CN109311055A

CN109311055A - 宽带超声换能器

Info

Publication number: CN109311055A
Application number: CN201780036829.9A
Authority: CN
Inventors: S·舒列波夫; P·H·M·蒂默曼斯; P·迪克森
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2037-06-13
Also published as: CN109311055B; JP7216550B2; WO2017216139A1; EP3468726B1; US20190176193A1; EP3468726A1; JP2019522925A; US11400487B2

Abstract

公开了一种换能器阵列(10)，其包括多个CMUT单元(100、100、100”)，每个CMUT单元包括第一电极(110)和第二电极(120)，所述第一电极由基板(101)支撑，所述第二电极由悬挂在所述第一电极与所述第二电极之间的腔体(105)上的膜支撑，所述多个CMUT单元包括：第一组CMUT单元(100)，其中的每个CMUT单元均具有包括第一层堆叠(130)的膜；以及第二组CMUT单元(100')，其中的每个CMUT单元均具有包括第二层堆叠(130')的膜，所述第二层堆叠包括具有比所述第一层堆叠中的层中的任何层更高密度的材料层(135)。还公开了包括这种换能器阵列的设备、包括这种换能器阵列的超声成像系统以及操作这种超声成像系统的方法。

Description

宽带超声换能器

技术领域

本发明涉及一种包括多个CMUT单元的换能器阵列，每个CMUT单元包括第一电极和第二电极，第一电极由基板支撑，第二电极由悬挂在第一电极与第二电极之间的腔体上的膜支撑，多个CMUT单元包括第一组CMUT单元和不同于第一组CMUT单元的第二组CMUT单元。

本发明还涉及一种包括这种换能器阵列的设备。

本发明还涉及包括这种换能器阵列的超声成像系统。

本发明还涉及操作这种超声成像系统的方法。

背景技术

用于医学成像的超声换能器具有许多特征，这些特征引起产生高质量的诊断图像。在这些特征中，宽带宽影响分辨率和高灵敏度(其结合压力输出影响景深)，使其在超声频率下为低水平声学信号。常规地，具有这些特性的压电材料由PZT和PVDF材料制成，PZT作为材料选项特别受欢迎。然而，PZT存在许多明显的缺点。首先，陶瓷PZT材料需要制造工艺，包括切割、匹配层粘合、填料、电镀和互连，这些工艺明显不同且复杂并且需要大量处理，所有这些都会导致换能器堆叠单元产量低于期望值。这种制造复杂性增大了最终换能器探头的成本，并且对元件之间的最小间距以及各个元件的尺寸造成了设计限制。此外，PZT材料与水或生物组织的阻抗匹配不良，使得需要将匹配层添加到PZT材料中以获得与感兴趣介质匹配的所需声阻抗。

随着超声系统大型机变得越来越小并且由现场可编程门阵列(FPGA)和用于大部分信号处理功能的软件占主导地位，系统大型机的成本随着系统的变小而下降。超声系统现在以便宜的便携式、台式和手持形式来提供，例如用作超声诊断成像系统或用作超声治疗系统，其中，使用高能超声脉冲来消融特定(组织)异常。结果，换能器探头的成本在系统总成本中的百分比不断增长，在超声诊断成像系统的情况下，用于3D成像的更高元件数阵列的出现加速了这种增长。用于具有电子转向的超声3D成像的探头依赖于专用半导体设备专用集成电路(ASIC)，其执行用于换能器元件的二维(2D)阵列的微波束形成。因此，希望能够以提高的产量和更低的成本制造换能器阵列，以促进对低成本的超声系统的需要，并且优选地通过与半导体生产兼容的制造工艺来制造换能器阵列。

最近的发展前景使得能够通过半导体工艺批量制造医学超声换能器。理想地，这些工艺应当与用于产生超声探头所需的ASIC电路的工艺(例如，CMOS工艺)相同。这些发展产生了微机械超声换能器或MUT，优选的形式是电容式MUT(CMUT)。CMUT传感器是微小的膜片式设备，其具有电极，可将接收到的超声信号的声音振动转换成调制电容。为了进行发射，施加到电极的电容电荷被调制以振动/移动设备的膜片，从而发射超声波。由于这些膜片是通过半导体工艺制造的，因此设备通常具有10-500微米范围的尺寸，个体膜片之间的间隔小于几微米。许多这种个体CMUT能够连接在一起并作为单个换能器元件一致地操作。例如，四至十六个CMUT能够耦合在一起以作为单个换能器元件一致地起作用。典型的2D换能器阵列能够具有2000-3000个CMUT换能器元件。

因此，与基于PZT的系统相比，基于CMUT换能器的超声系统的制造更具成本效益。此外，归因于在这种半导体工艺中使用的材料，CMUT换能器表现出与水和生物组织匹配的大为改善的声阻抗，这消除了对匹配层的需要并得到改善的有效带宽。

开发有效的超声系统，特别是基于CMUT换能器的超声系统的主要挑战之一是在超声诊断成像系统的情况下为系统提供优异的图像分辨率和良好的景深。这些是相互矛盾的要求，因为较高频率的脉冲超声引起分辨率提高，但由于介质的依赖频率的衰减会导致较短的景深。为了获得高的深度分辨率，需要高压短脉冲，这需要大的带宽。虽然原则上CMUT换能器能够生成宽谱频率，但是带宽是有限的，因为它们高效工作的频率在很大程度上取决于CMUT上施加的静态偏置电压。已经努力通过区分阵列内的CMUT单元来增加基于CMUT的超声换能器阵列的操作带宽，使得阵列包括具有不同弹簧常数的CMUT单元组。例如，US5870351公开了一种宽带微制造的超声换能器，其包括多个不同大小(直径)和/或形状的谐振膜，以拓宽超声换能器的频率响应。

US 2014/0010388 A1公开了一种具有宽带频率特性的电容式换能器。电容式换能器包括具有多种电池的元件，每个电池包括：第一电极；振动膜，其包括第二电极，所述第二电极与所述第一电极相对，具有间隙；支撑部分，其支撑所述振动膜以形成所述间隙。当从所述振动膜的法线方向观察时，所述多种电池具有所述第一电极和所述第二电极中的一个的面积与所述间隙的面积的不同比率。另外，所述电池中的一些电池的弹簧常数可以通过所述电池的所述振动膜(隔膜)上的附加层来改变。

众所周知，CMUT单元产生的声功率(输出压力)可以通过以所谓的塌陷模式操作CMUT单元来优化，其中，CMUT单元由驱动隔膜或柔性膜的中心部分穿过间隙到达相对基板上的偏置电压来驱动，并且CMUT单元被提供有具有设定频率的刺激，这种刺激使隔膜或柔性膜以设定频率谐振。这例如由2015年6月9日从互联网(URL：http://www-kyg.stanford.edu/khuriyakub/opencms/Downloads/11_Park_02.pdf)上检索到的K.K.Park等人在“Comparison of conventional and collapse-mode CMUT in 1-D arrayconfiguration”得以说明。

然而，为了保护CMUT单元的寿命，必须使单元的中心区域与相对的基板保持接触。由于CMUT单元塌陷到相对基板上的偏置电压与单元的弹簧常数直接成比例，因此不希望CMUT单元在换能器阵列内具有显著不同的弹簧常数，因为这会导致当单个偏置电压被施加到所有CMUT单元时，CMUT单元中的一些处于塌陷模式的CMUT单元暂时从相对基板释放，如前所述，这会增加单元过早失效的风险。

发明内容

本发明旨在提供一种换能器阵列，其包括多个CMUT单元，当以塌陷模式操作时，所述多个CMUT单元结合了宽带特性和优异寿命。

本发明还旨在提供一种包括这种换能器阵列的设备。

本发明还旨在提供一种包括这种设备和/或换能器阵列的超声成像系统。

本发明还旨在提供一种操作这种超声成像系统的方法。

根据一个方面，提供了一种换能器阵列，其包括多个CMUT单元，每个CMUT单元包括第一电极和第二电极，所述第一电极由基板支撑，所述第二电极由悬挂在所述第一电极与所述第二电极之间的腔体上的膜支撑，所述多个CMUT单元包括：第一组CMUT单元，其中的每个CMUT单元均具有包括第一层堆叠的膜；以及第二组CMUT单元，其中的每个CMUT单元均具有包括第二层堆叠的膜，所述第二层堆叠包括具有比所述第一层堆叠中的层中的任何层更高密度的材料层，其中，所述第一组CMUT单元的所述膜具有第一弹簧常数，并且所述第二组CMUT单元的所述膜具有第二弹簧常数，所述第二弹簧常数与所述第一弹簧常数相差不超过20％。本发明基于以下认识：为了区分换能器阵列的CMUT单元而向选定的CMUT单元提供高密度材料(薄)层可以用于显著地提高选定的CMUT单元的膜的质量，而会不显著地增加这些膜的弹簧常数。因此，换能器阵列的CMUT单元仍然可以在大致相同的偏置电压下塌陷，但是由于第一组CMUT单元的膜与第二组CMUT单元的膜的质量差异而分别表现出不同的谐振频率，从而得到与其中所有CMUT单元具有相同几何形状的CMUT换能器阵列相比能够以塌陷模式安全地操作并且表现出增大的带宽(即，宽带特性)的换能器阵列。为此，与第一层堆叠的层中的任何层的材料相比，该材料优选还具有较低的杨氏模量，使得高密度材料对第二组CMUT单元的膜的总弯曲刚度具有最小贡献。例如，具有比第一层堆叠中的层中的任何层更高密度的材料可以具有超过7g/cm³的密度，优选具有超过10g/cm³的密度，并且具有小于200GPa的杨氏模量，优选具有小于100GPa的杨氏模量。

