具有充電電壓源的電容微機(jī)械超聲換能器設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于發(fā)射和/或接收超聲波的電容微機(jī)械超聲換能器(CMUT)設(shè)備(1)，其包括至少一個CMUT單元(10)。所述CMUT單元(10)包括：包括第一電極(22)的襯底(13)，包括第二電極(20)的膜(15)，在所述第一電極(22)與所述第二電極(20)之間的至少一個介電層(21、23)，以及形成在所述襯底(13)與所述膜(15)之間的腔(18)。所述CMUT設(shè)備(1)還包括：工作偏壓源(25)，其用于在發(fā)射和/或接收超聲波期間，在所述第一電極(22)與所述第二電極(20)之間供應(yīng)第一極性的工作偏壓(VB)；以及充電電壓源(30)，其用于在所述第一電極(22)與所述第二電極(20)之間供應(yīng)額外的充電電壓(VC)，第二極性為所述第一極性的反極性。本發(fā)明還涉及一種操作這樣的CMUT設(shè)備的方法。
【專利說明】具有充電電壓源的電容微機(jī)械超聲換能器設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于發(fā)射和/或接收超聲的電容微機(jī)械超聲換能器設(shè)備（CMUT)設(shè)備， 以及涉及操作其的方法。本發(fā)明例如能夠被用于尤其具有超聲成像功能的醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng) (例如診斷或治療醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)）中。

【背景技術(shù)】
[0002] 任何超聲（成像）系統(tǒng)的核心都是換能器設(shè)備，換能器設(shè)備具有其將電能與聲能 來回轉(zhuǎn)換的換能器元件或換能器單元。傳統(tǒng)上，這些換能器元件或換能器單元是由被布置 在線性（1D)換能器陣列中的壓電晶體制成的，并且以高到10MHz的頻率工作。然而，向著 矩陣（2D)換能器陣列的趨勢，以及將超聲（成像）功能集成到導(dǎo)管和導(dǎo)絲中的小型化的趨 向，帶來所謂的電容微機(jī)械超聲換能器（CMUT)設(shè)備的發(fā)展。
[0003] CMUT單元包括膜（或隔膜）、膜下方的腔、以及形成電容器的電極。對于接收超聲 波，超聲波令膜移動或振動，并且能夠檢測變化和電極之間的電容。籍此，超聲波被轉(zhuǎn)變成 相應(yīng)的電信號。相反，被施加到電極的電信號令膜移動或振動，并且籍此發(fā)射超聲波。換言 之，在將電信號或電壓施加到形成電容器的電極時，電信號或電壓令膜撓曲，籍此創(chuàng)建超聲 壓力波。通常，CMUT單元是使用微電子半導(dǎo)體制造技術(shù)制作的。CMUT設(shè)備在頻率覆蓋和易 于制造方面優(yōu)于當(dāng)代的壓電換能器設(shè)備。然而，相對于現(xiàn)有的壓電換能器設(shè)備，CMUT設(shè)備 目前在效率和聲壓輸出方面仍有缺點(diǎn)。
[0004] 在試圖增加聲壓輸出時，能夠增大施加或供應(yīng)在電極之間的工作偏壓。然而，因介 電擊穿和帶電隧穿效應(yīng)，存在對能夠施加的工作偏壓的限制。也可能因例如為專用集成電 路（ASIC)形式的驅(qū)動電路而存在對工作偏壓的限制。施加增大的或過度工作偏壓的問題 能夠在于，膜坍塌到襯底，并且籍此電極可能彼此電接觸。為了分開電極并籍此防止電極之 間的電接觸，CMUT單元能夠包括在電極之間的（一個或多個）介電層。尤其地，能夠使用 在襯底上或作為襯底的部分的第一介電層，以及在膜上或作為膜的部分的第二介電層。
[0005] 目前認(rèn)識到的CMUT設(shè)備的限制在于，如果對設(shè)備施加過度的工作偏壓，則被用于 分開電極的介電層能夠變得或多或少地永久帶電。已認(rèn)識到該充電效應(yīng)，并且將其視為問 題或"可靠性問題"以及設(shè)備的構(gòu)建中不合期望的副作用。尤其地，介電層的永久電荷降低 了設(shè)備作為聲學(xué)換能器設(shè)備的效率。如果CMUT設(shè)備的輸出壓力在低單極偏壓處被測量，并 且如果然后該偏壓被增大到足以使介電層充電的水平，則CMUT設(shè)備將在受原始低偏壓驅(qū) 動時，顯不較低的輸出壓力。
[0006] US 2010/0237807A1公開一種用于以包括CMUT的電路，偏置電容超聲換能器 (CMUT)設(shè)備的系統(tǒng)和方法，該CMUT包括：形成膜結(jié)構(gòu)的第一板和第二板；在互補(bǔ)型金屬氧 化物半導(dǎo)體（CMOS)兼容電壓處的電路電壓源；施加偏壓的偏壓源，該偏壓大于CMOS兼容電 壓并且被施加到第一板；以及讀出電子器件，其具有被連接在該電路的第二板側(cè)上的輸入。 在實(shí)施例中，偏壓根據(jù)與信號的接收或發(fā)射有關(guān)的事件而交替極性。例如，可以使用在超聲 成像程序期間周期性地交替極性的偏壓源，其與DC偏壓源相對。這可以被用于解決在將 CMUT保持在恒定DC偏壓時出現(xiàn)的充電問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的尤其具有增加的輸出壓力和/或接收靈敏度的 CMUT設(shè)備，以及制作其的方法。
