CN113695213B - 具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器 - Google Patents

具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器，该显微机械加工的超声换能器包括：板，该板具有突出的中心质量块；基底，该基底具有被配置为接纳中心质量块的中心凹入部；第一电极，该第一电极耦接到中心质量块的非水平边缘表面；以及第二电极，该第二电极耦接到中心凹入部的非水平边缘表面。板可至少沿板和基底的外周边区域耦接到基底。

Description

具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器
技术领域
某些实施方案涉及换能器。更具体地，某些实施方案涉及具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器。
背景技术
超声设备可用于对目标诸如人体中的器官和软组织以及非人目标进行成像。例如，除了对人、动物等进行超声成像之外，超声设备还可以用于应用诸如超声/声学感测、无损评估(NDE)、超声治疗(例如，高强度聚焦超声(HIFU))等。
超声设备可使用实时的、非侵入性高频声波来产生一系列二维(2D)图像和/或三维(3D)图像。声波可由发射换能器发射，并且所发射的声波的反射可由接收换能器接收。然后可处理所接收的声波以显示目标的图像。用作发射换能器和/或接收换能器的常规电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)可包括顶部电极和底部电极，其中顶部电极可由于用于生成声波的电信号而移动，或者由于接收到用于生成可被处理的电信号的声波而移动。顶部电极和底部电极可由间隙隔开，其中该间隙可包括一定程度的真空或者该间隙可填充有例如空气。
通过将此类***与本申请的其余部分中参考附图阐述的本公开的一些方面进行比较，常规和传统方法的更多限制和缺点对本领域的技术人员将变得显而易见。
发明内容
本发明提供了一种具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器的***和/或方法，基本上如结合附图中的至少一个附图所示和/或所述，如权利要求中更完整地阐述。
从以下描述和附图将更全面地理解本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征、以及其例示的实施方案的细节。
附图说明
图1是根据各种实施方案的可用于超声成像的示例性超声***的框图。
图2示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的配置。
图3示出了根据各种实施方案的图2的示例性CMUT的示例性适用尺寸。
图4示出了根据各种实施方案的对示例性电容式显微机械加工的超声换能器的位移的模拟的示例性图。
图5示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图6示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图7示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图8示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图9示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图10示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图11示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图12示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图13示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
图14示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。
具体实施方式
某些实施方案可见于具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器。本公开的各种实施方案可使用非共面致动和位移，其中致动经由与膜位移方向不共面的电极进行。
因此，各种实施方案提供了电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的操作的技术效果，其中用于致动的电极彼此不短路。
虽然CMUT可用于医学成像，但除了对人或动物进行超声成像之外，CMUT还可以用于各种其他目的，诸如超声/声学感测、无损评估(NDE)、超声治疗(例如，高强度聚焦超声(HIFU))等。
