专利名称：用于相控阵列换能器的缆线直接互联方法
技术领域：
本发明涉及换能器阵列，其包括至少一个换能器元件，本发 明特别涉及将信号线直接对正和电连接到各换能器元件的方法。 本发明适于将信号线连接到各换能器元件，而不需要客户组配、 昂贵的柔性电路、将信号线焊接在元件上或靠近元件、或使用灌 装基底。
背景技术：
在整个本明书中对相关技术的任何讨论决不应理解为承认该 技术是众所周知的或是构成本领域公知常识的一部分。
超声换能器是这样的器件，其用于将电能转化为机械能，或 将机械能转化为电能。电势产生在压电元件两侧，从而以对应于 所施加电压的频率激励元件。结果，压电元件发射声能的超声波 束，其可耦合到受测试材料中。反过来，当声波，例如原始超声 波束的回波，入射到压电元件时，元件将跨越其电极产生相应的 电压。
超声换能器的一种常规用途是超声成像，其被用于，例如， 非破坏性试验。在这样的应用场合，换能器阵列常被构建，并且 沿着直或弯曲轴线、或是以二维格栅的形式均匀分布。换能器阵 列被构造为使得每个换能器元件可通过一些遥控电路而被独立激 励(供电)。通过这种方式，控制电路可以被设计成以下述方式激 励换能器阵列，即对声波进行定形和导向(典型地被称作波束成
形)，以便于对试样的内部结构进行成像。这种类型的波束成形技 术对于熟知本领域技术的人员来说是详知的。
这种类型的换能器结构要求多个导体被电连接至相应压电元 件的第一侧(其典型为靠近基底材料的一侧)，并且返回路径(典 型地采用布置在压电元件顶部的公共接地平面的形式)被连接至 每个压电元件的第二侧，经常通过一或多个声匹配层。随着整体 换能器的几何构造减小，而阵列中元件的数量增多，越来越难以 实现对正和元件的电连接。
大部分的阵列换能器典型地使用中间板或柔性电路进行组 配，以将信号线从控制电路电连接至各压电元件。公开于美国专
利No. 6,894,425的一种措施包括这样的方法，其中制造柔性电路 并将其布置在基底和压电层之间。遗憾的是，设计和制造这样的 柔性电路是昂贵且耗时的。此外，这种类型的电路层，不论是否 柔性的，都要求直接焊接至压电元件，以确保良好的声匹配。这 种焊接工艺可能引起压电元件经历显著的加热，这可能去极化或 以其它方式损坏压电材料的结构。另外，中间板或柔性电路中的 电路元件典型地导致与压电元件之间具有大接触面积，从而阻碍 元件的声学性能。中间电路，不论是否柔性的，都还会增加换能 器组件的复杂性，以及遥控电路和压电元件之间所需中间连接部 的数量。
一种措施公开于美国专利No. 5,592,730，另一种措施公开于 美国专利No. 5,559,388， 二者提供了穿过基底材料产生导电通道 (垂直于换能器阵列的平面沿着z轴分布的导电柱)的方法。虽然 这些方法是有效的，但它们的产生也是复杂且耗时的，并且要求 使用灌装基底，而灌装基底可能在固化过程中因收缩而变形，从 而负面影响声学性能。另外，由于这些z轴连接方法仍存在中间
电连接并且要求相对靠近压电材料焊接，它们几乎没有解决因使 用柔性电路或其它类型的中间板而施加于压电材料的过热所造成 的问题。
此外，用于通过基底材料产生柔性电路或导电通道的方法典 型地要求显著的初始投资和构建时间。尽管与这些方法相关的附 加成本和工作量对于大规模批量生产标准换能器组件而言是可以 接受的，但对于客户定制的专用换能器组件的小规模生产而言， 它们可能会显著地降低成本效率并且增加设计时间。
因此，有益的是提供一种在压电元件和控制电路之间的对正 和电连接方法，其可靠、简单且制造容易。如果这种新式方法能 够消除对高温焊接在压电元件上或附近的要求，则也是有益的。 另外，如果这种新式方法能够显著减小现有方法将电连接部紧固 在压电元件上所要求的接触面积，则也是有益的。如果这种新式 方法显著减少控制电路和压电元件之间所需的中间连接部的数 量，则也是有益的。如果这种新式方法能够以低成本和省时的方 式来制造客户定制的专用换能器组件，则也是有益的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的相关问题。本发明通过 在实体基底材料中刻制出沟纹图案而实现上述目的。这些沟纹被
