多維傳感器陣列和製造方法

2023-06-27 00:34:26

專利名稱：多維傳感器陣列和製造方法
技術領域：
本發明涉及超聲成像的接收電路.尤其涉及採用不同傳感器的接 收電路。
技術背景用於超聲心動圖的超聲成像要求掃描的傳感器具有高的每秒體速 率.對於運動結構的實時成像，每秒產生20或多於20，如35，的二 維或三維表示.大量的信息從超聲探頭傳送到超聲系統的基本單元.對於三維超聲成像已經有各種傳感器和相關的束成形器.當前， 多數採用機械式傳感器。但是，它不能提供相關的實時成像，並且典 型地要求ECG門控。也已經可以提供用於較快電子/電子操縱和體積獲 取的二維傳感器陣列，例如，稀疏二維陣列或全採樣的二維陣列已經 被使用.稀疏陣列的對比度解析度不佳.全採樣二維陣列使用昂貴的附加束成形硬體。二維陣列重複發生 發射束和相應的接收束。用電子學方法將這些線束控制在三維體積之 內。電子操縱要求每一所使用的元件都有一系統通道.因為在二維陣 列中的元件數很大，所要求的通道數也就很高，通道越多所需要的電 纜數也就越大。在傳感器陣列的探頭內提供束成形或部分束成形可以 減少所要求的電纜數，但是對採樣二維陣列所要求的通道數和硬體數 仍然很高.而且，用於探頭中的束成形的模擬延遲昂貴且體積大，這 種探頭中的束成形器其可編程能力也有限.傳感器陣列包括具有其接地電極和可用開關連接到分開的發射和 接收系統通道的信號電極。通過將束成形能力內置在探頭內，作為切 換工作以將發射通道同接收通道隔離的高壓三極體或二極體也被包括在該探頭內.這些髙壓器件不容易同束成形電路一起集成，所以要求 另外的空間.在美國專利5, 622, 177中，通過使用時分多路復用降低了系統通 道和電纜的數量.來自多個元件的數據被多路復用到一信號線上.但
是，時分多路復用的數據有著同代表來自單一傳感器元件的信號的傳 統數據不同的特性.對傳統數據所設計的接收電路在時分多路復用數 據中可能會不適當地引入噪聲. 發明內容作為引言，下面所描述的描述實施方案包括傳感器陣列和製造這 種傳感器陣列的方法.在一種實施方案中，提供一種多維傳感器陣列， 在這種陣列中在一個方向上元件至元件的間隔或間距小於元件沿笫二 方向上的間隔或間距.例如，在橫向元件的間距是在它豎向間距的1/2,在一種實施方案中有著相同或不同間距的多維傳感器陣列是從多 個模塊製造的。每個模塊被分別加以切割，然後對準和組合.分別切 割為在組裝傳感器陣列之前對模塊進行單個測試提供了條件.在另一種實施方案中，使用傳感器陣列元件將發射通道同接收通 道間隔開。同採用一片電極作為多個元件的公共接地面不同，為每個 元件在每個元件的對立面上單獨提供分開的信號線或跡線.發射通道 可以連接到元件的一個電極，而接收通道可以連接到該元件上的一個 反面電極.這種在每個元件上的分開的信號跡線允許元件將發射路徑 同接收路徑隔離.在下面描述的另一種實施方案中，提供一種用於時分多路復用處 理的多維陣列.探頭中容納有該多維陣列和多路復用器.多維陣列沿 不同方向有著不同的元件分布，如1.5D陣列，元件厚度沿豎直方向變 化的二線性陣列、多路復用器線性陣列、或二個或多個非平行線性陣 列I或+線束.該多路復用器能操作各種超聲方法的複雜陣列。本發明是由下面的權利要求所界定的，因此在本節中的說明不應 當作為對那些權利的限制.結合優選實施方案，下面將對本發明的進 一步情況和優越性加以討論.


下面將重點放在展示本發明的原理，其組件和圖形不一定按比例 畫出，而且，對不同視圖中的相應部件採用相同的參考號碼.圖1是用於接收來自不同傳感器探頭的不同類型信號的超聲系統 的一種實施方案的方框圖.圖2是用於接收同單一電纜上多個傳感器元件相關的數據的方法
的一種實施方案的流程圖.圖3是有著隔離的發射和接收通道的傳感器的一種實施方案方框圖。圖4是傳感器的一種實施方案的電路困。 圖5是傳感器的另一種實施方案的電路困.圖6是代表使用圖5的隔離發射和接收通道以發射和接收聲音信息的一種實施方案的流程圖.圖7是有著相反相位的單極脈衝的困形表示. 圖8是多維傳感器陣列的圖形表示.圖9是一種探頭內部的一種實施方案的透視圖，這種探頭包括同 電路板連接的多維傳感器陣列.圖IO是從模塊組裝的一種多維陣列的一種實施方案的剖面圖.圖IIA和IIB是利用預先切割的模塊製造多維陣列所進行的步驟 的圖形表示。
具體實施方式
利用多路復用提供更快或更複雜的二維和三維超聲成像。在探頭 內提供一種多路復用器所以來自多個傳感器元件的信息被多路復用至 一個信號通道上，以傳輸至基本單元或超聲系統作進一步處理，為了 避免對不同類型的傳感器安裝不同的系統，超聲系統的接收電路能夠 根據由傳感器所提供的信號格式工作在不同的方式.為了進一步減少 將探頭同超聲系統連接的通道數而對探頭的大小不產生負面影響，用 傳感器元件將發射通道同接收通道相分離.這種分離使發射通道被隔 離同時又使探頭內高壓器件的集成最小。為了使元件將發射和接收通 道隔離，該傳感器陣列是從分別切割的模塊製造的，每一模塊包括到 每元件對立面的信號跡線.可以採用上面所討論的對於多路復用的擴展而同該多路復用或其 他特點無關。在下面三個通用段落中對這些獨立的擴展或特點加以說 明，首先描述用於接收同不同信號格式相關的信息或用於只接收多路 復用格式的接收電路.其次描述利用傳感器元件將發射路徑同接收路 徑的隔離以及使用的有關方法，最後描述傳感器陣列以及製造方法。接收電路圖1顯示超聲系統10的一種實施方案的方框閨.系統10包括基 本單元12，它具有接收電路14和困像處理器16.接收電路14能夠通 過電纜22同不同類型的傳感器探頭18， 20有效連接.多個接收電路 14可同用於處理來自元件陣列24的信號的探頭18,20電連接.在系 統10中可以提供另外不同的或少數幾個組件，如只提供一種類型的傳 感器探頭18,20.一種傳感器探頭20包括用於在聲音和電能之間轉換的壓電或微電 子機械元件24的陣列.該探頭20包括一單一元件， 一線性元件陣列 或一多維元件陣列。探頭20還包括復蓋該陣列的外殼.該外殼的形狀為一種手持設備或者是一種可以塞入病人空腔或心血管系統的形狀. 該探頭20利用用於該陣列各元件24的電纜22連接到接收電路14.每 根電纜22傳輸代表在單個元件24上接收到的聲音能量的模擬信號. 來自探頭20在電纜22上提供的信令是傳統的信號，在元件24和接頭 32之間沒有多路復用或其他的中間電路.該探頭2 0提供信號或其他信 息，被格式化成不同於來自探頭18的信號.探頭18包括用多路復用器26連接的線性或多維元件陣列24。在 一種實施方案中，將1, 536個元件24構成一個二維或多維陣列.探頭 18還包括復蓋該陣列的外殼.該外殼的形狀是一種手持設備或者是一 種可以塞入病人空腔或心血管系統的形狀.在一種實施方案中，傳感 器探頭18包括如下面描述的那樣使用模塊製造的多維傳感器探頭，但 是也可以使用基面或具有從一個PZT組件或模塊製成的分開信令的其 他線性或多維陣列.探頭18包括前置放大器35和時間增益控制37,作為多路復用之 前的接收通道64.該接收通道64用元件24連接.經前置放大後的和 時間增益控制的信息提供給採樣和保持電路60.該採樣和保持電路60 包括用於將模擬信息從多個元件24多路復用至一個輸出上的模擬延 遲。在該優選實施方案中，不存在採樣和保持功能.模擬波形在時間 上用無"保持"和無"模擬延遲"操作相交替。使用採樣和保持並非 一種要求，而是一種可能選擇.