CN101868981A - 叠层换能设备 - Google Patents

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Abstract

实现包括电容式微机械超声换能器(CMUT)，其具有以垂直叠层关系覆盖的额外换能设备。在一些实现中，额外的换能设备是第二CMUT，其被配置成在不同于第一CMUT的频率下工作。

Description

叠层换能设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年12月3日所提交的第60/992,020号美国临时专利申请的权益，此处通过引用并入其全部公开内容。
背景
为了发射和接收超声波已经开发出了各种类型的超声换能器。这些超声换能器通常用在许多应用中，其中包括：医疗诊断和治疗、声纳和水下成像、生化成像、材料的非破坏性评估、通信、接近感测、气流测量、现场过程监控、声学显微、以及各种其他用途。超声换能器可以被生产和/或使用作为单个分立的换能器。另外，还开发出了包含有多个换能器的超声换能器阵列。例如，能够用于3D成像和其他应用的超声换能器的二维阵列。
已经开发出的一种类型的超声换能器是微机械超声换能器(MUT)。与广泛使用的压电(PZT)超声换能器相比，MUT在制造方法、工作带宽和工作温度方面具有优势。例如，PZT换能器典型地通过制作换能器阵列、切割阵列、以及连接单独的压电元件来生产。这种制造技术可能是充满困难并且成本高昂的，而且PZT换能器本身可能有很大的阻抗失配的问题。另一方面，MUT能够使用更有效率的半导体微加工技术制造，并且MUT显示出能与PZT换能器相比的动力学性能。出于这些原因，MUT逐渐成为压电超声换能器有吸引力的替代方案。
一类被广泛应用的MUT是CMUT(电容式微机械超声换能器)，其利用电极之间的静电吸引。例如，为改进设备性能最近开发出了具有嵌入式弹簧和平板的CMUT(ESCMUT)。ESCMUT的基本结构是由微机械结构中的嵌入式弹簧支撑的平板或者多个平板。然而，虽然在大多数设备参数方面，被这样开发的CMUT很大程度上显示出比PZT换能器更好的性能，但为了使CMUT在每个应用领域中都能胜过PZT换能器，可能还需要改进CMUT。
附图简述
用附图与描述一起来示出和解释目前所预期的最佳模式的原理。在图中，参考号码中最左边的数字标识该参考号码最先出现的那张图。在示意图中，相同的编号实质上描述了在所有的几个视图中相类似的特征和组件。
图1示出了具有叠层在CMUT上的换能设备的组件的示例性实现。
图2示出了包括CMUT连接布置的系统的示例性实现。
图3示出了用于叠层CMUT(stacked CMUT)的连接布置的示例性实现。
图4示出了用于叠层CMUT的连接布置的另一个示例性实现。
图5示出了用于叠层CMUT的连接布置的另一个示例性实现。
图6示出了组件的示例性实现的横截面视图。
图7示出了组件的示例性实现的横截面视图，所述组件包括第一CMUT和第二CMUT。
图8A示出了组件的示例性实现的横截面视图，所述组件包括第一CMUT和第二CMUT。
图8B示出了被修改的图8A组件的示例性实现的横截面视图。
图9示出了包括分离的超声成像和HIFU探头的系统的例子。
图10A-10B示出了系统的示例性实现，所述系统包括具有叠层CMUT的组件。
图11示出了根据此处的实现的叠层组件性能的示例性图像信息。
图12A-12B示出了系统的示例性实现，所述系统包括根据此处的实现的叠层组件。
图13A-13B示出了系统的示例性实现，所述系统包括根据此处的实现的叠层组件。
图14A-14B示出了系统的示例性实现，所述系统包括根据此处的实现的叠层组件。
图15A示出了组件示例性实现的横截面视图，所述组件包括CMUT和流量/温度传感器。
图15B示出了组件示例性实现的横截面视图，所述组件包括CMUT和流量/温度传感器。
详述
在下列详述中，涉及形成了本公开一部分的附图，并且在其中通过图解说明而非限制的方式显示了示例性实现。另外，应当注意的是，虽然本描述提供了如下面所描述和如示意图中图解说明的各种示例性实现，但是本公开并不限于此处所描述和图解说明的实现，而是可扩展到对于本领域中的技术人员而言是众所周知或者将会变得众所周知的其他实现。本说明书中所提到的“一个实现”、“这个实现”、“一些实现”或者“这些实现”意味着被描述与实现有关的特定特性、结构或者特征被包括在至少一个实现中，并且这些出现在本说明书各处的词组未必全部都指的是相同的实现。额外地，在本描述中，阐明了众多具体细节以便提供详尽的公开内容。然而，对本领域中普通技术人员而言很明显的是，这些具体细节可能不是在所有实现中都需要的。在其他情况中，未详细描述和/或可以用框图形式图解来说明熟知的结构、材料、电路、工艺和接口，以便不让本公开有不必要的理解困难。
此处公开的实现涉及微机械超声换能器(CMUT)。一些实现针对带有叠层特性的CMUT布置，并且提供用于各种应用的实现方法。一些实现包括基于CMUT建立的第二功能结构，其将被称为换能设备。如此处所使用的，换能设备可以是任何换能器、传感器或者能够转换或交换能量的其他设备。在一些实现中，叠层特性包括基于第一CMUT结构建立的第二CMUT结构，以便将两个CMUT结构叠层，其中一个CMUT结构在另一个的顶部。一些实现还包括两个叠层CMUT的工作方法。
此外，一些实现是基于带有嵌入式弹簧的CMUT(ESCMUT)。在一些实现中，第二结构能够建立在CMUT的平板上。该第二结构可以是包括接口电路、传感器或者换能器的换能设备，例如，压力传感器、温度传感器、流量传感器、CMUT结构，或其他相似物。此外，在一些实现中，如果第一CMUT的平板被设计成相对刚性，则换能器的顶板可以用作平台用于这种额外的第二结构的制造。当使用适当设计而被并入时，CMUT和建立在该CMUT顶上的额外特性或结构可以独立地操作。
在一些实现中，两个CMUT结构能够基于ESCMUT设计被相接触地建立，即一个结构在另一个以上。例如，第一CMUT结构可以形成在与弹簧层有关的电极和与基底有关的电极之间。然后，第二结构可以形成在与弹簧层有关的电极和与平板有关的电极之间。此外，在一些实现中，CMUT的平板能够图案化成某一形状，这不但改进了CMUT性能，而且会最小化在两个CMUT结构工作之间的干扰。
