多频超宽带宽换能器的制造方法
【专利摘要】描述了压电微机械超声换能器(pMUT)阵列和用于pMUT阵列中的频率整形的技术，例如以达到同一设备中的高频和低频操作。在高频和低频操作的能力可以在设备使用期间调节以自适应地适合于感兴趣的特定透入深度的最佳分辨率。构造不同大小的压电膜用于调节跨越膜的共振频率。从两个或者多个电极轨线中的每一个产生和/或接收的驱动和/或响应信号的信号处理可以完成不同操作模式，例如近场模式、远场模式、或超宽带宽模式。
【专利说明】多频超宽带宽换能器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年5月I日递交的、名称为“ MULT1-FREQUENCY ULTRA WIDEBANDWIDTH”的美国临时专利申请N0.61/641，197，和2013年3月15日递交的、名称为“ MULT1-FREQUENCY ULTRA WIDE BANDWIDTH TRANSDUCER” 的美国专利申请 N0.13/835，500的权益，其全部内容以引用的方式结合于此用于所有目的。
【技术领域】
[0003]本发明实施方式通常涉及压电换能器，更具体地涉及压电微机械超声换能器(pMUT)阵列。
【背景技术】
[0004]超声压电换能器(transducer)设备通常包括压电膜，能够响应于随时间变化的驱动电压而振动，以在与换能器元件的暴露的外表面接触的传播媒介(例如，空气、水、或者身体组织)中产生高频压力波。这个高频压力波可以传播到其它媒介中。相同的压电膜还可以从传播媒介接收反射压力波，并将接收的压力波转换为电信号。电信号可以与驱动电压信号结合处理以获得关于传播媒介中的密度或者弹性系数的变化的信息。
[0005]当使用压电膜的多个超声换能器设备通过机械切割大块压电材料或者注射成型注入有压电陶瓷晶体的载体材料组成时，有利地可以使用各种的微机械技术(例如，材料沉积、平板印刷图案化、蚀刻特征格式化等)廉价地制造设备从而达到了极度高维度误差。这样，就用经由波束成型驱动的多个阵列的单个阵列算法实现换能器元件的大阵列。这个阵列设备已知为PMUT阵列。
[0006]通常，对于任何超声换能器技术，在随着较高频而改善的成像分辨率和随着较低频而改善的透入深度之间有进行权衡。当前，PMUT阵列具有有限带宽(例如，部分带宽低于I)。这样，使用PMUT阵列的换能器通常是应用特定的，例如胃肠超声检查要求第一操作频带，也许是2-6MHz的换能器，及超声心动图要求第二操作频带，也许是5-13MHZ的换能器。能够多频操作和/或动态频率调节的PMUT阵列能有利地允许超声换能器操作者调节换能器的操作(发送和/或接收)频带同时成像样本或者患者，并减少改变换能器的任何要求。
【发明内容】
[0007]在此描述了包括多频pMUT阵列的多频pMUT阵列和系统。在实施方式中，pMUT阵列包括配置于基底上的多个压电换能器元件群。每个元件群包括具有不同大小的压电膜的至少第一换能器元件和第二换能器元件，还可以包括不同大小的任意数量的压电膜。每个换能器元件具有耦合到压电膜的驱动/感应电极，多个电极轨线组耦合到驱动/感应电极，且每个电极轨线组只耦合到换能器元件群中的一个。对于给定的电极轨线组，第一电极轨线电耦合到(第一大小的)第一换能器元件的驱动/感应电极，而组中的第二电极轨线电耦合到(第二大小的)第二换能器元件的驱动/感应电极。
[0008]用独立的驱动/感应电极，群内不同频率响应的换能器元件是独立可寻址的。如进一步实施方式中提供的，用于通过多频PMUT阵列产生和感应媒介中压力波的设备在第一电极轨线上应用第一电驱动信号，在第二电极轨线上应用第二电驱动信号，和/或将第一信号处理应用于来自第一电极轨线的第一电响应信号，和将第二信号处理应用于来自第二电极轨线的第二电响应信号。超声换能器装置由此可以在换能器元件群内子组的基础上调节pMUT阵列的频率响应。例如，当第一元件子组包括都比第二元件子组更小的压电膜时，可以通过提供给换能器元件群的不同驱动/感应电极轨线来选择和/或调节与不同膜大小关联的不同频率响应特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]参考附图，通过举例而非限制来说明本发明的实施方式，其中:
[0010]图1A是根据实施方式的双频ID pMUT阵列的平面图；
[0011]图1B是根据实施方式的双频2D pMUT阵列的平面图；
[0012]图1C是根据实施方式的多频pMUT群的平面图；
[0013]图1D是根据实施方式的具有椭圆形膜和在每个频带内具有分等级的大小的双频ID pMUT阵列的平面图；
[0014]图2A、2B和2C是根据实施方式的可以在图1A-1B的pMUT阵列中任一个中实现的换能器元件的截面图；
[0015]图3是根据实施方式的在图1A的双频pMUT阵列中的换能器元件的频率响应曲线示意图；
[0016]图4A是根据实施方式的驱动图1A的双频pMUT阵列上的信号的方法流程图；
