CN101896288B - 包括经成型衬底的可以塌陷模式工作的cmut - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够在具有减小的偏置电压或者无偏置电压情况下以塌陷模式工作的电容式超声换能器。该换能器包括衬底，对该衬底成型使得在不存在偏置电压时柔性隔膜的中间区域向该衬底塌陷。不可塌陷的间隙可以存在于衬底和柔性隔膜的外围区域之间。衬底的轮廓可以是这样的，其拉紧柔性隔膜越过塌陷点、或者机械干扰柔性隔膜。衬底可以包括置于柔性隔膜之下的另一个隔膜，对该另一个隔膜成型使得柔性隔膜向它塌陷。衬底还可以包括置于该另一个隔膜之下、使该另一个隔膜的相应部分向上朝向柔性隔膜偏移的支撑物。该支撑物可以是柱。与显示出可比的未成型衬底的其它类似常规换能器相比，该换能器可以以改进的效率(k2 eff)工作在塌陷模式中。提供了相关医疗成像系统，其可以包括置于公共衬底上的这种换能器的阵列。提供了操作这种换能器的方法，该方法包括在不存在偏置电压时在塌陷模式中操作换能器。

Description

包括经成型衬底的可以塌陷模式工作的CMUT
本发明涉及用于生成医疗诊断图像的系统和方法，并且更具体地，涉及超声换能器。
如在Bayram，B.等人在IEEE Trans UFFC，Vol.50，No.9(2003)上的ANew Regime for Operating Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers中所讨论的，对于将要以塌陷模式工作的常规电容式微机械超声换能器(cMUT)，典型地以这样的电压激励cMUT的柔性隔膜，该电压导致部分隔膜塌陷在相应cMUT衬底上。施加到隔膜的电压随后减少到通常标记为cMUT的‘阶跃恢复(snapback)电压’的某个阈值电压，这将典型地导致隔膜从衬底向上升起并且返回平衡位置。相反，达到施加于之前塌陷隔膜的电压保持在阶跃恢复电压之上的程度，可以典型实现设备完全线性和有效的输出。
图1中示出了常规cMUT结构。更具体地说，图1以示意性横截面示出了cMUT 100，其包括衬底102和柔性隔膜106，在衬底102中形成囊104，并且柔性隔膜106横跨囊104安装在衬底102上。在偏置电压施加在柔性隔膜106上并且将衬底102设置在相对低电压或者零伏特的情况下，cMUT100将典型地在柔性隔膜106和衬底102之间的囊104内显示出间隙108。
现在参考图2，在操作中，一旦施加到柔性隔膜106和衬底102上的电压偏置从与图1中所示的cMUT 100的构造相关联的相对低或零电平增大足够量，该柔性隔膜106将趋向于向下并且朝向衬底102塌陷到囊104内。柔性隔膜106的这种塌陷可以基本上消除柔性隔膜106和衬底102之间的间隙108(图1)，使得柔性隔膜106的朝下表面200至少临时与衬底102相应的朝上表面202物理接触。一旦实现柔性隔膜106相对于衬底102的这种塌陷状况，就可以通过在柔性隔膜106和衬底102上连续施加超过某个最小电平(一般称为“阶跃恢复”电压)的偏置电压来维持这种塌陷状况。
可以在塌陷模式中使用cMUT 100发射或者接收压力波。对于以相对衬底102塌陷的柔性隔膜106发射压力波的cMUT 100，施加在柔性隔膜106和衬底102上的电压可以在相对高电压和相对低电压之间循环。这两个电压各自的幅度典型地都比与cMUT 100相关联的阶跃恢复电压更高。在该相对高电压和该相对低电压中，该相对高电压与柔性隔膜106的朝下表面200和衬底102的朝上表面202之间相应的更大接触面积相关联。随着通过循环偏置电压诱使、驱动或者导致柔性隔膜106在这种与衬底102的较大和较小物理接触面积之间交替，通过囊104内衬底102某些部分的垂直往复，该柔性隔膜106的相应部分跃迁入和跃迁出与衬底102接触的面积(例如，入和出该柔性隔膜106的“塌陷区域”)。该柔性隔膜106跃迁部分的这种往复垂直运动产生了所期望的压力波。如本领域的技术人员所意识到的，这种cMUT 100还典型可用于图2中所示的塌陷模式中，用于作为柔性隔膜106受到由cMUT 100所接收的外部产生的压力波的响应而产生和发送相应的电信号。
