保持在100-350℃的范围内的同时实现压电特性。该范围可以在形成超声换能器元件时使用。
光刻可以在形成压电元件的同时被使用。
单个超声换能器元件可以是压电微机械超声换能器(pMUT)。pMUT可以包括位于小腔顶部的柔性膜。该腔的尺寸与膜的刚度相结合可以决定该pMUT的谐振频率。作为示例，pMUT可通过压电效应驱动，即，压电材料与膜之间的应力差可通过在压电材料上施加处于谐振频率的AC电场来产生。
作为替换方案，单个超声换能元件可以是电容式MUT(cMUT)，其中致动是通过MUT中的空气间隙以及该空气间隙的每一侧的电极来执行的。
根据一个实施例，阵列中的超声换能器元件可以由所述压电元件之一来限定，并且腔的所述阵列中的每个腔与相应的压电元件相关联并且压电元件被布置在腔和前板柔性层之间。
通过这种布置，压电元件受到保护而不受可能对功能有害的任何外部环境的影响。
根据一个实施例，方法步骤2)提供第二层结构还可以包括：在第二基板上形成背板层。
第二基板可以是刚性基板或柔性基板。第二基板可以由玻璃板形成。这可以是有用的，以便能够使用大尺寸基板来允许生产大尺寸超声换能器。因此，第二基板可以被适配成处置大规模超声换能器。然而，应该认识到，第二基板可以由其他材料形成，诸如第二基板由半导体基板形成或由薄膜层形成。
第二基板可以仅起到临时载体的作用，用于在超声换能器的生产期间承载背板层和可能的其他层。然而，第二基板可另选地用作作为所生产的超声换能器的一部分的基板。当第二基板是刚性基板并且为所生产的超声换能器提供稳定性时，这尤其可以被使用。
根据一个实施例，在步骤3)之后，该方法还可以包括去除第二基板的步骤。
第二基板的去除可以在去除第一基板之前或之后进行。换言之，去除第二基板的步骤可以在步骤4之前或之后执行。
可以通过蚀刻该基板来进行去除。或者，可以通过研磨掉该基板来进行去除。
因此，当第一层结构贴附到第二层结构时，第二基板可以被用于承载背板层。这可以便于在将第一层结构贴附到第二层结构期间处置第二层结构。如果背板层是柔性层，这可以是特别有用的。
根据一个实施例，方法步骤2)提供第二层结构还可以包括在第二基板上形成声学背衬层，以用于减少在操作期间定向离开所述对象的声学传输。
因此，声学背衬层可以被添加到该系统中，以便管理被定向离开被检查对象的波发射。例如，可以减少被定向离开被检查对象的波发射。声学背衬层因此减少了来自错误方向上的声学发射的问题。
此外，声学背衬层可以是布拉格(Bragg)堆叠形式的声学抑制层或声学反射层布拉格堆叠可包括交替的高和低声学阻抗材料的多个层。
因此，声学背衬层可具有吸收性质(其中声波基本上被抑制或吸收)或反射性质(其中声波被反射)。
声学阻尼层可以通过使用所发射的超声在其中失去其功率的材料来获得。
声学反射层可通过使用声学布拉格堆叠(布拉格反射器)来获得，该堆叠包括交替的高和低声学阻抗材料的多个层。这可以有助于反射超声波。布拉格堆叠可以使用四分之一波长规则来设计。因此，布拉格堆叠的多层中的每一层可以具有与布拉格堆叠被设计用于的波长的四分之一相对应的光学厚度。
根据一个实施例，方法步骤2)提供第二层结构还可以包括：在背板层上形成控制电路的阵列。
控制电路的阵列可以包括薄膜晶体管(TFT)的阵列。
根据一个实施例，所述第一层结构的阵列中的超声换能器元件与所述第二层结构的阵列的个体控制电路电连接，其中控制电路的阵列被配置成操作所述第一层结构中的超声换能器元件的阵列。
由此，个体控制电路可被配置成控制单个超声换能器元件。
作为替换方案，控制电路的阵列中的个体控制电路可被布置成控制不止一个超声换能器元件，诸如至少两个(诸如至少四个)超声换能器元件。作为示例，个体控制电路可被布置成控制超声换能器元件的2x2子阵列。
TFT可包括半导体——诸如IGZO(铟镓锌氧化物)和/或LTPS(低温多晶硅)——以及介电层和金属触点。这些可以沉积在形成于基板上的背板层上，诸如玻璃晶片上的聚合物。
可存在与单个超声换能器元件相关联的单个TFT。因此，超声换能器可以包括TFT背板和分开的MUT前板，它们通过将第一层结构贴附到第二层结构而被贴附。
