超声换能器阵列架构和制造方法

技术领域

某些实施方案涉及超声成像。更具体地，某些实施方案涉及超声换能器阵列架构和制造。

背景技术

超声成像是用于对人体中的器官和软组织进行成像的医学成像技术。超声成像使用实时的、非侵入性高频声波来产生一系列二维(2D)图像和/或三维(3D)图像。超声换能器将超声信号转换成电信号和/或将电信号转换成超声信号。

通过将此类系统与本申请的其余部分中参考附图阐述的本公开的一些方面进行比较，常规和传统方法的更多限制和缺点对本领域的技术人员将变得显而易见。

发明内容

提供了超声换能器阵列架构和制造方法，基本上如结合附图中的至少一个附图所示和/或所述，如权利要求中更完整地阐述。

从以下描述和附图将更全面地理解本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征、以及其例示的实施方案的细节。

附图说明

图1是根据各种实施方案的可操作以执行超声检查的示例性超声系统的框图。

图2示出了根据各种实施方案的单个可拼接换能器模块的倾斜角度视图。

图3示出了根据各种实施方案的可拼接换能器模块的剖视图。

图4示出了根据各种实施方案的以二维矩阵拼接的单个换能器模块。

图5示出了根据各种实施方案的1×4换能器阵列。

图6示出了根据各种实施方案的2D换能器阵列。

图7是示出根据各种实施方案的用于制造拼接的超声换能器阵列的示例性步骤的流程图。

具体实施方式

某些实施方案可存在于超声换能器阵列架构和制造方法中。该系统可包括超声换能器，该超声换能器包括多个模块，每个模块包括超声换能器阵列和专用集成电路(ASIC)，换能器阵列和ASIC电耦接到柔性互连器，并且柔性互连器耦接到连接器。ASIC和柔性互连器可被布置成使得每个超声换能器阵列与另一个超声换能器阵列直接相邻。

当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及某些实施方案的以下具体实施方式。就附图示出各种实施方案的功能块的图的范围而言，这些功能块不一定表示硬件电路之间的划分。因此，例如，一个或多个功能框(例如，处理器或存储器)可以在单件硬件(例如，通用信号处理器或随机存取存储器块、硬盘等)或多件硬件中来实现。类似地，程序可以是独立程序，可以作为子例程包含在操作系统中，可以是安装的软件包中的功能等。应当理解，各种实施方案不限于附图中所示的布置和工具。还应当理解，可以组合实施方案，或者可以利用其他实施方案，并且可以在不脱离各种实施方案的范围的情况下做出结构的、逻辑的和电气的改变。因此，以下详述不应视为限制性意义，并且本公开的范围由所附权利要求书及其等同物限定。

如本文所用，以单数形式列举并且以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除。此外，对“示例性实施方案”、“各种实施方案”、“某些实施方案”、“代表性的实施方案”等的引用不旨在被解释为排除存在也结合了叙述的特征的附加实施方案。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件的实施方案可以包括不具有该性质的附加元件。

另外，如本文所用，术语“图像”广义地是指可视图像和表示可视图像的数据两者。然而，许多实施方案生成(或被配置为生成)至少一个可视图像。此外，如本文所用，短语“图像”用于指超声模式，诸如B模式(2D模式)、M模式、三维(3D)模式、CF模式、PW多普勒、CW多普勒、MGD，和/或B模式和/或CF的子模式，诸如剪切波弹性成像(SWEI)、TVI、Angio、B-flow、BMI、BMI_Angio，并且在某些情况下还包括MM、CM、TVD，其中“图像”和/或“平面”包括单个波束或多个波束。

此外，如本文所用，术语处理器或处理单元是指可执行各种实施方案需要的所需计算的任何类型的处理单元，诸如单核或多核：CPU、加速处理单元(APU)、图形板、DSP、FPGA、专用集成电路(ASIC)或它们的组合。

