TW201705562A - 超聲波換能器 - Google Patents
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Abstract
提供超聲波換能器的系統和技術。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。第一台階可以形成於所述主腔與所述副腔的交疊處。第二台階可以形成於所述副腔與所述通道的交疊處。機電有源器件可以在所述第一台階和所述第二台階處附接於所述基板，使得所述機電有源器件的自由端懸在所述主腔的上方。膜可以連結於所述基板，使得膜覆蓋所述主腔和所述副腔，並且所述膜連結於所述機電有源器件的自由端。
Description
本申請要求於2015年5月20日遞交的美國臨時專利申請No.62/164,108的優先權。
本發明係有關於超聲波換能器。
機電有源器件可以使用在多種應用中。例如，機電有源器件可以使用在換能器、感測器和致動器中。在一些使用中，機電有源器件可以用於通過機電有源器件的振動而產生包括超聲波的聲波。膜或隔膜可以添加至機電有源器件，以提供供諸如空氣等的介質利用機電有源器件的振動而移動的額外的表面面積。
根據所公開主題的實施方式，基板可以包括主腔。機電有源器件可以附接於基板，使得機電有源器件的自由端懸在主腔的底部的上方。膜部可以連結於基板和機電有
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，第一台階可以形成於所述主腔與所述副腔的交疊處，第二台階可以形成於所述副腔與所述通道的交疊處。機電有源器件可以在所述第一台階和所述第二台階處附接於所述基板，使得所述機電有源器件的自由端懸在所述主腔的底部的上方。膜可以連結於所述基板，使得膜覆蓋所述主腔和所述副腔，並且所述膜連結於所述機電有源器件的自由端，使得所述機電有源器件在超聲波頻率下的振動致使所述膜在超聲波頻率下振動。
基板可以包括兩個主腔。兩個機電有源器件可以附接於所述基板，使得所述兩個機電有源器件中的第一機電有源器件的自由端懸在所述兩個主腔中的第一主腔的底部的上方，所述兩個機電有源器件中的第二機電有源器件的自由端懸在所述兩個主腔中的第二主腔的底部的上方。膜可以連結於所述基板，使得第一膜部覆蓋所述兩個主腔中的第一主腔，第二膜部覆蓋所述兩個主腔中的第二主腔。所述第一膜部可以連結於所述兩個機電有源器件中的第一機電有源器件，所述第二膜部可以黏接於所述兩個機電有源器件中的第二機電有源器件。
本文公開的系統和技術可以允許用於超聲波換能器。從以下詳細說明、附圖和申請專利範圍考慮，可以闡述所公開的主題的其它特徵、優點和示例或使所公開的
主題的其它特徵、優點和示例顯而易見。另外，要理解的是，前述發明內容和以下詳細說明兩者均是示例性的，並且意在提供進一步的解釋，而非限制申請專利範圍的範圍。
100‧‧‧超聲波換能器
120‧‧‧機電有源器件
122‧‧‧電無源材料
124‧‧‧電有源材料
126、128‧‧‧電極
130‧‧‧主腔；第一腔
140‧‧‧副腔；第二腔
142、152‧‧‧溝槽
150‧‧‧通道
160‧‧‧基板
165‧‧‧PCB
175、180‧‧‧佈線
190‧‧‧膜
195‧‧‧換能器單元
910‧‧‧連結結構
1000‧‧‧機電換能器陣列
1110、1215、1290‧‧‧膜部
1120‧‧‧膜邊界
1225‧‧‧機電有源器件
1300‧‧‧剛性塊
所包括的用於提供對所公開主題的進一步理解的附圖併入本說明書中並構成本說明書的一部分。附圖還示出了所公開主題的示例，並且與具體說明一起用於解釋所公開主題的示例的原理。未嘗試示出比必要地基本理解所公開主題更詳細的結構細節以及可以實踐的各種方式。
圖1示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。
圖2示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。
圖3示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。
圖4A示出根據所公開主題的實施方式的示例性機電有源器件。
圖4B示出根據所公開主題的實施方式的示例性機電有源器件。
圖5示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。
圖6A示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖6B示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖6C示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖7示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖8A示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖8B示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖8C示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖9A示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖9B示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖9C示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。
