用于电容式微加工超声换能器的偏置控制

摘要

公开了一种用于电容式微加工超声换能器的偏置控制。在一些示例中，CMUT可包括多个电极，并且每个电极可包括多个子电极。例如，第一子电极和第二子电极可被设置在第三子电极的相对侧上。在一些情形中，第一偏置电压可被施加到第三子电极并且第二偏置电压可被施加到第一和第二子电极，同时使得第一子电极、第二子电极、或第三子电极中的至少一者发射和/或接收超声能量。例如，第二偏置电压可以以与第一偏置电压不同的电压量来进行施加，和/或可以以与第一偏置电压不同的时序来进行施加。

说明书

技术领域

本文的一些示例涉及电容式微加工超声换能器(CMUT)，诸如可用于超声成像。

背景技术

超声换能器被广泛地用于许多不同领域，包括超声成像。在常规的现代医疗成像应用中，超声换能器通常由压电材料构造成。一种常用的压电材料是锆钛酸铅(PZT)。然而，PZT的阻抗通常高于30兆瑞利，而人体组织的阻抗为大约1.5兆瑞利。为了减少这种巨大的阻抗失配，可在PZT换能器和被成像的组织之间放置一个或多个匹配层。由于通常基于四分之一波长原理来选择匹配层，因此具有匹配层的PZT换能器的带宽可被限制成80％或更少的带宽。

电容式微加工超声换能器(CMUT)已被开发用于各种应用，包括医疗超声成像。CMUT可在不具有匹配层的情况下被使用，并且因此能以极宽的带宽(例如，大于或等于100％)来工作。类似于PZT换能器，CMUT换能器可由电脉冲来激活以生成在组织中传播的声学信号；然而，与PZT换能器不同的是，CMUT换能器可采用附加的偏置(bias)电压，诸如当从组织接收回波信号时。传统上，偏置电压可以是在成像操作期间保持恒定的DC电压。

另外，超声换能器阵列可被分类成三种或更多种不同的阵列类型，其包括由多个CMUT元件组成的一维(1D)阵列、一点五维(1.5D)阵列以及二维(2D)阵列。例如，1D阵列可包括仅以一维(例如，横向维度)布置的多个CMUT元件。两个毗邻元件之间的间隔对于线形阵列通常可为一个波长，或对于相控阵通常可为半波长。1.5D阵列可包括在横向维度上的多个元件以及在垂直维度上的至少两个子元件。两个毗邻子元件之间的间隔可远大于波长。2D阵列可包括布置在横向维度和垂直维度两者上的多个元件。作为一个示例，两个毗邻元件之间的间隔在横向和垂直维度两者上均可以是半波长。1.5D阵列和2D阵列的元件和子元件的数目通常可显著大于相应的成像系统的信道的数目。

发明内容

本文中的一些实现包括用于具有多个相同CMUT单元的CMUT的技术和布置。该CMUT可具有两个电极，并且这两个电极中的至少一者可包括多个子电极。在一些情形中，该CMUT可包括对应于多个子电极的多个区域。例如，该CMUT可包括具有第一子电极的第一区域、以及具有第二子电极的第二区域。在将该CMUT用于发送或接收超声能量中的至少一者期间，处理器可被配置成使得偏置电压电源向第一子电极供应第一偏置电压并向第二子电极供应第二偏置电压。例如，第一偏置电压可以不同于第二偏置电压。

作为另一示例，本文中的一些实现包括用于在不同区域中具有不同CMUT单元的CMUT的技术和布置。该CMUT可具有两个电极，并且这两个电极中的至少一者可包括与多个偏置可控区域相对应的多个子电极。例如，该CMUT可包括具有一个或多个第一CMUT单元的含第一子电极的第一偏置可控区域、以及具有一个或多个第二CMUT单元的含第二子电极的第二偏置可控区域。这些第二CMUT单元可不同于那些第一CMUT单元，诸如结构上不同、功能上不同等等。在将该CMUT用于发送或接收超声能量中的至少一者期间，处理器可被配置成使得偏置电压电源向第一子电极供应第一偏置电压并向第二子电极供应第二偏置电压。例如，第一偏置电压可以不同于第二偏置电压。

作为另一示例，一些实现包括一种CMUT阵列，其可包括多个元件，并且每个元件具有两个电极，且两个电极中的至少一者具有多个子电极。每个元件可包括多个偏置可控区域，并且每个偏置可控区域可对应于沿垂直方向的一个或多个子电极。不同偏置可控区域中的CMUT单元可以是相同的或不同的。例如，具有第一子电极的第一偏置可控区域和具有第二子电极的第二偏置可控区域可被设置在具有第三子电极的第三偏置可控区域的相对侧上。在一些情形中，第一偏置电压可被施加于第三子电极并且第二偏置电压可被施加于第一和第二子电极，而此时使得第一偏置可控区域、第二偏置可控区域、或第三偏置可控区域中的至少一者传送和/或接收超声能量。例如，第二偏置电压可以不同于第一偏置电压的电压量来被施加，和/或可以不同于第一偏置电压的时序来被施加。

作为另一示例，一些实现包括多维CMUT阵列(例如，1.25D、1.5D、1.75D、或类似等)，其可包括多个元件，并且每个元件可包括沿垂直方向的多个子元件。每个子元件可包括两个电极，并且这两个电极中的至少一者可包括多个子电极。每个子元件可包括多个偏置可控区域，并且每个偏置可控区域可对应于沿垂直方向的子电极。例如，第一偏置可控区域可包括第一子电极，并且第二偏置可控区域可包括第二子电极。在一些情形中，第一偏置电压可被施加于第一子电极并且第二偏置电压可被施加于第二子电极，而此时使得第一区域或第二区域中的至少一者传送和/或接收超声能量。例如，第二偏置电压可以不同于第一偏置电压的电压量来被施加，和/或可以不同于第一偏置电压的时序来被施加。

附图说明

参考所附附图来说明具体实施方式。在附图中，附图标记最左边的数字标识该附图标记首次出现的附图。在不同附图中使用相同的附图标记来指示相似或相同的项或特征。

图1A-1D示出根据一些实现的示例CMUT。

图2A-2D示出根据一些实现的示例CMUT元件。

图3A-3D示出根据一些实现的CMUT阵列的示例。

图4示出了根据一些实现的用于CMUT元件的系统连接的示例电路。

图5示出了根据一些实现的用于CMUT元件的系统连接的示例电路。

图6是示出根据一些实现的包括一个或多个CMUT的超声系统的示例配置的框图。

图7是示出根据一些实现的偏置电压电源的组件选集示例的框图。

图8示出根据一些实现的偏置电压发生器的示例。

图9示出根据一些实现的偏置电压发生器的示例。

图10示出根据一些实现的偏置电压发生器的示例。

图11示出根据一些实现的示例图表，该图表示出CMUT灵敏度相对于偏置电压的曲线图。

图12A–12C示出根据一些实现的深度相对于垂直射束曲线图的示例图表。

图13示出根据一些实现的用于控制垂直孔径增长的示例偏置发生器布置。

图14A-14G示出根据一些实现的示出偏置电压相对于时间的示例图表。

图15A–15B示出根据一些实现的焦点深度和偏置电压的示例的图表。

图16是示出根据一些实现的用于向子元件施加偏置电压的示例过程的流程图。

图17是示出根据一些实现的用于向子元件施加偏置电压的示例过程的流程图。

具体实施方式

本文中的一些实现包括用于选择性地改变用于CMUT、CMUT阵列的元件或子元件、或其他CMUT的垂直孔径大小和/或变迹模式的技术和布置。例如，孔径和/或变迹的改变可通过调节施加于CMUT的选定区域的偏置电压来达成。作为一个示例，不同的偏置电压可被施加在CMUT中不同的偏置可控区域处，这使得该CMUT的属性在这些不同的偏置可控区域中能个体地变动。相应地，在一些情形中，偏置电压可被调节以控制该CMUT的有效孔径大小和/或变迹模式。此外，在一些实现中，可使偏置电压随时间而变动，以使得该CMUT的有效孔径大小和/或变迹模式可相应地随时间变动。此改变可以是连续的或离散的，诸如包括多个步进的改变。

本文中的一些实现包括能够用于各种超声应用(包括超声成像)的CMUT。例如，用于CMUT阵列的有效孔径和/或变迹可被控制以达成想要的功能性。在一些情形中，CMUT阵列的孔径和/或变迹可以通过改变施加于该阵列内的CMUT元件、子元件、或CMUT元件或子元件的区域的偏置电压来可控地随时间改变。此外，孔径大小和/或变迹模式的连续改变可通过随时间推移逐渐地改变CMUT偏置电压来达成。一些示例包括向CMUT阵列中的元件或子元件的不同偏置可控区域施加不同偏置电压，并且所施加的偏置电压可以是恒定的(如在直流(DC)的情形中那样)、或是随时间变动的函数(如在交流(AC)的情形中那样)。

进一步，一些实现包括以至少两个偏置可控区域中不同的偏置电压来操作CMUT，其可为CMUT阵列(例如，1D、1.25D、1.5D、1.75D、或2D阵列)中的元件或子元件。例如，一些示例可包括向CMUT阵列中的CMUT元件或CMUT子元件的不同偏置可控区域供应不同的偏置电压，并且生成渐增的偏置电压。

