专利名称：超声换能器阵列的制作方法
超声换能器阵列超声波(超声)换能器(transducer,变换器)是一种将电信号转换成超声 信号或者将超声信号转换成电信号的装置。超声换能器已经广泛应用于非侵入 地探查固体、液体和气体。超声换能器被广泛应用的一种应用是医疗成像。医疗成像中使用的很多超 声换能器都是压电装置。例如元件可以由锆钛酸铅(PZT)制成并组成阵列，这 些阵歹U形成换能器部件。换能器部件可以包括换能器元件的一维阵列或者换能 器元件的二维阵列。前者能提供被探查样本的二维图像，而后者能提供样本的 三维图像。超声探头(ultrasonic probe)包括在外壳中提供的换能器部件，该外壳可以 包括控制电子器件和阻抗匹配层。然后超声探头用于向人体内发射超声信号， 接收从人体反射的超声信号并将反射的超声信号转换成电信号。电信号然后可 以通过多个同轴电缆从探头发射到电子装置，该电子装置处理电信号并形成人 体被探查部分的二维图像或三维图像。一种在医疗成像中引起关注的换能器是压电微加工换能器(PMUT)。压电 微加工换能器使用已知的半导体制造技术以阵列的形式制成并且不需要阻抗匹 配层就能够提供成像能力。合成结构包括元件的阵列，W^元件包括布置在硅基 底上的韧性薄膜。在PMUT的有源压电层两端施加的电压导致超声信号的Mt。随着医疗成像己经逐渐成为可行的对人体一部分进行非侵入成像的方法， 对提高成像能力的需求继续增加。例如，众所周知，超声波随着i4A人体的深 度而衰减相当厉害。为了在更深的人体内部成像，提供具有相当强度的超声信 号是有用的。这需要给换能器阵列的换能器元件输入更大的电压。不幸的是，在已知的二维阵列中，难以向换能器部^m供足够大的电压来 取得需要的超声强度级别，这需要大量兀件。因此，需要一种设备，能克服至少上面提及的已知方法的缺点。根据一个实施例，超声换能器元件(element)包括具有第一侧風side)和第二侧面的有源层。该元件还包括连接到第一侧面的第一电极和连接到第一侧面 的第二电极。此外，该元件还包括具有连接到第一电极的第一输出和连接到第 二电极的第二输出的电路。第一输出给第一电极提供第一电压，第二输出给第 二电极提供第二电压。该电路给有源层提供大约等于第一 电压和第二电压之差 的电压。根据另一实施例的超声换能器阵列，包括多个超声换能器元件。多顿声 换能器元件的每一个包括具有第一侧面和第二侧面的有源层 ，连接到第一侧面 的第一电极和连接到第一侧面的第二电极；禾哆个电路，每个电路连接至移个 超声元件中的相应一个。多个电路的每一个包括连接到多个超声换能器元件相 应一个的第一电极的第一输出，和连接到多个超声换能器元件相应一个的第二 电极的第二输出。而且，每一个第一输出提供第一电压，每一个第二输出提供 第二电压，并且每一个电路分别向所述多个超声换能器元件的相应之一的有源 层提供大约等于第一电压和第二电压之差的电压。根据另一实施例，超声探头包括外壳和电缆部件。超声探头还包括布置在 外壳中的具有多个超声换能器元件的超声换能器阵列。多个超声换能器元件中 的每一个包括具有第一侧面和第二侧面的有源层；连接到第一侧面的第一电极 和连接到第一侧面的第二电极。探头还包括多个电路，每个电路连接到多个元件中的相应一个。多个电路 的每一个包括连接到多个超声换能器元件相应一个的第一电极的第一输出和连 接至U多个超声换能器元件相应一个的第二电极的第二输出。每一个第一输出提 供第一电压，每一个第二输出提供第二电压，并且每一个电路给所述多个超声 换能器元件相应-一个的有源层提供大约等于第一电压和第二电压之差的电压。阅读下述详细的说明并结合附图能最好的理解本发明。需强调的是，各禾中 特征不必按比例示出。事实上，为了阐述清楚，尺寸可以任意增加或减小。
图1是根据一个实施例的超声探头的局部分解图。 图2是根据一个实施例的超声换能器元件的截面图。 图3a是超声换能器元件和电路的简化示意图，换能器的电压-时间曲线图 和功率-时间曲线图。图3b是根据一个实施例的超声换能器元件和电路的简化示图意图，电压-时间曲线，和声强度-时间曲线图。在下面的详细描述中，为了解释和不受限制的目的，为提供对本发明的全 面理解，阐述了一个公开了具体细节的实施例。然而，显而易见的是，受益于 本公开的本领域普通技术人员也可以预见不同于这里公开的具体细节的其它实 施例。而且，可能省略了对众所周知的装置、方法、系统和协议的说明以便不 混淆对本实施例的说明。尽管如此，根据本实施例，也可能使用在本领域普通 技术人员范围内的这样的装置、方法、系统和协议。