根据对诸如图1和图2的cMUT 100的cMUT效率的至少一次普通测量，充分积极参与压力波发射(例如，作为响应于电输入的输出)和/或对到来的压力波的接收和响应(例如，作为输入、作为产生电输出过程的部分)的那部分柔性隔膜106的大小或面积值为比较提供了至少一个基础。例如，在两个至少有些不同配置变化的cMUT 100趋向于对相同的输入电信号或者相同的输入压力波作出至少有些不同响应的情况下，一般认为显示出柔性隔膜106塌陷区域更多运动的cMUT变体是更有效的设备。
尽管目前为止所进行的努力，但是对使用其有效率和有效果的cMUT装置和方法的需求仍保持不变。如从下列说明中显而易见的，通过所公开的装置、系统和方法满足这些和其它需求。
根据本发明的实施例，提供了一种电容式超声换能器，该换能器包括衬底和柔性隔膜，该柔性隔膜包括沿着其将柔性隔膜安装到衬底的外围区域、以及在外围区域之间延伸的中间区域。对换能器的衬底成型，使得在不存在偏置电压时柔性隔膜在中间区域附近向衬底塌陷，从而允许换能器在具有减小的偏置电压或者无偏置电压的情况下以塌陷模式工作。在每个外围区域附近的衬底和柔性隔膜之间可能存在不可塌陷的间隙。衬底的轮廓可以是这样的：其拉紧柔性隔膜越过中间区域的附近处的塌陷点，和/或在中间区域的附近处与柔性隔膜的机械干扰达到大约2μm的程度(例如，达到大约1.6μm的程度)。衬底可以包括置于柔性隔膜之下的另一个隔膜，对该另一个隔膜成型使得不存在偏置电压时柔性隔膜在中间区域的附近处向该另一个隔膜塌陷。柔性隔膜的长度和厚度可以分别大于大约80μm(例如，大约100μm)并且小于大约3μm(例如，大约2μm)，并且另一个隔膜可以为至少大约4μm厚(例如，大约5μm厚)。衬底还可以包括置于该另一个隔膜之下的支撑物，给出该支撑物的维度并且将其配置为使该另一个隔膜的相应部分向上朝向柔性隔膜偏移(deflect)达到至少等于该支撑物和柔性隔膜之间原始间隙厚度的程度。该支撑物可以是置于该另一个隔膜之下的柱并且与柔性隔膜的中间区域垂直对准，和/或除了与柔性隔膜的中间区域垂直对准的其中心部分之外，该支撑物可以在结构上不完全在该另一个隔膜的区域之下。该支撑物可以用于使与柔性隔膜的中间区域垂直对准的该另一个隔膜的中心部分向上垂直偏移至少大约.5μm的程度(例如，在大约.9μm和2.5μm之间的程度)，同时允许该另一个隔膜的至少一个相对外围部分保持基本上不垂直偏移。可以对衬底成型，使得不存在偏置电压时柔性隔膜在中间区域的附近处向衬底塌陷，从而允许换能器工作在塌陷模式中，与显示出可比的未成型衬底的其它类似常规换能器相比，具有改进的效率(k2 eff)。
根据本发明的实施例，提供了一种包括电容式超声换能器的医疗成像系统，该换能器包括衬底和柔性隔膜，该柔性隔膜包括沿着其将柔性隔膜安装到衬底的外围区域、以及在外围区域之间延伸的中间区域。对换能器的衬底成型，使得在不存在偏置电压时柔性隔膜在中间区域的附近处向衬底塌陷，从而允许换能器在具有减小的偏置电压或者无偏置电压的情况下以塌陷模式工作。该医疗成像系统可以包含置于公共衬底上的这种换能器的阵列。
根据本发明的实施例，提供了一种操作电容式超声换能器的方法，该方法包括提供包括衬底和柔性隔膜的换能器，该柔性隔膜包括沿着其将柔性隔膜安装到衬底的外围区域、以及在外围区域之间延伸的中间区域，其中，对衬底成型，使得在不存在偏置电压时柔性隔膜在中间区域的附近处向衬底塌陷；以及，在不存在偏置电压时以塌陷模式操作换能器。
为了辅助本领域的技术人员制造和使用所公开的装置、系统和方法，参考附图进行描述，附图中：
图1图示说明了现有技术的cMUT；
