使用集成mems開關(guān)的pmut陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施方式主要涉及壓電轉(zhuǎn)換器陣列，且更具體地涉及微電機(jī)械(MEM)開關(guān)2D壓電轉(zhuǎn)換器陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]轉(zhuǎn)換器陣列在許多應(yīng)用中被使用。例如噴墨打印機(jī)或3D打印機(jī)的印刷頭是一種普遍應(yīng)用。在超音速成像中也可以發(fā)現(xiàn)有應(yīng)用轉(zhuǎn)換器陣列。轉(zhuǎn)換器陣列經(jīng)常使用電容式或壓電轉(zhuǎn)換器元件。通常，壓電轉(zhuǎn)換器元件包括壓電膜，其能夠響應(yīng)于時變驅(qū)動電壓而發(fā)生膜的機(jī)械偏向。對于印刷頭，該膜以可控制方式被驅(qū)動以噴出墨水或其他流體，對于超音速壓電轉(zhuǎn)換器設(shè)備來說該膜被驅(qū)動以在與轉(zhuǎn)換器元件的被暴露的外表面接觸的傳播介質(zhì)(例如，空氣、水或體組織)中生成高頻壓波。該高頻壓波能夠傳播到其他介質(zhì)。同樣的壓電膜還能夠從傳播介質(zhì)接收反射的壓波并將接收到的壓波轉(zhuǎn)變成電信號。電信號能夠與驅(qū)動電壓信號一起被處理以得到關(guān)于在傳播介質(zhì)中密度變化或彈性模數(shù)的信息。
[0003]雖然使用壓電膜的許多轉(zhuǎn)換器設(shè)備可以通過機(jī)械地將大壓電材料切成小塊或通過注塑灌注有壓電陶瓷晶體的載體材料來形成，但是使用各種微機(jī)械技術(shù)(例如，材料處置，光刻圖形，蝕刻特征成形等)這些設(shè)備能被有利地低價制造達(dá)到超高尺寸容差，通常稱為壓電微機(jī)械轉(zhuǎn)換器(PMUT)，且更具體地當(dāng)配置用于超音速轉(zhuǎn)換時被稱為壓電微機(jī)械超音速轉(zhuǎn)換器(PMUT)。
[0004]一維(ID) pMUT陣列較常被使用，其中η個通道被提供且η個通道中的每一個通道定址m個pMUT設(shè)備作為單總體。在陣列工作期間，η個通道中給定的一個通道處于驅(qū)動或感應(yīng)模式，具有從與m個pMUT設(shè)備電并聯(lián)耦合的通道施加或感應(yīng)的電勢。然后通過復(fù)用技術(shù)，例如時間延遲掃描來獲得往/來ID陣列的η個通道的信號。
[0005]圖1A示出了 ID陣列100，具有在由基板101的第一維度χ和第二維度y定義的區(qū)域上設(shè)置的多個通道110、120、130、140。由于η個通道中的一個通道獨(dú)立于任意其他驅(qū)動/感應(yīng)通道(例如120或130)，該驅(qū)動/感應(yīng)通道定址元件110Α、110Β...IlOL中的每一者，這些通道的每一個通道(例如110)是可電尋址的。參考(例如接地)電極軌道通常也被發(fā)現(xiàn)在驅(qū)動/感應(yīng)通道路徑下面的平面。驅(qū)動/感應(yīng)通道110、120代表ID陣列100中的重復(fù)單元，其第一驅(qū)動/感應(yīng)通道110耦合到第一總線127以及鄰近驅(qū)動/感應(yīng)通道120耦合第二總線128以形成互相交叉的手指結(jié)構(gòu)。驅(qū)動/感應(yīng)通道130、140重復(fù)該互相交叉單元機(jī)構(gòu)，其另外的單元形成任意尺寸的ID電極陣列(例如128個通道、256個通道等)。
