TW202319023A - 多傳感器晶片超音波裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於與各種類型之成像一起使用之超音波裝置。在一些實施例中，該超音波裝置可包括一電路系統基板及耦合至該電路系統基板之複數個傳感器晶片。在一些實施例中，各傳感器晶片可包括：一微機電系統(MEMS)組件，其可包含彼此緊密堆積之複數個超音波元件；一專用積體電路(ASIC)，其可操作地耦合至該MEMS組件之該複數個超音波元件；及一控制單元，其可電耦合至該複數個傳感器晶片之各ASIC以控制該各ASIC。在一些實施例中，該複數個傳感器晶片之至少兩個傳感器晶片可依一間隔距離放置於該電路系統基板上，該間隔距離可小於該至少兩個傳感器晶片之該等MEMS組件之該等超音波元件之一操作波長。

Description

多傳感器晶片超音波裝置
本發明係關於用於使人體或動物體之內部組織、骨骼、血流或器官或其他關注物體(諸如一玩具或一運輸包裝)成像及顯示影像之非侵入式成像系統及/或探針。此等系統及/或探針通常需要將一信號傳輸至身體中及自被成像之身體部分接收一發射或反射信號。通常，用於一成像系統中之傳感器指稱收發器且一些收發器係基於光聲及/或超音波效應。一般而言，收發器用於成像，但未必限於成像。例如，收發器可用於醫學成像、管道中之流量量測、揚聲器及麥克風陣列、碎石術、用於治療之局部組織加熱或用於手術之高強度聚焦超音波(HIFU)等等。
習知超音波傳感器通常由體壓電(PZT)材料構建且通常需要非常高電壓脈衝來產生傳輸信號，通常100 V或更高。此高電壓可導致高功率耗散，因為傳感器中之功率消耗/耗散與驅動電壓之平方成比例。探針表面可為多熱通常亦存在一限制且此限制探針可消耗多少功率，因為消耗功率與由探針產生之熱成比例。在習知系統中，發熱使一些探針需要冷卻配置以增加探針之製造成本及重量。一般而言，習知探針之重量亦係一問題，因為已知使用此等探針之大量超音波醫師遭受肌損傷。
用於醫學成像之習知超音波探針通常使用PZT材料或其他壓電陶瓷及聚合物複合材料。探針通常收容傳感器及一些其他電子器件，其等具有引起一影像顯示於一顯示單元上之構件。為製造傳感器之習知體PZT元件，吾人可簡單地將一厚壓電材料片切割成大矩形PZT元件。此等矩形PZT元件構建非常昂貴，因為製程涉及精確切割矩形厚PZT或陶瓷材料及依精確間距安裝於基板上。此外，傳感器之阻抗遠高於用於傳感器之傳輸/接收電子器件之阻抗。
在習知系統中，用於傳感器之傳輸/接收電子器件通常遠離探針定位以在傳感器與電子器件之間需要微同軸電纜。一般而言，電纜需要具有一精確長度用於延遲及阻抗匹配，且通常需要額外阻抗匹配網路來透過電纜將傳感器高效連接至電子器件。
微機械技術之進步允許感測器及致動器(諸如電容微機械超音波傳感器(cMUT)及壓電微機械超音波傳感器(pMUT))高效形成於一(矽)基板上。與具有龐大壓電材料之習知傳感器相比，MUT體積更小且製造更便宜，同時其在電子器件與傳感器之間具有更簡單及更高效能互連，提供操作頻率之更大靈活性，且可產生更高品質影像。
儘管此等傳感器之基本概念已在1990年代初揭示，但此等概念之商業實施遇到大量挑戰。例如，習知cMUT感測器特別容易失效或效能漂移，其歸因於高電壓操作期間之電荷積聚、難以在較低頻率產生足夠高聲壓及固有非線性。習知pMUT已成為一有前景替代，但具有傳輸及接收效率低之相關問題，仍需要相對較高操作電壓，且具有有限頻寬。因而，需要具有提高效率、可以更低電壓操作及展現高頻寬之改良MUT。
本發明提供一種超音波裝置，其可包括互連成一陣列之多個傳感器晶片。該等傳感器晶片可涵蓋與一專用積體電路(ASIC)通信之一微機電系統(MEMS)組件。該ASIC晶片可耦合至該MEMS組件之諸多超音波元件且透過一接線總成或一穿矽通路(TSV)封裝與一控制晶片電互連。在一些實施例中，該等傳感器晶片可依可小於操作超音波長之一間隔距離組裝於一陣列上，其可引起成像孔隙重疊，此可導致成像面積及橫向解析度兩者增大。
在一態樣中，本發明提供一種用於與各種類型之成像一起使用之超音波裝置。在一些實施例中，該超音波裝置可包括一電路系統基板及耦合至該電路系統基板之複數個傳感器晶片。在一些實施例中，該電路系統基板可包括諸如一印刷電路板(PCB)之一金屬基板。在一些實施例中，各傳感器晶片可包括：一微機電系統(MEMS)組件，其可包含彼此緊密堆積之複數個超音波元件；一專用積體電路(ASIC)，其可操作地耦合至該MEMS組件之該複數個超音波元件；及一控制單元，其可電耦合至該複數個傳感器晶片之各ASIC以控制該各ASIC。在一些實施例中，該複數個傳感器晶片之至少兩個傳感器晶片可依一間隔距離放置於該電路系統基板上，該間隔距離可小於該至少兩個傳感器晶片之該等MEMS組件之該等超音波元件之一操作波長。
在另一態樣中，一種超音波裝置包括一電路系統基板及耦合至該電路系統基板之複數個傳感器晶片。在一些情況中，各傳感器晶片包括：一微機電系統(MEMS)組件，其包含彼此緊密堆積之複數個超音波元件；及一專用積體電路(ASIC)，其操作地耦合至該MEMS組件之該複數個超音波元件。在一些實施例中，該超音波裝置包括一控制單元，其電耦合至該複數個傳感器晶片之各ASIC以控制該各ASIC，其中該複數個傳感器晶片之至少兩個傳感器晶片依一間隔距離放置於該電路系統基板上，該間隔距離小於該至少兩個傳感器晶片之該等MEMS組件之該等超音波元件之一操作波長。在一些實施例中，該超音波裝置包括該電路系統基板包括一標準印刷電路板(PCB)或一撓性印刷電路板(軟板)。在一些實施例中，該軟板具有一固定曲率。在一些實施例中，該軟板具有即時順應用於成像之一目標表面而改變之一曲率。
在一些實施例中，該傳感器晶片具有一特定操作波長。在一些實施例中，任何相鄰傳感器晶片之間的該間隔距離針對該等相鄰傳感器晶片之該特定操作波長最佳化。在一些實施例中，該至少兩個傳感器晶片之間的該間隔距離係20 µm或更小。在一些實施例中，該至少兩個傳感器晶片依一共面方式放置於該電路系統基板上。在一些實施例中，該至少兩個傳感器晶片依一曲面方式放置於該電路系統基板上。在一些實施例中，該複數個之一第一傳感器晶片具有獨立於該複數個之一第二後續傳感器晶片之操作頻率之一或多個操作頻率。在一些實施例中，任何傳感器晶片內之相鄰超音波元件之間的該間隔距離針對該傳感器晶片之該特定操作波長最佳化。在一些實施例中，該超音波裝置可包括耦合至該複數個傳感器晶片之一或多個聲透鏡。在一些實施例中，該一或多個聲透鏡包括耦合至一第一傳感器晶片之一第一聲透鏡及耦合至一第二傳感器晶片之一第二聲透鏡，且其中該第一及第二聲透鏡具有曲率。在一些實施例中，各傳感器晶片藉由三維互連機構耦合至該電路系統基板。在一些實施例中，該三維互連機構包括一接線。
