具有压电传感器的成像装置
本技术是申请日为2017年11月23日、申请号为201780085508.8、发明名称为“具有压电传感器的成像装置”的中国专利申请(其对应pct申请的申请日为2017年11月23日、申请号为pct/us2017/063163)的分案申请。
技术领域
1.本发明是关于成像装置，且更具体地，是关于具有压电传感器的成像装置。
背景技术：2.用于成像人体内脏器官并显示内脏器官影像的非侵入式成像系统传送信号至人体并接收自器官反射的信号。通常用于成像系统中的换能器被称为收发器，且一些收发器是以光音波(photo-acoustic)或超音波效应作为基础。一般而言，压电换能器被用于成像以及其他应用，像是医学成像、管道中的流量测量、扬声器、麦克风、碎石术、用于治疗的加热组织、以及用于手术的高强度聚焦超音波(hifu)。
3.微加工技术的进步允许传感器和致动器被有效地接合在基板上。具体而言，与具有大型的形状因子(large form factor)的传统块体压电组件(bulk piezoelectric element)相比，使用电容性转换(cmut)或压电转换(pmut)的微机械超音波换能器(mut)是特别有利的。虽然这些换能器的基本概念已在90年代早期公开，但这些概念的商业实施遇到了许多挑战。例如，传统的cmut传感器由于在操作期间积累的介电电荷而特别容易发生故障或性能漂移(drift)。传统的pmut是一种很有前途的替代方案，但是存在与传输并且接收效率低下相关的问题。因此，需要具有增强的效率并且可应用于各种传感装置的pmut。
技术实现要素：4.在实施例中，一种收发器组件包含：基板；悬挂于基板上的至少一膜；以及安装在该至少一膜上的复数个换能器组件(transducer element)，复数个换能器组件中的每一个换能器组件具有底部电极、在底部电极上的压电层、以及在压电层上的至少一顶部电极，复数个换能器组件中的每一个换能器组件响应于施加于底部电极以及至少一顶部电极的电势产生弯矩并响应于对其施加的弯矩生成(developing)电荷。
5.在实施例中，一种成像系统包含：用于产生压力波并将外部压力波转换成电子信号的收发器单元；以及用以控制收发器单元的操作的控制单元。收发器单元包括：基板；悬挂于基板上的至少一膜；以及安装在该至少一膜上的复数个换能器组件，复数个换能器组件中的每一个换能器组件具有底部电极、在底部电极上的压电层、以及在压电层上的至少一顶部电极，复数个换能器组件中的每一个换能器组件响应于施加于底部电极以及至少一顶部电极的电势产生弯矩并响应于外部压力波所致的弯矩生成电荷。
附图说明
6.将参考其示例可在附图中示出的本发明实施例。这些图式旨在说明而非限制。尽
管本发明已大致描述在这些实施例的上下文中，但应理解的是，并不意图将本发明的范围限于这些特定实施例。
7.图1是为显示根据本公开实施例的成像系统的图式。
8.图2是为显示根据本公开实施例的成像器的方块图。
9.图3a是为显示根据本公开实施例的例示性收发器片的示意图。
10.图3b是为显示根据本公开实施例的包括一或多个收发器片的收发器数组的顶视图和侧视图。
11.图4a是为显示根据本公开实施例的收发器单元的放大视图。
12.图4b是为显示根据本公开实施例的例示性压电组件的横截面图。
13.图5是为显示根据本公开实施例之沿着线4-4截取的第4a图中的收发器单元的横截面图。
14.图6至图7是为显示根据本公开实施例的收发器单元的截面示意图。
15.图8是为绘示根据本公开实施例在压电组件中产生弯矩(bending moment)的机制。
16.图9是为绘示根据本公开实施例的在压电组件上生成电荷的机制。
17.图10至图11是为显示根据本公开实施例的到多个压电组件的电连接的示意图。
18.图12是为显示根据本公开实施例的与多个压电组件耦接的例示性膜的透视图。
19.图13是为显示根据本公开实施例图12中的膜的横截面图。
20.图14是为显示根据本公开实施例的发射模式/过程中图13的膜的数值模拟的图式。
21.图15是为显示根据本公开实施例的图12的膜的增益作为时间延迟的函数的曲线图。
22.图16是为显示根据本公开实施例的包括具有不同共振频率特性的多个膜的收发器单元的示意图。
23.图17是为显示根据本公开实施例的图16的膜的增益作为频率的函数的曲线图。
24.图18a是为显示根据本公开实施例的包括具有不同的共振频率特性的多个膜的收发器单元的示意图。
25.图18b是为显示根据本公开实施例的图18a的膜的增益作为频率的函数的曲线图。
26.图19a是为显示根据本公开实施例的包括具有不同的共振频率的多个膜的收发器单元的示意图。
27.图19b是为显示根据本公开实施例的图19a的膜的增益作为频率的函数的曲线图。
28.图20是为显示根据本公开实施例的具有多个膜的收发器单元的示意图。
29.图21a是为显示根据本公开实施例在图20中的一个膜的横截面图。
30.图21b是为显示根据本公开实施例的在第一共振模式致动的第21a图中的膜的图式。
31.图22a是为显示根据本公开实施例的在图20中的一个膜的横截面图。
32.图22b是为显示根据本公开实施例的在第三共振模式致动的图22a中的膜的图式。
33.图23a是为显示根据本公开实施例的在图20中的一个膜的横截面图。
34.图23b是为显示根据本公开实施例在第五共振模式致动的图23a中的膜的图式。
35.图24a至图28显示根据本公开实施例的用于制造具有两个膜的例示性收发器单元的步骤。
36.图29是为显示根据本公开实施例的具有不同电极图案的三个收发器单元的示意图。
