技術(shù)領(lǐng)域

本說明書涉及壓電式換能器。

背景技術(shù)：

壓電式換能器包括壓電元件，壓電元件能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能(例如，聲音或超聲能量)，反之亦然。因此，壓電式換能器既可充當(dāng)機械能的發(fā)送器，又可充當(dāng)影響機械能的傳感器。

超聲波壓電式換能器裝置可包括壓電振動元件，其響應(yīng)于隨時間變化的驅(qū)動電壓以高頻振動，并在與振動元件暴露的外表面接觸的傳播介質(zhì)(例如空氣、水或組織)中產(chǎn)生高頻壓力波。該高頻壓力波能夠傳播進其它介質(zhì)中。該相同的振動元件還可接收來自傳播介質(zhì)的反射壓力波，并將接收到的壓力波轉(zhuǎn)換為電信號。該電信號可與驅(qū)動電壓信號結(jié)合處理，以獲得與傳播介質(zhì)中的密度或彈性模量變化有關(guān)的信息。

超聲波壓電式換能器裝置可包括壓電振動元件陣列，每個振動元件可以以各自的驅(qū)動電壓和時間延遲獨立地控制，使得可通過振動元件陣列共同地在傳播介質(zhì)中生成具有期望方向、形狀和焦點的壓力波，并且可基于由壓電振動元件陣列捕獲的反射和/或折射壓力波更精確和準確地探知與傳播介質(zhì)中的密度或彈性模量變化有關(guān)的信息。

通常，許多超聲波換能器裝置使用這樣的振動元件，其通過機械地切割大塊壓電材料而形成或者通過將注入有壓電陶瓷晶體的支承材料注射成型而形成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本說明書描述了與壓電式換能器有關(guān)的技術(shù)。

壓電式換能器裝置可包括一個或多個振動元件，每個振動元件具有懸于基底之上并附接至基底的內(nèi)表面以及暴露于傳播介質(zhì)的外表面。所述一個或多個振動元件可響應(yīng)于所施加的隨時間變化的驅(qū)動電壓而振動，并在與振動元件的暴露的外表面接觸的傳播介質(zhì)中產(chǎn)生壓力波。

每個振動元件可包括布置在驅(qū)動電極和參比電極之間的壓電元件。遠離基底的電極是振動元件的向外朝向電極。驅(qū)動電極、參比電極和壓電元件均具有相應(yīng)柔性部和鄰接(例如包圍)柔性部的相應(yīng)靜止部，在振動元件上沒有施加電壓的情況下，驅(qū)動電極、參比電極和壓電元件的相應(yīng)柔性部(換言之，整個振動元件的柔性部)相對于基底凹地或凸地彎曲?；蛘撸駝釉梢允瞧教沟?。每個振動元件的暴露的外表面可包括振動元件的向外朝向電極的外表面，或者覆蓋振動元件的向外朝向電極的柔性保護涂層的外表面。

在換能器裝置中，相同的一個或多個振動元件還可充當(dāng)感測元件，其響應(yīng)于由傳播介質(zhì)中反射的壓力波施加的變化的機械壓力，可在電極對之間的壓電元件上產(chǎn)生感測的電壓。換能器裝置可根據(jù)定時切換在驅(qū)動模式和感測模式之間交替。

在各實施方式中，壓電式換能器裝置可包括由振動元件陣列構(gòu)成的換能器陣列和附接有換能器陣列中的振動元件陣列的基底。在一些實施方式中，基底可包括用于在換能器陣列的振動元件以及外部控制電路之間傳送驅(qū)動信號和感測信號的多個集成電互連。在一些實施方式中，基底可以是ASIC晶圓，其包括集成電路，用于將驅(qū)動電壓信號發(fā)送至振動元件陣列以及記錄來自振動元件陣列的感測電壓。ASIC晶圓可基本裝配在多個振動元件陣列下方的區(qū)域內(nèi)。換能器陣列中的振動元件陣列在一側(cè)可共享一公共參比電極，并在相對側(cè)具有各自可獨立控制的驅(qū)動電極。振動元件的公共參比電極和可獨立控制的驅(qū)動電極可電連接到ASIC晶圓中的集成電路。豎直取向的互連可形成在每個振動元件的驅(qū)動電極和ASIC晶圓中的控制電路之間。豎直取向的互連使得大量連接件能夠容納在由振動元件陣列占據(jù)的小橫向區(qū)域內(nèi)。

在各實施方式中，壓電式換能器裝置(包括振動元件(例如彎曲或平坦的壓電振動元件)陣列的壓電元件、驅(qū)動電極、公共參比電極以及關(guān)于ASIC晶圓中的集成電路制成的電連接件)可使用各種半導(dǎo)體制造技術(shù)(例如，材料沉積、光刻構(gòu)圖、通過刻蝕形成特征等)制造。

本說明書所述主題的特定實施方式可以實施成實現(xiàn)下列優(yōu)點中的一個或多個。

在一些實施方式中，壓電式換能器裝置中的振動元件陣列可使用半導(dǎo)體制造工藝制成，與通過機械切割大塊壓電材料或通過注射成型而形成的振動元件中可獲得的尺寸和間距相比，該陣列中振動元件的尺寸和間距可制得更小，并被更加精確地控制。較小的振動元件和相鄰振動元件之間較精細的間距使得可基于由振動元件接收的反射和折射壓力波實現(xiàn)較高成像分辨率。而且，可使用半導(dǎo)體制造工藝在相同晶圓上制造多個換能器裝置，從而減少了單獨換能器裝置的成本。

在各實施方式中，可以在附接至彎曲的振動元件陣列下側(cè)的基底的AISC層中實施用于壓電式換能器裝置的控制電路和感測電路。由于ASIC層可使用少量外部輸入連接件支持大量內(nèi)部輸出連接件，所以包括用于提供驅(qū)動信號的集成AISC層的換能器裝置可具有少量的外部輸入線，例如要連接到換能器裝置的線束可以較薄。通過減少容納換能器裝置的外部輸入連接件所需的橫向區(qū)域，換能器裝置的總尺寸得以減小，這可允許所述裝置在較小空間內(nèi)使用，由此可用于各種各樣的應(yīng)用。而且，可在AISC層中實施更多用于控制傳輸?shù)膲毫Σǖ姆较?、焦點、形狀和/或頻率的處理邏輯單元，以減少壓電式換能器的周界支撐設(shè)備(例如，外部驅(qū)動電路和連接電纜)的總成本。在一些實施方式中，可通過具有集成電互連的基底實現(xiàn)裝置尺寸的減小，集成電互連在不位于換能器陣列正下方的適當(dāng)位置處連接到外部控制電路或控制電路板。

此外，對于給定的施加電壓，彎曲的壓電元件(例如，壓電薄膜具有由平面部包圍的圓頂部)具有比相當(dāng)大小的平坦的壓電膜或壓電體(例如桿)大的位移(例如5-10倍)。因此，通過在壓電式換能器裝置的每個振動元件中使用彎曲的壓電元件，可使用給定的驅(qū)動電壓產(chǎn)生較強的壓力波。類似地，對于給定的可接受的感測電壓等級，需要較低的機械壓力。例如，與100-200伏特用于由切割的大塊壓電材料形成的超聲波換能器裝置相比，10-20伏特或更小的驅(qū)動電壓可用于由微圓頂換能器陣列制成的超聲波換能器裝置。在較低的所需驅(qū)動電壓的情況下，還可以避免因歐姆加熱引起的功耗和損失以及換能器裝置上的過高溫度。這還可允許該裝置用在各種各樣的應(yīng)用中。

此外，由于使用半導(dǎo)體制造技術(shù)可獲得的振動元件的小尺寸、ASIC層的緊湊尺寸以及用于驅(qū)動振動元件所需的低驅(qū)動電壓，可使用本說明書中公開的設(shè)計來研發(fā)適用于高精度醫(yī)療診斷和治療應(yīng)用的壓電式換能器裝置。例如，在與病人皮膚接觸或在病人身體內(nèi)使用時，換能器裝置的低電壓、低熱量和小尺寸使得其更安全和/或更舒適。此外，通過本說明書中公開的換能器設(shè)計可對病人體內(nèi)小的、精細的和難以接近的區(qū)域(例如，眼睛、血管或大腦)進行動態(tài)成像。此外，提供具有與振動元件陣列對應(yīng)的、豎直連接到振動元件的驅(qū)動電路陣列的ASIC層使得可緊密地封裝振動元件，這可提高圖像質(zhì)量。這與允許以小尺寸沉積壓電元件的沉積技術(shù)(例如濺射)的結(jié)合是特別有效的。

