具有非均勻切口的換能器陣列的制作方法

專利名稱：具有非均勻切口的換能器陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種換能器陣列。特別地，涉及一種具有非均勻切口寬度的多維換能器陣列。
背景技術：
換能器用于電荷與聲能之間的轉換。醫學成像技術使用換能器來生成人或 動物內臟器官及其生理系統的圖像。比如，將聲能傳送到患者體內，接收響應 于該傳送的回波。響應于聲學回波生成的電信號則用于生成圖像。超聲波儀器 可以使用相控換能器陣列生成及接收聲波，以生成二維、三維或四維圖像，比 如胎兒或跳動心臟的圖像。
在換能器陣列的制造中，很多元件通常形成并排列為一維或者多維的布 置。大多數換能器陣列具有聲學元件，該聲學元件通過切割壓電陶瓷層來獲得 用于"干凈"共振模式的期望的長寬比，即最小化橫向或其他不需要的模式。通 過在換能器材料上切割切口以形成元件，通常各元件之間的切口寬度是相同的。 從換能器材料的前表面或者從其后表面切割。 發明內容
ffl31描述，下面的iM實施例包括制造換能器陣列的元件、陣列及方法。通過切割換能器材料來形成多個主要及次要元件。這些主要及次要元件被排列 為形成具有非均勻切口的陣列。
第一方面，提供多維換能器陣列。多維換能器陣列包括多個元件。第一和 第二切口聲隔離這些元件，第一切口的第一寬度大于第二切口的第二寬度。
第二方面，提供多維超聲換能器陣列，多個主要元件之間通過多個主切口 而彼此聲隔離及電隔離。該多個主要元件是多維分布。通過多個次要切口，在 多個主要元件的每個主要元件中形成多個次要元件。多個主要切口的寬度大于 多個次要元件的切口。
第三方面，提供一種制造多維換能器陣列的方法。切割換能器材料層以形 成第一切口寬度。切割該換能器材料層以形成第二切口寬度。第二切口寬度與第一切口寬度不同。
ffl31下述權利要求來界定本發明，但是本節的所有內容不應該被看作就權利要求柳蹄U。本發明的進一步方面及優點將結合4繼實施例來討論。


[■9]部件及附圖不一定按比例，重點放在對發明原理的說明。此外，各圖中，相似的標號在不同的視圖中代表相應的部件。
圖1是多維換能器陣列的一個實施例的透視風[oou]圖2是圖1所示的多維換能器陣列的一個實施例的剖面圖； ,2]圖3是圖1所示的多換能器陣列的換能器材料的等比視圖；
圖4是制造多維換能器陣列方法的一個實施例的流程圖。
具體實施方式
多維換能器陣列具有多個離散的壓電元件。通過切割至少一層換能器材料，產生不同寬度的切口，從而形成該陣列。在一實施例中，較大或較寬的切 口寬度用于分離主要元件，較小或較窄的切口寬度用于分離主要元件中的次要 元件。主要元件由多個次要元件組成，這些次要元件相互電連接但是聲隔離以 提高脈沖響應。在另外的實施例中，使用較寬和較窄切口的其他組合。通過使 主要切口的寬度大于次要切口的寬度，獲得更獨立的元件響應。
圖1示出多維換能器陣列的一實施例的透視圖。圖1-3中示出X,Y及Z 維。Z維相應于超聲或相控陣列成像中的范圍維。Y及X維分另湘應于高度禾口 水平維，反之亦然。該陣列位于系統100內。系統100表^g聲探針，比如胎 兒心臟探針，外科手術探針，腔內探針，外部探針，導管，超聲系統，或任何 其他已知或未來的醫學成像系統。替換的，系統100可以是雷達系統，聲納探 測器，光束形成陣列結構，或任何其他現存的或未來的使用換能器陣列的系統。
在系統100中，示出4個主要元件110，但是可以使用更少(比如2個)， 或者更多(比如成百個)或者任何數量的主要元件。比如，系統100包括2304 個主要元件。對于給定的孔徑可以使用這些可用元件的任意子集。孔徑尺寸的 選擇包括在橫向分辨率和視場之間的折衷。比如，較大的孔徑允許更大的橫向 分辨率，但是當有源元件的數量不變時將得到更窄的視場。可以使用方形，圓 形，或任何其他幾何形狀的孔。
陣列沿著矩形柵格間隔。替換地，多維陣列沿著矩形，六邊形，三角形或者其他已知或將來發展的柵格間隔。對于方形或者正方形的柵格，多維換能器陣列包括MxN個主要元件llO，如M沿著X維擴展，N^Y維擴展。