[0008] 在本發(fā)明的第一方面中，提供一種用于發(fā)射和/或接收超聲波的電容微機(jī)械超聲 換能器（CMUT)設(shè)備，其包括至少一個CMUT單元。所述CMUT單元包括：包括第一電極的襯 底；包括第二電極的膜；在所述第一電極與所述第二電極之間的至少一個介電層；以及形 成在所述襯底與所述膜之間的腔。所述CMUT設(shè)備還包括工作偏壓源，所述工作偏壓源用 于在發(fā)射和/或接收超聲波期間，在所述第一電極與第二電極之間供應(yīng)第一極性的工作偏 壓；以及充電電壓源，其用于在所述第一電極與第二電極之間供應(yīng)額外的充電電壓，第二極 性為所述第一極性的反極性。
[0009] 在本發(fā)明另一方面中，提供一種操作電容微機(jī)械超聲換能器（CMUT)設(shè)備的方法， 所述電容微機(jī)械超聲換能器（CMUT)設(shè)備包括至少一個CMUT單元，所述至少一個CMUT單元 包括：包括第一電極的襯底、包括第二電極的膜、在所述第一電極與所述第二電極之間的至 少一個介電層、以及形成在所述襯底與所述膜之間的腔。所述方法包括以下步驟：在發(fā)射和 /或接收超聲波期間，在所述第一電極與第二電極之間供應(yīng)第一極性的工作偏壓，以及在所 述第一電極與第二電極之間供應(yīng)額外的充電電壓，第二極性為所述第一極性的反極性。 [0010] 本發(fā)明的基本思想是：實(shí)際上使用（一個或多個）介電層中的捕獲的電荷的作用 (也被稱作充電效應(yīng)）來增大所述CMUT設(shè)備的輸出壓力和/或接收靈敏度。這不同于現(xiàn) 有技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)中，一直試圖解決或減小（一個或多個）介電層中的電荷的效應(yīng)。使用 所述充電效應(yīng)是通過在具有與常用工作偏壓的極性相逆（或相反）極性的電極之間，供應(yīng) 或施加額外的或故意的充電電壓，尤其是DC電壓，而得以實(shí)現(xiàn)的。換言之，施加所述充電電 壓，以故意地使所述CMUT單元的所述（一個或多個）介電層充電。例如，所述CMUT單元的 所述膜能夠包括第一介電層，并且所述襯底能夠包括第二介電層。
[0011] 術(shù)語工作偏壓描述在所述CMUT設(shè)備的工作階段期間，即超聲波的發(fā)射和/或接收 期間，供應(yīng)的偏壓。所述額外的充電電壓尤其不在工作階段期間供應(yīng)，即不在超聲波的發(fā)射 和/或接收期間供應(yīng)。例如，如果首先供應(yīng)或施加額外的充電電壓，并然后在工作階段期間 的工作偏壓具有對所述充電電壓的反極性，則能夠顯著增加所述設(shè)備的輸出壓力或接收靈 敏度（例如兩倍或更多）。因此，所述（一個或多個）介電層中電荷的作用（充電效應(yīng)）被 用于增大輸出壓力或接收靈敏度。
[0012] 尤其地，通過施加足夠的充電電壓，將半永久性電壓印加在所述CMUT設(shè)備的所述 電極上。該半永久性電壓是由被捕獲在所述（一個或多個）介電層中的電荷載體引起的， 因此它們不會快速逸出。該電壓基本上增加到任意施加的工作偏壓，因此針對給定的外部 施加電壓，允許所述膜上的更高的有效力。
[0013] 在從屬權(quán)利要求中限定本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)理解，要求保護(hù)的方法具有與要 求保護(hù)的設(shè)備以及與從屬權(quán)利要求中限定的相似和/或相同的優(yōu)選實(shí)施例。
[0014] 在第一實(shí)施例中，所述充電電壓在所述CMUT設(shè)備的制作期間被供應(yīng)，使得其基本 上永久性保留在所述至少一個介電層中?；旧嫌谰玫匾庵鸽姾稍谒鲈O(shè)備的整個使用 壽命中都保留。以此方式，基本上永久地電荷在制作期間被施加到所述（一個或多個）介 電層，并且在所述設(shè)備的整個使用壽命中都保留。這是提供所述充電電壓或電荷的尤其容 易的方式，而沒有對常規(guī)CMUT設(shè)備的太多修改。因此，基本上沒有增加所述設(shè)備的成本。 在一個范例中，所述充電電壓源能夠?yàn)橥獠侩妷涸?，其能夠在充電之后從所述CMUT設(shè)備斷 開。在備選范例中，所述充電電壓源能夠?yàn)樗鲈O(shè)備的內(nèi)部電壓源，其可以隨后（例如在所 述設(shè)備的使用壽命期間）被用于再次施加所述充電電壓。
[0015] 在第二個實(shí)施例中，所述CMUT設(shè)備還包括控制單元，以控制所述工作偏壓源和/ 或所述充電電壓源，從而控制所述至少一個介電層中的電荷。這在發(fā)現(xiàn)電荷不能被永久性 地維持在所述（一個或多個）介電層中的情況下，尤其是必須的。以此方式，能夠在實(shí)際使 用所述設(shè)備時，供應(yīng)額外的充電電壓，與制作所述設(shè)備相反。這提供了更大的靈活性。例如， 能夠?qū)⑺隹刂茊呜?shí)施在所述CMUT設(shè)備的諸如ASIC的驅(qū)動電路中。以此方式，基本上 沒有增加所述設(shè)備的成本。
