CN114008925A - 超声矩阵成像设备 - Google Patents

超声矩阵成像设备 Download PDF

Info

Publication number
CN114008925A
CN114008925A CN202080045231.8A CN202080045231A CN114008925A CN 114008925 A CN114008925 A CN 114008925A CN 202080045231 A CN202080045231 A CN 202080045231A CN 114008925 A CN114008925 A CN 114008925A
Authority
CN
China
Prior art keywords
column
row
transducer
interrupter
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080045231.8A
Other languages
English (en)
Inventor
帕斯卡·查丹
埃德加德·珍妮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Moduleus SAS
Original Assignee
Moduleus SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Moduleus SAS filed Critical Moduleus SAS
Publication of CN114008925A publication Critical patent/CN114008925A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/0175Coupling arrangements; Interface arrangements
    • H03K19/0185Coupling arrangements; Interface arrangements using field effect transistors only
    • H03K19/018585Coupling arrangements; Interface arrangements using field effect transistors only programmable
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G01S15/8909Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration
    • G01S15/8929Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a three-dimensional transducer configuration
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292Electrostatic transducers, e.g. electret-type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及一种超声成像设备(100),包括以行(Li)和列(Cj)的矩阵布置的多个超声换能器(101),每个换能器具有第一电极(E1)和第二电极(E2),其中,同一行的换能器的第一电极互相连接,并且同一列的换能器的第二电极互相连接。

Description

超声矩阵成像设备
本专利申请要求法国专利申请FR19/06515的优先权权益,其通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及超声成像领域,并且更具体地针对包括超声换能器的阵列和用于控制这些换能器的电子电路的设备。
背景技术
超声成像设备常规地包括多个超声换能器和连接到换能器的电子控制电路。在操作中,换能器组件被放置在主体的前面,期望采集该主体的图像。电子设备被配置为向换能器施加电激励信号,以使得由换能器朝向待分析的主体发射超声波。由换能器发射的超声波被待分析的主体(通过其内部和/或表面结构)反射,并且然后返回到换能器,该换能器将它们转换回电信号。电响应信号由电子控制电路读取,并且可以被存储和分析以从中推导出与所研究的主体相关的信息。
在二维图像采集设备的情况下,超声换能器可以被布置成线性阵列,或者在三维图像采集设备的情况下被布置成阵列。在二维图像采集设备的情况下,所采集的图像一方面代表所研究的主体在由线性阵列中的换能器的对准轴定义的平面中的横截面,并且另一方面代表所研究的主体在由换能器的发射方向定义的平面中的横截面。在三维图像采集设备的情况下,所采集的图像代表由阵列中的换能器的两个对准方向和换能器的发射方向定义的体积。
在三维图像采集设备中,称为完全填充的设备(其中在阵列中的每个换能器可单独寻址)可以与称为行-列寻址或RCA的设备(其中在阵列中的换能器可按行和按列寻址)区分开来。
完全填充的设备在发射模式和接收模式下的超声波束的成形中提供了更大的灵活性。然而,用于控制阵列的电子系统是复杂的,在M行和M列的阵列的情况下所需的发射/接收通道的数量等于M*N。此外,信噪比通常相对较低,因为每个换能器具有暴露于超声波的较小的表面积。
RCA型设备使用算法用于形成不同的超声波束。关于完全填充的设备,可能会降低波束成形的可能性。然而,用于控制阵列的电子系统显著简化,在M行和N列的阵列的情况下,所需的发射/接收通道的数量减少到M+N。此外,在发射和接收阶段期间,由于在行或列中的换能器的互相连接,信噪比得到改善。
行-列寻址(RCA)三维图像采集设备在此被更特别地考虑。
发明内容
实施例的目的是提供一种克服了已知设备的全部或部分缺点的三维超声图像采集设备。
为此,本实施例提供了一种超声成像设备,包括:
-以行和列的阵列布置的多个超声换能器,每个换能器包括第一电极和第二电极,同一行的换能器的第一电极被互相连接并且同一列的换能器的第二电极被互相连接;
