專利名稱：通道數(shù)減少的可重構(gòu)線性傳感器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及可重構(gòu)的傳感器(如，光學(xué)的、熱的、壓力的、超聲波的)陣列。本發(fā)明特別涉及可重構(gòu)的微加工超聲波換能器(MUT)陣列。MUT的一個(gè)特定應(yīng)用是用于醫(yī)療診斷超聲波成像系統(tǒng)。另一個(gè)特定示例是用于材料(如鑄件、鍛件或管道)的無(wú)損測(cè)定(NDE)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的超聲波成像系統(tǒng)包括超聲波換能器陣列，該超聲波換能器陣列被用于發(fā)射超聲波束、而后接收來(lái)自所研究對(duì)象的反射波束。這種掃描包括一系列測(cè)量，在這些測(cè)量中，聚焦超聲波被發(fā)射，在很短的時(shí)間間隔后系統(tǒng)切換到接收模式，而后反射超聲波被接收、聚束和處理以用于顯示。通常，在每個(gè)測(cè)量中，發(fā)射和接收被聚焦在同一方向上，以此，從沿著聲束或掃描線的一系列點(diǎn)上獲取數(shù)據(jù)。當(dāng)反射超聲波被接收時(shí)，接收器被沿著掃描線連續(xù)地再聚焦。
針對(duì)超聲波成像，陣列通常包括多個(gè)換能器，這些換能器被安置成一行或多行并且在傳輸過(guò)程中由獨(dú)立的電壓驅(qū)動(dòng)。通過(guò)選擇所施加電壓的時(shí)間延遲(或相位)和振幅，可控制一個(gè)特定行上的各個(gè)換能器以產(chǎn)生超聲波，這些超聲波組合而構(gòu)成沿著最佳矢量方向傳播且在一個(gè)沿波束的所選擇區(qū)域被聚焦的凈超聲波。
在接收模式下使用換能器探頭接收反射聲時(shí)，適用相同的原理。把接收換能器上生成的電壓加起來(lái)，這樣，凈信號(hào)表示從物體的單個(gè)聚焦帶反射的超聲波。正如發(fā)射模式一樣，通過(guò)削弱加在每個(gè)接收換能器發(fā)出信號(hào)上的獨(dú)立時(shí)間延遲(和/或相移)和增益可以實(shí)現(xiàn)這種超聲波能量的聚焦接收?？梢杂没夭ㄐ盘?hào)深度的增加來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)間延遲，以提供接收上的動(dòng)態(tài)聚焦。
成像質(zhì)量或分辨率部分地取決于構(gòu)成換能器陣列中發(fā)射孔徑和接收孔徑的換能器數(shù)目。因此，為了取得較高的圖像質(zhì)量，對(duì)于2維和3維的成像應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要大量的換能器。超聲波換能器通常位于一個(gè)手提式換能器探頭中，該手提式換能器探頭通過(guò)一條柔軟的電纜線與一個(gè)處理?yè)Q能器信號(hào)并生成超聲波圖像的電子部件相連。所述換能器探頭可同時(shí)帶有超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路。
可重構(gòu)超聲波陣列是這樣的陣列使成組的子單元?jiǎng)討B(tài)地連接在一起，這樣，可將由此產(chǎn)生的單元形狀作得與波陣面的形狀相匹配。這樣可以導(dǎo)致性能的改善和/或通道數(shù)的減少?？衫瞄_關(guān)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)性。
MUT的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可利用半導(dǎo)體制作工藝制造MUT(例如，在“微加工”標(biāo)題下的微制造工藝)。正如在美國(guó)專利6,359,367中所解釋的那樣“微加工指顯微結(jié)構(gòu)的形成，這種顯微結(jié)構(gòu)的形成利用了(A)圖案形成設(shè)備(通常為平版印刷術(shù)，如投影式光刻機(jī)或晶片分節(jié)器)和(B)淀積設(shè)備(如PVD(物理汽相淀積)、CVD(化學(xué)汽相淀積)、LPCVD(低壓化學(xué)汽相淀積)、PECVD(等離子體化學(xué)汽相淀積))以及(C)蝕刻設(shè)備(如濕式蝕刻、等離子腐蝕、離子碾磨、濺射蝕刻或激光蝕刻)的組合或子系統(tǒng)。通常，在由硅、玻璃、藍(lán)寶石或陶瓷制的襯底或晶片上實(shí)施微加工。這種襯底或晶片通常是非常平坦和光滑的，其側(cè)邊的尺寸為幾個(gè)英寸。當(dāng)這些襯底或晶片從一種處理設(shè)備移至另一個(gè)處理設(shè)備時(shí)，通常被成組地裝盒進(jìn)行處理。每個(gè)基片可以方便地(但不是必需的)將大量的重復(fù)產(chǎn)品合并在一起。目前存在著兩種類型的微加工1)立體微加工，其中晶片或基片在厚度上大部分被雕刻，以及2)表面微加工，其中的雕刻通常只限于表面，尤其是只限于表面很薄的積淀薄膜。這里的微加工定義涵蓋傳統(tǒng)的或公知的可用于微加工的材料的使用，這些材料包括所有類型的硅、藍(lán)寶石、玻璃材料以及聚合物(如聚酰亞胺)、多晶硅、氮化硅、氧氮化硅、薄膜金屬(如鋁合金、銅合金和鎢)、旋涂玻璃(SOG)、可摻雜或擴(kuò)散的摻雜物和生長(zhǎng)薄膜(如氧化硅和氮化硅)?！痹诒菊f(shuō)明書中，對(duì)微加工采用了相同的定義。由這種微加工工藝產(chǎn)生的系統(tǒng)通常被稱為“微加工機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)”。
通常cMUT為六邊形結(jié)構(gòu)，有一個(gè)隔膜在其間伸展。該隔膜被一個(gè)外加偏壓固定在基片表面附近。通過(guò)將一個(gè)振蕩信號(hào)加到已經(jīng)外加偏壓的cMUT上，可以使隔膜振動(dòng)，從而使隔膜發(fā)射聲能。同樣地，當(dāng)聲波入射到隔膜上時(shí)，由此產(chǎn)生的振動(dòng)可作為cMUT上的電壓變化被探測(cè)。cMUT元件是用來(lái)描述這些六邊形“鼓膜”結(jié)構(gòu)中單個(gè)結(jié)構(gòu)的術(shù)語(yǔ)。cMUT元件可能是非常小的結(jié)構(gòu)。典型的元件尺寸是從六邊形的一個(gè)平直邊至另一個(gè)平直邊為25至50微米。在許多方面，元件的尺寸由所設(shè)計(jì)的聲學(xué)響應(yīng)來(lái)規(guī)定。要制造較大尺寸的元件同時(shí)又要求在所期望的頻率響應(yīng)及靈敏度方面表現(xiàn)良好也許是不可能的。
生產(chǎn)出允許對(duì)這種小元件實(shí)施單獨(dú)控制的電子裝置是很困難的。雖然就陣列的聲學(xué)性能整體而論，小元件尺寸相當(dāng)好且具有很大的靈活性，但是控制只限于大的結(jié)構(gòu)。將多個(gè)元件組合起來(lái)并將它們電連接而形成一個(gè)較大的子單元，這個(gè)子單元可帶有單獨(dú)控制同時(shí)又維持所期望的聲學(xué)響應(yīng)。所以，子單元是一組通過(guò)電連接的元件，不能被重構(gòu)。對(duì)于本公開而言，子單元是最小的可被獨(dú)立控制的聲學(xué)部件?？捎瞄_關(guān)網(wǎng)絡(luò)將子單元連接來(lái)構(gòu)成單元。通過(guò)改變開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可以重構(gòu)單元。然而，子單元包含所連接的、不可用開關(guān)控制斷開的元件，因此子單元不能被重構(gòu)。