此外，例如，可通過改變彎曲的壓電元件的尺寸、形狀和厚度而在壓電式換能器的設(shè)計和制造過程中控制彎曲的振動元件的共振頻率和阻抗。因此，可適應(yīng)所有要求不同操作頻率范圍和不同類型傳播介質(zhì)(例如不同阻抗)的應(yīng)用。

在一些實施方式中，可通過將壓電材料粒子沉積(例如濺射)在彎曲的輪廓傳遞基層(profile-transferring surface)上而形成彎曲的壓電元件?；蛘?，濺射的壓電材料可形成平坦的壓電元件。通過沉積而形成的彎曲或平坦的壓電元件具有相對于壓電元件的彎曲或平坦表面對準并垂直取向的柱形顆粒結(jié)構(gòu)以及指向柱形顆粒的方向的自然沉積態(tài)極化方向。這種對準的柱形顆粒結(jié)構(gòu)在操作期間造成較小的內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致由這種壓電元件形成的壓電式換能器的壽命較長。

在一些實施方式中，每個壓電元件的彎曲部分的周界部在操作期間保持靜止，而彎曲部分的中央部響應(yīng)于驅(qū)動電壓而彎曲。通過將壓電元件的彎曲部和靜止部之間的過渡點放置在壓電元件的顆粒結(jié)構(gòu)更好地對準的區(qū)域中，壓電元件可更好地承受在過渡點處產(chǎn)生的高應(yīng)力，這可導(dǎo)致壓電元件和壓電式換能器裝置的壽命較長。

本發(fā)明提供了一種壓電式換能器，包括：

支撐結(jié)構(gòu)，其中具有孔；以及

換能器元件，具有固定到支撐結(jié)構(gòu)的第一表面的內(nèi)表面，該換能器包括驅(qū)動電極、參比電極以及布置在驅(qū)動電極和參比電極之間的換能器元件，換能器元件具有定位成接收或產(chǎn)生外部介質(zhì)中的壓力波的外表面，并且其中，驅(qū)動電極、參比電極和壓電元件均包括相應(yīng)柔性部和連接到該相應(yīng)柔性部的相應(yīng)靜止部，

其中，驅(qū)動電極、參比電極和壓電元件的柔性部懸于所述支撐結(jié)構(gòu)的孔之上，并在所述驅(qū)動電極和所述參比電極之間沒有施加電壓以及沒有施加會增加柔性部上的機械應(yīng)力的力的情況下相對于支撐件的第一表面在第一方向上彎曲，并且其中，所述參比電極、驅(qū)動電極和壓電元件的柔性部響應(yīng)于在所述驅(qū)動電極和所述參比電極之間施加的驅(qū)動電壓而偏轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，所述支撐結(jié)構(gòu)包括基底，該基底具有第一表面和形成在基底第一表面中的空腔，以提供所述孔。

優(yōu)選地，所述支撐結(jié)構(gòu)包括基底以及位于基底和換能器元件之間的支撐件，并且其中，所述孔穿過該支撐件而形成，并且所述基底跨越所述孔。

優(yōu)選地，所述支撐件具有第一側(cè)和第二側(cè)，所述第一側(cè)附接至所述基底的第一表面，所述第二側(cè)附接至驅(qū)動電極和參比電極中定位成更靠近基底第一表面的那個電極的相應(yīng)靜止部。

優(yōu)選地，所述支撐件是導(dǎo)電的。

優(yōu)選地，所述支撐件包括金屬環(huán)。

優(yōu)選地，所述金屬環(huán)提供所述基底和所述換能器元件之間的共晶鍵合。

優(yōu)選地，所述支撐件將換能器元件電連接到形成在基底中的集成電路。

優(yōu)選地，所述外表面包括覆蓋驅(qū)動電極或參比電極的柔性膜。

優(yōu)選地，所述換能器元件是多個大致相同的換能器元件之一，其中，支撐結(jié)構(gòu)包括基底以及位于基底和換能器元件之間的多個支撐件。

優(yōu)選地，所述基底包括跨越多個支撐件的層。

優(yōu)選地，所述多個換能器元件形成在跨越多個支撐件的連續(xù)層中。

優(yōu)選地，所述多個大致相同的換能器元件中的每個換能器元件由多個支撐件的相應(yīng)支撐件支撐在基底之上。

優(yōu)選地，所述換能器元件是大致相同的換能器元件的線性陣列之一。

優(yōu)選地，所述換能器元件是大致相同的換能器元件的二維陣列之一。

優(yōu)選地，所述基底包括集成電路，構(gòu)造成獨立地感測施加到所述多個換能器元件的相應(yīng)換能器元件的外表面上的壓力變化。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動電極定位成比所述參比電極更靠近支撐結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動電極、參比電極和壓電元件的柔性部均彎曲遠離所述孔。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動電極、參比電極和壓電元件的柔性部均朝向所述孔彎曲。

優(yōu)選地，其中，所述壓電元件包括由平面部包圍的彎曲部，其中，所述壓電元件的平面部和彎曲部的周界部是所述壓電元件的靜止部的一部分。

本說明書所述主題的一個或多個實施方式的細節(jié)在下面的附圖和說明中進行闡述。通過說明、附圖和權(quán)利要求，主題的其它特征、方面和優(yōu)點會變得清楚。

附圖說明

圖1A-1H示出包括彎曲的振動元件陣列的壓電式換能器裝置的示例構(gòu)造。

圖2A-2B示出包括彎曲的振動元件的兩個示例壓電式換能器的豎直截面。

圖3A-3B均是彎曲的壓電元件在施加的電壓或機械壓力作用下偏轉(zhuǎn)的示意圖。

圖4A-4B是示出通過將壓電材料粒子沉積在彎曲輪廓傳遞表面(profile-transferring surface)上而形成的彎曲的壓電元件內(nèi)的顆粒結(jié)構(gòu)的圖像。

圖5A是壓電式換能器裝置中的示例微圓頂換能器陣列的示意性頂視圖。

圖5B是圖5A所示壓電式換能器裝置中的一部分微圓頂換能器陣列的透視圖。

圖5C是圖5A所示微圓頂換能器陣列的特寫頂視圖。

圖6是可以在壓電式換能器裝置中的振動元件陣列下方的集成ASIC層中實施的電路功能的示意圖。

放大了許多層和特征以更好地顯示工藝步驟和結(jié)果。各附圖中的相同標號和名稱代表相同元件。

具體實施方式

壓電式超聲波換能器裝置能夠使用響應(yīng)于隨時間變化的高頻驅(qū)動電壓而振動的壓電式換能器陣列在傳播介質(zhì)(例如空氣、水、組織、骨頭、金屬等)中產(chǎn)生高頻壓力波。振動換能器陣列的暴露的外表面可放置成靠近或接觸傳播介質(zhì)，以將由暴露的外表面的振動所攜帶的能量耦合至在傳播介質(zhì)中沿一個或多個方向傳播的壓力波所攜帶的能量。超聲波換能器裝置通常產(chǎn)生具有高于人類聽覺范圍的頻率的聲波。然而，在一些實施方式中，根據(jù)本說明書中的描述制成的壓電式換能器裝置也可用于產(chǎn)生具有處于人類聽覺范圍內(nèi)或低于人類聽覺范圍的頻率的聲波。

當(dāng)壓力波遭遇傳播介質(zhì)內(nèi)或介質(zhì)之間邊界處的密度或彈性模量(或兩者)變化時，壓力波反射。一些反射的壓力波可由換能器陣列的暴露的外表面捕獲，并被轉(zhuǎn)換為通過超聲波換能器裝置的感測電路感測的電壓信號。所感測的電壓信號可以與驅(qū)動電壓信號結(jié)合進行處理，以獲得與傳播介質(zhì)內(nèi)或介質(zhì)之間邊界處的密度或彈性模量(或兩者)變化有關(guān)的信息。

當(dāng)振動換能器陣列中的每個振動元件的振動以相應(yīng)的時間延遲和頻率被獨立地控制和定時時，能夠產(chǎn)生具有期望形狀、尺寸、方向和速度的波前。振動元件的尺寸和間距、換能器陣列的布局、驅(qū)動頻率和振動元件的相應(yīng)時間延遲和位置可與在振動元件上所感測的電壓信號的相應(yīng)強度和定時結(jié)合使用，以確定或者位于傳播介質(zhì)內(nèi)的密度或彈性模量(或兩者)變化，以推斷出傳播介質(zhì)中的壓力波所遭遇到的物體和/或結(jié)構(gòu)變化的位置、尺寸、形狀和/或速度。推斷出的與傳播介質(zhì)中的物體和/或結(jié)構(gòu)變化的位置、尺寸、形狀和/或速度有關(guān)的信息可例如作為彩色或單色圖像呈現(xiàn)在外部顯示裝置上。超聲波換能器裝置可廣泛應(yīng)用于例如醫(yī)學(xué)診斷、產(chǎn)品缺陷檢測、微創(chuàng)手術(shù)設(shè)備等，在這些應(yīng)用中，關(guān)注介質(zhì)或多個介質(zhì)內(nèi)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的成像。

