CN107921479B - 具有过电流保护的电容式微加工超声换能器 - Google Patents

Abstract

一种CMUT单元的阵列具有DC偏置电压，所述DC偏置电压被耦合至单元的顶部电极以将所述电极偏置到期望的塌陷或部分塌陷状态。在CMUT单元的短路失效的情况下，针对所述单元的保护电路感测过电流状况，并且通过断开通过失效的单元的DC电流路径而做出响应。所述保护电路还禁用所述单元的发射和接收电路。在另一实施方案中，感测电路感测DC偏置源的过电流状况，并且通过禁用所述阵列的所有CMUT单元而做出响应，然后顺序地重新启用所述CMUT单元，除了重新启用失效的单元的尝试导致该单元保持在禁用状况下的情况。

Description

具有过电流保护的电容式微加工超声换能器

技术领域

本发明涉及医学诊断超声成像，并且具体涉及使用电容式微加工超声换能器(CMUT)的超声换能器探头。

背景技术

常规地，超声换能器是由诸如PZT的压电陶瓷材料或者由诸如PVDF的压电聚合物形成的。近年来，已经表明换能器能够通过半导体工艺来制作。这样的换能器由微小的半导体单元形成，其中，振动膜生成并接收超声能量，并且被称为微加工超声换能器(MUT)。两种这样的换能器类型是利用膜上的压电材料的、被称为压电微加工超声换能器(PMUT)的那些以及利用导电膜与另一电极之间的电容效应的、被称为电容式微加工超声换能器(CMUT)的那些。个体换能器元件可以由一致操作的数十或数百个这样的MUT单元形成。因为这些单元是非常小的，每个MUT单元仅产生少量声学能量或者对少量声学能量做出响应。两种方法通常被用于增加MUT设备的声学效率。一种方法是利用DC偏置电压对所述单元进行偏置，在CMUT的情况下，DC偏置电压使振动膜紧密接近相对的电极，增加设备的灵敏度。另一种方法是形成非常靠近彼此的单元的阵列，使单元的基底上的单元的密度最大化并且提供作为单个换能器元件一致操作的大量单元。单元的高密度制作也改善了其栅瓣特性，并且减少了所在所得到的超声图像中的杂乱。

换能器阵列或者甚至个体元件因此能够包括通过DC偏置电压进行偏置的数百或数千个个体MUT单元。尽管这样的架构具有如上文所描述的许多性能优点，但是出现了单个MUT单元的失效会致使大量单元不起作用的问题。单个单元通过利用其高DC偏置电压将膜塌陷到相对电极上而失效是可能的。这不仅使失效的单元短路，而且也使共同被偏置的所有数百或数千个其他单元短路。尽管单个单元自身的失效可能不明显影响换能器探头的性能，但是大量其他单元的短路会致使整个换能器探头不起作用。在美国专利7293462(Lee等人)中描述了防止该问题的一种方法。Lee等人的方法是在相互连接的MUT单元的行或列的末端处形成保险丝(fuse)，当所述行或列中的一个单元短路时，所述保险丝将断开。这将从换能器中的操作中移除所述行或列的单元，允许换能器中的其他单元保持工作。然而，该方法存在若干缺点。一个缺点是相互连接的单元的每个行或列必须被单独地偏置，增加了为探头中的所有单元提供偏置电压的复杂性。另一缺点是保险丝占据了MUT基底上的相对大的区域，减小了基底上可用于MUT单元的区域并且因此减小了换能器的灵敏度。又一缺点是从探头的操作中移除了多个单元：失效的单元以及其被连接至的其他单元，这也使超声探头的性能退化。将希望能够仅从操作中移除失效的单元，允许其他完全起作用的单元保持操作。

因此，本发明的目的是通过仅从操作中移除失效的MUT单元而允许其余完全起作用的单元保持操作来增加MUT探头的寿命。另外的目的是以如下方式这样做：不利用要不然可以被用于MUT制作的基底区域，由此维持MUT阵列的MUT密度并且因此维持其灵敏度。

