一种拼接式超声换能器及其制作方法与流程

本发明属于二维超声换能器领域，尤其涉及一种拼接式、大规模阵元超声换能器及其制作方法。

背景技术：

现有二维面阵超声换能器主要分为两种：一种为弧面物理聚焦型换能器、一种为平面型非物理聚焦型换能器。现有平面型二维面阵换能器主要为128阵元、256阵元居多，受限于陶瓷片的大小和焊接工艺的影响，很难直接做出上千阵元的面阵换能器。而为了获得上千通道数大面阵，通常都是几个换能器拼接在一起，然而现有技术中每个换能器除晶片尺寸外还有各自外壳等，导致拼接在一起后换能器之间间隙过大，局部地区形成阵元真空。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种拼接式超声换能器及其制作方法，其可以获得更大阵元数量的超声换能器，且不会形成阵元真空，应用效果好且应用成本低。

本发明的技术方案是：一种拼接式超声换能器的制作方法，包括以下步骤：

制备包括阵元阵列且至少一个侧边具有地极的晶片；

将所述晶片置于壳体内并封装形成单个的超声换能模块，

在至少两个所述超声换能模块对应晶片未设置有地极的至少一侧面形成切面，且使切面去除材料至一排阵元的边缘处；

将至少两个所述超声换能模块以切面对合拼接成为拼接式超声换能器。

可选地，所述晶片相邻侧边或相对侧边具有所述地极。

可选地，将所述晶片置于壳体内并封装包括以下步骤：

制备矩形的壳体；

将所述晶片置于所述壳体内并灌入背衬材料；

待所述背衬材料固化。

可选地，将所述晶片置于所述壳体内前，先将引线连接于所述阵元的正极。

可选地，将所述超声换能模块中至少一侧面的材料去除时，切面去除所述超声换能模块的至少一个侧壁，且切面去除材料至距离被去除侧壁最近的一排阵元的边缘。

可选地，各所述晶片中两个相邻的侧面具有地极，另两个相邻的侧边未设置有地极，切面从未设置有地极的侧面去除材料且去除材料至最靠近晶片边缘的一排阵元处。

可选地，各所述晶片中两个相对的侧面具有地极，另两个相对的侧边未设置有地极，切面从未设置有地极的侧面去除材料且去除材料至最靠近晶片边缘的一排阵元处。

本发明还提供了一种拼接式超声换能器，包括至少两个超声换能模块，所述超声换能模块包括壳体和设置于所述壳体内的晶片，所述晶片包括多个阵列的阵元，所述超声换能模块具有去除所述超声换能模块中至少一侧面的材料的切面，所述切面位于所述晶片未设置有地极的一侧，所述切面去除材料至靠近晶片中一排阵元边缘处，各所述超声换能模块通过切面拼接为一体。

可选地，所述晶片中相邻或相对的侧边设置有地极，且所述壳体内设置有背衬材料，所述切面位于所述晶片未设置有地极的一侧。

可选地，所述超声换能模块设置有四个，且所述晶片中两个相邻的侧面具有地极，另两个相邻的侧边未设置有地极，所述超声换能模块的切面对应设置于晶片未设置有地极的两个侧边，四个所述超声换能模块的切面对合拼接成一个矩形的拼接式超声换能器；

或者，所述超声换能模块设置有至少两个，且所述晶片中两个相对的侧面具有地极，另两个相对的侧边未设置有地极，所述超声换能模块的切面对应设置于晶片未设置有地极的其中一个侧边或两个侧边，各所述超声换能模块以切面依次拼接成一个拼接式超声换能器。

本发明所提供的一种拼接式超声换能器及其制作方法，通过将多余外壳和部分背衬材料定向去除并拼装，超声换能模块之间间隙小，实现换能器与换能器间、阵元与阵元间的窄缝或者无缝衔接，拼接区域不会形成阵元真空，可以突破单个换能器阵元的极限，拼接形成阵元数量较大的拼接式超声换能器，从而获得更大、更清晰的成像区扫描面和大范围的聚焦甚至多点聚焦效果，应用效果好且应用成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种拼接式超声换能器中相邻侧边具有地极的晶片切除多余边框后的平面示意图；