37.图30是为显示根据本公开实施例的图29中的收发器单元的增益作为频率的函数的曲线图
具体实施方式
38.在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以提供对本公开的理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本公开可在没有这些细节的情况下实施。此外，本领域技术人员将认识到，下面描述的本公开的实施例可以诸如过程、装置、系统或装置的各种方式实现。
39.图中所示的组件/组件是本公开例示性实施例的说明，并且旨在避免模糊本公开。说明书中对「一个实施例」、「优选实施例」、「实施例」或「复数个实施例」的引用意味着接合实施例描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本公开的至少一实施例中，且可在多于一个实施例中。在说明书中各处出现的短语「在一个实施例中」、「在实施例中」或「在复数个实施例中」不一定都指代相同的一实施例或复数个实施例。用语「包括(include)」、「包括(including)」、「包含(comprise)」和「包含(comprising)」应被理解为是开放性用语，并且于其后的任何列表是示例，并不意味着限于所列的列表。本文使用的任何标题仅用于组织目的，且不应用于限制说明书或申请专利范围的范畴。此外，在说明书中各处使用的某些用语仅用于说明而不应被解释为限制。
40.图1显示了根据本公开实施例的成像系统100。如图所示，系统100可包括：成像器120，其在发射模式/过程中产生并向内脏器官112(例如心脏)传输压力波122；以及通过传达信道130将信号传达到成像器的装置102。在实施例中，内脏器官112可朝向成像器120反射一部分压力波122，且成像器120可在接收模式/过程中捕捉反射的压力波并产生电子信号。成像器120可将电子信号传达到装置102，并且装置102可使用电子信号在显示器/屏幕104上显示人体器官的图像。
41.应注意的是，成像器120也可用以获得动物内脏器官的图像。还应注意的是，压力波122可为可穿过人体/动物体并被内脏器官反射音波、超音波或光音波。
42.在实施例中，成像器120可为手提式装置并且通过传达信道130(无线地或经由电缆)与装置102传递信号。在实施例中，装置102可为移动装置，像是手机或ipad，或者是可向用户显示图像的固定计算装置。
43.图2是为显示根据本公开实施例的成像器120的方块图。在实施例中，成像器120可为超音波成像器。如图2所示，成像器120可包括：用于传送和接收压力波的收发器片210；用作为聚焦压力波的透镜，并且还用作为收发器片和人体110之间的阻抗界面的涂层212；用于控制收发器片210的控制单元202，例如asic芯片；用于控制成像器120的组件的微处理器214；用于通过一或多个端口230与外部装置(例如装置102)传递数据的传达单元208；用于储存数据的内存218；用于向成像器的组件提供电功率的电池206；以及用于显示目标器官的图像的可选的显示器216。
element)纯粹是为了说明的目的，在实施例中，可使用由复数个压电子层和电极组成的多层压电组件(多压电芯片)。而且，在实施例中，压电组件450可以包括一或多个顶部电极，即使图4b为了说明目的显示了三个顶部电极。在实施例中，压电层464可包括pzt、knn、pzt-n、pmn-pt、aln、sc-aln、zno、pvdf和linio3中的至少其一。
54.在实施例中，压电层464的厚度可小于100μm，并且在tx模式/过程中顶部电极和底部电极之间的电势可为1～20v。相反地，传统压电组件的顶部和底部电极之间的电势范围为100～200v。由于用于驱动压电组件450的电功率可与驱动压电组件的脉冲或波形的电压的平方成比例，因此压电组件450消耗的功率可显著低于传统压电组件消耗的功率。
55.在实施例中，压电组件450可为压电微机电型超音波换能器，并且通过在半导体、mems或超音波工业中使用的常规技术制造。类似地，在实施例中，收发器数组220中的其他组件可以通过半导体，mems或超声工业中的传统技术制造。
56.图5是为显示根据本公开实施例之沿着线4-4截取的图4a中的收发器单元300的横截面图。如图所示，可与膜400相同或类似的膜504，可具有不同的厚度并且可与多个压电组件520a至520c耦接。在实施例中，膜504可通过悬挂机制506悬挂在底部基板501上(其可与图4a中的基板402相同或类似)。
57.在实施例中，膜504的厚度可通过在平坦的膜中形成凹槽511、波纹和穿孔/孔512中的一或多个来改变。在实施例中，膜504的厚度可通过在平坦的膜中仅形成凹槽和/或波纹511来改变，使得可在膜下方形成一或多个密封腔(hermetic cavities)。在实施例中，材料可选择性地沉积或沉积并图案化以在膜的顶部和/或底部表面上形成凸块510，其中凸块改变膜的厚度。在实施例中，膜504的厚度变化可通过传统的芯片加工技术，例如蚀刻和沉积技术来实现。
58.在实施例中，一或多个压电组件520a至520c可设置在膜504的顶部和/或底部表面上。在实施例中，每个压电组件520a至520c可具有两个或更多个端子并且具有不同的尺寸和几何形状。例如，压电组件520a和520b可具有两个端子，而压电组件520c可具有三个端子(一个底部电极和两个顶部电极)。
59.在实施例中，压电组件520a至520c可连接到电线/导体(现在在图5中示出)，其中电线可通过各种技术沉积在膜504上，例如微机械加工、图案化、引线键合技术、或通过三维互连将外部电路连接到单元。
