用于超声成像系统的基于矩阵的线成像器的均衡化的制作方法

用于超声成像系统的基于矩阵的线成像器的均衡化
1.交叉引用
2.本技术是2021年1月22日提交的第17/156,058号美国专利申请的延续，其内容通过引用完全并入本文。
3.背景
4.对于超声成像，换能器被用于向要成像的目标发射超声波束，并且由该换能器接收反射波形。接收到的波形被转换成电信号，并且通过进一步的信号处理，产生超声图像。传统上，对于二维(2d)成像，超声换能器包括用于发射超声波束的一维(1d)收发器阵列。希望在发射的超声波束中生成高压力水平。
5.概述
6.二十多年来，压电传感器一直被用于医学成像。这些压电传感器通常使用体压电膜(bulk piezoelectric films)构建。这些膜形成沿方位角方向的列排列的压电元件。每列都可以由发射驱动器驱动。通过在连续列上使用不同的时间延迟，可以在方位角方向上聚焦发射的波束。
7.压电元件阵列的仰角布置可以允许阵列的波束在仰角平面内电子聚焦成窄波束。收发器阵列的单排压电元件不能在2d超声图像的仰角维度或厚度维度上实现电子聚焦。传统的2d超声图像在方位角平面内，在仰角方向上具有一定厚度(即，用于将波束限制为薄图像切片(image slice)的传统技术通过在该维度上对压电元件进行轮廓化或者对每个元件进行透镜化来在该横向或仰角维度上机械地聚焦波束)。换能器的2d阵列可以被布置成使得仰角方向上的元件允许仰角方向上的电子聚焦，同时还允许传统上在既有旧系统中进行的方位角电子聚焦。
8.为了从输入源到另一个电路的最佳功率传输，源的输出阻抗应该是它所驱动的电路的输入阻抗的复共轭。特别地，在最佳情况下，两个阻抗的实部应该相等，并且复部应该是彼此的复共轭。使用压电微加工超声换能器(pmut)实现的换能器本质上是高电容性的。对于试图将超声信号发射到组织中的发射驱动器，驱动器的阻抗需要与如上所述的换能器的输入阻抗相匹配。然而，基于pmut的换能器是高电容性的，这要求电感器与源极驱动器串联使用，以最大化传输到换能器的功率。
9.一方面，公开了一种包括换能器的超声成像系统。该换能器包括至少一个换能器元件。每个换能器元件具有两个端子。该至少一个换能器元件处于发射模式。该换能器还包括至少一个发射驱动器。每个发射驱动器连接到至少一个换能器元件的每个第一端子。该换能器还包括至少一个电感器，该电感器包括两个端子。每个电感器的每个第一端子连接到每个换能器元件的每个第二端子。每个电感器的每个第二端子连接到偏置电压。
10.在一些实施例中，换能器是压电微加工换能器(pmut)设备。
11.在一些实施例中，换能器是电容性微加工超声换能器(cmut)设备或体压电换能器(bulk piezo transducer)。
12.在一些实施例中，至少一个换能器元件是组织成阵列的多个换能器元件。
13.在一些实施例中，该阵列被组织成行和列。列中的多个换能器元件被电子地选择
以限定换能器元件的列。
14.在一些实施例中，行中的多个换能器元件被电子地选择以限定换能器元件的行。
15.在一些实施例中，第一列中的换能器元件的延迟独立于第二列中的换能器元件的延迟，并且第一行中的换能器元件的延迟独立于第二行中的换能器元件的延迟。
16.在一些实施例中，列上的换能器元件具有不同的延迟。
17.在一些实施例中，偏置电压选自包括地电压、负电压和正电压的组。
18.在一些实施例中，在感兴趣区域中增加换能器的带宽。
19.在一些实施例中，选择至少一个电感器的至少一个值以在感兴趣的频率范围内提供压力输出增加。
20.在一些实施例中，该至少一个电感器的至少一个值被选择为足够大以抵消由该至少一个换能器元件的至少一个电容引入的相位变化。
21.在一些实施例中，通过选择列上的多个换能器元件来控制换能器的带宽。
22.在一些实施例中，通过改变选定的换能器元件的多个发射驱动器的多个电压驱动电平来调节选定的换能器元件的压力输出。
23.在一些实施例中，使用多电平发射驱动脉冲并选择期望的数字驱动电平来改变电压驱动电平。
24.在一些实施例中，使用对发射脉冲器(pulsar)波形的脉宽调制进一步控制电压驱动电平。
25.在一些实施例中，换能器被配置成提供沿列的仰角方向上的仰角聚焦(elevation focus)的电子控制。
26.在一些实施例中，沿列的换能器元件由多电平(multilevel)脉冲驱动。
27.在一些实施例中，列上的换能器元件由多电平脉冲序列驱动。
28.在一些实施例中，多电平脉冲序列中的多电平脉冲的脉冲幅度、宽度、形状、脉冲频率及其组合是可电编程的。
29.在一些实施例中，多电平脉冲开始的延迟是电可编程的。
30.在一些实施例中，通过将列的延迟与行的延迟求和来计算以行和列为索引的元件的延迟。
31.在一些实施例中，延迟可以是粗延迟(coarse delay)和细延迟(fine delay)的和。
32.在一些实施例中，脉冲开始的延迟在x方向上是可编程的。
33.在一些实施例中，脉冲开始的延迟在y方向上是可编程的。
34.在一些实施例中，多电平脉冲的形状选自包括正弦和数字方波的组。
35.在一些实施例中，发射驱动器被配置成沿着列驱动一个或更多个换能器元件。发射驱动器由来自发射通道的信号驱动。发射通道的信号相对于施加到驱动不同列上的其它换能器元件的其它发射通道的延迟被电子延迟。
36.在一些实施例中，沿着列的一个或更多个换能器元件以基本相同的延迟操作。
37.在一些实施例中，发射通道和附加发射通道被配置成电控制相邻列之间的相对延迟。控制电路被配置成设置列上的第一数量的换能器元件的相对延迟，使得同一行中的第一数量的换能器元件与起始行的第二数量的换能器元件共享基本相同的相对延迟。
38.在一些实施例中，多个换能器元件中的换能器元件包括顶部部分、中心部分和底部部分，其中的每一个部分包括多行和多列，用于脉冲发射和反射的超声信号的接收。来自顶部部分、中心部分和底部部分的脉冲发射和反射的超声信号的接收被用于使用第一波束成形器在方位角方向上聚焦反射的超声信号。使用第二波束成形器实现仰角聚焦。
39.在一些实施例中，仰角方向上的焦距被电子编程。
40.在一些实施例中，同时执行顶部部分和底部部分的脉冲发射和反射的信号的接收。
41.在一些实施例中，换能器元件执行并行波束成形以产生多条扫描线。
42.在一些实施例中，一行或更多行中的一行上的两个相邻换能器元件被寻址在一起，并且其中多个换能器元件中的换能器包括顶部部分、中心部分和底部部分，其中的每一个部分包括第一数量的行和第二数量的列，用于超声脉冲发射和反射的超声信号的接收。来自这些部分的超声脉冲发射和反射的超声信号的接收被用于使用第一波束成形器在方位角方向上聚焦反射的超声信号。使用第二波束成形器实现仰角聚焦。对于使用b模式的成像，接收通道被分配给同一行上的两个换能器元件，两个换能器元件中的一个来自顶部部分，两个元件中的另一个来自底部部分，另一个通道被分配给中心部分的两个换能器元件。
43.在一些实施例中，2n个接收通道被用于寻址n列。
44.在一些实施例中，在发射操作中，电子选定的所有的多个换能器元件被操作开启以生成具有仰角聚焦的压力。在接收操作中，单独电子选定的所有的多个换能器元件被用于重建在方位角方向和仰角平面上聚焦的图像。
45.在一些实施例中，超声成像系统还包括控制电路，该控制电路被配置成将沿着列的相对延迟电控制为线性延迟和任意细延迟的和。
46.在一些实施例中，列的线性延迟和任意细延迟独立于换能器的其他列的其他线性延迟和任意细延迟，从而允许在三维中任意转向和聚焦。
47.在一些实施例中，每个换能器元件表现出多个振动模式，其中当输入刺激的频带限制为小于相邻模式的频率时，仅触发一个振动模式。
48.在一些实施例中，每个换能器元件表现出多种振动模式，其中从第一振动模式生成的频率与从第二振动模式生成的频率重叠。
49.在一些实施例中，当由包括中心频率的宽带频率输入驱动时，每个换能器元件同时表现出多种振动模式。
50.一方面，公开了一种包括超声换能器的超声成像系统。该换能器包括偏置电压。该换能器还包括一列换能器电路。该换能器电路包括换能器元件，该换能器元件包括用于将电信号转换成超声波的换能器。该换能器元件具有第一端子和第二端子。该换能器还包括电路，该电路包括用于向换能器元件提供电位的输入驱动设备，该输入驱动设备连接到换能器元件的第一端子。该换能器还包括连接到换能器元件的第二端子的电感器。该换能器还包括用于将换能器电路连接到偏置电压的开关。
51.在一些实施例中，超声换能器是pmut设备。
52.在一些实施例中，超声换能器是cmut设备或体压电换能器。
53.在一些实施例中，超声成像系统还包括与电感器并联连接的开关，目的是使电感器短路。
54.在一些实施例中，超声成像系统包括多列。
55.在一些实施例中，多列中的一列包含与换能器元件串联连接的电感器。
56.在一些实施例中，超声成像系统还包括与电感器并联连接的开关，目的是使电感器短路。
57.在一些实施例中，超声成像系统还包括串联连接在多列换能器电路和偏置电压之间的电感器。
58.在一些实施例中，换能器元件被配置成发射包括延迟的信号。
59.在一些实施例中，列上的一个或更多个换能器元件以不同的延迟操作。
60.在一些实施例中，通过将列的延迟与行的延迟求和来计算以行和列为索引的元件的延迟。
61.在一些实施例中，包括来自具有公共列索引的一个或更多个换能器元件的延迟的延迟分布(delay profile)是对称的。
62.在一些实施例中，延迟是粗延迟和细延迟的和。
63.在一些实施例中，粗延迟在一个或更多个相邻换能器元件之间是线性的。
64.在一些实施例中，具有列索引和行索引的换能器元件的延迟是列延迟、线性粗行延迟和细行延迟的和。
65.一方面，一种用于增加由包括至少一个换能器元件的换能器发射的超声波的压力的方法。该方法包括使用连接到至少一个换能器元件的至少一个发射驱动器，将该至少一个换能器元件置于发射模式。每个换能器元件具有第一端子和第二端子。该方法还包括：对于至少一个电感器，将该至少一个电感器中的每一个电感器的第一端子连接到每个换能器元件的第二端子。该至少一个电感器的第二端子连接到偏置电压。该至少一个电感器不与换能器元件集成。该换能器还包括将至少一个发射驱动器中的每一个连接到至少一个换能器元件中的每一个的每一个第一端子。
66.在一些实施例中，至少一个换能器元件是组织成阵列的多个换能器元件。
67.在一些实施例中，该阵列被组织成行和列。该方法还包括电子地选择列中的多个换能器元件以限定换能器元件的列。
68.在一些实施例中，行中的多个换能器元件被电子地选择以限定换能器元件的行。
69.在一些实施例中，第一列中的换能器元件的多个延迟独立于第二列中的换能器元件的多个延迟，并且第一行中的换能器元件的多个延迟独立于第二行中的pmut换能器元件的多个延迟。
70.在一些实施例中，列上的换能器元件具有不同的延迟。
71.在一些实施例中，该方法还包括通过以下方式来执行3d成像：将方位角方向上的多个延迟应用于具有仰角方向上的固定转向角(该转向角由应用于列上的换能器元件的多个延迟控制)的发射集合，并且在仰角平面内以不同的转向角重复该序列，以及使用从换能器接收到的回波重建图像。
72.在一些实施例中，该方法还包括通过以下方式来执行体积成像：通过改变沿方位角的多个延迟来聚焦在方位角平面上，并且还通过改变列上的换能器的多个延迟来聚焦或操纵仰角平面中的波束。
73.在一些实施例中，该方法还包括从包括地电压、负电压和正电压的组中选择偏置
电压。
74.通过引用并入
75.本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，其程度如同每一个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独地指明通过引用并入的相同程度。rathod,vivek t.在2019年的a review of electric impedance matching techniques for piezoelectric sensors,actuators,and transducers、lingvall,f.在2004年的time-domain reconstruction methods for ultrasonic array imaging:a statistical approach.
