具有雙電極的超寬帶換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了寬帶壓電微機(jī)械超聲換能器(pMUT)，pMUT陣列以及具有寬帶pMUT陣列的系統(tǒng)。例如，壓電微機(jī)械超聲換能器(pMUT)包括放置在襯底上的壓電膜。參考電極被耦合至該膜。第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極被耦合至該膜以驅(qū)動(dòng)或感測在膜中的第一和第二振動(dòng)模式。
【專利說明】具有雙電極的超寬帶換能器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求享有2012年5月1日提交的申請(qǐng)?zhí)枮镹0.61/641，200的題為“ULTRAWIDE BANDWIDTH TRANSDUCER WITH DUAL ELECTRODE”的美國臨時(shí)申請(qǐng)以及 2013 年 3 月 14日提交的申請(qǐng)?zhí)枮镹0.13/830，288 的題為“ULTRA WIDE BANDWIDTH TRANSDUCER WITH DUALELECTRODE”的美國專利申請(qǐng)的權(quán)益，該申請(qǐng)的全部內(nèi)容為所有目的在此結(jié)合作為參考。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的實(shí)施方式一般涉及壓電換能器，并且更具體地屬于具有雙電極的超寬帶換能器。

【背景技術(shù)】
[0004]超聲壓電換能器設(shè)備通常包括壓電膜，該壓電膜能夠響應(yīng)于隨時(shí)間變化的驅(qū)動(dòng)電壓振動(dòng)，以在與暴露的換能器元件的外表面接觸的傳播介質(zhì)(例如空氣、水或身體組織)中生成高頻壓力波。該高頻壓力波能夠傳播至其他介質(zhì)中。相同的壓電膜也可以從傳播介質(zhì)中接收被反射的壓力波，并且將接收到的壓力波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?？梢越Y(jié)合驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)處理該電信號(hào)以得到傳播介質(zhì)中的關(guān)于密度變化或彈性系數(shù)的信息。
[0005]雖然很多使用壓電膜的超聲換能器設(shè)備是通過機(jī)械地切割大塊壓電材料或通過注射鑄模加入了壓電陶瓷晶振的載體材料被形成的，可以使用各種微機(jī)械技術(shù)(例如材料沉積、平版印刷圖案、通過刻蝕的特征形成等)有利地廉價(jià)制造設(shè)備得到極高維容差(highdimens1nal tolerance)。因此,換能器元件的大陣列與通過波束形成算法驅(qū)動(dòng)的陣列中的單獨(dú)的一者一同使用。這種被陣列化的設(shè)備被稱為PMUT陣列。
[0006]傳統(tǒng)pMUT陣列的一個(gè)問題是作為由背層實(shí)施的阻尼的函數(shù)的帶寬可能會(huì)受限。由于超聲換能器應(yīng)用，例如胎心監(jiān)控和動(dòng)脈監(jiān)控跨越了寬范圍的頻率(例如，較低的頻率提供相對(duì)較深的成像能力并且較高的頻率提供了較淺的成像能力)，通過增強(qiáng)針對(duì)通過背層的給定級(jí)別的阻尼的pMUT陣列帶寬可以有利地改善軸向(即范圍)分辨率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明描述了寬帶壓電微機(jī)械超聲換能器(pMUT)，pMUT陣列以及具有寬帶pMUT陣列的系統(tǒng)。
[0008]在實(shí)施方式中，一種pMUT包括放置在襯底上的壓電膜。維持在參考電勢的參考電極被耦合至所述膜。第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極被耦合至所述膜以驅(qū)動(dòng)和/或感測在所述膜中的第一和第二振動(dòng)模式。
[0009]在另一實(shí)施方式中，一種用于在介質(zhì)中生成和感測壓力波的裝置包括pMUT，具有放置在襯底上的壓電膜。參考電極被耦合至所述膜。第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極被耦合至所述膜以驅(qū)動(dòng)和/或感測在所述膜中的第一和第二振動(dòng)模式。第一信號(hào)生成器被耦合至第一驅(qū)動(dòng)/感測電極并且被提供以在第一驅(qū)動(dòng)/感測電極上相對(duì)于參考電極驅(qū)動(dòng)第一電信號(hào)。第二信號(hào)生成器被耦合至第二驅(qū)動(dòng)/感測電極并且被提供以在第一驅(qū)動(dòng)/感測電極上相對(duì)于參考電極驅(qū)動(dòng)第二電信號(hào)。
[0010]在另一實(shí)施方式中，一種pMUT陣列包括多個(gè)放置在襯底的區(qū)域之上的電極軌集。每個(gè)電極軌集包括參考軌和一對(duì)獨(dú)立的電可尋址的驅(qū)動(dòng)/感測軌。該pMUT陣列還包括多個(gè)具有獨(dú)立元件群的壓電換能器元件。每個(gè)元件群具有多于一個(gè)的被耦合至電極軌集中的一個(gè)的換能器元件。每個(gè)壓電換能器元件還包括壓電膜。PMUT陣列還包括被耦合至膜和參考軌的參考電極。第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極被耦合至膜和驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)中的相應(yīng)的一個(gè)。
[0011]在另一實(shí)施方式中，一種操作具有pMUT的用于在介質(zhì)中生成并感測壓力波的裝置的方法包括生成第一電信號(hào)。第二電信號(hào)也被生成。第一和第二信號(hào)中的一個(gè)的振幅和相位中的至少一個(gè)被相對(duì)于另外一個(gè)而調(diào)制。第一電信號(hào)被施加至pMUT的第一驅(qū)動(dòng)/感測電極并且所述第二電信號(hào)被施加至PMUT的所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極以控制第一和第二振動(dòng)模式的相對(duì)強(qiáng)度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]本發(fā)明的實(shí)施方式通過示例但并不限制的方式被示出，并且通過結(jié)合附圖通過以下詳細(xì)的描述被更全面地理解，其中:
[0013]圖1A是根據(jù)實(shí)施方式的具有圓膜的pMUT的平視圖；
[0014]圖1B是根據(jù)實(shí)施方式的具有換能器元件的pMUT陣列的平視圖；
[0015]圖1C是根據(jù)實(shí)施方式的具有橢圓膜的pMUT的平視圖；
[0016]圖2A、2B和2C是根據(jù)實(shí)施方式的應(yīng)用于圖1B的pMUT陣列中的換能器元件的橫截面圖；
[0017]圖3A描述了根據(jù)實(shí)施方式的在操作中，類似于圖1A的裝置的裝置沿著a-a’軸的橫截面圖；
[0018]圖3B描述了根據(jù)實(shí)施方式的在操作中，類似于圖1A的裝置的裝置沿著a-a’軸的橫截面圖；
