專利名稱：雙頻帶超聲換能器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于同時在至少兩個頻帶運行的高效聲學(聲波的和超聲 波的)體波換能器的技術(shù)和設(shè)計。換能器的應用是例如但不限于醫(yī)學超聲成像、無損檢測、工業(yè)和生物檢驗、地質(zhì)應用和SONAR應用。
技術(shù)背景在醫(yī)學超聲成像中禾擁組織和超聲造影劑微泡的非線性彈性提供具有 更少噪聲的改善的圖像。更廣闊的應用是在所謂的諧波成像領(lǐng)域，其中發(fā) 射的頻帶的第二諧波分量用于成像。在美國專利6,461,303中也提出將第三 和第孤皆波分量用于成像。在Br Heart J. 1984 Jan; 51(1): 61-9中雙帶發(fā)身寸脈沖用于M-模式 (M-mode)和多普勒測量。在美國專利5,410,516中示出了更多的實例，其中在非線性翻種從檢觀啲造影劑微泡中產(chǎn)生發(fā)射帶的合帶和差帶。在美 國專利6,312,383和美國專利申請10/864,992中這種雙帶激寸有了魏一步的發(fā)展。美國專利申請10/189,350禾口10/204，350深入描述了雙帶對寸的超聲波禾口 聲波脈沖的合成脈沖的不同應用以及顯著加強對超聲波和聲波成像的使用 的定量目標參數(shù)，所述合成脈沖提供噪聲減少的圖像、非線性散射圖像。 該方法目于邀寸成像和背翻寸成像。如圖1中的實例所示，X寸于這， 用應當鄉(xiāng)雙帶脈沖合^E沖，其中在圖la中高頻(HF)脈沖101重疊在 低頻(LF)脈沖102的峰壓上。圖lb示出另一種情況，其中HF脈沖103 重疊在LF脈沖102的最大梯度上。LF和HF脈沖的中心頻率比一般在1: 5-1: 20的范圍內(nèi)，在圖像的限定深度的旨范圍的LF脈沖的限定間隔內(nèi) 必須同時出現(xiàn)HF脈沖。這些需要對換能器陣歹啲設(shè)計提出以下兩個挑戰(zhàn) 1.為了在圖像的^h深度范圍的LF脈沖的間隔范圍內(nèi)傳播HF脈沖， HF和LF輻射表面必須具有大的公共區(qū)域(common area)。根據(jù)應用，—般希望HF和LF脈沖中的脈壓(pulsepressure)在MPa的S^。這 需要高的電到聲的轉(zhuǎn)化效率，對于現(xiàn)有的換能器技術(shù)，高的電到聲的 轉(zhuǎn)化效率是通過換能的共振操作獲得的，其反過來給出了現(xiàn)有的超聲 換能器陣列的受限的操作頻帶，該頻帶不能覆蓋所述的應用所需的頻 帶(一般是l: 5-1: 15)。由于需要大部分的HF和LF輻射表面是公 共的，這種寬的帶對陣歹啲結(jié)構(gòu)的震動設(shè)計提出特殊挑戰(zhàn)。 2. HF和LF脈沖之間的大的頻率間隔意味著LF脈沖的波^i^大于 HF脈沖的波長， 一般大因子5-15，這因為著LF脈沖束比HF脈沖束 具有更高的衍射束，。為了對LF ，行重復的校準以便在大的深度 內(nèi)維持高LF脈壓，因此在特定的應用中需要使用比HF孑L徑更寬的LF 孑L徑。這產(chǎn)生相對于LF脈沖的HF脈沖的位置隨傳播距離的偏移，這 對雙頻輻射表面的設(shè)計提出了特殊的要求。在另一個應用中需要由相同的探針^l寸用于處理(組織的高熱或空蝕 損傷)的低頻(例如，0.5-2MHz)波，同時能夠提供在更高頻率(例如， 5-10MHz)下扭胴的探針表面的超聲成像。在另一個應用中只是需要在深 度范圍的大的變化范圍下具有由相同探針成像可用的更高的頻帶。本發(fā)明對換能器設(shè)計的這些挑戰(zhàn)提出了多種解決方案，所述換能器設(shè) 計可以以低和高頻率之間的大間隔，以及隨著深度的魁寸的HF和LF脈沖 之間的有限的tifi/相位偏移(sliding)來激寸/接收雙帶超聲脈沖合成脈沖。 在這個發(fā)明中，主要涉及以僅接收HF帶來戯寸LF/HF脈沖合成脈沖的情 況，但題當清楚由于互易性，探I極可以用于接收LF帶。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供對超聲探針的一般要求的解決方案，該超聲探針通過 至少部分地公共的輻射表面發(fā)射/接收超聲脈沖，該超聲脈沖具有較 寬地間隔開的低頻(LF)和高頻(HF)帶中的頻率，以使得LF和 HF束脈沖以限定的相位關(guān)系在探針前面交迭。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，LF和HF脈沖由彼此疊置的不 同的壓電層產(chǎn)生，其中HF壓電層在前面，而HF壓電層和LF壓電 層之間為絕緣部分，所述絕緣部分由至少兩個聲學層組成。絕緣層的背層(backlayer)優(yōu)選是重材料，例如Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt、 W或 這種材料的合金，或這種材料的粉末的混合物或者燒結(jié)在一起的或在 溶劑(例如聚合物)中膠合的它們的合金。本發(fā)明還提供一種解決方 案，其中絕緣部分的背側(cè)層是陶瓷，是LF壓電層的部分。該陶瓷背 側(cè)層易于與重材料的薄層的量級)結(jié)合，所述重材料如Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt、 W或這種材料的粉末與聚合物的混合物。在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，LF和HF脈沖中的一個由通 過cmut/pmut技術(shù)激發(fā)的基板上的振動膜產(chǎn)生，而LF禾D HF脈沖中 的另一個由壓電層產(chǎn)生。在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，LF和HF 脈沖都由同一基板上的cmut/pmut膜產(chǎn)生，或者彼此并排或者HF膜 在LF膜之上。