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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ganz allgemein rekonfigurierbare Arrays von Sensoren
(z.B. von optischen, thermischen, Druck- und Ultraschallsensoren). Insbesondere
betrifft die Erfindung rekonfigurierbare mikrobearbeitete Ultraschalltransducer-(MUT
= Micromachined Ultrasonic Transducer)-Arrays. Ein spezielle Anwendung
für MUTs
ist in medizinischen diagnostischen Ultraschallbildgebungssystemen
gegeben. Ein weiteres spezielles Beispiel ist eine Verwendung für eine zerstörungsfreie
Prüfung
(NDE = Non-Destructive Evaluation) von Materialien, z.B. von Gussstücken, Schmiedestücken oder
Rohrleitungen.
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Herkömmliche
Ultraschallbildgebungssysteme umfassen eine Gruppe von Ultraschalltransducern,
die dazu verwendet werden, um einen Ultraschallstrahl abzustrahlen
und anschließend
den von dem zu untersuchenden Objekt reflektierten Strahl zu empfangen.
Ein solches Abtasten beinhaltet eine Serie von Messungen, bei denen
die fokussierte Ultraschallwelle abgestrahlt wird, das System nach
einer kurzen Zeitspanne auf Empfangsmodus schaltet und die reflektierte
Ultraschallwelle empfangen, strahlgebündelt und für eine Anzeige verarbeitet
wird. Typischerweise werden die Abstrahlung und der Empfang während jeder
Messung in der gleichen Richtung fokussiert, um Daten aus einer
Reihe von Punkten entlang einer akustischen Strahl- oder Abtastzeile
zu erlangen. Der Empfänger
wird während
des Empfangs der reflektierten Ultraschallwellen entlang der Abtastzeile
fortlaufend von Neuem fokussiert.
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Im
Falle der Ultraschallbildgebung weist das Array gewöhnlich eine
Vielzahl von Transducern auf, die in einer oder mehreren Zeilen
angeordnet sind und bei der Abstrahlung mit getrennten Spannungen betrieben
werden. Durch wählen
der Zeitverzögerung
(oder Phase) und Amplitude der verwendeten Spannungen, kann der
einzelne Transducer in einer vorgegebenen Zeile angesteuert werden,
um Ultraschallwellen zu erzeugen, die sich vereinigen, um eine Netto-Ultraschallwelle
zu bilden, die sich entlang einer bevorzugten Vektorrichtung fortbewegt
und auf einen ausgewählten
Bereich entlang des Strahls fokussiert ist.
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Dieselben
Prinzipien kommen zur Anwendung, wenn die Transducersonde eingesetzt
wird, um das reflektierte akustisches Signal in einem Empfangsmodus
aufzunehmen. Die bei dem Empfangstransducer erzeugten Spannungen
werden summiert, so dass das Netto-Signal den Ultraschall kennzeichnet,
der von einer einzelnen Fokuszone in dem Objekt reflektiert wird.
Wie im Falle des Sendemodus wird dieser fokussierte Empfang der
Ultraschallenergie erzielt, indem auf das von jedem Empfangstransducer
stammende Signal eine gesonderte Zeitverzögerung (und/oder Phasenverschiebungen)
und gesonderte Verstärkungsgrade
angewandt werden. Die Zeitverzögerungen
werden mit anwachsender Tiefe des zurückgekehrten Signals einge stellt,
um ein dynamisches Fokussieren während
des Empfangs zu ermöglichen.
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Die
Qualität
oder Auflösung
des erzeugten Bildes hängt
unter anderem von der Anzahl der Transducer ab, die die Abstrahl-
bzw. Empfangsöffnungen
des Transducerarrays bilden. Dementsprechend ist sowohl für zwei-
als auch für
dreidimensionale Bildgebungsanwendungen eine große Anzahl von Transducern erwünscht, um
eine hohe Bildqualität
zu erreichen. Die Ultraschalltransducer sind gewöhnlich in einer in der Hand
zu haltenden Transducersonde angeordnet, die über ein elastisches Anschlusskabel
mit einer Elektronikeinheit verbunden ist, die die Transducersignale
verarbeitet und Ultraschallbilder erzeugt. Die Transducersonde kann
sowohl eine Ultraschallabstrahlschaltung als auch eine Ultraschallempfängerschaltung
tragen.
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Als
ein rekonfigurierbares Ultraschallarray wird ein Array bezeichnet,
das es ermöglicht,
Gruppen von Subelementen dynamisch miteinander zu verbinden, so
dass sich das ergebende Element geeignet formen lässt, um
zu der Gestalt der Wellenfront zu passen. Dies kann eine verbesserte
Leistung und/oder eine Reduzierung der Anzahl von Kanälen ermöglichen.
Rekonfigurierbarkeit lässt
sich mittels eines Schaltnetzwerks erreichen.
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Ein
Vorteil von MUTs besteht darin, dass diese mittels Halbleiterherstellungsverfahren
erzeugt werden können,
z.B. Mikrofertigungsverfahren, die unter dem Oberbegriff "Mikrobe arbeitung" einzuordnen sind.
In der US-Patentschrift 6 359 367 findet sich die folgende Erläuterung:
Mikrobearbeitung
ist definiert als die Bildung von mikroskopischen Strukturen unter
Verwendung einer Kombination oder Untergruppe von (A) Mustererzeugungsmittel
(im Allgemeinen lithographische beispielsweise Projektionsjustieranlagen
oder Wafer-Stepper), und (B) Aufbringmittel, wie PVD (physikalisches
Aufdampfen), CVD (chemisches Aufdampfen), LPCVD (chemisches Niederdruckaufdampfen), PECVD
(chemisches Plasmaaufdampfen) und (C) Ätzverfahren, wie nasschemisches Ätzen, Plasmaätzen, Ionenstrahlätzen, Sputterätzen oder
Laser-Ätzen.
Mikrobearbeitung wird gewöhnlich
an Substraten oder Wafern durchgeführt, die aus Silizium, Glas, Saphir
oder Keramik hergestellt sind. Solche Substrate oder Wafer sind
im Allgemeinen sehr flach und ebenmäßig und weisen Abmessungen
im Bereich von einigen Zoll auf. Sie werden gewöhnlich als Gruppen in Kassetten
bearbeitet, während
sie von einem Prozesswerkzeug zum nächsten bewegt werden. Jedes
Substrat kann vorteilhafterweise (jedoch nicht notwendig) zahllose
Kopien des Produkts verkörpern.
Es existieren zwei herstellerübergreifende Arten
von Mikrobearbeitung ... 1) Volumenmikrobearbeitung, bei der die
Dicke des Wafers oder Substrats in großen Abschnitten strukturiert
wird, und 2) Oberflächenmikrobearbeitung,
bei der sich das Gestalten im Allgemeinen auf die Oberfläche beschränkt, und insbesondere
auf die dünnen
Beschichtungsfilme auf der Oberfläche. Die hier verwendete Definition
einer Mikrobearbeitung schließt
die Verwendung herkömmlicher
oder bekannter mikrobearbeitbarer Materialien ein, zu denen gehören: Silizium,
Saphir, Glaswerkstoffe jeder Art, Polymere (beispielsweise Polyimid),
Polysilizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, dünne Beschichtungsmetalle,
wie Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Wolfram, Aufschleudergläser (SOGs
= Spin-On-Glasses), implantable oder diffundierte Dotierungssubstanzen
und gezüchtete
Beschichtungen, beispielsweise Siliziumoxide und Nitride.
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Diese
Definition von Mikrobearbeitung wird hier übereinstimmend übernommen.
Die basierend auf derartigen Mikrobearbeitungvorgängen erzeugten
Systeme, werden gewöhnlich
als "mikrobearbeitete
elektro-mechanische Systeme" (MEMS)
bezeichnet.
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Die
cMUTs sind gewöhnlich
hexagonal geformte Strukturen, über
die eine Membrane gespannt ist. Diese Membrane wird durch eine angelegte
Vorspannung in der Nähe
der Substratoberfläche
gehalten. Durch Anlegen eines Schwingungssignals an den bereits
vorgespannten cMUT lässt
sich die Membrane in Schwingungen versetzen, wodurch es der Membrane
möglich
wird, akustische Energie abzustrahlen. Desgleichen lassen sich,
wenn akustische Wellen auf die Membrane treffen, die sich ergebenden
Schwingungen als Spannungsänderungen
an dem cMUT erfassen. Der Begriff cMUT-Zelle wird verwendet, um
eine einzelne dieser hexagonalen "Trommel"-Strukturen zu bezeichnen. Die cMUT-Zellen
können
winzige Strukturen sein. Typische Zellenabmessungen betragen 25–50 μm von einer
flachen Kante zur anderen auf dem Sechseck. Die Abmessungen der
Zellen sind in mannigfaltiger Weise durch die konstruierte akustische
Antwort vorgeschrieben. Gegebenenfalls ist es unmöglich, größere Zellen
zu erzeugen, die mit Blick auf die gewünschte Frequenzantwort und
Empfindlichkeit noch eine brauchbare Leistung erbringen.