76.附图简述
77.通过参考以下对说明性实施例加以阐述的详细描述及附图，将会获得对本主题的特征和优势的更好的理解。
78.图1示出了本文中超声系统的示例性示意图，该超声系统包括具有用于发射和接收超声波束的pmut阵列的换能器、控制pmut阵列的电子器件、其他计算、控制和通信电子器件、显示单元和记录单元，其中pmut阵列指向待成像的目标。
79.图2在这里示出了超声换能器的示例性示意图。
80.图3a示出了具有2个导体的压电微加工换能器(pmut)元件的示例性示意图。
81.图3b示出了包括两个子元件的pmut元件的示例性示意图，每个子元件具有2个或更多个电极。
82.图3c示出了具有2个子元件的pmut元件的示例性示意图，每个子元件具有2个电极，其中第一子元件的第一电极连接到第二元件的电极中的一个，并且第一元件的第二电极连接到第二子元件的剩余电极。
83.图4示出了本文的超声换能器系统的pmut阵列的示例性图。
84.图5示出了本文的pmut阵列的压电元件的示例性横截面。
85.图6示出了在未极化状态下以及极化期间和极化之后本文中压电元件中的偶极取向。
86.图7示出了在接收模式期间本文的压电元件与低噪声放大器(lna)的以象征性连接布置的示例性连接。
87.图8a示出了具有用于电可调线路换能器的一个公共接地或偏置电极的pmut的2d阵列的示例性实施例，在该换能器中线路可以在垂直或水平方向上，并且线路的大小(例如，线路中pmut元件的数量)可以是电可编程的。
88.图8b示出了pmut的2d阵列的示例性实施例，该pmut的2d阵列具有示出的到偏置电压和/或有源驱动端子的连接。
89.图9a示出了2个pmut元件与包含发射和接收驱动器和其他功能的asic互连的示例性示意图。
90.图9b示出了图9a的asic的示例性示意图，其中一列电子器件直接与一列pmut接口连接，以构成复合的更大的换能器元件。
91.图10a和图10b示出了聚焦在本文公开的仰角方向上的超声换能器的示例性示意图。
92.图11示出了具有组织在m行和n列上的换能器元件的超声换能器的示例性示意图，
该换能器包括由行和/或列组成的三个条带，每个条带可以被选择为单独驱动，并且其中每个条带中的列共享由发射驱动器的相同的驱动。
93.图12示出了构成超声图像帧的多条扫描线的示例性示意图。
94.图13示出了获得图12的扫描线的示例性示意图。
95.图14示出了使用应用于不同条带的延迟来获得仰角聚焦的示例性示意图。
96.图15a示出了本文具有多个触发器的延迟电路的示例性示意图。
97.图15b示出了本文的延迟电路的示例性示意图。
98.图16示出了换能器元件及其延迟的示例性示意图，这些延迟可以被电子编程，并且对于多于一列的换能器元件可以基本上相似。
99.图17示出了具有针对一列换能器元件的延迟的发射驱动脉冲的示例性示意图，这些延迟围绕中心元件具有对称性。
100.图18示出了具有针对不同列的换能器元件的延迟的发射驱动脉冲的示例性示意图。
101.图19示出了使用内部计数器信号生成不同延迟的示例性示意图。
102.图20示出了具有两个数字输入的脉冲器的示例性示意图，该脉冲器生成作为发射驱动脉冲的输出。
103.图21示出了具有0
°
横向转向(左)和45
°
横向转向的仿真24x128矩阵阵列的仰角波束图。
104.图22示出了稀疏的tx孔，该孔允许利用24x128 2d阵列进行发射仰角聚焦。
105.图23示出了根据本公开的实施例的能够执行二维和三维成像的压电元件阵列的示意图。
106.图24示出了根据本公开的实施例的成像系统的示意图。
107.图25示出了根据本公开的实施例的耦合到电路元件的压电元件的实施例。
108.图26示出了根据本公开的实施例的用于控制多个压电元件的电路。
109.图27示出了根据本公开的实施例的发射驱动信号波形。
110.图28示出了根据本公开的实施例的发射驱动信号波形。
111.图29示出了根据本公开的实施例的发射驱动信号波形。
112.图30示出了根据本公开的实施例的成像组件中各种电路的输入/输出信号。
113.图31a示出了根据本公开的实施例的发射压力波在频域中的振幅的曲线图。
114.图31b示出了根据本公开的实施例的变迹过程(apodization process)的窗口。
115.图32示出了根据本公开的实施例的成像组件的示意图。
116.图33a示出了包含压电元件的电路，该压电元件可以是压电元件阵列的一部分。
117.图33b示出了对图33a的电路的修改，其中电感器串联连接在压电元件和x偏置节点之间。
118.图33c示出了一种在发射驱动器和它所驱动的换能器之间使用电感器的技术。
119.图33d示出了一种将电感器放置在去往其接地(或v
偏置
)和实际接地(或v
偏置
)的返回引线之间的新技术。
120.图34示出了一列n个压电元件电路，其类型如图33b所示，该n个压电元件电路连接到串联放置在压电元件(逻辑地选择并且彼此并联)和x偏置端子之间的公共电感器。
121.图35示出了压电元件电路的多列，其类型在图33a中示出，该压电元件电路的多列没有连接在压电元件和x偏置端子之间的电感器。
122.图36a示出了具有连接到公共x偏置线的多列的实施例。
123.图36b示出了其中每列布置多个压电元件的实施例。可以使用与压电元件串联连接的开关来逻辑地选择各个压电元件。如果需要，可以通过开关来绕过电感器。
124.图37示出了由一组可切换和电子可选电感器组成的电感器的实现。
125.详细描述
126.超声成像传统上使用体压电膜作为换能器。然而，这些往往使用起来很昂贵，并且还需要通常在100到200v范围内的高电压来操作。最近，能够使用在硅晶圆衬底上分配或溅射的压电膜在硅晶圆上大规模生产的换能器已经变得可用。与旧有系统相比，这些换能器能够以更紧凑或更小的形状因子(form factor)集成系统并且操作的功率要求和成本更低，因此具有显著的优势。附加地，已经出现了可以在硅晶圆上制造的其他换能器技术(诸如cmut)，具有显著的制造成本优势。然而，这些换能器(以及旧有换能器)可能对发射驱动器呈现出显著的电容负载。对于需要显著压力输出的应用，采用调整电路阻抗以实现最大功率传输。众所周知，当驱动器的阻抗是负载的复共轭时，功率传输最大化。旧有技术表明，在驱动器和负载之间的电感器的使用有助于提高压力输出。然而，由于大小和寄生阻抗问题，这种技术对于集成便携式应用或用例不易实施。将示出一种新技术，以低成本实现所需的集成，并实现所需的压力输出。该技术适用于pmut和其他具有显著电容负载的换能器，诸如旧有的体压电和cmut(电容性微加工超声换能器)。此外，目标将是以一种方式实现这一点，该方式使得通过使用容纳在asic中或与asic一起容纳的换能器的2d阵列和相关电路能够实现卓越的能力。这使得能够在方位角和仰角方向上生成3d图像和电子聚焦。由于旧有的系统中的成本、功率和大小限制，这种能力以前没有在手持式超声成像设备中成功实现。
127.传统上，可以通过采用各种算法来创建2d超声图像。这方面的一个示例是使用相对延迟用于在方位角方向上驱动沿着压电元件的列的信号。通过改变在方位角方向上针对不同列应用于信号的电子可编程延迟，可以在方位角方向上电子聚焦波束。然而，在与方位角方向正交的方向(例如，仰角方向)上的聚焦通常通过使用机械透镜来实现。机械透镜可能一次只允许一个聚焦，因此不同的仰角聚焦可能需要不同设计的透镜。此外，固定的机械透镜不提供3d超声成像所需的聚焦。
128.在一些实施例中，本文公开了被配置用于实现被配置用于超声成像的低成本、低功率、便携式高分辨率超声换能器以及超声成像系统的系统和方法。实现这些低成本、高性能系统可能依赖于使用pmut，这些pmut可以在半导体晶圆上以类似于大批量半导体工艺的大批量和低成本制造。在示例性实施例中，这样的pmut被布置成2d阵列，其中该阵列中的每个元件连接到电子电路，其中该pmut阵列和电路阵列在不同的晶圆上对准在一起并集成在一起以形成区块(tile)，其中每个压电元件连接到控制电路元件，其中每个压电元件可以具有2个端子，如图3所示。这些pmut还可以呈现出高带宽，使得这些换能器与现有技术压电体换能器不同，适合于宽带成像。附加地，现有的利用机械透镜进行仰角聚焦的换能器也可能遭受透镜中的衰减损失，从而降低图像质量。对于本文的示例性合成透镜，不需要机械透镜。有时，可以使用稍微弯曲的深聚焦弱透镜，或者替代地，可以在换能器的顶部使用平坦的薄阻抗匹配层。这可以极大地改善衰减损失。
129.所公开的超声换能器可以是电容性微加工超声换能器(cmut)设备。这样的换能器可以包括cmut元件的大阵列。与其他换能器技术相比，cmut阵列可以提供更大的带宽，并且可以容易地实现高频操作。
130.公开了使用固定机械透镜的电感器的使用。此外，本文公开的成像系统还使用电子透镜，其有利地消除了构建具有固定焦距的机械透镜的需要。此外，本文公开的电子透镜允许能够改变仰角平面中的焦距的很大灵活性，并且允许根据深度而进行动态聚焦。
131.一方面，公开了一种包括换能器的超声成像系统。该换能器包括至少一个换能器元件。每个换能器元件具有两个端子。该至少一个换能器元件处于发射模式。该换能器还包括至少一个发射驱动器。每个发射驱动器连接到至少一个换能器元件的每个第一端子。该换能器还包括至少一个电感器，该电感器包括两个端子。每个电感器的每个第一端子连接到每个换能器元件的每个第二端子。每个电感器的每个第二端子连接到偏置电压。
132.在一些实施例中，换能器是压电微加工换能器(pmut)设备。
133.在一些实施例中，换能器是电容性微加工超声换能器(cmut)设备或体压电换能器。
134.在一些实施例中，至少一个换能器元件是组织成阵列的多个换能器元件。
135.在一些实施例中，该阵列被组织成行和列。列中的多个换能器元件被电子地选择以限定换能器元件的列。
136.在一些实施例中，行中的多个换能器元件被电子地选择以限定换能器元件的行。
137.在一些实施例中，第一列中的换能器元件的延迟独立于第二列中的换能器元件的延迟，并且第一行中的换能器元件的延迟独立于第二行中的换能器元件的延迟。
138.在一些实施例中，列上的换能器元件具有不同的延迟。
139.在一些实施例中，偏置电压选自包括地电压、负电压和正电压的组。
140.在一些实施例中，在感兴趣区域中增加换能器的带宽。
141.在一些实施例中，选择至少一个电感器的至少一个值以在感兴趣的频率范围内提供压力输出增加。
142.在一些实施例中，该至少一个电感器的至少一个值被选择为足够大以抵消由该至少一个换能器元件的至少一个电容引入的相位变化。
143.在一些实施例中，通过选择列上的多个换能器元件来控制换能器的带宽。
144.在一些实施例中，通过改变选定的换能器元件的多个发射驱动器的多个电压驱动电平来调节选定的换能器元件的压力输出。
145.在一些实施例中，使用多电平发射驱动脉冲并选择期望的数字驱动电平来改变电压驱动电平。
146.在一些实施例中，使用对发射脉冲器波形的脉宽调制进一步控制电压驱动电平。
147.在一些实施例中，换能器被配置成提供沿列的仰角方向上的仰角聚焦的电子控制。
148.在一些实施例中，沿列的换能器元件由多电平脉冲驱动。
149.在一些实施例中，列上的换能器元件由多电平脉冲序列驱动。
150.在一些实施例中，多电平脉冲序列中的多电平脉冲的脉冲幅度、宽度、形状、脉冲频率及其组合是可电编程的。
151.在一些实施例中，多电平脉冲开始的延迟是电可编程的。
152.在一些实施例中，通过将列的延迟与行的延迟求和来计算以行和列为索引的元件的延迟。
153.在一些实施例中，延迟可以是粗延迟和细延迟的和。
154.在一些实施例中，脉冲开始的延迟在x方向上是可编程的。
155.在一些实施例中，脉冲开始的延迟在y方向上是可编程的。
156.在一些实施例中，多电平脉冲的形状选自包括正弦和数字方波的组。
157.在一些实施例中，发射驱动器被配置成沿着列驱动一个或更多个换能器元件。发射驱动器由来自发射通道的信号驱动。发射通道的信号相对于施加到驱动不同列上的其它换能器元件的其它发射通道的延迟被电子延迟。
158.在一些实施例中，沿着列的一个或更多个换能器元件以基本相同的延迟操作。
159.在一些实施例中，发射通道和附加发射通道被配置成电控制相邻列之间的相对延迟。控制电路被配置成设置列上的第一数量的换能器元件的相对延迟，使得同一行中的第一数量的换能器元件与起始行的第二数量的换能器元件共享基本相同的相对延迟。
160.在一些实施例中，多个换能器元件中的换能器元件包括顶部部分、中心部分和底部部分，其中的每一个部分包括多行和多列，用于脉冲发射和反射的超声信号的接收。来自顶部部分、中心部分和底部部分的脉冲发射和反射的超声信号的接收被用于使用第一波束成形器在方位角方向上聚焦反射的超声信号。使用第二波束成形器实现仰角聚焦。
161.在一些实施例中，仰角方向上的焦距被电子编程。
162.在一些实施例中，同时执行顶部部分和底部部分的脉冲发射和反射的信号的接收。
163.在一些实施例中，换能器元件执行并行波束成形以产生多条扫描线。
164.在一些实施例中，一行或更多行中的一行上的两个相邻换能器元件被寻址在一起，并且其中多个换能器元件中的换能器包括顶部部分、中心部分和底部部分，其中的每一个部分包括第一数量的行和第二数量的列，用于超声脉冲发射和反射的超声信号的接收。来自这些部分的超声脉冲发射和反射的超声信号的接收被用于使用第一波束成形器在方位角方向上聚焦反射的超声信号。使用第二波束成形器实现仰角聚焦。对于使用b模式的成像，接收通道被分配给同一行上的两个换能器元件，两个换能器元件中的一个来自顶部部分，两个元件中的另一个来自底部部分，另一个通道被分配给中心部分的两个换能器元件。
165.在一些实施例中，2n个接收通道被用于寻址n列。
166.在一些实施例中，在发射操作中，电子选定的所有的多个换能器元件被操作开启以生成具有仰角聚焦的压力。在接收操作中，单独电子选定的所有的多个换能器元件被用于重建在方位角方向和仰角平面上聚焦的图像。
167.在一些实施例中，超声成像系统还包括控制电路，该控制电路被配置成将沿着列的相对延迟电控制为线性延迟和任意细延迟的和。
168.在一些实施例中，列的线性延迟和任意细延迟独立于换能器的其他列的其他线性延迟和任意细延迟，从而允许在三维中任意转向和聚焦。
169.在一些实施例中，每个换能器元件表现出多个振动模式，其中当输入刺激的频带限制为小于相邻模式的频率时，仅触发一个振动模式。
170.在一些实施例中，每个换能器元件表现出多种振动模式，其中从第一振动模式生成的频率与从第二振动模式生成的频率重叠。
171.在一些实施例中，当由包括中心频率的宽带频率输入驱动时，每个换能器元件同时表现出多种振动模式。
172.一方面，公开了一种包括超声换能器的超声成像系统。该换能器包括偏置电压。该换能器还包括一列换能器电路。该换能器电路包括换能器元件，该换能器元件包括用于将电信号转换成超声波的换能器。该换能器元件具有第一端子和第二端子。该换能器还包括电路，该电路包括用于向换能器元件提供电位的输入驱动设备，该输入驱动设备连接到换能器元件的第一端子。该换能器还包括连接到换能器元件的第二端子的电感器。该换能器还包括用于将换能器电路连接到偏置电压的开关。
173.在一些实施例中，超声换能器是pmut设备。
174.在一些实施例中，超声换能器是cmut设备或体压电换能器。
175.在一些实施例中，超声成像系统还包括与电感器并联连接的开关，目的是使电感器短路。
176.在一些实施例中，超声成像系统包括多列。
177.在一些实施例中，多列中的一列包含与换能器元件串联连接的电感器。
178.在一些实施例中，超声成像系统还包括与电感器并联连接的开关，目的是使电感器短路。
179.在一些实施例中，超声成像系统还包括串联连接在多列换能器电路和偏置电压之间的电感器。
180.在一些实施例中，换能器元件被配置成发射包括延迟的信号。
181.在一些实施例中，列上的一个或更多个换能器元件以不同的延迟操作。
182.在一些实施例中，通过将列的延迟与行的延迟求和来计算以行和列为索引的元件的延迟。
183.在一些实施例中，包括来自具有公共列索引的一个或更多个换能器元件的延迟的延迟分布是对称的。