在一些實施例中，該三維互連機構包括穿過該傳感器晶片中之該ASIC之全厚度之一穿矽通路(TSV)。在一些實施例中，該控制單元具有將該控制單元耦合至該電路系統基板之三維互連機構。在一些實施例中，該控制單元耦合至該電路系統基板。在一些實施例中，該控制單元耦合至與該電路系統基板分離之一PCB。在一些實施例中，該控制單元藉由時序控制來協調該複數個傳感器晶片之獨立及同步操作。在一些實施例中，該超音波裝置總成包括使用TSV之二維組態。在一些實施例中，由該TSV實現之一透鏡標高係該MEMS表面上方至多200 µm。在一些實施例中，該TSV具有小於10 pH之一電感位準。在一些實施例中，該TSV係一後TSV總成。在一些實施例中，該後TSV總成具有至少35 µm之一直徑。在一些實施例中，該後TSV總成具有比該直徑大至少20 µm之一墊大小。在一些實施例中，該後TSV總成具有比該墊大小大至少15 µm之一節距。在一些實施例中，該後TSV總成具有與該直徑之至多3:1之一深度比。在一些實施例中，該TSV係一中TSV總成。在一些實施例中，該中TSV總成具有至少2 µm之一直徑。在一些實施例中，該中TSV總成具有比該直徑大至少10 µm之一墊大小。在一些實施例中，該中TSV總成具有比該墊大小大至少20 µm之一節距。在一些實施例中，該中TSV總成具有與該直徑之至多10:1之一深度比。在一些實施例中，該等MEMS組件之一或多者包括一壓電微機械超音波傳感器(pMUT)。在一些實施例中，該等MEMS組件之一或多者包括一電容微機械超音波傳感器(cMUT)。在一些實施例中，該至少兩個傳感器晶片之該等MEMS組件之該操作波長在自0.1 mm至3 mm之一範圍內。
熟習技術者將易於自其中僅展示及描述本發明之繪示性實施例之以下詳細描述明白本發明之額外態樣及優點。應意識到，本發明能夠實現其他及不同實施例，且其若干細節能夠在各種明顯方面修改，其等所有不背離本發明。因此，圖式及描述應被視為具繪示性而非限制性。 以引用方式併入
本說明書中所提及之所有公開案、專利及專利申請案以引用方式併入本文中，宛如各個別公開案、專利或專利申請案明確及個別指示為以引用方式併入。若以引用方式併入之公開案及專利或專利申請案與含於本說明書中之揭示內容矛盾，則本說明書意欲取代及/或優先於任何此矛盾材料。
交叉參考 本申請案主張2021年10月26日申請之美國專利申請案第17/511,245號之權利，該案之全文以引用方式併入本文中。
儘管本文中已展示及描述本發明之各種實施例，但熟習技術者應明白，此等實施例僅供例示。在不背離本發明之情況下，熟習技術者可想到諸多變動、改變及替換。應理解，可採用本文中所描述之本發明之實施例之各種替代。
每當術語「至少」、「大於」或「大於或等於」出現於一系列之兩個或更多個數值中之第一數值之前時，術語「至少」、「大於」或「大於或等於」應用於該系列數值中之各數值。例如，大於或等於1、2或3等效於大於或等於1、大於或等於2或大於或等於3。
每當術語「不大於」、「小於」或「小於或等於」出現於一系列之兩個或更多個數值中之第一數值之前時，術語「不大於」、「小於」或「小於或等於」應用於該系列數值中之各數值。例如，小於或等於3、2或1等效於小於或等於3、小於或等於2或小於或等於1。
本文中之某些發明實施例考量數值範圍。當存在範圍時，範圍包含範圍端點。另外，範圍內之每一子範圍及值宛如明確寫出般存在。術語「大約」或「約」可意謂在特定值之一可接受誤差範圍內，其將部分取決於如何量測或判定值，例如量測系統之限制。例如，根據技術實踐，「大約」可意謂在1個或超過1個標準差內。替代地，「大約」可意謂一給定值之高達20%、高達10%、高達5%或高達1%之一範圍。當申請案及申請專利範圍中描述特定值時，除非另有說明，否則可認為術語「大約」意謂在特定值之一可接受誤差範圍內。
在以下描述中，為了解釋，闡述具體細節來提供本發明之一理解。然而，熟習技術者應明白，可在無此等細節之情況下實踐本發明。此外，熟習技術者將認識到，下文描述之本發明之實施例可依各種方式實施，諸如一程序、一設備、一系統、一裝置或一有形電腦可讀媒體上之一方法。
熟習技術者將認識到：(1)可視情況執行某些製造步驟；(2)步驟可不限於本文中所闡述之特定順序；(3)某些步驟可依不同順序執行，包含同時進行。
圖中所展示之元件/組件繪示本發明之例示性實施例且意在避免使本發明不清楚。參考說明書中之「一個實施例」、「較佳實施例」、「一實施例」或「實施例」意謂結合實施例所描述之一特定特徵、結構、特性或功能包含於本發明之至少一個實施例中且可在一個以上實施例中。出現於說明書之各種位置中之片語「在一個實施例中」、「在一實施例中」或「在實施例中」未必全部係指一或若干相同實施例。術語「包含」及「包括」應理解為開放式術語且以下任何列表係實例且不意謂限於所列項目。本文中所使用之任何標題僅用於組織目的且不應用於限制描述或申請專利範圍之範疇。此外，在說明書之各種位置中使用某些術語係為了繪示且不應被解釋為限制。
在實施例中，pMUT/cMUT (超音波元件)及傳感器總成/封裝可用於使人體/動物體之內臟器官成像以及其中使用超音波束來加熱組織治愈或聚焦高功率超音波束用於顯微手術之其他治療應用。在實施例中，超音波元件及傳感器總成/封裝亦可用於超音波斷層掃描應用。
在實施例中，超音波元件之製造成本可藉由應用現代半導體及晶圓處理技術來降低。在實施例中，薄膜壓電層可旋塗或濺鍍至半導體晶圓上且稍後經圖案化以產生各具有兩個或更多個電極之壓電傳感器。在實施例中，各超音波元件可經設計以具有在某一頻率範圍內發射或接收信號之能力。在下文中，術語「壓電元件」、「超音波元件」、「壓電感測器」、「壓電傳感器」、「壓電收發器」及「單位像素」可互換使用。
圖1展示根據本發明之實施例之一成像系統100之一示意圖。如所描繪，系統100可包含：一成像裝置(或簡稱成像器) 120，其在一傳輸模式/程序中產生及傳輸壓力波122朝向一內臟器官112 (諸如心臟、肺或腎)且接收自內臟器官反射之壓力波；及一運算裝置(或簡稱裝置) 102，其透過一通信通道130及/或一電纜131向成像器發送及接收信號。在實施例中，內臟器官112可將壓力波122之一部分反射向成像器120，且成像器120可在一接收模式/程序中捕獲反射壓力波且產生電信號。成像器120可將電信號傳送至裝置102且裝置102可使用電信號在一顯示器/螢幕104上顯示器官或目標之影像。在一些實施例中，成像器120可囊封裝置102，且成像器120可在內部將電信號傳送至裝置102且裝置102可使用電信號在一顯示器/螢幕104上顯示器官或目標之影像。
在實施例中，成像器120可用於執行一維成像(亦稱為A掃描)、二維成像(亦稱為B掃描)、三維成像(有時亦指稱C掃描)、四三維成像及多普勒成像。此外，成像器可在程式控制下切換至各種成像模式。在一些實施例中，成像器120可手持或具有另一形狀因數，諸如一感測器貼片。