优选地，所述第二弹簧常数与所述第一弹簧常数相差不超过10％，以确保换能器阵列的所有CMUT单元在大致相同的偏置电压下进入塌陷模式。在一些实施例中，第一组CMUT单元的膜的弹簧常数与第二组CMUT单元的膜的弹簧常数相同。通过选择材料并分别调谐第一组和第二组CMUT单元的膜中的这些材料层的厚度，可以实现对各自的膜的弹簧常数的调谐。

例如，所述第一层堆叠包括第一厚度的介电材料层；并且所述第二层堆叠包括第二厚度的所述介电材料层，所述第二厚度小于所述第一厚度。可以选择第二厚度，使得第二层堆叠中的第二厚度的介电材料层与具有比第一层堆叠中的层中的任何层更高密度的材料层的厚度的组合对第二组中的CMUT单元的膜的总弹簧常数提供了与第一厚度的介电材料层对第一组中的CMUT单元的膜所实现的贡献(大致)相同的贡献。

备选地，除了具有比所述第一层堆叠中的所述层中的任何层更高密度的所述材料层作为附加层以外，所述第二层堆叠可以与所述第一层堆叠相同。这提供了一种超声换能器阵列，其可以以特别简单的方式制造，例如通过将高密度材料层选择性地沉积到第二组CMUT单元中来制造。

所述换能器阵列可以包括多个换能器元件，其中，每个换能器元件包括所述第一组的至少一个CMUT单元和所述第二组的至少一个CMUT单元。

在实施例中，所述第一组的所述CMUT单元均具有第一直径，并且所述第二组的所述CMUT单元均具有第二直径，所述第二直径与所述第一直径不同。在塌陷模式中，CMUT单元的谐振频率变得在很大程度上与单元直径无关，使得将高密度材料层添加到第二组CMUT单元引入了备选的设计自由度，以在具有不同直径的CMUT单元的塌陷模式中可操作的超声换能器阵列中实现宽带特性。

具有比所述第一层堆叠中的所述层中的任何层更高密度的所述材料层可以连续层或者可以是图案化层。对该层进行图案化可以用于进一步调谐应用该层的CMUT单元的膜的质量。例如，第二组CMUT单元可以包括：第一子组，其中的CMUT单元的膜包括连续的高密度材料层；以及第二子组，其中的CMUT单元的膜包括图案化的高密度材料层。以这种方式，可以以更加精细粒度的方式调谐超声换能器阵列的频率特性。

在实施例中，具有比所述第一层堆叠中的所述层中的任何层更高密度的所述材料层是金属层，优选地，所述金属层是金层或铂层。可以使用金属，因为金属的密度高，这使得这些材料特别适合用作高密度材料层。在本申请的背景中，术语“金属”还包括金属合金。

在特别有利的实施例中，所述CMUT单元或换能器元件以交错阵列布置，所述交错阵列包括：在至少一个硅岛上的间隔开的CMUT单元或换能器元件的第一列；在至少一个另外的硅岛上间隔开的CMUT单元或换能器元件的第二列，所述第二列与所述第一列交错对齐，使得所述第二列的单元部分地位于所述第一列的连续单元之间的空间中，所述第一列与所述第二列以间隙间隔开；以及保持相应硅岛的柔性箔，所述柔性箔包括导电互连。

通过交错这些列，一列的单元或换能器元件可以被散布在相邻列的单元或换能器元件之间，在两个转向方向上提供较小的阵列间距，而不必在未转向的方向上增大间距。为了能够弯曲阵列以用于弯曲阵列和导管应用，在每个岛上只有一个或几个单元或换能器元件的硅岛上制造阵列元件，并且通过整体柔性箔叠加物连接岛，这有利于对CMUT单元阵列或换能器元件的连续侧向观察完全环绕在三维主体(例如，圆柱体，例如，导管护套)而在阵列域之间不存在不连续。因此，这有利于生成具有改善的图像质量的超声图像，并且由于CMUT单元或换能器元件之间的间距减小而减少了诸如栅瓣的图像伪影。

所述第一组CMUT单元和所述第二组CMUT单元或所述换能器元件优选均以所述交错阵列以恒定间距布置，以优化所述换能器阵列的性能。

在实施例中，间隔开的CMUT单元或换能器元件的所述第一列位于具有相对的蜿蜒边缘的第一硅岛上，每个边缘围绕所述CMUT单元或换能器元件中的一个向外蜿蜒并且向内蜿蜒进入所述CMUT单元或换能器元件之间的空间；间隔开的CMUT单元或换能器元件的所述第二列位于具有相对的蜿蜒边缘的第二硅岛上，每个边缘围绕所述CMUT单元或换能器元件中的一个向外蜿蜒并且向内蜿蜒进入所述CMUT单元或换能器元件之间的空间；并且所述第一硅岛邻近所述第二硅岛布置，使得所述第一硅岛的向外蜿蜒的边缘部分插入所述第二硅岛的向内蜿蜒的边缘部分。

这种阵列受益于由承载多个(即，一列)CMUT单元或换能器元件的每个硅岛提供的结构完整性，硅岛的形状有利于硅岛的特定密集堆积以得到交错的CMUT单元或换能器元件阵列。另外，由于硅岛可以沿着导管的长度布置，因此结果得到的换能器阵列结合了良好的结构完整性和阵列的优异柔性。

第一硅岛和第二硅岛均可以包括至少一对间隔开的CMUT单元或换能器元件的所述列，其中，所述对中的列是交错的。这限制了阵列中的单独硅岛的数量，同时由于各个硅岛的有限宽度而仍然提供了阵列的优异柔性。

在另外的方面中，这种基于硅岛的超声换能器阵列的实施例可以形成包括外部护套的导管的部分，其中，CMUT换能器阵列环绕外部护套，使得阵列的各个列在导管的长度方向上延伸。由于环绕CMUT换能器阵列的外部护套的CMUT换能器阵列的连续性质，这种导管受益于改善的成像能力。

导管可以额外地包括位于导管远端(例如在导管的远侧端部处)的另外的CMUT换能器阵列，以进一步增强导管的成像能力。例如，这种导管能够利用另外的CMUT换能器阵列生成前视图像并且利用CMUT换能器阵列生成360°图像。

在一些实施例中，导管可以是心内导管或血管内导管。

在备选实施例中，换能器阵列可以形成设备的部分，所述设备还包括被配置为控制CMUT换能器阵列的控制器。例如，所述设备可以例如包括探头，所述探头包括CMUT换能器阵列。例如，所述探头可以是针状探头、TEE(经食道超声心动图)探头或诊断超声探头。

根据另外的方面，提供了一种超声成像系统，其包括患者接口模块和根据本发明所述的实施例之一所述的换能器阵列或导管。这种超声成像系统受益于由阵列的差分CMUT单元提供的超声换能器阵列的改善的宽带特性。

超声成像系统优选还包括电源，所述电源适于在超声发射模式和超声接收模式中的至少一个期间以塌陷模式操作所述CMUT单元。由于如上所述的超声换能器阵列内的各自的CMUT单元膜的相当的弹簧常数(弯曲刚度)，超声换能器阵列特别适合于这种塌陷模式操作。

根据又一方面，提供了一种操作这种超声成像系统的方法，所述方法包括：在所述超声成像系统的超声发射模式期间，向所述CMUT单元施加控制信号，所述控制信号包括迫使所述CMUT单元进入塌陷模式的DC分量和迫使塌陷的CMUT单元谐振的AC分量，其中，所述第一组CMUT单元和所述第二组CMUT单元以不同的谐振频率谐振。该操作方法确保超声成像系统以塌陷模式实现宽带特性而不会显著地损害阵列的寿命。

附图说明

参考附图，通过非限制性范例来更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地描绘了根据实施例的超声换能器阵列的俯视图；

