CN101836869B - 超声波探头的多层阻抗匹配结构 - Google Patents

超声波探头的多层阻抗匹配结构 Download PDF

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Abstract

一种用于超声波探头(106)的声学叠层(270)，包括具有顶侧和底侧的压电层(272)以及形成匹配层结构(220)的多个匹配层段(222，224，226，228，230)。匹配层段(222-230)中的每个包括包含第一材料的弹簧层(234，236，238，240，242)以及包含与第一材料不同的第二材料的质量层(244，246，248，250，252)。位于最接近压电层(272)的匹配层段(222)中的弹簧层(234)比其它匹配层段(224-230)中的弹簧层(236-242)薄。

Description

超声波探头的多层阻抗匹配结构
技术领域
一般来说，本文所公开的主题涉及超声波探头(ultrasound probe)，更具体来说，涉及超声波探头中的声学叠层(acoustical stack)。
背景技术
超声波探头通常具有许多各自与探头的成像元件对应的声学叠层。各声学叠层具有以堆叠配置附连在一起的若干层。叠层中的压电层由具有高阻抗的压电材料、例如压电陶瓷形成。
匹配(matching)层设置在压电层的顶侧，以便在具有高阻抗的压电层与探头中具有低阻抗的外部或透镜之间变换声阻抗。低阻抗可基于待扫描的水、人体或者其它对象的声阻抗。许多探头包括基于四分之一波长匹配的两个匹配层，其中每个匹配层大约四分之一波长厚。各四分之一波长匹配层用于变换有限宽带中的阻抗。使用两个四分之一波长匹配层将带宽范围限制在80％与90％之间。为了在较大带宽中实现阻抗匹配，需要较大数量的四分之一波长匹配层。但是，增加四分之一波长匹配层的数量极大地增加叠层的厚度，并且增加信号衰减。另外，堆叠材料变得越来越难以切割，并且可能难以在仍然控制预期几何形状和阻抗的同时找到用于每个四分之一波长匹配层的适当材料。
另外，已经提出使用具有连续变化阻抗的材料的梯度或分级(graded)匹配层或者具有不同声阻抗的多种不同材料的多个层来代替离散的四分之一波长匹配层。但是，这些分级匹配层配置要求匹配层的总厚度过厚。仅当分级匹配层的厚度在至少一个或两个波长的范围之内时，才实现良好的匹配特性。在这种厚度，发生超声波信号的强衰减。切割操作因层的厚度而非常困难，因为切割对于较厚层是困难的，而对于薄的层则不是，并且要求高的刀片曝露量。但是，如果分级匹配层的厚度小于一个波长，则将产生带宽中的不良匹配或鸣振(ringing)。
发明内容
在一个实施例中，用于超声波探头的声学叠层包括具有顶侧和底侧的压电层以及形成匹配层结构的多个匹配层段(section)。每个匹配层段包括包含第一材料的弹簧(spring)层以及包含与第一材料不同的第二材料的质量(mass)层。位于最接近压电层的匹配层段中的弹簧层比其它匹配层段中的弹簧层薄。
在另一个实施例中，一种用于形成超声波探头的声学叠层的匹配层结构的方法，包括形成第一匹配层段，所述第一匹配层段包括在第一匹配层段的底侧的弹簧层以及在第一匹配层段的顶侧的质量层。第一匹配层段的底侧配置成附连到压电层和四分之一波长匹配层中之一。弹簧层包括弹簧材料，并且质量层包括阻抗高于弹簧材料的质量材料。形成至少一个附加匹配层段，所述附加匹配层段包括在附加匹配层段的底侧的弹簧层以及在附加匹配层段的顶侧的质量层。附加匹配层段的底侧配置成附连到第一匹配层段的顶侧。弹簧层包括弹簧材料，且质量层包括质量材料。
在又一个实施例中，一种用于形成超声波探头的声学叠层的匹配层结构的方法，包括：通过形成包括弹簧材料的弹簧层并且在弹簧层上形成包括质量材料的质量层，形成第一匹配层段。质量材料具有高于弹簧材料的密度。通过形成与包括质量材料的质量层交替的、包括弹簧材料的弹簧层，在第一匹配层段之上形成N个匹配层段。
附图说明
图1示出根据本发明的一个实施例形成的超声波系统。
图2示出根据本发明的一个实施例形成的具有三维(3D)能力的小型化超声波系统。
图3示出根据本发明的一个实施例形成的移动超声波成像系统。
图4示出根据本发明的一个实施例形成的手携式或袖珍超声波成像系统。
图5示出根据本发明的一个实施例形成的用于超声波探头的匹配层结构。
图6示出根据本发明的一个实施例形成的用于四分之一波长传输线的集总电路(lumped circuit)，其提供构建图5的匹配层结构所用的匹配层段的机械性质的电等效。
图7-10示出根据本发明的一个实施例、基于图5的匹配层结构的带宽性能的声学模拟。
图11示出根据本发明的一个实施例、用于确定要包含在探头的匹配层结构中的匹配层段的数量的方法。
图12示出包括根据本发明的一个实施例形成的匹配层结构和四分之一波长匹配层的声学叠层。