在本說明書中，公開了具有由彎曲的振動元件形成的換能器陣列的壓電式換能器裝置。彎曲的振動元件包括布置在一對彎曲電極之間的彎曲的壓電元件，彎曲電極對具有與壓電元件的彎曲表面匹配的相應(yīng)彎曲表面。與平坦的振動元件相比，彎曲的振動元件響應(yīng)于給定的驅(qū)動電壓呈現(xiàn)出較大的位移，并具有較好的感測靈敏度。

此外，換能器陣列可使用半導(dǎo)體制造工藝以特定用途集成電路(ASIC)晶圓制造，并與其集成。ASIC晶圓包括用于控制換能器裝置的驅(qū)動和感測功能的集成電路，并僅需要少量外部連接件，以將驅(qū)動信號傳送到換能器陣列中的大量振動元件，并收集來自該大量振動元件的感測信號。

因此，本說明書所公開的包括彎曲的振動元件陣列和集成ASIC晶圓的換能器裝置可以是緊湊、輕量的，并且與由平坦的壓電薄膜或元件(切割大塊壓電材料制成)形成的常規(guī)換能器陣列相比，具有較好的驅(qū)動和感測效率，并需要較低的驅(qū)動電壓。

在一些實施方式中，除了包括ASIC晶圓，換能器裝置可包括電互連層。單獨換能器的跡線(trace)可移向互連層，從而仍能獲得高密度的振動元件陣列。用于控制換能器裝置的驅(qū)動和感測功能的電路可位于裝置中的其它地方(例如，基底的外部或者互連層的上游)。

在一些實施方式中，換能器裝置可包括平坦的振動元件陣列以及集成ASIC晶圓。平坦的振動元件可通過濺射壓電材料或刻蝕(例如等離子刻蝕)大塊壓電材料而形成。濺射壓電材料或者刻蝕而不是鋸開大塊壓電材料允許振動元件具有多種多樣的期望形狀，例如具有圓角的形狀、圓形、五邊形、六邊形或任何其它形狀。這便于晶圓級集成為MEM裝置。而且，換能器陣列的密度不像切割的大塊壓電振動元件情況那樣受到鋸條尺寸的限制。

圖1A-1G示出包括彎曲的振動元件陣列的壓電式換能器裝置的示例構(gòu)造。

在一些實施方式中，換能器裝置包括線性或一維換能器陣列。一維換能器陣列中的彎曲的振動元件沿直線分布。線性換能器陣列的振動外表面可基本上位于與直線平行的平面內(nèi)。如圖1A所示，換能器裝置102包括把手部分104。線性換能器陣列106可在把手104的一個遠端108附接至把手104，其中，把手104的形狀被修改(例如加寬、變平等)成容納換能器陣列106的形狀和尺寸。在該示例中，換能器陣列106的振動外表面沿把手104的長軸面向前方，即，制造有陣列106的基層的外表面105垂直于把手104的長軸。在其它實施方式中，線性換能器陣列106的暴露的外表面可面向沿與把手104長軸垂直(或成銳角)的方向的那側(cè)。必要時，換能器裝置102的操作者可操縱把手104來改變線性換能器陣列106的振動外表面的方向和位置(例如面向待成像區(qū)域)。

壓電式換能器裝置102可選擇地包括位于振動元件106線性陣列下方和把手部分104內(nèi)部(例如，位于加寬和變平的第一遠端108內(nèi))的集成ASIC晶圓(未示出)。連接到ASIC晶圓的外部輸入連接件的線110可從把手104的后端離開，并連接到外部設(shè)備(例如，控制裝置和/或顯示裝置)。

在一些實施方式中，換能器裝置可包括二維換能器陣列。每個二維換能器陣列可包括多個以二維陣列分布的彎曲的振動元件。由二維陣列覆蓋的區(qū)域可具有各種形狀，例如矩形、方形、圓形、八角形、六邊形、圓形等。處于二維陣列中的振動元件可分布在由直線構(gòu)成的格柵上(例如方形格柵或六邊形格柵)，或分布在具有更復(fù)雜圖案的格柵上。二維換能器陣列的振動外表面也可基本上位于平面內(nèi)。二維換能器陣列可附接至把手(例如在筆直柱形把手的一個遠端)以形成換能器裝置。換能器陣列的振動外表面的平面可面向前方，例如垂直于把手的長軸(例如如圖1B所示)，或者面向側(cè)方，即與把手的長軸平行(或成銳角)(例如如圖1C所示)。

必要時，換能器裝置的操作者可操縱換能器裝置的把手，以改變二維換能器陣列的振動外表面的面向和位置(例如，面向待成像區(qū)域)。

如圖1B所示，壓電式換能器裝置112包括前向六邊形換能器陣列116，其在第一遠端118處附接至把手114。壓電式換能器裝置112可選擇地包括位于振動元件六邊形陣列下方和把手部分114內(nèi)部的集成ASIC晶圓(未示出)。連接到ASIC晶圓的外部連接件的線120可從把手114的后方(例如第二遠端)離開，并連接到外部設(shè)備(例如控制裝置和/或顯示裝置)。前向換能器裝置112可用于血管內(nèi)超聲(IVUS)成像，其用常規(guī)超聲成像是不可行的。

圖1C示出壓電式換能器裝置122，其包括在第一遠端128處附接至把手124的側(cè)向方形換能器陣列126。壓電式換能器裝置122可選擇地包括位于振動元件方形陣列后方和把手部分124內(nèi)部的集成ASIC晶圓(未示出)。連接到ASIC晶圓的外部連接件的線130可從把手124的后方(例如，第二遠端)離開，并連接到外部設(shè)備(例如，控制裝置和/或顯示裝置)。

在一些實施方式中，換能器裝置可包括一維換能器陣列或沿曲線或繞曲面卷繞的二維換能器陣列，使得換能器陣列的振動外表面是曲線或曲面。

例如，圖1D示出示例換能器裝置132，其包括沿曲線延伸并在把手134的第一遠端138(例如，放大、彎曲和變平部分)處附接至把手134的線性換能器陣列136。換能器裝置132還包括連接到ASIC晶圓(未示出)并從把手134后端離開的線140。

圖1E示出示例換能器裝置142，其包括繞圓周延伸并在把手144的遠端148附接至把手144的前向線性換能器陣列146。換能器裝置142還包括連接到ASIC晶圓(未示出)并從把手144的后端離開的線150。

圖1F示出示例換能器裝置152，其包括繞圓周延伸并在把手154的遠端158附接至把手154的側(cè)向線性換能器陣列156。換能器裝置152還包括連接到ASIC晶圓(未示出)并從把手154的后端離開的線160。

在一些實施方式中，圖1D、1E和1F所示線性換能器陣列136、146和156的每個振動元件可由小的二維子陣列代替。例如，每個子陣列可以是小的方形換能器陣列。如圖1G所示，換能器裝置162包括由振動元件的多個方形子陣列(例如方形子陣列168)形成的前向二維環(huán)形陣列166，其中，前向環(huán)形陣列166附接至換能器裝置162的把手164的第一遠端。換能器裝置162還包括連接到ASIC晶圓(未示出)并從把手164的后端離開的線170。

類似地，如圖1H所示，換能器裝置172包括由振動元件的多個方形子陣列(例如方形子陣列178)形成的側(cè)向陣列176，其中，側(cè)向陣列176附接至換能器裝置172的把手174的第一遠端。換能器裝置172還包括連接到ASIC晶圓(未示出)并從把手174的后端離開的線180。

圖1A-1H所示換能器裝置的構(gòu)造僅僅是說明性的。整個換能器陣列的振動外表面的面向(例如前向、側(cè)向或其它面向角度)和總體形狀(例如平坦或彎曲、線性、多邊形或環(huán)形)、換能器陣列在把手上的位置以及換能器陣列上的振動元件的布局的不同組合在換能器裝置的各實施方式中是可能的。