-用于每一行的发射电路、接收电路和开关,所述开关可配置为在第一配置中,将在行中的换能器的第一电极连接到所述行的发射电路,并且在第二配置中,将在行中的换能器的第一电极连接到所述行的接收电路;
-用于每一列的发射电路、接收电路和开关,所述开关可配置为在第一配置中,将在列中的换能器的第二电极连接到所述列的发射电路,并且在第二配置中,将在列中的换能器的第二电连接到所述列的接收电路;以及
-控制电路,其被配置为:
在第一发射阶段,将行和列的开关控制为第一配置,控制该行的发射电路以在该行中的换能器的第一电极上施加DC偏置信号,并控制该列的发射电路以在该列中的换能器的第二电极上施加可变激励信号;和/或
在第一接收阶段,将行和列的开关分别控制为第一配置和第二配置,控制该行的发射电路以在该行中的换能器的第一电极上施加DC偏置信号,并控制该列的接收电路以从在该列中的换能器的第二电极读取可变响应信号。根据一个实施例,控制电路还被配置为:
在第二发射阶段,将行和列的开关控制为第一配置,控制该列的发射电路以在该列中的换能器的第二电极上施加DC偏置信号,并控制该行的发射电路以在该行中的换能器的第一电极上施加可变激励信号;和/或
在第二接收阶段,将行和列的开关分别控制为第二配置和第一配置,控制该列的发射电路以在该列中的换能器的第二电极上施加DC偏置信号,并控制该列的接收电路以从在该行中的换能器的第一电极读取可变响应信号。
根据一个实施例:
-在每一行中,该行的开关还可控制为在第三配置中将该行中的换能器的第一电极连接到施加固定偏置电位的节点;并且
-在每一列中,该列的开关还可控制为在第三配置中将在该列中的换能器的第二电极连接到施加固定偏置电位的节点。
根据一个实施例:
-不同行的开关具有共同的控制端子;并且
-不同列的开关具有共同的控制端子。
根据一个实施例:
-不同行的开关具有可区分的控制端子;并且
-不同列的开关具有可区分的控制端子。
根据一个实施例,超声换能器是CMUT换能器或PMUT换能器。
根据一个实施例,开关与超声换能器的阵列一体地共同集成。
根据一个实施例,每个开关包括静电控制的第一和第二MEMS断续器。
根据一个实施例:
-对于每一行,该行的开关的第一和第二断续器分别被布置在该行的两端;并且
-对于每一列,该列的开关的第一和第二断续器分别被布置在该列的两端。根据一个实施例:
-对于每一行,该行的开关的第一和第二断续器被布置在该行的同一端的一侧上;并且
-对于每一列,该列的开关的第一和第二断续器被布置在该列的同一端的一侧上。
根据一个实施例,每个开关还包括静电控制的第三MEMS断续器,并且:
-对于每一行,该行的开关的第三断续器被布置在该行的与该行中的第一断续器同一端的一侧上,或在该行的与该行中的第一断续器相对端的一侧上;并且
-对于每一列,该列的开关的第三断续器被布置在该列的与该列中的第一断续器同一端的一侧上,或者在该列的与该列中的第一断续器相对端的一侧上。
附图说明
前述特征和优点以及其他特征和优点将在以下通过说明而非限制的方式给出的具体实施例的描述中参照附图进行详细描述,在附图中:
图1是根据实施例的成像设备阵列的示例的电气图。
图2是示出控制图1的设备的方法的示例的时序图;
图3示出了图1的设备的开关的实施例的示例;
图4示意性并且部分地示出了图1的设备的实施例的第一示例;
图5示意性并且部分地示出了图1的设备的实施例的第二示例;
图6示意性并且部分地示出了图1的设备的实施例的第三示例;以及
图7是图4的设备的局部简化横截面视图。
具体实施方式
在不同的附图中,相同的特征由相同的附图标记表示。特别地,各种实施例之间共同的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记,并且可以设置相同的结构、尺寸和材料特性。
为了清楚起见,仅详细示出和描述了对理解本文描述的实施例有用的步骤和元素。特别地,所描述的成像设备的各种可能的应用没有详细描述,所描述的实施例与超声成像设备的通常应用兼容。进一步,由控制电路施加到超声换能器的电激励信号的属性(频率、形状、幅值等)没有详细描述,所描述的实施例与当前在超声成像系统中使用的激励信号兼容,其可以根据所考虑的应用,并且特别是根据待分析的主体的性质和根据期望采集的信息的类型进行选择。类似地,没有详细描述应用于由超声换能器递送并由控制电路读取的电信号以提取与待分析的主体相关的有用信息的各种处理,所描述的实施例与当前在超声成像系统中使用的处理兼容。进一步,超声换能器和用于控制所描述的成像设备的电路的形成没有详细说明,基于本说明书的指示,这些元件的详细形成在本领域技术人员的能力范围内。
除非另有说明,否则当提及连接在一起的两个元件时,这表示除了导体之外没有任何中间元件的直接连接,并且当提及耦接在一起的两个元件时,这表示这两个元件可以通过一个或多个其他元件连接或者它们可以通过一个或多个其他元件耦接。
在以下描述中,当提及限定绝对位置(诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)或相对位置(诸如术语“上方”、“下方”、“上面”、“下面”等)的术语,或限定方向(诸如术语“水平”、“垂直”等)的术语时,除非另有说明,否则是指附图的取向,应当理解,实际上,所描述的设备可以被不同地定向。
除非另有说明,否则“大约”、“近似”、“基本上”和“大概”的表述意味着在10%以内,并且优选地在5%以内。
图1是根据实施例的阵列成像设备100的示例的电气图。
设备100包括布置在M行Li和N列Ci的阵列中的多个超声换能器,M和N是大于或等于2的整数,i是1到M范围内的整数,以及j是1到N范围内的整数。
每个换能器101包括两个电极E1和E2。当在电极E1和E2之间施加适当的激励电压时,换能器会发射超声波。当换能器接收到给定波长范围内的超声波时,它会在其电极E1和E2之间传递代表所接收波的电压。
在该示例中,换能器101是CMUT型(电容膜超声换能器)换能器。
在换能器阵列的每一行Li中,在该行中的换能器101具有其相应的彼此连接的电极E1。然而,不同行的换能器101的电极E1不彼此连接。此外,在换能器阵列的每一列Cj中,在该列中的换能器101具有其相应的彼此连接的电极E2。然而,不同列的换能器101的电极E2不彼此连接。