具体实施方式
上述发明内容以及下面对本发明的某些实施例的详细描述在结合附图阅读时将会被更好地理解。在附图示出各个实施例的功能块的简图的意义上，这些功能块不一定指示硬件电路之间的划分。因此，例如，这些功能块中的一个或多个(例如处理器或存储器)可在单片硬件(例如，通用信号处理器或随机存取存储器、硬盘等)中实现。类似地，程序可以是独立程序，可以作为子例程合并到操作系统中，可以是已安装软件包中的功能，等。应当理解，各个实施例不限于附图所示的布置和工具。
本文所使用的、以单数形式所述并且冠有词“一个”或“一种”的要素或步骤应该被理解为不排除多个所述要素或步骤的情况，除非明确说明了这种排除情况。此外，本发明中对“一个实施例”的引用不是意在解释为排除同样结合了所述特征的其它实施例的存在。此外，除非相反的明确说明，否则，“包括”或“具有”带特定性质的要素或多个要素的实施例可包括别的没有那种性质的这类要素。
图1示出包括发射器102的超声波系统100，发射器102驱动探头106中的元件(例如压电元件)阵列104，以便将脉冲超声波信号发射到体内。探头106可包括匹配层结构(如图5和图12所示)。元件104例如可设置成一维或二维。可使用各种几何形状。系统100可具有用于容纳探头106的探头端口120，或者探头106可硬连线到系统100。
超声波信号从人体的结构、如脂肪组织或肌肉组织背散射(back-scatter)，以便产生返回到元件104的回波。回波由接收器108接收。所接收的回波经过波束形成器110，所述波束形成器110执行波束形成并且输出射频(RF)信号。然后，RF信号经过RF处理器112。备选地，RF处理器112可包括复合解调器(未示出)，所述复合解调器对RF信号进行解调以便形成表示回波信号的同相和正交(in-phaseand qudrature：IQ)数据对。然后，RF或IQ信号数据可被直接路由到存储器114以供存储。
超声波系统100还包括处理器模块116，以便处理所获超声波信息(例如RF信号数据或IQ数据对)，并且准备超声波信息帧以供在显示器118上的显示。处理器模块116适合对所获超声波信息按照多个可选超声波形态(modality)执行一个或多个处理操作。所获超声波信息可在接收回波信号时在扫描会话期间实时处理和显示。作为补充或替代，超声波信息可在扫描会话期间暂存在存储器114或存储器122中，然后以离线操作进行处理和显示。
用户接口124可用于向系统100输入数据、调整设定以及控制处理器模块116的操作。用户接口124可具有键盘、轨迹球和/或鼠标以及多个旋钮、开关或例如触摸屏的其它输入装置。显示器118包括向用户呈现包括诊断超声波图像的患者信息以供诊断和分析的一个或多个监视器。存储器114和存储器122中的一个或两个可存储超声波数据的二维(2D)和/或三维(3D)数据集，其中存取(access)这类数据集以便呈现2D和3D图像。还可随时间获取和存储多个连续3D数据集，例如以便提供实时3D或四维(4D)显示。通过使用用户接口124，可修改图像并且也手动调整显示器118的显示设定。
图2示出具有3D能力的小型化超声波系统130，它具有可包括匹配层结构的探头132。探头132可配置成获取3D超声波数据。例如，探头132可具有先前针对图1的探头106所述的换能器元件的2D阵列104。提供(也可包括集成显示器136的)用户接口134，以接收来自操作人员的命令。
本文所使用的“小型化”表示超声波系统130是手持或手携式装置，或者配置成用人手、口袋、公文包大小的小箱或背包来携带。例如，超声波系统130可以是具有典型膝上型计算机大小-例如具有大约2.5英寸厚、大约14英寸宽及大约12英寸高的尺寸的手携式装置。超声波系统130可重大约10磅，因而易于操作人员携带。还提供集成显示器136(例如内部显示器)，并且将它配置成显示医疗图像。
超声波数据可经由有线或无线网络140(或者直接连接，例如经由串行或并行电缆或USB端口)发送到外部装置138。在一些实施例中，外部装置138可以是具有显示器的计算机或者工作站。备选地，外部装置138可以是能够从手携式超声波系统130接收图像数据并且能够显示或打印图像的独立外部显示器或者打印机，其可具有比集成显示器136高的分辨率。应当注意，各个实施例可结合具有不同尺寸、重量和功耗的小型化超声波系统来实现。
图3示出设置在活动底座146上的移动超声波成像系统144。超声波成像系统144又可称作基于推车的系统。提供显示器142和用户接口148，并且应当理解，显示器142可独立于用户接口148或者可与其分离。系统144具有至少一个探头端口150，用于接纳可包括匹配层结构的探头(未示出)。
