CN110743769B - 基于三角形网格布局的多频带mems超声换能器阵列 - Google Patents

基于三角形网格布局的多频带mems超声换能器阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于三角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。本发明包括三个MEMS超声换能器子阵列，每个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。对于一个区域中的三种不同中心频率的MEMS超声换能器单元布置在一个等边三角形的三个顶点处，该等边三角形的边长大于任一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，成像性能上更有优势。

Description

基于三角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，具体是一种基于三角形网格布局的，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-MechanicalSystems,MEMS)技术的超声换能器主要包括电容式微机械超声换能器(capacitiveMicromachinedUltrasonicTransducer,cMUT)和压电式微机械超声换能器(piezoelectricMicromachinedUltrasonicTransducer,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三角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三个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，分别为f1、f2、f3。每个MEMS超声换能器子阵列中相邻的MEMS超声换能器单元之间的距离相同。
对于一个区域中的三种不同中心频率的MEMS超声换能器单元布置在一个等边三角形的三个顶点处，该等边三角形的边长大于任一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。具体布置方法是：
首先，在尖角向上的等边三角形的一个底角顶点处放置一个中心频率为f1的MEMS超声换能器单元；然后，在另一个底角顶点处放置一个中心频率为f2的MEMS超声换能器单元，最后，在等边三角形的顶角顶点处放置一个中心频率为f3的MEMS超声换能器单元。以此类推，以三个不同中心频率的MEMS超声换能器单元为整体进行复制平移，网眼为等边三角形的网格状结构，形成任意可能形状的MEMS超声换能器阵列。
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为本发明的MEMS超声换能器阵列的示意图；
图2为图1中双频压电式微机械超声换能器的频率响应曲线示意图。
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，基于三角形网格布局的多频带MEMS超声换能器阵列包括三个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，分别为f1、f2、f3。每个MEMS超声换能器子阵列中相邻的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。
对于一个区域中的三种不同中心频率的MEMS超声换能器单元布置在一个等边三角形的3个顶点处，该等边三角形的边长大于任一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，使用一种等边三角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等边三角形的三个顶点处，可以形成既无间隙又无重叠的MEMS超声换能器单元。
该多频带MEMS超声换能器阵列沿竖直直线方向为具有相同中心频率的MEMS超声换能器单元布置，沿水平直线方向为三种中心频率的MEMS超声换能器单元间隔布置。如在图1中：沿y轴直线方向为具有相同中心频率的MEMS超声换能器单元，沿x轴直线方向为三种中心频率的MEMS超声换能器单元间隔布置。
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。
不同的MEMS超声换能器子阵列具有不同的中心频率和频带范围，因此，这些子阵列同时或先后进行波束形成操作，能够拓宽整个MEMS超声换能器阵列的频带范围。如图2所示，三种不同中心频率的双频压电式微机械超声换能器叠加之后，可以得到更宽的频带范围。第一个频带和第二个频带的宽度都提高了2倍以上。
具体布置方法是：
首先，在尖角向上的等边三角形的一个底角顶点处放置一个中心频率为f1的MEMS超声换能器单元；然后，在另一个底角顶点处放置一个中心频率为f2的MEMS超声换能器单元，最后，在等边三角形的顶角顶点处放置一个中心频率为f3的MEMS超声换能器单元。以此类推，以三个不同中心频率的MEMS超声换能器单元为整体进行复制平移，网眼为等边三角形的网格状结构，形成任意可能形状的MEMS超声换能器阵列。
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 (4)

1.基于三角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三个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；
对于一个区域中的三种不同中心频率的MEMS超声换能器单元布置在一个等边三角形的三个顶点处，该等边三角形的边长大于任一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；具体布置方法是：
首先，在尖角向上的等边三角形的一个底角顶点处放置一个中心频率为f1的MEMS超声换能器单元；然后，在另一个底角顶点处放置一个中心频率为f2的MEMS超声换能器单元，最后，在等边三角形的顶角顶点处放置一个中心频率为f3的MEMS超声换能器单元；以此类推，以三个不同中心频率的MEMS超声换能器单元为整体进行复制平移，网眼为等边三角形的网格状结构，形成任意可能形状的MEMS超声换能器阵列。
2.如权利要求1所述的基于三角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。
3.如权利要求1所述的基于三角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。
4.如权利要求1所述的基于三角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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