对于换能器阵列的每一行Li,设备100包括发射电路TX、接收电路RX和开关SW,开关SW可控制为在第一配置(1)中将在该行中的换能器的电极E1连接到该行的发射电路TX的输出端子,并且在第二配置(2)中,将在该行中的换能器的电极E1连接到该行的接收电路RX的输入端子。
此外,对于换能器阵列的每一列Cj,设备100包括发射电路TX、接收电路RX和开关SW,开关SW可控制为在第一配置(1)中将在该列中的换能器的电极E2连接到该列的发射电路TX的输出端子,并且在第二配置(2)中,将在该列中的换能器的电极E2连接到该列的接收电路RX的输入端子。
对于每一行Li,该行的开关SW还可控制为在第三配置(3)中将在该行中的换能器的电极E1连接到施加固定偏置电位的节点GND,例如,地面。此外,对于每一列Ci,该列的开关SW还可控制为在第三配置(3)中将在该行中的换能器的电极E2连接到节点GND。
设备100还包括控制电路CTRL,其适于控制开关SW和发射电路TX,并且适于读取由接收电路RX传递的信号。控制电路CTRL与发射电路TX和接收电路RX以及开关SW形成用于控制换能器阵列101的电路。
每个发射电路TX还包括脉冲发生器,其具有耦合(例如,连接)到电路TX的输出端子的输出端子,和耦合(例如,连接)到控制电路CTRL的输出端子的控制输入端子。每个接收电路RX可以包括放大器,优选地低噪声放大器,其具有耦合(例如,连接)到电路RX的输入端子的端子输入,和耦合(例如,连接)到控制电路CTRL的输入端子的输出端子。
为了发射和/或接收超声波,CMUT型换能器通常必须偏置。为此,在其电极E1和E2之间施加DC偏置电位,同时向其电极E1和E2之一施加可变(即非连续)激励电压,或者从其电极E1和E2之一读取可变响应电压。
在已知的超声成像设备中,偏置电压由与发射电路和接收电路不同的特定偏置电压提供,并且去耦电容器被设置为将偏置电路与发射电路和接收电路隔离。然而,偏置电路和去耦电容器的提供增加了用于控制设备的电路的复杂性和成本。此外,去耦电容器的存在可能导致设备的不同换能器之间的寄生耦合。特别地,去耦电容器的存在显著限制了行和列的动态切换的可能性,并且因此限制了阵列有效扫描与超声波的传播轴正交的两个平面的能力。这在实践中导致所考虑体积的重建的不均匀性。
根据实施例的一个方面,在图1的设备100中,由控制电路的发射电路TX直接确保了超声换能器的偏置。这使得能够取消用于偏置换能器101的特定电路和用于将偏置电路与发射电路RX和接收电路TX隔离的去耦电容器。
在借助于设备100的换能器101传输超声波的阶段期间,控制电路CTRL将连接到换能器101的电极E1和电极E2的开关SW控制为第一配置(1),以将换能器101的电极E1和E2分别连接到换能器所属行Li的发射电路TX和换能器101所属列Cj的发射电路TX。控制电路CTRL然后控制换能器所属行Li的发射电路TX向换能器的电极E1施加DC偏置电位,并且同时控制换能器所属列Cj的发射电路TX在换能器的电极E2上施加可变激励电压,例如AC电压。
在借助于设备100的换能器101接收超声波的阶段期间,控制电路CTRL将连接到换能器101的电极E1和电极E2的开关SW分别控制为第一配置(1)和第二配置(2),以将换能器101的电极E1和E2分别连接到换能器所属行Li的发射电路TX和换能器101所属列Cj的接收电路RX。控制电路CTRL然后控制换能器所属行Li的发射电路TX向换能器的电极E1施加DC偏置电位,并且同时控制换能器所属列Cj的接收电路RX读取来自换能器的电极E2的AC响应电压。
作为一种变型,DC偏置电位可以被施加到电极E2,可变激励电压和可变响应电压然后分别被施加到电极E1并且从电极E1读取。
在另一种变型中,可以在发射阶段期间将DC偏置电位施加在电极E1和E2中的一个上,并且然后在接收阶段期间施加在另一个电极上。例如,在发射阶段期间,在电极E1上施加DC偏置电压以及在电极E2上施加可变激励电压,并且在接收阶段,在电极E2上施加DC偏置电压并且从电极E1读取可变响应电压。
图2是示意性地示出控制图1的设备100的方法的示例的时序图,能够由控制电路CTRL实施。在该示例中更具体地考虑了换能器101阵列的行Li和列Cj。图2示出了用于控制列Cj的开关SW的信号SCj、用于控制行Li的开关SW的信号SLi、由行Li的发射电路TX传递的电压OLTXi、由列Cj的发射电路TX传递的电压OCTXj、由列Cj的接收电路RX传递的电压OCRXj、由行Li的接收电路RX传递的电压OLRXi以及在行Li的换能器的电极E1与列Cj的换能器的电极E2之间的电压VLC的时间变化。应当注意,为简化起见,图2中并未详细说明信号SCj和SLi。更具体地,对于信号SCj和SLi中的每一个,已经示出了仅对应于开关SW到第一配置(连接到发射电路TX)的控制状态的状态“TX”,以及对应于开关SW到第二配置(连接到接收电路RX)的控制状态的状态“RX”。此外,为简化起见,在接收阶段期间由接收电路RX传递的响应信号OCRXj和OLRXi在图2中没有被详述说明。更具体地,对于信号OCRXj和OLRXi中的每一个,已经简单地示出了对应于由电路RX在超声波的接收阶段期间传递的可变信号的状态“ACQ”。
从时间t0到时间t0之后的时间t1,列Cj的开关SW和行Li的开关SW均被控制为第一配置(TX),以将行Li的换能器的电极E1连接到行Li的发射电路TX,以及将列Cj的换能器的电极E2连接到列Cj的发射电路TX。行Li的发射电路TX被控制为在行Li的换能器的电极E1上施加基本为零的DC电压OLTXi,并且列Cj的发射电路TX被控制为在列Cj的换能器的电极E2上施加负的DC偏置电压OCTXj-VPOL,例如,大约为-10伏。然后电压VLC是等于+VPOL的正DC电压。在不存在将接收电路RX连接到电极E1和E2的情况下,分别由列Cj的接收电路RX和由行Li的接收电路传递的电压OCRXj和OLRXi的值基本为零。
