本发明专利技术涉及一种用于发射和/或接收超声波的电容微机械超声换能器(CMUT)设备(1)，其包括至少一个CMUT单元(10)。所述CMUT单元(10)包括：包括第一电极(22)的衬底(13)，包括第二电极(20)的膜(15)，在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间的至少一个介电层(21、23)，以及形成在所述衬底(13)与所述膜(15)之间的腔(18)。所述CMUT设备(1)还包括：工作偏压源(25)，其用于在发射和/或接收超声波期间，在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间供应第一极性的工作偏压(VB)；以及充电电压源(30)，其用于在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间供应额外的充电电压(VC)，第二极性为所述第一极性的反极性。本发明专利技术还涉及一种操作这样的CMUT设备的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术涉及一种用于发射和/或接收超声波的电容微机械超声换能器(CMUT)设备(1)，其包括至少一个CMUT单元(10)。所述CMUT单元(10)包括：包括第一电极(22)的衬底(13)，包括第二电极(20)的膜(15)，在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间的至少一个介电层(21、23)，以及形成在所述衬底(13)与所述膜(15)之间的腔(18)。所述CMUT设备(1)还包括：工作偏压源(25)，其用于在发射和/或接收超声波期间，在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间供应第一极性的工作偏压(VB)；以及充电电压源(30)，其用于在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间供应额外的充电电压(VC)，第二极性为所述第一极性的反极性。本专利技术还涉及一种操作这样的CMUT设备的方法。【专利说明】具有充电电压源的电容微机械超声换能器设备
本专利技术涉及用于发射和/或接收超声的电容微机械超声换能器设备（CMUT)设备， 以及涉及操作其的方法。本专利技术例如能够被用于尤其具有超声成像功能的医学超声系统 (例如诊断或治疗医学超声系统）中。
技术介绍
任何超声（成像）系统的核心都是换能器设备，换能器设备具有其将电能与声能 来回转换的换能器元件或换能器单元。传统上，这些换能器元件或换能器单元是由被布置 在线性（1D)换能器阵列中的压电晶体制成的，并且以高到10MHz的频率工作。然而，向着 矩阵（2D)换能器阵列的趋势，以及将超声（成像）功能集成到导管和导丝中的小型化的趋 向，带来所谓的电容微机械超声换能器（CMUT)设备的发展。 CMUT单元包括膜（或隔膜）、膜下方的腔、以及形成电容器的电极。对于接收超声 波，超声波令膜移动或振动，并且能够检测变化和电极之间的电容。籍此，超声波被转变成 相应的电信号。相反，被施加到电极的电信号令膜移动或振动，并且籍此发射超声波。换言 之，在将电信号或电压施加到形成电容器的电极时，电信号或电压令膜挠曲，籍此创建超声 压力波。通常，CMUT单元是使用微电子半导体制造技术制作的。CMUT设备在频率覆盖和易 于制造方面优于当代的压电换能器设备。然而，相对于现有的压电换能器设备，CMUT设备 目前在效率和声压输出方面仍有缺点。 在试图增加声压输出时，能够增大施加或供应在电极之间的工作偏压。然而，因介 电击穿和带电隧穿效应，存在对能够施加的工作偏压的限制。也可能因例如为专用集成电 路（ASIC)形式的驱动电路而存在对工作偏压的限制。施加增大的或过度工作偏压的问题 能够在于，膜坍塌到衬底，并且籍此电极可能彼此电接触。为了分开电极并籍此防止电极之 间的电接触，CMUT单元能够包括在电极之间的（一个或多个）介电层。尤其地，能够使用 在衬底上或作为衬底的部分的第一介电层，以及在膜上或作为膜的部分的第二介电层。 目前认识到的CMUT设备的限制在于，如果对设备施加过度的工作偏压，则被用于 分开电极的介电层能够变得或多或少地永久带电。已认识到该充电效应，并且将其视为问 题或"可靠性问题"以及设备的构建中不合期望的副作用。尤其地，介电层的永久电荷降低 了设备作为声学换能器设备的效率。如果CMUT设备的输出压力在低单极偏压处被测量，并 且如果然后该偏压被增大到足以使介电层充电的水平，则CMUT设备将在受原始低偏压驱 动时，显不较低的输出压力。 US 2010/0237807A1公开一种用于以包括CMUT的电路，偏置电容超声换能器 (CMUT)设备的系统和方法，该CMUT包括：形成膜结构的第一板和第二板；在互补型金属氧 化物半导体（CMOS)兼容电压处的电路电压源；施加偏压的偏压源，该偏压大于CMOS兼容电 压并且被施加到第一板；以及读出电子器件，其具有被连接在该电路的第二板侧上的输入。 