CN101874312A

CN101874312A - 微机械超声换能器中的可变工作电压

Info

Publication number: CN101874312A
Application number: CN200880118696A
Authority: CN
Inventors: 黄勇力
Original assignee: Kolo Technologies Inc
Current assignee: Kolo Medical Ltd; Kona Medical Co ltd
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: US20100278015A1; EP2227835A1; US8363514B2; WO2009073561A1; JP5337812B2; CN101874312B; JP2011523234A

Abstract

cMUT和cMUT工作方法使用有具有不同频率特性的两个分量的输入信号。第一分量主要有在cMUT的频率响应带内的声频率而第二分量主要有在该频率响应带外的频率。偏置信号和输入信号的第二分量一起将工作电压应用到cMUT上。工作电压在工作模式如发送模式和接收模式间是可变的。cMUT仅需要一个AC分量就允许可变的工作电压。这使得偏置信号由多个cMUT元件共享并简化制造过程。cMUT和工作方法的实现尤其适合接收模式接收较高的谐波频率的超声谐波成像。

Description

微机械超声换能器中的可变工作电压

相关申请

本申请要求2007年12月3日提交的发明名称为“微机械超声换能器的优化操作”的第60/992,046号美国临时专利申请的优先权利益，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

背景

电容式微机械超声换能器(cMUT)为在各种应用中广泛使用的静电驱动器/换能器。超声换能器可以在包括液体、固体和气体的各种介质中工作。超声换能器通常用于诊断和治疗的医学成像、生化成像、非破坏性的材料评估、声纳、通信工具、接近传感器、气体流量测量、现场过程监控、声学显微镜、水下传感和成像以及众多其他实际应用。cMUT的典型结构是带有固定下电极和位于柔性膜上或柔性膜内的可移动上电极的平行板电容器，其用于发送/校准(TX)或接收/检测(RX)相邻介质中的声波。直流(DC)偏置电压可应用在电极之间以使膜偏到适合cMUT工作的最佳位置，通常以灵敏度和带宽最大化为目标。在发送过程中，交流(AC)信号应用于换能器。上电极和下电极之间的交替静电力驱动膜以使得将声能传输至cMUT周围的介质。在接收过程中，声波撞击引起膜振动，因此，改变了两电极间的电容。

cMUT的一个重要特性是它的工作电压，该工作电压是除了用于产生声能的AC信号之外用于cMUT的电压信号。在现有的cMUT工作方法中，DC电压用于偏置cMUT。TX输入信号应用在cMUT上产生声输出。在这些方法中，cMUT的工作电压仅由DC偏置电压信号决定。在发送和接收两者的工作中使用相同的工作电压电平。然而，在发送和接收工作中，适合cMUT工作的最优的工作状态是不同的。因此，为了获得最优的整体性能，在选择合适的工作电平时需要对使用固定的工作电压电平进行权衡。这种权衡在cMUT性能改善方面设置了障碍。

为了解决这个问题，提出了在发送和接收模式下使用可变的工作电压。这通过对两种工作模式使用不同的偏置电压电平来实现。具体地，在TX和RX工作中带有不同偏置电平的AC偏置信号用来代替DC偏置信号。该方法在操作过程中需要两个高电压AC信号：TX输入信号，其与在其他常规方法中使用的信号相同，仅用来产生声输出；以及AC偏置信号，其用来改变两种模式间的工作电压电平。这两种高电压AC信号需要是同步的。在cMUT阵列中的cMUT元件不能共享相同的AC偏置信号用于波束成形。因此，每个cMUT元件为了工作需要两条不同的线。这加倍了cMUT系统中使用的线的数量，大大增加了系统的复杂性和系统的成本。当使用带有大量元件的cMUT阵列时，这些问题尤为突出。

为了优化RX和TX的性能并简化系统的复杂度，需要开发更好的cMUT工作方法。

发明内容

cMUT和cMUT工作方法使用具有不同频率特性的两分量的输入信号。第一分量的主要频率在cMUT元件的频率响应带内而第二分量的主要频率在cMUT元件的频率响应带外。输入信号的第一分量用于生成用于cMUT发送(TX)工作的声输出。偏置信号和输入信号的第二分量一起限定应用到cMUT上的工作电压。工作电压用于设置用于cMUT的工作状态(或工作点)且在cMUT的频率带内不产生有影响的声输出。

工作电压在工作模式如发送模式和接收模式间是可变的。cMUT仅需要一个AC分量就允许用可变的工作电压操作cMUT。这使得偏置信号由多个cMUT元件共享，因此很容易实现CMUT系统，尤其是具有大量元件的CMUT阵列。cMUT和工作方法的实现尤其适合接收模式接收较高的谐波频率的超声谐波成像。