此外，根據(jù)應(yīng)用(例如，期望的操作頻率、成像區(qū)域、成像分辨率等)，換能器陣列中振動元件的總數(shù)量、換能器陣列的尺寸以及換能器陣列中的振動元件的尺寸和間距還可以變化。在一個示例中，線性陣列包括128個處于200微米間距的半徑為50微米的振動元件。在另一示例中，方形陣列包括16個處于200微米間距的半徑為75微米的振動元件。其它示例構(gòu)造在說明書的其它部分中描述。

如本說明書所公開的，換能器裝置的換能器陣列包括多個彎曲的壓電振動元件。圖2A-2B示出彎曲的壓電振動元件的兩個示例構(gòu)造。

在圖2A中，示出了凸形或圓頂形振動元件202。凸形振動元件202包括頂表面204，頂表面暴露在外并形成換能器陣列的振動外表面的一部分(例如，與換能器陣列中的其它振動元件的頂表面一起)。振動元件202還包括附接至基底208的頂表面的底表面206。

如圖2A所示，圓頂形振動元件202包括布置在參比電極212和驅(qū)動電極214之間的凸形或圓頂形壓電元件210。在該示例中，參比電極212布置在凸形壓電元件210的頂表面(遠離基底208)上方，而驅(qū)動電極214布置在凸形壓電元件210的底表面(靠近基底208)下方。在替代示例(未示出)中，驅(qū)動電極可布置在凸形壓電元件的頂表面上方，而參比電極布置在凸形壓電元件的底表面下方。

如圖2A所示，凸形壓電元件210是整體具有大致相同厚度的壓電材料薄層。壓電材料薄層包括由平面部220包圍的彎曲部218。中心彎曲部218彎曲遠離附接有振動元件202的基底208。例如，凸形壓電元件210可通過將處于均勻?qū)拥膲弘姴牧狭Ｗ映练e(例如濺射)在輪廓傳遞基層上而形成，輪廓傳遞基層具有形成在平面頂表面上的圓頂?？捎糜谛纬蓧弘娫?10的示例壓電材料包括鋯鈦酸鉛(PZT)。

進一步如圖2A所示，凸形壓電元件210布置在驅(qū)動電極214上方，位于驅(qū)動電極214的頂表面上。驅(qū)動電極214可以是傳導(dǎo)材料薄層，其具有接觸并貼合凸形壓電元件210的底表面的頂表面。因此，驅(qū)動電極214還包括彎曲遠離基底208的中央彎曲部和鄰接(例如包圍)中央彎曲部的平面部。驅(qū)動電極214的中央彎曲部和凸形壓電元件210的中央彎曲部具有匹配的表面輪廓。

在一些實施方式中，驅(qū)動電極214可通過將傳導(dǎo)材料薄層沉積在輪廓傳遞基層上而形成，輪廓傳遞基層具有形成在平面頂表面上的圓頂。在傳導(dǎo)材料層(即，在該示例中的驅(qū)動電極層)沉積在輪廓傳遞基層上之后，那么沉積的驅(qū)動電極層可充當(dāng)壓電元件210的壓電材料薄層可沉積在其上的輪廓傳遞基層。例如，用于驅(qū)動電極層的傳導(dǎo)材料可包括各種金屬(例如Au、Pt、Ni、Ir等)、合金(例如Au/Sn、Ir/TiW、Au/TiW、AuNi等)、金屬氧化物(例如IrO₂、NiO₂、PtO₂等)或它們的組合的一種或多種。

在一些實施方式中，用于將壓電材料沉積在驅(qū)動電極層上的合適方法包括例如濺射、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、等離子增強化學(xué)氣相沉積等。濺射沉積的類型可包括磁控濺射沉積(例如RF濺射)、離子束濺射、反應(yīng)性濺射、離子束輔助沉積、高利用率靶濺射和高功率脈沖磁控濺射。壓電層的厚度可選擇成壓電元件210足夠柔軟以在驅(qū)動電壓作用下彎曲，又足夠強大以將其振動傳遞到與振動元件202的暴露的外表面204接觸的傳播介質(zhì)。

進一步如圖2A所示，參比電極212布置在凸形壓電元件210的頂表面上方。參比電極212可以是傳導(dǎo)材料薄層，其底表面與凸形壓電元件210的頂表面接觸并貼合。因此，參比電極212還包括彎曲遠離基底208的中央彎曲部和鄰接(例如，包圍)中央彎曲部的平面部。參比電極212的中央彎曲部和凸形壓電元件210的中央彎曲部具有匹配的表面輪廓。

在一些實施方式中，例如，在沉積的壓電層已圖案化以限定出壓電元件210之后，可通過將傳導(dǎo)材料薄層沉積在已沉積的壓電層上來形成參比電極212。例如，用于參比電極層的傳導(dǎo)材料可包括各種金屬(例如Au、Pt、Ni、Ir等)、合金(例如Au/Sn、Ir/TiW、Au/TiW、AuNi等)、金屬氧化物(例如IrO₂、NiO₂、PtO₂等)或它們的組合的一種或多種。

進一步如圖2A所示，在一些實施方式中，振動元件202可選擇地包括位于驅(qū)動電極214下方并與驅(qū)動電極214的底表面接觸的薄膜層222。在一些實施方式中，為了形成振動元件202，薄膜層222可首先沉積在圓頂形輪廓傳遞基層上。然后，驅(qū)動電極層可沉積在薄膜層222的頂表面上。在驅(qū)動電極層沉積之后，壓電層可沉積在驅(qū)動電極層上。在參比電極層沉積在壓電元件上之前，壓電層和驅(qū)動電極層可圖案化，以形成單獨的驅(qū)動電極214和壓電元件210。在一些實施方式中，其上沉積有膜層222的輪廓傳遞基層可從下向上被刻蝕掉，以暴露薄膜222的底表面的中央彎曲部，使得中央彎曲部可在所施加的電壓作用下彎曲。在一些實施方式中，膜層222可以是氧化物層，其用作刻蝕工藝的刻蝕停止部。

在一些實施方式中，在壓電元件210形成在驅(qū)動電極214的頂表面上之后，并且在參比電極層沉積之前，介電膜224層(例如SiO₂、SiN₂或它們的組合)可沉積在壓電元件210的頂表面上。膜224的位于壓電元件210的彎曲部218中央部上方的中央部可被刻蝕為敞開，以暴露壓電元件210的中央頂表面。然后，參比電極層可沉積在壓電元件210的暴露的頂表面上，使得參比電極212的底表面與介電膜224的暴露的頂表面和壓電元件210的暴露的頂表面接觸并貼合。介電膜224可用于使驅(qū)動電極214與參比電極212絕緣。此外，介電膜224還可用于使參比電極212與位于壓電元件210的在操作期間保持靜止的區(qū)域中的壓電元件210(例如，包括壓電元件210的周界部238和平面部220)絕緣。通過使參比電極212與位于保持靜止的區(qū)域中的壓電元件210絕緣，壓電元件因施加在那些區(qū)域中的驅(qū)動電壓而受到的內(nèi)部應(yīng)力可減小。

在一些實施方式中，在換能器陣列中僅存在少量振動元件的情況下，可經(jīng)由在與基底208的頂表面平行的相同平面中延伸的導(dǎo)電跡線制成到每個振動元件的驅(qū)動電極和參比電極的電連接。在一些實施方式中，若干振動元件的參比電極可連接起來以形成跨越多個振動元件的共用參比電極。在一些實施方式中，在許多振動元件分布在小橫向區(qū)域中的情況下，在單獨的振動元件之間可能不會有足夠的空間而使導(dǎo)電跡線在與基底208的頂表面平行的單個平面中延伸。替代地，相應(yīng)的豎直取向的電互連可制成用于換能器陣列中的一些或所有振動元件中的每個，以將振動元件連接到基底208中的控制/感測電路。如圖2A所示，豎直取向的電互連226用于將驅(qū)動電極214電連接到基底208中的控制/感測電路230的活性連接墊228。此外，豎直取向的電互連232用于將參比電極212電連接到基底208中的控制/感測電路230的接地墊234。在一些實施方式中，在使用跨越整個換能器陣列的公共參比電極的情況下，僅需要一個電連接件來將共用參比電極電連接到基底208中的接地墊。