在此处公开的一些实现中，其重点在于带有两个叠层CMUT结构的换能器组件。可以不同的组合来使用所述叠层CMUT结构，以便达成想要的功能和性能用于选定的应用，诸如分离的发射和接收功能、双工发射、双工接收、或者独立工作的CMUT，正如接下来要讨论的一样。此处阐明的途径不仅大大改进了CMUT的设计灵活性以适应超声系统，而且还能显著地改进换能器性能。在一些实现中，通过光刻限定两个叠层换能器结构的位置，从而使得两个换能器能够精确配准(registeration)，其中一个换能器被构造在另一个的顶部。此处公开的叠层CMUT配置中的CMUT结构能够被设计成任何配置，例如，单个元件换能器、1维阵列、1.5维阵列、1.75维阵列、2维阵列或者环阵列，等等。而且两个叠层CMUT结构可以具有相同或不同的配置。
在一些实现中，叠层结构保护换能器区域，这对于经直肠、腔内和血管内的应用而言是很重要的。关于带有叠层CMUT结构的换能器的实现的一个应用是HIFU(高强度聚焦超声)，其可以用于组织切除、前列腺癌治疗等等。关于此处公开的实现的另一个应用是IVUS(冠状动脉内超声)，其用于血管内成像。
图1示出了包括CMUT 111的组件110的实现，换能设备112以叠层或覆盖的结构位于所述CMUT 111之上。CMUT 111可位于基底120上，而该基底120可以是分离的支撑表面(例如，探头的一部分)、其他适合的支撑物，或者仅是CMUT 111本身的一部分，这依赖于组件110的预期应用。在各种实现中，换能设备112能够是一个或多个电路、传感器、换能器或者其任何组合，这依赖于组件110的预期应用。例如，换能设备112可以是换能器接口电路、压力传感器、温度传感器、流量传感器、或其他相似物。
此处公开的实现包括多个换能器设计，其中第二CMUT结构位于第一CMUT结构以上，使得第二CMUT位于第一CMUT的顶部，或反之亦然。在具有两个叠层或覆盖CMUT结构的组件110的实现中，组件110的换能设备112可以包括第二CMUT，并且CMUT 111可以是第一CMUT，或反之亦然，以便组件110形成由叠层CMUT结构组成的叠层换能器。可以不同的组合来使用叠层CMUT结构，以便达成想要的功能和性能，用于选定的应用。关于叠层CMUT结构的各种应用的例子包括允许分离发射和接收、双工发射、双工接收或者独立工作的CMUT。比如，两个CMUT结构可以具有相同或者不同的特征。这种途径不仅大大改进了CMUT的设计灵活性以适应超声系统，而且还能显著地改进换能器性能。叠层结构保护换能器区域，这对于直肠、腔内和血管内的应用诸如HIFU应用、IVUS应用、或其他相似应用而言是很重要的。
叠层换能器组件中的CMUT能够被设计成任何配置，例如，单个元件换能器、1维阵列、1.5维阵列、1.75维阵列、2维阵列或者环阵列等等。而且，两个叠层CMUT结构可以是具有相同配置或不同的配置的CMUT。例如，这两个叠层CMUT结构可以被设计成以相同中心频率或不同中心频率工作。
CMUT的基本结构充当具有至少一个电极的可变电容器，所述电极可移动以交换电场与声场之间的能量。另外，当多个CMUT被配置成阵列结构，则阵列中的每个CMUT元件能够被象征性地表示为可变电容器，并因此所述CMUT阵列能够通过可变电容器的阵列来象征性地表示。
图1中示出的组件110里的叠层CMUT结构111和112可用各种方式来连线和配置以实现某种想要的功能或性能。关于图2-5示出了几种变化的连接方案的例子，虽然考虑到此处的公开内容，对于本领域中的技术人员很明显的是还有其他的可能性。在图中，CMUT结构里可设定位置的CMUT元件可以象征性地表示为电容器(C)。另外，在CMUT结构是阵列的一些实现中，在图里可以仅示出一个元件。
图2示出的示例性系统200实现了一种连接方案，其中单个CMUT 210(用示意性地表示为可变电容器C)被交替地用于声能的发射和接收两方面。CMUT 210的一侧连接到偏压电路或者想要的偏压源230上。CMUT210的另一侧连接到开关240。开关240可将CMUT 210连接到发射接口电路250或者接收接口电路260。比如，当开关240将CMUT 210连接到发射接口电路250时，可施加电压以使CMUT 210发射声能。另一方面，当开关240将CMUT 210连接到接收接口电路260时，表示由CMUT 210检测到的声能的信号可传给接收接口电路260。另外，应当注意的是，开关240可以是真实的开关电路，可以是在发射期间用于检测电路的保护电路，或者完成类似功能的其他设备或电路。
根据此处公开的实现的叠层CMUT结构允许各种可供选择的连接布置。图3示出的系统300实现了第一示例性的连接布置，其中组件310包括两个叠层CMUT结构，其由第一CMUT(C1)311和第二CMUT(C2)312组成，其中一个用于发射，而另一个用于接收。叠层CMUT被象征性地表示为可变电容器，其表示了CMUT结构，并且叠层CMUT可以用如图1中CMUT结构111和112相同的方式，或者根据此处上面和下面公开的其他实现来配置。CMUT 311和312可以通过中间电极314连接到偏压(bias)或期望的电压源330，在一些实现里中间电极314可以是共用的中间电极，或者在其他实现中可以为两个分开的中间电极。在所示实现中，第二CMUT 312专门用来通过发射接口电路350进行发射，而第一CMUT311专门用来通过接收接口电路360进行接收。
图3中示出的布置可具有许多超越图2中实现的优势。例如，不需要开关电路来保护接收电路360，其可具有前置放大器或其他传感组件。来自发射电路350的电信号通过连接到偏压或者期望的电压源330的共用的中间电极314屏蔽，以便最小化发射与接收之间的交叉串扰。结果是，前端接收电路360能够被优化而不必关注一些问题，诸如由于来自发射电路350的发射信号的耦合所引起的饱和。此外，因为发射和接收操作使用不同的CMUT结构，所以不需要在发射与接收性能之间做出设计上的折衷，即第一CMUT 311能够关于接收性能被优化，而第二CMUT 312能够关于发射性能被优化。
