超宽带压电换能器阵列的制作方法
【专利摘要】描述了压电微机械超声换能器(pMUT)阵列和包括pMUT阵列的系统。换能器元件的群内耦合强度提供了对宽带宽总体响应分离的退化模式形式，而相邻单元群之间的较低耦合强度提供元件群之间足够低的串扰。在实施方式中，换能器元件的群内的不同膜大小提供了针对宽带宽总体响应的不同的频率响应，而相邻单元群之间不同膜大小的布局提供了单元群之间足够低的串扰。在实施方式中，椭圆形压电膜提供了针对宽带总体响应多个共振模式及高效率。
【专利说明】超宽带压电换能器阵列
[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“ULTRA WIDE BANDWIDTHPIEZOELECTRIC TRANSDUCER ARRAYS” 的美国临时专利申请 N0.61/641，182，和 2012 年 10月 9 日递交的、名称为 “ULTRA WIDE BANDWIDTH PIEZOELECTRIC TRANSDUCER” 的美国专利申请N0.13/648，225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]传统pMUT阵列的一个问题是带宽，作为施加于传输媒介的实际声压的函数，是有限的。因为超声换能器应用，例如胎心监控和动脉监控，横跨大范围的频率(例如，较低的频率提供相对较深色的成像功能，较高的频率提供较浅色的成像功能)，轴向分辨率(即，平行于超声波束方向的分辨率)将通过增大PMUT阵列在指定频率的带宽而缩短脉冲长度而有利地得到改善。
[0007]传统pMUT阵列的另一个问题是经由基底振动的机械耦合和pMUT阵列中找到的相邻元件之间的声学耦合可以导致换能器元件之间的不期望的串扰。超声换能器应用中的信噪比将通过在这些PMUT阵列内减少不期望的串扰形式而有利地得到改善。
【发明内容】
[0008]在此描述了宽带宽压电微机械超声换能器(pMUT)阵列和包括宽带宽pMUT阵列的系统。在实施方式中，压电微机械超声换能器(PMUT)阵列包括配置于基底的区域上的多个独立可寻址的驱动/感应电极轨线和多个压电换能器元件群。元件群内部的每个驱动/感应电极耦合到驱动/感应电极轨线中的一个。在阵列中，不同换能器元件群的换能器元件之间的电机械耦合低于相同元件群的换能器元件之间的电机械耦合，及每个换能器元件群为累积宽带宽操作提供多个独立的但重叠的频率响应。
[0009]在实施方式中，相同换能器元件群的换能器元件之间的电机械耦合足够导致一个或者多个退化模式，至少一个退化模式具有从元件群中的单个压电换能器元件的固有共振频率分离出来的退化共振频率，以增加元件群的带宽。
[0010]在实施方式中，PMUT阵列的每个压电换能器元件群包括不同标称膜大小的多个压电膜，以提供跨越了宽带宽的多个单独共振频率。在实施方式中，元件群具有由至少一个不同大小的中间元件间隔开相同大小的换能器元件，以通过使最近相邻的元件相互之间处于不同的共振频率(即，非共振)来减少串扰。
[0011]在实施方式中，耦合到相同驱动/感应电极轨线(即，相同通道的)的元件群具有设置为紧密匹配的但不同膜大小的指定换能器元件的最近邻居的换能器元件，以用于膜大小的递增空间变化和更好的共振相位控制。在实施方式中，每个压电换能器元件群的压电膜具有不对称的元件布局，以减少元件群内不同大小的最近邻居的数量，来减少传输媒介抑制(dampening)。
[0012]在实施方式中，每个压电换能器元件群的压电膜位于密集组装的配置中，以增加pMUT阵列的敏感性。在实施方式中，单独的元件群相互没有密集封装，以提供比群内密集组装间隔更大的间隔来减少群之间的串扰。
[0013]在实施方式中，每个元件群中至少一个压电换能器元件包括具有非圆形几何结构的压电膜，该压电膜具有不同标称长度的至少第一半主轴和第二半主轴，以提供宽带宽响应的独立共振频率。在实施方式中，压电换能器元件群内的一个中的椭圆形膜的第一半主轴和第二半主轴是平行的。在实施方式中，第一元件群的第一半主轴和第二半主轴具有第一方向，而与第一群相邻的第二元件群的第一和第二半主轴具有第二方向，该第二方向与第一方向正交。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]通过举例而非限制来说明本发明的实施方式，参考附图和后面的详细说明可以更详细地理解本发明，其中:
[0015]图1是根据实施方式的具有换能器元件的pMUT阵列的平面图；
[0016]图2A、2B和2C是根据实施方式的在图1的pMUT阵列中利用的换能器元件的截面图；
[0017]图3A是根据实施方式的描述了在图1所示的pMUT阵列内的换能器之间相关的电机械I禹合的不意图；
[0018]图3B是根据实施方式的描述了在图1所示的pMUT阵列内的换能器之间声学耦合的不意图；
[0019]图4A和4B是在图1所示的pMUT阵列内的换能器元件之间的第一耦合量的换能器性能度量示意图；
[0020]图5是根据实施方式的在图1所示的pMUT阵列内的换能器元件之间的第二耦合量的换能器性能度量的示意图；
[0021]图6A、6B和6C是根据实施方式的在图1的pMUT阵列的换能器之间区域的截面图；
[0022]图6D、6E和6F是根据实施方式的在图1所示的用于pMUT的图6A-6C所示的换能器之间区域的平面图；
[0023]图6G是根据实施方式的显示了形成pMUT阵列的方法的流程图；
[0024]图7A是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列的平面图；
[0025]图7B和7C是图7A所示的pMUT阵列的性能度量示意图；
[0026]图7D是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列的平面图；
[0027]图7E是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列的平面图；
[0028]图8A和8B是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列的平面图；
[0029]图9A是根据实施方式的具有椭圆形几何结构的换能器元件的等轴(isometric)示意图；
[0030]图9B是根据实施方式的描述了具有椭圆形几何结构的换能器元件的半主轴的不同模式功能的示意图；
[0031]图9C是根据实施方式的具有椭圆形几何结构的换能器元件的带宽示意图；
[0032]图10A、10B和1C是根据实施方式的具有椭圆形几何结构的换能器元件的pMUT阵列的平面图；
[0033]图11A、11B和IlC是具有密集组装的换能器元件的pMUT阵列的平面图；以及
[0034]图12是是根据本发明实施方式的使用pMUT阵列的超声换能器装置的功能结构图。
【具体实施方式】
[0035]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。
