CN111107947B - 超声换能器设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声换能器设备(20)，所述超声换能器设备包括被耦合在电容式微机械超声换能器CMUT元件(22)的顶部的电活性聚合物(EAP)元件(26)，其中，通过向这两个元件中的每个施加相同的AC频率的驱动信号来控制这两个元件以共同的频率同时振动。

Description

超声换能器设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及超声换能器设备及其控制方法。

背景技术

电容式微机械超声换能器(CMUT换能器)需要提供覆盖其声输出表面的声窗来进行保护。

能够起到提供这种窗口的作用的已知材料包括例如硅树脂、橡胶、聚甲基戊烯(“TPX”)。通常，需要一种双层结构，这种双层结构将被设置为与CMUT膜接触的柔软可变形层与被设置在顶部的较硬保护材料结合在一起。

然而，已知的窗口布置和材料都会对CMUT换能器的整体声学性能产生负面影响，特别是通过超声振动的声学阻尼以及通过因在窗口子层之间的界面处和在窗口与入射组织之间的界面处的声阻抗失配而引起的反射(回响)对CMUT换能器的整体声学性能产生负面影响。

基于聚偏氟乙烯(PVDF)的超声换能器也是已知的。这些超声换能器在大多数情况下适用于很高的工作频率(例如，30MHz以上)。在较低的频率下，与基于陶瓷的换能器(例如，CMUT)可实现的压力输出相比，使用这些换能器可实现的压力输出(因此还有生成的超声振动的可实现功率)明显更低。

因此，需要改进的基于CMUT的超声设备，其中可以解决声阻尼和声阻抗失配的问题，但又不损害声窗的保护功能。

发明内容

基于根据本发明的一个方面的示例，提供了一种超声换能器设备，包括：电容式微机械超声换能器CMUT元件；电活性聚合物EAP元件，其被耦合到所述CMUT元件的表面并至少部分覆盖所述CMUT元件的所述表面；以及控制器，其适于经由向所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件中的每个供应相同的AC频率的驱动信号来驱动所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件同时振动而控制所述超声设备生成超声振荡。

本发明基于用主动声窗来代替被动声窗的构思，该主动声窗本身被驱动为以与CMUT元件相同的频率振荡并与CMUT元件同时振荡，该被动声窗仅被动地承载和传递由CMUT换能器元件生成的声振动。CMUT元件和主动声窗有效地耦合以形成单个声学系统，它们各自的振动动作结合在单个有效冲程动作中，该单个有效冲程动作然后通过窗口的上表面被直接施加到入射表面。

这提供了三个主要优点。

首先，CMUT换能器的声振动不再被动地传递通过窗元件的材料，以便到达入射的组织表面。而是，CMUT换能器的声振动与由EAP元件同时生成的振动有效地同相叠加，这两种振动然后作为一个整体被施加到入射组织。因此，基本上或完全避免了因传递通过声窗材料而引起的声阻尼的问题。

其次，由于CMUT的振动不是跨窗元件进行传递，而是与EAP元件的振动进行机械组合并直接施加到入射组织，因此，也避免了因振动穿过窗元件的边界而导致的阻抗失配问题。CMUT的振动不再行进穿过窗元件与CMUT之间的边界或窗口与入射的组织表面之间的边界。因此，基本上避免了边界反射问题，从而(通过减少回响和增加带宽)提高了图像质量。

第三，EAP元件的(与CMUT元件的振动动作同相驱动的)额外的振动动作提供了额外的压力输出，因此在生成超声波时增强了超声波功率。如果操作该设备以感测超声波，则会提供额外的灵敏度，因为声波不仅会刺激CMUT换能器，而且还会刺激EAP元件。EAP元件通常对低功率振动更为敏感。

为了避免疑问，“CMUT换能器”或“换能器元件”或“CMUT元件”在本公开内容中能够被互换使用，并且都可以被认为是指电容式微机械超声换能器(CMUT)元件。

通过提供至少部分覆盖CMUT元件的表面的EAP元件，EAP元件提供了窗元件的功能，从而保护并提供了用于CMUT元件的声输出表面的外耦合界面。

本发明基于用主动EAP元件来代替被动窗元件。为了简洁起见，在以下说明中，术语“EAP元件”或“电活性聚合物元件”可以与“窗元件”或“主动窗元件”互换使用。

EAP元件和CMUT元件都独立地振动，但是，其中，它们各自的振动被控制为处于相同的频率并且优选彼此同相。因此，这两者的独立振动在单个声学系统中耦合在一起。这两个元件独立振动的优点在于，EAP层充当CMUT与组织表面之间的主动振动耦合层，而不是仅仅充当针对CMUT的材料延伸。

EAP元件和CMUT元件可以由相同的驱动信号来驱动，或者也可以由单独的驱动信号来驱动，但是要处于相同的频率并且彼此同相。

技术人员将意识到，电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中的一类新兴材料。EAP是更广泛类别的电活性材料(EAM)的一个示例。特别地，EAP是有机EAM的示例。

EAP的优点包括功率低、外形小、灵活、无噪声运行、准确、可能具有高分辨率、快速响应时间以及周期性致动。

EAP材料的提高的性能和特定的优点使EAP材料能够适用于新的应用。

电活性聚合物具有响应于电刺激的施加而变形的性质。存在场驱动的EAP和离子(即，电流)驱动的EAP。

对于本发明，通过利用交变的(即，正弦的)电刺激来驱动EAP元件，以周期性方式并以与所施加的刺激相匹配的频率来驱动EAP元件进行收缩(或扩展)和弛豫。在以超声类型的频率施加刺激的情况下，EAP元件产生的振动变形动作提供了超声振动的来源。

对于本申请，合适的EAP包括适合用于以超声类型的频率(即，≥20kHz的频率)驱动的任何EAP。

已知适合用于以这种频率驱动的一组特别优选的EAP是基于PVDF的弛豫体聚合物。PVDF弛豫体聚合物示出自发电极化(场驱动的对齐)。能够对这些材料进行预应变，以提高其在应变方向上的性能(预应变可引起更好的分子对齐)。

根据任何实施例，优选地，可以利用具有单个频率分量(即，单频AC信号)的(一个或多个)电信号来驱动EAP元件和CMUT元件，以确保它们各自的振荡可以以相长方式最有效地叠加。通过这种相长干涉，可以克服与已知的CMUT设备相关联的问题。多频信号会使得强相长干涉在实现单个统一振荡系统方面更加困难或有效性降低。

