具有至衬底的受抑声耦合的超声波CMUT制造技术

在衬底上的分别隔离的重板上形成cMUT单元的阵列。每一板的质量提供对抗所述单元的发射产生的力和运动，这减小在所述板中生成的运动转化。这一运动的减小实现较少声能耦合到衬底内，以及较少的通过横向波对相邻cMUT单元的信号的污染。还可以通过在所述衬底上对所述重板进行柔顺或稀疏的周期性安装而进一步减弱不希望的向衬底内的波耦合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有至衬底的受抑声耦合的超声波CMUT
本专利技术涉及医学诊断超声系统，具体而言，涉及被抑制的向cMUT(电容式微加工超声换能器)阵列的衬底的混响能量的声耦合的cMUT阵列。
技术介绍
MUT，尤其cMUT是通过半导体制造技术制作的超声换能器元件。与诸如PZT的常规压电材料不同，MUT可以通过严格的压电效应之外的效应来工作。就cMUT而言，通过可变电容效应使膜片按照鼓的隔膜的方式振动。膜片振动产生了被发射的超声能量。在接收时，通过返回的回波使膜片发生振动，并感测电容变化，以检测接收到的回波信号。在我的美国专利6328697的图1中示出了典型的cMUT单元。在这一专利的图2中示出了采用处于超声频率上的a.c.信号驱动cMUT单元的电气图解。在cMUT的膜片振动而发射超声波时，根据牛顿第三定律，所述振动的力受到其上制造了该cMUT的衬底的支持。根据牛顿第三定律，已知的cMUT元件向它们的支撑衬底施加相对于沿预期的发射方向施加到负载介质上的声压力大小相等方向相反的机械力。此外，cMUT阵列，由于其周期性结构以及具有将每一顶部膜片与所述衬底隔开的支撑环，并且有时还具有塌缩的中央区域的构造，而跨越所述阵列按照周期性的方式施加这一平均力。被施加到衬底(通常是诸如硅的非常低声损耗的材料)上的力生成几种声波类型(例如，纵波、剪切波、兰姆波和瑞利波)中的一种或多种，所述波可以穿过衬底传播以及沿衬底横向传播。就这些情况中的任何一种而言，结果都是类似的。所述波在衬底内承载能量，所述能量被衬底上的其他cMUT元件的互反(reciprocal)机构接收并由它们犹如输入信号那样对所述能量进行解释，但是相对于预期信号而言，所述输入信号是在不适当的并且有时很长的时间之后的。其将导致寄生电信号被生成以及被所附着的成像系统作为输入信号加以解释，在所生成的图像中建立了伪影。由于在(例如)硅中声耦合非常有利而且声损耗很低，因而所述图像中的混杂可能严重地降低对比度。从一个阵列元件传递到相邻元件的能量可能将阵列接收角降低到足以严重地损害横向分辨率和射束操纵能力。这些问题已经造成了cMUT在医疗成像领域中缺乏商业接受度。现有技术举例说明了在避免向MUT衬底内的以及贯穿MUT衬底的声耦合的方面的各种尝试。这些努力包括在衬底的后面使用匹配的吸声衬垫，尤其如美国专利6862254、美国专利6831394和美国专利7441321所示的那样，其尝试阻隔不需要的声能到衬底的后面。另一方案是使衬底变薄，如美国专利6714484和美国专利6262946所示的那样，其尝试通过在尽可能大的程度上去除衬底而避免波沿所述衬底横向传播。另一方案是在衬底内包含各种类型的不连续特征，以对寄生波穿过衬底的传播进行散播或阻挡，如美国专利申请公开文本US2009/0122651、美国专利7741686、美国专利7545075和美国专利6669644所示。所需要的是一种简单、有效的方式来避免能量向衬底内的传输，而这一能量传输正是不需要的伪影的来源。
技术实现思路
根据本专利技术的原理，提供了一种MUT阵列，其具有与衬底声隔离的MUT元件。通过支撑MUT元件的相对显著的质量(mass)来对抗MUT元件的发射的声学力。通过一个或多个小尺寸和/或低劲度的支撑构件将所述支撑质量安装到衬底上，所述构件提供从所述支撑质量到所述衬底的低耦合。【附图说明】在附图中:图1通过截面图示出了典型的现有技术cMUT单元。图2是根据本专利技术的原理的被声学隔离的cMUT器件的截面图。图3a是本专利技术的cMUT器件的耦合物理性质的示意图。图3b是说明所述器件的工作过程中所涉及的力的图3a的示意图的分解视图。图4是根据本专利技术的原理的被声隔离的另一 MUT器件的截面图。图5是根据本专利技术的原理的被声隔离的另一 MUT器件的截面图。图6是由根据本专利技术构造的六边形cMUT单元的阵列的平面图，该图还示出了与所述单元的电连接。图7示出了用于实施与根据本专利技术的cMUT单元阵列的电连接的备选技术的平面图。图8是根据本专利技术的原理的被制造于半导体衬底上的cMUT的截面图，所述半导体衬底具有用于操作所述cMUT的ASIC电路。【具体实施方式】首先参考图1，通过截面图示出了现有技术的典型cMUT器件10。cMUTlO包括由导电材料构成的顶部电极12。