[0036]术语“耦合”在此用于说明组件之间的功能或者结构关系。“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或者通过媒介)机械、声学、光、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)。
[0037]术语“之上”、“之下”、“之间”和“之上”在此用于指一个组件或者材料层相对于其它组件或层的相对位置，其中这个物理关系在组装背景下、或者在微机械板叠的材料层背景下对于机械组件来说是值得注意的。一个层(组件)设置于另一个层(组件)之上或者之下可以直接与其它层(组件)接触，或者可以具有一个或者多个中间层(组件)。而且，设置于两个层(组件)之间的一个层(组件)可以直接与两个层(组件)接触，或者可以具有一个或者多个中间层(组件)。相反，在第二层(组件)“之上”的第一层(组件)与该第二层(组件)直接接触。
[0038]应当理解虽然在此所述的不同实施方式都是在pMUT的背景下提出的，公开的结构或技术中的一个或者多个可以应用于其它类型的超声换能器阵列，并且确实更一般的可用于不同的其它MEM换能器阵列，例如喷墨技术中所使用的。因此，虽然提出pMUT阵列作为模型实施方式，可以最清楚地说明其协同作用和属性，在此公开的内容具有更宽泛的应用。
[0039]图1是根据实施方式的pMUT阵列100的平面图。图2A、2B和2C是根据实施方式的可以在PMUT阵列100中利用的换能器元件实施方式的截面图。
[0040]阵列100包括设置于基底101的、由第一维度X和第二维度y限定的区域之上的多个电极轨线110、120、130、140。驱动/感应电极轨线中的每一个(例如，110)都可以独立于任意其它驱动/感应电极轨线(例如，120或130)是可电寻址的。驱动/感应电极轨线和参考(例如，接地)电极轨线二者显示于图2A-2C的截面图中。在图1中，驱动/感应电极轨线110和驱动/感应电极轨线120表示阵列中的重复单元。例如，耦合到第一总线127的第一驱动/感应电极轨线110和耦合到第二总线128的相邻驱动/感应电极轨线120形成叉指结构。驱动/感应电极轨线130和驱动/感应电极轨线140用形成了任意大小的ID电极阵列的其它单元来重复叉指结构(例如，128个轨线，256个轨线等)。
[0041]在实施方式中，pMUT阵列包括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。在实施方式中，在指定元件群内，换能器元件驱动/感应电极并行地电耦合到一个驱动/感应电极轨线，以使得所有元件驱动/感应电极位于相同电位。例如，在图1中换能器元件110A、110B...IlOL的驱动/感应电极耦合到驱动/感应电极轨线110。类似地，换能器元件120A-120L都并行地耦合到驱动/感应电极轨线120。通常，任意数量的压电换能器元件可以紧密结合，作为第二(y)维度中的阵列大小和元件间距的函数。在图1所示的实施方式中，每个压电换能器元件群(例如，110A-110L)设置于基底长度L1上，长度至少是基底宽度W1的五倍，优选地是同一个数量级。
[0042]在实施方式中，每个压电换能器元件包括压电膜。虽然压电膜在传统现有技术中通常可以是任意形状的，但是在示意性实施方式中，压电膜具有旋转对称性。例如，在pMUT阵列100中，每个换能器元件包括具有圆形几何结构的压电膜。压电膜还可以是在第三(z)维度具有弯曲球状体以形成圆顶(例如，如图2A所示)或者凹陷(如图2B所示)。平面膜也是可以的，如图2C所示。
[0043]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上下文中简单地说明。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。
[0044]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，其附着到基底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设置于参考电极212和驱动/感应电极214之间。在一个实施方式中，压电膜210通过将均匀层中的压电材料微粒沉积(例如，派射)到轮廓延伸到(profile-transferring)的基底(例如，光刻胶)上形成，基底具有例如形成于平面顶面的圆顶。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，但不局限于聚偏二乙烯二氟(PVDF)聚合体微粒、BaTi03、单晶PMN-PT、和氮化铝(AIN)。驱动/感应电极和参考电极214、212每个都可以是沉积(例如，通过PVD、A⑶、CVD等等)到轮廓-轮廓延伸到的基底上的传导材料的薄膜层。用于驱动电极层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IrO2> Ni02、PtO2等)或两种或更多种这种材料的组合堆叠。
[0045]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，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226用于通过驱动/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232将参考电极212连接到参考轨线234。环形支撑236，具有存在限定换能器元件202的中心的对称轴的孔241，机械地将压电膜210耦合到基底101。支撑236可以是任意传统材料，例如但不局限于，二氧化硅、多晶硅、多晶锗、SiGe等等。支撑236的示意性厚度范围可以是10_50um，膜224的不意性厚度范围可以是2_20um。
[0046]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。在此，驱动/感应电极214设置于凹面压电膜250的底面之下，而参考电极212设置于顶面之上。还显示了顶部保护钝化层263。
[0047]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282显示了平面压电膜290，其在静止状态是平面的。在此，驱动/感应电极214设置于平面压电膜290的底面之下，而参考电极212设置于顶面之上。与图2A-2C中的每一者所示相反的电极配置当然也是可能的。
[0048]在实施方式中，在pMUT阵列内，不同换能器元件群的换能器元件之间的电机械耦合小于相同元件群的换能器元件之间的电机械耦合。这个关系是减少相邻群之间(例如，示意性ID阵列中的行之间)的串扰。图3A是根据实施方式的在图1所示的pMUT阵列100内的换能器之间相关的电机械耦合的示意图。如所示的，在第一元件群310和第二、相邻或者最接近邻居元件群320之间，有第一耦合因子Cl (例如，长耦合弹簧)，其相对地比群(例如，群320)内单个元件之间的第二耦合因子C2(例如，短耦合弹簧)小。再次参考图2A-2C，至少基底101，以及通常还有支撑236在相邻换能器元件之间的X和I维度上向侧面扩展，由此提供相邻换能器元件之间的电机械隔离。这样，换能器元件之间的电机械耦合通常依赖于为基底101和支撑236所选择的材料。固有的材料属性，例如弹性模数，如同外部属性一样影响换能器元件之间的电机械耦合，外部属性例如包括相邻换能器之间距离(在x_y平面)的维度属性和有效截面耦合面积，该耦合面积可以包括支撑236的膜厚度(z高度)和支撑(在χ-y平面)的特征宽度，以及基底101的类似特征。
