CN117280205A - 具有谐波特性的压电收发器的成像设备 - Google Patents
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Abstract
描述了具有凸形或凹形电极的微机械超声换能器(MUT)以及制造该微机械超声换能器的方法，该微机械超声换能器在基本频率和谐波频率下驱动时具有增强的压力振幅和频率响应行为。
Description
相关申请的交叉引用
本申请的主题涉及：美国专利申请第16/833,333号(代理人案卷第48396-719.301号)；美国专利申请第16/837,800号(代理人案卷第48396-718.401号)；美国专利第10,656,007号(代理人案卷第48397-718.201号)；以及美国专利第10,648,852号(代理人案卷第48396-719.201号)，它们通过引用并入本文。
背景技术
技术领域
本发明涉及一种成像设备，更具体地说，涉及一种具有微机械超声换能器(micromachined ultrasound transducer,MUT)的成像设备，当在基本频率和谐波频率下驱动时，MUT表现出增强的压力振幅和频率响应行为。
背景
一种用于对人体内部器官进行成像并显示器官的图像的非侵入式成像系统，其将信号发送到人体中并接收从器官反射的信号。通常，在成像系统中使用的换能器(例如电容式换能器(cMUT)或压电式换能器(pMUT))被称为收发器，收发器中的一些基于光声效应或超声效应。
通常，MUT包括两个或更多个电极，电极的拓扑影响MUT的电学性能和声学性能两者。例如，pMUT产生的声压振幅随着电极大小的增加而增加，从而提高pMUT的声学性能。然而，随着电极大小的增加，电容也增加，从而降低pMUT的电学性能。在另一个示例中，pMUT的振动谐振频率下的声压振幅受到电极形状的影响。因此，需要一种用于设计电极以增强换能器的声学性能和电学性能的方法。
发明内容
在实施例中，微机械超声换能器(MUT)包括顶部电极。顶部电极的形状由长轴和短轴限定，其中，长轴和短轴在原点处相交。顶部电极的两个远端(即，在长轴方向上距原点最远的顶部电极的端部)两者由曲率半径R限定。顶部电极的特征宽度L在短轴(即，垂直于长轴)方向上从原点被测量到顶部电极外边缘或外周。当曲率半径与特征宽度之比R/L大于1时，顶部电极在其端部处比其在中部处的宽度更宽，并且电极具有大致凹形的几何形状。当曲率半径与特征宽度之比R/L小于1时，顶部电极在其端部处比其在中部处的宽度更窄，并且电极具有大致凸形的几何形状。如本文更详细地阐述的，无论配置有凹形还是凸形的几何形状，相对于现有的电极形状设计，具有特定R/L值或在特定值范围内的电极在以基本频率和谐波频率驱动时都表现出期望的压力振幅和频率响应行为。凹形或凸形电极沿轴的面密度分布具有多个局部最大值，其中，多个局部最大值的位置与振动谐振频率下的多个反节点所在的位置重合。
在实施例中，微机械超声换能器(MUT)包括对称的凸形顶部电极。对称的凸形电极沿轴的面密度分布具有多个局部最大值，其中，多个局部最大值的位置与振动谐振频率下的多个反节点所在的位置重合。
在实施例中，换能器阵列包括多个微机械超声换能器(MUT)。多个MUT中的每一个包括对称的凸形顶部电极。
在实施例中，一种成像设备包括换能器阵列，该换能器阵列具有多个微机械超声换能器(MUT)。多个MUT中的每一个包括对称的凸形顶部电极。对称的凸形电极沿轴的面密度分布具有多个局部最大值，并且其中，多个局部最大值的位置与振动谐振频率下的多个反节点所在的位置重合。
在实施例中，微机械超声换能器(MUT)包括对称的凹形顶部电极。对称的凹形电极沿轴的面密度分布具有多个局部最大值，其中，多个局部最大值的位置与振动谐振频率下的多个反节点所在的位置重合。
在实施例中，换能器阵列包括多个微机械超声换能器(MUT)。多个MUT中的每一个包括对称的凹形顶部电极。
在实施例中，一种成像设备包括换能器阵列，该换能器阵列具有多个微机械超声换能器(MUT)。多个MUT中的每一个包括对称的凹形顶部电极。对称的凹形电极沿轴的面密度分布具有多个局部最大值，并且其中，多个局部最大值的位置与振动谐振频率下的多个反节点所在的位置重合。