可选地，用户接口148可以是触摸屏，从而允许操作人员通过触摸所显示的图形、图标等选择选项。用户接口148还包括控制按钮152，所述控制按钮可用于根据预期或需要和/或按照通常所提供来控制超声波成像系统144。用户接口148提供多个接口选项，用户可物理操作所述接口选项以便与可被显示的超声波数据和其它数据进行交互，以及输入信息并设置与改变扫描参数。接口选项可用于特定输入、可编程输入、文本输入等。例如可提供键盘154和轨迹球156。
图4示出手携式或袖珍超声波成像系统170，其中显示器172和用户接口174形成单个单元。作为示例，袖珍超声波成像系统170可以是大约2英寸宽、大约4英寸长且大约0.5英寸厚及重量小于3盎司。显示器172可以是例如320×320像素彩色LCD显示器(在其上可显示医疗图像176)。可选地，按钮182的打字机式键盘180可以包含在用户接口174中。可包括匹配层结构的探头178与系统170互连。
可按照系统操作模式各自给多功能控件(control)184分配功能。因此，多功能控件184中的每个可配置成提供多个不同动作。必要时，与多功能控件184关联的标签显示区域186可包含在显示器172上。系统170可具有用于特殊功能的附加按键和/或控件188，所述特殊功能可包括但不限于“冻结(freeze)”、“深度控制”、“增益控制”、“彩色模式”、“打印”和“存储”。
本文所述的匹配层结构可在超声波探头106的声学叠层中用来取代四分之一波长匹配层或分级匹配层中至少之一。至少一个实施例的技术效果在于，基于集总机械匹配电路(在本文中又称作集总电路)的机械等效可用于近似通过匹配层结构实现的分级阻抗锥度(taper)。集总机械匹配电路的实际实现使用具有所选机械性质的薄材料层的组合来形成。具有不同机械性质的层的组件将模仿等效质量和弹簧振荡器。
匹配层结构包括至少两个在本文中称作匹配层段的匹配层等效段。每个匹配层段包括可在层中形成的至少两种材料。这两种材料根据材料的机械性质来选取。例如，所述材料中之一，在本文中称作弹簧材料，是较低损耗和低密度材料，例如诸如环氧树脂基负性光致抗蚀剂(epoxy-based negative potoresist)SU8TM或者聚酰亚胺材料(polyimide material)KaptonTM的聚合物或薄膜，并且可具有低于1.5兆瑞利(MegaRayl：MR)的声阻抗。另一种材料，在本文中称作质量材料，是较高密度材料，例如钨、铜或其它金属，并且可具有更接近30MR的声阻抗。应当理解，可使用其它材料。每个匹配层段具有远小于四分之一波长、例如大约50微米(μm)的厚度，但也预期其它厚度。
匹配层段通过调整每个匹配层段中每种材料的量或百分比来形成。例如，具有最高阻抗的匹配层段具有质量材料的最高百分比和弹簧材料的最低百分比，而具有最低阻抗的层具有质量材料的最低百分比和弹簧材料的最高百分比。具有最高阻抗的匹配层段在叠层中定位成最接近压电层，而具有最低阻抗的匹配层段定位成当与较低阻抗介质匹配时最接近透镜。
图5示出具有5个等效匹配层段的匹配层结构220。应当理解，可使用其它数量的匹配层段。这些匹配层段可称作第一匹配层段(ML1)222、第二匹配层段(ML2)224、第三匹配层段(ML3)226、第四匹配层段(ML4)228和第五匹配层段(ML5)230。匹配层结构220具有厚度276，并且包含在至少具有压电层272的声学叠层270中。可在叠层270上形成透镜274。虽然未示出，但在叠层270中可包含附加层，例如解匹配(dematching)层段、支持(backing)块、如四分之一波长层的附加匹配层等。
匹配层段222-230中的每个具有包括质量材料和弹簧材料二者的厚度232。在一个实施例中，匹配层段222-230中的每个可具有相同厚度232。在另一个实施例中，匹配层段222-230的厚度232可变。应当注意，仅为了便于说明示出匹配层段222-230的厚度，而不是相对于压电层272和透镜274的厚度进行缩放。
匹配层段222-230中的每个包括质量层和弹簧层。在一些实施例中，匹配层段222-230中的一个或多个可以仅包括质量层或者仅包括弹簧层。术语“弹簧层”表示具有厚度和特定阻抗的材料层，它在附连到质量层时使层机械阻抗作用主要就像弹簧。术语“质量层”表示具有厚度和特定阻抗的材料层，它在附连到弹簧层时使层机械阻抗作用就像质量。第一匹配层段222包括弹簧层234和质量层244。第二匹配层段224包括弹簧层236和质量层246。第三匹配层段226包括弹簧层238和质量层248。第四匹配层段228包括弹簧层240和质量层250。第五匹配层段230包括弹簧层242和质量层252。弹簧层234-242和质量层244-252中的每个具有厚度(后面进一步论述)，但是在一些实施例中，弹簧层和质量层中每个的厚度在匹配层段222-230可根据制造工艺略微改变。