[0016] 在另外的實(shí)施例或變型中，所述控制單元適于控制所述工作偏壓源，以供應(yīng)所述 工作偏壓足夠長的時間段，從而在所述至少一個介電層中提供顯著的電荷積聚。以此方式， 確保呈現(xiàn)顯著的充電效應(yīng)。在備選的或累計的實(shí)施例或變型中，所述控制單元適于控制所 述充電電壓源，以在足夠長的時間段內(nèi)供應(yīng)所述充電電壓，從而充電所述至少一個介電層 來增加所述CMUT單元的輸出壓力和/或接收靈敏度。以此方式，所述充電效應(yīng)得到最佳使 用。
[0017] 在另一個實(shí)施例或變型中，所述控制單元適于控制所述工作偏壓源，以在發(fā)射和/ 或接收超聲波期間在第一時間段內(nèi)，供應(yīng)所述工作偏壓。備選地或累計地，所述控制單元適 于控制所述充電電壓源，以在超聲波的無發(fā)射和/或無接收期間在第二時間段內(nèi)，供應(yīng)所 述充電電壓。以此方式，確保不在相同的時間期間，施加所述工作偏壓和所述充電電壓。尤 其地，確保在所述設(shè)備的工作階段期間供應(yīng)所述工作偏壓，并且在這樣的工作階段期間不 供應(yīng)所述充電電壓。在一個范例中，所述第二時間段在所述第一時間段之前。在另一個范 例中，所述第二時間段在所述第一時間段之后。在又一個范例中，所述第二時間段在兩個第 一時間段之間。
[0018] 在另一個實(shí)施例或變型中，所述控制單元適于控制所述充電電壓源，以周期性地 供應(yīng)所述充電電壓。尤其地，能夠在每個掃描線之前或每個幀之前，供應(yīng)所述充電電壓。以 此方式，所述設(shè)備被以這樣的方式故意充電，使得在隨后的工作期間增大輸出壓力和/或 接收靈敏度。以此方式，確保所述輸出壓力和/或接收靈敏度得以永久性地增加。這增加 了所述設(shè)備的性能和/或可靠性。
[0019] 在又一個實(shí)施例或變型中，所述控制單元適于控制所述工作偏壓源，以在第一電 壓水平供應(yīng)所述工作偏壓，并且適于控制所述充電電壓源，以在不同于所述第一電壓水平 的第二電壓水平供應(yīng)所述充電電壓。因此，所述充電電壓的電壓水平不需要與所述工作偏 壓的電壓水平相同。這增加了所述設(shè)備的靈活性。在一個范例中，所述第二電壓水平能夠 小于所述第一電壓水平。在備選的范例中，所述第二電壓水平能夠大于所述第一電壓水平。
[0020] 在另一實(shí)施例中，所述CMUT設(shè)備還包括監(jiān)測單元，以監(jiān)測所述至少一個介電層中 的電荷。以此方式，能夠監(jiān)測或檢查所述（一個或多個）介電層中的電荷是否仍能增加所 述設(shè)備的輸出壓力和/或接收靈敏度。這改進(jìn)了所述設(shè)備的功能。例如，能夠?qū)⑺霰O(jiān)測 單元實(shí)施在所述CMUT設(shè)備的諸如ASIC的驅(qū)動電路中。以此方式，基本上沒有增加所述設(shè) 備的成本。
[0021 ] 在該實(shí)施例的變型中，所述監(jiān)測單元適于監(jiān)測所述CMUT設(shè)備的電容-電壓曲線的 移位。這是監(jiān)測所述（一個或多個）介電層中的電荷的一種有效方式。在該實(shí)施例的備選 或累計變型中，所述監(jiān)測單元適于在改變所述充電電壓的同時，監(jiān)測輸出壓力和/或接收 靈敏度。尤其地，能夠確定得到最小聲壓和/或靈敏度的充電電壓。這是監(jiān)測所述（一個 或多個）介電層中的電荷的另一種有效方式。以此途徑或以這些途徑，能夠以尤其容易的 方式實(shí)施所述監(jiān)測。
[0022] 在該實(shí)施例的又一個變型中，所述監(jiān)測單元適于檢測所述至少一個介電層中的電 荷何時不足。以此方式，能夠監(jiān)測或檢查所述（一個或多個）介電層中的所述電荷是否已 變得不足，從而需要采取行動。這改善了所述設(shè)備的可靠性。例如，所述監(jiān)測單元能夠適于 將當(dāng)前監(jiān)測的電荷與預(yù)定義的值進(jìn)行比較。在一個范例中，能夠?qū)⑺鲭娙?電壓曲線中 的當(dāng)前移位與預(yù)定義的值進(jìn)行比較。在另一實(shí)施例中，能夠?qū)?dāng)前輸出壓力和/或接收靈 敏度與預(yù)定義的值進(jìn)行比較。
[0023] 在另一實(shí)施例或變型中，所述控制單元適于控制所述充電電壓源，以在所述監(jiān)測 單元檢測到所述至少一個介電層中的電荷不足時，再次施加所述充電電壓。以此方式，能夠 在所述CMUT設(shè)備的使用壽命中，使所述（一個或多個）介電層中的電荷得到補(bǔ)充。這使得 能夠維持改進(jìn)的輸出壓力和/或接收靈敏度。以此方式，增加了所述設(shè)備的性能和/或可 靠性。例如，所述CMUT設(shè)備能夠處于其正常工作中，直到所述輸出壓力和/或接收靈敏度 已降低并且需要利用所述充電電壓再次充電所述CMUT設(shè)備以達(dá)到期望的輸出壓力和/或 接收靈敏度的時間。
[0024] 在另一實(shí)施例中，將所述控制單元和所述監(jiān)測單元實(shí)施在相同的設(shè)備中。尤其地， 能夠?qū)⑺隹刂茊卧退霰O(jiān)測單元實(shí)施在所述CMUT設(shè)備的諸如ASIC的驅(qū)動電路中。以 此方式，基本上沒有增加所述設(shè)備的成本。
