TW202245698A - 具有諧波特性之壓電收發器的成像裝置 - Google Patents

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Abstract

描述具有凸電極或凹電極之微機械超音波換能器(MUT)，其當在基頻及諧波頻率下驅動時具有增強壓力振幅及頻率回應行為，以及其製造方法。

Description

具有諧波特性之壓電收發器的成像裝置
本發明係關於成像裝置，且更特定言之，係關於具有微機械超音波換能器(MUT)之成像裝置，其當在基頻及諧波頻率下驅動時展現增強壓力振幅及頻率回應行為。
用於對一人體之內部器官進行成像並顯示內部器官之影像之一非侵入式成像系統將信號傳輸至人體中並接收自器官反射之信號。通常，在一成像系統中使用之換能器(諸如電容換能器(cMUT)或壓電換能器(pMUT))稱為收發器且一些收發器基於光聲或超音波效應。
一般而言，一MUT包含兩個或更多個電極且電極之拓撲影響MUT之電及聲學效能兩者。例如，由一pMUT產生之聲壓之振幅隨著電極之大小之增加而增加，以藉此提高pMUT之聲學效能。然而，隨著電極之大小之增加，電容亦增加以降低pMUT之電效能。在另一實例中，pMUT之一振動諧振頻率下之聲壓振幅受電極之形狀之影響。因而，需要用於設計電極以增強換能器之聲學及電學效能兩者之方法。
在實施例中，一微機械超音波換能器(MUT)包含一頂部電極。該頂部電極之該形狀由一長軸及一短軸界定，其中該長軸及該短軸在一原點處相交。該頂部電極之兩個遠端(即該頂部電極在該主軸之該方向上距該原點最遠之該等端部)由曲率半徑R界定。該頂部電極之該特性寬度L在該短軸之方向(即垂直於該長軸)上自該原點至該頂部電極外邊緣或周邊量測。當該曲率半徑與該特性寬度之比率R/L大於一時，該頂部電極之端部較其中部之寬度更寬，且該電極具有一大體上凹幾何形狀。當該曲率半徑與該特性寬度之比率R/L小於一時，該頂部電極之端部較其中部之寬度更窄，且該電極具有一大體上凸幾何形狀。如本文中更詳細闡述，無論組態有凹或凸幾何形狀，具有特定R/L值或在特定值範圍內之電極在以基頻及諧波頻率驅動時相對於先前電極形狀設計展現期望壓力振幅及頻率回應行為。該凹或凸電極沿一軸線之該面密度分佈具有複數個局部最大值，其中該複數個局部最大值之位置與其中一振動諧振頻率下之複數個反節點所在之位置一致。
在實施例中，一微機械超音波換能器(MUT)包含一對稱凸頂部電極。該對稱凸電極沿一軸線之該面密度分佈具有複數個局部最大值，其中該複數個局部最大值之位置與其中一振動諧振頻率下之複數個反節點所在之位置一致。
在實施例中，一換能器陣列包含複數個微機械超音波換能器(MUT)。該複數個MUT之各者包含一對稱凸頂部電極。
在實施例中，一成像裝置包含具有複數個微機械超音波換能器(MUT)之一換能器陣列。該複數個MUT之各者包含一對稱凸頂部電極。該對稱凸電極沿一軸線之該面密度分佈具有複數個局部最大值且其中該複數個局部最大值之位置與其中一振動諧振頻率下之複數個反節點所在之位置一致。
在實施例中，一微機械超音波換能器(MUT)包含一對稱凹頂部電極。該對稱凹電極沿一軸線之該面密度分佈具有複數個局部最大值，其中該複數個局部最大值之位置與其中一振動諧振頻率下之複數個反節點所在之位置一致。
在實施例中，一換能器陣列包含複數個微機械超音波換能器(MUT)。該複數個MUT之各者包含一對稱凹頂部電極。
在實施例中，一成像裝置包含具有複數個微機械超音波換能器(MUT)之一換能器陣列。該複數個MUT之各者包含一對稱凹頂部電極。該對稱凹電極沿一軸線之該面密度分佈具有複數個局部最大值且其中該複數個局部最大值之位置與其中一振動諧振頻率下之複數個反節點所在之位置一致。
