[發明專利]使用撓曲模式壓電換能器的增強的超聲成像探頭

無效

• 申請號: 201210151924.2
• 申請日: 2006-11-03
• 公開（公告）號: CN102670259A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: D·道施;O·馮拉姆;J·卡斯泰盧奇
• 申請（專利權）人: 研究三角協會;杜克大學
• 主分類號: A61B8/12
• 分類號: A61B8/12;B06B1/06
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 申發振

本申請是申請日為2006年11月3日、申請號為200680056647.X、發明名稱為“使用撓曲模式壓電換能器的增強的超聲成像探頭”的中國發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及通過壓電換能器產生增強的撓曲模式信號的方法以及使用該方法的超聲成像探頭。

背景技術

超聲換能器對于非介入式的以及體內的醫療診斷成像特別有用。傳統超聲換能器典型地由壓電陶瓷材料（例如鋯鈦酸鉛（PZT）或者PZT聚合物復合物）制造，對換能器材料進行切片或激光切割以形成排列為一維或二維陣列的多個單獨元件。聲透鏡、匹配層、襯墊（backing）層以及電互連（例如柔性線纜、金屬管腳/導線）典型地被附接到每個換能器元件以形成換能器組件或探頭。然后用線束或線纜將探頭連接到控制電路，其中線纜包含驅動每一個單獨元件并從其接收信號的單獨的導線。超聲換能器技術目前研究的重要目標是提高換能器性能以及與控制電路的集成度而同時降低換能器尺寸、功耗以及由于線纜連接造成的信號損失。這些因素對于三維超聲成像所需的二維陣列尤其重要。

換能器陣列的小型化對于基于導管的2D陣列換能器特別重要。重大的挑戰在于傳統2D換能器陣列的復雜性、制造成本和有限的性能。商用2D換能器探頭典型地受限于元件間距為200μm至300μm且工作頻率小于5MHz的陣列。這些元件的小尺寸將元件的電容大幅度降低到小于10pF，這產生高的源阻抗并且對于與系統電子器件（electronics）的電阻抗匹配提出了重大挑戰。此外，生產用于基于導管的血管內（IVUS）成像探頭或者心臟內（ICE）成像探頭的前向觀看2D陣列還沒有實現商業化。對于6弗倫奇或7弗倫奇或更小的導管尺寸，換能器陣列的直徑應當小于2mm。為了獲得足夠的分辨率，應當使用10MHz或更大的頻率，這個頻率在組織中產生150μm的波長。因為要獲得足夠的成像性能，元件間距應當小于波長，所以希望元件間距為100μm或更小。此外，更高頻率的工作要求換能器中的壓電層更薄。迄今為止，傳統換能器陣列還不能以低成本、可制造工藝和足夠的成像性能來滿足這些要求。

微加工技術可以有助于生產具有足夠性能的小型化換能器。例如醫療設備領域已經受益于微機電系統（MEMS）技術。MEMS技術允許制造尺寸顯著縮小的醫療設備或醫療設備的組件。壓電微加工超聲換能器（pMUT）就是這樣一種基于MEMS的換能器技術。pMUT通過向壓電材料懸掛膜施加AC電壓致使其經歷撓曲模式共振來產生或傳輸超聲能量。這導致膜的彎張（flextensional）動作，從而從器件產生聲傳輸輸出。接收的超聲能量被pMUT轉換，由于微制造膜的撓曲模式共振振動，超聲能量產生壓電電壓（“接收信號”）。

與傳統的基于陶瓷的換能器相比，微加工的pMUT器件的好處包括：制造容易和可按比例縮小性，特別是對于尺寸更小、密度更大的2D陣列；對于2D陣列而言集成和互連更簡單；對于更寬的工作頻率范圍，換能器的設計靈活性更大；元件電容更大，從而具有更小的源阻抗，與電子器件的匹配更好。實時3D成像系統需要2D陣列，為了插到更小的導管探頭（直徑2-3mm或更小）中，陶瓷換能器很快就達到它們的制造極限。另一種微加工方法是電容性微加工超聲換能器（cMUT），其由襯底上的表面微加工膜組成，通過向膜電極施加適當的DC和AC電壓信號來靜電地激勵該表面微加工膜。然而，這些器件要求并聯連接的多個元件來提供足夠的聲輸出，所以限制了元件尺寸極小的2D陣列的性能。為了用cMUT獲得超聲信號，需要相當大的放大率（典型地為60dB）。

在cMUT與pMUT器件之間存在功能和結構上的差異。因為pMUT具有更大的能量轉換機構（即壓電層），所以壓電元件通常具有比cMUT更大的超聲功率能力。在8MHz的頻率下，75微米寬的2D陣列pMUT元件可以產生1MPa至5MPa的聲功率輸出。傳統的換能器陣列可以產生大于1MPa的聲壓，但是需要大得多的元件尺寸，并且在更低的頻率下工作。cMUT?2D陣列元件的典型聲輸出遠遠小于1MPa。與傳統換能器陣列以及cMUT相比，pMUT陣列中的元件還具有更大的電容（在100－1000pF量級），因此產生更低的源阻抗并且與線纜以及電子器件的阻抗匹配更好。傳統換能器陣列元件的電容小于10pF，cMUT元件的電容小于1pF。