專利名稱：疊層換能設(shè)備的制作方法
疊層換能設(shè)備相關(guān)申請的交叉引用本申請要求于2007年12月3日所提交的第60/992，020號美國臨時(shí)專利申請的 權(quán)益，此處通過引用并入其全部公開內(nèi)容。背景為了發(fā)射和接收超聲波已經(jīng)開發(fā)出了各種類型的超聲換能器。這些超聲換能器通 常用在許多應(yīng)用中，其中包括醫(yī)療診斷和治療、聲納和水下成像、生化成像、材料的非破壞 性評估、通信、接近感測、氣流測量、現(xiàn)場過程監(jiān)控、聲學(xué)顯微、以及各種其他用途。超聲換能 器可以被生產(chǎn)和/或使用作為單個(gè)分立的換能器。另外，還開發(fā)出了包含有多個(gè)換能器的 超聲換能器陣列。例如，能夠用于3D成像和其他應(yīng)用的超聲換能器的二維陣列。已經(jīng)開發(fā)出的一種類型的超聲換能器是微機(jī)械超聲換能器(MUT)。與廣泛使用的 壓電(PZT)超聲換能器相比，MUT在制造方法、工作帶寬和工作溫度方面具有優(yōu)勢。例如， PZT換能器典型地通過制作換能器陣列、切割陣列、以及連接單獨(dú)的壓電元件來生產(chǎn)。這種 制造技術(shù)可能是充滿困難并且成本高昂的，而且PZT換能器本身可能有很大的阻抗失配的 問題。另一方面，MUT能夠使用更有效率的半導(dǎo)體微加工技術(shù)制造，并且MUT顯示出能與PZT 換能器相比的動(dòng)力學(xué)性能。出于這些原因，MUT逐漸成為壓電超聲換能器有吸引力的替代 方案。一類被廣泛應(yīng)用的MUT是CMUT (電容式微機(jī)械超聲換能器)，其利用電極之間的 靜電吸引。例如，為改進(jìn)設(shè)備性能最近開發(fā)出了具有嵌入式彈簧和平板的CMUT(ESCMUT)。 ESCMUT的基本結(jié)構(gòu)是由微機(jī)械結(jié)構(gòu)中的嵌入式彈簧支撐的平板或者多個(gè)平板。然而，雖然 在大多數(shù)設(shè)備參數(shù)方面，被這樣開發(fā)的CMUT很大程度上顯示出比PZT換能器更好的性能， 但為了使CMUT在每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中都能勝過PZT換能器，可能還需要改進(jìn)CMUT。附圖簡述用附圖與描述一起來示出和解釋目前所預(yù)期的最佳模式的原理。在圖中，參考號 碼中最左邊的數(shù)字標(biāo)識該參考號碼最先出現(xiàn)的那張圖。在示意圖中，相同的編號實(shí)質(zhì)上描 述了在所有的幾個(gè)視圖中相類似的特征和組件。

圖1示出了具有疊層在CMUT上的換能設(shè)備的組件的示例性實(shí)現(xiàn)。圖2示出了包括CMUT連接布置的系統(tǒng)的示例性實(shí)現(xiàn)。圖3示出了用于疊層CMUT (stacked CMUT)的連接布置的示例性實(shí)現(xiàn)。圖4示出了用于疊層CMUT的連接布置的另一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)。圖5示出了用于疊層CMUT的連接布置的另一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)。圖6示出了組件的示例性實(shí)現(xiàn)的橫截面視圖。圖7示出了組件的示例性實(shí)現(xiàn)的橫截面視圖，所述組件包括第一 CMUT和第二 CMUT。圖8A示出了組件的示例性實(shí)現(xiàn)的橫截面視圖，所述組件包括第一 CMUT和第二 CMUT。圖8B示出了被修改的圖8A組件的示例性實(shí)現(xiàn)的橫截面視圖。
圖9示出了包括分離的超聲成像和HIFU探頭的系統(tǒng)的例子。圖10A-10B示出了系統(tǒng)的示例性實(shí)現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括具有疊層CMUT的組件。圖11示出了根據(jù)此處的實(shí)現(xiàn)的疊層組件性能的示例性圖像信息。圖12A-12B示出了系統(tǒng)的示例性實(shí)現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括根據(jù)此處的實(shí)現(xiàn)的疊層組 件。圖13A-13B示出了系統(tǒng)的示例性實(shí)現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括根據(jù)此處的實(shí)現(xiàn)的疊層組 件。圖14A-14B示出了系統(tǒng)的示例性實(shí)現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括根據(jù)此處的實(shí)現(xiàn)的疊層組 件。圖15A示出了組件示例性實(shí)現(xiàn)的橫截面視圖，所述組件包括CMUT和流量/溫度傳 感器。圖15B示出了組件示例性實(shí)現(xiàn)的橫截面視圖，所述組件包括CMUT和流量/溫度傳 感器。詳述在下列詳述中，涉及形成了本公開一部分的附圖，并且在其中通過圖解說明而非 限制的方式顯示了示例性實(shí)現(xiàn)。另外，應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然本描述提供了如下面所描述和 如示意圖中圖解說明的各種示例性實(shí)現(xiàn)，但是本公開并不限于此處所描述和圖解說明的實(shí) 現(xiàn)，而是可擴(kuò)展到對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言是眾所周知或者將會變得眾所周知的其他 實(shí)現(xiàn)。本說明書中所提到的“一個(gè)實(shí)現(xiàn)”、“這個(gè)實(shí)現(xiàn)”、“一些實(shí)現(xiàn)”或者“這些實(shí)現(xiàn)”意味著 被描述與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的特定特性、結(jié)構(gòu)或者特征被包括在至少一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，并且這些出現(xiàn)在 本說明書各處的詞組未必全部都指的是相同的實(shí)現(xiàn)。額外地，在本描述中，闡明了眾多具體 細(xì)節(jié)以便提供詳盡的公開內(nèi)容。然而，對本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員而言很明顯的是，這些具體 細(xì)節(jié)可能不是在所有實(shí)現(xiàn)中都需要的。在其他情況中，未詳細(xì)描述和/或可以用框圖形式 圖解來說明熟知的結(jié)構(gòu)、材料、電路、工藝和接口，以便不讓本公開有不必要的理解困難。此處公開的實(shí)現(xiàn)涉及微機(jī)械超聲換能器(CMUT)。一些實(shí)現(xiàn)針對帶有疊層特性的 CMUT布置，并且提供用于各種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方法。一些實(shí)現(xiàn)包括基于CMUT建立的第二功能 結(jié)構(gòu)，其將被稱為換能設(shè)備。如此處所使用的，換能設(shè)備可以是任何換能器、傳感器或者能 夠轉(zhuǎn)換或交換能量的其他設(shè)備。在一些實(shí)現(xiàn)中，疊層特性包括基于第一 CMUT結(jié)構(gòu)建立的第 二 CMUT結(jié)構(gòu)，以便將兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)疊層，其中一個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)在另一個(gè)的頂部。一些實(shí)現(xiàn) 還包括兩個(gè)疊層CMUT的工作方法。此外，一些實(shí)現(xiàn)是基于帶有嵌入式彈簧的CMUT (ESCMUT)。在一些實(shí)現(xiàn)中，第二結(jié)構(gòu) 能夠建立在CMUT的平板上。該第二結(jié)構(gòu)可以是包括接口電路、傳感器或者換能器的換能設(shè) 備，例如，壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、CMUT結(jié)構(gòu)，或其他相似物。此外，在一些實(shí) 現(xiàn)中，如果第一 CMUT的平板被設(shè)計(jì)成相對剛性，則換能器的頂板可以用作平臺用于這種額 外的第二結(jié)構(gòu)的制造。當(dāng)使用適當(dāng)設(shè)計(jì)而被并入時(shí)，CMUT和建立在該CMUT頂上的額外特 性或結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立地操作。在一些實(shí)現(xiàn)中，兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)能夠基于ESCMUT設(shè)計(jì)被相接觸地建立，即一個(gè)結(jié)構(gòu) 在另一個(gè)以上。例如，第一 CMUT結(jié)構(gòu)可以形成在與彈簧層有關(guān)的電極和與基底有關(guān)的電極 之間。然后，第二結(jié)構(gòu)可以形成在與彈簧層有關(guān)的電極和與平板有關(guān)的電極之間。此外，在
