本發(fā)明涉及一種超聲系統(tǒng)，包括：超聲陣列，其包括至少一個(gè)電容性微機(jī)械超聲換能器設(shè)備，所述至少一個(gè)電容性微機(jī)械超聲換能器設(shè)備包括：薄膜，所述薄膜被耦合到第一電極；襯底，所述襯底與所述薄膜相對(duì)并且被耦合到第二電極和第三電極，在所述襯底與所述薄膜之間存在氣體或真空腔，其中，所述第二電極在外圍區(qū)域中與第一電極相對(duì)并且第三電極在中心區(qū)域中與第一電極相對(duì)；至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，其被耦合到所述陣列，并且其適于：(a)通過(guò)在至少一個(gè)cmut設(shè)備的第一電極和第三電極上施加dc電壓而使薄膜進(jìn)入塌陷狀態(tài)中，在所述塌陷狀態(tài)中，所述薄膜塌陷到中心區(qū)域中的襯底，并且(b)通過(guò)在至少一個(gè)所述cmut設(shè)備中的第一電極和第二電極上施加具有cmut操作頻率的ac電壓來(lái)激活cmut設(shè)備。此外，本發(fā)明涉及一種用于在超聲系統(tǒng)中使用的cmut設(shè)備以及一種根據(jù)本發(fā)明的cmut設(shè)備的制造方法。

背景技術(shù)：

通常已知的電容性微機(jī)械超聲換能器設(shè)備是數(shù)十微米大小的隔膜狀單元，其包括彼此相對(duì)的兩個(gè)電極。對(duì)于發(fā)射而言，施加到電極的電容性電荷被調(diào)制以使設(shè)備的膈膜(薄膜)振動(dòng)/移動(dòng)并且由此發(fā)射聲波。被放置在聲波傳播的路徑中的物體反射所述波。反射的聲波引起薄膜的振動(dòng)，調(diào)制cmut換能器的兩個(gè)電極之間的電容，由此生成電信號(hào)。該信號(hào)表示命中薄膜的反射的聲波。

驅(qū)動(dòng)cmut設(shè)備的方式之一是在us8203912b2中所描述的所謂的“塌陷模式”?？邕@兩個(gè)電極所施加的dc致動(dòng)電壓足夠大以使薄膜電極朝向襯底電極偏移，從而使薄膜與襯底電極物理接觸并且形成塌陷區(qū)。在電極之間所施加的ac分量被用于移動(dòng)薄膜的活動(dòng)(active)區(qū)域(不接觸)。示意性的，cmut設(shè)備能夠被建模為并聯(lián)的兩個(gè)電容器?；顒?dòng)區(qū)域電容器ca由活動(dòng)區(qū)域形成，其中，ca值隨著薄膜電極與襯底電極之間的距離而變化。塌陷區(qū)域電容器cc由塌陷區(qū)域形成，并且對(duì)于給定dc電壓而言是恒定的。由于塌陷區(qū)域中的電極之間的小的距離，因而后者的電容是相對(duì)大的。cc與ca之間的大的比率對(duì)超聲陣列操作效率具有負(fù)面影響，其中，所述陣列包括這些cmut設(shè)備。在發(fā)射模式中，cc形成對(duì)驅(qū)動(dòng)器的不想要的電容負(fù)載，引起無(wú)助于聲發(fā)射功率的來(lái)回流動(dòng)的高電流。發(fā)射器的實(shí)際實(shí)施方案可以將該功率轉(zhuǎn)換為熱，因此，導(dǎo)致過(guò)熱和效率損失。這可能限制將發(fā)射器集成到cmut陣列上的可能性。在接收模式中，被轉(zhuǎn)換為電能的聲功率應(yīng)當(dāng)去往接收器。然而，與可變電容器并聯(lián)的大的電容器cc充當(dāng)對(duì)該信號(hào)的低通濾波器，降低設(shè)備的靈敏度。

在us8203912b2中描述了部分地解決這些缺點(diǎn)的方式之一。三端子電容性微機(jī)械超聲換能器設(shè)備包括分裂成被布置在中心區(qū)域和外圍區(qū)域中的兩個(gè)電極的襯底電極：第一電極和第二電極。所述第一電極和所述第二電極被布置在晶圓的公共平面內(nèi)的橫向間隔的關(guān)系中。被定位在晶圓上方的薄膜電極包括被設(shè)置在與第一電極的塌陷間隔關(guān)系中的中心區(qū)域，以及被定位在中心區(qū)域外面并且被設(shè)置在與第二電極的塌陷間隔關(guān)系中的外圍區(qū)域。

所述第一電極和所述第二電極被建議以彼此電氣分離，使得不同的偏置電壓能夠被施加在所述第一電極與所述薄膜電極之間；以及所述第二電極與所述薄膜電極之間。盡管該技術(shù)方案允許隔離塌陷中心區(qū)域的寄生電容，其中，所述薄膜被塌陷朝向第一電極；三端子cmut的實(shí)際實(shí)現(xiàn)使以額外復(fù)雜性提供cmut設(shè)備與cmut相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)電子器件之間的相互連接。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種在開(kāi)始段落中所闡述的類別的超聲系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)利用降低的技術(shù)努力對(duì)所述超聲陣列的經(jīng)改進(jìn)的并且高效的電壓供應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明，該目標(biāo)是通過(guò)提供一種超聲系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中，在至少一個(gè)電容性微機(jī)械超聲換能器設(shè)備中，當(dāng)薄膜處在塌陷狀態(tài)中并且所述cmut設(shè)備在操作頻率處被激活時(shí)，所述第三電極經(jīng)由具有比所述第一電極與所述第二電極之間的ac阻抗更高的阻抗值的高阻抗電阻器被電氣地耦合到所述第二電極。

