超声换能器组件和用于发送和接收超声波的方法专利检索- 一般机械振动的发生或传递专利检索查询-专利查询网

超声换能器组件和用于发送和接收超声波的方法
申请号	CN201480052979.5	申请日	2014-09-15	公开(公告)号	CN105592941A	公开(公告)日	2016-05-18
申请人	皇家飞利浦有限公司;			发明人	R·E·戴维森; J·宋;
摘要	公开了一种超声换能器组件(10)，其包括用于发送和接收超声波 (24)的多个换能器元件(32)，每个换能器元件具有衬底(40)和与所述衬底相距一定距离设置的柔性膜(46)。提供用于控制向所述换能器元件中的每个提供的AC 电压的AC电压控制单元(56)和用于控制向所述换能器元件提供的DC偏置电压以便使处于崩塌模式中的所述柔性膜与所述衬底相接触的DC电压控制单元(60)。所述DC电压控制单元适于在超声换能器组件的操作期间将所述DC偏置电压与所述换能器元件暂时断开连接以限制所述崩塌模式。
权利要求	1.一种超声换能器组件(10)，包括： -多个换能器元件(32)，其用于发送和接收超声波(24、25)，每个换能器元件具有衬底(40)和与衬底相距一定距离设置的柔性膜(46)， -AC 电压控制单元(56)，其用于控制向所述换能器元件中的每个提供的AC电压，-DC电压控制单元(60)，其用于控制向所述换能器元件提供的DC偏置电压以便使处于崩塌模式中的所述柔性膜与所述衬底相接触，其中，所述DC电压控制单元适于在所述超声换能器组件的操作期间将所述DC偏置电压与所述换能器元件暂时断开连接以限制所述崩塌模式。 2.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元适于将所述崩塌模式限制到预定义时间段。 3.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元适于基于所述换能器元件的温度来限制所述崩塌模式。 4.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元适于在由所述换能器元件对超声波的发送与接收之间将所述DC偏置电压与所述换能器元件断开连接。 5.根据权利要求1所述的超声换能器组件，还包括换能器(14)和主机(16)，其中，所述换能器包括所述换能器元件，所述主机包括DC电压源(58)。 6.根据权利要求5所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元被集成在将所述主机与所述换能器连接的连接器中。 7.根据权利要求5所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元被集成在所述主机中。 8.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述换能器元件被布置在换能器元件的阵列(30)中，并且其中，由控制单元(62)来控制所述阵列以进行超声成像。 9.根据权利要求8所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元适于在对超声波的发送与接收之间在成像模式中将所述DC偏置电压与所述换能器元件断开连接。 10.根据权利要求8所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元适于在所述控制单元存储从所述换能器阵列接收到的图像数据时将所述DC偏置电压与所述换能器元件断开连接。 11.根据权利要求8所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元适于在所述控制单元接收到用于控制所述换能器阵列的数据时将所述换能器元件断开连接。 12.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其中，所述DC电压控制单元适于在预定义的无控制信号时间段之后将所述换能器元件断开连接。 13.根据权利要求1所述的超声换能器组件，还包括用于检测换能器与对象的接触的接触测量单元，其中，所述DC电压控制单元适于在所述换能器与所述对象断开连接时将所述换能器元件断开连接。 14.一种包括根据权利要求1至13中的任一项所述的超声换能器组件(10)的超声成像单元。 15.一种用于由超声换能器组件(10)发送和接收超声波(24、25)的方法，包括如下步骤： -向多个换能器元件(32)提供AC电压，每个换能器元件具有衬底(40)和与所述衬底相距一定距离设置的柔性膜(46)， -向所述多个换能器元件提供DC偏置电压以便使处于崩塌模式中的所述柔性膜与所述衬底相接触，并且 -在所述超声换能器组件的操作期间将所述DC偏置电压暂时断开连接以限制所述崩塌模式的持续时间。