本發(fā)明還可以用于稀疏陣列，其中HF孔徑的柵瓣(grating lobes) 應當與LF孔徑的可能的柵瓣不同，以便利用成像技術(shù)抑制發(fā)射的HF 柵瓣的影響，所述成像技術(shù)例如為根據(jù)美國專利申請10/189,350和 10/204,350的成像技術(shù)。陣列可以具有一般特性，例如線性相控陣列或轉(zhuǎn)換陣列或環(huán)形陣 列。在高度方向上將線性陣列的元件分割成例如1.5D、 1.75D甚至全 2D陣列也都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。還可以有不同的HF和LF陣列的元 件分割。本發(fā)明還規(guī)定了利用根據(jù)本發(fā)明的超聲雙頻探針的裝置，并 且其中至少LF孔徑的輻射區(qū)域能夠可選地變化為等于HF發(fā)射孔徑、 大于HF發(fā)射孔徑中的一種，其中HF輻射區(qū)域是LF輻射區(qū)域的部 分，或者HF輻射區(qū)域可以包括沒有LF輻射的中心區(qū)域?？梢愿鶕?jù) 圖像深度和成像方式由裝置自動選擇HF發(fā)射孔徑，或由裝置操作員 通過裝置控制面板手動地選擇HF發(fā)射孔徑。在該發(fā)明中主要涉及雙帶脈沖的合成脈沖的發(fā)射，其中本領(lǐng)域技 術(shù)人員清楚陣列可以并且將用于接收LF和HF帶中的超聲脈沖。在 美國專利申請10/189,350和10/204,350中提及的方法僅接收背散射的 的HF脈沖，其中設(shè)置HF陣列使得可以根據(jù)公知方法利用帶有深度 的動態(tài)擴展的接收孔徑是自然的，其中用于大深度的HF接收孔徑一 般可以等于或大于LF發(fā)射孔徑。


圖1示出需要發(fā)射的低頻(LF)和高頻(HF)脈沖合成波的實例；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的示例性環(huán)形LF和HF輻射表面，并示出 對LF和HF脈沖相位關(guān)系的分析；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的LF和HF壓電層疊置布置的截面圖，壓電層疊置布置通過公共的正面發(fā)射和接收高和低頻脈沖；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的結(jié)合在所述HF和LF壓電層之間的絕緣部分中的部分切開的LF壓電層的實例；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的定相陣列探針的前視圖；圖6示出用于減少陣列元件的電阻抗的雙壓電層布置的實例；圖7示出帶有cmut/pmut微-加工換能單元的基板的前視圖；圖8示出換能疊層的截面圖，其中HF換能由用于LF換能的壓電層前面的基板上的cmut/pmut單元產(chǎn)生；圖9示出換能疊層的截面圖，其中LF換能由用于HF換能的壓電層前面的基板上的cmut/pmut單元產(chǎn)生；圖10示出由在基板上微-加工的cmut/pmut換能單元實現(xiàn)的組合的LF和HF部分的前視圖和截面圖，其中HF單元放置在LF單元上； 圖11示出布置為稀疏陣列的LF和HF陣列的前視圖，其中HF和LF元件彼此間隔設(shè)置；圖12示出由在基板上微-加工的cmut/pmut換能單元實現(xiàn)的組合的低和高頻部分的前視圖，其中低和高頻單元彼此并排設(shè)置。
具體實施方式
現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的示例性實施例。想要發(fā)射的雙頻脈沖 的一般實例示于如上所述的圖1中。陣列設(shè)計中的挑戰(zhàn)在于輻射表面 的設(shè)計和振動結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其中輻射表面的設(shè)計使得HF脈沖保持在 用于成像范圍的LF脈沖的期望的位置中，同時保持LF脈沖的足夠 的振幅，而振動結(jié)構(gòu)的設(shè)計允許發(fā)射來自相同表面的具有頻率之間的這種寬間隔的LF和HF脈沖。在一些應用中，在HF脈沖的位置的LF脈沖的振幅在整個成像 范圍內(nèi)盡可能高且接近常數(shù)是重要的。這需要LF輻射表面的大孔徑， 以避免由于LF脈沖與HF脈沖相比的長的波長導致的LF束的衍射傳 播。HF發(fā)射孔徑的寬度可以由對HF發(fā)射聚焦區(qū)域的長度的需求來 限定。這給定應當優(yōu)選比HF孔徑更大的LF孔徑的情況，這種情況 在LF脈沖的位置與HF脈沖的位置之間引入了偏移。對這種偏移現(xiàn)象的進一步的分析，我們考慮圓形孔徑，因為對于 這種孔徑的軸上的場有解析的表達式。圖2通過實例示出具有直徑 Dto的圓形HF發(fā)射孔徑201，并示出例如示出為具有外徑Dlo和內(nèi) 徑Du的環(huán)的同心LF發(fā)射孔徑202。截面圖將HF和LF的發(fā)射孔徑 示為203，其中它們例如相對于同一焦點F (204)彎曲。頻率為co 的LF和HF孔徑的發(fā)射軸向連續(xù)波場是軸向距離z的函數(shù)，該函數(shù) 如下給出/^(z;cy)/^ = i2e ")/2sinKz)-^))/2F/>fc =仝(1)尸朋fcO)) = 4(C0 =。,汰(一)/2,恥C^0其中co是發(fā)射脈沖的角頻率，c是超聲傳播速度。示出為205的 Ru) ( z )是從LF孔徑的外邊緣至z-軸上的點z (208)的距離，示 出為206的Ru ( z )是從LF孔徑的內(nèi)邊緣至z -軸上的208的距離， 而示出為207的RH0 ( z )是從HF孔徑的外邊緣至z -軸上的208的 距離。