CN106999984B - 两端子cmut设备 - Google Patents
两端子cmut设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106999984B CN106999984B CN201580067115.5A CN201580067115A CN106999984B CN 106999984 B CN106999984 B CN 106999984B CN 201580067115 A CN201580067115 A CN 201580067115A CN 106999984 B CN106999984 B CN 106999984B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- film
- equipment
- cmut
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 41
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 23
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 21
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 19
- 241000446313 Lamella Species 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 44
- 230000009471 action Effects 0.000 description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 7
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 4
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 3
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 3
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 3
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 3
- 229910003074 TiCl4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000000153 supplemental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 1
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 description 1
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 210000000601 blood cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005685 electric field effect Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000000004 hemodynamic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/06—Measuring blood flow
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
- A61B8/4483—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- A61B8/48—Diagnostic techniques
- A61B8/488—Diagnostic techniques involving Doppler signals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
- B06B2201/20—Application to multi-element transducer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
- B06B2201/70—Specific application
- B06B2201/76—Medical, dental
Abstract
本发明涉及一种超声系统，包括：超声阵列，其包括至少一个电容性微机械超声换能器设备，所述至少一个电容性微机械超声换能器设备包括：薄膜，所述薄膜被耦合到第一电极；衬底，所述衬底与所述薄膜相对并且被耦合到第二电极和第三电极，在所述衬底与所述薄膜之间存在气体或真空腔，其中，所述第二电极在外围区域中与所述第一电极相对，并且所述第三电极在中心区域中与所述第一电极相对；至少一个驱动电路，其被耦合到所述阵列。所述系统还包括：高阻抗电阻器，当所述CMUT设备的所述薄膜处在所述塌陷状态中并且所述CMUT设备在操作频率处被激活时，所述高阻抗电阻器被电气地耦合到所述第二电极与所述第三电极并且具有比所述第一电极与所述第二电极之间的AC阻抗更高的阻抗值。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声系统，包括：超声阵列，其包括至少一个电容性微机械超声换能器设备，所述至少一个电容性微机械超声换能器设备包括：薄膜，所述薄膜被耦合到第一电极；衬底，所述衬底与所述薄膜相对并且被耦合到第二电极和第三电极，在所述衬底与所述薄膜之间存在气体或真空腔，其中，所述第二电极在外围区域中与第一电极相对并且第三电极在中心区域中与第一电极相对；至少一个驱动电路，其被耦合到所述阵列，并且其适于：(a)通过在至少一个CMUT设备的第一电极和第三电极上施加DC电压而使薄膜进入塌陷状态中，在所述塌陷状态中，所述薄膜塌陷到中心区域中的衬底，并且(b)通过在至少一个所述CMUT设备中的第一电极和第二电极上施加具有CMUT操作频率的AC电压来激活CMUT设备。此外，本发明涉及一种用于在超声系统中使用的CMUT设备以及一种根据本发明的CMUT设备的制造方法。
背景技术
通常已知的电容性微机械超声换能器设备是数十微米大小的隔膜状单元，其包括彼此相对的两个电极。对于发射而言，施加到电极的电容性电荷被调制以使设备的膈膜(薄膜)振动/移动并且由此发射声波。被放置在声波传播的路径中的物体反射所述波。反射的声波引起薄膜的振动，调制CMUT换能器的两个电极之间的电容，由此生成电信号。该信号表示命中薄膜的反射的声波。
