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超聲檢測(cè)設(shè)備和超聲診斷設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲檢測(cè)設(shè)備和超聲診斷設(shè)備。該超聲檢測(cè)設(shè)備包括：電容式機(jī)電換能器，包括具有被設(shè)置為相對(duì)且隔開一空間的第一電極和第二電極的單元；電壓源，用于在第一電極與第二電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差；和電路，用于將由由于第二電極的振動(dòng)導(dǎo)致的第一電極與第二電極之間的靜電電容的變化引起的電流轉(zhuǎn)換成電壓，其中，該電容式機(jī)電換能器提供具有相對(duì)于某一頻率具有第一截止頻率的高通特性的輸出電流，該電路提供具有相對(duì)于所述頻率具有第二截止頻率的低通特性的輸出，以及，該第二截止頻率比第一截止頻率小。
【專利說明】超聲檢測(cè)設(shè)備和超聲診斷設(shè)備
[0001]本申請(qǐng)是基于申請(qǐng)?zhí)枮?01080049004.9、申請(qǐng)日為2010年10月28日、發(fā)明名稱為“超聲檢測(cè)設(shè)備和超聲診斷設(shè)備”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及超聲檢測(cè)設(shè)備和超聲診斷設(shè)備，更具體地，涉及電容式超聲檢測(cè)設(shè)備和使用它的超聲診斷設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0003]到目前為止，已經(jīng)知道了包含具有以一定間隔布置的電極的單元的電容式超聲檢測(cè)設(shè)備(參見美國專利N0.6430109)。具體地,近年來,使用微加工(micromachining)技術(shù)的電容式微加工超聲換能器(CMUT)得到積極研究。CMUT借助于輕型振動(dòng)膜片發(fā)射或接收超聲波，并且即使換能器位于液體和氣體中，也可很容易地獲得優(yōu)異的寬帶特性。作為有希望的技術(shù)的、具有比現(xiàn)有技術(shù)的醫(yī)療診斷形式更高精度的利用CMUT的超聲診斷已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。通過電容式機(jī)電換能器和在后級(jí)處設(shè)置的電路來執(zhí)行CMUT的超聲接收功能。由靜電電容的時(shí)間變化引起前級(jí)的電容式機(jī)電換能器的輸出，由此，輸出是電流輸出。因此，一般在后級(jí)處使用電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路。
[0004]另一方面，到目前為止，壓電材料主要被用于實(shí)際的超聲換能器。壓電型裝置的分辨率與頻率成比例，由此，超聲換能器一般在3MHz?1MHz的范圍中具有中心靈敏度。與壓電型裝置相比，CMUT具有寬頻帶的特征。但是，壓電型要被現(xiàn)有技術(shù)的一般的超聲診斷傳感器替代，由此，該傳感器的中心頻率也一般為約3MHz?10MHz。但是，為了有效地使用寬頻帶，后級(jí)的電路也需要寬帶。CMUT的超聲接收功能的頻率特性一般被配置為在電容式機(jī)電換能器的截止頻率與放大器電路的截止頻率之間的帶通型。因此，經(jīng)常使用具有比接收帶足夠大的截止頻率的放大器電路。關(guān)于這一點(diǎn)，“IEEE Translat1ns onUltrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.55, N0.2, Feb.2008，，公開了具有反饋電阻和作為寄生地存在于MOS晶體管電路中的電容的反饋電容的放大器電路。結(jié)果，在上述公開文件中公開的CMUT的頻帶落在2MHz?7MHz的范圍內(nèi)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題
[0006]在上述技術(shù)環(huán)境下，在樣本試驗(yàn)中，近年來越來越多地開發(fā)了不僅顯示配置圖像而且顯示功能圖像的超聲換能器。作為這種類型的超聲換能器中的一種，存在使用光聲光譜法的超聲換能器。與在超聲回聲中使用的超聲波的頻帶相比，在光聲光譜法中使用的光聲波的頻帶一般較低。例如，光聲波的頻帶分布于200KHz?2MHz的范圍內(nèi)，這比在超聲回聲中使用的超聲波的中心頻率3.5MHz低。出于這種原因，需要開發(fā)能夠以高的靈敏度檢測(cè)相對(duì)較低的頻帶的超聲換能器。
