本發(fā)明涉及mems傳感器領域，具體是微機電超聲傳感器，特別是一種新型微機電超聲探頭結(jié)構(gòu)及電路。

背景技術(shù)：

超聲成像技術(shù)在醫(yī)學診斷、醫(yī)學治療、無損檢測、超聲顯微鏡和海洋地貌探測等多個領域內(nèi)得到了廣泛的應用。超聲換能器能夠發(fā)射超聲波和檢測超聲波，實現(xiàn)聲-電轉(zhuǎn)換和電-聲轉(zhuǎn)換，是超聲成像診斷設備的核心部件。超聲換能器的發(fā)展對提高醫(yī)學超聲診斷技術(shù)和設備的發(fā)展起著決定性作用。隨超聲換能器應用領域的擴大，超聲探頭中傳統(tǒng)壓電式超聲換能器的不足之處也逐漸暴露出來了。其中最主要問題的是壓電材料與工作介質(zhì)如空氣、水和人體組織等之間的聲阻抗失配。除此以外，傳統(tǒng)壓電換能器無法集成制造，因此線性陣列的制作工藝難度大。近20年來，mems微加工技術(shù)得到了長足的發(fā)展，利用此技術(shù)設計的一種新型微機電超聲換能器，既兼有電容換能器的寬頻帶和高機電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢，也充分利用了mems微加工技術(shù)易于制作微型器件、適合制造陣列、批量化生產(chǎn)和硅材料與介質(zhì)阻抗匹配好的優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提供了一種新型微機電超聲探頭結(jié)構(gòu)及電路，使此種超聲探頭成功應用于醫(yī)學成像中。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種微機電超聲探頭，包括硅襯底，所述硅襯底的上表面為氧化層，所述氧化層的上表面開設有若干空腔，所述氧化層的上表面鍵合振動薄膜，所述振動薄膜的上表面設隔離層，圍繞隔離層的四周邊緣處及其內(nèi)部開設有下沉的隔離槽，所述隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；所述隔離層的上表面上正對每個空腔的中心位置處設有上電極。

所述氧化層上的若干空腔位于同一隔離區(qū)域內(nèi)后形成一個陣元；所述隔離層的上表面位于一個陣元內(nèi)的邊緣處位置設有一個焊盤，一個陣元內(nèi)每排的兩個相鄰上電極之間以及每列的兩個相鄰上電極之間通過金屬引線連接，所述焊盤與離其最近的一個上電極之間通過金屬引線連接。

所述硅襯底背面注入磷，并進行金屬濺射形成下電極。

n個陣元排成一排就形成了n陣元線陣超聲探頭。

工作時，在該面陣探頭的上下電極上施加直流電壓，兩極板之間將產(chǎn)生靜電力，在靜電力的作用下振動薄膜被拉向襯底，此時在上下電極上施加與振動薄膜工作頻率相同的交變電壓，這樣會使薄膜不斷振動，實現(xiàn)發(fā)射超聲波的功能。當施加有一定直流偏置電壓的振動薄膜上作用有外界聲壓時，真空腔體距離改變，電容變化，外部電路可將電容變化引起的電流轉(zhuǎn)換為可測的電壓信號，實現(xiàn)了超聲波的接收。

上述微機電超聲探頭的制備方法，包括如下步驟：

（1）、選擇硅片和soi晶片，并進行標準rca清洗；

（2）、對硅片進行氧化處理，使其上下表面都形成氧化層；

（3）、在硅片上表面的氧化層上進行光刻，刻蝕出若干空腔；

（4）、對硅片進行標準rca清洗并進行激活，激活后使硅片上表面的氧化層與soi晶片進行低溫鍵合；

（5）、鍵合后用tmah溶液對soi晶片的襯底硅進行腐蝕，清洗后再用boe溶液腐蝕掉硅片下表面上的氧化層和soi晶片上的氧化層，此時的硅片即為硅襯底、soi晶片剩余的硅層即為振動薄膜；

（6）、采用lpcvd工藝在振動薄膜上沉積一層二氧化硅層作為隔離層；

（7）、在隔離層的上表面濺射金屬，并用剝離的方法形成上電極和焊盤；

（8）、圍繞隔離層的四周邊緣處及內(nèi)部刻蝕出隔離槽，形成陣元陣列，并用tmah溶液腐蝕出隔離槽，隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上；