[0025] 在又一實(shí)施例中，所述CMUT設(shè)備還包括交流電流源，以供應(yīng)在所述第一電極與所 述第二電極之間的交流電流，以用于發(fā)射超聲波。以此方式，提供常規(guī)的CMUT設(shè)備，其發(fā)射 超聲波（或脈沖），并然后接收所發(fā)射的超聲波（或脈沖）的回波。例如，能夠由所述設(shè)備 的諸如ASIC的驅(qū)動電路以常規(guī)方式控制所述交流電流源。
[0026] 在另一實(shí)施例中，所述CMUT設(shè)備為高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU)換能器設(shè)備。以此方 式，能夠以最佳方式使用所述充電效應(yīng)，因?yàn)樵贖IFU換能器設(shè)備中要求高輸出壓力。HIFU 換能器設(shè)備能夠例如被用于醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中，以通過消融來加熱并快速破壞致病組織。
[0027] 在另一實(shí)施例中，將所述工作偏壓源和所述充電電壓源實(shí)施在單個電壓源中。這 降低了所述設(shè)備的成本。在備選的實(shí)施例中，將所述偏壓源和所述充電電壓源實(shí)施為獨(dú)立 的電壓源。這增加了所述設(shè)備的靈活性。例如，能夠以此方式實(shí)施兩個不同的電壓水平。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 本發(fā)明的這些以及其他方面將從后文描述的（一個或多個）實(shí)施例變得顯而易 見，并將參考后文描述的（一個或多個）實(shí)施例得以闡明。在以下附圖中，
[0029] 圖1示出典型的CMUT單元的示意性橫截面視圖；
[0030] 圖2示出典型的CMUT單元的電子性質(zhì)的示意性圖示；
[0031] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的CMUT設(shè)備；
[0032] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，尤其是圖3的實(shí)施例的CMUT設(shè)備的示意性框 圖；
[0033] 圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的CMUT設(shè)備的示意性框圖；
[0034] 圖6不出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的CMUT設(shè)備的不意性框圖；
[0035] 圖7示出根據(jù)第一范例的CMUT設(shè)備的操作；以及
[0036] 圖8示出根據(jù)第二范例的CMUT設(shè)備的操作。

【具體實(shí)施方式】
[0037] 圖1示出典型的CMUT單元10的示意性橫截面視圖。CMUT換能器單元10通常是 與襯底13上的多個相似的毗鄰單元一起制成的。襯底13包括襯底基層12。隔膜或膜15 被絕緣支撐體16支撐在所述襯底之上。以此方式，在膜15與襯底13之間形成腔18。膜15 包括膜基層14。所述膜與所述襯底之間的腔18可以為空氣或氣體填充的，或?yàn)槿炕虿糠?排空的。導(dǎo)電膜或?qū)有纬梢r底13中的第一電極22,并且類似的膜或?qū)有纬赡?5中的第二 電極20。被腔18分開的這兩個電極20、22形成電容或電容器。當(dāng)為聲學(xué)信號形式的超聲 波令膜15振動時，能夠檢測到所述電容中的變化，籍此將超聲波換能或轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信 號。相反地，被施加到電極20、22的交流電流（AC)或AC信號將調(diào)制所述電容，令所述膜移 動，并籍此發(fā)射作為聲學(xué)信號的超聲波。換言之，對于接收超聲波，超聲波令膜15移動或振 動，并且能夠檢測變化和電極20、22之間的電容。籍此，超聲波被轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電信號。相 反地，被施加到電極20、22的電信號令所述膜移動或振動，并籍此發(fā)射超聲波。
[0038] 所述CMUT固有地為二次設(shè)備，使得所述聲學(xué)信號通常為所施加的信號的諧波，亦 艮P，所述聲學(xué)信號將為所施加的電信號頻率的兩倍頻率。為了防止該二次行為，通常將偏壓 施加到兩個電極20、22,這令膜15被所得的庫侖力向襯底13吸引。圖2示出典型的CMUT 單元的電子性質(zhì)的示意性圖示。在圖2中，示意性地示出CMUT單元，其中，DC偏壓VB被施 加到偏置端子24,并且通過構(gòu)成對AC信號的高阻抗Z (例如電感性阻抗）的路徑被耦合到 膜電極20。AC信號被電容稱合到來自AC信號端子26的膜電極20,并從來自AC信號端子 26的膜電極20被耦合。膜15上的正電荷令所述膜在被吸引向襯底13上的負(fù)電荷時膨脹。 已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所述膜被膨脹以使得所述電容性設(shè)備的兩個電荷相反的板盡可能地靠近在一起 時，所述CMUT單元最靈敏。所述兩個電極或板的緊密靠近將引起聲學(xué)與電信號能量之間的 更大耦合。因此，合乎期望的是，增大偏壓V B直到膜15與襯底13之間的介電間隔32小至 能夠被維持在工作信號條件之下。然而，如果所施加的偏壓太大，則膜15能夠接觸襯底13， 因所述設(shè)備的兩個電極或板被范德華力貼合在一起而使所述設(shè)備短路。該貼合能夠在所述 CMUT單元被過度驅(qū)動時發(fā)生，并且由于制作容差變化，而能夠以相同的偏壓VB在不同設(shè)備 間變化。