[0007]問題的解決方案
[0008]鑒于上述問題，根據(jù)本發(fā)明的超聲檢測(cè)設(shè)備包括電容式機(jī)電換能器、電壓源和電路并具有以下特征。該電容式機(jī)電換能器包括具有被設(shè)置為相對(duì)且隔開一空間的第一電極和第二電極的單元。該電壓源用于在第一電極與第二電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差。該電路用于將由于第二電極的振動(dòng)導(dǎo)致的第一電極與第二電極之間的靜電電容的變化引起的電流轉(zhuǎn)換成電壓。電容式機(jī)電換能器提供具有高通特性的輸出電流，該高通特性關(guān)于某一頻率具有第一截止頻率，并且，該電路提供具有低通特性的輸出，該低通特性關(guān)于所述頻率具有第二截止頻率。此外，第二截止頻率比第一截止頻率小。
[0009]此外，鑒于上述問題，根據(jù)本發(fā)明的超聲診斷設(shè)備包括上述超聲檢測(cè)設(shè)備、光源和處理由超聲檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)的信號(hào)的信號(hào)處理系統(tǒng)。此外，從光源發(fā)射的光被施加到待試驗(yàn)對(duì)象，由于向待試驗(yàn)對(duì)象施加的光導(dǎo)致的由光聲效應(yīng)產(chǎn)生的彈性波由超聲檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)至IJ，此外，檢測(cè)結(jié)果由信號(hào)處理系統(tǒng)處理以獲取關(guān)于待試驗(yàn)對(duì)象的信息。
[0010]本發(fā)明的有益效果
[0011]根據(jù)本發(fā)明，電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路的截止頻率被設(shè)置為大于電容式機(jī)電換能器的截止頻率，并且，為了提供超聲檢測(cè)設(shè)備的頻率特性的目的，使這些頻率特性彼此一致。因此，可以實(shí)現(xiàn)具有比現(xiàn)有技術(shù)的超聲探針的頻帶低的頻帶作為帶的超聲檢測(cè)設(shè)備。并且，可通過超聲檢測(cè)設(shè)備、光源和信號(hào)處理系統(tǒng)提供適于光聲光譜法的超聲診斷設(shè)備。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]通過參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例的以下說明，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。
[0013]圖1A、圖1B和圖1C是顯示設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明的超聲檢測(cè)設(shè)備的前級(jí)處的電容式機(jī)電換能器、設(shè)置在其后級(jí)處的電路及其整個(gè)設(shè)備的各頻率特性的圖；
[0014]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的超聲檢測(cè)設(shè)備的配置的圖；
[0015]圖3A和圖3B是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的超聲檢測(cè)設(shè)備的配置圖；
[0016]圖4A和圖4B是根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例的超聲檢測(cè)設(shè)備的配置圖；
[0017]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的超聲診斷設(shè)備的配置圖；