184.在一些实施例中，延迟是粗延迟和细延迟的和。
185.在一些实施例中，粗延迟在一个或更多个相邻换能器元件之间是线性的。
186.在一些实施例中，具有列索引和行索引的换能器元件的延迟是列延迟、线性粗行延迟和细行延迟的和。
187.一方面，公开了一种用于增加由包括至少一个换能器元件的换能器发射的超声波的压力的方法。该方法包括使用连接到至少一个换能器元件的至少一个发射驱动器，将该至少一个换能器元件置于发射模式。每个换能器元件具有第一端子和第二端子。该方法还包括：对于至少一个电感器，将该至少一个电感器中的每一个的第一端子连接到每个换能器元件的第二端子。该至少一个电感器的第二端子连接到偏置电压。该至少一个电感器不与换能器元件集成。该换能器还包括将至少一个发射驱动器中的每一个连接到至少一个换能器元件中的每一个的每一个第一端子。
188.在一些实施例中，至少一个换能器元件是组织成阵列的多个换能器元件。
189.在一些实施例中，该阵列被组织成行和列。该方法还包括电子地选择列中的多个
换能器元件以限定换能器元件的列。
190.在一些实施例中，行中的多个换能器元件被电子地选择以限定换能器元件的行。
191.在一些实施例中，第一列中的换能器元件的多个延迟独立于第二列中的换能器元件的多个延迟，并且第一行中的换能器元件的多个延迟独立于第二行中的pmut换能器元件的多个延迟。
192.在一些实施例中，列上的换能器元件具有不同的延迟。
193.在一些实施例中，该方法还包括通过以下方式来执行3d成像：将方位角方向上的多个延迟应用于具有仰角方向上的固定转向角(该转向角由应用于列上的换能器元件的多个延迟控制)的发射集合，并且在仰角平面内以不同的转向角重复该序列，以及使用从换能器接收到的回波重建图像。
194.在一些实施例中，该方法还包括通过以下方式来执行体积成像：通过改变沿方位角的多个延迟来聚焦在方位角平面上，并且还通过改变列上的换能器的多个延迟来聚焦或操纵仰角平面中的波束。
195.在一些实施例中，该方法还包括从包括地电压、负电压和正电压的组中选择偏置电压。
196.某些定义
197.除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语具有本主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同意思。
198.除非上下文另有明确规定，否则如本文所使用的单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数引用。除非另有说明，否则本文对“或”的任何提及都旨在包括“和/或”。
199.如本文所使用的，术语“大约”是指接近所述量约10％、5％或1％，包括其中的增量。
200.在一些实施例中，本文的成像器(在这里可互换为“换能器”)可以被用于执行但不限于执行：1d成像，也称为a-scan；2d成像，也称为b扫描；1.5d成像；1.75d成像；3d和多普勒成像。此外，本文的成像器可以被切换到被预编程的各种成像模式。此外，使用本文的换能器可以实现双平面成像模式。
201.在一些实施例中，本文的换能器元件(例如，pmut元件、cmut元件)可与收发器元件互换。具体地，本文的pmut元件可与压电元件(piezoelectric elements)和压电元件(piezo elements)互换。在一些实施例中，本文的换能器元件可以包括以下中的一个或更多个：衬底；悬挂在该衬底上的膜；设置在该膜上的底部电极；设置在该底部电极上的压电层；以及设置在该压电层上的一个或更多个顶部电极。
202.图1示出了本文公开的超声成像系统100的示例性实施例。在该实施例中，图像系统包括便携式设备101，该设备101具有显示单元112、数据记录单元114，该数据记录单元114通过通信接口能够连接到网络120和外部数据库122，诸如电子健康记录。与外部数据源的这种连接可以便于医疗计费、数据交换、查询或其他医疗相关信息通信。在该实施例中，系统100包括超声成像器探测仪(probe)126(本文可互换为“探测仪”)，探测仪126包括超声成像器组件(本文可互换为“区块(tile)组件”)108，其中超声区块具有制造在衬底上的pmut 102的一个或更多个阵列。pmut 102的阵列被配置成在电子控制单元(例如，位于成像器上的专用集成电路(asic)106)和另一控制单元110)下发射和接收超声波形。
203.在该特定实施例中，显示单元112和/或电子通信控制单元110的至少一部分可以位于组件108上。在一些实施例中，显示单元112或控制单元110的一部分可以在成像器外部，但是利用通信接口124连接到超声成像器组件108及其内部的元件，该通信接口124可以是有线通信接口和/或无线通信接口。对于有线连接，可以使用许多数据交换协议，诸如usb2、lightning和其他协议。类似地，对于无线通信，可以使用通常使用的协议，诸如ieee 802.11(wi-fi)或其他无线通信协议。类似地，数据记录单元114也可以在探测仪外部，并且也可以使用无线通信接口或有线通信接口与探测仪126通信。在一些实施例中，显示器112可以具有输入设备，例如触摸屏、用户友好界面，例如图形用户界面(gui)，以简化用户交互。
204.在同一实施例中，pmut阵列102耦合到位于另一衬底上且紧邻pmut阵列102的专用集成电路(asic)106。该阵列还可以耦合到阻抗降低和/或阻抗匹配材料104，该材料104可以放置在pmut阵列的顶部。在一些实施例中，成像器126包括可充电电源127和/或到外部电源的连接接口128，例如usb接口。在一些实施例中，成像器126包括用于ecg信号的输入接口129，用于将扫描与ecg脉冲同步。在一些实施例中，成像器126具有惯性传感器130以辅助用户引导。
205.传统的换能器阵列使用压电材料，例如锆钛酸铅(pzt)，通过切割块体pzt的块以形成单独的压电元件而形成。这些往往是昂贵的。相比之下，本文公开的pmut阵列设置在衬底(例如，晶圆)上。晶圆可以是各种形状和/或大小。作为示例，本文的晶圆可以是用于构建集成电路的半导体工艺中的各种大小和形状的晶圆。这种晶圆可以以低成本大批量生产。示例性晶圆大小为：直径6、8和12英寸。
206.在一些实施例中，许多pmut阵列可以低成本批量制造。此外，集成电路还可以被设计成具有一些尺寸，使得与pmut通信所需的连接彼此对准并且pmut阵列(图1的102)可以紧密地连接到匹配集成电路(106)，其典型地垂直地在阵列下方或接近阵列一段距离，例如大约25μm至100μm。在一些实施例中，102、104和106的组合被称为成像组件108或区块，如图1所示。例如，组件108的一个示例性实施例可以具有连接到匹配的asic的1024个pmut元件，这些pmut元件具有针对1024个压电元件的适当数量的发射和接收功能。阵列大小不限于1024。它可以更小或更大。更大尺寸的pmut元件也可以通过使用多个pmut阵列102以及多个匹配asic 106并将它们彼此相邻地组装并用适当量的阻抗匹配材料104覆盖它们来实现。替代地，单个阵列可以具有排列成矩形阵列或其它形状的大量pmut元件，其中pmut元件的数目范围从小于1000至10000。pmut阵列和多个pmut元件可以连接到匹配的asic。
207.箭头114示出了瞄准身体部分116并对目标118成像的来自成像器组件108的超声发射波束。发射波束由被成像的目标反射并进入成像器组件108，如箭头114指示的。除了asic 106之外，成像系统100可以包括其他电子控制、通信和计算电路110。应当理解，超声成像器108可以是如图1所示的一个独立单元，或者它可以包括物理上分离但电连接或无线连接的元件，诸如电子控制单元110的一部分。该示例在图2中示出。
208.图2示出了根据本公开的实施例的成像器126的示意图。如图2所描绘的，成像器126可以包括：收发器阵列210a，其用于发射和接收压力波；涂层212a，其用作用于操纵压力波的传播方向和/或聚焦压力波的透镜，并且还用作收发器阵列和人体之间的阻抗界面；透镜212a，其也可以导致离开换能器并且也进入换能器的信号的衰减，因此也希望将其保持
在最小；当仰角控制是电子的时，可能不需要这种透镜，并且可以仅用其中损耗仅是最小的薄的保护性阻抗匹配层来代替；控制单元202a，诸如asic芯片(或简单地说，asic)，用于控制收发器阵列210a，并通过凸块耦合到换能器阵列210a。收发器阵列和与其连接的asic的组合构成了区块。附加部件可以包括用于控制成像器126的部件的一个或更多个现场可编程门阵列(fpga)214a、用于处理/调节信号的电路215a，诸如模拟前端(afe)；以及吸声层203a，用于吸收由换能器阵列210a生成并向电路215a传播的波。在某些实施例中，吸声器层位于asic后面(相对于在asic前面的换能器)，如图2所描绘的；在某些实施例中，吸声器层位于换能器和asic之间；在某些实施例中，不需要这些吸声器层。附加部件可以包括通信单元208a，用于通过一个或更多个端口216a与诸如设备101的外部设备传递数据；存储器218a，用于存储数据；电池206a，用于向成像器的部件提供更便携的电源；以及可选地，显示器217a，用于显示用户界面和超声导出的图像。在操作期间，用户可以使由界面材料104覆盖的pmut 102的表面与身体部分区域接触，在该身体部分区域上，超声波朝着被成像的目标118发射。成像器从成像目标接收反射的超声波束，并对其进行处理或将其发射到外部处理器，以进行图像处理和/或重建，然后传输到用于显示图像的便携式设备101。也可以收集、计算、导出其他数据，并在显示器上向用户显示。
209.当使用成像器时，例如要对人或动物身体部位成像时，发射的超声波形被导向目标。通常在凝胶被施加到身体上并且成像器被放置在凝胶上之后，通过将成像器保持成紧邻身体来实现与身体的接触，以允许发射的超声波的上界面(superior interface)进入身体，并且还允许从目标反射的超声波形重新进入成像器，其中反射信号用于创建身体部位的图像和显示在屏幕上的结果，包括以各种格式显示的带有或不带有身体部位的图像的图表、曲线图、统计数据。
210.应当注意，探测仪126可以被配置成具有某些部分，这些部分物理上分离的但是通过电缆或无线通信连接来连接。作为示例，在该特定实施例中，pmut组件和asic以及一些控制和通信相关的电子器件可以驻留在通常称为探测仪的单元中。设备或探测仪与身体部分接触的部分包含pmut组件。
211.图3a示出了传统压电元件214的示意图的横截面。在该实施例中，压电元件具有2个电极，第一电极216连接到信号导体215，第二电极218连接到第二导体217，第二导体217通常可以连接到地电位或其他dc电位。
212.几十年来，压电元件一直被用于超声医学成像。然而，压电元件可以是厚的，例如接近大约100μm，并且通常可能需要+100v到-100v交流电(ac)驱动穿过它，以产生足够强度的超声压力波来实现医学成像。该ac驱动信号的频率可以在压电结构的谐振频率附近，并且对于医学成像应用可以高于1mhz。
213.在一些实施例中，驱动压电元件时耗散的功率与c*v2成比例，其中c是压电元件的电容，v是压电层两端的最大电压。当发射时，可以以稍微不同的延迟一起驱动多个压电元件以聚焦波束或操纵波束。许多元件的同时驱动会导致元件表面上的温度升高。非常希望或要求不超过阈值温度，以便不伤害被成像的对象。因此，该阈值温度限制了可以被驱动的元件的数量以及它们可以被驱动的时间段。
214.本文公开的是，在一些实施例中，相比常规体压电元件的约100μm厚度，压电元件薄的多，约1μm至5μm厚。这样大的厚度减小可以使得压电元件能够使用更低电压驱动信号
来维持与传统元件相似的电场强度。例如，本文公开的压电元件可能需要从约5v到20v峰到峰范围的驱动电压。
215.压电元件的电容也可以通过减小某些压电材料的厚度来增加。因此，作为示例，当驱动厚度是原来的1/10的膜时，驱动电压从100v降低到10v时，对于更薄的压电材料，电容可以增加10倍，而功耗可以是原来的1/10。这种功耗的降低还可以减少成像探测仪中的热量生成和温度上升。因此，使用较低的驱动电压，可以降低pmut表面的温度。
216.在一些实施例中，对于给定的温度，当使用低电压pmut时，可以驱动更多的pmut元件来照亮更大的区域。这可以允许更快地扫描目标，特别是如果需要多次发射来扫描整个目标以形成图像。通常，目标区域可以利用使用不同的转向角度的多次发射来进行扫描，并且组合图像数据以获得更高质量的图像。
217.还可以期望以高帧速率成像。帧速率衡量目标每分钟被成像的次数。当涉及组织运动时，期望以高帧速率成像，以观察目标移动而不模糊图像。在一些实施例中，驱动更多压电元件的能力使得每次发射能够更多地覆盖换能器孔，最小化覆盖整个孔所需的发射数量，从而增加帧速率。
218.在一些实施例中，可以通过将几帧图像组合成一个合成的低噪声帧来提高图像质量。然而，这会降低帧速率。当使用低功率pmut时，其中帧速率比传统压电膜的帧速率高，在pmut温度上升一定程度的情况下，可以使用这种平均技术，这是由于低电压pmut具有更低功率，从而实现固有地更高的起始帧速率。在一些实施例中，超声成像的合成孔径方法可以被用于允许图像的复合。
219.在一些实施例中，一次驱动更多压电元件的能力提高了信噪比(snr)并实现重建的图像的更好的质量。
220.此外，如图1所述，asic 106耦合到pmut 102。asic可以包含低噪声放大器(lna)。pmut在接收模式下通过开关连接到lna。lna将由在pmut上施加压力的反射超声波束生成的pmut中的电荷转换为具有低噪声的放大电压信号。接收到的信号的信噪比可以是确定被重建的图像质量的关键因素之一。因此，希望降低lna本身的固有噪声。这可以通过增加lna输入级的跨导来实现。这可以通过例如在输入级中使用更大的电流来实现。更大的电流可能导致功耗和热量增加。然而，在使用低电压pmut并使其与asic紧邻的情况下，当与高电压下操作的换能器相比，对于给定的可接受的总的温度上升，低电压pmut节省的功率可以被用于降低lna中的噪声。
221.图3b示出了本文公开的pmut元件220的示意图。它由2个子元件220a和220b组成。在该实施例中，子元件220a具有压电层221，其中第一电极223连接到第一导体222，并且第二电极224连接到第二导体226。子元件220b具有连接到第一导体229的第一电极228和连接到第二导体227的第二电极225。典型地，两个子元件的第二导体连接在一起并连接到偏置电压。
222.图3c是具有2个子元件230a、230b的pmut元件230的示意图。在一些实施例中，每个pmut元件包括一个或更多个子元件。在该实施例中，每个子元件具有压电层231，其中第一电极233a连接到第一导体232a，并且第二电极234a连接到第二导体235a，其中所有子元件的第一导体通过连接件2220连接在一起，并且所有子元件的第二导体是通过连接件2260连接在一起的连接器。第二子元件230b具有压电层231，其中第一电极233b连接到第一导体
232b，并且第二电极234b连接到第二导体235b。
223.在一些实施例中，元件可以由多于2个子元件组成，其中所有子元件的第一电极连接在一起，通常连接到驱动信号，并且所有子元件的第二电极也连接在一起，通常连接到偏置电压。
224.图4示出了衬底238，多个压电微加工超声换能器(pmut)阵列元件239被布置在该衬底238上。在该实施例中，一个或更多个阵列元件形成收发器阵列240，并且多于一个收发器阵列包括在衬底238上。
225.图5示出了压电元件247的示例性实施例的横截面。在该实施例中，元件247具有设置在衬底252上的薄压电膜241。压电膜具有连接到信号导体246的第一电极244。该电极通常沉积在生长有sio2的衬底上。先沉积一层tio2，再沉积一层铂，在其上溅射pzt或施加pzt溶胶凝胶以使pzt的薄层显影为压电膜241。通过蚀刻将该压电膜241和第一金属电极图案化为所需的形状。信号导体246连接到第一电极。第二电极240生长在薄膜241上方并连接到第二导体250。第三电极242也与第二电极相邻生长，但与第二电极电隔离。第三导体248连接到第三电极。所示电极的实际布局可以从正方形变化到矩形、椭圆形等的相邻电极或环形电极，其中一个电极围绕另一个电极。压电膜可以具有不同的形状，并且可以存在于衬底和腔上方的某些部分。
