專利名稱：由不等效空間高度的各基元組成的電容式超聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電子元器件領(lǐng)域，具體地，涉及由不等效空間高度的各基元組成的電容式超聲傳感器。
背景技術(shù)：
電容式微加工超聲傳感器是一種有著廣泛用途的靜電傳感器。超聲傳感器可以在液體，固體和氣體等多種介質(zhì)里工作。超聲傳感器已經(jīng)應(yīng)用在醫(yī)藥診斷和治療，無損傷材料測試，聲納，通訊，接近傳感器，流量測量，實(shí)時(shí)工藝控制，超聲顯微鏡等領(lǐng)域里。電容式微加工超聲傳感器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)固定下電極和活動上電極的平行板電容?；顒由想姌O依附在一個(gè)可變形的薄膜上用來傳送超聲波到臨近的介質(zhì)和從臨近的介質(zhì)中接收(RX)超聲波。直流偏置電壓可以加在傳感器兩電極之間用來設(shè)置薄膜到一個(gè)優(yōu)化位置以得到最佳的靈敏度和帶寬。發(fā)射(TX)時(shí)，一個(gè)交流電壓加在傳感器上。相應(yīng)的靜電力移動薄膜以傳送超聲能量到臨近的介質(zhì)。接收時(shí)，介質(zhì)中的超聲波引起傳感器薄膜震動從而改變傳感器的電容。電容變化能用相應(yīng)的接收電路探測到。一個(gè)完整的電容式超聲傳感器或傳感器陣元都是由多個(gè)基元組成。電容式微加工超聲傳感器的基兀一般來說都做成完全一樣的，所以整個(gè)傳感器陣兀表面的傳感效應(yīng)(transducing efficiency)都是一樣的。但在超聲成像時(shí),為了得到更好的發(fā)射波束，希望傳感器或傳感器陣元的的傳感效應(yīng)不是每處都一樣，而是有一定的分布。這種設(shè)計(jì)很難用傳統(tǒng)的技術(shù)在一個(gè)傳感器陣元上實(shí)現(xiàn)。但是，在超聲成像時(shí)，為了得到更好的發(fā)射波束，希望傳感器或傳感器陣元的傳感效應(yīng)不是每處都一樣，而是有一定的分布。這種設(shè)計(jì)很難用傳統(tǒng)的壓電陶瓷技術(shù)在一個(gè)傳感器陣元上實(shí)現(xiàn)。因此現(xiàn)有的基于壓電陶瓷技術(shù)的系統(tǒng)，只好通過使用更復(fù)雜的傳感器列陣和控制電路和系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)孔徑孔障從而優(yōu)化成像。例如，為了用孔徑孔障提高2維超聲圖像的質(zhì)量，代替一般的ID列陣探頭，人們使用I. 5D、1. 75D、甚至2D的列陣探頭，這極大地增加了探頭和系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，因此只有較少的高端超聲診斷系統(tǒng)上才有此功能。而如果在ID列陣探頭的陣元中實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的傳感效應(yīng)分布，那么在幾乎不增加任何探頭和系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本的情況下實(shí)現(xiàn)了孔徑孔障從而優(yōu)化成像。如果在幾乎不增加任何探頭和系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本的情況下實(shí)現(xiàn)了孔徑孔障從而優(yōu)化成像，不管是高端系統(tǒng)還是低端系統(tǒng)都能受益，從而可以提高醫(yī)用超聲系統(tǒng)的整體成像質(zhì)量，對幫助提高醫(yī)療診斷水平會有很大的作用。在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在成像質(zhì)量差、制作復(fù)雜、尺寸不夠精確與成本高等缺陷。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，針對上述超聲傳感器效應(yīng)沒處都一樣的問題，提出由不等效空間高度的各基元組成的電容式超聲傳感器，以實(shí)現(xiàn)成像質(zhì)量高、制作方便、尺寸精確與成本低的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是由不等效空間高度的各基元組成的電容式超聲傳感器，包括至少兩個(gè)基元，在每個(gè)基元的上、下電極(第一、第二電極)之間具有一個(gè)等效傳感空間；其中至少有兩個(gè)基元的等效傳感空間不一樣。