超聲波系統(tǒng)的流行趨勢(shì)是朝著更小、更便攜的方向發(fā)展。也許有一天，一個(gè)很小的掌上型超聲波系統(tǒng)將代替聽診器作為醫(yī)生的標(biāo)準(zhǔn)裝備。為了實(shí)現(xiàn)這種小型的超聲波系統(tǒng)，減少聚束通道的數(shù)目是必須要做的一件事。基本問(wèn)題是減少系統(tǒng)通道數(shù)的同時(shí)保持適當(dāng)?shù)木凼阅?分辨率和對(duì)比度)。為了保持分辨率，不必減小孔徑。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)陣列來(lái)說(shuō)，這就意味著隨孔徑尺寸的增加通道數(shù)必須增加或者是通道之間的節(jié)距必須增加。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)陣列來(lái)說(shuō)，節(jié)距增加受限于粗步幅(接近于一個(gè)波長(zhǎng))。以均勻的方式在整個(gè)陣列范圍增加步幅尺寸會(huì)導(dǎo)致柵瓣，這不是所期望的結(jié)果。
所有現(xiàn)行的超聲波線性陣列探頭都具有恒定的節(jié)距。減少通道數(shù)通常意味著要放棄孔徑或容忍?hào)虐?。一種減少通道數(shù)又不產(chǎn)生柵瓣的方法是波束成形器折疊。對(duì)于線性陣列來(lái)說(shuō)，波束中心兩側(cè)的延遲是對(duì)稱的。這就意味著通過(guò)把這些對(duì)稱單元連接到同一系統(tǒng)通道的多路復(fù)用方案可以實(shí)現(xiàn)使通道數(shù)減少一半。然而，對(duì)于數(shù)目眾多的系統(tǒng)通道來(lái)說(shuō)，這種多路復(fù)用方案可能會(huì)變得非常復(fù)雜。而且，現(xiàn)行的多路復(fù)用方案不能提供完全的可重構(gòu)性，因?yàn)檫@些方案局限于在固定位置上相對(duì)較大尺寸的單元。另一種用來(lái)增加通道數(shù)的方法是使用合成孔徑方案。這里，較大的孔徑建立于多路傳輸上。這樣可能會(huì)導(dǎo)致通道數(shù)的顯著減少，但同時(shí)由于需要多路發(fā)射而遭遇下降的信噪比和幀頻損失。移動(dòng)還可能在合成孔徑圖像中引入贗像。
對(duì)于一個(gè)通道數(shù)減小的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要保持孔徑尺寸并且不產(chǎn)生柵瓣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是可重構(gòu)的微加工傳感器(如光學(xué)的、熱學(xué)的、壓力的、超聲波的)線性陣列?？芍貥?gòu)性使得傳感器單元的尺寸和節(jié)距成為距波束中心距離的函數(shù)。這種陣列改善了有限通道數(shù)的成像系統(tǒng)的性能。對(duì)于使用多路傳輸聚焦帶的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，改善的性能來(lái)自對(duì)特定深度調(diào)節(jié)孔徑的能力。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一個(gè)這樣的裝置，該裝置包括大量的傳感器子單元，這些傳感器子單元沿一條線排成一行，每個(gè)傳感器子單元各包括大量的微加工機(jī)電組件，所述大量的微加工機(jī)電組件占據(jù)了一個(gè)近似矩形的區(qū)域，并且每個(gè)微加工機(jī)電組件包括一個(gè)相應(yīng)的電極，其中組成任何特定傳感器子單元的微加工機(jī)電組件的電極相互電連接且彼此不可用開關(guān)控制斷開；該裝置包括大量的導(dǎo)電接入線；該裝置包括大量的交接開關(guān)，當(dāng)交接開關(guān)被接通時(shí)，每個(gè)交接開關(guān)將傳感器子單元中相應(yīng)的一個(gè)與接入線中的一條電連接；該裝置包括大量的矩陣開關(guān)，當(dāng)矩陣開關(guān)被接通時(shí)，每個(gè)矩陣開關(guān)將傳感器子單元中相應(yīng)的一個(gè)與傳感器子單元中相應(yīng)相鄰的一個(gè)電連接；該裝置包括大量的開關(guān)狀態(tài)控制電路，每個(gè)開關(guān)狀態(tài)控制電路控制了交接開關(guān)中相應(yīng)的一個(gè)和矩陣開關(guān)中相應(yīng)的一個(gè)；該裝置包括一個(gè)編程電路，該編程電路通過(guò)電連接，依照所選擇的、與相應(yīng)孔徑對(duì)應(yīng)的開關(guān)配置，用于對(duì)開關(guān)狀態(tài)控制電路進(jìn)行編程。
本發(fā)明的另一方面是一個(gè)這樣的裝置，該裝置包括大量的、近似矩形的微加工傳感器子單元，這些傳感器子單元在第一層沿一條線排成一行；大量的接口元件電子元件，這些接口元件電子元件在第二層沿一條線排成一行，第二層相對(duì)于第一層固定并且位于第一層的下方，各接口元件電子元件位于相應(yīng)的傳感器子單元下方；大量的電連接線，各電連接線將接口元件電子元件中相應(yīng)的一個(gè)與傳感器子單元中相應(yīng)的一個(gè)電連接；以及大量的導(dǎo)電接入線，其中，各元件電子元件包括一個(gè)交接開關(guān)，當(dāng)交接開關(guān)接通時(shí)，交接開關(guān)將相應(yīng)的傳感器子單元與接入線中的一條電連接；一個(gè)矩陣開關(guān)，當(dāng)矩陣開關(guān)接通時(shí)，矩陣開關(guān)將相應(yīng)的傳感器子單元與傳感器子單元中相應(yīng)相鄰的一個(gè)電連接；以及一個(gè)開關(guān)狀態(tài)控制電路，用于控制交接開關(guān)和矩陣開關(guān)的狀態(tài)。
本發(fā)明的又一個(gè)方面是這樣一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括超聲波換能器子單元的線性陣列，各超聲波換能器子單元帶有一個(gè)近似矩形的有效面積；大量的矩陣開關(guān)，當(dāng)矩陣開關(guān)被選擇性接通時(shí)，這些矩陣開關(guān)選擇性地將超聲波換能器子單元相互電連接以構(gòu)成超聲波換能器單元；大量的導(dǎo)電接入線，這些接入線與線性陣列基本并行；大量的交接開關(guān)，當(dāng)交接開關(guān)被選擇性接通時(shí)，這些交接開關(guān)選擇性地將超聲波換能器單元與接入線電連接；大量的系統(tǒng)通道；以及復(fù)用器，各接入線經(jīng)由復(fù)用器與通道相應(yīng)的一個(gè)系統(tǒng)通道電連接。其中，各超聲波換能器子單元各自包括大量的、電連接的且不可用開關(guān)斷開的cMUT元件。
本發(fā)明的又一個(gè)方面是這樣一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括超聲波換能器子單元的線性陣列，每個(gè)超聲波換能器子單元都帶有一個(gè)近似矩形的有效面積；大量的交接開關(guān)；以及一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括第一組用于將所選擇的超聲波換能器子單元相互電連接以構(gòu)成超聲波換能器單元的開關(guān)，以及第二組用于將超聲波換能器單元與所選擇的接入線電連接的開關(guān)，第一組開關(guān)和第二組開關(guān)按照構(gòu)成孔徑的開關(guān)配置設(shè)置，其中構(gòu)成孔徑的超聲波換能器單元的節(jié)距和寬度在整個(gè)線性陣列中是變化的。
