專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)械超聲換能器中的可變工作電壓的制作方法
微機(jī)械超聲換能器中的可變工作電壓相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求2007年12月3日提交的發(fā)明名稱(chēng)為“微機(jī)械超聲換能器的優(yōu)化操作” 的第60/992，046號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)利益，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文中。背景電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)為在各種應(yīng)用中廣泛使用的靜電驅(qū)動(dòng)器/換能 器。超聲換能器可以在包括液體、固體和氣體的各種介質(zhì)中工作。超聲換能器通常用于診 斷和治療的醫(yī)學(xué)成像、生化成像、非破壞性的材料評(píng)估、聲納、通信工具、接近傳感器、氣體 流量測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程監(jiān)控、聲學(xué)顯微鏡、水下傳感和成像以及眾多其他實(shí)際應(yīng)用。cMUT的典 型結(jié)構(gòu)是帶有固定下電極和位于柔性膜上或柔性膜內(nèi)的可移動(dòng)上電極的平行板電容器，其 用于發(fā)送/校準(zhǔn)(TX)或接收/檢測(cè)(RX)相鄰介質(zhì)中的聲波。直流(DC)偏置電壓可應(yīng)用 在電極之間以使膜偏到適合cMUT工作的最佳位置，通常以靈敏度和帶寬最大化為目標(biāo)。在 發(fā)送過(guò)程中，交流(AC)信號(hào)應(yīng)用于換能器。上電極和下電極之間的交替靜電力驅(qū)動(dòng)膜以使 得將聲能傳輸至cMUT周?chē)慕橘|(zhì)。在接收過(guò)程中，聲波撞擊引起膜振動(dòng)，因此，改變了兩電 極間的電容。cMUT的一個(gè)重要特性是它的工作電壓，該工作電壓是除了用于產(chǎn)生聲能的AC信 號(hào)之外用于cMUT的電壓信號(hào)。在現(xiàn)有的cMUT工作方法中，DC電壓用于偏置cMUT。TX輸 入信號(hào)應(yīng)用在cMUT上產(chǎn)生聲輸出。在這些方法中，cMUT的工作電壓僅由DC偏置電壓信號(hào) 決定。在發(fā)送和接收兩者的工作中使用相同的工作電壓電平。然而，在發(fā)送和接收工作中， 適合cMUT工作的最優(yōu)的工作狀態(tài)是不同的。因此，為了獲得最優(yōu)的整體性能，在選擇合適 的工作電平時(shí)需要對(duì)使用固定的工作電壓電平進(jìn)行權(quán)衡。這種權(quán)衡在cMUT性能改善方面 設(shè)置了障礙。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了在發(fā)送和接收模式下使用可變的工作電壓。這通過(guò)對(duì) 兩種工作模式使用不同的偏置電壓電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體地，在TX和RX工作中帶有不同偏置 電平的AC偏置信號(hào)用來(lái)代替DC偏置信號(hào)。該方法在操作過(guò)程中需要兩個(gè)高電壓AC信號(hào) TX輸入信號(hào)，其與在其他常規(guī)方法中使用的信號(hào)相同，僅用來(lái)產(chǎn)生聲輸出；以及AC偏置信 號(hào)，其用來(lái)改變兩種模式間的工作電壓電平。這兩種高電壓AC信號(hào)需要是同步的。在cMUT 陣列中的cMUT元件不能共享相同的AC偏置信號(hào)用于波束成形。因此，每個(gè)cMUT元件為了 工作需要兩條不同的線(xiàn)。這加倍了 cMUT系統(tǒng)中使用的線(xiàn)的數(shù)量，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性 和系統(tǒng)的成本。當(dāng)使用帶有大量元件的cMUT陣列時(shí)，這些問(wèn)題尤為突出。為了優(yōu)化RX和TX的性能并簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜度，需要開(kāi)發(fā)更好的cMUT工作方法。

發(fā)明內(nèi)容
cMUT和cMUT工作方法使用具有不同頻率特性的兩分量的輸入信號(hào)。第一分量的 主要頻率在cMUT元件的頻率響應(yīng)帶內(nèi)而第二分量的主要頻率在cMUT元件的頻率響應(yīng)帶 外。輸入信號(hào)的第一分量用于生成用于cMUT發(fā)送(TX)工作的聲輸出。偏置信號(hào)和輸入信號(hào)的第二分量一起限定應(yīng)用到cMUT上的工作電壓。工作電壓用于設(shè)置用于cMUT的工作狀 態(tài)(或工作點(diǎn))且在cMUT的頻率帶內(nèi)不產(chǎn)生有影響的聲輸出。工作電壓在工作模式如發(fā)送模式和接收模式間是可變的。cMUT僅需要一個(gè)AC分 量就允許用可變的工作電壓操作cMUT。這使得偏置信號(hào)由多個(gè)cMUT元件共享，因此很容易 實(shí)現(xiàn)CMUT系統(tǒng)，尤其是具有大量元件的CMUT陣列。cMUT和工作方法的實(shí)現(xiàn)尤其適合接收 模式接收較高的諧波頻率的超聲諧波成像。本公開(kāi)的一個(gè)方面是有至少一個(gè)cMUT元件的cMUT系統(tǒng)。輸入信號(hào)源操作以應(yīng)用 包括具有不同頻率特性的兩分量的輸入信號(hào)。偏置信號(hào)和具有帶外頻率(如低頻)的輸入 信號(hào)分量一起將工作電壓應(yīng)用到cMUT元件上。在第一工作模式(如發(fā)送模式)的工作電 壓與第二工作模式(如接收模式)相比是不同的。偏置信號(hào)可為DC信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施方式中，cMUT系統(tǒng)適于在不同類(lèi)型的成像中可切換地工作。在第一類(lèi) 型成像中的發(fā)送與接收中工作電壓是不同的，但在第二類(lèi)型成像中用于發(fā)送和接收兩者的 工作電壓是相同的。第一類(lèi)型成像對(duì)離系統(tǒng)遠(yuǎn)距離的樣本區(qū)域成像，且第二類(lèi)型成像包括 對(duì)靠近系統(tǒng)的樣本區(qū)域成像。本公開(kāi)的另一方面是用于操作cMUT的方法。該方法提供包括至少一個(gè)cMUT元件 的cMUT。