“驱动信号”是指电信号，例如，电压或电流。驱动信号可以是跨所讨论的元件生成的电场的形式，特别是交变场或振荡场，例如，正弦场。通过向电极供应交流电流，能够生成交变场。替代地，驱动信号可以是跨所讨论的元件施加的电流的形式，特别是AC电流。

电活性聚合物元件包括至少一个电活性聚合物部分，例如。一层EAP材料。EAP元件还可以包括在EAP材料上方和/或下方的一个或多个电极以用于施加驱动电压。

根据一个或多个实施例，电活性聚合物元件和CMUT元件均可以包括用于将驱动信号施加到相应元件的相应电极布置或与之相关联，并且其中，控制器被布置为经由所述各自的电极布置将相应驱动信号供应给这两个元件。

在示例中，所述电活性聚合物元件可以被直接耦合到所述CMUT元件。更特别地，电活性聚合物元件可以被直接耦合到CMUT元件的膜。技术人员将意识到，CMUT换能器通常包括布置为在腔体上延伸的膜，通过施加电刺激来以超声频率刺激膜的振动，从而生成超声振动。

直接耦合是指没有中间材料层。然而，根据这些示例，在一些情况下可以将电极设置在这两者之间。可以将电极提供为电活性聚合物元件的部分，在这种情况下，电活性聚合物元件经由EAP元件的电极部分被直接耦合到CMUT。

直接耦合可以提高设备的功率输出，因为在CMUT元件与EAP元件之间没有中间材料层，否则该中间材料层可能会存储、吸收或阻尼一些生成的振动功率。

所述控制器可以适于根据至少一种控制模式控制所述设备以通过感测由所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件生成的电信号来感测超声振荡。在这种情况下，控制器具有两种控制模式：主动模式(致动或输出模式)，其中，控制EAP元件和CMUT元件以生成超声波；以及感测模式或被动模式，其中，EAP元件和CMUT元件用于感测在设备处接收到的振荡。在CMUT元件或EAP元件处接收到的振荡将引起相应元件生成电输出，该电输出的幅度或幅值与接收到的振动的幅度或功率相一致。

与包括被动窗口层的示例相比，双层结构提高了设备的灵敏度。EAP元件本身提供了额外的感测功能。另外，EAP元件和CMUT元件的感测信号可以被去耦合和独立分析以提供关于接收到的信号的额外信息。

特别地，所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件可以被单独连接到所述控制器，使得在所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件中的每个处感测到独立的电信号。

EAP元件通常可以对远离结构的机械共振频率的信号更加敏感或者对其作出响应。单独的连接允许独立地监测EAP感测信号(或换能器信号)，从而可以更可靠地感测具有远离共振的频率的信号。对于与共振频率更紧密对齐的信号，CMUT换能器元件与EAP元件组合仍然可以用于监测信号。

在一个或多个实施例中，所述控制器可以适于根据至少一种控制模式向所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件两者供应相同的驱动信号，所述元件通过至少一个提供的互联布置以电并联或电串联的方式连接。

在这种情况下，这两个元件都由相同的驱动信号驱动(以独立振动)。这可以简化操作。

可以提供另外的互连布置，其中，元件彼此电隔离，从而允许根据不同的控制模式通过独立的驱动信号来驱动元件(但是独立的驱动信号仍然同时发生并且处于相同的频率)。可以以这种方式提供灵活性。

根据一个或多个实施例，所述控制器可以适于根据至少一种控制模式通过独立的驱动信号来驱动所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件。为此，可以在每个元件与控制器之间提供独立的电连接，从而使元件彼此隔离地受到控制(如上所述)。所供应的驱动信号在其信号特性(例如，幅度)中的一个或多个方面可以彼此不同，或者在这方面也可以相同，但是控制和来源是独立的。

所述设备可以包括与所述电活性聚合物元件和所述CMUT元件电通信的电极布置，以用于向所述元件施加驱动信号，并且所述电极布置包括被设置在所述电活性聚合物元件的暴露表面上的电极。电极布置可以包括被布置为独立地包围EAP元件和CMUT元件中的每个的电极，使得每个电极可以由独立的驱动信号来驱动。替代地，可以提供包围两个元件的组合堆叠的单个电极对，使得可以施加单个信号来刺激这两个元件。但是后者可能要求两个元件彼此电耦合。

如上所述，通常，CMUT元件包括膜，该膜被布置为在腔体上延伸并且能被驱动以振动，从而生成超声振动。电活性聚合物元件可以被耦合到膜。根据特定示例，被设置在EAP元件的暴露表面上的所述电极可以被布置为覆盖膜的50％至75％，并且优选覆盖膜的60％至70％，并且甚至更优选覆盖膜的60％到65％。

“覆盖”通常是指简单的“延伸”。覆盖或延伸通常是指电极在膜(例如膜的上表面)上的投影跨膜表面延伸(一给定量)。例如，当电极覆盖或延伸在膜的x％上时，电极在膜上的投影覆盖或跨越膜表面的x％。

在发明人的实验中已经发现，在上述限定范围内的、电极在CMUT膜上的覆盖度提供了CMUT元件的输出功率或压力的最大增强。最优覆盖度约为65％，在该水平下，可以实现的CMUT膜的输出压力的增幅超过10％。

根据一个或多个实施例，所述控制器可以适于根据至少一种控制模式利用幅度各自不同的驱动信号来驱动所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件。由于实现的振动功率或幅度与驱动幅度有关，因此这允许以不同的振动幅度或功率驱动EAP元件和CMUT元件。驱动信号幅度可以是例如电压幅度。然而，驱动信号保持相同的频率。

在特定示例中，所述控制器可以适于根据至少一种控制模式利用比用于驱动所述CMUT元件的驱动信号的幅度更低的驱动信号来驱动所述电活性聚合物元件。

根据一个或多个实施例，所述电活性聚合物元件和所述CMUT元件均可以采用层的形式。

任选地，电活性聚合物元件层和CMUT元件层可以被耦合以形成双层结构。例如与其他层隔离的双层结构可以增强本发明的特定益处。特别地，在没有其他层的情况下，可以增强两层之间的振荡耦合，从而引起更大的输出性能并且也更大程度地减轻了已知的阻尼和反射问题。在不存在额外层的情况下，双层结构也可以提升输出功率，因为消除了这种其他层的阻尼效应。这种布置还允许调谐刚度并因此更直接地调谐整个结构的机械共振。

