CN112041091B - 超声换能器 - Google Patents

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Abstract

超声换能器包括堆叠在第二压电层上以形成叠层的第一压电层。第一压电层具有被金属化以形成第一电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第一接地电极的另一主面。第二压电层具有被金属化以形成第二电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第二接地电极的另一主面，第二电极阵列相对于第一电极阵列成一定角度。第二压电层的厚度使得叠层的总厚度等于待在第一压电层和第二压电层独立操作时生成的声波的半波长的奇数倍。超声换能器还包括声阻抗适应层、声阻尼层和加强件。

Description

超声换能器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月30日提交的申请号为62/664,605的美国临时申请的优先权，其全部公开通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及超声成像和治疗设备，其针对从超声心动图的低频率[1MHz-6MHz]到表面成像的高频率[5MHz-20MHz]的不同应用领域；并且其能够处理现有的成像模式，诸如常规B超、组织谐波和超谐波成像、多普勒和彩色多普勒模式、矢量多普勒、弹性成像、光声和声光成像模式。本发明还适用于高强度聚焦超声(HIFU)和药物输送的治疗方式。此外，所有这些模式都适用于高帧频和实时体积成像(4D)。
背景技术
行-列寻址矩阵阵列换能器，也通常称为RCA矩阵阵列换能器、RCA设备或RCA换能器，由于它们可以被设计成不在换能器侧内置微型波束形成器就符合常规2D超声系统，因此正变得越来越流行。RCA矩阵阵列换能器使用有限数量的通道(M+N个独立通道，而不是常规的完全填充矩阵阵列的M×N个通道)，通常介于128至512之间。这意味着每个换能器平面均设置有64至256个通道(总数量的一半)。还指出的是，M可以等于N。
然而，尽管RCA换能器的操作原理相对简单，但性能优化的RCA设备需要特别注意设计，以避免由于以下原因产生的不良声学响应：(i)在发送和接收两种模式下电操作换能器时，难以为系统提供有效的接地层；(ii)由于与这种换能器结构(在图2中示意性地示出，下面讨论)相关联的同轴度的损失，通过电缆传输信号的问题。
原则上，常规1D、1.75D或2D换能器显示出一种常见的结构，其中有源材料是多晶压电材料或单晶压电材料，并且在其厚度的相对两侧上镀有形成电极的导电材料。然后绘制换能器元件并将其互连，以使换能器能够通过同轴电缆或双绞线电缆接口连接到驱动器电路。利用同轴电缆，每个元件的一个电极连接到芯导体(例如，微型缆芯)，并且相同元件的相对电极连接到同轴电缆的编织层。对于双绞线电缆，每个元件的一个电极连接到第一导体，并且相对电极连接到双绞线电缆的第二导体。这种结构允许驱动器电路通过在发送阶段期间在相对电极之间施加电激发并且通过记录相对电极之间所接收的电信号来适当地操作每个元件。在两个阶段期间，即使在高频率(例如，20-50MHz)下也通过提供有效的线路屏蔽和电阻抗控制的同轴电缆或双绞线电缆来驱动电信号。
然而，超声成像系统的换能器设计必须遵循一些基本规则，这些规则受高信噪比、电气和声学交叉耦合以及抗电磁干扰支配。这些标准构成了成像换能器的基本要求，并固有地导致遵循诸如以下强制性条件：i)有效的导电电极图案；ii)换能器元件之间的物理的且有效的切缝；iii)有效的接地。由于设计或制造过程，当前大多数RCA解决方案都缺乏有效的接地。
图1至图6是现有设计的各种视图。在图1至图3中通常示出具有特定极化方向p的单片压电块102，并且在压电块102的顶表面上具有驱动电极104(包括示例性顶部电极105)的第一顶部阵列，在压电块102的相对的底表面上具有驱动电极106(包括示例性底部电极107)的第二底部阵列。驱动电极104的顶部阵列和驱动电极106的底部阵列以垂直方式设置，以便形成正交定向的行-列阵列换能器。在图1中，每个电极通过集电极电路104和106电连接到同轴电缆(见图2，元件122和123)。这种集电极由(通常柔性的)绝缘基底上的电迹线组成，其一个末端具有等于电镀电极间距的间距，并且与这些电极接触；这些迹线的另一末端具有通常更大的间距以焊接同轴电缆122的芯导体。叠层仅由一个压电层102组成，该压电层102沿它的第一引导兰姆波(Lamb wave)被驱动，并在第一引导兰姆波的一半波长即λ/2或它的奇数谐波即3λ/2、5λ/2等中的一个下操作。叠层在朝向待成像的感兴趣区域的一侧由通常在四分之一波长即λ/4或其谐波下操作的一个至几个声阻抗适应层116构成；在另一侧上，声阻尼层118，即所谓的“背衬”，用于防止声波的寄生反射，并且声阻尼层118附接到加强件120以提供整个叠层的机械固定。如在图2和图3中由“？”符号表示的，因为压电块102的两个主表面都被驱动电极(即，驱动电极104的第一顶部阵列和驱动电极106的第二底部阵列)覆盖，所以这里不能设置接地，并且事实上，同轴电缆的编织层b没有连接到接地电位，这对于线路阻抗控制和线路的电磁屏蔽是有问题的。