精确且可靠地制成(例如，通过使用切片锯(dicing saw)，当然 其它方法也可以使用)，并且被用于精确地将信号线直接与各压电 元件对正。粘合剂的薄层被用于将压电层挤压粘合至基底层，其 中信号线被对正就位。基底层由专门选择为在温度和压力影响下 略微变形的材料制成。结果，在挤压粘合过程中，信号线被封入 基底和压电层之间，产生压电元件和遥控电路之间的直接电连接，并且消除了对任何中间电路连接部的需求。
本发明的目的还包括提供一种方法，用于精确地且可靠地将 信号线与换能器阵列中的各压电元件直接对正，而不需要中间电 路或在压电元件上或附近实施焊接工艺。本发明的进一步目的是 使用实体顺应性基底，其不是被灌装或浇铸就位。本发明的进一 步目的是使压电元件上所需的电接触面积最小化。
在本发明的优选实施例中，利用沿着平坦基底的梳形图案的
沟纹，线性1D换能器阵列被制成。
通过下面参照附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将 会清楚地展现出来。
图1是透视图，示出了代表性换能器的基底材料，其中信号
线对正沿着顶表面切割成梳形图案的沟纹；
图2是透视图，示出了代表性换能器的信号线离开换能器缆 线并且沿着对正沟纹横跨基底材料顶表面布置；
图3是透视图，示出了代表性换能器的信号线被牵拉到基底 材料的侧面上并且准备与压电组件结合；
图4是透视图，示出了代表性换能器的基底材料在挤压粘合 之前对正压电组件；
图5A-5C是剖视图，示出了基底材料向压电组件上的对正和 结合工艺；
图6是透视图，示出了完全组装的代表性换能器(未被封装)；
图7是透视图，示出了本发明的替代性实施例，其产生1.5D
阵列换能器；
图8A-8B是透视图，示出了本发明的替代性实施例，其产生 2D阵列换能器；
图9是透视图，示出了本发明的替代性实施例，其产生柔性 1D阵列换能器；
图10是透视图，示出了本发明的替代性实施例，其产生多维 阵列换能器；
图ll是透视图，示出了本发明的替代性实施例，其产生涡电 流阵列探头。
具体实施例方式
尽管下面将参照实施例来描述本发明，但许多其它变型和改 型以及其它应用对于与技术人员而言是清楚的。因此，本发明不 应局限于这里公开的具体内容。
图1至图5示出了本发明的优选实施例。这些图中示出了本 发明的将电子控制电路直接连接至各压电元件的方法，不需要使 用中间电路(通过基底材料或作为单独的层)或灌装基底。
尽管下面对本发明所作描述专门针对压电阵列换能器，但本 发明并不局限于此。本发明的方法可应用于任何类型的换能器， 包括，但不周限于，压电和涡电流换能器。因此，本发明的方法 同样还可以应用于单一元件的换能器组件。
尽管下面对本发明所作描述专门针对使用沟纹来对正(排布) 和固定信号线，但本发明并不局限于此。发明人还可以列举出其
它方法来对正和固定信号线，其中包括，但不局限于对正夹具, 引线框，和环氧树脂。
参看图1，一块实体(实心)复合基底材料(backing material) 101被以元件间距刻制出多个基底沟纹102。这些基底沟纹102被 精确地切割(例如，利用切片锯)，以对正压电组件401 (压电组 件及其与基底材料的对正显示于图4和图5中并且将在后面详细 描述)中的每个压电元件403的中心。如显示于图2，由遥控电路 驱动的裸信号线201离开换能器缆线(电缆)203，通过总线排202 保持在一起，然后沿着基底沟纹102布置成横越基底材料101。接 下来，如显示于图3，信号线201被牵拉到基底材料101的每侧上 并被固定，典型地利用双面胶。
图4示出了基底材料101与压电组件401的对正(排布)过 程。应当指出，压电组件401的结构对于本发明而言并非专门设 计的。然而， 一种构造所述层的典型方法将被描述以作为参考。 压电组件401典型地包括一层的压电材料，其布置在至少一个声 匹配层上，以及电接地层。元件沟纹402切割通过压电层和匹配 层，留下接地层未被触及，以形成各换能器元件403。通过这种方 式，多个声学隔离的换能器元件被产生，并且准备好以便被构建 到阵列换能器组件中。
再次参看图4，在信号线201排布于基底沟纹102 (不可见于 图4，参看图1)中并被抵靠着基底材料101固定的情况下，基底 材料与压电组件401对正。压电组件401被定位成使得每个单个 的元件402的中心与信号线201之一对正。信号线201是高柔性 的，并且由圆导体构成，尽管其它几何形状也可以采用。这将导 致每个信号线201沿着相应压电元件403的长度进行电接触，同 时最小化电接触面积并因此而最大化声学性能。图5A和图5B通 过剖视图更详细地示出了这种对正过程，以更好地表明信号线201 与压电元件403的对正。
参看图6，压电组件401和基底材料101被夹持在一起并且利 用粘合剂薄层粘合，其中将信号线201挤压在它们之间。电测试 被执行，以确保每个换能器元件403电连接至相应的信号线201。 整个组件被挤压粘合在一起，并且多余的信号线201被修剪。如 示出于图5C，在挤压粘合工艺的温度和压力下，基底材料101将 略微流动，并且包围信号线201，以将它们密封到各换能器元件 403上。利用本发明的方法，信号线201跨越每个压电元件的长度 接触压电元件403，同时能够最小化接触面积，因此而最大化声学 性能。应当指出，挤压粘合工艺中使用的温度显著低于现有技术 方法中在将连接部焊接到元件或相对靠近元件时压电元件403经 历的温度。
尽管描述于优选实施例的阵列换能器包括排布成矩形阵列的 均匀尺寸和形状的矩形元件，但本发明并不局限于此。根据本发 明的公开内容的启示，换能器阵列可以包括任何预期形状的换能 器元件，其中包括，但不局限于，圆形、椭圆形、三角形和曲线 元件。类似地，阵列本身可以制作成任何预期形状，例如圆形、 椭圆形、三角形、曲线形状等，并且可以由类似或不类似的元件 组成。
公开于优选实施例中的代表性阵列换能器为线性1D阵列。然 而，发明人还构想出五种替代性实施例 一种为1.5D阵列；另一 种为2D阵列；第三种为柔性阵列换能器，其被证明适合于测量不 规则表面；第四种为多个线性阵列(如描述于优选实施例)，它们 在单一的压电层上组配成彼此靠近，以作为形成1.5D或2D阵列 的方法；第五种为涡电流阵列探头。
图7示出了第一替代性实施例，其产生1.5D阵列换能器。本 实施例执行与前面描述的优选实施例类似的程序，但有两点不同。
在本实施例中，换能器缆线701在其中间点打开，以暴露信号线 706。与前面优选实施例中一样，暴露的信号线706被布置成沿着 基底沟纹(不可见于图7)横越基底材料703。在挤压粘合工艺完 成后，横沟纹705被切割通过压电层704，垂直于信号线706。该 横沟纹705用作信号线706并且产生两个单独的换能器阵列，其 中每个换能器元件电连接至单独的信号线706，并且每个阵列汇集 到单独的换能器缆线701。
图8A和8B示出了第二替代性实施例，其产生2D阵列换能 器。正交于压电元件阵列802的平面，孔805被制作成穿过基底 材料801，与每个换能器元件803精确地对正，并且产生完全通过 基底材料801的z轴路径，所述孔足够宽以允许信号线804通过。 与优选实施例中一样，基底沟纹可被用于帮助对正和固定信号线 804，但并非必需的，因为穿过基底材料的孔805可通过结合工艺 对正和固定信号线。为阵列中的每个压电元件803设置至少一个 孔805。图8A示出了一种方法，其中，每个压电元件803设有一 对孔。