TW202422089A - 超音波換能裝置 - Google Patents

Abstract

提供一種超音波換能裝置，包括多個超音波換能元件以及多個超音波測試元件。多個超音波測試元件分別對應多個超音波換能元件。對任一超音波測試元件進行崩潰電壓下的特性量測所得到的特性曲線可以被視為是對應的該個超音波換能元件的特性曲線，避免崩潰電壓損壞超音波換能元件。

Description

超音波換能裝置

本發明是有關於一種超音波換能裝置。

電容式微機械超音波換能器（CMUT，Capacitive micromachined ultrasonic transducer）被廣泛地運用在各種應用中，例如醫療診斷用的影像、測距、指紋辨識、聲學顯微鏡、定向揚聲器等。CMUT能夠以超音波換能元件中的多個電容器的上下電極驅動多個薄膜振盪，以將電能轉換為超音波，並發射超音波。同樣的，多個薄膜還能夠因回傳的超音波發生振盪，進而改變電容器的電容，以得知傳遞超音波的介質的狀況。

CMUT具備多個超音波換能元件，各換能元件需要在崩潰電壓做特性量測以確認其特性，但是這樣的特性量測可能造成換能元件損壞。為了避免損壞的狀況，目前是以配置在主動區兩側的超音波測試元件進行特性量測。然而主動區兩側的超音波測試元件的特性曲線與主動區的超音波換能元件相去甚遠，無法代表主動區的超音波換能元件。

本發明提供一種超音波換能裝置，具備多個超音波測試單元，對應主動區的超音波換能元件。超音波測試單元的特性曲線可以表現出主動區的超音波換能元件的特性。

根據本發明一實施例，提供一種超音波換能裝置，包括基板、多個超音波換能單元以及多個超音波測試單元。多個超音波換能單元配置於基板上且構成換能陣列，換能陣列具備n行m列，且配置於超音波換能裝置的主動區。多個超音波測試單元配置於基板上且構成測試陣列，測試陣列具備k行m列，且配置於與主動區相鄰的周邊區。m、n以及k為大於1的正整數。多個超音波換能單元以及多個超音波測試單元中的每一個包括依序配置於基板上的第一電極、振盪膜以及第二電極，第一電極以及第二電極被配置以使振盪膜發生振盪以產生超音波。多個超音波換能單元的多個第一電極以及多個超音波測試單元的多個第一電極電性連接。對於被配置於換能陣列的同一列中的n個超音波換能單元，多個第二電極電性相連。對於被配置於測試陣列的同一列中的k個超音波測試單元，多個第二電極電性相連。換能陣列的任一列對齊測試陣列的m個列中的一者，且多個超音波換能單元的多個第二電極以及多個超音波測試單元的多個第二電極電性絕緣。

基於上述，本發明實施例提供的超音波換能裝置包括多個超音波測試元件，各超音波測試元件具有多個超音波測試單元。這些超音波測試元件分別對應各超音波換能元件。當對任一超音波測試元件進行崩潰電壓下的特性量測，所得到的特性曲線可以被視為是對應的該個超音波換能元件的特性曲線，避免崩潰電壓損壞超音波換能元件。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

參照圖1A至圖1D以及圖2，其中圖1B是圖1A的超音波換能裝置1的局部區域Z1的放大圖，圖2是圖1A的超音波換能裝置1的局部區域Z2的放大圖。

如圖1A、圖1B以及圖2所示，超音波換能裝置1包括基板S、多個超音波換能元件10以及多個超音波測試元件20。各超音波換能元件10包括多個超音波換能單元100以及連接電極100E。各超音波測試元件20包括多個超音波測試單元200以及連接電極200E。

多個超音波換能單元100配置於基板S上且構成換能陣列100M，換能陣列100M具備n行m列，且配置於超音波換能裝置1的主動區AA。m及n為大於1的正整數。多個超音波測試單元200配置於基板S上且構成測試陣列200M。測試陣列200M具備k行m列，且配置於與主動區AA相鄰的周邊區TA，m及k為大於1的正整數。換能陣列100M中的所有列與測試陣列200M中的所有列一對一對齊。在一些實施例中，換能陣列100M與測試陣列200M在Y方向上的距離大於10 微米。在一些實施例中，換能陣列100M與測試陣列200M在Y方向上的距離落在10 微米至100微米的範圍內，但不以此為限。

各超音波換能單元100以及各超音波測試單元200具備相同的構造。先參照圖1C及圖1D，其繪示單一個超音波換能單元100或是單一個超音波測試單元200的結構，其中圖1D是沿著圖1C的線段I-II的橫截面示意圖。在一些實施例中，各超音波換能單元100以及各超音波測試單元200在X方向上或Y方向上的尺寸落在10微米至100微米的範圍內，但不以此為限。

各超音波換能單元100或是各超音波測試單元200包括依序配置於基板S上的第一電極E1、振盪膜F以及第二電極E2，其中第一電極E1以及第二電極E2形成為一電容器，且振盪膜F與第二電極E2相貼附。振盪膜F例如是包括SiN _x以及SiO _x，且藉由間隔件W的支撐而被配置於空腔C的上方。

