專利名稱：微加工的超聲換能器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及超聲換能器，尤其涉及一種有效的微加工的超聲換能器(MUT)陣列。
背景技術(shù)：
超聲換能器已應(yīng)用了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，并對(duì)于非介入式的醫(yī)學(xué)診斷成像非常有效。超聲換能器一般由壓電元件或微加工的超聲換能器(MUT)元件形成。壓電元件典型地由壓電陶瓷比如鋯酸鈦酸鉛(PZT)制成，多個(gè)元件布置形成換能器。MUT是通過使用已知的半導(dǎo)體制造技術(shù)形成，以獲得一電容性的超聲換能器單元，該單元大體上包括一撓性膜，該撓性膜圍繞其邊緣在硅基片上被支撐。通過將電極形式的接觸材料施加于膜或膜的一部分上和施加于硅基片的腔底部，然后在電極上施加合適的電壓信號(hào)，MUT被激勵(lì)以產(chǎn)生合適的超聲波。同理，當(dāng)被電偏置時(shí)，MUT的膜可以被用來接收超聲信號(hào)，通過獲取反射的超聲能量并將此能量轉(zhuǎn)化為電偏置膜的運(yùn)動(dòng)，從而生成一個(gè)接收信號(hào)。
超聲換能器元件可和控制電路組合在一起而形成換能器組件，該組件以電子線路板的形式進(jìn)一步組裝在一可能包括附加控制電子設(shè)備的外殼中，以組合成為超聲探頭。包含各種聲匹配層、襯墊層和去匹配層的超聲探頭用于發(fā)射和接收經(jīng)過機(jī)體組織的超聲信號(hào)。
以往，MUT陣列一般設(shè)計(jì)為每個(gè)MUT元件都是收發(fā)器。在此結(jié)構(gòu)中，每個(gè)MUT元件既產(chǎn)生一發(fā)送脈沖又接收聲能。然而，MUT元件的特性使其不可能同時(shí)作為一個(gè)良好的聲能發(fā)射器和聲能接收器。比如，在一發(fā)射脈沖的過程中，希望MUT能提供大功率的輸出。為了達(dá)到此效果，希望以大的膜偏移、大的間隙、高的膜硬度和高的偏置電壓來產(chǎn)生滿足發(fā)射要求的高的壓力波。在此MUT中，腔深度至少比靜態(tài)的膜偏移大三倍。大于腔深度的約三分之一的膜偏移將導(dǎo)致抵靠腔底的膜的破裂。間隙限定為膜到腔底之間的距離。大的間隙將導(dǎo)致小電容量和大的虛阻抗。理想情況下，施加一偏置電壓來使膜偏移并將間隙減至膜不致破裂的最小尺寸。
相反，對(duì)于作為一敏感的聲接收器的MUT來說，小的膜偏移、小的間隙、低的膜硬度和高的偏置電壓產(chǎn)生一靈敏的聲接收器元件。小的間隙減小了虛阻抗，當(dāng)接受從目標(biāo)反射回來的聲能時(shí)柔軟的膜容易偏移，從而獲得高的信號(hào)噪聲比(SNR)。
因此，希望有一種MUT陣列，其中單獨(dú)的MUT元件對(duì)于發(fā)射和接收功能被獨(dú)立地優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
披露了一種包括單獨(dú)的MUT發(fā)射元件和MUT接收元件的超聲換能器陣列，其中MUT發(fā)射元件和MUT接收元件在換能器陣列上以二維形式分布。通過使用不同的MUT元件發(fā)射和接收，每個(gè)MUT元件對(duì)于發(fā)射操作或者接收操作可被獨(dú)立地優(yōu)化。此外，通過對(duì)于發(fā)射或者接收操作獨(dú)立地優(yōu)化MUT元件，同一個(gè)偏置電壓可施加于MUT元件，由此簡(jiǎn)化與MUT換能器陣列有關(guān)的偏置電路。另外，因?yàn)镸UT元件對(duì)于發(fā)射和接收被獨(dú)立地優(yōu)化，不同的偏置電壓可施加于發(fā)射和接收元件，因此提供進(jìn)一步的元件優(yōu)化。
對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，本發(fā)明的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)在審查下面的附圖和詳細(xì)說明時(shí)將是或?qū)⒊蔀轱@而易見的。包括在此說明書之中的所有這些附加的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)都在本發(fā)明范圍之內(nèi)，并且被后附的權(quán)利要求書所保護(hù)。


