專利名稱：具有大視場的超聲探頭以及制造這種超聲探頭的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲探頭，其由于超聲換能器陣列元件的特殊幾何布置而具有大的視場。此外，本發(fā)明還涉及一種制造超聲探頭的方法。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)超聲應(yīng)用中，超聲換能器一般用于在超聲成像過程中發(fā)射和接收超聲波或聲波。
將患者體內(nèi)能夠以充分高的圖像質(zhì)量和充分低的偽影水平獲得圖像的區(qū)域稱為視場。換能器的視場取決于若干因素，其中有換能器陣列元件尺寸、換能器陣列孔徑 (aperture)和換能器陣列幾何結(jié)構(gòu)。
市面上可獲得的許多換能器包括超聲換能器元件的ID陣列。每個元件都是分離的、名義上獨立的換能器，其既用于向患者的身體內(nèi)發(fā)射超聲能量，又用于接收來自體內(nèi)結(jié)構(gòu)的回波。醫(yī)學(xué)超聲通常工作在1-20MHZ的頻率范圍內(nèi)，該頻率范圍是提供與人體內(nèi)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的成像細(xì)節(jié)所必需的。也可以針對特殊的應(yīng)用使用更低和更高的頻率。
ID陣列中的每個元件通常是矩形的，其沿某一方向(通常稱為方位角(azimuth) 方向)具有窄跨度，沿正交方向(通常稱為仰角(elevation)方向)具有較長跨度，并且沿與另兩個方向正交的方向(通常稱為射程方向)具有厚度。換能器元件的尺寸，即，其沿方位角方向的寬度和沿仰角方向的長度，可以確定其在給定頻率上的允許角。這一允許角可以是元件接收對超聲信號起到構(gòu)建作用的足夠能量時所處的角度。允許角一般隨著元件寬度的提高而下降。此外，允許角還是頻率的函數(shù)；對于給定寬度而言，允許角一般隨著頻率的提高而降低。
盡管ID換能器陣列通常通過在換能器陣列的面上放置圓柱形聲學(xué)透鏡來將超聲能量沿仰角方向聚焦到固定聚焦區(qū)域，但通常也可以按照兩種基本格式“扇形掃描”或“線性掃描”中的一種沿方位角方向?qū)Ω信d趣區(qū)域進(jìn)行掃描。
對于扇形掃描，視場可以是以陣列的面的中心為其圓心的圓的一部分。對于扇形掃描格式，可以使超聲射束從陣列的中心沿徑向轉(zhuǎn)向(steer)，并且每條相繼射束的角度都可以是不同的。向發(fā)射和接收信號應(yīng)用的延遲可以確定轉(zhuǎn)向角和聚焦兩者。通常將使用扇形掃描格式的換能器稱為扇形陣列或相控陣列。這樣的換能器可以具有寬度級為λ/2的元件，其中，可以將λ定義為換能器工作的頻帶的中心頻率處的聲學(xué)波長。典型的相控陣列提供具有90°的扇區(qū)寬度的視場。
或者，對于線性掃描格式，每條射束都可以垂直于陣列的面，并且可以將射束的位置沿陣列面橫向平移，以掃出矩形視場。在這種情況下，射束可以不轉(zhuǎn)向，而僅被聚焦。向發(fā)射和接收信號應(yīng)用的延遲確定聚焦的位置。使用線性掃描格式的換能器通常被稱為線性陣列，并且其可以具有寬度級為λ的元件。矩形視場的寬度與換能器的方位角長度通常是相同的。
也可能構(gòu)建彎曲的陣列，并且其提供彎曲的視場。這些換能器通常以線性掃描格式工作，即，利用垂直于陣列的面投射的超聲射束工作。通過使超聲射束沿彎曲表面平移而不是通過使其轉(zhuǎn)向，由此可以提供視場中的曲率。有時將按照線性掃描模式工作的彎曲換能器陣列稱為“彎曲線性陣列”(CLA)。彎曲線性陣列可以提供比平線性陣列更大的視場， 同時避免與使聲學(xué)射束轉(zhuǎn)向相關(guān)的對圖像質(zhì)量的損害。其也有可能具有大于通?？梢杂缮刃侮嚵蝎@得的90°扇區(qū)的彎曲視場。
應(yīng)當(dāng)指出的是，對于平線性陣列和彎曲線性陣列二者而言，都能夠?qū)⑺褂玫某暽涫D(zhuǎn)向。然而，由于與相控陣列相比，線性陣列沿方位角方向具有更寬的元件，因而不能夠像相控陣列那樣使超聲射束轉(zhuǎn)向。因此，平線性陣列可以利用轉(zhuǎn)向?qū)σ晥龅挠薪嵌鹊倪吘壋上?，由此獲得不規(guī)則四邊形的視場。
“射束形成”可以指將陣列元件發(fā)射和接收的信號組合成表示從視場中的單個點接收的超聲信號的和的過程。一般而言，對于ID換能器而言，將每個換能器元件連接至超聲系統(tǒng)中分離的“信道”，其中，信道可以包括發(fā)射器、接收器以及用于控制發(fā)射的和接收的信號的定時的延遲電路。可以控制時間，以在發(fā)射時聚焦超聲能量，以及合成(synthesize) 所接收到的信號的聚焦。向每個信道應(yīng)用的延遲可以使得在靶標(biāo)處同時接收由陣列元件中的每個發(fā)射的聲學(xué)信號。所述延遲可以是超聲傳播時間的差，例如，其由聲速和每個元件距靶標(biāo)的距離確定。
