具有双电极的超宽带换能器 |
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| 申请号 | CN201380023320.2 | 申请日 | 2013-04-19 | 公开(公告)号 | CN104271264B | 公开(公告)日 | 2017-07-21 |
| 申请人 | 富士胶片戴麦提克斯公司; | 发明人 | A·哈贾蒂; | ||||
| 摘要 | 本 发明 描述了宽带压电微机械超 声换能器 (pMUT)，pMUT阵列以及具有宽带pMUT阵列的系统。例如，压电微机械超声换能器(pMUT)包括放置在衬底上的压电膜。参考 电极 被耦合至该膜。第一和第二驱动/感测电极被耦合至该膜以驱动或感测在膜中的第一和第二振动模式。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种压电微机械超声换能器pMUT，该pMUT包括： |
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| 说明书全文 | 具有双电极的超宽带换能器[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求享有2012年5月1日提交的申请号为No.61/641,200的题为“ULTRA WIDE BANDWIDTH TRANSDUCER WITH DUAL ELECTRODE”的美国临时申请以及2013年3月14日提交的申请号为No.13/830,288的题为“ULTRA WIDE BANDWIDTH TRANSDUCER WITH DUAL ELECTRODE”的美国专利申请的权益，该申请的全部内容为所有目的在此结合作为参考。 技术领域背景技术[0004] 超声压电换能器设备通常包括压电膜，该压电膜能够响应于随时间变化的驱动电压振动，以在与暴露的换能器元件的外表面接触的传播介质(例如空气、水或身体组织)中生成高频压力波。该高频压力波能够传播至其他介质中。相同的压电膜也可以从传播介质中接收被反射的压力波，并且将接收到的压力波转换成电信号。可以结合驱动电压信号处理该电信号以得到传播介质中的关于密度变化或弹性系数的信息。 [0005] 虽然很多使用压电膜的超声换能器设备是通过机械地切割大块压电材料或通过注射铸模加入了压电陶瓷晶振的载体材料被形成的，可以使用各种微机械技术(例如材料沉积、平版印刷图案、通过刻蚀的特征形成等)有利地廉价制造设备得到极高维容差(high dimensional tolerance)。因此，换能器元件的大阵列与通过波束形成算法驱动的阵列中的单独的一者一同使用。这种被阵列化的设备被称为pMUT阵列。 [0006] 传统pMUT阵列的一个问题是作为由背层实施的阻尼的函数的带宽可能会受限。由于超声换能器应用，例如胎心监控和动脉监控跨越了宽范围的频率(例如，较低的频率提供相对较深的成像能力并且较高的频率提供了较浅的成像能力)，通过增强针对通过背层的给定级别的阻尼的pMUT阵列带宽可以有利地改善轴向(即范围)分辨率。 发明内容[0007] 本发明描述了宽带压电微机械超声换能器(pMUT)，pMUT阵列以及具有宽带pMUT阵列的系统。 [0008] 在实施方式中，一种pMUT包括放置在衬底上的压电膜。维持在参考电势的参考电极被耦合至所述膜。第一和第二驱动/感测电极被耦合至所述膜以驱动和/或感测在所述膜中的第一和第二振动模式。 [0009] 在另一实施方式中，一种用于在介质中生成和感测压力波的装置包括pMUT，具有放置在衬底上的压电膜。参考电极被耦合至所述膜。第一和第二驱动/感测电极被耦合至所述膜以驱动和/或感测在所述膜中的第一和第二振动模式。第一信号生成器被耦合至第一驱动/感测电极并且被提供以在第一驱动/感测电极上相对于参考电极驱动第一电信号。第二信号生成器被耦合至第二驱动/感测电极并且被提供以在第一驱动/感测电极上相对于参考电极驱动第二电信号。 [0010] 在另一实施方式中，一种pMUT阵列包括多个放置在衬底的区域之上的电极轨集。