超声波侧向环阵列收发器的制作方法

本申请属于超声波成像技术领域，尤其涉及一种超声波侧向环阵列收发器。

背景技术：

随着科学技术的飞速发展，超声技术与计算机技术得到紧密结合，推动了超声探测和超声回波成像技术在医疗、工业、航天、汽车、消费电子等领域的广泛应用。和其他成像技术相比，医疗超声具有实时性好、无损伤、无痛苦、无电离辐射、以及低成本等独特的优点，目前广泛用于临床检查和诊断，倍受广大医务工作者和患者的欢迎。

超声波换能器(也称超声探头)是医疗超声成像设备的关键部件之一，其特性的好坏直接影响甚至会限制到整个设备的性能。传统的超声波换能器由压电陶瓷、声透镜、声匹配层、背材、电极、金属外壳等组成，具有器件结构复杂、集成度低的缺点。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种超声波侧向环阵列收发器，可以解决传统超声波换能器结构复杂、集成度低的问题。

本申请实施例提供了一种超声波侧向环阵列收发器，应用于超声成像设备，包括收发芯片和换能阵列芯片；所述收发芯片的封装形状为柱体，所述换能阵列芯片呈环形排布设置在所述收发芯片的侧面；所述收发芯片分别与所述换能阵列芯片和所述超声成像设备中的主机电连接；

所述收发芯片用于根据所述主机的激励信号，驱动所述换能阵列芯片向所述收发芯片侧面的垂直方向发送超声波；

所述换能阵列芯片用于接收返回的超声波，根据返回的超声波生成对应的成像电信号，并将所述成像电信号传送至所述收发芯片；

所述收发芯片还用于对所述成像电信号进行低噪声信号放大，并将放大后的所述成像电信号发送给所述主机。

一种可能的实现方式中，所述换能阵列芯片为单环换能阵列芯片，包括多个收发阵列单元组；所述收发芯片包括多个第一子收发芯片，多个所述第一子收发芯片和多个所述收发阵列单元组一一对应；每个所述第一子收发芯片包括第一发射通道电路模块、第一接收通道电路模块和收发开关电路模块；

所述第一发射通道电路模块的输入端和所述第一接收通道电路模块的输出端分别与所述主机电连接，所述第一发射通道电路模块的输出端和所述第一接收通道电路模块的输入端分别与所述收发开关电路模块电连接，所述收发开关电路模块还与对应的所述收发阵列单元组电连接。

一种可能的实现方式中，所述第一发射通道电路模块包括第一接收端口、第一解串器电路和第一多通道高压驱动电路；

所述第一接收端口作为所述第一发射通道电路模块的输入端，分别与所述主机和所述第一解串器电路的输入端电连接；所述第一解串器电路的输出端与所述第一多通道高压驱动电路的输入端电连接；所述第一多通道高压驱动电路作为所述第一发射通道电路模块的输出端，与所述收发开关电路模块电连接。

一种可能的实现方式中，所述第一接收通道电路模块包括第一发射端口、第一串行器电路和第一多通道低噪声放大电路；

所述第一多通道低噪声放大电路的输入端作为所述第一接收通道电路模块的输入端，与所述收发开关电路模块电连接；所述第一多通道低噪声放大电路的输出端与所述第一串行器电路的输入端电连接；所述第一发射端口作为所述第一接收通道电路模块的输出端，分别与所述主机和所述第一串行器电路的输出端电连接。

一种可能的实现方式中，每个所述收发阵列单元组包括多个换能阵元，所述多个换能阵元与所述收发开关电路模块中的多个端口一一对应电连接。

一种可能的实现方式中，所述换能阵元包括多个依次并联的换能器单元。

一种可能的实现方式中，所述换能阵列芯片为多环换能阵列芯片，包括至少一个发射换能阵列环和至少一个接收换能阵列环；每个所述发射换能阵列环包括多个发射阵列单元组，每个所述接收换能阵列环包括多个接收阵列单元组；所述收发芯片包括多个第二子收发芯片，每个所述第二子收发芯片包括第二发射通道电路模块和第二接收通道电路模块；