在一種實施方案中，該探頭18中的接收電路耗散功率小於5瓦， 在一種實施方案中，對每8個元件24提供一個多路復用器26，但是可 以對所有元件或不同數量的元件提供單只多路復用器.多路復用器26 包括對探頭控制28響應的模擬或數字切換網.在一種實施方案中，該 多路復用器26利用時分多路復用將來自多個元件24的信號加以組 合.在另一種實施方案中，可以使用現在已知的或以後研製的頻率多 路復用或其他多路復用方案.探頭控制28根據時鐘信號控制該多路復 用器26使來自每個元件的模擬信號被分配到時分多路復用信息幀之內 的一個特定的時隙.在一種實施方案中，探頭18和相關的多路復用器 26包括在美國專利5, 622, 177中所討論的時分多路復用探頭，現引入 該專利的內容作為本文參考.在探頭18中可以提供另外不同的或較少 的組件，如在探頭18中提供另外的放大器或濾波器或沒有前置放大器 或時間增益控制的探頭.該多路復用器26將時分多路復用或其他格式化數據輸出給線驅動 器30.該線驅動器30包括放大器或其他設備，這些放大器或其他設備 同在電纜22上傳送多路復用信息的多路復用器集成或分開.對另外的 多路復用器26可以提供分開的電纜22,如192或256電纜22.基本單元12包括超聲成像系統，如手持，車栽或其它系統用於發 生病人的二維或三維表示。接收電路14接收來自一個或多個傳感器探 頭18， 20的信息用於束成形，探測和由圖像處理器16進行的其他超 聲圖像處理。例如電路14包括接頭32，模式控制處理器34，前置放大器36, 時間增益控制電路38，低通濾波器40，緩衝器42，模-數轉換器44， 數字平衡器46，數字解復用器48，分析處理器50以及可選擇延遲52。 還可以提供另外不同的或較少的組件.接收電路14包括上面所描述的 二個或多個組件的一種或不同的組合.例如，接收電路只包括前置放 大器36或只包括低通濾波器40。接收電路14能用傳感器探頭20操 作，其中來自元件24的信號在傳輸至基本單元12之前可以或者不加 以放大和/或加以處理，笫二操作方式允許代表一組元件的時分或其他 多路復用信號沿一信號信線或電纜22的傳送.該接收電路14包括該 基本單元12之內的單一接收通道.並提供用於同不同電纜22和不同 元件24相關的多個接收通道.接頭32包括帶電觸點的母或公鎖用於和一束電纜22相連接.接 頭32能和不同的傳感器探頭18,20相連接。例如，具有時分多路復用 能力的探頭同接頭32相連接.作為另一個例子，探頭18同接頭32斷 開，然後其他的探頭20被連接到接頭32。接頭32同電纜束32維持物
理和電性接觸.在另一種實施方案中，為不同探頭18，20提供單獨的 接頭32.同一基本單元12和接收電路14可用於接收和處理來自不同 類型傳感器探頭18， 20的信息.例如，接頭32同使用完全充填的二維 或1. 5維陣列用於成像的探頭18連接.時分多路復用允許對二維或三 維成像在二個空間維度上加以操作，同時使對基本單元12通信的電纜 32的數目保持最小.同樣接頭32同其他的傳感器探頭20連接用於使 用沒有多路復用的信號的超聲成像.在一種實施方案中，提供多個接 頭32，這種探頭帶有延遲或切換至公共接收電路14的固態開關以提供 對傳感器選擇的快速接入.每個單個接頭32可以接納多路復用的傳感 器18，也可以接納傳統的傳感器20。模式控制處理器34包括控制處理器，總處理器，用於控制接收電 路14的組件如前置放大器36和低通濾波器40的專用集成電路或其他 模擬或數字器件，根據用戶輸入的布局，根據探頭控制28提供的控制 信號，根據由探頭類型接頭32的探測，或者根據對從超聲探頭18,20 接收到的信號的分析，模式控制處理器34按照由探頭18,20提供的數 據或數據格式將接收電路14的一個或多個組件加以配置用於處理.該 接收電路的特性被配置成隨該數據格式而變.前置放大器36包括用於提供低噪聲，寬帶匹配接收器的電晶體或 其他模擬或數字器件。前置放大器36可以編程或對該模式控制處理器 34響應以便將該前置放大器的特性編入程序，為了用傳感器探頭20 操作或用代表單個傳感器元件24的信號操作，前置放大器36被編程 為具有類似於或等於元件24和電纜22的阻抗特性，如IKQ阻抗.該 阻抗符合根據對不同類型探頭20的電纜阻抗所預期的變化的一般法 則。前置放大器26可以有選擇地對擁有不同電纜22，電纜長度或元件 22的特定匹配的專用型探頭20加以編程.前置放大器輸入阻抗，增益 和頻率響應既可以由可選擇的開關組件加以控制，也可以用改變前置 放大器偏置電流加以控制.在實際中，兩者方法可以同時用在一種集 成電路構造中，對於用多路復用信號操作的情況，該前置放大器36被 編程使其阻抗與線驅動器30或其他的探頭18的輸出電路相匹配.例 如，將前置36編程能提供大約500的阻抗匹配，在另一種選擇實施方 案中，由方式控制處理選擇不同的前置放大器36,在另一種實施方案中，前置放大器36的增益特性被選為隨信號格
式或探頭18，20類型而變。多路復用的傳感器18可以要求比傳統傳感 器更低的前置放大器增益，閎為信號在進入多路復用之前已經在傳感 器內加以放大，而且，系統前置放大器36的噪聲性能也不像對有著整 體前置放大器36的多路復用的傳感器18那樣嚴格，所以可以採用對 噪聲的要求較低的前置放大器以節省功率，或者是將輸入阻抗，增益 和頻率響應加以優化.另一種可編程特性是前置放大器36的帶寬.對於多路復用的信 息，前置放大器36是沒有帶寬限制的，或者操作在一個寬的頻帶上， 如對於時分多路復用通頻具有的符號率大於傳感器中心頻率的2倍(例 如大於5 MHz, 30 MHz或lOO MHz或更大).對於沒有多路復用的信 息，帶寬可以是2-15 MHz,如同超聲頻率或傳感器頻帶相關.前置 放大器36的其他特性可以加以適配或改變使之隨從傳感器探頭18， 20 提供的數據格式而變.信號控制方框可以包括在多路復用器26內，或者用前置放大器36 提供電纜22中的頻率相關損失的前平衡和後平衡.在選擇性實施方案 中，數字平衡器46提供後平衡。該平衡可以使符號間幹擾降至最小。 例如，在驅動電纜對頻率相關電纜損失進行補償之前可以採用預強調 或高頻升舉。也可以在系統接收器14內提供一種全通相位校正濾波器 以進一 步降低進入ADC之前的符號間幹擾.時間增益控制38 (即深度增益控制)包括可調增益放大器，用於 可變放大模擬信號.對於代表單個元件24的信號，該可變增益包括40 至80 dB範圍，但也可以採用其他的增益以考慮每釐米超聲信號的深 度衰減大約為每MHz 1 dB。時間增益控制38對多路復用信號操作相 同或不同。當在探頭18內提供時間增益控制38時，接收電路14的時 間增益控制38對多路復用信號提供較少或不提供可變增益.當時間增 益控制38使用可變增益時，通過在來自多個元件24的每信號楨之內 加上相同增益而考慮對時分多路復用的增益應用。低通濾波器40包括抗模糊濾波器，它是作為一種有限脈衝響應或 無限脈衝響應濾波器工作的.該低通濾波器40的頻帶將信號加以限 制，所以大於1/2數字採樣速率的信號不會混入該信號頻謙.通過降供較高的信噪比。由探頭2 0所提供的感興趣的信號或代表單個元件24要感興趣的信號未被清除或降低，可以提
