高频CMOS超声换能器的制作方法

高频cmos超声换能器
技术领域
1.本技术涉及在互补金属氧化物半导体(cmos)集成电路内形成的高频超声换能器。


背景技术：

2.超声换能器和传感器是声学设备，该设备分为三大类：发射器、接收器和收发器。发射器将电信号转换为超声，接收器将超声转换为电信号，并且收发器既可以发射也可以接收超声。
3.超声换能器用于通过解释反射的信号(类似于雷达)来评估目标的系统。发射信号包括短突发(bursts)的超声能量。在每个突发后，电子设备在与能量通过介质所需的时间相对应的小时间窗口内寻找返回信号。只有在此时段期间接收到的信号将用于附加信号处理。
4.医疗超声换能器(探头)有各种不同的形状和大小，用于制作身体各个部位的横截面图像。换能器可以在表面之上经过并与身体接触。超声换能器的阵列可以用于感测指纹以控制访问，诸如笔记本电脑或移动电话。
5.超声传感器广泛用于汽车作为停车传感器，以帮助驾驶员倒车进入停车位。它们正在为许多其他汽车用途进行测试，其包括超声人员检测和协助自主uav导航。


技术实现要素：

6.在所描述的cmos ic的示例中，具有端子的超声换能器形成在ic的衬底上。具有超声信号端子的cmos电路系统形成在衬底上。至少一个金属互连层覆盖超声换能器和cmos电路系统。至少一个金属互连层将cmos电路系统超声信号端子连接到超声换能器的端子。
7.附图图示
8.图l是包括使用铁电电容器(fecap)作为存储元件的存储器单元的集成电路(ic)的横截面图。
9.图2a、图2b是用于形成超声换能器的一行fecap的相应俯视和侧视横截面图。
10.图3是图示在fecap周围的模拟电场的单个模拟fecap的横截面图。
11.图4是图3的fecap结构内的各种模式的分散(dispersion)绘图。
12.图5是图示一行fecap内的模拟振荡的横截面图。
13.图6是图示频率对fecap节距的导引模式操作的绘图的分散绘图。
14.图7是图示由一行fecap形成的超声谐振器的模拟操作的横截面图。
15.图8是图示由一行fecap形成的超声发射器的模拟操作的横截面图。
16.图9是耦合到水滴的fecap超声换能器的横截面图。
17.图10a、图10b、图10c是各种示例fecap连接的示意图。
18.图11是示例fecap超声换能器的俯视图。
19.图12是示例封装的fecap超声换能器的横截面图。
20.图13是图示cmos ic上的超声发射器的操作的流程图。
具体实施方式
21.在附图中，相同的元件由相同的附图标记表示以保持一致。
22.压电微机械超声换能器(pmut)阵列技术目前用于为医疗应用执行超声成像，以拍摄诸如肌肉、内脏、血流、胎儿观察等软组织的图像。微机电系统(mems)的改进已经产生出基于板弯曲模式的超声换能器，与常规大型厚度模式pzt传感器相比，其带宽、成本和产量都有良好的改进。然而，目前可用的基于pmut的换能器由于其弯曲模式的限制而具有有限的操作频率，通常在2-14mhz的范围内。低频操作导致低分辨率图像。此外，这些阵列通常在衬底上制造，然后将其键合到互补金属氧化物半导体(cmos)集成电路(ic)，该集成电路包括用于控制阵列的电子设备。这导致复杂的封装和集成问题。
23.铁电随机存取存储器(fram)是一种非易失性存储器技术，其行为类似于dram(动态随机存取存储器)。可以访问每个单独的位，但与eeprom(电可擦可编程只读存储器)或闪存不同，fram不需要专门的序列来写入数据，也不需要较高的编程电压。每个铁电存储器单元包含一个或多个铁电电容器(fecap)。由于铁电材料的晶体结构中形成的半永久电偶极子的影响，铁电电容器的介电常数通常远高于线性电介质的介电常数。当在铁电电介质两端施加外部电场时，偶极子倾向于将自身与场方向对齐，这是由原子的位置的微小偏移产生的，导致晶体结构中电荷分布的偏移。原子位置中的这些微小转移会产生压电效应。
24.铁电性是具有自发电极化的某些材料的特性，该自发电极化可以通过施加外部电场来逆转。铁电材料通常为单晶或多晶形式，并且在一定温度范围内具有可逆的自发极化。一种已知的铁电材料是锆钛酸铅(pzt)，它是铁电钛酸铅和反铁电锆酸铅之间形成的固溶体的部分。不同的成分用于不同的应用；对于存储器应用，优选pzt在成分上更接近于钛酸铅，而压电应用利用与被发现接近50/50成分的准同型相界相关联的发散压电系数。