[0018]圖6A、圖6B和圖6C是顯示現(xiàn)有技術(shù)的頻率特性的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]以下，描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的超聲檢測(cè)設(shè)備和超聲診斷設(shè)備。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的主要特征在于，使得來自電路的輸出的低通特性的頻率特性的第二截止頻率比來自電容式機(jī)電換能器的輸出電流的高通特性的頻率特性的第一截止頻率小。將描述這些截止頻率、高通特性和低通特性的定義。如后面描述的那樣，在真空中，來自電容式機(jī)電換能器的輸出的頻率特性在振動(dòng)膜片的共振頻率處最大。即，當(dāng)振動(dòng)膜片在共振頻率下振動(dòng)時(shí)，獲得輸出的最大值。本發(fā)明的頻率特性是從在比最大頻率低的頻率側(cè)低約3dB的頻率(第一截止頻率)通過共振頻率的反共振頻率之間的帶通特性的頻率特性。在實(shí)際制造的設(shè)備中，可以使用接近最大輸出的頻率的范圍中的平均值來定義第一截止頻率。這種情況下的電容式機(jī)電換能器的頻率特性是具有第一截止頻率的高通特性。即，本發(fā)明中的高通特性具有如下分布:其具有相對(duì)于在比截止頻率低的頻域中的頻率以基本上給定的斜率增加的增益，并且在比截止頻率高的頻域中平坦。另一方面，后級(jí)電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路具有低通特性的頻率特性，其具有根據(jù)反饋電阻和反饋電容的值確定的第二截止頻率。本發(fā)明中的低通特性具有以下分布:其具有相對(duì)于在比截止頻率高的頻域中的頻率以基本上給定的斜率減小的增益，并且在比截止頻率低的頻域中平坦。在這種情況下，第二截止頻率意味著指示比低帶中的增益低約3dB的增益的頻率。特別地，低通特性在比截止頻率低的域中變得“平坦”，并且在比截止頻率高的域中具有“以給定的斜率減小的增益”。類似地，高通特性在比截止頻率低的域中具有“以給定的斜率增加的增益”，并且在比截止頻率高的域中變得“平坦”。在本發(fā)明中，“平坦的分布”意味著給定的增益，但是，不僅包含分布完全平坦的情況，而且包含增益相對(duì)于頻率特性的斜率小到在設(shè)備設(shè)計(jì)中可以忽略的情況。
[0021]基于以上概念，根據(jù)本發(fā)明的超聲檢測(cè)設(shè)備和超聲診斷設(shè)備具有以上描述的基本配置?？苫谠摶九渲脤?shí)現(xiàn)以下描述的實(shí)施例。例如，電容式機(jī)電換能器包括布置于基板上的第一電極、面對(duì)第一電極的第二電極、保持在第一電極和第二電極之間的絕緣體和空間、以及可垂直振動(dòng)地支撐第二電極的振動(dòng)膜片(參見后面描述的實(shí)施例1)。此外，在超聲檢測(cè)設(shè)備中，包括第一電極和第二電極的電容器包含多個(gè)空間和多個(gè)第二電極或多個(gè)振動(dòng)膜片。電容式機(jī)電換能器的輸出電流的特性根據(jù)包含多個(gè)第二電極或多個(gè)振動(dòng)膜片的機(jī)械特性的平均值和電容器的靜電電容的因子被確定(參見后面描述的實(shí)施例2)。在超聲檢測(cè)設(shè)備中，電容器被二維布置，并且，第二電極或振動(dòng)膜片的振動(dòng)信息可被二維檢測(cè)(參見后面描述的實(shí)施例3)。
[0022]將描述本發(fā)明的原理。在電容式機(jī)電換能器中，從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，不容易將中心頻帶設(shè)為約1MHz。這是由于，為了將中心頻帶設(shè)為約1MHz，第二電極或作為膜片的振動(dòng)膜片的硬度需要被軟化(減小彈簧常數(shù))，并且存在靈敏度隨著膜片的軟化而劣化的不利效果，結(jié)果是設(shè)計(jì)的自由度受到限制。即，膜片偏轉(zhuǎn)變大，從而使得難以制造高靈敏度的窄的空間結(jié)構(gòu)。此外，需要降低施加于電極的電壓，因此降低了靈敏度。在這些情況下，本發(fā)明提供如下系統(tǒng):在電容式機(jī)電換能器被設(shè)計(jì)為在高于約IMHz的頻率側(cè)具有中心頻率的狀態(tài)下，后級(jí)電路的截止頻率被調(diào)整使得中心頻帶整體上為約1MHz。在這種想要的相對(duì)較低的頻帶中，調(diào)整電路的截止頻率同時(shí)在一定程度上保持高的放大增益相對(duì)容易，同時(shí)對(duì)于其它特性幾乎沒有不利的影響。相反，增加截止頻率同時(shí)保持電路的高放大增益等效于減小反饋電阻或減小反饋電容。這導(dǎo)致S/N比的劣化或整個(gè)靈敏度的劣化?？商鎿Q地，存在電路性能的限制。
[0023]進(jìn)一步參照?qǐng)D1A、圖1B和圖1C描述以上配置。當(dāng)靜電電容的變化經(jīng)受平行平面近似時(shí)，電容式機(jī)電換能器的輸出電流I對(duì)輸入聲壓(輸入彈性波的壓力)的頻率特性I由下式⑴表達(dá)。
[0024]I = P/ [ (Zm+Zr) / ( ε A * Vb/d2+j ω C] (I)