[0017]图4B是根据实施方式的从图1A的双频pMUT阵列接收响应信号的方法流程图；
[0018]图5A是根据实施方式的以超宽带宽模式操作的图1A的双频pMUT阵列的累积频率响应的示意图；
[0019]图5B是根据实施方式的以近场模式操作的图1A的双频pMUT阵列的累积频率响应的不意图；
[0020]图5C是根据实施方式的以远场模式操作的图1A的双频pMUT阵列的累积频率响应的示意图；以及
[0021]图6是根据本发明实施方式的使用多频pMUT阵列的超声换能器设备的功能结构图。
【具体实施方式】
[0022]在下面的说明中，提出很多细节。然而，本领域技术人员应当明白本发明可以无需这些特定细节而实现。在一些实例中，已知的方法和设备以结构图的形式显示，而不是详细说明，以避免混淆本发明。本说明全文中提到“实施方式”表示结合包括在本发明至少一个实施方式中的实施方式所描述的特定特征、结构、功能、或者特性。因此，在本说明全文的任意地方出现短语“在实施方式中”不必特指本发明相同的实施方式。而且，特定特征、结构、功能、或者特性可以以任何合适的方式在一个或者多个实施方式中结合。例如，第一实施方式可以与第二实施方式结合，无论何处两个实施方式都不是互斥的。
[0023]除非特别提出，否则术语，例如“处理”、“计算”、“运算”、“判断”等，指计算机或者计算系统、或者类似电计算设备的行为和/或处理，其将在计算系统的寄存器和/或存储器中表示为物理(例如电、数量)数据操作和/或转换为类似地在计算系统的存储器、寄存器或者其它这种信息存储、传输或显示设备中表示为物理量的其它数据。
[0024]术语“耦合”和“连接”，以及它们的派生词，可以在此用于说明元件之间的结构关系。应当理解这些术语不是相互作为同义词。相反，在特定实施方式中，“连接”可以用于表示两个或者多个元件是相互直接物理或者电接触的。“耦合”可以用于表示两个或者多个元件相互直接或间接(在它们之间有其它中间元件)物理或者电接触，和/或两个或者多个元件相互协作或相互作用(例如，如因果关系中那样)。
[0025]通常，在此所述的实施方式利用pMUT阵列的频率整形功能以达到同一设备中的高频和低频操作。同时运行于高频和低频的功能可以在设备使用期间调节以自适应地适合于感兴趣的特定透入深度的最佳分辨率。虽然PMUT阵列内部的频率整形可以通过多种技术完成，但是在示意性实施方式中，构造不同大小的压电膜用于调节跨越膜的共振频率。不同大小的压电膜然后通过两个或者多个电极轨线集总或者汇总在一起，以能够在两个或者多个不同大小换能器元件组之间独立寻址。从两个或者多个电极轨线的每一个产生的和/或接收的驱动和/或响应信号的信号处理然后可以完成设备的不同操作模式，例如近场模式、远场模式、和超宽带宽模式。
[0026]图1A是根据实施方式的pMUT阵列100的平面图。在实施方式中，pMUT阵列包括配置于基底上的多个压电换能器元件群。每个压电换能器元件群将作为具有频率响应的集总元件来操作，该集总元件是每个元件群内的单个换能器元件的合成。通常，任意数量的压电换能器元件可以集总到一起成群，根据阵列面积和元件间距。在图1A所示的实施方式中，每个压电换能器元件群(例如，110)沿着y轴形成线性阵列，压电换能器元件在基底长度LI上沿单个纵列排列对齐(即，沿着直线与中心对齐)，长度至少是基底宽度Wl的五倍，优选地是同一个数量级。元件群可以按其排列的其它几何形状也是可能的，指导原则是PMUT阵列中的每个元件群在阵列内具有已知的空间关系，以使得波束成型技术可以用于群级别。对于图1A的示意性实施方式，波束成型技术可以容易地应用于沿X方向形成ID阵列的元件群110、120、130和140。
[0027]在实施方式中，每个元件群至少包括具有不同大小压电膜的第一和第二换能器元件。频谱响应可以通过合成不同的膜大小(例如，在此其他地方所述的示意性圆形或者球形膜的膜直径)来整形。不像大量PZT换能器，pMUT的共振频率可以容易地通过平板印刷术的几何形状来调节。在其它实施方式中，每个换能器元件群包括同一组的换能器元件大小，以使得来自每个群的频谱响应几乎相同。
[0028]通常，任意数量的不同膜大小都可以在元件群内使用(例如，2-20个不同膜大小(例如，直径)，或更多)。如图1A所示，每个驱动/感应电极(例如，110’ )耦合到具有三个不同大小的换能器元件(例如，111A、112A、113A)。直径的范围通常依赖于作为膜的刚度和质量的函数的所期望的频率范围。连续较大膜之间的增量可以是对于较大大小的增量发生较少频率重叠的不同大小的膜的范围和数量的函数。可以选择增量大小以保证所有换能器元件提供响应曲线，其保持了期望的操作模式足够的3dB带宽。作为示例，对于近场操作模式，20-150um范围的换能器直径典型地用于来自具有图2A-2C上下文所述的常用结构的换能器的MHz频率响应。
