使用显微机械加工的超声换能器的镶嵌式阵列制造技术

一种超声换能器阵列，包括通过多个微电子开关（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）实现相互连接的多个子单元（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３），每个子单元包括多个各自的显微机械加工的超声换能器（ＭＵＴ）单元（２），在一个特定的子单元中的所述ＭＵＴ单元是连接在一起的硬连线。该开关用于设置该子单元，以形成多个同心环阵元。这种设计在显著地降低了复杂性的同时，又能够在超声成像数据采集过程中在垂直方向上聚焦。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及超声换能器元件的镶嵌式阵列(mosaic array)，以及在阵列中使用显微机械加工的超声换能器(MUTs)，MUTs的一个特定应用是用于医学诊断的超声成像系统。
技术介绍
传统的超声成像系统包括一个超声换能器阵列，该超声传感器阵列用于发射超声波束，然后接收从研究物体反射回来的波束。这种扫描包括一系列的测量，其中发射被聚焦的超声波，经过短时间间隔后，该系统切换到接收模式，然后接收反射的超声波、进行波束合成、显示处理。典型地，在每次测量以从沿着一个声波束或扫描线的一系列点中采集数据时，在相同的方向上使发射和接收聚焦。当反射的超声波被接收时，超声接收器在沿着扫描线的一个连续范围内动态聚焦。对于超声成像，该阵列典型地具有多个排列在一行或多行上，并由独立电压驱动的换能器。通过选择时间延迟(或者相位)和施加的电压的幅值，能够控制给定行上的各个换能器产生超声波，这些超声波组合形成一个超声波网(net ultrasonic wave)，它沿着优选的矢量方向传播，并在沿着该波束的选定区域聚焦。当该换能器探头用于在接收模式下接收反射的超声波时，所使用的原理也是相同的。在接收换能器上产生的电压被求和，这样该净信号表示了从该物体单独的聚焦区域反射的超声波。在发射模式下，通过对每个接受换能器接收的信号给予单独的时间延迟(和/或相位偏移)和增益来实现超声能量的这种聚焦式接收，该时间延迟可通过增加回波信号的深度进行调整，以在接受时提供动态聚焦。形成的图像的质量和分辨率在一定程度上是分别组成换能器阵列的发射和接收孔径的换能器的数目的函数。相应地，要获得高图像质量，理想的情况是在二维或三维成像应用中采用大量的超声换能器，该超声换能器典型地位于一个手持式换能器探头中，该探头通过柔软的电缆连接到处理该换能器信号并产生超声图像的电子线路上。该超声探头可以带有超声发射电路和超声接收电路。近来，半导体工艺被应用于生产一种称为显微机械加工超声换能器(MUTs)的超声换能器中，它可以是电容的(MUT)或压电的(pMUT)变化，MUTs是带有电极的微小的膜片状装置，它将接收的超声信号的声音振动转换成调制电容。发射时，所述电容电荷被调制，使该装置的膜片产生振动，从而发射声波。MUTs的一个优点是它们能够通过使用半导体制作工艺，例如分组在显微机械加工类下的显微制作工艺制成，如美国专利US6,359,367中所描述的显微机械加工是使用下面方式的组合或其子集形成显微结构(A)图案形成工具(通常是平版印刷术，如投影式校准器(projection-aligner)或圆片步进光刻机(wafer-steppers))，以及(B)沉淀工具，如PVD(物理汽相淀积)，CVD(化学汽相淀积)，LPCVD(低压化学汽相淀积)，PECVD(等离子化学汽相淀积)，以及(C)蚀刻工具，如湿化学蚀刻、等离子蚀刻、离子研磨、溅蚀或激光蚀刻。显微机械加工典型地是在由硅、玻璃、蓝宝石、或陶瓷制品制成的基底或晶片上进行的。这种基底或晶片通常非常扁平、光滑，并且横向直径以英寸计。它们通常在暗盒中成组处理，从一个处理工具传送到另一个处理工具。每个基底都能够有益地(但不是必须的)引入多份该产品。显微机械加工有两种常用类型1)整体显微机械加工，其中晶片或基底大部分的厚度经过了蚀刻，和2)表面显微机械加工，其中蚀刻一般仅限于表面，特别是该表面薄的沉积膜。这里使用的显微机械加工的定义包括使用传统或已知的可进行显微机械加工的材料，包括硅、蓝宝石、各种玻璃材料，聚合物(如聚酰亚胺)，多晶硅，氮化硅，氧氮化硅，薄膜金属如铝合金、铜合金和钨、旋涂玻璃(SOGs)，可移植和扩散的掺杂剂，以及生长薄膜，如硅的氧化物和氮化物。这里采用了相同的显微机械加工的定义。提高超声换能器阵列的设计的需求是持续不断的，为了获得极佳的图像质量，现在的超声成像系统的复杂性已经非常高了，传统的探头典型地具有128个信号处理通道(对于带有电子垂直聚焦的阵列，增加了5倍那样高)，而且，较薄的层厚也会有利于用大多数成像方式(包括超声)得到正确的临床诊断的潜力。在垂直(elevation)和方位角方向上实现动态聚焦波束是非常复杂、昂贵的，特别是对于一般成像(相对于超声心动图)应用。而且电子元件的体积和耗能也使这种系统难以实现便携。