[0006]完全可尋址2維(2D)壓電陣列會比ID陣列帶來許多技術(shù)優(yōu)勢。例如，在超音速成像器的情況中，三維(3D)成像成為可能。源自轉(zhuǎn)換器元件級尋址提供的另外的自由度的增強(qiáng)功能在打印和許多其他環(huán)境中也是有優(yōu)勢的。但是，在2D陣列內(nèi)尋址單獨(dú)的pMUT設(shè)備在技術(shù)上遇到挑戰(zhàn)，因?yàn)橥ǖ赖慕^對數(shù)量擴(kuò)展迅速，在陣列的PMUT設(shè)備(例如印刷頭、超音速轉(zhuǎn)換器頭等)與電控制/采樣電路(通常由CMOS實(shí)現(xiàn)，脫離轉(zhuǎn)換器基板)之間要求復(fù)雜的設(shè)備互聯(lián)和多層彈性組件。作為這種架構(gòu)的一個示例，圖1B是在基板101上設(shè)置并由從基板101延伸到ASIC(CMOS)控制器112的彈性電線耦合的ID pMUT陣列100的截面?zhèn)纫晥D。使用這種架構(gòu)，PMUT設(shè)備陣列和/或轉(zhuǎn)換器元件控制的復(fù)雜性增加導(dǎo)致陣列基板的開銷顯著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]這里描述了開關(guān)微機(jī)械轉(zhuǎn)換器。在實(shí)施方式中，微電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)，或繼電器與轉(zhuǎn)換器元件集成。MEMS開關(guān)可以是串聯(lián)開關(guān)，如例如在導(dǎo)通門中，或分路開關(guān)中。在實(shí)施方式中，MEMS開關(guān)被實(shí)施在與轉(zhuǎn)換器陣列相同的基板中，或在聯(lián)結(jié)到轉(zhuǎn)換器陣列的基板的分開的基板中，以實(shí)現(xiàn)一個或多個邏輯門、位移寄存器、轉(zhuǎn)換器控制或轉(zhuǎn)換器元件尋址功能，而不是將所有這些功能歸為通過互連器耦合到轉(zhuǎn)換器陣列基板的CMOS ASICo在實(shí)施方式中，陣列的每個轉(zhuǎn)換器元件是耦合到至少一個MEMS開關(guān)的壓電元件以提供陣列內(nèi)元件級尋址。在某些實(shí)施方式中，MEMS開關(guān)使用在轉(zhuǎn)換器中使用的相同的壓電材料。在其他實(shí)施方式中，MEMS開關(guān)是電容式的、靜電或電磁的而轉(zhuǎn)換器是電容式或壓電的。
[0008]耦合到一個或多個MEMS開關(guān)的開關(guān)控制器啟動MEMS開關(guān)的一者或多者以在給定時間將感應(yīng)和/或驅(qū)動電路耦合到給定壓電轉(zhuǎn)換器元件或陣列的元件子集。在實(shí)施方式中，采樣和保持電路還可以耦合到對應(yīng)于給定通道的轉(zhuǎn)換器元件或多個元件，且可以使用MEMS開關(guān)來實(shí)現(xiàn)適用于給ASIC的輸出信號上流設(shè)定預(yù)定條件的采樣和保持功能。在一個這樣的實(shí)施方式中，采樣和保持電路包括在與轉(zhuǎn)換器陣列相同的基板中實(shí)現(xiàn)的電容。
[0009]在實(shí)施方式中，微機(jī)械轉(zhuǎn)換器陣列是2D陣列，其中耦合到單獨(dú)轉(zhuǎn)換器元件的MEMS開關(guān)被用于訪問轉(zhuǎn)換器元件的特定行，而列感應(yīng)/驅(qū)動電路被在給定時間被耦合到轉(zhuǎn)換器元件的特定列以提供元件級的復(fù)用。在這樣的實(shí)施方式中，微機(jī)械轉(zhuǎn)換器陣列的光柵掃描可以通過在2D陣列中掃描轉(zhuǎn)換器元件的η列同時掃描MEMS開關(guān)的m行來實(shí)現(xiàn)，以在給定時間將一個轉(zhuǎn)換器元件耦合到感應(yīng)和/或驅(qū)動電路。這樣，轉(zhuǎn)換器基板電路到在分開基板上以CMOS實(shí)現(xiàn)的控制和驅(qū)動/感應(yīng)電路之間的互連器能夠從mXn個通道互連器(或在正方形陣列的情況中是η2個)減少到m+n個通道互連器(或在正方形陣列情況中是2n個)。在進(jìn)一步實(shí)施方式中，較大數(shù)量的MEMS開關(guān)可以用于提供在與轉(zhuǎn)換器陣列相同的基板上實(shí)施的更復(fù)雜的邏輯門功能，而不用負(fù)雜的制造技術(shù)。例如該邏輯門功能可以實(shí)施m通道解復(fù)用行選擇器以基于選擇信號將m個轉(zhuǎn)換器行中的一者連接到輸入電壓，或可以通過陣列中一個或多個轉(zhuǎn)換器元件的移位寄存器使能加、累積、延遲采樣等來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通門可控。
