超聲波換能器以及包括其的超聲波診斷裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 根據(jù)示范性實(shí)施例的裝置涉及能夠產(chǎn)生并檢測(cè)超聲波的超聲波換能器以及包括 該超聲波換能器的超聲波診斷裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波診斷裝置照射超聲波到物體的內(nèi)部部分諸如人體或動(dòng)物的器官上，并檢測(cè) 從該物體的內(nèi)部部分反射的回聲信號(hào)。然后超聲波診斷裝置能夠顯示物體中的器官的截面 圖像并提供診斷物體中的疾病所需的信息。
[0003] 超聲波診斷裝置中的探頭包括用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)或?qū)⒊暡ㄐ盘?hào) 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的超聲波換能器。超聲波換能器具有二維地布置的多個(gè)超聲波單元。微機(jī) 械加工的超聲波換能器（MUT)已經(jīng)被用作超聲波單元。MUT可以根據(jù)其轉(zhuǎn)換類型分為壓電 MUT (pMUT)、電容 MUT (cMUT)和磁 MUT (mMUT)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 一個(gè)或多個(gè)示范性實(shí)施例提供能夠增加用于產(chǎn)生和/或感測(cè)超聲波的有效面積 的超聲波換能器以及采用該超聲波換能器的超聲波診斷裝置。
[0005] -個(gè)或多個(gè)示范性實(shí)施例提供能夠減少頻率響應(yīng)特性的帶寬的降低量的超聲波 換能器以及采用該超聲波換能器的超聲波診斷裝置。
[0006] 額外的方面將在以下的描述中被部分地闡述，并將部分地從該描述而顯然，或者 可以通過(guò)實(shí)踐給出的示范性實(shí)施例而掌握。
[0007] 根據(jù)不范性實(shí)施例的方面，一種超聲波換能器包括：基板，包括形成在基板的下表 面中的溝槽；以及第一元件和第二元件，形成在基板的上表面上并彼此相鄰地定位，其中溝 槽位于第一元件和第二元件之間，其中第一元件和第二元件每個(gè)包括二維地布置的多個(gè)超 聲波單元，其中彼此相鄰的第一元件的第一輪廓線和第二元件的第二輪廓線每個(gè)形成彼此 互補(bǔ)的鋸齒形線，溝槽在第一輪廓線和第二輪廓線之間形成為鋸齒形圖案。
[0008] 第一輪廓線可以是配置為連接第一元件中的多個(gè)超聲波單元當(dāng)中的鄰近于溝槽 的多個(gè)第一超聲波單元的邊緣的線，第二輪廓線可以是連接第二元件中的多個(gè)超聲波單元 當(dāng)中的鄰近于溝槽的多個(gè)第二超聲波單元的邊緣的線。
[0009] 多個(gè)第一超聲波單元和多個(gè)第二超聲波單元可以不彼此交疊。
[0010] 超聲波換能器還包括多個(gè)第一超聲波單元當(dāng)中的最靠近第二元件定位的第一超 聲波單元和多個(gè)第二超聲波單元當(dāng)中的最靠近第一元件定位的第二超聲波單元之間的有 效間隙，其中有效間隙的大小可以等于或大于第一元件和第二元件中的多個(gè)超聲波單元當(dāng) 中的多個(gè)超聲波單元之間的單元間隙的大小。
[0011] 第一元件中的多個(gè)超聲波單元可以被六邊形地布置，第二元件中的多個(gè)超聲波單 元可以關(guān)于第一元件中的多個(gè)超聲波單元而六邊形地布置。
[0012] 多個(gè)超聲波單元的每個(gè)可以是電容微機(jī)械加工的超聲波換能器（CMUT)。
[0013] 根據(jù)示范性實(shí)施例的方面，一種超聲波換能器包括：基板；第一元件，包括六邊形 地布置在基板的上表面上的多個(gè)第一超聲波單元；以及第二元件，鄰近于第一元件并包括 關(guān)于第一元件而六邊形布置的多個(gè)第二超聲波單元，其中位于第一元件的鄰近第二元件的 邊緣部分處的多個(gè)第一超聲波單元和位于第二元件的鄰近第一元件的邊緣部分處的多個(gè) 第二超聲波單元布置為鋸齒形圖案。
[0014] 配置為阻擋第一元件和第二元件之間的體聲波的傳輸?shù)臏喜劭梢孕纬稍诨逯校?其中溝槽可以在多個(gè)第一超聲波單元和多個(gè)第二超聲波單元之間形成為鋸齒形圖案。
[0015] 溝槽可以位于基板的下表面上。