[0039] 能夠通過在電極20、22之間提供電隔離層或介電層，或者通過將電極20、22嵌入 所述電隔離層或介電層中，減少永久性貼合。例如，能夠使用所謂的0N0介電層（由硅氧化 物-氮化硅-氧化硅的層制成），例如在W02010/032156中所公開的，在此通過引用將其整 體并入本文。
[0040] 對具有這樣的（一個或多個）介電層的CMUT設(shè)備的限制能夠是，如果將過度的工 作偏壓施加到所述設(shè)備，則被用于分離電極20、22的所述（一個或多個）介電層能夠變得 或多或少永久性帶電。圖3示出根據(jù)實(shí)施例的CMUT設(shè)備1。圖4示出根據(jù)第一實(shí)施例（尤 其是圖3的實(shí)施例）的CMUT設(shè)備1的示意性框圖。CMUT設(shè)備1包括CMUT單元10，CMUT單 元10包括：底包括第一電極22的襯底13、包括第二電極20的膜15、在第一電極22與第二 電極20之間至少一個介電層21、22以及形成在襯底13與膜15之間的腔18。在圖3中示 出的范例中，CMUT單元10包括第一介電層23和第二介電層21。襯底13包括第一介電層 23,并且所述膜包括第二介電層21。然而，將理解，也能夠僅提供一個介電層，或者電極20、 22的每個均能夠被嵌入介電層中。
[0041] 如在圖3或圖4中可見，CMUT設(shè)備1包括交流電流（AC)源27,以在第一電極22 與第二電極20之間供應(yīng)交流電流或AC信號，以用于發(fā)射超聲波。通過AC信號端子或連接 26,將AC源27連接到CMUT單元10的電極20、22。CMUT設(shè)備1在交流電流或AC信號被供 應(yīng)到CMUT單元10的電極20、22時發(fā)射超聲波（或脈沖），并且然后CMUT設(shè)備1接收所發(fā) 射的超聲波（或脈沖）的回波。例如，交流電流源27能夠受所述設(shè)備的ASIC控制。
[0042] CMUT設(shè)備1還包括工作偏壓源25,以在發(fā)射和/或接收超聲波期間，在第一電極 22與第二電極20之間，供應(yīng)第一極性的工作偏壓V B，尤其為DC電壓。通過偏壓端子或連 接24,將工作偏壓源25連接到CMUT單元10的電極20、22。CMUT設(shè)備1還包括充電電壓源 30,以在第一電極與第二電極之間供應(yīng)額外的充電電壓V。，尤其是DC電壓，第二極性為所述 第一極性的反極性。通過充電電壓端子或連接29,將充電電壓源30連接到CMUT單元10的 電極20、22。通過使用該充電電壓源30,所述（一個或多個）介電層中的捕獲的電荷的作 用能夠被用于增大所述CMUT設(shè)備的輸出壓力和/或接收靈敏度，尤其是通過在電極20、22 之間供應(yīng)或施加額外的或故意的充電電壓V。，所述充電電壓V。具有與常用工作偏壓V B的極 性相逆（或相反）的極性。
[0043] 尤其地，能夠?qū)⑵珘涸?5和充電電壓源30實(shí)施為獨(dú)立的電壓源，如在圖3和圖4 中指示的。這增加了所述設(shè)備的靈活性。然而，將理解，也能夠?qū)⑺龉ぷ髌珘涸春退龀?電電壓源實(shí)施在單個電壓源中。
[0044] 在操作如參考圖3和圖4描述的CMUT設(shè)備的對應(yīng)方法中，所述方法包括以下步 驟：尤其使用工作偏壓源25,在發(fā)射和/或接收超聲波期間，在第一電極22與第二電極20 之間供應(yīng)第一極性的工作偏壓V B ;以及尤其使用充電電壓源30,在所述電極與所述第二電 極之間供應(yīng)額外的充電電壓V。，第二極性為所述第一極性的反極性。
[0045] 在一個范例或?qū)嵤├ㄎ词境觯┲?，所述充電電壓在CMUT設(shè)備1的制作期間被供 應(yīng)，使得其基本上永久性地保留在至少一個介電層21、23中（例如使用充電之后能夠被從 所述CMUT設(shè)備斷開的外部電壓源）?；旧嫌谰眯缘匾庵鸽姾稍谠O(shè)備1的整個使用壽命中 都保留。以此方式，基本上永久性的電荷在制作期間被施加到所述（一個或多個）介電層， 并且在所述設(shè)備的整個使用壽命中都保留。
[0046] 現(xiàn)在將參考圖5解釋另一范例或?qū)嵤├?，圖5示出根據(jù)第二實(shí)施例的CMUT設(shè)備1 的示意性框圖。由于圖5的第二實(shí)施例基于圖4的第一實(shí)施例，因此與圖4的實(shí)施例相同 的解釋也適用于圖5的實(shí)施例。例如，在發(fā)現(xiàn)電荷不能被永久性地維持在所述（一個或多 個）介電層中的情況下，能夠使用圖5的該范例或?qū)嵤├Ｔ趫D5的該實(shí)施例中，CMUT設(shè) 備1還包括控制單元40,以控制工作偏壓源25和/或充電電壓30源，從而控制至少一個介 電層21、23中的電荷。通過在所述設(shè)備中提供控制單元40,能夠在實(shí)際使用所述設(shè)備時，供 應(yīng)額外的充電電壓V。，與制作設(shè)備1相反。對應(yīng)的操作方法包括以下步驟：尤其使用控制單 元40,控制所述工作偏壓（或偏壓源25)和/或控制所述充電電壓（或充電電壓源30)，以 控制至少一個介電層21、23中的電荷。在圖5的實(shí)施例中，控制單元40控制偏壓源25和 充電電壓源30兩者。控制單元40經(jīng)由第一控制信號連接28向偏壓源25發(fā)射第一控制信 號，并且經(jīng)由第二控制信號連接31向充電電壓源30發(fā)射第二控制信號。尤其地，在超聲波 的發(fā)射和/或接收期間，發(fā)射所述第一控制信號，而不發(fā)射所述第二控制信號。將理解，也 能夠提供兩個不同的控制單元，一個針對偏壓源25并且另一個針對充電電壓源30。此外， 將理解，控制單元40也能夠控制AC源27。例如，能夠?qū)⒖刂茊卧?0實(shí)施在CMUT設(shè)備1的 ASIC 中。