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Es
ist schwierig, Elektronikelemente zu erzeugen, die ein individuelles
Steuern derartig kleiner Zellen ermöglichen könnten. Zwar ist die kleine
Zellenabmessung mit Blick auf die akustische Leistung des Arrays
als Ganzes von großem
Vorteil und ermöglicht
eine hohe Flexibilität,
jedoch ist eine Steuerung auf größere Strukturen
beschränkt.
Durch vereinigen mehrerer Zellen zu Gruppen und elektrisches Verbinden
derselben ist es möglich,
ein größeres Subelement
zu erzeugen, das sich individuell steuern lässt, während die gewünschte akustische
Reaktion erhalten bleibt. Ein Subelement ist damit eine Gruppe von
elektrisch verbundenen Zellen, die sich nicht rekonfigurieren lassen.
Für den
Zweck dieser Offenbarung bezeichnet das Subelement die kleinste
unabhängig
gesteuerte akustische Einheit. Durch gegenseitiges Verbinden von
Subelementen über
ein Schaltnetzwerk ist es möglich,
Elemente zu bilden. Die Elemente lassen sich durch ein Verändern des Zustands
des Schaltnetzwerks rekonfigurieren. Allerdings enthalten Subelemente
verbundene Zellen, die sich nicht schaltbar trennen lassen und daher
nicht rekonfiguriert werden können.
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Die
gegenwärtige
Entwicklung von Ultraschallsystemen zielt auf kleinere und leichter
zu transportierende Vorrichtungen ab. Möglicherweise wird eines Tages
an die Stelle des Stethoskops als ärztliches Standardinstrument
ein kleines handflächengroßes Ultraschallsystem
treten. Um derartige kleine Ultraschallsysteme zu erzeugen, ist
eine Verringerung der Anzahl von Strahlformerkanälen zwingend erforderlich.
Das grundlegende Problem basiert darauf, eine angemessene Leistung
der Strahlformung (Auflösung
und Kontrast) aufrechtzuerhalten während die Anzahl von Systemkanälen reduziert wird.
Um die Auflösung
beizubehalten, darf die Öffnung
nicht verkleinert werden. Dies bedeutet im Falle eines Standardarrays,
dass mit einer Vergrößerung der Öffnung entweder
die Anzahl der Kanäle
oder die Beabstandung zwischen diesen zu erhöhen ist. Bei einem Standardarray
ist die Erweiterung des Abstands auf (etwa eine Wellenlänge betragende)
grobe Schritte beschränkt.
Ein gleichmäßiges Vergrößern der
Schrittweite über
das Array hinweg, ruft unerwünschte
Gitterkeulen hervor.
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Sämtliche
herkömmlichen
Ultraschallsonden mit linearem Array weisen eine konstante Teilung
auf. Ein Vermindern der Kanalzahl bedeutet in der Regel ein Verzicht
auf Öffnung
oder eine Inkaufnahme von Gitterkeulen. Ein Verfahren, das die Kanalzahl
reduziert, ohne Gitterkeulen hervorzurufen, ist das Strahlformerfalten.
Im Falle linearer Arrays sind die Verzögerungen zu beiden Seiten der
Strahlachse symmetrisch. Dies bedeutet, dass sich eine Verringerung
der Kanäle
um etwa die Hälfte
erreichen lässt,
indem eine Multiplexschema zugelassen wird, das diese symmetrischen
Elemente mit demselben Systemkanal verbindet. Allerdings kann dieses
Multiplexschema im Falle einer großen Anzahl von Systemkanälen sehr
kompliziert geraten. Weiter sind herkömmliche Multiplexschemata nicht
in der Lage, eine vollständige
Rekonfigurierbarkeit zu ermögli chen,
da sie auf verhältnismäßig große Elemente
an feststehenden Positionen beschränkt sind. Ein weiterer gangbarer Weg
zum Erhöhen
der Kanalzahl ist die Verwendung von Konfigurationen einer synthetischen Öffnung.
In diesem Falle wird über
mehrere Abstrahlvorgänge hinweg
eine größere Öffnung errichtet.
Hiermit ist es zwar möglich
die Kanalzahl erheblich zu verringern, jedoch sind aufgrund der
Erfordernis mehrerer Pulsabgaben reduzierte Signal/Rausch-Verhältnisse
und ein Verlust an Framerate in Kauf zu nehmen. Eine Bewegung führt darüber hinaus
in den auf synthetischer Öffnung
basierenden Bildern möglicherweise Artefakte
ein.
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Es
besteht Bedarf nach einem System mit reduzierter Kanalzahl, das
die Öffnungsabmessung aufrechterhält und keine
Gitterkeulen aufweist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft rekonfigurierbare lineare Arrays
von mikrobearbeiteten (z.B. optischen, thermischen, Druck-, Ultraschall-)
Sensoren. Die Rekonfigurierbarkeit ermöglicht es, die Abmessung und
den Abstand der Sensorelemente in Abhängigkeit von dem Abstand zu
der Strahlachse zu gestalten. Dieses Merkmal verbessert die Leistung
für Bildgebungssysteme,
die eine beschränkte Anzahl
von Kanälen
aufweisen. Die verbesserte Leistung für Anwendungen, in denen mehrere
Abstrahlfokuszonen verwendet werden, ergibt sich aus der Fähigkeit,
die Öffnung
mit Blick auf eine spezielle Tiefe einzustellen.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, zu der gehören: mehrere
Sensorsubelemente, die in einer Seite an Seite gegenüberliegenden
Beziehung entlang einer Linie angeordnet sind, um eine Zeile zu
bilden, wobei jedes der Sensorsubelemente eine entsprechende Anzahl
mikrobearbeiteter elektro-mechanischer Vorrichtungen aufweist, die
einen im Wesentlichen rechtwinkligen Bereich besetzen, und jede
der mikrobearbeiteten elektro-mechanischen Vorrichtungen eine entsprechende
erste Elektrode aufweist, wobei die Elektroden der mikrobearbeiteten
elektro-mechanischen Vorrichtungen, die jedes spezielle Sensorsubelement
bilden, elektrisch miteinander verbunden sind und sich nicht schaltbar voneinander
trennen lassen; mehrere elektrisch leitende Zugangsleitungen; mehrere
Zugriffsschalter, wobei jeder der Zugriffsschalter ein entsprechendes der
Sensorsubelemente mit einem der Zugangsleitungen elektrisch verbindet,
wenn der Zugriffsschalter eingeschaltet ist; mehrere Matrixschalter,
wobei jeder der Matrixschalter ein entsprechendes der Sensorsubelemente
mit einem entsprechenden benachbarten Sensorsubelement der Sensorsubelemente elektrisch
verbindet, wenn der Matrixschalter eingeschaltet ist; mehrere Schalterzustandssteuerschaltkreise,
wobei jeder der Schalterzustandssteuerschaltkreise die Zustände eines
entsprechenden der Zugriffsschalter und eines entsprechenden der
Matrixschalter steuert; und ein Programmierungsschaltkreis, der
elektrisch verschaltet ist, um die Schalterzustandssteuerschaltkreise
gemäß ausgewählten Schalterkonfigurationen
zu programmieren, die jeweiligen Öffnungen entsprechen.
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Eine
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung, zu der gehören: mehrere
im Wesentlichen rechtwinklige mikrobearbeitete Sensorsubelemente,
die in einer Seite an Seite gegenüberliegenden Beziehung entlang
einer Linie angeordnet sind, um in einer ersten Schicht eine Zeile
zu bilden; mehrere Interfaceelektronikzellen, die in einer Seite
an Seite gegenüberliegenden
Beziehung entlang einer Linie angeordnet sind, um eine Zeile in
einer zweiten Schicht zu bilden, die in Bezug auf die erste Schicht fixiert
und unterhalb derselben angeordnet ist, wobei jede Interfaceelektronikzelle
unterhalb eines entsprechenden Sensorsubelements angeordnet ist;
mehrere elektrische Verbindungen, wobei jede der elektrischen Verbindungen
eine entsprechende der Interfaceelektronikzellen mit einem entsprechenden
der Sensorsubelemente elektrisch verbindet; und mehrere elektrisch
leitende Zugangsleitungen, wobei jede der Einheitelektronikzellen
folgendes aufweist: einen Zugriffsschalter, der das entsprechende
Sensorsubelement mit einem der Zugangsleitungen elektrisch verbindet,
wenn der Zugriffsschalter eingeschaltet ist; einen Matrixschalter
der die entsprechenden Sensorsubelemente mit einem entsprechenden
benachbarten Sensorsubelement der Sensorsubelemente elektrisch verbindet,
wenn der Matrixschalter eingeschaltet ist; und Schalterzustandssteuerschaltungen,
die die Zustände
der Zugriffs- und Matrixschalter steuern.
