CN101965232B - 多频带声学换能器阵列 - Google Patents

Abstract

一种声学探头，用于发射/接收具有高频带(HF)、一个和可选择数量个低频带(LF1，LF2，…，LFn，…)中的频率的声学脉冲，其中所述多个频带中的至少两个的辐射表面具有公共区域。给出了通过所述公共辐射表面发射(和接收)HF、LF1、LF2、…脉冲和信号的多个解决方案。所述阵列和元件能够是通用类型，例如环形阵列、相控或开关阵列、在水平和竖直方向上划分为例如1.5D、1.75D和完全2D阵列的线性阵列、曲线阵列等等。用于不同频带的元件划分、阵列类型和阵列孔尺寸还能够是不同的。具有连接到阵列元件的集成电路的电子基底层可以层叠在所述探头内。

Description

多频带声学换能器阵列

技术领域

本发明涉及在至少两个频带工作的高效声学（声波和超声波）体波（bulkwave）换能器的技术和设计。该换能器的应用例如但不限于，医学超声成像、无损测试、工业和生物检测、地质应用、和声纳（SONAR）应用。

背景技术

组织的非线性弹性和超声造影剂微泡（micro-bubbles）在医学超声成像中的应用提供了噪声更少的改善的图像。最广泛的使用是在所谓谐波成像中，其中使用发射频带的第二谐波分量来成像，该分量是通过滤波或脉冲反相（PI）技术从该信号中提取的。在美国专利6461303号中还描绘了使用该发射脉冲的第三和第四谐波分量来成像。

美国专利申请10/189350和10/204350号中深入描述了双频带发射超声和声学脉冲复合信号的不同应用，其提供了具有更少噪声的图像，非线性散射的图像，以及大幅提高了超声和声学成像应用的量化目标参数。该方法对于透射和散射成像都适用。对于这些应用，可以如图1的例子所示那样，发射双频带脉冲复合信号，其中在图1a中，高频（HF）脉冲101叠加在低频（LF）脉冲102的峰值压力上。图1b示出了另一种情形，其中HF脉冲103叠加在LF脉冲102的最大梯度处。该LF和HF脉冲的中心频率比典型地可以在1:5—1:20的范围中，同时在该图像的规定深度范围内，该HF脉冲必须位于该LF脉冲的规定区间中。

在其他应用中，希望利用同样的探头发射低频（例如0.5—2MHz）波以治疗组织（组织的高热或空洞损伤）或释放超微或微颗粒或气泡中携带的药物，同时还能够以更高频率（例如5—10MHz）在同一探头表面上提供超声成像。在另一应用中，希望有一种具有3个频带的组合超声治疗和成像的探头，例如使用第二低频（LF2）带～400kHz生成用于组织中的空洞的脉冲，例如破坏包含药物的超微尺寸脂质体颗粒以便向肿瘤输送药物，使用第一低频（LF1）带～3MHz加热组织以用于肿瘤的高热治疗，通常称为HIFU——高强度聚焦超声，或者增加肿瘤中的血流量以增强肿瘤的氧合作用或提高该～400kHz破坏药物携带颗粒的效率，以及使用高频（HF）带～20MHz以成像，潜在地，也可能与该～3MHz的LF1频带组合用于目标弹性的非线性控制以进行成像，例如根据美国专利申请10/189350和10/204350中所述。

在另一应用中，只希望能够有更多的可用频带选择用于在同一探头上进行大深度范围变化的成像。例如在用于急诊医学的便携式超声成像系统中，希望使用2.5MHz的中心频率进行深度目标成像，并且使用同一探头以7—10MHz的中心频率对更接近身体表面的目标进行成像。该阵列例如可以被设置为相控线性阵列、开关线性阵列和曲线阵列。在声学成像的许多其他应用中也存在对于多频带换能器的需要，例如对材料的无损测试（NDT），通过弹性波观察地质构造，以及对例如在海底附近的鱼、海底以及位于海底和埋在海底或陆地上的土壤中的目标例如矿石进行SONAR测量和成像。这些都涉及利用多频带脉冲复合信号进行非线性测量和成像、以及对于不同需求例如不同探测范围选择不同频带脉冲的能力。

在Br Heart J.1984Jan;51(1):61-9的M模式和多普勒测量中使用了双频带发射脉冲。在美国专利第5410516号中给出了其他例子，其中检测到在来自造影剂微泡的非线性散射中产生的发射频带的合频谱带和差频谱带。在美国专利第6312383和美国专利申请10/864992中给出了该双频带发射的进一步发展。

针对换能器阵列设计的这些挑战，本发明公开了多个解决方案。在本说明书中主要考虑了弹性波在超声频率范围内的情形，但是本领域技术人员应当清楚，根据本发明的解决方案可以应用到任何频率范围的声波中，以及固体中的切变波。

发明内容

本概述部分给出了本发明部件的简要综述，而不是对于本发明范围的任何限制，本发明仅由所附的权利要求来限定。

根据本发明的的一方面，提供了一种声学换能器阵列探头，用于从所述探头的前表面发射分离的高频带HF和至少第一较低频带LF1中的声波，并且接收至少所述HF频带中的声波，其特征在于：

-不同的换能器元件阵列，配置成分别用于HF和所述LF1电声转换，用于所述HF电声转换的所述阵列具有HF阵列元件，用于所述LF1电声转换的所述阵列具有LF1阵列元件，以及

-用于所述HF频带和所述LF1频带的辐射表面，其中用于所述HF频带和LF1频带的所述辐射表面的至少一部分在公共辐射表面中是共用的，其中与所述公共辐射表面内的所述HF阵列元件相比，所述公共辐射表面内的所述LF1阵列元件具有更大的辐射表面并且相邻元件中心之间的距离更大，并且其中至少在所述公共辐射表面内，所述HF阵列元件设置在分层结构中的所述LF1阵列元件前面，以及

-至少一个电子基底层，其具有电连接到阵列元件并层叠在所述探头的所述分层结构内的集成电子器件，并且其中所述至少一个电子基底层：i）是层叠在用于所述LF1电声转换的所述阵列与用于所述HF电声转换的所述阵列之间的声学隔离部分的一部分，以及ii）安装在所述LF1电声转换阵列的背面。

根据本发明的第二方面，提供了一种声学换能器阵列探头，用于从所述探头的前表面发射分离的高频带（HF）和至少第一较低频带（LF1）中的声学波，其特征在于：

-不同的换能器元件阵列，配置成分别用于HF和所述LF1电声转换，用于所述HF电声转换的所述阵列具有HF阵列元件，用于所述LF1电声转换的所述阵列具有LF1阵列元件，以及

-用于所述HF频带和所述LF1频带的辐射表面，其中用于所述HF频带和LF1频带的所述辐射表面的至少一部分在公共辐射表面中是共用的，其中与所述公共辐射表面内的所述HF阵列元件相比，所述公共辐射表面内的所述LF1阵列元件具有更大的辐射表面并且相邻元件中心之间的距离更大，并且其中至少在所述公共辐射表面内，所述HF阵列元件设置在分层结构中的所述LF1阵列元件前面，以及其中

-能够通过至少所述公共辐射表面发射和接收一个或多个另外的较低频带（LF2，LF3，…）中的另外的声学波，其中通过用于所述一个或多个较低频带中的每一个的电声转换结构来获得用于所述一个或多个较低频带的所述电声转换，其中所述一个或多个较低频带的所述辐射表面的至少一部分与所述较高频带的所述辐射表面是共用的。

本发明提供了对于声学阵列探头、通常为超声阵列探头的一般需求的解决方案，该探头通过至少部分共用的辐射表面发射/接收具有分离的多个频带中的频率的声学脉冲。该共用辐射表面具有多个优点，例如最小化同一设备所使用的双频带或多频带探头的尺寸。在其他情况下，需要一个共用辐射表面以同时发射高频（HF）和低频（LF1）脉冲，该脉冲在实际成像范围内在该HF和LF1脉冲之间具有低的或可控的相位滑动，从而使得该HF脉冲出现在该LF1压力振动的限定定区域中。

本发明还提供了一种设计阵列的一般程序，该阵列的工作频带的数量可以自由选择。特别地，提供了一种换能器阵列的方案，该换能器阵列用于发射和接收包含高频带（HF）、第一较低频带（LF1）和第二较低频带（LF2）的3频带脉冲复合信号，或者发射和潜在地接收三个不同频带（HF、LF1和LF2频带）中的分离的脉冲。本发明提供了一种解决方案，其中中心频率比是在～3:1—20:1的范围内（HF:LF1），该比值没有限定的上限或下限。LF1:LF2频带的中心频率比可以具有相似的值。通过最低分离的中心频率，可以获得例如用于选择多个图像频带的探头，其中心频率例如是2MHz、5.5MHz和15MHz。通过较大分离的中心频率，可以获得使用美国专利申请10/189350和10/204350中描述的方法成像的探头，其还可以包括用于对组织进行HIFU和空洞治疗的频带。

为了在至少一部分辐射表面共用的情况下实现多频带脉冲的发射，本发明提供的解决方案是一组阵列，其对于每个频带谐振并且具有至少一部分共用辐射表面。该阵列的元件可以是一般布置，例如是线性相控或开关阵列或环形阵列。该阵列在一个或两个维度上可以是平的或弯曲的、既凹又凸的。该线性阵列在竖直方向上的元件分隔到1.5D、1.75D甚至完全2D的阵列也是根据本发明的实施例。该阵列元件对于不同频带还可以有不同的尺寸、形式和分隔，例如但不限于，用于低频治疗脉冲的环形阵列与用于成像的线性开关或相控阵列。本发明还提供了用于与阵列波束形成相关的电子电子器件的高效封装，例如用于各个阵列元件的发射和接收放大器，允许元件组通过单根导线连接到该设备的子孔波束形成器电子器件，用于将选定组的阵列元件通过单根导线电并联连接到波束形成器通道以进行发射和接收的电子开关，等等。

为了最小化不同频带脉冲之间随着深度而产生的相对位置滑动，以及克服（defeat）衍射以在深的范围上获得充分校准的低频（LF1，LF2，…，LFn，…）波束，本发明提供了一种解决方案，其中用于不同频带的阵列具有较大的共用辐射表面，并且较低频率阵列的辐射表面的部分能够在较高频阵列的辐射表面外部。为了最小化近场中不同频带脉冲之间的交叠，本发明还提供了一种解决方案，其中较低频率孔的中心部分是不活动的（inactive）。为了在不同频带的辐射表面的不同尺寸和交叠之间进行高效选择，本发明通过阵列构造的特殊方案提供不同频带的共用辐射表面，实现了（devices）对于不同频带使用不同的阵列。

在根据本发明的一个实施例中，为了获得共用的HF和LF1阵列辐射表面，通过层叠在彼此前面的分离的压电层来生成该HF和LF1脉冲，其中HF压电层在前面，并且在LF1压电层的前面有用于HF振动的隔离部。阻抗匹配层的负载匹配部分设置在该HF压电层和前面的负载材料之间。该隔离部分设计成使得该HF压电层和隔离部分之间的反射系数在HF频带高，从而使得该HF压电层后面的层对于HF频带中HF压电层的电声转换的谐振产生小的影响。该隔离部分还设计成使其在LF1频带中与该隔离部分前面的探头层（probe layers）配合以提供LF1压电层与该负载材料的声学匹配。

当从前面进入隔离部分中的阻抗低于或高于HF压电层的特性阻抗时，可以获得该HF压电层与隔离部分之间接近于1的反射系数。当从前面进入到隔离部分的阻抗在HF频带中低时，HF压电层将具有厚度谐振（thicknessresonance），其在HF频带中心附近近似于半个波长厚。当从前面进入到隔离部分的阻抗在HF频带中较高时，HF压电层将具有厚度谐振，其在HF频带中心附近近似于四分之一波长厚。该四分之一波长谐振通常允许HF层谐振具有更宽的带宽，但是与HF压电层的半波长谐振相比，电阻抗将具有较小的相位角。

本发明提供了隔离部分的特别设计，该隔离部分在HF频带中提供进入隔离部前面的阻抗足够高或足够低的阻抗，同时对于从隔离部后面看到的阻抗具有较低的敏感度。这在LF1压电层由陶瓷/聚合物复合材料制成时是特别重要的，因为在隔离部分连接到该复合材料中的聚合物或陶瓷时，希望最小化从HF层向隔离部分的反射系数的变化。为了使得该反射系数的阻抗灵敏度减小，本发明提供了使隔离部分由至少两个声学层构成的技术方案。

在根据本发明的隔离部分的第一个实施例中，该隔离部分包括位于隔离部分后面的阻抗调节层，该阻抗调节层足够薄和重以使其在HF频带中近似作为一个足够大的质量与后面的阻抗串联。于是该质量与隔离部分后面的负载串联，使得整个隔离部分的阻抗变换较少地依赖于该隔离部分是否端接到LF1压电复合物中的聚合物或陶瓷。该阻抗调节层优选为重的材料，例如Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W或这些材料的合金，或者是烧结在一起或胶粘在溶剂例如聚合物中的这些材料的合金或这些材料的粉末。后层的厚度典型地可以是λ_HF/30数量级或更高。由于Si具有较大的波传播速度（8.44mm/μsec），也可以使用Si层作为具有足够质量的阻抗调节层，虽然Si的质量密度仅仅是2330kg/m³。本发明还提供了一种隔离部分的阻抗调节层由陶瓷构成的解决方案，其中该陶瓷层可以是LF1压电层的一部分。该陶瓷后层可以方便地与一重材料的薄层（λ_HF/30数量级）组合，重材料例如是Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W或这些材料的合金，或者是烧结在一起或胶粘在溶剂例如聚合物中的这些材料的合金或这些材料的粉末。

于是能够例如通过在所述大质量的阻抗调节层前面的匹配层来获得进入该隔离部分的低阻抗，其中所述匹配层具有低的特性阻抗并且在HF频带中心附近为四分之一波长厚。所述匹配层优选地能够由聚合物或类似的材料制成。通过认识到所述隔离部分匹配层和HF压电层与负载的匹配层的厚度都小于LF1频带中的波长，能够实现关于如何在LF1频带中的使得LF1压电层与负载相匹配的近似分析。这容许薄层近似，其中所述低阻抗匹配层用作与HF压电和匹配层的质量以及该负载阻抗相串联的弹性弹簧。然后根据该弹簧和质量块之间的谐振选择该LF1频带的中心频率，其中从后面看到的进入所述隔离部分匹配层的阻抗相位为零。可以通过改变所述隔离部分匹配层的刚度与该HF压电和负载匹配层的质量来调节该谐振频率。该质量例如可以通过改变HF压电复合物中的填充的陶瓷体积来调节。

