具有变化性质的电容式微加工超声换能器制造技术

公开了具有变化性质的电容式微加工超声换能器。在一些示例中，CMUT阵列可包括多个元件，并且每个元件可包括多个子元件。例如，第一子元件和第二子元件可被设置在第三子元件的相对两侧上。在一些情况下，第三子元件可被配置成以比第一子元件或第二子元件中的至少一个高的中心频率传输超声能量。进一步，在一些实例中，子元件可具有多个区域，其中不同的区域被配置成以不同的谐振频率传输超声能量。例如，每个子元件中的多个CMUT单元的谐振频率可在垂直方向上从每个元件的中心朝向CMUT阵列的边缘减小。

Capacitive micromachined ultrasonic transducers with varying properties

A capacitive micromachined ultrasonic transducer with varying properties is disclosed. In some examples, the CMUT array may include a plurality of components, and each element may include a plurality of subcomponents. For example, the first sub element and the second sub element can be set on the opposite sides of the third sub element. In some cases, the third sub element may be configured to transmit ultrasonic energy at a central frequency higher than at least one of the first sub element or the second sub element. Further, in some instances, a sub element may have a plurality of regions in which different regions are configured to transmit ultrasonic energy at different resonant frequencies. For example, the resonant frequencies of a plurality of CMUT units in each of the sub elements can be reduced in the vertical direction from the center of each element toward the edge of the CMUT array.

