專利名稱：超聲波探頭的多層阻抗匹配結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本文所公開的主題涉及超聲波探頭(ultrasound probe)，更具體來說，涉及超聲波探頭中的聲學(xué)疊層(acoustical stack)。
背景技術(shù)：
超聲波探頭通常具有許多各自與探頭的成像元件對應(yīng)的聲學(xué)疊層。各聲學(xué)疊層具 有以堆疊配置附連在一起的若干層。疊層中的壓電層由具有高阻抗的壓電材料、例如壓電 陶瓷形成。匹配(matching)層設(shè)置在壓電層的頂側(cè)，以便在具有高阻抗的壓電層與探頭中 具有低阻抗的外部或透鏡之間變換聲阻抗。低阻抗可基于待掃描的水、人體或者其它對象 的聲阻抗。許多探頭包括基于四分之一波長匹配的兩個(gè)匹配層，其中每個(gè)匹配層大約四分 之一波長厚。各四分之一波長匹配層用于變換有限寬帶中的阻抗。使用兩個(gè)四分之一波長 匹配層將帶寬范圍限制在80%與90%之間。為了在較大帶寬中實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，需要較大數(shù) 量的四分之一波長匹配層。但是，增加四分之一波長匹配層的數(shù)量極大地增加疊層的厚度， 并且增加信號衰減。另外，堆疊材料變得越來越難以切割，并且可能難以在仍然控制預(yù)期幾 何形狀和阻抗的同時(shí)找到用于每個(gè)四分之一波長匹配層的適當(dāng)材料。另外，已經(jīng)提出使用具有連續(xù)變化阻抗的材料的梯度或分級(graded)匹配層或 者具有不同聲阻抗的多種不同材料的多個(gè)層來代替離散的四分之一波長匹配層。但是，這 些分級匹配層配置要求匹配層的總厚度過厚。僅當(dāng)分級匹配層的厚度在至少一個(gè)或兩個(gè)波 長的范圍之內(nèi)時(shí)，才實(shí)現(xiàn)良好的匹配特性。在這種厚度，發(fā)生超聲波信號的強(qiáng)衰減。切割操 作因?qū)拥暮穸榷浅＠щy，因?yàn)榍懈顚τ谳^厚層是困難的，而對于薄的層則不是，并且要求 高的刀片曝露量。但是，如果分級匹配層的厚度小于一個(gè)波長，則將產(chǎn)生帶寬中的不良匹配 或鳴振(ringing)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，用于超聲波探頭的聲學(xué)疊層包括具有頂側(cè)和底側(cè)的壓電層以 及形成匹配層結(jié)構(gòu)的多個(gè)匹配層段(section)。每個(gè)匹配層段包括包含第一材料的彈簧 (spring)層以及包含與第一材料不同的第二材料的質(zhì)量(mass)層。位于最接近壓電層的 匹配層段中的彈簧層比其它匹配層段中的彈簧層薄。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于形成超聲波探頭的聲學(xué)疊層的匹配層結(jié)構(gòu)的方法， 包括形成第一匹配層段，所述第一匹配層段包括在第一匹配層段的底側(cè)的彈簧層以及在第 一匹配層段的頂側(cè)的質(zhì)量層。第一匹配層段的底側(cè)配置成附連到壓電層和四分之一波長匹 配層中之一。彈簧層包括彈簧材料，并且質(zhì)量層包括阻抗高于彈簧材料的質(zhì)量材料。形成 至少一個(gè)附加匹配層段，所述附加匹配層段包括在附加匹配層段的底側(cè)的彈簧層以及在附 加匹配層段的頂側(cè)的質(zhì)量層。附加匹配層段的底側(cè)配置成附連到第一匹配層段的頂側(cè)。彈 簧層包括彈簧材料，且質(zhì)量層包括質(zhì)量材料。
在又一個(gè)實(shí)施例中，一種用于形成超聲波探頭的聲學(xué)疊層的匹配層結(jié)構(gòu)的方法， 包括通過形成包括彈簧材料的彈簧層并且在彈簧層上形成包括質(zhì)量材料的質(zhì)量層，形成 第一匹配層段。質(zhì)量材料具有高于彈簧材料的密度。通過形成與包括質(zhì)量材料的質(zhì)量層交 替的、包括彈簧材料的彈簧層，在第一匹配層段之上形成N個(gè)匹配層段。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成的超聲波系統(tǒng)。 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成的具有三維(3D)能力的小型化超聲波系統(tǒng)。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成的移動超聲波成像系統(tǒng)。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成的手?jǐn)y式或袖珍超聲波成像系統(tǒng)。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成的用于超聲波探頭的匹配層結(jié)構(gòu)。圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成的用于四分之一波長傳輸線的集總電路 (lumped circuit)，其提供構(gòu)建圖5的匹配層結(jié)構(gòu)所用的匹配層段的機(jī)械性質(zhì)的電等效。圖7-10示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、基于圖5的匹配層結(jié)構(gòu)的帶寬性能的聲學(xué) 模擬。圖11示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、用于確定要包含在探頭的匹配層結(jié)構(gòu)中的 匹配層段的數(shù)量的方法。圖12示出包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成的匹配層結(jié)構(gòu)和四分之一波長匹配
層的聲學(xué)疊層。
