带有电压反馈的电容式微机械超声换能器制造技术

电容式微机械超声换能器（ＣＭＵＴ）的实施方式包括与ＣＭＵＴ串联连接的反馈部件。反馈部件应用对施加在ＣＭＵＴ上的电压的反馈，以在ＣＭＵＴ的驱动期间ＣＭＵＴ的电容改变时影响施加在ＣＭＵＴ上的电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带有电压反馈的电容式微机械超声换能器相关申请的交叉引用本申请要求于2007年12月3日递交的第60/992，027号美国临时专利申请的利 益，其全部公开通过引用并入本文。背景 电容式微机械超声换能器(CMUT)是静电致动器/换能器，其广泛用在各种应用 中。超声换能器可在各种介质包括液体、固体和气体中操作。超声换能器通常用于针对诊 断和治疗的医学成像、生化成像、材料的非破坏性评估、声纳、通信、接近传感器、气体流量 测量、现场过程监控、声学显微镜、水下感测和成像、以及很多其他的实际应用。CMUT的典型 结构是带有刚性底部电极和位于柔性膜上或柔性膜内的可移动顶部电极的平行板电容器， 其用于传输(TX)或接收/检测(RX)在邻近介质中的声波。直流(DC)偏压可被施加在电 极之间以将膜偏转到对CMUT操作的最佳位置，通常目的是最大化灵敏度和带宽。在传输期 间，交流(AC)信号施加到换能器。顶部电极和底部电极之间的交变静电力驱动膜，以便将 声能传递到CMUT周围的介质中。在接收期间撞击声波使得膜振动，从而改变两个电极之间 的电容。因为CMUT中的静电力是非线性的，于是当两个电极之间的分离间隔在驱动期间 减小时，电极之间的静电力一般以大于膜的恢复力的速度增加。因此，当可移动电极移动到 某个位置，例如一般电极间隙的三分之一时，膜的恢复力不能平衡静电力。任何进一步的电 压增加都可导致“拉入”效应，其可导致CMUT的不稳定或故障。因此，为了对某些应用获得 足够的位移，两个电极之间的分离间隙必须被设计为远大于实际需要的位移，这可基本上 限制CMUT在常规操作中的性能。附图简述附图结合描述用于示出和解释目前设想的最好方式的原理。在图中，参考标号的 最左侧数字标识了参考标号第一次出现的图。在附图中，相似的数字描述所有的几个视图 中实质上类似的特征和部件。附图说明图1A-1B示出了包括理论CMUT的系统的示例性图解模型。图2A-2B示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的示例性实施方式。图3示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图4示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图5A-5C示出了包括带有反馈部件的CMUT的系统的示例性实施方式。图6示出了用于带有反馈电容器的CMUT的示例性方法的流程图。图7示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图8示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图9示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图10示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图11示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图12示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图13示出了包括带有反馈电容器的CMUT的系统的另一个示例性实施方式。图14示出了包括探针的系统的示例性实施方式，所述探针包括带有反馈电容器 的 CMUT。图15示出了包括探针的系统的另一个示例性实施方式，所述探针包括带有反馈 电容器的CMUT。详细描述 在以下的详细描述中，参考形成了本公开的一部分的附图，且在附图中作为例子 而不是限制示出了示例性的实施方式。另外，应注意到，虽然本描述提供了如以下描述和如 在附图中所示出的各种示例性的实施方式，但本公开不限于此处所描述和所示出的实施方 式，而是可扩展到本领域技术人员已知的或将变成已知的其他实施方式。在本说明书中对 “一个实施方式”、“这个实施方式”或“这些实施方式”的提及意指结合实施方式描述的被包 括在至少一个实施方式中的特定的特点、结构或特征，且这些词组在本说明书中的不同位 置的出现不一定都指同一实施方式。另外，在本描述中，许多具体的细节被阐述以便提供彻 底的公开。但是，对本领域普通技术人员来说很明显，可能不是在所有的实施方式中都需要 这些具体细节。在其他情况中，公知的结构、材料、电路、过程和接口未被详细描述，和/或 可以方框图的形式示出，以便不使本公开不必要地难以理解。此处所公开的实施方式涉及CMUT以及用于CMUT的设计和操作的方法和系统，部 件(例如，电容器、电阻器、电感器等)被添加到所述CMUT以提供对施加到CMUT上的电压 的反馈。通常当CMUT的电容增加时，所添加的部件的存在降低施加到CMUT上的输入电压 的百分比。因此所添加的部件提供了对施加到CMUT上的输入电压的百分比的反馈。所添 加的部件的存在提供了若干优点，包括提高CMUT的位移和输出功率而不增加电极间距，通 过减小施加到CMUT结构上的绝对电压来提高对于电短路或击穿的设备可靠性，以及通过 增加CMUT结构的电容来提高接收灵敏度。为了有效地提供对施加到CMUT上的输入电压的 百分比的负反馈，所添加的部件的电值应被谨慎地选择，以便部件可在CMUT的操作频率区 域中提供对施加到CMUT的电压的期望反馈。