DE19983754B3 - Diagnostische medizinische Ultraschallsysteme und Wandler, unter Verwendung mikromechanischer Komponenten - Google Patents

Abstract

Medizinisches Ultraschallverfahren zum Betreiben eines kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers (cMUT), mit den Schritten: (a) Anlegen einer Gleichspannungs-(DC)-Vorspannung an ein elektrostatisches Wandlerarray mit mehreren Ultraschallelementen; (b) Übertragen von Schallenergie an ein Subjekt während eines Sendebetriebs und Empfangen einer Antwort von diesem während eines Empfangsbetriebs unter Verwendung des elektrostatischen Wandlerarrays mit mehreren Ultraschallelementen; (c) Ändern der DC-Vorspannung als Funktion des Sende- und Empfangsbetriebs, um das elektrostatische Wandlerarray mit den mehreren Ultraschallelementen zu veranlassen während des Sendebetriebs eine erste Mittenfrequenz und während des Empfangsbetriebs eine zweite Mittenfrequenz zu haben durch Schalten mittels mindestens einer mikromechanischen Komponente; und (d) Erzeugen eines Bilds basierend auf der während des Empfangsbetriebs empfangenen Antwort.

Description

• Abbildende und therapeutische medizinische Ultraschallsysteme werden, zum einen in ihrer Hardware und ihrer Software, rapide immer komplexer. Während die resultierende gestiegene diagnostische Fähigkeit und die Bedeutung solcher Systeme äußerst attraktiv für die Endverbraucher sind, müssen die Systemhersteller sicherstellen, dass die erhöhte Komplexität nicht übermäßige Kosten, Größe, Gewicht oder Leistungserfordernisse zur Folge haben. Das Minimieren dieser physikalischen Eigenschaften bei gleichzeitigem Bereitstellen von unaufhörlich steigenden Fähigkeiten und Bedeutung hat den Bedarf der Hersteller an den neuesten integrierten logischen Schaltkreisen und Speichergeräten, sowie an den neuesten Datenspeichergeräten und kompakten leistungsstarken Netzteilen erhöht. Zusätzlich erhöhen die gleichen Erfordernisse den Bedarf an neuesten diskreten elektromechanischen Elementen, wie diskreten Schaltern und Relais. Einige Ultraschallsysteme enthalten buchstäblich Hunderte von solchen Komponenten, besonders im Fall neuerer Systeme, die bis zu 512 Kanäle haben. Leider ist die Verbesserungsrate für diese letzteren diskreten elektromechanischen Komponenten in Bezug auf ihre Integration, Größe, Kosten, Effektivität oder Zuverlässigkeit nicht so groß wie die Verbesserungsrate für die ersteren obengenannten Komponenten.
• Zusätzlich gibt es zahlreiche Leistungsgründe, weshalb heutige diskrete elektromechanische Geräte unzulänglich für den Ultraschallausrüstungsentwurf werden. Einige dieser Gründe beinhalten eine hohe Ein-Impedanz, eine geringe Aus-Impedanz, eine Streukapazität, hohe Einfügungsdämpfungen, hohen Leistungsverbrauch und eine geringe Nennbelastbarkeit.
• Während das elektrische Schalten unter Verwendung elektronischer Bauelemente, wie z. B. Feldeffekttransistoren und Thyristoren, ausgeführt werden kann, sind elektromechanische Schütze in verschiedenen Anwendungen zu bevorzugen. Ein Nachteil von elektronischen Schaltern ergibt sich aus Leckströmen, die einen endlichen Stromfluss in der „Aus”-Stellung verursachen. Auf der anderen Seite haben elektromechanische Schalter eine sichtbare Ausschaltstellung; kein Strom fließt in der „Aus”-Stellung. Die Isolation in mechanischen Relais ist bestimmt durch den Kontaktabstand, und dieser Abstand kann so eingestellt werden, dass er für die Isolationserfordernisse einer Vielfalt von Anwendungen geeignet ist.
• Auch sind elektronische Bauelemente in der Nähe von Hochstromsystemen besonders empfindlich auf kapazitive Kopplung und elektrostatische Entladung. Elektromechanische Relais zeigen eine gute elektromagnetische Verträglichkeit, indem sie allgemein unempfindlich auf solche Wirkungen sind.
• Weiterhin sind heutige diskrete elektromechanische Elemente auch physikalisch unzulänglich. Ultraschallwandler benötigen ansteigend eine größere Fähigkeit zum Mehrfachschaltbetrieb, wobei man viel mehr Piezo-Elemente in dem Wandler als Drähte in dem Wandlerkabel haben kann. Die derzeitige Schwierigkeit, verbunden mit einem solchen Mehrfachschaltbetrieb (Schalten von elektrischen Signalen von einer größeren Anzahl von Piezo-Elementen bei einer kleineren Anzahl von Anschlussdrähten) ist die, dass heutige diskrete elektromechanische Elemente nicht einfach in einer großen Anzahl auf einem einzelnen IC-Chip integriert werden können. Daher verbrauchen sie eine Menge an Platz, Kosten, Leistung und Gewicht und werden in großer Anzahl vermieden, speziell wenn der Bedarf in dem Wandler oder in dem Wandlerverbinder selbst besteht.
• Schließlich besteht ein anderer Nachteil von elektronischen Schaltern in dem Sicherheitsbereich. Schutzrelais sollten in jeder Situation, welche auftritt, in der Lage sein, auszuschalten und den fehlerhaften Schaltkreis zu isolieren. Elektronische Komponenten können dieses Erfordernis nicht erfüllen, weil sie im Fall eines elektrischen Durchbruches oder einer thermischen Überbeanspruchung, im allgemeinen Strom in beiden Richtungen leiten, und sie nicht mehr fähig sind auszuschalten. Daher müssen mechanische Relais, anstelle von Halbleiterschaltern, für Sicherheitsfunktionselemente verwendet werden.
• Jin, X. C., et al.: Micromachined Capacitive Transducer Arrays for Medical Ultrasonic Imaging, Ultrasonic Symposium 1998, Proceedings, Vol. 2, S. 1877–1880, 5.–8. 10. 1998, Sendai, Japan betrifft die Herstellung einer kapazitiven Transduceranordnung unter Verwendung einer CMOS kompatiblen mikromechanischen Technologie.
• Taylor W. P., et al.: Fully Integrated Magnetically Actuated Micoinachined Relays”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 7, No. 2, Juni 1998, S. 181–191 betrifft ein magntisch angetriebenes mikromechanischen Relais, das mittels elektromagnetischer Erregung einer oberen Platte unter Verwendung eines integrierten Elektromagneten angesteuert wird.
• DE 36 24 668 A1 betrifft ein Ultraschall-Abbildungsgerät, das verschiedene Arten von Ultraschallwandlern oder -sonden, jeweils mit einer großen Zahl von in einem vorbestimmten Muster angeordneten Wandlerelementen, aufweist.
• US 5,744,898 betrifft eine Ultraschallwandleranordnung mit einer Sende- und Empfangsschaltung, die mit der Wandleranordnung integriert ausgebildet sind, um Ultraschallimpulse zu erzeugen bzw. zu empfangen.
• US 5,671,746 betrifft eine Ultraschallwandleranordnung zum Senden und Empfangen von Ultraschallenergie in mehreren zweidimensionalen Bildgebungsebenen, wobei eine Bildgebungsebene von der Mehrzahl von verfügbaren Bildgebungsebenen durch elektronisches Schalten ausgewählt wird.
