CN101262960B - 双频带超声换能器阵列 - Google Patents

Abstract

用于发射/接收具有低频(LF)和高频(HF)带中的频率的超声脉冲的超声探针，其中所述LF和HF带的辐射表面至少具有公共的区域。给出了几种通过相同的辐射表面发射(和接收)LF和HF脉冲的解决方案。阵列和元件可以是一般类型的，例如线性相控阵列或转换阵列，或在方位或垂直方向都有间隔的圆形阵列或元件，如1.5D、1.75D和全2D阵列。LF和HF元件间隔和阵列孔径也可以是不同的。

Description

双频带超声换能器阵列

技术领域

本发明涉及用于同时在至少两个频带运行的高效声学(声波的和超声波的)体波换能器的技术和设计。换能器的应用是例如但不限于：医学超声成像、无损检测、工业和生物检验、地质应用和SONAR应用。

背景技术

在医学超声成像中利用组织和超声造影剂微泡的非线性弹性提供具有更少噪声的改善的图像。更广阔的应用是在所谓的谐波成像领域，其中发射的频带的第二谐波分量用于成像。在美国专利6,461,303中也提出将第三和第四谐波分量用于成像。

在Br Heart J.1984 Jan；51(1)：61-9中双带发射脉冲用于M-模式(M-mode)和多普勒测量。在美国专利5,410,516中示出了更多的实例，其中在非线性散射中从检测的造影剂微泡中产生发射带的合带和差带。在美国专利6,312,383和美国专利申请10/864,992中这种双带发射有了更进一步的发展。

美国专利申请10/189,350和10/204,350深入描述了双带发射的超声波和声波脉冲的合成脉冲的不同应用以及显著加强对超声波和声波成像的使用的定量目标参数，所述合成脉冲提供噪声减少的图像、非线性散射图像。该方法适用于透射成像和背散射成像。如图1中的实例所示，对于这些应用应当发射双带脉冲合成脉冲，其中在图1a中高频(HF)脉冲101重叠在低频(LF)脉冲102的峰压上。图1b示出另一种情况，其中HF脉冲103重叠在LF脉冲102的最大梯度上。LF和HF脉冲的中心频率比一般在1∶5-1∶20的范围内，在图像的限定深度的整个范围的LF脉冲的限定间隔内必须同时出现HF脉冲。这些需要对换能器阵列的设计提出以下两个挑战：

1.为了在图像的整个深度范围的LF脉冲的间隔范围内传播HF脉冲，HF和LF辐射表面必须具有大的公共区域(common area)。根据应用，一般希望HF和LF脉冲中的脉压(pulse pressure)在MPa的量级。这需要高的电到声的转化效率，对于现有的换能器技术，高的电到声的转化效率是通过换能的共振操作获得的，其反过来给出了现有的超声换能器阵列的受限的操作频带，该频带不能覆盖所述的应用所需的频带(一般是1∶5-1∶15)。由于需要大部分的HF和LF辐射表面是公共的，这种宽的带对阵列的结构的震动设计提出特殊挑战。

2.HF和LF脉冲之间的大的频率间隔意味着LF脉冲的波长远远大于HF脉冲的波长，一般大因子5-15，这因为着LF脉冲束比HF脉冲束具有更高的衍射束散度。为了对LF束进行重复的校准以便在大的深度内维持高LF脉压，因此在特定的应用中需要使用比HF孔径更宽的LF孔径。这产生相对于LF脉冲的HF脉冲的位置随传播距离的偏移，这对双频辐射表面的设计提出了特殊的要求。

在另一个应用中需要由相同的探针发射用于处理(组织的高热或空蚀损伤)的低频(例如，0.5-2MHz)波，同时能够提供在更高频率(例如，5-10MHz)下由相同的探针表面的超声成像。在另一个应用中只是需要在深度范围的大的变化范围下具有由相同探针成像可用的更高的频带。

本发明对换能器设计的这些挑战提出了多种解决方案，所述换能器设计可以以低和高频率之间的大间隔，以及随着深度的发射的HF和LF脉冲之间的有限的位置/相位偏移(sliding)来发射/接收双带超声脉冲合成脉冲。在这个发明中，主要涉及以仅接收HF带来发射LF/HF脉冲合成脉冲的情况，但是应当清楚由于互易性，探针还可以用于接收LF带。

发明内容

本发明提供对超声探针的一般要求的解决方案，该超声探针通过至少部分地公共的辐射表面发射/接收超声脉冲，该超声脉冲具有较宽地间隔开的低频(LF)和高频(HF)带中的频率，以使得LF和HF束脉冲以限定的相位关系在探针前面交迭。

在根据本发明的一个实施例中，LF和HF脉冲由彼此叠置的不同的压电层产生，其中HF压电层在前面，而HF压电层和LF压电层之间为绝缘部分，所述绝缘部分由至少两个声学层组成。绝缘层的背层(backlayer)优选是重材料，例如Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W或这种材料的合金，或这种材料的粉末的混合物或者烧结在一起的或在溶剂(例如聚合物)中胶合的它们的合金。本发明还提供一种解决方案，其中绝缘部分的背侧层是陶瓷，是LF压电层的部分。该陶瓷背侧层易于与重材料的薄层(λ/20的量级)结合，所述重材料如Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W或这种材料的粉末与聚合物的混合物。