[0019]圖4A和4B是根據(jù)實(shí)施方式的針對(duì)圖3A和3B的pMUT的性能度量的繪圖；
[0020]圖5A是根據(jù)實(shí)施方式的具有不同尺寸的換能器元件的pMUT陣列的平視圖；
[0021 ] 圖5B是圖5A中示出的pMUT陣列的性能度量繪圖；
[0022]圖6是示出了根據(jù)實(shí)施方式的操作具有pMUT的用于在介質(zhì)中生成并感測壓力波的裝置的方法的一部分的流程圖；
[0023]圖7是示出了根據(jù)實(shí)施方式的操作具有pMUT的用于在介質(zhì)中生成并感測壓力波的裝置的方法的另一部分的流程圖；以及
[0024]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的采用了 pMUT陣列的超聲換能器裝置的功能方框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]在下文的說明中描述了多個(gè)細(xì)節(jié)。但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，本發(fā)明可以不使用這些特定細(xì)節(jié)被實(shí)踐。在一些情況中，眾所周知的方法和設(shè)備以方框圖的形式被示出，而不是以細(xì)節(jié)的形式以避免模糊本發(fā)明。貫穿本說明書對(duì)“實(shí)施方式”的參考指的是特定特征、結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)合實(shí)施方式描述的特性被包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式中。因此，在本說明說中各處的短語“在實(shí)施方式中”的出現(xiàn)并非必須指的是本發(fā)明的相同實(shí)施方式。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)、功能或特點(diǎn)可以在一個(gè)或更多實(shí)施方式中以任何合適的方式被結(jié)合。例如，第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式只要不互相排斥就可以相結(jié)合。
[0026]除非特定說明，否則術(shù)語例如“處理”、“計(jì)算”、“運(yùn)算”、“確定”等指的是計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或類似電子計(jì)算設(shè)備的動(dòng)作和/或處理，其中將表示為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的寄存器和/或存儲(chǔ)器中的物理(例如電子)量的數(shù)據(jù)操縱和/或轉(zhuǎn)換為類似于表示為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器、寄存器或其他這種信息存儲(chǔ)器、傳輸或顯示設(shè)備中的物理量的其他數(shù)據(jù)。
[0027]術(shù)語“被耦合”和“被連接”以及其演變可以在此用于描述部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。應(yīng)該理解的是，這些術(shù)語并不試圖作為彼此的同義詞。相反的，在特定實(shí)施方式中，“被連接”可以用于指示兩個(gè)或更多元件彼此直接物理或電氣接觸?！氨获詈稀笨梢杂糜谥甘緝蓚€(gè)或更多元件彼此之間直接或間接(在其之間有間隔元件)物理或電氣接觸，和/或兩個(gè)或更多元件彼此之間共同操作或相互作用(例如引起效應(yīng)關(guān)系)。
[0028]在此使用的術(shù)語“在……之上”、“在……之下”、“之間”和“在……上”指的是一個(gè)部件或材料層相對(duì)于其他部件或材料層的相對(duì)位置，其中這種物理關(guān)系對(duì)于裝配的內(nèi)容中的或者機(jī)械堆的材料層的內(nèi)容中的機(jī)械部件是值得的注意的。置于一層(部件)之上或之下的另一層(部件)可以直接與該層(部件)接觸或者可以具有一個(gè)活多個(gè)中間層(部件)。此外，置于兩層(部件)之間的一層(部件)可以與兩層(部件)直接接觸或者可以具有一個(gè)活多個(gè)中間層(部件)。相反地，在第二層(部件)“上”的第一層(部件)與第_■層(部件)直接接觸。
[0029]傳統(tǒng)的壓電換能器設(shè)計(jì)通常包括覆蓋換能器的整個(gè)膜的電極。該電極被用于激勵(lì)膜的第一模式振動(dòng)以生成超聲波。通過對(duì)比，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，一對(duì)驅(qū)動(dòng)/感測電極被采用。每對(duì)驅(qū)動(dòng)/感測電極被耦合至單獨(dú)、獨(dú)立的電極軌或總線并且因此可以通過相對(duì)于參考電極具有可選振幅和在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的可選相位的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被驅(qū)動(dòng)至獨(dú)立電勢。在這種實(shí)施方式中，這種布局允許了第一和第二振動(dòng)模式的應(yīng)用。通過使得第一和第二模式均能實(shí)現(xiàn)，可以在換能器的接收模式上得到改善的信號(hào)處理能力。
[0030]如下文中更為詳細(xì)的描述，在實(shí)施方式中，換能器膜被兩個(gè)驅(qū)動(dòng)/感測電極激勵(lì)，例如內(nèi)部圓固態(tài)電極和圓周環(huán)電極。通過改變至這些電極的輸入的振幅和相位,例如波束成形，第一和第二振形(mode shape)的相對(duì)強(qiáng)度可以被控制。此外，第一和第二模式的相互作用也可以被控制。在實(shí)施方式中，這種波束成形方法被應(yīng)用至接收模式中的輸出信號(hào)以提供低頻和高頻分量。使用雙驅(qū)動(dòng)/感測電極通道獲得的信號(hào)處理能力可以很大地改善從中得到的圖像質(zhì)量。
[0031]如下文中更為詳細(xì)描述的，在實(shí)施方式中，通過使用第一和第二振形，使用優(yōu)化的超寬帶(UWB)設(shè)計(jì)可以獲得大于100%的分?jǐn)?shù)帶寬(fract1nal bandwidth)。在實(shí)施方式中，通過采用具有較高共振頻率的第二振形，相比較于使用第一振形(即較低的頻率共振)得到的類似頻率(comparable frequency)將需要的，高頻換能器可以具有相對(duì)較大尺寸(例如直徑)的壓電膜。使用較大壓電膜能夠?qū)崿F(xiàn)用于采用膜的換能器的改善的靈敏度。同樣，換能器的制造可以更直接，或者如果合并了相對(duì)較大的壓電膜，換能器可以被制作得更可靠。在這種實(shí)施方式中，較大壓電膜的高頻操作允許了換能器或其陣列的使用在操作在超過大約20MHz的高頻靜脈超聲(HF IVUS)設(shè)備中，例如在大約40_60MHz的范圍內(nèi)。
