CN101868982B

CN101868982B - 带有电压反馈的电容式微机械超声换能器

Info

Publication number: CN101868982B
Application number: CN2008801174840A
Authority: CN
Inventors: 黄勇力
Original assignee: Kolo Technologies Inc
Current assignee: Kolo Medical, Ltd.
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: JP5341909B2; JP2011505766A; EP2215855A1; US8526271B2; WO2009073743A1; US20100244623A1; CN101868982A

Abstract

电容式微机械超声换能器(CMUT)的实施方式包括与CMUT串联连接的反馈部件。反馈部件应用对施加在CMUT上的电压的反馈，以在CMUT的驱动期间CMUT的电容改变时影响施加在CMUT上的电压。

Description

带有电压反馈的电容式微机械超声换能器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年12月3日递交的第60/992,027号美国临时专利申请的利益，其全部公开通过引用并入本文。

背景

电容式微机械超声换能器(CMUT)是静电致动器/换能器，其广泛用在各种应用中。超声换能器可在各种介质包括液体、固体和气体中操作。超声换能器通常用于针对诊断和治疗的医学成像、生化成像、材料的非破坏性评估、声纳、通信、接近传感器、气体流量测量、现场过程监控、声学显微镜、水下感测和成像、以及很多其他的实际应用。CMUT的典型结构是带有刚性底部电极和位于柔性膜上或柔性膜内的可移动顶部电极的平行板电容器，其用于传输(TX)或接收/检测(RX)在邻近介质中的声波。直流(DC)偏压可被施加在电极之间以将膜偏转到对CMUT操作的最佳位置，通常目的是最大化灵敏度和带宽。在传输期间，交流(AC)信号施加到换能器。顶部电极和底部电极之间的交变静电力驱动膜，以便将声能传递到CMUT周围的介质中。在接收期间撞击声波使得膜振动，从而改变两个电极之间的电容。

因为CMUT中的静电力是非线性的，于是当两个电极之间的分离间隔在驱动期间减小时，电极之间的静电力一般以大于膜的恢复力的速度增加。因此，当可移动电极移动到某个位置，例如一般电极间隙的三分之一时，膜的恢复力不能平衡静电力。任何进一步的电压增加都可导致“拉入”效应，其可导致CMUT的不稳定或故障。因此，为了对某些应用获得足够的位移，两个电极之间的分离间隙必须被设计为远大于实际需要的位移，这可基本上限制CMUT在常规操作中的性能。

附图简述

附图结合描述用于示出和解释目前设想的最好方式的原理。在图中，参考标号的最左侧数字标识了参考标号第一次出现的图。在附图中，相似的数字描述所有的几个视图中实质上类似的特征和部件。

图1A-1B示出了包括理论CMUT的系统的示例性图解模型。

图2A-2B示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的示例性实施方式。

图3示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图4示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图5A-5C示出了包括带有反馈部件的CMUT的系统的示例性实施方式。

图6示出了用于带有反馈电容器的CMUT的示例性方法的流程图。

图7示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图8示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图9示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图10示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图11示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图12示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图13示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。

图14示出了包括探针的系统的示例性实施方式，所述探针包括带有反馈电容器的CMUT。

图15示出了包括探针的系统的另一个示例性实施方式，所述探针包括带有反馈电容器的CMUT。

详细描述

在以下的详细描述中，参考形成了本公开的一部分的附图，且在附图中作为例子而不是限制示出了示例性的实施方式。另外，应注意到，虽然本描述提供了如以下描述和如在附图中所示出的各种示例性的实施方式，但本公开不限于此处所描述和所示出的实施方式，而是可扩展到本领域技术人员已知的或将变成已知的其他实施方式。在本说明书中对“一个实施方式”、“这个实施方式”或“这些实施方式”的提及意指结合实施方式描述的被包括在至少一个实施方式中的特定的特点、结构或特征，且这些词组在本说明书中的不同位置的出现不一定都指同一实施方式。另外，在本描述中，许多具体的细节被阐述以便提供彻底的公开。但是，对本领域普通技术人员来说很明显，可能不是在所有的实施方式中都需要这些具体细节。在其他情况中，公知的结构、材料、电路、过程和接口未被详细描述，和/或可以方框图的形式示出，以便不使本公开不必要地难以理解。

此处所公开的实施方式涉及CMUT以及用于CMUT的设计和操作的方法和系统，部件(例如，电容器、电阻器、电感器等)被添加到所述CMUT以提供对施加到CMUT上的电压的反馈。通常当CMUT的电容增加时，所添加的部件的存在降低施加到CMUT上的输入电压的百分比。因此所添加的部件提供了对施加到CMUT上的输入电压的百分比的反馈。所添加的部件的存在提供了若干优点，包括提高CMUT的位移和输出功率而不增加电极间距，通过减小施加到CMUT结构上的绝对电压来提高对于电短路或击穿的设备可靠性，以及通过增加CMUT结构的电容来提高接收灵敏度。为了有效地提供对施加到CMUT上的输入电压的百分比的负反馈，所添加的部件的电值应被谨慎地选择，以便部件可在CMUT的操作频率区域中提供对施加到CMUT的电压的期望反馈。实施方式可被合并到超声系统、换能器、探针等中。