[0025]這里，e是真空的介電常數(shù)，A是機(jī)電換能器的電極(指的是后面描述的上電極7)的面積，Vb是在電極之間施加的偏壓電壓，d是電極之間的真空等效距離，P是輸入聲壓，Zm是振動(dòng)膜片(指的是后面描述的振動(dòng)膜片8)的機(jī)械阻抗，Zr是機(jī)電換能器周圍的介質(zhì)的聲學(xué)阻抗，ω是輸入聲壓的角頻率，C是總體靜電電容。在該表達(dá)式中，由于總體靜電電容相對(duì)較小，因此，可以說頻率函數(shù)是振動(dòng)膜片的機(jī)械阻抗Zm。
[0026]Zm由下式⑵表達(dá)。
[0027]Zm = j * km * {(ω / ω 02) -1/ ω } (2)
[0028]這里，km是振動(dòng)膜片的彈簧常數(shù)，并且振動(dòng)膜片在比共振角頻率Coci(接近第一截止頻率2 ;參見圖1A)低的頻率的域中與壓力P成比例地位移。Zm與從低頻域到共振頻率的范圍中的頻率成反比地接近O。從該事實(shí)，在比振動(dòng)膜片的共振頻率小的頻域中，輸出電流頻率特性I變?yōu)轭l率的一次特性。圖1A?IC中的頻率特性的曲線被簡(jiǎn)化，并且在視覺上有利于原理的描述。事實(shí)上，例如，形狀有些變形并且在肩部附近是逐漸變化的，并且，截止頻率不總是如圖所示的那樣位于肩部的角上。圖1A的橫軸代表對(duì)數(shù)表達(dá)的頻率，上述一次特性意味著相對(duì)于對(duì)數(shù)表達(dá)頻率的一次特性。類似地，上述反比意味著與對(duì)數(shù)表達(dá)的頻率成反比。
[0029]此外，從上式(I)可以理解，輸出電流頻率特性I不僅取決于振動(dòng)膜片的機(jī)械阻抗Zm，而且取決于使用環(huán)境中的聲學(xué)阻抗Zr常數(shù)。一般地，電容式機(jī)電換能器在使用中經(jīng)常被浸入液體中。液體的聲學(xué)阻抗比振動(dòng)膜片的機(jī)械阻抗大。在這種情況下，液體的聲學(xué)阻抗在頻率特性I上是主導(dǎo)性的。如上所述，振動(dòng)膜片的機(jī)械阻抗Zm為O的頻率是振動(dòng)膜片的共振頻率。在這種情況下，輸出電流頻率特性I為最大值。振動(dòng)膜片的機(jī)械阻抗原本是振動(dòng)膜片的反共振頻率，并且變?yōu)闊o窮大。但是，當(dāng)在比共振頻率低的域的附近使用電容式機(jī)電換能器時(shí)，由于反共振頻率是不相關(guān)的，因此，在圖1A的輸出電流頻率特性I中省略反共振頻率的附近的域。綜合考慮上述事項(xiàng)，由上式(I)表示的輸出電流頻率特性I顯示圖1A中。
[0030]另一方面，在下式⑶中表達(dá)電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路(參見圖1B)的頻率特性3，并且，由下式(4)表達(dá)第二截止頻率4。
[0031]G = Rf/(l+jQRf * Cf) (3)
[0032]f = 1/(2 π Rf * Cf) (4)
[0033]這里，G是電路的增益,Rr是反饋電阻,Cf是反饋電容，f和ω是輸入電流的頻率和角頻率。在本發(fā)明的配置中使用的電路希望由具有由式(3)表達(dá)的相對(duì)于頻率的一次特性(與上述頻率特性I同樣與對(duì)數(shù)表達(dá)的頻率有關(guān)的頻率)的電路來配置，并且不優(yōu)選由具有高次特性的電路來配置。
[0034]在本實(shí)施例中，將電容式機(jī)電換能器的輸出電流的頻率特性I與電路的輸出的頻率特性3組合在一起，以實(shí)現(xiàn)具有比常規(guī)的超聲探針的頻帶低的頻率帶作為帶的超聲檢測(cè)設(shè)備。在組合中，為了實(shí)現(xiàn)具有想要的特性5(參見圖1C)的超聲檢測(cè)設(shè)備，使得電路的輸出的頻率特性3的第二截止頻率4比電容式機(jī)電換能器的輸出電流的頻率特性I的第一截止頻率2小。原因如上所述。
[0035]以這種方式，電容式機(jī)電換能器的輸出電流頻率特性I與電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路的頻率特性3組合，以提供超聲檢測(cè)設(shè)備的輸出頻率特性5。如圖1C所示，有效頻帶在低帶側(cè)截止頻率101和高帶側(cè)截止頻率102之間。在這種情況下，低帶側(cè)截止頻率101和高帶側(cè)截止頻率102不總是分別與第二截止頻率4和第一截止頻率3 —致。這是由于，當(dāng)?shù)谝唤刂诡l率3和第二截止頻率4彼此接近時(shí)，超聲檢測(cè)設(shè)備的輸出頻率特性5難以在低帶側(cè)截止頻率101與高帶側(cè)截止頻率102之間的分布中變得基本上平坦。頻率特性I和頻率特性3可被設(shè)計(jì)為提供基本上平坦的分布同時(shí)保持在低帶側(cè)截止頻率101與高帶側(cè)截止頻率102之間的給定的大小。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，例如，優(yōu)選頻率特性I的傾斜部分的斜率與頻率特性3的傾斜部分的斜率的符號(hào)彼此相反并且絕對(duì)值盡可能相等。此外，優(yōu)選頻率特性3的增益增大。