60.在实施例中，顶部基板502可为可选组件。在实施例中，每对金属导体516可包括顶部金属板，顶部金属板放置在底部金属板附近，从而形成电容器。在操作期间，可通过测量金属导体516的电容变化来测量外部压力波引起的膜504的变形(deflection)。在实施例中，诸如雷射的光源514可放置在膜504附近使得光源514发出的光可穿过膜504中的孔/穿孔512。在实施例中，来自孔512的光可在顶部基板粘合到底部基板时用于使顶部基板502相对于底部基板501对准。
61.在实施例中，顶部基板502可为asic芯片，其中asic芯片包括用于控制压电组件520a至520c的电子组件(electricalelements)、电组件(electronicelements)或光子组件(photonic elements)。顶部基板502可通过各种技术连接到膜504中的电连接，包括但不限于电通孔、倒装芯片接合、共晶接合或其他微机械装置中常用的引线转移技术(lead transfer techniques)。在实施例中，asic芯片可包括多个凸块，并且凸块可通过垂直互连
或通过线路接合连接到膜504上的电路。
62.图6至图7是为显示根据本公开实施例的收发器单元的截面示意图。如图6所示，膜600可通过一或多个机械支撑件604在两端悬挂于基板601上并与基板601保持间隔开的关是。在实施例中，一或多个压电组件604a至604c可设置在膜的顶部表面。应注意的是，一或多个压电组件可设置在膜600的底部表面上，如图5所示。而且，可在膜的顶部表面(和/或底部表面)上形成一或多个凹槽610或凸块，以改变膜的厚度。
63.在实施例中，可在膜600和基板601之间形成一或多个腔602a至602c，并且可调节腔内的气体压力，从而可控制膜的相应部分的振动产生(vibrational motion)。举例而言，腔602a可为真空，使得膜的部分620a可在垂直方向上自由移动，而腔602c可填充有气体，使得膜的部分620c的振动产生可被气体抑制(damped)。
64.在实施例中，可使用例如但不限于阳极接合、硅熔融接合、共晶接合、玻璃料接合、焊料附接等常用的基板接合和附接技术将膜600接合到基板601，以在膜600下方产生真空(例如602a)或空气间隙(例如602b和602c)。接合可允许真空或空气间隙中的音能快速衰减并保护膜免受湿气或其他反应物影响。
65.在实施例中，可在收发器单元之间并入各种类型的主动或被动组件，以减少单元之间的串音(acoustic cross talk)。举例而言，基板601可包括凹槽(图6中未示出)以减弱串扰。在另一个示例中，膜600与基板601的接合可减少串扰。除了这些被动串扰减弱机制之外，可致动一或多个压电组件604a至604c以主动减弱串扰。可电激发这种主动串扰减弱特征以物理性地抑制膜支撑件的机械振动。
66.在图7中，膜700可通过一或多个支撑件704在两端悬挂在基板701上并且与基板701保持间隔开的关是。此外，可在基板701和膜704之间形成一或多个腔702a至702c，其中腔702可具有与腔602a至602c类似的功能。在实施例中，可使用例如但不限于阳极接合、硅熔融接合、共晶接合、玻璃料接合、焊料附接等常用的基板接合和附接技术将膜700接合到基板701。基板701可为asic芯片，其包括用于控制附接到膜700的压电组件的电子组件、电组件或光子组件，并且基板701可通过垂直互连或通过线路接合电连接到膜700。
67.图8绘示根据本公开实施例在压电组件800中产生弯矩(bending moment)的机制。如图所示，压电组件800可包括顶部电极802、压电层804和底部电极806，其中压电层804可以向上或向下方向极化(由箭头p指示)。在实施例中，当在顶部电极802和底部电极806上施加电势时，可产生电场(由箭头e表示)。根据极化方向，压电组件800可产生不同的弯矩(由箭头m表示)。在tx模式/过程中，由压电组件800产生的弯矩可被传递到下面的膜并使膜振动，产生压力波。
68.在实施例中，压电层804的极化p可通过称为极化(poling)的过程来改变。在实施例中，极化过程可包括在高于居里点(curie point)的温度下在顶部电极和底部电极上施加高电压一预定时间段。在实施例中，可根据压电层804的厚度和材料来改变用于极化过程的电压。举例而言，对于1μm厚的压电层，电压电势可为大约15v。
69.在实施例中，压电组件可具有多于两个电极。举例而言，压电组件502c可具有两个顶部电极和一个底部电极。在实施例中，第一顶部电极下方的压电层的第一部分可以第一方向极化，而在第二电极下方的压电层的第二部分可以第二方向极化，其中第一方向可与第二方向平行或者相反。
70.图9绘示根据本公开实施例的在压电组件800上生成(develop)电荷的机制。如图所示，压电组件800可在施加弯矩m时产生电荷。在实施例中，压电组件804可以向上或向下方向极化。根据偏振方向，在每个压电组件800上生成的电荷可具有不同的极性。在实施例中，底部电极806可接地或连接到预定的偏压(voltage bias)。
71.在rx模式/过程中，膜可通过例如从内脏器官112反射的压力波之外部压力波弯曲，并且膜的弯曲可被传递到压电组件800，生成在压电组件上的电荷。使用此电荷可测量压力波的强度。而且，可处理由多个压电组件生成的电荷以获得内脏器官112的图像。
72.在实施例中，改变膜的厚度(称为使膜起皱(corrugating the membrane))以产生选择性施加弯矩可进一步改变膜的变形轮廓的区域可具有进一步的益处。这被称为「应力成形(stress shaping)」。在实施例中，应力成形和压电组件的选择性布置或附接到膜的不同部分的组合可用于以预定方式变形膜。