每个电极轨集包括参考轨和一对独立的电可寻址的驱动/感测轨。该pMUT阵列还包括多个具有独立元件群的压电换能器元件。每个元件群具有多于一个的被耦合至电极轨集中的一个的换能器元件。每个压电换能器元件还包括压电膜。pMUT阵列还包括被耦合至膜和参考轨的参考电极。第一和第二驱动/感测电极被耦合至膜和驱动/感测电极轨对中的相应的一个。 [0011] 在另一实施方式中，一种操作具有pMUT的用于在介质中生成并感测压力波的装置的方法包括生成第一电信号。第二电信号也被生成。第一和第二信号中的一个的振幅和相位中的至少一个被相对于另外一个而调制。第一电信号被施加至pMUT的第一驱动/感测电极并且所述第二电信号被施加至pMUT的所述第二驱动/感测电极以控制第一和第二振动模式的相对强度。附图说明 [0012] 本发明的实施方式通过示例但并不限制的方式被示出，并且通过结合附图通过以下详细的描述被更全面地理解，其中： [0013] 图1A是根据实施方式的具有圆膜的pMUT的平视图； [0014] 图1B是根据实施方式的具有换能器元件的pMUT阵列的平视图； [0015] 图1C是根据实施方式的具有椭圆膜的pMUT的平视图； [0016] 图2A、2B和2C是根据实施方式的应用于图1B的pMUT阵列中的换能器元件的横截面图； [0017] 图3A描述了根据实施方式的在操作中，类似于图1A的装置的装置沿着a-a’轴的横截面图； [0018] 图3B描述了根据实施方式的在操作中，类似于图1A的装置的装置沿着a-a’轴的横截面图； [0019] 图4A和4B是根据实施方式的针对图3A和3B的pMUT的性能度量的绘图； [0020] 图5A是根据实施方式的具有不同尺寸的换能器元件的pMUT阵列的平视图； [0021] 图5B是图5A中示出的pMUT阵列的性能度量绘图； [0022] 图6是示出了根据实施方式的操作具有pMUT的用于在介质中生成并感测压力波的装置的方法的一部分的流程图； [0023] 图7是示出了根据实施方式的操作具有pMUT的用于在介质中生成并感测压力波的装置的方法的另一部分的流程图；以及 [0024] 图8是根据本发明的实施方式的采用了pMUT阵列的超声换能器装置的功能方框图。 具体实施方式[0025] 在下文的说明中描述了多个细节。但对于本领域技术人员来说明显的是，本发明可以不使用这些特定细节被实践。在一些情况中，众所周知的方法和设备以方框图的形式被示出，而不是以细节的形式以避免模糊本发明。贯穿本说明书对“实施方式”的参考指的是特定特征、结构、功能或结合实施方式描述的特性被包含在本发明的至少一个实施方式中。因此，在本说明说中各处的短语“在实施方式中”的出现并非必须指的是本发明的相同实施方式。此外，特定特征、结构、功能或特点可以在一个或更多实施方式中以任何合适的方式被结合。例如，第一实施方式和第二实施方式只要不互相排斥就可以相结合。 [0026] 除非特定说明，否则术语例如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”等指的是计算机或计算机系统或类似电子计算设备的动作和/或处理，其中将表示为计算机系统的寄存器和/或存储器中的物理(例如电子)量的数据操纵和/或转换为类似于表示为计算机系统的存储器、寄存器或其他这种信息存储器、传输或显示设备中的物理量的其他数据。 [0027] 术语“被耦合”和“被连接”以及其演变可以在此用于描述部件之间的结构关系。应该理解的是，这些术语并不试图作为彼此的同义词。相反的，在特定实施方式中，“被连接”可以用于指示两个或更多元件彼此直接物理或电气接触。“被耦合”可以用于指示两个或更多元件彼此之间直接或间接(在其之间有间隔元件)物理或电气接触，和/或两个或更多元件彼此之间共同操作或相互作用(例如引起效应关系)。 [0028] 在此使用的术语“在……之上”、“在……之下”、“之间”和“在……上”指的是一个部件或材料层相对于其他部件或材料层的相对位置，其中这种物理关系对于装配的内容中的或者机械堆的材料层的内容中的机械部件是值得的注意的。