最后，实施例中的任何地 方中，相同的参考数字指的是相同的特征。图1是根据一个实施例的超声探头100的局部分解图。超声探头100包括透镜101和外壳102。透镜101适合于从探头导入超声波或将超声波导入到探头， 可以是一个本领域普通技术人员范围内的多种透镜元件的一种。外壳102适合 技术人员管理超声测试的操作。说明性地，探头100用于人体和动物的医疗测试，但并不限于这种应用。 例如，探头100可以用在科学成像或者其它鄉的非侵入(non-invasive)成像 和观赋中。探头100的许多替代应用对受益于本公开的本领域普通技术人员来 说是显而易见的。探头100包括超声换能器元件104的阵列103。在一个具体的式实例中， 换能器元件104是PMUT。说明性地，PMUT阵列103由硅晶片或者其它半导 体晶片制成，包括多个单个的换能器元件104。在一个示例性实例中，PMUT 阵列包括多个PZT薄膜换能器元件。说明性地，阵列103和换能器元件104和 它们的制造可以如美国专利Solomon等人的US6314057;或者Klee等人的 US6784600;或者Miller等人的US6592525中所描述的那样。这些专利已经转 让给本受让人。阵列103和换能器元件104和它们的制造也可以如美国专利 Berstein的US5596292中所描述的那样。上述提及的专利的公开内容在]JM51参 考特别引入。在一个具体的实施例中，PMUT阵列103是一个二维(2D)阵歹ij，适合于 存储(garner)两个正交平面内的成像。由阵列103通过超声波的激寸和接收收 集的数据可以由电子装置(未示出)处理以提供三维(3D)成像。此外，从阵列103接收的数据可以被处理以提供样本的横截面和旋转的三维图。在阵列103的下面是微波束形成器105，其是集成电路。该微波束形皿 105提供用于从探头100发射和接收超声波的电路。有利地，该微波束形麟 105肯g够使相对大量的换能器元件104连接到设置在电缆107中的相对少量的同 轴电缆108。为此，阵列103可以包括数千个超声换能器元件104。在这里描述 的实施例中，每一个超声换能器元件104包括至少两个电连接，ilii它，信 号。如果每一个元件104都连接到-一条电缆108上，那么经由电缆108划寸的 功率和信号将过于难处理。例如，在一些阵列中有6800个超声换能器元件，将 需要6800条电缆。这将是完全不现实的。有利地，微波束形成器105能提供多 斷言号到/从多个换能器。因此，所需的同轴电缆濯的数量M^到较易处理的 数量。微波束形麟105包括延職，放大器和控制放大器和控制电路的控制电 路。说明性地，延迟线是模拟存储元件并且与换能器元件相关。M改变延迟 线的延迟时间，在显示器上形成图像。微波束形成器105如美国专利Savord的 US6380766中所描述的那样，它公开的内容特别结合于此作为参考。在这里描 述的一个式实例中，微波束形成器105还包括多个电路，每一个电路连接到换 能器元件104中的相应一个，并适合于驱动换能器元件。从PMUT阵列103到微波束形成器105和电缆108的连接可以按照Sudol 等人的美国专利US5990598来实现，它公开的内容特别结合于此作为参考。值 得注意地，柔性电路106可以用于形成微波束形成器105和电缆107之间的最 后连接。最后，在一个实施例中，换能器阵列103和微波束形 105可以是 使用已知的半导体处理和己知的压电材料沉积技术制成的集成元件。工作中，来自电子设备(未示出)的功率和信号提供给微波束形成器 (microbeamformer)芯片105和元件104的阵列103。阵列发射超声波，其被样本 (例如人体)反射并再次投射到阵列103上。反射的信号被转换回电信号皿 供给微波束形成器105，微波束形成器105相应地经由电缆108向电子设皿供 已处理的信号，用于进一步处理和显示。图2是根据一个实施例的换能器元件104的截面图。该换能器元件包括一 个有源层201，其在受到随时间变化的电压激励时振荡。例如，有源层201可以 是PZT或者其它合适的压电材料。第一层202放置于有源层201上面并且示例为二氧化硅(Si02)，作为一个隔离层。第二层203放置于第二层上面并且示例 为四氮化三硅(Si304)。第二层203给元件104的结构提供一些5贩。应注意的是，元件104的阵列103可以使用已知的半导体制造技賴n已知的沉积压电材料技术制造。例如半导体(例如硅)晶片(未示出)可以用作基底，其上形 201-203。这种半导体基底然后可以通过标准的亥卿技术或其它己知技## 除。