參照附圖可更好地理解由權(quán)利要求書限定的本發(fā)明。圖中的元件不按比例繪制，重點(diǎn)應(yīng)放在清楚地闡明本發(fā)明的原理上。
圖1是在無電偏置下微加工的超聲換能器(MUT)單元組件的截面示意圖。
圖2是在有電偏置下圖1的MUT單元組件的截面示意圖。
圖3A是根據(jù)發(fā)明的一方面構(gòu)建的并結(jié)合圖1和圖2的MUT單元的MUT陣列的平面圖。
圖3B是圖3A的MUT陣列的替代實(shí)施例的一部分的平面圖。
圖4是圖3A的MUT陣列的另一替代實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
下文描述的本發(fā)明可應(yīng)用于與基片連接的微加工的超聲換能器(MUT)元件，集成電路(IC)形成在此基片上。
圖1是在無電偏置下一典型微加工的超聲換能器(MUT)單元組件100的截面示意圖。應(yīng)該指出的是，很多技術(shù)可以用來構(gòu)造多種構(gòu)形的MUT單元，在圖1(和下面在圖2中)所示的構(gòu)形僅為示例性的。MUT單元組件100一般包括形成在MUT基片118上的MUT單元110。MUT單元組件100還包括集成電路(IC)組件132。IC組件132包括一IC基片114，其上面形成有集成電路116。IC基片114可能是任何半導(dǎo)體材料，并且在此實(shí)施例中示例性地為硅(Si)。依照本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的技術(shù)，集成電路116在IC基片114上形成。集成電路116僅為示意用途被夸張地示出。
MUT基片118也可使用例如硅來形成，并且該MUT基片包括在MUT基片118的一個(gè)表面上生長(zhǎng)或沉積的電接點(diǎn)124。優(yōu)選地由氮化硅構(gòu)造成的膜122被施加在一個(gè)暴露的MUT基片118的表面和電接點(diǎn)124的上面，以形成一腔126，該腔通常稱作真空間隙。形成腔126的膜122的的那一部分142是撓性的。腔126限定一間隙138，它是稱作腔底134的腔底部到撓性膜部分142的下表面136之間的距離。
如圖所示，電接點(diǎn)128施加在撓性膜部分142的上面，以便與腔126電連接，該腔起到一可變電容器的作用。撓性膜部分142具有足夠的撓性，以至于它能響應(yīng)于經(jīng)電接點(diǎn)124和128施加的電信號(hào)而偏移，并響應(yīng)于撞擊在撓性膜部分142上的聲能而偏移。為了簡(jiǎn)化，向電接點(diǎn)124和128提供電信號(hào)來使MUT單元組件100偏置的電路被省略了。然而，那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟悉此偏置電路。
MUT基片118可利用例如導(dǎo)電通孔(未示出)接合在的集成電路116上，但不局限于導(dǎo)電通孔，導(dǎo)電通孔通過MUT基片118從電接點(diǎn)124延伸到集成電路116上的電路(未示出)。此連接方法披露于在XXX(日期)提交的共同轉(zhuǎn)讓的共同未決的美國專利申請(qǐng)序號(hào)XXX(律師記錄號(hào)10004001)，在此引入以供參考。
圖2是在電偏置下圖1的MUT單元組件100的截面示意圖。當(dāng)電動(dòng)勢(shì)施加在MUT單元組件200的電接點(diǎn)224和228上時(shí)，懸伸在腔226上面的撓性膜部分242如圖所示地偏移。撓性膜部分242的偏移減小了從撓性膜部分242的表面236到腔226的底234之間的間隙。MUT單元210的聲學(xué)特性可以通過對(duì)撓性膜部分242的施加電偏置來改變，由此改進(jìn)某些性能參數(shù)。而且，MUT單元的物理特性可被設(shè)計(jì)為限定MUT單元的聲學(xué)性能。諸如腔深度和寬度以及膜的硬度的特性可被改變，以獲得MUT單元的希望的聲學(xué)性能。比如，對(duì)于發(fā)射MUT單元來說，大功率輸出是所需的。為了得到大功率輸出，希望有大的膜偏移。大的膜偏移需要一深的腔226。腔深度至少應(yīng)為撓性膜部分242靜態(tài)偏移的三倍。大于腔深度的三分之一的偏移造成抵靠腔226的底234的撓性膜部分242破裂。大的腔深度造成大的間隙238。大的間隙238造成小的電容量和大的虛阻抗，使得高電壓僅提供小電流。如圖2所示，施加的偏置電壓使撓性膜部分242偏移并將間隙238減至不致破裂的最小尺寸。