[0036]從以上的觀點(diǎn)，優(yōu)選在具有寬帶和高靈敏度的超聲檢測(cè)設(shè)備中，例如作為截止頻率2與截止頻率4的幾何平均值的頻率處于0.4MHz到1.0MHz的范圍中并具有圖1C所示的頻率特性5。在通過將頻率特性5的平坦的頻帶除以其中心值獲得的值為130%的情況下，當(dāng)截止頻率2與截止頻率4的幾何平均值被設(shè)為0.4MHz時(shí)，可以檢測(cè)0.2MHz的超聲波。類似地，當(dāng)截止頻率2與截止頻率4的幾何平均值被設(shè)為1.0MHz時(shí)，可以檢測(cè)2.0MHz的超聲波。
[0037]到目前為止，當(dāng)使用正常的半導(dǎo)體或微加工有關(guān)材料時(shí)，在來自活體的超聲波很容易穿過的液體中，電容式機(jī)電換能器的頻率特性在約3MHz或更高的頻率下飽和并且穩(wěn)定。但是，如上所述，難以獲得在IMHz附近具有中心并且具有高的靈敏度的CMUT。根據(jù)利用上述原理的本發(fā)明，也可消除這種困難。為了比較，在圖6A、圖6B和圖6C中表示常規(guī)的電容式機(jī)電換能器的頻率特性、常規(guī)的電路的頻率特性和常規(guī)的超聲檢測(cè)設(shè)備的頻率特性。圖6A的頻率特性與圖1A的頻率特性沒有實(shí)質(zhì)性不同。但是，在圖6B的頻率特性中，截止頻率4處于高頻率側(cè)，并且，與圖1B的頻率特性相比，增益總體較低。結(jié)果，在圖6C的頻率特性中，低帶側(cè)截止頻率101和高帶側(cè)截止頻率102的范圍在高頻率側(cè)，例如，為3MHz到 1MHz。
[0038]以下，參照附圖描述具有基于上述原理實(shí)現(xiàn)的電容式機(jī)電換能器和電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路的配置的實(shí)施例。
[0039](實(shí)施例1)
[0040]描述根據(jù)實(shí)施例1的超聲檢測(cè)設(shè)備。在圖2中示出根據(jù)本實(shí)施例的電容式機(jī)電換能器6(以下，也稱為“單元”)和電路14的配置。被指示為一個(gè)單元的電容式機(jī)電換能器6包含上電極7、振動(dòng)膜片8、空腔9、絕緣層10、支撐振動(dòng)膜片8的支撐部件11、下電極12和支撐這些部件的基板13。電路14包含與上電極7和下電極12連接的電阻器Rl和具有反饋電阻器Rf與反饋電容器Cf的運(yùn)算放大器。換能器6和電路14被配置為具有上述頻率特性。
[0041]圖2是該配置的例子。當(dāng)振動(dòng)膜片8由絕緣體制成時(shí)，可以提供或者可以不提供絕緣層10。在這種情況下，振動(dòng)膜片8和支撐部件11可由相同的材料制成。絕緣層10和支撐部件11可由相同的材料制成。在結(jié)構(gòu)上,上電極7和振動(dòng)膜片8相互接合并且整體振動(dòng)。從提高靈敏度的觀點(diǎn)，希望空腔9保持在比大氣壓力低的壓力下。當(dāng)基板13由諸如由硅制成的半導(dǎo)體基板之類的導(dǎo)電基板形成時(shí)，基板13和下電極12可集成在一起。輸出電流頻率特性I取決于振動(dòng)膜片8的機(jī)械阻抗和使用環(huán)境的聲學(xué)阻抗。一般地，電容式機(jī)電換能器在使用中被經(jīng)常浸入液體18中。液體18的聲學(xué)阻抗比振動(dòng)膜片8的機(jī)械阻抗大。特別地，液體為水、超聲診斷油脂或諸如蓖麻油之類的油。
[0042]一般地，希望上電極7和下電極12由金屬制成，但可由低阻抗的半導(dǎo)體制成。例如，作為第二電極的上電極7可由選自Al、Cr、T1、Au、Pt、Cu、Ag、W、Mo、Ta和Ni的電導(dǎo)體、諸如Si的半導(dǎo)體和選自AlS1、AlCu、AlT1、MoW、AlCr、TiN和AlSiCu的合金中的至少一種材料制成。此外，上電極7被設(shè)置在振動(dòng)膜片8的上表面、后表面和內(nèi)部中的至少一部分上。作為替代方案，當(dāng)振動(dòng)膜片8由電導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成時(shí)，振動(dòng)膜片8可被構(gòu)建為還用作上電極7。作為第一電極的下電極12可由與上電極7相同的電導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成。下電極12和上電極7的電極材料可以彼此不同。