所述超聲系統(tǒng)的該有利的設(shè)計(jì)提供了驅(qū)動(dòng)cmut設(shè)備所要求的降低至兩個(gè)的端子的量。所述高阻抗電阻器，其具有比所述第一電極與所述第二電極之間的ac阻抗的阻抗值更高的阻抗值，對(duì)ac源和dc源的阻抗負(fù)載進(jìn)行重新分布。所述電阻器的該高阻抗值降低了通過(guò)dc阻抗負(fù)載的ac電流，使得在第一近似中，所述ac源驅(qū)動(dòng)由活動(dòng)區(qū)域電容器ca所確定的阻抗。由于僅需要每cmut設(shè)備(或若干cmut設(shè)備)一個(gè)dc源，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了對(duì)所述cmut設(shè)備和相互連接的電氣方案要求。因此，可以僅兩端子被用于驅(qū)動(dòng)cmut設(shè)備。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，在所述陣列中的兩個(gè)或更多個(gè)電容性微機(jī)械超聲換能器陣列的所述第二電極和所述第三電極被耦合到單個(gè)高阻抗電阻器。

該實(shí)施例描述了這樣一種情況，在該情況中，在兩個(gè)或更多個(gè)cmut設(shè)備之間共享高阻抗電阻器。來(lái)自多個(gè)cmut設(shè)備的所述第二電極能夠經(jīng)由相同的高阻抗電阻器被耦合到這些設(shè)備的對(duì)應(yīng)第三電極。該配置可以有益地用在高聚焦超聲(hifu)應(yīng)用中，其中，多個(gè)cmut設(shè)備可以由一個(gè)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述高阻抗電阻器具有10kohm與5mohm之間或者具體是500kohm與1mohm之間的阻抗值。

該實(shí)施例描述了所提出的超聲系統(tǒng)在寬范圍的操作頻率中的應(yīng)用：例如，從1mhz到15mhz。能夠在從3mhz到5mhz的頻率范圍中的通用成像模式中的所述超聲系統(tǒng)的經(jīng)改進(jìn)的性能中提供500kohm與1mohm之間的阻抗值。

在又一實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)電路(45')包括dc電壓源和ac電壓源。

能夠?qū)崿F(xiàn)所述驅(qū)動(dòng)電路，組合分立的dc電壓源和ac電壓源。

在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，所述高阻抗電阻器(r)包括具有等于或小于7nm或者具體在2nm與4nm之間的薄片層。

該實(shí)施例提供了實(shí)現(xiàn)所述高阻抗電阻器的方式之一。對(duì)于最常見(jiàn)的醫(yī)學(xué)超聲應(yīng)用而言，當(dāng)所述設(shè)備在所述塌陷狀態(tài)中操作時(shí)，具有減小的厚度(下降至7nm或者在2nm與4nm之間)的薄片層可以提供比所述第一電極與所述第二電極之間的所述ac阻抗的阻抗值更高的阻抗值。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，包括薄層的所述電阻器能夠被更容易地集成到所述cmut單元制造流程中。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述薄片層是tin。

氮化鈦材料的薄層示出了在減小到低于10nm厚度的情況下的增加的電阻率。tin薄膜的所述電阻率能夠從5nm層厚度處的大約0.5kohm/平方變化到2nm層厚度處的大約5kohm/平方。

本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于制造電容性微機(jī)械超聲換能器設(shè)備的方法，包括：

提供襯底；

提供圖案化電極層，所述圖案化電極層定義被嵌入在所述襯底中的第三電極和第二電極；

定義氣體或真空腔；

提供薄膜，所述薄膜與所述襯底相對(duì)，在所述薄膜與所述襯底之間存在間隙；

提供被嵌入在所述薄膜中的圖案化的第一電極層；

提供絕緣層，所述絕緣層將所述第一電極與所述第二電極和所述第三電極隔離；

通過(guò)應(yīng)用原子層沉積(ald)技術(shù)來(lái)提供高阻抗電阻器的薄片層；

經(jīng)由所述高阻抗電阻器將所述第三電極與所述第二電極電氣地耦合。

所述方法描述了與經(jīng)由薄片層圖案化實(shí)現(xiàn)的集成有高阻抗電阻器的cmut設(shè)備的制造流程，其中，所述薄片是使用ald技術(shù)來(lái)沉積的。所述ald技術(shù)提供了針對(duì)所述薄層材料的受控的沉積條件，其導(dǎo)致在整個(gè)所述超聲陣列上的所定義的薄層厚度。所述方法可以被實(shí)施在工業(yè)制造流程中，提供具有相當(dāng)?shù)碾姎馓匦缘牟僮餍詂mut設(shè)備的高產(chǎn)量。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述方法還包括調(diào)節(jié)所述絕緣層(130)的厚度和材料選擇以便使塌陷區(qū)域電容器(cc)變化的步驟。