说明书全文	超声换能器组件和用于发送和接收超声波的方法技术领域 [0001] 本发明涉及超声换能器组件以及用于由超声换能器组件发送和接收超声波的方法。尤其地，本发明涉及超声成像单元，其包括用于发射和接收超声波并且用于提供超声图像的电容性微机械超声换能器元件。背景技术 [0002] 电容性微机械超声换能器(CMUT)是用于在超声成像应用中使用的众所周知的技术，并且提供基于压电技术对超声换能器进行低成本替换的可能性。 [0003] CMUT单元包括在柔性膜下面的腔。为了探测超声波，通过测量在柔性膜的电极与CMUT单元的衬底之间的电容的变化来探测柔性膜的振动，柔性膜根据接收到的超声波而移动或振动。相反地，向CMUT单元的电极施加的电信号引起所述膜振动并且由此发射超声波。 [0004] 为了提高CMUT单元的灵敏度，已经开发了“崩塌模式”，其中，DC偏置电压被用于使膜与CMUT衬底相接触，并且由此使单元的灵敏度加倍。例如从US2011/0040189A1已知包括波状外形的衬底的能操作于崩塌模式的CMUT。 [0005] 然而，操作在崩塌模式中的CMUT单元经受电荷充电和介质击穿，从而显著减小CMUT单元的寿命。已经开发了能够以高灵敏度操作于崩塌模式的具有较长介质寿命的经改进的CMUT结构，然而，其必须确保CMUT单元的介质部件在超声换能器的寿命期间不充电或击穿。 [0006] 根据US2007/0140515A1，已知一种换能器静态放电装置，其中，光被暴露到超声换能器组件的电容性膜换能器元件，以便减少在换能器元件内部的静电荷。 [0007] 根据US2005/0119575A1，已知一种用于3D成像的电容性微机械换能器阵列，其包括相对大的仰角尺寸以及在时间和空间中对仰角孔径的偏压控制。 [0008] 根据US2012/0194107A1，已知一种用于电容性电机械换能器的控制装置，其包括：单元，每个单元包括经由间隙彼此面对的第一电极和第二电极；驱动/探测单元和外部应力施加单元，其中，驱动/探测单元通过在电极之间生成AC静电吸引力来引起第二电极振动并且发送弹性波，或者探测在电极之间的容量的电荷，其中，该电荷是在接收到弹性波时由第二电极振动引起的。发明内容 [0009] 因此，本发明的目的是提供具有高灵敏度和改善的寿命的超声换能器组件。本发明的另一目的是提供具有高灵敏度和改善的寿命的超声成像单元。最终，本发明的目的是提供用于由具有高灵敏度和改善的寿命的超声换能器组件来发送和接收超声波的方法。 [0010] 根据本发明的一个方面，提供了一种超声换能器组件，包括： [0011] -多个换能器元件，其用于发送和接收超声波，每个换能器元件具有衬底和与所述衬底相距一定距离设置的柔性膜， [0012] -AC电压控制单元，其用于控制向所述换能器元件中的每个提供的AC电压，[0013] -DC电压控制单元，其用于控制向所述换能器元件提供的DC偏置电压以便使处于崩塌模式中的所述柔性膜与所述衬底相接触， [0014] 其中，所述DC电压控制单元适于在超声换能器组件的操作期间将所述DC偏置电压与所述换能器元件暂时断开连接以限制所述崩塌模式。 [0015] 根据本发明的另一方面，提供了一种超声成像单元，其包括用于根据本发明来发射和接收超声波的超声换能器组件。 [0016] 根据本发明的又一方面，提供了一种用于由超声换能器组件发送和接收超声波的方法，其包括如下步骤： [0017] -向多个换能器元件提供AC电压，每个换能器元件具有衬底和与所述衬底相距一定距离设置的柔性膜， [0018] -向所述多个换能器元件提供DC偏置电压以便使处于崩塌模式中的所述柔性膜与所述衬底相接触，并且 [0019] -在所述超声换能器组件的操作期间将所述DC偏置电压暂时断开连接以限制所述崩塌模式。 [0020] 在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所主张的方法与所主张的设备以及如在从属权利要求中所限定的具有相似和/或相同的优选实施例。 [0021] 本发明基于这样的思想：即，减少换能器单元处于崩塌模式中以及柔性膜与衬底相接触的时间。由于当在柔性膜与衬底相接触时形成通过介质层的导电路径时发生换能器单元的介质击穿，所以如果减少或限制柔性膜与衬底相接触的时间，则能够增加寿命。