Pix)是孔徑處的LF發(fā)射壓，而PHo是孔徑處的HF發(fā)射壓。相 位項分別將來自LF和HF孔徑的平均傳播延遲表示為因此看 10位置將隨著深度偏移，如209-211中示出的深度zl、 z2禾Bz3。雖 然上述公式是針對圓形孔徑推導出來的，但它們表示了用于任何形狀 孔徑的普遍原理，這是由于輻射束是作為原點在孔徑上的所有點處的 球面波之間的干涉發(fā)出的。因此，由HF孔徑外側(cè)的LF孔徑上的點 發(fā)出的波，將具有比HF孔徑上的點更長的到軸的傳播距離。這些傳 播距離之間的差隨深度z變化，因此這是HF和LF脈沖之間的位置 偏移的原因。當LF和HF發(fā)射孔徑相等時，LF和HF脈沖之間沒有偏移，但 是如上所述，在許多情況中這可能限制了LF發(fā)射孔徑，使得由于衍 射而發(fā)現(xiàn)過高的束發(fā)散。因此經(jīng)常希望具有比HF發(fā)射孔徑更寬的LF 發(fā)射孔徑。這在HF和LF脈沖之間隨深度產(chǎn)生一些偏移，這可以在 通過指定發(fā)射孔徑的尺寸而建立在容許極限之間。還可以將該偏移用 于不同的目的，例如用于補償LF脈沖振幅中的變化(variation),使 得在HF脈沖位置處觀察的LF壓具有比LF脈沖振幅更小的隨深度的 變化。因此，不同測量情況對LF振幅的可容許的變化以及HF和LF 脈沖之間的位置偏移提出不同的要求，因此經(jīng)常希望至少LF發(fā)射孔 徑由元件組成，使得LF發(fā)射孔徑的有效寬度可以與HF和LF脈沖的 相對發(fā)射定時(transmit timing) —起選擇,從而在期望的范圍內(nèi)獲得 兩個脈沖的最可能的振幅和相對位置。本發(fā)明設(shè)計出使用了這種探針 的超聲裝置，其中可以根據(jù)應用(例如若干散射噪聲的抑制或?qū)Ρ葎?微泡的檢測)和圖像深度通過該裝置自動進行有源的LF發(fā)射孔徑表 面的選擇，或通過裝置操作者手動進行。還希望變化HF發(fā)射孔徑， 在散射的HF信號的接收期間一般希望接收孔徑隨著焦點動態(tài)地增 大，以便跟隨散射體的深度。因此，優(yōu)選的解決方案是具有公共的輻 射表面的組合的LF和HF陣列，但是實際的LF和HF發(fā)射孔徑可以 針對應用來選擇，其中LF發(fā)射孔徑一般比HF發(fā)射孔徑大，而HF 接收孔徑可以選擇為與在大深度處的LF發(fā)射孔徑一樣寬或者可能比 其更寬，例如隨深度的動態(tài)接收孔徑。在上述實例中，LF和HF發(fā)射振幅具有公共焦距，在多數(shù)情況下是優(yōu)點，但是在針對不同的目的的束的設(shè)計中還可以利用LF和HF 發(fā)射焦距中的差異。通過將孔徑分為陣列元件，可以電子地調(diào)整LF 和HF孔徑二者的焦距深度，還可以根據(jù)己知的方法調(diào)整束的方向， 如下面關(guān)于圖5所進行的討論。由于LF和HF頻帶之間的寬的間隔，公共輻射表面在電/聲換能 結(jié)構(gòu)設(shè)計中提出挑戰(zhàn)，其中本發(fā)明提供對這個問題的多個解決方案。 圖3a中示出了壓電層和聲學層的疊層的第一個實例，所述疊層允許 來自相同輻射表面的具有被寬地隔離的頻率的LF和HF脈沖的發(fā)射。 該圖通過層疊結(jié)構(gòu)示出橫截面，該層疊結(jié)構(gòu)至少通過和聲負載 (acoustic load)材料301接觸的公共輻射表面302輻射并接收兩種 頻帶。另外對于一般的應用，LF和HF成分二者均穿過公共表面的 外側(cè)的單獨的表面來發(fā)射或接收。然而，對于穿過整個孔徑的等同的 LF和HF轉(zhuǎn)換功能，使用穿過整個孔徑的相同厚度的疊層是有利的， 并且通過下面討論的有源元件電極的面積來限定LF和HF孔徑。通過換能器陣列組件303接收和/或產(chǎn)生HF脈沖，在這個實例中 換能器陣列組件303由具有兩個在前面連接聲負載材料301的聲匹配 層305和306的壓電層304構(gòu)成。壓電層在電限定的陣列元件的前面 和背面上具有一組電極，其中例如，圖3示出一個陣列元件的電極 307和308的截面圖，其中電極307和308產(chǎn)生用于該元件的電端對309。 用HF帶中的電壓信號V,對電端口 309進行的驅(qū)動，將在輻射 表面302上產(chǎn)生振動，該振動產(chǎn)生以高帶頻率傳播到負載材料中的波310。 相似地，具有高帶頻率的入射波311將在整個HF端口 309上 產(chǎn)生電壓振蕩。在該示例性實施例中，通過換能器陣列組件312產(chǎn)生LF脈沖， 換能器陣列組件312由前面覆蓋有疊層部分317的壓電層313構(gòu)成， 疊層部分317用于使HF結(jié)構(gòu)中的HF振蕩與LF結(jié)構(gòu)聲絕緣。該HF 絕緣部分提供從HF組件303向LF組件312的高的反射系數(shù)，以避 免LF結(jié)構(gòu)對HF結(jié)構(gòu)中的共振的干擾。部分317由至少兩個聲學層 構(gòu)成，其中該部分的背側(cè)層或?qū)咏M318由于下述原因具有高的聲阻 抗。整個換能器組件安裝在背底材料320上，背底背底材料320具有很高的吸收能力，使得可以忽略背底材料中反射的波。為了如下所述 的絕緣部分317的適當效果，背底阻抗必須足夠高。該圖還示出特定的LF陣列元件的電極314和315的截面。所述 電極構(gòu)成LF電端口 316，其中用LF帶中的電壓信號Vo對該端口進 行的驅(qū)動在陣列的前面(front face) 302上產(chǎn)生LF振動，該陣列的 前面302向負載材料301中發(fā)射波。在LF帶中，部分317的厚度很 低以至于足夠傳輸LF振動。對于許多應用，僅將LF陣列用作發(fā)射 器，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應當清楚，當需要時該組件還可以用于接收 LF波。