可改变匹配层段222-230中每个的质量材料与弹簧材料的比率或百分比，以便实现声阻抗沿传输线的预期变化。例如采用导电胶、粘合剂或其它材料将第一匹配层段222的底侧278附连到压电层272。为了匹配压电层272的声阻抗，第一匹配层段222具有匹配层段222-230中任一个的最高阻抗。为了实现最高阻抗，与其它匹配层段222-230相比，第一匹配层段222具有质量材料的最大百分比或比例。因此，一般来说，对于实际材料，质量层244的厚度254大于其它匹配层段224-230中任一个的质量层246-252的厚度，并且一般来说，对于实际材料，在与阻抗低于压电层272的例如水或透镜274的介质匹配时，弹簧层234的厚度256比其它匹配层段224-230中任一个的弹簧层236-242的厚度薄。
第二匹配层段224的底侧280附连到第一匹配层段222的顶侧282。第二匹配层段224的声阻抗小于第一匹配层段222的阻抗。为了实现更低的声阻抗，将比第一匹配层段222中更少的质量材料加入第二匹配层段224中。因此，质量层246的厚度258比质量层244的厚度254薄。另外，弹簧层236的厚度260大于弹簧层234的厚度256。在整个匹配层结构220重复这种模式，以使第五匹配层段230具有匹配层段222-230中任一个的最低声阻抗。为了实现最低声阻抗，与所有其它匹配层段222-230相比，将最少量的质量材料加入第五匹配层段230。因此，质量层252的厚度262比其它质量层244-250中任一个薄，且弹簧层242的厚度264比其它弹簧层234-240中任一个厚。换言之，弹簧层234-242在距压电层272的距离增加时可具有连续增加的厚度，而质量层244-252在距压电层272的距离增加时可具有连续降低的厚度。在另一个实施例中，厚度的变化可以不连续，也就是说，一个或多个弹簧层234-242可具有与另一弹簧层234-242相同的厚度，并且一个或多个质量层244-252可具有与另一质量层244-252相同的厚度。在又一个实施例中，质量层或弹簧层中之一的厚度可保持恒定，同时减小或增加另一层的厚度。
图6示出用于四分之一波长传输线的集总电路200，其提供构建图5的匹配层结构220所用的匹配层段222-230的机械性质的电等效。换言之，集总电路200中的电组件(例如电感器、电容器等)可用于估计弹簧层材料和质量层材料的声学性质。因此，集总电路200示出弹簧层234-242和质量层244-252的关联。在这个示例中，集总电路200对应于匹配层结构220中的一个匹配层段222-230。匹配层段222-230中的每个由单独的集总电路200表示。集总电路200具有三个电感器202、204、206和两个电容器208、210。在另一个实施例中，在电路200的最简单形式下，可使用单个电感器和单个电容器；而在其它实施例中，可使用不同数量的电感器和电容器。弹簧层234-242可用电容器208和210的电容表征，而质量层244-252可用电感器202-206的电感表征。
图6所示的示例模拟三个质量层(电感器)和两个弹簧层(电容器)，以便模仿四分之一波长层功能，但是应当理解，这个功能可根据至少预期相对带宽用其它配置来实现。在如上所述的最简单配置中，可使用单个电感器和单个电容器。图6可用于示出对匹配层段的结构的物理理解。一般解决方案还可通过经典LC梯式(ladder)滤波器理论来分析。
在等式1和等式2中提供构建匹配层段222-230所用的质量层和弹簧层的机械性质的电等效。
LS : = ZL · 4 ωr · π 2 - - - ( 1 )
CP : = 1 ZL · ωr · 2 - - - ( 2 )
因此，集总电路200示例的电感(LS)和电容(CP)的值基于匹配层段222-230的线路阻抗(ZL)(例如声阻抗)以及探头106的中心频率的谐振频率ωr。四分之一波长效应通过(LS+CP)和(2×LS+CP)单元的串行关联来实现。ZL可以是所选或预定阻抗值或者按照下文进一步所述来计算。
质量层和弹簧层的电等效的组合提供对匹配层段222-230中之一建模的特性。对匹配层段222-230中的每个，重复等式1和等式2以计算LS和CP，其中匹配层段222-230中的每个具有不同的ZL。如前面所述，ZL随着在离开压电层272的方向的各匹配层段222-230而减小。因此，具有适当组件的至少两个电路200可相互级联，以便实现谐振频率ωr周围的大带宽匹配。各匹配层段222-230的LS和CP值可用于又称作Mason模型的所建议声学叠层270的电模拟，从而允许电元件与声学结构匹配。
图7-10示出基于叠层270中匹配层结构220的带宽性能的声学模拟。当计算模拟时，匹配层段222-230的厚度276可基于没有材料性质优化的经典Mason模型，也就是说，没有考虑匹配层段222-230中的衍射定律和透镜衰减。声学模拟300、302、330和332可使用分别用等式1和等式2计算的电感和电容值来计算。