（9）、通過金屬引線連接各上電極及焊盤；

（10）、在硅片的背面注入磷，與硅片形成良好的歐姆接觸，并濺射金屬形成下電極。

上述微機電超聲換能器能夠彌補壓電超聲換能器的不足，同時目前應用于醫(yī)學成像的超聲探頭，必須有相應的電路與超聲換能器匹配，使超聲探頭可以實現(xiàn)自發(fā)自收的功能，實現(xiàn)醫(yī)用超聲成像。

因此，一種微機電超聲探頭的電路，包括發(fā)射電路、開關(guān)電路和信號調(diào)理電路。

所述發(fā)射電路由高壓脈沖放大電路和直流偏置電壓共同構(gòu)成，同時作用于超聲探頭使其發(fā)射超聲波。

信號調(diào)理電路包括跨阻放大檢測電路、濾波電路、低噪放大電路；跨阻放大檢測電路是超聲探頭內(nèi)信號調(diào)理電路的開端，其將微弱電容信號轉(zhuǎn)換為可測電信號，由于轉(zhuǎn)換的電信號幅度微弱，并且電路本身及外部存在噪聲，將會使輸出信號的信噪比及分辨率降低，利用濾波電路和低噪放大電路對輸出信號進行放大降噪處理，提高系統(tǒng)信噪比及分辨率。

在探頭和發(fā)射、接收電路之間增加開關(guān)電路。

微機電超聲探頭在發(fā)射及接收狀態(tài)下都需要施加直流偏置電壓，將直流偏置電壓通過保護電阻施加于探頭上。此時，當探頭處于發(fā)射狀態(tài)時，電路中開關(guān)將指向發(fā)射電路，即fpga控制器和高壓脈沖發(fā)生器部分，fpga控制器控制高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高壓脈沖并作用于探頭，使探頭發(fā)射出超聲波；當探頭處于接收狀態(tài)時，電路中開關(guān)將指向接收電路，即跨阻放大檢測電路和濾波電路部分，接收狀態(tài)下探頭在超聲波作用下產(chǎn)生的微小電流通過跨阻放大檢測電路轉(zhuǎn)換為可測的電壓回波信號，然后再通過濾波電路提高電壓回波信號的信噪比，達到濾除噪聲的效果。

本發(fā)明利用新型微機電超聲換能器制備的超聲探頭，該探頭既兼有電容換能器的寬頻帶和高機電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢，也充分利用了mems微加工技術(shù)易于制作微型器件、適合制造陣列、批量化生產(chǎn)和硅材料與介質(zhì)阻抗匹配好的優(yōu)勢，同時也利用電路使探頭實現(xiàn)自發(fā)自收的功能，在超聲成像領域具有一定的應用前景。

本發(fā)明設計合理，該超聲探頭結(jié)構(gòu)新穎、體積小、頻帶寬、靈敏度高，噪聲低，穩(wěn)定性好。

附圖說明

圖1表示本發(fā)明換能器n（64-1024）線陣的示意圖。

圖2表示圖1中a部分（也為一個陣元）的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3表示圖2中b部分（也為一個cell）的剖視圖。

圖4為本發(fā)明電路的示意圖。

圖3-1表示本發(fā)明換能器制備方法中步驟2）的示意圖。

圖3-2表示本發(fā)明換能器制備方法中步驟3）的示意圖。

圖3-3表示本發(fā)明換能器制備方法中步驟4）的示意圖。

圖3-4表示本發(fā)明換能器制備方法中步驟5）的示意圖。

圖3-5表示本發(fā)明換能器制備方法中步驟6）的示意圖。

圖3-6表示本發(fā)明換能器制備方法中步驟7）的示意圖。

圖3-7表示本發(fā)明換能器制備方法中步驟8）的示意圖。

圖中：1-硅襯底，2-氧化層，3-空腔，4-振動薄膜，5-隔離層，6-隔離槽，7-上電極，8-焊盤，9-金屬引線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。

一種微機電超聲探頭，如圖1所示，由n（64~1024）個陣元排成一排就形成了n陣元線陣超聲探頭。

如圖3所示，表示每個陣元中單個cell的剖視圖，包括硅襯底1，所述硅襯底1的上表面為氧化層2，所述氧化層2的上表面開設有若干正六邊形空腔3，如圖2所示，若干正六邊形空腔3成排、列布置或?qū)遣贾?，所述氧化?的上表面鍵合振動薄膜4，所述振動薄膜4的上表面設隔離層5，圍繞隔離層5的四周邊緣處及其內(nèi)部開設有下沉的隔離槽6（隔離槽用于隔開各陣元），所述隔離槽6貫穿隔離層5和振動薄膜4后，其槽底開設于氧化層2上；所述隔離層5的上表面上正對每個空腔3的中心位置處設有上電極7（形成圖形化上電極）。所述氧化層2上的若干空腔3位于同一隔離區(qū)域內(nèi)后形成一個陣元；所述隔離層5的上表面位于一個陣元內(nèi)的邊緣處位置設有一個焊盤8，一個陣元內(nèi)每排的兩個相鄰上電極7之間以及每列的兩個相鄰上電極7之間通過金屬引線9連接，所述焊盤8與離其最近的一個上電極7之間通過金屬引線9連接，形成一個陣元。

