[发明专利]具有直接互连能力的低电压、低功耗MEMS传感器

说明书

一收发器(210)，包含pMUT元件(302)的阵列，其中每个pMUT元件(302)包含：基板(1030)；薄膜(1034)，悬置于所述基板；底电极(1002)，设置在所述薄膜(1034)上；压电层(1010)，设置在所述底电极(1002)上；以及第一电极(1008)，设置在所述压电层(1010)上。每个pMUT元件展现一个或更多个振动模式。

相关申请案的交互参照

本申请主张2016年12月04日申请之美国临时申请第62,429,832号，标题为「可配置超声波线成像器(A Configurable Ultrasonic Line imager)」、2016年12月04日申请之美国临时申请第62,429,833号，标题为「具直接互连的低电压、低功耗MEMS传感器(LowVoltage,Low Power MEMS Transducer with Direct Interconnect)」、以及2016年12月13日申请之美国临时申请第62,433,782号，标题为「微机械收发器阵列(MicromachinedTransceiver Array)」的效益，其全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种成像装置，尤其是一种具有可配置超声波线成像器(configurable ultrasonic line imagers)的成像装置。

背景技术

用于成像人类或动物体内部组织、骨骼、血流或器官并显示影像的系统/探头(probe)需要发送一信号进入体内，并接收自被成像的身体部位发送或反射的信号。一般而言，成像系统中使用的传感器(transducers)被称为收发器(transceivers)，且有些收发器是基于光-声音或超声波的效果。总的来说，收发器被用于成像，但不必然限于成像。例如，收发器可用于医学影像、管线中的流量测量、扬声器和麦克风阵列、碎石手术(lithotripsy)、用于治疗的局部组织加热、或用于手术的高强度聚焦超声波(highlyintensive focused ultrasound,HIFU)。

现有以块材压电材料(PZT)制成的传感器一般需要很高的电压脉冲来生成发送信号，一般而言需要100 V或更多。这种高电压导致高功率耗散，因传感器的功率消耗/耗散是与驱动电压成比例。探头表面能到达的温度也有限制，这也限制了探头可以消耗多少的功率，因为探头生成的热与消耗的功率成比例。在传统的系统中，热的生成导致需要为一些探头配备冷却装置，而增加了探头的制造成本与重量。总的来说，传统探头的重量也是一个问题，因为很多使用这些探头的声谱仪操作员已知患有肌肉损伤。

医学影像使用的传统超声探头一般是使用PZT材料或其他压电陶瓷及高分子复合材料。探头一般备有传感器及具有使影像显示于显示单元的构造的一些其他电子器件。在制作传感器用的传统块材PZT元件时，可单纯的将厚压电材料板切成大矩形PZT元件。这些矩形PZT元件的制造非常昂贵，因其制造过程涉及精确切割矩形厚PZT或陶瓷材料及安装在具有精确间距的基板上。进一步地，传感器的阻抗远高于用在传感器的发送/接收电子器件的阻抗。

在现有系统中，传感器用的发送/接收电子器件通常位在远离探头的位置，在传感器和电子器件之间需要微同轴电缆(micro-coax cables)。总的来说，电缆需要具有精确的长度以达成延迟和阻抗匹配，且通常为了有效地将传感器通过电缆连接到电子设备，还需要额外的阻抗匹配网络。

微加工技术的进步允许如电容微机械超声传感器(capacitive micromachinedultrasound transducers,cMUTs)和压电微机械超声传感器(piezoelectricmicromachined ultrasound transducers,pMUTs)等传感器和致动器能有效地形成在基板上。相较于具有笨重压电材料的现有传感器，pMUT在制造上较轻便廉价的同时，在电子器件和传感器之间具有更简单和更高性能的互连，提供操作频率上更大的灵活性，以及生成更高质量影像的潜力。