所述顶部电极位于膜片22上，或者其本身可以包括所述膜片。在这一举例说明当中，所述膜片由诸如氮化硅或二氧化硅的非导电材料形成。通过在膜片的横向边缘处的竖直支撑物在空隙或间隙14之上支撑膜片。在这一实施例中，所述膜片跨越所述间隙而不触及所述间隙底部的底。在其他实施例中，可以有目的地构建或偏置所述膜片，从而使其按照塌缩模式工作，其中，膜片的中央与所述间隙的底接触。导体20将电信号耦合到顶部电极12或耦合来自顶部电极12的电信号。间隙14之下是底部电极16。与底部电极的电连接是由其上制作了所述阵列换能器的cMUT单元的半导体衬底18构成的。这一实施例中的其他暗层(dark layers)是通常由氮化硅或二氧化硅形成的隔离层。由于所述顶部电极12和膜片22在受到发射信号的驱动时发生振动，因而从所述顶部电极的顶表面向上发射期望的声信号。但是这一力的对抗力，即由其上制作了所述cMUT单元的衬底平台对声压波的力的阻力，使得声波被耦合到衬底18内，其中，声波穿过所述衬底朝后传播，并被反弹回到cMUT单元内，并且它们在该处引起混杂。不希望的声波还可能横向传播到相邻的cMUT单元。横向波能够在信号接收期间抵达其他cMUT单元，并被哪些单元作为接收到的回波信号错误地感测。这些来自衬底的不希望的信号可能被作为混杂信号加以解释，降低了所得到的超声图像的质量。图2通过截面图示出了根据本专利技术的原理构造的cMUT单元。概念上，可以将本专利技术的cMUT单元构造成普通的cMUT，但是在运动的膜片下面添加显著量的质量作为下部电极的部分或附着到所述下部电极的部分。这一质量可以采取具有股走厚度的非常致密材料的板的形式，从而提供具有与在衬底上直接安装所述单元时可能在衬底中出现的运动相比显著较少的运动的对所施加的声学力的实质反应。用于各个单元或单元组的重板(massiveplate)沿横向相互声隔离，从而避免从一个重板到另一重板的横向耦合。所述重板优选通过小的支撑物悬置于所述衬底之上，从而进一步降低到所述衬底内的声耦合，例如，所述小的支撑物可以是最小截面积的小的支柱。替代地，可以将所述重板安装到一层柔顺材料(compliant material)上。在另一实施例中，可以使所述重板悬置在小的支撑物上,而与所述支撑物相邻的所述衬底和所述板之间的空间填充有柔顺材料，例如，所述柔顺材料可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS )，其又被称为硅酮橡胶。在图2的例子中，顶部电极12是诸如铝、钨、多晶硅膜片或单晶硅之类的导体。顶部电极具有柔顺性，并且还作为cMUT器件的膜片工作。与顶部电极12的电连接是通过导体20构成的，例如，所述导体20是由钨、铝、铜或多晶硅构成的。顶部电极12通常可以是1-5微米厚，具有30-100微米的跨越所述电极的直径。所述cMUT单元的形状可以是圆形的，也可以是其他形状，例如，六边形、矩形或正方形。间隙14处于顶部电极12和重板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.22 US 61/466,1721.一种超声波换能器的CMUT单元的阵列，每一单元包括: 单元膜片； 膜片支撑结构； 耦合至所述单元膜片的顶部电极； 提供空间的间隙，所述单元膜片在所述空间中移动； 与所述顶部电极协同使用的底部电极； 重板，在所述重板上安装所述单元膜片、所述膜片支撑结构、所述电极和所述间隙，所述重板具有基本上对抗所述cMUT在发射期间产生的声压力的惯性力；以及 衬底，在所述衬底上安装所述重板。2.根据权利要求1所述的cMUT单元的阵列，其中，所述单元膜片、所述膜片支撑结构、所述顶部电极、所述底部电极和所述重板是通过半导体制作工艺制作的。3.根据权利要求2所述的cMUT单元的阵列，其中，所述重板是由导电材料形成的，从而还提供所述底部电极。4.根据权利要求3所述的cMUT单元的阵列，其中，所述`导电材料为钽、金、钥、铜、铬、或钨、或其合金。5.根据权利要求1所述的cMUT单元的阵列，其中，所述重板还呈现高劲度，致使相对于所述cMUT用以工作的超声的波长，其尺寸是小的。6.根据权利要求5所述的cMUT单元的阵列，其中，所述重板还呈现高的声阻抗。7.根据权利要求6所述的cMUT单元的阵列，其中，所述声阻抗大于40MRayl。8.根据权利要求1所述的cMUT单元的阵列，其中，通过柔顺支撑物将所述重板安装在所述衬底上。9.根据权利要求1所述的cMUT单元的阵列，其中，通过多个间隔开的支撑物将所述重板安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·D·弗雷泽，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：
国别省市：