[0043]本實(shí)施例中的各部件的尺寸被例示如下。例如，空腔9的高度為約lOOnm，但可以在1nm到500nm的范圍中。一個(gè)空腔9的長(zhǎng)度在例如1ym到200 μ m的范圍中。振動(dòng)膜片8由例如SiN制成，但可由其它的絕緣材料制成?？涨?被保持在相對(duì)于大氣壓的減壓狀態(tài)中，并且，振動(dòng)膜片8稍微內(nèi)陷。振動(dòng)膜片和電極為例如正方形，但是可以為圓形或多邊形。單元的空腔9的形狀也例如為正方形，但可以為其它的形狀。
[0044]在接收操作期間，由電壓源15施加DC電壓V，以便在超聲檢測(cè)設(shè)備的單元6的上電極7與下電極12之間產(chǎn)生電勢(shì)差。在接收超聲波時(shí)，振動(dòng)膜片8振蕩，并且引起電流流動(dòng)，電流量與由振動(dòng)引起的電容的變化一樣大。電流通過電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路14被放大。
[0045](實(shí)施例2)
[0046]描述根據(jù)實(shí)施例2的超聲檢測(cè)設(shè)備。在圖3A和圖3B中示出本實(shí)施例的配置。圖3A示出超聲檢測(cè)設(shè)備的概念斷面圖，圖3B示出元件20的平面圖。由圖3A和圖3B中的虛線表示的部分表示，除了單元6的透視部分以外，省略結(jié)構(gòu)的示圖。在本實(shí)施例中，在基板13上配置多個(gè)單元6。每個(gè)單元6和電路14的結(jié)構(gòu)與在第一實(shí)施例1中描述的那些相同。分別通過電極耦合布線部件16和17電連接多個(gè)單元6的上電極7和下電極12，使得多個(gè)單元6相互導(dǎo)電。如圖3B所示，以規(guī)定的間隔二維配置單元6以形成一個(gè)元件20。例如在元件20的上電極7與在超聲波的傳播方面優(yōu)良的液體18接觸的狀態(tài)下使用該設(shè)備。從檢測(cè)靈敏度和信號(hào)處理的便利性的觀點(diǎn)，希望在多個(gè)單元6中振動(dòng)膜片8的機(jī)械特性和空腔9的深度是均一的。在元件20內(nèi)，單元6的配置在示出的例子中為正方形格子，但可以為鋸齒形狀或六方密排形狀。可根據(jù)情況需要適當(dāng)?shù)卮_定元件20內(nèi)的單元6的配置形式和數(shù)量。在示出的例子中，振動(dòng)膜片8的形狀是圓形，但可以是多邊形。以這種方式，在本實(shí)施例中，每個(gè)由下電極12(第一電極)和上電極7(第二電極)構(gòu)成的電容器都包含多個(gè)空間9和多個(gè)第二電極或振動(dòng)膜片8。根據(jù)包含多個(gè)第二電極或振動(dòng)膜片8的機(jī)械特性的平均值和電容器的靜電電容的因子確定元件20的輸出電流的頻率特性。
[0047]在本實(shí)施例中，使得多個(gè)上電極7相互導(dǎo)通的域形成超聲檢測(cè)域，并且，與包含一個(gè)單元的實(shí)施例1相比，靈敏度增大。在本實(shí)施例中，可以說，包含多個(gè)單元的元件20構(gòu)成一個(gè)電容式機(jī)電換能器。在這種情況下，根據(jù)多個(gè)振動(dòng)膜片8的機(jī)械特性的平均值，確定電容式機(jī)電換能器(參見圖1A)的頻率特性1，如上所述。此外，元件20的電流輸出的大小基本上與多個(gè)振動(dòng)膜片8上的上電極7的總面積成比例。其它的配置與實(shí)施例1相同。
[0048](實(shí)施例3)