从时间t1到时间t1之后的时间t2,控制电路CTRL控制行Li的发射电路TX以将可变激励信号(例如,一系列正和/或负的电压脉冲)施加到行Li的换能器101的电极E1。在所示的示例中,激励信号对应于值为VPOL的正方波电压脉冲和值为-VPOL的负方波电压脉冲的交替。因此,电压VLC是在0伏和2*VPOL之间交替的方波脉冲电压。
时间t1和t2分别标记由行Li和列Cj共同的换能器101传输超声波的阶段的开始和结束。实际上,DC偏置电位-VPOL也可以被施加到设备的其他列的换能器101的电极E2。在这种情况下,在从时间t1到时间t2的传送阶段期间,由行Li的所有换能器101传送超声波。
从时间t2到时间t2之后的时间t3,列Cj的开关SW被控制为第二配置(RX),以将在列Cj中的换能器的电极E2连接到该列的接收电路RX。行Li的开关SW被维持在第一配置(TX)。行Li的发射电路TX被控制为向行Li的换能器的电极E1施加正DC电压OLTXi+VPOL。忽略由于换能器接收返回超声波引起的振荡(实际上,源自声电转换的返回信号的振幅比激励信号的振幅小至少四个数量级,即小80dB),然后电压VLC是等于+VPOL的正DC电压。
时间t2和t3分别标记由行Li和列Cj共同的换能器101接收返回超声波的阶段的开始和结束。在接收阶段期间,由列Cj的接收电路RX传递的电压OCRXj代表由行Li和列Cj共同的换能器101接收的超声波。控制电路CTRL可以读取电压OCRXj。实际上,在接收阶段,也可以将DC偏置电压VPOL施加到设备的其他行的换能器101的电极E1上。在这种情况下,电压OCRXj代表由列Cj的所有换能器101接收的返回超声波。
图2进一步示出了在时间t3之后由设备100实施超声波的发射和接收阶段的第二示例。在该第二示例中,施加DC偏置电压的电极和施加激励信号的电极以及返回信号的读取相对于刚刚已经描述的示例是颠倒的(inverted)。
从时间t3到时间t3之后的时间t4,列Cj的开关SW和行Li的开关SW都被控制为第一配置(TX)。控制列Cj的发射电路TX以在列Cj的换能器的电极E2上施加基本为零的DC电压OCTXj,并且控制行Li的发射电路TX以在行Li的换能器的电极E1上施加正DC偏置电压OLTXi+VPOL。然后电压VLC是等于+VPOL的正DC电压。
从时间t4到时间t4之后的时间t5,控制电路CTRL控制列Cj的发射电路TX以在列Cj的换能器101的电极E2上施加可变激励信号。
时间t4和t5分别标记由行Li和列Cj共同的换能器101传输超声波的阶段的开始和结束。实际上,DC偏置电压+VPOL也可以被施加到设备的其他行的换能器101的电极E1。在这种情况下,在从时间t4持续到时间t5的发射阶段期间,由列Cj的所有换能器101发射超声波。
从时间t5到时间t5之后的时间t6,行Li的开关SW被控制为第二配置(RX),以将行Li的换能器的电极E1连接到该行的接收电路RX。列Cj的开关SW被维持在第一配置(TX)。列Cj的发射电路TX被控制以在列Cj的换能器的电极E2上施加负DC电压OCTXj-VPOL。忽略由于返回超声波的接收引起的振荡,那么电压VLC是等于+VPOL的正DC电压。
时间t5和t6分别标记由行Li和列Cj共同的换能器101接收返回超声波的阶段的开始和结束。在接收阶段期间,由行Li的接收电路RX传递的电压OLRXi代表由行Li和列Cj共用的换能器101接收的超声波。电压OLRXi可以由控制电路CTRL读取。实际上,在接收阶段,也可以将DC偏置电压-VPOL施加到设备的其他列的换能器101的电极E2上。在这种情况下,电压OLRXi代表由列Li的所有换能器101接收的返回超声波。
在图2的示例中,从时间t6起,该方法继续进行类似于从时间t0实施的新传送-接收阶段。
在图1的示例中,开关SW的第三配置(3)可以进一步使得能够将换能器101的阵列控制为换能器的线性阵列,以获取二维图像。为此,阵列的所有行Li的开关SW例如可以被控制为第三配置,以将相同的DC偏置电位GND施加到所有换能器的电极E1。阵列的每一列Cj然后相当于在发射模式(列的开关SW然后处于第一配置)和接收模式(列的开关然后处于第二配置)中交替控制的单个换能器。应当注意,节点GND不一定连接到地,而是可以被耦合到用于传递适合于换能器偏置的固定偏置电位的端子。
类似地,阵列的所有列Cj的开关SW可以被控制为第三配置。然后,阵列的每一行都相当于在发射和接收模式下交替控制的单个换能器。
作为一种变型,开关SW的第三配置(3)可以被用于阵列模式(获取三维图像),以向换能器施加与由发射电路TX传递的电压高和低值所限定的水平不同的偏置电压。
在图1的示例中,每个开关SW例如包括第一、第二和第三断续器,每个断续器具有连接到相应行的电极E1或相应列的电极E2的第一传导节点,以及分别被连接到相应行或列的发射电路TX的输出端子、相应行或列的接收电路RX的输入端子以及节点GND的第二传导节点。
作为一种变型,可以省略开关SW的第三配置,这使得能够简化它们的形成。
开关SW的断续器可以借助于晶体管形成,例如MOS晶体管。在这种情况下,开关例如被集成在与基板内部不同的半导体芯片中并且在其顶部形成换能器101。例如,发射RX和接收TX电路、控制电路CTRL和开关SW被集成在同一个半导体芯片中。
在优选实施例中,开关SW的断续器以MEMS(“微机电系统”)技术形成。然后开关SW优选地与超声换能器阵列一体地集成,例如诸如在Xiao Zhang等人的题为“一种与电容微机械超声换能器一体集成的快速切换(1.35-μs)低控制电压(2.5-V)MEMS T/R开关(AFast-Switching(1.35-μs)Low-Control-Voltage(2.5-V)MEMS T/R SwitchMonolithically Integrated With a Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer)”的文章中所描述的(微机电系统期刊,PP(99):1,2018年1月11日)。
图3示意性地示出了这种断续器的实施例的示例。图3更具体地示出了断续器分别处于关断(阻断)状态和导通(导电)状态的两个侧横截面视图(A)和(B)以及断续器的顶部横截面视图(C)和底部横截面视图(D)。视图(A)和(B)是沿着视图(C)和(D)的平面P1的横截面视图,并且视图(C)和(D)是沿着视图(A)的平面P2的横截面视图。