[0049]图3B是根据实施方式的描述了在图1所示的pMUT阵列内的换能器之间声学耦合的示意图。如所示的，换能器之间通过传输媒介自身的耦合(即，“声学耦合”)保持比图3A所示的电机械耦合结果更长的距离。例如，不仅是最近距离的相邻换能器引起串扰，与被影响的换能器距离两个或者更多个换能器宽度的换能器也引起串扰。在图3B中，对于指定受影响的换能器330，来自非常多的冒犯(offender)换能器的声学耦合关系“AC”(例如，换能器群 310、320A和 320B 的行 / 列的 AC1,丨；AC1j2, AC1,3，AC2； 1； AC2,2，AC2j3,..ACn，m)可以明显地依赖于至少媒介的属性、操作频率范围和每个换能器根据换能器的空间排列的相位。当前理解到第一“受影响”膜(例如，330)和相邻膜(例如，相邻膜以及与第一个膜距离两个或者更多个膜直径的不相邻膜)通过传输媒介自身(例如，水)的耦合可以反向调制膜的有效聚集，其中邻近元件具有差异巨大直径的膜。
[0050]在由pMUT阵列100提供宽的带宽的实施方式中，每个换能器元件群将提供多个独立但是重叠的频率响应。在一个这种实施方式中，一个群内近似共振频率的换能器元件之间的电机械耦合(或者声学耦合)导致具有从元件群中的单个压电换能器元件的固有共振频率分离出来的退化共振频率的至少一个退化模式形状。退化共振模式可以模型化为多个耦合到具有第一弹性系数的第一弹簧和进一步通过具有近似的第二弹性系数的弹簧相互耦合的多个基本相同的块。当相同元件群的换能器元件之间的耦合足够导致多个退化模式时，具有退化共振频率的多元的退化模式被相互分离以类似地提供比单个换能器元件的固有共振频率更宽的带宽响应。
[0051]图4A和4B是在图1所示的pMUT阵列100内的换能器元件的换能器性能度量示意图，假设所有换能器元件之间的耦合是任意小的，并因此表示出多个绝缘良好的单个换能器元件的累积频率响应。如图4A所示，中心频率Fn具有大约5.5MHz的峰值功率增益，这对应于具有标称直径75um的圆顶压电膜的换能器元件的固有频率特性。3dB角频率的对应频谱带宽是大约IMHz。
[0052]图5是如图4A所示的相同换能器元件群的频谱功率增益的示意图(例如，具有相同固有共振的相同数量的元件)。然而根据实施方式，元件群内的换能器元件之间的耦合量足够引起共振模式分离。如所示的，除了基本共振频率Fnl之外，其他中心频率Fn2、Fn3等从基本共振模式分离出来以提供跨越了比单个频谱响应更宽频谱带的多个单独但重叠的频率响应。虽然图5所示的示意性响应示意图包括了七个重叠频率响应,划分的数量可以通过适当的阵列设计来控制(例如，具有超过两个的明显频率峰值，或者3dB角之间的带宽至少是任意一种模式的1.5倍，等等)。
[0053]在实施方式中，相同元件群的换能器元件之间的第一区域的距离、互连材料的弹性模量、或者截面耦合面积中的至少一个不同于不同元件群的换能器元件之间的第二区域中对应的那个。再次参考图3，对于一个示意性实施方式，指定大小(例如，在示意性圆形/球形实施方式中相同直径)的压电膜，群320内的元件之间的距离可以由y维度的间距(Py)来设置，以通过控制元件群320的相邻元件之间沿长度L1的间隔来达到退化模式频率响应划分。例如，示意性实施方式的Py具有图5所示的响应相对于具有图4A所示的响应减少了。再次注意电机械耦合在换能器元件群之间(例如，图3A中的群310和320之间)降低，优选地最小化，以使得相邻群(示意性ID阵列中的行)之间的串扰最小化了，在进一步实施方式中，行间隔Px明显大于沿着行维度Py的换能器间隔(例如，两倍大，或者更大)。
[0054]除了换能器元件之间的间距或距离，材料区别或者换能器元件之间机械耦合模式中的一个或者多个可以调节以影响元件群内的退化模式耦合，并同时保持元件群之间减少的或者最小化的串扰。图6A、6B和6C是根据实施方式的在图1的pMUT阵列100的换能器之间区域的截面图。图6A是沿图1中所示的a-a’线的截面图，跨越了独立电极轨线110、120上的相邻换能器元件IlOC和120J之间的间隔Px (即，行间隔)。沿着a-a，线，区域680跨越了相邻换能器开口 241之间的距离W2。在区域680之内，是一种或者多种材料，例如支撑236和基底101。图6B和6C是沿图1中所示的b_b’线的截面图，跨越了耦合到相同电极轨线110、120的相邻换能器元件IlOC和IlOC之间的间隔Py( S卩，行间隔)。沿着b-b’线，区域690跨越了相邻换能器开口 241之间的距离L2。
[0055]在图6B所示的实施方式中，相对于区域680的对应维度，区域690模式化为具有更好的电机械耦合。在一个这种实施方式中，支撑236被蚀刻以减少沿着长度L3到基底101的锚定，以使得一个支撑结构236内的位移跨越具有T3厚度的膜电桥684A而被传送。在另一个实施方式中，基底101被蚀刻以减少区域690中的厚度T2。横截面耦合面积的任意这种修改可以以类似模式有选择地在区域680或690、进一步有可能在x-y平面进行。这样，支撑236的所示修改仅仅是示例，根据制造换能器元件所使用的过程很多其它形式也是可能的。
[0056]在图6C所示的实施方式中，相对于区域680的对应材料，区域690具有不同的弹性系数以具有更好的电机械耦合。如所示的，区域690使用的材料不同于区域680使用的材料。以这个方式，支撑结构236的任意部分，或者基底101的某个部分的弹性系数是有区别的，以在一个元件群内调节分离的退化模式的电磁耦合，以及减少或者最小化群之间的串扰。
[0057]注意，在此所述的一个或者多个技术可以用于区分相同群的相邻换能器之间的耦合量与不同群的相邻换能器之间的耦合量。例如，在一个实施方式中，当互连材料和横截面耦合面积在区域680和690中相同时，相同元件群的元件之间的距离特别小以引起至少一个退化模式。在另一个实施方式中，距离、材料属性、或者横截面耦合面积中的两个或者多个在区域680和690之间是不同的。
[0058]图6D、6E和6F是根据实施方式的在pMUT阵列100的图6A-6C所示的换能器之间区域的平面图。对于示意性ID阵列实施方式，图6D显示了一个实施方式，其中区域690(提供较好耦合)设置为在基底长度上，沿着由换能器元件群占用(即，换能器元件的一行)的基底长度(L1)平行地延伸并互连一个元件群的每个元件(110A、110B、110C等)。第二区域680 (提供较低耦合)沿着区域690的长度设置于第一区域680的对面侧。在一个示意性实施方式中，区域680形成连续条纹，例如区别于区域690中的材料、区别于区域690中的部件(例如，桥耦合器等)，其中，元件120A、120B、120C等设置于该区域690中。
