超音波换能器

技术领域

本发明是有关于一种装置，且特别是有关于一种超音波换能器。

背景技术

现行的超音波换能器能够提供超音波讯号，并接收关联于超音波讯号的反射讯号。然而，当受测物与超音波换能器之间存在障碍物时，反射讯号会被阻挡。举例来说，受测物例如是胸腔。障碍物例如是肋骨。大部分的反射讯号会被阻挡。仅有少部分的反射讯号会经由肋间到达胸腔内的内脏。到达受测物的超音波讯号的强度必然是不足的。因此，如何使超音波讯号避开障碍物并维持到达受测物的超音波讯号的强度，是本领域技术人员的研究重点之一。

发明内容

本发明提供一种超音波换能器，能够使超音波讯号避开障碍物并维持到达受测物的超音波讯号的强度。

基于上述目的，本发明提出一种超音波换能器，其包括：多个弧形换能阵元，沿短轴方向平行排列；以及控制器，耦接于该多个弧形换能阵元，经配置以驱动该多个弧形换能阵元以使该多个弧形换能阵元分别提供超音波讯号。

较佳的，该多个弧形换能阵元的至少其中之一被驱动以产生具有扇形的感测空间。

较佳的，被驱动的弧形换能阵元的数量越多，该感测空间中的讯号强度越大。

较佳的，该多个弧形换能阵元的材料包括压电材料，该多个弧形换能阵元中的每一个具有发射面，其中，该发射面用以发射该超音波讯号，其中该超音波换能器还包括：匹配层，具有第一面，对应该发射面设置；以及声透镜层，对应该匹配层的第二面设置。

较佳的，该多个弧形换能阵元接收反射讯号，并且该反射讯号用以产生超音波影像。

较佳的，还包括：背侧结构，具有弧形凸面；其中该多个弧形换能阵元被设置于该弧形凸面，并且其中该多个弧形换能阵元中的每一个的弧形凹面与该弧形凸面相吻合。

较佳的，还包括：多个直线形换能阵元，分别沿该短轴方向延伸并且沿长轴方向平行排列，与该多个弧形换能阵元堆叠设置。

较佳的，该多个直线形换能阵元接收反射讯号，并且，该反射讯号用以产生立体超音波影像。

较佳的，该多个直线形换能阵元的材料包括压电材料。

较佳的，该多个直线形换能阵元中的每一个包括多个电容式微机械超音波换能器。

较佳的，还包括：参考电位层，设置于该多个直线形换能阵元的讯号接收面，被施加参考电位。

较佳的，还包括：参考电位层，设置于该多个弧形换能阵元的弧形凸面，被施加参考电位。

基于上述，本发明的超音波换能器包括所述多个弧形换能阵元。所述多个弧形换能阵元被驱动以产生感测空间。感测空间能够避开受测物与超音波换能器之间存在障碍物。因此，到达受测物的超音波讯号的强度能够被维持。此外，基于弧形换能阵元的弧形设计，超音波换能器在其他侦测方式下可提供更大的感测空间。

附图说明

图1是依据本发明第一实施例所绘示的超音波换能器的示意图。

图2是依据本发明一实施例所绘示的弧形换能阵元的操作示意图。

图3是依据本发明一实施例所绘示的弧形换能阵元的另一操作示意图。

图4是依据本发明第二实施例所绘示的超音波换能器的结构示意图。

图5是依据本发明第三实施例所绘示的超音波换能器的示意图。

图6是依据本发明第四实施例所绘示的超音波换能器的结构示意图。

图7是依据本发明第一实施例所绘示的结构示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

本发明的部份实施例接下来将会配合附图来详细描述，以下的描述所引用的元件符号，当不同附图出现相同的元件符号将视为相同或相似的元件。这些实施例只是本发明的一部份，并未揭示所有本发明的可实施方式。更确切的说，这些实施例只是本发明的专利申请范围中的范例。

请参考图1，图1是依据本发明第一实施例所绘示的超音波换能器的示意图。在本实施例中，超音波换能器100包括弧形换能阵元A1～A6以及控制器120。弧形换能阵元A1～A6沿短轴方向D1平行排列。此外，弧形换能阵元A1～A6分别沿长轴方向D2以弧形方式弯曲。弧形换能阵元A1～A6被配置在超音波探头110中。控制器120耦接于弧形换能阵元A1～A6。控制器120驱动弧形换能阵元A1～A6以使弧形换能阵元A1～A6分别提供超音波讯号SU。

