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    • 专利摘要:
    Ein Ultraschalltransducerarray enthält eine Vielzahl von Subelementen (U1, U2, U3), die durch eine Vielzahl von mikroelektronischen Schaltern (X1, X2, X3) miteinander verschaltet sind, wobei jedes Subelement eine entsprechende Vielzahl von mikrobearbeiteten Ultraschalltransducer-(MUT)-Zellen (2) aufweist. Die MUT-Zellen innerhalb eines speziellen Subelements sind miteinander fest verdrahtet. Die Schalter werden verwendet, um die Subelemente zu konfigurieren, um mehrfache konzentrische ringförmige Elemente zu bilden. Diese Konstruktion reduziert die Komplexität erheblich und ermöglicht dabei ein Fokussieren in der Elevationsrichtung während einer Ultraschallbilddatenerfassung.An ultrasound transducer array contains a multiplicity of sub-elements (U1, U2, U3) which are interconnected by a multiplicity of microelectronic switches (X1, X2, X3), each sub-element a corresponding multiplicity of micromachined ultrasound transducer (MUT) cells (2 ) having. The MUT cells within a special sub-element are hard-wired together. The switches are used to configure the sub-elements to form multiple concentric annular elements. This construction significantly reduces the complexity and enables focusing in the elevation direction during an ultrasound image data acquisition.
    公开号:DE102004011193A1
    申请号:DE102004011193
    申请日:2004-03-04
    公开日:2004-09-16
    发明作者:Rayette A. Fisher；Christopher Robert Hazard；David M. Mills；Lowell Scott Smith；Kai Thomenius；Robert G. Wodnicki
    申请人:General Electric Co；
    IPC主号:A61B8-00
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft ganz allgemeinMosaikarrayanordnungen von Ultraschalltransducerelementen und dieVerwendung von mikrobearbeiteten Ultraschalltransducern (MUTs) inArrays. Ein spezielle Anwendung für MUTs ist in medizinischendiagnostischen Ultraschallbildgebungssystemen gegeben.The invention relates generallyMosaic array arrangements of ultrasonic transducer elements and theUse of micromachined ultrasound transducers (MUTs) inArrays. A special application for MUTs is in medicaldiagnostic ultrasound imaging systems.
    [0002] Herkömmliche Ultraschallbildgebungssystemeumfassen eine Gruppe von Ultraschalltransducern, die dazu dienen,einen Ultraschallstrahl abzustrahlen und anschließend denvon dem zu untersuchenden Objekt reflektierten Strahl zu empfangen. Einsolches Abtasten umfasst eine Serie von Messungen, während dererdie fokussierte Ultraschallwelle abgestrahlt wird, wonach das Systemnach einer kurzen Zeitspanne auf Empfangsmodus schaltet und diereflektierte Ultraschallwelle empfangen, strahlgebündelt undfür eineAnzeige verarbeitet wird. Typischerweise werden die Abstrahlungund der Empfang währendjeder Messung in der gleichen Richtung fokussiert, um Daten auseiner Reihe von Punkten entlang einer akustischen Strahl- oder Abtastzeilezu erlangen. Der Empfängerwird während desEmpfangs der reflektierten Ultraschallwellen dynamisch auf eineFolge von Bereichen entlang der Abtastzeile fokussiert.Conventional ultrasound imaging systemsinclude a group of ultrasound transducers that are used toto emit an ultrasound beam and then theto receive reflected beam from the object to be examined. Onsuch scanning involves a series of measurements during whichthe focused ultrasound wave is emitted, after which the systemswitches to reception mode after a short period of time and thereflected ultrasound wave received, beam focused andfor oneAd is being processed. Typically, the radiationand the reception duringeach measurement focused in the same direction to get data froma series of points along an acoustic beam or scan lineto get. The recipientwill be during theReception of the reflected ultrasound waves dynamically on aSequence of areas focused along the scan line.
    [0003] Im Falle einer Ultraschallbildgebungweist der Array gewöhnlichviele Transducer auf, die in einer oder mehreren Zeilen angeordnetsind und mit eigenen Spannungen betrieben werden. Durch Wählen derZeitverzögerung(oder Phase) und Amplitude der verwendeten Spannungen, kann dereinzelne Transducer in einer vorgegebenen Zeile angesteuert werden,um Ultraschallwellen zu erzeugen, die sich vereinigen, um eine Netto-Ultraschallwellezu bilden, die sich entlang einer bevorzugten Vektorrichtung fortbewegtund auf einen ausgewähltenBereich entlang des Strahls fokussiert ist.In the case of ultrasound imagingusually assigns the arraymany transducers arranged on one or more linesand are operated with their own voltages. By choosing theTime Delay(or phase) and amplitude of the voltages used, theindividual transducers can be controlled in a given line,to generate ultrasonic waves that combine to form a net ultrasonic waveto form that travels along a preferred vector directionand on a selected oneArea is focused along the beam.
    [0004] Dieselben Prinzipien kommen zur Anwendung,wenn die Transducersonde eingesetzt wird, um das reflektierte akustischeSignal in einem Empfangsmodus zu empfangen. Die durch die Empfangstransducererzeugten Spannungen werden summiert, so dass das Netto-Signal denUltraschall kennzeichnet, der von einer einzelnen Fokuszone in dem Objektreflektiert wird. Wie im Falle des Abstrahlmodus wird dieser fokussierteEmpfang der Ultraschallenergie verwirklicht, indem den von den jeweiligen Empfangstransducernstammenden Signalen gesonderte Zeitverzögerungen (und/oder Phasenverschiebungen)und Verstärkungenauferlegt werden. Die Zeitverzögerungenwerden entsprechend der zunehmenden Tiefe des zurückgekehrtenSignals eingestellt, um ein dynamisches Fokussieren während des Empfangszu ermöglichen.The same principles applywhen the transducer probe is used to detect the reflected acousticReceive signal in a receive mode. The through the receive transducergenerated voltages are summed so that the net signal is theUltrasound identifies that of a single focus zone in the objectis reflected. As in the case of the radiation mode, this is focusedReception of the ultrasonic energy is realized by that of the respective receiving transducersoriginating signals separate time delays (and / or phase shifts)and reinforcementsbe imposed. The time delaysare returned according to the increasing depth of theSignal set to dynamic focus during receptionto enable.
    [0005] Die Qualität oder Auflösung des erzeugten Bildes hängt unteranderem von der Anzahl der Transducer ab, die die Abstrahl- bzw.Empfangsöffnungendes Transducerarrays bilden.The quality or resolution of the generated image depends ondepends on the number of transducers that the radiation orreceiving openingsof the transducer array.
    [0006] Dementsprechend ist sowohl für zwei-als auch fürdreidimensionale Bildgebungsanwendungen eine große Anzahl von Transducern erwünscht, umeine hohe Bildqualitätzu erreichen. Die Ultraschalltransducer sind gewöhnlich in einer in der Hand zuhaltenden Transducersonde angeordnet, die über ein flexibles Anschlusskabelmit einer Elektronikeinheit verbunden ist, die die Transducersignaleverarbeitet und Ultraschallbilder erzeugt. Die Transducersonde kannsowohl eine Ultraschallabstrahlschaltung als auch eine Ultraschallempfängerschaltungtragen.Accordingly, for bothfor as wellthree-dimensional imaging applications a large number of transducers are desired tohigh image qualityto reach. The ultrasound transducers are usually in one handholding transducer probe arranged using a flexible connection cableis connected to an electronic unit that receives the transducer signalsprocessed and generated ultrasound images. The transducer probe canboth an ultrasonic radiation circuit and an ultrasonic receiver circuitwear.
    [0007] In letzter Zeit wurden Halbleiterherstellungsverfahrenzur Herstellung einer Bauart von Ultraschalltransducern verwendet,die als mikrobearbeitete Ultraschalltransducer (MUTs) bekannt sind,und die kapazitiver (MUT) oder piezoelektrischer (pMUT) Natur seinkönnen.MUTs sind winzige membranartige Vorrichtungen mit Elektroden, diedie Schallschwingung eines empfangenen Ultraschallsignals in eineKapazitätsmodulationumwandeln. Fürdas Abstrahlen wird die kapazitive Ladung moduliert, um die Membrander Vorrichtung in Schwingungen zu versetzen, und dadurch eine Schallwelleabzustrahlen.Recently, semiconductor manufacturing processes have been usedused to manufacture a type of ultrasonic transducer,known as micromachined ultrasound transducers (MUTs)and be capacitive (MUT) or piezoelectric (pMUT) in naturecan.MUTs are tiny membrane-like devices with electrodes thatthe sound vibration of a received ultrasound signal into acapacity modulationconvert. ForBlasting the capacitive charge is modulated around the membraneto vibrate the device, and thereby a sound waveradiate.
