CN104756521A - 具有多谐波模式的微机械超声波换能器阵列 - Google Patents

Abstract

描述了具有多个谐振模式能力的微机械超声波换能器(MUT)阵列和操作它们的技术被描述，例如用于在同一设备内获取高频和低频操作。在实施方式中，不同大小的压电膜被制造用于调谐膜上的谐振频率。在衬底长度上的不同大小的压电膜逐渐被转变以缓和在不同模式和频率中振荡的膜之间的破坏性交互。

Description

具有多谐波模式的微机械超声波换能器阵列

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年10月26日递交的并且具有申请号61/718,952的名称为“PIEZOELECTRIC TRANSDUCER ARRAYS WITH 1^ST AND 2^NDHARMONIC MODES”的美国临时实用专利申请的优先权，该专利申请的全部内容通过引用结合于此以用于所有目的。

本申请涉及2012年10月9日递交的并且具有申请号13/648,225的名称为“ULTRA WIDE BANDWIDTH PIEZOELECTRIC TRANSDUCERARRAYS”的美国实用专利申请。

技术领域

一般地，本发明的实施方式涉及超声波换能器，具体地，关于微机械超声波换能器(MUT)阵列。

背景技术

典型地超声波换能器设备包括膜，该膜能够响应于随时间变化的驱动电压而振动以在与换能器元件暴露的外部表面接触的传播媒介(如，空气、水或人体组织)中生成高频压力波。该高频压力波可以传播至其它媒介中。相同的膜也可以接收从传播媒介反射的压力波并且将所接收的压力波转换为电信号。结合驱动电压信号该电信号可以被处理以获得关于传播媒介内密度或弹性系数变化的信息。

压电式或电容式换能器设备已被证明在图像领域是有用的。然而很多使用压电膜的超声波换能器设备是通过机械切割大块压电材料或通过注塑成灌注由压电陶瓷晶体的载体材料而形成的，这些设备可以使用各种微机械加工技术(如，材料沉积、平版印刷图案、通过刻蚀的特征构造等)以过高的维度公差被很方便廉价地制造。同样地，利用经由波束形成算法驱动的阵列中的单个，谐振器元件的大阵列可以使用。这种阵列设备被称为压电式MUT(pMUT)阵列。电容式换能器也类似地微机械加工为的电容式MUT(cMUT)阵列。

传统的MUT阵列的一个问题是带宽可能被限制，该带宽是从传输媒介施加的实际声压的函数。因为诸如胎儿心脏监测和动脉监测的超声波换能器应用跨越宽的频率范围(如，较低的频率提供相对较深的成像能力以及较高的频率提供较浅的成像能力)，通过增强MUT阵列的带宽以缩短脉宽，轴向分辨率(如，与超声波光束平行的方向的分辨率)将被有利地改善。

传统的pMUT阵列的另一个问题是通过衬底振动的机械耦合及在pMUT阵列中找到的邻近元件之间的声耦合(acoustic coupling)可以引起换能器元件之间的不良串扰。通过减小这种pMUT阵列中串扰的不良形成，在超声波换能器应用中的信噪比将被有利地改善。

发明内容

在一实施方式中，MUT阵列的换能器元件总体被配置为多种振荡模式。这些多种模式至少包括第一谐振模式和第二谐振模式，并且还可以包括第三模式、第四模式或更高模式。这种多谐振模式或多谐波模式，MUT阵列被引入至此以简单作为“多模式”MUT阵列。在实施方式中，通过膜大小(size)的尺寸化(dimensioning)以及布置不同大小的膜，谐波被制成同相以减轻或避免通道内相近膜之间破坏性的相互作用，或者相近通道之间的串扰。

在实施方式中，多模式MUT阵列使用与在超声波换能器的发射和接收模式中使用的多谐波模式相关联的完整带宽被操作以获得超宽带宽。对于这种实施方式，膜被设计大小并且由电信号驱动以感应一阶振动模式，该一阶振动模式具有与主要与二阶振动模式相关联的频带重叠的频带。

在实施方式中，多模式MUT阵列使用与超声波换能器的发射和接收模式之间分配的多谐波模式相关联的带宽被操作。在一个这种实施方式中，适合作为传输频带的一阶振动模式由驱动信号感应以及与适合作为接收频带的二阶振动模式相关联的频率通过信号接收器滤波。例如，伴随合适的膜(一个或多个)大小调谐，可以使用较低频率振动的第一频带和较高频率振动的第二频带来执行组织谐波成像(THI)的技术而不遭受典型的较低带宽换能器的增益的限制。

在实施方式中，多模式MUT阵列使用与在超声波换能器不同通道上分配的多谐波模式相关联的带宽被操作。与一个或多个振动模式相关联的第一频带在换能器的第一通道中被驱动，而与一个或多个其它模式相关联的第二频带在第二通道中被驱动以获得高采样率。在某一这种实施方式中，超声波换能器使用多个焦点区域同时操作，在这期间，低频(第一模式)通道聚焦在比高频(第二模式)通道更深的焦距。

在实施方式中，膜大小的尺寸化及不同大小的膜在衬底上空间地布置至少部分地通过一个或多个灵敏度分析被实现。因为谐波定相是对许多因素敏感的复杂函数，这个挑战通过优化来自模式化标称维度(dimension)的MUT阵列的频率响应而至少部分的解决。在某个有利的压电式实施方式中，灵敏度分析在单个掩膜层面处执行，该单个掩膜层面定义换能器膜的压电式材料和电极之间的接触区域。在某一这种实施方式中，随着在阵列的不同通道上执行的灵敏度分析单个pMUT阵列被制造。然后，通道响应被测量并且与标称相对比以推论出用于每个膜大小类别的优化大小化。然后，基于针对在阵列中使用的每个不同的膜大小的最佳掩膜维度，最终的掩膜集合被定义。

