一种二维面阵列超声换能器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声成像设备制备领域，尤指一种二维面阵列超声换能器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]超声换能器是超声设备中关键的部件，可以用于超声成像、超声刺激、超声治疗等等。超声换能器的结构经历了由单振元向线阵、凸阵、环阵发展的过程之后，正朝着二维面阵的方向发展。自超声换能器诞生以来，最早期是单阵元超声换能器。可以通过机械扫描(如扇形扫描)一个单阵元超声换能器来获取超声图像。随着加工工艺的日益成熟，通过电子扫描线阵结构的换能器的振元或振元组来实现二维超声图像的获取。近年来，超声三维成像以及三维空间声刺激、声操控、声治疗的需求日益增大，需要研发性能可靠的二维面阵列超声换能器的可靠制备方法及工艺。例如:二维面阵列超声换能器日益广泛运用于胎儿、心脏、腹部、乳腺和泌尿器官的三维成像和检查。二维面阵换能器也可以在三维空间产生可调控的局域声场，从而在三维空间内实现对粒子、物体的三维操控，可用于局部药物递送。二维面阵换能器也可以在三维空间的局部单点或多点产生聚焦，从而对目标点进行声刺激、调控、或毁损，因而可以用于精确的神经调控或者高强度聚焦超声治疗。
[0003]利用二维面阵列超声探头进行三维扫描，就必须要保证每一个阵元可以实现独立工作。传统二维面阵列超声探头的每个阵元有导线单独控制，那么MXN(M、N可以任意取值)的二维面阵列超声探头阵列，就需要MXN条引线，使用FPC(Flexible Printed Circuit;柔性电路)板将每个阵元单独连接引线。目前有一种接线方案(一种二维超声波面阵探头及其制备方法，申请号201210223970.9)，此方案通过对阵列接线方式，每个阵元的工作状态可根据上电极导线和下电极导线连通或断开的选择来控制。此方案解决了接线数目多的问题，同时也带来了新的问题。
[0004]1、在现有的接线方案中，虽然减少了引线数目，但是由于需要通过对行和列进行二维通电以实现某一个阵元的工作，因而无法实现同时对任意多个阵元的通电，也无法对电压幅值、时间延迟等进行精确控制，因此不能应用于一些复杂的超声三维成像、三维声刺激、三维声治疗中。例如在经颅声刺激或治疗中，需要采用时间反演方法，将任意阵元接收到的声信号时间反转并发送回去。这就需要对每一个阵元进行控制，对任意阵元进行任意波形的发射，对电压幅值、时间延迟有精确的要求。本发明通过可靠的工艺，实现了每一个阵元的单独引线，在保证引线连接质量的情况下，也降低了工艺的复杂度。
[0005]2、在现有的接线方案中，匹配层与背衬材料必须使用导电材料，这样不仅使匹配层与背衬材料的选择空间很狭窄，而且限制了超声换能器在某些环境(例如磁共振环境)的应用。此外，导电材料价格昂贵，也大大增加了探头的制备成本。本发明中我们使用绝缘材料作为背衬材料，选择空间大，价格便宜。而且可以通过不同材料的选取和配比，实现磁兼容和高的导热性能。
[0006]3、在现有的接线方案中，引线是连接在匹配层与背衬上的，那么就必须要分割匹配层与和背衬，由于匹配层、压电层、背衬的总厚度相对现在的工艺条件来说很难切穿，此方案在切割时没有切穿背衬，通过减薄的方法露出切缝，不仅在工艺上增加了工序而且限制的背衬的厚度。如果背衬厚度达不到设计指定厚度，那么压电阵元背面的声能不能完全衰减，达不到添加背衬的目的。
[0007]综上，在已有的二维面阵列超声换能器及其制备方法中，若干技术难点制约了换能器的性能，从而也制约了大规模二维面阵换能器的加工制备。其中最主要的有:工艺的复杂度、引线的焊接质量、大规模二维面阵的散热性能等等。大规模二维面阵必然需要相对复杂的加工工艺。二维面阵列超声换能器的每个阵元最好有引线单独控制，这样就可以进行精确的声场发射和控制。MXN(M、N可以任意取值)的二维面阵列超声探头阵列，就需要MXN条引线，大规模二维引线焊接工艺上是很复杂的，随着阵元数的增加和阵元尺寸的减小，弓丨线焊接工艺难度急剧增大。而如果不能将大规模二维面阵所产生的热散去，也会对超声换能器的性能和寿命有较大的影响。
【发明内容】
[0008]为解决现有的二维面阵列超声换能器及其制备方法的不足，本发明提供了一种具有可靠的加工方式、引线、散热的方案，简化了工艺的复杂度，同时提高了工艺的可靠性。
[0009]为达到上述目的，本发明提出了一种二维面阵列超声换能器，包括:压电阵元阵列层，由MXN个压电阵元排布而成，各个压电阵元由切缝分隔，用于接收或发射超声信号；阵元电极，溅射在所述压电阵元阵列层的第一表面，按照所述切缝进行切割分隔，其中，每一阵元电极对应一压电阵元;去耦材料，填充在所述切缝，用于减少各个压电阵元的串声干扰;背衬块，与所述阵元电极粘结，用于吸收压电阵元背面的声能；电极引线，设置在所述背衬块中，每一电极引线分别连接一所述压电阵元，用于将电极信号接入到外部系统电路;公共电极，溅射在所述压电阵元阵列层的第二表面;匹配层，与所述公共电极粘结，用于使所述压电阵元与外部物体之间的声阻抗匹配。
