多频带声学换能器阵列制造技术

一种声学探头，用于发射／接收具有高频带（ＨＦ）、一个和可选择数量个低频带（ＬＦ１，ＬＦ２，…，ＬＦｎ，…）中的频率的声学脉冲，其中所述多个频带中的至少两个的辐射表面具有公共区域。给出了通过所述公共辐射表面发射（和接收）ＨＦ、ＬＦ１、ＬＦ２、…脉冲和信号的多个解决方案。所述阵列和元件能够是通用类型，例如环形阵列、相控或开关阵列、在水平和竖直方向上划分为例如１．５Ｄ、１．７５Ｄ和完全２Ｄ阵列的线性阵列、曲线阵列等等。用于不同频带的元件划分、阵列类型和阵列孔尺寸还能够是不同的。具有连接到阵列元件的集成电路的电子基底层可以层叠在所述探头内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在至少两个频带工作的高效声学(声波和超声波)体波(bulk wave) 换能器的技术和设计。该换能器的应用例如但不限于，医学超声成像、无损测试、工业和生 物检测、地质应用、和声纳(SONAR)应用。
技术介绍
组织的非线性弹性和超声造影剂微泡(micro-bubbles)在医学超声成像中的应 用提供了噪声更少的改善的图像。最广泛的使用是在所谓谐波成像中，其中使用发射频带 的第二谐波分量来成像，该分量是通过滤波或脉冲反相(PI)技术从该信号中提取的。在美 国专利6461303号中还描绘了使用该发射脉冲的第三和第四谐波分量来成像。美国专利申请10/189350和10/204350号中深入描述了双频带发射超声和声学脉 冲复合信号的不同应用，其提供了具有更少噪声的图像，非线性散射的图像，以及大幅提高 了超声和声学成像应用的量化目标参数。该方法对于透射和散射成像都适用。对于这些应 用，可以如图1的例子所示那样，发射双频带脉冲复合信号，其中在图Ia中，高频(HF)脉冲 101叠加在低频(LF)脉冲102的峰值压力上。图Ib示出了另一种情形，其中HF脉冲103叠 加在LF脉冲102的最大梯度处。该LF和HF脉冲的中心频率比典型地可以在1 5_1 20 的范围中，同时在该图像的规定深度范围内，该HF脉冲必须位于该LF脉冲的规定区间中。在其他应用中，希望利用同样的探头发射低频(例如0.5-2MHZ)波以治疗组织 (组织的高热或空洞损伤)或释放超微或微颗粒或气泡中携带的药物，同时还能够以更高 频率(例如5-lOMHz)在同一探头表面上提供超声成像。在另一应用中，希望有一种具有3 个频带的组合超声治疗和成像的探头，例如使用第二低频(LF2)带 400kHz生成用于组 织中的空洞的脉冲，例如破坏包含药物的超微尺寸脂质体颗粒以便向肿瘤输送药物，使用 第一低频(LFl)带 3MHz加热组织以用于肿瘤的高热治疗，通常称为HIFU——高强度聚 焦超声，或者增加肿瘤中的血流量以增强肿瘤的氧合作用或提高该 400kHz破坏药物携 带颗粒的效率，以及使用高频(HF)带 20MHz以成像，潜在地，也可能与该 3MHz的LFl 频带组合用于目标弹性的非线性控制以进行成像，例如根据美国专利申请10/189350和 10/204350 中所述。在另一应用中，只希望能够有更多的可用频带选择用于在同一探头上进行大深度 范围变化的成像。例如在用于急诊医学的便携式超声成像系统中，希望使用2. 5MHz的中心 频率进行深度目标成像，并且使用同一探头以7-lOMHz的中心频率对更接近身体表面的目 标进行成像。该阵列例如可以被设置为相控线性阵列、开关线性阵列和曲线阵列。在声学成 像的许多其他应用中也存在对于多频带换能器的需要，例如对材料的无损测试(NDT)，通过 弹性波观察地质构造，以及对例如在海底附近的鱼、海底以及位于海底和埋在海底或陆地 上的土壤中的目标例如矿石进行SONAR测量和成像。这些都涉及利用多频带脉冲复合信号 进行非线性测量和成像、以及对于不同需求例如不同探测范围选择不同频带脉冲的能力。在Br Heart J. 1984 Jan ；51 (1) :61_9的M模式和多普勒测量中使用了双频带发射脉冲。在美国专利第5410516号中给出了其他例子，其中检测到在来自造影剂微泡的非 线性散射中产生的发射频带的合频谱带和差频谱带。在美国专利第6312383和美国专利申 请10/864992中给出了该双频带发射的进一步发展。针对换能器阵列设计的这些挑战，本专利技术公开了多个解决方案。在本说明书中主 要考虑了弹性波在超声频率范围内的情形，但是本领域技术人员应当清楚，根据本专利技术的 解决方案可以应用到任何频率范围的声波中，以及固体中的切变波
技术实现思路
