CN105722609A - 超声换能器组件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种尤其用于超声成像系统(10)的超声换能器组件(50)，其包括换能器阵列(52)，所述换能器阵列包括用于发射和接收超声波(56)的多个换能器元件(54)。所述换能器元件(54)中的每个包括第二电极(70)以及连接到柔性膜(64)的第一电极(66)。所述组件还包括集成电路设备(60)，所述集成电路设备连接到所述换能器阵列(52)以驱动所述换能器元件(54)，其中，所述第一电极(66)电连接到彼此并且耦合到用于将交流驱动电压提供给所述换能器元件(54)中的每个的所述集成电路设备(60)，其中，所述第二电极(70)连接到用于将偏置电压提供给所述换能器元件(54)的电压源，并且其中，所述第一电极(66)中的每个均借助于过孔(76)连接到所述集成电路设备(60)，并且所述过孔(76)馈通所述第二电极(70)。

Description

超声换能器组件
技术领域
本发明涉及一种尤其用于超声成像系统的超声换能器组件。
背景技术
在超声换能器领域中并且尤其在超声成像系统领域中，使用微机械超声换能器元件(CMUT)通常是已知的。由于能够通过半导体处理技术制造电容性微机械换能器元件的事实，因而换能器的尺寸可以收缩到非常小的特征尺寸。
而且，借助于专用集成电路来驱动包括微机械超声换能器阵列的超声换能器通常是已知的，所述专用集成电路充当针对换能器元件中的每个的电接口。
为了集成整体换能器组件，还已知，将换能器阵列直接制造在专用集成电路的顶部表面上或将换能器阵列和专用集成电路附接到彼此以便减小换能器组件的总体尺寸。为了减小用于将换能器元件中的每个的电极连接到专用集成电路的技术努力，通常，附接到换能器元件的柔性膜的顶部电极中的每个均电连接到彼此并且连接到用于向这些电极施加偏置电压的电压源。设置在换能器元件的腔的底部的换能器元件的第二电极中的每个均个体地连接到换能器阵列下面的专用集成电路以便将个体驱动信号施加到换能器元件中的每个并且接收要被检测和评价的超声信号。与作为驱动器设备的专用集成电路组合的换能器阵列的缺点在于，在换能器元件的底部电极与专用集成电路的顶部金属层之间形成大的寄生电容。该寄生电容能够是cMUT电容自身的显著分数并且必须在cMUT设备的激励期间充电，从而导致低总体发送效率。而且，在信号接收时，寄生电容分流将期望的接收信号从而阻碍其进入电路。在接收信号时，这导致欠佳的信噪比。
为了减小换能器阵列与驱动器电路之间的寄生电容，US2013/0088118A1提出了包括腔内的换能器元件中的每个的第一电极与第二电极之间的额外浮动电极。减小寄生电容的该解决方案的缺点在于，换能器阵列具有复杂结构并且增加了用于制造那些换能器阵列的技术努力。
发明内容
本发明的目的是提供一种尤其用于超声成像系统的经改进的超声换能器组件，其具有在低技术努力的情况下的增加的发送效率和增加的接收信噪比。
根据本发明的一个方面，提供了一种尤其用于超声成像系统的超声换能器组件，包括：
-换能器阵列，其包括用于发射和接收超声波的多个换能器元件，其中，所述换能器元件中的每个包括第二电极以及连接到柔性膜的第一电极，
-集成电路设备，其连接到所述换能器阵列以驱动所述换能器元件，
-其中，所述第一电极耦合到所述集成电路设备，所述集成电路设备用于将交流驱动电压提供给所述换能器元件中的每个，并且其中，各所述第二电极电连接到彼此并且耦合到电压源，所述电压源用于向所述换能器元件提供偏置电压，并且
-其中，所述第一电极中的每个均借助于过孔连接到所述集成电路设备，并且所述过孔馈通所述第二电极。
在本发明的另一方面中，提供了一种超声成像系统，其包括用于发射和接收超声波的该种类的超声换能器组件。
在所述从属权利要求中定义了本发明的优选的实施例。应当理解，所述所要求保护的方法具有与所述所要求保护并且如在从属权利要求中定义的设备相似和/或相同的优选实施例。