为了克服上述的接地问题，Jesse T.Yen[R1]已经提出了具有正交阵列的双层换能器结构。图4示意性地示出了具有第一压电层110(例如，PZT)和第二独立压电层112(例如，PVDF)的基于压电的RCA换能器结构。通过以在Flex 1 111、Flex 2 113以及位于第一压电层110和背衬之间的公共接地平面114之间的对应电压信号操作第一压电层110和第二压电层112以作为单个1D换能器独立地操作这两层。当一个换能器被激活时，另一个换能器充当所产生或接收的机械波传播通过的无源材料。这样的设备等效于组装在一起的两个独立换能器。即使这种结构允许设置接地平面，具有两层独立的有源材料的结构也造成声学优化复杂困难。这些困难是由于以下事实：在操作期间，当激活第二压电层112时，第一压电层110被视为无源背衬材料，而当激活第一压电层110时，第二压电层112被视为无源匹配层。
图5示意性地示出了通过具有多个触点的连接器来获得与同轴电缆的电连接的电集电极Flex 1111和Flex 2113的俯视图。
除了RCA换能器阵列，[R3]提出了一种由中间有电接地平面的若干层压电复合材料组成的有源压电层。图6示出了1D阵列，其包括与由接地平面114隔开的第二压电层112堆叠的第一压电层110。两个压电层具有相反的极化方向和相同的四分之一波长(即λ/4)的厚度，并在整个叠层厚度上形成半波长模式。对于这种堆叠换能器结构的顶部和底部的两个电极，每个元件都利用相同的信号进行电寻址。每个顶部和底部电极彼此面对。因此，这种堆叠结构始终以如下方式操作：(i)具有相同的阵列方向，并且(ii)严格地并行使用这些层。
关于包括独特的压电层的单片RCA设计，现有技术中报道了两种主要解决方案。一种主要解决方案是使用附加的电子交换电路[R2]，并且当利用相对的电极阵列进行发送或接收时，将一个电极阵列接地。过去通过开发包括MEMS(微电子机械系统)交换机和定制高压交换ASIC(专用集成电路)的精密电子交换系统，已经对该方法进行了广泛的研究，以允许大型RCA传感器控制和优化的交换操作。然而，交换持续时间会导致一些缺点，由于它可能会在图像中产生盲区或近场扰动，因为换能器在交换时间期间无法接收近场反向散射声波，并且还因为在地和有源信号之间的转换会产生电信号电压差，在近场图像中产生伪像。
由于在换能器和系统前端电子设备之间添加了具有自身电阻抗的组件，因此添加电子组件还会产生探头集成和发热问题，并且降低信噪比性能。
基于图2配置的另一主要解决方案是通过成像系统的驱动器电路(即，发送电子设备)提供在受控的参考电压电平(即，0V)下的第一电极平面，同时可选地使用在一侧包括N个元件并在另一侧包括M个元件的M+N个单独寻址的元件将第二相对电极平面保持在激发电压下。因此，接地平面不再对于交换电子设备“浮置”，而对性能和集成问题影响较小。然而，在那种情况下，电缆内传输参考电压电平导致电压建立延迟且容易产生电衰减和扰动。进一步地，也不能保证有效的屏蔽。更进一步地，图像近场中的盲区仍将降低成像能力。
因此，上述策略仍然是作为中间的或未优化的解决方案，因此RCA换能器正在失去灵敏度，并且由于缺乏建立的电接地而显示出增加的交叉耦合电平。因此，需要一种克服上述缺点的成像RCA设备。进一步需要一种新的声学设计，其在通过电缆进行发送和接收时保持有效的接地平面和正确的信号传输，如在常规换能器中通常所见的，同时保留RCA设计用于高级成像模式的优点。
发明内容
根据本发明的一个方面，超声换能器包括堆叠在至少第二压电层上以形成叠层的第一压电层。第一压电层具有被金属化以形成第一电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第一接地电极的另一主面以用作第一换能系统。第二压电层具有被金属化以形成第二电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第二接地电极的另一主面以用作第二换能系统，第二电极阵列相对于第一电极阵列以第一方向角定向。第二压电层的厚度使得叠层的总厚度等于待在第一压电层和第二压电层独立操作时生成的声波的半波长的奇数倍。超声换能器还包括位于叠层的一侧上的声阻抗适应层，位于叠层的另一侧上的声阻尼层，以及位于声阻尼层上的加强件。
在一个实施方式中，第一电极阵列在第一压电层的外面上，第二电极阵列在第二压电层的外面上，并且第一接地电极和第二接地电极在第一压电层和第二压电层的各自内面电连接，使得第一接地电极和第二接地电极形成公共接地。在一个实施例中，第一方向角为90度。
在另一个实施方式中，第一接地电极在第一压电层的外面上，第一电极阵列在第一压电层的内面上，第二电极阵列在第二压电层的内面上，第二接地电极在第二压电层的外面上，并且第一内部绝缘层位于第一电极阵列和第二电极阵列之间。在一个实施例中，第一方向角为90度。
在进一步的实施方式中，第一电极阵列在第一压电层的外面上，第一接地电极在第一压电层的内面上，第二电极阵列在第二压电层的内面上，第二接地电极在第二压电层的外面上，并且第一内部绝缘层位于第一接地电极与第二电极阵列之间。在一个实施例中，第一方向角为90度。