在根据本发明的另一个实施例中，LF和HF脉冲中的一个由通过cmut/pmut技术激发的基板上的振动膜产生，而LF和HF脉冲中的另一个由压电层产生。在根据本发明的另一个实施例中，LF和HF脉冲都由同一基板上的cmut/pmut膜产生，或者彼此并排或者HF膜在LF膜之上。

本发明还可以用于稀疏阵列，其中HF孔径的栅瓣(grating lobes)应当与LF孔径的可能的栅瓣不同，以便利用成像技术抑制发射的HF栅瓣的影响，所述成像技术例如为根据美国专利申请10/189,350和10/204,350的成像技术。

阵列可以具有一般特性，例如线性相控阵列或转换阵列或环形阵列。在高度方向上将线性阵列的元件分割成例如1.5D、1.75D甚至全2D阵列也都在本发明的范围内。还可以有不同的HF和LF阵列的元件分割。本发明还规定了利用根据本发明的超声双频探针的装置，并且其中至少LF孔径的辐射区域能够可选地变化为等于HF发射孔径、大于HF发射孔径中的一种，其中HF辐射区域是LF辐射区域的部分，或者HF辐射区域可以包括没有LF辐射的中心区域。可以根据图像深度和成像方式由装置自动选择HF发射孔径，或由装置操作员通过装置控制面板手动地选择HF发射孔径。

在该发明中主要涉及双带脉冲的合成脉冲的发射，其中本领域技术人员清楚阵列可以并且将用于接收LF和HF带中的超声脉冲。在美国专利申请10/189,350和10/204,350中提及的方法仅接收背散射的的HF脉冲，其中设置HF阵列使得可以根据公知方法利用带有深度的动态扩展的接收孔径是自然的，其中用于大深度的HF接收孔径一般可以等于或大于LF发射孔径。

附图说明

图1示出需要发射的低频(LF)和高频(HF)脉冲合成波的实例；

图2示出根据本发明的示例性环形LF和HF辐射表面，并示出对LF和HF脉冲相位关系的分析；

图3示出根据本发明的LF和HF压电层叠置布置的截面图，压电层叠置布置通过公共的正面发射和接收高和低频脉冲；

图4示出根据本发明的结合在所述HF和LF压电层之间的绝缘部分中的部分切开的LF压电层的实例；

图5示出根据本发明的定相阵列探针的前视图；

图6示出用于减少阵列元件的电阻抗的双压电层布置的实例；

图7示出带有cmut/pmut微-加工换能单元的基板的前视图；

图8示出换能叠层的截面图，其中HF换能由用于LF换能的压电层前面的基板上的cmut/pmut单元产生；

图9示出换能叠层的截面图，其中LF换能由用于HF换能的压电层前面的基板上的cmut/pmut单元产生；

图10示出由在基板上微-加工的cmut/pmut换能单元实现的组合的LF和HF部分的前视图和截面图，其中HF单元放置在LF单元上；

图11示出布置为稀疏阵列的LF和HF阵列的前视图，其中HF和LF元件彼此间隔设置；

图12示出由在基板上微-加工的cmut/pmut换能单元实现的组合的低和高频部分的前视图，其中低和高频单元彼此并排设置。

具体实施方式

现在参照附图描述本发明的示例性实施例。想要发射的双频脉冲的一般实例示于如上所述的图1中。阵列设计中的挑战在于辐射表面的设计和振动结构的设计，其中辐射表面的设计使得HF脉冲保持在用于成像范围的LF脉冲的期望的位置中，同时保持LF脉冲的足够的振幅，而振动结构的设计允许发射来自相同表面的具有频率之间的这种宽间隔的LF和HF脉冲。

在一些应用中，在HF脉冲的位置的LF脉冲的振幅在整个成像范围内尽可能高且接近常数是重要的。这需要LF辐射表面的大孔径，以避免由于LF脉冲与HF脉冲相比的长的波长导致的LF束的衍射传播。HF发射孔径的宽度可以由对HF发射聚焦区域的长度的需求来限定。这给定应当优选比HF孔径更大的LF孔径的情况，这种情况在LF脉冲的位置与HF脉冲的位置之间引入了偏移。

对这种偏移现象的进一步的分析，我们考虑圆形孔径，因为对于这种孔径的轴上的场有解析的表达式。图2通过实例示出具有直径D_HO的圆形HF发射孔径201，并示出例如示出为具有外径D_LO和内径D_LI的环的同心LF发射孔径202。截面图将HF和LF的发射孔径示为203，其中它们例如相对于同一焦点F(204)弯曲。频率为ω的LF和HF孔径的发射轴向连续波场是轴向距离z的函数，该函数如下给出：

$P_{\mathrm{LF}}(z;\mathrm{\ω})=H_{\mathrm{LF}}(z;\mathrm{\ω})P_{L0}=i2e^{-\mathrm{ik}(R_{\mathrm{LO}}\left(z\right)+R_{\mathrm{LI}}\left(z\right))/2}\frac{\sin k(R_{\mathrm{LO}}\left(z\right)-R_{\mathrm{LI}}\left(z\right))/2}{F-z}F{P}_{L0},k=\frac{\mathrm{\ω}}{c}$

$P_{\mathrm{HF}}(z;\mathrm{\ω})=H_{\mathrm{HF}}(z;\mathrm{\ω})P_{H0}=i2e^{-\mathrm{ik}(R_{\mathrm{HO}}\left(z\right)+z)/2}\frac{\sin k(R_{\mathrm{HO}}\left(z\right)-z)/2}{F-z}F{P}_{H0}---\left(1\right)$

