用于制造超声换能器和其他部件的方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2009年9月18日、名称为"用于制造超声换能器和其他部件的 方法"的第200980145902. 1号发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求享有共同于2008年9月19日提交的美国临时申请No. 61/192, 661和 No. 61/192, 690的利益，所述两个申请都通过引用方式在此纳入本文。
技术领域
[0004] 本发明涉及制造电子部件诸如超声换能器的领域。
【发明内容】
[0005] 总体而言，本发明提供用于制造电子部件诸如阵列超声换能器的方法。
[0006] -方面，本发明在于一种制造呈一个图案的电极的方法，所述方法包括如下步 骤：提供一个电气部件，其包括多个第一电极；将包括多个第二电极的连接器放置在所述 电气部件附近；将包括基质材料和颗粒材料的复合介质材料沉积在所述多个第一电极和 所述多个第二电极上，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧 蚀；将所述复合介质材料的至少一部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质材料 的表面积；将所述复合介质材料激光烧蚀以暴露所述多个第一电极和所述多个第二电极； 以及在所述复合介质材料中从所述多个第一电极中的每一个电极到所述多个第二电极中 的相应电极激光烧蚀一个沟；在已经被烧蚀的区域上沉积导电金属；在所述导电金属上沉 积抗蚀剂，其中与其他烧蚀区域相比，所述抗蚀剂在所述多个第一电极、多个第二电极以及 所述沟上更厚；以及去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个负的图案来暴露所述导电金属 并蚀刻所述导电金属的暴露部分以制造呈所述图案的电极。本方法还可包括将经过蚀刻的 导电金属区域进行激光烧蚀，以去除位于其中的至少一部分所述复合介质材料。在该可选 步骤中，基本上所有的所述复合介质材料和位于经过蚀刻的导电金属区域下方的部件的一 部分可被烧蚀。
[0007] 在一个相关方面，本发明在于一种用于制造呈一个图案的电极的方法，所述方法 包括以下步骤：提供一个超声阵列换能器堆，所述堆具有一个压电层和在所述堆内延伸预 定深度的多个第一切口槽，其中所述多个第一切口槽限定多个超声阵列元件；将具有用于 多个阵列元件中的每一个阵列元件的电连接的连接器放置在所述堆的附近；在所述堆的底 面以及所述连接器的一部分上沉积包括基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基 质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀；将所述复合介质材料的至少一 部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质材料的表面积；将所述复合介质材料激 光烧蚀以暴露所述多个阵列元件；以及在所述复合介质材料中从每个阵列元件到连接器中 的一个电连接激光烧蚀一个沟，其中所述烧蚀不暴露所述多个第一切口槽；在步骤已经烧 蚀的区域上沉积导电金属；在所述导电金属上沉积抗蚀剂，其中与所述多个第一切口槽相 比，在每个阵列元件和沟上的抗蚀剂更厚；以及去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个相 对所述电极的图案为负的图案来暴露所述导电金属的一部分，以及蚀刻所述导电金属的暴 露部分以制造呈所述图案的电极。本方法还可包括将经过蚀刻的导电金属区域进行激光烧 蚀，以去除在所述多个第一切口槽上的所述复合介质材料从而在单个阵列元件之间形成凹 陷。在这个实施方案中，所述第一切口槽可被固体材料诸如环氧树脂填充。本方法还可包括 对单个阵列元件之间的凹陷进行激光烧蚀，其中接下来对凹陷的烧蚀在相比于制造凹陷所 用的能量密更高的能量密度下进行。