226.由于pzt晶体结构的不对称性，形成了电极性，产生了电偶极子。在宏观晶体结构中，偶极子默认可以是随机取向存在的，例如如图6的左侧所示。当材料受到机械应力时，每个偶极子可以从其原始取向向使存储在偶极子中的总电能和机械能最小化的方向旋转。如果所有偶极子最初都是随机取向的(即净极化为零)，它们的旋转可能不会显著改变材料的宏观净极化，因此表现出的压电效应可以忽略不计。因此，重要的是在材料中产生初始状态，使得大多数偶极子或多或少地以相同的方向被取向。这种初始状态可以通过极化材料而被赋予到该材料。偶极子沿其对准的方向称为极化方向。偶极子在极化期间和极化后的取向如图6(中间和右侧面板)所示。
227.因此，压电薄膜可能需要在使用前先被极化。这可以在膜在场下溅射时实现。这也可以在制造后通过在膜上施加高电压来完成，通常在高温(例如175℃)下施加一段时间(例如1-2分钟或更长时间)。在图3的压电元件中，pmut可以被构建有2个端子，并且可以例如在216和218之间施加高电压。对于1μm厚的压电膜，该高电压可以是大约15v。这样的电压足以进行极化。
228.现有技术的pmut或来自于块体pzt的其他压电元件通常具有两个电极。如本文所公开的，压电元件可以具有2个(在图3中)或更多个电极，如图5所示。在图5中，极化期间的第一导体可以连接到地电位，而第二导体连接到负电位，例如对于1μm厚的pzt膜为-15v，第三电极在高温下连接到+15v一段时间。这可以在pzt膜上产生两个极化方向，与第一导体和第三导体之间的压电膜相比，这两个极化方向对于第一导体和第二导体之间的压电膜是相反的。在极化完成之后，在发射或接收操作期间，第二导体和第三导体可以连接到地或偏置电压，而第一导体在发射操作期间连接到要由发射驱动器驱动的asic，或者在接收操作期间通过开关连接到lna。第二导体和第三导体也可以连接到非零dc偏置，其中偏置值可以不同。
229.示例性实施例中的压电元件利用横向应变，利用pzt横向应变常数d31，即压电系
数，来产生膜的移动或将膜的移动转换成电荷。与图3a中所示的膜仅有一个极化方向的结构相比，图5的具有膜的正交极化方向的pzt元件在发射操作中放大了用于给定驱动的膜的移动。因此，可以提高发射灵敏度，从而允许在每伏特施加的发射驱动下，膜的移动更大。
230.在接收模式下，正交极化方向可以产生更多要由lna感测的电荷。图7中象征性地示出了lna的连接。为了简单起见，未示出将压电元件连接到lna的路径中的所有元件。在某些实施例中，压电元件260具有连接到与lna 268串联的开关的第一电极274，该第一电极和开关是通过导体262连接的。260的第二电极是266，并且可以连接到包括0v(地)的dc偏置。270表示照到pmut元件260的反射的超声波束，并在电极266、274上产生电荷。要注意的是，lna可以被设计成以电压或电荷模式操作。pmut可以倾向于具有大电容，并且对于给定的电荷量，如果使用电压感测，相比于电容小得多的pzt块体元件，pmut将跨换能器产生更低的电压，其中换能器上的电压被放大。由于lna输入处的电压较小，输出噪声较大。与电压模式操作相比，由于pmut元件的高电容，电荷放大可以在lna的输出处提供更好的信噪比，尤其是当pmut在接收模式下对于给定的输入压力产生更多电荷输出时。这在图7中得到了解释，其中由ct接收的任何电荷传输通过小得多的电容器cf，在lna 272的输出处产生更大的电压。这些lna也被设计成使得它们可以快速地通电或断电。
231.传统的2d成像是使用排列成矩形形状的元件的列来完成的。替代地，可通过获取排列成列的许多较小的元件来实现2d成像。单独的阵列元件可以被组合作为单个较大的1d阵列元件来组成列。这是通过将这些单独的元件硬连线，以创建具有一个信号导体和公共接地导体的更大的元件来实现的。发射驱动、接收感测和控制是为该一个组合和更大的双引线pmut实现的。
232.图8a示出了本文中换能器的超声成像阵列300的示例性实施例的示意图。为了说明，该阵列示出了排列成3行3列或3
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3的9个pmut元件。应当理解，在实践中，阵列大小可以是根据需要更大或更小的各种大小。大小的非限制性示例包括：32
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32、32
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64、32
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194、12
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128、24
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128、32
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128、64
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128、64
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32、64
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194(列
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行或行
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列)。
233.在图8b中，每个压电元件的导体连接到电极，并且命名为oxy，其中x的范围从1到3，y的范围从1到3。每个压电元件的第一导体连接到第一电极，并被命名为o11。此外，用于电子可配置成像器的所有元件具有连接到位于另一个晶圆上的对应电子器件的o引线。称为x的每个元件的第二电极都通过导体302连接到用于其它元件的其他x电极。导体o是信号导体，而x是地线或偏置线。在图8b所示的该实施例中，o电极连接到紧邻其上设置有pmut的衬底的asic。在存在32
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32个pmut的阵列的示例性情况下，存在1024个压电元件。可以存在到asic的1024个“o”引线连接，通常位于pmut晶片下方。这些1024个o线中的每一条在发射操作期间连接到发射驱动器，在接收操作期间连接到lna的输入，其中发射驱动器在接收模式下进入高阻抗状态。
234.图9a是2个换能器元件与asic 500互连的示意表示。在某些实施例中，该2个换能器元件502在一个衬底504上，连接到包含在另一衬底512上的发射和接收以及其他功能的asic。lna 516的输入通过开关514连接到引线510，该引线510将其连接到换能器的信号导体o引线。在一些实施例中，偏置导体506被连接到asic中，并且随后从asic中出来以连接到地或其他偏置电压。这些是换能器的x引线，可以与换能器和asic中的其他x引线连接在一起。如520所指示的，发射驱动器518可以通过衬底512上asic外部的通信来控制。它还可以
连接到开关514，在处于发射模式时，显示开关连接。如图9a所示的lna的输出和发射驱动器的输入可能需要2个不同的引线。通过使用类似于514的多路复用器开关，可以使用一根引线。在一些实施例中，到lna输出的连接可以在接收模式下提供给外部电子器件，并且到发射驱动器的输入可以在发射模式下提供。
235.图9b示出了asic中一列电子器件的一些功能的示意表示。该列电子器件可以直接与一列pmut接口连接，以构成复合的较大线元件。应当理解，asic可以包含用于其他列或行的电路，并且包括未示出的其他支持电路。还应当理解，期望的实际功能可以用不同的电路拓扑来实现，这对于本领域普通技术人员来说被认识是显而易见的。所示的表示只是为了说明这个想法本身。
236.图9b示出了asic 600的一列的示例性示意图。在某些实施例中，导体608连接到图8a-图8b的pmut阵列中的元件的对应的信号导体o31。类似地，图8a-图8b的o21连接到图9b的628。发射驱动器606可以连接到图9b中的导体608。该驱动器606可以具有连接到其输入的开关602，并连接到引线616(线元件的信号导体)，该引线616通过该列上的开关连接到该列中的其他发射驱动器的输入。开关可以由624控制，624经由与外部控制器的通信可以确定要接通哪些开关。信号导体616还可以连接到实现发射波束成形器的电子器件。o导体608还可以连接到开关604；开关604的另一侧可以连接到该列中的类似的开关(例如，622)。线614还可以连接到低噪声放大器(lna)618的输入。每个线元件(或列)可能只需要一个lna。lna可以由控制单元624在接收模式下激活，这也导通开关(例如，604)，同时关断其他开关(例如，602)。这可以(通过连接件608)将pmut的信号电极连接到lna，该lna可以放大接收到的信号并将其转换为具有低加性噪声的电压输出620。注意，在接收模式下，控制器也可以使发射驱动器进入禁用模式，在这种模式下，它们的输出阻抗变得非常高，以便不干扰接收信号。在发射模式下，当压电元件不应该发射时，开关610可以导通，并且开关602和604关断，以确保在处于发射模式时不应该发射信号的元件的pmut信号和偏置电极上的净零伏驱动(net zero volt drive)。x线也连接到asic。注意，在图8a-图8b中，仅示出了1个偏置电极x。但是可以存在多个偏置电极。
237.为简单起见，图9b仅示出了与2个偏置导体中的一个(图8中的x)的连接。
238.在一些实施例中，图9b中的导体612可以连接到图8中的x,302。在一些实施例中，图9b中的导体613也可以连接到x,302，但是在更靠近613的位置，等等。注意，这些附加的互连件613和615不是必需的，而至少一个连接件(612或613或615)是需要的。
239.图9b示出了接收输出620和发射输入616可能需要2根引线。但是使用多路复用器时，为该目的也可以使用一根引线。
240.本文的线成像器可以包括多个压电元件列，每列通过至少一个信号和偏置引线连接到控制器。适当频率的脉冲驱动线。其他线由该脉冲的延迟版本驱动。某条线的延迟量使得它允许传输的合成波束以一定角度被操纵或以一定深度被聚焦，其操作称为波束成形。
241.图8a和图8b的线成像器是电子可配置的。使用在一个方向上布置有24个元件并且在正交方向(对于该示例为方位角方向)上布置有64个元件的压电元件阵列的示例，可以构建64线成像器，其中每条线由多达24个元件组成。然而，任何线的大小可以在0到24个元件之间进行电子调节，方位角上多达64条线的任何数量都可以被激活。
242.在2d或3d成像器中，期望对如图10a和图10b所示的仰角平面的薄的切片成像。在
该特定实施例中，仰角方向在左面板上的ya轴上。仰角平面1201在ya-za平面内。在同一实施例中，方位角平面1202(本文也是扫描平面)与仰角平面正交。参考图10b，机械透镜聚焦仰角平面中的波束，防止波束偏离以在仰角平面中形成厚得多的切片，并击中较厚仰角切片中的其他对象，其中不想要的反射成为接收到的信号的一部分，增加信号杂波(signal cluttering)并降低图像质量。
243.如果波束传播远远超过预期的切片厚度，它可能会击中期望范围之外的目标，这些目标的反射将在重建的图像中产生杂波。形成在换能器表面上的机械透镜可以将仰角平面中的波束聚焦到固定的仰角切片厚度，如在图10b中看到的，其中厚度在仰角焦点处最小，如在图10b中看到的，并且在图10a上也被标记为仰角平面焦点。用于2d成像的电子聚焦将允许通过作为时间函数的动态接收聚焦来改善仰角平面中的聚焦。在这里，仰角中的焦距随着波束朝着目标传播而变化，从而产生优越的图像。对于3d成像，固定的机械透镜不起作用，因为特定的仰角切片不能被操纵或扫过所需的体积。因此，期望电子控制的仰角聚焦。
244.在一些实施例中，这是通过将换能器分成多个不同的条带来实现的。参照图11，在特定实施例中，换能器被组织成n列，其中每列具有多达m行的收发器的元件。元件的行可以被分成条带a、条带b和条带c，条带a包括第一数量的行，其中该条带a具有多达n列，该条带b包括行的中心部分中的第二数量的行，其中每行具有多达n列，并且该条带c包括多达n列的行的较低部分。条带a、条带b和条带c可以与相邻条带不重叠。替代地，这些条带可以与其相邻的条带重叠多行和多列。在一些实施例中，这些条带一起覆盖换能器元件的所有n列和m行。在一些实施例中，当所有的这些条带被电编程时，其一起可以仅覆盖换能器的m
×
n阵列的一部分。
245.在一些实施例中，顶部部分a被组织成使得该部分中的所有元件由用于元件所在列的发射驱动器驱动。在该实施例中，在发射操作中，驱动n个复合列(每个复合列可以包括来自条带a或条带b或条带c的行的元件)的具有唯一延迟的n个发射驱动器被用于在方位角平面1202中聚焦超声波束。在接收操作期间，入射在部分a中的反射的信号被波束成形以产生扫描线al、a2、a3等，如图12所示。参考图12，pmut的三个条带被标记为a、b和c。这些条带包括pmut的行，其中列上的元件由公共发射驱动器驱动，其中n个驱动器用于n列(即，不同的驱动器用于n列中的每一列)。扫描线al、a2等可以通过使用条带a的发射和接收来形成。扫描线bl、b2等由部分b形成，并且扫描线cl、c2等由部分c形成。现在使用来自3个部分的扫描数据，这次在仰角方向上的另一聚焦以一种类似的技术使用来自部分a、部分b和部分c的数据的唯一延迟来执行，该类似的技术被用于先前使用沿着列驱动器的延迟来聚焦方位角平面中的波束。该过程可以被认为是双阶段波束成形器，其中第一阶段包括产生a、b、c的扫描线，第二阶段使用该数据在仰角平面中形成聚焦。仰角中的聚焦是通过数字应用延迟在接收器中实现的。该技术不仅允许在仰角平面上聚焦，而且还允许聚焦是动态的。在这种情况下，焦距可以根据时间而被调节，以允许仰角聚焦随着超声波束传播。
246.尽管图13和图14中描述的过程可能需要三次发射和接收，但是来自部分a和部分c的第一次和第二次发射和接收可以被组合成一个操作。在一些实施例中，可以同时执行来自换能器的顶部部分和底部部分的发射，其中列的顶部部分和底部部分上的延迟是相同的。第二次发射来自中心部分，该中心部分具有与第一次和/或第二次发射中使用的延迟不
同的延迟。
247.在一些实施例中，顶部部分、中心部分和/或底部部分可以分成一个或更多个子部分，每个子部分包括用于脉冲发射和信号接收的多行。在一些实施例中，每个子部分可以用于以类似于本文所公开的方式形成多条扫描线。
248.在一些实施例中，换能器元件阵列可以被分成3个以上的条带，例如4、5、6、7等。在一些实施例中，每个条带中的扫描线可以被顺序或同时执行。在一些实施例中，在同时传输发射中，来自与中心条带对称的条带的扫描线被获得。在一些实施例中，同一列中的元件的延迟对于同时操作的部分是相同的。
249.还可以通过相对于换能器的其余部分，进一步对换能器的两个外部部分的一部分采用较低振幅的电压来辅助聚焦。
250.在一些实施例中，对所有列的每个元件，沿仰角方向的唯一可编程延迟被实现。所有的n列可以接收相对于彼此延迟的驱动信号。可以生成附加的延迟以增加沿着列元件的进一步延迟，其中沿着列的每个元件可以相对于其在同一列上的相邻近邻不同地被延迟。在图16中示出了延迟分布示例。沿仰角方向的所有列元件的延迟可以是相似的。在一个实施例中，延迟是对称的，对于仰角平面中的聚焦，在中心元件处具有最大值。外部元件和中心元件之间的延迟差的量确定焦距。