在设计探头106时，可模拟叠层结构，以使可识别满足探头规范所需的最少数量的匹配层段222-230。较少的匹配层段带来更小的厚度276，这改进衰减。可被指定的一个参数是在-6分贝(dB)和-20dB的预期带宽。还可考虑其它参数。
图7和图8分别示出根据在叠层270中合并有匹配层结构220的探头106所计算的探头传递函数的声学模拟300和302。图7中，使用具有500μm的总厚度276的10个匹配层段222-230。图8中，使用具有250μm的总厚度276的5个匹配层段222-230。模拟基于3兆赫兹(MHz)中心频率阵列。
图7示出简单或单向传输线304和双向传输线306。图8示出单向传输线316和双向传输线318。双向传输线306和318显示因超声波信号传播通过叠层270两次(例如发射和接收信号)而引起的带宽的减小。换言之，当考虑发射和接收信号时，总体衰减更大。由于图7中存在更多匹配层段，所以线路304和306与线路316和318相比在带宽上具有更大纹波。在一个实施例中，可通过使用例如梯式滤波器合成算法微调层性质来减小纹波幅度。带宽可在例如双向传输线306与318之间进行比较，以便确定具有5个匹配层段的匹配层结构是否提供预期性能。附加模拟可使用少于5个匹配层段或者在5与10个匹配层段之间的任何数量的匹配层段来进行。另外，还预期具有多于10个匹配层段的匹配层结构220。在一些实施例中，可进行模拟以便识别将满足探头规范的匹配层段222-230的最少数量。
类似地，图9和图10分别示出根据在叠层270中合并有匹配层结构220的探头106所计算的探头传递函数的声学模拟330和332。模拟330和332基于8MHz中心频率阵列。图9中，使用具有500μm的总厚度276的10个匹配层段222-230。图10中，使用具有250μm的总厚度276的5个匹配层段222-230。
图9示出单向传输线334和双向传输线336。图10示出单向传输线346和双向传输线348。可再次比较两个模拟330与332之间的带宽性能，以便识别满足探头规范的匹配层段222-230的最少数量。
通过将作为单个四分之一波长匹配层的等效的双层结构(例如匹配层段222-230中之一)中的重型材料(质量)与弹性材料(弹簧)的关联，实现将传输线参数转换成机械性质，即质量-弹簧振荡模式而不是如等式1和等式2中的诸如电感和电容的纯粹电传输线参数。双层结构的目标声阻抗ZL与这两个层中每层的有效机械厚度之间的关系使用等式3和等式4来确定。
Tmass ( n ) : = λm 2 · π · ZL · ( 1 - zs 2 ZL 2 ) zm - - - ( 3 )
Tspring ( n ) : = λs 2 · π · zs ZL - - - ( 4 )
等式3给出作为匹配层阻抗(ZL)、重型或质量(m)材料性质和弹簧(s)材料性质-即质量材料的波长(λm)、质量材料的声阻抗(zm)和弹簧材料的声阻抗(zs)的函数的质量层厚度(Tmass)。等式4给出作为匹配层阻抗(ZL)和弹簧(s)材料性质、即弹簧材料的波长(λs)和弹簧材料的声阻抗(zs)的函数的弹簧层厚度(Tspring)。通过改变匹配层阻抗，等式(3)和等式4可用于描述匹配层段222-230中的每个。
图11示出一种用于确定要包含在探头106中匹配层结构220内的匹配层段222-230的数量的方法。在370，确定探头106的几何形状以及目标或预期性能。例如，选择中心频率。另外还可指定带宽的百分比，例如带宽在-6db和-20db中每个的百分比。
在372，选择用于弹簧层234-242和质量层244-252的材料。例如，可选择SU8TM用于弹簧材料，并且可选择钨用于质量材料。可使用其它材料。在一个实施例中，相同的弹簧材料可用于所有弹簧层234-242，并且相同的质量材料可用于所有质量层244-252。在另一个实施例中，不同的弹簧材料和/或质量材料可用于层234-252中的一个或多个。
在374，确定待模拟的匹配层段222-230的数量。如前面所述，探头性能可使用不同数量的匹配层段222-230来模拟，以便确定将提供预期性能的最小数量的匹配层段222-230。备选地，可选择预定数量的匹配层段222-230，例如3个、5个或10个匹配层段222-230。在另一实施例中，可选择2个或3个匹配层段222-230作为待考虑的最小数量的匹配层段222-230。
在376，可确定匹配层段222-230中每个的声阻抗。在一个实施例中，匹配层段222-230中每个的声阻抗可基于指数递减声阻抗、规则递减声阻抗或者将声阻抗从压电层的高声阻抗(其在一个实施例中可为30兆瑞利)减小到透镜的低声阻抗(其在一个实施例中可为1.5兆瑞利)的任何其它曲线。在另一个实施例中，对于解匹配技术，匹配层段222-230的目标声阻抗可使用下式5和6来确定：
ZRCKSym ( N , k ) : = [ [ ZC · ( 1 - k 2 + 8 π 2 · k 2 ) 2 · ωr ( k ) ] 2 · N · ZR ] 1 2 · N + 1 - - - ( 5 )
