CN110325293A

CN110325293A - 电容式射频微机电开关的系统和操作方法

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Publication number: CN110325293A
Application number: CN201780087039.3A
Authority: CN
Inventors: S·舒列波夫; P·迪克森; H-P·勒布尔; F·P·M·布德泽拉; P·H·M·蒂默曼斯; N·M·A·德维尔德
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-10-11
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: WO2018115283A1; EP4289521A3; US11458504B2; US20210129187A1; JP7391152B2; JP2022166105A; US20230012105A1; EP3558549B1; JP7208901B2; EP3558549A1; EP4289521A2; JP2020502944A; CN110325293B

Abstract

公开了用于电容式射频微机电开关(例如用于在超声系统中使用的CMUT单元)的系统和操作方法。RFMEMS可以包括：基板、被连接到所述基板的第一电极、膜，以及被连接到所述膜的第二电极。在一些示例中，在所述第一电极与所述第二电极之间存在介电叠层。介电叠层设计使膜塌陷电压的漂移最小化。在其他示例中，被耦合到压缩CMUT单元的超声阵列的电压源适于向CMUT单元的电极提供电压分布的序列，其中，每个分布包括偏置电压和刺激电压，并且其中，序列中的每个后续电压分布的极性与前一分布的极性相反。在另一示例中，提供了一种被布置为确定CMUT单元的漂移电压的电容感测电路。

Description

电容式射频微机电开关的系统和操作方法

技术领域

本发明涉及电容式射频微机电开关，RFMEMS，并且特别涉及用于在超声成像系统中使用的电容式机械超声换能器CMUT。

本发明还涉及操作所述电容式RFMEMS和CMUT的方法。

背景技术

用于医学成像的超声换能器具有许多特性，这些特性使得产生高质量的诊断图像。这些特性包括宽带宽(它使得能够具有高分辨率和高灵敏度)和大压力输出(它使得超声波频率的声学信号能够具有大的景深)。通常，具有这些特性的压电材料由PZT和PVDF材料制成，其中，PZT是一种特别受欢迎的候选材料。然而，PZT也存在许多明显的缺点。

首先，陶瓷PZT材料需要包括切割、匹配层粘合、填料、电镀和互连等制造工艺，这些制造工艺明显不同且复杂并且需要大量处理，所有这些因素都能够导致换能器堆叠单元的产量低于期望值。这种制造复杂性增加了最终的换能器探头的成本，并且对元件之间的最小间隔以及个体元件的大小设计了限制。

此外，PZT材料与水或生物组织的阻抗匹配很差，因此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学阻抗。

随着超声系统大型机变得越来越小并且其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来主导，系统大型机的成本随着系统的大小而下降。现在可以以廉价的便携式、台式和手持式的形式提供超声系统以例如用作超声诊断成像系统或者用作超声治疗系统，在超声治疗系统中，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占比不断增加，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一增长。

用于具有电子偏转的超声3D成像的探头依赖于专用半导体器件专用集成电路(ASIC)，该ASIC执行用于换能器元件的二维(2D)阵列的微波束形成。因此，期望能够以提高的产量和更低的成本并且优选通过与半导体生产兼容的制造工艺来制造换能器阵列以满足对低成本的超声系统的需要。

最近的发展已经使人看到能够通过半导体工艺来批量制造医学超声换能器的前景。期望这些工艺能够与用于生产超声探头所需的ASIC电路的工艺(例如，CMOS工艺)相同。这些发展已经产生出微机械超声换能器或MUT，优选的形式是电容式MUT(CMUT)。CMUT换能器是具有电极的微小的膜片式器件，这种器件可将接收到的超声学信号的声音振动转换成调制电容。

为了进行传输，对施加到电极的电容电荷进行调制以使器件的膜片振动/移动，从而传输超声波。由于这些膜片是通过半导体工艺制造的，因此该器件的尺寸通常能够在10-500微米的范围内，其中，膜片直径例如被选择为使膜片直径与膜片的期望共振频率(范围)相匹配，其中，个体膜片之间的间隔小于几微米。许多这样的个体CMUT单元能够连接在一起并且作为单个换能器元件而一致地操作。例如，四个至十六个CMUT单元能够耦合在一起以作为单个换能器元件而一致地起作用。举例来说，典型的2D换能器阵列能够具有2000-10000个CMUT换能器元件或单元。

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，由于在这种半导体工艺中使用的材料，CMUT换能器表现出大大改善的与水和生物组织匹配的声学阻抗，这消除了对(多个)匹配层的需要并且产生改善的有效带宽。

为了优化由CMUT单元产生的声功率(输出压力)，CMUT单元可以在所谓的塌陷模式下操作，在塌陷模式下，CMUT单元被偏置电压驱动，该偏置电压将跨越间隙的膜片或柔性膜的中心部分驱动到相对的基板上，并且CMUT单元被提供有具有设定频率的刺激，该刺激使膜片或柔性膜以该设定频率进行共振。使膜进入塌陷的电压被称为塌陷电压V_C。然而，在塌陷模式下操作CMUT单元的缺点是它对CMUT单元的寿命产生负面影响。这主要是因充电效应(即，极化、电荷注入和空间电荷取向，它们发生在介电层中，该介电层在存在由塌陷电压引起的高电场的情况下使CMUT单元中的电极分开)引起的。在塌陷模式下操作CMUT单元的另外的效应是塌陷电压V_C随时间发生移位。CMUT单元具有偏置电压和单元电容的操作范围，它们定义单元的操作窗口。偏置电压或单元电容的移位会引起CMUT单元的发射特性和接收特性的移位，从而产生对超声图像质量的负面影响。

CMUT单元基本上用作电容式RFMEMS开关。上述与CMUT单元特性的漂移有关的问题更一般地适用于MEMS开关，特别是基于共振操作模式的电容式RFMEMS开关。

发明内容

本发明由权利要求来限定。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种超声系统，包括：

-CMUT单元的超声阵列，每个CMUT单元包括基板、被耦合到所述基板的第一电极、与所述第一电极在空间上至少部分分开的柔性膜，以及被耦合到所述柔性膜的第二电极；

-电压源，其被耦合到所述阵列，其中，所述电压源适于：向每个CMUT单元的所述电极提供偏置电压和刺激电压；

-电容感测电路，其适于：导出所述CMUT的电容的指示，并且基于电容的所述指示来确定所述CMUT单元的漂移电压的指示。

通过为超声系统提供CMUT单元的阵列，每个CMUT单元适于减小或消除其自身内的充电效应，这样提高了超声系统的寿命和系统产生的图像的质量。

CMUT单元的充电在单元的电极之间产生塌陷电压的移位(其被称为漂移电压)，从而引起单元电容的变化。当在恒定电压下操作时，这会引起单元的换能器性质的变化，这是因为换能器操作取决于驱动电压和单元的电容。通过为超声系统提供电容感测电路，能够监测CMUT阵列中的每个CMUT单元的电容以及充电效应。这使得系统能够监测每个单元的状况并且向系统提供单元充电何时可能对系统性能产生不利影响的指示。

更特别地，电容感测电路适于基于导出的电容(或阻抗)的指示来确定CMUT单元的漂移电压的指示。在一些示例中，这可以是漂移电压的定量度量。

特别地，电容感测电路可以适于基于确定电容的变化(即，基于所导出的电容的指示与先前测量的电容的指示之差)来确定CMUT单元的漂移电压。因此，该系统可以适于：循环地(例如以规则的间隔)导出电容的指示，并且基于所导出的随时间的电容的度量的变化来导出漂移电压的指示。

可以在施加偏置电压但不施加刺激电压时导出电容的(一个或多个)指示。例如，刺激电压可以包括单极RF脉冲，其中，单极RF脉冲包括间歇施加的单极电压脉冲的集合或序列，每个单极电压脉冲以给定的脉冲频率施加。然后可以在不施加刺激电压时在所施加的脉冲集合之间导出电容。

为避免疑惑，漂移电压意指CMUT单元的塌陷电压的移位或变化，塌陷电压是CMUT单元进入塌陷模式时的电压。

塌陷模式是一种操作模式，其中，CMUT单元被偏置电压驱动，该偏置电压将跨越间隙的膜片或柔性膜的中心部分驱动到相对的基板上。然后施加刺激电压，该刺激电压使膜片或柔性膜以给定频率共振。膜开始塌陷时的电压被称为塌陷电压V_C。

在示例中，可以基于电容与漂移电压之间的已知的(例如预先存储的)关系来导出漂移电压。

可以基于电容变化与漂移电压之间的已知的(例如预先存储的)关系来导出漂移电压。

可以基于电容与塌陷电压之间的已知的(例如预先存储的)关系来导出漂移电压。通过测量电容的变化，能够确定漂移电压的变化。

在示例中，基于这种已知关系，给定特定施加的偏置电压，可以基于电容与施加的偏置电压之间的已知关系(特别是基于与预期电容的偏差)来确定漂移电压。特别地，当CMUT处于塌陷模式时，电容与施加的偏置电压之间存在几乎线性的关系。例如，可以将这种关系存储在诸如EPROM之类的本地存储器中，并且将根据电容偏差的幅值确定的塌陷电压的漂移与基于所存储的关系对所施加的偏置电压的预期值进行比较。

为避免疑惑，在所有实施例中，偏置电压可以是DC电压。然而，在实施例中可以改变偏置电压以抵消塌陷电压的漂移。因此，在这个意义上，偏置电压可能不是严格意义上的DC电压，而是具有可以改变的幅值的偏置电压(但是这种改变比刺激电压慢得多)。

刺激电压在示例中可以是AC电压。然而，在有利实施例中，刺激电压可以代替单极RF脉冲，即，间歇施加的电压脉冲的序列。这将在下面更详细地进行解释。

总之，漂移电压是偏置电压的移位或改变或变化，在该偏置电压下，膜穿过CMUT单元的间隙或腔而移动到相对的第一电极上。

在实施例中，所述电容感测电路适于：

-生成测试信号，其中，所述测试信号具有预定电压；

-测量所述测试信号的衰减信号，其中，所述测试信号被至少所述CMUT单元的阻抗所衰减；

-基于所述衰减信号和所述测试信号来确定所述CMUT单元的阻抗；以及

-基于所确定的阻抗来确定所述CMUT单元的漂移电压。

当测试信号行进通过系统时，它会被系统的各种部件的阻抗所衰减，这些部件例如为：低噪声放大器；将超声探头连接到超声系统的同轴电缆；以及CMUT单元。

通过使用已知的测试信号和测量的衰减信号，能够计算电路的阻抗。由于诸如低噪声放大器和同轴电缆等的部件的阻抗是已知的，因此能够提取CMUT单元的阻抗。

CMUT单元的阻抗取决于单元的电容，因此取决于单元的充电。以这种方式，电容感测电路使得超声系统能够监测CMUT单元的漂移电压以及充电水平。

在一种布置中，响应于漂移电压的绝对值高于预定值，电压源还适于反转偏置电压的极性。

通过反转偏置电压的极性，CMUT单元保持的电荷将被耗散。通过定期执行该功能，将防止CMUT单元积累过量的电荷(这将会对超声图像的质量和超声系统的寿命产生负面影响)。

在另外的或其他布置中，响应于漂移电压的绝对值高于预定值，电压源还适于反转刺激电压的极性。

以这种方式，能够进一步使CMUT单元中的电荷耗散，同时还使得单元能够向对象发射超声波。

如上所述，刺激电压可以包括单极RF脉冲，即，间歇施加的全部具有相同极性的电压脉冲的集合或序列。通过反转这些脉冲序列的极性，能够使电荷耗散。

在某些情况下，电压源适于在小于1微秒内反转极性。

在该时间帧内执行电压反转可以防止在最终的超声图像中出现声学伪影。

根据示例，超声系统可以包括超声探头，其中，超声探头包括CMUT单元的阵列。

根据本发明的另外的方面的示例，提供了一种用于操作CMUT单元的方法，所述CMUT单元包括：

-基板；

-第一电极，其被连接到所述基板；

-柔性膜，其中，所述柔性膜与单个电极在空间上分开；以及

-第二电极，其被连接到所述柔性膜；

所述方法包括执行超声生成循环的序列，每个超声生成循环包括：

-向CMUT单元的所述电极中的任意一个电极提供偏置电压，其中，所述偏置电压将所述CMUT单元驱动到塌陷模式中；

-向所述CMUT单元的所述电极中的任意一个电极提供刺激电压，其中，所述刺激电压使所述柔性膜的部分以预定频率振动；以及

-移除所述刺激电压，从而使得所述CMUT单元能够接收输入的声学信号，

-其中，所述序列包括：

-具有所述偏置电压的第一极性的第一循环和具有所述偏置电压的相反的第二极性的第二循环，或者

-具有所述刺激电压的第一极性的第三循环和具有所述刺激电压的相反的第二极性的第四循环。

典型的超声发射序列将包括发射设置步骤、发射步骤和接收步骤。通过使用相反极性的循环，对塌陷电压的漂移进行校正，使得获得CMUT单元随时间更稳定的性能。

该序列可以包括交替的第一循环和第二循环(即，交替极性的偏置电压分布(profile))或交替的第三循环和第四循环(即，交替极性的刺激电压分布)。

因此可以自动实施交替循环。替代地，可以存在反馈控制。例如，每个超声生成循环可以包括确定CMUT单元的漂移电压。

通过在发射设置步骤中确定CMUT单元的漂移电压，能够提供偏置电压，该偏置电压将在发射步骤开始之前阻止或抵消CMUT单元的充电。以这种方式，CMUT单元可以在超声系统的正常操作期间放电，这意味着不需要单独的放电步骤。

基于所确定的电压选择的偏置电压可以在发射设置步骤期间在幅值和极性上变化。

提供刺激电压以使CMUT单元的柔性膜以预定频率振动。以这种方式，生成超声RF脉冲并且将其发射到对象(例如，患者)。

在此之后，移除刺激电压，使得柔性膜能够响应于从对象返回的反射超声波而自由振动。

在实施例中，确定所述CMUT单元的漂移电压的步骤包括：

-生成测试信号，其中，所述测试信号具有预定电压；

-基于所确定的阻抗来确定所述CMUT单元的漂移电压。

在一些实施例中，所述方法还包括：响应于确定所述漂移电压的绝对值高于预定值而反转所述偏置电压的所述极性。

在另外的或其他实施例中，所述方法还包括：响应于确定所述漂移电压的绝对值高于预定值而反转所述刺激电压的所述极性。

根据示例，提供了一种电容式射频微机电开关RFMEMS，包括：

-基板；

-第一电极，其被连接到所述基板；

-柔性膜，其中，所述柔性膜与所述第一电极在空间上分开；

-第二电极，其被连接到所述柔性膜；以及

-介电叠层，其在所述第一电极与所述第二电极之间，所述介电叠层包括：

-第一介电层，其中，所述第一介电层具有第一密度的电活性缺陷；以及

-第二介电层，其中，所述第二介电层具有第二密度的电活性缺陷，所述第二密度低于所述第一密度。

根据该示例，上面概述的CMUT单元阵列的CMUT单元可以各自是RFMEMS。

例如，当电容式RFMEMS开关具有施加到第一电极的偏置电压时，将在第一电极与第二电极之间生成电场。如果偏置电压超过电容式RFMEMS开关的塌陷电压，则开关将以塌陷模式操作，例如用于超声系统内的CMUT单元。电场密度在开关的塌陷部分内最强，因为此时两个电极最接近。电场引起介电叠层的第一介电层和第二介电层的充电。电场使介电层变为极化，从而引起开关的塌陷电压的负移位。极化程度取决于介电层的电活性缺陷密度。塌陷电压的移位被称为漂移电压。因此，漂移电压以及漂移电压的测量值指的是塌陷电压的变化。

电场的另外的效应是介电层内的空间电荷的取向。介电层内的电荷载体(即，介电层的导带内的电荷载体)将朝向开关的电极进行定向，从而在介电层上生成空间电荷。空间电荷的取向引起正漂移电压。这种效应在具有低电活性缺陷密度的电介质中占主导地位。

另外，由于来自第一电极和第二电极的电荷载体的隧穿，因此在两个介电层中都发生电荷注入。电荷注入引起负漂移电压，从而增加了介电层的极化效应。通过提供分别生成塌陷电压的负移位和正移位的第一介电层和第二介电层，两个漂移电压能够彼此抵消。换句话说，通过第一介电层和第二介电层的相反的充电效应，使总漂移电压最小化。

介电叠层可以被连接到第一电极(即，基板电极)，使得介电叠层与柔性膜在空间上分开。

在实施例中，第一介电层和第二介电层由相同的材料构成。通过以不同方式制备两个层，相同材料能够表现出不同的介电性质。

在实施例中，第一介电层和第二介电层包括二氧化硅SiO₂。

二氧化硅SiO₂是市售的介电材料。二氧化硅的介电性质根据制备方法的不同而变化。

在一些实施例中，使用原子层沉积ALD来构造第一介电层，使得在电场下对极化效应的敏感性更大。

通过借助于SiO₂的原子层沉积来制造第一介电层，第一介电层将显示出与第二层相比更高程度的极化效应，从而引起生成负电压漂移。

在一种布置中，使用化学气相沉积CVD来构造第二介电层，从而引起更大的敏感性空间电荷取向。

通过借助于SiO₂的化学气相沉积来制造第二介电层，第二介电层将显示出与第一介电层相比更高水平的空间电荷取向，从而引起生成正电压漂移。

在一些布置中，第二介电层比第一介电层厚，例如厚至少两倍，例如厚三倍。

当分别借助于SiO₂的ALD和CVD来制造第一介电层和第二介电层时，与第一介电层相关联的负电压漂移能够显著大于与第二介电层相关联的正电压漂移。通过提供更厚的第二介电层，能够对此进行补偿并且进一步使漂移电压最小化。

在一些实施例中，第一介电层和第二介电层包括氧化铝Al₃O₂或氧化铪(IV)HfO₂。Al₃O₂和HfO₂是可商业购买的电介质的另外的实例，其可以在表现出不同介电性质的第一层和第二层中进行制备。

在一些设计中，介电叠层还包括：

第三介电层，其中，基于第一介电层和第二介电层的介电性质来选择第三介电层。

通过基于第一介电层和第二介电层的介电性质提供第三介电层，可以进一步优化对电压漂移的最小化。这在开关的空间要求限制能够对第一介电层和第二介电层做出的厚度变化时变得更加相关。

在又一设计中，其中，第一介电层和第二介电层包括SiO₂，第三介电层包括氧化铝Al₂O₃。以这种方式，第三介电层不需要由与第一介电层和第二介电层相同的材料构成，这意味着能够通过对介电性质的最优组合来使塌陷电压的移位(即，漂移电压)最小化。

如所指出的，在各种实施例中，电容式RFMEMS是电容式微机械超声换能器CMUT单元。

电容式微机械超声换能器单元是能够在超声系统的超声探头中使用以生成超声射频脉冲的电容式RFMEM的示例。

根据示例，提供了一种超声系统，包括：

-超声探头，其中，所述超声探头包括：

-如上所述的CMUT单元的阵列；

-被耦合到所述超声探头的电压源，其中，所述电压源适于：

-向CMUT单元的所述第一电极提供偏置电压，其中，所述偏置电压适于将所述CMUT单元驱动到塌陷模式中；以及

-向所述CMUT单元的所述第二电极提供刺激电压。

通过提供具有CMUT单元的超声探头(该CMUT单元包括能够如超声系统所要求的那样使与以塌陷模式驱动单元相关联的电压漂移最小化的介电层)，系统的寿命和系统产生的图像的质量得到了提高。

通过以塌陷模式操作CMUT单元，CMUT阵列的压力输出、带宽和操作稳定性能够满足医学超声成像所需的标准。以塌陷模式操作CMUT单元通常引起单元的塌陷电压的移位(其被称为漂移电压)，这种移位会对超声系统的寿命和超声系统产生的图像的质量产生负面影响；然而，通过为CMUT单元提供能够使所述漂移电压最小化的介电层，克服了这种负面影响。

在一些设计中，刺激电压适于使CMUT单元的柔性膜以预定频率振动。

以这种方式，能够生成射频(RF)脉冲。对于超声系统，该脉冲的范围能够从20kHz至几十MHz。

在各种布置中，第二电极适于检测输入的振动。

在将RF脉冲发射到对象(例如，患者)中之后，RF脉冲将行进通过对象直到其遇到屏障。在屏障处，RF脉冲的超声波将被部分地反射回超声系统。然后超声波将撞击容纳CMUT阵列的超声探头的表面，并且使CMUT单元的柔性膜振动。

在一种布置中，该系统还包括：

信号处理器，其中，信号处理器适于基于第二电极检测到的输入的振动来生成数据。

能够通过第二电极来检测CMUT单元的柔性膜的振动。换句话说，柔性膜的振动将在第二电极中生成电信号。然后，该电信号能够由信号处理器解读并且用于生成用于构建超声图像的数据。

根据示例，提供了一种用于操作电容式RFMEMS的方法，所述电容式RFMEMS包括：

-基板；

-第一电极，其被连接到所述基板；

-柔性膜，其中，所述柔性膜与所述第一电极在空间上分开；

-第二电极，其被连接到所述柔性膜；以及

-第二介电层，其中，所述第二介电层具有第二密度的电活性缺陷，所述第二密度低于所述第一密度，

-所述方法包括：

-向所述电容式RFMEMS的所述电极中的任意一个电极提供偏置电压，从而在所述第一电极与所述第二电极之间创建电场，其中，所述偏置电压适于将所述电容式RFMEMS驱动到塌陷模式中；

-向所述电极中的任意一个电极提供刺激电压，从而增加所述第一电极与所述第二电极之间的电场；

-使所述第一介电层极化到第一极化程度，并且使所述第二介电层极化到低于所述第一极化程度的第二极化程度，从而使所述第一电极与所述第二电极之间的所述偏置电压发生负漂移；并且

-将所述第一介电层内的空间电荷定向到第一取向水平，并且将所述第二介电层内的空间电荷定向到大于所述第一取向水平的第二取向水平，从而使所述第一电极与第二电极之间的所述偏置电压发生正漂移，从而使所述第一电极与所述第二电极之间的偏置电压的总漂移最小化。

根据示例，提供了一种电容式微机械超声换能器CMUT单元，所述CMUT单元包括：

-基板；

-第一电极，其被连接到所述基板，所述第一电极被形成为围绕中心轴；

-柔性膜，其中，所述柔性膜与所述第一电极在空间上分开；以及

-第二电极，其被连接到所述柔性膜，其中，所述第二电极与所述第一电极是同轴的，

其中，所述第一电极和所述第二电极中的一个包括环，并且存在第三电极，所述第三电极占据所述环的中间部分，使得所述环与所述第三电极在空间上分开。

当以塌陷模式操作时，CMUT单元的塌陷区域经历最大的电场强度。通过将施加在器件两端的电压除以电极之间的层的厚度来确定电场密度。这些层能够包括柔性膜以及基板的部分，并且还可以包括一个或多个介电层。电场将集中在具有最低介电常数的层中。这意味着，虽然电场可能不会高到足以对所有层产生负面影响，但是CMUT单元的塌陷部分中的电场的集中部分可能会高到足以使具有最低介电常数的层中发生充电。

通过提供环形电极中的一个环形电极，进而从CMUT单元的塌陷部分移除第二电极，单元的塌陷部分内的电场减小。以这种方式，能够减少由以塌陷模式操作CMUT所需的电场引起的充电效应。

在实施例中，CMUT单元还包括被连接到柔性膜的第三电极，其中，第三电极占据由第二电极限定的环的中间部分，使得第二电极与第三电极在空间上分开。

以这种方式，第三电极能够被连接到柔性膜以占据CMUT单元的塌陷部分。这使得能够更好地控制塌陷部分内的电场，这可以使得进一步降低单元的塌陷部分中的充电效应。

在一些实施例中，第三电极电接地。

通过将第三电极接地，CMUT单元的塌陷部分仅经历与将单元驱动到塌陷模式所需的偏置电压相对应的电场密度。换句话说，生成超声RF脉冲所需的刺激电压不再贡献于塌陷部分中的电场密度。以这种方式，使塌陷部分的充电最小化并因此使漂移电压最小化，或者甚至完全阻止了塌陷部分的充电和偏移电压。

在各种实施例中，第一电极被连接到柔性膜，第二电极和第三电极被连接到基板。

在这种替代布置中，能够实现与上述布置的效果相同的效果。

在一些设计中，CMUT单元还包括围绕中心轴形成的支撑件，该支撑件被连接在基板与柔性膜之间，其中，第一电极呈环形。

通过在CMUT单元的中心区域中提供支撑件，能够以预应力模式操作单元，这提供了与以塌陷模式操作单元的益处类似的益处。另外，通过将第一电极形成为环形而类似于第二电极，包含支撑件的中心区域中的电场密度受到限制，从而减少了CMUT单元内的充电。

注意，方法和装置的特征可以单独使用，或者也可以组合使用。因此，介电叠层设计可以在有或没有同轴电极布局的情况下使用。类似地，确定漂移电压的方法可以应用于具有或不具有介电叠层设计的设计，并且可以应用于具有或不具有同轴电极设计的设计。

本领域技术人员应当理解，在其中描述的植入本发明的示例中，电压源可以适于向任意一个相同的电极(第一电极或第二电极)提供偏置电压和刺激电压或者将电极分开(例如，向电极中的一个电极提供偏置电压，而向电极中的另一个电极提供刺激电压)。

附图说明

通过参考附图的非限制性示例来更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地描绘了能以塌陷模式操作的超声系统的典型CMUT单元；

图2a、图2b、图3a和图3b描绘了这种CMUT单元的操作原理；

图4是这种CMUT单元的声学性能的轮廓标绘图；

图5a和图5b分别描绘了CMUT单元的电介质内的空间电荷取向和极化的视觉解释；

图6描绘了RFMEMS的实施例；

图7描绘了RFMEMS的另一实施例；

图8示意性地描绘了操作图5和图6的RFMEMS的方法；

图9a和图9b分别描绘了根据实施例的处于松弛模式和塌陷模式的CMUT单元；

图10a和图10b分别描绘了根据另一实施例的处于松弛模式和塌陷模式的CMUT单元；

图11描绘了根据实施例的预应力CMUT单元；

图12a和图12b分别描绘了根据又一实施例的处于松弛模式和塌陷模式的CMUT单元；

图13示意性地描绘了超声诊断成像系统的示例性实施例；

图14描绘了电容感测电路的示例；

图15描绘了操作CMUT单元的方法；

图16描绘了图15的方法的实施例；

图17描绘了图15的方法的另一实施例；

图18描绘了偏置电压分布的两个实施例；

图19图示了经由施加的电压与表现出的电容之间的关系的变化对漂移电压的确定；

图20-22图示了漂移电压的测量值以及通过施加的偏置电压和刺激电压的极性和幅值的变化对漂移电压的示例性补偿响应。

具体实施方式

应当理解，附图仅是示意性的且并未按比例绘制。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。

本发明提供了用于电容式射频微机电开关(例如，用于在超声系统中使用的CMUT单元)的系统和操作方法。RFMEMS包括基板、被连接到基板的第一电极、膜，以及被连接到膜的第二电极。

在一些示例中，在第一电极与第二电极之间存在介电叠层。介电叠层设计使膜塌陷电压的漂移最小化。在其他示例中，电极中的一个电极呈环形，并且第三电极被提供为占据环的中心的空间。替代地，第一电极和第二电极都呈环形，并且在环内的电极之间存在支撑件。

图1示出了根据本发明的实施例的超声系统的一个方面，其中，该系统包括具有包括CMUT单元100的换能器阵列的超声探头。借助于图6、图7和图9-12将更详细地解释根据本发明的实施例的CMUT单元100。如下面将进一步详细解释的，这种超声系统可以是超声诊断成像系统或者也可以是超声治疗系统。

这种CMUT单元100通常包括悬挂在硅基板112上方的柔性膜或膜片114，在柔性膜或膜片114与硅基板112之间具有间隙或腔118。在该示例中，第一电极122位于基板112的上表面上的单元的底板上。第二电极120位于膜片114上并且随着膜片移动。在所示的示例中，两个电极是圆形的。

电介质(未示出)被提供在基板112上并且位于顶部(第二)电极120下方。这两种电介质的组成和厚度可以相同，但是也可以是不对称的(不同的材料和厚度)。

能够考虑电极120设计的其他实现方式，例如电极120可以嵌入膜114中，或者可以作为额外层而沉积在膜114上。在该示例中，通过非限制性示例的方式，第一电极122以圆形方式配置并嵌入在基板层112中。其他合适的布置(例如第一电极122具有其他电极形状和位于其他位置，例如第一电极122在基板层112上)使得第一电极122通过电绝缘层或膜层直接暴露于间隙118或与间隙118分开，从而防止第二电极120与第一电极122之间发生短路。另外，膜层114相对于基板层112的顶表面是固定的，并且被配置和设定尺寸以限定膜层114与基板层112之间的球形腔或圆柱形腔118。注意，为了避免疑惑，通过非限制性示例的方式，在图1中，第一电极122接地。当然，其他布置(例如，第二电极120接地或者第二电极120和第一电极122两者都接地)也是同样可行的。

单元100及其间隙118可以呈现为替代的几何形状。例如，腔118可以呈现为矩形或正方形横截面、六边形横截面、椭圆形横截面或不规则横截面。在本文中，对CMUT单元100的直径的引用应当被理解为单元的最大横向尺寸。

在图1中，圆柱形腔118的直径大于以圆形配置的电极板122的直径。电极120可以具有与以圆形配置的电极板122相同的外径，但是不需要这种一致性，并且图1示出了更大的电极板122。因此，第二电极120可以相对于膜层114的顶表面是固定的，以便与下面的第一电极板122对准。CMUT单元100的电极提供器件的电容板，并且间隙118是电容器板之间的电介质。当膜片振动时，板之间的电介质间隙的变化的尺寸提供了变化的电容，这种变化的电容被感测为CMUT单元100对接收到的声学回波的响应。

通过利用电压源101将静电电压(例如，DC偏置电压)施加到电极来控制电极之间的间隔。电压源101可以任选地包括分开的级102、104，所述级102、104用于分别提供例如处于发射模式的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102可以适于生成静态(DC)电压分量，并且第二级104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。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迫使CMUT单元100进入其塌陷状态的阈值电压。这具有以下优点：第一级102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的噪声的静态分量，该静态分量通常支配总电压，使得总电压信号的噪声特性将由该静态分量的噪声特性来支配。电压源101的其他合适的实施例应当是明显的，例如，其中电压源101包含三个分立的级的实施例，这三个分立的级包括：第一级，其用于生成CMUT驱动电压的静态DC分量；第二级，其用于生成驱动电压的可变DC分量；以及第三级，其用于生成信号的频率调制或刺激分量，例如，脉冲电路等。总之，电压源101可以以任何合适的方式来实施。

已知通过施加高于某个阈值的静态电压，CMUT单元100被迫使进入塌陷状态，在塌陷状态中，膜114塌陷到基板112上。该阈值可以取决于CMUT单元100的精确设计，并且被定义为DC偏置电压(其被称为塌陷电压)，膜114通过因电极之间的电场引起的力而粘附到(接触)单元底板。膜114与基板112之间的接触量(面积)取决于所施加的偏置电压。增大膜114与基板112之间的接触区会提高膜114的共振频率，将借助于图2a和图3a来更详细地解释这方面。

可以通过调节在塌陷之后施加到CMUT电极的DC偏置电压来改变塌陷模式的CMUT单元100的频率响应。结果，随着向电极施加更高的DC偏置电压，CMUT单元的共振频率会提高。

该现象背后的原理在图2a、图2b、图3a和图3b中图示出。图2a和图3a的横截面视图通过膜114的外部支撑件与膜在每个图示中开始接触腔118的底板的点之间的距离D1和D2而以一维方式图示出该现象。能够看出，在图2a中，施加相对较低的偏置电压，距离D1此时是相对较长的距离，而在图3a中，由于施加较高的偏置电压，因此距离D2是短得多的距离。能够将这些距离与由端部保持并然后被拨动的长弦和短弦进行比较。当被拨动时，长而松弛的弦的振动频率会比短而紧的弦的振动频率低。类似地，图2a中的CMUT单元的共振频率将比图3a中的经受较高偏置电压的CMUT单元的共振频率低。

也能够根据图2b和图3b的二维图示来理解该现象，该现象作为CMUT膜的有效操作区的函数而变化。当膜114如图2a所示刚好接触到CMUT单元的底板时，单元的膜114的非接触(自由振动)部分的有效振动区A1如图2b所示较大。中心的小区115表示膜的中心接触区域。大区膜将以相对较低的频率振动。该区115是膜114的区，其塌陷到CMUT单元的底部。当膜如图3a所示被较高的偏置电压拉到较深的塌陷时，较大的中央接触区115'引起如图3b所示的较小的自由振动区A2。该较小区A2的振动频率将比较大区A1的振动频率高。因此，随着DC偏置电压的降低，塌陷的CMUT单元的频率响应会减小，并且当DC偏置电压增大时，塌陷的CMUT单元的频率响应会增大。

图4示出了在发射期间作为施加的DC偏置电压的函数的处于塌陷模式的典型CMUT单元100的声压输出的轮廓标绘图，所述DC偏置电压包括AC调制形式的刺激或恒定频率的频率调制。对应的脉冲长度的倒数是所施加频率的两倍。从该轮廓标绘图能够看出，当CMUT单元100在固定电压或静态电压(例如，静态值的DC偏置电压)下操作时，仅在小范围的频率下获得最优声学性能。然而，当以相关方式改变偏置电压信号上的偏置电压和频率调制时，如轮廓标绘图中的虚线所指示的，可以在大得多的频率范围内实现CMUT单元100的最优声学性能，从而增大在包括CMUT单元100的超声探头的发射模式中生成的超声脉冲(或脉冲串)的有效带宽。

这能够在后面参考图2a和图3a来理解，图2a和图3a解释了处于塌陷状态的CMUT单元100的共振频率是所施加的(DC)偏置电压的函数。通过施加具有适当设定的频率的刺激而在生成特定设定的频率的超声脉冲时调节所施加的偏置电压，能够生成不同频率的脉冲，对于每个脉冲频率，该脉冲表现出CMUT单元100的(接近)最优声学性能。因此，这确保了在成像谱的大带宽上的(接近)最优成像分辨率。

图5a和图5b分别示出了空间电荷取向和极化对CMUT单元的偏置电压的效应。

图5a描绘了具有第一电极122、第一电介质150、第二电极120和第二电介质155的典型CMUT单元。第一电极122电接地，并且正偏压V_b被施加到第二电极120。电压相对于CMUT单元内的位置的曲线图160描绘了当首次施加偏置电压时跨CMUT单元的第一电压分布165。偏置电压的施加在第一电极与第二电极之间建立电场166。电场强度通常在3.5MV/cm至6MV/cm的范围内。

在第一电介质和第二电介质的导带内的电荷载体(例如，电子和空穴)响应于电场而移动。在该示例中，第二电极是正的，意味着第一电介质150和第二电介质155中的电子将被吸引向第二电极120。以类似的方式，第二电极120的正电荷将排斥第一电介质和第二电介质中的正电荷载体，从而引起在第一电极122附近收集正电荷。这些电荷在电介质上的分布被称为空间电荷。在这种情况下，空间电荷的取向产生这样的电场，该电场作用于抵抗由第一电极和第二电极生成的电场166。这引起单元上的电压分布的正向移位，这继而引起电场171减小，其与电场166相比具有降低的电场强度。由于电极之间的电场强度与电极之间的电压和距离成比例，因此电压分布165和170的梯度能够用作电场强度的变化的指示。

以这种方式，CMUT单元内的空间电荷的取向引起塌陷电压V_c发生正向移位(即，正漂移)。由于间隙中的电场减小，因此需要更大的电压来使膜塌陷。换句话说，在恒定偏置电压下，膜会从塌陷漂移。

图5b描绘了在相同的偏置电压V_b下在如图5a所描绘的相同的CMUT单元中发生的介电极化。曲线图180描绘了因施加偏置电压而生成的单元两端的电压分布165。再次地，偏置电压引起生成电场166。

构成介电层的分子表现为电偶极子185，每个电偶极子具有相关联的偶极矩。在没有外部电场的情况下，所有分子的电偶极矩将随机排列。当外部电场166被施加到电介质时，分子的电偶极矩将与电场对准，如图5b所示。这会引起介电层内的电场186减小并且电极之间的电场187增大。这表示为曲线图180上的电压分布190。由电场引起的介电层的极化会引起单元两端的塌陷电压V_c发生负移位。由于电介质的极化会使间隙中的电场增大，因此需要较低的电压以使膜塌陷。换句话说：在接触偏置电压下，由于间隙中的场增大，膜将塌陷得更深。

通过借助于隧通将电荷载体195和196从电极注入介电层，进一步加强了这种负电压漂移。

图6示出了根据本发明的一个方面的电容式射频微机电开关100'RFMEMS。它可以包括CMUT单元或另一类型的电容MEMS，例如，在压力传感器和麦克风中使用的电容开关。为了说明与上述CMUT单元的相似性，相同的附图标记用于对应的部件。

开关包括基板112和被连接到所述基板的第一电极122。第一电极可以被连接到基板的顶表面，如图6中所描绘的；然而，第一电极也可以位于基板内或形成基板本身的层。另外，提供被连接到第一电极的介电叠层200，使得介电叠层将第一电极和基板与间隙118分开。间隙可以用气体来填充，或者间隙也可以是部分真空的。

开关还包括柔性膜114和被连接到所述膜的第二电极120。柔性膜和第二电极通过间隙118与介电叠层、第一电极和基板在空间上分开。图6描绘了被连接到柔性膜的顶表面的第二电极；然而，第二电极可以被提供在膜内，形成膜层或者被连接到膜的底表面。

介电叠层包括第一介电层210和第二介电层220。图6描绘了被连接到第二介电层的顶表面的第一介电层；然而，介电层也可以被反转，使得第二介电层被连接到第一介电层的顶表面。

第一介电层210适于包含第一密度的电活性缺陷。电活性缺陷(其也被称为陷阱)对在电场的影响下在介电材料内发生的极化效应的强度产生贡献。第一介电层适于包含第一密度的电活性缺陷，从而引起在空间电荷的取向上占主导地位的极化效应。以这种方式，第一介电层能够引起电容式RFMEMS的塌陷电压发生负移位。

换句话说，第一介电层210产生负漂移电压。

第二介电层220适于包含第二密度的电活性缺陷，该第二密度低于第一介电层内的第一密度。第二层的电活性缺陷密度能够引起空间电荷的取向在电场的影响下主导极化效应。以这种方式，第二介电层使电容式RFMEMS的塌陷电压发生正移位。

换句话说，第二介电层220产生正漂移电压。

通过介电叠层200中的第一介电层210和第二介电层220的组合，负漂移电压和正漂移电压相互作用而彼此抵消。以这种方式，可以减小由开关中的介电充电产生的总漂移电压，从而提高其寿命并且改善其功能。第一介电层和第二介电层可以由相同的材料构成。

常用的介电材料是二氧化硅SiO₂，其可以以不同的方式进行制备以产生不同的介电性质。可以使用原子层沉积ALD来构造第一介电层，并且可以使用化学气相沉积CVD来构造第二介电层。

原子层沉积是薄膜沉积方法，其中，通过将给定材料的膜层暴露于交替的气态物质而使给定材料的膜层在表面上生长。在SiO₂的情况下，原子层沉积在材料的大部分中引起更多数量的电活性缺陷，从而引起在电场下对极化效应的更大的敏感性。以这种方式，第一介电层210将呈现负漂移电压。

以与ALD类似的方式，CVD是当使表面暴露于挥发性前体气体时在表面上沉积所需材料。在SiO₂的情况下，能够使用硅酸乙酯的前体气体TEOS。由于电活性缺陷的数量减少，因此以这种方式产生的介电层比通过ALD产生的介电层更不易受到极化影响。这允许空间电荷的取向主导因电场引起的介电充电效应。以这种方式，第二介电层220将呈现正漂移电压。

在这种布置中，与通过使用CVD用SiO₂制造的第二介电层220产生的正漂移电压相比，通过使用ALD用SiO₂制造的第一介电层210的极化效应将产生更大的负漂移电压。为了使电容式RFMEMS 100的总漂移电压最小化，能够使第二介电层更厚，以便匹配第一层的电压漂移的幅值。在这种情况下，第二介电层例如比第一层厚至少两倍，例如，厚三倍。除了介电层之间的相对厚度之外，还可以优化介电叠层的绝对厚度，以便降低漂移电压。

在使用不同的材料(例如，氧化铝Al₃O₂或氧化铪(IV))和/或制造方法的情况下，可以改变第一层与第二层的厚度比以进一步优化对漂移电压的最小化。

图7示出了根据本发明的一个方面的电容式RFMEMS 100'的另一实施例。如图所示，介电叠层200还能够包括第三介电层215。其他层可以参考图6来描述。可以基于第一介电层210和第二介电层220的介电性质来选择该层215。可以通过借助于电荷注入和感测、TSCIS或漏电流谱(LCS)进行的陷阱光谱检查来确定材料的介电性质。TCIS对材料的界面状态敏感，其中，较少数量的界面状态可以用作对材料将产生正漂移电压的指示。LCS对材料的大部分的状态敏感。材料中较大数量的大部分的状态在电场的影响下引起较大的极化效应。

包括第三介电层可以允许进一步优化对漂移电压的最小化。在第一介电层和第二介电层均由SiO₂制成的情况下，第三介电层可以由氧化铝AL₂O₃来构造。

图6和图7中所示的电容式RFMEM可以是用于在超声成像系统中使用的电容式微机械超声换能器CMUT。将在下面结合图13进一步详细描述典型的超声成像系统。

基本超声系统可以包括：超声探头，其包括如参考图6和图7所述的CMUT单元的阵列；以及电压源，其适于向第一电极122提供偏置电压并且向第二电极120提供刺激电压。在其他情况下，可以向第二电极提供偏置电压并且向第一电极提供刺激电压。

偏置电压可以将CMUT单元驱动到塌陷模式中，其中，柔性膜114接触介电叠层200，从而减小间隙118的大小。这样增大了CMUT的塌陷部分中的电场密度，从而引起有害的充电效应。通过为CMUT单元提供适于抵消有害的充电效应的介电叠层，可以提高超声探头的寿命并且改善超声探头的性能。

刺激电压可以使CMUT单元的柔性膜以预定频率振动。以这种方式，CMUT单元能够生成超声脉冲。该特征也适用于反转情况，反转情况意味着柔性膜可以响应于输入的振动而振动。振动引起CMUT单元的电容变化，该电容变化可以由第二电极120以电信号的形式来检测。然后，这些电信号可以由信号处理器来解读并且用于生成用于构建超声图像的图像数据。

图8描绘了操作如参考图6和图7所述的电容式RFMEMS的方法300。

在步骤310中，向电容式RFMEMS的第一电极120提供偏置电压。该偏置电压可以高于预定值(其被称为塌陷电压)，该塌陷电压将CMUT单元驱动到塌陷模式中。该偏置电压在第一电极与第二电极之间建立电场。

在步骤320中，向第二电极提供刺激电压，以便通过使柔性膜的未塌陷部分振动来产生超声RF脉冲。该刺激电压增大了开关内(特别是塌陷部分中)的电场密度。

在步骤330中，增大的电场使第一介电层发生极化至第一极化程度，并且使第二介电层发生极化至第二极化程度，第二极化程度低于第一极化程度。这会生成负漂移电压。

在步骤340中，第一介电层经历空间电荷取向至第一水平，并且第二介电层经历空间电荷取向至第二水平，第二水平大于第一水平。通过电场对两个介电层之间的空间电荷进行的定向会生成正漂移电压。以这种方式，开关的总漂移电压降低。

上面已经结合圆形基板电极和环形膜电极描述了介电叠层布置。然而，这只是示例。介电叠层设计可以与实心(即，非环形)电极一起使用，如图1的示例中那样。

图9a和图9b分别描绘了处于松弛模式和塌陷模式的CMUT单元100的实施例。再次地，执行与先前示例中相同功能的层被赋予相同的附图标记。CMUT单元100包括基板112和被连接到所述基板的第一电极122。CMUT单元额外地还包括柔性膜114和第二电极120，第二电极120通过间隙118与第一电极和基板在空间上分开。第二电极被形成为环形。第二电极120的环形形状不限于纯粹的圆形，而是可以采用已经移除形状的中心部分的任何形状。

换句话说，第二电极120被成形为使得电极不占据柔性膜的中间部分。更具体地，第二电极被成形为使得当如图9b所示处于塌陷模式时柔性膜接触第一电极的部分未连接到第二电极。图9b描绘了电场线123，电场线123描绘了当第一电极接地且偏置电压被施加到第二电极时生成的电场。电极之间的电场密度最高(这由电场线之间的小间隔示出)。通过移除第二电极的中心部分，电场密度在CMUT单元的塌陷部分中减小(如电场线之间的大间隔所示)，从而降低了充电效应(例如，介电极化、电荷注入和空间电荷取向)的水平。这样使CMUT单元的寿命更长并且性能得到改善。

图9a的设计没有任何介电叠层。然而，可以额外地使用如上所述的单层电介质或两层或三层介电叠层，这将在下面参考图12来进一步描述。例如，可以在底部电极122上有单层或多层电介质，并且还可以在顶部电极120下方有单层或多层电介质。

图10a和图10b分别描绘了根据本发明的另外的方面的处于松弛模式和塌陷模式的CMUT单元的实施例。与在图9a和图9b中使用的层相同的层被赋予相同的附图标记，并且不再对其进行重复描述。在这种情况下，CMUT单元包括占据第二电极的中间部分的第三电极124。第三电极可以实现对CMUT单元的塌陷部分中的电场密度的更高水平的控制。

例如，第三电极可以电接地。以这种方式，能够移除因刺激电压引起的电场，这意味着仅因偏置电压引起的电场保留在CMUT单元的塌陷部分中。这进一步降低了单元的该部分中的电场密度，从而进一步降低了单元内的充电效应。

替代地，环形电极和中心(第三)电极可以被形成在基板上，此时下部第一电极122和上部膜电极120可以是连续电极。

因此，第一电极和第二电极中的一个包括环，并且存在第三电极，该第三电极占据环的中间部分，使得环与第三电极在空间上分开。

图11描绘了根据本发明的另外的方面的CMUT单元100的另一实施例。该实施例中示出的CMUT单元类似于图9a和图9b中所描绘的CMUT单元，但该实施例中示出的CMUT单元在柔性膜114与基板之间还连接有额外的支撑件350。为了容纳该支撑件，第一电极122被制成环形，其中，支撑件占据环的中间部分。因此，在该设计中，第一电极和第二电极均包括环，并且支撑件350被形成为围绕中心轴，连接在基板与柔性膜之间。

支撑件350使得CMUT单元能够以预应力模式操作，这提供了以塌陷模式操作CMUT单元的许多益处，其中，电极之间的电场密度降低。以这种方式，减小了CMUT单元的充电效应。

图12a和图12b描绘了根据本发明的另外的方面的处于松弛模式和塌陷模式的CMUT单元的又一实施例。根据这种布置，CMUT单元被提供有如图10a和图10b所示的环形的第二电极120和电接地的第三电极124以及如图6所示的包含第一介电层210和第二介电层220的介电叠层200。

在该设计中，当CMUT单元以塌陷模式操作时，将适于使电场的充电效应最小化的电极配置与适于抵消任何剩余的充电效应的介电叠层进行组合。以这种方式，能够最小化或消除CMUT单元中的任何充电效应，并且因此最小化或消除电压漂移，从而进一步提高单元的寿命并且改善单元的性能。

在图13中，以框图形式示出了根据本发明的示例性实施例的具有阵列换能器探头400的超声诊断成像系统。在图13中，CMUT换能器阵列410(其包括如上所述的CMUT单元)被提供在超声探头400中以用于发射超声波和接收回波信息。换能器阵列410可以是能够在2D平面或三维中扫描以进行3D成像的一维或二维换能器元件阵列。

换能器阵列410被耦合到探头410中的微波束形成器412，微波束形成器412控制CMUT阵列单元对信号的发射和接收。微波束形成器能够对由换能器元件的组或“拼片”接收的信号至少部分地进行波束形成，如在美国专利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412通过探头电缆(例如，同轴电线)被耦合到发射/接收(T/R)开关416，T/R开关416在发射模式与接收模式之间切换并且在不存在或未使用微波束形成器且主系统波束形成器420直接操作换能器阵列410时保护主波束形成器420免受高能发射信号的影响。由通过T/R开关416被耦合到微波束形成器412的换能器控制器418以及主系统波束形成器420来指导在微波束形成器的控制下从换能器阵列410发射超声波束，主系统波束形成器420接收来自用户接口或控制面板438的用户操作的输入。由换能器控制器418控制的功能中的一个功能是波束被偏转和聚焦的方向。可以从换能器阵列410向正前方(正交于换能器阵列410)偏转波束，或者以不同的角度偏转波束以获得更宽的视场。换能器控制器418可以被耦合以控制用于CMUT阵列的前述电压源101。例如，电压源101设定被施加到CMUT阵列410的CMUT单元的(一个或多个)DC偏置电压和AC偏置电压，以例如如上所述以发射模式生成超声RF脉冲。

由微波束形成器412产生的部分波束形成的信号被转发到主波束形成器420，在主波束形成器420中，来自换能器元件的各个拼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420可以具有128个通道，这些通道中的每个通道接收来自数十个或数百个CMUT换能器单元100的拼片的部分波束形成的信号。以这种方式，由换能器阵列410的数千个换能器元件接收的信号能够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422。信号处理器422能够以各种方式处理接收到的回波信号，这些处理方式例如包括：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而使得能够识别从组织和微泡返回的非线性(基频的高次谐波的)回波信号)。

任选地，信号处理器422可以执行额外的信号增强，例如，散斑减少、信号复合和噪声消除。信号处理器422中的带通滤波器可以是跟踪滤波器，其通带在从增加的深度接收回波信号时从较高频带滑动到较低频带，从而拒绝了来自较大深度处的较高频率的噪声，被拒绝的这些频率的噪声缺乏解剖学信息。

经处理的信号被耦合到B模式处理器426并且任选地被耦合到多普勒处理器428。B模式处理器426采用接收到的超声信号的幅度的检测结果以用于对身体中的结构(例如，身体中的器官和血管的组织)进行成像。可以以谐波图像模式或基频图像模式或这两者的组合来形成身体结构的B模式图像，如在美国专利US 6283919(Roundhill等人)和US 6458083(Jago等人)中所描述的。

多普勒处理器428(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定为通过和/或拒绝从体内的所选类型的材料返回的回波。例如，壁滤波器能够被设定为具有通带特性，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。反转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，这被称为组织多普勒成像、检测和描绘组织运动。多普勒处理器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432和多平面重新格式化器444。扫描转换器432以所需的图像格式按接收回波信号时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)扇形形状或金字塔形三维(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444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，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442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432、多平面重新格式化器444和体积绘制器442耦合到图像处理器430以供进一步增强、缓存和临时存储，从而在图像显示器440上进行显示。除了用于成像以外，由多普勒处理器428产生的血流值和由B模式处理器426产生的组织结构信息被耦合到量化处理器434。该量化处理器产生不同流动条件的度量，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438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436，以用于在显示器440上利用图像再现测量图形和值。图形处理器436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438接收输入(例如，患者姓名)。

用户接口还被耦合到发射控制器418，以控制从换能器阵列410生成超声信号，并且因此控制换能器阵列和超声系统产生图像。用户接口还被耦合到多平面重新格式化器444，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示例。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412和/或多普勒处理器428，超声探头410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明显的。

此外，应当理解，本发明不限于超声诊断成像系统。本发明的教导同样适用于超声治疗系统，在超声治疗系统中，探头400的CMUT单元100可以在不需要接收脉冲回波的情况下仅以发射模式操作。对于本领域技术人员来说明显的是，在这种治疗系统中，可以在不脱离本申请的教导的情况下省略借助于图12描述的被要求接收、处理和显示脉冲回波的系统部件。

根据本发明的另外的方面，超声系统还包括电容感测电路441。图14示出了电容感测电路的实施例。电容感测电路可以适于产生具有已知电压的测试信号。例如，生成器450能够用于生成通过超声系统传播的、已知电压V_meassig的小的正弦测试信号。该测试信号通过大电阻器R_meas被注入超声系统。R_meas的电阻可以是例如500Ω。

当信号行进通过电容感测电路时，该信号因超声系统的各种部件(例如，低噪声放大器(RX_LNA)、同轴电缆451和CMUT单元(CMUT))的阻抗而将经历衰减。部件的阻抗与部件的电容成比例。因上面讨论的充电效应引起的CMUT单元的漂移电压会引起单元的电容的变化。通过监测CMUT单元的电容，能够监测由单元内的电场引起的充电水平。CMUT单元的阻抗由以下公式给出：

其中：|Z_CMUT|是CMUT单元阻抗的幅值；f是测试信号的频率，它是从适合于CMUT单元和电容感测电路的操作的一定范围的信号中选择的；并且C_CMUT是CMUT单元的电容。

在其中通过低噪声放大器(RX_LNA)、同轴电缆451和CMUT单元衰减电容感测电路的测试信号的示例中，能够使用以下公式来描述衰减信号：

其中：V_meas是衰减信号的电压(幅度)；Z_lna是低噪声放大器的阻抗；Z_in是同轴电缆和CMUT单元的组合阻抗；R_meas是用于将测试信号注入超声系统的电阻器的电阻；并且V_meassig是测试信号的电压(幅度)。

由于根据同轴电缆的长度和特性可以知晓其阻抗，因此能够从Z_in的值提取CMUT单元的阻抗。在图14所示的示例中，同轴电缆的长度为2米，引起的阻抗为50Ω。如上所示，CMUT单元的阻抗值能够用于计算单元的电容。然后，这引起CMUT单元的漂移电压，该漂移电压指示在单元内发生的充电水平。电容感测电路能够被实施用于整个CMUT单元阵列，从而确定阵列的平均漂移电压；或者被实施用于阵列中的每一个CMUT单元，从而确定每个个体单元的漂移电压。电容感测电路也能够用于阵列中的CMUT单元的若干子组。

如果电容感测电路确定绝对电压漂移高于预定值(其被选择为充电效应对超声系统的功能变得有害的值，例如，10V或5V)，则电压源45可以适于反转偏置电压、刺激电压或这两者的极性。通过反转施加给CMUT单元的电压的极性，电极之间生成的电场被反转。以这种方式，可以减小或消除介电极化和空间电荷取向。通过在小于1微秒内执行极性反转，在由系统产生的超声图像的最终图像中避免了声学伪影。

本领域技术人员应当理解，图15描绘了操作CMUT单元的方法500。

在步骤510中，确定针对CMUT单元的漂移电压。参考图16来描述用于执行该步骤的方法。

在步骤520中，向CMUT单元的第一电极提供偏置电压，其中，基于所确定的电压漂移来选择偏置电压。偏置电压的幅值高于用于将CMUT单元驱动到塌陷模式中的阈值。通过基于所确定的电压漂移来选择偏置电压，能够减小或消除CMUT单元所经历的充电效应。例如，基于所确定的电压漂移，该方法可以前进到步骤525，在步骤525中，从前一循环反转偏置电压的极性，以便反转单元的电极之间的电场方向。如果在步骤510中确定电压漂移的幅值高于预定值，则可以进行上述反转。下面参考图17和图18来更详细地描述该步骤。

在步骤530中，可以向CMUT单元的第二电极提供刺激电压，以便使柔性膜以预定频率振动。以这种方式，可以由CMUT单元生成超声RF脉冲。

以与上述方式类似的方式，如果确定电压漂移高于预定值，则可以在步骤535中反转刺激电压的极性。以这种方式，可以进一步减小或消除充电效应。下面参考图17和图18来更详细地描述该步骤。

在步骤540中，移除刺激电压以使得柔性膜能够响应于输入的信号而自由振动。这些信号可以是在步骤530中生成的反射超声波。在接收时段之后，该方法返回到步骤510，以便以循环方式操作。

图16描绘了用于确定CMUT单元的电压漂移的方法600。

在步骤610中，在预定电压下生成测试信号。然后可以将该测试信号注入超声系统。

在步骤620中，测量测试信号的衰减信号。在测量之前，衰减的信号至少被CMUT单元的阻抗所衰减。

在步骤630中，基于测试信号和衰减信号来确定CMUT单元的阻抗。

在步骤640中，基于所确定的CMUT单元的阻抗来确定CMUT单元的电压漂移。

上面参考图13和图14中的电容感测电路441详细描述了这些步骤。

图17描绘了用于反转偏置电压(V_b)和刺激电压(RF驱动)的极性的方法700。在第一成像序列701期间，向CMUT单元施加偏置电压和刺激电压，以便发射超声RF脉冲。然后，当移除刺激电压时，CMUT单元被偏置电压保持在接收模式中。在成像序列之后，如上面参考图16所描述的那样确定CMUT单元的漂移电压。由于漂移电压取决于CMUT单元的电容，因此可以确定漂移电容(ΔC)。如果ΔC大于临界值(C_cr)，则可以针对第二成像序列702来反转偏置电压和刺激电压的极性，以便减小CMUT单元的漂移电压。如果ΔC小于C_cr，则可以将极性保持为与第一成像序列中的极性相同，因为漂移电压还不足以引起对超声系统的图像质量产生不利影响。因此，确定漂移是否超过阈值(在图17中，Y＝是，N＝否)。

图18描绘了偏置电压分布的两个实施例，偏置电压可以被施加到CMUT单元的第一电极，以便将单元驱动到塌陷模式中。第一偏置电压分布720图示了当CMUT单元未执行成像序列721、722时施加减小的偏置电压的方法。以这种方式，能够降低CMUT单元内的电场密度，从而减小充电效应。由于降低的偏置电压高于塌陷电压(V_C+)，因此CMUT单元保持在塌陷模式中，这意味着CMUT单元准备好用于下一成像序列。

第二偏置电压分布730描绘了在第一成像序列731与第二成像序列732之间降低偏置电压的类似方法；然而，在这种情况下，如参考图17中所描述的那样在第二成像序列732中反转偏置电压的极性。以这种方式，可以通过降低偏置电压和反转极性来减小充电效应。

例如在1微秒内快速执行到偏置电压的相反极性的切换。

还能够借助于电容感测电路441来实施所描述的反转极性方案而无需确定漂移电容。从方法700和730的电压偏置分布能够看出，向CMUT单元施加相反极性的电压能够相对于零电压是对称的。因此，电压源能够被布置为交替的成像序列，每个成像序列具有相同的电压幅度分布和相反的极性，例如，701和702。换句话说，被耦合到超声阵列的电压源适于向CMUT单元的电极提供电压分布的序列，其中，每个分布包括偏置电压和刺激电压，并且其中，序列中的每个后续电压分布的极性中与前一分布的极性相反。当电压分布幅度的变化(无论其极性如何)对于序列中的每个分布保持相同时，由于所施加的电压分布的对称性，CMUT单元上的充电效应可能被最小化。这对于超声系统结构也是有益的，因为在该实施例中能够省略额外的电路。

极性的改变可以发生在每个后续的发射事件中。以这种方式，存在对称的方波偏置电压，其上叠加有发射脉冲。因此，代替取决于如图17中的电容测量的极性切换，极性切换可以发生在每个序列发射中。

因此，反转极性(反转偏置电压或刺激电压的极性或者在不同时间反转这两者)的思想可以被应用为自动序列(每个发射事件一次，或者甚至每N个发射事件一次)，或者该思想可以以使用电容感测作为反馈控制输入的自适应方式来应用。

如上文所讨论的，本发明的系统和方法包括确定漂移电压的指示。这能够通过不同的方式来完成。

如上所述，由于电容的变化与漂移电压有关，因此能够确定漂移电容ΔC并将其用作漂移电压的指示。

替代地，能够直接基于预定的(例如存储的)电压与电容之间的关系来确定漂移电压。这在图19中图示出，图19示出了电压与电容之间的关系如何因充电效应而改变。这种关系的移位是引起塌陷电压变化的原因。该移位具有这种效应：对于给定的固定的施加的偏置电压，所呈现的电容会改变。

在图19中，线802表示电容与电压之间的原始关系，而线804表示经移位的关系。能够看出，对于给定的施加的偏置电压U_bias，其呈现出ΔC的电容移位。如果存储了该原始关系，则能够基于该原始关系来确定需要施加什么电压V_cap来获得新呈现的电容。由此能够导出电压移位(V_cap-U_bias)，并且这给出了塌陷电压(漂移电压)的移位的指示。

替代地，可以预先确定并存储测量的电容变化与塌陷电压的对应漂移之间的直接关系并且将该直接关系用于直接基于观察到的电容变化来确定漂移电压。

优选地，在施加偏置电压但不施加刺激电压时(例如在刺激电压脉冲之间)确定电容和漂移电压。

在图20-22中图示了示例。

图20示出了作为时间的函数的施加电压。在t＝0时，施加偏置电压808和刺激电压806。刺激电压采用单极RF脉冲的形式，即，间歇施加的全部具有相同极性的电压脉冲的集合或序列。为了说明，图20中示出了六个单极脉冲的序列。优选地，在这些脉冲序列之间(此时不施加刺激电压)确定电容和漂移电压。箭头812只是可以进行确定的示例性时间点。

如图20所示，如果确定的漂移电压超过给定阈值，则可以反转偏置电压或刺激电压中的一者或两者的极性。在图20中，反转偏置电压和漂移电压的极性。经反转的极性刺激电压表现为负电压脉冲的序列。

图21示出了另外的示例。再次地，组合施加单极RF脉冲刺激电压806与偏置电压808。在刺激电压脉冲序列806停止之后(例如在812点处)，可以确定漂移电压。在该示例中，响应于漂移电压高于给定阈值，偏置电压以步进方式减小，以与原始偏置电压相等且幅值相反的反转的极性电压结束。刺激电压极性也被反转。

图22示出了最后的示例。这里，刺激电压806和偏置电压808的极性都未反转。而是，响应于测量的漂移电压(例如在点812处)超过给定阈值，偏置电压在再次步进升高到原始偏置电压之前仅仅暂时减小幅值(幅值步进降低)。然后再次以与之前情况相同的电压极性施加刺激电压(即，以相同的幅值和极性施加脉冲序列)。

根据一个或多个实施例，可以额外地基于在整个振荡循环(脉冲回波)上在CMUT单元上的测量的压力来获得漂移电压。所测量的压力与塌陷电压成比例。因此，能够基于所测量的压力的变化来确定塌陷电压的漂移。然后可以在漂移电压超过给定阈值的情况下施加校正，例如通过反转偏置电压和刺激电压中的一者或两者的极性或者通过暂时降低偏置电压来施加校正。

应当注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域的技术人员将能够设计替代实施例而不脱离权利要求的范围。在权利要求中，括号内任何附图标记都不得被解释为对权利要求的限制。词语“包括”不排除没有列在权利要求中的元件或步骤的存在。在元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明能够借助于包括若干不同部件的硬件来实施。在列举了若干单元的装置型权利要求中，这些单元中的一些能够由同一个硬件项来实施。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims

1.一种超声系统，包括：

-CMUT单元的超声阵列(410)，每个CMUT单元(100)包括基板(112)、被耦合到所述基板的第一电极(122)、与所述第一电极在空间上至少部分分开的柔性膜(114)，以及被耦合到所述柔性膜的第二电极(120)；

-电压源(101)，其被耦合到所述阵列，其中，所述电压源适于：

-向每个CMUT单元(100)的所述电极提供偏置电压和刺激电压；以及

-电容感测电路(441)，其适于：导出所述CMUT单元中的至少一个CMUT单元的电容的指示，并且基于电容的所述指示来确定所述CMUT单元的漂移电压的指示。

2.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述电压源适于：

-向每个CMUT单元(100)的所述电极中的一个电极提供偏置电压；并且

-向所述CMUT单元的所述电极中的另一个电极提供刺激电压。

3.根据权利要求1或2所述的超声系统，其中，所述电容感测电路(441)适于：

-生成测试信号，其中，所述测试信号具有预定电压；

-基于所述衰减信号和所述测试信号来确定所述CMUT单元的阻抗；并且

-基于所确定的阻抗来确定所述CMUT单元的所述漂移电压。

4.根据权利要求3所述的超声系统，其中，响应于所述漂移电压的绝对值高于预定值，所述电压源(101)还适于反转所述偏置电压的极性。

5.根据权利要求3所述的超声系统，其中，响应于所述漂移电压的绝对值高于预定值，所述电压源(101)还适于反转所述刺激电压的极性。

6.根据权利要求4或5所述的超声系统，其中，所述电压源(101)适于在小于1微秒内反转所述极性。

7.一种超声系统，包括：

-超声系统还包括：

-电压源(101)，其被耦合到所述超声阵列，所述电压源适于向所述CMUT单元的所述电极提供电压分布的序列，其中，每个分布包括偏置电压和刺激电压，并且

-其中，所述序列中的每个后续电压分布的极性与前一分布的极性相反。

8.根据权利要求7所述的超声系统，其中，所述电压源(101)还适于在小于1微秒内反转每个后续电压分布的所述极性。

9.根据权利要求1-2或7所述的超声系统，其中，每个CMUT单元的所述第二电极与所述第一电极是同轴的；并且

其中，所述第一电极和所述第二电极中的一个包括环，并且存在第三电极(124)，所述第三电极占据所述环的中间部分，使得所述环与所述第三电极在空间上分开。

10.根据权利要求2至6所述的超声系统，其中，所述电压源适于：

-向所述第一电极(122)提供所述偏置电压；

-向所述CMUT单元的所述第二电极(120)提供所述刺激电压。

11.一种用于操作CMUT单元(100)的方法(500)，所述CMUT单元包括：

-基板(112)；

-第一电极(122)，其被连接到所述基板；

-柔性膜(114)，其中，所述柔性膜与所述第一电极在空间上分开；

-第二电极(124)，其被连接到所述柔性膜；

-所述方法包括执行超声生成循环的序列，每个超声生成循环包括：

-(520)向CMUT单元的所述电极中的任意一个电极提供偏置电压，其中，所述偏置电压将所述CMUT单元驱动到塌陷模式中；

-(530)向所述CMUT单元的所述电极中的任意一个电极提供刺激电压，其中，所述刺激电压使所述柔性膜的部分以预定频率振动；以及

-(540)移除所述刺激电压，从而使得所述CMUT单元能够接收输入的声学信号，

-其中，所述序列包括：

12.根据权利要求11所述的方法，其中，向CMUT单元的所述第一电极提供所述偏置电压，并且向所述CMUT单元的所述第二电极提供所述刺激电压。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述序列包括交替的第一循环和第二循环或者交替的第三循环和第四循环。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，每个超声生成循环包括(510)确定所述CMUT单元的漂移电压。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，确定所述CMUT单元的漂移电压的步骤(510)包括：

-(610)生成测试信号，其中，所述测试信号具有预定电压；

-(620)测量所述测试信号的衰减信号，其中，所述测试信号被电容感测电路的阻抗所衰减；

-(630)基于所述衰减信号和所述测试信号来确定所述CMUT单元的阻抗；以及

-(640)基于所确定的阻抗来确定所述CMUT单元的漂移电压。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述方法还包括：响应于确定所述漂移电压的绝对值高于预定值而反转所述偏置电压的所述极性(525)。

17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述方法还包括：响应于确定所述漂移电压的绝对值高于预定值而反转所述刺激电压的所述极性(535)。