专利名称：带有整体的电连接的超声波成像转换器声学叠层的制作方法
带有整体的电连接的超声波成像转换器声学叠层
对相关申请的交叉引用
本申请要求2009年7月四日提出的专利申请号为61/229，480的美国临时申请的优先权，该申请以引用的方式并入本文中。
背景技术：
经食管超声心动图(TEE)是提供用于诊断和/或监测目的的心脏的图像的超声波成像技术。TEE的一个特别的有益的用途是用于获取左心室(LV)的经胃的短轴视图 (TGSAV)的图像。这对在多个医院环境(包括重病监护室和手术后的环境)中管理病人的心脏功能特别有用。可以在比较长的时间段内使用的小型TEE探针在此有困难的病人群体中特别有用，如申请10/996，816所描述的，该以引用的方式并入本文中，如同全部阐述一样。
常规的TEE超声波转换器的制造通常力求在声学上将到压电组件的电连接与压电材料以及相关联的背衬层和匹配层(也称为声学叠层)隔离。由于通常所使用的材料对于声学叠层的调节具有的有害影响，这种隔离是所希望的。用于制造电连接同时又能保持声隔离的某些常规方法包括特殊的边缘接合、引线结接合、特殊陶瓷指状物，及其他高成本高精度方法。其他方法包括使用穿过背衬层的对齐的非常细的线连接，排列为使得它们有效地位于元件之间，在那里它们不会影响声学叠层。令人遗憾的是，所有这些用于制造电连接的方法都是相对来说困难的和/或昂贵的。发明内容
本发明的一个方面涉及一种超声波转换器，包括背衬层、位于背衬层之上的绝缘层，以及位于绝缘层之上的多个导电迹线。每一个导电迹线都具有上表面。多个转换器元件被直接接合到多个导电迹线中的相应一个导电迹线的上表面，所述转换器元件中的每一个都具有(a)压电材料的核，以及(b)位于所述核之下的导电涂层。优选地，在多个转换器元件之上设置了匹配层。
本发明的另一方面涉及制造超声波转换器的方法。此方法包括将具有导电涂层的压电材料的块接合到柔性电路的步骤，该柔性电路具有(a)位于绝缘衬底上的第一导电区域和(b)位于所述绝缘衬底上的并且与所述第一导电区域电接触的至少20个导电迹线，以便所述块接合到所述第一导电区域。然后，将块切割成至少20个转换器元件。切割步骤被控制，以便切割一直穿过所述块，并一直穿过所述第一导电区域，并且部分穿过但不完全穿过所述绝缘衬底，并且其中，所述切割在相对于所述导电迹线排列的位置执行，以便在所述切割步骤实现之后，(a)所述第一导电区域被分成至少20个彼此电隔离的区域，以及(b)所述至少20个区域中的每一个都与所述至少20个导电迹线中的相应一个导电迹线电接触。
本发明的另一方面涉及制造超声波转换器的方法。此方法包括将具有导电涂层的压电材料的块接合到具有位于绝缘衬底上的至少20个平行的导电迹线的柔性电路，以便所述块与至少20个导电迹线的远端接合。然后，将块切割成至少20个转换器元件。切割被控制，以便切割一直穿过块，并且部分穿过但不完全穿过绝缘衬底。切割在相对于所述导电迹线排列的位置执行，以便在所述切割步骤实现之后，至少20个转换器元件被彼此电隔离，该至少20个转换器元件中的每一个都接合到至少20个导电迹线中的相应一个导电迹线。
图1是在本发明的一个实施例中形成声学叠层的层的透视图。
图2是形成图1实施例中的声学叠层结构的层更详细的视图。
图3A是可以被用来形成图1所示出的声学叠层结构的柔性电路的初始配置。
图;3B是图3A的柔性电路的最终配置。
图3C是图3A的柔性电路的初始配置，带有用于形成接地面的额外补片。
图4是可以被用来形成图1所示出的声学叠层结构的柔性电路的另一初始配置。
图5A是正在制造过程当中的声学叠层的另一实施例的截面。
图5B是在图5A实施例完成之后的截面。
具体实施方式
图1描绘了本发明的第一优选实施例，其中，具体地包括了电接口作为调节声学叠层结构的背衬部分的一部分。此实施例的此结构可以被分成四个组。从背部(此处也被称为“底部”)开始，这些组是背衬衬底11、柔性电路15、压电部分20，以及最后的正面(此处也被称为“顶部”)的匹配层30。注意，尽管图1示出了压电部分20的七个元件20a. . . 20η 的示意表示方式，但是，优选较大数量的元件(例如，在20和80个之间)。例如，用于TEE 应用的某些优选的尺寸包括M和40个之间的元件用于微型探针，而包括60和70个之间的元件用于全尺寸探针。还应注意，本申请中的图不是按比例绘制的。