當超音波換能裝置1用於發射超音波，第一電極E1會被施加直流電（DC）且第二電極E2會被施加交流電（AC），振盪膜F上則對應產生感應電荷。感應電荷隨即會受到交流電場的驅動而致使振盪膜F發生振盪，進而產生超音波。

當超音波換能裝置1用於接收超音波，所接收的超音波會使振盪膜F振盪。由於振盪膜F與第二電極E2相貼附，振盪膜F的振盪會改變第一電極E1與第二電極E2之間的距離，進而改變電容器的電容（Capacitance），藉由量測電容，得以得知傳遞超音波的介質（即，檢測標的）的狀況。

重新參考圖1A、圖1B以及圖2，各超音波換能單元100的第一電極E1以及各超音波測試單元200的第一電極E1電性連接。具體的，第一電極E1整面設置在主動區AA以及周邊區TA，被用做為共電極。

對於被配置在換能陣列100M的同一列中的n個超音波換能單元100，第二電極E2彼此電性相連。也就是說，換能陣列100M的同一列中的n個超音波換能單元100會因為彼此的第一電極E1電性相連且彼此的第二電極E2電性相連而產生相同頻率的超音波。

對於被配置在測試陣列200M的同一列中的k個超音波測試單元200，第二電極E2彼此電性相連。也就是說，測試陣列200M的同一列中的k個超音波測試單元200會因為彼此的第一電極E1電性相連且彼此的第二電極E2電性相連而產生相同頻率的超音波。

在圖1B及圖2所示的實施例中，各超音波換能元件10包括換能陣列100M中的7列陣列以及一個連接電極100E，且這個連接電極100E電性連接此7列陣列的第二電極E2，使得此7列陣列的第二電極E2等電位，此7列陣列的第二電極E2可以透過此連接電極100E而被施加相同的交流電壓。

對應的，各超音波測試元件20包括測試陣列200M中的7列陣列以及一個連接電極200E，且這個連接電極200E電性連接此7列陣列的第二電極E2，使得此7列陣列的第二電極E2等電位，此7列陣列的第二電極E2可以透過此連接電極200E而被施加相同的交流電壓。

但是本發明的各超音波換能元件10不以包括換能陣列100M的7列陣列為限，且各超音波測試元件20不以包括測試陣列200M中的7列陣列為限。在其他的實施例中，各超音波換能元件10可以包括換能陣列100M的多個列中的至少一列，且各超音波測試元件20可以包括測試陣列200M的多個列中的至少一列。具體而言，各超音波換能元件10所具有的換能陣列100M的列數（number of columns）m與各超音波測試元件20所具有的測試陣列200M的列數m相同，因此，超音波換能元件10的數量會與超音波測試元件20數量相同，且一對一相對應。

應當注意的是，換能陣列100M中的所有列與測試陣列200M中的所有列在位置上是一對一對齊的，但是換能陣列100M中的任何列的第二電極E2以及測試陣列200M中的任何列的第二電極E2電性絕緣。由於上述位置上的對齊關係，當以其中的一個超音波測試元件20進行崩潰電壓下的特性量測，所測得的特性曲線會與對應的該個超音波換能元件10的特性曲線相似，如下面將描述的圖3B所示。再者，當對一個（多個）超音波測試元件20進行崩潰電壓下的特性量測，對應的該個（些）超音波換能元件10能夠因上述的絕緣配置而受到保護，而不會被崩潰電壓損壞。

參照圖1A以及圖2，超音波換能裝置1還包括配置於主動區AA一側的多個超音波測試元件20A以及多個啞陣列300M。對稱地，在相對於主動區AA的另一側上，同樣配置有多個超音波測試元件20A以及啞陣列300M。由於主動區AA兩側的各超音波測試元件20A的結構相同，且主動區AA兩側的各啞陣列300M的結構相同，於此不贅述。

在本實施例中，主動區AA的一側配置有2個超音波測試元件20A以及2個啞陣列300M。但是本發明不以此為限，在一些實施例中，主動區AA的一側可以不配置超音波測試元件20A或是配置有數量大於2的超音波測試元件20A。

各超音波測試元件20A包括多個超音波測試單元200以及一個連接電極200E’。各啞陣列300M包括多個啞單元（Dummy unit）300，其中各啞單元300具備與各超音波換能單元100以及各超音波測試單元200相同的結構，如圖1C以及圖1D所示。

參照圖1A、圖3A以及圖3B。在一實施例中，超音波換能裝置1包括128個超音波換能元件10、128個超音波測試元件20以及分別配置於主動區AA兩側的2個超音波測試元件20A，其中各超音波換能元件10與各超音波測試元件20一對一相對應。

圖3A繪示了該2個超音波測試元件20A在崩潰電壓下的特性曲線A1、A2。可以看到，因為該2個超音波測試元件20A在基板S上的距離較遠，兩特性曲線A1、A2的差異很大。

