多頻帶聲學換能器陣列的製作方法

2023-05-18 12:48:31 3

專利名稱：多頻帶聲學換能器陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及在至少兩個頻帶工作的高效聲學(聲波和超聲波)體波(bulk wave) 換能器的技術和設計。該換能器的應用例如但不限於，醫學超聲成像、無損測試、工業和生 物檢測、地質應用、和聲納(SONAR)應用。
背景技術：
組織的非線性彈性和超聲造影劑微泡(micro-bubbles)在醫學超聲成像中的應 用提供了噪聲更少的改善的圖像。最廣泛的使用是在所謂諧波成像中，其中使用發射頻帶 的第二諧波分量來成像，該分量是通過濾波或脈衝反相(PI)技術從該信號中提取的。在美 國專利6461303號中還描繪了使用該發射脈衝的第三和第四諧波分量來成像。美國專利申請10/189350和10/204350號中深入描述了雙頻帶發射超聲和聲學脈 衝複合信號的不同應用，其提供了具有更少噪聲的圖像，非線性散射的圖像，以及大幅提高 了超聲和聲學成像應用的量化目標參數。該方法對於透射和散射成像都適用。對於這些應 用，可以如圖1的例子所示那樣，發射雙頻帶脈衝複合信號，其中在圖Ia中，高頻(HF)脈衝 101疊加在低頻(LF)脈衝102的峰值壓力上。圖Ib示出了另一種情形，其中HF脈衝103疊 加在LF脈衝102的最大梯度處。該LF和HF脈衝的中心頻率比典型地可以在1 5_1 20 的範圍中，同時在該圖像的規定深度範圍內，該HF脈衝必須位於該LF脈衝的規定區間中。在其他應用中，希望利用同樣的探頭髮射低頻(例如0.5-2MHZ)波以治療組織 (組織的高熱或空洞損傷)或釋放超微或微顆粒或氣泡中攜帶的藥物，同時還能夠以更高 頻率(例如5-lOMHz)在同一探頭表面上提供超聲成像。在另一應用中，希望有一種具有3 個頻帶的組合超聲治療和成像的探頭，例如使用第二低頻(LF2)帶 400kHz生成用於組 織中的空洞的脈衝，例如破壞包含藥物的超微尺寸脂質體顆粒以便向腫瘤輸送藥物，使用 第一低頻(LFl)帶 3MHz加熱組織以用於腫瘤的高熱治療，通常稱為HIFU——高強度聚 焦超聲，或者增加腫瘤中的血流量以增強腫瘤的氧合作用或提高該 400kHz破壞藥物攜 帶顆粒的效率，以及使用高頻(HF)帶 20MHz以成像，潛在地，也可能與該 3MHz的LFl 頻帶組合用於目標彈性的非線性控制以進行成像，例如根據美國專利申請10/189350和 10/204350 中所述。在另一應用中，只希望能夠有更多的可用頻帶選擇用於在同一探頭上進行大深度 範圍變化的成像。例如在用於急診醫學的可攜式超聲成像系統中，希望使用2. 5MHz的中心 頻率進行深度目標成像，並且使用同一探頭以7-lOMHz的中心頻率對更接近身體表面的目 標進行成像。該陣列例如可以被設置為相控線性陣列、開關線性陣列和曲線陣列。在聲學成 像的許多其他應用中也存在對於多頻帶換能器的需要，例如對材料的無損測試(NDT)，通過 彈性波觀察地質構造，以及對例如在海底附近的魚、海底以及位於海底和埋在海底或陸地 上的土壤中的目標例如礦石進行SONAR測量和成像。這些都涉及利用多頻帶脈衝複合信號 進行非線性測量和成像、以及對於不同需求例如不同探測範圍選擇不同頻帶脈衝的能力。在Br Heart J. 1984 Jan ；51 (1) :61_9的M模式和都卜勒測量中使用了雙頻帶發射脈衝。在美國專利第5410516號中給出了其他例子，其中檢測到在來自造影劑微泡的非 線性散射中產生的發射頻帶的合頻譜帶和差頻譜帶。在美國專利第6312383和美國專利申 請10/864992中給出了該雙頻帶發射的進一步發展。針對換能器陣列設計的這些挑戰，本發明公開了多個解決方案。在本說明書中主 要考慮了彈性波在超聲頻率範圍內的情形，但是本領域技術人員應當清楚，根據本發明的 解決方案可以應用到任何頻率範圍的聲波中，以及固體中的切變波
發明內容

本概述部分給出了本發明部件的簡要綜述，而不是對於本發明範圍的任何限制， 本發明僅由所附的權利要求來限定。本發明提供了對於聲學陣列探頭、通常為超聲陣列探頭的一般需求的解決方案， 該探頭通過至少部分共用的輻射表面發射/接收具有分離的多個頻帶中的頻率的聲學脈 衝。該共用輻射表面具有多個優點，例如最小化同一設備所使用的雙頻帶或多頻帶探頭的 尺寸。在其他情況下，需要一個共用輻射表面以同時發射高頻(HF)和低頻(LFl)脈衝，該 脈衝在實際成像範圍內在該HF和LFl脈衝之間具有低的或可控的相位滑動，從而使得該HF 脈衝出現在該LFl壓力振動的限定定區域中。本發明還提供了一種設計陣列的一般程序，該陣列的工作頻帶的數量可以自由 選擇。特別地，提供了一種換能器陣列的方案，該換能器陣列用於發射和接收包含高頻帶 (HF)、第一較低頻帶(LFl)和第二較低頻帶(LF2)的3頻帶脈衝複合信號，或者發射和潛在 地接收三個不同頻帶(HF、LFl和LF2頻帶)中的分離的脈衝。