图2是本发明实施例提供的一种拼接式超声换能器中壳体的立体示意图；

图3是本发明实施例提供的一种拼接式超声换能器中超声换能模块未铣切时的立体示意图；

图4是本发明实施例提供的一种拼接式超声换能器中超声换能模块设置背衬材料前且未铣切时的局部剖面立体示意图；

图5是本发明实施例提供的一种拼接式超声换能器中超声换能模块设置背衬材料后且未铣切时的局部剖面立体示意图；

图6是本发明实施例提供的一种拼接式超声换能器中晶片未设置有地极的相邻侧面被切除后的平面示意图；

图7是4个图6中的晶片拼接成一个整体的平面示意图；

图8是本发明实施例提供的一种拼接式超声换能器中两个晶片拼接的平面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1至图7所示，本发明实施例提供的一种拼接式超声换能器的制作方法，用于制作拼接式超声换能器，包括以下步骤：

制备包括阵元阵列且所述阵元阵列至少两个侧边具有地极12(包边地极)的晶片1；晶片1可为平面型晶片，晶片1可为复合压电陶瓷片等。

将所述晶片1置于壳体2内并封装形成单个的超声换能模块3(换能器)。

将至少两个所述超声换能模块3中至少一侧面加工形成切面，切面可以通过机加工的方式形成，例如铣削或磨削等，切面去除材料至晶片1中一排阵元11的边缘，即将超声换能模块3的壳体2的至少一侧及晶片1相应边缘材料切除；

将至少两个所述超声换能模块3的切面为内侧拼接为拼接式超声换能器，相邻的超声换能模块3中晶片1可以无缝对接，相邻的超声换能模块3(换能器)的壳体2也能对合形成一个整体外壳。相邻的超声换能模块3可以通过胶粘、热熔、锁紧等方式实现固定。相邻超声换能模块3之间间隙小，实现了换能器与换能器间、不同晶片中阵元与阵元间的窄缝衔接或者无缝衔接，拼接区域不会形成阵元真空，可以突破单个换能器中阵元数量的极限，拼接形成阵元数量较大的拼接式超声换能器，应用效果好且应用成本低。具体应用中，可以采用多个128个阵元、256个阵元、512个阵元或其它可被制造的阵元数量最大的超声换能模块进行拼接，从而形成更大数量的拼接式超声换能器。

需要说明的地，无缝衔接的含义是指：当换能器与换能器间拼接缝的宽度等于或小于同一晶片中阵元与阵元之间间隙宽度时，可以视之为无缝衔接。

可选地，所述晶片1相邻侧边或相对侧边具有所述地极12，晶片1可以呈矩形。

可选地，将所述晶片1置于壳体2内并封装包括以下步骤：

制备矩形的壳体2；

将所述晶片1置于所述壳体2内并灌入背衬材料4，背衬材料4使晶片1与壳体2连接在一起；

待所述背衬材料4固化。

背衬材料4可以为环氧树脂等。

可选地，将所述晶片1置于所述壳体2内前，先将引线连接于各所述阵元11的正极111。阵元11的负极可与晶片1侧面的地极12连接。

可选地，将至少两个所述超声换能模块3中至少一侧面的材料去除形成切面时，切面去除所述超声换能模块3的至少一个侧壁且去除晶片1至距离被去除侧壁最近的一排阵元11边缘，无需切除阵元。

可选地，如图6所示，各所述晶片1中两个相邻的侧面具有地极12，另两个相邻的侧边设置有多余的边框13而未设置有地极12，去除各所述晶片1未设置有地极12的侧边所对应的壳体2和背衬材料4，且去除材料至最靠近晶片1边缘的一排阵元11处，图6中a所示即为铣削示意线。可以将四个超声换能模块3(换能器)拼接为一个矩形的拼接式超声换能器。