发明内容

根据本发明的原理，一种具有多个CMUT单元的超声换能器MUT单元，其中，每个MUT单元具有包括顶部电极的膜以及被耦合至基底的底部电极，其中，所述顶部电极或所述底部电极中的一个是被布置为被耦合至公共参考电势(参考电压)的公共电极，而另一电极是被布置为被耦合至a.c.信号的信号电极。MUT阵列还具有被耦合至所述阵列的个体单元的所述电极中的一个电极的保护电路，所述电路适于断开(中断)单元的电流路径，并且仅将失效的单元与该阵列中的保持完全能操作的其余单元隔离开。示范性保护电路以断路器的方式操作以在过电流状况的情况下断开单元的电流路径。

在实施例之一中，所述保护电路被耦合至所述信号电极。该解决方案的优点在于：通过将所述电路耦合至a.c.信号承载电极来将所述电路置于信号侧上允许在保持MUT阵列的密度最大化的情况下允许对失效的单元的快速并且有效的去激活。在该实施例的进一步发展中，所述保护电路还可以包括被耦合至电流路径的发射电路和接收电路。以这种方式，能够实现在保持相同灵敏度的同时对阵列的进一步最小化(经由阵列单元密度)。

在另一实施例中，所述MUT单元的公共电极被相互连接，并且被耦合至相同的参考电势。这简化了阵列的设计。

在另一实施例中，所述超声换能器MUT单元阵列能够包括DC偏置电压源，所述DC偏置电压源被布置为提供偏置电势(或者为相对于公共电极的公共电势或者为相对于信号电极的D.C.参考电势)。在优选实施例中，所述DC偏置源被耦合至多个MUT单元中的每个MUT单元的电极以将单元电极偏置到部分或完全塌陷状态。

在一个范例中，针对DC偏置源仅需要单个故障感测电路。所述保护电路用于初始地禁用阵列的所有MUT单元，然后逐个地重新启用它们，直至所有能操作单元被重新启用，并且仅失效的单元被禁用。在优选实施方案中，所述保护电路被形成在专用集成电路(ASIC)上，所述专用集成电路控制个体MUT。通过将所述保护电路形成在高密度ASIC上，MUT基底上要不然可以被用于MUT制造的区域不被用于所述保护电路，在MUT基底上维持高的单元密度以获得良好的声学性能。控制ASIC可以被形成为单独的集成电路芯片，诸如通过已知技术被绑定到MUT基底的、用于微波束形成的一个集成电路芯片，或者所述ASIC可以被形成在用于MUT制造的基底上。

附图说明

在附图中：

图1是典型的悬置膜CMUT换能器单元的截面视图。

图2是在塌陷模式下操作的CMUT单元的截面视图。

图3是共同偏置的CMUT单元的阵列的截面视图，其图示了当单元中的一个单元短路时的失效模式。

图4是根据本发明的原理构造的第一保护电路的示意图。

图5是根据本发明的原理构造的第二保护电路的示意图。

图6是适合于与本发明的断路器保护的CMUT单元阵列一起使用的超声成像系统的框图。

具体实施方案

CMUT初始被构造为以现在被称为悬置或“未塌陷”的模式进行操作。参照图1，以截面图示出了典型的未塌陷CMUT换能器单元10。CMUT换能器单元10与多个相似的相邻单元一起在诸如硅的基底12上制造。可以由氮化硅制成的膜片或膜14由绝缘支撑体16支撑在所述基底上方，绝缘支撑体16可以由氧化硅或氮化硅制成。膜与基底之间的腔18可以是空气或气体填充的，或者被完全或部分地抽空。诸如金的导电薄膜或层20在所述膜片上形成电极，并且相似的薄膜或层22在基底上形成电极。由介电腔18分隔开的这两个电极形成电容。当声学信号使膜14振动时，能够检测电容的变化，由此将声波换能为对应的电信号。相反，跨电极20、22施加的a.c.信号将对所述电容进行调制，使所述膜移动并且由此发射声学信号。DC偏置电压V_B也被跨所述电极施加，将所述膜以及其顶部电极20吸引成紧密接近所述单元的腔的底面以增加灵敏度。