[0016] 有效間隙位于多個(gè)第一超聲波單元當(dāng)中的最靠近第二元件定位的第一超聲波單 元和多個(gè)第二超聲波單元當(dāng)中的最靠近第一元件定位的第二超聲波單元之間，其中有效間 隙的大小可以等于或大于第一元件和第二元件中的多個(gè)超聲波單元當(dāng)中的多個(gè)超聲波單 元之間的單元間隙的大小。
[0017] 多個(gè)超聲波單元的每個(gè)可以是電容微機(jī)械加工的超聲波換能器（CMUT)。
[0018] 根據(jù)示范性實(shí)施例的方面，一種超聲波診斷裝置包括：超聲波探頭，包括超聲波換 能器，并配置為朝向物體傳輸超聲波并配置為接收被物體反射的超聲波以產(chǎn)生包括關(guān)于該 物體的信息的回聲信號(hào)；和信號(hào)處理器件，配置為根據(jù)回聲信號(hào)產(chǎn)生該物體的圖像。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 從以下結(jié)合附圖對(duì)示范性實(shí)施例的描述，這些和/或其他的方面將變得明顯并更 易于理解，附圖中：
[0020] 圖1是根據(jù)示范性實(shí)施例的超聲波診斷裝置的示意性方框圖；
[0021] 圖2是根據(jù)示范性實(shí)施例的超聲波換能器的平面圖；
[0022] 圖3是根據(jù)示范性實(shí)施例的作為超聲波單元的示例的電容微機(jī)械加工超聲波換 能器（cMUT)的截面圖；
[0023] 圖4是示出根據(jù)示范性實(shí)施例的在元件中六邊形地布置的超聲波單元的平面圖；
[0024] 圖5是示出根據(jù)比較示例的在元件中布置為正方形的超聲波單元的平面圖；
[0025] 圖6是根據(jù)示范性實(shí)施例的超聲波換能器的截面圖，在該超聲波換能器中溝槽形 成在彼此相鄰的第一元件和第二元件之間；
[0026] 圖7是示出根據(jù)比較示例在超聲波單元布置為正方形的情形下當(dāng)間隙存在時(shí)和 當(dāng)間隙不存在時(shí)的帶寬的模擬結(jié)果的圖形；
[0027] 圖8是在圖2的超聲波換能器中的彼此相鄰的第一元件和第二元件的平面圖；
[0028] 圖9是示出形成在圖8的超聲波換能器中的基板的下表面上的溝槽的示意圖；
[0029] 圖10是示出根據(jù)比較示例在超聲波單元在元件中布置為正方形的情形下的有效 間隙的平面圖；以及
[0030] 圖11是用于比較根據(jù)示范性實(shí)施例的圖8的超聲波換能器中和根據(jù)比較示例的 圖10的超聲波換能器中的有效面積密度的圖形。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 現(xiàn)在將詳細(xì)參照示范性實(shí)施例，其示例在附圖中示出。同樣的附圖標(biāo)記始終指代 同樣的元件。在這點(diǎn)上，示范性實(shí)施例可以具有不同的形式并不應(yīng)當(dāng)被解釋為限于這里闡 述的描述。因此，以下通過(guò)參照附圖僅描述了示范性實(shí)施例以解釋本說(shuō)明書的多個(gè)方面。
[0032] 圖1是超聲波診斷裝置的示意性方框圖。參照?qǐng)D1，超聲波診斷裝置100包括超聲 波探頭1和信號(hào)處理器件2。超聲波探頭1包括朝向物體3發(fā)射超聲波4a的超聲波換能器 5。物體3可以是例如人體或人體的部分。物體3接收從物體3反射的超聲波4b。超聲波 換能器5容納在殼體9中。
[0033] 基于由超聲波探頭1檢測(cè)的代表關(guān)于物體3的信息的回聲信號(hào)，信號(hào)處理器件2 控制超聲波探頭1并產(chǎn)生物體3的圖像。信號(hào)處理器件2可以包括控制器6和圖像產(chǎn)生器 7?？刂破?可以控制超聲波換能器5從而發(fā)送超聲波4a和/或接收超聲波4b?？刂破? 確定超聲波將照射的位置和照射的超聲波的強(qiáng)度，并根據(jù)確定結(jié)果來(lái)控制超聲波換能器5。 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，控制器6可以另外地控制超聲波探頭1的一般的操作。
[0034] 超聲波換能器5可以接收從物體3反射的回聲超聲波以產(chǎn)生回聲信號(hào)從而進(jìn)行診 斷。圖像產(chǎn)生器7接收該回聲信號(hào)，并利用該回聲信號(hào)產(chǎn)生物體的超聲波圖像。利用回聲 信號(hào)產(chǎn)生超聲波圖像的過(guò)程在本領(lǐng)域是公知的，因此，這里省略其詳細(xì)說(shuō)明。
[0035] 超聲波圖像可以在顯示器8上顯示。顯示器8可以例如是監(jiān)視器。
