[发明专利]用于管腔内超声成像换能器的埋入式沟槽以及相关的设备、系统和方法

说明书

一种管腔内超声成像设备包括柔性细长构件，其被配置为被定位在患者的身体管腔内。所述柔性细长元件包括近侧部分和远侧部分。所述设备还包括设置在所述柔性细长构件的远侧部分处的超声成像组件。所述超声成像组件被配置为获得所述身体管腔的成像数据。所述超声成像组件包括换能器阵列，所述换能器阵列包括衬底、设置在所述衬底上方的氧化硅层以及设置在所述氧化硅层上的多行微机械超声换能器元件。所述多行微机械超声换能器元件中的两行由通过蚀刻形成在所述氧化硅层中的屏蔽而形成的沟槽隔开。还提供了相关联的设备、系统和方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月30日提交的美国临时申请US 62/527143和 2018年6月1日提交的美国临时申请US 62/679134的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开总体涉及微机电系统(MEMS)，并且尤其涉及超声换能器阵列及其制造方法。例如，在一些实施例中，制造超声换能器阵列的方法可以包括形成掩埋沟槽，而不必用临时填充材料来填充沟槽。

背景技术

柔性到刚性(F2R)技术是一种制造平台，其使得能够在微创导管和导丝的尖端上大量制造微型复杂的机电部件，例如传感器和成像换能器。诸如电容式微机械超声换能器(CMUT)阵列或压电微机械超声换能器(PMUT) 阵列的MEMS设备首先被制造在半导体衬底上，并且然后被转移到柔性衬底上。利用F2R技术，CMUT或PMUT阵列可以与半导体集成电路(ASIC) 和无源元件一起以各种尺寸形成在半导体衬底上。最常见的半导体衬底之一是硅衬底。由于硅是声波的良导体，因此CMUT或PMUT换能器之间的串扰可能会成为问题。串扰问题的解决方案是在由掩埋沟槽隔离的岛上形成超声换能器。

通常，形成掩埋沟槽以隔离微机械超声换能器需要用牺牲材料(例如聚合物)填充沟槽，并且在随后的步骤(例如从半导体衬底的背面选择性蚀刻的步骤)中去除牺牲材料。临时填充在沟槽中的牺牲材料在固化或硬化期间趋于收缩，并且可能在半导体衬底中引起应力，从而导致半导体衬底的不期望的弯曲或翘曲。另外，由于希望最小化沟槽的宽度以最大化用于微机械超声换能器的扫描器面积，因此用牺牲材料填充越来越小的沟槽越来越难。

发明内容

本公开的实施例提供一种在微机电系统(MEMS)设备(诸如获得患者的身体管腔的图像数据的超声换能器元件)中制造掩埋沟槽的方法。一种示例性方法包括在半导体衬底上的区域上方由氧化硅或金属线形成屏蔽，然后通过深反应离子蚀刻(DRIE)蚀刻该区域并将该屏蔽用作蚀刻掩模。通过增加DRIE的周期时间，可以在屏蔽保持原位的同时在该区域中形成基本垂直的沟槽。然后将非适形层沉积在半导体衬底上方，以在不填充沟槽的情况下封闭屏蔽中的孔，从而形成掩埋沟槽。

在示例性实施例中，提供了一种管腔内超声成像设备。所述设备包括：柔性细长构件，其被配置为定位在患者的身体管腔内，所述柔性细长构件包括近侧部分和远侧部分；以及超声成像组件，其被设置在所述柔性细长构件的远侧部分，所述超声成像组件被配置为获得所述身体管腔的成像数据，所述超声成像组件包括换能器阵列，所述换能器阵列包括：被分成多个间隔开的段的衬底，在所述衬底上设置的硬掩模层，以及在所述硬掩模层上设置的多行换能器元件，其中，所述衬底的多个间隔开的部分中的每个的至少一个侧壁包括沿彼此垂直的两个方向传播的波浪状特征。所述多个隔开的段可以彼此完全和/或部分地分开。

在一些实施例中，所述衬底包括硅，并且所述硬掩模层包括氧化硅。在一些实施例中，所述多行换能器元件的中的每行包括电容式微机械超声换能器(CMUT)元件或压电微机械超声换能器(PMUT)元件。在一些实施例中，所述超声成像组件还包括柔性互连件，所述多行换能器元件中的两行通过沟槽彼此间隔开，所述柔性互连件跨越所述沟槽，并且所述柔性互连件包括含有凹口的阵列的表面。在一些实施例中，所述设备还包括管状构件，其中，所述柔性互连件和所述换能器阵列被定位于所述管状构件的周围。