專利名稱：使用撓曲模式壓電換能器的增強的超聲成像探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過壓電換能器產(chǎn)生增強的撓曲模式信號的方法以及使用該方法的超聲成像探頭。
背景技術(shù)：
超聲換能器對于非介入式的以及體內(nèi)的醫(yī)療診斷成像特別有用。傳統(tǒng)超聲換能器 典型地由壓電陶瓷材料(例如鋯鈦酸鉛(PZT)或者PZT聚合物復(fù)合物)制造，對換能器材料進行切片或激光切割以形成排列為ー維或ニ維陣列的多個單獨元件。聲透鏡、匹配層、襯墊(backing)層以及電互連(例如柔性線纜、金屬管腳/導(dǎo)線)典型地被附接到每個換能器元件以形成換能器組件或探頭。然后用線束或線纜將探頭連接到控制電路，其中線纜包含驅(qū)動每ー個單獨元件并從其接收信號的単獨的導(dǎo)線。超聲換能器技術(shù)目前研究的重要目標是提高換能器性能以及與控制電路的集成度而同時降低換能器尺寸、功耗以及由于線纜連接造成的信號損失。這些因素對于三維超聲成像所需的ニ維陣列尤其重要。換能器陣列的小型化對于基于導(dǎo)管的2D陣列換能器特別重要。重大的挑戰(zhàn)在于傳統(tǒng)2D換能器陣列的復(fù)雜性、制造成本和有限的性能。商用2D換能器探頭典型地受限于元件間距為200 μ m至300 μ m且工作頻率小于5MHz的陣列。這些元件的小尺寸將元件的電容大幅度降低到小于10pF，這產(chǎn)生高的源阻抗并且對于與系統(tǒng)電子器件(electronics)的電阻抗匹配提出了重大挑戰(zhàn)。此外，生產(chǎn)用于基于導(dǎo)管的血管內(nèi)(IVUS)成像探頭或者心臟內(nèi)(ICE)成像探頭的前向觀看2D陣列還沒有實現(xiàn)商業(yè)化。對于6弗倫奇或7弗倫奇或更小的導(dǎo)管尺寸，換能器陣列的直徑應(yīng)當小于2mm。為了獲得足夠的分辨率，應(yīng)當使用IOMHz或更大的頻率，這個頻率在組織中產(chǎn)生150 μ m的波長。因為要獲得足夠的成像性能，元件間距應(yīng)當小于波長，所以希望元件間距為IOOym或更小。此外，更高頻率的工作要求換能器中的壓電層更薄。迄今為止，傳統(tǒng)換能器陣列還不能以低成本、可制造エ藝和足夠的成像性能來滿足這些要求。微加工技術(shù)可以有助于生產(chǎn)具有足夠性能的小型化換能器。例如醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域已經(jīng)受益于微機電系統(tǒng)(MEMS)技木。MEMS技術(shù)允許制造尺寸顯著縮小的醫(yī)療設(shè)備或醫(yī)療設(shè)備的組件。壓電微加工超聲換能器(PMUT)就是這樣一種基于MEMS的換能器技術(shù)。pMUT通過向壓電材料懸掛膜施加AC電壓致使其經(jīng)歷撓曲模式共振來產(chǎn)生或傳輸超聲能量。這導(dǎo)致膜的彎張(flextensional)動作，從而從器件產(chǎn)生聲傳輸輸出。接收的超聲能量被pMUT轉(zhuǎn)換，由于微制造膜的撓曲模式共振振動，超聲能量產(chǎn)生壓電電壓(“接收信號”)。與傳統(tǒng)的基于陶瓷的換能器相比，微加工的pMUT器件的好處包括制造容易和可按比例縮小性，特別是對于尺寸更小、密度更大的2D陣列；對于2D陣列而言集成和互連更簡單；對于更寬的工作頻率范圍，換能器的設(shè)計靈活性更大；元件電容更大，從而具有更小的源阻抗，與電子器件的匹配更好。實時3D成像系統(tǒng)需要2D陣列，為了插到更小的導(dǎo)管探頭(直徑2-3mm或更小)中，陶瓷換能器很快就達到它們的制造極限。另ー種微加工方法是電容性微加工超聲換能器(cMUT)，其由襯底上的表面微加工膜組成，通過向膜電極施加適當?shù)腄C和AC電壓信號來靜電地激勵該表面微加工膜。然而，這些器件要求并聯(lián)連接的多個元件來提供足夠的聲輸出，所以限制了元件尺寸極小的2D陣列的性能。為了用cMUT獲得超聲信號，需要相當大的放大率(典型地為60dB)。在cMUT與pMUT器件之間存在功能和結(jié)構(gòu)上的差異。因為pMUT具有更大的能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)(即壓電層)，所以壓電元件通常具有比cMUT更大的超聲功率能力。在8MHz的頻率下，75微米寬的2D陣列pMUT元件可以產(chǎn)生IMPa至5MPa的聲功率輸出。傳統(tǒng)的換能器陣列可以產(chǎn)生大于IMPa的聲壓，但是需要大得多的元件尺寸，并且在更低的頻率下工作。cMUT 2D陣列元件的典型聲輸出遠遠小于IMPa。與傳統(tǒng)換能器陣列以及cMUT相比，pMUT陣列中的元件還具有更大的電容(在100 — IOOOpF量級)，因此產(chǎn)生更低的源阻抗并且與線纜以及電子器件的阻抗匹配更好。傳統(tǒng)換能器陣列元件的電容小于10pF，cMUT元件的電容小于 IpF。
·
與傳統(tǒng)換能器以及cMUT相比，pMUT典型地以更低的電壓工作。根據(jù)陶瓷板的厚·度，傳統(tǒng)換能器要求大的電壓雙極信號(峰間值大于100V)來產(chǎn)生聲能。除了 AC信號(峰間值典型地為幾十伏持)之外，cMUT還要求大的DC電壓(大于100V)來控制膜間隙距離，以振動膜。PMUT需要更低的AC電壓(典型地為30V峰間值雙極信號)來激勵壓電振動以傳輸聲能，并且接收的超聲能量導(dǎo)致?lián)锨Ｊ焦舱癞a(chǎn)生接收信號，不需要施加電壓。微加工超聲換能器提供可以直接與控制電路集成的小型化器件。例如，已經(jīng)用穿過晶片通孔(through-wafer via)連接將cMUT與控制電路集成,通過在娃晶片中刻蝕通孔、對于絕緣區(qū)域用熱ニ氧化硅以及對于電接觸用多晶硅來覆蓋晶片、然后在晶片的上表面上建造cMUT膜元件來形成該穿過晶片通孔連接。為了將cMUT芯片焊接到半導(dǎo)體器件電路，可以在晶片的下表面上淀積金屬焊盤和焊料凸點。然而這樣的cMUT器件的ー個缺點在于，因為cMUT體系結(jié)構(gòu)中固有的エ藝限制，所以在通孔中用多晶硅作為導(dǎo)電材料，與金屬相比，多晶硅的電阻率較高。因為在接收模式中cMUT產(chǎn)生的信號強度已經(jīng)非常低，所以在具有多晶硅通孔的cMUT的工作期間，信噪比會成問題。此外，cMUT元件的低電容產(chǎn)生高阻抗，因此與電子器件以及線纜的阻抗失配較大，這導(dǎo)致増大信號損失和噪聲。穿過晶片通孔中的高電阻進一步加劇元件的高阻抗問題。此夕卜，向cMUT施加驅(qū)動信號用于傳輸時，通孔中的較大電阻在工作期間將帶來更多的功耗且產(chǎn)生更多的熱量。具有多晶硅穿過晶片互連的cMUT器件的另ー個缺點在于形成熱ニ氧化硅絕緣體和多晶硅導(dǎo)體的エ藝溫度。這些步驟的エ藝溫度較高(600-1000°C)，因此對器件的其余部分產(chǎn)生熱預(yù)算(thermal budget)問題。因為這些エ藝溫度,所以必須在形成穿過晶片通孔后再形成cMUT元件，而當試圖在具有已有穿過晶片刻蝕孔的襯底上進行表面微加工吋，這個順序帶來困難的エ藝問題。傳統(tǒng)換能器陣列可以直接與控制電路集成。但是這典型地需要焊料凸點，這是ー個較高溫度的エ藝(大約300°C)，并且由于陣列元件尺寸大(間距最少是200微米至300微米)，所以高密度集成不可行。
因此，與傳統(tǒng)超聲換能器以及cMUT相比，pMUT器件具有功能上和制造上的優(yōu)點。血管內(nèi)成像和干涉是期望小型化器件且MEMS器件有吸引力的特定領(lǐng)域。應(yīng)用MEMS型醫(yī)療設(shè)備的實例是成像器件，例如血管內(nèi)超聲(IVUS)成像和心臟內(nèi)回波(ICE)成像。IVUS器件例如提供血管截面的實時斷層(tomographic)圖像，表明粥樣硬化動脈的內(nèi)腔和透壁組成的真實形態(tài)。這樣的器件提供了很好的前景，在特定的功能依賴的性能區(qū)域(例如接收模式靈敏度)上的改進方面可經(jīng)受檢驗。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供了ー種由壓電超聲換能器產(chǎn)生增強的接收信號的方法。所述方法包括提供壓電超聲換能器，所述壓電超聲換能器包括能在撓曲模式下工作的壓電元件；以及由所述壓電元件接收聲能。所述聲能通過所述壓電元件的撓曲模式共振能轉(zhuǎn)換為電壓。施加的傳輸電壓是正弦波信號，包括附加半周期激勵。壓電換能器產(chǎn)生的結(jié)果形成的增強的接收信號比壓電換能器通過沒有附加半周期激勵的施加的傳輸電壓產(chǎn)生的接收信號強。在另ー實施例中，提供了ー種由壓電超聲換能器產(chǎn)生增強的接收信號的方法。所述方法包括提供壓電超聲換能器，所述壓電超聲換能器包括能在撓曲模式下工作的壓電元件；以及由所述壓電元件接收聲能。所述聲能通過所述壓電元件的撓曲模式共振能轉(zhuǎn)換為電壓。在接收聲能之前和/或接收所述聲能的同時，向所述壓電元件施加DC偏壓。