ZmL _ ( N , n , k ) : = ( ZRCKSym ( N , k ) ZR ) 2 · ( N - n ) + 1 2 · N · ZR - - - ( 6 )
其中，ZC是压电层272的声阻抗，ZR是辐射介质的声阻抗，ωr(k)是与压电耦合系数相关的谐振频率(脉动)，k是耦合系数，N是匹配层段的数量，n是对第n个匹配层段的从压电层272向透镜274计数的计数器，以及ZmL(N，n，k)是第n个匹配层段的声阻抗。因此，匹配层段222-230的声阻抗可基于探头106的谐振频率(ωr)、压电层272的声阻抗(或者四分之一波长匹配层(若使用的话)的声阻抗)和透镜274的声阻抗中至少之一。应当理解，对于其它技术，匹配层段222-230的声阻抗可使用不同等式来确定。在另一个实施例中，可选择不同的材料用于匹配层段222-230中的一个或多个。例如，可选择具有较低阻抗的弹簧材料用于最接近透镜274的层，而可选择具有较高阻抗的不同弹簧材料用于最靠近压电层272的匹配层段。
在一个实施例中，在378，匹配层段222-230中每个内的质量层244-252和弹簧层234-242中每个的厚度可根据声阻抗、例如用等式3和等式4来确定。因此，可以确定匹配层结构220的总厚度276是否可接受，从而产生可允许的信号衰减。另外，质量层244-252和弹簧层234-242在如下面进一步论述的制造过程中形成，并且在一些实施例中，可能存在基于材料性质和用于在某些容差之内形成某些材料层的制造能力的限制。
在380，例如通过使用用等式1和等式2计算的电容和电感计算声阻抗，以生成图7-10的图表。在382，确定声阻抗是否可接受。另外，可确定质量层244-252和弹簧层234-242的厚度以及匹配层结构220的总厚度276是否可接受。在一个实施例中，如果带宽性能不可接受，则该方法可返回到374，以便指定更大数量的匹配层段222-230。在另一个实施例中，如果带宽性能可接受，则该方法可返回到374以指定更少数量的匹配层段222-230，以便确定是否已经识别最薄的匹配层结构220。例如，希望具有最小数量的匹配层结构、并且因而具有最少的信号衰减(例如传播损耗)量，同时仍然满足探头106的性能。另外，更少的匹配层段222-230可更易于制造并且产生更低的成本。在一些实施例中，图11的方法可被完成多次，从而选择不同数量的匹配层段222-230以确定将实现目标性能的最少数量的匹配层段222-230。在又一个实施例中，如果例如性能不可接受或者匹配层结构220可能难以根据可用制造技术来实现，则该方法可返回到372，以便选择用于质量层244-252和弹簧层234-242中一个或多个的不同材料。
在另一个实施例中，可形成包括四分之一波长匹配层的叠层。图12示出包括匹配层结构402和四分之一波长匹配层404的声学叠层400。四分之一波长匹配层404的底侧406附连到压电层410的顶侧408，并且匹配层结构402附连到四分之一波长匹配层404的顶侧412。
在一个实施例中，四分之一波长匹配层404可包含在叠层400中，以便当选择弹簧材料时提供附加灵活性。例如，可选择具有较低阻抗的弹簧材料，从而允许匹配层结构402中最靠近透镜414的匹配层段的较好阻抗。
在另一个实施例中，四分之一波长匹配层404可位于匹配层结构402与透镜414之间。
存在若干可用于在匹配层结构220和402中形成质量层244-252和弹簧层234-242的方法。一种所用方法基于微电子技术和晶圆处理。弹簧材料可以是光致抗蚀剂，所述光致抗蚀剂经过特殊处理、例如进行额外的填充(loading)，以具有适合弹簧材料的声阻抗要求的密度/速率性质。质量材料可以是具有适合质量材料的声阻抗要求的密度/速度性质的金属。质量材料可以是任何较密且硬的材料，例如但不限于钨。质量材料和弹簧材料均需要与可变厚度夹层制造兼容。
在一个实施例中，光致抗蚀剂或聚合物、如SU8TM可用作弹簧材料，并且可使用微电子光刻术来形成图案。例如，可旋涂SUITM层以形成预期厚度。在另一实施例中，为了降低材料密度，可在匹配层段222-230中更接近透镜274的一个或多个上实现点阵图案(dotpattern)，以便达到预期密度。在又一个实施例中，可真空沉积形成质量层的金属。
匹配层结构220可与叠层270的其它层分开形成。在一个实施例中，二氧化硅(SiO2)层可沉积在用于构建匹配层结构220的硅晶圆上。在为了构建匹配层结构220而进行的掩蔽和蚀刻操作期间，可形成穿过或贯穿匹配层结构220的孔。当已经形成所有质量层244-252和弹簧层234-242时，SiO2蚀刻液可通过所述孔馈送到SiO2层。SiO2层的完全蚀刻将使匹配层结构220脱离硅晶圆。
