CN114345673B - 超声换能器及其制作方法、以及超声换能*** - Google Patents

超声换能器及其制作方法、以及超声换能*** Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开一种超声换能器及其制作方法、以及超声换能***。在发明的一具体实施方式中，超声换能器包括基板，包括贯穿基板的多个空腔通道；和设置在基板上的至少一个超声换能单元，每个超声换能单元包括：设置在基板远离感测目标一侧的至少一个超声发射单元以及设置在基板靠近感测目标一侧的多个超声接收单元，每个超声换能单元包括至少两个空腔通道，相邻的空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域。该实施方式通过设置贯穿基板的多个空腔通道，并使得每个超声换能单元中相邻的空腔通道长度不同，从而使得声束聚焦偏转或聚焦至预定感测区域。

Description

超声换能器及其制作方法、以及超声换能***
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域。更具体地，涉及一种超声换能器及其制作方法、以及超声换能***。
背景技术
目前，医疗换能***中成像探头通常为通过驱动芯片控制相控阵进行逐行扫描成像。一般一个探头由512个阵元组成线阵或者128*128的面阵，每次由16个阵元形成相控阵波束，因此传统医疗超声探头需要使用一个或几个多通道IC驱动探头形成相控阵聚焦成像。然而，随着对成像质量的要求日益提高，当超声探测项目中需要高密度面阵进行精细化成像时，探头中阵元数量将随之增大到以万为单位，这种控制方式将需要大量的驱动芯片，大大增加探头成本。
发明内容
本申请的目的在于提供一种超声换能器及其制作方法、以及超声换能***，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
为达到上述目的，本申请采用下述技术方案：
本申请第一方面提供了一种超声换能器，包括：
基板，包括贯穿基板的多个空腔通道；和
设置在基板上的至少一个超声换能单元，每个超声换能单元包括：
设置在基板远离感测目标一侧的至少一个超声发射单元，用于向预定感测区域发射超声波，以及
设置在基板靠近感测目标一侧的多个超声接收单元，用于接收自预定感测区域反射的超声波；
其中，每个超声换能单元包括至少两个空腔通道，相邻的空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域。
在一些可选的实施例中，空腔通道包括：
自基板靠近超声发射单元侧沿垂直于基板的方向延伸形成的第一通道；
第一通道弯折并形成沿平行于基板表面的方向延伸的第二通道；
第二通道弯折并形成沿垂直于基板的方向延伸的第三通道；
第三通道弯折并形成沿平行于基板表面的方向延伸的第四通道；以及
第四通道弯折并形成沿垂直于基板的方向延伸至基板靠近超声接收单元一侧的第五通道。
在一些可选的实施例中，每个超声换能单元中相邻的空腔通道的第二通道长度不同并且相邻的空腔通道的第四通道长度不同，以使得相邻的空腔通道的长度不同。
在一些可选的实施例中，第一通道在基板上的正投影与超声发射单元在基板上的正投影交叠，第五通道在所述基板上的正投影与超声接收单元在基板上的正投影错开。
在一些可选的实施例中，每个超声换能单元包括多个阵元，每个阵元包括一个空腔通道，在每个超声换能单元中，空腔通道的长度基于相邻阵元之间的延时不同而不同，
超声发射单元发射的超声波经空腔通道声束聚焦偏转或声束聚焦至预定感测区域，第i个阵元的延时τi满足：
Figure BDA0003445570480000021
其中，
Figure BDA0003445570480000022
表示声束偏转角度，c表示超声波的声速，xi表示第i个阵元与延时为0的中心阵元之间的距离，R0表示超声换能单元的焦距。
在一些可选的实施例中，
每个超声换能单元中的超声发射单元是整面的或者独立的，
超声发射单元包括CMUT声源、PMUT声源、PZT声源、以及PVDF声源中的一种。
