DE602004006232T2

DE602004006232T2 - Mikrohergestellte ultraschallwandler mit bias-polaritätsstrahlprofilsteuerung

Info

Publication number: DE602004006232T2
Application number: DE602004006232T
Authority: DE
Inventors: Christopher M. Pleasanton DAFT; Paul A. Berkeley WAGNER; Igal San Carlos LADABAUM
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: DE602004006232D1; JP4422718B2; CN1833273A; EP1593115A1; CN1833273B; JP2006519556A; WO2004075165A1; US7087023B2; EP1593115B1; US20040160144A1; WO2004075165B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Feld der Ultraschallwandler. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Höhenstrahlprofilsteuerung von kapazitiven mikrohergestellten Ultraschallwandlern.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein Schallwandler ist ein elektronischer Baustein, der zum Aussenden und Empfangen von Schallwellen verwendet wird. Ultraschallwandler sind Schallwandler, die bei Frequenzen oberhalb 20 KHz und noch typischer im 1-20 MHz-Bereich arbeiten. Ultraschallwandler werden in der medizinischen Bildgabe, der zerstörungsfreien Materialprüfung und anderen Anwendungen eingesetzt. Die häufigste Form von Ultraschallwandlern sind piezoelektrische Wandler. Unlängst ist ein anderer Typ von Ultraschallwandler, der kapazitive mikrohergestellte Ultraschallwandler, beschrieben und hergestellt worden. Solche Wandler sind von Haller und Mitarbeitern im US-Patent Nr. 5,619,476 mit dem Titel "Electrostatic Ultrasonic Transducer", herausgegeben am 9. April 1997, beschrieben. Das Patent von Haller beschreibt Wandler, die in einer gasförmigen Umgebung funktionieren können, wie zum Beispiel luftgekoppelte Wandler. Ladabaum und Mitarbeiter beschreiben im US-Patent Nr. 5,894,452 mit dem Titel "Microfabricated Ultrasonic Immersion Transducer", herausgegeben am 13. April 1999, einen Tauchwandler (d. h. einen Wandler, der in Kontakt mit einem flüssigen Medium arbeiten kann), und beschreiben im US-Patent Nr. 5,982,709 mit dem Titel "Acoustic Transducer and Method of Microfabrication", herausgegeben am 9. November 1999, verbesserte Strukturen und Verfahren zur Mikroher stellung von Tauchwandlern. Im US-Patent Nr. 6,271,620 mit dem Titel "Acoustic Transducer and Method of Making the Same", herausgegeben am 7. August 2001, beschreibt Ladabaum Verbesserungen an mikrohergestellten Schallwandlern, die eine Leistung ermöglichen, die einem piezoelektrischen Wandler gleichzusetzen ist. US 6,381,197 offenbart ebenfalls den Stand der Technik.
Das grundlegende Transduktionselement des herkömmlichen kapazitiven mikrohergestellten Ultraschallwandlers ist ein Schwingkondensator. Ein Substrat enthält eine untere Elektrode, eine dünne Membran ist über dem Substrat aufgehängt, und eine Metallisierungsschicht dient als eine obere Elektrode. Wenn eine Gleichvorspannung an die untere und die obere Elektrode angelegt wird, so versetzt eine Schallwelle, die auf die Membran auftrifft, diese in Bewegung, und die Änderung des Elektrodenabstandes, zu der es durch eine solche Bewegung kommt, hat ein elektrisches Signal zur Folge. Wenn umgekehrt ein Wechselstromsignal an die vorgespannten Elektroden angelegt wird, so setzt die Wechselstromanregungsfunktion die Membran in Bewegung, und diese Bewegung sendet eine Schallwelle in dem interessierenden Medium aus.
Die 1A-1C veranschaulichen die Benennungskonventionen sowie die herkömmlichen Fokussierungs- und Abtastrichtungen in einer typischen Wandleranordnung, die in medizinischen Bildgabeanordnungen verwendet wird. Wie in 1A gezeigt, besteht der Wandler 100 in der Regel aus mehreren Wandlerelementen 110. Jedes der Wandlerelemente 110 enthält mehrere einzelne Wandlerzellen. Die Wandlerelemente 110 sind so ausgerichtet, dass ihre Längen entlang der Höhenachse verlaufen und ihre Breiten entlang der Azimutachse verlaufen. Die Wandlerelemente 110 sind nebeneinander entlang der Azimutachse angeordnet. Wie in 1B gezeigt, ist eine Wandleranordnung 100 herkömmlicherweise auf einen Brennpunkt 150 in der Entfernungsrichtung fo kussiert und wird in der Azimutrichtung elektronisch durch Anlegen einer entsprechenden Zeitverzögerung an jedes der Wandlerelemente 110 abgetastet. Wie in 1C gezeigt, wurde der Fokus in der Höhenrichtung herkömmlicherweise mit Hilfe einer mechanischen Linse 120 bewerkstelligt. Dieser mechanische Fokus ist nicht optimal, weil ein adäquater Höhenfokus nur über einen relativ kleinen Teil der nutzbaren Entfernung erhalten wird. Obgleich eine Zeitverzögerungsfokussierung in der Azimutebene über den gesamten Sichtbereich hinweg möglich ist (zum Beispiel 0,5-6 cm für eine Sonde für lineare kleine Teile), erhält man einen Höhenfokus nur über einen relativ kleinen räumlichen Bereich des Spitzenfokus' 130. Ein Maß des erreichbaren Höhenfokus' sowie der Feldtiefe, über die ein guter Fokus erreicht werden kann, wird oft mit dem Begriff Scheibendicke beschrieben.
Herkömmliche Ultraschallwandler haben eine schlechte Kontrolle über die Scheibendicke. Eine konvexe Linse 120 hat ihren Fokus irgendwo in der Mitte der nutzbaren Entfernung, und der Fokus divergiert – oder wird groß – in Entfernungen jenseits des Spitzenfokus 130 der Linse. Diese divergente Linsenfokussierung erzeugt volumenmittelnde Artefakte, die kleine Zysten und andere klinisch relevante, aber Merkmale von geringer Größe betreffende Informationen schlechter erkennbar werden lassen. Des Weiteren sind physikalische Linsen in der Praxis oft verlustbehaftet, was ihre effektive Nutzung weiter beeinträchtigt, weil sie aus Materialien bestehen, deren Schallausbreitungsgeschwindigkeit geringer ist als die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem Körper.