驱动CMUT设备的方式之一是在US 8203912 B2中所描述的所谓的“塌陷模式”。跨这两个电极所施加的DC致动电压足够大以使薄膜电极朝向衬底电极偏移，从而使薄膜与衬底电极物理接触并且形成塌陷区。在电极之间所施加的AC分量被用于移动薄膜的活动(active)区域(不接触)。示意性的，CMUT设备能够被建模为并联的两个电容器。活动区域电容器Ca由活动区域形成，其中，Ca值随着薄膜电极与衬底电极之间的距离而变化。塌陷区域电容器Cc由塌陷区域形成，并且对于给定DC电压而言是恒定的。由于塌陷区域中的电极之间的小的距离，因而后者的电容是相对大的。Cc与Ca之间的大的比率对超声阵列操作效率具有负面影响，其中，所述阵列包括这些CMUT设备。在发射模式中，Cc形成对驱动器的不想要的电容负载，引起无助于声发射功率的来回流动的高电流。发射器的实际实施方案可以将该功率转换为热，因此，导致过热和效率损失。这可能限制将发射器集成到CMUT阵列上的可能性。在接收模式中，被转换为电能的声功率应当去往接收器。然而，与可变电容器并联的大的电容器Cc充当对该信号的低通滤波器，降低设备的灵敏度。
在US 8203912 B2中描述了部分地解决这些缺点的方式之一。三端子电容性微机械超声换能器设备包括分裂成被布置在中心区域和外围区域中的两个电极的衬底电极：第一电极和第二电极。所述第一电极和所述第二电极被布置在晶圆的公共平面内的横向间隔的关系中。被定位在晶圆上方的薄膜电极包括被设置在与第一电极的塌陷间隔关系中的中心区域，以及被定位在中心区域外面并且被设置在与第二电极的塌陷间隔关系中的外围区域。
所述第一电极和所述第二电极被建议以彼此电气分离，使得不同的偏置电压能够被施加在所述第一电极与所述薄膜电极之间；以及所述第二电极与所述薄膜电极之间。尽管该技术方案允许隔离塌陷中心区域的寄生电容，其中，所述薄膜被塌陷朝向第一电极；三端子CMUT的实际实现使以额外复杂性提供CMUT设备与CMUT相关联的驱动电子器件之间的相互连接。
发明内容
本发明的目标是提供一种在开始段落中所阐述的类别的超声系统，其实现利用降低的技术努力对所述超声阵列的经改进的并且高效的电压供应。
根据本发明，该目标是通过提供一种超声系统来实现的，其中，在至少一个电容性微机械超声换能器设备中，当薄膜处在塌陷状态中并且所述CMUT设备在操作频率处被激活时，所述第三电极经由具有比所述第一电极与所述第二电极之间的AC阻抗更高的阻抗值的高阻抗电阻器被电气地耦合到所述第二电极。
所述超声系统的该有利的设计提供了驱动CMUT设备所要求的降低至两个的端子的量。所述高阻抗电阻器，其具有比所述第一电极与所述第二电极之间的AC阻抗的阻抗值更高的阻抗值，对AC源和DC源的阻抗负载进行重新分布。所述电阻器的该高阻抗值降低了通过DC阻抗负载的ac电流，使得在第一近似中，所述AC源驱动由活动区域电容器Ca所确定的阻抗。由于仅需要每CMUT设备(或若干CMUT设备)一个DC源，该设计简化了对所述CMUT设备和相互连接的电气方案要求。因此，可以仅两端子被用于驱动CMUT设备。
在本发明的实施例中，在所述阵列中的两个或更多个电容性微机械超声换能器阵列的所述第二电极和所述第三电极被耦合到单个高阻抗电阻器。
该实施例描述了这样一种情况，在该情况中，在两个或更多个CMUT设备之间共享高阻抗电阻器。来自多个CMUT设备的所述第二电极能够经由相同的高阻抗电阻器被耦合到这些设备的对应第三电极。该配置可以有益地用在高聚焦超声(HIFU)应用中，其中，多个CMUT设备可以由一个信号来驱动。
在本发明的另一实施例中，所述高阻抗电阻器具有10kOhm与5MOhm之间或者具体是500kOhm与1MOhm之间的阻抗值。
该实施例描述了所提出的超声系统在宽范围的操作频率中的应用：例如，从1MHz到15MHz。能够在从3MHz到5MHz的频率范围中的通用成像模式中的所述超声系统的经改进的性能中提供500kOhm与1MOhm之间的阻抗值。
在又一实施例中，所述驱动电路(45')包括DC电压源和AC电压源。
能够实现所述驱动电路，组合分立的DC电压源和Ac电压源。
在本发明的又一实施例中，所述高阻抗电阻器(R)包括具有等于或小于7nm或者具体在2nm与4nm之间的薄片层。
该实施例提供了实现所述高阻抗电阻器的方式之一。对于最常见的医学超声应用而言，当所述设备在所述塌陷状态中操作时，具有减小的厚度(下降至7nm或者在2nm与4nm之间)的薄片层可以提供比所述第一电极与所述第二电极之间的所述AC阻抗的阻抗值更高的阻抗值。该实施例的优点在于，包括薄层的所述电阻器能够被更容易地集成到所述CMUT单元制造流程中。
在本发明的另一实施例中，所述薄片层是TiN。
氮化钛材料的薄层示出了在减小到低于10nm厚度的情况下的增加的电阻率。TiN薄膜的所述电阻率能够从5nm层厚度处的大约0.5kOhm/平方变化到2nm层厚度处的大约5kOhm/平方。
本发明的目标是提供一种用于制造电容性微机械超声换能器设备的方法，包括：
提供衬底；
提供图案化电极层，所述图案化电极层定义被嵌入在所述衬底中的第三电极和第二电极；
定义气体或真空腔；
提供薄膜，所述薄膜与所述衬底相对，在所述薄膜与所述衬底之间存在间隙；
提供被嵌入在所述薄膜中的图案化的第一电极层；
提供绝缘层，所述绝缘层将所述第一电极与所述第二电极和所述第三电极隔离；
通过应用原子层沉积(ALD)技术来提供高阻抗电阻器的薄片层；
经由所述高阻抗电阻器将所述第三电极与所述第二电极电气地耦合。
所述方法描述了与经由薄片层图案化实现的集成有高阻抗电阻器的CMUT设备的制造流程，其中，所述薄片是使用ALD技术来沉积的。所述ALD技术提供了针对所述薄层材料的受控的沉积条件，其导致在整个所述超声阵列上的所定义的薄层厚度。所述方法可以被实施在工业制造流程中，提供具有相当的电气特性的操作性CMUT设备的高产量。
在本发明的另一实施例中，所述方法还包括调节所述绝缘层(130)的厚度和材料选择以便使塌陷区域电容器(Cc)变化的步骤。
为了提供所述阵列中的CMUT设备操作的额外的稳定性，能够使所述塌陷区域电容器(Cc)的值变化。例如，增加Cc的可能方式能够是：当所述薄膜处在塌陷状态中时，减小所述绝缘层的厚度，因此使所述第一电极更靠近所述第三电极；和/或选择具有更高的介电常量的绝缘材料，因此增加所述第一电极与其他电极之间的电场。
本发明的这些和其他方面将从在下文所描述的实施例而显而易见并且参考在下文所描述的实施例得以阐述。
附图说明
在附图中：
图1图示了根据本发明的包括两端子的CMUT设备的截面；
图2图示了在塌陷模式中操作的CMUT设备，其中，单元薄膜塌陷到衬底；
图3(a)示意性描绘了根据本发明的两端子CMUT设备的简化电气模型；图3(b)示意性描绘了针对实施例的简化电气模型，其中，阵列中的两个或更多个电容性微机械超声换能器设备的第二电极和第三电极被耦合到单个高阻抗电阻器；
图4(a)图示了具有蜿蜒形状的高阻抗电阻器的顶视图；图4(b)图示了针对蜿蜒形状高阻抗电阻器所提出的接触垫的近视图；
图5图示了包括集成高阻抗电阻器的CMUT设备的相应的表示；
图6描绘了高阻抗电阻器的制造流程；并且
图7以框图形式图示了被布置为根据本发明的原理来操作的超声成像系统。
具体实施方式
在本发明的实施方案中，超声换能器阵列10'(图7)的元件包括CMUT设备。图1示出了根据本发明的CMUT设备1的实施例。柔性薄膜或隔膜114被悬置在衬底112上方(相对的)，在所述柔性薄膜或隔膜114与所述衬底112之间存在间隙8。所述衬底要么能够由硅、要么能够由另一CMOS相容材料(诸如玻璃)制成。第一电极S1被耦合到单元薄膜114并且能够与薄膜114一起移动。在图1中所示的实施例中，第二电极S2被嵌入到CMUT单元的外围区域302中的衬底112中。所述CMUT设备的第三电极S3被嵌入到在中心区域303中与第一电极S1相对的衬底112中。
