双模式cmut换能器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有CMUT换能器探头的超声诊断成像系统，所述CMUT换能器探头包括:包括一个或多个CMUT单元的阵列，其中，每个CMUT单元具有单元膜、膜电极、单元台板(floor)、衬底和衬底电极；以及DC偏置电压的源，其被耦合到膜电极和衬底电极。此外，本发明涉及操作超声诊断成像系统的方法。
【背景技术】
[0002]用于医学成像的超声换能器具有实现高质量诊断图像的产生的许多特性。在这些中间，有宽的带宽和对超声频率处的低水平声学信号的高敏感度。通常，具有这些特性的压电材料已经由PZT和PVDF材料制成，其中，PZT是最优选的。然而，陶瓷ΡΖΤ材料要求明显不同且复杂的包括划片、匹配层键合、填充物、电镀以及互连的制造工艺，并且要求大量的操纵，所有这些能够导致低于期望的换能器堆叠单元产量。此外，该制造复杂性增加了最终换能器探头的成本。由于超声系统主机已经变得较小并且由现场可编程门阵列(FPGA)和用于很多数信号处理功能的软件支配，因此系统主机的成本已经随着系统尺寸而下降。采取廉价便携式台式机和手持形式的超声系统现在是可用的。结果，换能器探头的成本是系统的总成本的不断增加的百分比，已经由用于3D成像的较高元件计数阵列的出现加速了增加。用于电子3D成像的探头依赖于专业化的半导体设备专用集成电路(ASIC)，其执行针对换能器元件的二维(2D)阵列的微波束形成。因此，期望能够以较低的成本制造具有改进的产量的换能器阵列以便于对低成本超声系统的需要，并且优选地通过与半导体产生兼容的制造工艺来制造。
[0003]最近的发展已经实现医学超声换能器能够通过半导体工艺来制造的前景。可期望地，这些工艺应该是与用于产生由超声探头需要的ASIC电路的相同的工艺，诸如CMOS工艺。这些发展已经产生了微机械超声换能器或MUT，优选形式是电容性MUT(CMUT)<XMUT换能器是具有将所接收的超声信号的声音振动转换为调制电容的电极的微小膜片式设备。针对发射，施加于电极的电容性电荷被调制以振动/移动所述设备的膜片并且从而发射声波。由于这些设备是通过半导体工艺制造的，因此这些设备通常具有在10-200微米范围中的尺度，但是范围能够达到300-500微米的设备直径。很多这样的个体CMUT能够被连接在一起并且作为单个换能器元件共同被操作。例如，四个至十六个CMUT能够被親合在一起以共同充当单个换能器元件。典型的2D换能器阵列能够具有2000-3000压电换能器元件。当被制备为CMUT阵列时，将使用超过一百万CMUT单元。惊人地，早期的结果已经表明这种尺寸的半导体制备CMUT阵列的产量应当被显著改进超过针对几千个换能器元件的PZT阵列的产量。
[0004]CMUT通常被产生有悬挂于承载相对电极的衬底基底上方的带有电极的膜或膜片。参考图9，以横截面示出典型的CMUT换能器单元110。在诸如硅的衬底112上与多个类似的邻近单元一起制备CMUT换能器单元110。可以由氮化硅制成的膜片或膜114由可以由氧化硅或氮化硅制成的绝缘支撑体116支撑在衬底上方。膜与衬底之间的腔118可以是空气或气体填充的或者完全或部分被排空。诸如金的导电薄膜或层120在膜片上形成电极，并且类似的薄膜或层122在衬底上形成电极。由腔118分离的这两个电极形成电容。当声学回声信号引起膜114振动时，电容的变化能够被检测到，从而将声学波换能为对应的电信号。相反地，施加到电极120、122的交流信号引起膜移动并且从而发射声学信号。由于典型的CMUT的微米尺寸尺度，多个这样的CMUT单元通常紧密邻近地被制备，以形成单个换能器元件。个体单元能够具有圆形、矩形、六边形或其他外周形状。
[0005]当超声波在发射和接收两者上穿过组织时，它们由被已知为深度依赖衰减的事物影响。超声随着其行进通过身体更远而逐渐衰减，并且来自身体中的扩展深度的回声的信噪比恶化。该衰减也是频率依赖的，其中，较高的频率比较低的频率被更大地衰减。出于这种原因，较高频率的超声被用于浅的、更表面的成像，而当在更大深度处成像时使用较低频率。
[0006]描述控制常规CMUT的偏置电压以改变其频率响应的超声系统在美国专利6795374(Barnes等人)中是已知的，在该专利中，Barnes等人使用DC偏置电压来控制常规CMUT的膜片与衬底之间的间距:偏置电压越高，膜片与衬底电极之间的静电吸引力越大，并且膜片被更近地拉向衬底。期望在这样的情况下来操作CMUT:膜片在衬底上方自由振动/移动，将从膜片至衬底的距离保持为尽可能地接近衬底，因为这实现设备的最大机电耦合系数;来自返回的声学信号的小振动将对两个电极的电容的变化有大的影响。这是CMUT对微弱的回声信号最敏感之处。
[0007]以这种方式操作CMUT的缺点在于，如果膜片触碰衬底，则它能够通过范德华力而变得粘连到CMUT单元的台板上，致使CMUT不能操作。该缺点被Barnes等人认识到，他们建议制定针对膜片的预期振动的偏置电压的标准调和，即针对膜片的强发射振动，使用较低的偏置电压和膜片与衬底之间的较大间距，并且当回声信号的小振动正被接收时使用较高偏置电压和较小间距。此外，他们提出增强这种控制，在初始接收高频回声时利用较低偏置电压，然后在接收来自更深深度的回声时增加偏置电压。这种变化利用被已知为“弹簧软化(spring sof tening)”的现象，其对CMUT换能器的中心频率具有影响，在回声接收期间当偏置电压从低的初始电压变化到较高结束电压时将所述中心频率从较高频率移位到较低频率。必须小心地限制高结束电压，使得不会偶然地导致膜片的范德华粘连。因此，Barnes等人采用偏置电压变化与频率响应之间的相反关系。
[0008]除膜片粘连的可能性之外，在超声信号的接收期间操作常规CMUT的另一个缺点在于，这种弹簧软化效应在实践中是可忽略的，并且所得到的敏感度由于这种效应而是差的。
[0009]在US2006/0004289A1中描述了改变CMUT收发器的敏感度的方式中的一种。CMUT收发器的敏感度通过调节CMUT的间隙宽度来改变。这是经由提供形成在CMUT单元的腔中的诸如突起元件或滚动元件的至少一个元件来实现的，所述至少一个元件在较低电极的顶部侧上或膜片的底部侧处。
[0010]该解决方案的缺点在于，CMUT收发器间隙的调节必须在制造(提供突起元件或滚动元件)期间被预先定义。因此，这种调节在CMUT的操作期间保持相同。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提供在开篇段落中阐述的种类的超声成像系统，其提供在用于超声成像的频率的宽的范围上的CMUT换能器的改进的敏感度。
[0012]根据本发明，该目的通过提供一种超声诊断成像系统来实现，其中，阵列的每个CMUT单元被布置为操作在以下模式中的任一个中:
[0013]常规模式，其中，所述DC偏置电压将所述单元的CMUT膜设置为在所述CMUT单元的操作期间在所述单元台板上方自由地振动；以及
[0014]塌陷模式，其中，所述DC偏置电压将所述单元的所述CMUT膜设置为在所述CMUT单元的操作期间塌陷到所述单元台板。
[0015]本发明允许通过设置DC偏置电压来控制超声系统操作在其中的模式。CMUT阵列的所有单元能够操作在两种模式中。CMUT单元操作的常规模式(其中，单元的膜在衬底上方自由地振动)提供CMUT单元在相对较低的频率处的响应。CMUT单元操作的塌陷模式(其中，所设置的DC偏置电压将膜迫到其中膜与台板接触(触碰)的预塌陷状态)提供CMUT单元在相对较高的频率处的响应。DC偏置电压的变化导致膜的接触(塌陷到)CMUT单元台板的区的变化。因此，CMUT的接收的频率与常规模式相比可以更高，并且可以被控制。除此以外，由于塌陷膜到单元台板的更紧密接近性，塌陷模式操作提供系统的改进的敏感度。
[0016]本发明的优点是通过改变CMUT单元的响应的频率来在多谐波成像中使用相同CMUT换能器的可能性。此外，由范德华粘连意外禁用CMUT单元的危险不再是个问题，因为本发明使用该效应作为其优点。
[0017]在本发明的实施例中，所述多个CMUT单元至少包括一个第一CMUT单元和一个第二CMUT单元，其中，所述第一CMUT单元比所述第二CMUT单元具有更大