[0029]在实施方式中，pMUT阵列包括多个电极轨线组，每个电极轨线组只耦合到换能器元件群中的一个。通常，在给定的元件群内，单个换能器元件的驱动/感应电极并行地电耦合到至少两个独立驱动/感应电极轨线中的一个，以使得耦合到一个驱动/感应轨线的所有元件驱动/感应电极位于相同的电位。用每个换能器元件群的两个单独驱动/感应电极轨线，第一电极轨线电耦合到第一换能器元件的驱动/感应电极，及第二电极轨线电耦合到第二换能器元件的驱动/感应电极。例如在图1中，元件群I1包括换能器元件111A、112A、113A、111B、112B和113B，该换能器元件具有耦合到驱动/感应电极轨线110’的驱动/感应电极，而元件114A、115A、116A、114B、115B和116B具有耦合到驱动/感应电极轨线110”的驱动/感应电极。类似地，换能器元件群120的驱动/感应电极并行地耦合到的驱动/感应电极轨线120’或120”。
[0030]每个驱动/感应电极轨线(例如，110’ )是可以独立于任何其它驱动/感应电极轨线(例如，110”或120’等)电可寻址的。驱动/感应电极轨线和参考(例如,接地)电极轨线显示于图2A-2C的截面视图。在图1A中，驱动/感应电极轨线110’和驱动/感应电极轨线110”表示阵列中的重复元件。例如，对于换能器元件群110，第一驱动/感应电极轨线110’耦合到第一末端127及第二驱动/感应电极轨线110”耦合到第二末端128以形成叉指结构。驱动/感应电极轨线120’和驱动/感应电极轨线120”用形成任意大小的ID电极阵列(例如，128个群的256个电极轨线等)的其它单元来重复叉指结构。
[0031]在实施方式中，对应于相同换能器元件群的驱动/感应电极轨线耦合到不同的、不重叠大小的范围的换能器元件。例如，η个换能器元件的群包括i个不同大小的压电膜，其中i = 1、2、3、4、5和6，其覆盖逐步增大的膜直径的范围，第一驱动/感应电极轨线耦合到大小i = 1-3的膜,而第二驱动/感应电极轨线稱合到大小i = 4-6的膜。如图1A进一步显示的，换能器元件111AU12A和113A —起作为三个最小的膜，都耦合到驱动/感应电极轨线110’。类似地，换能器元件114AU15A和IlBA —起作为三个最大的膜，都耦合到驱动/传感电极轨线110”。如在此其它地方进一步说明的，将元件群划分为m个子组(m是一组轨线中的驱动/感应轨线数量)，使得PMUT阵列能够运行于不同频带(例如，多赫兹操作)。
[0032]在实施方式中，每个元件群包括多个具有第一大小压电膜的第一换能器元件及包括多个具有第二大小压电膜的第二换能器元件。随着不同换能器元件(例如，膜)大小号的增加，可以期望特定中心频率的分辨率随着相同大小的元件之间的距离增加而下降。例如，当每个压电换能器元件群的压电膜在单个纵列中时，沿着长度L1的相同大小的换能器的有效间距减少群中每个额外的换能器大小。在每个压电换能器元件群内每个标称膜大小包括多个压电换能器元件可以提高分辨率。对于图1A所示的示意性实施方式，驱动/感应电极轨线110’电耦合到三个不同膜大小的第一大小(例如，最小直径的膜)的压电换能器元件IllA和111B、第二大小(例如，次小直径的膜)的元件112A、和112B、以及元件113A和113B。类似地，驱动/感应电极轨线110”电耦合到第一大小(例如，最大直径的膜)的第一换能器元件114A和114B的每一个的驱动/感应电极。
[0033]在示意性实施方式中换能器元件子组118A沿着设置元件群110的基底101的长度重复为118B。每个换能器元件子组118AU18B包括每个标称膜大小的一个压电换能器元件，其耦合到第一或第二电极轨线110’和110”中的一个。这样，子组118A表示pMUT阵列100的最小重复单位单元。在这个示意性实施方式中，空间布局保证了耦合到驱动/感应轨线110’和110”的元件群具有由至少一个不同大小的中间元件间隔开但是空间间隔不超过由一个元件子组占用的基底长度的相同大小的换能器元件(例如，IllA和111B)。这具有改进信号一致性的效果。还有利于将相同大小的元件隔开相同量，以使得分辨率跨越频率响应带上是可比较的。在其它实施方式中，以及如图1A所示，耦合到第一电极轨线(例如，110’ )的换能器元件(例如，111A-114A)由耦合到第二电极轨线(例如，110”)的换能器元件(例如，115A)隔开。驱动/感应电极轨线对的这个交叉保证了元件群的空间分布在驱动/感应电极轨线对之间是一致的。
[0034]单个换能器元件的示意性微机械(例如，微机电)方面在图2A-2C上下文中简单地被描述。应当理解包括图2A-2C所示的结构主要作为本发明特定方面的情况，以及进一步说明本发明关于压电换能器元件结构的广泛可用性。图2A、2B和2C是换能器元件实施方式的截面视图，其中任意一个都可以根据实施方式用于pMUT阵列100。图2A对应于图1A沿a-a’线的截面,而图2B和2C对应于图1A沿b_b’线的截面。
