CN117427864A - 超声波换能模组及超声波探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声波换能模组，包括基底、压电式超声波换能器(piezoelectric ultrasonic transducer)及微机械超声波换能器(micromachined ultrasonic transducer)。压电式超声波换能器配置于基底上，微机械超声波换能器配置于压电式超声波换能器上。压电式超声波换能器配置于基底与微机械超声波换能器之间，压电式超声波换能器所发出的超声波穿透微机械超声波换能器而传递至外界，或该压电式超声波换能器穿透该微机械超声波换能器而接收来自外界的超声波。一种超声波探头亦被提出。
Description
技术领域
本发明涉及超声波换能器，特别涉及一种超声波换能模组及超声波探头。
背景技术
超声波换能器是在超声波频率范围内，实现声能和电能相互转换的换能器。超声波换能器主要可分为三类：1.发射器；2.接收器；以及3.收发两用型换能器。用来发射超声波的换能器称为发射器，当换能器处于发射状态时，将电能转换为机械能，再转换为声能。用来接收声波的换能器称为接收器，当换能器处于接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。在有些情况下，换能器既可用作发射器，又可用作接收器，称为收发两用型换能器。收发两用型换能器是超声波技术的核心内容和关键技术之一，广泛应用于无损检测、医学影像、超声波显微镜、指纹识别及物联网等领域。
传统的超声波换能器在检测人体时，因应待侦测的组识或部位的不同(例如心脏、颈动脉、腹部…等)需求，所使用的超声波的频率及解析度也会不同。此时，每当换不同的部位来作超声波影像检测时，往往需要更换不同的超声波换能器，如此会造成使用上的不便及器材成本的增加。
发明内容
本发明提供一种复合型超声波换能模组及超声波探头，其具有较广泛的功能。
本发明提出一种超声波换能模组，其包括：基底；压电式超声波换能器，配置于该基底上；以及微机械超声波换能器，配置于该压电式超声波换能器上，其中压电式超声波换能器配置于该基底与该微机械超声波换能器之间，该压电式超声波换能器所发出的超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至外界，或该压电式超声波换能器穿透该微机械超声波换能器而接收来自外界的超声波。
较佳的，该微机械超声波换能器为电容式微机械超声波换能器、压电式微机械超声波换能器或薄膜式微机械超声波换能器；或者，该压电式超声波换能器为锆钛酸铅或单晶超声波换能器。
较佳的，该微机械超声波换能器为薄膜式微机械超声波换能器，该薄膜式微机械超声波换能器的厚度是落在1微米至10微米的范围内。
较佳的，该微机械超声波换能器为薄膜式微机械超声波换能器，该微机械超声波换能器具有可挠性。
较佳的，该压电式超声波换能器呈片状，及/或，该压电式超声波换能器呈弧形。
较佳的，还包括控制器，该控制器电性连接至该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器，其中，该控制器用以命令该压电式超声波换能器发出该超声波，其中该超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至待测物，该待测物反射该超声波形成反射波，且该微机械超声波换能器接收该反射波。
较佳的，还包括控制器，该控制器电性连接至该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器，其中，该控制器用以命令该压电式超声波换能器发出第一超声波，该第一超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至待测物，该待测物反射该第一超声波反射形成第一反射波，且该压电式超声波换能器接收该第一反射波；该控制器还用以命令该微机械超声波换能器发出第二超声波，该第二超声波传递至该待测物，该待测物反射该第二超声波形成第二反射波，且该微机械超声波换能器接收该第二反射波。
较佳的，还包括控制器，该控制器电性连接至该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器，其中，该控制器用以命令该压电式超声波换能器发出第一超声波，该第一超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至待测物，该控制器用以命令该微机械超声波换能器发出第二超声波，该第二超声波传递至该待测物，该待测物反射该第二超声波形成反射波，且该微机械超声波换能器接收该反射波。
较佳的，还包括匹配层，配置于该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器之间。