[0047] 尤其地，控制單元40適于控制工作偏壓源25,以在足夠長的時間段內(nèi)供應(yīng)工作偏 壓％，從而在至少一個介電層21、23中提供顯著的電荷積聚。以此方式，確保提供顯著的充 電效應(yīng)。此外，控制單元40適于控制充電電壓源30,以在足夠長的時間段內(nèi)供應(yīng)充電電壓 V。，從而使至少一個介電層21、23充電來增加 CMUT單元10的輸出壓力和/或接收靈敏度。 以此方式，所述充電效應(yīng)得到最佳使用。
[0048] 現(xiàn)在將參考圖7和圖8更詳細(xì)地解釋CMUT設(shè)備1的操作。圖7示出根據(jù)第一范 例的CMUT設(shè)備的操作，并且圖8示出根據(jù)第二范例的CMUT設(shè)備的操作。參考圖7a或圖 8a，例如使用上述AC源27,在所述電極之間供應(yīng)交流電流或AC信號，以發(fā)射超聲波。如在 圖7b或圖8b中可見，在供應(yīng)AC信號或電壓時，也供應(yīng)工作偏壓V B。因此，在所述CMUT設(shè) 備的工作階段期間，即超聲波的發(fā)射和/或接收期間，供應(yīng)工作偏壓VB。例如，能夠使用上 述工作偏壓源25來供應(yīng)工作偏壓V B。尤其使用上述控制單元40,在發(fā)射和/或接收超聲 波期間在第一時間TB內(nèi)，供應(yīng)工作偏壓V B。時間段TB的工作階段期間的AC信號或電壓VA。 與偏壓V B總計為合計電壓Vsum，其在圖7c或圖8c中被圖示。
[0049] 如在圖7d或圖8d中可見，在工作階段期間，即在超聲波的發(fā)射和/或接收期間不 供應(yīng)額外的充電電壓V。。例如，能夠使用上述充電電壓源30供應(yīng)充電電壓V。。尤其使用上 述控制單元40,在超聲波的非發(fā)射和/或非接收期間在第二時間段T。內(nèi)，供應(yīng)充電電壓V。。 因此，確保工作偏壓V B是在所述設(shè)備的工作階段期間供應(yīng)的，并且充電電壓V。在這樣的工 作階段期間不被供應(yīng)。
[0050] 在圖7的范例中，第二時間段Tc在第一時間段TB之前。因此，在對應(yīng)的操作方法 中，首先供應(yīng)第二極性的額外充電電壓V。，并且隨后，供應(yīng)在所述工作階段期間的第一、反 極性的工作偏壓V B。例如，如上文所解釋的，能夠在所述CMUT設(shè)備的制作期間，供應(yīng)所述充 電電壓一時間段Tc，使得其基本上永久性地保留在至少一個介電層21、23中，或者能夠使 用控制單元40,在實(shí)際使用所述設(shè)備時供應(yīng)所述充電電壓。在圖8的范例中，第二時間段 Tc在第一時間段TB之后。因此，在對應(yīng)的操作方法中，首先供應(yīng)在所述工作階段期間為第 一極性的工作偏壓V B，并且隨后供應(yīng)第二、反極性的額外的充電電壓V。。
[0051] 在圖7或圖8的范例中，在第一電壓水平供應(yīng)工作偏壓VB，并且在不同于第一電壓 水平VI的第二電壓水平V2,供應(yīng)充電電壓V。。因此，充電電壓V。的電壓水平V2不同于工 作偏壓V B的電壓水平VI。在圖7的范例中，第二電壓水平V2小于第一電壓水平VI。在圖 8的范例中，第二電壓水平V2大于第一電壓水平VI。然而，將理解，這也可以被實(shí)施為相反 的方式。此外，將理解，所述電壓水平也能夠相同。
[0052] 盡管在圖7和圖8中圖示了兩個特定范例，但將理解，能夠使用操作本文中公開的 所述CMUT設(shè)備的任意其他合適的方式。例如，能夠組合圖7的范例和圖8的范例。在這種 情況中，第二時間段T。將在兩個第一時間段T B之間。例如，能夠周期性地供應(yīng)充電電壓V。， 尤其是在每個掃描線之前或每個幀之前。以此方式，所述設(shè)備被以這樣的方式故意充電，使 得增加在隨后的工作期間的輸出壓力和/或接收靈敏度。或者，能夠僅供應(yīng)充電電壓V。一 次，例如在制作期間，或者僅在需要時，如例如由將在后文描述的監(jiān)測單元所確定的，供應(yīng) 充電電壓V c。