[0035]在图2A中，凸面换能器元件202包括顶面204，其在操作期间形成pMUT阵列100的振动外表面的一部分。换能器元件202还包括底面206，其连附设到基底101的顶面。换能器元件202包括凸面或者圆顶压电膜210，该压电膜210设置于驱动/感应电极212和参考电极214(即，压电膜202具有球形形状)之间。在一个实施方式中，压电膜210通过将压电材料微粒以均勻层沉积(例如，派射)到轮廓延伸(transferring)的基底(例如，感光材料)上形成，该基底具有例如形成于平坦顶面的圆顶。示意性压电材料是锆钛酸铅(PZT)，虽然本领域中符合传统微机械处理的任意已知技术都可以使用，例如，但不局限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMM)聚合体微粒、和氮化铝(AIN)。驱动/感应电极和参考电极212、214每个都可以是沉积(例如，通过PVD、A⑶、CVD等等)到轮廓-轮廓延伸的基底上的传导材料的薄膜层。用于驱动/感应电极的传导材料可以是本领域已知的具有该功能的任意一种，例如但不局限于Au、Pt、N1、Ir等、合金(例如AuSn、IrTiW、AuTiW、AuNi等)、及其氧化物(例如Ir02、N12、PtO2等)或两种或更多种这种材料的组合堆叠。
[0036]进一步如图2A所示，在一些实现中换能器元件202可以可选的包括薄膜层222，例如二氧化硅，其可以作为制造期间的支撑和/或蚀刻停止。介电膜224可进一步用于使驱动/感应电极214与参考电极212绝缘。竖直取向的电互连232用于通过第一驱动/感应电极轨线110’将驱动/感应电极212电连接到驱动/感应电路。类似的互连将参考电极214耦合到参考电极轨线234，该参考电极轨线234可以例如耦合到群的所有的换能器元件。环形支撑236，具有限定换能器元件202的中心的对称轴的孔241，机械地将压电膜210稱合到基底101。支撑236可以是任意传统材料,例如但不局限于,二氧化娃、多晶娃、多晶锗、SiGe等等。支撑236的示意性厚度范围可以是10_50um，膜224的示意性厚度范围可以是2_20um。
[0037]图2B显示了换能器元件242的另一个示意性配置，其中类似于换能器元件202中的功能性结构用相同参考数字来标识。换能器元件242显示了凹面压电膜250，其在静止状态是凹面的(即，压电膜250具有球形几何结构)。在此，驱动/感应电极212耦合到第二驱动/感应电极轨线110”。
[0038]图2C显示了换能器元件282的另一个示意性配置，其中类似于换能器元件202中的功能性结构用相同参考数字来标识。换能器元件262显示了平面压电膜290，其在静止状态是平面的，不像元件202、242运行于弯曲模式，因此进一步包括膜575 (通常是硅)。在此，驱动/感应电极212设置于平面压电膜290的顶面上，而参考电极214设置于底部膜表面之下。与图2A-2C中的每一者所示相反的驱动/感应电极和参考电极配置当然也是可能的(即，驱动/感应电极设置于压电膜之下)。
[0039]在实施方式中，多组电极轨线沿着基底的第一和第二维度形成电极轨线的二维阵列。虽然图1A显示了示意性ID pMUT阵列100，图1B是示意性2D pMUT阵列190的平面图。根据实施方式在每个换能器元件群之内是不同大小的换能器元件A、B、C和D。如所示的，在基底101之上图块化了在y维度形成列Cl的多个元件群110A、110B、110C等以及在X维度形成行Rl的110A、120A、130等。因此行R1-R5和C1-C5提供元件群的5X5阵列。如同ID pMUT阵列100，2D pMUT阵列190包括至少两个驱动/感应电极(例如，IlOA，和110A”)，其耦合到每个群(例如，110A)中的换能器元件中的单独一个(例如，耦合到元件A、B的110A，和耦合到元件C、D的110A”)。
[0040]虽然图1A显示了群的元件耦合到驱动/感应电极对(例如，110’和110”)的示意性实施方式，图1C显示了更常见的i个不同大小的η个换能器元件的群180可以耦合到m个独立的驱动/感应电极。如阵列100中，换能器元件群180形成所有换能器元件以纵向群轴151为中心的线性阵列，驱动/感应电极轨线具有平行纵向轴151。虽然驱动/感应电极轨线路线通常是设计选择的问题，但是图1A和IC所示的驱动/感应电极轨线有利地在相邻元件群之间按路线发送以减少群之间的电机械耦合，由此减少了串扰。
[0041]用m个驱动/感应电极轨线，pMUT阵列的操作可以调制到着重于对应耦合到指定的驱动/感应电极轨线的元件大小i的一个或者多个频带。虽然有可能η个换能器元件群可以具有m = η个驱动/感应电极，因为特征间距和敏感度的限制，m优选地小于η。其中换能器元件群包括j>l个相同大小的换能器元件，元件群内相同大小的换能器将被耦合到相同的驱动/感应电极轨线，以通过单独操纵不同的驱动/感应电极来维持裁剪(tailor)群的频谱响应的能力。而且，其中m个驱动/感应电极轨线中的每一个都耦合到多个大小的换能器元件(即，i>l)，与每个轨线关联的频带成为不同大小的换能器元件的聚合响应。例如，具有第一范围膜大小(例如，直径)的i个换能器元件的第一子集将y个不同的频率响应输出给第一电极轨线，这些频率响应比由所述i个换能器元件的第二子集输出给第二电极轨线的i_y不同频率响应低。这样，m个驱动/感应电极的数量规定了指定阵列可以运行于其上的不同频带的数量(例如，m = 2用于双频模式操作，以及m>2用于任意其它多模式)。