能够修改该实施例以获得进入该隔离部分的高阻抗，即通过在具有低特性阻抗的第一λ_HF/4匹配层之前增加连接到HF压电层的具有高特性阻抗的第二λ_HF/4匹配层来实现。通过这个解决方案，从前面看进入该隔离部分的阻抗较小地依赖于上述薄阻抗调节层，使用两个λ_HF/4匹配层时，在许多情况下可以去除该层。可以通过本领域技术人员公知的标准阻抗匹配方式来选择该第一和第二匹配层的特性阻抗。在LF1频带中，该第一低阻抗匹配层将近似作为与所述第二高阻抗匹配层与HF压电和负载的匹配层的组合质量相串联的弹簧，其中根据所述弹簧和负载系统的谐振频率选择该LF1频带的中心频率，其中能够对于LF1频带中的谐振来调节该弹簧和质量系统的材料参数。

在一个在HF频带中为隔离层提供高阻抗的效率稍低的实施例中，可以在所述大质量的阻抗调节层之前使用具有高特性阻抗的单个λ_HF/4匹配层。在LF1频带中，该单个匹配层将近似用作与HF压电和负载的匹配层的质量串联的质量，并且提供从该LF1压电层看到的具有感应相位的负载阻抗。这样不能提供最佳的阻抗匹配，但是可以获得有用的LF1电声转换函数形式。

上面已经给出了该隔离部分的一些相关结构的例子，但是本领域技术人员应当清楚，根据本领域技术人员已知的阻抗匹配原理，可以获得对于隔离部分的不同设计，其中本发明的本质在于使用具有至少两层的隔离部分。当LF1压电层由陶瓷聚合物复合材料制成时，该阻抗调节质量层是非常有用的，但是当该LF1压电层整个是由陶瓷制成时则可以省略。这种情形例如可以是，使用LF1层用于高功率治疗目的，而不进行波束方向控制。

根据本发明，可以通过在背板（backing）前面向后扩展压电层结构而向上述结构增加第二、第三等较低频带，同时对于每个新的低频带，在压电层前面具有包含隔离部分的部分，其中该压电层的谐振频率随着该结构中的位置向后移动而单调（monotone）降低。该隔离部分是根据与上述双压电层相同的原理而设计的，其中该隔离部分前面的反射系数在所述新部分前面相邻的压电层的谐振带中接近于1。在所述新压电层的谐振频率内，该新隔离部分与该隔离部分前面的层相互作用以提供该负载与新压电层之间的谐振阻抗匹配。因而，对于每个新的较低频带，在理论上可以通过这种新的隔离部分和压电层的组合来向后无限扩展该结构，其中最实际的应用除了该HF频带之外，总共需要2或3个较低频带。

该结构典型地末端具有背板（backing）材料，其具有高吸收性以至于在该背板材料上反射的波可以忽略不计。最后的压电层能够直接或者通过由阻抗匹配层构成的后匹配部分联接到该背板材料上。该背板材料可以用作声功率吸收剂以减小在该电声转换函数中的谐振。还能够以利用由吸收材料构成的匹配层抑制任何频带中的谐振，例如粘性阻尼聚合物材料，以及可以进一步向该聚合物材料中增加颗粒以增强吸收能力。粘性阻尼聚合物材料和填充有颗粒的聚合物材料还能够用于压电层的陶瓷/聚合物复合材料的聚合物填充。固体/聚合物复合材料还能够用于匹配层以调节该特性阻抗，其中能够使用粘性和/或填充有颗粒的聚合物以增强该匹配层的吸收。

有利地，所述隔离部分的重层或高阻抗层可以由一个或多个具有电子电路的电子基底层（典型地为Si层）制成，电子电路例如是用于该阵列元件的发射和接收放大器、通道数减少电路，通道数减少电路例如是用于将阵列元件组电子可选地电并联连接到波束形成器通道的开关，用于发射和接收之一或两者的子孔波束形成，从而可以通过减少数量的导线将阵列元件组连接到该探头或设备内以进一步处理。还可以通过对来自元件组或元件子孔组的信号的采样进行时分多路复用在单个导线上发射这些组的信号，其中该时分多路复用电路集成到所述电子基底层中以减少到该阵列的电缆连接。

有利地，该电子基底层可以是隔离部分的重阻抗调节后层的一部分，并且有利地，还可以是隔离部分的高阻抗前层的一部分。在后一种情形中，通过金属衬垫和已知的连接技术例如包含导电颗粒的各向异性导电聚合物胶、微焊接、超声键合等，能够将基底层前面上的电子电路直接连接到前面的阵列元件，例如HF阵列元件。有利地，在这些前面的电子基底层（例如开关元件选择、子孔电子器件等）中实现通道数减少电路以减少到进一步的处理电子器件的连接数，其可以包括隔离部分的阻抗调节后层或者为其一部分。然后可以利用穿过低导电性的匹配层的金属连接器来穿过该层获得这些数量减少的连接，该连接器足够薄以使其对该匹配层的特性声学阻抗的影响最小。为了扩展Si基底的背面隔离部分层的厚度以用于增加这些层中的处理和电路复杂性，后面的较低频率阵列有利地可以由陶瓷/聚合物复合材料制成，该复合材料具有接近于该电子基底的平均特性声学阻抗的平均特性声学阻抗（对于Si基底，该特性阻抗大约为19.7MRayl）以使得该电子基底层也对所述低频阵列的谐振起到限定作用。

具有电子器件的基底层还可以设置在HF阵列之前、HF声学匹配层之后。如果将该基底层设置在前面，该HF阵列有利地由具有接近于该电子基底层的平均特性阻抗的平均特性阻抗的压电陶瓷/聚合物复合材料构成，从而使得该基底层也对该HF阵列的谐振起限定作用。

在根据本发明的另一实施例中，为了获得HF和较低频率阵列共用的辐射表面，通过利用cmut/pmut技术激活基底上的振动膜以提供HF换能，同时利用所述cmut/pmut结构背面的压电层生成较低频率脉冲。在该cmut/pmut基底后面，有利地可以设置数个具有发射和接收放大器、电子开关、子孔波束形成电路等的电子基底层。Si的较高声学传播速度（8.44mm/μsec）意味着这些层的总厚度可以是Si中的LF1波长的分数，从而通过该Si层提供了低频发射的最小改变。通过使得最接近该基底的低频压电层形成为具有接近于该电子基底层的特性阻抗的特性阻抗的陶瓷/聚合物复合材料，这种改变可以进一步减小。从而根据上述说明，根据上述本发明的上述原理，能够利用更多在低频带（LF2，LF3，…）中具有谐振的压电层向后扩展该结构，包括用于在前面各层的频带中振动的隔离部分。

在根据本发明的另一实施例中，为了获得HF和LF1阵列共用的辐射表面，利用一个公共基底上的分离的的cmut/pmut膜生成该HF和LF1脉冲，该膜相互并排布置或者布置成HF膜在LF1膜之上。然后可以优化该HF、LF1膜以便在它们各自的频带中工作。在根据本发明的另一实施例中，为了获得用于HF频带和多于一个低频带的共用阵列辐射表面，利用在公共基底上的用于不同频带的不同cmut/pmut膜生成该HF频带和多于一个低频带。该用于不同频带的膜可以相互并排布置，或者将该膜中的一些或全部层叠在其他薄膜之上并且其中频带从低到高增加，而其余的膜直接设置在该基底上位于该层叠膜的旁边。在这些实施例中，有利地还能够在该cmut/pmut基底之后设置数个具有发射和接收放大器、以及波束形成电路等的电子基底层，并且如上所述，可以通过在前面增加具有隔离部分的较低频率压电层来向后扩展该结构。

该阵列能够用于在该每个频带中发射和接收。美国专利申请10/189350和10/204350中引用的方法将会发射双频带复合信号，并且仅使用接收的最高频带中的信号用于测量或图像信号的处理。然后能够从该探头中的任何频带中选择该发射的双频带复合信号的频带。

本发明还可用于稀疏阵列，其中来自HF孔的栅瓣应当与低频阵列的可能的栅瓣不同，从而例如通过根据美国专利申请10/189350和10/204350的成像方法和设备，抑制所发射的HF栅瓣的效应。

本发明还公开了使用根据本发明的声学多频带阵列探头的用于不同目的的设备，例如使用该探头的不同频带在不同的深度成像，或者在不同频率进行声学组织治疗，或者根据美国专利申请10/189350和10/204350中所述的方法成像，或者以任何方法组合声学治疗和成像。可以由该设备选择频带，根据该设备的操作设置自动选择或者由设备操作人员通过设备控制器人工选择。例如通过美国专利申请10/189350和10/204350号中所述的成像方法，低频孔的辐射表面可选地变为等于HF发射孔，或大于HF孔，其中该HF辐射区域是该较低频率辐射区域的一部分，并且LF1和/或HF孔能够选择为具有不活动的中心区域。

附图说明

图1示出了希望发射的低频（LF1）和高频（HF）脉冲复合信号的例子；

图2示出了根据本发明的HF和LF1辐射表面示例，以及对于HF和LF1脉冲相位关系的分析；

图3示出了根据本发明的双压电层和三压电层堆叠布置的横截面，其使得两个和三个频带脉冲通过一个公共的前表面发射和接收；

图4示出了共同实现图3中的压电部分隔离的其他层结构，以及被集成在声学叠层（acoustic stack）中的集成电路层；

图5示出了根据本发明的相控阵列探头的正视图；

图6示出了用于减少阵列元件的电阻抗的双压电层布置的示例；

图7示出了具有cmut/pmut微加工换能器单元的基底的正视图；

图8示出了一个换能器叠层的横截面，其中通过用于LF1换能的压电层前面的基底上的cmut/pmut单元生成HF换能，并且还包括具有集成电子器件的基底层；

图9示出了一个换能器叠层的横截面，其中通过用于HF换能的压电层前面的基底上的cmut/pmut单元生成LF1换能；

图10示出了被实现为微加工在基底上的cmut/pmut换能单元的组合的LF1和HF部分的正视图和横截面视图，其中HF单元设置在LF1单元的上方；

图11示出了布置成稀疏阵列的LF1和HF阵列的正视图，其中该HF和LF1元件相互间隔布置；

图12示出了被实现为微加工在基底上的cmut/pmut换能单元的组合的低频和高频部分的正视图，其中该低频和高频单元相互并排布置；

图13示出了如何利用图8-12中的cmut/pmut结构获得第三电声换能带。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明的实施例。我们从描述双频阵列的解决方案开始，描述如何利用相同的原理扩展这些设计以便在3个或更多频带中工作。如上所述，在图1中示出了希望发射的双频脉冲的典型示例。该阵列设计的挑战在于辐射表面的设计，以使得HF脉冲保持在LF1脉冲的预期位置中，从而在保持LF1脉冲的足够幅度的同时获得足够的图像范围，并且该挑战还在于振动结构的设计，以通过该同一表面发射频率分离如此宽的LF1和HF脉冲。

在一些应用中很重要的是，在HF脉冲的位置处的LF1脉冲的幅度在足够的成像范围内尽可能高并且近似为常数。这可能需要较大孔的LF1辐射表面，以避免由于LF1脉冲的较长（与HF脉冲相比）波长而导致的LF1波束衍射扩展。HF发射孔的宽度能由HF发射焦点区域的长度需求所限制。这就产生了一种情形，即希望获得比HF孔更大的LF1孔，从而导致HF脉冲的位置相对于LF1脉冲发生滑动。

为了进一步分析该滑动现象，我们考虑圆形孔，因为已经存在对于这种孔的轴上的场（field）的分析表示。图2a以示例方式示出了一个直径D_HO=2a_HO的圆形HF发射孔201，以及同心的LF1发射孔202，发射孔202在该示例中表示为外径D_LO=2a_LO和内径D_LI=2a_LI的环。横截面图中将HF和LF1发射孔表示为203，其中以示例的方式将它们弯曲成具有相同的焦点F，即204。该HF和LF1发射孔的共同焦点是以示例方式选择的，在其他情形中两个孔可以具有不同的焦点，其中LF1孔还可以是不聚焦的。LF1和HF孔在频率ω处的发射轴向连续波场是轴向距离z的函数，表示为：

$R_{\mathrm{LF}}(z,\mathrm{\ω})=\frac{F}{z}\frac{e^{{-\mathrm{ikR}}_{\mathrm{LI}}\left(z\right)}{-e}^{{-\mathrm{ikR}}_{\mathrm{LO}}\left(z\right)}}{F/z-1}{P}_{\mathrm{LO}}\left(\mathrm{\ω}\right)---a)$

$={i2e}^{-\mathrm{ik}(R_{\mathrm{LO}}\left(z\right)+R_{\mathrm{LI}}\left(z\right))/2}\frac{F}{z}\frac{\sin k(R_{\mathrm{LO}}\left(z\right)-R_{\mathrm{LI}}\left(z\right))/2}{F/z-1}{P}_{\mathrm{LO}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

                                                 (1)

$P_{\mathrm{HF}}(z,\mathrm{\ω})=\frac{F}{z}\frac{e^{{-\mathrm{ikR}}_{\mathrm{HI}}\left(z\right)}{-e}^{{-\mathrm{ik}}_{\mathrm{HO}}\left(z\right)}}{F/z-1}{P}_{\mathrm{HO}}\left(\mathrm{\ω}\right)---b)$

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

其中k=ω/c，ω是发射脉冲的角频率，c是声学传播速度。示为205的R_LO(z)是从LF1孔的外边缘到z轴上的z点（208）的距离，示为206的R_LI(z)是从LF1孔的内边缘到z轴上的208的距离，示为207的R_HO(z)是从HF孔的外边缘到z轴上的208的距离，R_HI(z)是从HF孔的内边缘到轴上的208的距离。由于HF孔在中心没有缺失的部分，所以得到R_HI(z)=z，但是还要考虑直径D_HI=2a_HI的HF孔的中心部分缺失的情况。

