CN1327976C - 用于将声学元件装接到集成电路上的系统 - Google Patents
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Abstract
用于装接声学元件到集成电路的系统包括多种连接压电陶瓷或者微加工的超声换能器(MUT)元件到集成电路(IC)的方法，从而通过结合IC中的信号来减少将声学元件连接到IC所需的导体数量。在发明的另一方面，换能器元件包括一导电的声学层，声波层包含一衬垫层和/或一连接到IC的去匹配层。
Description
技术领域
本发明总体上涉及超声换能器，尤其涉及一种用于将超声换能器的声学元件装接到集成电路上的系统。
背景技术
超声换能器已应用了相当长时间，并对于非介入式的医学诊断成像非常有效。超声换能器一般由压电元件或微加工的超声换能器(MUT)元件形成。压电元件典型地由压电陶瓷比如锆酸钛酸铅(一般称作PZT)制成，多个元件布置形成换能器。MUT是通过使用已知的半导体制造技术形成，以获得一电容性的超声换能器单元，该单元大体上包括一挠性膜，该挠性膜围绕其边缘在硅基片上被支撑。通过将电极形式的接触材料施加于膜或膜的一部分上和施加于硅基片的腔底部，然后在电极上施加合适的电压信号，MUT被激励以产生合适的超声波。同理，当被电偏置时，MUT的膜可以被用来接收超声信号，通过获取反射的超声能量并将此能量转化为电偏置膜的运动，从而生成一个接收信号。
超声换能器元件可和控制电路组合在一起而形成换能器组件，该组件以电子线路板的形式进一步组装在一可能包括附加控制电子设备的外壳中，以组合成为超声探头。包含各种声匹配层、衬垫层和去匹配层的超声探头用于发射和接收经过机体组织的超声信号。
以往，将一例如压电陶瓷换能器元件或者MUT元件的这种声波传感器连接到电子控制电路需要使用很多单独的电线来将换能器阵列的每个元件连接到控制电路。就具有成百上千个元件的大换能器阵列而言，需要大量的接线。但是，大量的接线增加了超声探测器的体积和成本。对于设计为在人体内使用的超声探测器，理想的是减少超声探测器和线缆的总尺寸。一个减小探测器尺寸的方法是在一集成电路(IC)组件上设置换能器元件的电子控制线路。邻近换能器阵列的IC(集成电路)可用来发射并从很多小换能器元件接收，并且也可用来组合信号，由此减少或者消除大体积和典型地连接超声探测器元件到控制电子线路的昂贵的线缆。
在IC的上设置换能器阵列将导致更大的封装效率。不利的是，没有方便的方法来将压电陶瓷或者MUT换能器元件连接到控制电子线路。
因此，理想的是有一种方法能直接将超声换能器阵列的压电陶瓷和MUT元件连接到IC。
发明内容
本发明是一种用于将声学元件装接到集成电路(IC)上的系统。该系统提供了多种方法来将压电陶瓷或者MUT换能器元件连接到IC上，从而通过结合IC中的信号减少了将换能器阵列的每个元件连接到IC上的所需导体数量。
在发明的一方面，提出一种超声换能器探测器，包含：一探测器外壳；一超声传感器，位于该探测器外壳内并具有多个换能器元件；一集成电路，位于探测器外壳内；其特征在于，所述超声换能器探测器还包括：一重新分布层，位于该超声传感器和该集成电路之间，该重新分布层具有一包括对应于该集成电路的电路的第一表面，并具有一包括对应于该超声传感器的多个元件的电路的第二表面，其中所述重新分布层被施加在该集成电路的一个有源电路上面，并且所述重新分布层还包括用于将第一表面的电路与第二表面的电路连接的重新分布连接器。
在发明的另一方面，也提出一种超声换能器探测器，包含：一具有多个换能器元件的超声传感器，每个换能器元件包括一导电的声学层；一集成电路；其特征在于，所述超声换能器探测器还包括：重新分布层，其位于该超声传感器和该集成电路之间，该重新分布层具有一包括对应于该集成电路的电路的第一表面，并具有一包括对应于该多个超声传感器元件的电路的第二表面，其中所述重新分布层被施加在该集成电路的一个有源电路上面，并且所述重新分布层还包括用于将第一表面的电路与第二表面的电路连接的重新分布连接器。