在一第一態樣中，提供一種微機械超音波換能器(MUT)。該MUT包括具有沿一第一軸線之第一端及第二端之一第一電極。該第一端或該第二端之一或多者由一曲率半徑R界定。一第二軸線穿過該第一軸線之一中點，其中該第二軸線垂直於該第一軸線。該第一電極之一半寬度由在該第二軸線之該方向上自該中點至該第一電極之一外周邊量測之一長度L界定。該第一電極在其沿該第一軸線之最寬點處之一總寬度至少係L之兩倍，使得該第一電極具有一凸形狀且R/L小於1。
在實施例中，該MUT係一電容式微機械超音波換能器(cMUT)。
在實施例中，該MUT係一壓電微機械超音波換能器(pMUT)。
在實施例中，該第一軸線沿其中該第一電極具有一最長尺寸之一方向延伸。
在實施例中，該第二軸線沿其中該第一電極具有一最短尺寸之一方向延伸。
在實施例中，該MUT進一步包括一基板；自該基板懸掛之一薄膜；安置於該薄膜上之一第二電極；及安置於該第一電極或該第二電極之一或多者上之一壓電層。在一些實施例中，該壓電層包括安置於該第二電極上之一第一壓電層。在一些實施例中，該MUT進一步包括安置於該第一壓電層上之一第三電極；及安置於該第三電極上之一第二壓電層，其中該第一電極安置於該第二壓電層上。在實施例中，該壓電層由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF及LiNiO 3之至少一者形成。
在另一態樣中，提供一種成像裝置。該成像裝置包括一換能器陣列，該換能器陣列包含複數個微機械超音波換能器(MUT)，該複數個MUT之各者包括一凸電極。
在另一態樣中，提供一種MUT。該MUT包括具有沿一第一軸線之第一端及第二端之一第一電極。該第一端或該第二端之一或多者由一曲率半徑R界定。一第二軸線穿過該第一軸線之一中點，其中該第二軸線垂直於該第一軸線。該第一電極之一半寬度由在該第二軸線之該方向上自該中點至該第一電極之一外周邊量測之一長度L界定。該第一電極在其沿該第一軸線之最窄點處之一總寬度小於2L，使得該第一電極具有一凹形狀且R/L大於1。
在實施例中，該MUT係一電容式微機械超音波換能器(cMUT)。
在實施例中，該MUT係一壓電微機械超音波換能器(pMUT)。
在實施例中，該第一軸線沿其中該第一電極具有一最長尺寸之一方向延伸。
在實施例中，該第二軸線沿其中該第一電極具有一最短尺寸之一方向延伸。
在實施例中，該MUT進一步包括一基板；自該基板懸掛之一薄膜；安置於該薄膜上之一第二電極；及安置於該第一電極或該第二電極之一或多者上之一壓電層。在一些實施例中，該壓電層包括安置於該第二電極上之一第一壓電層。在一些實施例中，該MUT進一步包括安置於該第一壓電層上之一第三電極；及安置於該第三電極上之一第二壓電層，其中該第一電極安置於該第二壓電層上。在實施例中，該壓電層由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF及LiNiO 3之至少一者形成。
在另一態樣中，提供一種成像裝置。該成像裝置包括一換能器陣列，其包含複數個微機械超音波換能器(MUT)，該複數個MUT之各者包括一凹電極。
本申請案主張2021年3月31日申請之美國專利申請第17/218,656號之權利，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。
本說明書中提及之所有公開案、專利及專利申請案以引用的方式併入本文中，其程度與各個別公開案、專利或專利申請案具體及個別地以引用的方式併入之程度相同。
在以下描述中，出於解釋之目的，闡述具體細節以提供對本發明之理解。然而，熟習此項技術者將明白，可在沒有此等細節之情況下實施本發明。此外，熟習此項技術者將識別，下文描述之本發明之實施例可以多種方式實施，諸如一程序、一器件、一系統或一裝置。