实施方式可被合并到超声系统、换能器、探针绝由寸τ。为了解决CMUT操作中的问题以及提高CMUT性能，此处所公开的一些实施方式包 括的部件是在此处称为反馈电容器的电容器，其具有特别选定的电容，与CMUT串联放置， 该CMUT在CMUT操作期间，尤其是在传输模式中的CMUT操作期间提供对施加到CMUT上的 输入电压的百分比的反馈(即，产生超声能)。一些示例性的实施方式涉及使用反馈电容 器来提供对施加到CMUT上的输入电压的百分比的负反馈。例如，在一些实施方式中，反馈 电容器是与CMUT换能器串联的电容器。串联电容器和CMUT可形成分压器，使得CMUT的电 容的增加使施加到CMUT上的输入电压的百分比降低。因此，串联电容器具有被选择成提供 对施加到CMUT上的电压的负反馈的可预测水平的电容。因为当膜位移以及电容增加时反 馈电容器降低了施加到CMUT上的输入电压的百分比，CMUT可在由常规的拉入效应设定的 限制之外操作。因此在此处所公开的操作方法和实施方式中的CMUT(例如，与反馈电容串 联)的最大位移可大于常规操作(没有所添加的反馈电容器)中的相同CMUT的位移，或分 离电极的间隔可被设计为实质上较小以实现相同的最大间隔，作为带有常规操作中的较大 电极间隔的CMUT。在一些实施方式中，为了提供有效的反馈，反馈电容器的电容可与CMUT的电容相 当，以便输入电压可被有目的地分布在CMUT和反馈电容器之间。在一些实施方式中，基于 CMUT的电容，反馈电容器的电容在规定的范围内。另外，在一些实施方式中，反馈电容器可 设置为仅在CMUT传输(TX)操作期间是起作用的。进一步地，在一些实施方式中，偏压可被 施加到具有反馈电容器的CMUT。在一些实施方式中，偏压可仅在RX操作中被施加到CMUT。 另外，在一些实施方式中，去耦电容器也用在与具有反馈电容器的CMUT连接的偏压电路 中。具有特定值的其他电子部件(例如，电阻器、电感器等)可被用于代替在一些实施 方式中所使用的反馈电容器，以提供对施加在CMUT上的电压的反馈。但是，与反馈电容器 不同，由其他电子部件提供的反馈可以是与频率相关的，这在一些应用中是不期望有的。因 此，虽然不与频率相关的反馈电容器被用于说明此处所公开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，包括：电容式微机械超声换能器（ＣＭＵＴ），其包括：第一电极；第二电极，其与所述第一电极分离开一间隙，使得在所述第一电极和所述第二电极之间存在第一电容；弹簧元件，其支撑所述第二电极，用于使所述第二电极能够朝着所述第一电极移动和远离所述第一电极移动；以及反馈部件，其与所述ＣＭＵＴ串联连接，所述反馈部件提供对施加到所述ＣＭＵＴ上的电压的反馈。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-12-3 60/992,027一种系统，包括电容式微机械超声换能器(CMUT)，其包括第一电极；第二电极，其与所述第一电极分离开一间隙，使得在所述第一电极和所述第二电极之间存在第一电容；弹簧元件，其支撑所述第二电极，用于使所述第二电极能够朝着所述第一电极移动和远离所述第一电极移动；以及反馈部件，其与所述CMUT串联连接，所述反馈部件提供对施加到所述CMUT上的电压的反馈。2.如权利要求1所述的系统，其中所述反馈部件是提供对施加到所述CMUT的所述电压的负反馈，用于在所述CMUT 的所述第一电容增加时降低所述电压，作为所述第二电极移动的结果。3.如权利要求1所述的系统，其中所述反馈部件是具有约等于或小于所述第一电容的第二电容的电容器。4.如权利要求1所述的系统，其中所述反馈部件是具有在所述第一电容的10%和300%之间的第二电容的电容器。5.如权利要求1所述的系统，其中所述反馈部件是具有在所述第一电容的30%和100%之间的第二电容的电容器。6.如权利要求1所述的系统，还包括开关，其可驱动以在CMUT用在接收模式中以检测声能时提供避开所述反馈部件的路 径，且可驱动以在所述CMUT用在传输模式时将所述反馈部件与所述CMUT串联放置以传输声能°7.如权利要求1所述的系统，还包括偏压电路，其用于在所述反馈部件和所述CMUT之间施加偏压。8.如权利要求1所述的系统，还包括开关，其在所述反馈部件和所述CMUT之间，当所述CMUT用在传输模式中以传输声能 时，所述开关将所述CMUT与所述反馈部件和传输电压的源串联连接，当所述CMUT用在接收 模式中以检测声能时，所述开关将所述CMUT连接到接收端；以及 偏压电路，其用于将偏压施加到所述开关和所述CMUT之间。9.如权利要求1所述的系统，其还包括开关，其在所述反馈部件和所述CMUT之间，当所述CMUT用在传输模式中以传输声能 时，所述开关将所述CMUT与所述反馈部件和传输电压的源串联连接，当所述CMUT用在接收 模式中以检测声能时，所述开关将所述CMUT连接到接收端；以及偏压电路，其用于在所述开关将所述CMUT连接到所述接收端时施加偏压。10.如权利要求1所述的系统，还包括具有位于所述探针的表面的所述CMUT的超声探针，且其中所述反馈部件位于所述探 针上且与所述探针的所述表面隔离。11.如权利要求1所述的系统，其还包括超声系统，其具有探针，所述探针包括位于所述探针的表面的所述CMUT，且其中所述反馈部件位于通过电缆连接到所述探针的超声系统的基本单元中。12.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄勇力，
申请(专利权)人：科隆科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]