[0032]圖1A示出了根據(jù)實(shí)施方式的pMUT 100的俯視圖。pMUT 100包括放置在襯底101上的壓電膜114。第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極102和103被耦合至膜114。如在下文中結(jié)合圖3和圖4更為詳細(xì)的描述，第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極102和103被提供以驅(qū)動(dòng)或感測在膜114中的第一和第二振動(dòng)模式。雖然未在圖1A中示出，如在下文的圖2A-2C的內(nèi)容中更為詳細(xì)的描述的，參考電極被耦合至膜114。
[0033]在圖1A描述的示例性實(shí)施方式中，壓電膜114具有圓形或球狀的幾何結(jié)構(gòu)。在一個(gè)這種實(shí)施方式中，如圖1A所描述的，第一驅(qū)動(dòng)/感測電極102具有圓形或球狀幾何結(jié)構(gòu)，其直徑小于膜114的直徑，并且中心與膜114的中心對(duì)齊。在一個(gè)這種實(shí)施方式中,第二驅(qū)動(dòng)/感測電極103具有環(huán)形的幾何結(jié)構(gòu)，其中心與膜114的中心對(duì)齊，其外直徑可以小于或大于膜114的直徑，并且其內(nèi)直徑大于第一驅(qū)動(dòng)/感測電極102的外直徑從而限制第一驅(qū)動(dòng)電極102的至少一部分，其中第一驅(qū)動(dòng)/感測電極102和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極103之間具有間隔105。
[0034]在實(shí)施方式中，膜114是圓形的，第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極102和103是同平面的，并且被放置在壓電膜114的第一側(cè)。在一個(gè)這種實(shí)施方式中，參考電極被放置在壓電膜114的相反側(cè),其中第二驅(qū)動(dòng)/感測電極103具有斷口(discontinuity),被稱合至第一驅(qū)動(dòng)/感測電極102的第一導(dǎo)線165途經(jīng)該斷口。在實(shí)施方式中，第二導(dǎo)線166被耦合至第二驅(qū)動(dòng)/感測電極103。在實(shí)施方式中，如下文中結(jié)合了圖3A和3B詳細(xì)描述的，導(dǎo)線165包括或被稱合至第一信號(hào)生成器，該第一信號(hào)生成器用于驅(qū)動(dòng)相對(duì)于參考電極在第一驅(qū)動(dòng)/感測電極102上的第一電信號(hào)。如下文中結(jié)合了圖3A和3B詳細(xì)描述的，導(dǎo)線166包括或被耦合至第二信號(hào)生成器，該第二信號(hào)生成器用于驅(qū)動(dòng)相對(duì)于參考電極在第二驅(qū)動(dòng)/感測電極103上的第二電信號(hào)。
[0035]在圖1C描述的另一個(gè)實(shí)施方式中，兀件106米用了橢圓膜。橢圓膜實(shí)施方式(或者在本文其他處描述的膜具有非平面靜止?fàn)顟B(tài)的橢圓實(shí)施方式)潛在地提供了較大的填充因數(shù)，并且可以通過多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極被更容易地激勵(lì)至較高的(第二、第三等)共振模式?；绢愃朴趫A形實(shí)施方式，對(duì)于橢圓實(shí)施方式，第一驅(qū)動(dòng)/感測電極103再次分離于進(jìn)入橢圓膜中心部分的第二驅(qū)動(dòng)/感測電極102。驅(qū)動(dòng)電極102、103的圓周形狀也可以具有橢圓形式，從而以與圓形電極跟隨圓形膜形式相同的方式匹配膜形式。
[0036]圖1B是根據(jù)實(shí)施方式的pMUT陣列105的平視圖。圖2A、2B和2C是根據(jù)實(shí)施方式的換能器元件實(shí)施方式的橫截面圖，圖2A、2B和2C中的任意一個(gè)可以代表pMUT 100并且進(jìn)一步被采用在pMUT陣列105中。
[0037]陣列105包括多個(gè)第一電極軌110、120、130、140以及對(duì)應(yīng)的第二電極軌110’、120’、130’、140’，分別被放置在由第一維X和第二維y限定的襯底101的區(qū)域之上。每個(gè)驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)(例如，對(duì)110、110’ )獨(dú)立于任意其他驅(qū)動(dòng)/感測電極軌(例如獨(dú)立于彼此并且獨(dú)立于對(duì)120、120’或130、103’ )是電可尋址的(addressable)。驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)(例如110、110’ )和參考(例如接地極)電極軌在圖2A-2C的橫截面圖中被描述。在圖1B中，驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)110、110’和驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)120、120’代表了陣列中的重復(fù)單元。例如，通過第一驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)110、110’被耦合至第一端127并且相鄰的驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)120、120’被耦合至第二端128以形成交叉手指的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)130、130’和驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)140、140’和額外的單元重復(fù)交叉結(jié)構(gòu)形成任意大小(例如128個(gè)軌對(duì)、256個(gè)軌對(duì)等)的1D電極陣列。
[0038]在實(shí)施方式中，pMUT陣列包括多個(gè)壓電換能器元件群。每個(gè)壓電換能器元件群將要與頻率響應(yīng)相一致操作，該頻率響應(yīng)是在每個(gè)元件群內(nèi)的單個(gè)換能器元件的合成。在實(shí)施方式中，在給定的元件群中，每個(gè)換能器元件的驅(qū)動(dòng)/感測電極被并聯(lián)地電耦合至軌對(duì)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)/感測電極軌，從而所有第一驅(qū)動(dòng)/感測電極處于相同的電勢，并且同樣地所有第二驅(qū)動(dòng)/感測電極處于相同的電勢。例如在圖1B中，換能器元件110A、110B、…110L具有耦合至驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)110、110’的驅(qū)動(dòng)/感測電極對(duì)。類似地，換能器元件120A至120L的第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極全部分別被并聯(lián)地耦合至驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)120、120’。通常，任意數(shù)量的壓電換能器元件可以被集中在一起，根據(jù)陣列尺寸和元件間距。在圖1B描述的實(shí)施方式中，每個(gè)壓電換能器元件群(例如110A至110L)沿著襯底的長度1^被放置，其中U至少5倍地，優(yōu)選地至少數(shù)量級(jí)地大于襯底的寬度I。在pMUT陣列中的每個(gè)元件群在陣列內(nèi)具有已知的空間關(guān)系從而波束成形技術(shù)可以被應(yīng)用在群級(jí)別的指導(dǎo)原則下，其上排列有元件群的其他幾何形狀也是可行的。