25.如将在下文中更详细描述的，fecap可以用作在cmos ic本身内部生成应力和应变以形成超声换能器设备并由此消除对单独阵列衬底的需要的构件。fecap的周期性阵列被布置以创建声学波导，该声学波导可以沿着cmos管芯的前道工序(feol)层导引生成的波。feol是ic制造的第一部分，其中在半导体中图案化各个设备(晶体管、电容器、电阻器等)。feol通常涵盖所有内容，但不包括金属互连层的沉积。金属层和中间电介质层和通孔的沉积在后道工序(beol)处理期间执行。
26.通过调整阵列中的fecap的尺寸，可以操纵波导特性以创建反射器和辐射器，帮助导引由fecap的阵列的压电活动产生的声学波。换能器可以在发射模式和/或接收模式下操作。fecap阵列可以产生真正集成在cmos技术中的非常高频超声换能器，用于高分辨率短程应用。以下描述的示例在高达700 mhz的频率下操作。
27.图1是现有技术集成电路100的部分的横截面图，集成电路100包括使用铁电电容器(fecap)110作为存储元件的存储器单元。铁电随机存取存储器已经以若干配置实施。feram阵列中的一个晶体管一个电容器(1t-1c)存储单元设计在构造上与广泛使用的dram中的存储单元相似，因为这两种单元类型都包括一个电容器和一个存取晶体管。在dram单元电容器中，使用线性电介质，而在feram单元电容器中，电介质结构包括铁电材料，通常是锆钛酸铅(pzt)。
28.fecap 110表示被包括在ic 100中的大量fecap。fecap 110具有由导电层图案化的底板104和顶板106。电介质pzt材料108夹在下板104和上板106之间以形成电容器配置。
通孔102将导电信号线103连接到下板104。通孔112将第一金属层114中的导电信号线连接到上板106。第二金属层116提供附加信号路由层，该附加信号路由层利用通孔(未示出)互连到第一金属层114中的信号线。
29.图2a是cmos ic 200的部分的俯视横截面图，cmos ic 200包括作为在cmos ic 200内制造的超声换能器使用的fecap行。图2b是cmos ic 200的部分的侧视横截面图。fecap 210表示被包括在ic 200中的fecap的线性阵列。fecap 210具有由导电层图案化的底板204和顶板206。铁电pzt材料208夹在下板204和上板206之间以形成电容器配置。通孔202将导电信号线203连接到下板204。通孔212将接触件214以及因此第一金属层中的导电信号线215连接到上板106。第二金属层中的接触件216提供附加信号路由层，该附加信号路由层利用通孔(未示出)互连到第一金属层中的信号线。
30.fecap 210的线性阵列沿轴线220形成。每个fecap 210具有宽度(w)224和长度(l)222。fecap的线性阵列被布置成具有节距(p)225。fecap的阵列布置成使得每个fecap 210的长度222垂直于轴线220。如下文将更详细地描述，选择线性阵列中的fecap的相应宽度和节距以在线性阵列的中心部分产生超声波，防止超声波从线性阵列的一端分散，并导致超声波从线性阵列的另一端“泄漏”或分散从而形成超声发射器。在该示例中，长度l为10μm。在另一个示例中，对于对应的信号强度，l可以更大或更小。
31.在该示例中，衬底230是体硅。在衬底230的顶部上形成n 阱和p 阱，为cmos晶体管注入提供区域。在cmos ic 200的feol处理期间，fecap 210也使用已知的或以后开发的制造技术在n阱层231上形成。接触件214、216和通孔212是在cmos ic 200的beol处理期间使用已知的或以后开发的制造技术形成的。在该示例中，二氧化硅层232、233、234在第一金属层和第二金属层以及诸如接触件214、216的接触件周围和之间提供电绝缘。在其他示例中，可以在多个金属层之间使用各种类型的已知或后来开发的互连电介质层。
32.fecap 210是在cmos ic 200的feol处理期间使用已知的或后来开发的制造技术制造的。形成底板204的第一导电层可以沉积在衬底200上。然后将形成fecap的铁电层沉积在第一导电层之上。然后在铁电层之上沉积第二导电层。然后执行蚀刻工艺以形成fecap的线性阵列的各个板。在另一个示例中，可以单独地对每一层进行图案化和蚀刻。在该示例中，形成fecap的线性阵列的板的第一导电层和第二导电层是金属合金。
