CN110546775A - 具有直接互连能力的低电压、低功耗mems传感器 - Google Patents
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Abstract
一收发器(210)，包含pMUT元件(302)的阵列，其中每个pMUT元件(302)包含：基板(1030)；薄膜(1034)，悬置于所述基板；底电极(1002)，设置在所述薄膜(1034)上；压电层(1010)，设置在所述底电极(1002)上；以及第一电极(1008)，设置在所述压电层(1010)上。每个pMUT元件展现一个或更多个振动模式。
Description
相关申请案的交互参照
本申请主张2016年12月04日申请之美国临时申请第62,429,832号，标题为「可配置超声波线成像器(A Configurable Ultrasonic Line imager)」、2016年12月04日申请之美国临时申请第62,429,833号，标题为「具直接互连的低电压、低功耗MEMS传感器(LowVoltage,Low Power MEMS Transducer with Direct Interconnect)」、以及2016年12月13日申请之美国临时申请第62,433,782号，标题为「微机械收发器阵列(MicromachinedTransceiver Array)」的效益，其全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种成像装置，尤其是一种具有可配置超声波线成像器(configurable ultrasonic line imagers)的成像装置。
背景技术
用于成像人类或动物体内部组织、骨骼、血流或器官并显示影像的系统/探头(probe)需要发送一信号进入体内，并接收自被成像的身体部位发送或反射的信号。一般而言，成像系统中使用的传感器(transducers)被称为收发器(transceivers)，且有些收发器是基于光-声音或超声波的效果。总的来说，收发器被用于成像，但不必然限于成像。例如，收发器可用于医学影像、管线中的流量测量、扬声器和麦克风阵列、碎石手术(lithotripsy)、用于治疗的局部组织加热、或用于手术的高强度聚焦超声波(highlyintensive focused ultrasound,HIFU)。
现有以块材压电材料(PZT)制成的传感器一般需要很高的电压脉冲来生成发送信号，一般而言需要100 V或更多。这种高电压导致高功率耗散，因传感器的功率消耗/耗散是与驱动电压成比例。探头表面能到达的温度也有限制，这也限制了探头可以消耗多少的功率，因为探头生成的热与消耗的功率成比例。在传统的系统中，热的生成导致需要为一些探头配备冷却装置，而增加了探头的制造成本与重量。总的来说，传统探头的重量也是一个问题，因为很多使用这些探头的声谱仪操作员已知患有肌肉损伤。
医学影像使用的传统超声探头一般是使用PZT材料或其他压电陶瓷及高分子复合材料。探头一般备有传感器及具有使影像显示于显示单元的构造的一些其他电子器件。在制作传感器用的传统块材PZT元件时，可单纯的将厚压电材料板切成大矩形PZT元件。这些矩形PZT元件的制造非常昂贵，因其制造过程涉及精确切割矩形厚PZT或陶瓷材料及安装在具有精确间距的基板上。进一步地，传感器的阻抗远高于用在传感器的发送/接收电子器件的阻抗。
在现有系统中，传感器用的发送/接收电子器件通常位在远离探头的位置，在传感器和电子器件之间需要微同轴电缆(micro-coax cables)。总的来说，电缆需要具有精确的长度以达成延迟和阻抗匹配，且通常为了有效地将传感器通过电缆连接到电子设备，还需要额外的阻抗匹配网络。
微加工技术的进步允许如电容微机械超声传感器(capacitive micromachinedultrasound transducers,cMUTs)和压电微机械超声传感器(piezoelectricmicromachined ultrasound transducers,pMUTs)等传感器和致动器能有效地形成在基板上。相较于具有笨重压电材料的现有传感器，pMUT在制造上较轻便廉价的同时，在电子器件和传感器之间具有更简单和更高性能的互连，提供操作频率上更大的灵活性，以及生成更高质量影像的潜力。
虽然这些传感器的基本概念已在1990年代早期被公开，但这些概念的商业实施仍遇到许多挑战。例如，由于高压操作期间的电荷累积，现有cMUT感测器特别容易发生故障或性能漂移(drift)，在较低频率难以产生足够高的声压(acoustic pressure)且本质上是非线性的。现有的pMUT本是很有前景的一种替代方案，但是有发送和接收效率低相关的问题，仍然需要相对高的工作电压并且带宽有限。因此，有需要一种具有增强效率，可以在较低电压下操作并且具有高带宽的pMUT。
发明内容
在实施例中，一种收发器包含：基板；悬置于所述基板的薄膜(membrane)；设置在所述薄膜上的底电极；设置在所述底电极上的压电层；设置在所述压电层上的第一顶电极及第二顶电极，所述第一顶电极是电性隔离于所述第二顶电极；且所述压电层包含位在所述第一顶电极下并且向第一方向被极化的第一部分，以及位在所述第二顶电极下并且向与所述第一方向相反的第二方向被极化的第二部分。
在实施例中，一种收发器包含：收发器基板以及ASIC芯片。所述收发器基板包含：基板；设置在所述基板上的至少一个薄膜；以及设置在所述至少一个薄膜上的多个压电元件，所述多个压电元件的每一个包含：底电极；设置在所述底电极上的压电层；设置在所述压电层上的第一顶电极及第二顶电极，所述第一顶电极是电性及空间上隔离于所述第二顶电极；且所述压电层包含位在所述第一顶电极下并且向第一方向被极化的第一部分，以及位在所述第二顶电极下并且向与所述第一方向相反的第二方向被极化的第二部分。所述ASIC芯片是通过三维互连机构(three dimensional interconnection mechanism)电性耦合至所述收发器基板，且包含：用以控制所述多个压电元件中的一个或更多个的至少一个电路；以及电性耦合至所述至少一个电路并控制所述至少一个电路的控制单元。
在实施例中，一种成像系统包含第一及第二成像装置。第一及第二成像装置各自包含：基板；设置在所述基板上的至少一个薄膜；以及设置在所述至少一个薄膜上的多个压电元件。所述多个压电元件的每一个包含：底电极；设置在所述底电极上的压电层；设置在所述压电层上的第一顶电极及第二顶电极，所述第一顶电极是电性及空间上隔离于所述第二顶电极；且所述压电层包含位在所述第一顶电极下并且向第一方向被极化的第一部分，以及位在所述第二顶电极下并且向与所述第一方向相反的第二方向被极化的第二部分。所述第一成像装置向待成像标的发送压力波，且其中第二成像装置位在与第一成像装置不同的位置并接收从标的反射的压力波。
附图说明
将参考本发明的实施例，其示例将在附图中示出。这些图旨在说明而非限制。虽然本发明基本以这些实施例的内容描述，但应理解的是，并非意图将本发明的范围限制于这些特定实施例。
图式(或「图」)1为根据本公开实施例的成像系统的示意图。
图2为根据本公开实施例的超声成像器的示意图。
图3A为根据本公开实施例的示例性收发器阵列的侧视图。
图3B为根据本公开实施例的收发器瓦片的俯视图。
图4-8为根据本公开实施例的用于制造示例性压电元件的步骤。
图9为根据本公开实施例的压电元件的示意图。
图10A为根据本公开实施例的压电元件的示意图。
图10B为图10A中的压电元件的符号表示。
图10C为根据本公开实施例的示例性压电元件的示意性截面图。
图10D为根据本公开实施例的压电元件的示意图。
图10E为根据本公开实施例的压电元件的示意图。
图10F为根据本公开实施例的压电元件的示意图。
图10G为根据本公开实施例的图10F中的压电元件的仰视图。
图10H为根据本公开实施例的图10F中的压电元件的截面图。
图11为根据本公开实施例的压电元件的示意图。
图12-16为根据本公开实施例的用于制造示例性压电元件的步骤。
图17A为根据本公开实施例的在极化处理之前、期间和之后的压电材料的偶极取向。
图17B为根据本公开实施例的用于极化压电层的示例性过程的流程图。
图18A为根据本公开实施例的成像组件的示意图。
图18B为根据本公开实施例的成像组件的示意图。
图19A-1为根据本公开实施例的收发器基板和ASIC芯片的俯视图。
图19A-2为根据本公开实施例的成像组件的侧视图。
图19B-1为根据本公开实施例的收发器基板和ASIC芯片的俯视图。
图19B-2为根据本公开实施例的成像组件的侧视图。
图19C为根据本公开实施例的收发器基板和ASIC芯片的俯视图。
图19D为根据本公开实施例的收发器基板和ASIC芯片的俯视图。
图19E为根据本公开实施例的收发器基板和ASIC芯片的俯视图。
图19F为根据本公开实施例的收发器基板和ASIC芯片的俯视图。
图19G为根据本公开实施例的收发器基板和ASIC芯片的俯视图。
图20为根据本公开实施例的能够执行二维和三维成像的压电元件阵列的示意图。
图21为根据本公开实施例的压电元件阵列的示意图。
图22为根据本公开实施例的压电元件阵列的示意图。
图23为根据本公开实施例的压电元件阵列的示意图。
图24为根据本公开实施例的压电元件阵列的示意图。
图25为根据本公开实施例的压电元件阵列的示意图。
图26为根据本公开实施例的压电元件阵列的示意图。
图27为根据本公开实施例的压电元件阵列的示意图。
图28为根据本公开实施例的成像系统的示意图。
图29为根据本公开实施例的成像系统的示意图。
图30为根据本公开实施例的耦合到电路元件的压电元件的实施例。
图31为根据本公开实施例的用于控制多个压电元件的电路。
图32为根据本公开实施例的用于控制多个压电元件的电路。
图33为根据本公开实施例的发送驱动信号波形。
图34为根据本公开实施例的发送驱动信号波形。
图35为根据本公开实施例的发送驱动信号波形。
图36为根据本公开实施例的成像组件中的各种电路的输入/输出信号。
图37A为根据本公开的实施例的作为角度函数的发送压力波的幅度的曲线图。
图37B为根据本公开实施例的用于变迹过程的窗口。
图38为根据本公开实施例的成像组件的示意图。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，阐述众多具体细节，以提供对本公开的完全理解。然而，本领域的普通技术人员应该清楚，可在没有这些具体细节中的一些的情况下实践本公开的实施例。此外，本领域技术人员将认识到本公开的后述实施例可以各种方式，例如有形计算机可读介质上的程序、装置、系统、设备或方法来实践。
本领域技术人员应理解的是：(1)某些制造步骤可以选择性地执行；(2)步骤可以不限于本文阐述的特定顺序；以及(3)某些步骤可以不同的顺序执行，包括同时完成。
图中所示的元件/组件是本公开的示例性实施例的说明，并且旨在避免模糊本公开。说明书中对「一个实施例」、「优选实施例」、「一实施例」或「实施例」的引用意指结合该实施例描述的特定特征、结构、特性或功能是包含在本公开的至少一个实施例，或是可包含在多于一个实施例中。在说明书中各处出现的「在一个实施例中」、「在一实施例中」或「在一些实施例中」不必然指代相同的实施例。用语「包括(include)」、「包括(including)」、「包含(comprise)」及「包含(comprising)」应被理解为开放性用语，并且随后的任何列表皆是示例，并非意在限于所列项目。本文使用的任何标题仅用于整理说明目的，不应用于限制说明书或权利要求的范围。此外，在说明书中的各处使用的某些用语仅用于说明而不应被解释为限制本公开。
在实施例中，pMUT传感器(pMUT transducers)及传感器组件可用于生成人体/动物体内部器官的影像，或以超声波束加热组织以进行愈合或聚焦高功率超声波束用于微型手术的其他治疗应用。在实施例中，压电元件也可用于断层摄影(tomography)的应用。
在实施例中，pMUT的制造成本可以通过应用现代半导体和晶片处理技术来降低。在实施例中，可以将薄膜压电层旋涂或溅射到半导体晶片上，然后将其图案化以产生具有两个或更多个电极的压电感测器(piezoelectric sensors)。在实施例中，每个压电元件可以设计成具有在特定频率(被称为中心频率)以及第二和/或附加频率发送或接收信号的能力。在下文中，压电元件(piezoelectric element)、pMUT、收发器(transceiver)和像素等用语可互换使用。
图1为根据本公开实施例的成像系统100的示意图。如图所示，系统100可包含：成像器120，其在发送模式/程序中生成并发送压力波122至内部器官112，例如心脏；以及装置102，其通过通信通道130送出及接收信号至成像器。在实施例中，内部器官112可反射一部分压力波122至成像器120，而成像器120可在接收模式/程序中撷取反射的压力波并生成电气信号。成像器120可将电气信号通信至装置102且装置102可用电气信号在显示器/屏幕104上显示器官或标的的影像。
在实施例中，成像器120用于执行一维成像(也称为A-Scan)、二维成像(也称为Bscan)、三维成像(也称为C scan)及多普勒成像(Doppler imaging)。并且，成像器可在程序的控制下切换至各种成像模式。
在实施例中，成像器120也可用于取得动物内部器官的影像。成像器120还可在多普勒模式成像中用于确定动脉和静脉中的血流方向和速度，并且测量组织硬度。在实施例中，压力波122可以是能够穿过人体/动物体，并被内部器官、组织或动脉和静脉反射的声波、超声波或光声波(photo-acoustic waves)。
在实施例中，成像器120可为便携装置，且通过通信通道130无线地(使用通讯协定，如802.11协定)或经电缆(如USB2、USB3、USB3.1、以及USB-C)与装置102沟通信号。在实施例中，装置102可为行动装置，例如手机或iPad，或可以向用户显示影像的固定计算装置。
在实施例中，成像器可配置为同时发送和接收超声波波形。某些压电元件可配置为向被成像的目标器官送出压力波，而其他压电元件可以接收从目标器官反射的压力波并且响应所接收的波产生电荷。
图2为根据本公开实施例的成像器120的示意图。在实施例中，成像器120可为超声成像器(ultrasonic imager)。如图2所示，成像器120可包含：收发器瓦片(transceivertile(s))210，用以发送及接收压力波；涂层212，作为用于操纵压力波的传播方向和/或聚焦压力波的透镜，并且作为收发器瓦片和人体110之间的阻抗介面；控制单元202，例如ASIC芯片(或简称ASIC)，用以控制收发器瓦片210并通过凸块(bumps)耦合至传感器瓦片210；现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays,FPGAs)214，用以控制成像器120的组件；电路215，例如模拟前端(Analogue Front End,AFE)，用于处理/调节信号；吸声层203，用于吸收传感器瓦片210生成的波并传播至电路215；通信单元208，用以通过一个或更多个端口216来跟外部装置如装置102沟通数据；记忆体218，用以储存数据；电池206，用以向成像器的组件提供电力；以及可选择地包含显示器217，用以显示目标器官的影像。
在实施例中，装置102可具备显示器/屏幕。在这种情况下，显示器可不包含在成像器120中。在实施例中，成像器120可通过端口230中的一个从装置102接收电力。在这种情况下，成像器120可不包含电池206。值得注意的是成像器120的一个或更多个组件可组合成一个整体的电气元件。同样地，成像器120的每个组件也可实现在一个或更多个电气元件。
在实施例中，使用者可以在人体110与涂层212直接接触之前在人体110的皮肤上涂抹凝胶，以改善涂层212与人体110之间的介面处的阻抗匹配，也就是说，减小介面处的压力波122的损失，并且朝向成像器120行进的反射波的损失也在介面处减少。在实施例中，收发器瓦片210可安装在基板上并可附着于吸声层。该层吸收在反方向上发送的任何超声信号，避免这些超声信号可能被反射并干扰影像的质量。