如上所述，通常，CMUT换能器包括膜，该膜被布置为在腔体上延伸并且能被驱动以振动，从而生成超声振动。根据示例，所述电活性聚合物元件的厚度可以被提供为比所述CMUT元件的所述膜的厚度厚8倍至12倍，并且/或者所述CMUT元件膜的厚度可以为1微米至1.5微米。

本发明的一个优点是，由于由主动EAP元件增加的输出功率，可以减小CMUT元件(膜)的厚度。特别地，CMUT元件(膜)厚度通常可以减小三分之二，例如从大约3微米减小到大约1微米。在这种情况下，EAP层可以被制成约10微米的厚度。这种减小厚度的能力允许整个结构的刚度维持在相同的水平下，似乎窗元件根本不存在。

本发明利用电活性聚合物材料。

在特定示例中，所述电活性聚合物元件可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)电活性聚合物材料。在更特定的示例中，电活性聚合物元件可以例如是单独的PVDF，PVDF共聚物P(VDF-TrFE)或PVDF/(PZT)复合物。

根据本发明的另外的方面的示例提供了一种控制超声换能器设备的方法，所述设备包括：电容式微机械超声换能器CMUT元件；以及电活性聚合物EAP元件，其包括电活性聚合物材料，所述EAP元件被耦合到所述CMUT元件的表面并至少部分覆盖所述CMUT元件的所述表面，

并且，所述方法包括：

经由向所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件中的每个供应相同的AC频率的驱动信号来驱动所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件两者同时振动而生成超声振荡。

根据一个或多个实施例，所述方法还可以包括：根据至少一种操作模式，通过感测由所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件生成的电信号来感测超声振荡，并且任选地，其中，在所述CMUT元件和所述电活性聚合物元件中的每个处感测到独立的电信号。

根据本发明的另外的方面的示例提供了一种超声诊断成像系统，所述超声诊断成像系统包括如在上文或下文中概述的任何实施例或示例中或在本申请的任何权利要求中定义的超声换能器设备。

参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将变得明显并且得到阐明。

附图说明

现在将参考附图来详细描述本发明的示例，在附图中：

图1和图2示出了用于EAP设备的两种可能的操作模式；

图3图示了根据本发明的一个或多个实施例的示例性超声换能器设备；

图4图示了作为上电极关于CMUT元件膜的面积覆盖度的函数的实现的输出压力增强；并且

图5示出了示例性超声诊断成像系统的框图。

具体实施方式

本发明提供了超声换能器设备，该超声换能器设备包括被耦合在电容式微机械超声换能器(CMUT)元件的顶部的电活性聚合物(EAP)元件，其中，通过向这两个元件中的每个施加相同的AC频率的驱动信号来控制这两个元件以共同的频率同时振动。

EAP元件的振荡与CMUT元件的振荡进行相长组合以提供放大的整体振动输出。EAP元件的主动振动动作还起到缓解阻尼和边界反射的作用，因为CMUT的振动不再被动地传递跨过静态窗口层，而是与要被应用为整个层结构的单个冲程动作的一部分的窗口层的等效振动相长地叠加。

本发明利用了电活性聚合物(EAP)。

EAP的优点包括功率低、外形小、灵活、无噪声运行、准确、可能具有高分辨率、快速响应时间以及周期性致动。

EAP材料的提高的性能和特定的优点使EAP材料能够适用于新的应用。

电活性聚合物具有响应于电刺激的施加而变形的性质。存在场驱动的EAP和离子(即，电流)驱动的EAP。

对于本发明，通过利用交变的(即，正弦的)电刺激来驱动EAP元件，以周期性方式并以与所施加的刺激相匹配的频率来驱动EAP元件进行收缩(或扩展)和弛豫。在以超声类型的频率施加刺激的情况下，EAP元件产生的振动变形动作提供了超声振动的来源。

对于本申请，合适的EAP包括适合用于以超声类型的频率(即，≥20kHz的频率)驱动的任何EAP。特别地，EAP元件的最小“切换时间”(即，EAP元件从一个致动状态(例如，未致动)移动到另一致动状态(例如，已致动)所花费的时间)通常足够短，从而允许以超声频率进行周期性切换(即，切换时间小于～50微秒)。这确保了EAP元件能够对超声频率信号做出足够快速的响应以生成超声振动。

已知适合用于以这种频率驱动的一组特别优选的EAP是基于PVDF的弛豫体聚合物。PVDF弛豫体聚合物示出自发电极化(场驱动的对齐)。能够对这些材料进行预应变，以提高其在应变方向上的性能(预应变可引起更好的分子对齐)。

在PVDF以及PVDF共聚物中，特别是由于这些材料(例如与一些其他EAP材料相比)在被电刺激时表现出固有校小的应变响应，因此必要响应时间较短。与较大的应变响应相比，较小的应变响应在每个周期仅花费较少的时间来完成，这意味着在致动状态(切换频率)之间移动的最短时间足以使材料以超声频率振荡。这在该材料中具体归因于以下事实：该材料在电刺激的影响下是稳定的，这意味着它不会改变相位(否则可能会导致较大的变形响应，从而在每个周期上需要花费更长的时间)。然而，具有较大应变响应的材料可能仍然适用，只要从一种致动状态切换到另一种致动状态所花费的时间足够短即可。

本发明的适用范围不限于任何特定的EAP材料。根据本发明，可以使用能够以某种方式对电刺激做出响应而允许EAP材料以超声频率进行振荡的任何EAP材料，包括在EAP材料的现有技术中已知的那些材料或随着该领域的发展而新发现的材料。例如，这样的材料可以表现出等于或小于单个超声频率周期的时段(即，约50微秒)的、致动状态之间的固有最小切换时间。材料对具有超声频率振荡的超声频率刺激做出响应的能力是能够通过简单地施加适当频率的刺激并监测振荡响应来容易且直接地测试的特性。

本发明利用电活性聚合物材料来提供用于覆盖陶瓷(CMUT)换能器的主动声窗元件，为换能器提供保护。EAP窗元件被驱动为与CMUT换能器并行振荡，这两者被同时驱动并以相同的频率被驱动。因此，这两者耦合以形成单个声学系统，从而通过窗元件的顶部的移动将超声振荡直接施加到入射表面，而不是使超声振荡被动地传递通过静态窗元件。因此，避免了先前由这种传递引起的有害的声学效应(包括阻尼和界面反射)。