33.图3是单个模拟fecap 310的横截面图，单个模拟fecap 310图示了fecap周围的模拟电场。为了更好地理解基于fecap的超声换能器的操作，使用数值有限元法(fem)模拟工具对类似于图2a、图2b的fecap 210的结构执行了模拟。二维(2d)和三维(3d)fem模拟工具可从多家供应商处购得。
34.在该示例中，模拟单位单元300包括模拟选择的feol cmos工艺的机械和材料属性的区域337，以模拟fecap 310的结构，fecap 310包括下板304、上板306、pzt层308和通孔302。区域337还模拟选择的beol cmos工艺的机械和材料属性，以模拟通孔312、318和接触件314、316的结构。区域337还模拟围绕通孔和接触件的电介质层，诸如图2b的层232、233、234。最后假设选择的cmos工艺的常规ic钝化工艺(二氧化硅、氮化硅等)。fecap310具有宽度324和针对相邻fecap的节距325。对于该模拟，fecap 310的长度垂直于视图并且被认为是无限地进出视图的平面。
35.区域338、339表示“完全匹配层”(pml)，它们被添加以允许在假定的无限延伸平面
中研究由fecap 310产生的超声辐射的模拟行为。pml 338、339具有与它们相邻的337的区域匹配的相应模拟属性。在该示例中，pml 338与fecap 310上方的区域337的电介质匹配，而pml 339与fecap 310下方的硅衬底匹配。
36.由于目标是模拟谐振器，因此左侧上的波必须与以恒定相移与右侧上的波相关。因此，波矢量时间间隔(节距325)必须是常数值。在给定恒定相移的情况下，执行多个特征频率模拟以找出结构中所有可能的传播模式。依据相移、频率和材料属性，形成各种行波和倏逝波。倏逝场或倏逝波是不传播但其能量在空间上集中在源附近的振荡场。阴影区域335、336图示了倏逝场。模拟结果可以通过分散绘图来图示。
37.图4是图3的fecap结构内的各种模式的分散绘图。在该绘图中，k
x
是x方向上的波矢量，“a”是结构的周期。当k
x
乘以“a”等于π时，则单位单元的左边界和右边界之间存在180度偏移。当k
x
乘以“a”等于0时，则存在0度相移。
38.可以在固体中传播的波有两种：纵波和剪切波。纵波具有比剪切波快的声速。每种类型的波将具有自己的音锥。因此，一个声锥401对于体硅中的纵波具有陡峭斜率，一个声锥对于体硅中的剪切波具有稍微更浅的斜率，并且两个类似锥对于层间电介质具有较低斜率。
39.在该绘图中，声锥区401表示可以传播到形成衬底(诸如图2中的衬底230)的体硅中的所有纵波。声锥区402表示可以在体硅中传播的剪切波。声锥区403表示可以在氧化物(诸如图2中的电介质层232、233、234)中传播的所有纵波。声锥区404表示可以在电介质层中传播的剪切波。区域404具有较浅的斜率，因为氧化物中的声速低于硅中的声速。在区域404下方的区域405中，平面波不能传播到体硅中，但它们可以传播到电介质中。声速(c)设置定义每个区域(声锥)401、404的线的斜率。每个线由表达式(1)描述。
40.ω＝ck
x
ꢀꢀꢀ
(1)
41.在区域404下方的绘图线406表示不能传播到体硅中也不能传播到电介质中的波。因此，该模式创建了“陷”模，在本文中称为“导引模式”。fecap为非常特定的频率创建了“慢波”结构。该模式线不能传播到体硅或体电介质中，因为它具有慢得多的波速率。在该模拟示例中，特定导引模式频率大约为700mhz，如408所示，其中k
x
a＝π。
42.导引模式绘图线406所示的结果类似于光学中的斯涅尔定律，该定律定义了当光线穿过分隔具有不同光速的两种介质的边界时的折射角。在这种情况下，由于氧化物和硅具有不同的声速，因此在导引模式频率下，从fecap单元的底部上的体硅和单元的顶部上的体氧化物会形成全内反射。
43.导引模式绘图线407是第二导引模式，随着fecap的节距变小并且产生的操作频率变高，第二导引模式开始出现。