本發明提供了一種解決方 案，其中中心頻率比是在 3 1-20 1的範圍內(HF LFl)，該比值沒有限定的上限或 下限。LFl LF2頻帶的中心頻率比可以具有相似的值。通過最低分離的中心頻率，可以獲 得例如用於選擇多個圖像頻帶的探頭，其中心頻率例如是2MHz、5. 5MHz和15MHz。通過較大 分離的中心頻率，可以獲得使用美國專利申請10/189350和10/204350中描述的方法成像 的探頭，其還可以包括用於對組織進行HIFU和空洞治療的頻帶。為了在至少一部分輻射表面共用的情況下實現多頻帶脈衝的發射，本發明提供的 解決方案是一組陣列，其對於每個頻帶諧振並且具有至少一部分共用輻射表面。該陣列的 元件可以是一般布置，例如是線性相控或開關陣列或環形陣列。該陣列在一個或兩個維度 上可以是平的或彎曲的、既凹又凸的。該線性陣列在豎直方向上的元件分隔到1. 5D、1. 75D 甚至完全2D的陣列也是根據本發明的實施例。該陣列元件對於不同頻帶還可以有不同的 尺寸、形式和分隔，例如但不限於，用於低頻治療脈衝的環形陣列與用於成像的線性開關或 相控陣列。本發明還提供了用於與陣列波束形成相關的電子電子器件的高效封裝，例如用 於各個陣列元件的發射和接收放大器，允許元件組通過單根導線連接到該設備的子孔波束 形成器電子器件，用於將選定組的陣列元件通過單根導線電並聯連接到波束形成器通道以 進行發射和接收的電子開關，等等。為了最小化不同頻帶脈衝之間隨著深度而產生的相對位置滑動，以及克服 (defeat)衍射以在深的範圍上獲得充分校準的低頻(LF1，LF2，…，LFn，…)波束，本發 明提供了一種解決方案，其中用於不同頻帶的陣列具有較大的共用輻射表面，並且較低頻 率陣列的輻射表面的部分能夠在較高頻陣列的輻射表面外部。為了最小化近場中不同頻帶脈衝之間的交疊，本發明還提供了一種解決方案，其中較低頻率孔的中心部分是不活動的 (inactive)。為了在不同頻帶的輻射表面的不同尺寸和交疊之間進行高效選擇，本發明通 過陣列構造的特殊方案提供不同頻帶的共用輻射表面，實現了(devices)對於不同頻帶使 用不同的陣列。在根據本發明的一個實施例中，為了獲得共用的HF和LFl陣列輻射表面，通過層 疊在彼此前面的分離的壓電層來生成該HF和LFl脈衝，其中HF壓電層在前面，並且在LFl 壓電層的前面有用於HF振動的隔離部。阻抗匹配層的負載匹配部分設置在該HF壓電層和 前面的負載材料之間。該隔離部分設計成使得該HF壓電層和隔離部分之間的反射係數在 HF頻帶高，從而使得該HF壓電層後面的層對於HF頻帶中HF壓電層的電聲轉換的諧振產 生小的影響。該隔離部分還設計成使其在LFl頻帶中與該隔離部分前面的探頭層(probe layers)配合以提供LFl壓電層與該負載材料的聲學匹配。當從前面進入隔離部分中的阻抗低於或高於HF壓電層的特性阻抗時，可以獲得 該HF壓電層與隔離部分之間接近於1的反射係數。當從前面進入到隔離部分的阻抗在HF 頻帶中低時，HF壓電層將具有厚度諧振(thickness resonance)，其在HF頻帶中心附近近 似於半個波長厚。當從前面進入到隔離部分的阻抗在HF頻帶中較高時，HF壓電層將具有厚 度諧振，其在HF頻帶中心附近近似於四分之一波長厚。該四分之一波長諧振通常允許HF層 諧振具有更寬的帶寬，但是與HF壓電層的半波長諧振相比，電阻抗將具有較小的相位角。本發明提供了隔離部分的特別設計，該隔離部分在HF頻帶中提供進入隔離部前 面的阻抗足夠高或足夠低的阻抗，同時對於從隔離部後面看到的阻抗具有較低的敏感度。 這在LFl壓電層由陶瓷/聚合物複合材料製成時是特別重要的，因為在隔離部分連接到該 複合材料中的聚合物或陶瓷時，希望最小化從HF層向隔離部分的反射係數的變化。為了使 得該反射係數的阻抗靈敏度減小，本發明提供了使隔離部分由至少兩個聲學層構成的技術 方案。在根據本發明的隔離部分的第一個實施例中，該隔離部分包括位於隔離部分後面 的阻抗調節層，該阻抗調節層足夠薄和重以使其在HF頻帶中近似作為一個足夠大的質量 與後面的阻抗串聯。於是該質量與隔離部分後面的負載串聯，使得整個隔離部分的阻抗變 換較少地依賴於該隔離部分是否端接到LFl壓電複合物中的聚合物或陶瓷。該阻抗調節層 優選為重的材料，例如01^8^11、？(1、？丨、1或這些材料的合金，或者是燒結在一起或膠粘在 溶劑例如聚合物中的這些材料的合金或這些材料的粉末。後層的厚度典型地可以是λ hf/30 數量級或更高。由於Si具有較大的波傳播速度(8. 44mm/μ sec)，也可以使用Si層作為具 有足夠質量的阻抗調節層，雖然Si的質量密度僅僅是2330kg/m3。本發明還提供了一種隔離 部分的阻抗調節層由陶瓷構成的解決方案，其中該陶瓷層可以是LFl壓電層的一部分。