图2示意性地描绘了根据实施例的超声换能器阵列的横截面；

图3是描绘根据实施例的超声换能器阵列的操作特性的曲线图；

图4是具有(右窗格)和没有(左窗格)CMUT阵列的CMUT膜的高密度层的CMUT阵列的输出压力轮廓标绘图；

图5示意性地描绘了根据另一实施例的超声换能器阵列的部分的横截面；

图6示意性地描绘了根据另一实施例的超声换能器阵列的俯视图；

图7示意性地描绘了根据又一实施例的超声换能器阵列的俯视图；

图8示意性地描绘了针对这种超声换能器阵列的示例性制造工艺；

图9是根据实施例的CMUT单元的行和列的对称布置的CMUT阵列的平面视图；

图10是根据另一实施例的CMUT阵列的平面视图，该CMUT阵列被配置有交错的单元行，其中，相邻的行和列的单元被散布在彼此内；

图11图示了根据实施例的制造相邻单元硅岛的柔性互连的步骤；

图12图示了根据实施例的相邻交错行的CMUT作为单行换能器元件的操作；

图13图示了以圆柱形配置环绕时图12的CMUT阵列；

图14是根据本发明的实施例的CMUT阵列的平面视图，其中，每个单元位于其自己的硅岛上并且具有通过柔性金属桥连接的柔性箔叠加物；

图15是根据本发明的实施例的CMUT阵列的平面视图，其中，多个单元位于每个硅岛上并且具有通过柔性金属桥连接的柔性箔叠加物；并且

图16是根据实施例的超声成像系统的框图。

具体实施方式

应当理解，附图仅是示意性的，并未按比例绘制。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。

在本申请的背景中，在提及膜的地方，这是一种可变形结构，其跨越电容微机械超声换能器(CMUT)的基板上的间隙或腔体，并且支撑(例如，嵌入)CMUT的电极中的一个电极，例如，电极与基板上的另外的电极相对，并通过间隙或腔体与彼此隔开。

在本申请的背景中，在提及膜层堆叠的地方，这旨在包括由单层形成的膜以及由多层形成的膜，但不包括嵌入膜中的电极或由膜支撑的电极。

在本申请的背景中，在提及CMUT元件或换能器元件的地方，这可以等同于单个CMUT单元或者被布置成一致操作(例如被布置为由单个控制信号寻址)的CMUT单元集群。

图1示意性地描绘了根据实施例的超声换能器阵列10的俯视图。超声换能器阵列10包括多个CMUT单元，所述多个CMUT单元被分成第一组CMUT单元100和第二组CMUT单元100'，这里仅通过非限制性范例的方式示为具有圆形形状。可以预期CMUT单元100、100'的其他形状。单元100、100'可以被布置为独立寻址，但是优选地，单元集群能够一致地寻址，即，作为换能器元件，其中，集群包括单元100、100'两者，优选包括相同数量的单元100、100'，使得每个换能器元件表现出相同的宽带特性，这将在下面更加详细地说明。超声换能器阵列10可以是这种换能器元件的阵列。如图1所示，CMUT单元100、100'可以以交错的方式布置，从而增大超声换能器阵列10的单元密度。单行中的单元100、100'可以形成集群，例如由单行地址信号寻址，如水平箭头所指示的。图2分别示意性地描绘了第一组CMUT单元100和第二组CMUT单元100'的横截面。每个CMUT单元包括由基板101支撑的第一电极110和与第一电极110相对并通过腔体105与第一电极110分离的第二电极120。

在第一组CMUT单元100中，第二电极120由包括第一层堆叠130的柔性膜支撑，第一层堆叠130例如包括电绝缘材料或介电材料(例如，氧化硅、氮化硅等)的第一层131和第二层133。在某些应用中，例如在低频应用中，第一层堆叠130可以具有远超过1微米的厚度，例如厚度范围为5-20微米。在一些其他应用中，例如在高频应用中，第一层堆叠130可以具有小于2微米的厚度。第二电极120可以嵌入包括第一层堆叠130的柔性膜中，使得第二电极120通过介电材料薄层与腔体105分离，以例如在柔性膜的中心区域接触基板101时(例如超声换能器阵列10的CMUT单元100、100'以塌陷模式操作期间)防止第一电极110与第二电极120之间的短路。

在第二组CMUT单元100'中，第二电极120由包括第二层堆叠130'的柔性膜支撑，第二层堆叠130'包括具有比第一层堆叠中的层中的任何层更高密度的材料层135。在本说明书的其余部分中，层135将被称为质量层135。质量层135存在于第二组CMUT单元100'的膜层堆叠130'中，以增加膜层堆叠130'的质量而不会显著影响其弯曲刚度，所述弯曲刚度在很大程度上限定了CMUT单元100、100'的弹簧常数，特别是当CMUT单元100、100'以塌陷模式操作时，在塌陷模式中，膜的中心部分永久地塌陷到基板101上，膜的围绕中心部分的周边部分振荡以在超声换能器10的发射模式中生成具有期望频谱的超声脉冲，或者响应于在超声换能器10的接收模式中接收到具有期望频谱的脉冲回波而谐振。由于这种塌陷模式操作本身是众所周知的，因此，仅为了简洁起见，不再对其进行进一步的详细解释。

圆形CMUT单元膜的中心频率F_c可以通过以下公式(1)来近似：

在该公式中，R是膜半径，ρ是膜密度，D是膜的抗弯刚度(弹簧常数)，t是膜厚度，并且x是比率R_c/R，其中，R_c是膜的塌陷到基板101上的中心部分的半径(当膜未塌陷时R_c＝0)。根据该公式能够推导出，膜的谐振频率取决于膜的抗弯刚度(弹簧常数)D和密度ρ。然而，(例如为了迫使CMUT单元进入塌陷模式)使膜塌陷到基板101上所需的能量或力由膜的抗弯刚度D支配。因此，本发明的实施例涉及与第一组CMUT单元100的层堆叠130的质量相比增大第二组CMUT单元100'的层堆叠130'的质量，同时使分别包括第一层堆叠130和第二层堆叠130'的膜之间的弹簧常数的差异最小化。

膜的抗弯刚度D可以通过膜层堆叠的有效杨氏模量E_eff来表示(公式(2))：

在该公式中，μ是泊松比。将质量层135与有效杨氏模量相加的效果可以通过以下公式(3)来近似：

在该公式中，E₁和t₁分别是膜堆叠的杨氏模量和厚度，并且E₂和t₂分别是质量层135的杨氏模量和厚度。例如，对于厚度为3微米的(多层)氮化硅膜堆叠以及厚度为1微米的金质量层，与(一个或多个)仅含有厚度为3微米的氮化硅层的膜堆叠相比，有效杨氏模量增大了20％。

在实施例中，选择第一层堆叠130和第二层堆叠130'的相应层组成，使得第一组CMUT单元100的膜具有第一弹簧常数(有效杨氏模量)，并且第二组CMUT单元100'的膜具有第二弹簧常数(有效杨氏模量)，第二弹簧常数与第一弹簧常数相差不超过20％。更优选地，第二组CMUT单元100'的膜具有第二弹簧常数，第二弹簧常数与第一弹簧常数相差不超过10％。在一些实施例中，第一弹簧常数与第二弹簧常数大致相同，即，彼此相差小于1％。在换能器阵列10的换能器元件由CMUT单元100和100'的集群形成的情况下，这是特别有利的(这些换能器元件通常由单个控制信号(例如，单个偏置电压)寻址，以将换能器元件的相应CMUT单元驱动到塌陷模式)，这是因为CMUT单元100和100'的相当的弹簧常数确保换能器元件的所有单元在换能器元件的操作期间(例如在超声换能器阵列10的发射模式或接收模式中)都保持塌陷到基板101上，即，表现出相当的动态“塌陷”行为。

任何合适的“重”材料(即，具有相对高密度的材料，例如密度为至少7g/cm³，优选密度为至少10g/cm³，更优选密度为至少15g/cm³的材料)可用作质量层135。质量层优选还具有小于200GPa的杨氏模量。特别优选地，质量层优选还具有小于100GPa的杨氏模量的致密材料。可以使用例如根据IS014577或ASTM E2546-07的纳米压痕测量来确定杨氏模量(例如通过室温)。材料可以是元素材料或复合材料或合金材料。例如，材料可以是具有高密度和低杨氏模量的金属(或金属合金)，例如，金或铂，金被认为特别合适。尽管如此，还需要重申以避免质量层135不一定是金属或金属合金的疑虑；可以预期使用具有适当高密度和低杨氏模量的任何合适材料。

如图2所示，第二层堆叠130'可以与第一层堆叠130相同，但是还包括质量层135。在这种实施例中，由于存在附加质量层135，因此第二层堆叠130'的弹簧常数将与第一层堆叠130的弹簧常数相差很小的量。为此，质量层135的厚度优选保持尽可能小，以使对第二层堆叠130'的弯曲刚度(即，弹簧常数)的影响最小化。

然而，应当理解，第一层堆叠130的层组成可以与第二层堆叠130'的层组成有很大不同；例如，第一层堆叠130可以包括一层或多层介电材料，其具有与第二层堆叠130'中的对应层不同的厚度，并且/或者第一层堆叠130可以包括不存在于第二层堆叠130'中的一层或多层介电材料，反之亦然。尽管这可能需要更复杂的制造工艺，但是以这种方式，第一层堆叠130和包括质量层135的第二层堆叠130'的各自的弯曲刚度(即，弹簧常数)可以被调谐为具有最小差异，例如，(大致)相同。作为简单范例，第一层堆叠130可以包括第一厚度的介电材料层，并且第二层堆叠可以包括第二厚度的相同的介电材料层，第二厚度小于第一厚度，其中，可以选择第二厚度，使得第二厚度的介电材料层与质量层135的组合表现出与第一层堆叠130中的第一厚度的介电材料层的弯曲刚度(大致)相同的弯曲刚度。