举例来说，控制器120提供驱动讯号SC至弧形换能阵元A1～A6。弧形换能阵元A1～A6分别反应于驱动讯号SC的电压或相位来产生超音波讯号SU。

在本实施例中，弧形换能阵元A1～A6被驱动以产生感测空间。感测空间能够避开受测物与超音波换能器100之间存在障碍物(例如是肋骨)。因此，到达受测物(例如是胸腔)的超音波讯号SU的强度能够被维持。此外，基于弧形换能阵元A1～A6的弧形设计，超音波换能器100在其他侦测方式下可提供更大的感测空间。

具体来说明，请同时参考图1以及图2，图2是依据本发明一实施例所绘示的弧形换能阵元的操作示意图。为了便于示出感测空间SSP1，图2仅示出弧形换能阵元A1。在本实施例中，超音波换能器100例如以相位阵列(phase array)侦测方式或线性(linear)侦测方式来运行。因此，弧形换能阵元A1～A6的至少其中之一被驱动以产生具有扇形的感测空间SSP1。在本实施例中，感测空间SSP1是超音波讯号SU所能到达的空间。因此，感测空间SSP1加大使讯号撷取得以增加。应注意的是，感测空间SSP1避开了障碍物OB1、OB2(如，肋骨或其他骨骼)。因此，超音波讯号SU并不会被障碍物OB1、OB2所阻挡。到达感测空间SSP1中的目标物OT的超音波讯号SU的强度并不会被降低。除此之外，弧形换能阵元A1～A6中被驱动的弧形换能阵元的数量越多，感测空间SSP1中的讯号强度越大。因此，超音波换能器100可依据弧形换能阵元A1～A6中被驱动的弧形换能阵元的数量来控制超音波讯号SU的强度。如此一来，超音波换能器100具有良好的控制线性度。此外，扇形的感测空间SSP1能够容易感测到细长的目标物OT(如，针状物)。因此，超音波换能器100能够以线性侦测方式来轻易地产生感测空间SSP1以侦测细长的目标物OT。

另外具体来说明，请同时参考图1以及图3，图3是依据本发明一实施例所绘示的弧形换能阵元的另一操作示意图。为了便于示出感测空间SSP2，图3仅示出弧形换能阵元A1。在本实施例中，超音波换能器100例如以线性侦测方式来运行。因此，弧形换能阵元A1～A6的至少其中之一被驱动以产生感测空间SSP2。应注意的是，感测空间SSP2沿着弧形换能阵元A1～A6的发射面方向延伸。弧形换能阵元A1～A6的发射面呈弧形凸面。因此，感测空间SSP2被大幅地扩展。如此一来，超音波换能器100在线性侦测方式下可提供更大的感测空间。现行的超音波换能器必须利用凸面(convex)侦测方式来产生感测空间SSP2。因此，超音波换能器100能够利用较简单的线性侦测方式来产生感测空间SSP2。

请回到图1的实施例，在本实施例中，弧形换能阵元A1～A6还能够接收反射讯号SR。反射讯号SR用以产生超音波影像。在本实施例中，弧形换能阵元A1～A6接收来自于感测空间的反射讯号SR。弧形换能阵元A1～A6分别反应于反射讯号SR而发生形变，以产生关联于所接收到的反射讯号SR的电讯号。所述电讯号被提供至控制器120。超音波影像依据所述电讯号被产生。举例来说，位于超音波换能器100外部的处理电路会通过控制器120接收到电讯号，并将电讯号转换为超音波影像。

在本实施例中，弧形换能阵元A1～A6的材料包括压电材料。压电材料例如是PZT压电陶瓷(本发明并不以此为限)。举例来说，弧形换能阵元A1～A6分别包括多个压电结构或压电图案。