由于組合了陣列幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)射束形成器提供的沿方位角的轉(zhuǎn)向和/或聚焦、 以及由固定透鏡提供的沿仰角的聚焦，ID陣列通常對“平面”的部分成像，亦即，不存在沿仰角方向?qū)β晫W(xué)射束的轉(zhuǎn)向或受控的可變聚焦。
鑒于ID換能器陣列具有跨越陣列的整個仰角尺度的超聲換能器元件，因而也可以將2D陣列或矩陣陣列劃分成沿仰角方向的元件。當(dāng)為每個元件提供其自身的超聲射束形成電子裝置，從而使應(yīng)用到其信號上的延遲可以不同于其相鄰元件的延遲時，可以獲得沿仰角方向以及沿方位角方向轉(zhuǎn)向、平移和聚焦的可能性。使超聲射束沿仰角方向轉(zhuǎn)向和 /或平移的能力可以實現(xiàn)對空間體積的成像，而不是僅在平面內(nèi)成像。
也可以將提供給矩陣陣列中的每個超聲換能器元件的射束形成電子裝置稱為“微射束形成器”?？梢詣澐终麄€超聲系統(tǒng)的射束形成功能，從而使其部分發(fā)生在微射束形成器內(nèi)，而其余發(fā)生在總體控制系統(tǒng)內(nèi)。例如，換能器元件可以包括壓電層布置，利用電極與之接觸，從而能夠通過施加適當(dāng)?shù)碾妷簛砑顡Q能器元件，以發(fā)射超聲振動。可以使用與超聲換能器元件中的每個的壓電層布置相關(guān)聯(lián)的控制電路來施加和控制所述電壓。相應(yīng)地，可以為超聲換能器元件中的每個提供其自身的包括發(fā)射器、接收器和延遲電路的“微信道”。 這可以允許將來自毗鄰元件組的信號組合到一起，以驅(qū)動單個系統(tǒng)信道；微射束形成器必須僅提供相對小的延遲量，以解決其與其所在的組中的其他元件之間的差異。
對于ID陣列，可以從2維矩陣陣列獲得的視場可能取決于陣列幾何結(jié)構(gòu)和其元件所能夠支持的掃描格式。如果陣列元件沿方位角方向和仰角方向兩者都充分小，那么可以將聲學(xué)射束沿這兩個方向轉(zhuǎn)向。陣列元件越大，所允許的轉(zhuǎn)向可能越小。陣列元件未必是方形的；例如，可以使用沿方位角方向具有λ元件和沿仰角方向具有λ/2元件的矩陣陣列， 并且可以使其沿方位角方向以線性掃描格式工作，而沿仰角方向以扇形掃描格式工作。
然而，超聲換能器的矩陣陣列可能具有與其視場相關(guān)的局限?？梢酝ㄟ^提高孔徑的尺寸以使預(yù)期的視場落在矩陣陣列的轉(zhuǎn)向范圍之內(nèi)，由此在某種程度上解決視場的限制。然而，能夠?qū)Υ朔桨讣右岳玫某潭瓤赡艽嬖谙拗?，尤其是對于腔?nèi)超聲換能器而言， 在這樣的換能器中，不存在提高換能器尺寸的選項。也可能通過降低陣列元件的尺寸來增大轉(zhuǎn)向。然而，就矩陣陣列而言，這也可能降低可用于微信道電子裝置的面積的量，所述微信道電子裝置必須匹配到與換能器元件中的每個相關(guān)聯(lián)的空間中，因而對于可以將換能器元件制作得小到何種程度存在限制。
為了提供比利用平(扇形)陣列可能得到的更大的視場，可以使用彎曲矩陣陣列。 在這樣的彎曲矩陣陣列中，可以將超聲換能器元件布置到彎曲表面上。彎曲矩陣陣列的另一優(yōu)點在于，可以利用比實現(xiàn)大轉(zhuǎn)向角所需的較小相控陣列元件更少并且更大的換能器元件實現(xiàn)更大的視場。
然而，已經(jīng)觀察到，超聲換能器元件的彎曲矩陣陣列還可能存在視場以及圖像質(zhì)量方面的限制。發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，可能需要一種經(jīng)改進(jìn)的用于超聲探頭的超聲換能器矩陣陣列，其可以克服現(xiàn)有的彎曲矩陣陣列的某些視場和圖像質(zhì)量上的限制，尤其是對于不存在通過提高孔徑尺寸或者由元件尺寸降低而得到的更大的轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)更大的視場的選項的情況而言。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，理想的彎曲矩陣換能器陣列可以具有表面沿兩個方向彎曲的類球體形狀。然而，現(xiàn)有的陣列制造技術(shù)可能無法實現(xiàn)這樣的復(fù)合表面彎曲的曲率。盡管可以沿一個方向，即圍繞一個彎曲軸彎曲/彎折以形成圓柱形表面的彎曲矩陣陣列可能是易于制造的，然而制備具有充分大的總體面積，并且可以沿兩個方向彎曲，從而形成復(fù)雜彎曲表面的超聲換能器則很困難，或者是不可能的。