6一些實(shí)現(xiàn)中，CMUT的平板能夠圖案化成某一形狀，這不但改進(jìn)了 CMUT性能，而且會最小化 在兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)工作之間的干擾。在此處公開的一些實(shí)現(xiàn)中，其重點(diǎn)在于帶有兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)的換能器組件?？?以不同的組合來使用所述疊層CMUT結(jié)構(gòu)，以便達(dá)成想要的功能和性能用于選定的應(yīng)用，諸 如分離的發(fā)射和接收功能、雙工發(fā)射、雙工接收、或者獨(dú)立工作的CMUT，正如接下來要討論 的一樣。此處闡明的途徑不僅大大改進(jìn)了 CMUT的設(shè)計(jì)靈活性以適應(yīng)超聲系統(tǒng)，而且還能顯 著地改進(jìn)換能器性能。在一些實(shí)現(xiàn)中，通過光刻限定兩個(gè)疊層換能器結(jié)構(gòu)的位置，從而使得 兩個(gè)換能器能夠精確配準(zhǔn)(registeration)，其中一個(gè)換能器被構(gòu)造在另一個(gè)的頂部。此處 公開的疊層CMUT配置中的CMUT結(jié)構(gòu)能夠被設(shè)計(jì)成任何配置，例如，單個(gè)元件換能器、1維陣 列、1.5維陣列、1.75維陣列、2維陣列或者環(huán)陣列，等等。而且兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)可以具有 相同或不同的配置。在一些實(shí)現(xiàn)中，疊層結(jié)構(gòu)保護(hù)換能器區(qū)域，這對于經(jīng)直腸、腔內(nèi)和血管內(nèi)的應(yīng)用而 言是很重要的。關(guān)于帶有疊層CMUT結(jié)構(gòu)的換能器的實(shí)現(xiàn)的一個(gè)應(yīng)用是HIFU(高強(qiáng)度聚焦 超聲)，其可以用于組織切除、前列腺癌治療等等。關(guān)于此處公開的實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)應(yīng)用是 IVUS (冠狀動(dòng)脈內(nèi)超聲)，其用于血管內(nèi)成像。圖1示出了包括CMUT 111的組件110的實(shí)現(xiàn)，換能設(shè)備112以疊層或覆蓋的結(jié)構(gòu) 位于所述CMUT 111之上。CMUT 111可位于基底120上，而該基底120可以是分離的支撐表 面(例如，探頭的一部分)、其他適合的支撐物，或者僅是CMUT 111本身的一部分，這依賴于 組件110的預(yù)期應(yīng)用。在各種實(shí)現(xiàn)中，換能設(shè)備112能夠是一個(gè)或多個(gè)電路、傳感器、換能 器或者其任何組合，這依賴于組件110的預(yù)期應(yīng)用。例如，換能設(shè)備112可以是換能器接口 電路、壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、或其他相似物。此處公開的實(shí)現(xiàn)包括多個(gè)換能器設(shè)計(jì)，其中第二 CMUT結(jié)構(gòu)位于第一 CMUT結(jié)構(gòu)以 上，使得第二 CMUT位于第一 CMUT的頂部，或反之亦然。在具有兩個(gè)疊層或覆蓋CMUT結(jié)構(gòu)的 組件110的實(shí)現(xiàn)中，組件110的換能設(shè)備112可以包括第二 CMUT，并且CMUT 111可以是第 一CMUT，或反之亦然，以便組件110形成由疊層CMUT結(jié)構(gòu)組成的疊層換能器?？梢圆煌慕M 合來使用疊層CMUT結(jié)構(gòu)，以便達(dá)成想要的功能和性能，用于選定的應(yīng)用。關(guān)于疊層CMUT結(jié) 構(gòu)的各種應(yīng)用的例子包括允許分離發(fā)射和接收、雙工發(fā)射、雙工接收或者獨(dú)立工作的CMUT。 比如，兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)可以具有相同或者不同的特征。這種途徑不僅大大改進(jìn)了 CMUT的設(shè) 計(jì)靈活性以適應(yīng)超聲系統(tǒng)，而且還能顯著地改進(jìn)換能器性能。疊層結(jié)構(gòu)保護(hù)換能器區(qū)域，這 對于直腸、腔內(nèi)和血管內(nèi)的應(yīng)用諸如HIFU應(yīng)用、IVUS應(yīng)用、或其他相似應(yīng)用而言是很重要 的。疊層換能器組件中的CMUT能夠被設(shè)計(jì)成任何配置，例如，單個(gè)元件換能器、1維陣 列、1.5維陣列、1.75維陣列、2維陣列或者環(huán)陣列等等。而且，兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)可以是具 有相同配置或不同的配置的CMUT。例如，這兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)成以相同中心頻 率或不同中心頻率工作。CMUT的基本結(jié)構(gòu)充當(dāng)具有至少一個(gè)電極的可變電容器，所述電極可移動(dòng)以交換電 場與聲場之間的能量。另外，當(dāng)多個(gè)CMUT被配置成陣列結(jié)構(gòu)，則陣列中的每個(gè)CMUT元件能 夠被象征性地表示為可變電容器，并因此所述CMUT陣列能夠通過可變電容器的陣列來象 征性地表示。
圖1中示出的組件110里的疊層CMUT結(jié)構(gòu)111和112可用各種方式來連線和配 置以實(shí)現(xiàn)某種想要的功能或性能。關(guān)于圖2-5示出了幾種變化的連接方案的例子，雖然考 慮到此處的公開內(nèi)容，對于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員很明顯的是還有其他的可能性。在圖中， CMUT結(jié)構(gòu)里可設(shè)定位置的CMUT元件可以象征性地表示為電容器(C)。另外，在CMUT結(jié)構(gòu) 是陣列的一些實(shí)現(xiàn)中，在圖里可以僅示出一個(gè)元件。圖2示出的示例性系統(tǒng)200實(shí)現(xiàn)了一種連接方案，其中單個(gè)CMUT 210(用示意性 地表示為可變電容器C)被交替地用于聲能的發(fā)射和接收兩方面。CMUT 210的一側(cè)連接到 偏壓電路或者想要的偏壓源230上。CMUT210的另一側(cè)連接到開關(guān)240。開關(guān)240可將CMUT 210連接到發(fā)射接口電路250或者接收接口電路260。比如，當(dāng)開關(guān)240將CMUT 210連接到 發(fā)射接口電路250時(shí)，可施加電壓以使CMUT 210發(fā)射聲能。另一方面，當(dāng)開關(guān)240將CMUT 210連接到接收接口電路260時(shí)，表示由CMUT 210檢測到的聲能的信號可傳給接收接口電 路260。另外，應(yīng)當(dāng)注意的是，開關(guān)240可以是真實(shí)的開關(guān)電路，可以是在發(fā)射期間用于檢測 電路的保護(hù)電路，或者完成類似功能的其他設(shè)備或電路。根據(jù)此處公開的實(shí)現(xiàn)的疊層CMUT結(jié)構(gòu)允許各種可供選擇的連接布置。圖3示出的 系統(tǒng)300實(shí)現(xiàn)了第一示例性的連接布置，其中組件310包括兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)，其由第一 CMUT (C1) 311和第二 CMUT (C2) 312組成，其中一個(gè)用于發(fā)射，而另一個(gè)用于接收。疊層CMUT 被象征性地表示為可變電容器，其表示了 CMUT結(jié)構(gòu)，并且疊層CMUT可以用如圖1中CMUT 結(jié)構(gòu)111和112相同的方式，或者根據(jù)此處上面和下面公開的其他實(shí)現(xiàn)來配置。CMUT 311 和312可以通過中間電極314連接到偏壓(bias)或期望的電壓源330，在一些實(shí)現(xiàn)里中間 電極314可以是共用的中間電極，或者在其他實(shí)現(xiàn)中可以為兩個(gè)分開的中間電極。在所示 實(shí)現(xiàn)中，第二 CMUT 312專門用來通過發(fā)射接口電路350進(jìn)行發(fā)射，而第一 CMUT311專門用 來通過接收接口電路360進(jìn)行接收。