如后述，涂层212可以仅是平坦匹配层，以最大化从传感器到身体的声音信号的发送，反之亦然。在实施例中，涂层212的厚度可为由传感器瓦片202生成的压力波的四分之一波长。在这种情况下，声束不必聚焦在仰角方向，即延著列的长度方向，因为可以在控制单元202中以电子方式实现。即使这样，在某些情况下镜头也可以设计成有焦点。成像器120可以使用反射的信号来建构器官112的影像，且结果可用各种格式显示在屏幕上，诸如图表、曲线图以及包含或不含器官112影像的统计数据。
在实施例中，控制单元202如ASIC可与收发器瓦片组合成一个单元。在其他实施例中，控制单元202可位于成像器120外，并通过电缆电性耦合至收发器瓦片210。在实施例中，成像器120可包含收容组件202-215的壳体以及用于消散组件生成的热能的散热机构。
图3A为根据本公开实施例的具有三个收发器瓦片210的示例性收发器阵列的示意图。该些瓦片可在平坦面或曲面上。图3B为根据本公开实施例的包含一个或更多个压电元件302的收发器瓦片210的俯视图。如图所示，收发器瓦片210可包含收发器基板304及一个或更多个压电元件302排列在收发器基板304上。
不像使用块材压电元件的现有系统，在实施例中，pMUT阵列302可形成在晶片上，而晶片可被切割以形成多个收发器瓦片210。此过程可以降低制造成本，因为可以大量且低成本地制造收发器瓦片210。在实施例中，晶片的直径可以是6-12英寸，且可以批量生产许多pMUT阵列。进一步地，在实施例中，结合图18和19进行说明时，用于控制pMUT阵列302的集成电路可以形成在ASIC芯片中，使得pMUT阵列302可以非常接近地，优选在25μm-100μm之内的距离连接到匹配的集成电路。例如，收发器瓦片210可具有1024个pMUT元件302并连接到匹配的ASIC芯片，该ASIC芯片具有用于驱动所述1024个pMUT元件302的适当数量的电路。
在实施例中，每个压电元件302可具有适当的形状如矩形、三角形、以及圆形等。在实施例中，两个或更多个压电元件可相互连接以形成一个更大的像素元件。如图3B所示，当构建成像器时，较佳为具有二维阵列且沿正交方向排列的压电元件302。在实施例中，为了形成线元件(line element)，N个压电元件302组成的列可以并联电连接。然后，该线元件可以提供类似于由每个元件的N倍长度的连续的压电元件实现的超声信号的发送和接收。该线元件可互换地被称为列或线或线元件。应理解的是所述瓦片可以排列呈其他形状例如圆形或其他形状。在实施例中，一个或更多个温度感测器320可安装于传感器瓦片210以测量瓦片210的温度。值得注意的是，成像器120可包含一个或更多个温度感测器以测量成像器120不同位置的温度。
为了模仿现有设计的线元件，具有给定宽度的压电元件的形状可能需要非常高。例如，现有设计的线元件可能宽280μm高8000μm，而厚度可为100μm。然而，在收发器瓦片210上，使用多个相同的压电元件302来设计线元件是较有利的，其中每个元件可以具有各自的中心频率。在实施例中，当多个压电元件302相互连接时，此复合结构(即所述线元件)可以作为一个线元件，且其中心频率由所有元件像素的中心频率组成。在现代半导体工艺中，这些中心频率彼此匹配良好，并且与线元件的中心频率的偏差非常小。与仅使用一个中心频率的线相比，还可以混合几个不同中心频率的像素以产生带宽更宽的线。
在实施例中，压电元件302具有与其关连的悬置薄膜(suspendedmembrane)，所述薄膜当暴露于该频率的刺激时以中心频率振动并且表现得像共振器(resonator)。与这些共振器相关的选择性(selectivity)被称为Q因子。在实施例中，对于超声成像器，Q通常可被设计为较低(接近1或其附近)并且通过像素的设计和实际使用中施加到像素的负载(loading)的组合来实现。在实施例中，可以通过在压电元件的顶面上施加一层RTV或其他材料来提供负载，而此负载可以促进发送和接收压力波的传感器表面与被成像的人体部分之间更紧密的阻抗匹配。在实施例中，低Q值和匹配良好的中心频率可以允许线元件基本上作用如具有实质上一个中心频率的线成像元件。在实施例中，负载还可包括传感器下方的匹配层，其中发送的波形被吸声器吸收。
在实施例中，例如，每个压电元件302的中心可彼此间隔250μm。进一步简化而言，假设它们是方形的。现在，假设为了模仿现有的线元件，压电元件302的列可以彼此连接。例如，一列中24个压电元件302可以产生大约6mm高的线元件，每个元件的宽度为0.25mm。在实施例中，可以使用金属互连层在晶片级中实现这种连接。
值得注意的是，收发器瓦片210可包含一个或更多个从基板悬置的薄膜，且压电元件302可设置在所述薄膜上。在实施例中，如后述结合图4-8所述，薄膜可以设置在每个压电元件302下方。在实施例中，一个薄膜309上可设置一个以上的压电元件。在实施例中，一个压电元件302下面可以设置一个以上的薄膜。关于薄膜上压电元件排列的更多资讯可以在共同未决的美国专利申请号15/820,319中找到，标题「具有压电传感器的成像装置」，申请日2017/11/21，通过引用以其全部内容并入本文。
就现有块材压电元件而言，顶电极和底电极的电压范围为100V～200V。就现有pMUT而言，顶电极和底电极的电压范围为约30V。在实施例中，为了进一步地降低此电压，压电元件302可包含按比例缩小的薄压电层，且压电层可具有约2μm或更小的厚度。图4-8为根据本公开实施例的用于制造示例性压电元件的步骤。图4为设置在基板402上的薄膜406的俯视图。图5为根据本公开的实施例的沿线4-4截取的薄膜和基板的截面图。(在实施例中，基板402可对应图3B中的收发器基板304)如图所示，在实施例中，薄膜层404可沉积在基板402上且可通过移除基板402的一部分形成凹洞408，以形成可相对基板402于垂直方向震动的薄膜406。在实施例中，凹洞408可通过传统的晶片处理技术形成，例如蚀刻。在实施例中，基板402可用与薄膜层404相同的材料形成。在替代的实施例中，基板402可用与薄膜层404不同的材料形成。值得注意的是，可在其他组件如压电元件的上导体(图8中812)形成之后，再形成凹洞408。
在实施例中，薄膜406具有圆形投影区域。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，薄膜406也可具有其他合适的几何形状。
图6为根据本公开实施例的设置在薄膜层404上并排列在薄膜406上方的底电极602的俯视图。图7为根据本公开实施例的设置在底电极602上的压电层706的俯视图。在实施例中，压电层706可具有与底电极602相似的投影区域，使压电层706可覆盖整个底电极602。
图8为根据本公开实施例的压电元件的俯视图。如图所示，顶电极808可设置在压电层706上并排列于薄膜406上。在实施例中，导体812可设置在顶电极808上并电性耦合至顶电极808，而导体810及811可通过一个或多个通孔814到达底电极602。在实施例中，顶电极808、压电层706以及底电极602可形成一个双端子压电元件，且当在顶电极和底电极上施加电压时，薄膜406可振动。在实施例中，当在接收模式/程序中薄膜因压力波变形时，电荷可能会形成在顶电极和底电极中。
图9为根据本公开实施例的压电元件900的示意图。如图所示，压电层910可设置于第一电极(X)906与第二电极(O)904之间。在实施例中，第一电极(X)906可通过导体(X)908连接至接地(ground)或直流偏置(DC bias)，而第二电极(O)904可通过信号导体(O)902连接至电气电路(图9中未示出)。在实施例中，图8中的压电元件800是压电元件900的示例性实施方式，且压电元件900可设置在薄膜层(例如图5中的404)上。
在现有压电元件中压电层较厚，可达约100μm，且通常需要在压电层上施加+100至-100V的交流电压以产生足以实现医学成像的强度的超声压力波。此交流驱动信号的频率通常接近压电结构的共振频率，且通常高于1 MHz以适用于医学成像的应用。在现有系统中，在驱动压电元件时消耗的功率与C*V2成比例，其中C是压电元件的电容，V是压电层两端的最大电压。当发送压力波时，多个压电线是以稍微不同的相位延迟一起被驱动以聚焦压力波或控制压力波的传播方向。多个压电线的同时驱动会导致压电元件表面的温度升高。总的来说，最理想是不超过特定阈值温度，以免伤害被成像的对象。这限制了能驱动的线的数量以及能驱动的时间。
在实施例中，相较于现有块材压电元件，压电层910更轻薄，只有约1-2μm厚。在实施例中，这种厚度的大幅减小可允许压电元件900使用较低电压的驱动信号，其中电压大约降低压电层910的厚度减小的量以保持相似的电场强度。例如，在实施例中，两个电极904和906上的电压电位峰值对峰值可以在大约1.8V到12.6V的范围内。由于使用类似压电材料的压电层910的厚度减小，压电元件900的电容可能增加。例如，当驱动电压降低10倍而压电层910的厚度也减小10倍时，电容增加10倍且功耗降低10倍。这种功耗的降低还减少了压电元件中的发热和温度上升。因此，在实施例中，与现有压电元件相比，使用较低的驱动电压和较薄的压电层可降低pMUT表面的温度。或者，在实施例中，在给定温度下，相较于现有压电元件，可以同时驱动更多pMUT元件以照射更大的目标区域。如此可允许更快地扫描目标，特别是当需要多次发送来扫描目标的整个部分以形成一个影像时。在实施例中，可以使用不同的转向角(steering angles)以多次发送扫描目标区域，并且可以组合所获得的影像数据以获得更高质量的影像。
相较于现有块材压电元件，在实施例中，同时驱动更多压电元件的能力可允许每次发送更多地覆盖传感器的孔径，从而最小化覆盖整个孔径所需的发送次数，使帧率增加。帧率是测量目标每分钟成像的次数。较理想是以高帧率成像，尤其是当涉及组织移动时，因为移动的组织可能使影像模糊。在实施例中，相较于现有块材压电元件，以更高帧率操作的成像器120能够产生质量增强的影像。
在实施例中，通过将几个帧影像复合成一个合成的低噪帧(lower noise frame)可以改善影像质量。在实施例中，通过使用具有高帧率的低电压和低功率pMUT，与现有块材压电元件相比，对于pMUT温度的给定上升，这种平均的技术可以提高影像质量。在实施例中，可使用超声成像的合成孔径方法以允许影像的复合。各种影像帧也可以具有不同的转向角或从正交的转向方向以更好地观察目标。
图10A为根据本公开实施例的压电元件1000的示意图。图10B为图10A中的压电元件1000的符号表示。如图所示，压电元件1000类似压电元件900，区别在于压电元件1000有两个以上的电极。具体而言，压电元件1000可包含：顶电极(O)100；第一底电极(X)1006；第二底电极(T)1012；压电层1010设置于顶电极和底电极之间；以及三个导体1002、1008及1014分别电性耦合至底电极和底电极1004、1006及1012。(在下文中，用语顶部和底部仅指压电层的两个相对侧，即顶电极不必然设置在底电极上。)
虽然图10A中仅为说明目的示出了单晶片压电元件(unimorph piezoelectricelement)，但在实施例中，可使用由多个压电子层(sublayers)和电极组成的多层压电元件。在实施例中，压电层1010可以包括PZT、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF和LiNiO3中的至少一种。
图10C为根据本公开实施例的压电元件1000的示意性截面图。如图所示，压电元件1000可以设置在由基板1030支撑的薄膜层1034上。在实施例中，凹洞1032可以形成在基板1030中以界定出薄膜。在实施例中，可在基板1030上沉积SiO2来形成薄膜层1034。
在实施例中，压电元件1000可包含压电层1010及电性连接至信号导体(O)1004的第一电极(O)1002。在实施例中，可在薄膜层1034上沉积TiO2及金属层来形成信号导体(O)1004。在实施例中，压电层1010可以通过溅射技术或通过溶胶凝胶法形成。
在实施例中，第二电极(X)1006可在压电层1010上成长并电性连接至第二导体1008。第三电极(T)1012也可在压电层1010上成长并设置与第二导体1012相邻但与第二导体电性隔离。在实施例中，第二电极(X)1006和第三电极(T)1012可以通过在压电层1010上沉积一个金属层并图案化所述金属层来形成。在实施例中，电极1002、1006和1012的投影区域可以具有任何合适的形状，例如正方形，矩形，圆形和椭圆形等。
就如压电元件1000一般，第一电极(O)1002可以使用金属、通孔和层间电介质电性连接至导体(O)1004。在实施例中，第一电极(O)1002可直接接触压电层1010。第三导体(T)1014可以相对于第一电极(O)1002沉积或成长在压电层1010的另一侧上。
图10D为根据本公开实施例的压电元件1030的示意图。如图所示，压电元件1030可包含两个子压电元件(或简称子元件)1031-1及1031-2。在实施例中，每个子元件可为三端子装置，也就是说可具有一个顶电极1032-1(或1032-2)、两个底电极1034-1(或1034-2)及1036-1(或1036-2)、以及一个压电层1035-1(或1035-2)。在实施例中，顶电极1032-1可以通过公共导体(O)1031电性连接至顶电极1032-2，第一底电极(X)1034-1可以通过公共导体(X)1038电性连接至第一底电极(X)1034-2，且第二底电极(T)1036-1可以通过公共导体(T)1040电性连接至第二底电极(T)1036-2。在实施例中，压电元件1030可以设置在一个薄膜上，或者每个子元件可以设置在不同的薄膜上。对于本领域技术人员显而易见的是，导体(O)1032-1可以使用金属，通孔，层间电介质(ILD)等电性连接至电极(O)1031，使用与图12-16中所示的压电元件类似的方式。
在实施例中，在成像器的有效操作期间，导体(X)1038和导体(T)1040可以全部接地(或连接至直流偏置)。在实施例中，电极(O)1032-1和1032-2可以由公共发送驱动电路和公共电信号驱动，通常是靠近传感器中心频率的信号波形。例如，如果中心频率是2MHz，则将2MHz的正弦波形或方波波形施加到压电元件1030。此波形可以使压电元件1030以2MHz共振，并从传感器表面送出压力波，例如122。压力波可从待成像的目标器官反射。在实施例中，反射的压力波可以撞击现在连接到信号接收器的压电元件1030。压力波可以通过压电层1035-1和1035-2被转换为压电元件1030中的电荷。在实施例中，此电荷可以由放大器、滤波器处理信号，并最终由A/D转换器(图10D中未示出)数字化，接着是数字抽取器使数据最终与FPGA或图形处理单元(GPU)相接。这些来自多个压电元件的处理过的信号可以接著可被重建成影像。驱动发送驱动器的信号波形也可以是频率变化信号或相位变化信号或其他复杂编码信号，例如chirps码或Golay码。
图10E为根据本公开实施例的压电元件1050的示意图。如图所示，压电元件1050可包括两个子元件1051-1和1051-2。在实施例中，每个子元件可以是双端子器件，也就是说可具有一个顶电极1052-1(或1052-2)，一个底电极1054-1(或1054-2)及一个压电层1056-1(或1056-2)。在实施例中，顶电极(O)1052-1可以通过公共导体(O)1051电性连接至顶电极(O)1052-2，且底电极(X)1054-1可以通过公共导体(X)1058电性连接至底电极(X)1054-2。在实施例中，压电元件1050可以设置在一个薄膜上，或者每个子元件可以设置在不同的薄膜上。