图2是在塌陷模式下操作的CMUT单元的示意性截面。所述CMUT单元包括诸如硅的基底层12、基底电极22、膜层14和膜电极环28。在该范例中，电极22被圆形地配置和嵌入在基底层12中。另外，膜层14相对于基底层12的顶面被固定并且被配置/设定尺度为使得在膜层14与基底层12之间限定球形或圆柱形的腔18。所述单元以及其腔18可以限定备选的几何结构。例如，腔18可以限定矩形和/或正方形截面、六边形截面、椭圆形截面或者不规则截面。

底部电极22通常利用附加层(未示出)在其面向腔的表面上绝缘。优选的绝缘层是形成在所述基底电极上方并且在所述膜电极下方的氧化物-氮化物-氧化物(ONO)介电层。所述ONO介电层有利地降低了在电极上的电荷积聚，所述电荷积聚导致器件不稳定以及声学输出压力的漂移和降低。在Klootwijk等人于2008年9月16日提交的题为“Capacitivemicromachined ultrasound transducer”的欧洲专利申请No.08305553.3中详细讨论了在CMUT上的ONO介电层的制造。对于比未塌陷器件更易受到电荷保持影响的塌陷模式CMUT而言，期望使用ONO介电层。所公开的部件可以由CMOS兼容材料来制造，所述CMOS兼容材料例如是Al、Ti、氮化物(例如，氮化硅)、氧化物(各种级别)、四乙基原硅酸盐(TEOS)、多晶硅等。在CMOS制造中，例如可以通过化学气相沉积来形成氧化物和氮化物层，并且通过溅射工艺来设置金属化(电极)层。适合的CMOS工艺为LPCVD和PECVD，后者具有小于400℃的相对低的操作温度。

用于产生所公开的腔18的示范性技术涉及在添加膜层14顶面之前在膜层14的初始部分中限定出腔。其他制造细节可以在美国专利US 6328697(Fraser)中找到。在图2所描绘的示范性实施例中，圆柱形腔18的直径大于圆形配置的电极板22的直径。电极环28可以具有与圆形配置的电极板22相同的外径，尽管并不要求这样的一致性。因而，在本发明的示范性实施例中，电极环28相对于膜层14的顶面被固定，以使得与下方的电极板22对准。

在图2中，所述CMUT单元膜层被偏置为塌陷状态，其中，膜14与腔18的底面相接触。这是通过向两个电极施加(由D.C.偏置源所供应的)DC偏置电压来实现的，如由施加到电极环28的电压V_B以及施加到基底电极22的参考电势(地)所指示的。在本发明的CMUT单元的优选实施方案中，所述底部电极具有信号承载电极的功能，其不接地而是被耦合至DC参考电势，并且针对所述单元的a.c.驱动信号(以及接收的信号)被应用于底部电极并且在底部电极处被接收。尽管电极环28也可以形成为中心没有孔的连续盘状，但是图2图示了为什么这不是必需。当如在该图中所示的将膜14偏置到其预塌陷状态时，膜的中心与腔18的底面相接触。这样，膜14的中心在CMUT的操作期间不移动。而是膜14的处在腔18的其余开放空隙上方并且处在所述环电极下方的外围区域移动。通过将膜电极28形成为环，所述器件的电容的上板的电荷位于CMUT的、在CMUT作为换能器操作时展现出运动和电容变化的区域上方。因此，改善了CMUT换能器的耦合系数。

图3图示了被连接至附图中在150处表示的超声系统的CMUT换能器探头100’。在该图示中示出了四个CMUT单元10的阵列，针对每个CMUT单元具有公共顶部电极20和个体底部电极22。介质16跨每个单元的腔18支撑顶部电极和膜，所述腔18允许膜和顶部电极响应于所施加的DC偏置电压V_B和所接收的超声能量而移动。由DC偏置源140所提供的DC偏置电压H+(V_B)被施加于公共电极20，以使顶部电极偏置为与腔18的底面期望的接近。在图3的非限制性范例中，所述CMUT单元的顶部(公共)电极20被示为相互连接，由此形成具有公共电压电势(或者为地或者为参考偏置)的连续电极。透镜68或其他覆盖物保护患者免于与DC偏置的高电压直接接触。根据本发明的优选实施方案，在针对所述CMUT单元的控制集成电路72的基底70上制造CMUT单元。备选地，每个单元的底部电极22是信号承载电极，而每个单元的顶部电极20(公共电极)能够被接地(被耦合至地电势)。因此，进一步改善了所述阵列的患者安全性。所述CMUT单元的信号电极22借助于通过ASIC的顶部表面的过孔74被电连接至ASIC的电路。备选地，CMUT能够被形成在其自己的基底12上，并且通过本领域技术人员已知的多种技术中的任意技术(诸如倒装芯片连接、导电粘合剂)或者通过硅过孔被连接至单独的ASIC。超声探头的ASIC电路通过线缆80被连接至超声系统150。所述超声系统通过模拟或数字控制线82来控制ASIC的换能器电子器件，并且通过模拟或数字信号线84接收超声信号。