如果圖2中的MUT單元組件200用作一接收元件，一小間隙238和一低硬度的膜222是所希望的。一小間隙238減小虛阻抗，并且一低硬度的膜222隨具有高信號(hào)噪聲比的聲波的聲波負(fù)載而偏移。這種結(jié)合改善了MUT單元210的靈敏度。
如上文所提到的，MUT單元210的外形尺寸和特性可根據(jù)所希望的聲學(xué)性能而改變。另外，施加在MUT單元210上的偏置電壓可用來改變MUT單元210的聲學(xué)性能。在發(fā)明的一個(gè)方面中，對(duì)于發(fā)射和接收操作，MUT單元優(yōu)化成使用同一偏置電壓。在此結(jié)構(gòu)中，偏置電路被簡(jiǎn)化，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)偏置電壓提供給每個(gè)MUT單元，由此簡(jiǎn)化了每個(gè)MUT單元的電路。此外對(duì)于不同的成像狀態(tài)，電偏置電路可調(diào)諧成在不同頻率處優(yōu)化MUT單元的性能。例如，希望在低頻率發(fā)送而在高頻率接收。
圖3A是根據(jù)發(fā)明的一方面構(gòu)建并結(jié)合圖1和圖2的MUT單元的MUT陣列的平面圖。MUT陣列300包括多個(gè)MUT發(fā)射元件和多個(gè)MUT接收元件，分別用附圖標(biāo)記320和330來表示其中的一種。每個(gè)MUT發(fā)射元件320和MUT接收元件330包括多個(gè)MUT單元，對(duì)于MUT發(fā)射元件320，用附圖標(biāo)記305表示其中一個(gè)典型單元，而對(duì)于MUT接收元件330，用附圖標(biāo)記310表示其中一個(gè)典型單元。MUT單元305和310分別對(duì)應(yīng)于圖1和圖2中的MUT單元110和210。雖然每個(gè)元件用四個(gè)八邊形MUT單元來表示，每個(gè)元件也可能具有其它的MUT單元的構(gòu)形和數(shù)量。
如圖3A所示，MUT發(fā)射元件320和MUT接收元件330以一交替圖案布置在二維MUT陣列300上。MUT發(fā)射元件320和MUT接收元件330以列和行布置，用附圖標(biāo)記301和303表示典型列，而用附圖標(biāo)記302和304表示典型行。在圖3A所示的圖案中，MUT發(fā)射元件320與MUT接收元件330不相鄰。此結(jié)構(gòu)在MUT發(fā)射元件320和MUT接收元件330之間形成一1/2波長(zhǎng)(用符號(hào)λ代表波長(zhǎng))或者更小的間距。間距是從一個(gè)元件的中心線到另一個(gè)元件的中心線的距離。此1/2λ的間距結(jié)構(gòu)允許足夠的聲學(xué)孔的采樣，并且允許可操縱超聲束沿任何方向的主軸傳播。在相控陣成像系統(tǒng)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將認(rèn)知以1/2波長(zhǎng)間距來間隔陣列元件的好處，這樣當(dāng)操縱波束時(shí)避免了聲波束中柵瓣的有害效應(yīng)。通過將每一列和行中的MUT發(fā)射元件320和MUT接收元件330互換，每一列和行中的每個(gè)元件產(chǎn)生一帶有有效的1/2波長(zhǎng)間距的超聲束。此“棋盤”圖案實(shí)現(xiàn)了所希望的元件間距，并且允許沿任何方向操縱超聲束。
此外，為了滿足在對(duì)角線方向上柵瓣的需要，沿兩個(gè)方向上的間距可以由每個(gè)元件的斜邊和側(cè)邊之間以0.7的幾何關(guān)系來減小。因此，對(duì)于發(fā)射元件和接收元件來說，元件的任一行和列都有一1/2波長(zhǎng)或更小的間距。此構(gòu)形將在下文用圖3B來更詳細(xì)地解釋。以這樣的方式，MUT發(fā)射元件320和MUT接收元件330的聲學(xué)參數(shù)可被獨(dú)立地優(yōu)化，同時(shí)保持一所希望的窄的波束寬度。雖然在圖3A中用“棋盤”的圖案來表示MUT元件以二維的形式分布在陣列上，但MUT發(fā)射元件320和MUT接收元件330也可有其它的構(gòu)形。