Das Höhenfokusproblem ist einschlägig bekannt, und es sind schon verschiedene Lösungsansätze zur Verbesserung der Scheibendicke, d. h. zur Verringerung der Scheibendicke, gelehrt worden. Zum Beispiel lehrt das US-Patent Nr. 4,670,683 an 't Hoen, dass elektronische Phasenver zögerungen zwischen verschiedenen Teilelementen in der Höhenrichtung die Scheibendickennachteile einer mechanischen Linse korrigieren können. Weil aber diese Erfindung zusätzlich zu einem Azimutverzögerungsmittel ein Verzögerungsmittel sowohl zum Senden als auch zum Empfangen zwischen "Mitten"- und "Seiten"-Elektroden in der Höhe erfordert, macht sie eine erhebliche Komplexität des Systems und des Wandlers erforderlich.
US-Patent Nr. 5,301,168 mit dem Titel "Ultrasonic transducer system", eingereicht am 19. Januar 1993, an Miller lehrt, dass ein Mehraperturwandlersystem, bei dem Elemente in mehrere Höhenaperturen unterteilt sind, zum Verbessern der Scheibendicke verwendet werden können. Jedoch ist die praktische Komplexität des Unterteilens von M Azimutkanälen in N Segmente in der Höhe – wobei die N Segmente zu E Aperturen gruppiert sind – ein wesentlicher Nachteil bei dieser Bauform. Damit jeder der M Kanäle E Aperturen haben kann, werden Schalter im Pfad des Hochfrequenz (HF)-Signals benötigt (siehe zum Beispiel das "Kombinationsnetzwerk" in 8 des Patents von Miller). Des Weiteren werden mechanisch segmentierte mechanische Linsen benötigt, um eine gute Scheibendicke für die variierenden Aperturen zu erreichen. Aufgrund der Kosten und Komplexität einer solchen Anordnung ist es wünschenswert, über eine Ultraschallsonde mit guter Scheibendicke zu verfügen, die sich einfacher herstellen lässt. Es ist ebenfalls wünschenswert, über Ultraschallsonden mit minimalen Verlusten infolge der Linsenverluste und ohne die Notwendigkeit von Kombinationsnetzwerkschaltern im HF-Pfad zu verfügen.
US-Patent Nr. 5,651,365 an Hanafy und Mitarbeiter lehrt, dass die Scheibendicke verbessert werden kann, indem man zwei Sätze miteinander verschachtelter Azimutwandlerelemente verwendet, wobei jeder Satz eine andere Höhenapertur aufweist. Ein Satz dient einem optimierten Fokus in einer bestimmten Entfernung, und der zweite Satz dient einer optimierten Abtastung in einer anderen Entfernung. Jedoch wirkt sich dieser Lösungsansatz negativ auf die Effizienz und/oder die seitliche Auflösung und/oder die Framerate aus.
US-Patent Nr. 5,415,175 an Hanafy und Mitarbeiter lehrt, dass durch Verändern der Dicke und Krümmung eines piezoelektrischen Elements entlang der Höhenrichtung diese frequenzabhängige Höhenfokussierung erreicht werden kann. Obgleich dem Fachmann bekannt ist, dass diese Erfindung zu Ultraschallsonden mit verbesserter Scheibendickenleistung im Vergleich zu herkömmlichen Sonden führt, ist die Höhenapertur für niederfrequente, relativ schmalbandige Signale wie zum Beispiel jene, die aus der Tiefe des Gewebes hervordringen, problematisch. Des Weiteren ist die Herstellung dieser gekrümmten Oberflächen kompliziert und folglich teuer.
US-Patent Nr. 6,381,197 an Savord und Mitarbeiter (zum Beispiel 5A und 5B des Patent an Savord) lehrt, dass Vorspannungsreihen in der Höhenrichtung eines mikrohergestellten Ultraschallwandlers (MUT) mit Vorspannungsquellen verbunden werden können und dass durch Verwenden dieser Vorspannungsquellen zur selektiven Energiebeaufschlagung der Höhenreihen die Höhenapertur eines MUT gesteuert werden kann. Das Patent an Savord lehrt des Weiteren, dass die Höhenapodisation durch Verändern der Verstärkung in der Höhenrichtung mit den Vorspannungsreihen erreicht werden kann. Inhärent in der Apodisationslehre von Savord ist die Komplexität von mehreren Vorspannungsquellen, die jeweils andere Spannungsamplituden aufweisen, was in der Praxis nicht wünschenswert ist. Wie von dem Patent an Savord gelehrt, ist die Steuerung der Apertur und der Apodisation durch Verändern der Größenordnung der Vorspannung an einem MUT nur im Empfangsbetrieb effektiv. Während der Übertragung kann der MUT nicht effektiv durch die Vorspannungsamplitude allein abgeschaltet werden und wird außerhalb seiner linearen Reichweite betrieben, das heißt, dass der Sendeimpuls selbst im Wesentlichen den Wandler vorspannt. Es ist daher wünschenswert, ein Mittel zur Apertursteuerung bereitzustellen, das im Sende- und im Empfangsbetrieb gleichermaßen effektiv ist. Es ist ebenfalls wünschenswert, ein einfaches Mittel zur Apodisation bereitzustellen, das sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetrieb effektiv ist.
Die Autoren der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass eine sorgfältig erwogene räumliche Änderung des Vorzeichens der Vorspannung eine effektive Möglichkeit ist, die Sendestrahlung einer MUT-Oberfläche zu steuern. Durch die Autoren der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren festgestellt worden, dass das Verändern des Vorzeichens der Vorspannung zu einer 180-Grad-Phasenverschiebung der gesendeten Wellenfront führt und dass diese Phasenverschiebung dafür verwendet werden kann, Fresnellinseneffekte bei mikrohergestellten Ultraschallwandlern zu erzeugen. Das Patent von Savord lehrt weder eine solche Steuerung über eine räumliche Verteilung der Vorspannungspolarität, noch legt es eine solche Steuerung nahe.
