專利名稱：具有聚乙烯第三匹配層的寬帶矩陣換能器的制作方法
具有聚乙烯第三匹配層的寬帶矩陣換能器超聲換能器用于將電信號(hào)變換為超聲能量以及將超聲能量變換回電信號(hào)。 超聲會(huì)遣可以用于例如對(duì)感興趣的身體進(jìn)行檢査，并且由換能器從該身體接收 的回聲可以用于獲得診斷信息。 一個(gè)特別的應(yīng)用是醫(yī)療成像，其中回聲用于形 成患者內(nèi)部器官的二維和三維圖像。超聲換能器使用匹配層或一系列匹配層， 以更加有效地將壓電體中產(chǎn)生的聲學(xué)能量耦合到受M或患者的身體。匹配層 位于換能器的上面，,正被探測(cè)的身體。以類似于光學(xué)路徑中用于透鏡的相 應(yīng)防反針凃?qū)庸δ艿姆绞?，逐層完成聲學(xué)耦合。換能器中壓電材料與身體相比相對(duì)高的聲阻抗由匹配層的中間阻抗(intervening impedance) (span)。例 如，設(shè)計(jì)可能要求特定阻抗的第一匹配層。第一匹配層是聲路^A換能器到身 體所避啲第一個(gè)層。每個(gè)連續(xù)的匹配層，如果倒可一層，需要逐步降低的阻 抗。最頂端層的阻抗仍然比身體的阻抗高，但一個(gè)或多個(gè)層提供了在將由壓電 體產(chǎn)生的超聲聲學(xué)地耦合到身體、以及將從身體返回的超聲耦合到壓電體的過(guò) 程中較平滑的傳輸、阻抗方向漸變(i即edanceiise)。最佳分層包括適當(dāng)系列的聲學(xué)阻抗的設(shè)計(jì)和相應(yīng)材料的識(shí)別。 一維換能器 的匹配層中^頓的材料包括陶瓷、石墨復(fù)合材料、聚亞安酉縛，所述一維(1D) 換能器的單元以單個(gè)行的方式排腿線。雖然已知1D換能器包掛午多匹配層，但是隨有二維(2D)陣歹嫉能器單 元的換能器由于換能器單元的不同形狀而需要不同的匹配層方案。傳輸?shù)穆暡?以那個(gè)特定聲波的頻率特性振動(dòng)，并且該頻率具有相關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)。1D陣列換能 器的單元在一個(gè)橫向方向上典型地小于工作頻率半個(gè)波長(zhǎng)寬度，但在其它橫向 方向上是幾個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。2D陣列換能器的單^兩個(gè)橫向方向上可以小于半 個(gè)波長(zhǎng)。這種形狀的變化降低了有效的縱向剛性，并且因此降低了單元的豐臓 阻抗。由于單元阻抗較低，所以造成匹配層的阻抗也應(yīng)當(dāng)劍氏以獲得最佳性能。 然而，低阻抗材料的復(fù)雜因素在于，當(dāng)如在2D陣列換能器中一樣被切割成窄柱 時(shí)，聲的速度變得依賴于信號(hào)的頻率，這一5 1爾為速度色散。這種色散改變 層與頻率的匹配特性，這是不希望的，并且可以產(chǎn)生截止頻率，在該截止頻率U操作換能器是不可能的。由于缺少用于三個(gè)匹配層設(shè)計(jì)的合適材料，所以2D陣歹嗾能器通常僅4頓兩個(gè)匹配層制造。然而，這限制了帶寬和靈驗(yàn)，兩 者對(duì)于改善多普勒、彩色流量(color flow)和諧波成像模式方面的性能都是關(guān)鍵的。例如，在諧波成像的情況下，傳輸?shù)偷幕l以提供iaA超聲受檢者或患者的身體組織的較深穿透，而通過(guò)接收基頻以上的諧波頻率來(lái)獲得較高的^fjf 率。因而常常希望足夠大的帶寬，以包含多種多樣的頻率。1D和2D陣列換能器的壓電單元典型地由多晶陶瓷材料制成，其中一種最普 通的是鋯鈦酸鉛(PZT)。單晶壓電材料正變得可以使用，例如單晶鈮錳勝S/鈦 酸鉛(lead manganese niobate/lead titanate， PMN/PT)合金。由這些單晶 材料律喊的壓電換能器單元呈現(xiàn)出顯著較高的電-機(jī)械耦合，這潛在鵬供了改 善的靈敏度和帶寬。當(dāng)前的發(fā)明人注意到，提高的單晶壓電體的電-機(jī)械耦合還產(chǎn)生樹氐的有效 聲阻抗。結(jié)果， 地，選擇匹配層，其聲阻抗低于用于通常的多晶換能器(例 如陶瓷換能器)的匹配層的聲阻抗。由于三個(gè)匹配層單晶換能器要求具有較低聲阻抗的匹配層，并且由于超聲 探頭換能器的第二匹配層總是比其第一匹配層阻抗低，所以對(duì)陶瓷換能器可用 的第二匹配層、例如石墨復(fù)合材料可以用作三個(gè)匹配層單晶換能器的第一匹配 層。