在第一方面中，提供一种微机械超声换能器(MUT)。MUT包括第一电极，第一电极具有沿第一轴的第一端和第二端。第一端或第二端中的一个或更多个由曲率半径R限定。第二轴穿过第一轴的中点，其中，第二轴垂直于第一轴。第一电极的半宽由在第二轴方向上从中点到第一电极的外周测量的长度L限定。第一电极在其沿第一轴的最宽点处的总宽度是L的至少两倍，使得第一电极具有凸形形状并且R/L小于1。
在实施例中，MUT是电容式微机械超声换能器(cMUT)。
在实施例中，MUT是压电式微机械超声换能器(pMUT)。
在实施例中，第一轴沿第一电极具有最长尺寸的方向延伸。
在实施例中，第二轴沿第一电极具有最短尺寸的方向延伸。
在实施例中，MUT还包括衬底、膜、第二电极和压电层；膜从衬底悬置；第二电极设置在膜上；压电层设置在第一电极或第二电极中的一个或更多个上。在一些实施例中，压电层包括设置在第二电极上的第一压电层。在一些实施例中，MUT还包括设置在第一压电层上的第三电极以及设置在第三电极上的第二压电层，其中，第一电极设置在第二压电层上。在实施例中，压电层由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AIN、Sc-AIN、ZnO、PVDF和LiNiO3中的至少一种形成。
在另一方面，提供一种成像设备。该成像设备包括换能器阵列，该换能器阵列包括多个微机械超声换能器(MUT)，多个MUT中的每一个包括凸形电极。
在另一个方面，提供一种MUT。MUT包括第一电极，该第一电极具有沿第一轴的第一端和第二端。第一端或第二端中的一个或更多个由曲率半径R限定。第二轴穿过第一轴的中点，其中，第二轴垂直于第一轴。第一电极的半宽由在第二轴方向上从中点到第一电极的外周测量的长度L限定。第一电极在其沿第一轴的最窄点处的总宽度小于2L，使得第一电极具有凹形形状并且R/L大于1。
在实施例中，MUT是电容式微机械超声换能器(cMUT)。
在实施例中，MUT是压电式微机械超声换能器(pMUT)。
在实施例中，第一轴沿第一电极具有最长尺寸的方向延伸。
在实施例中，第二轴沿第一电极具有最短尺寸的方向延伸。
在实施例中，MUT还包括衬底、膜、第二电极和压电层；膜从衬底悬置；第二电极设置在膜上；压电层设置在第一电极或第二电极中的一个或更多个上。在一些实施例中，压电层包括设置在第二电极上的第一压电层。在一些实施例中，MUT还包括设置在第一压电层上的第三电极以及设置在第三电极上的第二压电层，其中，第一电极设置在第二压电层上。在实施例中，压电层由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AIN、Sc-AIN、ZnO、PVDF和LiNiO3中的至少一种形成。
在另一方面，提供一种成像设备。该成像设备包括换能器阵列，该换能器阵列包括多个微机械超声换能器(MUT)，多个MUT中的每一个包括凹形电极。
参引合并
该说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，其程度与每个单独的出版物、专利或专利申请被明确且单独地指示以通过引用并入的程度相同。
附图说明
将参考本发明的实施例，本发明的示例可在附图中说明。这些附图旨在说明而非限制。尽管本发明通常是在这些实施例的上下文中描述的，但是应当理解，其并不旨在将本发明的范围限于这些特定实施例。
图(或“图”)1示出根据本公开实施例的成像系统。
图2示出根据本公开实施例的成像器的示意图。
图3A示出根据本公开实施例的收发器阵列的侧视图。
图3B示出根据本公开实施例的收发器瓦片(tile)的俯视图。
图4A示出根据本公开实施例的沿图4B和图4D中的方向4-4截取的可应用于凹形或凸形MUT的MUT的截面图。
图4B示出根据本公开实施例的凹形MUT的俯视图。
图4C示出根据本公开实施例的凹形MUT的替代俯视图。
图4D示出根据本公开实施例的凸形MUT的俯视图。
图4E示出根据本公开实施例的凸形MUT的替代俯视图。
图4F示出根据本公开实施例的沿图4B和图4D中的方向4-4截取的可应用于凹形或凸形MUT的另一MUT的截面图。
图5A示出根据本公开实施例的具有凹形配置的MUT的声学响应的曲线图。
图5B示出根据本公开实施例的具有凸形配置的MUT的声学响应的曲线图。