下面，將對(duì)本發(fā)明的其它方面進(jìn)行揭示并聲明其權(quán)利要求。


圖1是表示典型cMUT元件的剖面圖。
圖2是表示本發(fā)明實(shí)施例的線性換能器陣列中一個(gè)子單元的六邊形MUT元件的示意圖。
圖3是表示一個(gè)微加工結(jié)構(gòu)的透視圖，該微加工結(jié)構(gòu)包括一個(gè)由cMUT元件制成的1維或1.5維的換能器單元陣列。
圖4是表示在線性換能器陣列中一個(gè)孔徑兩側(cè)的延遲輪廓線(即，側(cè)向距離)是如何隨深度的增加而改變的曲線圖。
圖5是表示在線性換能器陣列中一個(gè)完全動(dòng)態(tài)可重構(gòu)孔徑如何作為深度增加的函數(shù)而增長(zhǎng)的曲線圖。
圖6是表示線性換能器陣列的一個(gè)孔徑隨深度增加而增長(zhǎng)和重構(gòu)的示意圖。蔭影區(qū)域表示與相應(yīng)系統(tǒng)通道連接的陣列單元。
圖7是表示線性換能器陣列的一個(gè)孔徑，該陣列單元的寬度和節(jié)距是變化的，帶蔭影線的區(qū)域表示與相應(yīng)系統(tǒng)通道連接的陣列單元。
圖8是表示本發(fā)明實(shí)施例的用于使聲學(xué)子單元相互連接并與系統(tǒng)通道連接的各種開關(guān)的示意圖。
圖9表示一個(gè)用以使與換能器陣列垂直并位于陣列的有效部分中心的波束在一點(diǎn)聚焦的、典型的延遲輪廓線。
圖10表示一個(gè)具有圖9所示延遲輪廓線的換能器陣列的孔徑分成10個(gè)通道的示例。
圖11是表示由此生成的、基于圖10的示例的等矩量化延遲圖形的示圖。
圖12-14是表示輻射圖的模擬結(jié)果的曲線圖。
圖15是表示cMUT和專用集成電路(ASIC)陣列的共集成組件的剖面圖。
圖16是表示一個(gè)與ASIC開關(guān)矩陣相連的cMUT晶片的剖面圖。
圖17表示如先前在美國(guó)專利申請(qǐng)10/248,968中所揭示的交接開關(guān)和用于控制該交接開關(guān)的狀態(tài)的電路。
下面將參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，在不同的附圖中相同的附圖標(biāo)記代表相同的部分。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一個(gè)可重構(gòu)的開關(guān)矩陣，利用所述的可重構(gòu)開關(guān)矩陣改變相關(guān)傳感器線性陣列的尺寸和節(jié)距，而所述的尺寸和節(jié)距是距波束中心距離的函數(shù)。出于說(shuō)明的目的，將以電容式微加工超聲波換能器(cMUT)為參照對(duì)可重構(gòu)線性陣列進(jìn)行描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解這里所揭示的本發(fā)明的各個(gè)方面并不將其應(yīng)用局限于使用cMUT的探頭，而是還可應(yīng)用于使用pMUT的探頭。本發(fā)明的相同形態(tài)還可應(yīng)用于微加工的光學(xué)、熱學(xué)或壓力傳感器的可重構(gòu)陣列。
圖1是表示一個(gè)典型的cMUT換能器元件2的剖面圖。通常在基片4(如重?fù)诫s的硅(因而成為半導(dǎo)體)晶片)上構(gòu)建這種cMUT換能器元件陣列。對(duì)于每個(gè)cMUT換能器元件來(lái)說(shuō)，由氮化硅制成的膜片或隔膜8被懸掛于基片4的上方。膜片8被外圍的絕緣支撐物6所支撐，絕緣支撐物6由氧化硅或氮化硅制成。膜片8和基片4之間的空腔14可以充滿空氣或充滿氣體或全部被抽空或部分被抽空。通常，cMUT被抽空到工藝允許的真空程度。導(dǎo)體材料薄膜或?qū)w材料層(如鋁合金或其它適當(dāng)?shù)膶?dǎo)體材料)在膜片8上構(gòu)成了電極12，由導(dǎo)體材料制成的另一薄膜或另一層在基片4上構(gòu)成了電極10。另一方面，也可以通過(guò)適當(dāng)摻雜的半導(dǎo)體基片4來(lái)構(gòu)成底部電極。
被空腔14隔開的兩個(gè)電極10和12構(gòu)成一個(gè)電容。當(dāng)入射聲信號(hào)使膜片8振動(dòng)時(shí)，可以使用相關(guān)的電極(圖1中未示出)來(lái)探測(cè)電容內(nèi)的變化，從而使聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。相反地，施加在其中一個(gè)電極上的交流電信號(hào)將調(diào)節(jié)電極上的電荷，依次促成電極間電容強(qiáng)度的調(diào)制，后者引起隔膜移動(dòng)并因此發(fā)射一個(gè)聲信號(hào)。
單獨(dú)的元件可以是圓形的、矩形的、六邊形的或其它外圍形狀。六邊形為換能器子單元的cMUT元件提供了緊湊封裝的拼裝。cMUT元件可具有不同的尺寸，這樣換能器子單元將具備不同元件尺寸的合成特性，從而賦予換能器寬帶特征。
不幸地是，難以制造出能對(duì)這樣的小元件實(shí)施單獨(dú)控制的電子線路。雖然在陣列的聲學(xué)性能方面是一個(gè)整體，且小元件尺寸能夠很好地具有大的靈活性，但是控制被限于較大的結(jié)構(gòu)。將多個(gè)元件組合起來(lái)并將它們通過(guò)電連接起來(lái)以此生成一個(gè)較大的子單元，這個(gè)子單元可帶有單獨(dú)控制同時(shí)又維持了所期望的聲響應(yīng)。使用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將子單元連接起來(lái)可以構(gòu)成環(huán)或單元。通過(guò)改變開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可以重構(gòu)單元。然而，單獨(dú)的子單元不能被重新配置以構(gòu)成不同子單元。
利用美國(guó)專利申請(qǐng)6,571,445所揭示的制造技術(shù)，可以在微加工過(guò)程中將MUT元件連接在一起，以此構(gòu)成子單元。因此，不需要介入開關(guān)就可以將MUT元件連接起來(lái)(也就是說(shuō)，MUT元件彼此之間不能以開關(guān)方式斷開)。接下來(lái)，將利用術(shù)語(yǔ)“聲學(xué)子單元”來(lái)描述這種集群。這些聲學(xué)子單元可依次通過(guò)微電子開關(guān)相互連接，通過(guò)將這種開關(guān)布置到硅層內(nèi)或布置到直接與換能器陣列相鄰的不同基片上，從而構(gòu)成較大的單元。
正如這里所用到的，術(shù)語(yǔ)“聲學(xué)子單元”指單個(gè)元件或一組電連接的元件，不能被重構(gòu)，也就是說(shuō)，子單元是最小的獨(dú)立可控的聲學(xué)部件。術(shù)語(yǔ)“子單元”指一個(gè)聲學(xué)子單元及其相關(guān)的集成電子線路。利用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將子單元連接在一起以此構(gòu)成一個(gè)“單元”。通過(guò)改變開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可以重構(gòu)單元。正如下面詳細(xì)解釋的，包括在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的至少某些開關(guān)為“相關(guān)的集成電子線路”的一部分。