• Entsprechend besteht ein Bedarf an einem Ultraschallsystem für eine medizinische Abbildung oder Therapie, das mikromechanische Elemente enthält und welches die Vorteile von diskreten elektromechanischen Elementen beibehält und zusätzlich die Vorteile einer verringerten Größe, verringerter Kosten, einer verbesserten Signalvollständigkeit, eines reduzierten Leistungsverbrauchs und einer höheren Spannungsimpulsfähigkeit aufweist.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Als Einleitung beziehen sich die unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auf ein Ultraschallsystem, das die Vorteile einer reduzierten Größe, reduzierter Kosten, einer verbesserten Signalvollständigkeit, eines reduzierten Leistungsverbrauches und einer höheren Spannungsimpulsfähigkeit besitzt. Insbesondere beziehen sich die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen auf ein verbessertes Ultraschallsystem, das mikromechanische Elemente enthält, die „makroskopische” elektromechanische Elemente in existierenden Ultraschallausführungen ersetzen. Die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen beziehen sich auch auf ein Ultraschallsystem, welches mikromechanische Elemente enthält, um eine neue Funktionalität zur Verfügung zu stellen, wo existierende elektromechanische Elemente unzulänglich wären. Bei gegebener ständig steigender Bandbreite an Erfordernissen von Ultraschallsystemen, gekoppelt mit ihrem Bedarf an verringerter Größe und Kosten, wurde erkannt, dass mikromechanische Komponenten das Potential aufweisen, die Größen-, Kosten- und Leistungsprobleme zu lösen und für eine höhere Leistungsverwendung und Steigerung die resultierende höhere Systemleistung zu ermöglichen.
• Die unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen verwenden die neue Technologie von mikromechanischen Elementen, um den Rückstand in der Rate der Verbesserung von elektromechanischen Elementen aufzuholen. Mit diesen bevorzugten Ausführungsformen kann man z. B. ganze Schalterschaltkreise in existierenden Ultraschallsystemen und Wandlern miniaturisieren, indem stattdessen Mikroarrays in IC-Größe von Relais und Schaltern angewendet werden. Dies kann in drastischen Größen-, Kosten- und Leistungsverringerungen sowie in verschiedenen System- und Wandlerleistungsverbesserungen resultieren, die hier beschrieben werden.
• Es wird erwartet, dass Ultraschallsysteme und Wandler entweder von einem tragbaren, miniaturisierten Design oder von einem herkömmlicheren, teilweise tragbaren Konsolen-Design von bedeutendem Nutzen sein werden.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1A zeigt den den ersten Metallschichtschritt am Beispiel eines Herstellungsprozesses am Beispiel eines mikromechanischen Schalters für die Verwendung in den bevorzugten Ausführungsformen.
• 1B zeigt einen Opferschichtschritt am Beispiel eines Herstellungsprozesses am Beispiel eines mikromechanischen Schalters für die Verwendung in den bevorzugten Ausführungsformen.
• 1C zeigt den Opferschichtätzschritt am Beispiel eines Herstellungsprozesses am Beispiel eines mikromechanischen Schalters für die Verwendung in den bevorzugten Ausführungsformen.
• 1D zeigt den Balkenmaskierungsschritt am Beispiel eines Herstellungsprozesses am Beispiel eines mikromechanischen Schalters für die Verwendung in den bevorzugten Ausführungsformen.
• 1E zeigt den Endätzschritt am Beispiel eines Herstellungsprozesses am Beispiel eines mikromechanischen Schalters für die Verwendung in den bevorzugten Ausführungsformen.
• 2A ist eine Schalttafel einer bevorzugten Ausführungsform, die mit einem Ultraschallsystem verwendet werden kann.
• 2B ist eine Ersatzschalttafel einer bevorzugten Ausführungsform, die mikromechanische Schalter oder Relais verwendet.
• 3 ist ein Substrat einer bevorzugten Ausführungsform, das ein Ultraschallarray und ein mikromechanisches Schaltarray nahe beieinander beinhaltet.
• 4A zeigt schematisch, wie eine schaltbare Vorspannung die Mittenfrequenz eines kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers (cMUT) einer bevorzugten Ausführungsform einstellen kann.
• 4B zeigt schematisch eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Vorspannens von 4A, das einen Digital/Analog-Konverter (DAC) verwendet, der mikromechanische Schalter und Widerstände zum Steuern der Vorspannung aufweist, die an den oder die cMUT(s) angelegt wird, unter Verwendung einer Einzel-Quellen-Vorspannung.
• 4C zeigt schematisch einen MUT-Wandler mit gekreuzter Elektrode einer bevorzugten Ausführungsform, wobei die Vorspannung, die an verschiedene erhöhte Unterblenden angelegt ist, durch mikromechanische Mikrorelais oder Mikroschalter geschaltet werden kann.
• 4D zeigt ein zweidimensionales Wandlerarray mit 49 Elementen einer bevorzugten Ausführungsform, wobei jedes Element individuell schaltbar unter Verwendung eines mikromechanischen Schalters oder Relais ist. Mittlere Elemente sind vorgespannt, so dass sie höhere Frequenzen als die Randelemente haben.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Überblick
• Die bevorzugten Ausführungsformen beziehen sich auf die Verwendung mikromechanischer Elemente in Ultraschallsystemen, um die Probleme der Erhöhung von Größe, Kosten und Leistungsverbrauch zu überwinden, welche auftreten, wenn die Systementwerfer versuchen, solche Systeme mit einer erhöhten Bedeutung und einer größeren Funktionalität zu versehen. insbesondere beziehen sich die bevorzugten Ausführungsformen auf die Verwendung von mikromechanischen Elementen, gekoppelt mit individuellen akustischen Elementen, Wandlern, Wandlerkabeln, Verbindern und anderen Komponenten von Ultraschallsystemen. Hierbei ist der Ausdruck „gekoppelt mir so definiert, dass er „direkt gekoppelt mit” oder „indirekt gekoppelt mit” durch ein oder mehr Zwischenkomponenten bedeutet. Mikromechanische Komponenten werden verwendet, um Probleme des Mehrfachschaltbetriebs zu lösen, die durch Erfordernisse einer hohen Kanalanzahl geschaffen werden (wobei das Ultraschallsystem in der Lage ist, zu bzw. von einer hohen Anzahl von akustischen Elementen, 512 oder mehr, zu senden und zu empfangen), um höhere Leistungsverwendungsfähigkeiten bereitzustellen und kleinere Wandler mit neuen Fähigkeiten bereitzustellen.
• Um die Probleme der Integration, der Größe, der Kosten, der Effektivität und der Zuverlässigkeit von diskreten elektromechanischen Geräten zu lösen, wurde das Gebiet der Mikromechanik entwickelt. Die Mikromechanik beinhaltet im wesentlichen die Herstellung mikroskopischer, elektromechanischer Elemente von verschiedenen Formen unter zumindest teilweiser Verwendung der Ausrüstung und der Prozesse, die normalerweise verwendet werden, um integrierte Schaltkreise in Silizium, Halbleiter- oder anderen dielektrischen Wafern herzustellen. Sicher sind die am besten bekannten Beispiele von solchen Mikroelementen die Millionen von Beschleunigungsmessern/Schaltern auf Siliziumbasis, die jedes Jahr für fahrgastzurückhaltende Autoairbagsysteme hergestellt werden. Darin detektiert das Mikrogerät eine Gegenbeschleunigung, die durch eine Kollision bewirkt wird, und löst den bzw. die Airbags durch elektrisches Aktivieren einer Sprengladung aus, die ein Aufblasen des Airbags auslöst.