根據(jù)公知方法，壓電層一般由鐵電陶瓷，或鐵電陶瓷和聚合物填 料的復合物制成。當電極化時鐵電陶瓷變?yōu)閴弘婓w。超聲陣列中的元 件可以通過壓電層中的切割來限定，在陶瓷/聚合物復合物的情況下 這些切割可以與復合物的切割相一致，其中使用電極限定陣列元件。 常常用元電極來極化陶瓷，從而提供元件維數(shù)的雙重限定。由于HF和LF頻率之間的寬的間隔，HF壓電層304的厚度遠遠 低于LF壓電層313的厚度。由于這種原因，元件之間的或LF層的 復合物中的切割需要比用于HF層中的切割更厚的鋸片。因此實際制 造的情況下難于控制HF層的陶瓷柱(post)連接到LF壓電層中的陶 瓷或聚合物填料。為了使得匹配部分317的HF絕緣特性具有對到陶 瓷或聚合物填料的連接的足夠低的靈敏性，本發(fā)明將接近LF壓電層 313的部分317的背底層或?qū)咏M318設(shè)計成由具有高聲阻抗的重材料 制成，例如如下討論的如Ag、 Cu、 Au、 Pd、 Pt和W的金屬或者甚 至是陶瓷材料。層318的大的剪切剛度也將有助于降低317連接到陶 瓷或聚合物填料的靈敏性，但是318的大的剪切剛度還引入耦合在 LF元件之間的橫向振動，因此該層的厚度應當限制，同時仍使得從 前面到部分317觀察到的阻抗具有對到背底側(cè)上的陶瓷或聚合物填 料的連接的足夠的不靈敏性。如下討論，發(fā)現(xiàn)層318的厚度小于X/20 是有用的。在列出的材料中，Ag， Au， Pd和Pt具有最低的剪切硬度 并且還具有高的質(zhì)量密度，這使這些材料對于降低對到陶瓷或聚合物 填料的連接的靈敏性最有效，其中陶瓷或聚合物填料具有最低的橫向耦合。絕緣部分317的其他層一般選擇為具有高頻上的A74的厚度。 圖3bd-d中示出了層318對從前面朝向部分317觀察的阻抗的作 用的例子。在圖3b中，絕緣部分317由在10MHz的厚度為X74的單 聚合物層構(gòu)成。曲線312示出當該層連接到背面上的陶瓷時作為頻率 的函數(shù)的到317中的阻抗。到層313的陶瓷中的阻抗在當陶瓷是A/2 厚的整數(shù)倍時的背底阻抗的低值ZB和當陶瓷是A/4厚的奇數(shù)倍時的高值(Z^) 2/ZB〉ZB之間振蕩。Z^是陶瓷的特性阻抗。然后X/4的聚合物層317將該阻抗轉(zhuǎn)化為隨頻率振蕩，其中當所述頻率接近10 MHZ時，我們得到接近(Z p。,/ Z eer) 2* Z B的最小值和接近Z p。,2/ZB的峰值，其中Zp。,X74聚合物層的特性阻抗。曲線322示出當該層 連接到LF陶瓷柱之間的聚合物填料時作為頻率的函數(shù)的從前面到 317的阻抗。到層313中的聚合物填料中的阻抗在當填料是X/2厚的 整數(shù)倍吋的背底阻抗z B的高值和當填料是A74厚的奇數(shù)倍時的低值 (Zfi )々ZB〈ZB之間振蕩。z訓是層313的陶瓷/聚合物復合物中 的陶瓷柱之間的聚合物填料的特性阻抗。然后A/4聚合物層317將該 阻抗轉(zhuǎn)化為振蕩變化，其中在10 MHz附近峰值接近(z p。,/ z fl ) 2*Z B而最小值接近Z po|2/ Z B。圖3示出當在圖3b所示的A74聚合物層317的背側(cè)上引入20pm 厚(大約為銅的A725)的Cu層318時，從前面朝向部分317觀察的 阻抗。曲線323示出當Cu層連接到LF陶瓷柱之間的聚合物填料時 從前面朝向部分317觀察的阻抗。該厚度的Cu層給出朝向填料觀察 的Cu的慣性負載(mass load)的附加的電感性阻抗，這增加了從X/4 層到背底的阻抗，X/4層將該阻抗在帶7-13 MHz轉(zhuǎn)化為<2 MRayl的 阻抗，這在該帶中使得從HF到LF部分非常好地絕緣。曲線324示 出當部分317連接到LF陶瓷柱時的朝向該部分317觀察的阻抗。我 們注意到當連接到聚合物填料時，Cu層的作用使得曲線324從321 的變化比曲線323從322的變化更少。原因是由于陶瓷具有高的特性 阻抗，Cu層主要改變從X/4層的背側(cè)觀察的低和高阻抗的頻率，而對 低和高阻抗的值沒有很大的改變。然而，通過使用足夠高的背底阻抗， 例如在該實例中zB = 5MRayl，當連接到陶瓷時朝向絕緣部分317觀察的最大阻抗在7-13 MHz帶仍然低于2 MRayl，這在該帶中給定了 從HF部分來看的高絕緣。圖3d中示出了 Cu層對HF電-聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的影響。曲線325示 出當絕緣部分317由圖3b中所示的單A/4聚合物層構(gòu)成并連接到背 底上聚合物填料時的HF轉(zhuǎn)換函數(shù)。我們注意到由于阻抗曲線322在 HF壓電層304的背側(cè)不提供足夠的反射，因此該曲線示出由LF部 分312中的內(nèi)HF反射引起的共振。引入20iim的Cu層318將該轉(zhuǎn) 換函數(shù)改變到曲線326，在曲線326中由LF部分中的反射引起的共 振己經(jīng)消失。曲線328示出沒有層318并且當部分317直接連接到陶 瓷時的轉(zhuǎn)換函數(shù)，其中當引入Cu層時該曲線移至327。我們注意到 Cu層去除曲線325中的共振，并且使得到聚合物填料的連接的轉(zhuǎn)換 函數(shù)326與到LF部分的陶瓷的連接的轉(zhuǎn)換函數(shù)328近似相等。因此 該圖證明了引入Cu層使得HF電-聲轉(zhuǎn)換函數(shù)對絕緣部分是連接到層 313中的聚合物填料或是陶瓷不靈敏。典型地，此時雙帶電-聲轉(zhuǎn)換函 數(shù)可以采取如圖3e的形式，其中331示出LF端口的轉(zhuǎn)換函數(shù)而332 示出HF端口的轉(zhuǎn)換函數(shù)。