P_LO(ω)是在该孔处的LF1发射压力，P_HO(ω)是在该孔处的HF发射压力。吸收介质能够通过复数波向量k=k_r(ω)-ik_d(ω)=ω/c_p(ω)-iαω来建模，其中虚部-k_d表示功率吸收，实部k_r表示具有大致频率相关的相速度c_p(ω)的波传播。该吸收会产生相速度的频率变化，并且在大多数具有相似吸收性的组织和材料的情形中可以忽略，即c_p(ω)≈c。由于多重驰豫（relaxation）现象，吸收系数通常与频率成比例，即k_d(ω)≈αω。

从等式（1a,b）中的第一行可以发现，近场中的压力分解成两个脉冲，对于LF1脉冲来说是延迟为R_LI(z)/c和R_LO(z)/c的两个脉冲，对于HF脉冲来说是延迟为R_HI(z)/c（距离中心）和R_HO(z)/c的两个脉冲。当z增加时，这些脉冲之间的延迟差减小，从而该两个脉冲开始干涉，不论是LF1还是HF波。然后由于该边缘脉冲之间的干涉，我们可以获得比P_LO(ω)和P_HO(ω)所给出的更长的、具有复合中心部分的脉冲。该干涉如果是相消性干涉，则会在LF1和HF脉冲的中间产生零，如果是相长干涉，则会产生最大值。对于z<F，在从外边缘到该轴上z的传播距离比从内边缘到z的传播距离更长，因而对于吸收介质来说，不能获得LF1和HF脉冲的中心部分为零的完全的相消干涉。压力驱动幅度在该阵列表面中进行变迹（apodization），从而使得该驱动幅度向着边缘减小，也会从该边缘开始减小脉冲的幅度，即对于LF1脉冲延迟R_LO(z)/c，对于HF脉冲延迟R_HO(z)/c。

在焦点区域，等式（1a,b）的第二行的泰勒展开显示：该两个脉冲之间的干涉产生了逼近焦点中的发射脉冲P_LO(ω)和P_HO(ω)的时间导数的脉冲，并且具有由该相位项限定的延迟。在未聚焦孔的远场中也会发现这种情况，并且通常涉及波束宽度由衍射限制的区域。等式（1）中的相位项表示该LF1和HF孔的平均传播滞后（lag），分别为：

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{LF}}\left(z\right)=\frac{1}{2c}(R_{\mathrm{LO}}\left(z\right)+R_{\mathrm{LI}}\left(z\right))$

                                                        (2)

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{HF}}\left(z\right)=\frac{1}{2c}(R_{\mathrm{HO}}\left(z\right)+R_{\mathrm{HI}}\left(z\right))$

该发射的LF1脉冲P_LO(ω)朝向焦点的差异产生了LF1脉冲振荡的T_LF/4的额外时间推进，同时对于该脉冲包络具有很小的影响，其中T_LF是LF1脉冲中心频率的时间段。从而可以看到，在焦点区域中，LF1和HF脉冲长度由该阵列表面上的发射的脉冲长度决定，伴随着由于等式（2）所示差异和传播滞后而导致的振荡相位的90度变化。由于LF1脉冲的差异以及当D_LO>D_HO时，HF和LF1脉冲将获得彼此不同的z相关传播延迟，并且HF脉冲相对于LF1脉冲的位置将滑动一定深度，例如在209-211中所示的深度z1、z2、z3。

虽然上述公式是针对圆形孔给出的，但是它们也说明了对于任意形状孔的一般原理，因为该辐射的波束是作为原点在该孔的所有点上的球面波之间的干涉而生成的（惠更斯原理）。因而，从HF孔外部的LF1孔上的点产生的波将比HF孔上的点具有更长的到轴的传播距离。这些传播距离之间的差随着深度z变化，从而其导致了HF和LF1脉冲之间的位置滑动。

可以看到，当LF1和HF发射孔相等时，LF1和HF脉冲在焦点区域没有滑动，但是由于LF1脉冲在衍射限制区域中的时间差异，可以使得LF1脉冲振荡从近场向焦点推进了T_LF/4。与HF发射孔相等的LF1发射孔在许多情况下都可能太小，以致产生太高的归因于衍射的LF1束发散。因此，通常希望有一个比HF发射孔更宽的LF1发射孔。这在HF和LF1脉冲之间随着深度而产生了一些额外滑动，可以通过确定该发射孔的尺寸来将其设定在可容忍的限制之间。该滑动还能够用于不同的目的，例如用于补偿LF1脉冲幅度的变化，从而使得在HF脉冲位置处观察到的LF1压力具有比LF1脉冲幅度更小的随着深度而发生的变化。

为了进一步分析LF1和HF孔不同的情况，下面我们继续讨论圆形孔。对于公共焦深F，可以得到LF1和HF孔的内外边缘的距离为：

$R_{\mathrm{gO}}\left(z\right)=\sqrt{z^2+{2e}_{\mathrm{gO}}(F-z)}$ $e_{\mathrm{gO}}=F-\sqrt{F^2-a_{\mathrm{gO}}^2}\&ap;\frac{a_{\mathrm{gO}}^2}{2F}$ g=L，H

(3)

$R_{\mathrm{gI}}\left(z\right)=\sqrt{z^2+{2e}_{\mathrm{gI}}(F-z)}$ $e_{\mathrm{gI}}=F-\sqrt{F^2-a_{\mathrm{gI}}^2}\&ap;\frac{a_{\mathrm{gI}}^2}{2F}$ g=L,H

其中D_LO=2a_LO，D_LI=2a_LI，D_HO=2a_HO，D_HI=2a_HI。当根号下的最后一项相对较小时，就可以近似为：

$R_{\mathrm{gO}}\left(z\right)\&ap;z+\frac{F-z}{2\mathrm{Fz}}{a}_{\mathrm{gO}}^2$ $R_{\mathrm{gI}}\left(z\right)\&ap;z+\frac{F-z}{2\mathrm{Fz}}{a}_{\mathrm{gI}}^2$ g=L,H(4)

然后通过将等式（4）插入到等式（2）中就可以得到LF1和HF脉冲之间的传播滞后差的z变化，即：

$\mathrm{\&Delta;\&tau;}\left(z\right)={\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{LF}}\left(z\right)-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{HF}}\left(z\right)=\frac{1}{{2c}_0}\frac{F-z}{2\mathrm{Fz}}(a_{\mathrm{LO}}^2+a_{\mathrm{LI}}^2-a_{\mathrm{HO}}^2-a_{\mathrm{HI}}^2)---\left(5\right)$

从而，通过选择

$a_{\mathrm{HO}}^2+a_{\mathrm{HI}}^2=a_{\mathrm{LO}}^2+a_{\mathrm{LI}}^2---\left(6\right)$

就可以以该近似内的精度，获得HF和LF1脉冲在LF1脉冲的焦点范围中的零滑动，即使在LF1发射孔的外部尺寸大于HF孔的外部尺寸的情况下。

去除该HF发射孔的中心部分的缺点是，HF发射束中的旁瓣会增加。然而，这些旁瓣还会由动态聚焦的HF接收孔所抑制。等式（4）中的近似最好是在波束焦点附近，等式（6）没有完全去除在低深度处LF1和HF脉冲之间的相位滑动。对于除了圆形孔之外的情况（例如矩形孔），不存在像等式（1）一样的轴向场的简单等式，但是上述分析为选择去除中心的HF发射孔提供了指导，以实现LF1和HF脉冲之间随着深度的最小相位滑动。通过一些二维阵列，可以将发射孔近似为圆形孔，从而可以使用等式（6）作为指导以形成LF1和HF脉冲之间的最小相位滑动。

不同的测量情形对于LF1幅度的可容忍变化以及HF和LF1脉冲之间的位置滑动有不同的需求，因此通常希望LF1发射孔由元件构成为使得该LF1发射孔的有效宽度可以与HF和LF1脉冲的相对发射定时一起选择，从而可以在预期的范围内获得最佳可能的幅度和该两个脉冲的相对位置。本发明提供了一种使用这种探头的设备，其中可以通过该设备根据应用（例如抑制多重散射噪声或检测造影剂微泡）和图像深度来自动选择活动的（active）LF1发射孔表面，或者通过设备操作员手动完成。另外还希望改变HF发射孔，在该散射的HF信号接收期间，典型地，希望接收孔能够随焦点动态增大以跟随散射体深度。因而，一个优选的解决方案是，具有共用辐射表面的组合LF1和HF阵列，但是其中可以根据应用来选择实际的LF1和HF发射孔，其中LF1发射孔典型地大于HF发射孔，同时HF接收孔可以被选择为宽的或者可能在较大的深度比LF1发射孔更宽，例如是随着深度变化的动态接收孔。

在上述例子中，LF1和HF发射幅度具有共同的焦点，这在一些情形中是优点，但是在用于不同目的的波束设计中，也可以采用LF1和HF发射焦点不同的方案。例如，为了实际的目的，可以使用完全（flat）位于HF孔外部的LF1阵列，并且该阵列具有与该HF孔中的HF阵列相同的曲率或透镜焦点。对于一些应用，可以优选地使用未聚焦的LF1孔，其宽度足以使得实际的成像范围在LF1孔的近场区域内，以避免当有人进入LF1波束的衍射限制区域（远场，焦点区域）中时由于LF1脉冲差异而导致LF1脉冲的相位变化。通过使用HF波束方向与辐射表面（孔）垂直的开关线性HF阵列，对于一些应用，LF1孔可以是具有比线性HF阵列更宽孔的单元件阵列换能器，从而使得LF1近场区域覆盖整个HF成像范围，例如图2b所示。在该图中，220示出了单元件LF1阵列的正视图，其产生如侧视图221所示最大图像深度为Z的波束，在这一例子中位于LF孔的近场内。222示出了线性HF阵列的辐射表面的正视图，显示出线性阵列元件223，其中选定的元件组产生一个选定的产生HF发射波束225的HF发射孔224。为了成像，在矩形图像场226内扫描HF发射和接收波束，同时LF1波束覆盖了所有HF波束的场221。

图2b中的示例实施例对于获得LF1压力沿着HF脉冲传播的小的变化是有用的，这可以用于成像微泡和硬散射体的非线性散射，如美国专利申请10/189350和10/204350中所述。然而，例如在一些申请中所述的，为了增强对于多重散射噪声的抑制，采用图2c所示在中心区域不活动的LF1孔是有用的。该图显示了LF1孔220，其由两个元件组成，即中心元件227和其周围的外部元件228。在这一实施例中，中心元件大于HF孔222，但是也可以预见到元件227在竖直（elevation）方向上比HF孔窄的应用。为了成像非线性散射，两个LF1元件227和228典型地并联电耦合以得到图2b所示的活动LF1发射孔220。为了增强对于HF多重散射噪声的抑制，可以仅使用外部元件228来发射LF1脉冲，这将减少HF和LF1脉冲在HF近场中的非线性相互作用。

因此，本发明针对发射双频带脉冲复合信号的不同挑战而提供了解决方案，其中通常希望在LF1和HF脉冲的多个辐射表面中选择，如图2d概念上示例的。孔的形状被选择为圆形以概念性地说明其变化，其中还可根据对其应用的最佳适合而选择任何形状的孔，例如矩形、椭圆、曲线形等。在图2d中，230示出了一种概念，其中HF孔（235）与LF1孔（236）的部分共用一个公共孔238，同时LF1孔还扩展到HF孔的外部。231示出了一种更改的概念，其中作为LF1辐射表面，LF1孔的中心部分237是不活动的，例如用于减少LF1和HF脉冲在HF近场中的非线性相互作用。232示出了对于231的进一步更改，其中LF1孔的不活动中心部分被扩展得比HF孔更大，而233示出了一种更改，其中LF1和HF孔相等。在许多情形中，希望获得一种阵列，其中可以在这些概念情形中的两个或更多之间选择以用于测量或成像的不同操作。该孔的选择例如可以由该设备根据应用来自动实现，或者通过设备操作员手动实现以在给定的测量情形中优化图像质量。

根据本发明的双频带或多频带阵列的另一示例应用是，使用不同频带以相同的探头在不同的深度范围上成像，以用于优化对于不同成像深度的频率选择。于是可以使用该HF频带在较低的深度成像以提高焦点在这些深度时的分辨率，例如一个在10MHz工作的开关线性阵列，以及使用LF1频带以相应地较深的焦点在较深的深度成像以提高穿透性，例如在2.5MHz工作的线性相控阵列。例如希望这种探头具有便携式扫描仪，特别是用于紧急情况时，希望减少需要携带的探头数量。通过将孔划分为阵列元件，可以根据已知的方法电子控制LF1和HF孔的焦点深度以及波束方向。由于LF1频带的较大波长，所以与共同辐射表面内的HF阵列元件相比，LF1频带的阵列元件会具有更大的辐射表面，并且在相邻元件中心之间有更大的距离，例如以下关于图5所讨论的。在图2b中，我们甚至使用了由单个元件组成的LF1阵列，而HF阵列具有大量的元件。在图2c中，我们还看到LF1和HF元件具有不同的形状。因此，本发明提供了一种具有共用辐射表面的组合LF1和HF阵列的通用方案，并且可以容许电子地选择孔、频率和焦点以优化在不同情形中的测量，可以由该设备根据应用来自动实现，或者通过设备操作员手动实现以优化图像质量。

由于LF1和HF频带之间的宽的分离，该共用辐射表面提出了对于电/声变换的结构设计的挑战，而本发明提供了对这个问题的多个解决方案。图3a示出了一种压电和声学层叠层的第一示例，其允许具有频率分离较宽的LF1和HF脉冲从同一辐射表面上操作。该图显示了穿过分层结构的横截面，其通过辐射表面辐射和接收两个频带，辐射表面至少具有与负载材料301声学接触的公共区域302。对于典型的应用，也可以在该共用表面外部的分离表面上发射和接收该LF1和HF成分。然而，对于在整个孔上相等的LF1和HF转换函数，使用在整个孔上具有相同厚度的叠层，并且由如下所述的活动元件电极的区域限定该LF1和HF孔是有利的。