置于一层(部件)之上或之下的另一层(部件)可以直接与该层(部件)接触或者可以具有一个活多个中间层(部件)。此外，置于两层(部件)之间的一层(部件)可以与两层(部件)直接接触或者可以具有一个活多个中间层(部件)。相反地，在第二层(部件)“上”的第一层(部件)与第二层(部件)直接接触。 [0029] 传统的压电换能器设计通常包括覆盖换能器的整个膜的电极。该电极被用于激励膜的第一振动模式以生成超声波。通过对比，根据本发明的一个或多个实施方式，一对驱动/感测电极被采用。每对驱动/感测电极被耦合至单独、独立的电极轨或总线并且因此可以通过相对于参考电极具有可选振幅和在两个驱动信号之间的可选相位的单独驱动信号被驱动至独立电势。在这种实施方式中，这种布局允许了第一和第二振动模式的应用。通过使得第一和第二振动模式均能实现，可以在换能器的接收模式上得到改善的信号处理能力。 [0030] 如下文中更为详细的描述，在实施方式中，换能器膜被两个驱动/感测电极激励，例如内部圆固态电极和圆周环电极。通过改变至这些电极的输入的振幅和相位，例如波束成形，第一和第二振动模式的相对强度可以被控制。此外，第一和第二振动模式的相互作用也可以被控制。在实施方式中，这种波束成形方法被应用至接收模式中的输出信号以提供低频和高频分量。使用双驱动/感测电极通道获得的信号处理能力可以很大地改善从中得到的图像质量。 [0031] 如下文中更为详细描述的，在实施方式中，通过使用第一和第二振动模式，使用优化的超宽带(UWB)设计可以获得大于100％的分数带宽(fractional bandwidth)。在实施方式中，通过采用具有较高共振频率的第二振动模式，相比较于使用第一振动模式(即较低的频率共振)得到的类似频率(comparable frequency)将需要的，高频换能器可以具有相对较大尺寸(例如直径)的压电膜。使用较大压电膜能够实现用于采用膜的换能器的改善的灵敏度。同样，换能器的制造可以更直接，或者如果合并了相对较大的压电膜，换能器可以被制作得更可靠。在这种实施方式中，较大压电膜的高频操作允许了换能器或其阵列的使用在操作在超过大约20MHz的高频静脉超声(HF IVUS)设备中，例如在大约40-60MHz的范围内。 [0032] 图1A示出了根据实施方式的pMUT 100的俯视图。pMUT 100包括放置在衬底101上的压电膜114。第一和第二驱动/感测电极102和103被耦合至膜114。如在下文中结合图3和图4更为详细的描述，第一和第二驱动/感测电极102和103被提供以驱动或感测在膜114中的第一和第二振动模式。虽然未在图1A中示出，如在下文的图2A-2C的内容中更为详细的描述的，参考电极被耦合至膜114。 [0033] 在图1A描述的示例性实施方式中，压电膜114具有圆形或球状的几何结构。在一个这种实施方式中，如图1A所描述的，第一驱动/感测电极102具有圆形或球状几何结构，其直径小于膜114的直径，并且中心与膜114的中心对齐。在一个这种实施方式中，第二驱动/感测电极103具有环形的几何结构，其中心与膜114的中心对齐，其外直径可以小于或大于膜114的直径，并且其内直径大于第一驱动/感测电极102的外直径从而限制第一驱动电极102的至少一部分，其中第一驱动/感测电极102和第二驱动/感测电极103之间具有间隔105。 [0034] 在实施方式中，膜114是圆形的，第一和第二驱动/感测电极102和103是同平面的，并且被放置在压电膜114的第一侧。在一个这种实施方式中，参考电极被放置在压电膜114的相反侧，其中第二驱动/感测电极103具有断口(discontinuity)，被耦合至第一驱动/感测电极102的第一导线165途经该断口。在实施方式中，第二导线166被耦合至第二驱动/感测电极103。在实施方式中，如下文中结合了图3A和3B详细描述的，导线165包括或被耦合至第一信号生成器，该第一信号生成器用于驱动相对于参考电极在第一驱动/感测电极102上的第一电信号。