附图说明

本发明的实施方式通过举例的方式但不以限制的方式被阐述，而且当结合附图考虑时，参考下文详细地描述，将更全面理解本发明的实施方式，其中：

图1A和1B是根据实施方式的具有圆形换能器元件的多模式MUT阵列的平面视图；

图1C是描绘了根据多模式MUT阵列实施方式的换能器膜大小的一维空间布置的曲线图；

图1D是根据实施方式的具有椭圆形换能器元件的多模式MUT阵列的平面视图；

图2A、2B和2C是根据实施方式的在图1A、1B和1D的多模式MUT阵列中使用的压电式换能器的横截面视图；

图3A和3B是根据实施方式的经受第一振荡模式和第二振荡模式的换能器元件的横截面示意图；

图4A和4B是阐明根据实施方式的与图3A和3B中描绘的第一和第二振荡模式相关联的第一和第二谐振频带的频率响应曲线示意图；

图5是根据本发明实施方式的采用多模式MUT阵列的超声波换能器装置的功能模块图；

图6是描绘了根据实施方式的多模式MUT阵列的操作模式的流程图；

图7A示出根据实施方式的相应于MUT阵列的第一和第二振动模式的两个频带的模式化频率响应；

图7B是针对经受第一和第二振动模式之间解构性定相(deconstructivephasing)的MUT阵列的模式化频率响应；

图8A示出根据实施方式的与适合于超声波换能器的单独的传输和接收模式的PMUT阵列的第一和第二振动模式相对应的两个带的模式化频率响应；

图8B和8C阐明了在响应灵敏度上为组织谐波成像(THI)分配多模式MUT阵列的效果；

图9A示出了根据实施方式的与MUT阵列的第一和第二振动模式相对应的两个频带的模式化频率响应；

图9B阐明了传统的多区域对焦技术；

图9C阐明了根据多通道实施方式的多区域对焦技术；

图10是阐明了根据实施方式的优化具有不同膜大小的膜群体的频率响应的方法流程图；以及

图11是根据实施方式具有不同窗口大小和相应的响应曲线的PMUT阵列的平面视图。

具体实施方式

在下文描述中，陈述了很多细节，但是，在没有这些具体细节的情况下，本发明可以被实行，这对于本领域技术人员将是显而易见的。在某些实例中，公知的方法和设备以框图形式而非详细地示出，以避免模糊本发明。贯穿本说明书的对“实施方式”的参考意味着与实施方式有关的特定的特征、结构、功能或者特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书的在不同地方出现的术语“在实施方式中”不是必然指代本发明的相同实施方式。此外，在一个或多个实施方式中的特定的特征、结构、功能或者特性可以以任何适当的方式被组合。例如，第一实施方式可以与第二实施方式在两个实施方式不特别指示为相互排斥的情况下可以结合。

这里，术语“耦合”被用于描述组件之间的功能或结构关系。“耦合”可以被用于表明两个或更多个元件彼此直接或间接地(利用它们之间的或通过媒介的其它中介元件)机械、声、光或电连接，和/或指示两个或更多个元件彼此协作或互相作用(如，如同因果关系)。

这里使用的术语“在……之上”、“在……之下”、“在……之间”以及“在……上面”涉及一个组件或材料层相对于其它元件或层的位置关系，其中，在装配的上下文或者在微机械堆的材料层的上下文中，这种物理关系对于机械组件是显著的。放置在另一个层(组件)之上或之下的一个层(组件)可以直接与其它层(组件)接触或者可以具有一个或多个中介层(组件)。此外，布置在两层(组件)之间的一个层(组件)可以直接地与两个层(组件)接触或者可以具有一个或多个中介层(组件)。相比之下，“在”第二图层(组件)“上面”的第一图层(组件)是直接与那个第二图层(组件)相接触。

除非上下文中另外清楚地表明，单数形式“一”、“一个”以及“这个”也意在包括复数形式。也可以理解的是，这里使用的术语“和/或”涉及并且包含相关联的列出项的一个或多个的任意和所有可能的组合。

在实施方式中，MUT阵列的压电式换能器元件群体针对多个振荡模式被配置。每个模式对应于针对给定的膜几何结构的贝塞尔函数的解决方案并且包括至少第一或第二谐振模式，并且可能还包括换能器膜的第三、第四及更高的谐振模式。不只一个谐振模式造成挑战，因为在不同模式中振荡的换能器元件之间的耦合(如，通过传输媒介和/或机械的连接至衬底等)可能导致破坏性的交互，该破坏性的交互通常为异相位的谐波模式的结果。在这里的实施方式中，当多振荡模式出现时，特定通道的膜被尺寸化并在空间上布置以缓和这种通道内膜之间的破坏性的交互或接近的通道之间的串扰。

图1A和1B是具有圆形换能器元件的多模式MUT阵列的平面视图。图1A是根据实施方式的MUT阵列101的平面视图。阵列101包括多个电极轨道110、120、130、140，该多个电极轨道排布在由衬底101的第一维度x和第二维度y定义的区域之上。驱动/感应电极轨道(如，110)中每一者是独立于任何其它驱动/感应电极轨道(如120或130)的电可寻址的并且是阵列101的功能上单独的通道。每个通道具有特有的频率响应，该频率响应是对通道内单个换能器元件的响应的综合。每个通道的驱动/感应电极平行于每个元件被电耦合。例如，在图1中，换能器元件111A、112A、113A等被耦合在一起以由驱动/感应电极轨道110电驱动。同样地，所有的换能器元件(如，121A)全部平行于驱动/感应电极轨道120耦合在一起。通常，任意数目的换能器元件可以在通道内集中在一起，作为分配给每个通道的膜直径、元件间距及沉底面积的函数。针对图1B中的实施方式，例如，每个通道包括在第一(y)维度中的三个相邻元件(如，元件111A₁、112A₂和113A₃)，在这个第一维度中，所有的元件具有相同的膜大小(如，相同的直径)。