HF脉冲由换能器阵列组件303接收和/或生成，其在这一例子中由在HF频带上谐振的压电层304以及在前面声学连接到负载材料301的两个声学匹配层305和306组成。该声学接触可以是直接或者通过流体和圆顶接触，都可以根据已知的方法实现。压电层304在正面和背面具有一组电极，其在电学上限定了该阵列元件，例如图3a示出了一个阵列元件的电极307和308的横截面，其形成了该元件的电端口309。通过利用HF频带上的电压信号V₀驱动该电端口309，将在辐射表面302上生成振动，该振动生成以高频带中的频率传播入负载材料中的波310。类似地，具有高频带中的频率的入射波311将产生跨HF端口309的电压振荡。

在这一示例实施例中，通过换能器阵列组件312生成LF1脉冲，该组件312包括在LF1频带中谐振的压电层313，在其正面覆盖有分层部分317以使该HF结构中的HF振荡与LF1结构声学隔离。该隔离部分设计成使得在HF组件303与该隔离部分之间的反射系数在HF频带上接近于1，从而避免LF1结构对HF频带中HF结构的振荡的干扰。该隔离部分被设计成使得在LF1频带中，其与该隔离部分前面的探头层配合以提供LF1压电层313与该负载材料的声学匹配。当该LF1压电层由陶瓷/聚合物复合材料制成时，有利地，隔离部分317由至少两层构成，其中该部分的后层或后层组318优选为重的、阻抗调节结构，其原因如下所述。该整个换能器组件安装在背板材料320上，其具有足够高的吸收性以使得可以忽略该背板材料中的反射波。在一些实施例中，根据已知的方法，在LF1层313和背板320之间能够具有阻抗匹配层以增强该声学耦合。该图还显示了用于一个特定LF1阵列元件或者LF1阵列元件的部分的电极314和315的横截面，因为LF1阵列元件通常比HF阵列元件更宽。该电极包括LF1电端口316，其中利用LF1频带中的电压信号V₁驱动该端口在该阵列正面302上产生LF1振荡，这向负载材料301中辐射波310。

当从正面进入该隔离部分的阻抗低于或高于HF压电层的特性阻抗时，可以获得HF压电层和隔离部分之间的接近于1的反射系数。当从正面进入该隔离部分的阻抗在HF频带中低时，如果HF压电层在HF频带中心附近的厚度为半个波长时（或者半波长的整数倍，其中半波长是最高效的），HF压电层将具有厚度谐振。当从正面进入该隔离部分的阻抗在HF频带中较高时，如果HF压电层在HF频带中心附近的厚度为四分之一波长时（或者四分之一波长的奇数倍），HF压电层将具有厚度谐振。与HF压电层的半波长谐振相比，该四分之一波谐振通常会使得HF层谐振的带宽更宽并且电阻抗的相位角更小。

由于HF和LF1频率的分离，HF压电层304的厚度比LF1压电层313的厚度小。因此，该元件之间或者LF1层的成分中的剪切就需要比HF层中的剪切更厚的锯片。因此，在实际制造情形中，控制HF层的陶瓷柱是否连接到LF1压电层中的陶瓷或聚合物填充物是困难的。为了使得匹配部分317的HF隔离特性对于到LF1陶瓷或聚合物填充物的连接具有足够低的敏感度，本发明使得该部分317的接近LF1压电层313的后层或层组318由具有高声学阻抗的重材料制成，例如金属Ag、Cu、Au、Pd、Pt和W，或者甚至是陶瓷材料或集成电子基底，如下所述。层318的较大抗剪刚度还将有助于减少对于317到陶瓷或聚合物填充物的连接的敏感度，但是318的大抗剪刚度还将导致LF1阵列元件之间的侧向震荡耦合，因而应该限制该层的厚度，同时仍然使得从正面进入该部分317的阻抗对于在后侧到陶瓷或聚合物填充物的连接足够不敏感。如下所述，发现层318的厚度小于λ_HF/20是有用的。在上述所列的金属中，Ag、Au、Pd和Pt具有最低的抗剪刚度以及较高的质量密度，其使得该材料对于减少对317到陶瓷或聚合物填充物的连接的敏感度以及在LF1阵列元件之间有最低的侧向耦合最为有效。

该隔离部分317的其他层典型地选择为在高频具有λ_HF/4的厚度。例如可以通过在所述阻抗调节层318前面的匹配层获得进入该隔离部分317的低阻抗，其中所述匹配层具有低特性阻抗并且为HF频带中心处四分之一波长厚（λ_HF/4）。所述匹配层优选地可以由聚合物或类似材料制成。例如可以通过在所述大质量阻抗调节层318前面的具有低特性阻抗的第一λ_HF/4匹配层获得进入该隔离部分的高阻抗。该第一匹配层连接到具有高特性阻抗的第二λ_HF/4匹配层，该第二λ_HF/4匹配层连接到HF压电层。该第一和第二匹配层的特性阻抗的选择可以通过本领域技术人员已知的标准阻抗匹配技术实现。当第二λ_HF/4匹配层的特性阻抗足够高时，还可能省略该阻抗调节结构318而不会造成对HF电声转换函数大的更改。

图3b-d示出了层318对于从前面进入该部分317的阻抗的影响的例子。在图3b中，隔离部分317包括在10MHz为λ/4厚的单个聚合物层。曲线321将该层在背面连接到陶瓷时从前面进入317的声学阻抗表示为频率的函数。进入层313的陶瓷的阻抗在LF1陶瓷厚度是λ/2的整数倍时的低背板阻抗值Z_B和LF1陶瓷厚度是λ/4的奇数倍时的高值(Z_cer)²/Z_B>Z_B之间振荡。Z_cer是该陶瓷的特性阻抗。然后该λ_HF/4聚合物层317将该阻抗转换为以接近于10MHz的频率振荡的曲线321，其最小值接近于(Z_pol/Z_cer)²×Z_B，峰值接近于Z_pol ²/Z_B，其中Z_pol是该λ_HF/4聚合物层的特性阻抗。曲线322将该部分317连接到LF1陶瓷柱（posts）之间的聚合物填充物时从前面进入317的阻抗表示为频率的函数。进入层313中的聚合物填充物的阻抗在该填充物厚度是λ/2的整数倍时的高背板阻抗值Z_B和该填充物厚度是λ/4的奇数倍时的低值(Z_fill)²/Z_B<Z_B之间振荡。Z_fill是该层313的陶瓷/聚合物复合材料中的陶瓷柱之间的聚合物填充物的特性阻抗。然后该λ/4聚合物层317将该阻抗转换为接近于10MHz的振荡变化曲线322，其峰值接近于(Z_pol/Z_fill)²×Z_B，最小值接近于Z_pol ²/Z_B。

图3c示出了当20μm厚的Cu层318（大约是10MHz时Cu的λ/25）插入到图3b所述的λ_HF/4聚合物层后侧上时从前面进入部分317的阻抗。曲线323显示了当该Cu层连接到LF1陶瓷柱之间的聚合物填充物时从前面进入317的阻抗。这种厚度的Cu层提供了进入到该填充物的该Cu的质量（mass）负载额外的电感性阻抗，其增加了从该λ_HF/4层到背面的阻抗，并且该λ_HF/4层将该阻抗反转为在7-13MHz的频带中的<2MRayl的阻抗，这提供了在该频带中对于HF和LF1部分的非常好的隔离。曲线324显示了当该部分317连接到LF1陶瓷柱时进入到317中的阻抗。注意到，该Cu层的影响使得当连接到聚合物填充物时从321到324的曲线比从322到323的曲线做了更少的改变。其原因是，该陶瓷具有高特性阻抗，该Cu层主要是改变了从该λ_HF/4层背面看到的低阻抗和高阻抗的频率，而不是该低阻抗和高阻抗的值。然而，通过使用足够高的背板阻抗，例如在这一例子中为Z_B=5MRayl，当连接到陶瓷时在7-13MHz频带中看到的进入该隔离部分317的最大阻抗仍然小于2MRayl，这就给出了在该频带中从HF部分看到的较高隔离。

图3d中示出了该Cu层对于HF电声转换函数的影响。曲线325示出了当隔离部分317如图3b所示由单个λ_HF/4聚合物层构成并且连接到背面的聚合物填充物时的HF转换函数。我们注意到，该曲线显示了由于LF1部分312中的内部HF反射导致的谐振，因为阻抗曲线322不能在HF压电层304的背面提供足够的反射。引入20μm的Cu层318将该转换函数变为曲线326，其中由于LF1部分中的反射而产生的谐振消失了。曲线328显示了当该部分317直接连接到陶瓷而不需要层318时的转换函数，其中当引入Cu层时该曲线变为327。我们注意到，该Cu层除去了曲线325中的谐振，并且使得用于连接到聚合物填充物的转换函数326和用于连接到LF1部分的陶瓷的328近似相等。从而该图说明了，引入Cu层使得HF电声转换函数对于该隔离部分是否连接到层313中的聚合物填充物或陶瓷不敏感。于是该双频带电声转换函数典型地可以采用图3d所示的形式，其中331表示用于LF1端口的转换函数，332表示用于HF端口的转换函数。

应当注意到，该薄Cu层的重要影响是它的质量，即ρL，其中ρ是该层质量密度，L是该层的厚度，其引入了电感性阻抗。因此该层有利地由任何重材料构成，例如Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W、陶瓷、或这些材料的合金、或者是烧结在一起或以溶剂胶粘的这些材料的合金或这些材料的粉末。最重的材料能够得到最薄的层，并且如上所述，材料Ag、Au、Pd、Pt由于它们的质量密度而具有最低的抗剪刚度，因此能够产生LF1元件之间最小的侧向耦合。Si的波传播速度是8.44mm/μsec，Al的波传播速度是6.4mm/μsec。这就使得该层可以很厚（L）同时又满足L<<λ_HF，从而使得该层具有质量负载的效应。因此对于Si和Al层都可以获得足够的质量ρL，如下所述。

层318还可以包括如图4a所示的层313中的陶瓷部分，其中使用与图3a中相同的层标记。LF1压电层313中填充有聚合物的切口401是从该层的背面切割的，但不是完全切割穿该LF1陶瓷层313，从而保留了完整的陶瓷层402并将其包含在HF隔离部分317的层318中。LF1前电极315也能够制作得足够厚以使其在HF频带中具有声学效应，并且还可以被包含作为层318的一部分。

关于如何使LF1压电层与LF1频带中的负载相匹配的近似分析，可以通过使得所述隔离部分匹配层和具有负载匹配层的HF压电层都会比LF1频带中的波长更薄来实现。于是高阻抗层之间的较薄低阻抗层将近似用作与该结构其余部分串联的弹簧，同时该薄高阻抗层将用作串联质量。当隔离部分317包括在阻抗调节层318前面的单个λ_HF/4低阻抗匹配层时，为了进入该HF频带中的隔离部分的低阻抗，该LF1压电层313将在前面观察到该低阻抗λ_HF/4层的弹簧与受HF压电层304的质量控制的HF部分303的质量相串联。当该隔离部分具有第二λ_HF/4高阻抗匹配层以获得如上所述进入该隔离部分的高阻抗时，该高阻抗λ_HF/4匹配层将提供与该低阻抗λ_HF/4匹配层的弹簧串联的额外质量。于是优选地，该LF1频带的中心频率可以选择为在该弹簧和质量系统之间的谐振附近，其中从背面看到进入所述隔离部分匹配层的阻抗的相位为零。该谐振频率可以通过改变所述低阻抗λ_HF/4匹配层的刚度以及HF压电和负载匹配层（以及317的高阻抗λ_HF/4匹配层）的质量密度来调节。该质量密度例如可以通过改变HF压电复合物中的填充的陶瓷体积来调节。

在一种提供进入HF频带的隔离部分中的高阻抗的效率稍低的设计中，可以在所述大质量阻抗调节层的前面使用具有高特性阻抗的单个λ_HF/4匹配层。在LF1频带中，该单个匹配层将近似用作与HF压电和负载匹配层的质量串联的质量，并且提供从LF1压电层看到的具有电感相位（inductivephase）的负载阻抗。该匹配系统不提供最优的LF1阻抗谐振匹配，但是可以获得一种有用的LF1电声转换函数的形式。

使用该压电层之间的隔离部分的方法，理论上可以无限向后增加在较低谐振频率的压电层，对于大多数应用为一或两层，其中图3e示出了向图3a的结构增加一个较低频率层的一般原理。在图3e中，将称为LF2的第二较低频率部分340增加到称为LF1的第一较低频率部分312的后面。该LF1和HF部分303的层具有与图3a中相同的标记。该LF2部分包括压电层341以及在其前面的隔离部分342。该隔离部分的目的是隔离前面的部分312在LF1频带中的振荡向后传播到LF2部分340中，从而以与上述HF隔离部分317相同的方式抑制该部分340与312在LF1频带中的振荡发生干涉。于是该压电层341的前面和背面覆盖有电极344和345以形成该LF1阵列的元件的电端口346，其中该图示出了单个阵列元件或LF2和LF1阵列元件的一部分，这些比HF阵列元件更宽。

当从前面进入该隔离部分的阻抗比前面的相邻压电层313的特性阻抗高得多或低得多时，可以获得该隔离，如前对于HF隔离部分317所述。对于从前面进入342的高阻抗，压电层313将在λ_HF/4谐振工作，而对于从前面进入342的低阻抗，压电层313将在λ_HF/2谐振工作。对于较高的医学超声频率（～10MHz及以上）优选使用该λ_HF/2，因为这样可以得到较厚的压电层以简化加工，而对于较低的医学和声纳频率，可以优选使用λ_HF/4谐振，因为这样可以获得更宽的带宽并且需要更少的昂贵的压电陶瓷材料。如果压电层341被制成为复合物，有利地，该隔离部分342包括至少两层，其中后层343是重的、比LF1波长更薄的阻抗调节层，与318类似，用于减少当LF1压电层313的陶瓷柱连接到层341的陶瓷柱或聚合物填充物时的阻抗差异。