其中ω是发射脉冲的角频率，c是超声传播速度。示出为205的R_LO(z)是从LF孔径的外边缘至z-轴上的点z(208)的距离，示出为206的R_LI(z)是从LF孔径的内边缘至z-轴上的208的距离，而示出为207的R_HO(z)是从HF孔径的外边缘至z-轴上的208的距离。P_LO是孔径处的LF发射压，而P_HO是孔径处的HF发射压。相位项分别将来自LF和HF孔径的平均传播延迟表示为：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{LF}}\left(z\right)=\frac{1}{2c}(R_{\mathrm{LO}}\left(z\right)+R_{\mathrm{LI}}\left(z\right))$ ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{HF}}\left(z\right)=\frac{1}{2c}(R_{\mathrm{HO}}\left(z\right)+z)---\left(2\right)$

因此看出当HF和LF发射孔径的边界不同时，HF和LF脉冲将获得彼此不同的z-相关的传播延迟，并且HF脉冲相对于LF脉冲的位置将随着深度偏移，如209-211中示出的深度z1、z2和z3。虽然上述公式是针对圆形孔径推导出来的，但它们表示了用于任何形状孔径的普遍原理，这是由于辐射束是作为原点在孔径上的所有点处的球面波之间的干涉发出的。因此，由HF孔径外侧的LF孔径上的点发出的波，将具有比HF孔径上的点更长的到轴的传播距离。这些传播距离之间的差随深度z变化，因此这是HF和LF脉冲之间的位置偏移的原因。

当LF和HF发射孔径相等时，LF和HF脉冲之间没有偏移，但是如上所述，在许多情况中这可能限制了LF发射孔径，使得由于衍射而发现过高的束发散。因此经常希望具有比HF发射孔径更宽的LF发射孔径。这在HF和LF脉冲之间随深度产生一些偏移，这可以在通过指定发射孔径的尺寸而建立在容许极限之间。还可以将该偏移用于不同的目的，例如用于补偿LF脉冲振幅中的变化(variation)，使得在HF脉冲位置处观察的LF压具有比LF脉冲振幅更小的随深度的变化。

因此，不同测量情况对LF振幅的可容许的变化以及HF和LF脉冲之间的位置偏移提出不同的要求，因此经常希望至少LF发射孔径由元件组成，使得LF发射孔径的有效宽度可以与HF和LF脉冲的相对发射定时(transmit timing)一起选择，从而在期望的范围内获得两个脉冲的最可能的振幅和相对位置。本发明设计出使用了这种探针的超声装置，其中可以根据应用(例如若干散射噪声的抑制或对比剂微泡的检测)和图像深度通过该装置自动进行有源的LF发射孔径表面的选择，或通过装置操作者手动进行。还希望变化HF发射孔径，在散射的HF信号的接收期间一般希望接收孔径随着焦点动态地增大，以便跟随散射体的深度。因此，优选的解决方案是具有公共的辐射表面的组合的LF和HF阵列，但是实际的LF和HF发射孔径可以针对应用来选择，其中LF发射孔径一般比HF发射孔径大，而HF接收孔径可以选择为与在大深度处的LF发射孔径一样宽或者可能比其更宽，例如随深度的动态接收孔径。

在上述实例中，LF和HF发射振幅具有公共焦距，在多数情况下是优点，但是在针对不同的目的的束的设计中还可以利用LF和HF发射焦距中的差异。通过将孔径分为阵列元件，可以电子地调整LF和HF孔径二者的焦距深度，还可以根据已知的方法调整束的方向，如下面关于图5所进行的讨论。

由于LF和HF频带之间的宽的间隔，公共辐射表面在电/声换能结构设计中提出挑战，其中本发明提供对这个问题的多个解决方案。图3a中示出了压电层和声学层的叠层的第一个实例，所述叠层允许来自相同辐射表面的具有被宽地隔离的频率的LF和HF脉冲的发射。该图通过层叠结构示出横截面，该层叠结构至少通过和声负载(acoustic load)材料301接触的公共辐射表面302辐射并接收两种频带。另外对于一般的应用，LF和HF成分二者均穿过公共表面的外侧的单独的表面来发射或接收。然而，对于穿过整个孔径的等同的LF和HF转换功能，使用穿过整个孔径的相同厚度的叠层是有利的，并且通过下面讨论的有源元件电极的面积来限定LF和HF孔径。

通过换能器阵列组件303接收和/或产生HF脉冲，在这个实例中换能器阵列组件303由具有两个在前面连接声负载材料301的声匹配层305和306的压电层304构成。压电层在电限定的阵列元件的前面和背面上具有一组电极，其中例如，图3示出一个阵列元件的电极307和308的截面图，其中电极307和308产生用于该元件的电端对309。用HF带中的电压信号V₁对电端口309进行的驱动，将在辐射表面302上产生振动，该振动产生以高带频率传播到负载材料中的波310。相似地，具有高带频率的入射波311将在整个HF端口309上产生电压振荡。

在该示例性实施例中，通过换能器阵列组件312产生LF脉冲，换能器阵列组件312由前面覆盖有叠层部分317的压电层313构成，叠层部分317用于使HF结构中的HF振荡与LF结构声绝缘。该HF绝缘部分提供从HF组件303向LF组件312的高的反射系数，以避免LF结构对HF结构中的共振的干扰。部分317由至少两个声学层构成，其中该部分的背侧层或层组318由于下述原因具有高的声阻抗。整个换能器组件安装在背底材料320上，背底背底材料320具有很高的吸收能力，使得可以忽略背底材料中反射的波。为了如下所述的绝缘部分317的适当效果，背底阻抗必须足够高。