如下文中结合了图3A和3B详细描述的，导线166包括或被耦合至第二信号生成器，该第二信号生成器用于驱动相对于参考电极在第二驱动/感测电极103上的第二电信号。 [0035] 在图1C描述的另一个实施方式中，元件106采用了椭圆膜。椭圆膜实施方式(或者在本文其他处描述的膜具有非平面静止状态的椭圆实施方式)潜在地提供了较大的填充因数，并且可以通过多个驱动电极被更容易地激励至较高的(第二、第三等)共振模式。基本类似于圆形实施方式，对于椭圆实施方式，第一驱动/感测电极103再次分离于进入椭圆膜中心部分的第二驱动/感测电极102。驱动电极102、103的圆周形状也可以具有椭圆形式，从而以与圆形电极跟随圆形膜形式相同的方式匹配膜形式。 [0036] 图1B是根据实施方式的pMUT阵列107的平视图。图2A、2B和2C是根据实施方式的换能器元件实施方式的横截面图，图2A、2B和2C中的任意一个可以代表pMUT 100并且进一步被采用在pMUT阵列107中。 [0037] 阵列107包括多个第一电极轨110、120、130、140以及对应的第二电极轨110’、120’、130’、140’，分别被放置在由第一维x和第二维y限定的衬底101的区域之上。每个驱动/感测电极轨对(例如，对110、110’)独立于任意其他驱动/感测电极轨(例如独立于彼此并且独立于对120、120’或130、103’)是电可寻址的(addressable)。驱动/感测电极轨对(例如110、110’)和参考(例如接地极)电极轨在图2A-2C的横截面图中被描述。在图1B中，驱动/感测电极轨对110、110’和驱动/感测电极轨对120、120’代表了阵列中的重复单元。例如，通过第一驱动/感测电极轨对110、110’被耦合至第一端127并且相邻的驱动/感测电极轨对 120、120’被耦合至第二端128以形成交叉手指的结构。驱动/感测电极轨对130、130’和驱动/感测电极轨对140、140’和额外的单元重复交叉结构形成任意大小(例如128个轨对、256个轨对等)的1D电极阵列。 [0038] 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要与频率响应相一致操作，该频率响应是在每个元件群内的单个换能器元件的合成。在实施方式中，在给定的元件群中，每个换能器元件的驱动/感测电极被并联地电耦合至轨对的一个驱动/感测电极轨，从而所有第一驱动/感测电极处于相同的电势，并且同样地所有第二驱动/感测电极处于相同的电势。例如在图1B中，换能器元件110A、110B、…110L具有耦合至驱动/感测电极轨对110、110’的驱动/感测电极对。类似地，换能器元件120A至120L的第一和第二驱动/感测电极全部分别被并联地耦合至驱动/感测电极轨对120、120’。通常，任意数量的压电换能器元件可以被集中在一起，根据阵列尺寸和元件间距。在图1B描述的实施方式中，每个压电换能器元件群(例如110A至110L)沿着衬底的长度L1被放置，其中L1至少5倍地，优选地至少数量级地大于衬底的宽度W1。在pMUT阵列中的每个元件群在阵列内具有已知的空间关系从而波束成形技术可以被应用在群级别的指导原则下，其上排列有元件群的其他几何形状也是可行的。 [0039] 在实施方式中，每个压电换能器元件包括压电膜。虽然压电膜可以通常为现有技术中的任意传统形状，但在示例性实施方式中压电膜具有旋转对称性。例如，在pMUT阵列107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)维中具有曲面以形成圆顶(如由图2A进一步示出的)或者凹陷(如由图2B进一步示出的)的球状体。如在图2C中进一步示出的，平面膜也是可以的，其中换能器元件在静止状态下为平面。 [0040] 因此，在实施方式中，pMUT阵列包括多个放置在衬底的区域之上的电极轨集。每个电极轨集包括参考轨和一对独立电可寻址的驱动/感测轨。pMUT阵列还包括耦合至每个换能器元件中的参考电极的参考电极轨。在pMUT阵列内是多个具有单独元件群的多个压电换能器元件。