在发明的别的方面，还提出一种超声换能器探测器，包含：一探测器外壳；一超声传感器，位于探测器外壳内并具有多个换能器元件；和一集成电路，位于该探测器外壳内，其特征在于，所述超声换能器探测器还包含：一垫片，与该集成电路有关，并布置成与所述多个超声传感器元件中每一个的位置相对应；一电接点，与该垫片和该超声传感器的每个换能器元件有关；和其中利用胶粘聚合体细线粘接将每个电接点连接到该超声传感器的多个换能器元件中的每一个上。
在发明的另一方面，也提出一种超声换能器探测器，包含：一探测器外壳；一超声传感器，位于该探测器外壳内并具有多个换能器元件；一集成电路，位于该探测器外壳内，该集成电路包括多个电垫片，其特征在于，每一个换能器元件位于仅仅一个对应的电垫片；和所述超声换能器探测器还包含：对应于电垫片的多个电接点，其中每个电接点以相应的电垫片被电气地装接到一个所述换能器元件上。
在发明的另一方面，也提出一种用来构建超声换能器探测器的方法，该方法包含以下步骤：提供一探测器外壳；提供一在该探测器外壳内的超声传感器，该超声传感器具有多个换能器元件；提供一在该探测器外壳内的集成电路；其特征在于还包括以下步骤：提供一包括重新分布连接器的重新分布层，其位于该超声传感器和该集成电路之间，该重新分布层具有一包括对应于该集成电路的电路的第一表面，并具有一包括对应于该超声传感器的多个元件的电路的第二表面；施加所述重新分布层在该集成电路的一个有源电路上面；并且通过使用所述重新分布连接器来将第一表面的电路与第二表面的电路连接。
在发明的另一方面，换能器元件包括一具有一衬垫层和/或一连接到IC的去匹配层的导电的声学层。
对于本领域的普通技术人员，本发明的其它系统、方法、特征和优点在审查下面的附图和详细说明时将是或将成为显而易见的。包括在此说明书之中的所有这些附加的系统、方法、特征和优点都在本发明范围之内，并且被后附的权利要求书所保护。
附图说明
参照附图可更好地理解由权利要求书限定的本发明。图中的元件彼此不按比例绘制，重点应放在清楚地阐明本发明的原理上。
图1是一经食管(TEE)超声探测器的截面示意图。
图2是图1超声换能器的一部分的截面示意图。
图3是图2超声换能器的一优选实施例的截面示意图。
图4是图2超声换能器的另一优选实施例的截面示意图。
图5A是图2超声换能器中IC的平面图。
图5B是二维(2D)声波传感器覆盖区域的平面图。
图5C是包括图5B换能器阵列覆盖区域的图2重新分布层的平面图。
图6A是图5AIC的一优选实施例的平面图。
图6B是一维(1D)声波传感器覆盖区域的平面图。
图6C是包括图6换能器阵列覆盖区域的重新分布层的平面图。
图7是图2所示的超声换能器的替代实施例的截面示意图。
图8A是图2所示的压电陶瓷换能器元件的截面示意图。
图8B是图8A所示的压电陶瓷换能器元件一替代实施例的截面示意图。
图9是图2所示的超声换能器另一替代实施例的截面示意图。
图10是图4所示的超声换能器替代实施例的截面示意图。
具体实施方式
以下描述的本发明可应用于连接到集成电路(IC)的压电陶瓷和微加工的超声换能器(MUT)元件。
图1是经食管(TEE)超声探测器100的截面示意图。超声探测器100包括容纳超声换能器的探测器外壳110。超声换能器包括一声波传感器120，其通常包含多个换能器阵列元件(将在下文详细说明)。换能器元件可以是压电陶瓷或者微加工的超声换能器(MUT)元件。通过一声波窗112既可以从超声探测器100发射超声能量，也可以由超声探测器100接收超声能量，该声波窗被沿探测器外壳110的表面放置，并在声波传感器120的前面。
声波传感器120通过一界面130连接到集成电路(IC)140。界面130包括一施加在集成电路140的有源电路上面的重新分布层145(在图2中显示并说明)。IC 140的有源电路可在合适的基片(图2的150)的表面上形成，并且典型地构造在一硅(Si)基片的上面。然而，其它半导体基片材料也可用来构造IC 140。IC基片被粘接到具有声波阻抗的电路板155，此声波阻抗与IC基片的声波阻抗相匹配。用薄的粘合剂将电路板155粘接在一衬垫材料160上，以防止粘接表面的声波反射。
声波传感器120典型地包括成百上千个换能器元件，并且优选的是，包括2500个超声元件。每个元件需要与超声探测器100有关的电子控制电路(未示出)电连接。IC 140组合这种电连接，由此减少超声探测器100内的单独连接的数量。
