[发明专利]双模式CMUT换能器

说明书

一种超声诊断成像系统，包括具有CMUT单元的阵列(10')的CMUT换能器探头，所述CMUT单元具有相同的或可变的直径，所述CMUT单元在超声信号接收期间操作在常规模式中，并且在超声信号发射期间操作在塌陷模式中。通过针对较低频率临床应用减小针对CMUT单元的DC偏置电压，针对较高频率临床应用增加DC偏置电压，或者当接收回声时连续减小DC偏置电压，CMUT单元的频率响应在回声接收期间被调整用于不同的临床应用或者被连续改变，以跟踪返回的回声信号的信息频率分量。

技术领域

本发明涉及具有CMUT换能器探头的超声诊断成像系统，所述CMUT换能器探头包括：包括一个或多个CMUT单元的阵列，其中，每个CMUT单元具有单元膜、膜电极、单元台板(floor)、衬底和衬底电极；以及DC偏置电压的源，其被耦合到膜电极和衬底电极。此外，本发明涉及操作超声诊断成像系统的方法。

背景技术

用于医学成像的超声换能器具有实现高质量诊断图像的产生的许多特性。在这些中间，有宽的带宽和对超声频率处的低水平声学信号的高敏感度。通常，具有这些特性的压电材料已经由PZT和PVDF材料制成，其中，PZT是最优选的。然而，陶瓷PZT材料要求明显不同且复杂的包括划片、匹配层键合、填充物、电镀以及互连的制造工艺，并且要求大量的操纵，所有这些能够导致低于期望的换能器堆叠单元产量。此外，该制造复杂性增加了最终换能器探头的成本。由于超声系统主机已经变得较小并且由现场可编程门阵列(FPGA)和用于很多数信号处理功能的软件支配，因此系统主机的成本已经随着系统尺寸而下降。采取廉价便携式台式机和手持形式的超声系统现在是可用的。结果，换能器探头的成本是系统的总成本的不断增加的百分比，已经由用于3D成像的较高元件计数阵列的出现加速了增加。用于电子3D成像的探头依赖于专业化的半导体设备专用集成电路(ASIC)，其执行针对换能器元件的二维(2D)阵列的微波束形成。因此，期望能够以较低的成本制造具有改进的产量的换能器阵列以便于对低成本超声系统的需要，并且优选地通过与半导体产生兼容的制造工艺来制造。

最近的发展已经实现医学超声换能器能够通过半导体工艺来制造的前景。可期望地，这些工艺应该是与用于产生由超声探头需要的ASIC电路的相同的工艺，诸如CMOS工艺。这些发展已经产生了微机械超声换能器或MUT，优选形式是电容性MUT(CMUT)。CMUT换能器是具有将所接收的超声信号的声音振动转换为调制电容的电极的微小膜片式设备。针对发射，施加于电极的电容性电荷被调制以振动/移动所述设备的膜片并且从而发射声波。由于这些设备是通过半导体工艺制造的，因此这些设备通常具有在10-200微米范围中的尺度，但是范围能够达到300-500微米的设备直径。很多这样的个体CMUT能够被连接在一起并且作为单个换能器元件共同被操作。例如，四个至十六个CMUT能够被耦合在一起以共同充当单个换能器元件。典型的2D换能器阵列能够具有2000-3000压电换能器元件。当被制备为CMUT阵列时，将使用超过一百万CMUT单元。惊人地，早期的结果已经表明这种尺寸的半导体制备CMUT阵列的产量应当被显著改进超过针对几千个换能器元件的PZT阵列的产量。

CMUT通常被产生有悬挂于承载相对电极的衬底基底上方的带有电极的膜或膜片。参考图9，以横截面示出典型的CMUT换能器单元110。在诸如硅的衬底112上与多个类似的邻近单元一起制备CMUT换能器单元110。可以由氮化硅制成的膜片或膜114由可以由氧化硅或氮化硅制成的绝缘支撑体116支撑在衬底上方。膜与衬底之间的腔118可以是空气或气体填充的或者完全或部分被排空。诸如金的导电薄膜或层120在膜片上形成电极，并且类似的薄膜或层122在衬底上形成电极。由腔118分离的这两个电极形成电容。当声学回声信号引起膜114振动时，电容的变化能够被检测到，从而将声学波换能为对应的电信号。相反地，施加到电极120、122的交流信号引起膜移动并且从而发射声学信号。由于典型的CMUT的微米尺寸尺度，多个这样的CMUT单元通常紧密邻近地被制备，以形成单个换能器元件。个体单元能够具有圆形、矩形、六边形或其他外周形状。