本方法还可包括从图案化后的电极去除所述抗蚀剂。 本方法可包括又一个蚀刻步骤以去除由激光烧蚀形成的导电金属毛刺。优选的，没有步骤 在高于70°C时进行。本方法还可包括在沉积导电金属一一例如，金一一之前沉积一个粘合 剂层一一例如，包括铬的粘合剂层。所述蚀刻步骤可去除沉积在粘合剂层上的导电金属，同 时对所述复合材料的激光烧蚀还可去除通过蚀刻暴露的粘合剂层。优选地，在不足以烧蚀 所述导电金属的能量密度下通过烧蚀去除所述抗蚀剂。所述多个阵列元件的间距优选至多 100 μ m，例如，至多65 μ m。在所述复合介质材料中的示例基质材料是环氧树脂，示例颗粒材 料是二氧化硅或碳化硅。
[0008] 本发明还在于通过上述方法制造的超声换能器。该换能器包括一个阵列换能器 堆，其具有在所述堆内延伸预定深度的多个第一切口槽，并且其中所述多个第一切口槽限 定多个超声阵列元件；连接器，其具有用于每个阵列元件的一个电极；以及包括位于所述 堆的底面以及所述连接器的一部分上的基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基 质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀，其中所述复合介质材料被放置 在所述堆的底面以及所述连接器的一部分上面；其中在所述复合介质材料中的沟将每个阵 列元件连接至所述连接器的电极中的一个；并且其中在每个沟内沉积的金属提供在每个活 性元件和连接器的电极中的一个电极之间的电连接。可选地，所述多个第一切口槽被固体 材料填充，以及所述堆的底面包括在所述固体材料中的凹陷。所述换能器还可包括布置在 所述复合介质材料、所述沟和每个阵列元件的至少一部分上的背衬层（backing layer)。所 述换能器还可包括附着至所述堆的顶面的匹配层，和/或附着至所述堆的顶面的透镜。所 述阵列元件一般在至少20MHz的中心频率下运行。所述复合介质层还可倾斜相邻于所述阵 列元件中的每一个，以提供变迹（apodization)并抑制高度上的旁瓣（side lobes)。所述 换能器还可包括限定在所述压电堆中的多个第二切口槽，每个第二切口槽在所述堆内延伸 预定深度，其中每个第二切口槽相邻于至少一个第一切口槽，并且所述多个第二切口槽限 定多个阵列子元件。
[0009] 另一方面，本发明在于一种形成超声匹配层的方法，所述方法包括以下步骤：提供 一个声阵列换能器堆，其包括一个压电层并具有一个顶面和多个阵列元件，其中所述顶面 包括多个未布置在所述多个阵列元件上的隔离物；提供一个透镜组件，其具有顶面和底面； 将所述透镜组件的底面与多个隔离物相接触；以及将换能器堆的顶面与透镜组件的底面之 间的粘合剂熟化，以形成超声匹配层，其中所述粘合剂结合至透镜组件的底面和换能器堆 的顶面，由所述多个隔离物产生的在所述换能器堆的顶面和所述透镜组件的底面之间的距 离适合一个超声匹配层。所述透镜组件可包括一个透镜一一其例如，由Rexol i te或TPX 制备一一和形成组件的底面的第二匹配层一一其例如，包括氰基丙烯酸盐粘合剂。所述第 二匹配层可直接附着至透镜。所述换能器堆还可包括在堆内延伸预定深度的多个第一切口 槽，并且其中所述多个第一切口槽限定多个阵列元件。所述换能器堆还可包括布置在所述 压电层和所产生的匹配层之间的第三和第四匹配层。
[0010] 在一个相关方面，本发明在于一种超声换能器，其包括具有顶面和底面的透镜组 件；具有顶面和底面的阵列换能器堆；以及一个匹配层，其附着至所述透镜组件的底面和 所述换能器堆的顶面，其中所述换能器堆包括一个压电层和多个阵列元件，所述换能器堆 的顶面包括多个未放置在所述多个阵列元件上面的隔离物，并且所述透镜组件的底面与所 述多个隔离物相接触。所述换能器堆还可包括在所述堆内延伸预定深度的多个第一切口 槽，并且其中所述多个第一切口槽限定多个阵列元件；以及可选地在压电堆内限定的多个 第二切口槽，每个第二切口槽在所述堆内延伸预定深度，其中每个第二切口槽相邻于至少 一个第一切口槽，以及所述多个第二切口槽限定多个阵列子元件。