CN115052689B - 电容式显微机械加工的换能器 - Google Patents

电容式显微机械加工的换能器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电容式换能器，该电容式换能器包括顶部电极和底部电极以及位于该顶部电极和该底部电极之间的侧壁。该侧壁被配置为通过间隙将该顶部电极和该底部电极分开。在该顶部电极的底侧或该底部电极的顶侧中的一者或两者上存在高接触电阻部分。

Description

电容式显微机械加工的换能器
技术领域
某些实施方案涉及换能器。更具体地，某些实施方案涉及电容式显微机械加工的换能器。
背景技术
超声设备可用于对目标诸如人体中的器官和软组织以及非人目标进行成像。例如，除了对人、动物等进行超声成像之外，超声设备还可以用于应用诸如超声/声学感测、无损评估(NDE)、超声治疗(例如，高强度聚焦超声(HIFU))等。
超声设备可使用实时的、非侵入性高频声波来产生一系列二维(2D)图像和/或三维(3D)图像。声波可由发射换能器发射，并且所发射的声波的反射可由接收换能器接收。然后可处理所接收的声波以显示目标的图像。用作发射换能器和/或接收换能器的电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)可包括顶部电极和底部电极，其中顶部电极可由于用于生成声波的电信号而移动，或由于接收到用于生成可被处理的电信号的声波而移动。CMUT可包括移动的顶部电极和静止的下部电极，其中顶部电极通过间隙与下部电极分开。该间隙可包括一定程度的真空，或者该间隙可填充有例如空气。
通过将此类系统与本申请的其余部分中参考附图阐述的本公开的一些方面进行比较，常规和传统方法的更多限制和缺点对本领域的技术人员将变得显而易见。
发明内容
提供了一种用于电容式显微机械加工的换能器的系统和/或方法，基本上如结合附图中的至少一个附图所示和/或所述，如权利要求中更完整地阐述。
从以下描述和附图将更全面地理解本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征、以及其例示的实施方案的细节。
附图说明
图1是根据各种实施方案的可用于超声成像的示例性超声系统的框图。
图2例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图3例示了根据各种实施方案的具有位于底部电极上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图4例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极和底部电极两者上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图5例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的矩形高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图6例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的三角形高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图7例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的圆形高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图8例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的矩形高接触电阻凸块以及位于底部电极上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图9例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的三角形高接触电阻凸块以及位于底部电极上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图10例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的圆形高接触电阻凸块以及位于底部电极上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图11例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