在实施例中，第一电极204和第二电极205连接到有源层201的同一面。 在一个具体的实施例中，第一和第二电极204 、 205连接至l嫉能器104的背面， 该背面是与超声信号传输进入样本的面相反的面。除了其它的益处外，尤其当 元件104在诸如阵列103这样的阵列中时，在有源层的同一面上具有电极204、 205方便了超声换能器元件104的制造并减少了制作到超声换能器元件104的电 连接的复杂性。在一个实施例中，电极204、 205是连接到微波束形成器105的电路的导电 突起，正如这里更全面描述的那样。在另-一个实施例中，电极204、 205是线接 触，该线接触允许换能器104的阵列103直，封妾触电路的相应触点，这些触点 是微波束形成器105的一部分。可选择地，阵列103和微波束形成器105之间 的连接可以使用导电粘合剂、超声波焊接或低温焊接做成。不管用于制作连接 的技术如何，微波束形成器105的电路驱动换能器104，弓胞换育巨器104鄉超 声波206。随着说明继续，更加清楚地，电极204、 205都是"热的(hot)"，且都不 接地。这减小了通过微波束形成器105馈送的驱动电压的幅度，该驱动电压幅 度是需要用来提供合适的超声波幅度(声强度)，用于在人体或者其它样本内足 够深度处成像。图3a是连接到微波束形成器302的超声换能器元件301的简化示意图。微 波束形成器302包括驱动器303，开关304和连接到接收器电路(未示出)的 放大器305 。驱动器303示例为一个功率放大器或者本领域普通技术人员熟知的 其它装置。微波束形皿302连接到第一电极306并il31它提供输入电压。第 二电极307接地。当给第一电极306施加一振荡电压时，实现输出超声信号308。曲线309显示了第一电极306的输入电压信号-时间的典型曲线图。曲线310 显示了第二电极307接地时的相对时间曲线图。曲线3U显示了由微波束形成器302至嗾育g器元件301的电压输出相对时间的曲线图。最后，曲线312显示 了在施加曲线309的电压期间输出信号308 (超声波)的声音强度相对时间的曲 线图。值得注意的是，在曲线312上标记为的"I"的相对亥U度上纟贩达至嘬大 值。尽管已知的换能器元件301是有用的，但是微波束形 302受限于只提 供给换能器元件301大约50V 100V之间的电压(曲线311中显示为'v')。然而， 当实现已知换能器元件301的结构时，为了存储(garner)在样本中合适的深度 处的成像，需要大约100V 300V的输入电压。这可导致不可接受的成像质量。图3b是根据一个实施例的超声换能器元件313的简化示意图。换能器元件 313连接到微波束形雌(microbeamformer) 314，微波束形成器314包括电路 315、其它电路和延迟线(未示出)，以及如前所述。微波束形成器314包括向 电路315提供输入电压信号的输入端322。电路315包括给换能器元件313的第 一电极317提供第一电压信号(VI)的第一输出316;和给换能器元件313的 第二电极319提供第二电压信号(V2)的第二输出318。值得注意的是，多种己知电路的变化可以实现用来给换能器元件313提供 第一和第二电压。为了说明且不受限制，可以4顿已知的推挽式(push-pull)电 路和己知的平衡^l寸(balanced trans加tter)电路。同样，应强调的是，图3b中和 与图3b相关的描述中所示的电路315仅仅是示意性的说明，多种其它电路也可 以被实现用来给换能器元件313提供第一和第二电压。在一个具体实施例中，电路315包括第一放大器320和第二放大器321。 作为示意性说明，第二放大器321具有反向输入。放大器320、 321实现换能器 元件313的驱动器功能。应强调的是，其它类型的驱动器电路也可被用来替代 本实施例的放大器320、 321。这种驱动器是本领域普通技术人员所熟知的。这里详述的是，换能器元件313可以是阵列103的换能器元件104中的一 个，微波束形 314可以被实现为前述的微波束形 105。微波束形 314包括多个电路315，每一个换能器元件313连接到电路315中相应的一个上 并且由此成为微波束形成器314的一个通道。例如，在与图1相关的描述和所 示的实施例中，微波束形 105包括多个电路315以及前面提及的用于延迟、 放大和控制的其它电路。阵列103的每一个换能器元件104连接到电路315中 相应的一个上。在这种排列方式中，换能器中的每一个是微波束形成器105的一个鹏。