[0042]在其它旋转对称膜实施方式中，膜是椭圆形的。椭圆形膜实施方式(或者椭圆体实施方式，其中如在此其它地方所述的膜具有非平面的静止状态)潜在地提供了较大的填充因子，并通过将旋转对称从圆形或者球形膜的所有旋转角度减少到只有2-折叠对称(180度)，模式形状可以容易地划分为具有单独共振频率的多个不同模式。图1D是根据实施方式的具有椭圆形膜和在每个频带内具有递进大小的双频ID pMUT阵列181的平面图。如所示的，换能器的通道110包括耦合到椭圆形模1010AA-1010JA的第一电极轨线110’，其都具有第一轴C1并逐步改变的第二轴B1-B515通道100进一步包括耦合到椭圆形模1010AB-1010JB的第二电极轨线110”，其都具有第二轴C2并逐步改变的第二轴B1-B515这样，第一电极轨线110’耦合到比第二电极轨线110”更大大小的膜的组。B轴沿着阵列的一个维度(即，基底的y轴)分别对于元件ιοιοΑΑ、11aeuo1jawb1增加到B5，然后返回到B”因此，膜大小以步进的方式通过耦合到轨线110’或110”的相邻元件逐步增加和/或减小。已经发现在阵列的距离上对膜大小分等级缓和了极大不同大小的第一和第二膜之间的解构相位。因此，耦合到电极轨线的膜的群是不同大小时，在基底上空间设置群以使得任意两个相邻膜之间的大小差值小于群中的最大和最小膜之间的大小差值是有利的。
[0043]图3是根据实施方式的在双频pMUT阵列100中的换能器元件的一个群的累积的频率响应曲线示意图。在图3中，频率响应是针对用于电极轨线110’和110”的参考电驱动信号的。例如，应用于驱动/感应电极轨线110’的驱动信号具有与应用于驱动/感应电极轨线110”相同的参考幅度的随时间变化的电压波形。类似地，图3所示的频率响应对应于相同的信号处理。例如，将相同的放大因子应用于在电极轨线110’和110”的每一个上接收的响应信号的每一者。如所示的，具有增加的中心频率F116、F115和F114的频率响应分别对应于不同大小换能器元件116A，BU15A, B和114A，B的共振频率，由驱动/感应电极轨线110”驱动和感应。类似地，具有增加的中心频率F113、F113和F111的频率响应分别对应于不同大小换能器元件113A，B、112A，B和111A，B的共振频率，由驱动/感应电极轨线110’接收。因为压电换能器元件的敏感度通常随着压电膜大小的减小而降低，所以功率增益显示为随着频率增加而降低。
[0044]图4A是根据实施方式的驱动双频pMUT阵列100上的信号的传送方法401的流程图。图4B是根据实施方式的从双频pMUT阵列100接收响应信号的接收方法402的流程图。通常，方法401和402是独立接入到具有不同特征频率响应的换能器元件群的子集如何能通过独立驱动信号训练、独立响应信号训练、或者二者而被利用从而以不同模式中的一种来操作pMUT 100的示例。方法401和402可以应用通常在分离换能器元件群的电极轨线之间利用的任意波束成型技术，以通过单个换能器元件群的频率响应来完成本实施方式的控制。传统波束成型技术和方法401和402的明显区别在于方法401和402在具有不同频率响应的一个元件群的子集之间应用，而传统波束成型技术将在具有基本相同的频率响应的电极之间被执行。因此，PMUT阵列的特征频率响应在之前被描述(例如，在图3中)，方法401和402用于调节pMUT阵列(例如，pMUT阵列100)内的元件群的频率响应。
[0045]方法401和402可以响应于接收到用户命令而自动应用，来动态地选择装置的操作模式以用于产生和感应媒介中的压力波，或者方法401和402可以自动地作为预配置特定操作模式设备的装置来使用，例如作为场服务器等。在操作405，产生第一电驱动信号，在操作410，产生第二电驱动信号。可应用于pMUT中的独立驱动/感应电极的现有技术中已知的产生驱动信号的任意装置都可以用于操作405和410，其示意性硬件将在图6的上下文中进一步说明。第二电驱动信号可以是第一电驱动信号派生出来的，也可以是独立产生的，但是具有相对于第一电驱动信号已知的相位。在操作415，第一和第二电驱动信号的幅度(A)或者相位(Φ)被相互调制以控制pMUT阵列的透入深度。在进一步实施方式中，第一和第二电驱动信号的频率也可以是不同的(例如，独立的非重叠带)。调制幅度和相位的技术在传统波束成型技术中是已知的，任意这种技术都可以应用于透入深度控制的特定目的。在操作420，第一和第二电信号，如调制的，然后应用于耦合到指定换能器元件群的独立换能器元件的第一和第二电极轨线。