图2图示说明了以塌陷模式工作的图1的cMUT；
图3图示说明了根据本发明的实施例配置的cMUT；
图4、图5、图6和图7共同描绘了根据本发明的实施例制造图3的cMUT的方法；
图8和图9给出了与某些常规但是可比较的cMUT相比，对应于根据本发明的各种cMUT实施例的效率数据作为偏置电压的函数；以及
图10图示说明了根据本发明的实施例用于生成医疗诊断图像的系统，该系统包括根据本发明配置的cMUT设备阵列。
在塌陷模式中使用cMUT的一个传统缺点是：典型地，塌陷电压比工作电压大得多，并且因此需要高电压电路。另外，输出功率通常是对于cMUT在成像应用中的限制因素，使得对这种设备的效率上的任何改进都是所期望的。
通过建模和仿真，本申请人已经发现，实现对cMUT的衬底表面的某些改变可以导致在塌陷模式工作中效率的改进。在本发明的一些实施例中衬底包括第二隔膜，可以对该衬底成型使得cMUT的柔性隔膜的中间没有间隙(无偏置的塌陷模式)。这允许根据本发明的cMUT在没有(或者很小)偏置电压时以塌陷模式工作。此外，本申请人已经发现，当使用衬底拉紧隔膜越过接触点(塌陷)时，根据本发明的cMUT显示出效率增加。除了效率改进之外，根据本发明的cMUT允许所需电压的显著减小。除了其他相关优点之外，这些改进使得根据本发明的cMUT相对更适合于引入主流超声波探头。
现在转到图3，图中示出了根据本发明的示例性实施例的cMUT设备。更具体地说，图3以示意性横截面示出了cMUT 300。该cMUT 300包括在其中形成囊304的衬底302。该cMUT 300还包括耦合到衬底302、横跨囊304的柔性隔膜306。该柔性隔膜306可以包括各个外围区域308，可以沿着外围区域308将柔性隔膜306围绕囊304的对应外围或者在囊304的对应外围的附近处安装到衬底302。该柔性隔膜306还可以包括在外围区域308之间延伸的中间区域310。另外，该柔性隔膜306可以限定朝下表面312。衬底302还可以包括置于囊304的外围内的结构314。该结构314可以限定和/或至少在结构上支撑朝上的经成型表面316。该朝上的经成型表面316可以向囊304之上和/或之外延伸或者突出，以便使其在中间区域310的附近处与柔性隔膜306的朝下表面312接触和/或协同地接合。该经成型表面316可以是弓形、曲线形、凸面形、以及圆顶形中的至少一个或多个。用于该经成型表面316的其他形状是可能的。该经成型表面316可以限定或者包括非常小或者短的横向和/或深度(例如，沿着垂直于图3的纸面方向)范围，使得该经成型表面基本上完全被包含或者限制在囊304内。例如，确定该经成型表面316的维度并且将其配置为使得：在囊304内包括或者限定基本上孤立的“岛”(island)，用于专门与柔性隔膜306的中间区域310(例如，其中，经成型表面限定了外围区域308的附近处的相对减小的外形、或者基本上不存在于外围区域308的附近处)相互作用。对于该经成型表面316的横向和/或深度范围的其他几何和/或空间结构是可能的。
根据本发明的实施例，尤其是在图3中所示出实施例，经成型表面316的至少一部分或者一段可以占据相对于衬底302的参考高度320的高度318，并且与柔性隔膜306的一个或多个外围区域308相关联的朝下表面322的至少一部分或一段可以占据相对于同一个参考高度320的高度324，至少某种程度上高度318比高度324相对于参考高度320更高。例如，可以经占据高度324的公共高度的所有外围区域308建立柔性隔膜306相对于衬底302的基本高度，使得在经成型表面318和柔性隔膜306之间不存在任何相互作用的情况下，柔性隔膜306朝下表面312的整个范围将趋向于基本上水平对准高度324并且位于高度324处。在这种情况下，通过占据具有至少某种程度上高于柔性隔膜306的基本高度324的高度320的衬底302的至少一部分或一段经成型表面316，可能在经成型表面316和柔性隔膜306的朝下表面312之间产生机械干扰。然后，可以通过经成型表面316和/或结构314向上偏移柔性隔膜306，创建可以使经成型表面316在中间区域310附近处保持与柔性隔膜306持续接触的预加负荷。