为了解决CMUT操作中的问题以及提高CMUT性能，此处所公开的一些实施方式包括的部件是在此处称为反馈电容器的电容器，其具有特别选定的电容，与CMUT串联放置，该CMUT在CMUT操作期间，尤其是在传输模式中的CMUT操作期间提供对施加到CMUT上的输入电压的百分比的反馈(即，产生超声能)。一些示例性的实施方式涉及使用反馈电容器来提供对施加到CMUT上的输入电压的百分比的负反馈。例如，在一些实施方式中，反馈电容器是与CMUT换能器串联的电容器。串联电容器和CMUT可形成分压器，使得CMUT的电容的增加使施加到CMUT上的输入电压的百分比降低。因此，串联电容器具有被选择成提供对施加到CMUT上的电压的负反馈的可预测水平的电容。因为当膜位移以及电容增加时反馈电容器降低了施加到CMUT上的输入电压的百分比，CMUT可在由常规的拉入效应设定的限制之外操作。因此在此处所公开的操作方法和实施方式中的CMUT(例如，与反馈电容串联)的最大位移可大于常规操作(没有所添加的反馈电容器)中的相同CMUT的位移，或分离电极的间隔可被设计为实质上较小以实现相同的最大间隔，作为带有常规操作中的较大电极间隔的CMUT。

在一些实施方式中，为了提供有效的反馈，反馈电容器的电容可与CMUT的电容相当，以便输入电压可被有目的地分布在CMUT和反馈电容器之间。在一些实施方式中，基于CMUT的电容，反馈电容器的电容在规定的范围内。另外，在一些实施方式中，反馈电容器可设置为仅在CMUT传输(TX)操作期间是起作用的。进一步地，在一些实施方式中，偏压可被施加到具有反馈电容器的CMUT。在一些实施方式中，偏压可仅在RX操作中被施加到CMUT。另外，在一些实施方式中，去耦电容器也用在与具有反馈电容器的CMUT连接的偏压电路中。

具有特定值的其他电子部件(例如，电阻器、电感器等)可被用于代替在一些实施方式中所使用的反馈电容器，以提供对施加在CMUT上的电压的反馈。但是，与反馈电容器不同，由其他电子部件提供的反馈可以是与频率相关的，这在一些应用中是不期望有的。因此，虽然不与频率相关的反馈电容器被用于说明此处所公开的很多实施方式，应注意到，使用其他部件来提供CMUT操作中的反馈功能的实施方式也在本公开的范围内。

图1A示出了包括传输操作中的理论CMUT 100的图解模型的示例性系统101，用于说明此处所公开的示例性实施方式的原理。CMUT 100包括固定电极110、可移动电极112、等效弹簧114和弹簧支座(spring anchors)116。顶部和底部电极可连接到包括第一端口120和第二端口122的接口电路，所述第一端口120在这个实施方式中接收传输输入电压(V_TX)，所述第二端口122在这个实施方式中作为地(GND)。通常第一端口120连接到CMUT系统的前电路(未示出)。CMUT的前电路还将驱动信号(V_TX)施加到CMUT 100上或检测来自CMUT 100的接收信号。CMUT 100被设计为具有电极分离间隙“g”130，其是当CMUT 100处于原始位置、不被传输电压或外部声能激活时存在于可移动电极112和固定电极110之间的间隔。例如，当CMUT 100被施加在第一端口120上的电压激活时，由于可移动电极112和固定电极110之间的静电力，可移动电极112朝着固定电极110移到某个偏移位置x132。当电源被施加以将可移动电极112向固定电极110移动时，弹簧114(或等效结构)提供恢复力以将可移动电极112向其初始位置移回。

但是，因为CMUT中的静电力是非线性的，当两个电极之间的间隔变小时，静电力可比弹簧114的恢复力增加得快。因此，在某个最佳位移Xm134处，弹簧114的恢复力不能克服可移动电极112和固定电极110之间的静电力。一旦达到这个最大位移点Xm 134，任何进一步的电压增加都可导致可移动电极112在固定电极110上失效。因此，可移动电极的位移x 132需要被控制，以便对于正常CMUT操作保持小于Xm 134。一般，最佳设计位移Xm 134比电极分离间隙g 130小得多。例如，对于静电驱动中的理想平行板CMUT，Xm 134一般可为大约分离间隙g 130的三分之一。因此，在常规设计中，为了对某些应用获得足够的位移，在固定和可移动电极之间的分离间隙g 130需要被设计为比产生期望数量的声能实际所需的位移x 132大得多。

图1B示出了作为图1A中的CMUT 100的等效电路的系统101。CMUT100在这个实施方式中被象征性地表示为可变电容器。CMUT 100的电容与1/g成比例。在所示出的实施方式中，所有的输入电压V_1X可被施加到CMUT 100。

因为可移动电极112在正常操作期间具有小于Xm 134的位移x 132，图1A中的CMUT 100可通过插入固定在Xm 134上的虚拟浮动电极111而在概念上被分为两部分，也如图1B中所示。因此，可移动电极112和浮动电极111形成了另一个可变电容器200(如图2A中的系统201中所示)，且浮动电极111和固定电容器110形成了恒定电容器240(如图2A中所示)。如此处所公开的，图1B和图2A中的电路可具有相同的电性能和声学性能。图2B示出了图2A中的系统201的示例性实施方式的图解模型。CMUT 200具有串联连接的电容器240。但是，图2A-2B中的CMUT 200的初始电容是图1A-1B中的CMUT 100的初始电容的g/Xm倍，且图2A-2B中的电容器240的电容是图1A-1B中的CMUT 100的初始电容的g/(g-Xm)倍。因此CMUT 200和电容器240的电容都大于CMUT 100的电容，且图2A-2B中的两个串联电容器(即，CMUT 200和电容器240)的总初始电容与图1A-1B中的CMUT 100的初始电容相同。