通常，为了吸收通过电路板155迁移的所有超声能量，声波衬垫160被施加在电路板155的后面。为了排出声波传感器120和IC 140的热量，散热器170被施加在声波衬垫160的后面。声波传感器120、界面130、IC 140、电路板155、声波衬垫160和散热器170构成超声换能器200。
图2是阐明图1超声换能器200的一部分的截面示意图。虽然在图2超声换能器200中被省略，一般来说存在与超声换能器200有关的一电路板(图1的155)、一声波衬垫160和一散热器170(如图1所示)。此外，匹配层和去匹配层也为了清楚起见而被省略。
超声换能器200包括一声波传感器220，在此实施例中，其包含多个压电陶瓷换能器元件，用附图标记210表示其中一个典型元件。多个压电陶瓷换能器元件210布置成一阵列，该阵列典型地包括成千上万个单独的换能器元件，并且在一优选实施例中，其包括2500个元件。每个压电陶瓷换能器元件210包括一元件金属化层212a，如图所示地施加于上表面。元件金属化层212a为每个元件210提供电气接地连接。该接地连接典型地包括将每个元件210连接到一合适的电气接地的导体上(未示出)。依据发明的一个方面，每个压电陶瓷换能器元件210通过一重新分布层145被连接在与IC 140有关的有源电路218上。重新分布层145可施加在有源电路218、IC垫片和位于IC 140上的模钝化层214的上面，用附图标记224表示其中一个典型的IC垫片。IC基片150和有源电路218构成IC 140。模钝化层214施加在有源电路218和IC垫片224的上面，把IC垫片224暴露出来。
重新分布层145包括多个重新分布的导体，用附图标记222表示其中一个典型导体，其通过IC垫片224和有源电路218相接触。重新分布层145还包括一通过IC垫片224施加在重新分布导体222和模钝化层214上面的辅助钝化层216。重新分布导体222通过IC垫片224将有源电路218的连接重新分布在对应于每个压电陶瓷换能器元件210的合适的位置上。重新分布导体222是将每个IC垫片224连接到各自的金属接点232的导电材料，并用精细迹线IC技术形成。每个金属接点232对应一压电陶瓷换能器元件210。
模钝化层214和辅助钝化层216可以由例如二氧化硅或者聚合体形成，但并非局限于这两种材料。重新分布层145帮助减少有源电路218和换能器元件210之间的电容耦合。一附加钝化层(未示出)可施加在模钝化层214和重新分布导体222之间来进一步减少有源电路218和换能器元件210之间的电容耦合，并可施加于其它所讨论的实施例。此外，辅助钝化层216帮助将IC基片150的上面因有源电路218的形成而造成的凹凸不平的表面变平坦。
在一实施例中，每个压电陶瓷换能器元件210利用一导电元件228连接到各自的金属接点232。导电元件228在金属接点232和一施加在每个压电陶瓷换能器元件210下侧的元件金属化层212b之间形成一电连接，例如，导电元件可以是焊球或者焊块。这样，实现了压电陶瓷换能器元件210和有源电路218之间的电连接。虽然在图2中用焊块作为导电元件228，其它多种技术可用于将金属接点232与每个压电陶瓷换能器元件210的元件金属化层212b进行电连接。例如，除了焊块以外，也可用金块。进一步，导电胶或者导电聚合体块也可用来连接金属接点232到元件金属化层212b。更进一步，如下文将对图4的说明，一已知为“细线粘接”的技术可用于元件金属化层212b直接连接到金属接点232，以导致一直接的电阻连接。在此实施例中，在元件金属化层212b和金属接点232细线粘接之前，辅助钝化层216的表面和金属接点232可被可选地磨平，或平面化，以便将重新分布层145和集成电路140的表面变平。
胶粘材料226填充每个导电元件228之间的间隙以及每个压电陶瓷换能器元件210和辅助钝化层216之间的空间。胶粘材料226典型地不导电，并可以是多种胶，例如环氧树脂这样的胶，但不局限于环氧树脂。胶粘材料226也可以作为去匹配材料，起到声波反射器的作用。