44.再次参考图3，该模拟图示了在大约700mhz的导引频率下的操作。上板306和下板304上的阴影区域指示应力仅发生在fecap周围，并不会向下传播到体硅中或向上传播到体氧化物中。浅阴影区域335、336指示导引模式波试图穿透，但不能穿透；因此，它不能垂直传播。因此，创建了可以将声学振动限定在大约700mhz的高频的波导。
45.图5是图示在与fecap单位单元300相同的一行fecap单位单元内以大约700mhz的导引模式频率(参见图4)的模拟振荡的横截面图。区域540、543、544等表示由倏逝波产生的负能量，而区域541、542、545等表示由倏逝波产生的正能量。因此，从单元移动到单元，存在
180度相移，并且发生谐振操作。
46.图6是图示频率对fecap节距的导引模式操作的绘图的示例分散绘图。在该示例绘图中，模拟线性阵列中的fecap的节距从1.0微米到2.5微米改变，以创建类似于图4的一系列分散绘图。然后绘制针对该系列的每个分散绘图的在k
x
等于1处指示的操作点以形成图6的分散绘图。随着fecap的大小增加，导引模式进入较低频率，如导引模式绘图线606所指示的，参见图4中的绘图线406。导引模式绘图线607图示了另一种导引模式，它在较低的fecap节距处开始更清晰地出现，参见图4中的绘图线407。由绘图线606、607指示的两种导引模式都不能传播到硅中并且不能传播到电介质中，因此它们被导引。
47.因此，随着fecap的节距增加，fecap的线性阵列以较低的频率谐振。类似地，声锥进入较低的频率。声锥604是可以传播到电介质中的剪切模式。声锥609是可以传播到体硅和电介质中的剪切模式。声锥603是可以传播到电介质中的纵向模式。可以传播到体硅中的纵向模式出现在更高频率，并且因此未在图6中示出。
48.在该示例中，在该绘图上以大约715mhz绘出水平线610。这条线在1.95μm处拦截导引模式线606。在右侧的区域612中，诸如在2.2μm处，水平线610在导引模式线606上方并且在声锥604下方，因此传播被阻挡。以这种方式，在fecap的线性阵列中创建反射器。
49.反射器部分中的fecap的节距只需稍大于fecap的线性阵列的主波导部分中的fecap的节距。在该示例中，如612处指示的2.0μm-2.3μm范围内的fecap节距适用于反射器模式操作。然而，如果节距做得过大，则将发生在绘图锥604上方的操作并且将发生向体硅和/或体氧化物中的传播。
50.电容器的宽度和节距是基于数值fem模拟选择的，以实现最佳的能量限定。该工艺的光刻限制设置了最小可能的电容器大小和节距。虽然这样的最小工艺尺寸可能产生功能性设备，但它们不一定会产生良好的性能。优选尺寸(宽度和间隔)根据电容器的确切层结构、周围电介质和不同的层厚度而变化。电容器的节距和宽度两者确定设备的谐振频率。然而，随着电容器的节距和宽度变大，谐振频率随着波长变大而下降。这在体层和beol层中导致更长的倏逝波“尾部”。依据工艺层的确切成分，电容器的大小和节距存在软上限。超出该上限，谐振频率处的波长太大，使得feol中的波导结构似乎“太薄”而无法实现任何实际导引，由于非常大的倏逝尾部，在体层和beol层中生成显著损耗。
51.图7是图示由fecap的线性阵列形成的超声谐振器700的模拟操作的横截面图。在该示例中，每个fecap单元类似于图3的fecap 300。在主波导区域701中，fecap具有节距p1，该节距p1被选择以产生在选择的频率下的导引操作模式。区域702中的fecap的相应节距p2和区域703中的p3被选择为大于p1，使得区域702和703在主波导区域701的选择的频率下充当反射器。
52.在该示例中，选择主波导区域701中的fecap的节距p1以产生大约715mhz下的导引模式操作。参考图6，区域701中的fecap的相应节距被选择为大约1.95μm。区域702、703中的fecap的相应节距被选择以反映选择的715mhz信号。参考图6，反射器区域702、703中的fecap的相应节距被选择为大于大约2.0μm并且小于大约2.3μm。因此，715mhz信号不能在反射器区域702、703中向左或向右传播，并且不能在主波导区域701中向上或向下传播。因此，fecap 700的示例线性阵列作为谐振器操作并产生715mhz的频率下的谐振信号。
53.理论上，fecap的阵列的长度没有最大或最小限制。该理论假设存在“许多”周期，
