一种适用于超声ＣＭＵＴ换能器阵列中的ＣＭＵＴ换能器单元包括具有第一电极的膜、具有第二电极的衬底、以及位于所述膜和所述衬底之间的腔室。通过将所述膜偏置到与所述腔室的底面的塌陷状况而在预塌陷状态下操作所述ＣＭＵＴ，并且透镜模铸在塌陷的膜上方。在所述透镜材料聚合或者具有足够刚度时，去除所述偏置电压而所述透镜材料将所述膜保持在塌陷状态。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有机械塌陷保持的预塌陷CMUT本专利技术涉及医学诊断超声成像，并且尤其涉及使用电容式微加工超声换能器 (CMUT)的超声探头。用于医学成像的超声换能器具有导致产生高质量诊断图像的各种特性。其中包括宽的带宽以及在超声频率下对于低水平声学信号的高灵敏度。传统上，具有这些特性并且因而用于超声换能器的压电材料由PZT和PVDF材料制成，其中PZT是最优选的。然而，陶瓷PZT材料需要包括明显不同且复杂的切片(dicing)、匹配层粘结、填料、电镀和互连的制造工序并且需要扩展处理，所有这些会导致小于所期望的换能器堆叠单元产量。而且，这一制造复杂性增加了最终换能器探头的成本。随着超声系统主机(mainframe)变得更小并且主要由现场可编程门阵列(FPGA)和用于多数信号处理功能的软件来控制，系统主机的成本随着系统的尺寸而降低。现在，可获得廉价的便携式、桌面和手持形式的超声系统。结果，换能器探头的成本占系统总成本的百分比日益增长，并且用于3D成像的更高元件计数阵列的出现加速了这一增长。因此，期望能够以提高的产量以及低成本制造换能器阵列，以促进对于低成本超声系统的需求。近来的发展已经导致能够通过半导体工艺来制造医用超声换能器的前景。期望的是，这些工艺应该与用于制造超声探头所需的电路的工艺相同，例如CMOS工艺。这些发展已经产生微加工超声换能器或者MUT0已按照两种设计方案制造MUT，一种是使用具有压电特性的半导体层(PMUT)而另一种是使用表现出电容效应的具有电极板的膜片以及衬底 (CMUT)。CMUT换能器是具有电极的微小膜片状的器件，其将所接收的超声信号的声音振动转换为调制电容。为了传输，对施加到电极的电容电荷进行调制以振动该器件的膜片并且从而传输声波。由于这些器件通过半导体工艺制造，因此该器件通常具有10-200微米范围的尺度，但是可以达到300-500微米的器件直径。可以将许多这样单独的CMUT连接到一起并且作为单个换能器元件整体操作。例如，可以将四到十六个CMUT耦合到一起以整体用作单个换能器元件。典型的2D换能器阵列目前将具有2000-3000个压电换能器元件。在制造为CMUT阵列时，将使用超过一百万个CMUT单元。令人惊讶的是，早期结果表明，这一尺寸的半导体制造(fab)CMUT阵列的产量应比用于几千个换能器元件的PZT阵列的产量有明显提尚ο最初制造的CMUT以现在已知为“未塌陷(imcollapsed) ”模式进行操作。参照图 1，以截面图示出典型的未塌陷CMUT换能器单元10。CMUT换能器单元10与诸如硅的衬底 12上的多个类似的相邻单元一起制造。可以由氮化硅制成的膜片或者膜14由绝缘支撑体 16支撑在衬底上方，该绝缘支撑体16可以由氧化硅或者氮化硅制成。膜和衬底之间的腔室18可以是空气或者气体填充的，或者完全或部分抽空。诸如金的导电薄膜或者层20在该膜片上形成电极，并且类似的薄膜或者层22在衬底上形成电极。由介电腔室18分隔开的这两个电极形成电容。在声学信号使膜14振动时，能够检测电容的变化，从而将声学波换能为相应的电信号。相反，施加到电极20，22的交流信号将调制该电容，使该膜移动并且从而传输声学信号。由于典型CMUT的微米尺寸量级尺度，通常密集地制造大量CMUT单元以形成单个换能器元件。单独的单元可以具有圆形、矩形、六边形或者其它外围形状。图3是由本专利技术的圆形CMUT单元的光学干涉仪产生的地形(topographical)图像。图4是圆形CMUT单元阵列的干涉图像。CMUT单元可以具有不同的尺度以使得换能器元件将具有不同单元尺寸的组合特性，从而为换能器给出宽带特性。一般而言，由于大多数CMUT通常具有所施加信号带宽的100%或者更大的带宽，因此这样的单元尺寸差异不是必需的。