該方法配置cMUT以使得輸入信號(hào)源操作以應(yīng)用包括具有不同頻率特性的兩分量 的輸入信號(hào)并使得偏置信號(hào)和具有帶外頻率(如低頻)的輸入信號(hào)分量一起將工作電壓施 加到cMUT元件上。在不同工作模式如發(fā)送模式和接收模式中的工作電壓是不同的。另一方面是一種操作cMUT的方法，提供cMUT和配置cMUT來(lái)以使得至少部分地由 偏置電壓和/或輸入信號(hào)提供的工作電壓在工作過(guò)程中應(yīng)用到cMUT元件上。工作電壓在 發(fā)送模式中被設(shè)置在零附近且在接收模式中被設(shè)置為非零。發(fā)送模式可被設(shè)置為執(zhí)行二階 頻率工作。在一個(gè)實(shí)施方式中，工作信號(hào)至少部分地由輸入信號(hào)的帶外頻率(如低頻)分 量提供。本發(fā)明內(nèi)容被提供以簡(jiǎn)化的形式介紹思想的一種選擇，其在下文在詳細(xì)的描述中 被進(jìn)一步描述。本發(fā)明內(nèi)容不是為了確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不 是為了在確定所要求保護(hù)的主題的范圍上用作輔助手段。附圖簡(jiǎn)述詳細(xì)描述均結(jié)合附圖。在圖中，參考標(biāo)號(hào)最左邊的數(shù)字表示首次出現(xiàn)的參考標(biāo)號(hào)。 在不同圖中使用的相同參考標(biāo)號(hào)代表相似或相同的部件。

圖1示出了使用可變工作電壓的第一示例cMUT系統(tǒng)；圖IA示出了使用可變工作電壓的第一示例cMUT系統(tǒng)的另一方面；圖2示出了使用可變工作電壓的第二示例cMUT系統(tǒng)；圖3A-3E示出了偏置信號(hào)和TX輸入信號(hào)及相應(yīng)工作電壓的第一實(shí)施例；圖4A和4B示出了偏置信號(hào)和TX輸入信號(hào)及相應(yīng)工作電壓的第二實(shí)施例；圖5示出了 TX工作輸入信號(hào)的第三實(shí)施例；圖6A-6D示出了偏置信號(hào)和TX輸入信號(hào)及相應(yīng)工作電壓的第四實(shí)施例。詳細(xì)描述所公開(kāi)的cMUT工作方法的實(shí)施方式使用可變工作電壓，當(dāng)cMUT的工作模式發(fā)生 改變時(shí)，該可變工作電壓也不時(shí)地發(fā)生改變。工作電壓用來(lái)設(shè)置cMUT的工作狀態(tài)(或工作點(diǎn))且不產(chǎn)生在CMUT的頻帶內(nèi)的任何有意義的聲輸出。本公開(kāi)的一個(gè)特征是至少部分地 從TX輸入信號(hào)的AC分量形成工作電壓。TX輸入信號(hào)的AC分量和偏置信號(hào)一起允許設(shè)置 可變工作電壓，以使得不同的工作模式如發(fā)送(TX)和接收(RX)模式可使用不同的工作電 壓。該方法可同時(shí)優(yōu)化cMUT在發(fā)送和接收工作中的性能。以下公開(kāi)了該方法的示例性實(shí) 現(xiàn)方式。圖1示出了使用可變工作電壓的第一示例性cMUT系統(tǒng)。cMUT系統(tǒng)100包括 cMUTlOl。cMUT的細(xì)節(jié)未示出，因?yàn)樗鼈儗?duì)本發(fā)明而言不是必不可少的。原則上，可使用包 括柔性膜cMUT和嵌入式彈性cMUT (EScMUT)的任意cMUT。cMUT具有分離開(kāi)一間隙的第一電 極和第二電極，以使得兩極間存在電容。彈性構(gòu)件(例如柔性膜或彈性層)支持兩個(gè)電極 中的一個(gè)，以使兩個(gè)電極能夠朝著彼此或遠(yuǎn)離彼此地移動(dòng)。在柔性膜cMUT內(nèi)，彈性構(gòu)件為 直接支持兩電極中一電極的柔性膜。在EScMUT內(nèi)，彈性構(gòu)件為支持板上的電極的彈性層， 該電極通過(guò)彈性板連接器從彈性層懸掛下來(lái)。cMUT 101連接到偏置信號(hào)端102和輸入信號(hào)端103。偏置信號(hào)源104與偏置信號(hào) 端102相連以將偏置信號(hào)105在第一電極106上應(yīng)用到cMUTlOl。輸入信號(hào)源110與輸入 信號(hào)端103相連。輸入信號(hào)源110用來(lái)將輸入信號(hào)111在第二電極107上應(yīng)用到cMUT 101 上。輸入信號(hào)111包括第一輸入信號(hào)分量112和第二輸入信號(hào)分量113。第一輸入信 號(hào)分量112的主頻在cMUTlOl的頻率響應(yīng)帶內(nèi)。在本公開(kāi)中，第一輸入信號(hào)分量112被用 作TX聲音輸入信號(hào)。TX聲音輸入信號(hào)分量112通過(guò)cMUTlOl生成聲能(聲輸出)。第二輸 入信號(hào)分量113為工作輸入信號(hào)，該工作輸入信號(hào)主要有帶外頻率(例如大大低于cMUTlOl 的頻率響應(yīng)帶的低頻)。第二輸入信號(hào)分量113優(yōu)選地不主要用于產(chǎn)生cMUTlOl的聲能或 聲輸出，且被用作施加到cMUTlOl兩端的工作電壓的至少一部分。在一個(gè)實(shí)施方式中，第二 輸入信號(hào)分量113不生成cMUTlOl的任何有意義的聲音輸出。在本公開(kāi)中，第二輸入信號(hào) 分量113用作TX工作輸入信號(hào)。第二輸入信號(hào)分量113和偏置信號(hào)105 —起應(yīng)用工作電壓到cMUTlOl。下面將詳 細(xì)描述工作電壓在不同的工作模式如TX和RX模式中是不同的。在工作過(guò)程中，cMUT系統(tǒng)100使用開(kāi)關(guān)108在TX和RX模式間切換，該開(kāi)關(guān)108 可以為任何合適的開(kāi)關(guān)如電子開(kāi)關(guān)或機(jī)械開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)108可以由功能類(lèi)似開(kāi)關(guān)的電路代替 (如在TX工作中，RX檢測(cè)電路的保護(hù)電路)。cMUT系統(tǒng)100可以包括其他組件，該其他組 件包括波束形成設(shè)備、控制器、信號(hào)處理器和其他電子器件。這些組件未示出。與現(xiàn)有方法中的TX輸入信號(hào)不同，本公開(kāi)的方法中的TX輸入信號(hào)111不僅用于 產(chǎn)生超聲波輸出，其還用于與偏置信號(hào)一起設(shè)置工作電壓電平。換言之，TX輸入信號(hào)111包 括兩個(gè)信號(hào)分量，一個(gè)是用于產(chǎn)生需要的聲輸出信號(hào)的TX聲輸入信號(hào)112，另一個(gè)是用于 改變工作電壓電平的TX工作輸入信號(hào)113。TX聲音輸入信號(hào)112可以是任意適合產(chǎn)生聲 輸出的輸入信號(hào)，例如常規(guī)cMUT工作方法中使用的輸入信號(hào)。在頻域，TX聲音輸入信號(hào)112的頻譜優(yōu)選地在cMUTlOl的頻率響應(yīng)帶寬內(nèi)。TX工 作輸入信號(hào)113的頻譜優(yōu)選地在cMUTlOl的聲輸出帶寬外。因此，TX工作輸入信號(hào)113的 頻率優(yōu)選地遠(yuǎn)高于或遠(yuǎn)低于TX聲輸入信號(hào)112的頻率。在一優(yōu)選實(shí)施方式中，TX工作輸 入信號(hào)113有明顯低于cMUTlOl的聲輸出的帶寬的主頻。