第一和第二匹配層典型地足夠堅(jiān)硬，使得用于陣列的每個(gè)單元的層必須彼 此機(jī)械地分離開以保,個(gè)單元聲學(xué)地獨(dú)立于其它單元。最通常的，皿過(guò)在 兩個(gè)方向上鋸齒切害啲方貌成，所述鋸齒切割穿透兩個(gè)匹配層和壓電材料。另一個(gè)考慮可以是電導(dǎo)率，其對(duì)于各向同性導(dǎo)電的石墨復(fù)合材料來(lái)說(shuō)將是 不存在的問(wèn)題。然而，找到適當(dāng)?shù)牡诙ヅ鋵涌梢园ㄟx擇這樣的材料，其不僅具有適當(dāng) 的聲阻抗，而且具有合適的電導(dǎo)率。超聲探頭的壓電換能器 于壓電體中產(chǎn)生的電場(chǎng)。這些場(chǎng)ffi31連接到壓 電體的至少兩個(gè)面的電極產(chǎn)生并且檢測(cè)。例如為了產(chǎn)生超聲，在電極之間施加 電壓，需要電連接到電極。換能器的旨單元可以接收不同的電輸入。到換能 器單元的終端有時(shí)垂直地連接到聲學(xué)路徑，雖然這對(duì)于二維矩陣陣列的內(nèi)部單 元可能是有問(wèn)題的。從而，可以優(yōu)選的是，將單元連接到共同基礎(chǔ)，該共同基礎(chǔ)位于陣列的上面或者下面。匹配層可以用作基礎(chǔ)平面、或者可以提供分離的 基礎(chǔ)平面。該基礎(chǔ)平面可以用導(dǎo)電箔片實(shí)施，該箔片足夠薄以避免干擾超聲。 然而，除與瞎第一匹配層和壓電單元之間設(shè)置分離的基礎(chǔ)平面， 地， 使第一匹配層在聲學(xué)路徑方向上是導(dǎo)電的，以便完成從后面流動(dòng)并且穿過(guò)陣列的電路。因?yàn)?D陣列單元是機(jī)械分離的，例如ilil在兩個(gè)方向上鋸齒切割產(chǎn)生 獨(dú)立的柱，所以對(duì)于陣列內(nèi)部的單元，不存在橫向地到陣列邊緣的電通路。因 而，該電SJ 各必須鄉(xiāng)紐匹配層誠(chéng)。對(duì)于第二匹配層保持相同的規(guī)則。聚亞安酯具有大約2.1兆瑞利(MRayl)的聲阻抗，可以用作第三匹配層， 該第三匹配層要求比第一，二層低的阻抗。然而，除了具有比所希望的阻抗 略高的阻抗，聚亞安酯非常易于受化學(xué)反應(yīng)的影響。因此，聚亞安酯需要保護(hù) 涂層，以將聚亞安酯和換能器陣列的剩余部分密封以不受環(huán)境污染物例如化學(xué) 消毒齊訴卩濕氣的影響。另外，從MI呈控制的角度來(lái)看，不同的生產(chǎn)ai呈可以產(chǎn) 生不同的保護(hù)涂層厚度，導(dǎo)致所生產(chǎn)的探頭中不均勻的聲性能。最終，對(duì)施加 《尉戶凃?qū)拥姆蛛x的斑呈的需要極大地增加了生產(chǎn)成本。為了克月讓面提到的缺點(diǎn)， 一方面，超聲換能器包含壓電單元、以及第一 到第三匹配層，所述第三匹配層包括低密度聚乙烯(LDPE)。另一方面，超聲換能器具有在二維結(jié)構(gòu)上排列的換能器單元陣列以及至少 三個(gè)匹配層。下面將在后面附圖的幫助下闡^^述新第鵬聲探頭的細(xì)節(jié)，其中

圖1是依照本發(fā)明的具有三個(gè)匹配層的矩陣換能器的側(cè)面截面亂 圖2是一個(gè)例子的側(cè)面截面亂該例子顯示了第三匹配層如何連接到換能 器外殼；以及圖3是制造圖1所示換能器的斑呈的一種仔的流程圖。圖1 M^例性而非限制性的例子顯示了^m本發(fā)明的可用于超聲探頭的矩陣換能器100。矩陣換能器100具有壓電層110、三個(gè)匹配層120、 130、 140、 與第三匹配層140結(jié)合的薄膜150、互連層155、 一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片(IC) 160以及背襯165。壓電層110包含換育旨器單元175的二維陣列170，陣列中的行平行于圖1的圖紙而陣列的列垂直于圖1的圖紙。換能器100進(jìn)一步包括在 第二和第三匹配層130、 140之間的共同基礎(chǔ)平面180，該基礎(chǔ)平面180向周邊 延伸至向下環(huán)繞用于固定到柔性電路185，從而完成對(duì)于各個(gè)換能器單元175的電路。具體地，換能器單元175 ffli^拂凸起190鄉(xiāng)幼式接合到半導(dǎo)體 芯片160，并且芯片,到柔性電路185。