73.图10至图11是为显示根据本公开实施例的到多个压电组件的电连接的示意图。出于说明的目的，假设压电组件1024和1026是双端子装置，即，每个压电组件具有两个电极，虽然每个压电组件可具有多于两个电极。且压电组件1024和1026可电耦接到两个电埠/端子1006和1008。
74.在图10中，第一压电组件1024的顶部电极1020可通过电连接1030的方式连接到压电组件1026的底部电极1030，并且顶部电极1020可耦接到电端子1006。同样地，第一压电组件1024的底部电极1022可通过电连接1040的方式连接到第二压电组件1026的顶部电极1028，并且底部电极1022可耦接到电端子1008。在实施例中，这种电连接配置可允许不同的压电组件通过使用两个电端子以相反的方向极化。在实施例中，相同的两个端子1006和1008也可被用在tx和rx模式中。此技术可轻易地扩展到通过两个端子1006和1008进行操作的膜或单元(cell)内的多个压电组件。
75.在图11中，压电组件1102和1104中的每一个的极化可与图10中相应的压电组件的极化相反。因此，在tx模式/过程中，压电组件1102和1104可产生与由压电组件1024和1026产生的弯矩相反的弯矩。同样地，在rx模式/过程中，压电组件1102和1104可生成与由压电组件1024和1026生成的电荷相反的电荷。
76.在实施例中，图10和图11中的电子配置的一个优点在于每个压电组件可作为「双端口」电子装置操作。在双端口配置中，即使可在膜上设置多个单独的压电组件，也可能仅需要两个电埠/端子1006和1008。在实施例中，双端口电子配置可显著减少操作装置所需的互连的数量，并且除了简化发射和接收模式电子器件之外，还有利于创建大片(tiles)。
77.在实施例中，可在单个单元中使用多个膜以增加来自单元的音输出。或者，可将单元中的一些膜设计成在不同的共振频率操作。图12是为显示根据本公开实施例的换能器组件1200的透视图。图13是为显示根据本公开实施例图12中的换能器组件沿着线12-12截取的横截面图。如图所示，换能器组件1200可包括与多个压电组件1220和1224耦接的膜1204。当从顶部观察时，内部压电组件1224可具有带圆角的矩形形状，而外部压电组件1220可具有带状且环绕压电组件1224。在实施例中，内部压电组件1224可向下极化，而外部压电组件1220可向上极化。膜1204可具有一或多个凹槽1230，使得膜1204的厚度改变。膜1204可悬挂于基板1202上，并且基板1202可具有腔1232，使得膜1204可在不接触基板1202的顶表面的情况下振动。在实施例中，腔1232可为真空或以预定压力填充气体。
78.在实施例中，在tx模式/过程中，在压电组件1220和1224上施加适当的电子信号可产生膜1204的活塞产生。图14显示根据本公开实施例的tx模式/过程中的膜1204的数值模拟。如图所示，当电场被施加到波纹膜1204上的压电组件1220和1224时，膜1204的中心部分可以具有活塞产生(即，向上移动)。在实施例中，因为压力水平与膜1204的体积位移成直接正比，活塞产生可导致音输出显著的增加。模拟结果表明，与膜的简单弯曲产生相比，活塞产生可使音传输增加9db。
79.在实施例中，通过调节激活压电组件1220和1224的电子信号之间的时间延迟或相位延迟，可实现膜的中心部分的位移(增益)增加。图15是为显示根据本公开实施例的膜1204的增益作为时间/相位延迟的函数的曲线图。如图所示，当用于驱动压电组件1220和1224的电子信号之间的相位延迟是大约90度时，膜1204的中心部分的位移(增益)可达到最大值。
80.在实施例中，在rx模式/过程中，可在膜1204的不同部分中产生相反的弯矩。由于压电组件1220和1224以相反方向极化，因此可在两个压电组件产生相同极性的电荷。在实施例中，对压电组件1220和1224的电连接可布置成收集相同极性的电荷。根据模拟结果，与仅使用一个偏振的情况相比，使用两个相反偏振的组件可使电荷的产生增加约50％。
81.图16是为显示根据本公开实施例的包含具有不同共振频率特性的多个膜1604a和1604b的收发器单元1600的示意图。如图所示，多个膜1604a和1604b可设置在基板1602上。在实施例中，膜的尺寸和膜的分离可保持在发出声音的主波长的一小部分，其可增加换能器单元1600的带宽。
82.图17是为显示根据本公开实施例的膜1604a以及1604b的增益作为频率的函数的曲线图。在实施例中，膜1604a以及1604b可分别具有不同的共振频率特性1702以及1704。
83.在实施例中，可能需要具有增加的带宽的换能器单元，因为其可以在谐波成像模式下操作，即，tx模式，其频率不同于rx模式频率。在使用谐波成像的实施例中，发送第一脉冲以驱动压电组件，接着是第二脉冲，其中压电组件由与第一脉冲反相的第二脉冲驱动。此技术通常称为脉冲反转。
84.在实施例中，收发器单元中的多个膜可被设计成通过改变以下设计点中的一或多个来以不同频率发送或接收：(1)膜的波纹图案，(2)压电组件的形状，(3)膜的物理尺寸，和(4)压电组件的极化。
85.图18a是为显示根据本公开实施例的包括基板1802和具有不同的共振频率特性的多个膜1804a至1804c的收发器单元1800的示意图。图18b是为显示根据本公开实施例的膜1804a至1804c的增益作为频率的函数的曲线图。在图18b中，曲线1822、1824和1826分别对应于膜1804a、1804c和1804b。如图所示，对应于膜1804b的峰值增益的频率可与对应于膜1804a和1804c的峰值增益的频率分离。