[0039]在實(shí)施方式中，每個(gè)壓電換能器元件包括壓電膜。雖然壓電膜可以通常為現(xiàn)有技術(shù)中的任意傳統(tǒng)形狀，但在示例性實(shí)施方式中壓電膜具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。例如，在pMUT陣列105中，每個(gè)換能器元件包括具有圓形幾何結(jié)構(gòu)的壓電膜。壓電膜還可以是在第三(z)維中具有曲面以形成圓頂(如由圖2A進(jìn)一步示出的)或者凹陷(如由圖2B進(jìn)一步示出的)的球狀體。如在圖2C中進(jìn)一步示出的，平面膜也是可以的，其中換能器元件在靜止?fàn)顟B(tài)下為平面。
[0040]因此，在實(shí)施方式中，pMUT陣列包括多個(gè)放置在襯底的區(qū)域之上的電極軌集。每個(gè)電極軌集包括參考軌和一對(duì)獨(dú)立電可尋址的驅(qū)動(dòng)/感測軌。pMUT陣列還包括耦合至每個(gè)換能器元件中的參考電極的參考電極軌。在PMUT陣列內(nèi)是多個(gè)具有單獨(dú)元件群的多個(gè)壓電換能器元件。在實(shí)施方式中，每個(gè)元件群具有耦合至電極軌集中的一個(gè)的多于一個(gè)的換能器元件，其中第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極將壓電膜耦合至驅(qū)動(dòng)/感測軌中的相應(yīng)的一個(gè)。
[0041]圖2A-2C是沿著圖1B的a-a’軸的橫截面視圖，示出了單個(gè)換能器元件的示例性微機(jī)械(即微機(jī)電)的方面。應(yīng)該理解的是，在圖2A-2C中描述的結(jié)構(gòu)主要被包括為針對(duì)本發(fā)明的特定方面的內(nèi)容，并且進(jìn)一步示出本發(fā)明關(guān)于壓電換能器元件結(jié)構(gòu)的廣泛適用性。
[0042]在圖2A中，凸面換能器元件202包括上表面204，該上表面204在操作過程中形成pMUT陣列105的振動(dòng)外表面的一部分。換能器兀件202還包括下表面206,該下表面206被附加至襯底101的上表面。換能器元件202包括放置在參考電極214、第一驅(qū)動(dòng)/感測電極102和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極103之間的凸面或圓頂形狀的壓電膜210。間隔105將第一驅(qū)動(dòng)/感測電極102與第二驅(qū)動(dòng)/感測電極103隔開。在一種實(shí)施方式中，壓電膜210可以通過在(例如具有在平面上表面形成的圓頂?shù)?輪廓轉(zhuǎn)移襯底(profile-transferringsubstrate)(例如光刻膠)上在均勻?qū)又须婂?例如噴射)壓電材料顆粒而被形成。示例性壓電材料是鋯鈦酸鉛(PZT)，但現(xiàn)有技術(shù)中的任何可以用于傳統(tǒng)微機(jī)械處理的已知的材料也可以被使用，例如但不限于摻雜的有機(jī)玻璃(PMM)聚合物微粒和氮化鋁(A1N)。驅(qū)動(dòng)/感測電極102和103以及參考電極214中的每一個(gè)可以是在輪廓-輪廓轉(zhuǎn)移襯底上沉積(例如通過PVD、ALD、CVD等)的導(dǎo)電材料的薄膜層。用于驅(qū)動(dòng)電極層的導(dǎo)電材料可以是現(xiàn)有技術(shù)中用于這種功能的任意已知材料，例如但不限于Au、Pt、N1、Ir等、其合金(例如AuSn、IrITiW、AuTiW、AuNi等)、其氧化物(例如Ir02、Ni02、Pt02等)中的一個(gè)或多個(gè)，或者兩種或更多這種材料的復(fù)合物堆疊。
[0043]進(jìn)一步如圖2A所示，在一些實(shí)施中，換能器元件202可以選擇性地包括薄膜層222，例如可以作為支撐件(support)和/或制造過程中的蝕刻終止的二氧化硅。介電膜224可以進(jìn)一步用于將驅(qū)動(dòng)/感測電極102和103與參考電極214絕緣。垂直定向的電連接226通過驅(qū)動(dòng)/感測電極軌110將驅(qū)動(dòng)/感測電極102連接至驅(qū)動(dòng)/感測電路。類似的連接232將驅(qū)動(dòng)/感測電極103連接至軌110’。雖然未被示出，參考電極214可以被耦合至獨(dú)立的參考軌。具有孔241的環(huán)形支撐件236機(jī)械地將壓電膜210耦合至襯底101，孔241具有與換能器元件202的軸垂直對(duì)齊的對(duì)稱軸。支撐件236可以是任何傳統(tǒng)材料，例如但不限于二氧化硅、多晶硅、多晶鍺、SiGe等。支撐件236的示例性厚度的范圍為10-50 μ m并且膜224的示例性厚度范圍為5-15 μ m。
[0044]圖2B示出了針對(duì)換能器元件242的另一示例性配置，在該換能器242中與換能器元件202中的結(jié)構(gòu)在功能上類似的結(jié)構(gòu)具有相同的參考標(biāo)號(hào)。換能器元件242示出了凹面壓電膜250，該凹面壓電膜250在靜止?fàn)顟B(tài)為凹面。在這里，參考電極214被放置在凹面壓電膜250的下表面下方，而驅(qū)動(dòng)/感測電極102和103被放置在上表面之上。
[0045]圖2C示出了針對(duì)換能器元件282的另一示例性配置，在該換能器282中與換能器元件202中的結(jié)構(gòu)在功能上類似的結(jié)構(gòu)具有相同的參考標(biāo)號(hào)。換能器元件262示出了平面壓電膜290，該平面壓電膜290在靜止?fàn)顟B(tài)為平面，并且與元件202、242不同的是，在彎曲模式操作并且因此進(jìn)一步使用膜275 (典型地是硅)。在這里，參考電極214被放置在平面壓電膜290的下表面下方，而驅(qū)動(dòng)/感測電極102和103被放置在上表面的之上。與圖2A-2C中的每個(gè)所描述的不同的相反電極配置也是必然可行的。
[0046]再次參照?qǐng)D1A和圖3A以及3B，在實(shí)施方式中，在操作期間膜114具有使用第一共振頻率的第一振動(dòng)模式和使用大于第一共振頻率的第二共振頻率的第二振動(dòng)模式。例如，圖3A描述了根據(jù)實(shí)施方式的在操作中的類似于裝置100的裝置沿著a-a’軸的橫截面視圖。膜222(在靜止?fàn)顟B(tài)下可以是平面、圓頂或腔)被支撐件236支撐并且由驅(qū)動(dòng)感測/電極對(duì)102和103驅(qū)動(dòng)從而在驅(qū)動(dòng)感測/電極對(duì)102和103具有被施加的同相隨時(shí)間變化電壓(例如正電壓至電極102和103兩者等)時(shí)提供第一振動(dòng)模式。圖3B描述了根據(jù)另一實(shí)施方式的在操作中的類似于裝置100的裝置沿著a-a’軸的橫截面視圖。膜222(在靜止?fàn)顟B(tài)下可以是平面、圓頂或腔)被支撐件236支撐并且由驅(qū)動(dòng)感測/電極對(duì)102和103驅(qū)動(dòng)從而在驅(qū)動(dòng)感測/電極對(duì)102和103具有被施加的異相隨時(shí)間變化電壓波形(例如正電壓施加至電極102和103中的一個(gè)而負(fù)電壓施加至102和103中的另一個(gè)等)時(shí)提供第二振動(dòng)模式。由于第二振動(dòng)模式有比基本或第一振動(dòng)模式更高的頻率(例如2倍)，更大的膜尺寸將被使用以達(dá)到高頻政策。例如，在膜222直徑大于2μπι的特定實(shí)施方式中，第一振動(dòng)模式具有至少15MHz的第一共振頻率，而第二振動(dòng)模式具有大于第一共振頻率的例如為30-60MHZ的第二共振頻率。
