一种高频阵列换能器的制作方法

1.本发明涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种高频阵列换能器。


背景技术：

2.超声成像技术是一种重要的通过医学影像诊断疾病的手段。主要是通过超声换能器发射超声波进入人体，并进行线形、扇形或其他形式的扫描，遇到不同声阻抗的两种组织的交界面，超声波会反射回来被换能器接收，经过信号放大和处理，显示在屏幕上，形成人体的断层图像，称为超声图，供临床诊断用。连续多幅超声图在屏幕上显示，可以观察到动态的器官活动。由于体内器官组织界面的深浅不同，使其回声被接收到的时间有先有后，借此可测知该界面的深度，及脏器的形状和尺寸。高频阵列超声在高分辨率成像诊断中有重要的应用。
3.阵列超声换能器主要是用柔性电路板将换能器的阵元引出，为了使超声成像的过程中不产生旁瓣，阵列换能器的间距一般小于一个波长，频率越高，间距越小，阵元越小。高频阵列换能器的接线技术长期以来是换能器制作的重点和难点技术。在阵列换能器中普遍使用的接线技术是使用柔性电路板将压电晶片上的阵元引出，但是由于柔性电路板制作工艺的限制，所能连接的阵元大小和间距受到了限制。
4.具体地，现有技术受柔性电路板加工工艺影响，柔性电路板上的电路宽度(wf)和电路之间的间隙(kf)一般大于等于50微米，因为柔性电路板上的电路宽度要小于等于压电层阵元的宽度(we)，柔性电路板的电路间距(pf)等于阵元间距(pe)，从而使换能器的压电层上的阵元宽度必须大于等于50微米，阵元间距必须大于等于100微米。为保证超声成像质量，高频阵列换能器的阵元间距要小于等于超声在水中波长的二分之一，阵元间距100微米，最高只能制作7.5mhz的相控阵，不能满足更高频率阵列换能器的制作需求，而在许多超声应用中，需要应用更高频率的换能器能够提供更好的诊断图像。
5.其中，wf+kf＝pf
6.we+ke＝pe，ke为阵元间隙。
7.为制备更高频率的阵列换能器，现有技术中主要提出了两种导电线路连接方法，然而，其中的通过将柔性电路板的引脚镂空与阵元连接的方法在实际应用中难以实现，而基于增材技术将阵列布置的电机中相应的电极电连接至相应的电连接器的方法需要使用多种精密设备，加工难度大、成本高。
8.综上所述，阵列换能器中普遍使用的接线技术受柔性板加工工艺影响能够制备的最高频率的换能器无法满足实际应用的需求，现有技术中虽然有提出制备更高频率的阵列换能器的方法，但是仍受其他工艺影响，在实际制备过程中难以实现。


技术实现要素：

9.有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种阵列换能器，能够在不增加工艺复杂性和难度的情况下制备更高频率的阵列换能器。
10.所述阵列换能器，包括依次设置的声透镜、匹配层、第一柔性电路板组件、压电层、第二柔性电路板组件和背衬层，所述第一柔性电路板组件和所述第二柔性电路板组件分别包括至少一块柔性电路板，所述压电层的第一电极面和第二电极面分别具有电极，且所述第一电极面和所述第二电极面中每侧表面的电极割开使所述压电层形成多个压电阵元；
11.所述第一柔性电路板组件设置在所述第一电极面，所述第一柔性电路板组件引出多个第一电极引线单元，至少一对相邻的所述压电阵元共同连接同一个所述第一电极引线单元；
12.所述第二柔性电路板组件设置在所述第二电极面，所述第二柔性电路板组件引出多个第二电极引线单元，至少一对相邻的所述压电阵元共同连接同一个所述第二电极引线单元。
13.所述压电层包括n个压电阵元，当n为偶数时，所述第一电极引线单元的数量为每两个相邻的所述压电阵元共同连接一个所述第一电极引线单元；所述第二电极引线单元的数量为首端和尾端的所述压电阵元各连接一个所述第二电极引线单元，其余个所述压电阵元中，每两个相邻的所述压电阵元共同连接一个所述第二电极引线单元；