的多个高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图12例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的多个高接触电阻凸块以及位于底部电极上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图13例示了根据各种实施方案的具有位于底部电极上的高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图14例示了根据各种实施方案的具有位于底部电极上的多个高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图15例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极和底部电极上的高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图16例示了根据各种实施方案的具有位于底部电极上的高接触电阻凸块以及位于顶部电极上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图17例示了根据各种实施方案的具有位于底部电极上的多个高接触电阻凸块以及位于顶部电极上的高接触电阻层的示例性电容式显微机械加工的超声换能器。
图18例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器沿Z轴的视图。
具体实施方式
某些实施方案可在电容式显微机械加工的换能器中找到。本公开的各种实施方案可在顶部电极的底侧和/或底部电极的顶侧上使用高接触电阻部分。这可防止在生成声波和/或接收声波以生成对应电信号时，当用电信号过多地驱动顶部电极时，顶部电极与底部电极短路。因此，这提供了在顶部电极与底部电极没有短路的情况下，电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)操作的技术效果。另外，由于本公开的各种实施方案使用高接触电阻材料而不是绝缘材料，所以实现了减轻CMUT中电介质电荷积聚效应的技术效果。
虽然CMUT可用于医学成像，但除了对人或动物进行超声成像之外，CMUT还可以用于各种其他目的，诸如超声/声学感测、无损评估(NDE)、超声治疗(例如，高强度聚焦超声(HIFU))等。
当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及某些实施方案的以下具体实施方式。就附图示出各种实施方案的功能块的图的范围而言，这些功能块不一定表示硬件电路之间的划分。应当理解，各种实施方案不限于附图中所示的布置和工具。还应当理解，可组合实施方案，或者可利用其他实施方案，并且可在不脱离各种实施方案的范围的情况下进行结构、逻辑和电气改变。因此，以下详述不应视为限制性意义，并且本公开的范围由所附权利要求书及其等同物限定。
如本文所用，以单数形式列举并且以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除。此外，对“示例性实施方案”、“各种实施方案”、“某些实施方案”、“代表性的实施方案”等的引用不旨在被解释为排除存在也结合了叙述的特征的附加实施方案。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件的实施方案可以包括不具有该性质的附加元件。
另外，如本文所用，术语“图像”广义地是指可视图像和表示可视图像的数据两者。然而，许多实施方案生成(或被配置为生成)至少一个可视图像。此外，如本文所用，短语“图像”用于指超声模式，诸如B模式(2D模式)、M模式、三维(3D)模式、CF模式、PW多普勒、CW多普勒、MGD，和/或B模式和/或CF的子模式，诸如剪切波弹性成像(SWEI)、TVI、Angio、B-flow、BMI、BMI_Angio，并且在某些情况下还包括MM、CM、TVD，其中“图像”和/或“平面”包括单个波束或多个波束。
此外，如本文所用，术语处理器或处理单元是指可执行各种实施方案需要的所需计算的任何类型的处理单元，诸如单核或多核：CPU、加速处理单元(APU)、图形板、DSP、FPGA、ASIC或它们的组合。
另外，应当指出的是，附图可能未按比例绘制对象，而是被尽力呈现用于清楚地进行解释。