Somit kann die Polarität der Vorspannung die Phase – zum Beispiel in der Höhe – sowohl der gesendeten als auch der empfangenen Ultraschallwellenform modulieren. Diese auf der Vorspannungspolarität basierende Phasenmodulation kann dafür verwendet werden, effektiv die Apertur eines MUT-Bauelements zu steuern, indem sowohl gesendete als auch empfangene Schallenergie präzise ausgelöscht wird. Diese auf der Vorspannungspolarität basierende Phasenmodulation kann auch dafür verwendet werden, einen Fokus im Fernfeld zu erzeugen, ohne eine mechanische Linse zu verwenden, oder die Fokussierung zu verstärken, wenn sie mit anderen Linsenmitteln kombiniert wird. Sie kann auch dafür verwendet werden, die Konstruktion und Implementierung von Sonden mit ausgezeichneter Scheibendickenleistung deutlich zu vereinfachen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Mittel zur Steuerung des Phasenprofils eines kapazitiven mikrohergestellten Ultraschallwandler (cMUT)-Elements oder einer Anordnung solcher Elemente durch verändern der räumlichen Verteilung des Vorzeichens der Vorspannung an der cMUT bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt einen cMUT bereit, der in der Höhenrichtung durch Verändern des Vorzeichens der angelegten Vorspannung in der Höhenrichtung fokussiert werden kann. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Höhenfokussierung ohne die Hilfe einer mechanischen Linse bewerkstelligt. Der cMUT der vorliegenden Erfindung bietet eine verbesserte Mehrreihenfokussierungsleistung ohne die Kosten und die Komplexität der Hochspannungsschalter, die in Mehrreihensonden benötigt werden, und ohne die Signalverschlechterung, zu der es kommt, wenn das HF-Signal diese verlustbehafteten Hochspannungsschalter passiert. Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein einfaches und effektives Mittel zum Steuern der Apertur eines mikrohergestellten Ultraschallwandlers sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetrieb bereit. Die vorliegende Erfindung stellt überdies ein Mittel zum Lenken des cMUT-Sendestrahls in der Höhenrichtung bereit.
Die vorliegende Erfindung erreicht diese und weitere Ziele durch Bereitstellen eines Verfahrens zum Steuern der Höhenscheibendicke sowohl im Nahfeld als auch im Fernfeld der nutzbaren Entfernung eines cMUTs. Die Nahfeldverbesserung erhält man durch Verkleinern sowohl der effektiven Abstrahlungs- als auch der effektiven Empfangsapertur. Im Fernfeld wird Phasenfokussierung angewendet, um die Scheibendicke zu verringern. In vielen Anwendungen von medizinischem Ultraschall ist es von Vorteil, das angezeigte Bild in mehrere "Pokalzonen" zu unterteilen, die aus einzelnen Sendeauslösungen stammen. Das Kombinieren dieser Fokalzonen führt zu einem zusammengesetzten Bild, das sich stärker einem konfokalen System annähert. Mit Apertursteuerung und Phasenfokussierung kann die Höhenfokallänge so geändert werden, dass sie an den Azimutfokus in jeder Fokalzone des Bildes angepasst ist.
Beide Effekte erreicht man durch Wechseln der Polarität der Vorspannung an der Höhenapertur. In einem mikrohergestellten Wandler kann man dies durch Teilen der gemeinsamen Elektrode, die in der Regel durchgängig ist, in mehrere Höhenelektroden erreichen und braucht keine zusätzlichen koaxialen Verbindungen zum Wandler, weil die gesamte Steuerung durch die Vorspannungspolarität ausgeführt wird. Des Weiteren liegen alle zu schaltenden Vorspannungsleitungen an HF-Erde an, was den Nachteil der Komplexität und Signalverschlechterung, wenn Schalter sich im Pfad der HF-Signale befinden, beseitigt.
Die Verkleinerung der effektiven Apertur bewerkstelligt man durch Wechseln der Polarität der Vorspannung an den Höhenelektroden mit ausreichend feiner räumlicher Auflösung, so dass die Felder von den betroffenen Elementen ausgelöscht werden. Die fokalzonenweise Erweiterung zum Fernfeldbetrieb funktioniert mittels Verwendung einer Fresnelzonenplatte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung geht aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher hervor. In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen entsprechende Elemente bezeichnen, ist Folgendes dargestellt:
1A-1C veranschaulichen die Benennungskonventionen sowie die herkömmlichen Fokussierungs- und Abtastrichtungen in einem typischen Mehrelementanordnungswandler, der in medizinischen Bilddarstellungsanwendungen verwendet wird.
2 veranschaulicht eine Draufsicht auf einen Wandler einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Wandlers einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 veranschaulicht das Schaltbild für das herkömmliche Wandlersystem.
5 veranschaulicht das Schaltbild für das Wandlersystem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A-6C veranschaulichen den Versuchsaufbau und die Versuchsergebnisse, die den Apertursteuerungsaspekt der vorliegenden Erfindung verifizieren.
7A-7B veranschaulichen Simulationsergebnisse, die herkömmliche Wandler mit der vorliegenden Erfindung vergleichen.
8 veranschaulicht Vorspannungsmuster, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun im Einzelnen unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die als veranschaulichende Beispiele der Erfindung dienen, damit der Fachmann die Erfindung praktizieren kann. Es ist zu beachten, dass die unten beschriebenen Figuren und Beispiele nicht den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung einschränken sollen. Wenn des Weiteren bestimmte Elemente der vorliegenden Erfindung teilweise oder vollständig mittels bekannter Komponenten implementiert werden können, werden nur jene Teile solcher bekannten Komponenten, die für das Verstehen der vorliegenden Erfindung erforderlich sind, beschrieben, und auf eine detaillierte Beschreibung anderer Teile solcher bekannten Komponenten wird verzichtet, um die Erfindung nicht in den Hintergrund treten zu lassen. Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung derzeitige und künftige bekannte Äquivalente der bekannten Komponenten, auf die zur Veranschaulichung in der vorliegenden Offenbarung verwiesen wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen kapazitiven mikrohergestellten Ultraschallwandler (cMUT) mit Steuerung der Höhenphase durch Änderung der Vorspannungspolarität bereit. Eine solche Steuerung der Höhenphase führt zu einfachen Ultraschallsonden mit ausgezeichneten Scheibendickenattributen. Des Weiteren führt eine exakt gesteuerte räumliche Änderung der Phase zu einer effektiven Möglichkeit, eine Steuerung sowohl der Sende- und der Empfangsapertur als auch der Apodisation zu bewerkstelligen. Des Weiteren können solche Wandler ihren Höhenfokus ohne Notwendigkeit einer verlustbehafteten mechanischen Linse erreichen. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine cMUT-Anordnung, die aus Wandlerelementen besteht, die Wandlerzellen aufweisen. Die cMUT-Anordnung ist angeschlossen, um Schaltungen zu steuern, die für die exakte räumliche Änderung der Phase mit Hilfe der Vorspannungspolarität sorgen.