图10F为根据本公开实施例的压电元件1070的示意图。图10G为根据本公开实施例的压电元件1070的仰视图。如图所示，压电元件1070可包括：顶电极(O)1074、第一底电极(X)1080；第二底电极(T)1076；设置在顶电极和底电极之间的压电层1075；三个导体1072、1078和1082分别电性耦合至底电极和顶电极1074、1076和1080。(在图10G中，未示出导体。)在实施例中，第一和第二底电极中的每一个具有环形形状，且第二底电极(X)1076围绕第一底部电极(T)1080。
图10H为根据本公开实施例的压电元件1085的示意图。如图所示，压电元件1085可以采用横向操作模式(transverse mode of operation)，包括：基板1091、在一端固定到基板上的薄膜1090；电性耦合到导体1089的底电极(O)1092；压电层1088；以及电性耦合到导体1087的顶电极1086。在实施例中，薄膜1090可以在一端固定到基板1091，以在横向模式中振动，如箭头1093所示，也就是说，压电元件可以以横向模式操作。
值得注意的是，压电元件1085可以具有任何合适数量的顶电极。而且，值得注意的是可以在薄膜1090上安装一个以上的压电元件。还应注意的是，基板1091和薄膜1090可以由一个整体形成，并且通过蚀刻基板来形成薄膜。
图11为根据本公开实施例的压电元件1100的示意图。如图所示，电极(O)1104可以设置在压电层1110的顶表面上并且电性连接至可以连接到一电路的导体(O)1102。导体(T1)1108，导体(T2)1114和导体(X)1118可以分别连接到底电极(T1)1106、电极(T2)1112和电极(X)1116。电极(T1)1106、电极(T2)1112和电极(X)1116可以设置在压电层1110的底表面上。在实施例中，压电元件1100可以设置在一个薄膜或三个单独的薄膜上。
图10A-11为压电元件(或子元件)，每个压电元件具有两个端子(O和X)或三个端子(O、X和T)或四个端子(O、X、T1和T2)。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，多于一个压电元件(或子元件)可具有多于四个端子。例如，压电元件可以具有顶部底部(O)电极和多于三个底电极。
图12-16为根据本公开实施例的用于制造具有四个端子的示例性压电元件的步骤。图12为薄膜1206的俯视图，其可通过在基板1202上形成薄膜层1204并在基板中形成凹洞1208来形成。图13为沿线12-12截取的图12中的结构的截面图。在实施例中，可以通过合适的晶片处理技术沉积薄膜1204。
图14为根据本公开的实施例的在薄膜层1204上形成的层结构的俯视图，图15为沿着线14-14截取的图14中的层结构的截面图。如图所示，三个顶电极1223、1224-1及1224-2、压电层1220、以及底电极1222可形成在薄膜层1204上。在实施例中，顶电极1223、1224-1和1224-2、压电层1220和底电极1222可以通过合适的晶片处理技术来沉积，例如沉积、溅射、图案化等。
图16为根据本公开实施例的压电元件1600的俯视图。如图所示，三个导体1620、1622-1和1622-2可以分别电性耦合到电极1223、1224-1和1224-2。此外，导体(O)1610可以通过一个或多个通孔1614电性耦合到底电极1222。在实施例中，电气接地和源极平面可以通过通孔1614和导体(O)1610到达底电极1222。在实施例中，每个导体1620、1622-1和1622-2可连接至接地或直流偏置电压。在实施例中，导体1620可连接至接地或第一直流偏置电压，导体1622-1和1622-2可连接至接地或第二直流偏置电压。
总的来说，由于压电材料的晶体结构中固有的非对称性，会发展出电极性，产生电偶极子。在宏观晶体结构中，偶极子被发现是随机取向的，如图17A左边所示。当材料受到机械应力时，每个偶极子从其原始方向朝向使存储在偶极子中的总电气和机械能最小化的方向旋转。如果所有偶极子最初是随机取向的(即净极化为零)，它们的旋转可能不会显着改变材料的宏观净极化；因此，所表现出的压电效应可以忽略不计。因此，在初始状态期间，偶极子需要或多或少朝向相同方向，这也被称为极化过程。偶极子对齐的方向称为极化方向。图17为根据本公开实施例的极化处理之前、期间和之后的压电材料的偶极取向。
如图所示，在极化过程之前，各个偶极矩并不对齐。在极化过程期间，偶极矩可以对齐以指向相同方向。极化后，偶极矩可以保持相当对齐，尽管可能仍然存在一些随机方向的元件。在实施例中，可以通过将压电材料置于高温恒定电场中来执行极化过程，从而迫使偶极子对齐。
在实施例中，图10A中的压电元件1000可以被极化以使得电极(X)1006和电极(T)1012上方的压电层的部分可以沿相反方向极化。相较于使用一个极化方向配置获得的压力输出，这种类型的极化可导致相同发送电压的增压输出。此外，在实施例中，相较于一个极化方向的配置，这种类型的极化可以改善接收灵敏度，其中反射的压力波可以被差分地提升以产生更大的电荷输出。
图17B为根据本公开实施例的用于极化压电元件1600的说明性过程的流程图。为了极化压电元件1600，压电元件1600可以安装在高温腔室内(步骤1728)，并且底电极1222可以耦合至接地(步骤1722)，而第一顶电极1224-1(或1224-2)可以耦合到高正电压，例如15V(步骤1724)，且第二顶电极1223可以耦合到高负电压，例如-15V(步骤1726)。然后，压电元件1600可以在腔室内经受长时间的高温(步骤1728)。
取决于第一和第二高电压的极性，两个电极1224-1和1224-2下方的压电层1220的部分可以向与电极1223下方的压电层1220的部分相同或相反的方向上极化。在实施例中，例如，对于某些压电材料而言，可以通过在高温(通常为150℃)下在电极上施加高电压30分钟来实现极化。例如，对于1μm厚的压电层，可以施加从信号电极到T电极的+15V和从信号电极到X电极的-15V。一旦压电材料被极化，则X和T电极中的每一个可以接地或连接到非零直流偏置电压，而导体(O)1610可以连接到ASIC芯片以便由发送驱动器在发送操作期间驱动或者可以在接收操作期间连接到ASIC芯片中的LNA(例如图18A中的1811)。在实施例中，直流偏置电压可以改善压电元件1600的灵敏度。
图18A为根据本公开的实施例的成像组件1800。如图所示，成像组件1800可以包括：收发器基板1802(其可类似于收发器瓦片210)；以及电性耦合到收发器基板的ASIC芯片1804。在实施例中，收发器基板1802可包括一个或多个压电元件1806，其中每个压电元件可设置在一个或多个薄膜上。在实施例中，一个以上的压电元件可以设置在一个薄膜上。在实施例中，可以在收发器基板1802互连到ASIC芯片1804之后执行压电层的极化。值得注意的是，ASCI 1804可以由包括用于驱动收发器基板1802中的压电元件1806的多个电路的合适的基板代替。
在实施例中，在收发器基板3D互连到ASIC芯片1804之后，可以在收发器瓦片/基板1802上执行极化。在现有压电元件中，在传感器瓦片耦合到用于驱动压电元件的电路之后，将难以在收发器瓦片上执行极化处理。这是因为极化需要向电路施加高电压以控制压电元件，并且高电压可能损坏电路。相对地，在实施例中，可以在已经与ASIC芯片1804集成的传感器基板1802上执行极化。在实施例中，ASIC芯片1804可以允许在压电元件的所有第一电极上施加期望的电压，并且可以将高电压施加到所有第二或附加的电极。
在实施例中，每个压电元件1806a-1806n可以具有两个或更多个电极，且这些电极可以连接到容纳在ASIC芯片1804中的驱动/接收电子器件。在实施例中，每个压电元件(例如1806a)可包括与导体(O)(例如1814a)电性连接的上导体及与导体(X,T)(例如1810a和1812a)电性连接的两个底电极。在实施例中，导体1810a可以电性耦合到直流偏置(X)1832a或接地，且导体(T)1812a可以耦合到直流偏置(T)1834a或接地。
在实施例中，ASIC芯片1804可包括一个或多个电路1842a-1842n，每个电路电性耦合到一个或多个压电元件1806a-1806n；以及一个控制单元1840用于控制该些电路1842a-1842n。在实施例中，每个电路(例如1842a)可以包括发送驱动器(1813a)、接收放大器(或简称放大器)(例如1811a)、开关(例如1816a)，其一个端子电性耦合到导体(O)(1814a)，另一个端子在耦合到发送驱动器1813a和放大器1811a的两个导体之间切换。在发送(Tx)模式/程序期间，开关1816a可以将发送驱动器1813a连接到压电元件1806a，使得信号被发送到压电元件1806a的顶电极。在接收(Rx)模式/程序期间，开关1816a可以将放大器1811a连接到压电元件1806a，使得信号从压电元件1806a的顶电极发送到放大器1811a。
值得注意的是，发送驱动器1813a可包括各种电子组件。然而，为简洁起见，发送驱动器1813a由一个驱动器表示。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，发送驱动器可以包括具有许多功能的更复杂的驱动器。用于处理接收信号的电子组件可以连接到放大器1811a，即使图18A中仅示出了一个放大器1811a。在实施例中，放大器1811a可以是低噪声放大器(LNA)。在实施例中，电路1842n可以具有与电路1842a相同或相似的结构。
在实施例中，所有直流偏置(X)1832a-1832n可以连接到相同的直流偏置或接地，也就是说，所有导体(X)1810a-1810n可以连接到单个直流偏置或接地。同样地，所有直流偏置(X)1834a-1834n可以连接到相同的直流偏置或不同的直流偏置，也就是说，所有导体(X)1812a-1812n可以连接到单个直流偏置或接地。
在实施例中，导体(X、T和O)1810、1812和1814可以使用互连技术连接到ASIC芯片1804，例如，铜柱(copper pillar)互连或凸块(例如图18B中的1882)，如箭头1880所指。在实施例中，ASIC芯片1804中的电路组件可以使用互连1830在ASIC芯片1804外部通信。在实施例中，可以使用从ASIC芯片1804上的焊盘到ASIC芯片外部的另一个焊盘的接合线来实现互连1830。在实施例中，除了焊线垫(wire bonded pads)之外，还可以使用其他类型的互连，例如ASIC芯片1804上的凸块焊盘或再分布凸块(redistribution bumps)。
在实施例中，包含在电路1842中的LNA 1811可以在ASIC芯片1804外部实现，例如接收模拟前端(analog front end,AFE)的一部分。在实施例中，LNA可以驻留在ASIC芯片1804中，并且另一个LNA和可编程增益放大器(PGA)可以驻留在AFE中。每个LNA 1811的增益可以实时编程，允许LNA成为成像器所需的时间增益补偿(time gain compensation,TGC)功能的一部分。
在实施例中，LNA 1811可以使用低压晶体管技术构建，因此，如果暴露于现有传感器所需的高发送电压则可能被损坏。因此，在现有系统中，高电压发送/接收开关是用于将高发送电压与低压接收电路分开。这种开关可能很大且昂贵，使用高电压(HV)程序，并且降低发送到LNA的信号。相对地，在实施例中，可以使用低电压，且因此可不再需要现有系统的高电压组件。此外，在实施例中，通过消除传统的HV开关，可以避免由传统HV开关引起的性能下降。
在实施例中，压电元件1806可以在接收模式期间通过开关1816连接到LNA 1811。LNA 1811可以将由施加压力在压电元件上的反射压力波产生的压电元件1806中的电荷转换成具有低噪声的放大电压信号。接收信号的信噪比可以是决定被重建影像质量的关键因素。因此，理想是降低LNA本身的固有噪声。在实施例中，可以通过增加LNA 1811的输入级(input stage)的跨导来减小噪声，例如在输入级中使用更多的电流。电流的增加可能导致功耗和热量的增加。在实施例中，pMUT 1806可以低电压操作并且非常靠近ASIC芯片1804，且因此与用高压操作的传统换能器相比，低电压pMUT1806节省的功率可以用于在给定的总温度上升容许度下降低LNA 1811中的噪声。
图18B为根据本公开实施例的成像组件1850的示意图。在实施例中，收发器基板1852和ASIC芯片1854可以分别类似于收发器基板1802和ASIC芯片1804。在传统系统中，用于驱动压电传感器的电子器件通常远离压电传感器，并且使用同轴电缆连接到压电传感器。总的来说，同轴电缆增加了电子器件上的寄生负载，例如附加电容，并且附加电容导致关键性能参数的损失，例如噪声增加和信号功率损失。相对地，如图18B所示，发送驱动器(或等效电路)1862a-1862n可以使用低阻抗三维(3D)互连机构(如箭头1880所示)直接连接到压电元件(或等效像素)1856a-1856n+i，例如铜柱或焊料凸块1882，或晶片键合或类似方法或这些技术的组合。在实施例中，在将收发器基板1852集成到ASIC芯片1854时，电路1862可以位于远离压电元件1856垂直小于100μm(或左右)的位置。在实施例中，可不需用于驱动器电路1862和压电元件1856之间的阻抗匹配的任何常规装置，进一步简化了设计并提高了成像组件1800的功率效率。电路1862的阻抗可设计以匹配压电元件1856的要求。
在实施例中，在图18A中，每个压电元件1806a-1806n可以电性连接到位于ASIC芯片1804中的电路1842a-1842n中对应的一个。在实施例中，这种布置可以允许成像器生成三维影像。同样地，在图18 B中，每个压电元件1856a-1856m可以具有由X、T和O表示的三个引线。来自每个压电元件的引线可以通过互连装置1882电性连接到位于ASIC芯片1854中的电路1862a-1862m中对应的一个。另外，在实施例中，诸如1856n+1-1856n+i的一行压电元件可以电性耦合到一个公共电路1862n。在实施例中，发送驱动器电路1862n可以用一个发送驱动器实现。在替代实施例中，发送驱动器电路1862n可以用多级驱动器实现以促进各种成像模式。
对本领域技术人员显而易见的是，ASIC芯片1854可以具有与电路1862n类似的任何合适数量的电路。在实施例中，控制单元1892可具有在二维像素阵列中水平或垂直配置压电元件，配置它们的长度并将它们置于发送或接收或极化模式或空闲模式的能力。在实施例中，控制单元1892可以在通过三维集成技术1882将收发器基板1852与ASIC芯片1854组合之后执行极化处理。在实施例中，发送驱动器电路1843可以用多级驱动器实现，如图34所示，其中发送驱动器输出可以具有多于2个输出级(output level)。图34为输出级可为0V或6V或12V的实施例。可以理解的是，这些电压可以不同，例如可以是-5V、0V和+5V。发送驱动器也可以是具有驱动信号的2级驱动器，如图33所示。
在实施例中，引线1882a-1882n可以是用于将脉冲施加到压电元件1856的电极(O)的信号导体。同样地，引线1884a-1884n、1886a-1886n和1888a-1888n可用于与压电元件1856a-1856n+i沟通信号。值得注意的是，可以使用其他合适数量的引线来与成像组件1800沟通信号/数据。
在实施例中，引线(X)1886和引线(T)1888中的每一个可以连接到接地或直流偏置端子。在实施例中，数字控制引线1894可以是数字控制总线(bus)并且包括控制和解决成像组件1850中的各种功能所需的一个或多个引线。例如，这些引线可以允许使用例如串行外围介面(Serial Peripheral Interface,SPI)或其他协定的ASIC芯片1854的可编程性。
在实施例中，压电元件1806(或1856)和控制电子器件/电路1842(或1862)可以设置在同一半导体晶片上。在替代的实施例中，收发器基板1802(或1852)和ASIC芯片1804(或1854)可以单独制造并通过3D互连技术彼此组合，例如使用凸块1882的金属互连技术。在实施例中，互连技术可以消除低产量倍增效应(low yield multiplication effect)，从而降低制造成本并独立地最大化组件的产量。