本發(fā)明的基礎(chǔ)構(gòu)思是通過近似法對超聲換能器的復(fù)雜表面，例如，類球體表面進(jìn)行近似，所述近似法使用每者都包括超聲換能器元件的矩陣陣列的不同區(qū)域，并從這些區(qū)域組合總體超聲換能器區(qū)。其中，所述區(qū)域中的至少一些可以圍繞特定的彎曲軸彎曲，而其他區(qū)域則可能不被彎曲，即，可以是平的，或者可以僅被輕微彎曲。特別地，一種可能有利的做法是提供對互連相鄰的充分彎曲區(qū)域的平的或者僅稍微彎曲的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種用于超聲探頭的超聲換能器矩陣陣列，其具有包括中央?yún)^(qū)域和至少三個分支區(qū)域的總體超聲換能器區(qū)。所述中央?yún)^(qū)域和分支區(qū)域每者都包括超聲換能器元件的矩陣陣列。其中，所述中央?yún)^(qū)域至少具有三條邊，并且所述分支區(qū)域中的每者從所述中央?yún)^(qū)域的這些邊中的一條延伸。此外，使每個分支區(qū)域圍繞與所述分支區(qū)域從其延伸的中央?yún)^(qū)域的相應(yīng)邊平行的軸彎曲或彎折。
相應(yīng)地，總體超聲換能器區(qū)可以是中央?yún)^(qū)域和多個分支區(qū)域的組合。所述總體超聲換能器區(qū)可以覆蓋連續(xù)表面，其中分支區(qū)域直接毗連中央?yún)^(qū)域。換言之，分支區(qū)域可以通過在其間插入的中央?yún)^(qū)域互連。
中央?yún)^(qū)域和分支區(qū)域中包括的矩陣陣列中的每個都包括多個超聲換能器元件，所述元件分布在相應(yīng)區(qū)域的2D區(qū)上。例如，可以按照行和列布置超聲換能器元件，其中，每個區(qū)域都包括多個行和多個列。
例如，包括中央?yún)^(qū)域和分支區(qū)域的總體超聲換能器區(qū)可以形成交叉形狀。其中，所述中央可以是矩形的，其具有A行、B列超聲換能器元件的矩陣。例如，在相對邊處毗連中央?yún)^(qū)域的兩個分支區(qū)域可以包括A行、C列超聲換能器元件的矩陣，而毗連所述中央?yún)^(qū)域的其余相對邊的另外兩個分支區(qū)域則可以包括D行、B列超聲換能器元件的矩陣。換言之，所述總體交叉狀超聲換能器區(qū)可以包括四個分支區(qū)域和插入的中央?yún)^(qū)域，其中，中央?yún)^(qū)域的尺寸與毗連的分支區(qū)域的相應(yīng)寬度相關(guān)。A、B、C和D的各種比值都是可能的。例如，所述中央?yún)^(qū)域可以是矩形的(AfB)或者是方形的(A = B)。此外，所述分支區(qū)域可以具有等同的尺寸(C = D)，或者可以在其長度上存在差異(C興D)。
有利地，所述中央?yún)^(qū)域是平的。盡管所述分支區(qū)域每者都可以圍繞與中央?yún)^(qū)域的毗鄰邊平行的軸發(fā)生彎曲，并且因此可以表示沿不同方向取向的柱面，然而優(yōu)選提供不具有任何曲率的中央?yún)^(qū)域，由此有可能免除對互連毗鄰分支區(qū)域的中央?yún)^(qū)域的復(fù)雜空間曲率的要求。可以使分支區(qū)域中的每個相對于包括所述平中央?yún)^(qū)域的平面朝向同一側(cè)彎曲。
可能優(yōu)選的是，以一定的相控陣列間距布置所述中央?yún)^(qū)域和/或分支區(qū)域的換能器元件的矩陣陣列的至少一部分。這樣的相控陣列間距布置可以允許超聲換能器在扇形掃描模式下工作，在該模式下，可以使所發(fā)射的超聲射束轉(zhuǎn)向。借助這樣的轉(zhuǎn)向，例如，可以利用平移和轉(zhuǎn)向的組合來順應(yīng)非柱形和/或非球形的幾何結(jié)構(gòu)，從而通過適當(dāng)?shù)纳涫纬蓙硌a償所述中央?yún)^(qū)域和/或分支區(qū)域與理想柱形或球形的偏差。
例如，可以沿兩個正交主要方向按照一定的相控陣列間距布置中央?yún)^(qū)域中的換能器元件的矩陣陣列，然而可以僅沿與相應(yīng)分支區(qū)域從其延伸的邊平行的方向按照一定的相控陣列間距布置分支區(qū)域中的每個的換能器元件的矩陣陣列。換言之，中央?yún)^(qū)域中的換能器元件在長度和寬度兩者上都可以具有λ/2的尺寸。分支區(qū)域中的換能器元件可以沿寬度方向，即，平行于毗連中央?yún)^(qū)域的邊的方向具有λ/2的尺寸，而沿垂直于毗連中央?yún)^(qū)域的邊的長度方向則具有另一尺寸，諸如，例如，λ尺寸。
盡管在這樣的方案中，中央?yún)^(qū)域和分支區(qū)域可能需要不同的換能器元件尺寸設(shè)計，然而可以使換能器元件和控制換能器元件中的每個的相應(yīng)的控制元件的總數(shù)量最小化。
有利地，可以將超聲元件布置在可彎折的襯底上，并且可以為超聲元件中的每個提供相關(guān)聯(lián)的起著微射束形成器的作用的控制電路，所述控制電路優(yōu)選集成在公共襯底當(dāng)中。例如，所述可彎折的襯底可以是薄的硅襯底，其厚度允許充分彎折所述襯底連同與之創(chuàng)建到一起的超聲換能器元件。這樣的厚度可以例如低于100 μ m，優(yōu)選低于50 μ m。在這樣的硅襯底中，可以集成用于控制至換能器元件的信號的電路。