因为图1A-1B和图2A-2B中的电路或图解模型的声学和机械性能相同，因此在图2A-2B中的CMUT 200中，理想地，可移动电极112可具有与CMUT 200的整体电极间隔g 230相同的最大位移Xm。因此，带有串联连接的适当的电容器240的CMUT 200的电极间隔上的相对位移可比没有串联电容器的相同CMUT的相对位移大得多。这是因为反馈电容器240(具有在下文中被称为“C_F"的电容)提供了对施加在CMUT 200上的输入电压的百分比的反馈。在图1A-1B中，所有的输入电压V_1X施加在CMUT100上。但是，在图2A-2B中，仅有部分的输入电压(V_A)施加在CMUT上，且其余的输入电压(V_B)施加在反馈电容器上，即，V_TX＝V_A+V_B。电容器240和CMUT 200一起形成了分压器，使得CMUT 200的电容的增加以及位移使施加在CMUT 200上的电压的百分比降低，因此电容器240提供了对施加在CMUT 200上的电压的负反馈。因此，当与电容器240串联连接时，CMUT 200能够在正常操作(即，没有串联反馈电容器)中在CMUT中的拉入效应所设定的限制之外稳定良好地操作。

另外，在图2A-2B的实施方式中，CMUT 200的CMUT电容实质上大于图1的理论模型CMUT 100的电容，用于获得可移动电极112的相同位移x 232。较大的CMUT电容对提高CMUT的性能是合乎需要的，例如，当CMUT被用在用于声能的检测/接收的检测/接收模式中时。

在此处公开的实施方式中，电容器240可以是具有恒定电容的任何种类的电容器。例如，电容器240可例如通过使用金属或硅作为顶部和底部电极并使用氮化物或氧化物作为介质材料被直接制造在CMUT基底上。可选地，电容器240可以是连接到依照此处所描述的原理和技术设计的CMUT换能器的分立的电容器部件。

图3示出了包括结合以上所述原理的CMUT 300和反馈电容器340的系统301的示例性实施方式。CMUT 300的基本结构是具有存在于柔性弹簧元件314之上或之内或作为其部分的刚性第一电极310和第二电极312的柔性膜电容式微机械换能器，其可以是柔性膜或充当弹簧的其他结构，用于使第二电极312能够在电压被施加时向第一电极310移动且然后使第二电极312返回到初始位置。弹簧元件314和第二电极312通过支撑支座316与第一电极310分离以产生换能分离间隙g 330。CMUT 300可被用于通过柔性膜314的偏转传输(TX)或检测(RX)在邻近介质中的声波。例如，在传输期间AC信号通过第一端口120被施加到CMUT 300。第一电极310和第二电极312之间的交替的静电力驱动膜314，以便将声能传递到CMUT 300周围的介质中。类似地，在接收期间撞击声波使膜314振动，因此改变两个电极310、312之间的有效电容，且电路(未示出)检测并测量这个电容，以使用CMUT作为传感器。

图3的示例性CMUT 300包括串联连接到电极310或312中的一个的反馈电容器340。反馈电容器340具有优选地大约等于或小于CMUT 300的有效电容C_C的例如在以下所讨论的范围内的电容。通过包含与CMUT300串联的反馈电容器340，同时还实现类似的最大位移，分离间隙330可能能够被设计为小于没有反馈电容器340的CMUT中所需的大小的一半到三分之一。反馈电容器340可被直接制造在相同的CMUT基底上分别作为310、312的第一电极或第二电极之一，或可选地，电容器340可连接到CMUT 300作为分立的电容器部件。

图4示出了包括带有串联连接的反馈电容器440的CMUT 400的示例性系统401的另一个实施方式。CMUT 400包括第一电极410和第二电极412。CMUT 400包括嵌入的弹簧元件414，其可以是柔性膜或充当弹簧的其他结构，用于使第二电极412能够向第一电极410移动且然后弹回初始位置。另外，弹簧元件414可以是导电的且可以是第一电极410的一部分。第二电极412可以通过支架416自弹簧元件414悬挂下来，以产生换能分离间隙g 430。CMUT 400可以与以上对CMUT 300所描述的类似的方式操作。

图4的示例性CMUT 400包括与电极410或412中的一个串联连接的反馈电容器440。反馈电容器440具有优选地大约等于或小于CMUT 400的有效电容C_C的例如在以下所讨论的范围内的电容。通过包含与CMUT400串联的反馈电容器440，同时还实现类似的最大位移，分离间隙430可能能够被设计为小于正常操作中的CMUT中所需的大小的一半到三分之一。电容器440可被直接制造在相同的CMUT基底上分别作为410、412的第一电极或第二电极之一，或可选地，电容器440可连接到CMUT 300作为分立的电容器部件。