能够考虑电极S1设计的其他实现方式，诸如电极S1可以被嵌入在薄膜114中或者其可以被沉积在薄膜114上作为附加层。在该范例中，薄膜层114相对于衬底层112的顶面被固定并且被配置和被设定尺寸以定义薄膜层114与衬底层112之间的球形或圆柱形腔8。第二电极S2和第三电极S3可以被布置在衬底112的公共平面内的横向间隔的关系中。第二电极S2可以以环形形状被布置在外围区域302中并且第三电极S3可以被圆形地配置在与环形形状第三电极S3形成同心圆的中心区域303内。
单元以及其腔8可以具有备选的几何结构。例如，腔8可以限定矩形或正方形截面、六边形截面、椭圆截面、或不规则的截面。在本文中，对CMUT单元的直径的引用应当被理解为单元的最大横向尺寸。
衬底电极：第二电极S2和第三电极S3通常利用附加绝缘层130在其面对腔的表面上是绝缘的。优选的绝缘层是在第三电极B上方和第一电极S1下方形成的在基于四乙基硅烷(TEOS)的PECVD工艺中所沉积的二氧化硅(SiO2)介电层。针对绝缘层130的备选材料能够是氧化物-氮化物-氧化物(ONO)、高k电介质和氧化物(氧化铝、包括基于硅酮SiH4的PECVDSiO2的各种等级)。还能够使用原子层沉积(ALD)技术来沉积高k电介质和氧化物。所述绝缘层可以有利地减少电荷积聚，电荷积聚会导致设备不稳定性和声输出压力的漂移和减小。所述绝缘层的使用对于具有塌陷薄膜的CMUT是期望的，其将参考图2在下文中进行描述。该类型的CMUT比利用悬置膜操作的CMUT更易于电荷保留。所公开的部件可以由CMOS相容材料(例如，Al、Ti、氮化物(例如，氮化硅)、氧化物(各种等级、热或基于TEOS/SiH4LPCVD/PECVD的)、仅硅等来制作。在CMOS制作中，例如，氧化物和氮化物层可以由化学气相沉积来形成并且金属化(电极)层可以由飞溅工艺来放置。适合的CMOS工艺是LPCVD和PECVD，后者具有小于400℃的相对低的操作温度。用于产生所公开的腔8的示范性技术涉及在添加薄膜层114的顶面之前定义薄膜层114的初始部分中的腔。在图1中所描绘的示范性实施例中，腔8的直径可以比第二电极S2的直径更大。第二电极S2和第三电极S3可以是相对于CMUT单元的中心环形并且同轴间隔开的。可以在所沉积的导电材料的相同图案化步骤期间形成这些电极。
CMUT制作工艺能够要么包括“牺牲释放工艺”，其中，通过首先将牺牲层应用在衬底上，然后施加跟随有利用选择性蚀刻剂移除牺牲层的薄膜层，来形成薄膜下面的腔；要么包括“晶圆结合工艺”，其中，在主晶圆上形成腔，并且在另一晶圆中形成薄膜，然后，这两个晶圆被结合在一起，诸如形成由薄膜所界定的腔(B.T.Khuri-Yakub，J.Micromech.Microeng.21(2011)054004)。
根据本发明的原理，CMUT设备1包括高阻抗电阻器R，高阻抗电阻器R将第二电极S2和第三电极S3电气地耦合。CMUT设备1还包括被耦合到第二电极S2的AC源和DC源。
CMUT单元的第一电极S1以及与之相对的第二S2电极和第三S3电极(其经由电阻器R被电气耦合到彼此)提供CMUT设备的电容板，并且腔8与附加绝缘层130相组合的间隙形成电容器的板之间的电介质。
通过将DC偏置电压从DC源施加到第二电极S2来控制相对电极(S1与S2/S3)之间的间隔。为了发射，第一电极S1和第二电极S2由驱动电路45'来驱动(控制)，其a.c.信号(电压)使得薄膜振动并且发射声信号。驱动电路45'能够包括分立的DC电压源和AC电压源，如在图1中所示的。CMUT单元1的衬底112能够被耦合到专用电路(ASIC)层的顶表面(未示出)。尽管在图1中驱动电路45'被描绘为分立的元件，但是应当理解，驱动电路45'可以被实施为由ASIC所提供的电路电子器件的一部分。CMUT单元要么能够在CMOS工艺的序列中被制造在ASIC的顶部上，要么能够通过例如倒装芯片技术被附接到ASIC。
图2图示了在塌陷模式中操作的CMUT设备1'的优选范例，其中，CMUT设备1'的薄膜114塌陷朝向中心区域303附近的衬底。在操作的塌陷模式期间，薄膜114的一部分与中心区域303周围的衬底相接触并且其悬置部分(被定位在外围区域302附近并且此处被定义为活动区域)能够适于在所施加的电气信号下移动/振动。
在图3(a)中示意性示出了CMUT设备1'的简化电气模型。所述CMUT设备能够被建模为利用高阻抗电阻器R并联连接的、由活动区域形成的活动区域电容器Ca、以及由塌陷区域形成的塌陷区域电容器Cc。在该模型中，CMUT设备的输入阻抗是其中，Za＝1/(2πfCa)是由活动区域电容器引起的阻抗，在下文中还被称为第一电极与第二电极之间的AC阻抗；并且Zrc＝R+Zc＝R+1/(2πfCc)是高阻抗电阻器的电阻值和由塌陷区域电容器(Zc)引起的阻抗的和；并且f是CMUT设备的操作频率。
在塌陷模式的条件中，当薄膜114塌陷到衬底112并且高阻抗电阻器具有比AC阻抗更高的阻抗值R＞＞1/(2πfCa)时，驱动电路45'的AC源分量主要驱动由AC阻抗所确定的负载。换言之，ac电流分量主要流动通过第一电极与第二电极之间的AC阻抗。在该条件中，DC源通过高阻抗电阻器R对塌陷区域电容器进行充电。
在该布置中，其甚至可以有益于增加Cc的值。在DC源现在经由高阻抗电阻器被连接到Cc时，当命中CMUT的声波将趋向于将单元薄膜拉动远离中心区域303而脱离塌陷状态时，是在Cc中的电荷能够在回波接收事件期间将薄膜保持在塌陷状态中。
在具体范例中，CMUT单元具有120微米的直径的圆形截面、3微米的薄膜厚度、300纳米的间隙宽度(从衬底到薄膜的距离)、420纳米厚度的绝缘层130；以及4.3的介电常数。对于低于80V的DC偏置电压而言，CMUT设备的塌陷区域电容Cc粗略地是0.17pF。当DC电压值接近80V时，单元薄膜接触所述腔的相对侧并且进入到塌陷状态中。塌陷区域电容值逐步地改变到0.3pF。由于塌陷区域面积的增加，Cc值随着DC电压值的增加而增加。活动区域电容Ca比Cc值低大约10倍。将Cc的值取为0.4pF(在大约140V DC电压处)；将Ca的值取为0.04pF(比Cc低十倍)；CMUT设备的操作频率是5MHz，针对高阻抗电阻器的阻抗的下限是1/(2πfCa)≈8MOhm。对于给定的CMUT单元设计而言，根据本发明的原理，高阻抗电阻器的阻抗应当大于8MOhms。
使用用于计算的相同参数，我们估计针对不同频率的电阻器的阻抗值：
需要注意的是，活动区域电容可以随着医学应用而变化，例如，每设备0.05pF到0.5pF。因此，在5MHz处，AC阻抗将在60kOhm与600kOhm之间。在优选实施例中，高阻抗电阻器值(R)可以比Za高若干倍，例如，500kOhm到1MOhm。基于针对给定CMUT阵列操作的可接受的损耗，可以选择R的下限。
在另一实施例中，在被布置在超声阵列中的两个或更多个CMUT设备之间共享高阻抗电阻器。在图3(b)中示出该实施例的简化电气模型。来自两个CMUT设备的第二电极能够经由相同高阻抗电阻器(R)被耦合到这些设备的对应的第三电极。与单个CMUT设备的AC阻抗值相比较，该配置允许被用于“共享”CMUT设备的高阻抗电阻器的下限，因为现在总AC阻抗是由并联连接的每个共享设备的AC阻抗所确定的。
该实施例可以有益地用在高聚焦超声(HIFU)应用或超声消融治疗中，其中，阵列中的多个CMUT设备可以通过由驱动电路45'供应的一个信号来驱动。
