专利名称：包括发送器层和接收器层的超声换能器模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于发送和检测超声信号的超声换能器模块。
背景技术：
超声换能器用在多种用途中，如医学、非破坏性测试等。 在许多这些用途中，需要发送和接收具有某种程度的位置精确度
和信噪比的超声信号。还需要一种换能器，这种换能器在制造时简单、
具有低材料成本并因此而具有成本效率。
US 4 448 075描述了一种超声扫描设备，这种超声扫描设备采用 布置在一种换能器板的一个表面上的多个伸长的平行驱动线电极和 布置在这种换能器板的相对表面上的多个平行接地线电极。这些驱动 线电极和接地线电极交叉以有效地形成能够发射和接收超声波束的 单个换能器元件的矩阵。必须通过在传送状态与接收状态之间切换这 些驱动电极，在单独的操作中进行超声波束的发射和接收。
US 5 209 126描述了一种包括可变形介质的力传感器，这种可变 形^"h质具有一种接触表面，可将一种力加到这种表面上，且这种力传 感器使用 一种超声信号的发射和接收来测量由所加的这种力所导致 的这种可变形介质的厚度的变化。这种传感器包括信号发生器和信号 接收器，并通常能够同时生成并接收超声信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声换能器模块，这种超声换能器模 块紧凑、筒单且易于制造，并用少量的接触点提供高分辨率。 通过专利权利要求的特征来实现本发明的这种目的。 根据本发明的超声换能器才莫块包括至少一个发送器层、至少一个 接收器层和作为接地平面的装置，其中，发送器层和接收器层包括多 个伸长的电极，这些电极平行布置在每个层中，发送器层和接收器层 平行，且接收器层的电极与发送器层中的至少一个的电极成大于零的 角度。
发送器层是这种换能器的信号发生层，这种信号发生层生成超声 信号。这种发送器层包括多个伸长的发送器电极，这些发送器电极伸 过这种换能器的大部分或全部长度。这些电极平行布置在每个层中， 即这些电极的纵向方向平行。当词语"平行"用在本发明中时，意思 是指这些项目完全或几乎平行。
在最简单的实施例中，这些电极呈矩形。不过，这些电极也可具 有其它适当的形状，如随着变化的宽度伸长。这种实施例中的较宽截 面/部分可呈如圆形、六角形、正方形或其它任何适当的形状。这些电 极的不同几何形状的选择可导致来自发送器层的不同声音分布，且可 根据特定用途选择这些电极的形状。通过选择这些变宽截面的适当形 状和分离距离，就可在该层中实现这些电极的更紧密的封装和/或在这 种换能器的这些有源元件之间出现较、的间隙。
在一个实施例中，将这些电极设计成一个单片，且每个单电才及包 括用于连接到信号发生装置的电连接装置。在其它实施例中，这些电 极可包括多个电极部分，且每个部分具有其自身的电连接装置。
该发送器层还包括一种压电材料。这种材料在暴露给一种在外部 施加的交流电压时产生声波。这种压电材料可以是任何适当的种类，
如陶瓷材料、晶体、聚合物等。聚合物聚偏二氟乙稀(PVDF)是一 种普遍用在换能器中的压电材料。
可通过如用光刻进行压印将这些发送器电极直接设在这种压电 材料的表面上。在本发明的优选实施例中，将这些发送器层和/或接收 器层中的至少 一个的电极设在柔性电路上。然后通过如胶合将这种柔 性电路连接到/粘合到这种压电材料。若使用粘合剂层，优选应将这种 粘合剂层涂得非常薄(如以0.5至5微米的尺寸)，以将电场降低减
到最小。还优选该层应均匀且并不包括任何气隙。
柔性电路的一种示例用Kaptor^膜制成。柔性电路的优点在于在 这种板上容易地制造这些电极并良好地连接到这种板。出于印刷电路 板的柔性的原因，制造之后的电极线断裂的风险就大大降低。可将柔 性电路的这些电极的连接部分制成在这种板上集成，并可作为标准的 连接器提供，这样就简化了组装并使这些连接点不太脆弱。还可将这 些连接制成小尺寸。这就意味着在使用一种柔性电路时，可提供比在 将这些电极直接压印到这种压电材料上时多的连接，并且允许在相同 的区域上有如此大量的电极，即在这种换能器上有更高密度的电极。 在这些电极包括多个电极截面的实施例中，可提供带有内连接器的柔 性电路，这些内连接器用于将不朝向这种柔性板的边缘的电极截面连 接到在这些边缘的连接装置。
一种柔性电路具有在电介质基膜的 一个侧面上的蚀刻导体图案 (通常是铜)。通常涂覆一种电介质覆层如焊料掩膜或盖层，以保护 这些导体并限定元器件布置区域。
为了实现用于本发明的可能的最佳换能器性能，柔性电路的使用 可包括一种特殊设计，例如，焊料掩膜或盖层的用户定制设计，或用 于这种柔性电路的全部或部分的盖层的去除。
这种接收器层是这种换能器的信号接收层。这种信号接收层经历 一种输入超声波并根据这种输入超声波生成一种电信号。这种接收器 层包括多个伸长的接收器电极，这些接收器电极伸过这种换能器的大 部分或全部长度。就这种发送器层而言，将这种接收器层的电极平行 布置在每个层内。这种接收器层内的这些接收器电极的形状和布置类 似于这些发送器电极，且对这些发送器电极的描述也同样对这些接收 器电极有效。