在实施例中，偏压根据与信号的接收或发射有关的事件而交替极性。例如，可以使用在超声 成像程序期间周期性地交替极性的偏压源，其与DC偏压源相对。这可以被用于解决在将 CMUT保持在恒定DC偏压时出现的充电问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种改进的尤其具有增加的输出压力和/或接收灵敏度的 CMUT设备，以及制作其的方法。 在本专利技术的第一方面中，提供一种用于发射和/或接收超声波的电容微机械超声 换能器（CMUT)设备，其包括至少一个CMUT单元。所述CMUT单元包括：包括第一电极的衬 底；包括第二电极的膜；在所述第一电极与所述第二电极之间的至少一个介电层；以及形 成在所述衬底与所述膜之间的腔。所述CMUT设备还包括工作偏压源，所述工作偏压源用 于在发射和/或接收超声波期间，在所述第一电极与第二电极之间供应第一极性的工作偏 压；以及充电电压源，其用于在所述第一电极与第二电极之间供应额外的充电电压，第二极 性为所述第一极性的反极性。 在本专利技术另一方面中，提供一种操作电容微机械超声换能器（CMUT)设备的方法， 所述电容微机械超声换能器（CMUT)设备包括至少一个CMUT单元，所述至少一个CMUT单元 包括：包括第一电极的衬底、包括第二电极的膜、在所述第一电极与所述第二电极之间的至 少一个介电层、以及形成在所述衬底与所述膜之间的腔。所述方法包括以下步骤：在发射和 /或接收超声波期间，在所述第一电极与第二电极之间供应第一极性的工作偏压，以及在所 述第一电极与第二电极之间供应额外的充电电压，第二极性为所述第一极性的反极性。 本专利技术的基本思想是：实际上使用（一个或多个）介电层中的捕获的电荷的作用 (也被称作充电效应）来增大所述CMUT设备的输出压力和/或接收灵敏度。这不同于现 有技术，在现有技术中，一直试图解决或减小（一个或多个）介电层中的电荷的效应。使用 所述充电效应是通过在具有与常用工作偏压的极性相逆（或相反）极性的电极之间，供应 或施加额外的或故意的充电电压，尤其是DC电压，而得以实现的。换言之，施加所述充电电 压，以故意地使所述CMUT单元的所述（一个或多个）介电层充电。例如，所述CMUT单元的 所述膜能够包括第一介电层，并且所述衬底能够包括第二介电层。 术语工作偏压描述在所述CMUT设备的工作阶段期间，即超声波的发射和/或接收 期间，供应的偏压。所述额外的充电电压尤其不在工作阶段期间供应，即不在超声波的发射 和/或接收期间供应。例如，如果首先供应或施加额外的充电电压，并然后在工作阶段期间 的工作偏压具有对所述充电电压的反极性，则能够显著增加所述设备的输出压力或接收灵 敏度（例如两倍或更多）。因此，所述（一个或多个）介电层中电荷的作用（充电效应）被 用于增大输出压力或接收灵敏度。 尤其地，通过施加足够的充电电压，将半永久性电压印加在所述CMUT设备的所述 电极上。该半永久性电压是由被捕获在所述（一个或多个）介电层中的电荷载体引起的， 因此它们不会快速逸出。该电压基本上增加到任意施加的工作偏压，因此针对给定的外部 施加电压，允许所述膜上的更高的有效力。 在从属权利要求中限定本专利技术的优选实施例。应理解，要求保护的方法具有与要 求保护的设备以及与从属权利要求中限定的相似和/或相同的优选实施例。 在第一实施例中，所述充电电压在本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于发射和/或接收超声波的电容微机械超声换能器(CMUT)设备(1)，包括：‑至少一个CMUT单元(10)，其包括：包括第一电极(22)的衬底(13)、包括第二电极(20)的膜(15)、在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间的至少一个介电层(21、23)、以及形成在所述衬底(13)与所述膜(15)之间的腔(18)，所述CMUT设备(1)还包括：‑工作偏压源(25)，其用于在发射和/或接收超声波期间，在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间供应第一极性的工作偏压(VB)，以及‑充电电压源(30)，其用于在所述第一电极(22)与所述第二电极(20)之间供应额外的充电电压(VC)，第二极性为所述第一极性的反极性。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：G·A·布罗克费希尔，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL
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