TWI833418B - 超音波換能器裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種超音波換能器裝置。超音波換能器裝置包括基板以及多個換能器單元。基板包括主動區。所述多個換能器單元被設置於基板。所述多個換能器單元各包括電容式微機械超音波換能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT）、電阻器以及電容器。CMUT被設置於主動區。電阻器被設置於基板。電阻器耦接於直流電源接墊與CMUT的第一端之間。電容器被設置於基板。電容器耦接於交流電源與CMUT的第一端之間。

Description

超音波換能器裝置

本發明是有關於一種超音波換能器裝置，且特別是有關於一種具有小體積的超音波換能器裝置。

超音波換能器裝置可利用多個電容式微機械超音波換能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT）來提供超音波訊號。所述多個CMUT各需要直流偏壓以及交流訊號而被驅動。因此，超音波換能器裝置還需要用以傳輸直流偏壓以及交流訊號的多個元件（或電路）。

然而，為了確保所述多個CMUT的扇出（fan out）能力，上述用以傳輸直流偏壓的多個元件以及用以傳輸交流訊號的多個元件分別以一對一方式與所述多個CMUT相對應。此外，為了便於組裝，用以傳輸直流偏壓的多個元件是被設置在第一基板上。用以傳輸直流偏壓的多個元件是被設置在第二基板上。所述多個CMUT則是被設置在第三基板上。因此，現行包括所述多個CMUT的超音波換能器裝置比需具有多個連接器（connector）來連接第一基板、第二基板以及第三基板。因此，現行包括所述多個CMUT的超音波換能器裝置的體積難以被下降。

本發明提供一種具有小體積的超音波換能器裝置。

本發明的超音波換能器裝置包括基板以及多個換能器單元。基板包括主動區。所述多個換能器單元被設置於基板。所述多個換能器單元各包括電容式微機械超音波換能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT）、電阻器以及電容器。CMUT被設置於主動區。電阻器被設置於基板。電阻器耦接於直流電源接墊與CMUT的第一端之間。電容器被設置於基板。電容器耦接於交流電源與CMUT的第一端之間。

基於上述，本發明的所述多個換能器單元被設置於同一基板。進一步地，各所述多個換能器單元的CMUT、電阻器以及電容器都被設置於同一基板上。因此，本發明的超音波換能器裝置並不需要利用連接器來連接多個基板。如此一來，超音波換能器裝置具有較小的體積。

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。

本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。

請參考圖1，圖1是依據本發明第一實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。在本實施例中，超音波換能器裝置100包括基板SB以及換能器單元U1~Un。基板SB包括主動區AA。換能器單元U1~Un被設置於基板SB。換能器單元U1包括電容式微機械超音波換能器（capacitive micromachined ultrasonic transducer，CMUT）CM1、電阻器R1以及電容器C1。換能器單元U2包括CMUT CM2、電阻器R2以及電容器C2。換能器單元U3包括CMUT CM3、電阻器R3以及電容器C3。同理可推，換能器單元Un包括CMUT CMn、電阻器Rn以及電容器Cn。CMUT CM1~CMn分別被設置於基板SB的主動區AA中。電阻器R1~Rn以及電容器CB1~CBn分別被設置於基板SB。電阻器R1~Rn耦接於直流電源接墊PDC與對應的CMUT之間。電容器CB1~CBn耦接於交流電源VAC與對應的CMUT之間。

在此值得一提的是，換能器單元U1~Un被設置於同一基板SB。也就是說，CMUT CM1~CMn、電阻器R1~Rn以及電容器CB1~CBn都被設置於同一基板SB上。因此，超音波換能器裝置100並不需要利用額外的連接器來連接多個基板。如此一來，超音波換能器裝置100具有較小的體積。

在本實施例中，換能器單元U1~Un沿方向D1排列。因此，超音波換能器裝置100具有較簡單的佈局設計。

在本實施例中，換能器單元U1~Un在基板SB上彼此並聯耦接。因此，超音波換能器裝置100的佈局面積能夠被降低。

在本實施例中，基板SB還包括周邊區AS以及扇出（fan out）區AF。扇出區AF相鄰於或環繞於主動區AA。周邊區AS相鄰於扇出區AF。以本實施例為例，電阻器R1~Rn以及電容器CB1~CBn被設置於主動區AA以外的區域（本發明並不以此為限）。電阻器R1~Rn例如被設置於扇出區AF。電容器CB1~CBn例如被設置於周邊區AS。

