УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК С БОЛЬШИМ ПОЛЕМ ОБЗОРА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА
ULTRASONIC SENSOR WITH WIDE FIELD OF VIEW, AND MANUFACTURING METHOD OF SUCH ULTRASONIC SENSOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к ультразвуковому датчику, который имеет большое поле обзора благодаря специальной геометрической схеме расположения элементов решетки ультразвуковых преобразователей. Кроме того, изобретение относится к способу изготовления ультразвукового датчика.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В областях медицинского применения ультразвука ультразвуковые преобразователи обычно применяют для передачи и приема ультразвуковых или акустических волн при ультразвуковой визуализации.
Область в теле пациента, изображение которой можно получать с достаточно высоким качеством изображения и достаточно низкими уровнями артефактов, называют полем обзора. Поле обзора преобразователя зависит от нескольких факторов, включающих в себя размер элемента решетки преобразователей, апертуру решетки преобразователей и геометрию решетки преобразователей.
Многие преобразователи, имеющиеся на рынке, содержат 1-мерную решетку (так называемую линейку) ультразвуковых преобразовательных элементов. Каждый элемент является отдельным, номинально независимым преобразователем, который как излучает ультразвуковую энергию в тело пациента, так и принимает эхо-сигналы от структур в теле. Медицинский ультразвук работает в частотном диапазоне в 1-20 МГц, необходимом для обеспечения средней геометрической линейной плотности элементов визуализации, соответствующей структурам тела человека. Более низкие и высокие частоты можно применять для специальных прикладных задач.
Каждый элемент в 1-мерной решетке обычно имеет форму прямоугольника, узкого в одном направлении (обычно называемом азимутальным направлением), более протяженного в ортогональном направлении (обычно называемом угломестным направлением), и имеет толщину в направлении, ортогональном двум другим направлениям (обычно называемым направлением по дальности). Размер преобразовательного элемента, т.е. его ширина в азимутальном направлении и длина в угломестном направлении, может определять его апертурный угол на данной частоте. Данный апертурный угол может быть углом, в котором элемент принимает достаточно энергии для полезного вклада в ультразвуковой сигнал. Когда ширина элемента возрастает, апертурный угол, как правило, уменьшается. Апертурный угол дополнительно зависит также от частоты; при данной ширине апертурный угол, как правило, уменьшается с повышением частоты.
Хотя 1-мерная решетка преобразователя обычно фокусирует ультразвуковую энергию в угломестном направлении в фиксированной области фокусировки, при установке цилиндрической акустической линзы на рабочей поверхности решетки преобразователей область интереса можно сканировать в азимутральном направлении обычно в двух основных форматах: «секторного сканирования» или «линейного сканирования».
При секторном сканировании поле сканирования может быть участком круга с центром в центре рабочей поверхности решетки. В формате секторного сканирования ультразвуковые пучки могут быть направлены радиально от центра решетки, и угол каждого последовательного пучка может быть разным. Задержки, применяемые для излучения и приема сигналов, могут определять как угол поворота, так и фокусировку. Преобразователи, которые используют формат секторного сканирования, принято называть секторными решетками или фазированными решетками. Данные преобразователи могут содержать элементы с шириной порядка λ/2, где λ можно определять как длину акустической волны на частоте в центре ширины полосы, в которой работает преобразователь. Типичная фазированная решетка обеспечивает поле обзора с сектором шириной 90°.
В альтернативном варианте при линейном формате сканирования каждый пучок может быть перпендикулярен рабочей поверхности решетки, и положение пучка вдоль рабочей поверхности решетки можно перемещать поперечно для зондирования прямоугольного поля обзора. В данном случае пучки могут не поворачиваться, а только фокусируются. Задержки, применимые к излучению и приему сигналов, определяют местоположение пучка. Преобразователи, которые используют формат линейного сканирования, обычно называются линейными решетками и могут содержать элементы с шириной порядка λ. Ширина прямоугольного поля обзора обычно идентична азимутальной длине преобразователя.
Возможно также построение решеток, которые являются изогнутыми и которые обеспечивают искривленное поле обзора. Данные преобразователи обычно работают в формате линейного сканирования, т.е. с ультразвуковыми пучками, которые проецируются перпендикулярно рабочей поверхности решетки. Кривизну поля обзора можно обеспечивать посредством параллельного перемещения ультразвуковых пучков вдоль искривленной поверхности, а не их поворота. Изогнутые решетки преобразователей, работающие в режиме линейного сканирования, иногда называются «изогнутыми линейными решетками» (CLA). Изогнутые линейные решетки могут обеспечивать большее поле обзора, чем плоские линейные решетки, при исключении снижения качества изображения, обусловленного поворотом акустических пучков. Возможно также получение искривленного поля обзора, которое является сектором с углом больше чем 90°, обычно доступным с секторной решеткой.
Следует отметить, что ультразвуковые пучки, используемые как с плоскими, так и с изогнутыми линейными решетками, можно поворачивать. Однако так как линейные решетки имеют более широкие элементы по азимуту, чем фазированные решетки, то ультразвуковой пучок нельзя поворачивать на такой большой угол, как с фазированными решетками. Таким образом, плоская линейная решетка имеет трапецеидальное поле обзора при использовании поворота для визуализации наклонных краев поля обзора.
Термин «формирование пучка» может обозначать процесс комбинирования сигналов, излучаемых и принимаемых элементами решетки, в виде суммы, которая представляет ультразвуковой сигнал, принимаемый из одной точки в поле обзора. В общем для 1-мерного преобразователя каждый преобразовательный элемент соединен с отдельным «каналом» в ультразвуковой системе, при этом канал может содержать передатчик, приемник и схемы задержки, применяемые для управления временным распределением передаваемых и принимаемых сигналов. Временем можно управлять для фокусировки ультразвуковой энергии при излучении и для синтеза фокуса для принимаемых сигналов. Задержка, применяемая в каждом канале, может быть такой, что акустический сигнал, излучаемый каждым из элементов решетки, принимается на заданном объекте в один и тот же момент времени. Задержка может быть разностью по времени распространения ультразвука, определяемого, например, скоростью звука и расстоянием каждого элемента от заданного объекта.
Благодаря сочетанию геометрии решетки, поворота и/или фокусировки по азимуту, обеспечиваемых формирователем пучка системы, и фокусировки по углу места, обеспечиваемой фиксированной линзой, 1-мерные решетки обычно визуализируют участок «плоскости», то есть в угломестном направлении отсутствует поворот или управляемая переменная фокусировка акустических пучков.
1-мерные решетки преобразователей содержат ультразвуковые преобразовательные элементы, которые простираются по всему угломестному размеру решетки, а 2-мерные или матричные решетки могут быть также разделены на элементы в угломестном направлении. Когда каждый элемент снабжен собственной электроникой формирования ультразвукового пучка, так что задержка, вносимая в сигнал упомянутого элемента, может отличаться от задержки соседнего с ним элемента, то можно получать возможность поворота, параллельного перемещения и фокусировки в угломестном направлении, а также в азимутальном направлении. Возможность поворачивать и/или параллельно перемещать ультразвуковой пучок в угломестном направлении может предоставлять возможность визуализировать объем пространства, а не только в плоскости.
Электронику формирования пучка, обеспечиваемую для каждого ультразвукового преобразовательного элемента в матричной решетке, можно также назвать «формирователем микропучка». Функцию формирования пучка ультразвуковой системы в целом можно разделить так, чтобы часть данной функции выполнялась в формирователе микропучка и остальная часть выполнялась в системе общего управления. Например, преобразовательные элементы могут содержать пьезоэлектрическую многослойную схему, с которой электроды контактируют так, что при подаче подходящего напряжения преобразовательные элементы могут быть активизированы для излучения ультразвуковых колебаний. Подача напряжения и управление им осуществляются с использованием схемы управления, относящейся к пьезоэлектрической многослойной схеме каждого из ультразвуковых преобразовательных элементов. Соответственно, каждый из ультразвуковых преобразовательных элементов может быть снабжен собственным «микроканалом», содержащим передатчик, приемник и схемы задержки. Данное решение может допускать объединение сигналов от смежных групп элементов, чтобы управлять одним каналом системы; при этом формирователь микропучка должен обеспечивать только относительно небольшую величину задержки для учета разности между ним и другими элементами в его группе.
Как в случае 1-мерных решеток, поле обзора, доступное с 2-мерной матричной решеткой, может зависеть от геометрии матрицы и форматов сканирования, которые могут поддерживаться элементами решетки. Если элементы решетки являются достаточно малыми как в азимутальном, так и в угломестном направлении, то акустический пучок можно наклонять в обоих направлениях. Более крупные элементы решетки могут допускать менее значительный поворот. Элементы необязательно должны быть квадратными; например, матричную решетку с λ-размерными элементами по азимуту и λ/2-размерными элементами по углу места можно применять и активизировать в формате линейного сканирования по азимуту и секторного сканирования по углу места.
Однако матричные решетки ультразвуковых преобразователей могут быть ограничены по их полю обзора. Ограничения поля обзора можно ослаблять в некоторой степени увеличением размера апертуры, чтобы привести искомое поле обзора в пределы диапазона поворота матричной решетки. Однако могут существовать ограничения на упомянутую степень исправления, которую можно использовать, в частности, для внутриполостных ультразвуковых преобразователей, когда увеличение размеров преобразователя не допускается. Угол поворота можно также увеличивать уменьшением размера элементов решетки. Однако, в случае матричных решеток, данное решение может также уменьшать величину площадки, доступной для электроники микроканала, которую следует устанавливать в пространстве, соответствующем каждому преобразовательному элементу, так что в данном случае возможны ограничения на способы изготовления преобразовательных элементов.
Для обеспечения большего поля обзора, чем поле обзора, возможное при повороте плоской (секторной) решетки, можно воспользоваться изогнутыми матричными решетками. В данных изогнутых матричных решетках ультразвуковые преобразовательные элементы можно располагать на искривленной поверхности. Дополнительное преимущество изогнутой матричной решетки может быть в том, что поле обзора большего размера можно обеспечить при меньшем числе преобразовательных элементов большего размера, чем число малоразмерных элементов фазированной решетки, необходимых для больших углов поворота.
Однако, как показали наблюдения, изогнутые матричные решетки ультразвуковых преобразовательных элементов также могут быть ограничены по полю обзора, а также по качеству изображения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, может существовать потребность в усовершенствованной матричной решетке ультразвукового преобразователя для ультразвукового датчика, которая способна устранять некоторые из ограничений по полю обзора и качеству изображения ранее известных изогнутых матричных решеток, в частности, в случае, когда нельзя выбрать вариант увеличения размера апертуры или уменьшения размера элементов для поворота на больший угол, чтобы получить большее поле обзора.
Как выяснилось, идеальная изогнутая матричная решетка преобразователей может иметь сфероидальную форму с поверхностью, изогнутой в двух направлениях. Однако современные методы изготовления решеток могут не допустить искривления по данной комбинированной кривой поверхности. Несмотря на то, что изогнутую матричную решетку, которая может быть искривленной/изогнутой в одном направлении, т.е. относительно одной оси изгиба, и тем самым сформировать цилиндрическую поверхность, можно изготовить без затруднений, изготовление ультразвукового преобразователя, имеющего достаточную большую объединенную рабочую площадку и изогнутого в двух направлениях для формирования тем самым комплексной криволинейной поверхности, может быть трудной или неразрешимой задачей.
Основополагающая идея настоящего изобретения состоит в том, чтобы аппроксимировать комплексную поверхность ультразвукового преобразователя, например сфероидальную поверхность, посредством аппроксимации с использованием разных областей, содержащих, каждая, матричную решетку ультразвуковых преобразовательных элементов и образующих объединенную площадку ультразвукового преобразователя из данных областей. В этом отношении, по меньшей мере, некоторые из областей могут быть изогнуты относительно определенных осей изгиба, а другие области могут быть неизогнутыми, т.е. могут быть плоскими или могут быть только немного изогнутыми. В частности, возможно полезно обеспечить плоскую или только немного изогнутую область, соединяющую между собой смежные, по существу, изогнутые области.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается матричная решетка ультразвукового преобразователя для ультразвукового датчика с объединенной площадкой ультразвукового преобразователя, содержащей центральную область и, по меньшей мере, три области ответвления. Центральная область и области ответвления содержат, каждая, матричную решетку ультразвуковых преобразовательных элементов. В данном случае центральная область имеет, по меньшей мере, три края, и каждая из областей ответвления продолжается от одного из данных краев центральной области. Кроме того, каждая область ответвления искривлена или изогнута относительно оси, параллельной соответствующему краю центральной области, от которой продолжается область ответвления.
Соответственно, объединенная площадка ультразвукового преобразователя может быть объединением центральной области и множества областей ответвления. Объединенная площадка ультразвукового преобразователя может охватывать непрерывную поверхность с областями ответвления, непосредственно примыкающими к центральной области. Другими словами, области ответвления могут быть соединены между собой через центральную область, размещенную между ними.
Каждая из матричных решеток, содержащихся в центральной области и областях ответвления, содержит множество ультразвуковых преобразовательных элементов, которые распределены по 2-мерной площадке соответствующей области. Например, ультразвуковые преобразовательные элементы могут быть расположены рядами и столбцами, при этом каждая область содержит множество рядов и множество столбцов.
Например, объединенная площадка ультразвукового преобразователя, содержащая центральную область и области ответвления, может образовывать крестообразную форму. В данной форме центр может быть прямоугольным с матрицей из A рядов и B столбцов из ультразвуковых преобразовательных элементов. Две области ответвления, например, примыкающие к центральной области на противоположных краях, могут содержать матрицу из A рядов и C столбцов из ультразвуковых преобразовательных элементов, а две дополнительных области ответвления, примыкающие к остальным противоположным краям центральной области, могут содержать матрицу из D рядов и B столбцов из ультразвуковых преобразовательных элементов. Другими словами, объединенная крестообразная площадка ультразвукового преобразователя может содержать четыре области ответвления и расположенную между ними центральную область, при этом размеры центральных областей согласуются с соответствующими значениями ширины примыкающих областей ответвления. Возможны различные отношения A, B, C и D. Например, центральная область может быть прямоугольной (A≠B) или квадратной (A=B). Кроме того, области ответвления могут иметь идентичные размеры (C=D) или могут различаться (C≠D) по длине.
В предпочтительном варианте центральная область является плоской. Хотя области ответвления могут быть изогнутыми, каждая, относительно оси, параллельной примыкающему краю центральной области, и поэтому могут представлять цилиндрические поверхности, ориентированные в разных направлениях, предпочтительным решением может быть создание центральной области без какой-либо кривизны, что дает возможность исключить необходимость комплексной составной кривизны для центральной области, соединяющей между собой примыкающие области ответвления. Каждая из областей ответвления может быть изогнута в одну сторону относительно плоскости, содержащей плоскую центральную область.
Возможным предпочтительным решением является расположение, по меньшей мере, участка матричной решетки преобразовательных элементов центральной области и/или областей ответвления с шагом фазированной решетки. Данная схема расположения с шагом фазированной решетки может допускать работу ультразвукового преобразователя в режиме секторного сканирования, в котором излучаемые ультразвуковые пучки можно поворачивать. При таком повороте, например, отклонения центральной области и/или областей ответвления от цилиндрической или сфероидальной идеальной формы можно компенсировать подходящим формированием пучка с использованием комбинации параллельного переноса и поворота для учета нецилиндрической и/или несфероидальной геометрии.
Например, матричная решетка преобразовательных элементов в центральной области может быть расположена с шагом фазированной решетки в обоих ортогональных основных направлениях, а матричная решетка преобразовательных элементов каждой из областей ответвления может быть расположена с шагом фазированной решетки только в основном направлении, параллельном краю, от которого продолжается соответствующая область ответвления. Другими словами, преобразовательные элементы в центральной области могут иметь размеры λ/2 как в длину, так и в ширину. Преобразовательные элементы в областях ответвления могут иметь размер λ/2 в направлении по ширине, т.е. в направлении, параллельном краю примыкающей центральной области, и другой размер, например размер λ, в направлении по длине, перпендикулярном краю примыкающей центральной области.
При данном подходе для центральной области и областей ответвления могут потребоваться разные конструкции, касающиеся размеров преобразовательных элементов, суммарное число преобразовательных элементов и соответствующих элементов управления, управляющих каждым из преобразовательных элементов, можно минимизировать.
В предпочтительном варианте ультразвуковые элементы расположены на гибкой подложке, и каждый из ультразвуковых элементов может быть снабжен соответствующей схемой управления, выполняющей функцию формирователя микропучка, при этом данная схема управления, предпочтительно, интегрирована в общую подложку. Например, гибкая подложка может быть тонкой кремниевой подложкой, имеющей толщину, которая допускает достаточный изгиб подложки вместе с ультразвуковыми преобразовательными элементами, созданными на подложке. Данная толщина может быть, например, меньше чем 100 мкм, предпочтительно меньше чем 50 мкм. В данной кремниевой подложке можно интегрировать схемы управления сигналом для преобразовательных элементов.
Как упоминалось выше, ультразвуковые преобразовательные элементы могут содержать многослойную схему, которая может быть активизирована для ультразвуковых колебаний. Данная многослойная схема может содержать, например, по меньшей мере, один пьезоэлектрический слой с соответствующими электродами. Кроме того, ультразвуковые преобразовательные элементы могут быть снабжены схемой управления, содержащейся в подложке. В предпочтительном варианте многослойная схема механически соединена с подложкой по технологии монтажа методом перевернутого кристалла. Применение данной технологии монтажа методом перевернутого кристалла может обеспечить соединения каждого из колебательных элементов решетки с соответствующими им схемами. Данный подход называется также «формирователем микропучка, смонтированным методом перевернутого кристалла», при этом микроканал каждого элемента может быть достаточно малым для монтажа в пространстве, ограниченном азимутальными и угломестными размерами элемента. Формирователь микропучка может быть встроен в специализированную интегральную схему (ASIC), которая может иметь, по существу, такой же размер, как решетка, плюс некоторое дополнительное пространство по периметру для дополнительных функций. Соответственно, каждый микроканал может располагаться позади его элемента, с электрическим контактом, выполненным посредством проводящего контактного столбика между ними.
Кроме того, в предпочтительном варианте объединенная площадка ультразвукового преобразователя может состоять из множества мозаичных элементов. Например, один мозаичный элемент матричной решетки ультразвуковых преобразователей может содержать центральную область и две области ответвления, расположенных на противоположных краях центральной области, и, по меньшей мере, один дополнительный мозаичный элемент матричной решетки ультразвукового преобразователя может содержать, по меньшей мере, одну дополнительную область ответвления. В альтернативном варианте объединенная площадка ультразвукового преобразователя может состоять из, по меньшей мере, трех, предпочтительно четырех идентичных мозаичных элементов матричной решетки ультразвуковых преобразователей. Каждый мозаичный элемент может содержать специализированную интегральную схему (ASIC), содержащую отдельные схемы для управления формирователями микропучков. На специализированной интегральной схеме (ASIC) может быть расположен и электрически подсоединен слой излучения ультразвуковых волн, при этом соответствующие ультразвуковые преобразовательные элементы могут быть созданы посредством разрезания слоя излучения ультразвуковых волн для формирования соответствующих элементов. Детали и возможные варианты осуществления, использующие мозаичные элементы матричной решетки ультразвуковых преобразователей, дополнительно изложены ниже со ссылкой на конкретные варианты осуществления настоящего изобретения.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предлагается способ изготовления ультразвукового датчика, при этом способ содержит этап обеспечения объединенной площадки ультразвукового преобразователя, содержащей центральную область и, по меньшей мере, три области ответвления, содержащих, каждая, матричную решетку ультразвуковых преобразовательных элементов, причем каждая область ответвления продолжается от одного из, по меньшей мере, трех краев центральной области. Способ дополнительно содержит этап расположения каждой области ответвления в конфигурации, изогнутой относительно оси, параллельной краю центральной области, от которого продолжается соответствующая область ответвления.
Объединенная площадка ультразвукового преобразователя может состоять из множества мозаичных элементов. Каждый мозаичный элемент может содержать специализированную интегральную схему (ASIC), в которой могут быть выполнены схемы управления по стандартным полупроводниковым технологиям. На поверхности специализированной интегральной схемы (ASIC) может быть осажден или прикреплен слой, который может быть выполнен из материала, который можно активизировать для ультразвуковых колебаний. Затем, данный слой можно разрезать для создания множества преобразовательных элементов, расположенных в виде матричных решеток, в которых каждым из элементов можно управлять соответствующей ему специализированной интегральной схемой (ASIC). В областях ответвления, по меньшей мере, некоторые из разрезов могут быть расположены параллельно краю центральной области, от которого продолжается соответствующая область ответвления. Таким образом, в предположении гибкости подложки для специализированных интегральных схем (ASIC), области ответвления можно изгибать по форме, изогнутой относительно оси, параллельной соответствующим краям.
Следует отметить, что аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения описаны в настоящей заявке со ссылкой на разные объекты изобретения. В частности, некоторые варианты осуществления описаны со ссылкой на ультразвуковой датчик, в то время как другие варианты осуществления описаны со ссылкой на способ изготовления ультразвукового датчика. Однако, на основании вышеприведенного и нижеследующего описания, специалист в данной области придет к заключению, что, если не указано иное, следует полагать, что в дополнение к любой комбинации признаков, принадлежащих к одному типу объекта изобретения, в настоящей заявке предлагается также любое сочетание признаков, относящихся к разным объектам изобретения, в частности признаков пунктов формулы изобретения, относящихся к устройству, и пунктов формулы изобретения, относящихся к способу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Признаки и преимущества настоящего изобретения дополнительно поясняются со ссылками на конкретные варианты осуществления, изображенные на прилагаемых чертежах, но которые не должны ограничивать настоящее изобретение.
Фиг.1 - изображение обычной изогнутой матричной решетки ультразвуковых преобразовательных элементов.
Фиг.2a, b, c, d - изображения поля обзора матричной решетки, показанной на фиг.1, на виде в перспективе, виде сверху, виде в азимутальной проекции и виде в угломестной проекции соответственно.
Фиг.3 - вид в перспективе конструкции матричной решетки для ультразвукового датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 - вид в перспективе конструкции матричной решетки для ультразвукового датчика с плоской центральной областью в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 - сечение конструкции матричной решетки для ультразвукового датчика, изображенного на фиг.4.
Фиг.6a, b, c - изображения поля обзора ультразвукового датчика с шагом линейной решетки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения на виде в перспективе, виде сверху и виде в азимутальной/угломестной проекции соответственно.
Фиг.7a, b, c - изображения поля обзора ультразвукового датчика с шагом фазированной решетки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения на виде в перспективе, виде сверху и виде в азимутальной/угломестной проекции соответственно.
Фиг.8 - сечение матричной решетки ультразвуковых преобразователей для применения в варианте осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 - изображение конструкции ультразвукового датчика, составленного из трех мозаичных элементов в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.10 - изображение конструкции ультразвукового датчика, составленного из четырех мозаичных элементов в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.11 - изображение конструкции ультразвукового датчика, составленного из четырех идентичных мозаичных элементов в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.12 - вид сверху конструкции матричной решетки для конструкции ультразвукового датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, перед приданием изогнутой формы.
Фиг.13 - вид сверху конструкции матричной решетки для ультразвукового датчика с конструкцией матричной решетки, оптимизированной для минимизации числа преобразовательных элементов в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Конструктивные элементы на чертежах показаны только схематически и не в масштабе. Одинаковые или сходные конструктивные элементы обозначены одинаковыми или сходными позициями. Кроме того, линии на поверхностях, показанных на чертежах, необязательно означают какие-либо реальные соединения или даже сегменты преобразовательных элементов, но могут относиться к контурам поверхностей, предназначенным для обеспечения более наглядного представления 3-мерных поверхностей на 2-мерном чертеже.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показана обычная матричная решетка 100 ультразвуковых преобразовательных элементов 103, расположенных по поверхности, которая изогнута вокруг оси 105. Матричная решетка содержит множество столбцов 107 и рядов 109 ультразвуковых преобразовательных элементов 103, расположенных на двумерной поверхности. Примерная изогнутая матричная решетка имеет радиус кривизны ROC 11,5 мм, угол α, равный 130°, поля обзора по азимуту и ширину w, равную 10 мм, апертуры по углу места. Ультразвуковые преобразовательные элементы 103 расположены с шагом фазированной решетки в угломестном направлении для поддержки 90° угла поворота.
На фиг.2a, b, c и d представлены вид в перспективе, вид сверху, вид в азимутальной проекции и вид в угломестной проекции поля обзора, получаемого изогнутой матричной решеткой, показанной на фиг.1.
На фиг.3 представлен вид в перспективе матричной решетки 1 ультразвукового преобразователя для ультразвукового датчика, при этом матричная решетка 1 имеет изогнутую форму в сечении и содержит центральную область 11, соединяющую четыре области 13 ответвления. Каждая из областей 11, 13 содержит матричную решетку 5 ультразвуковых преобразователей 3. Области 13 ответвления продолжаются от соответствующих краев 15 центральной области 11. Каждая из областей 13 ответвления изогнута относительно оси, параллельной соответствующему краю 15, от которого она продолжается.
В варианте осуществления, показанном на фиг.3, центральная область 11 может иметь комплексную криволинейную поверхность, которая изогнута в двух направлениях. Однако изготовление матричной решетки преобразовательного элемента с упомянутой комплексной кривизной может быть трудной задачей. Затруднение может быть обусловлено, например, тем, что материал, из которого изготовлены преобразовательные элементы, может допускать сгибание вокруг одной оси, вследствие чего данный материал легко изгибать по цилиндрической поверхности, но может быть недеформируемым до комплексной изогнутой формы из-за отсутствия механической гибкости/эластичности.
Соответственно, возможно целесообразно было бы создание матричной решетки 1' ультразвукового преобразователя с плоской центральной областью 11', показанной на фиг.4. Плоская центральная область 11' может иметь прямоугольную форму с четырьмя краями 15, от которых продолжаются изогнутые области 13 ответвления. Матричная решетка 5 плоской центральной области 11' может содержать A столбцов 7 и B рядов 9 ультразвуковых преобразовательных элементов 3. В варианте осуществления, показанном на фиг.4, центральная область 11' является квадратной (A=B). Матричные решетки 5 областей 13 ответвления непосредственно примыкают к одному из краев 15 центральной области 11' и имеют, каждая, такую же ширину, как размер края 15 центральной области 11', от которого они продолжаются. Соответственно, области 13 ответвления могут содержать A или B преобразовательных элементов 3 в направлении по ширине. Однако их длина может быть разной. В принципе, каждая из областей ответвления может иметь разную длину и/или разный радиус кривизны; однако возможно было бы полезнее обеспечивать каждую из областей ответвления с одинаковой длиной и с одним и тем же радиусом кривизны для обеспечения тем самым симметричной конструкции.
На фиг.5 представлено сечение матричной решетки 1' ультразвукового преобразователя, показанной на фиг.4. Две изогнутых области 13 ответвления продолжаются от плоской центральной области 11' на краях 15.
Поле обзора ультразвукового датчика с крестообразной изогнутой матричной решеткой ультразвукового преобразователя, показанной на фиг.4, может быть не полным сфероидом; возможно присутствие минимумов сигнала в «углах», в которых ни одна из ортогональных апертур не может обеспечить приемлемое качество изображения.
Фактическое поле обзора данного крестообразного ультразвукового преобразователя может зависеть как от искривленной поверхности, обеспечиваемой базовой геометрией матричных решеток ультразвуковых преобразовательных элементов, так и от доступного угла поворота, который может зависеть от шага элементов.
Если матричная решетка в целом разделена с шагом линейной решетки как по азимуту, так и по углу места, то поворот обычно ограничен углом приблизительно 45°. На фиг.6a, b, c показано получаемое поле обзора на виде в перспективе, виде сверху и виде в азимутальной/угломестной проекции соответственно. Приведенное решение может обеспечить охват приблизительно половины идеального сфероидального поля обзора, с минимумами сигнала в «углах», которые могут находиться за пределами сочетания параллельного перемещения и поворота составной решетки.
Приведенный преобразователь может также обеспечить повышенное качество изображения в поперечной плоскости, проходящей через центр решетки, по полю обзора, большему, чем поле обзора, которое было бы возможно при использовании одной изогнутой матричной решетки, показанной, например, на фиг.1. Кроме вышеупомянутого увеличения поля обзора, при обеспечении режима работы изогнутой линейной матрицы в данном направлении, вместо использования одного только поворота, может также повышаться качество изображения в поперечной плоскости. Изогнутая матричная решетка, показанная на фиг.1, может обеспечивать поле обзора 90° по углу места, показанное на фиг.2d, только если данная решетка имеет шаг фазированной решетки по углу места, а крестообразная решетка, показанная на фиг.3 или 4, имеет поле обзора 130° по углу места при разбиении с более крупным шагом линейной решетки. Повышение качества изображения получают в результате увеличения доступной апертуры в угломестном направлении.
Можно заметить, что упомянутая крестообразная решетка, показанная на фиг.3 или 4, может содержать меньше ультразвуковых преобразовательных элементов и соответствующих микроканалов, чем обычная изогнутая матричная решетка, показанная на фиг.1. Например, допустим, что обычная изогнутая матричная решетка, показанная на фиг.1, содержит 128 столбцов и 64 ряда; следовательно, данная решетка содержит 128×32=8192 отдельных преобразовательных элементов и микроканалов. Для получения поля обзора 90° следует выполнить разрезание B рядов с шагом фазированной решетки. Допустим, что крестообразная решетка, показанная на фиг.3 или 4, является симметричной, то есть размеры каждой главной оси являются такими же, как размеры решетки на фиг.1. Кроме того, допустим, что решетка разделена с шагом линейной решетки в обоих направлениях; при этом в каждой из перекрестных решеток будет 128 столбцов в азимутальном направлении и 32 ряда в угломестном направлении. Тогда суммарное число элементов будет 2×(128×32)-32×32=7168 отдельных элементов решетки. Хотя перекрестная решетка может иметь большую площадь поверхности, данная решетка имеет меньшее число элементов решетки, так как данная решетка разделена с шагом линейной решетки в обоих направлениях.
На фиг.7a, b, c представлены вид в перспективе, вид сверху и вид в азимутальной/угломестной проекции соответственно поля обзора ультразвукового датчика с матричной решеткой ультразвукового преобразователя в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором вся решетка разделена так, чтобы обеспечить шаг фазированной решетки по углу места. Данное решение может обеспечить угловой поворот приблизительно 90°. В данном случае увеличенный поворот может обеспечить намного больший охват идеального сфероидального поля обзора. Как дополнительно поясняется ниже со ссылкой на фиг.9, возможно всю решетку необязательно разделять с шагом фазированной решетки.
В варианте осуществления, показанном на фиг.7, для различных областей ультразвукового датчика применены матричные решетки с азимутальным полем обзора 130°, дополнительно упомянутым выше применительно к обычной изогнутой матричной решетке, показанной на фиг.1. Возможным результатом может быть увеличение поля обзора на величину, несколько меньшую чем 50%, в сравнении с обычной одиночной изогнутой матричной решеткой, показанной на фиг.1, с углом поворота 90°. Если азимутальное поле обзора увеличивают до более чем 130°, то увеличение поля обзора может выходить за пределы поля, которое показано на фиг.7.
Кроме вышеупомянутого увеличения поля обзора, при обеспечении режима работы изогнутой линейной матрицы в данном направлении, вместо использования одного только поворота, может также повышаться качество изображения в поперечной плоскости.
На фиг.8 представлено сечение матричной решетки 5 ультразвукового преобразователя 3. На общей изгибаемой подложке 31 собрано множество схем 37 управления. Каждая из схем 37 управления подсоединена соединениями 33 к соответствующей многослойной схеме 35, которую можно активизировать для формирования ультразвуковых колебаний. Многослойная схема может содержать пьезоэлектрический слой вместе с, по меньшей мере, одним дополнительным слоем для улучшения согласования акустического импеданса и формирования, тем самым акустического пакета. Соединения 33 созданы по технологии монтажа методом перевернутого кристалла. Множество колебательных многослойных схем 35 можно формировать сначала соединением многослойной схемы в целом с подложкой 31 и затем ее разрезанием для разделения тем самым на множество колебательных многослойных схем 35.
Как показано на фиг.9-11, объединенная площадка ультразвуковых преобразователей ультразвукового датчика в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может состоять из множества мозаичных элементов 21, 23, 25 матричной решетки ультразвукового преобразователя. Объединенная площадка ультразвукового преобразователя может содержать, по меньшей мере, три, но возможно, по меньшей мере, четыре специализированных интегральных схемы (ASIC). В вариантах осуществления, представленных на фиг.9-11, показана симметричная объединенная площадка ультразвукового преобразователя, однако симметрия является необязательным условием.
На фиг.9 и 10 представлены два варианта осуществления, в которых применены две разных конструкции A, B специализированных интегральных схем (ASIC). Две конструкции могут быть, вероятнее всего, очень сходными, и на внешних краях специализированных интегральных схем (ASIC) может находиться система 27 вводов/выводов (I/O). Специализированные интегральные схемы (ASIC) могут быть мозаично уложены до соединения с акустическим пакетом. В альтернативном варианте можно укладывать в мозаичную структуру предварительно соединенные подузлы специализированных интегральных схем (ASIC)/акустических пакетов. Предварительно соединенные подузлы можно разрезать до укладки в мозаичную структуру, если либо
(i) совмещение мозаичной структуры является достаточно точным, либо
(ii) существует процедура калибровки для устранения любых неточностей совмещения.