該 陶瓷後層可以方便地與一重材料的薄層UHF/30數量級)組合，重材料例如是Cu、Ag、Au、 Pd、Pt、W或這些材料的合金，或者是燒結在一起或膠粘在溶劑例如聚合物中的這些材料的 合金或這些材料的粉末。於是能夠例如通過在所述大質量的阻抗調節層前面的匹配層來獲得進入該隔離 部分的低阻抗，其中所述匹配層具有低的特性阻抗並且在HF頻帶中心附近為四分之一波 長厚。所述匹配層優選地能夠由聚合物或類似的材料製成。通過認識到所述隔離部分匹配 層和HF壓電層與負載的匹配層的厚度都小於LFl頻帶中的波長，能夠實現關於如何在LFl頻帶中的使得LFl壓電層與負載相匹配的近似分析。這容許薄層近似，其中所述低阻抗匹 配層用作與HF壓電和匹配層的質量以及該負載阻抗相串聯的彈性彈簧。然後根據該彈簧 和質量塊之間的諧振選擇該LFl頻帶的中心頻率，其中從後面看到的進入所述隔離部分匹 配層的阻抗相位為零。可以通過改變所述隔離部分匹配層的剛度與該HF壓電和負載匹配 層的質量來調節該諧振頻率。該質量例如可以通過改變HF壓電複合物中的填充的陶瓷體 積來調節。能夠修改該實施例以獲得進入該隔離部分的高阻抗，即通過在具有低特性阻抗的 第一 λ HF/4匹配層之前增加連接到HF壓電層的具有高特性阻抗的第二 Xhf/4匹配層來實 現。通過這個解決方案，從前面看進入該隔離部分的阻抗較小地依賴於上述薄阻抗調節層， 使用兩個XHF/4匹配層時，在許多情況下可以去除該層。可以通過本領域技術人員公知的 標準阻抗匹配方式來選擇該第一和第二匹配層的特性阻抗。在LFl頻帶中，該第一低阻抗 匹配層將近似作為與所述第二高阻抗匹配層與HF壓電和負載的匹配層的組合質量相串聯 的彈簧，其中根據所述彈簧和負載系統的諧振頻率選擇該LFl頻帶的中心頻率，其中能夠 對於LFl頻帶中的諧振來調節該彈簧和質量系統的材料參數。在一個在HF頻帶中為隔離層提供高阻抗的效率稍低的實施例中，可以在所述大 質量的阻抗調節層之前使用具有高特性阻抗的單個λΗΡ/4匹配層。在LFl頻帶中，該單個 匹配層將近似用作與HF壓電和負載的匹配層的質量串聯的質量，並且提供從該LFl壓電層 看到的具有感應相位的負載阻抗。這樣不能提供最佳的阻抗匹配，但是可以獲得有用的LFl 電聲轉換函數形式。上面已經給出了該隔離部分的一些相關結構的例子，但是本領域技術人員應當清 楚，根據本領域技術人員已知的阻抗匹配原理，可以獲得對於隔離部分的不同設計，其中本 發明的本質在於使用具有至少兩層的隔離部分。當LFl壓電層由陶瓷聚合物複合材料製成 時，該阻抗調節質量層是非常有用的，但是當該LFl壓電層整個是由陶瓷製成時則可以省 略。這種情形例如可以是，使用LFl層用於高功率治療目的，而不進行波束方向控制。根據本發明，可以通過在背板(backing)前面向後擴展壓電層結構而向上述結構 增加第二、第三等較低頻帶，同時對於每個新的低頻帶，在壓電層前面具有包含隔離部分的 部分，其中該壓電層的諧振頻率隨著該結構中的位置向後移動而單調(monotone)降低。該 隔離部分是根據與上述雙壓電層相同的原理而設計的，其中該隔離部分前面的反射係數在 所述新部分前面相鄰的壓電層的諧振帶中接近於1。在所述新壓電層的諧振頻率內，該新隔 離部分與該隔離部分前面的層相互作用以提供該負載與新壓電層之間的諧振阻抗匹配。因 而，對於每個新的較低頻帶，在理論上可以通過這種新的隔離部分和壓電層的組合來向後 無限擴展該結構，其中最實際的應用除了該HF頻帶之外，總共需要2或3個較低頻帶。該結構典型地末端具有背板(backing)材料，其具有高吸收性以至於在該背板材 料上反射的波可以忽略不計。最後的壓電層能夠直接或者通過由阻抗匹配層構成的後匹配 部分聯接到該背板材料上。該背板材料可以用作聲功率吸收劑以減小在該電聲轉換函數中 的諧振。還能夠以利用由吸收材料構成的匹配層抑制任何頻帶中的諧振，例如粘性阻尼聚 合物材料，以及可以進一步向該聚合物材料中增加顆粒以增強吸收能力。粘性阻尼聚合物 材料和填充有顆粒的聚合物材料還能夠用於壓電層的陶瓷/聚合物複合材料的聚合物填 充。固體/聚合物複合材料還能夠用於匹配層以調節該特性阻抗，其中能夠使用粘性和/或填充有顆粒的聚合物以增強該匹配層的吸收。有利地，所述隔離部分的重層或高阻抗層可以由一個或多個具有電子電路的電子 基底層(典型地為Si層)製成，電子電路例如是用於該陣列元件的發射和接收放大器、通 道數減少電路，通道數減少電路例如是用於將陣列元件組電子可選地電並聯連接到波束形 成器通道的開關，用於發射和接收之一或兩者的子孔波束形成，從而可 以通過減少數量的 導線將陣列元件組連接到該探頭或設備內以進一步處理。還可以通過對來自元件組或元件 子孔組的信號的採樣進行時分多路復用在單個導線上發射這些組的信號，其中該時分多路 復用電路集成到所述電子基底層中以減少到該陣列的電纜連接。