单片集成的三电极CMUT设备制造技术

本文公开了一种电容式微机械超声换能器(CMUT)单元，包括如下三个电极：第一电极，其耦合到单元膜；第二电极，其嵌入到与所述第一电极相对且与所述第一电极分离开一气体腔或真空腔的单元层板中；以及第三电极，其在腔体边上与所述第二电极相对，其中，电介质层夹在所述第二电极和所述第三电极之间以创建所述第二电极和所述第三电极之间的电容关系。三电极CMUT单元提供具有两个受主动驱动的(控制的)电极的超声换能器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本文公开了一种电容式微机械超声换能器(CMUT)单元，包括如下三个电极：第一电极，其耦合到单元膜；第二电极，其嵌入到与所述第一电极相对且与所述第一电极分离开一气体腔或真空腔的单元层板中；以及第三电极，其在腔体边上与所述第二电极相对，其中，电介质层夹在所述第二电极和所述第三电极之间以创建所述第二电极和所述第三电极之间的电容关系。三电极CMUT单元提供具有两个受主动驱动的(控制的)电极的超声换能器。【专利说明】单片集成的三电极CMUT设备
本专利技术涉及电容式微机械超声换能器(CMUT)单元，其包括基底、与基底相对的单元膜(所述基底与单元膜之间具有空隙)、耦合到单元膜的第一电极、嵌入到单元层板第二电极，所述单元层板与第一电极相对且与第一电极分离开一气体腔或真空腔，其中，所述单元层板包括基底的上表面。此外，本专利技术涉及包括根据本专利技术的CMUT单元的阵列探头，并且涉及包括根据本专利技术的这种探头超声成像系统。
技术介绍
这种电容式微机械超声换能器单元、探头、成像系统在EPl 944070中公开。这些产品用于医学诊断扫描。CMUT换能器是数十个微米大小的类似隔膜的单元，其通常包括彼此相对的两个电极。为了发射，应用到电极的电容电荷被调制以使得设备的隔膜(膜)振动/移动并由此发送声波。在声波传播路径上放置的对象反射波。被反射的声波使得膜振动，这调节CMUT换能器的两个电极之间的电容，由此产生电信号。此信号表示被反射的声波击中膜。CMUT单元布置在针对高频波束形成的阵列中。为了较好的性能，CMUT需要在电极之间应用的高偏置电压(例如，100V)。在此情形中，当3D成像不可行时(例如，由于成本原因、有限的可用区域或者需要的帧速率)，可以应用双平面2D成像。在双平面成像中，CMUT的阵列划分在基本上沿着两个方向布置的两组换能器单元中，其中，每个CMUT单元可以在两个组中激活。在现有技术中，这是通过如下来实现的:将单元的所有顶部电极按照阵列连接到具有沿着X-方向的主朝向的金属化图案，并将所有底部电极连接到带有沿着y-方向的主朝向的金属化图案。DC源是通过RC滤波器(也称为偏置T型滤波器)供应给组中的每个单元的。此偏置T型滤波器将信号的AC分量与DC分量分开，使得用于对探头的检测信号进行处理的ASIC技术仅必须应对信号的AC分量并被防止暴露于高电压。阵列中的偏置T型滤波器包括针对每个互连的单元的分立高电压耦合电容器和分立高阻抗电阻器。在组中有“N”个单元的情况下，必须提供“N”个分立高电压电容器和相同数量的分立电阻器。由于这些高电压组件的相对大的尺寸，偏置T型滤波器在CMUT中的应用消除了小型化获得的益处并可能几乎无法在例如超声导管中实现。此外，这些分立组件的寄生效应可以限制阵列的性能。
技术实现思路
本专利技术的一个目标是为提供在开篇段落中给出的那种电容式微机械超声换能器单元，其能够向CMUT阵列提供改进且高效的高电压供给，更加适于小型化。根据本专利技术，此目标是通过提供包括第三电极的电容式微机械超声换能器单元来实现的，其中，第一或第二电极与第三电极电容地耦合，其中，所述电容耦合是通过夹在电容地耦合的电极之间并与电容地耦合的电极直接接触的电介质层来实现的。CMUT单元的这种有利设计，包括集成到该单元中的三个电极，提供了改进的CMUT设备，其中，超声换能器和RC滤波器的电容组件在一个CMUT单元中实现。单独的第三电极被定位于两个电极之间，并与CMUT单元的这两个电极中的任一个具有电容关系，其中，这两个电极是由腔体隔开的。这种电容耦合是由夹在电容地耦合的电极之间的电介质层来实现的。因此，第三电极是经由CMUT腔体电容地耦合到两个电极中的一个电极，并通过电介质层电容地耦合到另一电极，其中，后一关系定义了针对集成到CMUT单元的RC滤波器的电容器。因此，与高偏置电压有关的所存储的电荷可以由两个导电金属板从用户/患者隔离开。