主要元件110 M31M少一個主要切口 130彼此聲隔離。主要元件110可以 M:電橋或者其他壓電結構相互連接。主要元件之間也可以彼此電隔離，但也 可以電連接。
在主要元件110中，形成次要元件120并且Mil至少一個次要切口 140 將次要元件120彼此聲隔離。次要切口 140也可能電隔離次要元件120。在其他 實施例中，次要元件120彼此電連接。比如，同一主要元件110中的次要元件 120連接到同一個電極或者束形成鵬。在一個實施例中，次要切口 140的延伸 小于元件的完全深度，以避免元件IIO， 120的底部電極的電隔離。
—個次要切口 140沿著次要元件120的一邊延伸。在一個實施例中，次要 切口 140至少從至少兩個主要元件110中的一個主要元件的水平棱到另一個7jC 平棱延伸。 一個次要切口 140也可能是在高度方向或者任意其他三維方向上的 切割。[(xm] —個主要切口 130與一個次要切口 140的寬度不同。比如， 一個主要切口 130的寬度比一個次要切口 140的寬度要大。替換地，多個或者所有主要切口 130的寬度大于多個或者所有次要切口 140的寬度。在一個實施例中，次要切口 140的寬度大約是主要切口 130的一半。
次要元件120以3x3的布置排列。替換地，任意數量的次要元件120可 以任意數量的幾何布置形成。比如，提供一種沿著陣列的元件之間具有不同切 口寬度的一維陣列。
主要元件110之一中的通路(via) 150與一個次要切口 140相交叉。替換 地，所有主要元件可以包含至少一個通路或多個通路。通路位于避免分別與次 要或主要切口 140及130交叉的地方，ffij 各部分與切口 140， 130交叉，禾口/或通 路完全被切口140， 130除去。通路也可位于次要元件120的中心，以允許得到 對角線切口。在一個實施例中，通路150位于僅與次要切口 140交叉的位置。 形成次要切口 140后，通路150的寬度在通路150的每邊保留一部分。當兩個 次要元件120之間只有一個通路150時，對于在X方向上與次要切口 140交叉 的次要元件120，在所有次要元件120之間提供通路150。通路150允許與換能 器元件關聯的不同層之間存在電互連。
圖2示出圖1所示的多維換能器陣列的一個實施例的咅靦圖。用換能器材料堆fi&接合(bond)不同的層。電極層205， 一個或更多的匹配層211，換能 器材料層220，電極層231，及墊板235相鄰地形成層堆。此外，可以j細不同 或者更少的元件。這些層可能以不同的順序來堆疊，比如，可以在匹配層211 和換能器材料層220之間提供頂部電極205。比如，底部電極層231與頂部電極 層205的位置可以交換。[,]該陣列的不同層之間可以ffi31燒結，層壓，粗糙面接觸或者其他用于將層 相互結合的化學或者機械結構或技術來接合。
在某一實施例中，對頂部及底部電極層205， 231形成圖案(pattern),比如4頓層205和接地的層231提供魁鄰車列，4頓層231和接地的層205提供接收陣列。在用于^M及接收操作的換能器材料220的不同面上提供電極，這可以在相關的特殊用途集成電路(ASIC)上消除發射及接收轉換。
在替換的實施例中，電極層205， 231之一是接地層并且可以不被切割或可以形成圖案。形成圖案的柔性電路可以被設置在換能器材料和墊板之間。可以使用收發電路的其他任何布置。
電極層205， 231可以是KAPTON，上的導體，沉積電極，或者其他任何 材料。
匹配層211是單層或者多個匹配層。在一個實施例中，匹配層211是 KAPTON ,用于支撐頂部電極205的導體^/或其他任何適合材料，例如聚合 的，無aS/或有機導體材料，亦可是填充或非i真充的導體合成物。墊板235材 料是任何類型的聲衰減材料或不同材料的混合物。墊板235用于衰減，吸收或 者減少聲能的發射。可替換地，墊板235包括交替的聲衰Mt才料層和電追蹤支 承材料層。并且，墊板235可以包含消音表面，比如瑞利堆(Rayleighdump)。
層堆中的不同層之間是電絕緣的。通路105將頂部電極205電連接至柔性 電路，于束形成和/或接地的其他連接。提供TAB如跳線(jumper),電線接 合，跡線，^/或其他任何電互連。