為了提供所述陣列中的cmut設(shè)備操作的額外的穩(wěn)定性，能夠使所述塌陷區(qū)域電容器(cc)的值變化。例如，增加cc的可能方式能夠是：當(dāng)所述薄膜處在塌陷狀態(tài)中時(shí)，減小所述絕緣層的厚度，因此使所述第一電極更靠近所述第三電極；和/或選擇具有更高的介電常量的絕緣材料，因此增加所述第一電極與其他電極之間的電場(chǎng)。

本發(fā)明的這些和其他方面將從在下文所描述的實(shí)施例而顯而易見(jiàn)并且參考在下文所描述的實(shí)施例得以闡述。

附圖說(shuō)明

在附圖中：

圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的包括兩端子的cmut設(shè)備的截面；

圖2圖示了在塌陷模式中操作的cmut設(shè)備，其中，單元薄膜塌陷到襯底；

圖3(a)示意性描繪了根據(jù)本發(fā)明的兩端子cmut設(shè)備的簡(jiǎn)化電氣模型；圖3(b)示意性描繪了針對(duì)實(shí)施例的簡(jiǎn)化電氣模型，其中，陣列中的兩個(gè)或更多個(gè)電容性微機(jī)械超聲換能器設(shè)備的第二電極和第三電極被耦合到單個(gè)高阻抗電阻器；

圖4(a)圖示了具有蜿蜒形狀的高阻抗電阻器的頂視圖；圖4(b)圖示了針對(duì)蜿蜒形狀高阻抗電阻器所提出的接觸墊的近視圖；

圖5圖示了包括集成高阻抗電阻器的cmut設(shè)備的相應(yīng)的表示；

圖6描繪了高阻抗電阻器的制造流程；并且

圖7以框圖形式圖示了被布置為根據(jù)本發(fā)明的原理來(lái)操作的超聲成像系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明的實(shí)施方案中，超聲換能器陣列10'(圖7)的元件包括cmut設(shè)備。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的cmut設(shè)備1的實(shí)施例。柔性薄膜或隔膜114被懸置在襯底112上方(相對(duì)的)，在所述柔性薄膜或隔膜114與所述襯底112之間存在間隙8。所述襯底要么能夠由硅、要么能夠由另一cmos相容材料(諸如玻璃)制成。第一電極s1被耦合到單元薄膜114并且能夠與薄膜114一起移動(dòng)。在圖1中所示的實(shí)施例中，第二電極s2被嵌入到cmut單元的外圍區(qū)域302中的襯底112中。所述cmut設(shè)備的第三電極s3被嵌入到在中心區(qū)域303中與第一電極s1相對(duì)的襯底112中。

能夠考慮電極s1設(shè)計(jì)的其他實(shí)現(xiàn)方式，諸如電極s1可以被嵌入在薄膜114中或者其可以被沉積在薄膜114上作為附加層。在該范例中，薄膜層114相對(duì)于襯底層112的頂面被固定并且被配置和被設(shè)定尺寸以定義薄膜層114與襯底層112之間的球形或圓柱形腔8。第二電極s2和第三電極s3可以被布置在襯底112的公共平面內(nèi)的橫向間隔的關(guān)系中。第二電極s2可以以環(huán)形形狀被布置在外圍區(qū)域302中并且第三電極s3可以被圓形地配置在與環(huán)形形狀第三電極s3形成同心圓的中心區(qū)域303內(nèi)。

單元以及其腔8可以具有備選的幾何結(jié)構(gòu)。例如，腔8可以限定矩形或正方形截面、六邊形截面、橢圓截面、或不規(guī)則的截面。在本文中，對(duì)cmut單元的直徑的引用應(yīng)當(dāng)被理解為單元的最大橫向尺寸。

襯底電極：第二電極s2和第三電極s3通常利用附加絕緣層130在其面對(duì)腔的表面上是絕緣的。優(yōu)選的絕緣層是在第三電極b上方和第一電極s1下方形成的在基于四乙基硅烷(teos)的pecvd工藝中所沉積的二氧化硅(sio2)介電層。針對(duì)絕緣層130的備選材料能夠是氧化物-氮化物-氧化物(ono)、高k電介質(zhì)和氧化物(氧化鋁、包括基于硅酮sih4的pecvdsio2的各種等級(jí))。還能夠使用原子層沉積(ald)技術(shù)來(lái)沉積高k電介質(zhì)和氧化物。所述絕緣層可以有利地減少電荷積聚，電荷積聚會(huì)導(dǎo)致設(shè)備不穩(wěn)定性和聲輸出壓力的漂移和減小。所述絕緣層的使用對(duì)于具有塌陷薄膜的cmut是期望的，其將參考圖2在下文中進(jìn)行描述。該類型的cmut比利用懸置膜操作的cmut更易于電荷保留。所公開(kāi)的部件可以由cmos相容材料(例如，al、ti、氮化物(例如，氮化硅)、氧化物(各種等級(jí)、熱或基于teos/sih4lpcvd/pecvd的)、僅硅等來(lái)制作。在cmos制作中，例如，氧化物和氮化物層可以由化學(xué)氣相沉積來(lái)形成并且金屬化(電極)層可以由飛濺工藝來(lái)放置。適合的cmos工藝是lpcvd和pecvd，后者具有小于400℃的相對(duì)低的操作溫度。用于產(chǎn)生所公開(kāi)的腔8的示范性技術(shù)涉及在添加薄膜層114的頂面之前定義薄膜層114的初始部分中的腔。在圖1中所描繪的示范性實(shí)施例中，腔8的直徑可以比第二電極s2的直徑更大。第二電極s2和第三電極s3可以是相對(duì)于cmut單元的中心環(huán)形并且同軸間隔開(kāi)的?？梢栽谒练e的導(dǎo)電材料的相同圖案化步驟期間形成這些電極。