圖3中示出的布置可具有許多超越圖2中實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢。例如，不需要開關(guān)電路來 保護(hù)接收電路360，其可具有前置放大器或其他傳感組件。來自發(fā)射電路350的電信號通 過連接到偏壓或者期望的電壓源330的共用的中間電極314屏蔽，以便最小化發(fā)射與接收 之間的交叉串?dāng)_。結(jié)果是，前端接收電路360能夠被優(yōu)化而不必關(guān)注一些問題，諸如由于來 自發(fā)射電路350的發(fā)射信號的耦合所引起的飽和。此外，因?yàn)榘l(fā)射和接收操作使用不同的 CMUT結(jié)構(gòu)，所以不需要在發(fā)射與接收性能之間做出設(shè)計(jì)上的折衷，即第一 CMUT 311能夠關(guān) 于接收性能被優(yōu)化，而第二 CMUT 312能夠關(guān)于發(fā)射性能被優(yōu)化。另外，依賴于想要的應(yīng)用，能夠通過此處公開的實(shí)現(xiàn)使用的CMUT結(jié)構(gòu)可以配置在 各種其他布置中。圖4示出的示例性系統(tǒng)400包括一種連接布置，其中組件410包括兩個(gè) 并聯(lián)連接的CMUT結(jié)構(gòu)。第一 CMUT(C1)411和第二 CMUT(C2)412布置成如上面關(guān)于圖1所 討論的疊層的配置。疊層CMUT結(jié)構(gòu)411、412通過中間電極414連接到偏壓或期望的電壓 源430，在一些實(shí)現(xiàn)中，所述中間電極414可以是CMUT 411和412的共用電極，或者在其他 實(shí)現(xiàn)中，中間電極414可以是兩個(gè)分開的電極。在示出的布置中，CMUT 411、412這兩者被配置成通過激活開關(guān)440來選擇性地專 門用于發(fā)射或者接收，這是通過設(shè)定開關(guān)440使其分別連接到發(fā)射電路450或接收電路460 實(shí)現(xiàn)的。另外，應(yīng)當(dāng)注意的是，開關(guān)440可以是真實(shí)的開關(guān)電路，可以是在發(fā)射期間用于接 收電路的保護(hù)電路，或者完成類似功能的其他設(shè)備或電路。因?yàn)樵诮M件410中的CMUT結(jié)構(gòu)
8411、412這兩者對換能器的發(fā)射和接收性能有幫助，所以組件410的性能可以是兩個(gè)CMUT 結(jié)構(gòu)411、412性能的組合，這將大大地改進(jìn)組件性能和設(shè)計(jì)靈活性。例如，當(dāng)兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)411、412被配置成具有相類似的頻率響應(yīng)，則換能器的發(fā) 射和接收兩者的性能可以是兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)性能之和。另一方面，當(dāng)兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)411、412 被配置成具有相互補(bǔ)償?shù)牟煌l率響應(yīng)時(shí)，組件410的帶寬則可以覆蓋兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)的帶 寬，以便達(dá)成常規(guī)單個(gè)換能器所不能達(dá)成的非常寬的帶寬。例如，如果兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)411、 412的頻率響應(yīng)是分離的，則疊層CMUT結(jié)構(gòu)411、412可以如同兩個(gè)獨(dú)立的CMUT換能器一 樣，在兩個(gè)單獨(dú)的頻率范圍內(nèi)有效地工作。圖5示出的另一個(gè)示例性系統(tǒng)500包括用于組件510的一種連接布置，所述組件 510包括了與第二 CMUT結(jié)構(gòu)(C2) 512疊層或覆蓋配置的第一 CMUT結(jié)構(gòu)(C1) 511。CMUT 511、 512可被分離地連接作為獨(dú)立地確定位置的CMUT，并且通過中間電極連接到偏壓或者期望 的電壓源530，在一些實(shí)現(xiàn)中，所述中間電極可以是CMUT 511、512的共用電極，或者在其他 實(shí)現(xiàn)中，所述中間電極可以是兩個(gè)分開的電極。第一開關(guān)541能夠選擇性地驅(qū)動(dòng)，以便將第 一 CMUT 511連接到第一發(fā)射電路551或第一接收電路561中的一個(gè)。相類似地，第二開關(guān) 542能夠選擇性地驅(qū)動(dòng)，以便將第二 CMUT 512連接到第二發(fā)射電路552或者第二接收電路 562中的一個(gè)。在一些實(shí)現(xiàn)中，第一發(fā)射電路551和第二發(fā)射電路552可以是相同的電路， 或者在其他實(shí)現(xiàn)中，它們可以是分離的電路。相類似地在一些實(shí)現(xiàn)中，第一接收電路561和 第二接收電路562可以是相同的電路，或者在其他實(shí)現(xiàn)中，它們可以是分離的電路。另外， 與上面所討論的實(shí)現(xiàn)一樣，開關(guān)541、542可以是真實(shí)的開關(guān)電路，可以是在發(fā)射期間用于 接收電路的保護(hù)電路，或者完成類似功能的其他設(shè)備或電路。圖5中示出的連接方案對于達(dá)成期望的換能器性能而言具有很大的靈活性，并且 可適用于各種不同的應(yīng)用，但其具有較高的連接復(fù)雜性并且與圖2-4中示出的實(shí)現(xiàn)相比要 求了更多的硬件。就功能而言，圖5的連接布置能夠被配置成執(zhí)行之前在圖2-4中示例實(shí) 現(xiàn)的連接方案的所有可能的功能。因此，在圖5實(shí)現(xiàn)的一些配置中，第一 CMUT 511可以用 發(fā)射模式配置，同時(shí)第二 CMUT 512可以用接收模式配置，或反之亦然。可供選擇地，CMUT 511和CMUT 512這兩者可同時(shí)用相同的模式來配置。另外，CMUT511和512可以具有相類 似的或者不同的發(fā)射和接收能力。具有如此處公開的疊層CMUT結(jié)構(gòu)的組件的實(shí)現(xiàn)可以在一些允許有限工作空間的 應(yīng)用(例如，醫(yī)藥應(yīng)用諸如HIFU、血管內(nèi)或者其他腔內(nèi)應(yīng)用)中，或者在要求常規(guī)換能器所 不能達(dá)到的性能水平(例如，工作在數(shù)個(gè)頻帶或者極寬帶寬內(nèi))的應(yīng)用中提供顯著的優(yōu)點(diǎn)。 另外，甚至當(dāng)兩個(gè)覆蓋CMUT結(jié)構(gòu)彼此相對獨(dú)立地工作時(shí)，此處公開的具有疊層CMUT結(jié)構(gòu)的 組件的實(shí)現(xiàn)都能夠被配置成正常地工作。此處公開的一些實(shí)現(xiàn)并入了具有一個(gè)或多個(gè)嵌入式彈簧的CMUT設(shè)計(jì)(ESCMUT)。 圖6是一個(gè)ESCMUT結(jié)構(gòu)的橫截面視圖，其示出了完整的CMUT元件600-1，以及相鄰CMUT 元件600-2和600-3中的一部分，其中CMUT元件600-1的每一側(cè)各有一個(gè)元件600-2或 600-3。CMUT元件600-1部分(單元)的放大視圖示出在完整CMUT元件以上的虛線矩形 內(nèi)。CMUT 600-1建立在具有凸起的支撐物607的基底晶片606上。彈簧構(gòu)件612與凸起的 支撐物607接觸，并且包括形成在其上的第一電極617。連接器支撐物614以與電極617空 隙開的關(guān)系維持第二板電極611。用作第二電極的板611可以是相對剛性的，并且可選擇地包括第一絕緣層615和第二絕緣層616。在圖6中所示的ESCMUT實(shí)現(xiàn)里，頂板通過連接器 支撐物614與彈簧構(gòu)件612和第一電極617分離，以便在其之間限定空隙或腔618。板611 可以包括諸如通過摻雜被整體形成的第二電極，或者該第二電極可以是沉積在板611上的 單獨(dú)的層。另外，第一電極617可以在彈簧構(gòu)件612上面形成，或形成為彈簧構(gòu)件612的一 部分，或者可供選擇地，其可在彈簧構(gòu)件612以下的基底606上面形成，或形成為該基底606 的一部分。作為ESCMUT 600-1如何例如以發(fā)射模式來起作用的解釋，電壓施加在第一電極 617與第二電極611之間，導(dǎo)致靜電吸引。由于該靜電吸引，第一電極617和第二電極611 朝著彼此移動(dòng)，并由此使彈簧構(gòu)件612彎曲。當(dāng)除去所述電壓時(shí)，彈簧構(gòu)件612的彈簧恢復(fù) 力使第一電極617和第二電極611彼此遠(yuǎn)離地朝著初始位置反向移動(dòng)。