Если упомянутые условия не выполнены, то объединенную площадку преобразователей можно разрезать после укладки в мозаичную структуру, как поясняется ниже. Укладку в мозаичную структуру следует выполнять на подложке, которая либо является, либо может быть сделана гибкой для последующего изгиба.
Если специализированные интегральные схемы (ASIC) укладывают в мозаичную структуру до присоединения к акустическому пакету, то возможен выбор двух основных вариантов конфигурации датчика. Подузел специализированной интегральной схемы (ASIC), уложенный в мозаичную структуру, можно соединять с одним большим акустическим пакетом, но данный подход может приводить к значительному количеству отходов из неиспользуемых углов (4/9 от объединенной площадки для конструкции с квадратной симметрией). Если технологический процесс допускает применение нескольких подузлов датчика, то датчик может содержать либо три, либо четыре детали в такой же конфигурации, как специализированная интегральная схема (ASIC), показанная на фиг.9 и 10.
Такой же подход можно применять со специализированной интегральной схемой (ASIC) одной конструкции, показанной на фиг.11. В данном случае две ортогональных апертуры могут быть неодинаковыми.
На данной стадии ультразвуковой блок, содержащий объединенную площадку преобразователя, можно считать готовым для разрезания, в предположении, что подузлы специализированных интегральных схем (ASIC)/датчика еще не разрезаны при укладке в мозаичную структуру. При разрезании после укладки в мозаичную структуру элементы решетки можно правильно совместить друг с другом, несмотря на то, что базовые специализированные интегральные схемы (ASIC) могут быть немного неточно совмещенными.
На фиг.12 показана геометрия решетки после разрезания. В данном состоянии блок может быть готов к изгибу. Подложку можно выполнить достаточно гибкой путем применения допускающего изгиб материала. В альтернативном варианте жесткий материал можно сделать допускающим изгиб посредством надрезания с обратной стороны. Инструменты и методы для получения подходящего радиуса кривизны могут быть подобны тем, которые применяют для обычных одномерных решеток преобразователя. Для одномерных решеток преобразователей один из подходов может состоять в укладке решетки рабочей поверхностью на криволинейное приспособление, которое обеспечивает заданный радиус кривизны, приведении в контакт с рабочей поверхностью приспособления и присоединении к механической опорной конструкции позади подузла специализированных интегральных схем (ASIC)/решетки. Другой подход может состоять в присоединении решетки рабочей поверхностью сверху к механической опорной конструкции. Любой из приведенных способов можно применять для обычной изогнутой матричной решетки преобразователей, показанной на фиг.1. Аналогичные методы можно применить для крестообразных матричных решеток, за исключением того, что приспособление и механическая опора могут быть более сложными, так как они могут содержать плоскую центральную область в середине, и, в данном случае, может существовать два набора изогнутых областей ответвления, продолжающихся от упомянутой центральной области.
После изгиба изготовление решетки можно завершить с использованием метода, аналогичного методам, применяемым с обычными матричными решетками для датчиков с ультразвуковыми преобразователями.
Как упоминалось выше, возможно не потребуется разрезать всю решетку с шагом фазированной решетки для обеспечения поля обзора, показанного на фиг.7. На фиг.13 представлена схема разрезания, которая обеспечивает угол поворота 90° в угломестном направлении для каждого ортогонального поднабора объединенной решетки. При разрезании в каждом направлении шаг в центральной области может быть уменьшен вдвое. Данный подход может обеспечить, в результате, элементы, которые имеют размеры λ по азимуту и λ/2 по углу места в областях 13 ответвления, и λ/2Чλ/2 в плоской центральной области 11. Приведенный подход может потребовать разных конструкций микроканалов для каждой из матричных решеток, формирующих центральную область 11 и области 13 ответвления, но этот же подход может минимизировать суммарное число микроканалов.
Для приспособления способа разрезания, показанного на фиг.13, к конкретной схеме укладки в мозаичную структуру, показанной на фиг.11, возможно потребуется обеспечить достаточную гибкость в некоторых местоположениях микроканалов на кристалле конструкции специализированной интегральной схемы (ASIC) для работы с элементами λЧλ/2 или λ/2Чλ/2.
Следует отметить, что такие термины, как «содержащий», не исключают других элементов или этапов, и что единственное число не исключает множества элементов. Кроме того, элементы, описанные в связи с разными вариантами осуществления, можно объединять. Следует также отметить, что позиции в формуле изобретения не подлежат толкованию в смысле ограничения объема притязаний формулы изобретения.