cmut制作工藝能夠要么包括“犧牲釋放工藝”，其中，通過(guò)首先將犧牲層應(yīng)用在襯底上，然后施加跟隨有利用選擇性蝕刻劑移除犧牲層的薄膜層，來(lái)形成薄膜下面的腔；要么包括“晶圓結(jié)合工藝”，其中，在主晶圓上形成腔，并且在另一晶圓中形成薄膜，然后，這兩個(gè)晶圓被結(jié)合在一起，諸如形成由薄膜所界定的腔(b.t.khuri-yakub，j.micromech.microeng.21(2011)054004)。

根據(jù)本發(fā)明的原理，cmut設(shè)備1包括高阻抗電阻器r，高阻抗電阻器r將第二電極s2和第三電極s3電氣地耦合。cmut設(shè)備1還包括被耦合到第二電極s2的ac源和dc源。

cmut單元的第一電極s1以及與之相對(duì)的第二s2電極和第三s3電極(其經(jīng)由電阻器r被電氣耦合到彼此)提供cmut設(shè)備的電容板，并且腔8與附加絕緣層130相組合的間隙形成電容器的板之間的電介質(zhì)。

通過(guò)將dc偏置電壓從dc源施加到第二電極s2來(lái)控制相對(duì)電極(s1與s2/s3)之間的間隔。為了發(fā)射，第一電極s1和第二電極s2由驅(qū)動(dòng)電路45'來(lái)驅(qū)動(dòng)(控制)，其a.c.信號(hào)(電壓)使得薄膜振動(dòng)并且發(fā)射聲信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路45'能夠包括分立的dc電壓源和ac電壓源，如在圖1中所示的。cmut單元1的襯底112能夠被耦合到專用電路(asic)層的頂表面(未示出)。盡管在圖1中驅(qū)動(dòng)電路45'被描繪為分立的元件，但是應(yīng)當(dāng)理解，驅(qū)動(dòng)電路45'可以被實(shí)施為由asic所提供的電路電子器件的一部分。cmut單元要么能夠在cmos工藝的序列中被制造在asic的頂部上，要么能夠通過(guò)例如倒裝芯片技術(shù)被附接到asic。

圖2圖示了在塌陷模式中操作的cmut設(shè)備1'的優(yōu)選范例，其中，cmut設(shè)備1'的薄膜114塌陷朝向中心區(qū)域303附近的襯底。在操作的塌陷模式期間，薄膜114的一部分與中心區(qū)域303周圍的襯底相接觸并且其懸置部分(被定位在外圍區(qū)域302附近并且此處被定義為活動(dòng)區(qū)域)能夠適于在所施加的電氣信號(hào)下移動(dòng)/振動(dòng)。

在圖3(a)中示意性示出了cmut設(shè)備1'的簡(jiǎn)化電氣模型。所述cmut設(shè)備能夠被建模為利用高阻抗電阻器r并聯(lián)連接的、由活動(dòng)區(qū)域形成的活動(dòng)區(qū)域電容器ca、以及由塌陷區(qū)域形成的塌陷區(qū)域電容器cc。在該模型中，cmut設(shè)備的輸入阻抗是其中，za＝1/(2πfca)是由活動(dòng)區(qū)域電容器引起的阻抗，在下文中還被稱為第一電極與第二電極之間的ac阻抗；并且zrc＝r+zc＝r+1/(2πfcc)是高阻抗電阻器的電阻值和由塌陷區(qū)域電容器(zc)引起的阻抗的和；并且f是cmut設(shè)備的操作頻率。

在塌陷模式的條件中，當(dāng)薄膜114塌陷到襯底112并且高阻抗電阻器具有比ac阻抗更高的阻抗值r＞＞1/(2πfca)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路45'的ac源分量主要驅(qū)動(dòng)由ac阻抗所確定的負(fù)載。換言之，ac電流分量主要流動(dòng)通過(guò)第一電極與第二電極之間的ac阻抗。在該條件中，dc源通過(guò)高阻抗電阻器r對(duì)塌陷區(qū)域電容器進(jìn)行充電。

在該布置中，其甚至可以有益于增加cc的值。在dc源現(xiàn)在經(jīng)由高阻抗電阻器被連接到cc時(shí)，當(dāng)命中cmut的聲波將趨向于將單元薄膜拉動(dòng)遠(yuǎn)離中心區(qū)域303而脫離塌陷狀態(tài)時(shí)，是在cc中的電荷能夠在回波接收事件期間將薄膜保持在塌陷狀態(tài)中。