技术实现思路
本专利技术运用了这样的构思将一个超声换能器的活动(active)孔径分为镶嵌式的非常小的子单元，然后通过电子开关使它们互相连接由这些字单元形成的阵元。通过改变开关的设置，这些阵元能够沿着该镶嵌式阵列的表面进行电子式的“移动”，执行扫描。其他阵元结构允许波束转向，波束转向提供获取体数据集的能力。多个同心环状元件的结构通过将元件的形状与声学相位波前相匹配而提供了最佳的声学图像质量，本专利技术的一个方面是结果阵列的可重组性。正是由于具有重组阵元和将阵元与相位波前相匹配的能力，因此显著地降低了获取高端系统图像质量的阵元(或通道)数量，由于通道很少，需要用波束合成电子元件处理的信号数量也显著减小，因此镶嵌式阵列的系统的体积和电子元件的能耗也能够与高便携式超声系统兼容。本专利技术的一个方面是一种镶嵌式阵列，包括多个子单元，每个子单元包括分别的多个用显微机械加工的超声换能器(MUT)单元，每个MUT单元包括一个顶部电极和一个底部电极，这些组成任何特定子单元的MUT单元的顶部电极是连接在一起的硬连线，而相同的这些MUT单元的底部电极也是连接在一起的硬连线。本专利技术的另一方面是一种超声换能器阵列，包括多个通过多个微电子开关互连的子单元，每个子单元包括分别的多个MUT单元，并且在一个特定子单元中的每个MUT单元都是连接在一起的硬连线。本专利技术更进一步的一个方面是一种制造超声换能器的方法，包括以下步骤制造一个其上具有多个微电开关的基底，并且在基底上用显微机械加工多个MUT单元，该MUT单元互连成组，每一组互连的MUT单元都连接到各自的一个微电子开关上。而本专利技术的另一方面是一种超声换能器，包括多个MUT单元，每个MUT单元包括一个各自的顶部电极和一个各自的底部电极，其中所述的MUT单元的顶部电极是连接在一起的硬连线，并且该MUT单元的底部电极是连接在一起的硬连线。一个输出端连接到所述的互连的顶部电极或所述互连的底部电极上的微电子开关，以及一个驱动电路，所述驱动电路的的输出端连接到所述微电子开关的一个输入端，当所述的微电子开关接通时，用于驱动所述多个MUT单元产生超声波。在下面公开了本专利技术的其他方面并且下面的请求保护了本专利技术的其它方面。附图说明图1是一个典型的cMUT单元的截面2是表示由7个六边形的MUT单元形成的“雏菊式”子单元，MUT单元的顶部和底部电极分别是连接在一起的硬连线。图3是表示由19个六边形的MUT单元形成的“雏菊式”子单元，MUT单元的顶部和底部电极分别是连接在一起的硬连线。图4是表示按照本专利技术另一个实施例的一个包括4个环形阵元的镶嵌式阵列的部分图，每个阵元由镶嵌设置的“雏菊式”子单元组成，并设置为每个阵元都具有近似相等的面积。图5.是表示按照本专利技术另一个实施例的一个包括6个环形阵元的镶嵌式阵列的部分图，每个阵元由镶嵌设置的“雏菊式”子单元组成，并设置为每个阵元都具有近似相等的面积。图6.是表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镶嵌式阵列，包括多个子单元（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３），所述的每个子单元包括各自的多个显微机械加工的超声换能器（ＭＵＴ）单元（２），并且每个ＭＵＴ单元包括一个顶部电极（１２）和一个底部电极（１０），其中所述的用于形成任何特定的子单元的ＭＵＴ单元的顶部电极是连接在一起的硬连线，并且所述的同样的ＭＵＴ单元的顶部电极也是连接在一起的硬连线。

【技术特征摘要】
US 2003-3-6 10/3839901.一种镶嵌式阵列，包括多个子单元(U1，U2，U3)，所述的每个子单元包括各自的多个显微机械加工的超声换能器(MUT)单元(2)，并且每个MUT单元包括一个顶部电极(12)和一个底部电极(10)，其中所述的用于形成任何特定的子单元的MUT单元的顶部电极是连接在一起的硬连线，并且所述的同样的MUT单元的顶部电极也是连接在一起的硬连线。2.如权利要求1所述的镶嵌式阵列，还包括多个开关(X1，X2，X3)，所述的多个开关中的每一个与所述的子单元中的各自一个相连接。3.如权利要求2所述的镶嵌式阵列，还包括一个半导体基底(4)，所述的开关制作在所述的半导体基底内，并且所述的cMUT单元制作在所述的半导体基底上。4.如权利要求2所述的镶嵌式阵列，还包括一个控制所述多个开关的编程电路(66)。5.如权利要求4所述的镶嵌式阵列，其中所述的编程电路控制所述的开关，从而接通的子单元形成一个大致圆形环。6.一种超声换能器阵列，包括通过多个微电子开关相互连接的多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：K托梅纽斯，RA菲舍尔，DM米尔斯，RG沃德尼基，CR哈扎德，LS史密斯，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]