使得结构在空间中的每个点处都维持平移对称(～周期性)。实际上，主波导部分701和反射器部分702需要最小四个或五个周期，以便设备正常工作。周期数没有上限，但随着设备在每个点处接近平移对称的理论情况，周期数越多越好。在该示例中，主波导部分701的长度大约为20μm。
54.随着反射器部分702中的反射器fecap的宽度增加，将产生更大的阻抗失配和更大的反射(和散射)。因此，将需要较少数量的反射器节段。对于示例设计，反射器fecap的相应节距/宽度可以比主波导fecap宽10％到50％的范围。更小的反射器也是可能的，但需要较大的数量。更大的反射器也是可能的，然而，在某些时候，另一种模式的截止开始足够低，并且反射器将失效。反射器可以具有渐进的节距/宽度变化，或突然的节距/宽度变化。
55.图8是图示由fecap的线性阵列形成的超声发射器800的模拟操作的横截面图。在该示例中，主波导区域801和反射器区域中的fecap单元类似于图3的fecap 300，选择相应节距以在大约715mhz的波导模式下操作。
56.为了使发射器800辐射由主波导区域801产生的超声信号，在该示例模拟中，信号必须耦合到与由区域804表示的发射器设备相邻的辐射介质中。在该示例模拟中，辐射介质804被赋予与fecap上方的氧化物层(诸如图2b中的氧化物层232、233、234和pml区域338)大致相同的超声属性。
57.如果选择过渡区域803中的fecap的相应节距与主波导区域801内的节距相同，则将不存在“辐射器结构”。”来自主波导区域801的波也将继续在该节段中行进。然而，由于过渡区域803和辐射介质804之间的边界814处的电容器的周期的突然截断，它将引起大的反射和散射。换句话说，将存在与辐射介质不匹配，并且因此辐射效率非常差。这种配置可以作为低q谐振器工作，但不是一个好的辐射器。
58.过渡区域803中的fecap的尺寸的逐渐过渡有助于过渡区域803和辐射介质804之间的超声阻抗的匹配。在该示例中，辐射介质804被模拟为氧化物，其可以是在区域337中形成各种氧化物层(诸如232、233、234(图2))的相同氧化物。参考图6，对于由水平线610所指示的715mhz的选择的频率，减小fecap节距将操作模式向左移动到区域605，在该区域605中平面波不能传播到体硅中，但是它们可以传播到氧化物中。
59.在该示例中，过渡区域803中的fecap的节距和宽度逐渐减小。例如，从fecap 810开始，过渡区域803中的fecap的节距和宽度逐渐减小到于正在模拟的cmos制造工艺而言尽可行的小。除了减小节距和宽度之外，在811处指示的fecap的部分中，去除了第二层通孔318和接触件316(图3)。此外，在812指示的fecap的部分中，也去除了第一层通孔312和接触件314(图3)。去除部分812内的少许fecap的顶部接触件和底部通孔以逐渐减小过渡部分803中的fecap的线性阵列的物理大小。目的是逐渐减小fecap结构的物理大小，从而使过渡部分803的超声阻抗逐渐过渡以匹配辐射介质804的超声阻抗。
60.过渡区域803中的fecap的大小和节距的逐渐减小导致在主波导区域801中生成的超声信号传播通过过渡区域803，并且然后平滑地射出(launch)到辐射介质804中。在过渡部分803内，超声信号开始向上传播到beol氧化层中，从而由过渡部分803中的fecap形成辐射结构。信号波816、817、818表示射出到辐射介质804中同时停留在体硅衬底区域339上方的超声信号。
61.图9是cmos ic 930的横截面图，cmos ic 930图示了耦合到水滴920的示例fecap
超声换能器900的模拟操作。换能器900包括fecap 910的线性阵列和辐射介质904，fecap 910的线性阵列类似于图2a、图2b中图示的fecap的线性阵列，并且辐射介质904类似于图8中的辐射介质804。如关于图8描述的，在fecap的线性阵列的主波导部分901中，每个fecap具有相应节距和宽度，这些节距和宽度被选择以产生针对选择的频率的导引模式操作。在该示例中，选择大约1.95μm的相应节距并且选择宽度以产生大约715mhz的导引模式操作。fecap的反射器部分902的相应节距被选择为大于部分901中的相应节距，以提供在715mhz的选择的频率下的反射器操作模式。在该示例中，部分902中的fecap的相应节距被选择为在2.0-2.3μm的范围内。