[0047]圖4A和4B是根據(jù)實(shí)施方式的針對(duì)圖3A和3B的PMUT的性能度量的繪圖。參照?qǐng)D4A,在一種實(shí)施方式中，第一和第二信號(hào)生成器(例如圖1A中的生成器166、165,其中輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位由圖3A和3B中的偏置極性符號(hào)代表)驅(qū)動(dòng)第一和第二電信號(hào)以根據(jù)相對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓振幅和兩個(gè)施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位延遲激勵(lì)高于第二共振模式(fn2)的膜114或222的第一共振模式(fnl)。參照?qǐng)D4B,在另一種實(shí)施方式中，第一和第二信號(hào)生成器驅(qū)動(dòng)第一和第二電信號(hào)以根據(jù)相對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓振幅和兩個(gè)施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位延遲激勵(lì)高于第一共振模式(fnl)的膜114或222的第二共振模式(fj。
[0048]在實(shí)施方式中，換能器裝置還包括耦合至第一和第二驅(qū)動(dòng)電極的信號(hào)處理器。信號(hào)處理器被提供以接收由第一和第二模式中膜振動(dòng)生成的響應(yīng)頻譜的低頻分量和高頻分量。與第一和第二振動(dòng)模式中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)組合可以根據(jù)需要被平衡，在實(shí)施方式中包括通過改變兩個(gè)被施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓振幅和相位延遲使得在強(qiáng)度上大致相等。
[0049]在實(shí)施方式中，壓電換能器元件群包括多個(gè)不同標(biāo)稱尺寸的壓電膜以提供多個(gè)單獨(dú)的共振頻率。光譜響應(yīng)可以通過集成η個(gè)不同尺寸(例如用于本文別處所描述的示例性圓形或球狀膜)被形成以提供寬帶寬。不同于塊ΡΖΤ換能器，可以通過幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)由平版印刷容易地調(diào)諧pMUT的共振頻率。因此，不同尺寸的高Q膜可以集成有不同頻率響應(yīng)以達(dá)到來自給定元件群的高總寬帶響應(yīng)。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，每個(gè)換能器元件群包括相同的換能器元件尺寸集，從而來自每個(gè)群的光譜響應(yīng)大致相同。
[0050]圖5A是根據(jù)實(shí)施方式的具有不同尺寸的換能器元件的pMUT陣列500的平視圖。pMUT陣列500具有與pMUT陣列100相似的布局，其中驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)100、100’以及120、120’是并聯(lián)的，但是沿著相反方向延展(例如，來自單獨(dú)的總線或接口)，從而沿著X維(即1D陣列)交叉。具有2-20個(gè)或更多不同膜尺寸(例如直徑)的換能器元件被電耦合至一個(gè)驅(qū)動(dòng)/感測電極對(duì)(例如110、110’)。直徑的范圍通常依據(jù)作為膜硬度和質(zhì)量的函數(shù)的所需的頻率。連續(xù)增大的膜之間的增量可以是不同尺寸的膜的范圍和數(shù)量的函數(shù)，其中對(duì)于較大尺寸的增量發(fā)生較小頻率的重疊。增量尺寸可以被選擇以保證所有換能器元件有助于維持3dB帶寬的響應(yīng)曲線。例如，20-150 μ m的范圍可以典型地用于來自具有圖2A-2C中的內(nèi)容描述的常規(guī)結(jié)構(gòu)的換能器的MHz頻率響應(yīng)，并且1-10 μ m的增量可以典型地提供足夠的響應(yīng)重疊。
[0051]隨著換能器元件(例如膜)的尺寸的數(shù)量的增加，在特定中心頻率的分辨度可以被希望為隨著在相同尺寸的元件之間的距離減小而下降。例如，當(dāng)每個(gè)壓電換能器元件群的壓電膜在單輪廓中(即沿著直線對(duì)齊的中心)時(shí)，對(duì)于群中的每個(gè)額外換能器尺寸，沿著長度U的相同尺寸的換能器的有效節(jié)距減小。因此在又一實(shí)施方式中，每個(gè)壓電換能器元件群包括多于一個(gè)具有每個(gè)標(biāo)定膜尺寸的壓電換能器元件。對(duì)于在圖5A中描述的示例性實(shí)施方式，被電耦合至驅(qū)動(dòng)/感測電極軌對(duì)110、110’的為六個(gè)不同膜尺寸的:具有第一尺寸的壓電換能器元件511A和511B (例如，最小直徑膜)，具有第二尺寸的元件512A、512B (例如，次于最小直徑膜)、元件513A、513B、元件514A、514B、元件515A、515B以及元件516A、516B。如圖所示，相同尺寸的膜(例如，511A、511B)通過至少一個(gè)具有不同尺寸的膜的間隔元件隔開。如圖所示，膜尺寸通過相鄰的元件以梯度的方式逐漸地增加和/或減小。研究(graduating)超過陣列的距離的膜尺寸已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以緩和可能在彼此接近的完全不同尺寸的第一和第二膜之間的解分的相位。也就是說，當(dāng)膜群是不同尺寸時(shí)，有利的是在襯底之上空間地布置群，從而在兩個(gè)相鄰的膜之間尺寸上的差異小于群中最大和最小膜之間的尺寸上的差異。
[0052]如進(jìn)一步在圖5A中所示，沿著元件群被放置的襯底的長度，換能器元件子組518A被重復(fù)為518B。每個(gè)換能器元件子組518A、518B包括每個(gè)標(biāo)定膜尺寸的一個(gè)壓電膜元件。在這種示例性實(shí)施方式中，啟發(fā)性布局為:耦合至驅(qū)動(dòng)/感測軌對(duì)110、110’的元件群具有通過至少一個(gè)不同尺寸的間隔元件分離的相同尺寸的換能器元件，但是通過不大于由一個(gè)元件子組占據(jù)的襯底的長度分離的。這具有改善信號(hào)均勻性的效果。如進(jìn)一步在圖5A中所示，相似的元件子組528A沿著驅(qū)動(dòng)感測電極軌對(duì)120/120’的長度相對(duì)于元件518A移動(dòng)從而在襯底上更均勻地展開各種元件尺寸。這種位置上的偏移也有助于通過保證相同尺寸的元件不是最近的鄰居(例如526A大致在元件516A和516B之間的一半)來減小在相鄰元件群之間的串?dāng)_。用于軌對(duì)110、110’以及120、120’的換能器元件群包括單元，該單元接下來在整個(gè)陣列區(qū)域針對(duì)軌對(duì)130、130’以及140、140’等重復(fù)。