图2示出了图1的实施例的更多细节。背层是背衬衬底11，其可以由在所感兴趣的频率范围(例如，从4. 5到7. 5MHz)内是有效的声吸收体的任何材料制成。环氧树脂/ 钨基质是一种合适的材料。其它合适的材料包括高和低声阻抗材料的调节的结构，这些材料可以被配置成是通过所希望的频率范围内的破坏性干扰成为吸收体。这些材料优选地被选择为最小化由于此构建方法所造成的任何负面影响(例如，所希望的频率范围内的较差敏感性的区域，由于差的热传递所造成的过热，或难以制造)。背衬衬底11的厚度不是关键的，只要超声波能量的不希望有的分量不被反射回PZT。
柔性电路15被安装在背衬衬底11上。柔性电路15在背面具有绝缘层15a，在正面具有导电层15b。优选地，绝缘层15a由聚酰亚胺制成，或由单片柔性的、具有均勻的厚度，并在常规的、充分理解的制造工艺中易于使用的另一种材料制成。优选地，导电层1 由铜制成，或由单片具有均勻的厚度，并可以利用常规的、容易理解的制造工艺进一步处理的另一种合适的金属制成。在次优选的实施例中，可以使用非金属的导电层来代替铜。将柔性电路15安装到背衬衬底11上可以使用合适的粘合剂12 (如EPO- TEK 301)来进行将液态的基于环氧的背衬直接施加到聚酰亚胺上，并让它固化。
在柔性电路的构建中所使用的铜和聚酰亚胺的厚度被选择为(a)对共振结构的其余部分具有最小的影响，在这样的情况下，它们被制造得在实际可行范围内尽量薄，或者(b)厚度被选择为允许超声波传输到背衬结构，该背衬结构包括柔性电路作为所述背衬结构的初始层。在某些优选实施例中使用前一方法通过以下进行(1)使聚酰亚胺和铜两者的厚度保持充分低于所感兴趣的频率处的波长的1/4，(2)使铜足够厚，以具有低电阻，(3) 使聚酰亚胺足够厚，以促进柔性电路使用常规工艺在常规设备上的可制造性。发现25 μ m 的聚酰亚胺层和17. 5 μ m的铜层工作得很好。
在柔性电路15被安装在背衬衬底11上之后，导电层1 在柔性电路15的正面暴露。然后，使用例如诸如Tracon Silver环氧树脂之类的导电粘合剂18将压电部分20直接接合到暴露的导电层15b。也可以使用可Whdium Corporation获得的熔点非常低的焊料来通过在箔或浆形式的层之间放置该焊料，然后，熔化该焊料以形成接点，而将压电部分 20接合到导电层15b。当使用导电接合方法时，通过导电，在柔性电路15的导电层1 和压电部分20之间建立了电接口。另选地，使用环氧粘合剂(如EP0-TEK 301)或另一种合适的绝缘粘合剂，可以将压电部分20直接接合到暴露的导电层15b。当使用绝缘粘合剂时，通过电容耦合，在柔性电路15的导电层1 和压电部分20之间建立了电接口。
压电部分20优选由PZT材料22制成，该PZT材料22在正面和背面上被利用诸如银或金之类的导电材料的层23，21涂覆。在替换实施例中，可以省略这些层中的一层或两层，在这样的情况下，可能要求对结构作适当的修改(例如，使用不同的粘合剂18)，如那些精通相关技术人员将理解的。
若干种替换的方法可以用于制造工艺中的下一个步骤中。在一个实施例中，压电部分20作为一块材料开始(即，它没有被预先切割成单个元件)。柔性电路15在压电部分20之下的部分最初作为连续的铜的区域开始，而柔性电路的不在压电部分20之下的部分具有在该连续的铜区域处结束的多个导电迹线。图3A中示出了柔性电路15的此初始配置，带有铜41和迹线42的连续区域。
返回到图1和2，在压电部分20被接合到连续的铜区域之后，压电部分20被使用切割机切割成单个元件。切割的深度被准确地控制，以便(a)切透整个压电部分20，和(b) 也切透整个导电层15b，但不足够深以完全穿过柔性电路15的后绝缘层15a。这形成了单个PZT元件20a. . . 20η的阵列，其中每一个都电接口到柔性电路41a. . . 41η的其自己的各个电隔离部分(如图:3Β所示)。切口优选地以匹配导电迹线的间距的间距平行于导电迹线，切口被排列为使得柔性电路41a. . . 41η的这些新分割的单个部分中的每一个与导电迹线42中的一个排在一起，形成每一个单个PZT元件20a. .. 20η (图1所示出的)的电连接 (即，柔性电路15上的迹线)。