圖中所展示之元件/組件繪示本發明之例示性實施例且旨在避免混淆本發明。說明書中對「一個實施例」、「較佳實施例」、「一實施例」或「實施例」之引用意謂結合實施例描述之一特定特徵、結構、特性或功能包含於本發明之至少一個實施例中且可在一個以上實施例中。在說明書之各個地方出現之片語「在一個實施例中」、「在一實施例中」或「在實施例中」不一定全部係指相同實施例或實施例。術語「包含(include)」、「包含(including)」、「包括(comprise)」及「包括(comprising)」應理解為開放式術語且以下任何列表係實例且不意謂限於所列項目。本文中所使用之任何標題僅用於組織目的且不應用於限制描述或申請專利範圍之範疇。此外，在說明書中之各個地方使用特定術語係為了圖解說明而不應解釋為限制。
圖1展示根據本發明之實施例之一成像系統100之一示意圖。如所描繪，系統100可包含：一成像器120，其以一傳輸模式/程序朝向一內部器官112 (諸如心臟)產生及傳輸壓力波122並接收自內部器官反射之壓力波；及一裝置102，其透過一通信通道130向成像器發送及接收信號。在實施例中，內部器官112可將壓力波122之一部分朝向成像器120反射，且成像器120可捕獲反射壓力波且在一接收模式/程序中產生一電信號。成像器120可將電信號通信至裝置102且裝置102可使用電信號在一顯示器/螢幕104上顯示器官或目標之影像。
在實施例中，成像器120亦可用於獲得一動物之內部器官之一影像。成像器120亦可用於判定動脈及靜脈中血流之方向及速度，如在多普勒(Doppler)模式成像中一樣且亦可量測組織硬度。在實施例中，壓力波122可為可行進通過人體/動物體且由內部器官、組織或動脈及靜脈反射之聲波。
在實施例中，成像器120可為一可攜式裝置且透過通信通道130無線(使用一協議(諸如802.11協議))或經由一電纜(諸如USB 2、USB 3、USB 3.1、USB-C及USB Thunderbolt)與裝置102通信信號。在實施例中，裝置102可為一行動裝置(諸如手機或iPad)或為可向一使用者顯示影像之一固定計算裝置。
在實施例中，可使用一個以上成像器來顯影目標器官之一影像。例如，第一成像器可朝向目標器官發送壓力波，而第二成像器可接收自目標器官反射之壓力波且回應於所接收之波而顯影電荷。
圖2展示根據本發明之實施例之成像器120之一示意圖。在實施例中，成像器120可為一超音波成像器。如圖2中所描繪，成像器120可包含：用於傳輸及接收壓力波之一(若干)收發器瓦片210；一(若干)塗層212，其用作用於設置壓力波之傳播方向及/或聚焦壓力波之一透鏡且亦用作收發器瓦片與人體110之間的一聲阻抗介面；用於控制收發器瓦片210並由凸塊耦合至換能器瓦片210之一控制單元202 (諸如ASIC晶片(或簡稱為ASIC))；用於控制成像器120之組件之場可程式化閘陣列(FPGA) 214；用於處理/調節信號之一(若干)電路215 (諸如類比前端(AFE))；用於吸收由換能器瓦片210產生並朝向電路215傳播之波的一吸聲層203；用於透過一或多個埠216與一外部裝置(諸如裝置102)通信資料之一通信單元208；用於儲存資料之一記憶體218；用於為成像器之組件提供電力之一電池206；及可選地用於顯示目標器官之影像之一顯示器217。
在實施例中，裝置102可具有一顯示器/螢幕。在此一情況下，顯示器可不包含於成像器120中。在實施例中，成像器120可透過埠216之一者自裝置102接收電力。在此一情況下，成像器120可不包含電池206。應注意，成像器120之組件之一或多者可組合成一個整體電子元件。同樣，成像器120之各組件可在一或多個電子元件中實施。