我們應當注意到該薄Cu層的重要作用是其質(zhì)量，即pL，其中p 是層質(zhì)量密度而L是層厚度，其質(zhì)量引入了電感性阻抗。因此該層便 于用任何重材料制成，例如Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt和W，或這些材 料的合金、這些材料的粉末或燒結(jié)在一起的或在溶劑中膠合的合金。 最重的金屬允許最薄的層，如上所述的材料Ag、 Au、 Pd和Pt由于 它們的質(zhì)量密度而具有最低的剪切剛度，因此在LF元件之間產(chǎn)生最 低的橫向耦合。如圖4所示，層318還可以包括層313中部分陶瓷， 其中相同層的標記沿用圖3a中的。從LF壓電層313的背面將該層中 的聚合物填充的刀口 (cut) 401切成方塊，但不貫穿LF陶瓷層313 進行完全的切塊，從而留下完整的陶瓷層402并包含于HF絕緣部分 317的層318中。還可以將LF前電極315制成很厚，使得其在HF 帶具有聲效應并且還可以被包含作為層318的部分。圖3a示出用于陣列的特定元件的厚度結(jié)構(gòu)，其中本領(lǐng)域技術(shù)人 員應當清楚，本發(fā)明可以用于構(gòu)成任何結(jié)構(gòu)的超聲陣列，例如圓形陣列、線性相控陣列、線性轉(zhuǎn)換陣列(switchedarray)或在用于束的全 3D控制(steering)的許多尺寸達到2D的陣列的垂直方向上具有間 隔的線性陣列。LF元件的尺寸一般比HF元件大，因為LF波長較長， 如上面所討論的，這也使得使用比HF發(fā)射孔徑更大的LF發(fā)射孔徑 成為優(yōu)選。對于大的深度，HF接收孔徑也可以大于LF發(fā)射孔徑， 其中一般在整個陣列上具有相同的厚度的設(shè)計是優(yōu)選的，并且發(fā)射接 收孔徑的尺寸可以通過選擇結(jié)合在陣列中的元件而改變。通過實例，示出的根據(jù)本發(fā)明的典型的線性相控陣列，其示于圖 5中，其中501表示相控陣列HF孔徑的元件。根據(jù)公知的方法，通過對每個元件上的信號的適當?shù)目刂?，這樣的陣列允許將束方向控制 在方位方向中的扇區(qū)內(nèi)。在垂直方向的控制也需要將元件在垂直方向 分割成二-維(2D)陣列，我們在此強調(diào)本發(fā)明的基本方法也可應用 于2D陣列。該線性陣列的HF帶的中心例如是& = 3.5 MHz，這表示入,/2 0.22 mm的高頻元件間距。那么84個高頻元件產(chǎn)生18.48 mm的總孔 徑。對于& = 0.5 MHz的低頻帶的中心，我們得到W2 1.54mm， 這表示12個低頻元件50也產(chǎn)生18.48 mm的總孔徑2。為了更好地 校準LF束，可以在HF元件的每一側(cè)添加額外的LF元件，其中該圖 示出兩個元件503，將LF方位孔徑(azimuth aperture)增加到14個 元件 21.56 mm。為了增大LF垂直孔徑，可以通過垂直方向的元件 504類似地擴展LF孔徑。如下根據(jù)與圖2相關(guān)的分析，當HF和LF 脈沖之間的相隨深度具有最小的偏移至關(guān)重要時，可以使用LF和HF 輻射表面的相同的傳播孔徑，而對于在大深度的更高的LF振幅，可 能期望LF發(fā)射孔徑大于HF發(fā)射孔徑，以減小LF束隨深度的衍射增 寬。為了減小傳播中的LF脈沖的非線性操作和接近陣列的HF脈沖 的散射，希望除去陣列的中心輻射表面。這可以通過進一步將LF元 件分割成次元件505來實現(xiàn)。然后圖5中的LF陣列允許選擇LF孔 徑的尺寸，例如下列情況之一1)等于HF孔徑，2)在方位方向和 垂直方向上分別大于HF孔徑或者在方位方向和垂直方向上都大于 HF孔徑，以及3)在HF孔徑中心具有無源(inactive)區(qū)域的LF孔徑。還應指出，這種LF孔徑相對于HF孔徑的變化可以由其他陣列 結(jié)構(gòu)得到，例如圓形陣列，其中本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將本發(fā)明的要素 應用到所有陣列結(jié)構(gòu)。對于許多應用可能僅使用2)，其通過將元件 502/504/505組合成單個LF元件來實現(xiàn)，其中該單個LF元件的垂直 尺寸等于或大于HF孔徑，并且在方位方向(503/504)上添加額外的 LF元件，以便獲得在方位方向上大于HF孔徑的LF孔徑。為了在LF元件的整個區(qū)域上得到相同的振動條件， 一般可以將 與圖3相似的疊層用于整個陣列區(qū)域，并且通過元件電極和壓電陶瓷 中的切口限定LF和HF元件。將陶瓷/聚合物復合物用于HF和LF 壓電層二者是有利的，其中元件尺寸僅通過電極來限定。然后HF輻 射面積可以例如通過前側(cè)上的公共地極來限定，公共接地電極通過電 耦合或通過限定鐵電陶瓷的面積兩種方式來限定垂直寬度，其中使鐵 電陶瓷極化以顯示壓電特性。然后通過背側(cè)熱電極來限定HF元件的 方位寬度，當接地電極外部的電-聲耦合低時，背側(cè)熱電極可以方便 地擴展到組件的邊緣，以便電連接到電纜。然后，如關(guān)于圖3b-d所進行的討論，由于從前面朝向部分317 觀察的阻抗對于終止到聚合物或是陶瓷的變化很小，所以圖3中的高 聲阻抗層或?qū)咏M318使得HF和LF壓電層中的切口之間的精確的位 置匹配不那么關(guān)鍵。這種減弱的靈敏性允許用比HF層更厚的鋸將LF 層切割成塊，也減小了對HF和LF層之間的精確的橫向定位的要求。眾所周知，LF和HF壓電層313和304可以由多個層制成，壓 電層和非壓電層，以便改變和增大電/聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的帶寬，并減小電 端口的阻抗。例如，為了獲得較低的陣列元件的電阻抗，特別是使得 低頻元件能夠發(fā)射具有可管理的驅(qū)動電壓幅值的高壓，可以方便地將 低頻壓電部分313制成覆蓋有電極的多個壓電層。