高频超声探头的制作方法
【专利说明】局频超声?米头
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年5月24日提交的美国临时专利申请序列号61/827，524，题为“高频超声波探头”的权益和优先权，该申请通过引用被全部并入本文。
技术领域
[0003]所公开的技术通常涉及超声换能器和医学诊断成像的领域。更具体地，所公开的技术涉及高频超声换能器和组装的相应方法。
【背景技术】
[0004]超声换能器提供用于将电能转换成声能，反之亦然的装置。当电能源是以RF信号的形式，正确设计的换能器可以产生具有如驱动电RF信号的相同的频率特性的超声波信号。诊断超声历来被用来在范围从少于1兆赫至大约10兆赫的中心频率。本领域的技术人员将明白，该频谱提供成像生物组织的装置，其具有范围从几毫米至通常大于300微米的分辨率，以及深度从几毫米下至厘米的几十倍。
[0005]尚频超声换能器通常是中心频率尚于15兆赫和范围至超过60兆赫的超声换能器。高频超声换能器提供更高的分辨率，同时限制渗透的最大深度，因此，提供对从毫米的几分之一到超过3厘米的深度的生物组织以20微米到超过300微米范围的分辨率的成像的装置。
[0006]存在与制作高频超声换能器相关联的、当在低于约10MHz的频率工作的传统临床超声换能器工作时不会产生的许多挑战。本领域技术人员将理解，结构通常根据频率的倒数的比例缩减，从而50兆赫的传感器将具有比5兆赫传感器大约小10倍的结构。在一些情况下，材料或技术不能按比例缩小到所需的大小或形状，或在这样做时，他们失去它们的功能且新技术必须被开发或适于允许高频超声换能器实现。在其他情况下，当处理与HFUS传感器相关联的更高的射频电子与声频信号时，存在完全的新的要求。
[0007]RF电互连要求某种形式的传输线被用来有效地包含围绕信号和接地导体的磁场。本领域的技术人员将理解，根据被传输频率和导体的长度，电阻抗匹配和屏蔽技术必须被采用以获得最佳性能。本领域的技术人员将进一步了解，在较低的临床频率，这样的互连在超声系统和换能器设计者的各种各样的选项中被高度发展并可用，且这样的互连通常由如下几个部分组成:首先，到超声波系统的连接，其通常包括零插入力(ZIF)型或其他大型格式接头；第二，从系统连接器运行朝向换能器的电缆(通常为微同轴传输线)；第三，通常包括连接器和/或印刷电路板的在电缆以及换能器之间的接口 ；最后，从连接器或电路板到每个换能器元件的接口。这种典型的组件集在行业中可用，许多变化被成功地用于传统的临床频率美国换能器。
[0008]本领域的技术人员将理解，这些组件中的一些将容易扩展到与HFUS关联的较高频率，而其他组件不会。微同轴传输线非常适合于与HFUS相关联的更高的频率，以及许多工业标准的连接器解决方案也在系统端适用。此外，本领域的技术人员将知道，印刷电路板可以被设计为在比那些HFUS所要求的数量级更高的频率起作用。对于将HFUS换能器电互连至超声系统的挑战主要位于在电气连接到HFUS阵列的实际元素的装置中。这些元件是非常小的、易碎，以及通常仅限于严格的热预算，以使得传统的微电互连技术不适合于HFUS换能器。丝焊，低温焊接，和ACF粘合剂，例如，被广泛使用的技术用于制造与传统的临床频率的换能器的互连。但是，这些技术也有限制，使它们通常不适合于HFUS传感器上的使用。例如，本领域的技术人员将理解在小于约100微米的间距(pitch)的互连引线接合是具有挑战性的，以及在低于50微米的间距变得几乎不可能。当处理温度被限制为小于约100°C，引线接合是更具挑战性。