在實施例中，使用者可在人體110與塗層212進行一直接接觸之前將凝膠施加於人體110之皮膚上，使得塗層212與人體110之間的介面處之阻抗匹配可經改良，即，在介面處壓力波122之損失經減少且朝向成像器120行進之反射波在介面處之損失亦經減少。在實施例中，收發器瓦片210可安裝在一基板上且可附接至一吸聲層。此層吸收在反向方向上發射之任何超音波信號，該等信號否則可經反射並干擾影像品質。
如下文所討論，塗層212可僅僅係一平坦匹配層以最大化聲信號自換能器至身體之傳輸且反之亦然。在此情況下不需要光束聚焦，因為其可在控制單元202中電子實施。成像器120可使用反射信號來創建器官112之一影像且結果可以多種格式顯示在一螢幕上，諸如具有或不具有器官112之影像之圖表、繪圖及統計。
在實施例中，控制單元202 (諸如ASIC)可與收發器瓦片一起組裝為一個單元。在其他實施例中，控制單元202可位於成像器120外部且經由一電纜電耦合至收發器瓦片210。在實施例中，成像器120可包含包圍組件202至215之一外殼及用於散發由組件產生之熱能之一散熱機構。
圖3A展示根據本發明之實施例之一收發器陣列200之一側視圖。圖3B展示根據本發明之實施例之一收發器瓦片210之一俯視圖。在實施例中，陣列200可包含一或多個收發器瓦片210。如所描繪，收發器陣列200可包含依一預定方式配置之一或多個收發器瓦片210。例如，如圖3A中所描繪，收發器瓦片(或簡稱瓦片) 210可經實體彎曲以進一步形成一彎曲收發器陣列並安置於成像器120中。一般技術者應明白，成像器120可包含任何合適數目個瓦片且瓦片可依任何合適方式配置，且各瓦片210可包含任何合適數目個壓電元件302，其具有如本文中更詳細描述之一凹或凸形狀，其安置於一收發器基板304上。在基板304上，可放置一或多個數目個溫度感測器320，以便在操作期間監測收發器瓦片210之溫度。在實施例中，收發器陣列200可為由一基板製造之一微機械陣列。
圖4A展示根據本發明之實施例之一MUT 400之一橫截面圖。根據本發明之實施例，圖4A之橫截面圖適用於一凹MUT或一凸MUT。如所描繪，凹MUT或凸MUT可包含：自一基板402懸垂之一薄膜層406；安置於薄膜層(或簡稱為薄膜) 406上之一第一(例如底部)電極(O) 408；安置於底部電極(O) 408上之一壓電層410；及安置於壓電層410上之一第二(例如頂部)電極(X) 412。
在實施例中，基板402及薄膜406可為一個整體且可形成空腔404以界定薄膜406。在實施例中，空腔404可以一預定壓力填充有一氣體或一聲學阻尼材料以控制薄膜406之振動。在實施例中，頂部電極412之投影區域之幾何形狀可組態成具有特性幾何參數之一大體上凹形或凸形以控制MUT 400之動態效能及電容量值。
在實施例中，各MUT 400可為一pMUT且包含由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF及LiNiO3之至少一者形成之一壓電層。在替代實施例中，各MUT 400可為一cMUT。
在實施例中，各MUT 400可包含額外電極及/或PZE層。例如，如圖4F中所展示，MUT 400 (可為凹、凸或根據需要之其他形狀)可包含：自一基板402懸垂之一薄膜層406；安置於薄膜層(或簡稱為薄膜) 406上之一第一電極(O) 408；安置於第一電極(O) 408上之一第一壓電層410；安置於第一壓電層410上之一第二電極414；安置於第二電極414上之一第二壓電層410；及安置於第二壓電層410上之一第三電極(X) 412。可根據需要添加額外壓電層410及電極。在至少一些例項中，添加額外壓電層及/或電極(即，「夾層」電極及壓電層)增加MUT 400之振幅/dB輸出。