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Noch
ein Aspekt der Erfindung ist ein System, zu dem gehören: ein
lineares Array von Ultraschalltransducersubelementen, von denen
jedes einen im Wesentlichen rechtwinkligen aktiven Bereich aufweist;
mehrere Matrixschalter, die angeordnet sind, um Ultraschalltransducersubelemente
selektiv elekt risch miteinander zu verbinden, um Ultraschalltransducerelemente
zu bilden, wenn die Matrixschalter selektiv eingeschaltet sind;
mehrere elektrisch leitende Zugangsleitungen, die im Wesentlichen
parallel zu dem linearen Array verlaufen; mehrere Zugriffsschalter,
die angeordnet sind, um Ultraschalltransducerelemente selektiv mit
Zugangsleitungen elektrisch zu verbinden, wenn die Zugriffsschalter
selektiv eingeschaltet sind; mehrere Systemkanäle; und ein Multiplexer, der
einen Zustand aufweist, in dem jede der Zugangsleitungen über den
Multiplexer mit einem entsprechenden der Systemkanäle elektrisch
verbunden ist, wobei jedes der Ultraschalltransducersubelemente
eine entsprechende Anzahl elektrisch verbundener cMUT-Zellen aufweist,
die sich nicht schaltbar trennen lassen.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein System, zu dem gehören: ein
lineares Array von Ultraschalltransducersubelementen, von denen
jedes einen im Wesentlichen rechtwinkligen aktiven Bereich aufweist;
mehrere Zugangsleitungen; und ein Schaltnetzwerk, das einen ersten
Satz von Schaltern, die dazu dienen, ausgewählte Ultraschalltransducersubelemente
miteinander elektrisch zu verbinden, um Ultraschalltransducerelemente
zu bilden, und einen zweiten Satz von Schaltern enthält, die dazu
dienen, die Ultraschalltransducerelemente mit ausgewählten Zugangsleitungen
elektrisch zu verbinden, wobei der erste und zweite Satz von Schaltern
gemäß einer
Schaltkonfiguration gesetzt sind, um eine Öffnung zu bilden, wobei die
Teilung und Breite der die Öffnung
bildenden Ultraschalltransducerelemente über das lineare Array hinweg
variieren.
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Andere
Aspekte der Erfindung sind nachstehend offenbart und beansprucht.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Zeichnung, die eine Schnittansicht einer typischen cMUT-Zelle
veranschaulicht.
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2 zeigt
in einer Zeichnung hexagonale MUT-Zellen eines Subelements eines
linearen Transducerarrays gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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3 zeigt
eine isometrische Ansicht einer mikrobearbeiteten Struktur, die
ein eindimensionales oder "1,5-dimensionales" Array von aus cMUT-Zellen hergestellten
Transducerelementen aufweist.
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4 veranschaulicht
in einem Graph, wie sich die Verzögerungsprofile in einem linearen
Transducerarray über
eine Öffnung
(d.h. seitlichen Abstand) hinweg mit wachsender Tiefe ändern.
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5 veranschaulicht
in einem Graph, wie eine vollkommen dynamisch rekonfigurierbare Öffnung als
eine Funktion ansteigende Tiefe in einem linearen Transducerarray
wachsen würde.
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6 zeigt
in einer Zeichnung eine Öffnung eines
linearen Transducerarrays, während
diese wächst
und mit anwachsender Tiefe rekonfiguriert wird. Die schattierten
Bereiche repräsentieren
Arrayelemente, die mit entsprechenden Systemkanälen verbunden sind.
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7 zeigt
in einer Zeichnung eine Öffnung eines
linearen Transducerarrays, das Elemente unterschiedlicher Breite
und Teilung aufweist. Die schraffierten Bereiche repräsentieren
Arrayelemente, die mit entsprechenden Systemkanälen verbunden sind.
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8 zeigt
in einem Diagramm vielfältige Schalter,
die dazu dienen, akustische Subelemente untereinander und mit Systemkanälen zu verbinden, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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9 veranschaulicht
in einem Graph ein typisches Verzögerungsprofil, das dazu dient,
für einen senkrecht
zu dem Transducerarray verlaufenden und in dem aktiven Abschnitt
des Arrays zentrierten Strahl ein Fokussierung an einem Punkt zu
erreichen.
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10 veranschaulicht
in einem Graph ein Beispiel eines Unterteilens der Öffnung des
Transducerarrays in zehn Kanäle,
wobei das Transducerarray das in 9 gezeigte
Verzögerungsprofil
aufweist.
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11 veranschaulicht
in einem Graph basierend auf mit dem Beispiel von 10 übereinstimmenden
Bereichen das sich ergebende diskrete Verzögerungsmuster.
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12–14 zeigen
Graphen, die die Ergebnisse von Simulationen von Strahlungsmustern veranschaulichen.
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15 zeigt
in einer Zeichnung eine Schnittansicht eines gemeinsam integrierten
cMUT- und anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis-(ASIC
= Application-Specific Integrated Circuit)-Arrays.
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16 zeigt
in einer Zeichnung eine Schnittansicht eines cMUT-Wafers, der mit
einer ASIC-Schaltermatrix verbunden ist.
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17 zeigt
in einer Zeichnung einen Zugriffsschalter und die Schaltung, die
dazu dient, den Zustand des Zugriffsschalters, wie zuvor in der US-Patentanmeldung
SN 10/248 968 offenbart, zu steuern.
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Es
wird nun auf die Zeichnungen eingegangen, in denen ähnliche
Elemente in unterschiedlichen Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen
tragen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine rekonfigurierbare Schaltmatrix, die sich
nutzen lässt,
um für
ein zugeordnetes lineares Array von Sensoren die Abmessung und die
Beabstandung zu variieren, so dass sie funktional von dem Abstand
zur Strahlachse abhängen.
Zum Zweck der Veranschaulichung wird das rekonfigurierbare lineare
Array im folgenden anhand kapazitiver mikrobearbeiteter Ultraschalltransducer (cMUTs)
beschrieben. Allerdings sollte es klar sein, dass die Aspekte der
hier offenbarten Erfindung hinsichtlich ihrer Anwendung nicht auf
Sonden beschränkt
sind, die cMUTs verwenden, sondern vielmehr auch im Zusammenhang
mit Sonden eingesetzt werden können,
die pMUTs verwenden. Dieselben Aspekte der Erfindung finden außerdem Verwendung
in rekonfigurierbaren Arrays von mikrobearbeiteten optischen, thermischen
oder Drucksensoren.
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Mit
Bezug auf 1 ist eine typische cMUT-Transducerzelle 2 im
Querschnitt gezeigt. Ein Array derartiger cMUT-Transducerzellen
wird gewöhnlich
auf einem Substrat 4, beispielsweise einem stark dotierten
(und damit halbleitenden) Siliziumwafer ausgebildet. Für jede cMUT-Transducerzelle
ist eine dünne
Membran oder Scheidewand 8, die aus Siliziumnitrid hergestellt
sein kann, oberhalb des Substrats 4 schwebend gehalten.
Die Membrane 8 wird an ihrem Umfang durch einen isolierenden
Träger 6 getragen,
der aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid hergestellt sein kann.
Der Hohlraum 14 zwischen der Membrane 8 und dem
Substrat 4 kann mit Luft oder Gas gefüllt, oder völlig oder teilweise evakuiert sein.
Typischerweise sind cMUTs so vollständig, wie es die Verfahren
ermöglichen,
evakuiert. Ein Film oder eine Schicht aus einem leitenden Material,
z.B. einer Aluminiumlegierung oder einem anderen geeigneten leitenden
Material, bildet eine Elektrode 12 auf der Membrane 8,
und ein weiterer Film oder eine aus einem leitenden Material hergestellte
Schicht bildet eine Elektrode 10 auf dem Substrat. Alternativ
kann die untere Elektrode durch geeignetes Dotieren des halbleitenden
Substrats 4 ausgebildet sein.
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Die
beiden durch den Hohlraum 14 getrennten Elektroden 10 und 12 bilden
eine Kapazität. Wenn
ein auftreffendes akustisches Signal die Membran 8 in Schwingung
versetzt, lässt
sich die Veränderung
der Kapazität
mittels einer (in 1 nicht gezeigten) zugeordneten
Elektronik nachweisen, wobei das akustische Signal in ein elektrisches
Signal umgewandelt wird. Umgekehrt wird ein an eine der Elektroden
angelegtes Wechselstromsignal die Ladung auf der Elektrode modulieren,
was wiederum eine Modulation der kapazitiven Kraft zwischen den
Elektroden nach sich zieht, wobei letzteres bewirkt, dass sich die
Membran bewegt und dadurch ein akustisches Signal abstrahlt.
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Die
einzelnen Zellen können
runde, rechteckige, hexagonale oder andere Umrissformen aufweisen.
Hexagonale Umrisse ermöglichen
eine hohe Packdichte der cMUT-Zellen eines Transducersubelements.
Die cMUT-Zellen können
unterschiedliche Abmessungen aufweisen, so dass das Transducersubelement
aufgrund der unterschiedlichen Zellenabmessungen über eine
gemischte Charakteristik verfügt,
was dem Transducer eine Breitbandcharakteristik verleiht.