[0010]在實(shí)施方式中，MEMS可開關(guān)PMUT陣列是特定的MEMS可開關(guān)壓電微機(jī)械超音速轉(zhuǎn)換器(pMUT)陣列。進(jìn)一步的實(shí)施方式包括超音速成像系統(tǒng)，其包括這種MEMS可開關(guān)的開關(guān)pMUT陣列。
【附圖說明】
[0011]本發(fā)明的實(shí)施方式通過示例以及在非限制性的附圖的方式示出:
[0012]圖1A是具有成塊的轉(zhuǎn)換器元件訪問的常規(guī)ID pMUT陣列的平面圖；
[0013]圖1B是圖1A中描繪的ID pMUT陣列的基板的截面?zhèn)纫晥D，且該基板由彈性電線耦合到控制器ASIC ；
[0014]圖1C是根據(jù)實(shí)施方式的在相同基板上與MEMS開關(guān)集成的pMUT陣列的基板的截面?zhèn)纫晥D，其由彈性電線耦合到控制器ASIC ;
[0015]圖1D是根據(jù)實(shí)施方式的pMUT陣列的第一基板聯(lián)結(jié)到MEMS開關(guān)的第二基板以形成3D集成設(shè)備的截面?zhèn)纫晥D，其通過彈性電線耦合到控制器ASIC ;
[0016]圖1E是pMUT陣列的第一基板聯(lián)結(jié)到MEMS開關(guān)的第二基板，其聯(lián)結(jié)到CMOS基板以形成完全集成的PMUT設(shè)備的截面?zhèn)纫晥D；
[0017]圖2A是根據(jù)實(shí)施方式的MEMS可開關(guān)pMUT的示意圖；
[0018]圖2B是根據(jù)實(shí)施方式包括集成的采樣和保持電路的MEMS可開關(guān)pMUT的示意圖；
[0019]圖3A是根據(jù)實(shí)施方式的MEMS可開關(guān)ID pMUT陣列的示意圖；
[0020]圖3B是根據(jù)實(shí)施方式的根據(jù)所繪時間圖隨時間在不同開關(guān)狀態(tài)的圖3A的MEMS可開關(guān)ID pMUT陣列的不意圖；
[0021]圖4A是根據(jù)實(shí)施方式的MEMS可開關(guān)2D pMUT陣列的示意圖；
[0022]圖4B是根據(jù)實(shí)施方式的MEMS可開關(guān)2D pMUT陣列的示意圖；
[0023]圖4C是根據(jù)實(shí)施方式的包括集成的采樣和保持電路的MEMS可開關(guān)pMUT的示意圖；
[0024]圖5A、5B以及5C是根據(jù)實(shí)施方式的壓電轉(zhuǎn)換器元件的截面圖，其中的一者或多者被用在MEMS可開關(guān)pMUT陣列中；
[0025]圖6是根據(jù)實(shí)施方式的在MEMS可開關(guān)pMUT陣列中使用的壓電MEMS開關(guān)元件的截面圖；以及
[0026]圖7A和7B是示出根據(jù)實(shí)施方式的獨(dú)立尋址2D陣列的轉(zhuǎn)換器元件的方法的流程圖；以及
[0027]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的使用微機(jī)械壓電陣列的印刷頭的功能框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]在以下描述中，多個細(xì)節(jié)被提出。但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員很明顯的是，本發(fā)明可以在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在一些情況中，公知技術(shù)和設(shè)備以框圖形式示出，而不是示出其細(xì)節(jié)，是為了避免使本發(fā)明主次不清。本說明書中對“實(shí)施方式”或“在一個實(shí)施方式”的引用是指與實(shí)施方式有關(guān)的描述特定特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性被包括在本發(fā)明的至少一個實(shí)施方式中。因此，在本說明書中不同地方出現(xiàn)短語“在實(shí)施方式中”不必