在圖4B至圖4E中，各MUT 400經展示為具有一 凹形或一凸形。在實施例中，各凹MUT可包含當自MUT 400之頂部觀看時具有一凹形之一頂部電極。在實施例中，各凸MUT可包含當自MUT 400之頂部觀看時具有一凸形之一 頂部電極。在下文中，術語頂部電極412之形狀係指藉由將頂部電極投影至x-y平面上而獲得之頂部電極之一二維形狀。此外，若頂部電極之形狀相對於兩條線450及452對稱，則該形狀稱為對稱，其中線450及452分別平行於x軸及y軸，並通過頂部電極在x軸上之中點。此外，在下文中，x軸(在本文中亦稱為長軸)沿其中頂部電極具有最長尺寸之方向延伸。y軸(在本文中亦稱為短軸)沿垂直於x-y平面中之x軸或長軸之方向，沿其中頂部電極具有最短尺寸之方向延伸。
無論圖4B至圖4C之凹MUT或圖4D至圖4E之凸MUT，頂部電極之形狀由一長軸及一短軸界定，其中長軸及短軸在一原點處相交。頂部電極之兩個遠端(即頂部電極在主軸之方向上距原點最遠之端部，在本文中亦稱為電極之「頭部」)由一曲率半徑R界定。頂部電極之特性半寬度(在本文中亦稱為電極之「足部」)由在短軸之方向(即垂直於長軸)上自原點至電極外邊緣或周邊量測之一長度L界定。電極在其最窄點(若為一凹MUT)或其最寬點(若為一凸MUT)處之總寬度係L之兩倍(即2L)。電極之頭部與足部之間的電極之邊緣可彎曲或筆直。
替代地，電極之頭部可筆直或由不完全圓形之其他曲率幾何形狀界定。在至少一些例項中，避免產生集中機械應力之局部區域之頭部或其他幾何形狀可為有益的，其可實現一局部機械或材料失效模式，諸如若頭部(或例如足部)由在一尖點處匯合之兩條直線界定則可產生之情況。
在一些實施例中，頭部不必為圓形，但亦可由但不限於非圓形曲率(諸如一拋物線之曲率)來界定。雖然一圓形電極頭可由一曲率半徑R界定，但一拋物線形頭之相關參數可為拋物線之半正焦弦，界定為拋物線焦點與頂點之間的距離之兩倍。此外，頭部與足部之間的周邊可由一直線或曲率界定且仍在本發明之範疇內。
如圖4B至圖4C中所繪示，當曲率半徑與特性寬度之比率R/L大於一時，頂部電極之端部或頭部較其在中間或足部之寬度較寬，且電極具有一大體上凹幾何形狀。一般技術者將瞭解，藉由改變R/L比率，此凹MUT幾何形狀之變化係可行的且仍在本發明之範疇內，只要R/L大於一，即R＞L。例如，對於具有43微米之一頭部曲率半徑R之一頂部電極，在大致37微米與41微米之間的合適足部寬度L將落入本發明之範疇內且展現增強之壓力振幅及在基頻及諧波頻率下驅動時之頻率回應行為，如本文將進一步描述。另一方面，若R/L太大，則頭部半徑或曲率R遠大於足部寬度L，當以基波及諧波頻率驅動時，頂部電極可不展現所需壓力振幅及頻率回應行為，且甚至會經歷結構故障。
如圖4D至圖4E中所繪示，當曲率半徑與特性寬度之比率R/L小於一時，頂部電極之端部較其中間之寬度較窄，且電極具有一大體上凸幾何形狀。如一般技術者將瞭解，藉由改變R/L比率，此凸MUT幾何形狀之變化係可行的且仍在本發明之範疇內，只要R/L小於一，即R＜L。例如，對於具有43微米之一頭部曲率半徑R之一頂部電極，在大致43.1微米與500微米之間的合適足部寬度L將落入本發明之範疇內且展現增強之壓力振幅及在基頻及諧波頻率下驅動時之頻率回應行為，如本文將進一步描述。另一方面，若R/L太小，則頭部半徑或曲率R遠小於足部寬度L，當以基波及諧波頻率驅動時，頂部電極遭受非所需壓力振幅及頻率回應行為，且甚至會經歷結構故障。
相對於特定先前電極形狀設計，無論組態有凹幾何形狀或凸幾何形狀，具有特定R/L值或在特定R/L值範圍內之電極在以基頻及諧波頻率驅動時展現所需壓力振幅及頻率回應行為。凹電極或凸電極沿一軸線之面密度分佈具有複數個局部最大值，其中複數個局部最大值之位置與其中以一振動諧振頻率之複數個反節點所在之位置一致。一般而言，係指由各MUT在一頻率下產生之一聲壓波之能量之聲壓效能可隨著MUT之峰值振幅在該頻率下之增加而增加。