在一個實施例中，換能器材料220的多個層及相應的電極形成每個元件 120。 ffig各150電連接每隔一個電極層。,2]圖3是換能器材料的等比視圖，該換能器材料例如是圖1所示的多維換能 器陣列的換能器材料220。換能器材料220是壓電(PZT)，陶瓷，硅，半導體W或膜片，但其他材料或結構也可用于在聲能和電能之間轉換。可替換地，換能器材料220是具有至少兩層換能器材料的多層換能器材料。多層換能器材料 的層之間可以通過燒結，層壓，粗糙面接觸，或其他任何用于將層相互結合的 化學或機械結構或技術來相互接合。并且，換能器材料的多個層之間可電連接， 該電連接可M31^M路150這樣的通路，像在換能^l材料的每一層上具有或不 具有間斷的信號或接地電極的電極排列，跡線，諸如瑕踐的TAB，電線接合， ^/或其他任何電互連實現。
可替換地，換能器材料220是具有在硅基底上或硅基底內形成的一個或多 個柔性膜片(比如，幾十或幾百個)的硅基底。柔性膜片在至少一個表面上具 有電極用于利用電容效應來轉換能量，比如在電容膜片超聲換能器上提供的。 膜片用沉積形成或在硅基底上的硅或其他材料形成。
參照圖2，主要切口 130跨過頂部電極205，匹配層211，次要元件120， 及將主要元件110彼此聲和電隔離的底部電極層235。次要切口 140跨過頂部電 極層205，匹配層211，次要元件120，及部分將次要元件120彼此聲隔離的底 部電極層235。次要元件120通過底部電極層235電連接并且可作為單一元ft^ 作。可替換地，次要切口 140完全跨過底部電極層235，但是次要元件120可以 M51任何類型的電連接方式電連接。可替換地，次要元件120可以彼此電隔離 以獨立地工作。并且，多個主要元件110可以相互電連接。可使用電隔離的次 要元件，電連接的次要元件，電隔離的主要元件，^/或電連接的主要元件的任 意組合。除lltt外，當生成主要切口 130或次要切口 140時可使用任何深度。 比如，主要切口 130 ^/或次要切口 140穿過墊板235延伸。并且，圖2示出從 正面切割的層堆，但是層堆也可以從背面切割。比如，當匹配層連續時，切口 穿過墊板235延伸。此外，也可以采用階梯式的切口寬度。匹配層211^S/或頂 部電極層205可以在切割后形成或添加。
主要切口 130的寬度比次要切口 140的寬度大。 一個或每個次要切口 140 的寬度至少是大約20百萬分之一米，這里百萬分之一米是微米，且小于大約100 ， 一個或每個主要切口 130的寬度至少是大約100 。比如，主要切口 130的寬度大約是150微米，次要切口 140的寬度大約是50微米，這里主要元 件110之一的間距大約是800微米。可替換地， 一個或每個主要切口 130的寬 度小于大約100微米，例如是大約70微米。具有更大或更寬主要切口 130使得可以產生更獨立的元件，也就是減小鄰居之間的串擾。并且，提高主要元件110的切口寬度可以得到更好的導向(steering)能力，比如軸外(off-axis)導向。 例如，主要及次要元件使用相同切口寬度的，比如50微米的2D大間距陣列， 得到大約10度的掃描段，然而，使用大約150微米的主要切口130寬度及大約 50 的次要切口 140寬度將獲得大約16度的掃描段，即可提供更好的圖像， 比如更完整的胎兒心臟圖。并且，更小或更細的次要切口寬度140保持了聲質 量禾口良好效率以及提高縱橫比，比如大約為0.30。然而，只要至少一個主要切 口 130具有不同于至少一個次要切口 140的寬度，就可使用任何寬度的主要切 口 130或次要切口 140。可替換地，不同主要切口 130的寬度與不同次要切口 140的寬度是變化的。 比如， 一個主要切口 130寬于或窄于其他主要切口 130， 一個次要切口 140的寬 度寬于或窄于其他次要切口 140。可以使用，討論的變化的主要切口和次要切 口寬度的任意組合。主要元件110和次要元件120的間距，即主要切口 130和次要切口 140 的寬度與換能器陣列的運行頻率相關。當運行頻率增加時，主要及次要切口的 各自寬度將更小或更細。比如，2.75*C兆赫茲("MHz")換能器陣歹懼有多個 主要切口 130和多個次要切口 140。 C是{ 運行頻率的倍增因子的常數系數。 如果C4,則陣列設計為具有大約150 寬度的主要切口 130及具有大約50 寬度的次要切口140。如果C大約為1.82，則運fi^員率大約是5MHzJ車列 設計為具有大約75微米的主要切口 130及具有大約25微米的次要切口 140。