[0049]描述根據(jù)實(shí)施例3的超聲檢測(cè)設(shè)備。在圖4A和圖4B中示出本實(shí)施例的配置。作為頂視圖的圖4A是示出超聲檢測(cè)設(shè)備32的整個(gè)配置的概念斷面圖，并且還示出包含布線31和電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路14的電氣耦合。圖4B是超聲檢測(cè)設(shè)備32的平面圖。在圖4B中，布線31和電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路14被隱藏在下面。但是，這些部件可被橫向配置。類似地，在圖4A和圖4B中，由虛線表示的部分表示結(jié)構(gòu)的示圖被省略。根據(jù)本實(shí)施例的超聲檢測(cè)設(shè)備30被配置為使得實(shí)施例2的元件20被二維配置。在元件20中的每一個(gè)中，通過布線部件16連接的上電極7和通過布線部件17連接的下電極12中的任一個(gè)在電氣上是分開的。類似地，在本實(shí)施例中，上電極16與在超聲波的傳播方面優(yōu)良的液體18接觸。每個(gè)元件20的輸出通過每個(gè)布線31被傳送到每個(gè)電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大電路14，以進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。結(jié)果，超聲信號(hào)可被檢測(cè)為二維分布。類似地，在本例子中，根據(jù)多個(gè)振動(dòng)膜片8的機(jī)械特性的平均值確定每個(gè)元件20的頻率特性I。此外，每個(gè)元件20的電流輸出的幅度基本上與多個(gè)上電極7的總面積成比例。在根據(jù)本實(shí)施例的超聲檢測(cè)設(shè)備中，電容器被二維配置，并且，第二電極或振動(dòng)膜片8的振動(dòng)信息可被二維檢測(cè)。其它的配置與實(shí)施例1相同。
[0050]順便說一句，可以使用上述實(shí)施例的配置作為產(chǎn)生聲波的設(shè)備。通過由電壓源15在上電極7(或上電極耦合布線部件16)和下電極12(或下電極耦合布線部件17)之間施加通過在DC電壓上疊加微小的AC電壓獲得的電壓，以強(qiáng)制振動(dòng)振動(dòng)膜片8以便產(chǎn)生聲波。在這種情況下，頻率特性主要具有與電容式機(jī)電換能器的輸出電流頻率特性I相同的傳輸特性。聲波產(chǎn)生設(shè)備如上述實(shí)施例2或3那樣二維配置振動(dòng)膜片8，以產(chǎn)生更大的聲波。此夕卜，當(dāng)增大產(chǎn)生面積時(shí)，可以增加聲波的方向性，并且可以減小衍射。
[0051](實(shí)施例4)
[0052]描述根據(jù)實(shí)施例4的超聲診斷設(shè)備。在圖5中示出本實(shí)施例的配置。從光源40發(fā)射的光41傳播并被施加到體組織42上，由此產(chǎn)生稱為“光聲波”的超聲波43。S卩，光被在體組織內(nèi)存在的光吸收系數(shù)大的部分吸收，并且該部分被加熱。然后，加熱的部分膨脹，并且，通過膨脹產(chǎn)生彈性波。超聲波43雖然根據(jù)配置體組織的材料或個(gè)體而不同，但是為例如約200kHz到2MHz，如上所述。超聲波(光聲波)43穿過在超聲波的傳播方面優(yōu)良的液體18，并且由超聲檢測(cè)設(shè)備32檢測(cè)到。電流-電壓轉(zhuǎn)換和放大后的信號(hào)通過信號(hào)總線44被傳送到信號(hào)處理系統(tǒng)45。檢測(cè)結(jié)果的信號(hào)由信號(hào)處理系統(tǒng)45處理以提取體信息。當(dāng)如上述實(shí)施例3那樣配置超聲檢測(cè)設(shè)備32時(shí)，可以檢測(cè)二維的超聲分布，并且可通過掃描超聲檢測(cè)設(shè)備32來捕獲寬范圍的分布。由于超聲波具有聲速，因此，可以分析到達(dá)波(時(shí)間波形)的時(shí)間差以獲得時(shí)間信息，并且可以獲取深度方向的信息。在這種情況下，可向信號(hào)處理系統(tǒng)45提供重構(gòu)函數(shù)，以提取三維體信息。此外，接收的信號(hào)可經(jīng)受傅立葉變換，以獲得頻率特性以獲取圖像等。
[0053]如上所述，通過利用光聲效應(yīng)獲取樣本(待試驗(yàn)對(duì)象)的斷面圖像或三維圖像的技術(shù)一般被稱為光聲斷層照相技術(shù)，并且，按其詞首字母被稱為“PAT技術(shù)”。
[0054]雖然已參照示例性實(shí)施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有的此類修改和等同的結(jié)構(gòu)和功能。