在实施方式中，在装置的相同通道的元件上至少一个膜维度变化。如图1A和1B所示，圆形膜直径沿着衬底的至少一个维度而变化(如，y维度)以使每个通道包括一系列膜大小。在所描述的实施方式中，每个通道包括相同数目的特定大小的膜以及相同数目的不同大小。由于谐振频率是膜大小的函数(较高频率与较小的膜大小相关联)，当给定的电驱动信号被应用至通道时，特定的频率响应被感应，或者当给定的频率响应通过媒介被返回，其生成特定的电感测信号。对于图1A和1B中所描述的实施方式，其中每个通道具有相同群体的元件(相同的数目和大小分布)，以及相同的空间布局，每个通道可以预计具有非常相近的相同的频率响应。可替代地，具有不同元件群体(如，不同数目的膜大小，不同数目的特定大小的膜或者在衬底之上的不同的空间布置)的通道可以预计具有显著不同的频率响应。

在实施方式中，给定通道中不同大小的膜在衬底上面被空间地布置以避免膜之间的破坏性交互。已经发现，在一个或多个衬底维度之上的连续性、光滑性和/或的增量方式的变化的膜大小有利地降低破坏性交互，阻止截然不同大小的膜之间的相位失配。在实施方式中，在具有拥有相似大小的膜的最接近的邻近元件的元件群体上谐振相位被保持，以使在给定距离之上的膜大小的变化不超出特定的阈值(如，在最近邻之间的圆形膜直径低于10％的变化，有利地低于5％，以及更有利的低于2％)。该方法保证了每一元件由具有足够类似的谐振频率(从而相位谱)的谐振器围绕以避免破坏性交互。膜大小的过度剧烈的变化可能引起邻近膜之间的相位关系，这包括通道的频率响应的陷波(notch)。例如，干扰源/冒犯源膜的动作可以局部推进或堆积在受害膜之上的传输媒介(如，与冒犯源最邻近或最接近)，相对于受害膜的相位，以不适当的倍数增加第二膜的有效膜质量，并且因此抑制或妨碍受害元件的性能。如果这种声阻尼(或传输媒介阻尼)是严重的，在感应多振荡模式的操作条件下会出现不期望的零交叉(zero crossing)。

如图1A中所描绘，第一大小(如，直径最小的膜)的换能器元件111A与第二大小(如，下一个直径较大的膜)的元件112A相邻近，其中，膜大小以步进方式逐渐增加通过具有不断增加的膜大小的第一系列的元件(如，714A，715A，716A)并且然后通过具有逐步减小的大小的第二系列返回至最小的直径。如图1B所示，膜直径类似地从D₁、D₂、D₃、D₄和D₅逐渐增加并且然后从半径为D₅的第二个膜逐渐减少至半径为D₄的第二，等等，直到返回至具有D₁第二膜。连续跨越D₁-D₅和D₅-D₁的膜的集合形成重复单元(RU)，其按照x维度在通道的长度上继续。图1A和图1B描述的空间布置均保证了通道群体的每个元件与相同大小的另一个元件相邻或与针对任意数目的不同膜大小(如，图1B中描绘的三、四或五个不同的大小等)的下一个最小的或下一个最大的大小的另一个元件相邻。但是，与图1A的只具有一个最大直径的膜(716A)的实施方式不同，图1B的RU内所有膜大小的空间密度有利的是与每一大小或“类型”的两个膜相等。

在所阐述的实施方式中，在阵列的通道内的换能器元件膜大小是衬底的至少一个直径的周期函数。图1C是描绘根据多模式MUT阵列的实施方式的遵循周期函数的换能器膜大小的广义的一维空间布置的曲线图。周期大小变化的频率由特别是匹配MUT的机械特性和传输媒介的相位所限制，并且因此可以随着实施而变化。在某些实施方式中，与膜的最大和最小大小相关联的周期函数的幅度是足够大的，在RU内最大和最小大小的膜之间的差异比任意两个相邻膜之间的大小差异更大。作为一个示例，最大和最小膜大小之间的范围可以被选择以确保至少两个振荡模式在RU内由一个或多个给定的电驱动信号感应，而相邻膜之间大小的增加可以被选择以确保所有对响应曲线有贡献的换能器元件保持3dB带宽。然后相应的最小和最大膜大小将具有在通道内感应的至少第一和第二阶谐波(及对于较少范围的可能的第三和更高阶)。作为一个示例，对于来自具有图2A-2C内容中描述的一般结构的换能器的MHz频率响应，20-150μm的范围将是典型的膜直径，并且1-10μm的增量将典型地提供足够的响应重叠。因此，对于图1B中所示出的实施方式，五个膜大小可以与100和140μm之间以10μm增量循环的直径的周期相对应。

图1B还示出了排列在衬底的第二维度的一个大小的多重膜(如，y维度，其中膜111A₁、111A₂和111A₃均为相同的直径)。与图1A中描述的实施方式相比，图1B中描述的实施方式有利地提供更高占空因数(fill factor)并且由于在图1B中的每个膜大小的空间密度更高，其伴随更高的增益。又如图1B所示，相同的最小间隔S_min保持在相同大小的膜之间，而无关它们的大小。在通道内中心排的膜(如，膜111A₂)具有对齐在通道轴线L上的它们的中心，相邻膜排的中心为一个直径加上一个自通道轴线L的最小间隔S_min。