图1是根据各种实施方案的可用于超声成像的示例性超声系统的框图。参考图1，示出了示例性超声系统100的框图。超声系统100包括发射器102、超声探头104、发射波束形成器110、接收器118、接收波束形成器120、A/D转换器122、RF处理器124、RF/IQ缓冲器126、用户输入设备130、信号处理器132、图像缓冲器136、显示系统134和档案138。
发射器102可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为驱动超声探头104。超声探头104可包括例如单个元件CMUT、CMUT的1D阵列、CMUT的2D阵列、CMUT的环形(环)阵列等。因此，超声探头104可包括可以为例如CMUT的一组换能器元件106。在某些实施方案中，超声探头104可操作为采集覆盖例如解剖结构(诸如心脏、血管或任何合适的解剖结构)的至少大部分的超声图像数据。换能器元件106中的每一个换能器元件可被称为通道。
发射波束形成器110可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为控制发射器102，该发射器驱动该组发射换能器元件106以将超声发射信号发射到感兴趣区域(例如，人、动物、地下腔体、物理结构等)中。发射的超声信号可从感兴趣对象中的结构(如血细胞或组织)反向散射，以产生回波。然后，换能器元件106可接收回波。
超声探头104中的该组换能器元件106可操作为将所接收的回波转换成模拟信号并且传送至接收器118。接收器118可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为接收来自超声探头104的信号。可将模拟信号传送至多个A/D转换器122中的一个或多个A/D转换器。
因此，超声系统100可多路复用，使得超声发射信号在特定时间段期间被发射，并且这些超声信号的回波在其他时间段期间被接收。尽管未明确示出，但本公开的各种实施方案可允许超声信号的发射和来自这些信号的回波的接收同时进行。在此类情况下，探头可包括发射换能器元件和接收换能器元件。
多个A/D转换器122可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以将来自接收器118的模拟信号转换为对应的数字信号。多个A/D转换器122设置在接收器118和RF处理器124之间。尽管如此，本公开在这方面并不受限制。因此，在一些实施方案中，多个A/D转换器122可被集成在接收器118内。
RF处理器124可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以解调由多个A/D转换器122输出的数字信号。根据一个实施方案，RF处理器124可包括复解调器(未示出)，该复解调器可操作以解调数字信号，以形成表示对应回波信号的I/Q数据对。然后可将RF数据(可以是例如I/Q信号数据、实值RF数据等)传送到RF/IQ缓冲器126。RF/IQ缓冲器126可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为提供由RF处理器124生成的RF或I/Q信号数据的临时存储。
因此，各种实施方案可使例如RF处理器124用适当的RF缓冲器126处理实值RF数据或该数据的任何其他等效表示。
接收波束形成器120可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，这些合适的逻辑、电路、接口和/或代码可操作以执行数字波束形成处理以例如对经由RF/IQ缓冲器126从RF处理器124接收的延迟信道信号、相移信道信号和/或加权信道信号求和并输出波束求和信号。可对延迟信道数据、相移信道数据和/或加权信道数据求和以形成从接收波束形成器120输出的扫描线，其中该扫描线可为例如复值的或非复值的。信道的特定延迟可例如由RF处理器124或被配置为执行该任务的任何其他处理器提供。延迟信道数据、相移信道数据和/或加权信道数据可被称为延迟对齐信道数据。
所得到的经处理的信息可以是从接收波束形成器120输出并且传送到信号处理器132的波束求和信号。根据一些实施方案，接收器118、多个A/D转换器122、RF处理器124和波束形成器120可被集成到单个波束形成器中，该单个波束形成器可以是数字的。在各种实施方案中，超声系统100可包括多个接收波束形成器120。