当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及以下对某些实施方案的具体实施方式。就附图示出各种实施方案的功能块的图的范围而言，这些功能块不一定表示硬件电路之间的划分。应当理解，各种实施方案不限于附图中所示的布置和工具。还应当理解，可组合实施方案，或者可利用其他实施方案，并且可在不脱离各种实施方案的范围的情况下进行结构、逻辑和电气改变。因此，以下详述不应视为限制性意义，并且本公开的范围由所附权利要求书及其等同物限定。
如本文所用，以单数形式列举并且以字词“一”或“一个”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除。此外，对“示例性实施方案”、“各种实施方案”、“某些实施方案”、“代表性的实施方案”等的引用不旨在被解释为排除存在也结合了叙述的特征的附加实施方案。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件的实施方案可以包括不具有该性质的附加元件。
另外，如本文所用，术语“图像”广义地是指可视图像和表示可视图像的数据两者。然而，许多实施方案生成(或被配置为生成)至少一个可视图像。此外，如本文所用，短语“图像”用于指超声模式，诸如B模式(2D模式)、M模式、三维(3D)模式、CF模式、PW多普勒、CW多普勒、MGD，和/或B模式和/或CF的子模式，诸如剪切波弹性成像(SWEI)、TVI、Angio、B-flow、BMI、BMI_Angio，并且在某些情况下还包括MM、CM、TVD，其中“图像”和/或“平面”包括单个波束或多个波束。
此外，如本文所用，术语处理器或处理单元是指可执行各种实施方案需要的所需计算的任何类型的处理单元，诸如单核或多核：CPU、加速处理单元(APU)、图形板、DSP、FPGA、ASIC或它们的组合。
另外，应当指出的是，附图可能未按比例绘制对象，而是被尽力呈现用于清楚地进行解释。
图1是根据各种实施方案的可用于超声成像的示例性超声***的框图。参考图1，示出了示例性超声***100的框图。超声***100包括发射器102、超声探头104、发射波束形成器110、接收器118、接收波束形成器120、A/D转换器122、RF处理器124、RF/IQ缓冲器126、用户输入设备130、信号处理器132、图像缓冲器136、显示***134和档案138。
发射器102可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为驱动超声探头104。超声探头104可包括例如单个元件CMUT、CMUT的1D阵列、CMUT的2D阵列、CMUT的环形(环)阵列等。因此，超声探头104可包括可以为例如CMUT的一组换能器元件106。在某些实施方案中，超声探头104可操作为采集覆盖例如解剖结构(诸如心脏、血管或任何合适的解剖结构)的至少大部分的超声图像数据。换能器元件106中的每一个换能器元件可被称为通道。
发射波束形成器110可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为控制发射器102，该发射器驱动该组发射换能器元件106以将超声发射信号发射到感兴趣区域(例如，人、动物、地下腔体、物理结构等)中。发射的超声信号可从感兴趣对象中的结构(如血细胞或组织)反向散射，以产生回波。然后，换能器元件106可接收回波。
超声探头104中的该组换能器元件106可操作为将所接收的回波转换成模拟信号并且传送至接收器118。接收器118可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为接收来自超声探头104的信号。可将模拟信号传送至多个A/D转换器122中的一个或多个A/D转换器。
因此，超声***100可多路复用，使得超声发射信号在特定时间段期间被发射，并且这些超声信号的回波在其他时间段期间被接收。尽管未明确示出，但本公开的各种实施方案可允许超声信号的发射和来自这些信号的回波的接收同时进行。在此类情况下，探头可包括发射换能器元件和接收换能器元件。
多个A/D转换器122可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为将来自接收器118的模拟信号转换为对应的数字信号。多个A/D转换器122设置在接收器118与RF处理器124之间。尽管如此，本公开在这方面并不受限制。因此，在一些实施方案中，多个A/D转换器122可被集成在接收器118内。
RF处理器124可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为解调由多个A/D转换器122输出的数字信号。根据一个实施方案，RF处理器124可包括复解调器(未示出)，该复解调器可操作为解调数字信号以形成代表对应回波信号的I/Q数据对。然后可将RF数据(可以是例如I/Q信号数据、实值RF数据等)传送到RF/IQ缓冲器126。RF/IQ缓冲器126可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为提供由RF处理器124生成的RF或I/Q信号数据的临时存储。
因此，各种实施方案可使例如RF处理器124用适当的RF缓冲器126处理实值RF数据或该数据的任何其他等效表示。