多模式阵列结构也可以理由除了圆形/球状外的几何形状的膜被实施。例如，图1D是根据实施方式的具有椭圆形换能器元件的多模式MUT阵列的平面视图。一般地，由于半主轴(semi-principal axis)B,C之间不同的作用，椭圆形膜更容易被驱动为更高的振荡模式。通过将来自圆形或球状膜的所有旋转角度的旋转对称减小至仅2重对称性(180°)，模式形状可以容易的分为具有单独的谐振频率的更明显的模式。因此，具有不同半主轴维度的压电膜为塑造在通道内的换能器元件的频率响应提供附加自由度。在又一实施方式中，至少第一和第二半主轴是足够不同的长度以提供多个单独的谐振频率(模式)。

在示例性的实施方式中，椭圆形膜的空间布置遵循上下文描述的圆形膜的相同启发，但是对于图1D中描述的示例性椭圆形实施方式，在通道群体内，膜维度在x和y维度均是变化的。如图所示，在通道内，仅第一半轴(semi-axis)(如，B)的长度在衬底的第一维度上改变，而仅第二半轴(如，C)的长度在衬底的第二维度上改变。如图1D中进一步示出，在阵列维度中的一个维度上每个轴线是递增的(和/或递减的)以获取RU内大小的范围，其比任意两个相邻膜之间大小的差异大。如图所示，元件1010AA、1010AE、1010JA的B轴分别沿着阵列的一个维度(如，衬底101的y维度)由B₁增加至B₅，然后返回至B₁。包括1010AB-1010JB的列或排及包括1010AC-1010JC的列或排具有与用于1010AA-1010JA相同的B轴增量。反过来沿着阵列第二维度(如，沿着衬底101的x轴)的每个元件C轴增加以使包括1010AA-1010JA的排的所有元件被尺寸化成具有等于C₁的轴，类似的，包括1010AB-1010JB的排的所有元件被尺寸化成具有等于C₂的轴，并且所有包括1010AC-1010JC的排的所有元件被尺寸化成具有等于C₃的轴。

在实施方式中，双模式MUT阵列的每个换能器元件包括压电膜。压电膜可以是球状体，该球状体在第三维度具有曲率以形成圆顶状(如图2A中进一步所示)或凹状(如图2B中进一步所示)。如图2C中进一步所示，也可能是平面膜。在图2A-2C的上下文中，单独的换能器元件的示例性微机械(即，微电机械)方面被简单地描述。可以理解的是，图2A-2C中描述的结构主要作为针对本发明的特定方面的环境的一部分并且应该理解还示出了本发明与换能器元件结构相关的广阔的适用性。

在图2A中，凸状换能器元件202包括顶表面204，该顶表面204在操作期间形成pMUT阵列100的振动外表面的部分。换能器元件202还包括底表面206，其附属在衬底101的顶表面。换能器元件202包括凸状或圆顶状压电膜210，排布在基准电极212和驱动/感测电极214之间。在一个实施方式中，例如压电膜210可以通过在具有在平面的顶表面上形成的圆顶的轮廓转移衬底(如，光刻胶)上在均匀层中电镀(如，溅射)压电式材料颗粒而形成。示例性压电式材料是锆钛酸铅(PZT)，尽管任何本领域中已知的适合于传统微机械加工也可以被使用，诸如聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物颗粒、BaTiO₃、单晶PMN-PT和氮化铝(ALN)但是并不限于此。驱动/感测电极和基准电极214、212可以各自为排布(如，经由PVD、LVD、CVD等)在轮廓-轮廓转移衬底上的导电材料的薄膜层。用于驱动电极层的导电材料可以是任何本领域公知的具有此种功能的，诸如以下中的一者或多者：Au、Pt、Ni、Ir等、它们的合金(如，AuSn、IrTiW、AuTiW、AuNi等)、它们的氧化物(如，IrO₂、NiO₂、PtO₂等)或者这些材料的两个或多个的合成堆，但是并不限于此。

如图2A中进一步所示，在一些实施中，换能器元件202可以可选择地包括诸如二氧化硅的薄膜层222，在制造期间，薄膜层222可以用作支撑和/或蚀刻终止。电介质膜224还可以用于使驱动/感测电极214与基准电极212绝缘。垂直方向的电互连226通过驱动/感测电极轨道110将驱动/感测电极214连接至驱动/感测电路。相似的互连232将基准电极212连接至基准轨道234。环形支撑236，具有孔241，该孔具有定义换能器元件202中心的对称轴线，该环形支撑236将压电膜210机械耦合至衬底101。支撑236可以是任何常规材料，诸如二氧化硅、多晶硅、多晶锗、SiGe等，但是不限于此。支撑236的示例性厚度范围是10-50μm并且膜224的示例性厚度范围是2-20μm。

图2B中示出换能器元件242的另一个示例结构，其中与在换能器元件202中那些功能相似的结构被标识相同的参考标号。换能器元件242示出在静止状态是凹的凹形压电膜250。这里，驱动/感测电极214被布置在凹形压电膜250的底表面的下面，而基准电极212被布置在顶表面之上。还示出了顶部保护钝化层。

图2C中示出换能器元件282的另一个示例结构，其中与在换能器元件202中那些功能相似的结构被标识相同的参考标号。换能器元件282示出在静止状态是平面的平面压电膜290并且不像元件202、204一样以弯曲模式操作，并且因此还采用膜275(通常为硅)。于此，驱动/感测电极214布置在平面压电膜290的底表面之下，而基准电极212布置在顶表面之上。与图2A-2C中每一者描述的相反的电极配置也是可行的。

