CN110732476A - 基于正方形网格布局的多频带mems超声换能器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列。现有MEMS超声换能器阵列无法同时具备多频带和二维波束形成的特性，成像性能上具有局限性。本发明包括四个MEMS超声换能器子阵列，每个MEMS超声换能器子阵列包括多个相同中心频率的MEMS超声换能器单元，不同MEMS超声换能器子阵列的MEMS超声换能器单元的中心频率不同。对于一个区域中的四种不同中心频率的MEMS超声换能器单元布置在一个正方形的四个顶点处，该正方形的边长大于任一MEMS超声换能器单元的外接圆直径，以镶嵌形式平铺成MEMS超声换能器阵列。本发明的具有更宽的频带范围，同时具备多频带和二维波束形成的特性，在成像性能上更有优势。

Description

基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，涉及一种MEMS超声换能器阵列，具体是一种基于正方形网格布局的，具有多个频带或由多个频带融合成宽频带的MEMS超声换能器阵列。
背景技术
基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术的超声换能器主要包括电容式微机械超声换能器(capacitive Micromachined UltrasonicTransducer,cMUT)和压电式微机械超声换能器(piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer,pMUT),一般统称为MEMS超声换能器。相比于基于单晶块状材料的传统超声换能器，MEMS超声换能器的主要优势包括尺寸小、能耗低、一致性好、集成度高、与CMOS工艺兼容、能够基于微电子工艺实现大规模量产等。MEMS超声换能器通常以阵列的形式存在，具有广泛的应用。比如，cMUT在掌上超声设备有重要应用；pMUT在人机交互和生物指纹识别中发挥关键作用。
随着医疗超声技术的飞速发展，用于全身成像的掌上超声设备成为热点。在传统的超声设备中，使用单个探头做全身不同部位的医学成像是很困难的。对于传统超声换能器来说，它的频带宽度比较有限，同时其中心频率是固定的，因此，很难适用于不同部位的超声成像需求。医院常用的大型超声设备一般会配备两个或多个不同规格的超声探头，以满足不同的成像需求。然而，目前最先进的掌上超声设备却克服了上述困难。这主要得益于MEMS超声换能器的优异特性。利用MEMS超声换能器容易集成的特点，研究者将具有不同中心频率的多种MEMS超声换能器单元集成并形成阵列。不同MEMS超声换能器单元发出的超声波的频率范围发生交叠，从而在流体或生物组织中融合到一起，形成具有宽频带的超声波物理场。
然而，与只包含一种MEMS超声换能器单元的超声阵列相比，集成多种MEMS超声换能器单元的超声阵列在波束形成(beamforming)性能上可能会存在劣势，特别是在多种MEMS超声换能器单元的布局不合理的情况下。目前，常见的布局方法是将不同中心频率的MEMS超声换能器排成一行，然后再以同样或类似的方式形成多行超声阵列。这种布局方法主要沿一个方向做波束形成，并且很难向另外一个方向拓展，不适用于二维阵列。因此，现有MEMS超声换能器阵列无法同时具备多频带和二维波束形成的特性，在成像性能上具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列，具有多个频带或由多个频带融合成宽频带的MEMS超声换能器，不仅能够在多个频带同时收发超声波，而且可以沿多个方向进行波束形成，克服了现有MEMS超声换能器阵列遇到的主要技术困难，相比于现有MEMS超声换能器阵列，在成像性能上具有很大优势。
本发明的多频带MEMS超声换能器阵列包括四个MEMS超声换能器子阵列，不同MEMS超声换能器子阵列具有相同的单元布局。
每个MEMS超声换能器子阵列包括多个相同中心频率的MEMS超声换能器单元，构成不同MEMS超声换能器子阵列的MEMS超声换能器单元的中心频率不同；每个MEMS超声换能器子阵列中纵向和横向相邻的MEMS超声换能器单元之间的距离相同。
对于一个区域中的四种不同中心频率的MEMS超声换能器单元布置在一个正方形的四个顶点处，该正六边形的边长大于任一MEMS超声换能器单元的外接圆直径，以镶嵌形式平铺成MEMS超声换能器阵列；所述阵列中，沿同一直线方向为不同中心频率的MEMS超声换能器单元间隔设置。具体布置方法是：