的信號被提供在2-15 MHz頻率範圍內，低通濾波器40採用6 dB以 下或30MHz， 15 MHz或其他頻率的其他截止頻率編程.可以將帶寬編 程成隨成像的類型或所用探頭20的類型而變.對於多路復用信號，如 時分多路復用信息，其帶寬較大以讓多路復用信號通過同時將符號間 幹擾降至最小.例如，為了提供有著如下幅度響應對稱性，即對於0<f<F 採樣，lH(f) I = 1- lH(F採抖-f) |的Nyquist通道形狀或線性-相位低通 濾波器，其帶寬為30 MHz或大於30 MHz,如50或100 MHz,式中F 樣本是該多路復用樣本率(例如96 MHz ).在實際中，H (f)是對Nyquis t 通道的近似值，其誤差通過數字平衡器46加以校正，緩衝器42包括放大器或用於將信號緩衝輸入到模數轉換器44中 的其他模擬組件.緩衝器42提供相同的特性而同所採用的數據類型或 數據格式無關，但是也可以提供隨數據格式不同而不同的可編程特 性.例如，對多路復用的數據可以從42請求較快的轉換速率，可以使 用可編程轉換率限制以節省非多路復用方式中的功率，模 - 數轉換器44將模擬信號轉換並以任何一種現在所知的或以後 研製的代碼輸出數字表示.對於代表單個元件24的數據，該模-數轉 換器44根據時鐘輸入但不參考其他的定時信息對數據進行採樣.對於 時分多路復用數據，該模-數轉換器44的時鐘輸入同多路復用器26 同步。該同步允許來自每個不同元件24的信號適當的分開使之具有最 小的交叉信號幹擾.數位化的樣本被提供給自適數字平衡器46.該數字平衡器46包括 一可編程有限脈衝響應濾波器，如利用移位寄存器54，倍增器56和加 法器58實現的那樣.在選擇性實施方案中，使用處理器或其他設備實 現平衡器46,數字平衡器46將時分多路復用信息加以濾波以清除符號 間幹擾.加到倍增器56上的濾波係數是根據傳遂函數或者在通過操作 該模擬信號的接收電路不同級或組件之後發生的元件24的符號間幹 擾。在一種實施方案中，該濾波器係數是可編程的以考慮該傳遞函數 中的自適應和變化.該係數的選擇是根據測試信號或其它數據考慮到 如由不同探頭18所引起的傳遞函數中的探測差異，接收電路14和模 擬組件的不同處理特性或由於時間和溫度而產生的改變，對於代表單 個元件24的信號或沒有多路復用的信號，該數字平衡器46讓信號通 過，如在有著多路復用器係數為1的單個分支中不提供延遲. 解復用器48包括數字式解復用器，如一種切換網用於將信號從在 一個時分多路復用信息幀內的不同時隙分開.該解復用器48作為一種 有條件的解復用器工作.接收信號被數字解復用.例如，該解復用器 按照不同的榆出從不同的元件24輸出信號以用於束成形和由圖像處理 器16的其他圖像處理.對於傳統信號或無多路復用的信號，解復用器 48讓信息通過到達困像處理器16用於束成形.選擇分析處理器50包括數位訊號處理器，總處理器，專用集成電 路，模擬組件，數字組件以及它們的組合，用於將該模-數轉換器44 同該多路復用器26同步或為數字平衡器46選取係數。分析處理器50 對測試信號進行操作.探頭控制28使多路復用器26將已知的或預定 的數字或模擬測試信號傳送經過電纜22和接收電路14到達分析處理 器50,測試信號被作為校準功能的一部分加以傳輸，如根據用戶輸入或 探頭18到接頭32的連接.基本單元12控制測試信號，或者探頭控制 28自動發生測試信號.在選擇性實施方案中，周期性傳送測試信號. 例如，對時分多路復用信息的每一楨在報頭中傳送測試信號.根據測 試信號的周期性傳輸，提供同步和自適應平衡一種或二者.對於穩定 性，某些相位靈敏獲取序列，如用於都卜勒處理的獲取，通過同步或 平衡在調整相位中減小或不提供任何自適應和變化。根據對測試信號的分析，接收信號的多路復用或處理之一或二者 達到自適應.例如，通過將時鐘信號同步，多路復用器26的操作同模 -數轉換器44的搮作相適應，分析處理器50選取可選擇的延遲52， 用於參照模-數轉換器44將提供給多路復用器26的時鐘信號進行相 位調整.時鐘電路中的固定延遲，由於時鐘路線長度的可變延遲，多 路復用器的電路延遲，多路復用信號路線長度，分組延遲，以及放大 器和延遲的數位化都引發失調，導致由於模-數轉換器44而來自不同 元件24的混合信號，這些失調可以隨探頭18，接收電路結構，時間， 溫度以及處理而變.分析處理器50通過探測已知模式或測試信號判斷 每幀的開始.利用可選擇延遲52，加到模-數轉換器44和多路復用器 26上的時鐘信號的相位被加以同步.在選擇性實施方案中，該模-數 轉換器的時鐘信號相對提供給多路復用器24的時鐘信號調整相位，或 者使用一組或多組接收電路14去判斷多於一個多路復用器26公用的
時鐘信號相對於一個模-數轉換器44的另一時鐘信號的相位。自適應 時鐘調整簡化了多路復用控制電路和接收電路14以及探頭18之間的 接口。只提供一時鐘線或電纜22而無需另外的和分開的調整相位的信 息.在選擇性實施方案中，給探頭控制28提供分開的時鐘和調整相位 信號.在一種實施方案中，由接收電路14進行的處理被加以改變或隨分 析處理器52的測試信號而自適應.例如，分析處理器50從查閱表選 取係數或計算係數給數字平衡器46使用。數字平衡器提供符號調準或 移去符號間幹擾.分析處理器50將已知的或被儲存的測試信號同所接 收到的測試信號進行比較.然後將所接收的測試信號和所儲存的測試 信號之間的差別用於選擇係數.該係數是這樣選擇，使得該接收信號 沒有畸變或符號間幹擾被消除.在選擇性實施方案中，將來自多於一 個分析處理器50的處理結果用於選擇係數供數字平衡器46之用.在一種實施方案中，接收電路14包括收發開關.在以下討論的選 擇性實施方案中，不提供發射和接收開關.用2表示圖1的系統IO的操作的一種實施方案的流程困.在動作 70中，各種可能的探頭18, 20之一同基本單元12相連。選擇探頭18, 20 之一併將它附接到接頭32上.例如，用戶希望三維心臟成像，所以將 與時分多路復用相關的探頭18中的二維元件陣列連接.對與多路復用相關的探頭，測試信號在動作72內傳送.根據該測試信號，對多路復用或處理加以自適應.對於無多路復用的數據，動 作72作為選擇項或不提供該項.根據探頭18的連接發射測試信號， 根據用戶輸入，自動地或定期地對來自接收電路14的控制信號做出響 應.例如，測試信號作為初始校準過程部分傳送或在時分多路復用信 號的第一時隙的頭標中或每幀的其他時隙中傳送.將測試信號同預期 的測試信號進行比較，根據比較，對該接收電路的平衡係數或其他處 理加以調整或改變.另外或作為選擇，對測試信號的定時加以識別並 對可選擇延遲加以確定以便使模-數轉換電路44同多路復用26同 步.在動作74中，接收電路14被配置成具有不同的特性，這種特性 隨探頭的類型或從與接收電路14相連接的探頭18,20接收到的數據格 式而變。當數據格式對應於多個元件，如時分多路復用數據，則根據
對與單個元件或在探頭20中無千預電路相關的數據不同的阻抗，增 益，濾波，平衡，模-數轉換或其他處理對信號進行處理。各種特性 的任意一個或二個或多個的組合都可以隨數據格式而改變.也可以或 選擇性地改變另外的或不同的特性.動作74可以在動作72之前或之 後完成.然後將該模擬信息數位化.對於時分多路復用信息，模-數轉換 器44和多路復用信息同步.然後將該多路復用信號解復用用於束成形 或其他成像處理.發射和接收隔離傳感器元件24可用於將發射通道同接收通道相隔離，這種技術既 可以用於上面所討論的探頭18,20也可以用於有著不同接收電路的另 一種探頭。儘管這種隔離技術對於單個元件傳感器，線性陣列或在探 頭中有著有限或沒有發射或接收電路的情況是有用的，但是對於有著 在探頭內裝有至少部分發射和/或接收電路的多維傳感器陣列，如上面 所討論的時分多路復用探頭18那樣，使用傳感器元件24隔離發射和 接收通道是特別有用的.全充填的多維傳感器陣列要求大量的發射和 接收通道.通過將發射或接收電路置於探頭之內並提供多路復用，從 探頭18至基本單元12的電纜22或通道的數量被降至最小.但是，發 射和接收電路共同存在於一個小空間，因而使接收電路同發射電路的 高壓隔離變得困難。高壓開關，如能夠承受200伏反轉電壓的切換， 是難以同其他接收電路，如多路復用器， 一起集成的.用傳感器元件 取代高壓發射和接收開關用於將發射通道同接收通道隔離.圖3顯示隔離或分開發射路徑62和接收路徑64的傳感器元件 24。在發射路徑62和接收路徑64之間避免直接連接.元件24將路徑 62，64加以隔離以允許高壓傳輸而不會使接收路徑64遭受高壓.在一 種實施方案中高壓器件是作為發射路徑62部分而不是作為接收路徑 64部分提供的。在選擇性實施方案中，高壓器件是在接收路徑64上提 供的.元件24包括多維或線性陣列中多個元件之一.可以將1.5維和2 維陣列作為MxN元件柵網的多維陣列的代表，其中N和M均大於1. 對於多維陣列，其元件可以是小的並且同線性陣列的元件24相比具有 高的阻抗。由於使用多路復用器和探頭18同電纜22相關的寄生負栽
也不存在或得以降低.同低的阻抗相比，可以使用較小的發射脈衝器 和很低功率的前置放大器以提供較低阻抗的元件阻抗.元件24包括二個電極80和82.該電極80和82位於元件24的 對立面，如一個在射程方向該元件的頂部， 一個在底部.電極80同電 極82沒有電連接。分開的信號跡線包括電極80和82的每一隻電極或 同每一隻電極相連接.每一元件24同二個或二個以上分開的信號跡線 相關聯用於相關的分開電極80，82.在選擇性實施方案中，二個或二個 以上電極共用一條相同的信號跡線. 一隻電極80連接到發射路徑62， 另一隻電極82連接到接收路徑64。元件24沒有如由被直接接地的電 極所提供的直接對地的連接.發射路徑62同電極80連接，用於將發射波形加到元件24.該發 射路徑62包括至少一條至探頭18內元件24的信號跡線.在其他的實 施方案中，將另外的發射電器，如波形發生器84，切換驅動器87以及 控制器88併入發射路徑62中和探頭18中。在選擇性實施方案中，將 控制器88，驅動器87，波形發生器84或它們的組合置放在探頭18的 外面，如放在基本單元12之內.波形發生器84包括一個或多個高壓電晶體，如FET電晶體，用於 發生單極的，雙極的或正弦波形.圖4所示是用於發生單極波形的晶 體管波形發生器84的一種實施方案.二隻高壓電晶體86，如至少承受 200伏電壓的CMOS FET電晶體，串聯在電壓源和地之間.在一種實施 方案中， 一個電晶體包括PFET,而另外一隻電晶體包括NFET.電晶體 86在電極80處提供單極波形的高壓和接地驅動。因為發射波形發生器 84包括開關器件，功率的消耗是最小的.對每一元件24，這種電路使 用大約O. 2 mm2的管芯面積.對於1536個元件的二維陣列，大約使用 307 mm2的管芯面積。可以採用其他的集成格式，如在較小的專用集成 電路中提供高壓FET電晶體組.在選擇性實施方案中，可以使用如數 -模轉換器的其他設備用于波形發生.圖5顯示用於發生雙極波形的電晶體86的網絡圖。4隻電晶體86 允許發生以正壓，負壓或零壓結束的雙極波形，如果該雙極波形能夠 僅以一種極性結束，如正壓，則可以使用三隻電晶體.在這些電晶體 之中，圖4和圖5的Q'和Q2可以具有從漏極至源極的積分反向二極體， 而電晶體Q3和Q4避免這種反向二極體配置以防止導通至該二極體.可 以使用電晶體86的其他配置和網絡結構，電晶體86的每一隻連到一參考電壓，如正電壓，負電壓或地.如 圖4所示， 一隻電晶體86接地，而另一隻電晶體86接到正的或負的 電壓.如圖5所示，二隻電晶體86接地， 一隻電晶體接正電壓，另一 只電晶體接負電壓.驅動器87包括一電晶體或FET驅動器，用於控制波形發生器84 的操作.在選擇性實施方案中，可以使用其他的驅動器.驅動器87作 為專用集成電路部分被集成，但可以具有獨立的器件和包括總處理 器。驅動器87能提供用於操作電晶體86的電壓變化。例如，圖4中 的電晶體(h是通過施加來自驅動器87的10伏或0伏信號而得到控制. 而電晶體Q,是通過施加來自驅動器87的200伏或190伏信號而得到控 制.控制器88包括總處理器，模擬組件，數字組件，專用集成電路和 它們的組合，用於控制同一個或多個元件24相關的一個或多個驅動器 87。在一種實施方案中，控制器88同驅動器87集成在相同的專用集 成電路上，但是也可以是分立器件.控制器88輸出二進位信號以控制 驅動器87的操作和發生器84的波形.在一種實施方案中，控制器88 根據從外部至探頭18提供的簡羊控制信號為整個陣列或分陣列外推或 選擇發射配置或波形參數.在選擇性實施方案中，該控制器位於該探 頭外部。接收路徑64包括至少單一信號跡線，該跡線同元件24上與發射 路徑62相對的一個面上的電極82相連.在其他的實施方案中，接收 路徑64包括一個或多個二極體90, 92，前置放大器94和多路復用器 96.可以將另外，不同的或較少電路作為接收路徑64部分提供，如濾 波器。探頭中的電子學部分可以不包括顯示濾波器，其中傳感器元件 本身可以將接收信號加以濾波，和/或放大器的自然低通響應也足以將 接收信號加以濾波.該接收路徑包括在有著元件24的探頭18之中. 在選擇性實施方案中，不提供多路復用器，而是在同探頭18分開的基 本單元12內或在探頭18內提供前置放大器94.電纜22將接收路徑同 基本單元12相連接.二極體90和92包括肖特基二極體或其他的高電流，低電壓二極 管器件。在一種實施方案中，二極體90和92沒有靜態功率消耗.二 極管90和92的每一隻用相反或不同的極性接地.二極體90和92包 括二極體箝位以限制在接收路徑64上電極82上的電壓波動，例如， 二極體90和92將電壓的濾波限制到正或負0. 2~0. 7伏.在選擇性實 施方案中，可以使用電晶體或其他的器件限制電極82上的電壓.在一種實施方案中，二極體90和92同前置放大器以及多路復用 器電路94和96 —起被集成在專用集成電路內.可以提供其他的集成 格式，如在較小的專用集成電路內提供分離的二極體陣列和分離的前 置放大器/多路復用器電路.前置放大器94包括一隻或多隻電晶體，用於放大來自電極82的 信號.例如，利用7伏BiCM0S處理或其他電晶體處理提供具有電流輸 出的差分BJT對。使用具有5伏電源每通道為20MA允許每通道的功 耗為0.1毫瓦。可以使用有著不同消耗以及相關組件和特性的其他前 置放大器。該前置放大器94也可以選擇性地，或另外包括時間或深度 增益控制放大器或濾波器，對於集成在探頭18內的時間增益控制放大 器，可以使用提供某些但非全部時間增益補償的低功率設備.在選擇 性實施方案中，提供一種較大的，更大功率消耗可變的放大器.多路復用器96包括切換網，如將多條發射路徑64的信號多路復 用至一條電纜22上的電晶體和模擬採樣和保持電路，例如，多路復用 器96包括一個8對1的多路復用器，用於將來自8個不同元件24的 信號多路復用至模擬信息的一幀之內.在一種實施方案中，多路復用 器96對8條接收路徑64的總的96 MSPS給每一接收路徑64提供12 MSPS.接收路徑64的電路沒有高壓器件並且可以在探頭18的一個小 的空間內集成到專用集成電路內或其他的通用電路內.分別將發射和接收路徑62和64連接到相對電極80和82上以將 發射路徑62的高壓和高壓器件同接收路徑64的低壓器件相隔離。圖6 顯示使用圖3元件24用於發射和接收的一種實施方案的流程圖.在動 作100中，將高壓發射波形提供給傳感器元件24，並且在動作102中 將接收路徑64的電壓加以限制.基本上，發射路徑62上的電壓在動 作106內得到限制而在動作104回波信號在接收路徑64上被接收.元件24的發射和接收操作沒有在發射和接收路徑62和64之間進 行選擇的切換.根據來自控制器88的控制信號，驅動電路86使波形 發生器84在動作100內發生高壓(如200伏)發射波形.在波形發生 器84處於探頭18之內時，該發射波形是在該探頭18內發生.該發射 波形被加到元件24的一隻電極80.另一隻電極的電壓在動作102中作 為接地或D.C.參考電壓受到有效地限制.二極體90和92箝制連接到 電極82的接收路徑64的電壓，使之同發射波形的高壓相比處於一個 小的範圍之內，因此，元件24由於電極80和82上的電位差而發生聲 音信號.元件24還將發射路徑62同接收路徑64相隔離，防止在沒有 高壓切換時對接收電路的損壞。對於隨後在動作104內接收操作，發射路徑62的電壓被加以限 制。在一種實施方案中，波形發生器84的電晶體86將接地或參考電 壓連接到電極80。例如，在圖4中所示波形發生器84的Qz的開關為 "接通"時將電極80接地，在一種選擇性實施方案中，將另一種參考 電壓，如經Q,加上的正電壓，連接到電極80以限制電極80的電壓波 動或變化.儘管發射路徑和相關的電極的電壓在動作106內被加以限 制，但電信號是根據由動作104中的元件24接收的聲音回波信號在電 極82上發生的。因為所接收的電信號是小的，如小於0.2伏，二極體 90和92避免了在接收信號內引入噪聲或將接收信號削波.接收信號被 加以放大，濾波，多路復用或加以處理，用於經電纜22傳送給基本單 元12。例如，放大器94將信號放大並根據時間調節該電信號的增益. 多路復用器96將具有響應不同傳感器元件24的其他電信號的電信號 多路復用，對同其他元件24相關的接收通道64重複同樣的過程.進 行發射和接收操作而沒有進行用於連接電極的發射和接收路徑之間的 選擇.在接收和發射期間，每條發射和接收路徑62和64分別實行接 地，或者將電極80, 82維持在參考電壓.使用圖4中所示的波形發生器84,可以發生以零電壓或正電壓結 束的單極波形，該單極波形發生器84能夠對正或零電壓狀態結束而不 會對電路產生損害. 一種選擇性實施方案通過交換NMOS和PMOS器件 和利用負性電源允許在另和負壓之間發生單極波形。在任何一種情況 下，不管該單極發射波形在0伏還是在其他電壓下結束都提供低的阻 抗條件.圖7顯示二種鏡像對稱單極波形108和110.笫一單極波形108 在低態或另伏水平開始，包括正電壓脈衝，返回零電壓電平，然後在 高態或正電壓電平結束.隨後的羊極波形110從高態或正電壓開始而
在低態或零電壓結束.因為一種波形在較高電壓開始和以較低電壓結束，而另一波形108在較低電壓開始和以較高電壓結束，兩個波形有 著相同的周期性，二個波形之和基本上為另值，利用在不同電壓開始 的發射波形時基本考慮是電晶體86的上升和下降時間的差別以及其他 性能的差異.在選擇性實施方案中，高態為另伏特而低態為負電壓.單極波形發生器84的鏡像對稱能力為利用單極發射波形的相位反 轉給組織諧波或其他諧波成像創造了條件，隨著對應於發射波的聲音 能量在組織內的傳播和散射，發生該基本發射頻率的二次諧波或其他 諧波的能量.與每一單極波形相對應的接收信號包括基本頻率以及諧 波頻率的信息.當把響應相位反轉的發射單極波形的接收信號加以結 合或相加之後，基本頻率的信息被對消，剩下的只是諧波頻率的信息.利用簡單的單極波形提供根據發射波形的相位反翻的諧波成像， 用於發生單極波形的電晶體86被設計成避免上升時間和下降時間的失 配，將由波形發生器84所引入的諧波信息量減至最低。元件24的材 料在一種實施方案中具有高的極性調整電壓以減少操作差異或由於最 初發生在二種不同的DC偏置點(例如0和+ V)的接收失配.對在基 本單元內或探頭內具有發射通道的系統，和使用發射和接收切換的系 統，可以使用相位反轉單極脈沖發射.多維傳感器可以使用有著上面所討論的任何發射和接收路徑，探頭和接收電 路的各種傳感器.圖8-11所示是一些這樣的多維傳感器陣列，它們 用於以基於時分多路復用和元件的發射和接收路徑隔離的全採樣.時 分多路復用減少了通道數或電纜22的數量而對由基本單元12進行的 束成形沒有限制.分開的信號跡線或將相對電極80和82連接到發射 和接收路徑允許將發射和接收電路集成在探頭18內而沒有功率消耗的 發射和接收切換.可以使用多維傳感器的各個方面而同實施方案的其 他方面無關，如使用沒有時分多路復用或在探頭18中的其他電路集成 的特殊元件間隔.圖8顯示元件24的一種2維陣列200。元件24沿豎向和橫向以一 種柵格方式間隔開。沿豎向同沿橫向相比，可以使用不同或相同數量 的元件24。沿橫方向在列204提供多個元件24.元件24沿橫方向具 有間距或間隔.在一種實施方案中，使用1/2波長間距，沿橫方向從
一個元件24的中心至相鄰元件24的中心提供1/2波長的距離.例如， 在一組為工作在2. 5 MHz設計的陣列中，間距為300pm.也可以使用 其他的間隔。沿豎向在行202內提供元件24.沿豎向的間距或間隔大於沿橫向 的間距或間隔，在一種實施方案中，沿橫向的間距是沿豎向間距的2/3 或小於2/3,如1/2.對於上面給出的2.5 MHz的中心頻率陣列例子， 豎向間距是600/iffl或一個波長.對於大的間距，每個單個元件可以被 細切割以便正確操作或維持所希望的元件24的寬厚比.在上面提供的 實例中，元件24沿豎向被細切割，如在每陣列中心提供穿過大約90 %的PZT材料的切割延伸，但不沿橫向細切割.也可以使用其他的細 切割深度.圖8顯示3二個元件24.在選擇性實施方案中，可以提供不同數 量的元件，如在64個橫向分隔的行202中和在24個豎向間隔開的列 204中共有1536個元件，或在64個橫向間隔的行202中和在3 二個 豎向分隔的列204共有2048個元件。圖9顯示集成陣列200的探頭18。探頭18包括陣列200，柔性電 路材料或信號跡線206， 208，多塊電路板210,電容器212以及一束 電纜22.這些組件包容在塑料或其他人機過程成形的探頭蓋或外殼之 內。在探頭18內還可以包括少數不同的或另外的組件.柔性電路206， 208包括Kapton或其他可活動的，薄的電絕緣材 料，在它的一面或兩面沉積有信號跡線，此處使用柔性電路用以描述 具有一種或多種電導體的任何柔性或非剛性材料，在一種實施方案 中，該柔性電路材料為50Mm厚.對分開的發射和接收路徑提供各自 的柔性電路材料206和208.例如， 一種柔性電路206從陣列200的 元件24的一側提供電極和跡線，而另一柔性電路208包括來自陣列200 的元件24的反面或不同側面的電極和跡線.圖IO顯示陣列200的豎剖面和二種柔性電路206和208的相關連 接.陣列200沿豎方向再細分為4個模塊222.此外，陣列200也可 以沿豎向細分為不同的或較少的模塊222。例如，只使用一個，二個， 3個或多個模塊。每模塊具有相關的柔性電路206和208對。每一模塊 222包括沿線束方向的多層，如第一匹配層218，從第一柔性電路208 形成的在元件24的頂部的第一電極層，笫二匹配層216，元件或壓電(PZT)層214，在從笫二柔性電路208和背襯材料220形成的壓電層 214的底側上的第二電極.也可以一個，多個或全部模塊222中提供另 外不同的或較少的層面.例如，只使用一個或3個或多個的匹配層 216, 218，或者將2個匹配層216和218都放置在頂部電極和柔性電 路208的頂側.二種不同的柔性電路208和206沿一個或二個模塊側面從PZT材 料或層面214朝著和沿背襯材料220摺疊.在元件24的雙倒或頂部和 底部對元件24的每一個提供分開的信號跡線.對元件24的每一個在 其柔性電路206上提供分開的信號跡線，和對元件24的每一個在柔性 電路208上提供分開的信號跡線.每一元件24獨立同沿元件24的束 方向上的頂部和底部的分開的信號跡線相連接。分開的信號跡線為以 元件為基礎的發射和接收路徑的隔離提供了條件.公共地同多個元件 24相連接。通過2或4層柔性電路206， 208，每一模塊222背襯材料220同 另一模塊222的背襯材料220相分開。通過1或2柔性電路層208將 一個模塊222的PZT層214同另一模塊222的PZT層分開.PZT層214 的寬度大於背襯材料220的寬度以考慮由於柔性電路206， 208的不同 數量所引起的不同厚度.通過具有薄的柔性電路材料，藉助於儘量減 小不同模塊222的元件24之間的間隔避免了負面超聲效應.再參照圖9，柔性電路208和206被顯示為在分離開元件200陣 列的方向寬度增大.增大寬度為信號跡線同單個元件24的分隔較大提 供了條件.較大的間隔提供的信號跡線間的電容耦合較小.圖9顯示多塊印刷電路板210，如7塊電路板210.在選擇性實施 方案中，在探頭18中提供單塊電路板210，不同數量的電路板210或 沒有電路板.在一種實施方案中，6塊電路板210包括發射和接收電 路，如上面討論的探頭集成電路.每一塊發射和接收電路板210與6 個豎直彼此隔開的模塊222之一相連.在選擇性實施方案中， 一塊電 路板210和在不同模塊222中的元件24相連接，或者相同模塊222中 的元件24同不同的電路板210相連接.第7塊電路板包括一控制邏輯 電路板.該控制邏輯電路板同基本單元接口連接用於操作發射和接收 電路。探頭18的印刷電路板210和其他組件被製成大小適合裝在探頭 18的手柄之內。該探頭18的設計適合於用戶人機操作，如在直徑上小
於4英吋或提供抓柄.在一種實施方案中，該電路板包括一個或多個多路復用器，例如， 提供8對1的多路復用器用於將信號多路復用從元件24至192系統通 道或電纜22.在其他的實施方案中，提供或多或少的多路復用器用於 有著或多或少電纜22或系統通道的情況.例如，提供64排202和32 列204的陣列200帶有的多路復用器用於在256根電纜22上傳送時分 多路復用信號.在具有陣列200的探頭18內提供多路復用器，使電纜 22及相關的系統通道或信號線數小於陣列200的元件24的數目.例 如，沿豎直方向的元件數與沿橫方向的元件數的乘積大於電纜22的數 目，利用任何已知或以下開發的接頭或連接技術將電路板210同柔性 電路206及208相連接.對每一元件24使用二個或多個分開的信號跡 線提供二倍於元件24數目的電連接.在陣列製造之前該接頭被附著到 柔性電路206， 208上。在一種實施方案中，提供球狀柵網陣列(BGA)， 或其他塊矩陣形或其他結構的陣列用於將跡線焊接到柔性電路206和 208上。可以使用小間距矩陣型BGA連接頭.例如，該BGA將接收路 徑信號跡線接到多路復用器，然後多路復用器和印刷電路板相連，從 而減少了到印刷電路板的連接數目.在另一種實施方案中，將發射或 接收電路沉積或形成在柔性電路上，從而使從柔性電路206， 208至印 刷電路板210所需要的連接較少.還有另一種實施方案，在柔性電路 和印刷電路板之間提供，如跨接線或其它互連的直接連接。圖IIA和IIB表示在製造陣列200的過程中的工序.困IIA顯示 元件24的三塊模塊。每一模塊222包括至少在N x M陣列中元件24的 2行和2列。每一模塊222的PZT層214和相關的柔性電路208， 206 是對每一模塊222獨立切割的。切割包括沿橫向或豎向的一種或兩種 切割以形成元件24.通過對每一模塊222分別將電極或柔性電路208， 206切割，可以分別對每一模塊222加以測試.分開測試為在最後組裝 之前扔棄失效模塊222創造了條件，例如，對模塊222的每一塊的每 個元件24進行適配性或聲音測試。每個分開切割的模塊222的形成如圖IO所示.可以使用任何各種 製造工藝，和提供的不同的組裝順序.在一種實施方案中，將第一匹 配層216，壓電層214和位於該壓電層214底部的柔性電路206堆到 背襯層220的頂部.使用帶有針和相關孔或模板的精密工具將這些層 面對準.底部柔性電路206在兩面具有信號跡線，用於連接不同的元 件24.然後將對準的層面結合或膠合在一起.在結合之後，將柔性電路材料206的底層沿壓電層214下面的背 襯層220的兩面摺疊.該背襯層220的寬度比壓電層214的寬度窄大 約l或2層柔性電路206的寬度.在一種實施方案中，該柔性電路206 在背襯層220的兩面被摺疊，但也可以只在一面摺疊.通過將部分模 塊222通過用Teflon塗層的或有著結合材料或膠的其他結構將該底部 柔性電路206緊緊地粘合到背襯材料上.作為選擇，在結合頂部柔性 電路208的後來工藝中將該底部柔性電路206結合到模塊222的兩個 面上.第一匹配層216和壓電層214沿橫方向切割.例如，形成6個大 的切割縫，它向該柔性電路材料206延伸但不穿透柔性電路206.沿橫 向也可以形成小的切割縫。這種小的切割縫向壓電層214內部延伸大 約90%。還可以使用其他的切割深度。使用環氧樹脂，矽膠或其他材 料將切割的縫填充。可以使具有較高聲音阻抗的縫填充材料是因為只 有在模方向的壓電層214和第一匹配層216被切割.在選擇性實施方 案中，其他層沿橫向被切割並且使用較低的聲音阻抗的縫填充材料. 在選擇性實施方案中，不使用縫填充材料.第一匹配層216的表面接地，或者如有必要經處理以去除任何多 餘的縫填充材料。利用針和孔或模板將頂部柔性電路208和笫二匹配 層218對準並結合在一起.然後將該粘合後的頂部柔性電路208結合 到底部匹配層216.在選擇性實施方案中，將頂部柔性電路208和頂部 匹配層218對準並結合到模塊222上的底部匹配層216，作為同填充 其縫相關的一種操作.頂部柔性電路208及相關的信號跡線相對底部柔性電路206及相 關的信號跡線的位置處於足以使每一元件24在分開的信號跡線的公差 之內.例如，正負50Mm的公差允許沿豎方向每個元件24之間有100 pm的切割區而不會有損害地切斷信號跡線.其他的公差和距離也是可 能的。對準是利用精密工具的針和孔，模板或光學調準完成的.通過 在模塊222兩側上提供柔性電路206， 208上的信號跡線，提供了較為 稀疏的信號跡線，從而允許有較大的切割窗口.在選擇性實施方案中，