图3图示了由本发明所解决的问题，其为最左侧CMUT单元已经失效，并且其悬置的顶部电极20已经如在30处所示的那样塌陷到其底部电极22，使CMUT单元短路(引起过电流状况)。由于所述单元的顶部电极是公共的(共享公共电势)，该失效也使所有其他相互连接的单元的顶部电极短路。不仅该单元现在不起作用，而且DC偏置电压直接到过孔74的耦合也将来自DC偏置源的电流直接施加到ASIC 72，潜在地损坏ASIC的集成电路。

图4图示了根据本发明的原理构造的针对CMUT单元失效的第一保护电路160。在本文中所描述的保护电路能够被制造在探头的任何基底上，但是优选作为ASIC 72的一部分被制造在其基底上。CMUT单元或一组单元(如果希望利用一个保护电路来保护一组单元)被系连到晶体管Q1、Q2和Q3的漏电极。一般而言，所述CMUT电极中的一个CMUT电极(在该实施例中为信号电极22)能够被耦合至感测电路，所述感测电路被布置为感测通过所述电极的过电流状况并且发起对电流路径的中断。这些晶体管的击穿电压被选取为应对当发生CMUT电极的短路时将出现的偏置电压。在优选实施方案中，所述晶体管作为集成电路元件使用至少等于DC偏置源的高偏置电压的半导体工艺等级(process rating)被制造在与ASIC电路相同的基底上。备选地，当可能时，DC偏置电压能够被选取为在集成电路晶体管的操作电压范围之内。晶体管Q1和Q2是针对CMUT单元的发射电路，并且操作为引起CMUT发射声波或脉冲，并且晶体管Q3是在回波信号的接收期间操作的接收电路。这些晶体管充当电流限制器，以避免当短路发生时对CMUT阵列的其他能操作单元以及其控制电路的过度损坏。Q1和Q2形成用于生成声学发射事件的高电压脉冲器。当“发射和接收使能”(T/R en)信号为高时，这些晶体管由“发射_脉冲_进入(transmit_pulse_in)”信号来控制，并且通过在接收模式期间设置T/R en信号为低或者通过如下文所描述的那样设置SR触发器(flip flop)46以产生低“单元使能”信号而被禁用。当所述CMUT要产生发射脉冲或波时，高T/R en信号和高单元使能信号一起引起门60对门54和56进行使能。来自门54的低输出信号被耦合至晶体管Q1的门，引起其将发射脉冲施加于CMUT电极22。由于Q1是用于发射的高电压晶体管，其通过电平转换器50与低电压NAND门54隔离开。所述电平转换器可以如在我们的同时提交的一个题为“CAPACITIVE MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCERS WITH INCREASED PATIENTSAFETY”[2015PF00725]的专利申请中所示出的那样进行构造。如在其中所示的，电平转换器包括通过a.c.耦合元件(诸如电容器、晶体管、变压器或光电二极管)分离开的输入缓冲器和输出缓冲器，所述输入缓冲器被偏置到其输入电路的电压，所述输出缓冲器被偏置到其输出电路的电压。在发射脉冲的结束处，Q1响应于信号中的发射脉冲的结束而被关断，并且Q2被接通以终止发射间隔。晶体管Q3充当在接收模式下将受保护的CMUT的底部电极22耦合到前置放大器40的发射/接收开关。这在T/R en信号变低时发生，结合高单元使能信号使得门64的输出变为高。所接收的超声信号由此被放大，并且被耦合到微波束成形器或者其他超声信号处理器以用于进一步处理。