本发明还提出一种超声波探头，其包括：手持握把，具有第一端与第二端；压电式超声波换能器，配置于该手持握把的该第一端上；以及微机械超声波换能器，配置于该压电式超声波换能器上，其中该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器二者中相对靠近该第二端的一个所发出的超声波穿透该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器二者中另一相对远离该第二端的一个而传递至外界，或该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器二者中相对靠近该第二端的一个所发出的超声波穿透该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器二者中另一相对远离该第二端的一个而接收来自外界的超声波。
较佳的，该微机械超声波换能器为电容式微机械超声波换能器、压电式微机械超声波换能器或薄膜式微机械超声波换能器。
较佳的，该微机械超声波换能器具有可挠性。
较佳的，该压电式超声波换能器配置于该手持握把与该微机械超声波换能器之间。
较佳的，还包括控制器，该控制器电性连接至该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器，其中，该控制器用以命令该压电式超声波换能器发出该超声波，该超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至一待测物，该待测物反射该超声波形成反射波，且该微机械超声波换能器接收该反射波。
在本发明的超声波换能模组与超声波探头中，采用了堆叠的压电式超声波换能器与微机械超声波换能器，而压电式超声波换能器与微机械超声波换能器可以作不同的超声波感测或输出。因此，本发明的实施例的超声波换能模组与超声波探头具有较广泛的功能。
附图说明
图1为本发明的一实施例的超声波探头的爆炸示意图。
图2A为图1中的超声波换能模组的一实施例的剖面示意图。
图2B是图2A的超声波换能模组的另一应用模式的剖面示意图。
图2C是图2A的超声波换能模组的又一应用模式的剖面示意图。
图3为本发明的另一实施例的超声波换能模组的剖面示意图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
图1为本发明的一实施例的超声波探头的爆炸示意图，而图2A为图1中的超声波换能模组的一实施例的剖面示意图，其中图2A中的超声波换能模组的基底没有绘示出来，基底可参照图1所绘示。请参照图1与图2A，本实施例的超声波探头100包括手持握把110、压电式超声波换能器300及微机械超声波换能器400。手持握把110具有第一端112与第二端114，压电式超声波换能器300配置于手持握把110的第一端112上，微机械超声波换能器400配置于压电式超声波换能器300上。压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400中较靠近第二端114中一者(在图1与图2A中例如是压电式超声波换能器300)所发出的超声波302穿透压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400中另一较远离第二端114者(在图1与图2A中例如是微机械超声波换能器400)而传递至外界。
在本实施例中，压电式超声波换能器300配置于手持握把110与微机械超声波换能器400之间。然而，在其他实施例中，也可以是微机械超声波换能器400配置于手持握把110与压电式超声波换能器300之间。在本实施例中，手持握把110的第一端112上可设有超声波换能模组200，超声波换能模组200包括基底210、上述压电式超声波换能器300及上述微机械超声波换能器400。压电式超声波换能器300配置于基底210上，微机械超声波换能器400配置于压电式超声波换能器300上。压电式超声波换能器300配置于基底210与微机械超声波换能器400之间，压电式超声波换能器300所发出的超声波302穿透微机械超声波换能器400而传递至外界。
在本实施例中，微机械超声波换能器400例如为电容式微机械超声波换能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)，以微机电制程技术制作的微型元件，其制作于硅基体上(silicon substrate)玻璃(glass)或可挠性基体上，例如SU-8厚膜光阻、有机硅(Polydimethylsiloxane,PDMS)或聚酰亚胺(Polyimide,PI)等，而压电式超声波换能器300例如为锆钛酸铅(lead zirconium titanate,PZT)超声波换能器。此外，在本实施例中，微机械超声波换能器400为薄膜式微机械超声波换能器，而压电式超声波换能器300呈片状。在一实施例中，微机械超声波换能器400的厚度T1是落在2微米至10微米的范围内。