在实施例中，引线1862a-1862n可以是用于将脉冲施加到压电元件1806的电极(O)的信号导体。同样地，引线1864a-1864n，1866a-1866n和1868a-1868n可以用于与压电元件1806a-1806n沟通信号。值得注意的是，可以使用其他合适数量的引线来与成像组件1800沟通信号/数据。
如上所述，LNA 1811可以在电荷感测模式下操作，并且每个都具有可以实时配置以提供增益补偿的可编程增益。在实施例中，如结合图3B所讨论的，可以在成像器120中安装一个或更多个温度传感器。在实施例中，ASIC可以从温度传感器接收温度数据，并且使用温度数据调整成像帧率或LNA 1811的信噪比。
图19A-1为收发器基板1902和ASIC芯片1906的俯视图，图19A-2为根据本公开实施例的成像组件1901的侧视图。如图所示，成像组件1901可以包括收发器基板1902，其通过合适的互连机构(例如凸块)互连到ASIC芯片1906。在下文中，是以凸块作为互连机构，即使可以使用其他合适的互连机构来代替凸块。
在实施例中，每个压电元件1904可以是双端压电元件，其中压电元件由两个电极O和X象征性地表示。在实施例中，电路元件1908可以包括用于驱动对应压电元件1904的电子元件，其中电路元件1908象征性地由发送驱动器表示。在实施例中，成像元件1910可以包括压电元件1904和电路元件1908，且压电元件1904可以通过两个凸块电性连接到电路元件1908。
图19B-1为收发器基板1911和ASIC芯片1913的俯视图，图19B-2为根据本公开实施例的成像组件1915的侧视图。如图所示，成像组件1915可以类似于成像组件1901，不同在于两个子压电元件通过三个凸块电性耦合到两个子电路元件。更具体地，压电元件1912包括两个子压电元件，每个子压电元件可以是双端子压电元件，且两个子压电元件的X电极可以彼此电性耦合。在实施例中，子压电元件的每个O电极可以电性耦合到对应的子电路元件1914的发送驱动器，且两个子压电元件的X电极可以电性耦合到电路元件1914的公共电端子。因此，在每个成像元件1917中，压电元件1912可以通过三个凸块互连到电路元件1914。
图19C为根据本发明的实施例的收发器基板1920和ASIC芯片1924的俯视图。如图所示，收发器基板1920可以类似于收发器基板1902，不同在于三个子压电元件通过四个凸块电性耦合到三个子电路元件。更具体地，压电元件1922包括三个子压电元件，每个子压电元件可以是双端子压电元件，并且三个子压电元件的X电极可以彼此电性耦合。在实施例中，子压电元件的每个O电极可以电性耦合到对应的子电路元件的发送驱动器，且三个子压电元件的X电极可以电性耦合到电路元件1926的公共电端子。因此，压电元件1922可以通过四个凸块互连到电路元件1926。
值得注意的是，压电元件可以具有两个以上的端子。图19D为根据本发明的实施例的收发器基板1930和ASIC芯片1934的俯视图。如图所示，收发器基板1930可以类似于收发器基板1902，不同在于每个压电元件1932可以通过三个凸块电性耦合到电路元件1936。在实施例中，O电极可以通过凸块耦合到电路元件1936的发送驱动器，且X和T电极可以通过两个凸块耦合到电路元件1936。
图19E为根据本发明的实施例的收发器基板1940和ASIC芯片1944的俯视图。如图所示，压电元件1942可以包括两个子压电元件，每个子压电元件可以是三端子压电元件，且两个子压电元件的X电极可以彼此电性耦合。在实施例中，子压电元件的每个O电极可以通过凸块电性耦合到对应的子电路元件的发送驱动器，且两个子压电元件的X电极可以通过凸块电性耦合到电路元件1946。子压电元件的每个T电极可以通过凸块电性耦合到电路元件1946。因此，压电元件1942可以通过五个凸块互连到电路元件1946。
图19F为根据本发明的实施例的收发器基板1950和ASIC芯片1954的俯视图。如图所示，压电元件1952可以包括两个子压电元件，每个子压电元件可以是三端子压电元件，两个子压电元件的X电极可以彼此电性耦合，且两个子压电元件的T电极可以彼此电性耦合。在实施例中，子压电元件的每个O电极可以通过凸块电性耦合到对应的子电路元件的发送驱动器，且两个子压电元件的X电极可以通过凸块电性耦合到电路元件1956。此外，两个子压电元件的T电极可以通过凸块电性耦合到电路元件1956。因此，压电元件1952可以通过四个凸块互连到电路元件1956。
图19G为根据本发明的实施例的收发器基板1960和ASIC芯片1964的俯视图。如图所示，压电元件1962可以包括两个子压电元件，每个子压电元件可以是三端子压电元件，两个子压电元件的O电极可以彼此电性耦合，两个子压电元件的X电极可以彼此电性耦合，且两个子压电元件的T电极可以彼此电性耦合。因此，压电元件1962可以通过三个凸块互连到电路元件1966。
图20为根据本公开实施例的压电元件2002-11～2002-mn的m×n阵列2000的示意图。如图所示，每个压电元件可以是双端子压电元件(例如图9中的压电元件900)并且具有电性耦合到导体(O)(例如2004-11)的电极(O)(例如2003-11)并且电极(X)通过公共导体(X)2007电性连接至接地或直流偏置电压。在实施例中，每个信号导体(O)可以由电路元件(例如1908)独立管理。在实施例中，每个导体(O)(例如2004-mn)可以电性耦合到电路元件的发送驱动器，而压电元件阵列的所有X电极(2006-11～2006-mn)可以连接到公共导体(X)2007。在实施例中，阵列2000可以设置在收发器基板上并通过互连机构(例如m×n+1个凸块)电性耦合到ASIC芯片，如结合图19A-19G所讨论的。更具体地，m×n导体(O)2004-11～2004-mn可以通过m×n个凸块耦合到ASIC芯片的m×n个发送驱动器，且公共导体(X)2007可以通过一个凸块耦合到ASIC芯片。在实施例中，在此描述的这种示例性布置是用于执行3D成像，其中每个压电元件(包括至少一个子压电元件)可以在阵列中提供独特信息。在实施例中，每个压电元件可以具有一个或多个薄膜并以薄膜的多种模式和频率振动。在实施例中，每个压电元件2002可以由具有图33和34中的电压分布3300和3400的脉冲驱动。
在实施例中，每列中的O电极(例如2003-11～2003-m1)可以电性耦合到一个公共导体。例如，可以电子方式控制ASIC芯片中的电路元件，使得每列中的O电极可以彼此电性耦合。在这样的配置中，每列中的O电极可以通过公共发送驱动器或者在发送模式期间以具有相同电气驱动信号的多个驱动器接收相同的电脉冲。同样地，每列中的O电极可以在接收模式期间同时将电荷发送到公共放大器。换句话说，每列中的压电元件可以作为线单元(或等效线元件)操作。
图21为根据本公开实施例的压电元件2102-11～02012-mn的n×n阵列2100的示意图。如图所示，每个压电元件可以是三端子压电元件并包括电极O、X和T。在实施例中，X电极(例如X11、X21、......、Xm1)可以串联方式逐列连接并且所有X电极(X11～Xmn)可以电性耦合到公共导体(X)2106。T电极(例如T11、T21、...、Tm1)可以串联方式逐列连接并且所有T电极(T11～Tmn)可以电性耦合到公共导体(T)2108。当如实施例中所述的方式相互连接时，一列元件如2102-11、2102-21到2102-m1可构成一个线元件或一列。在实施例中，O电极2103-11～2103-mn中的每一个可以经由导体O11～Omn中的一个电性耦合到ASIC芯片中的对应电路元件的发送驱动器。在实施例中，阵列2100可以设置在收发器基板上并通过互连机构电性耦合到ASIC芯片，例如m×n+2个凸块。
在实施例中，每列中的O电极(例如2103-11～2103-m1)可以电性耦合到公共导体。在这样的配置中，每列中的O电极可以在发送模式期间通过公共发送驱动器接收相同的电脉冲。同样地，每列中的O电极可以在接收模式期间同时将电荷发送到公共放大器。换句话说，每列中的压电元件是作为线单元操作。在实施例中，列中的每个O电极可以连接到专用发送驱动器，其中列中所有元件的发送驱动器的输入信号是相同的，从而在发送操作期间在所有压电元件上产生基本相同的发送驱动输出。这种线元件是基于每个元件进行电子控制，因为每个元件具有自己的发送驱动器。这在驱动大电容线元件方面具有优势，因每个元件具有较小的电容，并且对于列上的元件可以最小化时序延迟。在实施例中，在接收模式中，可以通过连接到LNA来感测来自列中的所有元件的电荷，如通过2D成像所做的那样。对于3D成像，是通过在接收模式操作期间将每个元件的O电极连接到LNA来感测每个元件的电荷。
图22为根据本公开实施例的压电元件2202-11～2202-mn的m×n阵列2200的示意图。如图所示，阵列2200可以类似于阵列2100，不同在于列中的X电极(例如，X12～Xm2)可以连接到公共导体(例如2206-1)且列中的T电极(例如T12～Tm2)可以连接到公共导体(例如2208-1)。因此，同一列中的X电极(或T电极)在操作期间可以具有相同的电压电位。在实施例中，每个O电极可以经由导体O11～Omn中的一个电性耦合到ASIC芯片中的对应电路元件的发送驱动器。在实施例中，阵列2200可以设置在收发器基板上并通过互连机构，例如m×n+2n个凸块电性耦合到ASIC芯片。
相较于阵列2100，阵列2200可以使用更多的凸块来将T和X电极连接到ASIC芯片。总的来说，当与接地或直流偏置源并联连接并且减少串扰时，ASIC芯片和压电阵列之间的T和X的连接数量增加可以减小X和T导体中的阻抗。串扰(crosstalk)是指从成像元件到另一个成像元件的信号耦合，而可能产生干扰并降低影像质量。当在X和T线中流动的电流引起的任何电压降出现在理想情况下不应暴露于该电压的压电元件上时，可能产生寄生电性耦合(spurious electrical coupling)。在实施例中，当压电元件在电子控制下不发送或接收时，X、T和O电极可以局部短路。或者，空闲电极中使O电极接地，使X电极连接到阵列中的其他X电极，T电极连接到阵列中的其他T电极。
图23根据本公开实施例的压电元件2302-11～2302-mn的m×n阵列2300的示意图。如图所示，阵列2300可以类似于阵列2100，不同在于每个压电元件可以是五端子压电元件，也就是说，每个压电元件可以包括一个底电极(O)和四个顶电极(两个X电极和两个T电极)。在实施例中，每个压电元件的两个X电极可以串联方式逐列连接，并且所有2m×n个X电极可以电性耦合到公共导体(X)2306。同样地，每个压电元件的两个T电极可以串联方式逐列连接，并且所有2m×n个T电极可以电性耦合到公共导体(T)2308。在实施例中，每个O电极可以通过导体O11～Omn中的一个电性耦合到ASIC芯片中对应的电路元件的发送驱动器。在实施例中，阵列2300可以设置在收发器基板上并通过互连机构，例如m×n+2个凸块电性耦合到ASIC芯片。
图24为根据本公开实施例的压电元件2402-11～2402-mn的m×n阵列2400的示意图。如图所示，阵列2400可以类似于阵列2200，不同在于每个压电元件可以是五端子压电元件：一个底电极(O)和四个顶电极(两个X电极和两个T电极)。在实施例中，每个压电元件的两个X电极可以在列方向上电性连接到一导体(例如2406-1)，并且每个压电元件的两个T电极可以在列方向上电性连接到一公共导体(例如2408-1)。在实施例中，每个O电极可以经由导体O11～Omn中的一个电性耦合到ASIC芯片中的对应电路元件的发送驱动器。在实施例中，阵列2400可以设置在收发器基板上并通过互连机构，例如m×n+2n个凸块电性耦合到ASIC芯片。
图25为根据本公开实施例的压电元件2502-11～2502-mn的m×n阵列2500的示意图。如图所示，阵列2500可以类似于阵列2100，即每个压电元件可以具有一个底电极(O)和两个顶电极(T)，但不同在于一列上的压电元件(例如2502-11～2502-m1)的所有两个顶电极(T)可以电连接到一公共导体(例如2508-1)。在实施例中，每个O电极可以经由导体O11～Omn中的一个电性耦合到ASIC芯片中的对应电路元件的发送驱动器。在实施例中，阵列2500可以设置在收发器基板上并通过互连机构，例如m×n+n个凸块电性耦合到ASIC芯片。
图26为根据本公开实施例的压电元件2602-11～2602-mn的m×n阵列2600的示意图。如图所示，阵列2600可以具有与阵列2100类似的电性连接，也就是说，压电元件中的所有X电极可以电性耦合到公共导体2606，且压电元件中的所有T电极可以电性耦合到公共导体2608。阵列2600与阵列2100的不同可在于，一个压电元件(例如2602-11)的顶电极(X、T)可以具有与另一个压电元件(例如2602-21)的顶电极(X、T)相同或不同的几何形状。
对于压电阵列2000～2500，每个压电阵列中的压电元件可以彼此相同或不同。例如，一个压电元件2202-11的两个顶电极的投影区域可以具有与另一个压电元件2202-n1的两个顶电极的投影区域相同或不同的形状。
图27为根据本公开实施例的压电元件2702-11～2702-mn的m×n阵列2700的示意图。如图所示，每个压电元件可包括两个信号电极(O)和一个公共电极(X)。在实施例中，每个信号电极(O)可以电性耦合到ASIC芯片的对应电路元件的发送驱动器。例如，压电元件2702-11可以包括两个信号导体O111和O112分别电性耦合到ASIC芯片中的两个电路元件，其中每个信号电极可以在接收模式期间产生电荷。在实施例中，阵列2700可以设置在收发器基板上并通过互连机构，例如2m×n+1个凸块电性耦合到ASIC芯片。在实施例中，阵列2700中的所有T电极可以通过公共导体(T)2708电性耦合到接地或直流偏置电压。
在实施例中，图20-27中的阵列中的信号导体(O)可以电性耦合到电路元件，其中电路元件可以包括类似于图18A中的开关1816的晶体管开关，也就是说，开关在发送和接收模式期间可以分别在发送驱动器和放大器之间切换，使得O电极可以在发送模式期间产生压力波且在接收模式期间产生电荷。
图28为根据本公开实施例的成像系统2800的示例性实施例。如图所示，成像系统2800可以包括压电元件阵列2802-11～2802-mn和用于控制/沟通阵列的电路元件。在实施例中，每个压电元件2802-11～2802-mn可包括三个电极；第一和第二信号(O)电极和T电极。(为了说明目的，每个压电元件中的第一和第二O电极指的是图28中的每个压电元件的左和右的O电极。)在实施例中，阵列2800中的所有T电极可以通过导体(T)2808电性耦合到接地或直流偏置电压。在实施例中，一列中的压电元件的第一O电极可以电性耦合到公共导体(例如O11)，且同一列中的压电元件的第二O电极可以电性耦合到另一个公共导体(例如O12)。在实施例中，在接收模式期间，第一和第二信号O电极中的每一个能产生可由对应电路处理的电荷。
在实施例中，第一组导体O11、O21、...、On1可以分别电性耦合到放大器2810-1～2810-n，其中在一列的第一O电极中产生的电荷可以通过O导体中的一个传输到对应的放大器。在实施例中，第二组导体O12、O22、......、On2可以分别电性耦合到开关2812-1～2812-n。在实施例中，每个开关(例如2812-1)可以在发送模式/程序期间连接到转接驱动器(transit driver)(例如2816-1)，使得信号脉冲可被发送到压电元件(例如2801-11～2802-m1)中的一列第二O电极。在实施例中，每个开关(例如2812-1)可以在接收模式/程序期间连接到信号放大器(例如2814-1)，使得在压电元件(例如2801-11～2802-m1)中的第二O电极的列中产生的电荷可以发送到放大器。在实施例中，压电元件2802-11～2802-mn可以设置在收发器基板中，而开关2812-1～2812-n、发送驱动器2816-1～2816-n、以及放大器2810-1～2810-n和2814-1～2814-n可以设置在ASIC芯片中，其中收发器基板可以通过2n+1个凸块电性耦合到ASIC芯片。