    [0008] Ein Vorteil von MUTs besteht darin,dass diese mittels Halbleiterherstellungsverfahren erzeugt werdenkönnen,z.B. durch Mikrofertigungsverfahren, die unter dem Oberbegriff "Mikrobearbeitung" einzuordnen sind.Wie in der US-Patentschrift6 359 367 erläutert: istMikrobearbeitung definiert als die Bildung von mikroskopischen Strukturenunter Verwendung einer Kombination oder Untergruppe von (A) Mustererzeugungsmittel(im Allgemeinen lithographische beispielsweise Projektionsjustieranlagenoder Wafer-Stepper),und (B) Aufbringmittel, wie PVD (physikalisches Aufdampfen), CVD(chemisches Aufdampfen), LPCVD (chemisches Niederdruckaufdampfen),PECVD (chemisches Plasmaaufdampfen), und (C) Ätzverfahren, wie nasschemisches Ätzen, Plasmaätzen, Ionenstrahlätzen, Sputterätzen oderLaser-Ätzen.Mikrobearbeitung wird gewöhnlich anSubstraten oder wafern durchgeführt,die aus Silizium, Glas, Saphir oder Keramik hergestellt sind. SolcheSubstrate oder Wafer sind im Allgemeinen sehr flach und glatt, undweisen Abmessungen im Bereich von einigen Zoll auf. Sie werden gewöhnlich als Gruppenin Kassetten bearbeitet, währendsie von einem Prozesswerkzeug zum nächsten bewegt werden. JedesSubstrat kann vorteilhafterweise (jedoch nicht notwendigerweise)zahllose Kopien des Produkts verkörpern. Es existieren zwei herstellerübergreifendeArten von Mikrobearbeitung ... 1) Grobe Mikrobearbeitung, bei derdie Dicke des Wafers oder Substrats in großen Abschnitten gestaltet wird,und 2) Oberflächenmikrobearbeitung,bei der sich das Gestalten im Allgemeinen auf die Oberfläche beschränkt, undinsbesondere auf die dünnenBeschichtungsfilme auf der Oberfläche. Die hier verwendete Definitioneiner Mikrobearbeitung schließt dieVerwendung herkömmli cheroder bekannter mikrobearbeitbarer Materialien ein, einschließlich Silizium,Saphir, Glaswerkstoffe jeder Art, Polymere (beispielsweise Polyimid),Polysilizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, dünne Beschichtungsmetalle,wie Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Wolfram, Aufschleudergläser (SOGs),implantable oder diffundierte Dotierungssubstanzen und gezüchtete Beschichtungen,beispielsweise Siliziumoxide und -nitride.One advantage of MUTs is that they can be produced using semiconductor manufacturing processes, for example using microfabrication processes, which can be classified under the generic term "micromachining". As explained in US Pat. No. 6,359,367: micromachining is defined as the formation of microscopic structures using a combination or subset of (A) pattern generation means (generally lithographic e.g. projection alignment systems or wafer steppers), and (B) application means such as PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), LPCVD (chemical low pressure vapor deposition), PECVD (chemical plasma vapor deposition), and (C) etching processes such as wet chemical etching, plasma etching, ion beam etching, sputter etching or laser etching. Micromachining is usually performed on substrates or wafers made of silicon, glass, sapphire or ceramic. Such substrates or wafers are generally very flat and smooth and have dimensions in the range of a few inches. They are usually processed as groups in cassettes as they move from one process tool to the next. Each substrate can advantageously (but not necessarily) embody countless copies of the product. There are two types of micromachining across manufacturers ... 1) Coarse micromachining, in which the thickness of the wafer or substrate is shaped in large sections, and 2) Surface micromachining, in which the shaping is generally limited to the surface, and in particular to that thin coating films on the surface. The definition of micromachining used here closes the use of conventional or known micromachinable materials including silicon, sapphire, glass materials of all types, polymers (for example polyimide), polysilicon, silicon nitride, silicon oxynitride, thin coating metals such as aluminum alloys, copper alloys and tungsten, spin-on glasses (SOGs), implantable or diffused doping substances and grown coatings, such as silicon oxides and nitrides.
    [0009] Diese Definition von Mikrobearbeitungwird hier übereinstimmend übernommen.This definition of micromachiningis adopted here unanimously.
    [0010] Es besteht ein ständiger Bedarf nach Verbesserungender Konstruktion von Ultraschalltransducerarrays. Die Komplexität heutigerUltraschallbildgebungssysteme muss hoch sein, um eine ausgezeichneteBildqualitätzu erzielen. Herkömmliche Sondenweisen gewöhnlich128 Signalverarbeitungskanäleauf (und im Falle von Arrays mit elektronischer Elevationsfokussierung,erhöhtsich diese Zahl sogar auf das Fünffache).Auch die Chance, zu einer korrekten medizinische Diagnose zu gelangen,erhöhtsich bei den meisten Bildgebunbsmodalitäten (einschließlich desUltraschalls) durch Verwendung einer dünneren Scheibendicke. Die Implementation einessowohl in Elevation als auch Azimut dynamisch fokussierten Strahlsist sehr komplex und kostspielig, insbesondere für allgemeine Bildgebungsanwendungen(im Gegensatz zu echokardiographischen). Außerdem stellt der Platzbedarfund Energieverbrauch der Elektronik ein Hindernis dar, um ein Systembequem transportierbar zu gestalten.There is a constant need for improvementsthe construction of ultrasonic transducer arrays. The complexity of todayUltrasound imaging systems must be high to be excellentpicture qualityto achieve. Conventional probeswise usually128 signal processing channelson (and in the case of arrays with electronic elevation focusing,elevatedthis number is even five times).Also the chance to get a correct medical diagnosiselevatedmost imaging modalities (including theUltrasound) by using a thinner slice thickness. The implementation of aboth in elevation and azimuth of dynamically focused beamis very complex and expensive, especially for general imaging applications(as opposed to echocardiographic). In addition, the space requiredand energy consumption of electronics is an obstacle to a systemeasy to transport.
    [0011] Der vorliegenden Erfindung liegtdie Idee zu Grunde, die aktiven Öffnungeines Ultraschalltransducers in ein Mosaik von sehr kleinen Subelementen zuunterteilen und danach aus diesen Subelementen Elemente zu bilden,indem die Subelemente mittels elektronischer Schalter miteinanderverbunden werden. Diese Elemente können elektronisch über die Oberfläche derMosaikarrayanordnung "bewegt" werden, um durchVerändernder Schalterkonfiguration ein Scannen durchzuführen. Andere Elementkonfigurationenerlauben eine Strahlsteuerung, wodurch es möglich wird, volumetrische Datensätze zu gewinnen.Eine Konfiguration mehrfacher konzentrischer kreisringförmiger Elementeermöglichteine optimale Ultraschallbildqualität, indem die Gestalt des Elementsan die akustischen Phasenfronten angepasst wird. Ein Aspekt derErfindung ist die Rekonfigurierbarkeit des sich ergebenden Arrays.The present invention liesbased on the idea, the active openingan ultrasound transducer into a mosaic of very small sub-elementssubdivide and then form elements from these sub-elements,by switching the sub-elements together using electronic switchesget connected. These elements can be electronically transmitted across the surface of theMosaic array arrangement "moves" throughChangescan the switch configuration. Other element configurationsallow beam control, which makes it possible to obtain volumetric data sets.A configuration of multiple concentric circular elementsallowsoptimal ultrasound image quality by the shape of the elementis adapted to the acoustic phase fronts. An aspect ofThe invention is the reconfigurability of the resulting array.
    [0012] Durch diese Fähigkeiten, nämlich dieElemente sowohl zu rekonfigurieren als auch zu veranlassen, dasssich diese an Phasenfronten anpassen, wird es möglich, die Anzahl von Elementen(oder Kanälen),die erforderlich sind, um die Bildqualität eines High-End-Systems zuerreichen, erheblich zu reduzieren. Mit weniger Kanälen sinktauch die Anzahl der durch die Strahlformungselektronik zu verarbeitendenSignale drastisch. Demzufolge kommt der Volumen- und Energieverbraucheiner Systemelektronik einer Mosaikarrayanordnung der Verwirklichungportabler Ultraschallsysteme in hohem Maße entgegen.Through these skills, namely theElements to both reconfigure and cause thatif these adapt to phase fronts, it becomes possible to change the number of elements(or channels),that are required to improve the image quality of a high-end systemachieve significantly reduce. Sinks with fewer channelsalso the number of those to be processed by the beam shaping electronicsSignals dramatically. As a result, the volume and energy consumption comessystem electronics of a mosaic array arrangement of implementationportable ultrasound systems to a great extent.
    [0013] Ein Aspekt der Erfindung ist eineMosaikarrayanordnung mit vielen Subelementen, wobei sämtlicheSubelemente eine entsprechende Vielzahl von mikrobearbeiteten Ultraschalltransducer-(MUT)-Zellenaufweisen, und wobei jede MUT-Zelleeine obere Elektrode und eine untere Elektrode umfasst. Die oberenElektroden der MUT-Zellen, die jedes einzelne Subelement bilden,sind miteinander fest verdrahtet, während die unteren Elektrodenjener besagten MUT-Zellen ebenfalls miteinander fest verdrahtet sind.One aspect of the invention is oneMosaic array arrangement with many sub-elements, all of whichSub-elements are a corresponding number of micromachined ultrasonic transducer (MUT) cellsand each MUT cellincludes an upper electrode and a lower electrode. The topElectrodes of the MUT cells that form each individual sub-element,are hardwired together while the bottom electrodesof those MUT cells are also hard-wired together.
    [0014] Ein weiterer Aspekt der Erfindungist ein Ultraschalltransducerarray, der viele Subelemente aufweist,die durch viele mikroelektronischen Schaltern miteinander verschaltetsind, wobei jedes Subelement entsprechend viele MUT-Zellen aufweist,und die MUT-Zellen innerhalb eines speziellen Subelements jeweilsmiteinander fest verdrahtet sind.Another aspect of the inventionis an ultrasound transducer array that has many sub-elements,which are interconnected by many microelectronic switcheswhere each sub-element has a corresponding number of MUT cells,and the MUT cells within a special sub-element, respectivelyare hard-wired together.
    [0015] Noch eine Aufgabe der Erfindung istein Verfahren zum Herstellen eines Ultraschalltransducers, mit denfolgenden Schritten: Herstellen eines Substrats mit einer darinenthaltenen Vielzahl von mikroelektronischen Schaltern; und Mikrobearbeitungeiner Vielzahl von MUT-Zellen auf dem Substrat, wobei die MUT-Zellenuntereinander zu Clustern verbunden werden, und jedes Cluster vonmiteinander verschalteten MUT-Zellen mit einem entsprechenden dermikroelektronischen Schalter verbunden ist.Another object of the invention isa method for producing an ultrasonic transducer, with thefollowing steps: producing a substrate with one in itincluded a variety of microelectronic switches; and micromachininga variety of MUT cells on the substrate, the MUT cellsinterconnected to form clusters, and each cluster ofinterconnected MUT cells with a corresponding one of themicroelectronic switch is connected.
    [0016] Noch ein weiterer Aspekt der Erfindungist ein Ultraschalltransducer, zu dem gehören: eine Vielzahl von MUT-Zellen, wobei jedeMUT-Zelle eine entsprechende obere Elektrode und eine entsprechende untereElektrode umfasst, wobei die oberen Elektroden der MUT-Zellen miteinanderfest verdrahtet sind, und die unteren Elektroden der MUT-Zellenmiteinander fest verdrahtet sind; ein mikroelektronischer Schaltermit einem Ausgangsanschluss, der mit den miteinander verschaltetenoberen Elektroden oder mit den miteinander verschalteten unterenElektroden verbunden wird; und ein Treiberschaltkreis mit einemAusgangsanschluss, der mit einem Eingangsanschluss des mikroelektronischenSchalters verbunden wird, um die Vielzahl von MUT-Zellen zu betreiben,um Ultraschallwellen zu erzeugen, wenn der mikroelektronische Schaltereingeschaltet wird.Yet another aspect of the inventionis an ultrasound transducer that includes: a variety of MUT cells, eachMUT cell has a corresponding upper electrode and a corresponding lower oneElectrode comprises, the upper electrodes of the MUT cells togetherare hardwired, and the bottom electrodes of the MUT cellsare hard-wired together; a microelectronic switchwith an output connection that is connected to the interconnectedupper electrodes or with the interconnected lower onesElectrodes is connected; and a driver circuit with oneOutput connector that connects to an input connector of the microelectronicSwitch is connected to operate the plurality of MUT cellsto generate ultrasonic waves when the microelectronic switchis switched on.