接收波束形成器120可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为执行数字波束形成处理以例如对经由RF/IQ缓冲器126从RF处理器124接收的延迟信道信号、相移信道信号和/或加权信道信号求和并且输出波束求和信号。可对延迟信道数据、相移信道数据和/或加权信道数据求和以形成从接收波束形成器120输出的扫描线，其中该扫描线可为例如复值的或非复值的。信道的特定延迟可例如由RF处理器124或被配置为执行该任务的任何其他处理器提供。延迟信道数据、相移信道数据和/或加权信道数据可被称为延迟对齐信道数据。
所得的经处理的信息可以为从接收波束形成器120输出并且传送至信号处理器132的波束求和信号。根据一些实施方案，接收器118、多个A/D转换器122、RF处理器124和波束形成器120可被集成到单个波束形成器中，该单个波束形成器可以是数字的。在各种实施方案中，超声***100可包括多个接收波束形成器120。
用户输入设备130可用于输入患者数据、扫描参数、设置、选择协议和/或模板等。在示例性实施方案中，用户输入设备130可操作为配置、管理和/或控制超声***100中的一个或多个部件和/或模块的操作。就这一点而言，用户输入设备130可用于配置、管理和/或控制发射器102、超声探头104、发射波束形成器110、接收器118、接收波束形成器120、RF处理器124、RF/IQ缓冲器126、用户输入设备130、信号处理器132、图像缓冲器136、显示***134和/或档案138的操作。用户输入设备130可包括开关、按钮、旋转编码器、触摸屏、运动跟踪、语音识别、鼠标设备、键盘、相机和/或能够接收用户指引的任何其他设备。在某些实施方案中，例如，可将用户输入设备130中的一个或多个用户输入设备集成到其他部件(诸如显示***134或超声探头104)中。例如，用户输入设备130可包括触摸屏显示器。
信号处理器132可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作为处理超声扫描数据(即，求和的IQ信号)以生成用于在显示***134上呈现的超声图像。信号处理器132可操作为根据所采集的超声扫描数据上的多个可选择超声模态来执行一个或多个处理操作。在示例性实施方案中，信号处理器132可用于执行显示处理和/或控制处理等。随着接收到回波信号，可以在扫描会话期间实时处理采集的超声扫描数据。附加地或另选地，超声扫描数据可在扫描会话期间暂时存储在RF/IQ缓冲器126中并且在在线操作或离线操作中被处理。在各种实施方案中，经处理的图像数据可呈现在显示***134处以及/或者被存储在档案138处。档案138可以是本地档案、图片归档和通信***(PACS)，或用于存储图像和相关信息的任何合适的设备。
信号处理器132可包括一个或多个中央处理单元、微处理器、微控制器等。例如，信号处理器132可以是集成部件，或者可分布在各个位置。在示例性实施方案中，信号处理器132可能够从用户输入设备130和/或档案138接收输入信息，生成可由显示***134显示的输出，并且响应于来自用户输入设备130的输入信息来操纵输出，等等。信号处理器132可能够执行例如根据各种实施方案的本文所讨论的方法和/或指令集中的任一者。
超声***100可操作为以适于所考虑的成像情况的帧速率连续采集超声扫描数据。典型的帧速率可在20至120的范围内，但可以更低或更高。所采集的超声扫描数据可以与帧速率相同、或更慢或更快的显示速率显示在显示***134上。图像缓冲器136被包括以用于存储未被安排立即显示的所采集的超声扫描数据的处理的帧。优选地，图像缓冲器136具有足够的容量来存储至少几分钟的超声扫描数据的帧。超声扫描数据的帧以根据其采集顺序或时间易于从其取回的方式存储。图像缓冲器136可体现为任何已知的数据存储介质。
显示***134可以为能够将视觉信息传送给用户的任何设备。例如，显示***134可包括液晶显示器、发光二极管显示器、和/或任何合适的一种或多种显示器。显示***134可能够操作以呈现超声图像和/或任何合适的信息。
档案138可以为与超声***100集成和/或(例如，通过网络)可通信地耦接到超声***100的一个或多个计算机可读存储器，诸如图像归档和通信***(PACS)、服务器、硬盘、软盘、CD、CD-ROM、DVD、紧凑存储装置、闪存存储器、随机存取存储器、只读存储器、电可擦除和可编程只读存储器和/或任何合适的存储器。档案138可包括例如由信号处理器132访问和/或结合到信号处理器132的数据库、库、信息集或其他存储器。例如，档案138能够暂时或永久地存储数据。档案138可能能够存储医学图像数据、由信号处理器132生成的数据和/或信号处理器132可读取的指令等。
超声***100的部件可在软件、硬件、固件等中实现。超声***100的各种部件可以通信地连接。超声***100的部件可单独实现和/或以各种形式集成。例如，显示***134和用户输入设备130可集成为触摸屏显示器。另外，虽然将超声***100被描述为包括接收波束形成器120、RF处理器124和信号处理器132，但是本公开的各种实施方案可使用各个数量的处理器。例如，执行代码的各种设备通常可被称为处理器。各种实施方案可将包括RF处理器124和信号处理器132中的每一者的这些设备中的每个设备称为处理器。此外，可能存在其他处理器来另外执行被描述为由包括接收波束形成器120、RF处理器124和信号处理器132的这些设备执行的任务，并且为了便于描述，所有这些处理器均可被称为“处理器”。