根据本发明，未在图3中单独示出或者指示的、与cMUT 300相关联的电极的特殊属性、结构或者放置不一定是严格的。同样，特别地，通常可用于cMUT的电极结构任何类型或方式的改进或优化可以应用于cMUT300。
如图3中所示，作为cMUT 30的部分所包括的结构314可以包括柱326和下部隔膜328，柱326基本上置于囊304中心并且在其中在柔性隔膜306方向向上延伸，下部隔膜328置于囊304内并且横跨囊304(这包括在柱326上和横跨柱326)。如上所指示并且在这里进一步解释的，结构314和与其相关联的经成型表面316使在平衡位置处(例如，零(0)伏特偏置电压)cMUT 300处于塌陷模式中。下部隔膜328可以显著比柔性隔膜306更厚和/或更硬，从而最小化衬底302中的能量损失(下部隔膜328的运动不一定导致发射压力波)。根据本发明的实施例，柔性隔膜306的长度和厚度可以分别是大约100μm和大约2μm，并且下部隔膜328可以是大约5μm厚。柱326顶部的高度可以设置为这样的维度：该维度对应于初始间隙厚度(例如，无形变隔膜)加上大约1.6μm。对于柔性隔膜306的长度和厚度、下部隔膜328的厚度、以及柱326顶部的高度的其他维度和/或维度的相关组合是可能的，并且可以用于实现根据本发明实施例的类似的增强效果。
进一步根据本发明的示例性实施例，可以使用大量工艺和制造技术中的一种或多种制作cMUT 300。例如，如在图4、图5、图6和图7中所说明的，现在将讨论制作cMUT 300的一种这样的方法。可以使用SOI晶片生产具有如图4中所示的双隔膜结构的衬底。可以使用另一种晶片生产如图5中所示具有柱结构的衬底。可以将两种晶片对准并且绑定在一起来生产图6中的结构。可以移除具有双隔膜结构的衬底给出如图7中所示的最终结构。
本申请人已执行建模和仿真对上面关于图3所示和所描述的cMUT 300的效率(k2 eff)与图2中所示常规塌陷cMUT100的效率(k2 eff)进行比较。图8将该比较表示为从0.5至1.3μm范围的初始间隙厚度的函数(在这些情况下，柱高度是初始间隙厚度加上1.6μm)。cMUT 300示出了对于所有间隙厚度效率的显著增加，并且对于更大间隙效率可以达到两倍大。如图9所示，本申请人进一步探究柱高度从初始间隙厚度到初始间隙厚度加上1.6μm的变化(初始间隙厚度是0.9μm)。高度0.9μm(初始间隙厚度)的柱举起下部隔膜328正好到与柔性隔膜306的接触点，并且示出了对于双隔膜结构效率上的微小增大(在小电压范围上)，并且效率随着柱高度增加而增大。
双隔膜结构是根据本发明实现具有改进效率的cMUT的一种方式。得到形如双隔膜结构的衬底的任何工艺都应该拥有更高的效率。应该在cMUT300的发射和接收功能(往复的)中实现改进的效率。
非常适合于诸如cMUT 300的设备的应用包括用于医疗超声系统的大型阵列。根据本发明的示例性实施例，这种医疗超声系统可以包括诸如图10中所说明的系统1000的一个或多个系统。该系统1000包括根据本发明的cMUT设备的阵列，该cMUT设备的阵列包括但是不必限于所示的两个cMUT 300。可以将包括专门示出的cMUT 300的这种cMUT设备分组成诸如大型2D阵列的阵列，给系统1000提供与本发明一致的增强功能和性能特性。在可以使用常规硅片工艺制作cMUT 300的情况下，可以实现大规模生产(large form factor)。另外，根据本发明的实施例，可以将驱动电子器件与系统1000的换能器集成。
所公开的装置、系统和方法易于接受许多进一步变化和可替换应用，而不脱离本发明的精神或范围。

Claims (17)

1.一种电容式超声换能器，包括：
衬底；以及
