超声换能器壳体的制作方法

本发明涉及超声换能器的壳体。超声换能器是一种产生和接收频率高于人类可听见的声波的装置。它们可以用于许多应用，从简单的测距应用到复杂的医学成像应用，在测距应用中，可以通过测量发射超声信号和接收反射回波信号之间的时间来估计到物体的距离。

背景技术：

1、在许多应用中，重要的是要使换能器尽可能小，因为它们要安装到小型装置中，或者允许使用大型阵列。为此目的已开发的一种技术是压电微加工超声换能器(pmut)，其中每个pmut元件在耦合到适当的电路时通常充当发射器和接收器两者。

2、超声换能器的壳体可以用于保护pmut免受外部磨损。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是在某些方面对目前可用的pmut进行改进。

2、从第一方面来看，本发明提供了一种压电微加工超声换能器(pmut)，其被布置成与声学谐振腔接口，其中，声学谐振腔具有至少一种声学特性，该声学特性根据pmut发射或接收的信号在使用中是可调节的。

3、本发明还涉及一种使用上述pmut进行成像的方法。

4、因此，本领域技术人员将会看到，根据本发明，与pmut接口的声学谐振腔的声学特性是可调节的。通过调节声学谐振腔的特性，可以修改传出或传入的超声脉冲或信号。申请人已经认识到，这可能是有益的，例如通过提高pmut产生图像的效率来改进超声波成像。

5、在一组实施例中，可调节的特性是声学谐振腔的声学谐振容积。例如，可以调节声学谐振腔的声学谐振容积，以使其谐振频率与发射的超声信号的传出频率相匹配。这允许：即使在所用的频率不恒定(在典型应用中通常如此)的情况下也能将所述腔优化。通过将所述腔的谐振频率与传出频率相匹配，可以在给定的驱动功率下使有效信号强度最大化。类似地，将谐振频率与传入信号的谐振频率相匹配可以使超声接收器的有效接收信号强度最大化。

6、声学谐振容积可以以多种方式进行调节，在一组实施例中，声学谐振腔包括可变形膜片，其中，膜片的位置和/或形状是可调节的，以调节腔的声学谐振容积。在一些实施例中，pmut设置在可变形膜片上，使得：pmut本身也随膜片移动，以调节声学谐振腔内的容积。

7、可替代地，为了调节声学谐振腔的特性，在一组实施例中，声学谐振腔包括：在使用时供所述超声信号穿过的非晶态介质，所述非晶态介质包括分布在其中的多个离散反射器，其中，离散反射器的位置在使用中是可调节的，以调节声学谐振腔的所述声学特性。

8、申请人已经认识到，非晶态介质中具有多个离散反射器本身就具有新颖和创造性，并且因此，根据本发明的第二方面，提供了一种压电微加工超声换能器(pmut)，其被布置成与非晶态介质接口，使得：在使用中，到达pmut的超声信号或来自pmut的超声信号穿过所述非晶态介质，所述非晶态介质包括分布在其中的多个离散反射器。

9、本发明还涉及一种使用上述pmut进行成像的方法。

10、离散反射器可以是物理上分离的多个反射器，例如物理上完全分离的反射器，例如分布在非晶态介质中。然而，离散反射器可以是结构的离散部分。一个或多个离散反射器可以与至少一个其他离散反射器接触，例如一个或多个离散反射器可以接触或物理地连接。例如，多个离散反射器可以形成具有多个孔的结构。因此，在一组实施例中，多个离散反射器是具有多个孔的结构的元件。