[0059]图6E显示了另一个示意性ID实施方式，其中区域690设置于基底长度上，沿着由换能器元件群占用的基底长度L1正交地延伸，并在多于一个的元件群的两个相邻元件之间连续。然后区域680再次沿着区域690的长度设置于区域690的对面侧。
[0060]图6F显示了示意性2D阵列实施方式，，其中电极轨线在X和y维度排列，如在此其它地方进一步说明的。在这个实施方式中，区域680形成了分隔区域690的岛状区的连续网格。每个区域690作为将要被强耦合以用于退化模式划分的指定群的电机械耦合换能器元件110A、11IA和112A，但是每个群都由区域680隔离。
[0061]图6G是根据实施方式显示形成pMUT阵列的方法692的流程图。通常，区域680和/或690的ID或2D条纹可以在将要被强耦合以用于退化模式划分的换能器元件的制造中是有利的。例如，方法692开始于操作695，其中区域680和690中的多个第一个区域在基底区域上排列，区域680或690中的第二个区域设置于它们之间。在一个示意性实施方式中，形成区域680和690中的第一个区域进一步包括在基底101或者设置于其上的膜(例如，图6A-6C所示的支撑236)中蚀刻沟槽。可选的，或者除了蚀刻这个沟槽之外，薄膜材料层可以沉积于基底101上,并随后从区域680和690中的一个可选地移动到区域680和690中的另一个。平面化可以如现有技术中已知的那样执行，以达到能够区分耦合级别的区域的平面基底表面。在操作697，使用任意已知技术形成了多个压电换能器元件群，以使得每个群设置于区域690中的一者上。在操作699，耦合多个驱动/感应电极轨线，以具有由区域690机械耦合的换能器元件群中的一者的驱动电极，以及区域680将第一换能器元件群机械耦合到第二换能器元件群。
[0062]在实施方式中，压电换能器元件群包括不同标称大小的多个压电膜，以提供多个独立的共振频率。频谱响应可以通过集成η个不同大小(例如，在此其它地方所述的示意性圆形或球形膜的膜直径)来整形，以提供宽的带宽。与大多数PZT换能器不同，pMUT的共振频率可以由几何结构通过平板印刷逐步调节。这样，不同大小的高Q膜可以以不同频率响应被集成以达到来自指定元件群的高的整体带宽响应。在其它实施方式中，每个换能器元件群包括相同组的换能器元件大小，以使得每个群的频谱响应几乎相同。
[0063]图7A是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列700的平面图。pMUT阵列700具有与pMUT阵列100类似的结构，驱动/感应电极轨线110和120是平行的，但是在相反方向延伸(例如，从单个总线或接口)以沿着X维度(例如，ID阵列)交叉。电耦合到一个驱动/感应电极的(例如，110)是具有2-20个或者更多的不同膜大小(例如，直径)的换能器元件。直径的范围通常依赖于作为膜的硬度和质量的函数的期望的频率范围。连续较大膜之间的增量可以是具有较少频率重叠的不同大小的膜的范围和数量的函数，频率重叠发生于大规模增量。可以选择增量大小以保证所有换能器元件都有助于保持3dB带宽的响应曲线。作为示例，20-150um的范围通常用于具有图2A-2C的上下文所述的通用结构的换能器的MHz频率响应，以及1-1Oum的增量通常用于提供足够的响应重叠。
[0064]随着换能器元件(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元件之间的距离减小而下降。例如，当每个压电换能器元件群的压电膜在单个列(即沿着直线与中心对齐)中时，相同大小的换能器沿着长度L1的有效间距随着群中每个附加换能器大小而减小。因此在其它实施方式中，每个压电换能器元件群包括每个标称膜大小的多个压电换能器元件。对于图7A所示的示意性实施方式，电耦合到驱动/感应电极轨线110的是六个不同大小的膜第一大小(例如，最小直径的膜)的压电换能器元件711A和711B,第二大小(例如，次小直径的膜)的元件712A、712B，元件713A、713B，元件714A、714B，元件715A、715B，以及元件716A、716B。如所示的，相同大小的膜(例如，711A和711B)由至少一个具有不同大小的膜的中间元件间隔开。这具有减少串扰的优势，因为通常导致最大串扰的最近的相邻元件相互之间将不会共振。将相同大小的元件间隔开相同量也是有利的，这样使得分辨率跨越频率响应带是可比较的。
[0065]如图7A所示，换能器元件子组718A沿着在其上设置元件群的基底长度重复为718B。每个换能器元件子组718A、718B包括每个标称膜大小的一个压电换能器元件。在这个示意性实施方式中，启发式的布局是这样的，稱合到驱动/感应轨线I1的元件群具有相同大小的换能器元件，该相同大小的换能器元件由至少一个不同大小的中间元件间隔开，但是间隔不超过一个元件子组占用的基底的长度。这具有增强信号一致性的效果。如图7A进一步所示的，类似元件子组728A相对于元件子组718A沿驱动感应电极轨线120的长度向下移动，以便更加统一地扩展不同的元件大小。这个位置偏移还通过保证相同大小的元件不是最近的邻居(例如，726A基本上位于元件716A和716B的中间)来帮助减少相邻元件群之间的串扰。如所示的，包括不同大小换能器元件的重复组的元件子组的位置偏移通过将至少一个子组划分为两个(例如，72881和72882)来完成，而完全子组(例如，728A)在一个轨线或通道内在划分的子组之间交替。轨线110和120的换能器元件群包括单元，然后重复用于轨线130 (例如，具有换能器130A等)和140 (例如，具有换能器140A-140L)。
[0066]图7B和7C是图7A所示的pMUT阵列的性能度量示意图，具有例如直径为60、63、66、69、72和75um的球形压电膜。如图7B所示，频谱响应包括带宽大约为9MHz (对于3dB角频率)的六个对应的中心频率峰值，Fp1, Fp2,…Fp6。Fpn峰值可能用于η个大小的换能器元件，大小号的限制是产生不足增益的不足号的可以聚集到一起的换能器的数量的函数。当与图4Α所示(pMUT阵列具有单个大小的元件并缺少退化模式)相比较时，pMUT阵列700的带宽是明显的。随着带宽的增加，对应的具有较少环形下降的短脉冲持续时间导致对图7C中可见的pMUT阵列700的刺激的脉冲序列的响应，这是相对于图4B的具有单个大小的元件并缺少退化模式的PMUT阵列100而言的。
[0067]在另一个有利的实施方式中，耦合到(即，相同通道的)相同驱动/感应轨线的元件群具有换能器元件，该换能器元件设置为与指定换能器元件的最接近的邻居严密地匹配，但是具有在膜大小按分级的空间变化的不同的膜大小。相对于阵列700(图7A)，已经发现共振相位可以跨越具有与最接近的邻居元件类似大小的膜的元件群而被最好地保持，以使得指定距离(例如，两个、三个、或者更多个膜直径)的膜直径的改变不会超过特定门限值，因为相邻膜的相位关系否则会显著地降低信道的信号输出/敏感性。例如，侵略者/冒犯者膜的行动可以本地推动，或者累积受影响的膜(例如，最接近的邻居或者否则最接近冒犯者的)上的传输媒介，相对于受影响的膜的相位，在不合适的时机增加第二个膜的有效膜质量，由此抑制或阻碍受影响的元件的性能。如果这个声学抑制(或者传输媒介抑制)很严重，可能发生不期望的零交叉。