在LF2频带中，LF2部分前面的层如此薄以致它们近似作为弹簧或串联的质量起作用。于是该隔离部分342的低阻抗层通常作为与前面层的质量串联的弹簧起作用，并且该LF2频带的中心被选择为该系统的谐振，如上对于LF1频带所述。该背板材料可以用作声学功率吸收器以减少该电声转换函数中的峰值谐振。为了改善到该背板的声学耦合，还可以根据已知的方法在340和背板320之间引入声学匹配层。在任何频带中的谐振还可以通过吸收材料的匹配层来抑制，例如粘性聚合物材料，还可以向该聚合物材料中添加颗粒以增强吸收能力。还可以在该压电层的陶瓷/聚合物复合材料的聚合物填充物中使用粘性聚合材料和填充有颗粒的聚合材料。固体/聚合物复合材料也可以用于对层进行匹配以调节特性阻抗，其中可以使用粘性和/或填充有颗粒的聚合物以增强该匹配层的吸收。

现在应该清楚，可以通过在后面增加另外的较低频率部分来重复该过程，每个部分包括用于声电耦合的压电层和用于在前面相邻部分的频带中的振荡的隔离部分。因此在理论上可以无限重复该过程，其中大多数应用仅需要单个或两个较低频带。

图3a、e和图4a示出了例如根据本发明的阵列的元件或部分元件的厚度结构，其中本领域技术人员将会清楚，本发明可以被用于构建任何组织结构的声学阵列，例如环形阵列、线性相控、线性开关阵列、或在竖直方向上划分为从1.5D到1.75D直到2D的许多标度的线性阵列以用于波束的完全3D控制。阵列元件的横向宽度（辐射表面）典型地受到与目标中的波长的比的限制。因为LF1波长大于HF波长，所以通常使用比HF阵列元件宽的LF1阵列元件（更大的元件辐射表面）。从而图3a和图4a中的隔离部分使得可以独立选择LF1和HF阵列元件，因为HF隔离实际上与该隔离部分是否端接陶瓷或聚合物无关。这就例如使得用于不同频带的阵列具有不同的特性，例如但不限于，用于HF频带的1.5D线性开关阵列和用于LF1频带的线性相控阵列。当该LF2阵列用于治疗时，在一些应用中，不需要控制波束方向，并且该LF2阵列能够制作为具有固定焦点的单个元件，或者用于控制焦点深度的环形元件。利用整个由陶瓷构成的单个LF2元件，可以省去在该LF2层前面的隔离部分较重的后层，因为前面的陶瓷柱末端将是陶瓷，而不论其侧向位置如何。

当根据本发明的多频率探头用于在不同频率在多个深度范围成像时，前面的HF阵列通常用作开关线性（或曲线）阵列，而LF1阵列用于相控阵列成像。从而所需要的HF和LF1阵列的元件间距可以是相同的，例如对于7MHz的HF开关阵列为0.3mm，其中对于2.5MHz的相控阵列来说，该相同间距是λ_HF/2。然而上面给出的隔离部分的结构仍然有用，因为有时会需要在HF陶瓷/聚合物复合材料中有比LF1复合材料中更密集的切口，而且如上所述的隔离部分317还使得在HF和低频阵列之间侧向定位精度稍低。较大的LF1波长还有利于使用如上所述比HF发射孔大的LF1。然而对于大的深度，HF接收孔会比LF1发射孔大，其中一般喜欢采用在整个阵列中都具有相同厚度的结构设计，并且可以通过电选择构建该孔的元件（辐射表面）来改变该发射和接收孔的尺寸。通过电子开关可以选择哪一个阵列（HF，LF1，LF2，…）连接到该设备波束形成器，但是还可以通过电滤波器来实现，其将把不同频率的发射脉冲引导到用于该频率的阵列，并且类似地将接收信号从实际的频带阵列引导到该波束形成器，这些都是根据已知的方法实现的。任何频带的阵列都将在较低频带中显示一些敏感性，其可以通过在电端口进行电滤波来抑制。通过该声学隔离部分可以抑制对于较高频带的敏感性，从而可以省略对于最低频带的滤波器。

对于利用一些线性阵列特别地是利用1.5D、1.75D和完全2D阵列构建的大量元件，可以通过在探头电路中包含如下部件来减少将该探头连接到该设备的导线数量：例如用于电子选择和将元件子组连接到该设备波束形成器的电子开关，或者子孔电子器件，该子孔电子器件用于延迟和将来自多个阵列元件的信号组合成连接到该设备波束形成器的单个通道的单个子孔信号，等等，这些都是根据已知原理来实现的。该来自元件组或元件的子孔组的信号还可以是通过时分复用来自这些组的信号采样而在单个电缆中发射的，其中该时分复用电路集成到所述电子基底层中以减少到该阵列的电缆连接。HF元件通常比LF1元件的数量多，并且更难电连接到图3a和e的结构中。与电子开关和/或子孔电子器件的电连接和/或用于大元件数量的HF阵列的时分复用可以方便地通过以下图4b-d所示的基底层上的电子器件来实现。对于具有较少数量的HF元件的特别高的频率而言，该结构对于仅仅是放大器也是有用的，优选为接收放大器，但是在特殊情况下也可以是发射放大器。

为了进一步通过例子说明这种情况，我们分析了根据本发明的2D阵列概念探头，如图4c所示，在3.5MHz的HF频率和0.5MHz的LF1频率工作。利用0.22mm的λ_HF/2间距，可以得到在直径上有90个HF元件的20mm的HF孔。对于该孔的六边形形状，可以得到该2D阵列中的HF元件总数近似为90²×3×3^1/2/8=5261个元件。使用5×5=25个元件的子孔，可以利用210个子孔来支持该整个HF孔，这是用于最终波束形成的设备的电缆连接的方便的数量。用于0.5MHz的LF1频率的λ_HF/2间距是1.54mm，并且利用13个元件来填充20mm的LF1孔直径。对于该六边形孔，该2D阵列中的LF1元件总数近似为13²×3×3^1/2/8=110个元件，这有利于通过来自该设备的电缆工作，该设备中具有LF1发射波束形成器。对于腹部应用，可以将直径增加到40mm，频率增加到5MHz，并且λ_HF/2间距是0.154mm，直径上有256个元件，总共有256²×3×3^1/2/8=42566个元件。对于每个子孔中有7×7=49个元件，可以获得总共868个子孔，并且对每个电缆使用时分复用因子7，可以通过128根同轴电缆并且每根电缆为7x复用来连接到HF阵列。于是该LF1阵列的元件数量将获得类似的增加。

在图4b中，在HF隔离部分317中包含具有集成电子器件的基底层，Si基底层通常用于集成电子器件，并且具有19.7MRayl的方便的特性阻抗，这是用于高阻抗λ_HF/4匹配层的方便的值。也可以使用其他具有高特性阻抗的基底材料，例如GaAs。更具体地，图4b示出了该HF隔离部分317包括：Si基底层405和406，其被包含在阻抗调节层318中；第一低阻抗λ_HF/4层407，典型地由聚合物构成；第二高阻抗λ_HF/4层408，包括两个Si基底层409和410。LF1前电极315还可以制作得足够厚以使其对于层318的功能提供声学贡献。上面说明了具有这种结构的部分317的隔离功能。采用上述3.5/0.5MHz的2D阵列的例子，我们注意到，在3.5MHz的λ_Si/4是0.6mm，其使得两个Si基底409和410的厚度为0.3mm，这是用于集成电路的方便的厚度。甚至还可以对于更多Si层或对于较高频率使用较小的厚度。每个基底的厚度例如可以减小到0.2mm，这将在该λ_HF/4高阻抗层408中获得3个Si基底层。在10MHz，Si中的λ_HF/4长度是0.211mm，这使得408中的单个Si基底层在10MHz具有这种厚度。

利用0.2mm厚度的Si基底405和406，该层318的厚度将接近λ_HF/4，这减少了318的阻抗调节效果，但是通过该第一低阻抗λ_HF/4层407和第二高阻抗λ_HF/4层408的结构，仍然可以获得从前面进入317的高阻抗。可以通过仅使用一个或者甚至零个Si基底层来减少318的厚度，这取决于希望将多少处理电子器件设置到该探头中。还可以通过更多Si基底层来将318制造得更厚，以在该探头中设置更多的处理电路，其中有利地可以将该LF1陶瓷/聚合物层313的特性阻抗与层318的阻抗相匹配从而使它们一起来限定LF1层的谐振。

前基底层410例如可以包含用于HF元件的接收器前置放大器。所述前置放大器的输出例如可以连接到第二基底层409中的电路，其例如可以包含子孔波束形成电子器件，用于延迟和将来自多个HF元件的信号组合成单个子孔通道，这样可以显著减少该设备需要的连接数量或者还减少电子器件的基底层。从而可以根据已知的方法，将减少数量的子孔通道传送到该设备以用于最终的波束形成。该最终波束形成典型地还可以包括根据已知的方法校正由于传播速度的空间变化而产生的波前像差。从而可以通过沿着该阵列表面的像差的校正长度来限制子孔尺寸。

层410或409中的电子器件还包含开关，用于为该设备的波束形成器选择HF元件的子组，例如作为一个开关阵列，或者将所选择的2D元件组组合为可选择方向的线性元件，如图4d所示。通过图4b中的结构，可以获得HF阵列元件电极与前层410之间的直接电连接，其中元件电极可以连接到层410上的金属垫。微焊接、超声键合、具有导电粒子的各向异性导电聚合物胶都是公知和有用的连接方法。如果利用导电聚合胶，该胶的最大厚度必须受到限制以最小化该基底层之间的波反射。该Si层之间的聚合胶还可以用于通过胶来减少的基底层的复合声学阻抗。该层叠的基底层之间的电连接可以通过该基底中的通孔或者通过在该层的边缘键合来实现，这些都是根据已知的方法实现的。

穿过隔离层例如低阻抗λ_HF/4层407的电连接，可以通过穿过该层的金属连接器411来获得，其中所述金属连接器足够薄以使得它们对于所述低阻抗层407的特性声学阻抗具有很小的影响。在该示例实施例中，可以通过层409和410中的电路大幅减少所需要的穿过该隔离层407的连接数量，在上述的阵列例子中是把通过子孔电路的连接从5261个减少为210个。这显示了该高阻抗部分408中的通道减少电子器件的显著优点。

在图4b中用412显示了HF声电转换函数。相关的-3dB带宽是～70%，其是部分地通过HF压电层304的λ_HF/4谐振获得的高值，该谐振由在HF频带中进入隔离部分317的高阻抗而产生，由高阻抗λ_HF/4匹配层408产生。在较高的频率，也许会希望该HF压电层的λ_HF/2谐振以获得更容易制造和采处理的较厚层。该HF压电层的谐振可以看做是复合HF压电层304和匹配层408的λ_HF/2谐振。因此可以通过例如减少生成基底层的数量同时保持HF频带的相同中心频率，从而以减少层408的厚度为代价来增加HF压电层304的厚度。对于更高的频率，也许不会使用完全2D的HF阵列，而是使用1D、1.25D、1.5D或1.75D的开关阵列，它们都具有更少的元件总数。从而甚至会发现使该HF元件通过薄连接器例如411直接穿过隔离层407连接到结构318中的电子层是更实用的。这使得我们可以去除产生HF压电层的完全λ_HF/2谐振的高阻抗层408。

图4c中示出了表述根据本发明的这种具有2D阵列的探头的3D示意图，其中HF的2D元件被表示为前表面上的415，其穿过HF声学匹配层305和306闪光。该层具有与图4b中相同的标记。电子基底层（405、406、409、410）和该设备之间的连接例如可以通过在一个或多个基底层边缘的连接衬垫416来获得。于是柔性印刷电路板413可以方便地连接到这些衬垫，并且沿着该阵列结构的侧面以及在背板的后面延伸，在后面它可以根据已知的方法连接到连接到该设备的柔性电缆。该连接例如可以根据已知的方法通过微焊接、超声键合、具有导电粒子的各向异性导电胶来获得。该柔性印刷电路板方便地沿着该探头的平坦侧面延伸，这使得给该探头的厚度增加最小。

发射和接收放大器以及用于LF1阵列的子孔电路可以设置在LF1压电层前面的基底层中，典型地在具有用于HF阵列的电子器件的备用基底层（例如层405、406）后面，并且作为层318的隔离组的一部分。取决于可用的空间，用于LF1和HF阵列的电子器件可以设置在相同基底层上。从而典型地可以将具有LF1电子器件的基底设置成最接近于LF1阵列。具有用于LF1阵列的电子器件的基底层也可以设置在LF1压电层的背面、背板材料320的前面。对于最后这种电子器件设置，可以利用穿过背板材料的导线来实现到该电缆的连接，其中所述导线足够薄以使其不能穿过该背板传播声波。该从电路到电缆的连接也可以方便地通过例如该结构侧面的柔性印刷电路来实现，如上面对于HF电子电路所述的。当将该电子基底设置到该阵列背面时，该压电层的特性阻抗优选地接近于该基底的特性阻抗以最小化该基底和压电层之间的反射，从而该基底层可以与LF1压电层一起限定LF1谐振，如以上对前面设置所述的。还可以通过较低特性阻抗的薄中间层来减少该基底层的净声学阻抗，例如上述的各向异性聚合物胶。

通过利用穿过背板320的导线连接到最低频元件，可以设置备用的放大器、开关电路和用于背板后的最低频元件的子孔电路，也可能设置在具有电子器件的层叠基底层中，或者利用根据已知方法的其他设置。通常在探头把手里有足够的空间可用，从而这种解决方案会比与LF1阵列层叠在一起的电路层更简单。然而，该LF1元件比HF阵列更大、更少并且具有更低的频率，因此在该探头自身中使用放大器和子孔电子器件的盈利更少，其中对于根据本发明的许多实施例都不会在探头中使用这种用于LF1阵列的电路。

除了使用该子孔方法在探头前面的扇形体积内形成波束之外，对于2D阵列结构，还可以使用电子层（409、410）中的电子开关，其将HF的2D元件组连接成线性元件。图4d中示出了一个实施例，其中HF的2D阵列420包括三角形元件421，其可以连接到线性元件组422、423、424，其中可以使用相控阵列调节来在不同的方向产生2D扫描平面，如425、426、427所示。对于上述3.5/0.5MHz的阵列例子，在HF相控阵列波束形成器中有96-128个通道是足够的。还可以通过美国专利申请10/387775中所述的双压电层结构来实现具有不同方向线性元件的可选线性阵列。