另外，依赖于想要的应用，能够通过此处公开的实现使用的CMUT结构可以配置在各种其他布置中。图4示出的示例性系统400包括一种连接布置，其中组件410包括两个并联连接的CMUT结构。第一CMUT(C1)411和第二CMUT(C2)412布置成如上面关于图1所讨论的叠层的配置。叠层CMUT结构411、412通过中间电极414连接到偏压或期望的电压源430，在一些实现中，所述中间电极414可以是CMUT 411和412的共用电极，或者在其他实现中，中间电极414可以是两个分开的电极。
在示出的布置中，CMUT 411、412这两者被配置成通过激活开关440来选择性地专门用于发射或者接收，这是通过设定开关440使其分别连接到发射电路450或接收电路460实现的。另外，应当注意的是，开关440可以是真实的开关电路，可以是在发射期间用于接收电路的保护电路，或者完成类似功能的其他设备或电路。因为在组件410中的CMUT结构411、412这两者对换能器的发射和接收性能有帮助，所以组件410的性能可以是两个CMUT结构411、412性能的组合，这将大大地改进组件性能和设计灵活性。
例如，当两个CMUT结构411、412被配置成具有相类似的频率响应，则换能器的发射和接收两者的性能可以是两个CMUT结构性能之和。另一方面，当两个CMUT结构411、412被配置成具有相互补偿的不同频率响应时，组件410的带宽则可以覆盖两个CMUT结构的带宽，以便达成常规单个换能器所不能达成的非常宽的带宽。例如，如果两个CMUT结构411、412的频率响应是分离的，则叠层CMUT结构411、412可以如同两个独立的CMUT换能器一样，在两个单独的频率范围内有效地工作。
图5示出的另一个示例性系统500包括用于组件510的一种连接布置，所述组件510包括了与第二CMUT结构(C2)512叠层或覆盖配置的第一CMUT结构(C1)511。CMUT 511、512可被分离地连接作为独立地确定位置的CMUT，并且通过中间电极连接到偏压或者期望的电压源530，在一些实现中，所述中间电极可以是CMUT 511、512的共用电极，或者在其他实现中，所述中间电极可以是两个分开的电极。第一开关541能够选择性地驱动，以便将第一CMUT 511连接到第一发射电路551或第一接收电路561中的一个。相类似地，第二开关542能够选择性地驱动，以便将第二CMUT 512连接到第二发射电路552或者第二接收电路562中的一个。在一些实现中，第一发射电路551和第二发射电路552可以是相同的电路，或者在其他实现中，它们可以是分离的电路。相类似地在一些实现中，第一接收电路561和第二接收电路562可以是相同的电路，或者在其他实现中，它们可以是分离的电路。另外，与上面所讨论的实现一样，开关541、542可以是真实的开关电路，可以是在发射期间用于接收电路的保护电路，或者完成类似功能的其他设备或电路。
图5中示出的连接方案对于达成期望的换能器性能而言具有很大的灵活性，并且可适用于各种不同的应用，但其具有较高的连接复杂性并且与图2-4中示出的实现相比要求了更多的硬件。就功能而言，图5的连接布置能够被配置成执行之前在图2-4中示例实现的连接方案的所有可能的功能。因此，在图5实现的一些配置中，第一CMUT 511可以用发射模式配置，同时第二CMUT 512可以用接收模式配置，或反之亦然。可供选择地，CMUT 511和CMUT 512这两者可同时用相同的模式来配置。另外，CMUT511和512可以具有相类似的或者不同的发射和接收能力。
具有如此处公开的叠层CMUT结构的组件的实现可以在一些允许有限工作空间的应用(例如，医药应用诸如HIFU、血管内或者其他腔内应用)中，或者在要求常规换能器所不能达到的性能水平(例如，工作在数个频带或者极宽带宽内)的应用中提供显著的优点。另外，甚至当两个覆盖CMUT结构彼此相对独立地工作时，此处公开的具有叠层CMUT结构的组件的实现都能够被配置成正常地工作。
此处公开的一些实现并入了具有一个或多个嵌入式弹簧的CMUT设计(ESCMUT)。图6是一个ESCMUT结构的横截面视图，其示出了完整的CMUT元件600-1，以及相邻CMUT元件600-2和600-3中的一部分，其中CMUT元件600-1的每一侧各有一个元件600-2或600-3。CMUT元件600-1部分(单元)的放大视图示出在完整CMUT元件以上的虚线矩形内。CMUT 600-1建立在具有凸起的支撑物607的基底晶片606上。弹簧构件612与凸起的支撑物607接触，并且包括形成在其上的第一电极617。连接器支撑物614以与电极617空隙开的关系维持第二板电极611。用作第二电极的板611可以是相对刚性的，并且可选择地包括第一绝缘层615和第二绝缘层616。在图6中所示的ESCMUT实现里，顶板通过连接器支撑物614与弹簧构件612和第一电极617分离，以便在其之间限定空隙或腔618。板611可以包括诸如通过掺杂被整体形成的第二电极，或者该第二电极可以是沉积在板611上的单独的层。另外，第一电极617可以在弹簧构件612上面形成，或形成为弹簧构件612的一部分，或者可供选择地，其可在弹簧构件612以下的基底606上面形成，或形成为该基底606的一部分。
作为ESCMUT 600-1如何例如以发射模式来起作用的解释，电压施加在第一电极617与第二电极611之间，导致静电吸引。由于该静电吸引，第一电极617和第二电极611朝着彼此移动，并由此使弹簧构件612弯曲。当除去所述电压时，弹簧构件612的弹簧恢复力使第一电极617和第二电极611彼此远离地朝着初始位置反向移动。相类似地，在接收模式中，声能冲击ESCMUT 600-1导致第二电极611相对于第一电极617移动，改变第一电极617与第二电极611之间的电容，并且弹簧构件612的恢复力迫使它们朝着初始位置返回。