    [0017] Andere Aspekte der Erfindung sindnachstehend offenbart und beansprucht.Other aspects of the invention aredisclosed and claimed below.
    [0018] 1 zeigteine Zeichnung, die eine Schnittansicht einer typischen cMUT-Zelleveranschaulicht. 1 shows a drawing illustrating a sectional view of a typical cMUT cell.
    [0019] 2 zeigteine Zeichnung, die ein "Gänseblümchen"-Subelement veranschaulicht, das vonsieben hexagonalen MUT-Zellengebildet wird, deren obere bzw. untere Elektroden jeweils miteinander festverdrahtet sind. 2 shows a drawing illustrating a "daisy" sub-element formed by seven hexagonal MUT cells, the upper and lower electrodes are hard-wired to each other.
    [0020] 3 zeigteine Zeichnung, die ein "hexagonales" Subelement veranschaulicht,das von 19 hexagonalen MUT-Zellen gebildet wird, deren obere bzw.untere Elektroden jeweils miteinander fest verdrahtet sind. 3 shows a drawing illustrating a "hexagonal" sub-element, which is formed by 19 hexagonal MUT cells, the upper and lower electrodes are hard-wired to each other.
    [0021] 4 zeigteine Zeichnung, die einen Sektor Abschnitt einer Mosaikarrayanordnungveranschaulicht, der gemäß einemAusführungsbeispielder Erfindung vier ringförmigeElemente aufweist, wobei jedes Element aus einer mosaikförmigen Gruppierung von "Gänseblümchen"-Subelementen aufgebaut ist, die sokonfiguriert sind, dass sie pro Element in etwa dieselbe Fläche aufweisen. 4 FIG. 14 is a drawing illustrating a sector portion of a mosaic array arrangement that, according to one embodiment of the invention, has four annular elements, each element being constructed from a mosaic grouping of "daisy" sub-elements configured to be approximately one per element have the same area.
    [0022] 5 zeigteine Zeichnung, die einen Sektor einer Mosaikarrayanordnung veranschaulicht,die gemäß noch einemAusführungsbeispielder Erfindung sechs ringförmigeElemente aufweist, wobei jedes Element aus einer mosaikförmigen Gruppierung von "Gänseblümchen"-Subelementen aufgebaut ist, die sokonfiguriert sind, dass sie pro Element in etwa dieselbe Fläche aufweisen. 5 FIG. 12 is a drawing illustrating a sector of a mosaic array arrangement that, according to yet another embodiment of the invention, has six ring-shaped elements, each element being constructed from a mosaic-shaped grouping of "daisy" sub-elements, which are configured to be approximately one per element have the same area.
    [0023] 6 zeigteine Zeichnung, die einen Sektor einer Mosaikarrayanordnung veranschaulicht,der gemäß noch einemweiteren Ausführungsbeispiel derErfindung vier Elemente aufweist, wobei jedes Element aus einermosaikförmigenGruppierung von "hexagonalen" Subelementen aufgebautist. 6 Figure 12 shows a drawing illustrating a sector of a mosaic array arrangement which, according to yet another embodiment of the invention, has four elements, each element being made up of a mosaic grouping of "hexagonal" sub-elements.
    [0024] 7 zeigteine Zeichnung, die einen Sektor einer Mosaikarrayanordnung veranschaulicht,die gemäß einemweiteren Ausführungsbeispielder Erfindung sechs Elemente aufweist, wobei jedes Element aus einermosaikförmigenGruppierung von "hexagonalen" Subelementen aufgebautist. 7 FIG. 12 shows a drawing illustrating a sector of a mosaic array arrangement which, according to a further exemplary embodiment of the invention, has six elements, each element being constructed from a mosaic-shaped grouping of “hexagonal” sub-elements.
    [0025] 8 zeigteine Zeichnung, die eine mosaikförmigeGruppierung von "Gänseblümchen"-Subelementen veranschaulicht,die durch Spalte getrennt sind, um ein Übersprechen von Signalen zuverringern. 8th Figure 12 shows a drawing illustrating a mosaic grouping of "daisy" sub-elements separated by columns to reduce signal crosstalk.
    [0026] 9 zeigteine Zeichnung, die eine mosaikförmigeGruppierung von "hexagonalen" Subelementen veranschaulicht,die durch Spalte getrennt sind, um ein Übersprechen von Signalen zuverringern. 9 Figure 12 shows a drawing illustrating a mosaic grouping of "hexagonal" sub-elements separated by columns to reduce signal crosstalk.
    [0027] 10 zeigtin einer schematischen Darstellung eine Kaskade von Hochspannungsschaltkreisen,die dazu dienen, gemäß einemAusführungsbeispielder Erfindung Ultraschalltransducer einer Mosaikarrayanordnung selektivzu betreiben. 10 shows a schematic representation of a cascade of high-voltage circuits, which are used to selectively operate ultrasound transducers of a mosaic array arrangement according to an embodiment of the invention.
    [0028] Es wird nun auf die Zeichnungen eingegangen,in denen ähnlicheElemente in unterschiedlichen Zeichnungen die gleichen Bezugszeichentragen.The drawings will now be discussed,in which similarElements in different drawings have the same reference numeralswear.
    [0029] Die hier offenbarte Neuerung istein besonderes Verfahren zum Einrichten einer Mosaikarrayanordnungmit mikrobearbeiteten Ultraschalltransducern (MUTs). Zum Zweck einerVer anschaulichung werden vielfältigeAusführungsbeispieleder Erfindung beschrieben, die kapazitive mikrobearbeitete Ultraschalltransducer(cMUTs) nutzen. Es sollte allerdings klar sein, dass die Aspekteder hier offenbarten Erfindung nicht auf eine Verwendung von cMUTsbeschränktsind, sondern dass vielmehr ebenso pMUTs oder auch würfelförmige piezokeramischeArrays verwendet werden können,bei denen jedes der würfelförmigen Subelementedurch Verschaltungsmittel mit einer darunterliegenden Schaltschichtverbunden sind.The innovation disclosed here isa special method for setting up a mosaic array arrangementwith micromachined ultrasound transducers (MUTs). For the purpose of oneIllustrations are variedembodimentsdescribed the capacitive micromachined ultrasonic transducer(cMUTs) use. However, it should be clear that the aspectsthe invention disclosed herein does not rely on the use of cMUTslimitedare, but rather just as pMUTs or cube-shaped piezoceramicArrays can be usedwhere each of the cube-shaped sub-elementsthrough connection means with an underlying switching layerare connected.
    [0030] cMUTs sind auf Silizium basierendeVorrichtungen, die kleine (z.B. 50 μm große) kapazitive "Trommelmembranen" oder Zellen enthalten,die in der Lage sind, Ultraschallenergie abzustrahlen und zu empfangen.Unter Bezugnahme auf 1 isteine typische MUT-Transducerzelle 2 im Querschnitt gezeigt.Ein Array derartiger MUT-Transducerzellen wird gewöhnlich aufeinem Substrat 4, beispielsweise einem Siliziumwafer hergestellt.Für jedeMUT-Transducerzelle, ist ein dünnesDiaphragma oder eine Membran 8, die aus Siliziumnitridhergestellt sein kann, schwebend oberhalb des Substrats 4 angeordnet.Die Membrane 8 wird an ihrem Umfang durch einen isolierendenTräger 6 getragen,der aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid hergestellt sein kann.Der Hohlraum 20 zwischen der Membrane 8 und dem Substrat 4 kannmit Luft oder Gas gefüllt,oder völlig oderteilweise evakuiert sein. Ein Film oder eine Schicht aus einem leitendenMaterial, z.B. einer Aluminiumlegierung oder einem anderen geeignetenleitenden Material, bildet eine Elektrode 12 auf der Membrane 8,und ein weiterer aus einem leitenden Material hergestellter Filmbzw. Schicht bildet eine Elektrode 10 auf dem Substrat 4.Alternativ kann die Elektrode 10 in das Substrat 4 eingebettetsein. Außerdemkann die Elektrode 12, anstatt wie in 1 gezeigt, im Inneren der Membrane 8,auf deren Oberseite eingebettet sein.cMUTs are silicon-based devices that contain small (eg 50 μm large) capacitive "drum membranes" or cells that are able to radiate and receive ultrasonic energy. With reference to 1 is a typical MUT transducer cell 2 shown in cross section. An array of such MUT transducer cells is usually placed on a substrate 4 , for example a silicon wafer. For each MUT transducer cell, there is a thin diaphragm or membrane 8th , which can be made of silicon nitride, floating above the substrate 4 arranged. The membrane 8th is at its periphery by an insulating support 6 worn, which can be made of silicon oxide or silicon nitride. The cavity 20 between the membrane 8th and the substrate 4 can be filled with air or gas, or completely or partially evacuated. A film or layer of a conductive material, for example an aluminum alloy or another suitable conductive material, forms an electrode 12 on the membrane 8th , and another film made of a conductive material forms an electrode 10 on the substrate 4 , Alternatively, the electrode 10 into the substrate 4 be embedded. In addition, the electrode 12 instead of like in 1 shown inside the membrane 8th , be embedded on the top.
    [0031] Die beiden durch den Hohlraum 20 getrenntenElektroden 10 und 12 bilden eine Kapazität. Wennein auftreffendes akustisches Signal bewirkt, dass die Membran 8 schwingt,lässt sichdie Änderungder Kapazitätmittels einer (in 1 nichtgezeigten) zugeordneten Elektronik erfassen, wobei das akustischeSignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Andererseitswird ein an eine der Elektroden angelegtes Wechselstromsignal dieLadung auf der Elektrode modulieren, was wiederum eine Modulationder kapazitiven Kraft zwischen den Elektroden herbeiführt, wobeiletztere bewirkt, dass sich die Membran bewegt und dabei ein akustisches Signalabstrahlt.The two through the cavity 20 separate electrodes 10 and 12 form a capacity. When an incoming acoustic signal causes the membrane 8th oscillates, the change in capacity can be determined using a (in 1 associated electronics, not shown, wherein the acoustic signal is converted into an electrical signal. On the other hand, an alternating current signal applied to one of the electrodes will modulate the charge on the electrode, which in turn modulates the capacitive force between the electrodes, the latter causing the membrane to move and thereby emit an acoustic signal.