正如美國(guó)專利申請(qǐng)10/383,990中所揭示的，通過(guò)使一組六邊形cMUT元件相互連接可以構(gòu)成換能器子單元。子單元中每個(gè)cMUT元件的頂部電極電連接在一起，這種連接不能以開關(guān)方式斷開。在六邊形陣列的情形中，六條導(dǎo)線從頂部電極向外輻射(圖中未示出)并分別被連接到相鄰cMUT元件的頂部電極(除了元件處于外圍的情形，在該情形中，每個(gè)元件與其它3個(gè)元件、而不是6個(gè)元件相連)。同樣地，子單元中每個(gè)元件的底部電極電連接在一起，這種連接不能以開關(guān)方式斷開。如圖2所示，子單元16的一部分帶有5列元件2，這5列可伸展地盡可能遠(yuǎn)直至充滿給定子單元的尺寸。另外，所構(gòu)建的線性陣列也可帶有包含多于或少于5列cMUT元件的子單元。
對(duì)由cMUT元件組成的單元線性陣列的設(shè)計(jì)通常在圖3中被描述。在本例中，使用微加工技術(shù)可以將多個(gè)cMUT單元構(gòu)建于互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶片18上。所安置的cMUT元件構(gòu)成了一行以水平方向排列的超聲波換能器單元20，每個(gè)單元20占據(jù)了一個(gè)近似矩形的區(qū)域，單元是并排放置的。每個(gè)單元20的cMUT元件被平行連接。每個(gè)單元20可包括100至1000個(gè)cMUT元件(也就是說(shuō)，填滿給定子單元尺寸所必需的任意數(shù)目)。例如，一個(gè)子單元可包括被安排成6列的多個(gè)六邊形元件，每一列有100個(gè)元件，通常按垂直方向排列。一個(gè)子單元的所有cMUT元件一起共振生成超聲波陣面。依次，這些子單元可以用開關(guān)控制連接，以此形成可變尺寸和節(jié)距的換能器單元。
如圖3中的虛線所表示的，為了提供一個(gè)1.5維的換能器陣列，通常可以將每個(gè)矩形區(qū)域分成3個(gè)近似矩形的子區(qū)域22、24、26。子區(qū)域22和26的長(zhǎng)度相等，它們的長(zhǎng)度通常(但不是必需)小于中心子區(qū)域24的長(zhǎng)度。依照這個(gè)可選實(shí)施例，子區(qū)域22中的cMUT元件被相互連接起來(lái)，并且彼此不能以開關(guān)方式斷開；子區(qū)域24中的cMUT元件被相互連接起來(lái)，并且彼此不能以開關(guān)方式斷開；子區(qū)域26中的cMUT元件被相互連接起來(lái)，并且彼此不能以開關(guān)方式斷開，由此在每一列形成了3個(gè)子單元。在這種情形下，最好在傳輸期間同時(shí)激活子區(qū)域22和26的cMUT元件，但是在某些配置中它們是獨(dú)立的。
當(dāng)然，可將前述的概念推廣而建立帶有多于三行換能器單元的探頭。
這里公開的發(fā)明試圖利用可重構(gòu)性作為減少通道數(shù)的一種手段?？芍貥?gòu)性可具有不同的意思。一個(gè)完全可重構(gòu)陣列具備了將2維陣列中任一子單元連接至任一系統(tǒng)通道的能力?；A(chǔ)的2維陣列可具有與電流換能器陣列相等的總尺寸，或者其垂直尺寸大于電流元件陣列?？杀恢貥?gòu)還意味著由子單元至系統(tǒng)通道的這種映射可被動(dòng)態(tài)改變。例如，可以期望針對(duì)圖像中的每個(gè)波束或針對(duì)每個(gè)焦深重構(gòu)陣列?；蛘?，可以期望針對(duì)發(fā)射和接收具有不同的配置。如果想要推動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步向前發(fā)展，則要能夠連續(xù)地改變作為接收期間深度函數(shù)的配置。在實(shí)際中，提供可重構(gòu)性是一個(gè)挑戰(zhàn)；尤其是所描述的動(dòng)態(tài)接收可重構(gòu)性。作為結(jié)果，最好處理有更多受限的可重構(gòu)性的情形。
圖4顯示了在線性換能器陣列中一個(gè)孔徑兩側(cè)的延遲輪廓線是如何隨深度的增加而變化的。在近場(chǎng)(即，在較淺的深度處)，從孔徑的中心朝著邊緣向外移動(dòng)時(shí)，延遲會(huì)快速變化。當(dāng)深度增加時(shí)，延遲輪廓線變平，并且從孔徑中心到邊緣的改變逐漸平緩(即，變化較小)。
圖5表示完全動(dòng)態(tài)可重構(gòu)孔徑作為遞增深度的函數(shù)是如何增長(zhǎng)的。這里，可重構(gòu)性只限于水平方向。中心的兩條線代表了中心單元的邊緣。每隔4個(gè)單元被顯示。這種類型的可重構(gòu)性提供了最大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵诮鼒?chǎng)，盡管孔徑較小，可重構(gòu)性使得所有通道被使用，這與延遲誤差較大時(shí)簡(jiǎn)單關(guān)閉通道的情形相反。隨著深度增加單元的范圍擴(kuò)大?？芍貥?gòu)性利用了下列事實(shí)當(dāng)深度增加時(shí)，延遲輪廓線變平。這意味著單個(gè)單元尺寸可以隨深度的增加而增長(zhǎng)卻不會(huì)引起這些單元的延遲誤差的增加。不具備可重構(gòu)性的話，對(duì)于最淺的成像深度來(lái)說(shuō)，單元尺寸可由孔徑外邊緣處所需的抽樣確定。這意味著要獲取相同的橫跨單元的延遲誤差，需要更多的通道。但是，如果陣列可以動(dòng)態(tài)地改變單元的尺寸和節(jié)距，則可以利用與深度有關(guān)的延遲曲線來(lái)配置陣列。
線性陣列可重構(gòu)性的理想實(shí)現(xiàn)使得配置作為深度函數(shù)而動(dòng)態(tài)改變成為可能。在許多獨(dú)立的步驟中會(huì)發(fā)生這種可重構(gòu)性。這種類型的可重構(gòu)性需要的是配置之間非常快速的而基本無(wú)噪聲地轉(zhuǎn)換。并需要專門的模擬和數(shù)字混合電路。
為了提供開關(guān)狀態(tài)的快速、小功率、低噪聲的重構(gòu)性，可利用對(duì)一行的所有深度配置的局部緩沖。例如，在一個(gè)集成的可重構(gòu)線性開關(guān)陣列中，對(duì)每一行需要多達(dá)10個(gè)不同的深度區(qū)域，陣列中每個(gè)開關(guān)有10個(gè)局部緩沖器將被集成在同一芯片上。在一給定行被成像前，對(duì)相應(yīng)開關(guān)裝載所有10個(gè)緩沖器。然后，在行成像期間，在每個(gè)深度轉(zhuǎn)變處，為給定開關(guān)選取來(lái)自相應(yīng)緩沖器的數(shù)據(jù)。
連接共用基片和輸入焊盤焊盤會(huì)將數(shù)字噪聲被耦合進(jìn)敏感模擬電路。通過(guò)局部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這種作用導(dǎo)致的噪聲耦合被減少。另外，這種方法會(huì)帶來(lái)功率節(jié)省和轉(zhuǎn)變速度的增加，因?yàn)榫植烤彺鏀?shù)據(jù)只被發(fā)射較短的片內(nèi)距離而不是距探頭控制電子元件或甚至距系統(tǒng)電子元件的距離。通過(guò)只對(duì)那些對(duì)每個(gè)隨深度的配置改變而變化的開關(guān)進(jìn)行重新編程，可以進(jìn)一步節(jié)省功率。