本公开的一个方面是有至少一个cMUT元件的cMUT系统。输入信号源操作以应用包括具有不同频率特性的两分量的输入信号。偏置信号和具有带外频率(如低频)的输入信号分量一起将工作电压应用到cMUT元件上。在第一工作模式(如发送模式)的工作电压与第二工作模式(如接收模式)相比是不同的。偏置信号可为DC信号。

在一个实施方式中，cMUT系统适于在不同类型的成像中可切换地工作。在第一类型成像中的发送与接收中工作电压是不同的，但在第二类型成像中用于发送和接收两者的工作电压是相同的。第一类型成像对离系统远距离的样本区域成像，且第二类型成像包括对靠近系统的样本区域成像。

本公开的另一方面是用于操作cMUT的方法。该方法提供包括至少一个cMUT元件的cMUT。该方法配置cMUT以使得输入信号源操作以应用包括具有不同频率特性的两分量的输入信号并使得偏置信号和具有带外频率(如低频)的输入信号分量一起将工作电压施加到cMUT元件上。在不同工作模式如发送模式和接收模式中的工作电压是不同的。

另一方面是一种操作cMUT的方法，提供cMUT和配置cMUT来以使得至少部分地由偏置电压和/或输入信号提供的工作电压在工作过程中应用到cMUT元件上。工作电压在发送模式中被设置在零附近且在接收模式中被设置为非零。发送模式可被设置为执行二阶频率工作。在一个实施方式中，工作信号至少部分地由输入信号的带外频率(如低频)分量提供。

本发明内容被提供以简化的形式介绍思想的一种选择，其在下文在详细的描述中被进一步描述。本发明内容不是为了确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是为了在确定所要求保护的主题的范围上用作辅助手段。

附图简述

详细描述均结合附图。在图中，参考标号最左边的数字表示首次出现的参考标号。在不同图中使用的相同参考标号代表相似或相同的部件。

图1示出了使用可变工作电压的第一示例cMUT系统；

图1A示出了使用可变工作电压的第一示例cMUT系统的另一方面；

图2示出了使用可变工作电压的第二示例cMUT系统；

图3A-3E示出了偏置信号和TX输入信号及相应工作电压的第一实施例；

图4A和4B示出了偏置信号和TX输入信号及相应工作电压的第二实施例；

图5示出了TX工作输入信号的第三实施例；

图6A-6D示出了偏置信号和TX输入信号及相应工作电压的第四实施例。

详细描述

所公开的cMUT工作方法的实施方式使用可变工作电压，当cMUT的工作模式发生改变时，该可变工作电压也不时地发生改变。工作电压用来设置cMUT的工作状态(或工作点)且不产生在CMUT的频带内的任何有意义的声输出。本公开的一个特征是至少部分地从TX输入信号的AC分量形成工作电压。TX输入信号的AC分量和偏置信号一起允许设置可变工作电压，以使得不同的工作模式如发送(TX)和接收(RX)模式可使用不同的工作电压。该方法可同时优化cMUT在发送和接收工作中的性能。以下公开了该方法的示例性实现方式。

图1示出了使用可变工作电压的第一示例性cMUT系统。cMUT系统100包括cMUT101。cMUT的细节未示出，因为它们对本发明而言不是必不可少的。原则上，可使用包括柔性膜cMUT和嵌入式弹性cMUT(EScMUT)的任意cMUT。cMUT具有分离开一间隙的第一电极和第二电极，以使得两极间存在电容。弹性构件(例如柔性膜或弹性层)支持两个电极中的一个，以使两个电极能够朝着彼此或远离彼此地移动。在柔性膜cMUT内，弹性构件为直接支持两电极中一电极的柔性膜。在EScMUT内，弹性构件为支持板上的电极的弹性层，该电极通过弹性板连接器从弹性层悬挂下来。

cMUT 101连接到偏置信号端102和输入信号端103。偏置信号源104与偏置信号端102相连以将偏置信号105在第一电极106上应用到cMUT101。输入信号源110与输入信号端103相连。输入信号源110用来将输入信号111在第二电极107上应用到cMUT 101上。

输入信号111包括第一输入信号分量112和第二输入信号分量113。第一输入信号分量112的主频在cMUT101的频率响应带内。在本公开中，第一输入信号分量112被用作TX声音输入信号。TX声音输入信号分量112通过cMUT101生成声能(声输出)。第二输入信号分量113为工作输入信号，该工作输入信号主要有带外频率(例如大大低于cMUT101的频率响应带的低频)。第二输入信号分量113优选地不主要用于产生cMUT101的声能或声输出，且被用作施加到cMUT101两端的工作电压的至少一部分。在一个实施方式中，第二输入信号分量113不生成cMUT101的任何有意义的声音输出。在本公开中，第二输入信号分量113用作TX工作输入信号。