本发明基于通过将针对所述换能器元件的电连接反转来减小寄生电容的想法。这通过以下来提供：借助于通过第二电极的过孔将连接到所述柔性膜的所述换能器元件中的每个的所述第一电极连接到所述集成电路设备以个体地驱动所述第一电极中的每个，并且将各换能器元件的所述第二电极连接到彼此和公共电压源以便将必要的偏置电压提供给这些第二电极。因此，所述第一电极用作所述主动电极并且连接到所述集成电路设备的所述驱动器和/或接收器设备，使得所述第二电极是所述被动电极。该配置减小针对所述主动电极的连接的所述寄生电容，因为所述主动电极是顶部电极并且所述驱动器和/或接收器设备借助于馈通所述第二电极的过孔连接到所述主动电极。因此，能够显著地改进所述换能器阵列的所述总体发送效率和所述信噪比。此外，减小了所述换能器组件的所述总体尺寸。
在优选实施例中，所述第一电极是所述换能器阵列的顶部电极。这是以低衰减发送和接收超声波的可能性，因为直接发射和接收所述超声波使得增加了总体信号强度。
还优选地，所述第一电极中的每个均耦合到所述柔性膜的顶部表面。这是减小用于制造所述换能器元件的技术努力的可能性，因为所述电极能够例如借助于沉积过程形成在所述柔性膜上。
在优选的实施例中，所述第二电极是附接到隔离层的底部电极。这是提供与所述集成电路设备隔离的偏置电极的简单的可能性。
在优选的实施例中，所述过孔馈通所述隔离层。这是将所述第一电极直接接触到被设置在各自的换能器元件下面的所述集成电路的驱动器元件的可能性。
在优选的实施例中，所述第二电极是刚性电极。这是利用低技术努力将所述第二电极提供为偏置电极的可能性，因为能够例如借助于沉积方法利用低技术努力制造所述刚性电极。
在优选的实施例中，分别在所述第一电极中的每个与所述第二电极中的每个之间形成所述腔。这是容易地发送和接收超声波的可能性，因为所述柔性膜能够偏转到所述腔中。
在优选的实施例中，借助于隔离物来支承所述换能器元件的所述柔性膜中的每个。这是距第二电极一距离形成柔性膜使得所述柔性膜和所述第一电极能够容易地偏转到所述腔中的可能性。
优选地，将用于将所述第一电极连接到所述集成电路设备的所述过孔集成在所述隔离物中。这是减小所述换能器阵列的总体尺寸的另外的可能性。
在优选的实施例中，所述换能器元件是电容性微机械超声换能器元件。这是利用低技术努力和利用小总体尺寸形成所述换能器阵列的可能性，因为能够在IC过程中在硅晶片中/上制造所述换能器阵列。
在优选的实施例中，所述集成电路设备是专用集成电路。这是将所述换能器阵列直接连接到特定驱动元件的可能性，因为所述专用集成电路被设计为驱动所述换能器元件和接收根据所述所接收的超声波的信号。
在优选的实施例中，在所述集成电路设备上单片地形成所述换能器元件。这是利用低技术努力和利用减小的特征尺寸来制造所述超声换能器组件的可能性。
在另一优选的实施例中，在衬底上单片地集成所述集成电路设备和所述换能器元件。这是减小所述制造时间和努力的另外的可能性，因为几乎能够例如借助于微电子过程技术单片地形成所述整体设备。该实施例的额外优点在于，可以在预制造的集成电路设备上制造所述换能器元件。如上文所提到的，通过将所述顶部电极连接到用于将AC驱动信号提供给各自的换能器元件的所述集成电路并且通过将所述底部电极连接到用于将DC偏置电压提供给所述换能器阵列的公共DC电源，能够显著地减小所述换能器元件的所述所驱动或所激励的电极之间的所述寄生电容，使得能够显著地改进所述换能器阵列的所述发送效率和接收信噪比，并且能够改进从所述超声换能器组件接收的分析信息(例如所述图像数据)的质量。
附图说明
本发明的这些和其他方面将根据在下文描述的(一个或多个)实施例而显而易见，并且将参考在下文描述的(一个或多个)实施例得到阐述。在以下附图中：
图1示出了超声成像系统的示意性图示；
图2示出了根据现有技术的超声换能器阵列和集成电路设备的示意性剖视图；并且
图3示出了根据本发明的超声换能器阵列和集成电路的示意性剖视图。
具体实施方式
图1图示了总体而言由10指代的超声成像系统的原理设计。该图被用于解释超声成像的背景。应当理解，所要求保护的超声换能器组件不限于这样种类的应用。
超声成像系统10被用于扫描例如患者12的身体的区或体积。应当理解，超声系统10还可以被用于扫描其他区或体积，例如动物或其他生物的身体部分。
为了扫描患者，提供了超声探头14。在图1中所示的实施例中，超声探头14连接到控制台设备16。控制台设备16被示为移动控制台。然而，该控制台16还可以被实现为固定设备。控制台设备16经由形成为过孔的接口18连接到探头14。而且，控制台设备16包括用于使得用户能够控制超声成像系统10的输入设备20，并且可以包括用于显示由超声成像系统10生成的数据和图像的显示器22。由此，能够由超声成像系统10的用户在控制台设备16上查看经由超声探头14所扫描的患者12内的体积。