在一些實施方式中，如圖2A所示，振動元件202的柔性部可懸于基底208的頂表面上方。基底208的頂表面和振動元件202的底表面206之間的空間可以有例如環(huán)形支撐件的支撐件236，支撐件具有與振動元件202的彎曲部218豎直對準的孔241。支撐件236具有附接至基底208的頂表面的底表面以及附接至振動元件202的底表面206的頂表面。在驅(qū)動電極214下方不存在膜222的實施方式中，驅(qū)動電極的底表面可充當(dāng)振動元件202的底表面206。如果存在膜222，則膜222的底表面可充當(dāng)振動元件202的底表面。支撐件236還可用于使位于基底208上的單獨的振動元件絕緣，以減少相鄰振動元件之間的串?dāng)_。在一些實施方式中，支撐件的高度可以十分小，使得僅小間隙(例如幾微米)存在于振動元件202的中央振動部(換言之，柔性部)和基底208的頂表面之間。在一些實施方式中，支撐件236的高度可以較厚，例如10-50微米或更厚。

在如圖2A所示的示例構(gòu)造中，參比電極212定位在壓電元件210上方，而驅(qū)動電極214定位在壓電元件210下方。在替代構(gòu)造中，參比電極可定位在壓電元件下方，而參比電極定位在壓電元件上方。具有替代構(gòu)造的振動元件可以以與上述方式類似的方式形成，除了較低金屬層可用作參比電極層，而較高金屬層可用作驅(qū)動電極層。此外，豎直取向的電互連均到達振動元件中的不同金屬層中。

繼續(xù)參見圖2A所示示例，在一些實施方式中，保護膜(未示出)(例如非濕潤涂層、PECVD氧化物涂層等)可沉積在參比電極212的頂表面上。在一些實施方式中，保護膜可以是沉積在換能器陣列的整個頂表面上的連續(xù)層。保護膜的頂表面可以暴露，并且沒有任何額外層沉積在頂部。在操作時，可選的保護膜的暴露的頂表面可與傳播介質(zhì)(可以是所關(guān)注的材料，例如組織，或者耦合介質(zhì)，例如超聲傳輸凝膠)直接接觸，使得換能器陣列中的振動元件的振動可耦合至傳播介質(zhì)中的壓力波。

可選的保護膜可保護振動元件202免受灰塵和污染以及因傳播介質(zhì)中的濕氣或其它物質(zhì)引起的可能性腐蝕的影響。此外，在驅(qū)動電極放置在壓電元件210上方，而參比電極放置在壓電元件210下方的實施方式中，在保護膜可充當(dāng)驅(qū)動電極(現(xiàn)在定位在振動元件的頂部)和傳播介質(zhì)(例如病人的皮膚或組織)之間的絕緣層的實施方式中，保護膜可以是有利的。

在一些實施方式中，在振動元件202中沒有使用保護膜，參比電極212的頂表面可以在使用時直接暴露于傳播介質(zhì)。例如，在連續(xù)的參比電極用于覆蓋整個換能器陣列以及連續(xù)的參比電極由抗腐蝕和污染的惰性金屬(例如Au或Pt)制成的情況下，在參比電極保持處于接地電位的情況下，那么連續(xù)的參比電極可充當(dāng)用于將振動元件的振動耦合至傳播介質(zhì)的換能器裝置的暴露的外表面。

在一些實施方式中，如圖2A所示，在驅(qū)動電極和參比電極之間沒有施加任何電壓的情況下，振動元件202的彎曲部(包括參比電極、壓電元件和驅(qū)動電極的中央彎曲部，以及位于參比電極、壓電元件和/或驅(qū)動電極上方、下方或之間的任何附加膜層)保持彎曲。當(dāng)在驅(qū)動電極214和參比電極212之間施加隨時間變化的驅(qū)動電壓時，振動元件202的彎曲部(或其中央彎曲部)可響應(yīng)于隨時間變化的驅(qū)動電壓而振動。

在一些實施方式中，僅振動元件202的平面部固定到基底208(例如通過支撐件236)，并在操作期間保持靜止，而振動元件202的整個彎曲部響應(yīng)于隨時間變化的驅(qū)動電壓而振動。然而，在一些實施方式中，彎曲部的周界部238也可通過支撐件236固定到基底203，使得彎曲部的周界部238可在操作期間保持靜止，而僅彎曲部的中央部240響應(yīng)于隨時間變化的驅(qū)動電壓而振動。在彎曲部的周界部238固定到基底的一些實施方式中，可以去除振動元件的所有或一些平面部。

在一些實施方式中，固定并保持靜止的周界部238相對于彎曲部218的橫向尺寸可僅占較小寬度。如隨后在說明書中所示，通過在操作期間保持彎曲部218的小周界部238靜止，處于壓電元件210的彎曲部218和平面部220之間的過渡點處的應(yīng)力可減小，從而延長振動元件210的壽命。

在一些實施方式中，在壓電元件210的彎曲部218的周界部238在操作期間固定并保持靜止的情況下，包圍彎曲部218周界部238的平面部220的尺寸可以減小或從振動元件202中完全消除，只要由支撐件236提供的對周界部238的保持力足夠強和持久，以防止壓電元件210在壓電式換能器裝置的可接受壽命期間從電極212和214層離即可。

圖2B示出振動元件242的另一示例構(gòu)造，其中，使用了凹形壓電元件250。振動元件242可構(gòu)造成與振動元件202類似，除了以下所述。在示例振動元件242中，參比電極252布置在凹形壓電元件250的底表面下方，而驅(qū)動電極254布置在凹形壓電元件250的頂表面上方?？蛇x的膜層262可布置在參比電極252的底表面下方。振動元件242的底表面246可以是膜層262(如果存在)的底表面，或者是參比電極252的底表面(如果不使用膜層262)。此外，介電層264可沉積在壓電元件和參比電極層上，以使驅(qū)動電極254與參比電極252絕緣，并且使驅(qū)動電極154與位于壓電元件250頂表面上的中央?yún)^(qū)域之外的區(qū)域中的壓電元件250絕緣。

此外，可選的保護膜263可用于覆蓋驅(qū)動電極254的頂表面。保護膜263的頂表面可充當(dāng)振動元件242的暴露的頂表面，并在操作期間與傳播介質(zhì)接觸。在一些實施方式中，保護膜263是薄介電層，其用于使驅(qū)動電極254與傳播介質(zhì)絕緣。

此外，豎直取向的電互連266可將驅(qū)動電極254電連接到基底248中的控制/感測電路270的活性連接墊268。豎直取向的電互連272可將參比電極252電連接到基底248中的控制/感測電路270的接地墊274。在一些實施方式中，參比電極252可以是連續(xù)的傳導(dǎo)層，其跨越換能器裝置中的整個換能器陣列。

盡管圖2B所示示例具有布置成較靠近基底248的參比電極252，而驅(qū)動電極254布置成遠離基底248，但是在替代實施方式中，參比電極252和驅(qū)動電極248的位置可以顛倒過來。當(dāng)參比電極252和驅(qū)動電極254的位置顛倒過來時，電互連266和272的長度可調(diào)節(jié)成連接到振動元件242中的恰當(dāng)電極。

如圖2B所示，振動元件242與圖2A所示的振動元件202類似，除了壓電元件250、驅(qū)動電極254和參比電極252均包括朝向基底248彎曲的相應(yīng)彎曲部。在一些實施方式中，凹形參比電極252、壓電元件250和驅(qū)動電極254可通過將參比電極層、壓電層和驅(qū)動電極層順序地沉積在輪廓傳遞基層的頂表面上而形成，輪廓傳遞基層具有由平面部包圍的凹部(或倒轉(zhuǎn)的圓頂)。

在一些實施方式中，與如圖2A所示振動元件202類似，除了壓電元件242的平面部260，振動元件242的彎曲部258的周界部278也在操作期間保持靜止，而僅彎曲部258的中央部280響應(yīng)于隨時間變化的驅(qū)動電壓而振動。

盡管在一些實施方式中，圖2A和2B示出接觸電極214、212、254、252的底表面的電互連226、232、266、272，但是電互連可接觸電極的頂表面。

在一些實施方式中，振動元件242懸于基底248上方，并通過支撐件276(例如具有與壓電元件250的彎曲部258對準的孔281的環(huán)形支撐件)附接到基底248。由于在圖2B所示示例構(gòu)造中使用凹形振動元件242，所以振動元件242的底表面246和基底248的頂表面之間的空間應(yīng)當(dāng)足夠大，以當(dāng)振動元件242在驅(qū)動電壓或碰撞壓力下產(chǎn)生最大位移時保持振動部280的底部不與基底242的頂表面接觸。因此，支撐件276的厚度應(yīng)當(dāng)選擇成容納所預(yù)期的振動元件242的最大位移。

盡管支撐件276用于支撐并懸置圖2A和2B所示的振動元件，但是在一些實施方式中，一空腔可形成在基底(例如基底208或248)中，位于振動元件(例如振動元件202或242)的柔性部下方，以產(chǎn)生用于在操作(例如驅(qū)動和/或感測)期間容納振動元件的位移的空間?；蛘?，電互連226、272可以是支撐件(例如環(huán)形支撐件)，其代替支撐件236、276限定出振動元件202、252與基底208、248之間的高度。

