CN109530194A - 一种多电极cmut单元及多频式电容微机械超声换能器 - Google Patents

Abstract

一种多电极CMUT单元及多频式电容微机械超声换能器，多电极CMUT单元有由下而上形成的硅底座、绝缘层、空腔、振动薄膜、由上电极和绝缘薄膜，上电极是由圆电极和第一环形上电极和第二环形上电极构成，之间相隔有第一间隔和第二间隔，硅底座的上端面一体形成有向上凸起的对应第一间隔和第二间隔的第一凸起环和第二凸起环。超声换能器是由若干个多电极CMUT单元构成的阵列结构，各多电极CMUT单元中硅底座一体构成整体地电极，各多电极CMUT单元中的圆电极串联构成第一正电极，各多电极CMUT单元中的第一环形上电极串联构成第二正电极，各多电极CMUT单元中的第二环形上电极串联构成第三正电极。本发明能够工作在多种频率模式下。

Description

一种多电极CMUT单元及多频式电容微机械超声换能器

技术领域

本发明涉及一种电容微机械超声换能器。特别是涉及一种工作在未塌陷状态下的多电极CMUT单元及多频式电容微机械超声换能器。

背景技术

增加皮肤通透性具有重大意义。如透皮给药是药物通过皮肤经毛细血管吸收进入体循环产生药效的一种方法，它可避免肝脏的首过效应，延长半衰期较短药物的治疗效果，能较长时间维持恒定的速率给药。但是目前使用该方法的药物受限，主要原因是由于皮肤角质层的阻滞作用。另外，目前国内外有多个研究机构在进行透皮抽取组织液并分析组织液成分的研究。其中一个重要应用是微创血糖连续检测技术，该技术就是通过检测透皮抽取的组织液中的血糖浓度，来估测血糖的浓度，从而实现无痛、可实现性更强和测量速度快的血糖检测技术，为糖尿病患者带来福音。透皮抽取组织液，其首要问题也是提高皮肤的通透性从而便于组织液的透皮抽取。

超声辐照用以增强药物经皮传递及其疗效的研究近年来受到广泛关注，低频超声对提高皮肤通透性的意义重大。目前，低频超声促渗技术的研究被广泛应用于临床，成为传统经皮给药的一种极具潜力的替代方式。Ueda等也研究了三种不同频率超声(41kHz、158kHz和455kHz)的空化效应，发现频率越低空化效应越大。他们还发现，钙黄绿素在大鼠皮肤的渗透率与介质中空化的产生非常相关。现在人们已经达成共识：空化作用——空泡的形成和崩溃在低频超声增透效应中起主要作用，皮肤的增透程度随频率的增加而显著减小。

在特定频率下想要得到更大的皮肤渗透性，一般采用提高超声强度或延长超声时间的方法，但是这会有灼伤皮肤的危险。因此如果能采用其他方法增大皮肤的渗透性，将会受到很大关注。Schoellhammer等证实同时应用两种不同频率的超声(20kHz-3MHz)能够提高超声辐照效率。猪皮的离体实验表明当同时使用两种频率(低频和高频)时，渗透性和局部传输区域都得到极大的增强。Barati等采用荧光强度来评价超声空化强度，研究表明在相同的超声能量下，采用150kHz和1MHz的联合超声产生的荧光强度是采用这两种频率超声分别处理产生的强度之和的1.5倍，是单频超声产生强度的3.5倍。此外Saletes等表明，当应用双超声波频率而不是单一的频率时，减少高达40％的强度仍足以产生惯性空化。此外RuoFeng等人研究发现与双频超声相比，三种频率的超声波共同作用能够进一步增强超声空化效应。

到目前为止，所有文献中采用的高低频联用超声处理方法均使用两个压电换能器分别产生单频超声波然后交互作用于液体。尽管Liu等提出一种新型传感器能产生多种频率来增强超声空化，但是超声频率必须是被驱动压电换能器的一阶或多阶特征频率。压电超声换能器是由两层电极加中间的压电层形成的夹心结构，工作方式大多是厚度振动模式，传感器的共振频率是由压电层的厚度决定的，因此对于特定的工作频率的设计受限于压电层材料的几何尺寸，使得传感器设计的灵活性不高。此外高频压电换能器需要的压电层很薄，加工制作较困难。而CMUT的工作频率是由振动膜的尺寸和材料共同决定的。通过选用不同尺寸、不同材料，可以获得所需的工作频率，为换能器的频率控制提供了很大的灵活性。相比于传统的加工方式，微机械加工精度更高。利用微机械加工技术，CMUT器件的尺寸不仅可控制在微米量级，而且有利于保持器件的一致性，易于实现复杂的二维传感器阵列，因而在超声相控阵应用中具有明显优势。且CMUT的制造工艺与IC制造工艺兼容，因此便于进行电路集成，从而减少电路间寄生电容的影响。另外，由于我们是将超声换能器应用于液体中，而压电材料与液体介质的声阻抗相差很大，需要加匹配层，而CMUT依靠薄膜振动产生超声波，薄膜很薄，因此传感器的声阻抗值较低，与液体的阻抗级数相近，不需要匹配层。但是由于CMUT微结构表面具有金属电极等，为了对其进行保护使其直接应用在液体中，需要对器件进行封装。

描述控制CMUT的偏置电压使CMUT单元工作在常规模式或塌陷模式从而控制CMUT工作在低频或高频模式在专利CN105492129A中被提出。以该方式操作CMUT的缺点在于，当膜片触碰到衬底则能够通过范德华力粘连到CMUT单元的衬底上，虽然在塌陷模式时工作稳定，但膜片不能被释放，则CMUT无法重新工作在常规模式(膜片在空腔上方自由振动)；此外工作在塌陷模式需要施加较高电压，易导致CMUT衬底上的绝缘层被击穿，且该模式引起的绝缘层的电荷积累会破坏CMUT器件的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够通过增强空化效应进而改善超声皮肤增透效果，从而有利于透皮药物导入或实现组织液透皮抽取的多电极CMUT单元及多频式电容微机械超声换能器。

本发明所采用的技术方案是：一种多电极CMUT单元，包括有由下而上形成的硅底座、绝缘层、空腔、振动薄膜和上电极，所述上电极上面还设置有绝缘薄膜，所述上电极包括有分布在所述振动薄膜上的：位于中心的圆电极和位于圆电极外侧且与所述圆电极同圆心的第一环形上电极和第二环形上电极，其中，所述圆电极与第一环形上电极之间相隔有第一间隔，所述第一环形上电极与所述第二环形上电极之间相隔有第二间隔，所述硅底座的上端面还一体形成有向上凸起且同圆心的第一凸起环和第二凸起环，所述第一凸起环对应所述第一间隔，所述第二凸起环对应所述第二间隔。

第一凸起环的高度小于第二凸起环的高度。

本发明的一种基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器，是由若干个多电极CMUT单元构成的阵列结构，其中，若干个多电极CMUT单元中构成地电极的硅底座一体构成多频式电容微机械超声换能器的地电极，若干个多电极CMUT单元中的圆电极通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第一正电极，若干个多电极CMUT单元中的第一环形上电极通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第二正电极，若干个多电极CMUT单元中的第二环形上电极通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第三正电极。

所述的阵列结构是矩形阵列或圆形阵列或多边形阵列。

基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器的工作模式如下：

当给第二环形上电极施加直流电压使振动薄膜与第二凸起环稳定接触，然后给第一环形上电极和圆电极施加设定的直流电和交流电，保证所施加电压之和使振动薄膜不接触到第一凸起环，此时基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第一频率模式；

当给第一环形上电极和第二环形上电极施加直流电压使振动薄膜与第一凸起环稳定接触，然后给圆电极施加设定的直流电和交流电，此时基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第二频率模式；

当给圆电极、第一环形上电极和第二环形上电极同时施加设定的直流电，使振动薄膜不与第一凸起环和第二凸起环接触，然后再给圆电极、第一环形上电极和第二环形上电极施加设定的交流电，使基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第三频率模式。

本发明的一种多电极CMUT单元及多频式电容微机械超声换能器，通过控制交直流电压使得单个多电极CMUT单元能够工作在多种频率模式下。通过多电极CMUT单元不同频率模式的切换或者将多电极CMUT单元分组，使不同组的多电极CMUT单元工作在不同的频率模式来输出多频超声。采用具有良好生物相容性的parylene薄膜对多电极CMUT单元进行绝缘封装。该薄膜厚度均匀、致密无针孔、透明无应力、不含助剂、不损伤工件、有优异的绝缘性和防护性，既能实现封装的目的，又对器件性能影响较小。因此，本发明是一种能够工作在未塌陷状态下的多种频率模式的电容微机械超声换能器，且多种频率模式可通过控制CMUT的外加交直流电压很方便地实现。本发明具有以下特点：

1、通过控制外加交直流电压能够很方便地实现电容微机械超声换能器工作在多种频率模式下。

2、各种频率模式均工作在未塌陷状态下，相比于塌陷模式其所需外加直流偏压较小。该结构设计有效避免了CMUT薄膜和衬底的范德华意外粘连，也能够减小电荷积累效应。

3、CMUT阵列采用绝缘薄膜对其进行绝缘封装，所采用的绝缘薄膜不仅防护性能优异，而且对器件振动性能影响较小。

4、本发明可以增强液体中的超声空化效应，声空化增强的气泡活动有潜在的实际应用如工业制造、清洗、焊接、乳化、粉碎、排气，促进化学反应，加强声致发光，和透皮给药等。

附图说明

图1是本发明一种多电极CMUT单元的结构示意图；

图2是图1中去掉绝缘薄膜4的俯视图；

图3是本发明一种基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器的结构示意图；

图4是本发明一种基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器应用示意图；

图5是本发明的基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器第一频率模式图；

图6是本发明的基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器第二频率模式图；

图7是本发明的基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器第三频率模式图。

图中

1：圆电极 2：第一环形上电极

3：第二环形上电极 4：绝缘薄膜

5：振动薄膜 6：绝缘层

7：空腔 8：第一凸起环

9：第二凸起环 10：硅底座

11：第一间隔 12：第二间隔

13：多电极CMUT单元 14：地电极

15：第一正电极 16：第二正电极

17：第三正电极 18：直流电源

19：电阻 20：电容

21：交流电源 22：超声耦合腔

23：含有CMUT阵列的PCB 24：耦合剂

25：角质层 26：表皮层

27：真皮层

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种多电极CMUT单元及多频式电容微机械超声换能器做出详细说明。

如图1、图2所示，本发明的一种多电极CMUT单元，包括有由下而上形成的硅底座10、绝缘层6、空腔7、振动薄膜5和上电极，所述上电极上面还设置有绝缘薄膜4，所述上电极包括有分布在所述振动薄膜5上的：位于中心的圆电极1和位于圆电极1外侧且与所述圆电极1同圆心的第一环形上电极2和第二环形上电极3，其中，所述圆电极1与第一环形上电极2之间相隔有第一间隔11，所述第一环形上电极2与所述第二环形上电极3之间相隔有第二间隔12，所述硅底座10的上端面还一体形成有向上凸起且同圆心的第一凸起环8和第二凸起环9，所述第一凸起环8对应所述第一间隔11，所述第二凸起环9对应所述第二间隔12。其中，第一凸起环8的高度小于第二凸起环9的高度。

如图3所示，本发明的一种基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器，是由若干个多电极CMUT单元13构成的阵列结构，所述的阵列结构是矩形阵列或圆形阵列或多边形阵列。其中，若干个多电极CMUT单元13中构成地电极的硅底座10一体构成多频式电容微机械超声换能器的地电极14，若干个多电极CMUT单元13中的圆电极1通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第一正电极15，若干个多电极CMUT单元13中的第一环形上电极2通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第二正电极16，若干个多电极CMUT单元13中的第二环形上电极3通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第三正电极17。

多电极CMUT单元采用晶圆键合技术制作而成。首先用低阻抗率的硅底座10做底电极，利用光刻法定义第一凸起环8和第二凸起环9的形状，之后采用湿法氧化法生长一层SiO2绝缘层6。将上述结构与一SOI片键合，再去掉SOI片的背衬底和埋氧化层，背衬底是采用羟化四甲铵蚀刻掉，埋氧化层通过干蚀法去除，就得到振动薄膜5。然后在振动膜上图形化并溅射金膜形成位于中心的圆电极1和位于圆电极1外侧且与所述圆电极1同圆心的第一环形上电极2和第二环形上电极3。将CMUT阵列粘贴在PCB板上形成23，通过引线技术将CMUT阵列的第一正电极15、第二正电极16、第三正电极17和地电极14与PCB上的焊盘一一对应连接。最后对含有CMUT阵列的PCB 23进行parylene封装形成绝缘薄膜4。

本发明的一种基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器的工作模式如下：

如图5所示，当给第二环形上电极3施加直流电压使振动薄膜5与第二凸起环9稳定接触，然后给第一环形上电极2和圆电极1施加设定的直流电和交流电，保证所施加电压之和使振动薄膜5不接触到第一凸起环8，此时基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第一频率模式；

如图6所示，当给第一环形上电极2和第二环形上电极3施加直流电压使振动薄膜5与第一凸起环8稳定接触，然后给圆电极1施加设定的直流电和交流电，此时基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第二频率模式；

如图7所示，当给圆电极1、第一环形上电极2和第二环形上电极3同时施加设定的直流电，使振动薄膜5不与第一凸起环8和第二凸起环9接触，然后再给圆电极1、第一环形上电极2和第二环形上电极3施加设定的交流电，使基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第三频率模式。

本发明的一种基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器应用示意图如图4所示，含有CMUT阵列的PCB 23在交流电源21和直流电源18的驱动下产生超声波作用于耦合剂24，激发空化效应，空化泡破裂产生的冲击波或微喷均有可能破坏脂质双分子层结构并使角质层25上形成一些可恢复的微孔，从而增大皮肤的渗透系数(皮肤的电导率提高)，达到皮肤增透的效果。当采用多种频率模式时，与单种频率模式相比，皮肤电导率应有明显提高。

本发明的多频式电容微机械超声换能器，通过多电极CMUT单元13的不同频率模式的切换或者将多电极CMUT单元13分组，使不同组的多电极CMUT单元13工作在不同的频率模式来输出多频超声，如此协同作用来增强超声空化效应。多频式电容微机械超声换能器可以采用相控阵的形式工作以提高输出声压强度，目的是达到超声空化阈值。

本发明公开和揭示的所有组合可以通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims (5)

1.一种多电极CMUT单元，包括有由下而上形成的硅底座（10）、绝缘层（6）、空腔（7）、振动薄膜（5）和上电极，其特征在于，所述上电极上面还设置有绝缘薄膜（4），所述上电极包括有分布在所述振动薄膜（5）上的：位于中心的圆电极（1）和位于圆电极（1）外侧且与所述圆电极（1）同圆心的第一环形上电极（2）和第二环形上电极（3），其中，所述圆电极（1）与第一环形上电极（2）之间相隔有第一间隔（11），所述第一环形上电极（2）与所述第二环形上电极（3）之间相隔有第二间隔（12），所述硅底座（10）的上端面还一体形成有向上凸起且同圆心的第一凸起环（8）和第二凸起环（9），所述第一凸起环（8）对应所述第一间隔（11），所述第二凸起环（9）对应所述第二间隔（12）。

2.根据权利要求1所述的一种多电极CMUT单元，其特征在于，第一凸起环（8）的高度小于第二凸起环（9）的高度。

3.一种基于权利要求1所述的多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器，其特征在于，是由若干个多电极CMUT单元（13）构成的阵列结构，其中，若干个多电极CMUT单元（13）中构成地电极的硅底座（10）一体构成多频式电容微机械超声换能器的地电极（14），若干个多电极CMUT单元（13）中的圆电极（1）通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第一正电极（15），若干个多电极CMUT单元（13）中的第一环形上电极（2）通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第二正电极（16），若干个多电极CMUT单元（13）中的第二环形上电极（3）通过导线依次串联构成多频式电容微机械超声换能器的第三正电极（17）。

4.根据权利要求3所述的基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器，其特征在于，所述的阵列结构是矩形阵列或圆形阵列或多边形阵列。

5.根据权利要求3所述的基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器，其特征在于，基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器的工作模式如下：

当给第二环形上电极（3）施加直流电压使振动薄膜（5）与第二凸起环（9）稳定接触，然后给第一环形上电极（2）和圆电极（1）施加设定的直流电和交流电，保证所施加电压之和使振动薄膜（5）不接触到第一凸起环（8），此时基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第一频率模式；

当给第一环形上电极（2）和第二环形上电极（3）施加直流电压使振动薄膜（5）与第一凸起环（8）稳定接触，然后给圆电极（1）施加设定的直流电和交流电，此时基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第二频率模式；

当给圆电极（1）、第一环形上电极（2）和第二环形上电极（3）同时施加设定的直流电，使振动薄膜（5）不与第一凸起环（8）和第二凸起环（9）接触，然后再给圆电极（1）、第一环形上电极（2）和第二环形上电极（3）施加设定的交流电，使基于多电极CMUT单元的多频式电容微机械超声换能器工作在第三频率模式。