在具體范例中，cmut單元具有120微米的直徑的圓形截面、3微米的薄膜厚度、300納米的間隙寬度(從襯底到薄膜的距離)、420納米厚度的絕緣層130；以及4.3的介電常數(shù)。對(duì)于低于80v的dc偏置電壓而言，cmut設(shè)備的塌陷區(qū)域電容cc粗略地是0.17pf。當(dāng)dc電壓值接近80v時(shí)，單元薄膜接觸所述腔的相對(duì)側(cè)并且進(jìn)入到塌陷狀態(tài)中。塌陷區(qū)域電容值逐步地改變到0.3pf。由于塌陷區(qū)域面積的增加，cc值隨著dc電壓值的增加而增加?；顒?dòng)區(qū)域電容ca比cc值低大約10倍。將cc的值取為0.4pf(在大約140vdc電壓處)；將ca的值取為0.04pf(比cc低十倍)；cmut設(shè)備的操作頻率是5mhz，針對(duì)高阻抗電阻器的阻抗的下限是1/(2πfca)≈8mohm。對(duì)于給定的cmut單元設(shè)計(jì)而言，根據(jù)本發(fā)明的原理，高阻抗電阻器的阻抗應(yīng)當(dāng)大于8mohms。

使用用于計(jì)算的相同參數(shù)，我們估計(jì)針對(duì)不同頻率的電阻器的阻抗值：

需要注意的是，活動(dòng)區(qū)域電容可以隨著醫(yī)學(xué)應(yīng)用而變化，例如，每設(shè)備0.05pf到0.5pf。因此，在5mhz處，ac阻抗將在60kohm與600kohm之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，高阻抗電阻器值(r)可以比za高若干倍，例如，500kohm到1mohm?；卺槍?duì)給定cmut陣列操作的可接受的損耗，可以選擇r的下限。

在另一實(shí)施例中，在被布置在超聲陣列中的兩個(gè)或更多個(gè)cmut設(shè)備之間共享高阻抗電阻器。在圖3(b)中示出該實(shí)施例的簡(jiǎn)化電氣模型。來(lái)自兩個(gè)cmut設(shè)備的第二電極能夠經(jīng)由相同高阻抗電阻器(r)被耦合到這些設(shè)備的對(duì)應(yīng)的第三電極。與單個(gè)cmut設(shè)備的ac阻抗值相比較，該配置允許被用于“共享”cmut設(shè)備的高阻抗電阻器的下限，因?yàn)楝F(xiàn)在總ac阻抗是由并聯(lián)連接的每個(gè)共享設(shè)備的ac阻抗所確定的。

該實(shí)施例可以有益地用在高聚焦超聲(hifu)應(yīng)用或超聲消融治療中，其中，陣列中的多個(gè)cmut設(shè)備可以通過(guò)由驅(qū)動(dòng)電路45'供應(yīng)的一個(gè)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)。

此外，我們描述了將高阻抗電阻器r集成到cmut設(shè)備中的方式。圖4(a)圖示了具有蜿蜒形狀的高阻抗電阻器的頂視圖。所述蜿蜒形狀提供針對(duì)能夠被設(shè)置在cmut單元附近的襯底(112)上的電阻器的緊致布置，使得cmut設(shè)備的第三電極和第二電極能夠經(jīng)由圖4(b)中所圖示的接觸墊被電氣地耦合到電阻器。在圖5中圖示了包括具有集成高阻抗電阻器r的同軸電極(s1、s2、s3)的圓形截面cmut設(shè)備的三維表示。

在單片集成方法中，超聲傳感器陣列被制造在cmos芯片的頂部上。這可以顯著地限制可用的處理步驟的數(shù)目；主要限制可能來(lái)自需要保持小于450c的最大允許處理溫度。

在接下來(lái)的實(shí)施例中，我們描述了使用薄片層技術(shù)來(lái)制造集成高阻抗電阻器r的方法。能夠根據(jù)以ohm/sq為單位的‘板阻抗’(rsh)來(lái)描述薄片的電阻，其中，具有寬度w和長(zhǎng)度l的線路的電阻被定義為rsh*l/w。系數(shù)l/w被縮寫為(單位)平方數(shù)。rsh與電阻率(以[ohm·cm]為單位的ρ)，并且片層厚度(以[cm]為單位的t)作為rsh＝ρ/t。

針對(duì)高阻抗電阻器實(shí)施方案中的薄片應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是由片質(zhì)量控制以及貫穿制造步驟的所要求的穩(wěn)定性。為了質(zhì)子具有rsh>200ohm/sq的薄片，要求超薄片(<10nm)。以可重現(xiàn)的方式對(duì)這些薄片的制造對(duì)于等離子氣相沉積(通常被用于數(shù)10直到數(shù)100nm的沉積)是困難的；對(duì)于超薄片而言，厚度可能難以在器械在其靈敏度(功率/氣流等)的閾值處操作時(shí)進(jìn)行控制。此外，許多金屬可以在暴露于空氣(或者甚至真空系統(tǒng)中的殘余的氧氣/h2o)時(shí)氧化。被認(rèn)為是“防氧化劑”(散裝)的金屬將該特性歸因于停止將氧氣耗散到表面以防止進(jìn)一步的氧化的薄自然氧化物(通常為數(shù)nm)。對(duì)于許多應(yīng)用而言，忽略該氧化物。然而，對(duì)于亞10nm的薄片而言，自然氧化物是層的重要部分。因此，所得到的薄片電阻取決于其(a.w.groenland，nanolink-basedthermaldevices:integrationofaldtinthinfilms，phdthesis，universityoftwente，2011年，isbn978-90-365-3213-6)；h.vanbui等人，ultra-thinatomiclayerdepositedtinfilms：non-lineari–vbehaviourandtheimportanceofsurfacepassivation,journalofnanoscienceandnanotechnology，第11卷，8120-8125，2011年)。