    [0032] Im Betrieb liegt an der MUT-Zellegewöhnlich eineGleichspannungsvorspannung Vbias an, dieerheblich höherist als die zeitlich veränderlicheSpannung v(t), die überdie Elektroden anliegt. Diese Vorspannung zieht die obere Elektrodeaufgrund der Coulombschen Kraft nach unten. In diesem stark vorgespanntenFall, erfahren die MUT-Trommelmembranen einen Membranausschlag u,der gegeben ist durch die Gleichung:
    [0033] Da die Abmessungen einer typischenMUT im Mikrometerbereich liegen, werden gewöhnlich zahlreiche MUT-Zellenin enger räumlicherNachbarschaft erzeugt, um ein einzelnes Transducerelement zu bilden.Die einzelne Zellen könnenrunde, rechteckige, hexagonale oder andere Umrissformen aufweisen.Hexagonale Umrisse ermöglicheneine hohe Packdichte der MUT-Zellen eines Transducerelements. DieMUT-Zellen könnenunterschiedliche Abmessungen aufweisen, so dass das Transducerelementaufgrund der unterschiedlichen Zellenabmessungen über einegemischte Charakteristik verfügt, wasdem Transducer eine Breitbandcharakteristik verleiht.Because the dimensions of a typicalMUT in the micrometer range are usually numerous MUT cellsin a narrow spatialNeighborhood created to form a single transducer element.The individual cells canhave round, rectangular, hexagonal or other outline shapes.Allow hexagonal outlinesa high packing density of the MUT cells of a transducer element. TheMUT cells canhave different dimensions, so that the transducer elementdue to the different cell dimensions over onemixed characteristics has whatgives the transducer a broadband characteristic.
    [0034] Die MUT-Zellen lassen sich in demMikrobearbeitungvorgang miteinander fest verdrahten, um Subelemente,d. h. Cluster aus einzelnen MUT-Zellen zu bilden, die in einer voraussichtlichintelligenten Weise gruppiert sind (nachstehend wird der Begriff "Subelement" verwendet, um einenderartigen Cluster zu bezeichnen). Um größere Elemente zu bilden, z.B.Kreisringe, werden diese Subelemente (im Gegensatz zu einer festenVerdrahtung) durch mikroelektronische Schalter miteinander verschaltet,indem innerhalb der Siliziumschicht, auf der die MUT-Subelementeaufgebaut sind, solche Schalter angeordnet sind. Diese Konstruktionbasiert auf Halbleiterherstellungsverfahren, die die HerstellunggroßerMengen zu geringen Kosten ermöglichen.The MUT cells can be in theWire the micromachining process to each other to create sub-elements,d. H. Clusters of individual MUT cells are expected to form in oneare intelligently grouped (hereinafter the term "sub-element" is used to refer to ato designate such clusters). To form larger elements, e.g.Circular rings, these are sub-elements (as opposed to a fixed oneWiring) interconnected by microelectronic switches,by inside the silicon layer on which the MUT sub-elementsare constructed, such switches are arranged. This constructionis based on semiconductor manufacturing processes that manufacturegreaterEnable quantities at low cost.
    [0035] Es existieren viele Verfahren, dasMosaik geeignet zu gestalten, um die optimale akustische Leistungzu erhalten. Beispielsweise ist es möglich, sowohl für das Abstrahlenals auch den Empfang Phasenfronten anzupassen; einen Spalt zwischenbenachbarten Subelementen vorzusehen, um ein Übersprechen von Element zuElement zu reduzieren; vielfältigeSubelementmuster zu wählen,um eine mosaikförmigeGruppierung des Mosaikrasters zu bilden; und vielfältige elementareMuster fürdas Abstrahlen und Empfangen zu wählen, um in speziellen Anwendungeneine maximale akustische Leistung zu erzielen.There are many methods thatMosaic suitable to design the optimal acoustic performanceto obtain. For example, it is possible for both blastingas well as to adjust the reception phase fronts; a gap betweenadjacent sub-elements to provide element crosstalkReduce element; diverseTo choose sub-element patternaround a mosaicForm grouping of the mosaic grid; and diverse elementaryPattern forto choose the radiating and receiving to use in special applicationsto achieve maximum acoustic performance.
    [0036] Gemäß den hierin offenbarten Ausführungsbeispielenwird der Transducer mittels einer Gruppe von MUT-Subelementen hergestellt,die sich auf vielfältigenWegen untereinander verschalten lassen, um eine spezielle akustischeAusgabe hinsichtlich der Strahlrichtung, der Lage des Brennpunktsund der Minimalisierung von Nebenkeulen und Gitterkeulen zu erreichen.According to the embodiments disclosed hereinthe transducer is manufactured using a group of MUT sub-elements,that focus on diverseBecause of interconnecting to a special acousticOutput with regard to the beam direction, the location of the focal pointand the minimization of side lobes and lattice lobes.
    [0037] 2 zeigtzum Zweck einer Veranschaulichung ein "Gänseblümchen"-Subelement 14,das aus sieben hexagonalen MUT-Zellen 2 aufgebaut ist, undzwar aus einer zentralen Zelle, die von einem aus sechs Zellen bestehendenRing umgeben ist, wobei jede Zelle in dem Ring an eine entsprechende Seiteder zentralen Zelle und an die benachbarten Zellen in dem Ring angrenzt.Die oberen Elektroden jeder Zelle sind miteinander fest verdrahtet.In ähnlicherWeise sind die unteren Elektroden jeder Zelle miteinander fest verdrahtet,wobei sie ein siebenmal größeres kapazitivesSubelement bilden. 2 shows a "daisy" sub-element for purposes of illustration 14 that consists of seven hexagonal MUT cells 2 is constructed from a central cell surrounded by a ring consisting of six cells, each cell in the ring being adjacent to a corresponding side of the central cell and adjacent cells in the ring. The top electrodes of each cell are hardwired together. Similarly, the bottom electrodes of each cell are hardwired together, forming a seven times larger capacitive sub-element.
    [0038] In 3 istein alternatives "hexagonales" Subelement 16 gezeigt,das aus 19 MUT-Zellen aufgebaut ist. Die oberen Elektroden der Zellenin jeder Gruppe sind miteinander fest verdrahtet; in ähnlicher Weisesind die unteren Elektroden der Zellen in jeder Gruppe verbundenund bilden dementsprechend ein größeres kapazitives Subelement.Da sich die MUT-Zellemit sehr geringen Abmessungen herstellen lässt, ist es möglich, Mosaikarrayanordnungen mitsehr kleinen Kontaktabständenzu erzeugen.In 3 is an alternative "hexagonal" sub-element 16 shown, which is composed of 19 MUT cells. The top electrodes of the cells in each group are hardwired together; Similarly, the lower electrodes of the cells in each group are connected and accordingly form a larger capacitive sub-element. Since the MUT cell can be produced with very small dimensions, it is possible to produce mosaic array arrangements with very small contact distances.
    [0039] Es existieren zahlreiche Möglichkeitender Herstellung von Transducerarrays mittels MUT-Zellen und Subelementen,die in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen. 4 und 5 zeigen Beispiele von mosaikförmigen Gruppierungenvon Subelementen, um Mosaikarrayanordnungen zu bilden. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sindvier im Wesentlichen ringförmigeElemente (die mit den Bezugszeichen 22, 24, 26 bzw. 28 bezeichnetsind), von denen jedes eine mosaikförmige (aus sieben miteinanderfest verdrahteten MUT-Zellenpro Subelement aufgebaute) Gruppierung von "Gänseblümchen"-Subelementen aufweist,so konfiguriert, dass sie pro Element in etwa dieselbe Fläche aufweisen.In dem in 5 gezeigtenAusführungsbeispiel sindsechs im Wesentlichen ringförmigeElemente (die mit den Bezugszeichen 30, 32, 34, 36, 38 bzw. 40 bezeichnetsind), von denen jedes eine mosaikförmige Gruppierung von "Gänseblümchen"-Subelementen aufweist, so konfiguriert,dass sie pro Element etwa dieselbe Fläche aufweisen. Die mosaikförmige Gruppierungkann in jedem Fall aus mehren Arten von Subelementen aufgebaut sein.Das Arraymuster muss nicht eine lückenlose mosaikförmige Gruppierungsein, sondern kann auch Bereiche ohne akustische Subelemente aufweisen.Beispielsweise könntenDurchkontakte vorhanden sein, um Verbindungen der oberen Elektrodedes MUT-Subelements oder der MUT-Zellen unterhalb des Arrays zugänglich zumachen.There are numerous possibilities for producing transducer arrays using MUT cells and sub-elements which fall within the scope of protection of the present invention. 4 and 5 show examples of mosaic-like groupings of sub-elements to form mosaic array arrangements. In the in 4 Embodiment shown are four substantially ring-shaped elements (those with the reference numerals 22 . 24 . 26 respectively. 28 , each of which has a mosaic-shaped grouping of "daisy" sub-elements (constructed from seven hard-wired MUT cells per sub-element) configured to have approximately the same area per element. In the in 5 Embodiment shown are six substantially annular elements (those with the reference numerals 30 . 32 . 34 . 36 . 38 respectively. 40 ), each of which has a mosaic-like array of "daisy" sub-elements configured to have approximately the same area per element. The mosaic-shaped grouping can in any case be made up of several types of sub-elements. The array pattern does not have to be a seamless mosaic grouping, but can also have areas without acoustic sub-elements. For example, vias could be provided to make connections to the top electrode of the MUT sub-element or the MUT cells below the array accessible.
    [0040] Die Konfigurationen der Erfindungkönnen abgewandeltwerden, um vielfältigeakustische Parameter, beispielsweise die Keulenbreite, den Nebenkeulenpegeloder die Schärfentiefezu optimieren. Alternativ könntendie Subelemente gruppiert sein, um eine Öffnung für den Abstrahlvorgang zu bilden,und unmittelbar auf eine andere Öffnungfür denEmpfangsabschnitt geschaltet zu werden. Während 4 und 5 imwesentlichen ringförmigeElemente zeigen, könnenauch andere Konfigurationen eingerichtet werden, beispielsweisenicht kontinuierliche Ringe, Oktalringe oder Bögen. Die Wahl eines Musterswird von den Anforderungen der Anwendung abhängen.The configurations of the invention can be modified to optimize various acoustic parameters, for example the lobe width, the side lobe level or the depth of field. Alternatively, the sub-elements could be grouped to form an opening for the radiation process, and to be switched directly to another opening for the receiving section. While 4 and 5 showing essentially annular elements, other configurations can be set up, for example non-continuous rings, octal rings or arches. The choice of a pattern will depend on the requirements of the application.