在實施例中，成像器120亦可用於得到一動物之內臟器官之一影像。成像器120亦可用於判定動脈及靜脈中血流之方向及速度(如同多普勒模式成像)且亦量測組織勁度。在實施例中，壓力波122可為可行進穿過人體/動物體且由內臟器官、組織或動脈及靜脈反射之聲波。
在實施例中，成像器120可為一可攜式裝置且透過通信信道無線地130 (使用諸如802.11協定之一協定)與裝置102通信信號。在實施例中，裝置102可為一行動裝置(諸如蜂巢式電話或iPad)或可向一使用者顯示影像之一固定運算裝置。
在實施例中，可使用超過一個成像器來產生目標器官之一影像。例如，第一成像器可朝向目標器官發送壓力波，而第二成像器可接收自目標器官反射之壓力波且回應於接收波而產生電荷。
圖2展示根據本發明之實施例之一例示性成像器120之一示意圖。在實施例中，成像器120可相同於成像器120。應注意，成像器120可具有多於或少於圖2中所展示之組件。
在實施例中，成像器120可為一超音波成像器。如圖2中所描繪，成像器201可包含：一(若干)傳感器晶片210，其用於傳輸及接收壓力波；一塗層212，其操作為用於設定壓力波之傳播方向及/或聚焦之一透鏡且亦充當傳感器晶片與人體110之間的一聲阻抗介面；一控制單元202，諸如ASIC晶片(或簡稱ASIC)，其用於控制(若干)傳感器晶片210且藉由凸塊耦合至傳感器晶片210；場可程式化閘陣列(FPGA) 214，其等用於控制成像器120之組件；一(若干)電路215，諸如類比前端(AFE)，其用於處理/調節信號；一吸聲層203，其用於吸收由傳感器晶片210產生且朝向電路215傳播之波；一通信單元208，其用於透過一或多個埠216與諸如裝置102之一外部裝置通信資料；一記憶體218，其用於儲存資料；一電池206，其用於將電力提供給成像器之組件；及一選用顯示器217，其用於顯示目標器官之影像。在一些實施例中，一行動裝置可供電給成像器120。
在實施例中，裝置102可具有一顯示器/螢幕。在此一情況中，顯示器可不包含於成像器120中。在實施例中，成像器120可透過埠216之一者自裝置102接收電力。在此一情況中，成像器120可不包含電池206。應注意，成像器120之一或多個組件可組合成一個整體電元件。同樣地，成像器120之各組件可實施於一或多個電元件中。
在實施例中，使用者可在身體110與塗層212直接接觸之前將凝膠施加於人體110之皮膚上，使得塗層212與人體110之間的介面處之阻抗匹配可改良，即，介面處壓力波122之損耗減少且朝向成像器120行進之反射波之損耗在介面處亦減少。在實施例中，傳感器晶片210可安裝於一(電路系統)基板上且可附接至一吸聲層。此層吸收在反向方向上發射之任何超音波信號，其否則會被反射且干擾影像品質。
如下文所討論，塗層212可僅為一平坦匹配層以最大化聲信號自傳感器傳輸至身體且反之亦然。在此情況中，無需光束聚焦，因為其可在控制單元202中電子實施。成像器120可使用反射信號來產生器官112之一影像且結果可依各種格式顯示於一螢幕上，諸如與或不與器官112之影像一起展示之圖表、繪圖及統計。
在實施例中，諸如ASIC之控制單元202可與傳感器晶片一起組裝為一個單元。在其他實施例中，控制單元202可位於成像器120外部且經由一電纜電耦合至傳感器晶片210。在實施例中，成像器120可包含圍封組件202至215之一外殼及用於耗散由組件產生之熱能之一散熱機構。
圖3A1及圖3A2展示根據本發明之實施例之具有三個傳感器晶片210之一例示性收發器陣列之一示意圖。封裝可在一平面配置上(如圖3A2中所描繪)或在一曲面配置上(如圖3A1中所描繪)。封裝可在至少兩個傳感器晶片210之間依小於操作超音波長之間距組裝，操作超音波長通常在自5 μm至100 μm之範圍內，諸如5 μm、20 μm或100 μm。一共面總成可用於一平坦表面上(如圖3A2中所描繪)，且在一曲面上，一曲面總成(如圖3A1中所描繪)可用於傳感器晶片210。共面總成需要小於操作超音波長(諸如15 μm)之共面性(相鄰傳感器晶片之表層之垂直差)。圖3A1中所描繪之曲面總成可用於多個可行探針結構，諸如一腕帶或貼片。
圖3B展示根據本發明之實施例之包含一或多個超音波元件302之一個別傳感器晶片210之一俯視圖。如所描繪，傳感器晶片210可包含一傳感器基板304及配置於傳感器基板304上之一或多個超音波元件302。在一些實施例中，傳感器基板304可包括一金屬基板，諸如矽。在一些情況中，傳感器晶片210可依使得至少2個傳感器晶片210上之邊緣行或列之間的間距等於另一傳感器晶片210上之各自行或列之間的間距之一倍數(諸如2倍)之一方式組裝。在一些實施例中，此傳感器晶片210結構，可簡單地影像重建。
不同於使用體超音波元件之習知系統，在實施例中，超音波元件陣列302可形成於一晶圓上且晶圓可經切割以形成多個傳感器晶片210。此程序可降低製造成本，因為傳感器晶片210可大量低成本製造。在實施例中，晶圓之直徑可在6英寸至12英寸(150 mm至300 mm)之範圍內且可批量製造諸多超音波元件陣列。用於控制超音波元件陣列302之積體電路可形成於一ASIC晶片中，使得超音波元件陣列302可緊密連接至匹配積體電路，例如在實施金屬晶圓接合(諸如Au-Au、Al-Al或Cu-Cu)時較佳地在1 μm至20 μm內，或例如在實施基於焊料之接合時較佳地在25 μm至100 μm內。例如，傳感器晶片210可具有1024個超音波元件302且連接至具有用於驅動1024個超音波元件302之適當數目個電路之一匹配ASIC晶片。
圖3B展示根據本發明之實施例之包含於傳感器晶片210中之一例示性MEMS晶粒300之一俯視圖。如所描繪，MEMS晶粒300可包含一傳感器基板304及依一維陣列或二維陣列配置於傳感器基板304上之一或多個超音波元件302。
不同於使用體超音波元件之習知系統，在實施例中，超音波元件302可形成於一晶圓上且晶圓可經切割以形成MEMS晶粒300。此程序可降低製造成本，因為MEMS晶粒300可大量低成本製造。在實施例中，晶圓之直徑可在6英寸至12英寸之範圍內且可在各晶圓上批量製造諸多超音波元件陣列。此外，在實施例中，如下文所討論，用於控制超音波元件302之積體電路可形成於一CMOS晶圓/晶粒(諸如一ASIC晶片)中，使得超音波元件302可緊密連接至匹配積體電路，較佳地在25 μm至100 μm內。在實施例中，可使用一雙極互補金屬氧化物半導體(BICMOS)或任何其他適合程序來代替CMOS晶圓/晶粒。
在實施例中，各超音波元件302之投影面積可具有任何適合形狀，諸如正方形、矩形及圓形等等。在實施例中，兩個或更多個超音波元件可經連接以形成一較大像素元件。在實施例中，超音波元件302之二維陣列可配置於正交方向上。在實施例中，為產生一線元件，一行N個超音波元件302可並聯電連接。接著，此線元件可提供超音波信號之傳輸及接收，其類似於由約為各元件N倍長之一連續超音波元件達成之超音波信號之傳輸及接收。