图3A和3B是根据实施方式的经受第一和第二振荡模式的换能器元件的横截面示意图。图4A和4B是根据实施方式的阐明与图3A和3B中描绘的第一和第二振荡模式相关联的第一和第二谐振频带的频率响应曲线图。在操作期间，阵列内的膜被感应至具有特有的第一谐振频率的第一振动模式或第一振荡模式。还是在阵列的操作期间，阵列内的膜被感应至与第二谐振频率相关联的第二振动模式，第二谐振频率比第一谐振频率更高。然后第一和第二频带与给定的不同的膜大小的群体相关联。图3A描绘，膜350(其可以是在静止状态为平面、凸面或凹面的压电材料)的横截面视图，膜350由支撑236支撑并且当驱动/感测电极312接收到随时间变化的电压驱动信号时，由驱动/感测电极312驱动以提供第一振动模式。在图3B中，由于驱动信号，膜在第二谐振中振荡。因为第二振动模式具有更高的频率(如2x)，基本振动模式或者第一振动模式、更高频率机制可以在更高模式中获得。在这里描述的实施方式中(如，图1A-1D)，其中不同大小的圆形(或椭圆形)膜在不同模式中振动，在频率响应中的两个宽频带可能形成(如，第一频带和处于第一频带的频率的二倍的第二频带)。考虑到pMUT元件的压电激励几乎是独立于角度θ的，有利的模式形状是(0,1)模式、(0,2)模式、(0,3)模式，其中波节直径数为0。

图4A和4B是根据实施方式的图3A和3B的MUT的性能度量的曲线图。参考图4A，在一个实施方式中，驱动信号发生器驱动第一电信号以激励膜350的第一谐振模式(f_n1)超出第二谐振模式(f_n2)。在图4B中，驱动信号发生器感应或激励膜350的第二谐振模式(f_n2)超出第一谐振模式(f_n1)。以第一模式或高模式的操作可以随着膜大小和形状(如圆形对比椭圆)至少由驱动信号脉宽和/或脉冲形状来确定。

图5是根据本发明实施方式的采用多模式MUT阵列的超声波换能器装置的功能模块图。在示例性实施方式中，超声波换能器装置500用于在诸如水、组织物质等的媒介中生成和感测压力波。超声波换能器装置500具有很多应用，其中在媒介或多媒体内的内部结构变化的成像是感兴趣的，诸如在医学诊断、产品缺陷检测中等。装置500包括至少一个多模式MUT阵列516，其可以具有这里描述的任意多模式MUT阵列元件设计，具有描述的任意换能器元件和元件群体属性。在示例性实施方式中，MUT阵列516是封装在手柄部分514内的MUT，其可以由装置500的机械或用户操作以改变所描述的MUT阵列516的外表面的面对方向和位置(如，面对将被成像的区域)。电连接器520将MUT阵列516的通道电耦合至手柄部分514外部的通信接口。

在实施方式中，装置500包括信号发生装置，其可以是任何本领域公知的，经由例如电连接器520被耦合至MUT阵列516。信号发生装置用于为阵列516中每个通道的驱动/感测电极提供电驱动信号。在特定实施方式中，信号发生装置用于应用电驱动信号以引起压电式换能器元件群体在1MHz和40MHz之间的频率处谐振。在实施方式中，信号发生装置包括解串行化器(de-serializer)504以解串行化控制信号，然后该控制信号被解复用器(demux)506解复用。示例性信号发生装置还包括数模转换器(DAC)508以将数字控制信号转换为用于MUT阵列516中单个换能器元件通道的驱动电压信号。各自的时间延迟可以通过可编程延时控制器510被增加至单个驱动电压信号，用于光束控制，创建期望的光束形状、焦点(focus)和方向等。耦合在pMUT通道连接器520和信号发生装置之间的是转换网络512，以在驱动和感测模式之间转换MUT阵列516。

在实施方式中，装置500包括信号收集装置，其可以是任何本领域公知的，经由例如电连接器520而被耦合至MUT阵列516。信号收集装置用于收集和滤波来自MUT阵列516中驱动/感测电极通道的电感测信号。信号收集装置的一个示例性实施方式中，模数转换器514是来自阵列516通道的电压信号的接收器，电压信号被转换为数字信号。然后数字信号可以被存储在存储器(没有示出)中或者直接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526以压缩数字信号。在将所接收到的信号中继转发至内存、其它存储器或者诸如用于基于所接收到的信号产生图形显示的图像处理器的下游处理器之前，复用器528和串行器502还可以处理(如，基于频率的滤波等)所接收的信号。

图6是根据实施方式的进一步描绘多模式MUT阵列的操作模式的流程图。一般地，在方法600中多模式MUT阵列601以三个性能中的至少一者被操作。首先，多模式MUT阵列601在操作605处被驱动以同时感应第一阶模式和更高阶模式以获取超宽的、多谐振频带宽度。然后，在操作610处，多模式MUT阵列601还用于这个整个带宽上的感测。图7A-7B描述了第一个方式的操作。在第二种方法的操作中，在操作620处，多模式MUT阵列601被驱动以主要感应用于传输的多谐振频率带宽的第一分量，而第二分量带宽在操作625处被感测。图8A-8C进一步描述了第二方式的操作。在第三种方法中，多模式MUT阵列601的不同通道在操作630、633处被驱动以感应多谐振频带宽度(如，第一和第二谐振频带)的不同分量以及在操作636和639处使用不同通道感应多谐振频带宽度的不同分量。这种多信号或多通道模式在图9A-9C的上下文中被进一步描述。

在超宽带宽的实施方式中，至少第一和第二谐振模式重叠。第三和更高模式如果存在也可以与下一个更高和下一个更低阶的频带重叠。如图7A的相位和量级曲线所示，在最简单的两个谐振模式的情况下，与第一阶谐振模式相关联的第一谐振频带的最高谐振频率比与第二阶模式相关联的第二谐振频带的最低谐振频率更高。对于这些超宽带宽实施方式，膜群体被设计，例如如图1A-1D的上下文所述的通过控制膜大小和布局。膜有效质量、有效刚度也可以被尽力控制以避免或至少缓解破坏定相。