在这种情况下，信号线804被引导通过一对孔中的第一孔 805，布置成横越基底材料801，然后被向回引导而向下穿过一对 孔中的第二孔805。图8B中示出了一种方法，其中，每个压电元 件803只配设一个孔。在这种情况下，信号线804的自由端保持 足够短，以确保其不能到达任何相邻压电元件803。利用任一方法 或其变型，在挤压粘合工艺完成后，每个压电元件将被对中和粘 结到电隔离信号线804上。 一旦所有信号线804已被引导和排布 在基底材料801的配合表面上，压电层802即被排布和挤压粘合 到基底材料上，如优选实施例中所描述。
图9示出了第三替代性实施例，其产生柔性阵列换能器。该 实施例执行与前面描述的优选实施例类似的程序，但不同之处在
于薄的柔性基底材料902被使用。这种类型的基底使得阵列换能 器能够符合于不规则表面，例如图9所示的弯曲试样卯6。与优选 实施例中一样，基底沟纹904形成在基底材料902中。柔性的圆 形信号线903被布置成沿着基底沟纹904横越基底材料901，并且 基底材料901随后在压力下粘结在压电元件905上。本发明的连 接方法同样适用于这种类型的换能器组件。插在基底材料902后 面的中间板或柔性电路会不可避免地增加阵列的厚度和复杂性， 使之不易符合于不规则表面，更昂贵，并且潜在地更不可靠。然 而，本发明的方法可以使得换能器组件的厚度最小化，并且便于 进行类型的设计。
图10示出了第四替代性实施例，其产生多维NxM阵列换能 器。优选实施例中的方法被重复多次，以产生多个布线基底组件 1001。如对优选实施例所作详细描述，这些基底组件1001分别包 括一块实体基底材料，刻制有多个基底沟纹，汇集的信号线由所 述基底沟纹对正。这些基底组件1001被布置成NxM阵列，并且 对正且随后挤压粘合至压电组件1002。通过这种方式，多个换能 器元件可以被排布成二维阵列。
图ll示出了第五替代性实施例，其产生涡电流阵列探头。与 优选实施例中一样，多个沟纹1103被精确地切割到实体基底材料 1102中，以与暴露的元件触点1105对正。多根信号线1104离开 探头缆线1101,并且被布置成沿着基底沟纹1103横越基底材料 1102。基底材料1102随后在压力下粘结在涡电流线圈组件1107 上。
尽管前面特定参照实施例描述了本发明，但本领域技术人员 可以理解许多其它变型和改型以及其它应用。因此，本发明应被 理解为不由这里公开的特定内容限定，而是只由权利要求限定。
权利要求
1、一种组装阵列换能器的方法，所述阵列换能器包括至少一个换能器元件和至少一根换能器信号线，所述方法包括下述步骤将所述至少一根信号线排布在所述至少一个换能器元件上；以及以无焊接的方式将所述至少一根信号线固定到所述至少一个换能器元件上，以便产生有效的电接触，而不负面影响所述至少一个换能器元件的声学性能。
2、 如权利要求l所述的方法，包括多个换能器元件和多根信 号线。
3、 如权利要求2所述的方法，其中，阵列换能器包括基底材 料，其具有配合表面，用于与换能器元件相配合并将基底材料与 换能器元件相组合，以使得信号线安置在基底材料和换能器元件 之间。
4、 如权利要求3所述的方法，包括在基底材料的配合表面中 成形出沟纹，所述沟纹位于基底材料上的与相应换能器元件对正 的位置。
5、 如权利要求4所述的方法，包括将信号线定位在沟纹中， 然后，将基底材料与换能器元件相配合。
6、 如权利要求5所述的方法，包括换能器缆线，并将信号线 成形为这样的电线，即其从换能器缆线伸出，并且裸露于与换能器元件形成电接触的位置。
7、 如权利要求4所述的方法，其中，基底材料还包括侧表面， 所述方法包括将信号线牵拉到基底材料的侧表面上以便固定于 此。
8、 如权利要求4所述的方法，包括提供粘合剂，并且将换能 器元件和基底材料彼此抵靠着对方夹持，以使得信号线被固定在 换能器元件上并且引起信号线部分地由基底材料中的材料包封。