图5A为描述包括根据一些实施方式的CMUT 500的系统501的基本设置的示意图。具有电容D_F的反馈电容器540与具有电容C_C的CMUT 500串联连接。第二端口122连接到GND或偏压源。第一端口120连接到CMUT系统的前电路(未示出)。CMUT的前电路将驱动信号(V_IN)施加到带有串联的反馈电容器540的CMUT 500上或检测来自CMUT 500的接收信号。通常，使用反馈电容器的实施方式在CMUT的传输操作中提供比在检测/接收操作中更多的优点，因此，我们使用传输操作来说明图5A中的实施方式。在这种情况下，输入电压V_IN为传输信号V_TX。来自传输信号V_TX的被施加到CMUT 500上的电压V_A可被获取为：V_A＝V_TX-V_B＝V_TX(1+(C_C/C_F))-1。对于给定的所施加的输入信号V_TX，当CMUT的电容C_C增加时，施加在CMUT上的电压V_A降低。因此串联电容器540提供了对施加在CMUT 500上的电压V_A的负反馈。

由反馈电容器540提供的反馈的效率依赖于C_C/C_F的比值。因此，串联电容器540的电容需要被适当地选择以获得对施加在CMUT 500上的输入电压的期望反馈。在有适当的被选择的反馈电容器的一些实施方式中，对施加在CMUT 500上的输入电压的反馈能够在正常CMUT操作中将CMUT操作范围扩展到由拉入效应所限制的范围之外。因此，带有具有电容C_F的反馈电容器540的CMUT 500能够依照此处所公开的实施方式实现比在正常操作(没有反馈电容器)中的相同CMUT更大的在预定的换能间隔内的位移。例如，在具有理想的平行板电容布置的CMUT模型中，如果反馈电容器被选择为具有CMUT的电容C_C的一半的电容C_F，那么没有拉入效应且CMUT的最大位移Xm可与CMUT的电极间隔相同，如以上参考图2A和2B所讨论的。这使得能够设计具有实质上较大的电容的CMUT以实现与对正常CMUT操作设计的位移相同的位移，或对与正常CMUT操作所设计的电容相同的电容实现实质上较大的位移。

如以上所讨论的，施加在CMUT 500上的电压V_A和施加在反馈电容器540上的电压V_B的和等于所施加的传输电压V_TX，即，V_TX＝V_A+V_B。在一些实施方式中，V_B与V_A相当或甚至大于V_A。因此，施加在此处所公开的CMUT结构上的电压(V_A)小于施加在正常操作中的CMUT结构上的电压(V_TX)。当此处所公开的CMUT的实施方式在超声系统例如超声探针中实现时，获得了使较小的电压施加在CMUT上的一些优点。首先，在一些实施方式中，CMUT的电容可被设计为大于具有相当的位移而没有适当反馈电容器的CMUT的电容。因此，增加此处的CMUT的电容C_C可提高CMUT的接收性能。而且，整个传输电压V_TX一般在正常操作(没有串联的反馈电容器)中施加到CMUT上。但是，在此处所公开的实施方式中，总电压(例如，V_A＜V_TX)的仅仅一部分施加到CMUT上，且电压(电压V_B)的其余部分施加到反馈电容器上。这为一些实施方式提供了第二个优点，在这些实施方式中CMUT充当需要被置于电压敏感位置上以发射超声到介质或从介质接收超声的超声换能器。因为反馈电容器540可位于任何地方与CMUT 500串联，施加到CMUT本身的电压的量可降低，这可有利于高电压在换能器附近不是优选的应用。

因此，当此处所公开的CMUT和不合并反馈电容器的CMUT都发射相同的超声功率时，施加到此处所公开的CMUT上的电压(V_A)可远低于施加到不合并反馈电容器的CMUT上的电压(V_TX)。这有利于以上所讨论的CMUT中的静电击穿问题，因为施加到此处所公开的实施方式的CMUT上的电压V_A低得多。另外，施加到带有此处所公开的反馈电容器的CMUT上的较低电压允许CMUT中的较薄绝缘层在两个电极失效时防止介质击穿。虽然理想地，在一些实施方式中可能不需要绝缘层。这提高了CMUT的可靠性，因为绝缘层中的介质充电被最小化或完全消除。因此，此处所公开的CMUT(带有串联的反馈电容器)具有好得多的可靠性。

在一些实施方式中，为了使用串联电容器提供对施加在CMUT上的电压的期望反馈，反馈电容器的电容C_F应与CMUT的电容C_C相当，例如，在同一数量级内。例如，反馈电容器的电容C_F可被设计为在从0.1C_C到3C_C(即，在C_C的10％到300％之间)的范围内，其中C_C代表CMUT的有效基线电容，或更精确地，当CMUT被设定用于在由传输电压V_TX的输入引起的电容的任何变化之前的传输操作时代表CMUT的电容。另外，在一些示例性实施方式中，反馈电容器的电容C_F可被设计为在0.3C_C到1C_C内(即，在C_C的30％到100％之间)，用于最佳操作。进一步地，在一些实施方式中，如果有存在于某些实际安装中或CMUT结构本身中的寄生电容，电容C_C可包括CMUT电容和任何寄生电容。