[0010]进一步的，还包括:声透镜，粘结在匹配层上，用于聚焦声场，将压电阵元发射出来的声波进行聚焦。
[0011]进一步的，所述背衬块通过导电粘胶与阵元电极粘结，粘结后沿各个所述压电阵元之间的切缝切割，在背衬块上切割一定深度的切缝，重新填充去耦材料，使每一块导电粘胶对应一压电阵元。
[0012]进一步的，去耦材料、背衬块选用环氧树脂或其它绝缘材料。
[0013]进一步的，所述压电阵元阵列层中的压电阵元为压电单体或压电复合材料;其中，压电复合材料选用1-3型压电复合材料或2-2型压电复合材料。
[0014]进一步的，所述匹配层为单层结构或多层结构。
[0015]进一步的，所述二维面阵列超声换能器的外形为平面振或弧面阵。
[0016]进一步的，所述阵元电极、公共电极选用络、铜或络铜合金。
[0017]为达到上述目的，本发明还提出了一种制备上述二维面阵列超声换能器的方法，该方法包括:对压电材料进行二维方向的切割，制备出由Μ XN个压电阵元排布而成的压电阵元阵列层，各个压电阵元由切缝分隔，在切缝中填充去耦材料;在压电阵元阵列层的第一表面溅射阵元电极，所述阵元电极按照所述切缝进行切割分隔，其中，每一阵元电极对应一压电阵元;将嵌入有电极引线的背衬块与所述阵元电极粘结，使每一电极引线分别连接一所述压电阵元;在所述压电阵元阵列层的第二表面溅射公共电极;在公共电极上粘结匹配层。
[0018]进一步的，嵌入有电极引线的背衬块的制备方法如下:制备Μ个引线框架及一引线框架夹具;根据压电阵元阵列层中压电阵元的排布方式，制作Μ片柔性电路板，其中，每一柔性电路板包含Ν个电极引线;将每一柔性电路分别固定在一引线框架中，将Μ个引线框架固定在引线框架夹具中，使相邻所述电极引线之间的间距与相邻压电阵元中心之间的间距相等;在引线框架夹具中灌注绝缘材料，固化后去除引线框架夹具和引线框架，获得嵌入有电极引线的背衬块。
[0019]进一步的，将嵌入有电极引线的背衬块与所述阵元电极粘结，使每一电极引线分别连接一所述压电阵元，包括:利用导电粘胶将背衬块与阵元电极粘结，粘结后沿各个所述压电阵元之间的切缝切割，在背衬块上切割一定深度的切缝，重新填充去耦材料，使每一块导电粘胶对应一压电阵元。
[0020]本发明提出的二维面阵列超声换能器的制备方法，简化了工艺的复杂度，同时提高了工艺的可靠性，是一种高效、可靠的制备二维面阵列超声换能器的方法。利用上述方法制作出来的二维面阵列超声换能器具有散热好，对每一个阵元单独引线，可以实现对每一个阵元的稳定控制，达到对任意阵元进行任意波形的发射以及对电压幅值、时间延迟的精确控制，适用于超声三维成像、三维空间声操控、三维空间声刺激、声调控和声治疗等各种用途。
【附图说明】
[0021]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中:
[0022]图1为本发明一实施例的二维面阵列超声换能器的结构示意图。
[0023]图2所示本发明一实施例的二维面阵列超声换能器制作方法流程图。
[0024]图3为本发明一实施例的压电阵元阵列层的制作流程示意图。
[0025]图4Α至图4D为本发明一实施例的嵌入有电极引线的背衬块制作流程示意图。
[0026]图5为本发明一实施例的粘结嵌入有电极引线的背衬块与所述阵元电极的流程示意图。
[0027]图6为本发明一实施例的粘结声透镜的流程示意图。
[0028]图7为图6所示二维面阵列超声换能器的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0029]以下配合图示及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
[0030]图1为本发明一实施例的二维面阵列超声换能器的结构示意图。如图1所示，二维面阵列超声换能器包括:
[0031]压电阵元阵列层1，由MXN个压电阵元排布而成，各个压电阵元由切缝分隔，用于接收或发射超声信号。其中，所述压电阵元阵列层1为压电单体或压电复合材料;压电复合材料可以选用1-3型压电复合材料或2-2型压电复合材料，如PZT压电陶瓷。
[0032]阵元电极2，溅射在所述压电阵元阵列层1的第一表面，按照所述切缝进行切割分隔，其中，每一阵元电极对应一压电阵元。
[0033]去耦材料3，填充在所述切缝，用于减少各个压电阵元的串声干扰。
[0034]背衬块4，与所述阵元电极2粘结，用于吸收压电阵元背面的声能，厚度及参数根据压电阵工作频率及声学参数决定。
[0035]电极引线5，设置在所述背衬块4中，每一电极引线分别连接一所述压电阵元，用于将电极信号接入到外部系统电路。
[0036]公共电极6，溅射在所述压电阵元阵列层1的第二表面。
[0037]匹配层7，与所述公共电极6粘结，用于使所述压电阵元与外部物体之间的声阻抗匹配。匹配层7可以是单层结构或多层结构，厚度及参数根据压电阵工作频率及声学参数决定。
[0038]进一步的，该二维面阵列超声换能器还可以包括:声透镜8，粘结在匹配层7上，用于