超声探头14通常包括由如以下所描述的驱动器设备所驱动的超声换能器阵列，以便发送和接收超声波，并且提供来自所接收的超声波的超声图像数据。
图2示出了如从现有技术已知的超声换能器组件，其总体而言由24指代。超声换能器组件24包括多个换能器元件28的换能器阵列26，所述换能器元件28被形成为电容性微机械超声换能器(CMUT)元件。换能器阵列26连接到专用集成电路30的顶部表面。换能器元件28包括柔性膜32、腔34以及顶部电极36和底部电极38。顶部电极36形成在柔性膜32上或嵌入在柔性膜32中，并且底部电极38形成在腔28的底部处在隔离层40的顶部处，或者嵌入在隔离层40中，所述隔离层40将换能器阵列26与专用集成电路30隔离。
各顶部电极36连接到彼此并且连接到用于将DC偏置电压提供给换能器元件28的DC电源41。底部电极38中的每个均个体连接到专用集成电路30的驱动元件42以便将个体AC信号提供给换能器元件28中的每个并且个体地驱动换能器元件28。因此，通过向底部电极38施加AC信号并且通过从底部电极38接收信号，专用集成电路能够通过换能器元件28中的每个发送和接收超声波。
底部电极38(其通过过孔连接到专用集成电路30)和隔离层40-具有与底部电极38和专用集成电路30的输入部平行的寄生电容。换能器元件28的寄生电容能够在0.5pF的量级，使得发送效率和接收信噪比退化可以是在2db的范围内。这些寄生电容减小传送效率和从换能器元件28所接收的信号的接收信噪比，使得减小了换能器组件24的信号质量。
在图3中，在示意性剖视图中示出并且总体而言由50指代根据本发明的超声换能器组件。超声换能器组件50包括具有多个换能器元件54的超声换能器阵列52，所述换能器元件54优选地被形成为用于发射和接收超声波56的电容性微机械超声换能器元件(CMUT)。超声换能器阵列52形成在集成电路60的顶部表面58上，所述集成电路60优选地是专用集成电路60。超声换能器阵列52优选地通过微制造过程单片地形成在顶部表面58上。集成电路60包括用于驱动换能器元件54和用于接收来自如以下所描述的换能器元件54的信号的多个驱动和接收元件62。这样形成的超声换能器组件50可以用在用于发送和接收超声波56的超声探头14中。
换能器元件54和集成电路60借助于微制造方法(例如微电子制造技术)单片地形成或制造在衬底上，所述换能器元件54被形成为电容性微机械超声换能器元件，所述集成电路60优选地被形成为专用集成电路60，并且所述衬底优选地是半导体衬底。这是减小超声换能器组件50的尺寸和减小用于制造超声换能器组件的技术努力的可能。
换能器元件54中的每个均包括柔性膜64，每个柔性膜均包括第一电极66，所述第一电极优选地附接到柔性膜64的顶部表面上或嵌入膜64中。腔68形成在柔性膜64下面，使得柔性膜64可以被偏转或激励以便发射超声波56。在腔68的底部处，每个换能器元件54包括第二电极70，所述第二电极耦合到隔离层72或嵌入到隔离层72中，所述隔离层72将超声换能器阵列52与集成电路60隔离。第一电极66被形成为被耦合到柔性膜64的柔性电极66或者刚性电极，并且第二电极70被形成为刚性电极70。借助于支承元件74或隔离物74将柔性膜64与第二电极70和隔离层72分离。
第一电极彼此隔离并且每个借助于过孔76个体地电连接到集成电路60的驱动元件62。在支承元件74内形成过孔76。备选地，过孔76可以横向地连接到支承元件74。
过孔76还馈通(feedthrough)隔离层72和第二电极70以便将第一电极66个体连接到集成电路60。第二电极70连接到彼此并且连接到用于将DC偏置电压提供给换能器元件54的DC电源78。第二电极70优选地被形成为沉积在隔离层72的顶部表面上的单金属层。因此，作为顶部电极66的第一电极形成主动电极，并且第二电极(其被形成为底部电极)是被动电极。借助于与作为顶部电极66的主动电极的该反向连接，通常能够减小主动电极66与集成电路60之间的寄生电容，使得能够改进换能器元件54的发送效率和接收信噪比并且能够增加信号和图像质量。
腔68可以是真空间隙。柔性膜64可以借助于DC偏置电压向下偏转到第二电极70以便在塌陷模式中使用换能器元件54，从而通常增加超声换能器组件50的敏感度。在特定实施例中，第二电极70可以由额外的隔离层覆盖。