第二输入信号分量113和偏置信号105一起应用工作电压到cMUT101。下面将详细描述工作电压在不同的工作模式如TX和RX模式中是不同的。

在工作过程中，cMUT系统100使用开关108在TX和RX模式间切换，该开关108可以为任何合适的开关如电子开关或机械开关。开关108可以由功能类似开关的电路代替(如在TX工作中，RX检测电路的保护电路)。cMUT系统100可以包括其他组件，该其他组件包括波束形成设备、控制器、信号处理器和其他电子器件。这些组件未示出。

与现有方法中的TX输入信号不同，本公开的方法中的TX输入信号111不仅用于产生超声波输出，其还用于与偏置信号一起设置工作电压电平。换言之，TX输入信号111包括两个信号分量，一个是用于产生需要的声输出信号的TX声输入信号112，另一个是用于改变工作电压电平的TX工作输入信号113。TX声音输入信号112可以是任意适合产生声输出的输入信号，例如常规cMUT工作方法中使用的输入信号。

在频域，TX声音输入信号112的频谱优选地在cMUT101的频率响应带宽内。TX工作输入信号113的频谱优选地在cMUT101的声输出带宽外。因此，TX工作输入信号113的频率优选地远高于或远低于TX声输入信号112的频率。在一优选实施方式中，TX工作输入信号113有明显低于cMUT101的声输出的带宽的主频。

在一实施方式中，偏置信号105是DC电压信号，该DC电压信号对于cMUT101的TX和RX工作有相同的电压电平。所以cMUT101的TX和RX工作间的工作电压电平差仅由TX输入信号111决定。

在另一实施方式中，偏置信号105是连续调制信号，该调制信号的频率明显高于cMUT的工作频率(例如超出cMUT 101的频率响应带宽的范围)。所以偏置信号105对于cMUT 101的TX和RX工作两者有相同的电压电平。因此，在本实施方式中cMUT 101的TX和RX工作间的工作电压电平差也仅由TX输入信号111决定。

与在TX和RX工作两者中有相同的工作电压电平的现有的cMUT工作方法相比，所公开的方法因为有机会同时优化TX和RX工作两者的工作电压电平而潜在地提高了cMUT的性能，而不是折中地解决该问题。

另外，所公开的cMUT工作方法仅需要一个AC信号，即TX输入信号111。偏置信号105可以是DC电压或高频调制信号。偏置信号105和TX输入信号111之间不需要同步。因此，实现本发明公开的方法比使用需要被同步并需要由两电缆承载以用于每个cMUT的两个AC信号(AC偏置信号和AC输入信号)的那些方法可能容易得多。

如果AC偏置信号与AC TX输入信号同步使用，cMUT阵列的元件不能共用相同的AC偏置信号，因此每个cMUT元件需要两专用电缆获取两AC信号。这可能造成系统的高成本，尤其是当带有大量元件的cMUT阵列被使用时。然而，本发明公开的方法使得能够使用可由cMUT阵列的一些或全部元件共用的DC偏置信号或高频调制偏置信号。因此，在优选实施方式中，每个cMUT元件只需要一个专用电缆，以分别发送信号或寻址。

图1A示出了使用可变工作电压的第一示例性cMUT系统的另一方面。cMUT系统100A基于与参考图1描述的cMUT系统100中所使用的相同的原理，但是示出了cMUT101和cMUT101A，每个的配置方式与图1中cMUT 101的配置方式相似。

与cMUT 101相似，cMUT 101A连接到共用偏置信号端102和输入信号端103A。公共偏置信号源104与公共偏置信号端102相连以应用相同的偏置信号到cMUT 101A。输入信号源110A与输入信号端103A相连，且操作以应用输入信号到cMUT 101A。输入信号源110和输入信号源110A可以为能将大量的不同的输入信号传送到不同的cMUT的不同信号源或相同信号源。

与图1所示的一样，cMUT101和cMUT101A共用共同的偏置信号，因此不需要单独的布线。代替地，在制造过程中cMUT 101和cMUT 101A两者的一侧可与共用导体相连而不用单独的布线。另一方面，输入信号分别寻址到cMUT101和cMUT101A中的每个，因此需要单独的布线。具体地，不同的输入信号可应用到不同的cMUT元件。输入信号的不同可在于TX声输入信号112或TX工作输入信号113，或这两者中都存在。当TX工作输入信号113在不同的cMUT元件(101和101A)内不同时，cMUT元件有不同的工作电压，且可以在不同的条件下工作。

cMUT 101和cMUT 101A仅为说明性的。这些cMUT可以代表单独寻址的cMUT元件、有多个cMUT元件的cMUT构件(cell)或cMUT单元、或相同cMUT的子元件。可以理解的是，与cMUT101和cMUT101A相似的任意数量的cMUT元件可以在同一cMUT阵列被连接和使用。