具體實(shí)施例方式上述發(fā)明內(nèi)容以及下面對本發(fā)明的某些實(shí)施例的詳細(xì)描述在結(jié)合附圖閱讀時(shí)將 會被更好地理解。在附圖示出各個(gè)實(shí)施例的功能塊的簡圖的意義上，這些功能塊不一定指 示硬件電路之間的劃分。因此，例如，這些功能塊中的一個(gè)或多個(gè)(例如處理器或存儲器) 可在單片硬件(例如，通用信號處理器或隨機(jī)存取存儲器、硬盤等)中實(shí)現(xiàn)。類似地，程序可 以是獨(dú)立程序，可以作為子例程合并到操作系統(tǒng)中，可以是已安裝軟件包中的功能，等。應(yīng) 當(dāng)理解，各個(gè)實(shí)施例不限于附圖所示的布置和工具。本文所使用的、以單數(shù)形式所述并且冠有詞“一個(gè)”或“一種”的要素或步驟應(yīng)該 被理解為不排除多個(gè)所述要素或步驟的情況，除非明確說明了這種排除情況。此外，本發(fā)明 中對“一個(gè)實(shí)施例”的引用不是意在解釋為排除同樣結(jié)合了所述特征的其它實(shí)施例的存在。 此外，除非相反的明確說明，否則，“包括”或“具有”帶特定性質(zhì)的要素或多個(gè)要素的實(shí)施例 可包括別的沒有那種性質(zhì)的這類要素。圖1示出包括發(fā)射器102的超聲波系統(tǒng)100，發(fā)射器102驅(qū)動探頭106中的元件 (例如壓電元件)陣列104，以便將脈沖超聲波信號發(fā)射到體內(nèi)。探頭106可包括匹配層結(jié) 構(gòu)(如圖5和圖12所示)。元件104例如可設(shè)置成一維或二維?？墒褂酶鞣N幾何形狀。系 統(tǒng)100可具有用于容納探頭106的探頭端口 120，或者探頭106可硬連線到系統(tǒng)100。超聲波信號從人體的結(jié)構(gòu)、如脂肪組織或肌肉組織背散射(back-scatter)，以便 產(chǎn)生返回到元件104的回波?；夭ㄓ山邮掌?08接收。所接收的回波經(jīng)過波束形成器110，所述波束形成器110執(zhí)行波束形成并且輸出射頻(RF)信號。然后，RF信號經(jīng)過RF處理器 112。備選地，RF處理器112可包括復(fù)合解調(diào)器(未示出)，所述復(fù)合解調(diào)器對RF信號進(jìn)行 解調(diào)以便形成表示回波信號的同相和正交(in-phaseand qudrature :IQ)數(shù)據(jù)對。然后，RF 或IQ信號數(shù)據(jù)可被直接路由到存儲器114以供存儲。超聲波系統(tǒng)100還包括處理器模塊116，以便處理所獲超聲波信息(例如RF信號 數(shù)據(jù)或IQ數(shù)據(jù)對)，并且準(zhǔn)備超聲波信息幀以供在顯示器118上的顯示。處理器模塊116 適合對所獲超聲波信息按照多個(gè)可選超聲波形態(tài)(modality)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)處理操作。 所獲超聲波信息可在接收回波信號時(shí)在掃描會話期間實(shí)時(shí)處理和顯示。作為補(bǔ)充或替代， 超聲波信息可在掃描會話 期間暫存在存儲器114或存儲器122中，然后以離線操作進(jìn)行處 理和顯示。用戶接口 124可用于向系統(tǒng)100輸入數(shù)據(jù)、調(diào)整設(shè)定以及控制處理器模塊116的 操作。用戶接口 124可具有鍵盤、軌跡球和/或鼠標(biāo)以及多個(gè)旋鈕、開關(guān)或例如觸摸屏的其 它輸入裝置。顯示器118包括向用戶呈現(xiàn)包括診斷超聲波圖像的患者信息以供診斷和分析 的一個(gè)或多個(gè)監(jiān)視器。存儲器114和存儲器122中的一個(gè)或兩個(gè)可存儲超聲波數(shù)據(jù)的二維 (2D)和/或三維(3D)數(shù)據(jù)集，其中存取(access)這類數(shù)據(jù)集以便呈現(xiàn)2D和3D圖像。還 可隨時(shí)間獲取和存儲多個(gè)連續(xù)3D數(shù)據(jù)集，例如以便提供實(shí)時(shí)3D或四維(4D)顯示。通過使 用用戶接口 124，可修改圖像并且也手動調(diào)整顯示器118的顯示設(shè)定。圖2示出具有3D能力的小型化超聲波系統(tǒng)130，它具有可包括匹配層結(jié)構(gòu)的探頭 132。探頭132可配置成獲取3D超聲波數(shù)據(jù)。例如，探頭132可具有先前針對圖1的探頭 106所述的換能器元件的2D陣列104。提供(也可包括集成顯示器136的)用戶接口 134， 以接收來自操作人員的命令。本文所使用的“小型化”表示超聲波系統(tǒng)130是手持或手?jǐn)y式裝置，或者配置成用 人手、口袋、公文包大小的小箱或背包來攜帶。例如，超聲波系統(tǒng)130可以是具有典型膝上 型計(jì)算機(jī)大小_例如具有大約2. 5英寸厚、大約14英寸寬及大約12英寸高的尺寸的手?jǐn)y式 裝置。超聲波系統(tǒng)130可重大約10磅，因而易于操作人員攜帶。還提供集成顯示器136 (例 如內(nèi)部顯示器)，并且將它配置成顯示醫(yī)療圖像。超聲波數(shù)據(jù)可經(jīng)由有線或無線網(wǎng)絡(luò)140(或者直接連接，例如經(jīng)由串行或并行電 纜或USB端口)發(fā)送到外部裝置138。在一些實(shí)施例中，外部裝置138可以是具有顯示器的 計(jì)算機(jī)或者工作站。備選地，外部裝置138可以是能夠從手?jǐn)y式超聲波系統(tǒng)130接收圖像 數(shù)據(jù)并且能夠顯示或打印圖像的獨(dú)立外部顯示器或者打印機(jī)，其可具有比集成顯示器136 高的分辨率。應(yīng)當(dāng)注意，各個(gè)實(shí)施例可結(jié)合具有不同尺寸、重量和功耗的小型化超聲波系統(tǒng) 來實(shí)現(xiàn)。圖3示出設(shè)置在活動底座146上的移動超聲波成像系統(tǒng)144。超聲波成像系統(tǒng)144 又可稱作基于推車的系統(tǒng)。提供顯示器142和用戶接口 148，并且應(yīng)當(dāng)理解，顯示器142可 獨(dú)立于用戶接口 148或者可與其分離。