图3描绘了CMUT单元100的超声换能器阵列的FEM计算的频率响应，CMUT单元100都具有相同的膜而没有质量层(虚线)，CMUT单元100'的超声换能器阵列的频率响应都具有该膜，在该膜上形成有由1.5微米厚的金层组成的质量层135(细实线)，并且超声换能器阵列的频率响应包括这种CMUT单元100和CMUT单元100'的交替图案(粗实线)。通过以DC偏置电压驱动处于塌陷模式的相应换能器阵列并通过将AC刺激施加到相应换能器阵列的塌陷的CMUT单元来获得频率响应。

从图3中能够看出，对于包括质量层135的CMUT单元100'，施加质量层135能将CMUT单元100的峰值谐振频率从大约13MHz移位到大约7MHz。在由粗实线标识的、在单个超声换能器阵列中的CMUT单元100与CMUT单元100的组合，与仅包括CMUT单元100或CMUT单元100'的超声换能器阵列相比，表现出具有几乎加倍的带宽的频率响应。这清楚地表明，在单个换能器阵列10内存在第一组CMUT单元100以及第二组CMUT单元100'会改善该阵列的宽带特性。还应当注意，在单个换能器阵列10内部署这样的多组单元还可以用于对这种阵列的频率响应进行成形。例如，频率响应可以被成形为具有朝向频率响应中的低点(例如，-3dB)的不对称分布。例如，这种不对称分布可以有利于在阵列的第一谐波频率处形成更为谐波的波形。

图4是仅包括第一组CMUT单元100的换能器阵列10的输出压力的轮廓标绘图(左窗格)和仅包括第二组CMUT单元100'的换能器阵列10的输出压力的轮廓标绘图(右窗格)，第二组CMUT单元100'在其相应的膜中包括质量层135。水平轴描绘施加的偏置电压[V]，并且垂直轴描绘生成的脉冲长度[ns]。水平延伸通过两幅轮廓标绘图的下虚线指代第一组CMUT单元100的中心频率，并且水平延伸通过两幅轮廓标绘图的上虚线指代第二组CMUT单元100'的中心频率。如方框箭头所指示的，通过在这些单元中包括质量层135，可以将这种CMUT单元的中心频率有效地移位到较低值，从而证明超声换能器阵列10的宽带特性可以通过在阵列内包括多组CMUT单元而增强，其中，只有一些组具有包括这种质量层135的膜。

图5示意性地描绘了CMUT单元100'的另一实施例的横截面，其中，质量层135是图案化层。例如，在第二组CMUT单元100'被分成第一子组和第二子组的情况下，这可能是有利的，在第一子组中，CMUT单元100'的各个膜具有第一质量的质量层135，在第二子组中，CMUT单元100'的各个膜具有第二质量的质量层135，第二质量小于第一质量。不是必须部署不同厚度的质量层135来实现这种不同的质量，各个质量层135可以被形成为一个厚度，第二子组的CMUT单元100'的质量层135被图案化，以便减少这些层的质量。如本领域技术人员将非常明显的，可以控制图案密度和/或形状，以便调谐第二子组的CMUT单元100'的质量层135的质量减少。在一些实施例中，图案化层可以是同心环的图案或从膜上表面的中心径向延伸的辐条或条带的径向图案。如本领域技术人员将容易理解的，可以选择特定图案以在膜上赋予可期望的应力分布。

以这种方式，可以形成超声换能器阵列10，其中，存在包括不同质量的质量层135的多组CMUT单元。图6示意性地描绘了这种超声换能器阵列10的示例性实施例，其中，阵列包括在其各个膜中没有质量层的第一组CMUT单元100，在其各个膜中包括连续质量层135的第二组CMUT单元100'，以及在其各个膜中包括图案化质量层135的第三组CMUT单元100”。包括具有不同中心频率的多组CMUT单元允许对超声换能器阵列10所需的频率特性(例如，宽带特性)进行精细粒度调谐。对于本领域技术人员来说将非常明显的是，尽管图6中的示例性超声换能器阵列10包括两组不同的CMUT单元，它们包括不同质量的质量元件，但是以下这样的实施例同样是可行的：这种超声换能器阵列包括两个以上不同的CMUT单元组，它们包括不同质量的质量元件，例如，三组、四组、五组等。

在图7中示意性描绘的备选实施例中，第一组CMUT单元100和第二组CMUT单元100'具有不同的直径。一对CMUT单元100和100'可以形成单位单元(换能器元件)50。互连102可以存在于单位单元50内，例如存在于CMUT单元100、100'之间，将CMUT单元连接到下面的基板中的电路，例如，ASIC等。在该实施例中，单个组内的CMUT单元之间的间距优选地是恒定的，以确保超声换能器阵列10在其换能器表面上的频率特性基本上是均匀的。当将质量层135添加到(一个或多个)选定的CMUT单元组时，使用具有不同直径的CMUT单元组提供了额外的设计自由度。这可以用于补偿在塌陷模式期间CMUT单元的中心频率变得在很大程度上与膜半径无关的事实。这能够根据公式(1)来理解，其中，小半径膜的塌陷半径R_c远小于大半径膜的塌陷半径，使得公式(1)中的项(1-x²)补偿项R²，因此当CMUT单元以塌陷模式操作时，引起中心频率变得对膜半径非常不敏感。

图8示意性地描绘了CMUT换能器阵列制造方法的非限制性示例性实施例。该方法在步骤(a)中进行，提供基板101，基板101可以是任何合适的基板，例如，硅基板、绝缘体上硅基板、硅锗基板、氮化镓基板等。硅基基板可以例如用于CMOS制造工艺。基板101可以包括若干结构，例如，半导体设备、互连半导体设备和/或CMUT单元的金属化堆叠、金属化堆叠上的钝化堆叠等。如果在基板101的层堆叠上存在例如钝化堆叠和/或平坦化堆叠，则基板101可以例如是专用集成电路(ASIC)的基板，其包括CMUT单元100、100'和100”，其中，CMUT单元可以通过金属化堆叠连接到基板101上的信号处理电路。提供这种基板101本身是众所周知的，并且其属于本领域技术人员的常规技术，使得为了简洁起见而不再进一步详细讨论提供合适的基板101。

在基板101上形成第一电极110，第一电极110可以由任何合适的导电材料(例如，金属或金属合金，掺杂半导体材料，如掺杂多晶硅，(半)导电氧化物等)形成。例如，使用在所选择的制造技术中容易获得的金属是特别有利的，因为这需要对制造流程进行最小的重新设计，这从成本的角度来看是有吸引力的。例如，在CMOS工艺中，诸如Al、W、Cu、Ti、TiN等的导电材料以及这些材料的组合可以用于形成第一电极110。

第一电极110的形成可以形成在基板101上形成第一电极布置的部分，所述第一电极布置包括CMUT单元100、100'、100”的各自的第一电极110。

随后可以任选地用电绝缘(介电)材料层111覆盖第一电极110和基板300。这在步骤(b)中示出。例如，这种介电层111可以用于使第一电极110与其相反电极120(见下文)电绝缘，以降低在CMUT单元操作期间电极之间短路的风险。另外，介电层111可以用于在去除牺牲材料期间保护第一电极110和基板101免受破坏，从而在第一电极110上形成腔体。

尽管介电层111被示为覆盖整个基板表面101，但是提供图案化介电层111也同样可行，其中，仅基板101的某些部分与第一电极110一起被介电层111覆盖。任何合适的介电材料可以用于保护第一电极110和基板101，例如，一种或多种材料可以选自氮化硅(Si₃N₄)、二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化铪(HfO₂)等，但要强调的是，合适的介电材料不限于这些示例性材料。另外，前述介电材料的混合物或层压物也可以用于保护第一电极110。这样，介电层111可以以任何合适的方式形成，例如使用合适的沉积技术，例如，ALD、(PE)ALD、PLD、PVD、LPCVD以及PECVD，为简洁起见，将不再进一步详细解释其形成。

在步骤(c)中，例如通过合适的沉积技术在包括第一电极110和任选的介电层111的基板101上形成牺牲材料。牺牲材料被图案化以包括在第一电极110上方形成腔体的第一区域112，并且还可以包括在预期的腔体区外部的第二区域112'，第二区域112'充当可以通过其去除牺牲材料的通道。对应于要形成的腔体的间隙高度的牺牲材料层的高度通常在100-1000nm的范围内，但是应当理解，也可以预期在该范围以外的值。