应当指出的是，本文所述的生成或形成图像的各种实施方案可包括用于形成图像的处理，该处理在一些实施方案中包括波束形成，而在其他实施方案中不包括波束形成。例如，可在不进行波束形成的情况下形成图像，诸如通过将解调数据的矩阵乘以系数矩阵，使得乘积是图像，并且其中该过程不形成任何“波束”。另外，可使用可能源自多于一个发射事件的信道组合(例如，合成孔径技术)来执行图像的形成。

在各种实施方案中，例如，在软件、固件、硬件或它们的组合中执行超声处理以形成图像，包括超声波束形成，诸如接收波束形成。图1示出了根据各种实施方案的具有可拼接换能器阵列的超声系统的一个实施方式。

图1是根据各种实施方案的可操作以执行超声检查的示例性超声系统100的框图。参见图1，示出了超声系统100。超声系统100包括发射器102、超声探头104、发射波束形成器110、接收器118、接收波束形成器120、A/D转换器122、RF处理器124、RF/IQ缓冲器126、用户输入设备130、信号处理器132、图像缓冲器136、显示系统134和档案138。

发射器102可包括可操作以驱动超声探头104的合适逻辑、电路、接口和/或代码。超声探头104可包括电容式微机械超声换能器(cMUT)、压电式微机械超声换能器(pMUT)或传统压电换能器的一维(1D)或二维(2D)阵列。超声探头104可包括通常构成相同元件的一组发射换能器元件106和一组接收换能器元件108。

在示例性实施方案中，发射换能器元件106和接收换能器元件108可包括可拼接阵列，每个可拼接阵列具有例如其自身的ASIC、任选的重新分布层(RDL)、柔性互连器以及用于耦接到发射子孔径波束形成器114和接收子孔径波束形成器116的电路的连接器。通过布置能够在其间无显著间隙的情况下彼此直接相邻地布置在所有四个侧面上的可拼接阵列模块，可在组装之前利用单独可测试模块实现大型换能器阵列，从而极大地提高良率并降低成本。在示例性实施方案中，换能器阵列可限定每个模块的最大区域，使得每个模块可直接相邻地布局，而无可降低换能器分辨率的间隙。此外，如果单个换能器模块发生故障，则可替换单个换能器模块而不必替换整个换能器。

在某些实施方案中，超声探头104可操作以采集覆盖解剖结构(诸如心脏、血管或任何合适的解剖结构)的至少大部分的超声图像数据。

发射波束形成器110可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以控制发射器102，发射器102通过发射子孔径波束形成器114驱动该组发射换能器元件106以将超声发射信号发射到感兴趣的区(例如，人、动物、地下空腔、物理结构等)中。发射的超声信号可从感兴趣对象中的结构(如血细胞或组织)反向散射，以产生回波。回波由接收换能器元件108接收。

超声探头104中的一组接收换能器元件108可操作以将接收的回波转换为模拟信号，通过接收子孔径波束形成器116进行子孔径波束形成，然后传送到接收器118。接收器118可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以接收来自接收子孔径波束形成器116的信号。可以将模拟信号传送到多个A/D转换器122中的一个或多个A/D转换器。

多个A/D转换器122可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以将来自接收器118的模拟信号转换为对应的数字信号。多个A/D转换器122设置在接收器118和RF处理器124之间。尽管如此，本公开在这方面并不受限制。因此，在一些实施方案中，多个A/D转换器122可被集成在接收器118内。

RF处理器124可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以解调由多个A/D转换器122输出的数字信号。根据一个实施方案，RF处理器124可包括复解调器(未示出)，该复合解调器可操作以解调数字信号以形成代表对应回波信号的I/Q数据对。然后可将RF或I/Q信号数据传送到RF/IQ缓冲器126。RF/IQ缓冲器126可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以提供由RF处理器124生成的RF或I/Q信号数据的临时存储。

接收波束形成器120可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以执行数字波束形成处理，以例如对经由RF/IQ缓冲器126从RF处理器124接收的延迟信道信号求和并输出波束求和信号。所得到的处理的信息可以是从接收波束形成器120输出并传送到信号处理器132的波束求和信号。根据一些实施方案，接收器118、多个A/D转换器122、RF处理器124和波束形成器120可被集成到单个波束形成器中，该单个波束形成器可以是数字的。在各种实施方案中，超声系统100包括多个接收波束形成器120。