系統(tǒng)144具有至少一個(gè)探頭端口 150，用于接納可包 括匹配層結(jié)構(gòu)的探頭(未示出)?？蛇x地，用戶接口 148可以是觸摸屏，從而允許操作人員通過觸摸所顯示的圖形、 圖標(biāo)等選擇選項(xiàng)。用戶接口 148還包括控制按鈕152，所述控制按鈕可用于根據(jù)預(yù)期或需要 和/或按照通常所提供來控制超聲波成像系統(tǒng)144。用戶接口 148提供多個(gè)接口選項(xiàng)，用戶可物理操作所述接口選項(xiàng)以便與可被顯示的超聲波數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，以及輸入信息并設(shè)置與改變掃描參數(shù)。接口選項(xiàng)可用于特定輸入、可編程輸入、文本輸入等。例如可提 供鍵盤154和軌跡球156。圖4示出手?jǐn)y式或袖珍超聲波成像系統(tǒng)170，其中顯示器172和用戶接口 174形 成單個(gè)單元。作為示例，袖珍超聲波成像系統(tǒng)170可以是大約2英寸寬、大約4英寸長且大 約0. 5英寸厚及重量小于3盎司。顯示器172可以是例如320 X 320像素彩色I(xiàn)XD顯示器 (在其上可顯示醫(yī)療圖像176)。可選地，按鈕182的打字機(jī)式鍵盤180可以包含在用戶接 口 174中。可包括匹配層結(jié)構(gòu)的探頭178與系統(tǒng)170互連。可按照系統(tǒng)操作模式各自給多功能控件(control) 184分配功能。因此，多功能控 件184中的每個(gè)可配置成提供多個(gè)不同動作。必要時(shí)，與多功能控件184關(guān)聯(lián)的標(biāo)簽顯示區(qū) 域186可包含在顯示器172上。系統(tǒng)170可具有用于特殊功能的附加按鍵和/或控件188， 所述特殊功能可包括但不限于“凍結(jié)(freeze)”、“深度控制”、“增益控制”、“彩色模式”、“打 印”和“存儲”。本文所述的匹配層結(jié)構(gòu)可在超聲波探頭106的聲學(xué)疊層中用來取代四分之一波 長匹配層或分級匹配層中至少之一。至少一個(gè)實(shí)施例的技術(shù)效果在于，基于集總機(jī)械匹配 電路(在本文中又稱作集總電路)的機(jī)械等效可用于近似通過匹配層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的分級阻抗 錐度(taper)。集總機(jī)械匹配電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)使用具有所選機(jī)械性質(zhì)的薄材料層的組合來 形成。具有不同機(jī)械性質(zhì)的層的組件將模仿等效質(zhì)量和彈簧振蕩器。匹配層結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)在本文中稱作匹配層段的匹配層等效段。每個(gè)匹配層 段包括可在層中形成的至少兩種材料。這兩種材料根據(jù)材料的機(jī)械性質(zhì)來選取。例如，所 述材料中之一，在本文中稱作彈簧材料，是較低損耗和低密度材料，例如諸如環(huán)氧樹脂基負(fù) 性光致抗蝕劑(印oxy-based negative potoresist) SU8 或者聚酰亞胺材料(polyimide material)Kapton 的聚合物或薄膜，并且可具有低于1. 5兆瑞利(MegaRayl =MR)的聲阻 抗。另一種材料，在本文中稱作質(zhì)量材料，是較高密度材料，例如鎢、銅或其它金屬，并且可 具有更接近30MR的聲阻抗。應(yīng)當(dāng)理解，可使用其它材料。每個(gè)匹配層段具有遠(yuǎn)小于四分之 一波長、例如大約50微米(μπι)的厚度，但也預(yù)期其它厚度。匹配層段通過調(diào)整每個(gè)匹配層段中每種材料的量或百分比來形成。例如，具有最 高阻抗的匹配層段具有質(zhì)量材料的最高百分比和彈簧材料的最低百分比，而具有最低阻抗 的層具有質(zhì)量材料的最低百分比和彈簧材料的最高百分比。具有最高阻抗的匹配層段在疊 層中定位成最接近壓電層，而具有最低阻抗的匹配層段定位成當(dāng)與較低阻抗介質(zhì)匹配時(shí)最 接近透鏡。圖5示出具有5個(gè)等效匹配層段的匹配層結(jié)構(gòu)220。應(yīng)當(dāng)理解，可使用其它數(shù)量的 匹配層段。這些匹配層段可稱作第一匹配層段(MLl) 222、第二匹配層段(ML2)224、第三匹 配層段(ML3) 226、第四匹配層段(ML4) 228和第五匹配層段(ML5)230。匹配層結(jié)構(gòu)220具 有厚度276，并且包含在至少具有壓電層272的聲學(xué)疊層270中。可在疊層270上形成透 鏡274。雖然未示出，但在疊層270中可包含附加層，例如解匹配(dematching)層段、支持 (backing)塊、如四分之一波長層的附加匹配層等。匹配層段222-230中的每個(gè)具有包括質(zhì)量材料和彈簧材料二者的厚度232。在一 個(gè)實(shí)施例中，匹配層段222-230中的每個(gè)可具有相同厚度232。在另一個(gè)實(shí)施例中，匹配層段222-230的厚度232可變。應(yīng)當(dāng)注意，僅為了便于說明示出匹配層段222-230的厚度，而 不是相對于壓電層272和透鏡274的厚度進(jìn)行縮放。匹配層段222-230中的每個(gè)包括質(zhì)量層和彈簧層。在一些實(shí)施例中，匹配層段 222-230中的一個(gè)或多個(gè)可以僅包括質(zhì)量層或者僅包括彈簧層。術(shù)語“彈簧層”表示具有厚 度和特定阻抗的材料層，它在附連到質(zhì)量層時(shí)使層機(jī)械阻抗作用主要就像彈簧。術(shù)語“質(zhì)量 層”表示具有厚度和特定阻抗的材料層，它在附連到彈簧層時(shí)使層機(jī)械阻抗作用就像質(zhì)量。 第一匹配層段222包括彈簧層234和質(zhì)量層244。