在实施方式中，每个元件群具有耦合至电极轨集中的一个的多于一个的换能器元件，其中第一和第二驱动/感测电极将压电膜耦合至驱动/感测轨中的相应的一个。 [0041] 图2A-2C是沿着图1B的a-a’轴的横截面视图，示出了单个换能器元件的示例性微机械(即微机电)的方面。应该理解的是，在图2A-2C中描述的结构主要被包括为针对本发明的特定方面的内容，并且进一步示出本发明关于压电换能器元件结构的广泛适用性。 [0042] 在图2A中，凸面换能器元件202包括上表面204，该上表面204在操作过程中形成pMUT阵列107的振动外表面的一部分。换能器元件202还包括下表面206，该下表面206被附加至衬底101的上表面。换能器元件202包括放置在参考电极214、第一驱动/感测电极102和第二驱动/感测电极103之间的凸面或圆顶形状的压电膜210。间隔105将第一驱动/感测电极102与第二驱动/感测电极103隔开。在一种实施方式中，压电膜210可以通过在(例如具有在平面上表面形成的圆顶的)轮廓转移衬底(profile-transferring substrate)(例如光刻胶)上在均匀层中电镀(例如喷射)压电材料颗粒而被形成。示例性压电材料是锆钛酸铅(PZT)，但现有技术中的任何可以用于传统微机械处理的已知的材料也可以被使用，例如但不限于掺杂的有机玻璃(PMM)聚合物微粒和氮化铝(AlN)。驱动/感测电极102和103以及参考电极214中的每一个可以是在轮廓-轮廓转移衬底上沉积(例如通过PVD、ALD、CVD等)的导电材料的薄膜层。用于驱动电极层的导电材料可以是现有技术中用于这种功能的任意已知材料，例如但不限于Au、Pt、Ni、Ir等、其合金(例如AuSn、IrITiW、AuTiW、AuNi等)、其氧化物(例如IrO2、NiO2、PtO2等)中的一个或多个，或者两种或更多这种材料的复合物堆叠。 [0043] 进一步如图2A所示，在一些实施中，换能器元件202可以选择性地包括薄膜层222，例如可以作为支撑件(support)和/或制造过程中的蚀刻终止的二氧化硅。介电膜224可以进一步用于将驱动/感测电极102和103与参考电极214绝缘。垂直定向的电连接226通过驱动/感测电极轨110将驱动/感测电极102连接至驱动/感测电路。类似的连接232将驱动/感测电极103连接至轨110’。虽然未被示出，参考电极214可以被耦合至独立的参考轨。具有孔241的环形支撑件236机械地将压电膜210耦合至衬底101，孔241具有与换能器元件202的轴垂直对齐的对称轴。支撑件236可以是任何传统材料，例如但不限于二氧化硅、多晶硅、多晶锗、SiGe等。支撑件236的示例性厚度的范围为10-50μm并且膜224的示例性厚度范围为5-15μm。 [0044] 图2B示出了针对换能器元件242的另一示例性配置，在该换能器242中与换能器元件202中的结构在功能上类似的结构具有相同的参考标号。换能器元件242示出了凹面压电膜250，该凹面压电膜250在静止状态为凹面。在这里，参考电极214被放置在凹面压电膜250的下表面下方，而驱动/感测电极102和103被放置在上表面之上。 [0045] 图2C示出了针对换能器元件282的另一示例性配置，在该换能器282中与换能器元件202中的结构在功能上类似的结构具有相同的参考标号。换能器元件262示出了平面压电膜290，该平面压电膜290在静止状态为平面，并且与元件202、242不同的是，在弯曲模式操作并且因此进一步使用膜275(典型地是硅)。在这里，参考电极214被放置在平面压电膜290的下表面下方，而驱动/感测电极102和103被放置在上表面的之上。与图2A-2C中的每个所描述的不同的相反电极配置也是必然可行的。 [0046] 再次参照图1A和图3A以及3B，在实施方式中，在操作期间膜114具有使用第一共振频率的第一振动模式和使用大于第一共振频率的第二共振频率的第二振动模式。例如，图3A描述了根据实施方式的在操作中的类似于装置100的装置沿着a-a’轴的横截面视图。