如上所述，所述超聲換能器元件可以包括層布置，可以對其激勵，以生成超聲振動。這樣的層布置可以包括例如具有相應(yīng)的電極的一個或多個壓電層。此外，還可以為超聲換能器元件提供包含在襯底中的控制電路。有利地，通過倒裝芯片技術(shù)使所述層布置機(jī)械地附接至襯底。這種倒裝芯片技術(shù)的應(yīng)用可以提供從陣列振動元件中的每個到其對應(yīng)的電路的連接。這樣的方案還稱為“倒裝芯片微射束形成器”，其中，每個元件的微信道可以小到足以匹配到受到元件的方位角尺寸和仰角尺寸限制的空間中。所述微射束形成器可以構(gòu)建在專用集成電路(ASIC)中，所述專用集成電路可以具有與陣列基本相同的尺寸，任選加上圍繞一般性功能的周界的一定額外空間。相應(yīng)地，每個微信道可以處在其元件之后，并通過位于其間的導(dǎo)電柱發(fā)生電接觸。
此外，有利地，所述總體超聲換能器區(qū)可以包括多個鋪片(tile)。例如，一個超聲換能器矩陣陣列鋪片可以包括中央?yún)^(qū)域和被布置在所述中央?yún)^(qū)域的相對邊處的分支區(qū)域中的兩個，至少一個另外的超聲換能器矩陣陣列鋪片可以包括一個或多個另外的分支區(qū)域。或者，所述總體超聲換能器區(qū)可以包括至少三個，優(yōu)選四個等同的超聲換能器矩陣陣列鋪片。每個鋪片可以包括用于控制微射束形成器的專用電路的ASIC?？梢詫⒊暟l(fā)射層設(shè)置在并電連接到ASIC上，其中，可以通過將所述超聲發(fā)射層切塊(dice)以生成相應(yīng)的元件，由此創(chuàng)建相應(yīng)的超聲換能器元件。在下文中將相對于本發(fā)明的特定實施例進(jìn)一步描述使用超聲換能器矩陣陣列鋪片的細(xì)節(jié)和可能的實施例。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種制造超聲探頭的方法，其中，所述方法包括提供總體超聲換能器區(qū)，所述總體超聲換能器區(qū)包括每個都包括超聲換能器元件的矩陣陣列的中央?yún)^(qū)域和至少三個分支區(qū)域，其中，每個分支區(qū)域從所述中央?yún)^(qū)域的至少三條邊之一延伸。所述方法還包括按照圍繞與相應(yīng)分支區(qū)域從其延伸的所述中央?yún)^(qū)域的邊平行的軸的彎曲構(gòu)造來布置每個分支區(qū)域。
所述總體超聲換能器區(qū)可以包括多個鋪片。每個鋪片都可以包括ASIC，在ASIC 中，可以利用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)制備控制電路。在ASIC的表面上，可以沉積或結(jié)合由某種材料構(gòu)成的層，所述材料可以被激勵，以生成超聲振動。然后，可以將這一層切塊，以制備按照矩陣陣列布置的大量換能器元件，其中，每個元件可以由其相關(guān)聯(lián)的ASIC控制。在所述分支區(qū)域中，可以將切塊切口中的至少一些布置成與相應(yīng)分支區(qū)域從其延伸的中央?yún)^(qū)域的邊平行。由此，在為ASIC采用柔性襯底的情況下，可以將分支區(qū)域彎折成圍繞與相應(yīng)的邊平行的軸彎曲的形狀。
必須指出的是，本文參照不同的主題描述了本發(fā)明的各個方面和實施例。具體而言，一些實施例是相對于超聲探頭來描述的，而其他實施例則是相對于超聲探頭的制造方法來描述的。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將從上文和下文的描述認(rèn)識到，除非另行指出，否則除了屬于一類主題的特征的任何組合之外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本申請還公開了與不同主題相關(guān)的特征之間的任何組合，尤其是設(shè)備型權(quán)利要求的特征和方法型權(quán)利要求的特征之間的任何組I=I O


將相對于如附圖所示的具體實施例進(jìn)一步描述本發(fā)明的特征和優(yōu)點，但本發(fā)明不受其限制。
圖1示出了超聲換能器元件的常規(guī)彎曲矩陣陣列；
圖2a、b、c、d分別以透視圖、頂視圖、方位角視圖和仰角視圖示出了圖1的矩陣陣列的視場的表示；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的超聲探頭的矩陣陣列布置的透視圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的具有平中央?yún)^(qū)域的超聲探頭的矩陣陣列布置的透視圖5示出了圖4的超聲探頭的矩陣陣列布置的截面；
圖6a、b、c分別以透視圖、頂視圖以及方位角/仰角視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有線性陣列間距的超聲探頭的視場的表示；
圖7a、b、c分別以透視圖、頂視圖以及方位角/仰角視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有相控陣列間距的超聲探頭的視場的表示；