此外，由于對(duì)于發(fā)射和接收具有分離的MUT元件，可容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)MUT發(fā)射和接收元件的獨(dú)立的偏置。以這樣的方式，MUT發(fā)射元件320中的MUT單元305可設(shè)計(jì)成以最大的功率提供所需的大的膜偏移，同時(shí)MUT接收元件330中的MUT單元310可設(shè)計(jì)成具有可能存在的最小間隙和最低的膜硬度(和最大的靈敏度)。此MUT接收元件330以其最高的靈敏度和帶寬承受反射的聲波和醫(yī)學(xué)成像環(huán)境。
圖3B是闡明圖3A的MUT陣列的一個(gè)替代實(shí)施例的一部分350的平面圖。陣列部分350包括一對(duì)MUT發(fā)射元件320和一對(duì)MUT接收元件330，兩元件之間布置有一間距，這樣每個(gè)元件的對(duì)角長(zhǎng)度相當(dāng)于1/2λ的波長(zhǎng)。如同上文提到的，為了避免聲波束中柵瓣的有害效應(yīng)，不僅在主軸方向，而在任何方向上諸如對(duì)角方向上操縱波束時(shí)，元件之間1/2波長(zhǎng)的間距減小到大約0.7*1/2λ。用上文說明的棋盤式組合，1/2波長(zhǎng)的元件間距減小到大約0.7*1/2λ，如圖3B所示。當(dāng)使用0.7*1/2λ元件間距時(shí)，在圖3B中所示的每個(gè)元件的對(duì)角尺寸相當(dāng)于1/2波長(zhǎng)。此外，元件間距可在0.7*1/2λ到1/2λ之間。
圖4是圖3A的換能器陣列300的一替代實(shí)施例400。換能器陣列400包括分離的MUT發(fā)射和接收元件，分別是420和430，但是在圖4的實(shí)施例中，MUT接收元件430包括MUT單元410，該MUT單元410的直徑小于每個(gè)MUT發(fā)射元件420中的MUT單元405的直徑。而且，MUT單元410中MUT單元腔(在圖4中未示出)的尺寸可與MUT單元405中的MUT單元腔的尺寸不同。通過改變MUT單元410的物理尺寸，換能器陣列400的接收性能可被進(jìn)一步改善。
依照發(fā)明的一個(gè)方面，相同的偏置電壓可施加于MUT發(fā)射元件420和MUT接收元件430。就MUT發(fā)射元件420中的MUT單元405而論，通過改變接收元件430中MUT單元410的物理特性，MUT接收和發(fā)射元件各自的聲學(xué)性能可被獨(dú)立地優(yōu)化。以這樣的方式，因?yàn)镸UT發(fā)射元件420中的MUT單元405的物理特性和MUT接收元件430中的MUT單元410的物理特性可被改變以獨(dú)立地優(yōu)化MUT發(fā)射元件420和MUT接收元件430的各自的聲學(xué)性能，同一偏置電壓可施加于MUT發(fā)射元件420和MUT接收元件430。這樣，電偏置電路(未示出)可被簡(jiǎn)化，因?yàn)橄嗤钠秒妷杭仁┘佑诎l(fā)射也施加于MUT接收元件。
或者，為了進(jìn)一步獨(dú)立地優(yōu)化發(fā)射和接收元件各自的聲學(xué)性能，一不同的偏置電壓可施加于MUT發(fā)射元件和MUT接收元件，如圖3A、3B和4中所示。
對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，很明顯，在未脫離本發(fā)明的原理的情況下可針對(duì)本發(fā)明做很多如上文所闡明的那樣的變型和變化。例如，本發(fā)明可以以壓電陶瓷和MUT換能器元件的方式使用。而且，本發(fā)明可應(yīng)用到不同的基片材料上，例如包括硅和鍺。所有這種變型和變化意在包含在此。
權(quán)利要求