9、 如权利要求4所述的方法，其中，阵列换能器被形成为选 自下面一组的形状矩形，圆形，椭圆形，三角形，曲线形状。
10、 如权利要求4所述的方法，还包括将换能器元件成形为 一阵列的换能器元件，其中，所述阵列具有选自下面一组的形状 1D， 1.5D, 2D,和多维形状。
11、 如权利要求4所述的方法，包括将阵列换能器成形为柔 性的形式，并且使得阵列换能器能够符合于将被测试的对象的表 面形状。
12、 如权利要求4所述的方法，包括在信号线和基底材料 已被彼此固定到对方上后，通过在换能器元件中形成横切割部而 将阵列换能器成形为1.5D器件。
13、 如权利要求3所述的方法，包括将阵列换能器成形为2D 换能器，在基底材料中成形出孔，所述孔到达配合表面并且与换 能器元件对正，以及引导信号线穿过所述孔。
14、 如权利要求4所述的方法，包括将阵列换能器成形为NxM 阵列换能器。
15、 一种阵列换能器，包括 换能器元件；基底材料，其具有配合表面； 信号线，它们布置在所述配合表面上；其中，基底材料与布置的信号线以配合的方式固定到换能器 元件上，以引起信号线与换能器元件电接触，而不负面影响换能 器元件的声学性能。
16、 如权利要求15所述的阵列换能器，还包括形成于基底材 料的配合表面中的沟纹，其位于基底材料上的与相应换能器元件 对正的位置。
17、 如权利要求16所述的阵列换能器，还包括换能器缆线， 所述信号线从换能器缆线伸出，并且裸露于与换能器元件形成电 接触的位置。
18、 如权利要求16所述的阵列换能器，其中，基底材料还包 括侧表面，信号线被牵拉到材料的侧表面上并被固定于此。
19、 如权利要求16所述的阵列换能器，包括设置在基底材料 和换能器元件之间的粘合剂，并且基底材料和换能器元件被彼此 固定在一起，以使得信号线部分地由基底材料中的材料包封。
20、 如权利要求16所述的阵列换能器，其中，阵列换能器被 形成为选自下面一组的形状矩形，圆形，椭圆形，三角形，曲 线形状。
21、 如权利要求16所述的阵列换能器，其中，换能器元件被 形成为一阵列的换能器元件，其中，所述阵列具有选自下面一组 的形状1D， 1.5D， 2D，和多维形状。
22、 如权利要求16所述的阵列换能器，其中，阵列换能器被 成形为柔性的形式，并且使得阵列换能器能够符合于将被测试的 对象的表面形状。
23、 如权利要求16所述的阵列换能器，其中，在信号线和基 底材料已被彼此固定到对方上后，通过在换能器元件中形成横切 割部，阵列换能器被形成为1.5D器件。
24、 如权利要求15所述的阵列换能器，其中，阵列换能器被 形成为2D换能器，并且包括位于基底材料中的孔，所述孔到达配 合表面，并且所述信号线穿过所述孔。
25、 如权利要求16所述的阵列换能器，其中，阵列换能器被 形成为NxM阵列换能器。
26、 如权利要求16所述的阵列换能器，其中，阵列换能器被 构造为涡电流阵列探头。
全文摘要
公开了用于阵列换能器的无焊接直接缆线互联结构及其制造方法。超声阵列换能器包括声学基底层，包含一阵列的压电元件的压电层(典型地利用切片锯切割布置在配合层上的压电材料实体层产生，并且固定在实体接地平面上)，以及布置基底层和压电层之间的多根控制线。在温度和压力下略微偏移的实体基底材料被成形为预期形状。沟纹以一定图案精确地切割于成形后的基底材料中，使得沟纹分别与压电层中每个压电元件的中心对正。信号线被布置成沿着沟纹横越基底材料，压电层对正并随后挤压粘合至基底层，以包封信号线并将其连接至压电元件，而不需要中间连接板或柔性电路。
文档编号B06B1/02GK101181707SQ20071016981
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月7日 优先权日2006年11月7日
发明者A·利伯拉托尔, J·图米, K·拉赫尔, L·奈 申请人:奥林帕斯Ndt公司