可选地，作为另一个具体实施方式，如图7所示，各所述晶片1中两个相对的侧面具有地极12，另两个相对的侧边设置有多余的边框而未设置有地极12，至少一个未设置有地极12的侧边所对应的壳体2和背衬材料4被去除，且去除材料至最靠近晶片1边缘的一排阵元11处。可以将多个超声换能模块3(换能器)沿直线无限拼接。

本实施例中，制作方法可以参考步骤如下：

1、制备换能器的晶片1划分电极之后将地极12(包边地极)设置在相邻两边，如图1所示。

2、每个阵元正极111通过点焊连接电缆之后，加入壳体2，壳体2如图2所示。装配图如图3所示，装配图的剖视图如图4所示。

3、加上外壳之后用环氧树脂灌入壳体2内部，环氧树脂作为背衬并使晶片1与外壳连接在一起。如图5所示。

4、待环氧树脂固化后，沿晶片1无地极12的两个方向，将多余的外壳和部分背衬材料4通过铣削等方式去掉，具体应用中可以铣切至晶片1边上一排阵元11的边缘为止，如图6所示。

5、最后将4个换能器(换能器以256个阵元的晶片为例)以无地极的方向为内侧，分别拼装在一起，形成一个窄缝或者无缝衔接的千阵元大面阵换能器。

如图1至7所示，本发明实施例还提供了一种拼接式超声换能器，包括至少两个超声换能模块3，所述超声换能模块3包括壳体2和设置于所述壳体2内的晶片1，所述晶片1包括多个阵列的阵元11，所述超声换能模块3具有切面，所述切面去除所述超声换能模块3中至少一侧面的材料至靠近一排阵元11边缘，各所述超声换能模块3通过切面对合拼接为一体。相邻的超声换能模块3中晶片1可以无缝对接，相邻的超声换能模块3(换能器)的壳体2也能对合形成一个整体外壳。超声换能模块3之间间隙小，实现换能器与换能器间、阵元与阵元间的窄缝或者无缝衔接，拼接区域不会形成阵元真空，可以拼接形成阵元11数量较大的拼接式超声换能，从而获得更大、更清晰的成像区扫描面和大范围的聚焦甚至多点聚焦效果。

可选地，所述晶片1中相邻或相对的侧边设置有地极12，且所述壳体2内设置有背衬材料4，所述切面通过去除所述壳体2、背衬材料4和晶片1的边缘形成。可以将多个超声换能模块3(换能器)无缝衔接形成一个整体的拼接式超声换能器。

可选地，所述超声换能模块3可以设置有四个，且所述晶片1中两个相邻的侧面具有地极12，另两个相邻的侧边未设置有地极12，所述超声换能模块3的切面对应设置于晶片1未设置有地极12的两个侧边，四个所述超声换能模块3拼接成一个矩形的拼接式超声换能器；

或者，所述超声换能模块3设置有至少两个，且所述晶片1中两个相对的侧面具有地极12，另两个相对的侧边未设置有地极12，所述超声换能模块3的切面对应设置于晶片1未设置有地极12的其中一个侧边或两个侧边，各所述超声换能模块3以切面依次拼接成一个拼接式超声换能器。即地极12对边设置，将地极12设置在对边上，则可以在另外一侧对边上将下一个换能器拼接上，并且可以沿此方向无限延伸，如图8所示。

具体应用中，超声换能模块3(换能器)的数量和排布形式不限，具体实施时可以灵活应用，其通过切面并无缝拼接的方式形成拼接式超声换能器，均属于本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种拼接式超声换能器及其制作方法，通过将多余外壳和部分背衬材料4定向去除并拼装，超声换能模块3之间间隙小，实现换能器与换能器间、阵元与阵元间的窄缝或者无缝衔接，拼接区域不会形成阵元真空，可以突破单个换能器阵元11的极限，拼接形成阵元11数量较大的拼接式超声换能器，从而获得更大、更清晰的成像区扫描面和大范围的聚焦甚至多点聚焦效果，应用效果好且应用成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。