因此，需要解決待集成到cmut制造流程中的薄片材料的仔細(xì)選擇以及其沉積方法。

氮化鈦(tin)能夠被用作薄片實(shí)現(xiàn)的高阻抗電阻器的材料之一。在h.vanbui，conductionandelectricfieldeffectinultra-thintinfilms，appl.phys.lett.103，051904(2013)中描述了借助于原子層沉積(ald)來(lái)沉積的超薄tin片的電阻率。應(yīng)當(dāng)觀察到，tin電阻率是片厚度的函數(shù)，并且隨著薄片層的減少的厚度而指數(shù)地增加。

例如，可以使用示出1600ohm/sq的頁(yè)片電阻的2.5nm厚的aldtin層以及與cmos后處理兼容的大約0/k的電阻器的溫度系數(shù)來(lái)制造高阻抗電阻器。

對(duì)于cmut設(shè)備中的應(yīng)用而言，可能期望120μa(在500kω上的60v)的峰值電流，導(dǎo)致大約5*10⁶a/cm²的最大電流密度。盡管對(duì)于像鋁或銅的軟金屬而言這是電遷移的起始，但是aldtin層示出了在這些密度電流處的更高的穩(wěn)定性(w.groenland等人，fourpointprobestructureswithburiedandsurfaceelectrodesfortheelectricalcharacterizationofultrathinconductingfilms，ieeetransactionsonsemiconductormanufacturing，第25卷，第2號(hào)，2012年5月)。

在優(yōu)選實(shí)施例中，tin的薄層厚度能夠小于7nm，具體是從2nm到4nm。應(yīng)當(dāng)注意，給定厚度對(duì)應(yīng)于非氧化薄片。在部分氧化的薄片(其可以發(fā)生在晶粒邊界上，從而快速地增加電阻)的情況下，能夠使用更厚的tin薄片(10nm或更多)。

在圖6中詳細(xì)示出了高阻抗電阻器的制造步驟流程。在步驟(a)中，提供了絕緣襯底112。在與asic單片集成的情況下，襯底112可以已經(jīng)包括埋入集成電路。步驟(b)圖示了蝕刻停止層201的沉積。具有5/20nm的厚度的ti/pt的雙層對(duì)應(yīng)地可以被選擇為蝕刻停止層201。其具有在ald中的低地形、低氧化、良好的ticl4成核并且能夠利用光刻組合離子束蝕刻或剝離技術(shù)來(lái)圖案化。備選地，能夠使用濕化學(xué)或干蝕刻工藝圖案化的tin或tiw。此外，在步驟(c)中，tin202的薄片層是從ticl4和nh3氣體由ald沉積的。確切的沉積條件取決于壓力(通常為2-3*10^-2mbar)和脈沖計(jì)時(shí)(通常為2s的ticl4和2s的nh3曝光)。對(duì)于tin的2.5nmald薄片而言，ticl4/nh3周期的典型數(shù)目是300，然而，沉積速率(/周期)可以是器械特異性的，以及初始成核方案。為了確保薄片層的穩(wěn)定性，在步驟(d)中，在沒(méi)有真空破壞的情況下，鈍化層203被沉積在tin層的頂部。鈍化層的范例是15nm的a-si或al2o3。例如，步驟(e)圖示了使用光刻法的圖案化步驟。該步驟通過(guò)從先前沉積層釋放襯底部分204來(lái)定義高阻抗電阻器的形狀。步驟(f)包括相對(duì)厚的金屬間電介質(zhì)205(0.5-2微米的pecvdteos)的沉積。層的厚度可以被選擇以使與被沉積在該層的頂部上的cmut電極(例如，s2和s3)相耦合的電容最小化。在步驟(g)中，通過(guò)例如使用濕或干蝕刻來(lái)創(chuàng)建下至蝕刻停止層201的過(guò)孔206。在步驟(h)中，通過(guò)對(duì)接觸金屬層207的沉積和圖案化來(lái)提供電氣接觸。接觸金屬層能夠是利用光刻膠濕化學(xué)圖案化的鋁(大約290nm厚)。

如果犧牲釋放工藝被用于cmut制作，接觸金屬層207可以形成cmut設(shè)備的圖案化電極層，其將進(jìn)一步定義被嵌入襯底112中的第二電極s2和第三電極s3。此外，可以使用cmut制作的標(biāo)準(zhǔn)步驟。