因为被配置带有嵌入式弹簧构件的CMUT的板/第二电极611可以被设计成相对刚性，CMUT的板能够充当平台以用于一个或多个额外的功能性设备，诸如一个或多个额外的换能器。额外的功能性设备可以是包括任何集成电路、传感器或者换能器的换能设备，其能够在板611上制造以达成用于期望的应用的期望的功能。另外，通过实现如此处所描述的适当的设计配置，CMUT以及在CMUT顶部的额外的功能性设备能够独立地操作。
在带有叠层换能设备的CMUT的特定实现中，带有嵌入式弹簧的ESCMUT可以包括第一CMUT结构和第二CMUT结构，所述第一CMUT结构可以相应于图1的CMUT 111，所述第二CMUT结构可以相应于图1的换能设备112。图7示出的示例性组件700具有根据上面关于图6描述的ESCMUT配置的叠层CMUT结构。在所示实现中，通过虚线矩形来标识关于两个叠层CMUT结构的区域。第一区域包含第一CMUT结构711，并且第二区域包含第二CMUT结构712。因此，第一CMUT 711与第二CMUT 712在声能发射和/或接收的方向上相邻并且一个覆盖在另一个的顶部。第一CMUT结构711可以是基于上面所描述的ESCMUT 600的换能器，以便使板611能够用作底以用于第二CMUT结构712，并且还能够用作电极之一以用于第二CMUT结构712。在图7中所示的示例性叠层CMUT组件700里的第二CMUT结构712是基于柔性膜片CMUT设计的换能器。然而，在其他实现中，第二CMUT结构712还可以被构造为带有嵌入式弹簧构件的ESCMUT 600。板611用作两个CMUT结构711、712的共用电极，并且可以用作接地或偏压电极，正如上面关于图3-5所讨论的一样。因此，板611能够在设备工作期间屏蔽两个CMUT换能器711、712之间的电耦合。
在示例性叠层CMUT组件700中的第二CMUT结构712里，第一CMUT结构711的板611还用作第二CMUT结构712的基底。第二CMUT结构712还包括第三电极721，其形成在类似弹簧的柔性元件722，诸如柔性膜片上。柔性元件722由柔性元件支撑物725支撑以提供并且维持在柔性元件722与可选择的绝缘层616之间的空隙或腔723。因此，柔性元件722使第三电极721能够朝着第二电极611移动，同时柔性元件722的恢复弹性或弹簧力迫使柔性元件722和第三电极721反向朝着初始位置(例如，静止或平衡位置)返回。另外，虽然在图7中将柔性元件722和第三电极721显示为是单独的，但应当明白的是第三电极和柔性元件722可以是同一个元件，即柔性元件722可导电，并且还可充当第三电极721，或者第三电极721可嵌入柔性元件722，等等。通过关于工作频率、带宽等的适当设计，第一CMUT结构711和第二CMUT结构712可以彼此独立地工作，尤其是当两个CMUT 711、712在单独的频率范围内工作时。
图8A示出了另一个实现，其中两个CMUT结构基于被修改的单个ESCMUT的配置来构造。在图8A中，组件800a包括被配置成用作顶部电极的第一板810，以及被配置成用作底部电极的基底830。共用的中间电极860被包括在弹簧构件820上，或者作为弹簧构件820的一部分在其上形成，或诸如此类。基底/底部电极830包括可选择的绝缘层815，并通过弹簧固定器(spring anchor)850以与弹簧构件820空隙开的关系被支撑，其中弹簧固定器850用作第一支撑物以创建并且维持第一空隙或腔818。因此，如当组件800a受到声能冲击，或者当静电荷被加在底部电极830与中间电极860之间时，弹簧构件820和中间电极860能够朝着底部电极830弯曲。当弹簧构件820朝着底部电极830弯曲时，弹簧构件820的恢复弹簧力迫使弹簧构件820和中间电极朝着静止位置返回。因此，在这个实现中，第一CMUT结构811形成在中间电极860与底部电极之间，所述中间电极860与弹簧构件820相关，底部电极则形成为基底830。第二CMUT结构812形成在中间共用的电极860与顶部电极之间，所述顶部电极作为板810形成。板支撑物840用作第二支撑物以创建并维持在板/顶部电极810与中间电极860之间的第二空隙或腔828，以便诸如当板810受到声能冲击，或者当静电荷被加在板810与中间电极860之间时，板810能够朝着中间电极860弯曲。当板810朝着中间电极860弯曲时，以上面关于图7中实现的柔性元件722所讨论的方式，板810的恢复弹簧力迫使板810回到初始位置(例如，静止或平衡位置)。因此，第一CMUT 811与第二CMUT 812在声能发射和/或接收的方向上相邻并且一个叠层在另一个的顶部。
板810的柔韧性总是一种相对性质，并且强烈依赖于CMUT的工作频率。当单个ESCMUT(图8A中所示)被配置成通过添加第二电容性结构实现为两个叠层CMUT结构时，能够根据预定的工作频率或者方法设计平板810的柔性。如果两个叠层CMUT结构被设计成工作在相似的频率下，则板810能够被设计成在该工作频率下是柔性或刚性的。如果两个叠层CMUT结构是如此处一些实现中所公开的，工作在两个不同频率下，则第一CMUT结构811通常被设计成在第一频率诸如低频下工作，所以平板810应当被设计成在第一频率下是刚性的，以便第一CMUT结构811像普通的ESCMUT一样工作。第二CMUT结构812通常被设计成在第二频率诸如高频下工作，所以平板810应当被设计成在第二频率下是柔性的，以便第二CMUT结构812像普通的柔性膜片CMUT一样工作。如果将第一频率与第二频率之间的差异设计得足够大，则两个叠层CMUT结构811、812的工作之间几乎没有干扰，即使它们是被包含在单个ESCMUT设备中的情况。用下面所描述的图8B中设计的实现，能够进一步最小化两个CMUT结构之间的干扰。
此外，在图8A中所示出的组件800a的实现中，组件800的板810能够被图案化成某一预定形状，以改进第二CMUT结构812的性能，并且进一步最小化第一CMUT 811与第二CMUT 812工作之间的干扰。一个示例性实现被示出为图8B中的组件800b。在图8B中，通过从板810和板支撑物840除去材料，如在图8A中以粗虚线指示的材料，除去板810和板支撑物840中的一部分以创建沟道802。在图8B的实现中，底部CMUT结构811具有小等效质量和大表面位移。顶部CMUT结构则停留在弹簧构件820的相对不活动的区域821上(即在弹簧固定器850以上)以便令两个CMUT结构811、812之间有最小的干扰。例如，因为图案化的板810主要位于弹簧固定器850中的一个或多个上方，所以CMUT 812几乎工作在弹簧固定器850以上，以便在第二CMUT 812工作期间板810朝中间电极860的弯曲对于在第一CMUT 811工作期间弹簧构件820和中间电极860朝第一电极830的弯曲具有最小影响。
