TWI705858B - 電容式微加工的超音波換能器的偏壓及相關設備和方法 - Google Patents

電容式微加工的超音波換能器的偏壓及相關設備和方法 Download PDF

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Abstract

一種超音波裝置的超音波換能器的電性偏壓係被描述。該超音波換能器可以是電容式微加工的超音波換能器(CMUT)。該些超音波換能器可以被群組在一起，其中不同的群組係接收不同的偏壓電壓。用於該各種群組的超音波換能器的偏壓電壓可被選擇以解決在該些群組之間的差異。

Description

電容式微加工的超音波換能器的偏壓及相關設備和方法
在此所述的技術係有關於微加工的超音波換能器(CMUT)以及相關的設備和方法。
相關申請案之交互參照
此申請案是根據第35號美國法典第120條主張2015年12月2日申請的美國專利申請案序號14/957,098的益處的一接續案，該美國專利申請案的代理人文件編號為B1348.70021US00並且名稱為"電容式微加工的超音波換能器(CMUTS)的偏壓及相關設備和方法"，該美國專利申請案茲在此以其整體納入作為參考。
電容式微加工的超音波換能器(CMUT)是已知的裝置，其係包含在一微加工的腔體之上的一薄膜。該薄膜可被用來轉換一聲波信號成為一電性信號、或是轉換一電性信號成為一聲波信號。因此，CMUT可以運作為超音波換能器。
根據本申請案的一特點，一種超音波裝置係被提出，其係包括一基板、複數個超音波換能器，其係與該基板整合並且包含一第一群組 的超音波換能器以及一第二群組的超音波換能器、以及複數個個別地電性可控制的偏壓電極，其係包含一對應於該第一群組的超音波換能器的第一偏壓電極、以及一對應於該第二群組的超音波換能器的第二偏壓電極。
根據本申請案的一特點，一種操作一超音波裝置之方法係被提出，該超音波裝置係具有一基板以及複數個與該基板整合的超音波換能器。該方法係包括將一對應於該複數個超音波換能器的一第一群組的超音波換能器之第一偏壓電極電性偏壓在一第一偏壓電壓、以及與偏壓該第一偏壓電極同時地，將一對應於該複數個超音波換能器的一第二群組的超音波換能器之第二偏壓電極電性偏壓在一不同於該第一偏壓電壓的第二偏壓電壓。
100‧‧‧裝置
102‧‧‧裝置表面
104a-104h‧‧‧偏壓區域
106‧‧‧CMUT
202‧‧‧基板
203‧‧‧間隔
204‧‧‧薄膜
206‧‧‧間隙
208‧‧‧積體電路
210‧‧‧電壓源
400‧‧‧晶圓
500‧‧‧裝置
502a、502b‧‧‧電壓源
504a、504b‧‧‧偏壓線
506a、506b‧‧‧偵測電路
D‧‧‧寬度(直徑)
H‧‧‧高度
V‧‧‧偏壓電壓
W‧‧‧寬度
本申請案的各種特點及實施例將會參考以下的圖式來加以描述。應該體認到的是，該些圖並不一定按照比例繪製。出現在多個圖中的項目係在所有它們出現的圖中藉由相同的元件符號來加以指出。
圖1是描繪根據一非限制性的實施例的一種包含複數個CMUT偏壓區域之超音波裝置的俯視圖。
圖2是根據一非限制性的實施例的一CMUT的橫截面圖。
圖3是根據一非限制性的實施例的複數個具有在圖2中所示的類型的共用一共同的薄膜之CMUT的橫截面圖。
圖4是根據一非限制性的實施例的一包含複數個具有在圖1中所描繪的類型的超音波裝置之晶圓的俯視圖。
圖5是根據一非限制性的實施例的一具有在圖1中所描繪的類型的超 音波裝置以及複數個電壓源及偵測電路一起的俯視圖。
根據本申請案的一特點，一種分段的偏壓設計係被實施以用於偏壓一超音波裝置的超音波換能器的群組。該超音波裝置可以是一超音波探針，並且可包含複數個被配置以產生及/或偵測超音波信號的超音波換能器。該些超音波換能器可以是CMUT。該些CMUT的正常的操作可能會牽涉到例如是藉由偏壓其薄膜來電性偏壓該些CMUT。其並非是經由一共同電極來提供單一偏壓信號至所有的CMUT，而是兩個或多個不同的偏壓區段可被產生。因此，不同群組的CMUT可以接收不同的偏壓信號，此係容許有改善的操作。