某些应用可能希望驱动足够硬的常规的电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)，使得它们以塌缩模式操作。即，顶部电极被驱动至底部电极。这可准许CMUT在操作期间提供更高水平的声功率、更高的线性度和更宽的带宽。然而，对于具有顶部电极和底部电极的常规CMUT，顶部电极然后可接触底部电极，从而导致电极的电路短路，这可造成CMUT结构的永久性损坏。
为了避免该问题，已将一个或多个隔离层或凸块夹置在底部电极和顶部电极之间。然而，由于薄介电隔离层中所捕获的电荷导致的充电问题，这可导致电可靠性问题。虽然已付出各种努力来克服该问题，但迄今为止工业CMUT设备还无法克服由于可靠性问题而在塌缩模式中操作相关联的问题。产生被捕获电荷的两个最重要原因是CMUT的制造过程，以及CMUT操作期间间隙中的强电场。
电荷可被捕获在表面上或者在可存在于常规CMUT中的介电隔离层内。根据叠加在DC偏置上的驱动信号的振幅和频率，被捕获电荷以非预期效果屏蔽电极表面。另外，此类电荷可在塌缩之后的膜快速回缩期间引起问题。
虽然学术界和工业界都提供了一些解决方案，包括使用PostCMUT、间隔件(膜凸块)、延长的边缘绝缘体厚度等，但这些方法仅将充电问题局限在了较小的区域内。电荷捕获仍然发生，并且因此仍然存在问题。
本公开的各种实施方案提供了新型电容式显微机械加工的超声换能器，其中致动可例如正交于膜振动的方向。在常规结构中，偏置和AC信号被提供给附接到膜的电极。因此，电极随着膜的移位而沿相同的方向移动，这直接导致塌缩。当前的结构和致动过程具有即使在遍历间隙高度的三分之一之后也能避免机械塌缩，从而避免常规的CMUT中存在的塌缩电压约束的优点。致动可例如通过正交于位移方向施加偏置和AC信号来实现。
常规的电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)包括由真空或流体间隙隔开的两个板。板被DC电压偏置，然后与具有所选择的频率和振幅的AC信号叠加。CMUT的工作原理基于库仑吸引定律。在DC偏置期间，静电力和机械恢复力相互平衡，从而将膜保持在目标移位位置。然而，在一定的DC偏置电压下，静电力超过恢复力，并且膜接触底部电极。对于完全夹紧的CMUT板，这种物理现象发生在有效间隙高度的约三分之一处。该距离被称为吸合或塌缩距离，并且发生这种现象时的电压被称为塌缩或吸合电压。一个或多个隔离层可夹置在有源膜(顶部电极)、间隙(真空或流体)和(具有底部电极的)背支撑结构之间，使得在此类塌缩现象期间不发生短路。
塌缩电压Vcol的公式在下面的公式1和公式2中示出：
Figure BDA0003050469140000091
其中，K为膜刚度，ε0为自由空间的介电常数，并且A为设备面积。有效间隙高度由下式给出：
Figure BDA0003050469140000092
其中g0为真空/气隙，tr为高接触电阻层厚度，并且εr为绝缘材料的介电常数。
因此，可以看出，可通过改变有效间隙高度来控制主要支配设备灵敏度的CMUT的偏置电压要求(发射模式下的发射压力)，从而使特定设备的其他几何参数保持恒定。
存在其中CMUT用于塌缩模式的应用，然而，在常规模式中，塌缩现象确实在吸合电平之后对DC位移施加一些约束，尤其是当较高的DC展宽意味着信号摆动期间更高的线性度和更高的压力时。
图2示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的配置。参考图2，示出了包括板202和基底204的CMUT 200。板202可包括中心质量块203。中心质量块203向下突出到基底204的对应区域中的凹入部205中。中心质量块203的基本上竖直的边缘包括电极210，并且凹入部205的基本上竖直的边缘包括电极211。可向电极210和电极211提供用于在Z方向上移动板202来生成声波的电信号(DC偏置和AC信号)。
板202可在板202的外周边区域202A处耦接到基底204。耦接可经由任何适当的方法进行，包括MEMS制造中已知的工艺，例如晶圆键合。
可以看出，CMUT 200在板202与基底204之间具有上部竖直间隙206A和下部竖直间隙206B。在电极210和电极211之间还存在水平间隙208。水平间隙208可被称为电极间隙208。竖直间隙206A和竖直间隙206B是使DC偏置和AC信号沿Z轴正交于设备位移方向的致动边界。虽然未示出，但当在X-Y平面处从顶部查看时，CMUT 200可具有圆形形状、矩形形状或任何其他形状。
由于CMUT板202因为在边缘(板202的外周边区域202A)处的夹紧而在X方向上具有机械约束，因此位移自由度可主要在Z方向上。因此，即使致动在X方向上，但由于机械约束，X方向位移也可远小于Z方向位移。针对Z方向位移与X方向位移之间的关系，本公开的各种实施方案可具有例如10或更大的位移比。可以注意到，可针对CMUT 200的特定用途确定位移比。