圖10示出根據所公開主題的實施方式的示例性機電換能器陣列。
圖11示出根據所公開主題的實施方式的示例性機電換能器陣列。
圖12A示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波器件。
圖12B示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波器件。
圖13示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。
圖14示出根據所公開主題的實施方式的示例性機電換能器陣列。
超聲波換能器可以包括附接於基板中的腔的壁的諸如懸臂或柔性件等的機電有源器件。機電有源器件可以由層疊材料製成，並且可以包括電極。基板可以包括具有佈線的台階結構，該佈線可以與機電有源器件的電極接觸。超聲波換能器可以包括膜，該膜可以覆蓋超聲波換能器的頂表面並可以附接於機電有源器件。超聲波的基板可以為印刷電路板(PCB(Printed Circuit Board))的層，或者可以為諸如銅或鋁等的剛性材料。該剛性材料可以附接於超聲波換能器的底部。可以使用同一基板件形成多個超聲波換能器，以形成機電換能器陣列。
超聲波換能器可以包括基板。基板可以為任意適當的材料，並且可以為例如具有任意適當數量的層的PCB的頂層。PCB的頂層可以為諸如FR-4等的非導電材料。基板可以具有任意適當的形狀，並且基板的表面可以是平坦的或可以是以任意適當的方式彎曲或製絨(textured)的。基板可以包括下凹的特徵。基板可以限定超聲波換能器的結
構、提供電接觸、剛性地固定機電有源器件並允許固定機電有源器件的剛性的變化。基板可以形成可以包括多個超聲波換能器的機電換能器陣列的基底。基板中的下凹腔可以用於在構建包括多個超聲波換能器的機電換能器陣列期間提供定位和對準(positive alignment)。基板可以以例如使用PCB製造技術等的任意適當的方式製成和構成。例如，下凹腔可以形成有磨削孔。可以使用層層疊、切鋸切割和環氧樹脂充填佈線來形成基板的結構。還可以使用陰模鑄造或減法處理的指令來形成基板的結構。基板可以為PCB的頂面的非導電層，這可以使機電換能器陣列的超聲波換能器與PCB的導電層和連接佈線隔開。將PCB用作基板還可以允許機電換能器陣列的電控制電路放置在機電換能器陣列的PCB的背側。如下其它材料也可以用作基板或使用在基板中，並且可以對機電換能器陣列的元件中的懸臂提供不同程度的機械支撐：諸如陶瓷、塑膠或可以被塗覆或陽極氧化成非導電的包括例如鋁、銅、矽/鋁合金和矽的金屬。例如，基板可以為鋁，並且可以以任意適當的方式附接於PCB的頂層。
可以使用利用切鋸的子切割設計基板，子切割可能會破壞機電換能器陣列的機電有源器件中的振盪的橫向模式(lateral mode)和寄生模式(parasitic mode)。基板可以由具有任意適當硬度的材料製成。基板的材料的硬度可以決定可以供機電有源器件連結的基底的剛性。基板可以是非平面的，並且還可以為柔性的。基板可以為非均質的
(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諸如矽橡膠等的吸收材料的其它材料。
超聲波換能器的腔可以具有任意適當的形狀，並且可以具有任意適當的深度。例如，腔可以是圓形的。機電有源器件可以以任意適當的方式附接於腔的壁。例如，可以在腔的邊緣形成台階結構或擱板，可以使用諸如導電環氧樹脂等的任意適當的黏接劑使機電有源器件連結於台階結構。台階結構可以通過在基板中形成額外的腔而建成。該額外的腔可以與腔部分地交疊，並且可以比腔淺。這可以在額外的腔與腔的交疊處形成台階，額外的腔可以在基板中呈現為月牙形。第二台階可以通過在基板中形成與額外的腔部分交疊的具有任意適當形狀的通道而生成。通道可以比額外的腔淺，以在交疊處形成第二台階。台階和第二台階可以對齊。台階結構中的可以供機電有源器件連結的階面、擱板(shelf)或各台階的長度可以決定機電有源器件的自由共振的長度。基板的諸如腔等的下凹表面可以被設計成允許與機電有源器件具有變化和可控的強度的連結，該連結可以影響機電有源器件的性能和超聲波換能器的輸出。改變可以供機電有源器件連結的區域的長度可以影響超聲波換能器的頻率和振幅或輸出的速度或振幅。基板的結構可以為機電有源器件提供能夠上下移動任意適當距離的間隙。
基板的台階結構可以由溝槽進一步限定，該溝槽可以被形成為具有任意適當的深度，並且可以穿過各交疊
部位。例如，可以在腔與額外的腔的交疊處形成深度與腔相同的溝槽，並且可以在通道與額外的腔的交疊處形成深度與額外的腔相同的溝槽。溝槽可以例如用於形成台階和第二台階的平坦前壁或豎板。腔、額外的腔、通道和溝槽可以以包括諸如鑽、磨和切鋸切割等的減法處理和加法處理的任意適當的方式形成在超聲波換能器的基板中。
基板可以包括任意適當數量的佈線。佈線可以被例如彼此成對錯開地圖案化。一對佈線中的一個佈線可以與機電有源器件的諸如導電金屬等的電無源層的電極電接觸。例如，電極可以在基板的台階結構的台階的階面上與佈線接觸。一對佈線中的另一佈線可以與機電有源器件的諸如壓電陶瓷等的電有源材料上的電極電接觸。例如，電極可以在台階結構的另一台階的階面上與另一佈線接觸。電極可以為例如薄膜電極。佈線可以充填有導電環氧樹脂，使得當使用切鋸形成用於收納機電有源器件的諸如台階結構等的凹部時，可以降低在佈線的電接觸點處損失導電性的風險。
基板可以包括用於單個機電有源器件的任意數量的佈線。佈線可以為盲佈線(blind vias)、埋佈線(buried vias)和貫通佈線的任意適當的組合。可以使用其它數量的佈線和不同類型的兩種佈線的連接來與機電換能器陣列的超聲波換能器建立電傳導。例如，在一個佈線的情況下，機電換能器陣列的超聲波換能器的連接可以為共地的機電有源器件的熱連接(hot connection)。在兩個佈線的情況下，