膜 222(在静止状态下可以是平面、圆顶或腔)被支撑件236支撑并且由驱动感测/电极对102和 103驱动从而在驱动感测/电极对102和103具有被施加的同相随时间变化电压(例如正电压至电极102和103两者等)时提供第一振动模式。图3B描述了根据另一实施方式的在操作中的类似于装置100的装置沿着a-a’轴的横截面视图。膜222(在静止状态下可以是平面、圆顶或腔)被支撑件236支撑并且由驱动感测/电极对102和103驱动从而在驱动感测/电极对102和103具有被施加的异相随时间变化电压波形(例如正电压施加至电极102和103中的一个而负电压施加至102和103中的另一个等)时提供第二振动模式。由于第二振动模式的频率比基本或第一振动模式的频率更高(例如2倍)，更大的膜尺寸将被使用以达到高频政策。例如，在膜222直径大于2μm的特定实施方式中，第一振动模式具有至少15MHz的第一共振频率，而第二振动模式具有大于第一共振频率的例如为30-60MHz的第二共振频率。 [0047] 图4A和4B是根据实施方式的针对图3A和3B的PMUT的性能度量的绘图。参照图4A，在一种实施方式中，第一和第二信号生成器(例如图1A中的生成器166、165，其中输出驱动信号相位由图3A和3B中的偏置极性符号代表)驱动第一和第二电信号以根据相对驱动电压振幅和两个施加的驱动信号的相位延迟激励膜114或222的第一振动模式(fn1)高于第二振动模式(fn2)。参照图4B，在另一种实施方式中，第一和第二信号生成器驱动第一和第二电信号以根据相对驱动电压振幅和两个施加的驱动信号的相位延迟激励膜114或222的第二振动模式(fn2)高于第一振动模式(fn1)。 [0048] 在实施方式中，换能器装置还包括耦合至第一和第二驱动电极的信号处理器。信号处理器被提供以接收由第一和第二振动模式中膜振动生成的响应频谱的低频分量和高频分量。与第一和第二振动模式中的每一个相关联的响应组合可以根据需要被平衡，在实施方式中包括通过改变两个被施加的驱动信号的相对驱动电压振幅和相位延迟使得在强度上大致相等。 [0049] 在实施方式中，压电换能器元件群包括多个不同标称尺寸的压电膜以提供多个单独的共振频率。光谱响应可以通过集成n个不同尺寸(例如用于本文别处所描述的示例性圆形或球状膜)被形成以提供宽带宽。不同于块PZT换能器，可以通过几何结构经由平版印刷容易地调谐pMUT的共振频率。因此，不同尺寸的高Q膜可以集成有不同频率响应以达到来自给定元件群的高总宽带响应。在进一步的实施方式中，每个换能器元件群包括相同的换能器元件尺寸集，从而来自每个群的光谱响应大致相同。 [0050] 图5A是根据实施方式的具有不同尺寸的换能器元件的pMUT阵列500的平视图。pMUT阵列500具有与pMUT阵列100相似的布局，其中驱动/感测电极轨对100、100’以及120、 120’是并联的，但是沿着相反方向延展(例如，来自单独的总线或接口)，从而沿着x维(即1D阵列)交叉。具有2-20个或更多不同膜尺寸(例如直径)的换能器元件被电耦合至一个驱动/感测电极对(例如110、110’)。直径的范围通常依据作为膜硬度和质量的函数的所需的频率。连续增大的膜之间的增量可以是不同尺寸的膜的范围和数量的函数，其中对于较大尺寸的增量发生较小频率的重叠。增量尺寸可以被选择以保证所有换能器元件有助于维持 3dB带宽的响应曲线。例如，20-150μm的范围可以典型地用于来自具有图2A-2C中的内容描述的常规结构的换能器的MHz频率响应，并且1-10μm的增量可以典型地提供足够的响应重叠。 [0051] 随着换能器元件(例如膜)的尺寸的数量的增加，在特定中心频率的分辨度可以被希望为随着在相同尺寸的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轮廓中(即沿着直线对齐的中心)时，对于群中的每个额外换能器尺寸，沿着长度L1的相同尺寸的换能器的有效节距减小。因此在又一实施方式中，每个压电换能器元件群包括多于一个具有每个标定膜尺寸的压电换能器元件。