在一个实施例中，将这些接收器电极设计成一个单片，且每个单 电极包括用于连接到信号处理装置的电连接装置。在其它实施例中， 这些电极可包括多个电极部分，且每个部分具有其自身的电连接装 置。
这种接收器层也包括类似于发送器层的压电材料。在经历由这种 超声信号的声波所导致的变形时，这种压电材料生成一种电压。对这 种电压信号进行处理以从这种换能器获取所希望的信息。
可将这些接收器电极直接设在这种压电材料上，或者以与对这些 发送器电极所描述的方式相同的方式设在一种柔性电路上。在一个实 施例中，将这些发送器电极和这些接收器电极设在一种柔性电路的每 个侧面上。该实施例有利于制造期间的这些电极的对准，并且在对准 并不完全呈矩形的电极如前面所描述的电极时尤为有用。
这种发送器层和接收器层可具有共同的压电材料。
这种用作接地平面的装置可以是用于每个发送器层和接收器层 的接地平面，或者，这些发送器层和接收器层中的一些或全部可共用 一个共同的接地平面，或者这种发送器层和接收器层可相互作为接地 平面。这种用作接地平面的装置是一种连接到地面或任何固定电压电 位的导电材料。在一个实施例中，这些发送器电极和接收器电极本身 就可构成这种接地平面。这可通过在这些发送器电极有源时将这些接 收器电极接地来实现，反之亦然。可用金属制成这种接地平面，但也 可选择其它材料如复合胶合剂或导电胶合剂来提供所希望的任何声 学或电性能。还可通过在这种压电材料的一个面上涂;菱一种金属层来 提供这种接地平面。
在一个实施例中，这种接地平面包括一种柔性电路。在前面所提 及的发送器电极和接收器电极布置在一种柔性电路的每个侧面上的 实施例中，这种柔性电路可包括一种与这些发送器电极和接收器电极 电隔离的4妄地平面。
这些发送器电极和接收器电极相互布置在对方的之上，且包括每 个层的各自的电极的平面平行。
以这些发送器层和接收器层的电极的纵向方向/轴并不平行的方 式将这些发送器层和接收器层的电极的纵向方向/轴相互旋转。这就意
味着这些发送器电极的纵向轴与这些接收器电极的纵向轴之间的角 度不为零，因此，这些电极向一种共同平面的投射会相交/重叠。这就 导致多个限定的相交点，在下面将这些相交点称为"像素"，可通过 依次激活不同的发送器电极和接收器电极每次读出 一个像素。
在一个实施例中，这些发送器电极与这些接收器电极之间的角度
为90° 。可根据特定用途或对这种换能器模块的要求将这些发送器电 极与这些接收器电极之间的角度制成其它任何角度。
根据本发明的这种超声换能器可包括具有不同构造的多个发送 器层和接收器层。以堆叠方式将所有的这些层相互布置在对方的上 方。
在一个实施例中，这种换能器模块包括多对发送器层和接收器 层，且接收器电极与发送器电极之间的角度在所有的这些对内大于 零，且在至少两对发送器层和接收器层之间不同。
在另 一个实施例中，这种换能器^t块包括一个发送器层和至少两 个接收器层，且这些接收器层的电极与该发送器层的电极之间的角度 对于至少两个接收器层不同。
可根据特定用途的指定需求选择这些层的其它数量和布置以及 这些电极角度。
这种超声换能器模块可用在多种用途中。用途示例如下
代码的读出。 一种示例是数据矩阵代码，这些数据矩阵代码是二 维条形码，这些二维条形码可存储1至约2000个字符。符号呈正方 形或矩形并可在从0.001英寸每侧至可达14英寸每侧的范围内变化。 这种数据矩阵可以是直接部件标记类型或通过穿孔工艺标记在标签/ 标志上。这些代码是可见的或由涂料、尘埃、污染物等所覆盖。
非破坏性测试。非破坏性测试是涉及所有的检测和评价材料中的 瑕疵的方法的工程分支。这些瑕疯可以是焊缝和铸件中的裂紋或夹杂 物，或者是可导致工作中的强度损失或故障的结构性能中的变化。
涂料厚度的测量。
人类皮肤/组织的皮肤疾病的诊断/分析。其它医学目的。
将通过附图对本发明进行更详细的描述。 图1示出了本发明的一个实施例的原理图。
图2示出了与该实施例类似的实施例，但仅具有一个接地平面。
图3示出了本发明的另一个可能的实施例。
图4示出了根据本发明的换能器模块的电极的不同形状的示例。
具体实施例方式
图1示出了本发明的一个实施例的原理图。换能器模块10包括 一个发送器层11、 一个接收器层15和两个接地平面12、 14。
接收器层11包括发送器电极16和压电材料18。通过如光刻将发 送器电极16直接设在压电材料18上。压电材料18是一种如PVDF 膜。平行布置这些发送器电极的纵向轴。
发送器层15包括在一种柔性电路(PCB )和一种压电材料19上 的接收器电极17。在这种柔性电路上的这些接收器电极17通过一种 粘合剂层20连接到这种压电材料19。平行布置这些接收器电极的纵 向轴并垂直于这些发送器电极的方向。这就提供多个重叠的交叉/像 素，这些交叉/像素构成这种换能器的信号点。
通过如金属汽化将接地平面12、 14直接设在压电材料18、 19的 每一个上。设有粘合剂层13以连接这些接地平面13、 14，并因此而 连接这种发送器层和接收器层，以形成这种换能器模块。