相類似地，在接收 模式中，聲能沖擊ESCMUT 600-1導(dǎo)致第二電極611相對于第一電極617移動(dòng)，改變第一電 極617與第二電極611之間的電容，并且彈簧構(gòu)件612的恢復(fù)力迫使它們朝著初始位置返 回。因?yàn)楸慌渲脦в星度胧綇椈蓸?gòu)件的CMUT的板/第二電極611可以被設(shè)計(jì)成相對 剛性，CMUT的板能夠充當(dāng)平臺以用于一個(gè)或多個(gè)額外的功能性設(shè)備，諸如一個(gè)或多個(gè)額外 的換能器。額外的功能性設(shè)備可以是包括任何集成電路、傳感器或者換能器的換能設(shè)備，其 能夠在板611上制造以達(dá)成用于期望的應(yīng)用的期望的功能。另外，通過實(shí)現(xiàn)如此處所描述 的適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)配置，CMUT以及在CMUT頂部的額外的功能性設(shè)備能夠獨(dú)立地操作。在帶有疊層換能設(shè)備的CMUT的特定實(shí)現(xiàn)中，帶有嵌入式彈簧的ESCMUT可以包括 第一 CMUT結(jié)構(gòu)和第二 CMUT結(jié)構(gòu)，所述第一 CMUT結(jié)構(gòu)可以相應(yīng)于圖1的CMUT 111，所述第 二 CMUT結(jié)構(gòu)可以相應(yīng)于圖1的換能設(shè)備112。圖7示出的示例性組件700具有根據(jù)上面關(guān) 于圖6描述的ESCMUT配置的疊層CMUT結(jié)構(gòu)。在所示實(shí)現(xiàn)中，通過虛線矩形來標(biāo)識關(guān)于兩 個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)的區(qū)域。第一區(qū)域包含第一 CMUT結(jié)構(gòu)711，并且第二區(qū)域包含第二 CMUT 結(jié)構(gòu)712。因此，第一 CMUT 711與第二 CMUT 712在聲能發(fā)射和/或接收的方向上相鄰并且 一個(gè)覆蓋在另一個(gè)的頂部。第一 CMUT結(jié)構(gòu)711可以是基于上面所描述的ESCMUT 600的換 能器，以便使板611能夠用作底以用于第二 CMUT結(jié)構(gòu)712，并且還能夠用作電極之一以用 于第二 CMUT結(jié)構(gòu)712。在圖7中所示的示例性疊層CMUT組件700里的第二 CMUT結(jié)構(gòu)712 是基于柔性膜片CMUT設(shè)計(jì)的換能器。然而，在其他實(shí)現(xiàn)中，第二 CMUT結(jié)構(gòu)712還可以被構(gòu) 造為帶有嵌入式彈簧構(gòu)件的ESCMUT 600。板611用作兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)711、712的共用電極， 并且可以用作接地或偏壓電極，正如上面關(guān)于圖3-5所討論的一樣。因此，板611能夠在設(shè) 備工作期間屏蔽兩個(gè)CMUT換能器711、712之間的電耦合。 在示例性疊層CMUT組件700中的第二 CMUT結(jié)構(gòu)712里，第一 CMUT結(jié)構(gòu)711的板 611還用作第二 CMUT結(jié)構(gòu)712的基底。第二 CMUT結(jié)構(gòu)712還包括第三電極721，其形成在 類似彈簧的柔性元件722，諸如柔性膜片上。柔性元件722由柔性元件支撐物725支撐以提 供并且維持在柔性元件722與可選擇的絕緣層616之間的空隙或腔723。因此，柔性元件 722使第三電極721能夠朝著第二電極611移動(dòng)，同時(shí)柔性元件722的恢復(fù)彈性或彈簧力迫 使柔性元件722和第三電極721反向朝著初始位置(例如，靜止或平衡位置)返回。另外， 雖然在圖7中將柔性元件722和第三電極721顯示為是單獨(dú)的，但應(yīng)當(dāng)明白的是第三電極 和柔性元件722可以是同一個(gè)元件，即柔性元件722可導(dǎo)電，并且還可充當(dāng)?shù)谌姌O721，或
10者第三電極721可嵌入柔性元件722，等等。通過關(guān)于工作頻率、帶寬等的適當(dāng)設(shè)計(jì)，第一 CMUT結(jié)構(gòu)711和第二 CMUT結(jié)構(gòu)712可以彼此獨(dú)立地工作，尤其是當(dāng)兩個(gè)CMUT 711,712在 單獨(dú)的頻率范圍內(nèi)工作時(shí)。圖8A示出了另一個(gè)實(shí)現(xiàn)，其中兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)基于被修改的單個(gè)ESCMUT的配置來 構(gòu)造。在圖8A中，組件800a包括被配置成用作頂部電極的第一板810，以及被配置成用作 底部電極的基底830。共用的中間電極860被包括在彈簧構(gòu)件820上，或者作為彈簧構(gòu)件 820的一部分在其上形成，或諸如此類。基底/底部電極830包括可選擇的絕緣層815，并 通過彈簧固定器(spring anchor) 850以與彈簧構(gòu)件820空隙開的關(guān)系被支撐，其中彈簧固 定器850用作第一支撐物以創(chuàng)建并且維持第一空隙或腔818。因此，如當(dāng)組件800a受到聲 能沖擊，或者當(dāng)靜電荷被加在底部電極830與中間電極860之間時(shí)，彈簧構(gòu)件820和中間電 極860能夠朝著底部電極830彎曲。當(dāng)彈簧構(gòu)件820朝著底部電極830彎曲時(shí)，彈簧構(gòu)件 820的恢復(fù)彈簧力迫使彈簧構(gòu)件820和中間電極朝著靜止位置返回。因此，在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中， 第一 CMUT結(jié)構(gòu)811形成在中間電極860與底部電極之間，所述中間電極860與彈簧構(gòu)件 820相關(guān)，底部電極則形成為基底830。第二 CMUT結(jié)構(gòu)812形成在中間共用的電極860與 頂部電極之間，所述頂部電極作為板810形成。板支撐物840用作第二支撐物以創(chuàng)建并維 持在板/頂部電極810與中間電極860之間的第二空隙或腔828，以便諸如當(dāng)板810受到聲 能沖擊，或者當(dāng)靜電荷被加在板810與中間電極860之間時(shí)，板810能夠朝著中間電極860 彎曲。當(dāng)板810朝著中間電極860彎曲時(shí)，以上面關(guān)于圖7中實(shí)現(xiàn)的柔性元件722所討論 的方式，板810的恢復(fù)彈簧力迫使板810回到初始位置(例如，靜止或平衡位置)。因此，第 一 CMUT 811與第二 CMUT 812在聲能發(fā)射和/或接收的方向上相鄰并且一個(gè)疊層在另一個(gè) 的頂部。板810的柔韌性總是一種相對性質(zhì)，并且強(qiáng)烈依賴于CMUT的工作頻率。當(dāng)單個(gè) ESCMUT(圖8A中所示)被配置成通過添加第二電容性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)為兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)時(shí)， 能夠根據(jù)預(yù)定的工作頻率或者方法設(shè)計(jì)平板810的柔性。如果兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì) 成工作在相似的頻率下，則板810能夠被設(shè)計(jì)成在該工作頻率下是柔性或剛性的。如果兩 個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)是如此處一些實(shí)現(xiàn)中所公開的，工作在兩個(gè)不同頻率下，則第一 CMUT結(jié)構(gòu) 811通常被設(shè)計(jì)成在第一頻率諸如低頻下工作，所以平板810應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)成在第一頻率下 是剛性的，以便第一 CMUT結(jié)構(gòu)811像普通的ESCMUT —樣工作。第二 CMUT結(jié)構(gòu)812通常被 設(shè)計(jì)成在第二頻率諸如高頻下工作，所以平板810應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)成在第二頻率下是柔性的， 以便第二 CMUT結(jié)構(gòu)812像普通的柔性膜片CMUT —樣工作。如果將第一頻率與第二頻率之 間的差異設(shè)計(jì)得足夠大，則兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)811、812的工作之間幾乎沒有干擾，即使它 們是被包含在單個(gè)ESCMUT設(shè)備中的情況。用下面所描述的圖8B中設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，能夠進(jìn)一 步最小化兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)之間的干擾。