根据另一实施例，超声换能器可以进一步包括堆叠在第一压电层和第二压电层之间以形成叠层的第三压电层。在这种情况下，第三压电层具有被金属化以形成第三电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第三接地电极的另一主面以用作第三换能系统，第三电极阵列相对于第一电极阵列以第二方向角定向，并且第二方向角与第一方向角不同。然后，第一电极阵列在第一压电层的外面上，并且第一接地电极在第一压电层的内面上。第三电极阵列在第三压电层和第二压电层之间的第三压电层的面上，并且第三接地电极在第三压电层和第一压电层之间的第三压电层的面上。第一接地电极和第三接地电极电连接，使得第一接地电极和第三接地电极形成公共接地。第二电极阵列在第二压电层和第三压电层之间的第二压电层的面上，并且第二接地电极在第二压电层的外面上。第一内部绝缘层位于第二电极阵列和第三电极阵列之间。第一方向角可以是90度，并且第二方向角可以在0度和90度之间。
在另一实施方式中，超声换能器进一步包括第三压电层和第四压电层二者，第三压电层在第二压电层和第四压电层之间，并且第四压电层在第一压电层和第三压电层之间。在此实施方式中，第三压电层具有被金属化以形成第三电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第三接地电极的另一主面以用作第三换能系统，第三电极阵列相对于第一电极阵列以第二方向角定向，并且第二方向角与第一方向角不同。第四压电层具有被金属化以形成第四电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第四接地电极的另一主面以用作第四换能系统，并且第四电极阵列相对于第一电极阵列以第三方向角定向。第三方向角不同于第一方向角和第二方向角。在该实施例中，第一接地电极在第一压电层的外面上，并且第一电极阵列在第一压电层的内面上。第四电极阵列在第四压电层和第一压电层之间的第四压电层的面上，并且第四接地电极在第四压电层和第二压电层之间的第四压电层的面上。第三接地电极在第三压电层和第四压电层之间的第三压电层的面上，并且第三电极阵列在第三压电层和第二压电层之间的第三压电层的面上。第四接地电极和第三接地电极电连接，使得第四接地电极和第三接地电极形成公共接地。第二电极阵列在第二压电层的内面上，并且第二接地层在第二压电层的外面上。第一内部绝缘层位于第二电极阵列与第三电极阵列之间，并且第二内部绝缘层位于第一电极阵列与第四电极阵列之间。在一个重要的实施方式中，第一方向角为90度，第二方向角在0度至90度之间，并且第三方向角也在0度至90度之间。
在一些实施例中，第一方向角为0度，并且第一电极阵列和第二电极阵列的电极具有间距偏移或间距、切缝、元件数量或元件尺寸的变化。
根据另一实施方式，第一电极阵列是同轴、半圆柱形弯曲的电极，并且第二电极阵列是平行线性电极。
根据另一方面，超声系统包括上述超声换能器、成像系统和多个同轴电缆。该成像系统包括多个成像系统通道，每个成像系统通道用于将信号发送和接收到超声换能器的相应电极。关于多个同轴电缆，每个同轴电缆用于在成像系统通道和超声换能器的相应电极之间传送信号。进一步，每个同轴电缆包括中心导体和屏蔽编织层。每个中心导体与第一电极阵列和第二电极阵列的电极电连接。每个屏蔽编织层与相应的第一接地电极和第二接地电极电连接。
根据本发明的另一方面，一种操作上述超声换能器的方法包括：响应于通过超声换能器的相应电极上的同轴电缆从成像系统通道接收信号，由超声换能器发出由第一压电层和第二压电层生成的声波；以及超声换能器通过同轴电缆将与由第一压电层和第二压电层接收的声波相对应的信号从电极传递到相应的成像系统通道。
附图说明
在下文中，将结合为说明而非限制权利要求书范围而提供的附图和说明来描述本文中的实施例：
图1是常规RCA换能器结构的示意图。
图2是没有外部材料的常规RCA换能器的压电部件的3D示意图。
图3是没有外部材料的常规RCA换能器的压电部件的2D示意图。
图4是示出具有两个独立的压电层的基于压电的RCA换能器结构的示意图。
图5是图4的Flex1和Flex2集电极层的示意图的俯视图。
图6是具有并联连接的两个压电层并且在两个压电层之间具有公共接地电极的常规堆叠结构的示意图。
图7是具有正交的顶部和底部电极但具有内部物理接地层的示例性堆叠结构RCA矩阵阵列的示意性立体图。
图8是图7的矩阵阵列的单个元件换能器的示意图。
图9是强调在发送时根据本发明的堆叠RCA换能器的操作原理的测量协议的示意图。
图10和图11是示出图9的换能器的操作结果的曲线图。
图12是强调在接收时根据本发明的堆叠RCA换能器的操作原理的测量协议的示意图。
图13和图14是示出图9的换能器的操作结果的曲线图。
图15是接地电极位于外部以增强电磁(EM)屏蔽的示例性堆叠结构换能器的示意性立体图。
图16是图15的示例性堆叠结构换能器的单个元件换能器的示意图。
图17是图15的示例性堆叠结构换能器的变型的单个元件换能器的示意图，其中内部绝缘层被选择以增强RCA堆叠内的散热并且在将其热连接到散热器时散热可以得到改善。
图18是具有非对称布置的层的示例性堆叠结构换能器的示意性立体图。
图19是图19的示例性堆叠结构换能器的单个元件换能器的示意图。
图20是具有奇数个压电层的示例性堆叠结构换能器的示意性立体图。
图21是图20的示例性堆叠结构换能器的单个元件换能器的示意图。
图22是具有偶数个压电层的示例性堆叠结构换能器的示意性立体图。
图23是图22的示例性堆叠结构换能器的单个元件换能器的示意图。
图24是具有沿相同方向定向的交错电极的示例性1D堆叠阵列的示意图。
图25是诸如图24的实施例中的电极的两个交错直线阵列的布置的示意图。
图26是具有顶部压电层和底部压电层的示例性堆叠结构换能器的示意图，顶部压电层具有同轴半圆柱形弯曲电极的阵列，底部压电层具有平行线性电极的阵列。
具体实施方式
在本文件中阐述了当前公开的主题的一个或多个实施例的细节。对本文件中所描述的实施例以及其他实施例的修改对于获知本文件中所提供的信息之后的本领域普通技术人员而言将是显而易见的。本文件中所提供的信息，尤其是所描述的示例性实施例的具体细节，主要用于清楚地理解的目的，并且因此不能理解为提供不必要的限制。如有冲突，则以本文档的说明(包括定义)为准。
虽然认为本领域的普通技术人员能很好地理解以下术语，但是提出了定义以便于解释当前公开的主题。
除非另有定义，否则本文中所使用的所有技术术语和科学术语具有与当前公开主题所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。尽管类似于或等效于本文描述的任何方法、设备和材料都可以用于实践或测试当前公开的主题，但是现在描述代表性的方法、设备和材料。
遵循长期的专利法惯例，术语“一”、“一个”和“该”在用于包括权利要求书的本申请中时指的是“一个或多个”。因此，例如，提及“换能器”包括多个这样的换能器，依此类推。
除非另有说明，否则在本说明书和权利要求书中所使用的表示组成成分、诸如频率的特性等的所有数字均应理解为在所有情况下均由术语“大约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则本说明书和权利要求书中所列出的数字参数是可以根据当前公开的主题所寻求获得的所需特性而变化的近似值。
如本文所使用的，术语“大约”在涉及一个值或一个量时意在涵盖相对于指定量的在某些实施例中±20％、在某些实施例中±10％、在某些实施例中±5％、在某些实施例中±1％、在某些实施例中±0.5％、在某些实施方式中±0.1％的变化，因为这些变化适合于执行所公开的主题。
如本文所使用的，范围可以表示为从“大约”一个特定值和/或到“大约”另一特定值。还应理解的是，本文公开了许多值，并且除了值本身之外，每个值在本文中还被公开为“大约”该特定值。例如，如果公开值“10”，则还公开“大约10”。还应理解的是，还公开了两个特定单位之间的每个单位。例如，如果公开了10和15，则还公开了11、12、13和14。
本文中使用术语“阵列换能器”或“换能器阵列”来描述通过具有与期望的超声波束聚焦和指向特征兼容的尺寸的多个单独的换能器(即，换能器元件)的几何布置而获得的换能器设备。
本文使用术语“元件换能器”或“换能器元件”或“换能器”来描述阵列换能器的单个超声换能器组件。通常，阵列换能器的元件换能器具有适于超声波束的电子指向和聚焦的平面尺寸。导电电极镀在每个元件上。导电电极可以在无切缝元件阵列的情况下通过减成工艺或加成工艺形成图案；或在元件分割过程中与压电层一起被蚀刻。
极化方向p在本文中用于描述各个压电层的极化方向。
本文中使用术语“半波长模式”来描述沿换能器厚度方向在半波长(即λ/2)下操作的第一模式。该半波长模式是第一对称引导兰姆波(所谓的厚度模式)或横向尺寸略小于厚度的一个元件的第一模式(所谓的条形模式)。对于厚度模式和条形模式，声波波长可以不同，但是半波长条件保持不变以操作第一阶模式。通过扩展，除非说明书中另有说明，否则术语“半波长模式”还涵盖以半波长的任何奇数倍即(2n+1)λ/2进行操作的其他高阶模式，其中n为任意正整数。
本文使用术语“成像系统”来描述一种装置，该装置包括信号生成器、信号处理器和用户界面。信号生成器生成用于致动超声换能器的换能器元件以生成声波的信号。信号处理器用于响应于由换能器元件接收的声波来处理由换能器元件生成的信号。信号处理器还包括由处理后的信号生成图像的图像处理器。用户界面用于显示所生成的图像并用于从成像系统的用户接收附加输入。这样的成像系统是可在市场上买到的并且是本领域技术人员已知的，因此本文将不进一步描述这种成像系统的元件和操作的细节。
本文所描述的一些示例性实施例包括新多层RCA换能器。这些RCA传感器可以由锆钛酸铅(PZT)、单晶、压电聚合物(例如，PVDF：聚乙烯基氟化物)或诸如无铅陶瓷或以上所有的复合材料的等效压电组合物制成，然而操作原理不变。实施例公开了RCA换能器，其被配置为使用相控波束形成(或波束形成)技术、变迹(apodization)或M+N阵列的复合来操作，并且具有在发送和接收模式下都适当地驱动换能器的能力。对于示例性实施例，与常规的堆叠换能器结构(图6)和常规的RCA换能器结构(图2)相比，堆叠多层换能器结构是不同的。
在一些示例性实施例中，堆叠换能器作为RCA换能器沿至少两个不同的阵列方向操作。仅在电极和接地平面之间的整个换能器厚度的一部分内操作电气到机械转换(发送)或机械到电气转换(接收)，同时沿整个换能器厚度获得f0处的半波长模式。使用两个压电层代替一个压电层。压电材料及其极化方向可以相同或不同。即使具有正交电极，所形成的叠层也通过仍被称为半波长模式的整体半波长模式进行操作。
示例性实施例包括堆叠具有特定极化方向p和厚度的多个压电层。在示例性实施例中，压电层的厚度可以相等或不同，但是所形成的整体厚度总是为半个波长的奇数倍。所形成的叠层沿着第一压电有源对称引导模式或其对应于所谓的厚度模式或条形模式的奇次谐波中的一个进行操作。
图7和图8示出了超声换能器130的第一示例性实施例，超声换能器130包括第一压电层132和堆叠在第一压电层132上的第二压电层134以形成半波长模式堆叠换能器。第一压电层132和第二压电层134的内面被金属化以分别形成第一接地电极和第二接地电极，它们彼此电连接以共同形成位于第一压电层132和第二压电层134之间的叠层内部的公共接地电极136。叠层的顶部外面和底部外面被金属化，并且第一电极阵列138(包括示例性第一电极143)和第二电极阵列140(包括示例性第二电极146)分别在顶部外面和底部外面上形成图案。第一电极阵列138和公共接地电极136，以及第二阵列电极140和公共接地电极136分别形成第一和第二换能系统。第一阵列电极138和第二阵列电极140彼此正交或以彼此形成角度的方式布置。
为了使这种设备作为叠层操作，成像系统124(图9、图12)独立地控制压电层的发送激发，以在相位、频率和幅度上适当地成形传输波束。在发送模式下的操作如图9至图11所示。
图9是该示例性实施例的发送操作中的测量设置的示意图。成像系统124(用作信号生成器)为第一电极阵列138和第二电极阵列140的每个元件独立地提供脉冲信号。例如，成像系统124通过第一成像系统通道141和第一同轴电缆142向示例性第一电极143提供脉冲信号，并且通过第二成像系统通道144和第二同轴电缆145向示例性第二电极146提供交互脉冲信号(reciprocal pulsed signal)。同轴电缆的屏蔽编织层142b和145b连接到提供公共参考电压的换能器的接地层136。附加成像系统通道(未示出)和同轴电缆(未示出)将进一步的信号提供给第一电极阵列138和第二电极阵列140的其他元件。
由于两个压电层132和134的极化方向p相反，因此在示例性第一电极143或示例性第二电极146处的正电压将产生与第二压电层134相同的第一压电层132的变形(膨胀或收缩)。如果两个压电层的极化方向显示出相同的方向，则通过相反的信号将在顶部电极和底部电极上获得相同的变形。所发出的声波147在声学特性与人体组织相当的介质(例如，水)中传播，并且由水听器148测量。与成像系统124的信号生成器同步的示波器149允许显示该测量信号。由于每个元件都是独立操作的，因此可以实施波束形成技术。基本上，当一个和/或两个电极的所有元件都被相同的信号激发时，会获得平面声波。
图10示出当第一电极阵列138的所有元件被相同的信号激发并且没有信号施加到第二电极阵列140时(信号A)，当第二电极阵列140的所有元件被相同的信号激发并且没有信号施加到第一电极阵列138时(信号B)，以及当第一电极阵列138和第二电极阵列140二者的所有元件被相同的信号激发时(信号C)，由示波器149显示的示例性信号。信号C的幅度是信号A和信号B的幅度的两倍，因为在该示例性实施例中，信号A和信号B的电气到机械转换涉及仅一半的压电厚度。
图11在频域中示出了与图10相同的测量信号。每条曲线在其最大值处被归一化(0dB)，所述最大值对应于收发器的中心频率。信号A、信号B和信号C的中心频率和带宽相同，表明即使在仅激活两层中的一层的情况下，换能器也以相同的半波长模式操作。
在接收模式下，情况有所不同，因为反向散射波(以f0为中心)将通过整个叠层厚度产生驻波。因此，与常规的单层换能器一样，在所有压电层上通过机电转换独立地表示反向散射波。即使在堆叠压电换能器的一半(两层)、三分之一(三层)、四分之一(四层)等上用机电方式表示，所接收的射频(RF)信号仍显示出基频的中心频率(f0)。接收时的操作原理如图12至图14所示。
图12是该示例性实施例的接收操作中的测量设置的示意图。信号生成器151向Tx水听器152提供脉冲信号，Tx水听器152发出通过介质(例如，水)向换能器传播的平面声波150。成像系统124通过第一同轴电缆142和第一成像系统通道141从示例性第一电极143独立地接收信号，并且通过第二同轴电缆145和第二成像系统通道从示例性第二电极146接收交互信号。同轴电缆的屏蔽编织层142b和145b连接到提供公共参考电压的换能器的接地层136。额外的成像系统通道(未示出)和同轴电缆(未示出)允许从第一电极阵列138和第二电极阵列140的其他元件接收进一步的信号。与信号生成器151同步的示波器允许显示从一根或几根同轴电缆获取的接收信号。当换能器接收入射平面声波150时，一个电极的每个元件的信号是相同的。
图13示出从示例性第一电极143(信号A)，示例性第二电极146(信号B)，以及连接在一起的元件(信号C)接收的电信号。时间尺度不是绝对的，因为每个信号都只是为了清楚起见才相对于其他信号有所延迟。信号C的幅度是信号A和信号B的幅度的两倍，因为在该示例性实施例中，信号A和信号B的机械到电气转换涉及仅一半的压电厚度。假设两个压电层132和134极化方向p相反，来自示例性第一电极143和来自示例性第二电极146的信号相加以获得信号C。反之，如果两个压电层132和134展示出相同的极化方向p，则信号A将与信号B大致相反，因此这些信号的总和(信号C)将大致为零。
图14在频域中示出与图13中相同的测量信号。信号A、信号B和信号C的中心频率和带宽相同，表明换能器以相同的半波长模式操作。
因此，该示例性实施例的上述测量结果表明，每个元件可以利用公共接地参考电压独立地操作。此外，由于机电转换与普通的半波长模式无关，因此底部电极阵列和顶部电极阵列也可以独立地操作或联合操作。有了这样的自由度，例如，一个阵列可以专用于接收，而另一个阵列可以在相同的Tx/Rx序列期间专用于发送，从而避免了所形成图像中的近场盲区(near-field blinding)。此外，由于每个元件都在两个阵列方向上独立地操作，因此可以应用波束形成技术。
此外，无论在发送时激活的电极阵列如何，该示例性实施例均具有允许在两个阵列上立即接收而不是像常规RCA换能器那样在分开的阵列中发送和接收的优点。
需要注意的是，公共接地电极136连接到第一同轴电缆143的第一编织层143b和第二同轴电缆145的第二编织层145b，以在发送和接收模式下都通过电缆正确传输，这对于通过电缆(平均在1m至2.5m之间)有效地传送高频电信号是必不可少的。
在图9至图14中，已经针对单个元件换能器描述了该原始操作方法，其中每一层的电极在尺寸和位置上都是相同的。对于RCA换能器，通过控制每个换能器元件的幅度、频率和相位来使用相同的操作方法，以在发送时适当地指向和变迹压力波(即，波束)。在接收时，在成像系统124内使用软件或硬件波束形成策略。
图15和图16示出本发明的另一示例性实施例155，其中第一接地电极136a在第一压电层132的外面上，第二接地电极136b在第二压电层134的外面上。因此，公共接地电极136a、136b位于叠层的外面上。第一电极阵列138和第二电极阵列140以第一方向角(在示例性实施例中为90度，但不限于此)位于第一压电层132和第二压电层134之间，并且第一内部绝缘层156使第一电极阵列138与第二电极阵列140电绝缘。这可以通过使用柔性有机印刷电路或使用添加剂或粘合技术的矿物层来完成。这种结构通过将公共接地电极136a、136b呈现给外部寄生噪声，实现了改进的电磁(EM)屏蔽。如果内部绝缘层156高度导热或较厚，则其也可以显著改善散热。第一内部绝缘层156还在换能器机电行为中起机械作用。
例如，图17的示例性实施例示出与图15和图16中描述的相同的结构，但是具有更厚的第一内部绝缘层156，该第一内部绝缘层156同时具有机械和热功能。其厚度可以是特定值，诸如λ/4或λ/2，但不限于此。在任何情况下，所形成的包括无源材料和压电层的叠层沿着以f0为中心的相同半波长模式操作，使得2λ/x+λ/y＝(2n+1)λ/2。然后将内部传导材料热连接到散热器158，以实现对换能器的更好的热管理。
图18和图19示出本发明的在每个压电层上具有相同极化方向的另一示例性实施例157。这种结构允许通过不同的组装和工艺流程来制造这种换能器，使得这种换能器的制造和组装更加容易。例如，该结构允许从整个叠层的底部到顶部顺序地处理(电镀、元件分割、清洁和涂覆等)每个层，而不必单独处理每个压电层并执行最终组装步骤。在该实施例中，第一压电层132在其外表面(即，外面)上设置有第一电极阵列138，并且在其内表面设置有第一接地电极136a。第二压电层134在其内表面上设置有第二电极阵列140，并且在其外表面上设置有第二接地电极136b。第一内部绝缘层156位于第一接地电极136a和第二电极阵列140之间。将压电层132、134堆叠以形成具有沿相同方向定向的极化方向的压电层的叠层。因此，施加到示例性第一电极143的信号产生的第一压电层132的变形(收缩或膨胀)与将相同的电压施加到示例性第二电极146时第二压电层134的变形相同。
图20至图23示出通过添加奇数和偶数个压电层而使用不同电极方向的其他示例性实施例。
在图20和图21所示的示例性实施例159中，在第三压电层162上形成第三电极阵列160的图案，第三电极阵列160相对于第一电极阵列138以不同于第一方向角的第二方向角(在所示的示例性实施例中，第一方向角为90度、第二方向角为45度)定向。三个压电层132、134、162中的每一个都具有等于波长的六分之一的厚度，使得将组装件的整个厚度保持为波长的二分之一。因此，所形成的包括第一压电层132、第二压电层134和第三压电层162的叠层仍在f0下操作。图21示出包括与第一同轴电缆142、第二同轴电缆145和第三同轴电缆168分别电连接的示例性第一电极143、示例性第二电极146和示例性第三电极164的实施例的单个换能器元件的示意图。所有单个压电层都在对应于整个叠层厚度的驻波频率的f0激发下被激发。在接收时，声音信号波形与整个压电组装件所获得的波形相对应，导致所接收的信号以f0为中心。然后，使用类似于两层堆叠方法的硬件或软件方法，对接收的信号进行独立地波束形成。该布置适用于具有三个或更多的奇数个压电层(例如3、5、7或9个压电层)的任何换能器。
在图22和图23所示的示例性实施例169中，在第四压电层172上形成第四电极阵列170的图案。第四电极阵列170相对于第一电极阵列138以不同于第一方向角和第二方向角的第三方向角(在所示的示例性实施例中，第一方向角为90度，第二方向角为30度，第三方向角为60度)定向。每个压电层的厚度等于波长的八分之一，使得所形成的叠层仍具有半波长的厚度并且仍在f0下操作。如图所示，公共接地电极136a、136b和136c位于叠层的外面和叠层中间。第一内部绝缘层156位于第二电极阵列146(包括第二示例性电极146)和第三电极阵列160(包括第三示例性电极164)之间，第二内部绝缘层173位于第四电极阵列170(包括第四示例性电极174)和第一电极阵列138(包括第一示例性电极143)之间。该布置适用于具有四个或更多的偶数个压电层的任何换能器。
在两种情况下(偶数或奇数个压电层)，都可以通过控制不同阵列的每个元件的相位、频率和幅度来更好地控制波束形状、变迹和指向。在接收时，通过相同的成像孔径，可以充实所接收的反向散射信息，并且由于已经在整个叠层厚度和孔径上表示了反向散射信息，因此可以应用相干硬件或软件波束形成技术。因为以另外的尺寸且在相同的声孔径内对反向散射信息进行三角测量，这样的堆叠方法将允许在图像形成期间显著充实信息，这为3D成像提供了关键优势。
在图24中，示出实施例179，其中第一电极阵列138和第二电极阵列140沿相同方向(即，第一方向角为0度)对准，但具有不同的图案(例如，第二电极阵列140从第一电极阵列138偏移)。
前面的示例性实施例涉及行-列阵列配置，然而下文中的示例性实施例有利地依赖于相同的压电层堆叠原理，但是具有其他电极配置。
图25是示出诸如图24的实施例中的电极的两个交错直线阵列的布置的示意图。在该示例性实施例中，电极阵列138和140显示出针对成像物镜调整的相同的间距180和切缝182特性。第一阵列电极138从第二阵列电极140偏移间距180的一半。这种配置等效于间距等于184的单个阵列，但具有每个电极阵列显示出更大的元件表面和/或更大间距的优点。这对于非常精细的间距阵列特别有利。因此，即使在高偏转角下，也能够减少旁瓣和光栅瓣的问题并改善图像质量。
尽管该示例性实施例具有间距相同的电极阵列，但是对于本领域技术人员显而易见的是，两个电极阵列具有不同的间距、元件数量和元件尺寸，从而使两个换能器阵列交错。这进一步允许拉开或甚至抑制光栅瓣和旁瓣，并且允许更大的波束偏转用于更宽的扇区成像或更好的空间合成策略。
图26是另一示例性实施例183的示意图，包括具有同轴阵列的顶部压电层187(即，第一压电层)、半圆柱形弯曲电极185(即，第一电极阵列)、具有平行阵列的底部压电层188(即，第二压电层)、线性电极186、以及在顶部压电层187和底部压电层188之间的内部公共接地电极189(即，第一接地电极和第二接地电极)。有利地，具有多层还允许在相同有源孔径内混合电极的直线和环形阵列。这样的阵列组合在换能器内实现变迹和聚焦能力。该实施例包括在相同堆叠结构内使用不同的阵列组织(直线形、环形等)以用于变迹或波束聚焦。
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Claims (15)

1.一种超声换能器，包括：
第一压电层，堆叠在至少第二压电层上以形成叠层；
所述第一压电层具有被金属化以形成第一电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第一接地电极的另一主面以用作第一换能系统；
所述第二压电层具有被金属化以形成第二电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第二接地电极的另一主面以用作第二换能系统，所述第二电极阵列与所述第一电极阵列电绝缘并且相对于所述第一电极阵列以第一方向角定向，所述第二压电层的厚度使得所述叠层的总厚度等于待在所述第一压电层和所述第二压电层独立操作时生成的声波的半波长的奇数倍；
声阻抗适应层，位于所述叠层的一侧上；
声阻尼层，位于所述叠层的另一侧上；以及
加强件，位于所述声阻尼层上。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其中：
所述第一电极阵列在所述第一压电层的外面上；
所述第二电极阵列在所述第二压电层的外面上；并且
所述第一接地电极和所述第二接地电极在所述第一压电层和所述第二压电层的各自的内面处电连接，使得所述第一接地电极和所述第二接地电极形成公共接地。
3.根据权利要求2所述的超声换能器，其中所述第一方向角为90度。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，其中：
所述第一接地电极在所述第一压电层的外面上；
所述第一电极阵列在所述第一压电层的内面上；
所述第二电极阵列在所述第二压电层的内面上；
所述第二接地电极在所述第二压电层的外面上；并且
第一内部绝缘层位于所述第一电极阵列和所述第二电极阵列之间。
5.根据权利要求4所述的超声换能器，其中所述第一方向角为90度。
6.根据权利要求1所述的超声换能器，其中：
所述第一电极阵列在所述第一压电层的外面上；
所述第一接地电极在所述第一压电层的内面上；
所述第二电极阵列在所述第二压电层的内面上；
所述第二接地电极在所述第二压电层的外面上；并且
第一内部绝缘层位于所述第一接地电极和所述第二电极阵列之间。
7.根据权利要求6所述的超声换能器，其中所述第一方向角为90度。
8.根据权利要求1所述的超声换能器，进一步包括：
第三压电层，堆叠在所述第一压电层和所述第二压电层之间以形成所述叠层；
所述第三压电层具有被金属化以形成第三电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第三接地电极的另一主面以用作第三换能系统，所述第三电极阵列相对于所述第一电极阵列以第二方向角定向，所述第二方向角与所述第一方向角不同；
其中：
所述第一电极阵列在所述第一压电层的外面上，并且所述第一接地电极在所述第一压电层的内面上；
所述第三电极阵列在所述第三压电层和所述第二压电层之间的所述第三压电层的面上，并且所述第三接地电极在所述第三压电层和所述第一压电层之间的所述第三压电层的面上；
所述第一接地电极和所述第三接地电极电连接，使得所述第一接地电极和所述第三接地电极形成公共接地；
所述第二电极阵列在所述第二压电层和所述第三压电层之间的所述第二压电层的面上，并且所述第二接地电极在所述第二压电层的外面上；并且
第一内部绝缘层位于所述第二电极阵列和所述第三电极阵列之间。
9.根据权利要求8所述的超声换能器，其中所述第一方向角为90度，并且所述第二方向角在0度至90度之间。
10.根据权利要求1所述的超声换能器，进一步包括：
第三压电层和第四压电层，所述第三压电层在所述第二压电层和所述第四压电层之间，并且所述第四压电层在所述第一压电层和所述第三压电层之间；
所述第三压电层具有被金属化以形成第三电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第三接地电极的另一主面以用作第三换能系统，所述第三电极阵列相对于所述第一电极阵列以第二方向角定向，所述第二方向角与所述第一方向角不同；
所述第四压电层具有被金属化以形成第四电极阵列的一个主面以及被金属化以形成第四接地电极的另一主面以用作第四换能系统，所述第四电极阵列相对于所述第一电极阵列以第三方向角定向，所述第三方向角与所述第一方向角和所述第二方向角不同；
其中：
所述第一接地电极在所述第一压电层的外面上，并且所述第一电极阵列在所述第一压电层的内面上；
所述第四电极阵列在所述第四压电层和所述第一压电层之间的所述第四压电层的面上，并且所述第四接地电极在所述第四压电层和所述第三压电层之间的所述第四压电层的面上；
所述第三接地电极在所述第三压电层和所述第四压电层之间的所述第三压电层的面上，并且所述第三电极阵列在所述第三压电层和所述第二压电层之间的所述第三压电层的面上；
所述第四接地电极和所述第三接地电极电连接，使得所述第四接地电极和所述第三接地电极形成公共接地；
所述第二电极阵列在所述第二压电层的内面上，并且所述第二接地电极在所述第二压电层的外面上；
第一内部绝缘层位于所述第二电极阵列和所述第三电极阵列之间；并且
第二内部绝缘层位于所述第一电极阵列和所述第四电极阵列之间。
11.根据权利要求10所述的超声换能器，其中所述第一方向角为90度，所述第二方向角在0度至90度之间，并且所述第三方向角在0度至90度之间。
12.根据权利要求1所述的超声换能器，其中：
所述第一方向角为0度；并且
所述第一电极阵列和所述第二电极阵列的电极具有间距偏移或间距、切缝、元件数量或元件尺寸的变化。
13.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述第一电极阵列是同轴的、半圆柱形弯曲的电极，并且所述第二电极阵列是平行线性电极。
14.一种超声系统，包括：
权利要求1所述的超声换能器；
成像系统，包括多个成像系统通道，每个成像系统通道用于将信号发送和接收到所述超声换能器的相应电极；
多个同轴电缆，每个同轴电缆用于在成像系统通道和所述超声换能器的相应电极之间传送所述信号，每个同轴电缆包括中心导体和屏蔽编织层，每个中心导体与所述第一电极阵列和所述第二电极阵列的电极电连接，每个屏蔽编织层与相应的第一接地电极和第二接地电极电连接。
15.一种操作权利要求1所述的超声换能器的方法，所述方法包括：
响应于通过所述超声换能器的相应电极上的同轴电缆从成像系统通道接收信号，由所述超声换能器发出通过所述第一压电层和所述第二压电层生成的声波；并且
所述超声换能器通过所述同轴电缆将与由所述第一压电层和所述第二压电层接收的声波相对应的信号从所述电极传递到相应的成像系统通道。
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