应用到cMUT 101和cMUT 101A中的每个的输入信号包括TX声输入信号和TX工作输入信号，与图1中的cMUT 101的输入信号111相似。然而，cMUT101和cMUT101A的输入信号可以是个性化的且它们的信号电平、时间、相位和频率可不同。

在工作过程中，cMUT101和cMUT101A中的每个使用各自的开关(108和108A)在TX和RX模式之间进行切换。cMUT系统100可以具有其他组件，该其他组件包括波束形成设备、控制器、信号处理器和其他电子构件。

图2示出了使用可变工作电压的第二示例cMUT系统。cMUT201的细节未示出。原则上，可以使用包括柔性膜cMUT和嵌入式弹性cMUT(EScMUT)两者的任何cMUT。cMUT系统200基于与参考图1所描述的cMUT系统100的相似的原理形成用于不同工作模式(如TX和RX)的可变工作电压。例如，TX输入信号211具有第一分量TX声输入信号212和第二分量TX工作输入信号213。TX输入信号211由信号源210提供，且通过TX端203和开关208应用到cMUT 201上。

然而，cMUT系统200与cMUT系统100在几个方面是不同的。偏置信号205和TX输入信号211应用到cMUT201的相同电极207，而在图1中偏置信号105和TX输入信号111应用到cMUT101的对端电极106和107上。cMUT 201的另一电极206与GND相连。TX输入信号211由信号源210通过TX端203提供。偏置信号205由信号源204通过偏置端202提供。因此，在这个实现方式中应用到cMUT201上的工作电压电平是TX工作输入信号213和偏置信号205的和。相比较地，在图1中的实现方式中应用到cMUT101上的工作电压电平是TX工作输入信号113和偏置信号105的差。明显地，图2中的偏置信号205是负的，而图1中的偏置信号105是正的，使得于cMUT 100和cMUT 200两者中产生的可变工作电压电平是相同的。另外，cMUT 200有一偏置电路以方便cMUT系统200的设计，该偏置电路包括解耦电容C 215和偏置电阻R 216。

图3A-3E示出了根据图1中的cMUT系统的第一示例性实施方式的偏置信号和TX输入信号及相应工作电压的第一实施例。图3A示出了偏置信号305和TX输入信号311。这些信号中的每个由电压/时间图所表示。包括转变过程，信号可包括四个期间或阶段：TX阶段、RX阶段、RX到TX的转变和TX到RX的转变。在图3A和随后的图中，这些阶段分别用“T”、“R”、“TR”和“RT”表示。有时，一个或两个转变区间可与RX或TX阶段合并。

偏置信号305为DC偏置信号(V_B)。TX输入信号311包括两个信号分量：TX声输入信号312和TX工作输入信号313。通过合并两个单独产生的信号TX声输入信号312和TX工作输入信号313可形成TX输入信号311。然而，TX输入信号311也可使用合适的信号发生器来直接产生。

TX输入信号311中的TX工作输入信号313应通常至少存在于TX阶段(T)和RX阶段(R)。cMUT在TX阶段作为超声发送器工作，在RX阶段作为超声接收器工作。在RX阶段和TX阶段的工作电压电平可被不同地设置。TX输入信号311中的TX工作输入信号313在RX阶段优选地设置为零。另一方面，TX输入信号311中的TX声音输入信号312应通常存在于TX阶段中，但优选地不在其他区间出现。

TX输入信号311中的TX工作输入信号313可在RX到TX的转变(RT)和TX到RX的转变(TR)中存在。有时，一个或两个转变区间可与RX或TX阶段合并。

图3B示出了图3A中的TX输入信号311中的TX声输入信号312和TX工作输入信号313。这两个输入信号是图3A中的TX输入信号311的两个分量。TX输入信号311在其转变阶段可有多个电压电平。示例的TX输入信号311在发送和接收工作中分别有两个不同的电压电平V_OFF和V_O。V_O通常设为零。TX声输入信号312主要存在于TX阶段(T)。

图3C示出了应用在cMUT上的总电压，该总电压为TX输入信号311和偏置信号305的差或和，这取决于信号的极性和cMUT系统中使用的实施方式。在所示出的实施例中，应用在cMUT上的总电压315为TX输入信号311和偏置信号305的差。总电压315有两个有效工作电压电平。第一电平V_B有较高的绝对电压且用于接收(RX)工作，带有较低绝对电压的第二电平V_B-V_OFF用于发送(TX)工作。在发送工作中，TX声输入信号312是存在的，用于产生声能。总电压315的其他部分用于建立cMUT的合适的工作状态。偏置信号305和TX输入信号311的电压被有目的地选择以实现cMUT的期望性能。

图3D示出了偏置信号305和TX工作输入信号313，未示出TX输入信号311中的TX声输入信号312。

图3E示出了应用到cMUT上的总工作电压316，未示出TX输入信号311中的TX声输入信号312。图3D和图3E用于更清楚地示出如何使用TX工作输入信号313连同偏置信号305来改变工作电压电平316。

图4A和图4B示出了偏置信号和TX输入信号及相应的工作电压的第二实施例。除了不同的电压电平设置，在第二实施例中的信号均与图3A-3E中所示的第一实施例中的信号相似。相似地，偏置信号305为DC偏置信号(V_B)。TX输入信号411包括两个信号分量：TX声输入信号412和TX工作输入信号413。在本实施方式中，偏置信号405的偏置电压(V_B)被设置成与TX输入信号411中的TX工作输入信号413的电压电平V_OFF相同，使得这两电压在发送过程中抵消掉。因此，在发送过程中，应用到cMUT上的总电压415的工作电压电平为零或接近于零。

第二示例性实施方式适用于名称为“微机械超声换能器的信号控制(SIGNAL CONTROL IN MICROMACHINED ULTRASONICTRANSDUCER)”的第11/965919号美国专利申请中公开的称作二阶频率方法的特殊cMUT工作技术，该申请的全部内容通过引用的方式并入本文中。在二阶频率工作中，声输出信号与TX声输入信号412的平方成比例，且适合产生没有谐波分量的期望的声音输出。这对cMUT执行谐波成像可能是至关重要的。

一个示例的二阶频率方法设置了cMUT的特殊的TX声信号，例如V_TX∝sin(ωt/2)，其有基频ω/2且产生没有任何较高频率谐波的以ω为输出信号频率的主要二阶频率分量的声输出。基频ω/2可被选择是cMUT的期望的工作频率ω0的大约一半，因此输出信号频率2ω接近期望的工作频率ω0。工作频率ω0通常在cMUT的频率响应的频带内，且可优选地接近频带的中心频率。更多的实施例在合并的第11/965919号美国专利申请中被公开。

二阶频率方法在此处的在两种工作模式间进行切换的cMUT系统中被使用。具体地，在一个实施方式中，cMUT系统切换到二阶频率工作方法以进行发送，但返回到不同的工作方法以进行接收。应用到cMUT上的工作电压电平随着工作模式的改变而相应变化。处于零或接近零的工作电压特别适合二阶频率工作模式。

值得注意的是，任何适合为cMUT提供可变工作电压的方法可用于上述二阶频率技术的实现。

TX声音输入信号(如312或412)用于产生所需的声输出。任何合适的AC信号或波形可被使用。该信号可以是用来产生期望的声输出的任何电子信号，例如单个正弦脉冲、多个正弦脉冲、高斯形脉冲、半余弦脉冲和方波脉冲等。TX声信号由成像系统的需求来限定。

图5示出了TX工作输入信号的第三实施例。TX工作输入信号513与图3-4中所示的TX工作输入信号相似，且被设计以进一步减少cMUT工作频率区间(带宽)内的、TX工作输入信号513的频率分量，使得TX工作输入信号513在cMUT工作阶段不能提供非常有影响的超声输出。这由圆化TX工作输入信号515的角实现。

TX工作输入信号513的较高频率分量源于信号电压电平发生改变的转变区间。因此，在转变区间(513a和513b)中的TX工作输入信号513(313，413)的形状和宽度优选地被设计以使得在这些转变区间如RX到TX(RT)的转变区间和TX到RX(TR)的转变区间信号不生成和TX声输入信号相干扰的输出声信号。通常，这可通过以下操作完成，即，控制TX工作输入信号513(313，413)的频率分量使它们保持在cMUT的带宽之外，以使得TX工作输入信号513(313，413)通过cMUT产生最小的超声输出。如所示出的，TX工作输入信号513(313，413)的尖角被圆化。图5中的转变过程中的信号513a和513b就是例子。被设计用于最小化在cMUT的感兴趣的频带内的超声的产生的任何其他信号形状可被使用。

TX工作输入信号513或旨在最小化其在cMUT工作频率范围内的频率分量的其他任意TX工作输入信号可被生成，然后使用具有低于cMUT的工作频率区间的高截止频率的适当的低通或带通过滤器过滤，然后与TX声音输入信号(如312，412)结合，以产生总的TX输入信号(如311，411)。

图6A-6D示出了偏置信号和TX输入信号及相应工作电压的第四实施例。在本实施方式中，TX输入信号611的TX阶段(T)被设计成与TX声输入信号612具有相同的长度(时间)。TX声输入信号612和TX工作输入信号613的TX阶段(T)同步以具有相同的开始时间和/或相同的结束时间。在本实施方式中，TX工作输入信号613的转变区间(RT和TR)之一或二者都可作为TX声音输入信号612的一部分进行处理。这些转变区间对应于TX工作输入信号613的上升沿或下降沿。这导致了包括原始TX声输入信号612和TX工作输入信号613的转变区间部分两者的完整的TX声音输入信号。这可能最小化在成像过程中由TX工作输入信号613产生的不期望的声信号引起的伪影。

图6A示出了偏置信号605和TX输入信号611。图6B示出了在转变过程中定时为互相重合的TX声音输入信号612和TX工作输入信号613。图6C示出了所得到的应用在cMUT上的总电压615，示出有TX声音输入信号612。图6D示出了总电压615中的工作电压616，未示出TX声音输入信号612。这说明了电压电平在不同的工作模式(TR和RX)下如何变化。

本发明公开的TX输入信号(如111)可由任何合适的信号源如任意的信号发生器提供。它可先在低电压电平生成，然后放大到期望的电压电平。TX输入信号还可通过合并分别生成的TX声音信号和TX工作信号来合成。在这种情况下，TX工作信号在叠加之前可使用低通或带通过滤器过滤。在叠加的TX输入信号和偏置信号应用到CMUT之前，如果需要，叠加的TX输入信号可被放大到期望的强度。

所公开的cMUT工作方法还可有利于cMUT阵列的切趾。在现有的方法中，通过在每个cMUT元件上应用期望的偏置信号完成切趾。无论哪种偏置信号被使用，在阵列中的每个cMUT元件需要单独的偏置信号线，以具有个性化的或有差异的工作电压电平。因此，每个元件需要两个不同的信号线，即偏置线和信号线。这使换能器互连更加复杂。使用所公开的方法，每个元件的声输出和工作电压电平仅由应用到该元件的TX输入信号决定。因此，任何信号的个性化(如定址)和差异化(如切趾)均可通过使用TX输入信号完成。这使得阵列中的一些或全部元件共用相同的偏置线成为可能。另外，本发明公开的方法只需要一个高电压/功率信号而不需要来自不同AC源的多个AC信号的同步。这也使得某些工作技术如切趾的实现比现有的方法更容易。

本发明所公开的方法旨在通过优化TX和RX工作来提高cMUT性能。cMUT性能优化的一个最重要目标是增加设备的闭环灵敏度以致能更深地渗入介质以增大成像区间。然而，如果使TX电压电平和RX电压电平间的切换速度需要为低以最小化cMUT频带内的、TX工作输入信号对声输出的影响，那么增加灵敏度可能以增加系统的死区为代价。死区由系统在在TX声信号结束之后准备好检测的延时决定。

为了克服该问题，本发明提出了双成像cMUT方法和系统。该方法提供了cMUT并使cMUT适应于在第一类型成像和第二类型成像中工作，使得在第一类型成像的发送中的工作电压与接收中的工作电压不同，而在第二类型成像的发送中和接收中的工作电压相同。在一个实施方式中，第一类型成像对离cMUT的远距离的样本区域成像，第二类型成像对靠近cMUT的样本区域成像。对于远距离成像，提供可变工作电压的工作方法(例如此处所公开的)可用来增加灵敏度。对于附近成像，传统的方法(或最小化死区的任何其他方法)用来使cMUT工作。这样做不影响成像质量，因为在靠近cMUT的成像区，闭环灵敏度的要求要小得多。在工作过程中，在两种成像模式间的cMUT系统切换依赖成像需求。值得注意的是，每个成像模式可包括发送模式和接收模式两者。

可选地，对于上述过程在cMUT系统中可使用两个不同的cMUT(不同的cMUT元件或不同的cMUT阵列)。第一个cMUT适于使用可变工作电压方法进行工作，第二个cMUT适于使用传统工作电压方法(或其他最小化死区的方法)进行工作。

值得注意的是，除了此处公开的用于可变工作电压的方法，任何适合为cMUT提供可变工作电压的方法可用于双成像或多成像技术的上述实现。

所公开的cMUT和工作方法的一个示例应用是流行的超声谐波成像。在超声谐波成像中，换能器通常生成期望的声输出，且在TX工作中将其发送至介质并在RX工作中从介质接收回声信号。接收信号的一部分中心围绕在TX输出的中心频率(称为系统的基频)且接收信号的另一部分中心围绕在TX输出的谐波频率区间(称为系统的谐波频率)。通常，系统的基频和谐波频率在cMUT的频带内。在常规的cMUT工作中，主频通常占有较低频侧一半的频带，而谐波频率通常占有较高频侧一半的频带。谐波成像方法通常使用接收的信号的谐波部分以提高成像分辨率。这是因为谐波信号位于较高的频率，此处声波长更短，这使得轴向分辨率更好。

现有的谐波成像技术对TX和RX工作使用具有单一工作状态的相同的换能器或换能器阵列。在这些技术中，在TX和RX工作中的换能器的响应频率基本上是相同的。使用此处描述的方法，可变工作电压可用于切换有不同声特性的两种不同工作状态间的cMUT。合适的双工作状态cMUT或双模式cMUT和相应的切换方法的实施例在与本申请同一日期提交的、名称为“双模式工作微机械超声换能器(DUAL-MODE OPERATIONMICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCER)”的第号国际专利申请(律师签号No.KO1-0010PCT)中被公开。所引用的PCT专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文。

值得注意的是，尽管方法被说明为使用微机械超声换能器，尤其是电容式微机械超声换能器(cMUT)，但此处公开的工作方法可应用到在多种工作模式例如发送和接收模式用工作电压工作的任何静电换能器。

应理解的是此处论述的潜在的优势和优点不应被理解成对所附权利要求的范围的限制或约束。

尽管主题用具体的语言以结构特征和/或方法动作来描述，应当理解所附的权利要求限定的主题不一定限制到所描述的具体的结构或动作。而是，具体的结构或方法作为实现权利要求的示例性形式被公开。

Claims

1.一种电容式微机械超声换能器(cMUT)系统，所述系统包括：

偏置信号端；

输入信号端；

至少第一cMUT元件，其连接到所述偏置信号端和所述输入信号端；

偏置信号源，其与所述偏置信号端相连以将偏置信号应用到所述第一cMUT元件；以及

输入信号源，其与所述输入信号端相连，所述输入信号源操作以将输入信号应用到所述第一cMUT元件，所述输入信号包括第一输入信号分量和第二输入信号分量，所述第一输入信号分量主要有在所述第一cMUT元件的频率响应带内的声频率，且所述第二输入信号分量主要有实质上在所述第一cMUT元件的所述频率响应带之外的声频率，且其中所述第二输入信号分量和所述偏置信号一起限定应用到所述第一cMUT元件的工作电压，所述工作电压在第一工作模式中与第二工作模式中不同。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述偏置信号为DC信号。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一工作模式是发送(TX)模式，且所述第二工作模式是接收(RX)模式。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述第一工作模式在第一频率范围工作，且所述第二工作模式在实质上不同于所述第一频率范围的第二频率范围工作。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述第一cMUT元件操作以执行谐波成像，所述第一工作模式以所述系统的基频工作，且所述第二工作模式以所述系统的谐波频率工作。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述工作电压在所述第一工作模式中约为零。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一工作模式是发送(TX)模式。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述第一工作模式包括二阶频率工作。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述第一输入信号分量在所述第一工作模式中有处于基频ω/2的波形，所述波形通过所述第一cMUT元件生成输出信号，该输出信号具有处于输出信号频率ω的主要二阶频率分量。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述基频ω/2为所述第一cMUT元件期望的工作频率ω₀的大约一半，使得所述输出信号频率ω接近所述期望的工作频率ω₀。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述第一工作模式是发送(TX)模式，且在所述第一工作模式中的工作电压约为零。

12.如权利要求1所述的系统，所述系统操作来在第一类型成像和第二类型成像间进行切换，其中，在所述第一类型成像中在所述第一工作模式下的工作电压与所述第二工作模式的工作电压不同，在所述第二类型成像中用于所述第一工作模式和所述第二工作模式的工作电压相同。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述第一类型成像包括对离所述系统远距离的第一样本区域成像，且所述第二类型成像包括对靠近所述系统的第二样本区域成像。

14.如权利要求1所述的系统，还包括具有在发送与接收之间未改变的第二工作电压的第二cMUT元件，其中所述系统适于在第一类型成像和第二类型成像下工作，所述第一类型成像使用所述第一cMUT元件，而所述第二类型成像使用所述第二cMUT元件。

15.如权利要求1所述的系统，还包括：

第二cMUT元件，其与所述第二偏置信号端相连，使得所述第一cMUT元件和所述第二cMUT元件共用所述偏置信号端和所述偏置信号。

16.如权利要求1所述的系统，还包括：

第二cMUT元件，其中第二输入信号应用到所述第二cMUT元件，所述第二输入信号与应用到所述第一cMUT元件的所述第一输入信号不同。

17.一种用于操作电容式微机械超声换能器(cMUT)的方法，所述方法包括：

提供电容式微机械超声换能器(cMUT)，该电容式微机械超声换能器(cMUT)包括偏置信号端、输入信号端、连接到所述偏置信号端和所述输入信号端的至少一cMUT元件、与所述偏置信号端相连以将偏置信号应用到所述cMUT元件的偏置信号源以及与所述输入信号端相连的输入信号源，所述输入信号源操作以将输入信号应用到所述第一cMUT元件；以及

配置所述cMUT以使得所述输入信号包括第一输入信号分量和第二输入信号分量，所述第一输入信号分量主要有在所述cMUT元件的频率响应带内的声频率，且所述第二输入信号分量主要有实质上在所述cMUT元件的所述频率响应带之外的频率，以及使得所述第二输入信号分量和所述偏置信号一起限定应用到所述cMUT元件上的工作电压，所述工作电压在第一工作模式中与第二工作模式中不同。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一工作模式是发送(TX)模式，且所述第二工作模式是接收(RX)模式。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述第一工作模式以所述系统的基频工作，且所述第二工作模式以所述系统的谐波频率工作。

20.如权利要求17所述的方法，其中配置所述cMUT包括在所述第一工作模式下在零附近设置所述工作电压。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述第一工作模式为包括二阶频率工作的发送(TX)模式。

22.如权利要求17所述的方法，其中配置所述cMUT包括使所述cMUT适于在第一类型成像和第二类型成像下工作，其中，在所述第一类型成像中，所述第一工作模式与所述第二工作模式相比，所述工作电压被设置得不同，在所述第二类型成像中所述第一工作模式与所述第二工作模式的所述工作电压被设置得相同。

23.如权利要求22所述的方法，其中，所述第一类型成像包括对离所述系统远距离的第一样本区域成像，所述第二类型成像包括对靠近所述系统的第二样本区域成像。

24.如权利要求17所述的方法，其中所述第一输入信号分量和所述第二输入信号分量在所述第一工作模式下有相同的开始时间和/或相同的结束时间，使得所述第二输入信号分量的至少一个转变区间能够作为所述第一输入信号分量的一部分进行处理。

25.一种用于操作电容式微机械超声换能器(cMUT)的方法，所述方法包括：

提供电容式微机械超声换能器(cMUT)，该电容式微机械超声换能器(cMUT)包括偏置信号端、输入信号端、连接到所述偏置信号端和所述输入信号端的至少一cMUT元件、与所述偏置信号端相连以将偏置信号应用到所述cMUT元件的偏置信号源以及与所述输入信号端相连的输入信号源，所述输入信号源操作以将输入信号应用到所述cMUT元件；以及

配置所述cMUT使得在工作中将工作电压施加到所述cMUT元件上，所述工作电压至少部分地由所述偏置电压和/或所述输入信号提供，且所述工作电压在发送模式下约为零而在接收模式下不为零。

26.如权利要求25所述的方法，其中所述输入信号包括第一输入信号分量和第二输入信号分量，所述第一输入信号分量主要有在所述cMUT元件的频率响应带内的声频率，且所述第二输入信号分量主要有实质上在所述cMUT元件的频率响应带之外的频率，并且其中所述工作电压至少部分地由所述第二输入信号分量提供。

27.如权利要求25所述的方法，其中所述发送模式包括二阶频率工作。

28.一种用于操作电容式微机械超声换能器(cMUT)的方法，所述方法包括：

提供电容式微机械超声换能器(cMUT)，该电容式微机械超声换能器(cMUT)包括偏置信号端、输入信号端、连接到所述偏置信号端和所述输入信号端的至少一cMUT元件、与所述偏置信号端相连以将偏置信号应用到所述cMUT元件的偏置信号源以及与所述输入信号端相连的输入信号源，所述输入信号源操作以将输入信号应用到所述cMUT元件，使得在工作中至少部分地由所述偏置电压和/或所述输入信号提供的工作电压应用在所述cMUT元件上；以及

使所述cMUT适于在第一类型成像和第二类型成像中可切换地工作，使得在所述第一类型成像中所述工作电压在发送中与接收中不同，而在所述第二类型成像中所述工作电压在发送中和接收模式中相同。

29.如权利要求28所述的方法，其中所述第一类型成像包括对离所述cMUT远距离的第一样本区域成像，且所述第二类型成像包括对靠近所述cMUT的第二样本区域成像。

30.如权利要求28所述的方法，其中所述输入信号包括第一输入信号分量和第二输入信号分量，所述第一输入信号分量主要有在所述cMUT元件的频率响应带内的声频率，且所述第二输入信号分量主要有实质上在所述cMUT元件的频率响应带之外的频率，并且其中所述工作电压至少部分地由所述第二输入信号分量提供。