有利地，該電子基底層可以是隔離部分的重阻抗調節後層的一部分，並且有利地， 還可以是隔離部分的高阻抗前層的一部分。在後一種情形中，通過金屬襯墊和已知的連接 技術例如包含導電顆粒的各向異性導電聚合物膠、微焊接、超聲鍵合等，能夠將基底層前面 上的電子電路直接連接到前面的陣列元件，例如HF陣列元件。有利地，在這些前面的電子 基底層(例如開關元件選擇、子孔電子器件等)中實現通道數減少電路以減少到進一步的 處理電子器件的連接數，其可以包括隔離部分的阻抗調節後層或者為其一部分。然後可以 利用穿過低導電性的匹配層的金屬連接器來穿過該層獲得這些數量減少的連接，該連接器 足夠薄以使其對該匹配層的特性聲學阻抗的影響最小。為了擴展Si基底的背面隔離部分 層的厚度以用於增加這些層中的處理和電路複雜性，後面的較低頻率陣列有利地可以由陶 瓷/聚合物複合材料製成，該複合材料具有接近於該電子基底的平均特性聲學阻抗的平均 特性聲學阻抗(對於Si基底，該特性阻抗大約為19. 7MRayl)以使得該電子基底層也對所 述低頻陣列的諧振起到限定作用。具有電子器件的基底層還可以設置在HF陣列之前、HF聲學匹配層之後。如果將 該基底層設置在前面，該HF陣列有利地由具有接近於該電子基底層的平均特性阻抗的平 均特性阻抗的壓電陶瓷/聚合物複合材料構成，從而使得該基底層也對該HF陣列的諧振起 限定作用。在根據本發明的另一實施例中，為了獲得HF和較低頻率陣列共用的輻射表面，通 過利用cmut/pmut技術激活基底上的振動膜以提供HF換能，同時利用所述cmut/pmut結構 背面的壓電層生成較低頻率脈衝。在該cmut/pmut基底後面，有利地可以設置數個具有發 射和接收放大器、電子開關、子孔波束形成電路等的電子基底層。Si的較高聲學傳播速度 (8. 44mm/μ sec)意味著這些層的總厚度可以是Si中的LFl波長的分數，從而通過該Si層 提供了低頻發射的最小改變。通過使得最接近該基底的低頻壓電層形成為具有接近於該電 子基底層的特性阻抗的特性阻抗的陶瓷/聚合物複合材料，這種改變可以進一步減小。從 而根據上述說明，根據上述本發明的上述原理，能夠利用更多在低頻帶(LF2，LF3，···)中具 有諧振的壓電層向後擴展該結構，包括用於在前面各層的頻帶中振動的隔離部分。在根據本發明的另一實施例中，為了獲得HF和LFl陣列共用的輻射表面，利用一 個公共基底上的分離的的cmut/pmut膜生成該HF和LFl脈衝，該膜相互並排布置或者布置 成HF膜在LFl膜之上。然後可以優化該HF、LFl膜以便在它們各自的頻帶中工作。在根 據本發明的另一實施例中，為了獲得用於HF頻帶和多於一個低頻帶的共用陣列輻射表面， 利用在公共基底上的用於不同頻帶的不同cmut/pmut膜生成該HF頻帶和多於一個低頻帶。 該用於不同頻帶的膜可以相互並排布置，或者將該膜中的一些或全部層疊在其他薄膜之上並且其中頻帶從低到高增加，而其餘的膜直接設置在該基底上位於該層疊膜的旁邊。在這 些實施例中，有利地還能夠在該cmut/pmut基底之後設置數個具有發射和接收放大器、以 及波束形成電路等的電子基底層，並且如上所述，可以通過在前面增加具有隔離部分的較 低頻率壓電層來向後擴展該結構。該陣列能夠用於在該每個頻帶中發射和接收。美國專利申請10/189350和 10/204350中引用的方法將會發射雙頻帶複合信號，並且僅使用接收的最高頻帶中的信號 用於測量或圖像信號的處理。然後能夠從該探頭中的任何頻帶中選擇該發射的雙頻帶複合 信號的頻帶。本發明還可用於稀疏陣列，其中來自HF孔的柵瓣應當與低頻陣列的可能的柵瓣 不同，從而例如通過根據美國專利申請10/189350和10/204350的成像方法和設備，抑制所 發射的HF柵瓣的效應。本發明還公開了使用根據本發明的聲學多頻帶陣列探頭的用於不同目的的設備， 例如使用該探頭的不同頻帶在不同的深度成像，或者在不同頻率進行聲學組織治療，或者 根據美國專利申請10/189350和10/204350中所述的方法成像，或者以任何方法組合聲學 治療和成像。可以由該設備選擇頻帶，根據該設備的操作設置自動選擇或者由設備操作人 員通過設備控制器人工選擇。例如通過美國專利申請10/189350和10/204350號中所述的 成像方法，低頻孔的輻射表面可選地變為等於HF發射孔，或大於HF孔，其中該HF輻射區域 是該較低頻率輻射區域的一部分，並且LFl和/或HF孔能夠選擇為具有不活動的中心區 域。