11、因此，在一些实施例中，离散反射器形成网板，例如纤维网板，使得多个离散反射器是细长的，例如纤维。网板可以包括重叠的离散反射器。网板可以是编织网板。

12、在其他实施例中，离散反射器形成多孔膜，多个离散反射器是位于膜孔之间的材料。多孔膜可以是合成的或天然的，也可以是通过穿孔形成的。

13、离散反射器可以是刚性的。或者，离散反射器可以是可变形的，例如柔性的或弹性的。

14、该结构可以采用相对较薄的层的形式，使得反射器以二维方式分布在表面上。这样的表面可以(但不一定)是基本平坦的。然而，在一些实施例中，离散反射器以三维分布。

15、孔不需要是均匀的，例如，它们可以具有不均匀的间距，并且在整个结构中分布不均匀。

16、该结构(例如网板或多孔膜)可能会引入衍射和/或反射源，从而影响从pmut发射和/或由pmut接收的超声信号。该结构还可以有益地提供环境保护，特别是当该结构是网板或多孔膜时。

17、当pmut用于成像时，如上所述，具有孔的结构优选地定位于pmut与要成像的场景之间，例如位于pmut发射或接收的信号路径中。本领域技术人员将了解，由于结构中的离散反射器引起的扰动，该结构可能有助于有效拓宽pmut的视场。

18、这可以通过离散反射器在超声信号发射通过非晶态介质时对超声信号的波束扩展效应来实现。当超声波束传输通过非晶态介质时，离散反射器处的反射和衍射会导致超声信号的方向扩展，从而增加超声波束在传播通过非晶态介质时的整体发散度。这有效地将超声信号散开以提供更全向的输出，从而扩大了视场。这种效应也与频率有关，因为具有不同频率的超声信号的分量将以不同的角度反射。此外，了解到：结构对超声信号的影响(例如通过了解其传输函数)有助于在使用pmut进行成像时提供更多信息以用于信号处理。

19、非晶态介质可以是声反射的或非反射的，并且在一组实施例中，非晶态介质包括凝胶。非晶态介质可以替代地包括液体或气体，例如在声学谐振腔内。例如，非晶态介质可以包括空气。

20、在本发明的第二方面的一组实施例中，离散反射器的位置在使用中是可调节的，以调节声学谐振腔的所述声学特性。这可以提供根据本发明的第一方面所述的优点。

21、此外，通过调节反射器的位置，可以调节任何输出信号的方向，以及pmut前方介质的密度，从而产生局部声速变化，进而可以用于例如在pmut前方产生透镜效应。

22、离散反射器的位置可以采用多种方式调节。在一组实施例中，离散反射器是金属的，并且使用磁场来调节离散反射器的位置。在又一组实施例中，压电收缩元件布置在声学谐振腔周围。当电流施加到这种压电收缩元件时，它将收缩并因此起到挤压声学谐振腔的作用，从而通过从收缩力经由非晶态介质传递的力来调节反射器在腔内的位置。

23、在一组实施例中，pmut包括超声发射器，并且声学谐振容积被调节以匹配发射信号。例如，当使用pmut发射具有广泛变化频率的信号时，可以调节声学谐振容积，使得腔的谐振频率与当前发射信号的谐振频率相匹配以优化发射。随着发射信号的频率变化，声学谐振腔的体积可以变化以进行匹配。与现有技术(不可调节的腔)相反，使用根据本发明的腔可以更容易地实现高功率变频信号。

24、通常，现有技术(使用pmut产生宽带信号的方法)在调节pmut发射的信号的频率时会修改pmut的输出能量。然而，这并不节能，因为要发射从频率f0到f1的啁啾(chirp)，谐振峰可能位于(f1+f0)/2。为了实现平坦的输出频谱，可能需要在此谐振频率下输出较少的能量，这是低效的。因此，总输出能量可能会减少，并且pmut在高灵敏度成像应用中的功效会降低。

25、相反，根据本发明，腔的声学谐振容积可以随着pmut发射的信号的频率在啁啾发射期间的变化而调节。这可以减少输出能量需要被减少的程度，从而允许实现相对更平坦的输出频谱，并且与上述现有技术方法相比具有更高的总输出能量。因此，输出能量可能不需要像为了实现平坦的宽带输出信号而改变频率那样程度的调节，因此pmut可以用于需要高输出能量的应用(例如远距离成像)或者需要良好snr的成像(例如超分辨率成像)。要发射的输出信号优选地在发射之前被预先计算并存储在存储器中，而不是在发射期间进行调节。