2 und 3 veranschaulichen eine cMUT-Anordnung, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Es leuchtet dem Fachmann ein, dass ein Wandlerelement aus einer beliebigen Zahl von Wandlerzellen bestehen kann und dass eine cMUT-Anordnung aus einer beliebigen Zahl von Wandlerelementen bestehen kann. Die vorliegende Erfindung soll diese Veränderbarkeit beinhalten und nicht auf die dargestellten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein.
2 veranschaulicht eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer cMUT-Anordnung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, enthält die cMUT-Anordnung zwei Wandlerelemente 210, wobei jedes der Wandlerelemente drei Wandlerzellen 201, 202 und 203 enthält. Die cMUT-Anordnung 200 kann zum Beispiel derjenigen ähneln, die im US-Patent Nr. 6,271,620 , herausgegeben am 7. August 2001 an Ladabaum, mit dem Titel "Acoustic Transducer and Method of Making the Same", beschrieben ist. Das Wandlerelement 210B enthält drei Wandlerzellen 201B, 202B und 203B. Jede der Wandlerzellen 201B, 202B und 203B hat eine obere Elektrode 241B, 242B bzw. 243B, eine untere Elektrode (in 3 gezeigt) und eine Leerregion 231B, 232B bzw. 233B. Die Wandlerzellen 201B, 202B und 203B sind entlang ihrer oberen Elektroden 241B, 242B und 243B in der Höhenrichtung durch Intraelementzwischenverbindungen 251B und 252B miteinander verbunden. Entsprechende Wandlerzellen 201A-201B, 202A-202B und 203A-203B von benachbarten Wandlerelementen 210A-210B sind in der Azimutrichtung durch Interelementzwischenverbindungen 221B, 222B und 223B miteinander verbunden, so dass Höhenreihen entstehen. Der Querschnitt 3-3 von 2 ist in 3 gezeigt.
3 veranschaulicht einen Querschnitt des Wandlerelements 210B einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt, werden die Wandlerzellen 201B, 202B und 203B mittels der Verfahren ausgebildet, die zum Beispiel in der in gemeinsamem Besitz befindlichen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/898035 , eingereicht am 3. Juli 2001, an Ladabaum mit dem Titel "Method for Making Acoustic Transducer" offenbart sind. Zur Veranschaulichung kann die Wandlerzelle 201B in der folgenden Weise aufgebaut sein. Eine Schicht aus thermischem Oxid 320 wird auf einem Substrat 310 aufgewachsen. Eine erste leit fähige Schicht wird dann abgeschieden und geätzt, so dass die untere Elektrode 331B entsteht. Danach wird eine untere Isolationsschicht 340 abgeschieden. Auf der unteren Isolationsschicht wird eine Opferschicht abgeschieden und geätzt, was zu Opferabschnitten führt, die letztendlich zur Leerregion 231B werden. Eine mittlere Isolationsschicht 350 wird über den Opferabschnitten abgeschieden. Eine zweite leitfähige Schicht wird dann abgeschieden und geätzt, so dass die obere Elektrode 241B entsteht. Eine obere Isolationsschicht 360 wird dann über der oberen Elektrode 241B abgeschieden. An diesem Punkt werden die Opferabschnitte durch Durchgangslöcher hindurch weggeätzt, wobei die Durchgangslöcher anschließend mit Isolationsmaterial 370 gefüllt werden.
Die vorliegende Erfindung soll nicht die konkreten beispielhaften Geometrien der oben beschriebenen Wandlerelemente und -zellen und die Verfahren zu ihrer Herstellung einschränken. Außerdem sollen die Größe und Form der Wandlerzellen nicht auf ein einzelnes achteckiges Design beschränkt sein. Vielmehr könnte jede Wandlerzelle eine andere Größe und eine andere Form als jede der anderen Wandlerzellen aufweisen.
4 zeigt die externen Schaltkreisanschlüsse der herkömmlichen cMUT-Anordnung 100. Wie gezeigt, ist in der Regel ein einzelner Azimutelementanschluss 400 mit der oberen Elektrode einer einzelnen Reihe von Wandlerzellen verbunden, die ein Wandlerelement 110A der herkömmlichen cMUT-Anordnung 100 bilden. Alle unteren Elektroden der cMUT-Anordnung 100 sind gemeinsam verbunden 410 und darum gemeinsam vorgespannt.
5 zeigt die externen Schaltkreisanschlüsse der cMUT-Anordnung 200 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie bei der herkömmlichen Anordnung von 4 ist die obere Elektrode jedes Wandlerelements 210A extern mit einem Azimutelementanschluss 400 verbunden. Jedoch sind in dieser beispielhaften Ausführungsform die unteren Elektroden von entsprechenden Wandlerzellen von benachbarten Wandlerelementen miteinander verbunden, so dass Höhenreihen gebildet werden. Jede Höhenreihe ist extern mit einem separaten Ausgangskanal eines N × 2-Multiplexers 520 verbunden 510. Die Eingänge in den Multiplexer 520 sind eine positive 530 und eine negative 540 Vorspannung. Das Steuersignal des Multiplexers 520 kommt aus einer Nachschlagetabelle eines EPROM 550, die einen Zeiger einer Fokalzonennummer 560 verwendet.
Während des Betriebes der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 5 gezeigt, wird das Vorzeichen der Vorspannung zu den Höhenreihen geändert, um das Sendesignal für einige der Höhenelektroden zu invertieren. Dies hat den Effekt des Erzeugens einer Fresnelzonenplatte. Diese Fokussierung kann bei Übertragung wie auch bei Empfang bewerkstelligt werden. Aus Gründen der Einfachheit bezieht sich jedoch die folgende Beschreibung auf die Übertragung, aber der Empfang funktioniert in einer ähnlichen Weise.
Der Multiplexer routet entweder die positive oder die negative Vorspannung zu den N Höhenreihenverbindungen auf der Basis einer Nachschlagetabelle im EPROM 550. Jede Vorspannungsleitung ist eine HF-Erdung. Die Adresse des EPROM 550 ist zum Beispiel eine Nummer, die durch das System vergeben wird, und zwar auf der Basis des Erregungsspannungstimings, das der Sonde sagt, welche Fokalzone in Gebrauch ist, und optional Informationen über die Mittenfrequenz und Bandbreite des Erregungsimpulses. Daten im EPROM 550 wandeln dies in die Vorspannungsvorzeichenanordnung für eine bestimmte Fokalzone um, und die Brennweite der Zonenplatte wird durch dieses Vorspannungsvorzeichen bestimmt.