在实施例中，一列第一电极可以电性耦合到公共导体(例如O11)，并且一列第二电极可以电性耦合到另一公共导体(例如O12)。因此，在实施例中，成像系统2800可以作为线成像器操作，也就是说，第一组导体O11～On2中的每一个可以在操作期间作为发送单元和/或接收单元操作。如上所述，在接收模式期间，连接到导体(例如O11)的一列第一O电极中产生的电荷可以被发送到放大器(例如2810-1)，该放大器可以是低噪声放大器。然后，放大器可以放大电荷信号并将电荷信号转换为输出电压。因此，每列第一O电极的可以作为接收线成像器操作。在实施例中，在接收模式期间，连接到导体(例如，O12)的一列第二O电极中产生的电荷可以通过开关(例如2812-1)被发送到信号放大器(例如，2814-1)，该放大器可以是低噪声放大器。然后，放大器可以放大电荷信号并将电荷信号转换为输出电压。因此，每列第二O电极可以作为接收线成像器操作。在实施例中，在发送模式期间，电气信号脉冲可以从发送驱动器(例如2816-1)发送到通过开关(例如2812-1)连接到导体(例如O12)的一列第二O电极使该组第二O电极可以产生压力波。因此，每列第二O电极可以作为发送线单元操作。
在实施例中，在接收模式期间，可为晶体管开关的开关2812可被设置到中立位置(也就是说，不耦合到发送驱动器或放大器)。在这种情况下，仅第二组导体O12、O22、......、On2可以在接收模式期间操作。
在实施例中，发送驱动器(例如2816-1)可以经由导体(O12)向一列压电元件(例如2802-11～2802-m1)发送信号，且同时放大器(例如2810-1)可以接收来自同一列压电元件(例如2802-11～2802-m1)的电荷信号。在这种情况下，列中的每个压电元件(例如，2802-11)可以通过一个导体(例如，O12)从发送驱动器(例如，2816-1)接收信号，且同时将电荷信号经由另一导体(例如，O11)发送到放大器(例如，2810-1)，也就是说，成像系统2800可以同时执行发送和接收模式。相较于脉冲多普勒成像，发送和接收模式的这种同时操作在可以成像高血流速度的连续模式多普勒成像中是非常有利的。
在实施例中，线单元，亦即电性耦合到公共导体的一列O电极，可以用作发送单元或接收单元或两者。例如，电气信号可以依序地发送到导体O12、O22、...、On2，使得线元件在发送模式期间依序地产生压力波，并且可以在接收模式中处理和组合反射的压力波以产生目标器官的二维影像。在另一示例中，电气驱动信号可以在发送模式期间同时发送到导体O12、O22、......、On2，并且可以使用从导体O11、O12到On1产生的电荷同时处理反射的压力波以同时发送和接收超声波以创建二维影像。导体O12～On2也可用于在接收操作模式下从压电线元件接收电荷。
图29为根据本公开实施例的成像系统2900的示例性实施例。如图所示，成像系统2900包括压电元件阵列2902-11～2902-mn，并且每个压电元件可包括第一和第二信号(O)电极和T电极。在实施例中，阵列中的所有T电极可以电性耦合到一个公共导体(T)2908；第一O电极的每行可以电性连接到导体O1～Om中的一个；第二O导体的每列可以经由导体O12～On2和导体O12中的一个电性连接到开关2912。在实施例中，开关2912-1～2912-n中的每一个可以在发送驱动器(例如2916-1)和放大器(例如2914-1)之间切换，放大器可以是低噪声放大器。在实施例中，导体O1～On中的每一个可以连接到放大器2910-1～2910-m中的一个，其可以是低噪声放大器。
在实施例中，在发送模式期间，信号可以通过导体(例如O12)从发送驱动器(例如2916-1)发送到一列第二O电极，使得一列压电元件可以作为线单元产生压力波。在发送模式期间，每个开关(例如2912-1)可以切换到对应的发送驱动器(例如2916-1)。
在实施例中，成像系统2900可以两种不同的方法处理反射的压力波。在第一种方法中，放大器2910-1～2910-n可以从第一O电极接收电荷信号，也就是说，每个放大器可以从一行第一O电极接收信号。此方法允许双平面成像/模式，其中对于二维影像，双平面影像可以提供正交透视。此外，此方法可以提供多于二维的成像能力。双平面成像可对许多应用有帮助，例如活组织检查。值得注意的是，在此方法中，可以同时执行发送和接收模式。在第二种方法中，开关2912可以切换到放大器2914，使得每个放大器可以接收和处理来自第二O电极的对应列的电荷信号。
在实施例中，线单元，即是电性耦合到O导体的一列(或一行)O电极，可以用作发送单元或接收单元或两者。在实施例中，即使导体O1～Om布置在与导体O12～On2正交的方向上，也可以对方向进行电子编程和电子调节。例如，放大器2910和2914的增益可以是电子可调的，其中增益控制引线在放大器中实现。在实施例中，每个线元件的长度(也就是说，每个线元件中的压电元件的数量)也可以电子调整。在实施例中，可以通过将每个压电元件的所有信号电极连接到ASIC芯片中的对应节点来实现，且其中ASIC能编程元件的信号电极之间的连接，以视需要彼此连接、连接驱动器或连接放大器。
图30为根据本公开实施例的耦合到电路元件3001的压电元件3000的实施例。如图所示，压电元件3000可以包括：第一子压电元件3021-1和第二子压电元件3021-2。压电元件3000可以包括：由第一和第二子压电元件共用并且耦合到导体(X)3006的底电极(X)3002。在实施例中，第一子压电元件3021-1可以包括经由导体3008电性耦合到放大器3010的信号(O)电极3003。在实施例中，第二子压电元件3021-2可以包括经由导体3012电性耦合到开关3014的信号(O)电极3004。
在实施例中，电路元件3001可以电性耦合到压电元件3000并且包括两个放大器3010和3016，例如低噪声放大器，以及发送驱动器3018。在实施例中，开关3014的一端可以通过导体3012连接到O电极3004，且另一端可以在用于接收模式的放大器3016和用于发送模式的发送驱动器3018之间切换。在实施例中，即使放大器用于象征性地表示电子器件，放大器3016也可以连接到其他电子器件以进一步放大、滤波和数字化接收信号。发送驱动器3018可以是多级(multistage)驱动器，并且可以生成具有两个或更多信令级别(levels ofa signaling)的输出。信令可以是单极或双极的。在实施例中，发送驱动器3018可以包括在驱动器的电子控制下将输入互连到驱动器的输出的开关，其未在图30中明确示出。
在实施例中，发送驱动器3018的信号可以是脉冲宽度调制(pulse widthmodulated,PWM)，其中，通过基于每个元件控制脉冲宽度，可以对发送的超声信号创建加权函数。这可以例如执行窗口函数，其中发送信号由窗口函数加权。在实施例中，加权系数可以通过改变发送信号的占空比来实现，如在PWM信令期间所做的那样。这种操作可以允许发送变迹，其中辐射信号的旁瓣(side lobe)被大大衰减，从而允许更高质量的图像。
在实施例中，收发器阵列可以设置在收发器基板中并包括压电元件3000的n×n阵列，且电路元件3001的n×n阵列可以设置在ASIC芯片中，其中每个压电元件3000可以电性耦合到相应的一个在这种情况下，收发器基板可以通过3n2个凸块互连到ASIC芯片。在实施例中，压电元件阵列的每列(或行)可以以线单元操作，如结合图28和29所讨论的。例如，可以将同一脉冲同时施加到压电元件列上，使得一列压电元件可以同时产生压力波。值得注意的是，n×n压电元件阵列中的每个压电元件3000可以与n×n电路元件阵列的对应的一个电路元件3001耦合。
在实施例中，在整个操作期间，子压电元件3021-1可以处于接收模式，而子压电元件3021-2可以处于发送或接收模式。在实施例中，发送和接收模式的同时操作可以允许连续模式多普勒成像。
在实施例中，当发送驱动器3018向电极3004发送信号时，可以通过使用脉冲宽度调制(PWM)信令来改变由子压电元件3021-2产生的压力波的功率水平。这是很重要的，例如当从B模式切换到多普勒模式成像时，发送到人体中的信号功率可能很长，并且如果功率水平没有降低，则可能损伤组织。通常，在现有系统中，不同的快速建立电源(fast settlingpower supplies)是用于B模式和各种多普勒模式成像，以允许发送驱动电压在两种情况下彼此不同，例如在多普勒模式下不产生过多的功率。与现有系统不同，在实施例中，可以通过在发送时使用PWM信号来改变功率水平，而不使用传统的快速建立电源。在实施例中，理想的是在多普勒和B模式成像之间快速切换，以将这些模式共同成像在一起。在实施例中，压电元件的接地电极也可以彼此分开并分别连接到接地。在实施例中，这种独立接地可以降低噪声并导致更快的建立时间。在实施例中，还可以通过在电子控制下减小发送列的高度来减少发送的功率。这再次有利于在多普勒和B模式下使用相同的电源，并满足每种模式下的电力发送要求。这也允许共同成像。
图31为根据本公开实施例的用于控制多个压电元件的电路3100。在实施例中，电路3100可以设置在ASIC芯片中，其中设置在收发器基板中的压电元件的线(列或行)和ASIC芯片可以通过凸块互连到收发器基板。如图所示，电路3100可以包括电路元件3140-1～3140-n的阵列，其中每个电路元件可以与相应的压电元件的O和X电极沟通信号。
如图31所示，每个电路元件(例如，3140-1)可以包括第一开关(例如3102-1)、第二开关(例如3104-1)、第三开关(例如3106-1)和发送驱动器(例如3108-1)。来自发送驱动器(例如3108-1)的输出可以通过导体(例如3110-1)发送到压电元件的O电极。在发送模式期间，每个电路元件可以通过导体3122接收发送驱动器(驱动)信号3124。可为晶体管开关并且由控制单元3150控制的每个第二开关(例如3104-1)可被打开以将信号3124发送到发送驱动器(例如3108-1)。(图31中未示出控制单元3150与电路3100中的其他组件之间的电气连接。)发送驱动器(例如3108-1)可以执行逻辑解码、电平转换(level shift)、缓冲输入信号并通过导体(例如3110-1)发送传输信号到O电极。在实施例中，在发送模式期间，可以关闭第一开关(例如3102-1)。
在实施例中，控制单元3150可以决定在发送模式期间需要打开哪些压电元件。如果控制单元3150决定不打开第二压电元件，则可以关闭第一开关(例如3102-2)和第二开关(例如3104-2)，而第三开关(例如3106-2)可以打开，使O和X电极具有相同的电压电位(也就是说，压电层上有一个净零伏(net zero volt)驱动)。在实施例中，第三开关3106可以是可选的。
在实施例中，在接收模式期间，可以打开第一开关(例如3102-1)，使得在O电极中产生的电荷可以通过导体3110-1和3120发送到放大器3128。然后，放大器3128可接收电荷信号(或等效地，感测器信号)3126并放大感测器信号，使放大的信号可以进一步被处理以生成影像。在接收模式期间，可以关闭第二开关(例如3104-1)和第三开关(例如3106-1)使接收信号可以不受干扰。值得注意的是，电路元件3140-1～3140-n的整个阵列可以共用公共放大器3128，得以简化电路3100的设计。在实施例中，压电元件的X电极可以通过导体3112-1～3112-n电性耦合到接地或直流偏置电压，其中导体3112-1～3112-n可以电性耦合到公共导体3152。
在实施例中，电路3100可以耦合到图20中的一列压电元件(例如，2002-11～2002-n1)。在实施例中，与电路3100类似的多个电路可以与在图20的阵列中多列的压电元件耦合，且导体3152可以耦合到公共导体(例如图20中的2007)。在实施例中，电路3100可以控制图20～27中的一列压电元件。
图32為根据本公开实施例的用于控制多个压电元件的电路3200。在实施例中，电路3200可以设置在ASIC芯片中，其中设置在收发器基板中的压电元件的线(列或行)和ASIC芯片可以通过凸块互连到收发器基板。如图所示，电路3200可以包括电路元件3240-1～3240-n的阵列，其中每个电路元件可以与對应的压电元件的O、X和T电极沟通信号。
如图32所示，每个电路元件(例如3240-1)可以包括第一开关(例如3202-1)、第二开关(例如3204-1)、第三开关(例如3206-1)、第四开关(例如3207-1)即发送驱动器(例如3208-1)。来自发送驱动器(例如3208-1)的输出可以通过导体(例如3210-1)发送到压电元件的O电极。在发送模式期间，每个电路元件可以通过导体3222接收发送驱动器(或驱动)信号3224。每个第二开关(例如3204-1)可以是晶体管开关并且由控制单元3250控制，可以打开以将信号3224发送到发送驱动器(例如3208-1)。(控制单元3250与电路3200中的其他组件之间的电气连接未在图32中示出。)发送驱动器(例如3208-1)可以对信号进行逻辑解码，电平转换和缓冲输出信号並通过导体(例如3210-1)将发送输出信号发送到O电极。在实施例中，在发送模式期间可以关闭第一开关(例如3202-1)。
在实施例中，控制单元3250可以决定在发送模式期间需要打开哪些压电元件。如果控制单元3250决定不打开第二压电元件，则第一开关(例如3202-2)和第二开关(例如3204-2)可以关闭，而第三开关(例如3206-2)和第四开关(例如3207-2)可以打开，使得O和X(和T)电极具有相同的电位(也就是说，在压电层上有净零伏驱动)。在实施例中，第三和第四开关(例如，3206-2和3207-2)是可选的。应当理解的是，3级信令和执行该操作的发送驱动器并未明确示出。同样地，与XT导体和开关如3206-2、3207-2的连接是以简化的方式表现。
在实施例中，在接收模式期间，可以打开第一开关(例如3202-1)使在O电极中产生的电荷可以通过导体3210-1和3220发送到放大器3228。然后，放大器3228可以放大电荷(或传感器)信号3226，其中放大的信号可以进一步被处理以生成影像。在接收模式期间，可以关闭第二开关(例如3204-1)、第三开关(例如3206-1)和第四开关(例如3207-1)，使得接收信号不会受到干扰。
值得注意的是，电路元件3240-1～3240-n的整个阵列可以共用公共放大器3228，因此简化了电路3200的设计。在实施例中，压电元件的X电极可以经由导体3212-1～3212-n电性耦合到接地或直流偏置电压，其中导体3212-1～3212-n可以电性耦合到公共导体3252。在实施例中，压电元件的T电极可以经由导体3213-1～3213-n电性耦合到接地或直流偏置电压，其中导体3213-1～3213-n可以电性耦合到公共导体3254。
在实施例中，电路3200可以耦合到图21中的一列压电元件(例如2102-11～2102-n1)。在实施例中，与电路3200类似的多个电路可以与图21中的阵列中的多列压电元件耦合，而导体3252可以耦合到公共导体(例如图20中的2106)。同样地，在实施例中，导体3254可以耦合到公共导体(例如图21中的2108)。在实施例中，电路3200可以控制图20～27中的一列压电元件。
在图22～32中，导体用于将电极电耦合到另一电极。例如，电极2006-11～2006-m1电性耦合到导体2007。在实施例中，图22～32中的导体可以以多种方法实现，例如在压电元件设置的基板上或不同基板上沉积和图案化金属互连层，例如连接到基板的ASIC。