控制电路由此可以在背板层上直接加工，诸如加工到柔性聚合物层上。
使超声换能器的阵列和控制电路的阵列在不同的层中可以是有利的，使得控制电路不与超声换能器元件一起振动。因此，超声换能器元件的阵列可被提供在前板中，而控制电路的阵列可被提供在超声换能器的背板中。因此，超声换能器元件的阵列可被提供在第一层结构中，而控制电路的阵列可被提供在超声换能器的第二层结构中。这进一步是有利的，因为它允许前板和背板的分开处理，即多层结构的不同层或层结构可以分开地生产，并且生产前板的约束不影响背板的生产，且反之亦然。
此外，由于超声换能器元件的阵列和控制电路的阵列被布置在分开平面中，它允许在阵列中使用高密度的超声换能器元件(诸如压电微机械超声换能器元件(pMUT元件))以及在超声换能器元件下方的阵列中使用复杂控制电路。
根据一个实施例，该方法还可以包括步骤5)形成超声换能器元件的阵列和控制电路的阵列之间的电连接。
电连接可以作为一个控制电路和一个超声换能器元件之间的单个连接来作出，或者可以并联地作出，其中一个控制电路连接到若干超声换能器元件。
根据一个实施例，步骤5)形成电连接可包括形成穿过第一层结构到达控制电路的所述阵列中的控制电路的第一通孔，以及形成穿过前板柔性层到达超声换能器元件的所述阵列中的超声换能器元件的第二通孔，以及穿过第一通孔、进一步到达第二通孔以及穿过第二通孔来形成在控制电路和超声换能器元件之间的金属连接。
根据一个实施例，步骤5)形成电连接可包括形成穿过第一层结构的通孔，包括穿过超声换能器元件的阵列中的超声换能器元件到控制电路的所述阵列中的控制电路，以及穿过通孔来形成在控制电路和超声换能器元件之间的金属连接。
通孔可以具有仅穿过前板柔性层延伸到超声换能器元件的第一大横截面尺寸以及进一步穿过第一层结构延伸到控制电路的第二小横截面尺寸。
通过穿过通孔在控制电路和超声换能器元件之间形成金属连接来形成电连接在确保用于形成超声换能器的面积的高效使用方面可以是有利的。然而，为了易于生产超声换能器，如上所述穿过第一通孔、进一步到第二通孔以及穿过第二通孔来形成控制电路和超声换能器元件之间的金属连接可以是优选的。
根据一个实施例，该方法还可以包括在背板层上或下方布置集成电路结构，并将集成电路结构连接到控制电路的阵列。
集成电路结构的功能可以是多种，诸如提供用于激励超声换能器元件的信号，执行超声换能器元件的信号的读出。因此，集成电路结构可以被配置成处理从被检查对象获得的所得回波信号。此外，集成电路结构还可以提供与超声监测系统的其他单元(诸如显示系统)的无线通信。
集成电路结构可以包括任何标准或自定义器件，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，以支持特定功能，例如无线ASIC或数字信号处理器(DSP)。
集成电路结构可以包括多个专用集成电路(ASIC)。作为示例，至少一个ASIC可以支持多个个体控制电路。
控制电路由此可由多个专用ASIC驱动，并且单个ASIC由此可被配置成支持或驱动多个个体控制电路。
ASIC可被专门构建成用于执行特定功能或特定任务，并且可被配置成激发超声换能器元件，并且用于读取来自超声换能器元件的阵列的输出信号。多个ASIC还可被配置成与超声监测系统的其他部件进行无线通信。
作为示例，多个ASIC可以作为分立元件在轴向上安装在背板层下方。
因此，ASCI可使用例如柔性芯片技术来被直接安装到背板层上。
然而，作为替换方案，ASIC可以被结合在第二层结构的各层之一中。
根据一个实施例，该方法还可以包括在4)之后，在前板柔性层上添加附加层。
附加层可以是钝化层或声学匹配层。
通过本发明的方法，可以在前板层的顶部上进一步形成任何附加层，并且超声换能器元件的阵列将不布置在附加层和前板层之间。与在超声换能器阵列上布置任何附加层相比，这是用于生产超声换能器的该方法的优点。将附加层布置在前板层上将使中性轴线(前板层中的振动绕该中性轴线发生)从超声换能器元件移开。因此，中性轴线可以被保持在前板层内，而不是移动到形成超声换能器元件的层中(如果这些超声换能器元件布置在前板层之上的话)，使得可以避免由于在前板层上形成附加层而导致的超声换能器的输出功率或灵敏度的降低。