图6A至图6C示出根据本公开实施例的凹形和凸形MUT的振动模式形状。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释的目的，为了提供对本公开的理解，阐述了具体细节。然而，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，在没有这些细节的情况下可以实践本公开。此外，本领域技术人员将认识到，以下描述的本公开的实施例可以以多种方式实现，例如过程、装置、系统或设备。
图中所示的元件/部件是本公开示例性实施例的说明，旨在避免混淆本公开。说明书中对“一个实施例”、“优选实施例”、“实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本公开的至少一个实施例中，并且可以在多于一个实施例中。说明书中各个地方的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在实施例中”的出现不一定都指相同的一个或多个实施例。术语“包括(include)”、“包含(including)”、“包括(comprise)”和“包含(comprising)”应理解为开放术语，以下任何列表均为示例，并不限于所列项。本文中使用的任何标题仅用于组织目的，不得用于限制说明书或权利要求的范围。此外，在说明书的各个地方中使用某些术语是为了说明，而不应被解释为限制。
图1示出根据本公开实施例的成像系统100的示意图。如图所示，系统100可以包括成像器120和设备102；成像器120在发送模式/过程中产生压力波122并将压力波122向诸如心脏的内部器官112发送，并且接收从内部器官反射的压力波；设备102通过通信信道130向成像器发送和接收信号。在实施例中，内部器官112可以朝向成像器120反射压力波122的一部分，成像器120可以捕获反射的压力波并在接收模式/过程中产生电信号。成像器120可以将电信号传送到设备102，设备102可以使用电信号在显示器/屏幕104上显示器官或目标的图像。
在实施例中，成像器120也可以用于获得动物内部器官的图像。成像器120还可以用于确定如在多普勒模式成像中动脉和静脉中血流的方向和速度，并且还可以测量组织硬度。在实施例中，压力波122可以是声波，其可以穿过人体/动物体并被内部器官、组织或动脉和静脉反射。
在实施例中，成像器120可以是便携式设备，成像器120可以通过通信信道130与设备102无线地(使用诸如802.11协议之类的协议)或经由电缆(诸如USB 2、USB 3、USB 3.1、USB-C和USB雷电)传送信号。在实施例中，设备102可以是移动设备，例如手机或iPad或可以向用户显示图像的固定计算设备。
在实施例中，多于一个成像器可以用于显影目标器官的图像。例如，第一成像器可以向目标器官发送压力波，而第二成像器可以接收从目标器官反射的压力波，并响应于接收到的波产生电荷。
图2示出根据本公开实施例的成像器120的示意图。在实施例中，成像器120可以是超声成像器。如图2中所描绘的，成像器120可以包括：收发器瓦片210、涂层212、控制单元202、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)214、电路215、吸声层203、通信单元208、存储器218、电池206以及可选地显示器217；收发器瓦片210用于发送和接收压力波；涂层212用作用于设置压力波的传播方向和/或聚焦压力波的透镜，并且还用作收发器瓦片和人体110之间的声学阻抗界面；控制单元202(例如ASIC芯片(或简称ASIC))用于控制收发器瓦片210并通过凸块耦接至换能器瓦片210；现场可编程门阵列(FPGA)214用于控制成像器120的部件；电路215(例如模拟前端(Analogue Front End,AFE))用于处理/调节信号；吸声层203用于吸收由换能器瓦片210产生并向电路215传播的波；通信单元208用于通过一个或更多个端口216与诸如设备102之类的外部设备传送数据；存储器218用于存储数据；电池206用于向成像器的部件提供电力；显示器217用于显示目标器官的图像。
在实施例中，设备102可以具有显示器/屏幕。在这种情况下，显示器可以不包括在成像器120中。在实施例中，成像器120可以通过端口216中的一个从设备102接收电力。在这种情况下，成像器120可以不包括电池206。注意，成像器120的部件中的一个或更多个可以组合成一个整体的电学元件。同样地，成像器120中的每个部件可以在一个或更多个电学元件中实现。