圖6示出兩個層 601和602的示例性實施例。該層由電極603、 604和605覆蓋，其 中一般將電極603和605電連接到地，其中電極604將用作熱電極。 那么兩個壓電層將具有相反的極化方向606和607，因此電極耦合將 提供層601和602的電并聯(lián)耦合以提供較低的電阻抗端口 608，這允 許用較低的電壓驅(qū)動低頻陣列，以用于高壓。根據(jù)公知的方法，也是對于高頻層，為了得到甚至更低的電端口阻抗，可以對更多層進行并 聯(lián)耦合。通過在疊層中的僅使用一個或有限的元件組，可以增大電/ 聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的帶寬。也可以使電-生換能基于基板表面上的微-加工換能單元，例如Si(硅)基板，或例如CU和A1的其他材料的其他基板。用這些技術(shù)， 通過振動基板表面上的膜實現(xiàn)表面的增大的振動，其中膜后是氣體或 真空，其中該膜直接或通過聲學層連接到聲負載材料。機電耦合可以通過從膜到參考電極的電容性耦合來得到，稱為cmuts (電容性微-加工超聲換能器)，或通過膜上的壓電膜來得到，稱為pmuts (壓電 層微-加工超聲換能器)。這種膜的實例如圖7中從前輻射表面示出的 701所示，該膜安裝在基板700的前表面上。膜的尺寸和厚度確定換 能最有效的共振帶，并且一般將多個cmut/pmut單元電耦合在一起從 而形成一個陣列元件。在本發(fā)明中，涉及用于從本質(zhì)上相同的輻射表 面發(fā)射雙帶脈沖的cmut/pmut技術(shù)的創(chuàng)造性的實施方式，其中附圖示 出本發(fā)明的用于獲得雙頻功能的創(chuàng)造性要素，并且其中省略了膜、電 極和電連接的細節(jié)，因為文獻中有關(guān)于它們的許多解決方案。在下文 中將該技術(shù)稱為cmut/pmut換能器、cmut/pmut單元和cmut/pmut膜。 Si的特性阻抗是19.6 MRayl，其帶來了通過LF和HF基板發(fā)射 HF和LF波的有趣的可能性。實例圖8示出了具有安裝在LF部分前 面的cmut/pmut HF部分806的結(jié)構(gòu)的截面，LF部分由具有產(chǎn)生LF 元件電端口 805的電極803和804的壓電層801制成。因為在上述討 論的每個文獻中都存在多個實例，所以未示出具有電極的cmut/pmut 鼓(drum)和電耦合的細節(jié)。在這個實例中，整體結(jié)構(gòu)安裝在背底材 料802 (可以是低阻抗的或者是空氣)上，而保護層808設(shè)置在 cmut/pmut鼓807的前面。該圖還示出可選的吸收層812，其用于減 小HF陣列元件之間的Si基板中的橫向聲耦合，也用于減小基板和 HF頻帶中的LF部分之間的的橫向聲耦合。鼓807將層806的有效 聲阻抗減小到小于Si的有效聲阻抗，并且通過將壓電層801制成陶 瓷/聚合物復合物，可以匹配層801和806/808的聲阻抗，以便改善 LF端口的帶寬。圖9中的另一實施例示出在安裝在背底材料902上的HF壓電層 901前面的pmut/cmutLF部分906，該HF壓電層901由陶瓷/聚合物 復合物制成的。元件電極903和904構(gòu)成HF元件電端口 905。通過 基板層906上的cmut/pmut鼓907提供LF換能。因為在上述討論的 每個文獻中都存在多個實例，所以未示出具有電極的cmut/pmut鼓和 電耦合的細節(jié)。通過將壓電層901制成陶瓷/聚合物復合物，可以使 得該層的聲阻抗匹配于Si層906的有效聲阻抗，以限定HF的聲波共 振。在該結(jié)構(gòu)的前面設(shè)置有聲阻抗匹配層(一般為一層或兩層)908， 其將HF和LF部分聲連接到負載材料301，以便發(fā)射(310)和接收 (311)負載材料中的雙帶脈沖波。聲匹配部分與cmut/pmut層906 一起用于增加HF電/聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的帶寬，并在低頻函數(shù)作為用于LF 陣列906的聲學的薄的保護覆蓋層，其中調(diào)節(jié)cmut/pmut膜的硬度， 以便于聲學層/負載轉(zhuǎn)換。由于Si的高縱向波速度(8.44mm^sec)， Si基板的厚度可以制成足夠薄，以便對HF電/聲轉(zhuǎn)換功能產(chǎn)生滿意的 影響。為了限制Si基板內(nèi)部的橫向耦合，還可以在基板的背面使用 可選的吸收絕緣層912，使得絕緣在高頻上足夠薄，從而對HF轉(zhuǎn)換 功能具有有限的影響。圖9中的層疊結(jié)構(gòu)對用于三-維(3D)的束的控制和成像的2D 陣列的有著有利的優(yōu)點，其中具有從陣列結(jié)構(gòu)的背面到大數(shù)目 (~3000)的HF元件的電入口，該電入口用于最簡單地連接到形成 電子設(shè)備的電纜或次-孔徑束的。LF 2D陣列將具有更少元件(HF數(shù) 目的1/50-1/100),簡化了到LF元件的連接，其中簡化的連接技術(shù)適 用于cmut/pmut制造技術(shù)。本發(fā)明還提供具有公共輻射表面的LF/HF換能的解決方案，其 中高頻cmut/pmut單元安裝在低頻單元上，例如圖IO所示。圖10a 示出具有一個低頻單元1001的基板前面1000，并且多個高頻單元 1002在低頻單元之上。當?shù)皖l允許低頻單元的大尺寸時，可以從如 圖10b示出的基板的背側(cè)對該單元進行微-加工，圖10b示出通過基 板1003的截面，其中從基板背側(cè)的蝕刻提供了薄的低頻膜1004，低 頻膜1004與電極1005電容性地相互作用，電極1005安裝在第二基板1006上或者第二基板1006的部分上，第二基板1006通過膠合或 其它粘合技術(shù)附著到基板1003。