62.线性阵列910中的fecap的部分903形成类似于图8中的过渡区域803的过渡区域。部分903中fecap的相应节距和宽度逐渐减小，以促进过渡区903和辐射介质904之间的超声阻抗的匹配。
63.辐射介质904形成行波辐射器。该结构需要足够长，以允许沿表面的多个波长并像真正的行波辐射器一样起作用。模拟指示，在上部beol材料中，辐射介质904的长度应至少为五到十个波长，以产生良好的辐射图案。辐射介质904越长，将射出的波束越多，并且将辐射的效率就越高。在该示例中，四个波束911、912、913、914从辐射介质904射出到水滴920中。在该示例中，辐射介质904的长度约为150μm。
64.然而，在另一个应用中，应用可能不期望多个波束。因此，辐射器介质的长度可以依据目标应用的期望辐射图案来选择。
65.在该示例中，辐射介质904由在cmos设备930的beol处理期间形成的电介质层形成。cmos ic 930的部分905包括在cmos设备930的beol处理期间形成的氧化物。在一个示例中，部分905还包括耦合到换能器900的cmos电路系统以提供对换能器900的超声信号的控制和处理。衬底906是体硅。在该示例中，在换能器900和区域905中的cmos电路系统之上制造至少两个互连层以提供互连。换能器900内的接触件(诸如接触件214、216(图2b))可以连接到互连层。
66.区域905内的cmos电路系统包括用以生成超声信号的电路系统，该超声信号经由互连层耦合到换能器900。
67.在应用中，换能器900可以介接(interfaced)到各种目标，以便使用超声成像技术评估目标。对于医疗成像，超声换能器900可以介接到人体或动物身体以便“看到”身体。出于模拟目的，水类似于人体和动物身体的成分。如由波911、912、913、914等图示的，由主波导部分901和反射器部分902产生的超声波沿过渡部分903向下行进，并且然后行进到辐射区域904。715mhz超声波通过构成辐射区域904的电介质传播，并且然后射出到周围介质中。模拟的水滴920图示了射出的超声波如何作为波911、912、913、914等通过水滴920传播。
68.715mhz信号在水中的超声波长约为2μm，这对于高分辨率短程超声成像应用是理想的。例如，将这与使用频率为10mhz的超声信号的现有技术进行对比；水中的波长要大得多，并且因此所得的图像分辨率低于从715mhz超声信号中导出的图像。
69.图10a、图10b、图10c是用于图9中的换能器900的各种示例fecap连接方案的示意图。在图10a中，部分903中的辐射器结构中、部分901中的主波导中和部分902中的反射器中的所有fecap都将它们的底板连接在一起并连接到接地参考。部分902、903中的fecap的顶板保持浮动。超声激励信号被施加到部分901中的交替的上板。在该示例中，激励信号是由
cmos ic930(图9)上的电路系统提供的715mhz信号。正激励信号vdrive 被施加到部分901中的每隔一个fecap(诸如fecap 1011、1013)，而负激励信号vdrive-被施加到中间的fecap(诸如fecap 1010、1012)。
70.在图10b中，部分903中的辐射器结构中、部分901中的主波导中和部分902中的反射器中的所有fecap都将它们的底板连接在一起并连接到接地参考。部分902、903中的fecap的顶板系接(tied)到接地参考。超声激励信号被施加到在部分901中的上板。在该示例中，激励信号是由cmos ic 930(图9)上的电路系统提供的715mhz信号。正激励信号vdrive 被施加到部分901中的每隔一个fecap(诸如fecap 1011、1013)，而负激励信号vdrive-被施加到中间的fecap(诸如fecap 1010、1012)。
71.在图10c中，部分903中的辐射器结构中、部分901中的主波导中和部分902中的反射器中的所有fecap都将它们的底板连接在一起并连接到接地参考。部分902、903中的fecap的顶板系接到偏置电压参考。超声激励信号被施加到部分901中的上板。在该示例中，激励信号是由cmos ic 930(图9)上的电路系统提供的715mhz信号。正激励信号vdrive 被施加到部分901中的每隔一个fecap(诸如fecap 1011、1013)，而负激励信号vdrive-被施加到中间的fecap(诸如fecap 1010、1012)。