额外的实施方式是针对压力传感器或流量传感器，如图1中叠层在CMUT 111上的换能设备112。例如，微机械压力传感器的基本结构就与CMUT结构相类似。依赖于设计和功能性，此处公开的第二CMUT结构可以被配置并且设计成充当压力传感器或流量传感器。例如在一些实现中，通过使用用于确定压力或流量信息的调制方法，从CMUT结构输出信号里提取压力信息或流量信息。属于与这里相同的发明人的，于2007年4月3日所提交的第PCT/US2007/065888号PCT申请中公开了向CMUT施加调制信号，此处通过引用将其全部公开内容并入。
具有叠层CMUT结构的组件实现的一个示例性应用是用于前列腺癌诊断和治疗，其使用高强度聚焦超声(HIFU)。典型地，诊断、治疗和治疗评估是使用不同换能器或系统进行的。例如，通常使用MRI(磁共振成像)和其他成像方法在HIFU过程中执行成像和治疗评估。另外，可能会想要在HIFU过程中，诸如前列腺癌的治疗期间使用超声成像以提供指导。然而，来自体外的常规超声成像不能提供适当的前列腺癌治疗和评估所必需的高质量图像。因此，如图9的系统900所示出的，在一个过程中经直肠的超声成像探头920可以与HIFU探头922一同使用，以在前列腺930的一部分上聚焦超声能量用于执行组织切除等。因此，常规HIFU系统900要求至少两个探头，例如提供视野950用于定位前列腺的成像探头920，和包括了用于在前列腺930的一部分上对准超声能量的超声换能器960的HIFU探头922这两个探头。然而，由于空间非常有限，所以在治疗期间将成像探头920和HIFU探头922这二者放入患者的直肠会有一些缺点。另外，因为在两个探头之间会有发生相对运动(例如，旋转、弯曲、平移等等)的可能，所以在成像探头920和HIFU探头922的位置的配准方面可能会发生错误。
此处公开的实现，使得HIFU过程能够使用单个探头来执行，以用于治疗和成像/治疗评估两方面。因为一个普通换能器或者换能器阵列可能不足以执行成像和治疗这两个功能，此处公开的实现提供了位于单个探头上的两个换能器或换能器阵列。上面公开的具有覆盖CMUT结构的组件的实现使得有可能使用单个探头来执行成像、诊断、治疗和治疗的实时评估。此处公开的探头的实现包括两个独立工作的CMUT，它们在单个探头上相互垂直地叠层。这两个叠层CMUT，其中一个可以用来成像而另一个可以用来治疗，它们能够被放置在相同的位置处作为常规探头中的单个换能器。因此，此处公开的实现提供了紧凑的换能器组件，其更适合用于空间有限的应用，诸如外科手术应用。此外，在单个组件上提供两个叠层CMUT结构使得治疗和评估探头能够精确配准，这是因为在使用期间两个探头之间没有相对运动的可能，而这在使用常规系统的情况下是很困难的任务。
图10A-10B中示出为包括了叠层CMUT结构的系统1000的一个示例性实现。图10A描绘了探头1010，其包括第一换能器1011和第二换能器1012，它们被垂直地封装在单个探头1010上，使得第二换能器1012叠层并覆盖在第一换能器1011上。探头1010一个可能的用途的例子是在HIFU过程中执行治疗和成像两个功能。例如，换能器1011、1012中的一个可以为了提供前列腺1050的视野1060而用于成像工作，而换能器1011、1012中的另一个可以为了将超声能量聚焦在前列腺1050预期的区域上而用于HIFU工作。
图10B示出了组件1001的示例性配置，所述组件1001可以用在图10A中示出的探头1010上。组件1001包括第一CMUT结构1011和第二CMUT结构1012，它们以覆盖的关系被垂直地整合在相同基底1030上，使得第二CMUT 1012关于发射和/或接收的方向定位在第一CMUT 1011的顶端。图10A-10B中的CMUT结构1011、1012可以被设计成任何CMUT配置，例如，单个元件换能器、1维阵列、1.5维阵列、1.75维阵列、2维阵列、环阵列诸如此类。而且，两个CMUT结构1011、1012可以具有相同或者不同的配置，即CMUT 1011、1012中的一个可以是单个换能器，同时另一个可以是换能器的阵列，或者其他这样的组合。任何上述叠层CMUT的示例性实现都可以用作组件1001，或基于此处公开的教导将是很明显的其他配置。另外，虽然探头1010是关于HIFU过程描述的，但是根据此处的公开内容还将会很明显的是该探头1010可用于其他应用。
在一些实现中，两个叠层CMUT结构可以被设计成以相同的中心频率工作。然而，在其他实现例如HIFU应用中，两个CMUT结构可以被配置成以不同的中心频率工作。例如，一个超声换能器可以被配置成在较低中心频率(例如～0.5-～3MHz)下工作以用于HIFU治疗，而另一个超声换能器可以被配置成在较高中心频率(例如～5-～10MHz)下工作以用于成像/治疗评估。使用叠层CMUT结构以提供超声指导的HIFU系统时，第二CMUT结构(例如，CMUT 1012)可以被配置成以较高中心频率工作，并且可以被构造成具有比可以被配置成以较低的中心频率工作的第一CMUT结构(例如，CMUT 1011)更为刚性的结构。因此，当换能器组件1001在较低频率下工作以用于HIFU治疗时，第二CMUT 1012则表现得像具有较小质量和更加刚性的中空结构的第一CMUT 1011的平板或柔性元件。类似地，当换能器组件1001中的第二CMUT 1012在较高频率下工作以用于成像时，在第二CMUT的发射期间内几乎没有施加在第一CMUT1011上的净静电力。此外，在第二CMUT 1012接收期间，当声波冲击在换能器组件1001上时，第一CMUT结构1011的存在对第二CMUT 1012的接收能力仅具有极其微小的影响，这是因为传入声波的频率远高于第一CMUT 1011的工作频率。因此，在声学上，叠层换能器组件1001中的两个CMUT结构1011、1012能够相对独立地工作。
图11示出了具有叠层CMUT的示例性组件的频谱中的示例性图形模拟1100。在这个例子中，诸如在图1、3-8和10任一个中示出的组件的组件具有两个叠层CMUT结构，两个叠层CMUT结构各自具有1MHz和10MHz的中心频率。例如，如果在组件中的两个CMUT结构被分离地确定位置(即，CMUT中仅有一个有效)，图形模拟1100示出了工作在1MHz下的第一个叠层CMUT的性能，正如通过点线1110所指示的，以及示出了工作在10MHz下的第二个叠层CMUT的性能，正如通过虚线1111所指示的。另外，当两个CMUT结构并联连接(即，两个CMUT都有效)时，换能器组件示出了极宽的带宽，其覆盖了HIFU治疗和成像这两者的频率范围，以便所述组件能够在两个频率范围下有效率地工作，正如通过实线1112所指示的。
由于组件的紧凑配置，在血管内超声应用(IVUS)和心腔内超声心动图(ICE)方面，叠层CMUT组件也是有用的。在IVUS或ICE应用中，优选的成像是对于较大容积成像使用较低频率，但对于较高分辨率成像使用较高频率。一种解决方案是使用两个工作在不同频率范围下的探头/换能器，这是因为常规换能器一般不能在较低和较高这两个频率范围内有效率地工作。然而，在两个换能器/探头之间的转换会显著地增加成像时间，并且还使两个不同换能器/探头之间的位置配准变得相对困难。
此处公开的实现提供了单个组件或探头，其能够在两个实质上不同的频率范围工作，和/或具有能够覆盖全部期望的频率范围的极宽的带宽。此处公开的具有叠层CMUT结构的组件能够在两个不同频率下工作，要么如果每个CMUT被独立地确定位置则作为两个独立的换能器，要么如果两个CMUT被并联连接则作为单个换能器工作，覆盖两个不同的频率范围。覆盖以形成单个组件的两个CMUT结构之间的位置配准是容易并且精确的。另外，很容易实现在两个频率范围之间转换成像能力(例如，低分辨率到高分辨率)，这是因为不需要实际上交换两个分离的探头。另外，当两个频率范围互为补充时，换能器具有极宽的带宽，其可以覆盖用于特定成像过程所必需的全部频率范围。此处公开的具有叠层CMUT结构组件的实现不是远大于单个常规换能器的，并且能够简单地替换在各种血管内探头中的常规换能器。此处公开的组件中的叠层CMUT结构能够被设计成任何配置，例如，单个元件换能器、1维阵列、1.5维阵列、1.75维阵列、2维阵列、环阵列等等。如上面所讨论的，两个叠层CMUT结构还可以具有相同或不同的配置。
图12A和12B示出包括了组件1210的系统1200的示例性实现，具有叠层换能器的所述组件1210在IVUS或ICE探头导管中被使用作为旋转的换能器或换能器阵列。导管1222包括位于导管的环内的同轴可移动的探头1220。探头1220可以是能够从导管1222的末梢开口中延伸出来的，并且探头1220包括安装在其上的组件1210。如图12B中示出的，组件1210包括根据此处公开的实现的有第二CMUT 1212位于其上的第一CMUT1211。第一CMUT 1211可选择地形成在基底1215上。第一CMUT 1211可以被配置成在第一频率下进行超声成像，以便在第一成像区域1230完成成像，同时第二CMUT 1212可以被配置成在第二频率下进行超声成像，以便在第二成像区域1250完成成像。
图13A和13B示出系统1300的示例性实现，其用于使用具有叠层换能器的组件作为朝向前的探头或导管1322中的换能器或换能器阵列。探头1322可以用于IVUS/ICE成像或者其他成像用途。探头1322包括安装在其末端上的环状换能组件1310以进行超声成像。如图13B中示出的，组件1310包括根据此处公开的实现的有第二CMUT 1312位于其上的第一CMUT 1311。第一CMUT 1311可以可选择地形成在基底1315上，并且第一CMUT 1311和第二CMUT 1312每个都可以是定位在中央环1340的周围的呈放射状布置的CMUT阵列(例如，环形阵列)。第一CMUT 1311可以被配置成在第一频率下进行超声成像，以便在第一成像区域1330完成成像，同时第二CMUT 1312可以被配置成在第二频率下进行超声成像，以便在第二成像区域1350完成成像。
图14A和14B示出包括了组件1410的系统1400的例子，具有叠层换能器的所述组件1410作为朝向侧边的探头或导管1422中的换能器或换能器阵列。探头1422可以是IVUS/ICE探头导管，或者是其他类型的成像探头或导管。探头1422包括环状组件1410，其围绕探头1422的末端圆周安装。如图14B中示出的，组件1210包括多个根据此处公开的实现的有第二CMUT 1412位于其上的第一CMUT 1411。第一CMUT 1411可以可选择地形成在基底1415上，并且多个叠层CMUT 1411、1412可以围绕探头1422的外圆周被装配，由此形成叠层CMUT的圆周阵列。第一CMUT 1411可以被配置成在第一频率下进行超声成像，以便在第一成像区域1430完成成像，同时第二CMUT 1412可以被配置成在第二频率下进行超声成像，以便在第二成像区域1450完成成像。
此外，在图12-14中的两个CMUT结构1211和1212、1311和1312、以及1411和1412能够各自配置成工作用于成像和HIFU，正如上面关于图10A-10B中的实现所讨论的。通常，HIFU和成像这两者都需要将超声聚焦到成像区或切除区以内，其主要差别是在每次操作中使用的频率和能量。在这种情况下，CMUT结构中的一个在低频下工作并且通常被配置成执行HIFU，而另一个CMUT结构在高频下工作并且通常被配置成执行成像。例如，在图12-14的实现中，在各个探头上的CMUT结构中的一个(例如，1211、1311、1411)被配置成在用于执行HIFU的频率下工作，而在各个探头上的另一个CMUT结构(例如，1212、1312、1412)被配置成在用于执行成像的频率下工作。考虑到本公开的内容，对于本领域的技术人员而言还将会明显的是，关于此处公开的实现有其他用途和应用。