86.在实施例中，膜1804a和1804c可以tx和rx模式操作，而膜1804b可仅以rx模式操作。膜1804a和1804c的共振频率可设计成通过调节膜1804a和1804c的频率-增益响应来增加换能器的带宽，而膜1804b可设计成仅在rx模式下操作并且接收tx模式的谐波响应。
87.图19a是为显示根据本公开实施例的具有多个膜1902a至1902c的收发器单元1900的示意图，所述多个膜1902a至1902c具有不同的频率响应。如图所示，三个膜1902a至1902c可设置在基板1904上。图19b是为显示根据本公开实施例的图19a中膜的增益作为频率的函
数的曲线图。在图19b中，曲线1922a至1922c可分别对应于膜1902a至1902c。如图所示，三个膜1902a至1902c可具有不同的频率响应，并且最大增益处的频率彼此分开，从而增加了换能器单元的带宽。由于换能器单元1900可具有增加的带宽，所以换能器单元可在谐波成像模式操作，即，tx模式，其频率不同于rx模式频率。
88.图20是为显示根据本公开实施例的具有多个换能器组件2004a至2004c的收发器单元2000的示意图。如图所示，换能器组件2004a至2004c可设置在基板2002上，并且每个换能器组件可包括膜，优选地是波纹膜，以及设置在膜上的多个压电组件。如图所示，膜上的每个压电组件的极化方向由向上箭头2010或向下箭头2012表示。
89.图21a显示根据本公开实施例在第一共振模式致动的膜。如图所示，换能器组件2004a可包括可通过悬挂机构2104悬挂于基板2002上的膜2102。多个压电组件2106可设置在膜2102上，其中每个压电组件可向上或向下极化，如箭头p所示。
90.当合适的电子信号施加到膜2102上的压电组件2106时，膜2102可以第一共振模式振动。第21b图显示根据本公开实施例的在第一共振模式致动的膜2102。(为简单起见，压电组件2016未在图21b中示出。)
91.在实施例中，膜上的压电组件的极性可布置成使得膜可以不同的共振模式振动。图22a是为显示根据本公开实施例的换能器组件2004b的横截面图。图22b显示根据本公开实施例的在第三共振模式致动的膜2202。换能器组件2004b可类似于换能器组件2002b，不同之处在于压电组件2206具有与压电组件2106不同的极性。如在图22b中所示的，当电场被施加到压电组件2206时，膜2202可在第三共振模式振动。
92.图23a是为显示根据本公开实施例的换能器组件2004c的横截面图。图23b显示根据本公开实施例在第五共振模式致动的膜2302。如图所示，换能器组件2004c可类似于换能器组件2004a，不同之处在于压电组件2306具有与压电组件2106不同的极性。如图23b所示，当电场施加到压电组件2306时，膜2302可在第五共振模式振动。
93.在实施例中，在rx模式/过程中，施加不同频率的外部压力波可导致膜在不同模式下激发。在实施例中，压电组件的极化可布置成使外部压力波可在每个膜上产生具有相同极性的电荷。这种配置的一个好处是它可允许在tx和rx模式中对塑形(shaping)膜的频率响应进行前所未有的控制。
94.图24a至图28显示根据本公开实施例的用于制造具有两个膜的例示性收发器单元的步骤。图24a是为显示设置在基板2404上的两个膜2408的俯视图且图24b是为显示根据本公开实施例的沿着线24-24截取的膜和基板的横截面图。如图所示，在实施例中，膜2408可通过在基板2404上沉积膜层2406而形成，并且可形成两个腔2410以去除部分基板2404，从而形成可在垂直方向上相对于基板2404振动的膜2408。在实施例中，腔2410可通过例如蚀刻的传统晶圆加工技术形成。在实施例中，基板2404可由与膜层2406相同的材料形成。在替代实施例中，基板2404可由与膜层2406不同的材料形成。应注意的是，腔2410可在换能器单元的其他组件，例如顶部导体(图28中的2802)形成之后形成。
95.图25显示根据本公开实施例的底部电极2502和三个底部导体2504a至2504c。如图所示，每个膜2408可具有三个底部电极2502，并且每个底部电极2502可电连接到三个底部导体2504a至2504c中的一个。在实施例中，底部电极2502可由第一金属形成，且底部导体2504a至2504c可由第二金属形成，其中第一金属可与第二金属相同(或不同)。
96.图26显示根据本公开实施例的设置在六个底部电极2502和三个底部导体2504a至2504c上方的压电层2602、2604和2606。图27显示根据本公开实施例的设置在压电层2602、2604和2606上的顶部电极2702和2704。如图所示，可在每个膜2408上形成三个顶部电极，即，每个膜2408可包括三个压电组件。在实施例中，顶部电极2702和2704中的一个，压电层2602、2604和2606中的一个以及底部电极2502中的一个可形成双端子压电组件，并且可在电势施加于顶部和底部电极时振动。
97.图28显示根据本公开实施例的电连接到顶部电极2702和2704的顶部导体2802和2804。顶部导体2802可电连接到两个顶部电极2704，而顶部导体2804可电连接到四个顶部电极2702。在实施例中，顶部电极可通过通孔电连接到底部导体2504a和2504b。举例而言，通孔2806和2808可将四个顶部电极2702电连接到底部导体2504，而通孔2810和2812可将两个顶部电极2704电连接到底部导体2504b和2504c。