各种参数可用于确定位移比。位移比可取决于各种变量(例如，用于板202和基底204的材料的类型、周边边缘202A的宽度等)。相对于图3讨论可用于确定位移比的一些尺寸。
虽然在图2以及在其他附图中示出了示例性配置，但应当理解，本公开允许也可以用于CMUT的各种其他配置。
基本上竖直的边缘可被称为非水平边缘。
图3示出了根据各种实施方案的图2的示例性CMUT的示例性适用尺寸。参考图3，示出了可类似于CMUT 200的CMUT 300的局部视图。位移比可使用例如板半径(Pr)302、质量半径(Mr)304、水平间隙(Gh)306、竖直间隙(Gv)307和309、质量厚度(Mt)305和板厚度(Pt)303。水平间隙306可被称为电极间隙306。
竖直间隙(Gv)307和309可彼此相等。竖直间隙(Gv)307和/或309可等于水平间隙(Gh)306。竖直间隙(Gv)307和/或309可大于水平间隙(Gh)306。各种间隙可以任何适当的单位诸如微米、纳米等来测量。
术语“EPI”可以是电吸合电压，或者是使电极在X方向上向彼此塌缩所需的DC偏置。术语“EMC”可用于机械塌缩所需的电压。机械塌缩被定义为当在一定的DC偏置下中心质量块203接触基底204的凹入部205的底部时的现象。
本公开的各种实施方案可将比率EPI/EMC保持为大约例如10或更大，以允许全摆幅机械Z位移。由于导电电极210在中心质量块203的边缘处，因此即使在机械塌缩的情况下，电极210和电极211之间也可能不存在短路。在EPI/EMC处于10或更大的示例性比率的情况下，可能不期望在机械塌缩之前发生电吸合。因此，可以看出，水平间隙与竖直间隙的比率(Gh/Gv)可限定CMUT的电操作点。另外，由于电极210和电极211发生短路的可能性较小，因此可不需要通常用于常规CMUT结构中的隔离层。
图4示出了根据各种实施方案的对示例性电容式显微机械加工的超声换能器的位移的模拟的示例性图。参考图4，示出了曲线图400，其中沿X轴具有以伏特为单位的DC偏置，并且沿Y轴具有归一化位移。曲线402示出了各种电压下的竖直间隙(Gv)309，曲线404示出了各种电压下的水平间隙(Gh)306。模拟的设计参数被设定为：
板半径(Pr)302＝100um
质量半径(Mr)304＝Pr/3
竖直间隙(Gv)307和309＝1归一化单位
水平间隙(Gh)306＝Gv/5＝0.2归一化单位
质量厚度(Mt)305＝2*Gv
板厚度(Pt)303＝1um
基于图4中模拟的CMUT的设计参数，竖直间隙(Gv)307和309中的每一者为1归一化单位，并且水平间隙(Gh)306为0.2归一化单位。从曲线图400的曲线402可以看出，存在机械塌缩，其中沿Z轴的1归一化单位的位移在略大于90伏时发生。在相同的电压下，从曲线404可以看出，中心质量块203的边缘的位移为约0.05归一化单位，远小于0.2归一化单位的水平间隙。
因此，可以看出，没有电吸合的情况下的机械塌缩清楚地表明了这样一个事实，即可以在不存在常规的吸合相关问题诸如短路、电介质充电等的情况下实现完全DC感应展宽。因此，本公开的各种实施方案可用作在塌缩中工作的设备，并且因此能够提供更宽的带宽、增加的线性度等。
图5示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图5，示出了CMUT 500，其类似于CMUT 200，不同的是板502的中心质量块503的边缘和基底504的凹入部505的边缘成对角。因此，电极506和电极507的取向也成对角。对角边缘也可以被称为非水平边缘，其中倾斜角可介于0°和90°之间。电极506和电极507之间的正交距离可被称为电极间隙508。
图6示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图6，示出了CMUT 600，其类似于CMUT 200，不同的是中心质量块603的边缘和凹入部605的边缘为波纹形。因此，电极606和电极607从电极608和电极609水平偏移。在电极606和电极607之间以及在电极608和电极609之间存在水平间隙610。水平间隙610可被称为电极间隙610。
波纹边缘也可以被称为非水平边缘。
图7示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图7，CMUT700类似于CMUT 200。CMUT 700包括具有中心质量块703的板702，以及基底704。在板702和基底704之间存在具有水平间隙708和竖直间隙706的电极710和电极711。
CMUT 700还包括中心块703中的凹入部703A。凹入部703A的具体尺寸可针对各种实施方案变化，并且凹入部703A的形状可以为各种形状中的任何一种。
图8示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图8，CMUT800类似于CMUT 500。CMUT 800包括具有中心质量块803的板802，以及基底804。在板802和基底804之间存在具有水平间隙808和竖直间隙806的电极810和电极811。
CMUT 800还包括中心质量块803中的凹入部803A。凹入部803A的具体尺寸可针对各种实施方案变化，并且凹入部803A的形状可以为各种形状中的任何一种。
