[发明专利]椭圆膜单元结构电容式微超声传感器环形阵列及电路系统

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，以下简称MEMS)传感器领域的电容式微超声传感器研究，设计了一种可用于血管内窥成像的椭圆膜单元结构的电容式微超声传感器环形阵列及电路系统。

背景技术

近年来，随着MEMS技术领域的蓬勃发展，采用MEMS技术的电容式微超声传感器的研究成为了热点，在医用内窥检测成像、治疗超声、微流体探测、工业无损等方面具有相应的应用价值。电容式超声传感器继承了MEMS体积小、精度高、集成化程度高的特点。同时，相比MEMS领域的压电产品，电容式微超声传感器具有以下特点：首先，电容式微超声传感器加工工艺简单，与集成电路加工工艺兼容，可与传感器前置电路集成于掩膜版上，这种集成化设计减小了寄生电容与信号串扰的影响。其次，电容式微超声传感器相较于压电式超声传感器具有更低的声学阻抗，机电转换效率更高。

传统的电容式微超声传感器阵列的基本单元为圆形膜或矩形膜结构，因其加工制造相对简单，在工业无损检测、医学检测、化学生物检测等方面应用广泛。在医学血管内窥成像应用中，通常采用环形阵列，对心血管内阻塞物进行超声扫查成像。

血管内窥成像电容式微超声传感器环形阵列的工作单位可由单个矩形膜阵元或并联矩形膜阵元组成。当工作单位为单个矩形膜阵元时，如图1所示(包括：矩形单膜1、矩形膜阵元顶电极2、矩形膜阵元顶电极引出PAD3)，矩形单膜1的发射声压较小，在医用成像系统中，将单膜上的顶电极并联构成矩形膜次级阵列，作为工作单位，以提高工作单位的发射声压。

采用矩形膜次级阵列作为工作单位，如图2所示(包括：矩形振膜4、矩形膜次级阵列顶电极5、矩形膜次级阵列顶电极引出PAD 6)。在单元膜面积的限制下，通过信号叠加增大了次级阵列的发射声压。但矩形振膜4长宽比较大，振膜边沿易受应力集中效应影响而破裂，稳定性不佳。

采用圆形膜次级阵列作为工作单位，如图3所示(包括：圆形振膜7、圆形膜次级阵列顶电极8、圆形膜次级阵列顶电极引出PAD 9)。圆形膜次级阵列增加了单元个数，使得发射声压累积增大。此外，相比矩形振膜4，圆形振膜7削弱了应力集中效应的影响，提高了器件稳定性。在血管内窥成像中，环形阵列扫略面积是重要的考量参数。如何在合理控制信号噪声的前提下有效提高环形阵列的扫略面积，是目前圆形膜次级阵列遭遇的技术瓶颈之一。

基于以上分析，采用圆形膜次级阵列作为工作单位的电容式微超声传感器环形阵列设计仍然存在缺陷，扫略面积较小以及圆形振膜接收灵敏度低等问题影响血管内窥成像检测的成像范围与成像质量。为此，需要研究一种新型电容式微超声传感器环形阵列。

发明内容

本发明提供了一种椭圆膜单元结构的电容式微超声传感器环形阵列及电路系统，本发明可增大环形阵列扫略面积，提高振膜接收灵敏度，减小近场长度，扩展成像范围，增强器件稳定性。详见下文描述：

一种椭圆膜单元结构电容式微超声传感器环形阵列，包括椭圆膜次级阵列，环形阵列由40个椭圆膜次级阵列排列而成。

所述椭圆膜次级阵列还包括：椭圆振膜、椭圆膜次级阵列顶电极、椭圆膜次级阵列顶电极引出PAD。

所述椭圆膜次级阵列顶电极分布在所述椭圆振膜上方，所述椭圆膜次级阵列顶电极连接对应椭圆膜次级阵列顶电极引出PAD。

所述椭圆膜次级阵列顶电极与所述椭圆膜次级阵列顶电极引出PAD之间通过溅射的金属材料导线连接。

所述椭圆膜次级阵列横截面层级结构由上到下依次为：椭圆膜次级阵列顶电极与椭圆膜次级阵列顶电极引出PAD、氮化硅薄膜、椭圆形空腔和硅基底。

所述硅基底注入导电离子充当底电极，在所述硅基底内部刻蚀形成所述椭圆形空腔，上方覆盖所述氮化硅薄膜，在所述氮化硅薄膜上部溅射有所述椭圆膜次级阵列顶电极与椭圆膜次级阵列顶电极引出PAD。

所述椭圆膜单元结构电容式微超声传感器环形阵列采用体硅工艺加工。

一种椭圆膜单元结构电容式微超声传感器环形阵列的电路系统，所述电路系统包括：FPGA，所述FPGA控制发送端对各路器件单元扫描发送相控脉冲信号，使能发送放大端口，转换器关闭，通过相控阵实现椭圆膜单元结构电容式微超声传感器环形阵列的发射声波的聚焦与平移；

打开转换器，使能接收放大端口，接收器件接收各路超声回波信号，通过前置放大与AD读入所述FPGA内存，根据接收信号相位以及信号幅值信息进行成像。