用户输入设备130可用于输入患者数据、扫描参数、设置、选择协议和/或模板等。在示例性实施方案中，用户输入设备130可操作以配置、管理和/或控制超声系统100中的一个或多个部件和/或模块的操作。就这一点而言，用户输入设备130可操作以配置、管理和/或控制发射器102、超声探头104、发射波束形成器110、接收器118、接收波束形成器120、RF处理器124、RF/IQ缓冲器126、用户输入设备130、信号处理器132、图像缓冲器136、显示系统134和/或档案138的操作。用户输入设备130可包括一个或多个按钮、一个或多个旋转编码器、触摸屏、运动跟踪、语音识别、鼠标设备、键盘、相机和/或能够接收用户指令的任何其它设备。在某些实施方案中，例如，用户输入设备130中的一个或多个用户输入模块可以集成到其他部件(诸如显示系统134)中。作为一个示例，用户输入设备130可包括触摸屏显示器。

信号处理器132可包括合适的逻辑、电路、接口和/或代码，该逻辑、电路、接口和/或代码可操作以处理超声扫描数据(即，求和的IQ信号)，以生成用于在显示系统134上呈现的超声图像。信号处理器132可操作以根据所采集的超声扫描数据上的多个可选择超声模态来执行一个或多个处理操作。在示例性实施方案中，信号处理器132可操作以执行显示处理和/或控制处理等。随着接收到回波信号，可以在扫描会话期间实时处理采集的超声扫描数据。附加地或另选地，超声扫描数据可以在扫描会话期间暂时存储在RF/IQ缓冲器126中并且在在线操作或离线操作中以不太实时的方式处理。在各种实施方案中，处理的图像数据可呈现在显示系统134处和/或可存储在档案138处。档案138可以是本地档案、图片归档和通信系统(PACS)，或用于存储图像和相关信息的任何合适的设备。

信号处理器132可以是一个或多个中央处理单元、微处理器、微控制器等。例如，信号处理器132可为集成部件，或者可分布在各种位置上。在示例性实施方案中，信号处理器132可能够从用户输入设备130和/或档案138接收输入信息，生成可由显示系统134显示的输出，并且响应于来自用户输入设备130的输入信息来操纵输出等。

超声系统100可操作以用适于所考虑的成像情况的帧速率连续采集超声扫描数据。典型的帧速率在20-120的范围内，但可以更低或更高。所采集的超声扫描数据可以与帧速率相同、或更慢或更快的显示速率显示在显示系统134上。图像缓冲器136被包括以用于存储未被安排立即显示的所采集的超声扫描数据的处理的帧。优选地，图像缓冲器136具有足够的容量来存储至少几分钟的超声扫描数据帧。超声扫描数据的帧以根据其采集顺序或时间易于从其取回的方式存储。图像缓冲器136可体现为任何已知的数据存储介质。

显示系统134可以是能够将视觉信息传达给用户的任何设备。例如，显示系统134可包括液晶显示器、发光二极管显示器、和/或任何合适的一种或多种显示器。显示系统134可能够操作以呈现超声图像和/或任何合适的信息。

档案138可以是与超声系统100集成和/或通信地耦接(例如，通过网络)到超声系统100的一个或多个计算机可读存储器，诸如图像归档和通信系统(PACS)、服务器、硬盘、软盘、CD、CD-ROM、DVD、紧凑存储器、闪存存储器、随机存取存储器、只读存储器、可电擦除和可编程只读存储器，和/或任何合适的存储器。档案138可包括例如由信号处理器132访问和/或结合到信号处理器132的数据库、库、信息集或其他存储器。例如，档案138能够暂时或永久地存储数据。档案138可能能够存储医学图像数据、由信号处理器132生成的数据和/或信号处理器132可读取的指令等。

超声系统100的部件可在软件、硬件、固件等中实现。超声系统100的各种部件可以通信地连接。超声系统100的部件可单独实现和/或以各种形式集成。例如，显示系统134和用户输入设备130可集成为触摸屏显示器。