此外，我们描述了将高阻抗电阻器R集成到CMUT设备中的方式。图4(a)图示了具有蜿蜒形状的高阻抗电阻器的顶视图。所述蜿蜒形状提供针对能够被设置在CMUT单元附近的衬底(112)上的电阻器的紧致布置，使得CMUT设备的第三电极和第二电极能够经由图4(b)中所图示的接触垫被电气地耦合到电阻器。在图5中图示了包括具有集成高阻抗电阻器R的同轴电极(S1、S2、S3)的圆形截面CMUT设备的三维表示。
在单片集成方法中，超声传感器阵列被制造在CMOS芯片的顶部上。这可以显著地限制可用的处理步骤的数目；主要限制可能来自需要保持小于450C的最大允许处理温度。
在接下来的实施例中，我们描述了使用薄片层技术来制造集成高阻抗电阻器R的方法。能够根据以Ohm/sq为单位的‘板阻抗’(Rsh)来描述薄片的电阻，其中，具有宽度w和长度l的线路的电阻被定义为Rsh*l/w。系数l/w被缩写为(单位)平方数。Rsh与电阻率(以[Ohm·cm]为单位的ρ)，并且片层厚度(以[cm]为单位的t)作为Rsh＝ρ/t。
针对高阻抗电阻器实施方案中的薄片应用的主要挑战是由片质量控制以及贯穿制造步骤的所要求的稳定性。为了质子具有Rsh>200Ohm/sq的薄片，要求超薄片(<10nm)。以可重现的方式对这些薄片的制造对于等离子气相沉积(通常被用于数10直到数100nm的沉积)是困难的；对于超薄片而言，厚度可能难以在器械在其灵敏度(功率/气流等)的阈值处操作时进行控制。此外，许多金属可以在暴露于空气(或者甚至真空系统中的残余的氧气/H2O)时氧化。被认为是“防氧化剂”(散装)的金属将该特性归因于停止将氧气耗散到表面以防止进一步的氧化的薄自然氧化物(通常为数nm)。对于许多应用而言，忽略该氧化物。然而，对于亚10nm的薄片而言，自然氧化物是层的重要部分。因此，所得到的薄片电阻取决于其(A.W.Groenland，Nanolink-based thermal devices:integration of ALD TiN thinfilms，PhD thesis，University of Twente，2011年，ISBN 978-90-365-3213-6)；H.VanBui等人，Ultra-Thin Atomic Layer Deposited TiN Films：Non-Linear I–V Behaviourand the Importance of Surface Passivation,Journal of Nanoscience andNanotechnology，第11卷，8120-8125，2011年)。
因此，需要解决待集成到CMUT制造流程中的薄片材料的仔细选择以及其沉积方法。
氮化钛(TiN)能够被用作薄片实现的高阻抗电阻器的材料之一。在H.Van Bui，Conduction and electric field effect in ultra-thin TiN films，Appl.Phys.Lett.103，051904(2013)中描述了借助于原子层沉积(ALD)来沉积的超薄TiN片的电阻率。应当观察到，TiN电阻率是片厚度的函数，并且随着薄片层的减少的厚度而指数地增加。
例如，可以使用示出1600Ohm/sq的页片电阻的2.5nm厚的ALD TiN层以及与CMOS后处理兼容的大约0/K的电阻器的温度系数来制造高阻抗电阻器。
对于CMUT设备中的应用而言，可能期望120μA(在500kΩ上的60V)的峰值电流，导致大约5*106A/cm2的最大电流密度。尽管对于像铝或铜的软金属而言这是电迁移的起始，但是ALD TiN层示出了在这些密度电流处的更高的稳定性(W.Groenland等人，Four PointProbe Structures With Buried and Surface Electrodes for the ElectricalCharacterization of Ultrathin Conducting Films，IEEE TRANSACTIONS ONSEMICONDUCTOR MANUFACTURING，第25卷，第2号，2012年5月)。
在优选实施例中，TiN的薄层厚度能够小于7nm，具体是从2nm到4nm。应当注意，给定厚度对应于非氧化薄片。在部分氧化的薄片(其可以发生在晶粒边界上，从而快速地增加电阻)的情况下，能够使用更厚的TiN薄片(10nm或更多)。
在图6中详细示出了高阻抗电阻器的制造步骤流程。在步骤(a)中，提供了绝缘衬底112。在与ASIC单片集成的情况下，衬底112可以已经包括埋入集成电路。步骤(b)图示了蚀刻停止层201的沉积。具有5/20nm的厚度的Ti/Pt的双层对应地可以被选择为蚀刻停止层201。其具有在ALD中的低地形、低氧化、良好的TiCL4成核并且能够利用光刻组合离子束蚀刻或剥离技术来图案化。备选地，能够使用湿化学或干蚀刻工艺图案化的TiN或TiW。此外，在步骤(c)中，TiN 202的薄片层是从TiCl4和NH3气体由ALD沉积的。确切的沉积条件取决于压力(通常为2-3*10-2mBar)和脉冲计时(通常为2s的TiCl4和2s的NH3曝光)。对于TiN的2.5nm ALD薄片而言，TiCl4/NH3周期的典型数目是300，然而，沉积速率(/周期)可以是器械特异性的，以及初始成核方案。为了确保薄片层的稳定性，在步骤(d)中，在没有真空破坏的情况下，钝化层203被沉积在TiN层的顶部。钝化层的范例是15nm的a-Si或AL2O3。例如，步骤(e)图示了使用光刻法的图案化步骤。该步骤通过从先前沉积层释放衬底部分204来定义高阻抗电阻器的形状。步骤(f)包括相对厚的金属间电介质205(0.5-2微米的PECVD TEOS)的沉积。层的厚度可以被选择以使与被沉积在该层的顶部上的CMUT电极(例如，S2和S3)相耦合的电容最小化。在步骤(g)中，通过例如使用湿或干蚀刻来创建下至蚀刻停止层201的过孔206。在步骤(h)中，通过对接触金属层207的沉积和图案化来提供电气接触。接触金属层能够是利用光刻胶湿化学图案化的铝(大约290nm厚)。
如果牺牲释放工艺被用于CMUT制作，接触金属层207可以形成CMUT设备的图案化电极层，其将进一步定义被嵌入衬底112中的第二电极S2和第三电极S3。此外，可以使用CMUT制作的标准步骤。
图4(a)中的蜿蜒形状的高阻抗电阻器具有60×60微米的横向尺寸并且能够与具有60微米的直径的CMUT设备集成，如在图5中所图示的。图4(b)中所示的接触垫的特写顶视图具有蚀刻停止层201和接触过孔206(省略用于连接的接触金属)。对于2.5nm厚度的ALDTiN薄片层而言，该尺寸的电阻器具有1700sq的长度并且提供大约2.7MOhm的阻抗。
本领域的技术人员应当理解，腔8周围的电极的对称交换配置可以提供对技术问题的类似方案。亦即，第一电极可以被嵌入衬底112中，而第二电极和第三电极能够是柔性单元薄膜114的一部分。
参考图7，以框图形式示出了具有CMUT阵列探头10的超声诊断成像系统。CMUT换能器阵列10’是能够在2D平面中或者在用于3D成像的三个维度中进行扫描的换能器元件的二维阵列。在3D成像并且有时在2D成像的情况下，换能器阵列被耦合到探头中的微波束形成器12，其控制由CMUT阵列设备对信号的发送和接收。微波束形成器能够对由换能器元件的组或“片块”所接收的信号进行至少部分地波束形成，如在美国专利5997479(Savord等人)、6013032(Savord)和6623432(Powers等人)中所描述的。微波束形成器被耦合到发送/接收(T/R)开关16，其在发送模式与接收模式之间切换。在微波束形成器12的控制下，来自换能器阵列10的超声波束的发射由被耦合到T/R开关和主系统波束形成器20的换能器控制器18来引导。换能器控制器18还接收来自用户接口或控制面板38的用户的操作的输入。由换能器控制器控制的功能之一是波束转向和聚焦的方向。波束可以被转向至(正交于)换能器阵列正前方或者处在不同的角度处以获得较宽的视场。换能器控制器18能够被耦合以控制用于CMUT阵列10'的DC驱动电路45。DC驱动电路45控制用于设置能够被施加到CMUT单元的(一个或多个)电压的(一个或多个)DC源和AC源。DC驱动电路可以具有与图1中的驱动电路45'相同的功能或者能够具有额外功能，这取决于医学应用。