超聲波換能器的連接可以為一個熱連接和一個地連接，或者一個正極連接和一個負極連接。在三個佈線的情況下，超聲波換能器的連接可以為兩個熱連接和一個地連接、兩個地連接和一個熱連接，或者一個正極連接、一個負極連接和一個地連接。基板的結構可以允許機電換能器陣列的組成部件之間電隔離。
超聲波換能器可以包括附接於基板的機電有源器件。機電有源器件可以為懸臂或柔性件，並且可以為例如壓電單晶片、壓電雙晶片或壓電三晶片。機電有源器件可以包括能夠將電激勵轉換成高頻振動以產生超聲波發射的電有源材料，諸如壓電材料或壓電陶瓷、電致伸縮材料或鐵電材料。機電有源器件的幾何形狀可以在機電有源器件被驅動輸出超聲時影響由機電有源器件產生的頻率、速度、力、位移、電容、頻寬和機電能量轉化的效率，並且可以在機電有源器件被接收到的超聲驅動時影響由機電有源器件生成的電壓和電流以及機電能量轉化的效率。機電有源器件可以具有矩形的外形，或者可以具有基於諸如梯形幾何形狀等的任意其它適當的幾何形狀的外形。機電有源器件的幾何形狀可以被選擇成例如調諧機電有源器件的平衡和其它各種特性。機電有源器件可以使用層疊於單種無源基板材料的單層壓電材料製成。機電有源器件還可以製成有：單壓電層和多層無源層；反相運行的兩層壓電層，或者與一種或多種電無源材料組合的反相運行的兩層壓電層。機電有源器件的不同層可以具有不同的形狀。例如，
在壓電單晶片中，可以將壓電材料成形為具有與供該壓電材料連結的無源基板材料不同的形狀。機電有源器件中使用的例如壓電陶瓷的壓電材料可以以任意適當的方式被極化成具有任意適當的方向上的極性。
機電有源器件可以具有用於在超聲波換能器中使用和在超聲波頻率下振動的任意適當的尺寸。例如，機電有源器件可以具有0.5mm至1.5mm的寬度、0.4mm至0.5mm的高度和2.0mm至3.0mm的長度，儘管機電有源器件的不同的層可以具有不同的長度以允許與基板的台階結構連結。機電有源器件可以以諸如通過將較大的層疊材料切成矩形幾何形狀等的任意適當的方式製成。層疊材料可以由例如使用任意適當的連結技術和材料連結於電無源基板(例如金屬，諸如鋁、因瓦合金(Invar)、可伐合金(Kovar)、矽/鋁合金、不銹鋼和銅等)的如壓電陶瓷材料的電有源材料製成。所使用的材料可以為對單個的機電有源器件的性能而言非最佳的材料。例如，可以出於使較大數量的機電有源器件具有一致的性能或為了易於製造的目的來選擇材料。機電有源器件可以包括可以用於使機電有源器件固定於超聲波換能器的基板並可以便於例如與基板中的佈線電接觸的尾部。機電有源器件的尾部可以突出超過超聲波換能器的基板。尾部可以通過例如利用從機電有源器件中切去陶瓷材料的減法處理而構成。還可以使用例如如下的加法處理：首先，將層疊材料的壓電層構造成期望的幾何形狀，然後以與機電有源器件的期望長度大約相等的節距連結至
無源基板材料，此後，可以從連結的材料切出矩形的機電有源器件。
機電有源器件可以以任意適當的角度定向在腔中。例如，機電有源器件可以沿著圓形腔的直徑定向，並且可以到達腔的大約一半。機電有源器件的例如可以為壓電單晶片的無源材料或壓電雙晶片的有源材料的頂表面可以與腔的頂面齊平或近似齊平。機電有源器件可以以任意適當的方式附接於超聲波換能器的基板。例如，機電有源器件的下側或兩側中的任一者可以例如在基板的台階結構處連結於基板。所使用的用於使機電有源器件固定於基板的連結物可以為使用諸如環氧樹脂或接合物(solder)等的任意適當的導電和非導電連結材料的有機或無機連結物的任意適當的組合。機電有源器件與基板之間的接觸的區域可以具有任意適當的尺寸和形狀。在一些實施方式中，超聲波換能器可以在腔內包括多個機電有源器件。超聲波器件可以包括被任意適當配置的任意數量的超聲波換能器。
機電有源器件可以連結在基板上的適當位置，並且根據機電有源器件為壓電單晶片、壓電雙晶片、壓電三晶片還是具有一些其它結構，機電有源器件的無源或有源層向下面對。連結可以使用任意適當的連結劑、接合物或環氧樹脂。例如，可以在機電有源器件的待連結於基板的區域施加導電黏接薄膜。機電有源器件可以被壓入基板並被拉回，使得可以拉動機電有源器件的背壁與基板的台階結構平齊。可以通過例如使用UV釋放膠帶(UV release tape)
來拾取機電有源器件的拾置機(pick and place machine)將機電有源器件放置在基板上。導電黏接薄膜可以固化，此後機電有源器件可以通過暴露於例如UV光的釋放劑而與UV釋放膠帶分離。在機電換能器陣列中，可以供機電有源器件連結的區域可以延伸到單個超聲波換能器的外側並延伸進入相鄰的相鄰超聲波換能器，以便使用位於各超聲波換能器所在側的相反側的其它未使用的空間。這可以在機電換能器陣列的一個邊緣處產生小的額外空間。
膜可以連結於超聲波換能器，以形成具有膜的超聲波器件。膜可以以如下方式附接有黏接劑：可以限定膜將覆蓋的機電換能器陣列的多個單元的外形，其中各單元均可以包括超聲波換能器。被覆蓋的超聲波換能器的機電有源器件可以在例如機電有源器件處、或機電有源器件的末端附近連結於膜。膜可以為均可以覆蓋一個超聲波換能器或多個超聲波換能器的材料的多個分離件，或者可以為可以覆蓋機電換能器陣列的所有超聲波換能器的材料的單個件。膜可以與一個或多個超聲波換能器對齊並被壓入基板以形成覆蓋層。由於懸臂的運動可以使膜移動，所以膜可以用於使懸臂的運動與空氣聲學地耦合。膜可以以諸如如下的任意其它適當的方式附接於基板：包括超聲波焊接、鐳射焊接或電子束焊接的焊接於基板，或者機械地附接或銷接(pin)於基板。可以例如使用以任意適當的方式施加的任意適當的環氧樹脂使膜連結於基板。
膜可以為用於在超聲波頻率下振動的可以具有