在本实施例中，压电式超声波换能器300呈弧形。此外，在本实施例中，微机械超声波换能器400得具有可挠性，因此，微机械超声波换能器400可随着压电式超声波换能器300呈现弧形，而压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400配置于基底210的弧形表面，如此可以有效扩大感测的范围。然而，在另一实施例中，压电式超声波换能器300也可以呈平面状，而微机械超声波换能器400也可以呈平面状。
在本实施例的超声波换能模组200与超声波探头100中，采用了堆叠的压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400，而压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400可以作不同的超声波感测或输出。因此，本实施例的超声波换能模组200与超声波探头100具有较广泛的功能。
在本实施例中，压电式超声波换能器300包括压电式层330、第一电极310及第二电极320。压电式层330的材质例如为锆钛酸铅，压电式层330配置于第一电极310与第二电极320之间。当第一电极310与第二电极320之间被施加电压差时，压电式层330会振动而发出超声波。另一方面，当来自外界的超声波传递至压电式层330而振动压电式层330时，第一电极310与第二电极320之间的电压会因压电效应而产生变化，控制器220可感测及分析第一电极310与第二电极320之间的电压变化，进而达成对外来超声波的感测功能。压电式层330及第一电极310与第二电极320的其中的一个电极可分割成多个单元，以形成多个阵元。或者，在另一实施例中，压电式层330、第一电极310与第二电极320也可以不分割，而形成单一阵元。
在本实施例中，微机械超声波换能器400包括挡墙440、第三电极410、第四电极420及薄膜450。挡墙440形成有多个微空腔430，微空腔430位于第三电极410与第四电极420之间，薄膜450跨越微空腔430之上，而第四电极420配置于薄膜450上。薄膜450例如为可挠膜，其可受力变形。当对第三电极410与第四电极420施加电压变化时，会因为第三电极410与第四电极420之间的电力线变化，而使得薄膜450振动，而发出超声波。另一方面，当第三电极410与第四电极420之间施加适当的电压时，外界的超声波传递至薄膜450而使薄膜450产生振动，使第三电极410与第四电极420输出具有变化的电流讯号。控制器220可控制、感测及分析第三电极410与第四电极420之间的电讯号，进而达成对外发出超声波以及超声波的感测功能。此外，第四电极420可随着微空腔430分割成多个单元，以形成多个阵元。微机械超声波换能器400可以是相控阵型换能器(phase array transducer)、直线形或弧形换能器。
请参照图2A，超声波换能模组200更包括控制器220，电性连接至压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400，例如是电性连接至第一电极310、第二电极320、第三电极410及第四电极420。控制器220用以命令压电式超声波换能器300发出超声波302，超声波302穿透微机械超声波换能器400而传递至一待测物50，待测物50将超声波302反射成反射波52，且微机械超声波换能器400接收反射波52。如此一来，便可藉由微机械超声波换能器400感测到待测物50。如此超声波换能模组200可以用来作为超声波刀、电烧刀、雷射针灸、光疗等热监控。举例而言，压电式超声波换能器300可作为高强度聚焦超音波治疗系统(high intensity focused ultrasound therapeutic system)，例如为单一阵元的换能器，而微机械超声波换能器400可作为用以观测超声波影像的感测阵列(即多阵元)。
在本实施例中，超声波换能模组200还包括匹配层230，配置于压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400之间，如此可以帮助降低超声波在压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400之间传递时所遇到的声阻。此外，在一实施例中，压电式超声波换能器300所发出的超声波302有大于90％的能量穿透微机械超声波换能器400，而不会造成太多的能量损耗。
图2B是图2A的超声波换能模组的另一应用模式的剖面示意图。请参照图2B，在本实施例的超声波换能模组200中，控制器220用以命令压电式超声波换能器300发出第一超声波(即超声波302)，第一超声波穿透微机械超声波换能器400而传递至待测物50，待测物50将第一超声波反射成第一反射波(即反射波52)，且压电式超声波换能器300接收第一反射波。此外，控制器220用以命令微机械超声波换能器400发出第二超声波(即超声波402)，第二超声波传递至待测物50，待测物50将第二超声波反射成第二反射波(即反射波54)，且微机械超声波换能器400接收第二反射波。