盡管圖2A和2B示出壓電元件210、250作為單獨振動元件的分立元件，但是壓電元件可以是用于多個振動元件的連續(xù)層。

盡管圖2A和2B示出彎曲的振動元件202、242，但是替代地，振動元件可以是平坦的。圖3A是示出中凸彎曲的壓電元件302在所施加電壓(例如在驅(qū)動期間)和所施加機械壓力(例如在感測期間)下變形的示意圖。

在圖3A中，假設(shè)壓電元件302具有沉積態(tài)極化方向，其從壓電元件302的左表面指向壓電元件302的右表面，并局部垂直于壓電元件302的兩個表面。進一步假設(shè)驅(qū)動電極(未示出)布置成臨近壓電元件302的左表面，而參比電極(未示出)布置成臨近壓電元件302的右表面。例如，該構(gòu)造對應(yīng)于圖2A所示構(gòu)造?；谏鲜鰳?gòu)造，施加在驅(qū)動電極和參比電極之間的壓電元件302上的正電壓可在壓電元件302中導(dǎo)致從壓電元件302的左表面指向右表面的電場。換言之，所施加的正電壓在壓電元件302中導(dǎo)致與壓電元件302中的極化方向局部對準和平行的電場。結(jié)果，壓電元件302收縮，壓電元件302的彎曲部向左縮回(顯示為壓電元件302”)，彎曲的振動元件302的中心O沿其中心軸線從靜止位置304向位于位置304左側(cè)的新位置308移動。當(dāng)去除所施加的正電壓時，壓電元件302的彎曲部擴張回其初始形狀，彎曲的振動元件302的中心O返回其初始靜止位置304。壓電元件302的振動可將壓力波310發(fā)送進位于壓電元件302右側(cè)的傳播介質(zhì)303中。

在一些實施方式中，當(dāng)在驅(qū)動電極和參比電極之間的壓電元件302上施加負電壓時，壓電元件302可擴張，彎曲的壓電元件302(現(xiàn)在顯示為302’)的中心O可進一步向靜止位置304的右側(cè)移動至新位置306。當(dāng)去除負電壓時，彎曲的壓電元件302的中心O可以返回其初始靜止位置304。

在一些實施方式中，包括交替的負電壓和正電壓信號的驅(qū)動信號可用于使振動元件在最大正位移位置和最大負位移位置(例如，與中心位置306、308相關(guān)聯(lián)的位置)之間振動。在一些實施方式中，僅正電壓用于驅(qū)動振動元件，正電壓信號可施加為高于恒定參考電壓的脈沖。在一些實施方式中，有利地，當(dāng)驅(qū)動振動元件時避免使用負電壓信號。例如，在圖3A所示構(gòu)造中，負驅(qū)動電壓會引發(fā)反平行于壓電元件302的極化方向的電場，這往往會使壓電元件302去極化，并導(dǎo)致壓電元件302的性能隨時間推移而惡化。

在一些實施方式中，當(dāng)振動元件處于感測模式，且沒有對彎曲的壓電元件302施加電壓時，彎曲的壓電元件302可響應(yīng)于所施加的機械壓力變形。例如，當(dāng)傳播介質(zhì)303中的壓力波反射回振動元件并由振動元件的暴露表面截取時，壓電元件302的彎曲表面可從靜止位置被推向靜止位置的左側(cè)位置。彎曲的壓電元件302的中心O可從靜止位置304移至靜止位置304左側(cè)的新位置。由于變形，在振動元件302的左表面和右表面之間會產(chǎn)生電壓差。電壓差的定時和強度可用于確定傳播介質(zhì)303中密度和彈性模量的變化(由此，傳播介質(zhì)303中物體或結(jié)構(gòu)變化的位置)，密度和彈性模量的變化會導(dǎo)致壓力波在傳播介質(zhì)303中反射。

在一些實施方式中，換能器陣列中相同的振動元件既可用于驅(qū)動傳播介質(zhì)303中的壓力波，又可用于感測從傳播介質(zhì)303反射的壓力波。振動元件可基于由基底中的開關(guān)電路產(chǎn)生的控制信號而在驅(qū)動和感測模式之間切換。在一些實施方式中，用于驅(qū)動和感測的振動元件可以在換能器陣列中分離，例如，驅(qū)動用振動元件和感測用振動元件可交替地分布在換能器陣列中，并同步運行。

盡管圖3A示出具有指向右側(cè)的沉積態(tài)極化方向的圓頂形或凸形壓電元件302，但是用于驅(qū)動和感測圓頂形壓電元件的振動的相同原理還適用于驅(qū)動和感測凹形或凸形壓電元件的振動。

例如，如圖3B所示，假設(shè)凹形壓電元件322具有從壓電元件322的左表面指向右表面的沉積態(tài)極化方向，驅(qū)動電極(未示出)布置在凹形壓電元件322的左側(cè)，參比電極(未示出)布置在凹形壓電元件322的右側(cè)。

根據(jù)上述構(gòu)造，當(dāng)在驅(qū)動電極和參比電極之間施加正電壓時，能夠在壓電元件322中引發(fā)電場。引發(fā)的電場與壓電元件322的極化方向?qū)屎推叫?。結(jié)果，壓電元件322可收縮(例如由壓電元件322’表示)，彎曲的壓電元件322的中心O可移位至靜止位置324右側(cè)的新位置326。當(dāng)去除正電壓時，壓電元件322返回其初始靜止形狀。振動元件322的振動會在與振動元件的暴露的凹表面接觸的傳播介質(zhì)333中激發(fā)壓力波330。

類似地，當(dāng)反射的壓力波對振動元件322的凹形右表面施加機械壓力時，壓電元件322可以延伸至左側(cè)(例如由壓電元件322”表示)。壓電元件322的中心O可從其靜止位置324移至新位置328，壓電元件322的左表面和右表面之間會產(chǎn)生電壓差。電壓差的定時和強度可用于確定傳播介質(zhì)333中的密度和彈性模量的變化，并推斷出傳播介質(zhì)333中會引起反射的壓力波的物體或結(jié)構(gòu)變化的位置。

如先前所述，濺射的壓電材料可具有大沉積態(tài)極化。用于濺射壓電材料的一些環(huán)境包括在濺射期間的直流(DC)偏壓。DC場使得壓電材料在DC場的方向上極化。在一些實施方式中，沉積的壓電層(例如濺射的PZT)中的沉積態(tài)極化方向可局部垂直于下面的輪廓傳遞基層的表面，并指向遠離基層表面的方向。

如果壓電元件中期望的極化方向與沉積態(tài)極化方向不同，則將壓電膜沉積在輪廓傳遞基層上，然后翻轉(zhuǎn)過來，并粘合到另一基層以獲得期望的極化方向。

盡管圖3A和3B示出彎曲的壓電元件302、322，但是替代地，壓電元件可以是平坦的。

圖4A示出凸形壓電膜的局部橫截面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像400。圖像400示出沉積在圓頂形銥電極層404上的濺射的PZT層402的顆粒結(jié)構(gòu)。圓頂形銥電極層404懸于硅基層上方。

PZT層402內(nèi)的顆粒結(jié)構(gòu)大致是柱形的，所有或幾乎所有柱形顆粒都局部垂直于彎曲的PZT層402的表面。當(dāng)PZT逐漸沉積或生長在彎曲的底層(例如，刻蝕停止層或輪廓傳遞基層的彎曲表面上)上時，會出現(xiàn)圖4A所示對準的柱形PZT顆粒結(jié)構(gòu)。局部垂直于壓電膜的彎曲表面的對準的柱形顆粒結(jié)構(gòu)不會固有地出現(xiàn)在研磨為彎曲膜的大塊壓電材料中。這種顆粒對準和取向也不會固有地出現(xiàn)在注塑成型的彎曲壓電膜中。

當(dāng)濺射的PZT膜中的顆粒結(jié)構(gòu)與PZT膜的彎曲表面對準并局部垂直時，與具有隨機取向的顆粒結(jié)構(gòu)的膜(例如，由大塊PZT或注射成型形成的膜)相比，在膜振動期間，膜內(nèi)出現(xiàn)的局部內(nèi)部應(yīng)力量會減小。在局部內(nèi)部應(yīng)力量減小的情況下，具有如圖4A所示對準的柱形顆粒的PZT膜可比使用其它常規(guī)方法(例如，通過研磨或通過注射成型)生產(chǎn)的膜具有較長使用壽命。