在实施例中，用户可以在人体110与涂层212直接接触之前在人体110的皮肤上涂抹凝胶，从而可以改善涂层212和人体110之间界面处的阻抗匹配，即，减小压力波122在界面处的损耗，也减小朝向成像器120行进的反射波在界面处的损耗。在实施例中，收发器瓦片210可以安装在衬底上，并且可以附接到吸声层。该层吸收以相反方向发射的任何超声信号，否则这些超声信号可能被反射并干扰图像的质量。
如下面所讨论的，涂层212可以仅仅是为了使声学信号从换能器到身体的传输最大化的平坦的匹配层，反之亦然。在这种情况下不需要波束聚焦，因为它可以在控制单元202中以电子方式实现。成像器120可以使用反射的信号来创建器官112的图像，结果可以以各种格式(例如在具有或不具有器官112的图像的情况下示出的图、曲线图和统计数据)显示在屏幕上。
在实施例中，控制单元202(例如ASIC)可以与收发器瓦片组装为一个单元。在其他实施例中，控制单元202可以位于成像器120之外，并经由电缆电耦接至收发器瓦片210。在实施例中，成像器120可以包括包围部件202-215的外壳和用于耗散部件产生的热能的散热机构。
图3A示出根据本公开实施例的收发器阵列200的侧视图。图3B示出根据本公开实施例的收发器瓦片210的俯视图。在实施例中，阵列200可以包括一个或更多个收发器瓦片210。如图所示，收发器阵列200可以包括以预设方式布置的一个或更多个收发器瓦片210。例如，如图3A中所示，收发器瓦片(或简称为瓦片)210可以被物理地弯曲以进一步形成弯曲的收发器阵列，并且被布置在成像器120中。本领域普通技术人员应当清楚的是，成像器120可以包括任何合适数量的瓦片，并且瓦片可以以任何合适的方式布置，每个瓦片210可以包括任何合适数量的压电元件302，压电元件302具有如本文更详细描述的凹形或凸形形状，压电元件302设置在收发器衬底304上。在衬底304上，可以放置一个或多个数量的温度传感器320，以便在操作期间监测收发器瓦片210的温度。在实施例中，收发器阵列200可以是由衬底制造的微机械阵列。
图4A示出根据本公开实施例的MUT 400的截面图。根据本公开实施例，图4A的截面图可应用于凹形或凸形MUT。如图所示，凹形或凸形MUT可以包括膜层406、第一(例如，底部)电极(O)408、压电层410以及第二(例如，顶部)电极(X)412；膜层406从衬底402悬置；第一(例如，底部)电极(O)408设置在膜层(或简称为膜)406上；压电层410设置在底部电极(O)408上；第二(例如，顶部)电极(X)412设置在压电层410上。
在实施例中，衬底402和膜406可以是一个整体，并且可以形成空腔404以限定膜406。在实施例中，空腔404可以填充有预设压力的气体或声学阻尼材料，以控制膜406的振动。在实施例中，顶部电极412的投影区域的几何形状可以被配置为具有特征几何参数的大致凹形或凸形形状，以控制MUT 400的动态性能和电容大小。
在实施例中，每个MUT 400可以是pMUT并且包括由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF和LiNiO3中的至少一种形成的压电层。在替代实施例中，每个MUT 400可以是cMUT。
在实施例中，每个MUT 400可以包括额外的电极和/或PZE层。例如，如图4F中所示，MUT 400(无论是凹形、凸形还是所需的其他形状)可以包括膜层406、第一电极(O)408、第一压电层410、第二电极414、第二压电层410以及第三电极(X)412；膜层406从衬底402悬置；第一电极(O)408设置在膜层(或简称为膜)406上；第一压电层410设置在第一电极(O)408上；第二电极414设置在第一压电层410上；第二压电层410设置在第二电极414上；第三电极(X)412设置在第二压电层410上。可以根据需要添加额外的压电层410和电极。在至少一些情况下，添加额外的压电层和/或电极(即，“夹持”电极和压电层)增加MUT 400的振幅/dB输出。