根据本发明，将发起崩塌模式并且使所述柔性膜与衬底相接触的DC偏置电压与换能器单元断开连接以便在超声换能器组件的操作期间减少崩塌模式时间。因此，所述超声换能器元件能够在崩塌模式中以高灵敏度进行操作，并且由于减少了换能器操作于崩塌模式中的时间，增加了换能器元件的寿命。 [0022] 在优选实施例中，DC电压控制单元适于将崩塌模式限制到预定义时间段。具体地，DC电压控制单元适于在达到预定义时间段之后将DC偏置电压与换能器元件断开连接，并且根据需要将DC偏置电压重新连接到换能器元件。借助于对崩塌模式的时间限制，能够限制柔性膜与衬底连续接触的时间，从而能够改善换能器元件的寿命。 [0023] 在优选实施例中，DC电压控制单元适于基于换能器元件的温度来限制崩塌模式。具体地，DC电压控制单元适于在达到换能器元件的预定义温度时将DC偏置电压与换能器元件断开连接。能够通过考虑换能器元件的温度来限制，所述换能器元件的温度是另一影响寿命的参数。 [0024] 在优选实施例中，DC电压控制单元适于在由换能器元件对超声波发送与接收之间将DC偏置电压与换能器元件断开连接。这简单地能够在换能器元件的发送模式与接收模式之间的死区时间中中断崩塌模式。 [0025] 在优选实施例中，超声换能器组件还包括换能器和主机，其中，所述换能器包括换能器元件，所述主机包括DC电压源。这使得能够提供超声换能器组件的柔性使用。 [0026] 进一步优选地，如果DC电压控制单元被集成在将主机与换能器连接的连接器中。这能够降低技术努力，因为DC偏置电压能够通过将换能器与主机中的DC电压源断开连接而被容易地切断。 [0027] 在另一优选实施例中，DC电压控制单元被集成在主机中。这简单地能够将DC偏置电压源与DC电压控制单元集成，其能够被主机中的中央处理单元容易地控制。 [0028] 根据优选实施例，所述主机和所述换能器是分离的并且经由连接线彼此电连接。这简单地能够提供在主机与换能器之间的电连接，以驱动换能器元件。 [0029] 在优选实施例中，换能器元件被布置在换能器元件的阵列中，并且阵列由控制单元来控制以进行超声成像。这优选能够提供具有低技术努力的超声成像。 [0030] 在优选实施例中，DC电压控制单元适于在对超声波的发送与接收之间在成像模式中将DC偏置电压与换能器元件断开连接。这简单地能够在成像扫描期间的死区时间中中断崩塌模式，以增加换能器元件的寿命。 [0031] 进一步优选地，如果DC电压控制单元适于在接收到超声波之后并且在发送超声波之前在成像模式中将换能器元件断开连接。这有效地能够增加寿命，因为在成像扫描期间的接收与发送之间的死区时间能够是换能器元件的相当长的死区时间。 [0032] 在优选实施例中，DC电压控制单元适于在控制单元存储从换能器阵列接收到的图像数据时将DC电压与换能器元件断开连接。这优选能够减少崩塌模式的时间并且增加换能器的寿命，因为能够有效地使用在存储图像数据期间的换能器元件的死区时间。 [0033] 在优选实施例中，DC电压控制单元适于在控制单元接收用于控制换能器阵列的数据时将换能器元件断开连接。具体地，控制单元接收或下载诸如数字波束形成数据、针对超声换能器元件的操控数据或设置数据的控制数据，在此期间DC电压控制单元将换能器元件与DC偏置电压断开连接。这进一步能够利用低的技术努力有效地限制崩塌模式，因为能够使用上载控制数据的死区时间。 [0034] 在优选实施例中，DC电压控制单元适于在预定义的无控制信号时间段之后将换能器元件断开连接。这能够在不使用换能器时关闭崩塌模式。因此，当在预定义时间段之后从输入设备没有接收到控制信号时，换能器元件能够被切换到待机模式。 [0035] 在优选实施例中，超声换能器组件包括用于检测换能器与对象的接触的接触测量单元，其中，DC电压控制单元适于在换能器与对象断开连接时将换能器元件断开连接。这能够将崩塌模式约束到一定时间，在该时间期间，换能器被用于向对象发送超声波和/或从要被测量的对象接收超声波。 [0036] 如上所述，本发明能够有效地增加换能器元件的寿命，因为能够通过将DC偏置电压与换能器元件断开连接来有效地减少崩塌模式的时间，其中，由于对崩塌模式的使用，换能器组件的灵敏度很高。由于尤其在成像扫描期间换能器组件的死区时间被用于关闭崩塌模式，所以能够在没有降低换能器组件的功能的情况下增加寿命。此外，由于考虑了诸如崩塌模式的持续时间的最为重要的消磨影响值，所以能够改善寿命。附图说明 [0037] 本发明的这些和其他方面将从下文描述的(一个或多个)实施例变得显而易见并参考下文描述的(一个或多个)实施例得以阐述。在下面的附图中： [0038] 图1示出了超声组件的实施例的示意性图示； [0039] 图2a示出了示意性地图示在超声换能器组件中对信号和数据的处理的框图； [0040] 图2b示出了换能器阵列和波束形成器的示意性详细视图的范例； [0041] 图3a示出了处于非崩塌模式中和处于崩塌模式中的电容性微机械换能器单元的示意性横截面视图； [0042] 图4示出了换能器组件的示意性图示；并且 [0043] 图5示出了超声换能器组件的实施例。具体实施方式 [0044] 图1图示了超声换能器组件的原理设计，尤其是超声成像系统的原理设计。该附图被用于解释背景技术和超声系统的工作原理。应当理解，所主张的超声换能器组件以及所主张的超声成像单元并不受限于这种类型的系统。 [0045] 图1中的超声换能器组件总体上利用附图标记10来标注。超声换能器组件10被用于扫描患者的身体12的区域或体积。应当理解，超声换能器组件10也可以被用于扫描其他区域或体积，例如扫描动物或其他生物体的身体部分。 [0046] 为了扫描患者的身体12，可以提供超声换能器14。在图1中所示的实施例中，超声换能器14被连接到作为控制台设备的超声主机16。主机16在图1中被示为移动控制台。然而，主机16可以被形成为静止设备。主机16经由以有线方式形成的接口18被连接到超声换能器14。此外，可预见到，主机16还可以以无线地方式，例如使用UWB发送技术连接到超声换能器。主机还可以包括输入设备20。输入设备20可以具有按钮、按键和/或触摸屏，以向超声换能器组件10的用户提供输入机构。额外地或备选地，在输入设备20中可以存在其他机构以使得用户能够控制超声成像系统10。 [0047] 此外，主机16包括显示器22，以向用户显示由超声换能器组件10生成的数据。通过这种方式，经由超声换能器14扫描的患者的身体12内的体积能够由超声换能器组件10的用户在主机16的显示器22上观看。 [0048] 图2a示出了图示说明二维或三维超声成像单元10的典型操作的框图。超声换能器14发射超声波24，所述超声波生成从患者的身体12的体积26返回到换能器14的响应25。从体积26接收到的信号由换能器14转换成电信号。这些电信号被提供到图像处理器28。图像处理器28根据从超声换能器14接收到的所探测的声学数据来生成图像数据。图像处理器28将图像数据变换为显示数据，以供在显示器22上进行显示。图像处理器28可以准备要显示的体积26的二维地形切片，或者可以将图像数据变换或绘制成在显示器22上显示的三维图像。 [0049] 图2b是超声换能器14的示意性详细视图。超声换能器14包括超声换能器阵列30，所述超声换能器阵列由多个声学元件形成，多个声学元件在本文中被表示为换能器元件32。根据本发明，这些换能器元件32被形成为电容性微机械超声换能器(CMUT)单元，其以矩阵进行布置，以形成换能器阵列30。换能器阵列30被连接到用于波束形成的微波束形成器 34，并且微波束成形器34被连接到主波束形成器36，其驱动微波束形成器34。换能器元件32发送超声信号24并接收所生成的响应25。换能器阵列30可以包括形成多个子阵列的数千换能器元件32。 [0050] 图3a和3b示出了电容性微机械换能器元件32的横截面视图。换能器元件32包括衬底40，所述衬底包括由介质层44覆盖的第一(底部)电极42。换能器元件32还包括柔性膜46，所述柔性膜包括第二(顶部)电极48和用于隔离电极48的介质层49。柔性膜46与介质层44相距一定距离设置，使得在衬底40与膜46之间形成腔50。介质层优选是氧化层并且最为优选是被形成在硅衬底40上的硅氧化层。 [0051] 为了发送超声波24，将电信号供应到电极42、48，以使膜46移动或振动。为了接收超声波，由超声波25引起膜46移动或振动，使得能够探测在电极42、48之间的电容的变化，并且能够形成对应的电信号。 [0052] 在图3b中，示意性示出了处于崩塌模式中的换能器元件32的横截面视图。在崩塌模式中，DC偏置电压被施加到电极42、48，使得使膜46与衬底40的介质层44的表面相接触。在该崩塌模式中，换能器元件32的灵敏度显著增加。由于电极48与介质层44相接触，如果形成了通过介质层44的导电路径，通过介质成44的泄漏电流可能导致介质层44的击穿。这样的介质击穿的原因是由于引起电子注入的高电场造成的在设备操作期间的内在退化，或者是由于在处理期间引起的在介质层44中的缺陷的外在退化。 [0053] 介质层44和介质层49的击穿的时间能够被用于估计在DC偏置电压下的换能器阵列30的总寿命。介质寿命是与DC偏置电压和在偏置下的总时间反相关的。 [0054] 因此，通过在如下文描述的换能器阵列30的那些死区时间期间只要可能就将DC偏置电压与换能器元件32主动断开连接来降低在偏置下的时间，能够增加换能器阵列30的寿命。 [0055] 图4示出了换能器组件10的示意性框图。由相同的附图标记表示相同的元件，其中本文仅仅详细解释差别。 [0056] 主机16包括驱动设备52，其用于驱动在超声换能器14中的换能器阵列30的换能器元件32。驱动设备包括AC电压源54和AC电压控制单元，AC电压控制单元用于控制向用于发射超声波24的换能器元件32提供的AC电压。驱动设备54还包括DC电压源58和DC电压控制单元60，所述DC电压控制单元用于向换能器元件32提供DC电压VDC，以便使膜46与衬底40相接触以在崩塌模式中操作换能器元件32。 [0057] 主机16还包括图像处理器28，所述图像处理器被连接到换能器阵列30，以便根据探测到的声学信号来形成图像数据并将图像数据提供到显示器22。主机16还包括中央处理单元62，所述中央处理单元被连接到驱动器设备52、图像处理器28、输入设备20以及显示设备22。提供中央处理单元来控制驱动器设备52和图像处理器28。 [0058] DC电压控制单元60切断由DC电压源58提供的DC电压，或者将DC电压源58与换能器元件32断开连接，以便限制或中断换能器元件32的崩塌模式。在换能器元件32的死区时间期间，例如在对超声波24的发送与对超声波25的接收之间的死区时间期间，DC电压控制单元60将DC电压源58与换能器元件32断开连接。当中央处理单元62将图像数据存储在存储器64中时，或者在例如从输入设备20下载控制数据时，可以将DC电压断开连接，其中所述控制数据例如为数字波束成形数据、由用于驱动换能器阵列30的驱动器设备52使用的操控数据或者设置数据。 [0059] 在另一实施例中，测量崩塌模式的持续时间，并将其限制到预定义时间段，从而限制柔性膜46与衬底的接触的持续时间。在另一实施例中，测量或估计换能器元件32的温度，并且在换能器元件32的温度达到预定义温度时关闭或中断崩塌模式。在另一实施例中，计算或估计患者的身体12的体积26的温度，并且当达到体积26的预定义温度时关闭或中断崩塌模式。 [0060] 在另一实施例中，接触传感器(未示出)感测换能器14是否与患者身体12或者要测量的体积26相接触，并且如果换能器14未与患者身体12或要测量的体积26相接触，则DC电压控制单元60将DC电压与换能器元件32断开连接。接触传感器可以是压力传感器或者可以以超声方式测量该接触。 [0061] 在另一实施例中，当输入设备20在预定义时间段未接收到输入信号时，DC电压控制单元60将DC电压与换能器元件32断开连接。换言之，超声换能器10切换到待机模式或冻结模式中，在这样的模式中，在预定义的无控制信号时间段之后关闭崩塌模式。 [0062] 在另一实施例中，换能器14包括多个换能器单元或换能器阵列30。在这种情况下，当各自的换能器单元或换能器阵列30未使用或者取消选择以便限制崩塌模式时，DC电压控制单元60将DC电压与换能器元件32断开连接。 [0063] 图5示出了换能器组件10的实施例的示意图。由相同的附图标记表示相同的元件，其中，本文仅仅详细解释差别。DC电压控制单元60在该实施例中被设置为在主机16与接口18或连接线18之间的连接器，使得DC电压控制单元60形成在DC电压源58与将超声换能器14连接到主机16的连接线18之间的连接器。因此，DC电压控制单元60能够将DC电压VDC容易地断开连接，以便中断崩塌模式。在该实施例中，DC电压控制单元60能够被容易地提供作为新式仪器或者在线连接18与主机16之间例如借助对应的插头连接的附加套件。 [0064] 尽管在附图和前面的描述中已经详细说明并描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的并非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域技术人员在实践所主张的本发明的过程中，能够理解和实现所公开的实施例的变型。 [0065] 在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。 [0066] 权利要求中的任何附图标记不得被解释为对其范围的限制。

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