圖4B是濺射PZT膜402的彎曲部和平面部之間的過渡區(qū)域412附近的彎曲的濺射PZT膜402的放大SEM圖像410。過渡區(qū)域412中的濺射PZT的顆粒結(jié)構(gòu)朝向過渡區(qū)域412的中心擠壓。過渡區(qū)域412在振動期間不如濺射的PZT膜402中的其它更均勻區(qū)域(其中顆粒結(jié)構(gòu)更好地平行和對準)堅固。

通常，在操作期間，在靠近壓電膜的振動部和靜止部之間的邊界處的壓電膜中會產(chǎn)生較大量的應(yīng)力。結(jié)果，如果壓電膜402的平面部和彎曲部之間的過渡點精確地放置在壓電膜402的振動部和靜止部之間的過渡點處(例如，當(dāng)壓電膜402僅在平面部而不在壓電膜402的彎曲部固定到基底時)，則壓電膜402往往會在過度使用后斷裂。

在一些實施方式中，PZT膜402的彎曲部的周界部可固定到基底，并在操作期間保持靜止(例如，如圖2A-2B中的構(gòu)造所示)。換言之，壓電膜402中的彎曲部和平面部之間的較弱過渡點移動遠離壓電膜402的振動部和靜止部之間的過渡點?；蛘?，振動部和靜止部之間的過渡點移至壓電膜402的更強大、更好地對準的均勻部(例如，壓電膜402的彎曲部)。通過將高應(yīng)力區(qū)域移至壓電膜402中的較強大區(qū)域，壓電膜402不太傾向于因在壓電膜402振動期間產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力而斷裂。

盡管圖4A和4B示出包括濺射的壓電層402和電極層404的彎曲壓電膜，但是替代地，壓電膜可以是平坦的。平坦的濺射壓電層具有與彎曲的濺射壓電層相同的柱形顆粒結(jié)構(gòu)的益處。柱形顆粒結(jié)構(gòu)局部垂直于平坦的壓電層的表面。因為平坦的壓電層是平面的，所以其不具有彎曲部和平面部之間的過渡區(qū)域。因此，平坦的壓電膜在其附接至基底的情況下具有更好的柔性。

如上所示，圖2A-4B示出可用在換能器裝置的換能器陣列中的單獨振動元件的示例設(shè)計和結(jié)構(gòu)。壓電式換能器裝置可包括一個或多個換能器陣列，每個換能器陣列包括多個振動元件。圖5A示出示例六邊形換能器陣列502，其可包括在超聲波換能器裝置504中。在示例實施方式中，約1000個具有25微米大小的振動元件506可分布在具有約3mm橫向尺寸的六邊形陣列502內(nèi)。在另一示例實施方式中，約400個具有60微米大小的振動元件可分布在具有約3mm橫向尺寸的六邊形陣列內(nèi)。在又一實施方式中，約378個具有60微米大小的振動元件可分布在具有2.13mm橫向尺寸的方形陣列內(nèi)。上述尺寸是說明性的，振動元件的其它尺寸和陣列大小、間距和布局也是可能的。例如，上述示例尺寸適用于用在血管內(nèi)診斷或治療用途中的超聲波裝置。

圖5B示出圖5A所示換能器裝置504中的換能器陣列502的橫截面的透視圖。如圖5B所示，換能器陣列504的頂表面508暴露，并可與傳播介質(zhì)接觸。當(dāng)換能器陣列502中的振動元件506的頂表面響應(yīng)于驅(qū)動電壓振動時，振動元件506的頂表面的振動可導(dǎo)致在傳播介質(zhì)中產(chǎn)生壓力波。

如圖5B所示，換能器陣列502中的振動元件506包括振動部510，振動部510懸于由環(huán)形支撐件(例如環(huán)形金屬密封件514)生成的空腔或孔512上方，環(huán)形支撐件附接至振動部510以及基底516的頂表面。環(huán)形金屬密封件514附接至振動元件506的平面部以及振動元件506的彎曲部的周界部。此外，支撐每個振動元件506的環(huán)形金屬密封件514例如通過空氣或真空間隙518與支撐其它振動元件506的環(huán)形金屬密封件絕緣。在一些實施方式中，環(huán)形密封件514的厚度和寬度選擇成密封件514基本防止換能器陣列502中的相鄰振動元件506之間的振動串?dāng)_。在一些實施方式中，支持層可放入空腔512內(nèi)，位于基底516的頂表面上方，以吸收從反射的壓力波傳遞給振動元件506的能量，以便減少感測信號中的噪聲和由振動元件506的振動引起的空腔512內(nèi)的回波。

盡管圖5B示出彎曲的振動元件506，但是替代地，振動元件可以是平坦的。

在一些實施方式中，可通過共晶鍵合工藝制成環(huán)形金屬密封件514。例如，可在分立的過程中制備換能器陣列502的振動元件506和基底516。然后，可將能夠使用共晶鍵合技術(shù)結(jié)合的金屬分別鍍在振動元件506陣列的底表面和基底516的頂表面上相應(yīng)的位置。然后，可在鍍有金屬的位置處將振動元件506陣列結(jié)合到基底516。結(jié)合的金屬可形成將振動元件506附接至基底516的環(huán)形密封件514。在一些實施方式中，其它適合材料(例如陶瓷)可用于形成密封件。

在一些實施方式中，基底516包括ASIC層，用于給振動元件提供控制信號以及用于處理(例如，壓縮、封裝和發(fā)送)從振動元件接收的感測信號。因此，除了環(huán)形密封件514，電連接墊和連接凸起可鍍在基底516的頂表面(通向基底516的ASIC層中的驅(qū)動/感測電路的電接地和活性元件)上。相應(yīng)的電連接墊和連接凸起可鍍在換能器陣列502的底表面上，其中，連接墊電連接到換能器陣列502中的振動元件506的單獨驅(qū)動電極。

基底516中的ASIC層包括對應(yīng)于換能器陣列502的驅(qū)動或感測集成電路陣列，例如，一個電路用于每個振動元件506。ASIC層的陣列中的每個電路可具有相同的電路結(jié)構(gòu)和功能。還存在對應(yīng)于換能器陣列502和對應(yīng)于ASIC層中的電路陣列的豎直延伸的電互連陣列，例如至少一個豎直延伸的電互連用于每個振動元件506，以連接到振動元件506的驅(qū)動電極。如果有用于換能器陣列502的共用參比電極，則至少一個豎直延伸的電連接件將基底516中的ASIC層連接到參比電極?？梢杂杏糜趨⒈入姌O的豎直延伸的電連接件陣列，盡管可以有較少的豎直延伸的電連接件用于驅(qū)動電極。如果有用于每個振動元件的參比電極，則會有用于每個參比電極的豎直延伸的電連接件，即，兩個豎直延伸的電連接件用于每個振動元件，一個用于驅(qū)動電極，一個用于參比電極。

豎直延伸的電互連可由環(huán)形密封件514或其它傳導(dǎo)元件提供，例如連接到焊盤520的豎直取向的電互連232(見圖2A)。因此，每個振動元件506可通過相關(guān)聯(lián)的豎直延伸互連而連接到ASIC中的相關(guān)聯(lián)電路。在該構(gòu)造中，來自振動元件的引線不需要換能器陣列表面上的相當(dāng)大的空間。因此，與具有橫向延伸的引線的系統(tǒng)相比，振動元件506可以更加緊密地封裝，更緊密地封裝可提高圖像質(zhì)量。

當(dāng)換能器陣列502的底表面和基底516的頂表面在金屬環(huán)形密封件514處結(jié)合起來時(例如通過共晶鍵合工藝)，鍍在換能器陣列502底表面上的電連接凸起可以結(jié)合(例如通過共晶鍵合工藝)到鍍在基底516頂表面上的電連接凸起，以形成豎直取向的電互連，其將換能器陣列502中的單獨驅(qū)動電極電連接到它們位于基底516的ASIC層中的相應(yīng)驅(qū)動和/或感測電路。此外，在一些實施方式中，接地電極可以是共享的公共接地電極，單個豎直取向的互連可以在接地電極和基底516的ASIC層中的電接地之間實現(xiàn)。例如，用于參比電極的單個豎直取向的互連還可使用共晶鍵合工藝形成。