用户输入设备130可用于输入患者数据、扫描参数、设置、选择协议和/或模板等。在示例性实施方案中，用户输入设备130可操作为配置、管理和/或控制超声系统100中的一个或多个部件和/或模块的操作。在这方面，用户输入设备130可操作以配置、管理和/或控制发射器102、超声探头104、发射波束形成器110、接收器118、接收波束形成器120、RF处理器124、RF/IQ缓冲器126、用户输入设备130、信号处理器132、图像缓冲器136、显示系统134和/或档案138的操作。用户输入设备130可包括开关、按钮、旋转编码器、触摸屏、运动跟踪、语音识别、鼠标设备、键盘、相机和/或能够接收用户指引的任何其他设备。在某些实施方案中，例如，可将用户输入设备130中的一个或多个用户输入设备集成到其他部件诸如显示系统134或超声探头104中。例如，用户输入设备130可包括触摸屏显示器。
信号处理器132可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以处理超声扫描数据(即，求和的IQ信号)，以生成用于在显示系统134上呈现的超声图像。信号处理器132可操作以根据所采集的超声扫描数据上的多个可选超声模态来执行一个或多个处理操作。在示例性实施方案中，信号处理器132可用于执行显示处理和/或控制处理等。随着接收到回波信号，可以在扫描会话期间实时处理采集的超声扫描数据。附加地或另选地，超声扫描数据可在扫描会话期间暂时存储在RF/IQ缓冲器126中并且在在线操作或离线操作中被处理。在各种实施方案中，经处理的图像数据可呈现在显示系统134处以及/或者被存储在档案138处。档案138可以是本地档案、图片归档和通信系统(PACS)或用于存储图像和相关信息的任何合适的设备。
信号处理器132可以包括一个或多个中央处理单元、微处理器、微控制器等。例如，信号处理器132可以是集成部件，或者可分布在各个位置。在示例性实施方案中，信号处理器132可能够从用户输入设备130和/或档案138接收输入信息，生成可由显示系统134显示的输出，并且响应于来自用户输入设备130的输入信息来操纵输出，等等。信号处理器132能够执行例如根据各种实施方案的本文所讨论的方法和/或指令集中的任一者。
超声系统100可操作以按适于所考虑的成像情况的帧速率连续采集超声扫描数据。典型的帧速率可在20至120的范围内，但可以更低或更高。所采集的超声扫描数据可以与帧速率相同、或更慢或更快的显示速率显示在显示系统134上。图像缓冲器136被包括以用于存储未被安排立即显示的所采集的超声扫描数据的处理的帧。优选地，图像缓冲器136具有足够的容量来存储至少几分钟的超声扫描数据的帧。超声扫描数据的帧以根据其采集顺序或时间易于从其取回的方式存储。图像缓冲器136可体现为任何已知的数据存储介质。
显示系统134可为能够将视觉信息传送给用户的任何设备。例如，显示系统134可包括液晶显示器、发光二极管显示器、和/或任何合适的一种或多种显示器。显示系统134可能够操作以呈现超声图像和/或任何合适的信息。
档案138可以是与超声系统100集成和/或可通信地耦接(例如，通过网络)到超声系统100的一个或多个计算机可读存储器，诸如图像归档和通信系统(PACS)、服务器、硬盘、软盘、CD、CD-ROM、DVD、紧凑存储器、闪存存储器、随机存取存储器、只读存储器、可电擦除和可编程只读存储器，和/或任何合适的存储器。档案138可包括例如由信号处理器132访问和/或与信号处理器132结合的数据库、库、信息集或其他存储器。例如，档案138能够暂时或永久地存储数据。档案138可能能够存储医学图像数据、由信号处理器132生成的数据和/或信号处理器132可读取的指令等。
超声系统100的部件可在软件、硬件、固件等中实现。超声系统100的各种部件可以通信地连接。超声系统100的部件可单独实现和/或以各种形式集成。例如，显示系统134和用户输入设备130可集成为触摸屏显示器。另外，虽然将超声系统100被描述为包括接收波束形成器120、RF处理器124和信号处理器132，但是本公开的各种实施方案可使用各个数量的处理器。例如，执行代码的各种设备通常可被称为处理器。各种实施方案可将包括RF处理器124和信号处理器132中的每一者的这些设备中的每个设备称为处理器。此外，可能存在其他处理器来另外执行被描述为由包括接收波束形成器120、RF处理器124和信号处理器132的这些设备执行的任务，并且为了便于描述，所有这些处理器均可被称为“处理器”。
某些应用可能希望驱动足够硬的CMUT，使得它们以塌缩模式操作。即，顶部电极被驱动至底部电极。这可准许CMUT在操作期间提供更高水平的声功率、更高的线性度和更宽的带宽。然而，这可能导致顶部电极接触底部电极，从而导致电极的电路短路，这可造成CMUT结构的永久性损坏。为了避免该问题，将一个或多个绝缘层或凸块夹置在底部电极和顶部电极之间。电可靠性问题通常基本上源于薄介电绝缘层中捕获的电荷引起的充电问题。虽然已付出各种努力来克服该问题，但迄今为止工业CMUT设备还无法克服由于可靠性问题而在塌缩模式中操作相关联的问题。产生被捕获电荷的两个最重要原因是CMUT的制造过程，以及CMUT操作期间间隙中的强电场。