此外，在圖8A中所示出的組件800a的實(shí)現(xiàn)中，組件800的板810能夠被圖案化成 某一預(yù)定形狀，以改進(jìn)第二 CMUT結(jié)構(gòu)812的性能，并且進(jìn)一步最小化第一 CMUT 811與第二 CMUT 812工作之間的干擾。一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)被示出為圖8B中的組件800b。在圖8B中，通 過從板810和板支撐物840除去材料，如在圖8A中以粗虛線指示的材料，除去板810和板 支撐物840中的一部分以創(chuàng)建溝道802。在圖8B的實(shí)現(xiàn)中，底部CMUT結(jié)構(gòu)811具有小等 效質(zhì)量和大表面位移。頂部CMUT結(jié)構(gòu)則停留在彈簧構(gòu)件820的相對不活動(dòng)的區(qū)域821上(即在彈簧固定器850以上)以便令兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)811、812之間有最小的干擾。例如，因 為圖案化的板810主要位于彈簧固定器850中的一個(gè)或多個(gè)上方，所以CMUT 812幾乎工作 在彈簧固定器850以上，以便在第二 CMUT 812工作期間板810朝中間電極860的彎曲對于 在第一 CMUT 811工作期間彈簧構(gòu)件820和中間電極860朝第一電極830的彎曲具有最小影響。額外的實(shí)施方式是針對壓力傳感器或流量傳感器，如圖1中疊層在CMUT 111上的 換能設(shè)備112。例如，微機(jī)械壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)就與CMUT結(jié)構(gòu)相類似。依賴于設(shè)計(jì)和 功能性，此處公開的第二 CMUT結(jié)構(gòu)可以被配置并且設(shè)計(jì)成充當(dāng)壓力傳感器或流量傳感器。 例如在一些實(shí)現(xiàn)中，通過使用用于確定壓力或流量信息的調(diào)制方法，從CMUT結(jié)構(gòu)輸出信號 里提取壓力信息或流量信息。屬于與這里相同的發(fā)明人的，于2007年4月3日所提交的第 PCT/US2007/065888號PCT申請中公開了向CMUT施加調(diào)制信號，此處通過引用將其全部公 開內(nèi)容并入。具有疊層CMUT結(jié)構(gòu)的組件實(shí)現(xiàn)的一個(gè)示例性應(yīng)用是用于前列腺癌診斷和治療， 其使用高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)。典型地，診斷、治療和治療評估是使用不同換能器或系統(tǒng)進(jìn) 行的。例如，通常使用MRI (磁共振成像)和其他成像方法在HIFU過程中執(zhí)行成像和治療 評估。另外，可能會想要在HIFU過程中，諸如前列腺癌的治療期間使用超聲成像以提供指 導(dǎo)。然而，來自體外的常規(guī)超聲成像不能提供適當(dāng)?shù)那傲邢侔┲委熀驮u估所必需的高質(zhì)量 圖像。因此，如圖9的系統(tǒng)900所示出的，在一個(gè)過程中經(jīng)直腸的超聲成像探頭920可以與 HIFU探頭922 —同使用，以在前列腺930的一部分上聚焦超聲能量用于執(zhí)行組織切除等。 因此，常規(guī)HIFU系統(tǒng)900要求至少兩個(gè)探頭，例如提供視野950用于定位前列腺的成像探 頭920，和包括了用于在前列腺930的一部分上對準(zhǔn)超聲能量的超聲換能器960的HIFU探 頭922這兩個(gè)探頭。然而，由于空間非常有限，所以在治療期間將成像探頭920和HIFU探 頭922這二者放入患者的直腸會有一些缺點(diǎn)。另外，因?yàn)樵趦蓚€(gè)探頭之間會有發(fā)生相對運(yùn) 動(dòng)(例如，旋轉(zhuǎn)、彎曲、平移等等)的可能，所以在成像探頭920和HIFU探頭922的位置的 配準(zhǔn)方面可能會發(fā)生錯(cuò)誤。此處公開的實(shí)現(xiàn)，使得HIFU過程能夠使用單個(gè)探頭來執(zhí)行，以用于治療和成像/ 治療評估兩方面。因?yàn)橐粋€(gè)普通換能器或者換能器陣列可能不足以執(zhí)行成像和治療這兩個(gè) 功能，此處公開的實(shí)現(xiàn)提供了位于單個(gè)探頭上的兩個(gè)換能器或換能器陣列。上面公開的具 有覆蓋CMUT結(jié)構(gòu)的組件的實(shí)現(xiàn)使得有可能使用單個(gè)探頭來執(zhí)行成像、診斷、治療和治療的 實(shí)時(shí)評估。此處公開的探頭的實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)獨(dú)立工作的CMUT，它們在單個(gè)探頭上相互垂直 地疊層。這兩個(gè)疊層CMUT，其中一個(gè)可以用來成像而另一個(gè)可以用來治療，它們能夠被放置 在相同的位置處作為常規(guī)探頭中的單個(gè)換能器。因此，此處公開的實(shí)現(xiàn)提供了緊湊的換能 器組件，其更適合用于空間有限的應(yīng)用，諸如外科手術(shù)應(yīng)用。此外，在單個(gè)組件上提供兩個(gè) 疊層CMUT結(jié)構(gòu)使得治療和評估探頭能夠精確配準(zhǔn)，這是因?yàn)樵谑褂闷陂g兩個(gè)探頭之間沒 有相對運(yùn)動(dòng)的可能，而這在使用常規(guī)系統(tǒng)的情況下是很困難的任務(wù)。圖10A-10B中示出為包括了疊層CMUT結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)1000的一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)。圖 10A描繪了探頭1010，其包括第一換能器1011和第二換能器1012，它們被垂直地封裝在單 個(gè)探頭1010上，使得第二換能器1012疊層并覆蓋在第一換能器1011上。探頭1010 —個(gè) 可能的用途的例子是在HIFU過程中執(zhí)行治療和成像兩個(gè)功能。例如，換能器1011、1012中
12的一個(gè)可以為了提供前列腺1050的視野1060而用于成像工作，而換能器1011、1012中的 另一個(gè)可以為了將超聲能量聚焦在前列腺1050預(yù)期的區(qū)域上而用于HIFU工作。圖10B示出了組件1001的示例性配置，所述組件1001可以用在圖10A中示出的探 頭1010上。組件1001包括第一 CMUT結(jié)構(gòu)1011和第二 CMUT結(jié)構(gòu)1012，它們以覆蓋的關(guān)系 被垂直地整合在相同基底1030上，使得第二 CMUT 1012關(guān)于發(fā)射和/或接收的方向定位在 第一 CMUT 1011的頂端。圖10A-10B中的CMUT結(jié)構(gòu)1011、1012可以被設(shè)計(jì)成任何CMUT配 置，例如，單個(gè)元件換能器、1維陣列、1. 5維陣列、1. 75維陣列、2維陣列、環(huán)陣列諸如此類。 而且，兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)1011、1012可以具有相同或者不同的配置，即CMUT 1011,1012中的一 個(gè)可以是單個(gè)換能器，同時(shí)另一個(gè)可以是換能器的陣列，或者其他這樣的組合。任何上述疊 層CMUT的示例性實(shí)現(xiàn)都可以用作組件1001，或基于此處公開的教導(dǎo)將是很明顯的其他配 置。另外，雖然探頭1010是關(guān)于HIFU過程描述的，但是根據(jù)此處的公開內(nèi)容還將會很明顯 的是該探頭1010可用于其他應(yīng)用。在一些實(shí)現(xiàn)中，兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)成以相同的中心頻率工作。然而， 在其他實(shí)現(xiàn)例如HIFU應(yīng)用中，兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)可以被配置成以不同的中心頻率工作。例如， 一個(gè)超聲換能器可以被配置成在較低中心頻率(例如 0. 5- 3MHz)下工作以用于HIFU 治療，而另一個(gè)超聲換能器可以被配置成在較高中心頻率(例如 5- 10MHz)下工作以 用于成像/治療評估。使用疊層CMUT結(jié)構(gòu)以提供超聲指導(dǎo)的HIFU系統(tǒng)時(shí)，第二 CMUT結(jié)構(gòu) (例如，CMUT 1012)可以被配置成以較高中心頻率工作，并且可以被構(gòu)造成具有比可以被 配置成以較低的中心頻率工作的第一 CMUT結(jié)構(gòu)(例如，CMUT 1011)更為剛性的結(jié)構(gòu)。