图2示出了根据各种实施方案的单个可拼接换能器模块的倾斜角度视图。参见图2，示出了换能器模块200，该换能器模块200包括换能器阵列201、RDL 203、ASIC 205、柔性互连器207、连接器209以及声学背衬211。在一个实施方案中，换能器阵列201可包括cMUT、pMUT或传统压电元件的阵列，其中微机械元件可在接收模式下由超声信号致动，或者可在发射模式下在由适当的电信号驱动时生成超声信号。用于cMUT元件的示例性材料为硅。在另一个示例性实施方案中，换能器阵列201可包括压电元件的阵列，其中压电材料在施加电压时机械振动并且因此生成超声信号，或者在超声信号投射在材料上时相反地生成电信号。

RDL 203可包括多个导电迹线和用于在换能器阵列201和ASIC 205之间提供电接触的绝缘材料(有时称为中介层)。例如，ASIC 205上的触点可不具有与换能器阵列201上的触点相同的位置，并且RDL 203的使用实现了这些器件的互连，而不必将它们设计成具有相同的触点布局。然而，如果换能器阵列201和ASIC 205上的触点确实具有相同的布局，则可消除RDL 203。

ASIC 205可包括用于驱动和/或接收来自换能器201的信号的电路，并且因此可包括例如处理、放大、发射和接收器电路。例如，ASIC 205可向换能器阵列201中的元件cMUT或压电元件提供电信号以生成超声信号，或者可在暴露于超声信号时从换能器阵列201接收电信号。

柔性互连器207可包括扁平柔性电互连器件，该扁平柔性电互连器件包括柔性绝缘材料(诸如例如聚酰亚胺)内的导电迹线。这样，电信号可利用柔性且可配置的物理连接器在连接器209和ASIC 205之间传送。虽然柔性互连器207被示出为仅从模块的一侧延伸出，但本公开并不限于此，因为互连器207可从模块的一侧或多侧延伸和/或在ASIC 205和/或RDL 203上完全延伸，这取决于所需的配置。在柔性互连器207在模块上一直延伸的此示例性场景中，可存在从ASIC 205穿过互连器207到RDL 203的直通连接。

连接器209可包括用于换能器模块200的电连接器和机械连接器，其中电信号可在模块200和外部电路之间传送。此外，连接器209可将换能器模块200机械地附连到支撑结构，诸如印刷电路板或其它合适的基板。

模块200可被设计为占据等于或小于2D换能器阵列201的有效区域的占有面积，从而允许附加模块拼接在给定模块的所有四个侧面上，而在较大的总体拼接的2D换能器阵列中没有显著的间隙。换能器模块200可包含ASIC下面的声学背衬211以提供与超声信号的隔离。

图3示出了根据各种实施方案的可拼接换能器模块的剖视图。参见图3，示出了换能器模块200的剖面图，该剖面图示出如插图框所指示的结构的左边缘和右边缘。如相对于图2所描述的，换能器模块200可包括：换能器阵列201、RDL 203、ASIC 205、柔性互连器207和连接器209。如RDL203中的水平线和竖直线所指示，RDL 203提供ASIC 205、换能器阵列201和柔性互连器207上的触点之间的电布线。在左插图中，RDL 203将换能器阵列耦接到ASIC 205，并且在右插图中，RDL 203提供换能器阵列201和ASIC 205之间以及ASIC 205和柔性互连器207之间的电连接。

ASIC 205和换能器阵列201的互连节距可以是不同的，并且通过RDL203彼此适配。RDL 203还可将I/O(诸如，电源、控制线、数字和模拟信号)从ASIC 205布线到柔性互连器207。柔性互连器207上的连接器209允许模块与超声系统的互连。另一个实施方案可包括：当ASIC 205和换能器阵列201上的触点直接对齐时，将换能器阵列201直接耦接在ASIC 205上，从而消除了对RDL 203的需要。在另一个实施方案中，换能器阵列201可诸如例如通过表面微机械增层工艺直接制造在ASIC 205上。