电荷可被捕获在表面上或者在可存在于常规CMUT中的介电绝缘层内。根据叠加在DC偏置上的驱动信号的振幅和频率，被捕获电荷以非预期效果屏蔽电极表面。另外，此类电荷可在塌缩之后的膜快速回缩期间引起问题。
虽然学术界和工业界都提供了一些解决方案，包括使用PostCMUT、间隔件(膜凸块)、延长的边缘绝缘体厚度等，但这些方法仅将充电问题局限在了较小的区域内。电荷捕获仍然发生，并且因此仍然存在问题。
本公开的各种实施方案提供了隔离顶部电极和底部电极的高接触电阻材料。对于双电极系统，比接触电阻率(Rc)在实验上定义为V＝0时I-V曲线的斜率，并且在数学上定义为：
其中J是电流密度。比接触电阻率的单位是Ω*cm2。当电流是电压的线性函数时，该设备被称为具有欧姆接触。接触电阻可不同于材料的体积电阻率。
具有更高欧姆接触电阻的材料来自例如元素周期表的半绝缘III-V材料或II-VI材料，像砷化镓(GaAs)、碲化镉锌(CdZnTe)等。在半导体工业中，此类材料可广泛用于晶体管和传感器，但仅通过金属沉积来基本上降低接触电阻。此类材料的电接触电阻率可为例如大于107Ω*cm2。接触电阻现象主要表现为电极或电极接触区域附近的高瞬态电阻。此类材料的接触电阻可与体电阻相当，或在一些情况下比体电阻高得多。例如，可使用原子层沉积工艺来沉积此类材料的薄层。
因此，可以看出，相对于塌缩电极，在没有由电介质中捕获的电荷引起的问题的情况下，可使用此类高接触电阻材料的层或接触间隔件。另外，DC偏置要求是相对于塌缩电压为基准的。DC偏置电压主要与顶部电极和底部电极之间的有效间隙高度相关。使用电介质的有效间隙高度是静态间隙和由绝缘层材料的介电常数缩放的电介质厚度之和。类似地，使用高接触电阻材料的有效间隙高度是静态间隙和由高接触电阻材料的介电常数缩放的高接触电阻材料的厚度之和。
塌缩电压Vcol的公式在下面的公式2和3中示出：
其中，K为膜刚度，ε0为自由空间的介电常数，并且A为设备面积。有效间隙高度由下式给出：
其中g0是真空/空气间隙，tr是高接触电阻层厚度，并且εr是绝缘材料的介电常数。
因此，可以看出，使用比绝缘介电材料更薄的高接触电阻材料的CMUT可降低特定CMUT配置的DC需求，并因此增加发射和接收灵敏度。另外，使用高接触电阻材料去除了电介质充电效应和其他功能复杂性，因此增加了设备的可靠性。
应当指出的是，虽然高接触电阻材料可来自元素周期表的III-V材料或II-VI材料，但是本公开的各种实施方案可使用提供合适的高接触电阻特性的其他材料。
图2至图17例示了可与高接触电阻材料一起使用的电容式显微机械加工的超声换能器的各种配置的横截面。虽然示出了一些配置，但是应当理解，本公开允许也可以用于CMUT的各种其他配置。
图2至图4例示了在顶部电极和/或底部电极上使用高接触电阻层的电容式显微机械加工的超声换能器的各种示例。例如，图2包括CMUT 200的横截面视图，其具有顶部电极202、底部电极204、侧壁206和208、由高接触电阻材料制成的顶部层210以及可填充有气体(诸如例如空气)或者可包括一定程度的真空的间隙212。因此，侧壁206/208可限定包括顶部高接触电阻层210和间隙212的有效间隙(geff)。
通常，虽然包括图2在内的各个附图在横截面视图中示出了看似分离的侧壁206/208，但是应当理解，侧壁206/208可以是连续侧壁的一部分，或者可以是分开的侧壁。
图3类似于图2，不同之处在于存在由高接触电阻材料制成的底部层211，而不是顶部层210。因此，侧壁206/208可限定包括底部层211和间隙212的有效间隙(geff)。
虽然图2和图3以及其他附图将顶部层210和底部层211示出为从侧壁206延伸到侧壁208，但是本公开的各种实施方案可具有在侧壁206和/或208下方延伸的顶部层210和/或底部层211。
虽然图2和图3以及其他附图示出了顶部层210和底部层211从侧壁206延伸到侧壁208，但是顶部层202和/或底部层204可仅延伸侧壁206和208之间宽度的一部分。
图4结合了图2和图3，使得存在顶部层210和底部层211。因此，侧壁206/208可限定包括顶部层210和底部层211以及间隙212的有效间隙(geff)。
顶部层210和/或底部层211可基本上在CMUT的X-Z平面中的区域上方延伸，或在X-Z平面中的部分区域上方延伸。当层210/211在X-Z平面中形成部分区域时，其可被称为凸块。就面积而言，凸块可为不同的尺寸。图5至图18示出了为CMUT长度的一小部分的凸块。然而，本公开的各种实施方案不需要如此限制。