進(jìn)一步地，每個(gè)基元具有一個(gè)均勻的等效傳感空間；其中至少有兩個(gè)基元的等效傳感空間的高度不一樣，形成超聲傳感器等效傳感效應(yīng)的不均勻分布。進(jìn)一步地，每個(gè)基元的上、下電極均為平面電極，在上、下電極之間形成均勻等效傳感空間。以上方案是根據(jù)空間的等效幾何形狀，即上、下電極的表面形狀以及在其表面存積的介質(zhì)絕緣層進(jìn)行的。傳感器的傳感效應(yīng)的好壞主要 被此傳感空間決定的。因此通過改變傳感器中不同位置的基元中的傳感空間的等效寬度來達(dá)到在傳感器或傳感器陣元面積內(nèi)希望的傳感效應(yīng)分布。相對于用改變傳感器薄膜的幾何形狀或大小來改變各個(gè)基元的傳感器效應(yīng)，這種做法能在改變傳感基元的傳感效應(yīng)時(shí)仍能保持所有基元的頻譜的一致性。而且用傳感空間來改變傳感效應(yīng)的傳感器的微機(jī)電制作工藝可以和各處傳感效應(yīng)一樣的傳感器的制作工藝相仿，從而不增加制作工藝的難度。本實(shí)用新型具有以下有益效果⑴超聲傳感器的不均勻等效傳感空間改善了發(fā)射波束，大大提高了成像質(zhì)量；⑵本實(shí)用新型適合微加工工藝要求，在加工上、下電極表面時(shí)，不會增加制作工藝的難度；⑶制作方便，尺寸精確，成本低。本實(shí)用新型的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本實(shí)用新型而了解。本實(shí)用新型的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。下面通過附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖用來提供對本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本實(shí)用新型的實(shí)施例一起用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對本實(shí)用新型的限制。在附圖中圖I是一個(gè)可變形薄膜電容式微機(jī)電超聲傳感器的截面示意圖以及一個(gè)傳感器基兀100的放大圖；圖2顯示了傳感器的傳感效應(yīng)分布設(shè)計(jì)的例子；圖3顯示傳感器的傳感效應(yīng)不均勻分布設(shè)計(jì)的例子及其波束分布。上述有關(guān)附圖具體說明如下圖I是已有技術(shù)，圖I中的傳感空間170隨著薄膜110的移動產(chǎn)生不均勻傳感空間。理想情況下,傳感器的傳感效應(yīng)分布應(yīng)設(shè)計(jì)為高斯函數(shù)(Gaussian function)的形狀(如圖2中的曲線610)，這樣傳感效應(yīng)分布的傳感器的波束分布里沒有旁瓣。如果沒有辦法將傳感器的分布做成理想的高斯分布，我們可以設(shè)計(jì)多個(gè)階梯分布(例如圖2中的曲線620和630)的傳感效應(yīng)來盡量接近理想的高斯分布。圖3中，通過改變一個(gè)電極的形狀或用不均勻的介電絕緣層，從而實(shí)現(xiàn)寬度不均勻的等效傳感空間。其等效結(jié)構(gòu)包括一個(gè)上電極(第一電極)850, —個(gè)下電極(第二電極)860和不均勻傳感空間870。在圖3的具體例子中，傳感空間870有2個(gè)不同高度的部分，中間的傳感空間高于其他部分。在圖3的傳感器中，各個(gè)傳感器基元中的傳感空間不均勻部分的相對比例可以根據(jù)設(shè)計(jì)有所變化。例如圖3中，不均勻傳感空間中寬的部分所占比例隨著基元位置不同依次增加。傳感器能夠更容易的用微機(jī)電的制作工藝實(shí)現(xiàn)多種不同傳感器基元的傳感效應(yīng)變化。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn) 行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。圖3中，通過改變一個(gè)電極的形狀或用不均勻的介電絕緣層，從而實(shí)現(xiàn)高度不均勻的等效傳感空間。其等效結(jié)構(gòu)包括一個(gè)上電極(第一電極)850, 一個(gè)下電極(第二電極)860和不均勻傳感空間870。傳感空間870有至少兩個(gè)不同等效高度的部分，在這個(gè)實(shí)例中，中間的等效傳感空間高于其他部分。各個(gè)傳感器基元中的傳感空間不均勻部分的相對比例可以根據(jù)設(shè)計(jì)有所變化，不均勻傳感空間中高的部分所占比例隨著基元位置不同依次增加。