首先，在正方形的左下顶点处放置一个中心频率为f1的MEMS超声换能器单元，在正方形的右下顶点处放置一个中心频率为f2的MEMS超声换能器单元，在正方形的右上顶点处放置一个中心频率为f3的MEMS超声换能器单元，在正方形的左上顶点处放置一个中心频率为f4的MEMS超声换能器单元；
然后，以四个不同中心频率的MEMS超声换能器单元为整体进行左右和上下复制平移，平移的距离为该正方形边长的2倍，形成网眼为正方形的网格状结构；每个MEMS超声换能器子阵列中，中心频率相同的MEMS超声换能器单元横向或纵向的距离为该正方形边长的2倍。
进一步，本发明的多频带MEMS超声换能器阵列
还包括第五个MEMS超声换能器子阵列，第五个MEMS超声换能器子阵列由中心频率为f5的MEMS超声换能器单元构成，f5与f1、f2、f3、f4均不相等，中心频率为f5的MEMS超声换能器单元布置在每个正方形中心点处；所述五个MEMS超声换能器子阵列中纵向和横向相邻的MEMS超声换能器单元之间的距离与该正方形边长相同。
相比于由多种超声换能器组成的传统一维超声换能器阵列，本发明公布的MEMS超声换能器能够进行多个方向的波束形成，在波束形成方面更有优势。相比于由一种超声换能器组成的传统二维超声换能器，本发明公布的MEMS超声换能器阵列具有更宽的频带范围，在成像性能上更有优势。总之，本发明公布的MEMS超声换能器同时具备多频带和二维波束形成的特性，比传统一维或二维超声换能器阵列更具优势。
附图说明
图1为本发明中包换四种不同中心频率单元的MEMS超声换能器阵列的示意图；
图2为本发明中包换五种不同中心频率单元的MEMS超声换能器阵列的示意图。
具体实施方式
包含多种MEMS超声换能器单元的MEMS超声换能器阵列的通常布局方法是，先将整个区域划分为多个子区域，然后在每个子区域放置多种不同的MEMS超声换能器单元。这种常规方法的主要问题是没有充分利用好有限的空间和同一种MEMS超声换能器的间距过大，这不利于超声成像和波束形成。本发明提供的MEMS超声换能器阵列的布局方法不仅能够使空间利用程度最大化，而且能够有效减小同一种MEMS超声换能器的间距。
如图1所示，一种基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列由四个MEMS超声换能器子阵列组成。每个MEMS超声换能器子阵列包括多个相同中心频率的MEMS超声换能器单元，构成不同MEMS超声换能器子阵列的MEMS超声换能器单元的中心频率不同，分别为f1、f2、f3和f4。每个MEMS超声换能器子阵列中纵向和横向相邻的MEMS超声换能器单元之间的距离相同。由于每个MEMS超声换能器子阵列具有不同中心频率和频带范围，因此多个MEMS超声换能器子阵列可以组成一个具有多个频带或者由多个频带融合为单频带的MEMS超声换能器阵列。
MEMS超声换能器单元为压电式微机械超声换能器、电容式微机械超声换能器或双频压电式微机械超声换能器。MEMS超声换能器单元的形状为多边形、圆形或椭圆形，其外接圆直径为0.01～10mm。
对于一个区域中的四种不同中心频率的MEMS超声换能器单元布置在一个正方形的四个顶点处，该正六边形的边长大于任一MEMS超声换能器单元的外接圆直径，以镶嵌形式平铺成MEMS超声换能器阵列。镶嵌理论表明，使用一种多边形或组合多种多边形可以既无间隙又无重叠地覆盖一个无限扩展的平面。如果将MEMS超声换能器单元放置在多边形的顶点处，可以形成既无间隙又无重叠的MEMS超声换能器单元。
沿同一方向为不同中心频率的MEMS超声换能器单元间隔设置，如在图1中，沿横向直线方向为f1和f2、或f3和f4间隔设置，沿纵向直线方向为f1和f4、或f2和f3间隔设置。
不同MEMS超声换能器子阵列具有相同的单元布局，每个MEMS超声换能器子阵列独立操作，或选择性同时操作全部MEMS超声换能器子阵列，或先后操作不同的MEMS超声换能器子阵列。具体布置方法是：
首先，在正方形的左下顶点处放置一个中心频率为f1的MEMS超声换能器单元，在正方形的右下顶点处放置一个中心频率为f2的MEMS超声换能器单元，在正方形的右上顶点处放置一个中心频率为f3的MEMS超声换能器单元，在正方形的左上顶点处放置一个中心频率为f4的MEMS超声换能器单元。
