[發明專利]壓電微機械超聲換能器陣列

有效

• 申請號: 201380023381.9
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN104271266B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: A·哈賈蒂;M·奧托松
• 申請（專利權）人: 富士膠片戴麥提克斯公司
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司11283
• 代理人: 孫向民,肖冰濱

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年5月1日遞交的、名稱為“ULTRA?WIDE?BANDWIDTH?PIEZOELECTRIC?TRANSDUCER?ARRAYS”的美國臨時專利申請No.61/641,182，和2012年10月9日遞交的、名稱為“ULTRA?WIDE?BANDWIDTH?PIEZOELECTRIC?TRANSDUCER”的美國專利申請No.13/648,225的權益，其全部內容以引用的方式結合于此用于所有目的。

技術領域

本發明實施方式通常涉及壓電換能器，更具體地涉及壓電微機械超聲換能器(pMUT)陣列。

背景技術

超聲壓電換能器(transducer)設備通常包括壓電膜，能夠響應于隨時間變化的驅動電壓而振動，以在與換能器元件的暴露的外表面接觸的傳播媒介(例如，空氣、水、或者身體組織)中產生高頻壓力波。這個高頻壓力波可以傳播到其它媒介中。相同的壓電膜還可以從傳播媒介接收反射壓力波，并將接收的壓力波轉換為電信號。電信號可以與驅動電壓信號結合處理以獲得關于傳播媒介中的密度或者彈性系數的變化的信息。

當使用壓電膜的多個超聲換能器設備通過機械切割大塊壓電材料或者注射成型注入有壓電陶瓷晶體的載體材料組成時，有利地可以使用各種的微機械技術(例如，材料沉積、平板印刷圖案化、蝕刻特征格式化等)廉價地制造設備從而達到了極度高維度誤差。這樣，就用經由波束成型驅動的多個陣列的單個陣列算法實現換能器元件的大陣列。這個陣列設備已知為pMUT陣列。

傳統pMUT陣列的一個問題是帶寬，作為施加于傳輸媒介的實際聲壓的函數，是有限的。因為超聲換能器應用，例如胎心監控和動脈監控，橫跨大范圍的頻率(例如，較低的頻率提供相對較深色的成像功能，較高的頻率提供較淺色的成像功能)，軸向分辨率(即，平行于超聲波束方向的分辨率)將通過增大pMUT陣列在指定頻率的帶寬而縮短脈沖長度而有利地得到改善。

傳統pMUT陣列的另一個問題是經由基底振動的機械耦合和pMUT陣列中找到的相鄰元件之間的聲學耦合可以導致換能器元件之間的不期望的串擾。超聲換能器應用中的信噪比將通過在這些pMUT陣列內減少不期望的串擾形式而有利地得到改善。

發明內容

在此描述了寬帶寬壓電微機械超聲換能器(pMUT)陣列和包括寬帶寬pMUT陣列的系統。在實施方式中，壓電微機械超聲換能器(pMUT)陣列包括配置于基底的區域上的多個獨立可尋址的驅動/感應電極軌線和多個壓電換能器元件群。元件群內部的每個驅動/感應電極耦合到驅動/感應電極軌線中的一個。在陣列中，不同換能器元件群的換能器元件之間的電機械耦合低于相同元件群的換能器元件之間的電機械耦合，及每個換能器元件群為累積寬帶寬操作提供多個獨立的但重疊的頻率響應。

在實施方式中，相同換能器元件群的換能器元件之間的電機械耦合足夠導致一個或者多個退化模式，至少一個退化模式具有從元件群中的單個壓電換能器元件的固有共振頻率分離出來的退化共振頻率，以增加元件群的帶寬。

在實施方式中，pMUT陣列的每個壓電換能器元件群包括不同標稱膜大小的多個壓電膜，以提供跨越了寬帶寬的多個單獨共振頻率。在實施方式中，元件群具有由至少一個不同大小的中間元件間隔開相同大小的換能器元件，以通過使最近相鄰的元件相互之間處于不同的共振頻率(即，非共振)來減少串擾。

在實施方式中，耦合到相同驅動/感應電極軌線(即，相同通道的)的元件群具有設置為緊密匹配的但不同膜大小的指定換能器元件的最近鄰居的換能器元件，以用于膜大小的遞增空間變化和更好的共振相位控制。在實施方式中，每個壓電換能器元件群的壓電膜具有不對稱的元件布局，以減少元件群內不同大小的最近鄰居的數量，來減少傳輸媒介抑制(dampening)。

在實施方式中，每個壓電換能器元件群的壓電膜位于密集組裝的配置中，以增加pMUT陣列的敏感性。在實施方式中，單獨的元件群相互沒有密集封裝，以提供比群內密集組裝間隔更大的間隔來減少群之間的串擾。

在實施方式中，每個元件群中至少一個壓電換能器元件包括具有非圓形幾何結構的壓電膜，該壓電膜具有不同標稱長度的至少第一半主軸和第二半主軸，以提供寬帶寬響應的獨立共振頻率。在實施方式中，壓電換能器元件群內的一個中的橢圓形膜的第一半主軸和第二半主軸是平行的。在實施方式中，第一元件群的第一半主軸和第二半主軸具有第一方向，而與第一群相鄰的第二元件群的第一和第二半主軸具有第二方向，該第二方向與第一方向正交。

附圖說明