在第二实施例中，压电部分20作为一块材料开始(即，它没有被预先切割成单个元件)，但是，柔性电路15的在压电部分20之下的部分预先被划分，形成伸出到柔性电路的不在压电部分20之下的部分的多条迹线的形式。图4中示出了柔性电路15的此配置，带有多个迹线45。压电部分20在由虚线47所表示的区域中被接合到迹线的远端。返回到图1和2，在接合之后，压电部分20被使用切割机切割成单个元件。在此实施例中，切割的深度被准确地控制，以便切透整个压电部分20，但不足够深以完全穿过柔性电路15的后绝缘层15a。这形成多个单个PZT元件20a. . . 20η，其中每一个都电接口到柔性电路上其自己的迹线。切口优选地以匹配导电迹线的间距的间距平行于导电迹线，切口被排列使得切口将位于迹线45之间(图4所示出的)。这形成每一个PZT元件的电连接(S卩，柔性电路15上的迹线)。
在第三实施例，压电部分20开始被预先切割成单个元件20a. . . 20η，而柔性电路 15的在压电部分20之下的部分开始也被预先分割，如图4所示。压电部分20(图1所示出的)在图4中的虚线47所表示的区域中被接合到迹线的远端，并将压电部分20的单个元件20a. . . 20η与柔性电路15上的迹线小心地排列对齐。这也形成多个单个PZT元件 20a. . . 20η，其中每一个都电接口到柔性电路上其自己的迹线。
注意，在上文所描述的实施例中，当在压电部分20和柔性电路15的导电层1 之间使用了导电接合方法时，每一个迹线和相对应的转换器元件之间的电接口都是导电接口。在此情况下，被施加于给定导电迹线的电信号将沿着迹线传播，通过导电跨导电接合材料，并到达相对应的转换器元件。类似地，由每一个转换器元件所生成的返回信号将通过导电跨导电接合材料传播，并到达相对应的导电迹线。当在压电部分20和柔性电路15的导电层1 之间使用了绝缘接合方法时，每一个迹线和相对应的转换器元件之间的电接口都是电容耦合接口。在此情况下，被施加于给定导电迹线的AC电信号将沿着迹线传播，通过电容耦合跨绝缘接合材料传播，并到达相对应的转换器元件。类似地，由每一个转换器元件所生成的返回信号将通过电容耦合跨绝缘接合材料传播，并到达相对应的导电迹线。
接地面可以通过在压电部分20的正面上使用导电层23来实现。由于导电层23 被分成条带，因此，优选地在这些条带之间进行电连接。在某些优选实施例中，在任一横向侧转换器元件(即，图1所示出的元件20a和20η)是不传输超声波的保护元件。在这些实施例中，这些元件下面的柔性电路15中的导电迹线可用于形成到接地面的连接。在侧面元件之下的迹线和压电部分20的正面上的导电条带之间建立电连接的一种合适的方式是利用导电环氧树脂(例如，银环氧树脂)，导电环氧树脂可以被施加在压电部分20的远端壁或者近端壁。
在如上文所描述的添加了压电部分20之后，优选地，利用以机械方式支撑PZT元件但是在元件之间不以任何有效度传输超声波的材料回填到元件之间的缺口。合适的材料的示例包括硅树脂和聚氨基甲酸乙酯。接下来，使用范围广泛的粘合剂观，如环氧树脂、压敏粘合剂、多成分硅树脂、尿烷或另一种随着被堆积到此点将不会损坏转换器的粘合剂，将匹配层30安装在压电部分20之上。在替换实施例中，可以作为液体施加匹配层30，并将其固化(例如，使用紫外线光)。
在替换实施例中，匹配层30可以在切割之前被安装在压电部分20之上，在这样的情况下，切割和回填步骤将在将匹配层30安装在压电部分20上的步骤之后执行。
可以使用在压电部分20的正面实现接地面的备选方式。一种方式是在压电部分 20之上安装一片导电箔。另一种方式是使用位于压电部分20之下的同一个柔性电路15来实现接地面。这可以通过使用相对于补片41横向地偏移定位的大的导电补片43来实现， 如图3C所示。在压电部分20被安装在补片41之上并且如上文所讨论的被切割成单个元件之后，大的导电补片43被折叠，然后，在压电部分20的正面上方，形成充当接地面的顶。
图5Α和5Β描绘了声学叠层的另一优选实施例。更具体而言，图5Α是正在制造过程当中的此实施例的截面，而图5Β是在完成之后此实施例的截面。从图5Α开始，最低层61 是由钨制成的背衬层，并填充了环氧树脂，混合以产生2. 7MRayls的声阻抗的基质，厚度大于840 μ m。柔性电路65被安装在该背衬层之上。柔性电路具有25 μ m厚的聚酰亚胺25的下层65a，在聚酰亚胺层6 之上有1/2盎司的铜的层6 ( S卩，17. 5 μ m的Cu层)。将背衬层61附加到柔性电路65的聚酰亚胺层65a的一种合适的方式是将柔性电路翻转，以便聚酰亚胺层6 在上面，在聚酰亚胺之上施加液态形式的环氧树脂，等待其固化，将环氧树脂背衬层61研磨到所希望的厚度，然后，再一起翻转，以使柔性电路正面朝上。