因 此，當(dāng)換能器組件1001在較低頻率下工作以用于HIFU治療時(shí)，第二 CMUT 1012則表現(xiàn)得像 具有較小質(zhì)量和更加剛性的中空結(jié)構(gòu)的第一 CMUT 1011的平板或柔性元件。類似地，當(dāng)換 能器組件1001中的第二 CMUT 1012在較高頻率下工作以用于成像時(shí)，在第二 CMUT的發(fā)射 期間內(nèi)幾乎沒有施加在第一 CMUT1011上的凈靜電力。此外，在第二 CMUT 1012接收期間， 當(dāng)聲波沖擊在換能器組件1001上時(shí)，第一 CMUT結(jié)構(gòu)1011的存在對第二 CMUT 1012的接 收能力僅具有極其微小的影響，這是因?yàn)閭魅肼暡ǖ念l率遠(yuǎn)高于第一 CMUT 1011的工作頻 率。因此，在聲學(xué)上，疊層換能器組件1001中的兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)1011、1012能夠相對獨(dú)立地 工作。圖11示出了具有疊層CMUT的示例性組件的頻譜中的示例性圖形模擬1100。在 這個(gè)例子中，諸如在圖1、3_8和10任一個(gè)中示出的組件的組件具有兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)，兩 個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)各自具有1MHz和10MHz的中心頻率。例如，如果在組件中的兩個(gè)CMUT結(jié) 構(gòu)被分離地確定位置(即，CMUT中僅有一個(gè)有效)，圖形模擬1100示出了工作在1MHz下的 第一個(gè)疊層CMUT的性能，正如通過點(diǎn)線1110所指示的，以及示出了工作在10MHz下的第二 個(gè)疊層CMUT的性能，正如通過虛線1111所指示的。另外，當(dāng)兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)并聯(lián)連接(即， 兩個(gè)CMUT都有效)時(shí)，換能器組件示出了極寬的帶寬，其覆蓋了 HIFU治療和成像這兩者的 頻率范圍，以便所述組件能夠在兩個(gè)頻率范圍下有效率地工作，正如通過實(shí)線1112所指示 的。由于組件的緊湊配置，在血管內(nèi)超聲應(yīng)用(IVUS)和心腔內(nèi)超聲心動(dòng)圖(ICE)方 面，疊層CMUT組件也是有用的。在IVUS或ICE應(yīng)用中，優(yōu)選的成像是對于較大容積成像使 用較低頻率，但對于較高分辨率成像使用較高頻率。一種解決方案是使用兩個(gè)工作在不同頻率范圍下的探頭/換能器，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)換能器一般不能在較低和較高這兩個(gè)頻率范圍 內(nèi)有效率地工作。然而，在兩個(gè)換能器/探頭之間的轉(zhuǎn)換會顯著地增加成像時(shí)間，并且還使 兩個(gè)不同換能器/探頭之間的位置配準(zhǔn)變得相對困難。此處公開的實(shí)現(xiàn)提供了單個(gè)組件或探頭，其能夠在兩個(gè)實(shí)質(zhì)上不同的頻率范圍工 作，和/或具有能夠覆蓋全部期望的頻率范圍的極寬的帶寬。此處公開的具有疊層CMUT結(jié) 構(gòu)的組件能夠在兩個(gè)不同頻率下工作，要么如果每個(gè)CMUT被獨(dú)立地確定位置則作為兩個(gè) 獨(dú)立的換能器，要么如果兩個(gè)CMUT被并聯(lián)連接則作為單個(gè)換能器工作，覆蓋兩個(gè)不同的頻 率范圍。覆蓋以形成單個(gè)組件的兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)之間的位置配準(zhǔn)是容易并且精確的。另外， 很容易實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)頻率范圍之間轉(zhuǎn)換成像能力(例如，低分辨率到高分辨率)，這是因?yàn)椴?需要實(shí)際上交換兩個(gè)分離的探頭。另外，當(dāng)兩個(gè)頻率范圍互為補(bǔ)充時(shí)，換能器具有極寬的帶 寬，其可以覆蓋用于特定成像過程所必需的全部頻率范圍。此處公開的具有疊層CMUT結(jié)構(gòu) 組件的實(shí)現(xiàn)不是遠(yuǎn)大于單個(gè)常規(guī)換能器的，并且能夠簡單地替換在各種血管內(nèi)探頭中的常 規(guī)換能器。此處公開的組件中的疊層CMUT結(jié)構(gòu)能夠被設(shè)計(jì)成任何配置，例如，單個(gè)元件換 能器、1維陣列、1. 5維陣列、1. 75維陣列、2維陣列、環(huán)陣列等等。如上面所討論的，兩個(gè)疊 層CMUT結(jié)構(gòu)還可以具有相同或不同的配置。圖12A和12B示出包括了組件1210的系統(tǒng)1200的示例性實(shí)現(xiàn)，具有疊層換能器 的所述組件1210在IVUS或ICE探頭導(dǎo)管中被使用作為旋轉(zhuǎn)的換能器或換能器陣列。導(dǎo)管 1222包括位于導(dǎo)管的環(huán)內(nèi)的同軸可移動(dòng)的探頭1220。探頭1220可以是能夠從導(dǎo)管1222的 末梢開口中延伸出來的，并且探頭1220包括安裝在其上的組件1210。如圖12B中示出的， 組件1210包括根據(jù)此處公開的實(shí)現(xiàn)的有第二 CMUT 1212位于其上的第一 CMUT1211。第一 CMUT 1211可選擇地形成在基底1215上。第一 CMUT 1211可以被配置成在第一頻率下進(jìn)行 超聲成像，以便在第一成像區(qū)域1230完成成像，同時(shí)第二 CMUT 1212可以被配置成在第二 頻率下進(jìn)行超聲成像，以便在第二成像區(qū)域1250完成成像。圖13A和13B示出系統(tǒng)1300的示例性實(shí)現(xiàn)，其用于使用具有疊層換能器的組件作 為朝向前的探頭或?qū)Ч?322中的換能器或換能器陣列。探頭1322可以用于IVUS/ICE成像 或者其他成像用途。探頭1322包括安裝在其末端上的環(huán)狀換能組件1310以進(jìn)行超聲成像。 如圖13B中示出的，組件1310包括根據(jù)此處公開的實(shí)現(xiàn)的有第二 CMUT 1312位于其上的第 一 CMUT 1311。第一 CMUT 1311可以可選擇地形成在基底1315上，并且第一 CMUT 1311和 第二 CMUT 1312每個(gè)都可以是定位在中央環(huán)1340的周圍的呈放射狀布置的CMUT陣列(例 如，環(huán)形陣列)。第一 CMUT 1311可以被配置成在第一頻率下進(jìn)行超聲成像，以便在第一成 像區(qū)域1330完成成像，同時(shí)第二 CMUT 1312可以被配置成在第二頻率下進(jìn)行超聲成像，以 便在第二成像區(qū)域1350完成成像。圖14A和14B示出包括了組件1410的系統(tǒng)1400的例子，具有疊層換能器的所述 組件1410作為朝向側(cè)邊的探頭或?qū)Ч?422中的換能器或換能器陣列。探頭1422可以是 IVUS/ICE探頭導(dǎo)管，或者是其他類型的成像探頭或?qū)Ч?。探頭1422包括環(huán)狀組件1410，其 圍繞探頭1422的末端圓周安裝。如圖14B中示出的，組件1210包括多個(gè)根據(jù)此處公開的 實(shí)現(xiàn)的有第二 CMUT 1412位于其上的第一 CMUT 1411。第一 CMUT 1411可以可選擇地形成 在基底1415上，并且多便在第一成像區(qū)域1430完成成像，同時(shí)第二 CMUT 1412可以被配置成在第二頻率下進(jìn)行超 聲成像，以便在第二成像區(qū)域1450完成成像。此外，在圖12-14中的兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)1211和1212、1311和1312、以及1411和1412 能夠各自配置成工作用于成像和HIFU，正如上面關(guān)于圖10A-10B中的實(shí)現(xiàn)所討論的。通常， HIFU和成像這兩者都需要將超聲聚焦到成像區(qū)或切除區(qū)以內(nèi)，其主要差別是在每次操作中 使用的頻率和能量。在這種情況下，CMUT結(jié)構(gòu)中的一個(gè)在低頻下工作并且通常被配置成執(zhí) 行HIFU，而另一個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)在高頻下工作并且通常被配置成執(zhí)行成像。例如，在圖12-14 的實(shí)現(xiàn)中，在各個(gè)探頭上的CMUT結(jié)構(gòu)中的一個(gè)(例如，1211、1311、1411)被配置成在用于執(zhí) 行HIFU的頻率下工作，而在各個(gè)探頭上的另一個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)(例如，1212、1312、1412)被配 置成在用于執(zhí)行成像的頻率下工作?？