对于在图5A中描述的示例性实施方式，被电耦合至驱动/感测电极轨对110、110’的为六个不同膜尺寸的：具有第一尺寸的压电换能器元件511A和511B(例如，最小直径膜)，具有第二尺寸的元件512A、512B(例如，次于最小直径膜)、元件513A、513B、元件514A、514B、元件515A、515B以及元件516A、516B。如图所示，相同尺寸的膜(例如，511A、511B)通过至少一个具有不同尺寸的膜的间隔元件隔开。如图所示，膜尺寸通过相邻的元件以梯度的方式逐渐地增加和/或减小。研究(graduating)超过阵列的距离的膜尺寸已经发现可以缓和可能在彼此接近的完全不同尺寸的第一和第二膜之间的解分的相位。也就是说，当膜群是不同尺寸时，有利的是在衬底之上空间地布置群，从而在两个相邻的膜之间尺寸上的差异小于群中最大和最小膜之间的尺寸上的差异。 [0052] 如进一步在图5A中所示，沿着元件群被放置的衬底的长度，换能器元件子组518A被重复为518B。每个换能器元件子组518A、518B包括每个标定膜尺寸的一个压电膜元件。在这种示例性实施方式中，启发性布局为：耦合至驱动/感测轨对110、110’的元件群具有通过至少一个不同尺寸的间隔元件分离的相同尺寸的换能器元件，但是通过不大于由一个元件子组占据的衬底的长度分离的。这具有改善信号均匀性的效果。如进一步在图5A中所示，相似的元件子组528A沿着驱动感测电极轨对120/120’的长度相对于元件518A移动从而在衬底上更均匀地展开各种元件尺寸。这种位置上的偏移也有助于通过保证相同尺寸的元件不是最近的邻居(例如526A大致在元件516A和516B之间的一半)来减小在相邻元件群之间的串扰。用于轨对110、110’以及120、120’的换能器元件群包括单元，该单元接下来在整个阵列区域针对轨对130、130’以及140、140’等重复。 [0053] 图5B是针对在图5A中所示的PMUT阵列的性能的度量的绘图，该PMUT阵列例如具有直径为尺寸1、尺寸2和尺寸3的球状压电膜。如图5B所示，频谱响应包括六个对应的中心频率峰值，以作为三个峰值对：Fn1、Fn2、Fn1’、Fn2’、Fn1”、Fn2”，其中累计响应具有宽带宽(例如对于3dB转角频率)。每个峰值对，例如Fn1、Fn2和Fn1’、Fn2’和Fn1”、Fn2”分别代表了尺寸1、尺寸2或尺寸3的换能器的第一和第二振动模式的峰值对。相比较于图4A/4B中所示的(对于具有单尺寸元件的pMUT阵列100)，pMUT阵列500明显具有更宽的宽带。 [0054] 在实施方式中，耦合至相同电极轨且一起起阵列的通道作用的元件群，包括膜的2-D阵列。因此，虽然在图1B和5B中示出的示例性实施方式包括单列(line)的元件，这种列可以被复制成第二维(例如图1B中的x维)。比通过单列队(file)行的实施方式实现的更大的填充因数可以通过这种每个通道实施方式多个行、多个列被实现。因此，更高的敏感度是可能的。 [0055] 图6是示出了根据实施方式的操作具有pMUT的用于在介质中生成和感测压力波的装置的驱动方法的流程图。 [0056] 参照操作605，该方法的驱动部分包括生成第一电信号。参照操作610，第二电信号也被生成。参照操作615，第一和第二信号的振幅和相位中的至少一个相对于另外一个被调制。参照操作620，第一电信号被施加至pMUT的第一驱动/感测电极并且第二电信号被施加至pMUT的第二驱动/感测电极以控制第一和第二振动模式的相对强度。 [0057] 在实施方式中，再次参照结合图6描述的方法，第一和第二电信号以同相施加以增加相对于第二振动模式具有第一频率的第一振动模式的优势。可替换地，第一和第二驱动信号可以以异相施加以增加具有高于第一频率的第二频率的第二振动模式的优势。 [0058] 图7是示出了根据实施方式的操作具有pMUT的用于在介质中生成并感测压力波的装置的感测方法的流程图。在操作705，第一电响应信号从第一驱动/感测电极被接收。在操作710，第二电响应信号从第二驱动/感测电极被接收。在操作715，对第一和第二电响应信号执行任何本领域已知的信号处理以生成累积频率响应。