然后，第一模式(与最小膜元件相关联)的最高谐振频率和第二模式(与最大膜元件相关联)的最低谐振频率之间的重叠可以合并(merge)两个光谱带并且将阵列的带宽扩展至至少120％-6dB部分带宽(120％-6dB fractionbandwidth)(如，-6db带宽/中心频率)。由于相位变化而引起的重叠谐振频带的挑战通过图7B阐明，其是针对在第一和第二振动模式之间经受一些解构定相(deconstructive phasing)的MUT阵列的模式化频率响应。例如，对于固定的、均匀大小的膜，相位在第一和第二振动模式之间零交叉，在频带中产生陷波，至少如图7B中的陷波720那样显著。但是已经发现，例如，通过采用图1B所描述的元件大小的逐渐变化，谐振模式频带可以被完全合并。在这种方式中，应用在相同通道内的不同大小的膜群体的驱动信号可以在一个或多个膜中感应第一振荡模式并且还在一个或多个其它膜中感应第二振荡模式。同样地，相同带宽可以在超宽带宽压力换能器的感测周期中使用。

现在参考图8A，在操作多模式MUT的第二方式中，主要与第一振荡模式相关联的第一频带可能依赖于传输(Tx)，而主要与第二振荡模式相关联的第二频带可能依赖于感测。对于图8A中所示模式的操作中，耦合至多模式MUT阵列的驱动电路包括信号生成器，该信号生成器使用感应至少第一频带(如，较低频带)的第一电信号驱动给定通道的换能器元件中的至少一些。脉冲宽度和形状，例如可以偏离超宽带宽实施方式所使用的脉冲宽度和形状以只感应部分多谐振频带。在另一方面，感测电路包括耦合至多模式MUT阵列的信号接收器以接收来自包括来自第二频带的分量的至少一些换能器元件的第二电信号，该第二电信号可以利用合适的带通滤波器进行提取。特别地，当以这种性能操作时，谐振频带可以是重叠的或者不是。频带重叠的情况，例如，膜尺寸化和布局遵循图1B的示例并且适合超宽带宽操作的情况，一些膜可以在发射频带中以第二模式振荡并且一些膜可以在接收频带中以第一模式振荡，使得Tx和Rx频带不是独有的一种谐振模式。

图8A所示出的操作的第二模式很好的适用于组织谐波成像(THI)的技术，其中低频振动的第一频带和高频振动的第二频带被使用而不经受更低带宽换能器特有的增益的限制。一般地，随着传输频率被减小，软组织中的信号渗透增加，但是伴随着成像分辨率的减小。当超声波通过目标媒介传播时，所传送的信号的形状和频率发生变化，引起声波的非线性失真。谐波在媒介中生成并且累积深度。谐波频率是所传送的频率的更高的整数倍数，非常像音符的倍频峰(overtones)。当前的THI技术仅使用二次谐波(二次传送频率)成像。例如，3.0MHz的传送频率将返回6.0MHz的谐波频率，该传送频率可以提供最大的渗透。返回的更高频率信号仅以一个方向传播至探针。高频成像的优点和单向传播效果包括减少的回响(reverberation)、波束畸变(beam aberration)和旁瓣(side lobe)以及减少的分辨率和囊性清除(cystic clearing)。

如图8B所示，换能器带宽对于THI可能是限制因素，因为换能器必须是在一个频率的有效发射机和在第二谐波的有效接收机。在换能器带宽(如，大约70％-80％-6dB部分带宽)对于谐波成像是次优的情况中，传送的中心频率典型地被设置为中心频率的2/3，而谐波接收频率被设置为中心频率的4/3。如图8B中虚线进一步所示，通道的元件之间的破坏性交互可能限制带宽使得增益(灵敏度)被减小。但是，如图8C所示，包括通道的第一谐振模式和第二谐振模式并且包含基础的(f₀)和2f₀频率的多谐振模式MUT的较大的带宽分别自然地能够为非常有效率的THI发射器和接收器。因此，THI可以利用具有各种膜大小(如，图1B所描绘的)组合的多模式MUT阵列而被有利地实施。

在实施方式中，多模式MUT阵列按第三种模式中操作以通过将其分配在超声波换能器的不同通道上来进一步利用与多谐振模式相关联的带宽。第一频带，诸如主要与基本振荡相关联的较低频带，被应用在换能器的第一通道中，而第二频带，诸如主要与第二或第三阶谐波相关联的较高频带，被应用在第二通道中以获取高采样率。在实施方式中，多模式MUT阵列的所有通道大体上是相同的并且每个通道包括具有空间地分布在衬底之上的不同膜大小的多个元件(遵循图1B例证的启发法)的情况下，第一脉冲形状和/或宽度(如，长的)的第一电信号可以感应第一通道中一个或多个膜内的基本振荡，而第二脉冲形状和/或宽度(如，短的)的第二电信号可以感应第二通道中一个或多个膜内的更高阶振荡。随着与低和高频带相关联的基本的和更高阶振荡，图9A所描绘的模型化光谱(modeled spectrum)被提供。在感测模式期间，使用合适的不同的带通对第一和第二通道信号进行滤波，例如，提取来自第一通道的低频带和来自第二通道的高频带。

多通道操作可以促进近场和远场聚焦区域(即，多深度)以高采样率成像。这种技术与图9B所示的传统的多区域对焦技术形成对比，其中所限制的扫描速率导致诸如心脏和流动血液的快速移动对象的失真图像。一般地，扫描速率根据在下一脉冲传送之前对将被从最远位置返回的信息所需的等待而被支配。如图9B所示，为了聚焦在第一深度，延迟发生器在多个换能器通道上实施第一延迟信号。然后，具有与第二脉冲相关联的不同延迟信号的第二脉冲被发送。在五个深度区域被提供(a-f)的情况中，需要五个脉冲和五个采样周期，进一步降低了扫描速率。此外，多聚焦区域技术被频繁用于改善在整个图像深度上的有效的横向分辨率。在每个区域内，宽的光圈/低f数(f-number)成像被用于获取改善的分辨率，并且来自每个区域的图像被缝合在一起。这将会更加减少帧率。