图9示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图9，CMUT900类似于CMUT 600。CMUT 900包括具有中心质量块903的板902和具有凹入部905的基底904。存在具有水平间隙910的电极906和电极907以及具有水平间隙910的电极908和电极909。
CMUT 900还包括中心质量块903中的凹入部903A。凹入部903A的具体尺寸可针对各种实施方案变化，并且凹入部903A的形状可以为各种形状中的任何一种。
图10示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图10，CMUT 1000类似于CMUT 200或CMUT700，不同的是板1002耦接到基底1004，使得基底1004的基本上整个顶表面耦接到板1002的对应的底表面。在中心质量块1003中可存在凹入部1003A，其中凹入部1003A的具体尺寸针对各种实施方案可变化，并且凹入部1003A的形状可以为各种形状中的任何一种。在板1002和基底1004之间存在具有水平间隙1008和竖直间隙1006的电极1010和电极1011。
图11示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图11，CMUT 1100类似于CMUT 500或CMUT800。CMUT 1100包括具有中心质量块1103的板1102和具有凹入部1105的基底1104。板1102耦接到基底1104，使得基底1104的基本上整个顶表面耦接到板1102的对应的底表面。在中心质量块1103中可存在凹入部1103A，其中凹入部1103A的具体尺寸针对各种实施方案可变化，并且凹入部1103A的形状可以为各种形状中的任何一种。
图12示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图12，CMUT 1200类似于CMUT 600或CMUT900。CMUT 1200包括具有中心质量块1203的板1202和具有凹入部1205的基底1204。板1202耦接到基底1204，使得基底1204的基本上整个顶表面耦接到板1202的对应的底表面。在中心质量块1203中可存在凹入部1203A，其中凹入部1203A的具体尺寸针对各种实施方案可变化，并且凹入部1203A的形状可以为各种形状中的任何一种。
图13示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图13，示出了CMUT 1300的顶部剖视图(例如，X-Y平面)，示出了水平间隙1310的图案。还示出了侧面剖视图(例如，X-Z平面)1302和1304，示出了电极之间的水平间隙1312以及上部竖直间隙1314。水平间隙1312可类似于图3中的水平间隙306，并且上部竖直间隙1314可类似于图3中的上部竖直间隙307。
可以看出，剖视图1302针对水平间隙1310的外部部分，并且剖视图1304针对水平间隙1310的内部部分。
图14示出了根据各种实施方案的具有非共面致动和位移的示例性电容式显微机械加工的超声换能器(CMUT)的另一种配置。参考图14，示出了CMUT 1400的顶部剖视图(例如，X-Y平面)，示出了水平间隙1410的图案。还示出了侧面剖视图(例如，X-Z平面)1402和1404，示出了电极之间的水平间隙1412以及上部竖直间隙1414。水平间隙1412可类似于图3中的水平间隙306，并且上部竖直间隙1414可类似于图3中的上部竖直间隙307。
可以看出，剖视图1402针对水平间隙1410的外部部分，并且剖视图1404针对水平间隙1410的内部部分。
虽然示出了用于增加可分别用于CMUT 1300和CMUT 1400的水平间隙1310和水平间隙1410的电极的总表面积的两种示例性配置，但当从顶部(例如，X-Y平面)查看时，水平间隙可以为各种形状中的任何一种，诸如圆形、椭圆形、规则多边形或不规则多边形等。水平间隙可以为连续的如图13和图14所示的不完全围绕CMUT的一个或多个离散件，或者一起围绕CMUT的一个或多个离散件。因此，当从上方(例如，X-Y平面)查看时，CMUT的水平间隙可包括一个或多个间隙，其中每个间隙可以为具有任何图案的任何几何形状。
另外，当从顶部(例如，X-Y平面)查看时，任何CMUT可具有任何几何形状。例如，虽然CMUT 1300和CMUT 1400被示出为圆形，但是CMUT可以为椭圆形、卵形、多边形等。另外，虽然示出了若干配置，但本公开的各种实施方案不必限于此。例如，CMUT 200可类似于CMUT600具有多个电极210和211。即，虽然边缘可以为平面的，但可存在多个电极，该多个电极可以为多个电极210和对应的多个电极211。或者可存在与电极211不同数量的电极210，其中例如多个电极210可用于单个电极211，或反之亦然。
另外，中心质量块203、503、603、703、803、903等可具有与所公开的示例不同的形状。例如，中心质量块503可具有圆化的(凸形)边缘，并且基底504的凹入部505可具有圆化的(凸形)边缘，使得凹入部505可接纳中心质量块503。因此，本公开的各种实施方案可具有适当圆化的电极506和电极507。