• Eine mikromechanische Komponente oder ein Element (auch bekannt als ein mikroelektromechanisches Systemelement („MEMS”)), ist definiert als ein elektromechanisches Element, wobei mindestens ein mechanisches oder bewegliches Element der Komponente oder des Elementes hergestellt (oder „mikromaschinell hergestellt” – siehe unten) unter Verwendung halbleiter-üblicher Prozesse ist. Solche Prozesse umfassen eine Abscheidung dünner Schichten, eine Strukturierung und Ätztechniken. Abscheidungstechniken umfassen die physikalische Abscheidung von Material auf einem Substrat und ein Wachstum von einem Material auf einem Substrat, wie sie vom Stand der Technik bekannt sind. Dünne Schichten, die durch solche Abscheidungstechniken erzeugt werden, sind allgemein in der Größenordnung von 25 μm oder kleiner in ihrer Dicke und typischerweise 10 μm oder geringer. Substratmaterialien können Halbleiter, Keramiken oder Glas umfassen und können die Form eines Wafers oder einer anderen standardisierten Form besitzen. Strukturierungstechniken umfassen lithographische Strukturierungen, Drucken oder andere Formen der Strukturübertragung, einschließlich einer mechanischen Strukturübertragung, wie sie vom Stand der Technik bekannt sind. Ätztechniken umfassen ein chemisches Nass”-Ätzen, Plasma-„Trocken” Ätzen und Laser-Ätzen, wie sie vom Stand der Technik bekannt sind. Der Ausdruck „mikromechanische Herstellung” wird oft verwendet, um sich auf diese halbleiterüblichen Prozesse zu beziehen, die zur Herstellung mikromechanischer Elemente verwendet werden. Weiter umfasst die mikromechanische Herstellung die „Volumen”-Mikromechanik und die „Oberflächen”-Mikromechanik. Die Volumen-Mikromechanik ist der Prozess der Herstellung mechanischer Strukturen durch ein Ätzen des Volumens eines Substrates. Die Oberflächenmikromechanik ist der Prozess der Herstellung von mechanischen Strukturen auf der Oberfläche eines Substrates durch Abscheidung, Strukturierung und Ätzen von Schichten von unterschiedlichen Materialien und unter Verwendung anderer halbleiterüblicher Prozesse.
• Eine beispielsweise Herstellungsabfolge für die Herstellung eines mikromechanischen Schalters 90 ist in den 1A bis 1E gezeigt. Die Herstellungsabfolge beginnt mit der Abscheidung und Strukturierung der ersten Metallschicht 100 Chrom-Gold), um das Gate 110 und Kontaktelektroden 120 auf dem Glassubstrat 130 (siehe 1A) zu definieren. Eine Opfermetallschicht 140 (Kupfer) von etwa 2 μm Dicke wird dann abgeschieden (1B). Diese wird in zwei Schritten strukturiert. In dem ersten Schritt wird die Opferschicht teilweise geätzt, um die Kontaktspitzen 150 für den Balken 160 (1B) zu definieren. In dem zweiten Ätzschritt wird die Opferschicht 140 vollständig bis zum Metall des Source-Kontaktes 100 geätzt, um die Balkenstützen 170 (1C) zu definieren. Anschließend wird ein Fotolack 180 oben auf die Opferschicht 140 aufgebracht und strukturiert, um die Maske für die Balkenstruktur 160 zu definieren. Der Balken 160 besteht aus einer 2 μm dicken Schicht aus Nickel 190 auf einer 200 nm dicken Schicht aus Gold 200. Diese beiden Schichten 190, 200 können entweder durch Elektroplattieren oder durch stromloses Metallabscheiden (1D) gebildet werden. Die Goldschicht 200 dient als Kontaktmaterial zu den Goldkontaktgebieten, wenn der Schalter schließt. Schließlich wird die Opferschicht 140 durch einen geeigneten Nassätz-Prozess entfernt, um den freistehenden Balken 160 freizulegen (1E).
• Mikromechanische Elemente können einzeln oder in einer großen Anzahl auf einem Wafer (oder Substrat) aus Silizium, Glas oder Keramik hergestellt werden – unter Nutzung des Vorteils des Stapel-Charakters von Halbleiterprozessen. Das Element kann bewegliche Elemente, wie z. B. auslenkbare, freitragende Mikro-Arme, auslenkbare Membranen usw. beinhalten, wie sie aus dem mikromechanischen Stand der Technik bekannt sind. Das Element kann auch ein bewegliches Gas oder eine Flüssigkeit wie in einem mikro-fluidischen oder mikro-pneumatischen Element, enthalten. Die beweglichen Elemente solcher Elemente können sich durch Verdrehung, Verformung, Translation, Auslenkung, Rotation, Torsion oder eine andere Bewegung bewegen. Weiterhin können mikromechanische Elemente wenigstens einen elektrostatischen, magnetischen, piezoelektrischen, elektromagnetischen, Trägheits-, pneumatischen, hydraulischen oder thermischen Mikroantriebsmechanismus beinhalten. Prototypen von mikromechanischen Schaltern haben speziell elektrostatische, magnetische, elektromagnetische, thermische und Trägheits-Mikroantriebselemente verwendet. Der mögliche Mikroantriebsmechanismus für Schalter und Relais ist daher unterschiedlich und gut bekannt im Stand der Technik, und ist daher nicht kritisch für die Erfindung. Die Tatsache, dass solche Elemente in Ultraschallanwendungen in mikromechanischer Form verwendet werden, was in Leistungs-, Kosten-, Packungs- und Zuverlässigkeitsvorteilen resultiert, steht hier im Mittelpunkt. Andere mikromechanische Elemente wie z. B. chemische Sensoren können keine physikalischen/mechanischen Antriebselemente haben, und liefern nur ein passives Ausgangssignal. Typischerweise werden mikromechanische Elemente den Kunden in Form von verkaselten Chips geliefert. Die Chipgehäuse sind typischerweise IC-Chip-Gehäuse (Keramik, Kunststoff, Metall usw.) und jede enthält mindestens ein und manchmal eine Vielzahl von Elementen.
• Von speziellem Interesse ist beim Entwurf von abbildenden Ultraschallsystemen die Aussicht, dass man mit Arrays von mikromechanischen Schaltern oder Relais existierende große gedruckte Schaltkreisplatinen, die z. Z. mit diskreten Versionen von solchen Schaltern und Relais des heutigen Standes der Technik bestückt sind, virtuell ersetzen könnte. Werden Mikroarrays, Mikrorelais oder Mikroschalter verwendet, die unter Verwendung mikromechanischer Techniken hergestellt werden, kann man jegliche gewünschte Anzahl von solchen Komponenten in einem extrem kompakten Gerät platzieren, was eine neue Entwurfsfreiheit erlaubt.
• Es ist wichtig zu beachten, dass, obwohl wir hier primär mikromechanische Schalter und Relais als die nächsten bevorzugten ultraschall-abbildenden Ausführungsformen betrachten, erwartet wird, dass es zusätzliche mikromechanische Anwendungen zum Ultraschall, elektrisch und mechanisch, gibt, welche diese Erfindung nun aufzeigt. Diese beinhalten z. B. andere Komponenten, wie z. B. mikromechanische Induktoren, mikromechanische optische Faserschalter, mikromechanische Phasenschalter, mikromechanische Verbinder (elektrische, optische, hydraulische und pneumatische), mikromechanische Zünder und Schaltkreisunterbrecher sowie mikromechanische Ventile und mikromechanische biometrische Verwender-Identifikationsgeräte, wie z. B. die unlängst veröffentlichten fingerabdruck-druckempfindlichen Chips.
• Es gibt eine fortschreitende Forschung auf dem Gebiet der Mikromechanik und heutige Marktvorhersagen für den mikromechanischen Markt zeigen speziell, dass der gesamte Mikrorelaismarkt derzeitig in Entwicklung ist, mit einer vollen Marktkommerzialisierung, die im Jahr 2006 erwartet wird. Es gibt fortschreitende Arbeiten auf dem Gebiet der elektrostatisch angetriebenen mikromechanischen Schalter und Relais, was voraussichtlich in Herstellungsprozessen und Materialien resultiert, die für die Herstellung von Arrays, von mikromechanischen Schaltern geeignet sind, welche wir als anwendbar für Ultraschallsysteme ansehen.
• Weitere Arbeiten wurden an Mikrorelais und an Nickelmikrorelais vorgenommen. Es gibt Druckschriften, welche die Arbeiten in Bezug auf Mikrozünder oder korrekterweise auf Mikroschaltungsunterbrecher für Satellitenanwendungen beschreiben, und Druckschriften, welche die Arbeiten an kontaktlosen kapazitiven Schaltarrays in mikromechanischer Form beschreiben. Zusätzliche Druckschriften beschreiben die Attraktivität von Phasenschaltern auf der Grundlage eines mikromechanischen Schalters und zeigen speziell, dass an solchen Geraten nur 0,2 dB Einschaltverlust bei 10 GHz gemessen wurden. Es wurde festgestellt, dass Ultraschallanwendungen für das Erschaffen von balkensteuerndern Phasenschaltungen und Signalmischung und Manipulation auch sehr attraktiv sind.