紤]到本公開的內(nèi)容，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言還 將會明顯的是，關(guān)于此處公開的實(shí)現(xiàn)有其他用途和應(yīng)用。從上述可知將很明顯的是，此處公開的實(shí)現(xiàn)提供了組件、系統(tǒng)和方法用于將垂直 的疊層或覆蓋配置的多個(gè)CMUT實(shí)現(xiàn)為相鄰的單個(gè)組件。此外，一些實(shí)現(xiàn)是基于ESCMUT，并 且第二 CMUT能夠疊層在ESCMUT的平板上。在其他實(shí)現(xiàn)中，建立在CMUT上的第二結(jié)構(gòu)是其 他的換能設(shè)備諸如接口電路或者傳感器，例如，壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、或其 他相似傳感器。此外在一些實(shí)現(xiàn)中，基于ESCMUT的設(shè)計(jì)，兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)能夠直接將一個(gè) CMUT建造在另一個(gè)上面。此外，在一些實(shí)現(xiàn)中，CMUT中一個(gè)的平板能夠被圖案化成某一形 狀，這不但改進(jìn)了 CMUT性能，而且會最小化在兩個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)工作之間的干擾。在一些實(shí)現(xiàn) 中，可以不同的組合來使用所述疊層CMUT結(jié)構(gòu)，以便達(dá)成想要的功能和性能用于選定的應(yīng) 用，諸如分離的發(fā)射和接收功能、雙工發(fā)射、雙工接收、或者獨(dú)立工作的CMUT，正如接下來要 討論的一樣。此處闡明的實(shí)現(xiàn)不僅大大改進(jìn)了 CMUT的設(shè)計(jì)靈活性以適應(yīng)超聲系統(tǒng)，而且還 能顯著地改進(jìn)換能器性能。在一些實(shí)現(xiàn)中，通過光刻限定了兩個(gè)疊層換能器結(jié)構(gòu)的位置，從 而使得兩個(gè)換能器能夠精確配準(zhǔn)，其中一個(gè)換能器被被構(gòu)造在另一個(gè)的頂部。此處公開的 疊層配置中的換能器設(shè)備和CMUT結(jié)構(gòu)能夠被設(shè)計(jì)成任何配置，例如，單個(gè)元件換能器、1維 陣列、1. 5維陣列、1. 75維陣列、2維陣列或者環(huán)陣列等等。同樣地，兩個(gè)疊層CMUT結(jié)構(gòu)可以 具有相同或不同的配置。實(shí)現(xiàn)還涉及到用于制造和使用此處所描述組件的方法、系統(tǒng)和裝置。另外，應(yīng)當(dāng)注 意的是，圖1、3_8、10以及12-14中示出的配置是其中可以提供所述實(shí)現(xiàn)，并且所述實(shí)現(xiàn)不 限于特定的硬件配置的純示例性的組件和系統(tǒng)。在本描述中，出于解釋的目的闡明了眾多 細(xì)節(jié)，以便提供對于本公開的深入理解。然而，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員很明顯的是，并不是 所有這些具體細(xì)節(jié)都是必須的。圖15A-15B示出了換能設(shè)備112覆蓋在CMUT結(jié)構(gòu)111上的圖1對應(yīng)的組件的額 外示例性實(shí)現(xiàn)。圖15A示出了第一示例性換能設(shè)備1512a，其建立在CMUT結(jié)構(gòu)1511a的平 板611上，對應(yīng)于圖6的ESCMUT。在其他實(shí)現(xiàn)中，CMUT結(jié)構(gòu)1511a可以是其他已知CMUT結(jié) 構(gòu)。例如，換能設(shè)備1512a可以被構(gòu)造在CMUT結(jié)構(gòu)，諸如在圖7中示出的第二 CMUT結(jié)構(gòu)712 的柔性元件722/電極721上。示例性換能設(shè)備1512a可以是熱線式流量傳感器或者溫度 傳感器1560?？蛇x擇地，一個(gè)或多個(gè)集成電路(IC) 1550可以與傳感器1560整合。傳感器 1560包括一條或多條線1561，在圖15A的實(shí)現(xiàn)中示出了三條線1561a-1561c。腔1562位 于1561a-1561c中每條線的下面以減小線1561上的熱負(fù)荷，以便提高傳感器1560的敏感度。如果傳感器1560被配置為流量傳感器，則中間線1561b被設(shè)計(jì)成加熱器(即，電阻加 熱線)，其能夠由導(dǎo)電材料組成并且用于以已知的方式測量流量。線1561a和1561c可以被 配置成為溫度傳感器，并且可以由具有隨溫度變化而發(fā)生改變的性質(zhì)的材料(例如鉬)組 成。線1561a與1561c之間的溫差可以用來確定流量信息。因?yàn)榫€1561a或線1561c對溫 度改變敏感，傳感器1560也可僅用作溫度傳感器。此外，與常規(guī)PZT換能器相比，在工作期 間CMUT產(chǎn)生很少熱量，所以換能設(shè)備1512a的傳感器和CMUT1511b能夠獨(dú)立地工作。圖15B示出了換能設(shè)備1512b的另一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)，所述換能設(shè)備1512b建立在 CMUT結(jié)構(gòu)1511b的平板611上，對應(yīng)于圖6的ESCMUT。在其他實(shí)現(xiàn)中，CMUT結(jié)構(gòu)1511b可 以是其他已知CMUT結(jié)構(gòu)。例如，換能設(shè)備1512b可以被構(gòu)造在CMUT結(jié)構(gòu)，諸如在圖7中示 出的第二 CMUT結(jié)構(gòu)712的柔性元件722/電極721上。在所示實(shí)現(xiàn)中，換能設(shè)備1512b包 括兩個(gè)壓力傳感器1570a和1570b，它們建立在CMUT 1511b上并以期望的距離間隔開?？?選擇地，IC 1550可以與壓力傳感器1570a和1570b—起制造。兩個(gè)壓力傳感器之間的壓力 差能夠提供關(guān)于相鄰區(qū)域中介質(zhì)的流量信息。圖15B中示出的壓力傳感器1570a和1570b 可以是靜電壓力傳感器，每個(gè)傳感器包括柔性膜片1571、密封腔1573、頂部電極1572以及 底部電極，在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中底部電極是板611。因此，底部電極611也可以是CMUT結(jié)構(gòu)1511B 的頂部電極611?？蛇x擇地，其他壓力傳感器，比如壓電壓力傳感器能夠使用在換能設(shè)備 1512b中。因?yàn)镃MUT 1511b和換能設(shè)備1512b的壓力傳感器(或流量傳感器)以各自相差 兩個(gè)數(shù)量級以上的頻率工作，壓力傳感器(或流量傳感器)1512b和CMUT 1511b能夠相互 獨(dú)立地工作。在一些應(yīng)用中，諸如圖15A和15B的那些實(shí)現(xiàn)提供了目前所沒有的額外的功能性。 例如，當(dāng)在體內(nèi)執(zhí)行超聲成像時(shí)，可能還想要在一些過程期間的血液流量信息。根據(jù)此處的 實(shí)現(xiàn)，通過將流量/壓力/溫度傳感器并入一個(gè)或多個(gè)CMUT，能夠在成像或治療過程中同時(shí) 監(jiān)控這些度量。另外，雖然討論了將圖15A-15B的換能設(shè)備1512在單個(gè)CMUT 1511的頂部 實(shí)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)注意的是，這些換能設(shè)備同樣可以在具有疊層CMUT結(jié)構(gòu)的組件上實(shí)現(xiàn)。例如，換 能設(shè)備1512a或1512b可以在圖7的組件700中的第二 CMUT結(jié)構(gòu)712的頂部實(shí)現(xiàn)，或者在 圖8A-8B的第二 CMUT結(jié)構(gòu)812的頂部實(shí)現(xiàn)。額外地，雖然一些實(shí)現(xiàn)在上面所討論為具有兩 個(gè)CMUT結(jié)構(gòu)，一個(gè)CMUT疊層在另一個(gè)頂部的組件，但是在本公開和權(quán)利要求的范圍內(nèi)有正 如此處公開的，一個(gè)疊層在另一個(gè)頂部的三個(gè)或更多個(gè)CMUT或者其他換能設(shè)備，比如用于 在三個(gè)不同頻率下工作等。雖然這里已經(jīng)用具體到結(jié)構(gòu)特性和/或方法學(xué)行動(dòng)的語言對本主題進(jìn)行了描述， 但要理解的是在附加權(quán)利要求中所限定的主題不限于上面所描述的具體特性或行動(dòng)。更確 切地，上面所描述的具體特性和行動(dòng)被公開作為實(shí)現(xiàn)所述權(quán)利要求的示例形式。額外地，本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能明白的是，預(yù)計(jì)達(dá)成相同目的的任何布置可以替代被公開的具體實(shí) 現(xiàn)。本公開旨在覆蓋被公開的實(shí)現(xiàn)的任何和全部的修改或變化，并且要明白的是，在下列權(quán) 利要求中使用的術(shù)語不應(yīng)被解釋為將本專利限制在說明書中所公開的具體實(shí)現(xiàn)中。更確切 地，本專利的范圍是通過下列權(quán)利要求，以及由這些權(quán)利要求有權(quán)享有的的全范圍等價(jià)形 式來完全確定的。
1權(quán)利要求
一種組件，包括第一電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)；以及第二換能設(shè)備，其以疊層關(guān)系與所述第一CMUT相鄰。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第二換能設(shè)備是第二CMUT。
3.如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述第一CMUT包括第一電極；第二電極，其通過第一空隙與所述第一電極分離，所述第一空隙通過一個(gè)或多個(gè)第一 支撐物維持；以及彈簧構(gòu)件，其用于使所述第一電極和所述第二電極能夠在所述第一空隙中朝著彼此和 遠(yuǎn)離彼此移動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的組件，其中所述第二 CMUT包括所述第二電極和一第三電極，所述第三電極在所述第二電極 的與所述第一電極相對的側(cè)上通過第二空隙與所述第二電極分離，所述第二空隙通過一個(gè) 或多個(gè)第二支撐物維持。
5.如權(quán)利要求4所述的組件，其中所述第三電極安裝在柔性元件上，所述柔性元件使所述第三電極能夠在所述第二 空隙中朝著和遠(yuǎn)離所述第二電極移動(dòng)，所述柔性元件提供彈簧力以使所述第三電極朝著初 始位置返回。
6.如權(quán)利要求4所述的組件，其中所述第三電極被形成為覆蓋所述第二電極和所述彈簧構(gòu)件的板的一部分，并且通 過第二空隙從所述第二電極和所述彈簧構(gòu)件分離，所述第二空隙通過一個(gè)或多個(gè)第二支撐 物維持，其中所述第三電極被配置成朝著和遠(yuǎn)離所述第二電極移動(dòng)，以及其中所述第三電極主要位于所述第一支撐物中的一個(gè)或多個(gè)上面，使得所述第二 CMUT 的工作對所述第一 CMUT的工作具有最小的影響。
7.如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述第一 CMUT被配置成在第一頻率下工作，并且所述第二 CMUT被配置成在不同 于所述第一頻率的第二頻率下工作。
8.如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述第一 CMUT和所述第二 CMUT共享共用的中間電極。
9.如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述第一 CMUT連接到接收電路以接收聲能，以及其中所述第二 CMUT連接到發(fā)射電路以發(fā)射聲能。
10.如權(quán)利要求2所述的組件，還包括其中所述第一 CMUT和所述第二 CMUT連接到電路以選擇性地將所述第一 CMUT和第二 CMUT連接到下列之一發(fā)射電路，其用于使所述第一 CMUT和第二 CMUT能夠發(fā)射聲能；或者接收電路，其用于使所述第一 CMUT和所述第二 CMUT能夠接收聲能。
11.如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述第一 CMUT和所述第二 CMUT并聯(lián)連接，其中所述第一 CMUT連接到第一電路以選擇性地將所述第一 CMUT連接到第一發(fā)射電路 或第一接收電路中的一個(gè)，以及其中所述第二 CMUT連接到第二電路以選擇性地將所述第二 CMUT連接到第二發(fā)射電路 或第二接收電路中的一個(gè)。
12.如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述第一 CMUT和所述第二 CMUT安裝在探頭上；其中所述第一 CMUT被配置為成像換能器，用于在外科手術(shù)過程期間提供組織的視野，以及其中所述第二 CMUT被配置成將超聲能量聚焦在期望的組織區(qū)域上，用于在外科手術(shù) 過程期間進(jìn)行組織切除。
13.如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述第一 CMUT和所述第二 CMUT安裝在探頭上；其中所述第一 CMUT被配置為成像換能器，用于在第一工作頻率下提供成像，以及 其中所述第二 CMUT被配置為成像換能器，用于在不同于所述第一工作頻率的第二工 作頻率下提供成像。
14.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第二換能設(shè)備是位于所述第一 CMUT的上板上的流量/溫度傳感器。
15.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第二換能設(shè)備是位于所述第一 CMUT的上板上的流量/壓力傳感器。
16.一種組件，包括 第一電極；第二電極，其通過第一空隙與所述第一電極分離開；彈簧構(gòu)件和一個(gè)或多個(gè)第一支撐物，所述一個(gè)或多個(gè)第一支撐物用于維持所述第一電 極與所述第二電極之間的所述第一空隙，其中所述第一電極和所述第二電極能夠朝著彼此 移動(dòng)，導(dǎo)致所述彈簧構(gòu)件彎曲，并且所述第一電極和所述第二電極由于所述彈簧構(gòu)件的恢 復(fù)力而彼此遠(yuǎn)離地移動(dòng)；第三電極，其在所述第二電極的與所述第一電極相對的側(cè)上通過第二空隙與所述第二 電極分離。
17.如權(quán)利要求16所述的組件， 其中所述第二電極是板，以及其中所述第三電極與柔性元件相鄰，所述柔性元件通過一個(gè)或多個(gè)第二支撐物與所述 板分離，其中所述柔性元件使所述第三電極能夠朝著和遠(yuǎn)離所述第二電極移動(dòng)，所述柔性元件 提供使所述第三電極返回到遠(yuǎn)離所述第二電極的位置的彈力。
18.如權(quán)利要求16所述的組件， 其中所述第二電極與所述彈簧構(gòu)件相鄰，其中所述第三電極通過一個(gè)或多個(gè)第二支撐物與所述第二電極和所述彈簧構(gòu)件分離， 其中所述第三電極的彎曲使所述第三電極能夠朝著和遠(yuǎn)離所述第二電極移動(dòng)。
19.如權(quán)利要求18所述的組件，其中所述第三電極位于所述第一支撐物中的一個(gè)或多個(gè)的上面，使得所述第三電極朝 著和遠(yuǎn)離所述第二電極的運(yùn)動(dòng)對于所述第一電極和所述第二電極之間的相對運(yùn)動(dòng)的影響最小。
20.如權(quán)利要求16所述的組件，其中所述第一電極和所述第二電極構(gòu)成第一電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)； 其中所述第二電極和所述第三電極構(gòu)成第二 CMUT ；以及其中所述第二電極連接到偏壓或電壓源，并且用作所述第一 CMUT和所述第二 CMUT的 共用電極。
21.一種探頭，包括安裝在所述探頭上的第一換能器和第二換能器，其中所述第一換能器和所述第二換能 器是相鄰并且覆蓋的，一個(gè)在另一個(gè)頂上。
22.如權(quán)利要求21所述的探頭，其中所述第一換能器是第一電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)，所述第一 CMUT被配置 為成像換能器，用于在外科手術(shù)過程期間提供視野，以及其中所述第二換能器是第二 CMUT，所述第二 CMUT被配置成將超聲能量聚焦在期望的 組織區(qū)域上，用于在外科手術(shù)過程期間進(jìn)行組織切除。
23.如權(quán)利要求21所述的探頭，其中所述第一換能器是第一電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)，所述第一 CMUT被配置 為成像換能器，用于在第一工作頻率下提供成像，以及其中所述第二換能器是第二 CMUT，所述第二 CMUT被配置為成像換能器，用于在不同于 所述第一工作頻率的第二工作頻率下提供成像。
全文摘要
實(shí)現(xiàn)包括電容式微機(jī)械超聲換能器(CMUT)，其具有以垂直疊層關(guān)系覆蓋的額外換能設(shè)備。在一些實(shí)現(xiàn)中，額外的換能設(shè)備是第二CMUT，其被配置成在不同于第一CMUT的頻率下工作。
文檔編號H04R19/00GK101868981SQ200880117483
公開日2010年10月20日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者黃勇力 申請人:科隆科技公司