根据一个实施例，该方法的步骤1)形成第一层结构和步骤2)提供第二层结构是彼此分开地处理的。
这允许分开的处理环境。因此，用于形成第一层结构的工艺可以针对第一层结构来被优化，并且用于形成第二层结构的工艺可以针对第二层结构来被优化。这允许在进行各层之间的互连之前，分别优化第一层和第二层的处理。
根据第二方面，提供了一种用于超声系统的超声换能器，其中所述超声换能器包括多层结构，所述多层结构包括第一层结构和第二层结构，
其中所述第一层结构包括
布置在所述第一层结构中且被配置成生成沿主换能器轴线Z的正方向传播的超声能的超声换能器元件的阵列；以及
前板柔性层，其被布置在与超声换能器元件的阵列相比进一步沿着所述主换能器轴线Z的正方向的位置处；
其中所述第二层结构包括
背板层，以及
其中多层结构还包括在背板层和超声换能器元件的阵列之间的腔限定层，其中腔的阵列被限定在腔限定层中；以及
其中所述第一层结构粘性地结合到所述第二层结构。
该方面通常可以呈现与第一方面相同或相对应的优点。
超声换能器元件的阵列可以包括压电元件。因此，单个超声换能器元件可以是压电微机械超声换能器元件(pMUT元件)。pMUT可以包括位于小腔顶部的柔性膜。
前板柔性层可以形成膜，该膜可以被配置成当超声换能器被用于生成要由超声换能器发射的超声信号时振动。
超声换能器元件的阵列嵌入在前板柔性层和背板层之间是一个优点。这保护超声换能器元件免受环境影响。它还允许多层结构在前板柔性层之上具有另外的层。
背板层可以是柔性层或刚性层。背板层可以包括合适的基板，用于超声换能器的组件可以形成在该基板上。背板层可以仅用作承载这些组件的基板，并且因此可以由许多不同的材料形成。在各实施例中，背板层可以被用作在其上形成控制电路和/或其他电路系统的基板。背板层因此可包括薄膜半导体材料，诸如IGZO(铟镓锌氧化物)和/或LTPS(低温多晶硅)。背板层还可被布置在第二基板上。
腔限定层可以包括光致抗蚀剂材料。这适合于允许使用光刻在腔限定层中精确地限定腔。腔限定层限定超声换能器元件阵列下方的腔。腔限定层可以被布置成使得每个超声换能器元件可以具有单个腔。腔限定层可以是第一层结构或第二层结构的一部分，或者是第一层结构和第二层结构这两者的一部分。
第二层结构还可以包括布置在第二基板上的声学背衬层。声学背衬层可以被配置成减少在操作期间被定向离开对象的声学传输。此外，声学背衬层可以是布拉格堆叠形式的声学抑制层或声学反射层布拉格堆叠可包括交替的高和低声学阻抗材料的多个层。
因此，声学背衬层可具有吸收性质(其中声波基本上被抑制或吸收)或反射性质(其中声波被反射)。
多层结构还可以包括控制电路。控制电路可以被布置在第二分层结构中。控制电路可以被布置在第二分层结构中的、与背板层相比进一步沿着主换能器轴线Z的正方向的位置处。控制电路可以被配置成操作超声换能器元件的阵列。每个超声换能器元件可以由单个控制电路操作，或者控制电路可以并行地操作多个超声换能器元件。
控制电路的阵列可以包括薄膜晶体管(TFT)的阵列。TFT可包括半导体——诸如IGZO(铟镓锌氧化物)和/或LTPS(低温多晶硅)——以及介电层和金属触点。这些可以沉积在形成基板的背板层上，诸如玻璃晶片上的聚合物。
可存在与单个超声换能器元件相关联的单个TFT。因此，超声换能器可以包括TFT背板和分开地生产的pMUT前板。
多层结构还可以包括超声换能器元件的阵列和控制电路的阵列之间的电连接。电连接可通过穿过第一层结构到达控制电路的阵列中的控制电路的第一通孔并穿过前板柔性层到达超声换能器元件的阵列中的超声换能器元件的第二通孔来被形成，使得穿过第一通孔、进一步到达第二通孔并穿过第二通孔来形成在控制电路和超声换能器元件之间的金属连接。另选地，电连接可通过穿过第一层结构的通孔来被形成，包括穿过超声换能器元件的阵列中的超声换能器元件到控制电路的阵列中的控制电路，以及穿过通孔来形成在控制电路和超声换能器元件之间的金属连接。通孔可以具有仅穿过前板柔性层延伸到超声换能器元件的第一大横截面尺寸以及进一步穿过第一层结构延伸到控制电路的第二小横截面尺寸。