為模仿習知設計之一線元件，一給定寬度之一超音波元件之形狀需要非常高。例如，一習知設計之一線元件可為280 μm寬及8000 μm高，而厚度可為10 μm至1000 μm。然而，在MEMS晶粒300上，使用複數個相同超音波元件302來設計一線元件係有利的，其中各元件可具有其特徵中心頻率。在實施例中，當複數個超音波元件302連接在一起時，複合結構(即，線元件)可充當具有包括所有元件像素之中心頻率之一中心頻率之一個線元件。在現代半導體程序中，此等中心頻率彼此匹配良好且與線元件之中心頻率具有一非常小偏差。在一些情況中，各超音波元件302可具有一不同中心頻率。
在實施例中，超音波元件302具有與其相關聯且在暴露於一中心頻率處之刺激時依該頻率振動且表現得像諧振器之一或多個懸浮膜。存在與此等諧振器相關聯之一選擇性，稱為一Q因數。在實施例中，針對超音波成像器，Q通常可設計成較低(接近1至3或其左右)且由像素之設計及在實際使用中施加至像素之負載之一組合達成。在實施例中，負載可藉由將一層RTV/聚二甲基矽氧烷(PDMS)或其他匹配材料層施加至超音波元件之頂面來提供，其中負載可促進發射及接收壓力波之傳感器表面與所成像之人體部位之間更緊密阻抗匹配。在實施例中，低Q及良好匹配之中心頻率可允許線元件基本上表現得像具有實質上一個中心頻率之一線成像元件。
在實施例中，例如，各超音波元件302可彼此中心至中心間隔100 μm至250 μm。進一步簡化，假設其等呈正方形形狀。現在，比方說，為模仿一習知線元件，一行超音波元件302可彼此連接。例如，一行中之24個超音波元件302可產生約6 mm長之一線元件，其中各元件係0.25 mm寬。在實施例中，此連接可使用一金屬互連層在晶圓級處達成或使用控制單元202中之電路並聯連接。
針對習知體超音波元件，橫跨頂部及底部電極之電壓電位在100 V至200 V之範圍內。針對MUT，橫跨頂部及底部電極之電壓電位可降低約10倍以產生相同聲壓。在實施例中，為進一步降低此電壓，超音波元件302可包含一按比例縮小之薄壓電層，且壓電層可具有約1 μm或更小之一厚度。
圖4展示根據本發明之實施例之沿圖3B中之方向4-4取得之例示性超音波元件302之一示意橫截面圖。如所描繪，超音波元件302可安置於由一基板430支撐之一膜層434上。在實施例中，一空腔432可形成於基板430中以界定一膜，即，基板430及膜434可由一單片體形成。在替代實施例中，膜層434可藉由在基板430上沈積SiO 2來形成。在實施例中，一或多個超音波元件302可安置於一膜上。在替代實施例中，各超音波元件302可安置於一單獨膜上。
在實施例中，超音波元件302可包含一壓電層410及電連接至一信號導體(O) 404之一第一(或底部)電極(O) 402。在實施例中，信號導體(O) 404可藉由在膜層434上沈積TiO 2及金屬層來形成。在實施例中，壓電層410可藉由濺鍍技術或藉由溶膠凝膠程序形成。
在實施例中，一第二電極(X) 406可生長於壓電層410上方且電連接至一第二導體408。一第三電極(T) 412亦可生長於壓電層410上方且安置成相鄰於第二導體412但與第二導體(X) 408電隔離。在實施例中，第二電極(X) 406及第三電極(T) 412 (或等效地，兩個頂部電極)可藉由在壓電層410上沈積一個金屬層且圖案化金屬層來形成。在實施例中，電極402、406及412之投影面積可具有任何適合形狀，諸如正方形、矩形、圓形及橢圓形等等。
在實施例中，第一電極(O) 402可使用一金屬、一通路及層間介電質來電連接至導體(O) 404。在實施例中，第一電極(O) 402可與壓電層410直接接觸。第三導體(T) 414可相對於第一電極(O) 402沈積或生長於壓電層410之另一側上。關於用於製造超音波元件302之步驟之更多資訊可見於2017年11月29日申請之名稱為「LOW VOLTAGE, LOW POWER MEMS TRANSDUCER WITH DIRECT INTERCONNECT CAPABILITY」之美國發佈專利第US11,058,396 B2號中，該專利之全文以引用方式併入本文中。
儘管一單層超音波元件在圖4中僅為了繪示而展示，但在實施例中，可利用由複數個光壓電子層及電極組成之一多層超音波元件。在實施例中，壓電層410可包含PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF及LiNiO 3材料之至少一者。
應注意，MEMS晶粒300之一超音波元件可包含其他適合數目個頂部電極。例如，超音波元件可僅包含一個頂部電極(例如X電極)。在另一實例中，超音波元件可包含超過兩個頂部電極。關於頂部電極之數目及至頂部電極之電連接之更多資訊可見於美國發佈專利第11,058,396 B2號中。
應注意，圖4係一示意圖且因而未繪示一超音波元件之詳細結構。例如，一電墊可安置於導體(X) 408之一端與電極(X) 406之間。此外，MEMS晶粒300可包含具有不同於超音波元件302之結構之超音波元件。例如，MEMS晶粒300中之各超音波元件可僅具有一個頂部電極。因此，一般技術者應明白，超音波元件302係可包含於MEMS晶粒300中之幾種類型之超音波元件之一者。
圖5A展示根據本發明之實施例之包含安裝於一CMOS晶圓502上之多個MEMS晶粒(或一MEMS晶圓) 504之一覆晶總成500之一俯視圖。圖5B展示根據本發明之實施例之沿方向5-5取得之覆晶總成500之一橫截面圖。如所描繪，MEMS晶粒504可藉由金屬凸塊或支柱506安裝於CMOS晶圓502上。在實施例中，CMOS晶圓502可包含用於控制MEMS晶粒504中之超音波元件之一ASIC。(術語「CMOS」及「ASIC」在本文中可互換使用。)在實施例中，凸塊或支柱506之間的節距可在1 μm至200 μm之間的範圍內以使一高密度互連件能夠應用於具有一大超音波元件陣列之MEMS晶粒。在實施例中，具有大量超音波元件之MEMS晶粒504可用於二維、三維及四維成像。在一些實施例中，MEMS晶圓504可結合至ASIC。在一些情況中，MEMS晶粒504可透過MEMS凸塊506接合至ASIC晶粒。在一些實施例中，MEMS晶粒504可製造至ASIC之組件上。
圖6展示根據本發明之實施例之包含安裝於一CMOS晶粒618上之一MEMS晶粒610之一單粒化覆晶總成之一橫截面圖。在實施例中，MEMS晶粒610可類似於MEMS晶粒504。在實施例中，具有多個MEMS晶粒之一MEMS晶圓可被製造及切割成單晶片。類似地，在實施例中，具有多個ASIC晶片之一CMOS晶圓可被製造及切割成單晶片。接著，如圖6中所描繪，一MEMS晶粒610可藉由多個凸塊或支柱616安裝於一CMOS晶粒618上。