在另一个实施例中，匹配层结构220可通过层叠(lamination)来形成。因此，弹簧层234-242可使用预制的例如KaptonTM的材料的层来形成，而质量层244-252可使用预制的例如铜的金属材料的层来形成。弹簧层234-242和质量层244-252的不同厚度可用于形成不同的匹配层段222-230，以便实现预期声阻抗。金属材料层(例如质量层244)可层叠在弹簧材料层(例如弹簧层234)之上，以便形成第一匹配层段222。第二弹簧材料层(例如弹簧层236)可层叠在金属材料层(例如质量层244)之上，而第二金属材料层(例如质量层246)可层叠在第二弹簧材料层(例如弹簧层236)之上，依此类推。
在又一个实施例中，匹配层结构220可使用数字微印刷来形成，数字微印刷是一种允许材料沉积的技术。
大家要理解，以上描述只是说明性而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可相互结合使用。另外，可对本发明的理论在没有脱离其范围的情况下进行多种修改以适应具体情况或材料。虽然本文所述材料的尺寸和类型意在定义本发明的参数，但是它们决不是限制性的，而只是示范实施例。通过阅读以上描述，许多别的实施例对本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明的范围应当参照随附权利要求连同授权给这类权利要求的全部等效范围确定。在随附权利要求书中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“在其中”的普通英语等效。此外，在随附权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等只用作标记，而不是意在给其对象施加数字要求。此外，随附权利要求书的限制并不是按照部件加功能格式编写的，并且不是意在根据35U.S.C.§112第六节来解释，除非这类权利要求限制在没有其它结构的功能陈述之前明确使用词语“用于...的部件”。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合方法。本发明的专利范围由权利要求书定义，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有没有不同于权利要求书的文字语言的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构要素，则它们意在落入权利要求书的范围之内。
配件表
超声波系统  100
发射器  102
元件    104
探头  106
接收器  108
波束形成器  110
RF处理器 112
存储器  114
处理器模块  116
显示器  118
探头端口  120
存储器  122
用户接口  124
小型化超声波系统  130
探头  132
用户接口  134
集成显示器  136
外部装置  138
网络  140
显示器  142
移动超声波成像系统  144
活动底座  146
用户接口 148
探头端口 150
控制按钮 152
键盘 154
轨迹球 156
袖珍超声波成像系统 170
显示器 172
用户接口 174
医疗图像 176
探头 178
键盘 180
按钮 182
多功能控件 184
标签显示区域 186
控件 188
集总电路 200
电感器 202
电感器 204
电感器 206
电容器 208
电容器 210
匹配层结构 220
第一匹配层段 222
第二匹配层段 224
第三匹配层段 226
第四匹配层段 228
第五匹配层段 230
厚度 232
弹簧层  234
弹簧层  236
弹簧层  238
弹簧层  240
弹簧层  242
质量层  244
质量层  246
质量层  248
质量层  250
质量层  252
厚度  254
厚度  256
厚度  258
厚度  260
厚度  262
厚度  264
声学叠层   270
压电层   272
透镜   274
厚度   276
底侧   278
底侧   280
顶侧   282
声学模拟  300
声学模拟  302
单向传输线   304
双向传输线   306
单向传输线   316
双向传输线  318
声学模拟  330
声学模拟  332
单向传输线  334
双向传输线  336
单向传输线  346
双向传输线  348
定义探头的几何形状和性能  370
选择弹簧材料和质量材料    372
确定匹配层段的数量  374
确定各匹配层段的声阻抗  376
确定质量层和弹簧层的厚度  378
计算声学性能  380
性能可接受？  382
声学叠层   400
匹配层结构 402
四分之一波长匹配层  404
底侧   406
顶侧   408
压电层 410
顶侧   412
透镜  414