72.与其中反射器部分902中的fecap的顶板保持浮动的图10a相比，连接图10b和图10c中的反射器部分902中的fecap的顶板略微增加了衰减。
73.图11是用于图9中的超声换能器900的示例fecap 910的线性阵列的俯视图。fecap 1110表示线性阵列910中的所有fecap。fecap 1110类似于关于图2a、图2b更详细描述的fecap 210。在该示例中，每个fecap的上板都是可见的，诸如上板1106。在该示例中，连续的多晶硅层1108跨越线性阵列910中的所有fecap以形成底板路由互连。
74.在这个示例中，fecap是互连的，如图10b示意性地图示的。vdrive 通过信号线1115耦合到主波导部分901中每隔一个fecap的顶板，信号线1115连接到相应第一层级接触件，诸如第一层级接触件1114。类似地，vdrive-通过信号线1116耦合到部分901中的中间fecap的顶板，信号线1116连接到相应第一层级接触件。
75.图12是包括fecap超声换能器1200的示例封装的ic 1240的横截面图。fecap超声换能器1200类似于fecap换能器900(图9)并且包括布置成主波导部分、反射器部分和过渡部分的fecap 1210的线性阵列。超声换能器1200还包括辐射介质1204。使用已知的cmos制造技术在cmos管芯1230上制造超声换能器1200。衬底1231是体硅。在feol处理期间，在衬底1231上形成各种电路系统1236，其包括fecap 1210的线性阵列。金属互连层1238和氧化物绝缘层在beol处理期间形成。
76.管芯键合焊盘(诸如焊盘1232)也形成在衬底1231上并且通过形成在cmos管芯1230的一个或多个金属互连层1238中的信号线互连到电路系统1236。
77.cmos管芯1230安装在管芯附接焊盘1244上，该管芯附接焊盘1244是金属引线框架的部分，该金属引线框架包括引线框架键合焊盘(诸如焊盘1245)，以提供与外部电路系统的连接。键合线(诸如键合线1233)将cmos管芯1230上的管芯键合焊盘连接到相应引线框架键合焊盘。
78.cmos管芯1230使用已知的或后来开发的封装技术由模塑料(mold compound)1242封装。在该示例中，在完成的封装中提供开口1246，以允许辐射介质1204与外部提供的流体
1220介接。例如，封装的ic 1240可以浸没在包含流体1220的罐或其他容器中。在另一个示例中，封装的ic 1240可以是医疗超声成像设备的部分。在那种情况下，例如，流体1220可以是在辐射介质1204和人体或动物体之间提供介接的液体或凝胶。
79.在该示例中，封装的ic是四方扁平无引线封装。扁平无引线封装(诸如四方扁平无引线(qfn)和双列扁平无引线(dfn))将集成电路物理和电气连接到印刷电路板。扁平无引线(也称为微型引线框架(mlf)和son(小外形无引线))是一种表面安装技术，是可以将ic连接到印刷电路板(pcb)的表面而无需贯穿孔的若干封装技术之一。扁平无引线是用平面铜引线框架衬底制成的接近芯片级封装的塑料包封的封装。封装底部上的周边焊件(lands)提供与pcb的电气连接。其他示例可以使用其他已知的或以后开发的封装技术来封装，诸如四方扁平封装、球栅阵列等。
80.图13是图示cmos ic上的超声发射器的操作的流程图。如上文参考图8、图9以及其它地方更详细地描述的，在cmos ic上制造的fecap的线性阵列可以作为超声发射器操作。位于行的中间的fecap的阵列的波导部分各自具有相应宽度和节距，该宽度和节距被选择以产生用于选择的超声频率的导引操作模式。fecap的阵列的反射器部分位于该行的一端。反射器部分中的每个fecap具有比波导部分中的fecap的相应宽度大的相应宽度。fecap的阵列的辐射器部分位于该行的另一端。辐射器部分中的每个fecap具有比波导部分中的fecap的相应宽度小的相应宽度。辐射器介质耦合到fecap的阵列的辐射器部分。