图4示出了根据各种实施方案的以二维矩阵拼接的单个换能器模块。参见图4，示出了包括多个换能器阵列模块410的换能器400，其中每个模块410包括换能器阵列401、ASIC 405、柔性互连器407和连接器409。

图4中的虚线指示单个换能器阵列模块401之间的边界。由于每个模块被设计成占据等于或小于换能器阵列的有效区域的占有面积，因此多个模块可以矩阵阵列图案拼接，从而形成更大的连续矩阵阵列，而拼接的模块之间没有显著的间隙，其中间隙可降低换能器的分辨率。

图5示出了根据各种实施方案的1×4换能器阵列。参见图5，示出了1×4阵列500，阵列500包括四个换能器阵列501、四个ASIC 505、四个柔性互连器507、四个连接器509、基部板511和基板513。此实施方案允许换能器阵列相对于连接器509的不同取向。换能器阵列501、ASIC 505、柔性互连器507和连接器509可如前所述，而基部板511可包括为换能器阵列501和ASIC 505提供支撑的刚性支撑结构，诸如金属板。基部板511还可提供1×4阵列500的每个模块与对齐销的准确对齐，例如，如图6所示。

基板513可包括用于机械支撑以及柔性互连器507和连接器509之间的电连接性的连续的刚性结构，并且在一个示例中包括由玻璃纤维增强型环氧树脂层压材料(诸如FR4)中的导电迹线形成的印刷电路板(PCB)。其它合适的基板可包括例如陶瓷和/或高温介电材料。此外，单独的声学背衬层可结合在换能器阵列501下面，诸如在ASIC 505和基部板511之间，例如，如图2所示

此配置的一些新颖方面包括以1D阵列和基部板511内置的任意半径布置的换能器阵列501针对柔性互连器507中的松弛柔性弯曲部的调节。另选地，在2D阵列的情况下，基部板511的半径可被配置为支撑柔性互连器507中的绷紧的柔性包裹物。类似于图2至图4所示的那样。此外，将PCB用于基板513还使得能够更简单地结合无源器件和连接器，而不是将这些器件直接布局在柔性材料上，这可能增加成本和复杂性。基板513还允许柔性互连器507的层数减少。

图6示出了根据各种实施方案的2D换能器阵列。参见图6，示出了2D阵列600模块，2D阵列600模块包括可类似于如前所述的换能器阵列601、ASIC 605、柔性互连器607、连接器609、基部板611和基板613。此外，基部板611包括用于2D阵列模块600与超声系统中的基板(未示出)的准确对齐的对齐销611A。基部板611可由铝机加工而成以优化热传输和/或可由复合材料模制而成以优化声学特性。

此配置实现了换能器阵列和连接器之间的正交布置。基部板611的对齐销611A和平坦共面表面促进1D和2D组装。此外，这允许在粘结和组装之前对ASIC和换能器阵列进行预先测试，这降低了成本并提高了系统良率。类似地，单个阵列可在发生故障时被换出，从而改进换能器阵列的可维修性。对齐销611A所插入的基部板(未示出)可确定每个衬垫的位置，这可实现所需的任何精确定位的阵列的配置，并且如果需要，拼接可包括相邻行之间的偏移。对齐销611A和/或换能器阵列601、ASIC 605和/或基部板611中的凹口或销可实现模块在多个模块中的准确且精确的布置的“键控”。

图7是示出根据各种实施方案的用于制造拼接的超声换能器阵列的示例性步骤的流程图。参见图7，示出了包括示例性步骤701至709的流程图700。某些实施方案可省略一个或多个步骤，和/或以与所列顺序不同的顺序执行步骤，和/或组合下文讨论的某些步骤。例如，在某些实施方案中可能不执行一些步骤。又如，某些步骤可能以与下面所列时间顺序不同的时间顺序执行，包括同时执行。