通過所述壓電元件的撓曲模式共振將接收到的聲能轉(zhuǎn)換為電壓，而由所述壓電換能器產(chǎn)生增強的接收信號。所述壓電換能器產(chǎn)生的所述增強的接收信號比不施加DC偏壓時所述壓電換能器產(chǎn)生的接收信號強。在又一實施例中，提供了ー種由壓電超聲換能器產(chǎn)生增強的接收信號的方法。所述方法包括提供壓電超聲換能器(所述壓電超聲換能器包括能在撓曲模式下工作的壓電元件)；以及向壓電元件施加正弦波雙極傳輸周期脈沖，以產(chǎn)生提供聲回波的聲信號。所述正弦波雙極傳輸周期脈沖具有最大峰值電壓。所述聲回波被所述壓電元件接收，并且通過所述壓電元件的撓曲模式共振能轉(zhuǎn)換為電壓。在接收所述聲回波之前和/或接收所述聲回波的同時向所述壓電元件施加DC偏壓，并且通過所述壓電元件的撓曲模式共振將接收的聲回波轉(zhuǎn)換為電壓而由所述壓電換能器產(chǎn)生增強的接收信號。所述壓電換能器產(chǎn)生的增強的接收信號比沒有施加DC偏壓時所述壓電換能器產(chǎn)生的接收信號強。在另ー實施例中，提供了一種超聲成像導(dǎo)管。所述導(dǎo)管包括襯底；多個側(cè)壁，限定多個開ロ，所述多個開ロ穿過所述襯底；多個間隔開的底電極，位于所述襯底上。每個間隔開的底電極橫跨所述多個開口中的ー個開ロ，多個間隔開的壓電元件位于所述多個底電極中的每個底電極上。共形導(dǎo)電膜位于所述多個開ロ的側(cè)壁中的每ー個上，并與所述底電極中的ー個或多個相接觸，在每個開口中保持開放腔。還包括用于向所述壓電換能器施加DC偏壓的裝置。在另ー實施例中，提供了一種超聲成像探頭。所述導(dǎo)管包括襯底；多個側(cè)壁，限定多個開ロ，所述多個開ロ部分地穿過所述襯底；多個間隔開的壓電元件，位于所述襯底上。每個間隔開的壓電元件位于所述多個開口中的ー個開口上方。成對的間隔開的底電極位于所述襯底上，并與所述間隔開的壓電元件中的每ー個相接觸。共形導(dǎo)電膜位于所述多、個開ロ的側(cè)壁中的每ー個上，并與所述底電極中的ー個或多個相互電連接，在每個開ロ中保持開放腔。在另ー實施例中，提供了ー種由壓電超聲換能器產(chǎn)生增強的接收信號的方法。所述方法包括提供壓電超聲換能器，所述壓電超聲換能器包括壓電元件，所述壓電元件能在撓曲模式下工作，并具有鐵電矯頑電壓。向所述壓電換能器施加傳輸電壓，所述傳輸電壓大于所述壓電元件的鐵電矯頑電壓。通過所述壓電元件產(chǎn)生聲能，所述聲能提供聲回波。通過所述壓電元件的撓曲模式共振將接收的聲回波轉(zhuǎn)換為電壓而由所述壓電換能器產(chǎn)生增強的接收信號。壓電換能器產(chǎn)生的結(jié)果形成的增強的接收信號比壓電換能器通過小于矯頑電壓的施加的傳輸電壓產(chǎn)生的接收信號強。


圖I用曲線圖表示了增強接收信號方法的實施例。
圖2至圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的壓電微制造超聲換能器器件，其中，換能器附接到半導(dǎo)體器件。圖4至圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的壓電微制造超聲換能器器件的形成，其中，換能器附接到半導(dǎo)體器件。圖7示出了壓電微制造超聲換能器器件，其中，壓電元件形成在摻雜的絕緣體上硅襯底上。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的壓電微制造超聲換能器器件，其中，換能器附接到半導(dǎo)體器件。圖9至圖15示出了成像導(dǎo)管，包括根據(jù)本發(fā)明實施例的壓電微制造超聲換能器器件。圖16示出了成像探頭實施例。
具體實施例方式本發(fā)明公開的實施例涉及通過施加傳輸電壓正弦波信號來增強超聲彎曲模式換能器的至少ー個壓電元件靈敏度的方法，所述傳輸電壓正弦波信號高于鐵電矯頑場和/或在正弦波信號中包含附加半波激勵。實施例還涉及通過在超聲彎曲模式換能器的壓電元件的接收撓曲模式共振之前和/或同時施加DC偏壓來增強利用超聲彎曲模式換能器工作的成像器件的靈敏度的方法。實施例還涉及通過對超聲彎曲模式換能器的至少ー個壓電元件的接收撓曲模式共振施加DC偏壓，來增強利用超聲彎曲模式換能器工作的成像器件的靈敏度的方法。本發(fā)明實施例還涉及改進的絕緣體上硅pMUT (SOI-pMUT)元件、它們的制造以及與通過對SOI-pMUT元件的接收撓曲模式共振施加高于矯頑電壓的傳輸電壓、附加半波激勵、和/或DC偏壓來增強它們靈敏度的方法的使用。本發(fā)明實施例還涉及包括彎曲模式換能器元件的成像器件以及通過對彎曲模式換能器元件的接收撓曲模式共振施加高于矯頑電壓的傳輸電壓、附加半波激勵、和/或DC偏壓來增強它們靈敏度的方法。本發(fā)明所述實施例通常適用于包括彎曲模式換能器(例如pMUT)的醫(yī)療超聲診斷成像探頭。術(shù)語“微制造”、“微加工”以及“MEMS”可互換使用，并且通常指的是集成電路(IC)制造中使用的制造方法。
術(shù)語“撓曲的模式”、“撓曲模式”、“彎曲模式”以及“彎張模式”可互換使用，并且通常指的是被懸掛的壓電膜的伸展和收縮，該壓電膜的伸展和收縮導(dǎo)致壓電膜的彎曲和/或振動。如同本發(fā)明所使用的，術(shù)語“撓曲模式共振”通常指的是彎曲模式換能器元件的受激軸對稱共振模式，該受激軸對稱共振模式產(chǎn)生特定頻率的超聲能量，或者，該受激軸對稱共振模式由接收特定頻率的超聲能量所致。 如同本發(fā)明所使用的，術(shù)語“鐵電矯頑電壓”、“矯頑電壓”以及“矯頑場”可互換使用，并且指的是這樣一種電壓，高于該電壓則發(fā)生壓電材料的鐵電偶極轉(zhuǎn)換。矯頑場可以在I伏特/微米到10伏特/微米的范圍內(nèi)。例如，I微米厚的壓電膜典型地具有大約3V到5V的矯頑電壓。 本發(fā)明提供了ー種用于產(chǎn)生彎曲模式換能器的增強的接收信號的方法。所述方法包括在壓電元件的接收撓曲模式共振期間和/或之前施加DC偏壓。所述方法通常在彎曲模式換能器(例如pMUT)的脈沖回波工作期間適用。所述方法可適于采用垂直集成的pMUT陣列的彎曲模式換能器。所述方法還可適于包括PMUT陣列和/或垂直集成的pMUT陣列的基于導(dǎo)管的成像器件，以在脈沖回波工作期間增強接收信號。本發(fā)明提供了ー種用于產(chǎn)生彎曲模式換能器的增強的接收信號的方法。所述方法包括施加高于壓電材料的鐵電矯頑電壓的傳輸電壓正弦波信號。所述方法還包括在施加的傳輸正弦波信號中施加附加半波激勵。所述方法可以結(jié)合在接收聲回波之前和/或在接收聲回波的同吋，向壓電元件施加DC偏壓。所述方法通常適用于具有厚度依賴性的矯頑電壓的彎曲模式換能器。撓曲模式工作給出一種產(chǎn)生聲能的獨特方法，這種方法明顯不同于與傳統(tǒng)超聲換能器(典型地以厚度模式振動工作)一起使用的方法。傳統(tǒng)換能器包括預(yù)先極化的壓電陶瓷板，該壓電陶瓷板低于矯頑電壓工作以便在板的厚度方向上產(chǎn)生振動。傳統(tǒng)換能器包含的壓電陶瓷板相對較厚(幾百微米厚)，因此高于要求幾百伏特傳輸電壓信號的矯頑電壓工作是不切實際的。此外，高于矯頑場工作會將陶瓷去極化并且要求在高壓(幾百伏持)下再極化，以實現(xiàn)足夠的接收靈敏度。pMUT器件可以通過施加電壓電平高于矯頑場的雙極信號以便在PZT薄膜中誘導(dǎo)90度疇變來工作。PZT膜很薄(I微米至幾微米厚)，因此能夠在相對較低的工作電壓電平(幾十伏持)下實現(xiàn)高于矯頑電壓的工作。壓電薄膜中的內(nèi)部應(yīng)カ減少壓電材料的鐵電極化。壓電薄膜中的內(nèi)部應(yīng)カ限制鐵電偶扱，這會導(dǎo)致沒有施加的電壓時鐵電偶極的不理想對準。通過迫使鐵電偶極對準，可以通過施加比矯頑電壓大的電壓來實現(xiàn)ー些極化恢復(fù)；但是當除去電壓吋，內(nèi)部應(yīng)カ減少鐵電偶極的對準。因此，將膜預(yù)先極化不能實現(xiàn)最大的偶極對準，就像傳統(tǒng)體陶瓷壓電換能器中的情況一祥。本發(fā)明所述方法與用低于鐵電矯頑電壓的電壓傳輸?shù)?、使用壓電換能器(傳統(tǒng)換能器或PMUT換能器)的超聲換能器的典型工作大不相同。用高于矯頑電壓的電壓傳輸會迫使壓電材料經(jīng)受鐵電90度疇變，因此通過彎張動作將膜的撓曲最大化。所述方法還描述了在正弦波信號中施加附加半波激勵以迫使優(yōu)選的偶極對準從而增強脈沖回波接收靈敏度。本發(fā)明所述方法與在沒有施加的電壓時接收回波信號的、使用壓電換能器(傳統(tǒng)換能器或PMUT換能器)的超聲換能器的典型工作也大不相同。用于改進彎曲模式壓電換能器接收信號的方法包括在壓電元件接收聲信號之前和/或期間施加DC偏壓。在彎曲模式換能器壓電元件的撓曲模式共振之前和/或期間施加DC偏壓增加了壓電元件的接收信號(例如輸出電流)。當接收聲回波信號吋，PMUT中的壓電層不一定被極化到它的最大程度。這種減少的極化的ー個原因在于，傳輸電壓本身可以將壓電層全部或部分去極化。因此，施加DC偏壓增強了偶極對準和最后所得到的脈沖回波接收信號。下面參照特定設(shè)計的pMUT討論產(chǎn)生增強的接收信號的方法，但是所述方法通常適用于任何微制造的壓電元件和以撓曲模式工作的壓電超聲元件。作為實例，可以如下所述地執(zhí)行該方法。