更进一步地，多层结构可以包括在背板层上或下方的集成电路结构。集成电路结构可以电连接到控制电路的阵列。
集成电路结构可以包括任何标准或自定义器件，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，以支持特定功能，例如无线ASIC或数字信号处理器(DSP)。
集成电路结构可以包括多个专用集成电路(ASIC)。作为示例，至少一个ASIC可以支持多个个体控制电路。
控制电路由此可由多个专用ASIC驱动，并且单个ASIC由此可被配置成支持或驱动多个个体控制电路。
ASIC可被专门构建成用于执行特定功能或特定任务，并且可被配置成激发超声换能器元件，并且用于读取来自超声换能器元件的阵列的输出信号。多个ASIC还可被配置成与超声监测系统的其他部件进行无线通信。
作为示例，多个ASIC可以作为分立元件在轴向上安装在背板层下方。
因此，ASCI可使用例如柔性芯片技术来被直接安装到背板层上。
然而，作为替换方案，ASIC可以被结合在第二层结构的各层之一中。
多层结构还可以包括在前板层之上的附加层。附加层可以是钝化层或声学匹配层。
与具有不同层结构的结构相比，在本发明中超声换能器元件嵌入在前板层下方是一个优点。这允许在不影响超声换能器元件的情况下更容易地添加额外的层。
多层结构可以是柔性结构或刚性结构。柔性结构可以被配置成使得超声换能器可以在操作期间与弯曲对象形成连续接触。
附图说明
通过参考附图的说明性和非限制性的以下详细描述，将更好地理解本发明构思的以上以及其他目的、特征和优点。在附图中，除非另有说明，否则相似的附图标记将用于相似的元件。
图1是用于生产超声系统的超声换能器的方法的示意图。
图2是用于生产超声系统的超声换能器的方法的示意图。
图3a-3g是根据用于生产超声换能器系统的方法的一实施例的、超声波换能器系统的侧视图。
图4a-4c是根据用于生产超声换能器系统的方法的另一实施例的、超声波换能器系统的侧视图。
图5a-5d是根据用于生产超声换能器系统的方法的又一实施例的、超声波换能器系统的侧视图。
具体实施方式
现在参考图1和图2，将描述用于生产超声系统的超声换能器200的方法100。方法100包括以下一般方法步骤1)-4)，如图1和图2所示。下面将结合图3至图5对每个步骤进行更深入的讨论。方法100包括以下步骤：
1)形成101第一层结构1，所述形成101包括：
(a)在第一基板2上形成102前板柔性层3，其中在前板柔性层3和第一基板2之间形成临时接合；
(b)在前板柔性层3上形成103超声换能器元件4的阵列；以及
2)提供104包括至少背板层6的第二层结构5；
其中1)形成101第一层结构还包括和/或2)提供104第二层结构包括：1)(c)在超声换能器元件的阵列上形成105第一腔限定层7a和/或2)(a)在背板层上形成106第二腔限定层7b；以及在第一腔限定层和/或第二腔限定层中限定腔8的阵列；
3)通过将第一层结构1粘性结合到第二层结构5来进行贴附107，其中超声换能器元件4的阵列在前板柔性层3和背板层6之间；以及
4)去除108第一基板2。
因此，在一个实施例中，该方法可包括以下步骤：
1)形成101第一层结构1，所述形成101包括：
(a)在第一基板2上形成102前板柔性层3，其中在前板柔性层3和第一基板2之间形成临时接合；
(b)在前板柔性层3上形成103超声换能器元件4的阵列；
(c)在超声换能器元件的阵列上形成105第一腔限定层7a，并在第一腔限定层中限定腔8的阵列；以及
2)提供104包括至少背板层6的第二层结构5；
3)通过将第一层结构1粘性结合到第二层结构5来进行贴附107，其中超声换能器元件4的阵列在前板柔性层3和背板层6之间；以及
4)去除108第一基板2。
在又一实施例中，该方法可包括以下步骤：
1)形成101第一层结构1，所述形成101包括：