在一些可选的实施例中，超声换能器还包括：
设置在基板与超声接收单元之间的第一支撑层，和/或
设置在基板与超声发射单元之间的第二支撑层。
本发明第二方面提供一种超声***，包括：
探头，探头包括上文所述的超声换能器；
电压源，耦合至探头，用于在超声***的发射模式中向超声发射单元中的至少一个提供电压。
本发明第三方面提供一种制作根据上文所述的超声换能器的方法，方法包括：
形成基板，基板包括贯穿基板的多个空腔通道；
在基板上形成至少一个超声换能单元，每个超声换能单元包括：
设置在基板远离感测目标一侧的至少一个超声发射单元，用于向预定感测区域发射超声波，以及
设置在基板靠近感测目标一侧的多个超声接收单元，用于接收自预定感测区域反射的超声波，
其中，每个超声换能单元包括至少两个空腔通道，相邻的空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域。
在一些可选的实施例中，
形成基板进一步包括：
利用3D打印形成基板，
在基板上形成至少一个超声换能单元进一步包括：
将超声接收单元贴合在第一子材料层上，
将第一子材料层远离超声接收单元一侧减薄形成贴合有超声接收单元的支撑层；
将超声发射单元贴合在基板上；
将支撑层未贴合超声接收单元的一侧和基板未贴合超声发射单元的一侧贴合在一起形成至少一个超声换能单元。
在一些可选的实施例中，
形成基板进一步包括：
在第一子材料层上刻蚀形成多个垂直于第一子材料层的第一开槽和自第一开槽的开口起沿平行于第一子材料层表面延伸的第二开槽；
在第一子材料层形成第二开槽的表面上键合第二子材料层；
在第二子材料层上刻蚀形成多个垂直于第二子材料层的第三开槽，第三开槽贯通第二子材料层并与第二开槽远离第一开槽的末端连接，以形成基板的第一部分；
在第三子材料层上刻蚀形成多个垂直于第三子材料层的第三开槽和自第三开槽的开口沿平行于第三子材料层表面延伸的第四开槽，以形成基板的第二部分；
将第一部分和第二部分键合，以形成基板。
本发明的有益效果如下：
本发明针对目前现有的问题，制定一种超声换能器及其制作方法、以及超声换能***，且通过提供具有多个空腔通道的基板，和设置在基板上的至少一个超声换能单元，并通过设置每个超声换能单元中包括至少两个空腔通道且相邻两个空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域，从而通过空腔通道物理上的长度实现了声程差控制，无需设置多通道驱动芯片即可实现精细化的声束聚焦控制，易于实现，降低了超声换能器的成本，适合需要精细化成像的大面积阵列，具有广泛的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出根据本发明实施例的超声换能器的示意性俯视图；
图2示出根据图1中的线AA′截取的根据本发明实施例的超声换能器中的超声换能单元的示意性剖视图；
图3示出根据本发明另一实施例的超声换能器中的超声换能单元的示意性剖视图；
图4示出根据本发明另一实施例的超声换能器的示意性剖视图；
图5示出根据本发明实施例的超声换能器声束偏转聚焦或声束聚焦的原理示意图；
图6至图8示出根据本发明实施例的超声换能器的制作方法的示意性流程图；
图9至图13示出根据本发明另一实施例的超声换能器中基板的制作方法的示意性流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同或相似的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明中描述的“具有”、“包含”、“包括”等均为开式的含义，即，当描述模块“具有”、“包含”或“包括”第一元件、第二元件和/或第三元件时，表示该模块除了第一元件、第二元件和/或第三元件外还包括其他的元件。
为了解决以上问题之一，本发明的实施例提供一种超声换能器，包括基板，包括贯穿基板的多个空腔通道；和
设置在基板上的至少一个超声换能单元，每个超声换能单元包括：
设置在基板远离感测目标一侧的至少一个超声发射单元，用于向预定感测区域发射超声波，以及