本概述部分给出了本专利技术部件的简要综述，而不是对于本专利技术范围的任何限制， 本专利技术仅由所附的权利要求来限定。本专利技术提供了对于声学阵列探头、通常为超声阵列探头的一般需求的解决方案， 该探头通过至少部分共用的辐射表面发射/接收具有分离的多个频带中的频率的声学脉 冲。该共用辐射表面具有多个优点，例如最小化同一设备所使用的双频带或多频带探头的 尺寸。在其他情况下，需要一个共用辐射表面以同时发射高频(HF)和低频(LFl)脉冲，该 脉冲在实际成像范围内在该HF和LFl脉冲之间具有低的或可控的相位滑动，从而使得该HF 脉冲出现在该LFl压力振动的限定定区域中。本专利技术还提供了一种设计阵列的一般程序，该阵列的工作频带的数量可以自由 选择。特别地，提供了一种换能器阵列的方案，该换能器阵列用于发射和接收包含高频带 (HF)、第一较低频带(LFl)和第二较低频带(LF2)的3频带脉冲复合信号，或者发射和潜在 地接收三个不同频带(HF、LFl和LF2频带)中的分离的脉冲。本专利技术提供了一种解决方 案，其中中心频率比是在 3 1-20 1的范围内(HF LFl)，该比值没有限定的上限或 下限。LFl LF2频带的中心频率比可以具有相似的值。通过最低分离的中心频率，可以获 得例如用于选择多个图像频带的探头，其中心频率例如是2MHz、5. 5MHz和15MHz。通过较大 分离的中心频率，可以获得使用美国专利申请10/189350和10/204350中描述的方法成像 的探头，其还可以包括用于对组织进行HIFU和空洞治疗的频带。为了在至少一部分辐射表面共用的情况下实现多频带脉冲的发射，本专利技术提供的 解决方案是一组阵列，其对于每个频带谐振并且具有至少一部分共用辐射表面。该阵列的 元件可以是一般布置，例如是线性相控或开关阵列或环形阵列。该阵列在一个或两个维度 上可以是平的或弯曲的、既凹又凸的。该线性阵列在竖直方向上的元件分隔到1. 5D、1. 75D 甚至完全2D的阵列也是根据本专利技术的实施例。该阵列元件对于不同频带还可以有不同的 尺寸、形式和分隔，例如但不限于，用于低频治疗脉冲的环形阵列与用于成像的线性开关或 相控阵列。本专利技术还提供了用于与阵列波束形成相关的电子电子器件的高效封装，例如用 于各个阵列元件的发射和接收放大器，允许元件组通过单根导线连接到该设备的子孔波束 形成器电子器件，用于将选定组的阵列元件通过单根导线电并联连接到波束形成器通道以 进行发射和接收的电子开关，等等。为了最小化不同频带脉冲之间随着深度而产生的相对位置滑动，以及克服 (defeat)衍射以在深的范围上获得充分校准的低频(LF1，LF2，…，LFn，…)波束，本发 明提供了一种解决方案，其中用于不同频带的阵列具有较大的共用辐射表面，并且较低频 率阵列的辐射表面的部分能够在较高频阵列的辐射表面外部。为了最小化近场中不同频带脉冲之间的交叠，本专利技术还提供了一种解决方案，其中较低频率孔的中心部分是不活动的 (inactive)。为了在不同频带的辐射表面的不同尺寸和交叠之间进行高效选择，本专利技术通 过阵列构造的特殊方案提供不同频带的共用辐射表面，实现了(devices)对于不同频带使 用不同的阵列。在根据本专利技术的一个实施例中，为了获得共用的HF和LFl阵列辐射表面，通过层 叠在彼此前面的分离的压电层来生成该HF和LFl脉冲，其中HF压电层在前面，并且在LFl 压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种声学换能器阵列探头，用于从所述探头的前表面发射分离的高频带（ＨＦ）和至少第一较低频带（ＬＦ１）中的声波，并且接收至少所述ＨＦ频带中的声波，其特征在于：－不同的换能器元件阵列，配置成分别用于ＨＦ和所述ＬＦ１电声转换，用于所述ＨＦ电声转换的所述阵列具有ＨＦ阵列元件，用于所述ＬＦ１电声转换的所述阵列具有ＬＦ１阵列元件，以及－用于所述ＨＦ频带和所述ＬＦ１频带的辐射表面，其中用于所述ＨＦ频带和ＬＦ１频带的所述辐射表面的至少一部分在公共辐射表面中是共用的，其中与所述公共辐射表面内的所述ＨＦ阵列元件相比，所述公共辐射表面内的所述ＬＦ１阵列元件具有更大的辐射表面并且相邻元件中心之间的距离更大，以及－至少一个电子基底层，其具有连接到阵列元件的集成电子器件，其中所述至少一个电子基底层是如下之一或二者：ｉ）层叠在所述探头的所述声学振动结构内，以及ｉｉ）安装在在所述探头中所述声学振动结构的后面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：比约恩AJ安杰尔森，R汉森，SE马索伊，TF约翰森，SP内斯霍尔姆，
申请(专利权)人：海浪科技有限公司，
类型：发明
国别省市：NO[挪威]