用于超聲換能器陣列的具有高導熱性的復合聲背襯的制作方法
【專利摘要】一種用于超聲探針的超聲換能器陣列堆的襯塊被形成為高導熱性的材料的復合結構，在所述復合結構中嵌入聲阻尼材料的結構。在一個構造的實施例中，該復合結構由導熱石墨塊形成，多個圓柱形孔被形成在所述導熱石墨塊中，所述圓柱形孔填充有聲阻尼材料。該孔從換能器堆的后部相對于Z軸方向傾斜，使得在該方向上行進的回響能量遇到聲阻尼材料。該孔周圍的石墨有效地將熱傳導到探針的后部且遠離換能器堆及其ASIC。
【專利說明】用于超聲換能器陣列的具有高導熱性的復合聲背襯
發明領域
[0001]本發明涉及醫療診斷超聲系統，尤其涉及用于超聲換能器陣列的背襯材料。
【背景技術】
[0002]二維陣列換能器被用在超聲成像中，以便進行三維掃描。二維陣列在方位方向和高度方向上都具有許多行和列的換能器元件，這將需要大量的電纜導體來在探針和主機超聲系統之間聯接信號。用于使在探針電纜中的信號導體的數量最小化的優選技術是在微波束成形器ASIC (專用集成電路)中的探針中執行至少一些波束成形。該技術僅僅需要相對少數量的部分波束成形信號被聯接到主機超聲系統，從而減少所需要的在電纜中的信號導體的數量。然而，必須在二維陣列和微波束成形器ASIC之間進行大量信號連接。進行這些連接的有效方法是將換能器陣列和ASIC設計成具有倒裝芯片互連方式，由此該換能器陣列的傳導墊是直接粘合到ASIC的相應傳導墊上的突起部。
[0003]然而，微波束成形器ASIC的高密度電子電路可能在其小的IC包中產生大量的熱，所述熱必須被消散。存在所述熱可以沿其流動的兩個主要方向。一個方向是穿過聲堆(acoustic stack)朝著在探針的患者接觸端處的透鏡向前。在該方向上的導熱性通過在該換能器堆(transducer stack)中的導電元件改善。該向前路徑對熱流呈現相對低的阻力。然后必須通過降低傳輸電壓和/或脈沖重復頻率來防止熱在透鏡中聚集，這不利地影響到了探針的性能。
[0004]優選的導熱方向是后部，遠離透鏡并且朝著在探針的后部處的散熱器(通常是鋁)。但是，通常位于換能器堆、陣列元件和微波束成形器ASIC后面的是聲襯塊(acousticbacking block)。聲襯塊的目的在于使從聲堆的后部發射的超聲能衰減并且防止該能量導致被朝著聲堆反射的回響。聲襯塊通常由具有良好聲衰減性能的材料制成，諸如含有微氣泡或其它消音顆粒的環氧樹脂。然而，這種材料通常具有差的導熱性。因此，期望提供用于超聲探針的聲襯塊，所述聲襯塊呈現對進入到該襯塊中的聲能的良好聲衰減性、朝向所述探針的后部且遠離透鏡的良好導熱性、可以在需要時支撐聲堆的良好機械結構以及微波束成形器ASIC與所述探針的其它傳導部件的適當的電絕緣性。
【發明內容】
[0005]根據本發明的原理，用于超聲換能器陣列堆的襯塊由具有內部聲阻尼構件的高導熱材料矩陣形成。用于導熱材料的優選材料是呈現高導熱性的石墨。石墨可以形成為具有機械穩定性的剛性塊，以便支撐換能器陣列堆。可以通過在被填充有聲阻尼材料的石墨塊中鉆孔形成內部聲阻尼構件，所述內部聲阻尼構件優選地被定位成使得垂直于換能器陣列堆的后表面行進的聲波必須遇到聲阻尼構件且發生聲衰減。需要時，可以將電絕緣層定位在襯塊的頂部或底部上。
【專利附圖】
【附圖說明】[0006]在圖中:
[0007]圖1圖示了具有根據本發明的原理構造的導熱襯塊的聲堆。
[0008]圖2圖示了當組裝在具有透鏡蓋的換能器探針中時圖1的聲堆。
[0009]圖3是根據本發明的原理構造的導熱襯塊的透視圖。
[0010]圖4是根據本發明的原理構造的導熱襯塊的俯視圖。
[0011]圖5是根據本發明的原理構造的導熱襯塊的橫截面側視圖。
【具體實施方式】
[0012]首先參見圖1，示意地示出具有根據本發明的原理構造的導熱襯塊的聲堆100。諸如PZT的壓電層110和被粘結到該壓電層的兩個匹配層通過切塊切割件75而被切塊，以便形成單個換能器元件175的陣列，其中四個換能器元件175參見圖1。陣列170可以包括單行的換能器元件(1-D陣列)或可以在兩個正交方向上被切塊，以便形成換能器元件的二維(2D)矩陣陣列。匹配層使壓電材料的聲阻抗與通常在漸進匹配層的步驟中被診斷的身體的聲阻抗匹配。在該示例中，第一匹配層120被形成為導電石墨復合件，并且第二匹配層130由被含有導電顆粒的聚合物形成。接地平面180被粘結到第二匹配層的頂部并且被作為傳導層形成在低密度聚乙烯(LDPE)HO的膜150上。接地平面通過導電匹配層被電聯接到換能器元件并且被連接到柔性電路185的接地導體。LDPE膜150形成堆的第三且最后的匹配層 140。