在一實(shí)施方式中，偏置信號(hào)105是DC電壓信號(hào)，該DC電壓信號(hào)對(duì)于cMUTlOl的TX 和RX工作有相同的電壓電平。所以cMUTlOl的TX和RX工作間的工作電壓電平差僅由TX 輸入信號(hào)111決定。在另一實(shí)施方式中，偏置信號(hào)105是連續(xù)調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)的頻率明顯高于 cMUT的工作頻率(例如超出cMUT 101的頻率響應(yīng)帶寬的范圍)。所以偏置信號(hào)105對(duì)于 cMUT 101的TX和RX工作兩者有相同的電壓電平。因此，在本實(shí)施方式中cMUT 101的TX 和RX工作間的工作電壓電平差也僅由TX輸入信號(hào)111決定。與在TX和RX工作兩者中有相同的工作電壓電平的現(xiàn)有的cMUT工作方法相比，所 公開(kāi)的方法因?yàn)橛袡C(jī)會(huì)同時(shí)優(yōu)化TX和RX工作兩者的工作電壓電平而潛在地提高了 cMUT 的性能，而不是折中地解決該問(wèn)題。另外，所公開(kāi)的cMUT工作方法僅需要一個(gè)AC信號(hào)，即TX輸入信號(hào)111。偏置信 號(hào)105可以是DC電壓或高頻調(diào)制信號(hào)。偏置信號(hào)105和TX輸入信號(hào)111之間不需要同 步。因此，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明公開(kāi)的方法比使用需要被同步并需要由兩電纜承載以用于每個(gè)cMUT 的兩個(gè)AC信號(hào)(AC偏置信號(hào)和AC輸入信號(hào))的那些方法可能容易得多。如果AC偏置信號(hào)與AC TX輸入信號(hào)同步使用，cMUT陣列的元件不能共用相同的 AC偏置信號(hào)，因此每個(gè)cMUT元件需要兩專(zhuān)用電纜獲取兩AC信號(hào)。這可能造成系統(tǒng)的高成 本，尤其是當(dāng)帶有大量元件的cMUT陣列被使用時(shí)。然而，本發(fā)明公開(kāi)的方法使得能夠使用 可由cMUT陣列的一些或全部元件共用的DC偏置信號(hào)或高頻調(diào)制偏置信號(hào)。因此，在優(yōu)選 實(shí)施方式中，每個(gè)cMUT元件只需要一個(gè)專(zhuān)用電纜，以分別發(fā)送信號(hào)或?qū)ぶ贰DIA示出了使用可變工作電壓的第一示例性cMUT系統(tǒng)的另一方面。cMUT系統(tǒng) 100A基于與參考圖1描述的cMUT系統(tǒng)100中所使用的相同的原理，但是示出了 cMUTlOl和 cMUTIOIA，每個(gè)的配置方式與圖1中cMUT 101的配置方式相似。與cMUT 101相似，cMUT IOlA連接到共用偏置信號(hào)端102和輸入信號(hào)端103A。公 共偏置信號(hào)源104與公共偏置信號(hào)端102相連以應(yīng)用相同的偏置信號(hào)到cMUT IOlA0輸入 信號(hào)源IlOA與輸入信號(hào)端103A相連，且操作以應(yīng)用輸入信號(hào)到cMUT IOlA0輸入信號(hào)源 110和輸入信號(hào)源IlOA可以為能將大量的不同的輸入信號(hào)傳送到不同的cMUT的不同信號(hào) 源或相同信號(hào)源。與圖1所示的一樣，cMUTlOl和cMUTIOIA共用共同的偏置信號(hào)，因此不需要單獨(dú) 的布線(xiàn)。代替地，在制造過(guò)程中cMUT 101和cMUT 101A兩者的一側(cè)可與共用導(dǎo)體相連而不 用單獨(dú)的布線(xiàn)。另一方面，輸入信號(hào)分別尋址到cMUTlOl和cMUTIOIA中的每個(gè)，因此需要 單獨(dú)的布線(xiàn)。具體地，不同的輸入信號(hào)可應(yīng)用到不同的cMUT元件。輸入信號(hào)的不同可在于 TX聲輸入信號(hào)112或TX工作輸入信號(hào)113，或這兩者中都存在。當(dāng)TX工作輸入信號(hào)113 在不同的cMUT元件(101和101A)內(nèi)不同時(shí)，cMUT元件有不同的工作電壓，且可以在不同 的條件下工作。cMUT 101和cMUT 101A僅為說(shuō)明性的。這些cMUT可以代表單獨(dú)尋址的cMUT元 件、有多個(gè)cMUT元件的cMUT構(gòu)件(cell)或cMUT單元、或相同cMUT的子元件?？梢岳斫?的是，與cMUTlOl和cMUTIOIA相似的任意數(shù)量的cMUT元件可以在同一 cMUT陣列被連接和 使用。應(yīng)用到cMUT 101和cMUT 101A中的每個(gè)的輸入信號(hào)包括TX聲輸入信號(hào)和TX工作輸入信號(hào)，與圖1中的cMUT 101的輸入信號(hào)111相似。然而，cMUTlOl和cMUTIOIA的輸 入信號(hào)可以是個(gè)性化的且它們的信號(hào)電平、時(shí)間、相位和頻率可不同。在工作過(guò)程中，cMUTlOl和cMUTIOIA中的每個(gè)使用各自的開(kāi)關(guān)(108和108A)在 TX和RX模式之間進(jìn)行切換。CMUT系統(tǒng)100可以具有其他組件，該其他組件包括波束形成 設(shè)備、控制器、信號(hào)處理器和其他電子構(gòu)件。圖2示出了使用可變工作電壓的第二示例cMUT系統(tǒng)。CMUT201的細(xì)節(jié)未示出。原 則上，可以使用包括柔性膜cMUT和嵌入式彈性cMUT (EScMUT)兩者的任何cMUT。cMUT系統(tǒng) 200基于與參考圖1所描述的cMUT系統(tǒng)100的相似的原理形成用于不同工作模式(如TX 和RX)的可變工作電壓。例如，TX輸入信號(hào)211具有第一分量TX聲輸入信號(hào)212和第二 分量TX工作輸入信號(hào)213。TX輸入信號(hào)211由信號(hào)源210提供，且通過(guò)TX端203和開(kāi)關(guān) 208應(yīng)用到cMUT 201上。然而，cMUT系統(tǒng)200與cMUT系統(tǒng)100在幾個(gè)方面是不同的。