在实施例中，第一区域112是圆形区域，第二区域112'以一个或多个齿状突起(例如，2-8个这样的突起)的形式从第一区域112延伸。在步骤(c')中示出了这种牺牲材料部分的俯视图，其中，仅通过非限制性范例的方式示出了四个这样的突起。齿状第二区域112'通常用作要形成的膜外部的腔体进入平台，通过该腔体进入平台能够提供进入第一部分112的通路以用于打开或释放腔体。

原则上，可以使用任何合适的牺牲材料，但是出于设备性能的原因，优选使用能够在随后的蚀刻步骤中有效去除的牺牲材料。例如，可以预期使用诸如Al、Cr和Mo、Ti和(Ti)W的金属或诸如非晶硅或二氧化硅的非金属。诸如Al、非晶硅和二氧化硅的材料例如在CMOS工艺中是容易获得的，并且这些材料中的Al能够通过蚀刻而被特别有效地去除。图案化的牺牲材料可以以任何合适的方式形成，例如使用合适的沉积和图案化技术，为了简洁起见，将不再进一步详细解释其形成。

应当理解，第一区域112的直径限定了要形成的CMUT单元100、100'，100”的腔体的直径。在实施例中，直径选择在20-500微米的范围内，更优选地，在50-300微米的范围内，但是应当理解，也可以预期更大的直径，例如直径高达1000微米。

在步骤(d)中，将要形成的膜的第一介电层131沉积在牺牲材料的第一区域112和第二区域112'和介电层111(如果存在的话)的暴露部分之上。由于第一介电层131和介电层111都暴露于用于去除牺牲层的蚀刻配方，因此第一介电层131和介电层111可以使用相同的材料，尽管分别为第一介电层131和介电层111使用不同的材料当然也是合理的。在实施例中，第一介电层131和介电层111均包括由任何合适的介电材料形成的至少一个层，例如，二氧化硅层(例如，SiO₂)、氮化硅层(例如Si₃N₄等)、氧化铝(Al₂O₃)层、氧化铪(HfO₂)层等。许多其他合适的介电层材料对于技术人员来说是显而易见的。优选地，诸如PECVD和ALD的沉积技术用于形成介电层，因为这些技术能够在低于400℃的温度下执行，这使得这些技术与CMOS制造工艺兼容。第一介电层131可以被形成为层堆叠，例如，氧化物-氮化物堆叠或氧化物-氮化物-氧化物堆叠。类似地，任选的介电层111可以被形成为这种堆叠。需要重申的是，可以将任何合适的介电材料用于任选的介电层111和第一介电层131。另外，前述介电材料的混合物或层压物(例如，ALD层压物)可以用于这些介电层。

在形成第一介电层131之后，如步骤(e)所示，在第一介电层131上形成包括第二电极120的第二电极布置，使得每个第二电极120与第一电极110相对地定向。第二电极布置优选由与第一电极布置相同的导电材料形成，但是应当理解，备选地，第二电极布置和第一电极布置可以由不同的材料形成。第二电极布置可以例如由任何合适的导电材料形成，例如，Al、W、Cu、Ti、TiN等，以及这些材料的组合。可以使用众所周知的技术来形成第二电极布置，仅为了简洁起见，不再对其进行进一步的解释。包括第一电极110的第一电极布置和包括第二电极120的第二电极布置可以被形成为任何合适的厚度，例如，厚度为50-250nm。可以预期其他合适的厚度，厚度例如取决于应用领域。

在形成第二电极120之后，该方法如步骤(f)所示进行，其中，形成第二介电层133。在任选的实施例中，第二介电层133被形成为第一厚度t1，第一厚度t1超过第一电极110与第二电极120之间的牺牲材料的第一部分112的厚度，使得在形成腔体130时腔体间隙的高度g基本上小于厚度t1，即，g/t1<<1。优选地，t1>3g，更优选地，t1>5g。这确保了在步骤(g)中在腔体105的释放期间(即通过形成通路或过孔116并随后去除牺牲材料的第一部分112和第二部分112')，膜在腔体释放步骤期间表现出优异的膜鲁棒性，因为在去除牺牲材料以形成腔体105的阶段中，g<<t1。此外，由于在释放腔体105之前形成(例如，沉积)第二介电层133，因此获得具有优异平坦度特性的膜，这是因为牺牲材料的存在防止了在形成第二介电层133期间第一介电层131的变形。

随后通过使用合适的蚀刻配方形成通路或过孔116来基本上去除牺牲材料的第一部分112和第二部分112'(如步骤(g)所示)，以在第一电极110与第二电极120之间形成腔体105，第二电极120嵌入在CMUT单元100、100'的膜层堆叠130的第一介电层313与第二介电层315之间。用于这种常规的牺牲材料的合适的蚀刻配方本身是公知的，并且技术人员使用他的公知常识将能毫无困难地选择适当的蚀刻配方。

在步骤(h)中，通过在通路或过孔116中形成包括插塞118的另外的介电层134，在对通路或过孔116的密封期间可以进一步增加层堆叠130的厚度。另外的介电层134可以基本上薄于第二介电层133。另外的介电层134可以被形成为腔体105的高度的至少两倍的厚度(例如，腔体105的高度的3-4倍)，以有效地密封通路或过孔116。

在步骤(i)中，将质量层135施加到选定的膜层堆叠130，以便形成第二组CMUT元件100的膜层堆叠130'。可以以任何合适的方式选择性地施加这样的质量层135，例如通过在膜层堆叠130上施加掩模层，并且对该掩模层进行图案化以暴露其上施加有质量层135的膜层堆叠130，在施加之后可以去除掩模层。用于选择性地施加质量层135的其他合适技术对于技术人员来说是非常明显的。尽管未明确示出，但是可以通过对选定的质量层135进行图案化以形成CMUT单元的第一子组和第二子组来实现对第二组CMUT单元100'的进一步区分，所述CMUT单元包括具有不同质量的质量层135，如先前所解释的。

在这一点上，强调步骤(a)-(i)示意性地描绘了形成一个或多个CMUT单元100、100'和100”(如果存在于基板101上的话)的有利但非限制性的范例。许多备选路线对于技术人员来说将是明显的。

一个值得注意的工艺变化是可以使用任何合适的材料以任何合适的方式密封通路或过孔116，例如通过沉积和图案化诸如金属或介电层的专用密封层以形成插塞118。还应当注意，腔体105可以在CMUT制造工艺中的任何合适的点处释放，例如在形成第二介电层133之前。另一个值得注意的工艺变化是第一电极110和/或第二电极120可以或可以不通过介电层与腔体130分离，因为这是典型的设计选择。如前所述，可以在第一电极110和/或第二电极120上提供介电层，即，电绝缘层，以防止在CMUT单元100、100'和100”(如果存在的话)的操作期间第一电极110与第二电极120之间的直接接触。

膜堆叠130可以以任何合适的方式形成，例如通过单个介电层而不是通过介电层的堆叠等。这种工艺选择属于本领域技术人员的常规技能，因此仅为了简洁起见而不再详细说明。如前所述，并非所有的CMUT单元100、100'都可以具有相同的膜堆叠130。除了第二组CMUT单元100'中存在质量层135以外，分别在层堆叠130与130'之间具有不同的层和/或不同的层厚度也是同样可行的。

而且，应当理解，个体CMUT单元100的备选设计当然也同样可行。CMUT单元100的设计与本发明不是特别相关，可以预期任何合适的单元设计。例如，其中中间电极位于底部电极110与腔体105之间的3电极CMUT单元100也同样可行。例如，可以预期这种3电极CMUT单元通过单独的电极来提供刺激和偏置电压，以例如降低膜粘附到CMUT单元底部的风险。

此时应进一步注意，尽管未在各种实施例中示出，但是应当理解，根据实施例制造的CMUT单元100、100'和100”(如果存在的话)可以包括额外的电路元件，额外的电路元件可以被集成在基板101上或者可以被提供在单独的基板上，并且可以与根据本发明的实施例制造的晶片中的CMUT设备中的一个或多个CMUT设备一起集成到单个封装中。这种额外的电路可以例如是IC(例如，ASIC)，其用于控制一个或多个CMUT单元100、100'和100“(如果存在的话)并且/或者处理由一个或多个CMUT单元100、100'和100”(如果存在的话)生成的信号，以例如控制一个或多个CMUT单元100、100'和100”(如果存在的话)的发射和/或接收模式。CMUT单元100、100'和100”的其他合适的实施例(如果存在的话)和/或包括这种单元的超声换能器阵列10对于本领域技术人员来说将是非常明显的。

还应当注意，在前述制造工艺中，在制造工艺期间处理的晶片可以包含单个管芯，即，单个设备，在这种情况下，基板101对应于晶片，或者可以任何合适的方式单个化多个管芯，例如在设备制造工艺完成之后进行切割，在这种情况下，基板101对应于晶片的部分，将在下面更加详细地描述其示例性实施例。

图9是根据实施例的先前描述的圆形CMUT元件组50的二维换能器阵列10的平面视图(每个圆形CMUT元件50可以如前所述包含CMUT单元100、100'和100”(如果存在的话))。该阵列以CMUT元件的对称对齐的行56和列58的常规方式进行配置。在该范例中，每个列58覆盖有包含嵌入的金属轨道的整体柔性箔，其允许列弯曲成圆柱形。下面将更加详细地描述柔性箔。在该范例中，阵列的尺寸被设计成在行方向和列方向上都具有相同的间距，如箭头52和箭头54所示，箭头52指代列方向上的间距，而箭头54指代行方向上的间距。列58可以被形成为单独的基板岛，例如，单独的硅岛或条带，使得换能器阵列10可以环绕在三维主体(例如，圆柱体，例如，导管的外部护套)上。

图10是根据优选实施例配置的二维超声换能器阵列10的平面视图。如图10所示，CMUT元件组50的行56和列58交错对齐，这本身是众所周知的。通过在列方向上增大CMUT元件50之间的间隔55来容纳该范例中的交错对准，这使得相邻的列和行能够进一步彼此散布。在实施例中，间隔55至少是CMUT元件50的直径D。在包括具有多组CMUT单元100、100'、(100”等等)的换能器元件50的换能器阵列10中，相同组的CMUT单元100、100'之间的间距在阵列中优选是恒定的，使得阵列在阵列的总换能器区上表现出均匀的宽带特性。

在所图示的范例中，换能器元件50如此紧密地散布，使得在列方向或行方向上从一个单元到另一个单元的切线实际上将与相邻的交错的行或列的单元相交。换能器元件50的散布允许增大换能器阵列10内的CMUT元件的密度，而不需要增加换能器元件50之间的垂直间隔(即，在列方向上)，至少到实现了换能器元件50的最密封装的点。除此以外，如箭头55所示，可以增大列方向上的连续CMUT元件50之间的间距，从而有益于进一步减小水平间隔，如箭头57和59所示，但这将降低换能器阵列的整体CMUT密度。至少在其最密封装处，图10的CMUT换能器阵列10的单元密度大于图9的CMUT换能器阵列10的单元密度。

在图10中，CMUT元件50的每个列58位于单独的基板岛(即，单独的硅片)上。各个基板岛(例如，硅岛)的特征在于在列58的长度方向上(即，沿着列58)具有蜿蜒边缘结构，边缘部分58A在换能器元件50周围向外蜿蜒，而边缘部分58B向内蜿蜒到列58中的相邻CMUT单元50、50之间的空间中。换句话说，列58在列方向上具有波形相对边缘，其中，波峰与CMUT单元50、50'重合，而波谷与CMUT元件50之间的间距55重合。

相邻的列58被布置为使得其硅岛的向外蜿蜒的边缘部分与相邻的硅岛的向内蜿蜒的边缘部分对齐(即，插入其中)，从而通过相邻列58之间的CMUT元件50的交错对齐来形成交错行的CMUT元件50。相邻的硅岛通常由间隙57隔开，以便有益于硅岛相对于彼此向平面外弯曲，例如，当将CMUT换能器阵列10环绕在三维主体(例如，圆柱体，例如，导管护套)上时。

为了保持基板岛相对于彼此的相对位置，CMUT换能器阵列10还包括柔性箔60，基板岛被安装在柔性箔60上。例如，柔性箔60可以包括所谓的柔性-刚性箔，其中，金属层或金属层堆叠(例如，金属轨道)嵌入聚合物层或聚合物层堆叠中或覆盖有聚合物层或聚合物层堆叠，该聚合物通常是电绝缘的，以便保护金属层免于意外短路。用于这种柔性箔60的合适聚合物的非限制性范例是聚酰亚胺，因为众所周知聚酰亚胺与许多半导体制造工艺(例如，CMOS制造工艺)兼容。其他合适的聚合物(例如，聚对二甲苯)对于技术人员来说也是显而易见的。合适金属的非限制性范例是铝或通常用于半导体制造工艺的任何其他金属。这些材料与现有的半导体制造工艺的兼容性有益于使用现有的半导体制造工艺制造CMUT换能器阵列，而不必重新设计或重新开发这种制造工艺，否则这将会增加CMUT换能器阵列10的成本。

在经由柔性箔60互连的多个相邻蜿蜒基板岛上提供CMUT元件50允许CMUT换能器阵列10在阵列的行方向上向平面外弯曲，同时在阵列的列方向上提供结构完整性，例如，当将阵列环绕诸如血管内导管或心内导管的导管时，这是特别有利的。例如，CMUT换能器阵列10可以环绕这种导管的外部护套，硅岛柱58在导管的长度方向上对齐，即，CMUT换能器阵列10向平面外弯曲并在行方向上环绕导管护套。由于提供了大量相对较窄的硅岛，因此当使CMUT换能器阵列10环绕诸如导管护套的圆柱体时，可以实现对CMUT换能器阵列10的近圆柱形配置，其进一步的优点是这种CMUT换能器阵列在这样的主体的整个表面上是连续的，例如，在形成CMUT换能器阵列的部分的相邻矩形硅岛之间不包含不连续，例如EP 2455133 A1中的情况。

根据本发明的另外的方面，通过操作图10的阵列，可以利用这种减小的间距57和59，使得操作的换能器元件行50不是元件的水平行56，而是两个(或更多个)相邻交错行的散布组合。这与切割的压电陶瓷换能器元件的常规观点相反，其中，操作的元件行是完美线性的元件行。在图10的范例中，操作的元件行由交错的元件行形成。例如，图4中的一个操作行包括两个相邻交错行的换能器元件62₁、62₂、62₃、62₄、……62_N，即，第M个操作行包括CMUT元件50的每个列58的第M个CMUT元件50，其中，M是正整数，当环绕导管时，每行通常形成蜿蜒的环形行。交错行的更紧密的间隔使得能够提供96个单元的操作行，其中，例如标准对称对准仅容纳64个单元，并且操作行的交错配置仍然能够为高分辨率图像提供声学信号，由于天线方向图中的栅瓣减少，杂波较小。例如，可以通过按顺序激活相邻列58的适当CMUT元件50来对这种交错行进行寻址，例如按顺序激活N列58的换能器元件62₁、62₂、62₃、62₄、……62_N。

在图10的实施例中，相应的基板(例如，硅岛)由连续的柔性箔60保持。在备选实施例中，柔性箔片60可以被图案化，使得柔性箔60包括与间隙57对齐的多个凹槽，相应的桥接部分或桥接件延伸穿过该间隙57以互连柔性箔60的不同区域，例如，不同区域保持不同的基板(硅)岛。这进一步提高了CMUT换能器阵列10的柔性，但可能不太鲁棒。

图11图示了形成连接两个硅岛的柔性箔桥的几个工艺步骤，CMUT元件50位于硅岛上。图11(a)示出了硅晶片70，其具有在顶侧和底侧上生长的热二氧化硅层72。使用标准光刻法在顶侧溅射图案化的铝区81。图案化的聚酰亚胺区74被置于顶侧上的铝区中的一个区上，该图案限定了柔性箔中的桥。在连续柔性箔的情况下，聚酰亚胺74可以是连续片。在聚酰亚胺74上沉积铝层80，并且在铝上铺设第二聚酰亚胺层76。在铝层80上图案化另一层铝82，以在蚀刻期间用作掩模，所有这些都如图11(b)所示。

最后，如图11(c)所示，在由厚抗蚀剂区84掩蔽的区域以外的、在CMUT位置88下面的和在柔性桥74、80、76下面的区中从背面蚀刻掉硅晶片70。在蚀刻掩模层82的任一侧上对在顶侧上的柔性桥90的任一侧上的聚酰亚胺层76进行图案化，然后蚀刻掉聚酰亚胺层76本身。结果是两个单独的硅岛92和94，它们由柔性桥90连接。柔性桥90和其他类似的柔性桥使得这种CMUT填充的岛的阵列能够以圆柱形进行环绕，从而满足心内导管换能器的需要。

如前所述，声学换能器元件50的操作行200不是由常规方式的换能器元件的直线形成的，而是由CMUT单元50、50'的两个或更多个相邻的交错行202和204形成的。图12示意性地描绘了超声换能器阵列10的备选实施例，其中，每个硅岛列58包括一对CMUT元件50，其包括以交错布置方式布置的列，即，第一列中的CMUT元件50的区延伸到在相邻列中的相邻CMUT元件50之间的空间中，优选使得这些相邻CMUT单元之间的切线与延伸到这些相邻CMUT元件之间的空间中的CMUT元件50的区相交。

如前所述，硅岛列58在列58的长度方向上(即，沿着列58)具有蜿蜒边缘结构，其中，边缘部分围绕CMUT元件50向外蜿蜒，并且边缘部分向内蜿蜒到列58中的相邻CMUT元件50之间的空间中。相邻的列58被布置成使得其硅岛的向外蜿蜒的边缘部分与相邻的硅岛的向内蜿蜒的边缘部分对齐(即，插入其中)，从而通过相邻列58之间的CMUT元件50的交错对齐来形成交错的CMUT元件50的行。相邻的硅岛通常由间隙57隔开，从而有益于相对于彼此的硅岛向平面外弯曲，例如当如前所述使CMUT换能器阵列10环绕导管护套时。

该实施例具有提供更大(即，更宽)的硅岛的优点，这改善了这样的岛的结构刚度，同时仍然提供了在行方向上具有极好柔性的超声换能器阵列。该实施例在换能器阵列要环绕的主体(例如，导管护套)的周长是单个硅岛的宽度的若干倍的情况下是特别有利的，这使得许多硅岛将环绕主体，并且使得围绕主体提供基本上连续的换能器行。

如前所述，操作行200的方向是平面内波束转向方向，即，波束转向通常垂直于列58发生。单独的硅岛叠加有柔性箔60(例如，如图所示的连续箔或包含横跨相邻硅岛之间的间隙的桥部分90的图案化箔)以保持硅岛的相应取向并使得二维换能器阵列10能够弯曲成围绕导管250的远侧端部210的圆柱形形状，如图13所示。应当理解，仅通过非限制性范例的方式使阵列环绕远侧端部210；例如，使换能器阵列10环绕导管250的任何其他部分也同样可行，即使优选的是阵列10位于导管250的远侧端部附近。在一些实施例中，导管250可以在远侧端部210上包括另外的超声换能器阵列(未示出)，例如除了环绕式超声换能器阵列10以外的具有圆周的平面超声换能器阵列，使得导管250能够生成导管前面以及导管周围的主体部分的图像，这例如在心内成像方面特别有利。在一些实施例中，导管250因此可以是心内导管或血管内导管。

图14和图15是根据本发明的另外的实施例的两个CMUT阵列10的平面视图。在图14中，每个CMUT元件50在其自己的基板(例如，硅岛92)上制造(参见图11)。CMUT元件50的每个列58叠加有柔性箔的条带60，并且相邻列的箔条带通过柔性桥90互连，柔性桥90如图11所示形成。柔性箔条带60能够包括导电材料(例如，铝)，其允许在列内将超声元件一起寻址，或者将元件保持在相同的电位(例如，地)。可以经由集成电路来实现对换能器阵列10中的元件50的独立寻址。因此，柔性桥有助于保持换能器阵列10的元件50的取向，同时允许阵列以弯曲配置来屈曲和弯曲。特别地，在该实施例中，CMUT换能器阵列10可以在行方向以及列方向上弯曲，这是因为每个列58由通过柔性箔条带60中的桥结构90互连的多个基板岛形成。

图15示出了类似的CMUT阵列10，除了在每个基板(例如，硅岛92)上有两个CMUT元件50、50'。例如，相邻列元件的CMUT元件50和50'都位于相同的硅岛上。两个相邻的列叠加有柔性箔条带60，并且相邻的箔条带通过柔性桥90互连，柔性桥90允许CMUT换能器阵列10弯曲成弯曲形状或圆柱形状。

如前所述，应当理解，代替具有通过桥结构90互连的离散部分的柔性箔条带60，可以使用连续的柔性箔来保持相应的基板岛。这种备选实施例更为鲁棒，但是可能具有更有限的柔性。然而，如果CMUT换能器阵列10要适配的主体的曲率相对有限，则这可能不成问题。

此时，还要注意到，尽管已经在包括CMUT单元100、100'的集群的CMUT元件50方面描述了图9-15中的实施例，但是每个CMUT元件50包括单个CMUT单元(例如，单个CMUT单元100或CMUT单元100'，其中，换能器阵列10通常包括CMUT单元100、100'的交替图案作为CMUT元件50)也同样可行。

图16以框图形式示意性地描绘了具有超声换能器阵列10(例如，包括多个CMUT单元100和/或100'的超声换能器元件拼片(换能器元件)的阵列，这些超声换能器元件拼片连接在一起并作为单个换能器元件一致地操作)的超声诊断成像系统1的示例性实施例。如前所述，阵列10可以形成超声探头的部分，例如，导管250。在图16中，换能器阵列10被提供用于发射超声波和接收回波信息。如前所述，换能器阵列10可以是能够在2D平面或三维中扫描以进行3D成像的一维或二维超声换能器元件拼片阵列。

换能器阵列10可以被耦合到微波束形成器12，微波束形成器12可以被集成在探头或导管250中，其控制超声换能器单元100(或其集群)发射和接收信号。微波束形成器能够至少部分地波束形成由换能器元件拼片的组或“片”接收的信号，例如美国专利US 5997479(Savord等人)，US 6013032(Savord)和US 6623432(Powers等人)中所描述的。

微波束形成器12可以通过探查电缆(例如，同轴线)被耦合到终端(例如，患者接口模块等)，包括发射/接收(T/R)开关16，其在发射模式与接收模式之间切换，并且当不存在或未使用微波束形成器时保护主波束形成器20免受高能量发射信号的影响，并且换能器阵列10由主系统波束形成器20直接操作。在微波束形成器12的控制下来自换能器阵列10的超声束的发射可以由通过T/R开关被耦合到微波束形成器的换能器控制器18以及主系统波束形成器20来指导，主系统波束形成器20接收来自用户接口或控制面板38的用户操作的输入。由换能器控制器18控制的功能之一是波束被转向和聚焦的方向。波束可以从换能器阵列10(正交于换能器阵列10)向前转向或者以不同的角度转向以用于更宽的视场。换能器控制器18可以被耦合以控制用于超声换能器阵列10的电压源45。例如，电源45设置施加到CMUT阵列10的CMUT元件的DC偏置电压和AC偏置电压，以例如众所周知地以塌陷模式操作CMUT元件的一个或多个CMUT单元100、100'。

为此，电源45可以任选地包括单独的级以用于例如以发射模式分别提供CMUT单元100的驱动电压的DC分量和AC分量或刺激分量。第一级可以适于生成静态(DC)电压分量，而第二级可以适于生成具有设定的交变频率的交变可变电压分量或刺激，该信号通常是总驱动电压与其前述静态分量之差。当迫使CMUT元件进入其塌陷状态时，即，当以塌陷模式操作CMUT元件时，所施加的驱动电压的静态分量或偏置分量优选满足或超过阈值电压。这具有以下优点：第一级可以包括相对较大的电容器(例如，平滑电容器)，以便生成总电压的特别低噪声的静态分量，该静态分量通常支配总电压，使得整个电压信号的噪声特性将由该静态分量的噪声特性支配。

电源45的其他合适的实施例应当是显而易见的，例如其中电源45包含三个离散级的实施例，三个离散级包括用于生成CMUT驱动电压的静态DC分量的第一级、用于生成驱动电压的可变DC分量的第二级，以及用于生成信号的频率调制或刺激分量的第三级(例如，脉冲电路等)。总之，电源45可以以任何合适的方式来实施。

由微波束形成器12产生的部分波束形成的信号可以被转发到主波束形成器20，其中，来自换能器元件的各个片的部分波束形成的信号被组合成完全波束形成的信号。例如，主波束形成器20可以具有128个通道，每个通道均接收来自数十个或数百个超声换能器单元100、100'的片的部分波束形成的信号。以这种方式，由换能器阵列10的数千个换能器元件接收的信号可以有效地贡献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(例如，带通滤波、抽取、I和Q分量分离，以及谐波信号分离，其用于分离线性信号与非线性信号，以便使得能够识别从组织和微泡返回的非线性(基频的高次谐波)回波信号)处理接收到的回波信号。

信号处理器22任选地可以执行额外的信号增强，例如，散斑减少、信号复合以及噪声消除。信号处理器22中的带通滤波器可以是跟踪滤波器，当从增加的深度接收回波信号时，跟踪滤波器的通带从较高频带滑动到较低频带，从而拒绝了来自较大深度的较高频率处的噪声，其中，这些较高频率缺乏解剖学信息。

经处理的信号可以被转发到B模式处理器26并且任选地被转发到多普勒处理器28。B模式处理器26采用接收到的超声信号的幅度的检测结果对体内的结构(例如，体内的器官和血管的组织)进行成像。可以以谐波图像模式或基本图像模式或两者的组合来形成身体结构的B模式图像，例如如美国专利US 6283919(Roundhill等人)和US 6458083(Jago等人)中所描述的。

多普勒处理器28(如果存在的话)处理因组织移动和血液流动产生的在时间上不同的信号，以用于在图像场中检测物质的运动(例如，血细胞的流动)。多普勒处理器通常包括具有参数的壁滤波器，所述壁滤波器可以被设置为通过和/或拒绝从体内的所选类型的材料返回的回波。例如，壁滤波器能够被设置为具有通带特性，该通带特性使来自较高速度材料的相对较低幅度的信号通过，而拒绝来自较低或零速度材料的相对较强的信号。