图3的断续器包括悬挂在刚性支撑层305中形成的腔体303上方的柔性膜301。例如由氧化硅制成的层305被布置在支撑基板307(例如,由玻璃制成)的上表面。在所示的示例中,腔体303是贯通的,即腔体的底部由基板307的上表面形成。
图3的断续器包括布置在腔体303的顶部并且与腔体303的底部接触的两个单独的金属化件309和311,形成断续器的两个主要传导端子。图3的断续器还包括布置在膜301的顶部并且与膜301的下表面接触的耦合金属化件313,其被布置成使得当膜301处于称为高位置的第一位置时(对应于图3的视图(A)),金属化件313不与金属化件309和311接触,并且当膜301处于称为低位置的第二位置时(对应于图3的视图(B)),金属化件313将金属化件309和311彼此连接。因此,在膜301的高位置,断续器处于关断状态,并且在膜301的低位置,断续器处于导通状态。
断续器包括布置在腔体303的顶部并与腔体303的底部接触并且与金属化件309和311电绝缘的第一控制电极、以及布置在膜303的顶部并与膜303的上表面接触并且与耦合金属化件313电绝缘的第二控制电极317。
在电极315和317之间施加适当的控制电压导致通过静电效应将膜置于低位置,并且因此使断续器导通。在电极315和317之间没有电压的情况下,膜返回到其高位置,导致断续器关断。
柔性膜301可以由硅和/或氧化硅制成。优选地,膜301包括至少一个绝缘层,例如,由氧化硅制成,一方面确保上控制电极317和金属化件313之间的电绝缘,并且另一方面确保上控制电极317和下控制电极315之间的电绝缘。例如,柔性膜301包括硅层和绝缘层(例如,由氧化硅制成,涂覆硅层的下表面)的堆叠层(图中未详述)。
此外,为了避免通过金属化件313在金属化件309和311之间传送的信号的任何干扰,上控制电极317优选地与金属化件309、311和313相对地中断。
图4是示意性地示出了图1的设备100的超声换能器101阵列和开关SW的同一支撑基板307(在图4中不可见)上以整体形式共同集成的示例的俯视图。例如,发射电路RX和接收电路TX以及控制电路CTRL(在图4中不可见)被集成在与集成换能器101和开关SW的整体芯片不同的一个或多个半导体芯片中。
在该示例中,为简化起见,已经考虑了3*3超声换能器101的阵列。
每个换能器具有类似于图3的开关的结构,不同之处在于,在换能器101中,不存在导电金属化件309和311以及耦合金属化件313。在每个换能器101中,下控制电极315和上控制电极317分别对应于图1的电极E2和E1。
在图4的示例中,在换能器阵列的每一行Li中,在该行中的换能器101的上控制电极(对应于电极E1)彼此连接并形成基本上沿着行的整个长度延伸的连续的金属条401。此外,在换能器阵列的每一列Cj中,在行中的换能器101的下控制电极(对应于电极E2)彼此连接并形成基本上沿着该列的整个长度延伸的连续的金属条402。在本示例中,金属条401互相平行,并且金属条402互相平行,且与条401垂直。
在图4的示例中,对于换能器阵列的每一行Li,该设备包括布置在该行的金属条401的第一端处的第一断续器K1和布置在该行的金属条401的相对端处的第二断续器K2。断续器K1和K2是关于图3所描述类型的MEMS断续器。断续器K1和K2中的每一个都具有连接到金属条401的导电金属化件309。断续器K1的导电金属化件311被连接到旨在被连接到该行的发射电路TX的输出端子的金属焊盘RX。
在图4的示例中,该设备还包括:对于换能器阵列的每一列Cj,布置在该列的金属条402的第一端处的第一断续器K1,以及布置在该列的金属条402的相对端的第二断续器K2。断续器K1和K2中的每个具有连接到金属条402的导电金属化件309。断续器K1的导电金属化件311被连接到旨在连接到该列的发射电路TX的输出端子的金属焊盘TX。断续器K2的导电金属化件311被连接到旨在连接到该列的接收电路RX的输入端子的金属焊盘RX。
对于每一行Li,该行的断续器K1和K2形成该行的开关SW。类似地,对于每一列Cj,该列的断续器K1和K2形成该列的开关SW。在该示例中,开关SW是具有两个位置的开关,仅可控制为第一配置(1)和第二配置(2)。
在图4的示例中,阵列的不同行Li的断续器K1都位于阵列的同一边的一侧,在所示示例中的左手边,并且阵列的不同行Li的断续器K2都位于阵列的相对边的一侧,在所示示例中的右手边。进一步地,在本示例中,阵列的不同列Cj的断续器K1都位于阵列的同一边的一侧,在所示示例中的下边,并且阵列的不同列Cj的断续器K2都位于阵列的相对边的一侧,在所示示例中的上边。
在图4的示例中:
-阵列的不同行Li的断续器K1的控制电极315都被连接到相同的金属焊盘PLK1A,并且阵列的不同行Li的断续器K1的控制电极317都被连接到相同的金属焊盘PLK1B;
-阵列的不同行Li的断续器K2的控制电极315都被连接到相同的金属焊盘PLK2A,并且阵列的不同行Li的断续器K2的控制电极317都被连接到相同的金属焊盘PLK2B;
-阵列的不同列Cj的断续器K1的控制电极315都被连接到相同的金属焊盘PCK1A,并且阵列的不同列Cj的断续器K1的控制电极317都被连接到相同的金属焊盘PCK1B;以及
-阵列的不同列Cj的断续器K2的控制电极315都被连接到相同的金属焊盘PCK2A,并且阵列的不同列Cj的断续器K2的控制电极317都被连接到相同的金属焊盘PCK2B。
金属焊盘PLK1A、PLK1B、PLK2A、PLK2B、PCK1A、PCK1B、PCK2A、PCK2B旨在被连接到设备控制电路CTRL。
在该示例中,不同行Li的断续器K1都通过在焊盘PLK1A和PLK1B之间施加适当的控制电压而同时被控制。此外,不同行Li的断续器K2都通过在焊盘PLK2A和PLK2B之间施加适当的控制电压而被同时控制。此外,不同列Cj的断续器K1都通过在焊盘PCK1A和PCK1B之间施加适当的控制电压而被同时控制。此外,不同列Cj的断续器K2都通过在焊盘PCK2A和PCK2B之间施加适当的控制电压而被同时控制。这使得能够限制控制开关SW所需的连接焊盘的数量,并且因此限制设备的总体体积和成本。