例如，在压电膜的直径在压电换能器元件的一个群上变化的情况下，针对压电膜的每个直径被接收的第一和第二电响应信号被处理以提供具有跨越在分别与第一和第二电响应信号相关联的最低和最高中心频率之间的3dB带宽的累积频率响应。 [0059] 图8是根据本发明的实施方式的采用了pMUT阵列的超声换能器装置800的功能方框图。在示例性实施方式中，超声换能器装置800用于在介质(例如水、组织物质等)中生成并感测压力波。超声换能器装置800具有多种应用，其中在一个或多个介质中的内部结构变化的成像是感兴趣的，例如在医疗诊断、产品缺陷检测等等中。装置800包括至少一个pMUT阵列816，该pMUT阵列816可以是本文别处描述的具有任意描述的换能器元件和元件群属性的任意pMUT阵列。在示例性实施方式中，pMUT阵列816被封装在处理部814内，可以由机器或装置800的用户操作以按照需求改变pMUT阵列816的外表面的面相方向和位置(例如面向将被成像的一个或多个区域)。电连接件820将pMUT阵列816的通道与至处理部814的通信接口外部电耦合。 [0060] 在实施方式中，装置800包括(例如通过电连接件820的方式)被耦合至pMUT阵列816的可以是本领域中任意已知的信号生成器。信号生成器用于针对在元件群中的每个换能器元件在两个单独的驱动/感测电极上提供电驱动信号。在一种特定实施方式中，信号生成器施加电驱动信号以引起压电换能器元件群在第一振动模式中的10MHz和30MHz之间的频率和第二振动模式中的20和60MHz之间的频率共振。在实施方式中，信号生成器包括用于解串行控制信号的解串行器804，该信号接下来被解复用器806解复用。示例性信号生成装置还包括数模转换器(DAC)808以将数字控制信号转换为用于pMUT阵列816中的单个换能器元件通道的驱动电压信号。可以通过可编程时延控制器810将各自的时间延迟添加至单个的驱动电压信号以改变每个换能器元件的振动模式以及将单独元件群的响应调制为波束引导或创建所需的波束成形、焦点和方向等。切换网络812被耦合在pMUT通道连接件802和信号生成装置之间以将pMUT阵列816在驱动和感测模式之间切换。 [0061] 在实施方式中，装置800包括(例如通过电连接件820)被耦合至pMUT阵列816的可以是本领域中任意已知的信号接收器。信号接收器用于针对在pMUT阵列816中的每个换能器元件从两个驱动/感测电极通道接收电感测信号。在信号接收器的一种实施方式中，模数转换器(ADC)814用于针对每个换能器从两个驱动/感测电极通道接收电压信号以及将其转换为数字信号。接下来数字信号可以被存储至存储器(未示出)或首先被传递至信号处理装置。示例性信号处理装置包括数据压缩单元826以压缩数字信号。多路复用器818和串行器828可以在将接收到的信号中继至存储器、其他存储或下游处理器(例如根据接收到的信号生成图像显示的图像处理器)之前将其进一步处理。 [0062] 应该理解的是上文中的描述用于解释而不是限制。例如，虽然图中的流程图示出了由本发明的某些实施方式执行的操作的特定顺序，应该理解的是这种顺序并不是必需的(例如，可替换实施方式可以以不同顺序、组合某些操作、重叠某些操作等执行操作)。此外，在阅读并理解上文的描述的基础上，许多其他实施方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，应该理解的是，虽然本文描述的各种实施方式均以pMUT的内容呈现，但所公开的一个或多个结构或技术可以被应用至其他类型的超声换能器阵列并且确实甚至更通用于各种(例如喷墨技术中的那些)其他MEM换能器阵列。因此，虽然pMUT阵列被呈现为针对某些协同和属性可以被最清晰地描述的模型实施方式，本文的公开具有更广泛的应用。因此，虽然本发明被参照特定示例性实施方式被描述，但应该意识到的是本发明并不仅限于描述的实施方式，而是可以使用在附加的权利要求的精神和范围内的改变和替换被实践。因此，本发明的范围应该参照附加的权利要求伴随着该权利要求的所给的权利的等同替换的全部范围被确定。 |
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