上述微機電超聲探頭的制備方法，包括如下步驟：

（1）、選擇硅片和soi晶片，并進行標準rca清洗，去除各種有機物、金塵埃和自然氧化層等，電阻率為0.01~0.08ω.cm；

（2）、對硅片進行氧化處理，使其上下表面都形成氧化層，如圖3-1所示；

（3）、在硅片上表面的氧化層上進行光刻，刻蝕出若干正六邊形空腔，如圖3-2所示；

（4）、對硅片進行標準rca清洗并進行激活，激活后使硅片上表面的氧化層與soi晶片進行低溫鍵合，如圖3-3所示；

（5）、鍵合后用tmah溶液對soi晶片的襯底硅進行腐蝕，清洗后再用boe溶液腐蝕掉硅片下表面上的氧化層和soi晶片上的氧化層，此時的硅片即為硅襯底、soi晶片剩余的硅層即為振動薄膜，如圖3-4所示；

（6）、采用lpcvd工藝在振動薄膜上沉積一層二氧化硅層作為隔離層，如圖3-5所示；

（7）、在隔離層的上表面濺射金屬，并用剝離的方法形成上電極和焊盤，如圖3-6所示；

（8）、圍繞隔離層的四周邊緣處及內(nèi)部刻蝕出隔離槽，形成陣元陣列，并用tmah溶液腐蝕出隔離槽，隔離槽貫穿隔離層和振動薄膜后，其槽底開設于氧化層上，如圖3-7所示；

（9）、通過金屬引線連接各上電極及焊盤；

（10）、在硅片的背面注入磷，與硅片形成良好的歐姆接觸，并濺射金屬形成一體化下電極（圖中未畫出）。

一種新型微機電超聲探頭電路，如圖4所示，包括發(fā)射電路、開關(guān)（隔離）電路和信號調(diào)理電路。

發(fā)射電路由高壓脈沖放大電路和直流偏置電壓共同構(gòu)成，同時作用于超聲探頭使其發(fā)射超聲波。

信號調(diào)理電路包括跨阻放大檢測電路、濾波電路、低噪放大電路?？缱璺糯髾z測電路是超聲探頭內(nèi)信號調(diào)理電路的開端，其將微弱電容信號轉(zhuǎn)換為可測電信號，由于轉(zhuǎn)換的電信號幅度微弱，并且電路本身及外部存在噪聲，將會使輸出信號的信噪比及分辨率降低，所以利用濾波電路和低噪放大電路對輸出信號進行放大降噪處理，提高系統(tǒng)信噪比及分辨率。

同時考慮到發(fā)射、接收共用同一探頭，發(fā)射時加載到探頭上的高壓脈沖信號將傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理電路，高壓脈沖幅值遠遠超過跨阻放大檢測電路中檢測芯片的最大輸入電壓幅值，會燒毀檢測芯片。為此，在探頭和發(fā)射、接收電路之間增加開關(guān)電路，將高壓脈沖信號僅作用于超聲探頭發(fā)射狀態(tài)，而不影響超聲探頭接收狀態(tài)。

總之，本發(fā)明所述的微機電超聲探頭，解決了傳統(tǒng)壓電式超聲探頭中壓電材料與工作介質(zhì)如空氣、水和人體組織等之間的聲阻抗失配問題。除此以外，還解決了傳統(tǒng)壓電式超聲探頭中作為核心部件的壓電換能器無法集成制造，制作線陣探頭工藝難度大的問題。本發(fā)明包括單個微小振動單元（cell）的結(jié)構(gòu)設計，并將結(jié)構(gòu)設計為六邊形，此結(jié)構(gòu)的工作頻率為3mhz~12mhz，適用于高頻探測；六邊形cell通過排、列布置成為一個陣元，排列更加緊密，在有限的面積下重復單元增多，提高了傳感器靈敏度。n（64~1024）個陣元排成一排形成線陣探頭；對線陣設計相應的收發(fā)電路，并將線陣與電路相連接，實現(xiàn)超聲探頭的探測功能。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照本發(fā)明實施例進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋權(quán)利要求保護范圍中。