26、然而，可以调节其他参数来降低输出信号能量-例如pmut本身和“形变”壳体。

27、在一组实施例中，pmut包括超声接收器，并且声学谐振容积被调节以匹配接收的信号。如果pmut用于接收反射的啁啾，则由于来自不同距离的物体的回声是由传出的啁啾信号引起的，因此可以随时接收任何输出频率。如果知道与感兴趣的反射物体的不精确距离，则还可以知道反射回声的大致预期时间。因此，根据本发明，此时可以调节声学谐振腔的容积，以便在预期到达时放大传入信号，从而实现更好的信号接收。

28、在一组实施例中，pmut包括：单个公共半导体管芯上的专用超声发射器和至少一个单独的超声接收器。这允许同时发射和接收信号，因此不需要切换电子设备以在“发射模式”与“接收模式”之间切换。这降低了系统电子设备的复杂性。在wo 2021/079160中列出了在单个公共半导体管芯上配备专用超声发射器和至少一个单独的超声接收器的其它好处。

29、在一组实施例中，所述腔包括用于输出和/或接收超声信号的开口。在这样的实施例中，声学谐振腔可以形成亥姆霍兹谐振器。

30、在一组实施例中，pmut被安装成能够通过致动器(例如电机)移动。致动器可以用于移动pmut，以便沿不同方向发射信号，例如在了解声学谐振腔对任何发射信号或接收信号的影响时。

31、本发明还提供了一种用于发射和接收超声信号的系统，该系统包括：如上述任一方面或实施例中所述的至少第一pmut和第二pmut；发射器电路，其被布置成驱动作为超声发射器的所述第一pmut；和接收器电路，其被布置成检测来自作为超声接收器的所述第二pmut的信号。

32、在本发明的第一或第二方面的一组实施例中，提供了一种包括多个所述pmut的布置结构。在一组这样的实施例中，多个pmut以镶嵌阵列布置。

33、应当了解的是，镶嵌阵列中的pmut可以以任意长度分开，然而，在一组实施例中，pmut以λ/2间隔开，其中λ是pmut发射或接收的频率范围内中心频率的波长。如阵列信号处理领域的技术人员应当了解的，这是进行波束形成等的最佳间距。因此，虽然阵列可以用作“一个公共传感器”，即通过对来自它们的信号求和或求平均，或者通过使用它们交替地发射相同的信号，但它们的输入或输出可以单独使用，作为单独处理每个pmut元件的阵列处理方法的一部分。这具有某些好处，例如能够更好地聚焦或消除来自特定方向的声音。

34、在一组实施例中，pmut阵列被布置成与声学谐振腔接口，该声学谐振腔包括声学非反射非晶态介质，该非晶态介质包括多个离散声反射器。

35、用于pmut阵列的声学谐振腔的特性可以按照与上面针对pmut描述的声学谐振腔类似的方式进行调节。

36、可以将确定的相位调节应用于来自相应的发射器或接收器的信号，以允许它们充当相干阵列——例如用于波束形成。波束转向可以用于发射的超声信号、反射的超声信号或两者。为了使发射的超声信号转向，可以将确定的相位调节添加至阵列中每个pmut发射的信号，使得所得到的发射的超声信号受到干扰，从而产生沿所需方向发射的整体信号。可以以类似的方式使接收的反射的超声信号转向。可以将确定的相位调节应用于从所有方向接收的信号，以确定周围结构中来自单个方向的反射信号。与如上所述将阵列用作“一个公共传感器”(其中通过使用多个pmut来增强信号，但信号仅在一个方向上发射)相比，将确定的相位调节应用于发射/接收信号还允许使发射/接收信号转向。