该图还示出特定的LF阵列元件的电极314和315的截面。所述电极构成LF电端口316，其中用LF带中的电压信号V0对该端口进行的驱动在阵列的前面(front face)302上产生LF振动，该阵列的前面302向负载材料301中发射波。在LF带中，部分317的厚度很低以至于足够传输LF振动。对于许多应用，仅将LF阵列用作发射器，但是本领域技术人员应当清楚，当需要时该组件还可以用于接收LF波。

根据公知方法，压电层一般由铁电陶瓷，或铁电陶瓷和聚合物填料的复合物制成。当电极化时铁电陶瓷变为压电体。超声阵列中的元件可以通过压电层中的切割来限定，在陶瓷/聚合物复合物的情况下这些切割可以与复合物的切割相一致，其中使用电极限定阵列元件。常常用元电极来极化陶瓷，从而提供元件维数的双重限定。

由于HF和LF频率之间的宽的间隔，HF压电层304的厚度远远低于LF压电层313的厚度。由于这种原因，元件之间的或LF层的复合物中的切割需要比用于HF层中的切割更厚的锯片。因此实际制造的情况下难于控制HF层的陶瓷柱(post)连接到LF压电层中的陶瓷或聚合物填料。为了使得匹配部分317的HF绝缘特性具有对到陶瓷或聚合物填料的连接的足够低的灵敏性，本发明将接近LF压电层313的部分317的背底层或层组318设计成由具有高声阻抗的重材料制成，例如如下讨论的如Ag、Cu、Au、Pd、Pt和W的金属或者甚至是陶瓷材料。层318的大的剪切刚度也将有助于降低317连接到陶瓷或聚合物填料的灵敏性，但是318的大的剪切刚度还引入耦合在LF元件之间的横向振动，因此该层的厚度应当限制，同时仍使得从前面到部分317观察到的阻抗具有对到背底侧上的陶瓷或聚合物填料的连接的足够的不灵敏性。如下讨论，发现层318的厚度小于λ/20是有用的。在列出的材料中，Ag，Au，Pd和Pt具有最低的剪切硬度并且还具有高的质量密度，这使这些材料对于降低对到陶瓷或聚合物填料的连接的灵敏性最有效，其中陶瓷或聚合物填料具有最低的横向耦合。绝缘部分317的其他层一般选择为具有高频上的λ/4的厚度。

图3bd-d中示出了层318对从前面朝向部分317观察的阻抗的作用的例子。在图3b中，绝缘部分317由在10MHz的厚度为λ/4的单聚合物层构成。曲线312示出当该层连接到背面上的陶瓷时作为频率的函数的到317中的阻抗。到层313的陶瓷中的阻抗在当陶瓷是λ/2厚的整数倍时的背底阻抗的低值z_B和当陶瓷是λ/4厚的奇数倍时的高值(z_cer)²/z_B＞z_B之间振荡。z_cer是陶瓷的特性阻抗。然后λ/4的聚合物层317将该阻抗转化为随频率振荡，其中当所述频率接近10MHz时，我们得到接近(z_pol/z_cer)²*z_B的最小值和接近z_pol ²/z_B的峰值，其中z_polλ/4聚合物层的特性阻抗。曲线322示出当该层连接到LF陶瓷柱之间的聚合物填料时作为频率的函数的从前面到317的阻抗。到层313中的聚合物填料中的阻抗在当填料是λ/2厚的整数倍时的背底阻抗z_B的高值和当填料是λ/4厚的奇数倍时的低值(z_fill)²/z_B＜z_B之间振荡。z_fill是层313的陶瓷/聚合物复合物中的陶瓷柱之间的聚合物填料的特性阻抗。然后λ/4聚合物层317将该阻抗转化为振荡变化，其中在10MHz附近峰值接近(z_pol/z_fill)²*z_B而最小值接近z_pol ²/z_B。

图3示出当在图3b所示的λ/4聚合物层317的背侧上引入20μm厚(大约为铜的λ/25)的Cu层318时，从前面朝向部分317观察的阻抗。曲线323示出当Cu层连接到LF陶瓷柱之间的聚合物填料时从前面朝向部分317观察的阻抗。该厚度的Cu层给出朝向填料观察的Cu的惯性负载(mass load)的附加的电感性阻抗，这增加了从λ/4层到背底的阻抗，λ/4层将该阻抗在带7-13MHz转化为＜2MRayl的阻抗，这在该带中使得从HF到LF部分非常好地绝缘。曲线324示出当部分317连接到LF陶瓷柱时的朝向该部分317观察的阻抗。我们注意到当连接到聚合物填料时，Cu层的作用使得曲线324从321的变化比曲线323从322的变化更少。原因是由于陶瓷具有高的特性阻抗，Cu层主要改变从λ/4层的背侧观察的低和高阻抗的频率，而对低和高阻抗的值没有很大的改变。然而，通过使用足够高的背底阻抗，例如在该实例中z_B＝5MRayl，当连接到陶瓷时朝向绝缘部分317观察的最大阻抗在7-13MHz带仍然低于2MRayl，这在该带中给定了从HF部分来看的高绝缘。