本实施例的弧形换能阵元A1～A6的数量以6个为例。本发明的弧形换能阵元的数量可以是多个，并不以本实施例的弧形换能阵元的数量为限。

在本实施例中，弧形换能阵元A1紧邻于弧形换能阵元A2。弧形换能阵元A2紧邻于弧形换能阵元A3，依此类推。在一些实施例中，弧形换能阵元A1～A6当中相邻的两个弧形换能阵元之间具有间距。间距小于超音波讯号SU的波长的一半，且间距小于反射讯号SR的波长的一半。

请参考图4，图4是依据本发明第二实施例所绘示的超音波换能器的结构示意图。在本实施例中，超音波换能器200包括多个弧形换能阵元以及背侧结构BK。所述多个弧形换能阵元的实施方式已经在图1至图3的多个实施例中清楚说明，故不在此重述。为了明确说明多个弧形换能阵元以及背侧结构BK之间的配置，本实施例仅示出背侧结构BK以及弧形换能阵元A1的配置。在本实施例中，背侧结构BK用以吸收控制器(如图1所示的控制器120)与弧形换能阵元之间的反射杂讯。背侧结构BK具有弧形凸面P1。弧形换能阵元A1被设置于弧形凸面P1。此外，弧形换能阵元A1的弧形凹面PCC与背侧结构BK的弧形凸面P1相吻合。因此，弧形换能阵元A1能够被贴合于背侧结构BK的弧形凸面P1上。所述多个弧形换能阵元以及背侧结构BK被配置在超音波探头110中。

请参考图5，图5是依据本发明第三实施例所绘示的超音波换能器的示意图。在本实施例中，超音波换能器300包括弧形换能阵元A1～A6、直线形换能阵元L1～L6以及控制器120。弧形换能阵元A1～A6沿短轴方向D1平行排列。弧形换能阵元A1～A6分别沿长轴方向D2以弧形方式弯曲。直线形换能阵元L1～L6分别沿短轴方向D1延伸并且沿长轴方向D2平行排列。弧形换能阵元A1～A6的延伸方向与直线形换能阵元L1～L6的延伸方向彼此交错。此外，直线形换能阵元L1～L6与弧形换能阵元A1～A6堆叠设置。弧形换能阵元A1～A6以及弧形换能阵元A1～A6被配置在超音波探头310中。

控制器120耦接于弧形换能阵元A1～A6以及直线形换能阵元L1～L6。控制器120驱动弧形换能阵元A1～A6以使弧形换能阵元A1～A6分别提供超音波讯号SU。直线形换能阵元L1～L6分别接收反射讯号SR。在本实施例中，弧形换能阵元A1～A6的材料包括压电材料。压电材料例如是PZT压电陶瓷(本发明并不以此为限)。举例来说，弧形换能阵元A1～A6分别包括多个压电结构或压电图案。

在一些实施例中，直线形换能阵元L1～L6的材料包括压电材料。压电材料例如是PZT压电陶瓷。举例来说，直线形换能阵元L1～L6分别包括多个压电结构或压电图案。在一些实施例中，各个直线形换能阵元L1～L6包括多个电容式微机械超音波换能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer，cMUT)。

应注意的是，在本实施例中，弧形换能阵元A1～A6的延伸方向与直线形换能阵元L1～L6的延伸方向彼此交错。因此，弧形换能阵元A1～A6以及直线形换能阵元L1～L6的堆叠提供了超音波换能器300的感测阵列。感测阵列具有36个等效感测单元。此外，弧形换能阵元A1～A6分别提供超音波讯号SU。直线形换能阵元L1～L6分别接收反射讯号SR。因此，弧形换能阵元A1～A6以及直线形换能阵元L1～L6的分工使得超音波换能器300具有较快的响应速度。因此，直线形换能阵元L1～L6快速接收反射讯号SR。反射讯号SR用以产生立体超音波影像。

进一步来说，超音波换能器300具有较快的响应速度。这使得弧形换能阵元A1～A6能够在较短的时间内接收到不同深度的多层反射讯号SR。因此，立体超音波影像在较短的时间内被产生。直线形换能阵元L1～L6分别反应于反射讯号SR而发生形变，以产生关联于所接收到的多层反射讯号SR的多层电讯号。所述多层电讯号被提供至控制器120。超音波影像依据所述多层电讯号被产生。举例来说，位于超音波换能器300外部的处理电路会通过控制器120接收到多层电讯号，将多层电讯号转换为多层超音波影像，并将多层超音波影像组合成立体超音波影像。