任意適當硬度和重量的任意適當的材料或複合材料結構。例如，膜可以硬且輕。例如，膜可以為鋁補償料、金屬圖案化的Kapton或任意其它金屬圖案化的薄膜。膜可以是與空氣匹配的阻抗，以允許超聲波換能器的更有效的空氣耦合。膜可以包括諸如位於膜的將與機電有源器件的末端接觸處的環結構等的額外結構。
膜可以沿著可以例如為固化了的環氧樹脂的連結線附接於機電換能器陣列。連結線可以將機電換能器陣列分隔成具有諸如正方形等的任意適當形狀的超聲波換能器。膜還可以連結於機電換能器陣列的各機電有源器件的自由端的末端。這可以使各超聲波換能器均被如下的膜部覆蓋：在該超聲波換能器周圍連結於基板，並且還連結於超聲波換能器的機電有源器件的自由端的末端的膜部。機電有源器件的自由端的末端可以與膜部的中央略微偏離地對齊。這可以使膜部被機電有源器件向外推動，使得膜部的最高點位於膜部的中央。儘管膜可以保持單件材料，但是各膜部均能夠獨立於其它任何膜部移動。由固化了的環氧樹脂形成的連結線可以使各膜部彼此機械地隔開。一個膜部的移動可以不傳遞超過膜與基板連結所在處的連結線而到達另一膜部。
機電換能器陣列可以包括任意數量的超聲波換能器。超聲波換能器可以共用作為基板的共用的材料件，或者可以使用任意適當數量的單獨的材料件，例如各超聲波換能器均具有其自己的單獨的基板材料件。可以將機電
換能器陣列的超聲波換能器分隔成單元。各單元可以均包括由膜或膜部覆蓋的單個超聲波換能器，或者可以包括多個超聲波換能器。單元可以具有任意適當的形狀和任意適當的圖案。例如，單元可以為正方形、矩形、圓形、六邊形、不規則多邊形並具有一個或多個彎曲的邊界。可以將單元配置成任意適當的圖案。例如，可以將單元配置成網格圖案、圓形圖案或六邊形圖案。
機電換能器陣列的基板可以為PCB的頂層，或者可以附接於PCB的頂層。機電換能器陣列上或中、例如基板上或中或PCB的除了供基板附接的層以外的其它層上或中可以安裝有ASIC和其它電子件。基板中還可以埋設有用於一個或多個電阻-電感-電容(RLC(resistor-inductor-capacitor))電路的組成部件。機電換能器陣列中可以包括具有任意適當尺寸的電池、具有任意適當容量和任意適當電性能的電容(包括超級電容)。基板的材料可以對例如可以包含或包括機電換能器陣列的殼體或其它外殼增加剛性，並且可以保護機電換能器陣列的組成部件或其它組成部件。機電換能器陣列的底部可以附接有材料層，以對機電換能器陣列和超聲波換能器提供增強了的剛性。例如，鋁板可以以任意適當的方式連結於機電換能器陣列的底部的背面。
基板能夠支撐由機電有源器件引起的橫向模式，或者能夠將來自一個超聲波換能器的運動傳遞至與該超聲波換能器相鄰的超聲波換能器。在設計和製造基板時可以
使用任意適當的技術，以使串擾和橫向模式最小化。例如，基板可以是子切割的(sub-diced)，其可以包括利用鋸將圖案切成深入基板的後側的特定深度。這可以確保不存在任何用於橫向傳播波的路徑。通過子切割形成的溝槽可以充填有諸如矽橡膠等的阻尼(damping)或吸收材料，以減少橫向波。為了使機電換能器陣列的各種導電組成部件的電串擾隔離，可以在通過子切割形成的溝槽中使用例如電絕緣層。在機電換能器陣列的單元之間可以使用例如導電障礙物(electrically conductive barriers)作為遮罩面。
機電換能器陣列可以被設計成適應製成該機電換能器陣列的各種材料的熱膨脹，以減輕或消除熱膨脹對機電換能器陣列的性能的影響。機電換能器陣列可以被設計成對振動和衝擊具有魯棒性(robust)。
在一些實施方式中，可以將多於一個膜連結於機電換能器陣列。例如，可以使用相同材料或不同材料的多個單獨膜來覆蓋機電換能器陣列的超聲波換能器。可以例如使用不同的材料，以允許超聲波器件的不同部分具有不同的運行特性。
圖1示出了根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。超聲波換能器100可以包括基板160、PCB165和膜190。基板160可以為任意適當的材料，例如諸如FR-4等的PCB的非導電層或可以比FR-4更硬的諸如鋁等的金屬。基板160可以具有任意適當的形狀和任意適當的厚度。基板160可以包括主腔130、副腔140、通道150、溝槽
142、溝槽152和機電有源器件120。基板160可以包括任意數量的基準點，該基準點可以例如預鑽而成。主腔130可以為通過任意適當的加法處理或減法處理形成的位於基板160中的腔，並且可以具有任意適當的形狀和任意適當的深度。例如，主腔130可以為具有1.0mm至1.5mm的半徑的圓形，並且可以具有0.5mm至0.6mm的深度。副腔140可以為與主腔130交疊的位於基板160中的腔，並且可以具有任意適當的形狀和任意適當的深度。例如，副腔140可以為深度小於主腔130的半圓形腔(例如，深度為0.4mm至0.5mm)，副腔140在其與主腔130相交處形成第一台階。副腔140可以具有例如0.5mm至1.0mm的半徑。如果在主腔130之前形成副腔140，則副腔140可以呈現圓形，但是在主腔130之後，副腔140可以呈現月牙形。通道150可以為以任意適當的方式製成的具有任意適當寬度和深度的通道，通道150可以延伸穿過主腔130和副腔140的中央。例如，可以使用切鋸(dicing saw)將通道150切成穿過第一腔130和第二腔140的任意適當的寬度。通道150可以比副腔140淺，使得通道在其與副腔140的交疊處形成第二台階。第二台階可以與第一台階對齊。通道150可以延伸穿過多個諸如超聲波換能器100等的超聲波換能器。例如，超聲波換能器在機電換能器陣列中可以是對齊的，使得來自切鋸的直線切割可以穿過對齊的超聲波換能器的組中的諸如主腔130等的所有主腔的中央和諸如副腔140等的所有副腔的中央。主腔130、副腔140和通道150可以以任意適當的順序形成在基板160中。
第一台階的豎板(riser)還可以由溝槽142限定。溝槽142可以以例如通過切鋸切割的任意適當的方式形成，並且可以在主腔130和副腔140的交疊處與它們交叉。溝槽142可以形成第一台階的平坦豎板。第二台階的平坦豎板還可以由溝槽152限定。溝槽152可以以例如通過切鋸切割的任意適當的方式形成，並且可以在副腔140和通道150的交疊處與它們交叉。溝槽152可以形成第二台階的平坦豎板。溝槽142和152可以具有諸如0.1mm至0.3mm等的任意適當的寬度。
第一台階可以包括佈線180，第二台階可以包括佈線175。佈線175和180可以為具有任意適當尺寸和形狀的任意適當的佈線。佈線175和180可以是導電的，並且可以例如充填有導電環氧樹脂。佈線175和180可以向下穿過基板160，並且可以提供與PCB165的組成部件的電連接。佈線175和180可以以諸如通過對基板160進行鑽孔等的任意適當的方式形成在基板160中。佈線175和180可以均由電極覆蓋，以利於通過佈線175和180電連接。佈線175和180可以具有例如0.2mm的直徑。
機電有源器件120可以為在例如超過20000Hz頻率的超聲波頻率下振動的任意適當的機電有源器件。機電有源器件120可以為例如可以使用連結於電無源基板的壓電陶瓷材料的壓電單晶片或壓電雙晶片。機電有源器件120可以具有任意適當的形狀，並且可以為例如懸臂或柔性件。例如，機電有源器件120可以包括例如連結於電有源材料
124的電無源材料122，電無源材料122可以為例如不銹鋼、鋁、因瓦合金、可伐合金或矽/鋁合金，電有源材料124可以為例如壓電陶瓷。超聲波換能器100的機電有源器件120可以在機電有源器件120的自由端在主腔130的底部上方突出並懸在主腔130的底部上方的情況下在第一和第二台階處連結於基板160。電無源材料122可以包括電極126，電有源材料124可以包括電極128。當機電有源器件120在第一和第二台階處連結於基板160時，電極126可以與第二台階上的佈線175對齊，電極128可以與第一台階上的佈線180對齊。可以使用導電環氧樹脂使電極126和128連結於佈線175和180，這可以允許機電有源器件120與PCB165和PCB165的組成部件之間電連接。這可以允許通過PCB165向機電有源器件120供給電流，從而使機電有源器件120例如通過電有源材料124響應於電流的變形或移動而在超聲波頻率下振動。這還可以允許當機電有源器件120受到接收到的超聲波的作用而振動時，向PCB165供給通過機電有源器件120的變形所產生的電流。機電有源器件120的頂表面可以與基板160的頂表面齊平或略微低於基板160的頂表面。
可以將膜190切成用於超聲波換能器100或包括超聲波換能器100的機電超聲波陣列的適當尺寸。例如，膜190可以略微大於膜190要覆蓋機電換能器陣列所需的面積。膜190可以為用於在超聲波頻率下振動的任意適當的輕且硬的材料，諸如鋁補償料(aluminum shim stock)、金屬圖案化的Kapton或任意其它金屬圖案化的膜等。膜190還可以包
括適當的圖案化結構。
具有膜190的一部分、基板160和PCB165的超聲波換能器100可以形成機電換能器陣列的換能器單元195。機電換能器陣列可以包括以任意適當的方式配置的任意數量的諸如換能器單元195等的換能器單元。
圖2示出了根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。機電有源器件120可以連結於基板160的第一台階和第二台階。機電有源器件120的頂面可以與基板160的頂面齊平或近似齊平，機電有源器件120的末端可以在主腔130上方突出大約一半。
圖3示出了根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。可以將膜190放置在超聲波換能器100上，並且可以使用任意適當的技術使膜190連結於基板160。例如，可以使用環氧樹脂使膜190連結於基板160。膜190的一部分可以覆蓋超聲波換能器100，並且可以在機電有源器件120的末端附近連結於機電有源器件120。膜190的一部分可以連結於換能器單元195的邊界，並且可以使主腔130和副腔140全部或部分密封。
圖4A示出了根據所公開主題的實施方式的示例性機電有源器件。電無源材料122可以比電有源材料124長。電無源材料122和電有源材料124可以在機電有源器件120的一端對齊，電無源材料122可以在機電有源器件120的另一端延伸超過電有源材料124。由電無源材料122形成的懸出部或尾部可以允許機電有源器件120嵌入基板160的包括
第一台階和第二台階的台階結構。在一些實施方式中，機電有源器件120可以為壓電雙晶片或壓電三晶片，尾部可以為電有源材料和電無源材料的任意適當組合。
圖4B示出了根據所公開主題的實施方式的示例性機電有源器件。機電有源器件120的下側(underside)可以包括電有源材料124的下側和其電極128。電極126可以覆蓋電無源材料122的下側的不連結於電有源材料124的頂面的部分。
圖5示出了根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。溝槽142可以形成在主腔130的邊緣的主腔130與副腔140相遇的位置處。溝槽142可以具有與主腔130相同的深度，並且可以例如使主腔130的圓形邊緣平坦化，從而形成用於從主腔130至副腔140的第一台階的平坦豎板。溝槽152可以形成在副腔140的邊緣的副腔140與通道150相遇的位置處。溝槽152可以具有與副腔140相同的深度，並且可以例如使副腔140的圓形邊緣平坦化，從而形成用於從副腔140至通道150的第二台階的平坦豎板。
圖6A示出了根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。佈線175和180可以向下穿過基板160的深度、到達PCB165。這可以允許佈線175和180將電從PCB165和PCB165的組成部件輸送至位於副腔140中的第一台階的階面(tread)和位於通道150中的第二台階的階面。
圖6B示出了根據所公開主題的實施方式的超聲
波換能器的示例性截面圖。在通道150的任一側，基板160均可以是最高的。可以貫穿基板160的寬度地切割溝槽152。
圖6C示出了根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。在副腔140的任一側，基板160均可以是最高的。可以貫穿基板160的寬度地切割溝槽142。
圖7示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。機電有源器件120可以以任意適當的方式連結於基板160。機電有源器件120可以以如下方式在基板160中對齊：使得機電有源器件120的自由端在主腔130上方向主腔130的與第一台階和第二台階所在側的另一側(far side)突出和懸出大約一半。
圖8A示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。電極128可以連結於位於副腔140中的第一台階的階面。電極128可以例如通過導電環氧樹脂與佈線180電接觸，從而使電極128和電有源材料124與PCB165和PCB165的組成部件電連接。電極126可以連結於位於通道150中的第二台階的階面。電極126可以例如通過導電環氧樹脂與佈線175電接觸，從而使電極126和電無源材料122與PCB165和PCB165的組成部件電連接。通過佈線175和180與PCB165的電連接可以允許機電有源器件120被通過PCB165供給的電信號驅動，或者當機電有源器件120被接收到的超聲波驅動時向PCB165供給電信號。例如，電
源和/或電存儲件可以為PCB165的一部分或與PCB165連接，並且可以通過佈線175和180供給可以用於驅動機電有源器件120的電，從而使機電有源器件120在超聲波頻率下振動，或者當機電有源器件120受到超聲波的作用而振動時存儲由機電有源器件120產生的電。
圖8B示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。機電有源器件120的頂面可以與超聲波換能器100的基板160的頂面齊平或近似齊平。
圖8C示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。機電有源器件120的自由端可以在主腔130的上方延伸出來，並且可以具有在主腔130內向下移動的空間。
圖9A示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。膜190可以連結於超聲波換能器100。例如，膜190可以通過連結結構910連結於機電有源器件120的末端。連結結構910可以將膜190保持在機電有源器件120的頂表面的上方。連結結構910可以例如為可以具有任意適當厚度的環氧樹脂的點，並且可以在膜190與機電有源器件120連結在一起時用作膜190與機電有源器件120的末端之間的支架(standoff)。連結結構910還可以為由諸如金屬、陶瓷或塑膠等任意適當的材料製成的小支架，並且連結結構910可以與機電有源器件120和膜190兩者連結。機電有源器件120的末端可以略微偏離膜190的覆蓋超聲波換能器100的部分的中央。
圖9B示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。膜190可以以如下方式連結於超聲波換能器100：膜190的覆蓋超聲波換能器100的部分的邊緣位於超聲波換能器100的換能器單元195的邊緣。膜190可以覆蓋主腔130、副腔140和通道150。
圖9C示出根據所公開主題的實施方式的超聲波換能器的示例性截面圖。機電有源器件120的自由端可以在主腔130的上方延伸出來，並且可以具有在主腔130內向下移動的空間，從而將膜190拉入主腔130。
圖10示出根據所公開主題的實施方式的示例性機電換能器陣列。機電換能器陣列1000可以包括任意數量的諸如超聲波換能器100等的超聲波換能器。超聲波換能器可以諸如以網格圖案等的任意適當的方式配置。溝槽152和142可以與多個超聲波換能器交叉。機電換能器陣列1000的超聲波換能器可以共用同一基板160，基板160可以為例如FR-4或可以對機電換能器陣列1000提供比FR-4大的剛性的諸如鋁等的金屬的基板材料的連續件。在一些實施方式中，可以使用基板材料的分離件，例如基板材料的各個件均具有一個超聲波換能器或多個超聲波換能器，從而形成物理上分離的超聲波換能器或超聲波換能器的分離的組。分離的超聲波換能器或超聲波換能器的分離的組可以附接於同一PCB165。
圖11示出根據所公開主題的實施方式的示例性機電換能器陣列。膜190可以具有多個諸如膜部1110等的膜
部，該膜部可以由形成在膜190與機電換能器陣列1000的基板160連結處的膜邊界1120限定。例如，膜邊界1120可以由使膜190連結於基板160的環氧樹脂的線形成。膜190的諸如膜部1100等的各膜部均可以覆蓋機電換能器陣列1000的諸如超聲波換能器100等的超聲波換能器。膜邊界1120可以形成用於每個超聲波換能器的諸如換能器單元195等的換能器單元的輪廓。
圖12A示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波器件。膜190的膜部1110可以覆蓋機電換能器陣列1000的超聲波換能器100。通過膜190至基板160的附接，可以為例如由固化了的環氧樹脂形成的連結線的膜邊界1120可以使膜部彼此機械地隔開。膜部1110可以通過連結結構910保持在機電有源器件120的頂表面的上方。連結結構910可以略微偏離膜部1110的中央地連結於機電有源器件120的末端。
圖12B示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波器件。膜190的諸如膜部1110、1215和1290等的膜部可以通過位於膜190與基板160之間的例如位於膜邊界1120處的連結物而彼此機械地隔開。例如，當機電有源器件120被啟動(activated)並向上彎曲時，可以在連結結構910所在處向上推動膜部1110。因為連結結構910可以略微偏離中央，所以膜部1110可以在其中央處被連結結構910和機電有源器件120的彎曲了的末端向上推動。位於膜邊界1120處的連結物可以使膜部1110與相鄰的膜部1290機械地隔開，
使得膜部1110因機電有源器件120的移動的移動不會導致膜部1290的任何移動或被干擾。類似地，機電有源器件1225可以被啟動並向上彎曲，從而向上推動膜部1215。相鄰的膜部1290可以通過位於膜190與基板160之間的、位於膜邊界1120處的連結物與膜部1215機械地隔開。因而，通過諸如膜部1100、1215和1290等的膜部的獨立移動，機電換能器陣列1000的諸如超聲波換能器100等的超聲波換能器可以獨立於相鄰的超聲波換能器地在超聲波頻率下產生聲波。
圖13示出根據所公開主題的實施方式的示例性超聲波換能器。超聲波換能器100可以添加有剛性塊(rigid mass)1300。剛性塊1300可以以例如使用任意適當的黏接劑、連結劑或環氧樹脂的任意適當的方式連結於超聲波換能器100的PCB165的背表面。剛性塊1300可以為例如鋁、銅、矽/鋁合金或矽的片或板，並且可以用於增強超聲波換能器100的剛性。這可以減少超聲波換能器100在機電有源器件120在超聲波頻率下振動和使膜190移動時的不期望的振動。可以在基板160為諸如FR-4等的較小剛性材料時將剛性塊1300添加至超聲波換能器100。還可以在基板160為諸如鋁等的較大剛性材料時將剛性塊1300添加至超聲波換能器100，以進一步增強超聲波換能器100的剛性。在一些實施方式中，剛性塊1300可以黏接於基板160的背表面、而不黏接於PCB165，或者可以將另一剛性塊黏接於基板160的背面。
圖14示出根據所公開主題的實施方式的示例性機電換能器陣列。剛性塊1300可被黏接於機電換能器陣列1000的PCB165的背面，及該機電換能器陣列1000的該超聲波換能器。剛性塊1300可以減少機電換能器陣列1000的超聲波換能器的不期望的振動。在一些實施方式中，剛性塊1300可以黏接於基板160的背面、而不黏接於PCB165，或者可以將另一剛性塊黏接於基板160的背面。
出於解釋的目的，已經參照具體的實施方式對前述說明進行了說明。然而，以上說明性的討論不意在窮舉或將所公開的主題的示例限制於公開的這種形式。鑒於以上教導，能夠有很多變型和變化。為了解釋所公開的主題的示例的原理及其實際應用，對示例進行了選擇和說明，由此使本領域技術人員能夠利用這些示例以及可以適用於所設想的特定用途的各種變型的各種示例。
100‧‧‧超聲波換能器
120‧‧‧機電有源器件
122‧‧‧電無源材料
124‧‧‧電有源材料
126、128‧‧‧電極
130‧‧‧主腔；第一腔
140‧‧‧副腔；第二腔
142、152‧‧‧溝槽
150‧‧‧通道
160‧‧‧基板
165‧‧‧PCB
175、180‧‧‧佈線
190‧‧‧膜
Claims (34)
- 一種超聲波換能器，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，第一台階形成於所述主腔與所述副腔的交疊處，第二台階形成於所述副腔與所述通道的交疊處；機電有源器件，其在所述第一台階和所述第二台階處附接於所述基板，使得所述機電有源器件的自由端懸在所述主腔的底部的上方；以及膜，其連結於所述基板，使得膜覆蓋所述主腔和所述副腔，並且所述膜連結於所述機電有源器件的自由端，使得所述機電有源器件在超聲波頻率下的振動致使所述膜在超聲波頻率下振動。
- 如請求項1所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述膜包括與空氣匹配的材料阻抗。
- 如請求項1所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述基板還包括形成了用於所述第一台階的平坦豎板的第一溝槽和形成了用於所述第二台階的平坦豎板的第二溝槽。
- 如請求項1所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述超聲波換能器還包括連結於所述基板的PCB，所述PCB包括至少一層導電層。
- 如請求項4所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述超 聲波換能器還包括佈置在所述第一台階中的第一佈線和佈置在所述第二台階中的第二佈線，所述第一佈線和所述第二佈線向下穿過所述基板，以與所述PCB的至少一層導電層連接。
- 如請求項5所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述機電有源器件的第一電極連結於所述第一佈線，所述機電有源器件的第二電極連結於所述第二佈線。
- 如請求項1所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述基板包括硬度比FR-4大的材料。