[0053] 圖6不出根據(jù)第三實(shí)施例的CMUT設(shè)備的不意性框圖。由于圖6的第三實(shí)施例基于 圖5的第二實(shí)施例，因此針對圖5的實(shí)施例的相同解釋也適用于圖6的實(shí)施例。在圖6的 實(shí)施例中，CMUT設(shè)備1還包括監(jiān)測單元50,以監(jiān)測至少一個介電層21、23中的電荷。在圖 6的實(shí)施例中，經(jīng)由連接51將監(jiān)測單元50連接到CMUT單元10。以此方式，能夠監(jiān)測或檢 查（一個或多個）介電層21、23中的電荷是否仍能夠增加所述設(shè)備的輸出壓力和/或接收 靈敏度。例如，能夠?qū)⑺霰O(jiān)測單元實(shí)施在所述CMUT設(shè)備的ASIC中，如上文所解釋的。尤 其地，能夠?qū)⒖刂茊卧?0和監(jiān)測單元50實(shí)施在相同的設(shè)備中，例如所述CMUT設(shè)備的ASIC 中。
[0054] 在一個范例中，監(jiān)測單元50適于監(jiān)測所述CMUT設(shè)備的電容-電壓曲線的移位。在 該范例中，能夠經(jīng)由監(jiān)測單元50與CMUT單元10之間的連接51測量（電極20、22之間的） 電容，并且能夠經(jīng)由監(jiān)測單元50與偏壓源25或控制單元40之間的另一連接（圖6中未示 出）測量偏壓％。以此方式，能夠測量所述電容-電壓曲線，并且然后能夠監(jiān)測或檢測其中 的移位。
[0055] 在另一個范例中，監(jiān)測單元50適于在改變所述充電電壓的同時，監(jiān)測輸出壓力和 /或接收靈敏度。在該范例中，能夠經(jīng)由連接51測量輸出壓力和/或接收靈敏度，并且能夠 經(jīng)由監(jiān)測單元50與充電電壓源30或控制單元40之間的另一連接（圖6中未示出），改變 充電電壓V。。尤其地，能夠確定得到最小聲壓和/或靈敏度的充電電壓。例如，能夠監(jiān)測所 述工作偏壓和所述充電電壓，同時也測量聲學(xué)輸出壓力（例如通過使用水聽器）。在施加或 供應(yīng)所述充電電壓時，能夠測量到聲學(xué)輸出壓力增大。
[0056] 監(jiān)測單元50能夠適于檢測所述至少一個介電層中的電荷何時不足，尤其通過將 當(dāng)前監(jiān)測的電荷與預(yù)定義的值進(jìn)行比較。例如，能夠?qū)?dāng)前測量的所述電容-電壓曲線中 的移位與預(yù)定義的值進(jìn)行比較，或者能夠?qū)?dāng)前測量的輸出壓力和/或接收靈敏度與預(yù)定 義的值進(jìn)行比較?？刂茊卧?0則能夠適于控制充電電壓源30,以在監(jiān)測單元50檢測到所 述至少一個介電層中的電荷不足時，再次施加充電電壓。例如，當(dāng)監(jiān)測單元50檢測到電荷 的不足時，能夠經(jīng)由監(jiān)測單元50與控制單元40之間的連接52 (由圖6中的虛線指示），發(fā) 射對應(yīng)的信號。以此方式，能夠在所述CMUT設(shè)備的使用壽命中，使所述（一個或多個）介 電層中的電荷得到補(bǔ)充。這使得能夠維持改進(jìn)的輸出壓力和/或接收靈敏度。例如，所述 CMUT設(shè)備能夠處于其正常工作中，直到輸出壓力和/或接收靈敏度已降低并且需要利用所 述充電電壓再次充電所述CMUT設(shè)備以達(dá)到期望的輸出壓力和/或接收靈敏度的時間。
[0057] 本文描述的CMUT設(shè)備1能夠被用于各種應(yīng)用。例如，本文描述的CMUT設(shè)備1能 夠被用于尤其具有超聲成像功能的醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)（例如診斷或治療醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)）。尤其 地，本文描述的CMUT設(shè)備1能夠?yàn)楦邚?qiáng)度聚焦超聲（HIFU)換能器設(shè)備。HIFU換能器設(shè)備 例如能夠被用于醫(yī)學(xué)系統(tǒng)，以通過消融來加熱并快速破壞致病性組織。在HIFU換能器設(shè)備 中要求高輸出壓力。因此，所述充電效應(yīng)能夠以最佳方式被用于這樣的HIFU換能器設(shè)備。
[0058] 盡管已在附圖和前文的描述中詳細(xì)說明并描述了本發(fā)明，但要將這種說明和描述 視為說明性或示范性的而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。通過研究附圖、說明 書以及權(quán)利要求書，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐要求保護(hù)的本發(fā)明時能夠理解并實(shí)現(xiàn)對所公開 實(shí)施例的各種變型。
[0059] 在權(quán)利要求書中，詞語"包括"不排除其他元件或步驟，并且量詞"一"或"一個"不 排除多個。單個元件或其他單元可以履行權(quán)利要求書中記載的若干項目的功能?；ゲ幌嗤?的從屬權(quán)利要求中記載特定措施并不指示不能有利地使用這些措施的組合。
[0060] 權(quán)利要求書中的任意附圖標(biāo)記均不得被解釋為對范圍的限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于發(fā)射和/或接收超聲波的電容微機(jī)械超聲換能器（CMUT)設(shè)備（1)，包括： -至少一個CMUT單元（10)，其包括：包括第一電極（22)的襯底（13)、包括第二電極 (20)的膜（15)、在所述第一電極（22)與所述第二電極（20)之間的至少一個介電層（21、 23)、以及形成在所述襯底（13)與所述膜（15)之間的腔（18)， 所述CMUT設(shè)備⑴還包括： -工作偏壓源（25)，其用于在發(fā)射和/或接收超聲波期間，在所述第一電極（22)與所 述第二電極（20)之間供應(yīng)第一極性的工作偏壓（VB)，以及 -充電電壓源（30)，其用于在所述第一電極（22)與所述第二電極（20)之間供應(yīng)額外 的充電電壓（V。)，第二極性為所述第一極性的反極性。