提供指向pMUT元件的聲能。聲能可以是從將接收聲能的同一壓電元件產(chǎn)生的反射能、來自陣列中不同壓電元件的反射能或者來自另ー個源的反射能。作為實例，將討論作為聲回波(脈沖回波)的來自壓電元件的反射能。在所述方法的ー個方面中，施加高于壓電材料矯頑電壓的雙極傳輸電壓。這種高電場水平增強了壓電層中的鐵電90度疇變，這増大了膜的振動幅度。這導(dǎo)致來自膜的更高 的聲能輸出；由于傳輸能量輸出更高，因此接收了更高的脈沖回波信號。通過在傳輸信號中向壓電元件施加附加半周期激勵也能增強脈沖回波信號。典型的傳輸電壓脈沖包括ー個、兩個或三個全周期脈沖。増加脈沖數(shù)量通常以分辨率為代價來增加換能器的傳輸輸出。本方法的ー個方面是施加附加半周期激勵(即I. 5,2. 5或3. 5個周期)，以在與1、2或3周期脈沖相比沒有明顯損失分辨率能力的情況下增加PMUT元件的靈敏度。已經(jīng)示出，作為施加附加半周期傳輸激勵的結(jié)果，與全周期激勵相比，PMUT元件產(chǎn)生更高的脈沖回波接收信號。這是由于PMUT元件壓電層中的增強的偶極對準。在所述方法的另ー方面中，在聲回波到達換能器之前，可以向壓電元件施加DC偏壓并且然后在壓電元件由于接收的回波而處于撓曲共振模式時保持該DC偏壓。DC偏壓改進壓電材料中的偶極對準，從而增大膜產(chǎn)生的接收信號。因為改進了偶極對準，所以作為接收的聲波在膜中產(chǎn)生機械振動的結(jié)果而產(chǎn)生更大的壓電電流。還可以向壓電元件陣列施加DC偏壓，其中施加的DC偏壓可以對于所有元件都是相同的或者可以在不同元件之間變化。在pMUT元件的脈沖回波接收特性中，它們可具有一些可變性；因此在接收撓曲模式共振期間向陣列中的每個元件施加校準的DC偏壓也可以對于給定的聲壓改進整個陣列的接收信號一致性，以增強最后所得到的超聲圖像質(zhì)量。在所述方法的另ー方面中，可以向pMUT施加雙極傳輸電壓以發(fā)射聲能。聲能作為聲回波從目標反射，并且返回到pMUT。在聲信號到達換能器之前，先于接收撓曲共振模式向換能器施加DC偏壓脈沖，并且先于壓電元件的接收撓曲共振模式除去該DC偏壓脈沖。不受理論所限，通常認為DC偏壓脈沖暫時改進了偶極對準，并且一旦除去DC偏壓脈沖，偶極對準也不會立即回復(fù)到它的內(nèi)部應(yīng)カ狀態(tài)。因此，由接收撓曲共振模式引起的壓電電流輸出由于來自偶極對準的剰余極化而増大。因為在接收撓曲共振模式期間偶極對準沒有最大化，所以壓電輸出可能低于所述方法的前述方面。然而，這種方法可以消除對附加信號調(diào)節(jié)電路的要求。此外，由于脈沖可具有比所述方法的前述方面(其中在壓電元件由于接收的回波而處于撓曲共振模式時保持DC偏壓)更短的持續(xù)時間，所以可以降低總功耗。因為之前的傳輸電壓周期可以將壓電材料去極化，所以這種方法提供了已知極性(在DC偏壓極性的方向上)的增強的疇對準以產(chǎn)生增強的接收信號。在所述方法的另ー方面中，向pMUT施加雙極傳輸電壓以發(fā)射聲能。雙極傳輸電壓止于最大峰值電壓。雙極傳輸電壓可以是正弦波傳輸周期脈沖或其他周期性脈沖。聲能作為聲回波從目標反射并且返回到pMUT。通過將傳輸周期電壓止于峰值電壓，可以獲得偶極對準的保持，這樣可以增大由來自回波信號的壓電元件的接收撓曲共振模式而產(chǎn)生的壓電電流。在傳輸周期期間，雙極傳輸電壓可以止于最大電壓與零電壓之間的ー個電壓。所述方法的這一方面可以結(jié)合該方法的其他 方面來增強來自PMUT的接收信號。
在所述方法的另ー方面中，向pMUT施加雙極傳輸電壓以發(fā)射聲能。雙極傳輸電壓止于最大峰值電壓。雙極傳輸電壓可以是正弦波傳輸周期脈沖或其他周期性脈沖。聲能作為聲回波從目標反射并且返回到PMUT。在聲信號到達換能器之前，向換能器施加與傳輸峰值電壓極性相反的DC偏壓，并且然后在壓電元件的接收撓曲共振模式期間保持。不受理論所限，認為所述方法的這一方面在根據(jù)接收回波的壓電元件的接收撓曲共振模式期間迫使鐵電偶極轉(zhuǎn)換。偶極轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生附加壓電電流，該附加壓電電流可將接收回波產(chǎn)生的信號放大。假設(shè)使用與停止的傳輸周期電壓極性相反的DC偏壓，則在傳輸周期期間雙極傳輸電壓可以止于最大電壓與零電壓之間的ー個電壓。上述方面的結(jié)合都包括在所述方法的范圍之內(nèi)?？苫趐MUT器件的頻率和成像區(qū)域中的目標深度來計算DC偏壓的施加時間?？梢哉{(diào)節(jié)或選擇DC偏壓以解決壓電膜層的內(nèi)部應(yīng)カ。DC偏壓可以從O掃描到正值或者從O掃描到負值。由于傳輸周期脈沖為納秒量級，而回波返回典型地為微秒量級，因此DC偏壓持續(xù)時間可以是脈沖式的、持續(xù)施加的、以其他方式施加的或者結(jié)合本發(fā)明所述方法的各種方面施加的，從而增強接收信號?？刹捎眯盘栒{(diào)節(jié)電子電路來將DC偏壓信號與產(chǎn)生的壓電接收信號分開和/或減少或防止接收信號中的噪聲。信號調(diào)節(jié)電路可以集成為直接與PMUT襯底相鄰或者可以集成在垂直堆疊的ASIC器件中。采用穿過晶片互連方案的ASIC器件的集成可以如共同未決的美國專利申請No. 11/068, 776 (通過參考將該申請的全部內(nèi)容合并在本申請中)所述。與PMUT襯底集成的信號調(diào)節(jié)電路可減少接收信號中的噪聲。可采用信號調(diào)節(jié)來放大接收信號。可使用穿過晶片互連エ藝將多個IC與pMUT堆疊，從而將信號調(diào)節(jié)與放大電路集成為與PMUT器件緊密相鄰，用于將信號最大化和/或降低因為施加DC偏壓所致的噪聲?？梢赃h程地執(zhí)行信號調(diào)節(jié)。向壓電元件施加DC偏壓的裝置包括由電勢源驅(qū)動且與該電勢源電聯(lián)系的一對導(dǎo)電觸點。電聯(lián)系包括導(dǎo)線、柔性線纜連接等。電勢源包括電池、AC或源扱/漏極等。與電勢源聯(lián)系的導(dǎo)電觸點可連接到壓電元件，從而產(chǎn)生并且控制有源電路。這種導(dǎo)電觸點可以與元件串聯(lián)或并聯(lián)。裝置及其等同物包括設(shè)計為與傳輸和接收信號同時地例如用濾波或低噪聲放大器控制DC偏壓的附加電路和/或電子部件，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。產(chǎn)生增強的接收信號的上述方法的應(yīng)用可以結(jié)合pMUT和絕緣體上硅(SOI)襯底pMUT器件(SOI-pMUT)和/或垂直堆疊的ASIC-pMUT器件，如共同未決的美國專利申請No. 11/068，776所公開的，例如如下所述。參照圖2，示出了 pMUT器件結(jié)構(gòu)80連接到半導(dǎo)體器件44以形成垂直集成的pMUT器件90。作為實例，通過焊料凸點46來進行連接，該焊料凸點46將共形導(dǎo)電層42連接到在半導(dǎo)體器件44上的焊料焊盤48。頂電極32和底電極20將被第二電介質(zhì)28分開的壓電陣列元件22夾在中間，第ニ電介質(zhì)28與兀件22的邊緣58交疊。底電極20由第一電介質(zhì)層14隔離,在隨后于襯底12背面形成空氣背襯腔(air-backed cavity)50期間將第一電介質(zhì)層14刻蝕掉?？諝獗骋r腔50的側(cè)壁被共形絕緣膜36和共形導(dǎo)電膜42覆蓋，該共形導(dǎo)電膜42提供半導(dǎo)體器件44與壓電陣列元件22的穿過晶片通孔互連。圖形化的穿過晶片互連42提供從壓電膜35到半導(dǎo)體器件44以及開ロ 30中的接地焊盤24的直接電連接?？諝獗骋r腔50提供最佳聲性能?？諝獗骋r腔50使得與表面微制造的MUT相比，壓電膜35中的振動更大而且聲泄漏最小。包括第二電介質(zhì)膜28的垂直集成的pMUT器件90提供了連接到壓電元件22的兩個電極32、20的改進的電隔離，該第二電介質(zhì)膜28位于圖形化的壓電層58的頂部邊緣上。本實施例有助于解決任何光刻未對準的問題，光刻未對準會在無意中造成聚合物電介質(zhì)28與壓電元件22邊緣之間的間隙，導(dǎo)致頂電極32與底電極20短路。第二電介質(zhì)膜28還消除了對其他實施例中可能必需的任何平面化工藝的需要。本實施例還提供了ー種形成與圖形化的壓電元件22的尺寸和形狀不同的頂電極32的尺寸或形狀的方法。如果足夠厚(量級為壓電厚度)，則介電常數(shù)比壓電元件22低得多的第二電介質(zhì)膜28導(dǎo)致施加到pMUT器 件90的電壓主要只在電介質(zhì)兩端下降，從而將壓電層58覆蓋有電介質(zhì)的部分電隔離。壓電元件22關(guān)于施加的電壓的有效形狀只是該壓電元件22沒有被電介質(zhì)覆蓋的部分。例如，如果只希望將整個壓電幾何區(qū)域的50%電激活，那么聚合物電介質(zhì)28可以在物理上覆蓋并且電隔離壓電區(qū)域的其余50%，且防止該其余50%區(qū)域被激活。此外，如果期望復(fù)雜的電極圖形，例如交指型結(jié)構(gòu)，則可以將聚合物電介質(zhì)用于第二電介質(zhì)層28并可以將該聚合物電介質(zhì)圖形化來提供交指型結(jié)構(gòu)。