相對的，圖3B繪示了1個超音波換能元件10的特性曲線M1與相對應的1個超音波測試元件20的特性曲線T1，圖3B還繪示了另一個超音波換能元件10的特性曲線M128與相對應的1個超音波測試元件20的特性曲線T128。可以看到，兩兩相對應的超音波換能元件10與超音波測試元件20會具有相似的特性曲線，證明了本發明實施例提供的超音波換能裝置1能夠以靠近主動區AA且與各超音波換能元件10分別對應的各超音波測試元件20進行崩潰電壓下的特性量測，並提供得以代表各超音波換能元件10的特性曲線。為了藉由各超音波測試元件20得到得以代表各超音波換能元件10的特性曲線，測試陣列200M的行數（number of rows）k會大於n/16，其中n為換能陣列100M的行數，若測試陣列200M的行數k與換能陣列100M的行數n相差太大，特性曲線的差異會較大。在一些實施例中，當進一步考量縮小各超音波測試元件20的體積占比，k會落在n/16至n/4的範圍內。

綜上所述，本發明實施例提供的超音波換能裝置包括多個超音波測試元件，這些超音波測試元件分別對應各超音波換能元件。當對任一超音波測試元件進行崩潰電壓下的特性量測，所得到的特性曲線可以被視為是對應的該個超音波換能元件的特性曲線，避免崩潰電壓損壞超音波換能元件。

1:超音波換能裝置 10:超音波換能元件 20、20A:超音波測試元件 100:超音波換能單元 100E:連接電極 100M:換能陣列 200:超音波測試單元 200E、200E’:連接電極 200M:測試陣列 300:啞單元 300M:啞陣列 AA:主動區 A1、A2、M1、T1、M128、T128:特性曲線 C:空腔 E1、E2:電極 F:振盪膜 TA:周邊區 X、Y、Z:方向 S:基板 W:間隔件 Z1、Z2:區域

圖1A是根據本發明實施例的超音波換能裝置的平面示意圖。 圖1B是圖1A的超音波換能裝置的局部放大圖。 圖1C是根據本發明實施例的超音波換能單元以及超音波測試單元的平面示意圖。 圖1D是根據本發明實施例的超音波換能單元以及超音波測試單元的橫截面示意圖。 圖2是圖1A的超音波換能裝置的局部放大圖。 圖3A及圖3B是根據本發明實施例的超音波測試單元與超音波換能元件的特性曲線圖。。

1:超音波換能裝置

10:超音波換能元件

20、20A:超音波測試元件

100E:連接電極

100M:換能陣列

200E、200E’:連接電極

200M:測試陣列

AA:主動區

TA:周邊區

X、Y、Z:方向

S:基板

Z1、Z2:區域

Claims (10)

1. 一種超音波換能裝置，包括： 基板； 多個超音波換能單元，配置於所述基板上且構成換能陣列，所述換能陣列具備n行m列，且配置於所述超音波換能裝置的主動區；以及 多個超音波測試單元，配置於所述基板上且構成測試陣列，所述測試陣列具備k行m列，且配置於與所述主動區相鄰的周邊區，其中 m、n以及k為大於1的正整數， 所述多個超音波換能單元以及所述多個超音波測試單元中的每一個包括依序配置於所述基板上的第一電極、振盪膜以及第二電極，所述第一電極以及所述第二電極被配置以使所述振盪膜發生振盪以產生超音波， 所述多個超音波換能單元的所述多個第一電極以及所述多個超音波測試單元的所述多個第一電極電性連接， 對於被配置於所述換能陣列的同一所述列中的n個所述超音波換能單元，所述多個第二電極電性相連， 對於被配置於所述測試陣列的同一所述列中的k個所述超音波測試單元，所述多個第二電極電性相連， 所述換能陣列的任一所述列對齊所述測試陣列的m個所述列中的一者，且所述多個超音波換能單元的所述多個第二電極以及所述多個超音波測試單元的所述多個第二電極電性絕緣。
2. 如請求項1所述的超音波換能裝置，還包括多個超音波換能元件，且各所述超音波換能元件包括所述換能陣列的所述多個列中的至少一列。
3. 如請求項2所述的超音波換能裝置，其中所述至少一列的數量為多個。
4. 如請求項3所述的超音波換能裝置，其中各所述超音波換能元件的所述多個列的所述多個第二電極電性相連。
5. 如請求項4所述的超音波換能裝置，其中與各所述超音波換能元件的所述多個列相對齊的所述測試陣列的所述多個列的所述多個第二電極電性相連。
6. 如請求項1所述的超音波換能裝置，其中k落在n/16至n/4的範圍內。
7. 如請求項1所述的超音波換能裝置，還包括分別被配置於所述主動區的相對兩側的多個超音波測試元件。
8. 如請求項1所述的超音波換能裝置，還包括分別被配置於所述主動區的相對兩側的多個啞陣列，各啞陣列包括多個啞單元，且各啞單元具備與各所述超音波換能單元相同的結構。
9. 如請求項1所述的超音波換能裝置，其中所述換能陣列與所述測試陣列之間的距離大於10微米。
10. 如請求項1所述的超音波換能裝置，其中所述多個超音波換能單元以及所述多個超音波測試單元中的每一個具有橫向尺寸，且所述橫向尺寸落在10微米至100微米的範圍內。

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