[发明专利]光声成像内窥镜

说明书

本申请公开了一种光声成像内窥镜。本发明的实施例涉及一种光声成像装置，包括：光源，用于提供光束；反射镜，用于将所述光源提供的光束反射到被成像对象上，所述反射镜被设置成能转动以将所述光束反射到所述被成像对象上的不同位置；以及超声传感器，用于接收来自所述被成像对象的通过光声转换形成的超声波。本发明充分利用电容式微机电超声传感器优良的信噪比及其制造和封装工艺的优势来实现高功能小型化或微型化的光声成像内窥镜，并进一步引入可转动反射镜来增加内窥镜的成像范围。更进一步，本发明还可以同时实现光声成像和纯超声成像。

技术领域

本发明涉及光声成像领域，尤其涉及超声传感器和微机电超声传感器以及包含超声传感器和微机电超声传感器的光声成像装置。

背景技术

电容式微机电超声传感器(CMUT)是一种有着广泛用途的静电超声传感器。超声传感器可以在液体、固体和气体等多种介质中工作。超声传感器已经应用在医药诊断和治疗、无损伤材料测试、声纳、通讯、接近传感器、流量测量、实时工艺控制、超声显微镜等领域中。

与广泛应用的利用压电陶瓷(PZT)技术制造的传感器比较，电容式微机电超声传感器在制造工艺、频谱带宽以及工作温度等方面都有很大的优势。例如，用传统的制造工艺做传感器阵列，需要分别切割每个阵元，所以传统的制造工艺耗时耗力并且成本高。此外，切割方法精度有限，所以制造高频、二维和一些特殊几何形状的传感器阵列尤其困难。电容式微机电超声传感器是用半导体工艺制成的器件，所以很多传感器可以在一起成批制造。半导体制造工艺的精度足够满足电容式微机电超声传感器的需求。电容式微机电超声传感器阵列可以实现高精度和低成本。电容式微机电超声传感器在所设计的工作频率范围里的阻抗比压电陶瓷传感器的阻抗低很多。所以电容式微机电超声传感器在医疗成像应用中不需要匹配层和较宽的带宽。电容式微机电超声传感器是由半导体材料制成，所以它比压电陶瓷传感器耐高温。

电容式微机电超声传感器的基本结构是具有固定下电极和活动上电极的平行板电容。活动上电极依附在一个可变形的薄膜上，用来传送超声波到临近的介质和从临近的介质中接收超声波。可将直流偏置电压加在传感器两电极之间，用来将薄膜设置于优化位置以得到最佳的灵敏度和带宽。发射超声波时，将交流电压加在传感器上，相应的静电力移动薄膜以传送超声能量到临近的介质。接收超声波时，介质中的超声波引起传感器薄膜震动从而改变传感器的电容，并用相应的接收电路探测电容变化。

两种代表性的电容式微机电超声传感器分别是可变形薄膜电容式微机电超声传感器(flexible membrane CMUT)和最近发明的弹簧嵌入式电容式微机电超声传感器(emdedded-spring CMUT,ESCMUT)。图1是一个传统的可变形薄膜电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元100的放大图。传感器100具有固定的包括下电极160的衬底120，以及通过薄膜支撑件130和衬底120相连的可变形薄膜110，可移动的上电极150附着在薄膜110之上或之中。薄膜110本身也可以作为上电极。薄膜支撑件130在可变形薄膜110和下电极160之间形成传感器空间170，该传感器空间可以是封闭的。介电绝缘层140可以选择性地设置在两电极之间。

图2是弹簧嵌入式电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元200的放大图。在两个PCT国际专利申请(No.PCT/IB2006/051568和No.PCT/IB2006/051569,申请日均为2006年5月18号，两个申请的标题均为“MICRO-ELECTRO-MECHANICALTRANSDUCERS(微机电传感器)”)中详细描述了弹簧嵌入式电容式微机电超声传感器。此传感器200包括衬底230、弹簧固定件231、以及弹簧层220，该弹簧层220被弹簧固定件231支撑在衬底230上。表面薄板210通过弹簧薄板连接件240和弹簧层220相连。上电极250依附在表面薄板210上。表面薄板210本身也可以是上电极的一部分。在上电极和下电极260之间是传感空间270。传感器可以由一个或多个基元200组成。传感器200可以有一个或多个被弹簧层支撑的薄板。介电绝缘层280可以选择性地设置在两电极之间。