這對于其中頂電極32是橫跨整個pMUT陣列的連續(xù)接地電極的某些實施例是重要的。通過將聚合物電介質(zhì)28圖形化來產(chǎn)生電活性(active)區(qū)域，而不是對底電極20和壓電膜圖形化，可提供更簡單的エ藝，因此活性區(qū)域表現(xiàn)為接觸壓電元件22的頂電極區(qū)域的形狀。來自表面微制造的膜的振動能量會被消散到體硅襯底(其直接位于該膜的下方)中，從而限制超聲傳輸輸出和接收靈敏度。本發(fā)明的空氣背襯腔50減少或消除了這種能量消散，因為振動膜35不是直接位于體襯底12上或上方。半導(dǎo)體器件44可以是本領(lǐng)域中已知的任何半導(dǎo)體器件，包括很多種電子器件，例如倒裝芯片封裝組件、晶體管、電容器、微處理器、隨機存取存儲器、多路復(fù)用器、電壓/電流放大器、高壓驅(qū)動器等等。一般而言，半導(dǎo)體器件指的是包含半導(dǎo)體的任何電器件。作為實例，半導(dǎo)體器件44是互補金屬氧化物半導(dǎo)體芯片(CMOS芯片)。因為每個壓電元件22與相鄰的壓電元件22電隔離，所以在換能器傳輸模式下可以分別驅(qū)動單個元件。此外，可以由半導(dǎo)體器件44獨立地從每個壓電膜測量接收信號。可以通過由半導(dǎo)體器件44獨立地為每個或每ー壓電元件施加DC偏壓的方法來增強接收信號。接收信號調(diào)節(jié)和DC偏壓電路可以與半導(dǎo)體器件44集成。形成穿過晶片互連42的優(yōu)點在于不需要分離的導(dǎo)線、柔性線纜等等在膜35與半導(dǎo)體器件44之間傳遞電傳輸和接收信號，因為互連42直接提供了電連接。這樣就減少了將超聲探頭連接到控制單元所需要的導(dǎo)線的數(shù)量和線纜的大小。此外，與傳統(tǒng)線纜或線束(長度量級為幾米)相比，穿過晶片互連42的更短的物理長度(〈1mm)提供了具有更低電阻和更短信號路徑的連接，這使換能器接收信號的損耗最小化，并且降低了驅(qū)動換能器進行傳輸所需要的功率。與使用多晶硅互連和電極的器件相比，使用金屬互連42和電極20、32可以提供具有更高電導(dǎo)率和更高信噪比的壓電器件。此外，使用低溫エ藝淀積共形絕緣層36和共形導(dǎo)體42減少了器件エ藝的熱預(yù)算，從而限制了過度暴露在熱量下的損害作用。這樣還使得能夠在襯底中刻蝕穿過晶片過孔50之前形成壓電元件22，從而簡化整個エ藝。當pMUT器件結(jié)構(gòu)直接附接到半導(dǎo)體器件襯底時，可以觀察到pMUT元件的ー些回響，因為聲能被反射離開半導(dǎo)體器件襯底并被指回到壓電膜?；仨懺斐蒔MUT信號中的噪聲并且降低了超聲圖像質(zhì)量。此外因為在電路中引入噪聲，所以聲能會影響半導(dǎo)體器件的エ作。作為實例，在半導(dǎo)體器件的接觸表面上或 者在PMUT器件的空氣背襯腔的底部處使用消聲的(acoustic dampening)聚合物涂層可以減弱從壓電膜發(fā)射的聲能。與具有高的聲阻抗的半導(dǎo)體器件的暴露硅表面相比，消聲的聚合物層優(yōu)選具有更低的聲阻抗并且反射更少的超聲能量。作為實例，消聲的聚合物層還可以充當將PMUT器件結(jié)構(gòu)附接到半導(dǎo)體器件的粘合剤。pMUT器件的壓電元件22的厚度范圍可以從大約O. 5μπι到大約ΙΟΟμπι。作為實例，壓電元件22的厚度范圍從大約I μπι到大約10 μ m。壓電元件22的寬度或直徑范圍可以從大約10 μ m到大約500 μ m,中心到中心的間距從大約15 μ m到大約1000 μ m。作為實例，對于在IMHz到20MHz范圍內(nèi)的超聲工作，壓電元件22的寬度或直徑范圍可以從大約50 μ m到大約300 μ m，中心到中心的間距從大約75 μπι到大約450 μπι。對于大于20MHz的更高頻率工作，可以圖形化形成小于50 μ m的更小元件。作為實例，可以將多個元件電連接在一起，以提供更高的超聲能量輸出，同時仍然保持高頻率工作。第一電介質(zhì)膜14的厚度范圍可以從大約IOnm到大約10 μ m。作為實例，共形絕緣膜36的厚度范圍從大約IOnm到大約10 μ m。底電極20、頂電極32以及共形導(dǎo)電層42的厚度范圍從大約20nm到大約25 μπι。開口腔50的深度范圍可以從大約IOym到幾毫米。在一個實施例中，pMUT器件結(jié)構(gòu)10通過金屬觸點54連接到半導(dǎo)體器件44，從而形成垂直集成的PMUT器件70，該金屬觸點54形成在半導(dǎo)體器件44上的環(huán)氧樹脂層56中，如圖3所示。環(huán)氧樹脂層56除了充當聲能衰減器之外，還可以充當將pMUT器件結(jié)構(gòu)10粘合到半導(dǎo)體器件44的粘合剤?？梢圆捎霉饪毯?或刻蝕技術(shù)對環(huán)氧樹脂層56進行圖形化，并且可以通過電鍍、濺射、電子束(e_束)蒸發(fā)、CVD或其他淀積方法來淀積金屬觸點。在某些實施例中，增強接收信號的上述方法的應(yīng)用可以結(jié)合例如圖4至圖6所示的、如前面共同未決的美國專利申請No. 11/068，776所述的、用絕緣體上硅(SOI)襯底作為襯底制造的PMUT以及如下面參照圖7所述的改進的SOI-pMUT器件。如圖4所示，襯底12 (例如硅晶片)設(shè)置有薄硅層62，薄硅層62覆在埋置的ニ氧化娃層64上面,ニ氧化娃層64形成在襯底12上。將第一電介質(zhì)膜14形成為覆在娃層62上面，并且將底電極層16形成為覆在第一電介質(zhì)膜上面。將壓電材料層18形成為覆在底電極層16上面從而提供SOI pMUT器件結(jié)構(gòu)100。使用SOI襯底的至少ー個優(yōu)點包括使用埋置的氧化物作為硅襯底刻蝕阻擋層來更好地控制深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)。SOI還提供對PMUT膜35厚度的更好的控制，用于陣列中單個元件的共振頻率的更好控制和一致性，因為膜的厚度由SOI襯底的薄硅層62的厚度所限定。根據(jù)某些實施例，薄硅層62厚度為約200nm至50 μ m,而埋置的氧化物層64厚度為約200nm至I μ m。在本發(fā)明的其他實施例中，薄娃層62厚度為約2 μ m至20 μ m,而埋置的氧化物層64厚度為約500nm至I μ m。參照圖5,依次刻蝕壓電材料層18、底電極層16、第一電介質(zhì)膜14、娃層62和埋置的氧化硅層64，從而形成分離的壓電元件22和接地焊盤24，并暴露襯底12的前側(cè)13?？涛g壓電層18和底電極層16以形成被開ロ 68分開的pMUT元件形狀22。進而刻蝕第一電介質(zhì)層14、薄硅層62和埋置的氧化物層64以形成間隔開的通孔69，通孔69將襯底12暴露。如圖5所示，在間隔開的通孔69中淀積導(dǎo)電膜66以便在底電極20與隨后要形成的穿過晶片互連之間提供電連接?？墒褂脗鹘y(tǒng)的光刻和刻蝕技術(shù)對PMUT器件結(jié)構(gòu)100進行圖形化。作為實例，相對于底電極20、頂電極32以及共形導(dǎo)電層42，導(dǎo)電膜66可以由例如Cr/Au、Ti/Au、Ti/Pt、Au、Ag、Cu、Ni、Al、Pt、In、Ir、In02、Ru02、In2O3 = SnO2 (ITO)以及(La，Sr)CoO3 (LSCO)的金屬形成。
進ー步處理SOI-pMUT器件結(jié)構(gòu)100，形成第二電介質(zhì)膜28和頂電極32。例如通過深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)形成穿過晶片通孔34。在穿過晶片通孔中形成共形絕緣層36和共形導(dǎo)電膜42，如圖6所示。導(dǎo)電膜66與共形導(dǎo)電膜42之間的電接觸提供穿過晶片互連。如圖6所示，SOI-pMUT器件結(jié)構(gòu)100例如通過焊料凸點46連接到半導(dǎo)體器件44，從而形成垂直集成的PMUT器件110。在其他實施例中，半導(dǎo)體器件44可以通過環(huán)氧樹脂層中形成的金屬觸點而電連接到共形導(dǎo)電膜42，該環(huán)氧樹脂層淀積在半導(dǎo)體器件表面上并且將PMUT器件附接到半導(dǎo)體器件，如前所述。上述增強接收信號的方法的應(yīng)用可以結(jié)合改進的絕緣體上硅(SOI)襯底pMUT器件和/或垂直堆疊的ASIC器件，如下所述。前述具有空氣背襯腔的pMUT器件提供了與空氣背襯腔中的共形金屬層直接接觸的底電極，或者穿過SOI層的金屬化插塞以將插塞金屬與共形金屬層接觸。改進的SOI空氣背襯腔PMUT的制造提供了作為可更準確地提供設(shè)為目標的特定共振頻率的膜(因為頻率取決于膜厚度)的SiO2或器件硅結(jié)構(gòu)層，并且通過空氣背襯腔提供與壓電元件的直接電接觸。因此，設(shè)想SOI襯底中重摻雜的、導(dǎo)電的器件硅層通過空氣背襯腔在底電極與共形金屬層之間提供電互連。下面參照圖7舉例說明本實施例的pMUT。SOI襯底120帶有重摻雜的(電阻率小于O. lohm-cm)器件娃層162,器件娃層162設(shè)置在埋置的氧化物層164上，埋置的氧化物層164位于襯底120的正表面上。