251.在一些实施例中，延迟分布在图16中示出，其中列的边缘元件处的相对延迟可以是0*rd或0ns。对于第1行和r22上的元件，如果期望围绕中心元件的对称延迟，则相对于行0处的延迟的延迟可以是α1*rd，以此类推，如图16所示。延迟rd可编程为α1、α2等。因此，可以沿着列构成延迟分布，其中该延迟可以是相对于列边缘处的延迟。对于其他列元件，相对延迟分布可以是相同的。在其他实施例中，延迟分布可以不是围绕中心元件对称的，并且可以被任意编程。在一些实施例中，延迟在25ns到1000ns的范围内。在一些实施例中，延迟是可编程的，具有10ns到5000ns的不同范围。在一些实施例中，延迟在50ns到500ns的范围内。
252.在一些实施例中，在图13中示出了使用本文的系统和方法获得扫描线的过程。在一些实施例中，反射信号由换能器接收，信号被转换成电压，并由模数转换器(adc)放大和数字化。这些接收到的信号也称为rf信号。这些rf信号可以被延迟τn(例如，τ1、τ2、τ3、τ4......)并求和以形成扫描线，例如图12中的al、a2等。在一些实施例中，信号被延迟并用系数加权，然后求和以形成扫描线。
253.在一些实施例中，在接收方向上聚焦波束利用着方位角方向(y)的一个以上的rf信号，例如s1、s2等，这些信号是被称为rf信号的数字化输出样本。在一些实施例中，rf样本被延迟，例如，其中延迟分布沿着y方向，并且所得信号可以被加权并求和以形成扫描线。
254.如图12所示，在连续的发射和接收事件中，可以使用部分a获得扫描线a1、a2和附加的扫描线。在一些实施例中，图像帧可以包括许多扫描线，诸如100条或甚至更多条扫描线，以实现对被成像的目标区域的精细扫描。类似的过程可以被用于使用部分b和部分c获得扫描线。来自部分a、部分b、部分c的扫描线是使用第一电平波束成形器产生的，其中波束成形器使用算法产生扫描线，其中在所描述的实施例中，该算法使用前面描述的信号延迟和求和方法。然后使用合成孔径、第二电平波束成形器来实现仰角平面中的聚焦，如图14所示。在一些实施例中，这些发射聚焦在单个仰角(0度、10度、20度、30度等)上，从而减少不在仰角平面内的平面外杂波并获得改进的图像。
255.参考图14，在特定实施例中，第二级聚焦/波束成形器使用来自以下的波束数据(即，扫描线数据)：a1、b1和c1；a2、b2和c2；a3、b3和c3；等等，数据被延迟、加权和求和以形成最终波束输出，从而允许仰角平面聚焦。在该实施例中，x是仰角轴。
256.与机械透镜不同，如本文公开，利用合成透镜，焦距可以被电子编程到波束成形器中。在一些实施例中，该过程可能需要多次发射和接收(例如，来自n条线的1次发射和接收以形成扫描线a1)以从换能器的任何部分(例如，部分a、部分b和部分c)形成扫描线。为了形成帧，需要r条扫描线来扫描要成像的整个区域。此外，在这种情况下，需要3个单独的帧a、帧b、帧c。在一些实施例中，期望在图像中具有高帧速率。帧可以包括许多扫描线。然而，如果可以减少发射和接收的数量，同时可以形成相同数量的扫描线，那么帧速率将会增加。在一些实施例中，可以通过组合来自两个部分(例如，a和c)的发射和接收来实现增加的帧速率。由于这些区域相对于中心区域是对称的，例如如图13所示，对于区域a和区域c所需的延迟可以是相同的。通过将这两个区域组合成一个组合区域来发射信号和从其接收信号，帧速率可以增加150％。中心部分b可能需要与用于区域a和区域c的第一发射中使用的延迟不同的延迟。在一些实施例中，扫描线a1、b1、c1等沿着方位角平面形成。第二波束成形操作可以使用来自第一电平波束成形器的数据，并且使用如图13和图14所示的类似技术，可以在仰角平面中实现聚焦。在一些实施例中，2d扫描可以从条带的一侧(例如，第n列)开始，并在另一端(例如，第1列)完成。因此，可以通过按顺序扫描波束a1、a2、an
……
获得帧a。接下来遵循该序列获得帧b，帧b是帧a在时间上的顺序帧，目标可能已经移动。为了最小化运动伪影的影响，可以通过交错不同帧的扫描线(诸如a1、b1、c1、a2、b2、c2等等)来完成波束成形。当a和c被组合以使得发射和接收可以一起完成时，组合的a、c区域可以被命名为d，扫描线可以被命名为d1、d2等。非限制性示例性扫描序列可以是d1、b1、d2、b2等。这可以有助于最小化被成像目标中移动的灵敏度。
257.在一些实施例中，被用于形成a、b、c的行数是可编程的。行数可以根据被成像的解剖结构来调节，并且可以在用户界面中使用例如基于解剖结构或患者信息的预设来设置。
258.在一些实施例中，电子合成透镜提供动态聚焦和动态孔径。例如，在近场中，a和c的权重可以最小，并随着深度逐渐增加，从而导致孔径的变化。
259.在一些实施例中，部分(例如，部分a和c)在发射和接收期间被变迹。变迹可以通过发射(tx)驱动波形的脉宽调制(pwm)来实现。未变迹的脉冲驱动具有标称脉冲宽度。当改变(例如减小)脉冲宽度时，可以减小来自pmut的压力输出。在一些实施例中，变迹是当元件从换能器的中心到边缘时，元件的权重逐渐变小(tapering)。这可以减少旁瓣，并创建更高质量的图像。通过将变迹应用于所描述的过程，可以减少在仰角平面之外的信号泄漏。
260.在一些实施例中，变迹可以通过使用多电平(例如3或5或7个电平)发射驱动来实现。通过选择该驱动信号的不同电平，可以通过施加振幅变化的发射驱动信号来产生变迹，该发射驱动信号的振幅对于更靠近换能器边缘而不是中心的元件更低。在该示例中，与中心行相比，外部行上的所有元件可以具有较低的驱动电压，通过数字解码和选择，某些驱动电平可以用于形成多电平输出。在图20中示出了三电平解码示例。
261.在一些实施例中，通过在边缘处采用比在换能器孔的中心处的压电元件大小更小的压电元件来实现变迹。
262.在实施例中，该电路对所有列采用沿仰角方向的可编程延迟。所有的n列可以接收
相对于彼此延迟的驱动信号。附加延迟被生成以增加沿列元件的进一步延迟，其中沿列的每个元件可以相对于其在同一列上的相邻近邻被不同地延迟。在图16中示出了延迟分布示例。因此，阵列元件ele
i,j
的有效延迟是组列延迟τj然后和单个行延迟τi的和。
263.τ
i,j
＝τj+τiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
264.其中在一个实施例中：
[0265][0266][0267]
在上述等式中，发射上的焦点在位置(x,y,z)处，并且对于位置xj,yi处的元件独立地计算延迟。变量c是假设的传播介质中的声速。注意，在完美、不可分离聚焦的情况下，换能器元件ele
i,j
的延迟计算如下：
[0268][0269]
方位角和仰角中延迟的可分离性假设并不完美，延迟分布中的最大误差将出现在聚焦孔径的外部元件上。然而，对于小转向角和大f/#的情况，这种可分离性假设提供了令人满意的结果和电子实现的便利性。沿仰角的所有列元件的延迟是相似的。延迟分布可以是对称的，其中在仰角平面中聚焦的中心处具有最大延迟。延迟的量确定焦距。浅聚焦深度需要相对较长的延迟，例如在数百纳秒的数量级上，而深聚焦深度需要较短的延迟，例如在几纳秒的数量级上。另一种技术对所有列采用沿仰角方向的可编程延迟。所有的n列可以接收相对于彼此延迟的驱动信号。附加延迟被生成以增加沿列元件的进一步延迟，其中沿列的元件可以相对于其在同一列上的相邻近邻被不同地延迟。因此，也可以实现相对于列上的中心元件的不对称延迟。
[0270]
在另一实施例中，沿仰角方向采用可编程延迟，其中仰角延迟是粗线性延迟和细任意延迟的和。同样，所有的n列接收相对于彼此延迟的驱动信号。生成仰角延迟以增加沿着列元件的进一步延迟，其中沿着列的每个元件延迟了粗延迟和细延迟，其中该粗延迟在相邻元件之间可以是线性的，而细延迟在相邻元件之间可以是线性的或非线性的。沿着列元件的线性延迟和细延迟可以因列而异。因此，阵列元件ele
i,j
的有效延迟将是组列延迟τj、线性粗行延迟τ
i,粗
和细行延迟τ
i,细
的和。
[0271]
τ
i,j
＝τj+τ
i,粗
+τ
i,细
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0272]
其中在一个优选实施例中：
[0273][0274]
τ
i,j,粗
＝δτyi[0275][0276]
在上述等式中，发射上的焦点在位置(x,y,z)处，并且对于位置xj,yi处的元件独立地计算延迟。变量c是假设的传播介质中的声速。在等式(6)中，参数y
min
是通过将焦点(x,y,z)投影到2d换能器平面上并计算到投影的焦点的最小距离的换能器行位置来被计算。可以计算粗延迟的斜率δτ，使得细延迟可以被用于给出完美2d延迟的良好近似值。
[0277]
对于本领域技术人员来说应该清楚的是，与前面提到的x-y可分离延迟相比，上述
用于计算延迟的方法给出了对等式(4)的2d焦点延迟的更好的近似值。改进的延迟计算是以需要粗延迟时钟、细延迟时钟和更多寄存器位来在逐列的基础上实现不同的延迟为代价的。然而，这种方法比具有细时钟延迟和单独的元件布线的二维中的完全任意延迟更容易在集成电路中实现。在另一实施例中，一系列级联的触发器以适当的延迟选通(gate)从tx波束成形器到达列的时钟。然后，该延迟通过不同的时钟在列中传播，该时钟的频率是可编程的，但与为各种列驱动器的驱动器生成延迟的tx时钟同步。对于围绕列上的中心元件的对称延迟，生成延迟的触发器链停止在列的中心元件处，其中延迟分布围绕中心对称，如图17中所述。由触发器生成的延迟被路由到适当的位置，因此第0行的元件与最后一行的元件具有相同的延迟，并且第2行上的元件具有与从顶部的最后开始的第二个元件相似的延迟，以此类推。在实施例中，列中相邻元件之间的延迟是线性的。表1中的结果和图23中的仰角波束图量化了与抛物线分布相比，在仰角中使用线性延迟分布的效果。表1中的结果量化了图21中单向波束图的波束宽度(处于-3db和-10db)。针对2d换能器阵列，研究了仰角聚焦的五种不同实现：1)无仰角聚焦，2)完美2d聚焦(等式4)，3)线性延迟，4)分段线性延迟和5)稀疏变迹。对于线性延迟的情况，沿着列的相邻元件之间的延迟相对于彼此是固定的，并且仰角延迟分布可以围绕阵列的中心对称。对于分段线性延迟，延迟分布被分成至少3个段，其中给定段中的相邻元件相对于彼此具有固定的延迟。该方法可以通过包括多个线性延迟段来更好地近似抛物线延迟分布。最后，与其他方法相比，稀疏变迹方法通过打开和关闭元件来减少有源元件的数量，以便使阵列在发射时的行为类似于1.5d阵列。这种稀疏变迹方法的一个示例如图21所示。在该方法中，与全孔径的输出压力相比，输出压力可以降低。表1中的结果示出了方位角为0
°
转向的仰角波束图的-3db和-10db波束宽度。结果表明，线性延迟方法优于使用无仰角聚焦方法，并且与完美的2d聚焦方法相近。分段线性延迟方法实现了比线性方法甚至更好的波束宽度性能。稀疏变迹方法在可实现的波束宽度方面优于无仰角聚焦方法，但不如线性方法。稀疏变迹方法表现不佳的原因很可能是由于与其他方法相比，沿着稀疏阵列的“行”的间距减小了。图21中的仰角波束图结果表明，线性和分段线性延迟波束图类似于低至-15db的2d聚焦波束图。稀疏变迹方法由于行的横向偏移而具有不对称的波束图，并且该方法也呈现出所有研究方法中最大的旁瓣。这些方法也表明当横向操纵离轴时(图21的右手图)的稳定性。这些结果表明，上述电子仰角延迟方法是低成本、电池供电超声系统中相控阵列和线性阵列成像的合适替代方法。
[0278]
聚焦方法-3db波束宽度(mm)-10db波束宽度(mm)无仰角聚焦6.0815.98完美2d聚焦5.359.23线性延迟5.389.25分段线性5.359.25稀疏变迹5.509.65
[0279]
表1：使用各种延迟分布或无聚焦对仰角聚焦的影响。这些结果量化了图21的左手侧上的0
°
方位操纵波束图的结果。
[0280]
图21示出了具有0
°
横向操纵(左)和45
°
横向操纵(右)的仿真24x128矩阵阵列的仰角波束图。该图示出了与无仰角聚焦相比，研究的在仰角维度上提供聚焦的方法的差异(蓝色曲线)。
[0281]
图22示出了稀疏的tx孔，该孔允许利用24x128 2d阵列进行发射仰角聚焦。阴影圆是每列的有源元件，并且仰角对称性被使用(假设沿对称的仰角平面聚焦)。该发射方案将比使用所有24x128有源元件时输出的压力少约1/3。
[0282]
在一些实施例中，列上的每个元件具有专用的发射驱动器。在一些实施例中，每个元件驱动器包括由时钟(例如txb clk)驱动的数字延迟电路。一个实施例中的延迟电路包括多个触发器，如图15a所示。触发器(例如，dff1、dff2、dff3、dff4等)具有从列的底部(例如，第0行)开始的数字输入。txa是由发射波束成形器生成的数字位。在该优选实施例中，发射波束成形器由每个通道提供多个数字位的电路组成。在图15a中，我们示出每个通道2位。txa就是这样的位。txb是另一位，其中电路与所示附接到txa的电路相同，txb也是如此。这2位被编码以确定发射驱动器的电压驱动电平，如图28所示。这里，txa和txb是被解码以确定tx驱动器的输出电平的数字信号。例如，如果txa、txb均为0或，则输出电平为公共电平，有时为信号地电平。如果txa＝l，txb＝0，则输出为hi。根据需要，这可以是5v或10v的正电压或某个其他值。当txa＝0、txb＝l时，例如当公共电压为0v时输出变为lo或-5v或-10v。使用称为txb clk的高速时钟在tx波束成形器中创建txa和txb。在优选示例中，这时钟为200mhz时钟。来自tx脉冲器输出的延迟输出信号可以被用于操纵或聚焦超声波束，如图16所示。这里，假设线成像器具有线上的所有元件，这些元件共享相同的延迟。每个线元件具有由tx波束成形器发送的2位(txa，txb)。下一条线的位是不同的，并且可以根据操纵或聚焦波束的需要而被延迟。由tx波束成形器施加的这些延迟是沿着方位轴的，并且可以在轴向方向上操纵或聚焦波束。然而，沿仰角方向也需要延迟，以在仰角平面中操纵或聚焦波束。这要求列上的元件有单独的延迟。图15a示出了示例性实施例。txa、txb位在列处从tx波束成形器到达。触发器dff1-dffn位于每一行，其中n是1到16或32或是根据需要的大小。dff1的输入引脚2连接到txa或txb。触发器的引脚1连接到名为clk_hi的时钟，该时钟由以txb时钟为其输入的数字除法器生成。除法为除以m，其中标记为div control的数字输入总线(此处示出为8位总线)被用于确定m的值。触发器dff1-dffn产生了txa/txb输入信号的延迟，如图15a所示，其中a、b、c是txa、txb的延迟版本。这些的输出连接到mux，该mux选择这些输入中的一个作为其输出，其中选择是使用由sel0、sel1等控制的decoder完成的，其中这些由f位组成。这些数字输出，在这种情况下每个元件2个，然后被解码，如图20所示，并被用于驱动脉冲器输出。对于列上的元件，该电路可以提供相对于txa、txb位上的输入延迟的细延迟。此外，这些延迟对于列上的元件可能是唯一的。图15b示出了示例性实施例，其中粗延迟也可以被添加到列上的元件。这里另一个除法器，这次除以n，输入clk txb，其中m小于或等于n，并且是整数。该除法器的输出clk_lo连接到dff的clk输入，如图15b所示。这里，txa或dff的输出(其是txa的延迟版本)连接到mux，并且如果选择非延迟版本，则应用于第0行元件。然后将其连接到第1行上的dff的引脚2。这一次，如果第1行元件想要延迟，则延迟版本(dff的引脚3输出)由第一行上的mux选择。这可以对下一个元件进行重复。这里，除了第0行的元件之外，我们为列上的所有元件添加了延迟。应用于列上元件的该线性延迟将有助于操纵波束。图15a和图15b上的电路也可以被组合以向列上的所有元件赋予细延迟和粗延迟。例如，这可以通过向int_txa@row0和其他行上的类似节点添加电路来完成，其中，来自图15a的细延迟电路被插入以向已经被粗延迟发生器延迟的这些输出添加细延迟。这些电路提供细延迟。在dff的输出之后，进入mux，与mux 1类似，但用于下一行。该信号随后被与其连接的dff