81.在1301处，超声信号被施加到fecap的波导部分。该超声信号可以由fecap所在的ic内的电路系统生成。
82.在1302处，由fecap的波导部分产生超声波。超声信号的频率被选择以匹配在fecap的波导部分内产生的导引操作模式。
83.在1303处，超声波的一部分被反射器部分反射。反射的波增强了在波导部分内形成的超声信号。
84.在1304处，超声信号的一部分从由fecap的辐射器部分形成的辐射结构辐射。为了使辐射结构的声学阻抗与辐射介质的声学阻抗匹配，辐射器部分中的fecap的相应宽度和结构的大小逐渐减小。
85.在1305处，所辐射的部分通过辐射介质传播，该辐射介质可以用于在特定方向上引导所辐射的波。例如，辐射介质可以将波导引到ic的包封中的开口，诸如图12中图示的。
86.如上所述，一个或多个超声换能器和声学处理电路系统集成在标准cmos ic内。形成不包含气隙或膜完全实心(solid)的结构。
87.700mhz的范围内的高频操作可以用于短距离内的非常高分辨率，以提供高分辨率超声成像。
88.应用包括：表面检查、医疗成像、外科手术导引、静脉/动脉内部成像、微流体流量测量和计量、胰岛素/药物微流量计量、血流测量、片上声学通信、电压域之间的隔离、疼痛检查等。
89.其他实施例
90.在所描述的示例中，图示了单个超声换能器。然而，在另一个示例中，可以在单个cmos ic上制造两个或更多个超声换能器。如图9中图示的，超声换能器900的长度小于250μm，包括辐射介质904。fecap 910的线性阵列上的板只有10μm长。由于超声换能器900的整体
大小仅为大约250μm乘10μm，因此可以在单个cmos ic上制造许多超声换能器。
91.在所描述的示例中，超声换能器以715mhz的频率操作。在其他示例中，可以选择fecap的线性阵列的波导、反射器和辐射部分中的fecap的宽度以跨600-900mhz或更高的频率范围产生导引超声操作。最低频率取决于可用的材料厚度，而最高频率取决于技术的光刻能力。使用现有技术，范围可以被推低到350mhz并被推高到1ghz以上。
92.在所描述的示例中，图示了单层fecap。在另一个实施例中，可以使用三维集成技术来实施多层fecap和/或多层厚钨。在一个示例中，可以将多个层直接制造在彼此的顶部上。在另一个示例中，延迟结构可以制造在beol堆叠中的较高金属层中。射频金属-绝缘体-金属(rf-mim)电容器可以在上beol层中制造，以便移动远离衬底中的寄生和损耗。使用多层fecap、rf-mim电容器和/或多层厚钨，可以将频率范围向下扩展到数十mhz范围。例如，系统可以使用这些技术以20mhz或更低的频率操作。
93.在所描述的示例中，从超声发射器发射超声信号。在另一个示例中，可以使用相同的结构来接收超声信号。通过控制发射和接收操作，相同的结构可以起到换能器的作用。
94.在一些示例中，可以仅实施单个发射设备或单个接收设备。在另一个示例中，可以仅实施单个换能器设备。
95.在所描述的示例中，两个金属层中的接触件被逐渐去除以形成过渡结构。在另一个示例中，在fecap的线性阵列之上可以存在三层或更多层互连。在这种情况下，来自所有层的接触件和/或通孔可以以逐渐的方式去除，以有助于逐渐减小fecap单元的物理大小以创建过渡结构。
96.在金属层是铜的所描述的示例中，铜具有类似于氧化物的声学阻抗。因此，铜接触件和通孔对声学阻抗仅具有较小的影响。然而，在另一个示例中，金属层可以是铝，其具有与氧化物显著不同的声学阻抗。在这种情况下，逐渐去除铝接触件/通孔以形成锥形过渡结构具有更大的效果。类似地，逐渐改变用于互连的其他类型导电结构的大小可以对声学阻抗具有不同的影响。
97.在所描述的示例中，主波导部分中的fecap的相应宽度大致相等。然而，由于正常的制造公差，相应宽度可能会有所不同。在示例中，可能存在高达5％的变化。
98.在本说明书中，术语“耦合”及其派生词表示间接的、直接的、光学的和/或无线的电连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以是通过直接电连接、通过经由其他设备和连接的间接电连接、通过光电连接和/或通过无线电连接。
99.在权利要求的范围内，对所描述的实施例进行修改是可能的，并且其他实施例也是可能的。