当SR触发器46被设置时，晶体管Q1、Q2和Q3都被禁用(不导电)，引起所述单元使能信号变为低并且门60和64产生低输出信号。在这种状况下，防止了通过失效的CMUT单元的损坏电流，防止了电路的随后的损坏。在失效的CMUT单元的过电流状况的情况下，过多电流立即被前置放大器40耦合到感测比较器44的输入端。比较器44通过将一个输入端处的所得到的电压与另一输入端处的过载阈值电压Th_过载进行比较来感测过电流状况。当所施加的电压超过过载阈值时，比较器44切换其输出并且设置RS触发器46。对触发器46的设置引起在其Q-非输出端处产生的单元使能信号变为低，禁用晶体管Q1、Q2和Q3并且保护CMUT单元以及其电路。

RC滤波器42在前置放大器40与输入端之间被耦合到比较器44，以防止正常瞬变高电压超声信号影响比较器并引起其不必要地切换。当所述CMUT探头首次被通电时，“阵列使能”信号被施加于所述CMUT阵列的每个保护电路的RS触发器46的重置输入端，由此针对预期的正常操作来初始地设置所述阵列的所有单元使能信号为高。如果在通电时存在单元失效，则通过比较器44来检测在前置放大器40的输出端处的所得到的静态偏移，将触发器46设置为禁用状况以保护CMUT单元以及其电路。图4的保护电路被设计用于与阵列的每个CMUT单元一起使用。

图5图示了根据本发明的原理构造的针对CMUT单元失效161的第二保护电路。该第二保护电路仅需要被耦合以感测DC偏置电路V_B的电流的单个过电流感测电路。在被连接至DC偏置电路的CMUT单元中的一个CMUT单元的短路的情况下，所有CMUT单元都立即被禁用，然后顺序地重新启用，除了已经失效的单元。所述过电流感测电路能够以与针对于这样的状况的常规感测电路相同的方式进行构造。例如，比较器(诸如比较器44)能够具有被耦合至过电流参考电压的一个输入端，DC偏置电路的操作与所述过电流参考电压进行比较。诸如通过使用被耦合至电源的感测电阻器，另一输入端被耦合以接收直接随着由DC偏置源产生的电流的变化而改变的电压。当所感测到的DC偏置源的电流超过了参考电压(或降至参考电压之下)时，过电流状况被感测到，并且所述比较器产生过电流指示信号。

图5的上部分中的部件与图4中的具有相同附图标记的那些部件相同，并且将不再次描述。在图5的实施方案中，所述单元使能信号由门90来产生，门90从RS触发器46和D-类型触发器48接收输入。触发器48在一条链中与用于其他单元的其他保护电路的其他D-类型触发器48相耦合，这有效地形成移位寄存器。当一个保护电路的触发器在一个时钟周期期间被设置时，其高Q输出被施加于下一保护电路的D输入端，这使得下一保护电路的触发器能够在下一时钟周期期间被设置。这引起针对阵列中的所有单元的电路针对过电流状况一次一个地进行测试。

当CMUT探头被通电时，所有保护电路的RS触发器46如之前那样通过阵列使能信号来重置，以使能所有CMUT单元。这将高信号施加于门90的一个输入端。D-类型触发器的移位寄存器被计时以顺序地设置所有触发器为高Q输出，并且该高信号被施加于门90的另一输入端，同时引起门90产生允许阵列的每个CMUT单元的正常操作的高“单元使能”信号。在过电流状况在DC偏置源处被感测到(这将在单元的短路的情况下发生)的情况下，所述移位寄存器的所有RS触发器和所有触发器48都被重置，并且触发器48的低Q输出在针对阵列的每个CMUT单元的每个保护电路的门90的输出端处产生禁用单元使能信号。随着每个CMUT单元的电流路径因此被禁用，通过失效的单元的过电流状况因此被立即结束。现在CMUT单元被一次一个地重新启用。D-类型触发器的移位寄存器被计时，顺序地设置第一触发器48。触发器48产生高Q输出，所述高Q输出与来自RS触发器46的高信号一起引起门90产生单元使能信号，重新启用CMUT单元中的一个CMUT单元。如果该单元正在正常地操作，则其保护电路保持在该状态下，并且在其触发器48的Q输出端处的高输出信号被用于在下一时钟周期处设置链中的下一D-类型触发器。这激活了下一CMUT单元，如果单元再次正在正常地操作，则单元测试的该序列继续。