使用EPO- TEK 301环氧树脂粘合剂(由Epoxy Technology, Inc.制造)或合适的替代物(如Spurrs环氧树脂)的薄层68 (优选地，小于10 μ m厚)，将由280 μ m厚的 PZT-5H72的片制成的压电块70 (在其正面和背面涂有银电极71，7 直接接合到柔性电路 65的铜侧的顶部。优选地，接合材料68薄到使得其对叠层的声学特征的影响变得可忽略。 在替换实施例中，可以使用压电块的不同的厚度，例如，在150和400 μ m之间。
现在转向图5B，如上文所描述的，切割压电块70，以便切口一直穿过压电块，部分穿过但不一直穿过柔性电路65的绝缘层65a。例如，转换器可以被分成32个有源元件，以 140微米的间距间隔。当然，如上所述，可以使用不同数量的有源元件。取决于所希望的操作频率，也可以使用不同的切割间距(例如，100和200μπι之间的间距)。在切割之后，转换器的元件之间的间隔优选地利用软的弹性体材料81 (例如，硅树脂)来填充。
然后，在压电块70之上安装匹配层。一种合适的匹配层包括(从底部到顶部) 填充了环氧树脂的氧化铝层82，混合以产生具有5. OMRayls的声阻抗的基质，75-80 μ m厚； EPO- TEK 301粘合剂的层84，优选地小于10 μ m厚；以及100-105 μ m厚、1. 9MRayls的声阻抗的的聚氨基甲酸乙酯的层86。
注意，可以改变此实施例中的组装步骤，仍以相同声学叠层结束。也可以进行各种替换以到达类似的配置，或取得将在意图应用中很好地起作用的替换的配置。
上文所描述的技术使得能够制造到超声波转换器中的单个元件的电接口成为可能，并与传统技术相比以低得多的成本提供高性能。
尽管本发明是参考某些实施例公开的，但是，在不偏离如所附权利要求书中所定义的本发明的范围的情况下，对所描述的实施例的很多修改、更改，以及变化都是可以的。 相应地，本发明不仅限于所描述的实施例，它具有通过下面的权利要求书以及其等效内容的语言定义的完全的范围。
权利要求
1.一种超声波转换器，包括绝缘材料层，所述层具有上表面；位于所述绝缘层的所述上表面上的多个导电迹线，所述导电迹线中的每一个都具有上表面；以及多个转换器元件，所述转换器元件中的每一个都具有(a)压电材料的核，以及(b)位于所述核之下的导电涂层，所述导电涂层具有下表面，其中，所述转换器元件中的每一个的所述下表面被直接接合到所述多个导电迹线中的相应一个导电迹线的所述上表面。
2.如权利要求1所述的转换器，其中，所述转换器元件中的每一个的所述下表面使用绝缘粘合剂被直接接合到所述多个导电迹线中的相应一个导电迹线的上表面。
3.如权利要求1所述的转换器，其中，所述转换器元件中的每一个的所述下表面使用导电粘合剂被直接接合到所述多个导电迹线中的相应一个导电迹线的上表面。
4.如权利要求1所述的转换器，其中，所述转换器元件中的每一个的所述下表面通过焊接被直接接合到所述多个导电迹线中的相应一个导电迹线的上表面。
5.如权利要求1所述的转换器，其中，还包括位于所述转换器元件之上的匹配层和位于所述绝缘层之下的背衬层。
6.如权利要求1所述的转换器，其中，所述压电材料包括PZT。
7.如权利要求1所述的转换器，其中，所述多个转换器元件包括至少20个转换器元件， 所述多个导电迹线包括至少20个导电迹线，所述转换器元件以100和200 μ m之间的间距间隔，而所述转换器元件的厚度在150和400 μ m之间。
8.如权利要求7所述的转换器，还包括位于所述转换器元件之上的匹配层和位于所述绝缘层之下的背衬层。
9.如权利要求8所述的转换器，其中，所述转换器元件中的每一个的所述下表面使用绝缘粘合剂被直接接合到所述多个导电迹线中的相应一个导电迹线的上表面。