圖4(a)中的蜿蜒形狀的高阻抗電阻器具有60×60微米的橫向尺寸并且能夠與具有60微米的直徑的cmut設(shè)備集成，如在圖5中所圖示的。圖4(b)中所示的接觸墊的特寫頂視圖具有蝕刻停止層201和接觸過(guò)孔206(省略用于連接的接觸金屬)。對(duì)于2.5nm厚度的aldtin薄片層而言，該尺寸的電阻器具有1700sq的長(zhǎng)度并且提供大約2.7mohm的阻抗。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，腔8周圍的電極的對(duì)稱交換配置可以提供對(duì)技術(shù)問(wèn)題的類似方案。亦即，第一電極可以被嵌入襯底112中，而第二電極和第三電極能夠是柔性單元薄膜114的一部分。

參考圖7，以框圖形式示出了具有cmut陣列探頭10的超聲診斷成像系統(tǒng)。cmut換能器陣列10’是能夠在2d平面中或者在用于3d成像的三個(gè)維度中進(jìn)行掃描的換能器元件的二維陣列。在3d成像并且有時(shí)在2d成像的情況下，換能器陣列被耦合到探頭中的微波束形成器12，其控制由cmut陣列設(shè)備對(duì)信號(hào)的發(fā)送和接收。微波束形成器能夠?qū)τ蓳Q能器元件的組或“片塊”所接收的信號(hào)進(jìn)行至少部分地波束形成，如在美國(guó)專利5997479(savord等人)、6013032(savord)和6623432(powers等人)中所描述的。微波束形成器被耦合到發(fā)送/接收(t/r)開(kāi)關(guān)16，其在發(fā)送模式與接收模式之間切換。在微波束形成器12的控制下，來(lái)自換能器陣列10的超聲波束的發(fā)射由被耦合到t/r開(kāi)關(guān)和主系統(tǒng)波束形成器20的換能器控制器18來(lái)引導(dǎo)。換能器控制器18還接收來(lái)自用戶接口或控制面板38的用戶的操作的輸入。由換能器控制器控制的功能之一是波束轉(zhuǎn)向和聚焦的方向。波束可以被轉(zhuǎn)向至(正交于)換能器陣列正前方或者處在不同的角度處以獲得較寬的視場(chǎng)。換能器控制器18能夠被耦合以控制用于cmut陣列10'的dc驅(qū)動(dòng)電路45。dc驅(qū)動(dòng)電路45控制用于設(shè)置能夠被施加到cmut單元的(一個(gè)或多個(gè))電壓的(一個(gè)或多個(gè))dc源和ac源。dc驅(qū)動(dòng)電路可以具有與圖1中的驅(qū)動(dòng)電路45'相同的功能或者能夠具有額外功能，這取決于醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

在接收期間，由微波束形成器12(在其被使用的情況下)產(chǎn)生的部分波束形成的信號(hào)被耦合到主波束形成器20，其中，來(lái)自換能器元件的個(gè)體片塊的部分波束形成信號(hào)組合為完全波束形成的信號(hào)。例如，主波束形成器20可以具有128個(gè)信道，其中的每個(gè)信道從數(shù)十或數(shù)百個(gè)cmut換能器單元的片塊接收部分波束形成的信號(hào)。以這種方式，由cmut換能器陣列的數(shù)千個(gè)換能器元件所接收的信號(hào)能夠高效地有助于單個(gè)波束形成的信號(hào)。

波束形成的信號(hào)被耦合到信號(hào)處理器22。信號(hào)處理器22能夠以各種方式(諸如帶通濾波、抽樣、i和q分量分離、以及諧波信號(hào)分離)來(lái)處理所接收的回波信號(hào)，其用于將線性信號(hào)和非線性信號(hào)進(jìn)行分離，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)從組織和微泡返回的非線性(基本頻率的高次諧波)回波信號(hào)的識(shí)別。信號(hào)處理器還可以執(zhí)行額外的信號(hào)增強(qiáng)，諸如斑點(diǎn)抑制、信號(hào)復(fù)合、以及噪聲消除。

經(jīng)處理的信號(hào)被耦合到b模式處理器26和多普勒處理器28。b模式處理器26采用對(duì)所接收的回波信號(hào)的幅度的檢測(cè)，以用于對(duì)身體中的結(jié)構(gòu)(諸如身體中的器官和血管的組織)的成像。要么可以以諧波圖像模式、要么可以以基本圖像模式、要么可以以這兩者的組合來(lái)形成身體的結(jié)構(gòu)的b模式圖像，如在美國(guó)專利6283919(roundhill等人)和美國(guó)專利6458083(jago等人)中所描述的。多普勒處理器28處理來(lái)自組織移動(dòng)和血液流動(dòng)的在時(shí)間上不同的信號(hào)，以用于檢測(cè)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，諸如圖像場(chǎng)中的血液細(xì)胞的流動(dòng)。多普勒處理器28通常包括具有如下參數(shù)的壁濾波器，所述參數(shù)可以被設(shè)定以使從身體中的選定類型的材料返回的回波通過(guò)和/或拒絕。例如，所述壁濾波器能夠被設(shè)定為具有帶通特性，其使來(lái)自更高速度的材料的相對(duì)低幅度的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)拒絕來(lái)自更低或零速度的材料的相對(duì)強(qiáng)的信號(hào)。該通帶特性將使來(lái)自流動(dòng)血液的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)拒絕來(lái)自附近固定或緩慢移動(dòng)對(duì)象(諸如心臟的壁)的信號(hào)。逆特性將使來(lái)自心臟的移動(dòng)組織的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)拒絕血流信號(hào)，針對(duì)所述血流信號(hào)的被稱為檢測(cè)和描繪組織的運(yùn)動(dòng)的多普勒成像。多普勒處理器28接收并處理來(lái)自圖像場(chǎng)中的不同點(diǎn)的、在時(shí)間上分立的回波信號(hào)的序列，來(lái)自特定點(diǎn)的回波的序列被稱為集合。在相對(duì)短間隔上的快速連續(xù)接收的回波的集合能夠被用于利用多普勒頻率與指示血流速度的速度的對(duì)應(yīng)性來(lái)估計(jì)流動(dòng)血液的多普勒移頻。在更長(zhǎng)的時(shí)間段上所接收的回波的集合被用于估計(jì)更慢的流動(dòng)血液或緩慢移動(dòng)組織的速度。