所述第二发射通道电路模块的输入端和所述第二接收通道电路模块的输出端分别与所述主机电连接，所述第二发射通道电路模块的输出端与一个所述发射阵列单元组电连接，所述第二接收通道电路模块的输入端与一个所述接收阵列单元组电连接。

一种可能的实现方式中，所述第二发射通道电路模块包括第二接收端口、第二解串器电路和第二多通道高压驱动电路；

所述第二接收端口作为所述第二发射通道电路模块的输入端，分别与所述主机和所述第二解串器电路的输入端电连接；所述第二解串器电路的输出端与所述第二多通道高压驱动电路的输入端电连接；所述第二多通道高压驱动电路作为所述第二发射通道电路模块的输出端，与一个所述发射阵列单元组电连接。

一种可能的实现方式中，所述第二接收通道电路模块包括第二发射端口、第二串行器电路和第二多通道低噪声放大电路；

所述第二多通道低噪声放大电路的输入端作为所述第二接收通道电路模块的输入端，与一个所述接收阵列单元组电连接；所述第二多通道低噪声放大电路的输出端与所述第二串行器电路的输入端电连接；所述第二发射端口作为所述第二接收通道电路模块的输出端，分别与所述主机和所述第二串行器电路的输出端电连接。

一种可能的实现方式中，所述换能阵列芯片为单片芯片，所述单片芯片通过压电式微机电超声波换能器pmut制造工艺在柔性基板上制备而成；

所述收发芯片和所述换能阵列芯片通过嵌入式封装工艺或柔性电路基板封装工艺形成一个整体。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

超声波侧向环阵列收发器工作时，收发芯片根据主机的激励信号，驱动换能阵列芯片向周围发送超声波；换能阵列芯片接收返回的超声波，根据返回的超声波生成对应的成像电信号，并将成像电信号传送至收发芯片；收发芯片对成像电信号进行低噪声信号放大后，发送至主机，完成成像电信号的采集。相对于传统换能器，一般由压电陶瓷、声透镜、声匹配层、背材、电极、金属外壳等组成，存在器件一致性差，组装工艺复杂，整体集成度低等问题。本申请实施例提供的超声波侧向环阵列收发器只使用收发芯片和换能阵列芯片，使超声波侧向环阵列收发器简化了结构、提高了集成度，能够实现微型化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的超声波侧向环阵列收发器的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的超声波侧向环阵列收发器的原理示意图；

图3是本申请另一实施例提供的超声波侧向环阵列收发器的原理示意图；

图4是本申请另一实施例提供的超声波侧向环阵列收发器的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

图1示出了本申请实施例提供的超声波侧向环阵列收发器的结构示意图。参见图1，超声波侧向环阵列收发器可以包括收发芯片100和换能阵列芯片200。收发芯片100的封装形状为柱体，换能阵列芯片200呈环形排布设置在所述收发芯片100的侧面。收发芯片100分别与换能阵列芯片200和超声成像设备中的主机300电连接。

上述超声波侧向环阵列收发器工作时，收发芯片100根据主机300的激励信号，驱动换能阵列芯片200向收发芯片100侧面的垂直方向发送超声波。换能阵列芯片200接收返回的超声波，根据返回的超声波生成对应的成像电信号，并将成像电信号传送至收发芯片100。之后，收发芯片100对像电信号进行低噪声信号放大，并将放大后的成像电信号发送至主机300，完成对侧部影像成像电信号的采集。相对于传统的平面矩阵阵列结构，本申请实施例中的换能阵列芯片200采用环形阵列设置在收发芯片100的侧面，可以降低换能阵元之间的通道串扰，且波束合成算法更加容易实现，同时可以通过控制不同的通道扫描顺序来提升成像精度。