圖8示出了在本發(fā)明的實施例中所使用的超聲換能器的矩陣陣列的截面視圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括三個鋪片的超聲探頭布置；
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括四個鋪片的超聲探頭布置；
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括四個等同的鋪片的超聲探頭布置；
圖12示出了彎曲之前的根據(jù)本發(fā)明實施例的超聲探頭布置的矩陣陣列布置的頂視圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有通過優(yōu)化使得換能器元件的數(shù)量最小的矩陣陣列布置的超聲探頭的矩陣陣列布置的頂視圖。
附圖中所示的特征僅僅是示意性的，而不是按比例繪制的。采用相同或類似的附圖標(biāo)記標(biāo)示相同或類似的特征。此外，附圖中所示的表面上的線未必表示任何實際連接或者換能器元件的段，而是可能表示表面輪廓，其旨在有助于在2D繪圖中使3D表面更加清林疋。
具體實施方式
圖1示出了沿圍繞軸105彎折的表面布置的超聲換能器元件103的常規(guī)矩陣陣列 100。該矩陣陣列包括在二維表面上布置的多個列107和行109的超聲換能器元件103。該示范性彎曲矩陣陣列具有11. 5mm的曲率半徑R0C、沿方位角方向的130°的視場角α以及沿仰角方向的IOmm的孔徑寬度W。沿仰角方向利用相控矩陣間距布置超聲換能器元件103， 以支持90°的轉(zhuǎn)向。
圖h、b、c和d示出了可以利用圖1所示的彎曲矩陣陣列獲得的視場的透視圖、頂視圖、方位角視圖和仰角視圖。
圖3示出了用于超聲探頭的超聲換能器矩陣陣列1的透視圖，矩陣陣列1具有彎曲交叉狀形式，并且其包括互連四個分支區(qū)域13的中央?yún)^(qū)域11。區(qū)域11、13中的每個都包括超聲換能器3的矩陣陣列5。分支區(qū)域13從中央?yún)^(qū)域11的相應(yīng)邊15延伸。分支區(qū)域 13中的每個都圍繞與分支區(qū)域13從其延伸的相應(yīng)邊15平行的軸彎曲。
在圖3所示的實施例中，中央?yún)^(qū)域11可以具有沿兩個方向彎曲的復(fù)雜彎曲表面。 然而，制造具有這樣的復(fù)雜曲率的換能器元件矩陣陣列可能很困難。例如，其原因可能在于這樣的事實，即，制造換能器元件的材料可以圍繞一個軸彎折，因而可以容易地按照柱面彎曲，但由于缺乏機(jī)械柔韌性/彈性可能無法按照復(fù)雜的彎曲形狀發(fā)生形變。
因此，可能有利的是，提供如圖4所示的具有平中央?yún)^(qū)域11'的超聲換能器矩陣陣列1'。平中央?yún)^(qū)域11'可以具有包括四條邊15的矩形形狀，所述彎曲分支區(qū)域13從所述邊延伸。平中央?yún)^(qū)域11'的矩陣陣列5可以包括A行7、B列9超聲換能器元件3。在圖 4的實施例中，中央?yún)^(qū)域11'為方形(A = B)。分支區(qū)域13的矩陣陣列5與中央?yún)^(qū)域11' 的邊15中的一條毗連，并且每個分支區(qū)域13的矩陣陣列5具有與所述分支區(qū)域從其延伸的中央?yún)^(qū)域11'的邊15的尺寸相同的寬度。相應(yīng)地，分支區(qū)域13沿寬度方向可以具有A 或B個換能器元件3。然而，它們的長度可以是不同的。原則上，分支區(qū)域中的每個可以具有不同的長度和/或不同的曲率半徑；然而，可能有利的是，為每個分支區(qū)域提供相同的長度和相同的曲率半徑，從而實現(xiàn)對稱布置。
圖5示出了圖4所示的超聲換能器矩陣陣列1'的截面。兩個彎曲分支區(qū)域13在邊15處從平中央?yún)^(qū)域11'延伸。
圖4所示的具有交叉狀彎曲超聲換能器矩陣陣列的超聲探頭的視場可能不是完整的球狀；在“拐角”內(nèi)可能存在間隙，在該處相互正交的孔徑中的任何一個都無法提供足夠的圖像質(zhì)量。
這樣的交叉狀超聲換能器的實際視場可以既取決于超聲換能器元件的矩陣陣列的基本幾何結(jié)構(gòu)所提供的彎曲表面，又取決于可達(dá)到的轉(zhuǎn)向，所述可達(dá)到的轉(zhuǎn)向可以取決于元件間距。
如果沿方位角方向和仰角方向兩者均按照線性陣列間距將整個矩陣陣列切割成小片，那么轉(zhuǎn)向通常局限為大約45°。圖6a、b、c分別以透視圖、頂視圖以及方位角/仰角視示了所得到的視場。這一方案可以提供對大約一半的理想球狀視場的覆蓋，其在“拐角”中存在間隙，其可能超出了復(fù)合陣列的組合平移和轉(zhuǎn)向的范圍。
這樣的換能器還可以在更大的視場上，在穿過陣列的中心的橫平面中提供比利用例如圖1所示的單一彎曲矩陣陣列可能得到的更高的圖像質(zhì)量。除了如上所述的視場改善之外，橫平面中的圖像質(zhì)量也可以通過在該方向上提供彎曲線性陣列操作而不是僅依賴于轉(zhuǎn)向而得到提高。只有在圖1所示的彎曲矩陣陣列沿仰角方向具有相控陣列間距時，其才有可以沿仰角方向?qū)崿F(xiàn)90°的視場，如圖2d所示，而圖3或圖4的交叉狀陣列即使是按照更大的線性陣列間距切塊的，也將沿仰角方向具有130°的視場。提高的圖像質(zhì)量是由于沿仰角方向具有更大的可用孔徑而得到的。
應(yīng)當(dāng)注意到，圖3或圖4所示的這樣的交叉狀陣列可以比圖1所示的常規(guī)彎曲矩陣陣列具有更少的超聲換能器元件以及相應(yīng)的微信道。例如，假設(shè)圖1所示的常規(guī)彎曲矩陣陣列包括128列、64行；因此其包括U8X32 = 8192個個體換能器元件和微信道。要想獲得90°的視場，必須按照相控陣列間距將B行切塊。假設(shè)圖3或圖4所示的交叉狀陣列是對稱的，其中，任一主軸的尺寸均與圖1中的陣列相同。此外，假設(shè)沿兩個方向均按照線性陣列間距將所述陣列切割成小片；那么對于交叉陣列中的每個而言，沿方位角方向?qū)⒋嬖? 列，而沿仰角方向?qū)⒋嬖?2行。那么陣列中的元件總數(shù)將為2X (128X32)-32X32 =7168個個體陣列元件。盡管交叉陣列可能具有更大的表面面積，然而由于其沿兩個方向均按照線性陣列間距切塊，因而具有更少的陣列元件。
圖7a、b、c分別示出了具有根據(jù)本發(fā)明的實施例的超聲換能器矩陣陣列的超聲探頭的視場的透視圖、頂視圖以及方位角/仰角視圖，其中，將整個陣列切塊，從而沿仰角方向提供相控陣列間距。這可以提供大約90°的轉(zhuǎn)向。在這種情況下，增大的轉(zhuǎn)向可以提供理想球狀視場的大得多的覆蓋范圍。如下文將相對于圖9進(jìn)一步描述的，可以不必按照相控陣列間距將整個陣列切塊。
在圖7所示的實施例中，將上文相對于圖1所示的常規(guī)彎曲矩陣陣列進(jìn)一步討論的具有130°的方位角視場的矩陣陣列用于超聲探頭的各個區(qū)域。結(jié)果可以是相對于具有 90°的轉(zhuǎn)向的圖1所示的常規(guī)單一彎曲矩陣陣列具有稍微不足50%的視場改善。如果將方位角視場提高到130°以上，那么視場改善的提高可以超過圖7中所示的程度。
除了如上所述的視場改善之外，橫平面內(nèi)的圖像質(zhì)量也可以通過在該方向上提供彎曲線性陣列操作而不是僅依賴于轉(zhuǎn)向來得到提高。
圖8示出了超聲換能器3的矩陣陣列5的截面視圖。在公共可彎曲襯底31內(nèi)集成了多個控制電路37。將控制電路37中的每個通過連接33連接至可以通過被激勵出超聲振動的相關(guān)層布置35。該層布置可以包括壓電層連同用于改善聲阻抗匹配的一個或多個額外的層，從而形成聲學(xué)堆(stack)。連接33是通過倒裝芯片技術(shù)建立的?？梢酝ㄟ^首先將總體層布置連接至襯底31，并且接下來將其切塊，從而分離多個振動層布置35，由此可以制作出多個振動層布置35。
如圖9到11所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例的超聲探頭的總體超聲換能器區(qū)可以包括多個超聲換能器矩陣陣列鋪片21、23、25?？傮w超聲換能器區(qū)可以包括至少三個，然而可能是四個或更多個ASIC。在圖9到11所示的實施例中，示出了對稱的總體超聲換能器區(qū)，但對稱性并不是必需的。
圖9和10圖示了使用兩種不同的ASIC設(shè)計A、B的兩個實施例。所述兩種設(shè)計很可能非常類似，并且系統(tǒng)I/O 27可以位于ASIC的外緣上?？梢栽趯SIC結(jié)合至所述聲學(xué)堆之前對其進(jìn)行鋪排?；蛘撸梢詫︻A(yù)先結(jié)合的ASIC/聲學(xué)堆子組件進(jìn)行鋪排。如果滿足下述條件的任一個即可以在鋪排之前將所述預(yù)先結(jié)合的子組件切塊
(i)鋪排對準(zhǔn)足夠好，或者
(ii)具有處理任何配準(zhǔn)不良的校準(zhǔn)過程。
否則，可以在鋪排之后將總體換能器區(qū)域切塊，如下文所述。應(yīng)當(dāng)在要么是柔性的，要么可以使其變?yōu)槿嵝缘?，以實現(xiàn)以后的彎曲的襯底上完成所述鋪排。
如果在結(jié)合至聲學(xué)堆之前對ASIC進(jìn)行鋪排，那么對于探頭構(gòu)造可以存在兩種基本選擇?？梢詫⑺伵诺腁SIC子組件結(jié)合至單個大的聲學(xué)堆，但這樣做可能導(dǎo)致由未使用的拐角(對于具有方形對稱性的設(shè)計而言占總體區(qū)域的4/9)造成的巨大浪費。如果所述過程允許使用多個探頭子組件，那么所述探頭可以包括三塊或四塊，其與圖9和10所示的 ASIC具有相同的構(gòu)造。
如圖11所示，也可以使用與單ASIC設(shè)計相同的方案。在這種情況下，兩個相互正交的孔徑可以是不同的。
假設(shè)在鋪排時尚未對ASIC/探頭子組件切塊，那么此時，包括總體換能器區(qū)的超聲單元可以準(zhǔn)備好進(jìn)行切塊。當(dāng)在鋪排之后切塊時，可以使陣列元件相對于彼此適當(dāng)配準(zhǔn)， 盡管下層的ASIC可能略微存在錯位。