将2D的LF1元件组合成线性LF1元件还可以例如在电子层405和406中实现，或者在其他装置的电子器件中，或者通过美国专利申请10/387775中所述的双层结构来实现。从而对于上述示例阵列中的LF1线性阵列波束形成器，13个通道是足够的。然而，在上述示例阵列中的LF1阵列元件总数仅仅是110，从而还可以把所有LF1元件连接到该设备并且在该设备中完成LF1元件的组合。这将为使用LF1阵列作为2D体积扫描阵列或作为具有可选2D扫描方向的线性阵列提供充分的灵活性。从而方便地，层405-410中的电子器件还可以包括以下两种连接：到该2D的HF阵列的子孔连接，以用于与LF1波束的扫描一起进行HF波束的完全体积扇形扫描；以及将2D元件连接到线性元件的连接，用于对HF波束以及LF1波束一起进行2D扇形扫描。

当LF1阵列仅用于发射时，探头中的LF1发射波束形成器电子器件是特别有意义的，例如采用美国专利申请10/189350和10/204350中所述的方法，其中仅需要发射子孔波束形成器。对于将元件信号转换为正和负功率电压的发射放大器，该功率损失会被控制得足够低以便将该整个发射波束形成器与放大器集成到该探头中。这种探头将具有到已有扫描器的简化的连接，利用所述的美国专利申请中的方法可以直接现场升级到已有的扫描器。

通过使得压电复合层304具有与Si基底近似相同的特性阻抗，还可以将Si基底层设置在HF压电层304的前面，如图4e所示，其中Si基底层被标记为430、431、432。于是可以通过该压电层304和Si基底层即该结构433的组合厚度来限定该HF谐振。用于这种结构的模拟HF电声转换函数被表示为434。图4b-e中的声学结构内的电子基底的示例性布置还可以被组合以及以各种形式更改以用于简化HF和LF1阵列元件、基底电子器件以及该设备波束形成器之间的连接。该探头典型地还可以包含把手中的、在背板材料后面的电子电路。

例如，在图5中显示了根据本发明的另一线性相控阵列，从前表面看到的，其中501表示该相控阵列HF孔的元件，其中λ₁是HF波长，HF元件的间距为λ₁/2。通过根据已知方法对每个元件上的信号进行合适控制，这种阵列可以控制在水平（azimuth）方向上在扇形内的波束方向。该竖直（elevation）方向中的控制需要将该元件在竖直方向上划分为二维（2D）阵列，在此要强调的是，本发明的基本方法也可以应用到2D阵列。

该线性阵列的HF频带的中心例如是f₁=3.5MHz，其建议高频元件的间距为λ₁/2～0.22mm。于是84个高频元件产生18.48mm的总孔。根据f₀=0.5MHz的低频带中心，可以获得λ₀/2～1.54mm，其建议12个低频元件502，这也产生了18.48mm的总孔。为了更好的准直该LF1波束，可以在HF元件的每一侧增加额外的LF1元件，其中该图例示了两个元件503，其将LF1水平孔增加到14个元件～21.56mm。为了增加LF1的竖直孔，可以类似地通过竖直方向上的元件来扩展该LF1孔，其中该图例示出了元件504。如根据对于图2a-d的分析，当HF和LF1脉冲之间的相位随着深度具有最小的滑动非常重要时，在一些情况下可以使用相同发射孔的LF1和HF辐射表面，而为了在大深度具有较高的LF1幅度，希望LF1发射孔大于HF发射孔以减小LF1波束的衍射随着深度加宽。为了减少LF1脉冲在传播中的非线性控制和HF脉冲在阵列附近的散射，可以去除该阵列的中心辐射表面。这可以通过将LF1元件进一步分割为子元件505来实现。从而图5中的LF1阵列使得可以选择LF1孔的尺寸，例如为如下之一：1）等于HF孔，2）在水平和竖直方向其中之一上大于HF孔或者在水平和竖直方向上都大于HF孔，以及3）在HF孔中心具有不活动区域的LF1孔。在这里还要指出，可以利用其他阵列配置来获得LF1孔相对于HF孔的这种变化，例如2D阵列、环形阵列等，其中任何本领域技术人员都能够将本发明的本质应用到所有阵列配置中。对于许多应用，可以仅使用2），这通过将元件502/504/505组合成在竖直方向上的尺寸等于或大于HF孔的单个LF1元件来实现，并且在水平方向上增加额外的LF1元件（503/504）以获得在水平方向上大于HF孔的LF1孔。

为了在LF1元件的整个面积上获得相同的振荡条件，典型地可以对整个阵列区域使用图3和4所示的叠层，并且通过该元件电极和压电层中的切口来限定该LF1和HF元件，如上所述。有利地，还可以对于HF和LF1压电层都使用陶瓷/聚合物复合材料，其中该元件尺寸由该电极限定。于是该HF辐射区域可以例如被前侧面上的公共接地电极限定，其通过电耦合限定该元件的竖直宽度，并且限定了被极化以显示压电特性的铁电陶瓷的区域。于是可以通过后侧的热电极来限定HF元件的水平宽度，该热电极方便地被延伸到该组件的边缘以电连接到该电缆，因为该接地电极外部的电声耦合低，这是由于该铁电陶瓷材料的减小的电场和减小的电极化所致。

从而图3和4中的隔离部分317使得HF和LF1压电层中的切口之间的精确位置匹配变得较不关键，因为从前面进入该部分317的阻抗对于末端为聚合物或陶瓷没有太大变化，例如对于图3b-d所述。该减小的敏感性使得可以用比HF层厚的锯来切割LF1层，并且还减小了对于HF和LF1层之间的精确侧向定位的需求。

图5中的HF阵列还可以被用作开关线性阵列，其中HF波束将垂直于HF孔。于是在一些应用中，将LF1阵列制成为单个元件是有用的，这提供了未聚焦的LF1孔。于是该LF1孔将选择为足够大以使得整个HF成像深度都在该LF1孔的近场内，如上所述。为了抑制多重散射噪声，例如美国专利申请11/189350中所述的，还可以从LF1发射孔中去除元件502和505。为了具有灵活性，该LF1孔可以包括两个元件：i）中心元件，由并联的元件502和505组成，和ii）外部元件，由并联的元件504和503组成。为了非线性成像，可以对于该LF1发射孔并联使用该中心和外部LF1元件，而为了抑制多重散射噪声，可以从该LF1发射孔中取走该中心元件。

另外还已经知道，压电层304、313和341可以由多层构成，以改变和增加该电/声转换函数的带宽，以及减少该电端口的电阻抗，该多层包括压电和非压电层。增加图4b和4e中例示的基底层的叠层可以看做是一种增加干扰谐振清晰度（definition）的非压电层的方式，例如美国专利6645150中所述。例如为了获得该阵列元件的较低电阻抗，特别是能够利用可控驱动电压幅度发射高压力的低频元件，方便地，可以将该压电部分304、313和341中的一个或多个制成为覆盖有电极的层叠压电层。

图6示出了两层601和602的一个示例实施例。该层覆盖有电极603、604和605，其中典型地，将电极603和605电化（galvanically）接地，电极604将用作热电极。从而该两个压电层将具有相反的极化方向606和607，从而该电极耦合将提供该层601和602的电并联耦合以提供具有较低的电阻抗的端口608，这容许以较低电压驱动该低频阵列以提供高压力。为了提高该层的带宽，可以在该活动压电层的前面引入高阻抗层，如美国专利6645150中所述。根据已知的方法，甚至可以对较低的电端口阻抗以及高频层304实现更多层的并联耦合。美国专利申请10/387775中还公开了如何通过双层获得具有可选电极方向的线性阵列，用于2D扫描平面的电子旋转。这种解决方案对于本发明的结构内的较高频率和较低频率阵列都是有用的。

也可以基于基底表面上的微加工转换单元来实现电声转换，例如Si（硅）基底，或者其他材料例如Cu和Al的基底。利用这些技术，可以通过基底表面上的振动膜利用该膜后面的空气或真空在该表面上增强振动，其中该膜直接或通过声学层连接到声学负载材料。该机电耦合可以通过从该膜电容耦合到参考电极来实现，称为cmuts（电容微加工超声换能器），或者通过该膜上的压电薄膜来实现，称为pmuts（压电层微加工超声换能器）。在图7中所示的前辐射表面中将这种膜的例子显示为701，其被安装在基底700的前表面上。该膜的尺寸和厚度确定了该转换最高效的谐振频带，并且通常将数个cmut/pmut单元电耦合到一起以形成一个阵列元件。在本发明中，我们考虑该cmut/pmut技术的创造性实施以从基本相同的辐射表面上发射双频带或三频带脉冲，其中附图显示了用于实现该双频带或三频带功能的创造性步骤，其中省去了该膜、电极和电连接的细节，因为文献中已经给出了很多相关的解决方案。下面我们将把这种技术称为cmut/pmut换能器、cmut/pmut单元和cmut/pmut膜。

Si的特性阻抗是19.7MRayl，Al的是17.4MRayl，这就提供了通过HF基底发射LF1波的有趣的可能。例如，图8a示出了一个结构的横截面，其中在LF1部分的前面安装有cmut/pmut HF部分806，该LF1部分由具有电极803和804的压电层801构成，该电极803和804形成了LF1元件电端口805。该具有电极和电耦合的cmut/pmut圆筒（drum）的细节没有示出，因为在上述文献中已经给出了多个例子。这一例子中的总体结构安装在背板材料802上（其可以是低阻抗的或者空气），并且在该cmut/pmut圆筒807的前面设置有保护结构808。该保护结构可以包含设计成用于对负载301和该cmut/pmut阵列之间进行声学阻抗匹配的一个或多个层，以及用于减少沿着该基底的阵列元件之间的侧向耦合的吸收层，并且它还可以包含用于聚焦该声波束的声学透镜等等。

该图还示出了可选的吸收层812，用于减少在HF阵列元件之间以及该基底与HF频带中的LF1部分之间在该Si或Al基底中的侧向声学耦合。该圆筒807将层806的有效声学阻抗降低到了Si/Al的以下，并且通过将压电层801制成为陶瓷/聚合物复合材料，可以匹配层801和806/808的声学阻抗，从而使得压电层801和cmut层806之间的反射系数低以改善LF1端口的带宽。

Si的声学速度是8.4mm/μsec，而Al的则是6.4mm/μsec。因此可以在该cmut/pmut基底和压电层801之间增加另外的电子基底层（典型地为Si基底层），并且该整体部分806的厚度仍然是该层中的LF1波长的分数（fraction）。这在图8b中示出，其中该部分806例如由安装在3个具有集成电子器件的Si层上的cmut/pmut层820构成，其中821例如可以是安装在子孔波束形成层822和发射放大器层823上的接收器放大器层，与图4b-e中的基底层类似。可以根据集成电路技术中的已知方法，通过通孔和连接垫来获得该不同层之间的电连接，或者可以例如在该基底边缘的连接之间使用已知的键合技术，如上对于图4b-e所述。如果层的厚度是0.2mm，那么该部分806的总厚度就是0.8mm，小于低于1.319MHz的LF1频率的λ_Si/8。

该结构例如对于与图4c所示相似的2D阵列探头是有用的。典型地，可以使用类似的孔、元件数量和子孔数量，其中还可以如图4d所示将2D阵列元件连接成线性阵列元件。图8c中示出了具有集成电路作为该声学设计的一部分的2D阵列概念探头的透视图。标记为806的cmut和集成电路层安装在LF1压电层801和的背板802上并具有前辐射表面810。该设备电缆与电子电路之间的连接例如可以通过从该组件背面延伸到该电路基底边缘的柔性印刷电路来实现，如图4c所示。

从823开始的最接近LF1压电层的电子层可以电连接到LF1阵列元件801，其中可以集成LF1开关、放大器和子孔电子器件。该LF1阵列还可以例如在LF1阵列前面、LF1阵列背面或者该背板后的探头内部连接到放大器和子孔电子器件，如上对于图4c所述。当该LF1阵列仅用于发射时这是特别有用的，如美国专利申请10/189350和10/240350中所述的方法，其中仅需要一个发射子孔波束形成器。对于将该元件信号转换成正和负功率电压的发射放大器来说，功率损失足够低以至于可以将具有放大器的整个发射波束形成器集成到该探头中。

对于心脏病应用，孔尺寸收到肋骨之间距离的限制，但是对于腹部应用就可以使HF孔的直径加倍，这将使得HF和LF1元件的数量增加到4倍。这就使得HF子孔的数量增加到840，LF1元件的数量增加到440，这还可以通过电缆连接到用于波束形成的设备来处理。还可以使用沿着单个导线来自数个子孔的信号的采样的时分复用，如上所述，以减少连接到该设备所需的导线数量，其中8x的时分复用将需要105根导线将该HF阵列连接到该设备。

根据上述讨论，通常会使用比HF发射孔宽的LF1发射孔。对于并行接收波束构成，典型地将使用小于整个HF孔发射HF脉冲，以获得足够宽的HF发射波束。为了进一步增加HF和LF1孔而不需要增加太多的设备通道数量，可以使用如上对于图11所述的稀疏阵列，其中不是所有的元件位置都被电连接。这就引入了栅瓣，但是可以设计该稀疏阵列以使得来自LF1和HF孔的可能的栅瓣不会交叠，可以使用美国专利申请10/189350和10/204350中所述的成像方法以较高地抑制图像中栅瓣的影响。

图9中的另一个例子示出了在HF压电层901前面的cmut/pmut LF1部分906，该HF压电层901由安装在背板材料902上的陶瓷/聚合物复合材料制成。元件电极903和904组成了HF元件电端口905。通过基底层906上的cmut/pmut圆筒907提供LF1转换。该具有电极和电耦合的cmut/pmut圆筒的细节没有示出，因为在上述文献中已经给出了多个例子。通过将压电层901制成为陶瓷/聚合物复合材料，可以使得该层的声学阻抗与具有圆筒907的Si层906的有效声学阻抗匹配以形成HF声学谐振。在该结构前面设置有声学阻抗匹配层（典型地为1个或两个）908，其将HF和LF1部分声学连接到负载材料301以发射（310）和接收（311）该负载材料中的双频带脉冲波。这些层还可以用于通过吸收来减少LF1阵列元件之间的横向耦合。该声学匹配部分与cmut/pmut层906一起用于增加HF电/声转换函数的带宽，并且将在低频作为该LF1阵列906的声学上的薄保护覆盖层起作用，其中该cmut/pmut膜的刚度调节到该声学层/负载转换。由于Si的较高纵波速度（8.44mm/μsec），该Si基底的厚度可以制作得足够薄以对该HF电/声转换函数产生可接受的影响。为了进一步限制该Si基底内部的侧向耦合，还可以在该基底的背面使用可选的吸收隔离层912，该隔离在高频制作得足够薄以使其对HF转换函数产生有限的影响。