图5至图7例示了使用由高接触电阻材料制成的凸块的电容式显微机械加工的超声换能器的各种示例。凸块510、610、710中的每一者可基本上居中，例如，跨顶部电极202的宽度(例如，沿CMUT的方向X)。然而，本公开的各种实施方案可将凸块放置在不居中的不同位置。凸块可以是各种形状，诸如例如矩形凸块510、三角形凸块610和圆形凸块710。因此，侧壁206/208可限定包括凸块510、610或710和间隙212的有效间隙(geff)。
另外，由于图5至图7示出了CMUT 500-700的相应横截面视图，每个凸块可延伸到CMUT的Z方向中(进入和离开纸张)，或在Z方向上可存在多个凸块。另外，如所示出的凸块的横截面，凸块可包括任何形状，其中凸块的横截面是矩形、三角形、圆形等。在X方向上存在单个凸块的情况下，例如如图5至图7所示出的，凸块可基本上沿CMUT的X轴居中。然而，各种实施方案可将凸块放置成使得其基本上不沿CMUT的X轴居中。
图8至图10例示了电容式显微机械加工的超声换能器的各种示例，其具有位于顶部电极202上的凸块510、610或710以及位于底部电极204上的高接触电阻层211。例如，图8示出了包括矩形凸块510和底部层211的CMUT 800的横截面视图。图9示出了包括三角形凸块610和底部层211的CMUT 900的横截面视图。图10示出了包括圆形凸块710和底部层211的CMUT 1000的横截面视图。因此，侧壁206/208可限定包括凸块510、610或710、底部高接触电阻层211和间隙212的有效间隙(geff)。
图11至图12例示了具有位于顶部电极202上的多个高接触电阻凸块510的电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的示例。虽然示出了两个凸块510，但是可存在多于两个凸块510。另外，虽然凸块510被示出为基本上跨顶部电极202的宽度居中(例如，沿方向X)，但是本公开的各种实施方案可将凸块510放置在不同的位置处。图11例示了类似于图5中所示出的CMUT 500的配置，不同之处在于存在两个凸块510。因此，侧壁206/208可限定包括凸块510和间隙212的有效间隙(geff)。
图12例示了类似于图8中所示出的CMUT 800的配置，不同之处在于存在两个凸块510。因此，侧壁206/208可限定包括凸块510、底部高接触电阻层211和间隙212的有效间隙(geff)。
在X方向上存在多个凸块的情况下，如例如图11至图12、图14和图17和图18所示出的，凸块作为单元可沿CMUT的X轴基本上居中。然而，各种实施方案可放置凸块，使得其不作为单元沿CMUT的X轴基本上居中。因此，各个凸块中的任何凸块可沿着CMUT的维度放置在不同的位置。
图13例示了类似于图5的CMUT 500的示例性电容式显微机械加工的超声换能器，不同之处在于示出了位于底部电极204上的高接触电阻凸块511，而不是位于底部电极202上的高接触电阻凸块510。因此，侧壁206/208可限定包括凸块511和间隙212的有效间隙(geff)。
图14例示了类似于图11的CMUT 1100的示例性电容式显微机械加工的超声换能器，不同之处在于示出了位于底部电极204上的高接触电阻凸块511，而不是位于底部电极202上的高接触电阻凸块510。因此，侧壁206/208可限定包括凸块511和间隙212的有效间隙(geff)。
图15例示了示例性电容式显微机械加工的超声换能器1500，其具有位于顶部电极202上的高接触电阻凸块510以及位于底部电极204上的高接触电阻凸块511。可以注意到，顶部电极和底部电极中的一者或两者可包括一个或多个高接触电阻凸块。在顶部电极和底部电极上不存在针对底部电极或顶部电极上的第一凸块的匹配的第二凸块的情况下，第一凸块可比具有匹配凸块的凸块厚。侧壁206/208可限定包括凸块510、511和间隙212的有效间隙(geff)。
图16至图17类似于图8和图12，不同之处在于存在位于底部电极204上的一个或多个高接触电阻凸块511和位于顶部电极202上的高接触电阻层210。因此，侧壁206/208可限定包括凸块511、高接触电阻层210和间隙212的有效间隙(geff)。
图18例示了根据各种实施方案的具有位于顶部电极上的高接触电阻凸块的示例性电容式显微机械加工的超声换能器的沿Z轴的横截面视图。参考图18，示出了图5中所示出的CMUT的Y-Z平面中的横截面视图。当在图18的Y-Z平面中观察时，图5中在X-Y平面中可见的单个凸块510可为例如多个高接触电阻凸块510。虽然图18中示出了三个凸块510，但是在各种实施方案中，可存在一个凸块、两个凸块或多于三个凸块。图18中所示出的多个凸块510可例如沿CMUT 500的深度(例如，沿方向Z)基本上居中。另外，一个实施方案可具有在CMUT 500的Z方向上跨越深度长度的单个凸块510。