[0046]接收器方法402在操作430和435接收来自第一和第二驱动/感应电极轨线的第一和第二电响应信号，并接收独立地处理第一和第二响应信号以产生指定换能器元件群的累积响应的信号。在440的信号处理的目标是将频率响应裁剪为独立频带以或者最大化换能器元件群的总体带宽(例如，3dB角频率)，或者强调在其它远场或者近场模式上的频率响应频带中的一个。
[0047]图5A是根据实施方式的以超宽带宽模式操作的双频pMUT阵列100(图1A)的累积频率响应的示意图。在超宽带宽模式下，发送给和来自于指定换能器元件群的电驱动和响应信号是独立调制的，以最大化累积响应的带宽。图5A显示了具有3dB角501、502的累积频率响应。假设PMUT阵列100的固有频率响应如图3所示，在没有驱动和/或响应信号的独立调制的情况下，耦合到驱动/感应电极110’的换能器元件的高频子组(例如，包括最小压电膜)将没有足够的功率增益来落入低频子组的最敏感换能器元件(例如，包括最大压电膜)的3dB之内。例如，如图3所示，fm不在f116的3dB之内。
[0048]通过应用方法401和402，用于驱动/感应电极110’的所应用的驱动电压、相位差、或者响应信号放大中的一个或者多个(例如，较大电压幅度、不同的相位、或者较大放大因子)相对于用于驱动/感应电极110”的驱动电压和/或响应信号放大而增加，以将较不敏感的高频(HF)换能器子组的功率增益提高到更敏感低频(LF)换能器子组的3dB内。如图5A所示，将fm提高到f116的3dB之内以将累积响应带宽单独地扩展到LF或者HF带宽之外。
[0049]图5B是根据实施方式的以近场模式操作的双频pMUT阵列100 (图1A)的累积频率响应的示意图。在近场模式中，发送给和来自于指定换能器元件群的电驱动和响应信号是独立调制的，以最大化具有最高聚合频率响应的换能器元件群子组的近场分辨率。假设PMUT阵列100的固有频率响应如图3所示，在没有驱动和/或响应信号的独立调制的情况下，耦合到驱动/感应电极110”的换能器元件的低频子组将具有过多的功率增益来提供近场图像，并将代替趋向于提供更高的远场敏感度。然而，通过应用方法401和402，用于驱动/感应电极110’的所应用的驱动电压或响应信号放大中的一个或者多个相对于用于驱动/感应电极110”的所应用的驱动电压或响应信号放大而增加。例如，相对于应用于驱动/感应电极110’的驱动电压和/或响应信号幅度的较小电压幅度(例如，OV或者一些标称的非零电压)、或者较小放大因子可以应用于驱动/感应电极110”，以使本质上更敏感的换能器子组(LF组)的功率增益下降到较不敏感的HF换能器子组的最敏感元件的3dB以下。例如，如图5B所示，f116比LF换能器子组中最敏感换能器元件低3dB以上，以使得来自pMUT阵列中的任意指定换能器元件群的频率响应具有范围在例如用于超声心动图应用的5-13MHZ范围中的中心频率。
[0050]图5C是根据实施方式的以远场模式操作的双频pMUT阵列100(图1A)的累积频率响应的示意图。在远场模式中，发送给和来自于指定换能器元件群的电驱动和响应信号是独立调制的，以最大化具有最低聚合频率响应的换能器元件群子组的远场分辨率。假设PMUT阵列100的固有频率响应如图3所示，在没有驱动和/或响应信号的独立调制的情况下，耦合到驱动/感应电极110’的最敏感的换能器元件的HF子组将具有过多的功率增益来提供远场图像，并将代替包括有效的近场敏感度。合适地选择每个独立驱动/感应电极的膜直径，通过信号调节截取与近场敏感度关联的换能器元件响应，远场图像分辨率可以裁剪为任意深度。通过应用例如方法401和402，用于驱动/感应电极110’的所应用的驱动电压或响应信号幅度中的一个或者多个相对于用于驱动/感应电极110”的驱动电压或响应信号幅度而降低。例如，相对于应用驱动/感应电极110”的驱动电压和/或响应信号幅度的较小电压幅度(例如，OV或者一些标称的非零电压)、或者较小幅度因子可以应用于驱动/感应电极110’，以将低敏感度子组(HF)的甚至最敏感的换能器元件的功率增益下降到LF换能器子组的最敏感元件的3dB以下。例如，如图5C所示，fm比低频换能器子组中最敏感换能器元件低3dB多，以使得来自pMUT阵列中的任意指定换能器元件群的频率响应具有范围在例如用于胃肠超声检查应用的2-6MHz的中心频率。
[0051]注意到，虽然方法401和402和图5A-5C所示的频率响应调节是在包括耦合到每个换能器元件群的两个驱动/感应电极轨线的驱动/感应电极轨线组上下文中说明的，应当理解这些示意性方法和相关的频率响应仅仅是在此所述的pMUT实施方式最简单的形式，相同方法也可以应用于使用多于两个驱动/感应电极轨线以达到跨越多于两个频带的多频响应调节的实施方式。