超声换能器200典型地由在IC 140的有源电路218上面形成辅助钝化层216和金属接点232而构建。导电元件228随后沉积在金属接点232上。胶粘材料226随后沉积，并且形成换能器元件210的材料被粘接到辅助钝化层216，在元件金属化层212b和导电元件228之间导致一电连接。接着，通过去除形成换能器元件210的一部分材料以及元件金属化层212a和212b来形成换能器元件210。例如，可用一钻石轮划片机来切割换能器元件210，在划片机接触金属化层212b之前停止。换能器元件210的剩余材料和金属化层212b可被除去，例如，用激光烧掉。所产生的划片机切口215形成了独立的换能器元件210，并去除了换能器元件210之间的电连接。
图3是图2超声换能器200的一替代实施例的截面示意图。图3超声换能器300包括一声波传感器320，其包含多个MUT元件310。MUT元件310在MUT基片330上形成。每个MUT元件310包括一个或多个MUT单元(未示出)。如果一个以上的MUT单元用来形成MUT元件310，形成MUT元件的MUT单元通常是连接起来的。如本领域普通技术人员所知，可通过使用半导体设备处理技术在诸如硅的基片330上构造MUT元件310。每个MUT元件310包括一电气接地连接(未示出)，其典型地延伸到每个MUT元件310表面的上面。接地连接典型地包括一连接每个MUT元件310到合适的电气接地的导体(未示出)。
依据发明的一方面，每个MUT元件310包括一个或多个小直径孔，称作通孔，用附图标记325表示其中一个典型通孔。通孔325穿过MUT基片330并与每个MUT元件310接触。每个通孔325被掺杂质而导电，由此提供对每个MUT元件310的电连接。依据发明的这个方面，每个MUT元件310被放置在邻近通孔325的位置。每个通孔325穿过MUT基片330并与一个导电元件328接触。这样，导电通孔325将MUT元件310电耦合到导电元件328。应该注意的是，上文提到的图2中的优选的所有导体元件也可施加于图3。每个导体元件328与各自的金属接点332相接触。每个金属接点332与各自的重新分布导体322连接，依次与各自的IC垫片324连接。每个IC垫片324接触有源电路318的一部分。这样，位于IC 340上的有源电路318通过重新分布导体322与导电元件328和每个MUT元件310相接触。胶粘材料326填充每个导电元件328之间的间隙以及MUT基片330和辅助钝化层316之间的空间。胶粘材料326典型地不导电，并与上文所述的胶粘材料226类似。
图4是阐明图2超声换能器200的另一实施例的截面示意图。图4的超声换能器400包括一声波传感器420，其在此例中包括多个压电陶瓷换能器元件，用附图标记410表示其中一个典型元件。每个压电陶瓷换能器元件410包括一如图所示地施加在上表面的元件金属化层412a。元件金属化层412a为每个元件410提供电气接地连接。该接地连接典型地包括一导体(未示出)，其将每个元件410连接到合适的电气接地部。每个压电陶瓷换能器元件410还包括一如图所示地施加在下侧的元件金属化层412b。元件金属化层412b使得在压电陶瓷换能器元件410和金属接点432之间形成直接的电接点。如上文提到的，这种连接典型地称作“细线粘接”。细线粘接利用一粘性聚合体材料来将金属接点432机械地连接到压电陶瓷换能器元件410的元件金属化层412b的暴露表面。之所以能实现细线粘接，是因为在元件金属化层412b的暴露表面和金属接点432上存在细微的表面粗糙度。此细微的表面粗糙度在金属接点432和元件金属化层412b之间提供直接电阻连接。金属接点432通过重新分布导体422连接到IC垫片424。IC垫片424连接到位于IC 440上的有源电路418。重新分布层445包括重新分布导体422和一辅助钝化层416，与上文所述的辅助钝化层216类似。
与图2超声换能器200类似，超声换能器400典型地通过在IC 440的有源电路418和IC垫片424之上形成辅助钝化层416和金属接点432而被构建成。辅助钝化层416的暴露表面和金属接点432的某些部分可被磨平，或被平面化。