这种模块可具有多个电极。典型的示例包括16000个像素。
图2示出了与图1中的实施例类似的实施例，但仅具有一个接地 平面。因此，接收器层21和发送器层25共用一种共同的接地平面22， 该接地平面22可直接设在接收器层21的压电材料28上。在此实施 例中，也在一种柔性电路上产生发送器电极17,而直接在这种压电材
料上产生接收器电极26。将这些发送器电极和这些接收器电极相互垂 直布置。
图3示出了本发明的一个实施例，该实施例具有不同于前面的两 个视图的构造。接收器层31和发送器层35包括各自的接收器电极和 发送器电极36、 37,这些电极36、 37在相同的柔性电路38的每个侧 面上产生。这种柔性电路还可包括一种在这种柔性电路材料内的内接 地平面32，这种内接地平面32用于在这些发送器电极与接收器电极 之间进行屏蔽。将两种压电材料如PVDF膜胶合到这些电极36、 37。 还有连接到这些压电材料的表面的两个接地平面33、 34，这些接地平 面33、 34并不朝向这些电极。
图4示出了根据本发明的换能器模块的电极的不同形状的示例。 图4a示出了两种不同的电极类型， 一种类型41带有加宽的圆形部分 42,另一种类型43带有加宽的六角形部分44。图4b示出了如何利用 带有加宽的六角形部分的电极类型43来提供紧密的包装和可能的扩 展的交叉/像素区域。
权利要求
1.超声换能器模块，所述超声换能器模块包括至少一个发送器层、至少一个接收器层和作为接地平面的装置，其特征在于所述发送器层和所述接收器层包括多个伸长的发送器电极和接收器电极，所述电极平行布置在每个层中，所述发送器层和接收器层平行，以及所述接收器层的电极与所述发送器中的至少一个的电极成大于零的角度。
2. 如权利要求1所述的超声换能器模块，其特征在于所述发送 器层或所述接收器层中的至少 一个的电极设在柔性电路上。
3. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于发送器电极和 接收器电极设在柔性电路的每个侧面上。
4. 如权利要求3所述的超声换能器，其特征在于柔性电路板包 括与所述发送器电极和所述接收器电极电隔离的接地平面。
5. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述发送器层 的所述电极设在柔性电路上。
6. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述接收器层 的所述电极设在柔性电路上。
7. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述发送器层 的电极和所述接收器层的所述电极设在两个分离的柔性电路上。
8. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述接收器电 极的纵向轴和所述发送器电极的纵向轴之间的角度为90° 。
9. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述接收器电 极和所述发送器电极具有矩形形状。
10. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述发送器 层和所述接收器层中的至少一个的电极具有伸长的形状，这种形状具 有较宽的截面，这些截面相互规则地间隔开。
11. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述发送器层和/或所述接收器层中的至少 一个的电极包括至少两个截面，每个截 面具有其自身的电连接装置。
12. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述发送器 电极和/或所述接收器电极构成所述接地平面。
13. 如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述超声换 能器包括多对发送器层和接收器层，且所述接收器电极与所述发送器
14. 如权利要求1所迷的超声换能器，其特征在于所述超声换 能器包括一个发送器层和至少两个接收器层，且所述接收器层的电极 与所述发送器层的电极之间的角度对于至少两个接收器层不同。
全文摘要
超声换能器模块包括至少一个发送器层(15)、至少一个接收器层(11)和至少一个接地平面(12、14)。发送器层(15)和接收器层(11)包括多个伸长的发送器电极和接收器电极(16、17)，这些电极平行布置在每个层中，发送器层(15)和接收器层(11)平行，且这些接收器层的这些电极(16、17)与发送器中的至少一个的电极成大于零的角度。
文档编号B06B1/06GK101360566SQ200680051643
公开日2009年2月4日 申请日期2006年11月15日 优先权日2005年11月29日
发明者F·梅兰德索, T·巴尔斯塔德, T·梅兰德索 申请人:多尔菲扫描公司