图3d中示出了Cu层对HF电-声转换函数的影响。曲线325示出当绝缘部分317由图3b中所示的单λ/4聚合物层构成并连接到背底上聚合物填料时的HF转换函数。我们注意到由于阻抗曲线322在HF压电层304的背侧不提供足够的反射，因此该曲线示出由LF部分312中的内HF反射引起的共振。引入20μm的Cu层318将该转换函数改变到曲线326，在曲线326中由LF部分中的反射引起的共振已经消失。曲线328示出没有层318并且当部分317直接连接到陶瓷时的转换函数，其中当引入Cu层时该曲线移至327。我们注意到Cu层去除曲线325中的共振，并且使得到聚合物填料的连接的转换函数326与到LF部分的陶瓷的连接的转换函数328近似相等。因此该图证明了引入Cu层使得HF电-声转换函数对绝缘部分是连接到层313中的聚合物填料或是陶瓷不灵敏。典型地，此时双带电-声转换函数可以采取如图3e的形式，其中331示出LF端口的转换函数而332示出HF端口的转换函数。

我们应当注意到该薄Cu层的重要作用是其质量，即ρL，其中ρ是层质量密度而L是层厚度，其质量引入了电感性阻抗。因此该层便于用任何重材料制成，例如Cu、Ag、Au、Pd、Pt和W，或这些材料的合金、这些材料的粉末或烧结在一起的或在溶剂中胶合的合金。最重的金属允许最薄的层，如上所述的材料Ag、Au、Pd和Pt由于它们的质量密度而具有最低的剪切刚度，因此在LF元件之间产生最低的横向耦合。如图4所示，层318还可以包括层313中部分陶瓷，其中相同层的标记沿用图3a中的。从LF压电层313的背面将该层中的聚合物填充的刀口(cut)401切成方块，但不贯穿LF陶瓷层313进行完全的切块，从而留下完整的陶瓷层402并包含于HF绝缘部分317的层318中。还可以将LF前电极315制成很厚，使得其在HF带具有声效应并且还可以被包含作为层318的部分。

图3a示出用于阵列的特定元件的厚度结构，其中本领域技术人员应当清楚，本发明可以用于构成任何结构的超声阵列，例如圆形阵列、线性相控阵列、线性转换阵列(switched array)或在用于束的全3D控制(steering)的许多尺寸达到2D的阵列的垂直方向上具有间隔的线性阵列。LF元件的尺寸一般比HF元件大，因为LF波长较长，如上面所讨论的，这也使得使用比HF发射孔径更大的LF发射孔径成为优选。对于大的深度，HF接收孔径也可以大于LF发射孔径，其中一般在整个阵列上具有相同的厚度的设计是优选的，并且发射接收孔径的尺寸可以通过选择结合在阵列中的元件而改变。

通过实例，示出的根据本发明的典型的线性相控阵列，其示于图5中，其中501表示相控阵列HF孔径的元件。根据公知的方法，通过对每个元件上的信号的适当的控制，这样的阵列允许将束方向控制在方位方向中的扇区内。在垂直方向的控制也需要将元件在垂直方向分割成二-维(2D)阵列，我们在此强调本发明的基本方法也可应用于2D阵列。

该线性阵列的HF带的中心例如是f₁＝3.5MHz，这表示λ₁/2～0.22mm的高频元件间距。那么84个高频元件产生18.48mm的总孔径。对于f₀＝0.5MHz的低频带的中心，我们得到λ₀/2～1.54mm，这表示12个低频元件50也产生18.48mm的总孔径2。为了更好地校准LF束，可以在HF元件的每一侧添加额外的LF元件，其中该图示出两个元件503，将LF方位孔径(azimuth aperture)增加到14个元件～21.56mm。为了增大LF垂直孔径，可以通过垂直方向的元件504类似地扩展LF孔径。如下根据与图2相关的分析，当HF和LF脉冲之间的相随深度具有最小的偏移至关重要时，可以使用LF和HF辐射表面的相同的传播孔径，而对于在大深度的更高的LF振幅，可能期望LF发射孔径大于HF发射孔径，以减小LF束随深度的衍射增宽。为了减小传播中的LF脉冲的非线性操作和接近阵列的HF脉冲的散射，希望除去阵列的中心辐射表面。这可以通过进一步将LF元件分割成次元件505来实现。然后图5中的LF阵列允许选择LF孔径的尺寸，例如下列情况之一：1)等于HF孔径，2)在方位方向和垂直方向上分别大于HF孔径或者在方位方向和垂直方向上都大于HF孔径，以及3)在HF孔径中心具有无源(inactive)区域的LF孔径。还应指出，这种LF孔径相对于HF孔径的变化可以由其他阵列结构得到，例如圆形阵列，其中本领域技术人员可以将本发明的要素应用到所有阵列结构。对于许多应用可能仅使用2)，其通过将元件502/504/505组合成单个LF元件来实现，其中该单个LF元件的垂直尺寸等于或大于HF孔径，并且在方位方向(503/504)上添加额外的LF元件，以便获得在方位方向上大于HF孔径的LF孔径。

为了在LF元件的整个区域上得到相同的振动条件，一般可以将与图3相似的叠层用于整个阵列区域，并且通过元件电极和压电陶瓷中的切口限定LF和HF元件。将陶瓷/聚合物复合物用于HF和LF压电层二者是有利的，其中元件尺寸仅通过电极来限定。然后HF辐射面积可以例如通过前侧上的公共地极来限定，公共接地电极通过电耦合或通过限定铁电陶瓷的面积两种方式来限定垂直宽度，其中使铁电陶瓷极化以显示压电特性。然后通过背侧热电极来限定HF元件的方位宽度，当接地电极外部的电-声耦合低时，背侧热电极可以方便地扩展到组件的边缘，以便电连接到电缆。