98.图29是为显示根据本公开实施例的具有不同电极图案的三个收发器单元2902a到2902c的示意图。如图所示，每个收发器单元(例如，2902a)可具有一个膜(例如，2904a)和设置在膜上的四个换能器组件(例如，2906a)。在实施例中，每个收发器单元的增益可为各种因素的函数：换能器组件的尺寸、形状和数量；每个换能器组件的顶部电极的尺寸和形状；每个膜的尺寸和形状；以换能器组件之间的间隔；每个换能器组件的极化等等。
99.出于说明的目的，在图29中，改变顶部电极的投影区域以控制换能器单元的增益。在实施例中，换能器组件2904c的顶部电极大于换能器组件2904b的顶部电极，并且换能器组件2904b的顶部电极大于换能器组件2904a的顶部电极。虽然影响增益的其他因素(例如换能器组件2906a至2906c的尺寸和数量以及膜2904a至2904c的尺寸)在收发器单元2902a至2902c中是相同的，但是收发器单元2902a至2902c的增益根据顶部电极的大小变化。图30是为显示收发器单元2902a至2902c的增益作为频率的函数的曲线图，其中曲线3002、3004和3006可分别对应于收发器组件2902a至2902c。如图所示，收发器单元的增益随着顶部电极的尺寸增加而减小。
100.对于本领域中具有通常知识者来说显而易见的是，在实施例中：(i)收发器数组、片、单元膜、压电组件和压电组件的电极中的每一个可具有任何合适的形状；(ii)片在收发器数组中的布置、单元在片中的布置、膜在单元中的布置、压电组件在膜上的布置、电极在压电组件上的布置、以及电容器垫的布置可为任意；(iii)膜厚度的变化可以任意改变，以增强或改变膜的性能；(iv)收发器数组中的片数量、片中的单元数量、单元中的膜数量以及膜中压电组件的数量可通过设计改变；(v)压电组件的极化可在装置的操作期间改变；(vi)收发器数组中的组件可以有利的方式组合；(vii)允许雷射光传送的膜中的孔部布置可为任意；(viii)层间电介质、电通孔、电重分布层(electrical redistribution layers)、音阻抗匹配层(acoustic impedance matching)、防潮层(moisture protection barriers)、外壳和电互连可由通常用于半导体、mems或超音波工业的材料形成。本发明提供了包括但不限于以下实施方式：1.一种收发器组件，其特征在于，包含：一基板；至少一膜，悬挂于该基板上；以及复数个换能器组件，安装在该至少一膜上，该复数个换能器组件中的每一个换能
器组件具有一底部电极、在该底部电极上的一压电层、以及在该压电层上的至少一顶部电极，该复数个换能器组件中的每一个换能器组件响应于施加于该底部电极以及该至少一顶部电极的电势产生一弯矩并响应于对其施加的弯矩生成电荷。2.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其中该至少一膜包括凹槽与凸块中的至少其一以因此具有可变化的一厚度。3.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其中复数个压电组件中的一第一压电组件与该复数个压电组件中的一第二压电组件以相反方向极化。4.如实施方式3所述的收发器组件，其特征在于，其中该第一压电组件与该第二压电组件产生相反方向的弯矩。5.如实施方式3所述的收发器组件，其特征在于，其中该第一压电组件与该第二压电组件产生相同方向的弯矩。6.如实施方式3所述的收发器组件，其特征在于，其中该第一压电组件的该至少一顶部电极电耦接至该第二压电组件的该底部电极，且其中该第一压电组件的该底部电极电耦接至该第二压电组件的该至少一顶部电极。7.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其中该压电层包含一或多个压电子层。8.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其中该至少一膜包括一第一膜以及一第二膜，且该第一膜与该第二膜在不同的共振模式致动。9.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其中施加至一第一压电组件的电子讯号相对于施加至一第二压电组件的电子讯号具有相位延迟。10.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其中该至少一膜包括一第一膜以及一第二膜，且该第一膜在发射操作模式操作以产生压力波，且该第二膜仅在接收模式操作以侦测压力波。11.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其中该基板包括设置在该至少一膜下的至少一腔，且其中该至少一腔为真空或填充有气体。12.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其进一步包含一第二基板，其中该第二基板包括一第一金属导体且该至少一膜包括一第二金属导体，且其中该第一金属导体以及该第二金属导体形成一电容器。13.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其进一步包含一第二基板，其中该第二基板包括一光源且该至少一膜包括一孔，该孔布置以穿过由该光源发出的光的一部分。14.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其中该压电层包含pzt、knn、pzt-n、pmn-pt、aln、sc-aln、zno、pvdf和linio3中的至少其一。15.如实施方式1所述的收发器组件，其特征在于，其进一步包含一或多个凹槽，其形成于该基板中且设置于复数个膜之间。16.一种成像系统，其特征在于，包含：一收发器单元，用于产生一压力波并将一外部压力波转换成一电子讯号；以及一控制单元，用以控制该收发器单元的操作；该收发器单元包括：