由于超声波侧向环阵列收发器中使用的收发芯片100和换能阵列芯片200均为集成的半导体芯片，使基于超声波侧向环阵列收发器的超声波探头简化了结构、提高了集成度，能够实现器件整体的微型化设计。该超声波侧向环阵列收发器可以应用于一些高精密测量，例如，血管内的侧壁成像检测。

一些实施例中，换能阵列芯片200可以包括多个收发阵列单元组，收发芯片100包括多个子收发芯片，且与多个收发阵列单元组一一对应电连接，所有子收发芯片均与主机300电连接。

具体地，收发芯片100中的每个子收发芯片控制一个收发阵列单元组，每个收发阵列单元组包括多个换能阵元。其中，每个收发阵列单元组中包括换能阵元的个数可以根据实际情况进行设定(例如，每个收发阵列单元组中包括换能阵元的个数为换能阵列芯片200中换能阵元总个数的五分之一、六分之一或八分之一)。

示例性的，换能阵列芯片200为64阵元时，每个收发阵列单元组中包括换能阵元的个数可以为13个、11个或8个等。

由于最终要将收发芯片100和换能阵列芯片200封装为一个整体器件，可以根据换能阵列芯片200中包括收发阵列单元组的个数对整体器件的形状进行设计，可以将整体器件的形状设置为圆柱体或多棱柱体(例如，五棱柱体或六棱柱体，请参照图1和图4)。

示例性的，单片集成的换能阵列芯片200通过pmut(piezoelectricmicromachinedultrasonictransducer，压电式微机电超声波换能器)制造工艺在一个柔性基板上制备而成，收发芯片100通过cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)制造工艺制备而成。

目前，利用mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)技术可以制备出两种新型的微机电超声波换能器，包括电容式微机电超声波换能器和压电式微机电超声波换能器，微机电技术让超声波换能器摆脱了传统压电陶瓷材料的束缚，能够借助微电子技术实现高一致性、高集成度、大规模和低成本制造。

pmut制造工艺支持低温沉积(小于400℃)，厚度最小可以做到5微米以内，能够较好兼容cmos制造工艺制程，能够使换能阵列芯片200和收发芯片100集成在一起。另外，pmut制造工艺制程支持超声波换能器阵列化制作，单个换能器单元尺寸精度可控、一致性高，降低了后期成像算法的复杂性。

示例性的，换能阵列芯片200包括多个收发阵列单元组，每个收发阵列单元组包括多个换能阵元，每个换能阵元包括多个依次并联的换能器单元。利用pmut制造工艺，在一个柔性基板上将多个收发阵列单元组制作在一个单片上，最终形成一个单片集成的环状换能阵列芯片。此设计可以提高换能阵列芯片200的接收信号灵敏度和空间扫描分辨率。

示例性的，收发芯片100和换能阵列芯片200通过嵌入式封装工艺封装为一个整体。

示例性的，可以利用cmos制造工艺对收发芯片100进行制备，然后利用嵌入式封装等异质集成技术将收发芯片100和换能阵列芯片200封装为一个整体。例如，可以将收发芯片100和换能阵列芯片200集中在一个单片上。该单片能够支持微型化结构，收发芯片100和换能阵列芯片200的封装整体的侧向环直径可以做到小于1毫米，可以应用在血管内超声成像、心腔内成像、超声肠胃镜和介入超声引导等人体内腔体影像学。

另外，收发芯片100和换能阵列芯片200也可以通过fpc(flexibleprintedcircuitboard，柔性电路板)进行平面集成。

图2示出了本申请实施例提供的超声波侧向环阵列收发器的原理示意图，换能阵列芯片200为单环换能阵列芯片，包括多个收发阵列单元组201。收发芯片100包括多个第一子收发芯片，多个第一子收发芯片和多个收发阵列单元组201一一对应。每个第一子收发芯片包括第一发射通道电路模块110、第一接收通道电路模块120和收发开关电路模块130。第一发射通道电路模块110的输入端和第一接收通道电路模块120的输出端分别与主机300电连接，第一发射通道电路模块110的输出端和第一接收通道电路模块120的输入端分别与收发开关电路模块130电连接，收发开关电路模块130还与对应的收发阵列单元组201电连接。