本实施例的直线形换能阵元L1～L6的数量以6个为例。本发明的直线形换能阵元的数量可以是多个，并不以本实施例的直线形换能阵元的数量为限。

在本实施例中，弧形换能阵元A1紧邻于弧形换能阵元A2。弧形换能阵元A2紧邻于弧形换能阵元A3，依此类推。直线形换能阵元L1紧邻于直线形换能阵元L2。直线形换能阵元L2紧邻于直线形换能阵元L3，依此类推。在一些实施例中，弧形换能阵元A1～A6当中相邻的两个弧形换能阵元之间具有间距。间距小于超音波讯号SU的波长的一半以及反射讯号SR的一半。相似地，直线形换能阵元L1～L6当中相邻的两个直线形换能阵元之间具有间距。间距小于超音波讯号SU的波长的一半以及反射讯号SR的一半。

请参考图6，图6是依据本发明第四实施例所绘示的超音波换能器的结构示意图。在本实施例中，超音波换能器400包括多个弧形换能阵元(本实施例仅示出弧形换能阵元A1)、直线形换能阵元L1～L6、背侧结构BK以及参考电位层LVR1、LVR2。所述多个弧形换能阵元、直线形换能阵元L1～L6以及背侧结构BK的实施方式已经在图1至图5的多个实施例中清楚说明，故不在此重述。参考电位层LVR1被设置于所述多个弧形换能阵元的发射面PCV(即，弧形凸面)。参考电位层LVR1被施加参考电位VR。参考电位VR例如是接地电位(本发明并不以此为限)。在本实施例中，参考电位层LVR2被设置于直线形换能阵元L1～L6的讯号接收面(即，弧形凸面)。参考电位层LVR2被施加参考电位VR。参考电位层LVR1、LVR2用以隔离电磁干扰。因此，所述多个弧形换能阵元以及直线形换能阵元L1～L6因为电磁干扰而发生误操作的风险能够被降低。

请参考同时图1以及图7，图7是依据本发明第一实施例所绘示的结构示意图。在本实施例中，超音波换能器100还包括匹配层ML以及声透镜层AL。匹配层ML具有第一面PW1以及第二面PW2。第一面PW1相对于第二面PW2。匹配层ML对应弧形换能阵元A1～A6的发射面PE(即，弧形凸面)而被设置。在本实施例中，匹配层ML的第一面PW1是弧形凹面。匹配层ML的第一面PW1与弧形换能阵元A1～A6的发射面PE相符合。因此，匹配层ML能够贴合于弧形换能阵元A1～A6的发射面PE上。匹配层124具有合适的音阻(acoustic impedance)以提供超音波换能器100及受测物之间较佳的音阻匹配，这使得大部分的超音波讯号SU能够进入到达受测物。

在本实施例中，声透镜层AL对应匹配层ML的第二面PW2而被设置。以本实施例为例，声透镜层AL具有第一面PA1以及第二面PA2。第一面PA1相对于第二面PA2。匹配层ML的第二面PW2是弧形凸面。声透镜层AL的第一面PA1是弧形凹面。匹配层ML的第二面PW2与声透镜层AL的第一面PA1相符合。因此，声透镜层AL能够贴合于匹配层ML的第二面PW2上。声透镜层AL可以是超音波讯号SU、反射讯号SR可穿透的透镜。声透镜层AL隔绝及保护超音波探头110。在本实施例中，弧形换能阵元A1～A6、匹配层ML以及声透镜层AL被配置在超音波探头110中。此外，声透镜层AL的第二面PA2是弧形凸面。

在一些实施例中，匹配层ML的第二面PW2以及声透镜层AL的第一面PA1分别可以是平面。

综上所述，本发明的超音波换能器包括所述多个弧形换能阵元。所述多个弧形换能阵元被驱动以产生感测空间。感测空间能够避开受测物与超音波换能器之间存在障碍物。因此，到达受测物的超音波讯号的强度能够被维持。基于弧形换能阵元的弧形设计，超音波换能器在其他侦测方式下可提供更大的感测空间。此外，在一些实施例中，超音波换能器还包括多个直线形换能阵元。超音波换能器所接收到的反射讯号能够用于用以产生立体超音波影像。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。