[0052]图6是根据本发明实施方式的使用多频pMUT阵列的超声换能器设备600的功能结构图。在示意性实施方式中，超声换能器设备600是用于产生和感应媒介中的压力波，例如水、组织材料等。超声换能器设备600具有多个应用，其中对在媒介或者多个媒介内的内部结构变化的成像感兴趣，例如医疗诊断、产品缺陷检测等。设备600包括至少一个pMUT阵列616，其可以是在此其它地方所述的具有至少两个用于每个元件群的驱动/感应电极的任意pMUT阵列。在示意性实施方式中，pMUT阵列616设置于手柄部分614中，其可以由机器或者设备600的用户操作来如所期望的改变pMUT阵列616的外表面的面对方向和位置(例如，面对要成像的区域)。电连接器620将每个驱动/感应电极轨线作为pMUT阵列616的独立通道电耦合到手柄部分614外部的通信接口。
[0053]在实施方式中，设备600包括至少一个信号产生器,其可以是现有技术中用于本目的已知的，该信号产生器例如通过电连接器620稱合到pMUT阵列616。信号产生器将提供不同驱动/感应电极上的电驱动信号。在一个特定实施方式中，第一信号产生器将应用第一电驱动信号，以使得压电换能器元件群中的一些元件在2MHz到6MHz之间的频率共振，而第二信号产生器将应用第二电驱动信号，以使得压电换能器元件群中的其它元件在5MHz到13MHz之间的频率共振。在实施方式中，每个信号产生器都包括解串器604，以将控制信号去除串行化然后由解复用器606解复用。示意性信号产生器还包括数模转换器(DAC) 608，将数字控制信号转换为用于pMUT阵列616中的单个换能器元件通道的驱动电压信号。各自的时间延迟可以由可编程时间延迟控制器610加入到单个驱动电压信号，以进行波束引导，产生期望的波束形状、焦点和方向等。注意每个换能器元件群包括一组驱动/感应电极，每个组具有至少两个驱动/感应电极，这种波束引导将被应用于对应每组驱动/感应电极的驱动电压信号，以基于它们在PMUT阵列内的空间设置正确地寻址元件群。pMUT通道连接器602和信号产生器之间的耦合是切换网络612，以在驱动和感应模式之间切换PMUT阵列616。在其它实施方式中，切换网络612还可以用于在耦合到每个换能器元件群的第一和第二驱动/感应电极之间切换(例如，在近场和远场模式之间切换)。
[0054]在实施方式中，设备600包括至少一个信号接收器，其可以是现有技术中用于本目的已知的，例如通过电连接器620耦合到pMUT阵列616。信号接收器从pMUT阵列616中的每个驱动/感应电极通道收集电响应信号。在示意性实施方式中，这些电信号包括第一电响应信号，该第一电响应信号具有跨越比第二电响应信号的带宽更高带宽的第一频率响应。信号接收器还将一个或者多个放大因子应用于从每个通道接收的电响应信号，其在特定实施方式中在相同换能器元件群的通道之间是不同的(例如，应用于较高频率通道的较大放大)。在信号接收器的一个不意性实施方式中，模数转换器(ADC)614用于接收电压信号并将其转换为数字信号。数字信号然后被存储在存储器(未显示)中，或者首先传送给信号处理器。示意性信号处理器包括数据压缩单元626来压缩数字信号。复用器618和串化器628还可以在将它们转发给存储器、其它储存器、或者下游处理器(例如基于接收的信号产生图像显示的图像处理器)之前处理接收的信号。
[0055]应当理解上述说明仅仅是示意性的，而不是限制性的。例如，当附图中的流程图显示了本发明的某个实施方式所执行的操作的特定顺序，应当理解这个顺序不是必须的(例如，可选实施方式可以以不同顺序执行操作、合并某些操作、覆盖某些操作等)。而且，本领域技术人员阅读和理解上述说明之后，很多其它实施方式也是显而易见的。虽然参考特定示意性实施方式说明了本发明，应当认识到本发明并不局限于所述的实施方式，可以在附加的权利要求的精神和范围之内作出很多修改和改变来实现。因此，本发明的范围应当参考附加的权利要求，以及权利要求主题名称的同等概念的所有范围一起来确定。
【权利要求】
1.一种压电微机械超声换能器(pMUT)阵列,包括: 配置于基底上的多个压电换能器元件群，每个元件群包括具有不同大小的压电膜的至少第一换能器元件和第二换能器元件，以及每个换能器元件具有耦合到压电膜的驱动/感应电极； 配置于所述基底上的多个电极轨线组，每个电极轨线组只耦合到所述换能器元件群中的一个，其中所述组的第一电极轨线电耦合到所述第一换能器元件的驱动/感应电极，而所述组的第二电极轨线电耦合到所述第二换能器元件的驱动/感应电极。
2.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中每个元件群包括多个具有第一大小压电膜的第一换能器元件，并包括多个具有第二大小压电膜的第二换能器元件；以及 其中所述第一电极轨线电耦合到所述第一换能器元件中的每一个的驱动/感应电极，以及所述第二电极轨线电耦合到所述第二换能器元件中的每一个的驱动/感应电极。
3.根据权利要求2所述的pMUT阵列，其中所述第一换能器元件的大小沿基底上的距离顺序增加，且任意两个相邻膜之间的大小差值小于所述第一换能器元件中的最大和最小膜之间的大小差值。
4.根据权利要求3所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件具有椭圆形压电膜或者球形压电膜。