该通带特性将使来自流动血液的信号通过，而拒绝来自附近静止物体或缓慢移动物体(例如，心脏壁)的信号。相反的特性将使来自心脏的移动组织的信号通过，而拒绝血液流动信号，这就是所谓的组织多普勒成像，检测和描绘组织的运动。多普勒处理器可以接收和处理来自图像场中的不同点的在时间上离散的回波信号的序列，该回波的序列来自被称为总集的特定点。在相对较短的间隔内快速连续地接收的回波的总集能够用于利用多普勒频率与指示血流速度的速度的对应关系来估计流动血液的多普勒频移。在较长时间段内接收的回波的总集用于估计较慢流动的血液或缓慢移动的组织的速度。

由(一个或多个)B模式(和多普勒)处理器产生的结构信号和运动信号被耦合到扫描转换器32和多平面重新格式化器44。扫描转换器32以所需的图像格式按接收这些信号的空间关系来布置回波信号。例如，扫描转换器可以将回波信号布置成二维(2D)扇形形状或锥体三维(3D)图像。

扫描转换器能够利用与图像场中的具有多普勒估计的速度的点处的运动相对应的颜色叠加B模式结构图像，以产生彩色多普勒图像，该彩色多普勒图像描绘了图像场中的组织和血流的运动。多平面重新格式化器44将从身体的体积区域中的公共平面中的点接收到的回波转换成该平面的超声图像，例如如美国专利US 6443896(Detmer)中所描述的。当从给定参考点观察时，体积绘制器42将3D数据集的回波信号转换成投影的3D图像，如美国专利US 6530885(Entrekin等人)中所描述的。

将2D或3D图像从扫描转换器32、多平面重新格式化器44和体积绘制器42耦合到图像处理器30，以用于进一步增强，缓存和临时存储，从而在图像显示器40上显示。除了用于成像以外，由多普勒处理器28产生的血流值和由B模式处理器26产生的组织结构信息被耦合到量化处理器34。量化处理器产生不同流动条件的量度，例如，血流的体积速率以及结构测量结果，例如，器官的大小和孕龄。量化处理器可以从用户控制面板38接收输入，例如，要进行测量的图像的解剖结构中的点。

来自量化处理器的输出数据被耦合到图形处理器36，以用于在显示器40上利用图像再现测量图形和值。图形处理器36也能够生成用于与超声图像一起显示的图形叠加物。这些图形叠加物能够包含标准识别信息，例如，患者姓名、图像的日期和时间、成像参数等。出于这些目的，图形处理器从用户接口38接收输入，例如，患者姓名。

用户接口还被耦合到发射控制器18，以控制从换能器阵列10生成超声信号，并因此控制换能器阵列和超声系统产生的图像。用户接口还被耦合到多平面重新格式化器44，以用于选择和控制多个多平面重新格式化(MPR)图像的平面，其可以用于在MPR图像的图像场中执行量化测量。

如本领域技术人员将理解的，超声诊断成像系统1的上述实施例旨在给出这种超声诊断成像系统的非限制性范例。本领域技术人员将立即认识到，在不脱离本发明的教导的情况下，超声诊断成像系统的架构中的若干变型是可行的。例如，如上述实施例中所指示的，可以省略微波束形成器12和/或多普勒处理器28，超声换能器阵列10可以不具有3D成像能力等。其他变化对于技术人员来说也是显而易见的。

如前所述，根据本发明的实施例的超声换能器阵列10可以形成导管的部分。本领域技术人员将容易理解，这种换能器阵列可以形成任何类型的研究设备的部分，例如，超声探头、超声矩阵探头、超声导管、超声针等。这种超声换能器阵列10可以用于任何合适的超声成像技术。

应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离权利要求的范围的情况下设计出许多备选实施例。在权利要求中，括号内的任何附图标记都不应被解释为对权利要求的限制。“包括”一词不排除权利要求中列出的元件或步骤以外的元件或步骤的存在。元件前面的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明能够借助于包括若干不同元件的硬件来实施。在列举了若干装置的装置型权利要求中，这些装置中的若干装置能够由同一个硬件来实现。某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中的事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims

1.一种换能器阵列(10)，包括多个CMUT单元(100、100'、100”)，每个CMUT单元包括第一电极(110)和第二电极(120)，所述第一电极由基板(101)支撑，所述第二电极由悬挂在所述第一电极与所述第二电极之间的腔体(105)上的膜支撑，所述多个CMUT单元包括：

第一组CMUT单元(100)，其中的每个CMUT单元均具有包括第一层堆叠(130)的膜；以及

第二组CMUT单元(100')，其中的每个CMUT单元均具有包括第二层堆叠(130')的膜，所述第二层堆叠包括具有比所述第一层堆叠中的层中的任何层更高密度的材料层(135)，

其中，所述第一组CMUT单元的所述膜具有第一弹簧常数，并且所述第二组CMUT单元的所述膜具有第二弹簧常数，所述第二弹簧常数与所述第一弹簧常数相差不超过20％。

2.根据权利要求1所述的换能器阵列(10)，其中，所述第二弹簧常数与所述第一弹簧常数相差不超过10％。

3.根据权利要求1或2所述的换能器阵列(10)，其中：

所述第一层堆叠(130)包括第一厚度的介电材料层(131、133)；并且

所述第二层堆叠包括第二厚度的所述介电材料层，所述第二厚度小于所述第一厚度；或者

除了具有比所述第一层堆叠中的所述层中的任何层更高密度的所述材料层(135)作为附加层以外，所述第二层堆叠(130')与所述第一层堆叠(130)相同。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的换能器阵列(10)，包括多个换能器元件(50)，每个换能器元件包括所述第一组的至少一个CMUT单元(100)和所述第二组的至少一个CMUT单元(100')。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的换能器阵列(10)，其中，所述第一组的所述CMUT单元(100)均具有第一直径，并且所述第二组的所述CMUT单元(100')均具有第二直径，所述第二直径与所述第一直径不同。

6.根据权利要求1-5中的任一项所述的换能器阵列(10)，其中，具有比所述第一层堆叠(130)中的所述层中的任何层更高密度的所述材料层(135)具有超过7g/cm³的密度，优选具有超过10g/cm³的密度，并且具有小于200GPa的杨氏模量，优选具有小于100GPa的杨氏模量。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的换能器阵列(10)，其中，具有比所述第一层堆叠(130)中的所述层中的任何层更高密度的所述材料层(135)是金属层或金属合金层，优选地，其中，所述金属层是金层或铂层。

8.根据权利要求1-7中的任一项所述的换能器阵列(10)，其中，具有比所述第一层堆叠(130)中的所述层中的任何层更高密度的所述材料层(135)是图案化层。

9.根据权利要求1-8中的任一项所述的换能器阵列(10)，其中，所述CMUT单元以交错阵列布置，所述交错阵列包括：

在至少一个硅岛上的间隔开的CMUT单元(100、100')或换能器元件(50)的第一列(58)；

在至少一个另外的硅岛上间隔开的CMUT单元或换能器元件的第二列(58)，所述第二列与所述第一列交错对齐，使得所述第二列的单元部分地位于所述第一列的连续单元之间的空间中，所述第一列与所述第二列以间隙间隔开；以及

保持相应硅岛的柔性箔(60)，所述柔性箔包括导电互连。

10.根据权利要求9所述的换能器阵列(10)，其中，所述第一组CMUT单元(100)和所述第二组CMUT单元(100')均以所述交错阵列以恒定间距布置。

11.根据权利要求9或10所述的换能器阵列，其中：

间隔开的CMUT单元(100、100')或换能器元件(50)的所述第一列(58)位于具有相对的蜿蜒边缘的第一硅岛上，每个边缘围绕所述CMUT单元或换能器元件中的一个向外蜿蜒并且向内蜿蜒进入所述CMUT单元或换能器元件之间的空间；

间隔开的CMUT单元或换能器元件的所述第二列(58)位于具有相对的蜿蜒边缘的第二硅岛上，每个边缘围绕所述CMUT单元或换能器元件中的一个向外蜿蜒并且向内蜿蜒进入所述CMUT单元或换能器元件之间的空间；并且

所述第一硅岛邻近所述第二硅岛布置，使得所述第一硅岛的向外蜿蜒的边缘部分插入所述第二硅岛的向内蜿蜒的边缘部分。

12.一种包括根据权利要求1-11中的任一项所述的CMUT换能器阵列(10)和被配置为控制所述CMUT换能器阵列的控制器的设备。

13.一种超声成像系统(1)，包括患者接口模块和根据权利要求1-11中的任一项所述的换能器阵列(10)或根据权利要求12所述的设备。

14.根据权利要求13所述的超声成像系统(1)，还包括电源(45)，所述电源适于在超声发射模式和超声接收模式中的至少一个期间以塌陷模式操作所述CMUT单元。

15.一种操作根据权利要求13或14所述的超声成像系统(1)的方法，所述方法包括：

在所述超声成像系统的超声发射模式期间，向所述CMUT单元(100、100'、100”)施加控制信号，所述控制信号包括迫使所述CMUT单元进入塌陷模式的DC分量和迫使塌陷的CMUT单元谐振的AC分量，其中，所述第一组CMUT单元(100)和所述第二组CMUT单元(100')以不同的谐振频率谐振。