除了使用电容器外，其他适当配置的电子部件，例如电阻器、电感器等可被使用来取代图5A中的反馈电容器540，以实现对施加在CMUT 500上的输入电压的期望反馈。因为除电容器之外的部件的反馈是与频率相关的，电子部件的值可被选择为具有与在CMUT 500的操作频率内的期望反馈电容C_F的值相似的电阻抗I_F。

图5B示出了包括带有与CMUT 500串联连接的反馈电阻器542的CMUT 500的系统501b。反馈电阻器542与CMUT 500的两个电极中的一个连接且具有被选定的电阻R_F。第二端口122连接到GND或偏压源。第一端口120连接到CMUT的前电路(未示出)。CMUT的前电路将驱动信号(V_IN)施加到带有串联的反馈电阻器542的CMUT 500上或检测来自CMUT 500的接收信号。来自传输信号V_IN的施加到CMUT 500上的电压V_A可被获取为：V_A＝V_in-V_B＝V_in(I+jω_cR_FC_C)^-1，其中j为虚单位，ω_C为CMUT的操作频率。对于给定的锁施加的输入信号V_IN，当CMUT的电容C_C增加时，施加在CMUT上的电压V_A降低。因此具有适当选择的电阻R_F的串联电阻器542提供对施加在CMUT 500上的电压V_A的负反馈。

由反馈电阻器542提供的反馈的效率依赖于jω_CR_FC_C的反馈因子。与以上所讨论的使用反馈电容器不同，使用反馈电阻器的反馈因子是CMUT的操作频率ω_C的函数。还值得注意的是，反馈因子是虚数，因此在施加到CMUT上的电压(V_A)与输入电压(V_IN)之间有相差。这个相差使得CMUT 500上的电阻器542的反馈表现为对CMUT位移的阻尼效应。因此，带有反馈电阻器542的CMUT可具有比正常操作中的CMUT更好的带宽。因此这个方法对于扩大在作为介质的空气中操作的CMUT的带宽尤其有用。因此，串联电阻器542的电阻R_F需要被适当选择以在操作频率区域中实现对施加在CMUT中的CMUT 500上的输入电压的期望反馈。例如，为了作为反馈电容器540实现对施加到CMUT 500上的电压(V_A)的类似的绝对反馈效应，基于CMUT 500的预定的操作频率(ω_C)，反馈电阻器542具有与CMUT 500的阻抗Z_F＝1/jω_CC_C相同数量级的阻抗Z_F＝R_F。例如，电阻器542的阻抗可在预定的操作频率处的CMUT 500的阻抗的50％到300％之间。

另外，图5C示出了具有与CMUT 500串联连接的反馈电感器544的CMUT 500的系统501c。反馈电感器544与CMUT 500的两个电极中的一个连接。第二端口122连接到GND或偏压源。第一端口120连接到CMUT的前电路(未示出)。CMUT的前电路将驱动信号(V_IN)施加到带有串联的反馈电感器的CMUT 500上，或检测来自CMUT 500的接收信号。来自传输信号V_IN的施加到CMUT 500上的电压V_A可被获取为：V_A＝V_in-V_B＝Vin(1+(-ω_C ²L_FC_C))^-1。对于所施加的输入信号V_IN，当CMUT的电容C_C增加时，施加在CMUT上的电压V_A的百分比增加。因此串联电感器544提供了对施加在CMUT 500上的电压V_A的正反馈。

由反馈电感器544提供的反馈的效率依赖于-ω_C ²L_FC_C的反馈因子。与使用以上所讨论的反馈电容器不同，使用反馈电感器544的反馈因子是频率ω_C的强函数。还值得注意的是，反馈因子是负的，因此电感器提供了正反馈。因此，施加到CMUT上的电压(V_A)可大于输入电压(V_IN)。带有串联电感器的CMUT可具有较窄的带宽。因此这可能对于需要带有多个脉冲的信号的应用例如高强度聚焦超声(HIFU)是有用的。串联电感器544的电感L_F需要被适当选择以实现对施加在处于CMUT操作频率区域内的CMUT 500上的输入电压的期望反馈。例如，为了作为具有电感L_F的反馈电感器544实现对施加在CMUT 500上的电压(V_A)的有效的反馈效应，基于CMUT 500的预定的操作频率(ω_C)，反馈电感器544具有与CMUT 500的阻抗Z_F＝1/jω_CC_C相同数量级的阻抗Z_F＝jω_CL_F。例如，电感器544的阻抗Z_F可以在预定的操作频率处的CMUT 500的阻抗的50％和300％之间。

在以下的描述和相关的附图中，反馈电容器用于说明此处所公开的各种实施方式，但是考虑到以上所讨论的考虑因素，其他的反馈部件例如以上讨论的反馈电阻器和反馈电感器可被用在相同的实施方式中。

图6示出了依照此处所描述的实施方式的用于包括反馈电容器的CMUT的示例性方法的流程图600。另外，应注意，这个方法完全是示例性的，且本发明不限于任何特定的方法。

块601：在一些实施方式中，首先必需确定第二电极到第一电极的期望设计位移x，用于在特定的电压施加到CMUT时产生预定量的声能。

块602：一旦期望位移x被确定，基于特定的传输电压的存在于CMUT的第一电极和第二电极之间的电容C_C就可被确定，如以上所讨论的。

块603：在CMUT的电容C_C被确定之后，反馈电容器可基于CMUT的电容C_C被选择。如以上所讨论的，在一些实施方式中，反馈电容器具有小于或约等于CMUT的电容C_C的电容C_F。在其他实施方式中，反馈电容器在以上所述的特定范围内被选择，即，在电容C_C的30％和100％之间或在电容C_C的10％和300％之间。