(a)在第一基板2上形成102前板柔性层3，其中在前板柔性层3和第一基板2之间形成临时接合；
(b)在前板柔性层3上形成103超声换能器元件4的阵列；以及
2)提供104包括至少背板层6的第二层结构5；
(a)在背板层上形成106第二腔限定层7b并在第二腔限定层中限定腔8的阵列；
3)通过将第一层结构1粘性结合到第二层结构5来进行贴附107，其中超声换能器元件4的阵列在前板柔性层3和背板层6之间；以及
4)去除108第一基板2。
此外，在又一实施例中，该方法可包括以下步骤：
1)形成101第一层结构1，所述形成101包括：
(a)在第一基板2上形成102前板柔性层3，其中在前板柔性层3和第一基板2之间形成临时接合；
(b)在前板柔性层3上形成103超声换能器元件4的阵列；
(c)在超声换能器元件的阵列上形成105第一腔限定层7a并在第一腔限定层中限定腔的阵列；以及
2)提供104包括至少背板层6的第二层结构5；
(a)在背板层上形成106第二腔限定层7b并在第二腔限定层中限定腔8的阵列；
3)通过将第一层结构1粘性结合到第二层结构5来进行贴附107，其中超声换能器元件4的阵列在前板柔性层3和背板层6之间；以及
4)去除108第一基板2。
图2解说了本发明的另一实施例。在一个实施例中，提供104a第二层结构5的步骤2)还可以包括在第二基板12上形成第二层结构5。形成104、104a第二层结构5的步骤2)还可以包括在背板层6上形成109控制电路9的阵列。此外，形成104a第二层结构5的步骤2)可以包括在第二基板12上形成110声学背衬层10。
此外，方法100可以包括去除第二基板12的步骤111。该步骤可以在方法步骤4)之前执行。
更进一步地，该方法可以包括步骤5)形成112超声换能器元件4的阵列和控制电路9的阵列之间的电连接13。
该方法还可以包括在前板柔性层3之上添加113附加层11的步骤。步骤113是在去除108第一基板2之后执行的。
图3-5示意性地示出了如何使方法100产生用于超声系统的超声换能器200。换言之，图3-5示意性地示出了在方法100期间可以如何布置不同的层系统。
图3a-3c公开了形成101第一层结构的步骤1)。前板柔性层3被形成在第一基板2之上。第一基板2是刚性基板，其可以包括玻璃基板。前板柔性层3可以包括膜材料。膜材料可以是诸如聚酰亚胺之类的聚合物或诸如SiO2或Si3N4之类的无机电介质。前板柔性层3和第一基板2之间的接合是临时接合，从而允许在该方法中稍后去除第一基板2。
此后是在前板柔性层3上形成103超声换能器元件4的阵列。超声换能器元件4可以包括压电元件。此外，第一层结构1可以包括形成105在超声换能器元件4的阵列上的第一腔限定层7a。第一腔限定层7a限定腔8的阵列。因此，阵列4中的超声换能器元件可以由所述压电元件之一来限定，并且腔8的所述阵列中的每一个腔可以与相应的压电元件相关联。压电元件将相关于图5a-5c更多地讨论。
图3d-3g公开了提供104包括至少背板层6的第二层结构5的步骤2)。背板层6可以是柔性薄层。在一个实施例中，如图3e所示，背板层6被进一步布置104a在第二基板12上。第二基板12可以是玻璃基板。或者，背板层6可以包括玻璃基板。第二层结构5还可以包括布置在第二基板12上的声学背衬层10。此外，声学背衬层可以是布拉格堆叠形式的声学抑制层或声学反射层布拉格堆叠可包括交替的高和低声学阻抗材料的多个层。
此外，如图3f所公开的，第二层结构5还可以包括控制电路9的阵列。控制电路9可以被布置在第二层结构5中的、与背板层6相比进一步沿着主换能器轴线Z的正方向的位置处。控制电路9可以被配置成操作超声换能器元件4的阵列。每个超声换能器元件4可以由单个控制电路9操作，或者控制电路9可以并行地操作多个超声换能器元件4。控制电路9的阵列可以包括薄膜晶体管(TFT)的阵列。TFT可包括半导体——诸如IGZO(铟镓锌氧化物)和/或LTPS(低温多晶硅)——以及介电层和金属触点。这些可被沉积在基板上，诸如玻璃晶片上的聚合物。可存在与单个超声换能器元件4相关联的单个TFT。