图33和34示出了根据本公开实施例的用于在发送模式期间驱动压电元件的示例性波形3300和3400。总的来说，压电材料可能易受由介电老化引起的损坏，并且可通过使用单极驱动信号来延迟或避免老化。波形3300和3400表示O和X电极之间和/或O和T电极之间的电压电位。如图所示，波形本质上可以是单极性的，并且可以是两级步进波形3300(也就是说，发送驱动器，例如2812、2912、3018、3108、3208等是单极发送驱动器)或多级(例如三级)步进波形3400。实际电压幅度通常可以在1.8V到12.6V间变化。在实施例中，多步波形3400或具有更多步的波形可以减少压电元件中的产热并且在某些成像模式期间具有使用的优点，例如多普勒或谐波(harmonic)成像。
在实施例中，波形3300和3400中的脉冲的频率可以根据所需信号的性质而变化，并且需要包含pMUT下面的薄膜响应的频率。在实施例中，波形也可以是复杂信号，例如线性或非线性调频chirp信号，或使用Golay码的其他编码信号。
在实施例中，用于驱动压电元件的电路可以进一步设计成使得来自下层薄膜的发送输出是对称的形状。在实施例中，对于波形3300(或3400)中的每个信号脉冲，脉冲的上升沿(rising edge)可以相对于脉冲的中心基本上与脉冲的下降沿(falling edge)对称。这种对称性降低了发送信号的谐波含量，特别是二次谐波和其他偶次谐波信号。在实施例中，波形3300(或3400)中的信号脉冲可以是脉冲宽度调变(PWM)信号。
图35为根据本公开实施例的发送驱动信号波形。如图所示，来自发送驱动器的信号3500可以是对称且双极的，也就是说，峰值最大电压的幅度(H1)和宽度(W1)与峰值最小电压的幅度(H2)和宽度(W2)相同。此外，上升沿3502的斜率与下降沿3504的斜率相同。另外，上升时间W3与下降时间W4相同，其中下降时间W4是指下降的起始点与参考电压之间的时间间隔。此外，上升沿3506具有与上升沿3502相同的斜率。
在发送操作期间，发送驱动器，例如图30中的3018可以由电气波形驱动，如图33～34所示。图36为根据本公开实施例的成像组件中的各种电路的输出信号。在实施例中，波形3602可以是来自发送驱动器如3018的输出信号并且被发送到压电元件如3000。在实施例中，由于压电元件可以具有固有带宽，可以其谐振频率输出正弦输出3604。如果连接到压电元件的O电极的发送驱动器的输出上升非常缓慢，则可能无法将电极充电到期望的最终值，因此可能导致低输出信号，如波形3606所示，其中最终振幅小于3602。另一方面，如果发送驱动器的输出信号非常快地稳定，则发送驱动器的输出信号具有比压电元件的带宽限制更大的带宽，因此额外的能量可以热的形态消散。因此，在实施例中，如波形3608所示，压电元件可以在能使其完全充电但不是非常快的速率充电。在实施例中，表示作为时间的函数的顶电极和底电极上的电压电位的波形3608在形状上更接近传感器的输出，并且因为形状差异较小，输入信号带宽和输出信号带宽匹配更好，热的能量损失更少。在实施例中，是优化发送驱动器的驱动阻抗以减少能量损失。换句话说，发送驱动器的阻抗被设计成相对于在目标时间段内足够的电压稳定所需的散热和时间常数下最佳化地驱动压电元件。
在实施例中，成像器120可以使用谐波成像技术，其中谐波成像是指在薄膜的基频上发送压力波并且在薄膜的二次或更高次谐波频率处接收反射的压力波。通常，基于二次或更高次谐波频率的反射波的影像具有比基于基频的反射波的影像更高的质量。发送波形中的对称性可以抑制发送波的二次或更高次谐波分量(harmonic components)，因此，可以减少这些分量与反射波中的二次或更高次谐波的干扰，从而提高谐波成像技术的影像质量。在实施例中，为了减少发送波中的二次或更高次谐波，波形3300可以具有50％的占空比(duty cycle)。
在图20～29中，阵列可包括多个线单元，其中每个线单元包括彼此电性耦合的多个压电元件。在实施例中，线单元可以用具有相位差(或等效延迟)的多个脉冲来驱动。通过调节相位，合成的压力波可以一定角度转向，也称为波束形成(beamforming)。
图37A为根据本公开实施例的沿着传感器的方位轴空间位置的函数的发送压力波幅度的曲线图。如果阵列中的压电元件排列成二维并且Y方向上的列上的压电元件连接并且沿X方向具有许多列，则X方向称为方位方向(azimuth direction)，Y方向称为高程方向(elevation direction)。如图37A所示，发送压力波包括主瓣(main lobe)和多个旁瓣(side lobes)。主瓣可用于扫描组织目标并具有高压幅度。旁瓣具有较低的幅度但降低了影像的质量，因此减小它们的幅度是较理想的。
图37B为根据本公开实施例的用于变迹过程的各种类型的窗口。在图37B中，x轴表示压电元件相对于活动窗口中心处的压电元件的位置，y轴表示振幅(或施加到压电元件的权重)。如图所示，对于矩形窗口3720，没有为任何发送线路提供加权，也就是说，它们都具有均匀的幅度(即符号1)。另一方面，如果实现加权函数，如汉明(Hamming)窗口3722所示，则中心处的线比边缘处的线具有更大的权重。例如，将汉明窗口3722应用于图3B中的传感器瓦片210，则最左列中的压电元件(在图37B中表示为-N)和最右列中的压电元件(在图37B中表示为N)可以具有最低权重，而中间列中的压电元件可以具有最高权重。这个过程称为变迹。在实施例中，可以应用各种类型的窗口加权，即使所示的汉明窗口3722仅是一个示例。在实施例中，变迹可以通过各种手段来实现，例如通过采用数模转换器(digital toanalog converter,DAC)针对不同线不同地缩放(scaling)发送驱动器输出驱动级，或通过保持相同的驱动级但减少一个线上像素的数量。所得的净效应是通过使用变迹可以减小旁瓣级，其中发送驱动的加权基于特定线位于激励的发送孔内的位置而变化。
在实施例中，脉冲或波形的电压降低可降低传感器表面的温度。或者，对于给定的最大可接受的传感器表面温度，在较低电压下操作的传感器可以提供更好的探头性能，从而产生更好的影像质量。例如，为了降低具有192个压电元件的探头的功耗，可以通过仅使用探头的一部分(也就是说，压电元件的子集)并使用多路复用器(multiplexer)在时间顺序上扫描其余元件来产生发送压力波。因此，在任何时间点，在现有系统中，只有一部分传感器元件可用于限制温度上升。相对地，在实施例中，低电压探头可以允许同时使用更多压电元件，因此可增加影像的帧速率和增强影像质量。在使用LNA放大接收信号的接收路径中也消耗了大量功率。成像系统通常使用数个接收通道，每个接收器通道具有放大器。在实施例中，可以使用温度数据关闭多个接收器通道以节省功率并降低温度。
在实施例中，可以通过根据窗函数改变每个线单元中的压电元件的数量来实现变迹。在实施例中，这种窗口近似可以通过电子控制一线上的压电元件的数量或通过将传感器阵列与所需数量的元件硬连线(hardwiring)来实现。
通常，探头产生的热量可以是发送脉冲/波形中脉冲持续时间的函数。通常，为了使压力波以更好的信噪比(SNR)穿透目标深处，压电元件可能需要长脉冲序列。然而，这也降低了轴向分辨率并且还在压电元件中产生更多热量。因此，在现有系统中发送的脉冲数很少，有时是一个或两个。由于较长的脉冲可能产生更多的热能，因此在现有系统中使用较长的脉冲是不切实际的。相对地，在实施例中，脉冲和波形3300和3400可以具有明显更低的峰值，因此能够使用长脉冲序列、chirps或其他编码信令。在实施例中，较长的脉冲序列不会降低轴向分辨率，因为在接收器中有执行匹配滤波以压缩波形而恢复分辨率。此技术允许更好的信噪比，并允许信号更深地穿透身体且允许对身体更深处的目标进行高质量成像。
在实施例中，聚四甲基硅氧烷(PDMS)或其他阻抗匹配材料的一层可以在图4～19中的传感器元件上旋转。该层可以改善换能器元件和人体之间的阻抗匹配，从而可以减少传感器元件和人体之间的介面处的压力波的反射或损失。
在图20～29中，可以通过在y方向(或x方向)上连接像素来创建多于一个线单元，其中一个线单元(或等效线元件)指的是彼此电性连接的多个压电元件。在实施例中，还可以通过沿x方向连接压电元件来创建一个或多个线单元。在实施例中，线单元中的压电元件可以是硬连线的。
如结合图18A所讨论的，每个压电元件1806可以电性耦合到电路1842，也就是说，收发器基板1802中的压电元件的数量与ASIC芯片1804中的电路1842的数量相同。在这种情况下，每列(或行)中的压电元件的电性连接可以电子地执行，也就是说，用于连接列(或行)中的电极的硬线导体(例如，2007)是由电子开关来代替。换句话说，线成像器/单元中的压电元件可以彼此电性连接。对于电子控制的线性成像器而言，可以通过将二维矩阵阵列的每个压电元件连接到二维控制电路阵列的对应控制电路(例如1842)来构建线成像器/单元，其中控制电路是位于空间上靠近像素的位置。为了创建线元件，可以电子地打开控制像素的列(或行)的多个驱动器。在实施例中，每个线成像器/单元中的驱动器的数量可以在程序控制下以电气方式改变并且可电子调节，也就是说，具有压电元件的线成像器是电可配置的。
在实施例中，每个像素的较小电容可以由分布式驱动电路有效地驱动，而没有其他均衡元件在驱动器和像素之间，消除了驱动非常大的线电容的困难。在实施例中，驱动器优化可以允许上升沿和下降沿的对称，允许发送输出中的更好的线性，从而实现谐波成像。(对称性是结合图33和34进行描述。)在实施例中，电子控制可以允许可编程孔径尺寸，发送变迹以及水平或垂直转向控制，所有这些都可以改善影像质量。在实施例中，可以在程序控制下以电气方式控制电子控制下的可配置线成像器/单元。例如，如果在y方向上需要较少数量的连接元件，则可以通过软件控制来调整该数量，而不必重新旋转控制电子电路或压电阵列。
在实施例中，每个线单元可以设计成由数个子单元组成，每个子单元具有单独的控制。这些子单元的优点在于可以减轻使用单个外部发送驱动器为线单元驱动大电容负载的难度。例如，如果在包括整个列的压电元件的一个线单元的位置处创建两个线单元，则可以采用两个不同的发送驱动器(例如2816)，且每个发送驱动器可以控制完整线单位一半的负载。而且，即使使用一个驱动器，分别驱动线单元的前半部分和线单元的后半部分也可以改善驱动情况，因为与线单元两端的电阻连接较低。
在实施例中，线单元的长度和方向皆可被控制。例如，在图20～29中，线单元可以沿x和y方向布置。举例来说，在图30中，沿着一列(例如，2003-11～2003-n1)的O电极可以电性耦合以形成一个线单元，并且其他列中的O电极可以电性耦合以形成沿x方向延伸的n个线单元。更具体地，沿x方向延伸的线单元包括n个O电极(2003-12～2003-1n)、...、(2003-n2～2003-nn)。在实施例中，通过控制ASIC芯片中的电路，可以沿着正交方向布置线单元。
在图20～30中，每个压电元件可包括两个或更多个顶(X和T)电极。在实施例中，这些顶电极下面的压电层可以沿相同方向或相反方向被极化。当与适当的施加信号电场组合时，多个极化方向可以在传感器的发送和接收灵敏度方面带来改进，并产生额外的谐振以实现更宽的带宽。
在图20～30中，每个阵列可具有设置在压电元件下方的一个或多个薄膜。在实施例中，薄膜可具有多种振动模式。在实施例中，一个薄膜可以在基本模式以特定频率下振动，而另一个薄膜可以在由薄膜设计和具有不同极化方向的电极的相对布置决定的不同频率下振动。在实施例中，多个薄膜可以由相同的电极组驱动，并且每个膜可以具有不同的基频。在实施例中，每个膜可以响应宽范围的频率，增加其带宽。此外，具有不同极化方向的这种传感器可以帮助增加发送和接收灵敏度，同时还能够实现一个高带宽传感器。
在图22、24、25中，一列中的X(或T)电极可以电性耦合到一导体。在实施例中，这些导体可以电性耦合到一个公共导体。例如，在图22中，导体2008-1～2208-n可以电性耦合到一个公共导体线，使得阵列2200中的所有T电极可以连接到接地或公共直流偏置电压。
在图20～29中，每个阵列可以包括以二维阵列布置的压电元件，其中x方向上的元件数量可以与y方向上的元件数量相同。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，x方向上的元件数量可以与y方向上的元件数量不同。
在实施例中，耦合到传感器基板(例如1802)的ASIC芯片(例如1804)可以包含温度感测器，该温度感测器测量在操作期间面向人体的成像装置120的表面温度。在实施例中，可以调节最大允许温度，并且此调节可以限制成像装置的功能，因为温度不应超过可允许的上限。在实施例中，该温度信息可用于改善影像质量。例如，如果温度低于最大允许限制，则可以在放大器中消耗额外的功率以降低其噪声并改善系统信噪比(SNR)以改善影像质量。
在实施例中，随着同时驱动的线单元的数量增加，成像装置120消耗的功率也增加。为了完成从整个孔传输压力波，可能需要驱动成像装置120中的所有线单元。如果仅驱动几个线单元来发送压力波，一次等待并接收反射回波，则需要更多时间来完成驱动整个孔的整个线路单元的一个周期，从而降低每秒拍摄影像的速率(帧率)。为了提高这个速率，需要一次驱动更多的线单元。在实施例中，温度信息可以允许成像装置120驱动更多线以改善帧率。
在图20～30中，每个压电元件可以具有一个底电极(O)和一个或多个顶电极(X和T)并且具有多于一个的谐振频率。例如，图25中的每个压电元件2502可以具有一个底电极(O)和两个顶电极，其中第一顶电极和底电极(O)可以响应于第一频率f1，而第二顶电极和底电极(O)可以响应于与f1不同的第二频率f2。
在实施例中，在接收模式期间产生的电荷被转移到放大器，例如1811、2810、2814、2910、2914、3010、3016、3128和3228。然后，放大的信号可以由各种电子元件进一步处理。因此，对于本领域技术人员来说显而易见的是，放大器1811、2810、2814、2910、2914、3010、3016、3128和3228中的每一个共同指代一个或多个处理电荷信号的电子组件/电路，也就是说，每个放大器象征性地表示用于处理电荷信号的一个或多个电子组件/电路。
图38为根据本公开的实施例的成像组件3800的示意图。如图所示，成像组件3800可以包括：具有压电元件(图38中未示出)的收发器基板3801；ASIC芯片3802电性耦合到收发器基板3801；接收器多路复用器3820，电性耦合到ASIC芯片3802；接收器模拟前端(AFE)3830；发送器多路复用器3824，电性耦合到ASIC芯片3802；以及发送波束形成器3834电性耦合到第二多路复用器3824。在实施例中，ASIC芯片3802可以包括多个电路3804，其连接到驱动收发器基板3801并配置成驱动收发器基板3801中的多个压电元件。在实施例中，每个电路3804可以包括接收放大器(或简称放大器)3806，例如LNA，以及用于将信号发送到压电元件的发送驱动器3808，以及在放大器3806和发送驱动器3808之间切换的开关3810。放大器可具有可编程增益以及将它们连接到需要被感知的压电元件的装置(means)。发送驱动器具有优化其阻抗的装置，以及连接到要驱动的压电元件的装置。
在实施例中，接收器多路复用器3820可以包括多个开关3822，并且接收器AFE3830可以包括多个放大器3832。在实施例中，每个开关3822可以将电路3804电性连接到/从放大器3832断开。在实施例中，发送器多路复用器3824可以包括多个开关3826，并且发送波束形成器3834可以包括多个发送驱动器3836和未示出的其他电路，以控制各种驱动器的发送驱动器波形之间的相对延迟，以及未示出的用于控制频率和每个发送驱动器的脉冲数量的其他电路。在实施例中，每个开关3826在发送操作期间打开并且连接到电路3804，而开关3822断开，而开关3810连接到发送驱动器3808。同样地，在接收操作期间，当开关3810连接到放大器3806时，开关3826在开关3822打开时关闭。
在实施例中，开关3810可以在发送模式期间切换到发送驱动器3808并在接收模式期间切换到放大器3806。在实施例中，可以关闭开关3822的一部分，使得对应的电路3804可以被设置为接收模式。同样地，可以关闭开关3826的一部分，使得对应的电路3804可以被设置为发送模式。由于开关3822的一部分和开关3826的一部分可以同时关闭，因此成像器组件可以同时在发送和接收模式下操作。此外，接收器多路复用器3820和发送器多路复用器3824减少了ASIC引脚(pins)的数量。在实施例中，接收器多路复用器3820、接收器AFE3830、发送器多路复用器3824和发送器波束形成器3834可以包括在图2中的电路215中。
