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TWI418782B - 超聲波換能器探頭 - Google Patents

超聲波換能器探頭 Download PDF

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TWI418782B
TWI418782B TW099143759A TW99143759A TWI418782B TW I418782 B TWI418782 B TW I418782B TW 099143759 A TW099143759 A TW 099143759A TW 99143759 A TW99143759 A TW 99143759A TW I418782 B TWI418782 B TW I418782B
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electrode
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Feng Chia Hsu
di bao Wang
Chin Hung Wang
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Description

超聲波換能器探頭
本發明是有關於一種探頭，且特別是有關於一種超聲波換能器探頭。
超聲波無創式手術具有低風險、副作用少以及受術者可以快速出院等優點，目前已廣泛地應用在各種醫療領域。而為了擴大其應用範圍，如應用於心血管、眼科或侵入式聲療等微組織的醫療領域，高頻高解析的超聲波陣列正處開發階段。
近年來，國際研發單位紛紛引入高精度、可晶圓級批量製造的微製程加工方式來製作壓電超聲波探頭(Piezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer，pMUTs)(以下稱pMUTs技術)。pMUTs技術是將一薄膜壓電材料(數μm)沉積於矽基板上後，透過黃光顯影蝕刻的程序定義出具空背腔的超聲波換能器元件。
目前pMUTs技術採用決定超聲波換能器元件的平面尺寸來獲得撓曲模態(flexure mode)以進而決定壓電超聲波探頭的操作頻率。在實際的應用上，通常是將許多個超聲波換能器單元集結成一個具有單元間距的超聲波換能器陣列。然而，上述設計方式，讓超聲波換能器陣列的單元間距往往大於操作頻率的半波長，而當單元間距大於待測環境的1/2波長時，將會引起如圖1A及圖1B示的柵瓣效應，如欲形成0度的影像時，會有角度為θ1 及θ-1 的錯誤的反射資訊，進而造成錯誤的照影，無法確實地得到待測物體的真實影像。
本發明提供一種應用於需要較高操作頻率如心血管、眼科或侵入式聲療等領域的超聲波換能器探頭，此超聲波換能器探頭包含一基板以及一超聲波換能器陣列，其中基板具有位於基板之一第一表面上的多個開孔，而超聲波換能器陣列設置於基板的第一表面上。超聲波換能器陣列具有至少一個共振單元，而每一個共振單元的一厚度為操作頻率的等效1/2波長。每一個共振單元包含一振盪元件以及一壓電元件，其中振盪元件具有朝向基板的一第二表面，且第二表面對應基板的第一表面的開孔，而壓電元件配置於第二表面。
在本發明之超聲波換能器探頭的一實施例中，上述之基板為矽基板，且具有多個半導體元件及佈線。
在本發明之超聲波換能器探頭的一實施例中，上述之開孔為盲孔或貫孔。
在本發明之超聲波換能器探頭的一實施例中，上述之振盪元件具有一絕緣層，而上述之第一表面為絕緣層朝向基板的表面。
在本發明之超聲波換能器探頭的一實施例中，上述之每一壓電元件包含一第一電極、一壓電材料層以及一第二電極，其中第一電極配置於振盪元件的第二表面的局部，而壓電材料層具有相連的一第一部分以及一第二部分，其中第一部分配置於第一電極上，而第二部分配置於振盪元件的第二表面的局部。第二電極覆蓋於振盪元件之局部第二表面並延伸配置於壓電材料層上。此外，每一個振盪元件更具有與第二表面相對且相對遠離基板的一第三表面，而第二電極具有面向開孔的一第四表面，且每一共振單元的厚度為振盪元件之第三表面至第二電極之第四表面的距離。
在本發明之超聲波換能器探頭的一實施例中，上述之振盪元件為柱體。
在本發明之超聲波換能器探頭的一實施例中，其中振盪元件由彈性材料組成，且彈性材料產生形變以驅動壓電元件。此外，彈性材料包含金屬或半導體材料，其中半導體材料包含矽。
基於上述，於本發明之超聲波換能器探頭中，改以共振單元的厚度震盪模態決定操作頻率，因此操作頻率主要受到共振單元的厚度尺寸影響而非平面尺寸，所以由於平面尺寸可有效地縮小，可進而使陣列單元的間距小於待測環境的1/2波長，以達到抑制柵瓣效應的目的，此外，可較應用薄板撓曲模態設計的元件獲得相對佳的平面製程裕度。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖2為本發明一種超聲波探測器進行腹部超音波的示意圖、圖3為應用於圖2之超聲波探測器的超聲波換能器探頭的局部立體示意圖，而圖4為圖3之剖面示意圖。請同時參考圖2、圖3及圖4，本實施例之超聲波換能器探頭1000應用於使用在腹部超音波、眼部或心血管等醫療領域的超聲波探測器2000，此超聲波換能器探頭1000的操作頻率約介於25至50兆赫茲，但是也可以應用在頻率低於25兆赫茲或高於50兆赫茲的領域中。超聲波換能器探頭1000包含一基板1100以及一超聲波換能器陣列1300，其中基板1100具有多個開孔1110，且這些開孔1110位於基板1110的第一表面1112上，而超聲波換能器陣列1300設置於基板1100的第一表面1112上。超聲波換能器陣列1300具有至少一個共振單元1200，而每一個共振單元1200的一厚度L為操作頻率F的等效1/2波長λ。每一個共振單元1200包含一振盪元件1210以及一壓電元件1220，其中振盪元件1210具有朝向基板1100的一第二表面1212，且第二表面1212對應於基板1110之位於第一表面1112的開孔1110，而壓電元件1220配置於第二表面1212。本實施例之超聲波換能器探頭1000之超聲波換能器陣列1300的共振單元1200是採用厚度決定超聲波換能器探頭1000之操作頻率的方式，因此可以縮小共振單元1200的平面尺寸，以達到縮小單元間距，抑制柵瓣效應，使造影正確的目的。
