超声换能器组件和用于发送和接收超声波的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声换能器组件以及用于由超声换能器组件发送和接收超声波的方法。尤其地，本发明涉及超声成像单元，其包括用于发射和接收超声波并且用于提供超声图像的电容性微机械超声换能器元件。
【背景技术】
[0002]电容性微机械超声换能器(CMUT)是用于在超声成像应用中使用的众所周知的技术，并且提供基于压电技术对超声换能器进行低成本替换的可能性。
[0003]CMUT单元包括在柔性膜下面的腔。为了探测超声波，通过测量在柔性膜的电极与CMUT单元的衬底之间的电容的变化来探测柔性膜的振动，柔性膜根据接收到的超声波而移动或振动。相反地，向CMUT单元的电极施加的电信号引起所述膜振动并且由此发射超声波。
[0004]为了提高CMUT单元的灵敏度，已经开发了“崩塌模式”，其中，DC偏置电压被用于使膜与CMUT衬底相接触，并且由此使单元的灵敏度加倍。例如从US2011/0040189A1已知包括波状外形的衬底的能操作于崩塌模式的CMUT。
[0005]然而，操作在崩塌模式中的CMUT单元经受电荷充电和介质击穿，从而显著减小CMUT单元的寿命。已经开发了能够以高灵敏度操作于崩塌模式的具有较长介质寿命的经改进的CMUT结构，然而，其必须确保CMUT单元的介质部件在超声换能器的寿命期间不充电或击穿O
[0006]根据US2007/0140515A1，已知一种换能器静态放电装置，其中，光被暴露到超声换能器组件的电容性膜换能器元件，以便减少在换能器元件内部的静电荷。
[0007]根据US2005/0119575A1，已知一种用于3D成像的电容性微机械换能器阵列，其包括相对大的仰角尺寸以及在时间和空间中对仰角孔径的偏压控制。
[0008]根据US2012/0194107A1，已知一种用于电容性电机械换能器的控制装置，其包括:单元，每个单元包括经由间隙彼此面对的第一电极和第二电极;驱动/探测单元和外部应力施加单元，其中，驱动/探测单元通过在电极之间生成AC静电吸引力来引起第二电极振动并且发送弹性波，或者探测在电极之间的容量的电荷，其中，该电荷是在接收到弹性波时由第二电极振动引起的。
【发明内容】
[0009]因此，本发明的目的是提供具有高灵敏度和改善的寿命的超声换能器组件。本发明的另一目的是提供具有高灵敏度和改善的寿命的超声成像单元。最终，本发明的目的是提供用于由具有高灵敏度和改善的寿命的超声换能器组件来发送和接收超声波的方法。
[0010]根据本发明的一个方面，提供了一种超声换能器组件，包括:
[0011 ]-多个换能器元件，其用于发送和接收超声波，每个换能器元件具有衬底和与所述衬底相距一定距离设置的柔性膜，
[0012]-AC电压控制单元，其用于控制向所述换能器元件中的每个提供的AC电压，
[0013]-DC电压控制单元，其用于控制向所述换能器元件提供的DC偏置电压以便使处于崩塌模式中的所述柔性膜与所述衬底相接触，
[0014]其中，所述DC电压控制单元适于在超声换能器组件的操作期间将所述DC偏置电压与所述换能器元件暂时断开连接以限制所述崩塌模式。
[0015]根据本发明的另一方面，提供了一种超声成像单元，其包括用于根据本发明来发射和接收超声波的超声换能器组件。
[0016]根据本发明的又一方面，提供了一种用于由超声换能器组件发送和接收超声波的方法，其包括如下步骤:
[0017]-向多个换能器元件提供AC电压，每个换能器元件具有衬底和与所述衬底相距一定距离设置的柔性膜，
[0018]-向所述多个换能器元件提供DC偏置电压以便使处于崩塌模式中的所述柔性膜与所述衬底相接触，并且
[0019]-在所述超声换能器组件的操作期间将所述DC偏置电压暂时断开连接以限制所述崩塌模式。
[0020]在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所主张的方法与所主张的设备以及如在从属权利要求中所限定的具有相似和/或相同的优选实施例。
[0021]本发明基于这样的思想:S卩，减少换能器单元处于崩塌模式中以及柔性膜与衬底相接触的时间。由于当在柔性膜与衬底相接触时形成通过介质层的导电路径时发生换能器单元的介质击穿，所以如果减少或限制柔性膜与衬底相接触的时间，则能够增加寿命。根据本发明，将发起崩塌模式并且使所述柔性膜与衬底相接触的DC偏置电压与换能器单元断开连接以便在超声换能器组件的操作期间减少崩塌模式时间。因此，所述超声换能器元件能够在崩塌模式中以高灵敏度进行操作，并且由于减少了换能器操作于崩塌模式中的时间，增加了换能器元件的寿命。
[0022]在优选实施例中，DC电压控制单元适于将崩塌模式限制到预定义时间段。具体地，DC电压控制单元适于在达到预定义时间段之后将DC偏置电压与换能器元件断开连接，并且根据需要将DC偏置电压重新连接到换能器元件。借助于对崩塌模式的时间限制，能够限制柔性膜与衬底连续接触的时间，从而能够改善换能器元件的寿命。
[0023]在优选实施例中，DC电压控制单元适于基于换能器元件的温度来限制崩塌模式。具体地，DC电压控制单元适于在达到换能器元件的预定义温度时将DC偏置电压与换能器元件断开连接。能够通过考虑换能器元件的温度来限制，所述换能器元件的温度是另一影响寿命的参数。
[0024]在优选实施例中，DC电压控制单元适于在由换能器元件对超声波发送与接收之间将DC偏置电压与换能器元件断开连接。这简单地能够在换能器元件的发送模式与接收模式之间的死区时间中中断崩塌模式。
[0025]在优选实施例中，超声换能器组件还包括换能器和主机，其中，所述换能器包括换能器元件，所述主机包括DC电压源。这使得能够提供超声换能器组件的柔性使用。
[0026]进一步优选地，如果DC电压控制单元被集成在将主机与换能器连接的连接器中。这能够降低技术努力，因为DC偏置电压能够通过将换能器与主机中的DC电压源断开连接而被容易地切断。
[0027]在另一优选实施例中，DC电压控制单元被集成在主机中。这简单地能够将DC偏置电压源与DC电压控制单元集成，其能够被主机中的中央处理单元容易地控制。
[0028]根据优选实施例，所述主机和所述换能器是分离的并且经由连接线彼此电连接。这简单地能够提供在主机与换能器之间的电连接，以驱动换能器元件。
[0029]在优选实施例中，换能器元件被布置在换能器元件的阵列中，并且阵列由控制单元来控制以进行超声成像。这优选能够提供具有低技术努力的超声成像。
[0030]在优选实施例中，DC电压控制单元适于在对超声波的发送与接收之间在成像模式中将DC偏置电压与换能器元件断开连接。这简单地能够在成像扫描期间的死区时间中中断崩塌模式，以增加换能器元件的寿命。
[0031]进一步优选地，如果DC电压控制单元适于在接收到超声波之后并且在发送超声波之前在成像模式中将换能器元件断开连接。这有效地能够增加寿命，因为在成像扫描期间的接收与发送之间的死区时间能够是换能器元件的相当长的死区时间。
[0032]在优选实施例中，DC电压控制单元适于在控制单元存储从换能器阵列接收到的图像数据时将DC电压与换能器元件断开连接。这优选能够减少崩塌模式的时间并且增加换能器的寿命，因为能够有效地使用在存储图像数据期间的换能器元件的死区时间。
[0033]在优选实施例中，DC电压