• Speziell ist der mikromechanische Schalter ein viel realeres Gerät für eine Phasenschaltung. Im wesentlichen ist dies ein miniaturisierte Version von dem ehrwürdigen Kippschalter und somit eng mit elektronischen Komponenten verbunden. In dem Raum-Leistungs-kombinierenden Bereich können mikromechanische Schalter auch als Phasenschalter von Nutzen sein, aber in einer anderen Ausführung als im planaren Fall. Da planare Arrays auf der ganzen Wellenfront arbeiten, können mikromechanische Phasenschalter zu jedem Element hinzugefügt werden, um eine geeignete Höhe einer Phasenverschiebung einzuführen, die erforderlich ist, um den Balken zu steuern. In vielen Fällen ist diese Funktion ähnlich zu der, die in der Optik durch ein Prisma ausgeführt wird, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangswinkeln des Balkens elektronisch gesteuert wird.
• Weitere Druckschriften liefern Überblicke von mikromechanischen Elementen und beschreiben die Arbeit an variablen mikromechanischen Siliziuminduktoren und einrastenden Beschleunigungsmessern. Es wurde festgestellt, dass solche Induktoren besonders attraktiv für den Ultraschall aufgrund ihrer geringen parasitären Eigenschaften, der exzellenten Isolation im offenen Zustand und ihrer beschriebenen Programmierbarkeit sind.
• Zusätzlich beziehen sich die folgenden zwei Druckschriften, welche hier durch Referenz eingefügt sind, auf mikromechanische Schalter und/oder Relais: (1) „Fully integrated magnetically actuated micromachined relays” by W. Taylor et al, erschienen in „Journal of Microelectromechanical Systems”, Jun. 01 1998, v7 n2, p 181; und (2) „Characteristics of micro-mechanical electrostatic switch for active matrix displays” by T. Nishio et al, erschienen in ”IEICE Transactions an Electronics”, Sep. 01, 1995, v78, n9, p 1292.
• Während mikromechanische Elemente viele Vorteile besitzen, sind einige von den Hauptvorteilen die einfache Leistungsverarbeitung, die Größe und die Fähigkeit, eine Vielzahl von Elementen auf einem kleinen Gebiet zu packen. Mit der immer höher werdenden Bandbreite von Erfordernissen heutiger Ultraschallsysteme ist die Fähigkeit, Komponenten, die zu einer Hochleistungsimpulsmanipulation fähig sind, dicht zu packen, von Vorteil, so dass man nicht bei einem System endet, das zu schwerfällig in seiner Größe und Leistungsverarbeitung ist.
• ERSTE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
• Einer der Hauptbereiche, wo die Konsequenz einer ansteigenden Kanalanzahl und Bandbreite sichtbar sind, ist in Ultraschallsystemschaltplatinen. Schaltplatinen innerhalb von Ultraschallsystemen oder Konsolen werden häufig verwendet, um Systemsignale zu und/oder von einer Anzahl von Wandlerverbindergerätebuchsen, die an der Außenseite des Systems montiert sind, zu leiten. Jeder von diesen äußeren Systemverbindern kann irgendwo 64 bis 512 oder mehr Kontakte haben, und hierbei können 4 bis 6 solcher Wandlerverbinder bestehen. Die anschließend abbildenden Wandler haben in dem Fall, in dem sie nicht im Mehrfachbetrieb betrieben sind, eine Anzahl von Piezoelementen in ihren akustischen Arrays, welche im Groben mit der Anzahl von Pins in ihren entsprechenden Verbindern übereinstimmt. Abbildende Ultraschallwandler haben ansteigend eine sehr große Anzahl von Piezoelementen (z. B. 200–500 oder mehr) und können daher auch Schalter erfordern, die sich in dem Wandler selbst befinden, so dass die riesige Anzahl von Piezoelementen eine kleinere und vernünftigere Anzahl von Kabeldrähten beteiligen (d. h. im Mehrfachbetrieb betreiben) kann. In anderen Fällen kann ein Array von Schaltern in dem Wandlerverbinder selbst vorgesehen werden (an dem Systemende des Wandlerkabels), um eine erste Anzahl von Wandlerpiezoelementen mit einer zweiten anderen Anzahl von verfügbaren Systemkanälen zu verbinden (zu beteiligen). Diese Methode kann das Wandlergewicht und den Leistungsverbrauch minimieren, da der Benutzer die Schalter nicht in seinen/ihren Händen während des Haltens der Probe hält. Weiterhin können, durch das Ermöglichen von höheren Impulsspannungen, die an eine immer größere Anzahl von akustischen Elementen adressiert werden, auch derzeitig schwache harmonische akustische Signale und Bandbreiten verbessert werden.
• 2A zeigt eine schematische (nicht maßstabgerechte) Darstellung eines Schaltplatinensystems 1 vom Stand der Technik, wie es oben beschrieben wurde. Die Platine 1 ist mit einer großen Anzahl von Relais 3 des Standes der Technik bestückt, vielleicht 128 oder mehr, die auf mindestens einer von ihren zwei Hauptoberflächen angeordnet sind. Die Platine 1 ist so dargestellt, dass sie herkömmliche Verbinderkontakte 5 an Platinenkanten aufweist. In einem speziellen Fall wird derzeitig eine Platine verwendet, welche 128 SPDT (Einzelpoldoppelschalt)-Relais 3 besitzt. Solche Relais 3 können von Anbietern wie Omron, Hamlin, CP Clare und Cotto käuflich erworben werden. Solche Relais des Standes der Technik 3 sind jeweils etwa 0,75 Zoll lang, 0,25 Zoll breit und 0,25 Zoll hoch, daher liegt ihr individueller Platinenplatzbedarf etwa bei 0,75 × 0,25 Zoll. Zusätzlich sollte man vorzugsweise etwa 0,25 Zoll Zwischenraum zwischen jedem dieser Relais haben, um das elektrische Übersprechen zu minimieren. Es ist leicht ersichtlich, dass die Schaltplatine 1 sehr groß sein kann, mit einer maximalen Dimension von mehr als 1 Fuß oder 12 Zoll oder mehr. Die z. Z. beste Technologie, die von Supertex, Inc. verfügbar ist (nicht dargestellt in der Abbildung), ermöglicht für bis zu 16 solcher funktionell ähnlichen Schalter 3, die miteinander in einem Einzelgehäuse integriert sind, einen Platzbedarf mit Abmessungen von etwa 0,46 × 0,46 Zoll. Während unter Verwendung solcher Schalter eine kleinere Schaltkreisplatine erreicht wird, reichen diese noch nicht aus, um den ansteigenden Bedarf an solchen Komponenten zufriedenzustellen.
• 2B zeigt die erste Hauptausführungsform. Hier ist eine viel kleinere Platine 2 (relativ zu der Platine 1) gezeigt, welche zwei mikromechanische Mikrorelaischips 4 aufweist, jeweils etwa 0,5 bis 1,0 Quadratzoll, verkapselt und oberflächenmontiert auf der Platine 2. Jeder dieser mikromechanischen Relaischips 4 enthält einfach 64 Mikrorelais jeweils; daher ist diese Platine 2 das Betriebsäquivalent zu der Platine 1 aus dem Stand der Technik, nun aber 5 bis 10 Mal oder mehr kleiner, verbraucht wesentlich geringere Leistung, ist wesentlich billiger und ist in der Lage, höhere Spannungen zu schalten, speziell wenn die vielen Mikrorelais zusammenarbeiten.
• Es ist auch gezeigt, dass die Platine 2 Verbinder 6 an Platinenkanten besitzt, unter Verwendung der bevorzugten Ausführungsform, die hier beschrieben ist, kann die Platine 2 Dimensionen im Bereich von 2 oder weniger Zoll Höhe mal 6 oder weniger Zoll Breite besitzen. Gleichzeitig werden die vorher genannten elektrischen Leistungsvorteile gegenüber der herkömmlichen Relaismethode der Platine 1 des Standes der Technik und seiner Elemente 3 verbessert. Die Forschung, die an Mikrorelais durchgeführt wurde, zeigt, dass bis zu 20.000 individuelle Relais auf einem Chip integriert werden könnten – aber für praktische Zwecke, wenn man die Ausbeute und den Nutzen zusammenarbeitender Relais in Betracht zieht, die parallel verwendet werden, um eine höhere Strombehandlung zu erreichen, ist die Anzahl bei mehr als 1.000 Relais pro Chip. Daraus kann gesehen werden, dass die 64 Relais pro Chip z. B., gerade wenn jeder der 64 eine parallel zusammenarbeitende Gruppe von 8 ist, einfach unter Verwendung einer mikromechanischen Technologie realisierbar ist.