偏置信號(hào)205和TX 輸入信號(hào)211應(yīng)用到CMUT201的相同電極207，而在圖1中偏置信號(hào)105和TX輸入信號(hào)111 應(yīng)用到cMUTlOl的對(duì)端電極106和107上。cMUT 201的另一電極206與GND相連。TX輸 入信號(hào)211由信號(hào)源210通過(guò)TX端203提供。偏置信號(hào)205由信號(hào)源204通過(guò)偏置端202 提供。因此，在這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中應(yīng)用到CMUT201上的工作電壓電平是TX工作輸入信號(hào)213 和偏置信號(hào)205的和。相比較地，在圖1中的實(shí)現(xiàn)方式中應(yīng)用到cMUTlOl上的工作電壓電 平是TX工作輸入信號(hào)113和偏置信號(hào)105的差。明顯地，圖2中的偏置信號(hào)205是負(fù)的， 而圖1中的偏置信號(hào)105是正的，使得于cMUT 100和cMUT 200兩者中產(chǎn)生的可變工作電 壓電平是相同的。另外，cMUT 200有一偏置電路以方便cMUT系統(tǒng)200的設(shè)計(jì)，該偏置電路 包括解耦電容C 215和偏置電阻R 216。圖3A-3E示出了根據(jù)圖1中的cMUT系統(tǒng)的第一示例性實(shí)施方式的偏置信號(hào)和TX 輸入信號(hào)及相應(yīng)工作電壓的第一實(shí)施例。圖3A示出了偏置信號(hào)305和TX輸入信號(hào)311。 這些信號(hào)中的每個(gè)由電壓/時(shí)間圖所表示。包括轉(zhuǎn)變過(guò)程，信號(hào)可包括四個(gè)期間或階段TX 階段、RX階段、RX到TX的轉(zhuǎn)變和TX到RX的轉(zhuǎn)變。在圖3Α和隨后的圖中，這些階段分別用 “T”、“R”、“TR”和“RT”表示。有時(shí)，一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)間可與RX或TX階段合并。偏置信號(hào)305為DC偏置信號(hào)(Vb)。TX輸入信號(hào)311包括兩個(gè)信號(hào)分量TX聲輸 入信號(hào)312和TX工作輸入信號(hào)313。通過(guò)合并兩個(gè)單獨(dú)產(chǎn)生的信號(hào)TX聲輸入信號(hào)312和 TX工作輸入信號(hào)313可形成TX輸入信號(hào)311。然而，TX輸入信號(hào)311也可使用合適的信 號(hào)發(fā)生器來(lái)直接產(chǎn)生。TX輸入信號(hào)311中的TX工作輸入信號(hào)313應(yīng)通常至少存在于TX階段(T)和RX 階段(R)。cMUT在TX階段作為超聲發(fā)送器工作，在RX階段作為超聲接收器工作。在RX階 段和TX階段的工作電壓電平可被不同地設(shè)置。TX輸入信號(hào)311中的TX工作輸入信號(hào)313 在RX階段優(yōu)選地設(shè)置為零。另一方面，TX輸入信號(hào)311中的TX聲音輸入信號(hào)312應(yīng)通常 存在于TX階段中，但優(yōu)選地不在其他區(qū)間出現(xiàn)。TX輸入信號(hào)311中的TX工作輸入信號(hào)313可在RX到TX的轉(zhuǎn)變(RT)和TX到RX 的轉(zhuǎn)變(TR)中存在。有時(shí)，一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)間可與RX或TX階段合并。圖3B示出了圖3A中的TX輸入信號(hào)311中的TX聲輸入信號(hào)312和TX工作輸入 信號(hào)313。這兩個(gè)輸入信號(hào)是圖3A中的TX輸入信號(hào)311的兩個(gè)分量。TX輸入信號(hào)311在
9其轉(zhuǎn)變階段可有多個(gè)電壓電平。示例的TX輸入信號(hào)311在發(fā)送和接收工作中分別有兩個(gè) 不同的電壓電平Vtw和V— Vtj通常設(shè)為零。TX聲輸入信號(hào)312主要存在于TX階段(T)。圖3C示出了應(yīng)用在cMUT上的總電壓，該總電壓為T(mén)X輸入信號(hào)311和偏置信號(hào)305 的差或和，這取決于信號(hào)的極性和cMUT系統(tǒng)中使用的實(shí)施方式。在所示出的實(shí)施例中，應(yīng) 用在cMUT上的總電壓315為T(mén)X輸入信號(hào)311和偏置信號(hào)305的差?？傠妷?15有兩個(gè)有 效工作電壓電平。第一電平Vb有較高的絕對(duì)電壓且用于接收(RX)工作，帶有較低絕對(duì)電壓 的第二電平Vb-Vcw用于發(fā)送(TX)工作。在發(fā)送工作中，TX聲輸入信號(hào)312是存在的，用于 產(chǎn)生聲能。總電壓315的其他部分用于建立cMUT的合適的工作狀態(tài)。偏置信號(hào)305和TX 輸入信號(hào)311的電壓被有目的地選擇以實(shí)現(xiàn)cMUT的期望性能。圖3D示出了偏置信號(hào)305和TX工作輸入信號(hào)313，未示出TX輸入信號(hào)311中的 TX聲輸入信號(hào)312。圖3E示出了應(yīng)用到cMUT上的總工作電壓316，未示出TX輸入信號(hào)311中的TX聲 輸入信號(hào)312。圖3D和圖3E用于更清楚地示出如何使用TX工作輸入信號(hào)313連同偏置信 號(hào)305來(lái)改變工作電壓電平316。圖4A和圖4B示出了偏置信號(hào)和TX輸入信號(hào)及相應(yīng)的工作電壓的第二實(shí)施例。 除了不同的電壓電平設(shè)置，在第二實(shí)施例中的信號(hào)均與圖3A-3E中所示的第一實(shí)施例中的 信號(hào)相似。相似地，偏置信號(hào)305為DC偏置信號(hào)(VB)。TX輸入信號(hào)411包括兩個(gè)信號(hào)分 量TX聲輸入信號(hào)412和TX工作輸入信號(hào)413。在本實(shí)施方式中，偏置信號(hào)405的偏置電 壓(Vb)被設(shè)置成與TX輸入信號(hào)411中的TX工作輸入信號(hào)413的電壓電平Vtw相同，使得 這兩電壓在發(fā)送過(guò)程中抵消掉。因此，在發(fā)送過(guò)程中，應(yīng)用到cMUT上的總電壓415的工作 電壓電平為零或接近于零。第二示例性實(shí)施方式適用于名稱(chēng)為“微機(jī)械超聲換能器的信號(hào)控制(SIGNAL CONTROL IN MICROMACHINED ULTRASCMICTRANSDUCER) ” 的第 11/965919 號(hào)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中 公開(kāi)的稱(chēng)作二階頻率方法的特殊cMUT工作技術(shù)，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用的方式并入 本文中。