10.一种制造超声波转换器的方法，所述方法包括下列步骤将具有导电涂层的压电材料的块接合到柔性电路，该柔性电路具有(a)位于绝缘衬底上的第一导电区域和(b)位于所述绝缘衬底上的并且与所述第一导电区域电接触的至少 20个导电迹线，以便所述块接合到所述第一导电区域；以及将所述块切割成至少20个转换器元件，其中，所述切割步骤被控制，以便切割一直穿过所述块，并一直穿过所述第一导电区域，并且部分穿过但不完全穿过所述绝缘衬底，并且，其中，所述切割步骤在相对于所述导电迹线排列的位置执行，以便在所述切割步骤实现之后，(a)所述第一导电区域被分成至少20个彼此电隔离的区域，以及(b)所述至少20个区域中的每一个都与所述至少20个导电迹线中的相应一个导电迹线电接触。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述至少20个转换器元件中的每一个都具有与所述至少20个导电迹线中的相应一个导电迹线的导电接口。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述至少20个转换器元件中的每一个都具有与所述至少20个导电迹线中的相应一个导电迹线的电容耦合的电接口。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述转换器元件被以100和200μπι之间的间距切割，而所述转换器元件的厚度在150和400 μ m之间。
14.如权利要求13所述的方法，其中，还包括下列步骤在所述切割步骤完成之后，将匹配层置于所述块之上；以及将背衬层贴附在所述柔性电路之下。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少20个导电迹线被以规则间距间隔，而所述块在所述切割步骤中以匹配所述导电迹线间距的间距、在平行于所述导电迹线的方向被切割。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述接合步骤包括使用电绝缘粘合剂将所述块接合到所述第一导电区域。
17.—种制造超声波转换器的方法，所述方法包括下列步骤将具有导电涂层的压电材料的块接合到具有位于绝缘衬底上的至少20个平行的导电迹线的柔性电路，以便所述块与所述至少20个导电迹线的远端接合；以及将所述块切割成至少20个转换器元件，其中，所述切割步骤被控制，以便切割一直穿过所述块，并且部分穿过但不完全穿过所述绝缘衬底，并且其中，所述切割步骤在相对于所述导电迹线排列的位置执行，以便在所述切割步骤实现之后，所述至少20个转换器元件彼此电隔离，所述至少20个转换器元件中的每一个都与所述至少20个导电迹线中的相应一个导电迹线接合。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述至少20个转换器元件中的每一个都具有与所述至少20个导电迹线中的相应一个导电迹线的导电接口。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述至少20个转换器元件中的每一个都具有与所述至少20个导电迹线中的相应一个导电迹线的电容耦合的电接口。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述转换器元件被以100和200μ m之间的间距切割，而所述转换器元件厚度在150和400 μ m之间。
21.如权利要求20所述的方法，其中，还包括下列步骤在所述切割步骤完成之后，将匹配层置于所述块之上；以及将背衬层贴附在所述柔性电路之下。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述至少20个导电迹线被以规则间距间隔，而所述块被在所述切割步骤中以匹配所述导电迹线间距的间距、在平行于所述导电迹线的方向被切割。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述接合步骤包括使用电绝缘粘合剂将所述块接合到所述第一导电区域。
全文摘要
公开了包括背衬层11、位于背衬层之上的绝缘层15a，以及位于绝缘层之上的多个导电迹线15b的超声波转换器。每一个导电迹线都具有上表面。多个转换器元件20都被直接接合到多个导电迹线中的相应一个导电迹线的上表面，所述转换器元件中的每一个都具有(a)压电材料的核，以及(b)位于所述核之下的导电涂层。还公开了用于制造超声波转换器的方法。
文档编号B06B1/06GK102497938SQ201080040979
公开日2012年6月13日 申请日期2010年7月28日 优先权日2009年7月29日
发明者E·P·哈恩, M·汤普森 申请人:艾玛克公司