[发明专利]具有变化性质的电容式微加工超声换能器

说明书

公开了具有变化性质的电容式微加工超声换能器。在一些示例中，CMUT阵列可包括多个元件，并且每个元件可包括多个子元件。例如，第一子元件和第二子元件可被设置在第三子元件的相对两侧上。在一些情况下，第三子元件可被配置成以比第一子元件或第二子元件中的至少一个高的中心频率传输超声能量。进一步，在一些实例中，子元件可具有多个区域，其中不同的区域被配置成以不同的谐振频率传输超声能量。例如，每个子元件中的多个CMUT单元的谐振频率可在垂直方向上从每个元件的中心朝向CMUT阵列的边缘减小。

技术领域

本文的一些示例涉及电容式微加工超声换能器(CMUT)，诸如可用于超声成像。

背景

超声换能器被广泛地用于包括超声成像的许多不同领域。在许多现代医疗成像应用中，超声换能器由压电材料制成。一种常用的压电材料是锆钛酸铅(PZT)。然而，PZT的阻抗通常高于兆瑞利，而人体组织的阻抗为大约1.5兆瑞利。为了减少这种巨大的阻抗失配，通常在PZT换能器和被成像的组织之间放置一个或多个匹配层。由于通常基于四分之一波长原理来选择匹配层，具有匹配层的PZT换能器的带宽可被限制成80％或更少的带宽。

通常，超声换能器以一维(1D)阵列布置。例如，1D阵列换能器可包括仅以一维(例如，横向维度)布置的多个元件。然而，在另一维度(例如，垂直(elevation)维度)中，1D换能器的孔径是固定的。由于孔径尺寸随着穿透深度增加以维持均匀的纵向切片厚度，1D传感器的成像性能由于其固定的纵向孔径而折衷。对于该问题的一个解决方案是使用1.5D换能器阵列。例如，1.5D换能器阵列可包括在纵向维度中的至少两个子元件。两个相邻子元件之间的间隔可远大于波长。而且，子元件的数量可随着穿透深度增加以获得从近场到远场的最佳成像性能。1.5D阵列的元件和子元件的数量通常显著大于相应的成像系统的通道的数量。因此，可使用高压模拟开关以便选择1.5D阵列的期望子孔径。

发明内容

本文中的一些实现方式包括能够用于包括超声成像的各种应用的电容式微加工超声换能器(CMUT)的技术和布置。例如，由于构成各个CMUT元件的CMUT单元的性质的变化，与CMUT阵列中的各个CMUT元件相关联的中心频率可从CMUT阵列的中心朝向边缘减小。因此，在一些情况下，本文中的超声系统可包括用于实现超宽带宽、可变间距和/或连续垂直变迹(apodization)的多个子元件。

附图说明

参考所附附图来说明具体实施方式。在附图中，附图标记最左边的数字标识该附图标记首次出现的附图。在不同附图中使用相同的附图标记来指示相似或相同的项或特征。

图1示出了根据一些实现方式的具有CMUT阵列的示例超声成像系统。

图2示出了根据一些实现方式的CMUT阵列的示例结构。

图3是示出了根据一些实现方式的中心频率可在垂直方向中如何变化的一个示例的示例曲线图。

图4示出了根据一些实现方式的中心子元件的示例构造的平面图。

图5示出了根据一些实现方式的具有采用不同中心频率的多个区域的子元件的示例构造的平面图。

图6示出了根据一些实现方式的中心子元件的示例构造的平面图。

图7示出了根据一些实现方式的子元件的示例构造的平面图。

图8示出了根据一些实现方式的沿着图6的线8-8和/或图7的线8-8所观看到的示例截面图。

图9示出了根据一些实现方式的具有不同频率和腔轮廓的两个CMUT单元的截面图的替代构造。

图10示出了根据一些实现方式的从中心朝向边缘改变CMUT单元的腔轮廓以实现变化的性能(例如，传输功率、接收灵敏度或/和频率等)的示例。