CMUT(诸如CMUT阵列的元件或子元件)可包括布置成相互靠近且在其之间有换能空间的至少两个电极。这两个电极中的一者可移向/离另一者以执行声学能量与电能量之间的能量转换。电极的移动将声学能量与毗邻介质相耦合。在本文中的一些示例中，相应各个CMUT的换能效率可以至少部分地基于在这两个电极之间施加的偏置电压，并且相应地，本文中的实现可使用该偏置电压来控制换能效率。

换能效率可包括传送(TX)灵敏度、接收(RX)灵敏度、或TX灵敏度与RX灵敏度的组合。本文中的CMUT的频率响应(例如，中心频率、带宽等)可以至少部分地由CMUT结构和该介质的机械属性(例如，谐振频率)来决定。例如，对于具有振动膜的CMUT，该CMUT的中心频率至少部分地由该膜的谐振频率(尤其是一阶谐振频率)以及该介质的负载来决定。例如，通过使用偏置电压来改变CMUT结构的机械属性(例如，改变边界条件)，该偏置电压就可被用来控制该CMUT的频率响应。

在一些实现中，CMUT中的第一或第二电极中的至少一者包括至少两个子电极，并且施加于每个子电极的偏置电压可被个体地控制。由此，与CMUT中的每个子电极相关联的区域中的换能效率可至少部分地基于施加于个体子电极的偏置电压来被控制。另外，该CMUT在每个子电极的区域中的CMUT结构的频率响应(例如，中心频率或谐振频率中的至少一者)可被设计成与其他CMUT结构的频率响应相同或不同。不仅如此，CMUT在一区域中的频率响应可进一步由在该区域中施加的偏置电压来控制或改变。由此，在每个子电极的区域中的CMUT性能(换能效率、频率响应等)可由向其施加的偏置电压来个体地控制。例如，当第一子电极上的第一偏置电压不同于第二子电极上的第二偏置电压时，具有第一子电极的第一区域中的CMUT性能(换能效率、频率响应等)可以与具有第二子电极的第二区域中的CMUT性能不同。

在一些实现中，对于CMUT的包括至少两个子电极的一个电极，第一子电极可以位于比第二子电极更靠近该换能器中心之处。不同偏置电压可被施加于诸子电极，从而第一子电极的区域中的换能效率比第二子电极的区域中的换能效率高。不仅如此，第一子电极的区域中诸CMUT单元的中心频率可被设计或改变为比第二子电极的区域中的更高或更低。此外，CMUT中的一个电极的诸子电极可在一个或多个横向方向(例如，1D阵列中的垂直或方位角方向)或任何横向方向(例如，环形换能器中的同心对称)上距该电极的中心对称地配置。另外，施加于该电极的至少一个子电极的偏置电压可随时间变动以达成所想要的随时间的孔径/变迹改变。

另外，施加于电极的至少一个子电极的偏置电压可基于不同成像深度来变动以针对不同成像深度达成所想要的孔径大小/变迹。此外，由偏置电压控制的换能效率在更靠近CMUT中心的区域中可以比更靠近该CMUT边缘的区域中更高。另外，由偏置电压控制的中心频率在更靠近CMUT中心的区域中可以比在更靠近边缘的区域中更高。作为一个示例，对于1D阵列，可以有至少两个大致相同的元件，并且每个相同元件可以具有至少一个具有多个子电极的电极。诸元件中对应的子电极可被连接到相同的偏置电压。相应地，由偏置电压控制的所有元件的有效孔径/变迹可以是相同的。

变迹分布是窗函数，其在中心有较大权重且朝向两个边缘有较小权重。在超声成像中，可利用变迹来对超声射束图案塑形并且减小旁瓣电平以获得更好的图像质量。例如，在阵列中心处的中心子元件或区域可具有比靠近该阵列边缘的子元件或区域更大的声学输出强度，这可生成具有最小旁瓣的声学场。此外，中心频率和换能效率是CMUT的两个有用的性能参数。中心频率还可被称为-6dB中心频率。例如，如果-6dB带宽的频率下限是f_low，并且-6dB带宽的频率上限是f_high，则中心频率是(f_low+f_high)/2。在一些情形中，中心频率也可由-10dB或-20dB带宽来定义。不管是哪种定义，中心频率通常至少部分地由CMUT单元结构的谐振频率(例如，在CMUT单元中的腔之上的膜的谐振频率)来决定。通常，CMUT单元结构的谐振频率越高，则中心频率就越高。

此外，在本文的实现中，换能效率可包括CMUT传输效率、接收灵敏度、或以上两者(即，环路灵敏度)。例如，传输效率和接收灵敏度两者可由换能空间(即，包括CMUT腔的CMUT的两个电极之间的间隙)内的电场强度来决定。较高的电强度导致较高的传输效率和较高的接收灵敏度。对于给定的腔几何(例如，深度、形状、剖视等)，换能空间中的电强度可由所施加的偏置电压来决定。

为了讨论的目的，在超声成像的环境中描述一些示例实现。然而，本文中的实现不限于所提供的特定示例，并且可以扩展到其他应用、其他系统、其他使用环境、其他阵列配置等，正如根据本文的公开内容对本领域的技术人员将是明显的那样。

图1A-1D示出根据一些实现的示例CMUT 100。图1A示出CMUT 100的示例平面俯视图，其在一些实现中可具有任何换能器形状。在此示例中，CMUT100包括第一(例如，上)电极102和三个电分隔的子电极104、106和108，在本视图中这些子电极位于第一电极102下方，并且可被独立地施加不同偏置电压。子电极104-108一起构成CMUT 100的第二(例如，下)电极109。如由虚线所示，CMUT 100包括中心第一子电极104、围绕第一子电极104的同心第二子电极106、以及围绕第二子电极106和第一子电极104的外同心第三子电极108。第一电极102和子电极104-108在本示例中可以是扁平或以其他方式呈平面的，但在其他示例中不限于此。

图1B示出根据一些实现的如沿图1A的线1B-1B查看的CMUT 100的示例截面视图。在本示例中，多个CMUT单元110形成在基板112上。在一些示例中，基板112可由导电材料形成，并且可以用作CMUT单元110的第二电极109。在其他示例中，诸如在基板112由非导电材料形成的情形中，诸如在沉积可选的绝缘层114(其可设置于在基板112的上表面上)之前，可在基板112的上表面上沉积导电材料层以用作第二电极109。

弹性膜116可被设置于基板112之上，并且可由多个侧壁118支撑以分别提供与诸个体CMUT单元110相对应的多个腔120，例如，每个CMUT单元110有一个腔120。在所示出的示例中，膜116可在诸腔120上具有均匀的厚度；然而，在其他示例中，膜116的厚度或其他属性可变动，这可改变诸CMUT单元110的频率和/或其他属性。膜116可由单个层或多个层制成，并且至少一个层可为导电材料，以使得膜116能够用作第一电极102。

膜116可由弹性材料制成，以使膜116能够在由诸腔122所提供的换能间隙122内朝向和背离基板112移动。例如，作为第一电极102的膜116可通过在第一电极102与第二电极109之间施加AC电压(TX)而变形，或者可通过入射超声波(RX)而变形。由此，膜116能够响应于在产生超声能量(TX)时的电信号、或者响应于接收到超声能量(RX)而在换能间隙122内来回移动。可影响CMUT单元110的谐振频率的因素包括相应腔120的长度和宽度(其对应于每个腔上方的膜面积)、以及膜刚度(其可至少部分地对应于每个腔120上方的膜厚度、以及膜材料)。此外，通过将偏置电压施加于CMUT单元110，初始负载可被置于膜116上，这可改变各个CMUT单元110的谐振频率。

在所示出的示例中，基板112被分隔间隙分成三个分开的同心部分。相应地，第一分隔间隙124可将第一子电极104与第二子电极106电隔离，并且第二分隔间隙126可将第一子电极104和第二子电极106与第三子电极108电隔离。各个基板部分粘合到绝缘层114和/或侧壁118可至少部分地维持CMUT100的结构完整性。另外，在一些示例中，绝缘层114的绝缘材料、或其他绝缘性材料可被至少部分地填充到分隔间隙124和126中，以诸如维持结构完整性。在一些情形中，该基板可被接合(附着)到第三基板(例如，IC晶片/芯片、PCB板、玻璃晶片/芯片等)。

分别的偏置电压可被施加于相应的子电极104、106和108，从而分别创建出具有不同换能属性的分开的偏置可控区域134、136和138。例如，与不同子电极104-108相对应的区域134-138中的偏置电压可被独立地控制以控制每个偏置可控区域134-138的换能属性。通过控制施加于与每个偏置可控区域134-138相对应的子电极104-108的偏置电压，可使得在不同区域134-138中至少一个CMUT性能参数(例如，换能效率、频率响应或类似物等等)不同。结果，施加于每个子电极104-108上的偏置电压可被用来开启和关断该换能器的功能，或者改变与每个子电极104-108相对应的相应偏置可控区域134-138中的性能参数。此外，如果区域中的偏置电压随着时间而改变，则该偏置可控区域中的CMUT性能参数也可相应地随着时间而改变。作为一个示例，更靠近中心的偏置可控区域134中的CMUT结构的换能效率可被控制成比更靠近CMUT100的边缘的区域138中的换能效率更高。由此，通过控制每个偏置可控区域134-138中的偏置电压，CMUT 100的有效孔径和/或变迹就可被相应地控制和改变。

此外，每个偏置可控区域134-138中的CMUT单元110的结构可被不同地配置。例如，每个偏置可控区域134-138中的CMUT单元110的中心频率(或一阶谐振频率)可与其他偏置可控区域134-138中的CMUT单元110不同地设计。作为一个示例，在更靠近中心的偏置可控区域中的CMUT单元的中心频率可被配置成比在更靠近边缘的偏置可控区域中的CMUT单元的中心频率更高。例如，偏置可控区域134中的CMUT单元110可被配置成与区域136中的CMUT单元110相比具有更高中心频率，并且偏置可控区域136中的CMUT单元110可被配置成与偏置可控区域138中的CMUT单元110相比具有更高中心频率。

图1C是根据一些实现的CMUT 100的示例电气示意图。在图1C中，CMUT100可被简化为具有第一电极102和第二电极109的可变电容器，第二电极109包括多个子电极104、106和108。每个子电极104-108可施加有不同的偏置电压。由此，第一子电极104可具有第一电连接140，第二子电极106可具有第二电连接142，第三子电极108可具有第三电连接144，并且上电极102可具有第四电连接146。如以下附加讨论地，第一电连接140、第二电连接142和第三电连接144可连接至不同偏置电压，而第四电连接146可连接至接地或其他漏端。

图1D示出CMUT 100的示例平面仰视图，诸如在图1B的线1D-1D的方向所查看的。该示例示出将第一子电极104与第二子电极106电隔离的第一分隔间隙124，以及将第一子电极104和第二子电极106与第三子电极108电隔离的第二分隔间隙126。此外，虚线表示形成个体CMUT单元110的腔120的边界的侧壁118，如举例而言在剖切部分150处所示的。

膜116置于每个腔120之上的可移动部分具有的面积连同该膜116的刚度至少部分地确定个体CMUT单元110的谐振频率。例如，与具有较大膜面积的CMUT单元110相比，具有较小膜面积的CMUT单元110可具有较高谐振频率——假定膜厚度和其他变量对于这两个CMUT单元110而言是恒定的。因此，例如当如在图1D中平面地查看时，通过改变腔的尺寸(以及由此膜面积)，个体CMUT单元的谐振频率可改变。进一步地，CMUT单元可被构建为任何期望形状并且不被限于本文中所示的示例。

替代地，在一些示例中，膜116的厚度在腔120上是不均匀的。例如，替代改变腔120的尺寸和膜116的面积，膜厚度分布在不同CMUT单元110上可不相同。例如，在诸CMUT单元上形成(诸如朝向边缘)相继变薄的膜厚度或者更为柔性的膜也可被用来控制频率分布。

此外，尽管在本示例中第二电极被分成诸子电极，但在其他示例中，作为第二电极109的附加或替代，第一电极102可被分成多个子电极。进一步地，图1A-1D中示出的特定CMUT结构仅用于讨论目的，并且本文中的实现可被应用于其他CMUT结构，诸如具有嵌入型弹簧的CMUT。

图2A-2D示出根据一些实现的示例CMUT元件200。图2A示出在垂直方向203上延伸的CMUT元件200的示例平面俯视图。在一些示例中，CMUT元件200可被包括在具有多个CMUT元件的阵列中，该多个CMUT元件可具有相似的配置或者彼此不同的配置。在本示例中，CMUT元件200包括第一(例如上)电极202和五个电隔离的子电极204、205、206、207和208，在本视图中这些子电极位于第一电极202下方，并且可被独立地施加有不同偏置电压。子电极204-208一起构成CMUT元件200的第二(例如下)电极209。如由虚线所示，CMUT元件200包括第一子电极204、毗邻第一子电极204的第二子电极205、毗邻第二子电极205的第三子电极206、毗邻第三子电极206的第四子电极207、以及毗邻第四子电极207的第五子电极208。第一电极202和子电极204-208在本示例中可以是扁平或以其他方式呈平面的，但在其他示例中不限于此。与子电极204、205、206、207和208相对应的偏置可控区域234、235、236、237、238各自可具有与其他偏置可控区域234、235、236、237、238相同的CMUT单元结构、或不同的CMUT结构。

偏置可控区域234、235、236、237、238的宽度W1、W2、W3、W4、W5各自可与其他宽度W1、W2、W3、W4、W5不同。作为一个示例，W1可与W5相同，并且具有子电极204和208的偏置可控区域234和238中的单元各自可具有相同尺寸；W2可与W4相同，但可与W1和W5不同，并且具有子电极205和207的偏置可控区域235和237中的单元各自可具有相同尺寸，但可具有与具有子电极204、208和206的偏置可控区域234、238和236中的单元不同的尺寸；而W3可与W1、W2、W4和W5不同，并且具有子电极206的区域236中的CMUT单元可具有与分别具有子电极204、205、207和208的区域234、235、237和238中的CMUT单元不同的尺寸。在其他示例中，具有子电极204-208的区域234-238的部分或全部各自可具有尺寸相同的CMUT单元，和/或W1、W2、W3、W4和W5中的部分或全部可以相同。

图2B示出根据一些实现的如沿图2A的线2B-2B查看的CMUT元件200的示例截面视图。在本示例中，多个CMUT单元210形成在基板212上。在一些示例中，基板212可由导电材料形成，并且可用作CMUT单元210的第二电极209。在其他示例中，诸如在基板212由非导电材料形成的情况下，诸如在沉积可选的绝缘层214(其可置于基板212的上表面上)之前，可在基板212的上表面上沉积导电材料层(图2B中未示出)以用作第二电极209。

弹性膜216可置于基板212之上，并且可由多个侧壁218支撑以提供分别与个体CMUT单元210相对应的多个腔220，例如每个CMUT单元210有一个腔220。在所示出的示例中，膜216可在腔220上具有均匀的厚度；然而，在其他示例中，膜216的厚度或其他属性可变化，这可改变CMUT单元210的频率和/或其他属性。膜216可由单个层或多个层组成，并且至少一个层可由导电材料制成，以使得膜216能够用作第一电极202。

膜216可由弹性材料制成以使膜216能够在腔220所提供的换能间隙222内朝向和背离基板212移动。例如，作为第一电极202的膜216可通过在第一电极202与第二电极209之间施加AC电压(TX)而变形，或者可通过入射超声波(RX)而变形。由此，膜216能够响应于在产生超声能量(TX)时的电信号、或者响应于接收到超声能量(RX)而在换能间隙222内来回移动。可影响CMUT单元210的谐振频率的因素包括相应腔220的长度和宽度以及膜刚度，长度和宽度对应于每个腔上的膜面积，而膜刚度可至少部分地对应于每个腔220上的膜厚度和膜材料。进一步地，通过将偏置电压施加至CMUT单元210，初始负载可被置于膜216上，这可改变相应CMUT单元210的谐振频率。

在所示出的示例中，基板210通过分隔间隙被分成五个独立的毗邻部分。相应地，第一分隔间隙224可将第一子电极204与第二子电极206电隔离，第二分隔间隙225可将第二子电极205与第三子电极206电隔离，第三分隔间隙226可将第三子电极206与第四子电极207电隔离，并且第四分隔间隙227可将第四子电极207与第五子电极208电隔离。各个基板部分粘合到绝缘层214和/或侧壁218可至少部分地维持CMUT元件200的结构完整性。此外，在一些示例中，绝缘层214的绝缘材料或其他绝缘材料可被置于分隔间隙224-227中。

单独的偏置电压可被分别施加至与单独的偏置可控区域234、235、236、237、和238相对应的各个子电极204、205、206、207和208，这可导致不同的换能属性。例如，与不同子电极204-208相对应的偏置可控区域234-238中的偏置电压可被独立地控制以控制每个偏置可控区域234-238的换能属性。通过控制施加至与每个偏置可控区域234-238相对应的子电极204-208的偏置电压，可使得在不同偏置可控区域234-238中至少一个CMUT性能参数(例如，换能效率、频率响应等等)不同。因此，在每个子电极204-208上施加的偏置电压可被用来打开和关闭换能器的功能，或者改变与每个子电极204-208相对应的相应偏置可控区域234-238中的性能参数。此外，如果区域中的偏置电压随着时间而变化，则该区域中的CMUT性能参数也可相应地随着时间而变化。作为一个示例，靠近中心的区域236中的CMUT结构的换能效率可被控制成与更靠近CMUT元件200的边缘的区域234和238相比更高。由此，通过控制每个偏置可控区域234-238中的偏置电压，CMUT元件200的有效孔径和/或变迹可被相应地控制和改变。

此外，每个偏置可控区域234-238中的CMUT单元210的结构可被不同地配置。例如，每个偏置可控区域234-238中的CMUT单元210的中心频率(或一阶谐振频率)可与其他偏置可控区域234-238中的CMUT单元210不同地设计。例如，每个区域中的CMUT单元的膜可具有不同的形状、宽度、长度或厚度。例如，CMUT单元210的膜尺寸(例如，宽度、长度和/或厚度)可随偏置可控区域234、235、236、237、238而变化。作为一个示例，更靠近中心的区域中的CMUT单元的中心频率可被配置成与更靠近边缘的区域中的CMUT单元相比更高。例如，区域236中的CMUT单元210可被配置成与区域235和237中的CMUT单元210相比具有更高中心频率，并且区域235和237中的CMUT单元210可被配置成与区域234和238中的CMUT单元210相比具有更高中心频率。

图2C是根据一些实现的CMUT元件200的示例电气示意图。在图2C中，CMUT元件200可被简化为具有第一电极202和第二电极209的可变电容器，第二电极209包括多个子电极204-208。每个子电极204-208可施加有不同的偏置电压。由此，第一子电极204可具有第一电连接242，第二子电极205可具有第二电连接243，第三子电极206可具有第三电连接244，第四子电极207可具有第四电连接245，第五子电极208可具有第五电连接246，且上电极202可具有第六电连接248。如以下附加讨论地，第一电连接242、第二电连接243、第三电连接244、第四电连接245和第五电连接246可连接至不同偏置电压，而第六连接248可连接至接地或其他漏端。在一些示例中，CMUT元件200中的诸区域的性能可被配置成绕CMUT元件200的中心对称。因此，施加在子电极204-208上的偏置电压也可以是对称的。例如，区域234和238中的性能参数可以相同或相似，并且施加在子电极204和208上的偏置电压可相同或相似。进一步地，区域235和237中的性能参数可以相同或相似，并且施加在子电极205和207上的偏置电压可相同或相似。

图2D示出CMUT元件200的示例平面仰视图，诸如在图2B的线2D-2D的方向所查看的。该示例示出将第一子电极204与第二子电极205电隔离的第一分隔间隙224，将第二子电极205与第三子电极206电隔离的第二分隔间隙225，将第三子电极206与第四子电极207电隔离的第三分隔间隙226，以及将第四子电极207与第五子电极208电隔离的第四分隔间隙227。此外，虚线表示形成个体CMUT单元210的腔220的边界的侧壁218，如举例而言在剖切部分250处所示出的。

膜216置于每个腔220之上的可移动部分具有的面积连同该膜216的刚度至少部分地确定个体CMUT单元210的谐振频率。例如，与具有较大膜面积的CMUT单元210相比，具有较小膜面积的CMUT单元210可具有较高谐振频率——假定膜厚度和其他变量对于这两个CMUT单元210而言是恒定的。因此，例如当如在图2D中平面地查看时，通过改变腔的尺寸(以及由此膜面积)，各个CMUT单元的谐振频率可改变。

进一步地，CMUT单元210可被构建为任何期望形状并且不被限于本文中所示出的示例。例如，当平面地观看时，替代具有正方形或其他方式的矩形形状的CMUT单元，CMUT单元210可具有各种其它形状或诸如六边形、圆形、三角形、梯形等形状的任何组合的膜(腔)。

替代地，在一些示例中，膜216的厚度在诸腔220上是不均匀的。例如，替代改变腔220的尺寸和膜216的面积，膜厚度分布在不同CMUT单元210上可不相同。例如，在诸CMUT单元上形成(诸如朝向边缘252和254)相继变薄的膜厚度或者更为柔性的膜也可被用来控制频率分布。

此外，尽管在本示例中第二电极209被分成诸子电极，但在其他示例中，作为第二电极209的附加或替代，第一电极202可被分成多个子电极。进一步地，图2A-2D中示出的特定CMUT结构仅用于讨论目的，并且本文中的实现可被应用于其他CMUT结构，诸如具有嵌入型弹簧的CMUT。

在一些示例中，本文中的CMUT单元、元件或阵列可包括在2015年11月18日提交的题为“具有可变属性的电容式微加工超声换能器”(Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers Having Varying Properties)的美国专利申请No.14/944,404中所述的一种或多种结构，该申请通过引用全部纳入至本文中。

图3A-3B示出根据一些实现的示例CMUT阵列300。图3A示出根据一些实现的具有沿横向303的N个CMUT元件302(1)、302(2)、302(3)、302(4)、…、302(N)的1D CMUT阵列300的示例。个体元件302可具有可向其施加M个不同偏置电压的M个偏置可控区域。因此，每个元件302的两个电极之一可具有M个子电极。在所示出的示例中，假设M＝5并且诸元件302中的一个或多个对应于图2的元件200。由此，元件302可包括子电极204、205、206、207和208，其分别可具有独立地施加以供创建单独的偏置可控区域234、235、236、237和238的偏置电压。

图3B示出了根据一些实现的阵列300的示例简化等效电路，其中每个元件被呈现为可变电容器。在该示例中，每个元件302(1)-302(N)分别具有与多个独立偏置可控区域234、235、236、237和238相对应的多个子电极(例如，204、205、206、207、和208)。在所示出的示例中，该阵列中所有元件的在沿垂直方向的相同区域中的所有子电极可被连接至相同偏置电压。例如，所有元件302(1)-302(N)的所有子电极206可被连接至偏置电压V_bias1>bias2>bias3>bias4>bias5>

在图2和3A-3B的示例中，每个子电极204-208可分别对应于各个CMUT元件的单独偏置可控区域234-238。由此，如图3A中所示出地，每个元件302(1)、302(2)、302(3)、…、302(N)可包括垂直方向203中的多个相应偏置可控区域。在该示例中，元件302(1)包括分别与多个子电极204、205、206、207和208相对应、并且可基于相应子电极的单独可操作性而可单独操作的五个偏置可控区域234、235、236、237和238。这些单独偏置可控区域234、235、236、237和238可具有相同或不同的CMUT单元。如果不同的CMUT单元被用于不同区域234-238中的一些区域，则作为一个示例，更靠近中心的区域236中的CMUT单元的中心频率与更靠近边缘的区域(例如区域234和238)中的CMUT单元相比可具有更高中心频率；并且，更靠近中心的区域236中的CMUT单元的灵敏度比更靠近边缘的区域234和238中的CMUT单元的灵敏度更高。

图3C-3D示出根据一些实现的示例CMUT阵列330。图3C示出根据一些实现的具有沿横向303的N个CMUT元件332(1)、332(2)、332(3)、…、332(N)的1.25D/1.5D/1.75D CMUT阵列330的示例。诸元件332中的个体元件可具有可施加有J个不同TX/RX信号的J个子元件334。此外，元件332可包括可向其施加M个不同偏置电压的M个偏置可控区域。因此，每个元件332的两个电极中的第一个电极(例如，所示出的示例中的顶部电极)可具有J个子电极以形成J个子元件334，而每个元件332的两个电极中的第二个电极(例如，所示出的示例中的底部电极)可具有M个子电极以形成M个单独的偏置可控区域。

如图3B所示，每个元件332可包括子电极336、338和340，其可作为多个单独的子元件334(K-J)被独立地施加TX/RX信号，其中K是从1至N的整数，并且其中N是阵列330中的元件332的数量。在所示出的示例中，假设J＝3。相应地，每个元件332包括三个子元件，例如元件332(1)包括子元件334(1-1)、334(1-2)和334(1-3)，而元件332(N)包括子元件334(1-N)、334(2-N)和334(3-N)。

此外，在所示出的示例中，假设M＝7，即存在7个偏置可控区域。为了提供7个偏置可控区域，每个元件332可包括7个子电极342、344、346、348、350、352、354。每个元件332中的相应子电极342、344、346、348、350、352、354可独立地施加有单独的偏置电压，以供分别创建单独的偏置可控区域356、358、360、362、364、366、368。因此，在本示例中，子元件334(1-1)至334(N-1)(对应于子电极336)可具有分别与子电极342和344相对应的两个单独的偏置可控区域356和358。子元件334(1-2)至334(N-2)(对应于子电极338)可具有分别与子电极346、348和350相对应的三个单独的偏置可控区域360、362和364。子元件334(1-3)至334(N-3)(对应于子电极340)可具有分别与子电极352和354相对应的两个单独的区域366和368。此外，每个元件332的子电极可在垂直方向203上距元件332的中心对称地安排。

图3D示出了根据一些实现的阵列330的示例简化等效电路，其中每个元件332被呈现为可变电容器。在该示例中，每个元件332(1)-332(N)的第一电极(例如，该示例中的顶部电极)具有与多个子元件334对应的多个子电极(例如，336、338和340)。每个子元件334可对应于不同的RX/TX信号。每个元件332(1)-332(N)的第二电极(例如，该示例中的底部电极)具有分别与多个独立偏置可控区域356、358、360、362、364、366、368相对应的多个子电极(例如，342、344、346、348、350、352、354)。

在所示出的示例中，阵列330中所有元件332(1)-332(N)的在沿垂直方向的相同相应区域356、358、360、362、364、366、368中的第二(底部)电极的所有子电极可被连接到相同的偏置电压。例如，所有元件332(1)-332(N)的所有子电极342可被连接到偏置电压V_bias1370；所有元件332(1)-332(N)的所有子电极344可被连接到偏置电压V_bias2>bias3>bias4>bias5>bias6>bias7>

单独的子元件和/或单独的偏置可控区域可具有相同或不同的CMUT单元配置。如果不同的CMUT单元配置被用于不同的子元件或偏置可控区域，则作为一个示例，在垂直方向203上更靠近中心的子电极或偏置可控区域中的CMUT单元的中心频率可能高于更靠近边缘的子电极或偏置可控区域中的CMUT单元的中心频率；并且更靠近中心的子电极或偏置可控区域中的CMUT单元的灵敏度可能高于更靠近边缘的子电极或偏置可控区域中的CMUT单元的灵敏度。

此外，在其他示例中，CMUT单元属性(包括物理属性(例如，膜面积、厚度和形状))以及在不同子电极处的CMUT性能参数(例如，频率和灵敏度)可沿着垂直方向203逐子元件或逐独立偏置可控区域而不同。替代地，当然在一些示例中，元件、子元件和/或独立偏置可控区域可都具有相同的物理配置。作为图3中的一个示例，分别在相同区域356、358、360、362、364、366、368中的分别具有被多个元件(或子元件)共享的相同子电极342、344、346、348、350、352、354的CMUT单元的属性可以是相同的。

此外，阵列300和/或330中的元件和/或子元件可共享相同的子电极集合。例如，在图3B的示例中，元件302(1)、302(2)、302(3),……302(N)共享相同的子电极集合204、205、206、207和208，这些子电极集合被连接到相应的偏置电压310、306、304、308和312并对应于区域234、235、236、237和238。此外，在图3D的示例中，每个子元件334可各自包括其自己的子电极336、338或340来作为第一(例如，上部)电极，并可包括多个子电极(例如，342、344、346、348、350、352、354)来作为第二(例如，底部)电极。在一些示例中，子元件和元件中各个区域的性能可通过将不同的偏置电压施加到不同子元件和/或元件的各个不同子电极来控制。例如，性能参数(例如，频率和灵敏度)可通过控制使用不同的子电极被施加到各个区域的偏置电压来控制。此外，在一些情况下，CMUT阵列中的元件或子元件可由单独的系统TX/RX信道来被单独地寻址。

此外，在一些示例中，元件302或332中具有不同偏置电压的偏置可控区域可相对于元件302或332的中心对称地安排。对于图3A-3B中的示例而言，子电极204和208可被连接到相同的偏置电压而子电极205和207可被连接到另一相同的偏置电压，或者换言之，V_bias4310可等于V_bias5>bias2>bias3>bias1>

类似地，在图3C-3D的示例中，在一些情况下，V_bias1>bias7>bias2372可等于V_bias6>bias3>bias5>bias4>

此外，为了简化CMUT与外部(例如，柔性印制电路板(PCB)或刚性PCB)的互连，相同区域中不同元件的至少一些子电极可被连接在一起。例如，所有元件302(1)-302(N)的子电极204可在PCB基板上被连接在一起。相同偏置可控区域中的其他子电极可跨阵列中的元件类似地被连接在一起。

在一些示例中，一个CMUT元件可对应于超声成像系统中针对TX和/或RX的一个单独寻址的信道。例如，CMUT元件中一个电极的所有子电极可被连接到该系统的相同信道，并且例如可共享与TX和RX有关的相同信号。在图3A-3B所示出的示例中，CMUT 300阵列中的每个CMUT元件302(1)-302(N)可连接到系统的一个信道(TX/RX)，使得该个体元件能够被该系统单独地寻址。两个电极中的一个(例如，第一电极202或第二电极209)可连接到该系统的一信道，而另一个可连接到接地或偏置。

作为另一示例，图3A-3B的具有N个元件302的CMUT阵列300可具有包括三个能够施加不同偏置电压的区域的元件302。例如，CMUT阵列300中每个元件302的两个电极中的至少一个可具有在垂直维度203上的三个子电极，而非五个(即，M＝3)。这个配置可包括与子电极206相对应的中心偏置可控区域236以及在中心区域236的任一侧上与子电极205和207相对应的两个外部偏置可控区域235和237。与子电极204和208相对应的区域234和238没有被包括在元件302中。两个外部子电极205和207可电连接在一起。对于CMUT阵列300而言，每个元件的相同区域235、236或237中的所有子电极可共享一个偏置电源200。

此外，在图3C-3D的示例中，每个元件的每个子元件334可对应于超声成像系统中针对TX和/或RX的单独寻址的信道。例如，元件332(1)的第一子元件334(1-1)可对应于第一TX/RX信道；第二子元件334(1-2)可对应于第二TX/RX信道；而第三子元件334(1-3)可对应于第三TX/RX信道。根据本文的公开内容，许多其它变化对本领域技术人员将是显而易见的。

在一些示例中，CMUT元件302和/或332的孔径以及由此CMUT阵列300和/或330可被控制成动态地改变。由此，通过将不同的偏置电压施加到阵列300和/或330中不同的偏置可控区域对来传送和/或接收超声能量，可使得有效孔径大小在垂直方向上更大，因为在接收阶段期间行进时间或深度实时地增加。

动态垂直孔径增长允许成像系统在从近场到远场的整个显示深度中维持高图像质量。具有较大的孔径尺寸可使得能够在介质中的较大深度处成像。成像深度与孔径尺寸的比率被称为F-数。此外，被施加到偏置可控区域的偏置电压可被控制成使得垂直孔径以恒定速率增长或使F-数保持恒定。替代地，垂直孔径可以恒定的百分率增加。

在医学超声成像应用中还可紧密地控制操作频率。一方面，期望具有更高的操作频率，因为这可以产生更好的成像分辨率；另一方面，可能更期望使用更低的操作频率来获得超声能量的较深穿透。本文中的一些示例通过将不同的偏置电压施加到不同的偏置可控区域并随着时间改变偏置电压来解决这些冲突的目标。由此近场成像可采用小垂直孔径，因此可能期望初始地将较高的偏置电压施加到中心偏置可控区域以具有较高的中心频率，这是因为中心偏置可控区域具有较高的谐振频率。然而，随着成像深度增加，可采用更大的垂直孔径和更低的中心频率。因此，在本文中的一些实现中，施加到边缘偏置可控区域的偏置电压可随着时间流逝而增加。

在本文中的使用图3A-3B作为示例的一些实现中，与子电极204-208相对应的各个偏置可控区域234-238的中心频率可与其他各个偏置可控区域234-238的中心频率不同。例如，更靠近CMUT阵列300的垂直方向203上的中心的偏置可控区域的中心频率可比更靠近CMUT阵列300的上边缘和下边缘的偏置可控区域的中心频率高。例如，中心偏置可控区域236的中心频率可高于偏置可控区域235和237的中心频率。此外，偏置可控区域235和237的中心频率可分别高于偏置可控区域234和238的中心频率，以此类推。

图4示出了根据一些实现的用于CMUT元件200(和/或302)的系统连接的示例电路400。在该示例中，不具有子电极的第一电极202连接到系统信道402。第二电极209的子电极204、205、206、207、208分别连接到偏置电压V_bias4>bias2>bias1>bias3>bias5>

图5示出了根据一些实现的用于CMUT元件200(和/或302)的系统连接的示例电路500。在图5中，不具有子电极的第一电极202连接到系统中的接地(GND)408。第二电极209的子电极204、205、206、207、208分别连接到系统信道402的一个信道(TX/RX)并分别连接到偏置电压电源V_bias4>bias2>bias1>bias3>bias5>bias4>bias2>bias1>bias3308和V_bias5>

图6是示出根据一些实现的包括一个或多个CMUT的超声系统600的示例配置的框图。在该示例中，系统600包括CMUT阵列602。在一些情况下，CMUT阵列602可对应于以上参考图3A-3D所讨论的CMUT阵列300或330并可包括一个或多个CMUT元件604。在一些示例中，CMUT元件604可对应于以上讨论的CMUT元件200和/或302。替代地，在一些示例中，元件604可对应于以上讨论的CMUT元件332并在这种情况下可包括多个子元件605。系统600还包括成像系统606、多路复用器608以及用于控制CMUT阵列602的偏置电压电源610。作为一个非限制示例，系统600可包括或可被包括于用于执行超声成像的超声探测器。

进一步，系统600可包括多个传输和接收(TX/RX)信道612。此外，CMUT阵列602可包括N×M个子电极614，例如，其中N是元件的数量，以及M是用于沿着垂直维度的每个元件604的偏置可控区域的数量。在一些示例中，每个偏置可控区域可对应于一子电极614(例如，以上参考图2-5所讨论的)。例如，CMUT阵列602可包括与多路复用器608通信的128个(例如，N个)传输和接收信道612。在一些示例中，偏置可控区域中的至少一些的属性可改变或可通过改变供应给子电极614中的各个子电极的偏置电压而被改变。此外，在一些情况下，偏置可控区域内CMUT单元的物理配置可改变，这也可改变偏置可控区域的传输和接收属性。

此外，偏置电压电源610可生成偏置电压以将各种偏置电压施加到偏置可控区域的所选子电极614，如在616指示的。此外，在一些示例中，针对偏置可控区域中的一些或全部所生成的偏置电压可以是时间相关的，并可随着时间改变。

成像系统606可包括一个或多个处理器618、一个或多个计算机可读介质620和显示器622。例如，(多个)处理器618可被实现成一个或多个物理微处理器、微控制器、数字信号处理器、逻辑电路、和/或基于操作指令来操纵信号的其他设备。计算机可读介质620可以是有形非瞬态计算机存储介质并且可包括易失性和非易失性存储器、计算机存储设备、和/或以任何类型的技术实现的用于存储信息(诸如，从CMUT阵列602接收的信号和/或处理器可执行指令、数据结构、程序模块、或其它数据)的可移动和不可移动的介质。进一步，当本文中所提及的非瞬态计算机可读介质不包括诸如能量、载波信号、电磁波、和信号本身之类的介质。

在一些示例中，成像系统606可包括、或可连接至显示器622和/或各种其他输入和/或输出(I/O)部件，诸如用于可视化由CMUT阵列602所接收的信号。此外，成像系统606可通过多个TX/RX信道624与多路复用器608通信。此外，除了与偏置电压电源610通信(如在626指示的)之外，如在628指示的，成像系统606还可直接与多路复用器608通信，诸如用于控制其中的多个开关。

多路复用器608可包括大量的高压开关和/或其他复用部件。作为一个示例，128个TX/RX信道624、256个TX/RX信道612、256个元件604以及与每个元件604的5个子电极614相对应的5个偏置可控区域可被用于本文的一些示例中，但是本文的实现可被用于任意数量的信道624、任意数量的信道612、任意数量的元件604以及任意数量的子电极614。作为一个示例，系统600可具有H个TX/RX信道624、N个TX/RX信道612，CMUT阵列可具有M×N个偏置可控区域，其中N和H是正整数，而M是正奇数。

此外，通过使用多路复用器608，系统600可使用H×M个偏置可控区域来基于成像要求(诸如横向分辨率、垂直分辨率、穿透深度以及视野)生成期望的图像。系统600还可被用于使用不同时序以施加单调递增偏置电压来在垂直维度上选择不同变迹分布以改进成像性能，如以下参考图13和14所附加讨论的。

图7是示出根据一些实现的偏置电压电源610的组件选集示例的框图。偏置电压电源610可包括DC-to-DC转换器702以及一个或多个偏置发生器706。偏置电压电源610的DC-to-DC转换器702可将低DC电压708(例如，5V、10V等)转换成高DC电压(诸如200V、400V等)。在一些示例中，偏置发生器706可诸如在接收到开始信号之后生成对于所选元件604和/或子元件605的子电极712的单调递增偏置电压710。例如，偏置电压710可如以下附加讨论地那样随着时间而增加。此外，在一些示例中，偏置发生器706可在接收到结束信号之后或在预定时间将偏置电压710的电平相对快速地减少到初始电压(例如，0V)。偏置发生器706可使用模拟或数字技术中的至少一者来实现。

图8示出根据一些实现的偏置电压发生器706的示例。该示例中的偏置电压发生器706可以是模拟偏置电压发生器，并包括第一开关K₁>1>2>2>1>DC>bias>-t/τ)指数地增加，其中τ＝R₁C是时间常数。在超声信号达到预定深度之后，第一开关K₁>2>bias>2>2>1>1>2>

图9示出根据一些实现的偏置电压发生器706的示例。该示例中的偏置电压发生器706可以是模拟偏置电压发生器，并包括第一开关K₁>1>2>2>DC>1>bias>1C是时间常数。在超声信号达到预定深度之后，第一开关K₁>2>bias>2>2>1>1>2>

虽然在此给出了偏置电压发生器706的两个模拟示例，但是如将对受益于本文的公开内容的本领域技术人员是显而易见的，类似的原理可被扩展到其他能够生成单调递增电压输出的模拟电路。此外，在一些示例中，如以上提到的，可采用偏置电压发生器706的数字版本。

图10示出根据一些实现方式的偏置电压发生器706的示例。在此示例中，偏置电压发生器706可以是数字偏置电压发生器，并且可包括数字波形发生器1002、数模转换器1004和高电压放大器1006。数字波形发生器1002接收开始信号1008，并在1010处开始输出单调递增的数字波形。数模转换器1004将数字波形1010转换为模拟电压信号1012。随后，高电压放大器1006将模拟电压信号1012缩放至所需偏置水平以生成偏置电压710。在超声信号达到预定深度之后，停止信号可发送至数字波形发生器1002，其使V_bias>

图11示出根据一些实施例的示例图表，该图表示出CMUT灵敏度相对于偏置电压的绘图。在此示例中，CMUT的灵敏度示出为受所谓的平方律支配随偏置水平增加。例如，CMUT偏置可控区域的灵敏度可通过改变施加至该CMUT偏置可控区域的偏置电压的水平来控制。当偏置电压为0或非常低时，以毫伏(mV)为单位的灵敏度也非常低。随着偏置电压增加，灵敏度也快速增加。作为一个示例，如果偏置电压变成两倍，则以mV为单位的灵敏度可变成三倍或四倍。例如，当偏置电压为60V时，灵敏度约为17mV，并且当偏置电压变成两倍为120V时，灵敏度增加至约72mV，具有三倍的增加。因此，如果施加至阵列的外偏置可控区域(例如，较靠近边缘)的偏置电压随时间增加，则CMUT阵列的有效垂直孔径可随时间增加。

图12A、图12B和图12C分别示出示出深度相对于垂直射束绘图的图表1200、1202和1204。图12A示出由典型的一维阵列产生的超声束的射束绘图图表1200。图12A的示例示出在垂直方向上束宽随成像深度增加而增加。如1206处所指示，在某个深度之后，束宽变得过宽而不是有用的。

图12B示出由具有两个边缘偏置可控区域的典型的CMUT阵列产生的超声束的射束绘图图表1202。如1208处所指示，穿过整个成像区域，束宽可保持相对窄。然而，如图所指示，例如在1210处，束宽可能是非均匀的，可能包括在近场区域和远场区域之间的非连续性，并且可能包括两个垂直孔径尺寸。

图12C示出根据本文中的一些实现方式的由使用垂直孔径增长方案的1.5维阵列产生的超声束的射束绘图图表1204。在此示例中，图表1204表示1.5维阵列的示例垂直射束绘图，该1.5维阵列基于改变施加至CMUT阵列的多个元件的不同偏置可控区域的偏置电压采用连续孔径增长。例如，如从1212至1214所指示，当垂直孔径以与穿透深度增加相同的速率增长时，贯穿整个成像深度，垂直束宽可保持恒定。相应地，使用例如参照图13和图14所讨论的技术，本文中的实现方式可避免射束形成问题(诸如，图12中的垂直束宽随成像深度增加且在某个深度之后变得过宽)或射束为非均匀的情形(诸如，图12B中的在近场区域与远场区域之间具有非连续性，例如，具有两个垂直孔径尺寸)。相反，在此示例中，通过应用本文中的技术，穿过目标成像区域(深度)，束宽可保持相对窄且均匀。图12C中示出的贯穿整个成像深度的均匀束宽是根据一些示例的理想情况。取决于控制的准确性和/或其他考量，本文中的实现方式中实现的束宽沿成像深度可能偏离，但是典型地比图12A和图12B中示出的那些显著地紧密。

图13示出根据一些实现方式的用于控制垂直孔径增长的示例偏置发生器布置1300。在此示例中，图2和图3的CMUT元件200的底电极209可包括在垂直维度203上的五个子电极204-208。布置1300包括三个独立的偏置发生器706(1)、706(2)和706(3)，每一个偏置发生器都能够独立于其他偏置发生器706(1)、706(2)和706(3)生成不同的偏置电压。此外，偏置发生器706(1)、706(2)和706(3)可受控以将单调递增的偏置电压供应至五个子电极204-208中的特定子电极。

在此示例中，每一个偏置发生器706可对应于一个或多个子电极的子电极组。此外，当多于一个子电极被包括在子电极组中时，组中的自电极可连接在一起。例如，两个中间子电极205和207可在1302处电气地连接在一起以形成子电极组1304来共享由第二偏置发生器V_bias2>bias3>bias1>

图14A-图14G示出根据一些实现方式的示出偏置电压相对于时间的示例图表。示例图表可表示在系统操作的接收阶段期间的系统操作。例如，系统可在发射阶段、接收阶段和空闲阶段操作。在图14A中，图表1400示出根据一些实现方式的电压相对于时间的关系，以及相应的随时间的示例垂直变迹分布1401。图表1400包括三条随时间线性递增的偏置电压曲线。

在示例图表1400中，第一曲线1402表示由图13中的第一偏置发生器706(1)产生的第一偏置电压V_bias1。第一偏置电压V_bias1可初始为Vt₀，该Vt₀可以是非零电压以确保对应于子电极206的CMUT元件的中心区域开始于用于近场成像的合理的接收灵敏度值。在此示例中，第一偏置电压V_bias1可随时间线性增加，直到达到时刻t₂处的最大值V_max为止。如上文中参照图11所讨论由于子元件的灵敏度大约与偏置电压平方成比例，因此中心区域的接收灵敏度会随时间和/或穿透深度显著地增加以补偿可能由组织衰减导致的声能损失。

此外，在达到最大值V_max之后，第一偏置电压V_bias1可保持在V_max，直到达到至少显示深度为止。随后，在发射阶段开始之前，第一偏置电压V_bias1的水平要么改变到另一水平，要么保持在V_max。在发射阶段完成之后，第一偏置电压V_bias1可重置到初始值Vt₀。例如，发射阶段可以是一时间段，在该时间段期间，CMUT中的一些或全部同时或在不同时刻由电脉冲激励。此外，在本文中的示例中，穿透深度d可以等于时间t和声速v之积，即，d＝v·t。穿透深度受垂直变迹分布的影响，并且可与偏置电压成比例。此外，显示深度可对应于显示器(例如，图6的显示器622)上显示的最大深度。

此外，在图表1400中，中间曲线1404表示由图13的第二偏置发生器706(2)产生的第二偏置电压V_bias2。在这种情况下的第二偏置电压V_bias2可在时刻t₀处开始于0，并且随时间线性增加，直到在时刻t₂处达到最大值V_max。此外，底部曲线表示由第三偏置发生器706(3)产生的第三偏置电压V_bias3。第三偏置电压V_bias3可在指定时刻t₁处开始，并且可随时间线性增加，直到在时刻t₂处达到最大值V_max。

偏置电压V_bias1、V_bias2和V_bias3相对于各自子电极的不同时序和偏置电压值导致CMUT电极200的垂直变迹分布1401随时间的变化。变迹分布1401可对应于随时间变化的图表1400中示出的曲线1402、1404和1406。在时刻t_a处，接近开始(例如，紧接着时刻t₀)时，第一垂直变迹分布1401(1)可由CMUT元件200在垂直维度中生成。由于施加至对应于子电极205和207的两个中间区域的偏置电压V_bias2在时刻t_a处接近零，并且施加至对应于子电极204和208的两个外部区域的偏置电压V_bias3在时刻t_0a处为0，因此仅对应于子电极206的中心区域对垂直孔径作出贡献，并且因此时刻t_a处所得到的垂直变迹分布1401(1)可能像简单的矩形。

然而，一会之后，例如，在时刻t_b处，第二偏置电压V_bias2正在对应于子电极205和207的两个中间区域中增加，并且这些中间区域开始对垂直孔径作出贡献。所得到的垂直变迹分布1401(2)包括在原始矩形的任一侧上的台阶1410和1412。在时刻t_c处，第三偏置电压V_bias3仍不对变迹分布1401(3)作出贡献，但是来自第二偏置电压V_bias2的台阶1410和1504随着第二偏置电压V_bias2增加而变得更厚。

在时刻t₁之后，例如，在时刻t_d处，第三偏置电压V_bias3正在对应于子电极204和208的两个外偏置可控区域中增加，并且这些外偏置可控区域开始对垂直孔径作出贡献。所得到的垂直变迹分布1401(4)分别包括在原始矩形以及台阶1410和1412的任一侧上的台阶1414和1416。在时刻t_e处，第三偏置电压V_bias3继续对垂直变迹分布1401(5)作出更大贡献，并且台阶1414和1416变得更厚。随后，在时刻t₂处，所有三个区域达到它们的最大灵敏度，并且所得到的变迹分布1401(6)像另一较大的矩形。在达到最大值之后，第一偏置电压可保持在V_max，直到达到至少显示深度为止。在发射阶段开始之前，偏置电压要么可改变到另一水平，要么可保持在V_max。一旦发射阶段完成，可重置偏置电压。

虽然在上述示例中仅描述了对应于五个子电极的五个偏置可控区域，但是偏置可控区域或对应的子电极的数目可以是任何所需值。在一些示例中，子电极的数目可以是任何奇数(诸如，3,5,…，2n+1)，使得子电极在中心电极的任一侧上对称地布置。在一些示例中，对于2n+1个子电极，可采用n+1个独立的偏置供应。

在上述示例中，所有三个偏置电压描述为是线性递增的，但是偏置电压中的一些或全部可采用任何随时间单调递增的非线性函数。例如，三个偏置电压中的一个或多个可随时间指数地增加，以便例如匹配组织衰减速率。此外，在此示例中，三个偏置电压的最大值V_max示出为是相同的。然而，在其他示例中，只要所得到的变迹分布不是逆转的窗口形状，对于不同偏置电压曲线(例如，对应于不同的偏置发生器)中的每一个，最大值V_max可以是不同的。此外，在上述示例中，所有三个偏置电压示出为在相同时刻达到它们的最大值V_max，但是它们可以在不同时刻达到它们的最大值，以便例如实现不同的灵敏度效应。

图14B描绘根据一些实现方式的示出偏置电压相对于时间的示例图表1420。在此示例中，图表1420包括三个偏置电压曲线，即，V_bias1>bias2>bias3>bias1可初始为V_max，并且从时刻t₀到时刻t₂可保持恒定。此外，在图14B的示例中，由第二偏置发生器产生的第二偏置电压V_bias2>0处开始于0，并且随时间线性增加，直到在时刻t₂处达到最大值V_max。此外，由第三偏置发生器产生的第三偏置电压V_bias31426可在指定时刻t₁处开始，并且可随时间线性增加，直到V_bias3在时刻t₂处达到最大值V_max。此外，在其他示例中，多于一个偏置电压可保持恒定。

图14C描绘根据一些实现方式的示出偏置电压相对于时间的示例图表1430。在此示例中，图表1430包括三个偏置电压曲线，即，V_bias1>bias2>bias3>bias1可初始为V_max，并且从时刻t₀到时刻t₂可保持恒定。此外，在图14C的示例中，由第二偏置发生器产生的第二偏置电压V_bias2>0处开始于非零电压Vt₀，并且随时间按一系列步长增加，直到在时刻t₂之前达到最大值V_max。此外，由第三偏置发生器产生的第三偏置电压V_bias3>1处开始，并且可随时间线性增加，直到V_bias3在时刻t₂处达到最大值V_max。此外，在其他示例中，多于一个偏置电压可按逐步长方式增加。

图14D描绘根据一些实现方式的示出偏置电压相对于时间的示例图表1440。在此示例中，图表1440包括三个偏置电压曲线，即，V_bias1>bias2>bias3>bias1可初始为V_max，并且从时刻t₀到时刻t₂可保持恒定。此外，在图14D的示例中，由第二偏置发生器产生的第二偏置电压V_bias2>0处开始于非零电压Vt₀，并且随时间按任何所需模式增加，直到在时刻t₂之前达到最大值V_max。此外，由第三偏置发生器产生的第三偏置电压V_bias3>1处开始，并且可随时间按任何所需模式增加，直到V_bias3在时刻t₂处达到最大值V_max。此外，在其他示例中，第一偏置电压V_bias1也可按任何所需模式增加。

图14E描绘根据一些实现方式的示出偏置电压相对于时间的示例图表1450。在此示例中，图表1450包括各自具有不同的Vmax值的三个偏置电压曲线，即，V_bias1>bias21454和V_bias3>bias1可初始处于第一最大值V_max1，并且从时刻t₀到时刻t₂可保持恒定。此外，在图14E的示例中，由第二偏置发生器产生的第二偏置电压V_bias2>0处开始于0，并且随时间线性增加，直到在时刻t₂处达到第二最大值V_max2。此外，由第三偏置发生器产生的第三偏置电压V_bias3>1处开始，并且可随时间线性增加，直到V_bias3在时刻t₂处达到第三最大值V_max3。

图14F描绘根据一些实现方式的示出偏置电压相对于时间的示例图表1460。在此示例中，图表1460包括各自具有不同的Vmax值的三个偏置电压曲线，即，V_bias1>bias21464和V_bias3>bias1可初始为第一最大值V_max1，并且从时刻t₀到时刻t₂可保持恒定。此外，在图14F的示例中，由第二偏置发生器产生的第二偏置电压V_bias2>0处开始于非零电压Vt₀，并且随时间按一系列步长增加，直到在时刻t₂之前达到第二最大值V_max2。此外，由第三偏置发生器产生的第三偏置电压V_bias3>1处开始，并且可随时间线性增加，直到V_bias3在时刻t₂处达到第三最大值V_max3。此外，在其他示例中，第一偏置电压V_bias1和/或第三偏置电压V_bias3还可按一系列步长或按任何其他所需模式增加。

图14G示出根据一些实现方式的示出偏置电压相对于时间的示例图表1470。在此示例中，图表1470包括各自具有不同的Vmax值的三个偏置电压曲线，即，V_bias1>bias21474和V_bias3>bias1可初始处于第一最大值V_max1，并且从时刻t₀到时刻t₂可保持恒定。此外，在图14G的示例中，由第二偏置发生器产生的第二偏置电压V_bias2>0处开始于非零电压Vt₀，并且随时间按任何所需模式增加，直到在时刻t₂之前达到第二最大值V_max2。此外，由第三偏置发生器产生的第三偏置电压V_bias3>1处开始，并且可随时间按任何所需模式增加，直到V_bias3在时刻t₂处达到第三最大值V_max3。此外，在其他示例中，第一偏置电压V_bias1也可按任何所需模式增加。

图14A-图14G的上述示例图表示出多个偏置电压曲线，该多个偏置电压曲线是非递减的时间函数以增加有效的垂直孔径尺寸。由此，偏置电压曲线中的每一个表示随时间恒定或递增的各个偏置电压，结果，有效垂直孔径尺寸也是恒定的或递增的。

图15A-图15B描绘示出根据一些实现方式的示例偏置电压和焦点深度的图表。在发射(TX)操作中，对于不同的发射焦点(即，成像深度)，可改变为子电极中的每一个供应的偏置电压以实现所需的等效孔径尺寸。通常，当成像深度(即，焦距)增加时，等效孔径尺寸也会增加，即，每一个子电极上的偏置电压也会增加。图15A和图15B示出两种示例情况，这两种示例情况可包括上文中参照图2和/或图3所讨论的示例CMUT的操作。

图15A描述根据一些实现方式的图表1500，图表1500包括偏置电压和焦点深度的示例。在图15A的示例中，如1502处所指示，对于第一成像深度/焦点(例如，近场)，仅中心子电极(例如，图2中的206)可具有偏置电压。对于第二成像深度/焦点(例如，中间场)，如1504处所指示，中心子电极(例如，图2中的206)和/或邻近中心子电极的子电极(例如，图2中的205和207)两者可具有偏置电压。对于第三成像深度/焦点(例如，远场)，如在1506处所指示，所有子电极(例如，图2中的204-208)可具有偏置电压。在此示例中，V_MAX(例如，V_1MAX、V_2MAX、V_3MAX等)指示每一个偏置电压的最大电压水平。

图15B示出根据一些实现方式的图表1510，图表1500包括偏置电压和焦点深度的示例。在图15B的示例中，偏置电压中的每一个可打开并增加以用于不同的成像深度(或发射焦点)。在此示例中，如1512处所指示，对于第一成像深度/焦点(例如，近场)，仅中心子电极(例如，图2中的206)可具有偏置电压。对于第二成像深度/焦点(例如，中间场)，如1514处所指示，中心子电极(例如，图2中的206)和/或邻近中心子电极的子电极(例如，图2中的205和207)两者可具有偏置电压。对于第三成像深度/焦点(例如，远场)，如在1516处所指示，所有子电极(例如，图2中的204-208)可具有偏置电压。此外，如1518至1520所指示，可为电极204、205、207、208中的一些或全部增加偏置电压以将成像深度聚焦至所需深度/焦点。图15A和图15B两者中示出的V_1MAX、V_2MAX和V_3MAX的相对水平是出于说明性目的，并且实际值可至少部分地基于实际CMUT设计和所需的成像操作来确定。

图16和图17是示出根据一些实现方式的示例过程的流程图。该过程被示出为逻辑流程图中的块的集合，表示操作的序列，其中的一些或全部可以硬件、软件或其组合来实现。在软件的情况下，块可表示储存在一个或多个计算机可读介质上的计算机可执行指令，当被一个或多个处理器执行时对处理器进行编程以执行所列举的操作。一般而言，计算机可执行指令包括执行特定功能或实现特定数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。块被描述的顺序不应被解释为限制。任何数量的所描述的块能以任何顺序和/或并行地组合以实现该过程或替代过程，并且不是所有的块都需要被执行。为了讨论的目的，参考本文的示例中描述的装置、架构和系统来描述该过程，但是可在各种各样的其他装置、架构和系统中实现该过程。

图16是示出根据一些实现方式的用于将偏置电压施加到偏置可控区域的示例过程1600的流程图。可至少部分地通过被编程或以其他方式由可执行指令进行配置的处理器来执行该过程。

在1602处，CMUT阵列可以配置有多个元件，每个元件的电极中的至少一个包括中心子电极、在中心子电极的第一侧上的第一子电极、和在中心子电极的与第一侧相对的第二侧上的第二子电极。可独立地控制至子电极的偏置电压。因此，每个元件可包括中心偏置可控区域、在中心偏置可控区域的第一侧上的第一偏置可控区域、以及在中心偏置可控区域的与第一侧相对的第二侧上的第二偏置可控区域。此外，在一些情况下，附加的子电极和对应的附加偏置可控区域可被包括在每一个元件中，诸如，对于每一个元件，在第一偏置可控区域的与中心偏置可控区域相对的侧上的第三子电极和对应的第三偏置可控区域，以及在第二偏置可控区域的与中心偏置可控区域相对的侧上的第四子电极和对应的第四偏置可控区域。附加的子电极和对应的偏置可控区域也可被包括在CMUT阵列的元件中的一些或全部中。

在1604处，CMUT阵列可被连接至成像系统、偏置电压源、和/或多路复用器。在一些情况下，CMUT阵列可被包括在探测器中，该探测器包括或连接至成像系统、偏置电压源和/或多路复用器。

在1606处，CMUT阵列可指向对象。例如，对于医学成像，CMUT阵列可指向人体组织。

在1608处，系统中的处理器可使得多个元件发射和/或接收超声能量，同时将第一偏置电压施加到中心子电极并将第二偏置电压施加到第一与第二子电极。因此，处理器可使得多个元件发射和/或接收超声能量，同时将第一偏置电压施加到中心偏置可控区域并将第二偏置电压施加到第一与第二偏置可控区域。例如，第一偏置电压可以不同于第二偏置电压。在一些示例中，可在与第二偏置电压不同的时刻施加第一偏置电压。此外，在一些示例中，可按随时间增加的递增偏置电压来施加第一偏置电压或第二偏置电压中的至少一者。例如，处理器可按随时间增加的单调递增电压来施加第一偏置电压或第二偏置电压，使得例如第二偏置电压比第一偏置电压随时间增加得更快。

图17是示出根据一些实现方式的用于将偏置电压施加到偏置可控区域的示例过程1700的流程图。可至少部分地通过被编程或以其他方式由可执行指令进行配置的处理器来执行该过程。

在1702处，CMUT阵列可配置有多个元件，每个元件中的电极中的至少一个电极包括中心子电极、在中心子电极的第一侧上的第一子电极、在中心子电极的与第一侧相对的第二侧上的第二子电极、在第一子电极的与中心子电极相对的一侧上的第三子电极、以及第二子电极的与中心子电极相对的一侧上的第四子电极。因此，每个元件可包括中心偏置可控区域、在中心偏置可控区域的一侧上的第一偏置可控区域、以及在中心偏置可控区域的与第一侧相对的第二侧上的第二偏置可控区域。还可在CMUT阵列中包括附加的子电极以及对应的附加偏置可控区域。

在1704处，CMUT阵列可被连接至成像系统、偏置电压源、和/或多路复用器。在一些情况下，CMUT阵列可被包括在包括或连接至成像系统、偏置电压电源和/或多路复用器的探测器中。

在1706处，将CMUT阵列指向对象。例如，对于医学成像，CMUT阵列可指向人体组织。

在1708处，系统中的处理器可使得多个元件发射超声能量，同时在第一时间将第一偏置电压施加到中心子电极并将第二偏置电压施加到第一与第二子电极。因此，处理器可使得多个元件发射超声能量，同时在第一时间将第一偏置电压施加到中心偏置可控区域并将第二偏置电压施加到第一与第二偏置可控区域。

在1710处，处理器可随着时间并在一些示例中以不同的速率增加施加到中心子电极以及第一与第二子电极的各自的偏置电压。因此，处理器可随着时间增加施加到中心偏置可控区域以及第一与第二偏置可控区域的各自的偏置电压。在一些示例中，可以以不同的速率增加各自的偏置电压，诸如，比第一偏置电压更快地增加第二偏置电压。

在1712处，处理器可在第二时间在第一与第二偏置电压的施加期间将第三偏置电压施加到第三与第四子电极。因此，在第二时间处，处理器可在第一与第二偏置电压的施加期间将第三偏置电压施加到第三与第四子偏置可控区域。

在1714处，处理器可随着时间增加第三偏置电压。在一些示例中，处理器可以以与第一与第二偏置电压不同的速率随着时间增加第三偏置电压。

在1716处，系统可以基于接收到的经反射的超声能量来呈现图像。例如，CMUT阵列可接收经反射的超声能量，例如，CMUT阵列除了发射超声信号之外可接收超声信号以用于成像。进一步地，系统可包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器处理接收到的超声能量并且基于对接收到的超声信号的处理在显示器上呈现图像。

本文所描述的示例过程仅是为讨论目的而提供的过程的示例。根据本文的公开内容，许多其它变化对本领域技术人员将是显而易见的。此外，尽管本文的公开内容阐述了用于执行过程的合适的系统、架构和装置的若干示例，但是本文中的实现方式不限于所示和所讨论的特定示例。而且，本公开提供了示例实现方式，如在附图中所描述和所示出的。然而，本公开不限于本文所描述和所示出的实现方式，而是可扩展到将对本领域技术人员已知或将变得已知的其它实现方式。

可在计算机可执行指令的广义情况下考虑本文所描述的各种指令、方法和技术，诸如存储在计算机可读介质上并且由本文中的处理器执行的程序模块。一般而言，程序模块包括用于执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。这些程序模块等可被作为本机代码来执行，或者可以被下载和执行，诸如在虚拟机或其他即时编译执行环境中。通常，在各种实现方式中，程序模块的功能可按需组合或分配。这些模块和技术的实现可被存储计算机存储介质上或跨某种形式的通信介质传输。

尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于所描述的具体特征或动作。相反，具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式而公开的。