在實施例中，一單一MEMS晶粒可安裝於CMOS晶圓上。在實施例中，覆晶總成可藉由晶粒上晶粒、晶圓上晶粒或晶圓上晶圓接合來產生。在實施例中，一晶圓至晶圓接合程序可導致良率乘數效應，即，整合(組裝)晶粒良率可為MEMS晶圓良率乘以CMOS晶圓良率之一乘積。在實施例中，一已知良好晶粒上晶粒接合程序或一已知良好晶圓位點上已知良好晶粒接合程序可消除可在MEMS晶圓結合至CMOS晶圓時存在之良率乘數效應。
圖7展示根據本發明之實施例之一MEMS-CMOS總成700之一橫截面圖。如所描繪，MEMS-CMOS總成700可包含：一MEMS晶粒702；一CMOS晶粒704，其藉由凸塊或支柱712電耦合至MEMS晶粒；及一封裝706，其藉由一黏著層710固定至CMOS晶粒。在實施例中，CMOS晶粒704可藉由一或多個導線708電耦合至封裝706。在實施例中，各導線708之末端可藉由一導線接合技術耦合至CMOS晶粒704及封裝706。
在實施例中，MEMS晶粒702 (其可類似於圖3B中之MEMS晶粒300)可包含超音波元件720之一陣列，其中各超音波元件可類似於圖4中之超音波元件400。在實施例中，各超音波元件720可包含形成於一基板726上之一膜722及包含一底部電極、一壓電層及一或多個頂部電極之一層堆疊728。在實施例中，膜722可藉由在基板726中蝕刻一空腔來形成，即，可蝕刻一單片體以形成一空腔，使得未蝕刻部分變成基板且蝕刻部分界定膜。在替代實施例中，膜722可由不同於基板726之材料形成。在實施例中，MEMS晶粒702可包含一或多個膜722。
在實施例中，MEMS晶粒702之部分可直接附接至凸塊712以提供至CMOS晶粒704之電連接。在實施例中，至少一個金屬層可沈積於MEMS晶粒之底面上且經圖案化以藉此形成電連接(例如導線及/或跡線)，其中一些電連接可與凸塊712直接接觸以與CMOS晶粒704電通信。例如，一導體(其可類似於導體(O) 404)可為藉由在MEMS晶粒702之底面上沈積及圖案化一金屬層來形成之一電線(或跡線)。
若MEMS-CMOS總成700意外落在一硬面上，則衝擊可產生約10,000 g之一震動，其可剪切凸塊或支柱712。在實施例中，MEMS晶粒702與CMOS晶粒704之間的空間填充有可減少外部應力衝擊且保護對衝擊應力敏感之組件(諸如凸塊712)之底部填充材料730。此外，底部填充材料(層) 730可將MEMS晶粒702機械固定至CMOS晶粒704。在實施例中，底部填充材料730可另外具有聲阻尼性質以吸收通過底部填充材料730之壓力波。
在實施例中，超音波元件720可藉由適合電導體(例如404、408及414)電耦合至凸塊或支柱712。在實施例中，電連接可包含形成於膜722之底面上及層堆疊728上之金屬跡線(及通路)。
在實施例中，CMOS晶粒704可包含用於感測及驅動超音波元件720之電路，使得超音波元件可在傳輸模式/程序期間產生壓力波且在接收模式/程序期間產生電荷。在傳輸模式期間，CMOS晶粒704中之驅動電路可經由凸塊712向超音波元件720發送電脈衝，且回應於脈衝，超音波元件可在垂直方向上振動膜722以產生壓力波730。在接收模式期間，自目標器官反射之壓力波可使膜722變形，其繼而在超音波元件720中產生電荷。電荷可經由凸塊712發送至CMOS晶粒704中之電路用於進一步處理。
在傳輸模式期間，由膜722產生之壓力波之一部分可朝向CMOS晶粒704傳播。因為此等壓力波可自CMOS晶粒704及/或封裝706反射以干擾自目標器官反射之壓力波，此等壓力波會負面影響影像品質。在實施例中，黏著材料730可由可吸收非所要壓力波且耗散為熱能之聲阻尼材料形成。
在實施例中，封裝706可藉由一或多個導線708將電信號連接至/自CMOS晶粒704。在實施例中，CMOS晶粒704之ASIC位點可稍大於MEMS晶粒704以實現ASIC位點與封裝706之間的導線接合。
如上文所討論，朝向包裝706傳播之壓力波可為非所要的，因為其可自封裝706反射且干擾自目標器官反射之壓力波。在實施例中，黏著層710可由聲阻尼材料形成，使得通過黏著層710之壓力波可被吸收且耗散為熱能。
圖8展示根據本發明之實施例之一MEMS-CMOS總成800之一橫截面圖。如所描繪，MEMS-CMOS總成800可包含：一MEMS晶粒802；一CMOS晶粒804，其藉由凸塊或支柱812電耦合至MEMS晶粒；一封裝806，其藉由一黏著層810固定至CMOS晶粒804；及一或多個導線808，其等可將封裝806電耦合至CMOS晶粒804。在實施例中，MEMS晶粒802、CMOS晶粒804及封裝806可為類似於MEMS-CMOS總成700中之其對應體之結構及功能。
如結合圖7所討論，膜822可在傳輸模式期間產生壓力波，且壓力波之一部分可朝向CMOS晶粒804傳播。為減小(或移除)此非所要壓力波之強度，MEMS-CMOS總成800可包含可圍繞MEMS晶粒802之周邊安置之一密封環832且由密封環圍封之空間830可保持真空或非常低壓力以減少/阻止壓力波傳播通過空間。例如，空間830可以一預設壓力(較佳地低於大氣壓)填充有惰性氣體或空氣。
在實施例中，覆蓋層824可圍繞面向人體之MEMS晶粒802之一側安置。覆蓋層824可充當MEMS晶粒802與人體之間的一阻抗匹配層以增強介面處之聲阻抗匹配，且亦作為一保護機構提供防外部衝擊/震動保護且防止MEMS晶粒直接接觸人體皮膚以藉此提供防磨損及撕裂保護。
圖9展示根據本發明之實施例之一MEMS-CMOS總成900之一橫截面圖。如所描繪，MEMS-CMOS總成900類似於MEMS總成700，不同點在於CMOS晶粒904可藉由穿矽通路(TSV) 914及凸塊或支柱或墊916電耦合至封裝906。在實施例中，TSV 914可藉由適合晶圓處理技術形成於CMOS晶粒904中，諸如蝕刻通孔及用導電材料沈積/填充孔。在實施例中，TSV 914可為一後TSV或中TSV結構。後TSV或中TSV結構可具有一ASIC及凸塊或支柱或墊916下方之TSV 914。後TSV結構可具有至少35 μm之一直徑及至少後TSV直徑加上20 µm之一墊大小。中TSV結構可具有至少2 µm之一直徑及至少中TSV直徑加10 µm之一墊大小。在實施例中，TSV節距及深度可取決於使用哪種TSV結構，諸如中TSV或後TSV。多個MEMS-CMOS總成900之一2維組態可由TSV 914啟用。在實施例中，額外凸塊或支柱或墊916可形成於CMOS晶粒904或封裝906上以提供CMOS晶粒904與封裝906之間的電連接。在實施例中，封裝906可透過TSV 914及凸塊或支柱或墊916向CMOS 904傳送電信號。應注意，黏著層910可由聲阻尼材料形成，使得壓力波可被吸收且消散為熱能。在一些實施例中，MEMS-CMOS總成900亦可使TSV 914連接至CMOS晶粒904之一側上之一電極至對置側以連接至ASIC。