然后，如关于图3b-d所进行的讨论，由于从前面朝向部分317观察的阻抗对于终止到聚合物或是陶瓷的变化很小，所以图3中的高声阻抗层或层组318使得HF和LF压电层中的切口之间的精确的位置匹配不那么关键。这种减弱的灵敏性允许用比HF层更厚的锯将LF层切割成块，也减小了对HF和LF层之间的精确的横向定位的要求。

众所周知，LF和HF压电层313和304可以由多个层制成，压电层和非压电层，以便改变和增大电/声转换函数的带宽，并减小电端口的阻抗。例如，为了获得较低的阵列元件的电阻抗，特别是使得低频元件能够发射具有可管理的驱动电压幅值的高压，可以方便地将低频压电部分313制成覆盖有电极的多个压电层。图6示出两个层601和602的示例性实施例。该层由电极603、604和605覆盖，其中一般将电极603和605电连接到地，其中电极604将用作热电极。那么两个压电层将具有相反的极化方向606和607，因此电极耦合将提供层601和602的电并联耦合以提供较低的电阻抗端口608，这允许用较低的电压驱动低频阵列，以用于高压。根据公知的方法，也是对于高频层，为了得到甚至更低的电端口阻抗，可以对更多层进行并联耦合。通过在叠层中的仅使用一个或有限的元件组，可以增大电/声转换函数的带宽。

也可以使电-生换能基于基板表面上的微-加工换能单元，例如Si(硅)基板，或例如Cu和Al的其他材料的其他基板。用这些技术，通过振动基板表面上的膜实现表面的增大的振动，其中膜后是气体或真空，其中该膜直接或通过声学层连接到声负载材料。机电耦合可以通过从膜到参考电极的电容性耦合来得到，称为cmuts(电容性微-加工超声换能器)，或通过膜上的压电膜来得到，称为pmuts(压电层微-加工超声换能器)。这种膜的实例如图7中从前辐射表面示出的701所示，该膜安装在基板700的前表面上。膜的尺寸和厚度确定换能最有效的共振带，并且一般将多个cmut/pmut单元电耦合在一起从而形成一个阵列元件。在本发明中，涉及用于从本质上相同的辐射表面发射双带脉冲的cmut/pmut技术的创造性的实施方式，其中附图示出本发明的用于获得双频功能的创造性要素，并且其中省略了膜、电极和电连接的细节，因为文献中有关于它们的许多解决方案。在下文中将该技术称为cmut/pmut换能器、cmut/pmut单元和cmut/pmut膜。

Si的特性阻抗是19.6MRayl，其带来了通过LF和HF基板发射HF和LF波的有趣的可能性。实例图8示出了具有安装在LF部分前面的cmut/pmut HF部分806的结构的截面，LF部分由具有产生LF元件电端口805的电极803和804的压电层801制成。因为在上述讨论的每个文献中都存在多个实例，所以未示出具有电极的cmut/pmut鼓(drum)和电耦合的细节。在这个实例中，整体结构安装在背底材料802(可以是低阻抗的或者是空气)上，而保护层808设置在cmut/pmut鼓807的前面。该图还示出可选的吸收层812，其用于减小HF阵列元件之间的Si基板中的横向声耦合，也用于减小基板和HF频带中的LF部分之间的的横向声耦合。鼓807将层806的有效声阻抗减小到小于Si的有效声阻抗，并且通过将压电层801制成陶瓷/聚合物复合物，可以匹配层801和806/808的声阻抗，以便改善LF端口的带宽。

图9中的另一实施例示出在安装在背底材料902上的HF压电层901前面的pmut/cmut LF部分906，该HF压电层901由陶瓷/聚合物复合物制成的。元件电极903和904构成HF元件电端口905。通过基板层906上的cmut/pmut鼓907提供LF换能。因为在上述讨论的每个文献中都存在多个实例，所以未示出具有电极的cmut/pmut鼓和电耦合的细节。通过将压电层901制成陶瓷/聚合物复合物，可以使得该层的声阻抗匹配于Si层906的有效声阻抗，以限定HF的声波共振。在该结构的前面设置有声阻抗匹配层(一般为一层或两层)908，其将HF和LF部分声连接到负载材料301，以便发射(310)和接收(311)负载材料中的双带脉冲波。声匹配部分与cmut/pmut层906一起用于增加HF电/声转换函数的带宽，并在低频函数作为用于LF阵列906的声学的薄的保护覆盖层，其中调节cmut/pmut膜的硬度，以便于声学层/负载转换。由于Si的高纵向波速度(8.44mm/μsec)，Si基板的厚度可以制成足够薄，以便对HF电/声转换功能产生满意的影响。为了限制Si基板内部的横向耦合，还可以在基板的背面使用可选的吸收绝缘层912，使得绝缘在高频上足够薄，从而对HF转换功能具有有限的影响。

图9中的层叠结构对用于三-维(3D)的束的控制和成像的2D阵列的有着有利的优点，其中具有从阵列结构的背面到大数目(～3000)的HF元件的电入口，该电入口用于最简单地连接到形成电子设备的电缆或次-孔径束的。LF 2D阵列将具有更少元件(HF数目的1/50-1/100)，简化了到LF元件的连接，其中简化的连接技术适用于cmut/pmut制造技术。