14.当n为奇数时，所述第一电极引线单元的数量为首端或尾端的所述压电阵元连接一个所述第一电极引线单元，其余个所述压电阵元中，每两个相邻的所述压电阵元共同连接一个所述第一电极引线单元；所述第二电极引线单元的数量为首端或尾端的所述压电阵元连接一个所述第二电极引线单元，其余个所述压电阵元中，每两个相邻的所述压电阵元共同连接一个所述第二电极引线单元。
15.具体地，可以是将所述第一电极引线单元分布在所述第一电极面上的同一侧，所述第二电极引线单元分布在所述第二电极面上的同一侧；或者，将所述第一电极引线单元交替分布在所述第一电极面的两侧，所述第二电极引线单元交替分布在所述第二电极面上的两侧，以扩大柔性板上相邻电路之间的间距的方案。如此同样规格的柔性板能够将阵元宽度和阵元间隙更小的换能器阵元引出。
16.所述压电层两侧设置有绝缘层，所述压电层的第一电极面延伸覆盖所述绝缘层的一侧表面，所述压电层的第二电极面延伸覆盖所述绝缘层的另一侧表面，通过绝缘层将每个阵元的第一电极面和第二电极面的电极都分割开。
17.柔性电路板组件与压电层之间的连接可以是，所述第一柔性电路板组件和/或所述第二柔性电路板组件粘接所述绝缘层；和/或，所述第一柔性电路板组件和/或所述第二柔性电路板组件粘接所述压电层。当所述匹配层和所述背衬层为导电层时，还可以是所述第一柔性电路板组件和/或所述第二柔性电路板组件粘接所述匹配层；和/或，所述第一柔性电路板组件和/或所述第二柔性电路板组件粘接所述背衬层，所施加的信号通过导电层
传输到压电层实现与压电层的电连接。
18.优选地，所述第一柔性电路板组件和所述第二柔性电路板组件为电连接体，所述电连接体包括集成电路、软fpc板和硬fpc板。所述声透镜包括凹透镜和凸透镜。
19.所述换能器的各层数量不限定，所述背衬层为一层或多层；和/或，所述压电层为一层或多层；和/或，所述匹配层为一层或多层；和/或，所述声透镜为一层或多层。
20.本发明还提供了一种超声系统，包括上述阵列换能器、电子延迟和开关，所述阵列换能器包括多个压电阵元，每个所述压电阵元连接一个所述电子延迟，每个所述电子延迟与所述压电阵元之间连接有所述开关。优选地，所述电子延迟的时间长度不同。
21.本发明还提高了一种用于上述超声系统的激励方法，激励信号通过时间长度不同的所述电子延迟调整所述压电阵元的激励顺序和开始时间，并通过所述开关控制所述激励信号的工作和断开状态；所述激励信号驱动所述压电阵元工作；
22.所述“所述激励信号驱动所述压电阵元工作”包括：
23.当两个相邻的所述压电阵元的所述第一电极面共同连接同一个所述第一电极引线单元，所述第二电极面分别连接两个所述第二电极引线单元时，对所述第一电极引线单元和一个所述第二电极引线单元施加激励，一个所述压电阵元工作，对所述第一电极引线单元和另一个所述第二电极引线单元施加激励，另一个所述压电阵元工作；
24.当两个相邻的所述压电阵元的所述第一电极面分别连接两个所述第一电极引线单元，所述第二电极面共同连接同一个所述第二电极引线单元时，对一个所述第一电极引线单元和所述第二电极引线单元施加激励，一个所述压电阵元工作，对另一个所述第一电极引线单元和所述第二电极引线单元施加激励，另一个所述压电阵元工作。
25.综上所述，本发明的阵列换能器，基于现有的换能器连线技术基础，采用了第一柔性电路板组件和第二柔性电路板组件分别在压电层的两侧表面交错将压电阵元引出的接线方式实现压电层与外部电路的电气互连。应用本发明的换能器接线方式采用同样规格的柔性电路板能够将阵元宽度和阵元间隙更小的换能器阵元引出，能够在不增加工艺复杂性和难度的情况下制备更高频率的阵列换能器。
附图说明
26.为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，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。
27.图1为本发明的阵列换能器的示意图；
28.图2为本发明的阵列换能器的结构示意图；
29.图3为一种压电层与柔性电路板组件的连接方式示意图；
30.图4为图3所示的连接方式的电路连接示意图；
31.图5为另一种压电层与柔性电路板组件的连接方式示意图；
32.图6为图5所示的连接方式的电路连接示意图；
33.图7为应用本发明的阵列换能器的超声系统激励示意图。
34.附图标记：
[0035]1‑
背衬层；2
‑
压电层；21
‑
第一电极面；22
‑
第二电极面；23
‑
压电阵元；24
‑
阵元间隙；3
‑
绝缘层；4
‑
匹配层；51
‑
第一柔性电路板组件；511
‑
第一电极引线单元；52
‑
第二柔性电路板组件；521
‑
第二电极引线单元；6
‑
声透镜；71
‑
激励信号；72
‑
电子延迟；73
‑
开关；74
‑
目标组织。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
本发明提供了一种阵列换能器，采用新的接线方式缓解柔性板加工工艺对阵列换能器制备的制约，在不增加工艺复杂性和难度的情况下制备更高频率的阵列换能器。
[0038]
参见说明书附图1，本发明的阵列换能器结构包括背衬层1、压电层2、绝缘层3、匹配层4、第一柔性电路板组件51、第二柔性电路板组件52和声透镜6，其中，声透镜6、匹配层4、第一柔性电路板组件51、压电层2、第二柔性电路板组件52和背衬层1依次层叠排列。具体地，压电层2用于发出超声波，具有设置在压电层2一侧表面的第一电极面21和设置在压电层2另一侧表面的第二电极面22，第一电极面21和第二电极面22分别具有电极，且第一电极面21和第二电极面22中每侧表面的电极割开使压电层2形成多个压电阵元23，每个压电阵元23分别具有位于第一电极面21的第一电极和位于第二电极面22的第二电极，压电阵元23之间具有阵元间隙24。在一些实施例中，阵元间隙24中填有隔离物质。匹配层4用于使压电层2与外部物体之间的声阻抗匹配。背衬层1吸收向背衬层1方向发出的超声波。声透镜6聚焦声场，将压电层2发射出的声波进行聚焦，可以是凸透镜或者凹透镜。背衬层1、压电层2、匹配层4和声透镜6均可以为一层或多层。优选地，压电层2设置在两个绝缘层3之间，压电层2的电极延伸覆盖在绝缘层3的表面与绝缘层3共用电极，使每个压电阵元23的第一电极面21和第二电极面22的电极都分割开。
[0039]
柔性电路板组件是用于实现压电层2与外部电路的电气互连的电连接体，包括多条电极引线单元，可以是集成电路、软fpc板、硬fpc板，或者可以实现相关电连接功能的其他物体。本发明的阵列换能器通过第一柔性电路板组件51和第二柔性电路板组件52分别在压电层2的第一电极面21和第二电极面22交错将压电阵元23引出，第一柔性电路板组件51和第二柔性电路板组件52分别包括至少一块柔性电路板。其中，第一柔性电路板组件51设置在第一电极面21，第一柔性电路板组件51引出多个第一电极引线单元511，至少一对相邻的压电阵元23共同连接一个第一电极引线单元511；第二柔性电路板组件52设置在第二电极面22，第二柔性电路板组件52引出多个第二电极引线单元521，至少一对相邻的压电阵元23共同连接一个第二电极引线单元521。采用本发明的方法同样规格的柔性电路板组件可以连接压电阵元23的间距和压电阵元23的宽度更小的压电阵元23，从而可以提高所能制备换能器的频率。柔性电路板组件可以直接粘接在压电层2的表面；也可以粘接在与压电层2共用电极的绝缘层3表面上，所形成的换能器相比于柔性电路板组件直接粘接在压电层2表面的换能器性能更优。在一些实施例中，匹配层4和背衬层1为导电层或包含有导电元素，柔性电路板组件也可以粘接在匹配层4和/或背衬层1上，所施加信号通过导电层传输到压电
层2实现与压电层2的电连接。
[0040]
实施例1
[0041]
本实施例提供了一种柔性电路板组件与压电层2的具体连接结构。参见说明书附图2，压电层2设置在两个绝缘层3之间，每个压电阵元23分别具有位于第一电极面21的第一电极，和位于第二电极面22的第二电极，压电层2上的第一电极面21延伸覆盖绝缘层3的一侧表面，第二电极面22延伸覆盖绝缘层3的另一侧表面，与绝缘层3共用电极。本实施例中柔性电路板组件包括第一柔性电路板组件51和第二柔性电路板组件52，柔性电路板组件粘接在绝缘层3上。
[0042]
可以是第一柔性电路板组件51粘接在左侧绝缘层3的上表面上连接压电层2的第一电极，第二柔性电路板组件52粘接在右侧绝缘层3的下表面上连接压电层2的第二电极。或者是第一柔性电路板组件51粘接在右侧绝缘层3的上表面上连接压电层2的第一电极，第二柔性电路板组件52粘接在左侧绝缘层3的下表面上连接压电层2的第二电极。或者是第一柔性电路板组件51粘接在左侧绝缘层3的上表面上连接压电层2的第一电极，第二柔性电路板组件52粘接在左侧绝缘层3的下表面上连接压电层2的第二电极。还可以是第一柔性电路板组件51粘接在右侧绝缘层3的上表面上连接压电层2的第一电极，第二柔性电路板组件52粘接在右侧绝缘层3的下表面上连接压电层2的第二电极。
[0043]
在本实施例中，第一柔性电路板组件51引出多个第一电极引线单元511，第一柔性电路板组件51粘接左侧绝缘层3的上表面，第一电极引线单元511与压电层2的第一电极电连接；第二柔性电路板组件52引出多个第二电极引线单元521，第二柔性电路板组件52粘接右侧绝缘层3的下表面，第二电极引线单元521与压电层2的第二电极电连接。
[0044]
压电层2的压电阵元23与电极引线单元之间具有一定的数量关系，具体地：设定压电层2包括n个压电阵元23，当n为偶数时，第一电极引线单元511的数量为每两个相邻的压电阵元23共同连接一个第一电极引线单元511；第二电极引线单元521的数量为首端和尾端的压电阵元23各连接一个第二电极引线单元521，其余个压电阵元23中，每两个相邻的压电阵元23共同连接一个第二电极引线单元521；
[0045]
当n为奇数时，第一电极引线单元511的数量为首端或尾端的压电阵元23连接一个第一电极引线单元511，其余个压电阵元23中，每两个相邻的压电阵元23共同连接一个第一电极引线单元511；第二电极引线单元521的数量为首端或尾端的压电阵元23连接一个第二电极引线单元521，其余个压电阵元23中，每两个相邻的压电阵元23共同连接一个第二电极引线单元521。
[0046]
实施例2
[0047]
本实施例提供了应用本发明的接线方式的阵列换能器的电路连接方式。参见图3
‑
图6，通过柔性电路板组件分别在压电层2的上下两面交错将压电阵元23引出，电极引线单
元间隔放置，具体体现为任意两条电极引线单元不在同一直线上。可以通过将第一电极引线单元511放置在第一电极面21上的同一侧，第二电极引线单元521放置在第二电极面22上的同一侧，第一电极引线单元511和第二电极引线单元521设置在相对的两侧以扩大柔性电路板组件上相邻的电极引线单元之间的间距；也可以是将第一电极引线单元511交替设置在第一电极面21的两侧，第二电极引线单元521交替设置在第二电极面22上的两侧。
[0048]
具体地，参见图3和图4，为一个具体的将第一电极引线单元511放置在第一电极面21上的同一侧，第二电极引线单元521放置在第二电极面22上的同一侧，第一电极引线单元511和第二电极引线单元521设置在相对的两侧以扩大柔性电路板组件上相邻电极引线单元之间的间距的方案。如图所示将压电阵元23从左到右依次编号为pe1、pe2、pe3、pe4
……
将第一电极引线单元511从左到右依次编号为uf1、uf2
……
将第二电极引线单元521依次编号为df1，df2
……
其中uf1与pe1和pe2的第一电极连接，uf2与pe3和pe4的第一电极连接；df1与pe1的第二电极连接，df2与pe2和pe3的第二电极连接；uf1、uf2与df1、df2对侧设置。当对uf1和df1施加激励时，pe1工作；对uf1和df2施加激励时，pe2工作；对uf2和df2施加激励时，pe3工作
……
如此电极引线单元的宽度满足小于两倍压电阵元23的宽度加阵元间隙24(2we+ke)，电极引线单元的间距为2倍压电阵元23的间距(2pe)，就可以将换能器的压电阵元23有效引出。如此同样规格的柔性电路板组件能够将压电阵元23的宽度和阵元间隙24更小的换能器的压电阵元23引出。
[0049]
参见图5和图6，为一个具体的将第一电极引线单元511交替设置在第一电极面21的两侧，第二电极引线单元521交替设置在第二电极面22上的两侧以扩大柔性电路板组件上相邻电极引线单元之间的间距的方案。如图所示将压电阵元23从左到右依次编号为pe01、pe02、pe03、pe04
……
将第一电极引线单元511依次编号为uf01、uf02、uf03、uf04
……
将第二电极引线单元521依次编号为df01、df02、df03、df04
……
其中uf01与pe01和pe02的第一电极连接，uf02与pe03和pe04的第一电极连接，uf03与pe05和pe06的第一电极连接；df01与pe01的第二电极连接，df02与pe02和pe03的第二电极连接，df03与pe04和pe05的第二电极连接；df03、uf03与df02、uf02对侧设置。当对df01和uf01施加激励时，pe01工作；当对uf01和df02施加激励时，pe02工作；当对df02和uf02施加激励时，pe03工作；当对uf02和df03施加激励时，pe04工作
……
相对于图3所示的方案，能够进一步扩大柔性电路板组件上相邻电极引线单元之间的间距。
[0050]
实施例3
[0051]
参见说明书附图7，为应用本发明的阵列换能器的超声系统激励示意图。图中以8个压电阵元23的阵列为例，激励信号71通过时间长度不同的电子延迟72调整激励的顺序和开始时间，并通过电子开关73控制激励信号71的工作和断开状态，接着，激励信号71驱动换能器的压电阵元23工作：压电阵元23发射超声波在目标组织74处形成焦点；组织反射的超声回波被换能器压电阵元23接收，转换为电信号后，经过处理形成超声图像。
[0052]
其中，激励信号71驱动换能器的压电阵元23工作包括：当两个相邻的压电阵元23的第一电极面21共同连接同一个第一电极引线单元511，第二电极面22分别连接两个第二电极引线单元521时，对第一电极引线单元511和一个第二电极引线单元521施加激励，一个压电阵元23工作，对第一电极引线单元511和另一个第二电极引线单元521施加激励，另一个压电阵元23工作；
[0053]
当两个相邻的压电阵元23的第一电极面21分别连接两个第一电极引线单元511，第二电极面22共同连接同一个第二电极引线单元521时，对一个第一电极引线单元511和第二电极引线单元521施加激励，一个压电阵元23工作，对另一个第一电极引线单元511和第二电极引线单元521施加激励，另一个压电阵元23工作。
[0054]
综上所述，本发明提供了一种阵列换能器，基于现有的换能器连线技术基础，采用了第一柔性电路板组件和第二柔性电路板组件分别在压电层的两侧表面交错将压电阵元引出的接线方式实现压电层与外部电路的电气互连，易于实现，缓解了柔性电路板加工工艺对阵列换能器制备的制约，能够在不增加工艺复杂性和难度的情况下制备更高频率的阵列换能器。
[0055]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，除了以上实施例以外，还可以具有不同的变形例，以上实施例的技术特征可以相互组合，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。