[发明专利]具有高K电介质的CMUT

说明书

本公开涉及用于生成医学诊断图像的系统和方法，更特别的涉及超声 换能器。

超声换能器典型地由压电材料制造，并构造为当向传感器的各个电极 两端施加电压时发射超声波。探测作为材料中的电极化的背向散射波。然 而，至少部分地由于在压电陶瓷和感兴趣的空气或者流体之间的阻抗不匹 配而导致压电换能器在空气或者流体耦合应用中具有不足。

由于与当前的陶瓷换能器相比CMUT或者电容式微加工超声换能器的 制造成本较低，通常尺寸上更小，可实现更高频率成像，以及也能典型地 实现更高的集成水平，因此其是新一代换能器的可能候选。CMUT可以以 非塌陷或者塌陷的状态或者“模式”操作。当前研究显示在塌陷模式下的 CMUT操作，至少在一些例子中，可以改进功率发射。

现参考图1-3，在CMUT100中示出了典型的CMUT。该CMUT100包 括基板102和通常(例如，当未激活时)设置和/或悬置于基板102之上的 隔板104，从而使得隔板104通过间隙106与基板102分隔。间隙腔可是空 的(真空)或者充满气体。隔板104是CMUT100的“活动”部分，至少由 于隔板104能够朝着基板102弹性偏移。

CMUT100还包括顶部电极108和底部电极110。顶部电极108附贴并 设置在隔板104的顶上。底部电极110可以在基板102的顶上形成(例如， 包括沉积其上的导电材料层)，或者可以形成基板的一部分。

如以下参考图2和3所显示和描述的，CMUT100可在至少两个不同模 式下操作。

特别参考图2，在以非塌陷模式操作CMUT100时，在顶部电极108和 底部电极110两端施加幅值足够大的DC驱动电压，以由于静电吸引使隔板 104朝着基板102向下偏移，但是幅值并不会大到使将隔板104和基板102 分隔的间隙106消失。应注意图1-3可不是按比例的。在隔板104将趋向于 变得不稳定并向基板102塌陷之前，隔板104的典型位移可少于间隙106 的50％。

在顶部电极108和底部电极110两端的DC电压上加入AC电压时，在 隔板104中产生的振荡运动(未明确示出)可继而导致CMUT100发射超声 波(未示出)。当隔板104经受冲击超声压力场(未示出)时，在隔板104 和顶部电极108中类似地产生振荡运动(未明确示出)，从而当DC偏置电 压已经在顶部电极108和底部电极110两端施加时，在顶部电极108和底 部电极110之间的作为结果的相关运动生成AC探测电流。

现转至图3，在以塌陷模式操作CMUT100期间，在顶部电极108和底 部电极110两端施加的DC驱动电压的幅值足够大以使隔板104朝着基板 102向下偏移，并与底部电极110直接接触。这有效消除了在隔板104和基 板102之间并处于隔板104中央部分的间隙106(图1)。隔板104的未与 底部电极110接触的其余部分仍然可以操作，并且由于减小的间隙而导致 在相同电压下可施加更高的静电力。为了避免短路，隔板104包括电介质 材料。电介质材料的击穿和固定电荷捕捉是在以塌陷模式操作CMUT100 期间对其性能有不良影响的两个重要问题。例如，隔板104的电介质材料 中的固定电荷可趋向于导致CMUT100的DC驱动电压的改变。

尽管迄今作出了努力，但是仍需要高效和有效的CMUT设备及其使用 方法。通过以下描述可显而易见到：所公开的设备、系统和方法可满足这 些和其它需要。

本公开的各方面包括电容式超声换能器，其包括第一电极；第二电极； 第三电极，所述第三电极包括相对于所述第一电极可塌陷地间隔设置的中 央区域，和从所述中央区域向外设置并相对于所述第二电极可塌陷地间隔 设置的外围区域；以及高介电常数材料层，其设置在所述第三电极和所述 第一电极之间，以及所述第三电极和所述第二电极之间。根据本公开的各 方面，所述电容式超声换能器可以塌陷模式操作，其中所述第三电极的所 述外围区域相对于所述第二电极振荡，并且所述第三电极的所述中央区域 相对于所述第一电极完全塌陷，从而使所述高介电常数材料层被夹入其中。 可还包括诸如d31和d33压电驱动之类的压电驱动。还提供医学成像系统， 其包括设置在当前基板上的这种电容式超声换能器的阵列。