在接收期间，由微波束形成器12(在其被使用的情况下)产生的部分波束形成的信号被耦合到主波束形成器20，其中，来自换能器元件的个体片块的部分波束形成信号组合为完全波束形成的信号。例如，主波束形成器20可以具有128个信道，其中的每个信道从数十或数百个CMUT换能器单元的片块接收部分波束形成的信号。以这种方式，由CMUT换能器阵列的数千个换能器元件所接收的信号能够高效地有助于单个波束形成的信号。
波束形成的信号被耦合到信号处理器22。信号处理器22能够以各种方式(诸如带通滤波、抽样、I和Q分量分离、以及谐波信号分离)来处理所接收的回波信号，其用于将线性信号和非线性信号进行分离，以便实现对从组织和微泡返回的非线性(基本频率的高次谐波)回波信号的识别。信号处理器还可以执行额外的信号增强，诸如斑点抑制、信号复合、以及噪声消除。
经处理的信号被耦合到B模式处理器26和多普勒处理器28。B模式处理器26采用对所接收的回波信号的幅度的检测，以用于对身体中的结构(诸如身体中的器官和血管的组织)的成像。要么可以以谐波图像模式、要么可以以基本图像模式、要么可以以这两者的组合来形成身体的结构的B模式图像，如在美国专利6283919(Roundhill等人)和美国专利6458083(Jago等人)中所描述的。多普勒处理器28处理来自组织移动和血液流动的在时间上不同的信号，以用于检测物质的运动，诸如图像场中的血液细胞的流动。多普勒处理器28通常包括具有如下参数的壁滤波器，所述参数可以被设定以使从身体中的选定类型的材料返回的回波通过和/或拒绝。例如，所述壁滤波器能够被设定为具有带通特性，其使来自更高速度的材料的相对低幅度的信号通过，同时拒绝来自更低或零速度的材料的相对强的信号。该通带特性将使来自流动血液的信号通过，同时拒绝来自附近固定或缓慢移动对象(诸如心脏的壁)的信号。逆特性将使来自心脏的移动组织的信号通过，同时拒绝血流信号，针对所述血流信号的被称为检测和描绘组织的运动的多普勒成像。多普勒处理器28接收并处理来自图像场中的不同点的、在时间上分立的回波信号的序列，来自特定点的回波的序列被称为集合。在相对短间隔上的快速连续接收的回波的集合能够被用于利用多普勒频率与指示血流速度的速度的对应性来估计流动血液的多普勒移频。在更长的时间段上所接收的回波的集合被用于估计更慢的流动血液或缓慢移动组织的速度。
由B模式和多普勒处理器所产生的结构和运动信号被耦合到扫描转换器32和多平面重定格式化器44。所述扫描转换器以一定空间关系来布置回波信号，根据所述空间关系，以期望的图像格式接收所述回波信号。例如，所述扫描转换器可以将回波信号布置为二维(2D)矢量形状格式或锥形三维(3D)图像。所述扫描转换器能够将B模式结构图像与对应于图像场中的点处的运动的且与其多普勒估计的速度相对应的颜色相叠加来产生彩色多普勒图像，其描绘图像场中的组织和血流的运动。多平面重定格式化器将从身体的体积区域中的公共平面中的点接收的回波转换为该平面的超声图像，如在美国专利6443896(Detmer)中所描述的。体积绘制器42将3D数据集的回波信号转换为如从给定参考点查看的投影的3D图像，如在美国专利6530885(Entrekin等人)中所描述的。2D或3D图像从扫描转换器32、多平面重定格式化器44和体积绘制器42被耦合到图像处理器30以用于进一步增强、缓存和暂时存储，以供在图像显示器40上显示。除了被用于成像之外，由多普勒处理器28所产生的血流速度值以及由B模式处理器26所产生的组织结构信息被耦合到量化处理器34。所述量化处理器产生对不同流动条件(诸如血流的体积率)以及结构测量结果(诸如器官大小和孕龄)的量度。所述量化处理器可以从用户控制面板38(诸如其中要进行测量的图像的解剖结构中的点)接收输入。来自所述量化处理器的输出数据被耦合到图形处理器36，以用于利用在显示器40上的图像再现测量结果图形和值。图形处理器36还能够生成图形叠加层，以用于与超声图像一起显示。这些图形叠加层能够包含标准标识信息，诸如患者姓名、图像的日期和时间、成像参数等。出于这些目的，所述图形处理器从用户接口38接收输入，诸如键入的患者姓名。所述用户接口还被耦合到发射控制器18以控制来自换能器阵列10'的超声信号的生成，并且由此控制由换能器阵列和超声系统所产生的图像。所述用户接口还被耦合到多平面重定格式化器44，以用于选择和控制对多个多平面重定格式化(MPR)的图像的平面，其可以被用于执行在MPR图像的图像场中的量化度量。
本发明有益于微型化。此外，由于每个换能器CMUT单元仅要求用于驱动CMUT设备的两个端子(S1和S3)，高阻抗电阻器能够被单片地集成到在ASIC顶部上制造的CMUT设备中。
尽管在附图和前述描述中已经详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述将被认为是说明性或示范性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域的技术人员在实践所主张的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项目的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
Claims (17)
1.一种超声系统，包括：
超声阵列，其包括至少一个电容性微机械超声换能器设备(1)，所述至少一个电容性微机械超声换能器设备包括：薄膜(114)，所述薄膜被耦合到第一电极(S1)；衬底(112)，所述衬底与所述薄膜(114)相对并且被耦合到第二电极(S2)和第三电极(S3)，在所述衬底与所述薄膜之间存在气体或真空腔(8)，其中，所述第二电极(S2)在外围区域(302)中与所述第一电极(S1)相对，并且所述第三电极(S3)在中心区域(303)中与所述第一电极(S1)相对；
至少一个驱动电路(45')，其被耦合到所述阵列，并且其适于：(a)通过在所述至少一个CMUT设备的所述第一电极和所述第三电极上施加DC电压而使所述薄膜(114)进入塌陷状态中，在所述塌陷状态中，所述薄膜塌陷到所述中心区域(303)中的所述衬底，并且(b)通过在至少一个所述CMUT设备的所述第一电极和所述第二电极上施加具有CMUT操作频率的AC电压来激活所述CMUT设备；并且
其中，当所述薄膜处在所述塌陷状态中并且所述CMUT设备在操作频率处被激活时，所述阵列的至少一个电容性微机械超声换能器设备的所述第三电极(S3)经由具有比所述第一电极与所述第二电极之间的AC阻抗更高的阻抗值的高阻抗电阻器(R)被电气地耦合到所述第二电极(S2)。
2.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述阵列中的两个或更多个电容性微机械超声换能器设备的所述第二电极和所述第三电极被耦合到单个高阻抗电阻器(R)。