当从顶部(例如，X-Z平面)查看时，所公开的CMUT可具有任何几何形状。例如，CMUT可以是圆形、椭圆形、卵形、多种多边形中的一者等。另外，虽然单个凸块或多个凸块可沿CMUT的方向基本上居中，但是本公开的各种实施方案可沿CMUT的方向在各种位置放置一个或多个凸块。
另外，虽然各个附图公开了具有高接触电阻层或高接触电阻凸块的表面，但是本公开的各种实施方案可包括高接触电阻层和高接触电阻凸块的组合。
另外，电容式换能器的顶部电极202可为穿孔的，并且这可被称为穿孔板。可以注意到，当顶部电极被穿孔时，顶部层210可具有对应的穿孔或被放置在穿孔周围，以便不阻碍穿孔。类似地，当顶部电极202上存在一个或多个凸块510/610/710时，凸块510/610/710可被放置成不阻碍穿孔。
虽然相对于电容式显微机械加工的超声换能器公开了各种实施方案，但是本公开可应用于除超声换能器之外的其他类型的换能器。例如，使用绝缘层的任何类型的MEMS设备都可使用所公开的实施方案来解决一个或多个绝缘层中的充电问题。另外，虽然换能器在现场被描述为用于医学成像，但各种其他类型的成像也可以使用换能器。例如，除了对人、动物等进行超声成像之外，成像设备还可用于超声/声学感测、无损评估(NDE)、超声治疗(高强度聚焦超声(HIFU))等。
因此，如可看到的，本公开提供了一种电容式换能器，包括顶部电极和底部电极、位于该顶部电极和该底部电极之间的侧壁以及位于该顶部电极的底侧或该底部电极的顶侧中的一者或两者上的高接触电阻部分，其中该侧壁被配置为通过间隙将该顶部电极和该底部电极分开。
该高接触电阻部分可包括以下中的一者或两者：基本上跨越该顶部电极的该底侧宽度的高接触电阻层，或基本上跨越该底部电极的该顶侧宽度的高接触电阻层。该高接触电阻部分可包括高接触电阻层，该高接触电阻层跨越以下中的一者或两者：该顶部电极的该底侧宽度的至少一部分或该底部电极的该顶侧宽度的至少一部分。
该高接触电阻部分可包括沿该顶部电极的该底侧或该底部电极的该顶侧中的一者或两者的一个或多个高接触电阻凸块。该一个或多个高接触电阻凸块可例如沿电容式换能器的宽度(诸如沿电容式换能器的轴中的一个轴)基本上居中。该一个或多个高接触电阻凸块的横截面形状可为以下形状中的一者：矩形、三角形或圆形。
该一个或多个高接触电阻凸块可包括位于该顶部电极上的第一高接触电阻凸块和位于该底部电极上的第二高接触电阻凸块，该第二高接触电阻凸块对应于该第一高接触电阻凸块。
该高接触电阻部分可包括以下中的一者：位于该顶部电极的底侧上的一个或多个高接触电阻凸块和跨越该底部电极的该顶侧的宽度的至少一部分的高接触电阻层，或位于该底部电极的顶侧上的一个或多个高接触电阻凸块和跨越该顶部电极的该底侧的宽度的至少一部分的高接触电阻层。
该高接触电阻部分可包括来自元素周期表的至少III-V族或II-VI族的材料。该高接触电阻部分可包括例如砷化镓、碲化镉锌等。该高接触电阻部分的电接触电阻率可大于例如107Ω*cm2。
该间隙可填充有气体，例如空气。该电容式换能器可包括例如穿孔板。穿孔板可为例如顶部电极202。可以注意到，当顶部电极被穿孔时，顶部层210可具有类似对应的穿孔，或者顶部层210被放置在穿孔周围，以便不阻碍穿孔。类似地，当顶部电极202上存在一个或多个凸块510/610/710时，凸块510/610/710可被放置成不阻碍穿孔。
电容式换能器可被配置为使得间隙可为气密的，其中该间隙可包括例如基本上不含气体或不含空气的真空。
本公开还可提供一种电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)，包括顶部电极和底部电极，以及位于该顶部电极和该底部电极之间的侧壁。该侧壁可被配置为通过间隙将该顶部电极和该底部电极分开，其中该间隙包括基本上不含气体的真空。该CMUT还可包括位于该顶部电极的底侧或该底部电极的顶侧中的一者或两者上的高接触电阻部分，其中该高接触电阻层可包括砷化镓或碲化镉锌中的一者。该高接触电阻部分可包括高接触电阻层或高接触电阻凸块中的一者。
如本文所用，术语“电路”是指物理电子部件(即，硬件)以及可配置硬件、由硬件执行和/或以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。例如，如本文所用，当执行一条或多条第一代码时，特定处理器和存储器可包括第一“电路”，并且在执行一条或多条第二代码时，特定处理器和存储器可包括第二“电路”。如本文所用，“和/或”表示列表中的由“和/或”连结的项中的任一个或多个项。例如，“x和/或y”表示三元素集{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。作为另一个示例，“x、y和/或z”表示七元素集{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何元素。如本文所用，术语“示例性”表示用作非限制性示例、实例或例证。如本文所用，术语“例如(e.g.)”和“例如(for example)”引出一个或多个非限制性示例、实例或例证的列表。如本文所用，电路“可操作为”和/或“被配置为”每当该电路包括执行功能的必需硬件和代码(如果需要的话)时就执行该功能，不管是否通过某些用户可配置的设置禁用或不启用该功能的执行。
虽然已经参考某些实施方案来描述了本公开，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并可以替换等同物。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应于本公开的教导。因此，本公开不旨在限于所公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (10)

1.一种电容式换能器，包括：
顶部电极和底部电极；
侧壁，所述侧壁位于所述顶部电极和所述底部电极之间，其中所述侧壁被配置为通过间隙将所述顶部电极和所述底部电极分开，其中所述顶部电极和所述底部电极中的每一个延伸至少所述间隙的整个宽度；以及
高接触电阻部分，所述高接触电阻部分位于所述顶部电极的底侧或所述底部电极的顶侧中的一者或两者上，
其中在所述侧壁内且在所述顶部电极与所述底部电极之间的有效间隙由所述间隙和所述高接触电阻部分组成。
2.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述高接触电阻部分包括以下中的一者或两者：
高接触电阻层，所述高接触电阻层基本上跨越所述顶部电极的所述底侧的宽度；以及
高接触电阻层，所述高接触电阻层基本上跨越所述底部电极的所述顶侧的宽度。
3.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述高接触电阻部分包括高接触电阻层，所述高接触电阻层跨越以下中的一者或两者：
所述顶部电极的所述底侧的宽度的至少一部分；以及
所述底部电极的所述顶侧的宽度的至少一部分。
4.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述高接触电阻部分包括沿所述顶部电极的所述底侧或所述底部电极的所述顶侧中的一者或两者的一个或多个高接触电阻凸块。
5.根据权利要求4所述的电容式换能器，其中所述一个或多个高接触电阻凸块基本上沿所述电容式换能器的宽度居中。
6.根据权利要求4所述的电容式换能器，其中所述一个或多个高接触电阻凸块的横截面形状是矩形、三角形或圆形中的一者。
7.根据权利要求4所述的电容式换能器，其中所述一个或多个高接触电阻凸块包括所述顶部电极上的第一高接触电阻凸块和所述底部电极上的第二高接触电阻凸块，所述第二高接触电阻凸块对应于所述第一高接触电阻凸块。
8.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述高接触电阻部分包括以下中的一者：
所述顶部电极的底侧上的一个或多个高接触电阻凸块，以及跨越所述底部电极的所述顶侧的宽度的至少一部分的高接触电阻层；或者
所述底部电极的顶侧上的一个或多个高接触电阻凸块，以及跨越所述顶部电极的所述底侧的宽度的至少一部分的高接触电阻层。
9.一种电容式显微机械加工的换能器，包括：
顶部电极和底部电极；
侧壁，所述侧壁位于所述顶部电极和所述底部电极之间，其中所述侧壁被配置为通过间隙将所述顶部电极和所述底部电极分开，其中所述顶部电极和所述底部电极中的每一个延伸至少所述间隙的整个宽度，并且其中所述间隙包括基本上不含气体的真空；以及
高接触电阻部分，所述高接触电阻部分位于所述顶部电极的底侧或所述底部电极的顶侧中的一者或两者上，
其中所述高接触电阻层包括砷化镓或碲化镉锌中的一者，并且其中在所述侧壁内且在所述顶部电极与所述底部电极之间的有效间隙由所述间隙和所述高接触电阻部分组成。
10.根据权利要求9所述的电容式显微机械加工的换能器，其中所述高接触电阻部分包括高接触电阻层或高接触电阻凸块中的一者。
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