[0068]图7D是根据一个实施方式的具有分级的大小的换能器元件的pMUT阵列701的平面图。对于图7D所示的示意性实施方式，第一大小(例如，最小直径的膜)的压电换能器元件711A与第二大小(例如，次大一点直径的膜)的元件712A相邻，膜大小以递增方式通过更大膜大小(例如，714A、715A、716A)的元件逐步增加。元件711A-715A中的每一个都具有最接近的邻居，这些邻居是跨越不同大小的元件的群以单调的、步进式的、分等级的(graduated)、和/或增量的方式较小或者较大地增加膜大小。图7D中的阵列701然后复制换能器元件群，以使得具有最大直径膜的元件716A与下一个较小膜直径的两个元件(例如，715B)相邻。然后膜大小再次以步进式的、递增的方式减小(例如，714B、713B、712B、711B)，以使得所有元件再次具有与它们的大小(直径)最接近的最近邻居。
[0069]根据实施方式，单独的元件群可以相互相对进行设置，以使得最类似大小的膜是最接近的，或者使得大小差异最大的膜最接近。如图7D所示，相同大小但是不同群(例如，与单个的电极轨线110和120关联)的元件(例如，711A和721A)相互是接近的。当然，每个通道可以具有与图7A所示实施方式类似偏移的元件群，以具有相互相邻的不同大小的膜，这些膜在容纳电极轨线110和120的通道之间具有较大间距，这增加了最接近邻居的距离，从而缓和了较大膜大小变化导致的潜在的抑制效应。
[0070]除了跨越群内(例如，在通道内)换能器元件的相位变化，当不同大小的接近邻居数量较大时，指定元件的共振频率也依赖于具有较大传输媒介抑制(dampening)(即声学串扰)的不同膜大小的接近邻居的数量。在实施方式中，不对称元件排列用于减少元件群内不同大小的膜的接近邻居的数量。图7E是是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列702的平面图。如所示的，每个通道(例如，电极轨线110)包括具有第一大小的膜(例如，713A)的一列元件,其与具有第二大小的膜(例如,最大膜大小的714A)的一列元件和第三大小的膜(例如，最小膜大小的712A)的一列元件相邻。如图7D上下文中所述的，阵列702保持膜大小的分等级空间分布,例如,从85um、90um和95um递增地增加。对于所示的包括耦合到电极轨线110的15个元件的群(以及类似的那些耦合到电极轨线120的)，四个角元件A、B、C和D具有协同(coordinat1n)数量2，八个边缘元件E、F、G、H、1、J、K和L具有协同数量3，三个内部元件M、N和O具有协同数量4。对于这些子组，角和边缘元件(A、B、C、D、E、F、G、H、1、J、K、L)只有一个不同大小的最接近的邻居(〈协同数量的50%)，而三个内部元件Μ、Ν、0具有两个不同大小的最接近的邻居(协同数量的50%)。分等级的膜大小因此只沿一个维度(行或列)发生。然后对于第二通道(例如，120)，这个模式重复用于换能器(例如，724A、723A、722A)。这样，由边缘和角元件提供的额外的不对称可以相对于图7D所示的单个列的实施方式呈现出减少的传输媒介抑制。
[0071]虽然pMUT阵列700、701和702是示意性ID阵列，其中换能器元件群沿着基底的长度设置，该长度大于由元件群占用的基底的宽度(例如，> =5x),2D阵列还可以使用指定元件群内的多个换能器元件，因此在ID阵列情况下所述的启发式还可以再次使用。图8是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件A、B、C、D的2D pMUT阵列800的平面图。如所示的，图块化在基底101上的是多个元件群，每个电耦合到相同的驱动/感应电极(例如，810A、820A、830A、840A和850A)的多个元件群组成元件群的行类似的，每个都电耦合到相同的驱动/感应电极(例如，810A、810B、810C、810D和810E)的多个元件群组成元件群的列Q。因此行R1-R5和列C1-C5提供元件群的5X5阵列。在每个元件群内部是多个换能器元件大小(例如，A、B、C和D)，基本上以类似于ID pMUT阵列700的情况所述方式提供较宽的宽带频谱响应的多个共振。
[0072]在实施方式中，启发式排列可以进一步应用于2D情况，以保证每个最接近的相邻换能器元件具有不同大小和对应的不同的固有频率，以用于减少相邻元件群之间的串扰。如图8A所示，多个换能器元件群中的每个在群内具有相同的相对空间布局(S卩，换能器元件相互之间的排列)。特别地，最小换能器元件A、B形成设置于形成第二子组818B的最大换能器元件C、D上的子行的第一子组818A。用每个元件群内部形成子行的子组，列(例如，C2)内的群相对于相邻列(例如，(^和(:3)内的群垂直翻转。对于可选实施方式，其中每个元件群内的子组布局形成类似大小的换能器元件的子列，行(例如，R2)内的群相对于相邻行(例如，R1和R3)内的群垂直翻转(例如，180度)。
[0073]在图SB所示的可选实施方式中，2D pMUT阵列801包括每个元件群内部形成子行的子组。列(例如，c2)内的群相对于相邻列(例如,C1和C3)内的群水平翻转，以使得传输媒介抑制的影响可以通过在一个通道(例如，电极轨线810A)的距离上分级递增膜大小和布置最接近邻居通道(例如，810B、820A)从而以最邻近的方式放置最接近大小的膜(例如，元件D)而被减少。阵列801然后重复成对配置，复制列C1和C2。
[0074]在实施方式中，pMUT阵列包括多个压电换能器元件群，和在每个元件群内至少一个压电换能器元件具有椭圆形几何结构的压电膜。具有不同半主轴维度的压电膜提供形成换能器元件的频率响应的多自由度。在其它实施方式中，至少第一和第二半主轴是足够不同的标称长度，以提供多个独立的共振频率。通过将旋转对称性从圆形或球形膜的所有旋转角度减少到只有2个对折的对称性(180度)，模式形状可以划分为多个具有单独共振频率的不同模式。这个模式划分在PMUT阵列实施方式中使用，以增加每个换能器的、以及由此它们的阵列的带宽。
[0075]图9A是根据实施方式的具有椭圆形几何结构的换能器元件的等轴示意图。在图2A-2C的上下文中所述的平面、圆顶和凹陷圆形压电膜的椭圆形类似物分别显示于图9A中的膜表面905,910和915。膜表面905,910和915由半主轴a、b和c限定，其中轴b和c位于与基底101平行的平面。
[0076]图9B是根据实施方式显示了具有椭圆形几何结构的换能器元件沿半主轴b和c的不同模式功能的示意图。如所示的，沿着a轴的位移幅度作为b轴位置的函数，具有作为c轴上位置的函数的位移不同的频率和/或相位。图9C是根据实施方式显示了具有椭圆形几何结构的换能器元件的带宽示意图。如所示的，频率响应包括中心频率为Fnl的第一共振和中心频率为Fn2的第二共振。这个模式划分用于增加超过任意一个单独模式的频率响应带宽。
[0077]如图2A-2C所示，平板印刷图案化可以用于形成圆形压电膜。类似地，平板印刷图案化可以用于形成椭圆形或者椭圆体形压电膜。图像平板印刷盘或刻线可以或者包括然后在基底上成像的椭圆形，或者散光聚焦技术可用于从具有圆形的刻线成像椭圆形。这个印刷于光阻材料上的椭圆形图像例如可以作为将椭圆体几何结构传送至压电膜的装置回流。
[0078]在实施方式中，pMUT阵列包括多个压电换能器元件群，每个元件群中的每个压电换能器元件具有椭圆形几何结构的压电膜。图10AU0B和1C是根据实施方式的具有椭圆形几何结构的换能器元件的pMUT阵列的平面图。如图1OA所示，pMUT阵列100设置为跨越基底101的区域。根据之前所述的示意性ID阵列结构，独立(供电的)电极轨线110和120中的每一个将换能器元件1010A-1010J和1020A-1020J的各自群耦合到相同驱动/感应电位以用于元件群聚合。在所示的示意性实施方式中，压电换能器元件群中的一者内的每个压电膜的第一和第二半主轴是平行的。
[0079]平行对齐的轴有利地提供了高填充因子以保持其中的高敏感度，该高敏感度通过增加一个半主轴同时减少另一个来保持表面区域不变来推动(pushing)共振频率。如具有元件群的不同行的ID阵列所示，第一和第二半主轴中较短的一个在与线的最大长度或者由一个元件群占用的基底的长度的平行的方向对齐(即，较短半主轴与y轴对齐)。较长的轴(例如，C1和C2)然后与X轴对齐，以尽可能多地对指定电极轨线线路行距填充基底区域。
[0080]在实施方式中，椭圆形压电膜的对应轴在相邻换能器元件群之间方向不同。通过改变椭圆形模相互之间的方向，元件之间的电机械串扰可以减少。在一个这种实施方式中，第一压电换能器元件群的膜的基底平面中的两个半主轴都是基本上与与第一元件群相邻的第二压电换能器元件群的膜的轴正交的。例如，图1OB显示了 pMUT阵列1090，其中耦合到驱动/感应轨线110的第一元件群具有半主轴位于第一方向的膜1010A-1010E，不与基底的长度或者I轴平行，而耦合到驱动/感应轨线120的第二元件群(例如，1020E等)的半主轴具有第二方向，与第一方向正交。在这个配置中，沿着元件1010A的C1轴的共振模式与沿着相邻元件1020E的C2轴的共振模式是偏轴的。对于示意性ID实施方式，其中元件群通过基底的长度比通过基底的宽度延伸得更长，第一和第二半主轴方向定向为与元件群长度偏离45°，以提供不变的填充因子和不变数量的元件来用于元件群的固定间距(例如，驱动/感应轨线间距)。45°偏离相邻群可以类似地用于2D阵列实现中。
[0081]在实施方式中，椭圆形压电膜阵列具有沿阵列的第一维度变化的半主轴中的至少一个。在其他实施方式中，半主轴变化是分等级的，以使得轴长度跨不同大小元件的群以单调的、步进式的、分等级的、和/或增量的方式(增加和/或减少)增加。如在此其它地方在图7D和7E上下文中所述的，元件性能的声学耦合/串扰影响可以通过递增地改变膜维度来改善。在某些实施方式中，椭圆形压电膜阵列只有沿着阵列的第一维度变化的半主轴中的一者。
[0082]在其它实施方式中，椭圆形压电膜的2D阵列的半主轴沿着阵列的两个维度变化。在一个这种实施方式中，如图1OC所示，椭圆形压电膜的2D阵列具有随着阵列的两个维度变化的半主轴B、C，第一主轴沿着阵列的第一维度变化，第二主轴沿着阵列的第二维度变化。如图1OC所示，每个轴是跨越阵列维度中的一个而递增增加的(和/或减少的)。如所示的，沿着阵列的一个维度(例如，基底101的y轴)分别对于元件1010AA、1010AE、1010JA，B轴从\E增加到\A然后返回到\E。包括1010AB-1010JB的列或行，和包括1010AC-1010JC的列或行具有与1010AA-1010JA的列或行相同的B轴增量。C轴,依次每个元件沿着阵列的第二维度(例如，沿着基底101的X轴)增加，以使得包括1010AA-1010JA的行的所有元件的维度具有等于Cu的轴，包括1010AB-1010JB的行的所有元件的维度具有等于C1;B的轴，以及包括1010AC-1010JC的行的所有元件的维度具有等于Cu的轴。如图1OC进一步所示的，与单独通道(例如，电极轨线110，120)关联的单独群在膜维度具有相似的增量变化。例如，对于电极轨线120，存在一个半主轴B在行或列之内从1020AA的最大B轴长度变化到1020AE的最小B轴长度，再回到1020JA的最大B轴长度。特定大小的膜位置相对于相邻通道(例如，电极轨线110)存在偏移，以为了类似大小的膜跨越基底101的平均空间分布。
[0083]在实施方式中，设置于基底区域之上的具有多个独立可寻址的驱动/感应电极轨线的pMUT阵列具有密集封装为换能器元件的耦合到每个驱动/感应电极轨线中的一者的元件群。在示意性实施方式中，封装相邻元件群没有群内封装那么密集。pMUT阵列的敏感度与示意性ID阵列每行的激活的压电区域的面积成比例。如在此所述的提高带宽的很多技术，如果为了相对于换能器元件的示意性单个纵列线(file line)(例如，如图1所示)的更大的带宽没有完全恢复敏感度损失，敏感度的一点损失可能产生并因此较大的压电膜封装可能改进。注意，在整个PMUT阵列可能具有统一密集封装的换能器元件时，这个设置将经历元件群之间更高级别的串扰。假设在每个元件群内部是密集封装换能器结构但在元件群之间是非密集封装换能器结构，这可以既提供良好的敏感度又提供元件群之间低水平的串扰。
[0084]图11A、11B和IlC是具有密集组装的换能器元件的pMUT阵列的平面图。在图1lA中，示意性ID阵列1100具有于此在图1的上下文中所述的不同的属性。驱动/感应电极轨线110和120沿着基底101的第一维度(例如，X维度)形成驱动/感应电极轨线一维阵列。耦合到轨线110的是沿着第二维度(例如，y维度)设置于基底101的长度L1上的换能器元件110A、110BU10D、I1L等。通常，长度L1至少比由元件群占用的基底宽度大五倍，但是ID实现的数量级。换句话说，每个元件群形成ID阵列中的一列。然而除了单个行的换能器排列之外，至少两个相邻压电膜沿着基底长度L1重叠并沿着基底宽度W1从单个行偏移。虽然PMUT阵列1100对应于最小数量的相邻压电膜，三个或者更多可以沿着一个维度相邻，如图1lB所示的pMUT阵列1150。通常，示意性密集封装在每个群内是六边形的。在示意性实施方式中，在群之间不保持密集封装(例如，六边形A和B)，在相邻元件群之间提供间隔1107，至少为了减少串扰的目的而损失了旋转封装对称性(例如，六边形C)。
[0085]通常，密集封装技术可以用于在此所述的任意不同的换能器元件配置，包括2D阵列、具有退化模式耦合的阵列等等。在一个有利的实施方式中，其中每个压电换能器元件群包括多个不同标称膜大小的压电膜(例如，以提供多个独立共振频率)，敏感度相对于图7所示的单个行实施方式可以明显提高。图1lC显示了 pMUT阵列1180，具有多直径密集封装换能器群。如所示的，相同大小的换能器元件(例如，IlllA和1111B)如在此之前其它地方所述的为了减少串扰而被分隔开，而跨越子组内的膜的大小差异被用于提高封装密度。在其他实施方式中，改变最接近邻居之间大小的增量还可以以改进封装密度的方式实现。例如，元件1111A、1112A、1113A、1114A的大小逐渐增加，元件1111B-1114B也是如此，然而两个子组设置为相互对称以在轨线110的区域内密集封装。然后在轨线110内重复密集封装子组对(例如，元件1111C-1114C和1111D-1114D)。轨线110内的密集封装设置然后重复用于每个通道(例如，元件1124A-1124D的轨线120等)。