在器件硅層162的表面上熱生長SiO2鈍化層175以防止在后續(xù)エ藝步驟中底電極層116擴散到摻雜的器件硅層162中。通過光刻和刻蝕來對SiO2鈍化層175進行圖形化。底電極層116可以通過濺射或電子束蒸發(fā)來淀積并且可以是Pt或Pt/Ti。Ti可用于將Pt粘附到SiO2層。優(yōu)選地，底電極層116的金屬能夠經(jīng)受住壓電材料的退火溫度?？梢酝ㄟ^光刻和刻蝕或者剝離エ藝對底電極進行圖形化。底電極可以如上所述?？梢酝ㄟ^由旋涂、濺射、激光燒蝕或CVD淀積壓電材料然后退火(典型地在700°C的溫度下)來形成圖形化的壓電元件22?？梢岳缤ㄟ^光刻和刻蝕來進行圖形化。對圖形化的壓電元件22進行刻蝕，使得壓電層的寬度小于底電極的寬度。這提供了到底電極的通路，從而可以形成隨后的金屬連接器。金屬連接器層180被淀積并通過光刻和刻蝕或者剝離エ藝來圖形化。金屬連接器層180可以是Ti/Pt、Ti/Au、或者上述的其他金屬。Ti可用于將Pt或Au粘附到重摻雜的器件娃層162。金屬連接器層180提供底電極116與重摻雜的器件娃層162之間的電接觸。通過光刻和刻蝕對器件硅層162進行圖形化，以提供與每個壓電元件22相鄰的隔離溝槽130，隔離溝槽130提供陣列中壓電元件22彼此間的電隔離。隔離溝槽130被刻蝕到埋置的SiO2層164。通過旋涂、光刻和刻蝕將聚合物電介質(zhì)層128淀積在包括溝槽130的壓電元件22的頂部并將其圖形化?？梢詫⒐饪沙上竦木酆衔镫娊橘|(zhì)材料用于聚合物電介質(zhì)層128。聚合物電介質(zhì)材料可以是聚酰亞胺、聚對ニ甲苯、聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟こ烯(PTFE)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)或其他適合的聚合物。例如通過電子束蒸發(fā)、濺射或電鍍來淀積金屬接地平面層132。對于金屬接地平面層132可采用Ti/Au或Ti/Cu。 例如通過汽相淀積或旋涂來淀積聚合物鈍化層190。聚合物鈍化層190提供與可能在使用期間和器件表面形成接觸的流體(例如血液、水、硅凝膠)的電絕緣和化學隔離，并且也可以充當在換能器表面與流體之間提供更低的聲阻抗層的聲匹配層。對硅襯底120背面的刻蝕形成了空氣背襯腔150?？涛g接地通孔131以提供共形導(dǎo)體143與摻雜的硅層162以及與金屬接地平面層132的連接。可以通過深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)來進行刻蝕。在空氣背襯腔150的側(cè)壁137和底部125上以及襯底120的背表面111上淀積共形絕緣體層136。如果需要通孔(例如用于互連)，就對底部125的共形絕緣體層136進行刻蝕。共形絕緣體層136可以是聚合物、氧化物或氮化物材料。在空氣背襯腔150內(nèi)側(cè)(包括側(cè)壁137和底部125)以及襯底120的背表面111上方淀積共形金屬層142?？梢詾R射、電子束蒸發(fā)或CVD淀積共形金屬層142。通過光刻和刻蝕在襯底120背表面111上對共形金屬層142進行圖形化，以將壓電元件22和接地通孔131彼此電隔離。共形金屬層142還提供互連焊盤143，用于pMUT器件到IC器件的電連接。因此，為通過SOI-pMUT器件的空氣背襯腔而與壓電元件的電接觸提供可能的エ藝優(yōu)點和性能好處。在某些實施例中，可以使用pMUT器件或者用接合到ASIC器件的SOI襯底制造的PMUT器件來實現(xiàn)上述產(chǎn)生增強的接收信號的方法的應(yīng)用。這樣的垂直集成的器件包括前面共同未決的美國專利申請No. 11/068，776所述的那些器件。例如，一種改進的接合結(jié)構(gòu)如下，該接合結(jié)構(gòu)提供應(yīng)用于成像探頭(例如小直徑導(dǎo)管)中的pMUT-ASIC堆疊結(jié)構(gòu)的緊致性。如圖3所示，例如可以將pMUT襯底機械地附接并且電連接到IC襯底(例如ASIC器件)。pMUT與IC襯底的連接可以通過環(huán)氧樹脂接合或通過焊料凸點接合。通過焊料凸點接合的IC襯底典型地具有幾個毫米的厚度，這取決于IC層的數(shù)量。期望進ー步減少pMUT-IC組件的總厚度并提高其緊致性。接合PMUT與IC襯底的優(yōu)選方法是環(huán)氧樹脂接合。與焊料凸點相比，環(huán)氧樹脂接合可以在所組裝的器件中提供更大的物理緊致性和更小的總厚度，并且可以提供更低溫度的エ藝步驟。圖8示出了改進的環(huán)氧樹脂接合的pMUT-IC堆疊結(jié)構(gòu)220的實例。在IC襯底320表面上淀積環(huán)氧樹脂互連層256，提供與pMUT器件10的接合。淀積共形電介質(zhì)52從而將穿過晶片電互連230與IC襯底320隔離?？梢栽贗C層中并穿過環(huán)氧樹脂互連層256而刻蝕穿過晶片電互連230，從而暴露出pMUT器件10背面上的金屬互連焊盤242?？梢酝ㄟ^DRIE進行刻蝕，并采用CVD和/或電鍍將穿過晶片互連230金屬化。隨后可以用類似形成的通孔以及類似形成的電連接來接合第二 IC襯底420。可以將電引線301 (例如導(dǎo)線、柔性線纜等等)附接到ー個或多個IC襯底的背面，以提供從pMUT-IC堆疊結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)電子器件或?qū)Ч茈娺B接器的電連接?？梢酝ㄟ^化學機械拋光(CMP)將IC襯底減薄。采用CMP將IC硅襯底減薄可以明顯減少堆疊結(jié)構(gòu)的總厚度，并且可以提供整個堆疊結(jié)構(gòu)小于Imm的厚度。CMP還可以提供可以更淺的通孔刻蝕以及可以更小的通孔尺寸，因為使用傳統(tǒng)的硅刻蝕和CVD金屬通孔形成エ藝可以形成典型不大于10:1的深寬比。還可以在形成空氣背襯腔250之前通過CMP或其他エ藝將PMUT襯底減薄。由于管芯(die)處理和導(dǎo)線接合的限制，因此焊料凸點或?qū)Ь€接合堆疊結(jié)構(gòu)(例如芯片上系統(tǒng)或封裝上系統(tǒng))要求附加的橫向區(qū)域。環(huán)氧樹脂接合方法不需要附加的橫向區(qū) 域，因為在IC襯底背面上可以形成基準(fiducial)，并且可以通過精密的對準器-接合器設(shè)備形成兩個襯底的對準和接合。因此，在硅襯底中刻蝕通孔吋，將通孔預(yù)先對準前面襯底的互連焊盤。因此，整個pMUT-IC堆疊結(jié)構(gòu)220要求在橫向區(qū)域上不大于pMUT陣列本身。如上所述形成有穿過晶片互連結(jié)合控制電路由此形成換能器器件的pMUT可以進一步組裝到包括外部線纜的外殼組件中以形成超聲探頭，例如超聲成像探頭。PMUT與控制電路的集成可以明顯減少超聲探頭中所需的線纜。超聲探頭還可以包括各種聲透鏡材料、匹配層、襯墊層以及匹配解除(dematching)層。外殼組件可以形成用于外部超聲成像的超聲探頭或者用于體內(nèi)成像的導(dǎo)管探頭。超聲導(dǎo)管探頭外殼的形狀可以是任何形狀，例如矩形、基本上圓形或完全圓形。超聲導(dǎo)管探頭的外殼可以用任何適當?shù)牟牧?例如金屬、非金屬、惰性塑料或類似的樹脂材料)制造。例如，所述外殼可包含生物相容的材料，包括聚烯烴、熱塑性塑料、熱塑性塑料弾性體、熱固塑料或工程熱塑性塑料或組合、共聚物或者它們的混合物。提供了產(chǎn)生超聲導(dǎo)管探頭的增強的接收信號的方法。所述方法包括提供超聲導(dǎo)管探頭，該超聲導(dǎo)管探頭包括PMUT或者與專用集成電路(ASIC)器件組件集成的pMUT ；以及將組件并入成像器件中，并且在PMUT的接收撓曲共振模式期間提供DC偏壓，以從pMUT產(chǎn)生增強的接收信號。參照圖9至圖15進ー步描述這樣的實施例?？梢詫MUT器件90接合到柔性線纜507或者其他柔性導(dǎo)線連接，形成成像導(dǎo)管器件500、600，如圖9至圖10所示。這可以通過焊料凸點接合、環(huán)氧樹脂(導(dǎo)電性環(huán)氧樹脂或者導(dǎo)電性環(huán)氧樹脂與非導(dǎo)電性環(huán)氧樹脂的組合)、z軸弾性體互連或者用于基于導(dǎo)管的超聲換能器的其他互連技術(shù)來實現(xiàn)。參照圖9，前向觀察的成像導(dǎo)管器件500包括與柔性線纜507集成的相關(guān)pMUT90，用于通過聲窗540成像。側(cè)面觀察的導(dǎo)管600包括與柔性線纜507集成的相關(guān)pMUT 90以及聲窗640，如圖10所示。導(dǎo)管500和600分別包括與pMUT 90直接接觸的聲匹配材料550、650。聲匹配材料550、650可以是低彈性模量的聚合物、水或硅凝膠。導(dǎo)管700包括帶有垂直集成的ASIC器件720、730的pMUT 90，垂直集成的ASIC器件720、730可以是多路復(fù)用器、放大器或信號調(diào)節(jié)ASIC器件或它們的組合。還可以包括 附加ASIC器件,例如高壓驅(qū)動器、成束器(beam former)或計時電路。