带嵌入式压电致动器的微机械超声外科手术刀的制作方法
【技术领域】
[0001]各种实施例涉及超声外科器械，并且更具体地涉及用于超声外科手术刀的换能器和波导组件，以及具有超声供电的端部执行器的类似器械。
【背景技术】
[0002]用于患者组织的解剖和/或凝结作用的超声外科手术刀和类似器械通常包括超声换能器组件、波导组件和外科端部执行器。超声换能器组件大体包括被压缩在一对端部质量块之间的压电换能器元件，其中前端部质量块被配置为射声器，以在压电换能器元件与波导组件之间创建声增益。在一个已知的示例中，端部质量块设置在轴的相对的两端，并且压电换能器元件包括沿着轴设置的多个环形压电换能器圆盘，其中多个圆盘例如通过绷紧在轴与端部质量块中的至少一个之间的螺纹连接件而被压缩。随后，压电换能器元件经供电建立至少一个驻波或振动模式(其可包括但不限于纵向振动模式、侧向振动模式、扭转振动模式及其组合)，至少一个驻波或振动模式通过轴和射声器、通过波导组件传播，并且进入超声供电的端部执行器，用于应用到患者组织。由此类设备供电的示例性端部执行器包括用于解剖患者组织的超声振动外科手术刀和用于接合和灼烧患者组织的超声振动夹持设备。
[0003]申请人-受让人最近公开了包括换能器元件的各种超声外科器械，其中换能器元件附接于纵向伸长的大体为平面的波导。参见均于2010年8月16日提交的美国专利申请12/857，373和12/857，399，其全部内容以引用方式并入本文。此类器械可在例如硅晶片上构造，其中换能部分和谐振器部分代替前述的超声换能器组件的轴和端部质量块。然而，在此类设备中的换能器元件不可以被固定在类似前述超声换能器组件中的端部质量块的可调节端部质量块之间，并且不可以通过可调节端部质量块来压缩。因此，申请人及其合作者继续寻求并开发用于这些新型并且基本上单一的换能器支撑的波导的改善构造。
【发明内容】
[0004]本发明的第一方面为用于超声外科器械的超声芯。超声芯包括纵向伸长的大体为平面的波导以及换能器元件，该波导限定从波导的第一侧朝向波导的中间平面延伸的孔，该换能器元件固定到该孔的相对壁。换能器元件的尺寸和形状设定成与孔的尺寸和形状基本相符，并且至少部分地嵌入在波导内。在第一实施例中，孔为延伸到波导的相对的第二侧的端部开放的孔。在第二实施例中，孔为盲孔或端部封闭的孔。
[0005]本发明的第二方面为用于组装前述实施例的超声芯的方法。该方法包括以下步骤:(a)获得限定具有第一长度的孔的纵向伸长的大体为平面的波导，和具有大于第一长度的第二长度的换能器元件，但在施加驱动电流时，换能器元件能够可逆地收缩至小于第一长度的第三长度；(b)向换能器元件施加驱动电流，并且将换能器元件插入孔内；以及(C)将驱动电流从换能器元件中去除，使得换能器元件在孔内展开。在使用或不使用中间胶层的情况下，所得的组件将换能器元件固定在孔内。
[0006]本发明的第三方面为用于超声外科器械的超声芯。超声芯包括纵向伸长的大体为平面的波导；固定到波导的换能器元件，和夹持机构；夹持机构包括从波导的近侧端部朝近侧设置的基座、从基座朝远侧突出并且经配置以使在容纳波导的通道上彼此互相相对的一对限制臂、和在该一对限制臂之间的从基座朝远侧突出的夹持臂。基座和夹持臂彼此机械地接合，以允许夹持臂的远侧端部被可调并且牢固地定位在通道内，并且每个限制臂包括在定位在换能器元件远侧的节点处接合波导的底座。夹持臂可接合波导的近侧端部或固定到波导的近侧端部的换能器元件的近侧端部。
[0007]本发明的第四方面为用于超声外科器械的超声手持件。超声手持件包括纵向伸长的大体为平面的波导、固定到波导的换能器元件、至少围绕换能器元件的外壳、和在换能器元件近侧固定到外壳的夹持机构。夹持机构在换能器节点处接合换能器元件，并且夹持机构和换能器元件都包括用于向换能器元件施加驱动电流的互补电接触部。
[0008]本发明的第五方面为任选地包括外科手术刀部分的超声芯。超声芯包括纵向伸长的大体为平面的硅波导，所述硅波导具有大体为平面的换能部分和包括倾斜侧表面的楔形射声器部分，其中至少一个换能器元件固定到大体为平面的换能部分。超声芯的特征在于，倾斜侧表面沿着硅材料的{1，1，1}晶面取向。楔形射声器部分可包括作为倾斜侧表面一部分的一体的外科手术刀部分。