设置在基板靠近感测目标一侧的多个超声接收单元，用于接收自预定感测区域反射的超声波；
其中，每个超声换能单元包括至少两个空腔通道，相邻的空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域。
在本实施例中，通过提供具有多个空腔通道的基板和设置在基板上的至少一个超声换能单元，并通过设置每个超声换能单元中包括至少两个空腔通道且相邻两个空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域，从而通过空腔通道物理上的长度实现了声程差控制，无需设置多通道驱动芯片即可实现精细化的声束聚焦控制，易于实现，降低了超声换能器的成本，适合需要精细化成像的大面积阵列，具有广泛的应用前景。
在一个具体的示例中，参照图1和图2所示，图中示出一维线阵构成的超声换能器的示意性俯视图和沿图1中的线AA′截取的超声换能器中的超声换能单元的示意性剖视图。
如图1和图2所示，超声换能器1包括基板10和设置在基板上的3个超声换能单元11。每个超声换能单元11包括设置在基板10远离感测目标一侧的一个超声发射单元113和设置在基板10靠近感测目标一侧的六个超声接收单元115。其中，超声发射单元113用于向感测目标中预定感测区域发射超声波，超声接收单元115用于接收预定感测区域反射的超声波。
需要说明的是，尽管在本示例中示出一维线阵构成的超声换能器，但本申请并不旨在进行限制，一维线阵和二维面阵均是可以的，此外由二维面阵构成超声换能器时，本申请也并不限制面阵的具体形状，矩形面阵或圆阵或者其他形状的面阵均是可以的。
另外，尽管本示例示出超声换能器包括3个超声换能单元，且一个超声换能单元包括1个超声发射单元和6个超声接收单元，但本申请并不旨在进行限制，本领域技术人员可以根据具体需要，选择超声换能器中的超声换能单元的具体数量，同样地，本领域技术人员也可以根据具体需要选择每个超声换能单元中包括的超声发射单元的数量和超声接收单元的数量。本领域技术人员可以理解的是，超声换能单元的数量越多，则感测目标的目标聚焦点数量越多，满足更大尺寸的目标感测；同时，每个超声换能单元中所包含的超声接收单元数量越多则采集到的感测信号数量越多，成像越精确。
而结合下文内容可知，本申请发射超声波的阵元数量取决于基板中的空腔通道数量，而超声发射单元的数量区别仅在于驱动超声发射单元的电压源的信号供给，本领域技术人员也可以根据具体需求进行选择，在此不再赘述。
可选地，超声发射单元113可以包括CMUT(电容式微机械超声换能器)声源、PMUT(电压式微机械超声换能器)声源、PZT(锆酸钛酸铅)声源、以及PVDF(压电薄膜)声源中的一种。根据具体工艺不同，超声发射单元113可以为整面的也可以为独立的，即，可以利用半导体工艺集成为整面电极的声源，也可以为独立的分离器件。如图3所示，当超声发射单元113为独立的分立器件时，每个发射单元为包括独立的上电极、下电极和腔室，每个空腔通道101对应一个超声发射单元113，可以通过电压源向各个超声发射单元113供应同一电压信号，产生超声波。当超声发射单元113为整面的时，既可以表示如图4所示的所有超声换能单元中包括同一下电极和独立的上电极的情形，也可以表示每个超声换能单元包括同一上下电极，而各个超声换能单元的超声发射单元均为分立的上下电极的情形(未示出)。
另外可选地，根据超声发射单元的结构原理不同，决定了是否要求超声发射单元直接接触基板的空腔通道的开口。换句话说，对于PVDF(压电薄膜)声源来说，在基板与超声发射单元之间可以包括支撑层，即，第二支撑层，该支撑层的材料可以为与基板相同的材料；但是对于其它结构的超声发射单元，例如超声发射单元为CMUT(电容式微机械超声换能器)声源、PMUT(电压式微机械超声换能器)声源、PZT(锆酸钛酸铅)声源中之一时，为了产生有效的振动效果，超声发射单元需要与基板直接接触。
另外可选地，超声接收单元115与所述基板10之间包括支撑层，即，第一支撑层，支撑层的材料可以为玻璃或者聚酰亚胺。该支撑层可以用于超声换能器的制作过程中贴合超声接收单元115的支撑层。