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Leider
ist es schwierig, Elektronikelemente zu erzeugen, die ein individuelles
Steuern derartig kleiner Zellen ermöglichen könnten. Zwar ist die kleine
Zellenabmessung mit Blick auf die akustische Leistung des Arrays
als Ganzes von großem
Vorteil und ermöglicht
eine hohe Flexibilität,
jedoch ist eine Steuerung auf größere Strukturen
beschränkt.
Ein Vereinigen mehrerer Zellen zu Gruppen und elektrisches Verbinden
derselben ermöglicht
es, ein größeres Subelement
zu erzeugen, das sich individuell steuern lässt, während die gewünschte akustische Reaktion
erhalten bleibt. Durch gegenseitiges Verbinden von Subelementen über ein
Schaltnetzwerk ist es möglich,
Ringe oder Elemente zu bilden. Die Elemente lassen sich durch ein
Verändern
des Zustands des Schaltnetzwerks rekonfigurieren. Allerdings ist
es nicht möglich,
einzelne Subelemente zu rekonfigurieren, um andere Subelemente zu
bilden.
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MUT-Zellen
können
mittels der in der US-Patentschrift 6 571 445 offenbarten Herstellungstechniken
in dem Mikrobearbeitungsvorgang miteinander verbunden werden, um
Subelemente zu bilden. Die MUT-Zellen sind dementsprechend ohne
zwischengeschaltete Schalter verbunden (d.h. die MUT-Zellen lassen
sich nicht schaltbar voneinander trennen). Der Begriff "akustisches Subelement" wird im Folgenden verwendet,
um ein derartiges Bündel
zu beschreiben. Diese akustischen Subelemente werden ihrerseits durch
mikroelektronische Schalter miteinander verschaltet, um größere Elemente
zu bilden, indem derartige Schalter innerhalb der Siliziumschicht
oder auf einem anderen in unmittelbarer Nähe zu dem Transducerarray angeordneten
Substrat plaziert werden.
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In
dem hier verwendeten Sinne bedeutet der Begriff "akustisches Subelement" eine einzelne Zelle oder
eine Gruppe von elektrisch verbundenen Zellen, die sich nicht rekonfigu rieren
lassen, d.h. das Subelement ist die kleinste unabhängig gesteuerte
akustische Einheit. Der Begriff "Subelement" beinhaltet ein akustisches
Subelement und dessen zugeordnete integrierte Elektronik. Ein "Element" wird gebildet, indem
Subelemente unter Verwendung eines Schaltnetzwerks miteinander verbunden
werden. Die Elemente lassen sich durch Veränderung des Zustands des Schaltnetzwerks
rekonfigurieren. Zumindest einige der in dem Schaltnetzwerk enthaltenen
Schalter sind Teil der "zugeordneten
integrierten Elektronik", wie
sie unterhalb eingehender erläutert
ist.
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Wie
in der US-Patentanmeldung SN 10/383 990 offenbart, lässt sich
ein Transducersubelement erzeugen, indem eine Gruppe hexagonaler cMUT-Zellen
miteinander verbunden wird. Die oberen Elektroden jeder cMUT-Zelle
in dem Subelement sind durch Verbindungen, die sich nicht schaltbar trennen
lassen, elektrisch miteinander verbunden. Im Falle eines hexagonalen
Arrays verlaufen sechs Leiter von der (in den Figuren nicht gezeigten)
oberen Elektrode aus strahlenförmig
nach außen
und sind (mit Ausnahme von an dem Umfang angeordneten Zellen, die
mit drei und nicht mit sechs anderen Zellen verbunden sind) jeweils
mit den oberen Elektroden der benachbarten cMUT-Zellen verbunden. In ähnlicher
Weise sind die unteren Elektroden jeder Zelle in dem Subelement
durch Verbindungen, die sich nicht schaltbar trennen lassen, elektrisch
miteinander verbunden. In 2 ist ein
Teil eines Subelements 16 gezeigt, das fünf Spalten
von Zellen 2 aufweist, wobei die Spalten sich ausreichend
weit erstrecken, um die vorgegebene Abmessung des Subelements auszufüllen. Alternativ
können
lineare Arrays konstruiert werden, die Subelemente aufweisen, die auf
mehr oder weniger als fünf
Spalten von cMUT-Zellen basieren.
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Ein
Entwurf für
ein lineares Array von aus cMUT-Zellen aufgebauten Elementen ist
allgemein in 3 dargestellt. In diesem Beispiel
sind mehrere cMUT-Zellen mittels Mikrobearbeitungstechniken auf einem
CMOS-Wafer 18 ausgebildet. Die cMUT-Zellen sind angeordnet,
um eine einzelne Zeile von Ultraschalltransducerelementen 20 zu
bilden, die in einer Azimutalrichtung aneinandergereiht sind, wobei jedes
Element 20 einen im Wesentlichen rechteckigen Bereich abdeckt,
und die Elemente als Array in einer Seite an Seite gegenüberliegenden
Beziehung angeordnet sind. Die cMUT-Zellen jedes Elements 20 sind
miteinander parallel verschaltet. Jedes Element 20 kann
100 bis 1000 cMUT-Zellen aufweisen (d.h. eine beliebig Anzahl, die
ausreicht, um die vorgegebene Elementabmessung auszufüllen). Beispielsweise
kann ein Subelement eine Vielzahl von hexagonalen Zellen aufweisen,
die in sechs Spalten angeordnet sind, wobei jede Spalte etwa 100
Zellen enthält
und im Wesentlichen fluchtend mit einer vertikalen Richtung ausgerichtet
ist. Die cMUT-Zellen eines Subelements schwingen sämtliche
in Resonanz, um eine Ultraschallwellenfront zu erzeugen. Diese Subelemente
können
wiederum schaltbar verbunden sein, um Transducerelemente unterschiedlicher
Abmessung und Beabstandung zu bilden.
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Um
ein 1,5-dimensionales Transducerarray zu erzielen, kann jede rechteckige
Region, wie durch gestrichelte Linien in 3 angedeutet,
in drei im Allgemeinen rechteckige Subregionen 22, 24 und 26 unterteilt
sein. Die Längen
der Subre gionen 22 und 26 stimmen überein und
betragen gewöhnlich
(jedoch nicht zwingend) weniger als die Länge der mittleren Subregion 24.
In Übereinstimmung
mit diesem alternativen Ausführungsbeispiel
werden die cMUT-Zellen in der Subregion 22 untereinander
verbunden und lassen sich nicht schaltbar voneinander trennen; die
cMUT-Zellen in der Subregion 24 werden untereinander verbunden
und lassen sich nicht schaltbar voneinander trennen; und die cMUT-Zellen in
der Subregion 26 sind untereinander verbunden und lassen
sich nicht schaltbar voneinander trennen, womit auf diese Weise
in jeder Spalte drei Subelemente gebildet werden. In diesem Fall
werden die cMUT-Zellen
der Subregionen 22 und 26 während des Sendevorgangs vorzugsweise
parallel aktiviert, können
jedoch in einige Konfigurationen voneinander unabhängig sein.
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Selbstverständlich kann
das vorausgehende Konzept extrapoliert werden, um Sonden mit mehr als
drei Zeilen von Transducerelementen zu bilden.
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Die
hier offenbarte Erfindung zielt darauf ab, die Rekonfigurierbarkeit
als ein Mittel zum Reduzieren der Anzahl von Kanälen zu nutzen. Der Bergriff Rekonfigurierbarkeit
kann unterschiedliche Bedeutungen umfassen. Ein vollkommen rekonfigurierbares
Array weist die Fähigkeit
auf, jedes von einem zweidimensionalen Array stammende Subelement mit
jedem Systemkanal zu verbinden. Das darunterliegende zweidimensionale
Array kann Gesamtabmessungen aufweisen, die gegenüber herkömmlichen
Transducerarrays äquivalent
sind, oder kann Elevationsabmessungen aufweisen, die jene herkömmlicher
Arrays übertreffen.
Rekonfigurierbar zu sein bedeutet auch, dass die ses Abbilden von
Subelementen auf Systemkanäle
sich dynamisch verändern
lässt.
Beispielsweise ist es möglicherweise
erwünscht,
das Array für
jeden Strahl in einem Bild oder für jede Schärfentiefe zu rekonfigurieren.
Oder es ist möglicherweise
erwünscht über unterschiedliche Konfigurationen
im Sende- und Empfangsmodus zu verfügen. Falls die Technologie
sogar noch weiter entwickelt werden soll, wäre es wünschenswert, die Konfiguration
als Funktion der Tiefe während
des Empfangs fortlaufend variieren zu können. In der Praxis kann das
Bereitstellen einer Rekonfigurierbarkeit ein Problem darstellen;
insbesondere im Falle der beschriebenen dynamischen Rekonfigurierbarkeit
während
des Empfangs. Es ist daher möglicherweise
bevorzugt, beschränktere
Fälle von
Rekonfigurierbarkeit in Betracht zu ziehen.