• Es ist zu beachten, dass sich Mikrorelais von Mikroschaltern durch die Beziehung zwischen dem Antrieb und den Kontaktfunktionen unterscheiden. In einem Relais sind die Antriebs- und Schaltfunktionen getrennt und elektrisch isoliert, was ein Minimum von vier Anschlussklemmen erfordert.
• Eine Hauptvariation der ersten Ausführungsform ist das Vorsehen eines miniaturisierten Mikrorelaisschaltens in dem Wandler selbst (oder in dem Wandlerverbinder an dem Systemende des Wandlerkabels) für Zwecke des Mehrfachbetriebs einer größeren Anzahl von akustischen Elementen (oder Systemkanälen) mit einer geringeren Anzahl von Wandlerkabeldrähten. Ein existierender Wandler im Stand der Technik besitzt ein akustisches Array mit zwei 256 Kabeldrähten und 512 Elementen. Derzeitig erfordert dieser Wandler zwei doppelseitige Vielfachschicht-Schaltplatinen, jedes von einer Größe von etwa 2 × 3 Zoll, die in ihm gepackt sind. Diese Platinen unterstützen 44 Supertex Inc.-Schaltchips, wobei jedes Chip 6 Schalter aufweist und einen Platzbedarf von 0,46 × 0,46 besitzt. Dieselbe Schaltfähigkeit kann erzielt werden unter Verwendung einer Platine von etwa 1/3 der Größe mit einer nur einseitigen Montage von einem Mikrorelaisarraychip. Dieses bedeutet einen ungeheuren Kosten-, Leistungs- und Ausführungsvorteil.
• ZWEITE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
• Nun übergehend zu der zweiten Hauptausführungsform zeigt 3 ein miteinander integriertes Ultraschallarray und Mikrorelais (oder Mikroschalter)-Array. Es ist ein Wandlersubstrat 7 gezeigt, welches ein Siliziumchip, Silizium auf Glas, Glas oder Keramiksubstrat sein kann. Auf der linken Seite ist ein Array von akustischen Elementen 8 gezeigt, ein Array von Mikrorelais 9 ist auf der rechten Seite gezeigt. Gruppen von Drahtbondinsein 10 sind gezeigt für den Zweck der Verbindung mit der Außenwelt. Durch das gemeinsame integrieren von Mikrorelais oder Mikroschaltern 9 mit akustischen Arrayelementen 8 kann das lokale Schalten von Signalen auf der Platine zu und von den individuellen akustischen Arrayelementen 8 durchgeführt werden. Eine typische Ultraschallanwendung würde mehr Piezoelemente 8 als Drähte in dem Kabel haben (anfügbare Kabeldrähte, z. B. an Bondinseln 10), die zu und von dem Wandler 7 gehen. Die lokalen Mikrorelais 9 würden einen Mehrfachbetrieb oder ein Schalten der akustischen Elemente 8 bei einer geringeren Anzahl von Drähten erlauben (die Drähte würden die Bondinseln 10 verbinden). Das wird Mehrfachbetrieb genannt.
• Als Beispiel könnte man bei einem Wandler auf Katheterbasis acht Drähte in dem Kabel haben (aus Gründen von geringen Kosten, geringem Querschnitt und Flexibilität) und 256 akustische Elemente 8 in dem akustischen Array haben, die unter den 8 Drähten (nicht gezeigt) durch 256 Mikrorelais geschaltet werden. Selbstverständlich kann man eine Vielfalt von Laparoskopen oder anderen kostengünstigen rohrförmigen medizinischen Geräten für das Montieren solch eines Wandlers mit integrierter Schaltung verwenden. Eine solche gemeinsame Integration würde dafür verringerte Kosten ermöglichen, so dass es möglich ist, eine Wegwerfversion eines solchen Wandlers auf Katheterbasis herzustellen.
• Es ist wichtig, dass verschiedene Details zu dem Gerät 7 beachtet werden. Erstens können die akustischen Elemente 8 von jeglicher Vielfalt sein, einschließlich von Dünnschichtelementen (z. B. Zinkoxid oder pzt) oder von elektrostatischen kapazitiven mikromechanischen Elementen. Zweitens kann das Array von Elementen 8 von jeglicher Arraygeometrie sein, wie z. B. von linearen oder zweidimensionalen Arrays. Drittens können Mikrorelais (oder Mikroschalter) 9 auf derselben Seite (gezeigt) oder auf verschiedenen Seiten des Chips (nicht gezeigt) sein und über Umschlingen der Kanten oder durch Viaverbindungen verbunden sein. Sie können auch innerhalb des akustischen Elementarrays eingebracht sein. Viertens ist das Element der externen Verbindung nicht wichtig, und obwohl Drahtbondinseln 10 gezeigt sind, kann man genausogut Flipchip oder bandautomatisierte (tape-automated) Bondelemente verwenden. Als fünfter und letzter wichtiger Punkt ist bezüglich 3 die Phantomlinie 11 über dem Substrat 7 zu beachten. Dies zeigt, dass hier eine Naht oder eine Verbindung vorliegen kann, und eher als ein monolithisches Substrat kann man tatsächlich zwei oder mehr dicht angeordnete Substrate haben, die dem gleichen Zweck wie ein einzelnes monolithisches Substrat 7 dienen. In diesem Fall würde die Naht 11 die Grenzfläche zwischen zwei oder mehr solchen unabhängigen Substraten 7 und 7' (nicht gezeigt) darstellen, die dicht beieinander angeordnet oder angrenzend sind. Man hat auch die Wahl, separate Substrate wie z. B. 7 und 7' auf einem dritten Substrat (nicht gezeigt) zu montieren, so dass ein herkömmlicher Hybridschaltkreis geschaffen wird, wobei 7 und 7' mindestens 2 Komponenten sind, die darauf montiert sind. In diesem Fall würde das Muttersubstrat die Verbindungen besitzen, die notwendig sind, um die Signale usw. zwischen 7 und 7' zu führen und Komponenten 7 und 7' könnten auf dem Muttersubstrat unter Verwendung von BGA (Kugelgitterarray)-Verbindungselementen montiert werden.
• Selbstverständlich gibt es viele Verbindungen in 3 (nicht gezeigt), welche zwischen den Relais 9 und den akustischen Elementen 8 und den Inseln 10 betrieben werden müssen. Durch Verwendung zweier oder mehr separater Substrate 7, die wenigstens eine Naht 11 haben, ist es notwendig, Verbindungen über diese Naht auszubilden. Es ist wichtig zu beachten, dass die bevorzugten Ausführungsformen auch ausdrücklich den Fall umfassen, wobei zwei Substrate verwendet werden, 7 und 7' (nicht gezeigt). Eines von diesen ist direkt mit dem anderen von Oberfläche zu Oberfläche (oder von Kante zu Kante) gebondet unter Verwendung von Kugelgitterarray (BGA)-Verbindungstechniken, wodurch alle diese benötigten Verbindungen zur gleichen Zeit gebildet werden und ein einzelner (wenn auch beschichteter) Chip geliefert wird, der die akustischen und Schaltfunktionen ausübt.
• Das Gerät 7 kann auch, wie gewünscht, mit anderen nützlichen akustischen Komponenten (nicht gezeigt), wie z. B. Anpassschichten, Dämpfungsunterstützern, Isolationsfenstern oder akustischen Linsen verbunden werden oder angrenzen.
• Es wurde herausgefunden, dass die Kostenreduzierungen, die mit den Methoden, die in 3 beschrieben sind, möglich sind, es erlauben, billige hochqualitative Wegwerfarrays in beträchtlicher Anzahl in Waferform unter Verwendung einer automatisierten Ausrüstung herzustellen.
• Es ist zu beachten, dass in einem Array angeordnete mikromaschinell hergestellte Elemente, wie z. B. 4 und 9, jegliche nützliche Komponente sein können, entweder passiv oder aktiv, wobei ein akustisches Array von einem oder mehreren solchen mikromechanischen miniaturisierten Elementen gestützt wird, und wesentlich hierdurch Raum, Leistung und Kosten gespart werden oder die Signalvollständigkeit verbessert wird. Ein ausgezeichnetes Beispiel einer Komponente, die verschieden von einem Schalter oder einem Relais ist, würde es sein, wenn jedes Element 9 (oder 4) ein mikromechanischer Induktor oder ein Array von mikromechanischen Induktoren ist, die für den Zweck der Impedanzanpassung des Wandlers an das System verwendet werden. in einer ähnlichen Weise zu Schaltern aus dem Stand der Technik, wobei Induktoren aus dem Stand der Technik auch eine beträchtliche Menge an Platinenplatz verbrauchen. Schließlich kann das Elementearray 4 oder Element 7 vorzugsweise Speicherelemente beinhalten, die für das Speichern der Wandleridentifizierung, der Wandlergeschichte, des Wandlermikrocodes für die Balkenbildung, der Wandlerkalibrierungsinformation oder dergleichen verwendet werden.
• Es ist auch zu beachten, dass herkömmliche Relais aus dem Stand der Technik typischerweise nur bis zu Impulsen von etwa plus und minus (+/–) 100 Volt agieren, während Mikrorelais, speziell wenn sie auf zusammenarbeitende Weise betrieben werden, bei Impulsen von bis zu plus und minus (+/–) 300 Volt geschaltet werden. Die zusätzliche Spannungsschaltfähigkeit liefert einen stärkeren akustischen Übertragungsimpuls, um dadurch auch ein stärkeres akustisches Umkehrsignal (natürlich innerhalb der FDA akustischen Leistungsgrenzen). Die stärkere Impulsübertragungsfähigkeit ist sehr nützlich, um die harmonischen Umkehrsignale zu verbessern, wie sie z. B. in harmonischen abbildenden Moden wie der Acuson's Native Tissue Harmonic Imaging Ausführungsart zu sehen sind. In solchen harmonischen Betriebsmoden kann das harmonische Umkehrsignal relativ schwach sein (relativ zu der übertragenen Grundfrequenz) und alles, was die Amplitude des harmonischen Umkehrsignals erhöhen kann, ist hochgradig attraktiv. Die höhere Spannungsimpulsfähigkeit ist auch sehr nützlich, wenn spärlich bestückte zweidimensionale akustische Arrays aufgebaut werden (welche zu Volumen-3D-Abbildungen fähig sind), wobei man ein gutes Signal beibehalten muss trotz des Weglassens einer großen Menge an Elementen (Weglassen hauptsächlich aus Ausbeute- und Kostengründen).
• Das Element 7 kann Mehrfachschichten oder beschichtete (mit Schichtelektroden versehene) Piezoelemente 8 verwenden, so wie es für die Verbesserung der Impedanzanpassung des Wandlers an die Systemantriebselektronik bekannt ist. Elemente 8 können auch in Vielfachblenden (z. B. Streifen) angeordnet werden, so dass diese Blenden separat an- und ausgeschaltet werden können für den Zweck der Einengung des akustischen Strahls in dem Nahfeld, wie es bisher im Stand der Technik praktiziert wurde. Elemente 8 oder Gruppen hiervon können ebenfalls angeordnet sein, so dass sie verschiedene akustische Ausführungen oder verschiedene elektroakustische oder Materialeigenschaften haben. Auf diese Art und Weise kann man wieder das gesamte spektrale Verhalten des akustischen Strahls durch Schalten zwischen solch verschiedenen Elementen für Zwecke wie z. B. eine Erhöhung der Bandbreite, das Erzeugen von Einschnitten in dem Spektrum, das Erzeugen einer gebietsweisen Apodisation oder das Schalten zwischen Schichten von einem Mehrfachschichtelement(en) 8 manipulieren.
• DRITTE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
• Die nächste besonders bevorzugte Ausführungsform bezieht sich auf einen speziellen Typ eines akustischen Wandlerelementes, bekannt als ein MUT oder ein „mikromechanischer Ultraschallwandler”. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein cMUT oder kapazitiver (elektrostatischer) MUT verwendet. Diese sind im wesentlichen elektrisch antreibbare vibrierende Mikro-Diaphragmas oder Membranen, welche mikromechanische Techniken verwenden, wobei an jeder Seite der vibrierenden Diaphragma(Membran)/Kammer eine Kondensatorelektrode ist und die lateralen (größten) Dimensionen des oder der Diaphragmas/Membran(en) können im Mikrometerbereich sein.
• Beispiele für solche Geräte und Prozesse, die für deren Herstellung notwenig sind, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zusätzlich diskutieren die folgenden Druckschriften, von denen alle mit einer Referenz eingefügt sind, cMUTs detailliert: „Micromachined Capacitive Transducer Arrays for Medical Ultrasound Imaging” X. C. Jin, F. L. Degertekin, S. Calmes X. J. Zhang, I Ladabaum, B. T. Khuri-Yakub (Stanford) (1998 IEEE Konferenz in Sendai); „Novel Silicon Nitride Micormachined Wide Bandwidth Ultrasonic Transducers” R. A. Noble, R. J. Robertson, D. A. Billlson, D. A. Hutchins (University of Warwick) (1998 IEEE Konferenz in Sendai); und ”Surface Mircomachined Capacitive Ultrasonic Transducers” Igal Ladabaum, Xuecheng Jin, Hyongsok T. Soh, Abdullah Atalar, Butrus T. Khuri-Yakub (IEEE Trans. Ultra. Ferro. Freq. Ctl Vol 45, No. 3, May 1998).
• Nun übergehend zu 4A, ist es bekannt, dass die Mittenfrequenz eines kapazitiven mikromechanischen akustischen Elementes (cMUT's) durch eine Gleichspannungsvorspannung gesteuert werden kann, die darüber angelegt ist (siehe z. B. oben die Referenz Ladabaum). Dies ist wesentlich, da eine Gleichspannungsvorspannung die Membran in eine erhöhte Zugspannung spannt, welche eine höhere Rückstellkraft während der Vibration erlaubt. 4A zeigt schematisch ein solches Element 8, welches in diesem Beispiel ein mikromechanisches kapazitives akustisches Element oder cMUT ist. Auf der rechten Seite von 4A sieht man verschiedene Spannungseingänge 12, 13 .... N, von denen jedes ein Vorspannungselement ist, das in der Lage ist, eine spezielle Gleichspannungsvorspannung einem Element zur Verfügung zu stellen. Daher kann man durch Mikroschalten über die Verwendung von Mikrorelais 14, 15 .... Eine Vorspannung von gewünschtem Wert an den cMUT 8 anlegen, und damit seine Mittenfrequenz auf einen gewünschten Wert einstellen. In einer sehr wünschenswerten Ausführungsform dieser Erfindung ist die Anordnung so, dass eine erste Spannungsvorspannung 12 bewirkt, dass ein Element 8 auf seiner Mittenfrequenz in der Übertragung arbeitet. Ein gleichspannungssperrender Kondensator 16 ist ebenso wie eine optionale wechselspannungssperrende Einheit 16a vorgesehen. Auf einen akustischen Empfang, nach einer Zeitspanne, wird die zweite Spannungsvorspannung 13 (oder beide zusammen genommen) statt dessen an das Element 8 angelegt, was bewirkt, dass das Element 8 ein charakteristisches akustisches Empfangsbetriebsspektrum in der Nachbarschaft einer gewünschten (gewöhnlich höheren) harmonischen Empfängerfrequenz besitzt. Zum Beispiel könnte die Mittenübertragungsfrequenz des cMUT 3,5 MHz unter Verwendung der Vorspannung 12 betragen, und die höhere erste harmonische Frequenz des cMUT könnte unter Verwendung der Vorspannung 13 7,0 MHz betragen. Eine solche Frequenzschaltung zur harmonischen Abbildung ist durch den Stand der Technik bekannt. Es wird gewürdigt, dass die Impulsübertragungsspannung zu dem cMUT während der ersten Vorspannung angelegt wird und der akustische Empfang während der zweiten Vorspannung durchgeführt wird. Es ist ersichtlich, dass man alternativ separate Übertragungs- und Empfangselemente 8 – d. h. gewidmete Elemente – haben kann. Weiterhin besteht keine Notwendigkeit, die Anzahl an Vorspannungen auf nur zwei zu begrenzen.
• 4B zeigt schematisch eine spezielle bevorzugte Ausführungsform des Vorspannens von 4A, wobei anstatt der Verwendung eines diskreten Arrays von mikromechanischen Schaltern zum Schalten einer Anzahl von festen Vorspannungsquellen (4A) ein digital/analog Konverter (DAC), der mikromechanische Schalter und Widerstände aufweist, verwendet wird, wobei der mikromechanisch basierte DAC es erlaubt, die Vorspannung zu steuern, die an den oder die cMUT(s) angelegt wird, unter Verwendung einer einzigen Vorspannungsquelle.
• In 4B ist ein cMUT gezeigt, der eine Vorspannungssteuerung für das Variieren der Mittenfrequenz besitzt. Jedoch eher als ein Vorsehen mehrfacher einzelner Vorspannungen, die jeweils separat schaltbar sind (wie in 4A), sehen wir anstelle dessen eine einzelne Vorspannungsquelle 12, die zu einem DAC 17 geführt ist. Es werden auch Steuersignale 18 zu dem DAC 17 geführt. Durch Senden eines geeigneten digitalen Steuersignals 18 zu dem DAC 17 steuert man die Spannungsvorspannung, die an den cMUT 8 angelegt ist so, dass sie ein Teil der Spannung 12 ist. Zum Beispiel könnte die Vorspannung 12 200 Volt betragen und der DAC erlaubt das Bereitstellen von 16 oder 32 weiter verringerten Spannungen. Weiterhin kann der DAC 17 selbst aus Mikrorelais oder Mikroschaltern kombiniert mit Widerständen aufgebaut sein. Die Widerstände können bei der Herstellung lasergetrimmt werden für eine Extragenauigkeit während des Einstellens der Werte für jede der Spannungs-Auswahlen. Daher sehen wir von 4B, dass mikromechanische Techniken für die akustische Elementherstellung als auch für die Herstellung von unterstützenden elektronischen Komponenten angewendet werden können.
• 4C zeigt ein andere Anwendung für mikromechanische Mikrorelais oder Mikroschalter. Es ist eine Draufsicht eines Wandlerarrays 23 gezeigt. Das Array 23 hat rechtwinklige (oder gekreuzte) Elektrodenanordnungen. Eine Elektrodenanordnung 19 (19a, 19b, 19c ...) adressiert individuelle Piezoelemente, die linear entlang der Azimutrichtung (oben oder unten) angeordnet sind. Die andere Elektrodenanordnung 20 (20a, 20b, 20c ...) adressiert gewöhnliche Unterbereiche der Höhe jedes Piezoelementes. Es kann damit gesehen werden, dass 20a, 20b, 20c ... schaltbar zu den variablen Vorspannungsquellen über mikromechanische Mikrorelais oder Mikroschalter 14a, 15a, ... sind. Das dargestellte Array besitzt eine Vorspannungsquelle 12a und ein Element der Vorspannungssteuerung 22. Für einen Fachmann wird klar sein, dass man mit dieser Elektrodenanordnung eine Vielfalt von nützlichen Vorteilen erzielen kann. Ein erstes Beispiel, wobei das Array aus einem gepolten PZT Piezomaterial besteht, und die mikromechanischen Mikrorelais verwendet werden, um einfach verschiedene Bereiche der Höhenlänge von all diesen Elementen an- und abzuschalten, erreicht daher eine günstige Einengung (oder Translation) der Höhenteildicke entweder während des Übertragens, des Empfangens oder beidem – speziell für das Nahabbilden.
• In einem zweiten Beispiel besteht das Array aus einem elektrostriktiven Piezomaterial wie z. B. PZN, dessen akustische Empfindlichkeit nicht durch das permanente Polen sondern durch das Auswählen einer temporär auswählbaren Vorspannung erhalten wird, um ein auswählbares Empfindlichkeitsniveau zu erzielen. In diesem System ersetzt das Vorspannen das permanente Polen, aber das Piezomaterial muss weiterhin gepulst werden für das Übertragen (mit der angelegten Vorspannung). Auf jeden Fall kann man unter Verwendung des elektrostriktiven Materials die Größenordnung der akustischen Empfindlichkeit steuern (beim Übertragen und Empfangen), sowohl wenn entweder das Element oder der Höhenbereich des Elementes an als auch aus ist. Koaxialkabel (Drähte oder Platinentrassen) 21 (21a, 21b, 21c, ....) sind gezeigt, die zu den Elektroden der Typen 19a, 19b, 19c eines jeden Piezoelementes geführt sind.
• 4D zeigt ein quadratisches zweidimensionales (2D) Array, das aus 7 × 7 (oder insgesamt 49) Arrayelementen besteht. Die Elemente sind mit den Ziffern 1, 2, 3 oder 4 bezeichnet, wie in der Figur zu sehen ist. Die Ziffern 1 bis 4 bezeichnen vier Niveaus von Mittenfrequenzen, wie sie für ein sehr breitbandiges Array erwünscht sein könnten. Die Niveaus können wie gezeigt mit höheren Frequenzen (z. B. 4) in der Mitte und mit niedrigeren Frequenzen (z. B. 1) an den Arraykanten verteilt sein. Jedes cMUT akustische Element (insgesamt 49) in diesem Array ist zumindest zu einem gestimmten Mikrorelais oder Mikroschalter adressierbar und eine Verbindung (nicht gezeigt) ist in der Lage, das gewünschte Vorspannungsniveau mit seinem Partnerelement zu verbinden. Die Vorteile einer Frequenzvariation quer über ein Array sind gut aus dem Stand der Technik bekannt.
• In 4D kann man, zusätzlich oder alternativ zur Steuerung der Elementenfrequenz auch oder stattdessen das An/Aus-Zustand oder den Grad der elektroakustischen Aktivität (z. B. unter Verwendung eines elektrostriktiven Piezomaterials) steuern. Daher kann man z. B. eine lineare Blonde sich über die Oberfläche des Arrays bewegen lassen für eine 3D-Abbildung einer Ebene gleichzeitig oder zum einfachen Abschwächen verschiedener Elemente für Apodisationszwecke.
• Es muss betont werden, dass 2D-Arrays (wie in 4D gezeigt) momentan außerordentlich teuer in der Herstellung sind, weil man N² oder N × N-Schalter benötigt. Die Verwendung von Mikrorelais oder Mikroschaltern löst dieses Problem zum einen vom Blickpunkt der Kosten als auch vom Blickpunkt der Packung und Miniaturisierung.
• Es ist weiter zu beachten, dass man einen „spärlichen Array”-Entwurf für das Gerät von 4D (nicht gezeigt) verwenden kann, wobei nur ein ausgewählter Bereich der Elemente tatsächlich akustisch betrieben wird.
• Die folgende Auflistung fasst attraktive Ultraschallanwendungen zusammen, die mikromechanische Geräte verwenden, wie in den letzten beiden Figuren gezeigt:
• 1. Elementschaltung und Blendenapodisation (Empfindlichkeitssteuerung) in einfachen und 2D-Arrays auf einer Element × Element (wenn notwendig) – Basis;
• 2. Elementschaltung und Empfindlichkeitssteuerung in 2D-Arrays unter Verwendung einer gekreuzten Elektrodentechnik (einer Technik mit reduzierter Komplexität relativ zu 1.);
• 3. Elementfrequenzsteuerung/Anpassung in einfachen und 2D-Arrays auf einer Element × Element-Basis, die Blenden eines Typs „variable Frequenz in Abhängigkeit vom Ort” erlauben;
• 4. Elementfrequenzsteuerung/Anpassung in 2D-Arrays unter Verwendung einer gekreuzten Elektrodentechnik;
• 5. Frequenzsteuerung/Anpassung in einfachen und 2D-Arrays in einer Zeit variierenden Art und Weise für das bessere Ausführen einer harmonischen Abbildung. Eine niedrige Frequenzübertragung schaltet dann schnell zu einem hohen Frequenz- oder harmonischen) Empfang;
• 6. Blendentranslation und/oder Rotation einer Teilbildebene mit einem 2D-Array; und
• 7. Kostengünstige und kompakte voll schaltbare 2D-Arrays, anwendbar für jeden Zweck (3D-Strahlausbildung oder 2D und/oder 3D-Abbildung beweglicher Blenden).
• Es ist zu verstehen, dass ein breiter Bereich von Änderungen und Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsform für einen Fachmann ersichtlich sind und überdacht werden. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorhergehende detaillierte Beschreibung eher als illustrierend denn als begrenzend betrachtet wird, und es kann eingesehen werden, dass die folgenden Ansprüche einschließlich aller Entsprechungen, den Geist und den Bereich diese Erfindung bestimmen sollen.
• Bezugszeichenliste
• Fig. 1A–Fig. 1E: Source, Gate, DrainFig. 4A

oben links

Vom Impulsgeber/Empfänger

8

MUT-ELEMENT

16

gleichspannungsblockierender Kondensator

16A

wechselspannungsblockierende Einheit (optional)

1, 2, ..., N

Gleichspannungsvorspannung

Fig. 4B

links oben

Vom Impulsgeber/Empfänger

8

MUT-ELEMENT

16

gleichspannungsblockierender Kondensator

16A

wechselspannungsblockierendes Modul (optional)

12

Gleichspannungsvorspannung

16

Digital/Analog-Konverter

18

Steuersignale

Fig. 4c

20

Höhenelemente

19

Azimut-Elemente

22

Vorspannungssteuerung

21

Signalkoaxialkabel zu dem System 21

14A, 15A

Individuelle Vorspannungsschalter

12A

Schaltervorspannungsspannungsquelle

Unterschrift

typischer MUT mit gekreuzter Elektrode, Vorspannungssteuerung für ein 2D-Array

Fig. 4d

Unterschrift

eine 2D-49-Elementenblende

4

höchstes Frequenzelement

1

niedrigstes Frequenzelement

Claims (9)

1. Medizinisches Ultraschallverfahren zum Betreiben eines kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers (cMUT), mit den Schritten: (a) Anlegen einer Gleichspannungs-(DC)-Vorspannung an ein elektrostatisches Wandlerarray mit mehreren Ultraschallelementen; (b) Übertragen von Schallenergie an ein Subjekt während eines Sendebetriebs und Empfangen einer Antwort von diesem während eines Empfangsbetriebs unter Verwendung des elektrostatischen Wandlerarrays mit mehreren Ultraschallelementen; (c) Ändern der DC-Vorspannung als Funktion des Sende- und Empfangsbetriebs, um das elektrostatische Wandlerarray mit den mehreren Ultraschallelementen zu veranlassen während des Sendebetriebs eine erste Mittenfrequenz und während des Empfangsbetriebs eine zweite Mittenfrequenz zu haben durch Schalten mittels mindestens einer mikromechanischen Komponente; und (d) Erzeugen eines Bilds basierend auf der während des Empfangsbetriebs empfangenen Antwort.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (a) ein Anlegen der DC-Vorspannung an jedes von den mehreren Ultraschallelementen aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mikromechanischen Komponenten mikromechanische Relais sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (c) ein Anlegen einer ersten DC-Vorspannung zum Senden bei der ersten Mittenfrequenz und ein Anlegen einer zweiten DC-Vorspannung zum Empfangen bei der zweiten Mittenfrequenz, die eine Harmonische der ersten Mittenfrequenz ist, enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit (e) Schalten der DC-Vorspannung mit mindestens zwei mikromechanischen Relais, die miteinander gekoppelt sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (c) ein Ändern der DC-Vorspannung aufweist, unabhängig für jedes der mehreren Ultraschallelemente des elektrostatischen Wandlerarrays.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine mikromechanische Komponente die Apodisation der Ultraschallelemente steuern kann.
8. Ultraschallwandler, mit: mindestens einem kapazitiven mikromechanischen Ultraschallelement, das betreibbar ist zum Übertragen von Schallenergie in ein Subjekt während eines Sendebetriebs und zum Empfangen einer Antwort von diesem während eines Empfangsbetriebs; einer Gleichspannungs(DC)-Vorspannungsquelle, die betreibbar ist zum Bereitstellen von mindestens zwei verschiedenen Vorspannungen für das mindestens eine mikromechanische Ultraschallelement, wobei eine der mindestens zwei verschiedenen Vorspannungen während des Sendens bereitgestellt wird, um ein elektrostatisches Wandlerarray mit mehreren Ultraschallelementen zu veranlassen eine erste Mittenfrequenz zu haben, und die andere der mindestens zwei verschiedenen Vorspannungen während des Empfangens bereitgestellt wird, um das elektrostatische Wandlerarray zu veranlassen eine zweite Mittenfrequenz zu haben; einer mikromechanischen Komponente, die zwischen die Gleichspannungs(DC)-Vorspannungsquelle und das mindestens eine mikromechanische Ultraschallelement geschaltet ist zum Schalten der verschiedenen Vorspannungen; und einer Schnittstelle, die mit dem mindestens einen mikromechanischen Ultraschallelement gekoppelt ist und betreibbar ist zum Senden der Antwort an ein medizinisches Bildgebungssystem zum Erzeugen eines Bilds.
9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, wobei die zweite Mittenfrequenz eine Harmonische der ersten Mittenfrequenz ist.

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