[发明专利]用于传感器元件可重构阵列的转换电路

说明书

关于联合声明

研发赞助

依据美国军队授予的美国政府合同号DAMD17-02-1-0181，美国政府可以拥有本发明中的某些权利。

相关专利申请

本申请是2003年3月6日申请的，申请序列号为10/383,990，发明名称是“Mosaic Arrays Using Micromachined UltrasoundTransducers”的美国专利申请的部分继续申请并且要求优先权。

背景技术

本发明通常涉及传感器(例如，光、热、压力、超声)的可重构阵列。具体而言，本发明涉及可重构微加工超声转换器(MUT)阵列。MUT的一个特殊应用是用在医疗诊断超声成像系统中。另一个特殊例子是用于诸如铸件、锻件或管路等材料的无损评估(NDE)。

传统的超声成像系统包含超声转换器阵列，用于传送超声波束和接收来自于被调查物体的反射波束。这种扫描包含一系列的测量，在其中，传送聚焦的超声波，在一短时间间隔后将系统转换到接收模式，反射的超声波被接收，形成波束并为了显示进行处理。典型的，在每个测量期间，传送和接收在相同的方向上聚焦，从而获取来自于沿着声波束或扫描线的一系列点的数据。当接收到反射的超声波时，接收器沿着扫描线连续地重新聚焦。

为了超声成像，阵列典型地具有布置在一行或多行并在传送中由分离电压驱动的多个转换器。通过选择延时(或相位)以及所施加电压的幅值，可以控制单个转换器，从而产生组合形成网状(net)超声波的超声波，该超声波沿着优选的矢量方向传播，并且沿着波束聚焦在选定区域中。

当在接收模式中采用转换器探头接收反射的声音时，应用相同的原理。在接收转换器处产生的电压被求和，以致网状信号指示从物体单独聚焦区反射的超声。如同传送模式一样，通过向来自于每个接收转换器的信号给予分离的延时(和/或相移)和增益，获得该超声能量的聚焦接收。该延时通过增加返回信号的深度来调整，从而提供接收上的动态聚焦。

所形成的图象的质量或分辨率部分上是转换器数量的函数，这些转换器分别构成了转换器阵列的传送和接收孔。相应地，为了获得高图象质量，大量的转换器对于二维和三维成像应用来说都是所希望的。超声转换器典型地位于手持转换器探头中，该探头通过软性电缆连接到处理转换器信号并产生超声图象的电子单元。转换器探头可以携带超声传送电路和超声接收电路。

可重构超声阵列是允许子元件组可以动态地连接在一起的一个阵列，因此最后所得到的元件的形状可以被制造成匹配波前的形状。这可以导致性能改善和/或减少通道计数。可重构性可以利用转换网络获得。

近来，半导体加工工艺已经被用来制造一种被称为微加工超声转换器(MUT)类型的超声转换器，这种超声转换器可以是电容(MUT)或压电(pMUT)品种。MUT是具有电极的微小的类似膜片的设备，其将接收的超声信号的声音振动转换成调制的电容。为了传送，调制电容电荷，从而震动设备的膜片，从而传送声波。MUT的一个优点在于，它们可以利用半导体制造工艺制成，例如归类在标题“微加工”下的微制造工艺。由这种微加工工艺产生的系统典型地被称作“微电子机械系统(MEMS)”。

cMUT通常是六边形结构，具有跨越该结构伸展的膜。该膜通过施加的偏压保持靠近基底表面。通过向已经偏压的cMUT施加振荡信号，该膜可以产生振动，从而允许它辐射声能。类似的，当声波入射到膜上时，由此产生的振动可以被检测作为cMUT上的电压变化。cMUT单元是用来描述这些六边形“鼓”结构中单独一个的术语。cMUT单元可以是非常小的结构。典型的单元尺寸是六边形上从平的边缘到平的边缘的20-50微米。单元的尺寸由设计的声响应以许多方式规定。创建较大的单元，同时该较大单元仍在频率响应和预期的灵敏度方面执行很好，这是不可能的。

不幸的是，很难产生能够允许单个控制这种小单元的电子设备。尽管总的说来在阵列的声性能方面，小单元尺寸是极好的，而且导致很好的灵活性，但是对较大结构的控制受到限制。将多个单元分组在一起并将它们进行电连接使得能够创建一个较大的子元件，该较大子元件可以在保持预期的声响应时具有单个控制。因此，子元件是一组不能被重构的电连接的单元。为了公开的目的，子元件是最小的独立控制的声部件。可以利用转换网络通过将子元件连接在一起形成环或元件。这些元件可以通过改变转换网络的状态进行重构。然而，子元件包含不能可转换断开的连接单元，因此不能重构。如果阵列由PZT或者一些其它普通的或未来的转换器技术构成，那么所有下述分析也是有效的。