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4 zeigt,
wie sich die Verzögerungsprofile in
einem linearen Transducerarray über
eine Öffnung hinweg
mit wachsender Tiefe ändern.
Im Nahfeld (d.h. in geringen Tiefen) ändern sich die Verzögerungen
während
einer von dem Zentrum der Öffnung nach
außen,
in Richtung der Ränder
ausgeführten Bewegung
rasch. Mit wachsender Tiefe werden die Verzögerungsprofile flacher und
die Änderung
von dem Zentrum der Öffnung
hin zum Rand ist schleichender (d.h. die Änderungen sind kleiner).
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5 zeigt
wie eine vollkommen dynamisch rekonfigurierbare Öffnung in der Regel als eine
Funktion ansteigender Tiefe wächst.
In diesem Falle wurde die Rekonfigurierbarkeit auf die azimutale
Dimension beschränkt.
Die beiden Linien in der Mitte repräsentieren die Grenzen des zentralen
Elements.
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Jedes
fünfte
Element ist gezeigt. Diese Art von Rekonfigurierbarkeit schafft
gegenüber
einem einfachen Abschalten von Kanälen, bei dem große Verzögerungsfehler
auftreten, den größten Vorteil,
da es ermöglicht
wird, dass im Nahfeld trotz der kleineren Öffnung sämtliche Kanäle verwendet werden können. Die
Elemente dehnen sich mit wachsender Tiefe aus. Die Rekonfigurierbarkeit
zieht Nutzen aus der Tatsache, dass das Verzögerungsprofil mit wachsender
Tiefe flacher wird. Dies bedeutet, dass die Abmessung der einzelnen
Elemente mit anwachsender Tiefe wachsen kann, ohne dass der Verzögerungsfehler über jene
Elemente hinweg größer wird.
Ohne die Rekonfigurierbarkeit würde
sich die Abmessung der Elemente durch das erforderliche Abtasten
am äußeren Rand
der Öffnung
für die
geringste Bildgebungstiefe ergeben. Dies bedeutet, dass eine wesentlich
größere Anzahl
von Kanälen
erforderlich wäre,
um über
die Elemente hinweg denselben Verzögerungsfehler zu erhalten.
Falls das Array jedoch in der Lage ist, die Abmessung und Teilung
der Elemente dynamisch zu ändern,
kann es konfiguriert sein, um einen Vorteil aus den von der Tiefe
abhängigen Verzögerungskurven
ziehen.
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Eine
ideale Verwirklichung der Rekonfigurierbarkeit eines linearen Arrays
würde der
Konfiguration eine funktional von der Tiefe abhängige dynamische Änderung
ermöglichen.
Diese Rekonfigurierbarkeit würde
in vielen diskreten Schritten stattfinden. Diese Art der Rekonfigurierbarkeit
erfordert ein sehr rasche Schalten zwischen den Konfigurationen, wobei
nahezu keine Rauschen auftreten darf. Speziell entworfene gemischte
analoge und digitale Schaltungen würden dazu benötigt.
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Um
eine rasche, geringe Leistung benötigende, geringes Rauschen
aufweisende Rekonfigurierung von Schalterzuständen zu ermöglichen, könnte ein lokales Puffern der
Konfigurationen sämtlicher Tiefen
für eine
Zeile eingesetzt werden. Beispielsweise würden in einem rekonfigurierbaren
integrierten linearen Schaltarray, bei dem bis zu zehn unterschiedliche
Tiefenzonen für
jede Zeile erforderlich sind, auf demselben Chip für jeden
Schalter in dem Array zehn lokale Puffer integriert werden. Bevor
eine vorgegebene Zeile abgebildet wird, würden sämtliche zehn Puffer für den Schalter
geladen werden. Anschließend
würde während der
Abbildung von Zeilen bei jedem Tiefenübergang Daten von dem entsprechenden
Puffer für
den vorgegebenen Schalter ausgewählt
werden.
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Ein
digitales Rauschen tritt in Verbindung mit einer empfindlichen analogen
Schaltung durch die Kopplung gemeinsam verwendeter Substrate und Eingabebeläge auf.
Durch ein lokales Speichern von Daten wird ein auf diesen Effekt
zurückzuführendes Rauschen
reduziert. Darüber
hinaus ermöglicht
diese Technik Leistungseinsparungen und steigert die Übergangsgeschwindigkeit,
da lokal gepufferte Daten lediglich über die chipintegrierte kurze
Entfernung, und nicht über
die Entfernung zu einer Sondensteuerungselektronik oder sogar zu
einer Systemelektronik übertragen
werden. weitere Einsparungen könnten
verwirklicht werden, indem lediglich jene Schalter erneut programmiert
werden, die sich mit der Tiefe für
jede ändernden
Konfiguration ändern.
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In
einem linearen rekonfigurierbaren Array, das in einem System geringer
Leistung eingesetzt werden soll, ist eine Minimierung der Anzahl
von Schalterzustandsänderungen
gewünscht,
wenn eine Bewegung von einer Öffnung
zur nächsten
erfolgt. Die Anzahl von Schalterzustandsänderungen lässt sich auf ein Minimum reduzieren,
indem innerhalb jedes entsprechenden Steuerschaltkreises bei jedem Element
ein lokaler Speicher aufrechterhalten wird. Das anfängliche
Muster wird zu Beginn einer Bildgebungssequenz in die Elemente geschrieben. 6 veranschaulicht,
wie eine Öffnung
wächst
und mit anwachsender Tiefe rekonfiguriert wird. Die schattierten Bereiche
repräsentieren
Arrayelemente, die über entsprechende
Zugriffsschalter mit Systemkanälen verbunden
sind. Während
das in 6 gezeigte Muster wächst, verschieben sich Kanalabbildungen aus
dem Zentrum heraus und wachsen mit jedem Sendebetriebszustand geringfügig an.
Diese Veränderung
des Musters lässt
sich effizient erreichen, indem das bestehende Muster (für die linke
Hälfte
des Arrays nach links, für
die rechte Hälfte
nach rechts) herausgeschoben wird, während gleichzeitig lediglich
jene Zugriffs- und Matrixschalter erneut programmiert werden, für die eine
erneute Programmierung erforderlich ist, um das Muster, während dieses wächst, anzupassen.
Um eine verbesserte Charakteristik des Rauschens zu erzielen, können Schalterzustände gepuffert
werden, und unmittelbar folgende Zustandseinstellungen auf die gesamte
verfügbare Programmierzeit
verteilt werden.
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Eine
alternative Verwirklichung würde
während
des Empfangs Rekonfigurierbarkeit nicht ermöglichen, sondern statt dessen
die Feldtiefe in mehrere Fokuszonen aufteilen. Für je den Bereich würde ein
unterschiedlicher Abstrahl- und Empfangszyklus erforderlich sein,
so dass diese Verwirklichung auf jene Fälle beschränkt sein würde, wo die Framerate keine
Rolle spielt oder Bildgebungstiefen nicht groß sind. Für jeden der Zonen würde eine
neue Konfiguration vorhanden sein, mit der angestrebt würde, die Elementabmessung-
und -verteilung für
jene spezielle Fokuszone zu optimieren. Dieser mehrere Zonen verwendende
Ansatz hat den Vorteil, dass sämtlicher Kanäle im Nahfeld
verwendet werden, ohne dass eine Rekonfigurierbarkeit in einer Weise
eingerichtet werden müsste,
die eine Rekonfigurierung entlang der Tiefe eines einzelnen Empfangs
ermöglicht. 6 zeigt,
wie sich die Elemente abhängig
von der Tiefe entweder für
spezielle Zonen oder in einer dynamischeren Weise umstrukturieren
lassen könnten.
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Wie
in 7 gezeigt, ergibt sich die Breite eines Elements
aus der Anzahl benachbarter akustischer Subelemente, die durch (in 7 nicht
gezeigte) Matrixschalter untereinander verbunden sind. Die Position
eines Element ist davon abhängig,
welche benachbarten akustischen Subelemente untereinander verbunden
sind. Zu der in 7 dargestellten Öffnung gehören: ein
Element 40, das durch Zusammenschalten von drei benachbarten
akustischen Subelementen gebildet wird; ein Element 42,
das durch Zusammenschalten von zwei benachbarten akustischen Subelementen
gebildet wird, wobei das Element 42 durch zwei abgetrennte
akustische Subelemente von dem Element 40 getrennt ist;
ein Element 46, das durch Zusammenschalten von zwei benachbarten
akustischen Subelementen 44 gebildet wird, wobei das Element 46 durch
ein abgetrenntes akustisches Subelement 48 von dem Element 42 getrennt ist;
und so fort.