[0053]圖5B是針對(duì)在圖5A中所示的PMUT陣列的性能的度量的繪圖，該P(yáng)MUT陣列例如具有直徑為尺寸1、尺寸2和尺寸3的球狀壓電膜。如圖5B所示，頻譜響應(yīng)包括六個(gè)對(duì)應(yīng)的中心頻率峰值，以作為三個(gè)峰值對(duì):Fn1、Fn2、Frv、Fn2,、Frv、Fn2,,，其中累計(jì)響應(yīng)具有寬帶寬(例如對(duì)于3dB轉(zhuǎn)角頻率)。每個(gè)峰值對(duì)，例如FnpFrvFn^Frv和Frv,、Fn2,,分別代表了尺寸1、尺寸2或尺寸3的換能器的第一和第二模式峰值。相比較于圖4A/4B中所示的(對(duì)于具有單尺寸元件的pMUT陣列100)，pMUT陣列500明顯具有更寬的寬帶。
[0054]在實(shí)施方式中，耦合至相同電極軌且一起起陣列的通道作用的元件群，包括膜的2-D陣列。因此，雖然在圖1B和5B中示出的示例性實(shí)施方式包括單列(line)的元件，這種列可以被復(fù)制成第二維(例如圖1B中的X維)。比通過單列隊(duì)(file)行的實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)的更大的填充因數(shù)可以通過這種每個(gè)通道實(shí)施方式多個(gè)行、多個(gè)列被實(shí)現(xiàn)。因此，更高的敏感度是可能的。
[0055]圖6是示出了根據(jù)實(shí)施方式的操作具有pMUT的用于在介質(zhì)中生成和感測壓力波的裝置的驅(qū)動(dòng)方法的流程圖。
[0056]參照操作605，該方法的驅(qū)動(dòng)部分包括生成第一電信號(hào)。參照操作610，第二電信號(hào)也被生成。參照操作615，第一和第二信號(hào)的振幅和相位中的至少一個(gè)相對(duì)于另外一個(gè)被調(diào)制。參照操作620，第一電信號(hào)被施加至pMUT的第一驅(qū)動(dòng)/感測電極并且第二電信號(hào)被施加至pMUT的第二驅(qū)動(dòng)/感測電極以控制第一和第二振動(dòng)模式的相對(duì)強(qiáng)度。
[0057]在實(shí)施方式中，再次參照結(jié)合圖6描述的方法，第一和第二電信號(hào)以同相施加以增加相對(duì)于第二振動(dòng)模式具有第一頻率的第一振動(dòng)模式的優(yōu)勢。可替換地，第一和第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以以異相施加以增加具有高于第一頻率的第二頻率的第二振動(dòng)模式的優(yōu)勢。
[0058]圖7是示出了根據(jù)實(shí)施方式的操作具有pMUT的用于在介質(zhì)中生成并感測壓力波的裝置的感測方法的流程圖。在操作705，第一電響應(yīng)信號(hào)從第一驅(qū)動(dòng)/感測電極被接收。在操作710，第二電響應(yīng)信號(hào)從第二驅(qū)動(dòng)/感測電極被接收。在操作715，對(duì)第一和第二電響應(yīng)信號(hào)執(zhí)行任何本領(lǐng)域已知的信號(hào)處理以生成累積頻率響應(yīng)。例如，在壓電膜的直徑在壓電換能器元件的一個(gè)群上變化的情況下，針對(duì)壓電膜的每個(gè)直徑被接收的第一和第二電響應(yīng)信號(hào)被處理以提供具有跨越在分別與第一和第二電響應(yīng)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的最低和最高中心頻率之間的3dB帶寬的累積頻率響應(yīng)。
[0059]圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的采用了 pMUT陣列的超聲換能器裝置800的功能方框圖。在示例性實(shí)施方式中，超聲換能器裝置800用于在介質(zhì)(例如水、組織物質(zhì)等)中生成并感測壓力波。超聲換能器裝置800具有多種應(yīng)用，其中在一個(gè)或多個(gè)介質(zhì)中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的成像是感興趣的，例如在醫(yī)療診斷、產(chǎn)品缺陷檢測等等中。裝置800包括至少一個(gè)pMUT陣列816，該pMUT陣列816可以是本文別處描述的具有任意描述的換能器元件和元件群屬性的任意pMUT陣列。在示例性實(shí)施方式中，pMUT陣列816被封裝在處理部814內(nèi)，可以由機(jī)器或裝置800的用戶操作以按照需求改變pMUT陣列816的外表面的面相方向和位置(例如面向?qū)⒈怀上竦囊粋€(gè)或多個(gè)區(qū)域)。電連接件820將pMUT陣列816的通道與至處理部814的通信接口外部電耦合。
[0060]在實(shí)施方式中，裝置800包括(例如通過電連接件820的方式)被耦合至pMUT陣列816的可以是本領(lǐng)域中任意已知的信號(hào)生成器。信號(hào)生成器用于針對(duì)在元件群中的每個(gè)換能器元件在兩個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)/感測電極上提供電驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一種特定實(shí)施方式中，信號(hào)生成器施加電驅(qū)動(dòng)信號(hào)以引起壓電換能器兀件群在第一模式中的10MHz和30MHz之間的頻率和第二模式中的20和60MHz之間的頻率共振。在實(shí)施方式中，信號(hào)生成器包括用于解串行控制信號(hào)的解串行器804，該信號(hào)接下來被解復(fù)用器806解復(fù)用。示例性信號(hào)生成裝置還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)808以將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于pMUT陣列816中的單個(gè)換能器元件通道的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)?？梢酝ㄟ^可編程時(shí)延控制器810將各自的時(shí)間延遲添加至單個(gè)的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)以改變每個(gè)換能器元件的振動(dòng)模式以及將單獨(dú)元件群的響應(yīng)調(diào)制為波束引導(dǎo)或創(chuàng)建所需的波束成形、焦點(diǎn)和方向等。切換網(wǎng)絡(luò)812被耦合在pMUT通道連接件802和信號(hào)生成裝置之間以將pMUT陣列816在驅(qū)動(dòng)和感測模式之間切換。
