CN1283547C - 减少声能横向传播的微加工的超声换能器和方法 - Google Patents

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Abstract

一种减少或者消除声能横向传播的微加工的超声换能器(MUT)基片，其包括形成在基片上并邻近MUT元件孔，该孔通常称作通孔。MUT基片中的通孔减少或者消除横向移动的声能在MUT基片中的传播。通孔可掺有杂质，以便在MUT元件和存在于集成电路基片表面上的电路之间提供电连接，MUT基片装接在该集成电路基片上。用以在MUT元件和存在于集成电路基片表面上的电路之间提供电连接，MUT基片装接在集成电路基片的上面。

Description

减少声能横向传播的微加工的超声换能器和方法
技术领域
本发明广泛地涉及一种超声换能器，并且，更准确地说，涉及一种用于限制声能横向传播的微加工的超声换能器(MUT)基片。
背景技术
超声换能器已应用了相当长时间，并对于非介入式的医学诊断成像非常有效。超声换能器一般由压电元件或微加工的超声换能器(MUT)元件形成。压电元件典型地由压电陶瓷比如锆酸钛酸铅(缩写为PZT)制成，多个元件布置形成换能器。MUT是通过使用已知的半导体制造技术形成，以获得一电容性的超声换能器单元，该单元大体上包括一挠性膜，该挠性膜在硅基片上围绕其边缘由绝缘材料支撑。该膜被基片支撑并形成一腔。通过将电极形式的接触材料施加于膜或膜的一部分上和施加于硅基片的腔底部，然后在电极上施加合适的电压信号，MUT被激励以产生合适的超声波。同样地，当被电偏置时，MUT的膜可以被用来接收超声信号，通过获取反射的超声能量并将此能量转化为电偏置膜的运动，从而生成一个接收信号。
MUT单元通常构造在一合适的基片材料上，比如硅(Si)。多个MUT单元电连接形成一MUT元件。通常成百上千个MUT元件构造成一超声换能器阵列。在该阵列中超声换能器元件可和控制电路组合在一起而形成换能器组件，该组件以电子线路板的形式进一步组装在一可能包括附加控制电子设备的外壳中，以组合成为超声探头。包含各种声匹配层、衬垫层和去匹配层的超声探头用于发射和接收经过机体组织的超声信号。
不利的是，其上形成有MUT元件的基片材料具有一倾向，即声能从一个MUT元件耦合到另一个MUT元件。这种情况的发生是因为基片材料通常地为单片电路结构，并且来自一个MUT元件的声能可容易地通过基片耦合到邻近的MUT元件中。因此，理想的是有一种方法来制造可以减少或者消除声能横向传播的MUT基片。
发明内容
本发明提供一种减少或者大致消除声能横向传播的MUT基片。MUT基片包括孔，其通常称作通孔，该孔形成在基片中并邻近微加工的超声换能器(MUT)元件。MUT基片中的通孔减少或者消除在MUT基片中的横向移动的声能的传播。通孔可掺有杂质，以便在MUT元件和存在于集成电路基片表面上的电路之间提供电连接，MUT基片装接在该集成电路基片上。
具体地，本提出一种超声换能器，其包括：第一基片，第一基片包括第一表面和第二表面，第一表面为正表面，第二表面为与正表面相反的背表面；和
多个形成在第一表面上的微加工的超声换能器元件，每个微加工的超声换能器元件包括形成在第一表面上的至少一个微加工的超声换能器单元；其中微加工的超声换能器元件包括：多个通孔，用于减少在该第一基片中横向移动的声能的传播，延伸穿过第一基片并邻近于每个微加工的超声换能器元件，从而围绕所述至少一个微加工的超声换能器单元，每个所述通孔具有穿过第一基片的变化直径，所述直径向第一表面方向逐渐减小。
该通孔蚀刻进入第一基片。该通孔蚀刻进入该第一基片的该第一表面和该第一基片的该第二表面。
该通孔在该第一基片的该第一表面和该第一基片的该第二表面之间逐渐变小。
该第一基片包括两个部分并且该通孔蚀刻进入每个部分，使得在每个部分的第二表面处每个通孔在直径上比在每个部分的第一表面处要大。
每个部分的第二表面连接在一起。该通孔在第一和第二部分的第一表面和第二表面之间在直径上逐渐变小。
其还包括一与第一基片连接的第二基片，并且该通孔蚀刻进入该第二基片。该通孔包括一具有从第一基片的第一表面向第一基片的第二表面延伸的第一直径的第一部分，和具有从第一基片的第二表面向第一基片的第一表面延伸的变化的直径的第二部分。
本发明也提出一种用于在超声换能器中减少声能的横向传播的方法，该方法包括以下步骤：在第一基片上形成多个微加工的超声换能器元件，该第一基片包括第一表面和第二表面，第一表面为正表面，第二表面为与正表面相反的背表面，每个微加工的超声换能器元件包括形成在第一表面上的至少一个微加工的超声换能器单元；其中该方法还包括的步骤为：形成多个通孔，以便减少在第一基片中声能的横向传播，所述通孔形成穿过第一基片并邻近于每个微加工的超声换能器元件，从而围绕所述至少一个微加工的超声换能器单元，每个所述通孔具有穿过第一基片的变化直径，所述直径向第一表面方向逐渐减小。
对于本领域的普通技术人员，本发明的其它***、方法、特征和优点在审查下面的附图和详细说明时将是或将成为显而易见的。包括在此说明书之中的所有这些附加的***、方法、特征和优点都在本发明范围之内，并且被后附的权利要求书所保护。
附图说明
参照附图可更好地理解由权利要求书限定的本发明。图中的元件彼此不按比例绘制，重点应放在清楚地阐明本发明的原理上。
图1是包括MUT元件的超声换能器的截面示意图。
图2是依据发明的一方面构造的MUT换能器组件的截面示意图。
图3是图2所示的MUT换能器组件的替代实施例的截面示意图。
图4是图2所示的MUT换能器组件的另一替代实施例的截面示意图。
图5是图2所示的MUT换能器组件的另一替代实施例。
具体实施方式
下文描述的本发明可应用于与基片连接的微加工的超声换能器(MUT)元件，集成电路(IC)形成在此基片上。
图1是包括MUT元件的超声换能器100的简化截面示意图。超声换能器100包括一形成在MUT基片120的表面上的MUT元件110。优选的是，MUT基片120是硅，但它可以被任何其它合适的在其上形成MUT元件的材料替换。为了形成MUT元件110，在如图所示的MUT基片表面上形成一导电层116。导电层116可利用例如铝、金或掺杂硅来构造成。一层挠性膜118沉积在MUT基片120和导电层116上，以便如图所示地形成一间隙114。挠性膜118可采用例如氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)来构造。形成该间隙114，以便容纳一真空或者容纳一处于大气压力的气体。导电层112在挠性膜118置于间隙114上的那一部分上生长，从而形成MUT元件110。
在发射脉冲的过程中，挠性膜118响应于施加给导体112和116的
通孔可从表面221和222蚀刻进入MUT基片220。将通孔215放置在每个MUT元件210的各个角部处，从而使表面221上MUT单元216的数量最大化。此外，如图2中所示，朝向MUT基片220的表面221的通孔215的直径比朝向MUT基片220的表面222的通孔215的直径小。这样，朝向表面222的通孔215的大直径的部分可用于减少声能在MUT基片220中的横向传播，同时朝向MUT基片220的表面221的通孔215直径保持尽可能小。可利用例如深反应离子蚀刻来从表面222来蚀刻通孔215，引起如上文所述的通孔直径的递减变化。如图2中所示，通孔215的渐缩是抛物线状的，大直径部分朝向表面222。此外，也可使用封闭孔或者沉孔来进一步减少声能在MUT基片220中的横向移动。
图3是图2的MUT组件的替代实施例的截面示意图。图3的MUT组件300包括沿分隔线335“背对背”粘接的MUT基片305和MUT基片325。在将两个MUT基片粘接在一起之前，通孔315被蚀刻到MUT基片305中，并且通孔316被蚀刻到MUT基片325中。通过在两个较薄基片305和325中蚀刻通孔，可以获得更高的通孔尺寸精度。例如，通孔315从表面321和322被蚀刻入MUT基片305。同样地，通孔316从表面326和327被蚀刻入MUT基片325。通过分别在两个基片305和325中蚀刻通孔315和316，每个基片都比图2中的基片220要薄，可以以比图2的通孔215更高的精度形成通孔315和316。例如，可精确控制每个通孔315和316的位置和直径。此外，可如上文所提到的那样使通孔315和316逐渐变小。
在通孔被蚀刻之后，MUT基片305的表面322和MUT基片325表面327被重叠起来，以将基片305和327的厚度减少到一所需的厚度，并随后沿分隔线335被粘接在一起。两个MUT基片305和325可被阳极粘接、熔化粘接或者焊接在一起。这样，在MUT基片305表面321和MUT基片325表面326上出现小直径的通孔。
图4是图2的MUT组件200的另一替代实施例的截面示意图。图4的MUT组件400包括MUT基片405，通孔415以与上文关于图2所述的同样的方式穿过基片。然而，MUT组件400包括一附加的基片450，该附加基片可用与MUT基片405相同的材料制成，并粘接到MUT基片405上。MUT元件410形成在附加基片450上。附加基片450包括小通孔455，小通孔455在对应于MUT基片405中通孔415的位置处被蚀刻穿过附加基片450。该小通孔455在直径上一般比通孔415要小。这样，在表面422上通孔415的尺寸和表面421上通孔455的尺寸之间可获得更大的变化。
图5是图2的MUT组件200的另一替代实施例。图5的MUT组件500包括从表面521和表面522被蚀刻入MUT基片505中的通孔515。从表面521被蚀刻的通孔部分525与从表面522被蚀刻的通孔515穿过基片505在途中相遇，如图近似所示。从MUT基片505的两个表面521和522对通孔进行蚀刻，能更精确地控制通孔的直径。
对于本领域的普通技术人员而言，很明显，在未脱离本发明的原理的情况下可针对本发明做很多如上文所述的那样的变型和变化。例如，本发明可以和MUT换能器元件和多个不同的基片材料一起使用。所有这种变型和变化意在包含在此。

Claims (13)

1.一种超声换能器，其包括：
第一基片(120，220，320，420，520)，该第一基片包括第一表面(221，321，421，521)和第二表面(222，322，422，522)，第一表面为正表面，第二表面为与正表面相反的背表面；和
多个形成在第一表面上的微加工的超声换能器元件(110，210，310，410，510)，每个微加工的超声换能器元件包括形成在第一表面上的至少一个微加工的超声换能器单元(216)；
其中微加工的超声换能器元件包括：
多个通孔，用于减少在该第一基片中横向移动的声能的传播，延伸穿过第一基片并邻近于每个微加工的超声换能器元件，从而围绕所述至少一个微加工的超声换能器单元，每个所述通孔具有穿过第一基片的变化直径，所述直径向第一表面方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，该通孔蚀刻进入第一基片。
3.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于，该通孔蚀刻进入该第一基片的该第一表面和该第一基片的该第二表面。
4.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，该第一基片包括两个部分并且该通孔蚀刻进入每个部分，使得在每个部分的第二表面处每个通孔在直径上比在每个部分的第一表面处要大。
5.根据权利要求4所述的换能器，其特征在于，每个部分的第二表面连接在一起。
6.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于，其还包括一与第一基片连接的第二基片，并且该通孔蚀刻进入该第二基片。
7.根据权利要求2所述的换能器，其特征在于，该通孔包括一具有从第一基片的第一表面向第一基片的第二表面延伸的第一直径的第一部分，和具有从第一基片的第二表面向第一基片的第一表面延伸的变化的直径的第二部分。
8.一种用于在超声换能器中减少声能的横向传播的方法，该方法包括以下步骤：
在第一基片上形成多个微加工的超声换能器元件，该第一基片包括第一表面和第二表面，第一表面为正表面，第二表面为与正表面相反的背表面，每个微加工的超声换能器元件包括形成在第一表面上的至少一个微加工的超声换能器单元；
其中该方法还包括的步骤为：
形成多个通孔，以便减少在第一基片中声能的横向传播，所述通孔形成穿过第一基片并邻近于每个微加工的超声换能器元件，从而围绕所述至少一个微加工的超声换能器单元，每个所述通孔具有穿过第一基片的变化直径，所述直径向第一表面方向逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其还包括使该通孔蚀刻进入该第一基片的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其还包括使该通孔蚀刻进入该第一基片的第一表面和该第一基片的第二表面的步骤。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
在两个部分中形成第一基片，每个部分包括第一表面和第二表面；
使该通孔蚀刻进入每个部分之内，使得在每个部分的第二表面处每个通孔比在每个部分的第一表面处要大；和
将每个部分的第二表面连接在一起。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
形成与该第一基片相关的第二基片；和
使该通孔蚀刻进入第二基片。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
形成所述的包括具有第一直径的第一部分的通孔，该第一直径从第一基片的第一表面向第一基片的第二表面延伸；和
形成所述的包括具有变化的直径的第二部分的通孔，该变化的直径从第一基片的第二表面向第一基片的第一表面延伸。
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