在一個(gè)將被用于小功率系統(tǒng)的線性可重構(gòu)陣列中，從一個(gè)孔徑移向下一個(gè)孔徑時(shí)，開關(guān)改變量最好達(dá)到最小。通過(guò)將一個(gè)局部存儲(chǔ)器維持在各單元的各相應(yīng)控制電路內(nèi)，可使開關(guān)變化量達(dá)到最小。在成像序列的開始，初始圖案被寫入單元中。圖6表示一個(gè)孔徑，它隨深度增加而增長(zhǎng)和重構(gòu)。蔭影區(qū)域代表通過(guò)相應(yīng)的交接開關(guān)被連至系統(tǒng)通道的陣列單元。當(dāng)如圖6所示的圖案增長(zhǎng)時(shí)，通道通道圖從中心向外移，并且在每個(gè)發(fā)射狀態(tài)都有輕微的增長(zhǎng)。通過(guò)使已有的圖案向外移(對(duì)于陣列的左半部向左移，對(duì)于陣列的右半部向右移)可以有效地實(shí)現(xiàn)圖案的這種變化，同時(shí)只對(duì)需要重新編程以在其增長(zhǎng)時(shí)調(diào)整圖案的那些交接開關(guān)和矩陣開關(guān)進(jìn)行重新編程。對(duì)于改善的噪聲性能，開關(guān)狀態(tài)可以被緩沖，接下來(lái)的狀態(tài)調(diào)整在整個(gè)有效的編程時(shí)間內(nèi)展開。
另一個(gè)可選的實(shí)現(xiàn)方式不允許接收期間的可重構(gòu)性，而是將視場(chǎng)深度分成多個(gè)聚焦帶。對(duì)每個(gè)聚焦帶，將需要不同的發(fā)射和接收周期，因此這個(gè)實(shí)現(xiàn)方式將限于那些幀頻不被關(guān)注的或者成像深度不大的情形。對(duì)于每個(gè)聚焦帶來(lái)說(shuō)，都會(huì)有一個(gè)試圖對(duì)該特定聚焦帶優(yōu)化單元尺寸和分布的新配置。這種多重帶方法具有這樣的優(yōu)點(diǎn)在近場(chǎng)利用所有通道而不必以允許沿單個(gè)接收的深度的重新配置的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)性。圖6顯示了如何針對(duì)特定聚焦帶或以更動(dòng)態(tài)的方式按深度來(lái)重新組織單元。
如圖7所示，單元的寬度由通過(guò)矩陣開關(guān)(圖7未示出)互連的相鄰聲學(xué)子單元的數(shù)目來(lái)確定。相鄰的聲學(xué)子單元彼此相互連接以此確定了單元的位置。圖7中描述的孔徑包括一個(gè)由互連的3個(gè)相鄰聲學(xué)子單元構(gòu)成的單元40；一個(gè)由互連的兩個(gè)相鄰聲學(xué)子單元構(gòu)成的單元42，單元42和單元40被兩個(gè)斷開的聲學(xué)子單元44隔開；一個(gè)由互連的兩個(gè)相鄰聲學(xué)子單元構(gòu)成的單元46，單元46和單元42被一個(gè)斷開的聲學(xué)子單元48隔開；等等。
對(duì)于1維陣列來(lái)說(shuō)，如果具有非常稀疏的、能夠選擇性地連接到任意或許多系統(tǒng)通道的MUT元件列，則該1維陣列可具備尺寸和形狀的可重構(gòu)性。每列包括相應(yīng)的、多個(gè)互連的MUT元件(彼此不可用開關(guān)控制斷開)，這些互連的MUT元件構(gòu)成了相應(yīng)的聲學(xué)子單元。單元定義為一個(gè)或多個(gè)連接至一個(gè)特定系統(tǒng)通道的聲學(xué)子單元的單元，各單元通過(guò)將適當(dāng)?shù)穆晫W(xué)子單元(即MUT元件列)相互連接以及將系統(tǒng)通道連接到那組被連接的聲學(xué)子單元而構(gòu)成單元。
圖8表示本發(fā)明實(shí)施例的線性陣列中一行換能器單元的一部分。陣列中每個(gè)單元包括了各自的聲學(xué)子單元和相應(yīng)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。依次，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括了一個(gè)用于將相關(guān)的聲學(xué)子單元連接到接入線的交接開關(guān)和一個(gè)用于將相關(guān)的聲學(xué)子單元連接到相鄰的聲學(xué)子單元的矩陣開關(guān)。圖8顯示了3個(gè)聲學(xué)子單元32a、32b和32c(各包括一個(gè)相應(yīng)列的互連的MUT元件)，這3個(gè)聲學(xué)子單元32a、32b和32c可以各自通過(guò)相應(yīng)的交接開關(guān)30a、30b和30c轉(zhuǎn)換連接到所選擇的系統(tǒng)通道58；圖8還顯示了相應(yīng)的接入線34a、34b和34c以及一個(gè)復(fù)用器28。圖8還顯示了3個(gè)矩陣開關(guān)36a、36b和36c，用于使所選擇的聲學(xué)子單元相互電連接。這使得任意數(shù)量的聲學(xué)子單元連接而構(gòu)成單個(gè)的單元。例如，可將矩陣開關(guān)36a閉合，以使得聲學(xué)子單元32a和32b相互連接；同樣地，可將矩陣開關(guān)36b閉合，以使得聲學(xué)子單元32b和32c相互連接。可同時(shí)閉合矩陣開關(guān)36a和36b，以使得聲學(xué)子單元32a、32b和32c相互連接。同樣地，將矩陣開關(guān)36c閉合，以使得下一個(gè)聲學(xué)子單元(圖8中未示出)和聲學(xué)子單元32c相互連接。接著，通過(guò)相應(yīng)的交接開關(guān)可以將由此產(chǎn)生的單元與復(fù)用器28相連。確切地說(shuō)，使用哪個(gè)交接開關(guān)依賴于特定的開關(guān)配置。例如，如果聲學(xué)子單元32a和32b通過(guò)閉合的矩陣開關(guān)36a相互連接，那么由此產(chǎn)生的單元通過(guò)交接開關(guān)30a或交接開關(guān)30b可以與復(fù)用器28相連。將這個(gè)概念推廣開來(lái)，如果通過(guò)閉合的矩陣開關(guān)36a和36b可以使聲學(xué)子單元32a、32b和32c相互連接，則可以通過(guò)交接開關(guān)30a、30b和30c中的任何一個(gè)使由此生成的單元能夠與復(fù)用器28相連。復(fù)用器28的狀態(tài)確定了相應(yīng)的單元與系統(tǒng)通道58的哪一條相連?？蓪?fù)用器安置到一行(或多行)聲學(xué)子單元覆蓋區(qū)外的邊緣區(qū)域(見(jiàn)圖7)。系統(tǒng)通道58將所獲得的聲學(xué)數(shù)據(jù)輸送至超聲波成像系統(tǒng)的波束成形器38。典型的超聲波成像系統(tǒng)的其它眾所周知的組成部分(如操作者界面、主機(jī)、圖像處理器、掃描控制器、視頻處理器、監(jiān)視器等)并未在圖8中示出。
如圖8所示，每行聲學(xué)子單元可使用多個(gè)接入線。如圖8所示，交接開關(guān)被交錯(cuò)排列，這樣對(duì)于給定數(shù)目的接入線來(lái)說(shuō)所需要的數(shù)目減少了。也可利用交接開關(guān)至總線(圖中未示出)的任意排序來(lái)減少由于重復(fù)圖案造成的贗像。在每個(gè)子單元中，不止一個(gè)交接開關(guān)被用來(lái)改善陣列的靈活性。在這樣的結(jié)構(gòu)中，靈活性和每個(gè)子單元的交接開關(guān)數(shù)目之間達(dá)到了平衡，在這種結(jié)構(gòu)中交接開關(guān)的數(shù)目明顯小于接入線和系統(tǒng)通道的數(shù)目。在每個(gè)單元中每條接入線使用不止一個(gè)交接開關(guān)也是可能的。這將提高裝置的效率，因?yàn)槔枚嘤嗟慕唤娱_關(guān)可以繞過(guò)不起作用的交接開關(guān)。
