[发明专利]集成超声换能器

说明书

换能器组件(700)包括：微机电系统(MEMS)管芯(702)，其包括多个压电元件(720)；互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯(704)，其通过第一多个凸块(712)电耦合到MEMS管芯(702)，并包括用于控制多个压电元件(720)的至少一个电路；封装(706)，其通过粘合剂层(710)固定到CMOS管芯(704)并电连接到CMOS管芯(704)。

技术领域

本发明涉及成像设备，更具体地，涉及具有集成到互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯(die)/晶片(wafer)的微机电系统(MEMS)管芯的成像设备。

背景技术

用于对人体的内部器官进行成像并显示内部器官的图像的非侵入式成像系统/探针需要将信号传输到人体中并从器官接收发射或反射的信号。通常，在成像系统中使用的换能器称为收发器，而某些收发器基于光声或超声效应。

用于医学成像的常规超声探针通常使用压电材料，例如，用于高端成像器的锆酸钛酸铅(PZT)和铌酸镁铅-钛酸铅(PMN-PT)。探针通常容纳换能器和某些其他电子设备，其带有使图像显示在显示单元上的装置。为了制造用于换能器的常规块状压电元件，可以简单地将厚压电材料板切割成矩形压电元件。然而，这些矩形压电元件的制造成本很高，这是因为制造过程涉及一次一个精确地切割矩形厚的PZT，并且需要200V量级的高驱动电压。

基于硅的电容式微机械超声换能器cMUT于1990年代末出现，作为执行医学成像的新工具，能够在硅晶片上批量制造cMUT。预期的好处之一是将cMUT与CMOS集成的潜力，这是朝着降低成本和降低功耗迈出的又一步。演示了几种将cMUT与CMOS原型集成的方法：单片集成，其中cMUT位于CMOS电路上方，而cMUT与电路相邻，在中间基板(中介层)上倒装MEMS和CMOS，以及在MEMS和CMOS之间倒装芯片。然而，这些概念的商业实施遇到了许多挑战。例如，常规的cMUT传感器由于在高压操作过程中积累的电荷而特别容易出现故障或性能下降，显示出非线性传递函数，限制了谐波成像，并且需要与常规探针相比高的驱动电压。

MEMS技术的最新进展使得有可能在硅上沉积压电薄膜，从而能够在硅晶片上批量制造压电微机械超声换能器(pMUT)，从而消除了cMUT的基本问题。尽管cMUT需要高电压来调节隔膜下的间隙以产生超声波，但pMUT的压电层用于使用比cMUT低得多的电压来偏转隔膜。pMUT的传递函数是线性的，其启用谐波成像，并且操作对移动电荷不敏感。

通常，对于高性能3D成像，需要将大量pMUT集成在单个管芯上。通常，每个pMUT元件可能需要一个或多个电连接，这使得PMUT芯片和CMOS芯片之间的引线键合对于低成本3D成像器而言不是实际的解决方案。此外，不希望在pMUT的人体一侧具有引线键合，因为它们可能会拾取电磁干扰信号。

因此，需要诸如由CMOS晶片或管芯上的pMUT MEMS管芯的倒装芯片所提供的pMUTMEMS管芯与ASIC管芯之间的短连接，以实现电连接并确保低电磁干扰信号。

发明内容

在各实施方式中，一种换能器组件包括：微机电系统(MEMS)管芯，其包括多个压电元件；互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，其通过第一多个凸块(或柱)电耦合至MEMS管芯，并且包括至少一个用于控制多个压电元件的电路；封装，其通过粘合剂层固定到CMOS管芯并电连接到CMOS管芯。在下文中，术语凸块和柱可互换使用。

在各实施方式中，成像设备包括换能器组件。换能器组件包括：微机电系统(MEMS)管芯，其包括多个压电元件；互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，其通过第一多个凸块电耦合至MEMS管芯，并且包括至少一个用于控制多个压电元件的电路；封装，其通过粘合剂层固定到CMOS管芯并电连接到CMOS管芯。多个压电元件产生压力波，响应于从外部接收到的压力波而产生电荷，并产生与电荷相对应的电信号。封装处理电信号以生成图像。

附图说明