[发明专利]两端子CMUT设备

说明书

本发明涉及一种超声系统，包括：超声阵列，其包括至少一个电容性微机械超声换能器设备，所述至少一个电容性微机械超声换能器设备包括：薄膜，所述薄膜被耦合到第一电极；衬底，所述衬底与所述薄膜相对并且被耦合到第二电极和第三电极，在所述衬底与所述薄膜之间存在气体或真空腔，其中，所述第二电极在外围区域中与所述第一电极相对，并且所述第三电极在中心区域中与所述第一电极相对；至少一个驱动电路，其被耦合到所述阵列。所述系统还包括：高阻抗电阻器，当所述CMUT设备的所述薄膜处在所述塌陷状态中并且所述CMUT设备在操作频率处被激活时，所述高阻抗电阻器被电气地耦合到所述第二电极与所述第三电极并且具有比所述第一电极与所述第二电极之间的AC阻抗更高的阻抗值。

技术领域

本发明涉及一种超声系统，包括：超声阵列，其包括至少一个电容性微机械超声换能器设备，所述至少一个电容性微机械超声换能器设备包括：薄膜，所述薄膜被耦合到第一电极；衬底，所述衬底与所述薄膜相对并且被耦合到第二电极和第三电极，在所述衬底与所述薄膜之间存在气体或真空腔，其中，所述第二电极在外围区域中与第一电极相对并且第三电极在中心区域中与第一电极相对；至少一个驱动电路，其被耦合到所述阵列，并且其适于：(a)通过在至少一个CMUT设备的第一电极和第三电极上施加DC电压而使薄膜进入塌陷状态中，在所述塌陷状态中，所述薄膜塌陷到中心区域中的衬底，并且(b)通过在至少一个所述CMUT设备中的第一电极和第二电极上施加具有CMUT操作频率的AC电压来激活CMUT设备。此外，本发明涉及一种用于在超声系统中使用的CMUT设备以及一种根据本发明的CMUT设备的制造方法。

背景技术

通常已知的电容性微机械超声换能器设备是数十微米大小的隔膜状单元，其包括彼此相对的两个电极。对于发射而言，施加到电极的电容性电荷被调制以使设备的膈膜(薄膜)振动/移动并且由此发射声波。被放置在声波传播的路径中的物体反射所述波。反射的声波引起薄膜的振动，调制CMUT换能器的两个电极之间的电容，由此生成电信号。该信号表示命中薄膜的反射的声波。

驱动CMUT设备的方式之一是在US 8203912 B2中所描述的所谓的“塌陷模式”。跨这两个电极所施加的DC致动电压足够大以使薄膜电极朝向衬底电极偏移，从而使薄膜与衬底电极物理接触并且形成塌陷区。在电极之间所施加的AC分量被用于移动薄膜的活动(active)区域(不接触)。示意性的，CMUT设备能够被建模为并联的两个电容器。活动区域电容器C_a由活动区域形成，其中，C_a值随着薄膜电极与衬底电极之间的距离而变化。塌陷区域电容器C_c由塌陷区域形成，并且对于给定DC电压而言是恒定的。由于塌陷区域中的电极之间的小的距离，因而后者的电容是相对大的。C_c与C_a之间的大的比率对超声阵列操作效率具有负面影响，其中，所述阵列包括这些CMUT设备。在发射模式中，C_c形成对驱动器的不想要的电容负载，引起无助于声发射功率的来回流动的高电流。发射器的实际实施方案可以将该功率转换为热，因此，导致过热和效率损失。这可能限制将发射器集成到CMUT阵列上的可能性。在接收模式中，被转换为电能的声功率应当去往接收器。然而，与可变电容器并联的大的电容器C_c充当对该信号的低通滤波器，降低设备的灵敏度。

在US 8203912 B2中描述了部分地解决这些缺点的方式之一。三端子电容性微机械超声换能器设备包括分裂成被布置在中心区域和外围区域中的两个电极的衬底电极：第一电极和第二电极。所述第一电极和所述第二电极被布置在晶圆的公共平面内的横向间隔的关系中。被定位在晶圆上方的薄膜电极包括被设置在与第一电极的塌陷间隔关系中的中心区域，以及被定位在中心区域外面并且被设置在与第二电极的塌陷间隔关系中的外围区域。

所述第一电极和所述第二电极被建议以彼此电气分离，使得不同的偏置电压能够被施加在所述第一电极与所述薄膜电极之间；以及所述第二电极与所述薄膜电极之间。尽管该技术方案允许隔离塌陷中心区域的寄生电容，其中，所述薄膜被塌陷朝向第一电极；三端子CMUT的实际实现使以额外复杂性提供CMUT设备与CMUT相关联的驱动电子器件之间的相互连接。