[发明专利]使用集成MEMS开关的pMUT阵列

说明书

描述了可开关微机械转换器阵列，其中微电机械系统(MEMS)开关或继电器与转换器元件单片集成。在实施方式中，MEMS开关被实施在与转换器阵列相同的基板，以实施一个或多个逻辑、寻址或转换器控制功能。在实施方式中，阵列的每个转换器元件是耦合到至少一个MEMS开关的压电元件以在阵列内提供元件级寻址。在某些实施方式中，在转换器中使用的相同的压电材料被用在MEMS开关中。

技术领域

本发明的实施方式主要涉及压电转换器阵列，且更具体地涉及微电机械(MEM)开关2D压电转换器阵列。

背景技术

转换器阵列在许多应用中被使用。例如喷墨打印机或3D打印机的印刷头是一种普遍应用。在超音速成像中也可以发现有应用转换器阵列。转换器阵列经常使用电容式或压电转换器元件。通常，压电转换器元件包括压电膜，其能够响应于时变驱动电压而发生膜的机械偏向。对于印刷头，该膜以可控制方式被驱动以喷出墨水或其他流体，对于超音速压电转换器设备来说该膜被驱动以在与转换器元件的被暴露的外表面接触的传播介质(例如，空气、水或体组织)中生成高频压波。该高频压波能够传播到其他介质。同样的压电膜还能够从传播介质接收反射的压波并将接收到的压波转变成电信号。电信号能够与驱动电压信号一起被处理以得到关于在传播介质中密度变化或弹性模数的信息。

虽然使用压电膜的许多转换器设备可以通过机械地将大压电材料切成小块或通过注塑灌注有压电陶瓷晶体的载体材料来形成，但是使用各种微机械技术(例如，材料处置，光刻图形，蚀刻特征成形等)这些设备能被有利地低价制造达到超高尺寸容差，通常称为压电微机械转换器(pMUT)，且更具体地当配置用于超音速转换时被称为压电微机械超音速转换器(pMUT)。

一维(1D)pMUT阵列较常被使用，其中n个通道被提供且n个通道中的每一个通道定址m个pMUT设备作为单总体。在阵列工作期间，n个通道中给定的一个通道处于驱动或感应模式，具有从与m个pMUT设备电并联耦合的通道施加或感应的电势。然后通过复用技术，例如时间延迟扫描来获得往/来1D阵列的n个通道的信号。

图1A示出了1D阵列100，具有在由基板101的第一维度x和第二维度y定义的区域上设置的多个通道110、120、130、140。由于n个通道中的一个通道独立于任意其他驱动/感应通道(例如120或130)，该驱动/感应通道定址元件110A、110B…110L中的每一者，这些通道的每一个通道(例如110)是可电寻址的。参考(例如接地)电极轨道通常也被发现在驱动/感应通道路径下面的平面。驱动/感应通道110、120代表1D阵列100中的重复单元，其第一驱动/感应通道110耦合到第一总线127以及邻近驱动/感应通道120耦合第二总线128以形成互相交叉的手指结构。驱动/感应通道130、140重复该互相交叉单元机构，其另外的单元形成任意尺寸的1D电极阵列(例如128个通道、256个通道等)。

完全可寻址2维(2D)压电阵列会比1D阵列带来许多技术优势。例如，在超音速成像器的情况中，三维(3D)成像成为可能。源自转换器元件级寻址提供的另外的自由度的增强功能在打印和许多其他环境中也是有优势的。但是，在2D阵列内寻址单独的pMUT设备在技术上遇到挑战，因为通道的绝对数量扩展迅速，在阵列的pMUT设备(例如印刷头、超音速转换器头等)与电控制/采样电路(通常由CMOS实现，脱离转换器基板)之间要求复杂的设备互联和多层弹性组件。作为这种架构的一个示例，图1B是在基板101上设置并由从基板101延伸到ASIC(CMOS)控制器112的弹性电线耦合的1D pMUT阵列100的截面侧视图。使用这种架构，pMUT设备阵列和/或转换器元件控制的复杂性增加导致阵列基板的开销显著。

发明内容