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Im
Falle eindimensionaler Arrays lässt
sich eine Rekonfigurierbarkeit von Abmessung und Gestalt erzielen,
falls sehr dünne
Spalten von MUT-Zellen vorliegen, die sich selektiv mit jedem oder
einer Anzahl von Systemkanälen
verbinden lassen. Jede Spalte weist eine entsprechende Anzahl von
miteinander verbundenen MUT-Zellen auf (die sich nicht schaltbar
voneinander trennen lassen), die ein entsprechendes akustisches
Subelement bilden. Jedes Element, das in Form des einen oder der
mehreren akustischen Subelemente definiert ist, die mit einem speziellen
Systemkanal verbunden sind, wird gebildet, indem die geeigneten
akustischen Subelemente (d.h. Spalten von MUT-Zellen) miteinander
verbunden werden, und der Systemkanal mit jener Gruppe verbundener
akustischer Subelemente verbunden wird.
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Ein
Teil einer Zeile von Transducerelementen eines linearen Arrays gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 8 gezeigt. Jedes Element in
dem Array weist ein entsprechendes akustisches Subelement und ein
entsprechendes Schaltnetzwerk auf. Das Schaltnetzwerk wiederum enthält einen
Zugriffsschalter, der dazu dient, das zugehörige akustische Subelement
mit einer Zugriffsleitung zu verbinden, und einen Matrixschalter,
der dazu dient, das zugehörige
akustische Subelement mit einem benachbarten akustischen Subelement
zu verbinden. 8 zeigt drei (jeweils eine entsprechende
Spalte von miteinander verbundenen MUT-Zellen aufweisende) akustische
Subelemente 32a, 32b und 32c, die sich
schaltbar mittels entsprechender Zugriffsschalter 30a, 30b bzw. 30c mit
ausgewählten
Systemkanälen 58 verbinden
lassen; entsprechende Zugangsleitungen 34a, 34b und 34c; und
einen Multiplexer 28. 8 zeigt
ferner drei Matrixschalter 36a, 36b und 36c,
die dazu dienen, elektrisch ausgewählte akustische Subelemente
miteinander zu verbinden. Dies ermöglicht es, eine beliebige Anzahl
akustischer Subelemente zu verschalten, um ein einzelnes Element
zu bilden. Beispielsweise kann der Matrixschalter 36a geschlossen
werden, um die akustischen Subelemente 32a und 32b miteinander
zu verbinden; desgleichen kann der Matrixschalter 36b geschlossen
werden, um die akustischen Subelemente 32b und 32c miteinander
zu verbinden. Die Matrixschalter 36a und 36b können gleichzeitig
geschlossen werden, um die akustischen Subelemente 32a, 32b und 32c miteinander
zu verbinden. In ähnlicher
Weise kann der Matrixschalter 36c geschlossen werden, um
das (in 8 nicht gezeigte) nächste akustische
Subelement mit dem akustischen Subelement 32c zu verbinden.
Die sich ergebenden Elemente werden anschließend mittels entsprechender
Zugriffsschalter mit dem Multiplexer 28 verbunden. Welche
Zugriffsschalter im einzelnen Fall verwendet werden, hängt von
der speziellen Schalterkonfiguration ab. Falls beispielsweise die akustischen
Subelemente 32a und 32b über die geschlossenen Matrixschalter 36a miteinander
verbunden sind, lässt
sich das resultierende Element entweder über den Zugriffsschalter 30a oder
den Zugriffsschalter 30b mit dem Multiplexer 28 verbinden.
Falls mit einem Extrapolieren dieses Konzepts die akustischen Subelemente 32a, 32b und 32c über die
geschlossenen Matrixschalter 36a und 36b miteinander verbunden
werden, lässt
sich das resultierende Element über
einen beliebigen der Zugriffsschalter 30a, 30b und 30c mit
dem Multiplexer 28 verbinden. Der Zustand des Multiplexers 28 bestimmt,
mit welchem der Systemkanäle 58 das
ent sprechende Element verbunden ist. Der Multiplexer kann in einem
Randbereich außerhalb
der Spur der Zeile (oder der Zeilen) akustischer Subelemente angeordnet
sein (siehe z.B. 7). Die Systemkanäle 58 übertragen
akquirierte akustische Daten zu dem Strahlformer 38 eines
Ultraschallbildgebungssystems. Andere hinlänglich bekannte Komponenten
eines typischen Ultraschallbildgebungssystems, z.B. eine Anwenderschnittstelle,
ein Hostrechner, ein Bildprozessor, ein Scan-Controller, ein Videoprozessor,
ein Displaymonitor, usw., sind in 8 nicht
gezeigt.
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Wie
in 8 gezeigt, können
pro Zeile akustischer Subelemente mehrere Zugangsleitungen verwendet
werden. Die Zugriffsschalter sind, wie in 8 gezeigt,
versetzt, um die für
eine vorgegebene Anzahl von Zugangsleitungen erforderlich Zahl zu
reduzieren. Eine Zufallsanordnung von Zugriffsschaltern zu (nicht
gezeigten) Busleitungen könnte
ferner verwendet werden, um Artefakte zu reduzieren, die auf die
sich wiederholenden Muster zurückzuführen sind.
Mehr als ein Zugriffsschalter in jedem Subelement könnte verwendet
werden, um die Flexibilität des
Arrays zu verbessern. In einer derartigen Architektur müsste ein
Kompromiss zwischen der Flexibilität und der Anzahl der Zugriffsschalter
pro Subelement geschlossen werden, wobei die Zahl noch erheblich
kleiner ist als die Anzahl der Zugangsleitungen und Systemkanäle. Es ist
ebenfalls möglich, mehr
als einen Zugriffsschalter pro Zugriffsleitung in jedem Element
zu verwenden. Dies würde
den Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessern, da nicht funktionierende
Zugriffsschalter mittels der redundanten Zugriffsschalter überbrückt werden
könnten.
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Die
Dicke der Spalten von MUT-Zellen, auf der eine Zeile von akustischen
Subelementen basiert, sollte gering gehalten werden, um eine flexible Rekonfigurierung
zu ermöglichen.
Allerdings kann die Schaltelektronik, falls diese unmittelbar unterhalb der
akustischen Subelemente angeordnet sein soll, den Bereich der gesamten
Spalte nutzen. Diese bietet eine erheblich größere Fläche als diejenige, die für ein Schema
einer zweidimensionalen Rekonfigurierbarkeit zur Verfügung steht,
in dem beide Dimensionen gering zu bemessen sind. Dieses Schema
einer Rekonfigurierbarkeit kann erweitert werden, um mehrere Zeilen
für 1,25D-,
1,5D-, und 1,75D-Arrays zu ermöglichen.
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Vielfältige Arten
mehrzeiliger Transducerarrays, zu denen sogenannte "1,25D"-, "1,5D"-, und "1,75D"-Arrays gehören, wurden
entwickelt, um die beschränkte
Elevationsleistung eindimensionaler Arrays zu verbessern. In dem
hier verwendeten Sinne weisen diese Begriffe die folgenden Bedeutungen auf:
1,25D) die Elevationsöffnung
ist variable, jedoch bleibt ein Fokussieren statisch; 1,5D) die
Elevationsöffnung,
die Schattenbildung und das Fokussieren sind dynamisch variable,
jedoch symmetrisch um die Mittellinie des Arrays; und 1,75D) die
Elevationsgeometrie und -steuerung ähneln jener von 1,5D, weisen jedoch
nicht die Beschränkung
der Symmetrie auf. Die Elevationsöffnung einer 1,25D-Sonde wächst zwar
mit der Entfernung an, jedoch ist die Elevationsfokussierung jener Öffnung statisch
und hauptsächlich
durch eine mechanische Linse bestimmt, die einen feststehenden Fokus
(oder mehrere davon) aufweist. 1,25D-Sonden ermöglichen eine wesentlich bessere Nahfeld-
und Fernfeld-Schichtbilddickenleistung als 1D-Sonden und erfordern
keine zusätzlichen Strahlformerkanäle in dem
System. 1,5D-Sonden benutzen zusätzliche
Strahlformerkanäle,
um eine dynamische Fokussierung und Apodisation in der Elevationsrichtung
zu ermöglichen.
1,5D-Sonden können
insbesondere im Mittel- und Fernfeld eine Feinauflösung, die
vergleichbar ist mit 1,25D-Sonden, und eine Kontrastauflösung erreichen,
die erheblich besser ist als diejenige der 1,25D-Sonden. 1,75D-Sonden,
die für
sämtliche
Elemente in der Öffnung
eine unabhängige
Steuerung der Strahlformungszeitverzögerungen aufweisen, ermöglichen
es dem Strahlformer uneinheitliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten
in dem Körper
(oder Inhomogenitäten
in dem Bildgebungssystem oder in dem Transducer) adaptiv zu kompensieren.
Zusätzlich
zu einer derartiger adaptiven Strahlformung oder Phasenabweichungssteuerung
können
1,75D-Sonden auch eine
beschränkte
Strahlsteuerung in der Elevationsrichtung unterstützen.
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Hochspannungsschalter
lassen sich ohne weiteres in einer verfügbaren Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Technologie durchführen. Diese
Technologie erscheint besonders vorteilhaft, da sie ein Integrieren
hoch integrierter digitaler Steuerschaltungen benachbart zu dem
gesteuerten Schalter ermöglicht.