从上述可知将很明显的是，此处公开的实现提供了组件、系统和方法用于将垂直的叠层或覆盖配置的多个CMUT实现为相邻的单个组件。此外，一些实现是基于ESCMUT，并且第二CMUT能够叠层在ESCMUT的平板上。在其他实现中，建立在CMUT上的第二结构是其他的换能设备诸如接口电路或者传感器，例如，压力传感器、温度传感器、流量传感器、或其他相似传感器。此外在一些实现中，基于ESCMUT的设计，两个CMUT结构能够直接将一个CMUT建造在另一个上面。此外，在一些实现中，CMUT中一个的平板能够被图案化成某一形状，这不但改进了CMUT性能，而且会最小化在两个CMUT结构工作之间的干扰。在一些实现中，可以不同的组合来使用所述叠层CMUT结构，以便达成想要的功能和性能用于选定的应用，诸如分离的发射和接收功能、双工发射、双工接收、或者独立工作的CMUT，正如接下来要讨论的一样。此处阐明的实现不仅大大改进了CMUT的设计灵活性以适应超声系统，而且还能显著地改进换能器性能。在一些实现中，通过光刻限定了两个叠层换能器结构的位置，从而使得两个换能器能够精确配准，其中一个换能器被被构造在另一个的顶部。此处公开的叠层配置中的换能器设备和CMUT结构能够被设计成任何配置，例如，单个元件换能器、1维阵列、1.5维阵列、1.75维阵列、2维阵列或者环阵列等等。同样地，两个叠层CMUT结构可以具有相同或不同的配置。
实现还涉及到用于制造和使用此处所描述组件的方法、系统和装置。另外，应当注意的是，图1、3-8、10以及12-14中示出的配置是其中可以提供所述实现，并且所述实现不限于特定的硬件配置的纯示例性的组件和系统。在本描述中，出于解释的目的阐明了众多细节，以便提供对于本公开的深入理解。然而，对于本领域的技术人员很明显的是，并不是所有这些具体细节都是必须的。
图15A-15B示出了换能设备112覆盖在CMUT结构111上的图1对应的组件的额外示例性实现。图15A示出了第一示例性换能设备1512a，其建立在CMUT结构1511a的平板611上，对应于图6的ESCMUT。在其他实现中，CMUT结构1511a可以是其他已知CMUT结构。例如，换能设备1512a可以被构造在CMUT结构，诸如在图7中示出的第二CMUT结构712的柔性元件722/电极721上。示例性换能设备1512a可以是热线式流量传感器或者温度传感器1560。可选择地，一个或多个集成电路(IC)1550可以与传感器1560整合。传感器1560包括一条或多条线1561，在图15A的实现中示出了三条线1561a-1561c。腔1562位于1561a-1561c中每条线的下面以减小线1561上的热负荷，以便提高传感器1560的敏感度。如果传感器1560被配置为流量传感器，则中间线1561b被设计成加热器(即，电阻加热线)，其能够由导电材料组成并且用于以已知的方式测量流量。线1561a和1561c可以被配置成为温度传感器，并且可以由具有随温度变化而发生改变的性质的材料(例如铂)组成。线1561a与1561c之间的温差可以用来确定流量信息。因为线1561a或线1561c对温度改变敏感，传感器1560也可仅用作温度传感器。此外，与常规PZT换能器相比，在工作期间CMUT产生很少热量，所以换能设备1512a的传感器和CMUT1511b能够独立地工作。
图15B示出了换能设备1512b的另一个示例性实现，所述换能设备1512b建立在CMUT结构1511b的平板611上，对应于图6的ESCMUT。在其他实现中，CMUT结构1511b可以是其他已知CMUT结构。例如，换能设备1512b可以被构造在CMUT结构，诸如在图7中示出的第二CMUT结构712的柔性元件722/电极721上。在所示实现中，换能设备1512b包括两个压力传感器1570a和1570b，它们建立在CMUT 1511b上并以期望的距离间隔开。可选择地，IC 1550可以与压力传感器1570a和1570b一起制造。两个压力传感器之间的压力差能够提供关于相邻区域中介质的流量信息。图15B中示出的压力传感器1570a和1570b可以是静电压力传感器，每个传感器包括柔性膜片1571、密封腔1573、顶部电极1572以及底部电极，在这个实现中底部电极是板611。因此，底部电极611也可以是CMUT结构1511B的顶部电极611。可选择地，其他压力传感器，比如压电压力传感器能够使用在换能设备1512b中。因为CMUT 1511b和换能设备1512b的压力传感器(或流量传感器)以各自相差两个数量级以上的频率工作，压力传感器(或流量传感器)1512b和CMUT 1511b能够相互独立地工作。
在一些应用中，诸如图15A和15B的那些实现提供了目前所没有的额外的功能性。例如，当在体内执行超声成像时，可能还想要在一些过程期间的血液流量信息。根据此处的实现，通过将流量/压力/温度传感器并入一个或多个CMUT，能够在成像或治疗过程中同时监控这些度量。另外，虽然讨论了将图15A-15B的换能设备1512在单个CMUT 1511的顶部实现，应当注意的是，这些换能设备同样可以在具有叠层CMUT结构的组件上实现。例如，换能设备1512a或1512b可以在图7的组件700中的第二CMUT结构712的顶部实现，或者在图8A-8B的第二CMUT结构812的顶部实现。额外地，虽然一些实现在上面所讨论为具有两个CMUT结构，一个CMUT叠层在另一个顶部的组件，但是在本公开和权利要求的范围内有正如此处公开的，一个叠层在另一个顶部的三个或更多个CMUT或者其他换能设备，比如用于在三个不同频率下工作等。
虽然这里已经用具体到结构特性和/或方法学行动的语言对本主题进行了描述，但要理解的是在附加权利要求中所限定的主题不限于上面所描述的具体特性或行动。更确切地，上面所描述的具体特性和行动被公开作为实现所述权利要求的示例形式。额外地，本领域的普通技术人员能明白的是，预计达成相同目的的任何布置可以替代被公开的具体实现。本公开旨在覆盖被公开的实现的任何和全部的修改或变化，并且要明白的是，在下列权利要求中使用的术语不应被解释为将本专利限制在说明书中所公开的具体实现中。更确切地，本专利的范围是通过下列权利要求，以及由这些权利要求有权享有的的全范围等价形式来完全确定的。