聲窗740可包括與PMUT90直接接觸的聲匹配材料750。成像導(dǎo)管器件500、600、700的外部直徑范圍可以從3弗倫奇到6弗倫奇(1_2_)，但是對于某些應(yīng)用還可以大到12弗倫奇(即4_)。這樣的器件能夠進入小冠狀動脈。期望在小的導(dǎo)管探頭中組裝最小數(shù)量的電導(dǎo)線，因此可以提供微型集成電路開關(guān)(例如多路復(fù)用器)來減少導(dǎo)管內(nèi)的電導(dǎo)線。成像導(dǎo)管器件500、600、700的外殼509可以非常柔軟，并且可以例如在心外膜冠狀動脈中在引導(dǎo)導(dǎo)線上前迸。信號導(dǎo)線或柔性線纜導(dǎo)線可以直接與pMUT襯底背面上的穿過晶片互連相連接，如圖9所示。導(dǎo)線或柔性線纜可以被安排(route)穿過導(dǎo)管體，并且通過導(dǎo)管后端處的I/O連接器而連接到外部控制電路。然而，為了得到用于操縱/引導(dǎo)導(dǎo)管通過血管的最大機械柔韌性，減少導(dǎo)管鞘中包含的電引線的數(shù)量會是有利的。例如，可使用7F (直徑3mm)導(dǎo)管、20X20元件的pMUT陣列來產(chǎn)生高質(zhì)量圖像。在這種情況下，每個元件I條導(dǎo)線，最少總共會需要至少400條導(dǎo)線來驅(qū)動導(dǎo)管尖端處的pMUT陣列。這會留下很少的空間用于引導(dǎo)導(dǎo)線來指弓I導(dǎo)管運動，并且留下很小的柔韌性來彎曲導(dǎo)管。 因此，為了減少信號引線的數(shù)量和導(dǎo)管中的信號噪聲，可以將pMUT器件與控制電路集成在導(dǎo)管尖端。例如，如圖8所示，利用穿過晶片互連，可以將讀出功能直接與換能器陣列集成。可以將放大器ASIC接合到pMUT襯底，并連接到每個pMUT元件的穿過晶片互連，使得每個PMUT元件接收的超聲信號被獨立地放大，從而將信噪比最大化。這種直接集成還可以極大地減少PMUT元件與放大器之間的電引線長度以進一歩降低信號噪聲。通過集成第二多路復(fù)用ASIC，可以將每個換能器接收的并且發(fā)送到每個放大器的信號通過減少數(shù)量的信號導(dǎo)線而多路復(fù)用到導(dǎo)管后端的I/O連接器。因此，在導(dǎo)管鞘內(nèi)需要更少的導(dǎo)線。多路復(fù)用的速度將決定信號導(dǎo)線可實現(xiàn)的減少數(shù)量。減少引線數(shù)量還減少了元件之間的串擾。如上所述，可通過刻蝕ASIC的硅襯底、用共形電介質(zhì)層和金屬層覆蓋所刻蝕的孔、并且鍍上金屬形成被填充的導(dǎo)電通孔來形成穿過晶片互連。通過與對準的穿過晶片互連進行環(huán)氧樹脂接合，可以堆疊多個電路。除了集成換能器陣列的接收功能以外，還可以以類似的方式將驅(qū)動或傳輸功能與PMUT襯底集成。可使用包括在ASIC堆疊結(jié)構(gòu)中的高壓驅(qū)動器來產(chǎn)生驅(qū)動換能器元件的必需信號，并且可使用多路復(fù)用電路來對單個pMUT元件尋址。因此，通過用適當?shù)挠嫊r對驅(qū)動信號多路復(fù)用，可實現(xiàn)2D狀態(tài)的(phased)陣列工作。直接集成傳輸功能的至少ー個優(yōu)點在于直接鄰近PMUT陣列產(chǎn)生高壓。通過導(dǎo)管體傳輸?shù)母邏盒盘枌p少或消除，從而提高 了導(dǎo)管的電安全性?？梢詫⒌蛪盒盘?3-5V)從I/O連接器發(fā)送到集成的多路復(fù)用和高壓驅(qū)動器電路，并且驅(qū)動器通過電荷泵和/或感應(yīng)變壓器產(chǎn)生更高的傳輸電壓。在ASIC堆疊結(jié)構(gòu)中可以集成其他電路，例如計時電路和/或束形成電路，以控制傳輸/接收信號，并且從原始PMUT信號產(chǎn)生超聲成像信號。這種集成可以減少外部控制單元所需要的電子器件的數(shù)量和尺寸，實現(xiàn)更小的手持超聲成像系統(tǒng)或者便攜的基于導(dǎo)管式超聲成像系統(tǒng)。設(shè)想本發(fā)明所述實施例適用于以2D、I. 5D或ID陣列工作的前向或側(cè)面觀察導(dǎo)管?，F(xiàn)在參照圖12至圖15，將導(dǎo)管800、900的pMUT器件990構(gòu)造為供給操作部件807或光纖907。操作部件可以是導(dǎo)管引導(dǎo)導(dǎo)線。操作部件可包括外科器械，例如解剖刀、針或注射器。操作部件可以通過導(dǎo)管或外殼組件遠程控制。操作部件807或光纖907分別放置在孔870、970中。操作部件可以在外部控制?？?70可包括密封件880，以固定操作部件807，并且防止流體滲漏到導(dǎo)管中。相對于孔870和密封件880，操作部件807還可以是可移動的或者可收回的。光纖907可以直接固定在孔970的側(cè)壁上，用環(huán)氧樹脂或其他密封材料或粘合劑密封。像引導(dǎo)導(dǎo)線、外科工具或光纖這樣的操作部件可以以類似的方式適于堆疊的pMUT-IC器件。采用刻蝕エ藝(例如DRIE)可以在pMUT或pMUT-IC堆疊結(jié)構(gòu)的エ藝期間形成孔870、970。孔與導(dǎo)管遠端適當大小的開ロ 513共同對準。內(nèi)部通道517穿過導(dǎo)管外殼內(nèi)部，可與孔以及開ロ 513連通，提供操作部件的插入和對操作部件的操作。成像導(dǎo)管器件600、700、800、900還包括操縱機構(gòu)505，操縱機構(gòu)505耦接到導(dǎo)管的近端部分。作為實例，美國專利No. 6，464，645中公開了至少ー種操縱機構(gòu)，通過參考將該專利合并在本申請中。還可以提供超聲換能器組件的控制器，該控制器形成為人手輪廓，從而提供舒適有效的對控制器的單手控制操作。
本發(fā)明所公開的導(dǎo)管探頭和pMUT換能器元件可以適于醫(yī)療設(shè)備按照慣例進行的消毒。本發(fā)明所述PMUT器件和產(chǎn)生增強的接收信號的方法可用于像實時三維的心臟內(nèi)成像或血管內(nèi)成像、最小介入手術(shù)或機器人手術(shù)的成像、基于導(dǎo)管式成像、便攜式超聲探頭以及微型水聽器這樣的程序。在大約1ΜΗζ-20ΜΗζ的頻率范圍內(nèi)工作，pMUT可以最佳化。本發(fā)明所公開的超聲導(dǎo)管探頭可以特別適合于冠狀動脈血栓癥的IVUS和ICE。這樣的治療法可以是治療或者可能減少冠狀動脈疾病、動脈硬化癥或其他與血管有關(guān)的障礙所必需的。本發(fā)明所描述的方法和實施例可用于生產(chǎn)具有增強靈敏度的外部超聲探頭。因此，垂直集成的PMUT器件也適用于外部超聲探頭，例如用于心臟成像、產(chǎn)科學成像、血管成像或者泌尿科成像。因此，如圖16所示，前向觀察成像探頭器件1000包括與柔性線纜1507集成的相關(guān)PMUT 90，用于通過聲窗1740成像。探頭1000包括與pMUT90垂直集成的ASIC器件1720、1730，該ASIC器件1720、1730可以是多路復(fù)用器、放大器或信號調(diào)節(jié)ASIC器件或者它們的組合。還可以包括附加ASIC器件，例如高壓驅(qū)動器、成束器或計時電路。聲窗1740可包括與pMUT 90直接接觸的聲匹配材料1750?？梢灾圃炀哂?D、1. 5D或2D幾何排列的pMUT陣列，并且將該pMUT陣列與ASIC器件集成以在換能器探頭的操作中提供電信號處理。可以將PMUT-IC堆疊結(jié)構(gòu)安裝在具有聲匹配層的外部探頭外殼中，聲匹配層由pMUT表面與外殼壁之間的低彈性模量聚合物、水或硅凝膠組成?？梢詫MUT-IC堆疊結(jié)構(gòu)安裝于柔性線纜、帯狀線纜或者用于到成像系統(tǒng)電子器件的接ロ的標準信號導(dǎo)線。帶有用于外部超聲探頭的集成電子器件的傳統(tǒng)超聲換能器陣列需要昂貴、復(fù)雜的制造技木。由于半導(dǎo)體的批量生產(chǎn)和集成技木，因此基于外部PMUT的探頭可提供成本更低、更容易制造的產(chǎn)品。實例參照以下實例進一歩描述從超聲壓電換能器產(chǎn)生增強的接收信號的方法。單個pMUT元件經(jīng)歷從_20Vdc到+20Vdc的DC偏壓。分離的活塞換能器提供的聲信號指向PMUT元件。測量pMUT元件接收的信號作為施加的DC偏壓的函數(shù)。參照圖1，其示出了描繪峰間值的接收信號(単位mV)與偏壓的關(guān)系的曲線圖。圖I的數(shù)據(jù)表示對于DC偏壓的不同電平，PMUT元件的輸出響應(yīng)。DC偏壓從OV變到+20V，再回到0V，然后從OV變到-20V。在每個DC偏壓增量處記錄接收信號(mV)。圖I說明，在這個特定的壓電薄膜中，對于矯頑場水平増大接收靈敏度的最佳DC偏壓。當DC偏壓接近pMUT元件中壓電膜的矯頑電壓(大約-5V)時，接收靈敏度下降。當施加的電壓增大時，pMUT元件的輸出信號増大。因此，示出了施加DC偏壓來產(chǎn)生pMUT元件的增強的接收信號的方法。通過在監(jiān)測已知厚度壓電膜的接收信號時調(diào)節(jié)DC偏壓，可以在接收信號中得到最佳增強。 雖然已經(jīng)參照具體實施例詳細描述了本發(fā)明，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以進行各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種超聲成像導(dǎo)管,包括 外殼，具有遠端和近端，所述遠端用于插入血管化機體中并且在所述血管化機體內(nèi)操作，所述近端用于向用戶提供對所述導(dǎo)管在所述血管化機體內(nèi)的所述遠端的操作的控制；以及 壓電超聲換能器，位于所述外殼內(nèi)，接近所述外殼的所述遠端，所述換能器包括 襯底； 多個側(cè)壁，限定多個開口，所述多個開口穿過所述襯底； 多個間隔開的底電極，位于所述襯底上，其中每個間隔開的底電極橫跨所述多個開口中的一個開口； 多個間隔開的壓電元件，位于所述多個底電極中的每個底電極上； 共形導(dǎo)電膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上，每個共形導(dǎo)電膜穿過所述襯底與所述底電極相接觸，其中在每個所述開口中保持開放腔。