特别地，继续参照图2所示，在本申请的实施例中，基板10包括贯通该基板10的多个空腔通道。在本示例中，每个超声换能单元11包括5个空腔通道101，相邻的空腔通道101的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域。在本申请中，每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道能够声束聚焦偏转或者声束聚焦至预定感测区域。该预定感测区域为感测目标中具有预定聚焦深度的感测区域。如图4所示，超声换能器1中多个超声换能单元11的聚焦深度可以不同，只需要独立设置各个超声换能单元11中满足不同聚焦深度的空腔通道的长度即可。
需要说明的是，尽管该示例示出每个超声换能单元11包括5个空腔通道，但并不旨在限制于此，空腔数量在本申请中的目的只是产生超声波传输的声程差，则一个空腔通道对应于一个阵元，本领域技术人员可以根据需要选择合适数量的空腔通道。
在本实施例中，通过在基板中设置贯通的空腔通道，并且使得每个超声换能单元包括至少两个空腔通道，并且设置相邻的空腔通道的长度不同，同时发出的超声波在空腔通道中传输后将产生不同的声程差，使得可以不必再利用芯片等为每个阵元提供延时信号来控制每个阵元的声波延时，即可以产生声波延时。因此，本申请中，只需根据每个阵元需要的声波延时，设置每个空腔通道的长度，既可以实现声束聚焦偏转或者声束聚焦到指定的聚焦区域。
应注意，图1和图2中仅例示了一维线阵聚焦的示意图，根据声束聚焦原理，聚焦于空间某一点的超声波，相邻阵元应具有不同的延时，则，需满足相邻空腔通道的长度应不同。本领域技术人员应理解，一维线阵中声束聚偏转聚焦仅仅是偏转某一偏转角聚焦，同理，需满足相邻空腔通道的长度应不同；而对于二维面阵，声束偏振聚焦或声束聚焦时，每个超声换能单元中相邻两个阵元同样具有不同的延时，即，需满足相邻空腔通道的长度应不同。空腔通道的数值关系，将在下文进行描述。
在本申请的实施例中，可选地，如图2所示，空腔通道101包括：自基板10靠近超声发射单元侧沿垂直于基板的方向延伸形成的第一通道；第一通道弯折并形成沿平行于基板表面的方向延伸的第二通道；第二通道弯折并形成沿垂直于基板的方向延伸的第三通道；第三通道弯折并形成沿平行于基板表面的方向延伸的第四通道；以及第四通道弯折并形成沿垂直于基板的方向延伸至基板靠近超声接收单元一侧的第五通道。该设置，可以简化空腔通道的制作方案，且可以通过弯折的第一通道和第二通道减小基板的面积，这对于高密度阵元来说是有利的。
较为优选地，如图2所示，每个超声换能单元11中相邻的空腔通道的第二通道长度不同并且相邻的空腔通道的第四通道长度不同，以使得相邻的空腔通道的长度不同。通过该设置，可以利用基板沿水平方向的面积设置各空腔通道的长度，而因为利用第二通道和第四通道两者设置空腔通道的长度，可以不必大幅度增加基板的厚度和基板的面积即可实现声束偏转聚焦和声束聚焦的控制。
进一步可选地，第一通道在基板10上的正投影与超声发射单元113在10基板上的正投影交叠，从而保证超声发射单元113产生的超声能够经由空腔通道传播。此外，第五通道在基板10上的正投影与超声接收单元115在基板10上的正投影错开，通过该设置，相比于超声接收单元遮挡空腔通道的结构，有效提高超声波的发射效率，进而提高超声接收单元的接收精确度，成像效果。
对于空腔通道的具体取值，在本申请中，每个超声换能单元11包括多个阵元，每个阵元包括一个空腔通道，每个超声换能单元11通过空腔通道的长度不同而延时不同，通过超声波在空腔通道传输的声程差产生不同的延时，从而声束聚焦偏转或者声束聚焦至具有预定聚焦深度的感测区域。
具体地，参照图5所示，可以根据图中所示的原理图计算发生声束偏转聚焦或者声束聚焦时每个阵元的延时，从而得到空腔通道的长度。如图5所示，超声发射单元发射的超声波经空腔通道声以偏转角φ聚焦到空间中的预定感测区域B，该角度φ为0时，则声束直接聚焦至预定感测区域B。在该示例中，通过为每一个阵元施加延时负值，得到延时法则。即，第i个阵元的延时τi满足：
Figure BDA0003445570480000081