[0013]在換能器元件下面是集成電路160 (即ASIC)，該電路向換能器元件175提供發射信號并接收和處理來自該元件的信號。在集成電路160的上表面上的傳導墊通過柱形突起部190電聯接到在換能器元件的底部上的傳導墊，所述柱形突起部可以由焊料或導電環氧樹脂形成。信號通過到柔性電路185的連接被提供給集成電路160和被從集成電路160提供。在集成電路160的下面是襯塊165，所述襯塊165使從換能器堆的底部發射的聲能衰減。根據本發明的原理，襯塊還將集成電路產生的熱量遠離該集成電路和換能器堆并且遠離換能器探針的患者接觸端地傳導。
[0014]圖2圖示了當組裝在換能器探針內側時圖1的換能器堆組件。在圖2的探針中，第三匹配層140被粘結到聲透鏡230。超聲波在成像期間被傳播穿過透鏡230并且進入到患者體中，并且響應于這些波而被接收的回聲穿過透鏡230由換能器堆接收。當被包圍在該堆周圍并且被環氧樹脂粘合劑210粘結到探針殼體220時，LDPE膜150用于封閉在該實施例中的換能器堆。該構造的更多細節在美國專利公開N0.US2010/0168581 (Knowles等)中找到。
[0015]襯塊165的優選實施方式在余下的附圖中圖示。優選的襯塊165開始于石墨塊20。其它可替代件包括含有提供良好的機械加工性和良好的熱性能的諸如鎳或銅的金屬的石墨。石墨塊20被用于形成復合背襯結構，所述復合背襯結構滿足許多性能目標。首先，背襯結構必須具有良好的Z軸導熱性。石墨具有良好的導熱性，在0°C -100°C下Tc為80-240W/m° K。對于平行于結晶層的傳導，在300° K下，Tc接近于1950W/m° K。Z軸方向是向后且遠離換能器堆100和集成電路160的方向。因此，對于在Z軸方向上的熱流動，期望使石墨塊20的結晶層對齊。在其它實施方式中，可能期望優選地將熱量橫向地或橫向地且沿Z軸方向傳導，在這種情況下，可能期望不同的結晶對齊方向，或者對齊方向對于設計而言是不重要的。當鋁被用來消散一部分熱量(其可以通過使用鋁散熱器或在探針殼體內側的鋁框架)時，期望襯塊的導熱性與鋁的導熱性是可比的或比鋁的導熱性好，使得熱量優選地向鋁流動。鋁在室溫下具有237W/m° K的可比Tc，因此，石墨塊20很好地滿足了該性能目標。
[0016]第二個目標是襯塊為聲堆100和集成電路160提供結構支撐。石墨塊的結構性良好，因此滿足該目標。
[0017]第三個目標是提供集成電路160與探針的鋁構件或框架的電絕緣。導電的石墨可以通過利用非導電絕緣涂層涂覆襯塊來滿足該目標。在一些實施方式中，可能期望只涂覆襯塊的與換能器堆接觸的側面。在其它實施方式中，可能期望涂覆襯塊的多個側面。例如，可能期望使用絕緣的聲阻尼材料涂覆該襯塊的橫向側，這將提供抑制橫向聲回響的附加益處。
[0018]第四個目標是襯塊必須使進入襯塊的聲能衰減。石墨是聲能的良好導體且提供非常小的固有聲阻尼。通過使用石墨塊作為如圖3、4和5中示出的用于內部聲阻尼構件的復合結構的框架來滿足該目標。在這些附圖中，石墨呈現半透明狀，用于清楚地圖示該襯塊的內部復合結構。阻尼構件被形成為在襯塊中的多個背襯材料傾斜圓柱30。圓柱30被切割或被鉆進石墨塊20中，然后用諸如填充有微氣泡或其它聲阻尼顆粒的環氧樹脂的聲阻尼材料進行填充。正如圖4的襯塊的俯視圖所圖示的，圓柱30的頂部將大面積的聲阻尼材料呈現給集成電路的后部。從集成電路和聲堆的后部發射的大量不期望聲能因此立即進入阻尼材料。如圖3中所看到的和最好是在圖5的橫截面視圖中所看到的圓柱的傾斜確保在Z軸方向上行進的聲能將不得不與在行進路徑中的某點處與阻尼材料相交。優選地，不存在完全由石墨形成的在Z軸方向上的路徑，并且圓柱的傾斜并不有助于將能量反射回集成電路，而是提供了向下和遠離集成電路的散射角。在實踐中，可能諸如通過阻擋95%的路徑來阻擋大多數的Z軸路徑是足夠的。因此，圓柱的傾斜確保使所有或基本所有Z軸指向的能量衰減。
[0019]然而，熱量將發現存在穿過在圓柱30之間的石墨的連續路徑。因為熱量的流動是從較高溫度區域到較低溫度區域的(從較高的熱密度到較低的熱密度)，所以，熱量遠離集成電路160和聲堆100地流動到其可以安全地消散的在襯塊165下方的結構。
[0020]可以使用其他材料用于襯塊的導熱材料，諸如:鋁、石墨泡沫或氮化鋁。被填充阻尼材料的孔的圖案、尺寸和間隔也可以進行變化并且針對性能和可制造性被優化。雖然鉆孔將產生圓形孔，但是可以可替代地使用諸如矩形或三角形的其它孔形狀。如果期望或必需使導電襯塊與諸如集成電路的探針的其它部件電絕緣，則諸如聚對二甲苯、氮化鋁或聚酰亞胺的非傳導材料層可以被附加到該襯塊的一個或多個外表面或被構造在該襯塊的內部。只要不存在與襯塊的頂表面和底表面相平行的將聲能朝著集成電路和聲堆反射回來的平坦表面，就可以可替代地使用沒有被布置在圓柱形傾斜孔中的阻尼材料的橫向復合結構。
【權利要求】
1.一種超聲換能器陣列組件,包括: 換能器元件的陣列，所述換能器元件的陣列具有用于超聲波的傳播的向前的期望方向和向后的非期望的超聲發射方向； 復合襯塊，所述復合襯塊定位在所述換能器元件的陣列的后部，所述復合襯塊由具有至少與石墨的導熱性一樣大的導熱性的材料形成；以及 聲阻尼材料的復合結構，所述復合結構定位在所述復合襯塊中， 其中，在向后方向上的超聲發射將與所述聲阻尼材料相交，并且熱量通過襯塊材料遠離所述換能器元件的陣列地傳導。
2.根據權利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，熱量通過所述襯塊材料被傳導到金屬結構。
3.根據權利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述復合結構進一步包括在所述復合襯塊中的多個孔，所述孔填充有所述聲阻尼材料。
4.根據權利要求3所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述孔進一步包括形成在所述復合襯塊中且從所述復合襯塊的頂表面延伸到所述襯塊的底表面的多個圓柱形孔， 其中，在所述頂表面處的所述孔中的所述聲阻尼材料包括所述頂表面的大部分區域。
5.根據權利要求3所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述孔相對于所述向后方向以非平行角度傾斜。
6.根據權利要求5所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述孔以使在所述向后方向上行進的聲能遠離所述換能器元件的陣列地散射的角度傾斜。
7.根據權利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述襯塊材料是石墨、鋁、石墨泡沫或氮化鋁中的一種。
8.根據權利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述復合襯塊的表面被涂覆有非導電材料層。
9.根據權利要求8所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述非導電材料層進一步包括聲阻尼材料。
10.根據權利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述超聲換能器陣列組件進一步包括電聯接到所述換能器元件的陣列的后部的集成電路， 其中，所述復合襯塊與所述集成電路呈導熱接觸。
11.根據權利要求10所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述換能器元件的陣列進一步包括所述換能器元件的2D陣列；并且 其中，所述復合襯塊的表面與所述集成電路的表面接觸。
12.根據權利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述復合襯塊將熱量傳導到鋁散熱器，并且 其中，復合襯塊材料呈現與鋁的導熱性可比或比鋁的導熱性好的導熱性。
13.根據權利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，復合襯塊材料是石墨，并且 其中，石墨襯塊材料被熱聯接到在超聲探針內部的金屬構件。
14.根據權利要求1所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述復合襯塊進一步為包括所述換能器元件的陣列的聲堆提供結構支撐。
15.根據權利要求14所述的超聲換能器陣列組件，其特征在于，所述聲堆進一步包括集成電路， 其中，所述復合襯塊起作用.，以便將由所述集成電路產生的熱量遠離所述聲堆地傳導。
【文檔編號】B06B1/06GK103443850SQ201280013743
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2012年3月14日 優先權日:2011年3月17日
【發明者】R·E·戴維森, W·蘇多爾 申請人:皇家飛利浦有限公司