上述的特點及實施例以及額外的特點及實施例係在以下進一步加以描述。這些特點及/或實施例可以個別地、全部一起地、或是以兩個或多個的任意組合來加以利用，因為本申請案在此方面並未受限的。
圖1是根據本申請案的一第一特點的一種超音波裝置的俯視圖，其中係納入多個偏壓區域。該裝置100係包含一具有一高度H以及一寬度W的裝置表面102、以及八個偏壓區域104a-104h。該裝置表面102可以代表一例如是半導體基板或是互補金屬氧化物半導體(CMOS)基板之基板的表面，並且因此在某些實施例中可被稱為一半導體裝置表面。複數個CMUT可被形成在裝置100的裝置表面102中。為了圖示的簡化起見，複數個CMUT 106係針對於偏壓區域104b及104c而被單純地展示為虛線方塊，因為它們從圖1的俯視圖可能是不可見的。在某些實施例中，在圖1中可見的頂表面可以代表該CMNT 106的一薄膜，例如是在以下敘述的圖2的薄 膜204。然而，本申請案的特點在此方面並未受限，並且等同地適用於其它配置。應該體認到的是，該些舉例說明的偏壓區域104a-104h的每一個可以(並且在某些實施例中確實)包含一或多個CMUT 106。該些偏壓區域104a-104h係代表可以獨立地被電性偏壓之個別的群組的CMUT。
圖2是根據本申請案的特點的一種可加以實施的CMUT的一非限制性的例子的橫截面圖。該舉例說明的CMUT可以代表圖1的CMUT 106。該CMUT 106係包含一基板202以及薄膜204，其係藉由一間隔203所造成的具有寬度(或是直徑)D的間隙206來加以分開的。該間隙206可以是一真空腔體，儘管替代物也是可行的。該直徑D可以是數微米、數十微米、數百微米、或是任何其它適當的直徑。積體電路208可以選配地內含在該基板202中。例如，該基板202可以是一例如為矽基板的半導體基板，並且該積體電路208可以是矽電路。如同相關圖5更詳細地敘述的，該積體電路208可被配置以控制該CMUT 106的操作，且/或偵測該CMUT 106的響應。
該CMUT 106可以選配地包含額外的層，例如是隔離層、氧化物(例如，矽氧化物)、或是其它層。為了簡化起見，並且因為在此所述的各種特點並不限於任何特定類型的CMUT之使用，因而這些並未被描繪。
可以是由矽或是其它適當的材料所做成的薄膜204可以藉由施加一電壓(例如是交流電流(AC)的電壓)至其、或是響應於接收一超音波信號而使其振動。施加一直流(DC)偏壓信號至該薄膜可能是所期望的。此種偏壓信號可能會造成所謂的"彈簧軟化"、或是更一般而言可被用來調諧該薄膜振動的能力。因此，一適當的偏壓信號的施加可以改變該CMUT用於 發送及接收模式兩者的操作的靈敏度。如同在圖2中所示，一偏壓電壓V可以藉由一電壓源210來施加。該電壓源210可以被兩個或多個CMUT 106所共用，並且在某些實施例中可以與該裝置100加以整合。圖3是描繪一例子。
在圖3中，三個CMUT 106係共用該電壓源210。它們亦共用一共同的基板202以及薄膜204。因此，單一電壓源210可被用來將所有三個所描繪的CMUT偏壓在一共同的電壓之下。應該體認到的是，超過三個CMUT也可以共用一共同的薄膜，而且同樣可以藉由一共同的電壓源來加以偏壓。事實上，再次參照圖1，該些偏壓區域104a-104h的每一個可以代表一群組的具有一共同的薄膜的CMUT。針對於一給定的偏壓區域的CMUT可以藉由相同的偏壓信號來加以偏壓，但是不同的偏壓信號可被使用於不同的偏壓區域。舉例而言，偏壓區域104b的CMUT 106可以共用一共同的薄膜，並且可以藉由例如是來自一電壓源(例如是電壓源210)之相同的偏壓信號來加以偏壓。同樣地，偏壓區域104c的CMUT 106可以共用一共同的薄膜，並且可以藉由相同的偏壓信號來加以偏壓。然而，該些偏壓區域104b及104c可以獨立地加以偏壓。