1.一種微加工的超聲換能器陣列，其包括多個(gè)微加工的超聲換能器發(fā)射元件；多個(gè)微加工的超聲換能器接收元件；和其中，多個(gè)微加工的超聲換能器發(fā)射元件和多個(gè)微加工的超聲換能器接收元件以二維形式分布在微加工的超聲換能器陣列上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，微加工的超聲換能器發(fā)射元件與微加工的超聲換能器接收元件不相鄰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，微加工的超聲換能器發(fā)射元件和微加工的超聲換能器接收元件包括多個(gè)微加工的超聲換能器單元，并且構(gòu)成該微加工的超聲換能器發(fā)射元件的微加工的超聲換能器單元與構(gòu)成該微加工的超聲換能器接收元件的微加工的超聲換能器單元在大小上不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，其還包括一施加于微加工的超聲換能器發(fā)射元件的第一偏置電壓和施加于微加工的超聲換能器接收元件的第二偏置電壓，并且該第一和第二偏置電壓相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，其還包括一施加于微加工的超聲換能器發(fā)射元件的第一偏置電壓和施加于微加工的超聲換能器接收元件的第二偏置電壓，并且該第一和第二偏置電壓不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的換能器，其特征在于，其還包括一與每個(gè)微加工的超聲換能器單元有關(guān)的膜，并且與微加工的超聲換能器發(fā)射單元有關(guān)的膜比與微加工的超聲換能器接收單元有關(guān)的膜更硬。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的換能器，其特征在于，該膜懸伸于一腔之上，在該膜和該腔的底部之間該膜形成一間隙，并且微加工的超聲換能器發(fā)射單元的間隙與微加工的超聲換能器接收單元的間隙不同。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的換能器，其特征在于，該間隙由施加于微加工的超聲換能器單元的偏置電壓來限定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，多個(gè)微加工的超聲換能器發(fā)射元件中的任何一個(gè)和多個(gè)微加工的超聲換能器接收元件中任何一個(gè)的間距等于與該換能器有關(guān)的發(fā)射脈沖的1/2波長(zhǎng)或等于1/2波長(zhǎng)的0.7倍。
10.一種微加工的超聲換能器陣列，其包括多個(gè)微加工的超聲換能器發(fā)射元件；多個(gè)微加工的超聲換能器接收元件；和其中，多個(gè)微加工的超聲換能器發(fā)射元件和多個(gè)微加工的超聲換能器接收元件分布在一相當(dāng)于與該微加工的超聲換能器陣列有關(guān)的發(fā)射脈沖的1/2波長(zhǎng)或0.7倍的1/2波長(zhǎng)的距離之內(nèi)。
11.一種用于優(yōu)化微加工的超聲換能器陣列的聲學(xué)性能的方法，該方法包括以下步驟優(yōu)化多個(gè)微加工的超聲換能器發(fā)射元件；優(yōu)化多個(gè)微加工的超聲換能器接收元件；和以二維形式將多個(gè)微加工的超聲換能器發(fā)射元件和多個(gè)微加工的超聲換能器接收元件分布在該微加工的超聲換能器陣列上。
12.一種包括至少一個(gè)如權(quán)利要求1到10中之一所述的微加工的超聲換能器陣列的超聲探頭。
全文摘要
包括單獨(dú)的MUT(微加工的超聲換能器)發(fā)射元件和MUT接收元件的超聲換能器陣列包括以二維形式分布在陣列上的MUT發(fā)射元件和MUT接收元件。通過使用不同的MUT元件進(jìn)行發(fā)射和接收操作，每個(gè)MUT元件可對(duì)于發(fā)射操作或者接收操作被獨(dú)立地優(yōu)化。此外，通過對(duì)于發(fā)射或者接收操作獨(dú)立地優(yōu)化MUT元件，同一個(gè)偏置電壓可施加于MUT元件，由此簡(jiǎn)化與MUT換能器陣列有關(guān)的偏置電路。另外，因?yàn)镸UT元件為發(fā)射和接收被獨(dú)立地優(yōu)化，不同的偏置電壓可施加于發(fā)射和接收組件，由此提供進(jìn)一步的元件優(yōu)化。
文檔編號(hào)A61B8/00GK1535243SQ02803084
公開日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月31日
發(fā)明者D·G·米勒, D G 米勒 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司