其中，φ表示声束偏转角度，c表示超声波的声速，xi表示第i个阵元与延时为0的中心阵元之间的距离，R0表示超声换能单元的焦距。
需要说明的是，该焦距R0为聚焦点到一维阵元所在直线或者二维阵元所在平面的垂直距离，在实际计算时，因为相邻阵元之间的间距很小，则xi与焦距的比值远远小于1，因此声束若存在偏转，声束偏转角度极小，计算时聚焦点到第i个阵元的距离R约等于焦距R0，通常可以采用聚焦点到第i个阵元的距离R取代表达式中的焦距R0计算延时。
具体到图5的示例，第i个阵元为第2个阵元，延时为0的中心阵元为第3个阵元，当偏转角φ为0时，则所有阵元发出的超声波将聚焦在由粗虚线标示的中心轴线上。本领域技术人员应理解，超声换能单元的焦距或者说第i个阵元到聚焦点B的距离，可以根据基于基板建立的直角坐标系确定，一维线阵求取R的直角坐标系为二维直角坐标系，二维面阵求取R的直接坐标系为三维直角坐标系。本领域技术人员可以根据超声波的声速与延时的乘积确定每个阵元对应的空腔通道的长度，在此不再赘述。
按照以上方式，通过基于声束聚焦偏转或声束聚焦理论，再通过空间几何关系计算每个阵元的超声波的延时，进而得到每个阵元对应的空腔通道的长度。
需要说明的是，计算阵元的超声波延时的方式并不限于此，也可以利用分别针对声束聚焦或者声束聚焦偏转的其他表达式求得超声换能单元中每个阵元的延时，并基于计算得到的延时得到每个阵元对应的空腔通道的长度，在此不再赘述。
相应于超声换能器，本发明的实施例还提供了一种制作上文实施例所述超声换能器的方法，包括：
形成基板，基板包括贯穿基板的多个空腔通道；
在基板上形成至少一个超声换能单元，每个超声换能单元包括：
设置在基板远离感测目标一侧的至少一个超声发射单元，用于向预定感测区域发射超声波，以及
设置在基板靠近感测目标一侧的多个超声接收单元，用于接收自预定感测区域反射的超声波，
其中，每个超声换能单元包括至少两个空腔通道，相邻的空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域。
在本实施例中，通过形成具有多个空腔通道的基板和形成设置在基板上的至少一个超声换能单元，并通过设置每个超声换能单元中包括至少两个空腔通道且相邻两个空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域，从而通过空腔通道物理上的长度实现了声程差控制，无需设置多通道驱动芯片即可实现精细化的声束聚焦控制，易于实现，降低了超声换能器的成本，适合需要精细化成像的大面积阵列，具有广泛的应用前景。
可选地，形成基板的步骤进一步包括：利用3D打印形成所述基板，基板的材料可以为玻璃。则，参照图6至图8所示，在基板上形成至少一个超声换能单元进一步包括：
在步骤S11中，如图6所示，将预先制作的超声接收单元115贴合在第一子材料层102上，该第一子材料层的材料可以为玻璃或聚酰亚胺。
在步骤S12中，如图7所示，将第一子材料层102远离超声接收单元115一侧减薄形成贴合有超声接收单元115的支撑层103，减薄的步骤旨在于提高将要发射的超声波的传输效率。
在步骤S13中，将超声发射单元113贴合在基板10上，在步骤S14中，将支撑层103未贴合超声接收单元115的一侧和基板10未贴合超声发射单元113的一侧贴合在一起形成至少一个超声换能单元。
进一步可选地，也可以通过玻璃多层刻蚀与键合的方法制作基板。则，参照图9至图13所示，形成基板进一步包括：
如图9和图10所示，在步骤S21中，在基板的第一子材料层上刻蚀形成多个垂直于第一子材料层的第一开槽K1和自第一开槽K1的开口起沿平行于第一子材料层表面延伸的第二开槽K2，该第一开槽K1可以待形成的基板中的第一通道，第二开槽K2作为第一通道并形成沿平行于基板表面的方向延伸的第二通道，可选地，相邻的第二开槽K2的长度不同，第一子材料层的材料为玻璃，可以利用湿法刻蚀在玻璃上刻蚀形成第一开槽K1和第二开槽K2；