具体地，第一发射通道电路模块110接收主机300发送的激励信号(例如脉冲信号)，并将激励信号进行处理和放大，然后将处理后的激励信号发送至收发开关电路模块130。收发开关电路模块130根据接收到的激励信号驱动收发阵列单元组201向收发芯片100侧面的垂直方向发送超声波。收发阵列单元组201接收遇到声阻界面返回的超声波，并将返回的超声波转换成对应的成像电信号，然后将成像电信号经过收发开关电路模块130和第一接收通道电路模块120传送至主机300，以此完成影像成像电信号的采集。

在一些实施例中，换能阵列芯片200包括多个收发阵列单元组201，每个收发阵列单元组201包括多个换能阵元，每个换能阵元包括多个依次并联的换能器单元。利用pmut制造工艺，在一个柔性基板上将多个收发阵列单元组201制作在一个单片上，最终形成一个单片集成的环状换能阵列芯片。此设计可以提高换能阵列芯片200的接收信号灵敏度和空间扫描分辨率。

示例性的，单环换能阵列芯片可以设置为32阵元、64阵元或128阵元等不同阵元数量的组合，以适用于人体内部的腔体影像学，比如血管内超声成像。收发阵列单元组201中换能阵元的个数可以是换能阵列芯片200中换能阵元总个数的五分之一、六分之一或八分之一。

示例性的，换能阵列芯片200为64阵元时，每个收发阵列单元组201中包括换能阵元的个数可以为13个、11个或8个等。

在一些实施例中，第一发射通道电路模块110可以包括第一接收端口111、第一解串器电路112和第一多通道高压驱动电路113。第一接收端口111作为第一发射通道电路模块110的输入端，分别与主机300和第一解串器电路112的输入端电连接。第一解串器电路112的输出端与第一多通道高压驱动电路113的输入端电连接。第一多通道高压驱动电路113作为第一发射通道电路模块110的输出端，与收发开关电路模块130电连接。

具体地，第一解串器电路112通过第一接收端口111接收主机300发送的激励信号，根据激励信号生成对应的并行激励信号，并将并行激励信号传送至第一多通道高压驱动电路113。第一多通道高压驱动电路113对并行激励信号进行信号放大，得到并行驱动信号，并将并行驱动信号传送至收发开关电路模块130。收发开关电路模块130根据并行驱动信号对收发阵列单元组201中的每个换能阵元进行对应的驱动，实现主机300对超声波侧向环阵列收发器对周围垂直方向扫描的控制。

在一些实施例中，第一接收通道电路模块120可以包括第一发射端口121、第一串行器电路122和第一多通道低噪声放大电路123。第一多通道低噪声放大电路123的输入端作为第一接收通道电路模块120的输入端，与收发开关电路模块130电连接。第一多通道低噪声放大电路123的输出端与第一串行器电路122的输入端电连接。第一发射端口121作为第一接收通道电路模块120的输出端，分别与主机300和第一串行器电路122的输出端电连接。

具体地，收发阵列单元组201中的多个换能阵元接收遇到声阻界面返回的超声波，根据返回的超声波转换成对应的并行的成像电信号，并将并行的成像电信号通过收发开关电路模块130传送至第一多通道低噪声放大电路123。第一多通道低噪声放大电路123对并行的成像电信号进行滤波、低噪声放大处理，并将处理后的并行的成像电信号传送至第一串行器电路122。第一串行器电路122将并行的成像电信号转换为串行的成像电信号，并通过第一发射端口121将串行的成像电信号传送至主机300。