比率或R/L可由MUT之所需行為驅動。改變電極之R/L參數(且因此改變電極之幾何形狀)改變電極之壓力振幅及頻率回應行為。R/L可大或小而無限制，只要電極展現所需壓力振幅及/或頻率回應行為。可由因數(諸如換能器最終用例(例如工業、醫療診斷等等)、功率要求、操作模式要求)等等決定之特定換能器之設計要求告知由一特定R/L幾何形狀展現之壓力振幅及頻率回應是否可接受或可期望。額外考慮因素(諸如製造及材料能力)可進一步限制期望或可用範圍可接受R/L範圍。
圖5A至圖5B展示根據本發明之實施例之具有一凹組態之一MUT及具有一凸組態之一MUT之聲學回應之例示性理想化曲線圖500及510。圖5A展示較具有R/L＝1之一MUT 502之一凹MUT 504 (例如R/L＞1)之聲功率如何隨頻率變化之一理想化曲線圖500。圖5B展示較具有R/L＝1之一MUT 512之一凸MUT 514 (例如，R/L＜1)之聲功率如何隨頻率變化之一理想化曲線圖510。對於凹MUT 504，如由箭頭506所指示，隨著R/L增加，較MUT 502，功率頻率曲線向右移動。對於凸MUT 514，如由箭頭516所指示，隨著R/L減小，較MUT 512，功率頻率曲線向上移動。
對凹或凸MUT幾何形狀之進一步修改，包含改變薄膜(例如一矽薄膜)之厚度，或在薄膜之周邊添加單一或雙凹口(使得薄膜行為更像一固定梁或彈簧，而非一懸臂梁)可提供進一步增強之效能特性。此等修改之實例可在美國專利申請號第17/018,304號及第15/820,319號中找到，其等以引用的方式併入本文中。
圖6A至圖6C展示根據本發明之實施例之三個振動模式600、610、620。在圖6A至圖6C中，MUT 602、612及622之各者，無論係凹或凸，為了圖解說明之目的由一單線表示，其中各單線展示一MUT中之層堆疊之曲率。在操作期間，具有薄膜406、底部電極408、壓電層410及頂部電極412之層堆疊可作為一單一主體在垂直方向上移動，且可變形以在x-z平面上具有單線之曲率。此外，對應於不同振動模式之線602、612及622展示堆疊在不同振動模式下之曲率。一般而言，一凹MUT及一凸MUT之諧振特性彼此相似，然局部增益可取決於MUT係凹或凸而變化。在一些例項中，一凸幾何形狀或一凹幾何形狀之選擇可驅動在特定感興趣之頻率下達成之增益改良。
在實施例中，三個振動模式600、610及620可分別與三個振動諧振頻率f1、f2及f3相關聯。在圖6A至圖6C中，僅展示三個振動模式。然而，一般技術者應明白，一凹或凸MUT可在三個以上振動諧振模式(或簡稱振動模式)下操作。
在圖6A中，凹或凸MUT 602可在第一振動模式600中操作，其中箭頭604指示MUT 602 (更明確言之，層堆疊)在第一模式600中在垂直方向上移動。在實施例中，第一振動模式600可對稱，即，模式形狀關於MUT之中心線606係對稱。在實施例中，MUT 602之頂部電極之形狀可對稱，且可為凹或凸，如圖4B至圖4E中所展示。
在圖6B中，MUT 612可在第二振動模式610中操作。在實施例中，第二振動模式610可對稱，即，模式形狀關於中心線606對稱。在下文中，術語對稱振動模式係指一種振動模式，其中反節點之位置，諸如615、616及617 (即峰值振幅)相對於一中心線606對稱配置，且中心線606表示平行於z軸並通過x軸上MUT之中點的一線。
在第二振動模式610中，MUT 612可具有兩個節點及三個反節點(或等效地，三個峰值振幅點) 615、616及617。在實施例中，MUT 612之頂部電極之形狀可對稱且可為凹或凸，如圖4B至圖4E中所展示。
在圖6C中，MUT 622可在第三振動模式620中操作。在實施例中，第三振動模式620可對稱，即，模式形狀關於中心線606對稱。在第三振動模式中，MUT 622可具有四個節點及五個反節點(即五個峰值振幅點) 624、625、626、627及628。在實施例中，MUT 622之頂部電極之形狀可對稱且可為凹或凸，如圖4B至圖4E中所展示。