從基板的前面在低頻膜1004的前面 微-加工了幾個高頻單元1002。利用更復雜的制造技術(shù)，低和高頻單 元都可以從前側(cè)制造。對于其它的cmut/pmut解決方案，這里未示出 電極設(shè)置和壓電元件的可能設(shè)置的細節(jié)，因為這在文獻中有多個例 子，并且在本說明說中強調(diào)設(shè)計的本質(zhì)特征，即能夠從相同的輻射表 面發(fā)射LF和HF脈沖。然而，當用Si作為基板時，該圖表示LF電 極解決方案，其中Si-基板的前面的層1007是高n-摻雜(n++)的， 以提供用于LF和HF單元的公共地極。通過第二 Si-基板1006的區(qū) 域1005的高n-摻雜可以類似地獲得熱LF電極。具有寬間隔的頻帶的雙頻帶操作還可以方便地實現(xiàn)為稀疏陣列， 其中低和高頻率元件設(shè)置在陣列表面上的不同位置，但足夠接近，以 在外部離陣列的特定距離處，兩個頻率束看上去至少部分是從相同的 輻射表面發(fā)出的。2D稀疏陣列對3D超聲成像尤其有用，其中稀疏 陣列允許用少量的元件(~1000)對超聲束進行二-維方向的控制。2D 稀疏陣列對于用2D和3D束掃描二者來校正波前象差和脈沖混響也 是有用的。圖11中示出了列舉的例子，圖11示出具有四個陣列元件 1101的陣列表面1100的一部分，陣列元件1101之間具有用于以稀疏 陣列圖案設(shè)置HF陣列元件的開放空間1102。稀疏陣列在束的主波瓣 (lobe)的偏置(off-set)方向上產(chǎn)生柵瓣，其中必須設(shè)計發(fā)射和接 收孔徑，從而與柵瓣方向不相重疊。對于基于雙頻束(dualfr叫uency beam)之間的非線性相互作用的成像方法，例如美國專利申請 10/189,350和10/204,350/中所描述的，當用于LF和HF的柵瓣為非-重疊時，在圖像中得到對柵瓣的改善的抑制。實際上，由于低帶的大 波長a~3mm@500KHz)，可以設(shè)計具有小的低頻陣列元件的陣列， 該陣列沒有低頻柵瓣但在元件之間仍然具有很大的距離(~2mm)使 得可以在低頻元件之間設(shè)置許多高頻元件。利用與圖3相似的用于電-聲換能的共振體壓電-陶瓷元件，可以 通過例如稀疏陣列制造其所有元件都有間隔的高頻陣列，然后選擇用 于LF元件的這些元件的位置的次組，其中通過在所述選擇的HF元件的背面附著壓電-陶瓷板來生產(chǎn)LF元件，并且在高頻元件的前電極(front electrode)和所述附著壓電陶瓷板的背電極(back electrode)之 間進行電連接，前電極通常是地電極。對于較低的電-聲換能效應， 可以通過如下方式來減小LF元件的共振頻率將大量的重的和硬的 材料(例如象Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt或W等的金屬)附著在所選擇 的HF元件的背面，并將高頻壓電-陶瓷元件的表面電極用于換能。Si-基板的前側(cè)上的微處理換能元件也很適于雙頻陣列的稀疏陣 列的實施，當在陣列表面上的不同位置處理低頻單元和較小的高頻單 元時，例如圖12所示，其中1201示出基板1200上的用于低頻帶的 cmut/pmut單元，由用于高頻帶的cmut/pmut單元1202環(huán)繞。電連接 高頻帶單元以形成高頻元件，而連接低頻帶單元以形成較大的低頻元 件，例如如圖5中所示的相控陣列。對于每個陣列元件一般電連接幾 個單元。因此，雖然示出、說明和指出應用于本發(fā)明的優(yōu)選實施例的其基 本的新穎性特征，但是應當理解，在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可 以由本領(lǐng)域技術(shù)人員在所述裝置的形式和細節(jié)上進行各種省略、替換 和變化，。還應特別地指出，以基本相同的方法執(zhí)行基本相同的功能以獲得 相同的結(jié)果的這些元件和/或方法步驟的所有組合都在本發(fā)明的范圍 內(nèi)。而且，應當承認，結(jié)合任何所公開的本發(fā)明的形式或?qū)嵤├?出和/或描述的結(jié)構(gòu)和/或元件和/或方法步驟，都可以結(jié)合到作為設(shè)計 選擇的一般主題的任何其它的所公開或說明或建議的形式或?qū)嵤├?中。因此，本發(fā)明旨在僅由其所附權(quán)利要求的范圍來限定。
權(quán)利要求
1、一種用于發(fā)射低頻(LF)帶和高頻(HF)帶中的超聲脈沖并至少接收所述HF帶中的脈沖的超聲換能器陣列探針，其中所述LF和HF帶的輻射表面的至少一部分是公共的，其特征在于，至少在所述LF和HF輻射表面是公共的區(qū)域內(nèi)-用不同的壓電層獲得LF和HF電聲換能，其中在多層結(jié)構(gòu)中所述HF壓電層疊置在所述LF壓電層之前，并且其中-由至少兩個聲學層構(gòu)成的聲學絕緣層設(shè)置在所述HF和LF壓電層之間，并且其中-所述層安裝在特性阻抗高于2.5MRayl的背底材料上，并且其中-用于所述HF帶的聲匹配部分設(shè)置在所述壓電層之前。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1戶艦的超聲換能器陣列探針，其中戶腿絕緣部分 由特性聲阻抗大于17 MRayl的背底層和至少—待性阻抗小于5 MRayl的 層構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲換能器陣列探針，其中所述背底層由 如下材料中的一種制成Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt、 W和這些材料的合金，以及這些材料中的一種的粉末或者它們的燒結(jié)或膠合在一起的合 金。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1戶脫的超聲換育識陣列探針，其中戶脫絕緣部分 的背面由陶瓷層構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)禾腰求4戶脫的超聲換能器陣列探針，其中將戶脫LF壓電 層鬼喊陶徵聚合物復合物，其中從背面將戶脫陶瓷切成方塊，但不完全貫 穿所述LF壓電層，使得所述LF陶瓷壓電層的正面部分形成橫向連續(xù)層， 該層形戯繊色緣部分的臓背底層。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲換能器陣列探針，其中位于戶皿絕緣 部分的背面的第二層由如下材料中的一種制成Cu、 Ag、 Au、 Pd、 Pt、 W和這些材料的合金，以及這些材料中的一種的粉末或者燒結(jié)或膠 合在一起的它們的合金。