詳細而言，上述之基板1100可為一矽基板，其上有許多半導體元件及佈線1120，而超聲波換能器陣列1300的共振單元1200經由佈線1120與半導體元件電性連接。另外，本實施例之基板1100的開孔1110為未貫穿基板1100的盲孔，但在其他未繪示的實施例中，開孔1110也可以是貫穿基板1100的貫孔。
振盪元件1210包含一絕緣層1216以及一振盪本體1218，其中第二表面1212即是絕緣層1216朝向基板1100的表面。微觀視之，振盪元件1210是由具有彈性的材料製作而成，而其中絕緣層1216的材質可為氧化物，而振盪本體1218的材質可以是金屬或半導體材料，而在本實施例中，用以製作振盪本體1218的材質為半導體材料中的矽。此外，振盪本體1218為柱體，且其形狀不拘，可為圓柱、三角柱、矩形柱等等，振盪本體1218的形狀可依照實際需求而改變。
承上述，每一個壓電元件1220包含一第一電極1222、一壓電材料層1224以及一第二電極1226，其中第一電極1222配置於振盪元件1210的第二表面1212，且第一電極1222覆蓋於第二表面1212的局部，並未完全覆蓋第二表面1212。壓電材料層1224具有相連的一第一部分1224a以及一第二部分1224b，其中第一部分1224a配置於振盪元件1210的第二表面1212上，並且位於第一電極1222旁，而第二部分1224b配置於第一電極1222表面。第二電極1226包含覆蓋於振盪元件1210之第二表面1212之局部以及被第一電極1222及壓電材料層1224暴露出來的局部，並延伸配置於壓電材料層1224上。因此，壓電材料層1224位於第一電極1222與第二電極1226之間。另外，每一個振盪元件1210更具有與第二表面1212相對且相對遠離基板1100的一第三表面1214，而第二電極1226具有面向開孔1110的一第四表面1226a，且每一共振單元1200的厚度L為振盪元件1210之第三表面1214至第二電極1226之第四表面1226a的距離。
圖5A~圖5F為超聲波換能器探頭的製作流程圖。以下將簡介超聲波換能器探頭1000的製作方式。
如圖5A示，提供一晶圓(wafer)3000，其中此晶圓3000的厚度可略大於操作頻率F的1/2波長λ，並且在矽晶圓3000上沉積一層絕緣材料，以形成絕緣層1216，且絕緣層1216的頂面為第二表面1212。之後，在第二表面1212上形成第一電極1222。接著如圖5B示，在第二表面1212上形成一壓電材料層1224，其中壓電材料層1224的第二部分1224b形成於振盪元件1210的第二表面1212上，而第一部分1224a延伸配置於第一電極1222上。之後如圖5C示，於第二表面1212上未被第一電極1222及壓電材料層1224覆蓋的局部形成第二電極1226，而第一電極1222、壓電材料層1224及第二電極1226形成壓電元件1220。之後如圖5D示，提供具有半導體元件及佈線1120的基板1100，其中基板1100具有設置於第一表面1112的多個開孔1110。接著如圖5E示，將矽晶圓3000與基板1100對應接合，其中壓電元件1220位於開孔1110中。之後同時參考圖5E及圖5F，對矽晶圓3000的底面3002進行蝕刻製程，以定義出振盪元件1210(如圖3示)，其中振盪元件1210與壓電元件1220的總厚度(即共振單元1200的厚度L)為訊號頻率F的等效1/2波長λ。接著請參考圖3及圖4，當使用本實施例之超聲波換能器探頭1000時，外在環境的超聲波傳播至振盪元件1210的第三表面1214，由於共振單元1200的厚度L為訊號中心頻率F的等效1/2波長λ，所以引發振盪元件1210於厚度方向的共振時，壓電元件1220將振盪元件1210的彈性波訊號轉為電訊號，並將此電訊號傳送至基板1100做訊號處理，進行造影。
特別的是，由於本實施例之超聲波換能器探頭1000是採用厚度定頻的方式，所以相較於共振單元1200的平面尺寸，共振單元1200的厚度L對於頻率的影響更甚，換言之兩個共振單元1200的平面尺寸對於操作頻率F的影響並不大，所以可以經由應用於半導體製程中的微影蝕刻等製程，在不影響操作頻率的情況下，使共振單元1200的平面尺寸縮小，讓單元間距d小於1/2波長λ，以進而有效地抑制柵瓣效應，使造影正確，如圖6示。另外，在製作過程中，對於共振單元1200的平面尺寸控制的製程裕度較為寬裕。
又，是在晶圓上形成超聲波換能器陣列1300，並將此超聲波換能器陣列1300對應具有半導體元件且同樣也為晶圓的基板接合在一起，為陣列化的高密度導線提供一種容易的接合方式。
綜上所述，本發明之超聲波換能器探頭至少具有下列優點：
一、採用厚度定頻，因此平面尺寸的縮小對操作頻率影響不大，同時利用微影製程以達到讓共振單元的單元間距小於1/2波長，以有效地抑制柵瓣效應，使造影正確。
二、採用厚度定頻的方式，所以共振單元的平面具有較寬裕的製程裕度。
三、對於微陣列化的高密度導線提供一種容易的接合方式。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1000．．．超聲波換能器探頭
1100．．．基板
1110．．．開孔
1112．．．第一表面
1120．．．佈線
1200．．．共振單元
1210．．．振盪元件
1212．．．第二表面
1214．．．第三表面
1216．．．絕緣層
1218．．．振盪本體
1220．．．壓電元件
1222．．．第一電極
1224．．．壓電材料層
1224a．．．第一部分
1224b．．．第二部分
1226．．．第二電極
1226a．．．第四表面
2000．．．超聲波探測器
3000．．．晶圓
3002．．．底面
d．．．單元間距
L．．．厚度
λ．．．波長
F．．．操作頻率
θ1 、θ-1 ．．．角度
圖1A為陣列波源間距大於1/2波長於水中的指向效果模擬的聲場圖。
圖1B為柵瓣效應示意圖。
圖2為本發明一種超聲波探測器的示意圖。
圖3為應用於圖2之超聲波探測器的超聲波換能器探頭的局部立體示意圖。
圖4為圖3之剖面示意圖。
圖5A~圖5F為超聲波換能器探頭的製作流程圖。
圖6為應用陣列波源間距小於1/2波長於水中的指向效果模擬的聲場圖。
1000．．．超聲波換能器探頭
1100．．．基板
1110．．．開孔
1112．．．第一表面
1120．．．佈線
1200．．．共振單元
1210．．．振盪元件
1212．．．第二表面
1214．．．第三表面
1216．．．絕緣層
1218．．．振盪本體
1220．．．壓電元件
1222．．．第一電極
1224．．．壓電材料層
1224a．．．第一部分
1224b．．．第二部分
1226．．．第二電極
1226a．．．第四表面
d．．．單元間距
L．．．厚度