同軸電纜(*^出)連接到柔性電路 185，該同軸電纜典型地來(lái)自超聲探頭的背部。矩陣換能器100可用于傳輸超聲和/或接,聲。如前面提到的，第一匹配層120可以實(shí)施為石墨復(fù)合材料。環(huán)氧匹配層傳輸具有足夠速度的聲，并且該匹配層具有一定的密度進(jìn)而一 定的聲阻抗，該阻抗足夠低以實(shí)現(xiàn)為三層矩陣換能器的第二匹配層；然而，環(huán) 氧層是非導(dǎo)電的。第二匹配層130可以例如是裝載有導(dǎo)電粒子的聚合物。第三匹配層140 ,由低密度聚乙烯(LDPE)制成并且是LDPE薄膜150的 一部分，戶腿LDPE薄膜150以類似于共同基礎(chǔ)平面180的方式向下延伸。然而如在圖2中看到的，取代于連接到柔性電路185，圖1中所示實(shí)施例中 的第三匹配層140艦環(huán)氧粘結(jié)劑210附著至lj換能器100的外殼220以形成陣 列170周圍的密封。環(huán)氧粘結(jié)劑210也可以用在換能默卜殼220和與第三匹配 層140重疊的聲學(xué)透鏡230之間。圖3闡述了一個(gè)用于制造圖1的探頭100以致于包括LDPE薄膜110具體體 現(xiàn)為(embodying)第三匹配層140的方法的例子。為了構(gòu)造陣列170，將壓電 材料和第一 雙匹配層120、 130被機(jī)械加工為恰當(dāng)?shù)暮穸炔⑶覍㈦奮M加到壓電 層110 (步驟S310)。在第一匹配層120被施加到壓電層110頂部(步驟S320) 之后，施加第二匹配層(步驟S330)。層110、 120、 130的這個(gè)組合可以直接連 接到集成電路160，如果存在的話，或者連接到中間連接裝置，例如柔性電路 185或具有駄的導(dǎo)體的背襯結(jié)構(gòu)。然后iM:在兩個(gè)正效向JdS行多^H居齒切 害U，換能器100被分隔為獨(dú)立元件175的2D陣列170 (步驟S340)。在鋸齒切 害臊作之后，基礎(chǔ)平面180連接到第二匹配層130的頂部并且向下環(huán)繞陣列170 以便與柔性電路185或其它連接裝置相接觸。在頂部施加LDPE薄膜110并且環(huán) 繞以向下延伸，從而包圍陣列170。薄膜150的一部分相應(yīng)地形皿頂部的匹配 層，雜這里是第三匹配層140 (步驟S350、 S360)。為了形成陣列170周圍的 密封封口 ，向下延伸的薄膜150例如艦環(huán)氧化物(印oxy) 210連接到外殼220 (步驟S370)。因而，LDPE還充當(dāng)阻擋層。附加的步驟將聲學(xué)透鏡230，典型地 為室溫硫化(room temperature vulcanization, RTV)硅橡膠，連接到第三匹配層140 (步驟S380)。與聚亞氨酯相比，使用聚乙烯作為第三匹配層140使得 不需要保^^凃?qū)樱瑥亩@著削減了生產(chǎn)g。雖然在圖3中顯示了特定的步驟頓序，但^*發(fā)明的預(yù)期范圍不局限于這 個(gè)順序。因而例如，第一和第二匹配層120、 130可以連接在一起，然后作為一 個(gè)單元施加到壓電材料110。財(cái)卜，聲學(xué)設(shè)計(jì)可以要求在壓電層110后面有一個(gè) 或多個(gè)聲學(xué)層。在本發(fā)明的割戈實(shí)施例中，聲學(xué)M 230由窗口 (即沒(méi)有聚焦的聲育瞳的 元件)代替。該窗口可以由例如窗口材料PEBAX制成。通常，PEBAX窗口將不僅 需要對(duì)于聚亞安酯第三匹配層的保護(hù)層，而且另外需要中間粘結(jié)層 (intervening bonding layer)以將保護(hù)層粘結(jié)到PEBAX，所述中間粘結(jié)層由例 如聚酯材料(如邁拉)制成。然而，LDPE可以直接連接到PEBAX;從而不需要 保護(hù)層也不需要連接層。在連接到第二匹配層130之前，PEBAX窗口材料和LDPE 薄膜150的雙層可以通過(guò)第一匹配層120連接到陣列170。最后得到的具有PEBAX 窗口的換能器100不僅可用于經(jīng)食管的超聲心動(dòng)圖(TEE)，而且可用于例如心 臟內(nèi)超聲心動(dòng)圖(ICE)的其它應(yīng)用。任選地，為了滿足尺寸約束，LDPE可以被 切割為一定的尺寸并且不進(jìn)行，。該創(chuàng)造性的匹配層可以結(jié)合到其它種類的探頭中，例如兒禾概頭，以及結(jié) 合到各種類型的陣列上，例如曲線的和脈管的陣列。雖然上面的實(shí)施例描述為具有三個(gè)匹配層，但可以包括額外的匹配層，例 如在第二和最頂部的匹配層130、 140之間。雖然已經(jīng)顯示、描述以及指出了本發(fā)明基本的新穎特征，如應(yīng)用在其 實(shí)施例中的，應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)所示器件的形式和細(xì)節(jié)、以及其操作進(jìn)行各種省略和替換以及改變。 例如顯然地，以實(shí)質(zhì)上相同的方式執(zhí)行實(shí)質(zhì)上相同的功能以獲得相同結(jié)果的那 些元件和/或方法步驟的所有組合t^本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，與本發(fā)明倒可公開形式或?qū)嵤├嚓P(guān)所顯示和/或描述的結(jié)構(gòu)和/^;件和/或方法步驟可以以作為設(shè)計(jì)選擇的常規(guī)方式的任意其它公開的或描述的或提出 的形式或?qū)嵤├唤Y(jié)合。因而，意圖僅如所附于此的權(quán)利要求的范圍所指示 的進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1、一種超聲換能器(100)，包括壓電單元(175)；第一和第二匹配層(120，130)；以及包括低密度聚乙烯(LDPE)的第三匹配層(140)。
2、 權(quán)利要求l所述的換能器，進(jìn)一步包括LDPE薄膜(150)，該薄膜包含所 述第三匹配層并且向下延伸以包圍所述單元(S360)。
3、 權(quán)利要救所述的換能器，其中所述薄膜形^^f述單元(210， S370)周 圍的密封的一部分。
4、 一種超聲換能器(100)，包括 在二維結(jié)構(gòu)上排歹啲換能器單元(175)陣列(170);以及 至少三個(gè)匹配層(120， 130， 140)。
5、 權(quán)利要求4所述的換能器，其中所腿的赴層(140)包括低密度聚乙 烯(LDPE)。
6、 權(quán)禾腰求4所述的換能器，包括薄膜(150)，該薄膜包含所述層的最上 層并且向下延伸以包圍所述陣列(S360)。
7、 權(quán)利要求6所述的換能器，其中所述薄膜形成所述陣列周圍的密封(210， S370)的一部分。
8、 一種制造超聲換能器(100)的方法，包括 ，壓電單元(175);以及為該單元^f共三個(gè)匹配層(120， 130， 140)，所述第三匹配層包括低密 度聚乙烯(LDPE)。
9、 權(quán)利要救所述的方法，其中所述提供操作提供薄膜(150)，該薄膜包 含所述第三匹配層并且向下延伸以包圍所述單元(S360)。
10、 權(quán)利要求9所述的方法，其中所述薄膜形成fM單元周圍的密封(210， S370)的一部分。
11、 一種制纖聲換能器的方法，包括 提供在二維結(jié)構(gòu)上排歹啲換能器單元(175)陣列(170);以及 為所述陣列提供至少三個(gè)匹配層(S320， S330， S350)。
12、 權(quán)利要求ll所述的方法，其中戶;M^的最上層(140)包括低密度聚乙 烯(LDPE)。
13、 權(quán)利要求ll所述的方法，其中提供操作提供薄膜(150)，該薄膜包含所述層的Wl層并且向下延伸以包圍所述陣列(S360)。
14、 權(quán)利要求13所述的方法，其中所述薄膜形皿述陣列周圍的密封(210，S370)的一部分。
全文摘要
一種超聲換能器，包括壓電單元(175)、第一和第二匹配層(120，130)、以及包括低密度聚乙烯(LPDE)的第三匹配層(140)。為超聲矩陣探頭提供寬的帶寬的所述第三匹配層(140)可以向下延伸以包圍所述陣列(S360)并且連接到外殼以對(duì)陣列進(jìn)行密封(S370)。
文檔編號(hào)G10K11/00GK101238506SQ200680029113
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2006年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者B·奧斯曼, H·諾爾斯, M·威爾遜 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司