图9中的分层结构对于用于三维（3D）波束控制和成像的2D阵列具有特别的优点，其中可以从该阵列结构的后面电连接到大量（～3000）的HF元件，从而最简单地连接到电缆或子孔波束形成电子设备。该LF12D阵列将具有少得多的元件（HF数量的1/50–1/100）以简化到LF1元件的连接，例如利用穿过背板材料902的窄导线，其中利用cmut/pmut制造技术也可以实现简化的连接技术。

本发明还提供了一种利用公共辐射表面进行LF/HF转换的方案，其中在低频单元的上方设置高频cmut/pmut单元，例如图10所示。图10a示出了基底前表面1000，其具有一个低频单元1001和在该低频单元之上的多个高频单元1002。因为低频率允许低频单元具有较大尺寸，所以该单元可以从该基底的背后侧微加工，如图10b所示，其中示出了穿过基底1003的横截面，其中从该基底背面蚀刻提供了与电极1005发生电容性相互作用的薄低频膜1004，该电极1005安装在通过胶粘或其他粘结技术联接到基底1003上的第二基底1006或是其一部分。在该低频膜1004的前面是数个从该基底前侧微加工的高频单元1002。利用更复杂的制造技术，可以从前侧制造该低频和高频单元。对于其他的cmut/pmut方案，我们没有给出该电极布置和压电陶瓷元件的可能设置的细节，因为文献中已经给出了多个这种例子，我们在本说明书中强调的是能够实现从相同辐射表面上发射LF1和HF脉冲的设计的本质特征。然而，当使用Si作为基底时，该图示出了LF1电极的方案，其中该Si基底的前层1007是高度n掺杂的（n++）以提供用于LF1和HF单元的公共接地电极。类似地，可以通过高度n掺杂该第二Si基底1006的区域1005以获得热LF1电极。

具有宽分离频带的双频带操作还可以方便地实现为稀疏阵列，其中低频和高频元件被设置在该阵列表面上的不同位置，但是其足够靠近以使得在距离该阵列一定距离的外部，该两个频率波束看似至少部分地从相同辐射表面发出。2D稀疏阵列对于3D声学成像是特别有用的，其中该稀疏阵列允许通过减少数量的元件（～1000）对声波束进行二维方向控制。2D稀疏阵列还可用于校正2D和3D波束扫描中的波前像差和脉冲回响。例如，在图11中示出了一个示例，其中显示了阵列表面1100的一部分，其上具有4个LF1阵列元件1101，该LF1阵列元件1101之间有空隙1102，用于以稀疏阵列模式设置HF阵列元件。稀疏阵列在波束主瓣的偏离方向上产生栅瓣，其中发射和接收孔必须被设计成使得栅瓣的方向不交叠。对于基于双频率波束之间的非线性相互作用的成像方法，例如美国专利申请10/189350和10/204350中所述，当该LF1和HF波束的栅瓣不交叠时可以更好地抑制图像中的栅瓣。实际上，由于低频带的较大波长（λ～3mm500kHz），可以设计具有小的低频阵列元件的阵列，其不具有低频栅瓣，但是在该元件之间仍然有大的距离（2mm）从而可以在该低频元件之间设置许多高频元件。

利用与图3类似的用于电声转换的大量谐振压电陶瓷元件，可以例如通过稀疏阵列制造高频阵列，其中对其所有的元件进行了划分，然后选择这些元件位置的子集用于LF1元件，其可以这样实现，即在所述选择的HF元件背面联接一个压电陶瓷片，并且在该高频元件的前电极（通常为接地电极）与所属联接的压电陶瓷片的后电极之间进行电连接。通过降低电声转换效率，可以通过在所选择的HF元件的背面联接重和硬的材料例如金属Cu、Ag、Au、Pd、Pt或W的块（mass），以及使用该高频压电陶瓷元件的表面电极进行换能，从而减少该LF1元件的谐振频率。

在Si基底前面的微加工换能元件还可以很好地适用于双频阵列的稀疏阵列实现，因为可以在阵列表面上的不同位置加工大的低频单元和较小的高频单元，例如图12所示，其中1201表示该基底1200上用于低频带的cmut/pmut单元，被用于高频带的cmut/pmut单元1202包围。电连接高频带单元以形成高频元件，且连接低频带单元以形成较大的低频元件，例如图5中的相控阵列所示。典型地，对于每个阵列元件电连接数个单元。

第二LF2频带中的声电转换还可以通过图8-12中用于HF和第一LF1频带的cmut/pmut方案来获得，其中对于LF2频带增加结构1301，如图13a所示。根据图8-12之一的表示HF和LF1换能的结构被表示为1321，与负载材料301声学耦合，并且具有HF电端口1309和LF1电端口1316。在根据本发明的此实施例中，该LF2电声转换这样实现，在背板材料1320上安装压电层1302，其前面设置有具有与图3e相同的功能的隔离部分1303，从而产生LF2电端口1307，电端口1307通过该HF/LF1结构1321声学耦合到该负载。

利用图13a的结构通过与图10和12类似的三膜cmut/pmut方案也可以获得具有3频带操作的声学换能器阵列探头，其中通过在1302的位置的压电层操作LF1频带，通过图10中的大膜1001或图12中的1201来操作LF2频带。另一个实施例是如图10和12中的结构，其中图10中的膜1001/1002或图12中的1201/1292之一具有双谐振频率，从而通过两个膜就获得了三个谐振频率。典型地，可以通过大膜1001或1201操作LF1和LF2频带，而较小的膜1002或1202在HF频带操作，或者用较小的膜1002或1202操作HF和LF1频带，而大膜1001或1201操作LF2频带。

另一个实施例是对于该LF2、LF1和HF频带使用三种不同类型的膜，例如图13b所示，其中1343表示安装在LF1膜1342之上的HF膜，该LF1膜1342安装在位于公共基底1340上的LF2膜1341之上。替代地，可以与图12类似地，将所有膜设置在彼此旁边，或者将一种膜设置在其它膜的上方，而第三种膜设置在其它膜的旁边。

图13a和b示出了允许在3个频带进行电声转换的示例结构。典型地，希望将该辐射表面划分成元件阵列，用于在所有三个频带控制该波束的焦点和/或方向。典型的阵列可以是环形、线性、1.5D、1.75D和2D阵列。从而该元件的侧向宽度（元件辐射表面）与用于不同频带的对象301中的声波长相关。于是HF阵列将需要最小的元件宽度，LF1阵列需要中等宽度的元件，LF2阵列需要最大宽度的元件，等等。于是，典型地，可以使用如图13a、b中跨整个阵列宽度的层结构，并且通过陶瓷层中的电极和切口来形成每个频带的阵列元件。利用两层隔离结构317（HF）和1303，将对于HF、LF1和LF2陶瓷层之间的切口的位置不十分敏感（参见对于图3b-e的讨论）。典型地，可以将每个压电层制成压电陶瓷/聚合物复合材料，从而可以在穿过该陶瓷层的切口处划分该复合表面上的电极以限定这些层的元件。这将使得用于不同频带的元件可以具有不同的尺寸甚至不同的形状，如上所述。

因此，虽然已经针对优选实施例的应用示出、说明并指出了本发明的基本的新颖特征，但是可以理解，本领域技术人员可以对所述设备的形式和细节以及其操作进行各种省略、替代和改变而不脱离本发明的精神。

并且很清楚的是，所有以基本相同的方式执行基本相同的功能以获得相同结果的元件和/或方法步骤的组合都在本发明的范围之内。而且，应当认识到，与本发明的任何公开形式或实施例相关显示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤都可以作为通用的设计选择而被包含在其他任何公开的或描述的或暗示的形式或实施例中。因此，本发明仅仅被这里所附的权利要求的范围所限定。

Claims (69)

1.一种声学换能器阵列探头，用于从所述探头的前表面发射分离的高频带HF和至少第一较低频带LF1中的声波，并且接收至少所述HF频带中的声波，其特征在于：

-不同的换能器元件阵列，配置成分别用于HF和所述LF1电声转换，用于所述HF电声转换的所述阵列具有HF阵列元件，用于所述LF1电声转换的所述阵列具有LF1阵列元件，以及

-用于所述HF频带和所述LF1频带的辐射表面，其中用于所述HF频带和LF1频带的所述辐射表面的至少一部分在公共辐射表面中是共用的，其中与所述公共辐射表面内的所述HF阵列元件相比，所述公共辐射表面内的所述LF1阵列元件具有更大的辐射表面并且相邻元件中心之间的距离更大，并且其中至少在所述公共辐射表面内，所述HF阵列元件设置在分层结构中的所述LF1阵列元件前面，以及

-至少一个电子基底层，其具有电连接到阵列元件并层叠在所述探头的所述分层结构内的集成电子器件，并且其中所述至少一个电子基底层：i）是层叠在用于所述LF1电声转换的所述阵列与用于所述HF电声转换的所述阵列之间的声学隔离部分的一部分，以及ii）安装在所述LF1电声转换阵列的背面。

2.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中LF1发射孔具有不存在活动LF发射的中心区域。

3.如权利要求1或2所述的声学换能器阵列探头，其中用于所述LF1和HF转换的厚度结构在整个阵列表面上是相同的，并且能够通过可选择地电连接到阵列元件来可选择地改变HF和LF1发射和接收孔的尺寸。

4.如权利要求3所述的声学换能器阵列探头，其中能够将所述HF接收孔选择为比所述LF1发射孔宽。

5.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中能够通过至少所述公共辐射表面发射和接收在一个或多个较低频带（LF2，LF3，…）中的另外的声学脉冲，其中通过用于所述一个或多个较低频带中的每一个的电声转换结构来获得用于所述一个或多个较低频带的所述电声转换，其中所述一个或多个较低频带的辐射表面的至少一部分与较高频带的辐射表面共用。

6.如权利要求5所述的声学换能器阵列探头，其中通过设置在用于较高频带的转换结构后面的压电层来获得用于所述较低频带中的每一个频带的所述电声转换阵列。

7.如权利要求6所述的声学换能器阵列探头，其中在每个所述压电层前面设置声学隔离部分，其中所述隔离部分为所述每个压电层前面的所述转换结构的谐振带中的振动提供后向声学衰减。

8.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中所述LF1辐射表面可以在以下选项中的至少两个中进行选择：

a）至少位于LF1辐射表面上、在HF辐射表面外部的区域中，以及

b）所述LF1辐射表面与所述HF辐射表面相等，以及

c）所述LF1辐射表面具有不进行LF1发射的中心区域，以及

d）a）和c）的组合。

9.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中所述HF和LF1阵列独立布置成以下中的一种：

-单元件阵列，以及

-换能器元件的环形阵列，以及

-换能器元件的线性阵列，以及

-换能器元件的曲线阵列，以及

-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组成。

10.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中

-将所述LF1和HF辐射和/或接收表面中的至少一个制造为元件的稀疏阵列，以及其中

-将所述稀疏阵列设计成相对于LF1波束引导稀疏HF发射阵列的潜在HF栅瓣，从而使得在所述HF栅瓣中的HF脉冲处的LF1脉冲压力如此低，以至于与沿着HF主瓣相比，可以忽略沿着所述HF栅瓣的、所述LF1脉冲在所述HF脉冲处对目标弹性的非线性操控。

11.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中所述HF和LF1阵列至少层叠在所述公共辐射表面后面。

12.如权利要求8所述的声学换能器阵列探头，其中所述阵列的厚度结构在所述整个阵列表面上是相同的，并且LF1和HF发射和接收孔的尺寸由到阵列元件电极的电连接限定。

13.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中

-通过分离的压电层来获得所述LF1和HF电声转换，其中HF压电层层叠在多层结构中LF1压电层的前面，以及其中

-在所述HF和LF1压电层之间设置由至少两个声学层构成的声学隔离部分，以及其中

-在所述HF压电层前面设置用于所述HF频带的声学匹配部分，以及其中

-所述至少一个电子基底层是所述声学隔离部分的一部分。

14.如权利要求13所述的声学换能器阵列探头，其中所述隔离部分包括特性声学阻抗大于17MRayl的后层和至少一个特性阻抗小于5MRayl的层。

15.如权利要求13所述的声学换能器阵列探头，其中所述隔离部分由以下之一制成：材料Si、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W、和这些材料的合金。

16.如权利要求15所述的声学换能器阵列探头，其中所述隔离部分由以下制成：烧结或胶粘在一起的材料Si、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W的合金或这些材料之一的粉末。

17.如权利要求13所述的声学换能器阵列探头，其中所述隔离部分包括作为所述隔离部分的背层的陶瓷层。

18.如权利要求17所述的声学换能器阵列探头，其中将所述LF1压电层制造为陶瓷/聚合物复合材料，其中从所述LF1压电层的背面对所述陶瓷进行切割但不完全穿过所述LF1压电层，使得所述LF1陶瓷压电层的前部形成陶瓷层，所述陶瓷层形成了所述隔离部分的所述背层。

19.如权利要求18所述的声学换能器阵列探头，其中从所述隔离部分的背面算起的第二层由以下之一制成：材料Si、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W、和这些材料的合金。

20.如权利要求19所述的声学换能器阵列探头，其中从所述隔离部分的所述背面算起的第二层由以下制成：烧结或胶粘在一起的材料Si、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W的合金或这些材料之一的粉末。

21.如权利要求13所述的声学换能器阵列探头，其中所述LF1和HF压电层中的一个或两个包括在彼此之上的至少两个压电子层，在所述子层的表面上具有电极，并且其中不同子层中的所述电极与所述子层的电极化相关地耦合到一起，使得所述子层并联电耦合，而所述子层的厚度振动是串联的，从而减少所述阵列元件的电阻抗。