圖1示出了希望發射的低頻(LFl)和高頻(HF)脈衝複合信號的例子；圖2示出了根據本發明的HF和LFl輻射表面示例，以及對於HF和LFl脈衝相位 關係的分析；圖3示出了根據本發明的雙壓電層和三壓電層堆疊布置的橫截面，其使得兩個和 三個頻帶脈衝通過一個公共的前表面發射和接收；圖4示出了共同實現圖3中的壓電部分隔離的其他層結構，以及被集成在聲學疊 層(acoustic stack)中的集成電路層；圖5示出了根據本發明的相控陣列探頭的正視圖；圖6示出了用於減少陣列元件的電阻抗的雙壓電層布置的示例；圖7示出了具有cmut/pmut微加工換能器單元的基底的正視圖；圖8示出了一個換能器疊層的橫截面，其中通過用於LFl換能的壓電層前面的基 底上的cmut/pmut單元生成HF換能，並且還包括具有集成電子器件的基底層；圖9示出了一個換能器疊層的橫截面，其中通過用於HF換能的壓電層前面的基底 上的cmut/pmut單元生成LFl換能；圖10示出了被實現為微加工在基底上的cmut/pmut換能單元的組合的LFl和HF 部分的正視圖和橫截面視圖，其中HF單元設置在LFl單元的上方； 圖11示出了布置成稀疏陣列的LFl和HF陣列的正視圖，其中該HF和LFl元件相 互間隔布置；
圖12示出了被實現為微加工在基底上的cmut/pmut換能單元的組合的低頻和高 頻部分的正視圖，其中該低頻和高頻單元相互並排布置；圖13示出了如何利用圖8-12中的cmut/pmut結構獲得第三電聲換能帶。
具體實施例方式現在將參照附圖描述本發明的實施例。我們從描述雙頻陣列的解決方案開始，描 述如何利用相同的原理擴展這些設計以便在3個或更多頻帶中工作。如上所述，在圖1中示 出了希望發射的雙頻脈衝的典型示例。該陣列設計的挑戰在於輻射表面的設計，以使得HF 脈衝保持在LFl脈衝的預期位置中，從而在保持LFl脈衝的足夠幅度的同時獲得足夠的圖 像範圍，並且該挑戰還在于振動結構的設計，以通過該同一表面發射頻率分離如此寬的LFl 和HF脈衝。在一些應用中很重要的是，在HF脈衝的位置處的LFl脈衝的幅度在足夠的成像範 圍內儘可能高並且近似為常數。這可能需要較大孔的LFl輻射表面，以避免由於LFl脈衝 的較長(與HF脈衝相比)波長而導致的LFl波束衍射擴展。HF發射孔的寬度能由HF發射 焦點區域的長度需求所限制。這就產生了一種情形，即希望獲得比HF孔更大的LFl孔，從 而導致HF脈衝的位置相對於LFl脈衝發生滑動。為了進一步分析該滑動現象，我們考慮圓形孔，因為已經存在對於這種孔的軸上 的場(field)的分析表示。圖2a以示例方式示出了一個直徑Dhq = 2aHQ的圓形HF發射孔 201，以及同心的LFl發射孔202，發射孔202在該示例中表示為外徑Duj = 2aL0和內徑Du =2aLI的環。橫截面圖中將HF和LFl發射孔表示為203，其中以示例的方式將它們彎曲成 具有相同的焦點F，即204。該HF和LFl發射孔的共同焦點是以示例方式選擇的，在其他情 形中兩個孔可以具有不同的焦點，其中LFl孔還可以是不聚焦的。LFl和HF孔在頻率ω處 的發射軸向連續波場是軸向距離ζ的函數，表示為
ρ e-ikRu(z) _ -IkRuiU)
Plf (ζ,ω)=^~J^1~~{ω)a)
一 .,-MR^RMm F SmkjRw(Z)-Ru(z))/2~UezFjz^yrLQK^JPhf Li__——Pm(ω)= ne春跳· L碑恥⑴-Rm· PhM
ζF/Z-I其中k = ω/c，ω是發射脈衝的角頻率，c是聲學傳播速度。示為205的Ruj(Z) 是從LFl孔的外邊緣到ζ軸上的ζ點(208)的距離，示為206的Ru(Z)是從LFl孔的內邊 緣到ζ軸上的208的距離，示為207的Rm(Z)是從HF孔的外邊緣到ζ軸上的208的距離， Rhi(Z)是從HF孔的內邊緣到軸上的208的距離。由於HF孔在中心沒有缺失的部分，所以 得到Rhi (ζ) = ζ，但是還要考慮直徑Dhi = 2aHI的HF孔的中心部分缺失的情況。(ω)是在該孔處的LFl發射壓力，Phq (ω)是在該孔處的HF發射壓力。吸收介質
(1)
b)能夠通過複數波向量k = kJco)-ikd(co) = ω/0ρ(ω)- α ω來建模，其中虛部_kd表示功 率吸收，實部&表示具有大致頻率相關的相速度Cp(CO)的波傳播。該吸收會產生相速度的 頻率變化，並且在大多數具有相似吸收性的組織和材料的情形中可以忽略，即Cp(CO) ^ C。 由於多重馳豫(relaxation)現象，吸收係數通常與頻率成比例，即kd(co) α ω。從等式(la，b)中的第一行可以發現，近場中的壓力分解成兩個脈衝，對於LFl脈 衝來說是延遲為Ru (z) /c和Rm (z) /c的兩個脈衝，對於HF脈衝來說是延遲為Rhi (z) /c (距 離中心)和Rm(z)/c的兩個脈衝。當ζ增加時，這些脈衝之間的延遲差減小，從而該兩個 脈衝開始幹涉，不論是LFl還是HF波。然後由於該邊緣脈衝之間的幹涉，我們可以獲得比 PL0(") 所給出的更長的、具有複合中心部分的脈衝。該幹涉如果是相消性幹涉， 則會在LFl和HF脈衝的中間產生零，如果是相長幹涉，則會產生最大值。對於ζ <F，在從 外邊緣到該軸上ζ的傳播距離比從內邊緣到ζ的傳播距離更長，因而對於吸收介質來說，不 能獲得LFl和HF脈衝的中心部分為零的完全的相消幹涉。壓力驅動幅度在該陣列表面中 進行變跡(apodization)，從而使得該驅動幅度向著邊緣減小，也會從該邊緣開始減小脈衝 的幅度，即對於LFl脈衝延遲Ruj(z)/c，對於HF脈衝延遲Rro(Z)/c。在焦點區域，等式(la，b)的第二行的泰勒展開顯示該兩個脈衝之間的幹涉產生 了逼近焦點中的發射脈衝Ι%( ω)的時間導數的脈衝，並且具有由該相位項限定 的延遲。在未聚焦孔的遠場中也會發現這種情況，並且通常涉及波束寬度由衍射限制的區 域。等式(1)中的相位項表示該LFl和HF孔的平均傳播滯後(lag)，分別為