如图3g所示，第二层结构5还可以包括第二腔限定层7b。第二腔限定层7b可以被形成106在背板层6的顶部上，如图3g所示。可替换地，第二腔限定层7b还可以被形成在控制电路9的阵列的顶部上。第二腔限定层7b限定第二腔限定层7b中的腔8的阵列。
图4a示意性地示出了通过将第一层结构1粘性结合到第二层结构5来进行贴附107的方法步骤3)。进行贴附使得超声换能器元件4的阵列被布置在前板柔性层3和背板层6之间。
第一层结构1和第二层结构5可以在它们被贴附在一起之前在不同的环境条件下分开地制造。
腔限定层7a、7b可以被布置在第一层结构1上、第二层结构5上或者布置在结构1、5这两者上。
图4b示出了在去除108第一基板2的步骤4)之后以及去除第二基板12之后的超声换能器200的一个实施例。可替换地，第二基板12可以被保持在超声换能器200上。可以通过蚀刻该基板来进行去除108。或者，可以通过研磨掉该基板来进行去除108。
图4c示出了在前板柔性层3上方具有附加层11的超声换能器200。此外，在图4c中，示出了超声换能器元件4的阵列和控制电路9的阵列之间的电连接13。电连接13被布置成穿过腔限定层7a、7b，并且被控制电路9用来在超声换能器元件4上施加电场。电连接13被形成为穿过通孔的、在控制电路和超声换能器元件之间的金属连接。
在图5a中，示意性地示出了超声换能器元件4的实施例。为了清楚起见，示出了第一基板2和前板柔性层3。在该实施例中，超声换能器元件4包括压电元件。压电元件包括第一金属层4a、压电材料层4b和第二金属层4c。
在图5b中，公开了第二层结构5的一个实施例。第二层结构5包括第二基板12、背板层6和包括TFT的阵列的控制电路9阵列。
在图5c中，公开了一个实施例，其中第一层结构1通过粘性结合来贴附到第二层结构5。限定腔8的腔限定层7a、7b被布置在超声换能器元件4和控制电路9之间。电连接13将控制电路9连接到超声换能器元件4。
在图5d中，公开了一个实施例，其中通过穿过第一层结构1到控制电路9的阵列中的控制电路的第一通孔和通过穿过前板柔性层3到超声换能器元件4的阵列中的超声换能器元件的第二通孔来形成电连接13。穿过第一通孔并进一步到达第二通孔并且穿过第二通孔，来在控制电路9和超声换能器元件4之间形成金属连接。
在上文中，主要参考有限数量的示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在由所附权利要求书限定的本发明构思的范围内，除了上面公开的示例以外的其他示例同样是可能的。

Claims (15)

1.一种用于生产超声系统的超声换能器(200)的方法(100)，其中所述方法包括：
1)形成(101)第一层结构(1)，所述形成(101)包括：
(a)在第一基板(2)上形成(102)前板柔性层(3)，其中在所述前板柔性层(3)和所述第一基板(2)之间形成临时接合；
(b)在所述前板柔性层(3)上形成(103)超声换能器元件(4)的阵列；以及
2)提供(104)包括至少背板层(6)的第二层结构(5)；
其中1)形成(102)所述第一层结构(1)还包括和/或2)提供(104)所述第二层结构(5)包括：1)(c)在所述超声换能器元件(4)的阵列上形成(105)第一腔限定层(7a)和/或2)(a)在所述背板层(6)上形成(106)第二腔限定层(7b)；以及在所述第一腔限定层(7a)和/或所述第二腔限定层(7b)中限定腔(8)的阵列；
3)通过将所述第一层结构(1)粘性地结合到所述第二层结构(5)来进行贴附(107)，其中所述超声换能器元件(4)的阵列在所述前板柔性层(3)和所述背板层(6)之间；以及
4)去除(108)所述第一基板(2)。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述超声换能器元件(4)包括压电元件。
