[发明专利]压电微机械超声换能器阵列

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年5月1日递交的、名称为“ULTRA WIDE BANDWIDTH PIEZOELECTRIC TRANSDUCER ARRAYS”的美国临时专利申请No.61/641,182，和2012年10月9日递交的、名称为“ULTRA WIDE BANDWIDTH PIEZOELECTRIC TRANSDUCER”的美国专利申请No.13/648,225的权益，其全部内容以引用的方式结合于此用于所有目的。

技术领域

本发明实施方式通常涉及压电换能器，更具体地涉及压电微机械超声换能器(pMUT)阵列。

背景技术

超声压电换能器(transducer)设备通常包括压电膜，能够响应于随时间变化的驱动电压而振动，以在与换能器元件的暴露的外表面接触的传播媒介(例如，空气、水、或者身体组织)中产生高频压力波。这个高频压力波可以传播到其它媒介中。相同的压电膜还可以从传播媒介接收反射压力波，并将接收的压力波转换为电信号。电信号可以与驱动电压信号结合处理以获得关于传播媒介中的密度或者弹性系数的变化的信息。

当使用压电膜的多个超声换能器设备通过机械切割大块压电材料或者注射成型注入有压电陶瓷晶体的载体材料组成时，有利地可以使用各种的微机械技术(例如，材料沉积、平板印刷图案化、蚀刻特征格式化等)廉价地制造设备从而达到了极度高维度误差。这样，就用经由波束成型驱动的多个阵列的单个阵列算法实现换能器元件的大阵列。这个阵列设备已知为pMUT阵列。

传统pMUT阵列的一个问题是带宽，作为施加于传输媒介的实际声压的函数，是有限的。因为超声换能器应用，例如胎心监控和动脉监控，横跨大范围的频率(例如，较低的频率提供相对较深色的成像功能，较高的频率提供较浅色的成像功能)，轴向分辨率(即，平行于超声波束方向的分辨率)将通过增大pMUT阵列在指定频率的带宽而缩短脉冲长度而有利地得到改善。

传统pMUT阵列的另一个问题是经由基底振动的机械耦合和pMUT阵列中找到的相邻元件之间的声学耦合可以导致换能器元件之间的不期望的串扰。超声换能器应用中的信噪比将通过在这些pMUT阵列内减少不期望的串扰形式而有利地得到改善。

发明内容

在此描述了宽带宽压电微机械超声换能器(pMUT)阵列和包括宽带宽pMUT阵列的系统。在实施方式中，压电微机械超声换能器(pMUT)阵列包括配置于基底的区域上的多个独立可寻址的驱动/感应电极轨线和多个压电换能器元件群。元件群内部的每个驱动/感应电极耦合到驱动/感应电极轨线中的一个。在阵列中，不同换能器元件群的换能器元件之间的电机械耦合低于相同元件群的换能器元件之间的电机械耦合，及每个换能器元件群为累积宽带宽操作提供多个独立的但重叠的频率响应。

在实施方式中，相同换能器元件群的换能器元件之间的电机械耦合足够导致一个或者多个退化模式，至少一个退化模式具有从元件群中的单个压电换能器元件的固有共振频率分离出来的退化共振频率，以增加元件群的带宽。

在实施方式中，pMUT阵列的每个压电换能器元件群包括不同标称膜大小的多个压电膜，以提供跨越了宽带宽的多个单独共振频率。在实施方式中，元件群具有由至少一个不同大小的中间元件间隔开相同大小的换能器元件，以通过使最近相邻的元件相互之间处于不同的共振频率(即，非共振)来减少串扰。

在实施方式中，耦合到相同驱动/感应电极轨线(即，相同通道的)的元件群具有设置为紧密匹配的但不同膜大小的指定换能器元件的最近邻居的换能器元件，以用于膜大小的递增空间变化和更好的共振相位控制。在实施方式中，每个压电换能器元件群的压电膜具有不对称的元件布局，以减少元件群内不同大小的最近邻居的数量，来减少传输媒介抑制(dampening)。

在实施方式中，每个压电换能器元件群的压电膜位于密集组装的配置中，以增加pMUT阵列的敏感性。在实施方式中，单独的元件群相互没有密集封装，以提供比群内密集组装间隔更大的间隔来减少群之间的串扰。

在实施方式中，每个元件群中至少一个压电换能器元件包括具有非圆形几何结构的压电膜，该压电膜具有不同标称长度的至少第一半主轴和第二半主轴，以提供宽带宽响应的独立共振频率。在实施方式中，压电换能器元件群内的一个中的椭圆形膜的第一半主轴和第二半主轴是平行的。在实施方式中，第一元件群的第一半主轴和第二半主轴具有第一方向，而与第一群相邻的第二元件群的第一和第二半主轴具有第二方向，该第二方向与第一方向正交。

附图说明