【技术实现步骤摘要】
具有变化性质的电容式微加工超声换能器
本文的一些示例涉及电容式微加工超声换能器(CMUT)，诸如可用于超声成像。背景超声换能器被广泛地用于包括超声成像的许多不同领域。在许多现代医疗成像应用中，超声换能器由压电材料制成。一种常用的压电材料是锆钛酸铅(PZT)。然而，PZT的阻抗通常高于兆瑞利，而人体组织的阻抗为大约1.5兆瑞利。为了减少这种巨大的阻抗失配，通常在PZT换能器和被成像的组织之间放置一个或多个匹配层。由于通常基于四分之一波长原理来选择匹配层，具有匹配层的PZT换能器的带宽可被限制成80％或更少的带宽。通常，超声换能器以一维(1D)阵列布置。例如，1D阵列换能器可包括仅以一维(例如，横向维度)布置的多个元件。然而，在另一维度(例如，垂直(elevation)维度)中，1D换能器的孔径是固定的。由于孔径尺寸随着穿透深度增加以维持均匀的纵向切片厚度，1D传感器的成像性能由于其固定的纵向孔径而折衷。对于该问题的一个解决方案是使用1.5D换能器阵列。例如，1.5D换能器阵列可包括在纵向维度中的至少两个子元件。两个相邻子元件之间的间隔可远大于波长。而且，子元件的数量可随着穿透深度增加以获得从近场到远场的最佳成像性能。1.5D阵列的元件和子元件的数量通常显著大于相应的成像系统的通道的数量。因此，可使用高压模拟开关以便选择1.5D阵列的期望子孔径。
技术实现思路
本文中的一些实现方式包括能够用于包括超声成像的各种应用的电容式微加工超声换能器(CMUT)的技术和布置。例如，由于构成各个CMUT元件的CMUT单元的性质的变化，与CMUT阵列中的各个CMUT元件相关联的中心频率可从CMUT阵列的中心朝向边缘减小。因此，在一些情况下，本文中的超声系统可包括用于实现超宽带宽、可变间距和/或连续垂直变迹(apodization)的多个子元件。附图说明参考所附附图来说明具体实施方式。在附图中，附图标记最左边的数字标识该附图标记首次出现的附图。在不同附图中使用相同的附图标记来指示相似或相同的项或特征。图1示出了根据一些实现方式的具有CMUT阵列的示例超声成像系统。图2示出了根据一些实现方式的CMUT阵列的示例结构。图3是示出了根据一些实现方式的中心频率可在垂直方向中如何变化的一个示例的示例曲线图。图4示出了根据一些实现方式的中心子元件的示例构造的平面图。图5示出了根据一些实现方式的具有采用不同中心频率的多个区域的子元件的示例构造的平面图。图6示出了根据一些实现方式的中心子元件的示例构造的平面图。图7示出了根据一些实现方式的子元件的示例构造的平面图。图8示出了根据一些实现方式的沿着图6的线8-8和/或图7的线8-8所观看到的示例截面图。图9示出了根据一些实现方式的具有不同频率和腔轮廓的两个CMUT单元的截面图的替代构造。图10示出了根据一些实现方式的从中心朝向边缘改变CMUT单元的腔轮廓以实现变化的性能(例如，传输功率、接收灵敏度或/和频率等)的示例。图11示出了根据一些实现方式的从中心朝向边缘改变CMUT单元的腔轮廓以实现变化的性能(例如，传输功率、接收灵敏度或/和频率等)的示例。图12示出了根据一些实现方式的具有在垂直维度中的三个子元件的CMUT阵列的示例。图13示出了根据一些实现方式的具有在垂直维度中的三个子元件的CMUT阵列的示例。图14示出了显示根据一些实现方式的对应于不同操作频率的三个示例变迹分布的曲线图。图15是分别示出了根据一些实现方式的三个带通滤波器的示例频率响应的一组三个曲线图。图16示出了根据一些实现方式的用于选择期望子元件的多路复用器的示例。图17是示出了根据一些实现方式的示例过程的流程图。具体实施方式本文中的一些实现方式包括能够用于包括超声成像的各种超声应用的CMUT的技术和布置。本文中的CMUT换能器能够在没有匹配层的情况下进行操作，因此可以极宽带宽(例如大于或等于100％)操作。作为一个示例，根据本文中的一些实现方式的CMUT阵列可在垂直维度中具有超过两个子元件，诸如在1.25D、1.5D、1.75D、和2DCMUT换能器阵列的情况下。例如，在本文的示例中，1.5D阵列可包括在垂直维度中具有超过两个子元件的CMUT阵列，并且子元件中的一些彼此电连接。本文中的一些实现方式可适用于能够用于超声成像(诸如用于医学成像应用)的CMUT阵列。作为一个示例，所公开的具有多个子元件的通用CMUT阵列通过提供超宽带宽、可变间距、连续垂直变迹和可变孔径尺寸可用于广泛的临床应用。例如，可通过改变换能器元件上的各个CMUT单元的性质实现超宽带宽。进一步，在一些情况下可使用高压模拟开关来改变各种操作频率的间距。此外，可通过对所传输的和所接收的信号应用不同带宽滤波器来实现连续垂直变迹。在一些示例中，本文中的CMUT可被并入能够用于超声成像应用的超声探测器中。中心频率和换能效率是CMUT的两个有用的性能参数。中心频率还可被称为-6dB中心频率。如果-6dB带宽的下限频率是flow，并且-6dB带宽的上限频率是fhigh，则中心频率是(flow+fhigh)/2。在一些情况下，中心频率也可由-10dB或-20dB带宽定义。不管是哪种定义，中心频率通常由CMUT单元结构的谐振频率(例如，在CMUT单元中的腔之上的膜的谐振频率)确定。CMUT单元结构的谐振频率越高，则中心频率越高。CMUT可用于将(TX)声功率传输到介质中，或从介质接收(RX)声学信号，或以上两者。而且，在本文的实现方式中，换能效率可包括CMUT传输效率、接收灵敏度、或以上两者(即，回路灵敏度)。例如，传输效率和接收灵敏度两者可通过换能空间内的电场强度(即，包括CMUT腔的CMUT的两个电极之间的间隙)确定。较高的电强度导致较高的传输效率和较高的接收灵敏度。对于给定的施加电压，诸如偏置电压，在换能空间中的电强度可通过腔尺寸(例如，深度、形状、轮廓等)确定。为了讨论的目的，在超声成像的环境下描述一些示例实现方式。然而，本文中的实现方式不限于所提供的特定示例，并且可以扩展到其他应用、其他系统、用于使用的其他环境、其他阵列配置等,如根据本文的公开内容对本领域的技术人员将是明显的。图1示出了根据一些实现方式的包括CMUT阵列的示例超声成像系统100。在该示例中，系统100包括CMUT阵列102。在一些情况下，CMUT阵列102可以是如下面另外讨论的在垂直维度中具有超过两个子元件的1.5DCMUT阵列。系统100进一步包括成像系统104、滤波器组106、和与CMUT阵列102通信的多路复用器108。在一些示例中，系统100可包括，或可包括在用于执行超声成像的超声探测器中。进一步，系统100可包括多个传输和接收通道110。作为一个示例，CMUT阵列102可包括与多路复用器108通信的128路传输和接收通道110。此外，CMUT阵列102可包括N×M子元件112，例如，其中N是元件的数量，以及M是用于每个元件的沿着垂直方向的子元件的数量。在一些示例中，子元件112中的至少一些的性质可以变化，并且在一些情况下，子元件112内的CMUT单元的性质可以变化。在一些实例中，多路复用器108可包括大量的开关114，在一些情况下，开关114可以是高压模拟开关。而且，滤波器组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，包括：电容式微加工超声换能器(CMUT)阵列，其具有多个CMUT元件，所述CMUT元件中的各个元件包括：第一子元件；第二子元件；以及在所述第一子元件和所述第二子元件之间的第三子元件；其中所述第三子元件被配置成以比所述第一子元件或所述第二子元件中的至少一者高的中心频率传输超声能量。

【技术特征摘要】
2015.11.18 US 14/944,4041.一种系统，包括：电容式微加工超声换能器(CMUT)阵列，其具有多个CMUT元件，所述CMUT元件中的各个元件包括：第一子元件；第二子元件；以及在所述第一子元件和所述第二子元件之间的第三子元件；其中所述第三子元件被配置成以比所述第一子元件或所述第二子元件中的至少一者高的中心频率传输超声能量。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第三子元件包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括具有第一谐振频率的多个第一CMUT单元，所述第二区域包括具有与所述第一谐振频率不同的第二谐振频率的多个第二CMUT单元。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一子元件和所述第二子元件彼此电连接并且各自包括多个区域，其中：第一区域包括具有第一谐振频率的多个第一CMUT单元；以及第二区域包括具有小于所述第一谐振频率的第二谐振频率的多个第二CMUT单元。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二CMUT单元通过以下各项中的至少一个不同于所述第一CMUT单元：当在平面中观看时不同的形状；不同的膜厚度；形成于所述第一CMUT单元或所述第二CMUT单元中的至少一者的至少相应的膜上的不同的图案；或所述第二CMUT单元的腔具有比所述第一CMUT单元的腔大的面积。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，除所述第一子元件、所述第二子元件和所述第三子元件之外，在所述各个元件中还存在多个子元件，所述系统进一步包括：一个或多个处理器；和一个或多个计算机可读介质，其存储能够由所述一个或多个处理器执行的指令，其中所述指令对所述一个或多个处理器编程以：确定第一多个子元件来传输来自CMUT阵列的超声能量；以及控制多路复用器的第一多个开关以用于致使所述第一多个子元件传输所述超声能量。6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述指令进一步对所述一个或多个处理器编程以：确定第二多个子元件来传输超声能量以用于增加所述CMUT阵列的孔径；以及控制所述多路复用器的第二多个开关以用于致使所述第二多个子元件传输所述超声能量。7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述指令进一步对所述一个或多个处理器编程以将至少一个滤波器应用于至少部分地基于成像的深度来对超声能量进行滤波。8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述指令进一步对所述一个或多个处理器编程以将至少一个滤波器应用于至少部分地基于成像的深度来对电传输脉冲进行滤波。9.如权利要求1所述的CMUT元件，其特征在于：所述第一子元件包括一个或多个第一CMUT单元；所述第二子元件包括一个或多个第二CMUT单元；以及所述第三子元件包括一个或多个第三CMUT单元，其中所述一个或多个第三CMUT单元具有每CMUT单元的相应腔形状，所述每CMUT单元的相应腔形状与所述第一CMUT单元或所述第二CMUT单元中的至少一个的每CMUT单元的相应腔形状不同，使得对于相同的施加电压，所述第三CMUT单元的换能效率高于所述第一CMUT单元或所述第二CMUT单元中的所述至少一者的换能效率。10.一种CMUT元件，包括：第一子元件，具有一个或多个第一CMUT单元；以及第二子元件，具有一个或多个第二CMUT单元；其中所述一个或多个第一CMUT单元具有与所述一个或多个第二CMUT单元的谐振频率不同的谐振频率。11.如权利要求10所述的CMUT元件，其特征在于：所述第一子元件包括设置在多个区域中的多个第一CMUT单元；所述多个区域中的第一区域包括所述第一CMUT单元的第一子集；所述多个区域中的第二区域包括所述第一CMUT单元的第二子集；以及所述第一CMUT单元的第一子集具有大于所述第一CMUT单元的第二子集的谐振频率的谐振频率。12.如权利要求11所述的CMUT元件，其特征在于：所述第一子元件的第三区域包括所述第一CMUT单元的第三子集；所述第一子集的第一CMUT单元具有大于所述第一CMUT单元的第二子集的谐振频率和所述第一CMUT单元的第三子集的谐振频率的谐振频率；以及所述第二区域设置在所述第一区域的一侧上并且所述第三区域设置在所述第一区域的相对侧上。13.如权利要求11所述的CMUT元件，其特征在于，所述第二子集的CMUT单元的谐振频率是比所述第二子集的第二CMUT单元的谐振频率高的频率。14.如权利要求10所述的CMUT元件，其特征在于，所述第一CMUT单元具有相应的膜，所述相应的膜通过以下各项中的至少一个不同于所述第二CMUT单元的相应的膜：相应的膜的膜厚度；或具有形成于所述第一CMUT单元的相应的膜或所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·黄，D·赵，庄雪锋，
申请(专利权)人：珂纳医疗科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32