37、改变声反射器的位置可以用于使发射或接收的超声信号“转向”通过腔。为了实现高质量的信号发射和接收，通常需要在发射和接收期间移动pmut的位置，但这显然是不切实际的。通过调节声反射器的位置来调节信号发射或接收介质的特性可能能够实现与调节pmut本身的位置类似的净效果。

38、根据本发明，当从f0向f1发射啁啾信号时，可以调节介质内的声反射器的位置，使得：在任何给定时间，pmut相对于当前频率“间隔开”半波长。因此，可以通过调节声反射器而在所有频率下实现更好的成像能力。修改pmut阵列前方的声反射器的位置可以产生透镜效应，从而使超声信号转向。

39、在一组实施例中，一个或多个壳体层布置在包括pmut阵列的声学谐振腔上方。一个或多个壳体层可以例如借助于围绕它们的压电收缩元件而被压缩，从而使该壳体层或每个这样的壳体层变形。这将改变每层中的压力，并且压力的变化会产生可以提供“透镜效应”的声音梯度。

40、根据本发明的又一方面，提供了多个声学谐振腔，每个声学谐振腔都包括被布置成与声学谐振腔接口的pmut阵列，并且还包括具有离散声反射器的非晶态介质。这种“阵列的阵列”提供了额外的好处，因为可以为每个“微型阵列”提供单独的驱动电子器件，如上所述的每个“微型阵列”例如位于包括具有离散声反射器的非晶态介质的声学谐振腔中。因此，可以为每个阵列提供的唯一信息是能量的方向和强度。这通常比为阵列中的每个元件提供的信号波形的信息要少。

41、在一组实施例中，多个腔中的每个腔联接到固体基板。在一组替代实施例中，多个腔中的每个腔布置在公共阻尼介质上。在另一组替代实施例中，多个腔中的每个腔布置在公共阻尼介质内。阻尼介质可以是非晶态材料、半固体材料、声学介电材料或凝胶等。

42、“阵列的阵列”还降低了整个阵列中pmut的密度，使得也可以更容易地减少串扰，因为每个“微型阵列”可以彼此隔离。由于与每个pmut间隔开λ/2的单个阵列相比pmut的数量减少，因此“阵列的阵列”可以降低整体pmut密度，因为阵列不需要这么紧密地间隔。例如，耦合到固体基板的阵列可以分别安装在“支柱”上，使得它们就与连接它们的固体基板分开，因此能量不会在阵列之间传播。可替代地，其上可以布置pmut的介质可以是具有最小声传输能力的泡沫。

43、根据本发明的另一方面，提供了一种布置结果，其包括多个pmut，所述pmut被布置成与相应的声管接口，所述pmut以镶嵌阵列布置。

44、在上述的任何pmut阵列中，在一组实施例中，阵列被安装成能够通过致动器(例如使阵列移动的电机)移动。与移动pmut的上述致动器类似，该致动器可以用于改变阵列的位置以学习不同方向上的定向脉冲响应。

45、在上述任何阵列中，阵列可以是3d的，即不是平面的。3d阵列结构可以允许在表面上产生更多的声输出能量，因为每个pmut发射器产生的信号会与来自其他发射器的信号相加。

46、另外，阵列中不同的pmut可能具有不同的尺寸，因此每个pmut具有各自的、不同的谐振频率。

47、例如，如果调节了与pmut阵列接口的声学谐振腔或介质的特性，则可以使用电机来“学习”这种塑造如何影响阵列声学响应，然后在传输过程中进一步使用该信息以更好地聚焦超声信号，因为调节后的腔对发射信号的影响将会被学习。

48、在一组实施例中，向每个阵列提供输入功率信号，并以无线方式提供诸如信号方向/模式、强度和校准信息等进一步的信息，使得多个阵列提供传感器网络。

49、在pmut阵列处接收到的反射信号可以进行信号处理，例如使用任何合适的图像重建技术来产生图像。信号处理优选地包括波束形成，并且可以在数字域中执行。信号处理可以使用任何合适的处理器执行。

50、根据本发明的第三方面，提供了一种使用pmut或pmut阵列进行成像的方法，其包括：

51、确定与多个离散反射器的声学影响相对应的声学传递函数，多个离散反射器位于pmut或pmut阵列与要成像的场景之间；

52、使用pmut或pmut阵列通过发射超声信号并在所述超声信号已经过一次或多次反射后在pmut或pmut阵列处接收所述超声信号来对场景进行成像；

53、通过将声学传递函数的逆函数应用于接收到的超声信号来处理接收到的超声信号以生成图像。

54、在一些实施例中，该方法应用于包括根据本发明的第二方面的多个pmut的pmut阵列。在一组实施例中，多个pmut以镶嵌阵列布置。

55、本领域技术人员应当了解，声学传递函数是多个离散反射器对pmut或pmut阵列生成的图像的影响的数学函数。在处理接收信号时，可以使用确定的声学传递函数形成更清晰的图像。如上所述，由于离散反射器的存在(例如在pmut前面)，pmut或pmut阵列可以具有更宽的视场。因此，该方法提供了实现更宽视场的成像，而不会牺牲图像品质。

56、声学传递函数可以以各种方式确定。声学传递函数可以预先确定并存储在处理器的存储器中。在一组实施例中，使用例如迭代算法确定声学传递函数并将其存储在处理器的存储器中。

57、声学传递函数可以包括定向滤波器，例如定向脉冲响应。

58、在一组实施例中，第三方面的确定步骤通过包括以下步骤的方法来实现：

59、(a)选择声学传递函数，该声学传递函数应用于接收信号以生成图像；

60、(b)使用pmut或pmut阵列通过发射超声信号并在所述超声信号已经历一次或多次反射后在pmut或pmut阵列处接收所述超声信号来进行成像；

61、(c)使用声学传递函数的逆函数来处理接收到的信号以生成图像；

62、(d)确定图像的锐度(sharpness)参数，并且当所确定的锐度参数：

63、(i)不高于预定阈值时，在重复步骤(b)-(d)之前调节传递函数；

64、(i)高于预定阈值时，终止该方法。

65、根据另一方面，本发明提供了一种使用pmut或pmut阵列确定用于成像的声学传递函数的方法，包括：

66、(a)选择声学传递函数，该声学传递函数应用于接收信号以生成图像；

67、(b)使用pmut或pmut阵列通过发射超声信号并在所述超声信号已经历一次或多次反射后在pmut或pmut阵列处接收超声信号来进行成像；

68、(c)使用声学传递函数的逆函数来处理接收信号以生成图像；

69、(d)确定图像的锐度参数，并且当所确定的锐度参数：

70、(i)不高于预定阈值时，在重复步骤(b)-(d)之前调节传递函数；

71、(i)高于预定阈值时，终止该方法。

72、因此，该方法可以允许有效地“调节”声学传递函数，以改善使用多个离散反射器获得的图像的品质。例如，如果选择了“错误的”声学传递函数，则从超声成像获得的图像几乎总是“模糊不清”。因此，图像的锐度可以用作标准，以更新为了获得图像而选择的声学传递函数。

73、锐度参数可以是诸如图像锐度之类的度量，请参阅https://ieeexplore.ieee.org/document/6783859。或者，可以使用低反射器值(接近0)与高反射值之间的比率来计算锐度参数。

74、可以使用存储在存储器(例如服务器)中的旧声学传递函数来调节声学传递函数。

75、本文所述的任何方面或实施例的特征均可以在适当的情况下应用于本文所述任何其他方面或实施例。当提及不同的实施例或实施例组时，应理解这些实施例或实施例组不一定不同，而可能重叠。