而且，如前所指出的那样，当每一个换能器元件313连接到电路315 时，微波束形成器处理从大量换能器接收的信号并把信号提供给电缆107中多 个^4、的通道。由此，需要较少的同轴电缆来向和从换能器元件103的阵列103 鄉信号。电路315包括连接到接收放大器325的开关323、 324。由换能器元件313 接收的反射的超声波信号被转换成电信号，电信号通过电极317、 319t皿给方文 大器325。放大器325然后提供输出信号326给电子设备(未示出)用于进一步 处理和成像显示。在一个具体实施例中，接收放大器325是一个诸如图3b所^，样的平衡电 路。然而，这不是必须的。特别地，因为入射到换能器上的反射的超声波强度 与^l寸的超声波相比明显衰减，所以在接收放大器325处的输入电压电平刚好 在微波束形成器314指定的工作电压范围内。因此，接收放大器325可以是一 个非平衡电路，放大器323的--个连接接地。虽然来自微波束形成器34的输入电压信号相对较低，换能器元件313也 育^多提供足够的超声信号3M/幅度。最后，电路315给第一电极317提供如曲 线327中所示的随时间变化的第一电压信号和给第二电极319提供如曲线328中所示的随时间变化的第二电压信号。在一个具体实施例中，在一个周期上施加给第二电极319的第二电压信号(V2)在每一个时间点上相对于第--电压信号(VI)被反转。结果就是施加给 换能器的峰-峰值电压V是第一电压信号或第二电压信号之一的峰-峰值电压的 大约1.75 2.0倍。在另一个具体实施例中，第一电压信号是第二电压信号的时间反转(time inverse),具有相等量值的幅度。例如，如图3B所示，第一电压信号(曲线327) 和第二电压信号(曲线328)形汰上是正弦曲线，基本上具有相同的幅度但符号 相反。然而，这不是必须的。在另一示意性实施例中，施加给第一电极317的 第一电压{言号和施加给第二电极319的第二电压信号实际上不必反转或者具有 基本相等量值的幅度，或者两者。例如，由于各种原因，给^^放大器320、 321 一个独立的输入可能是有用的。施加的第一和第二电压不必在每个时间点上反 转、或者不必具有基本相同的幅度，或者两者。总之，施加给换能器元件313两端的随时间变化的电压是施加给第一电极317的第一电压信号(VI)与施加给第二电极319的第二电压信号(V2)之间 的差(随时间变化)。第一电压信号和第二电压信号之间的电压差Vpmut大约等 于换能器元件313的有源层的电压，在曲线327和328的时间周期上显示如曲 线329所示。作为示例，曲线327的峰值电压和曲线328的峰值电压在大约50V 100V 的范围，M微波束形成器314的工作范围内。然而，在本示例性实施例中， 因为施加在换能器元件313相对端的第一和第二电压的反向特性和^本相同量 值的幅度，施加到换能器元件313的有源层两端的电压(曲线329)的量值是第 一电压或第二电压之一量值(magnitude)的大约2倍。这导致发射的超声信号 331的曲线图330中所示的输出(声音)强度。这1it出纟破在超声成像希望的 范围内，没有超出设置在微波束形成器314上的电压限制。有利的是，对于相同的输入电平(幅度V)， 一个实施例的换能器元件313 与已知的换能器元件301的相比，可提供4倍的强度增加。这可以从曲线312 和330很容易的看出，其中峰值声音强度电平分别为Iout和4Iout。因此，微波 束形成器的好处是可以实现，却没有由于微波束形成器较低的功率容量牺牲成 像质量。考虑到本发明的公开，应注意的是，这里希望的各种方法和，能够以硬 件和软件的方式来实现。而且，各种方法和参数仅通过实施例的方式包括进来， 并没有任何限定意义。考虑到本发明的公开，那些本领域的技术人员可以他们 自己的技术和需要的设备来影响这些技术从而可以实现各种实施例的装置和方 法，而仍然在本发明附加权利要求的范围内。
权利要求
1.一种超声换能器元件(104，313)，包括具有第一侧面和第二侧面的有源层(201)；连接到第一侧面的第一电极(204，317)和连接到第一侧面的第二电极(205，319)；和具有连接到第一电极的第一输出(316)和连接到第二电极的第二输出(318)的电路(315)，其中所述第一输出向所述第一电极提供第一电压，所述第二输出向所述第二电极提供第二电压，并且所述电路向所述有源层提供大约等于第一电压和第二电压之差的电压。
2. 如权利要求1中所述的超声换能器，其中所述的差为第一电压信号 的峰-峰值，二电压信号的峰-峰值之一的大约1.75-2.0倍。