然而，中心质量块的形状和/或基底的凹入部不需要仅限于本公开中提及的内容。相反，可使用任何适当的形状。此外，放置在中心块和/或凹入部的边缘表面上的电极可具有贴合边缘表面的形状或不同于边缘表面的形状。
另外，虽然对边缘、表面、电极进行了各种描述，但边缘、表面或电极可以为单个连续的边缘/表面/电极。例如，当中心质量块203为圆柱形时，中心质量块203可包括单个竖直表面。因此，CMUT 200可具有单个电极210和单个电极211。然而，即使在存在单个表面时，也可存在沿板202的中心质量块203的单个表面和/或基底204的凹入部205的单个表面以规则间隔放置的多个电极210和多个电极211。
此外，各种附图中所述的间隙可填充有流体例如空气，或者可包括一定水平的真空。因此，在本公开的各种实施方案中，电容式换能器可被配置为使得间隙是气密的。
虽然相对于电容式显微机械加工的超声换能器公开了各种实施方案，但是本公开可应用于除超声换能器之外的其他类型的换能器。例如，使用隔离层的MEMS设备可能能够使用所公开的实施方案来解决一个或多个隔离层中的充电问题。另外，虽然换能器在现场被描述为用于医学成像，但各种其他类型的成像也可以使用换能器。例如，除了对人、动物等进行超声成像之外，成像设备还可以用于超声/声学感测、无损评估(NDE)、超声治疗(高强度聚焦超声(HIFU))等。
因此，如可以看到的那样，本公开提供了一种电容式换能器，该电容式换能器包括：板，该板包括突出的中心质量块；基底，该基底具有被配置为接纳中心质量块的中心凹入部；第一电极，该第一电极耦接到中心质量块的非水平边缘表面；以及第二电极，该第二电极耦接到中心凹入部的非水平边缘表面。板可至少沿板和基底的外周边区域耦接到基底。
中心质量块的非水平边缘表面和中心凹入部的非水平边缘表面可以为基本上竖直的表面。中心质量块的非水平边缘表面和中心凹入部的非水平边缘表面可以为成角表面。中心质量块的非水平边缘表面和中心凹入部的非水平边缘表面可以为圆化的表面。中心质量块的非水平边缘表面和中心凹入部的非水平边缘表面可以为波纹形表面。
中心质量块的顶表面的至少一部分可以与板的顶表面的不是中心质量块的一部分不共面。基底的基本上整个顶表面可耦接到板的对应的底表面。
在中心质量块的底表面和中心凹入部的底表面之间可存在第一竖直间隙，并且在板的非中心质量块部分和基底的顶表面之间可存在第二竖直间隙。在第一电极和第二电极之间可存在水平间隙。第一竖直间隙可等于第二竖直间隙。水平间隙可等于第一竖直间隙和第二竖直间隙中的一者或两者。
第一竖直间隙、第二竖直间隙和水平间隙可填充有气体，例如空气。板和基底可被配置为耦接以在间隙周围形成气密屏障。第一竖直间隙、第二竖直间隙和水平间隙可包括基本上无气体的真空。
本公开的各种实施方案还可提供一种电容式换能器，该电容式换能器包括：电容式换能器，该电容式换能器包括具有突出的中心质量块的板、具有被配置为接纳中心质量块的中心凹入部的基底、耦接到中心质量块的非水平边缘表面的第一电极；以及耦接到中心凹入部的非水平边缘表面的第二电极。
板可以至少沿板和基底的外周边区域耦接到基底，并且中心质量块的非水平边缘表面和中心凹入部的非水平边缘表面可以为基本上竖直的表面。
在中心质量块的底表面和中心凹入部的底表面之间可存在第一竖直间隙，并且在板的非中心质量块部分和基底的顶表面之间可存在第二竖直间隙。在第一电极和第二电极之间可存在水平间隙。中心质量块的顶表面的至少一部分与板的顶表面的不是中心质量块的一部分不共面。
基底的基本上整个顶表面耦接到板的对应的底表面，并且水平间隙可等于第一竖直间隙和第二竖直间隙中的一者或两者。
本公开的各种实施方案还可以提供一种电容式换能器，该电容式换能器包括：板，该板包括突出的中心质量块；基底，该基底具有被配置为接纳中心质量块的中心凹入部；第一电极，该第一电极耦接到中心质量块的非水平边缘表面；以及第二电极，该第二电极耦接到中心凹入部的非水平边缘表面。
板可以至少沿板和基底的外周边区域耦接到基底，中心质量块的非水平边缘表面和中心凹入部的非水平边缘表面可以为基本上竖直的表面，并且中心质量块的顶表面的至少一部分与板的顶表面的不是中心质量块的一部分不共面。基底的基本上整个顶表面可耦接到板的对应的底表面。
如本文所用，术语“电路”是指物理电子部件(即，硬件)以及可配置硬件、由硬件执行以及/或者以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。例如，如本文所用，当执行一条或多条第一代码时，特定处理器和存储器可包括第一“电路”，并且在执行一条或多条第二代码时，特定处理器和存储器可包括第二“电路”。如本文所用，“和/或”表示列表中的由“和/或”连结的项中的任一个或多个项。例如，“x和/或y”表示三元素集{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。作为另一个示例，“x、y和/或z”表示七元素集{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何元素。如本文所用，术语“示例性”表示用作非限制性示例、实例或例证。如本文所用，术语“例如(e.g.)”和“例如(for example)”引出一个或多个非限制性示例、实例或例证的列表。如本文所用，电路“可操作为”和/或“被配置为”每当该电路包括执行功能的必需硬件和代码(如果需要的话)时就执行该功能，不管是否通过某些用户可配置的设置禁用或不启用该功能的执行。