延迟。同样的过程垂直地重复到其他行。这将沿列上的元件线性地延迟信号。在每一行上，dff1-dff n根据需要向列上的所有元件添加细延迟。针对所有行的mux1和类似mux的第二输入被用于线性地延迟信号，从顶部延迟最小开始，底部延迟最大(第0行)。这个txa/b也将连接到最后一行mux l的克隆(clone)的引脚2。这样，使用mux1上的up控件(以及其他行上的等效控件)，延迟可能会从底部到顶部增加，反之亦然。图19示出了脉冲器波形，即发射驱动器在用于仰角聚焦的延迟和解码完成后的输出，其中pl表示具有1个延迟单位的元件1的发射驱动器输出，p2表示施加到元件2的2个延迟单位，p4是具有4个延迟的元件4发射驱动器的输出。在这种情况下，该图中只示出了列上的粗延迟，而没有示出细延迟。图16示出了列上元件的相对延迟。在一些实施例中，延迟大小确定焦距。在一些实施例中，所有列的起始延迟可以是不同的，根据沿着方位轴聚焦的需要来设置。沿仰角轴的延迟可以是任意的。例如，从换能器的底行到顶行，延迟可以线性增加。在这种情况下，可以在仰角方向上操纵波束。如果延迟围绕中心元件对称，则焦点在仰角平面内。其他各种延迟分布也是可能的，并且可以允许对仰角切片进行聚焦和操纵。
[0283]
图17示出了沿着换能器的列施加到压电元件的发射驱动脉冲的非限制性示例性波形。在该实施例中，换能器具有列上的24个压电元件。p0是第0行上某列(例如第1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11等)上的压电元件，p1是与p0在同一列但在第1行上的压电元件，p11在同一列但在第11行上，p22在第22行上，以及p23在第23行上。在该实施例中，一个特定频率的脉冲被施加到元件p0。向元件p1施加相同的脉冲，但是相对于p0延迟了t01。类似地，相同的脉冲以比延迟t01长的延迟t011到达p11。在该实施例中，延迟具有围绕中心元件p11的对称性。这意味着p23和p0处的脉冲时序基本相同，p1、p22处的脉冲时序基本相同，以此类推，如图17所示。在一些实施例中，本文的脉冲(宽度、幅度、形状和/或频率)对于同一列的所有元件是相同的。在一些实施例中，对于列中的两行上的所有元件，本文的脉冲相对延迟和频率是相同的，但对于元件上的初始延迟，列中第一个元件可以不同于不同列中的类似元件。在一些实施例中，本文的脉冲具有各种形状，并且波形可以具有多个脉冲。脉冲的非限制性示例性形状包括矩形脉冲、高斯脉冲和正弦脉冲中的一个或更多个。在一些实施例中，对于所有选定列上的所有元件，延迟(例如t01、t02、t03......t011)被电子编程和控制。
[0284]
图18示出了列之间的延迟关系。在该特定实施例中，延迟由发射波束成形器通道延迟确定。例如，t10是第0列上的元件0和第10列上的元件0之间的延迟。这些延迟在发射波束成形器中被编程，并且是电可调的，以帮助在方位角平面内聚焦波束，如图10a中的平面xa-za所示。在一些实施例中，列上的元件之间的延迟被单独编程以在仰角平面内聚焦波束或倾斜波束，如图10a中的平面ya-za所示。t01是同一列上的元件(例如，第0列上的元件0和元件1以及第10列上的元件0和元件1)之间的示例性延迟。在一些实施例中，列上元件的延迟是相对于该通道的发射波束成形器确定的起始延迟而言的。在一些实施例中，起始延迟可以由发射波束成形器预先确定或由发射波束成形器可调节。
[0285]
参考图20，在特定实施例中，示出了脉冲器功能的示例。在该实施例中，两个数字输入，即in1(例如图17中的txa)、in2(例如图15a中的txb)，控制脉冲器的电压输出电平。基于这两个输入的逻辑电平，可以生成三电平输出结果，其中hvp0为正高电压，hvm0为负低电压，并且xdcr为有效地电平或0v。在该实施例中，生成相同脉冲形状的五个周期作为输出结果。在一些实施例中，通过改变in1、in2模式和/或该模式的频率，可以改变输出结果的模
式、频率和/或脉冲数。在一些实施例中，本文的逻辑电平或逻辑编码可以包括一个或更多个输入的数字逻辑操作。在一些实施例中，逻辑操作包括对一个或更多个输入使用选自以下中的一个或更多个逻辑操作符：and、not、or、nand、xor、nor、xnor或任何其他逻辑运算。
[0286]
在一些实施例中，级联的触发器系列/链以适当的预定或预编程的延迟选通从用于该列的发射驱动器到达一列或更多列的发射时钟。在一些实施例中，该延迟然后通过不同的时钟在列中传播，该时钟的频率是可编程的，但与为各种列驱动器的驱动器生成延迟的发射时钟同步。在一些实施例中，生成延迟的触发器链停止在列的中心元件处，其中延迟分布围绕中心对称，如在图17中。由触发器生成的延迟可以被路由到一列或更多列中的适当位置，因此第0行的元件与最后一行上的元件具有相同的延迟，第2行上的元件与从顶部的最后一个开始的第2个元件具有相似的延迟，以此类推。
[0287]
在实施例中，使用各种延迟分布来实现仰角聚焦。在仰角方向上使用线性延迟分布使得延迟从列的底部到顶部单调地增加或减少可以在仰角方向上操纵波束。除此之外，对波束的一定附加的曲率除了波束操纵之外，还可以允许聚焦，其中列的端部处的曲率为零。所需的理论延迟的线性近似可以足够精确以提供操纵和聚焦，并允许在本文的实施例中描述的经济实现。
[0288]
图23示出了根据本公开的实施例的压电元件2002-11-2002-mn的m
×
n阵列2000的示意图。如所描绘的，每个压电元件可以是双端子压电元件(诸如图3a中的压电元件214)，并且具有电耦合到导体(o)(例如，2004-11)的电极(o)(例如，2003-11)和经由公共导体(x)2006电连接到地或dc偏置电压的电极(x)。在实施例中，每个信号导体(o)可以由电路元件独立地管理。在实施例中，每个导体(o)(例如，2004-mn)可以电耦合到电路元件的发射驱动器，而压电元件阵列的所有x个电极(2006-11-2006-mn)可以连接到公共导体(x)2006。在实施例中，阵列2000可以设置在收发器衬底上，并通过互连机构(诸如m
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n+1个凸块)电耦合到asic芯片。更具体地，m
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n个导体(o)2004-11-2004-mn可以通过m
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n个凸块耦合到asic芯片的m
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n个发射驱动器，并且公共导体(x)2006可以通过一个凸块耦合到asic芯片。在实施例中，这里描述的这种示例性布置被用于执行3d成像，其中包括至少一个子压电元件的每个压电元件可以提供阵列中的唯一信息。在实施例中，每个压电元件可以具有一个或更多个膜，并以膜的多个模式和频率振动。在实施例中，每个压电元件2002可以由具有图27和图28中的电压分布3300和3400的脉冲驱动。
[0289]
在实施例中，每列(例如，2003-11-2003-m1)中的o电极可以电耦合到公共导体。例如，asic芯片中的电路元件可以被电子控制，使得每列中的o电极可以彼此电耦合。在这种配置中，在发射模式期间，每列中的o电极可以通过公共发射驱动器或通过具有相同电驱动信号的多个驱动器接收相同的电脉冲。类似地，在接收模式期间，每列中的o电极可以同时将电荷传输到公共放大器。换句话说，每列中的压电元件可以作为线单元(或等效的线元件)操作。
[0290]
图24示出了根据本公开的实施例的成像系统2900的示例性实施例。如图所示，成像系统2900包括压电元件2902-11-2902-mn的阵列，并且每个压电元件可以包括第一和第二信号(o)电极以及t电极。在实施例中，阵列中的所有t电极可以电耦合到一个公共导体(t)2908；第一o电极的每一行可以电连接到导体o1-om中的一个；如果需要没有合成透镜的线成像器，在这种情况下，机械透镜就足够了。然而，可以通过不短路列上的所有o节点来实
现相同的功能，如图24所示。相反，每个o节点由驱动器驱动，并且如果列上元件的所有驱动器信号具有相同的延迟，我们基本上实现了如图24中所示的相同行为。在图24所示的实施例中，开关2912-1-2912-n中的每一个可以在发射驱动器(例如，2916-1)和放大器(例如，2914-1)之间切换，该放大器可以是低噪声放大器。在实施例中，导体o1-on中的每一个可以连接到放大器2910-1-2910-m中的一个，该放大器可以是低噪声放大器。
[0291]
在实施例中，在发射模式期间，信号可以经由导体(例如，o12)从发射驱动器(例如，2916-1)发射到第二o电极列，使得该列压电元件可以作为线单元生成压力波。在发射模式期间，每个开关(例如，2912-1)可以切换到对应的发射驱动器(例如，2916-1)。
[0292]
在实施例中，成像系统2900可以以两种不同的方法处理反射的压力波。在第一方法中，放大器2910-1-2910-n可以从第一o电极接收电荷信号，即，每个放大器可以从一行第一o电极接收信号。该方法允许双平面成像/模式，其中对于二维图像，双平面图像可以提供正交视角。此外，该方法可以提供多于二维的成像能力。双平面成像可以有助于许多应用，诸如活检。注意，在该方法中，可以同时执行发射模式和接收模式。在第二方法中，开关2912可以切换到放大器2914，使得每个放大器可以接收和处理来自第二o电极的对应列的电荷信号。
[0293]
在实施例中，线单元指的是电耦合到o导体的o电极的列(或行)，可以作为发射单元或接收单元或两者来操作。在实施例中，即使导体o1-om被布置在与导体o12-on2正交的方向上，这些方向也可以被电子编程和电子可调。例如，放大器2910和2914的增益可以是电子可调的，其中增益控制引线被实现在放大器中。在实施例中，每个线元件的长度(即，每个线元件中压电元件的数量)也可以是电子调节的。在实施例中，这可以通过将每个压电元件的所有信号电极连接到asic芯片中的对应节点来实现，并且其中asic酌情对要相互连接的元件的信号电极、发射驱动器或放大器之间的连接进行编程。
[0294]
图25示出了根据本公开的实施例的耦合到电路元件3001的压电元件3000的实施例。如所描绘的，压电元件3000可以包括：第一子压电元件3021-1和第二子压电元件3021-2。压电元件3000可以包括：底部电极(x)3002，其由第一子压电元件和第二子压电元件共享并耦合到导体(x)3006。在实施例中，第一子压电元件3021-1可以包括信号(o)电极3003，其经由导体3008电耦合到放大器3010。在实施例中，第二子压电元件3021-2可以包括信号(o)电极3004，其经由导体3012电耦合到开关3014。
[0295]
在实施例中，电路元件3001可以电耦合到压电元件3000，并且包括两个放大器3010和3016(诸如低噪声放大器)以及发射驱动器3018。在实施例中，开关3014可以使得一个端部通过导体3012连接到o电极3004，并且另一个端部可以在用于接收模式的放大器3016和用于发射模式的发射驱动器3018之间切换。在实施例中，放大器3016可以连接到其他电子器件，以进一步放大、滤波和数字化接收信号，即使放大器被用于象征性地表示电子器件。发射驱动器3018可以是多阶段驱动器，并且可以产生具有两个或更多个电平信令的输出。信令可以是单极的或双极的。在实施例中，发射驱动器3018可以包括在驱动器的电子控制下将驱动器的输入与驱动器的输出互连的开关，这在图25中没有明确示出。同样没有示出的是驱动器3018的输入信号，该输入信号可以相对于如图17a至图17d中示出的同一列上的另一个元件的这种信号被延迟。类似地，关于位于不同列中的元件的延迟也被实现以允许沿着方位轴的电子聚焦，以允许沿着仰角平面的电子聚焦。
[0296]
在实施例中，发射驱动器3018的信号可以是脉宽调制(pwm)，其中，通过在每个元件的基础上控制脉冲宽度，可以在发射的超声信号上创建加权函数。这可以例如执行窗口函数，其中发射信号由窗口函数加权。在实施例中，加权系数可以通过改变发射信号的占空比来实现，如在pwm信号传输期间所做的那样。这种操作可以允许发射变迹，其中辐射信号的旁瓣被大大衰减，从而允许更高质量的图像。
[0297]
在实施例中，收发器阵列可以设置在收发器衬底中，并且包括压电元件3000的n
×
n阵列，并且电路元件3001的n
×
n阵列可以设置在asic芯片中，其中每个压电元件3000可以电耦合到电路元件3001的n
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n阵列中的对应一个。在这种情况下，收发器衬底可以通过3n2个凸块与asic芯片互连。在实施例中，压电元件阵列的每一列(或行)可以作为线单元操作，如结合图25所讨论的。例如，可以同时向一列压电元件施加相同的脉冲，使得该列压电元件可以同时生成压力波。注意，压电元件的n
×
n阵列的每个压电元件3000可以与电路元件的n
×
n阵列的对应的一个电路元件3001耦合。替代地，可以通过将元件的o节点连接到专用tx驱动器以及也连接到专用接收放大器来单独控制列上的每个元件。通过控制发射驱动器和从lna接收到的信号上的延迟，可以在发射和接收方向上实现仰角聚焦。
[0298]
在实施例中，子压电元件3021-1可以在整个操作周期期间处于接收模式，而子压电元件3021-2可以处于发射模式或接收模式。在实施例中，发射模式和接收模式的同时操作可以允许连续模式多普勒成像。
[0299]
在实施例中，当发射驱动器3018向电极3004发射信号时，由子压电元件3021-2生成的压力波的功率电平可以通过使用脉宽调制(pwm)信号传输来改变。例如，这在从b模式切换到多普勒模式成像时是重要的，发射到人体的信号功率可能很长，并且如果功率电平不降低，可能会发生组织损伤。通常，在常规系统中，不同的快稳定电源用于b模式和各种多普勒模式成像，以允许发射驱动电压在两种情况下不同，例如在多普勒模式中不会产生过多的功率。与常规系统不同，在实施例中，可以在不使用常规的快稳定电源的情况下通过在发射时使用pwm信号来改变功率电平。在实施例中，期望在多普勒和b模式成像之间快速切换以将这些模式共同成像在一起。在实施例中，压电元件的接地电极也可以彼此分离并单独连接到地。在实施例中，这种独立接地可减少噪声并导致更快的稳定时间。在实施例中，还可以通过在电子控制下减少发射列的高度来减少发射功率。这再次便于多普勒和b模式使用相同的电源，并且满足每种模式中的功率传输要求。这也允许共同成像。
[0300]
图26示出了根据本公开的实施例的用于控制多个压电元件的电路3100。在实施例中，电路3100可以设置在asic芯片中，其中设置在收发器衬底和asic芯片中的压电元件阵列(以行和列布置)可以通过凸块互连到收发器衬底，其中每个pmut可以通过如图25示出的开关连接到相关联的tx驱动器和接收电路，其中o电极连接到开关3014。如所描绘的，电路3100可以包括电路元件3140-1-3140-n的阵列，其中每个电路元件可以与对应压电元件的o电极和x电极传递信号。
[0301]
如图26所示，每个电路元件(例如，3140-1)可以包括第一开关(例如，3102-1)、第二开关(例如，3104-1)、第三开关(例如，3106-1)和发射驱动器(例如，3108-1)。来自发射驱动器(例如，3108-1)的输出可以经由导体(例如，3110-1)发送到压电元件的o电极。在发射模式期间，每个电路元件可以通过导体3122接收发射驱动器(驱动)信号3124。可以是晶体管开关并由控制单元3150控制的每个第二开关(例如，3104-1)可以被接通以将信号3124传