Wie zuvor erörtert,
erlaubt dieses Merkmal sehr rasch ablaufende, geringes Rauschen
aufweisende und geringe Leistung benötigende Übergänge von einer Konfiguration
zur nächsten. Es
können
auch andere Technologien, beispielsweise mikrobearbeitete elektromechanische
System-(MEMS)-Schalter
verwendet werden, und die vorliegende Technologie ist nicht auf
CMOS beschränkt.
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Die
Hochspannungs-CMOS-Schalter basieren auf Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs).
Solche Bauelemente weisen Drain-, Source- und Gateanschlüsse auf,
wobei eine Spannung an dem Gate das Fließen von Strom über den Kanal
zwischen dem Drain und der Quelle steuert. Ein breiterer Kanal wird
einen geringeren Einschaltwiderstand aufweisen, was für die Ultraschallbildgebung
vorteilhaft ist, da dies bedeutet, dass dem Empfangssignal weniger
thermisches Rauschen aufaddiert wird. Um einen breiteren Kanal zu
erhalten, ist allerdings eine Vergrößerung der Abmessung des Bauelements
erforderlich.
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In
einem zweidimensionalen Array werden sehr breite Elemente in als "Finger" bezeichnete Abschnitte
unterteilt, um rechteckige Bauelemente zu erzeugen, die sich gut
unterhalb zweidimensionaler Arrayelemente einpassen. In einem linearen
Array würden
hingegen längere
Finger verwendet. Im Allgemeinen ist es möglich, die Schaltelemente sinnvoll anzuordnen,
so dass sehr lange und dünne
Bauelemente unterhalb der Arrayelemente passen. Da die Integration
von Transducerelementen in der vertikalen Richtung (kurze Achse)
des Arrays beschränkt sind,
könnte
darüber
hinaus, ein Verzweigen von aus der Mitte des Arrays stammenden Signalen
zu einer auf der Ober- und Unterseite des Arrays vorhandenen Schaltelektronik
durchgeführt
werden. Diese würde
die Verwendung von komplexeren Steuerungsstrukturen oder eine weitere
Verringerung des Einschaltwiderstands ermöglichen.
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Apodisation
oder „Wichten" beinhaltet ein Anwenden
eines Satzes von Gewichtungsfaktoren auf die von den Elementen eines
Arrays abgestrahlten oder aufgenommenen Signale. Beispielsweise kann
die Amplitudenverteilung entlang des Arrays unter Verwendung einer
Funktion, beispielsweise eines potenzierte oder angehobene Cosinusfunktion, geglättet werden,
um die Übergänge von
Element zu Element auf ein Minimum zu reduzieren. Eine dynamische
Apodisation ist erforderlich, um die rekonfigurierbaren Öffnungen
zu behandeln. Dies kann teilweise erreicht werden, indem auf die
von den miteinander verbundenen (d.h. kombinierten) Subelementen her
entgegengenommenen Signale eine Systemkanalapodisation angewandt
wird. Darüber
hinaus kann eine Apodisation auf die Ebene von Subelementen angewandt
werden, um eine feinere Steuerung zu erzielen.
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Unter
der Voraussetzung eines Arrays, das ein dynamisches Konfigurieren
der Abmessung und Position eines Elements ermöglicht, ist die einzusetzende
Konfiguration zu ermitteln. Einer der hierfür verwendbaren Algorithmen
zielt darauf ab, den Verzögerungsfehler
in gewisser Weise zu minimieren. Für einen speziellen Brennpunkt
könnten
die Verzögerungen
für jede
der Spalten berechnet werden. Nachdem diese Soll- Verzögerungen
gegeben sind, ist es möglich,
die Öffnung
in N Kanäle
zu unterteilen, die sämtliche
den gleichen Verzögerungsbereich
aufweisen. Dies bedeutet, dass die Differenz der maximalen Verzögerung für einen
vorgegebenen Kanal minus der minimalen Verzögerung für einen vorgegebenen Kanal
für jeden
Kanal dieselbe sein würde. Hierdurch
werden die Spalten so gruppiert, dass Spalten mit ähnlichen
Verzögerungen
demselben Kanal zugeordnet sind. Die Anzahl von Spalten, die einem
spe ziellen Kanal zugeordnet sind, ergibt sich aus dem hinnehmbaren
Verzögerungsbereich.
In der Praxis bedeutet dies, dass die Soll-Verzögerungen für sämtliche der Spalten herangezogen
und sortiert werden. Für
sämtliche
Spalten wird der Gesamtverzögerungsbereich
durch Subtraktion der geringsten Verzögerung von der größten berechnet.
Dieser Gesamtverzögerungsbereich
wird anschließend
durch die Kanalanzahl geteilt. Diese ergibt den Verzögerungsbereich
für einen
vorgegebenen Kanal. 9–11 zeigen
ein Beispiel dieses Verfahrens. 9 veranschaulicht
ein typisches Verzögerungsprofil,
das dazu dient, eine Punktfokussierung für einen Strahl zu erreichen,
der senkrecht zu dem Transducerarray verläuft und in dem aktiven Abschnitt
des Arrays zentriert ist. 10 zeigt
ein Beispiel einer Unterteilung dieser Öffnung in zehn Kanäle. Die
Zeitverzögerungen
werden sortiert. Der Zeitverzögerungsbereich
wird in zehn gleiche Teile unterteilt. Hierdurch wird die Domäne des Plotts
in zehn Abschnitte unterteilt. Mittels der Sortierungsdaten ist
es möglich,
die zehn Domänenabschnitte
auf tatsächliche
Spalten oder Subelemente in ein rekonfigurierbares lineares Array
abzubilden und auf diese Weise Größe und Gestalt eines Elements
zu bestimmen. 11 zeigt das diskrete Verzögerungsmuster,
das sich basierend auf übereinstimmenden
Bereichen ergibt.
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Eine
unterschiedliche Version des Algorithmus könnte die Öffnung so unterteilen, dass
anstelle der maximale Verzögerungsfehler
die mittleren Verzögerungsfehler
für jeden
Kanal übereinstimmen. Die
Leistung einer vorgegebenen Arraygeometrie ließe sich auch in einem optimierenden
Algorithmus nutzen, um eine Konfiguration zu ermitteln. Die hier offenbarten rekonfigurierbaren
linearen Arrays sind nicht auf jene beschränkt, die durch diese Algorithmen
bestimmt werden. Vielmehr dienen diese Algorithmen als veranschaulichende
Beispiele und geben Einblick in ein Konzept, wie eine Rekonfigurierbarkeit ablaufen
könnte.
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Um
die möglichen
Vorteile rekonfigurierbarer linearer Arrays zu zeigen, wurden Simulationen
des Strahlungsmusters berechnet. 10–12 zeigen
einige anhand dieser Simulationen erzielte Ergebnisse. Die Gesamtabmessungen
der Öffnung
betrugen 26 mm in der Azimutalrichtung und 6 mm in der Elevationsrichtung.
Es wurde keine Elevationsfokussierung oder -linse verwendet. In
den Simulationen wurde ein Puls von 7,5 MHz mit einem Bandbreitenanteil
von 60 % verwendet. Die Schärfentiefe
für den
Sendemodus betrug in sämtlichen
Fälle 30
mm. Für
sämtliche
drei Fälle
wurde ein dynamischer Empfangsfokus verwendet, wobei die Tiefe des
Empfangsfokus für
die in 10, 11 und 12 gezeigten
Simulationsergebnisse 25, 30 bzw. 35 mm betrug. Das Array wurde
in sämtlichen
Fällen
basierend auf einem Punkt bei 30 mm konfiguriert. In jedem Graph
sind vier Kurven zu sehen. Eine Kurve A repräsentiert ein 128 Elemente aufweisendes
lineares Array mit gleichmäßiger Teilung
(eine Standardbildgebungskonfiguration). Kurven B, C und D repräsentieren
Arrays, die auf 60, 32 bzw. 20 Kanälen basieren. Das Array wurde
mittels des oben erörterten, übereinstimmende
Verzögerungsbereiche
verwendenden Algorithmus konfiguriert. Unter Verwendung von nur
32 Kanälen,
war die Leistung vergleichbar mit jener des 128 Elemente und feste
Teilung aufweisenden linearen Arrays in diesen Tiefen. Mit 20 Kanälen ist
die Leistung nicht so gut und die Feldtiefe sehr gering.
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Das
in 8 gezeigte rekonfigurierbare lineare Array bildet
akustische Subelemente auf Systemkanäle ab. Dieses Abbilden ist
darauf eingerichtet, eine verbesserte Leistung zu ermöglichen.
Das Abbilden wird durch ein Schaltnetzwerk (i.e. Zugriffs- und Matrixschalter)
durchgeführt,
das im Idealfall unmittelbar in dem Substrat angeordnet ist, auf
dem die cMUT-Zellen
ausgebildet sind, kann allerdings auch auf einem anderen Substrat
ausgebildet sein, das benachbart zu dem Transducersubstrat integriert
ist. Da cMUT-Arrays unmittelbar auf der Oberseite eines Siliziumsubstrats
ausgebildet sind, kann die Schaltelektronik in dem Substrat integriert
sein.
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In 15 ist
eine Schnittansicht eines gemeinsam integrierten cMUT- und ASIC-Arrays
gezeigt, um zu veranschaulichen, wie die Verbindungen von dem ASIC
zu den cMUTs hergestellt werden würden. Wie gezeigt, wird ein
einziger Durchkontakt 56 verwendet, um jedes akustische
cMUT-Subelement 32 mit seinem entsprechenden CMOS-Elektronik-Subelement
(nachstehend mit "Interfaceelektronikzelle" bezeichnet) 50 zu
verbinden. Die Durchkontakte 56, die die Beläge 65 der
Signalelektroden mit an der Schalter-ASIC ausgebildeten entsprechenden leitenden
Belägen 66 verbinden,
können
in einer akustischen Stützschicht 62 eingebettet
sein.
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Wie
für das
in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel zutreffend,
würde jede
Interfaceelektronikzelle 50 einen Zugriffsschalter und
einen Matrixschalter aufweisen. Aller dings könnten mit Blick auf weitere
Ausführungsbeispiele
in jeder Interfaceelektronikzelle zusätzliche Schaltungen vorhanden
sein. Beispielsweise könnten
zusätzliche
Zugriffs- und Matrixschalter enthalten sein, z.B. ein zusätzlicher
Zugriffsschalter, der dazu dient, eine Verbindung mit einer zusätzlichen
Zugriffsleitung zu ermöglichen,
oder ein zusätzlicher
Matrixschalter, um ein akustisches Subelement in einer Zeile mit
einem benachbarten akustischen Subelement in einer weiteren Zeile
zu verbinden. Außerdem
könnte
jede Interfaceelektronikzelle einen entsprechenden Pulsgenerator
und einen entsprechenden Sende/Empfangsschalter enthalten.
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Es
ist ebenfalls möglich,
die cMUTs auf einem gesonderten Substrat (z.B. einem Wafer) auszubilden
und diese voneinander unabhängig,
wie in 16 gezeigt, mit der ASIC-Schaltermatrix zu
verbinden. In diesem Falle werden beispielsweise Lötkontakthügel 64 und
leitende Beläge 65, 66 verwendet,
um die einzelnen akustischen cMUT-Subelemente 32 mit deren
Interfaceelektronikentsprechungen 50 zu verbinden. Auch
andere Bausteintechniken, beispielsweise anisotroper elektrisch
leitfähiger Film
(ACF = Anisotropic Conductive Film) oder flexible Verbindungen,
könnten
verwendet werden.
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Obwohl
die Zugriffs- und Matrixschalter getrennt untergebrachte Komponenten
sein können,
ist es möglich,
die Schalter auch innerhalb desselben Halbleitersubstrats auszubilden,
auf dem das MUT-Array erzeugt ist. Diese Schalter können auf Hochspannungsschalterschaltkreisen
der Bauart basieren, wie sie in der US-Patentanmeldung SN 10/248
968, mit dem Titel "Integrated
High-Voltage Switching Circuit for Ultrasound Transducer Array", offenbart ist.
Jeder Schalter weist zwei DMOS-FETs auf, die Rücken an Rücken (d.h. über kurzgeschlossene Sourceknoten)
verbunden sind, um einen bipolaren Betrieb zu ermöglichen. 17 zeigt
einen exemplarischen Zugriffsschalter 30; die Matrixschalter können auf
demselben Schaltkreis basieren. Strom fließt immer dann durch die Schalteranschlüsse, wenn
beide FETs des Schalters 30 durchgeschaltet sind. Der Zustand
jedes Schalters wird durch einen entsprechenden Schaltersteuerschaltkreis 52 gesteuert,
von denen lediglich einer in 17 dargestellt
ist. Die Zustände
der Schaltersteuerschaltkreise sind wiederum durch Ausgangssignale
vorgegeben, die von einem Programmierungsschaltkreis 54 ausgegeben
werden, der die Schaltersteuerschaltkreise gemäß einer optimierten Schaltkonfiguration
programmiert, die mittels eines der hier offenbarten Algorithmen
abgeleitet wird. Ein (in 17 nicht
gezeigter) Scan-Controller lädt
die optimierte Schaltkonfiguration in den Programmierungsschaltkreis 54. Obwohl
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel CMOS-Hochspannungsschaltern
verwendet werden, ist lässt
sich die hier beschriebene Erfindung unmittelbar auch auf andere
Schalttechnologien, beispielsweise Niederspannungsschalter, MEMS-Schalter und
andere in Entwicklung befindliche zukünftige Schaltertechnologien,
anwenden. Die Schaltelektronik kann mittels CMOS- oder BiCMOS-,
oder SOI-, oder MEMS- oder einer sonstigen bis dato unbekannten
Schalttechnologie verwirklicht werden.
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Die
vielfältigen
Ausführungsbeispiele
der oben beschriebenen Erfindung benutzen Rekonfigurierbarkeit,
um für
durch Mikrobearbeitung hergestellte lineare Arrays von Sensorele menten
die erforderliche Kanalanzahl zu reduzieren. Ein Weg basiert darauf,
das Array zu veranlassen, sich im Empfangsmodus abhängig von
der Tiefe dynamisch zu rekonfigurieren. Sobald die abgestrahlte
Wellenfront auf den Weg geschickt ist, werden für ein gewisses Zeitintervall,
das gewöhnlich
kürzer
als 200 Mikrosekunden ist, Echodaten empfangen. Während dieser
Empfangszeit ist es vorteilhaft, die Abmessungen der Öffnung zu ändern, um
die Strahlformung bezüglich
der Position der fortschreitenden Sendewellenfront zu optimieren.
In diesem Falle kann die Öffnung
dazu veranlasst werden, ihre Abmessung zu vergrößern, um ein Aufrechterhalten
einer gleichmäßigen Auflösung über die
gesamte Tiefe des Feldes hinweg anzustreben. Hierfür wird eine
anspruchsvolle Elektronik benötigt,
jedoch wird damit der maximale Vorteil der Rekonfigurierbarkeit
erreicht. Dies ermöglicht vergleichbare
Verzögerungsfehler
unter Einsatz einer geringeren Anzahl von Kanälen als im Falle eines herkömmlichen,
eine feste Teilung verwendenden linearen Arrays.
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Noch
eine Möglichkeit
basiert darauf, das Array für
spezielle Fokuszonen zu rekonfigurieren, jedoch ohne das Array während der
Empfangsvorgänge
zu verändern,
d.h. die Öffnung
wird während
des Empfangsbetriebs festgehalten. Falls erwünscht ist, die Empfangsöffnung für sämtliche
Tiefen zu optimieren, ist ein mehrfaches Senden und entweder eine Änderung
der Empfangsöffnung
oder der Abstrahl- und Empfangsöffnungen
für die
einzelnen Sendevorgänge
erforderlich. Dies ist zeitraubend und verlangsamt die Framerate
der Bildgebung. In diesem Fall lässt
sich die elektronische Verwirklichung einfacher verwirklichen, jedoch
kommen lediglich Anwendungen in Frage, bei denen die Framerate keine
Rolle spielt oder die Bildgebungstiefe sehr gering ist. Auch in
diesem Fall wird eine Verringerung der erforderlichen Kanalanzahl
mit einem minimalen Verlust an Strahlqualität an den entfernten Rändern der
Fokuszonen erreicht.
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Der
Hauptvorteil der Erfindung liegt in einer Verringerung der erforderlichen
Kanalanzahl, ohne Gitterkeulen oder wesentliche Bildartefakte einzuführen. Die
Rekonfigurierbarkeit ermöglicht
außerdem aufgrund
einer Erhöhung
der Anzahl der für
das Strahlformen verwendeten Kanäle
Vorteile für
das äußerste Nahfeld.
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Während die
Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist es dem Fachmann klar, dass an deren Elementen vielfältige Änderungen
vorgenommen werden können,
und dass die Beispiele durch äquivalente
Ausführungen substituiert
werden können,
ohne dass der Schutzumfang der Erfindung berührt ist. Darüber hinaus können vielfältige Abwandlungen
durchgeführt
werden, um eine spezielle Situation an die Lehre der Erfindung anzupassen,
ohne von dem hauptsächlichen Gegenstand
der Erfindung abzuweichen. Demzufolge ist es nicht beabsichtigt,
die Erfindung auf das spezielle Ausführungsbeispiel zu beschränken, das als
die am besten geeignete Weise der Verwirklichung der Erfindung erachtet
wird, vielmehr soll die Erfindung sämtliche Ausführungsbeispiele
einbeziehen, die in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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In
dem in den Ansprüche
verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff "Teilung" den Abstand zwischen den Mittellinien
von zwei aufeinanderfolgenden Elementen in einer Zeile von Subelementen.