圖12示出了切塊之后的幾何結(jié)構(gòu)。之后，所述單元可以準(zhǔn)備好進(jìn)行彎曲。利用可彎曲材料可以使得所述襯底充分彎曲?；蛘撸梢酝ㄟ^背面切塊使剛性材料發(fā)生彎曲。用于得到適當(dāng)曲率半徑的工具和技術(shù)可以與用于常規(guī)一維換能器陣列的工具和技術(shù)類似。對于一維換能器陣列而言，一個方案可以是將陣列面朝下放到提供指定曲率半徑的彎曲工具中，推動其使之與工具的面發(fā)生接觸，并使之結(jié)合到ASIC/陣列子組件后的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)上。另一個方案可以是使所述陣列面朝上結(jié)合到機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)上?？梢詫⑦@些方法中的任一種用于圖1所示的常規(guī)彎曲矩陣換能器陣列?？梢詫㈩愃频募夹g(shù)用于交叉狀矩陣陣列， 只是所述工具和機(jī)械支持可能更加復(fù)雜，因為中間可能存在平中央?yún)^(qū)域，并且可能存在從所述中央?yún)^(qū)域延伸的兩組彎曲分支區(qū)域。
在彎曲之后，可以使用與對常規(guī)的超聲換能器探頭的矩陣陣列使用的類似的技術(shù)完成陣列制造。
如上所述，可能沒有必要按照相控陣列間距將整個陣列切塊，以實現(xiàn)圖7所示的視場。圖13圖示了一種切塊模式，其為總體陣列的每個正交分組提供沿仰角方向的90° 的轉(zhuǎn)向。在沿每個方向切塊時，中央?yún)^(qū)域的間距可以減半。由此可以在分支區(qū)域13內(nèi)得到沿方位方向為λ，沿仰角方向為λ/2的元件，在平中央?yún)^(qū)域11內(nèi)得到λΛχλ/2的元件。 這一方案可能使得形成中央?yún)^(qū)域11和分支區(qū)域13的矩陣陣列中的每個需要不同的微信道設(shè)計，然而其可以使微信道的總數(shù)降至最低。
為了使圖13的切塊方案適應(yīng)圖11所示的具體的鋪排布置，可能必須為ASIC設(shè)計的芯片上的某些微信道位置賦予充分的柔韌性，以處理λ χ λ /2或者λ / λ /2元件。
應(yīng)當(dāng)指出，“包括”等詞語不排除其他元件或步驟，不定冠詞“一”或“一個”不排除復(fù)數(shù)個元件。此外，還可以將聯(lián)系不同的實施例描述的要素組合起來。還應(yīng)當(dāng)指出，不應(yīng)將權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記推斷為對權(quán)利要求的范圍構(gòu)成限制。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲探頭的超聲換能器矩陣陣列(1)，其包括總體超聲換能器區(qū)，所述總體超聲換能器區(qū)包括包括超聲換能器元件⑶的矩陣陣列(5)的中央?yún)^(qū)域(11)，其中，所述中央?yún)^(qū)域(11) 具有至少三條邊(15)，以及至少三個分支區(qū)域(13)，每個分支區(qū)域都包括超聲換能器元件C3)的矩陣陣列(5)，其中，每個分支區(qū)域(1 從所述中央?yún)^(qū)域(11)的所述邊(1 中的一條延伸，并且其中，每個分支區(qū)域(13)圍繞與相應(yīng)分支區(qū)域(13)從其延伸的所述中央?yún)^(qū)域(11)的邊(15)平行的軸彎曲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，所述中央?yún)^(qū)域(11')是平的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，所述中央?yún)^(qū)域(11)和所述分支區(qū)域(1 一起形成交叉形狀，所述交叉形狀包括具有A行、B列超聲換能器元件(3)的矩陣的矩形中央?yún)^(qū)域(11)，和每個都具有A行、C列超聲換能器元件C3)的矩陣的兩個分支區(qū)域(13)，以及每個都具有D行、B列超聲換能器元件(3)的矩陣的兩個分支區(qū)域(13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的一項所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，按照相控陣列間距布置所述中央?yún)^(qū)域(11)和/或所述分支區(qū)域(1 