本实施例的超声波换能模组200可作为多用途整合的超声波换能模组。举例而言，压电式超声波换能器300可为直线形换能器或弧形换能器，而微机械超声波换能器400可为相控阵型换能器或二维阵列换能器。此外，压电式超声波换能器300的阵元的节距(pitch)可相同于或不同于微机械超声波换能器400的阵元的节距。此外，当压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400皆为弧形换能器时，两者的曲率中心可以相同或接近。超声波换能模组200可以达到诊断与治疗合一的效果，例如可以做到胶原蛋白的定位、给药打破泡泡与血脑屏障。或者，在穿刺应用时，可以利用压电式超声波换能器300观察深度较深的组织，而微机械超声波换能器400可以用以观察深度较浅的组织，且第一超声波与第二超声波的频率可以不相同。
图2C是图2A的超声波换能模组的又一应用模式的剖面示意图。请参照图2C，在本实施例的超声波换能模组200中，控制器220用以命令压电式超声波换能器300发出第一超声波(即超声波302)，第一超声波穿透微机械超声波换能器400而传递至待测物50。此外，控制器220用以命令微机械超声波换能器400发出第二超声波(即超声波402)，第二超声波传递至待测物50。待测物50将第二超声波反射成反射波54，且微机械超声波换能器400接收反射波54。
本实施例的超声波换能模组200可做到破坏性治疗定位，以取代一部分的断层扫描电脑断层扫描(computer tomography,CT)或磁振造影(magnetic resonance imaging,MRI)的功能。举例而言，压电式超声波换能器300可作为高强度聚焦或非聚焦超音波治疗系统，例如可作为海福超声波刀(HIFU)，其可为单一阵元或排成阵列的多阵元换能器，而微机械超声波换能器400可具有排成一维阵列或二维阵列的阵元，其可执行即时病兆的标定。
图3为本发明的另一实施例的超声波换能模组的剖面示意图。请参照图3，本实施例的超声波换能模组200a类似图2A的超声波换能模组200，而两者的差异如下所述。在本实施例的超声波换能模组200a中，微机械超声波换能器400a为压电式微机械超声波换能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducers,PMUT)，其包括挡墙440、第三电极410、第四电极420、薄膜450及压电式薄膜460。挡墙440形成有多个微空腔430，第三电极410与第四电极420皆位于微空腔430的上方，薄膜450跨越微空腔430之上，而第三电极410配置于薄膜450上。压电式薄膜460配置于第三电极410上，且第四电极420配置于压电式薄膜460上。当对第三电极410与第四电极420施加电压变化时，会使压电式薄膜460产生振动，并使得薄膜450振动，而发出超声波。另一方面，当外界的超声波传递至压电式薄膜460而使其产生振动时，第三电极410与第四电极420之间的电压会因为压电效应而产生变化，而使第三电极410与第四电极420输出具有变化的电压讯号。控制器220可感测及分析第三电极410与第四电极420之间的电压变化，进而达成对外来超声波的感测功能。此外，压电式薄膜460及第三电极410与第四电极420中的其中一个电极可随着微空腔430分割成多个单元，以形成多个阵元。
更进一步地，压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400、400a两者中至少一个可用以发送超声波讯号，而压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400、400a两者中至少一个亦可用以接收超声波讯号，而且压电式超声波换能器300与微机械超声波换能器400、400a两者所发送及/或接收的超声波讯号可彼此沟通，来达到各个超声波的应用。
综上所述，在本发明的实施例的超声波换能模组与超声波探头中，采用了堆叠的压电式超声波换能器与微机械超声波换能器，而压电式超声波换能器与微机械超声波换能器可以作不同的超声波感测或输出。因此，本发明的实施例的超声波换能模组与超声波探头具有较广泛的功能。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。
Claims (14)
1.一种超声波换能模组，其特征在于，包括：
基底；
压电式超声波换能器，配置于该基底上；以及