提供較大的信號跡線密度，並在模塊222的一面提供柔性電路206和 208.頂部柔性電路208沿壓電層214和背襯層220的一面或兩面折 疊.柔性電路208從壓電層214朝背襯層220延伸.在信號跡線是在 底部柔性電路206的頂面或朝外面上和在頂部柔性電路208的底面或 朝內面上時，在兩柔性電路206和208之間加入絕緣層.例如，在組 裝之前或組裝期間，將25pm或其他厚度的Teflon或非導電材料加到 柔性電路206的一面或兩面.因此，藉助於通過具有Teflon塗層或其 他塗層的框架上部的乘性電路208被粘合到模塊222的面上.柔性電 路和相關的電極都被結合到模塊222上.然後將模塊進行豎向切割，如切割成元件24的64列204.該切割 穿過柔性電路206和208以及壓電層214伸入背襯層220.在一種實 施方案中，不提供小的切割縫，但可以使用小切割縫.在一種實施方 案中，用顯微鏡對頂部柔性電路208進行檢查以達到在光學上將切割 鋸齒對準。豎向切割同前面的橫向切割相結合規定了元件24。可以在 同一時間或不同時間提供每一模塊222的豎向切割.切割使之對每一 元件24有著頂部和底部分開的電極和相關的信號跡線而不會使所有的 元件都接地到一個公共面上.在選擇性實施方案中，對每個元件24隻 有一分開的信號跡線使用接地面.如圖11B所示，分開切割的模塊222被加以對準.模塊222的位 置沿豎向或橫向相互鄰近以形成較大的元件24陣列200.用一個或多 個柔性電路206， 208將每一模塊222同另一模塊222相分開.在一種 實施方案中，每一模塊222代表元件24的64橫向分隔的行202和4 或6豎向分隔的列204.通過將在豎向和橫向的4或6個模塊222對準， 提供元件24的64 x 24柵格.可以使用其他數目的模塊，大小和元件 柵格數，有和沒有用柔性電珞206， 208使模塊222分隔開.頂部柔性電路208具有在底面形成的信號跡線，所以該柔性電路 208在電性上將一個模塊222的信號跡線同另一模塊222的信號跡線 相絕緣.在選擇性實施方案中，在二個模塊200之間放置絕緣體材料， 如Kapton或其他材料，用於信號跡線的電性絕緣.在對準之前，2通過Teflon復蓋的框架或其他有膠或其他結合材 料的框架向每一模塊22施壓.施壓使柔性電路206和208沿模塊222200710141312.4說明書第22/24頁的兩面緊密吻合以減少模塊之間的任何分離.模塊222被裝在框架224之內.該框架包括石墨材料，另一種導 電性材料，或其他非導電性材料.4個模塊222既可以加壓配合在框架 224之內，也可以裝在框架224之內.當被裝在框架224之中時，模 塊222的壓電層PZT 214之間的間隔為50- 150 pm，但也可以使用其 他的間隔.該間隔是由於每一模塊222的壓電層214之間的乘性電路 材料的結果.50 - 150 um的間隔相應於比正常的縫寬大O-lOOMm. 可以使用其他相對寬度。減小模塊222之間的分隔就減小了豎向的射 線束寬度或豎向點擴展函數。框架224將模塊222沿二個方向對準， 但是在橫向上可能提較低的公差.通過手工光學對準，針和孔對準或 將框224作為一種模板的精密匹配可以提供較高公差的對準.在模塊222被對準在框架224之後，用矽膠或其他縫填充材料將 單個切割的縫填充.這種縫填充材料也可以用來將模塊222相互並結 合到框架224上。在選擇性實施方案中，模塊222的縫填充是在對準 之前進行的.在選擇性實施方案中，不使用縫填充.而是將透鏡材料 保護層，或其他聚焦或非聚焦的聲學透明材料保護層放置在陣列200 之上或其周圍，例如，在陣列208之上形成高溫或室溫疏化矽膠，在 陣列200被全採樣的情況下，提供另外的保護層用於不聚焦或有限聚 焦。柔性電路206， 208以及相關的信號跡線連接到印刷電路板或多路 復用器。該多路復用器的輸出連接到電纜22.該電纜將陣列200的元 件24電連接到基本單元12.在選擇性實施方案中，提供不同的多維陣列，具有集成在探頭18 之內的多路復用器和/或用傳感器元件24提供的發射和接收路徑的隔 離，多路復用允許多通道向單通道上的多路復用，如通過時分多路復 用.多路復用的數量，所希望的帶寬，中心頻率以及時鐘速率決定所 使用的多路復用數量.例如，具有40MHz時鐘速率的系統可以使用高 至25 MHz的中心頻率傳感器，假定Nyquist採樣速率高至1.6倍該中 心頻率。採用多路復用技術，可以降低中心頻率以減少系統通道或電 纜22的數量。在上面的例子中，2:1的多路復用器允許使用有著120 %帶寬高至12. 5 MHz中心頻率的傳感器，但是將使用一條電纜22的 元件24的數量翻倍。3:1的多路復用器允許使用高至8.3 MHz中心頻
率的傳感器，4:1允許6. 3MHz, 5:1允許5. 0MHz， 6:1允許4. 2MHz, 7:1允許3. 6 MHz， 8: 1允許2. 5 MHz.較高的時鐘速率允許既有更多 的多路復用，或者有更高的中心頻率傳感器.某些多維陣列提供沿笫一方向用N個元件排列和沿笫二方向用M 個元件排列的多個傳感器元件，其N個大於1和M大於1但M不等於N. 例如，元件24的多PZT層線性陣列，1.5D， I-束，+-束或其他陣 列具有不同的元件24分布。探頭容納元件24的陣列200,位於探頭內 並連接到該多個傳感器元件24的至少二個的多路復用器使得有較大數 量的元件24而較少連接到基本單元22的系統通道數或電纜22數提供 了條件.多路復用允許1.5維的傳感器陣列有較高的解析度使用，如在橫 向內有著2或多於2的96元件24的豎行。例如，用2:1時域多路復 用，具有3或4行96元件24的1. 5D陣列使用其頻率高至5 MHz 的192系統通道或電纜22。用96個元件24的7區段或行的7:1多路 復用，其陣列在40MHz時鐘速率系統內可用192個系統通道或電纜22 工作高至3. 6 MHz。具有被隔離的左右豎光闌分隔的元件24的平凹傳感器也可以得益 於多路復用。例如，參見在US專利6， 043, 589中所描述的陣列，將其 公開的內容引入此處作為參考.通過將來自具有來自另一個元件的信 號的一個或多個元件的信號多路復用，二個或三個被分段的陣列可操 作在較高的中心頻率和/或用更多的元件.配置成2或更多分開的或增加線性或彎曲線性陣列的傳感器也可 以得益於多路復用。第一線性陣列沿一個方向定位和笫二線性陣列沿 第二方向定位或者不與笫一陣列平行，例如，在US專利6， 014, 473中所討論的各種I-束，+-束或其他陣列，此處將其公開內容引為參 考，使用多路復用為更大數量的具有相同或較少電纜22的元件創造了條件.在這一實例中， 一個線性陣列用於成像和一個或多個其他正交 陣列提供跟蹤信息。通過多路復用，利用跟蹤陣列的系統通道或電纜 的困像解析度的丟失較少。例如， 一個成像和二個跟蹤陣列每個使用 具有3: 1多路復用至192根電纜22的192個元件24.雙層或多層傳感器陣列可以得益於多路復用.在元件24的線性或 其他陣列中的2或多層PZT被用於諧波成像.沿橫向的一個或多個元 件24的一維陣列具有沿束方向的元件24或PZT層面.例如，在號碼為_(序號10/076，688，提交日期2002年2月14日)和5， 957， 851的US專利中公開的陣列使用用電極分開的元件24的多層.多路復用 為較大數量的可分開尋址的PZT層和/或元件24創造了條件. 一層對 另 一層相對定相提供給基波工作或諧波工作.如二維陣列或單一線性陣列的元件方形柵格也可以受益於多路復用.多路復用為具有較少系統通道或電纜22的更多元件提供了條件， 多路復用為二維或三維成像提更高的解析度和/或更快速的掃描.儘管參照各種實施方案已經在上文對本發明進行了描述，但應當 理解可以做出許多變化和修改而不會偏離本發明的範圍.因此，其意 圖是將前面的詳盡描述理解為對本發明現在優逸實施方案的一種展示 而非本發明的限定。只有如下的權利要求，並包括所有的等同項，才 是旨在限定本發明的範圍.