如图11所示，在步骤S22中，在第一子材料层形成第二开槽的表面上键合第二子材料层；在步骤S24中，在第二子材料层上刻蚀形成多个垂直于第二子材料层的第三开槽K3，第三开槽K3贯通第二子材料层并与第二开槽远离第一开槽的末端连接形成第三通道，以形成基板的第一部分，第二子材料层的材料为玻璃，利用湿法刻蚀在玻璃上刻蚀形成第三开槽K3，利用玻璃加热键合性质将第一子材料层和第二子材料层无缝键合；
如图12所示，在步骤S25中，在第三子材料层上刻蚀形成多个垂直于所述第三子材料层的第三开槽和自所述第三开槽的开口沿平行于所述第三子材料层表面延伸的第四开槽，以形成所述基板的第二部分，第三子材料层的材料为玻璃，实质上为了简化制作工艺，步骤S25的步骤并不一定是步骤S23后的步骤，步骤S25也可以与步骤S21同时完成，形成的第二部分可以是在步骤S21中制作出来的中间结构，即，在步骤S21中形成双倍的中间结构，一半继续步骤S23和步骤S24，剩下一半用作第二部分；
如图13所示，在步骤S26中，将第一部分和第二部分键合，以形成基板。具体地，当超声发射单元为必须与空腔通道直接接触以保证发声时，并且希望超声波直接发射到空间中的感测目标时，将第一部分和第二部分键合后，将其两侧减薄至露出空腔通道的第一通道和第二通道，从而形成基板10。而若将要制作的超声换能器不要求基板与超声发射单元和超声接收单元直接接触时，步骤S26后不进行后续减薄步骤，则直接形成两侧贴合有第一支撑层和第二支撑层的基板，在此不再赘述。另外，后续在基板上形成超声换能单元的步骤则是在基板的两侧分别形成超声发射单元和超声接收单元，在此也不再赘述。
基于同一发明构思，本发明的实施例还提供一种超声换能***，包括：
探头，探头包括如上文实施例所述的超声换能器；
电压源，耦合至探头，用于在超声***的发射模式中向超声发射单元中的至少一个提供电压。该超声换能***解决问题的原理与前述超声换能器相似，因此该超声换能***的具体实施方式可以参见前述超声换能器的实施方式，重复之处在此不再赘述。
在具体实施时，超声换能***可以为任何具有超声成像功能的产品或部件。对于该设备的其它必不可少的组成部分均为本领域的普通技术人员所理解的，在此不再赘述，也不应作为对本申请的限制。
本发明针对目前现有的问题，制定一种超声换能器及其制作方法、以及超声换能***，且通过提供具有多个空腔通道的基板，和设置在基板上的至少一个超声换能单元，并通过设置每个超声换能单元中包括至少两个空腔通道且相邻两个空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经空腔通道至预定感测区域，从而通过空腔通道物理上的长度实现了声程差控制，无需设置多通道驱动芯片即可实现精细化的声束聚焦控制，易于实现，降低了超声换能器的成本，适合需要精细化成像的大面积阵列，具有广泛的应用前景。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种超声换能器，其特征在于，包括：
基板，包括贯穿所述基板的多个空腔通道；和
设置在所述基板上的至少一个超声换能单元，每个超声换能单元包括：
设置在所述基板远离感测目标一侧的至少一个超声发射单元，用于向预定感测区域发射超声波，以及
设置在所述基板靠近所述感测目标一侧的多个超声接收单元，用于接收自所述预定感测区域反射的超声波，
其中，每个所述超声换能单元包括至少两个所述空腔通道，相邻的所述空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经所述空腔通道至所述预定感测区域。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述空腔通道包括：
自所述基板靠近所述超声发射单元侧沿垂直于所述基板的方向延伸形成的第一通道；
所述第一通道弯折并形成沿平行于所述基板表面的方向延伸的第二通道；
所述第二通道弯折并形成沿垂直于所述基板的方向延伸的第三通道；
所述第三通道弯折并形成沿平行于所述基板表面的方向延伸的第四通道；以及
所述第四通道弯折并形成沿垂直于所述基板的方向延伸至所述基板靠近所述超声接收单元一侧的第五通道。
