具有多谐波模式的微机械超声波换能器阵列的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年10月26日递交的并且具有申请号61/718,952的名称为 "PIEZOELECTRIC TRANSDUCER ARRAYS WITH Ist AND 2nd HARMONIC MODES"的美国临时实用 专利申请的优先权，该专利申请的全部内容通过引用结合于此以用于所有目的。
[0003] 本申请涉及2012年10月9日递交的并且具有申请号13/648, 225的名称为"ULTRA WIDE BANDWIDTH PIEZOELECTRIC TRANSDUCER ARRAYS" 的美国实用专利申请。
技术领域
[0004] -般地，本发明的实施方式涉及超声波换能器，具体地，关于微机械超声波换能器 (MUT)阵列。
【背景技术】
[0005] 典型地超声波换能器设备包括膜，该膜能够响应于随时间变化的驱动电压而振动 以在与换能器元件暴露的外部表面接触的传播媒介（如，空气、水或人体组织）中生成高频 压力波。该高频压力波可以传播至其它媒介中。相同的膜也可以接收从传播媒介反射的压 力波并且将所接收的压力波转换为电信号。结合驱动电压信号该电信号可以被处理以获得 关于传播媒介内密度或弹性系数变化的信息。
[0006] 压电式或电容式换能器设备已被证明在图像领域是有用的。然而很多使用压电 膜的超声波换能器设备是通过机械切割大块压电材料或通过注塑成灌注由压电陶瓷晶体 的载体材料而形成的，这些设备可以使用各种微机械加工技术（如，材料沉积、平版印刷图 案、通过刻蚀的特征构造等）以过高的维度公差被很方便廉价地制造。同样地，利用经由波 束形成算法驱动的阵列中的单个，谐振器元件的大阵列可以使用。这种阵列设备被称为压 电式MUT(pMUT)阵列。电容式换能器也类似地微机械加工为的电容式MUT(cMUT)阵列。
[0007] 传统的MUT阵列的一个问题是带宽可能被限制，该带宽是从传输媒介施加的实际 声压的函数。因为诸如胎儿心脏监测和动脉监测的超声波换能器应用跨越宽的频率范围 (如，较低的频率提供相对较深的成像能力以及较高的频率提供较浅的成像能力），通过增 强MUT阵列的带宽以缩短脉宽，轴向分辨率（如，与超声波光束平行的方向的分辨率）将被 有利地改善。
[0008] 传统的pMUT阵列的另一个问题是通过衬底振动的机械耦合及在pMUT阵列中找到 的邻近元件之间的声親合（acoustic coupling)可以引起换能器元件之间的不良串扰。通 过减小这种pMUT阵列中串扰的不良形成，在超声波换能器应用中的信噪比将被有利地改 善。
【发明内容】
[0009] 在一实施方式中，MUT阵列的换能器元件总体被配置为多种振荡模式。这些多种模 式至少包括第一谐振模式和第二谐振模式，并且还可以包括第三模式、第四模式或更高模 式。这种多谐振模式或多谐波模式，MUT阵列被引入至此以简单作为"多模式"MUT阵列。在 实施方式中，通过膜大小（size)的尺寸化（dimensioning)以及布置不同大小的膜，谐波被 制成同相以减轻或避免通道内相近膜之间破坏性的相互作用，或者相近通道之间的串扰。
[0010] 在实施方式中，多模式MUT阵列使用与在超声波换能器的发射和接收模式中使用 的多谐波模式相关联的完整带宽被操作以获得超宽带宽。对于这种实施方式，膜被设计大 小并且由电信号驱动以感应一阶振动模式，该一阶振动模式具有与主要与二阶振动模式相 关联的频带重叠的频带。
[0011] 在实施方式中，多模式MUT阵列使用与超声波换能器的发射和接收模式之间分配 的多谐波模式相关联的带宽被操作。在一个这种实施方式中，适合作为传输频带的一阶振 动模式由驱动信号感应以及与适合作为接收频带的二阶振动模式相关联的频率通过信号 接收器滤波。例如，伴随合适的膜（一个或多个）大小调谐，可以使用较低频率振动的第一 频带和较高频率振动的第二频带来执行组织谐波成像（THI)的技术而不遭受典型的较低 带宽换能器的增益的限制。
[0012] 在实施方式中，多模式MUT阵列使用与在超声波换能器不同通道上分配的多谐波 模式相关联的带宽被操作。与一个或多个振动模式相关联的第一频带在换能器的第一通 道中被驱动，而与一个或多个其它模式相关联的第二频带在第二通道中被驱动以获得高采 样率。在某一这种实施方式中，超声波换能器使用多个焦点区域同时操作，在这期间，低频 (第一模式）通道聚焦在比高频（第二模式）通道更深的焦距。