由b模式和多普勒處理器所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)信號(hào)被耦合到掃描轉(zhuǎn)換器32和多平面重定格式化器44。所述掃描轉(zhuǎn)換器以一定空間關(guān)系來(lái)布置回波信號(hào)，根據(jù)所述空間關(guān)系，以期望的圖像格式接收所述回波信號(hào)。例如，所述掃描轉(zhuǎn)換器可以將回波信號(hào)布置為二維(2d)矢量形狀格式或錐形三維(3d)圖像。所述掃描轉(zhuǎn)換器能夠?qū)模式結(jié)構(gòu)圖像與對(duì)應(yīng)于圖像場(chǎng)中的點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)的且與其多普勒估計(jì)的速度相對(duì)應(yīng)的顏色相疊加來(lái)產(chǎn)生彩色多普勒?qǐng)D像，其描繪圖像場(chǎng)中的組織和血流的運(yùn)動(dòng)。多平面重定格式化器將從身體的體積區(qū)域中的公共平面中的點(diǎn)接收的回波轉(zhuǎn)換為該平面的超聲圖像，如在美國(guó)專利6443896(detmer)中所描述的。體積繪制器42將3d數(shù)據(jù)集的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為如從給定參考點(diǎn)查看的投影的3d圖像，如在美國(guó)專利6530885(entrekin等人)中所描述的。2d或3d圖像從掃描轉(zhuǎn)換器32、多平面重定格式化器44和體積繪制器42被耦合到圖像處理器30以用于進(jìn)一步增強(qiáng)、緩存和暫時(shí)存儲(chǔ)，以供在圖像顯示器40上顯示。除了被用于成像之外，由多普勒處理器28所產(chǎn)生的血流速度值以及由b模式處理器26所產(chǎn)生的組織結(jié)構(gòu)信息被耦合到量化處理器34。所述量化處理器產(chǎn)生對(duì)不同流動(dòng)條件(諸如血流的體積率)以及結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果(諸如器官大小和孕齡)的量度。所述量化處理器可以從用戶控制面板38(諸如其中要進(jìn)行測(cè)量的圖像的解剖結(jié)構(gòu)中的點(diǎn))接收輸入。來(lái)自所述量化處理器的輸出數(shù)據(jù)被耦合到圖形處理器36，以用于利用在顯示器40上的圖像再現(xiàn)測(cè)量結(jié)果圖形和值。圖形處理器36還能夠生成圖形疊加層，以用于與超聲圖像一起顯示。這些圖形疊加層能夠包含標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)信息，諸如患者姓名、圖像的日期和時(shí)間、成像參數(shù)等。出于這些目的，所述圖形處理器從用戶接口38接收輸入，諸如鍵入的患者姓名。所述用戶接口還被耦合到發(fā)射控制器18以控制來(lái)自換能器陣列10'的超聲信號(hào)的生成，并且由此控制由換能器陣列和超聲系統(tǒng)所產(chǎn)生的圖像。所述用戶接口還被耦合到多平面重定格式化器44，以用于選擇和控制對(duì)多個(gè)多平面重定格式化(mpr)的圖像的平面，其可以被用于執(zhí)行在mpr圖像的圖像場(chǎng)中的量化度量。

本發(fā)明有益于微型化。此外，由于每個(gè)換能器cmut單元僅要求用于驅(qū)動(dòng)cmut設(shè)備的兩個(gè)端子(s1和s3)，高阻抗電阻器能夠被單片地集成到在asic頂部上制造的cmut設(shè)備中。

盡管在附圖和前述描述中已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明和描述了本發(fā)明，但是這樣的說(shuō)明和描述將被認(rèn)為是說(shuō)明性或示范性而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開(kāi)的實(shí)施例。通過(guò)研究附圖、說(shuō)明書和隨附的權(quán)利要求書，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在實(shí)踐所主張的本發(fā)明時(shí)可以理解和實(shí)現(xiàn)所公開(kāi)的實(shí)施例的其他變型。

在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。單個(gè)處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中記載的若干項(xiàng)目的功能?；ゲ幌嗤膹膶贆?quán)利要求中記載了特定措施的僅有事實(shí)并不指示不能有利地使用這些措施的組合。