3. 如权利要求1中所述的超声换能器，其中所述第一输出连接到驱动 器电路(320)。
4. 如权禾腰求1中所述的超声换能器，其中所述第二输出连接到驱动 器电路(321)。
5. 如权利要求4中所述的超声换能器，其中所述驱动器电路是反向驱 动器电路。
6. 如权利要求1中所述的超声换能器，还包括至少一个放置在有源层 上面的薄膜层(202， 203)。
7. 如t又利要求1中所述的超声换能器，其中施加给有源层的电压的峰-峰值大约等于第一电压的峰-峰值和第二电压的峰-峰值之和。
8. —种超声换能器阵列(103)，包括多个超声换能器元件(104， 313)，所述多个超声换能器元件的每一个包括 具有第一侧面和第二侧面的有源层(201);连接到第一侧面的第一 电极(204 ， 317 )和连接至傑一侧面的第二电极(205 ，319);和多个电路(315)，其中的每一个电路连接至(j所述多个超声换能器元件中的 相应一个，并且每一个电路包括连接到所述多个超声换能器元件中的相应一个的第一电极的第一输出 (316)和连接至i浙述多个超声换能器元件中的相应一个的第二电极的第二输出(318)，其中每一个第一输出提供第一电压，每一个第二输出提供第二电压， 并且每一个电路向所述多个超声换能器元件中相应一个的有源层提供大约等于 所述第一电压和所述第二电压之差的电压。
9. 如权利要求8中所述的超声换能器阵列，其中所述的差为第一电压 信号的峰-峰值或第二电压信号的峰-峰值之一的大约1.75 2.0倍。
10. 如权利要求8中所述的超声换能器阵列，其中所述第一输出连接到 驱动器电路(320)。
11. 如权利要求8中所述的超声换能器阵列，其中所述第二输出连接到 驱动器电路(321)。
12. 如权利要求8中所述的超声换能器阵列，还包括微波束形成器(105， 314)，其连接到所述多个换能器元件并且包括多个驱动器电路。
13. 如权禾腰求11中所述的超声换能器阵列，其中驱动器电路是反向驱 动器电路。
14. 如权利要求8中所述的超声换能器阵列，其中施加给有源层的电压 的峰-峰值是第一电压的峰-峰值和第二电压的峰-峰值之和。
15. —种超声探头(100)，包括 外壳(102);放置在外壳内并且具有多个超声换能器元件(104， 313)的超声换能器阵 列(103)，所述多个超声换能器元件的每一个包括 具有第一侧面和第二侧面的有源层(201);连接至lj第一侧面的第一电极(204 ， 317)和连接到第一侧面的第二电极(205 ，319);和多个电路(315)，其中每一个电路连接到所述多个元件中的相应一个，并且所述多个电路中的每一个包括连接到多所述个超声换能器元件中的相应一个的第一电极的第一输出(316)和连接到所述多个超声换能器元件中的相应一个的第二电极的第二输出 (318)，其中每一个第一输出提供第一电压，每一个第二输出提供第二电压，并且每一个所述电路向所述多个超声换能器元件中相应一个的有源层提供大约等于所述第一电压和所述第二电压之差的电压。
16. 如权利要求15中所述的超声探头，其中所述的差为第一电压信号的峰-峰值，二电压信号的峰-峰值之一的大约1.75 2.0倍。
17. 如权利要求15中所述的超声探头，其中所述第一输出连接到驱动器 电路(320)。
18. 如权利要求15中所述的超声探头，其中所述第二输出连接到驱动器 电路(321)。
19. 如权禾腰求15中所述的超声探头，还包括微波束形成器(105)，其 连接到所述多个换能器元件并且包括所述多个电路。
20. 如权利要求15中所述的超声探头，其中施加给有源层的电压的峰-峰值是所述第一 电压的峰-峰值和所述第二电压的峰-峰值之和。
全文摘要
一种超声换能器元件(104，313)，包括具有第一侧面和第二侧面的有源层(201)；连接到第一侧面的第一电极(204，317)和连接到第一侧面的第二电极(205，319)；和具有连接到第一电极的第一输出(316)和连接到第二电极的第二输出(318)的电路(315)，其中第一输出给第一电极提供第一电压，第二输出给第二电极提供第二电压，并且电路给有源层提供大约等于第一电压和第二电压之差的电压。
文档编号B06B1/02GK101237946SQ200680029122
公开日2008年8月6日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年8月8日
发明者B·杜福特, J·弗拉瑟 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司