權利要求
一種聲學換能器陣列探頭，用於從所述探頭的前表面發射分離的高頻帶(HF)和至少第一較低頻帶(LF1)中的聲波，並且接收至少所述HF頻帶中的聲波，其特徵在於 不同的換能器元件陣列，配置成分別用於HF和所述LF1電聲轉換，用於所述HF電聲轉換的所述陣列具有HF陣列元件，用於所述LF1電聲轉換的所述陣列具有LF1陣列元件，以及 用於所述HF頻帶和所述LF1頻帶的輻射表面，其中用於所述HF頻帶和LF1頻帶的所述輻射表面的至少一部分在公共輻射表面中是共用的，其中與所述公共輻射表面內的所述HF陣列元件相比，所述公共輻射表面內的所述LF1陣列元件具有更大的輻射表面並且相鄰元件中心之間的距離更大，以及 至少一個電子基底層，其具有連接到陣列元件的集成電子器件，其中所述至少一個電子基底層是如下之一或二者i)層疊在所述探頭的所述聲學振動結構內，以及ii)安裝在在所述探頭中所述聲學振動結構的後面。
2.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述LFl發射表面具有不存在活動 LF發射的中心區域。
3.如權利要求1或2所述的聲學換能器陣列探頭，其中用於所述LFl和HF轉換的厚度 結構在整個陣列表面上是相同的，並且能夠通過可選擇地電連接到陣列元件來可選擇地改 變HF和LFl發射和接收孔的尺寸。
4.如權利要求3所述的聲學換能器陣列探頭，其中能夠將所述HF接收表面選擇為比所 述LFl發射表面寬。
5.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中能夠通過至少所述公共輻射表面發 射和接收在一個或多個較低頻帶(LF2，LF3，…)中的另外的聲學脈衝，其中通過用於所述 一個或多個較低頻帶中的每一個的電聲轉換結構來獲得用於所述一個或多個較低頻帶的 所述電聲轉換，其中所述一個或多個較低頻帶的輻射表面的至少一部分與較高頻帶的輻射 表面共用。
6.如權利要求5所述的聲學換能器陣列探頭，其中通過設置在用於較高頻帶的所述轉 換結構後面的壓電層來獲得用於所述另外的較低頻帶中每一個的所述電聲轉換陣列。
7.如權利要求6所述的聲學換能器陣列探頭，其中在每個所述壓電層前面設置聲學隔 離部分，其中所述隔離部分為所述每個壓電層前面的所述轉換結構的諧振帶中的振動提供 後向聲學衰減。
8.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述LFl發射表面可以在以下選項 中的至少兩個中進行選擇a)至少位於LFl輻射表面上、在HF輻射表面外部的區域中，以及b)所述LFl發射表面與所述HF發射表面相等，以及c)所述LFl發射表面具有不進行LFl發射的中心區域，以及d)a)和c)的組合。
9.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述HF和LFl陣列獨立布置成以下 中的一種-單元件陣列，以及-換能器元件的環形陣列，以及-換能器元件的線性陣列，以及 「換能器元件的二維陣列，以及 「任何其他形式的換能器元件的組成。
10.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中-將所述LFl和HF發射和/或接收表面中的至少一個製造為元件的稀疏陣列，以及其中-將所述稀疏陣列設計成相對於所述LF波束引導所述稀疏HF發射陣列的潛在柵瓣，從 而使得在所述HF柵瓣中的所述HF脈衝處的LF脈衝壓力如此低，以至於與沿著HF主瓣相 比，可以忽略沿著所述HF柵瓣的、所述LF脈衝在所述HF脈衝處對目標彈性的非線性操控。
11.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述LF和HF陣列至少層疊在所述 公共發射表面後面。
12.如權利要求7所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述陣列的厚度結構在所述整個 陣列表面上是相同的，並且LFl和HF發射和接收孔的尺寸由到陣列元件電極的電連接限定。