虽然已参考某些实施方案对本公开进行了描述，但本领域的技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应于本公开的教导。因此，本公开不旨在限于所公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1.一种电容式换能器，包括：
板，所述板包括突出的中心质量块；
基底，所述基底具有被配置为接纳所述中心质量块的中心凹入部；
第一电极，所述第一电极耦接到所述中心质量块的非水平边缘表面；和
第二电极，所述第二电极耦接到所述中心凹入部的非水平边缘表面，
其中所述板至少沿所述板和所述基底的外周边区域耦接到所述基底。
2.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述中心质量块的所述非水平边缘表面和所述中心凹入部的所述非水平边缘表面为基本上竖直的表面。
3.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述中心质量块的所述非水平边缘表面和所述中心凹入部的所述非水平边缘表面为成角表面。
4.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述中心质量块的所述非水平边缘表面和所述中心凹入部的所述非水平边缘表面为圆化的表面。
5.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述中心质量块的所述非水平边缘表面和所述中心凹入部的所述非水平边缘表面为波纹形表面。
6.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述中心质量块的顶表面的至少一部分与所述板的顶表面的不是所述中心质量块的一部分不共面。
7.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中所述基底的基本上整个顶表面耦接到所述板的对应的底表面。
8.根据权利要求1所述的电容式换能器，其中：
在所述中心质量块的底表面和所述中心凹入部的底表面之间存在第一竖直间隙；
在所述板的非中心质量块部分与所述基底的顶表面之间存在第二竖直间隙；
在所述第一电极和所述第二电极之间存在水平间隙。
9.根据权利要求8所述的电容式换能器，其中所述第一竖直间隙等于所述第二竖直间隙。
10.根据权利要求8所述的电容式换能器，其中所述水平间隙等于所述第一竖直间隙和所述第二竖直间隙中的一者或两者。
11.根据权利要求8所述的电容式换能器，其中所述第一竖直间隙、所述第二竖直间隙和所述水平间隙填充有气体。
12.根据权利要求8所述的电容式换能器，其中所述第一竖直间隙、所述第二竖直间隙和所述水平间隙填充有空气。
13.根据权利要求8所述的电容式换能器，其中所述板和所述基底被配置为耦接以形成围绕所述间隙的气密屏障。
14.根据权利要求13所述的电容式换能器，其中所述第一竖直间隙、所述第二竖直间隙和所述水平间隙包括基本上无气体的真空。
15.一种电容式换能器，包括：
板，所述板包括突出的中心质量块；
基底，所述基底具有被配置为接纳所述中心质量块的中心凹入部；
第一电极，所述第一电极耦接到所述中心质量块的非水平边缘表面；和
第二电极，所述第二电极耦接到所述中心凹入部的非水平边缘表面，
其中：
所述板至少沿所述板和所述基底的外周边区域耦接到所述基底，
所述中心质量块的所述非水平边缘表面和所述中心凹入部的所述非水平边缘表面是基本上竖直的表面，
在所述中心质量块的底表面和所述中心凹入部的底表面之间存在第一竖直间隙，
在所述板的非中心质量块部分与所述基底的顶表面之间存在第二竖直间隙；并且
在所述第一电极和所述第二电极之间存在水平间隙。
16.根据权利要求15所述的电容式换能器，其中所述中心质量块的顶表面的至少一部分与所述板的顶表面的不是所述中心质量块的一部分不共面。
17.根据权利要求15所述的电容式换能器，其中所述基底的基本上整个顶表面耦接到所述板的对应的底表面。
18.根据权利要求15所述的电容式换能器，其中所述水平间隙等于所述第一竖直间隙和所述第二竖直间隙中的一者或两者。
19.一种电容式换能器，包括：
板，所述板包括突出的中心质量块；
基底，所述基底具有被配置为接纳所述中心质量块的中心凹入部；
第一电极，所述第一电极耦接到所述中心质量块的非水平边缘表面；和
第二电极，所述第二电极耦接到所述中心凹入部的非水平边缘表面，
其中：
所述板至少沿所述板和所述基底的外周边区域耦接到所述基底，
所述中心质量块的所述非水平边缘表面和所述中心凹入部的所述非水平边缘表面是基本上竖直的表面，并且
所述中心质量块的顶表面的至少一部分与所述板的顶表面的不是所述中心质量块的一部分不共面。
20.根据权利要求19所述的电容式换能器，其中所述基底的基本上整个顶表面耦接到所述板的对应的底表面。
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