[发明专利]具有过电流保护的电容式微加工超声换能器

说明书

一种CMUT单元的阵列具有DC偏置电压，所述DC偏置电压被耦合至单元的顶部电极以将所述电极偏置到期望的塌陷或部分塌陷状态。在CMUT单元的短路失效的情况下，针对所述单元的保护电路感测过电流状况，并且通过断开通过失效的单元的DC电流路径而做出响应。所述保护电路还禁用所述单元的发射和接收电路。在另一实施方案中，感测电路感测DC偏置源的过电流状况，并且通过禁用所述阵列的所有CMUT单元而做出响应，然后顺序地重新启用所述CMUT单元，除了重新启用失效的单元的尝试导致该单元保持在禁用状况下的情况。

技术领域

本发明涉及医学诊断超声成像，并且具体涉及使用电容式微加工超声换能器(CMUT)的超声换能器探头。

背景技术

常规地，超声换能器是由诸如PZT的压电陶瓷材料或者由诸如PVDF的压电聚合物形成的。近年来，已经表明换能器能够通过半导体工艺来制作。这样的换能器由微小的半导体单元形成，其中，振动膜生成并接收超声能量，并且被称为微加工超声换能器(MUT)。两种这样的换能器类型是利用膜上的压电材料的、被称为压电微加工超声换能器(PMUT)的那些以及利用导电膜与另一电极之间的电容效应的、被称为电容式微加工超声换能器(CMUT)的那些。个体换能器元件可以由一致操作的数十或数百个这样的MUT单元形成。因为这些单元是非常小的，每个MUT单元仅产生少量声学能量或者对少量声学能量做出响应。两种方法通常被用于增加MUT设备的声学效率。一种方法是利用DC偏置电压对所述单元进行偏置，在CMUT的情况下，DC偏置电压使振动膜紧密接近相对的电极，增加设备的灵敏度。另一种方法是形成非常靠近彼此的单元的阵列，使单元的基底上的单元的密度最大化并且提供作为单个换能器元件一致操作的大量单元。单元的高密度制作也改善了其栅瓣特性，并且减少了所在所得到的超声图像中的杂乱。

换能器阵列或者甚至个体元件因此能够包括通过DC偏置电压进行偏置的数百或数千个个体MUT单元。尽管这样的架构具有如上文所描述的许多性能优点，但是出现了单个MUT单元的失效会致使大量单元不起作用的问题。单个单元通过利用其高DC偏置电压将膜塌陷到相对电极上而失效是可能的。这不仅使失效的单元短路，而且也使共同被偏置的所有数百或数千个其他单元短路。尽管单个单元自身的失效可能不明显影响换能器探头的性能，但是大量其他单元的短路会致使整个换能器探头不起作用。在美国专利7293462(Lee等人)中描述了防止该问题的一种方法。Lee等人的方法是在相互连接的MUT单元的行或列的末端处形成保险丝(fuse)，当所述行或列中的一个单元短路时，所述保险丝将断开。这将从换能器中的操作中移除所述行或列的单元，允许换能器中的其他单元保持工作。然而，该方法存在若干缺点。一个缺点是相互连接的单元的每个行或列必须被单独地偏置，增加了为探头中的所有单元提供偏置电压的复杂性。另一缺点是保险丝占据了MUT基底上的相对大的区域，减小了基底上可用于MUT单元的区域并且因此减小了换能器的灵敏度。又一缺点是从探头的操作中移除了多个单元：失效的单元以及其被连接至的其他单元，这也使超声探头的性能退化。将希望能够仅从操作中移除失效的单元，允许其他完全起作用的单元保持操作。

因此，本发明的目的是通过仅从操作中移除失效的MUT单元而允许其余完全起作用的单元保持操作来增加MUT探头的寿命。另外的目的是以如下方式这样做：不利用要不然可以被用于MUT制作的基底区域，由此维持MUT阵列的MUT密度并且因此维持其灵敏度。

发明内容

根据本发明的原理，一种具有多个CMUT单元的超声换能器MUT单元，其中，每个MUT单元具有包括顶部电极的膜以及被耦合至基底的底部电极，其中，所述顶部电极或所述底部电极中的一个是被布置为被耦合至公共参考电势(参考电压)的公共电极，而另一电极是被布置为被耦合至a.c.信号的信号电极。MUT阵列还具有被耦合至所述阵列的个体单元的所述电极中的一个电极的保护电路，所述电路适于断开(中断)单元的电流路径，并且仅将失效的单元与该阵列中的保持完全能操作的其余单元隔离开。示范性保护电路以断路器的方式操作以在过电流状况的情况下断开单元的电流路径。