13.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中-通過分離的壓電層來獲得所述LFl和HF電聲轉換，其中所述HF壓電層層疊在多層結 構中所述LFl壓電層的前面，以及其中-在所述HF和LFl壓電層之間設置由至少兩個聲學層構成的聲學隔離部分，以及其中 -在所述HF壓電層前面設置用於所述HF頻帶的聲學匹配部分。
14.如權利要求13所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述隔離部分包括特性聲學阻抗 大於17MRayl的後層和至少一個特性阻抗小於5MRayl的層。
15.如權利要求13所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述隔離部分由以下之一製成 材料Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W、和這些材料的合金、以及燒結或膠粘在一起的這些材料的合金或 這些材料之一的粉末。
16.如權利要求13所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述隔離部分包括在背面的陶瓷層。
17.如權利要求16所述的聲學換能器陣列探頭，其中將所述LFl壓電層製造為陶瓷/聚合物複合材料，其中從所述背面對所述陶瓷進行切 割但不完全穿過所述LF壓電層，使得所述LF陶瓷壓電層的前部形成陶瓷層，所述陶瓷層形 成了所述隔離部分的所述背層。
18.如權利要求17所述的聲學換能器陣列探頭，其中從所述隔離部分的所述背面算起 的第二層由以下之一製成材料Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W、和這些材料的合金、以及燒結或膠粘 在一起的這些材料的合金或這些材料之一的粉末。
19.如權利要求13所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述LFl和HF壓電層中的一個或 兩個包括在彼此之上的至少兩個壓電子層，在所述子層的表面上具有電極，並且其中不同 子層中的所述電極與所述子層的電極化相關地耦合到一起，使得所述子層並聯電耦合，而 所述子層的厚度振動是串聯的，從而減少所述陣列元件的電阻抗。
20.如權利要求13所述的聲學換能器陣列探頭，其中具有連接到陣列元件的集成電子 器件的至少一個電子基底層層疊在所述層結構中，並設置成下列中的至少一種方式「所述聲學隔離部分的一部分，以及 -在所述HF壓電層的背面，以及 -在所述HF壓電層的前面，以及 -在所述LFl壓電層的前面，以及 -在所述LFl壓電層的背面，以及 -在背板材料的背面。
21.如權利要求13所述的聲學換能器陣列探頭，其中能夠通過至少所述公共輻射表面 發射和接收另外的較低頻帶(LF2，LF3，…)中的聲波，其中-通過增加的電聲轉換結構來獲得用於所述另外的較低頻帶中每一個的所述電聲轉 換，所述增加的電聲轉換結構包括壓電層，在所述壓電層的前面具有聲學隔離部分，以及其 中-所述隔離部分設置成與用於下一較高頻帶的所述轉換部分的後側聲學接觸，以及其中-所述隔離部分提供對前面的相鄰轉換部分在下一較高頻帶中的振動的後向隔離。
22.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中-通過壓電層獲得所述LFl和HF電聲轉換中的一個，以及-通過在前表面上具有基於cmut/pmut的轉換膜的基底層來獲得所述HF和LFl電聲轉 換中的另一個，-所述基於cmut/pmut轉換膜的層設置在所述壓電層的前面。
23.如權利要求22所述的聲學換能器陣列探頭，其中通過所述壓電層獲得所述LFl電聲轉換。
24.如權利要求22所述的聲學換能器陣列探頭，其中通過所述壓電層獲得所述HF電聲轉換。
25.如權利要求22所述的聲學換能器陣列探頭，其中具有連接到陣列元件的集成電子 器件的至少一個電子基底層層疊在所述層結構中，並設置成下列中的至少一種方式-電子基底層安裝在所述具有cmut/pmut膜的所述基底層的背面，以及 -電子基底層安裝在所述LF壓電層的背面，以及 -電子基底層安裝在背板材料的背面。
26.如權利要求22所述的聲學換能器陣列探頭，其中能夠通過至少所述公共輻射表面 發射和接收另外的較低頻帶(LF2，LF3，…)中的聲波，其中-通過增加的電聲轉換結構來獲得用於所述另外的較低頻帶中每一個的所述電聲轉 換，所述增加的電聲轉換結構包括壓電層，在所述壓電層的前面具有聲學隔離部分，以及其 中-所述隔離部分設置成與用於下一較高頻帶的所述轉換部分的後側聲學接觸，以及其中-所述隔離部分提供對前面的相鄰轉換部分在下一較高頻帶中的振動的後向隔離。
27.如權利要求22所述的聲學換能器陣列探頭，其中用於所述LF和HF轉換的所述厚度結構在整個探頭的最大發射/接收表面上是相同 的，並且能夠通過可選擇地電連接到陣列元件電極來可選擇地改變用於輻射和接收的活動LFl 禾口 HF 孑L。
