一種二維面陣列超聲換能器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲成像設(shè)備制備領(lǐng)域，尤指一種二維面陣列超聲換能器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲換能器是超聲設(shè)備中關(guān)鍵的部件，可以用于超聲成像、超聲刺激、超聲治療等等。超聲換能器的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由單振元向線陣、凸陣、環(huán)陣發(fā)展的過程之后，正朝著二維面陣的方向發(fā)展。自超聲換能器誕生以來，最早期是單陣元超聲換能器。可以通過機(jī)械掃描(如扇形掃描)一個(gè)單陣元超聲換能器來獲取超聲圖像。隨著加工工藝的日益成熟，通過電子掃描線陣結(jié)構(gòu)的換能器的振元或振元組來實(shí)現(xiàn)二維超聲圖像的獲取。近年來，超聲三維成像以及三維空間聲刺激、聲操控、聲治療的需求日益增大，需要研發(fā)性能可靠的二維面陣列超聲換能器的可靠制備方法及工藝。例如:二維面陣列超聲換能器日益廣泛運(yùn)用于胎兒、心臟、腹部、乳腺和泌尿器官的三維成像和檢查。二維面陣換能器也可以在三維空間產(chǎn)生可調(diào)控的局域聲場，從而在三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對粒子、物體的三維操控，可用于局部藥物遞送。二維面陣換能器也可以在三維空間的局部單點(diǎn)或多點(diǎn)產(chǎn)生聚焦，從而對目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聲刺激、調(diào)控、或毀損，因而可以用于精確的神經(jīng)調(diào)控或者高強(qiáng)度聚焦超聲治療。
[0003]利用二維面陣列超聲探頭進(jìn)行三維掃描，就必須要保證每一個(gè)陣元可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作。傳統(tǒng)二維面陣列超聲探頭的每個(gè)陣元有導(dǎo)線單獨(dú)控制，那么MXN(M、N可以任意取值)的二維面陣列超聲探頭陣列，就需要MXN條引線，使用FPC(Flexible Printed Circuit;柔性電路)板將每個(gè)陣元單獨(dú)連接引線。目前有一種接線方案(一種二維超聲波面陣探頭及其制備方法，申請?zhí)?01210223970.9)，此方案通過對陣列接線方式，每個(gè)陣元的工作狀態(tài)可根據(jù)上電極導(dǎo)線和下電極導(dǎo)線連通或斷開的選擇來控制。此方案解決了接線數(shù)目多的問題，同時(shí)也帶來了新的問題。
[0004]1、在現(xiàn)有的接線方案中，雖然減少了引線數(shù)目，但是由于需要通過對行和列進(jìn)行二維通電以實(shí)現(xiàn)某一個(gè)陣元的工作，因而無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)對任意多個(gè)陣元的通電，也無法對電壓幅值、時(shí)間延遲等進(jìn)行精確控制，因此不能應(yīng)用于一些復(fù)雜的超聲三維成像、三維聲刺激、三維聲治療中。例如在經(jīng)顱聲刺激或治療中，需要采用時(shí)間反演方法，將任意陣元接收到的聲信號時(shí)間反轉(zhuǎn)并發(fā)送回去。這就需要對每一個(gè)陣元進(jìn)行控制，對任意陣元進(jìn)行任意波形的發(fā)射，對電壓幅值、時(shí)間延遲有精確的要求。本發(fā)明通過可靠的工藝，實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)陣元的單獨(dú)引線，在保證引線連接質(zhì)量的情況下，也降低了工藝的復(fù)雜度。
[0005]2、在現(xiàn)有的接線方案中，匹配層與背襯材料必須使用導(dǎo)電材料，這樣不僅使匹配層與背襯材料的選擇空間很狹窄，而且限制了超聲換能器在某些環(huán)境(例如磁共振環(huán)境)的應(yīng)用。此外，導(dǎo)電材料價(jià)格昂貴，也大大增加了探頭的制備成本。本發(fā)明中我們使用絕緣材料作為背襯材料，選擇空間大，價(jià)格便宜。而且可以通過不同材料的選取和配比，實(shí)現(xiàn)磁兼容和高的導(dǎo)熱性能。