[0009]本发明的第六方面为用于超声外科器械的硅波导的制造方法，其中波导的楔形远侧部分包括沿着硅材料的{1，1，1}晶面取向的倾斜侧表面。该方法包括以下有序步骤:(a)获得硅晶片切割，以便具有以相对于晶片面的非零锐角设置的{1，1，1}晶面；(b)在晶片上生长热氧化物涂层；(c)将光致抗蚀剂涂层施加到晶片的一个面；(d)将所施加的光致抗蚀剂暴露到通过光掩模显示的光下，光掩模承载图案，该图案表示波导的倾斜侧表面；(e)在通过光致抗蚀剂涂层的光诱导破坏而暴露的热氧化物涂层上执行氧化物刻蚀并随后去除残留的光致抗蚀剂涂层；(f)在通过热氧化物涂层的氧化物刻蚀而暴露的硅上执行氢氧化物刻蚀，直到将硅去除到预定的最大深度；以及(g)将硅晶片切片，以创建纵向伸长的大体为平面的波导，该波导至少具有包括倾斜侧表面的楔形射声器。在将硅晶片切片之前，可执行另外的步骤，以创建具有楔形射声器部分和一体的外科手术刀部分的纵向伸长的大体为平面的波导，其中这两部分均包括倾斜侧表面。
[0010]从以下说明、附图和随附权利要求中，所公开的超声芯、手持件和外科器械的其他方面将变得显而易见。
【附图说明】
[0011]图1为用于超声芯的第一实施例的波导的平面图。
[0012]图2为图1的波导的剖面图。
[0013]图3为包括配置为“朗之万叠层(Langevin stack) ”的换能器元件的超声芯的第一实施例的平面图。
[0014]图4为图3的超声芯的剖面图。
[0015]图5为在图3和图4的设备的换能器元件与波导之间的界面的细部图。
[0016]图6为用于超声芯的第二实施例的波导的平面图。
[0017]图7为图6的波导的剖面图。
[0018]图8为超声芯的第二实施例的第一示例的剖面图。
[0019]图9为超声芯的第二实施例的第二示例的剖面图。
[0020]图10为用于组装第一实施例和第二实施例的超声芯的方法的图示，其具体示出了第一实施例的示例性设备的组件。
[0021]图11为超声芯的第三实施例的第一示例的平面图，超声芯包括用于预约束换能器元件的夹持机构。
[0022]图12为超声芯的第三实施例的第二示例的平面图，超声芯包括用于预约束换能器元件的夹持机构。
[0023]图13为超声芯的第三实施例的第三示例的局部截面图，超声芯包括用于预约束换能器元件的夹持机构。
[0024]图14为超声芯的第三实施例的第四示例的局部截面图，超声芯包括用于预约束换能器元件的夹持机构。
[0025]图15为超声芯和手持件的第四实施例的第一示例的剖面图。
[0026]图16为超声芯和手持件的第四实施例的第二示例的剖面图。
[0027]图17为超声芯和外科手术刀的第五实施例的平面图。
[0028]图18为图17的超声芯和外科手术刀的剖面图。
[0029]图19A-D示出用于制备第五实施例的设备的波导的方法。除非另外指明，否则示例性图示均为硅晶片的剖面图。
【具体实施方式】
[0030]在详细说明若干实施例之前，应该指出的是，实施例和表达的应用或使用并不局限于附图和说明书中示出的部件的详细构造和布置。例示性实施例和表达可以实施或结合到其他实施例、表达、变型和修改，并可以多种方式实施或执行。此外，除非另外指明，否则本文所用的术语和表达均是为了方便向读者描述本发明的例示性实施例的目的而选择的，并不是为了限制本发明。
[0031]应进一步理解，下述实施例、表达、示例等的任何一个或多个均可与其他下述实施例、表达、示例等的任何一个或多个结合。此类修改和变形旨在包括在权利要求的范围内。
[0032]图1-5示出第一实施例。第一实施例为用于超声外科器械的超声芯100，并且超声芯100包括纵向伸长的大体为平面的波导110。波导材料优选地为单晶材料或多晶材料，主要为硅，但也可使用锗、金刚石或蓝宝石。相反，在另选的构造中，大体为平面的波导110可由玻璃、陶瓷、钛、不锈钢或铝制造。尽管通常所示的波导仅具有单层，但应该理解，波导可以为包括多个平面层的层合结构。例如，对于硅波导110，相邻层的相对侧可通过已知的硅熔凝工艺粘结，以形成具有期望厚度的波导。进一步举例，对于钛波导110，相邻层的边缘可通过已知的激光焊接技术粘结，以形成具有期望厚度的波导。复合材料结构，诸如层合的硅-玻璃-硅波导，可通过诸如阳极键合的相关工艺粘结。为使本讨论和随附权利要求更清楚，术语“端部”应理解为是指纵向边界，或表示此类边界的表面；术语“边缘”应理解为是指在波导平面内的方向上的侧向边界，或表示此类边界的表面；并且术语“侧”应理解为是指在垂直于波导平面的方向上的侧向边界，或表示此类边界的表面。
[0033]超声芯100也包括换能器元件120。换能器元件优选地由诸如钛酸钡的无铅压电材料，或由诸如镍或“GALFENOL “ (由ETREMA Products, Inc.(Ames, 1wa)销售的镓-铁合金)的磁致伸缩材料形成，使得超声外科器械既可以足够廉价作为单次使用设备又可以适用于作为与含铅有害废物相反的普通医疗废物处理。也可使用包括陶瓷PZT材料和电致伸缩材料以及单晶材料的其他换能材料。如图4和图5所示，换能器元件120可包括配置为“朗之万叠层”的多个离散换能子元件。然而，应当理解，换能器元件120可相反