在二階頻率工作中，聲輸出信號(hào)與TX聲輸入信號(hào)412的平方成比例，且適合產(chǎn)生 沒(méi)有諧波分量的期望的聲音輸出。這對(duì)cMUT執(zhí)行諧波成像可能是至關(guān)重要的。一個(gè)示例的二階頻率方法設(shè)置了 cMUT的特殊的TX聲信號(hào)，例如 Vtx oc sin(on/2)，其有基頻ω/2且產(chǎn)生沒(méi)有任何較高頻率諧波的以ω為輸出信號(hào)頻率的 主要二階頻率分量的聲輸出。基頻ω/2可被選擇是cMUT的期望的工作頻率ω0的大約一 半，因此輸出信號(hào)頻率2 ω接近期望的工作頻率ω0。工作頻率ω0通常在cMUT的頻率響 應(yīng)的頻帶內(nèi)，且可優(yōu)選地接近頻帶的中心頻率。更多的實(shí)施例在合并的第11/965919號(hào)美 國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中被公開(kāi)。二階頻率方法在此處的在兩種工作模式間進(jìn)行切換的cMUT系統(tǒng)中被使用。具體 地，在一個(gè)實(shí)施方式中，cMUT系統(tǒng)切換到二階頻率工作方法以進(jìn)行發(fā)送，但返回到不同的工 作方法以進(jìn)行接收。應(yīng)用到cMUT上的工作電壓電平隨著工作模式的改變而相應(yīng)變化。處 于零或接近零的工作電壓特別適合二階頻率工作模式。值得注意的是，任何適合為cMUT提供可變工作電壓的方法可用于上述二階頻率 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。TX聲音輸入信號(hào)(如312或412)用于產(chǎn)生所需的聲輸出。任何合適的AC信號(hào)或波形可被使用。該信號(hào)可以是用來(lái)產(chǎn)生期望的聲輸出的任何電子信號(hào)，例如單個(gè)正弦脈 沖、多個(gè)正弦脈沖、高斯形脈沖、半余弦脈沖和方波脈沖等。TX聲信號(hào)由成像系統(tǒng)的需求來(lái) 限定。圖5示出了 TX工作輸入信號(hào)的第三實(shí)施例。TX工作輸入信號(hào)513與圖3_4中所 示的TX工作輸入信號(hào)相似，且被設(shè)計(jì)以進(jìn)一步減少CMUT工作頻率區(qū)間(帶寬)內(nèi)的、TX工 作輸入信號(hào)513的頻率分量，使得TX工作輸入信號(hào)513在cMUT工作階段不能提供非常有 影響的超聲輸出。這由圓化TX工作輸入信號(hào)515的角實(shí)現(xiàn)。TX工作輸入信號(hào)513的較高頻率分量源于信號(hào)電壓電平發(fā)生改變的轉(zhuǎn)變區(qū)間。因 此，在轉(zhuǎn)變區(qū)間(513a和513b)中的TX工作輸入信號(hào)513 (313，413)的形狀和寬度優(yōu)選地被 設(shè)計(jì)以使得在這些轉(zhuǎn)變區(qū)間如RX到TX(RT)的轉(zhuǎn)變區(qū)間和TX到RX(TR)的轉(zhuǎn)變區(qū)間信號(hào)不 生成和TX聲輸入信號(hào)相干擾的輸出聲信號(hào)。通常，這可通過(guò)以下操作完成，即，控制TX工作 輸入信號(hào)513 (313，413)的頻率分量使它們保持在cMUT的帶寬之外，以使得TX工作輸入信 號(hào)513(313,413)通過(guò)cMUT產(chǎn)生最小的超聲輸出。如所示出的，TX工作輸入信號(hào)513 (313， 413)的尖角被圓化。圖5中的轉(zhuǎn)變過(guò)程中的信號(hào)513a和513b就是例子。被設(shè)計(jì)用于最小 化在cMUT的感興趣的頻帶內(nèi)的超聲的產(chǎn)生的任何其他信號(hào)形狀可被使用。TX工作輸入信號(hào)513或旨在最小化其在cMUT工作頻率范圍內(nèi)的頻率分量的其他 任意TX工作輸入信號(hào)可被生成，然后使用具有低于CMUT的工作頻率區(qū)間的高截止頻率的 適當(dāng)?shù)牡屯ɑ驇ㄟ^(guò)濾器過(guò)濾，然后與TX聲音輸入信號(hào)(如312，412)結(jié)合，以產(chǎn)生總的TX 輸入信號(hào)(如311，411)。圖6A-6D示出了偏置信號(hào)和TX輸入信號(hào)及相應(yīng)工作電壓的第四實(shí)施例。在本實(shí) 施方式中，TX輸入信號(hào)611的TX階段(T)被設(shè)計(jì)成與TX聲輸入信號(hào)612具有相同的長(zhǎng)度 (時(shí)間)。TX聲輸入信號(hào)612和TX工作輸入信號(hào)613的TX階段(T)同步以具有相同的開(kāi) 始時(shí)間和/或相同的結(jié)束時(shí)間。在本實(shí)施方式中，TX工作輸入信號(hào)613的轉(zhuǎn)變區(qū)間(RT和 TR)之一或二者都可作為T(mén)X聲音輸入信號(hào)612的一部分進(jìn)行處理。這些轉(zhuǎn)變區(qū)間對(duì)應(yīng)于 TX工作輸入信號(hào)613的上升沿或下降沿。這導(dǎo)致了包括原始TX聲輸入信號(hào)612和TX工作 輸入信號(hào)613的轉(zhuǎn)變區(qū)間部分兩者的完整的TX聲音輸入信號(hào)。這可能最小化在成像過(guò)程 中由TX工作輸入信號(hào)613產(chǎn)生的不期望的聲信號(hào)引起的偽影。圖6A示出了偏置信號(hào)605和TX輸入信號(hào)611。圖6B示出了在轉(zhuǎn)變過(guò)程中定時(shí)為 互相重合的TX聲音輸入信號(hào)612和TX工作輸入信號(hào)613。圖6C示出了所得到的應(yīng)用在 cMUT上的總電壓615，示出有TX聲音輸入信號(hào)612。圖6D示出了總電壓615中的工作電 壓616，未示出TX聲音輸入信號(hào)612。這說(shuō)明了電壓電平在不同的工作模式(TR和RX)下 如何變化。本發(fā)明公開(kāi)的TX輸入信號(hào)(如111)可由任何合適的信號(hào)源如任意的信號(hào)發(fā)生器 提供。它可先在低電壓電平生成，然后放大到期望的電壓電平。TX輸入信號(hào)還可通過(guò)合并 分別生成的TX聲音信號(hào)和TX工作信號(hào)來(lái)合成。在這種情況下，TX工作信號(hào)在疊加之前可 使用低通或帶通過(guò)濾器過(guò)濾。在疊加的TX輸入信號(hào)和偏置信號(hào)應(yīng)用到CMUT之前，如果需 要，疊加的TX輸入信號(hào)可被放大到期望的強(qiáng)度。所公開(kāi)的cMUT工作方法還可有利于cMUT陣列的切趾。在現(xiàn)有的方法中，通過(guò)在 每個(gè)cMUT元件上應(yīng)用期望的偏置信號(hào)完成切趾。無(wú)論哪種偏置信號(hào)被使用，在陣列中的每