請同時參考圖1以及圖2，圖2是依據本發明一實施例所繪示的超音波換能器裝置的電路示意圖。在本實施例中，在換能器單元U1中，電阻器R1耦接於直流電源接墊PDC與CMUT CM1的第一端之間。直流電源接墊PDC接收直流電源VDC。換言之，電阻器R1耦接於直流電源VDC與CMUT CM1的第一端之間。電容器CB1耦接於交流電源接墊PAC與CMUT CM1的第一端之間。交流電源接墊PAC接收交流電源VAC。換言之，電容器CB1耦接於交流電源VAC與CMUT CM1的第一端之間。在本實施例中，交流電源VAC是由控制器110來提供。CMUT CM1的第二端耦接至參考電源（例如是接地）。控制器110可以被設置在超音波換能器裝置100的內部。控制器110也可以是被設置在超音波換能器裝置100的外部的電路。基於不同的操作模式，換能器單元U1~Un所接收到的交流電源VAC的相位可能相同或不相同。

在本實施例中，換能器單元U2~Un的電路實施方式相似於換能器單元U1的電路實施方式，故不在此重述。換言之，換能器單元U1~Un彼此並聯耦接於直流電源接墊PDC、交流電源接墊PAC與參考電源之間。

請參考圖3，圖3是依據本發明一實施例所繪示的換能器單元的電路示意圖。在本實施例中，換能器單元U1包括CMUT CM1、電阻器R1以及電容器CB1。CMUT CM1至少包括電極ED1、ED2、振動薄膜MR以及支撐結構I1、I2。電極ED1被設置於振動薄膜MR上。電極ED1被作為CMUT CM1的第一端。電極ED2被作為CMUT CM1的第二端並耦接至參考電源。振動薄膜MR是壓電材料薄膜。支撐結構I1、I2例如是具有電絕緣材料的結構。支撐結構I1、I2與電極ED2共同形成凹槽結構。支撐結構I1、I2用以支撐振動薄膜MR以使電極ED2與振動薄膜MR之間形成空腔CAV（或稱為共振腔）。

電阻器R1耦接於電極ED1與直流電源VDC之間。電阻器R1耦接於電極ED1與直流電源VDC之間。電容器CB1耦接於電極ED1與交流電源VAC之間。因此，CMUT CM1會經由電極ED1接收到直流電源VDC，並將直流電源VDC作為基準偏壓（例如，200伏特，本發明並不以此為限）。CMUT CM1會經由電極ED1接收到交流電源VAC。振動薄膜MR反應於交流電源VAC的電壓值來發生振動以產生超音波信號。

請同時參考圖2以及圖4，圖4是依據本發明第二實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。在本實施例中，超音波換能器裝置200包括基板SB以及換能器單元U1~Un。基板SB包括主動區AA、周邊區AS以及扇出區AF。主動區AA、周邊區AS以及扇出區AF之間的配置已經在圖1的實施例中清楚說明，故不在此重述。換能器單元U1包括CMUT CM1、電阻器R1、電容器C1以及電連接結構L1。換能器單元U2包括CMUT CM2、電阻器R2、電容器C2以及電連接結構L2。換能器單元U3包括CMUT CM3、電阻器R3、電容器C3以及電連接結構L3。同理可推，換能器單元Un包括CMUT CMn、電阻器Rn、電容器Cn以及電連接結構Ln。

在本實施例中，CMUT CM1~CMn分別被設置於基板SB的主動區AA中。電阻器R1~Rn分別被設置於扇出區AF。電容器CB1~CBn被設置於周邊區AS。周邊區AS與主動區AA並不相鄰。電連接結構L1~Ln分別至少被設置於扇出區AF。因此，電容器CB1能夠透過電連接結構L1耦接至CMUT CM1的第一端。電容器CB2能夠透過電連接結構L2耦接至CMUT CM2的第一端。同理可推，電容器CBn能夠透過電連接結構Ln耦接至CMUT CMn的第一端。

此外，CMUT CM1~CMn的第二端分別耦接至參考電源接墊PGND。CMUT CM1~CMn的第二端分別透過參考電源接墊PGND耦接至參考電源。

在本實施例中，直流電源接墊PDC、交流電源接墊PAC以及參考電源接墊PGND分別被設置於扇出區AF。直流電源接墊PDC以及參考電源接墊PGND分別被設置於鄰近於基板SB的不同側邊。以本實施例為例，直流電源接墊PDC被設置於鄰近於基板SB的側邊E1。參考電源接墊PGND被設置於鄰近於基板SB的側邊E2。在一些實施例中，交流電源接墊PAC可以被設置於周邊區AS。