在步骤701处，可提供换能器阵列，并且在步骤703中，通过任选的RDL将换能器阵列耦接到ASIC。在另一个示例性实施方案中，在ASIC和换能器阵列上的触点直接对齐的情况下，可将换能器阵列直接耦接到ASIC，或者可直接在ASIC上制造换能器阵列。在步骤705中，可将换能器阵列/RDL/ASIC耦接到柔性互连器，之后进行步骤707，其中可将连接器耦接到柔性互连器。在另一个示例性实施方案中，可将基板耦接到柔性互连器，其中基板包括连接器。

以上过程实现了包括用于获得模块的对准和间距以形成大的传感器占有面积的独特拼接的系统优势。还公开了柔性基板和RDL/中介层的结合以及“键控”拼接以用于相邻拼接件或模块的最佳对准和对齐的能力。此拼接概念允许高堆积密度和最小限度的有效区域感测损耗。

此外，拼接阵列实现互连器和拼接件的优化堆积密度，以使有效区域成像损耗以及与常规互连器相关的电气和机械问题最小化。对齐特征可用于拼接到散热器和/或背衬材料中，这可消除生成必须由硅或金属微机加工的昂贵载体的需要。

此外，拼接阵列允许低成本的轻质组件。模块化拼接允许对完成的器件的部分进行预先测试，以简化生产、减少废料并且允许在有缺陷的情况下进行模块替换。上述配置实现在无显著间隙的情况下的优化拼接的传感器占有面积。组装过程还包括用于重新分布层和电子器件集成的区。这些设计概念使得能够对柔性电路和ASIC两者的电子互连以及传感器阵列的可能组合进行预先测试。上述概念还实现背衬和散热器材料的键控对齐和对准以及集成。

本公开的各方面提供一种用于超声换能器阵列架构和制造的方法和系统。该方法包括提供包括多个模块的超声换能器，每个模块包括超声换能器阵列和专用集成电路(ASIC)，超声换能器阵列和ASIC电耦接到柔性互连器，柔性互连器耦接到连接器。ASIC和柔性互连器可被布置成使得每个超声换能器阵列与另一个超声换能器阵列直接相邻。可将ASIC电耦接到柔性互连器，并且可通过重新分布层将ASIC电耦接到换能器阵列。

多个模块中的每一个模块可包括超声换能器阵列在RDL上且RDL在ASIC上的叠堆，其中柔性互连器从ASIC的顶表面或RDL的底表面横向延伸并且向下弯曲到ASIC的底表面。连接器可耦接到柔性互连器的底表面。多个模块中的每一个模块可包括叠堆，叠堆包括超声换能器阵列、ASIC和基部板，其中柔性互连器从叠堆延伸到包括连接器的基板。基板可包括印刷电路板。基板可与叠堆正交。基部板可包括具有对齐销的金属板或复合板。超声换能器阵列可包括电容式微机械超声换能器(cMUT)、压电微机械超声换能器(pMUT)或传统压电换能器。因为此模块结构由于RDL将ASIC连接的节距与不同的换能器阵列节距和总体阵列大小适配而可用于不同的超声成像应用中，所以实现了显著的成本节约。

如本文所用，术语“电路”是指物理电子部件(即，硬件)以及可配置硬件、由硬件执行和/或以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。例如，如本文所用，当执行一条或多条第一代码时，特定处理器和存储器可包括第一“电路”，并且在执行一条或多条第二代码时，特定处理器和存储器可包括第二“电路”。如本文所用，“和/或”表示列表中的由“和/或”连结的项中的任一个或多个项。作为一个示例，“x和/或y”表示三元素集{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。作为另一个示例，“x、y和/或z”表示七元素集{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何元素。如本文所用，术语“示例性”表示用作非限制性示例、实例或例证。如本文所用，术语“例如(e.g.)”和“例如(for example)”引出一个或多个非限制性示例、实例或例证的列表。如本文所用，电路“可操作为”和/或“被配置为”每当该电路包括执行功能的必需硬件和代码(如果需要的话)时就执行该功能，不管是否通过某些用户可配置的设置禁用或不启用该功能的执行。

虽然已经参考某些实施方案来描述了本公开，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并可以替换等同物。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应于本公开的教导。因此，本公开不旨在限于所公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。