Claims (10)

1.一种用于超声波探头(106)的声学叠层(270)，包括：
具有顶侧和底侧的压电层(272)；以及
形成匹配层结构(220)的多个匹配层段(222，224，226，228，230)，所述匹配层段(222-230)中的每个匹配层段包括：
由第一材料构成的弹簧层(234，236，238，240，242)；以及
由与所述第一材料不同的第二材料构成的质量层(244，246，248，250，252)，其中，位于最接近所述压电层(272)的匹配层段(222)中的弹簧层(234)比其它匹配层段(224-230)中的弹簧层(236-242)薄，位于最接近所述压电层(272)的匹配层段(222)中的质量层(244)比其它匹配层段(224-230)中的质量层(246-252)厚；
其中，所述第一材料是低损耗和低密度材料并且具有低于1.5兆瑞利的声阻抗，所述第二材料是高密度材料并且具有更接近30兆瑞利的声阻抗。
2.如权利要求1所述的声学叠层(270)，其中，所述位于最接近所述压电层(272)的匹配层段(222)包括比离所述压电层(272)最远的匹配层段(230)的声阻抗大的声阻抗。
3.如权利要求1所述的声学叠层(270)，其中，所述第一材料具有比所述第二材料低的密度。
4.如权利要求1所述的声学叠层(270)，还包括：四分之一波长匹配层段(404)，位于所述压电层(272)与所述匹配层结构(220)之间和所述匹配层结构(220)与透镜(274)之间中之一；所述透镜形成在所述声学叠层的匹配层结构上。
5.如权利要求1所述的声学叠层(270)，其中，在所述匹配层段(222-230)中所述弹簧层(234-242)的厚度(256)随所述匹配层段(222-230)与所述压电层(272)的距离增加而增加，并且在所述匹配层段(222-230)中所述质量层(244-252)的厚度(254)随所述匹配层段(222-230)与所述压电层(272)的距离增加而减小。
6.一种用于形成超声波探头(106)的声学叠层(270)的匹配层结构(220)的方法，所述方法包括：
形成第一匹配层段(222)，所述第一匹配层段(222)包括在所述第一匹配层段(222)的底侧(278)的弹簧层(234)和在所述第一匹配层段(222)的顶侧(282)的质量层(244)，所述第一匹配层段(222)的所述底侧(278)配置成附连到压电层(272)和四分之一波长匹配层(404)中之一，在所述第一匹配层段(222)的底侧(278)的所述弹簧层(234)由弹簧材料构成，而在所述第一匹配层段(222)的顶侧(282)的所述质量层(244)由阻抗高于所述弹簧材料的质量材料构成；以及
形成至少一个附加匹配层段，所述至少一个附加匹配层段包括第一附加匹配层段(224)，所述第一附加匹配层段(224)包括在所述第一附加匹配层段(224)的底侧(280)的弹簧层(236)和在所述第一附加匹配层段(224)的顶侧的质量层(246)，所述第一附加匹配层段(224)的所述底侧(280)配置成附连到所述第一匹配层段(222)的所述顶侧(282)，在所述第一附加匹配层段(224)的底侧(280)的所述弹簧层(236)由所述弹簧材料构成，而在所述第一附加匹配层段(224)的顶侧的所述质量层(246)由所述质量材料构成；
其中，所述弹簧材料是低损耗和低密度材料并且具有低于1.5兆瑞利的声阻抗，所述质量材料是高密度材料并且具有更接近30兆瑞利的声阻抗。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
确定(376)所述第一匹配层段(222)和所述至少一个附加匹配层段的声阻抗；以及
根据所述声阻抗和所述质量材料的波长和声阻抗及所述弹簧材料的声阻抗，确定(378)所述质量层(244，246)的厚度(254，258)。
8.如权利要求6所述的方法，还包括：
确定(376)所述第一匹配层段(222)和所述至少一个附加匹配层段的声阻抗；以及
根据所述声阻抗和所述弹簧材料的波长和声阻抗，确定(378)所述弹簧层(234，236)的厚度(256，260)。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述弹簧材料具有声阻抗，并且其中所述质量材料具有声阻抗和材料波长，所述方法还包括根据目标声阻抗、所述质量材料的材料波长、所述质量材料的声阻抗和所述弹簧材料的声阻抗确定(378)所述质量层(244，246)的厚度。
10.如权利要求6所述的方法，其中，所述弹簧材料具有声阻抗和材料波长，所述方法还包括根据目标声阻抗、所述弹簧材料的材料波长和所述弹簧材料的声阻抗确定(378)所述弹簧层(234，236)的厚度(256，260)。
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