[0055]本申請(qǐng)要求在2009年11月6日提交的日本專利申請(qǐng)N0.2009-254752的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引入而被全部并入于此。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲檢測(cè)設(shè)備,包括: 電容式機(jī)電換能器，包含含有被設(shè)置為通過空腔相對(duì)的第一電極和第二電極的單元；以及 電路，用于將從機(jī)電換能器輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓， 其中，從電路輸出的電壓的中心頻率比從機(jī)電換能器輸出的電流的中心頻率低，并且 其中，機(jī)電換能器在在第一電極與第二電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差的狀態(tài)下接收超聲波。
2.一種超聲檢測(cè)設(shè)備，包括: 電容式機(jī)電換能器，包含含有被設(shè)置為通過空腔相對(duì)的第一電極和第二電極的單元；以及 放大電路，用于對(duì)來自機(jī)電換能器的信號(hào)進(jìn)行放大， 其中，從放大電路輸出的信號(hào)的中心頻率比從機(jī)電換能器輸出的信號(hào)的中心頻率低，并且 其中，機(jī)電換能器在在第一電極與第二電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差的狀態(tài)下接收超聲波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲檢測(cè)設(shè)備，其中，機(jī)電換能器的單元包含振動(dòng)地支撐第二電極的振動(dòng)膜片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的超聲檢測(cè)設(shè)備，其中，機(jī)電換能器接收超聲波，由此輸出由第一電極與第二電極之間的靜電電容的變化所引起的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲檢測(cè)設(shè)備，其中，由機(jī)電換能器中的多個(gè)單元構(gòu)成元件，并且其中，元件的輸出電流的頻率特性根據(jù)包含分別設(shè)置在多個(gè)單元中的多個(gè)第二電極或多個(gè)振動(dòng)膜片的機(jī)械特性的平均值和元件的靜電電容的因子來確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲檢測(cè)設(shè)備，其中，由機(jī)電換能器中的多個(gè)單元構(gòu)成元件，并且其中，從元件輸出的信號(hào)的頻率特性根據(jù)包含分別設(shè)置在多個(gè)單元中的多個(gè)第二電極或多個(gè)振動(dòng)膜片的機(jī)械特性的平均值和元件的靜電電容的因子來確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一項(xiàng)所述的超聲檢測(cè)設(shè)備，其中，由機(jī)電換能器中的多個(gè)單元構(gòu)成元件，并且其中，元件被二維配置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一項(xiàng)所述的超聲檢測(cè)設(shè)備，其中，機(jī)電換能器接收由待試驗(yàn)對(duì)象中的光的吸收所產(chǎn)生的超聲波。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任一項(xiàng)所述的超聲檢測(cè)設(shè)備，其中，機(jī)電換能器傳送超聲波。
10.一種超聲診斷設(shè)備，包括: 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲檢測(cè)設(shè)備； 光源；以及 信號(hào)處理系統(tǒng)，該信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)由超聲檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行處理， 其中，超聲波通過向待試驗(yàn)對(duì)象施加從光源發(fā)射的光來產(chǎn)生，并且 其中，從檢測(cè)設(shè)備輸出的信號(hào)被信號(hào)處理系統(tǒng)處理以獲取關(guān)于該待試驗(yàn)對(duì)象的信息。
【文檔編號(hào)】G01N29/24GK104162505SQ201410403551
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2009年11月6日
【發(fā)明者】秋山貴弘, 高木誠, 藤井一成, 水谷英正 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社