應注意，一覆蓋層(其類似於覆蓋層824)可圍繞MEMS晶粒902安置，如圖8中所展示。此外，應注意，MEMS總成900可包含類似於密封環832之一密封環，使得由密封環圍封之空間可保持真空以防止壓力波朝向CMOS晶粒904傳播。此外，在實施例中，MEMS晶粒902與CMOS 904晶粒之間的空間可填充有類似於材料730之一底部填充材料。
圖10展示根據本發明之實施例之一MEMS-CMOS總成(或簡稱總成) 1000之一例示性示意圖。在實施例中，MEMS晶粒1002及CMOS晶粒(或ASIC晶片) 1004可分別類似於MEMS晶粒702 (802及902)及CMOS晶粒704 (804及904)。在習知系統中，用於驅動壓電傳感器之電子器件通常遠離壓電傳感器定位且使用一同軸電纜連接至壓電傳感器。一般而言，同軸電纜增加電子器件上之寄生負載(諸如額外電容)且額外電容引起更多熱及電力損耗。相比而言，如圖10中所描繪，一或多個傳輸驅動器(或等效地，電路) 1012a至1012n (或統稱為1012)可使用一低阻抗二維(2D)互連機構(如一箭頭1020所指示)(諸如Cu柱或焊料凸塊1032 (其可類似於凸塊712、812或912)或晶圓接合或類似方法)直接連接至超音波元件(或等效地，像素) 1006a至1006n+i (或統稱1006)。在實施例中，在將MEMS晶粒1002整合至CMOS晶粒1004之後，電路1012可定位成與超音波元件1006垂直(左右)相距小於100 μm。在實施例中，可無需用於驅動器電路1012與超音波元件1006之間的阻抗匹配之任何習知裝置以進一步簡化設計且提高總成1000之功率效率。電路1012之阻抗可經設計以匹配超音波元件1006之要求。
應注意，若超音波元件具有超過兩個頂部電極，則各超音波元件可藉由超過三個凸塊耦合至一對應驅動電路。此外，如下文討論，各超音波元件可藉由少於三個凸塊耦合至一對應驅動電路。因此，一般技術者應明白，圖10展示一MEMS晶粒與一CMOS晶粒之間的一例示性連接機構。
在實施例中，超音波元件1006之各者可具有由X、T及O表示之三個引線。來自超音波元件之各者之引線可藉由凸塊1032電連接至位於CMOS晶粒1004中之電路1012之一對應者。在實施例中，諸如1006n+1至1006n+i之一排超音波元件可電耦合至一個共同電路1012n。在實施例中，傳輸驅動器電路1012n可包含在傳輸模式期間產生至超音波元件之傳輸信號之一個傳輸驅動器。在替代實施例中，MEMS或ASIC上之連接跡線可使用例如10 μm之厚金屬而非約1 μm之典型鍍金屬來製造。
一般技術者應明白，CMOS晶粒1004可具有類似於電路1012n之任何適合數目個電路。在實施例中，控制單元1042可具有將超音波元件水平或垂直組態成二維像素陣列、組態其長度及使其處於傳輸或接收或極化模式或空閒模式之能力。在實施例中，控制單元1042可在MEMS晶粒1002藉由凸塊1032與CMOS晶粒1004組合之後執行極化程序。在實施例中，控制單元1042可在MEMS晶粒1002藉由凸塊1032與CMOS晶粒1004組合之後執行具有時序控制之協調或獨立操作。關於總成1000之更多資訊可見於2017年11月29日申請之名稱為「CONFIGURABLE ULTRASONIC IMAGER」之美國發佈專利第10,835,209 B2號中，該專利之全文以引用方式併入本文中。
在實施例中，至少一個金屬層可沈積於MEMS晶粒1002之一表面上且經圖案化以藉此形成電線(或跡線) 1034，其中一些電線可與凸塊1032直接接觸以與CMOS晶粒1004電通信。電線1034亦可用於在超音波元件1006之間傳送信號。在實施例中，至少一個金屬層可沈積於CMOS晶粒1004之一表面上且經圖案化以藉此形成電線(或跡線) 1036，其中一些電線可與凸塊1032直接接觸以與MEMS晶粒1002電通信。電線1036亦可用於在CMOS晶粒1004中之電子組件之間傳送信號。在實施例中，多個金屬層及通路可沈積及圖案化於MEMS晶粒及/或CMOS晶粒上以形成多層電線(跡線)。
如結合圖7至圖9所討論，在實施例中，MEMS晶粒1002及CMOS晶粒1004可單獨製造且藉由一2D互連技術彼此組合，諸如使用凸塊1032之金屬互連技術。在實施例中，互連技術可消除晶圓與晶圓整合之低良率乘數效應，其降低組件之良率。在實施例中，圖10中之MEMS晶粒可具有類似於圖7至圖9中之MEMS晶粒之結構及功能，且圖10中之CMOS晶粒可具有類似於圖7至圖9中之MEMS晶粒之結構及功能。
圖11展示根據本發明之實施例之使用TSV之一傳感器晶片陣列總成1100之一俯視圖。在實施例中，MEMS晶粒1150及ASIC晶片(或CMOS晶粒) 1140可分別類似於MEMS晶粒702 (802及902)及CMOS晶粒704 (804及904)。在實施例中，傳感器晶片總成1100可由一控制晶片1110協調。控制晶片1110可用於控制多個傳感器晶片1120藉由時序控制(例如同步)來協調或獨立操作。在實施例中，傳感器晶片1120可包括一MEMS晶粒1150及一ASIC晶片1140且可與PCB 1130互連。在一些實施例中，PCB 1130可為一剛性電路板。在一些情況中，PCB 1130可為一撓性電路板以實現一曲面成像區域1130。在實施例中，控制晶片1110可互連至PCB 1130之正面或背面。
圖12展示根據本發明之實施例之一傳感器晶片陣列總成導線接合1200之一俯視圖。在實施例中，MEMS晶粒1250及ASIC晶片(或CMOS晶粒) 1240可分別類似於MEMS晶粒702 (802及902)及CMOS晶粒704 (804及904)。在實施例中，傳感器晶片總成1200可由一控制晶片1210協調。控制晶片1210可用於控制多個傳感器晶片1220藉由時序控制(例如同步)來協調或獨立操作。在實施例中，傳感器晶片1220可包括一MEMS晶粒1250及一ASIC晶片1240且可與PCB 1230互連。在實施例中，控制晶片1210可透過導線互連至PCB 1230之正面或背面。
在實施例中，使用TSV來使傳感器晶片陣列總成1100互連可允諸多個傳感器晶片1110彼此緊鄰地無縫組裝成任何2維陣列。在實施例中，與圖12中所描述之實施例相比，此無縫連接可顯著增加及提高維數。圖12中所描述之實施例僅能夠在一個方向上形成傳感器晶片之一無縫總成，而圖11中所描述之實施例能夠在多個方向上形成傳感器晶片之無縫總成。個別傳感器晶片陣列可在組裝陣列之前進行品質控制，而圖12中之實施例需要在評估品質之前組裝陣列。
在實施例中，與圖12中所描述之實施例(其中導線接合環高度及其與透鏡表面之間隙可設定透鏡標高之一最小值)相比，使用TSV來使傳感器晶片陣列總成1100互連可允許更薄透鏡標高，尤其在透鏡之邊緣周圍，其可導致多種形式之成像所需之一更低衰減及一更連續波長(CW)。在實施例中，與圖12中所描述之實施例相比，使用TSV來使傳感器晶片陣列總成1100互連可允許更高操作頻率，因為使用TSV代替導線接合總成可導致更低電感且因此提高操作效率。在實施例中，與圖12中所描述之實施例相比，使用TSV來使傳感器晶片陣列總成1100互連可藉由減小一傳感器晶片陣列內所需之間距量來允許更多操作使用。此間距減小可允許成像孔隙重疊以增大一單一圖框同調影像之總成像面積且增大橫向解析度(橫向解析度與有效孔徑成反比)。在一些實施例中，成像面積及橫向解析度之增大可允許成像系統形成為一圓柱形探針或具有一曲面超音波成像面積之一大貼片。在一些實施例中，具有一曲面超音波成像面積之大貼片可允許傳感器晶片陣列具有一固定或變化曲率以即時順應成像表面。
在一些實施例中，超音波裝置可具有耦合至一分離PCB之控制單元。在一些情況中，分離PCB可與電路系統基板分開。在一些實施例中，分離PCB可僅收容控制晶片，或亦可收容多個控制晶片，與收容多個傳感器晶片之PCB分離。
圖13展示根據本發明之實施例之在一分離印刷電路板(PCB) 1340上具有一控制晶片之一傳感器晶片陣列總成1300之一俯視圖。在一些實施例中，控制晶片1320可耦合至分離PCB 1340。在一些實施例中，MEMS 1310及ASIC 1330可耦合至一單獨電路系統基板1350。電路系統基板1350可包括一金屬基板，諸如一印刷電路板(PCB)。在一些情況中，分離PCB 1340及控制晶片1320可經由一互連機構1360連接至MEMS 1310、ASIC 1330及電路系統基板1350。在一些實施例中，分離PCB 1340可為一剛性結構。在一些情況中，分離PCB 1340可為一撓性結構。在一些實施例中，電路系統基板1350可為一剛性結構。在一些情況中，電路系統基板1350可為一撓性結構。在一些實施例中，互連機構1360可包括一電纜、導線或電通信材料。
在一些實施例中，傳感器晶片可具有一特定操作波長。在一些情況中，相鄰傳感器晶片之間的間隔距離可為彼此不同之一值。此間隔距離值可針對圍繞間隔距離之相鄰傳感器晶片之特定操作波長最佳化。在一些實施例中，在諸如小於2 MHz之低頻，操作波長可相對較大，諸如大於3 mm。
在一些實施例中，相鄰傳感器晶片之間的間隔距離及一個傳感器晶片內之相鄰超音波元件之間的間距可比在高頻時大得多。在一些情況中，此可使傳感器晶片陣列及超音波元件之總成明顯更容易製造。
圖14展示根據本發明之實施例之在相鄰超音波元件1450之間具有可變間距之一傳感器晶片陣列總成1400之一俯視圖。在一些實施例中，MEMS 1 1410可包括不同於MEMS 2 1420或MEMS 3 1430之相鄰超音波元件1450之間的一間距。在一些情況中，MEMS 1 1410及MEMS 2 1420可包括相鄰超音波元件1450之間的相同間距，而MEMS 3 1430具有超音波元件1450之間的一不同間距。在一些實施例中，MEMS 2 1420及MEMS 3 1430可包括相鄰超音波元件1450之間的相同間距，而MEMS 1 1410具有超音波元件1450之間的一不同間距。在一些實施例中，MEMS 1 1410、MEMS 2 1420及MEMS 3 1430可與ASIC 1440互連且耦合至電路系統基板1460。電路系統基板1460可包括一金屬基板，諸如一印刷電路板(PCB)。在一些情況中，電路系統基板1460可包括一剛性PCB。在一些實施例中，電路系統基板1460可包括一撓性PCB。在一些情況中，相鄰超音波元件1450之間的可變間距可允許針對相鄰傳感器晶片陣列1400之特定操作波長最佳化。在一些實施例中，相鄰超音波元件1450之間的間隔距離可在較低頻率時大於較高頻率。
儘管本文中已展示及描述本發明之較佳實施例，但熟習技術者將明白，此等實施例僅供例示。熟習技術者現將在不背離本發明之範疇之情況下想到諸多變動、改變及替代。應理解，可在實踐本揭示之發明時採用本文中所描述之本發明之實施例之各種替代。以下申請專利範圍意欲界定本發明之範疇且方法及結構意欲在此申請專利範圍及藉此涵蓋之其等效物之範疇內。
100:成像系統 102:運算裝置 104:顯示器/螢幕 110:人體 112:內臟器官 120:成像裝置/成像器 122:壓力波 130:通信通道 131:電纜 202:控制單元 203:吸聲層 206:電池 208:通信單元 210:傳感器晶片 212:塗層 214:場可程式化閘陣列(FPGA) 215:電路 216:埠 217:顯示器 218:記憶體 300:MEMS晶粒 302:超音波元件 304:傳感器基板 402:第一電極(O) 404:信號導體(O) 406:第二電極(X) 408:第二導體 410:壓電層 412:第三電極(T) 414:第三導體(T) 430:基板 432:空腔 434:膜層 500:覆晶總成 502:CMOS晶圓 504:MEMS晶粒 506:金屬凸塊/支柱 610:MEMS晶粒 616:凸塊/支柱 618:CMOS晶粒 700:MEMS-CMOS總成 702:MEMS晶粒 704:CMOS晶粒 706:封裝 708:導線 710:黏著層 712:凸塊/支柱 720:超音波元件 722:膜 724:空腔 726:基板 728:層堆疊 730:底部填充材料/壓力波/黏著材料 800:MEMS-CMOS總成 802:MEMS晶粒 804:CMOS晶粒 806:封裝 808:導線 810:黏著層 812:凸塊/支柱 820:PMUT 822:膜 824:覆蓋層 830:空間 832:密封環 900:MEMS-CMOS總成 902:MEMS晶粒 904:CMOS晶粒 906:封裝 910:黏著層 912:凸塊 914:穿矽通路(TSV) 916:凸塊/支柱/墊 1000:MEMS-CMOS總成 1002:MEMS晶粒 1004:CMOS晶粒 1006:超音波元件 1006a至1006n+i:超音波元件 1012:傳輸驅動器 1012a至1012n:傳輸驅動器 1020:低阻抗二維(2D)互連機構 1032:Cu柱或焊料凸塊 1034:電線 1036:電線 1042:控制單元 1100:傳感器晶片陣列總成 1110:控制晶片 1120:傳感器晶片 1130:PCB 1140:ASIC晶片 1150:MEMS晶粒 1200:傳感器晶片總成 1210:控制晶片 1220:傳感器晶片 1230:PCB 1240:ASIC晶片 1250:MEMS晶粒 1300:傳感器晶片陣列總成 1310:MEMS 1320:控制晶片 1330:ASIC 1340:分離PCB 1350:電路系統基板 1360:互連機構 1400:傳感器晶片陣列總成 1410:MEMS 1 1420:MEMS 2 1430:MEMS 3 1440:ASIC 1450:超音波元件 1460:電路系統基板