[0036] 信號(hào)處理器件2可以通過(guò)例如包括多個(gè)邏輯門的陣列的處理器實(shí)現(xiàn)，或可以實(shí)現(xiàn) 為通用微處理器和存儲(chǔ)可在微處理器中執(zhí)行的程序的存儲(chǔ)器的組合。此外，本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員將理解，信號(hào)處理器件2可以實(shí)現(xiàn)為適當(dāng)類型的硬件。
[0037] 圖2是根據(jù)示范性實(shí)施例的超聲波換能器5的平面圖。參照?qǐng)D2,超聲波換能 器5包括在橫向方向和堅(jiān)直方向上二維地布置的多個(gè)元件10。元件10可以是例如換能 (transducing)元件。每個(gè)元件10包括二維地布置的多個(gè)超聲波單元20。每個(gè)超聲波單 元20自身用作超聲波換能器，超聲波單元20可以是例如壓電微機(jī)械加工超聲波換能器 (pMUT)、電容微機(jī)械加工超聲波換能器（cMUT)或磁微機(jī)械加工超聲波換能器（mMUT)。
[0038] 在本示范性實(shí)施例中，cMUT被用作超聲波單元20。由于pMUT使用壓電器件，所以 在制造精細(xì)MUT中經(jīng)常存在限制。cMUT具有約數(shù)十微米的尺寸。由于cMUT可以通過(guò)一系 列半導(dǎo)體制造工藝形成，所以與當(dāng)PMUT被用作超聲波單元20時(shí)相反，當(dāng)cMUT用作超聲波 單元20時(shí)更多的超聲波單元20可以被二維地布置在有限的區(qū)域中。因此，可以實(shí)現(xiàn)高水 平的診斷準(zhǔn)確性，并可以獲得高分辨率的診斷圖像。
[0039] 圖3是采用cMUT作為超聲波單元20的超聲波換能器5的截面圖。參照?qǐng)D3, cMUT 可以通過(guò)在基板21上形成用于限定腔27的下電極22、絕緣層23和壁體24以及在壁體24 上提供其上形成有上電極26的振動(dòng)層25而制造。由于當(dāng)基板21是低電阻基板時(shí)基板21 可以用作下電極22,所以可以省略圖3所示的下電極22。
[0040] 根據(jù)以上配置，下電極22和振動(dòng)層25(上電極26位于其上）形成電容器。當(dāng)直 流（DC)電壓施加在下電極22和上電極26之間時(shí)，振動(dòng)層25被靜電力諸如庫(kù)侖力移動(dòng)。也 就是說(shuō)，振動(dòng)層25被下拉到下電極22。振動(dòng)層25停止在由振動(dòng)層25的內(nèi)應(yīng)力引起的阻力 (drag)與靜電力平衡的位置。在此狀態(tài)下，當(dāng)小于直流電壓的交流（AC)電壓施加在下電極 22和上電極26之間時(shí)，振動(dòng)層25振動(dòng)以產(chǎn)生超聲波。相反地，在振動(dòng)層25由于直流電壓 的施加而移動(dòng)的情況下，當(dāng)超聲波的聲壓從cMUT外部施加到振動(dòng)層25時(shí)，振動(dòng)層25的位 移改變。振動(dòng)層25的位移的變化引起靜電電容的變化。通過(guò)檢測(cè)靜電電容的變化，可以接 收超聲波。也就是說(shuō)，可以利用cMUT產(chǎn)生和接收用于進(jìn)行處理和/或診斷的超聲波。
[0041] 根據(jù)要求的頻率性能、材料的物理性質(zhì)和制造工藝中的限制，超聲波換能器5包 括一維或二維地布置的多個(gè)元件10,每個(gè)元件10形成一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。多個(gè)元件10的每個(gè) 包括多個(gè)超聲波單元20。
[0042] 其上形成超聲波單元20的基板21設(shè)置在驅(qū)動(dòng)基板30上。驅(qū)動(dòng)基板30包括分別 電連接到上電極26和下電極22的第一電力供應(yīng)單元31和第二電力供應(yīng)單元32。經(jīng)由第 一電力供應(yīng)單元31和第二電力供應(yīng)單元32的路徑，信號(hào)電壓可以施加到超聲波單元20,或 者超聲波單元20的超聲波感測(cè)信號(hào)可以被接收。在圖3中，附圖標(biāo)記41和42表示形成在 基板21和驅(qū)動(dòng)基板30上的絕緣層。
[0043] 第一電力供應(yīng)單元31包括穿過(guò)驅(qū)動(dòng)基板30并用導(dǎo)電材料填充在其中的導(dǎo)