2. 如權(quán)利要求1所述的CMUT設(shè)備，其中，所述充電電壓（V。）在所述CMUT設(shè)備（1)的 制作期間被供應(yīng)，使得其基本上永久性地保留在所述至少一個介電層（21、23)中。
3. 如權(quán)利要求1所述的CMUT設(shè)備，還包括控制單元（40)，所述控制單元用于控制所述 工作偏壓源（25)和/或所述充電電壓源（30)，以控制所述至少一個介電層（21、23)中的電 荷。
4. 如權(quán)利要求3所述的CMUT設(shè)備，其中，所述控制單元（40)適于控制所述工作偏壓源 (25)，以在足夠長的時間段內(nèi)供應(yīng)所述工作偏壓（V B)，從而在所述至少一個介電層（21、23) 中提供顯著的電荷積聚；和/或適于控制所述充電電壓源（30)，以在足夠長的時間段內(nèi)供 應(yīng)所述充電電壓（V。)，從而使所述至少一個介電層（21、23)充電來增加所述CMUT單元（10) 的輸出壓力和/或接收靈敏度。
5. 如權(quán)利要求3所述的CMUT設(shè)備，其中，所述控制單元（40)適于控制所述工作偏壓源 (20)，以在發(fā)射和/或接收超聲波期間在第一時間段（T B)內(nèi)供應(yīng)所述工作偏壓（VB);并且 適于控制所述充電電壓源（30)，以在超聲波的無發(fā)射和/或無接收期間在第二時間段（T。） 內(nèi)供應(yīng)所述充電電壓（V。)。
6. 如權(quán)利要求3所述的CMUT設(shè)備，其中，所述控制單元（40)適于控制所述充電電壓源 (30)，以尤其在每個掃描線之前或每個幀之前，周期性地供應(yīng)所述充電電壓（V。)。
7. 如權(quán)利要求3所述的CMUT設(shè)備，其中，所述控制單元（40)適于控制所述工作偏壓 源（20)，以在第一電壓水平（VI)供應(yīng)所述工作偏壓（V B);并且適于控制所述充電電壓源 (30)，以在不同于所述第一電壓水平（VI)的第二電壓水平（V2)供應(yīng)所述充電電壓（V。)。
8. 如權(quán)利要求1所述的CMUT設(shè)備，還包括監(jiān)測單元（50)，所述監(jiān)測單元用于監(jiān)測所述 至少一個介電層（21、23)中的電荷。
9. 如權(quán)利要求8所述的CMUT設(shè)備，其中，所述監(jiān)測單元（50)適于監(jiān)測所述CMUT設(shè)備 ⑴的電容-電壓（CV)曲線的移位；或者適于在變化所述充電電壓（V c)的同時監(jiān)測所述輸 出壓力和/或所述接收靈敏度。
10. 如權(quán)利要求8所述的CMUT設(shè)備，其中，所述監(jiān)測單元（50)適于檢測所述至少一個 介電層（21、23)中的電荷何時不足。
11. 如權(quán)利要求3和10所述的CMUT設(shè)備，其中，所述控制單元（40)適于控制所述充 電電壓源（30)，以在所述監(jiān)測單元（50)檢測到所述至少一個介電層（21、23)中的電荷不足 時，再次施加所述充電電壓（V c)。
12. 如權(quán)利要求3和8所述的CMUT設(shè)備，其中，所述控制單元（40)和所述監(jiān)測單元 (50)被實(shí)施在相同的設(shè)備中，尤其是在所述CMUT設(shè)備（1)的ASIC中。
13. 如權(quán)利要求1所述的CMUT設(shè)備，還包括交流電流源（27)，所述交流電流源用于在 所述第一電極（22)與所述第二電極（20)之間供應(yīng)交流電流（V A。)，以發(fā)射超聲波。
14. 如權(quán)利要求1所述的CMUT設(shè)備，其中，所述CMUT設(shè)備⑴為高強(qiáng)度聚焦超聲 (HIFU)換能器設(shè)備。
15. -種操作電容微機(jī)械超聲換能器（CMUT)設(shè)備（1)的方法，所述電容微機(jī)械超聲換 能器（CMUT)設(shè)備（1)包括至少一個CMUT單元（10)，所述至少一個CMUT單元包括：包括第 一電極（22)的襯底（13)、包括第二電極（20)的膜（15)、在所述第一電極（22)與所述第二 電極（20)之間的至少一個介電層（21、23)、以及形成在所述襯底（13)與所述膜（15)之間 的腔（18)，所述方法包括以下步驟： -在發(fā)射和/或接收超聲波期間，在所述第一電極（22)與所述第二電極（20)之間供應(yīng) 第一極性的工作偏壓（VB)，以及 -在所述第一電極（22)與所述第二電極（20)之間供應(yīng)額外的充電電壓（V。)，第二極 性為所述第一極性的反極性。
【文檔編號】G01N29/24GK104160250SQ201380013597
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月13日
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