输到发射驱动器(例如，3108-1)。(控制单元3150和电路3100中的其他部件之间的电连接未在图26中示出。)发射驱动器(例如，3108-1)可以执行逻辑解码、电平位移、缓冲输入信号并经由导体(例如，3110-1)将传输信号发送到o电极。在实施例中，在发射模式期间，第一开关(例如，3102-1)可以被断开。
[0302]
在实施例中，控制单元3150可以决定在发射模式期间需要接通哪些压电元件。如果控制单元3150决定不接通第二压电元件，则第一开关(例如3102-2)和第二开关(例如3104-2)可以被断开，而第三开关(例如3106-2)可以被接通，使得o电极和x电极具有相同的电位(即，跨压电层存在净零伏驱动)。在实施例中，第三开关3106可以是可选的。
[0303]
在实施例中，在接收模式期间，第一开关(例如，3102-1)可以接通，使得在o电极中产生的电荷可以通过导体3110-1和3120发射到放大器3128。然后，放大器3128可以接收电荷信号(或者等效地，传感器信号)3126并放大传感器信号，其中放大的信号可以被进一步处理以生成图像。在接收模式期间，第二开关(例如，3104-1)和第三开关(例如，3106-1)可以被断开，使得接收的信号不会被干扰。注意，电路元件3140-1-3140-n的整个阵列可以共享公共放大器3128，从而简化了电路3100的设计。在实施例中，压电元件的x电极可以经由导体3112-1-3112-n电耦合到地或dc偏置电压，其中导体3112-1-3112-n可以电耦合到公共导体3152。
[0304]
在实施例中，电路3100可以耦合到图23中的一列压电元件(例如，2002-11-2002-n1)。在实施例中，电路3100可以控制图25-图32中的一列压电元件。
[0305]
图27和图28示出了根据本公开的实施例的用于在发射模式期间驱动压电元件的示例性波形3300和3400。通常，压电材料可能容易受到介电老化导致的损坏，并且可以通过使用单极驱动信号来延迟或避免老化。波形3300和3400表示o和x电极之间和/或o和t电极之间的电压电位。如所描绘的，波形本质上可以是单极的，并且可以是双电平阶跃波形3300(即，发射驱动器，诸如2812、2912、3018、3108、3208等是单极发射驱动器)或多电平(诸如三电平)阶跃波形3400。实际电压振幅通常可以从1.8v变化至12.6v。在实施例中，多阶跃波形3400或具有更多阶跃的波形可以减少压电元件中的发热，并且对于在某些成像模式(诸如多普勒或谐波成像)期间使用具有优势。
[0306]
在实施例中，波形3300和3400中的脉冲频率可以根据所需信号的性质而变化，并且需要包含pmut下面的膜响应的频率。在实施例中，波形也可以是复信号，诸如线性或非线性调频啁啾信号，或使用golay代码的其他编码信号。
[0307]
在实施例中，用于驱动压电元件的电路还可以被设计成使得来自下面的膜的发射输出在形状上可以是对称的。在实施例中，对于波形3300(或3400)中的每个信号脉冲，脉冲的上升沿可以相对于脉冲的中心与脉冲的下降沿基本上对称。这种对称性降低了发射信号的谐波含量，尤其是二次谐波和其它偶数阶谐波信号。在实施例中，波形3300(或3400)中的信号脉冲可以是脉宽调制(pwm)信号。
[0308]
图29示出了根据本公开的实施例的发射驱动信号波形。如所描绘的，来自发射驱动器的信号3500可以是对称的和双极的，即，峰最大电压的幅度(h1)和宽度(w1)与峰最小电压的幅度(h2)和宽度(w2)相同。此外，上升沿3502的斜率与下降沿3504的斜率相同。另外，上升时间w3与下降时间w4相同，其中下降时间w4是指下降起点和参考电压之间的时间间隔。此外，上升沿3506具有与上升沿3502相同的斜率。
[0309]
在发射操作期间，发射驱动器，例如图25中的3018，可以由电波形驱动，诸如在图27和图28中示出的。图30示出了根据本公开实施例的成像组件中各种电路的输出信号。在实施例中，波形3602可以是来自发射驱动器(例如3018)的输出信号，并被发射到压电元件(例如3000)。在实施例中，由于压电元件可以具有固有带宽，所以它可以以其谐振频率输出正弦输出3604。如果连接到压电元件的o电极的发射驱动器的输出非常缓慢地上升，则它可能无法将电极充电到期望的最终值，并且因此可能导致低输出信号，如波形3606所示，其中最终振幅小于3602中的振幅。另一方面，如果发射驱动器的输出信号非常快速地稳定，则发射驱动器的输出信号具有比压电元件的带宽限制更大的带宽，因此额外的能量可能以热的形式耗散。因此，在实施例中，如波形3608所示，压电元件可以以使其完全充电但不是非常快的速率充电。在实施例中，波形3608表示作为时间函数的顶部电极和底部电极两端的电压电位，在形状上更接近换能器的输出，并且因为形状上的差异更小，所以输入信号带宽和输出信号带宽更好地匹配，发生更少的热能量损失。在实施例中，发射驱动器的驱动阻抗被优化以减少能量损失。换句话说，发射驱动器的阻抗被设计成根据目标时间段内对于足够电压稳定所需的散热和时间常数来最优地驱动压电元件。
[0310]
在实施例中，成像器126可以使用谐波成像技术，其中谐波成像是指在膜的基频上发射压力波，并在膜的二次或更高谐波频率处接收反射的压力波。通常，基于二次或更高谐波频率的反射波的图像比基于基频的反射波的图像具有更高的质量。发射波形中的对称性可以抑制发射波的二次或更高次谐波分量，并且因此，这些分量与反射波中的二次或更高次谐波的干扰可以被减少，从而提高谐波成像技术的图像质量。在实施例中，为了减少发射波中的二次或更高次谐波，波形3300可以具有50％的占空比。
[0311]
在图23-图24中，阵列可以包括多个线单元，其中每个线单元包括彼此电耦合的多个压电元件。在实施例中，线单元可以用具有相位差(或等效延迟)的多个脉冲来驱动。通过调整相位，可以以一个角度操纵产生的压力波，这被称为波束成形。
[0312]
图31a示出了根据本公开的实施例的发射压力波的振幅作为沿着换能器的方位轴的空间位置的函数的曲线图。如果阵列中的压电元件以2维布置，并且y方向上的列上的压电元件被连接并且沿着x方向具有许多列，则x方向被称为方位角方向，y方向被称为仰角方向。
[0313]
在一些实施例中，本文的变迹包括使用可变电压驱动，例如，在超声脉冲的边缘附近具有较低的权重，在中心部分附近具有较足的权重(fuller weights)。变迹也可以通过改变沿着每列或每行的元件数量，单独或与本文公开的其他方法相结合来实现。
[0314]
图31b示出了根据本公开的实施例的用于变迹处理的各种类型的窗口。在图31b中，x轴表示压电元件相对于活动窗口中心处的压电元件的位置，y轴表示振幅(或施加到压电元件的权重)。如所描绘的，对于矩形窗口3720，没有为任何发射线提供加权，即，它们都处于均匀的振幅(即，象征性地为1)。另一方面，如果实现加权函数，如汉明窗口3722所描绘的，中心处的线比边缘处的线获得更大的权重。例如，为了将汉明窗口3722应用于换能器区块，最左边列中的压电元件(在图31b中表示为-n)和最右边列中的压电元件(在图31b中表示为n)可以具有最低的权重，而中间列中的压电元件可以具有最高的权重。这个过程被称为变迹。在实施例中，可以应用各种类型的窗口加权，即使所示的汉明窗口3722仅意在作为一个示例。在实施例中，变迹可以通过多种手段来实现，例如通过采用数模转换器(dac)或
通过保持相同的驱动电平但减少线上的像素数量来针对不同的线不同地缩放发射驱动器输出驱动电平。净效果是旁瓣电平可以通过使用变迹来减少，其中发射驱动的权重基于特定线位于被激励的发射孔径内的位置而变化。
[0315]
在实施例中，脉冲或波形电压的减少可以降低换能器表面处的温度。替代地，对于给定的最大可接受的换能器表面温度，在较低电压下操作的换能器可以提供更好的探测仪性能，导致更好质量的图像。例如，对于具有192个压电元件以减少功耗的探测仪，可以通过仅使用探测仪的一部分(即压电元件的子集)并使用多路复用器按时间顺序扫描剩余的元件来生成发射压力波。因此，在任何时间点，在常规系统中，仅一部分换能器元件可以用于限制温升。相比之下，在实施例中，较低电压探测仪可以允许更多压电元件被同时寻址，这可以实现图像的帧速率增加和增强的图像质量。在使用lna放大接收到的信号的接收路径中也会消耗大量功率。成像系统通常使用多个接收通道，每个接收通道具有放大器。在实施例中，使用温度数据，可以断开多个接收器通道以节省功率并降低温度。
[0316]
在实施例中，变迹可以通过根据窗口函数改变每个线单元中的压电元件的数量来实现。在实施例中，这种窗口近似可以通过电子控制在线上压电元件的数量或通过将换能器阵列与所需数量的元件硬连线来实现。变迹也可以通过使用固定数量的元件但是利用变化的发射驱动电压来驱动这些元件，来创建。例如，对于仰角方向上的变迹，最大驱动施加到列上的中心元件，而较低的驱动器电平被施加到列两侧上围绕列上的中心元件的外部元件。变迹也可以通过基于列上的位置改变元件的极化强度来实现。
[0317]
通常，探测仪生成的热量可以是发射脉冲/波形中脉冲持续时间的函数。通常，为了使压力波以更好的信噪比(snr)穿透目标深处，压电元件可能需要长脉冲串。然而，这也降低了轴向分辨率，并且还在压电元件中生成更多的热量。因此，在常规系统中，发射的脉冲数量很少，有时只有一个或两个。因为更长的脉冲可能产生更多的热能，使得它们在常规系统中的使用不切实际。相比之下，在实施例中，脉冲和波形3300和3400可以具有显著较低的峰值，这可以实现长脉冲串、啁啾(chirps)或其他编码信号传输的使用。在实施例中，较长的脉冲串不会降低轴向分辨率，因为在接收器中执行匹配滤波以压缩波形以恢复分辨率。这种技术允许更好的信噪比，并允许信号更深地穿透身体，并允许对身体更深处的目标进行高质量成像。
[0318]
在实施例中，可以将一层聚二甲基硅氧烷(pdms)或其他阻抗匹配材料旋涂在换能器元件的上方。该层可以改善换能器元件和人体之间的阻抗匹配，从而可以减少换能器元件和人体之间的界面处的压力波的反射或损失。
[0319]
在图23至图24中，可以通过在y方向(或x方向)上连接像素来创建多于一个的线单元，其中一个线单元(或等效的线元件)指的是彼此电连接的多个压电元件。在实施例中，还可以通过沿x方向连接压电元件来创建一个或更多个线单元。在实施例中，线单元中的压电元件可以是硬连线的。
[0320]
如图7所示，每个压电元件260可以电耦合到诸如发射脉冲器、开关和lna的电路。收发器衬底中压电元件的数量可以与接口连接到pmut换能器阵列的asic芯片中的电路数量相同。元件可以以列或行的形式布置，并且可以被电子选定用于连接到包含电子电路的asic。对于电子控制的线成像器，线成像器/单元可以通过将二维矩阵阵列的每个压电元件连接到控制电路的二维阵列的对应控制电路来构建，其中控制电路被定位成在空间上靠近
像素并且包含在例如诸如图32所示的asic中。为了创建线元件，可以电子地打开控制一列(或行)像素的多个驱动器。在实施例中，每个线成像器/单元中的驱动器的数量可以在程序控制下被电修改，并且是电子可调的。
[0321]
在实施例中，每个像素的较小电容可以由分布式驱动电路有效地驱动，而无需驱动器和像素之间的其他均衡元件，从而消除了驱动非常大的线电容的困难。在实施例中，驱动器优化可以允许上升沿和下降沿的对称，从而允许发射输出中更好的线性，实现谐波成像。(结合图27和图28描述了对称性。)在实施例中，电子控制可以允许可编程的孔径大小、发射变迹和水平或垂直操纵控制，所有这些都可以改善图像质量。在实施例中，在电子控制下的可配置线成像器/单元可以在程序控制下被电修改。例如，如果在y方向上需要较少数量的连接元件，则可以通过软件控制来调整该数量，而不必重新旋转控制电子电路或压电阵列。
[0322]
在实施例中，每个线单元可以被设计成由若干子单元组成，每个子单元具有单独的控制。这些子单元的优势在于，它们可以减轻使用单个外部发射驱动器驱动线单元的大的电容性负载的困难。例如，如果创建两个线单元来代替包括列中的整个压电元件的一个线单元，则可以采用两个不同的发射驱动器，并且每个发射驱动器可以控制整个线单元的负载的一半。此外，即使使用一个驱动器，单独驱动线单元的前半部分和线单元的后半部分也可以由于到线单元两端的较低电阻连接而改善驱动状况。
[0323]
在实施例中，线单元的长度和取向都可以被控制。例如，线单元可以在x和y方向两者上布置。举例来说，在图23中，沿着列(例如，2003-11-2003-n1)的o电极可以电耦合以形成一个线单元，并且其他列中的o电极可以电耦合以形成沿着x方向延伸的n个线单元。更具体地，沿着x方向延伸的线单元包括n个o电极(2003-12-2003-1n)......(2003-n2-2003-nn)。在实施例中，可能能够通过控制asic芯片中的电路来实现沿着正交方向的线单元的布置。
[0324]
换能器阵列可以由诸如图3b或图3c所示的元件制成。在图3c中，每个元件可以具有一个或更多个子元件，其中每个子元件具有设置在压电层下的膜。在实施例中，这些膜可以具有多种振动模式。在实施例中，一个膜可以以特定频率在基本模式中振动，而另一个膜可以以由膜设计确定的不同频率振动。这使得该元件能够在宽频率范围内操作，同时该元件仍然只需要2个端子。在其他实施例中，诸如在图3b中，子元件可以具有单独的驱动端子。通过使用不同频率区中的驱动信号内容，可以使用每个子元件的不同驱动信号来获得更宽的带宽。这也允许通过使用多个子元件来调节输出信号，每个子元件具有不同的驱动信号。一种这样的应用是使用设计成抵消来自相邻元件的串扰的驱动信号。在实施例中，多个膜可以由相同的电极组驱动，并且每个膜(子元件)可以具有不同的基频。在实施例中，每个膜可以响应于宽范围的频率，从而增加其带宽。
[0325]
在一些实施例中，列中的x(或t)电极可以电耦合到导体。在实施例中，这些导体可以电耦合到一个公共导体。例如，导体可以电耦合到一条公共导线，使得阵列中的所有t电极可以连接到地或公共dc偏置电压。
[0326]
在一些实施例中，每个阵列可以包括布置成二维阵列的压电元件(例如，图23-图24)，其中x方向上的元件数量可以与y方向上的元件数量相同。然而，对于本领域普通技术人员来说，明显的是，x方向上的元件数量可以不同于y方向上的元件数量。
[0327]
在实施例中，耦合到换能器衬底的asic芯片可以包含温度传感器，该温度传感器在操作期间测量面向人体的成像设备120的表面温度。在实施例中，最大允许温度可以被调节，并且该调节可以限制成像设备的功能，因为温度不应上升超过允许的上限。在实施例中，该温度信息可用于改善图像质量。例如，如果温度低于最大允许极限，则可以在放大器中消耗额外的功率，以降低其噪声并改善系统信噪比(snr)，从而改善图像质量。
[0328]
在实施例中，成像设备126消耗的功率随着同时被驱动的线单元的数量增加而增加。可能需要驱动成像设备126中的所有线单元以完成从整个孔发射压力波。如果只驱动几个线单元来发射压力波，一次等待并接收反射回波，则需要更多的时间来完成驱动整个孔径的整个线单元的一个周期，从而减少每秒可以拍摄图像的速率(帧速率)。为了提高这一速率，需要一次驱动更多的线单元。在实施例中，温度的信息可允许成像设备120驱动更多的线以提高帧速率。
[0329]
在一些实施例中，每个压电元件可以具有一个底部电极(o)和一个或更多个顶部电极(x和t)，并且具有一个以上的谐振频率。
[0330]
在实施例中，在接收模式期间产生的电荷被传输到放大器，诸如2910、2914、3010、3016、3128和3806。然后，放大的信号可以由各种电部件进一步处理。因此，对于本领域的普通技术人员来说应该明显的是，放大器2910、2914、3010、3016、3128和3806中的每一个统称为处理电荷信号的一个或更多个电部件/电路，即，每个放大器象征性地表示用于处理电荷信号的一个或更多个电部件/电路。
[0331]