图5示出了图4的设备的替代实施例。
在图5的变型中,为设备的断续器K1和K2中的每一个提供了两个特定的金属导电焊盘A和B,焊盘A和B分别被连接到断续器的下控制电极315和上控制电极317。这使得能够单独控制断续器K1和K2。
为简化起见,在图5中仅示出了单个断续器K1和连接到该断续器的金属条401的一部分。
图6示出了图4的设备的另一个替代实施例。在图6的示例中,对于设备的每一行Li,该行的断续器K1和K2被布置在该行的同一端的一侧上。类似地,对于设备的每一列Cj,该列的断续器K1和K2可以被布置在该列的同一端的一侧上。
在图6的示例中,以及在图5的示例中,为设备的断续器K1和K2中的每一个提供了两个特定的金属导电焊盘A和B。作为变型,不同行的断续器K1和K2的相应控制电极以及不同列的断续器K1和K2的相应控制电极可以互相连接,类似于已经结合图4所描述的,以减少设备的连接焊盘的总数。
为简化起见,在图6中仅示出了单个断续器K1、单个断续器K2和连接到这些断续器的金属条401的一部分。
在每个开关SW包括三个断续器的情况下,三个断续器可以被布置在相应金属条401或402的同一端的一侧。作为变型,两个断续器可以被布置在相应金属条401或402的同一端的一侧,第三开关被布置在金属条的相对端的一侧。如在图5的示例中,可以为每个断续器提供两个特定的金属导电焊盘A和B。作为变型,用于控制不同行的断续器的相应电极和用于控制不同列的断续器的相应电极可以互相连接,类似于已经结合图4所描述的。
图7示意性并且部分地示出了图4的设备的实施例的示例。图7更具体地包括示出在设备的金属条402的方向上的纵向横截面的视图(A),以及示出在设备的金属条401的方向上的纵向横截面的视图(B)。为简化起见,在每个视图中,仅示出了位于相应金属条401或402的端部处的两个换能器101和一个断续器K1。
如图7所示,换能器101和断续器形成在同一支撑基板307上。金属条402、断续器的导电电极309和311、以及断续器的下控制电极315(未在图7中示出)被形成在涂覆基板307的上表面的相同第一金属化件层级中。支撑层305被形成在第一金属化件层级之上。膜301位于支撑层305上方。金属条401和断续器的上控制电极317被形成在布置在膜301上方的相同金属化件层级中。每个金属条401经由传导通孔701穿过膜层301和支撑层305被连接到相应行的开关SW的断续器的传导端子309。连接焊盘RX和TX(在图7中不可见)可以形成在与金属条401相同的金属化件层级中。
应当注意,在图7所示的示例中,在每个换能器101中,膜301被悬挂在其上方的腔体303被划分成多个基本腔,例如,在由层305材料制成的壁两两隔开的3*3基本腔体的阵列中。然而,所描述的实施例不限于该特定情况。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解,这些各种实施例和变型的某些特征可以被组合,并且本领域技术人员将想到其他变型。特别地,虽然已经仅描述了超声换能器101是CMUT换能器的实施例的示例,但结合图1和2描述的实施例可以被适用于在发送和/或接收超声波需要偏置到DC电压的任何其他类型的换能器,例如PMUT型(“压电微机械超声换能器”)换能器。

Claims (11)

1.超声成像设备(100),包括:
-以行(Li)和列(Cj)的阵列布置的多个超声换能器(101),每个换能器包括第一电极(E1)和第二电极(E2),同一行的所述换能器的第一电极互相连接并且同一列的所述换能器的第二电极互相连接;
-用于每一行(Li)的发射电路(TX)、接收电路(RX)和开关(SW),所述开关(SW)可控制成在第一配置中将在所述行中的换能器的第一电极(E1)连接到所述行的发射电路(TX),并且在第二配置中将在所述行中的换能器的第一电极(E1)连接到所述行的接收电路(RX);
-用于每一列(Cj)的发射电路(TX)、接收电路(RX)和开关(SW),所述开关(SW)可控制成在第一配置中将在所述列中的换能器的第二电极(E2)连接到所述列的发射电路(TX),并且在第二配置中将在所述列中的换能器的第二电极(E2)连接到所述列的接收电路(RX);以及
-控制电路(CTRL),其被配置为:
在第一发射阶段期间,将行(Li)和列(Cj)的所述开关(SW)控制为所述第一配置,控制所述行的发射电路(TX)以在所述行(Li)中的换能器的第一电极(E1)上施加DC偏置信号,并控制所述列的发射电路(TX)以在所述列(Cj)中的换能器的第二电极(E2)上施加可变激励信号;和/或
在第一接收阶段期间,将行(Li)和列(Cj)的所述开关(SW)分别控制为所述第一配置和所述第二配置,控制所述行的发射电路(TX)以在所述行(Li)中的换能器的第一电极(E1)上施加DC偏置信号,并控制所述列的接收电路(RX)以从所述列(Cj)中的换能器的第二电极(E2)读取可变响应信号。
2.根据权利要求1所述的设备,其中,所述控制电路(CTRL)还被配置为:
在第二发射阶段期间,将行(Li)和列(Cj)的所述开关(SW)控制为所述第一配置,控制所述列的发射电路(TX)以在所述列(Cj)中的换能器的第二电极(E2)上施加DC偏置信号,并控制所述行的发射电路(TX)以在所述行(Li)中的换能器的第一电极(E1)上施加可变激励信号;和/或
在第二接收阶段期间,将行(Li)和列(Cj)的所述开关(SW)分别控制为所述第二配置和所述第一配置,控制所述列的发射电路(TX)以在所述列(Cj)中的换能器的第二电极(E2)上施加DC偏置信号,并控制所述列的接收电路(RX)以从在所述行(Li)中的换能器的第一电极(E1)读取可变响应信号。
3.根据权利要求1或2所述的设备,其中:
-在每一行(Li)中,所述行的开关(SW)还可控制为在第三配置中将在所述行中的换能器的第一电极(E1)连接到施加固定偏置电位的节点(GND);并且