    [0041] 6 und 7 veranschaulichen einigeBeispiele elementarer Muster, die eine mosaikförmige Gruppierung von "hexagonalen" Subelementen enthalten.Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel weistvier (mit den Bezugszeichen 42, 44, 46 bzw. 48 bezeichnete)Elemente auf, wobei jedes Element eine mosaikförmige Gruppierung von "hexagonalen" Subelementen (proSubelement 19 miteinander fest verdrahtete MUT- Zellen) enthält. DieElemente sind nicht kreisförmig.Insbesondere ist das dritte Element ein nicht kontinuierlicher Ring,d. h. ist aus mehreren "hexagonalen" Subelementen aufgebaut,die um den Umfang herum in gleichen Winkelintervallen verteilt sind.Das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel weistsechs (mit den Bezugszeichen 50, 52, 54, 56, 58 bzw. 60 bezeichnete)Elemente auf, wobei jedes Element aus einer mosaikförmigen Gruppierungvon "hexagonalen" Subelementen aufgebautist. In diesem Ausführungsbeispielist das vierte Element ein nicht kontinuierlicher Ring, während daserste (d. h. zentrale) Element hexagonal anstelle von kreisförmig ist. 6 and 7 illustrate some examples of elementary patterns containing a mosaic grouping of "hexagonal" sub-elements. This in 6 shown embodiment has four (with the reference numerals 42 . 44 . 46 respectively. 48 designated) elements, each element being a mosaic grouping of "hexagonal" sub-elements (per sub-element 19 contains hard-wired MUT cells). The elements are not circular. In particular, the third element is a discontinuous ring, that is to say is composed of a plurality of “hexagonal” sub-elements which are distributed around the circumference at equal angular intervals. This in 7 shown embodiment has six (with the reference numerals 50 . 52 . 54 . 56 . 58 respectively. 60 designated) elements, wherein each element is made up of a mosaic grouping of "hexagonal" sub-elements. In this embodiment, the fourth element is a discontinuous ring, while the first (ie central) element is hexagonal instead of circular.
    [0042] Es ist selbstverständlich,dass die in 4–7 gezeigten Muster lediglichdem Zwecke der Veranschaulichung dienen. Zahlreiche andere Musterkönnendefiniert werden und diese Offenbarung ist nicht dahingehend zubewerten, dass sie die Innovation auf jene Muster beschränkt, dieausdrücklichgezeigt sind.It goes without saying that the in 4 - 7 shown patterns serve only for the purpose of illustration. Numerous other patterns can be defined and this disclosure should not be construed to limit innovation to those patterns that are expressly shown.
    [0043] Im Falle kreisringförmiger Mosaikarraysermöglichendie Kreisringe eine drastische Reduzierung der Anzahl von Signalen,die durch die Strahlformungselektronik zu verarbeiten sind. Fallsdie c-MUT-Zellen beispielsweise in einem aus acht Elementen bestehendenkreisringförmigenArray verteilt sind, bedeutet dies, dass die Strahlformungselektroniklediglich die acht Signale zu verarbeiten hat, die durch jene Kreisringeausgegeben werden. Dies stellt einen krassen Unterschied zum Fallvon herkömmlichenSonden dar, bei denen die Anzahl von Signalverarbeitungskanälen gewöhnlich 128be trägt (wobeidiese Zahl im Falle von Arrays mit elektronischer Elevationsfokussierungnoch mit dem Faktor fünfzu multiplizieren ist).In the case of circular mosaic arraysenablethe circular rings drastically reduce the number of signals,which are to be processed by the beam shaping electronics. Ifthe c-MUT cells, for example, in one consisting of eight elementsannularArray are distributed, this means that the beam shaping electronicsonly has to process the eight signals through those circular ringsbe issued. This makes a huge difference to the casefrom conventionalProbes in which the number of signal processing channels is usually 128be carries (wherethis number in the case of arrays with electronic elevation focusingstill by a factor of fiveis to be multiplied).
    [0044] Gemäß einem weiteren Aspekt derErfindung kann ein Übersprechenzwischen Elementen in einem rekonfigurierbaren Array reduziert werden,indem zwischen den Subelementen ein kleiner Spalt eingeführt wird. 8 zeigt eine mosaikförmige Gruppierungvon "Gänseblümchen"-Subelementen 14,bei denen jedes "Gänseblümchen"-Subelement von benachbartenSubelementen durch einen Spalt 62 getrennt ist. 9 zeigt eine mosaikförmige Gruppierungvon "hexagonalen" Subelementen 16,bei denen jedes "hexagonale" Subelement von benachbartenSubelementen durch einen Spalt 64 getrennt ist. Um ein Übersprechenweiter zu reduzieren, könntein dem Siliziumsubstrat um jedes Subelement eine Rinne ausgebildetsein.According to another aspect of the invention, crosstalk between elements in a reconfigurable array can be reduced by introducing a small gap between the sub-elements. 8th shows a mosaic grouping of "daisy" sub-elements 14 where each "daisy" sub-element from neighboring sub-elements through a gap 62 is separated. 9 shows a mosaic grouping of "hexagonal" sub-elements 16 , where each "hexagonal" sub-element of neighboring sub-elements by a gap 64 is separated. In order to further reduce crosstalk, a groove could be formed in the silicon substrate around each sub-element.
    [0045] Die Subelemente (ob vom Typ "Gänseblümchen", "hexagonal" oder einer anderenGestalt) könnenmittels unterhalb des Arrays angeordneter Schalter dynamisch verbundenwerden, wodurch es möglichwird, willkürlicheelementare Muster oder, mit anderen Worten, einen rekonfigurierbarenArray zu bilden. Währenddiese Schalter eigens hinzugefügte Komponentensein können,ist es auch möglich,die Schalter tatsächlichinnerhalb desselben Halbleitersubstrats herzustellen, auf dem dasMUT-Array auszubilden ist. Der zum Ausbilden des MUT-Arrays verwendeteMikrobearbeitungvorgang wird sich nicht nachteilig auf die integrierteElektronik auswirken.The sub-elements (whether of the "Daisy", "Hexagonal" or any other typeShape)dynamically connected by means of switches located below the arraybecome what makes it possiblewill, arbitraryelementary patterns or, in other words, a reconfigurableTo form array. Whilethese switches added componentscould be,is it also possiblethe switches actuallywithin the same semiconductor substrate on which theMUT array is to be formed. The one used to form the MUT arrayMicromachining process will not adversely affect the integratedElectronics.
    [0046] Gemäß einem Aspekt der Erfindungist es möglich,die Anzahl von Hochspannungsschaltern durch die Verwendung von Pulsgeberschaltkreisen zureduzieren, die sich sehr klein konstruieren lassen, da der Stromden die hochohmigen MUTs benötigen,sehr gering ist.According to one aspect of the inventionIs it possible,the number of high voltage switches due to the use of pulser circuitsreduce, which can be constructed very small because of the currentthat the high-impedance MUTs need,is very low.
    [0047] Jedes MUT-Subelement kann durch einen Hochspannungsschaltkreisbetrieben werden, der zwei DMOS-FETs aufweist, die Rücken anRücken verbundensind (wobei die Quellenknoten zusammengeschlossen sind; siehe SchalterX1-X3 in 10), um einenbipolaren Betrieb zu ermöglichen. Einderartiger Umschaltschaltkreis ist in der US-Patentanmeldung SN10/248 968 mit dem Titel "IntegratedHigh-Voltage Switching Circuit for Ultrasound Transducer Array" offenbart. In demUmschaltschaltkreis fließtStrom durch die Schalteranschlüsse, wennbeide FETs eingeschaltet sind. Um den Schalter einzuschalten, mussdie Gatterspannung dieser Vorrichtungen um eine Schwellwertspannunggrößer seinals deren Quellenspannung. Oberhalb der Schwellwertspannung verhält sichder Einschaltwiderstand im Wesentlichen umgekehrt proportional zu derGatterspannung. Da die Quellenspannung nahe bei der Drainspannungsein wird (falls der Pegel Low am Widerstand anliegt und der Stromgering ist), wird die Quellenspannung der Ultraschallabstrahlpulsspannungnachfolgen. Um zu erreichen, dass die Gatterquellspannung konstantbleibt, muss die Gatterspannung ebenfalls der Abstrahlpulsspannungfolgen. Diese kann erreicht werden, indem die Quelle und das Gattervon dem Schaltersteuerschaltkreis isolieren werden, und an dem Gatterin Bezug auf die Quelle fürein festes Potential gesorgt wird. Dies wird vorzugsweise mittelsdynamischer Pegelumsetzer verwirklicht.Each MUT sub-element can be operated by a high voltage circuit that has two DMOS FETs connected back to back (with the source nodes connected together; see switches X1-X3 in FIG 10 ) to enable bipolar operation. Such a switching circuit is disclosed in US patent application SN 10/248 968 with the title "Integrated High-Voltage Switching Circuit for Ultrasound Transducer Array". In the switching circuit, current flows through the switch terminals when both FETs are turned on. To turn on the switch, the gate voltage of these devices must be greater than their source voltage by a threshold voltage. Above the threshold voltage, the on-resistance is essentially inversely proportional to the gate voltage. Since the source voltage will be close to the drain voltage (if the level is low across the resistor and the current is low), the source voltage will follow the ultrasound radiation pulse voltage. In order to ensure that the gate source voltage remains constant, the gate voltage must also follow the radiation pulse voltage. This can be accomplished by isolating the source and gate from the switch control circuitry and providing a fixed potential at the gate with respect to the source. This is preferably achieved using dynamic level converters.