图32示出了根据本公开的实施例的成像组件3800的示意图。如所描绘的，成像组件3800可以包括：收发器衬底3801，具有压电元件(未在图32中示出)；asic芯片3802，其电耦合到收发器衬底3801；接收器多路复用器3820，其电耦合到asic芯片3802；接收器模拟前端(afe)3830；发射器多路复用器3824，其电耦合到asic芯片3802；以及发射波束成形器3834，其电耦合到第二多路复用器3824。在实施例中，asic芯片3802可以包括多个电路3804，该多个电路3804连接到收发器衬底3801并且被配置成驱动收发器衬底3801中的多个压电元件。在实施例中，每个电路3804可以包括诸如lna的接收器放大器(或简称放大器)3806、以及用于向压电元件发射信号的发射驱动器3808、以及在放大器3806和发射驱动器3808之间切换的开关3810。放大器可以具有可编程增益和将它们连接到需要感测的压电元件的装置。发射驱动器具有优化其阻抗的装置和连接到要被驱动的压电元件的装置。
[0332]
在实施例中，接收器多路复用器3820可以包括多个开关3822，并且接收器afe 3830可以包括多个放大器3832。在实施例中，开关3822中的每一个可以将电路3804电连接到放大器3832/从放大器3832电断开电路3804。在实施例中，发射器多路复用器3824可以包括多个开关3826，并且发射波束成形器3834可以包括多个发射驱动器3836和未示出的用于控制各种驱动器的发射驱动器波形之间的相对延迟的其他电路，以及未示出的用于控制发射驱动器中的每一个的频率和脉冲数量的其他电路。在实施例中，开关3826中的每一个在发射操作期间接通并连接到电路3804，而开关3822断开，而开关3810连接到发射驱动器3808。类似地，在接收操作期间，开关3826断开而开关3822接通，同时开关3810连接到放大器3806。
[0333]
在实施例中，开关3810可以在发射模式期间切换到发射驱动器3808，并且在接收模式期间切换到放大器3806。在实施例中，开关3822的一部分可以被闭合，使得对应的电路
3804可以被设置为接收模式。类似地，开关3826的一部分可以被闭合，使得对应的电路3804可以被设置为发射模式。由于开关3822的一部分和开关3826的一部分可以同时闭合，成像器组件可以同时以发射模式和接收模式两者操作。此外，接收器多路复用器3820和发射器多路复用器3824减少asic引脚的数量。在实施例中，接收器多路复用器3820、接收器afe 3830、发射器多路复用器3824和发射器波束成形器3834可以包括在电路202a中，或者部分还可以驻留在图1b中的215a中。
[0334]
在实施例中，每个压电元件可以具有多于两个电极，其中一个电极可以处于发射模式以生成压力波，而另一个电极可以同时处于接收模式以产生电荷。发射模式和接收模式的这种同时操作允许更好的多普勒成像。
[0335]
被成像目标的移动可能导致所得图像中的误差，并且可能期望减少这些误差。移动的一个示例是当执行心脏成像时，心脏组织正在移动。高帧速率可能是期望的，以减少移动的影响。因此，在维持电子方位角和仰角聚焦以及变迹的同时提高帧速率可能是重要的。这不仅可以减少图像中的模糊，而且还可以通过根据深度电子地改变方位角和电子聚焦来允许在接收器中使用动态聚焦来获得更好的图像。通过同时操作顶部部分和底部部分，减少操作次数，可以在图14所示的双阶段波束成形器中实现帧速率提高。此外，通过在生成a2、b2、c2之前完成对一个完整列(例如图12的a1、b1和c1)的扫描，有助于最小化线上移动的影响。此外，可以通过使用所操作部分中所有行和列的发射和接收，来创建一条扫描线。然而，使用并行波束成形器技术【tore gr
ü
ner于2009年1月在挪威科技大学发表的特隆赫姆哲学博士学位论文“high frame rate ultrasound imaging using parallel beamforming”】，可以产生多个(例如4个)波束。这可以有助于进一步提高帧速率并减少移动的影响。这些技术也可能产生像差，但有已知的电子方法来校正它们。
[0336]
可能期望输出更大的压力水平(而不超过规定限制)以提高图像质量。均衡的价值是感兴趣的频率区域中压力输出的增加。压力输出的这种增加导致更大的信号输出，其导致改善的信噪比和改善的信号对组织的穿透，从而改善成像深度。pmut具有高电容性，增加与其串联的电感可有助于降低电抗，更好地匹配驱动器阻抗，以协助增加功率传输。
[0337]
图33-图37示出了可以按列(和行)布置并用于发射和接收超声波束的换能器阵列和电路。独特的是，电感器处于流经换能器并通过该电感器到达虚拟地(偏置电压)的电流路径中。与换能器串联的电感器的增加有助于补偿换能器阻抗的电容分量，并有助于驱动器(在图36a中的o节点处)与换能器阻抗的阻抗匹配，并有助于最大化到换能器的功率传输。发射驱动器直接驱动换能器，电感器处于接地回路(或换能器的偏置回路引线)中。在本公开中，电感器的值(例如，大约0.5μh)不能使这些电感器能够被用在低频区域(例如，2mhz)中，因为每个电感器所需的面积非常大，并且电感器的数量也很大。将电感器布置在接地回路中，可以使这些电感器脱离芯片，额外引脚的数量增加最小(其中每个电感器需要一个额外引脚)。为了实现与驱动器串联的电感器，每个电感器需要两个引脚才能实现片外(off chip)实现。
[0338]
图33c示出了使用基于电感器的均衡的示例，该均衡使用增加与发射驱动器串联的电感器的旧有技术。这里，d0是发射驱动器。驱动器的输出片外地连接到引脚p0a。连接外部电感器l0，电感器的另一端子连接到引脚p0b，并返回到驱动换能器co的电路，其中c0的另一端子连接到引脚x0，以连接到偏置电压。这种技术的一个问题是每个电感器需要额外
的引脚p0a、p0b。互连布线也很重要。附加地，驱动器输出在引脚上输出，暴露于寄生负载，降低了驱动器的性能。对于需要128个电感器的128通道成像器，将需要256个额外的引脚，这使得其成为很大的负担或不切实际。此外，与本文描述的主题相比，互连件的量将大大增加。这是特别重要的，因为电流电平很高，为了保持阻抗相似，需要增加互连件的尺寸。由于需要两条独立的导线，互连件的长度增加了一倍。因此，使用该旧有技术集成均衡技术是不实际的。在图33d中公开了不同的技术，由此移动换能器的另一侧上的电感器(在换能器和偏置电压之间串联)，仅需要一个额外的引脚和一个额外的互连布线，使得集成均衡技术是可行的。事实上，在许多情况下，由于引脚x0、x1都是tp引脚，因此与没有基于电感器的均衡的状况相比，增加电感器进行均衡几乎没有损失。换能器另一侧上的电感器的换位不仅具有所述的优点，而且还附加地维持了电路执行均衡的能力。值得注意的是，该电路还保留了在方位角方向和仰角方向上聚焦的能力，其中聚焦控制是动态的，如本文所公开的。压电元件电路包括电感器，其允许电路被配置成在超声波束中传输最大量的功率。在电路内使用电感器的装置以这样一种方式集成，即它们不占用太多空间，并且使得电路易于构建和使用。
[0339]
图33a示出了包含压电元件的电路，该压电元件可以是压电元件阵列的一部分。压电元件阵列可以例如包含4096个压电元件，这些压电元件被布置在128列和32行的网格中，并且可以用于形成具有动态聚焦的特定发射的超声波束。压电元件阵列中的单独的元件可以接收在时间上延迟的信号，以便改变发射的超声波束的聚焦。本文中术语“压电元件”和“pmut换能器元件”可互换地使用。另外，术语“压电元件电路”和“pmut换能器电路”也可以互换。
[0340]
图33a的电路示出了压电元件及其o节点和x节点以及数字输入驱动。o节点可以指定用于将驱动信号从数字输入驱动发射到压电元件的输入端子。x节点可以是偏置或接地节点。在图33a的实施例中，x节点被偏置在-18v，但也可以被偏置在其他电压，使得它比o节点上的最大负驱动电压更负。
[0341]
在图33a的实施例中，压电元件可以是高电容性的，并且被表示为电容器，目的是正确识别其作为电路元件的行为。由数字输入驱动提供的驱动信号可以是例如方波、阶跃波、正弦波、三角波或另一类型的交流电压信号。对于特定压电元件，数字输入驱动可以将提供给压电元件的特定信号延迟。时间延迟的量可以通过压电元件在阵列内的放置来确定，并且可以涉及压电元件的编号行或列索引标签。
[0342]
图33b示出了对图33a的电路的修改，其中电感器串联连接在压电元件和x偏置节点之间。电感器可以被连接以校正由电容性压电元件的复阻抗引入的相移。通过连接电感器来消除相移被执行，以通过执行阻抗匹配来增加功率传输。对于较低的成像频率(诸如1-10mhz区域)，将电感器与其他电路集成在芯片上是不现实的。这是由于芯片上所需的电感器的大小和电感器数量。当频率增加时(例如，在50mhz-100 mhz范围内)，电感器的大小变小。因此，将电感器集成在芯片中变得更加实用。如今，大部分商业医学成像应用的频率低于10mhz。因为在实践中，对于这些应用可能难以集成电感器，所以在一个实施例中，外部电感器被用于将集成电路与连接到换能器矩阵阵列的发射和接收电路矩阵阵列连接。图33a示出了连接到偏置电压(类似于接地参考)的换能器的一个端子。外部电感器被连接在换能器和偏置端子之间。这只需要为每个电感器增加一个引脚，因为另一个端子(x偏置是一个
公共引脚，已经可用)。这种布置允许基于电感器的均衡。例如，对于布置成128列和32行的矩阵阵列，128个电感器就足够了，其中根据需要选择列上的元件(如图34所示，通过在程序控制下使用开关)。
[0343]
图34示出了一列n个压电元件电路，其类型如图33b所示，该列n个压电元件电路连接到串联放置在压电元件(彼此并联)和x偏置端子之间的公共电感器。在该实施例中，n个压电元件具有n个对应的数字输入驱动。在其他实施例中，例如，如果压电元件被配置成以相等的延迟发射信号，则可以使用一个输入驱动的等效物来驱动多个压电元件。在另一个示例中，换能器驱动信号可以相对于彼此延迟，以实现在仰角方向上的电子聚焦，如图15-图19中所解释的。可以从该组中一次选择多个压电元件，并且可以通过断开将压电元件连接到电感器和x偏置端子的开关来取消选择或断开压电元件。可以将电感器的值选择为足够大以抵消由压电元件的电容引入的相位变化。例如，如果以电子方式选择32个压电元件，则列电容可以为1000pf，并且电感器的电感可能为0.5μh。使用这些电感来补偿电容可以在某些频率下选择性地提高系统带宽。例如，可以在一定带宽(例如，1mhz
–
6mhz)上提高压力输出，而可以降低更高频率(例如》10mhz)下的压力。
[0344]
图35示出了多列压电元件电路，其类型在图33a中示出，该多列压电元件电路没有连接在压电元件和x偏置端子之间的电感器。图35的实施例示出了两列，但是在4096压电元件阵列中可以有128列，每列具有32个压电元件。如应用要求所确定的，更大的列和行的大小也是可能的或实际的，同时仍然落入本公开的范围内。所示的两列具有相对于彼此延迟的发射驱动，以允许在方位角方向上的电子聚焦。类似于图34中所示的附加电感器允许类似的聚焦功能，并且在图36b中示出。注意，在某些不需要改变电感器值的应用中，可以不需要短路开关。
[0345]
图36a示出了具有连接到公共x偏置线的多列的实施例。在图36a的实施例中，存在具有多个电感器的多列。可以使用短路开关来将电感器短路。这是因为，在驱动信号的高频下，电感器的频带限制了成像器，减少了从换能器输出的超声压力，并且可能降低了图像质量，并行的是短路电容器。在另一个实施例中，当可以使用开关布置将电感器与其他电路一起集成在asic上时，选择所需电感器的值将是可行的。该开关布置将具有n个电感器，取代例如在图34中所示的每个电感器。n个电感器将具有公共端子，而另一个端子将具有开关，开关以该开关的另一端连接在一起而进行串联，如图36b所示。当开关断开时，二极管分流流入电感器的电流。这种布置将允许对电感器的值进行编程和电子调节，以匹配所需的阻抗。图37示出了可以被电子地切换以改变电感器的值的电感器的布置。该电路具有两个电感器l0和l1，这些电感器并联连接在端子t0和t1之间。每个电感器具有诸如由sa0和sb0表示的开关布置。当电感器保持在电路中时，sa0导通，sb0断开，反之亦然。这些开关被逻辑地同步来互补。这样的复合电感器可以替代例如在图36b中示出的每个电感器。
[0346]
在一些实施例中，尽管本文的附图中示出的各个元件之间的电子或电连接是硬连线或物理连接，但可以使用不同的数字连接来实现可编程和更灵活的数字通信。在一些实施例中，这种数字连接可以包括但不限于开关、插头、门、连接器等。
[0347]
尽管在前面的描述中提供了某些实施例和示例，但是本发明的主题超出了具体公开的实施例，延伸到其他替代实施例和/或用途，以及其修改和等同物。因此，所附权利要求的范围不受所描述的任何特定实施例的限制。例如，在本文公开的任何方法或过程中，该方
法或过程的动作或操作可以以任何合适的顺序执行，并且不必限于任何特定公开的顺序。可以以有助于理解某些实施例的方式将各种操作描述为按顺序的多个离散操作；然而，描述的顺序不应该被解释为暗示这些操作是顺序相关的。另外，本文所描述的结构、系统和/或设备可以体现为集成部件或独立部件。
[0348]
出于比较各种实施例的目的，描述了这些实施例的某些方面和优点。不一定所有这些方面或优点都通过任何特定实施例实现。因此，例如，可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来执行各种实施例，而不必实现如本文所教导或建议的其他方面或优点。
[0349]
如本文所使用的，a和/或b涵盖a或b及其组合中的一个或更多个，诸如a和b。应当理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域和/或部分，但是这些元件、部件、区域和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域或部分与另一个元件、部件、区域或部分区分开来。因此，在不脱离本公开的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域或部分可以被称为第二元件、部件、区域或部分。
[0350]
本文所用的术语仅是为了描述特定实施方案的目的，而不意在限制本公开。如在本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”、和“该(the)”意欲也包括复数形式，除非上下文另有清楚指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”，或“包括(includes)”和/或“包括(including)”指代所述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或附加。
[0351]
如在本说明书和权利要求书中所使用的，除非另有说明，否则术语“大约”和“约”或“基本上”是指根据实施例，小于或等于数值的+/-0.1％、+/-1％、+/-2％、+/-3％、+/-4％、+/-5％、+/-6％、+/-7％、+/-8％、+/-9％、+/-10％、+/-11％、+/-12％、+/-14％、+/-15％或+/-20％的变化。作为非限制性示例，根据实施例，约100米表示95米至105米(其是100米的+/-5％)、90米至110米(其是100米的+/-10％)或85米至115米(其是100米的+/-15％)的范围。
[0352]
虽然本文已经示出和描述了优选实施例，但对于本领域技术人员将明显的是，此类实施例仅通过示例的方式被提供。在不脱离本公开的范围的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替换。应当理解，在实践中可以采用本文所描述的实施例的各种替代方案。本文描述的实施例的许多不同组合是可能的，并且这样的组合被认为是本公开的一部分。另外，结合本文的任何一个实施例讨论的所有特征可以容易地适于在本文的其他实施例中使用。随附权利要求旨在界定本公开的范围，并且从而涵盖在这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物。