在隨附申請專利範圍中特別闡述本發明之新穎特徵。將藉由參考闡述繪示性實施例之以下詳細描述(其中利用本發明之原理)及附圖(本文中亦指稱「圖」)來獲得本發明之特徵及優點之一較佳理解，其中：
圖1展示根據本發明之實施例之一成像系統。
圖2展示根據本發明之實施例之一例示性超音波成像器之一方塊圖。
圖3A1展示根據本發明之實施例之呈曲面配置之一例示性傳感器晶片之一側視圖。
圖3A2展示根據本發明之實施例之呈平面配置之一例示性傳感器晶片之一側視圖。
圖3B展示根據本發明之實施例之一例示性MEMS晶粒之一簡化俯視圖。
圖4展示根據本發明之實施例之一超音波元件之一示意橫截面圖。
圖5A展示根據本發明之實施例之一CMOS晶圓上之一覆晶組裝之超音波元件晶粒之一俯視圖。
圖5B展示根據本發明之實施例之沿方向5-5取得之圖5中之覆晶總成之一橫截面圖。
圖6展示根據本發明之實施例之包含一MEMS晶粒及一CMOS晶粒之單粒化覆晶總成之一橫截面圖。
圖7展示根據本發明之實施例之一MEMS-CMOS總成之一橫截面圖。
圖8展示根據本發明之實施例之一MEMS-CMOS總成之一橫截面圖。
圖9展示根據本發明之實施例之一MEMS-CMOS總成之一橫截面圖。
圖10展示根據本發明之實施例之一MEMS-CMOS總成之一例示示意圖。
圖11展示根據本發明之實施例之使用TSV之一傳感器晶片陣列總成之一俯視圖。
圖12展示根據本發明之實施例之一傳感器晶片陣列總成接線之一俯視圖。
圖13展示根據本發明之實施例之在一分離印刷電路板(PCB)上具有一控制晶片之一傳感器晶片陣列總成之一俯視圖。
圖14展示根據本發明之實施例之在相鄰超音波元件之間具有可變間距之一傳感器晶片陣列總成之一俯視圖。
120:成像裝置/成像器
202:控制單元
203:吸聲層
206:電池
208:通信單元
210:傳感器晶片
212:塗層
214:場可程式化閘陣列(FPGA)
215:電路
216:埠
217:顯示器
218:記憶體

Claims (36)

  1. 一種超音波裝置，其包括： (i)一電路系統基板； (ii)複數個傳感器晶片，其等耦合至該電路系統基板，各傳感器晶片包括： 一微機電系統(MEMS)組件，其包含彼此緊密堆積之複數個超音波元件，及 一專用積體電路(ASIC)，其操作地耦合至該MEMS組件之該複數個超音波元件； (iii)一控制單元，其電耦合至該複數個傳感器晶片之各ASIC以控制該各ASIC， 其中該複數個傳感器晶片之至少兩個傳感器晶片依一間隔距離放置於該電路系統基板上，該間隔距離小於該至少兩個傳感器晶片之該等MEMS組件之該等超音波元件之一操作波長。
  2. 如請求項1之超音波裝置，其中該電路系統基板包括一標準印刷電路板(PCB)或一撓性印刷電路板(軟板)。
  3. 如請求項2之超音波裝置，其中該軟板具有一固定曲率。
  4. 如請求項2之超音波裝置，其中該軟板具有即時順應用於成像之一目標表面而改變之一曲率。
  5. 如請求項1之超音波裝置，其中該傳感器晶片具有一特定操作波長。
  6. 如請求項1之超音波裝置，其中任何相鄰傳感器晶片之間的該間隔距離針對該等相鄰傳感器晶片之該特定操作波長最佳化。
  7. 如請求項1之超音波裝置，其中該至少兩個傳感器晶片之間的該間隔距離係20 µm或更小。
  8. 如請求項1之超音波裝置，其中該至少兩個傳感器晶片依一共面方式放置於該電路系統基板上。
  9. 如請求項1之超音波裝置，其中該至少兩個傳感器晶片依一曲面方式放置於該電路系統基板上。
  10. 如請求項1之超音波裝置，其中該複數個之一第一傳感器晶片具有獨立於該複數個之一第二後續傳感器晶片之操作頻率之一或多個操作頻率。
  11. 如請求項1之超音波裝置，其中任何傳感器晶片內之相鄰超音波元件之間的該間隔距離針對該傳感器晶片之該特定操作波長最佳化。
  12. 如請求項1之超音波裝置，其進一步包括耦合至該複數個傳感器晶片之一或多個聲透鏡。
  13. 如請求項12之超音波裝置，其中該一或多個聲透鏡包括耦合至一第一傳感器晶片之一第一聲透鏡及耦合至一第二傳感器晶片之一第二聲透鏡，且其中該第一及第二聲透鏡具有曲率。
  14. 如請求項1之超音波裝置，其中各傳感器晶片藉由三維互連機構耦合至該電路系統基板。
  15. 如請求項14之超音波裝置，其中該三維互連機構包括一接線。
  16. 如請求項14之超音波裝置，其中該三維互連機構包括穿過該傳感器晶片中之該ASIC之全厚度之一穿矽通路(TSV)。
  17. 如請求項1之超音波裝置，其中該控制單元具有將該控制單元耦合至該電路系統基板之三維互連機構。
  18. 如請求項1之超音波裝置，其中該控制單元耦合至該電路系統基板。
  19. 如請求項1之超音波裝置，其中該控制單元耦合至與該電路系統基板分離之一PCB。
  20. 如請求項1之超音波裝置，其中該控制單元藉由時序控制來協調該複數個傳感器晶片之獨立及同步操作。
  21. 如請求項1之超音波裝置，其中該裝置總成包括使用TSV之二維組態。
  22. 如請求項21之超音波裝置，其中由該TSV實現之一透鏡標高係MEMS表面上方至多200 µm。
  23. 如請求項21之超音波裝置，其中該TSV具有小於10 pH之一電感位準。
  24. 如請求項21之超音波裝置，其中該TSV係一後TSV總成。
  25. 如請求項24之超音波裝置，其中該後TSV總成具有至少35 µm之一直徑。
  26. 如請求項24之超音波裝置，其中該後TSV總成具有比該直徑大至少20 µm之一墊大小。
  27. 如請求項24之超音波裝置，其中該後TSV總成具有比該墊大小大至少15 µm之一節距。
  28. 如請求項24之超音波裝置，其中該後TSV總成具有與該直徑至多3:1之一深度比。
  29. 如請求項21之超音波裝置，其中該TSV係一中TSV總成。
  30. 如請求項29之超音波裝置，其中該中TSV總成具有至少2 µm之一直徑。
  31. 如請求項29之超音波裝置，其中該中TSV總成具有比該直徑大至少10 µm之一墊大小。
  32. 如請求項29之超音波裝置，其中該中TSV總成具有比該墊大小大至少20 µm之一節距。
  33. 如請求項29之超音波裝置，其中該中TSV總成具有與該直徑至多10:1之一深度比。
  34. 如請求項1之超音波裝置，其中該等MEMS組件之一或多者包括一壓電微機械超音波傳感器(pMUT)。
  35. 如請求項1之超音波裝置，其中該等MEMS組件之一或多者包括一電容微機械超音波傳感器(cMUT)。
  36. 如請求項1之超音波裝置，其中該至少兩個傳感器晶片之該等MEMS組件之該操作波長在自0.1 mm至3 mm之一範圍內。
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