尽管在附图和前面的描述中已经详细图示和描述了本发明，但是这些图示和描述应被视为说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容以及权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时能够理解和实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以履行权利要求书中所记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求书中的任何附图标记不应被解读为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种尤其用于超声成像系统(10)的超声换能器组件(50)，包括：
-换能器阵列(52)，其包括用于发射和接收超声波(56)的多个换能器元件(54)，其中，所述换能器元件(54)中的每个包括第二电极(70)以及连接到柔性膜(64)的第一电极(66)，
-集成电路设备(60)，其连接到所述换能器阵列(52)以驱动所述换能器元件(54)，
-其中，所述第一电极(66)耦合到所述集成电路设备(60)，所述集成电路设备用于将交流驱动电压提供给所述换能器元件(54)中的每个，并且其中，各所述第二电极(70)电连接到彼此并且耦合到电压源(78)，所述电压源用于提供所述换能器元件(54)的所述第一电极与所述第二电极之间的偏置电压，并且
-其中，所述第一电极(66)中的每个均借助于过孔(76)连接到所述集成电路设备(60)，并且所述过孔(76)馈通所述第二电极(70)。
2.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述第一电极(66)是所述换能器阵列(52)的顶部电极。
3.根据权利要求2所述的超声换能器组件，其中，所述第一电极(66)中的每个均耦合到所述柔性膜(64)的顶部表面。
4.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述第二电极(70)是附接到隔离层(72)的底部电极。
5.根据权利要求4所述的超声换能器组件，其中，所述隔离层(72)附接到所述集成电路设备(60)的表面。
6.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述第二电极(70)是刚性电极。
7.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，分别在所述第一电极中的每个与所述第二电极中的每个之间形成腔(68)。
8.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，借助于隔离物(74)来支承所述换能器元件(54)的所述柔性膜(64)中的每个。
9.根据权利要求8所述的超声换能器组件，其中，用于将所述第一电极(66)连接到所述集成电路(60)的所述过孔(76)馈通所述隔离物(74)。
10.根据权利要求4所述的超声换能器组件，其中，所述过孔(76)馈通所述隔离层(72)。
11.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述换能器元件(54)是电容性微机械超声换能器元件。
12.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述集成电路设备(60)是专用集成电路。
13.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述换能器元件(54)单片地形成在所述集成电路设备(60)上。
14.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述集成电路设备(60)和所述换能器元件(54)单片地集成在衬底上。
15.一种超声成像系统(10)，包括用于发射和接收超声波(56)的根据权利要求1所述的超声换能器组件(50)。
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