[0086]图12是根据本发明实施方式的使用pMUT阵列的超声换能器设备1200的功能结构图。在示意性实施方式中，超声换能器设备1200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1200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1200包括至少一个PMUT阵列1216，其可以是在此其它地方所述的具有任意换能器元件或者元件群属性的任意pMUT阵列。在示意性实施方式中，pMUT阵列1216设置于手柄部分1214中，其可以由机器或者设备1200的用户操作来如所期望的改变pMUT阵列1216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1220将pMUT阵列1216的通道电耦合到手柄部分1214外部的通信接口。
[0087]在实施方式中，设备1200包括单个信号产生装置，其可以是现有技术中用于本目的已知的，并例如通过电连接器1220耦合到pMUT阵列1216。信号产生装置将提供不同驱动/感应电极上的电驱动信号。在一个特定实施方式中，信号产生装置将使用电驱动信号，以使得压电换能器元件群在IMHz到40MHz的频率之间共振。在实施方式中，信号产生装置包括解串器1204，将控制信号去除串行化然后由解复用器1206解复用。示意性信号产生装置还包括数模转换器(DAC) 1208，将数字控制信号转换为用于pMUT阵列1216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1210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。pMUT通道连接器1220和信号产生装置之间的耦合是切换网络1212，以在驱动和感应模式之间切换pMUT阵列1216。
[0088]在实施方式中，设备1200包括单个信号收集装置，其可以是现有技术中用于本目的已知的，并例如通过电连接器1220耦合到pMUT阵列1216。信号收集装置从pMUT阵列1216中的驱动/感应电极通道收集电响应信号。在信号收集装置的一个示意性实施方式中，模数转换器(ADC) 1214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装置。示意性信号处理装置包括数据压缩单元1226以压缩数字信号。复用器1228和串化器1202还可以进一步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。
[0089]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: 配置于基底区域上以及独立电可寻址的多个驱动/感应电极轨线；以及 多个压电换能器元件群，其中元件群内的驱动/感应电极耦合到所述驱动/感应电极轨线中的一个，其中不同换能器元件群的换能器元件之间的电机械耦合低于相同元件群的换能器元件之间的电机械耦合，以及其中每个换能器元件群将提供多个独立的但重叠的频率响应。
2.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中所述多个频率响应包括多于两个的不同频率峰值。
3.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中相同元件群的换能器元件之间的所述电机械耦合足够导致至少一个退化模式，所述至少一个退化模式具有从所述元件群中的单个压电换能器元件的固有共振频率分离出来的退化共振频率。
4.根据权利要求3所述的pMUT阵列，其中相同元件群的换能器元件之间的所述电机械耦合足够导致多个退化模式，所述多个退化模式具有相互分离的退化共振频率。
5.根据权利要求3所述的pMUT阵列，其中相同元件群的换能器元件之间的第一区域的距离、材料的弹性系数、以及截面耦合面积中的至少一个与不同元件群的换能器元件之间的第二区域中所对应的一个不同。
6.根据权利要求5所述的pMUT阵列，其中所述距离、弹性系数、以及截面耦合面积中的两个或者多个在所述第一区域和第二区域之间不同。
7.根据权利要求5所述的pMUT阵列，其中当所述第一区域和第二区域中的互连材料和截面耦合面积相同时，相同元件群的元件之间的所述距离小到足够导致至少一个退化模式。
8.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群设置于至少比由所述元件群占用的基底宽度大五倍的基底长度上，该元件群具有设置于中心沿直线对齐单个纵列中的压电膜。
9.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群设置于至少比由所述元件群占用的基底宽度大五倍的基底长度上，该元件群具有以密集封装配置的方式来设置的所述多个压电换能器元件，其中至少两个相邻压电膜沿着所述基底的长度重叠以及沿着所述基底的宽度偏离单个纵列。
10.根据权利要求1所述的PMUT阵列，其中每个压电换能器元件群包括不同膜大小的多个压电膜，以提供多个独立的共振频率。
11.根据权利要求10所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群包括每个膜大小的多于一个压电换能器兀件。
12.根据权利要求11所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群设置于至少比由所述元件群占用的基底宽度大五倍的基底长度上；以及 其中每个压电换能器元件群进一步包括多个换能器元件子组，每个子组包括每个标称膜大小的一个压电换能器元件；以及 其中所述元件群具有由至少一个不同大小的中间元件间隔开但是间隔不超过一个元件子组占用的基底的长度的相同大小的换能器元件。
13.根据权利要求10所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群的压电膜在沿着所述第二维度的单个纵列上。
14.根据权利要求10所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群的压电膜是密集封装配置的，该配置具有沿着所述基底的长度重叠以及沿着所述基底的宽度偏离单个纵列的至少两个相邻压电膜。
15.根据权利要求10所述的pMUT阵列，其中所述多个驱动/感应电极轨线沿着所述基底的第一维度和第二维度形成驱动/感应电极轨线的二维阵列； 其中所述多个换能器元件群的每一个包括相同数量的换能器元件，以及群内每个所述换能器元件具有相同的空间子组，和 其中耦合到第一驱动/感应电极轨线的第一换能器元件群具有位于第一方向的空间子组换能器，以及其中耦合到第二驱动/感应电极轨线的第二换能器元件群具有位于第二方向的空间子组换能器。