圖4示出制造多維換能器陣列方法的一個實施例的流程圖。提供換能器材 料層，在步驟401中，換能器材料層被切割出第一切口寬度，在步驟411中， 換能器材料層被切割出與第一切口寬度不同的第二切口寬度。比如，第二切口 寬度小于或細于第一切口寬度。寬度尺寸可以是，任意尺寸，比如第一切口 寬度大約是150微米，第二切口寬度大約是50微米。可替換地，多個換能器材 料層以及任何數量的其它層，比如匹配層，柔性電路層，信號追蹤，電極，透m&或墊板都被切割為不同的深度以形i^m—切口寬度和第二切口寬度。切割第一切口寬度包括形成主要部件110，切割第二切口寬度包括在主要 元件110中形成次要元件120。主要元件110以3x3的布置形成。可替換地，切 割成任意類型的柵格皿及前述的任意數量的MxN個元件來分別形成主要及次要元件110和120。并且，階梯式的切割切口可用于分別形成主要或次要元件 110和120。例如，當形成次要元件110時，部分切割切口可達到一定的深度， 然后，可以接著該部分切口形成更深的切口以得到階梯式切口。可替換地，可 以得到一定寬度的部分切口 ，然后在同一位置進行更深的切割來形成更小或更 細的寬度，從而獲得階梯式切口。
具有第一寬度的第一刃(blade)用于形，一切口，比如主要切口130， 具有第二寬度的第二刃用于形成第二切口，比如次要切口 140。第一和第二刃為 具有金岡拓邊的金屬刃^/或其他用于切害賧能器材料及相關材料的已知的或未 來的刃。可替換地，相同的刃用于切割第一和第二切口，比如，具有第二寬度 的刃用于形成次要切口140，通31使用多次切割，同一刃可形成更大或更寬的第 一切口寬度。并且，當形成階梯式切口時，可使用一個或多個刃。比如，可使 用一個刃或者多個刃的組合進行單一切害蜮系歹徹割以生成至少一個階梯式切 口。當選擇用于切割的刃時，應當考慮刃的長寬比，特別是細刃。當為了生成 越來繊的次要切口而減小刃的寬度時，刃可能斷裂或破裂。因此，刃的長寬 比可能相應于次要切口如次要切口 140能形成多細的寬度柳蹄U。 ,1]可以使用其他任何數量的切割技術。比如，高壓液體或蒸汽，激光，聚焦 熱量，^/或任何其他類型的已知或未來的切割裝置和方法。，切割方法的任 意組合也可用于形成多維換能器陣列的主要及次要元件110和120。 ,2]在步驟421中，主要元件110之一中的次要元件120是電互連的。可{柳 #^性(bi-flex)的柔性電路，信號跟蹤，對,兆線器的TAB,電l，或任 何其他類型的電子連接來實現電互連。電互連使得次要元件120作為可與束形 ^t道連接的單一主要元件110工作。次要元件120可以M31電極層電互連而 不是主動互連。可替換地，主要元件110及次要元件120之間的任何電互連組 合都可使用。
上述討論的關于多維換能器陣列的任何特征及結構的配置可排列成制造 陣列的方法步驟。比如，在制造過程中可使用上述討論的與換能器陣歹湘關的 不同層之間的堆疊W或接合的任何方法。并且，J^!討論的特征和方法可以混 合及匹配來生成各種換能器陣列。
盡管已經參考各種實施例對本發明進行了描述，但是應當理解的是，在不偏離本發明范圍內可以做很多變化和修改。因lt戰一步的細節描述應當看作是對本發明的說明而不是限制，并且應當理解，以下包括所有等同物的權禾腰求 旨在限定本發明的精神實質和范圍.。
權利要求
1.一種多維換能器陣列包括多個元件(110，120)；及用于聲隔離這些元件的第一與第二切口(130，140)，其中第一切口(130)的第一寬度大于第二切口(140)的第二寬度。
2. 根據權利要求1的陣列，其中所述元件(110， 120)分別包括至少兩層 換能器材料。
3. 根據權利要求2的陣列，其中所述換能器材料(220)是壓電陶瓷材料。