圖5C示出換能器陣列502的放大頂視圖，其示出振動元件506的柔性部、支撐柔性部的環(huán)形密封件514和關(guān)于驅(qū)動電極的電連接墊520。在一些實施方式中，驅(qū)動電極位于振動元件506的底部，到驅(qū)動電極的電連接可從驅(qū)動電極層中的電連接墊直接豎直地向下行進到基底516頂表面中的相應(yīng)連接墊。在一些實施方式中，驅(qū)動電極位于振動元件506的頂部，到驅(qū)動電極的電連接可從驅(qū)動電極層中的電連接墊豎直向下行進通過壓電層和參比電極層中的相應(yīng)開口，到達位于基底516頂表面上的電連接墊。

如先前本說明書所述，振動元件506的振動部的大小(例如半徑)和換能器陣列502中的振動元件506的空間(或間距)可基于超聲波換能器裝置504的期望成像分辨率選擇。振動元件的大小和振動元件之間的空間/間距越小，超聲波換能器的分辨率越好。在一些實施方式中，振動元件506的柔性部的大小(例如半徑)可以在20微米至70微米的范圍內(nèi)。換能器裝置陣列的大小可基于換能器裝置504的期望成像區(qū)域和期望大小進行選擇。例如，對于血管內(nèi)應(yīng)用，陣列大小可制成在至少兩個正交方向上小于2mm。

在一些實施方式中，換能器陣列中的彎曲的振動元件的高度(例如，圓頂形或凹形壓電元件的高度)可基于期望操作范圍或共振頻率以及用于匹配預(yù)期傳播介質(zhì)的阻抗的適合阻抗進行選擇。例如，對于超聲波換能器，共振頻率可在20KHz至30MHz的范圍內(nèi)。對于醫(yī)療用途，共振頻率通常在1MHz至15MHz的范圍內(nèi)。例如，振動元件506中的壓電元件的厚度可以在3微米至6微米的范圍內(nèi)。例如，彎曲的壓電元件的高度可以從1.5微米至10微米。換能器陣列的共振頻率和阻抗被高度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)各種應(yīng)用中的需要。在示例實施方式中，對于具有50微米半徑和25度圓頂角的圓頂形振動元件，共振頻率為約14.3MHz，電阻抗在15MHz下為約1.2千歐姆。位移量為約每伏特82埃。

在一些實施方式中，微圓頂/凹形換能器陣列的驅(qū)動電壓可以是5-10伏特，以獲得與使用以100-200伏特或更高驅(qū)動的常規(guī)超聲波換能器裝置可獲得的信號強度相當(dāng)?shù)男盘枏姸取＠?，基于微圓頂/凹形陣列的超聲波換能器裝置在15MHz驅(qū)動頻率下可具有高達3MPa/V的驅(qū)動效率。作為接收器，基于微圓頂陣列的超聲波換能器裝置在15MHz驅(qū)動頻率下可具有高達0.5μV/Pa的靈敏度。此外，與在其它常規(guī)換能器技術(shù)中的20dB損失相比，基于微圓頂/凹形的換能器陣列可具有高達50％(6dB)插入損失。

在一些實施方式中，基于本說明書所述的半導(dǎo)體制造工藝，與換能器陣列可產(chǎn)生的超聲波波長相比，微圓頂/凹形換能器陣列中的每個振動元件可制得十分小。此外，相鄰振動元件之間的間距不局限于從大塊壓電材料中制成振動元件所使用的切割刀片的大小。因為換能器陣列可由小振動元件制成，并具有小于驅(qū)動波長一半的間距，所以每個振動元件可充當(dāng)用于發(fā)射具有均勻圓形波前的波的點源。因此，整個振動換能器陣列可用于形成具有期望波前方向、焦點和形狀而沒有任何不期望的旁瓣的波束。此外，由于位于換能器陣列邊緣的振動元件的輻射模式，振動元件的全向輻射模式還產(chǎn)生換能器裝置的較大接受角。

盡管如先前所述，在與振動元件的驅(qū)動電極相同的平面內(nèi)可具有通向換能器陣列中的單獨振動元件的導(dǎo)電跡線，但是當(dāng)少量振動元件存在于換能器陣列(例如4×4陣列)中且振動元件之間的空間足夠大(例如20-30微米)時，這樣的跡線才是可能的。當(dāng)高分辨率的緊湊換能器裝置是期望的時，可以實施定位在換能器陣列正下方的集成ASIC層，其中，豎直取向的電互連可以形成在換能器陣列中的驅(qū)動電極和集成ASIC層之間。高分辨率的緊湊換能器裝置可具有例如多于200個振動元件，例如1000個或更多個振動元件；小于約200微米的間距，例如介于100-200微米之間，65微米或更小或30微米或更?。缓?或約小于0.25mm的分辨率，例如0.1mm或更小或0.06mm或更小。

例如，當(dāng)大量(例如1000)振動元件緊固地封裝在小區(qū)域內(nèi)時(例如3mm半徑的圓內(nèi))，在與驅(qū)動電極相同的平面內(nèi)沒有足夠的空間用于使單獨跡線從驅(qū)動電極延伸。替代地，豎直取向的電連接件可從用于每個驅(qū)動電極的小電連接墊制成至位于換能器陣列下方的基底中的集成ASIC層。集成ASIC層可具有多個由NMOS晶體管制成的電路層。ASIC層的設(shè)計可僅使用100-200個外部輸入連接件容納發(fā)送至換能器陣列中的相應(yīng)驅(qū)動電極的大量單獨控制的輸出(例如1000-2000)。相同的外部輸入連接件還可用作輸出連接件，以將感測的電壓信號發(fā)送至外部成像裝置。

圖6示出可以在包括微圓頂/凹形換能器陣列的換能器裝置602的基底中的集成ASIC層中實施的示例功能。集成ASIC層可顯著地減少使用換能器裝置所需的外部連接件數(shù)量。較少的外部連接件導(dǎo)致?lián)Q能器裝置的總體尺寸減小。此外，可以在換能器裝置的ASIC層內(nèi)的板上執(zhí)行更多的數(shù)據(jù)處理，因此，還可以減少或簡化用于處理驅(qū)動換能器陣列所需的信號和分析從換能器陣列接收的信號的外部設(shè)備。

如圖6所示，在一些實施方式中，可以經(jīng)由ASIC層的少量外部輸入連接件給ASIC層提供復(fù)合控制信號。復(fù)合控制信號可通過解序列化器604解序列化。解序列化的控制信號可被多路信號分離器606多路分離，用于多路分離信號的相應(yīng)定時控制可添加到多路分離信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換器608可在ASIC層中實施成將模擬控制信號轉(zhuǎn)換為用于換能器陣列中單獨振動元件的驅(qū)動電壓信號。相應(yīng)的時間延遲可通過可編程的時間延遲控制器610添加到單獨的驅(qū)動電壓信號，以產(chǎn)生期望的光束形狀、焦點和方向。開關(guān)612可實施成在驅(qū)動模式和接收模式之間切換換能器陣列的操作。當(dāng)換能器裝置602處于接收模式時，可使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器614將接收的電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。模擬信號由數(shù)據(jù)壓縮單元616壓縮，并被多路復(fù)用器618多路傳輸。多路傳輸?shù)男盘柨捎纱谢?20串行化，并經(jīng)由ASIC層的外部輸出連接件(例如，用于在驅(qū)動模式期間接收輸入的相同的外部連接件)被發(fā)送回外部處理設(shè)備。上述功能僅僅是為了說明使用集成ASIC層可實施的功能。更多或更少功能可包括在各種實施方式的ASIC層中。此外，精確的實施方式，ASIC層是依賴于應(yīng)用的，并依賴于換能器陣列的大小、形狀和布局。

在本說明書和權(quán)利要求書中比如“前”、“后”、“頂部”、“底部”、“左”、“右”、“上方”、“之上”和“下方”等術(shù)語的使用是為了描述系統(tǒng)的各部件的相對位置以及本文所述各部件的各部分的相對位置。類似地，在本說明書和權(quán)利要求書中任何水平或豎直術(shù)語的使用是為了描述系統(tǒng)的各部件的相對取向以及本文所述各部件的各部分的相對取向。除了下面闡述的相對取向或位置明確地表示為用于說明特定部件、系統(tǒng)或裝置，否則這種術(shù)語的使用不意味著系統(tǒng)、裝置、其部件或部分相對于(1)地球引力的方向；(2)地球地面或地平面；(3)系統(tǒng)、裝置或其特定部件在實際制造、使用或運輸時具有的方向；或(4)系統(tǒng)、裝置或其特定部件在實際制造、使用或運輸時可布置的表面的任何特定位置或取向。

描述了本發(fā)明的許多實施例。然而，應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行許多修改。例如，可以以不同順序?qū)嵤┮恍┕ば?，修改工序，或者省略工序。振動元件、電極和電連接件的布局和構(gòu)造可以改變。