所述透镜组件可包括一 个透镜一一其例如，由Rexolite或TPX制备一一和形成组件的底面的第二匹配层一一其例 如，包括氰基丙烯酸盐粘合剂。所述第二匹配层可直接附着至透镜。所述换能器堆还可包 括布置在所述压电层和附着至所述透镜组件的底面的匹配层之间的第三匹配层和第四匹 配层。所述阵列元件优选在至少20MHz的中心频率下运行。所述换能器还可包括对于每个 阵列元件有一个电极的连接器，以及包括位于所述堆的底面以及所述连接器的一部分上的 基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量 密度下被激光烧蚀，其中所述复合介质材料被放置在所述堆的底面以及所述连接器的一部 分上面；其中所述复合介质材料中的沟将每个阵列元件与所述连接器的电极中的一个电极 相连接；并且其中在每个沟内沉积的金属提供在每个活性元件和所述连接器的电极中的一 个电极之间的电连接。
[0011] 另一方面，本发明在于一种在表面上沉积材料 例如，金属或粘合剂 的方 法，所述方法包括以下步骤：提供包括基质材料（例如，聚合物诸如环氧树脂）和颗粒材料 (例如，二氧化硅或碳化硅）的复合介质衬底；在足以将所述基质材料而非颗粒材料烧蚀的 能量密度下激光烧蚀复合衬底的表面，以形成具有比所述复合衬底的表面更大面积的烧蚀 面；以及将所述材料沉积在所述烧蚀面上，其中将所述材料粘合至烧蚀衬底的强度大于将 所述材料粘合至未烧蚀衬底的强度。用于沉积的示例金属是金，本方法还可包括在沉积金 之前施加粘合剂层。
[0012] 本发明的优点将在下面的说明中部分给出，部分将从本说明中显然可见，或者可 通过实践本发明了解到。本发明的优点将借助于在所附权利要求中具体给出的元件和组合 被实现和获得。应理解的是，正如已声明的，上述的概括说明和下面的详细说明都仅是示例 性和解释性的，不意在限制本发明。
【附图说明】
[0013] 图1是一个举例示意的压电堆的横截面图（未按比例示出），示出了 ：PZT层；地电 极层，其安装至PZT层的顶面的一部分并且向外延伸超出PZT层的纵向边缘；第一和第二匹 配层，其安装在地电极层的顶面的一部分上；透镜；第四匹配层，其安装至透镜的底面；第 三匹配层，其安装至第二匹配层的顶面和第四匹配层的底部的一部分；以及介质层，其位于 换能器的非活性区域下方。还示出了形成在地电极层的顶表面上的多个隔离物，所述隔离 物相对于PZT层的顶面向上延伸预定距离，使得第四匹配层的底面可位于相对于PZT层和 居间的第一和第二匹配层的预期距离处。
[0014] 图2是一个示例透镜的示意性横截面图（未按比例示出）。
[0015] 图3是图1的PZT堆的示例横截面图，示出了换能器的活性区域和非活性区域。 [0016]图4是被示为安装至支持构件的完整的PZT堆的横截面图，并且示出了背衬层和 介质层。所述信号电极（该信号电极未在此处示出，但是其覆盖了阵列元件和相应柔性电 路之间的介质层的一些部分）可操作地将柔性电路结合至PZT堆中限定的具体阵列元件， 地电极电结合至相应的柔性电路的地。
[0017] 图5是PZT堆的顶部的俯视图，其中所示的匹配层1和2相附着。
[0018] 图6是PZT堆的顶部的俯视图，其中一个铜箔使用导电粘合剂安装至该PZT堆。尽 管所示的箔片延伸超过PZT堆的方位长度，但这两个末端薄片最终会在接下来的制造步骤 中被去除。
[0019] 图7是图6的PZT堆的顶部的俯视图，其中所述铜箔的末端薄片已被去除。
[0020] 图8是安装有透镜的PZT堆的顶部的俯视图。
[0021] 图9是PZT堆的顶部的俯视图，其将透镜示为透明层以便观察下方的层的校准，以 及所述铜箔、隔离物以及透镜的曲率半径的相对校准和定位。
[0022] 图10是在PZT堆已被磨合（lap)以实现最终目标厚度之后、且即将与柔性电路集 成以形成阵列组件的PZT堆的示意性横截面图。在本实施方案中，所述堆的其余层在以后 被完成。
[0023] 图11是将被机械加工进PZT堆的示例