- 如請求項4所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述超聲波換能器還包括連結於所述PCB的剛性塊。
- 如請求項1所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述機電有源器件包括壓電單晶片或壓電雙晶片。
- 一種機電換能器陣列，其包括：基板，其包括兩個主腔；兩個機電有源器件，其附接於所述基板，使得所述兩個機電有源器件中的第一機電有源器件的自由端懸在所述兩個主腔中的第一主腔的底部的上方，所述兩個機電有源器件中的第二機電有源器件的自由端懸在所述兩個主腔中的第二主腔的底部的上方；膜，其連結於所述基板，使得第一膜部覆蓋所述兩個主腔中的第一主腔，第二膜部覆蓋所述兩個主腔中的第二主腔，所述第一膜部連結於所述兩個機電有源器件中的第一機電有源器件，所述第二膜部黏接於所述兩個 機電有源器件中的第二機電有源器件。
- 如請求項10所述的機電換能器陣列，其特徵在於，所述機電換能器陣列還包括連結於所述基板的PCB。
- 如請求項11所述的機電換能器陣列，其特徵在於，所述機電換能器陣列還包括連結於所述基板或所述PCB的剛性塊。
- 如請求項10所述的機電換能器陣列，其特徵在於，所述基板還包括與所述兩個主腔中的第一主腔交疊以形成第一台階的副腔。
- 如請求項10所述的機電換能器陣列，其特徵在於，所述基板還包括與所述副腔交疊以形成第二台階的通道。
- 如請求項14所述的機電換能器陣列，其特徵在於，所述機電換能器陣列還包括佈置在所述第一台階中的第一佈線和佈置在所述第二台階中的第二佈線，所述兩個機電有源器件中的第一機電有源器件包括連結於所述第一佈線的第一電極和連結於所述第二佈線的第二電極。
- 如請求項10所述的機電換能器陣列，其特徵在於，所述第一膜部與所述第二膜部機械地隔開，使得所述第一膜部和所述第二膜部獨立地移動。
- 一種超聲波換能器，其包括：基板，其包括主腔；機電有源器件，其附接於所述基板，使得所述機電有源器件的自由端懸在所述主腔的底部的上方；以及 膜部，其連結於所述基板和所述機電有源器件。
- 如請求項17所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述機電有源器件包括層疊材料。
- 如請求項17所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述機電有源器件包括連結於電有源材料的電無源材料。
- 如請求項19所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述電有源材料包括壓電陶瓷。
- 如請求項20所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述基板還包括與所述主腔至少部分交疊的副腔，所述副腔比所述主腔淺。
- 如請求項21所述的超聲波換能器，其特徵在於，第一台階形成於所述副腔與所述主腔的交疊處。
- 如請求項22所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述基板還包括與所述副腔至少部分交疊的通道，所述通道比所述副腔淺。
- 如請求項23所述的超聲波換能器，其特徵在於，第二台階形成於所述通道與所述副腔的交疊處。
- 如請求項24所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述基板還包括佈置在所述第一台階中的第一佈線和佈置在所述第二台階中的第二佈線。
- 如請求項25所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述機電有源器件還包括第一電極和第二電極。
- 如請求項25所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述第一佈線和所述第二佈線向下穿過所述基板，以與佈置在 所述基板下方的PCB的至少一層電接觸。
- 如請求項26所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述機電有源器件在所述第一台階和所述第二台階處附接於所述基板，使得所述第一電極與所述第一佈線電接觸，所述第二電極與所述第二佈線電接觸。
- 如請求項17所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述膜部圍繞所述主腔連結於所述基板，使得所述膜部覆蓋所述主腔。
- 如請求項17所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述膜部在所述機電有源器件的自由端處連結於所述機電有源器件，使得所述機電有源器件在超聲波頻率下的振動致使所述膜部在超聲波頻率下振動。
- 如請求項24所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述基板還包括第一溝槽和第二溝槽，所述第一溝槽形成用於所述第一台階的平坦豎板，所述第二溝槽形成用於所述第二台階的平坦豎板。
- 如請求項17所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述基板包括鋁、銅、矽/鋁合金或矽。
- 如請求項17所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述超聲波換能器還包括連結於所述超聲波換能器的剛性塊。
- 如請求項33所述的超聲波換能器，其特徵在於，所述剛性塊連結於PCB，所述PCB連結於所述基板。
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