4. 根據權利要求1的陣列，其中所述多個元件(110， 120)包括至少兩個 分別包含多個次要元件(120)的主要元件(110)，其中次要元件(120)之間 ffiil具有小于第一寬度的第二寬度的第二切口 (140)聲隔離，并且該至少兩個 主要元件(110)之間通過第一切口 (130)聲隔離。
5. 根據權利要求1的陣列，其中所述多個元件(110， 120)包括至少兩個 分別包括多個次要元件(120)的主要元件(110)，其中第二切口 (140)包括 從至少兩個主要部件(110)之一的第一水平邊延伸到第二水平邊的切割。
6. 根據權利要求1的陣列，其中第一切口 (130)的第一寬度大約是150 微米，第二切口 (140)的第二寬度大約是50微米。
7. 根據權利要求6的陣列，其中所述多個元件(110，120)包括排列為MxN 多維陣列的主要元件(110)，每一個主要元件(110)包括多個次要元件(120)， 其中主要元件的間隔對應于大約為2.75*CMHz的運^$員率，C為一，示運行 頻率的倍增因子的常數系數。
8. —種多維的超聲換能器陣列，包括；M多個主要切口 (130)彼此聲及電隔離的多個主要元件(110),其中該 多個主要元件(110)是多維分布；及在多個主要元件(110)的每一個中通過多個次要切口 (140)形成的多個 次要元件(120)，其中該多個主要切口 (130)的寬度大于多個次要切口 (140) 的寬度。
9. 根據禾又利要求8的陣列，其中多個主要元件(110)之一包Mffi路(150)， 主要元件(110)中的每個次要元件(120)電連接并且可作為單一元件操作。
10. 根據權利要求8的陣列，其中多個次要切口 (140)之一的寬度與該多 個次要切口 (140)中另外一個次要切口 (140)的寬度不同。
11. 根據權利要求8的陣列，其中多個主要切口 (130)之一的寬度與該多 個主要切口 (130)中另外一^h主要切口 (130)的寬度不同。
12. 根據權利要求8的陣列，其中多個主要元件(110)在超聲傳lg^針 (100)中。
13. 根據權利要求8的陣列，其中每一個次要切口 (140)的寬度至少大約 為20微米并小于100微米，并且其中主要切口 (130)的寬度至少大約為100 縣。
14.一種制造多維換能器陣列的方法，該方纟雄括在換能器材料(220)層中切割(401)出第一切口寬度， 在該換能器材料(220)層中切割(411)出與第一切口寬度不同的第二切 口寬度。
15. 根據權利要求14的方法，其中對第一和第二切口寬度的切割(401，411) 包括使用具有第一切口寬度的第一刃，及使用具有第二切口寬度的第二刃，第 二切口寬度小于第一切口寬度。
16. 根據權利要求14的方法，其中兩個切割步驟(401， 411)均包括相同的刃，使用多次切割以形成大于第二切口寬度的第一切口寬度。
17. 根據權利要求14的方法，第一切口寬度的切割(401)包括形成主要元 件(110)，第二切口寬度的切割(411)包括在主要元件(130)中形成次要元 件(120)，第一切口寬度大于第二切口寬度。
18. 根據權利要求17的方法，其中第二切口寬度的切割(411)包括在主要 元件(110)中形成3W布置的次要元件(120)。
19. 根據權利要求17的方法，進一步包括在主要元件(110)中電互連(421)次要元件(120)，主要元件(110)可操作為實現與束形 道的連接。
20. 根據權利要求14的方法，其中在換能器材料(220)層中切割(401， 411)出第一切口寬度及第二切口寬度包括形成階梯式切口。
全文摘要
提供一種多維換能器陣列。多維換能器陣列包括多個元件(110，120)。第一及第二切口(130，140)聲隔離多個元件(110，120)。第一切口(130)的第一寬度大于第二切口(140)的第二寬度。
文檔編號H04R17/00GK101332457SQ20081014587
公開日2008年12月31日 申請日期2008年6月19日 優先權日2007年6月19日
發明者G·W·弗里 申請人:美國西門子醫療解決公司