如果所述CMUT单元中的一个CMUT单元已经被短路，则最终针对该失效的单元的保护电路的触发器48将被设置，这将引起所述单元被启用并且其接收电路的晶体管Q2或Q3变得导电。这将引起高电流被汲取通过失效的单元并且DC偏置源再次经历过电流状况。电源的过电流感测电路(例如，其比较器)然后产生被施加于门92的一个输入端的高过电流指示信号，该高过电流指示信号与来自触发器48的高输出信号一起引起门92设置保护电路的RS触发器46，由此禁用该CMUT的保护电路的晶体管Q1、Q2和Q3。移位寄存器操作将继续，重新启用阵列的其他操作CMUT单元，直至所有CMUT单元已经被重新启用用于正常操作，除了被短路的单元。

图6以框图形式图示了适合于与本发明的MUT阵列探头一起使用的超声诊断成像系统150。CMUT阵列100与微波束成形器ASIC 112一起位于导管的顶端或超声探头100’的远端上。CMUT阵列100能够是能够在2D平面中扫描或者以三维方式用于3D成像的MUT换能器元件的一维或二维阵列。微波束成形器ASIC 112通过CMUT阵列单元来控制信号的发射和接收，并且也容纳如上文所描述的用于CMUT单元的保护电路。微波束成形器能够对由换能器元件群组或“片块”接收的信号进行至少部分地波束成形，如在美国专利5997479(Savord等人)、6013032(Savord)和6623432(Powers等人)中所描述的。所述微波束成形器被耦合至发射/接收(T/R)开关116，发射/接收(T/R)开关116在发射和接收之间切换，并且在微波束成形器不被使用并且换能器阵列由主系统波束成形器120直接操作时保护所述主系统波束成形器免受高能量发射信号。在微波束成形器ASIC 112的控制下，来自CMUT换能器阵列100的超声波束的发射由耦合至T/R开关和主系统波束成形器120的换能器控制器118来引导，所述换能器控制器接收来自用户界面或控制面板38的用户操作的输入。由换能器控制器控制的所述功能中的一项功能是波束被操纵的方向。波束可以被操纵为从(正交于)换能器阵列直线向前，或者以不同的角度来操纵以获得更宽的视场。换能器控制器118也控制针对被施加至CMUT单元的DC偏置的电路104，所述DC偏置将单元膜14偏置至部分或完全塌陷状态以便CMUT以期望的操作模式进行操作。

由微波束成形器112接收后生成的部分波束成形的信号被耦合至主波束成形器120，其中来自换能器元件的个体片块的部分波束成形的信号被组合为完全波束成形的信号。例如，主波束成形器120可以具有128个通道，其中的每个通道从数十或数百个CMUT换能器单元的片块接收部分波束成形的信号。以这种方式，通过CMUT换能器阵列的数千个换能器元件接收的信号能够有效地贡献于单个波束成形的信号。在基础实施方案中，从CMUT单元的各行接收的声学信号被处理为来自单元的行前面的图像平面的射束以形成扫描的2D图像。

所述波束成形的信号被耦合至信号处理器122。信号处理器122能够以各种方式处理所接收的回波信号，诸如带通滤波、抽样、I和Q分量分离、以及谐波信号分离，所述谐波信号分离用于分离线性信号和非线性信号，使得能够识别从组织和微泡返回的非线性回波信号。所述信号处理器也可以执行额外的信号增强，诸如斑点抑制、信号合成以及噪声消除。所述信号处理器中的带通滤波器能够是追踪滤波器，其中，其通带随着从增加的深度接收回波信号而从较高频带向较低频带滑动，由此拒绝来自更大深度的更高频率的噪声，其中，这些频率没有解剖学信息。

