專利名稱：用于實現高電壓超聲功能的集成電路的制作方法
技術領域：
本發明一般而言涉及超聲成像系統。更具體而言，本發明涉及用于實現超聲成像系統的高電壓超聲功能的集成電路。
背景技術：
圖1示出了超聲成像系統10。壓電換能器陣列12由電學激勵產生超聲波，且相反地將入射到其的超聲波轉換成電學信號。壓電換能器陣列12容納于自身的外殼內，且通過兩米線纜14連接到容納了超聲成像系統10其余部分的手推車(cart)。
采集子系統16激勵壓電換能器陣列12以產生超聲波。該采集子系統還將壓電換能器陣列12根據入射超聲波產生的電學信號處理成掃描線。掃描線提供從壓電換能器陣列12發出的關于位于軸上的組織的回聲信息。信號處理子系統18將這些掃描線轉換成圖像。該圖像可以被界面、存儲和連接子系統20顯示、存儲、或者轉送到另一個系統。子系統22提供用戶界面以及對其他子系統16、18和20的控制。
采集子系統16由多個相同通道組成，其中每個通道處理壓電換能器陣列12中的單個壓電換能器。一般而言，壓電換能器交替地用于產生和接收超聲波。采集子系統16的每個通道因此包括向壓電換能器提供高電壓信號以產生超聲波的發射器和處理由壓電換能器吸收的超聲波所產生的電學信號的接收器。一組開關避免了發射器和接收器的相互干擾。
發射器具有以下困難的任務，即，低失真地將低壓高頻模擬信號放大成高電壓(通常200Vpp)大電流(通常+/-2A)信號。該發射器包括分立的元件，例如高電壓晶體管、低壓運算放大器、大電流緩沖器、變壓器、電容器、電阻器等，以用于放大低壓高頻模擬信號。因此，采集子系統16的每個放大器需要大量的分立元件，并在系統內占據相當大的板上空間。高端超聲成像系統中大的通道數量(通常為128)需要耗費大量成本。
因此需要在單個集成電路上集成超聲成像系統的每個發射器的高電壓功能。該單個芯片將大幅減小用于實現高電壓發射器功能的傳統超聲發射器電路的多個分立元件所需的空間。此外，傳統超聲發射器電路中使用的分立元件可以被優化以用于其他用途。其尺寸和功耗因此高于所需的值。通過調整超聲成像系統的所有元件的尺寸和性能，單個集成電路可以以更低的功耗提供更優的性能。
發明內容
本發明提供了用于實現超聲成像系統的高電壓超聲功能的集成電路。該集成電路封裝成為集成芯片。這樣，本發明的集成芯片大幅減小了實現高電壓發射器功能的傳統超聲發射器電路的若干分立元件所需的空間。
使用絕緣體上硅(SOI)技術制造該集成電路。該集成電路封裝成為一種集成芯片，其集成了至少以下高電壓超聲裝置柵極驅動器、功率放大器、以及用于至少一個通道的發射/接收開關?？蛇x地，可以添加低噪聲的前置放大器和模擬多路復用器。優選的SOI技術將低壓CM0S技術、雙極晶體管與可以在單個芯片上維持超過超聲要求電壓的高電壓高速晶體管相結合。這些晶體管通過電介質相互隔離。這導致與競爭技術相比大幅的面積減小。該技術還實現了在同一芯片上集成數字邏輯、低壓和高電壓模擬功能。所有這些元件對于高性能超聲發射器都是必需的。
因此，本發明將現有技術的超聲發射器電路的構建模塊(低噪聲放大器、柵極驅動器、功率放大器、隔離二極管、T/R開關、模擬多路復用器等)集成于單個SOI芯片上，并執行其各自功能。此外，本發明提供的SOI集成允許添加新功能(例如用于功率降低的動態偏置)和新電路技術，使用現有技術發射器電路的多個分立元件，這些新的電路技術是不現實的或者完全不可能的。
通過參照附圖對本發明各種實施方案的以下詳細描述，本發明的這些和其他優點將變得更加顯而易見，附圖中圖1為超聲成像系統的方框圖；
圖2為根據本發明的用于實現超聲成像系統的高電壓超聲功能的單個SOI集成芯片的方框圖；以及圖3為超聲成像系統的示意圖。
具體實施例方式
超聲系統中的圖像質量取決于許多因素。其中一個因素為可用的通道數目。由于功耗以及板空間的原因，現有技術的超聲成像系統限于128個通道。本發明提供了一種集成的高電壓SOI集成電路，其允許使用更多個通道(例如256個通道)并由此提高圖像質量。單個通道的性能也是至關重要的。使用寄生成分保持為最小的本發明的單個SOI集成發射器，例如信噪比、失真和轉換速率(slew rate)的度量標準得到顯著改善。
如圖2所示，使用絕緣體上硅(SOI)技術制造該集成電路，并通常使用參考數字100指代該集成電路。集成電路100封裝成為集成了至少以下高電壓超聲裝置的集成芯片低噪聲前置放大器(LNA)102、柵極驅動器104和功率放大器106、發射/接收開關108。LNA102可位于芯片100外部。
優選的SOI技術將低壓CMOS技術、雙極晶體管與可以在單個芯片上維持超過超聲要求電壓的高電壓、高速晶體管相結合。SOI IC芯片100上的晶體管通過電介質相互隔離。這導致了與競爭技術相比大幅的面積減小。該技術還允許在同一芯片上集成數字邏輯、低壓和高電壓模擬功能。所有這些元件對于高性能超聲發射器都是必需的。
實施本發明的最佳方式是將盡可能多的單個通道的功能集成到單個芯片100上，并且在功耗與/或面積允許的情況下在芯片100上集成盡可能多的通道。用于集成電路100的該優選SOI技術為Philips EZ-HV，因為該技術允許必要電壓范圍的晶體管(～250V)，且提供了全部一起集成于單個芯片上的低和中電壓范圍的雙極與MOS晶體管。
SOIIC芯片100通過第一端子(T1)獲得超聲成像系統(例如圖1所示的系統)所產生的小幅值模擬或數字信號(低電壓信號)。SOIIC芯片100使用低噪聲放大器(LNA)102放大該低電壓信號以用于柵極驅動器104，柵極驅動器104接著將該信號放大以用于功率放大器106。功率放大器106進一步放大該信號，以通過第二端子(T2)將高電壓信號(例如約200Vpp)輸出到超聲成像系統(見圖3)的超聲探頭110。超聲探頭110通過具有電阻器R和電容器C的RC電路連接到SOIIC芯片100。可以考慮將一個或多個IC芯片100容納在探頭110內。第一和第二端子(T1和T2)可以是SOIIC芯片100的物理引腳，或者是完全位于SOI IC芯片100內的信號節點。
也位于同一SOI芯片100上的T/R開關108在發射過程中保護接收電子裝置，并為從超聲探頭108接收的至少一個信號提供到超聲成像系統的低阻抗路徑。接收到的信號被傳送到超聲成像系統，例如圖3所示系統。
因此，本發明將現有技術的超聲發射器電路的構建模塊(柵極驅動器、功率放大器、隔離二極管、T/R開關等)集成于單個SOI芯片上，并執行其各自功能。此外，本發明提供的SOI集成允許添加新功能(例如用于功率降低的動態偏置)和新電路技術，使用現有技術發射器電路的若干分立元件，所述新電路技術是不現實的或者完全不可能的。可以在該SOI芯片內提供額外的電路系統，例如用于合成信號波形的數字邏輯電路系統，以及用于在執行高電壓放大之前將合成的信號波形轉換成模擬域的電路系統。
本發明的附加實施方案提供了一種超聲成像系統300，用于采集和顯示例如醫學圖像的超聲圖像，從而輔助診斷健康相關狀況，如圖3所示。該超聲成像系統300包括例如超聲探頭的手持超聲掃描裝置302，其具有壓電換能器陣列302、多路復用器(未示出)、以及至少一個如前所述的用于執行高電壓超聲功能的SOI IC芯片100。
壓電換能器陣列302發射頻率范圍為20KHz至20MHz的超聲能量。當超聲能量被患者體內的組織和結構反射時，反射的能量被陣列302探測，陣列302接著通過多路復用器將各個通道的能量數據傳遞到控制單元304。
控制單元304通過電纜306與手持掃描裝置302電通信，電纜306理想地還為壓電換能器陣列302的工作供電。與電纜306相結合或者替代電纜306，可以在控制單元304和手持掃描裝置302之間使用其他通信裝置。所述其他通信裝置包括藍牙、IEEE 802.11a/b/c、紅外線等。
控制單元304包含處理器308和一個或多個存儲裝置310，該處理器308配置成執行各種圖像分析和處理功能。存儲裝置310既提供從手持掃描裝置302接收的原始數據的臨時存儲，也提供經過處理的圖像的長期存儲。存儲裝置310可以是硬盤驅動器、可寫CD-ROM或DVD、存儲器模塊、磁光驅動器、以及磁性介質的任意組合。控制單元304另外連接到例如CRT或LCD屏幕的顯示裝置312，以顯示超聲圖像。此外還提供了一個或多個用戶輸入裝置314，允許操作人員向控制單元304發出命令。
假設所述多路復用器可設于該至少一個SOI IC芯片100內。在系統300的一個備選實施方案中，該至少一個SOI IC芯片100位于控制單元304內。在該實施方案中，該多路復用器位于手持超聲掃描裝置302內。
本發明的上述實施方案旨在闡述而非限制，且并不旨在代表本發明的所有實施方案。在不背離由所述權利要求文字上以及法律上等同特征所界定的本發明的精神或范圍的情況下，可以進行各種調整和變化。
權利要求
1.一種用于超聲成像系統(100)的集成電路(100)，所述集成電路(100)包括第一端子(T1)，用于接收由所述超聲成像系統(300)產生的低電壓信號；用于放大所述低電壓信號以獲得高電壓信號的裝置；以及第二端子(T2)，用于將所述高電壓信號傳送到所述超聲成像系統(300)的超聲探頭(110)。
2.根據權利要求1所述的集成電路(100)，進一步包括開關(108)，用于為從所述超聲探頭(110)接收的至少一個信號，提供到所述超聲成像系統(300)的低阻抗路徑。
3.根據權利要求1所述的集成電路(100)，其中使用絕緣體上硅技術制造所述集成電路(100)。
4.根據權利要求1所述的集成電路(100)，其中所述集成電路(100)封裝成集成芯片(100)。
5.根據權利要求1所述的集成電路(100)，其中所述用于放大的裝置包括低噪聲前置放大器(102)、柵極驅動器(104)、和功率放大器(106)。
6.根據權利要求1所述的集成電路(100)，其中超聲探頭(110)包括壓電換能器陣列(12)。
7.根據權利要求1所述的集成電路(100)，其中所述高電壓信號約為200Vpp。
8.一種超聲成像系統(300)，包括至少一個集成電路(100)，其包括第一端子(T1)，用于接收由所述超聲成像系統(300)產生的低電壓信號；用于放大所述低電壓信號以獲得高電壓信號的裝置；以及第二端子(T2)，用于將所述高電壓信號傳送到所述超聲成像系統(300)的超聲探頭(110)。
9.根據權利要求8所述的超聲成像系統(300)，進一步包括開關(108)，用于為從所述超聲探頭(110)接收的至少一個信號，提供到所述超聲成像系統(300)的低阻抗路徑。
10.根據權利要求8所述的超聲成像系統(300)，其中使用絕緣體上硅技術制造所述集成電路(100)。
11.根據權利要求8所述的超聲成像系統(300)，其中所述集成電路(100)封裝成集成芯片(100)。
12.根據權利要求8所述的超聲成像系統(300)，其中所述用于放大的裝置包括低噪聲前置放大器(102)、柵極驅動器(104)、和功率放大器(106)。
13.根據權利要求8所述的超聲成像系統(300)，其中所述超聲探頭(110)包括壓電換能器陣列(12)。
14.根據權利要求8所述的超聲成像系統(300)，其中所述高電壓信號約為200Vpp。
15.一種用于超聲成像系統(100)的SOI集成芯片(100)，所述SOI集成芯片(100)包括第一端子(T1)；至少一個放大器(104，106)，用于放大由所述第一端子(T1)接收的低電壓信號以獲得高電壓信號；以及第二端子(T2)，用于將所述高電壓信號傳送到所述超聲成像系統(300)的超聲探頭(110)。
16.根據權利要求15所述的SOI集成芯片(100)，進一步包括開關(108)，用于為從所述超聲探頭(110)接收的至少一個信號，提供到所述超聲成像系統(300)的低阻抗路徑。
17.根據權利要求15所述的SOI集成芯片(100)，其中所述至少一個放大器(104，106)包括柵極驅動器(104)和功率放大器(106)。
18.根據權利要求15所述的SOI集成芯片(100)，其中所述超聲探頭(110)包括壓電換能器陣列(12)。
19.根據權利要求15所述的SOI集成芯片(100)，其中所述高電壓信號約為200Vpp。
20.根據權利要求15所述的SOI集成芯片(100)，其中所述低電壓信號為模擬和數字信號中的至少一種。
全文摘要
本發明提供了用于實現超聲成像系統的高電壓超聲功能的集成電路。該集成電路封裝成集成芯片。該集成電路由絕緣體上硅(SOI)技術組成，并集成了至少下述高電壓超聲功能柵極驅動器、功率放大器、發射/接收開關。可選地，該集成芯片可包含低噪聲的前置放大器和模擬多路復用器。
文檔編號G01S7/521GK101019039SQ200580030716
公開日2007年8月15日 申請日期2005年9月8日 優先權日2004年9月13日
發明者B·迪福特, A·戈維爾, B·R·韋耶特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