第二匹配層段224包括彈簧層236和質(zhì) 量層246。第三匹配層段226包括彈簧層238和質(zhì)量層248。第四匹配層段228包括彈簧 層240和質(zhì)量層250。第五匹配層段230包括彈簧層242和質(zhì)量層252。彈簧層234-242 和質(zhì)量層244-252中的每個(gè)具有厚度(后面進(jìn)一步論述)，但是在一些實(shí)施例中，彈簧層和 質(zhì)量層中每個(gè)的厚度在匹配層段222-230可根據(jù)制造工藝略微改變?？筛淖兤ヅ鋵佣?22-230中每個(gè)的質(zhì)量材料與彈簧材料的比率或百分比，以便實(shí) 現(xiàn)聲阻抗沿傳輸線的預(yù)期變化。例如采用導(dǎo)電膠、粘合劑或其它材料將第一匹配層段222 的底側(cè)278附連到壓電層272。為了匹配壓電層272的聲阻抗，第一匹配層段222具有匹配 層段222-230中任一個(gè)的最高阻抗。為了實(shí)現(xiàn)最高阻抗，與其它匹配層段222-230相比，第 一匹配層段222具有質(zhì)量材料的最大百分比或比例。因此，一般來說，對于實(shí)際材料，質(zhì)量 層244的厚度254大于其它匹配層段224-230中任一個(gè)的質(zhì)量層246-252的厚度，并且一 般來說，對于實(shí)際材料，在與阻抗低于壓電層272的例如水或透鏡274的介質(zhì)匹配時(shí)，彈簧 層234的厚度256比其它匹配層段224-230中任一個(gè)的彈簧層236-242的厚度薄。第二匹配層段224的底側(cè)280附連到第一匹配層段222的頂側(cè)282。第二匹配層 段224的聲阻抗小于第一匹配層段222的阻抗。為了實(shí)現(xiàn)更低的聲阻抗，將比第一匹配層 段222中更少的質(zhì)量材料加入第二匹配層段224中。因此，質(zhì)量層246的厚度25 8比質(zhì)量層 244的厚度254薄。另外，彈簧層236的厚度260大于彈簧層234的厚度256。在整個(gè)匹配 層結(jié)構(gòu)220重復(fù)這種模式，以使第五匹配層段230具有匹配層段222-230中任一個(gè)的最低 聲阻抗。為了實(shí)現(xiàn)最低聲阻抗，與所有其它匹配層段222-230相比，將最少量的質(zhì)量材料加 入第五匹配層段230。因此，質(zhì)量層252的厚度262比其它質(zhì)量層244-250中任一個(gè)薄，且 彈簧層242的厚度264比其它彈簧層234-240中任一個(gè)厚。換言之，彈簧層234-242在距 壓電層272的距離增加時(shí)可具有連續(xù)增加的厚度，而質(zhì)量層244-252在距壓電層272的距 離增加時(shí)可具有連續(xù)降低的厚度。在另一個(gè)實(shí)施例中，厚度的變化可以不連續(xù)，也就是說， 一個(gè)或多個(gè)彈簧層234-242可具有與另一彈簧層234-242相同的厚度，并且一個(gè)或多個(gè)質(zhì) 量層244-252可具有與另一質(zhì)量層244-252相同的厚度。在又一個(gè)實(shí)施例中，質(zhì)量層或彈 簧層中之一的厚度可保持恒定，同時(shí)減小或增加另一層的厚度。圖6示出用于四分之一波長傳輸線的集總電路200，其提供構(gòu)建圖5的匹配層結(jié) 構(gòu)220所用的匹配層段222-230的機(jī)械性質(zhì)的電等效。換言之，集總電路200中的電組件 (例如電感器、電容器等)可用于估計(jì)彈簧層材料和質(zhì)量層材料的聲學(xué)性質(zhì)。因此，集總電 路200示出彈簧層234-242和質(zhì)量層244-252的關(guān)聯(lián)。在這個(gè)示例中，集總電路200對應(yīng) 于匹配層結(jié)構(gòu)220中的一個(gè)匹配層段222-230。匹配層段222-230中的每個(gè)由單獨(dú)的集總 電路200表示。集總電路200具有三個(gè)電感器202、204、206和兩個(gè)電容器208、210。在另 一個(gè)實(shí)施例中，在電路200的最簡單形式下，可使用單個(gè)電感器和單個(gè)電容器；而在其它實(shí)施例中，可使用不同數(shù)量的電感器和電容器。彈簧層234-242可用電容器208和210的電 容表征，而質(zhì)量層244-252可用電感器202-206的電感表征。圖6所示的示例模擬三個(gè)質(zhì)量層(電感器)和兩個(gè)彈簧層(電容器)，以便模仿四 分之一波長層功能，但是應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)功能可根據(jù)至少預(yù)期相對帶寬用其它配置來實(shí)現(xiàn)。 在如上所述的最簡單配置中，可使用單個(gè)電感器和單個(gè)電容器。圖6可用于示出對匹配層 段的結(jié)構(gòu)的物理理解。一般解決方案還可通過經(jīng)典LC梯式(ladder)濾波器理論來分析。在等式1和等式2中提供構(gòu)建匹配層段222-230所用的質(zhì)量層和彈簧層的機(jī)械性 質(zhì)的電等效。 因此，集總電路200示例的電感(LS)和電容(CP)的值基于匹配層段222-230的 線路阻抗(ZL)(例如聲阻抗)以及探頭106的中心頻率的諧振頻率ωΓ。四分之一波長效 應(yīng)通過(LS+CP)和(2XLS+CP)單元的串行關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。ZL可以是所選或預(yù)定阻抗值或者 按照下文進(jìn)一步所述來計(jì)算。質(zhì)量層和彈簧層的電等效的組合提供對匹配層段222-230中之一建模的特性。對 匹配層段222-230中的每個(gè)，重復(fù)等式1和等式2以計(jì)算LS和CP，其中匹配層段222-230中 的每個(gè)具有不同的ZL。如前面所述，ZL隨著在離開壓電層272的方向的各匹配層段222-230 而減小。因此，具有適當(dāng)組件的至少兩個(gè)電路200可相互級聯(lián)，以便實(shí)現(xiàn)諧振頻率ωΓ周圍 的大帶寬匹配。各匹配層段222-230的LS和CP值可用于又稱作Mason模型的所建議聲學(xué) 疊層270的電模擬，從而允許電元件與聲學(xué)結(jié)構(gòu)匹配。圖7-10示出基于疊層270中匹配層結(jié)構(gòu)220的帶寬性能的聲學(xué)模擬。當(dāng)計(jì)算模擬 時(shí)，匹配層段222-230的厚度276可基于沒有材料性質(zhì)優(yōu)化的經(jīng)典Mason模型，也就是說， 沒有考慮匹配層段222-230中的衍射定律和透鏡衰減。聲學(xué)模擬300、302、330和332可使 用分別用等式1和等式2計(jì)算的電感和電容值來計(jì)算。在設(shè)計(jì)探頭106時(shí)，可模擬疊層結(jié)構(gòu)，以使可識別滿足探頭規(guī)范所需的最少數(shù)量 的匹配層段222-230。較少的匹配層段帶來更小的厚度276，這改進(jìn)衰減。可被指定的一個(gè) 參數(shù)是在-6分貝(dB)和_20dB的預(yù)期帶寬。還可考慮其它參數(shù)。圖7和圖8分別示出根據(jù)在疊層270中合并有匹配層結(jié)構(gòu)220的探頭106所計(jì)算 的探頭傳遞函數(shù)的聲學(xué)模擬300和302。圖7中，使用具有500 μ m的總厚度276的10個(gè)匹 配層段222-230。圖8中，使用具有250 μ m的總厚度276的5個(gè)匹配層段222-230。模擬 基于3兆赫茲(MHz)中心頻率陣列。圖7示出簡單或單向傳輸線304和雙向傳輸線306。圖8示出單向傳輸線316和 雙向傳輸線318。雙向傳輸線306和318顯示因超聲波信號傳播通過疊層270兩次(例如 發(fā)射和接收信號)而引起的帶寬的減小。換言之，當(dāng)考慮發(fā)射和接收信號時(shí)，總體衰減更 大。由于圖7中存在更多匹配層段，所以線路304和306與線路316和318相比在帶寬上 具有更大紋波。在一個(gè)實(shí)施例中，可通過使用例如梯式濾波器合成算法微調(diào)層性質(zhì)來減小 紋波幅度。帶寬可在例如雙向傳輸線306與318之間進(jìn)行比較，以便確定具有5個(gè)匹配層段的匹配層結(jié)構(gòu)是否提供預(yù)期性能。附加模擬可使用少于5個(gè)匹配層段或者在5與10個(gè) 匹配層段之間的任何數(shù)量的匹配層段來進(jìn)行。另外，還預(yù)期具有多于10個(gè)匹配層段的匹配 層結(jié)構(gòu)220。在一些實(shí)施例中，可進(jìn)行模擬以便識別將滿足探頭規(guī)范的匹配層段222-230的
最少數(shù)量。類似地，圖9和圖10分別示出根據(jù)在疊層270中合并有匹配層結(jié)構(gòu)220的探頭106所計(jì)算的探頭傳遞函數(shù)的聲學(xué)模擬330和332。模擬330和332基于8MHz中心頻率陣 列。圖9中，使用具有500μπι的總厚度276的10個(gè)匹配層段222-230。圖10中，使用具有 250 μ m的總厚度276的5個(gè)匹配層段222-230。圖9示出單向傳輸線334和雙向傳輸線336。圖10示出單向傳輸線346和雙向傳 輸線348?？稍俅伪容^兩個(gè)模擬330與332之間的帶寬性能，以便識別滿足探頭規(guī)范的匹配 層段222-230的最少數(shù)量。通過將作為單個(gè)四分之一波長匹配層的等效的雙層結(jié)構(gòu)(例如匹配層段222-230 中之一)中的重型材料(質(zhì)量)與彈性材料(彈簧)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)將傳輸線參數(shù)轉(zhuǎn)換成機(jī) 械性質(zhì)，即質(zhì)量_彈簧振蕩模式而不是如等式1和等式2中的諸如電感和電容的純粹電傳 輸線參數(shù)。雙層結(jié)構(gòu)的目標(biāo)聲阻抗ZL與這兩個(gè)層中每層的有效機(jī)械厚度之間的關(guān)系使用 等式3和等式4來確定。 等式3給出作為匹配層阻抗(ZL)、重型或質(zhì)量(m)材料性質(zhì)和彈簧(s)材料性 質(zhì)-即質(zhì)量材料的波長(λ m)、質(zhì)量材料的聲阻抗(zm)和彈簧材料的聲阻抗(zs)的函數(shù)的 質(zhì)量層厚度(Tmass)。等式4給出作為匹配層阻抗(ZL)和彈簧(s)材料性質(zhì)、即彈簧材料 的波長(As)和彈簧材料的聲阻抗(zs)的函數(shù)的彈簧層厚度(Tspring)。通過改變匹配層 阻抗，等式(3)和等式4可用于描述匹配層段222-230中的每個(gè)。圖11示出一種用于確定要包含在探頭106中匹配層結(jié)構(gòu)220內(nèi)的匹配層段 222-230的數(shù)量的方法。在370，確定探頭106的幾何形狀以及目標(biāo)或預(yù)期性能。例如，選 擇中心頻率。另外還可指定帶寬的百分比，例如帶寬在_6db和-20db中每個(gè)的百分比。在372，選擇用于彈簧層234-242和質(zhì)量層244-252的材料。例如，可選擇SU8TM 用于彈簧材料，并且可選擇鎢用于質(zhì)量材料?？墒褂闷渌牧?。在一個(gè)實(shí)施例中，相同的彈 簧材料可用于所有彈簧層234-242，并且相同的質(zhì)量材料可用于所有質(zhì)量層244-252。在另 一個(gè)實(shí)施例中，不同的彈簧材料和/或質(zhì)量材料可用于層234-252中的一個(gè)或多個(gè)。在374，確定待模擬的匹配層段222-230的數(shù)量。如前面所述，探頭性能可使用 不同數(shù)量的匹配層段222-230來模擬，以便確定將提供預(yù)期性能的最小數(shù)量的匹配層段 222-230。備選地，可選擇預(yù)定數(shù)量的匹配層段222-230，例如3個(gè)、5個(gè)或10個(gè)匹配層段 222-230。在另一實(shí)施例中，可選擇2個(gè)或3個(gè)匹配層段222-230作為待考慮的最小數(shù)量的 匹配層段222-230。在376，可確定匹配層段222-230中每個(gè)的聲阻抗。在一個(gè)實(shí)施例中，匹配層段222-230中每個(gè)的聲阻抗可基于指數(shù)遞減聲阻抗、規(guī)則遞減聲阻抗或者將聲阻抗從壓電層 的高聲阻抗(其在一個(gè)實(shí)施例中可為30兆瑞利)減小到透鏡的低聲阻抗(其在一個(gè)實(shí)施 例中可為1.5兆瑞利)的任何其它曲線。在另一個(gè)實(shí)施例中，對于解匹配技術(shù)，匹配層段 222-230的目標(biāo)聲阻抗可使用下式5和6來確定 其中，ZC是壓電層272的聲阻抗，ZR是輻射介質(zhì)的聲阻抗，cor(k)是與壓電耦合 系數(shù)相關(guān)的諧振頻率(脈動)，k是耦合系數(shù)，N是匹配層段的數(shù)量，η是對第η個(gè)匹配層段 的從壓電層272向透鏡274計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，以及ZmL (N，n, k)是第η個(gè)匹配層段的聲阻抗。 因此，匹配層段222-230的聲阻抗可基于探頭106的諧振頻率(ωΓ)、壓電層272的聲阻抗 (或者四分之一波長匹配層(若使用的話)的聲阻抗)和透鏡274的聲阻抗中至少之一。 應(yīng)當(dāng)理解，對于其它技術(shù)，匹配層段222-230的聲阻抗可使用不同等式來確定。在另一個(gè)實(shí) 施例中，可選擇不同的材料用于匹配層段222-230中的一個(gè)或多個(gè)。例如，可選擇具有較低 阻抗的彈簧材料用于最接近透鏡274的層，而可選擇具有較高阻抗的不同彈簧材料用于最 靠近壓電層272的匹配層段。在一個(gè)實(shí)施例中，在378，匹配層段222-230中每個(gè)內(nèi)的質(zhì)量層244-252和彈簧層 234-242中每個(gè)的厚度可根據(jù)聲阻抗、例如用等式3和等式4來確定。因此，可以確定匹配 層結(jié)構(gòu)220的總厚度276是否可接受，從而產(chǎn)生可允許的信號衰減。另外，質(zhì)量層244-252 和彈簧層234-242在如下面進(jìn)一步論述的制造過程中形成，并且在一些實(shí)施例中，可能存 在基于材料性質(zhì)和用于在某些容差之內(nèi)形成某些材料層的制造能力的限制。在380，例如通過使用用等式1和等式2計(jì)算的電容和電感計(jì)算聲阻抗，以生成 圖7-10的圖表。在382，確定聲阻抗是否可接受。另外，可確定質(zhì)量層244-252和彈簧層 234-242的厚度以及匹配層結(jié)構(gòu)220的總厚度276是否可接受。在一個(gè)實(shí)施例中，如果帶 寬性能不可接受，則該方法可返回到374，以便指定更大數(shù)量的匹配層段222-230。在另 一個(gè)實(shí)施例中，如果帶寬性能可接受，則該方法可返回到374以指定更少數(shù)量的匹配層段 222-230，以便確定是否已經(jīng)識別最薄的匹配層結(jié)構(gòu)220。例如，希望具有最小數(shù)量的匹配 層結(jié)構(gòu)、并且因而具有最少的信號衰減(例如傳播損耗)量，同時(shí)仍然滿足探頭106的性 能。另外，更少的匹配層段222-230可更易于制造并且產(chǎn)生更低的成本。在一些實(shí)施例中， 圖11的方法可被完成多次，從而選擇不同數(shù)量的匹配層段222-230以確定將實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能 的最少數(shù)量的匹配層段222-230。在又一個(gè)實(shí)施例中，如果例如性能不可接受或者匹配層 結(jié)構(gòu)220可能難以根據(jù)可用制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，則該方法可返回到372，以便選擇用于質(zhì)量層 244-252和彈簧層234-242中一個(gè)或多個(gè)的不同材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，可形成包括四分之一波長匹配層的疊層。圖12示出包括匹配 層結(jié)構(gòu)402和四分之一波長匹配層404的聲學(xué)疊層400。四分之一波長匹配層404的底側(cè)406附連到壓電層410的頂側(cè)408，并且匹配層結(jié)構(gòu)402附連到四分之一波長匹配層404的 頂側(cè)412。在一個(gè)實(shí)施例中，四分之一波長匹配層404可包含在疊層400中，以便當(dāng)選擇彈簧 材料時(shí)提供附加靈活性。例如，可選擇具有較低阻抗的彈簧材料，從而允許匹配層結(jié)構(gòu)402 中最靠近透鏡414的匹配層段的較好阻抗。在另一個(gè)實(shí)施例中，四分之一波長匹配層404可位于匹配層結(jié)構(gòu)402與透鏡414 之間。存在若干可用于在匹配層結(jié)構(gòu)220和402中形成質(zhì)量層244-252和彈簧層 234-242的方法。一種所用方法基于微電子技術(shù)和晶圓處理。彈簧材料可以是光致抗蝕劑， 所述光致抗蝕劑經(jīng)過特殊處理、例如進(jìn)行額外的填充(loading)，以具有適合彈簧材料的聲 阻抗要求的密度/速率性質(zhì)。質(zhì)量材料可以是具有適合質(zhì)量材料的聲阻抗要求的密度/速 度性質(zhì)的金屬。質(zhì)量材料可以是任何較密且硬的材料，例如但不限于鎢。質(zhì)量材料和彈簧 材料均需要與可變厚度夾層制造兼容。在一個(gè)實(shí)施例中，光致抗蝕劑或聚合物、如SU8 可用作彈簧材料，并且可使用微 電子光刻術(shù)來形成圖案。例如，可旋涂SUI 層以形成預(yù)期厚度。在另一實(shí)施例中，為了 降低材料密度，可在匹配層段222-230中更接近透鏡274的一個(gè)或多個(gè)上實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣圖案 (dotpattern)，以便達(dá)到預(yù)期密度。在又一個(gè)實(shí)施例中，可真空沉積形成質(zhì)量層的金屬。匹配層結(jié)構(gòu)220可與疊層270的其它層分開形成。在一個(gè)實(shí)施例中，二氧化硅 (Si02)層可沉積在用于構(gòu)建匹配層結(jié)構(gòu)220的硅晶圓上。在為了構(gòu)建匹配層結(jié)構(gòu)220而進(jìn) 行的掩蔽和蝕刻操作期間，可形成穿過或貫穿匹配層結(jié)構(gòu)220的孔。當(dāng)已經(jīng)形成所有質(zhì)量 層244-252和彈簧層234-242時(shí)，Si02蝕刻液可通過所述孔饋送到Si02層。Si02層的完 全蝕刻將使匹配層結(jié)構(gòu)220脫離硅晶圓。在另一個(gè)實(shí)施例中，匹配層結(jié)構(gòu)220可通過層疊(lamination)來形成。因此，彈簧 層234-242可使用預(yù)制的例如Kapton 的材料的層來形成，而質(zhì)量層244-252可使用預(yù)制 的例如銅的金屬材料的層來形成。彈簧層234-242和質(zhì)量層244-252的不同厚度可用于形 成不同的匹配層段222-230，以便實(shí)現(xiàn)預(yù)期聲阻抗。金屬材料層(例如質(zhì)量層244)可層疊 在彈簧材料層(例如彈簧層234)之上，以便形成第一匹配層段222。第二彈簧材料層(例 如彈簧層236)可層疊在金屬材料層(例如質(zhì)量層244)之上，而第二金屬材料層(例如質(zhì) 量層246)可層疊在第二彈簧材料層(例如彈簧層236)之上，依此類推。在又一個(gè)實(shí)施例中，匹配層結(jié)構(gòu)220可使用數(shù)字微印刷來形成，數(shù)字微印刷是一 種允許材料沉積的技術(shù)。大家要理解，以上描述只是說明性而不是限制性的。例如，上述實(shí)施例(和/或其 方面)可相互結(jié)合使用。另外，可對本發(fā)明的理論在沒有脫離其范圍的情況下進(jìn)行多種修 改以適應(yīng)具體情況或材料。雖然本文所述材料的尺寸和類型意在定義本發(fā)明的參數(shù)，但是 它們決不是限制性的，而只是示范實(shí)施例。通過閱讀以上描述，許多別的實(shí)施例對本領(lǐng)域技 術(shù)人員是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)參照隨附權(quán)利要求連同授權(quán)給這類權(quán)利要 求的全部等效范圍確定。在隨附權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”和“其中”用作相應(yīng)術(shù)語“包含” 和“在其中”的普通英語等效。此外，在隨附權(quán)利要求書中，術(shù)語“第一”、“第二”和“第三” 等只用作標(biāo)記，而不是意在給其對象施加數(shù)字要求。此外，隨附權(quán)利要求書的限制并不是按照部件加功能格式編寫的，并且不是意在根據(jù)35U. S. C. § 112第六節(jié)來解釋，除非這類權(quán) 利要求限制在沒有其它結(jié)構(gòu)的功能陳述之前明確使用詞語“用于...的部件”。
本書面描述使用包括最佳模式的示例來公開本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能 夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合方法。本發(fā)明的專利 范圍由權(quán)利要求書定義，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這類其它示例 具有沒有不同于權(quán)利要求書的文字語言的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括具有與權(quán)利要求書 的文字語言的非實(shí)質(zhì)差異的等效結(jié)構(gòu)要素，則它們意在落入權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
0074]配件表0075]超聲波系統(tǒng) 1000076]發(fā)射器1020077]元件 1040078]探頭 1060079]接收器1080080]波束形成器1100081]RF處理器1120082]存儲器1140083]處理器模塊1160084]顯示器 1180085]探頭端口 1200086]存儲器1220087]用戶接口 1240088]小型化超聲波系統(tǒng)0089]探頭 1320090]用戶接口 1340091]集成顯示器1360092]外部裝置1380093]網(wǎng)絡(luò) 1400094]顯示器1420095]移動超聲波成像系統(tǒng)0096]活動底座 1460097]用戶接口 1480098]探頭端口 1500099]控制按鈕1520100]鍵盤1540101]軌跡球1560102]袖珍超聲波成像系統(tǒng)0103]顯示器1720104]用戶接口 1740105]醫(yī)療圖像176
探頭178鍵盤180按鈕182多功能控件184標(biāo)簽顯示區(qū)域186控件188集總電路200電感器202電感器204電感器206電容器208電容器210匹配層結(jié)構(gòu)220第一匹配層段第二匹配層段第三匹配層段第四匹配層段第五匹配層段厚度 232彈簧層 234彈簧層 236彈簧層 238彈簧層 240彈簧層 242質(zhì)量層 244質(zhì)量層 246質(zhì)量層 248質(zhì)量層 250質(zhì)量層 252厚度254厚度 256厚度258厚度 260厚度 262厚度 264聲學(xué)疊層 270壓電層 272透鏡274厚度276