11個(gè)cMUT元件需要單獨(dú)的偏置信號(hào)線(xiàn)，以具有個(gè)性化的或有差異的工作電壓電平。因此，每 個(gè)元件需要兩個(gè)不同的信號(hào)線(xiàn)，即偏置線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)。這使換能器互連更加復(fù)雜。使用所公開(kāi) 的方法，每個(gè)元件的聲輸出和工作電壓電平僅由應(yīng)用到該元件的TX輸入信號(hào)決定。因此， 任何信號(hào)的個(gè)性化(如定址)和差異化(如切趾)均可通過(guò)使用TX輸入信號(hào)完成。這使 得陣列中的一些或全部元件共用相同的偏置線(xiàn)成為可能。另外，本發(fā)明公開(kāi)的方法只需要 一個(gè)高電壓/功率信號(hào)而不需要來(lái)自不同AC源的多個(gè)AC信號(hào)的同步。這也使得某些工作 技術(shù)如切趾的實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有的方法更容易。本發(fā)明所公開(kāi)的方法旨在通過(guò)優(yōu)化TX和RX工作來(lái)提高cMUT性能。cMUT性能優(yōu) 化的一個(gè)最重要目標(biāo)是增加設(shè)備的閉環(huán)靈敏度以致能更深地滲入介質(zhì)以增大成像區(qū)間。然 而，如果使TX電壓電平和RX電壓電平間的切換速度需要為低以最小化cMUT頻帶內(nèi)的、TX 工作輸入信號(hào)對(duì)聲輸出的影響，那么增加靈敏度可能以增加系統(tǒng)的死區(qū)為代價(jià)。死區(qū)由系 統(tǒng)在在TX聲信號(hào)結(jié)束之后準(zhǔn)備好檢測(cè)的延時(shí)決定。為了克服該問(wèn)題，本發(fā)明提出了雙成像cMUT方法和系統(tǒng)。該方法提供了 cMUT并使 cMUT適應(yīng)于在第一類(lèi)型成像和第二類(lèi)型成像中工作，使得在第一類(lèi)型成像的發(fā)送中的工作 電壓與接收中的工作電壓不同，而在第二類(lèi)型成像的發(fā)送中和接收中的工作電壓相同。在 一個(gè)實(shí)施方式中，第一類(lèi)型成像對(duì)離cMUT的遠(yuǎn)距離的樣本區(qū)域成像，第二類(lèi)型成像對(duì)靠近 cMUT的樣本區(qū)域成像。對(duì)于遠(yuǎn)距離成像，提供可變工作電壓的工作方法(例如此處所公開(kāi) 的)可用來(lái)增加靈敏度。對(duì)于附近成像，傳統(tǒng)的方法(或最小化死區(qū)的任何其他方法)用來(lái) 使cMUT工作。這樣做不影響成像質(zhì)量，因?yàn)樵诳拷點(diǎn)MUT的成像區(qū)，閉環(huán)靈敏度的要求要小 得多。在工作過(guò)程中，在兩種成像模式間的cMUT系統(tǒng)切換依賴(lài)成像需求。值得注意的是， 每個(gè)成像模式可包括發(fā)送模式和接收模式兩者?？蛇x地，對(duì)于上述過(guò)程在cMUT系統(tǒng)中可使用兩個(gè)不同的cMUT(不同的cMUT元件 或不同的cMUT陣列)。第一個(gè)cMUT適于使用可變工作電壓方法進(jìn)行工作，第二個(gè)cMUT適 于使用傳統(tǒng)工作電壓方法(或其他最小化死區(qū)的方法)進(jìn)行工作。值得注意的是，除了此處公開(kāi)的用于可變工作電壓的方法，任何適合為cMUT提供 可變工作電壓的方法可用于雙成像或多成像技術(shù)的上述實(shí)現(xiàn)。所公開(kāi)的cMUT和工作方法的一個(gè)示例應(yīng)用是流行的超聲諧波成像。在超聲諧波 成像中，換能器通常生成期望的聲輸出，且在TX工作中將其發(fā)送至介質(zhì)并在RX工作中從介 質(zhì)接收回聲信號(hào)。接收信號(hào)的一部分中心圍繞在TX輸出的中心頻率(稱(chēng)為系統(tǒng)的基頻)且 接收信號(hào)的另一部分中心圍繞在TX輸出的諧波頻率區(qū)間(稱(chēng)為系統(tǒng)的諧波頻率)。通常， 系統(tǒng)的基頻和諧波頻率在cMUT的頻帶內(nèi)。在常規(guī)的cMUT工作中，主頻通常占有較低頻側(cè) 一半的頻帶，而諧波頻率通常占有較高頻側(cè)一半的頻帶。諧波成像方法通常使用接收的信 號(hào)的諧波部分以提高成像分辨率。這是因?yàn)橹C波信號(hào)位于較高的頻率，此處聲波長(zhǎng)更短，這 使得軸向分辨率更好。現(xiàn)有的諧波成像技術(shù)對(duì)TX和RX工作使用具有單一工作狀態(tài)的相同的換能器或換 能器陣列。在這些技術(shù)中，在TX和RX工作中的換能器的響應(yīng)頻率基本上是相同的。使用 此處描述的方法，可變工作電壓可用于切換有不同聲特性的兩種不同工作狀態(tài)間的cMUT。 合適的雙工作狀態(tài)cMUT或雙模式cMUT和相應(yīng)的切換方法的實(shí)施例在與本申請(qǐng)同一日 期提交的、名稱(chēng)為“雙模式工作微機(jī)械超聲換能器(DUAL-MODE 0PERATI0NMICR0MACHINEDULTRASONIC TRANSDUCER) ”的第號(hào)國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)(律師簽號(hào)No. K01-0010PCT)中被公開(kāi)。 所引用的PCT專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用的方式并入本文。值得注意的是，盡管方法被說(shuō)明為使用微機(jī)械超聲換能器，尤其是電容式微機(jī)械 超聲換能器(cMUT)，但此處公開(kāi)的工作方法可應(yīng)用到在多種工作模式例如發(fā)送和接收模式 用工作電壓工作的任何靜電換能器。應(yīng)理解的是此處論述的潛在的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)點(diǎn)不應(yīng)被理解成對(duì)所附權(quán)利要求的范圍 的限制或約束。盡管主題用具體的語(yǔ)言以結(jié)構(gòu)特征和/或方法動(dòng)作來(lái)描述，應(yīng)當(dāng)理解所附的權(quán)利 要求限定的主題不一定限制到所描述的具體的結(jié)構(gòu)或動(dòng)作。而是，具體的結(jié)構(gòu)或方法作為 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求的示例性形式被公開(kāi)。
權(quán)利要求