2.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，其中所述壓電超聲換能器是pMUT。
3.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，還包括用于向所述壓電換能器施加DC偏壓的裝置。
4.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，還包括聲窗，接近所述導(dǎo)管的外殼的所述遠端，并且與所述壓電超聲換能器相鄰。
5.權(quán)利要求4的超聲成像導(dǎo)管，還包括聲匹配層，位于所述聲窗與所述壓電超聲換能器之間，并且與所述壓電超聲換能器相接觸。
6.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，其中所述導(dǎo)管的外殼的所述遠端包括開口。
7.權(quán)利要求6的超聲成像導(dǎo)管，其中所述導(dǎo)管的外殼還包括內(nèi)部通道，所述內(nèi)部通道與在所述導(dǎo)管外殼的遠端處的所述開口連通。
8.權(quán)利要求7的超聲成像導(dǎo)管，其中所述壓電超聲換能器的所述襯底包括孔，所述孔穿過所述襯底，并且所述孔能與所述內(nèi)部通道以及在所述導(dǎo)管的外殼的遠端處的所述開口連通。
9.權(quán)利要求8的超聲成像導(dǎo)管，還包括操作部件，所述操作部件能與所述內(nèi)部通道、在所述導(dǎo)管的外殼的遠端處的所述開口以及所述孔連通。
10.權(quán)利要求9的超聲成像導(dǎo)管，其中所述操作部件是引導(dǎo)導(dǎo)線。
11.權(quán)利要求9的超聲成像導(dǎo)管，其中所述操作部件是外科器械或成像光纖。
12.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，其中所述壓電超聲換能器被配置為前向成像或側(cè)面成像。
13.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上的共形絕緣膜，所述共形絕緣膜位于所述共形導(dǎo)電膜下方。
14.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述襯底上的第一電介質(zhì)膜，所述第一電介質(zhì)膜位于所述底電極下方。
15.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述壓電元件之間的第二電介質(zhì)膜。
16.權(quán)利要求15的超聲成像導(dǎo)管，其中所述第二電介質(zhì)膜設(shè)置在所述壓電元件的頂部邊緣上。
17.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述襯底上的接地焊盤。
18.權(quán)利要求17的超聲成像導(dǎo)管，還包括頂電極，所述頂電極與所述壓電元件以及所述接地焊盤相接觸。
19.權(quán)利要求18的超聲成像導(dǎo)管，其中所述頂電極和所述共形導(dǎo)電膜包括金屬膜。
20.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，其中所述壓電元件形成一維或二維陣列。
21.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，其中所述襯底包括硅晶片。
22.權(quán)利要求21的超聲成像導(dǎo)管，其中所述硅晶片是絕緣體上硅晶片。
23.權(quán)利要求22的超聲成像導(dǎo)管，還包括摻雜的硅層，所述摻雜的硅層在所述壓電元件的所述底電極與所述開口的所述共形導(dǎo)電膜之間形成電接觸。
24.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，還包括垂直集成到半導(dǎo)體器件的所述壓電超聲換能器，所述壓電超聲換能器附接到所述半導(dǎo)體器件并且電連接到所述半導(dǎo)體器件。
25.權(quán)利要求24的超聲成像導(dǎo)管，其中所述半導(dǎo)體器件是互補金屬氧化物半導(dǎo)體芯片。
26.權(quán)利要求24的超聲成像導(dǎo)管，其中所述半導(dǎo)體器件提供向所述壓電換能器施加DC偏壓的裝置。
27.權(quán)利要求24的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述半導(dǎo)體器件的面向所述開放腔的表面上的聚合物膜。
28.權(quán)利要求24的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述超聲換能器與所述半導(dǎo)體器件之間的粘合層。
29.權(quán)利要求28的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述粘合層中的金屬觸點，所述金屬觸點將所述超聲換能器電連接到所述半導(dǎo)體器件。
30.權(quán)利要求29的超聲成像導(dǎo)管，其中所述金屬觸點是穿過所述超聲換能器與所述半導(dǎo)體器件之間的所述粘合層刻蝕的通孔。
31.權(quán)利要求I的超聲成像導(dǎo)管，其中所述多個壓電元件中的每個壓電元件能獨立工作，所有元件能同時工作，或者這些元件的子集能電連接形成陣列形式的更大的獨立工作的元件子集。
32.—種超聲成像導(dǎo)管,包括 外殼，具有遠端和近端，所述遠端用于插入血管化機體中并且在所述血管化機體內(nèi)操作，所述近端用于向用戶提供對所述導(dǎo)管在所述血管化機體內(nèi)的所述遠端的操作的控制；以及 壓電超聲換能器，位于所述外殼內(nèi)，接近所述遠端，所述換能器包括 襯底； 多個側(cè)壁，限定多個開口，所述多個開口部分地穿過所述襯底； 多個間隔開的壓電元件，位于所述襯底上，其中每個間隔開的壓電元件位于所述多個開口中的一個開口上方； 成對的間隔開的底電極，位于所述襯底上，其中每一對間隔開的底電極與所述間隔開的壓電元件中的每一個相接觸； 共形導(dǎo)電膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上，每個共形導(dǎo)電膜穿過所述襯底與所述底電極相互電連接，其中每個所述開口中保持開放腔； 接地焊盤，位于所述襯底上； 第二電介質(zhì)膜，位于所述壓電元件之間；頂電極，與所述壓電元件以及所述接地焊盤相接觸；以及 半導(dǎo)體器件，附接到所述超聲換能器，其中所述共形導(dǎo)電膜電連接到所述半導(dǎo)體器件。
33.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，其中所述壓電超聲換能器是pMUT。
34.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，還包括用于向所述壓電換能器施加DC偏壓的裝置。
35.權(quán)利要求34的超聲成像導(dǎo)管，其中所述用于向所述壓電換能器施加DC偏壓的裝置集成在所述半導(dǎo)體器件中。
36.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管,還包括聲窗,所述聲窗接近所述導(dǎo)管的外殼的遠端，并且與所述壓電超聲換能器相鄰。
37.權(quán)利要求36的超聲成像導(dǎo)管，還包括聲匹配層，所述聲匹配層位于所述聲窗與所述壓電超聲換能器之間，并且與所述壓電超聲換能器相接觸。
38.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，其中所述導(dǎo)管的外殼的所述遠端包括開口。
39.權(quán)利要求38的超聲成像導(dǎo)管，其中所述導(dǎo)管的外殼還包括內(nèi)部通道，所述內(nèi)部通道與在所述導(dǎo)管的外殼的遠端處的所述開口連通。
40.權(quán)利要求39的超聲成像導(dǎo)管，其中所述壓電超聲換能器的所述襯底包括孔，所述孔穿過所述襯底，并且所述孔能與所述內(nèi)部通道以及在所述導(dǎo)管外殼的遠端處的所述開口連通。