儘管圖2及3係描繪一偏壓電壓直接至一CMUT薄膜的施加，但應該體認到的是在某些實施例中，一電極可被設置在該些薄膜上。例如，一電極可被設置在該薄膜204上，使得該些偏壓區域104a-104h可以對應於八個被配置以偏壓對應的群組的CMUT之不同的電極。在此種情況中，該些個別的電極可藉由橫跨該裝置100形成單一毯覆式電極並且接著蝕刻該毯覆式電極成為對應於偏壓區域104a-104h的八個區段來加以製造。 同樣地，其它的配置及製造技術也是可行的。
該些尺寸H及W越大，則獨立地偏壓一超音波裝置的不同群組的CMUT的能力可以是越有利的。被用來製造CMUT的製程可能會導致在一超音波裝置的CMUT之間的變化。例如，在一晶圓上製造許多CMUT通常會牽涉到例如是沉積、微影、以及蝕刻的製程的使用，其可能並未被一致地施加在整個晶圓上。參照圖4，一晶圓400可包含複數個具有在圖1中所示的類型的超音波裝置100。在某些實施例中，每一個裝置100可以是一不同的晶粒。典型的被施加至該晶圓400的微製造步驟(例如是沉積及蝕刻)可以與朝向該晶圓400的周邊的裝置100不同地施加至位在該晶圓400的中心的裝置100。若該些尺寸H及W是足夠大的，則該些製造步驟可能會不一致地施加在一裝置100之內。如同非限制性的例子，W在某些實施例中可以是介於20mm到40mm之間、可以是大於10mm、大於20mm、介於10mm到50mm之間、或是在此種範圍內之任意值或是值的範圍。H可以是介於2mm到10mm之間、介於3mm到5mm之間、大於2mm、或是在此種範圍內之任意其它值或是值的範圍。這些尺寸可以拓展數十個、數百個、數千個、或是更多的CMUT。標準的微製造的製程在此種尺寸上可能會變化。因此，該些CMUT可能會被不一致地製造，並且可能會呈現不同的固有操作特徵。於是，本申請案的提供被獨立地偏壓的CMUT之離散的區域的特點可以是有利的。
再次參照圖1，儘管大約二十個CMUT係相關於偏壓區域104b及104c的每一個而被展示，但實際上可以有任意適當的數量，其包含超過所展示的許多個。例如，該裝置100可包含具有一陣列或是其它配置 的橫跨該寬度W及高度H來散佈的數千個、數十萬個、或是數百萬個CMUT。
在某些實施例中，在被施加至該些不同的偏壓區域104a-104h的偏壓電壓上的差值可以是介於3%到30%之間、介於5%到20%之間、或是在此種範圍內之任意值或是值的範圍。例如，一約60伏特的偏壓電壓可被施加至偏壓區域104a，並且一約80伏特的偏壓電壓可被施加至偏壓區域104d。然而，這些是非限制性的例子。在某些實施例中，該些偏壓區域104a-104h的兩個或多個可以接收相同的偏壓值。在某些實施例中，所有的偏壓區域104a-104h都可以接收不同的偏壓值。被施加至一給定的偏壓區域之偏壓值可以依據該裝置所要的應用以及在該偏壓區域之內的CMUT之被判斷出的特性而定。
於是，本申請案的一特點係提供用於決定一偏壓值以施加至一超音波裝置的一偏壓區域之電路及方法。參照圖5，該裝置500係類似於圖1的裝置100，但是額外包含複數個電壓源以及複數個偵測電路。電壓源502a係經由偏壓線504a來耦接至偏壓區域104a，以提供一偏壓信號。該偏壓信號可被施加，並且來自該偏壓區域的CMUT的一響應可以被偵測電路506a偵測到。該響應可以是一電性響應。根據該偵測到的響應，可以決定該偏壓信號應該被改變以達成所要的CMUT操作。類似地，相關偏壓區域104b，一偏壓信號可以藉由電壓源502b，經由偏壓線504b而被施加，並且一響應係被偵測電路506b偵測到。所施加的偏壓信號的值可以依必要性來加以調整，以達成所要的CMUT操作。
儘管圖5是只針對於偏壓區域104a及104b描繪電壓源以及 偵測電路，但應該體認到的是，一電壓源及偵測電路可以針對於每一個偏壓區域來加以設置。該偵測電路在某些實施例中可被實施為積體電路208。再者，圖5的配置之替代的配置也是可行的。例如，單一電壓源可被設置以用於所有的偏壓區域，其具有適當的電路(例如，分壓器、放大器、等等)以調整由該電壓源所提供的電壓至用於該些偏壓區域的每一個特定的值。更一般而言，該裝置500可以是單一基板的裝置，其中所有舉例說明的構件都被單石地整合在相同的基板上。包含多晶片的配置之替代的配置也是可行的。
所述偵測CMUT特性以及調整一被施加的偏壓信號之操作在某些實施例中可以是在限制的時點加以執行的。例如，根據一實施例，適當的偏壓電壓的決定可以是在製造之後加以決定的。就此意義而言，該適當的偏壓電壓的決定可被視為在製造中的一校準步驟。在某些實施例中，該決定可以週期性地來加以執行，以解決例如是在一設定次數的使用該超音波裝置500之後的裝置老化。在某些實施例中，該決定可以在該超音波裝置500的操作期間動態地加以執行。
儘管圖1及5係描繪八個偏壓區域，但應該體認到的是，其它數量的偏壓區域亦可加以設置。例如，在某些實施例中，超過兩個偏壓區域可加以設置。在某些實施例中，在介於兩個到十二個偏壓區域的範圍內的任意數量或是更多個都可加以設置。越多的偏壓區域被設置，則提供一適當被調適到一特定群組的CMUT的偏壓信號的能力越大。然而，一更大數量的偏壓線亦可能是所需的，此可能會佔用空間並且增加佈線的複雜度。因此，可以取一平衡。
再者，儘管圖1及5係描繪實質矩形的偏壓區域，但是本申請案並不於此方面受限的。偏壓區域可以具有任何適當的形狀、以及相對於彼此的任何適當的設置。
從先前的內容應該體認到本申請案的一特點係提供一種用於偏壓一超音波裝置的CMUT之方法。該方法可包含將一對應於一第一群組的超音波換能器之第一偏壓電極電性偏壓在一第一偏壓電壓、以及與偏壓該第一偏壓電極同時地，將一對應於一第二群組的超音波換能器之第二偏壓電極電性偏壓在一不同於該第一偏壓電壓的第二偏壓電壓。電性偏壓該第一偏壓電極可能會牽涉到電性偏壓複數個CMUT的一共同的薄膜。
選配的是，響應於電性偏壓該第一偏壓電極，該第一群組的超音波換能器的一電性響應可被偵測到，並且該偏壓信號可被改變。該第一偏壓電壓可以是大於該第二偏壓電壓高達約30%、或是可以不同於該第二偏壓電壓先前在此所表列的任何百分比。
至此已經敘述此申請案的技術的數個特點及實施例，所體認到的是各種的改變、修改、及改良都將會輕易地為該項技術中具有通常技能者所思及。此種改變、修改、及改良係欲落在此申請案中所敘述的技術的精神及範疇之內。因此，所欲理解的是先前的實施例只是舉例被呈現而已，並且在所附的申請專利範圍及其等同範圍的範疇之內，本發明的實施例可以與明確所敘述者不同地加以實施。此外，若在此所述的特點、系統、物品、材料、套件、及/或方法並非相互不一致的，則兩個或多個此種特點、系統、物品、材料、套件、及/或方法的任意組合都是內含在本揭露內容的範疇之內。
作為一非限制性的例子，各種的實施例已經被敘述為包含CMUT。在替代的實施例中，壓電微加工的超音波換能器(PMUT)可以替代CMUT而被使用、或是除了CMUT之外來加以使用。
再者，如先前所述，某些特點可以被體現為一或多種方法。被執行作為該方法的部分的動作可以用任何適當的方式來排序。於是，其中動作係以一不同於所描繪的順序來加以執行的實施例可加以建構，其可包含同時執行某些動作，即使該些動作在舉例說明的實施例中是被展示為依序的動作。
如同在此所界定及使用的所有定義都應該被理解為優於字典的定義、在被納入作為參考的文件中的定義、及/或所定義的術語之普通的意義。
如同在此的說明書中以及在申請專利範圍中所用的，除非另有清楚相反地指出，否則該些不定冠詞"一"以及"一個"應該被理解為表示"至少一個"。
如同在此的說明書中以及在申請專利範圍中所用的，該措辭"及/或"應該被理解為表示該些因此聯合的元件的"任一或是兩者"，亦即元件在某些情形中是結合地存在，而在其它情形中則是分離地存在。
如同在此的說明書中以及在申請專利範圍中所用的，關於一或多個元件的一表列的措辭"至少一"應該被理解為表示至少一選自該表列的元件中的任一個或多個元件之元件，但是不一定包含明確地被表列在該表列的元件內的每一個元件的至少一個，而且並不排除在該表列的元件中之元件的任意組合。此定義亦容許除了在該措辭"至少一"所參照到的元件表 列之內明確被識別的元件之外的元件可以選配地存在，而不論是否相關或是不相關那些明確被識別的元件。
在申請專利範圍中以及在以上的說明書中，所有例如是"包括"、"包含"、"載有"、"具有"、"含有"、"涉及"、"持有"、"由…所構成"與類似者之轉折的措辭都欲被理解為開放式的，亦即欲表示包含但不限於。只有該轉折的措辭"由…所組成"以及"實質由…所組成"分別才會是封閉或半封閉的轉折的措辭。
100‧‧‧裝置
102‧‧‧裝置表面
104a-104h‧‧‧偏壓區域
106‧‧‧CMUT
H‧‧‧高度
W‧‧‧寬度

Claims (12)

  1. 一種超音波裝置，其包括：基板；複數個超音波換能器，其與該基板整合，並且包含第一群組的超音波換能器以及第二群組的超音波換能器；以及複數個個別地電性可控制的偏壓電極，其包含：第一偏壓電極，其對應於該第一群組的超音波換能器且包括該第一群組的超音波換能器的第一共同的薄膜；以及第二偏壓電極，其對應於該第二群組的超音波換能器且包括該第二群組的超音波換能器的第二共同的薄膜。
  2. 如申請專利範圍第1項之超音波裝置，其中該第一群組的超音波換能器是電容式微加工的超音波換能器。
  3. 如申請專利範圍第2項之超音波裝置，其中該基板是半導體晶粒，並且其中該電容式微加工的超音波換能器與該半導體晶粒單石地整合。
  4. 如申請專利範圍第2項之超音波裝置，其中該基板具有裝置表面，其具有介於約20mm到約40mm之間的寬度以及介於約2mm到約10mm之間的高度，並且其中該複數個個別地電性可控制的偏壓電極包含對應於該複數個超音波換能器的個別的群組的介於四個偏壓電極到十個偏壓電極。
  5. 如申請專利範圍第2項之超音波裝置，其進一步包括複數個偏壓線，其對應於該複數個個別地電性可控制的偏壓電極，並且包含耦接至該第一偏壓電極以及第一電源供應器的第一偏壓線以及耦接至該第二偏壓電極以及第二電源供應器的第二偏壓線。
  6. 如申請專利範圍第1項之超音波裝置，其進一步包括偵測電路，其與該基板整合，並且被配置以偵測該第一群組的超音波換能器的電性響應。
  7. 如申請專利範圍第1項之超音波裝置，其進一步包括積體電路，其與該基板整合，並且耦接至該第一群組的超音波換能器及該第二群組的超音波換能器。
  8. 一種操作超音波裝置之方法，該超音波裝置具有基板以及與該基板整合的複數個超音波換能器，該方法包括：將對應於該複數個超音波換能器的第一群組的超音波換能器之第一偏壓電極電性偏壓在第一偏壓電壓，該第一偏壓電極包括第一共同的薄膜；以及與偏壓該第一偏壓電極同時地，將對應於該複數個超音波換能器的第二群組的超音波換能器之第二偏壓電極電性偏壓在不同於該第一偏壓電壓的第二偏壓電壓，該第二偏壓電極包括第二共同的薄膜。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該第一群組的超音波換能器是電容式微加工的超音波換能器。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包括響應於電性偏壓該第一偏壓電極來偵測該第一群組的超音波換能器的電性響應。
  11. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該第一偏壓電壓大於該第二偏壓電壓達到約30%。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中電性偏壓該第一偏壓電極係利用與該基板整合的積體電路來加以執行的。
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