一種電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括偏置信號(hào)端；輸入信號(hào)端；至少第一cMUT元件，其連接到所述偏置信號(hào)端和所述輸入信號(hào)端；偏置信號(hào)源，其與所述偏置信號(hào)端相連以將偏置信號(hào)應(yīng)用到所述第一cMUT元件；以及輸入信號(hào)源，其與所述輸入信號(hào)端相連，所述輸入信號(hào)源操作以將輸入信號(hào)應(yīng)用到所述第一cMUT元件，所述輸入信號(hào)包括第一輸入信號(hào)分量和第二輸入信號(hào)分量，所述第一輸入信號(hào)分量主要有在所述第一cMUT元件的頻率響應(yīng)帶內(nèi)的聲頻率，且所述第二輸入信號(hào)分量主要有實(shí)質(zhì)上在所述第一cMUT元件的所述頻率響應(yīng)帶之外的聲頻率，且其中所述第二輸入信號(hào)分量和所述偏置信號(hào)一起限定應(yīng)用到所述第一cMUT元件的工作電壓，所述工作電壓在第一工作模式中與第二工作模式中不同。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述偏置信號(hào)為DC信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一工作模式是發(fā)送(TX)模式，且所述第二工 作模式是接收(RX)模式。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一工作模式在第一頻率范圍工作，且所述第 二工作模式在實(shí)質(zhì)上不同于所述第一頻率范圍的第二頻率范圍工作。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一cMUT元件操作以執(zhí)行諧波成像，所述第一 工作模式以所述系統(tǒng)的基頻工作，且所述第二工作模式以所述系統(tǒng)的諧波頻率工作。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述工作電壓在所述第一工作模式中約為零。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述第一工作模式是發(fā)送(TX)模式。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述第一工作模式包括二階頻率工作。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一輸入信號(hào)分量在所述第一工作模式中有處 于基頻ω Λ的波形，所述波形通過(guò)所述第一 cMUT元件生成輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)具有處于 輸出信號(hào)頻率ω的主要二階頻率分量。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述基頻ω/2為所述第一cMUT元件期望的工作頻 率Qci的大約一半，使得所述輸出信號(hào)頻率ω接近所述期望的工作頻率ω —
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述第一工作模式是發(fā)送(TX)模式，且在所述第一 工作模式中的工作電壓約為零。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)操作來(lái)在第一類(lèi)型成像和第二類(lèi)型成像間進(jìn) 行切換，其中，在所述第一類(lèi)型成像中在所述第一工作模式下的工作電壓與所述第二工作 模式的工作電壓不同，在所述第二類(lèi)型成像中用于所述第一工作模式和所述第二工作模式 的工作電壓相同。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述第一類(lèi)型成像包括對(duì)離所述系統(tǒng)遠(yuǎn)距離的第 一樣本區(qū)域成像，且所述第二類(lèi)型成像包括對(duì)靠近所述系統(tǒng)的第二樣本區(qū)域成像。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括具有在發(fā)送與接收之間未改變的第二工作電壓 的第二 cMUT元件，其中所述系統(tǒng)適于在第一類(lèi)型成像和第二類(lèi)型成像下工作，所述第一類(lèi) 型成像使用所述第一 cMUT元件，而所述第二類(lèi)型成像使用所述第二 cMUT元件。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括第二 cMUT元件，其與所述第二偏置信號(hào)端相連，使得所述第一 cMUT元件和所述第二cMUT元件共用所述偏置信號(hào)端和所述偏置信號(hào)。
16.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括第二 cMUT元件，其中第二輸入信號(hào)應(yīng)用到所述第二 cMUT元件，所述第二輸入信號(hào)與應(yīng) 用到所述第一 cMUT元件的所述第一輸入信號(hào)不同。
17.一種用于操作電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)的方法，所述方法包括提供電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)，該電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)包括偏置 信號(hào)端、輸入信號(hào)端、連接到所述偏置信號(hào)端和所述輸入信號(hào)端的至少一 cMUT元件、與所 述偏置信號(hào)端相連以將偏置信號(hào)應(yīng)用到所述cMUT元件的偏置信號(hào)源以及與所述輸入信號(hào) 端相連的輸入信號(hào)源，所述輸入信號(hào)源操作以將輸入信號(hào)應(yīng)用到所述第一 cMUT元件；以及配置所述cMUT以使得所述輸入信號(hào)包括第一輸入信號(hào)分量和第二輸入信號(hào)分量，所 述第一輸入信號(hào)分量主要有在所述cMUT元件的頻率響應(yīng)帶內(nèi)的聲頻率，且所述第二輸入 信號(hào)分量主要有實(shí)質(zhì)上在所述cMUT元件的所述頻率響應(yīng)帶之外的頻率，以及使得所述第 二輸入信號(hào)分量和所述偏置信號(hào)一起限定應(yīng)用到所述cMUT元件上的工作電壓，所述工作 電壓在第一工作模式中與第二工作模式中不同。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一工作模式是發(fā)送(TX)模式，且所述第二 工作模式是接收(RX)模式。