Claims (10)

  1. 一種超聲波換能器探頭，具有一操作頻率，包含：一基板，具有多個開孔位於該基板之一第一表面上；一超聲波換能器陣列，設置於該基板之該第一表面上，該超聲波換能器陣列具有至少一共振單元，該些共振單元的厚度為該操作頻率的等效1/2波長，且每一共振單元包含：一振盪元件，具有一第二表面，且該第二表面對應於該基板之該第一表面之該開孔；以及一壓電元件，配置於該第二表面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波換能器探頭，其中該基板為矽基板，且具有多個半導體元件及佈線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波換能器探頭，其中該些開孔為盲孔或貫孔。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波換能器探頭，其中該振盪元件具有一絕緣層，而該第二表面為該絕緣層朝向該基板的表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波換能器探頭，其中每一壓電元件包含：一第一電極，配置於該振盪元件的該第二表面的局部；一壓電材料層，具有相連的一第一部分以及一第二部分，其中該第一部分配置於該震盪元件之該第二表面上，並位於該第一電極旁，而該第二部分配置於該第一電極之表面；以及一第二電極，覆蓋於該振盪元件之該第二表面被該第一電極及該壓電材料層暴露出來的局部，並延伸配置於該壓電材料層上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之超聲波換能器探頭，其中每一振盪元件更具有一第三表面，與該第二表面相對且相對遠離該基板，而該第二電極具有面向該開孔的一第四表面，且每一共振單元的厚度為該振盪元件之該第三表面至該第二電極之該第四表面的距離。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波換能器探頭，其中該些振盪元件為柱體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之超聲波換能器探頭，其中該些振盪元件由彈性材料組成，該彈性材料產生形變以驅動該壓電元件。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之超聲波換能器探頭，其中該彈性材料包含金屬或半導體材料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之超聲波換能器探頭，其中該半導體材料包含矽。
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