[发明专利]宽带超声换能器

说明书

公开了一种换能器阵列(10)，其包括多个CMUT单元(100、100、100”)，每个CMUT单元包括第一电极(110)和第二电极(120)，所述第一电极由基板(101)支撑，所述第二电极由悬挂在所述第一电极与所述第二电极之间的腔体(105)上的膜支撑，所述多个CMUT单元包括：第一组CMUT单元(100)，其中的每个CMUT单元均具有包括第一层堆叠(130)的膜；以及第二组CMUT单元(100')，其中的每个CMUT单元均具有包括第二层堆叠(130')的膜，所述第二层堆叠包括具有比所述第一层堆叠中的层中的任何层更高密度的材料层(135)。还公开了包括这种换能器阵列的设备、包括这种换能器阵列的超声成像系统以及操作这种超声成像系统的方法。

技术领域

本发明涉及一种包括多个CMUT单元的换能器阵列，每个CMUT单元包括第一电极和第二电极，第一电极由基板支撑，第二电极由悬挂在第一电极与第二电极之间的腔体上的膜支撑，多个CMUT单元包括第一组CMUT单元和不同于第一组CMUT单元的第二组CMUT单元。

本发明还涉及一种包括这种换能器阵列的设备。

本发明还涉及包括这种换能器阵列的超声成像系统。

本发明还涉及操作这种超声成像系统的方法。

背景技术

用于医学成像的超声换能器具有许多特征，这些特征引起产生高质量的诊断图像。在这些特征中，宽带宽影响分辨率和高灵敏度(其结合压力输出影响景深)，使其在超声频率下为低水平声学信号。常规地，具有这些特性的压电材料由PZT和PVDF材料制成，PZT作为材料选项特别受欢迎。然而，PZT存在许多明显的缺点。首先，陶瓷PZT材料需要制造工艺，包括切割、匹配层粘合、填料、电镀和互连，这些工艺明显不同且复杂并且需要大量处理，所有这些都会导致换能器堆叠单元产量低于期望值。这种制造复杂性增大了最终换能器探头的成本，并且对元件之间的最小间距以及各个元件的尺寸造成了设计限制。此外，PZT材料与水或生物组织的阻抗匹配不良，使得需要将匹配层添加到PZT材料中以获得与感兴趣介质匹配的所需声阻抗。

随着超声系统大型机变得越来越小并且由现场可编程门阵列(FPGA)和用于大部分信号处理功能的软件占主导地位，系统大型机的成本随着系统的变小而下降。超声系统现在以便宜的便携式、台式和手持形式来提供，例如用作超声诊断成像系统或用作超声治疗系统，其中，使用高能超声脉冲来消融特定(组织)异常。结果，换能器探头的成本在系统总成本中的百分比不断增长，在超声诊断成像系统的情况下，用于3D成像的更高元件数阵列的出现加速了这种增长。用于具有电子转向的超声3D成像的探头依赖于专用半导体设备专用集成电路(ASIC)，其执行用于换能器元件的二维(2D)阵列的微波束形成。因此，希望能够以提高的产量和更低的成本制造换能器阵列，以促进对低成本的超声系统的需要，并且优选地通过与半导体生产兼容的制造工艺来制造换能器阵列。

最近的发展前景使得能够通过半导体工艺批量制造医学超声换能器。理想地，这些工艺应当与用于产生超声探头所需的ASIC电路的工艺(例如，CMOS工艺)相同。这些发展产生了微机械超声换能器或MUT，优选的形式是电容式MUT(CMUT)。CMUT传感器是微小的膜片式设备，其具有电极，可将接收到的超声信号的声音振动转换成调制电容。为了进行发射，施加到电极的电容电荷被调制以振动/移动设备的膜片，从而发射超声波。由于这些膜片是通过半导体工艺制造的，因此设备通常具有10-500微米范围的尺寸，个体膜片之间的间隔小于几微米。许多这种个体CMUT能够连接在一起并作为单个换能器元件一致地操作。例如，四至十六个CMUT能够耦合在一起以作为单个换能器元件一致地起作用。典型的2D换能器阵列能够具有2000-3000个CMUT换能器元件。

因此，与基于PZT的系统相比，基于CMUT换能器的超声系统的制造更具成本效益。此外，归因于在这种半导体工艺中使用的材料，CMUT换能器表现出与水和生物组织匹配的大为改善的声阻抗，这消除了对匹配层的需要并得到改善的有效带宽。