图3示出了本申请实施例提供的超声波侧向环阵列收发器的原理示意图，换能阵列芯片200为多环换能阵列芯片，包括至少一个发射换能阵列环和至少一个接收换能阵列环(如图4所示)。每个发射换能阵列环包括多个发射阵列单元组202，每个接收换能阵列环包括多个接收阵列单元组203。收发芯片100包括多个第二子收发芯片，每个第二子收发芯片包括第二发射通道电路模块140和第二接收通道电路模块150。第二发射通道电路模块140的输入端和第二接收通道电路模块150的输出端分别与主机300电连接，第二发射通道电路模块140的输出端与一个发射阵列单元组202电连接，第二接收通道电路模块150的输入端与一个接收阵列单元组203电连接。

具体地，第二发射通道电路模块140接收主机300发送的激励信号(脉冲信号)，并将激励信号进行处理和放大，然后将处理后的激励信号发送至发射阵列单元组202，发射阵列单元组202根据激励信号生成超声波。接收阵列单元组203接收遇到声阻界面返回的超声波，并根据返回的超声波转换成对应的成像电信号，然后将成像电信号通过第二接收通道电路模块150传送至主机300，以此完成影像成像电信号的采集。

需要说明的是，图4中示出的换能阵列芯片200包括一个发射换能阵列环和一个接收换能阵列环，其中，每个发射换能阵列环包括多个发射阵列单元组202，每个接收换能阵列环包括多个接收阵列单元组203，并且发射换能阵列环和接收换能阵列环在轴向上是平行的。图4仅仅作为一种实施方式，并不对换能阵列芯片200的具体结构做出限制，换能阵列芯片200中发射换能阵列环的个数和接收换能阵列环的个数、以及发射换能阵列环中发射阵列单元组202的个数和接收换能阵列环中接收阵列单元组203的个数可以根据实际情况(应用场景对尺寸的要求)进行设计，发射阵列单元组202和接收阵列单元组203的排布方式也可以根据实际情况进行相应的设计。

在一些实施例中，第二发射通道电路模块140可以包括第二接收端口141、第二解串器电路142和第二多通道高压驱动电路143。第二接收端口141作为第二发射通道电路模块140的输入端，分别与主机300和第二解串器电路142的输入端电连接。第二解串器电路142的输出端与第二多通道高压驱动电路143的输入端电连接。第二多通道高压驱动电路143作为第二发射通道电路模块140的输出端，与一个发射阵列单元组202电连接。

具体地，第二解串器电路142通过第二接收端口141接收主机300发送的激励信号，根据激励信号生成对应的并行激励信号，并将并行激励信号传送至第二多通道高压驱动电路143。第二多通道高压驱动电路143对并行激励信号进行放大，得到并行驱动信号，并以并行驱动信号对发射阵列单元组202中的每个换能阵元进行对应的驱动，实现主机300对超声波侧向环阵列收发器对周围垂直方向扫描的控制。

在一些实施例中，第二接收通道电路模块150可以包括第二发射端口151、第二串行器电路152和第二多通道低噪声放大电路153。第二多通道低噪声放大电路153的输入端作为第二接收通道电路模块150的输入端，与一个接收阵列单元组203电连接。第二多通道低噪声放大电路153的输出端与第二串行器电路152的输入端电连接。第二发射端口151作为第二接收通道电路模块150的输出端，分别与主机300和第二串行器电路152的输出端电连接。

具体地，接收阵列单元组203中的多个换能阵元接收遇到声阻界面返回的超声波，根据返回的超声波转换成对应的并行的成像电信号，并将并行的成像电信号传送至第二多通道低噪声放大电路153。第二多通道低噪声放大电路153对并行的成像电信号进行滤波、低噪声放大处理，并将处理后的并行的成像电信号传送至第二串行器电路152。第二串行器电路152将并行的成像电信号转换为串行的成像电信号，并通过第二发射端口151将串行的成像电信号传送至主机300。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。