3.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述高阻抗电阻器具有10kOhm与5MOhm之间的阻抗值。
4.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述高阻抗电阻器具有500kOhm与1MOhm之间的阻抗值。
5.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述驱动电路(45')包括DC电压源和AC电压源。
6.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述高阻抗电阻器(R)包括薄片层，所述薄片层具有等于或小于7nm的厚度。
7.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述高阻抗电阻器(R)包括薄片层，所述薄片层具有2nm与4nm之间的厚度。
8.根据权利要求6所述的超声系统，其中，所述薄片层是TiN(氮化钛)。
9.根据权利要求6、7或8所述的超声系统，其中，所述薄片层是通过原子层沉积(ALD)技术来沉积的。
10.一种电容性微机械超声换能器设备，包括：薄膜(114)，所述薄膜被耦合到第一电极(S1)；衬底(112)，所述衬底与所述薄膜(114)相对并且被耦合到第二电极(S2)和第三电极(S3)，在所述衬底与所述薄膜之间存在气体或真空腔(8)，其中，所述第二电极(S2)在外围区域(302)中与所述第一电极(S1)相对，并且所述第三电极(S3)在中心区域(303)中与所述第一电极(S1)相对；
至少一个驱动电路(45')，其适于：(a)通过在所述第一电极和所述第三电极上施加DC电压而使所述薄膜(114)进入塌陷状态中，在所述塌陷状态中，所述薄膜塌陷到所述中心区域(303)中的所述衬底，并且(b)通过在所述第一电极和所述第二电极上施加具有CMUT操作频率的AC电压来激活所述CMUT设备；并且
其中，当所述薄膜处在所述塌陷状态中并且所述CMUT设备在操作频率处被激活时，所述第三电极(S3)经由具有比所述第一电极与所述第二电极之间的AC阻抗更高的阻抗值的高阻抗电阻器(R)被电气地耦合到所述第二电极(S2)。
11.一种用于制造电容性微机械超声换能器设备的方法，包括：
提供衬底(112)；
提供图案化电极层，所述图案化电极层定义被嵌入在所述衬底中的第三电极(S3)和第二电极(S2)；
定义气体或真空腔(8)；
提供薄膜(114)，所述薄膜与所述衬底相对，在所述薄膜与所述衬底之间存在间隙；
提供图案化第一电极层，所述图案化第一电极层定义被嵌入在所述薄膜中的第一电极(S1)，使得所述第二电极(S2)在外围区域(302)中与所述第一电极(S1)相对，并且所述第三电极(S3)在中心区域(303)中与所述第一电极(S1)相对；
提供绝缘层(130)，所述绝缘层将所述第一电极与所述第二电极和所述第三电极隔离；
通过应用原子层沉积(ALD)技术来提供高阻抗电阻器(R)的薄片层(202)；
经由所述高阻抗电阻器(R)将所述第三电极(S3)与所述第二电极(S2)电气地耦合。
12.根据权利要求11所述的用于制造电容性微机械超声换能器设备的方法，其中，定义所述气体或真空腔的所述步骤包括以下中的一项：牺牲层释放工艺和晶圆结合工艺。
13.根据权利要求12所述的用于制造电容性微机械超声换能器设备的方法，其中，高阻抗层包括TiN层。
14.根据权利要求12所述的用于制造电容性微机械超声换能器设备的方法，其中，提供所述绝缘层(130)的所述步骤包括利用所述ALD技术来沉积高k介电层。
15.根据权利要求11所述的用于制造电容性微机械超声换能器设备的方法，其中，提供层的所有步骤包括所述ALD技术。
16.根据权利要求11所述的用于制造电容性微机械超声换能器设备的方法，还包括以下步骤：调节所述绝缘层(130)的厚度和材料选择，以便使塌陷区域电容器(Cc)变化。
17.根据权利要求16所述的用于制造电容性微机械超声换能器设备的方法，其中，所述调节的步骤经由所述绝缘层的厚度的减小以及对更高介电常量材料的选择来引起所述塌陷区域电容器(Cc)的增加。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP14197268.7 | 2014-12-11 | ||
| EP14197268 | 2014-12-11 | ||
| PCT/EP2015/077995 WO2016091624A1 (en) | 2014-12-11 | 2015-11-30 | Two-terminal cmut device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106999984A CN106999984A (zh) | 2017-08-01 |
| CN106999984B true CN106999984B (zh) | 2019-06-28 |
Family
ID=52101105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201580067115.5A Active CN106999984B (zh) | 2014-12-11 | 2015-11-30 | 两端子cmut设备 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10549316B2 (zh) |
| EP (1) | EP3229978B1 (zh) |
| JP (1) | JP6276474B2 (zh) |
| CN (1) | CN106999984B (zh) |
| WO (1) | WO2016091624A1 (zh) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3079837B1 (en) * | 2013-12-12 | 2023-02-08 | Koninklijke Philips N.V. | Monolithically integrated three electrode cmut device |
| EP3334539B1 (en) * | 2015-08-11 | 2023-06-14 | Koninklijke Philips N.V. | Capacitive micromachined ultrasonic transducers with increased patient safety |
| DE102016003255A1 (de) * | 2016-03-16 | 2017-09-21 | Andreas Stihl Ag & Co. Kg | Elektronische Steuereinheit zum Betrieb eines Elektromotors mit einem Bremswiderstand |
| US10876986B2 (en) * | 2016-10-05 | 2020-12-29 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Insulated sensors |