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一工作模式以所述系統(tǒng)的基頻工作，且所 述第二工作模式以所述系統(tǒng)的諧波頻率工作。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中配置所述cMUT包括在所述第一工作模式下在零附 近設(shè)置所述工作電壓。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第一工作模式為包括二階頻率工作的發(fā)送 (TX)模式。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其中配置所述cMUT包括使所述cMUT適于在第一類(lèi)型 成像和第二類(lèi)型成像下工作，其中，在所述第一類(lèi)型成像中，所述第一工作模式與所述第二 工作模式相比，所述工作電壓被設(shè)置得不同，在所述第二類(lèi)型成像中所述第一工作模式與 所述第二工作模式的所述工作電壓被設(shè)置得相同。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述第一類(lèi)型成像包括對(duì)離所述系統(tǒng)遠(yuǎn)距離的 第一樣本區(qū)域成像，所述第二類(lèi)型成像包括對(duì)靠近所述系統(tǒng)的第二樣本區(qū)域成像。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一輸入信號(hào)分量和所述第二輸入信號(hào)分量 在所述第一工作模式下有相同的開(kāi)始時(shí)間和/或相同的結(jié)束時(shí)間，使得所述第二輸入信號(hào) 分量的至少一個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)間能夠作為所述第一輸入信號(hào)分量的一部分進(jìn)行處理。
25.一種用于操作電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)的方法，所述方法包括提供電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)，該電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)包括偏置 信號(hào)端、輸入信號(hào)端、連接到所述偏置信號(hào)端和所述輸入信號(hào)端的至少一 cMUT元件、與所 述偏置信號(hào)端相連以將偏置信號(hào)應(yīng)用到所述cMUT元件的偏置信號(hào)源以及與所述輸入信號(hào) 端相連的輸入信號(hào)源，所述輸入信號(hào)源操作以將輸入信號(hào)應(yīng)用到所述cMUT元件；以及配置所述cMUT使得在工作中將工作電壓施加到所述cMUT元件上，所述工作電壓至少 部分地由所述偏置電壓和/或所述輸入信號(hào)提供，且所述工作電壓在發(fā)送模式下約為零而 在接收模式下不為零。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述輸入信號(hào)包括第一輸入信號(hào)分量和第二輸入 信號(hào)分量，所述第一輸入信號(hào)分量主要有在所述cMUT元件的頻率響應(yīng)帶內(nèi)的聲頻率，且所 述第二輸入信號(hào)分量主要有實(shí)質(zhì)上在所述cMUT元件的頻率響應(yīng)帶之外的頻率，并且其中 所述工作電壓至少部分地由所述第二輸入信號(hào)分量提供。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述發(fā)送模式包括二階頻率工作。
28.一種用于操作電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)的方法，所述方法包括提供電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)，該電容式微機(jī)械超聲換能器(cMUT)包括偏置 信號(hào)端、輸入信號(hào)端、連接到所述偏置信號(hào)端和所述輸入信號(hào)端的至少一 cMUT元件、與所 述偏置信號(hào)端相連以將偏置信號(hào)應(yīng)用到所述cMUT元件的偏置信號(hào)源以及與所述輸入信號(hào) 端相連的輸入信號(hào)源，所述輸入信號(hào)源操作以將輸入信號(hào)應(yīng)用到所述cMUT元件，使得在工 作中至少部分地由所述偏置電壓和/或所述輸入信號(hào)提供的工作電壓應(yīng)用在所述cMUT元 件上；以及使所述cMUT適于在第一類(lèi)型成像和第二類(lèi)型成像中可切換地工作，使得在所述第一 類(lèi)型成像中所述工作電壓在發(fā)送中與接收中不同，而在所述第二類(lèi)型成像中所述工作電壓 在發(fā)送中和接收模式中相同。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述第一類(lèi)型成像包括對(duì)離所述cMUT遠(yuǎn)距離的第 一樣本區(qū)域成像，且所述第二類(lèi)型成像包括對(duì)靠近所述cMUT的第二樣本區(qū)域成像。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述輸入信號(hào)包括第一輸入信號(hào)分量和第二輸入 信號(hào)分量，所述第一輸入信號(hào)分量主要有在所述cMUT元件的頻率響應(yīng)帶內(nèi)的聲頻率，且所 述第二輸入信號(hào)分量主要有實(shí)質(zhì)上在所述cMUT元件的頻率響應(yīng)帶之外的頻率，并且其中 所述工作電壓至少部分地由所述第二輸入信號(hào)分量提供。
全文摘要
cMUT和cMUT工作方法使用有具有不同頻率特性的兩個(gè)分量的輸入信號(hào)。第一分量主要有在cMUT的頻率響應(yīng)帶內(nèi)的聲頻率而第二分量主要有在該頻率響應(yīng)帶外的頻率。偏置信號(hào)和輸入信號(hào)的第二分量一起將工作電壓應(yīng)用到cMUT上。工作電壓在工作模式如發(fā)送模式和接收模式間是可變的。cMUT僅需要一個(gè)AC分量就允許可變的工作電壓。這使得偏置信號(hào)由多個(gè)cMUT元件共享并簡(jiǎn)化制造過(guò)程。cMUT和工作方法的實(shí)現(xiàn)尤其適合接收模式接收較高的諧波頻率的超聲諧波成像。
文檔編號(hào)H01L41/00GK101874312SQ200880118696
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者黃勇力 申請(qǐng)人:科隆科技公司