[0061]在實(shí)施方式中，裝置800包括(例如通過電連接件820)被耦合至pMUT陣列816的可以是本領(lǐng)域中任意已知的信號(hào)接收器。信號(hào)接收器用于針對(duì)在pMUT陣列816中的每個(gè)換能器元件從兩個(gè)驅(qū)動(dòng)/感測電極通道接收電感測信號(hào)。在信號(hào)接收器的一種實(shí)施方式中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 814用于針對(duì)每個(gè)換能器從兩個(gè)驅(qū)動(dòng)/感測電極通道接收電壓信號(hào)以及將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。接下來數(shù)字信號(hào)可以被存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器(未示出)或首先被傳遞至信號(hào)處理裝置。示例性信號(hào)處理裝置包括數(shù)據(jù)壓縮單元826以壓縮數(shù)字信號(hào)。多路復(fù)用器818和串行器828可以在將接收到的信號(hào)中繼至存儲(chǔ)器、其他存儲(chǔ)或下游處理器(例如根據(jù)接收到的信號(hào)生成圖像顯示的圖像處理器)之前將其進(jìn)一步處理。
[0062]應(yīng)該理解的是上文中的描述用于解釋而不是限制。例如，雖然圖中的流程圖示出了由本發(fā)明的某些實(shí)施方式執(zhí)行的操作的特定順序，應(yīng)該理解的是這種順序并不是必需的(例如，可替換實(shí)施方式可以以不同順序、組合某些操作、重疊某些操作等執(zhí)行操作)。此夕卜，在閱讀并理解上文的描述的基礎(chǔ)上，許多其他實(shí)施方式對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。例如，應(yīng)該理解的是，雖然本文描述的各種實(shí)施方式均以pMUT的內(nèi)容呈現(xiàn)，但所公開的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)或技術(shù)可以被應(yīng)用至其他類型的超聲換能器陣列并且確實(shí)甚至更通用于各種(例如噴墨技術(shù)中的那些)其他MEM換能器陣列。因此，雖然pMUT陣列被呈現(xiàn)為針對(duì)某些協(xié)同和屬性可以被最清晰地描述的模型實(shí)施方式，本文的公開具有更廣泛的應(yīng)用。因此，雖然本發(fā)明被參照特定示例性實(shí)施方式被描述，但應(yīng)該意識(shí)到的是本發(fā)明并不僅限于描述的實(shí)施方式，而是可以使用在附加的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的改變和替換被實(shí)踐。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)該參照附加的權(quán)利要求伴隨著該權(quán)利要求的所給的權(quán)利的等同替換的全部范圍被確定。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電微機(jī)械超聲換能器(PMUT)，該pMUT包括: 壓電膜，該壓電膜被放置在襯底上； 參考電極，該參考電極被耦合至所述膜；以及 第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極，該第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極被耦合至所述膜以驅(qū)動(dòng)或感測在所述膜中的第一和第二振動(dòng)模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PMUT，其中所述壓電膜具有圓形或球狀或橢圓的幾何結(jié)構(gòu)，并且以所述膜的周長被固定至所述襯底， 其中所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極具有直徑小于所述膜的直徑并且中心與所述膜的中心對(duì)齊的圓形或球狀的幾何結(jié)構(gòu)，以及 其中所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極具有中心與所述膜的中心對(duì)齊的環(huán)形的幾何結(jié)構(gòu)，其中該環(huán)形的幾何結(jié)構(gòu)的外直徑小于所述膜的直徑而內(nèi)直徑大于所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極的外直徑，從而限制所述第一驅(qū)動(dòng)電極的至少一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的pMUT，其中所述膜具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，所述第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極是共面的并且被放置在所述壓電膜的第一側(cè)，以及其中所述參考電極被放置在所述壓電膜的相反側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的pMUT，其中所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極包括斷口，其中耦合至所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極的導(dǎo)線途經(jīng)所述中斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PMUT，其中所述膜直徑大于2μ m，其中所述第一振動(dòng)模式具有至少40MHz的第一共振頻率，并且其中所述第二振動(dòng)模式具有大于所述第一共振頻率的第二共振頻率。
6.一種用于在介質(zhì)中生成并感測壓力波的裝置，該裝置包括: 壓電微機(jī)械超聲換能器(pMUT)，該pMUT還包括: 壓電膜，該壓電膜被放置在襯底上； 參考電極，該參考電極被耦合至所述膜；以及 第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極，該第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極被耦合至所述膜以驅(qū)動(dòng)或感測在所述膜中的第一和第二振動(dòng)模式； 第一信號(hào)生成器，該第一信號(hào)生成器被耦合至所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極并且在所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極上相對(duì)于所述參考電極驅(qū)動(dòng)第一電信號(hào)；以及 第二信號(hào)生成器，該第二信號(hào)生成器被耦合至所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極并且在所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極上相對(duì)于所述參考電極驅(qū)動(dòng)第二電信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一和第二信號(hào)生成器同相驅(qū)動(dòng)所述第一第二電信號(hào)以激勵(lì)多于第二共振模式的所述膜的第一共振模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一和第二信號(hào)生成器異相驅(qū)動(dòng)所述第一和第二電信號(hào)以激勵(lì)多于第一共振模式的所述膜的第二共振模式，所述第二模式具有高于所述第一共振模式的頻率的共振頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，該裝置還包括信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器被耦合至所述第一和第二驅(qū)動(dòng)電極，所述信號(hào)處理器響應(yīng)于在第一和第二模式中的膜振動(dòng)接收頻譜的低頻分量和高頻分量。