專利名稱：采用多層元件的換能器陣列及其制造方法
背景本發(fā)明與多層換能器及其制造方法有關(guān)。例如，所用的是一種多層，多維換能器。多維換能器陣列包括1.5維(1.5D)和2維陣列。例如，用于以超聲掃描病人時(shí)提供一N×M(N和M部≥2)個(gè)元件的陣列。1.5D的陣列通常由在3，5或更多在高度方向分隔行中每一行內(nèi)的64或128個(gè)水平方向分隔的元件的陣列組成。
多維換能器陣列通常具有較小的板面積即從水平與高度平面?zhèn)鬟f聲能的面積。多層是造成小的板面積的原因。有許多層沿著長(zhǎng)度方向疊置起來(lái)。與僅有一層的等效元件相比，每個(gè)多層的元件電抗降低了。換能器元件的電容隨形成換能器元件的層數(shù)的平方增加。換能器元件的電容增加造成換能器元件的電抗減小。
在一種多層換能器組件的制造方法中，采用帶鑄法從原材料形成一些壓電陶瓷片。通過(guò)網(wǎng)版印刷將一個(gè)內(nèi)電極印在一片壓電陶瓷片上，然后將另一片陶瓷疊在第一片的內(nèi)電極面上。外電極被印刷并熔燒在第一和第二片的外面。例如，Saithoh，S.等人發(fā)表在Jpn.J.Appl.Phye.，Vol.31，suppl.31-1，PP.172-74(1992)上的文章“A Dual Frequency Ultralonic Probe(雙頻超聲探測(cè)器)”描述了這種方法。信號(hào)電極采用柔性電路、片形跨接器或?qū)Ь€焊接連接到引線。接地電極用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂連接，它使接地電極與一個(gè)輔助連接器(如柔性電路或金屬箔)相接觸。
多層換能器也可以采用一些通路將類似取向的各層連接而制成。采用機(jī)械方式或激光在壓電陶瓷帶上鉆出或蝕刻出很多孔，以在每層壓電陶瓷上形成通路。通路孔中注入金屬膠，并用網(wǎng)版印刷法在每一層淀積上表面電極。然后加上多層生胚片(green tape)讓通路對(duì)齊以形成一個(gè)多層夾層。將該多層夾層進(jìn)行層壓和燒結(jié)以形成一個(gè)單一結(jié)構(gòu)。通過(guò)在輸入墊上電鍍或真空淀積而使電極金屬化。這個(gè)工藝的一個(gè)例子可參看美國(guó)專利5.548,564，我們把它引用到這里作為參考。
概要本發(fā)明由后面的權(quán)利要求書(shū)界定，本節(jié)所述的一切都不應(yīng)該被看成是對(duì)那些權(quán)利要求的限制。通過(guò)介紹，下面描述的優(yōu)選實(shí)施例包括一種多層換能器及制造這種換能器的方法。以下將對(duì)多層換能器元件的各個(gè)方面進(jìn)行討論，并敘述一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)明。
下面要討論的各種實(shí)施例包括一個(gè)或數(shù)個(gè)(1)多層多維陣列，其中各層是聚合接合的而且是通過(guò)微粒接觸從電氣上相連的，(2)元件的多層陣列，其中空氣或氣體將至少兩個(gè)元件分開(kāi)，(3)偶數(shù)層，其中每一層是通過(guò)微粒接觸電氣相連的，(4)多層，其中每一層包含換能器材料和結(jié)構(gòu)大體相同的電極，(5)在各層上的電絕緣電極，它們是在各層接合在一起后通過(guò)截?cái)嗷蚯懈疃纬傻摹?br> 在第一方面中，制成多層多維換能器，以使與每層相關(guān)的電極通過(guò)微粒接觸與其它層的電極電氣相連。通過(guò)采用特殊的對(duì)每層各片的切割和金屬化順序，可通過(guò)微粒接觸提供各電極的良好連接。只沿著片的水平寬度的一部分而不是其全部進(jìn)行局部切割。進(jìn)行局部切割和金屬化的次序隨著層的不同而改變。然后將各層疊置并接合起來(lái)。由于各層是接合的，不需要用填充材料，故在高度方向分隔的各元件之間有空氣存在?？諝饽芨袈?。
在第二方面中，偶數(shù)層通過(guò)微粒接觸電氣相連?？梢圆捎酶鞣N制造工藝，包括用切割和金屬化形成斷裂。
在第三方面中，各種多層實(shí)施例的任何一種包含帶斷裂的層和同樣規(guī)格的換能器材料。通過(guò)將一層或幾層相對(duì)于另一層翻轉(zhuǎn)并將各層疊置起來(lái)，可以在每一層的兩個(gè)或多個(gè)電極間造成連續(xù)的電接觸。
在第四方面中，各種多層實(shí)施例中任何一個(gè)是在使某些電極電絕緣之前將各層接合在一起而制成的。在已接合好的疊層中做出一個(gè)切口。此切口貫穿一層并延伸到另一層中。這個(gè)切口在一層或兩層上隔離出(即形成)多數(shù)和少數(shù)電極。
本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面結(jié)合一些優(yōu)選實(shí)施例來(lái)討論。
附圖的幾個(gè)視圖的簡(jiǎn)介各圖中的元件不一定按比例，重點(diǎn)放在對(duì)發(fā)明原理的說(shuō)明。此外，在各圖中，相似的標(biāo)號(hào)在不同的視圖中代表相應(yīng)的零件。


圖1是按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的多維換能器陣列中，由水平和高度方向界定的一個(gè)平面的俯視圖。
圖2是按本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多層換能器元件中，沿圖1的水平和長(zhǎng)度方向的剖視圖。
圖3A-3F，4A-4D和5A-5F是在各個(gè)加工階段中，示于圖2的換能器元件的第一、第二、三層的透視圖和剖視圖。
圖6是在一個(gè)實(shí)施例中，用于已裝配好的換能器的圖2所示多層換能器元件的剖視圖。
圖7是在另一個(gè)實(shí)施例中，用于已裝配好的換能器的圖2所示多層換能器元件的剖視圖。
圖8是一個(gè)多層換能器元件的實(shí)施例中沿高度和長(zhǎng)度方向的剖視圖。
圖9是另一個(gè)多層換能器元件的實(shí)施例中沿高度和長(zhǎng)度方向的剖視圖。
圖10A-D是圖8中兩層中的一層或圖9中幾對(duì)層22中的一對(duì)，從頂面和底面方向看的透視圖。
圖11是按一種實(shí)施例的柔性電路俯視圖。
圖12a是一層換能器元件的一個(gè)實(shí)施例的透視圖和剖視圖。
圖12b-d是一個(gè)換能器元件疊置層的各種實(shí)施例的剖視圖。
圖12e是按照一個(gè)實(shí)施例的多層換能器元件的剖視圖。
圖13是一個(gè)多層多維換能器陣列的實(shí)施例的剖視圖。
圖14a和b是一個(gè)元件中一層的一種實(shí)施例的透視圖和剖視圖。
圖14c-e是一個(gè)換能器元件的一個(gè)實(shí)施例的疊置層的剖視圖。
圖15是具有異極性相反表面連接的多層多維換能器陣列的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
圖16a和b是圖15的換能器陣列中頂層的一種實(shí)施例的透視圖和剖視圖。
圖17是具有異極性相反表面連接的多層換能器陣列的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
圖18a和b是在接合后形成斷口的三層元件的一個(gè)實(shí)施例的透視圖和剖面圖。
圖19a-e是在接合后形成斷口的多層換能器元件的另一個(gè)實(shí)施例的透視圖和剖面圖。
圖20是在接合后形成斷口的多層多維換能器陣列的一種實(shí)施例的剖視圖。
圖21a-d是為減少高度上的側(cè)瓣而設(shè)計(jì)的多層元件不同實(shí)施例的剖視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述下面討論的實(shí)施例包含一個(gè)換能器陣列的多層元件。每個(gè)元件包含兩層或多層換能器材料。下面要討論的各種實(shí)施例包括一個(gè)或數(shù)個(gè)(1)多層多維陣列，其中各層是聚合接合的而且是通過(guò)微粒接觸從電氣上相連的，(2)元件的多層陣列，其中空氣或氣體將至少兩個(gè)元件分開(kāi)，(3)偶數(shù)層，其中每一層是通過(guò)微粒接觸電氣相連的，(4)多層，其中每一層包含換能器材料和結(jié)構(gòu)大體相同的電極，(5)在各層上的電絕緣電極，它們是在各層接合在一起后通過(guò)截?cái)嗷蚯懈疃纬傻摹＿@些實(shí)施例的每一個(gè)將在下面的不同段單獨(dú)地或與其它實(shí)施例結(jié)合起來(lái)討論?？梢蕴峁┢渌慕M合和單獨(dú)的實(shí)施例。
I.具有微粒接觸和空氣或氣體分隔的多維陣列在一個(gè)實(shí)施例中，提供了多層元件的多維陣列。多層換能器材料是通過(guò)微粒接觸電氣相連的。在至少一個(gè)方向上(如高度方向)，各個(gè)元件是被空氣分隔的，以將各元件從聲學(xué)上和機(jī)械上隔離。通過(guò)相繼對(duì)每一層進(jìn)行局部切割、切開(kāi)以及金屬化提供微粒接觸和空氣隔離。
圖1示出一個(gè)1.5D元件的換能器陣列。提供三個(gè)高度方向分開(kāi)的元件行。提供64式128個(gè)水平方向分開(kāi)的元件。在另一些實(shí)施例中，可以采用或多或少的高度方向或水平方向分開(kāi)的元件。如圖所示，兩個(gè)靠外的元件行12和14在水平高度平面內(nèi)的元件比中間的元件行16要小(即子元件)。在另一些實(shí)施例中，每個(gè)元件的面積可以相同，或者是作為水平，高或長(zhǎng)度方向的函數(shù)而變化。還有一些可選的實(shí)施例中，可提供兩維換能器陣列(如64×64個(gè)元件的陣列)，或1.75D的陣列。對(duì)于多維陣列，可提供一個(gè)N×M(N，M＞2)元件的陣列。此陣列可包含任意數(shù)量的換能器元件18。
圖2如圖1的換能器陣列的剖視圖。具體地說(shuō)，示出了三個(gè)高度方向分開(kāi)的換能器元件20。每個(gè)元件20包含三層22的換能器材料?？商峁┹^多或較少的層數(shù)。
換能器材料包括壓電陶瓷，如單晶壓電體，拼合(復(fù)合)或其它的壓電材料。在一個(gè)實(shí)施例中，壓電陶瓷包括一些現(xiàn)成的元件，如可從新墨西哥州Albuquerque的CTS公司買到的那些元件(如H陣列3203)。在另一些實(shí)施例中，采用由帶鑄法或其它工藝形成的陶瓷層。利用商用壓電體對(duì)成本有利。還有另外一些實(shí)施例不采用壓電體換能器材料，而采用電容性微機(jī)電超聲器件等。對(duì)于換能器材料的不同層可采用不同的或相同的材料。
換能器材料層包括底層24、中間層26、和頂層28。每一層22包含一片換能器材料。每一片的厚度是換能器元件總厚度的函數(shù)。當(dāng)每層的厚度相同時(shí)，即為換能器元件的總厚度除以層數(shù)。在另一些實(shí)施例中，不同層可能具有不同的厚度。厚度可以作為陣列內(nèi)元件所處高度或水平位置的函數(shù)而變化，以及/或者作為在所各層22或某一個(gè)子集的一元件以內(nèi)所處水平和/或高度位置的函數(shù)而變化。
各層22和元件20的尺寸是換能器設(shè)計(jì)的函數(shù)，如所希望的工作頻率，帶寬，聚焦分辨率，或其它與換能器應(yīng)用有關(guān)的特性。可以采用本領(lǐng)域現(xiàn)有的普通設(shè)備和技術(shù)(如精研，研磨，切塊和粘接等)來(lái)形成不同厚度和/或形狀的各層，以降低成本，增加適應(yīng)性，減少投放市場(chǎng)的時(shí)間。在另外一些實(shí)施例中，一層或多層22的厚度是不均勻的，如美國(guó)專利5,438,998和5,415,175所述，這兩個(gè)專利都被引用到這里作為參考。例如，當(dāng)陣列或各單個(gè)元件具有凹面或凸面形狀時(shí)，將采用平-凹形換能器或頻率有關(guān)的聚焦的換能器。
每個(gè)元件20的每一層22包含形成在該層上的一個(gè)正電極30和一個(gè)負(fù)電極32。所謂正負(fù)電極是指換能器陣列與超聲系統(tǒng)的連接方式，其中正電極與信號(hào)端相連，負(fù)電極與地端相連，或者反過(guò)來(lái)。通常設(shè)計(jì)是讓正負(fù)極反射相反的極性到層上。正負(fù)電極的方向可以反過(guò)來(lái)。頂層28的負(fù)電極蓋住一個(gè)底面，最好是頂層28底面的大部分。正電極30蓋住一個(gè)頂面，且最好是頂層28的整個(gè)頂面，一個(gè)側(cè)面和底面的一部分。如圖所示，這里所謂的頂和底是指該層在長(zhǎng)度方向的方位。中層26的負(fù)電極32蓋住層26蓋住層26的頂面，最好是蓋住層26的大部分頂面26，一個(gè)側(cè)面，和一部分底面。中層26的正電極30蓋住中層26的底面，且最好是中層26的大部分底面，一個(gè)側(cè)面，和頂面的一部分。底層24的正電極32蓋住層的頂面，且最好是層24的頂面的大部分。底層24的負(fù)電極蓋住層24的底面，且最好是底層24的整個(gè)底面，一個(gè)側(cè)面，和頂面的一部分。在另一些實(shí)施例中，在頂層和底層28和24之一或兩者的兩個(gè)側(cè)面都有電極材料。也可以采用其它的電極安排和連接方式，如導(dǎo)線連接，柔性電路連接，或通路連接等。
連續(xù)的正負(fù)電極30和32是用濺射淀積的而且包含金。也可以采用其它的金屬(如鎳和銀)，及其它的表面技術(shù)。在一種實(shí)施例中，電極厚度約為1,500-3,000埃，但也可以使用小些或大些的厚度。
在每一層22上正電極30通過(guò)一個(gè)斷口34與負(fù)電極32分開(kāi)。在頂層28，斷口34處于底面和側(cè)面上。對(duì)于中層26，斷口34處于頂面和底面上。對(duì)于底層24，斷口34處于頂面和側(cè)面上。斷口34把正電極和負(fù)電極30和32分開(kāi)，并使它們電絕緣。各層22疊置在一起使得在在各層22的頂面和底面上的斷口對(duì)齊。每個(gè)元件的各正電極30和各負(fù)電極32分別電耦合在一起。每個(gè)元件20的每一層22基本上在一面有一個(gè)正電極30，在相對(duì)的面有一個(gè)負(fù)電極32。在另一些實(shí)施例中，可將斷口34設(shè)置在不同的位置，例如可將斷口設(shè)在頂面或底面上而不是在一個(gè)側(cè)面處或一個(gè)角落上。
每一層22的電極30，32通過(guò)微粒接觸與另一些層22的電極30，32相接觸。并不需要有額外的焊接，線條或通路連接，但也可以用。對(duì)換能器材料采用研磨，拋光，或其它工藝可獲得精細(xì)粗糙度的表面。這種表面粗糙度可以讓各電極30，32之間具有均勻分布的物理和電氣接觸。
各層22是通過(guò)聚合接合而連在一起的。在每一層22之間加以聚合接合化合物。當(dāng)各層22壓在一起時(shí)，粘稠的接合化合物將間隙填充并造成各電極間的微粒接觸。在另一些實(shí)施例中，可以采用其它的接合劑，如相關(guān)的陽(yáng)極接合，焊接或熔接有關(guān)的試劑。
按高度方向分開(kāi)的各元件20被空氣隙36隔開(kāi)。通過(guò)將每個(gè)元件20的各層22接合起來(lái)，就不需要在各元件20之間加入復(fù)合填料。在裝配后可以用另外的氣體將各元件20分開(kāi)。也可以采用氣體或空氣將各元件在水平方向分開(kāi)。在另一些實(shí)施例中，將液態(tài)、等離子態(tài)或固態(tài)填充材料淀積在各間隙36內(nèi)。如下面將會(huì)講到的，一個(gè)實(shí)施例的制造方法給各元件20提供間隔，以便利用空氣或其它氣體從聲學(xué)上和機(jī)械上將各元件20隔開(kāi)。
可以采用各種方法來(lái)制造多維多層換能器陣列。圖3-5代表一個(gè)制造具有奇數(shù)層數(shù)的多層換能器的實(shí)施例。在圖3-5的例子中，采用了三層22，但任何奇數(shù)層都可以。另外如圖3-5所示，采用了三個(gè)高度方向分開(kāi)的元件，但利用下面討論的方法可以提供任意數(shù)的元件。在此例中，高度方向分開(kāi)的各元件產(chǎn)生一個(gè)水平方向分開(kāi)的行。在另一些可疊實(shí)施例中，可從相同或不同的壓電體或換能器材料片產(chǎn)生兩個(gè)或更多的水平方向分開(kāi)的行。
圖3A表示頂層28。該頂層28被切入式磨削形成開(kāi)口40。為形成開(kāi)口40可采用切塊鋸、蝕刻、激光切割、絲鋸或其它的切割方法。開(kāi)口40沿著水平方向伸展，但不是跨過(guò)整個(gè)頂層28的寬度伸展。在一種實(shí)施例中，開(kāi)口40沿著水平寬度方向居中。在另一些實(shí)施例中，開(kāi)口40是偏心的或伸向一個(gè)邊緣。開(kāi)口40沿著高度方向的軸線定位，故元件20中的一個(gè)是由開(kāi)口40和頂層28的一個(gè)邊緣界定的。由一個(gè)或數(shù)個(gè)橋部42將元件20與頂層28的其余部分相連接。如在此例中所示，兩個(gè)橋部42是在開(kāi)口形成之后將元件20和頂層28的其余部分相連的。建議沿著頂層28長(zhǎng)度方向通過(guò)整個(gè)厚度進(jìn)行切入式磨削。
形成開(kāi)口40之后，對(duì)頂層28進(jìn)行金屬化。采用濺射淀積，濕法化學(xué)電鍍，汽相淀積或其它任何方法來(lái)適當(dāng)控制附著力和厚度，使電極44(如圖3B所示)圍繞頂層28的換能器材料46的全部或大部分表面而形成。在一種實(shí)施例中，是把鈦晶粒淀積在換能器材料46上。接著濺射淀積一較厚的金屬，然后進(jìn)行電鍍加上額外的金。如圖3A的剖面圖3B所示，電極44將開(kāi)口40的各個(gè)邊緣蓋住。
參看圖3C，經(jīng)第二次切入式磨削形成一個(gè)開(kāi)口48。該開(kāi)口48與開(kāi)口40平行，且如上所述，只延伸到頂層28整個(gè)水平寬度的一部分。在另一些可選實(shí)施例中，開(kāi)口40和48不相平行。在圖3C的橫剖面圖3D中也顯示了開(kāi)口48。切入式磨削使得開(kāi)口48中的換能器材料46存在裸露的邊緣(即沒(méi)有電極44復(fù)蓋的邊緣)。如圖3C和D所示，開(kāi)口48界定兩個(gè)另外的元件20，即中間的元件和最右邊的元件。
圖3D還示出從頂層28的左邊緣50將電極材料去掉的情形。通過(guò)砂磨，切塊，切割，激光切割，線鋸切割或蝕刻等將KR材料去掉以露出邊緣50。
圖3E表示在電極44上形成斷口52的情形。形成斷口52可采用切塊鋸，在電極淀積時(shí)圖形化出斷口，在金屬化濺射淀積中采用掩模，采用光刻或其它任何適合除掉幾段電極的方法，或有選擇性地防止電極的形成。斷口52將電極44的各段電絕級(jí)。在一種實(shí)施例中，斷口52是與開(kāi)口40和48平行的，但也可以相對(duì)一個(gè)或兩個(gè)開(kāi)口40，48成一個(gè)角度，可以彎曲，或具有不同的形狀使各電極隔離。
圖3F表示帶斷口52的頂層28。每個(gè)元件20具有兩個(gè)電極44，它們由換能器材料46上的外露表面界定。例如，每個(gè)元件20包含一個(gè)正電極30和一個(gè)負(fù)電極32。這些電極被斷口52，外露邊緣50，和/或開(kāi)口48隔開(kāi)。斷口52區(qū)域最好足夠?qū)?，以使正電極30和負(fù)電極32電絕緣。對(duì)于這個(gè)頂層28，電極44應(yīng)該這樣形成，使得至少一部分正電極和負(fù)電極處在底面上。斷口52偏離一個(gè)邊緣一定的距離，所述距離足以留下適當(dāng)?shù)纳贁?shù)電極配合表面，以便與相鄰層上的一個(gè)少數(shù)電極造成電接觸。然后將各層22安置成使得各接觸電極形成一個(gè)具有交替極性(作為長(zhǎng)度尺寸的函數(shù))的組合電極。
頂層28是經(jīng)過(guò)極化的。將一個(gè)電場(chǎng)(如直流電場(chǎng))加到電極44上使換能器材料的結(jié)晶對(duì)齊。在另一些可選實(shí)施例中，極化是在晚些時(shí)候進(jìn)行，或者不進(jìn)行極化。
圖4A表示中層26。兩次切入式磨削形成開(kāi)口54。開(kāi)口54沿著水平寬度方向但不是中層26的整個(gè)水平寬度延伸。由開(kāi)口54界定沿高度方向分開(kāi)的元件20。如圖4B所示，中層26被金屬化以形成電極44。電極44是在開(kāi)口54之后形成的。電極44淀積在換能器材料46的全部或大部分表面上(包括開(kāi)口54內(nèi))。
圖4C和4D表示斷口52在中層26的頂面和底面上形成的情形。圖4D是圖4C的剖面圖。斷口52將正電極32與負(fù)電極30電絕緣。每個(gè)負(fù)或正電極30或32分別蓋住元件20上或下表面的大部分。每個(gè)表面的其余部分包括與不同極性相關(guān)的電極44。形成斷口52時(shí)應(yīng)使中層26的正和負(fù)電極30的32接觸頂層28和底層24的電極44。
在形成正負(fù)電極30和32后，使中層26極化。也可以選擇不使中層26極化。
圖5A表示形成底層24的第一個(gè)步驟。切入式磨削形成開(kāi)口40。開(kāi)口40產(chǎn)生高度方向分開(kāi)的元件20中的一個(gè)。對(duì)本例的1.5維換能器陣列，元件20是處在與頂層28的開(kāi)口40確定的元件20不同高度的面上(即頂層28的切入式磨削形成左邊的元件20，而底層24的切入式磨削形成最右邊的元件20)。
圖5B是在底層24被金屬化后圖5A的剖視圖。電極40形成在換能器材料46的每個(gè)外露邊緣上(包括開(kāi)口40內(nèi))。圖5C表示另一個(gè)開(kāi)口48的形成，由它確定兩個(gè)額外的高度方向分開(kāi)的元件20。用于形成開(kāi)口48的切入式磨削使得開(kāi)口48內(nèi)的換能器材料表面外露，如圖5D所示。電極材料44未將開(kāi)口48內(nèi)的外露表面蓋住。圖5D還畫(huà)出了電極材料從底層24最右邊緣60被去掉的情形。
圖5E表示斷口52形成于底層24的一個(gè)頂面上。如圖5F所示，斷口52、開(kāi)口50和邊緣60內(nèi)的外露表面共同界定每個(gè)元件上的正負(fù)電極30，32。正負(fù)電極是電絕緣的。然后使每個(gè)元件20的換能器材料極化。也可選擇，不進(jìn)行極化，或者在不同的時(shí)間極化。
頂、中、底層28，26，24按圖2所示疊置起來(lái)并對(duì)齊。斷口34，52相互對(duì)齊以形成電路上并聯(lián)的多層壓電元件20。如圖所示，疊置起來(lái)的組件從元件20底部的負(fù)電極32開(kāi)始，以元件20頂部的正電極30結(jié)束。在另一些可疊實(shí)施例中，可以采用正的或負(fù)的任意一個(gè)初始電極取向。建議這樣來(lái)安置電極44，使得電極的極性作為元件20內(nèi)層22的函數(shù)而交替變化。
一旦疊置起來(lái)后，電極44通過(guò)微粒接觸彼此接觸。微粒接觸為每層22的每個(gè)正電極30提供與其它層22的其它正電極的電連接。微粒接觸也為負(fù)電極32提供電連接。
開(kāi)口36用來(lái)使各層22對(duì)齊。將一根棒、桿或其它元件插入一個(gè)或幾個(gè)開(kāi)口36中使各層22對(duì)齊。在另一些可選實(shí)施例中，可采用其它的對(duì)準(zhǔn)方法，例如疊置在一個(gè)模板內(nèi)、外部機(jī)械對(duì)準(zhǔn)，或下面將討論到的更多的制造方法。
在對(duì)準(zhǔn)后，通過(guò)聚合接合維持微粒接觸可采用能提供具有足夠粘度和適當(dāng)?shù)倪B結(jié)強(qiáng)度的環(huán)氧樹(shù)脂接合或其它接合劑，使相鄰電極44產(chǎn)生點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或微粒接觸。例如，可采用EPO-TEC301等環(huán)氧樹(shù)脂接合劑。
換能器是由多層換能器材料組裝而成。如圖6和7所示，匹配層62被沿著水平寬度方向(或者是整個(gè)寬度或?qū)挾鹊囊徊糠?切塊，并置于疊層22的頂上。匹配層62可以是任何能使換能器材料46聲學(xué)上與本體或凝膠匹配的材料。匹配層62的形狀應(yīng)使每個(gè)元件20具有類似的水平和高度尺寸。匹配層62的厚度、直徑或聲學(xué)特性可以變化，而且/或者由一層或幾層組成。匹配層62是被接合到換能器材料的疊置層上。
疊層22的底部與信號(hào)和接地柔性電路64相連接。在一個(gè)實(shí)施例中，柔性電路有一個(gè)中心墊區(qū)，它由淀積在聚酰胺薄膜(如KAPT0NTM，可以E.I.Dupont公司買到)上的薄層銅形成。有一些單獨(dú)的引線從中心墊區(qū)的每側(cè)伸出。用環(huán)氧樹(shù)脂接合劑或其它的接合劑把柔性電路接合到換能器材料各疊層上。柔性電路通過(guò)微粒接觸提供與疊置換能器材料的電極44的電接觸。由聚合接合保持柔性電路64和電極44的接觸。柔性電路64被配置成使單獨(dú)的信號(hào)線與中間和外面的元件20相連分離的信號(hào)線。在另一些實(shí)施例中，各元件20被短接在一起。還有一些實(shí)施例中柔性電路64是與疊層22的頂面相連。
可以采用不同的方法將換能器材料疊層的正電極30與超聲系統(tǒng)相連。在圖6所示的實(shí)施例中，是將箔66或其它導(dǎo)電物質(zhì)鋪在頂層28上與正電極30接觸。箔66采用聚合接合等接合方法粘到匹配層62和頂層28上。微粒接觸提供箔66和每個(gè)元件20的正電極32間的電接觸。箔66與電氣地線相連。
在圖7所示的另一個(gè)實(shí)施例中，匹配層62被金屬化(如采用濺射淀積等方法)，以在匹配層62的至少是下表面形成一個(gè)電極63。接地總線(如金屬化的聚酯薄膜或別的導(dǎo)電物質(zhì))與形成在匹配層62上的各電極相連。匹配層62可由導(dǎo)電材料制成。
柔性電路64和疊層22又被接合到一種聲學(xué)支撐材料68上。此聲學(xué)支撐材料68包括對(duì)陣列的機(jī)械支撐，而且具有所需性能的聲學(xué)特性。
在組裝過(guò)程中，橋部42與開(kāi)口36一起將每一層22和相關(guān)的元件20保持到適當(dāng)位置。然后將橋部42移去使各元件20彼此間從機(jī)械上和聲學(xué)上隔離。沿著高度方向?qū)虿壳袎K以把元件20分開(kāi)。例如，可沿一條垂直于最長(zhǎng)的開(kāi)口36，40，54，48方向的線對(duì)層22切塊。切口與開(kāi)口40，48，54的邊緣相交，從聲學(xué)上使各元件隔離。切割通過(guò)所有各層22進(jìn)行。
聲學(xué)上被隔離的元件20由空氣或氣體分開(kāi)。在另一些可疊實(shí)施例中，將一種聚合物或環(huán)氧樹(shù)脂填料插在高度和水平方向分開(kāi)的各元件20之間。在從聲學(xué)上隔離每個(gè)元件20之后，將一些高度方向分開(kāi)的元件20沿著水平方向?qū)R以確定所述陣列。
上述各實(shí)施例可采用如美國(guó)專利6,121,718中所述的各種工藝、結(jié)構(gòu)和材料，此專利被引用于此作參考。該專利中的單維換能器陣列與多維陣列一樣地制造。
II.具有微粒接觸的偶數(shù)層的陣列在一種實(shí)施例中，提供具有偶數(shù)層的元件陣列。換能器材料的各層是聚合接合的并通過(guò)微粒接觸電連接。兩層元件可用于低、中超聲頻率(如5MHz)聲學(xué)傳輸。對(duì)于兩層的例子，可以采用比工作在相同頻率的三層元件更厚的壓電層。也可以提供四層或更多層。微粒接觸在換能器材料各層之間提供一種最小接合線的薄層，從而使性能改善且使工作頻率擴(kuò)展。
在一種實(shí)施例中，陣列包括沿水平方向在一個(gè)單行內(nèi)的元件的一維陣列。例如，美國(guó)專利6,121,718中公布的具有奇數(shù)層的多層換能器是以偶數(shù)層提供的。也可以選擇提供具有偶數(shù)層的元件的多維陣列。例如，上面討論過(guò)的對(duì)多維多層陣列的制造工藝可用于偶數(shù)層的場(chǎng)合。正負(fù)電極用微粒接觸連接并由斷口分開(kāi)。對(duì)任何尺寸的陣列，上面討論過(guò)的各種工藝、材料和結(jié)構(gòu)(包括替換方案)可以用于下面將要談到的具有偶數(shù)層的情況。
圖8和9分別為包含兩和四層22換能器材料的換能器元件20的剖面圖。或者可以提供六層或更多層。元件20也包括正負(fù)電極30和32、匹配層62，聲學(xué)支撐材料68和柔性電路64。此外，可使用較少的或不同的元件。
正負(fù)電極30，32由斷口34分開(kāi)。如圖所示，斷口34是處于相對(duì)于聲音傳播方向的頂面和底面(即沿長(zhǎng)度軸線的頂部和底部)。在另一些實(shí)施例中，有一個(gè)或幾個(gè)斷口34處于一個(gè)角落處或者沿著一個(gè)邊緣(即側(cè))表面。
相鄰層22的相鄰表面的斷口是對(duì)齊的。每層的正電極30和負(fù)電極32與相鄰層的相關(guān)正電極和負(fù)電極30，32相接觸。接觸包括微粒接觸，但也可由其它電連接方式提供。
圖10A-D為圖8兩層中每一層或圖9的每個(gè)層對(duì)22的頂面和底面透視圖。圖10A和10C表示第一層即頂層22的俯視和仰視圖。圖10B和10D表示第二層即底層22的俯視和仰視圖。頂層22的底面和底層22的頂面的斷口在將各層疊置時(shí)位置是對(duì)齊的。當(dāng)各層疊置時(shí)頂層22的負(fù)電極32與底層22的負(fù)電極32接觸，頂層和底層22的正電極30接觸。每一層包含兩個(gè)斷口34。在一種實(shí)施例中，為了充分進(jìn)行制造，兩層22的電極30，32和斷口34基本上是一樣的，如互為鏡象。在另一些實(shí)施例中，各層22是不對(duì)稱的。
各層22如上面討論的那樣接合或連接在一起(見(jiàn)圖8和9)。換能器材料的各層22也與柔性電路64接合或相連。薄的柔性印刷柔性電路64將一個(gè)元件20陣列的每個(gè)元件的正負(fù)電極30，32與具有微粒接觸的超聲系統(tǒng)相互連接起來(lái)。圖11為用于一維元件陣列的一種柔性電路64的實(shí)施例的俯視圖。柔性電路64包括將負(fù)電極與地或超聲系統(tǒng)電氣相連的第一組信號(hào)線102，以及將正電極與超聲系統(tǒng)電氣相連的第二組信號(hào)線104。隔離段106是為與底層22底面上的斷口34對(duì)齊而設(shè)置的。當(dāng)各元件沿水平方向切塊時(shí)，元件20之間就形成電絕緣。或者，柔性電路64包含一些額外的隔離段，它們使每個(gè)元件20的信號(hào)線102，104分開(kāi)。下面將討論的另一種方案中，負(fù)信號(hào)線102與頂層22的一個(gè)頂面相連，以獲得較大的接觸面積。
III.基本相似的各層結(jié)構(gòu)在一種一維或多維元件陣列的實(shí)施例中，每一層具有相同的兩電極和兩斷口結(jié)構(gòu)。每層換能器材料的頂面和底面包含一少數(shù)和一多數(shù)電極。用相同的工藝形成每一層?；蛘?，用不同的工藝形成一層或數(shù)層。各層被疊置起來(lái)。為增加一個(gè)附加層，可加上結(jié)構(gòu)基本相同的另一層。通過(guò)將一些相對(duì)于一個(gè)鄰近層對(duì)稱的層加以翻轉(zhuǎn)，可使少數(shù)和多數(shù)電極對(duì)齊以便接合。偶數(shù)層或者數(shù)層都能提供。
圖12a表示每一層22的結(jié)構(gòu)。每一層按基本相同的方法單獨(dú)處理。兩個(gè)斷口34使兩電極120電絕緣。每個(gè)電極120處于頂，底和側(cè)面上。設(shè)置斷口34以在每個(gè)頂面和底面提供一個(gè)少數(shù)和多數(shù)電極。斷口34沿著各層22水平方向的長(zhǎng)度延伸。斷口34在頂面和底面的位置與相對(duì)的邊緣隔開(kāi)同樣一個(gè)距離，提供對(duì)稱層22。在另一些可疊實(shí)施例中，層22是非對(duì)稱的，比為在高度方向?yàn)榉菍?duì)稱的。
兩層22是對(duì)齊的，如圖12b所示。將一層22繞著高度軸線翻轉(zhuǎn)，可使兩個(gè)少數(shù)和多數(shù)電極120及兩個(gè)斷口34對(duì)齊。少數(shù)和多數(shù)電極120通過(guò)微粒接觸電氣相連。斷口34使各電極隔離。一經(jīng)對(duì)齊，層22就提供兩個(gè)隔離的電極120。
圖12C表示將一對(duì)附加的對(duì)齊層22疊置起來(lái)。斷口34和電極120是在一對(duì)的底面和另一對(duì)的頂面對(duì)齊的?？梢辕B置任意數(shù)目的層22的對(duì)。
圖12d表示將一個(gè)附加單層22疊置到四層22(兩對(duì))上，即形成五層22。斷口34和電極120在一層22的底面和另一層22的頂面對(duì)齊。奇數(shù)層22相對(duì)偶數(shù)層為鏡象或者是相對(duì)偶數(shù)層22是翻轉(zhuǎn)的。在另一些可選實(shí)施例中，可提供三或七或者更多層22。
圖12e所示為具有兩層22的一個(gè)元件20的剖面，不過(guò)還可以提供附加層22。此元件20是處于一維換能器陣列中，但也可以用多維陣列。可以象圖12d那樣提供奇數(shù)層。圖12d示出5層22，但也可以提供3，7或更多層。
如圖12e所示，柔性電路64與電極120接合或電氣相連接，以形成正負(fù)電極30，32。柔性電路64的一個(gè)信號(hào)線與處于一個(gè)平面上的(例如底層22的底面或頂層22的頂面)多數(shù)和少數(shù)電極120之一相連接。為獲得較好的聲學(xué)特性，柔性電路64包括具有小的電路外形可疊的薄多層電路。在下面要講到的另一些可疊實(shí)施例中，可以在疊層22的不同或相反部分提供正和負(fù)連接。
在各層22和柔性電路64間的微粒接觸為每一層22的正負(fù)電極30，32提供電連接。在另一些實(shí)施例中，焊接，導(dǎo)電材料接合，導(dǎo)線接合，或類似的電連接法為電極120和/或柔性電路64之間提供電連接。
在組裝之后，將疊置的層22切塊或切割以使各水平方向隔開(kāi)的元件20分離。這樣就提供一個(gè)元件20的一維陣列。
圖13為1.5D陣列結(jié)構(gòu)中多維元件陣列的剖視圖?？梢蕴峁┎煌母叨确较蛟某叽绾托螤睢D中所示提供了偶數(shù)層22。在另一些可選實(shí)施例中，可以提供奇數(shù)層22。
每一層22包括在長(zhǎng)-水平面平內(nèi)結(jié)構(gòu)基本相同的斷口34和正負(fù)電極30，32。對(duì)于每個(gè)元件20的每一層22，在頂面和底面都有少數(shù)和多數(shù)電極。一層22的斷口34和相鄰層22對(duì)齊，就好象翻轉(zhuǎn)一個(gè)對(duì)稱層22或鏡象層22那樣。
柔性電路64包括一些與正負(fù)電極30，32間的斷口34有關(guān)的絕緣物。單個(gè)信號(hào)線與每個(gè)元件20相連接。公共或分立的負(fù)線或地線可與每個(gè)元件20相連接。
圖14a-e表示一個(gè)多維陣列中結(jié)構(gòu)基本相同的各層22的制造方法。每一層22按相似或相同的方法單獨(dú)處理。上面就圖3-5所進(jìn)行的討論提供各種替代工藝，結(jié)構(gòu)和材料，這里不再重復(fù)。
圖14a為一個(gè)多維陣列的一層22的透視和剖視圖。換能器材料140經(jīng)切入或磨削后形成兩個(gè)開(kāi)口40。
此層22在頂面、兩邊緣50底面被金屬化以形成電極44。在另一些可選實(shí)施例中，另外兩邊緣或所有表面也被金屬化。如圖14b的透視和剖視圖所示，斷口34是形成在電極44內(nèi)。與元件20相關(guān)的層22的每一段的兩個(gè)斷口將兩個(gè)電極44隔離。每個(gè)元件20的一個(gè)斷口34在頂面，另一個(gè)斷口34在底面，使每個(gè)元件20的頂面和底面上都形成一個(gè)少數(shù)和多數(shù)電極。
圖14C示出兩個(gè)疊層22。一層22的頂面和另一層22的底面的斷口34是對(duì)齊的。在表面上的少數(shù)和多數(shù)電極44也是對(duì)齊的。電極44通過(guò)微粒接觸電氣相連，為每個(gè)元件20形成兩個(gè)隔離的電極44。每個(gè)元件20的每一層與兩個(gè)不同的電極44接觸。
圖14d表示四個(gè)疊層22，各層22具有基本相同的結(jié)構(gòu)。圖14e表示五個(gè)疊層22。也可以提供其它的偶數(shù)或奇數(shù)層數(shù)。各層22按上面對(duì)圖12b-d所說(shuō)的那樣疊置。
IV.相反表面上的異極性連接圖6和15表示將柔性電路64與一個(gè)表面上的多數(shù)和少數(shù)電極相連接的另一種實(shí)施例。這些替換實(shí)施例可采用上面講過(guò)的任何元件和/或工藝。參看圖15，信號(hào)線150與一個(gè)表面上的正電極30相連接，接地線152與一個(gè)不同表面上的負(fù)電極32相連接。如圖所示，信號(hào)線150連至鄰近支撐塊68的一個(gè)底面上，而接地線152連至鄰近聲學(xué)匹配層62的一個(gè)頂面上。在另一些可疊實(shí)施例中，某些或全部信號(hào)線或接地線150，152連至不同的位置，為層22的不同表面或邊緣上。
信號(hào)線和接地線150，152包括柔性電路或這里講述的其它替換的電連接。在一種實(shí)施例中，接地線152包含一個(gè)柔性電路或無(wú)隔離段的箔。
當(dāng)接地線或信號(hào)線150，152不包含隔離段時(shí)，斷口34被安置在層的角落或邊緣處。例如，圖15表示無(wú)隔離段的接地線152。在鄰近接地線152的頂層22頂層上的斷口34形成在層22的角落邊緣上。其余各層22按上述講過(guò)的那樣處理或形成。對(duì)于帶異性極的與超聲系統(tǒng)以相反表面連接的奇數(shù)層數(shù)22的例子，請(qǐng)參看美國(guó)專利6,121,718。
圖16a和b表示頂層22電極結(jié)構(gòu)的形成。在另一些可疊實(shí)施例中，用16a和b代表底層或者頂層和底層二者的形成。上面結(jié)合圖3-5進(jìn)行的討論提供各種替代工藝、結(jié)構(gòu)和材料，它們都可應(yīng)用這里不再重復(fù)。
在圖16a中，切入式磨削形成頂層22內(nèi)的兩個(gè)開(kāi)口40。層22經(jīng)金屬化后提供一個(gè)圍繞層22的一部分或全部的電極。斷口34形成在電極內(nèi)，以使每個(gè)元件20的兩個(gè)電極隔離，如圖16b所示。在底面上的斷口提供平面上的多數(shù)和少數(shù)電極。在頂面上的斷口34提供一個(gè)露在表面上的電極。例如，頂面斷口34處在層22的一個(gè)角落邊緣或邊緣上。
異性極，即與超聲系統(tǒng)作電連接的相反表面，可用于多維換能器陣列(如圖15所示)和一維換能器陣列(如圖17所示)。通過(guò)在角落或邊緣處隔離電極可提供全平面電連接。全平面互連以表面有單個(gè)電極。通過(guò)相鄰各層22各相鄰平面上少數(shù)和多數(shù)電極之間的微粒接觸可提供各層之間的電氣連續(xù)性。
V.在接合后隔離電極在另一些制造工藝中，可以在將各層接合在一起之后為一些層22制出電極。在各層接合之后隔離電極可用到兩層或三層元件上，但也可用于更多層。例如，可將兩層或三層接合，然后將各電極隔離。接著將各層和其它層疊置起來(lái)。作為另一個(gè)例子，可將四層或更多層接合，其中有一層或數(shù)層在接合前形成了斷口，但至少有一層的斷口是在粘后形成的。對(duì)于兩或三層元件，所有的斷口可以在將各層接合在一起之后形成。
圖18a和b表示一個(gè)具有三層22的換能器元件20。對(duì)于頂層28，斷口34是由一個(gè)穿過(guò)頂層28且處在如上述的一個(gè)角落上的切口180形成的。在另一些可選實(shí)施例中，第二個(gè)斷口34是形成在一個(gè)邊緣或者頂面上。對(duì)于底層24，斷口34是由一個(gè)穿過(guò)底層24并處在底面上的切口182形成的。在另一些可選實(shí)施例中，第二斷口34是形成在一個(gè)角落或邊緣上。對(duì)于中間的層，斷口是由切口180和182形成的。
切口180和182穿過(guò)一層22并至少穿過(guò)相鄰層22的電極。如圖中所示，每個(gè)切口180，182在一層22上形成兩個(gè)斷口34，并在另一層22上形成另一個(gè)斷口34。
圖18b示出一個(gè)組裝元件20中的三層22。正(信號(hào))和負(fù)(接地)電極30和32形成為層22的兩個(gè)連續(xù)電極。每一層22有一個(gè)多數(shù)電極，一個(gè)少數(shù)電極，和一個(gè)斷口34，它們都與相鄰層22對(duì)齊。相鄰各層22的少數(shù)和多數(shù)電極由微粒接觸連接?；蛘?，這些電極也可以用導(dǎo)線連接或以其它方式電連接。
一個(gè)跨接器184跨過(guò)頂層28的頂面上的切口180作電連接?？缃悠?84可以是一層箔，一個(gè)導(dǎo)電膜、一個(gè)跨接線、一個(gè)柔性電路、一種接合的導(dǎo)電材料或其它的電連接材料?？缃悠?84從柔性電路64傳導(dǎo)正信號(hào)以形成頂層28的多數(shù)電極。在另一些可選實(shí)施例中，跨接器184包含一個(gè)與地即負(fù)信號(hào)線相連的柔性電路或箔，以及與一個(gè)不同電極相連的帶正信號(hào)的柔性電路64。
帶負(fù)(或地)信號(hào)的柔性電路64將一個(gè)少數(shù)電極與底層24底面上的一個(gè)多數(shù)電極電氣相連。另一個(gè)斷口34將底層22底面上正負(fù)電極30，32隔離。
圖19a-c示出在各層22接合后形成斷口的制造過(guò)程中不同時(shí)刻的各層22。這里討論的是兩層的實(shí)施例，但也可以提供其它層數(shù)。
圖19a表示兩層22，每層包括基本上被電極44所覆蓋的換能器材料。如圖19b所示，由一個(gè)連續(xù)導(dǎo)電膜(電極44)圍繞著每層22的換能器材料。
在各層用導(dǎo)電膜金屬化后，如圖19b所示將它們接合在一起，這在前面已講過(guò)。每層22的電極44通過(guò)微粒接觸與另一層22的電極44相接觸。也可以采用其它提供電接觸的方法。
圖19c為帶斷口34的兩個(gè)接合層22的透視和剖視圖。在頂層28頂面和底層24底面上的斷口34可按前述方法形成。例如，可在各層22接合之后或之前將電極44切塊或切割。每層的另一個(gè)斷口34是通過(guò)底層24并進(jìn)入頂層28切割或切塊切口182而形成的?？梢允褂蒙厦嬲f(shuō)過(guò)的任何一種切割或切塊工具，如激光或絲鋸。相鄰表面上頂層和底層24，28的斷口34是由切口182形成的。柔性電路64或其它的電跨接器跨過(guò)切口182將各電極連起來(lái)。在另一些可選實(shí)施例中，切口182穿過(guò)頂層28并進(jìn)入底層24。切口182用聚合物或氣體(如空氣)填充。
參看圖19e帶有形成的斷口34的已接合各層22與柔性電路64，聲學(xué)匹配層62和支撐塊68組裝在一起。柔性電路64提供跨越切口182的電連接。當(dāng)沿著底層22的底面的柔性電路提供正負(fù)兩個(gè)信號(hào)線時(shí)，有一個(gè)斷口34處在頂層22的頂面上?；蛘呷缜懊嬲f(shuō)過(guò)的那樣，將正負(fù)電極隔離的斷口34處于一個(gè)角落或邊緣表面上。
可以將帶有在接合后形成的斷口的層對(duì)22疊置并接合起來(lái)。圖19d表示已疊置的兩個(gè)層對(duì)22?？缃悠骰蛉嵝噪娐?4是用于底下的層對(duì)22的底面。下層對(duì)22頂面的電極44距越切口182與上層對(duì)22的電極電氣相連。可以加上額外的層對(duì)或單個(gè)的層22。
圖20為帶有在接合后形成的斷口34的一個(gè)多維換能器陣列剖視圖。圖中所示為帶兩層22的元件20，但元件20可以有任何偶數(shù)或奇數(shù)層22。切口182是在各層22接合在一起之后切出的。柔性電路64跨過(guò)每個(gè)元件20上的切口182。在另一些可選實(shí)施例中，設(shè)置了一些不同的跨接器，而且/或者地(或負(fù))信號(hào)與頂層22相連接。
在制出斷口34之前將各層22接合在一起，可使換能器材料厚一些而且容易控制切割元件。接合層22比每個(gè)單層22更結(jié)實(shí)一些。處理單個(gè)層時(shí)可避免由切割電極所引起的弱點(diǎn)。各層22的對(duì)準(zhǔn)是由切口180，182實(shí)現(xiàn)的，而不象在斷口34形成之后是一個(gè)高誤差的對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。因此，可以把少數(shù)電極的表面積做得最小。
VI.高度上的側(cè)瓣控制多層換能器元件可以做得能在聲學(xué)傳輸過(guò)程中對(duì)高度上的側(cè)瓣的產(chǎn)生進(jìn)行控制。美國(guó)專利5,410,208和5,706,820(均已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并且其公開(kāi)的內(nèi)容被引用到這里作參考)披露了高度上的側(cè)瓣的控制方法。這兩個(gè)專利中每一個(gè)的內(nèi)容可以單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用。
在一個(gè)實(shí)施例中，換能器材料的上表面面積比下表面的小。圖21a和b表示沿長(zhǎng)度方向具有不同表面面積的兩層和三層22換能器材料。例如如圖21a所示，每層22的沿高度方向的寬度中，底層22比中層或頂層22的要大。頂層22的表面積比中層或底層22要小。兩層或多層22可以具有相同或相似的表面面積和相應(yīng)的高度方向的寬度。
圖21b是另一個(gè)例子，此時(shí)每一層22或頂層22在相對(duì)于主聲學(xué)傳播方向或相對(duì)于長(zhǎng)度軸線在大于90°和小于120°左右的角度內(nèi)有一些側(cè)面。每一層22沿著一個(gè)或幾個(gè)側(cè)面具有錐形邊緣。每一層22和元件20的表面面積在水平高度平面內(nèi)較小，而且是沿長(zhǎng)度方向的位置的函數(shù)。上表面面積比底表面面積小些。
在另一些實(shí)施例中，可以有四層或更多層換能器材料。還有一種實(shí)施例中，一個(gè)多維換能器陣列的一個(gè)，多個(gè)或者部元件20所包含的換能器材料上表面具有比下表面小的表面面積。
圖21c所示為元件20的一層或幾層22的切口210。圖中所示為兩層或3層，但也可以使用更多層。這些切口210沿高度方向分開(kāi)或相隔一定距離，以使被傳輸?shù)穆晫W(xué)能量在高度方向的距離變窄?？拷换驍?shù)層22的一個(gè)或兩個(gè)高度邊緣切塊或形成一個(gè)或幾個(gè)切口210。例如，可在每一層22的每個(gè)高度邊緣處形成兩或三個(gè)切口210。切口210穿過(guò)層22的大部分或者全部。如上所述，形成這些切口210是用來(lái)產(chǎn)生斷口或提供跨接器，以便為每一層22提供正負(fù)電極。
在圖21d所示的另一個(gè)實(shí)施例中，斷口34的位置使得每一層22的換能器材料的有效部分提供不同的表面面積。斷口34離開(kāi)換能器材料或?qū)?2的高度方向的邊緣較遠(yuǎn)，是長(zhǎng)度方向的函數(shù)。上(或頂)層22或各表面的少數(shù)電極44的表面面積比下(或底)層22或各表面的大一些。
雖然上面是參照各種實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述的，但應(yīng)指出，可以作很多變化和修改而不偏離本發(fā)明的范圍。例如，可以采和不同的制造和組裝方法?？梢圆捎脤⑾铝幸环N或幾種措施的任意組合在高度或水平方向分開(kāi)的各元件之間提供空氣，采用上面講到的切入式磨削、高度上的側(cè)瓣控制、偶數(shù)式奇數(shù)元件、在相反的表面或同一表面上為異極性、在接合后將電極分開(kāi)、采用基本相似的層和微粒接觸。
因此，應(yīng)把上面的詳細(xì)描述看成是本發(fā)明目前的優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)示例，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。只有下面的權(quán)利要求書(shū)(包括所有的等效物)才對(duì)本發(fā)明的范圍作出限制。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的多維換能器陣列，包括至少一個(gè)元件，所述元件包括至少兩層換能器材料；在至少兩層的第一層上的第一電極；在至少兩層的第二層上的第二電極；所述層是聚合接合的，其中第一和第二電極之間的電接觸是微粒接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中換能器材料包括壓電材料。
3.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中微粒接觸是通過(guò)聚合接合來(lái)維持的。
4.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中至少兩個(gè)沿高度方向隔開(kāi)的元件是由空氣分開(kāi)的。
5.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述至少兩層包括在長(zhǎng)度方向等厚度的至少兩層。
6.如權(quán)利要求1所述的換能器包括一個(gè)1.5維的陣列。
7.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中沿著元件長(zhǎng)度方向的厚度是變化的。
8.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述至少兩層包括奇數(shù)個(gè)層。
9.如權(quán)利要求1所述的換能器，包括一個(gè)部分加工的換能器，其中至少兩個(gè)沿高度方向隔開(kāi)的元件是通過(guò)部分貫穿切割分開(kāi)的，且由換能器材料的一個(gè)未經(jīng)切割的橋部彼此相互固定的。
10.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述至少兩層包括三層，每一層包含正電極和負(fù)電極，頂層和底層的正電極和負(fù)電極與中間層的正電極和負(fù)電極在電氣上相接觸。
11.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述至少兩層包括偶數(shù)個(gè)層。
12.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中來(lái)自超聲系統(tǒng)的第一電導(dǎo)線靠近所述至少兩層的頂層，來(lái)自超聲系統(tǒng)的第二電導(dǎo)線靠近所述至少兩層的底層。
13.如權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述至少兩層中的每一層包括由兩個(gè)斷口分開(kāi)的至少兩個(gè)電極，所述至少兩個(gè)電極和兩個(gè)斷口的結(jié)構(gòu)對(duì)每一層來(lái)說(shuō)是基本相同的。
14.如權(quán)利要求1所述的換能器，所述至少兩層中的每一層在頂面和底面兩個(gè)表面上都至少包括一個(gè)多數(shù)電極和一個(gè)少數(shù)電極。
15.一種制造多維換能器陣列的方法，所述方法包括以下步驟(a)將換能器材料的至少第一和第二層疊置起來(lái)；(b)利用微粒接觸將第一和第二層電連接，微粒接觸對(duì)應(yīng)于多維換能器陣列的絕緣的元件。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括(c)組裝具有疊置層的換能器；(d)利用空氣將組裝好的疊置換能器的第一和第二在高度方向相鄰的元件分開(kāi)。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括(e)僅沿著第一層的水平寬度的一部分切穿第一層換能器材料。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中(a)包括疊置奇數(shù)個(gè)層。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中(a)包括疊置偶數(shù)個(gè)層。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括(d)連接來(lái)自鄰近第一層的超聲系統(tǒng)的第一電導(dǎo)線，以及(e)連接來(lái)自鄰近第二層的超聲系統(tǒng)的第二電導(dǎo)線。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括(d)設(shè)置第一和第二層，其中對(duì)于每一層來(lái)說(shuō)至少兩個(gè)電極和兩個(gè)斷口是基本相同的。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括(d)在所述第一和第二層中每一層的頂面和底面上都至少提供一個(gè)多數(shù)電極和一個(gè)少數(shù)電極。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括(d)接合已疊置的各層；(e)在步驟(d)之后切穿已疊置的各層中的兩層；其中步驟(e)將與所述兩層中每一層相關(guān)的兩個(gè)電極電絕緣。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于換能器陣列的多層元件。每個(gè)元件包括兩層或多層換能器材料(46)。各個(gè)元件包括一個(gè)或多個(gè)(1)多層多維陣列，其中所述多層是聚合粘接的，而且是通過(guò)微粒接觸電連接的，(2)元件的多層陣列，其中空氣或氣體將至少兩個(gè)元件分開(kāi)，(3)偶數(shù)層，其中每一層是通過(guò)微粒接觸電連接的，(4)多層，其中每一層包含換能器材料和結(jié)構(gòu)大體相同的電極，(5)在各層上的電絕緣電極(44)，它們是在各層(22)接合在一起之后通過(guò)截?cái)嗷蚯懈疃纬傻摹?br> 文檔編號(hào)H02N2/00GK1505845SQ02809058
公開(kāi)日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2002年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者J·P·穆?tīng)柸? W·B·沃爾特斯, S·艾特爾, J P 穆?tīng)柸? 囟, 沃爾特斯 申請(qǐng)人:阿庫(kù)森公司