可以减小陶瓷膜的厚度，使得设备的总刚度基本上保持与没有主动窗元件的设计中的一样。可以选择可以提供在CMUT元件与EAP窗元件之间的材料的刚度，以优化设备的压力输出。在示例中，可以增加这种材料的刚度以增加设备的压力增益。

图3示出了根据本发明的一个或多个实施例的示例性超声换能器设备20。

超声换能器设备20包括电容式微机械超声换能器(CMUT)元件22，该CMUT元件22被耦合到电活性聚合物(EAP)元件26，该EAP元件26被布置为覆盖CMUT元件的(上)主表面的至少部分。在当前情况下，EAP元件完全覆盖了CMUT元件，但是在另外的示例中，EAP元件也可能覆盖不到全部覆盖范围。

为了避免疑问，术语“CMUT元件”、“换能器元件”和“CMUT换能器元件”在本公开内容中可以被互换使用，并且都将被认为是指电容式微机械超声换能器元件。

CMUT元件具有标准的CMUT结构。该元件包括硅基板32，该硅基板32具有形成于其中的腔体30，薄膜24悬置在该腔体上。电极34与膜相邻并耦合，该电极34与被设置在该腔体下方的底部电极36结合使用，以电驱动CMUT元件。

与更典型的以压电原理工作的超声换能器不同，CMUT换能器元件以电容转换原理工作。通过在两个电极34、36之间施加AC信号，驱动悬置在腔体30上的薄膜24进行振动。因此，在电极之间引起交变的静电力，以正弦形式将电极推到一起和推开，从而驱动机械耦合的膜层24的振动。

还提供了第一电极38和第二电极42，第一电极38和第二电极42被设置在电活性聚合物元件26附近，以用于刺激该层的振荡变形。特别地，可以在电极之间施加AC信号，从而提供跨EAP元件的交变电场。该交变场的作用是引起元件的交变压缩变形，从而引起元件的上表面的交变的净位移。因此，创建了振动致动动作。

EAP元件26的第一电极38和第二电极42以及CMUT元件22的上电极34和下电极36形成超声换能器设备20的电极布置。

控制器46被提供为被布置为以电学方式且操作地耦合到电极布置，以用于驱动EAP元件26和CMUT元件22。在图3的特定示例中，控制器被提供为电耦合到EAP元件的第一电极38和CMUT元件的上电极34。CMUT元件的底部电极36和EAP元件的第二电极42各自接地。

在使用中，为了生成超声波，控制器适于以相同的AC频率并优选彼此同相地同时驱动两个元件22、26。结果，这两个元件表现出相同的振动致动动作。如果这两个元件被同相驱动，则它们各自的振荡将相长地叠加，并且这两个振荡有效地形成具有联合冲程的单个振荡系统，该联合冲程可以由EAP元件的顶表面50直接施加到入射的表面或目标。

控制器46优选适于以多种不同的模式操作，在这多种模式中的每种模式下，控制器均适于以不同的行为来驱动超声元件。在至少第一模式中，控制器适于驱动如上所述的元件，以便生成超声波。在另外的任选模式中，控制器可以适于控制设备20以在用于感测超声波的感测模式下操作。在感测模式下，控制器适于感测由EAP元件和超声元件的电极34、38生成的电信号，以便导出在设备处接收到的超声刺激的指示。感测模式操作将在随后的段落中更详细地进行描述。

电活性聚合物(EAP)元件26至少部分覆盖CMUT元件22的表面，并且优选覆盖CMUT元件的整个表面。因此，EAP元件用作主动声窗，为CMUT元件提供保护以防止污染物侵入和腐蚀。窗口的主动功能既减轻了与静态窗口相关联的、因来自陶瓷元件22的振动传播通过被动窗口而引起的振动阻尼和反射的问题，又提升了超声设备20的传导性能。

特别地，如所讨论的，在致动期间，利用与具有常规(静态)窗口的CMUT相同的力将CMUT元件22的上电极34附接到底部电极36。然而，由于主动窗口(EAP元件)是利用并行信号驱动的，因此EAP元件以正弦方式与CMUT元件同相地缩减厚度并扩展宽度。这两种效果的组合提供了额外的压力输出。如果在“接收”模式下操作，则随着声波使设备20的这两个元件变形，设备20的灵敏度将会提高，从而使得来自CMUT 22的电容信号以及EAP元件26中的电荷累积都能够被感测到。

与具有静态声窗的现有技术CMUT超声设备相比，可以减小CMUT元件膜24的厚度，使得双元件结构(CMUT膜加上EAP元件)的总刚度匹配针对该结构的期望刚度，以便实现特定的机械共振频率。调谐共振频率很重要，因为它允许通过对所生成的振动的共振放大使设备的振动输出最大化。通过选择刚度以使该结构的共振频率基本上匹配优选的交流驱动电压，获得了最大化的压力输出。

举例来说，对于本设备，可以用大约1微米的CMUT元件膜24和10微米厚的EAP主动窗口来代替在标准(静态窗口)设备中使用的大约3微米厚的CMUT元件膜24。

在优选示例中，以层的形式提供CMUT元件22和EAP元件26，使得这两个元件形成薄的双层层状结构。EAP元件26可以被直接耦合到CMUT元件的膜24。

还可以优化上电极42相对于被布置在下方的CMUT膜24的覆盖度，以用于增强该结构的弯曲动作。这将在随后的段落中更详细地进行讨论。在图3中图示的特定示例中，提供了覆盖下方的CMUT膜的面积的70％的上(或“顶部”)电极42。完全覆盖也是一种选择。

在特定示例中，电活性聚合物元件包括聚偏氟乙烯(PVDF)或PVDF共聚物或者由其组成。在特定示例中，EAP元件可以包括PVDF的主体或PVDF共聚物(例如，PVDF-TrFE)的主体或PVDF/(PZT)复合物的主体或PVDF/压电陶瓷复合物的主体。

将电活性聚合物用于主动窗元件提供了许多优点。EAP的优点包括功率低、外形小、灵活、无噪声运行、准确、可能具有高分辨率、快速响应时间以及周期性致动(这对于超声应用很重要)。