28.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中通過基於cmut/pmut的膜換能器技 術在相同基底上獲得所述LFl和HF電/聲轉換，其中對於所述LFl和HF轉換使用不同的 膜，針對所述LFl和HF頻帶內的振動分別優化所述不同的膜。
29.如權利要求28所述的聲學換能器陣列探頭，其中具有連接到陣列元件的集成電子 器件的至少一個電子基底層設置在具有cmut/pmut膜的所述基底層的背面。
30.如權利要求28所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述HF轉換膜設置在所述LFl轉 換膜之上。
31.如權利要求28所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述HF轉換膜與所述LFl轉換膜 並排設置，彼此如此接近以至於在距離探頭表面一定深度以後，所述LFl和HF波束看起來 是源自至少具有公共區域的輻射表面。
32.利用如權利要求28所述的聲學探頭的聲學設備，其中能夠通過所述公共輻射表面 發射和接收第二較低頻帶(LF2)中的另外的聲學脈衝，其中所述LFl cmut/pmut膜也在所 述LF2頻帶中具有諧振。
33.利用如權利要求28所述的聲學探頭的聲學設備，其中能夠通過所述公共輻射表 面發射和接收第二較低頻帶(LF2)中的另外的聲學脈衝，其中通過在相同基底上的cmut/ pmut膜獲得用於所述LF2頻帶的所述電聲轉換，其中可以設置成下列中的一種方式-所述HF和LFl膜設置在所述LF2膜之上，以及-所述LF2膜設置在所述HF和LFl膜旁邊。
34.利用如權利要求28所述的聲學探頭的聲學設備，其中能夠通過所述公共輻射表面 發射和接收第二較低頻帶(LF2)中的另外的聲學脈衝，其中通過設置在所述HF/LF1公共基 底後面的LF2壓電層獲得用於所述LF2頻帶的所述電聲轉換，使得所述LF2輻射表面至少 有一部分與所述HF和LF2陣列的所述公共輻射表面共用。
35.如權利要求34所述的利用聲學探頭的聲學設備，其中能夠通過至少所述公共輻射 表面發射和接收另外的較低頻帶(LF3，LF4，…)中的聲波，其中-通過增加的電聲轉換結構來獲得用於所述另外的較低頻帶中的每一個的所述電聲轉 換，所述增加的電聲轉換結構包括壓電層，在所述壓電層的前面具有聲學隔離部分，以及其 中-所述隔離部分設置成與用於下一較高頻帶的轉換部分的後側聲學接觸，以及其中-所述隔離部分提供對前面的相鄰轉換部分在下一較高頻帶中的振動的後向隔離。
36.如權利要求13或22或28所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述LFl和HF輻射表 面相等。
37.如權利要求22或28所述的聲學換能器陣列探頭，其中能夠通過可選擇地電連接到陣列元件電極來可選擇地改變所述LFl和HF發射和接收孔。
38.一種利用如權利要求1所述的聲學探頭的設備，其中通過下列方式之一來選擇活動的LFl發射孔a)由所述設備根據圖像範圍以及超聲成像模態和應用進行自動選擇，以及b)由設備操作員通過設備控制器進行直接選擇。
39.如權利要求1所述的聲學換能器陣列探頭，其中所述具有電子電路的至少一個電 子基底層包括下列中的一個或多個a)連接到陣列元件的接收器前置放大器，以及b)連接到陣列元件的發射器放大器，以及c)將可選擇的陣列元件組連接到單個導線的電子開關，所述單個導線進一步連接到設 備，以及d)子孔電路，連接到元件組並且在總計子孔信號之前對單獨的子孔信號增加延遲，其 中每個子孔信號連接到單個導線，所述單個導線進一步連接到設備，以及e)時分復用電路，用於對來自進一步連接到設備的單個導線上的元件組和元件的子孔 組的信號採樣進行時分復用。
全文摘要
一種聲學探頭，用於發射/接收具有高頻帶(HF)、一個和可選擇數量個低頻帶(LF1，LF2，…，LFn，…)中的頻率的聲學脈衝，其中所述多個頻帶中的至少兩個的輻射表面具有公共區域。給出了通過所述公共輻射表面發射(和接收)HF、LF1、LF2、…脈衝和信號的多個解決方案。所述陣列和元件能夠是通用類型，例如環形陣列、相控或開關陣列、在水平和豎直方向上劃分為例如1.5D、1.75D和完全2D陣列的線性陣列、曲線陣列等等。用於不同頻帶的元件劃分、陣列類型和陣列孔尺寸還能夠是不同的。具有連接到陣列元件的集成電路的電子基底層可以層疊在所述探頭內。
文檔編號B06B1/02GK101965232SQ200980107341
公開日2011年2月2日 申請日期2009年1月9日 優先權日2008年1月9日
發明者R·漢森, S·P·內斯霍爾姆, S-E·馬索伊, T·F·約翰森, 比約恩·A·J·安傑爾森 申請人:海浪科技有限公司