本发明还提供具有公共辐射表面的LF/HF换能的解决方案，其中高频cmut/pmut单元安装在低频单元上，例如图10所示。图10a示出具有一个低频单元1001的基板前面1000，并且多个高频单元1002在低频单元之上。当低频允许低频单元的大尺寸时，可以从如图10b示出的基板的背侧对该单元进行微-加工，图10b示出通过基板1003的截面，其中从基板背侧的蚀刻提供了薄的低频膜1004，低频膜1004与电极1005电容性地相互作用，电极1005安装在第二基板1006上或者第二基板1006的部分上，第二基板1006通过胶合或其它粘合技术附着到基板1003。从基板的前面在低频膜1004的前面微-加工了几个高频单元1002。利用更复杂的制造技术，低和高频单元都可以从前侧制造。对于其它的cmut/pmut解决方案，这里未示出电极设置和压电元件的可能设置的细节，因为这在文献中有多个例子，并且在本说明说中强调设计的本质特征，即能够从相同的辐射表面发射LF和HF脉冲。然而，当用Si作为基板时，该图表示LF电极解决方案，其中Si-基板的前面的层1007是高n-掺杂(n++)的，以提供用于LF和HF单元的公共地极。通过第二Si-基板1006的区域1005的高n-掺杂可以类似地获得热LF电极。

具有宽间隔的频带的双频带操作还可以方便地实现为稀疏阵列，其中低和高频率元件设置在阵列表面上的不同位置，但足够接近，以在外部离阵列的特定距离处，两个频率束看上去至少部分是从相同的辐射表面发出的。2D稀疏阵列对3D超声成像尤其有用，其中稀疏阵列允许用少量的元件(～1000)对超声束进行二-维方向的控制。2D稀疏阵列对于用2D和3D束扫描二者来校正波前象差和脉冲混响也是有用的。图11中示出了列举的例子，图11示出具有四个阵列元件1101的阵列表面1100的一部分，阵列元件1101之间具有用于以稀疏阵列图案设置HF阵列元件的开放空间1102。稀疏阵列在束的主波瓣(lobe)的偏置(off-set)方向上产生栅瓣，其中必须设计发射和接收孔径，从而与栅瓣方向不相重叠。对于基于双频束(dual frequencybeam)之间的非线性相互作用的成像方法，例如美国专利申请10/189,350和10/204,350/中所描述的，当用于LF和HF的栅瓣为非-重叠时，在图像中得到对栅瓣的改善的抑制。实际上，由于低带的大波长(λ～3mm500KHz)，可以设计具有小的低频阵列元件的阵列，该阵列没有低频栅瓣但在元件之间仍然具有很大的距离(～2mm)使得可以在低频元件之间设置许多高频元件。

利用与图3相似的用于电-声换能的共振体压电-陶瓷元件，可以通过例如稀疏阵列制造其所有元件都有间隔的高频阵列，然后选择用于LF元件的这些元件的位置的次组，其中通过在所述选择的HF元件的背面附着压电-陶瓷板来生产LF元件，并且在高频元件的前电极(front electrode)和所述附着压电陶瓷板的背电极(back electrode)之间进行电连接，前电极通常是地电极。对于较低的电-声换能效应，可以通过如下方式来减小LF元件的共振频率：将大量的重的和硬的材料(例如象Cu、Ag、Au、Pd、Pt或W等的金属)附着在所选择的HF元件的背面，并将高频压电-陶瓷元件的表面电极用于换能。

Si-基板的前侧上的微处理换能元件也很适于双频阵列的稀疏阵列的实施，当在阵列表面上的不同位置处理低频单元和较小的高频单元时，例如图12所示，其中1201示出基板1200上的用于低频带的cmut/pmut单元，由用于高频带的cmut/pmut单元1202环绕。电连接高频带单元以形成高频元件，而连接低频带单元以形成较大的低频元件，例如如图5中所示的相控阵列。对于每个阵列元件一般电连接几个单元。

因此，虽然示出、说明和指出应用于本发明的优选实施例的其基本的新颖性特征，但是应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以由本领域技术人员在所述装置的形式和细节上进行各种省略、替换和变化，。

还应特别地指出，以基本相同的方法执行基本相同的功能以获得相同的结果的这些元件和/或方法步骤的所有组合都在本发明的范围内。而且，应当承认，结合任何所公开的本发明的形式或实施例所示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤，都可以结合到作为设计选择的一般主题的任何其它的所公开或说明或建议的形式或实施例中。因此，本发明旨在仅由其所附权利要求的范围来限定。

Claims (26)

1.一种声学换能器阵列探针，用于从所述探针的前表面发射分离的高频(HF)和低频(LF)带中的声波并至少接收所述HF带中的声波，所述换能器包括：

-用于相应的HF和LF电声换能的换能器元件的不同阵列，其中，用于所述HF电声换能的阵列具有HF阵列元件，用于LF电声换能的阵列具有LF阵列元件，以及

-所述HF带和所述LF带的辐射表面，其中，所述HF和LF带的所述辐射表面的至少一部分在一公共的辐射表面内是公共的，其中，较之所述公共辐射表面内的HF阵列元件，所述公共辐射表面内的所述LF阵列元件具有更大的辐射表面且相邻元件的中心之间的距离更大，并且