底側(cè)278底側(cè)280頂側(cè)282聲學(xué)模擬 300聲學(xué)模擬 302單向傳輸線 304雙向傳輸線 306單向傳輸線 316雙向傳輸線 318聲學(xué)模擬 330聲學(xué)模擬 332單向傳輸線 334雙向傳輸線 336單向傳輸線 346雙向傳輸線 348定義探頭的幾何形狀和性能370選擇彈簧材料和質(zhì)量材料 372確定匹配層段的數(shù)量374確定各匹配層段的聲阻抗376確定質(zhì)量層和彈簧層的厚度378計(jì)算聲學(xué)性能380性能可接受？ 382聲學(xué)疊層 400匹配層結(jié)構(gòu)402四分之一波長匹配層404底側(cè)406頂側(cè)408壓電層410頂側(cè)412透鏡414
1權(quán)利要求
一種用于超聲波探頭(106)的聲學(xué)疊層(270)，包括具有頂側(cè)和底側(cè)的壓電層(272)；以及形成匹配層結(jié)構(gòu)(220)的多個(gè)匹配層段(222，224，226，228，230)，所述匹配層段(222-230)中的每個(gè)匹配層段包括包含第一材料的彈簧層(234，236，238，240，242)；以及包含與所述第一材料不同的第二材料的質(zhì)量層(244，246，248，250，252)，其中，位于最接近所述壓電層(272)的匹配層段(222)中的彈簧層(234)比其它匹配層段(224-230)中的彈簧層(236-242)薄。
2.如權(quán)利要求1所述的聲學(xué)疊層(270)，其中，所述位于最接近所述壓電層(272)的匹 配層段(222)包括比離所述壓電層(272)最遠(yuǎn)的匹配層段(230)的聲阻抗大的聲阻抗。
3.如權(quán)利要求1所述的聲學(xué)疊層(270)，其中，所述第一材料具有比所述第二材料低的也/又。
4.如權(quán)利要求1所述的聲學(xué)疊層(270)，還包括四分之一波長匹配層段(404)，位于 所述壓電層(272)與所述匹配層結(jié)構(gòu)(220)之間和所述匹配層結(jié)構(gòu)(220)與透鏡(274)之 間中之一。
5.如權(quán)利要求1所述的聲學(xué)疊層(270)，其中，在所述匹配層段(222-230)中所述彈簧 層(234-242)的厚度(256)隨所述匹配層段(222-230)與所述壓電層(272)的距離增加而 增加，并且在所述匹配層段(222-230)中所述質(zhì)量層(244-252)的厚度(254)隨所述匹配 層段(222-230)與所述壓電層(272)的距離增加而減小。
6.一種用于形成超聲波探頭(106)的聲學(xué)疊層(270)的匹配層結(jié)構(gòu)(220)的方法，所 述方法包括形成第一匹配層段(222)，所述第一匹配層段(222)包括在所述第一匹配層段(222)的 底側(cè)(278)的彈簧層(234)和在所述第一匹配層段(222)的頂側(cè)(282)的質(zhì)量層(244)，所 述第一匹配層段(222)的所述底側(cè)(278)配置成附連到壓電層(272)和四分之一波長匹配 層(404)中之一，所述彈簧層(234)包括彈簧材料，而所述質(zhì)量層(244)包括阻抗高于所述 彈簧材料的質(zhì)量材料；以及形成至少一個(gè)附加匹配層段(224)，所述附加匹配層段(224)包括在所述附加匹配 層段(224)的底側(cè)(280)的彈簧層(236)和在所述附加匹配層段(224)的頂側(cè)的質(zhì)量層 (246)，所述附加匹配層段(224)的所述底側(cè)(280)配置成附連到所述第一匹配層段(222) 的所述頂側(cè)(282)，所述彈簧層(236)包括所述彈簧材料，而所述質(zhì)量層(246)包括所述質(zhì) 量材料。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括確定(376)所述第一匹配層段(222)和所述附加匹配層段(224)的聲阻抗；以及根據(jù)所述聲阻抗和所述質(zhì)量材料的至少一個(gè)材料性質(zhì)及所述彈簧材料的材料性質(zhì)，確 定(378)所述質(zhì)量層(244，246)的厚度(254，258)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括確定(376)所述第一匹配層段(222)和所述附加匹配層段(224)的聲阻抗；以及根據(jù)所述聲阻抗和所述彈簧材料的至少一個(gè)材料性質(zhì)，確定(378)所述彈簧層(234， 236)的厚度(256，260)。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述彈簧材料具有關(guān)聯(lián)聲阻抗，并且其中所述質(zhì)量 材料具有關(guān)聯(lián)聲阻抗和材料波長，所述方法還包括根據(jù)所述質(zhì)量材料的材料波長、所述質(zhì) 量材料的聲阻抗和所述彈簧材料的聲阻抗確定(378)所述質(zhì)量層(244，246)的厚度。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述彈簧材料具有關(guān)聯(lián)聲阻抗和材料波長，所述 方法還包括根據(jù)所述彈簧材料的材料波長和所述彈簧材料的聲阻抗確定(378)所述彈簧 層(234，236)的厚度(256，260)。
全文摘要
一種用于超聲波探頭(106)的聲學(xué)疊層(270)，包括具有頂側(cè)和底側(cè)的壓電層(272)以及形成匹配層結(jié)構(gòu)(220)的多個(gè)匹配層段(222，224，226，228，230)。匹配層段(222-230)中的每個(gè)包括包含第一材料的彈簧層(234，236，238，240，242)以及包含與第一材料不同的第二材料的質(zhì)量層(244，246，248，250，252)。位于最接近壓電層(272)的匹配層段(222)中的彈簧層(234)比其它匹配層段(224-230)中的彈簧層(236-242)薄。
文檔編號A61B8/00GK101836869SQ20101014960
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者C·鮑姆加特納, F·蘭特里, J·-F·熱利, L·史密斯, S·G·卡利斯蒂 申請人:通用電氣公司