5.根据权利要求4所述的pMUT阵列，其中每个元件群包括具有i个不同大小的压电膜的η个换能器元件，并且所述电极轨线组包括m个电极轨线；以及 其中相同大小的j个换能器元件电连接到对应的m个电极轨线中的一个，η和i大于2。
6.根据权利要求5所述的pMUT阵列，其中j大于1，以及m等于2。
7.根据权利要求5所述的pMUT阵列，其中所述i个换能器元件的第一子集将y个不同的频率响应的输出给所述第一电极轨线，该频率响应比由所述i个换能器元件的第二子集输出给所述第二电极轨线的i_y个不同的频率响应低。
8.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中所述多组电极轨线跨越所述基底的第一维度形成线性阵列，其中每个所述压电换能器元件群包括跨越所述基底的第二维度的线性阵列，以及其中所述压电膜是具有不同直径的圆形或球形。
9.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中所述多组电极轨线沿所述基底的第一维度和第二维度形成二维阵列，以及其中所述压电膜是具有不同直径的圆形或球形。
10.一种用于产生和感应媒介中的压力波的设备，所述设备包括: 权利要求1所述的PMUT阵列； 耦合到所述PMUT阵列的至少一个信号产生器，该信号产生器将第一电驱动信号应用于所述第一电极轨线，以及将第二电驱动信号应用于所述第一电极轨线。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述至少一个信号产生器输出具有不同频率、不同幅度以及不同相位中的至少一个的第一电驱动信号和第二电驱动信号。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述第一换能器元件小于所述第二换能器元件，以及其中所述第一电驱动信号具有比所述第二电驱动信号更大的电压幅度。
13.根据权利要求10所述的设备，进一步包括: 至少一个接收器，耦合到所述PMUT阵列，以接收来自所述第一电极轨线的第一电响应信号和来自所述第二电极轨线的第二电响应信号；以及 信号处理器，耦合到所述至少一个接收器，以处理从所述多个驱动/感应电极接收的所述电响应信号。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一电响应信号具有跨越比所述第二电响应信号更高的带宽的第一频率响应。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述第一换能器元件小于所述第二换能器元件，以及其中所述信号处理器将比所述第二电响应信号更大的放大应用于所述第一电响应信号。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述至少一个信号产生器调制所述第一电驱动信号和第二电驱动信号，以及其中信号处理器调制所述第一电响应信号和第二电响应信号，以产生具有比所述第一电响应信号或第二电响应信号更大的带宽的累积频率响应。
17.一种根据权利要求1所述的pMUT阵列产生和感应媒介中的压力波的方法，所述方法包括: 产生第一电信号； 产生第二电信号； 将所述第一电信号用于第一驱动/感应电极，和将所述第二电信号用于第二驱动/感应电极；以及 调制第一信号和第二信号中的一个相对于另一个的幅度和相位中的至少一个以控制所述pMUT阵列的透入深度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一换能器元件小于所述第二换能器元件，以及其中调制幅度和相位中的至少一个进一步包括相对于所述第二电驱动信号的幅度减少所述第一电驱动信号的幅度，以增加所述PMUT阵列的远场分辨率。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括: 从所述第一驱动/感应电极接收第一电响应信号； 从所述第二驱动/感应电极接收第二电响应信号；以及 信号处理所述第一电响应信号和第二电响应信号，以产生比所述第一电响应信号或者第二电响应信号单独带宽更大的带宽的累积频率响应。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一换能器元件小于所述第二换能器元件，以及其中所述信号处理进一步包括相对于所述第二电响应信号的放大增加所述第一电响应信号的放大，以增加所述PMUT阵列的近场分辨率，或者相对于所述第一电响应信号的放大增加所述第二电响应信号的放大，以增加所述PMUT阵列的远场分辨率。
【文档编号】B06B1/06GK104271265SQ201380023369
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年4月19日 优先权日:2012年5月1日
【发明者】A·哈贾蒂 申请人:富士胶片戴麦提克斯公司