41.權(quán)利要求40的超聲成像導(dǎo)管，還包括操作部件，所述操作部件能與所述內(nèi)部通道、在所述導(dǎo)管外殼的遠端處的所述開口以及所述孔連通。
42.權(quán)利要求41的超聲成像導(dǎo)管，其中所述操作部件是引導(dǎo)導(dǎo)線。
43.權(quán)利要求41的超聲成像導(dǎo)管，其中所述操作部件是外科器械或成像光纖。
44.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，其中所述壓電超聲換能器被配置為前向成像或側(cè)面成像。
45.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，還包括間隔開的通孔，所述通孔穿過所述襯底上的位于所述底電極下方的第一電介質(zhì)膜，并穿過所述襯底的一部分。
46.權(quán)利要求45的超聲成像導(dǎo)管，還包括所述間隔開的通孔中的金屬化以提供所述底電極與所述共形導(dǎo)電膜之間的電接觸。
47.權(quán)利要求46的超聲成像導(dǎo)管，其中所述間隔開的通孔被刻蝕穿過所述超聲換能器與所述半導(dǎo)體器件之間的粘合層。
48.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述半導(dǎo)體器件的面向所述開放腔的表面上的聚合物膜。
49.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，其中所述半導(dǎo)體器件是互補金屬氧化物半導(dǎo)體芯片。
50.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，其中所述襯底包括硅晶片。
51.權(quán)利要求50的超聲成像導(dǎo)管，其中所述硅晶片是絕緣體上硅晶片。
52.權(quán)利要求51的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述壓電元件的底電極與所述開口的共形導(dǎo)電膜之間的摻雜的娃層。
53.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述超聲換能器與所述半導(dǎo)體器件之間的粘合層。
54.權(quán)利要求53的超聲成像導(dǎo)管，還包括在所述粘合層中的金屬觸點，所述金屬觸點將所述超聲換能器電連接到所述半導(dǎo)體器件。
55.權(quán)利要求54的超聲成像導(dǎo)管，其中所述金屬觸點是穿過所述超聲換能器與所述半導(dǎo)體器件之間的所述粘合層刻蝕的通孔。
56.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，其中所述多個壓電元件中的每個壓電元件能獨立工作，所有元件能同時工作，或者這些元件的子集能電連接形成陣列形式的更大的獨立工作的元件子集。
57.權(quán)利要求32的超聲成像導(dǎo)管，其中所述壓電元件形成一維或二維陣列。
58.—種超聲成像探頭，包括 外殼，具有遠端； 壓電超聲換能器，位于所述外殼內(nèi)，接近所述遠端，所述換能器包括 襯底； 多個側(cè)壁，限定多個開口，所述多個開口穿過所述襯底； 多個間隔開的底電極，位于所述襯底上，其中每個間隔開的底電極橫跨所述多個開口中的一個開口； 多個間隔開的壓電元件，位于所述多個底電極中的每個底電極上；和共形導(dǎo)電膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上，其中每個共形導(dǎo)電膜與所述底電極中的一個或多個相接觸，并且在每個所述開口中保持開放腔；以及用于向所述壓電換能器施加DC偏壓的裝置。
59.—種超聲成像探頭，包括 外殼，具有遠端； 壓電超聲換能器，位于所述外殼內(nèi)，接近所述遠端，所述換能器包括 襯底； 多個側(cè)壁，限定多個開口，所述多個開口穿過所述襯底； 第一電介質(zhì)層，位于所述襯底上； 多個間隔開的底電極，位于所述第一電介質(zhì)層上，每個間隔開的底電極橫跨所述多個開口中的一個開口； 多個間隔開的壓電元件，位于所述多個底電極中的每個底電極上； 共形絕緣膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上； 共形導(dǎo)電膜，位于多個所述共形絕緣膜中的每個共形絕緣膜上，其中每個共形導(dǎo)電膜與所述底電極中的一個或多個相接觸，并且在每個所述開口中保持開放腔； 接地焊盤，位于所述襯底上； 第二電介質(zhì)膜，位于所述壓電元件之間； 頂電極，與所述壓電元件以及所述接地焊盤相接觸；以及 半導(dǎo)體器件，附接到所述超聲換能器，其中所述共形導(dǎo)電膜電連接到所述半導(dǎo)體器件；以及 用于向所述壓電換能器施加DC偏壓的裝置。
60.一種超聲成像探頭，包括 外殼，具有遠端； 壓電超聲換能器，位于所述外殼內(nèi)，接近所述遠端，所述換能器包括襯底； 多個側(cè)壁，限定多個開口，所述多個開口部分地穿過所述襯底； 多個間隔開的壓電元件，位于所述襯底上，其中每個間隔開的壓電元件位于所述多個開口中的一個開口上方； 成對的間隔開的底電極，位于所述襯底上，其中每一對間隔開的底電極與所述間隔開的壓電元件中的每一個相接觸； 共形導(dǎo)電膜，位于所述多個開口的側(cè)壁中的每一個上，每個共形導(dǎo)電膜穿過所述襯底與所述底電極相互電連接，其中在每個所述開口中保持開放腔。
61.一種超聲成像探頭，包括 外殼，具有遠端； 壓電超聲換能器，位于所述外殼內(nèi)，接近所述遠端，所述換能器包括 襯底； 多個側(cè)壁，限定多個開口，所述多個開口部分地穿過所述襯底； 多個間隔開的壓電元件，位于所述襯底上，其中每個間隔開的壓電元件位于所述多個開口中的一個開口上方； 成對的間隔開的底電極，位于所述襯底上，其中每一對間隔開的底電極與所述間隔開的壓電元件中的每一個相接觸； 共形絕緣膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上； 共形導(dǎo)電膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上，每個共形導(dǎo)電膜穿過所述襯底與所述底電極相互電連接，其中在每個所述開口中保持開放腔； 接地焊盤，位于所述襯底上； 第二電介質(zhì)膜，位于所述壓電元件之間； 頂電極，與所述壓電元件以及所述接地焊盤相接觸；以及 半導(dǎo)體器件，附接到所述超聲換能器，其中所述共形導(dǎo)電膜電連接到所述半導(dǎo)體器件。
62.—種壓電超聲換能器,包括 襯底； 多個側(cè)壁，限定多個開口，所述多個開口部分地穿過所述襯底； 多個間隔開的壓電元件，位于所述襯底上，其中每個間隔開的壓電元件位于所述多個開口中的一個開口上方； 成對的間隔開的底電極，位于所述襯底上，其中每一對間隔開的底電極與所述間隔開的壓電元件中的每一個相接觸； 共形導(dǎo)電膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上，每個共形導(dǎo)電膜穿過所述襯底與所述底電極相互電連接，其中在每個所述開口中保持開放腔。
63.—種壓電超聲換能器,包括 襯底； 多個側(cè)壁，限定多個開口，所述多個開口部分地穿過所述襯底； 多個間隔開的壓電元件，位于所述襯底上，其中每個間隔開的壓電元件位于所述多個開口中的一個開口的上方； 成對的間隔開的底電極，位于所述襯底上，其中每一對間隔開的底電極與所述間隔開的壓電元件中的每一個相接觸； 共形絕緣膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上； 共形導(dǎo)電膜，位于所述多個開口的所述側(cè)壁中的每一個上，每個共形導(dǎo)電膜穿過所述襯底與所述底電極相互電連接，其中在每個所述開口中保持開放腔； 接地焊盤，位于所述襯底上； 第二電介質(zhì)膜，位于所述壓電元件之間； 頂電極，與所述壓電元件以及所述接地焊盤相接觸；以及 半導(dǎo)體器件，附接到所述超聲換能器，其中所述共形導(dǎo)電膜電連接到所述半導(dǎo)體器件。
全文摘要
本公開涉及使用撓曲模式壓電換能器的增強的超聲成像探頭。描述了一種由壓電超聲換能器產(chǎn)生增強的接收信號的方法。所述方法包括提供壓電超聲換能器，所述壓電超聲換能器包括能在撓曲模式下工作的壓電元件；由所述壓電元件接收聲信號；在接收聲信號之前和/或接收聲信號的同時，向所述壓電元件施加DC偏壓；以及由所述壓電元件產(chǎn)生增強的接收信號，作為所述壓電元件接收聲信號的結(jié)果。此外本發(fā)明還描述了使用上述方法的基于pMUT的成像探頭。
文檔編號A61B8/12GK102670259SQ20121015192
公開日2012年9月19日 申請日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者D·道施, J·卡斯泰盧奇, O·馮拉姆 申請人:杜克大學, 研究三角協(xié)會