權利要求
1.製造多維超聲傳感器陣列的方法，該方法包括(a)將第一元件模塊切割；(b)將第二元件模塊切割；和(c)在(a)和(b)之後將第一和第二模塊對準，第一模塊鄰近第二模塊；其中對準的第一和第二元件模塊包括在橫向和豎向面內的多維元件陣列。
2. 權利要求1的方法，進一步包括(d) 將對準的第一和第二模塊裝入框架；和(e) 在(d)之後填充對應於(a)和(b)的切縫.
3. 權利要求1的方法，其中(a)包括形成元件的笫一分陣列，該 第一元件分陣列具有至少兩行元件和至少兩列元件，其中(b)包括形 成元件的笫二分陣列，第二元件分陣列具有至少二行元件和至少二列 元件。
4. 權利要求1的方法，進一步包括(d) 在U)之前將二層電極和第一壓電材料結合；和(e) 在(b)之前將二層電極同第二壓電材料結合；其中(a)包括切割第一壓電材料和(b)包括切割笫二壓電材料.
5. 權利要求1的方法，進一步包括(d) 將第一柔性電路層沿第一模塊的第一面摺疊，使得笫一柔性 電路層從第 一壓電材料朝笫 一 背襯材料延伸；(e) 將笫二柔性電路層沿第二模塊的笫二面摺疊，使得笫二柔性電路層從笫二壓電材料朝第二背襯材料延伸；其中(c)包括把第二模塊的第二面與第一模塊的第一面鄰近對 準，第一和笫二柔性電路層將所述笫一和第二面分開.
6. 權利要求1的方法，其中(a)包括同時切割通過由笫一模塊的 壓電材料分隔開的第一和第二層柔性電路材料，和(b)包括同時切割 通過由第二模塊的壓電材料分開的第三和第四層柔性電路材料，其中(a)和(b)是同時進行的工藝動作或者是在不同時間進行的工藝動 作。
7. 權利要求1的方法，進一步包括(d) 將多路復用器同至少二個元件連接；和(e) 將笫一和笫二元件模塊以及多路復用器定位在探頭內.
8. 權利要求7的方法，進一步包括(f )將多條電纜連接到多路復用器，該多條電纜的數目小於元件 的數目。
9. 權利要求7的方法，其中(e)包括將電路板定位，該電路板至 少包含探頭內的多路復用器.
10. 權利要求1的方法，其中(a)包括沿橫向切割，其間隔大約 小於沿豎向的一半。
11. 用於超聲成像的多維傳感器陣列，該陣列包括 沿第一維間隔開的笫一多個元件；和 沿第二維間隔開的第二多個元件，第二維不同於笫一維； 第一和笫二多個元件的各元件的頂面上的笫一分開的信號電極；和第一和第二多個元件的各元件的底面上的笫二分開的信號電極.
12. 權利要求11的陣列，其中笫一多個元件具有的第一元件至元 件的間隔小於笫二多個元件的笫二元件至元件的間隔，
13. 用於超聲成像的多維傳感器陣列，該陣列包括 沿第一維用N個元件排列和沿第二維用M個元件排列的多個傳感器元件，其中N大於1和M大於1但不等於N; 容納多個傳感器元件的探頭；和連接到多個傳感器元件中的至少二個的多路復用器，該多路復用 器位於探頭內，其中多個傳感器元件包括1.5D陣列，
14. 用於超聲成像的多維傳感器陣列，該陣列包括 沿第一維用N個元件排列和沿第二維用M個元件排列的多個傳感器元件，其中N大於1和M大於1但不等N; 容納多個傳感器元件的探頭；和連接到多個傳感器元件中的至少二個的多路復用器，該多路復用 器位於探頭內，其中多個傳感器元件包括沿第一維的一維元件陣列和 沿第二維的元件層，該第二維包括束維.
15. 用於超聲成像的多維傳感器陣列，該陣列包括 沿笫一維用N個元件排列和沿第二維用M個元件排列的多個傳感 器元件，其中N大於1和M大於1但不等於N; 容納多個傳感器元件的探頭；和連接到多個傳感器元件中的至少二個的多路復用器，該多路復用 器位於探頭內，其中多個傳感器元件包括具有隔離的左右側豎向光闌並且厚度作為豎向光闌的函數而變的陣列.
16. 用於超聲成像的多維傳感器陣列，該陣列包括 沿笫一維用N個元件排列和沿第二維用M個元件排列的多個傳感器元件，其中N大於1和M大於1但不等於N; 容納多個傳感器元件的探頭；和連接到多個傳感器元件中的至少二個的多路復用器，該多路復用 器位於探頭內，其中多個傳感器元件包括沿笫一維的笫一線性陣列和 沿笫二維的第二線性陣列.
17. 用於超聲成像的多維傳感器陣列，該陣列包括 沿第一維間隔開的笫一多個元件；和 至少一個沿第二維間隔開的元件，第二維不同於第一維； 第一多個元件的各元件和所述至少一個元件的頂面上的第一分開的信號電極；和第一多個元件的各元件和所述至少一個元件的底面上的第二分開 的信號電極。
18. 權利要求11的陣列，其中所述元件包括微電子機械元件.
19. 用於超聲成像的多維傳感器陣列，該陣列包括 沿第一維用N個元件排列和沿笫二維用M個元件排列的多個傳感器元件，其中N大於1和M大於1但不等於N; 容納多個傳感器元件的探頭；和連接到多個傳感器元件中的至少二個的多路復用器，該多路復用 器位於探頭內，其中所述元件包括微電子機械元件。
全文摘要
提供傳感器陣列和製造該傳感器陣列的方法。提供一種多維傳感器陣列，其中沿一個方向的元件至元件的間隔或間距小於沿第二方向的元件間隔或間距。從多個模塊製造具有相同或不同間距的多維傳感器陳列。每一模塊都被分別切割，然後對準和組合。傳感器陣列元件被用於將發射通道同接收通道隔離。為每個元件在各元件的對立面單個提供分開的信號線或跡線。發射通道可以連接到一個元件上的一個電極，接收通道則可以連接到該元件上的相對電極。每個元件上的分開的信號跡線允許該元件隔離發射和接收通道。提供用於時分多路復用的多維陣列。多維陣列具有沿不同方向的不同元件分布。
文檔編號G01N29/24GK101116623SQ20071014131
公開日2008年2月6日 申請日期2003年6月27日 優先權日2002年6月27日
發明者G·W·弗裡, G·帕爾楚斯卡, R·候, S·C·恩格倫德, S·艾特, T·G·霍克, T·舍爾亞斯科夫, X·郭 申請人:美國西門子醫療解決公司