7、 一種用于對寸低頻(LF)帶和高頻(HF)帶中的超聲脈沖并至少 接收所艦帶中的脈沖的超聲換能器陣列探針，其中所瓶F和HF帶的輻 射表面的至少一部分是公共的，其特征在于，至少在戶艦F禾nHF輻射表面 是公共的區(qū)域內(nèi)-LF禾nHF電聲換能中的一禾中是由壓電層獲得的，并且 -所述LF和HF電聲換能中的另一種是由正面具有基于cmut/pmut的 換能膜的M層獲得的，以及-基于cmut/pmut換會鵬的所述層設(shè)置在戶;M壓電層之前。
8、 根據(jù)權(quán)禾腰求7戶腿的超聲換能器陣列探針，其中戶腿LF電聲換 能是由,，壓電層獲得的。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7戶腿的超聲換能器陣列探針，其中戶腿HF電聲換 能是由戶M壓電層獲得的。
10、 一種用于鄉(xiāng)低頻(LF)帶和高頻(HF)帶中的超聲脈沖并至少 接收戶服HF帶中的脈沖的超聲換能器陣列探針，其中-戶腿LF和HF El/聲換能二者都是由基于cmut/pmut的膜換能器技術(shù) 獲得的。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10戶脫的超聲換能器陣列探針，其中HF換會鵬設(shè) 置在LF換旨鵬:^J:o
12、 根據(jù)權(quán)利要求10戶欣的超聲換能器陣列探針，其中HF換育鵬與 LF換會鵬湘股置，彼此非常接近，使得M^M探針的表面的特定深度之后，LF和HF束看來像是/AM少具有公共區(qū)域的輻射表面發(fā)出的。
13、 根據(jù)權(quán)利要求l、 7和10中的一項戶，的超聲換能器陣列探針， 其中戶腿LF和HF劃寸和/或接收表面中的至少一1^M^:件的稀疏陣列， 并且其中戶;MLF和HF ^!狩L徑的電勢柵瓣在空間上不重疊。
14、 一種用于激寸臨頻(LF)帶和高頻(HF)帶中的超聲脈沖并至少 接收戶服HF帶中的脈沖的超聲換能器陣列探針，其中戶腿LF和HF帶的 輻射表面的至少一部分是公共的，并且其中戶腿LF凝寸輻射表面的外邊 界至少在戶腿HF對抖融寸表面的外邊界之外的區(qū)域中。
15、 一種用于對寸低頻(LF)帶和高頻(HF)帶中的超聲脈沖并至少 接4妙艦HF帶中的脈沖的超聲換能器陣列探針，其中戶腿LF和HF帶的 輻射表面的至少一部分是公共的，并且其中在戶腿HF對抖融寸表面的中 心周圍的區(qū)域中存在沒有有源LF對寸表面的區(qū)域。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14和15中的一項戶艦的超聲換能器陣列探針，其 中戶腿HF和LF輻射表面設(shè)置成如下陣列之一-換能器元件的圓形陣列，以及 -換能器元件的緣性陣列，以及 -換能器元件的二維陣列。
17、 一種用于激寸低頻(LF)帶和高頻(HF)帶中的超聲脈沖并至少 接^^M HF帶中的脈沖的超聲換能器陣列探針，其中戶腿LF和HF帶的 輻射表面的至少一部分是公共的，其特征在于，至少LF輻射表面被分割 成換能器元件，使得戶;MLF，表面的尺寸可以針對應用]W淑也變化， 以i^M LF輻射表面處于下述情況中的一種a) 等于戶服HF鄉(xiāng)表面，以及b) 至少^0MHF鄉(xiāng)表面之外的區(qū)域中，以及c) 在戶脫HF鎌表面的中心區(qū)域中不存在有源LF對寸表面，以及d) b)和C)的組合。
18、 一種利用根據(jù)權(quán)利要求1、 7、 10中的一項所述的超聲探針的超 聲裝置，其中戶脫陣歹啲厚度結(jié)構(gòu)在^h探針表面上都是相同的，并艦 過與陣列元件的電連接而對LF和HF激才和接收孔徑的尺寸進行電選擇。
19、 一種利用根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的超聲探針的超聲體，其中通過下列方式之一，擇有源LF :^i狩l徑a) 所皿置根據(jù)圖像范圍以及迢聲成像方式和應用自動選擇，以及b) ，操作員通裝置控制機構(gòu)直m擇。
全文摘要
用于發(fā)射/接收具有低頻(LF)和高頻(HF)帶中的頻率的超聲脈沖的超聲探針，其中所述LF和HF帶的輻射表面至少具有公共的區(qū)域。給出了幾種通過相同的輻射表面發(fā)射(和接收)LF和HF脈沖的解決方案。陣列和元件可以是一般類型的，例如線性相控陣列或轉(zhuǎn)換陣列，或在方位或垂直方向都有間隔的圓形陣列或元件，如1.5D、1.75D和全2D陣列。LF和HF元件間隔和陣列孔徑也可以是不同的。
文檔編號B06B1/06GK101262960SQ200680033695
公開日2008年9月10日 申請日期2006年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者P·內(nèi)斯霍爾姆, R·漢森, S-E·馬索伊, T·F·約翰森, 比約恩·A·J·安杰爾森 申請人:比約恩·A·J·安杰爾森