在图4B-图4E中，每个MUT 400显示为具有凹形或凸形形状。在实施例中，每个凹形MUT可以包括当从MUT 400的顶部查看时具有凹形形状的顶部电极。在实施例中，每个凸形MUT可以包括当从MUT 400的顶部查看时具有凸形形状的顶部电极。在下文中，术语“顶部电极412的形状”是指通过将顶部电极投影到x-y平面上而获得的顶部电极的二维形状。此外，如果顶部电极的形状相对于两条线450和452对称，则该形状被称为对称，其中，线450和454分别平行于x轴和y轴，并且穿过顶部电极在x轴上的中点。此外，在下文中，x轴(在本文中也称为长轴)沿顶部电极具有最长尺寸的方向延伸。y轴(在本文中也称为短轴)沿垂直于x-y平面中的x轴或长轴的方向、沿顶部电极具有最短尺寸的方向延伸。
无论是图4B-图4C的凹形MUT还是图4D-图4E的凸形MUT，顶部电极的形状都由长轴和短轴限定，其中，长轴和短轴在原点处相交。顶部电极的两个远端(即，在长轴方向上距原点最远的顶部电极的端部)(在本文中也称为电极的“头部”)由曲率半径R限定。顶部电极的特征半宽(在本文中也称为电极的“脚部”)由在短轴(即，垂直于长轴)方向上从原点到电极外边缘或外周测量的长度L限定。电极在其最窄点(如果是凹形MUT)或其最宽点(如果是凸形MUT)处的总宽度是L的两倍(即，2L)。电极的头部和脚部之间的电极边缘可以是弯曲的或直的。
替代地，电极的头部可以是直的，或者由不完全是圆形的其他曲率几何形状限定。在至少一些情况下，避免产生集中机械应力的局部区域的头部或其他几何形状可能是有益的，这可能会导致局部机械或材料失效模式，例如如果头部(或例如脚部)由在尖锐点处会聚的两条直线限定，则可能会产生局部机械或材料失效模式。
在一些实施例中，头部不需要是圆形的，但也可以由非圆形曲率(诸如抛物线的曲率)限定，但不限于此。圆形电极头可以由曲率半径R限定，而抛物线形头的相关参数可以是抛物线的半通径(semilatus rectum)，该半通径限定为抛物线焦点和顶点之间的距离的两倍。此外，头部和脚部之间的周长可以由直线或曲率限定，并且仍然在本发明的范围内。
如图4B-图4C中所示，当曲率半径与特征宽度之比R/L大于1时，顶部电极在其端部或头部处比其在中部或脚部处的宽度更宽，并且电极具有大致凹形的几何形状。如本领域普通技术人员将理解的，通过改变R/L之比(只要R/L大于1，即，R>L)，这种凹形MUT几何形状的变化是可能的，并且仍然在该公开的范围内。例如，对于具有43微米的头部曲率半径R的顶部电极，在约37微米和41微米之间的合适的脚部宽度L将落入该公开的范围内，并且当在基本频率和谐波频率下驱动时顶部电极表现出增强的压力振幅和频率响应行为，如在本文中进一步描述的。另一方面，如果R/L太大，从而头部半径或曲率R远大于脚部宽度L，则当以基本频率和谐波频率驱动时，顶部电极可能不会表现出期望的压力振幅和频率响应行为，甚至可能经历结构故障。
如图4D-图4E中所示，当曲率半径与特征宽度之比R/L小于1时，顶部电极在其端部处比其中部处的宽度更窄，并且电极具有大致凸形的几何形状。如本领域普通技术人员所理解的，通过改变R/L之比(只要R/L小于1，即，R＜L)，这种凸形MUT几何形状的变化是可能的，并且仍然在该公开的范围内。例如，对于具有43微米的头部曲率半径R的顶部电极，在约43.1微米和500微米之间的合适的脚部宽度L将落入本公开的范围内，并且当在基本频率和谐波频率下驱动时顶部电极表现出增强的压力振幅和频率响应行为，如在本文中进一步描述的。另一方面，如果R/L太小，从而头部半径或曲率R远小于脚部宽度L，则当以基本频率和谐波频率驱动时，顶部电极遭受不期望的压力振幅和频率响应行为，甚至可能经历结构故障。
无论配置有凹形还是凸形几何形状，相对于某些现有电极形状设计，具有特定R/L值或在某些R/L值范围内的电极在以基本频率和谐波频率驱动时都表现出期望的压力振幅和频率响应行为。凹形或凸形电极沿轴的面密度分布具有多个局部最大值，其中，多个局部最大值的位置与振动谐振频率下的多个反节点所在的位置重合。通常，声压性能是指在某个频率下由每个MUT产生的声压波的能量，可以在该频率下随着MUT的峰值振幅增加而增加。
比率或R/L可由MUT的期望行为驱动。改变电极的R/L参数(并因此改变电极的几何形状)会改变电极的压力振幅和频率响应行为。R/L可以是大的或小的，没有限制，只要电极表现出期望的压力振幅和/或频率响应行为即可。特定换能器的设计要求可以由诸如换能器最终使用情况(例如，工业、医疗诊断等)、功率要求、操作模式要求等因素决定，特定换能器的设计要求告知由特定R/L几何形状表现出的压力振幅和频率响应是可接受的或可取的。诸如制造和材料能力之类的附加考虑可能进一步限制期望的或可用的范围可接受的R/L范围。