胶426随后沉积，并且形成换能器元件410的材料被粘接到辅助钝化层416，在元件金属化层412b和金属接点432之间导致一细线粘接电连接。换能器元件410于是通过去除一部分形成换能器元件410的材料以及元件金属化层412a和412b而形成。如上文所述，可使用一钻石轮划片机来切割换能器元件410，在划片机接触金属化层412b之前停止。换能器元件410剩余的材料和金属化层412b随后被去除，例如，用激光去除。所产生的划片机切口415形成了独立的换能器元件410，并去除换能器元件410之间的电连接。
图5A是阐明图2的IC 140的平面图。IC 140包括多个IC垫片，用附图标记224表示其中一个典型IC垫片。IC垫片224连接到有源电路218并对应于图2的IC垫片224。
图5B是阐明二维声波传感器覆盖区域500的平面图。为了简化，换能器阵列覆盖区域500表示16个换能器元件，用附图标记510表示其中一个典型元件，布置为4×4的阵列。然而，一典型的换能器阵列包括成百上千个换能器元件。
图5C是阐明图2的重新分布层145的平面图，其包括用虚线表示的图5C中的换能器阵列覆盖区域500。每个重新分布导体222将一个IC垫片224连接到换能器阵列覆盖区域500的一个换能器阵列元件510。在重新分布层145上的重新分布导体222在IC垫片224与每个各自的换能器阵列元件510之间形成电连接。相应地，换能器阵列覆盖区域500和有源电路218的设计可被独立地优化，并且每个换能器阵列元件510连接到有源电路218合适的部分。
图6A是阐明图5A的IC的一替代实施例的平面图。IC 640包括多个IC垫片，用附图标记624表示其中一个典型IC垫片。IC垫片624连接到有源电路618。
图6B是阐明一维声波传感器605的一个覆盖区域的平面图。声波传感器605包括多个换能器元件，用附图标记610表示其中一个典型元件，布置为1×8的阵列。
图6C是阐明图5A的重新分布层145的一替代实施例的平面图。重新分布层645包括图6B声波传感器605。每个重新分布导体622将一个IC垫片624连接到声波传感器605的一个换能器阵列元件610。进一步，在图6C中，点线表示在图6B中显示的声波传感器605的轮廓。这样，在重新分布层645中的重新分布导体622在IC垫片624和每个各自的换能器阵列元件610之间形成电连接。相应地，声波传感器605和有源电路618的设计可被独立地优化，并且每个换能器元件610连接到有源电路618合适的部分。
图7是阐明图2超声换能器200的一替代实施例的截面示意图。超声换能器700包括一声波传感器720，其包含多个压电陶瓷换能器元件，用附图标记710表示其中一个典型元件。每个压电陶瓷换能器元件710包括一施加于如图所示的上表面的元件金属化层712a。元件金属化层712a为每个元件710提供电气接地连接。该接地连接典型地包括一将每个元件710连接到合适的电气接地部的导体(未示出)。每个压电陶瓷换能器元件710还包括一施加于如图所示的每个压电陶瓷换能器元件710下侧的元件金属化层712b。在图7所示的实施例中，每个导电元件728是一导电聚合体块，其被磨平，或被平面化，然后如图所示用一金属化层719使其金属化。胶层726也被平面化和金属化。每个导电元件728被放置在各自的金属接点732的上面。在每个压电陶瓷换能器元件710下侧的元件金属化层712b被细线粘接到施加在每个导电元件728上面的金属化层719。
重新分布层745包括重新分布导体722和一辅助钝化层716，其与上文所述的辅助钝化层216类似。
每个金属接点732通过各自的重新分布导体722连接到各自的IC垫片724。IC垫片724连接到位于IC 740上的有源电路718。辅助钝化层716与压电陶瓷换能器元件710上的元件金属化层712的暴露表面之间的间隙用一层胶层726填充。胶层726与上文所述的胶粘材料226类似。如上文所述，可用一钻石轮划片机切割换能器元件710，在划片机接触到金属化层712b之前停下来。换能器元件710的剩余材料和金属化层712b可被去除，例如用激光去除。所产生的划片机切口715形成了独立的换能器元件710，并去除换能器元件710之间的电连接。
