[发明专利]微机械超声换能器中的可变工作电压

说明书

相关申请

本申请要求2007年12月3日提交的发明名称为“微机械超声换能器的优化操作”的第60/992,046号美国临时专利申请的优先权利益，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

背景

电容式微机械超声换能器(cMUT)为在各种应用中广泛使用的静电驱动器/换能器。超声换能器可以在包括液体、固体和气体的各种介质中工作。超声换能器通常用于诊断和治疗的医学成像、生化成像、非破坏性的材料评估、声纳、通信工具、接近传感器、气体流量测量、现场过程监控、声学显微镜、水下传感和成像以及众多其他实际应用。cMUT的典型结构是带有固定下电极和位于柔性膜上或柔性膜内的可移动上电极的平行板电容器，其用于发送/校准(TX)或接收/检测(RX)相邻介质中的声波。直流(DC)偏置电压可应用在电极之间以使膜偏到适合cMUT工作的最佳位置，通常以灵敏度和带宽最大化为目标。在发送过程中，交流(AC)信号应用于换能器。上电极和下电极之间的交替静电力驱动膜以使得将声能传输至cMUT周围的介质。在接收过程中，声波撞击引起膜振动，因此，改变了两电极间的电容。

cMUT的一个重要特性是它的工作电压，该工作电压是除了用于产生声能的AC信号之外用于cMUT的电压信号。在现有的cMUT工作方法中，DC电压用于偏置cMUT。TX输入信号应用在cMUT上产生声输出。在这些方法中，cMUT的工作电压仅由DC偏置电压信号决定。在发送和接收两者的工作中使用相同的工作电压电平。然而，在发送和接收工作中，适合cMUT工作的最优的工作状态是不同的。因此，为了获得最优的整体性能，在选择合适的工作电平时需要对使用固定的工作电压电平进行权衡。这种权衡在cMUT性能改善方面设置了障碍。

为了解决这个问题，提出了在发送和接收模式下使用可变的工作电压。这通过对两种工作模式使用不同的偏置电压电平来实现。具体地，在TX和RX工作中带有不同偏置电平的AC偏置信号用来代替DC偏置信号。该方法在操作过程中需要两个高电压AC信号：TX输入信号，其与在其他常规方法中使用的信号相同，仅用来产生声输出；以及AC偏置信号，其用来改变两种模式间的工作电压电平。这两种高电压AC信号需要是同步的。在cMUT阵列中的cMUT元件不能共享相同的AC偏置信号用于波束成形。因此，每个cMUT元件为了工作需要两条不同的线。这加倍了cMUT系统中使用的线的数量，大大增加了系统的复杂性和系统的成本。当使用带有大量元件的cMUT阵列时，这些问题尤为突出。

为了优化RX和TX的性能并简化系统的复杂度，需要开发更好的cMUT工作方法。

发明内容

cMUT和cMUT工作方法使用具有不同频率特性的两分量的输入信号。第一分量的主要频率在cMUT元件的频率响应带内而第二分量的主要频率在cMUT元件的频率响应带外。输入信号的第一分量用于生成用于cMUT发送(TX)工作的声输出。偏置信号和输入信号的第二分量一起限定应用到cMUT上的工作电压。工作电压用于设置用于cMUT的工作状态(或工作点)且在cMUT的频率带内不产生有影响的声输出。

工作电压在工作模式如发送模式和接收模式间是可变的。cMUT仅需要一个AC分量就允许用可变的工作电压操作cMUT。这使得偏置信号由多个cMUT元件共享，因此很容易实现CMUT系统，尤其是具有大量元件的CMUT阵列。cMUT和工作方法的实现尤其适合接收模式接收较高的谐波频率的超声谐波成像。

本公开的一个方面是有至少一个cMUT元件的cMUT系统。输入信号源操作以应用包括具有不同频率特性的两分量的输入信号。偏置信号和具有带外频率(如低频)的输入信号分量一起将工作电压应用到cMUT元件上。在第一工作模式(如发送模式)的工作电压与第二工作模式(如接收模式)相比是不同的。偏置信号可为DC信号。

在一个实施方式中，cMUT系统适于在不同类型的成像中可切换地工作。在第一类型成像中的发送与接收中工作电压是不同的，但在第二类型成像中用于发送和接收两者的工作电压是相同的。第一类型成像对离系统远距离的样本区域成像，且第二类型成像包括对靠近系统的样本区域成像。

本公开的另一方面是用于操作cMUT的方法。该方法提供包括至少一个cMUT元件的cMUT。该方法配置cMUT以使得输入信号源操作以应用包括具有不同频率特性的两分量的输入信号并使得偏置信号和具有带外频率(如低频)的输入信号分量一起将工作电压施加到cMUT元件上。在不同工作模式如发送模式和接收模式中的工作电压是不同的。