應(yīng)當(dāng)使組成一行聲學(xué)子單元的多列MUT元件的厚度較小，以提供靈活的配置。然而，如果將開關(guān)電子元件直接放置在聲學(xué)子單元下方，則這些開關(guān)電子元件可占用整列的面積。其占用面積大于一個(gè)2維的可重構(gòu)性方案所允許的面積，在該2維的可重構(gòu)性方案中兩個(gè)方向都必須保持較小的尺寸。這種可重構(gòu)性方案可被擴(kuò)充以此考慮針對(duì)1.25維、1.5維和1.75維陣列的多行。
曾經(jīng)研發(fā)了各種不同類型的多行換能器陣列(包括所謂的“1.25維”、“1.5維”和“1.75維”)，以改善1維陣列受限的俯仰性能。如這里采用的，這些術(shù)語(yǔ)具有下列含義1.25維)采用仰角孔徑，但聚焦保持固定；1.5維)采用仰角孔徑，仰角孔徑、束控(shading)和聚焦都是動(dòng)態(tài)可變的，但相對(duì)于陣列的中心線是對(duì)稱的；以及，1.75維)俯仰結(jié)構(gòu)(elevation geometry)和控制與1.5維相似，但是沒(méi)有對(duì)稱約束。1.25維探頭的仰角孔徑隨梯度而增長(zhǎng)，但是該孔徑的俯仰聚焦(elevation focusing)是固定的并且主要由帶有固定焦距(或固定焦點(diǎn))的機(jī)械鏡頭確定。1.25維探頭可提供實(shí)質(zhì)上比1維探頭更好的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)切片厚度性能，并且不需要附加的系統(tǒng)波束成形器通道。1.5維探頭使用附加的波束成形器通道，以提供動(dòng)態(tài)聚焦和俯仰中的切趾(apodization)。與1.25維探頭相比較，1.5維探頭可提供與1.25維探頭相比擬的細(xì)節(jié)分辨以及實(shí)質(zhì)上比1.25維探頭更好的對(duì)比分辨，特別是在中場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)更是如此。帶有對(duì)孔徑中所有單元的聚束時(shí)間延遲的獨(dú)立控制的1.75維探頭允許波束成形器能夠自適應(yīng)地補(bǔ)償主體內(nèi)的非均勻傳播速度(或者是成像系統(tǒng)或換能器內(nèi)的非均勻性)。除了這種自適應(yīng)聚束或相位失常控制之外，1.75維探頭還可支持俯仰方向上有限的波束轉(zhuǎn)向。
高壓開關(guān)很容易在現(xiàn)有的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@種技術(shù)可供在控制開關(guān)附近的高密度數(shù)字控制電路使用，所以尤其引人注目。正如前面所討論的，這種部件為從一種配置到下一種配置的、非常快速的低噪聲和小功率轉(zhuǎn)換提供了可能。這種技術(shù)不限于CMOS，也可使用其它技術(shù)(例如微加工機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān))。
高壓CMOS開關(guān)由金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)組成。該類組件具有漏極、源極和柵極連接，這里，柵極上的電壓控制了穿越漏極和源極之間溝道的電流通過(guò)。較寬的溝道將帶有較低的接通電阻，這有益于超聲波成像，因?yàn)檫@意味著較少的熱噪聲被加入到接收信號(hào)中。然而，為了生成一個(gè)較寬的溝道，需要增加裝置的尺寸。
在一個(gè)2維陣列中，為了形成矩形的組件使之更恰當(dāng)?shù)匕惭b到2維陣列單元下，可以將較寬的組件分割成被稱為“指狀物”的若干部分。然而，在一個(gè)線性陣列中，可使用較長(zhǎng)的指狀物。通常，明智地設(shè)計(jì)開關(guān)單元使一些非常高且薄的組件恰當(dāng)?shù)匕惭b到陣列單元下是可能的。另外，由于在陣列垂直方向(短軸)上換能器單元的集成受限，可以確定從陣列中心至陣列頂部和底部的開關(guān)電子元件的信號(hào)路徑。這為更復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)的使用或?yàn)榻油娮璧倪M(jìn)一步降低創(chuàng)造了條件。
切趾法包括將一組權(quán)重因子加于被一個(gè)陣列的單元發(fā)射或接收的信號(hào)上。例如，利用函數(shù)(如使單元到單元的轉(zhuǎn)變達(dá)到最小的升余弦(raised cosine))可以對(duì)沿陣列的振幅分布進(jìn)行平滑處理。需要用動(dòng)態(tài)切趾法處理可重構(gòu)孔徑。這通過(guò)將系統(tǒng)通道切趾法用于從互連(即相連)的子單元接收的信號(hào)即可部分地實(shí)現(xiàn)。另外，可在子單元層次上應(yīng)用切趾法，以此提供更精細(xì)的控制。
給定了一個(gè)單元的尺寸和位置都可動(dòng)態(tài)配置的陣列，必須確定要使用哪種配置。一種可用的算法是嘗試使延遲誤差在某個(gè)方向上減至最小。對(duì)于一個(gè)特定焦點(diǎn)來(lái)說(shuō)，可以計(jì)算每一列的延遲。已知這些理想的延遲，可以將孔徑分成N個(gè)通道，并且所有通道都具有相同的延遲范圍。這意味著一個(gè)給定通道的最大延遲減去一個(gè)給定通道的最小延遲對(duì)每一個(gè)通道來(lái)說(shuō)都是相同的。所以，將多列組合在一起，使具有類同延遲的列分配給同一通道。被分配給特定通道的列數(shù)由可接受的延遲范圍確定。實(shí)際上，這意味著對(duì)所有列采用理想的延遲并將它們分類。通過(guò)用最大延遲減去最小延遲可以計(jì)算針對(duì)所有列的總延遲范圍。接著，用該總延遲范圍除以通道數(shù)，從而給出一個(gè)給定通道的延遲范圍。圖9-11是表示該過(guò)程的一個(gè)示例。圖9是表示與換能器陣列垂直并在陣列的有效部分集中的波束在一點(diǎn)聚焦的、典型的延遲輪廓線。圖10是表示將這個(gè)孔徑分成10個(gè)通道的例子。時(shí)間延遲被分級(jí)。時(shí)間延遲范圍被分成10等份。這樣圖像區(qū)域被分成了10個(gè)部分。利用分級(jí)信息，可將10個(gè)圖像區(qū)域部分映射到可重構(gòu)線性陣列的實(shí)際的列或子單元中，從而確定單元的尺寸和形狀。圖11顯示了由此生成的、基于等范圍的量化延遲模式。
不同種類的算法可對(duì)孔徑進(jìn)行劃分，這樣，每個(gè)通道的平均延遲誤差是相等的，而不是最大延遲誤差。還可利用給定陣列的幾何特性來(lái)確定配置的優(yōu)化算法。這里所揭示的可重構(gòu)線性陣列不限于這些算法確定的可重構(gòu)線性陣列。這些算法只是給出的示例，用以深入理解可重構(gòu)性是如何工作的。