的換能器元件(3)的矩陣陣列的至少一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的一項所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，沿兩個主方向按照相控陣列間距布置所述中央?yún)^(qū)域(11)的換能器元件(3)的矩陣陣列，并且其中，僅在平行于所述相應(yīng)分支區(qū)域(13)從其延伸的邊(15)的主方向上按照相控陣列間距布置所述分支區(qū)域(13)中的每個的換能器元件的矩陣陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的一項所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，為超聲換能器元件 (3)提供能彎折的襯底(31)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的一項所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，所述超聲換能器元件(3)中的每個都具有相關(guān)聯(lián)的控制電路(37)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，將相關(guān)聯(lián)的控制電路(37)集成在公共襯底(31)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，所述超聲換能器元件C3)中的每個都包括能夠被激勵出超聲振動的層布置(35)，并且為所述超聲換能器元件(3)中的每個提供包含在襯底(31)中的控制電路(37)，其中，通過倒裝芯片技術(shù)使所述層布置(3 機(jī)械地附接到所述襯底(31)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中的一項所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，所述總體超聲換能器區(qū)包括一個超聲換能器矩陣陣列鋪片(21)，其包括所述中央?yún)^(qū)域(11)以及布置在所述中央?yún)^(qū)域(11)的對邊處的所述分支區(qū)域(1 中的兩個，以及包括另外的分支區(qū)域(13)的至少一個超聲換能器矩陣陣列鋪片03)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到9中的一項所述的超聲換能器矩陣陣列，其中，所述總體超聲換能器區(qū)包括至少三個相同的超聲換能器矩陣陣列鋪片05)。
12.一種制造超聲探頭(1)的超聲換能器矩陣陣列的方法，包括-提供總體超聲換能器區(qū)，其包括包括超聲換能器元件⑶的矩陣陣列(5)的中央?yún)^(qū)域(11)， 其中，所述中央?yún)^(qū)域(11)具有至少三條邊(15)，以及至少三個分支區(qū)域(13)，每個分支區(qū)域都包括超聲換能器元件C3)的矩陣陣列(5)，其中，每個分支區(qū)域(13)從所述中央?yún)^(qū)域(11)的所述邊(15)中的一條延伸；-按照圍繞與相應(yīng)分支區(qū)域(13)從其延伸的所述中央?yún)^(qū)域(11)的邊(15)平行的軸的彎曲構(gòu)造布置每個分支區(qū)域(13)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，按照平構(gòu)造布置所述中央?yún)^(qū)域。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，所述超聲換能器元件(3)中的每個都包括能夠被激勵出超聲振動的層布置(35)，并且為所述超聲換能器元件(3)中的每個提供包含在襯底(31)中的控制電路(37)，其中，通過倒裝芯片技術(shù)使所述層布置(3 機(jī)械地附接到所述襯底(31)。
全文摘要
提出了一種用于超聲探頭的超聲換能器矩陣陣列，其沿方位角方向和仰角方向兩者均具有大視場。所述超聲換能器矩陣陣列(1′)包括每者都具有超聲換能器元件(3)的2維矩陣陣列(5)的中央?yún)^(qū)域(11′)和至少三個分支區(qū)域(13)。所述中央?yún)^(qū)域包括至少三條邊(15)，相應(yīng)的分支區(qū)域從所述邊延伸。使每個分支區(qū)域(13)圍繞與相應(yīng)分支區(qū)域(13)從其延伸的所述中央?yún)^(qū)域(11)的邊(15)平行的軸彎曲?？梢圆捎冒ㄟ@樣的超聲換能器區(qū)的超聲探頭近似理想的具有球狀視場的矩陣陣列，其中，所述超聲換能器區(qū)具有利用公共的優(yōu)選為平中央?yún)^(qū)域互連的分支區(qū)域。
文檔編號G01S15/89GK102497820SQ201080038815
公開日2012年6月13日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月3日
發(fā)明者A·L·魯濱遜 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司