其中，由于不同振荡模式，几个宽带可以在频率响应中形成，例如，在具有诸如图1B所示阵列的实施方式中，每个频带可以在独立的成像通道内被采用。每个通道可以由在其相关联频率处的激励波形激励，诸如具有(T～1/2f_i)持续时间或线性调频波形的脉冲。使用相应的带通滤波器或通过各种解调制技术，接收信号可以被分析进入不同通道。因此，帧率可以与通道的数目成比例的改善。如图9C所示，所提出的多通道操作模式可以有效地实施多个聚焦区域技术，其中与高频(短脉冲)的第一激励波形相关联的高频通道被用于近场区域并且被相应的聚焦(更小的焦距)以提供高分辨率成像。同时地，LF(低频)通道(一个或多个)可以聚焦在更深的焦距以提供最大的渗透。理论上，这种方法提供高频换能器的快速成像率、低频换能器的深渗透及在整个图像深度上改善的有效横向分辨率。

正如本文其它地方，实施于此所描述的多模式MUT实施方式的一个技术挑战包括相同通道的膜之间的破坏性交互。具有不同大小的振动膜(平面、圆顶、凹陷)的频率成形可以被实现以改善MUT的带宽和/或裁减这里所描述的特定操作模式的带宽。一般地，然后设计任务类似于通过采用n一阶滤波器设计宽带带通滤波器。由于频率响应的形状是光圈直径集的函数、包括有效刚度、有效质量、自然响应频率、有效声学阻抗和元件之间的耦合的几个参数全部是膜直径的强函数，通过几何学使用光刻可以调整频率成形。因此，换能器的频率光谱是膜直径的非常复杂的函数，在实际中，致使频率成形可能是难处理的并且复杂的过程。

因此，在实施方式中，通过在MUT设备的一个或多个掩膜层面(level)执行灵敏度分析，MUT阵列的频率响应根据模型化标称维度被优化。在示例性实施方式中，使用单个掩膜层面来执行灵敏度分析，该单个掩膜层面定义换能器膜的材料和电极之间的接触区域。在一个有利的实施方式中，单个掩膜层面为电介质窗口层，其在膜材料之上定义尺寸化开口，通过该开口电极进行接触。例如，图2A、2B和2C阐明了窗口维度如何定义布置在压电膜210和驱动/感测电极212之间的电介质膜224(氧化物)中的开口。电介质窗口的维度是主要影响各种模式形状的振幅而不显著改变模式形状和频率的另一个参数。此外，期望仅稍微地改变有效质量、有效刚度和有效声阻抗。同样地，在实施方式中，最终频率基于氧化物窗口维度的最优化进行好的调整。

优化的窗口大小可以使用数字模型(如，FEM模型)被估算，或者通过实验获得。图10是阐明通过执行经实验确定的电介质窗口大小的灵敏度分析优化来自具有不同膜大小的膜群体的频率形状的方法1100的流程图，可能只具有一个制造运行和一匝(one turn of)单个掩膜层(窗口掩膜)。方法1100开始于操作1150，基于模型化参数，尺寸化PMUT设备的所有掩膜层以获取一个或多个期望的标称频率响应。

在操作1160处，在PMUT阵列通道上电介质窗口掩膜CD是变化的以针对n个膜类型(大小)调节压电接触区域。例如，在1D超声波阵列包括64-256个相同通道的情况下，通过将这些通道拆分为n+1个组，每个阵列可以被设计为灵敏度矩阵：一个控制集合由模型和控制集合的变化估算，其中，每个变化仅一个类型的膜的氧化物窗口通过预先定义的值(2um-20um)改变，如图11中5个变化的进一步所示。如图所示，圆形频带1110代表窗口CD收缩，并且对于与电极轨道110相关联的通道，只有最大的膜元件通过预先定义的数量被调制(收缩)，而针对描绘的其它四个处理不同标称大小的膜具有不同的窗口大小。

返回至图10，在操作1070处，如果使用包括实验的窗口尺寸化的掩膜集合制造PMUT设备。然后，在操作1180处(图10)针对来自所制造的设备的每个窗口大小变化，通道响应(图11中的进一步所示)被测量。然后这些响应与关联于标称(模式化)维度的响应进行比较以生成灵敏度项(其中x是窗口大小及y是频率响应)。然后，针对每个膜大小类别的窗口的优化大小化基于灵敏度分析被确定以到达期望的最终频率响应。然后在操作1190处，最终掩膜集合基于这些针对阵列中采用的每个不同的膜大小的优化的膜维度确定而被定义。如图10中进一步所示，作为选择，灵敏度分析的第二迭代可以被执行。

可以理解的是，上述描述是说明性的而不是限制性的。例如，图中的流程图示出由本发明的某个实施方式执行的操作的特定顺序，应该理解的是，这种顺序可以不是必须的(如，替代的实施方式可以不同的顺序、组合某些操作、重复某些操作等执行操作)。此外，基于阅读和理解上文描述后，许多其它实施方式对于本领域技术人员是显而易见的。尽管本发明已经参考特定的示例性实施方式被描述，将意识到，本发明并不限于所描述的实施方式。

Claims (26)

1.一种在媒介中生成和感测压力波的装置，该装置包括：

微机械超声波换能器(MUT)阵列，该MUT阵列包括多个换能器元件，每个换能器元件包括膜、单个驱动/感测电极、及基准电极；以及

驱动电路或感测电路，用于使用振荡的至少两种模式操作所述MUT阵列，其中所述至少两种模式包括与第一谐振频带相关联的第一模式，及与第二谐振频带相关联的第二模式，所述第二谐振频带包括比所述第一谐振频带内的一个或多个频率更大的一个或多个频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二谐振频带的中心接近所述第一谐振频带的中心的两倍，并且其中所述第一谐振频带和第二谐振频带中的一者或多者包括振荡的第三模式或更高模式。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一谐振频带的最高谐振频率比所述第二谐振频带的最低谐振频率高。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一频带和所述第二频带的总带宽是至少120％-6dB部分带宽。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述MUT阵列是压电式MUT(pMUT)，该压电式MUT的所述阵列的换能器元件具有压电式膜大小的范围，并且其中所述第一谐振频带是所述膜大小范围的函数。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动电路包括信号发生器，该信号发生器耦合至所述MUT阵列以使用感应至少所述第一频带的第一电信号驱动所述换能器元件中的至少一些换能器元件；以及