22.如权利要求13所述的声学换能器阵列探头，其中具有连接到阵列元件的集成电子器件的至少一个附加电子基底层层叠在所述分层结构中，并设置成下列中的至少一种方式：

-在所述LF1压电层的前面，以及

-在所述LF1压电层的背面，以及

-在背板材料的背面。

23.如权利要求13所述的声学换能器阵列探头，其中能够通过至少所述公共辐射表面发射和接收另外的较低频带（LF2，LF3，…）中的声波，其中

-通过增加的电声转换结构来获得用于所述另外的较低频带中每一个的所述电声转换，所述增加的电声转换结构包括压电层，在所述压电层的前面具有声学隔离部分，以及其中

-所述隔离部分设置成与用于下一较高频带的所述转换部分的后侧声学接触，以及其中

-所述隔离部分提供对前面的相邻转换部分在下一较高频带中的振动的后向隔离。

24.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中

-通过压电层获得所述LF1电声转换，以及

-通过在前表面上具有基于cmut/pmut的转换膜的基底层来获得所述HF电声转换，以及

-所述具有cmut/pmut转换膜的层设置在所述压电层的前面，以及

-其中具有连接到HF阵列元件的集成电子器件的所述至少一个电子基底层层叠在所述分层结构中、在前表面上具有基于cmut/pmut的转换膜的所述基底层的背面。

25.如权利要求24所述的声学换能器阵列探头，其中具有连接到阵列元件的集成电子器件的至少一个电子基底层层叠在所述分层结构中，并设置成下列中的至少一种方式：

-电子基底层安装在所述具有cmut/pmut膜的所述基底层的背面，以及

-电子基底层安装在所述LF1压电层的背面，以及

-电子基底层安装在背板材料的背面。

26.如权利要求24所述的声学换能器阵列探头，其中能够通过至少所述公共辐射表面发射和接收另外的较低频带（LF2，LF3，…）中的声波，其中

-通过增加的电声转换结构来获得用于所述另外的较低频带中每一个的所述电声转换，所述增加的电声转换结构包括压电层，在所述压电层的前面具有声学隔离部分，以及其中

-所述隔离部分设置成与用于下一较高频带的所述转换部分的后侧声学接触，以及其中

-所述隔离部分提供对前面的相邻转换部分在下一较高频带中的振动的后向隔离。

27.如权利要求24所述的声学换能器阵列探头，其中

用于所述LF和HF转换的厚度结构在整个探头的最大发射/接收表面上是相同的，并且能够通过可选择地电连接到阵列元件电极来可选择地改变用于辐射和接收的活动LF1和HF孔。

28.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中通过基于cmut/pmut的膜换能器技术在相同基底上获得所述LF1和HF电/声转换，其中对于所述LF1和HF转换使用不同的膜，针对所述LF1和HF频带内的振动分别优化所述不同的膜，并且其中具有连接到HF阵列元件的集成电子器件的所述至少一个电子基底层设置在具有cmut/pmut膜的所述基底层的后面。

29.如权利要求28所述的声学换能器阵列探头，其中所述HF转换膜设置在所述LF1转换膜之上。

30.如权利要求28所述的声学换能器阵列探头，其中所述HF转换膜与所述LF1转换膜并排设置，彼此如此接近以至于在距离探头表面一定深度以后，LF1和HF波束看起来是源自至少具有公共区域的辐射表面。

31.如权利要求30所述的声学换能器阵列探头，其中能够使用所述LF1cmut/pmut膜作为电声转换元件、通过所述公共辐射表面发射和接收第二较低频带LF2中的另外的声学脉冲，其中所述LF1cmut/pmut膜也在所述LF2频带中具有谐振。

32.如权利要求30所述的声学换能器阵列探头，其中能够通过所述公共辐射表面发射和接收第二较低频带LF2中的另外的声学脉冲，其中通过在相同基底上的cmut/pmut LF2膜获得用于所述LF2频带的所述电声转换，其中可以设置成下列中的一种方式：

-所述HF和LF1膜设置在所述LF2膜之上，以及

-所述LF2膜设置在所述HF和LF1膜旁边。

33.如权利要求30所述的声学换能器阵列探头，其中能够通过所述公共辐射表面发射和接收第二较低频带（LF2）中的另外的声学脉冲，其中通过设置在所述HF/LF1公共基底后面的LF2压电层获得用于所述LF2频带的所述电声转换，使得所述LF2辐射表面至少有一部分与所述HF和LF2阵列的所述公共辐射表面共用。

34.如权利要求33所述的声学换能器阵列探头，其中能够通过至少所述公共辐射表面发射和接收另外的较低频带（LF3，LF4，…）中的声波，其中

-通过增加的电声转换结构来获得用于所述另外的较低频带中的每一个的所述电声转换，所述增加的电声转换结构包括压电层，在所述压电层的前面具有声学隔离部分，以及其中

-所述隔离部分设置成与用于下一较高频带的转换部分的后侧声学接触，以及其中

-所述隔离部分提供对前面的相邻转换部分在下一较高频带中的振动的后向隔离。

35.如权利要求13或24或30所述的声学换能器阵列探头，其中所述LF1和HF辐射表面相等。

36.如权利要求13或24或30所述的声学换能器阵列探头，其中

能够通过可选择地电连接到阵列元件电极来可选择地改变所述LF1和HF发射和接收孔。

37.一种利用如权利要求1所述的声学探头的设备，其中

通过下列方式之一来选择活动的LF1发射孔：

a）由所述设备根据图像范围以及超声成像模态和应用进行自动选择，以及

b）由设备操作员通过设备控制器进行直接选择。

38.如权利要求1所述的声学换能器阵列探头，其中所述具有电子电路的至少一个电子基底层包括下列中的一个或多个：

a）连接到阵列元件的接收器前置放大器，以及

b）连接到阵列元件的发射器放大器，以及

c）将可选择的阵列元件或可选择的阵列元件组连接到电缆的电子开关，所述电缆进一步连接到设备，以及

d）子孔电路，每一个都连接到元件组并且在总计子孔信号之前对单独的子孔信号增加延迟，其中每个子孔信号连接到电缆，所述电缆连接到设备，以及

e）时分复用电路，用于对来自进一步连接到设备的单个导线上的元件组和元件的子孔组的信号采样进行时分复用。

39.如权利要求13所述的声学换能器阵列探头，其中，具有集成电子器件的基底层包括在所述隔离部分中，所述基底材料为GaAs。

40.一种声学换能器阵列探头，用于从所述探头的前表面发射分离的高频带（HF）和至少第一较低频带（LF1）中的声波，其特征在于：

-不同的换能器元件阵列，配置成分别用于HF和所述LF1电声转换，用于所述HF电声转换的所述阵列具有HF阵列元件，用于所述LF1电声转换的所述阵列具有LF1阵列元件，以及

-用于所述HF频带和所述LF1频带的辐射表面，其中用于所述HF频带和LF1频带的所述辐射表面的至少一部分在公共辐射表面中是共用的，其中与所述公共辐射表面内的所述HF阵列元件相比，所述公共辐射表面内的所述LF1阵列元件具有更大的辐射表面并且相邻元件中心之间的距离更大，并且其中至少在所述公共辐射表面内，所述HF阵列元件设置在分层结构中的所述LF1阵列元件前面，以及其中

-能够通过至少所述公共辐射表面发射和接收一个或多个另外的较低频带（LF2，LF3，…）中的另外的声学脉冲，其中通过用于所述一个或多个较低频带中的每一个的电声转换结构来获得用于所述一个或多个较低频带的所述电声转换，其中所述一个或多个较低频带的所述辐射表面的至少一部分与所述较高频带的所述辐射表面是共用的。

41.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中LF1发射孔具有不存在活动LF发射的中心区域。

42.如权利要求40或41所述的声学换能器阵列探头，其中用于所述LF1和HF转换的厚度结构在整个阵列表面上是相同的，并且能够通过可选择地电连接到阵列元件来可选择地改变HF和LF1发射和接收孔的尺寸。

43.如权利要求42所述的声学换能器阵列探头，其中能够将所述HF接收孔选择为比所述LF1发射孔宽。

44.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中通过设置在用于较高频带的转换结构后面的压电层来获得用于所述另外的较低频带中的每一个频带的所述电声转换阵列。

45.如权利要求44所述的声学换能器阵列探头，其中在每个所述压电层前面设置声学隔离部分，其中所述隔离部分为所述压电层前面的所述转换结构的谐振带中的振动提供后向声学衰减。

46.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中所述LF1辐射表面可以在以下选项中的至少两个中进行选择：

a）至少位于LF1辐射表面上、在HF辐射表面外部的区域中，以及

b）所述LF1辐射表面与所述HF辐射表面相等，以及

c）所述LF1辐射表面具有不进行LF1发射的中心区域，以及

d）a）和c）的组合。

47.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中所述HF和LF1阵列独立布置成以下中的一种：

-单元件阵列，以及

-换能器元件的环形阵列，以及

-换能器元件的线性阵列，以及

-换能器元件的曲线阵列，以及

-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组成。

48.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中

-将所述LF1和HF辐射和/或接收表面中的至少一个制造为元件的稀疏阵列，以及其中

-将所述稀疏阵列设计成相对于LF1波束引导稀疏HF发射阵列的潜在HF栅瓣，从而使得在所述HF栅瓣中的HF脉冲处的LF1脉冲压力如此低，以至于与沿着HF主瓣相比，可以忽略沿着所述HF栅瓣的、所述LF1脉冲在所述HF脉冲处对目标弹性的非线性操控。

49.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中所述HF和LF1阵列至少层叠在所述公共辐射表面后面。

50.如权利要求46所述的声学换能器阵列探头，其中所述阵列的厚度结构在所述整个阵列表面上是相同的，并且LF1和HF发射和接收孔的尺寸由到阵列元件电极的电连接限定。

51.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中

-通过分离的压电层来获得所述LF1和HF电声转换，其中HF压电层层叠在多层结构中LF1压电层的前面，以及其中

-在所述HF和LF1压电层之间设置由至少两个声学层构成的声学隔离部分，以及其中

-在所述HF压电层前面设置用于所述HF频带的声学匹配部分。

52.如权利要求51所述的声学换能器阵列探头，其中所述隔离部分包括特性声学阻抗大于17MRayl的后层和至少一个特性阻抗小于5MRayl的层。

53.如权利要求51所述的声学换能器阵列探头，其中所述隔离部分由以下之一制成：材料Si、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W、和这些材料的合金。

54.如权利要求53所述的声学换能器阵列探头，其中所述隔离部分由以下制成：烧结或胶粘在一起的材料Si、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W的合金或这些材料之一的粉末。

55.如权利要求51所述的声学换能器阵列探头，其中所述隔离部分包括作为所述隔离部分的背层的陶瓷层。

56.如权利要求55所述的声学换能器阵列探头，其中将所述LF1压电层制造为陶瓷/聚合物复合材料，其中从所述LF1压电层的背面对所述陶瓷进行切割但不完全穿过所述LF1压电层，使得所述LF1陶瓷压电层的前部形成陶瓷层，所述陶瓷层形成所述隔离部分的所述背层。

57.如权利要求56所述的声学换能器阵列探头，其中从所述隔离部分的背面算起的第二层由以下之一制成：材料Si、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W、和这些材料的合金。

58.如权利要求57所述的声学换能器阵列探头，其中从所述隔离部分的所述背面算起的第二层由以下制成：烧结或胶粘在一起的材料Si、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、W的合金或这些材料之一的粉末。

59.如权利要求51所述的声学换能器阵列探头，其中所述LF1和HF压电层中的一个或两个包括在彼此之上的至少两个压电子层，在所述子层的表面上具有电极，并且其中不同子层中的所述电极与所述子层的电极化相关地耦合在一起，使得所述子层并联电耦合，而所述子层的厚度振动是串联的，从而减少所述阵列元件的电阻抗。

60.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中

-通过压电层获得所述LF1电声转换，以及

-通过在前表面上具有基于cmut/pmut的转换膜的基底层来获得所述HF电声转换，以及

-所述具有cmut/pmut转换膜的层设置在所述压电层的前面。

61.如权利要求40所述的声学换能器阵列探头，其中通过基于cmut/pmut的膜换能器技术在相同基底上获得所述LF1和HF电/声转换，其中对于所述LF1和HF转换使用不同的膜，针对所述LF1和HF频带中的振动分别优化所述不同的膜。

62.如权利要求61所述的声学换能器阵列探头，其中所述HF转换膜设置在所述LF1转换膜之上。

63.如权利要求61所述的声学换能器阵列探头，其中所述HF转换膜与所述LF1转换膜并排设置，彼此如此接近以至于在距离探头表面一定深度以后，LF1和HF波束看起来是源自至少具有公共区域的辐射表面。

64.如权利要求61所述的声学换能器阵列探头，其中能够使用所述LF1cmut/pmut膜作为电声转换元件、通过所述公共辐射表面发射和接收第二较低频带LF2中的另外的声学脉冲，其中所述LF1cmut/pmut膜也在所述LF2频带中具有谐振。

65.如权利要求61所述的声学换能器阵列探头，其中能够通过所述公共辐射表面发射和接收第二较低频带LF2中的另外的声学脉冲，其中通过在相同基底上的cmut/pmut LF2膜获得用于所述LF2频带的所述电声转换，其中可以设置成下列中的一种方式：

-所述HF和LF1膜设置在所述LF2膜之上，以及

-所述LF2膜设置在所述HF和LF1膜旁边。

66.如权利要求51或60或61所述的声学换能器阵列探头，其中所述LF1和HF辐射表面相等。

67.如权利要求51或60或61所述的声学换能器阵列探头，其中

能够通过可选择地电连接到阵列元件电极来可选择地改变所述LF1和HF发射和接收孔。

68.如权利要求51所述的声学换能器阵列探头，其中，具有集成电子器件的基底层包括在所述隔离部分中，所述基底材料为GaAs。

69.一种利用如权利要求40所述的声学探头的设备，其中

通过下列中的一种方式来选择活动的LF1发射孔：

a）由所述设备根据图像范围以及超声成像模态和应用进行自动选择，以及

b）由设备操作员通过设备控制器进行直接选择。

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