块604：反馈电容器与CMUT串联放置。

块605：传输电压被施加到CMUT和反馈电容器以驱动CMUT。传输电压使得第二电极朝着或远离第一电极移动以产生超声能。反馈电容器应用对施加在CMUT上的电压的反馈，使得当在CMUT的驱动期间CMUT的电容C_C增加时，施加在CMUT上的传输电压的百分比降低，反之亦然。

图7-13示出了在CMUT的不同操作方法和配置中在图5中示出的基本配置的更详细的实施方式。图7示出了包括与反馈电容器740串联连接的CMUT 700的系统701的实施方式。第二端口122连接到GND或偏压源。第一端口120连接到CMUT系统的前电路(未示出)。CMUT的前电路将驱动信号施加到CMUT 700或检测来自CMUT 700的接收信号。开关760可被用于例如在操作CMUT 700的某个持续时间期间使反馈电容器740短路。例如，开关760可在传输(TX)操作期间打开并在接收(RX)操作期间关闭以使电路短路，从而使反馈电容器740在超声能的传输期间变成活动的并在超声能的接收期间变成不活动的。在接收操作期间，希望较大的CMUT电容驱动检测信号，因此希望反馈电容被短路以增加总电容。另外，即使开关760在以上所述并且还在以下所描述的其他示例性设置中未示出，如果需要，这样的开关可添加到那些实施方式中的任一个中。图7中所示出的开关可以是真正的开关或开关电路；它还可以是像开关一样起作用的任何电路或功能块，该开关包括或不包括在CMUT 700的某个操作(例如，TX或RX操作)中的反馈电容器740。

图8示出了包括与反馈电容器840串联的CMUT 800的系统801的实施方式。在这个实施方式中，CMUT 800受到通过偏压电路850在第三端口824接收偏压V_Bias的影响，该偏压电路850包括具有电阻V_Bias的偏压电阻器826。通常，偏压电阻器的电阻远大于CMUT的阻抗。因此偏压电阻器的存在以及稍后介绍的去耦电容器的存在对处于CMUT的操作频率的CMUT操作有最小的影响。通常，电浮动操作点/端口应被偏置到期望的信号源以实现稳定操作，例如在用于接收声信号的检测/接收模式中时。在图8的实施方式中，在CMUT 800和反馈电容器840之间有电浮动点，因此CMUT 800可被偏压源V_Bias在第三端口824处偏置。在一些实施方式中，偏压源可以是DC电压源，地，或任何其他信号源。在图8的实施方式中，TX/RX开关860被包括在第三端口120以用于在传输模式和接收/检测模式之间切换。因此，当开关860切换到TX输入端827时，传输电压V_TX能够传递到CMUT 800。可选地，当开关860切换到RX输出端828时，由CMUT 800产生的输出电流作为接收或检测声能的结果能够被传递到测量电路或类似的电路(未示出)。

有各种偏压方法可被用于此处所公开的一些实施方式。此处所公开的实施方式和配置中的TX/RX开关860可以是像在传输(TX)操作和接收(RX)操作之间的开关一样起作用的任何电路或功能块。例如，TX/RX开关860可以是实际的物理开关，可以是用于在传输操作期间的接收的前置放大的保护电路，或者执行相同功能的一些其他布置。

图8示出了偏置CMUT 800和反馈电容器840的示例性方法。被施加到CMUT 800上的偏压V_Bias可通过偏压电阻器826被传递。反馈电容器840能够执行如以上所讨论的反馈功能，且还能够在一些实施方式中执行DC去耦功能，使得除了反馈电容器840之外不需要DC去耦电容器。另外，对于此处所描述的全部配置，具有R_Bias的用于施加适当的偏压的偏压电阻器可用开关代替。

在图8的实施方式中，反馈电容器840和偏压V_Bias置于CMUT 800和TX/RX开关860之间。但是，图9示出了系统901的可选实施方式，其中CMUT 900通过第三端口824和偏压电路825接收偏压V_Bias，且反馈电容器940位于输入端827处的TX/RX开关860的另一侧，使得反馈电容器940仅在TX操作期间起作用。

图10示出了包括CMUT 1000的系统1001的另一个实施方式，其中提供V_Bias的偏压电路850也位于输出端828处的TX/RX开关860的另一侧上，使得V_Bias824仅在RX操作模式期间起作用，并且反馈电容器1040仅在传输模式期间起作用。

另外，在图8的实施方式中，反馈电容器840置于CMUT 800和TX/开关860之间。在那个配置中，CMUT的操作点只由偏压确定。但是，在其他的实施方式中，反馈电容器可被置于CMUT的另一侧，如图11中所示出的。在图11中，包括反馈电容器1140和偏压电路850的系统1101位于CMUT 1100和第二端口122之间，其在这个实施方式中还充当地。图11的CMUT 1100的操作点可只被偏压V_Bias确定，或在开关860与TX输入端827接触时由偏压V_Bias和传输(TX)输入信号电压V_TX确定。