其中所述感测电路包括信号接收器，该信号接收器耦合至所述MUT阵列以接收来自所述换能器元件中的至少一些换能器元件的第二电信号，该第二电信号包括来自所述第二频带的分量。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一电信号感应所述第一频带和所述第二频带；并且其中所述第二电信号包括来自所述第一频带和第二频带的分量。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一频带在所述阵列的第一通道上被感应并且所述第二频带在所述阵列的第二通道上被感应；以及

其中来自所述第一频带的分量从所述第一通道被收集，而来自所述第二频带的分量从所述第二通道被收集。

9.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一电信号具有优于所述第二频带来感应所述第一频带的脉宽和形状；以及

其中所述信号接收器用于从与所述第一频带相关联的电信号滤波与所述第二频带相关联的所述第二电信号的分量。

10.根据权利要求1所述的装置，其中不同大小的膜被空间布置在衬底上以避免相同通道中的膜之间的交互性破坏，并且避免相邻通道的膜之间的串流。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述膜的至少一个维度在最小和最大值之间变化，所述最小值和所述最大值跨越比任意两个相邻膜之间的维度在的差异更大的范围。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述膜的大小在第一系列的至少三个相邻膜之上递增并且在第二系列的至少三个相邻膜之上递减，并且其中所述第一系列和第二系列均包括最小维度的一个膜和最大维度的一个膜。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述元件大小变化是所述阵列的至少一个维度的周期函数以在所述通道群体的重复单元内提供n个不同膜类型中的两个类型。

14.根据权利要求13所述的装置，其中在通道内，只有椭圆形膜的第一半轴长度在衬底的第一维度上改变并且只有所述椭圆形膜的第二半轴长度在所述衬底的第二维度上改变。

15.一种微机械超声波换能器(MUT)阵列，包括：

多个换能器元件，该多个换能器元件排列在衬底区域之上；

基准电极，该基准电极耦合至所述元件中的每一者；以及

驱动/感测电极，该驱动/感测电极平行的耦合至所述元件的子集以形成所述阵列的通道，其中第一元件具有被尺寸化的膜，以便当由在第二元件的膜内感应第二振荡模式的电信号驱动时进入第一振荡模式，并且其中所述第一元件和第二元件之间的膜维度跨越比所述通道内任意两个相邻元件的膜之间的维度差异更大的范围。

16.根据权利要求15所述的MUT阵列，其中通道内的元件大小在第一维度上周期性的变化，给定大小的每个换能器在所述衬底的第二维度上与具有相同大小或具有下一个最小或下一个最大大小的另一个元件相邻。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述元件大小变化是所述阵列的至少一个维度的周期函数以提供包括每个大小的两个膜的所述通道群体的重复单元内的n个不同膜类型中的两个类型，并且其中所述膜的大小在每个重复单元内的第一系列的至少三个相邻膜上递增并且在每个重复单元内的第二系列的至少三个相邻膜上递减。

18.一种在媒介中生成和感测压力波的方法，该方法包括：

使用感应与第一谐振频带相关联的至少第一振荡模式的第一电信号驱动微机械超声波换能器(MUT)阵列的至少一些换能器元件的电极；以及

接收来自所述电极的第二电信号，该第二电信号包括至少对应于与第二谐振频带相关联的第二振荡模式的分量，所述第二谐振频带具有比所述第一频带内的一个或多个频率更大的一个或多个频率。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述驱动感应所述第一频带和所述第二频带；并且其中所述第二电信号包括来自所述第一频带和第二频带的分量。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一频带在所述阵列的第一通道上被感应并且所述第二频带在所述阵列的第二通道上被感应；以及

其中来自第一频带的分量从所述第一通道被收集及来自所述第二频带所述分量从所述第二通道中被收集。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一电信号具有优于所述第二频带来感应所述第一频带的脉宽和形状；以及

其中所述信号接收器用于从所述第一频带相关联的电信号滤波与所述第二频带相关联的所述第二电信号的分量。

22.一种优化压电式微机械超声波换能器(pMUT)阵列的频率响应的方法，该方法包括：

对多个pMUT元件图案化掩膜层面内的特征进行标称尺寸化，以获得一个或多个标称频率响应；

在所述阵列的区域之上的一个或多个掩膜层面内改变特征维度，其中所述特征定义换能器膜的压电材料和电极之间的接触区域；

根据测量的与所改变的维度相关联的响应，生成灵敏度矩阵；以及

确定所需的换能器膜的电极和压电材料之间的所述接触区域以从使用多个标称尺寸化的pMUT元件图案化掩膜层的所述阵列获取目标响应。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述特征是布置在所述压电材料和所述电极之间的电介质层内的窗口，并且其中所述一个或多个掩膜层面是定义所述窗口的临界维度(CD)的单个掩膜层面。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述窗口CD在所述pMUT阵列的不同通道上被改变。

25.根据权利要求24所述的方法，其中每个通道包括多个标称的膜维度并且其中只有一个标称的膜大小的所述窗口CD在通道内被改变。

26.根据权利要求22所述的方法，所述方法还包括使用所述多个标称尺寸化的pMUT元件图案化掩膜层面和定义多个窗口大小的所述单个掩膜层面制造第一pMUT阵列。