-其中，所述辐射表面至少包括用于LF带发射的LF发射表面和用于HF带发射的HF发射表面，所述LF发射表面的外边界至少在所述HF发射表面的外边界之外的区域中延伸。

2.根据权利要求1所述的声学换能器阵列探针，其中，所述LF发射表面具有中心区域，该中心区域不进行有源LF发射。

3.根据权利要求1或2所述的声学换能器阵列探针，其中，所述阵列的厚度结构在整个阵列表面上都是相同的，并且LF和HF发射和接收孔径的尺寸由与阵列元件的电连接限定。

4.根据权利要求3所述的声学换能器阵列探针，其中，可将所述HF接收孔径选择为比所述LF发射孔径宽。

5.根据权利要求1或2所述的声学换能器阵列探针，其中，所述LF发射表面在以下至少两者之间是可选择的：

a)至少处于所述HF发射表面之外具有LF发射表面的区域中，

b)所述LF发射表面等于所述HF发射表面，

c)所述LF发射表面具有中心区域，该中心区域不进行LF发射，以及

d)a)和c)的组合。

6.根据权利要求1所述的声学换能器阵列探针，其中，所述HF和LF阵列独立地设置成如下之一

-单个元件阵列，

-换能器元件的圆形阵列，

-换能器元件的线性阵列，

-换能器元件的二维阵列，以及

-任何其他形式的换能器元件的结构。

7.根据权利要求1所述的声学换能器阵列探针，其中，

-所述LF和HF发射和/或接收表面中的至少一个被制成元件的稀疏阵列，并且其中

-LF和HF发射孔径的电势栅瓣在空间上不重叠。

8.根据权利要求1所述的声学换能器阵列探针，其中，所述LF和HF阵列至少叠置在所述公共辐射表面之后。

9.根据权利要求1所述的声学换能器阵列探针，其中，

-用不同的LF和HF压电层实现LF和HF电声换能，其中，在多层结构中所述HF压电层叠置在所述LF压电层之前，并且其中

-由至少两个声学层构成的声学绝缘部分设置在所述HF和LF压电层之间，并且其中

-用于所述HF带的声学匹配部分设置在所述HF压电层之前。

10.根据权利要求9所述的声学换能器阵列探针，其中，其中所述阵列的厚度结构在整个探针表面上都是相同的，并且通过与阵列元件的电连接而对LF和HF发射和接收孔径的尺寸进行电选择。

11.根据权利要求9所述的声学换能器阵列探针，其中，所述绝缘部分由特性声阳抗大于17MRayl的背底层和至少一特性阻抗小于5MRayl的层构成。

12.根据权利要求11所述的声学换能器阵列探针，其中，所述背底层包括如下材料中的一种：Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W和这些材料的合金。

13.根据权利要求9所述的声学换能器阵列探针，其中，所述绝缘部分的背面由陶瓷层构成。

14.根据权利要求13所述的声学换能器阵列探针，其中，

将所述LF压电层制成陶瓷/聚合物复合物，其中，从背面将所述陶瓷切成方块，但不完全贯穿所述LF压电层，使得所述LF陶瓷压电层的正面部分形成所述绝缘部分的背面的所述陶瓷层。

15.根据权利要求14所述的声学换能器阵列探针，其中，

位于所述绝缘部分的背面的第二层包括如下材料中的一种：Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W和这些材料的合金。

16.根据权利要求9所述的声学换能器阵列探针，其中，

所述LF和HF压电层之一或二者由彼此叠置的至少两个压电子层构成，其中所述子层的表面上具有电极，并且其中，不同子层的电极耦合在一起，以便减小所述阵列元件的电阻抗。

17.根据权利要求1所述的声学换能器阵列探针，其中，

-LF和HF电声换能中的一种是由压电层实现的，并且

-所述LF和HF电声换能中的另一种是由正面上具有基于cmut/pmut的换能膜的基板层实现的，

-基于cmut/pmut换能膜的所述层设置在所述压电层之前。

18.根据权利要求17所述的声学换能器阵列探针，其中，所述LF电声换能是由所述压电层实现的。

19.根据权利要求17所述的声学换能器阵列探针，其中，所述HF电声换能是由所述压电层实现的。

20.根据权利要求1所述的声学换能器阵列探针，其中，

所述LF和HF电/声换能二者都是由基于cmut/pmut的膜换能器技术在同一基板上实现的。

21.根据权利要求20所述的声学换能器阵列探针，其中，

所述HF换能膜设置在所述LF换能膜之上。

22.根据权利要求20所述的声学换能器阵列探针，其中，

HF换能膜与LF换能膜并排设置，彼此非常接近，使得从所述探针的表面的特定深度之后，LF和HF束看来像是从至少具有公共区域的辐射表面发出的。

23.根据权利要求17所述的声学换能器阵列探针，其中，能够可选择地通过与阵列元件电极的可选择的电连接来改变LF和HF发射和接收孔径。

24.根据权利要求1、2和6-23中的任一项所述的声学换能器阵列探针，其中，所述探针为超声探针。

25.一种利用根据权利要求24所述的超声探针的超声装置，其中，LF和HF发射和接收孔径的尺寸是通过与阵列元件的电连接而以电的方式选择的。

26.一种利用根据权利要求24所述的超声探针的超声装置，其中，通过下列方式之一来选择有源LF发射孔径：

a)所述装置根据图像范围以及超声成像方式和应用自动选择，以及

b)装置操作员通过装置控制机构直接选择。

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