-在每一列(Cj)中,所述列的开关(SW)还可控制为在第三配置中将所述列中的换能器的第二电极(E2)连接到施加固定偏置电位的所述节点(GND)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备,其中:
-不同行(Li)的开关(SW)具有共同的控制端子;并且
-不同列(Cj)的开关(SW)具有共同的控制端子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备,其中:
-不同行(Li)的开关(SW)具有不同的控制端子;并且
-不同列(Cj)的开关(SW)具有不同的控制端子。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备,其中,所述超声换能器(101)是CMUT换能器或PMUT换能器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备,其中,所述开关(SW)与所述超声换能器(101)的阵列一体地共同集成。
8.根据权利要求7所述的设备,其中,每个开关(SW)包括静电控制的第一MEMS断续器(K1)和静电控制的第二MEMS断续器(K2)。
9.根据权利要求8所述的设备,其中:
-对于每一行(Li),所述行的开关(SW)的第一断续器(K1)和第二断续器(K2)分别被布置在所述行(Li)的两端;并且
-对于每一列(Cj),所述列的开关(SW)的第一断续器(K1)和第二断续器(K2)分别被布置在所述列(Cj)的两端。
10.根据权利要求8所述的设备,其中:
-对于每一行(Li),所述行的开关(SW)的第一断续器(K1)和第二断续器(K2)被布置在所述行(Li)的同一端的一侧上;并且
-对于每一列(Cj),所述列的开关(SW)的第一断续器(K1)和第二断续器(K2)被布置在所述列(Cj)的同一端的一侧上。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备,其中,每个开关(SW)还包括静电控制的第三MEMS断续器,并且其中:
-对于每一行(Li),所述行的开关(SW)的第三断续器被布置在所述行(Li)的与所述行中的第一断续器(K1)同一端的一侧上,或者在所述行(Li)的与所述行中的第一断续器(K1)相对端的一侧上;
-对于每一列(Cj),所述列的开关(SW)的第三断续器被布置在所述列(Cj)的与所述列中的第一断续器(K1)同一端的一侧上,或者在所述列(Cj)的与所述列中的第一断续器(K1)相对端的一侧上。
CN202080045231.8A 2019-06-18 2020-06-16 超声矩阵成像设备 Pending CN114008925A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1906515 2019-06-18
FR1906515A FR3097707B1 (fr) 2019-06-18 2019-06-18 Dispositif d'imagerie ultrasonore matriciel
PCT/EP2020/066632 WO2020254325A1 (fr) 2019-06-18 2020-06-16 Dispositif d'imagerie ultrasonore matriciel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114008925A true CN114008925A (zh) 2022-02-01

Family

ID=68138432

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080045231.8A Pending CN114008925A (zh) 2019-06-18 2020-06-16 超声矩阵成像设备

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11808849B2 (zh)
EP (1) EP3987663B1 (zh)
JP (1) JP7499277B2 (zh)
CN (1) CN114008925A (zh)
CA (1) CA3141652A1 (zh)
DK (1) DK3987663T3 (zh)
FR (1) FR3097707B1 (zh)
WO (1) WO2020254325A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11448621B2 (en) * 2020-03-30 2022-09-20 Olympus NDT Canada Inc. Ultrasound probe with row-column addressed array

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2789234B2 (ja) * 1989-10-02 1998-08-20 株式会社日立メディコ 超音波診断装置
US6159149A (en) * 1996-03-22 2000-12-12 Lockheed Martin Corporation Ultrasonic camera
US6645145B1 (en) * 1998-11-19 2003-11-11 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Diagnostic medical ultrasound systems and transducers utilizing micro-mechanical components
US7314445B2 (en) * 2003-12-30 2008-01-01 General Electric Company Integrated low-voltage transmit/receive switch for ultrasound imaging system
JP4842726B2 (ja) * 2006-07-18 2011-12-21 富士フイルム株式会社 超音波検査装置