如上所述，基于PVDF的电活性聚合物是用于在本发明中使用的特别有效的EAP材料，因为它们允许在高频下操作，适合用于生成超声频率振荡。然而，技术人员将认识到，EAP这类材料的特定益处(例如，在小体积或薄外形下可实现大的变形和力)不限于这种类型中的任何一种特定材料。可以使用适合用于在超声频率附近(即，>～20kHz)驱动的任何EAP，要么是EAP材料的现有技术中已知的那些材料，要么是可以随着本领域的发展而发现的材料。

PVDF(氟聚合物)材料提供了特别有效的渗透屏障，使得非常好地保护了被设置在下方(包括电互连)的CMUT元件22而例如免受腐蚀。在CMUT元件22发生故障而在致动流程之前或期间破裂或分裂的情况下，元件的上电极34仍将被坚硬的PVDF膜覆盖。结果，保护了正被应用超声设备的用户(例如，患者)免受穿过电极的工作电压的影响。

在示例中，CMUT元件22和EAP元件26(或其驱动电极34、38)可以以并联方式或串联方式连接在一起并由相同的单个驱动信号来驱动。可以提供互连布置，通过该互连布置将两个元件(优选以并联方式)连接，从而由相同的信号进行驱动。利用相同的单个信号来驱动这两个元件的优点在于，可以直接实现以相同的频率对这两个元件进行同相驱动，而无需任何更复杂的信号处理。

在替代示例中，可以为CMUT元件22和EAP元件26(或其驱动电极34、38)提供到控制器46的单独连接，以允许它们由独立的驱动信号来驱动。当以波生成模式操作时，控制器46生成两个AC驱动信号并且将这两个AC驱动信号同时且同相地施加到CMUT元件22和EAP元件26中的每个的驱动电极34、38。

在示例中，被提供给EAP元件26的驱动信号可以是被提供给CMUT元件22的信号的一小部分，或者可以被提供有相对于被施加到CMUT元件22的信号的(DC)偏移。

如所指出的，在使用中，EAP元件26的EAP材料与CMUT元件22的膜24一起振动，使得通过由EAP元件26的顶表面50施加冲击力而在介质中生成声波。这意味着，与现有技术的设备相比，声波不需要行进穿过EAP元件26和入射介质表面(例如，组织表面)的边界而被接收在介质中。通过由EAP元件的顶部向介质施加力就能直接生成波。因此，声窗材料与接收介质(例如，血液、组织或凝胶)之间的阻抗失配不会引起反射。

在现有技术的CMUT超声设备中，在具有声窗的边界处的阻抗失配是一个重大问题，它会导致图像质量下降(由于边界反射或回响增加以及带宽减小)。相比之下，本发明的布置避免了声波传递通过具有窗口的边界，从而克服了这个问题。因此，本发明的具有主动窗口布置的CMUT减少了回响并增加了带宽。

例如，对于体内一次性导管，这种改进特别重要，其中，通常，声窗元件能够与血液直接接触(例如，对于血管内超声(IVUS)或心脏内超声心动描记(ICE)的情况)。在特定示例中，可以优选提供这样的探头，在该探头内，可以将本发明的设备和与组织阻抗匹配的覆盖层结合在一起，以用于长期保护。然而，在这样的探头中，额外的压力输出和接收灵敏度也非常有价值。举例来说，氟聚合物(例如，PVDF)材料非常稳定并且是生物相容的，因此成为用于这样的应用的有效材料。

可以根据用于这种元件的标准技术来制造CMUT元件，并且这些技术对于技术人员来说将是众所周知的。

举个非限制性示例，能够通过旋涂工艺来制造PVDF箔片(用作EAP元件26)，其中，利用PVDF溶液(以晶片级别)旋涂CMUT元件。这是一种已知的制造技术，并且例如在V FCardoso等人的“Micro and nanofilms of poly(vinylidene fluoride)with controlledthickness,morphology and electroactive crystalline phase for sensor andactuator applications”(2011年，《智能材料》，结构，20 087002)中进行了描述。

替代地，其他EAP材料也可以用于EAP元件，这将在随后的段落中更详细地进行描述。

举个非限制性示例，可以通过在被施加在EAP元件26的所述暴露表面上的掩模上进行局部溅射或蒸发来形成被设置在EAP元件26的暴露的顶表面50上的顶部电极42。

在发明人进行的实验中已经发现，通过优化顶部电极42相对于CMUT元件膜24的覆盖度(即，顶部电极42在膜上覆盖或延伸的膜表面的百分比)，能够增强因EAP的弯曲而引起的CMUT元件的弯曲变形，从而提升设备的压力输出。

顶部电极42的激活会刺激EAP元件26的变形。然而，通过优化电极的表面积，能够调节被刺激的EAP元件的特定部分和比例。特别地，已经发现，通过提供具有如下表面积的顶部电极42，所得到的EAP元件的变形模式例如可以增强CMUT膜的振动动作：该表面积被布置为覆盖或延伸被布置在EAP元件下方的CMUT膜的仅特定比例。

在实验计算中，选择具有直径为120微米的膜24的CMUT元件(其中，“直径”是指与EAP元件26耦合到的CMUT元件膜24的上表面平行的尺寸)。为了确定由EAP元件创建的弯曲变形的提升，仅计算和考虑EAP元件的弯曲。由于这种变形将被添加到由CMUT元件创建的任何变形，因此能够确定EAP元件的增强效果。

使用包括PVDF的EAP元件26，并且其厚度被选择为使得EAP元件具有与CMUT元件的特征频率基本匹配的特征频率(用于这两个结构的共振匹配)，即，对于所检查情况，大约为8-10MHz。

对于顶部电极42在CMUT膜24上的不同覆盖度，确定整个双元件结构的静态位移幅度，这是仅将DC电压施加到EAP元件的结果。基于此，对于CMUT膜24的电极的不同覆盖度，可以确定EAP元件将如何放大CMUT元件的弯曲，从而增强设备20的输出压力和接收灵敏度。

CMUT膜24的完全100％的电极覆盖度不会引起额外的弯曲力矩，只会使PVDF膜在平面内扩展(因此不会影响CMUT膜的弯曲)。因此，考虑顶部电极的部分覆盖度(及其对弯曲放大的影响)。