此外，当基底的厚度小于约100微米时，与引线接合相关的机械力会成为问题。适合制作HFUS换能器的典型的压电材料必须减薄到约100 μ m到小于30微米的换能器，其横跨15兆赫至50兆赫中心频率范围。当引线接合被尝试时，这些薄基底趋于破裂。ACF胶带和其他不对称导电粘合剂系统是不适合于低于约200微米的间距的高可靠性的连接，并且通常也需要超过120摄氏度的热预算，本领域技术人员将理解，对于与HFUS换能器材料的制造相关联的一些材料可能有是问题的。
[0009]一些HFUS换能器目前使用一种接地系统，该系统依赖于从薄导电箔制成的铜电极，其由被电连接到换能器的前部(透镜侧)接地平面，然后退出堆叠的一侧，并环绕朝向柔性电路接地层。
[0010]这种方法的主要挑战是关系到透镜与压电材料的接地平面的间距。在导电箔的设计中，该空间等于，例如在三层匹配层设备中的压电基底和透镜之间的匹配层的厚度，四分之三波长匹配层或约在50兆赫的30微米到约在20兆赫的70微米(仅供参考，典型的打印纸是100微米厚)。这需要使用非常薄的导电环氧树脂的接合线将非常薄的箔连接到阵列接地平面。在随后的研磨和粘合/清洗过程中的箔的机械完整性保护非常具有挑战性。其他方法可能被采用以允许使用更厚的箔，但箔的次级限制是导致由于与弯曲导电箔相关的力引起的透镜的脱层的风险，其随着箔变厚而增加。
[0011]最后，本领域的技术人员将认识到，导电箔技术需要使接地电极沿边缘退出堆叠结构，在特别是当BF或CF医疗设备的评分是必需的时候，使得该设备的电气隔离成为挑战。鉴于这些问题，有必要对高频超声换能器元件进行连接的技术做出改进。
【发明内容】
[0012]正如以下将要讨论和示出的，所公开的技术涉及发送和接收高频超声波信号的高频超声波探头以及装配这种探头的方法。探头包括具有多个高频换能器的基底，其具有在换能器的外表面上的接地电极和在各换能器的相反的内表面上的各自连接的信号电极。所述探头还包括多个围绕换能器基底材料的周边产生的通孔，其电连接到在含有排列的换能器的基底的前外侧上的接地电极。探头还包括支撑结构，其中至少一部分是导电的，并呈现热膨胀系数(CTE)，其紧密匹配换能器的基底的系数。
【附图说明】
[0013]本发明考虑附图可以得到更全面地理解，附图被包含在说明书中并构成本说明书的一部分，并与说明书一起，来用于说明本公开的技术。
[0014]图1是根据本公开的技术的实施例的阵列传感器的完整的组装的等轴视图，其被标记以示出接地系统的组件；
[0015]图2是根据本公开的技术的实施例的导电混合支撑结构的顶部的透视图；
[0016]图3是根据本公开的技术的实施例的导电混合支撑结构的底部的透视图；
[0017]图4是根据本公开的技术的实施例的换能器的基底的透视图，其显示稍后形成通孔的容器(pockets)和金属膜；
[0018]图5是根据本公开的技术的实施例的通孔容器的特写透视图；
[0019]图6是根据本公开的技术的实施例的经由导电环氧树脂填充的通孔容器的透视图；
[0020]图7是根据本公开的技术的实施例的一透视图，其俯视已减薄到最终厚度的传感器基底的信号侧，并随着通孔从基底的信号侧被暴露，显示最终被电镀和填充的通孔；
[0021]图8根据本公开的技术的实施例示出了阵列换能器的组装的部件，其示出了柔性的、尚未连接到导电支撑结构的接地平面；
[0022]图9根据本公开的技术的实施例示出了完全组装的阵列换能器，其示出了由在柔性电路接地平面和导电支撑结构之间的导电粘合剂所连接的接地路径；
[0023]图10是根据本公开的技术的实施例的