在本专利技术的实施例中，第三电极被位于单元层板中在腔体侧与第二电极相对。该实施例描述了三电极CMUT单元的特定实现方式，其中，所述第三电极被定位于所述单元层板中，使得其在所述腔体侧与所述第二电极相对。在该情况下，对于第二电极和第三电极两者，到第一电极的分隔距离包括CMUT腔体。针对该配置煌可以优势可以是CMUT制造过程的简化，其中，三个电极中的两个被定位于CMUT腔体的非振动层板上。在本专利技术的实施例中，所述第二电极与所述第三电极之间的电容关系大于或等于所述第三电极与所述第一电极之间的电容关系。为提供RC滤波器电容性部件的更加有效的实现方式并且避免信号衰减，由所述第二电极和第三电极形成的电容将等于或大于由CMUT腔体所限定的电容。在本专利技术的再另一实施例中，所述电介质层包括具有高介电常数的材料的层。该状况是对第二电极与第三电极之间的电容关系的要求的结果。为保持该电容在CMUT的电容之上，电介质层可以是具有高介电常数的材料(所谓的高k介电质)。这也将允许避免电极之间的漏电流并且达到CMUT的工作中的稳定性。由于漏电流是不期望的，击穿也是不需要的，可以施加降低介电质厚度的限制(期望承受施加的偏置电压)并且因此其将限制电容间的比率(Cc/Cf)。在本专利技术的另一实施例中，所述电容式微机械超声换能器单元还包括用于向所述第三电极引起相对于接地电位的DC偏置电压的DC源，以及耦合到所述第一电极和所述第二电极的用于引起/感测所述膜的振动的信号发射器/接收器(105)。所述DC偏置源是通过独立的第三电极提供的，而所述发射器/接收器(通过ASIC电子器件提供)可以经由耦合到分别的信号(第一和第二)电极来进行驱动和/或感测。该电极的配置允许从信号分量中分离DC偏置分量。结果是，在第一电极和第二电极被主动地控制的情况下，能够降低对ASIC技术的高电压要求。这还允许利用从两侧驱动CMUT单元的优势。在本专利技术的再另一实施例中，DC偏置源通过电阻器(R)被连接到第三电极，阻抗在CMUT单元的共振频率大于第一电极和第三电极之间的阻抗。该实施例实现了RC滤波器到CMUT单元的完全集成。电容性部件是通过第二电极和第三电极之间的电介质层来实现的，而高阻抗部件是通过与所述第三电极串联连接并且经由其可以施加DC电压的电阻器来实现的。因此，在该实施例中，每个换能器CMUT单元可以具有其自己的高阻抗，屏蔽偏置节点之内的电阻器。这使得“cMUT单元故障”不引起大的短路电流并且因此不引起连接的ASIC的整个队列的崩溃。在本专利技术的另外的实施例中，所述探头包括CMUT单元的阵列，所述阵列包括CMUT单元的第一子组和第二子组，其中，CMUT单元的所述第一子组具有沿着两个方向中的一个方向互连的所述第一电极，所述CMUT单元的所述第二子组具有沿着另一个方向互连的所述第二电极。该实施例开发了经由阵列中的第一电极和第二电极两者来驱动CMUT单元的机会。第一子组中的第一电极和第二子组中的第二电极的互联提供了针对两个子组使用相同的CMUT单元以及独立地驱动每个子组的可能。在本专利技术的再另一实施例中，阵列中的CMUT单元的第三电极经由串联电阻器而被连接到相同的DC偏置电压。应用相同的DC偏置电压简化了探头中的电子器件互联并且允许超声探头的尺寸的进一步缩小。本专利技术的这些和其他方面将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式微机械超声换能器单元(1)，包括：‑基底(112)，‑单元膜(114)，其与所述基底(112)相对，在所述基底与所述单元膜之间具有空隙(8)；‑第一电极(S1)，其被耦合到所述单元膜(114)，‑第二电极(S2)，其被嵌入到单元层板(130)中，所述单元层板与所述第一电极相对且与所述第一电极分离开一气体腔或真空腔(8)，其中，所述单元层板(130)包括所述基底(112)的上表面，以及第三电极(B)，其特征在于，所述第三电极(B)被电容地耦合到所述第一电极或第二电极，其中，电容耦合是通过夹在所述电容地耦合的电极之间并与所述电容地耦合的电极直接接触的电介质层(131)来实现的。

【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：A·C·范伦斯，A·W·格伦兰德，
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