调查结果如图4所示，图4示出了作为CMUT元件膜24的电极覆盖度(x轴，单位：％)的函数的由EAP元件22创建的压力输出增强(y轴，单位：％)。

从图4的曲线图能够看出，随着膜24的电极覆盖度的增加，所实现的压力输出增强会增加，并且在约65％的覆盖度处实现峰值，此时压力输出增强刚好超过10％。覆盖度超过65％时，输出增强开始下降，因为覆盖度的增加开始引起更大的面内变形，从而降低了面外变形效果，面外变形效果会产生针对设备的弯曲增强。

因此发现最优的电极覆盖度约为65％，其中，60-65％的覆盖度是优选范围，而60-70％的覆盖度是有利范围。

进行的实验非常简单，与在许多实际系统中预想到将实现的结果相比，该结果是保守的，例如，CMUT换能器可以在所谓的塌陷模式下操作，从而提升了输出性能。在塌陷模式中，CMUT由偏置电压驱动，该偏置电压驱动跨腔体30的柔性膜24的中心部分朝向相对的电极36，并且被提供有具有设定频率的刺激，该刺激使隔膜或柔性膜以设定频率共振。

在考虑塌陷的情况下，可以预想到，在超声生成模式和超声感测模式中的每种模式下，利用最优电极覆盖度，能由EAP元件实现的输出增强可以约为25％。

因此，除了增强输出功率之外，EAP元件还提供了检测超声波的增强的灵敏度。例如，在文献中，特别是在加利福尼亚大学伯克利分校的电气工程和计算机科学(技术报告第UCB/EECS-2015-154号，2015年5月26日)中，提出了PVDF EAP元件26的输出信号具体可以比CMUT元件22的输出信号大2倍至3倍。

总的来说，已经发现，与仅使用CMUT元件来检测超声波的布置相比，使用本发明的主动EAP窗口配置可以实现大10dB的灵敏度。

如上所述，控制器46可以适于根据一种控制模式控制设备20以通过感测由CMUT元件22和电活性聚合物(EAP)元件26生成的电信号来感测超声振荡。

当以发射(或超声生成)模式操作时，利用相同频率的同相AC信号来同时驱动CMUT元件22和EAP元件26。相比之下，当以感测模式操作时，可以优选完全独立于EAP元件和CMUT元件中的每个来感测接收信号。因此，这能够有益于在接收期间使CMUT元件与EAP元件去耦合。

为此，CMUT元件22和电活性聚合物元件26可以被单独连接到控制器46，使得在CMUT元件和电活性聚合物元件中的每个处感测到独立的电信号。

CMUT元件与EAP元件的这种去耦合具有两个主要优点。

首先，通常可能是以下情况：由EAP元件26输出的接收信号的信噪比(SNR)比组合的EAP元件26与CMUT元件22的信号的信噪比(SNR)低。通过为每个元件提供独立的连接，能够分离信号并保留EAP元件的较低SNR。

其次，能够单独且独立地测量CMUT元件22和EAP元件26的(可能不同的频率)响应，并且在随后的计算中对这两者进行比较。例如，这对于在信号中的一个信号或另一个信号中寻找伪影(其中，比较将允许对此进行识别)或以其他方式提高准确性很有用。

对于接收到的超声信号，特别地是接收到的超声信号远离CMUT/PVDF系统的(机械)共振频率的情况。在这种情况下，CMUT元件22的响应几乎可以忽略不计，而EAP元件信号通常会明显更强，因厚度模式贡献(在EAP元件26厚度中引起的振荡)而受到频率差异的影响较小，这在远离共振时变得更明显。

当例如已知需要高灵敏度时，控制器46可以适于根据一个或多个示例仅选择CMUT元件22和EAP元件26中最灵敏的元件以用于感测超声信号。这将避免因元件中的其他元件的输出减小而导致整体感测信号幅度减小。例如，对于声压非常低的输入信号，即使整个双层结构(CMUT元件和EAP元件)的面外变形已经大大减少并且CMUT 22感测信号已经减弱，EAP元件的灵敏度也会因EAP元件的厚度变形而保持可测量性。

因此，与现有技术的设备相比，本发明的实施例提供了许多优点，这在下文中进行了概述。

当以主动发射模式操作时，由EAP元件提供的主动声窗为设备(与具有静态窗元件的标准设备相比)提供了额外的功率输出。这提高了图像质量。

(与具有静态窗口的设备相比，)在接收超声信号时还实现了额外的灵敏度，这提高了CMUT图像质量。

总的来说，与标准被动窗布置相比，输出功率和输入灵敏度可以提升多达三倍，这相当于信号功率增加了大约10dB(生成的信号功率增加2dB，并且接收灵敏度增加8dB)。

此外，除了主动地提升功率输出和接收灵敏度之外，本设备还减轻或避免了输出功率和输入灵敏度降低的已知原因。特别地，由于主动窗口的同时并行的振动，因此在窗元件(本发明中为EAP元件)与组织之间的边界处不会生成反射，这通常是由于波从CMUT传递通过静态窗口并跨过阻抗失配的边界。减轻这种情况的常规设备需要完美的声阻抗匹配以防止反射，这意味着必须提供不同的元件来与不同的接收表面材料界面连接。

在提供上述改进时，本发明的主动窗布置提供了有效的机械保护和电气保护以及渗水防护。

对于一次性应用，例如使用导管的体内超声或血管内超声(IVUS)或心内超声心动描记(ICE)，可以在CMUT换能器上使用单个窗口层(以EAP元件24的形式)。这与现有技术的非主动窗口结构形成对比，在现有技术的非主动窗口结构中，通常提供第一软窗口层并结合用于保护的第二较硬层。后者的制造更为复杂，并可能在硬层与软层之间的边界处引起声学反射。

本发明的实施例适合用于采用超声换能器的任何应用。在用于诸如血管内超声(IVUS)之类的体内超声应用中可以实现特别的益处。

可以设想，可以在超声诊断成像系统内利用本超声设备的实施例。

现在将参考图5来描述示例性超声诊断成像系统的一般操作。

该示例性系统包括阵列换能器探头60，该阵列换能器探头60具有CMUT换能器阵列100，该阵列换能器探头60用于发射超声波和接收回波信息。根据本发明的实施例，可以为阵列中的CMUT换能器中的每个CMUT换能器提供主动EAP窗元件。换能器阵列100可以额外包括一些由诸如PZT或PVDF等材料形成的压电换能器。换能器阵列100是换能器110的二维阵列，其能够在2D平面中扫描或者在三维中扫描以进行3D成像。在另一示例中，换能器阵列可以是1D阵列。