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述壓電膜具有圓形或球狀的幾何結(jié)構(gòu)，并且以所述膜的周長被固定至所述襯底， 其中所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極具有直徑小于所述膜的直徑并且中心與所述膜的中心對(duì)齊的圓形或球狀的幾何結(jié)構(gòu)，以及 其中所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極具有中心與所述膜的中心對(duì)齊的環(huán)形的幾何結(jié)構(gòu)，其中該環(huán)形的幾何結(jié)構(gòu)的外直徑小于所述膜的直徑并且內(nèi)直徑大于所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極的外直徑，從而限制所述第一驅(qū)動(dòng)電極的至少一部分。
11.一種壓電微機(jī)械超聲換能器(pMUT)陣列，該pMUT陣列包括: 多個(gè)電極軌集，該多個(gè)電極軌集被放置在襯底的區(qū)域之上，每個(gè)電極軌集包括參考軌和一對(duì)獨(dú)立的電可尋址的驅(qū)動(dòng)/感測軌；以及 多個(gè)壓電換能器元件，所述多個(gè)包括單獨(dú)的元件群，每個(gè)元件群包括多于一個(gè)的被耦合至所述電極軌集中的一個(gè)的換能器元件，其中所述壓電換能器元件中的每一個(gè)還包括:壓電膜； 參考電極，該參考電極被耦合至所述膜和所述參考軌；以及 第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極，該第一和第二驅(qū)動(dòng)/感測電極被耦合至 所述膜以及所述驅(qū)動(dòng)/感測軌對(duì)中的相應(yīng)的一個(gè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的pMUT陣列，其中所述壓電膜具有圓形或球狀的幾何結(jié)構(gòu)，并且以所述膜的周長被固定至所述襯底， 其中所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極具有直徑小于所述膜的直徑并且中心與所述膜的中心對(duì)齊的圓形或球狀的幾何結(jié)構(gòu)，以及 其中所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極具有中心與所述膜的中心對(duì)齊的環(huán)形的幾何結(jié)構(gòu)，其中該環(huán)形的幾何結(jié)構(gòu)的外直徑小于所述膜的直徑并且內(nèi)直徑大于所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極的外直徑，從而限制所述第一驅(qū)動(dòng)電極的至少一部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的pMUT陣列，其中所述壓電膜的直徑在所述壓電換能器元件的一個(gè)群上變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的pMUT陣列，其中由一個(gè)群生成的累積頻率響應(yīng)具有在對(duì)應(yīng)于所述換能器的第一和第二共振模式的最低和最高中心頻率之間的連續(xù)3dB帶寬。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的pMUT陣列，其中所述多個(gè)電極軌集在第一維形成通道的線性陣列，并且其中在元件群中的換能器沿著第二維以及沿著第一維對(duì)齊以在每個(gè)通道中提供2D元件陣列。
16.一種操作具有權(quán)利要求1所述的pMUT的用于在介質(zhì)中生成并感測壓力波的裝置的方法，該方法包括: 生成第一電信號(hào)； 生成第二電信號(hào)； 相對(duì)于所述第一和第二信號(hào)中的一個(gè)調(diào)制另一個(gè)的振幅和相位中的至少一個(gè)；以及將所述第一電信號(hào)施加至所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極并且將所述第二電信號(hào)施加至所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極以控制所述第一和第二振動(dòng)模式的相對(duì)強(qiáng)度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一和第二電信號(hào)被同相施加以增加相對(duì)于所述第二振動(dòng)模式的強(qiáng)度的具有第一頻率的所述第一振動(dòng)模式的強(qiáng)度，以及其中所述第一和第二信號(hào)被異相施加以增加相對(duì)于所述第一振動(dòng)模式的強(qiáng)度的具有高于所述第一頻率的第二頻率的所述第二振動(dòng)模式的強(qiáng)度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，該方法還包括: 從相對(duì)于所述參考電極的所述第一驅(qū)動(dòng)/感測電極接收第一電響應(yīng)信號(hào)； 從相對(duì)于所述參考電極的所述第二驅(qū)動(dòng)/感測電極接收第二電響應(yīng)信號(hào)；以及 對(duì)所述第一和第二電響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理以生成累積頻率響應(yīng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述壓電膜的直徑在壓電換能器元件的一個(gè)群上變化； 其中所述第一和第二電響應(yīng)信號(hào)針對(duì)所述壓電膜的每個(gè)直徑被接收；以及其中所述累積頻率響應(yīng)具有在所述第一和第二電響應(yīng)信號(hào)的最低和最高中心頻率之間的連續(xù)的3dB帶寬。
【文檔編號(hào)】H01L41/08GK104271264SQ201380023320
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月1日
【發(fā)明者】A·哈賈蒂 申請(qǐng)人:富士膠片戴麥提克斯公司