為了顯示可重構(gòu)線性陣列可能具有的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算輻射圖樣的模擬結(jié)果。圖10-12顯示了這些模擬的一些結(jié)果?？讖降目偝叽缭谒椒较蚴?6mm以及在垂直方向是6mm。沒(méi)有使用垂直聚焦或鏡頭。在模擬中使用了7.5兆赫茲、60％部分帶寬脈沖。在所有情形中，發(fā)射焦深均為30mm。動(dòng)態(tài)接收焦距被用于所有的三種情形，對(duì)于圖12、13和14中分別顯示的模擬結(jié)果來(lái)說(shuō)，其接收焦深分別是25、30和35mm。在所有情形中，對(duì)陣列的配置以30mm處的點(diǎn)為基礎(chǔ)。每個(gè)曲線圖顯示了4條曲線。曲線A代表帶等節(jié)距的128-單元線性陣列(標(biāo)準(zhǔn)成像配置)。曲線B、C和D代表分別以60、32和20個(gè)通道為基礎(chǔ)的陣列。利用上述的相等延遲范圍算法來(lái)配置陣列。在這些深度下，以最少32個(gè)通道為基礎(chǔ)的陣列的性能與128-單元線性固定節(jié)距陣列的性能相似。以20個(gè)通道為基礎(chǔ)的陣列的性能不太好并且視場(chǎng)深度非常小。
圖8所示的可重構(gòu)性線性陣列將聲學(xué)子單元映射到系統(tǒng)通道。這種映射用來(lái)提供改善的性能?？赏ㄟ^(guò)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(即交接開關(guān)和矩陣開關(guān))實(shí)現(xiàn)這種映射，并且開關(guān)網(wǎng)絡(luò)最好直接放置到其上有cMUT元件被建的基片上，但是所述的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)還可放置到在換能器基片附近集成的不同基片上。因?yàn)閏MUT陣列直接被構(gòu)建于硅基片的頂部，開關(guān)電子元件可被結(jié)合而進(jìn)入該基片。
圖15是表示相互集成的cMUT和ASIC陣列的剖面圖，該圖說(shuō)明如何從ASIC連接到cMUT。如圖所示，單個(gè)通路56被用于將每個(gè)cMUT聲學(xué)子單元32連接到其對(duì)應(yīng)物CMOS電子子單元(在下文中指“接口電子元件”)50。將信號(hào)電極的焊盤65與相應(yīng)的、在開關(guān)ASIC上形成的導(dǎo)體焊盤66相連的通路56可被嵌入聲學(xué)襯墊層62。
如圖8所示的實(shí)施例，每個(gè)接口電子元件50可包含一個(gè)交接開關(guān)和一個(gè)矩陣開關(guān)。然而，對(duì)于其它一些實(shí)施例來(lái)說(shuō)，每個(gè)接口電子元件中可包含附加電路。例如，可包含附加的交接開關(guān)和矩陣開關(guān)，如一個(gè)用于為附加的接入線提供連接的附加交接開關(guān)；或者一個(gè)用于將一行聲學(xué)子單元與另一行相鄰的聲學(xué)子單元相連的附加矩陣開關(guān)。同樣地，每個(gè)接口電子元件可包括相應(yīng)的脈沖發(fā)生器和相應(yīng)的發(fā)射/接收開關(guān)。
如圖16所示，還可能將cMUT構(gòu)建于獨(dú)立的基片上(如晶片)，并將它們獨(dú)立地連接到ASIC開關(guān)矩陣。例如，在這里，焊接凸起64和導(dǎo)體焊盤65、66被用來(lái)將相應(yīng)的cMUT聲學(xué)子單元和與它們對(duì)應(yīng)的接口電子元件50相連。也可使用其它的封裝技術(shù)(如各向異性導(dǎo)電薄膜(ACF)或柔性互連)。
盡管交接開關(guān)和矩陣開關(guān)可以是獨(dú)立封裝部分，但是也可以在相同的半導(dǎo)體基片內(nèi)制作開關(guān)，并且MUT陣列也將在該半導(dǎo)體基片上構(gòu)建。這些開關(guān)可包括在序列號(hào)為10/248,968的美國(guó)專利申請(qǐng)(題為“用于超聲波換能器陣列的集成高壓開關(guān)電路”)中所公開的那種高壓開關(guān)電路。每個(gè)開關(guān)包括兩個(gè)背對(duì)背連接(源節(jié)點(diǎn)短接)并允許雙極工作的雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(DMOSFET)。圖17示出一例示范性的交接開關(guān)30；矩陣開關(guān)可包括相同的電路。當(dāng)開關(guān)30的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)被啟動(dòng)時(shí)，電流通過(guò)開關(guān)端子。每個(gè)開關(guān)的狀態(tài)由各自的開關(guān)控制電路52所控制，但圖17中只示出其中的一個(gè)。開關(guān)控制電路的狀態(tài)依次受到編程電路54的輸出結(jié)果的支配，編程電路54依照優(yōu)化開關(guān)配置對(duì)開關(guān)控制電路編程，而優(yōu)化開關(guān)配置需要利用這里所揭示的算法中的一個(gè)來(lái)獲得。掃描控制器(圖17中未示出)將優(yōu)化開關(guān)配置裝入編程電路54。盡管CMOS高壓開關(guān)的使用是一個(gè)最佳實(shí)施方案，但是這里所描述的發(fā)明也可直接應(yīng)用于其它開關(guān)技術(shù)(如，低壓開關(guān)、MEMS開關(guān)和其它正在開發(fā)的未來(lái)的開關(guān)技術(shù))。上述開關(guān)電子元件可利用CMOS或BICMOS或SOI或MEMS或其它至今未經(jīng)確認(rèn)的開關(guān)技術(shù)制造。
上述的本發(fā)明各種不同的實(shí)施例都使用重構(gòu)性來(lái)減少微加工傳感器單元線性陣列所需要的通道數(shù)。一種方法是使陣列按接收深度動(dòng)態(tài)重構(gòu)。一旦發(fā)射波陣面被發(fā)射，回波數(shù)據(jù)在一段時(shí)間間隔后就被接收，這個(gè)時(shí)間間隔通常小于200毫秒。在這個(gè)接收時(shí)間內(nèi)，最好是改變孔徑的尺寸，以相對(duì)于傳播的發(fā)射波陣面的位置來(lái)優(yōu)化聚束。在這種情形下，可將孔徑的尺寸增大，以試圖在整個(gè)視場(chǎng)深度范圍內(nèi)維持相同的分辨率。這需要精密的電子元件，但是可獲得可重構(gòu)性的最大利益。這樣，與標(biāo)準(zhǔn)的固定節(jié)距線性陣列相比，可在相同的延遲誤差條件下使用較少的通道。
另一種方法是對(duì)特定聚焦帶重構(gòu)陣列，但是在接收期間不改變陣列，也就是說(shuō)，在接收操作時(shí)孔徑是固定的。如果希望對(duì)所有深度優(yōu)化接收孔徑，則必須多次發(fā)射并針對(duì)各個(gè)發(fā)射改變接收孔徑或發(fā)射和接收孔徑。這個(gè)過(guò)程要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間并且使成像幀頻減慢。在這種情形中，電子實(shí)現(xiàn)很容易，但是應(yīng)用將受限于幀頻不太重要或成像深度很淺的情形。而且，在聚焦帶的遠(yuǎn)端波束質(zhì)量損失最小的條件下，所需的通道數(shù)減少。
本發(fā)明的主要優(yōu)勢(shì)是所需的通道數(shù)減少而不引入柵瓣或顯著的贗像。可重構(gòu)性還允許極端近場(chǎng)從用于聚束的通道數(shù)的增加中獲取好處。