柔性隔膜，所述柔性隔膜包括外围区域和在所述外围区域之间延伸的中间区域，其中沿着所述外围区域将所述柔性隔膜安装到所述衬底；
其中，对所述衬底成型，使得在不存在偏置电压时所述柔性隔膜在所述中间区域的附近处向所述衬底塌陷，从而允许所述换能器在具有减小的偏置电压或者无偏置电压的情况下以塌陷模式工作。
2.如权利要求1所述的电容式超声换能器，其中进一步地，在所述外围区域中的每个的附近处，所述衬底和所述柔性隔膜之间存在不可塌陷的间隙。
3.如权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，对所述衬底成型以拉紧所述柔性隔膜越过所述中间区域的所述附近处的塌陷点。
4.如权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，对所述衬底成型以在所述中间区域的所述附近处机械干扰所述柔性隔膜达到大约2μm的程度。
5.如权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，对所述衬底成型以在所述中间区域的所述附近处机械干扰所述柔性隔膜达到大约1.6μm的程度。
6.如权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，所述衬底还包括置于所述柔性隔膜之下的另一个隔膜，对所述另一个隔膜成型使得不存在偏置电压时所述柔性隔膜在所述中间区域的所述附近处向所述另一个隔膜塌陷。
7.如权利要求6所述的电容式超声换能器，其中，所述柔性隔膜的长度和厚度分别大于80μm和小于3μm，并且所述另一个隔膜至少为4μm厚。
8.如权利要求6所述的电容式超声换能器，其中，所述隔膜的长度和厚度分别为大约100μm和大约2μm，并且所述另一个隔膜为大约5μm厚。
9.如权利要求6所述的电容式超声换能器，其中，所述衬底还包括置于所述另一个隔膜之下的支撑物，所述支撑物被确定维度并且配置为使得所述另一个隔膜的对应部分向上朝向所述柔性隔膜偏移至少等于所述另一个隔膜与所述柔性隔膜之间的原始间隙厚度的程度。
10.如权利要求9所述的电容式超声换能器，其中，所述支撑物是置于所述另一个隔膜之下并且与所述柔性隔膜的所述中间区域垂直对准的柱。
11.如权利要求9所述的电容式超声换能器，其中，除了与所述柔性隔膜的所述中间区域垂直对准的中心部分之外，所述支撑物在结构上不完全在所述另一个隔膜的区域之下。
12.如权利要求9所述的电容式超声换能器，其中，所述支撑物操作用于将与所述柔性隔膜的所述中间区域垂直对准的所述另一个隔膜的中心部分向上垂直偏移至少0.5μm的程度，同时允许所述另一个隔膜的至少一个相对外围部分保持基本上不垂直偏移。
13.如权利要求12所述的电容式超声换能器，其中，所述支撑物操作用于使所述另一个隔膜的所述中心部分向上垂直偏移大约0.9μm和大约2.5μm之间的程度。
14.如权利要求1所述的电容式超声换能器，其中，对所述衬底成型，使得不存在偏置电压时所述柔性隔膜在所述中间区域的附近处向所述衬底塌陷，从而允许所述换能器以塌陷模式工作，其中以与显示出可比的未成型衬底的其它类似常规换能器相比具有改进的效率(k2 eff)。
15.一种医疗成像系统，包括如权利要求1所述的电容式超声换能器。
16.一种医疗成像系统，包括置于公共衬底上的如权利要求1所述的电容式超声换能器的阵列。
17.一种操作电容式超声换能器的方法，包括：
提供包括衬底和柔性隔膜的换能器，所述柔性隔膜包括外围区域和在所述外围区域之间延伸的中间区域，其中沿着所述外围区域将所述柔性隔膜安装到所述衬底，其中，对所述衬底成型，使得在不存在偏置电压时所述柔性隔膜在所述中间区域的附近处向所述衬底塌陷；以及
在不存在偏置电压时以塌陷模式操作所述换能器。
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