经处理的信号被耦合至B模式处理器126和多普勒处理器128。B模式处理器126采用幅度检测以用于对身体内的结构(诸如身体内的器官组织或血管)的成像。身体结构的B模式图像可以按照谐波模式或基本模式或者这两者的组合来形成，如在美国专利6283919(Roundhill等人)和美国专利6458083(Jago等人)中所描述的。多普勒处理器128处理来自组织移动和血液流动的时间上区别的信号，以用于在图像场内检测诸如血细胞流动的物质运动。所述多普勒处理器通常包括壁滤波器，利用参数其可以被设置为通过和/或拒绝从身体内的选定类型的材料返回的回波。例如，所述壁滤波器能够设置为具有通带特性，所述通带特性使来自较高速度的材料的相对低幅度的信号通过，而拒绝来自较低或零速度的材料的相对强的信号。这种通带特性将使来自流动血液的信号通过，而拒绝来自诸如心脏壁的附近静止或缓慢运动的对象的信号。相反的特性将使来自心脏的移动组织的信号通过，而拒绝血液流动的信号，这被称为检测和描绘组织的运动的组织多普勒成像。所述多普勒处理器接收并处理来自图像场中的不同点的时间上离散的回波信号的序列、来自特定点的被称作为集总(ensemble)的回波序列。在相对短的时间间隔上快速连续接收的回波集总能够被用于估计流动血液的多普勒频移，其中，多普勒频率与速度的对应关系指示血液流动速度。在较长时间段上接收的回波集总被用于估计流动较慢的血液或缓慢运动的组织的速度。

由B模式和多普勒处理器产生的结构和运动信号被耦合至扫描转换器132和多平面重定格式器144。所述扫描转换器按空间关系来布置回波信号，所述回波信号根据该空间关系被接收为期望的图像格式。例如，所述扫描转换器可以将回波信号布置成二维(2D)扇形格式、或者锥体三维(3D)图像。所述扫描转换器能够将B模式结构图像与颜色进行叠加，所述颜色对应于图像场中各点处与其多普勒估计的速度相对应的运动，以产生描绘图像场中的组织运动和血流的彩色多普勒图像。所述多平面重定格式器将从身体的体积区域中的公共平面内的各点处接收的回波转换为该平面的超声图像，如在美国专利6443896(Detmer)中所描述的。体积绘制器142将3D数据集的回波信号转换为从给定参照点看到的投影3D图像，如在美国专利6530885(Entrekin等人)中所描述的。2D或3D图像从扫描转换器32、多平面重定格式器44以及体积绘制器142耦合至图像处理器130以用于进一步增强、缓冲和暂时存储，以用于在图像显示器40上显示。除了被用于成像之外，由多普勒处理器128产生的血流速度值被耦合至流动定量处理器134。所述流动定量处理器产生对不同流动状态的量度，诸如血流的体积率。所述流动定量处理器可以从用户控制面板38接收输入，诸如图像中将进行测量的解剖结构中的点。来自所述流动定量处理器的输出数据被耦合至图形处理器136以用于在显示器40上与图像一起再现测量值。图形处理器136也能够生成图形叠加层以用于与超声图像一起显示。这些图形叠加层能够包含标准识别信息，诸如患者姓名、图像的日期和时间、成像参数等。出于这些目的，所述图形处理器从用户界面38接收输入，诸如键入的患者姓名。所述用户界面也被耦合至换能器控制器118以控制来自换能器阵列100的超声信号、并且因此由换能器阵列和超声系统产生的图像的生成。所述用户界面也被耦合至多平面重定格式器144以用于选择和控制多平面重定格式化的(MPR)图像的显示，这可以被用于执行在MPR图像的图像场中的定量测量。

Claims (21)

1.一种被布置为被保护免受过电流状况的微加工超声换能器阵列，包括：

基底；

多个微加工超声换能器单元，所述多个微加工超声换能器单元被形成在所述基底上成一阵列，每个单元具有包括顶部电极的膜以及被耦合至所述基底的底部电极，其中，所述顶部电极或所述底部电极中的一个是被布置为被耦合至参考电势的公共电极，而另一电极是被布置为被耦合至a.c.信号的信号电极；以及

保护电路，所述保护电路被耦合至一个微加工超声换能器单元的所述信号电极的电流路径，适于在表示失效的单元的过电流状况的情况下中断所述电流路径，所述保护电路具有感测电路，所述感测电路被耦合至所述电流路径，适于感测所述过电流状况并且发起对所述电流路径的所述中断，其中，对所述电流路径的所述中断适于仅将所述失效的单元与所述阵列中保持完全能操作的其余单元隔离开。

2.根据权利要求1所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述信号电极是所述底部电极，并且所述保护电路还被耦合至所述一个微加工超声换能器单元的所述底部电极。

3.根据权利要求2所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路还包括被耦合至所述电流路径的发射电路和接收电路，其中，所述发射电路和接收电路被布置为提供所述a.c.信号。

4.根据权利要求3所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路还被布置为在过电流状况的情况下禁用所述接收电路。

5.根据权利要求4所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路还被布置为在过电流状况的情况下禁用所述发射电路。

6.根据权利要求5所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述感测电路还包括比较器，所述比较器被布置为将所述电流路径的信号与参考信号进行比较。

7.根据权利要求6所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述比较器适于产生输出信号，所述输出信号在过电流状况的情况下禁用所述保护电路的所述发射电路和所述接收电路。

8.根据权利要求1所述的微加工超声换能器阵列，还包括多个保护电路，所述多个保护电路分别被耦合至多个微加工超声换能器单元，被布置为在所述保护电路被连接到的每个微加工超声换能器单元的过电流状况的情况下发起对该微加工超声换能器单元的所述电流路径的断开。

9.根据权利要求8所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述电流路径还包括D.C.偏置电压源的电流路径；

其中，所述保护电路被布置为在过电流状况的情况下分别禁用所述保护电路被耦合至的微加工超声换能器单元；并且

其中，所述保护电路被布置为在过电流状况的情况之后重新启用能操作的微加工超声换能器单元。

10.根据权利要求9所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路还被布置为在过电流状况的情况之后顺序地重新启用能操作的微加工超声换能器单元。

11.根据权利要求10所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路还被布置为在过电流状况的情况之后顺序地重新启用除了失效的微加工超声换能器单元之外的所有所述微加工超声换能器单元。

12.根据权利要求10所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路还被布置为借助于移位寄存器来顺序地重新启用能操作的微加工超声换能器单元。

13.根据权利要求9所述的微加工超声换能器阵列，其中，由保护电路重新启用失效的微加工超声换能器单元的尝试导致所述失效的微加工超声换能器单元被禁用。

14.根据权利要求1所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路位于与所述多个微加工超声换能器单元相同的基底上。

15.根据权利要求1所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路位于与所述多个微加工超声换能器单元的基底不同的相同基底上。

16.根据权利要求1所述的微加工超声换能器阵列，还包括D.C.偏置电压源，所述D.C.偏置电压源被耦合至所述公共电极，并且被布置为向所述公共电极提供公共参考电势，其中，所述公共参考电势对应于高电压V，并且

其中，至少所述保护电路的被耦合至所述一个微加工超声换能器单元的所述信号电极的所述电流路径的部分展现出至少等于V的击穿电压。

17.根据权利要求16所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路的被耦合至所述信号电极的所述电流路径的所述部分还包括针对所述一个微加工超声换能器单元的集成的接收电路。

18.根据权利要求17所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路的被耦合至所述信号电极的所述电流路径的所述部分还包括电流限制器。

19.根据权利要求16所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路的被耦合至所述信号电极的所述电流路径的所述部分还包括针对所述一个微加工超声换能器单元的集成的发射电路。

20.根据权利要求19所述的微加工超声换能器阵列，其中，所述保护电路的被耦合至所述信号电极的所述电流路径的所述部分还包括电流限制器。

21.根据权利要求1所述的微加工超声换能器阵列，还包括D.C.偏置电压源，所述D.C.偏置电压源被耦合至所述公共电极，并且向所述公共电极提供公共参考电势，其中，至少所述保护电路的被耦合至所述一个微加工超声换能器单元的所述信号电极的所述电流路径的部分还包括利用电压V的工艺等级制造的集成的电路，并且

其中，所述D.C.偏置电压源被布置为提供与不超过电压V的偏置电压相对应的所述公共参考电势。

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