换能器阵列100被耦合到探头中的微波束形成器62，该微波束形成器62控制由CMUT阵列单元或压电元件对信号的接收。如美国专利US5997479(Savord等人)、US 6013032(Savord)和US 6623432(Powers等人)所述，微波束形成器能够对由换能器的子阵列(或“组”或“拼片”)接收的信号进行至少部分波束形成。

注意，微波束形成器完全是任选的。下面的示例假定没有模拟波束形成。

微波束形成器62通过探头线缆被耦合到发射/接收(T/R)开关66，当不使用微波束形成器并且由主系统波束形成器直接操作换能器阵列时，该T/R开关66在发射与接收之间切换并且保护主波束形成器70免受高能发射信号的影响。来自换能器阵列60的超声波束的发射由被耦合到主发射波束形成器(未示出)和通过T/R开关66被耦合到微波束形成器的换能器控制器68来指导，该主发射波束形成器接收来自用户接口或控制面板88的用户操作的输入。

由换能器控制器68控制的功能之一是波束转向和聚焦的方向。波束可以从(垂直于)换能器阵列笔直向前转向，或者以不同角度转向以获得更宽的视场。换能器控制器68能够被耦合以控制用于CMUT阵列的DC偏置控制器95。DC偏置控制器95设置被施加到CMUT单元的(一个或多个)DC偏置电压。

在接收通道中，部分波束形成的信号由微波束形成器62产生并且被耦合到主接收波束形成器70，在主接收波束形成器70中，来自换能器的个体拼片的部分波束形成的信号被组合成完全波束形成的信号。例如，主波束形成器70可以具有128个通道，其中的每个通道接收来自数十个或数百个CMUT换能器单元或压电元件的拼片的部分波束形成的信号。以这种方式，由换能器阵列的数千个换能器接收的信号能够有效地贡献于单个波束形成的信号。

波束形成的接收信号被耦合到信号处理器72。信号处理器72能够以各种方式处理接收到的回波信号，例如，带通滤波、抽取、I和Q分量分离以及谐波信号分离，其作用是分离线性信号与非线性信号，以便使得能够识别从基波和微泡返回的非线性(基频的较高谐波)回波信号。信号处理器还可以执行额外的信号增强功能，例如，散斑减少、信号复合和噪声消除。信号处理器中的带通滤波器能够是跟踪滤波器，随着从越来越深的深度接收到回波信号，跟踪滤波器的通带会从较高的频带滑向较低的频带，从而拒绝来自较高深度的较高频率的噪声(其中，这些频率缺乏解剖信息)。

用于发射和用于接收的波束形成器被实施在不同的硬件中并且能够具有不同的功能。当然，接收器波束形成器被设计为考虑发射波束形成器的特性。为了简化起见，在图5中仅示出了接收器波束形成器62、70。在整个系统中，还将有发射链，其具有发射微波束形成器和主发射波束形成器。

微波束形成器62的功能是提供信号的初始组合，以便减少模拟信号路径的数量。这通常在模拟域中执行。

最终的波束形成在主波束形成器70中完成，并且通常在数字化之后进行。

发射通道和接收通道使用具有固定频带的相同的换能器阵列60'。然而，发射脉冲占用的带宽能够根据已经使用的发射波束形成而变化。接收通道能够捕获整个换能器带宽(这是经典方法)，或者通过使用带通处理(它只能提取包含有用信息(例如，主谐波的谐波)的带宽)。

经处理的信号被耦合到B模式(即，亮度模式或2D成像模式)处理器76和多普勒处理器78。B模式处理器76采用对接收到的超声信号的幅度的检测来对身体中的结构(例如，身体中的器官组织和血管)进行成像。如美国专利US 6283919(Roundhill等人)和美国专利US 6458083(Jago等人)所述，可以以谐波图像模式或基波图像模式或这两者的组合来形成身体结构的B模式图像。多普勒处理器78处理因组织移动和血液流动产生的在时间上不同的信号，以检测图像场中的物质的运动(例如，血细胞的流动)。多普勒处理器78通常包括壁滤波器，该壁滤波器的参数可以被设置为通过和/或拒绝从体内的选定类型的材料返回的回波。

由B模式处理器和多普勒处理器产生的结构信号和运动信号被耦合到扫描转换器82和多平面重新格式化器94。扫描转换器82以期望的图像格式将回波信号布置在回波信号被接收时的空间关系中。例如，扫描转换器可以将回波信号布置成二维(2D)扇形格式或金字塔形的三维(3D)图像。扫描转换器能够利用与图像场中的点(其具有多普勒估计速度)处的运动相对应的颜色来叠加B模式结构图像，以产生描绘图像场中组织运动和血液流动的彩色多普勒图像。如美国专利US 6443896(Detmer)所述，多平面重新格式化器将从身体的体积区域中的公共平面中的点接收的回波转换成该平面的超声图像。如美国专利US6530885(Entrekin等人)所述，体积绘制器92将3D数据集的回波信号转换成如从给定参考点观看的投影的3D图像。

2D图像或3D图像从扫描转换器82、多平面重新格式化器94和体积绘制器92被耦合到图像处理器80以进一步增强、缓冲和临时存储，以供显示在图像显示器90上。除了用于成像之外，由多普勒处理器78产生的血流值和由B模式处理器76产生的组织结构信息还被耦合到量化处理器84。该量化处理器产生不同的流量条件(例如，血流的体积速率)的量度以及结构测量结果(例如，器官的大小和胎龄)。该量化处理器可以从用户控制面板88接收输入，例如，图像的解剖结构中的要进行测量的点。来自量化处理器的输出数据被耦合到图形处理器86，以用于在显示器90上与图像一起再现测量图形和值并用于从显示设备90输出音频。图形处理器86还能够生成图形叠加物以与超声图像一起显示。这些图形叠加物能够包含标准标识信息，例如，患者姓名、图像的日期和时间、成像参数等。为此，图形处理器从用户接口88接收输入，例如，患者姓名。用户接口还被耦合到发射控制器68，以控制来自换能器阵列60'的超声信号的生成，并因此控制由换能器阵列和超声系统产生的图像。控制器68的发射控制功能仅仅是所执行的功能之一。控制器68还考虑(由用户给定的)操作模式以及接收器模数转换器中的对应需要的发射器配置和带通配置。控制器68能够是具有固定状态的状态机。

用户接口还被耦合到多平面重新格式化器94，以用于选择和控制多个多平面重新格式化(MPR)图像的平面，其可以用于在MPR图像的图像场中执行量化测量。

如上所述，本发明的实施例利用了控制器。能够利用软件和/或硬件以多种方式来实施控制器，以执行所需的各种功能。处理器是控制器的一个示例，该控制器采用一个或多个微处理器，可以使用软件(例如，微代码)对该微处理器进行编程以执行所需的功能。然而，也可以在采用或不采用处理器的情况下实施控制器，并且还可以将控制器实施为执行某些功能的专用硬件与执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。

可以在本公开内容的各种实施例中采用的控制器部件的示例包括但不限于常规的微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质(例如，易失性和非易失性计算机存储器，例如，RAM、PROM、EPROM和EEPROM)相关联。可以利用一个或多个程序对存储介质进行编码，该一个或多个程序在一个或多个处理器和/或控制器上被运行时执行所需的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内，或者可以是可移动的，使得存储在其上的一个或多个程序能够被加载到处理器或控制器中。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (17)

1.一种超声换能器设备(20)，包括：

电容式微机械超声换能器CMUT元件(22)；

电活性聚合物EAP元件(26)，其包括电活性聚合物材料，所述电活性聚合物EAP元件被耦合到所述CMUT元件的表面并至少部分覆盖所述CMUT元件的所述表面；以及

控制器(46)，其适于经由向所述CMUT元件和所述电活性聚合物EAP 元件中的每个供应相同的AC频率的驱动信号来驱动所述CMUT元件和所述电活性聚合物EAP 元件两者同时振动而控制所述超声换能器 设备生成超声振荡。

2.根据权利要求1所述的超声换能器设备(20)，其中，所述电活性聚合物EAP 元件(26)被直接耦合到所述CMUT元件(22)而没有一个或多个中间材料层。

3.根据权利要求1所述的超声换能器设备(20)，其中，所述控制器(46)适于根据至少一种控制模式控制所述设备以通过感测由所述CMUT元件(22)和所述电活性聚合物EAP 元件(26)生成的电信号来感测超声振荡。

4.根据权利要求3所述的超声换能器设备(20)，其中，所述CMUT元件(22)和所述电活性聚合物EAP 元件(26)被单独连接到所述控制器(46)，使得在所述CMUT元件和所述电活性聚合物EAP 元件中的每个处感测到独立的电信号。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的超声换能器设备(20)，其中，所述控制器(46)适于根据至少一种控制模式向所述CMUT元件(22)和所述电活性聚合物EAP 元件(26)两者供应相同的驱动信号，所述元件通过至少一个提供的互联布置以电并联或电串联的方式连接。

6.根据权利要求1-4中的任一项所述的超声换能器设备(20)，其中，所述控制器(46)适于根据至少一种控制模式通过独立的驱动信号来驱动所述CMUT元件(22)和所述电活性聚合物EAP 元件(26)。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的超声换能器设备(20)，其中，所述设备包括与所述电活性聚合物EAP 元件(26)和所述CMUT元件(22)电通信的电极布置，以用于向所述元件施加驱动信号，并且所述电极布置包括被设置在所述电活性聚合物EAP 元件的暴露表面(50)上的电极(42)。

8.根据权利要求7所述的超声换能器设备(20)，其中，所述CMUT元件包括能被驱动以振动的膜(24)，所述电活性聚合物EAP 元件被耦合到所述膜，并且其中，所述电极(42)被布置在所述电活性聚合物EAP 元件的所述暴露表面上以便覆盖所述膜(24)的50％至75％。

9.根据权利要求8所述的超声换能器设备(20)，其中，所述电极(42)被布置在所述电活性聚合物EAP 元件的所述暴露表面上以便覆盖所述膜(24)的60％至70％。

10.根据权利要求9所述的超声换能器设备(20)，其中，所述电极(42)被布置在所述电活性聚合物EAP 元件的所述暴露表面上以便覆盖所述膜(24)的60％至65％。

11.根据权利要求1-4中的任一项所述的超声换能器设备(20)，其中，所述控制器(46)适于根据至少一种控制模式利用幅度各自不同的驱动信号来驱动所述CMUT元件(22)和所述电活性聚合物EAP 元件(26)，并且

任选地，其中，所述控制器(46)适于根据至少一种控制模式利用比用于驱动所述CMUT元件(22)的驱动信号的幅度更低的驱动信号来驱动所述电活性聚合物EAP 元件(26)。

12.根据权利要求1-4中的任一项所述的超声换能器设备(20)，其中，所述电活性聚合物EAP 元件(26)和所述CMUT元件(22)均采用层的形式，并且

任选地，其中，电活性聚合物EAP 元件层和CMUT元件层形成双层结构。

13.根据权利要求1-4中的任一项所述的超声换能器设备(20)，其中，所述CMUT元件包括能被驱动以振动的膜(24)，并且其中：

所述电活性聚合物EAP 元件(26)的厚度比所述CMUT元件的所述膜的厚度厚8倍至12倍；并且/或者

所述CMUT元件膜(24)的厚度为1微米至1.5微米。

14.根据权利要求1-4中的任一项所述的超声换能器设备(20)，其中，所述电活性聚合物EAP 元件(26)包括聚偏氟乙烯电活性聚合物材料。

15.一种控制超声换能器设备(20)的方法，所述设备包括：

电容式微机械超声换能器CMUT元件(22)，以及

电活性聚合物EAP元件(26)，其包括电活性聚合物材料，所述EAP元件被耦合到所述CMUT元件的表面并至少部分覆盖所述CMUT元件的所述表面，

并且，所述方法包括：

经由向所述CMUT元件和所述电活性聚合物EAP 元件中的每个供应相同的AC频率的驱动信号来驱动所述CMUT元件和所述电活性聚合物EAP 元件两者同时振动而生成超声振荡。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：根据至少一种操作模式，通过感测由所述CMUT元件(22)和所述电活性聚合物EAP 元件(26)生成的电信号来感测超声振荡，并且任选地，其中，在所述CMUT元件(22)和所述电活性聚合物EAP 元件中的每个处感测到独立的电信号。

17.一种超声诊断成像系统，包括根据权利要求1-14中的任一项所述的超声换能器设备(20)。

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