图8A是阐述一个图2所示的压电陶瓷换能器元件的截面示意图。压电陶瓷换能器元件800包括位于压电陶瓷元件806上的第一匹配层802和第二匹配层804。匹配层802和804有导电性，并且一般包括一施加在匹配层802上面的金属化层801。匹配层802和804帮助将压电陶瓷元件806的声波阻抗(约30兆瑞利(MRayl))与病人的声波阻抗(约1.5 MRayl)相匹配。Mrayl是声波阻抗的一个度量单位。
例如，通过使用匹配层802和804，在1/4波的方案中，病人的1.5Mrayl声波阻抗可被很接近地与压电陶瓷元件806的30 Mrayl声波阻抗相匹配。另外，压电陶瓷元件806的声波阻抗可通过使用合成的压电陶瓷材料构造元件806来改变，而不是使用纯的压电陶瓷元件。
依据发明的另一方面，一层导电声波材料被粘接在压电陶瓷元件806上与匹配层804相对的表面。在一实施例中，导电声波材料是粘接到如图所示的压电陶瓷元件806的去匹配层808。去匹配层808起声波反射器的作用，并可以是一高阻抗的去匹配层，例如由碳化钨构造成，该层具有一钴粘合剂或镍粘合剂，并具有约80到100Mrayl的声波阻抗。另外，一低阻抗去匹配层由例如聚合体或聚合体混合物构造，例如声波阻抗约为3Mrayl的环氧树脂和诸如声波阻抗约为4.5Mrayl的环氧树脂银的环氧树脂金属。例如，导电去匹配层808可能为碳化钨，具有与80到100Mrayl相似的声波阻抗。这样，高阻抗去匹配层808向压电陶瓷元件806反射声波能量，其声波阻抗约为33Mrayl。去匹配层808被粘接到IC840，其声波阻抗与19Mrayl相似。去匹配层的两个表面都反射波，如本领域普通技术人员所了解。穿过去匹配层808的少量能量被传送进入IC基片850、电路板855并进入衬垫860，并被吸收。电路板855和衬垫860都与IC基片850的声波阻抗相匹配。
如本领域普通技术人员所了解的，除了与上文所述的界面130类似的界面830，图8A中所有元件使用声学粘合剂装接。IC 840与上文所述的IC 140类似，并可通过界面830连接到去匹配层808，界面830与上文所述的界面130类似。
或者，导电去匹配层808可能是一层环氧树脂银，其具有与4.5Mrayl相似的声波阻抗。在此实施例中，低阻抗去匹配层808向一声波阻抗约为33Mrayl的压电陶瓷元件806反射声波能量。去匹配层808被粘接到IC840，具有与19Mrayl相似的声波阻抗。去匹配层808的两个表面都反射波，如本领域普通技术人员所了解。穿过去匹配层808的少量能量被传送进入IC基片850、电路板855和进入衬垫860，并被吸收。电路板855和衬垫860与IC基片850的声波阻抗相匹配。如本领域普通技术人员所已知的，可在交变声波阻抗中加入一附加的去匹配层来减少通过IC840、电路板855传送并进入衬垫860的声波能量。
图8B是阐明图8A压电陶瓷换能器元件800的另一实施例的截面示意图。换能器元件810包括一匹配层812，其被施加在金属化层811的上面。匹配层812被施加在压电陶瓷元件814的上面，其具有约33Mrayls的声波阻抗。压电陶瓷元件814的声波阻抗被接近地与IC基片850的声波阻抗相匹配。在一些情况中此构形是理想的，因为它提供更大的工作带宽。换能器元件810也可能用一合成聚合体和压电陶瓷元件814构造成，其具有与IC基片850的声波阻抗相匹配的声波阻抗。
另一构形是将换能器元件放置在具有导体的衬垫上，此导体在IC的重新分布层的上面。这种包括导体的衬垫披露于共同转让的名称为“用于声波换能器阵列的衬垫”、授权给Miller等人的美国专利No.5,267,221。
如本领域普通技术人员所已知的，除了与上文所述的界面130类似的界面830，所有图8B中的元件用声学粘合剂装接。
在此实施例中，施加于电路板855的导电的声学层是一衬垫层816。衬垫层816起声波吸收材料的作用，由此吸收在IC840和电路板855中移动的所有声波能量。此外，图8A的去匹配层808可与图8B的衬垫层816结合，来达到所希望的压电陶瓷换能器元件800的声波性能。