然后，以四个不同中心频率的MEMS超声换能器单元为整体进行左右和上下复制平移，平移的距离为该正方形边长的2倍，形成网眼为正方形的网格状结构，扩展为任意可能形状的MEMS超声换能器阵列。每个MEMS超声换能器子阵列中，中心频率相同的MEMS超声换能器单元横向或纵向的距离为该正方形边长的2倍。
每个正方形中心点处是空缺的，因此，可以通过再放置中心频率为f5的MEMS超声换能器单元以补充完整。f5与前四种中心频率都不相等。中心频率为f5的MEMS超声换能器单元构成第五个MEMS超声换能器子阵列，该子阵列中纵向和横向相邻的MEMS超声换能器单元之间的距离与该正方形边长相同。这样就形成了包含五个MEMS超声换能器子阵列的MEMS超声换能器阵列(见图2)。
相比于由多种超声换能器组成的传统一维超声换能器阵列，本发明公布的MEMS超声换能器能够进行多个方向的波束形成，在波束形成方面更有优势；相比于由一种超声换能器组成的传统二维超声换能器，本发明公布的MEMS超声换能器阵列具有更宽的频带范围，在成像性能上更有优势。总之，本发明公布的MEMS超声换能器比传统一维或二维超声换能器阵列具有更好的工作性能。
至此，已经结合附图对本发明进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明所述双频压电式微机械超声换能器有了清楚的认识。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列，其特征在于：
所述多频带MEMS超声换能器阵列包括四个MEMS超声换能器子阵列，不同MEMS超声换能器子阵列具有相同的单元布局；
每个MEMS超声换能器子阵列包括多个相同中心频率的MEMS超声换能器单元，构成不同MEMS超声换能器子阵列的MEMS超声换能器单元的中心频率不同；每个MEMS超声换能器子阵列中纵向和横向相邻的MEMS超声换能器单元之间的距离相同；
对于一个区域中的四种不同中心频率的MEMS超声换能器单元布置在一个正方形的四个顶点处，该正六边形的边长大于任一MEMS超声换能器单元的外接圆直径，以镶嵌形式平铺成MEMS超声换能器阵列；所述阵列中，沿同一直线方向为不同中心频率的MEMS超声换能器单元间隔设置；具体布置方法是：
首先，在正方形的左下顶点处放置一个中心频率为f1的MEMS超声换能器单元，在正方形的右下顶点处放置一个中心频率为f2的MEMS超声换能器单元，在正方形的右上顶点处放置一个中心频率为f3的MEMS超声换能器单元，在正方形的左上顶点处放置一个中心频率为f4的MEMS超声换能器单元；
然后，以四个不同中心频率的MEMS超声换能器单元为整体进行左右和上下复制平移，平移的距离为该正方形边长的2倍，形成网眼为正方形的网格状结构；每个MEMS超声换能器子阵列中，中心频率相同的MEMS超声换能器单元横向或纵向的距离为该正方形边长的2倍。
2.如权利要求1所述的基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列，其特征在于：还包括第五个MEMS超声换能器子阵列，第五个MEMS超声换能器子阵列由中心频率为f5的MEMS超声换能器单元构成，f5与f1、f2、f3、f4均不相等，中心频率为f5的MEMS超声换能器单元布置在每个正方形中心点处；所述五个MEMS超声换能器子阵列中纵向和横向相邻的MEMS超声换能器单元之间的距离与该正方形边长相同。
3.如权利要求1或2所述的基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列，其特征在于：所述的MEMS超声换能器单元为压电式微机械超声换能器、电容式微机械超声换能器或双频压电式微机械超声换能器。
4.如权利要求1或2所述的基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列，其特征在于：所述的MEMS超声换能器单元的形状为多边形、圆形或椭圆形，其外接圆直径为0.01～10mm。
5.如权利要求1或2所述的基于正方形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列，其特征在于：每个MEMS超声换能器子阵列独立操作，或选择性同时操作全部MEMS超声换能器子阵列，或先后操作不同的MEMS超声换能器子阵列。
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