超宽带压电换能器阵列制造技术

描述了压电微机械超声换能器(pMUT)阵列和包括pMUT阵列的系统。换能器元件的群内耦合强度提供了对宽带宽总体响应分离的退化模式形式，而相邻单元群之间的较低耦合强度提供元件群之间足够低的串扰。在实施方式中，换能器元件的群内的不同膜大小提供了针对宽带宽总体响应的不同的频率响应，而相邻单元群之间不同膜大小的布局提供了单元群之间足够低的串扰。在实施方式中，椭圆形压电膜提供了针对宽带总体响应多个共振模式及高效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压电微机械超声换能器阵列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“ULTRAWIDEBANDWIDTHPIEZOELECTRICTRANSDUCERARRAYS”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“ULTRAWIDEBANDWIDTHPIEZOELECTRICTRANSDUCER”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。
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。附图说明通过举例而非限制来说明本专利技术的实施方式，参考附图和后面的详细说明可以更详细地理解本专利技术，其中：图1是根据实施方式的具有换能器元件的pMUT阵列的平面图；图2A、2B和2C是根据实施方式的在图1的pMUT阵列中利用的换能器元件的截面图；图3A是根据实施方式的描述了在图1所示的pMUT阵列内的换能器之间相关的电机械耦合的示意图；图3B是根据实施方式的描述了在图1所示的pMUT阵列内的换能器之间声学耦合的示意图；图4A和4B是在图1所示的pMUT阵列内的换能器元件之间的第一耦合量的换能器性能度量示意图；图5是根据实施方式的在图1所示的pMUT阵列内的换能器元件之间的第二耦合量的换能器性能度量的示意图；图6A、6B和6C是根据实施方式的在图1的pMUT阵列的换能器之间区域的截面图；图6D、6E和6F是根据实施方式的在图1所示的用于pMUT的图6A-6C所示的换能器之间区域的平面图；图6G是根据实施方式的显示了形成pMUT阵列的方法的流程图；图7A是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列的平面图；图7B和7C是图7A所示的pMUT阵列的性能度量示意图；图7D是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列的平面图；图7E是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列的平面图；图8A和8B是根据实施方式的具有不同大小的换能器元件的pMUT阵列的平面图；图9A是根据实施方式的具有椭圆形几何结构的换能器元件的等轴(isometric)示意图；图9B是根据实施方式的描述了具有椭圆形几何结构的换能器元件的半主轴的不同模式功能的示意图；图9C是根据实施方式的具有椭圆形几何结构的换能器元件的带宽示意图；图10A、10B和10C是根据实施方式的具有椭圆形几何结构的换能器元件的pMUT阵列的平面图；图11A、11B和11C是具有密集组装的换能器元件的pMUT阵列的平面图；以及图12是是根据本专利技术实施方式的使用pMUT阵列的超声换能器装置的功能结构图。具体实施方式在下面的说明中，提出很多细节，然而，本领域技术人员应当明白本专利技术可以无需这些特定细节而实现。在一些实例中，已知的方法和设备以结构图的形式显示，而不是详细说明，以避免混淆本专利技术。本说明全文中提到“实施方式”表示结合包括在本专利技术至少一个实施方式中的实施方式所描述的特定特征、结构、功能、或者特性。因此，在本说明全文的任意地方出现短语“在实施方式中”不必特指本专利技术相同的实施方式。而且，特定特征、结构、功能、或者特性可以以任何合适的方式在一个或者多个实施方式中结合。例如，第一实施方式可以与第二实施方式结合，无论何处两个实施方式都不是互斥的。术语“耦合”在此用于说明组件之间的功能或者结构关系。“耦合”可以用于表示两个或者多个元件相互直接或间接(在它们之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电微机械超声换能器(pMUT)阵列，包括：配置于基底区域上以及独立电可寻址的多个驱动/感应电极轨线；以及多个压电换能器元件群，其中元件群内的驱动/感应电极耦合到所述驱动/感应电极轨线中的一个，其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，以及其中每个换能器元件群将提供多个独立的但重叠的频率响应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.01 US 61/641,182;2012.10.09 US 13/648,2251.一种压电微机械超声换能器阵列，包括：配置于基底的区域上以及独立电可寻址的多个驱动/感应电极轨线；以及多个压电换能器元件群，其中压电换能器元件群内的驱动/感应电极耦合到所述多个驱动/感应电极轨线中的一个，其中不同压电换能器元件群的压电换能器元件之间的电机械耦合低于相同压电换能器元件群的压电换能器元件之间的电机械耦合，以及其中每个压电换能器元件群将提供多个独立的但重叠的频率响应，其中，第一压电换能器元件群的压电换能器元件之间的所述电机械耦合足够导致至少一个退化模式，所述至少一个退化模式具有从所述第一压电换能器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，其中所述第一压电换能器元件群的压电换能器元件之间的第一区域的距离、材料的弹性系数、或者截面耦合面积中的至少一者与不同压电换能器元件群的压电换能器元件之间的第二区域中所对应的一者不同，其中所述距离、弹性系数、或者截面耦合面积中的两个或者多个在所述第一区域和第二区域之间不同。2.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其中所述多个独立的但重叠的频率响应包括多于两个的不同频率峰值。3.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其中所述第一压电换能器元件群的压电换能器元件之间的所述电机械耦合足够导致多个退化模式，所述多个退化模式具有相互分离的退化共振频率。4.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其中针对所述多个压电换能器元件群中的每一者，所述压电换能器元件群设置于至少比由所述压电换能器元件群占用的基底宽度大五倍的基底长度上，该元件群具有设置于中心沿直线对齐单个纵列中的压电膜。5.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其中针对所述多个压电换能器元件群中的每一者，所述压电换能器元件群设置于至少比由所述压电换能器元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·哈贾蒂，M·奥托松，
申请(专利权)人：富士胶片戴麦提克斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US