图9是阐明图2超声换能器200的另一替代实施例900的截面示意图。超声换能器900包括一声波传感器920，其在此实施例中包含多个压电陶瓷换能器元件，用附图标记910表示其中一个典型元件。多个压电陶瓷换能器元件910布置为一阵列，一般包括成千上万个单独的换能器元件，并且在一替代实施例中，包括2500个元件。每个压电陶瓷换能器元件910包括一施加于如图所示的上表面的元件金属化层912a。该元件金属化层912a对于每一元件910设置有电接地连接。元件金属化层912a包括一将每个元件910连接到合适的电气接地的导体(未示出)。依据发明的一方面，每个压电陶瓷换能器元件910通过一模钝化层914连接到与IC 940有关的有源电路918，在模钝化层914中金属接点932被直接连接到IC垫片924，由此省去了上文提到的重新分布导体。模钝化层914可施加在有源电路918和IC垫片的上面，用附图标记924表示其中一个典型IC垫片。模钝化层914可用例如二氧化硅或聚合体的材料来形成。
每个IC垫片924与有源电路918的一对应部分和金属接点932下侧有电接点。如图9所表示，上文提到的重新分布导体和辅助钝化层被省略，因为换能器元件910各自在相应的IC垫片924的上面对齐。
在一实施例中，每个压电陶瓷换能器元件910用一导电元件928连接到各自的金属接点932。导电元件928可以是焊块，例如在金属接点932和一施加于每个压电陶瓷换能器元件910下侧的元件金属化层912b之间形成电接点的焊块。这样，在压电陶瓷换能器元件910和有源电路918之间可实现电接点。虽然在图9中用焊块表示导电元件928，上文提到的与图2有关的其它多种技术可用于将金属接点932电连接到每个压电陶瓷换能器元件910的元件金属化层912b。
胶粘材料926填充每个导电元件928之间的间隙和每个压电陶瓷换能器元件910和模钝化层914之间的空间。胶粘材料926典型地不导电，并可以是多种胶，例如环氧树脂这样的胶，但并不局限于环氧树脂。
超声换能器900典型地通过在IC 940上的有源电路918的上面形成模钝化层914和金属接点932而构建。导电元件928随后沉积在金属接点932的上面。胶粘材料926随后沉积，并且形成换能器元件910的材料被粘接到模钝化层914，在元件金属化层912b和导电元件928之间导致一电连接。换能器元件910于是通过去除一部分形成换能器元件910的材料和元件金属化层912a和912b而形成，例如，如上文所述的切割或激光烧的方法去除。
图10是阐明图4超声换能器400的一替代实施例1000的截面示意图。图10的超声换能器1000包括声波传感器1020，在此例中包括多个压电陶瓷换能器元件，用附图标记1010表示其中一个典型元件。每个压电陶瓷换能器元件1010包括一施加于如图所示的上表面的元件金属化层1012a。元件金属化层1012a提供一将每个元件1010连接到合适电气接地部的导体(未示出)。每个压电陶瓷换能器元件1010还包括一施加于如图所示的下侧的元件金属化层1012b。元件金属化层1012b允许在压电陶瓷换能器元件1010和金属接点1032之间形成直接的电接点。如上文所提到的，这个连接通常称作“细线粘接”。细线粘接一般由一胶聚合体将金属接点1032直接电气地连接到压电陶瓷换能器元件1010的元件金属化层1012b的暴露表面。因为元件金属化层1012b的暴露表面和金属接点1032上存在细微的表面粗糙度，实现细线粘接。此细微的表面粗糙度在金属接点1032和元件金属化层1012b之间提供一直接的电阻连接。
金属接点1032直接连接到IC粘接垫片1024上，无需利用上文所述的重新分布导体。IC垫片1024连接到位于IC 1040上的有源电路1018。辅助钝化层1016的表面和一部分金属接点1032被磨平，或平面化，并被金属化来将IC 1040的表面变平，并且提供一平滑表面，在上面装接换能器元件1010。
超声换能器1000典型地由在有源电路1018的上面直接形成IC粘接垫片1024而构建。金属接点1032于是形成在IC粘接垫片1024的上面，并且模钝化层1014和辅助钝化层1016于是形成在有源电路1018和IC 1040的IC垫片1024的上面。辅助钝化层1016的暴露表面和金属接点1032的某些部分被磨平，或平面化并且金属化。元件金属化层1012b于是被细线粘接到辅助钝化层1016的平面化表面，在元件金属化层1012b和金属接点1032之间形成一细线粘接电连接。换能器元件1010于是通过用例如上文所述的切割或者激光烧的方法去除一部分形成换能器元件1010的材料和元件金属化层1012a和1012b而形成。