在实施例中，每个压电体可以具有多于两个电极，其中一个电极可以处于发送模式以产生压力波，而另一个电极可以同时处于接收模式以产生电荷。发送和接收模式的这种同时操作可以允许三维成像。
虽本发明易于进行各种修改和替换形式，其具体示例已在附图中示出并在本文中详细描述。然而，应理解的是，本发明不限于所公开的特定形式，相反地，本发明将涵盖落入所附权利要求范围内的所有修改、等同物和替代物。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种收发器，其特征在于，包含：
元件的阵列，其中每个元件形成于其上；
基板：
薄膜，悬置于所述基板；
底电极，设置在所述薄膜上；
压电层，设置在所述底电极上；以及
第一电极，设置在所述压电层上，
其中每个元件展现一个或更多个振动模式。
2.一种收发器，其特征在于，包含：
基板；
薄膜，悬置于所述基板；
底电极，设置在所述薄膜上；
压电层，设置在所述底电极上；
第一顶电极及第二顶电极，设置在所述压电层上，所述第一顶电极是电性隔离于所述第二顶电极；且
所述压电层包含位在所述第一顶电极下并且向第一方向被极化的第一部分，以及位在所述第二顶电极下并且向与所述第一方向相反的第二方向被极化的第二部分。
3.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，更包含：
电路，用以生成具有上升和下降边缘的信号脉冲，所述上升和下降边缘彼此对称，且波形的高部分及低部分基本相同；以及
导体，电性耦合至所述电路及所述底电极，以使所述信号脉冲通过所述导体发送至所述底电极。
4.如权利要求3所述的收发器，其特征在于，其中连接至每个压电元件的其中一个电极的所述信号脉冲的峰-峰振幅是小于11 V。
5.如权利要求4所述的收发器，其特征在于，其中每个压电元件的另一个电极是连接至直流偏置电压。
6.如权利要求5所述的收发器，其特征在于，其中所述信号脉冲包含在二级之间转换的单极信号及三级信号中的至少一个，其中所述信号脉冲是连接至像素阵列的发送驱动器的输出。
7.如权利要求2所述的收发器，其特征在于，更包含：
第一导体，配置以耦合所述第一顶电极至接地或直流偏置电压；以及
第二导体，配置以耦合所述第二顶电极至接地或直流偏置电压。
8.如权利要求2所述的收发器，其特征在于，更包含第三顶电极，设置在所述压电层上且空间上隔离于所述第一顶电极及所述第二顶电极。
9.如权利要求8所述的收发器，其特征在于，其中所述压电层包含位在所述第三顶电极下的第三部分，且所述第三部分向所述第一方向及所述第二方向中的一个方向被极化。
10.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中所述压电层包含PZT、KNN、PZT-N、PMT-Pt、AIN、Sc-AIN、ZnO、PVDF及LiNiO3中至少一个。
11.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中所述底电极是电性连接至由金属形成的信号导体，且所述金属是沉积在沉积于所述基板上的TiO2层上。
12.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中所述压电层的厚度为2μm或更小。
13.一种成像装置，其特征在于，包含：
收发器基板，其包含：
基板；
至少一个薄膜，设置在所述基板上；以及
多个压电元件，设置在所述至少一个薄膜上，所述多个压电元件的每一个包含；
底电极；
压电层，设置在所述底电极上；
第一顶电极及第二顶电极，设置在所述压电层上，所述第一顶电极是电性及空间上隔离于所述第二顶电极；且
所述压电层包含位在所述第一顶电极下并且向第一方向被极化的第一部分，以及位在所述第二顶电极下并且向与所述第一方向相反的第二方向被极化的第二部分；以及
ASIC芯片，通过三维互连机构电性耦合至所述收发器基板，且包含：
至少一个电路，用以控制所述多个压电元件中的一个或更多个；以及
控制单元，电性耦合至所述至少一个电路并控制所述至少一个电路。
14.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述底电极为信号电极，且其中每个所述第一顶电极及第二顶电极为公共电极，并连接至接地及直流偏置中的一个。
15.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路包含：
发送驱动器，用以送出发送信号至所述底电极；以及
放大器，用以接收来自所述底电极的接收信号并放大所述接收信号。
16.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路包含：
开关，具有电性耦合至所述底电极的第一端子，以及在耦合至所述发送驱动器及所述放大器的两个导体之间切换的第二端子。
17.如权利要求16所述的成像装置，其特征在于，其中所述开关的所述第二端子在接收模式中切换至耦合于所述放大器的导体，以使所述底电极上产生的电荷转移至所述放大器。
18.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号具有上升和下降边缘，所述上升和下降边缘彼此对称，且发送信号的高部分及低部分基本相同。
19.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号为脈波調變(PWM)信号。
20.如权利要求19所述的成像装置，其特征在于，其中所述PWM信号的宽度被调整以实行发送变迹。
21.如权利要求18所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号具有两个或更多个级，且数个所述级是用于编码所述变迹用的加权。
22.一种成像装置，其特征在于，包含：
收发器基板，其包含：
基板；
至少一个薄膜设置在所述基板上；以及
多个压电元件，设置在所述至少一个薄膜上，所述多个压电元件的每一个包含；
底电极；
压电层，设置在所述底电极上；
第一顶电极，设置在所述压电层上，其中每个元件展现一个或更多个振动模式；以及
ASIC芯片，通过三维互连机构电性耦合至所述收发器基板，且包含：
至少一个电路，用以控制所述多个压电元件中的一个或更多个；以及
控制单元，电性耦合至所述至少一个电路并控制所述至少一个电路。
23.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述底电极为信号电极，且其中所述第一顶电极连接至接地或直流偏置中的一个，其中所述多个压电元件中的所有顶电极是通过导体相互连接导体。
24.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路包含：
发送驱动器，用以送出发送信号至所述底电极；以及
放大器，用以接收来自所述底电极的接收信号并放大所述接收信号。
25.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路包含：
开关，具有电性耦合至所述底电极的第一端子，以及在耦合至所述发送驱动器及所述放大器的两个导体之间切换的第二端子。
26.如权利要求25所述的成像装置，其特征在于，其中所述开关的所述第二端子在接收模式中切换至耦合于所述放大器的导体，以使所述底电极上产生的电荷转移至所述放大器。
27.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号为脈波調變(PWM)信号。
28.如权利要求27所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件更排列成多个列，其中用于驱动不同压电元件列的所述PWM信号的宽度被调整以实行发送变迹。
29.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号具有两个或更多个级，且数个所述级是用于调变来自所述传感器的所述发送超声信号的功率。
30.如权利要求27所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号使用PWM信号宽度以调变来自所述传感器的功率发送。
31.如权利要求27所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件的每一个更包含三个导体，分别耦合至所述底电极、第一顶电极以及第二顶电极，且所述三个导体是通过所述三维互连机构电性连接至所述至少一个电路。
32.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述三维互连机构包含铜柱及焊料凸块中的至少一个。
33.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件的每一个更包含第三顶电极，设置在所述压电层上且空间上隔离于所述第一顶电极及所述第二顶电极。
34.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，更包含：
至少一个温度感测器以测量所述成像装置的温度。
35.如权利要求34所述的成像装置，其特征在于，其中所述ASIC芯片包含低杂讯放大器(LNA)并自至少一个温度感测器接收温度数据，并使用所述温度数据调整所述LNA的成像帧率及信噪比中的至少一个。
36.如权利要求35所述的成像装置，其特征在于，其中使用温度数据，关闭分别具有LNA的数个接收通道以降低温度。
37.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，更包含：
一层，设置在所述多个压电元件上，且配置以减少所述压电元件与待成像标的之间的介面上的阻抗不匹配。
38.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个薄膜是预配置以增强薄膜压力输出。
39.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件是排列成二维阵列。
40.如权利要求39所述的成像装置，其特征在于，其中所述二维阵列是配置以在双平面模式中操作，所述双平面模式是所述二维阵列的一列中部分的压电元件同时生成压力波，且所述二维阵列的一行中部分的压电元件同时产生电气信号。
41.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个薄膜是通过在所述基板蚀刻凹洞而形成。
42.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路是控制输送至压电元件的功率，以控制所述压电元件生成的压力波的穿透深度。
43.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，更包含：
至少一个端口，用以接收配置以与外部装置通信的电缆的一端；
现场可编程门阵列(FPGA)；以及
通信单元，用以通过所述电缆与外部装置通信。
44.如权利要求43所述的成像装置，其特征在于，其中所述外部装置为智能手机及平板电脑的其中之一。
45.如权利要求43所述的成像装置，其特征在于，更包含：
由USB2、USB3、USB3.1及USB-C所组成的群组中选出的类型的至少一个端口。
46.如权利要求45所述的成像装置，其特征在于，更包含：
通信单元，用以与外部装置无线地沟通信号，
其中所述电缆是用以自显示单元传递功率。
47.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，更包含电池。
48.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中压电元件是由公共底电极及两个顶电极、连接所述压电阵列的所有底电极的第一导体、以及以第一顶板与第二导体连接并连接至接收放大器的一列压电元件所组成，其中同一列的所有压电元件的所述第二顶电极是使用第三导体连接，其中所述第三导体连接至开关，所述开关是将一列的所述第二顶电极在发送模式中连接至发送驱动器，并在接收模式中连接至接收放大器，其中所述成像装置具有一个或更多个列。
49.如权利要求48所述的收发器，其特征在于，其中由底电极及第一顶电极所组成的子压电元件是被极化为与由所述底电极及所述第二顶电极所组成的子压电元件相反的方向。
50.如权利要求48所述的收发器，其特征在于，其中所述至少一个电路是配置以送出发送信号至压电元件的所述第二顶电极，且在同一时间接收所述压电元件的所述第一顶电极的信号。
51.如权利要求48所述的收发器，其特征在于，其中所述装置是配置以执行连续多普勒成像及B模式成像的其中之一。
52.如权利要求45所述的成像装置，其特征在于，更包含：
封装所述成像装置的壳体；以及
用以消散生成的热能以降低所述收发器及所述壳体的温度的机构。
53.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述成像装置为超声医疗探头。
54.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，更包含充电电池。
55.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件是排列成一阵列，且其中压电元件是由公共底电极及两个顶电极、连接所述阵列的所有底电极的第一导体、以及以第一顶板与第二导体连接并连接至接收放大器的一行压电元件所组成，其中同一列的所有压电元件的所述第二顶电极是使用第三导体连接，其中所述第三导体连接至开关，所述开关是将一列的所述第二顶电极在发送模式中连接至发送驱动器，并在接收模式中连接至接收放大器，其中所述成像装置在所述阵列中具有一个或更多个列及一个或更多个行的压电元件。
56.如权利要求55所述的成像装置，其特征在于，其中所述成像装置是用以执行双平面成像。
57.如权利要求45所述的成像装置，其特征在于，其中第二外壳容纳原本位于第一外壳中的一些电路，以降低所述收发器及包围成像器的外壳体的温度上升，其中所述两个外壳是使用电缆连接。
58.如权利要求57所述的成像装置，其特征在于，其中所述一些电路包含FPGA。
59.如权利要求54所述的成像装置，其特征在于，其中可变加权被应用至所述阵列的每个列，并且用于调变输出功率水平，其中多普勒成像及B模式成像公共相同的电源。
60.如权利要求59所述的成像装置，其特征在于，其中可变加权是使用PWM信令来实现。
61.如权利要求60所述的成像装置，其特征在于，其中可变加权是通过以电子方式改变列的高度来实现。
62.如权利要求45所述的成像装置，其特征在于，其中所述成像装置使用USB3协定与用于显示及控制的外部装置通信。
63.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中低功率运行是通过在发送模式中使用低AC驱动电压来实现，其中低发送电压是低于11V AC。
64.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中在所述压电层上的给定电场中，压电层的厚度设为较薄以便在所述顶电极及所述底电极以低电压操作，其中所述压电层的厚度为2um或更小。
65.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中所述收发器操作于弯曲运行模式中，所述元件经受弯曲模式共振，造成所述薄膜的弯曲张力运动以发送声音信号，其中被成像物体接收的压力信号通过元件的弯曲模式共振被转换为电荷。