    [0048] Die US-Patentanmeldung SN 10/248968 offenbart einen Einschaltschaltkreis, der einen Hochspannungs-PMOS-Transistor aufweist,dessen Drain übereine Diode mit einem gemeinsamen Gatter der DMOS-FETs verbundenist. An dem Gatter des PMOS-Transistors liegt die SchaltergattereinschaltspannungVP an. An der Quelle des PMOS-Transistorsliegt als Vorspannung eine globale Schaltergattervorspannung (nominal5 V) an. Um den Schalter einzuschalten, wird die GatterspannungVP des PMOS-Transistors von High (5 V) nachLow (0 V) überführt, wasbewirkt, dass die globale Vorspannung über den PMOS-Transistor anden gemeinsamen Gatteranschluss der DMOS-FETs angelegt wird. DieDiode ist vorgesehen, um zu verhindern, dass der PMOS-Transistordurchschaltet, wenn die Schaltergatterspannung VP über dieglobale Schaltergattervorspannung hinaus driftet. Sobald die SchaltergatterspannungVP die Schaltergattervorspannung erreichthat, wird die parasitäreGatterkapazitätder DMOS-FETs diese Spannung zurückhalten.Daher kann der PMOS-Transistor, sobald sich die Gatterspannung VP stabilisiert hat, abgeschaltet werden, umEnergie zu sparen. Die Tatsache, dass der Einschaltzustand effektivauf der Schaltergatterkapazität gespeichertist, bedeutet, dass der Schalter über einen eigenen Speicherverfügt.The US patent application SN 10/248 968 discloses a switch-on circuit which has a high-voltage PMOS transistor, the drain of which is connected to the common gate via a diode DMOS-FETs is connected. The switch gate switch-on voltage V P is present at the gate of the PMOS transistor. A global switch gate bias (nominal 5 V) is present as a bias at the source of the PMOS transistor. To turn the switch on, the gate voltage V P of the PMOS transistor is changed from high (5 V) to low (0 V), which causes the global bias to be applied to the common gate terminal of the DMOS-FETs via the PMOS transistor , The diode is provided to prevent the PMOS transistor from turning on when the switch gate voltage V P drifts beyond the global switch gate bias. As soon as the switch gate voltage V P has reached the switch gate bias, the parasitic gate capacitance of the DMOS-FETs will hold back this voltage. Therefore, once the gate voltage V P has stabilized, the PMOS transistor can be turned off to save energy. The fact that the on state is effectively stored on the switch gate capacitance means that the switch has its own memory.
    [0049] Dieser Umschaltschaltkreis kann,wie in 10 gezeigt, alsTeil einer Kaskade von Schaltern verwendet werden (wie aus der erwähnten PatentanmeldungSN 10/248 968 zu ent nehmen). Die in 10 gezeigteexemplarische Kaskade umfasst drei in Reihe verbundene SchalterX1, X2 und X3, obwohl es klar sein sollte, dass auch mehr als drei Schalterin der gezeigten Weise kaskadiert werden können. Die Zustände derSchalter X1 bis X3 werden mittels entsprechender Schaltersteuerschaltkreise C1bis C3 gesteuert. Ein (nicht gezeigter) digitaler Schaltkreis istvorhanden, der die Gatterausschaltspannung VN unddie Gattereinschaltspannung VP steuert.Dieser digitale Schaltkreis verfügt über einlokales Gedächtnishinsichtlich des Schaltzustands des Schalters. Eine externes Steuerungssystem(der Programmierungsschaltkreis 68 in 10) programmiert sämtliche Schalterspeicher ineinen der ZuständeEIN, AUS oder KEIN WECHSEL. Anschließend wird eine globale Ansteuerungsleitung 70 (siehe 10) verwendet, um den Zustandauf den tatsächlichenSchaltersteuerschaltkreis anzuwenden. Auf diese Weise sind VN und VP beide Null,bis die Ansteuerungsleitung betätigtwird. In diesem Zustand behältder Schalter von sich aus seinen letzten Zustand bei. Wenn die globaleAnsteuerungsleitung 70 angesteuert wird, wird der gespeicherteSchalterzustand auf den Schalter selbst übertragen, indem entweder VN auf High (Abschalten des Schalters), VP auf Low (Einschalten des Schalter) oderVN und VP beide aufLow gesetzt werden (keine Änderungdes Schalterzustands). Die Anschlüsse für die globale SchaltergattervorspannungsämtlicherSchalter X1–X3in 10 sind mit einemBus 72 verbunden. Die globale Ansteuerungsleitung 70 ermöglicht inVerbindung mit dem globalen Schaltergattervorspannungsbus 72,die Einschaltspannung jedes Schalters X1–X3 unabhängig zu programmieren. Genauergesagt bedeutet dies, dass jeder Schalter mit seiner eigenen einzigartigenGattereinschaltspannung programmiert werden kann, die eingesetztwerden kann, um die Einschaltwiderstände sämtlicher Schalter in dem Arrayeinzustellen, um herstellungsbedingte Abweichungen zu korrigieren.This switching circuit can, as in 10 shown, are used as part of a cascade of switches (as can be seen from the aforementioned patent application SN 10/248 968). In the 10 The exemplary cascade shown includes three switches X1, X2 and X3 connected in series, although it should be understood that more than three switches can be cascaded in the manner shown. The states of the switches X1 to X3 are controlled by means of corresponding switch control circuits C1 to C3. A digital circuit (not shown) is provided which controls the gate turn-off voltage V N and the gate turn-on voltage V P. This digital circuit has a local memory regarding the switch status of the switch. An external control system (the programming circuit 68 in 10 ) programs all switch memories in one of the states ON, OFF or NO CHANGE. Then a global control line 70 (please refer 10 ) used to apply the state to the actual switch control circuit. In this way, V N and V P are both zero until the drive line is actuated. In this state, the switch automatically retains its last state. If the global control line 70 is controlled, the saved switch state is transferred to the switch itself by either setting V N to high (switch off), V P to low (switch on) or V N and V P both to low (no change in switch state ). The global switch gate bias connections for all switches X1-X3 in 10 are on a bus 72 connected. The global control line 70 enabled in conjunction with the global switch gate bias bus 72 to independently program the switch-on voltage of each switch X1 – X3. More specifically, this means that each switch can be programmed with its own unique gate turn-on voltage that can be used to adjust the turn-on resistances of all switches in the array to correct manufacturing variations.
    [0050] Noch immer Bezug nehmend auf 10, kann ein erster UltraschalltransducerU1 durch den Ultraschalltreiber 66 betrieben werden, wennder Schalter X1 eingeschaltet ist; ein zweiter UltraschalltransducerU2 kann durch den Ultraschalltreiber 10 betrieben werden,wenn die Schalter X1 und X2 beide eingeschaltet sind; und ein dritterUltraschalltransducer U3 kann durch den Ultraschalltreiber 10 betriebenwerden, wenn sämtlicheSchalter X1, X2 und X3 eingeschaltet sind. Jeder Ultraschalltransducerkann ein Subelement einer der hier offenbarten Bauarten sein.Still referring to 10 , a first ultrasonic transducer U1 can be operated by the ultrasonic driver 66 be operated when the switch X1 is turned on; a second ultrasonic transducer U2 can be operated by the ultrasonic driver 10 be operated when switches X1 and X2 are both turned on; and a third ultrasonic transducer U3 can be driven by the ultrasonic driver 10 be operated when all switches X1, X2 and X3 are switched on. Each ultrasonic transducer can be a sub-element of one of the types disclosed here.
    [0051] Die vorliegende Erfindung nutzt dasKonzept einer Rekonfigurierbarkeit von Arrays. Die nachfolgendenBeispiele sollen nicht sämtlicheMöglichkeitenabdecken, aus denen Vorteile gezogen werden können, sondern dienen vielmehrder Veranschaulichung.The present invention takes advantage of thisConcept of reconfigurability of arrays. The followingNot all are examplespossibilitiescover from which benefits can be drawn, but rather serveof illustration.
    [0052] Im Falle von bekannten nicht mosaikförmigen kreisringförmigen Arraysist es gewöhnlich üblich, diesenäherungs weisemit übereinstimmenden Flächen zufertigen, bei denen das zentrale Element und die Kreisringe alledie gleiche Flächeaufweisen. Dieser Ansatz bedingt, dass die Phasenverschiebung über jedesElement hinweg konstant ist. Dies sorgt außerdem dafür, dass sämtliche Elementimpedanzen einheitlichsind, woraus eine übereinstimmendeLast fürdie Schaltung resultiert, die die Elemente betreibt und von diesenempfängt.Dies trägt dazubei, dass der Spektralanteil von jedem Element nahezu einheitlichist, und maximiert daher die Kohärenzder Abstrahlungs- und Empfangsstrahlformungsprozesse.In the case of known non-mosaic circular arraysit is usually common to do thisapproximatewith matching surfacesmanufacture, in which the central element and the circular rings allthe same areaexhibit. This approach requires that the phase shift over eachElement is constant. This also ensures that all element impedances are uniformare what makes a matchLoad forthe circuit results that operates the elements and by thesereceives.This helpsat that the spectral component of each element is almost uniformand therefore maximizes coherencethe radiation and reception beam shaping processes.
    [0053] Allerdings zeigen Rechnersimulationen, dassder Ansatz der Verwendung gleicher Flächen die Nahfeldleistung desArrays aufgrund der beschränktenAnzahl von Elementen, die im Nahfeld ins Spiel kommen, begrenzt.Eine alternative Konstruktion wird als die Konstruktion mit konstantemBlendenwert bezeichnet, die fürflache (nicht vorfokussierte) kreisringförmige Arrays zu verwenden ist.Bei diesem Ansatz wird versucht, über den interessierenden Bereichhinweg einen konstanten Blendenwert aufrecht zu erhalten, bis dieGrenze des Öffnungswertserreicht ist. Diese Konstruktionen und andere Abwandlungen lassensich ohne weiteres mit den hier offenbarten rekonfigurierbaren Arraysvon MUT-Subelementendurchführen.However, computer simulations show that the use of equal areas limits the array's near field performance due to the limited number of elements that come into play in the near field. An alternative construction is called the constant aperture design to be used for flat (not pre-focused) circular arrays. This approach attempts to maintain a constant aperture value across the area of interest until the aperture value limit is reached. These constructions and other modifications can easily be opened with the here beard reconfigurable arrays of MUT sub-elements.
    [0054] Es sollte beachtet werden, dass dieRekonfigurierbarkeit von MUTs eine große Verallgemeinerung hinsichtlichder Form und Abmessung eines Mosaikarrayelements ermöglicht.Einige klinisch Anwendungen erfordern möglicherweise andere Konfigurationen,beispielsweise elliptische Konfigurationen (falls Elevationsobjektiveverwendet werden) oder möglichespärlicheArray-Designs.It should be noted that theReconfigurability of MUTs is a great generalization in terms ofthe shape and dimension of a mosaic array element.Some clinical applications may require different configurations,for example elliptical configurations (if elevation lensesused) or possiblesparseArray designs.
    [0055] Eine integrierte Elektronik innerhalbdes MUT-Arraysubstratsermöglichtes, das elementare Muster oder die Konfiguration des Arrays raschumzuschalten. Ein Vorteil, der hierdurch für die akustische Performancebesteht, ist die Möglichkeitfür die Abstrahlungund den Empfang überjeweils unterschiedliche Blendenöffnungzu verfügen.Es ist möglich,für dasAbstrahlen die optimale Blende füreine feststehende Schärfentiefezu konfigurieren, währendfür denEmpfang eine Öffnungimplementiert werden kann, die sich für einen dynamisch veränderndenFokus (oder Öffnungoder Apodisation) eignet. Diese ist nicht auf ein Verändern derGröße der Öffnung beschränkt (beispielsweiselassen sich sämtlicheSystemkanälesowohl fürdas Abstrahlen als auch den Empfang verwenden).Integrated electronics insideof the MUT array substrateallowsit, the elementary pattern or the configuration of the array quicklyswitch. This is an advantage for acoustic performanceis the possibilityfor radiationand receiving overeach different apertureto dispose of.It is possible,for theBlast the optimal aperture fora fixed depth of fieldto configure whilefor theReceiving an openingcan be implemented for a dynamically changingFocus (or openingor apodization). This is not due to changing theLimited opening size (for examplecan allsystem channelsas well asuse the radiation as well as the reception).
    [0056] Ein rekonfigurierbarer Array stelltdie Möglichkeitzur Verfügung,Strahlen durch ein Gruppieren jener Subelemente zu steuern, diefür dengegebenen Strahl ähnlicheVerzögerungswerteaufweisen. Währendein Querstrahl Gruppierungen aufweist, die als kreisförmige Ringegestaltet sind, haben Strahlen, die abseits der Senkrechten gesteuertsind, bogenförmigeGruppierungen.A reconfigurable array providesthe possibilityto disposal,To control rays by grouping those sub-elements thatfor thegiven beam similarstopping powerexhibit. Whilea cross beam has groupings that are circular ringsare designed to have rays that are steered away from the verticalare arcuateGroupings.
    [0057] Der Strahl lässt sich dreidimensional, d.h. sowohl in der Azimut- als auch Elevationsrichtung steuern. Dergesteigerte Wert der rekonfigurierbaren Konstruktion liegt darin,dass sich diese gesteuerten Strahlen mit einer geringeren Anzahlan Systemkanälenverwirklichen lassen, da eine typische phasengesteuerte Arrayantennedas akustische Feld bei flachen Steuerwinkeln stark überabtastet.Die Strahlsteuerung kann also mit einer beschränkten Anzahl von Kanälen erreichtwerden, indem Elemente entsprechend der erforderlichen Zeitverzögerung effizientin der Mosaikkonstruktion gruppiert werden. Die Anzahl von diskretenVerzögerungen,die benötigt werden,hängt vondem Pegel der Nebenkeulen ab, die auftauchen, während die Grobteilung des räumlichenAbtastens erhöhtwird.The beam can be three-dimensional, i.H. control in both the azimuth and elevation directions. Theincreased value of the reconfigurable construction lies inthat these controlled beams have fewer numberson system channelscan be realized as a typical phased array antennathe acoustic field strongly oversampled at flat steering angles.Beam control can therefore be achieved with a limited number of channelsbecome efficient by elements according to the required time delaybe grouped in the mosaic construction. The number of discretedelaysthat are neededdepends onthe level of the side lobes that appear, while the rough division of the spatialScanning increasedbecomes.
    [0058] Es ist allgemein bekannt, dass abrupteAmplitudenänderungenaufgrund eines mit dem Gibbs-Phänomenverwandten Prozesses an der Abstrahlöffnung Seitenkeulen mit größeren Amplituden erzeugen.Im Falle von eindimensionalen Arrays verwenden die meisten Herstellereine Gewichtung (oder Apodisation), um diese Nebenkeulen zu reduzieren.Bei kreisringförmigenMosaikarrays, die bezüglichder Flächedes Arrays in eine senkrechte Richtung abstrahlen, kann die Apodisationauf die einzelnen Ringe des Arrays angewandt werden. Diese ist miteinem strahlgesteuerte Kreisringmosaikarray nicht mehr möglich, daauf sämtlicheBogen eine konstante Amplitude angewandt werden müsste, und dieseBogen an den Rändernder Öffnungdes Kreisringmosaikarrays enden. Um dieses Problem zu umgehen, istes möglich,die Vorspannung überdie Öffnunghinweg zu modifizieren, um eine sphärische (oder anders gestaltete) Änderung über dieMUT-Zellen hinweg zu erzeugen und dadurch den Strahlformungsprozessnach Bedarf zu variieren. Im Allgemeinen bedeutet dies ein Steuernder Vorspannung überdie aktive Öffnunghinweg. Ein weiters Mal hängtder Grad, wie diskret diese Steuerung arbeiten soll, von der gewünschtenStrahlqualitätund der vertretbaren Schaltkreiskomplexität ab. Bei Verwendung der Vorspannung,um die Form der Apodisation einzurichten, lässt sich die Apodisation auchdann besser steuern, wenn Kreisringe verwendet werden, da die Formder Apodisationsfunktion von den Subelementen abhängt, undnicht von den Kreisringen.It is common knowledge that abruptamplitude changesdue to one with the Gibbs phenomenonrelated process at the radiation opening generate side lobes with larger amplitudes.Most manufacturers use in the case of one-dimensional arraysa weighting (or apodization) to reduce these side lobes.With circularMosaic arrays related tothe areaof the array in a vertical direction, the apodizationapplied to the individual rings of the array. This is witha beam-controlled circular ring mosaic array is no longer possible becauseon allArc a constant amplitude would have to be applied, and thisArch on the edgesthe openingof the annulus mosaic array. To work around this problem isit possiblethe bias overthe openingModify away to make a spherical (or otherwise designed) change across theGenerate MUT cells and thereby the beamforming processto vary as needed. Generally this means taxthe bias overthe active openingtime. Another hangthe degree to which this control should work discreetly from the desired onebeam qualityand the acceptable circuit complexity. When using the preload,To set up the form of apodization, apodization can also be usedbetter control when using circular rings because of the shapethe apodization function depends on the sub-elements, andnot from the circular rings.
    [0059] Weiter ist die akustische Empfindlichkeitvon Subelementen aufgrund von Fertigungsabweichungen möglicherweise über denArray hinweg nicht einheitlich. Da die Empfindlich keit von der Vorspannung abhängt, kannein unabhängigesEinstellen dieser Spannung fürjedes Subelement die Empfindlichkeitsänderung kompensieren.Another is the acoustic sensitivityof sub-elements due to manufacturing deviations possibly over theArray not uniform. Since the sensitivity depends on the preload, canan independentSet this voltage foreach sub-element compensate for the change in sensitivity.
    [0060] Die Qualität der Strahlformung kann periodisch überprüft werden,indem die Echos, die durch jedes Subelement (oder jede Gruppe vonSubelementen) in dem Array empfangen werden, isoliert werden, unddie zeitliche Beziehung der Echos mit jenen der Summe sämtlicherMosaikarrayelemente (der Strahlsumme) verglichen wird. Dieses Subelement(bzw. diese Gruppe) kann dann abhängig von der Beziehung seiner(ihrer) Phase oder Zeitverzögerunggegenüberdem Strahlsummensignal einem anderen Kreisring oder Bogen neu zugeordnetwerden.The quality of the beam shaping can be checked periodically,by the echoes generated by each sub-element (or group ofSub-elements) are received, isolated, andthe temporal relationship of the echoes with that of the sum of allMosaic array elements (the beam sum) is compared. This sub-element(or this group) can then depend on the relationship of itsphase or time delayacross fromreassigned the beam sum signal to another circular ring or arcbecome.
    [0061] Die hier offenbarten Mosaikarrayanordnungenbringen ferner die Vorteile einer großen Bandbreite ein. Es wirderwartet, dass durch das Verwenden von Mosaikarrayanordnungen, insbesonderein der kreisringförmigenMosaikkonfiguration, aufgrund der ermöglichten besseren Kontrolle über dasakustische Feld, höhereEnergieanteile an Oberschwingungen zu erzielen sind als mit rechteckigen Öffnungen.Es wird ferner antizipiert, dass sich diese zusätzliche Oberwellenenergie aufgrundder großen Bandbreitevon MUTs leichter erfassen lässt.The mosaic array arrangements disclosed herealso bring the benefits of a wide range. It willexpects that by using mosaic array arrangements, in particularin the circularMosaic configuration, because of the better control over itacoustic field, higherEnergy components of harmonics can be achieved than with rectangular openings.It is also anticipated that this additional harmonic energy is due tothe wide rangemakes it easier for MUTs to grasp.
    [0062] Was die Breitbandleistung betrifft,ist die Wahrscheinlichkeit, zweite Oberschwingungen bildgebend zuerfassen, mittels des hier offenbarten Ansatzes einer Mosaikarrayanordnungweitaus höher (gegenwärtige Systemenutzen lediglich die erste Oberschwingung).As for broadband performanceis the probability of imaging second harmonics toousing the approach of a mosaic array arrangement disclosed heremuch higher (current systemsonly use the first harmonic).
    [0063] Darüber hinaus schaffen die hieroffenbarten Mosaikarrayanordnungen Vorteile für die Strahlform. Technikenwie die Charakterisierung von Gewebe ziehen aus der Verwendung vonVorrichtungen mit großerBandbreite, wie es MUTs sind, unmittelbar Vorteile. Dies ist daraufzurückzuführen, dassdie Charakteristik von Gewebe aufgrund der hervorragenden Auflösung besserabgetastet wird.They also create heredisclosed mosaic array arrangements for beam shape advantages. techniqueshow to characterize tissue from usingDevices with largeBandwidth, as MUTs are, immediately benefits. This is on itattributed to thatthe characteristics of tissue better due to the excellent resolutionis scanned.
    [0064] Zusammenfassend ermöglicht diehier offenbarte Erfindung eine überragendeStrahlleistung, darin eingeschlossen eine reduzierte Scheibendicke,in Elevationsrichtung dynamisch fokussierte Strahlen und eine Rekonfigurierbarkeitdes Arrays, um die akustische Leistung oder den Einsatz für spezielleklinische Situationen zu verbessern. Die Erfindung reduziert aufgrundder geringeren Kanalzahl darüber hinausdie Systemkomplexität,wodurch ein Senken des Energieverbrauchs, eine Reduzierung der Kostenund eine Steigerung des Tragekomforts ermöglicht werden.In summary, thethe invention disclosed here is outstandingBeam power, including a reduced slice thickness,Beams dynamically focused in the elevation direction and reconfigurabilityof the array to the acoustic performance or use for specialimprove clinical situations. The invention is reduced due tothe lower number of channelsthe system complexity,thereby reducing energy consumption, reducing costsand an increase in comfort are made possible.
    [0065] Die Kombination von MUT-Technologiemit Mosaikarrayanordnungen macht es möglich, Elemente mit geringenKontaktabständenzu rekonfigurieren, um akustische Phasenfronten anzupassen, waserforderlich ist, um übereinen breiten Be reich unterschiedlicher Ultraschallanwendungen eineausgezeichnete Bildqualitätzu erreichen. Die MUT-Zellen sind außerdem resonanzfreie Konstruktionen. Ausdiesem Grund sind sie in der Lage, über einen erheblich größeren Frequenzbereichzu arbeiten, als dies mit herkömmlichenpiezokeramischen Arrays möglichist. Die Mosaikarraytechnologie wird in Echtzeit zweidimensionaleund elektronisch betrieben dreidimensionale Bildgebung ermöglichen,mit einer erheblich feineren Formung und Steuerung des Strahls,als bei Arrays nach dem gegenwärtigen Standder Technik.The combination of MUT technologywith mosaic array arrangements makes it possible to have elements with lowContact intervalsto reconfigure to match acoustic phase fronts whatis required to overa wide range of different ultrasound applicationsexcellent image qualityto reach. The MUT cells are also resonance-free designs. Outbecause of this, they are able to operate over a much wider frequency rangeto work than with conventional onesPiezoceramic arrays possibleis. The mosaic array technology becomes two-dimensional in real timeand enable electronically operated three-dimensional imaging,with a significantly finer shaping and control of the beam,than with current arraysof the technique.
    [0066] Ein Ultraschalltransducerarray enthält eine Vielzahlvon Subelementen (U1, U2, U3), die durch eine Vielzahl von mikroelektronischenSchaltern (X1, X2, X3) miteinander verschaltet sind, wobei jedesSubelement eine entsprechende Vielzahl von mikrobearbeiteten Ultraschalltransducer-(MUT)-Zellen (2) aufweist.Die MUT-Zellen innerhalb eines speziellen Subelements sind miteinanderfest verdrahtet. Die Schalter werden verwendet, um die Subelementezu konfigurieren, um mehrfache konzentrische ringförmige Elementezu bilden. Diese Konstruktion reduziert die Komplexität erheblich,und ermöglichtdabei ein Fokussieren in der Elevationsrichtung während einerUltraschallbilddatenerfassung.An ultrasound transducer array contains a multiplicity of sub-elements (U1, U2, U3) which are interconnected by a multiplicity of microelectronic switches (X1, X2, X3), each sub-element a corresponding multiplicity of micromachined ultrasound transducer (MUT) cells ( 2 ) having. The MUT cells within a special sub-element are hard-wired together. The switches are used to configure the sub-elements to form multiple concentric annular elements. This design significantly reduces complexity, and allows focusing in the elevation direction during ultrasound image data acquisition.
    [0067] Währenddie Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschriebenwurde, ist es dem Fachmann klar, dass an deren Elementen vielfältige Änderungenvorgenommen werden können,und die Beispiele durch äquivalenteAusführungensubstituiert werden können,ohne dass der Schutzumfang der Erfindung berührt ist. Darüber hinauskönnenviele Abwandlungen durchgeführtwerden, um eine spezielle Situati on an die Lehre der Erfindung anzupassen,ohne von dem hauptsächlichen Gegenstandder Erfindung abzuweichen. Demzufolge ist es nicht beabsichtigt,die Erfindung auf das spezielle Ausführungsbeispiel zu beschränken, das alsdie am besten geeignete Weise der Verwirklichung der Erfindung erachtetwird, vielmehr soll die Erfindung sämtliche Ausführungsbeispieleeinbeziehen, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.Whilethe invention is described on the basis of preferred exemplary embodimentsit is clear to the person skilled in the art that there are various changes to their elementscan be madeand the examples by equivalentsversionscan be substitutedwithout affecting the scope of the invention. Furthermorecancarried out many modificationsto adapt a special situation to the teaching of the invention,without the main subjectto deviate from the invention. As a result, it is not intendedto limit the invention to the specific embodiment which asdeemed the most appropriate way to practice the inventionrather, the invention is intended to cover all exemplary embodimentsinclude that fall within the scope of the appended claims.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1]
    Mosaikarrayanordnung mit einer Vielzahl von Subelementen(U1, U2, U3), wobei jedes der Subelemente eine entsprechende Vielzahlvon mikrobearbeiteten Ultraschalltransducer-(MUT)-Zellen (2)aufweist, und wobei jede MUT-Zelle eine obere Elektrode (12)und eine untere Elektrode (10) aufweist , wobei die obereElektroden der MUT-Zellen, die ein beliebiges spezielles Subelementbilden, miteinander fest verdrahtet sind, und die untere Elektrodenjener besagten MUT-Zellen miteinander fest verdrahtet sind.Mosaic array arrangement with a multiplicity of sub-elements (U1, U2, U3), each of the sub-elements a corresponding multiplicity of micromachined ultrasonic transducer (MUT) cells ( 2 ), and wherein each MUT cell has an upper electrode ( 12 ) and a lower electrode ( 10 ), wherein the upper electrodes of the MUT cells, which form any special sub-element, are hard-wired to one another, and the lower electrodes of those MUT cells are hard-wired to one another.
    [2]
    Mosaikarrayanordnung nach Anspruch 1, zu der fernereine Vielzahl von Schaltern (X1, X2, X3) gehören, wobei jeder aus der Vielzahlvon Schaltern mit einem entsprechenden der Subelemente verbundenist.The mosaic array assembly of claim 1, further comprisinga variety of switches (X1, X2, X3) belong, each of the varietyof switches connected to a corresponding one of the sub-elementsis.
    [3]
    Mosaikarrayanordnung nach Anspruch 2, zu der fernerein Halbleitersubstrat (4) gehört, wobei die Schalter innerhalbdes Halbleitersubstrats hergestellt sind und die c-MUT-Zellen auf dem Halbleitersubstrathergestellt sind.A mosaic array device according to claim 2, further comprising a semiconductor substrate ( 4 ) belongs, wherein the switches are made within the semiconductor substrate and the c-MUT cells are made on the semiconductor substrate.
    [4]
    Mosaikarrayanordnung nach Anspruch 2, zu der fernerein Programmierungsschaltkreis (66) gehört, der die Vielzahl von Schalternsteuert.A mosaic array arrangement according to claim 2, further comprising a programming circuit ( 66 ) that controls the multitude of switches.
    [5]
    Mosaikarrayanordnung nach Anspruch 4, bei der derProgrammierungsschaltkreis die Schalter geeignet steuert, so dasseingeschaltete Subelemente einen im Wesentlichen kreisförmigen Ringbilden.Mosaic array arrangement according to claim 4, the programming circuit controls the switches in a suitable manner so that switched-on sub-elements form an essentially circular ring.
    [6]
    Ultraschalltransducerarray mit einer Vielzahl vonSubelementen (U1, U2, U3), die durch eine Vielzahl von mikroelektronischenSchaltern miteinander verschaltet sind, wobei jedes Subelement eineentsprechende Vielzahl von MUT-Zellenaufweist, und jede MUT-Zelle innerhalb eines speziellen Subelementsverdrahtet ist.Ultrasonic transducer array with a variety ofSub-elements (U1, U2, U3) by a variety of microelectronicSwitches are interconnected, with each sub-element onecorresponding variety of MUT cellsand each MUT cell within a special sub-elementis wired.
    [7]
    Array nach Anspruch 6, ferner mit Programmierungsmitteln(68), die dazu dienen, ausgewählte Subelemente miteinanderzu verbinden, um entsprechende Elemente zu bilden.Array according to claim 6, further comprising programming means ( 68 ), which serve to connect selected sub-elements with each other to form corresponding elements.
    [8]
    Array nach Anspruch 7, bei dem die entsprechendenElemente mehrfache konzentrische Kreisringe eines elektronisch geformtenringförmigenArrays bilden.The array of claim 7, wherein the correspondingElements of multiple electronically shaped concentric annuliannularForm arrays.
    [9]
    Array nach Anspruch 7, bei dem die Subelemente während desAbstrahlens in einer ersten Konfiguration und während des Empfangs in einerzweiten Konfiguration miteinander verschaltet sind, wobei sich dieerste und zweite Konfiguration voneinander unterscheiden.The array of claim 7, wherein the sub-elements during theBlasting in a first configuration and during reception in onesecond configuration are interconnected, thedistinguish first and second configuration from each other.
    [10]
    Ultraschalltransducer umfassend: eine Vielzahl vonMUT-Zellen (2), wobei jede MUT-Zelle eine entsprechendeobere Elektrode (12) und eine entsprechende untere Elektrode(10) umfasst, bei der die oberen Elektroden der MUT-Zellenmiteinander fest verdrahtet sind, und die unteren Elektroden der MUT-Zellenmiteinander fest verdrahtet sind; ein mikroelektronischer Schalter(X1) mit einem Ausgangsanschluss, der mit den miteinander verschaltetenoberen Elektroden oder mit den miteinander verschalteten unterenElektroden verbunden ist; und ein Treiberschaltkreis (66)mit einem Ausgangsanschluss, der mit einem Eingangsanschluss desmikroelektronischen Schalters verbunden ist, um die Vielzahl vonMUT-Zellen zu betreiben,um Ultraschallwellen zu erzeugen, wenn der mikroelektronische Schaltereingeschaltet wird.Ultrasound transducer comprising: a variety of MUT cells ( 2 ), with each MUT cell having a corresponding top electrode ( 12 ) and a corresponding lower electrode ( 10 ) in which the upper electrodes of the MUT cells are hard-wired to one another and the lower electrodes of the MUT cells are hard-wired to one another; a microelectronic switch (X1) with an output connection which is connected to the interconnected upper electrodes or to the interconnected lower electrodes; and a driver circuit ( 66 ) with an output terminal connected to an input terminal of the microelectronic switch to operate the plurality of MUT cells to generate ultrasonic waves when the microelectronic switch is turned on.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    CN1527414A|2004-09-08|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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