Die Zonenplatte, wie oben in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, funktioniert ähnlich wie eine klassische Fresnellinse, ist aber an die cMUT-Höhenfokussierung angepasst. Wenn sich zum Beispiel die Mitte der Höhenelektrode bei y_i befindet, dann ist die Phase ϕ_i, die zur Fokussierung in einer klassischen Fresnellinse benötigt wird:
wobei f die Frequenz ist, r der gewünschte Fokussierungsbereich ist und c die Schallgeschwindigkeit in dem interessierenden Medium ist. Jedoch sieht die vorliegende Erfindung keine kontinuierliche Phasenverschiebung vor wie eine klassische Fresnellinse. Vielmehr sieht die vorliegende Erfindung diskrete 180-Grad-Phasenverschiebungen vor. Sie ist im Wesentlichen eine cMUT-Zonenplatte. Darum miss die ideale kontinuierliche Phasenänderung in diskrete Vorzeicheninformationen umgewandelt werden, um die cMUT-Vorspannungen zu erhalten: s_i = Vorzeichen (mod(ϕ_i, 2π)– π). Glücklicherweise ist die notwendige Höhenfokussierung mit einer Mehrreihensonde recht grob, so dass diese einfache Anordnung die unerwünschte Außerebenenenergie auf den -20 dB-Pegel verringert, der ausreicht, um alle Verbesserungen in dem Bild aufzuzeigen, die mit einem praktischen Mehrreihenwandler (d. h. 5-6 Reihen) möglich gemacht werden.
Dem Fachmann ist bewusst, dass es zahlreiche Verfahren und Schaltkreise gibt, mit deren Hilfe positive und negative Vorspannungen mit den Höhenreihen der vorliegenden Erfindung verbunden und kombiniert werden können. Diese zusätzlichen Vorspannungsverbindungsverfahren und Schaltkreise sind als in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung aufgenommen anzusehen.
Genauer gesagt, kann in einer anderen Ausführungsform die Multiplexer-EPROM-Kombination der vorliegenden Erfindung durch jede beliebige einschlägig bekannte Verknüpfungs- und Auswahlschaltungs-Kombination ersetzt werden. Es können zum Beispiel solche Komponenten wie diskrete Relais, diskrete Transistoren, Festkörpertransistoren und andere Festkörperschalter verwendet werden. Gleichermaßen kann, statt dass der EPROM mehrere in Echtzeit wählbare Polaritätsmuster speichert, eine manuelle Musterauswahlschaltung verwendet werden. Des Weiteren können die positiven und negativen Vorspannungen der vorliegenden Erfindung direkt mit den Höhenreihen oder direkt mit den Schaltkomponenten festverdrahtet sein. In dieser Ausführungsform ist das Polaritätsmuster für eine bestimmte Anwendung vorgewählt, und die entsprechende Vorspannung ist direkt mit der entsprechenden Höhenreihe oder dem entsprechenden Höhenreihenschalter gemäß dem vorgewählten Polaritätsmuster verbunden. Schließlich kann in dieser Ausführungsform der MUT-Baustein der vorliegenden Erfindung eine Kombination aus festverdrahteten und geschalteten Vorspannungen aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform können die positive und die negative Vorspannung entweder diskret aus dem MUT-Baustein der vorliegenden Erfindung heraus erzeugt werden, lokal in dem MUT-Baustein der vorliegenden Erfindung erzeugt werden oder eine Kombination aus diskret und lokal erzeugt sein. In dem ersten Aspekt dieser Ausführungsform, der diskreten Erzeugung, können die Vorspannungen zum Beispiel in den Anwendungssondenbezeichner aufgenommen sein oder an anderer Stelle im Anwendungssystem erzeugt werden. In diesem Aspekt können die Vorspannungen zum Beispiel an den MUT-Baustein mittels Drähten, Kabeln, Kabelbäumen, Verbindern und dergleichen gebunden sein. In dem zweiten Aspekt dieser Ausführungsform, der lokalen Erzeugung, kann die Vorspannungserzeugungsschaltung neben dem MUT-Baustein auf demselben oder auf einem benachbarten Chip oder unter dem MUT-Baustein innerhalb des MUT-Baustein-Substrats enthalten sein.
In einer weiteren Ausführungsform können die positiven und negativen Vorspannungen mehr als die zwei sein, die in 5 gezeigt sind. Genauer gesagt, kann während des Betriebes jede MUT-Höhenreihe zum Beispiel ihre eigene bestimmte Vorspannung haben, wobei diese Vorspannung eine bestimmte Kombination aus Amplitude und Polarität ist. Außerdem könnte in dieser Ausführungsform die Menge an Vorspannungen größer sein als die Menge an Höhenreihen, wobei einige Vorspannungen für bestimmte Anwendungen verwendet werden, während andere für andere Anwendungen verwendet werden.
Für eine beste Bildqualität ist es notwendig, die Höhenapertur im Nahfeld reduzieren zu können. Das Wechseln der Vorspannung, wie in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Höhenelektroden die Größenordnung von einer halben Wellenlänge in der Breite haben, ist ein effektives Verfahren zum Auslöschen des Schallausgangs und kann für die Apertursteuerung und Apodisation verwendet werden. 6A 6C veranschaulichen die Durchführbarkeit eines solchen Lösungsweges.
6A veranschaulicht einen konkreten Aufbau eines Experiments, bei dem 3 Azimutelemente 210A-C einer cMUT-Anordnung 200 mit einem Sendekanal verbunden sind. Die gesamte Anordnung besteht aus 192 Azimutelementen mit einer Mittenfrequenz von 10 MHz, aber nur 3 Azimutelemente werden im vorliegenden Experiment verwendet. Die Anordnung 200 enthält zwei Sätze Höhenelektroden 220A und 220B. Diese Elektroden sind ungefähr 100 Mikrometer breit und verbinden die cMUT-Zellen von benachbarten Elementen 210A, 210B und 210C in einer wechselnden (d. h. ineinandergreifenden) Weise mit der Vorspannung V-biasL 540 oder V-biasR 530. Die Elemente 210A C sind jeweils zum Beispiel ungefähr 200 Mikrometer breit.
6B veranschaulicht die relative Stärke eines empfangenen Signals durch ein Hydrophon, wenn die Anordnungselemente 210A-C von 6A gleichmäßig in der Höhe vorgespannt sind und wenn ihre Höhenvorspannung alle 100 Mikrometer gewechselt wird. Der Sendeimpuls in diesem Experiment war relativ zur Größenordnung der V-Vorspannung gering. Wie in 6B zu sehen ist, kann ein Wechseln der Vorspannung von cMUT-Höhenreihen praktisch diese Sektion des Bausteins abschalten, was durch die ungefähr 25 dB relative Differenz bei 10 MHz belegt wird.
6C veranschaulicht die Durchführbarkeit eines weiteren Aspekts der Ausführungsform von 6A, der darin besteht, dass, wenn Sendespannungen im Vergleich zur Größenordnung der V-Vorspannung groß sind, der Wandler nicht-linear arbeitet. Bei diesen relativ großen Sendespannungen kann es notwendig sein, unterschiedliche Größenordnungen von positiven und negativen Vorspannungen anzulegen. Wie in 6C zu sehen ist, sind 25 dB Trennung möglich, wenn positive und negative Vorspannungen mit Größenordnungen von 65 V bzw. 120 V gewechselt werden. Positive und negative Vorspannungen von gleicher Größenordnung sind beim Auslöschen des abgestrahlten Schalls weniger effektiv, weil der Druck, der durch eine relativ große Sendespannung in der Richtung der Vorspannung erzeugt wird, von dem Druck verschieden ist, der durch eine relativ große Sendespannung in der Richtung, die der Vorspannung entgegengesetzt ist, erzeugt wird.
Die 7A-7B veranschaulichen die Verbesserungen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zur herkömmlichen 1D-Sonde und einer beispielhaften zum Stand der Technik gehörenden mehrreihigen piezoelektrischen Wandleranordnung. Wie in den Simulationen gezeigt, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine verbesserte Fernfeldstrahlbreite sowohl auf dem -3 dB- als auch auf dem -20 dB-Pegel. Diese Verbesserung entstammt der Verwendung der Fresnellinsenattribute der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung bietet ebenso Nahfeldverbesserungen, die das Ergebnis der Apertursteuerungsattribute sind, die in den 6A-6C verifiziert wurden. Die Simulationen der 7A-7B basieren auf einer Konstruktion aus 52 Höhenreihen mit einer Breite von jeweils ungefähr 100 Mikrometern, die in verschiedenen Fokalzonen mit verschiedenen Vorspannungsmustern betrieben werden.
Da die Fokussierung und Apertursteuerung der vorliegenden Erfindung ungewöhnlich ist, ist es möglich, aber unwahrscheinlich, dass das Zuweisen des Vorspannungsmusters durch einen einfachen Algorithmus wie zum Beispiel das oben beschriebene Fresnelschema zu der optimierten Leistung führt. Darum wurde die EPROM-Architektur eingeführt, so dass auf Vorspannungsmuster, die aus zeitaufwändigen Optimierungsberechnungen resultieren, praktisch in einer echten Sonde zugegriffen werden kann. Zum Beispiel veranschaulicht 8 Vorspannungsmuster für die Höhensteuerleitungen, die benutzt werden können, um den 15 mm- und den 50 mm-Fokus (in der Entfernungsrichtung) der Sonde zu verbessern, der in den 7A-7B simuliert ist. Es versteht sich jedoch, dass es eine praktisch unendliche Kombination aus Polaritätsmustern und Vorspannungen gibt und dass diese Kombinationen als in den Geltungsbereich des MUT-Bausteins der vorliegenden Erfindung aufgenommen anzusehen sind.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit einer Höhenfokussierung, die mit Hilfe wechselnder Vorspannungen bewerkstelligt wird, die herkömmliche Polymerlinse überflüssig. Eine solche Sonde profitiert von der Tatsache, dass Verluste in der Linse vermieden werden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Höhenfokussierung unter Verwendung sowohl einer Vorspannungspolaritätsapertursteuerung als auch einer Form von mechanischer Linse bewerkstelligt. Diese mechanische Linse kann entweder eine herkömmliche Polymerlinse oder eine Wandlerkrümmung sein. Des Weiteren kann eine Fresnel linse zur Fokusoptimierung über die Fokalzone der mechanischen Linse hinaus angewendet werden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Vorspannungsmuster zwischen Sende- und Empfangsstrahlen geändert werden, so dass ein Mehrfokalzonenbetrieb, wie man ihn auf dem Gebiet der Mehrreihensonden kennt, möglich ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der cMUT-Strahl in der Höhenrichtung gelenkt werden. Wenn die Amplituden und die Polaritäten der Vorspannungen geändert werden, so kann die Fokussierung des cMUT-Strahls nicht-normal zur Mitte der cMUT-Elemente in der Höhenrichtung erfolgen. Die Nichtnormalität ist dergestalt, dass der Mittelpunkt des Spitzenhöhenfokus' in der Höhenrichtung zur Mitte der Wandlerelemente in der Höhenrichtung mittenverschoben ist.
Obgleich die vorliegende Erfindung konkret anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, erkennt der Durchschnittsfachmann ohne Weiteres, dass Änderungen und Modifikationen in der Form und im Detail vorgenommen werden können, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel leuchtet dem Fachmann ein, dass Änderungen beim Typ, der Anzahl und der Anordnung von Komponenten, die in den obigen Schaubildern veranschaulicht sind, vorgenommen werden können. Die Multiplexer-EPROM-Konfiguration kann problemlos durch andere Komponenten ersetzt werden. Des Weiteren können mehr als zwei Vorspannungen mit variierenden Kombinationen von Größenordnungen und Mehrzahlen durch die vorliegende Erfindung verwendet werden und sind als innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegend anzusehen. Es ist beabsichtigt, dass die angehängten Ansprüche derartige Änderungen, Modifikationen und Kombinationen beinhalten.

Claims

Wandlerelement, umfassend: mehrere Wandlerzellen, wobei jede Wandlerzelle ein Paar Elektroden enthält; und einen Schaltkreis, der dafür geeignet ist, eine von mehreren Vorspannungen an jedes Paar Elektroden anzulegen, wobei: die mehreren Vorspannungen eine positive Vorspannung und eine negative Vorspannung enthalten; die positive Vorspannung als die eine Vorspannung an wenigstens ein erstes Paar Elektroden angelegt wird; und die negative Vorspannung als die eine Vorspannung an wenigstens ein zweites Paar Elektroden angelegt wird.
Wandlerelement nach Anspruch 1, wobei: jedes Paar Elektroden eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode enthält; und der Schaltkreis umfasst: einen ersten Verbindungsknoten, der die erste Elektrode jedes Paares Elektroden enthält; mehrere zweite Verbindungsknoten, wobei jeder zweite Verbindungsknoten die zweite Elektrode wenigstens eines Paares Elektroden enthält; und Verbindungsschaltungen, die dafür geeignet sind, die mehreren Vorspannungen zwischen dem ersten Verbindungsknoten und den mehreren zweiten Verbindungsknoten zu koppeln.
Wandlerelement nach Anspruch 2, wobei die Verbindungsschaltungen wenigstens eines der Folgenden umfassen: wenigstens einen Multiplexer; wenigstens ein Relais; wenigstens einen Transistor; und Festverdrahtung.
Wandlerelement nach Anspruch 3, wobei die Verbindungsschaltungen umfassen: mehrere Vorspannungseingänge, die mit den mehreren Vorspannungen verbunden sind; mehrere Vorspannungsausgänge, die mit den mehreren zweiten Verbindungsknoten verbunden sind; und einen Auswahleingang, wobei der Auswahleingang mit einem bezeichneten Vorspannungsmuster verbunden ist.
Wandlerelement nach Anspruch 4, das des Weiteren Auswahlschaltungen umfasst, die dafür geeignet sind, das bezeichnete Vorspannungsmuster zu identifizieren.
Wandlerelement nach Anspruch 5, wobei die Auswahlschaltungen umfassen: eine Speichereinheit, wobei die Speichereinheit eine Nachschlagetabelle enthält, die wenigstens ein Vorspannungsmuster enthält; und ein Mittel zum Zeigen auf das bezeichnete Vorspannungsmuster aus der Nachschlagetabelle heraus.
Wandlerelement nach Anspruch 6, wobei die Speichereinheit ein löschbarer programmierbarer Nurlesespeicher (EPROM) ist.
Wandlerelement nach Anspruch 6, wobei: das wenigstens eine Vorspannungsmuster einer Fokalzonennummer entspricht; und das Mittel zum Zeigen einen vom System erzeugten Fokalzonennummernzeiger enthält.
Wandlerelement nach Anspruch 1, wobei die positive Vorspannung eine andere Amplitude hat als die negative Vorspannung.
Wandlerelement nach Anspruch 1, wobei die mehreren Vorspannungen diskret und separat von dem Wandlerelement erzeugt werden.
Wandlerelement nach Anspruch 1, wobei die mehreren Vorspannungen lokal im Wandlerelement erzeugt werden.
Wandlerelement nach Anspruch 1, wobei der Schaltkreis in Abhängigkeit von der Zeit eine Amplitude und eine Polarität für wenigstens eine Vorspannung der mehreren Vorspannungen verändert.
Wandlerelement nach Anspruch 12, wobei die Amplitude und die Polarität so verändert werden, dass der Höhenfokus in einer Entfernungsrichtung sich von dem eines gleichmäßig vorgespannten Wandlerelements unterscheidet.
Wandlerelement nach Anspruch 12, wobei die Amplitude und die Polarität so verändert werden, dass ein Mittelpunkt eines Spitzenhöhenfokus' in einer Höhenrichtung relativ zu dem Wandlerelement in der Höhenrichtung mittenverschoben ist.
Wandleranordnung, umfassend: mehrere Wandlerelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Wandleranordnung nach Anspruch 15, wobei: jedes Paar Elektroden eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode enthält; und der Schaltkreis umfasst: mehrere erste Verbindungsknoten, wobei jeder erste Verbindungsknoten die ersten Elektroden der mehreren Wandlerzellen wenigstens eines Wandlerelements enthält; mehrere zweite Verbindungsknoten, wobei jeder zweite Verbindungsknoten die zweite Elektrode wenigstens einer Wandlerzelle jedes Wandlerelements enthält; und Verbindungsschaltungen, die dafür geeignet sind, die mehreren Vorspannungen zwischen den mehreren ersten Verbindungsknoten und den mehreren zweiten Verbindungsknoten zu koppeln.
Wandleranordnung nach Anspruch 16, wobei die Verbindungsschaltungen wenigstens eines der Folgenden umfassen: wenigstens einen Multiplexer; wenigstens ein Relais; wenigstens einen Transistor; und Festverdrahtung.
Wandleranordnung nach Anspruch 17, wobei die Verbindungsschaltungen umfassen: mehrere Vorspannungseingänge, die mit den mehreren Vorspannungen verbunden sind; mehrere Vorspannungsausgänge, die mit den mehreren zweiten Verbindungsknoten verbunden sind; und einen Auswahleingang, wobei der Auswahleingang mit einem bezeichneten Vorspannungsmuster verbunden ist.
Wandleranordnung nach Anspruch 18, die des Weiteren Auswahlschaltungen umfasst, die dafür geeignet sind, das bezeichnete Vorspannungsmuster zu identifizieren.
Wandleranordnung nach Anspruch 19, wobei die Auswahlschaltungen umfassen: eine Speichereinheit, wobei die Speichereinheit eine Nachschlagetabelle enthält, die wenigstens ein Vorspannungsmuster enthält; und ein Mittel zum Zeigen auf das bezeichnete Vorspannungsmuster aus der Nachschlagetabelle heraus.
Wandleranordnung nach Anspruch 20, wobei die Speichereinheit ein löschbarer programmierbarer Nurlesespeicher (EPROM) ist.
Wandleranordnung nach Anspruch 20, wobei: das wenigstens eine Vorspannungsmuster des Weiteren einer Fokalzonennummer enthält; und das Mittel zum Zeigen einen vom System erzeugten Fokalzonennummernzeiger enthält.
Wandleranordnung nach Anspruch 22, wobei der vom System erzeugte Fokalzonennummernzeiger von einem Timing einer Erregungsspannung hergeleitet wird, die an jedes der mehreren Wandlerelemente angelegt wird.
Wandleranordnung nach Anspruch 15, wobei die positive Vorspannung eine andere Amplitude hat als die negative Vorspannung.
Wandleranordnung nach Anspruch 15, wobei die mehreren Vorspannungen diskret und separat von dem Wandlerelement erzeugt werden.
Wandleranordnung nach Anspruch 15, wobei die mehreren Vorspannungen lokal im Wandlerelement erzeugt werden.
Wandleranordnung nach Anspruch 15, wobei der Schaltkreis in Abhängigkeit von der Zeit eine Amplitude und eine Polarität für wenigstens eine Vorspannung der mehreren Vorspannungen verändert.