66.如权利要求5所述的收发器，其特征在于，其中发送驱动波形为编码信号且包含chirp码及Golay码的其中之一。
67.如权利要求66所述的收发器，其特征在于，其中所述收发器使用编码信号以向被成像的器官发送超声信号，且所接收的信号是以匹配过滤器处理。
68.如权利要求67所述的收发器，其特征在于，其中为了组织深处的器官的成像，所述收发器允许更多能量耦合到所述组织中而不降低轴向分辨率。
Claims (68)
1.一种收发器，其特征在于，包含：
元件的阵列，其中每个元件形成于其上；
基板：
薄膜，悬置于所述基板；
底电极，设置在所述薄膜上；
压电层，设置在所述底电极上；以及
第一电极，设置在所述压电层上，
其中每个元件展现一个或更多个振动模式。
2.一种收发器，其特征在于，包含：
基板；
薄膜，悬置于所述基板；
底电极，设置在所述薄膜上；
压电层，设置在所述底电极上；
第一顶电极及第二顶电极，设置在所述压电层上，所述第一顶电极是电性隔离于所述第二顶电极；且
所述压电层包含位在所述第一顶电极下并且向第一方向被极化的第一部分，以及位在所述第二顶电极下并且向与所述第一方向相反的第二方向被极化的第二部分。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，更包含：
电路，用以生成具有上升和下降边缘的信号脉冲，所述上升和下降边缘彼此对称，且波形的高部分及低部分基本相同；以及
导体，电性耦合至所述电路及所述底电极，以使所述信号脉冲通过所述导体发送至所述底电极。
4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，其中连接至每个压电元件的其中一个电极的所述信号脉冲的峰-峰振幅是小于11 V。
5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，其中每个压电元件的另一个电极是连接至直流偏置电压。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，其中所述信号脉冲包含在二级之间转换的单极信号及三级信号中的至少一个，其中所述信号脉冲是连接至像素阵列的发送驱动器的输出
7.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，更包含：
第一导体，配置以耦合所述第一顶电极至接地或直流偏置电压；以及
第二导体，配置以耦合所述第二顶电极至接地或直流偏置电压。
8.如权利要求2所述的收发器，其特征在于，更包含第三顶电极，设置在所述压电层上且空间上隔离于所述第一顶电极及所述第二顶电极。
9.如权利要求8所述的收发器，其特征在于，其中所述压电层包含位在所述第三顶电极下的第三部分，且所述第三部分向所述第一方向及所述第二方向中的一个方向被极化。
10.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中所述压电层包含PZT、KNN、PZT-N、PMT-Pt、AIN、Sc-AIN、ZnO、PVDF及LiNiO3中至少一个。
11.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中所述底电极是电性连接至由金属形成的信号导体，且所述金属是沉积在沉积于所述基板上的TiO2层上。
12.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中所述压电层的厚度为2μm或更小。
13.一种成像装置，其特征在于，包含：
收发器基板，其包含：
基板；
至少一个薄膜，设置在所述基板上；以及
多个压电元件，设置在所述至少一个薄膜上，所述多个压电元件的每一个包含；
底电极；
压电层，设置在所述底电极上；
第一顶电极及第二顶电极，设置在所述压电层上，所述第一顶电极是电性及空间上隔离于所述第二顶电极；且
所述压电层包含位在所述第一顶电极下并且向第一方向被极化的第一部分，以及位在所述第二顶电极下并且向与所述第一方向相反的第二方向被极化的第二部分；以及
ASIC芯片，通过三维互连机构电性耦合至所述收发器基板，且包含：
至少一个电路，用以控制所述多个压电元件中的一个或更多个；以及
控制单元，电性耦合至所述至少一个电路并控制所述至少一个电路。
14.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述底电极为信号电极，且其中每个所述第一顶电极及第二顶电极为公共电极，并连接至接地及直流偏置中的一个。
15.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路包含：发送驱动器，用以送出发送信号至所述底电极；以及
放大器，用以接收来自所述底电极的接收信号并放大所述接收信号。
16.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路包含：开关，具有电性耦合至所述底电极的第一端子，以及在耦合至所述发送驱动器及所述放大器的两个导体之间切换的第二端子。
17.如权利要求16所述的成像装置，其特征在于，其中所述开关的所述第二端子在接收模式中切换至耦合于所述放大器的导体，以使所述底电极上产生的电荷转移至所述放大器。
18.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号具有上升和下降边缘，所述上升和下降边缘彼此对称，且发送信号的高部分及低部分基本相同。
19.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号为脈波調變(PWM)信号。
20.如权利要求19所述的成像装置，其特征在于，其中所述PWM信号的宽度被调整以实行发送变迹。
21.如权利要求18所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号具有两个或更多个级，且数个所述级是用于编码所述变迹用的加权。
22.一种成像装置，其特征在于，包含：
收发器基板，其包含：
基板；
至少一个薄膜设置在所述基板上；以及
多个压电元件，设置在所述至少一个薄膜上，所述多个压电元件的每一个包含；
底电极；
压电层，设置在所述底电极上；
第一顶电极，设置在所述压电层上，其中每个元件展现一个或更多个振动模式；以及
ASIC芯片，通过三维互连机构电性耦合至所述收发器基板，且包含：
至少一个电路，用以控制所述多个压电元件中的一个或更多个；以及
控制单元，电性耦合至所述至少一个电路并控制所述至少一个电路。
23.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述底电极为信号电极，且其中所述第一顶电极连接至接地或直流偏置中的一个，其中所述多个压电元件中的所有顶电极是通过导体相互连接导体。
24.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路包含：发送驱动器，用以送出发送信号至所述底电极；以及
放大器，用以接收来自所述底电极的接收信号并放大所述接收信号。
25.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路包含：开关，具有电性耦合至所述底电极的第一端子，以及在耦合至所述发送驱动器及所述放大器的两个导体之间切换的第二端子
26.如权利要求25所述的成像装置，其特征在于，其中所述开关的所述第二端子在接收模式中切换至耦合于所述放大器的导体，以使所述底电极上产生的电荷转移至所述放大器。
27.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号为脈波調變(PWM)信号。
28.如权利要求27所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件更排列成多个列，其中用于驱动不同压电元件列的所述PWM信号的宽度被调整以实行发送变迹。
29.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号具有两个或更多个级，且数个所述级是用于调变来自所述传感器的所述发送超声信号的功率。
30.如权利要求27所述的成像装置，其特征在于，其中所述发送信号使用PWM信号宽度以调变来自所述传感器的功率发送
31.如权利要求27所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件的每一个更包含三个导体，分别耦合至所述底电极、第一顶电极以及第二顶电极，且所述三个导体是通过所述三维互连机构电性连接至所述至少一个电路。
32.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述三维互连机构包含铜柱及焊料凸块中的至少一个。
33.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件的每一个更包含第三顶电极，设置在所述压电层上且空间上隔离于所述第一顶电极及所述第二顶电极。
34.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，更包含：
至少一个温度感测器以测量所述成像装置的温度。
35.如权利要求34所述的成像装置，其特征在于，其中所述ASIC芯片包含低杂讯放大器(LNA)并自至少一个温度感测器接收温度数据，并使用所述温度数据调整所述LNA的成像帧率及信噪比中的至少一个。
36.如权利要求35所述的成像装置，其特征在于，其中使用温度数据，关闭分别具有LNA的数个接收通道以降低温度。
37.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，更包含：
一层，设置在所述多个压电元件上，且配置以减少所述压电元件与待成像标的之间的介面上的阻抗不匹配。
38.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个薄膜是预配置以增强薄膜压力输出。
39.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件是排列成二维阵列。
40.如权利要求39所述的成像装置，其特征在于，其中所述二维阵列是配置以在双平面模式中操作，所述双平面模式是所述二维阵列的一列中部分的压电元件同时生成压力波，且所述二维阵列的一行中部分的压电元件同时产生电气信号。
41.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个薄膜是通过在所述基板蚀刻凹洞而形成。
42.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路是控制输送至压电元件的功率，以控制所述压电元件生成的压力波的穿透深度。
43.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，更包含：
至少一个端口，用以接收配置以与外部装置通信的电缆的一端；
现场可编程门阵列(FPGA)；以及
通信单元，用以通过所述电缆与外部装置通信。
44.如权利要求43所述的成像装置，其特征在于，其中所述外部装置为智能手机及平板电脑的其中之一。
45.如权利要求43所述的成像装置，其特征在于，更包含：
由USB2、USB3、USB3.1及USB-C所组成的群组中选出的类型的至少一个端口。
46.如权利要求45所述的成像装置，其特征在于，更包含：
通信单元，用以与外部装置无线地沟通信号，
其中所述电缆是用以自显示单元传递功率。
47.如权利要求15所述的成像装置，其特征在于，更包含电池。
48.如权利要求1所述的成像装置，其特征在于，其中压电元件是由公共底电极及两个顶电极、连接所述压电阵列的所有底电极的第一导体、以及以第一顶板与第二导体连接并连接至接收放大器的一列压电元件所组成，其中同一列的所有压电元件的所述第二顶电极是使用第三导体连接，其中所述第三导体连接至开关，所述开关是将一列的所述第二顶电极在发送模式中连接至发送驱动器，并在接收模式中连接至接收放大器，其中所述成像装置具有一个或更多个列。
49.如权利要求48所述的成像装置，其特征在于，其中由底电极及第一顶电极所组成的子压电元件是被极化为与由所述底电极及所述第二顶电极所组成的子压电元件相反的方向。
50.如权利要求48所述的成像装置，其特征在于，其中所述至少一个电路是配置以送出发送信号至压电元件的所述第二顶电极，且在同一时间接收所述压电元件的所述第一顶电极的信号。
51.如权利要求48所述的成像装置，其特征在于，其中所述装置是配置以执行连续多普勒成像及B模式成像的其中之一。
52.如权利要求45所述的成像装置，其特征在于，更包含：
封装所述成像装置的壳体；以及
用以消散生成的热能以降低所述传感器及所述壳体的温度的机构。
53.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述成像装置为超声医疗探头。
54.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，更包含充电电池。
55.如权利要求22所述的成像装置，其特征在于，其中所述多个压电元件是排列成一阵列，且其中压电元件是由公共底电极及两个顶电极、连接所述阵列的所有底电极的第一导体、以及以第一顶板与第二导体连接并连接至接收放大器的一行压电元件所组成，其中同一列的所有压电元件的所述第二顶电极是使用第三导体连接，其中所述第三导体连接至开关，所述开关是将一列的所述第二顶电极在发送模式中连接至发送驱动器，并在接收模式中连接至接收放大器，其中所述成像装置在所述阵列中具有一个或更多个列及一个或更多个行的压电元件。
56.如权利要求56所述的成像装置，其特征在于，其中所述成像器是用以执行双平面成像。
57.如权利要求45所述的成像装置，其特征在于，其中第二外壳容纳原本位于第一外壳中的一些电路，以降低所述传感器及包围成像器的外壳体的温度上升，其中所述两个外壳是使用电缆连接。
58.如权利要求57所述的成像装置，其特征在于，其中所述一些电路包含FPGA。
59.如权利要求54所述的成像装置，其特征在于，其中可变加权被应用至所述阵列的每个列，并且用于调变输出功率水平，其中多普勒成像及B模式成像公共相同的电源。
60.如权利要求60所述的成像装置，其特征在于，其中可变加权是使用PWM信令来实现。
61.如权利要求60所述的成像装置，其特征在于，其中可变加权是通过以电子方式改变列的高度来实现。
62.如权利要求45所述的成像装置，其特征在于，其中所述成像装置使用USB3协定与用于显示及控制的外部装置通信。
63.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中低功率运行是通过在发送模式中使用低AC驱动电压来实现，其中低发送电压是低于11V AC。
64.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中在所述压电层上的给定电场中，压电层的厚度设为较薄以便在所述顶电极及所述底电极以低电压操作，其中所述压电层的厚度为2um或更小。
65.如权利要求1所述的收发器，其特征在于，其中所述收发器操作于弯曲运行模式中，所述元件经受弯曲模式共振，造成所述薄膜的弯曲张力运动以发送声音信号，其中被成像物体接收的压力信号通过元件的弯曲模式共振被转换为电荷。
66.如权利要求5所述的收发器，其特征在于，其中发送驱动波形为编码信号且包含chirp码及Golay码的其中之一。
67.如权利要求66所述的收发器，其特征在于，其中所述收发器使用编码信号以向被成像的器官发送超声信号，且所接收的信号是以匹配过滤器处理。
68.如权利要求68所述的收发器，其特征在于，其中为了组织深处的器官的成像，所述收发器允许更多能量耦合到所述组织中而不降低轴向分辨率。
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