同圖I中的傳感器相比，圖3中的傳感器能夠更容易的用微機(jī)電的制作工藝實(shí)現(xiàn)多種不同傳感器基元的傳感效應(yīng)變化。只是因?yàn)槲C(jī)電的制作工藝在水平方向比垂直方向更容易實(shí)現(xiàn)多種不同的尺寸變化。理想情況下,傳感器的傳感效應(yīng)分布應(yīng)設(shè)計(jì)為高斯函數(shù)(Gaussian function)的形狀(如圖2中的曲線610)，這樣傳感效應(yīng)分布的傳感器的波束分布里沒有旁瓣。如果沒有辦法將傳感器的分布做成理想的高斯分布，可以設(shè)計(jì)多個(gè)階梯分布(例如圖2中的曲線620和630)的傳感效應(yīng)來盡量接近理想的高斯分布)，所以800、800A、800B和800C的傳感效應(yīng)數(shù)值應(yīng)根據(jù)其在傳感器的位置來確定其相應(yīng)的傳感效應(yīng)數(shù)值從而使其形成的傳感器傳感效應(yīng)更接近高斯分布。有些分布也許不是最優(yōu)化的是，最佳的分布設(shè)計(jì)要根據(jù)傳感器的形狀，大小已經(jīng)傳感器的工作頻率來定，一般來講，需要通過模擬(simulation)實(shí)驗(yàn)確定。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)在超聲成像時(shí)在傳感器不同區(qū)域傳感器的傳感效應(yīng)沒有差異，從而成像質(zhì)量不能得到更一步的優(yōu)化；本實(shí)用新型涉及超聲波傳感器領(lǐng)域，在上、下電極之間具有不均勻等效傳感空間，提供的技術(shù)方案為傳感器由多個(gè)基元組成，采用各個(gè)基元不同寬度，深度或形狀的傳感空間，使超聲傳感器具有不均勻等效傳感空間從而形成不均勻的傳感效應(yīng)，并利用微機(jī)電的方式進(jìn)行制作，制作出設(shè)計(jì)需要的傳感效應(yīng)分布，實(shí)現(xiàn)需要的孔徑孔障，具有發(fā)射束明顯改善，成像質(zhì)量高，制作方便，尺寸精確、成本低的有益效果；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中成像質(zhì)量差、制作復(fù)雜、尺寸不夠精確與成本高的缺陷，以實(shí)現(xiàn)成像質(zhì)量高、制作方便、尺寸精確與成本低的優(yōu)點(diǎn)。最后應(yīng)說明的是以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.由不等效空間高度的各基元組成的電容式超聲傳感器，其特征在于，包括至少兩個(gè)基元，在每個(gè)基元的第一、第二電極之間具有ー個(gè)等效傳感空間；其中至少有兩個(gè)基元的等效傳感空間不一樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的由不等效空間高度的各基元組成的電容式超聲傳感器，其特征在于，每個(gè)基元具有一個(gè)均勻的等效傳感空間；其中至少有兩個(gè)基元的等效傳感空間的高度不一樣，形成超聲傳感器等效傳感效應(yīng)的不均勻分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的由不等效空間高度的各基元組成的電容式超聲傳感器，其特征在于，每個(gè)基元的第一、第二電極均為平面電極，在第一、第二電極之間形成均勻等效傳感空間。
專利摘要本實(shí)用新型涉及超聲波傳感器領(lǐng)域，公開了由不等效空間高度的各基元組成的電容式超聲傳感器，由于現(xiàn)有技術(shù)在超聲成像時(shí)在不同區(qū)域傳感效應(yīng)沒有差異，影響成像質(zhì)量；為此，本實(shí)用新型在上、下電極之間具有不均勻等效傳感空間，提供的技術(shù)方案為傳感器由多個(gè)基元組成，采用各個(gè)基元不同寬度的傳感空間，使超聲傳感器具有不均勻等效傳感空間，并利用微加工的方式進(jìn)行制作，制作出設(shè)計(jì)需要的傳感效應(yīng)分布，實(shí)現(xiàn)需要的孔徑孔障，本實(shí)用新型具有發(fā)射束明顯改善，成像質(zhì)量高，制作方便，尺寸精確、成本低的有益效果。
文檔編號A61N7/00GK202437174SQ20122000146
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者陳力, 高毅品, 黃勇力 申請人:無錫智超醫(yī)療器械有限公司