Claims (23)

1.一种组件，包括：
第一电容式微机械超声换能器(CMUT)；以及
第二换能设备，其以叠层关系与所述第一CMUT相邻。
2.如权利要求1所述的组件，其中所述第二换能设备是第二CMUT。
3.如权利要求2所述的组件，其中所述第一CMUT包括：
第一电极；
第二电极，其通过第一空隙与所述第一电极分离，所述第一空隙通过一个或多个第一支撑物维持；以及
弹簧构件，其用于使所述第一电极和所述第二电极能够在所述第一空隙中朝着彼此和远离彼此移动。
4.如权利要求3所述的组件，
其中所述第二CMUT包括所述第二电极和一第三电极，所述第三电极在所述第二电极的与所述第一电极相对的侧上通过第二空隙与所述第二电极分离，所述第二空隙通过一个或多个第二支撑物维持。
5.如权利要求4所述的组件，
其中所述第三电极安装在柔性元件上，所述柔性元件使所述第三电极能够在所述第二空隙中朝着和远离所述第二电极移动，所述柔性元件提供弹簧力以使所述第三电极朝着初始位置返回。
6.如权利要求4所述的组件，
其中所述第三电极被形成为覆盖所述第二电极和所述弹簧构件的板的一部分，并且通过第二空隙从所述第二电极和所述弹簧构件分离，所述第二空隙通过一个或多个第二支撑物维持，
其中所述第三电极被配置成朝着和远离所述第二电极移动，以及
其中所述第三电极主要位于所述第一支撑物中的一个或多个上面，使得所述第二CMUT的工作对所述第一CMUT的工作具有最小的影响。
7.如权利要求2所述的组件，
其中所述第一CMUT被配置成在第一频率下工作，并且所述第二CMUT被配置成在不同于所述第一频率的第二频率下工作。
8.如权利要求2所述的组件，
其中所述第一CMUT和所述第二CMUT共享共用的中间电极。
9.如权利要求2所述的组件，
其中所述第一CMUT连接到接收电路以接收声能，以及
其中所述第二CMUT连接到发射电路以发射声能。
10.如权利要求2所述的组件，还包括：
其中所述第一CMUT和所述第二CMUT连接到电路以选择性地将所述第一CMUT和第二CMUT连接到下列之一：
发射电路，其用于使所述第一CMUT和第二CMUT能够发射声能；或者
接收电路，其用于使所述第一CMUT和所述第二CMUT能够接收声能。
11.如权利要求2所述的组件，
其中所述第一CMUT和所述第二CMUT并联连接，
其中所述第一CMUT连接到第一电路以选择性地将所述第一CMUT连接到第一发射电路或第一接收电路中的一个，以及
其中所述第二CMUT连接到第二电路以选择性地将所述第二CMUT连接到第二发射电路或第二接收电路中的一个。
12.如权利要求2所述的组件，
其中所述第一CMUT和所述第二CMUT安装在探头上；
其中所述第一CMUT被配置为成像换能器，用于在外科手术过程期间提供组织的视野，以及
其中所述第二CMUT被配置成将超声能量聚焦在期望的组织区域上，用于在外科手术过程期间进行组织切除。
13.如权利要求2所述的组件，
其中所述第一CMUT和所述第二CMUT安装在探头上；
其中所述第一CMUT被配置为成像换能器，用于在第一工作频率下提供成像，以及
其中所述第二CMUT被配置为成像换能器，用于在不同于所述第一工作频率的第二工作频率下提供成像。
14.如权利要求1所述的组件，
其中所述第二换能设备是位于所述第一CMUT的上板上的流量/温度传感器。
15.如权利要求1所述的组件，
其中所述第二换能设备是位于所述第一CMUT的上板上的流量/压力传感器。
16.一种组件，包括：
第一电极；
第二电极，其通过第一空隙与所述第一电极分离开；
弹簧构件和一个或多个第一支撑物，所述一个或多个第一支撑物用于维持所述第一电极与所述第二电极之间的所述第一空隙，其中所述第一电极和所述第二电极能够朝着彼此移动，导致所述弹簧构件弯曲，并且所述第一电极和所述第二电极由于所述弹簧构件的恢复力而彼此远离地移动；
第三电极，其在所述第二电极的与所述第一电极相对的侧上通过第二空隙与所述第二电极分离。
17.如权利要求16所述的组件，
其中所述第二电极是板，以及
其中所述第三电极与柔性元件相邻，所述柔性元件通过一个或多个第二支撑物与所述板分离，
其中所述柔性元件使所述第三电极能够朝着和远离所述第二电极移动，所述柔性元件提供使所述第三电极返回到远离所述第二电极的位置的弹力。
18.如权利要求16所述的组件，
其中所述第二电极与所述弹簧构件相邻，
其中所述第三电极通过一个或多个第二支撑物与所述第二电极和所述弹簧构件分离，
其中所述第三电极的弯曲使所述第三电极能够朝着和远离所述第二电极移动。
19.如权利要求18所述的组件，
其中所述第三电极位于所述第一支撑物中的一个或多个的上面，使得所述第三电极朝着和远离所述第二电极的运动对于所述第一电极和所述第二电极之间的相对运动的影响最小。
20.如权利要求16所述的组件，
其中所述第一电极和所述第二电极构成第一电容式微机械超声换能器(CMUT)；
其中所述第二电极和所述第三电极构成第二CMUT；以及
其中所述第二电极连接到偏压或电压源，并且用作所述第一CMUT和所述第二CMUT的共用电极。
21.一种探头，包括：
安装在所述探头上的第一换能器和第二换能器，其中所述第一换能器和所述第二换能器是相邻并且覆盖的，一个在另一个顶上。
22.如权利要求21所述的探头，
其中所述第一换能器是第一电容式微机械超声换能器(CMUT)，所述第一CMUT被配置为成像换能器，用于在外科手术过程期间提供视野，以及
其中所述第二换能器是第二CMUT，所述第二CMUT被配置成将超声能量聚焦在期望的组织区域上，用于在外科手术过程期间进行组织切除。
23.如权利要求21所述的探头，
其中所述第一换能器是第一电容式微机械超声换能器(CMUT)，所述第一CMUT被配置为成像换能器，用于在第一工作频率下提供成像，以及
其中所述第二换能器是第二CMUT，所述第二CMUT被配置为成像换能器，用于在不同于所述第一工作频率的第二工作频率下提供成像。
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