Wandleranordnung nach Anspruch 27, wobei die Amplitude und die Polarität so verändert werden, dass der Höhenfokus in einer Entfernungsrichtung sich von dem einer gleichmäßig vorgespannten Wandleranordnung unterscheidet.
Wandleranordnung nach Anspruch 27, wobei die Amplitude und die Polarität so verändert werden, dass ein Mittelpunkt eines Spitzenhöhenfokus' in einer Höhenrichtung relativ zu der Wandleranordnung in der Höhenrichtung mittenverschoben ist.
Wandleranordnung nach Anspruch 16, wobei: die mehreren Wandlerelemente in einer Azimutrichtung nebeneinander angeordnet sind, dergestalt, dass aufeinanderfolgend nummerierte Wandlerzellen eines ersten Wandlerelements in einer Höhenrichtung auf gleiche aufeinanderfolgend nummerierte Wandlerzellen aller anderen Wandlerelemente ausgerichtet sind; und jeder zweite Verbindungsknoten eine angrenzende Teilmenge der zweiten Elektroden der aufeinanderfolgend nummerierten Wandlerzellen von benachbarten Wandlerelementen enthält.
Wandleranordnung nach Anspruch 30, wobei: die mehreren Wandlerelemente wenigstens 36 Wandlerelemente enthalten; jedes Wandlerelement eine erste Breite in der Azimutrichtung von wenigstens einer halben Wellenlänge bei einer interessierenden Frequenz hat; jeder erste Verbindungsknoten mit einem HF-Kanal eines Ultraschallsystems verbunden ist; und die angrenzende Teilmenge eine zweite Breite in der Höhenrichtung von wenigstens einer Viertel Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz hat.
Verfahren zum Steuern einer Wandleranordnung, wobei die Wandleranordnung mehrere Wandlerelemente enthält, wobei jedes Wandlerelement mehrere Wandlerzellen enthält, wobei jede Wandlerzelle ein Paar Elektroden enthält, umfassend den folgenden Schritt: Anlegen einer von mehreren Vorspannungen an jedes Paar Elektroden, wobei: die mehreren Vorspannungen eine positive Vorspannung und eine negative Vorspannung enthalten; die positive Vorspannung als die eine Vorspannung an wenigstens ein erstes Paar Elektroden angelegt wird; und die negative Vorspannung als die eine Vorspannung an wenigstens ein zweites Paar Elektroden angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, das des Weiteren folgende Schritte umfasst: Verbinden einer ersten Elektrode jedes Paares Elektroden der mehreren Wandlerzellen wenigstens eines Wandlerelements dergestalt, dass mehrere erste Verbindungsknoten entstehen; Verbinden einer zweiten Elektrode jedes Paares Elektroden wenigstens einer Wandlerzelle jedes Wandlerelements dergestalt, dass mehrere zweite Verbindungsknoten entstehen, und Koppeln der mehreren Vorspannungen zwischen die mehreren ersten Verbindungsknoten und die mehreren zweiten Verbindungsknoten.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Schritt des Koppelns einen Multiplexer verwendet.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Schritt des Koppelns Verbindungsschaltungen verwendet, die wenigstens eines der Folgenden umfassen: wenigstens einen Multiplexer; wenigstens ein Relais; wenigstens einen Transistor; und Festverdrahtung.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Verwenden der Verbindungsschaltungen umfasst: Verbinden der mehreren Vorspannungen mit mehreren Vorspannungseingängen des Multiplexers; Verbinden der mehreren zweiten Verbindungsknoten mit mehreren Vorspannungsausgängen des Multiplexers; und Verbinden eines bezeichneten Vorspannungsmusters mit einem Auswahleingang des Multiplexers.
Verfahren nach Anspruch 36, des Weiteren umfassend den Schritt des Identifizierens des bezeichneten Vorspannungsmusters.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei das Identifizieren des bezeichneten Vorspannungsmusters umfasst: Verbinden einer Speichereinheit mit dem Auswahleingang, wobei die Speichereinheit eine Nachschlagetabelle enthält, die wenigstens ein Vorspannungsmuster enthält; und zeigen auf das bezeichnete Vorspannungsmuster aus der Nachschlagetabelle heraus.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Speichereinheit ein löschbarer programmierbarer Nurlesespeicher (EPROM) ist.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei: das wenigstens eine Vorspannungsmuster des Weiteren eine Fokalzonennummer enthält; und das zeigen das Verwenden eines vom System erzeugten Fokalzonennummernzeigers enthält.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der vom System erzeugte Fokalzonennummernzeiger von einem Timing einer Erregungsspannung hergeleitet wird, die an jedes der mehreren Wandlerelemente angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die positive Vorspannung eine Amplitude von einer anderen Größenordnung hat als die negative Vorspannung.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Schritt des Anlegens der mehreren Vorspannungen in Abhängigkeit von der Zeit eine Amplitude und eine Polarität für wenigstens eine der mehreren Vorspannungen verändert.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Amplitude und die Polarität so verändert werden, dass ein Höhenfokus in einer Entfernungsrichtung sich von dem einer gleichmäßig vorgespannten Wandleranordnung unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Amplitude und die Polarität so geändert werden, dass ein Mittelpunkt eines Spitzenhöhenfokus' in einer Höhenrichtung rela tiv zu der Wandleranordnung in der Höhenrichtung mittenverschoben ist.
Verfahren nach Anspruch 33, das des Weiteren folgende Schritte umfasst: Ausrichten der mehreren Wandlerelemente in einer Azimutrichtung nebeneinander, dergestalt, dass aufeinanderfolgend nummerierte Wandlerzellen eines ersten Wandlerelements in einer Höhenrichtung auf gleiche aufeinanderfolgend nummerierte Wandlerzellen aller anderen Wandlerelemente ausgerichtet sind; und Aufnehmen in jeden zweiten Verbindungsknoten einer angrenzenden Teilmenge der zweiten Elektroden der aufeinanderfolgend nummerierten Wandlerzellen von benachbarten Wandlerelementen.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei: die mehreren Wandlerelemente wenigstens 36 Wandlerelemente enthalten; jedes Wandlerelement eine erste Breite in der Azimutrichtung von wenigstens einer halben Wellenlänge bei einer interessierenden Frequenz hat; jeder erste Verbindungsknoten mit einem HF-Kanal eines Ultraschallsystems verbunden ist; und die angrenzende Teilmenge eine zweite Breite in der Höhenrichtung von wenigstens einer Viertel Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz hat.