| EP3558549B1 (en) * | 2016-12-22 | 2024-02-14 | Koninklijke Philips N.V. | Systems and methods of operation of capacitive radio frequency micro-electromechanical switches |
| CA3064088A1 (en) | 2017-06-21 | 2018-12-27 | Butterfly Network, Inc. | Microfabricated ultrasonic transducer having individual cells with electrically isolated electrode sections |
| EP3482835A1 (en) * | 2017-11-14 | 2019-05-15 | Koninklijke Philips N.V. | Capacitive micro-machined ultrasound transducer (cmut) devices and control methods |
| EP3762155B1 (en) * | 2018-03-09 | 2023-12-13 | BFLY Operations, Inc. | Methods for fabricating ultrasound transducer devices |
| TW201946700A (zh) * | 2018-05-03 | 2019-12-16 | 美商蝴蝶網路公司 | 超音波裝置 |
| US20220162667A1 (en) | 2018-12-07 | 2022-05-26 | Octant, Inc. | Systems for protein-protein interaction screening |
| TW202034217A (zh) * | 2018-12-07 | 2020-09-16 | 美商蝴蝶網路公司 | 超音波指紋偵測和相關設備及方法 |
| EP3766589A1 (en) * | 2019-07-15 | 2021-01-20 | Infineon Technologies AG | Mems sound transducer element |
| US11738369B2 (en) * | 2020-02-17 | 2023-08-29 | GE Precision Healthcare LLC | Capactive micromachined transducer having a high contact resistance part |
| US11904357B2 (en) | 2020-05-22 | 2024-02-20 | GE Precision Healthcare LLC | Micromachined ultrasonic transducers with non-coplanar actuation and displacement |
| US11911792B2 (en) | 2021-01-12 | 2024-02-27 | GE Precision Healthcare LLC | Micromachined ultrasonic transources with dual out-of-plane and in-plane actuation and displacement |
| CN114486014B (zh) * | 2022-03-18 | 2022-11-22 | 浙江仙声科技有限公司 | Pmut结合mems压力传感器的超声换能器单元、阵列及制造方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1117275A (zh) * | 1993-01-29 | 1996-02-21 | 帕罗尔设计公司 | 超声转换器阵列及其制造方法 |
| US6328696B1 (en) * | 2000-06-15 | 2001-12-11 | Atl Ultrasound, Inc. | Bias charge regulator for capacitive micromachined ultrasonic transducers |
| CN101229070A (zh) * | 2007-01-23 | 2008-07-30 | 株式会社东芝 | 2维阵列超声波探头以及超声波诊断系统 |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6283919B1 (en) | 1996-11-26 | 2001-09-04 | Atl Ultrasound | Ultrasonic diagnostic imaging with blended tissue harmonic signals |
| US6458083B1 (en) | 1996-11-26 | 2002-10-01 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Ultrasonic harmonic imaging with adaptive image formation |
| US6013032A (en) | 1998-03-13 | 2000-01-11 | Hewlett-Packard Company | Beamforming methods and apparatus for three-dimensional ultrasound imaging using two-dimensional transducer array |
| US5997479A (en) | 1998-05-28 | 1999-12-07 | Hewlett-Packard Company | Phased array acoustic systems with intra-group processors |
| US6530885B1 (en) | 2000-03-17 | 2003-03-11 | Atl Ultrasound, Inc. | Spatially compounded three dimensional ultrasonic images |
| US6443896B1 (en) | 2000-08-17 | 2002-09-03 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Method for creating multiplanar ultrasonic images of a three dimensional object |
| US6468216B1 (en) | 2000-08-24 | 2002-10-22 | Kininklijke Philips Electronics N.V. | Ultrasonic diagnostic imaging of the coronary arteries |
| US8008835B2 (en) * | 2004-02-27 | 2011-08-30 | Georgia Tech Research Corporation | Multiple element electrode cMUT devices and fabrication methods |