[0006]3、在現(xiàn)有的接線方案中，引線是連接在匹配層與背襯上的，那么就必須要分割匹配層與和背襯，由于匹配層、壓電層、背襯的總厚度相對現(xiàn)在的工藝條件來說很難切穿，此方案在切割時(shí)沒有切穿背襯，通過減薄的方法露出切縫，不僅在工藝上增加了工序而且限制的背襯的厚度。如果背襯厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)指定厚度，那么壓電陣元背面的聲能不能完全衰減，達(dá)不到添加背襯的目的。
[0007]綜上，在已有的二維面陣列超聲換能器及其制備方法中，若干技術(shù)難點(diǎn)制約了換能器的性能，從而也制約了大規(guī)模二維面陣換能器的加工制備。其中最主要的有:工藝的復(fù)雜度、引線的焊接質(zhì)量、大規(guī)模二維面陣的散熱性能等等。大規(guī)模二維面陣必然需要相對復(fù)雜的加工工藝。二維面陣列超聲換能器的每個(gè)陣元最好有引線單獨(dú)控制，這樣就可以進(jìn)行精確的聲場發(fā)射和控制。MXN(M、N可以任意取值)的二維面陣列超聲探頭陣列，就需要MXN條引線，大規(guī)模二維引線焊接工藝上是很復(fù)雜的，隨著陣元數(shù)的增加和陣元尺寸的減小，弓丨線焊接工藝難度急劇增大。而如果不能將大規(guī)模二維面陣所產(chǎn)生的熱散去，也會對超聲換能器的性能和壽命有較大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決現(xiàn)有的二維面陣列超聲換能器及其制備方法的不足，本發(fā)明提供了一種具有可靠的加工方式、引線、散熱的方案，簡化了工藝的復(fù)雜度，同時(shí)提高了工藝的可靠性。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種二維面陣列超聲換能器，包括:壓電陣元陣列層，由MXN個(gè)壓電陣元排布而成，各個(gè)壓電陣元由切縫分隔，用于接收或發(fā)射超聲信號；陣元電極，濺射在所述壓電陣元陣列層的第一表面，按照所述切縫進(jìn)行切割分隔，其中，每一陣元電極對應(yīng)一壓電陣元;去耦材料，填充在所述切縫，用于減少各個(gè)壓電陣元的串聲干擾;背襯塊，與所述陣元電極粘結(jié)，用于吸收壓電陣元背面的聲能；電極引線，設(shè)置在所述背襯塊中，每一電極引線分別連接一所述壓電陣元，用于將電極信號接入到外部系統(tǒng)電路;公共電極，濺射在所述壓電陣元陣列層的第二表面;匹配層，與所述公共電極粘結(jié)，用于使所述壓電陣元與外部物體之間的聲阻抗匹配。
[0010]進(jìn)一步的，還包括:聲透鏡，粘結(jié)在匹配層上，用于聚焦聲場，將壓電陣元發(fā)射出來的聲波進(jìn)行聚焦。
[0011]進(jìn)一步的，所述背襯塊通過導(dǎo)電粘膠與陣元電極粘結(jié)，粘結(jié)后沿各個(gè)所述壓電陣元之間的切縫切割，在背襯塊上切割一定深度的切縫，重新填充去耦材料，使每一塊導(dǎo)電粘膠對應(yīng)一壓電陣元。
[0012]進(jìn)一步的，去耦材料、背襯塊選用環(huán)氧樹脂或其它絕緣材料。
[0013]進(jìn)一步的，所述壓電陣元陣列層中的壓電陣元為壓電單體或壓電復(fù)合材料;其中，壓電復(fù)合材料選用1-3型壓電復(fù)合材料或2-2型壓電復(fù)合材料。
[0014]進(jìn)一步的，所述匹配層為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
[0015]進(jìn)一步的，所述二維面陣列超聲換能器的外形為平面振或弧面陣。
[0016]進(jìn)一步的，所述陣元電極、公共電極選用絡(luò)、銅或絡(luò)銅合金。
[0017]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提出了一種制備上述二維面陣列超聲換能器的方法，該方法包括:對壓電材料進(jìn)行二維方向的切割，制備出由Μ XN個(gè)壓電陣元排布而成的壓電陣元陣列層，各個(gè)壓電陣元由切縫分隔，在切縫中填充去耦材料;在壓電陣元陣列層的第一表面濺射陣元電極，所述陣元電極按照所述切縫進(jìn)行切割分隔，其中，每一陣元電極對應(yīng)一壓電陣元;將嵌入有電極引線的背襯塊與所述陣元電極粘結(jié)，使每一電極引線分別連接一所述壓電陣元;在所述壓電陣元陣列層的第二表面濺射公共電極;在公共電極上粘結(jié)匹配層。
[0018]進(jìn)一步的，嵌入有電極引線的背襯塊的制備方法如下:制備Μ個(gè)引線框架及一引線框架夾具;根據(jù)壓電陣元陣列層中壓電陣元的排布方式，制作Μ片柔性電路板，其中，每一柔性電路板包含Ν個(gè)電極引線;將每一柔性電路分別固定在一引線框架中，將Μ個(gè)引線框架固定在引線框架夾具中，使相鄰所述電極引線之間的間距與相鄰壓電陣元中心之間的間距相等;在引線框架夾具中灌注絕緣材料，固化后去除引線框架夾具和引線框架，獲得嵌入有電極引線的背襯塊。
[0019]進(jìn)一步的，將嵌入有電極引線的背襯塊與所述陣元電極粘結(jié)，使每一電極引線分別連接一所述壓電陣元，包括:利用導(dǎo)電粘膠將背襯塊與陣元電極粘結(jié)，粘結(jié)后沿各個(gè)所述壓電陣元之間的切縫切割，在背襯塊上切割一定深度的切縫，重新填充去耦材料，使每一塊導(dǎo)電粘膠對應(yīng)一壓電陣元。
[0020]本發(fā)明提出的二維面陣列超聲換能器的制備方法，簡化了工藝的復(fù)雜度，同時(shí)提高了工藝的可靠性，是一種高效、可靠的制備二維面陣列超聲換能器的方法。利用上述方法制作出來的二維面陣列超聲換能器具有散熱好，對每一個(gè)陣元單獨(dú)引線，可以實(shí)現(xiàn)對每一個(gè)陣元的穩(wěn)定控制，達(dá)到對任意陣元進(jìn)行任意波形的發(fā)射以及對電壓幅值、時(shí)間延遲的精確控制，適用于超聲三維成像、三維空間聲操控、三維空間聲刺激、聲調(diào)控和聲治療等各種用途。
【附圖說明】
[0021]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中:
[0022]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的二維面陣列超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2所示本發(fā)明一實(shí)施例的二維面陣列超聲換能器制作方法流程圖。
[0024]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的壓電陣元陣列層的制作流程示意圖。
[0025]圖4Α至圖4D為本發(fā)明一實(shí)施例的嵌入有電極引線的背襯塊制作流程示意圖。
[0026]圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的粘結(jié)嵌入有電極引線的背襯塊與所述陣元電極的流程示意圖。
[0027]圖6為本發(fā)明一實(shí)施例的粘結(jié)聲透鏡的流程示意圖。
[0028]圖7為圖6所示二維面陣列超聲換能器的剖面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下配合圖示及本發(fā)明的較佳實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段。
[0030]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的二維面陣列超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，二維面陣列超聲換能器包括:
[0031]壓電陣元陣列層1，由MXN個(gè)壓電陣元排布而成，各個(gè)壓電陣元由切縫分隔，用于接收或發(fā)射超聲信號。其中，所述壓電陣元陣列層1為壓電單體或壓電復(fù)合材料;壓電復(fù)合材料可以選用1-3型壓電復(fù)合材料或2-2型壓電復(fù)合材料，如PZT壓電陶瓷。
[0032]陣元電極2，濺射在所述壓電陣元陣列層1的第一表面，按照所述切縫進(jìn)行切割分隔，其中，每一陣元電極對應(yīng)一壓電陣元。
[0033]去耦材料3，填充在所述切縫，用于減少各個(gè)壓電陣元的串聲干擾。
[0034]背襯塊4，與所述陣元電極2粘結(jié)，用于吸收壓電陣元背面的聲能，厚度及參數(shù)根據(jù)壓電陣工作頻率及聲學(xué)參數(shù)決定。
[0035]電極引線5，設(shè)置在所述背襯塊4中，每一電極引線分別連接一所述壓電陣元，用于將電極信號接入到外部系統(tǒng)電路。
[0036]公共電極6，濺射在所述壓電陣元陣列層1的第二表面。
[0037]匹配層7，與所述公共電極6粘結(jié)，用于使所述壓電陣元與外部物體之間的聲阻抗匹配。匹配層7可以是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，厚度及參數(shù)根據(jù)壓電陣工作頻率及聲學(xué)參數(shù)決定。
[0038]進(jìn)一步的，該二維面陣列超聲換能器還可以包括:聲透鏡8，粘結(jié)在匹配層7上，用于