16.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中每个换能器元件群内的换能器元件是密集封装的，以及其中相邻换能器元件群没有元件群内换能器元件封装那么密集。
17.根据权利要求1所述的pMUT阵列，其中每个所述元件群中至少一个压电换能器元件包括具有椭圆形几何结构的压电膜，该压电膜具有不同长度的至少第一半主轴和第二半主轴以提供所述多个独立共振频率。
18.根据权利要求17所述的pMUT阵列，其中所述椭圆形几何结构包括具有第一半主轴、第二半主轴和第三半主轴的椭圆体，其中所述第一半主轴和第二半主轴位于所述基底的平面内。
19.根据权利要求17所述的pMUT阵列，其中在所述压电换能器元件群中的一个内的膜的所述第一半主轴和第二半主轴是平行的。
20.根据权利要求19所述的pMUT阵列，其中所述第一半主轴和第二半主轴中更短的那个在与由所述元件群中的一个占用的所述基底的最长长度平行的方向对齐。
21.根据权利要求19所述的pMUT阵列，其中第一元件群的第一半主轴和第二半主轴具有第一方向，以及其中与所述第一群相邻的第二元件群的第一半主轴和第二半主轴具有第二方向，该第二方向与所述第一方向正交。
22.根据权利要求21所述的pMUT阵列，其中所述第一半主轴和第二半主轴的方向相对于由所述元件群中的一个占用的所述基底的最长长度为45°。
23.一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阵列的产生装置，该产生装置将电驱动信号应用于至少一个驱动/感应电极； 耦合到所述PMUT阵列的接收装置，该接收装置从至少一个驱动/感应电极接收电响应信号；以及 耦合到所述接收装置的信号处理装置，该信号处理装置处理从所述多个驱动/感应电极接收的电响应信号。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述产生装置使用电驱动信号，以导致所述压电换能器元件群中的至少一个在IMHz和15MHz之间的频率共振。
25.—种压电微机械超声换能器(pMUT)阵列,包括: 配置于基底区域上的以及独立电可电寻址的多个驱动/感应电极轨线；以及 多个压电换能器元件群，元件群内的每个驱动/感应电极耦合到所述驱动/感应电极轨线中的一个，其中所述元件群的每一个中的至少一个压电换能器元件包括具有椭圆形几何结构的压电膜，该压电膜具有不同标称长度的至少第一半主轴和第二半主轴。
26.根据权利要求25所述的pMUT阵列，其中所述椭圆形几何结构包括具有第一半主轴、第二半主轴和第三半主轴的椭圆体，其中所述第一半主轴和第二半主轴位于所述基底的平面内。
27.根据权利要求25所述的pMUT阵列，其中在所述压电换能器元件群中的一个内的每个膜的所述第一半主轴和第二半主轴都是平行的。
28.根据权利要求27所述的pMUT阵列，其中所述多个驱动/感应电极轨线沿着所述基底的第一维度形成驱动/感应电极轨线的一维阵列: 其中每个压电换能器元件群沿着与所述第一维度正交的所述基底的第二维度设置于所述基底的长度之上，所述长度至少比所述基底的宽度大五倍；以及 其中所述基底的平面内的所述半主轴中较短的那个与所述基底的所述第二维度平行对齐。
29.根据权利要求28所述的pMUT阵列，其中所述多个驱动/感应电极轨线沿着所述基底的第一维度形成驱动/感应电极轨线的一维阵列: 其中每个压电换能器元件群沿着与所述第一维度正交的所述基底的第二维度设置于所述基底的长度上，所述长度至少比所述基底的宽度大五倍；以及 其中所述基底的平面内的所述半主轴与所述基底的第二维度都不是平行的。
30.根据权利要求29所述的pMUT阵列，其中第一压电换能器元件群中的膜的所述基底的平面内的两个半主轴都基本上与所述第一元件群相邻的第二压电换能器元件群中的膜的轴正交。
31.一种压电微机械超声换能器(pMUT)阵列,包括: 配置于基底区域上的以及独立电可寻址的多个驱动/感应电极轨线；以及 多个压电换能器元件群，元件群内的每个驱动/感应电极耦合到所述驱动/感应电极轨线中的一个，其中每个压电换能器元件群包括分等级的膜大小的多个压电膜。
32.根据权利要求31所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群的膜具有不超过两个不同膜大小的最接近邻居。
33.根据权利要求32所述的pMUT阵列，其中所述元件群包括多于一行和多于一列的膜。
34.根据权利要求31所述的pMUT阵列，其中耦合到不同电极的相邻换能器元件群的最接近相邻的膜是不同大小的。
35.根据权利要求33所述的pMUT阵列，其中所述多个驱动/感应电极轨线沿着所述基底的第一维度形成驱动/感应电极轨线的一维阵列，以及其中每个压电换能器元件群沿着与所述第一维度正交的所述基底的第二维度设置于所述基底的长度上，所述长度至少比所述基底的宽度大五倍； 其中每个压电换能器元件群进一步包括多个换能器元件子组，每个子组包括每个标称膜大小的一个压电换能器元件；以及 其中所述元件子组沿着由所述元件群占用的所述基底的整个长度重复，以具有由至少一个不同大小的中间膜间隔开但是间隔不超过由一个元件子组占用的基底的长度的相同大小的换能器元件。
36.根据权利要求35所述的pMUT阵列，其中所述多个驱动/感应电极轨线沿着所述基底的第一维度和第二维度形成驱动/感应电极轨线的二维阵列； 其中所述多个换能器元件群的每一个包括相同数量的换能器元件，以及群内每个所述换能器元件具有相同的空间子组，和 其中耦合到第一驱动/感应电极轨线的第一换能器元件群具有位于第一方向的空间子组换能器，以及其中耦合到第二驱动/感应电极轨线的第二换能器元件群具有位于第二方向的空间子组换能器。
37.一种压电微机械超声换能器(pMUT)阵列,包括: 配置于基底区域上的以及独立电可寻址的多个驱动/感应电极轨线；以及 多个压电换能器元件群，元件群内的每个驱动/感应电极耦合到所述驱动/感应电极轨线中的一个，其中每个换能器元件群内的换能器元件是密集封装的，以及其中耦合到不同电极的相邻换能器元件群没有元件群内换能器元件封装那么密集。
38.根据权利要求37所述的pMUT阵列，其中所述多个驱动/感应电极轨线沿着所述基底的第一维度形成驱动/感应电极轨线的一维阵列，以及其中每个压电换能器元件群沿着与所述第一维度正交的所述基底的第二维度设置于所述基底的长度上，所述长度至少比所述基底的宽度大五倍； 其中每个压电换能器元件群的压电膜是密集封装配置的，该配置具有至少两个相邻压电膜，该压电膜沿着所述基底的长度重叠以及沿着所述基底的宽度偏离单个纵列。
39.根据权利要求37所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群包括不同标称膜大小的多个压电膜，以提供多个独立的共振频率。
40.根据权利要求39所述的pMUT阵列，其中每个压电换能器元件群包括每个标称膜大小的多于一个压电换能器元件。
【文档编号】B06B1/06GK104271266SQ201380023381
【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, M·奥托松 申请人:富士胶片戴麦提克斯公司