雖然已經(jīng)以最佳實(shí)施例的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解在不背離本發(fā)明范圍的條件下，可作各種不同的改變，并可用等效物來(lái)替代其中的單元。另外，只要沒(méi)有背離本發(fā)明的基本范圍，可進(jìn)行許多的修改，以使特定的情形適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。所以，本發(fā)明不限于為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而作為最佳圖案公開的特定實(shí)施例，而包括屬于所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
正如權(quán)利要求書中所用的，術(shù)語(yǔ)“節(jié)距”表示在一行子單元中兩個(gè)連續(xù)單元的中心線之間的距離。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括多個(gè)傳感器子單元(32)，沿一條線并排配置成一行，各所述傳感器子單元包含占據(jù)一個(gè)近似矩形區(qū)域的相應(yīng)數(shù)量的微加工機(jī)電組件，各所述的微加工機(jī)電組件包括相應(yīng)的第一電極，其中構(gòu)成任意特定傳感器子單元的微加工機(jī)電組件的所述第一電極相互電連接且彼此不能以開關(guān)方式斷開；多個(gè)導(dǎo)電接入線(34)；多個(gè)交接開關(guān)(30)，當(dāng)所述交接開關(guān)接通時(shí)，各所述交接開關(guān)將所述傳感器子單元中相應(yīng)的一個(gè)子單元與所述接入線中的一個(gè)接入線電相連；多個(gè)矩陣開關(guān)(36)，當(dāng)所述矩陣開關(guān)被接通時(shí)，各所述矩陣開關(guān)將所述傳感器子單元中相應(yīng)的一個(gè)子單元與所述傳感器子單元中一個(gè)相應(yīng)的相鄰子單元電相連；多個(gè)開關(guān)狀態(tài)控制電路(52)，各所述開關(guān)狀態(tài)控制電路控制所述交接開關(guān)中一個(gè)相應(yīng)開關(guān)的狀態(tài)和所述矩陣開關(guān)中一個(gè)相應(yīng)開關(guān)的狀態(tài)；以及一個(gè)電連接的編程電路(54)，用以依照所選擇的、與各孔徑對(duì)應(yīng)的開關(guān)配置對(duì)所述開關(guān)狀態(tài)控制電路進(jìn)行編程。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，各所述微加工機(jī)電組件還包括一個(gè)重疊于各空腔上方的相應(yīng)隔膜，所述相應(yīng)的第一電極被所述相應(yīng)的隔膜支撐。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，各所述微加工機(jī)電組件包括一個(gè)相應(yīng)的cMUT元件。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，各所述cMUT元件為六邊形。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，各所述開關(guān)狀態(tài)控制電路(52)包括局部緩沖電路，用以存儲(chǔ)與接收自所述編程電路的多個(gè)開關(guān)配置對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)。
6.一個(gè)系統(tǒng)，包括一個(gè)超聲波換能器子單元(32)線性陣列，各超聲波換能器子單元具有近似矩形的有效面積；多個(gè)矩陣開關(guān)(36)，配置成當(dāng)所述矩陣開關(guān)被有選擇地接通時(shí)有選擇性地將超聲波換能器子單元互相電連接，以構(gòu)成超聲波換能器單元；與所述線性陣列基本上平行走線的多個(gè)導(dǎo)電接入線(34)；多個(gè)交接開關(guān)(30)，配置成當(dāng)所述交接開關(guān)有選擇地接通時(shí)有選擇地將超聲波換能器單元與接入線電相連；多個(gè)系統(tǒng)通道(58)；以及一個(gè)復(fù)用器(28)，具有一個(gè)使各所述接入線經(jīng)由所述復(fù)用器與所述系統(tǒng)通道中一個(gè)相應(yīng)的通道電連接的狀態(tài)，其中，各所述超聲波換能器子單元(32)包括相應(yīng)的多個(gè)電連接的、不能以開關(guān)方式斷開的cMUT元件。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中還包括多個(gè)開關(guān)狀態(tài)控制電路，各所述開關(guān)狀態(tài)控制電路控制所述交接開關(guān)中相應(yīng)的一個(gè)開關(guān)的狀態(tài)和所述矩陣開關(guān)中相應(yīng)的一個(gè)開關(guān)的狀態(tài)；以及一個(gè)電連接的編程電路，用以依照所選擇的開關(guān)配置為所述開關(guān)狀態(tài)控制電路編程。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述編程電路將所述開關(guān)狀態(tài)控制電路編程為這樣在第一時(shí)間間隔，傳感器子單元被連接至接入線而形成構(gòu)成第一接收孔徑的第一組傳感器單元；在接著所述第一時(shí)間間隔之后的第二時(shí)間間隔，傳感器子單元被連接至接入線而形成構(gòu)成不同于所述的第一接收孔徑的第二接收孔徑的第二組傳感器單元。
9.一個(gè)系統(tǒng)，包括一個(gè)超聲波換能器子單元(32)的線性陣列，其中各超聲波換能器子單元具有近似矩形的有效面積；多個(gè)接入線(34)；以及一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，包括第一組開關(guān)(36)，用以使所選擇的超聲波換能器子單元相互電連接而形成超聲波換能器單元；第二組開關(guān)(52)，用以使所述超聲波換能器單元與所選擇的接入線電連接；所述第一和第二組開關(guān)依照構(gòu)成孔徑的開關(guān)配置來(lái)設(shè)置，其中，構(gòu)成所述孔徑的所述超聲波換能器單元的節(jié)距和寬度在所述線性陣列的范圍內(nèi)變化。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括多個(gè)波束成形器通道(54)；以及一個(gè)復(fù)用器(28)，用以將所選擇的接入線與所選擇的波束成形器通道電連接。
全文摘要
一個(gè)可重構(gòu)的經(jīng)微加工形成的傳感器(如，光學(xué)的、熱學(xué)的、壓力的、超聲波的)的線性陣列。這種可重構(gòu)性使傳感器單元(32)的尺寸和間距成為與距波束中心距離的函數(shù)。這個(gè)特征改善了有限通道數(shù)的成像系統(tǒng)的性能。對(duì)于使用多路傳輸聚焦帶的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，性能的改善來(lái)自對(duì)某一特定深度進(jìn)行孔徑調(diào)節(jié)的能力。
文檔編號(hào)B06B1/02GK1794479SQ20051011648
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者K·E·托梅紐斯, R·A·費(fèi)舍爾, R·G·沃德尼基, C·R·哈扎德, L·S·史密斯, B·H·海德, K·W·里格比 申請(qǐng)人:通用電氣公司