而且，在图9的实施方式中，偏压电路850置于CMUT 900和TX/RX开关860之间。但是，如图12中所示出的，偏压V_Bias还可置于CMUT的另一侧。图12示出了系统1201的实施方式，其中CMUT 1200通过第二端口122直接连接到偏压源，且反馈电容器1240只在传输模式期间连接。

图13示出了系统1301的实施方式，其中两个偏压电路1350/1351分别置于CMUT 1300的两侧。具有电压V_Bias1的第一偏压电路1350被设置在第三端口1324处且通过具有施加在CMUT 1300和反馈电容器1340之间的电阻R_Bias1的第一偏压电阻器1326被应用。具有电压V_Bias2的第二偏压电路1351被设置在第四端口1325上并通过具有施加在CMUT 1300的另一侧上的电阻R_Bias2的第二偏压电阻器1327被应用。另外，去耦电容器1390可被包括在CMUT 1300的在CMUT 1300和第二端口122之间的这侧上。因此图13的实施方式除了反馈电容器1340之外还包括与CMUT1300串联的去耦电阻器1390。例如，去耦电容器1390是具有电容C_D的去耦电容器，该电容C_D一般被选择为远大于CMUT 1300的电容C_C(即，大于一个数量级，使得C_D＞＞C_C)，且因此，电容C_D还远大于反馈电容器1340的电容C_F。因此，在CMUT 1300的传输操作期间，去耦电容器1390上的电压降是可忽略不计的且几乎所有的传输输入电压V_TX被施加在CMUT 1300和反馈电容器1340上。另外，在图13的变形中，反馈电容器1340和第一偏压电路1350可被置于TX/RX开关860的另一侧，类似于图10中示出的实施方式，使得反馈电容器1340和第一偏压电路1350只分别在TX和RX操作中起作用。

以上参考图1-13讨论的带有反馈电容器的CMUT可被合并到各种不同的系统、设备等中。例如，图14示出了依照一些实施方式用在超声系统1401中的示例性探针1402。探针通过电缆1404或类似物与超声系统的其余部分连接。图14的实施方式包括具有依照此处所公开的实施方式串联连接的反馈电容器1440的CMUT 1400。在图14的实施方式中，CMUT1400和反馈电容器1440都位于超声系统的探针1402中。

一般，CMUT需要置于接近于探针表面的某个地方以有效地发射和接收超声能。但是，为了安全考虑，不期望高电压出现在探针表面附近的某个地方。因此，在图14的实施方式中，CMUT 1400位于探针前表面1403。但是，反馈电容器1440可被置于保持相对高的电压安全的探针上的任何地方。通常，优选地将反馈电容器1440远离探针表面放置。鉴于这些考虑，CMUT 1400和反馈电容器1440可被置于分离的位置，因此CMUT 1400被置于探针1402的前表面1403，并且反馈电容器1440可被置于探针1402的对于高电压安全的位置，例如在与表面隔离的探针1402的内部。在这种情况下，如以上所讨论的，当CMUT用在正常操作中时，在此处所公开的实施方式中暴露在探针表面附近的电压(V_A)远低于总传输电压(V_TX)。

另外，在超声系统1501的其他实施方式中，如图15的示例性实施方式中所示出的，反馈电容器1540可被定位成远离CMUT 1500并被布置在对于高电压安全的超声系统中的任何地方。在图15的实施方式中，依照此处所公开的实施方式的CMUT 1500位于超声探针1502上。反馈电容器1540位于基本单元1508中的不同位置或类似位置上，且通过电缆1504与CMUT 1500串联连接。这个配置可能对例如并入导管、其他探针类型的设备或类似仪器是有用的。参考图1-13描述的实施方式中的任何实施方式都可在图14和15的系统中实现。

由上述可知，显然，此处所公开的实施方式可提供在比正常操作中的CMUT所需电压更低的电压上起作用的CMUT，用于实现相同的位移。这在超声系统的实施方式中大电压可能是不可得到的或是不合乎需要的时是有用的。例如，有关于多高的电压可用于连接到或插入人体的设备的限制。另外，此处所公开的CMUT的实施方式能够使两个电极间有小得多的分离间隔或间隙。较小的电极间隙和较低的所需电压还可增加在传输和接收模式期间的CMUT的效率。

实施方式还涉及用于制造和使用此处所描述的CMUT的方法、系统和装置。另外，应注意到，图14和15中示出的系统配置是可提供实施方式的完全示例性的系统，且实施方式不限于特定的硬件配置。在本描述中，很多细节是为了解释的目的被阐述的，以便提供对本公开的彻底理解。但是，对本领域技术人员来很明显，不是所有这些具体的细节都是需要的。

尽管主题以结构特征和/或方法行为特有的语言描述，应理解，在所附的权利要求中限定的主题不限于以上所描述的特征或行为。更确切地，以上所描述的具体特征和行为被公开为实现权利要求的示例性形式。另外，本领域普通技术人员认识到，被计算以实现相同目的的任何布置都可代替所公开的具体实施方式。本公开旨在覆盖所公开的实施方式的所有修改或变化，且应理解，以下的权利要求中使用的术语不应被解释为将本专利限制到说明书中所公开的具体实施方式。更确切地，本专利的范围完全由以下的权利要求连同这样的权利要求被授权的等效形式的整个范围来确定。

