[发明专利]电容式微机械超声换能器(CMUT)设备和控制方法

说明书

一种超声系统具有CMUT换能器设备的集合和用于操作所述集合中的所选择的设备的驱动电子器件。所述驱动电子器件在所述集合中的所有设备之间共享。通过使用开关的集合(178)进行选择，并在驱动电子器件的DC偏置输出部(166)和每个设备的相关联的输入部(160)之间使用相应的开关。这提供了在驱动电子器件和多个超声设备之间提供选择功能的简单方法。这样，可以扩大设备的数量，以覆盖更大的区域，但不会以相同的程度扩展系统的成本。

技术领域

本发明涉及例如在超声成像系统中使用的电容式微机械超声换能器CMUT。

背景技术

用于医学成像的超声换能器具有造成高质量诊断图像的生成的许多特性。

传统上，压电材料已用于超声换能器。示例是锆钛酸铅(PZT)和聚偏二氟乙烯(PVDF)材料，其中PZT作为材料的选择特别受欢迎。使用单个晶压电材料来实现高性能换能器的高的压电和机电耦合常数。

最近的发展已经导致医学超声换能器可以通过半导体工艺批量制造的前景。理想地，这些过程应该与用于产生超声探头(例如CMOS过程)所需的专用集成电路(ASIC)的过程相同，特别是对于3D超声。这些发展已经生成微机械超声换能器或MUT，优选形式是电容式MUT(CMUT)。CMUT传感器是微小的膜片式设备，其具有电极，所述电极可以将接收到的超声信号的声音振动转换为调制的电容。

CMUT换能器特别地能够在宽带宽上工作，实现高分辨率和高灵敏度成像，并产生大的压力输出，从而可以在超声频率下接收大的声场信号。

对于发射，施加到电极的电容电荷被调制以振动/移动设备的膜片，从而发射超声波。由于这些膜片是通过半导体工艺制造的，因此设备的尺寸通常可以在10-500微米的范围内，例如，选择膜片直径以使膜片直径与膜片的所需共振频率(范围)相匹配，其中，个体膜片之间的间隔小于几微米。许多这样的单个CMUT单元可以连接在一起，并且可以作为单个换能器元素一起操作。例如，可以将四到十六个CMUT单元耦合在一起，以统一用作单个换能器元件。作为示例，典型的2D换能器阵列可以具有2000-10000个CMUT换能器元件或单元。

因此，与基于PZT的系统相比，基于CMUT换能器的超声系统的制造更具成本效益。此外，由于在这样的半导体工艺中使用的材料，CMUT传感器表现出对水和生物组织的大大改善的声阻抗匹配，这消除了对(多个)匹配层的需要并且产生改进的有效带宽。

为了优化由CMUT单元产生的声功率(输出压力)，可以在所谓的塌陷模式下操作CMUT单元，其中CMUT单元由DC偏置电压驱动，所述DC偏置电压将跨过间隙的膜片或柔性膜的中心部分驱动到相对的基底上。所述单元被提供以具有设定频率的刺激信号，所述刺激信号使膜片或柔性膜以设定频率谐振。膜塌陷的DC电压称为塌陷电压，V_C。

可能期望超声成像以对身体的大的区域进行成像，例如用于跟踪导管沿动脉的运动。形成这种尺寸的超声换能器阵列的常规设计是不实际的，特别是由于来自这种大阵列的需要处理的数据量而导致的。

常规解决方案是提供一种便携式手持式超声探头，该探头在目标区域上移动。图像重建可用于将图像拼贴在一起。这导致超声检查者的成像过程更加复杂。

因此，希望能够实现大区域视场的成像而无需移动手持式探头，但是具有有限的成像设备的附加复杂性和成本。

WO 2017/149421公开了一种CMUT换能器阵列，其中可以将不同的偏置电压施加到阵列的不同孔径区域，使得高频选择性在近场中工作，而低频选择性在远场中工作。

发明内容

本发明由权利要求所定义。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种超声系统，包括：