图5A-图5B示出根据本公开实施例的具有凹形配置的MUT和具有凸形配置的MUT的声学响应的示例性理想化曲线500和510。图5A示出凹形MUT 504(例如，R/L＞1)与R/L＝1的MUT 502相比声学功率如何随频率变化的理想化曲线500。图5B示出凸形MUT 514(例如，R/L<1)与R/L＝1的MUT 512相比的声学功率如何随频率变化的理想化曲线510。对于凹形MUT504，如箭头506所示，随着R/L增加，与MUT 502相比，功率-频率曲线向右移动。对于凸形MUT514，如箭头516所示，随着R/L减小，与MUT 512相比，功率-频率曲线向上偏移。
对凹形或凸形MUT几何形状的进一步修改，包括改变膜(例如，硅膜)的厚度、或者在膜的外围处添加单个或双凹口(使得膜表现为更像固定的梁或弹簧，而不是悬臂梁)，可以提供进一步增强的性能特性。这种修改的示例可以在美国专利申请第17/018,304号和第15/820,319号中找到，它们通过引用并入本文。
图6A至图6C示出根据本公开实施例的三种振动模式600、610、620。在图6A至图6C中，为了说明的目的，MUT 602、612和622中的每一个，无论是凹形的还是凸形的，都由单线表示，其中，每条单线示出MUT中的叠层的曲率。在操作期间，具有膜406、底部电极408、压电层410和顶部电极412的叠层可以作为单个主体在垂直方向上移动，并且可以变形为具有x-z平面上的单线的曲率。此外，对应于不同振动模式的线602、612和622示出在不同振动模式下堆叠的曲率。通常，凹形MUT和凸形MUT的谐振特性彼此相似，尽管局部增益可以根据MUT是凹形还是凸形而改变。在一些情况下，凸形几何形状或凹形几何形状的选择可以通过在某些感兴趣的频率下实现的增益改进来驱动。
在实施例中，三种振动模式600、610和620可以分别与三个振动谐振频率f1、f2和f3相关联。在图6A至图6C中，仅示出三种振动模式。然而，对于本领域的普通技术人员来说应该显而易见的是，凹形或凸形MUT可以在多于三种振动谐振模式(或简称为振动模式)中操作。
在图6A中，凹形或凸形MUT 602可以在第一振动模式600中操作，其中，箭头604指示MUT 602(更具体地，叠层)在第一模式600中在垂直方向上移动。在实施例中，第一振动模式600可以是对称的，即，模式形状相对于MUT的中心线606对称。在实施例中，MUT 602的顶部电极的形状可以是对称的，并且可以是凹形或凸形，如图4B-图4E中所示。
在图6B中，MUT 612可以在第二振动模式610中操作。在实施例中，第二振动模式610可以是对称的，即，模式形状相对于中心线606对称。在下文中，术语“对称振动模式”指的是这样的振动模式，其中，诸如615、616和617(即，峰值振幅)的反节点的位置相对于中心线606对称地布置，并且中心线606表示平行于z轴并且穿过MUT在x轴上的中点的线。
在第二振动模式610中，MUT 612可以具有两个节点和三个反节点(或者等效地，三个峰值振幅点)615、616和617。在实施例中，MUT 612的顶部电极的形状可以是对称的，并且可以是凹形或凸形，如图4B-图4E中所示。
在图6C中，MUT 622可以在第三振动模式620中操作。在实施例中，第三振动模式620可以是对称的，即，模式形状相对于中心线606对称。在第三振动模式中，MUT 622可以具有四个节点和五个反节点(即五个峰值振幅点)624、625、626、627和628。在实施例中，MUT622的顶部电极的形状可以是对称的，并且可以是凹形或凸形，如图4B-图4E中所示。
通常，声压性能是指在某个频率下由每个MUT产生的声压波的能量，可以随着该频率下MUT的峰值振幅的增加而增加。然而，相对于总面积相同或相似的凸形MUT，凹型MUT在远端处的局部面积分布比在中部的局部面积分布更大(即，R>L)。因此，相对于相同或相似面积的凸形MUT，凹形MUT能够(特别是在谐波频率下)输出更高的声压振幅。