微机械超声波换能器，配置于该压电式超声波换能器上，其中压电式超声波换能器配置于该基底与该微机械超声波换能器之间，该压电式超声波换能器所发出的超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至外界，或该压电式超声波换能器穿透该微机械超声波换能器而接收来自外界的超声波。
2.如权利要求1所述的超声波换能模组，其特征在于，该微机械超声波换能器为电容式微机械超声波换能器、压电式微机械超声波换能器或薄膜式微机械超声波换能器；或者，该压电式超声波换能器为锆钛酸铅或单晶超声波换能器。
3.如权利要求1所述的超声波换能模组，其特征在于，该微机械超声波换能器为薄膜式微机械超声波换能器，该薄膜式微机械超声波换能器的厚度是落在1微米至10微米的范围内。
4.如权利要求1所述的超声波换能模组，其特征在于，该微机械超声波换能器为薄膜式微机械超声波换能器，该微机械超声波换能器具有可挠性。
5.如权利要求1所述的超声波换能模组，其特征在于，该压电式超声波换能器呈片状，及/或，该压电式超声波换能器呈弧形。
6.如权利要求1所述的超声波换能模组，其特征在于，还包括控制器，该控制器电性连接至该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器，其中，该控制器用以命令该压电式超声波换能器发出该超声波，其中该超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至待测物，该待测物反射该超声波形成反射波，且该微机械超声波换能器接收该反射波。
7.如权利要求1所述的超声波换能模组，其特征在于，还包括控制器，该控制器电性连接至该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器，其中，该控制器用以命令该压电式超声波换能器发出第一超声波，该第一超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至待测物，该待测物反射该第一超声波反射形成第一反射波，且该压电式超声波换能器接收该第一反射波；该控制器还用以命令该微机械超声波换能器发出第二超声波，该第二超声波传递至该待测物，该待测物反射该第二超声波形成第二反射波，且该微机械超声波换能器接收该第二反射波。
8.如权利要求1所述的超声波换能模组，其特征在于，还包括控制器，该控制器电性连接至该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器，其中，该控制器用以命令该压电式超声波换能器发出第一超声波，该第一超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至待测物，该控制器用以命令该微机械超声波换能器发出第二超声波，该第二超声波传递至该待测物，该待测物反射该第二超声波形成反射波，且该微机械超声波换能器接收该反射波。
9.如权利要求1所述的超声波换能模组，其特征在于，还包括匹配层，配置于该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器之间。
10.一种超声波探头，其特征在于，包括：
手持握把，具有第一端与第二端；
压电式超声波换能器，配置于该手持握把的该第一端上；以及
微机械超声波换能器，配置于该压电式超声波换能器上，其中该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器二者中相对靠近该第二端的一个所发出的超声波穿透该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器二者中另一相对远离该第二端的一个而传递至外界，或该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器二者中相对靠近该第二端的一个所发出的超声波穿透该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器二者中另一相对远离该第二端的一个而接收来自外界的超声波。
11.如权利要求10所述的超声波探头，其特征在于，该微机械超声波换能器为电容式微机械超声波换能器、压电式微机械超声波换能器或薄膜式微机械超声波换能器。
12.如权利要求10所述的超声波探头，其特征在于，该微机械超声波换能器具有可挠性。
13.如权利要求10所述的超声波换探头，其特征在于，该压电式超声波换能器配置于该手持握把与该微机械超声波换能器之间。
14.如权利要求13所述的超声波探头，其特征在于，还包括控制器，该控制器电性连接至该压电式超声波换能器与该微机械超声波换能器，其中，该控制器用以命令该压电式超声波换能器发出该超声波，该超声波穿透该微机械超声波换能器而传递至一待测物，该待测物反射该超声波形成反射波，且该微机械超声波换能器接收该反射波。
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