对于本领域的普通技术人员而言，很明显，在未脱离本发明的原理的情况下可针对本发明做很多如上文所阐明的那样的变型和变化。例如，本发明可以和压电陶瓷和MUT换能器元件一起使用。而且，本发明可应用到不同的基片材料上，例如包括硅和锗。所有这种变型和变化意在包含在此。
Claims (12)
1.一种超声换能器探测器，包含：
一探测器外壳；
一超声传感器，位于该探测器外壳内并具有多个换能器元件；
一集成电路，位于探测器外壳内；
其特征在于，所述超声换能器探测器还包括：
一重新分布层，其位于该超声传感器和该集成电路之间，该重新分布层具有一包括对应于该集成电路的电路的第一表面，并具有一包括对应于该超声传感器的多个元件的电路的第二表面，其中所述重新分布层被施加在该集成电路的一个有源电路上面，并且所述重新分布层还包括用于将第一表面的电路与第二表面的电路连接的重新分布连接器。
2.根据权利要求1所述的换能器探测器，其特征在于，该超声传感器和该重新分布层被构形成一维阵列或二维阵列。
3.根据权利要求1所述的换能器探测器，其特征在于，该超声传感器包含一微加工的超声换能器，并且该重新分布层通过使用从焊块、金块、导电胶粘聚合体块和胶粘聚合体细线粘接之中的至少一种来连接到该超声传感器上。
4.根据权利要求3所述的换能器探测器，其特征在于，该超声传感器包含一微加工的超声换能器，并且该微加工的超声换能器还包括一与多个微加工的超声换能器元件中每一个有关的导电通孔，该导电通孔构形成在该微加工的超声换能器元件和重新分布层的第二表面之间提供电连接。
5.根据权利要求1所述的换能器探测器，其特征在于，还包含一位于该超声传感器和该重新分布层之间的不导电胶粘材料，并且该不导电胶粘材料是去匹配层。
6.一种超声换能器探测器，包含：
一具有多个换能器元件的超声传感器，，每个换能器元件包括一导电的声学层；
一集成电路；
其特征在于，所述超声换能器探测器还包括：
重新分布层，其位于该超声传感器和该集成电路之间，该重新分布层具有一包括对应于该集成电路的电路的第一表面，并具有一包括对应于该多个超声传感器元件的电路的第二表面，其中所述重新分布层被施加在该集成电路的一个有源电路上面，并且所述重新分布层还包括用于将第一表面的电路与第二表面的电路连接的重新分布连接器。
7.根据权利要求6所述的换能器探测器，其特征在于，该导电的声学层是衬垫层。
8.根据权利要求6所述的换能器探测器，其特征在于，该导电的声学层是去匹配层。
9.根据权利要求1-8之一所述的超声换能器探测器，
其特征在于，所述超声换能器探测器还包含：
与该集成电路有关的多个垫片，布置成分别与所述多个超声传感器元件的位置相对应；
与该垫片和该超声传感器的换能器元件分别有关的多个电接点；和
其中，利用胶粘聚合体细线粘接将每个电接点连接到该超声传感器的多个换能器元件中的每一个上。
10.根据权利要求9所述的换能器探测器，其特征在于，还包含一钝化层，施加在该导体上并使电接点暴露，其中该钝化层和该电接点被平面化，以使该集成电路的表面变平。
11.根据权利要求9的换能器探测器，其特征在于，每个电接点通过使用从焊块、金块、和导电胶粘聚合体块之中的至少一个来连接多个换能器元件中每一个。
12.一种用来构建超声换能器探测器的方法，该方法包含以下步骤：
提供一探测器外壳；
提供一在该探测器外壳内的超声传感器，该超声传感器具有多个换能器元件；
提供一在该探测器外壳内的集成电路；
其特征在于还包括以下步骤：
提供一包括重新分布连接器的重新分布层，其位于该超声传感器和该集成电路之间，该重新分布层具有一包括对应于该集成电路的电路的第一表面，并具有一包括对应于该超声传感器的多个元件的电路的第二表面；
施加所述重新分布层在该集成电路的一个有源电路上面；并且
通过使用所述重新分布连接器来将第一表面的电路与第二表面的电路连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070725 Termination date: 20200726 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |