本發(fā)明涉及一種超聲波換能器，其使用超聲波以獲得對象的內(nèi)部圖像信息。

背景技術：

超聲波診斷裝置是通過將超聲波信號發(fā)射到對象并用反射的超聲波信號對對象的內(nèi)部組織進行成像的裝置。超聲波診斷裝置將超聲波信號發(fā)送到待檢查對象的診斷部位，并且接收從具有不同聲阻抗的對象的內(nèi)部組織之間的邊界反射的超聲波信號，從而能夠獲得診斷部位的圖像信息。

超聲波診斷裝置包括：超聲波換能器，其將超聲波信號發(fā)送到對象，并接收從對象反射的超聲波信號。超聲波換能器包括有源元件、匹配層和背襯層。

技術實現(xiàn)要素：

[技術問題]

根據(jù)實施方式提供一種具有柔性印刷電路板的超聲波換能器及其制造方法，所述超聲波換能器具有厚金屬層以便提高靈敏度和帶寬。

[技術方案]

本發(fā)明提供了一種超聲波換能器，其包括：有源元件，其配置成產(chǎn)生超聲波信號并且以所產(chǎn)生的超聲波信號的中心頻率為基準具有1/4波長以下的厚度；以及柔性印刷電路板，其包括金屬層，所述金屬層形成在所述有源元件的一個表面上且電連接到所述有源元件，并具有預定的厚度以阻擋超聲波在與超聲波的預定行進路徑相反的方向上傳播。

以超聲波信號的中心頻率為基準，所述金屬層的厚度可以為2/3波長以上。

柔性印刷電路板的金屬層可以形成在有源元件的后表面上并向有源元件施加電信號，有源元件可以通過從金屬層施加的電信號產(chǎn)生超聲波信號并發(fā)送超聲波信號，并且金屬層和有源元件之間的界面可以由于金屬層的厚度而起到節(jié)點的作用，以阻擋超聲波信號從有源元件沿著形成在柔性印刷電路板后表面的背襯層的方向傳播，使得超聲波信號僅在超聲波的預定行進路徑的方向上傳播，從而增加超聲換能器的靈敏度和帶寬。

柔性印刷電路板的金屬層可以在有源元件的一個表面上被沉積至預定的厚度。柔性印刷電路板的金屬層可以被沉積成厚膜。

金屬層的聲阻抗和熱導率可以通過選擇或混合至少一種或多種金屬原料來控制。金屬層可以由銅、金、銀、鋁、鎢、鉭、鈷、鎳、銦、鈹、黃銅、鐵、鉑、鈦、碳化鎢、氧化鉬、碳化鉻、碳化鉭、通過石墨化聚合物膜而獲得的pgs石墨片、石墨、碳納米管、氮化鋁、氮化硼、碳化硅、氧化鈹、氧化鎂和氧化鋅中的一種或其組合形成。

超聲波換能器還可以包括接地片，其形成在有源元件的另一表面上并電連接到有源元件。

本發(fā)明還提供了一種制造超聲波換能器的方法，該方法包括：以超聲波信號的中心頻率為基準，設置厚度為1/4波長以下的超聲波元件；以及形成柔性印刷電路板，該柔性印刷電路板在所述有源元件的一個表面上包括金屬層，其中所述柔性印刷電路板的形成包括：增加所述金屬層的厚度以便阻擋超聲波從所述有源元件在與超聲波的預定行進路徑的方向相反的方向上傳播。

通過增加金屬層的厚度來形成柔性印刷電路板可以包括：以超聲波信號的中心頻率為基準，將厚度增加到2/3波長以上。通過增加金屬層的厚度來形成柔性印刷電路板可以包括：在有源元件的表面上將金屬層沉積成厚膜。

[有益效果]

根據(jù)一個實施方式，柔性印刷電路板的金屬層的厚度增加，因此金屬層和有源元件之間的界面起到節(jié)點的作用，以阻擋超聲波沿與預定的超聲波預定行進路徑的方向相反的方向傳播，使得超聲波信號僅在超聲波的預定行進路徑的方向上傳播，從而提高了超聲波換能器的靈敏度和帶寬。

此外，為了阻擋超聲波在與超聲波的預定行進路徑的方向相反的方向上傳播，僅需要增加柔性印刷電路板的金屬層的厚度，而不需要在所述有源元件和背襯層之間添加去匹配層，其中所述去匹配層的聲阻抗值大于所述有源元件的聲阻抗值，因此其制造方法簡單，并且可以降低制造成本。

此外，由于有源元件的厚度是基于中心頻率的1/4波長(1/4λ)以下的長度，所以聲阻抗減小，并且容易與系統(tǒng)電匹配。在這種情況下，可以通過僅增加柔性印刷電路板的金屬層的厚度來提供1/4波長的換能器。

此外，本發(fā)明的具有厚金屬層的柔性印刷電路板可以應用于任何類型的換能器，例如線性陣列、凸陣、相控陣列和單個元件等類型。

此外，由于當在有源元件的一個表面上形成柔性印刷電路板的金屬層時使用厚膜沉積方法，所以可以精確地控制柔性印刷電路板的厚度，而不需要復雜的工藝，例如在傳統(tǒng)的加工方法(例如粘接)中所需要的研磨和切割。此外，與加工方法相比，制造成本降低。

附圖說明

圖1是概略地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有厚柔性印刷電路板(fpcb)的超聲波換能器的配置的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是用于描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的包括薄有源元件和具有厚金屬層的fpcb的超聲波換能器的超聲波信號傳播原理的超聲波換能器的結(jié)構(gòu)圖。

圖3是表示本發(fā)明的一個實施方式的超聲波診斷裝置的框圖。

圖4是表示本發(fā)明的一個實施方式的超聲波換能器的制造方法的流程圖。

圖5至圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有薄有源元件和包括厚金屬層的fpcb的超聲換能器和常規(guī)超聲換能器之間的性能差異的圖。

具體實施方式

下面將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。在下面的描述中，未詳細描述公知的功能或結(jié)構(gòu)，因為它們將以不必要的細節(jié)使本發(fā)明不清楚。本文中使用的術語是考慮到本發(fā)明的元件的功能而定義的。這些術語可以根據(jù)用戶和操作者的意圖或慣例來改變。

應當理解，當?shù)谝粚颖环Q為“在…上”或“連接到”第二層時，除非明確地指出第一層“直接在…上”或“直接連接到”第二層，否則第一層可以直接在第二層上或直接連接到第二層，或者第三層可以介于第一層和第二層之間。

圖1是概略地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有厚柔性印刷電路板(fpcb)的超聲波換能器的配置的結(jié)構(gòu)圖。

本文使用的術語“概略”是指所示的附圖示出了超聲波換能器中所包括的元件之間的相對位置關系或堆疊關系。因此，超聲波換能器中所包括的元件的具體形狀、厚度等不一定與圖中所示的相符。

參考圖1，超聲波換能器1包括背襯層10、柔性印刷電路板(fpcb，以下稱為“fpcb”)11、有源元件12、匹配層13和切口(kerf)15，并且還可以包括接地片(grs，以下稱為“grs”)14。

超聲波換能器1可以是單元件換能器或由多個元件組成的陣列換能器。陣列換能器的類型可以包括線性陣列、凸陣和相控陣列，并且本發(fā)明可以適用于所有類型的陣列換能器。

有源元件12產(chǎn)生并向?qū)ο蟀l(fā)送超聲波信號，并且接收從對象反射的超聲波信號，例如使用壓電元件。背襯層10使由有源元件12產(chǎn)生并沿不期望方向(即朝向背襯層10)傳播的超聲波信號的反射波的返回最小化。

通常地，在換能器中，基于由有源元件產(chǎn)生的超聲波信號的中心頻率，有源元件的厚度具有半波長(1/2λ)長度。然而，為了使換能器提高靈敏度和擴大帶寬，本發(fā)明基于中心頻率而使用具有1/4λ以下長度的有源元件12。由于1/4波長有源元件12的厚度與1/2波長有源元件的厚度相比減小了一半，因此聲阻抗降低、靈敏度變高且?guī)捵儗挕?/p>

當超聲波信號沿著超聲波的預定行進路徑的方向和與超聲波的預定行進路徑的方向相反的背襯層方向傳播時，換能器的效率降低。為了阻擋或衰減沿背襯層方向傳播的超聲波信號，可以在有源元件和背襯層之間提供去匹配層。去匹配層具有比有源元件的聲阻抗值大的聲阻抗值，例如比有源元件的聲阻抗值大至少兩倍。在這種情況下，需要額外設置另一個去匹配層。

在根據(jù)本發(fā)明的超聲波換能器1中，在有源元件12的下側(cè)將具有有源元件12的電互連功能的fpcb11的金屬層110形成為較厚，而不使用額外的去匹配層，因此金屬層110和有源元件12之間的界面由于金屬層110的厚度而起到節(jié)點(node)的作用，從而阻擋超聲波信號沿與預定的超聲波傳播路徑相反的方向傳播。這種阻擋功能稱為擋板(baffle)，且可通過fpcb11的厚金屬層110滿足擋板條件。采用擋板條件的有源元件12通過對有源元件12(例如壓電元件)的變形來使其以有源元件12和金屬層110的接觸表面為基準而僅沿超聲波的預定行進路徑的方向產(chǎn)生超聲波信號，并且阻擋由有源元件12產(chǎn)生的超聲波信號沿背襯層10方向傳播。因此，超聲波信號僅在超聲波的預定行進路徑的方向上傳播，并且從而提高了靈敏度。

在下文中，將詳細描述具有厚fpcb11的超聲波換能器1的每個元件。

背襯層10設置成使得聲阻抗與有源元件12匹配。背襯層10可以配置成具有聲衰減特性，所述聲衰減特性是優(yōu)異的吸聲特性。具有優(yōu)異的吸聲特性的背襯層10抑制了形成在前表面上的有源元件12的自由振動，以減小超聲波的脈沖寬度，并阻擋由有源元件12產(chǎn)生的超聲波不必要地傳播到后表面，從而有效地防止圖像失真的發(fā)生。背襯層10可以使用具有優(yōu)異的吸聲特性的材料而形成為單層或多層。

根據(jù)一個實施方式的fpcb11形成在有源元件12的后表面上。fpcb11的金屬層110電連接到有源元件12并且施加電壓到有源元件12。此外，金屬層110的厚度較厚以便阻擋超聲波從有源元件12沿背襯層10方向傳播。以由有源元件12產(chǎn)生的超聲波信號的中心頻率為基準，金屬層110的厚度可以是2/3波長(2/3λ)以上的長度。金屬層10的厚度可以為50μm至50mm，但不限于此。

根據(jù)一個實施方式的fpcb11由基板層112和金屬層110組成，并且金屬層110形成在基板層112上。基板層112可以是聚酰亞胺(pi)，但不限于此。對于金屬層110，可選擇或混合至少一種或多種金屬原料以調(diào)節(jié)聲阻抗和熱導率。例如，金屬層110可以由銅、金、銀、鋁、鎢、鉭、鈷、鎳、銦、鈹、黃銅、鐵、鉑、鈦、碳化鎢、氧化鉬、碳化鉻、碳化鉭、通過石墨化聚合物膜而獲得的pgs石墨片、石墨、碳納米管、氮化鋁、氮化硼、碳化硅、氧化鈹、氧化鎂和氧化鋅中的一種或其組合形成。然而，金屬層110可以由具有導電性的任何材料制成。

根據(jù)一個實施方式的fpcb11的金屬層110可以在有源元件12的一個表面上被沉積成厚膜。在這種情況下，可以進行沉積以使金屬層110的厚度以超聲波信號的中心頻率為基準而變?yōu)?/3波長以上。將參考圖4描述金屬層110的沉積方法。

根據(jù)一個實施方式的有源元件12基于中心頻率而具有1/4波長(1/4λ)以下的長度，以增強換能器的靈敏度并擴大其帶寬。當通過諸如施加來自位于兩端的fpcb11和grs14的電信號的方法向有源元件12施加能量時，有源元件12產(chǎn)生超聲波信號。有源元件12的類型可以根據(jù)超聲波換能器1的類型而變化，并且通常可以形成為壓電元件。壓電元件具有這樣的特性：當通過壓電效應施加機械壓力時產(chǎn)生電壓，當施加電壓時發(fā)生機械變形。對壓電元件的形狀或陣列圖案沒有特別限制。壓電元件可以由壓電陶瓷形成(例如鋯鈦酸鉛(pzt)類)、單晶、組合這些材料和聚合物材料而成的復合壓電材料、或以聚偏二氟乙烯(pvdf)為代表的聚合物材料的壓電材料等。

匹配層13設置在有源元件12和對象之間，以調(diào)節(jié)兩個元件之間的聲阻抗的差異。例如，匹配層13可以將由有源元件12產(chǎn)生的超聲波傳送到對象，或者減少從對象返回的反射信號的損失。匹配層13可以起到緩沖作用，以減少諸如由于有源元件12和對象之間的聲阻抗的急劇變化引起的圖像失真的問題。

匹配層13可以具有堆疊多層的結(jié)構(gòu)。例如圖1所示，匹配層13可以由第一匹配層131和第二匹配層132組成，但是匹配層的數(shù)量不限于兩個。構(gòu)成具有多層的匹配層13的原因在于，由于有源元件12和人體組織(即對象)之間的聲阻抗的差異相對較大，因此難以用單層材料層形成具有所需特性的匹配層。

grs14可以形成在匹配層13和有源元件12之間，并且匹配層13可以通過grs14與有源元件12交換電信號。切口15填充在元件之間。

同時，在圖1中，fpcb11位于背襯層10的前表面上，并且grs14位于匹配層13的后表面上，但其位置可以根據(jù)構(gòu)成有源元件的層的極化方向而變化。例如，grs14可以形成在fpcb11的位置，并且fpcb11可以形成在grs14的位置。

圖2是用于描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的包括薄有源元件和具有厚金屬層的fpcb的超聲波換能器的超聲波信號傳播原理的結(jié)構(gòu)圖。

參考圖2，在根據(jù)一個實施方式的換能器中，有源元件的厚度較薄，并且fpcb的金屬層的厚度較厚。例如，基于超聲波信號的中心頻率，有源元件12具有1/4波長(1/4λ)以下的長度，并且基于超聲波信號的中心頻率，fpcb11的金屬層110具有2/3波長(2/3λ)以上的厚度。因此，滿足擋板條件，以阻擋超聲波信號在與超聲波的預定行進路徑相反的方向上傳播。采用擋板條件的有源元件12通過對有源元件12(例如壓電元件)的變形來使其以有源元件12和金屬層110的接觸表面為基準而僅沿超聲波的預定行進路徑的方向產(chǎn)生超聲波信號，并且阻擋由有源元件12產(chǎn)生的超聲信號沿背襯層10方向傳播。因此，超聲波信號僅在超聲波的預定行進路徑的方向上傳播，并從而提高了靈敏度。

圖3是表示本發(fā)明的一個實施方式的超聲波診斷裝置的框圖。

參考圖3，超聲波診斷裝置30可以包括超聲波換能器1、波束成形單元2、圖像處理器3和輸出單元4。

超聲波換能器1可以形成有多個換能器元件300-1、300-2至300-n。根據(jù)一個實施方式，超聲波換能器1包括以超聲波信號的中心頻率為基準具有1/4波長以下的厚度的有源元件和在有源元件的一個表面上具有厚金屬層的fpcb。金屬層電連接到有源元件以將電信號提供到有源元件，并具有足夠厚度以阻擋超聲波從有源元件在與超聲波的預定行進路徑相反的方向上傳播。以超聲波信號的中心頻率為基準，金屬層的厚度可以為2/3波長以上。根據(jù)一個實施方式的fpcb的金屬層在有源元件的一個表面上被沉積成厚膜以使厚度較厚。

波束成形單元2驅(qū)動超聲波換能器1以將超聲波信號發(fā)送到對象，并且通過處理從對象返回的反射信號來產(chǎn)生波束信號。圖像處理器3從波束形成單元2接收波束信號并產(chǎn)生超聲波圖像。輸出單元4將由圖像處理器3生成的超聲波圖像顯示到外部。

圖4是表示本發(fā)明的一個實施方式的超聲波換能器的制造方法的流程圖。

參考圖4，制造超聲換能器的方法包括在有源元件的一個表面上形成fbcb的厚金屬層的操作。為此，提供以超聲波信號的中心頻率為基準而具有1/4波長以下的厚度的有源元件，如400所示。此外，fpcb形成在一個表面上，例如有源元件的后表面，其中，形成在有源元件的后表面上的金屬層的厚度被增加。金屬層被沉積成厚膜以使厚度較厚，如410所示。在這種情況下，可以進行沉積以使金屬層以超聲信號的中心頻率為基準而具有2/3波長以上的厚度。通過使用本發(fā)明的厚膜沉積方法代替常規(guī)加工方法(例如粘接)，可以精確地控制fpcb的厚度而不需要復雜的工藝(例如研磨和切割)。此外，與加工方法相比，制造成本降低。

圖5至圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有薄有源元件和包括厚金屬層的fpcb的超聲換能器和常規(guī)超聲換能器之間的性能差異的圖。

參見圖5至圖7，具有包括厚金屬層的fpcb的超聲波換能器的靈敏度和帶寬得到改善。

詳細地，圖5是將常規(guī)超聲波換能器的相對于時間的輸出電壓大小和本發(fā)明的具有薄有源元件和厚金屬層的fpcb的超聲波換能器的相對于時間的輸出電壓大小進行比較的圖。如圖5所示，可以看出，本發(fā)明的超聲波換能器在相同的時間間隔期間表現(xiàn)出較大的電壓變化。

圖6是將常規(guī)超聲換能器的相對于頻率的標準化(normalized)幅度和本發(fā)明的具有包括厚金屬層和有源元件的fpcb的超聲波換能器的相對于頻率的標準化幅度進行比較的圖。

參考圖6，可以看出，本發(fā)明的超聲波換能器在更寬的范圍內(nèi)表現(xiàn)出較大的標準化幅度。因此，本發(fā)明的超聲波換能器的帶寬變寬、靈敏度提高。在采用擋板條件的有源元件的情況下，有源元件以fpcb的有源元件和金屬層之間的接觸面為基準而僅沿向上的方向上變形，以使由有源元件產(chǎn)生的超聲波僅沿與背襯材料方向相反的方向傳播。

圖7是將常規(guī)超聲波換能器的阻抗大小和本發(fā)明的具有包括薄有源元件和厚金屬層的fpcb的超聲波換能器的阻抗大小進行比較的圖。

參考圖7，可以看出，在本發(fā)明的超聲波換能器的情況下，聲阻抗的大小由于有源元件的厚度減少而降低，并且容易與系統(tǒng)電匹配。

對于本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種修改和變化。因此，本發(fā)明旨在覆蓋本發(fā)明的修改和變化，只要它們在所附權利要求及其等同的范圍內(nèi)。