一基板；至少一膜，悬挂于该基板上；以及复数个换能器组件，安装在该至少一膜上，该复数个换能器组件中的每一个换能器组件具有一底部电极、在该底部电极上的一压电层、以及在该压电层上的至少一顶部电极，该复数个换能器组件中的每一个换能器组件响应于施加于该底部电极以及该至少一顶部电极的电势产生一弯矩并响应于外部压力波所致的一弯矩生成电荷。17.如实施方式16所述的成像系统，其特征在于，其进一步包含：一覆盖层，用以聚焦由该收发器单元产生的该压力波。18.如实施方式16所述的成像系统，其特征在于，其进一步包含：一处理器，用以处理该电子讯号；以及一显示器，用以基于来自该处理器的一处理过的讯号显示一图像。19.如实施方式16所述的成像系统，其特征在于，其中复数个压电组件中的一第一压电组件与该复数个压电组件中的一第二压电组件以相反方向极化。20.如实施方式16所述的成像系统，其特征在于，其中该至少一膜包括一第一膜以及一第二膜，且该第一膜与该第二膜在不同的共振模式致动。
101.本发明易于进行各种修改和替换形式，尽管其具体示例已在附图中示出并在本文中详细描述。然而，应该理解的是，本发明不限于所公开的特定形式，相反，本发明涵盖所附申请专利范围的范畴内的所有修改、均等物和替代物。
技术特征：1.一种收发器组件，包含：基板；至少一个膜，悬挂于所述基板上；以及安装在所述至少一个膜上的多个换能器组件，所述多个换能器组件中的每一个换能器组件具有底部电极、在所述底部电极上的压电层、以及在所述压电层上的至少一个顶部电极，所述多个换能器组件中的每一个换能器组件响应于跨所述底部电极和所述至少一个顶部电极施加的电势产生弯矩并响应于对其施加的弯矩生成电荷。2.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述多个换能器组件中的第一换能器组件的所述压电层与所述多个换能器组件中的第二换能器组件的所述压电层以相反方向极化。3.如权利要求1所述的收发器组件，其进一步包含第二基板，其中所述第二基板包括第一金属导体且所述至少一个膜包括第二金属导体，且其中所述第一金属导体以及所述第二金属导体形成电容器。4.如权利要求1所述的收发器组件，其进一步包含第二基板，其中所述第二基板包括光源且所述至少一个膜包括孔，所述孔布置为穿过由所述光源发出的光的一部分。5.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述至少一个膜包括凹槽与凸块中的至少其一，因此具有可变化的厚度。6.如权利要求5所述的收发器组件，其中所述至少一个膜的所述可变化的厚度产生应力成形区域，以在对其施加弯矩时以预定方式变形所述膜。7.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述至少一个膜包括多个膜，且进一步包含一个或多个凹槽，所述一个或多个凹槽形成于所述基板中且设置于相邻膜之间，其中所述一个或多个凹槽减弱所述多个换能器组件之间的串音。8.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述第一换能器组件与所述第二换能器组件产生相反方向的弯矩。9.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述第一换能器组件与所述第二换能器组件产生相同方向的弯矩。10.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述第一换能器组件的所述至少一个顶部电极电耦接至所述第二换能器组件的所述底部电极，且其中所述第一换能器组件的所述底部电极电耦接至所述第二换能器组件的所述至少一个顶部电极。11.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述压电层包含一个或多个压电子层。12.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述至少一个膜包括第一膜以及第二膜，且所述第一膜与所述第二膜在不同的共振模式致动。13.如权利要求1所述的收发器组件，其中施加至第一压电组件的电子讯号相对于施加至第二压电组件的电子讯号具有相位延迟。14.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述至少一个膜包括第一膜以及第二膜，且所述第一膜在发射模式操作以产生压力波，且所述第二膜仅在接收模式操作以侦测压力波。15.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述基板包括设置在所述至少一个膜下的至少一个腔，且其中所述腔为真空或填充有气体。16.如权利要求1所述的收发器组件，其中所述压电层包含pzt、knn、pzt-n、pmn-pt、