Claims

1.一种包括带有反馈电容器的CMUT的系统，所述系统包括：

电容式微机械超声换能器CMUT，其包括：

第一电极；

第二电极，其与所述第一电极分离开一间隙，使得在所述第一电极和所述第二电极之间存在第一电容；

弹簧元件，其支撑所述第二电极，用于使所述第二电极能够朝着所述第一电极移动和远离所述第一电极移动；以及

反馈部件，其与所述CMUT串联连接，所述反馈部件提供对施加到所述CMUT上的电压的反馈。

2.如权利要求1所述的系统，

其中所述反馈部件是提供对施加到所述CMUT的所述电压的负反馈，用于在所述CMUT的所述第一电容增加时降低所述电压，作为所述第二电极移动的结果。

3.如权利要求1所述的系统，

其中所述反馈部件是具有等于或小于所述第一电容的第二电容的电容器。

4.如权利要求1所述的系统，

其中所述反馈部件是具有在所述第一电容的10%和300%之间的第二电容的电容器。

5.如权利要求1所述的系统，

其中所述反馈部件是具有在所述第一电容的30%和100%之间的第二电容的电容器。

6.如权利要求1所述的系统，还包括：

开关，其可驱动以在CMUT用在接收模式中以检测声能时提供避开所述反馈部件的路径，且可驱动以在所述CMUT用在传输模式时将所述反馈部件与所述CMUT串联放置以传输声能。

7.如权利要求1所述的系统，还包括：

偏压电路，其用于在所述反馈部件和所述CMUT之间施加偏压。

8.如权利要求1所述的系统，还包括：

开关，其在所述反馈部件和所述CMUT之间，当所述CMUT用在传输模式中以传输声能时，所述开关将所述CMUT与所述反馈部件和传输电压的源串联连接，当所述CMUT用在接收模式中以检测声能时，所述开关将所述CMUT连接到接收端；以及

偏压电路，其用于将偏压施加到所述开关和所述CMUT之间。

9.如权利要求1所述的系统，其还包括：

偏压电路，其用于在所述开关将所述CMUT连接到所述接收端时施加偏压。

10.如权利要求1所述的系统，还包括：

超声探针，所述超声探针具有位于所述探针的表面的所述CMUT，且其中所述反馈部件位于所述探针上且与所述探针的所述表面隔离。

11.如权利要求1所述的系统，其还包括：

超声系统，其具有探针，所述探针包括位于所述探针的表面的所述CMUT，且其中所述反馈部件位于通过电缆连接到所述探针的超声系统的基本单元中。

12.如权利要求1所述的系统，

其中所述反馈部件是具有与处于预定的操作频率的所述CMUT的阻抗相同数量级的阻抗的电阻器或电感器。

13.如权利要求1所述的系统，

其中所述反馈部件是具有在处于预定的操作频率的所述CMUT的阻抗的50%和300%之间的阻抗的电阻器或电感器。

14.一种提供包括带有反馈电容器的CMUT的方法，包括：

提供包括第一电极和第二电极的电容式微机械超声换能器CMUT，所述第二电极与所述第一电极分离开一间隔，使得所述第一电极和所述第二电极之间存在第一电容，所述第二电极由弹簧元件支撑，用于使所述第二电极向所述第一电极移动并向初始位置返回，其中在所述第一电极和所述第二电极之间有第一电容；

将反馈电容器与所述CMUT串联放置，所述反馈电容器基于所述CMUT的所述第一电极和所述第二电极之间的所述第一电容而具有第二电容。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

将传输电压施加到所述CMUT和所述反馈电容器以驱动所述CMUT，其中所述反馈电容器应用对施加在所述CMUT上的所述传输电压的反馈，使得在所述CMUT的驱动期间当所述CMUT的所述第一电容增加时，施加在所述CMUT上的传输电压降低。

16.如权利要求14所述的方法，还包括：

选择所述反馈电容器以使所述第二电容小于或等于所述CMUT的所述第一电容。

17.如权利要求14所述的方法，还包括：

选择所述反馈电容器以使所述第二电容在所述CMUT的所述第一电容的30%和100%之间。

18.如权利要求14所述的方法，还包括：

选择所述反馈电容器以使所述第二电容在所述CMUT的所述第一电容的10%和300%之间。

19.一种包括带有反馈电容器的CMUT的系统，所述系统包括：

电容式微机械超声换能器CMUT，其包括：

第一电极；

第二电极，其与所述第一电极分离开一间隙，使得当所述第二电极在第一位置时，在所述第一电极和所述第二电极之间存在第一电容；

柔性元件，其支撑所述第二电极，用于当电压被施加时使所述第二电极能够从所述第一位置向所述第一电极移动预定的位移并返回所述第一位置，以产生声能；以及

反馈电容器，其与所述CMUT串联连接，所述反馈电容器具有在所述第一电容的10%和300%之间的第二电容，其中所述反馈电容器和所述CMUT形成分压器，使得当所述反馈电容器提供对施加在所述CMUT上的所述电压的负反馈时，所述CMUT的所述第一电容的增加使施加在所述CMUT上的电压降低。

20.如权利要求19所述的系统，

其中所述系统是具有探针的超声系统，所述探针包括位于所述探针的表面的所述CMUT，以及

其中所述反馈电容器位于所述探针上并与所述探针的所述表面隔离，或位于通过电缆与所述探针连接的所述超声系统的基本单元内。