| US7612483B2 (en) | 2004-02-27 | 2009-11-03 | Georgia Tech Research Corporation | Harmonic cMUT devices and fabrication methods |
| US9089873B2 (en) | 2007-07-11 | 2015-07-28 | Hitachi Medical Corporation | Ultrasonic probe and ultrasonic diagnostic apparatus |
| EP2170531A2 (en) * | 2007-07-31 | 2010-04-07 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Cmuts with a high-k dielectric |
| EP2520917A1 (en) * | 2011-05-04 | 2012-11-07 | Nxp B.V. | MEMS Capacitive Pressure Sensor, Operating Method and Manufacturing Method |
| EP3079837B1 (en) * | 2013-12-12 | 2023-02-08 | Koninklijke Philips N.V. | Monolithically integrated three electrode cmut device |
| US10618078B2 (en) * | 2016-07-18 | 2020-04-14 | Kolo Medical, Ltd. | Bias control for capacitive micromachined ultrasonic transducers |
| US10399121B2 (en) * | 2016-09-12 | 2019-09-03 | Kolo Medical, Ltd. | Bias application for capacitive micromachined ultrasonic transducers |
-
2015
- 2015-11-30 EP EP15802074.3A patent/EP3229978B1/en active Active
- 2015-11-30 CN CN201580067115.5A patent/CN106999984B/zh active Active
- 2015-11-30 US US15/533,715 patent/US10549316B2/en active Active
- 2015-11-30 JP JP2017530160A patent/JP6276474B2/ja active Active
- 2015-11-30 WO PCT/EP2015/077995 patent/WO2016091624A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1117275A (zh) * | 1993-01-29 | 1996-02-21 | 帕罗尔设计公司 | 超声转换器阵列及其制造方法 |
| US6328696B1 (en) * | 2000-06-15 | 2001-12-11 | Atl Ultrasound, Inc. | Bias charge regulator for capacitive micromachined ultrasonic transducers |
| CN101229070A (zh) * | 2007-01-23 | 2008-07-30 | 株式会社东芝 | 2维阵列超声波探头以及超声波诊断系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US10549316B2 (en) | 2020-02-04 |
| EP3229978B1 (en) | 2020-05-27 |
| CN106999984A (zh) | 2017-08-01 |
| EP3229978A1 (en) | 2017-10-18 |
| JP2018501719A (ja) | 2018-01-18 |
| US20170320091A1 (en) | 2017-11-09 |
| JP6276474B2 (ja) | 2018-02-07 |
| WO2016091624A1 (en) | 2016-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106999984B (zh) | 两端子cmut设备 | |
| JP6482558B2 (ja) | モノリシックに集積された三電極ｃｍｕｔ装置 | |
| CN108348217B (zh) | 超声换能器阵列、探头和系统 | |
| JP6767474B2 (ja) | 増加される寿命を備える容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ | |
| JP7216550B2 (ja) | 広帯域超音波トランスジューサ | |
| US20160199030A1 (en) | Dual mode cmut transducer | |
| CN106999163A (zh) | 具有交错列的微加工超声换能器的导管换能器 | |
| JP7190590B2 (ja) | プログラム可能な生体構造及びフロー撮像を有する超音波撮像デバイス | |
| US20240108317A1 (en) | Cmut device and imaging method | |
| JP7268223B2 (ja) | 増大された患者安全性を持つ容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ | |
| WO2015028945A2 (en) | Variable frequency control of collapsed mode cmut transducer | |
| US20220304659A1 (en) | Trenches for the reduction of cross-talk in mut arrays | |
| US11241715B2 (en) | Ultrasound system and ultrasonic pulse transmission method | |
| CN106660072A (zh) | 具有节距均匀性的平铺的cmut切片 | |
| US20230002213A1 (en) | Micro-machined ultrasound transducers with insulation layer and methods of manufacture | |
| CA3154568A1 (en) | Trenches for the reduction of cross-talk in mut arrays | |
| WO2023277914A1 (en) | Micro-machined ultrasound transducers with insulation layer and methods of manufacture |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |