一种换能器以及成像系统的制作方法

本技术涉及超声成像领域，尤其涉及一种换能器以及成像系统。

背景技术：

1、换能器在各种需要进行能量转换的场景中应用，如超声换能器可以实现机械信号，即声波信号和电信号的转换。以微机械压电超声波换能器(piezoelectricmicromachined ultrasonic transducer，pmut)为例，pmut是基于正逆电压效应实现声波信号和电信号的互相转换。在发射声波时，通过上下电极间施加交变信号，压电材料在逆压电效应下驱动振膜振动从而产生声波；接收声波时，振膜在外界声波驱动下振动，压电材料通过压电效应产生电荷并通过上下电极读取电信号，该电信号即可用于进行成像，如对反射声波的目标进行成像。

2、通常，pmut的成像分辨率与pmut的带宽相关，带宽越大，轴向分辨率也就越高。因此，如何提高换能器的成像分辨率，成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种换能器以及成像系统，通过不同尺寸的换能单元耦合而成的阵列，在同一个换能单元中可以实现基频段和谐波段的发射与接收，从而增加基频的发射和接收带宽，并可以实现谐波成像的需求。

2、第一方面，本技术提供一种换能器，包括：多个换能单元和基底，多个换能单元在基底上排列为阵列；

3、具体地，每个换能单元包括上电极和下电极，当发射声波时，激励电信号施加在上电极和下电极上，以使振膜振动产生声波，接收声波时，换能单元产生形变，以使上电极和下电极之间产生电荷，并通过上电极和下电极输出接收电信号，接收电信号用于生成输出图像；

4、其中，该多个换能单元可以分为至少一个基准子单元和至少一个补偿子单元，基准子单元的长宽比不小于补偿子单元的长宽比，基准子单元的长宽比不小于第一阈值，以使基准子单元用于在基频段和谐波段产生谐振，补偿子单元在基频段产生谐振，该第一阈值为根据基频段和谐波段计算得到，换能单元的尺寸为根据该换能单元谐振的频率计算得到；并且，通常补偿子单元和基准子单元的尺寸与基准子单元的边长或者长宽比不完全相同，以使补偿子单元在基频段的谐振峰和基准子单元在基频段的谐振峰不相同，从而使补偿子单元和基准子单元在基频段内的谐振峰耦合，增加换能器在基频段的谐振带宽。并且，谐波段为基频的n倍频，该n为大于1的正整数，该谐波段可以是基频的二倍频、三倍频等，即谐波段可以包括三阶谐振、五阶谐振等谐振峰对应的频点。

5、需要说明的是，前述的基准子单元和补偿子单元的长宽比，为基准子单元和补偿子单元与基底垂直方向上的截面的长宽比，或者说朝向基底方向的截面的长宽比，该截面可以理解为至少具有两条互相垂直的对称轴，长宽比即该两条互相垂直的对称轴之间的比值。

6、因此，本技术实施方式中，在基底的表面设置了按照阵列排列的不同尺寸的换能单元，不同尺寸的换能单元可以对不同频段的接收波进行接收，在基频段实现不同子单元的各个谐振峰交错耦合达到波峰和波谷的互补效果，从而通过多谐振峰耦合获得基频大带宽的效果；且将各个换能单元的高阶模态设计为基频中心频率的二倍频附近，从而实现谐波接收的功能，进而实现谐波成像，提高成像分辨率。

7、在一种可能的实施方式中，可以根据基准子单元需在基频段和谐波段谐振的条件计算得到该第一阈值为即基准子单元的长宽比通常不小于可以保证谐波接收功能，使基准子单元的三阶模态至少位于一阶模态的二倍频处，实现对于基频段和谐波段的接收。

8、在一种可能的实施方式中，补偿子单元还在谐波段谐振。如可以调整补偿子单元的尺寸，从而使补偿子单元在基频谐振从而拓宽基频段的带宽的同时，也能够实现谐波段接收，实现谐波成像。

9、在一种可能的实施方式中，至少一个基准子单元和至少一个补偿子单元在基底上呈中心对称排列，从而实现对称振动模态，可以实现对基频段和各个谐波段的接收，从而实现接收带宽的增大。

10、在一种可能的实施方式中，上电极包括多个分块电极，当上电极和下电极之间产生电荷时，通过多个分块电极的中心电极获取接收电信号，该中心电极可以包括与上电极的几何中心点距离最近的至少一个电极。因此，换能单元的上电极可以分为多个分块电极，在发射信号时，可以通过对不同的分块电极进行激励，实现不同的发射模态以及接收频段，在发射和接收时都能够实现大带宽发射和接收。

11、在一种可能的实施方式中，当发射声波时，对多个分块电极均进行激励；当接收信号时，通过中心电极获取接收电信号，即将各阶模态应力幅值最大且符号一致的区域作为接收电极，可以兼顾多种模态的接收，同时由于电极位置为每个模态的应力最大部分，故仅采用中心电极的接收灵敏度要高于依据各阶模态应力分布对应电极设计的接收灵敏度。

12、在一种可能的实施方式中，多个分块电极可以分为至少一个内电极和至少一个外电极，至少一个外电极包围至少一个内电极；当发射声波时，对至少一个外电极和至少一个内电极采用反相激励；当接收声波时，可以对至少一个外电极和至少一个内电极采用差分接收，从而通过内电极和外电极实现反相激励以及差分接收，可进一步增加接收电容，提高抗寄生干扰能力。

13、在一种可能的实施方式中，多个分块电极对称排列。因此，可以通过对称排列的分块电极，在采用中心电极接收信号时，使用中心电极来接收可以兼顾一、三、五阶等模态的接收灵敏度。

14、在一种可能的实施方式中，每个换能单元的多个分块电极呈非对称排列，从而采用非对称电极设计来激发振膜的非对称振动模态，抑制偶数阶模态(即波谷)的产生，减小奇数阶模态(比如1、3阶等)之间的灵敏度差异，从而增加带宽。

15、在一种可能的实施方式中，相邻的换能单元之间的距离不超过1.5倍基频波长，从而保证换能器阵列辐射声场中不出现栅瓣。

16、在一种可能的实施方式中，换能单元包括微机械压电超声波换能器pmut单元，每个pmut单元中上电极和下电极之间还设置了压电感应层。

17、在一种可能的实施方式中，换能单元包括微机械电容超声波换能器cmut单元，上电极和下电极之间包括绝缘层，绝缘层中设置了空腔。

18、在一种可能的实施方式中，多个换能单元表面的形状可以包括椭圆或者具有至少两条中心对称轴的多边形(如矩形或者正方形等)中的至少一种，且基准子单元的长宽比大于1。

19、在一种可能的实施方式中，至少一个基准子单元表面的形状为矩形椭圆或者具有至少两条中心对称轴多边形中的至少一种，至少一个补偿子单元表面的形状为圆形或者正多边形。

20、在一种可能的实施方式中，阵列的宽度小于换能器的工作波长的1.5倍。

21、第二方面，本技术提供一种换能器，包括：基底和多个换能单元，所述多个换能单元排列在所述基底上；每个换能单元包括上电极和下电极，发射声波时，激励电信号施加在上电极和下电极上，以使振膜振动产生声波，当接收声波时，声波传输至换能单元时，换能单元产生形变，以使上电极和下电极之间产生电荷，并通过上电极和下电极输出接收电信号，接收电信号用于生成输出图像；其中，每个换能单元的的长宽比大于1，每个换能单元的上电极包括多个分块电极，该多个分块电极沿与基底的短边平行的中心轴呈非对称排列。

22、本技术实施方式中，采用非对称电极设计来激发振膜的非对称振动模态，激发偶数阶非对称模态的产生，减小奇数阶模态(比如1、3阶等)之间的灵敏度差异，从而增加收发带宽。

23、在一种可能的实施方式中，上电极中的分块电极的数量，与所需的最高阶模态相关，如电极的数量可以是(n+1)/2块，其所需的最高阶级为n阶模态，因此分块电极的数量可以根据实际应用场景调整，从而符合实际场景所需，泛化性强。

24、在一种可能的实施方式中，可以根据换能单元需在基频段和谐波段谐振的条件计算得到该第一阈值为即基准子单元的长宽比通常不小于可以保证谐波接收功能，使基准子单元的三阶模态至少位于一阶模态的二倍频处，实现对于基频段和谐波段的接收。

25、在一种可能的实施方式中，可以根据基频段的频率计算得到该第一阈值为即基准子单元的长宽比通常不小于可以保证谐波接收功能，使基准子单元的三阶模态至少位于一阶模态的二倍频处，实现对于基频段和谐波段的接收。

26、在一种可能的实施方式中，当发射声波时，对多个分块电极均进行激励；当接收声波时，通过中心电极获取接收电信号，该中心电极为与上电极的中心点距离最近的至少一个电极，即将各阶模态应力幅值最大且符号一致的区域作为接收电极，可以兼顾多种模态的接收，同时由于电极位置为每个模态的应力最大部分，故仅采用中心电极的接收灵敏度要高于依据各阶模态应力分布对应电极设计的接收灵敏度。

27、在一种可能的实施方式中，多个换能单元表面的形状可以包括椭圆或者具有至少两条中心对称轴的多边形(如矩形或者正方形等)中的至少一种，增加了本技术提供的换能器的可制备性。

28、在一种可能的实施方式中，相邻的换能单元之间的距离不超过1.5倍基频波长，从而保证换能器阵列辐射声场中不出现栅瓣。

29、在一种可能的实施方式中，阵列的宽度小于换能器的工作波长的1.5倍。

30、在一种可能的实施方式中，换能单元包括微机械压电超声波换能器pmut单元，每个pmut单元中上电极和下电极之间还设置了压电感应层，压电感应层用于采集基于机械信号产生的电荷信号。

31、在一种可能的实施方式中，换能单元包括微机械电容超声波换能器cmut单元，上电极和下电极之间包括绝缘层，绝缘层中设置了空腔。

32、第三方面，本技术提供一种成像系统，包括：探头以及处理器；

33、探头中设置如第一方面或第二方面任一可选实施方式提及的换能器；

34、探头用于向目标区域发射超声波，并接收目标区域返回的超声回波，以获得超声回波数据；

35、处理器用于根据超声回波数据生成超声图像。

36、可选地，该成像系统还可以包括：显示器，用于显示超声图像。

37、在一种可能的实施方式中，探头中设置了多个换能器，该多个换能器按照阵列排列。该多个换能器形成多个通道，如阵列中的每一列形成一个通道，该多个通道用于采集回波信号，从而实现高分辨率超声成像以及谐波成像。