3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，每个超声换能单元中相邻的空腔通道的第二通道长度不同并且相邻的空腔通道的第四通道长度不同，以使得相邻的空腔通道的长度不同。
4.根据权利要求2或3所述的超声换能器，其特征在于，所述第一通道在所述基板上的正投影与所述超声发射单元在所述基板上的正投影交叠，所述第五通道在所述基板上的正投影与所述超声接收单元在所述基板上的正投影错开。
5.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，每个超声换能单元包括多个阵元，每个阵元包括一个空腔通道，在所述每个超声换能单元中，所述空腔通道的长度基于相邻阵元之间的延时不同而不同，
所述超声发射单元发射的超声波经所述空腔通道声束聚焦偏转或声束聚焦至所述预定感测区域，第i个阵元的延时τi满足：
Figure FDA0004011769170000021
其中，
Figure FDA0004011769170000022
表示声束偏转角度，c表示超声波的声速，xi表示第i个阵元与延时为0的中心阵元之间的距离，R0表示所述超声换能单元的焦距。
6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
每个超声换能单元中的超声发射单元是整面的或者独立的，
所述超声发射单元包括CMUT声源、PMUT声源、PZT声源、以及PVDF声源中的一种。
7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，还包括：
设置在所述基板与所述超声接收单元之间的第一支撑层，和/或
设置在所述基板与所述超声发射单元之间的第二支撑层。
8.一种超声***，其特征在于，包括：
探头，所述探头包括如权利要求1-7中任一项所述的超声换能器；
电压源，耦合至所述探头，用于在所述超声***的发射模式中向所述超声发射单元中的至少一个提供电压。
9.一种制作根据权利要求1-7中任一项所述的超声换能器的方法，其特征在于，所述方法包括：
形成基板，所述基板包括贯穿所述基板的多个空腔通道；
在所述基板上形成至少一个超声换能单元，每个超声换能单元包括：
设置在所述基板远离感测目标一侧的至少一个超声发射单元，用于向预定感测区域发射超声波，以及
设置在所述基板靠近所述感测目标一侧的多个超声接收单元，用于接收自所述预定感测区域反射的超声波，
其中，每个所述超声换能单元包括至少两个所述空腔通道，相邻的所述空腔通道的长度不同，以使每个超声换能单元中的超声发射单元发射的超声波经所述空腔通道至所述预定感测区域。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，
所述形成基板进一步包括：
利用3D打印形成所述基板，
所述在所述基板上形成至少一个超声换能单元进一步包括：
将所述超声接收单元贴合在第一子材料层上，
将所述第一子材料层远离所述超声接收单元一侧减薄形成贴合有所述超声接收单元的支撑层；
将超声发射单元贴合在所述基板上；
将所述支撑层未贴合所述超声接收单元的一侧和所述基板未贴合所述超声发射单元的一侧贴合在一起形成所述至少一个超声换能单元。
11.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，
所述形成基板进一步包括：
在第一子材料层上刻蚀形成多个垂直于所述第一子材料层的第一开槽和自所述第一开槽的开口起沿平行于所述第一子材料层表面延伸的第二开槽；
在所述第一子材料层形成第二开槽的表面上键合第二子材料层；
在所述第二子材料层上刻蚀形成多个垂直于所述第二子材料层的第三开槽，所述第三开槽贯通所述第二子材料层并与所述第二开槽远离所述第一开槽的末端连接，以形成所述基板的第一部分；
在第三子材料层上刻蚀形成多个垂直于所述第三子材料层的第三开槽和自所述第三开槽的开口沿平行于所述第三子材料层表面延伸的第四开槽，以形成所述基板的第二部分；
将所述第一部分和第二部分键合，以形成所述基板。
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