3.根据权利要求2所述的方法(100)，其特征在于，阵列中的超声换能器元件(4)由所述压电元件之一来限定，并且其中所述腔(8)的阵列中的每个腔与相应的压电元件相关联并且所述压电元件被布置在所述腔(8)和所述前板柔性层(3)之间。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，2)提供(104)所述第二层结构(5)包括：在第二基板(12)上形成(104a)所述背板层(6)。
5.根据权利要求4所述的方法(100)，其特征在于，所述方法还包括在3)之后，去除(111)所述第二基板(12)。
6.根据权利要求4或5中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，2)提供(104)所述第二层结构(5)还包括在所述第二基板(12)上形成(110)声学背衬层(10)，用于减少在操作期间被定向离开所述对象的声学传输。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，2)提供(104)所述第二层结构(5)包括：在所述背板层(6)上形成(109)控制电路(9)的阵列。
8.根据权利要求7所述的方法(100)，其特征在于，所述第一层结构(1)的阵列中的超声换能器元件(4)与所述第二层结构(5)的阵列的个体控制电路(9)电连接，其中所述控制电路(9)的阵列被配置用于操作所述第一层结构(1)中的超声换能器元件(4)的阵列。
9.根据权利要求8所述的方法(100)，其特征在于，所述方法还包括5)形成(112)在所述超声换能器元件(4)的阵列和所述控制电路(9)的阵列之间的电连接(13)。
10.根据权利要求9所述的方法(100)，其特征在于，5)形成电连接(13)包括形成穿过所述第一层结构(1)到所述控制电路(9)的阵列中的控制电路的第一通孔，以及形成穿过所述前板柔性层(3)到所述超声换能器元件(4)的阵列中的超声换能器元件的第二通孔，以及穿过所述第一通孔、进一步到所述第二通孔以及穿过所述第二通孔来形成在所述控制电路(9)和所述超声换能器元件(4)之间的金属连接。
11.根据权利要求9所述的方法(100)，其特征在于，5)形成(112)电连接(13)包括形成穿过所述第一层结构(1)的通孔，包括穿过所述超声换能器元件(4)的阵列中的超声换能器元件到所述控制电路(9)的阵列中的控制电路，以及穿过所述通孔来形成在所述控制电路(9)和所述超声换能器元件(4)之间的金属连接。
12.根据权利要求7-11中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，还包括在所述背板层(6)上或下方布置集成电路结构，并将所述集成电路结构连接到所述控制电路(9)的阵列。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，还包括在4)之后，在所述前板柔性层(3)上添加(113)附加层(11)。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法(100)，其特征在于，1)形成(101)所述第一层结构(1)和2)提供(104)所述第二层结构(5)被彼此分开地处理。
15.一种用于超声系统的超声换能器(200)，其中所述超声换能器(200)包括多层结构，所述多层结构包括第一层结构(1)和第二层结构(5)，
其中所述第一层结构(1)包括
布置在所述第一层结构(1)中且被配置成生成沿主换能器轴线Z的正方向传播的超声能的超声换能器元件(4)的阵列；以及
前板柔性层(3)，所述前板柔性层(3)被布置在与所述超声换能器元件(4)的阵列相比进一步沿着所述主换能器轴线Z的正方向的位置处；
其中所述第二层结构(5)包括
背板层(6)，以及
其中所述多层结构还包括在所述背板层(6)和所述超声换能器元件(4)的阵列之间的腔限定层(7a，7b)，其中腔(8)的阵列被限定在所述腔限定层(7a、7b)中；以及
其中所述第一层结构(1)被粘性地结合到所述第二层结构(5)。
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