注意，图3中的每个MUT 302可以是压电式微机械超声换能器(pMUT)。然而，对于本领域的普通技术人员来说应该显而易见的是，收发器瓦片210可以包括电容式微机械超声换能器(cMUT)的阵列，即，压电元件302可以由cMUT代替。在这种情况下，CMUT的顶部电极可以具有与顶部电极412的形状之一相似的形状，使得基于结合图4B-图6C描述的原理，以各种振动谐振频率控制cMUT的声学响应。
虽然本发明容易受到各种修改和替代形式的影响，但其具体示例已在附图中示出并在本文中详细描述。然而，应当理解，本发明不限于所公开的特定形式，相反，本发明涵盖落入所附权利要求范围内的所有修改、等同物和替代方案。
Claims (18)
1.一种微机械超声换能器MUT，包括：
第一电极，具有沿第一轴的第一端和第二端，
其中，所述第一端或所述第二端中的一个或更多个由曲率半径R限定，
其中，第二轴穿过所述第一轴的中点，其中，所述第二轴垂直于所述第一轴，
其中，所述第一电极的半宽由在所述第二轴的方向上从所述中点到所述第一电极的外周测量的长度L限定，
其中，所述第一电极在沿所述第一轴的最宽点处的总宽度是L的至少两倍，使得所述第一电极具有凸形形状，并且
其中，R/L小于1。
2.根据权利要求1所述的MUT，其中，所述MUT是电容式微机械超声换能器cMUT。
3.根据权利要求1所述的MUT，其中，所述MUT是压电式微机械超声换能器pMUT。
4.根据权利要求1所述的MUT，其中，所述第一轴沿所述第一电极具有最长尺寸的方向延伸。
5.根据权利要求1所述的MUT，其中，所述第二轴沿所述第一电极具有最短尺寸的方向延伸。
6.根据权利要求1所述的MUT，还包括：
衬底；
膜，从所述衬底悬置；
第二电极，设置在所述膜上；以及
压电层，设置在所述第一电极或所述第二电极中的一个或更多个上。
7.根据权利要求6所述的MUT，其中，所述压电层包括设置在所述第二电极上的第一压电层，并且还包括：
第三电极，设置在所述第一压电层上；以及
第二压电层，设置在所述第三电极上；
其中，所述第一电极设置在所述第二压电层上。
8.根据权利要求6所述的MUT，其中，所述压电层由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AIN、Sc-AIN、ZnO、PVDF和LiNiO3中的至少一种形成。
9.一种成像设备，包括：
换能器阵列，包括多个微机械超声换能器MUT，所述多个MUT中的每一个包括：
凸形电极。
10.一种微机械超声换能器MUT，包括：
第一电极，具有沿第一轴的第一端和第二端，
其中，所述第一端或所述第二端中的一个或更多个由曲率半径R限定，
其中，第二轴穿过所述第一轴的中点，其中，所述第二轴垂直于所述第一轴，
其中，所述第一电极的半宽由在所述第二轴的方向上从所述中点到所述第一电极的外周测量的长度L限定，
其中，所述第一电极在沿所述第一轴的最窄点处的总宽度小于2L，使得所述第一电极具有凹形，并且
其中，R/L大于1。
11.根据权利要求10所述的MUT，其中，所述MUT是电容式微机械超声换能器cMUT。
12.根据权利要求10所述的MUT，其中，所述MUT是压电式微机械超声换能器pMUT。
13.根据权利要求10所述的MUT，其中，所述第一轴沿所述第一电极具有最长尺寸的方向延伸。
14.根据权利要求10所述的MUT，其中，所述第二轴沿所述第一电极具有最短尺寸的方向延伸。
15.根据权利要求1所述的MUT，还包括：
衬底；
膜，从所述衬底悬置；
第二电极，设置在所述膜上；以及
压电层，设置在所述第一电极或所述第二电极中的一个或更多个上。
16.根据权利要求15所述的MUT，其中，所述压电层包括设置在所述第二电极上的第一压电层，并且还包括：
第三电极，设置在所述第一压电层上；以及
第二压电层，设置在所述第三电极上，
其中，所述第一电极设置在所述第二压电层上。
17.根据权利要求15所述的MUT，其中，所述压电层由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AIN、Sc-AIN、ZnO、PVDF和LiNiO3中的至少一种形成。
18.一种成像设备，包括：
换能器阵列，包括多个微机械超声换能器MUT，所述多个MUT中的每一个包括：
凹形电极。
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