請同時參考圖2以及圖5，圖5是依據本發明第三實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。在本實施例中，超音波換能器裝置300包括基板SB以及換能器單元U1~Un。基板SB包括主動區AA、周邊區AS以及扇出區AF。主動區AA、周邊區AS以及扇出區AF之間的配置已經在圖1的實施例中清楚說明，故不在此重述。本實施例的換能器單元U1~Un的配置方式相似於圖的換能器單元U1~Un的配置方式，故不在此重述。在本實施例中，CMUT CM1~CMn以及電阻器R1~Rn分別被設置於基板SB的主動區AA中。電容器CB1~CBn被設置於周邊區AS中。周邊區AS與主動區AA並不相鄰。電連接結構L1~Ln分別至少被設置於扇出區AF。因此，電容器CB1~CBn能夠透過對應的電連接結構耦接至對應的CMUT的第一端。

在本實施例中，直流電源接墊PDC、交流電源接墊PAC以及參考電源接墊PGND分別被設置於扇出區AF。為了便於接收直流電源VDC、交流電源ADC以及參考電源，直流電源接墊PDC、交流電源接墊PAC以及參考電源接墊PGND分別被設置於鄰近於基板SB的不同側邊。以本實施例為例，直流電源接墊PDC被設置於鄰近於基板SB的側邊E2。參考電源接墊PGND被設置於鄰近於基板SB的側邊E1。交流電源接墊PAC被設置於鄰近於基板SB的側邊E3。

請同時參考圖2以及圖6，圖6是依據本發明第四實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。在本實施例中，超音波換能器裝置400包括基板SB以及換能器單元U1~Un。基板SB包括主動區AA、周邊區AS以及扇出區AF。主動區AA、周邊區AS以及扇出區AF之間的配置已經在圖1的實施例中清楚說明，故不在此重述。換能器單元U1包括CMUT CM1、電阻器R1、電容器C1以及電連接結構L1。換能器單元U2包括CMUT CM2、電阻器R2、電容器C2以及電連接結構L2。換能器單元U3包括CMUT CM3、電阻器R3、電容器C3以及電連接結構L3。同理可推，換能器單元Un包括CMUT CMn、電阻器Rn、電容器Cn以及電連接結構Ln。

在本實施例中，CMUT CM1~CMn以及電容器CB1~CBn分別被設置於基板SB的主動區AA中。電阻器R1~Rn分別被設置於周邊區AS。周邊區AS與主動區AA並不相鄰。電連接結構L1~Ln分別至少被設置於扇出區AF。因此，電阻器R1能夠透過電連接結構L1耦接至CMUT CM1的第一端。電阻器R2能夠透過電連接結構L2耦接至CMUT CM2的第一端。同理可推，電阻器Rn能夠透過電連接結構Ln耦接至CMUT CMn的第一端。

在本實施例中，直流電源接墊PDC被設置於周邊區AS。直流電源接墊PDC被設置於鄰近於基板SB的側邊E1。交流電源接墊PAC以及參考電源接墊PGND分別被設置於扇出區AF。交流電源接墊PAC以及參考電源接墊PGND分別被設置於鄰近於基板SB的不同側邊。以本實施例為例，直流電源接墊PDC被設置於鄰近於基板SB的側邊E2。交流電源接墊PAC被設置於鄰近於基板SB的側邊E3。

電容器CB1~CBn的佈局面積會基於超音波換能器裝置400的操作頻率而被調整。基於較高的操作頻率，電容器CB1~CBn的佈局面積會較小。基於較低的操作頻率，電容器CB1~CBn的佈局面積會較大。如此一來，在超音波換能器裝置400運行於較高的操作頻率的條件下，具有小佈局面積的電容器CB1~CBn能夠與CMUT CM1~CMn一同被設置在主動區AA中。

在另一方面，基於較低的操作頻率，具有大佈局面積的電容器CB1~CBn則被設置在主動區AA外。

請同時參考圖2以及圖7，圖7是依據本發明第五實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。在本實施例中，超音波換能器裝置500包括基板SB以及換能器單元U1~Un。基板SB包括主動區AA以及扇出區AF。換能器單元U1~Un被設置於基板SB。換能器單元U1包括CMUT CM1、電阻器R1以及電容器C1。換能器單元U2包括CMUT CM2、電阻器R2以及電容器C2。換能器單元U3包括CMUT CM3、電阻器R3以及電容器C3。同理可推，換能器單元Un包括CMUT CMn、電阻器Rn以及電容器Cn。CMUT CM1~CMn分別被設置於基板SB的主動區AA中。電阻器R1~Rn以及電容器CB1~CBn分別被設置於基板SB。電阻器R1~Rn耦接於直流電源接墊PDC與對應的CMUT之間。電容器CB1~CBn耦接於交流電源VAC與對應的CMUT之間。