一般而言，係指由各MUT在一頻率下產生之一聲壓波之能量之聲壓效能可隨著MUT之峰值振幅在該頻率下之增加而增加。然而，相對於相同或類似總面積之一凸MUT，凹MUT在遠端處具有較中部更大之局部區域分佈(即R＞L)。因此，相對於相同或類似面積之一凸MUT，凹MUT能夠輸出更高聲壓振幅，尤其係在諧波頻率下。
應注意，圖3中之MUT 302之各者可為一壓電微機械超音波換能器(pMUT)。然而，一般技術者應明白，收發器瓦片210可包含一陣列之電容式微機械超音波換能器(cMUT)，即，壓電元件302可由cMUT代替。在此一情況下，一CMUT之頂部電極可具有類似於頂部電極412之形狀之一者之一形狀，使得cMUT之聲學回應基於結合圖4B至圖6C描述之原理在各種振動諧振頻率下控制。
儘管本發明易於進行各種修改及替代形式，但其具體實例已在附圖中展示且在本文中詳細描述。然而，應理解，本發明不限於所揭示之特定形式，相反地，本發明涵蓋落在隨附申請專利範圍之範疇內之所有修改、等效物及替代。
100:成像系統 102:裝置 104:顯示器/螢幕 110:人體 112:內部器官 120:成像器 122:壓力波 130:通信通道 200:收發器陣列 202:控制單元 203:吸聲層 206:電池 208:通信單元 210:收發器瓦片 212:塗層 214:場可程式化閘陣列(FPGA) 215:電路 216:埠 217:顯示器 218:記憶體 302:壓電元件 304:收發器基板 320:溫度感測器 400:MUT 402:基板 404:空腔 406:薄膜層(薄膜) 408:第一(例如底部)電極(O) 410:壓電層 412:第二(例如頂部)電極(X)/第三電極(X) 414:第二電極 450:線 452:線 500:曲線圖 502:MUT 504:凹MUT 506:箭頭 510:曲線圖 512:MUT 514:凸MUT 516:箭頭 600:第一振動模式 602:凹或凸MUT 604:箭頭 606:中心線 610:第二振動模式 612:MUT 615:反節點 616:反節點 617:反節點 620:第三振動模式 622:MUT 624:反節點 625:反節點 626:反節點 627:反節點 628:反節點
將參考本發明之實施例，其實例可在附圖中繪示。此等圖旨在繪示性而非限制性。儘管在此等實施例之上下文中一般地描述本發明，但應理解，其並不旨在將本發明之範疇限制於此等特定實施例。
圖(Figure) (或「圖(FIG.)」) 1展示根據本發明之實施例之一成像系統。
圖2展示根據本發明之實施例之一成像器之一示意圖。
圖3A展示根據本發明之實施例之一收發器陣列之一側視圖。
圖3B展示根據本發明之實施例之一收發器瓦片之一俯視圖。
圖4A展示根據本發明之實施例之沿圖4B及圖4D中之一方向4-4截取之適用於一凹MUT或一凸MUT之一MUT的一橫截面圖。
圖4B展示根據本發明之實施例之一凹MUT之一俯視圖。
圖4C展示根據本發明之實施例之一凹MUT之一替代俯視圖。
圖4D展示根據本發明之實施例之一凸MUT之一俯視圖。
圖4E展示根據本發明之實施例之一凸MUT之一替代俯視圖。
圖4F展示根據本發明之實施例之沿圖4B及圖4D中之一方向4-4截取之適用於一凹MUT或一凸MUT之另一MUT的一橫截面圖。
圖5A展示根據本發明之實施例之具有一凹組態之一MUT之一聲學回應圖。
圖5B展示根據本發明之實施例之具有一凸組態之一MUT之一聲學回應圖。
圖6A至圖6C展示根據本發明之實施例之凹MUT及凸MUT之振動模式形狀。
400:MUT
406:薄膜層(薄膜)
412:第二(例如頂部)電極(X)
450:線
452:線

Claims (18)

  1. 一種微機械超音波換能器(MUT)，其包括： 一第一電極，其具有沿一第一軸線之第一端及第二端， 其中該第一端或該第二端之一或多者由一曲率半徑R界定， 其中一第二軸線穿過該第一軸線之一中點，其中該第二軸線垂直於該第一軸線， 其中該第一電極之一半寬度由在該第二軸線之方向上自該中點至該第一電極之一外周邊量測之一長度L界定， 其中該第一電極在其沿該第一軸線之最寬點處之一總寬度至少係L之兩倍，使得該第一電極具有一凸形狀，且 其中R/L小於1。
  2. 如請求項1之MUT，其中該MUT係一電容式微機械超音波換能器(cMUT)。
  3. 如請求項1之MUT，其中該MUT係一壓電微機械超音波換能器(pMUT)。
  4. 如請求項1之MUT，其中該第一軸線沿其中該第一電極具有一最長尺寸之一方向延伸。
  5. 如請求項1之MUT，其中該第二軸線沿其中該第一電極具有一最短尺寸之一方向延伸。
  6. 如請求項1之MUT，其進一步包括： 一基板； 一薄膜，其自該基板懸掛； 一第二電極，其安置於該薄膜上；及 一壓電層，其安置於該第一電極或該第二電極之一或多者上。
  7. 如請求項6之MUT，其中該壓電層包括安置於該第二電極上之一第一壓電層，且進一步包括： 一第三電極，其安置於該第一壓電層上；及 一第二壓電層，其安置於該第三電極上， 其中該第一電極安置於該第二壓電層上。
  8. 如請求項6之MUT，其中該壓電層由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF及LiNiO 3之至少一者形成。
  9. 一種成像裝置，其包括： 一換能器陣列，其包含複數個微機械超音波換能器(MUT)，該複數個MUT之各者包括： 一凸電極。
  10. 一種微機械超音波換能器(MUT)，其包括： 一第一電極，其具有沿一第一軸線之第一端及第二端， 其中該第一端或該第二端之一或多者由一曲率半徑R界定， 其中一第二軸線穿過該第一軸線之一中點，其中該第二軸線垂直於該第一軸線， 其中該第一電極之一半寬度由在該第二軸線之方向上自該中點至該第一電極之一外周邊量測之一長度L界定， 其中該第一電極在其沿該第一軸線之最窄點處之一總寬度小於2L，使得該第一電極具有一凹形狀，且 其中R/L大於1。
  11. 如請求項10之MUT，其中該MUT係一電容式微機械超音波換能器(cMUT)。
  12. 如請求項10之MUT，其中該MUT係一壓電微機械超音波換能器(pMUT)。
  13. 如請求項10之MUT，其中該第一軸線沿其中該第一電極具有一最長尺寸之一方向延伸。
  14. 如請求項10之MUT，其中該第二軸線沿其中該第一電極具有一最短尺寸之一方向延伸。
  15. 如請求項10之MUT，其進一步包括： 一基板； 一薄膜，其自該基板懸掛； 一第二電極，其安置於該薄膜上；及 一壓電層，其安置於該第一電極或該第二電極之一或多者上。
  16. 如請求項15之MUT，其中該壓電層包括安置於該第二電極上之一第一壓電層，且進一步包括： 一第三電極，其安置於該第一壓電層上；及 一第二壓電層，其安置於該第三電極上， 其中該第一電極安置於該第二壓電層上。
  17. 如請求項15之MUT，其中該壓電層由PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF及LiNiO3之至少一者形成。
  18. 一種成像裝置，其包括： 一換能器陣列，其包含複數個微機械超音波換能器(MUT)，該複數個MUT之各者包括： 一凹電極。
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