[0013] 在实施方式中，膜大小的尺寸化及不同大小的膜在衬底上空间地布置至少部分地 通过一个或多个灵敏度分析被实现。因为谐波定相是对许多因素敏感的复杂函数，这个挑 战通过优化来自模式化标称维度（dimension)的MUT阵列的频率响应而至少部分的解决。 在某个有利的压电式实施方式中，灵敏度分析在单个掩膜层面处执行，该单个掩膜层面定 义换能器膜的压电式材料和电极之间的接触区域。在某一这种实施方式中，随着在阵列的 不同通道上执行的灵敏度分析单个PMUT阵列被制造。然后，通道响应被测量并且与标称相 对比以推论出用于每个膜大小类别的优化大小化。然后，基于针对在阵列中使用的每个不 同的膜大小的最佳掩膜维度，最终的掩膜集合被定义。
【附图说明】
[0014] 本发明的实施方式通过举例的方式但不以限制的方式被阐述，而且当结合附图考 虑时，参考下文详细地描述，将更全面理解本发明的实施方式，其中：
[0015] 图1A和1B是根据实施方式的具有圆形换能器元件的多模式MUT阵列的平面视 图；
[0016] 图1C是描绘了根据多模式MUT阵列实施方式的换能器膜大小的一维空间布置的 曲线图；
[0017] 图1D是根据实施方式的具有椭圆形换能器元件的多模式MUT阵列的平面视图；
[0018] 图2A、2B和2C是根据实施方式的在图1A、1B和1D的多模式MUT阵列中使用的压 电式换能器的横截面视图；
[0019] 图3A和3B是根据实施方式的经受第一振荡模式和第二振荡模式的换能器元件的 横截面示意图；
[0020] 图4A和4B是阐明根据实施方式的与图3A和3B中描绘的第一和第二振荡模式相 关联的第一和第二谐振频带的频率响应曲线示意图；
[0021] 图5是根据本发明实施方式的采用多模式MUT阵列的超声波换能器装置的功能模 块图；
[0022] 图6是描绘了根据实施方式的多模式MUT阵列的操作模式的流程图；
[0023] 图7A示出根据实施方式的相应于MUT阵列的第一和第二振动模式的两个频带的 模式化频率响应；
[0024] 图7B是针对经受第一和第二振动模式之间解构性定相（deconstructive phasing)的MUT阵列的模式化频率响应；
[0025] 图8A示出根据实施方式的与适合于超声波换能器的单独的传输和接收模式的 PMUT阵列的第一和第二振动模式相对应的两个带的模式化频率响应；
[0026] 图8B和8C阐明了在响应灵敏度上为组织谐波成像（THI)分配多模式MUT阵列的 效果；
[0027] 图9A示出了根据实施方式的与MUT阵列的第一和第二振动模式相对应的两个频 带的模式化频率响应；
[0028] 图9B阐明了传统的多区域对焦技术；
[0029] 图9C阐明了根据多通道实施方式的多区域对焦技术；
[0030] 图10是阐明了根据实施方式的优化具有不同膜大小的膜群体的频率响应的方法 流程图；以及
[0031] 图11是根据实施方式具有不同窗口大小和相应的响应曲线的PMUT阵列的平面视 图。
【具体实施方式】
[0032] 在下文描述中，陈述了很多细节，但是，在没有这些具体细节的情况下，本发明可 以被实行，这对于本领域技术人员将是显而易见的。在某些实例中，公知的方法和设备以框 图形式而非详细地示出，以避免模糊本发明。贯穿本说明书的对"实施方式"的参考意味着 与实施方式有关的特定的特征、结构、功能或者特性被包括在本发明的至少一个实施方式 中。因此，贯穿本说明书的在不同地方出现的术语"在实施方式中"不是必然指代本发明的 相同实施方式。此外，在一个或多个实施方式中的特定的特征、结构、功能或者特性可以以 任何适当的方式被组合。例如，第一实施方式可以与第二实施方式在两个实施方式不特别 指示为相互排斥的情况下可以结合。
[0033] 这里，术语"耦合"被用于描述组件之间的功能或结构关系。"耦合"可以被用于 表明两个或更多个元件彼此直接或间接地（利用它们之间的或通过媒介的其它中介元件） 机械、声、光或电连接，和/或指示两个或更多个元件彼此协作或互相作用（如，如同因果关 系）。
[0034] 这里使用的术语"在……之上"、"在……之下"、"在……之间"以及"在……上面" 涉及一个组件或材料层相对于其它元件或层的位置关系，其中，在装配的上下文或者在微 机械堆的材料层的上下文中，这种物理关系对于机械组件是显著的。放置在另一个层（组 件）之上或之下的一个层（组件）可以直接与其它层（组件）接触或者可以具有一个或多 个中介层（组件）。此外，布置在两层（组件）之间的一个层（组件）可以直接地