CMUT本质上是二次(quadratic)器件，因此声学信号通常是所施加信号的谐波， 即，声学信号将是所施加电信号频率的两倍。为了防止这一二次行为，向两个电极施加偏置电压，使膜片由所产生的库伦力向衬底吸引。这在图2中示意性示出，其中DC偏置电压Vb 施加到作为端子M Wbi并且通过向交流信号施加诸如电感阻抗的高阻抗Z的路径而耦合到膜电极20。交流信号从信号端子沈电容耦合到膜电极或者从该膜电极电容耦合。膜14 上的正电荷使该膜在被吸引到衬底12上的负电荷时膨胀。CMUT单元在这一偏置状态下连续操作时仅微弱地表现出二次行为。已经发现在膜膨胀以使得该电容式器件的两个相反充电的板尽可能接近到一起时，CMUT最灵敏。两个板的紧密接近将由CMUT产生声学和电信号能量之间的更大耦合。因而期望增加偏置电压Vb直到膜14和衬底12之间的介电间隔32尽可能小到能够维持在操作信号条件下。在所构成的实施例中，该间隔处于一微米或者更小的量级。然而，如果所施加的偏置电压太大，则膜会接触衬底，由于范德瓦尔斯(Vander Wals)力将器件的两个板粘贴在一起，因此使该器件短路。这一粘贴会在CMUT单元被过驱动时发生，并且由于制造公差变化，对于相同的偏置电压Vb器件之间也会变化。尽管通过在电绝缘层(例如氮化硅) 中嵌入器件电极能够减小永久粘贴，但是当试图在最大灵敏度范围内操作未塌陷CMUT时， 塌陷和未塌陷状态之间的操作非线性是固有的缺陷。即使在膜被偏置以产生非常小的亚微米介电间隔时，CMUT的灵敏度也会小于所期望的灵敏度。这是由于以下事实尽管膜的中心32处的电荷相对接近相对电荷并且将相对于该相反电荷显著移动，但是在由支撑体16支撑该膜的外围34处的电荷将几乎不移动并且因而几乎不参与由器件进行的信号换能。消除该差异的一种方法是使用不延伸到支撑体 16的较小的膜电极20。这将膜电极上的电荷限制到将强烈参与膜的移动并且因而由器件进行的换能的器件中心。仍然必须具有一个或者多个电导体以向膜电极20施加偏置电压 Vb并且将交流信号耦合到电极或者耦合来自电极的交流信号。这些电导体必须非常薄，具有向交流信号施加不期望的大阻抗的尺度，从而限制了器件的灵敏度。本专利技术的目的在于提供一种具有良好灵敏度但是不受膜粘贴问题影响的CMUT换能器单元。本专利技术的另一目的在于提供一种能够利用低偏置电压维持在有效操作范围内的 CMUT换能器单元。本专利技术的又一目的在于提供一种在存在预期制造公差的情况下大批量均一致操作的CMUT换能器单元。本专利技术的又一目的在于提供一种CMUT换能器阵列，其能够利用与用于操作CMUT 换能器阵列的集成电路的半导体工艺兼容的半导体工艺，诸如CMOS工艺来制造。根据本专利技术的原理，提供一种以“预塌陷”模式操作的超声换能器CMUT单元阵列。 在所述预塌陷模式下，由于膜与CMUT单元的腔室底面连续接触，因此避免了粘贴问题。通过使用不在未塌陷和预塌陷状态之间切换的操作范围并且在预塌陷模式下连续操作而避免滞后。通过物理上保持膜的塌陷状况的机械结构来替代传统上将膜维持在预塌陷模式所需的偏置电压。这使得CMUT能够以低操作和偏置电压在有利的操作范围内操作。在优选实施例中，将CMUT单元维持在塌陷状况的机械结构是超声换能器阵列的透镜。在附图中附图说明图1是典型CMUT换能器单元的截面图。图2是典型CMUT单元的电特性的示意性说明。图3是本专利技术的CMUT单元的地形干涉图本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种ＣＭＵＴ换能器单元，包括：衬底；附接到所述衬底的第一电极；以与所述第一电极成间隔关系形成的可移动膜；附接到所述膜的第二电极；以及保持部件，所述保持部件在所述膜处于预塌陷状态时覆盖所述可移动膜，并用于在不存在偏置电压的情况下将所述膜保持在其预塌陷状态。
【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：P·迪克森，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL
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