在本實施例中，CMUT CM1~CMn、電阻器R1~Rn以及電容器C1~Cn分別被設置在主動區AA。直流電源接墊PDC被設置在扇出區AF。直流電源接墊PDC被設置於鄰近於基板SB的側邊E1。參考電源接墊PGND以及交流電源接墊PAC分別被設置在扇出區AF。參考電源接墊PGND被設置於鄰近於基板SB的側邊E2。交流電源接墊PAC被設置於鄰近於基板SB的側邊E3。

綜上所述，本發明的所述多個換能器單元被設置於同一基板。進一步地，各所述多個換能器單元的CMUT、電阻器以及電容器都被設置於同一基板上。由此可知，本發明的超音波換能器裝置並不需要利用連接器來連接多個基板。如此一來，本發明的超音波換能器裝置具有較小的體積。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400、500:超音波換能器裝置 110:控制器 AA:主動區 AF:扇出區 AS:周邊區 CAV:空腔 CB1~CBn:電容器 CM1~CMn:電容式微機械超音波換能器 E1、E2、E3:側邊 ED1、ED2:電極 D1:方向 I1、I2:支撐結構 L1~Ln:電連接結構 MR:振動薄膜 PAC:交流電源接墊 PDC:直流電源接墊 PGND:參考電源接墊 R1~Rn:電阻器 SB:基板 U1~Un:換能器單元 VAC:交流電源 VDC:直流電源

圖1是依據本發明第一實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。 圖2是依據本發明一實施例所繪示的超音波換能器裝置的電路示意圖。 圖3是依據本發明一實施例所繪示的換能器單元的電路示意圖。 圖4是依據本發明第二實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。 圖5是依據本發明第三實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。 圖6是依據本發明第四實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。 圖7是依據本發明第五實施例所繪示的超音波換能器裝置的配置示意圖。

100:超音波換能器裝置

AA:主動區

AF:扇出區

AS:周邊區

CB1~CBn:電容器

CM1~CMn:電容式微機械超音波換能器

D1:方向

PAC:交流電源接墊

PDC:直流電源接墊

R1~Rn:電阻器

SB:基板

U1~Un:換能器單元

VAC:交流電源

VDC:直流電源

Claims (10)

1. 一種超音波換能器裝置，包括：一基板，包括一主動區；以及多個換能器單元，被設置於該基板，各包括：一電容式微機械超音波換能器，被設置於該主動區；一電阻器，被設置於該基板，並被設置於一直流電源接墊與該電容式微機械超音波換能器的第一端之間；以及一電容器，被設置於該基板，並被設置於一交流電源與該電容式微機械超音波換能器的第一端之間。
2. 如請求項1所述的超音波換能器裝置，其中：該基板還包括一周邊區以及一扇出區，該扇出區相鄰於該主動區，該電阻器被設置於該主動區，該直流電源接墊被設置於該扇出區，並且該電容器被設置於該周邊區。
3. 如請求項2所述的超音波換能器裝置，各該些換能器單元還包括：一電連接結構，被設置於該扇出區，其中該電容器透過該電連接結構耦接至該電容式微機械超音波換能器的第一端。
4. 如請求項2所述的超音波換能器裝置，還包括：一參考電源接墊，被設置於該扇出區，耦接至該電容式微機 械超音波換能器的第二端。
5. 如請求項1所述的超音波換能器裝置，其中：該基板還包括一周邊區以及一扇出區，該扇出區相鄰於該主動區，該電阻器被以及該直流電源接墊設置於該周邊區，並且該電容器被設置於該主動區。
6. 如請求項5所述的超音波換能器裝置，各該些換能器單元還包括：一電連接結構，被設置於該扇出區，其中該電阻器透過該電連接結構耦接至該電容式微機械超音波換能器的第一端。
7. 如請求項5所述的超音波換能器裝置，還包括：一參考電源接墊，被設置於該扇出區，耦接至該電容式微機械超音波換能器的第二端。
8. 如請求項1所述的超音波換能器裝置，其中：該基板還包括一扇出區，該扇出區相鄰於該主動區，該些電阻器以及該些電容器被設置於該主動區，並且該直流電源接墊被設置於該扇出區。
9. 如請求項1所述的超音波換能器裝置，其中該些換能器單元沿一方排列。
10. 如請求項1所述的超音波換能器裝置，其中該些換能器單元彼此並聯耦接。

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