aln、sc-aln、zno、pvdf和linio3中的至少其一。17.一种成像系统，包含：收发器单元，用于产生压力波并将外部压力波转换成电子讯号；以及控制单元，用以控制所述收发器单元的操作；所述收发器单元包括：基板；至少一个膜，悬挂于所述基板上；以及多个换能器组件，安装在所述至少一个膜上，所述多个换能器组件中的每一个换能器组件具有底部电极、在所述底部电极上的压电层、以及在所述压电层上的至少一个顶部电极，所述多个换能器组件中的每一个换能器组件响应于跨所述底部电极和所述至少一个顶部电极施加的电势产生弯矩并响应于对其施加的弯矩生成电荷。18.如权利要求17所述的成像系统，其进一步包含：覆盖层，用以聚焦由所述收发器单元产生的所述压力波。19.如权利要求17所述的成像系统，其进一步包含：处理器，用以处理所述电子讯号；以及显示器，用以基于来自所述处理器的处理过的讯号显示图像。20.如权利要求17所述的成像系统，其中所述多个换能器组件中的第一换能器组件的所述压电层与所述多个换能器组件中的第二换能器组件的所述压电层以相反方向极化。21.如权利要求17所述的成像系统，其中所述至少一个膜包括第一膜以及第二膜，且所述第一膜与所述第二膜在不同的共振模式致动。22.如权利要求17所述的成像系统，其中所述控制单元包括专用集成电路(asic)芯片。23.如权利要求22所述的成像系统，其中所述asic芯片与所述至少一个膜通过垂直互连或通过引线键合电连接。24.一种制造收发器组件的方法，所述方法包括：在基板上沉积膜层以形成悬挂于所述基板上的至少一个膜；以及在所述至少一个膜上安装多个换能器组件，所述多个换能器组件中的每一个换能器组件具有底部电极、在所述底部电极上的压电层、以及在所述压电层上的至少一个顶部电极，所述多个换能器组件中的每一个换能器组件响应于跨所述底部电极以及所述至少一个顶部电极施加的电势产生弯矩并响应于对其施加的弯矩生成电荷。25.如权利要求24所述的方法，其中所述多个换能器组件中的第一换能器组件的所述压电层与所述多个换能器组件中的第二换能器组件的所述压电层以相反方向极化。26.如权利要求24所述的方法，其进一步包括将第二基板耦接至所述至少一个膜，其中所述第二基板包括第一金属导体且所述至少一个膜包括第二金属导体，且其中所述第一金属导体以及所述第二金属导体形成电容器。27.如权利要求24所述的方法，其进一步包括将第二基板耦接至所述至少一个膜，其中所述第二基板包括光源且所述至少一个膜包括孔，所述孔布置为穿过由所述光源发出的光的一部分。28.如权利要求24所述的方法，其进一步包括在所述至少一个膜下形成至少一个腔，其中所述腔为真空或填充有气体。
29.如权利要求24所述的方法，其进一步包括在所述至少一个膜中形成凹槽与凸块中的至少其一，因此所述至少一个膜具有可变化的一厚度。30.如权利要求24所述的方法，其中所述至少一个膜包括第一膜以及第二膜，且所述第一膜与所述第二膜在不同的共振模式致动。31.如权利要求24所述的方法，其中所述至少一个膜包括多个膜，且进一步包括在所述基板中相邻膜之间形成一个或多个凹槽，其中所述一个或多个凹槽减弱所述多个换能器组件之间的串音。32.一种收发器组件，包含：基板；至少一个膜，悬挂于所述基板上；以及多个换能器组件，安装在所述至少一个膜上，所述多个换能器组件中的每一个换能器组件具有底部电极、在所述底部电极上的压电层、以及在所述压电层上的至少一个顶部电极，所述多个换能器组件中的每一个换能器组件响应于跨所述底部电极以及所述至少一个顶部电极施加的电势产生弯矩并响应于对其施加的弯矩生成电荷，其中所述多个换能器组件中的第一换能器组件被所述多个换能器组件中的第二换能器组件环绕，并且其中所述至少一个膜具有可变化的厚度，所述可变化的厚度被配置为当一个或多个电场被施加到所述至少一个膜上的所述第一换能器组件与所述第二换能器组件时产生活塞移动。33.如权利要求32所述的收发器组件，其中所述第一换能器组件具有带圆角的矩形形状，且所述第二换能器组件具有带状且环绕所述第一换能器组件。34.如权利要求32所述的收发器组件，其中所述至少一个膜包括一个或多个凹槽，因此具有所述可变化的厚度。35.如权利要求32所述的收发器组件，其中所述基板包括设置在所述至少一个膜下的至少一个腔，且其中所述腔为真空或填充有气体。36.如权利要求32所述的收发器组件，其中所述多个换能器组件中的所述第一换能器组件的所述压电层与所述多个换能器组件中的所述第二换能器组件的所述压电层以相反方向极化。37.如权利要求32所述的收发器组件，其中所述第一换能器组件与所述第二换能器组件产生相反方向的弯矩。38.如权利要求32所述的收发器组件，其中所述第一换能器组件与所述第二换能器组件产生相同方向的弯矩。39.如权利要求32所述的收发器组件，其中所述至少一个膜包括第一膜以及第二膜，且所述第一膜在发射模式操作以产生压力波，且所述第二膜仅在接收模式操作以侦测压力波。40.如权利要求32所述的收发器组件，其中所述压电层包含pzt、knn、pzt-n、pmn-pt、aln、sc-aln、zno、pvdf和linio3中的至少其一。
技术总结本发明公开一种成像系统(120)，其包括：用以产生压力波并将外部压力波转换为电子讯号的收发器单元(210)；以及用以控制收发器单元(210)的操作的控制单元(208)。收发器单元(210)包括：基板(501)；悬挂在基板(501)上的至少一膜(504)；以及安装在所述至少一膜上的复数个换能器组件(520)。复数个换能器组件(520)中的每一个具有底部电极(806)、在底部电极(806)上的压电层(804)、以及在压电层(804)上的至少一顶部电极(802)。复数个换能器组件(520)中的每一个响应于施加在底部电极(806)以及至少一顶部电极(802)的电势产生弯曲力矩并响应外部压力波所致之弯矩生成电荷。并响应外部压力波所致之弯矩生成电荷。并响应外部压力波所致之弯矩生成电荷。
技术研发人员：桑迪普
受保护的技术使用者：艾科索成像公司
技术研发日：2017.11.23
技术公布日：2022/11/1