US8508103B2 (en) 2009-03-23 2013-08-13 Sonavation, Inc. Piezoelectric identification device and applications thereof
JP5558858B2 (ja) * 2010-02-15 2014-07-23 株式会社東芝 超音波プローブ
US9096422B2 (en) 2013-02-15 2015-08-04 Fujifilm Dimatix, Inc. Piezoelectric array employing integrated MEMS switches
US9254118B2 (en) * 2013-03-15 2016-02-09 Analogic Corporation Floating transducer drive, system employing the same and method of operating
FR3061616B1 (fr) 2017-01-04 2020-10-02 Moduleus Circuit de commande de transducteurs ultrasonores
FR3063003A1 (fr) * 2017-02-22 2018-08-24 Quantel Medical Procede d'echographie oculaire a transducteurs annulaires

Also Published As

Publication number Publication date
FR3097707B1 (fr) 2021-05-21
DK3987663T3 (da) 2023-10-16
US11808849B2 (en) 2023-11-07
EP3987663A1 (fr) 2022-04-27
WO2020254325A1 (fr) 2020-12-24
US20220413134A1 (en) 2022-12-29
CA3141652A1 (fr) 2020-12-24
EP3987663B1 (fr) 2023-08-09
JP2022547370A (ja) 2022-11-14
JP7499277B2 (ja) 2024-06-13
FR3097707A1 (fr) 2020-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9199277B2 (en) Ultrasonic measurement device, ultrasonic head unit, ultrasonic probe, and ultrasonic image device
KR101236118B1 (ko) 재구성 가능한 센서용 장치 및 시스템
US9513263B2 (en) Ultrasonic measurement apparatus, ultrasonic head unit, ultrasonic probe, and ultrasonic imaging apparatus
US7775979B2 (en) Transmit and receive interface array for highly integrated ultrasound scanner
US9788814B2 (en) Ultrasonic measurement apparatus, ultrasonic head unit, ultrasonic probe, and ultrasonic imaging apparatus
JP6186696B2 (ja) 超音波測定装置、ヘッドユニット、プローブ及び診断装置
US20080262357A1 (en) Transmit/receive circuitry for ultrasound systems
US20210293952A1 (en) Synthetic lenses for ultrasound imaging systems
US9509236B2 (en) Integrated circuit apparatus, ultrasound measuring apparatus, ultrasound probe and ultrasound diagnosis apparatus
JP2016513408A (ja) 一体型memsスイッチを使用する圧電アレイ
CN105310718A (zh) 超声波器件、探测器以及电子设备
JP2014083281A (ja) 超音波測定装置、ヘッドユニット、プローブ及び診断装置
JP2014083282A (ja) 超音波測定装置、ヘッドユニット、プローブ及び診断装置
JP2014083283A (ja) 超音波測定装置、ヘッドユニット、プローブ及び診断装置
US11808849B2 (en) Ultrasonic matrix imaging device
CN115516336A (zh) 超声成像设备
Plummer et al. An ultrasonic imaging system for realtime cardiac imaging
JP2014124427A (ja) 超音波送信回路、集積回路装置、超音波測定装置、超音波プローブ及び超音波診断装置
US20240288579A1 (en) Method and device for performing ultrasonic imaging with row-column addressing
KR102066165B1 (ko) 2차원 배열 초음파 센서 및 그를 이용한 3차원 영상 신호 획득 방법
JP6734180B2 (ja) アナログ加算回路、それを用いた超音波探触子、および超音波診断装置
JP6349822B2 (ja) 超音波測定装置、超音波画像装置及び電子機器
JPS605137A (ja) 電子走査形超音波断層装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination