超聲換能器和制造超聲換能器的方法
【專利摘要】本申請(qǐng)?zhí)峁┯糜谙嗫仃嚵袠?gòu)造的多層式側(cè)向模式耦合方法和相應(yīng)地構(gòu)建的換能器裝置。本發(fā)明描述和說(shuō)明了相控陣列的電阻抗可被顯著降低并易于控制至與源阻抗接近。該制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單且價(jià)廉。此外，元件在1.5維、2維、3維或其它維配置下表現(xiàn)穩(wěn)固，可長(zhǎng)時(shí)間操作而不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，并且提供成像和/或醫(yī)療治療應(yīng)用所需的高功率輸出。
【專利說(shuō)明】超聲換能器和制造超聲換能器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及超聲換能器和多個(gè)換能器的陣列的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。
[0002]相關(guān)申請(qǐng)
[0003]本申請(qǐng)是于2011年9月20日提交的第61/536，636號(hào)美國(guó)申請(qǐng)的非臨時(shí)申請(qǐng)并要求其權(quán)益。該美國(guó)申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
【背景技術(shù)】
[0004]在現(xiàn)代醫(yī)療實(shí)踐中，超聲提供一種快速、非侵入性且低本高效的成像和治療形式。隨著相控陣列制造和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲的應(yīng)用已經(jīng)得到快速增長(zhǎng)。超聲波和超聲能量場(chǎng)從超聲換能器投射至經(jīng)受成像或治療的體積內(nèi)。換能器以如下原理工作:將輸入的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為輸出的超聲能量，因?yàn)橹圃鞊Q能器的材料經(jīng)受與輸入的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)相應(yīng)的機(jī)械尺寸變化。此外，根據(jù)應(yīng)用，換能器能夠通過(guò)逆向的機(jī)械至電的換能處理將入射的超聲能量轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電能，從而由入射聲波導(dǎo)致的尺寸壓縮在換能器的材料中激發(fā)或誘發(fā)電響應(yīng)。用于制造超聲換能器元件的典型材料是壓電晶體材料，諸如鋯鈦酸鉛(PZT)和類似材料。
[0005]在傳輸模式中，超聲能量從發(fā)送換能器的面發(fā)射，并根據(jù)超聲能量傳播的已知定律在所選媒介(通常為流體或粘彈性或允許超聲波傳播的其它媒介)中傳播。經(jīng)受換能器裝置或陣列成像或治療的患者的組織有時(shí)被近似為粘彈性流體。其聲學(xué)參數(shù)，諸如聲速和吸收系數(shù)能夠被確定并影響超聲波在患者體內(nèi)傳播的方式。
[0006]多個(gè)超聲源或換能器元件可被分組為一維或兩維的陣列。通過(guò)控制發(fā)送至陣列的每一個(gè)(或多個(gè)組)超聲兀件的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該陣列發(fā)射的聲場(chǎng)總體上能夠在空間和時(shí)間上被控制和定向。施加至陣列的元件的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度和相位均使用計(jì)算機(jī)控制的驅(qū)動(dòng)電路控制在各個(gè)元件水平。
[0007]當(dāng)換能器元件的尺寸足夠小時(shí)，在被從離換能器一定距離觀察時(shí)可充當(dāng)點(diǎn)超聲源。超聲陣列的所謂的遠(yuǎn)場(chǎng)行為常常通過(guò)考慮來(lái)自該陣列的各個(gè)成員換能器的累積效果來(lái)逼近。對(duì)于許多換能器元件的陣列，疊加原理通常適用，至少作為線性系統(tǒng)中的第一逼近，由此通過(guò)對(duì)該陣列的各個(gè)元件的效果進(jìn)行疊加地求和來(lái)推導(dǎo)總的超聲場(chǎng)，以獲得在空間和時(shí)間上的任何情況下的總陣列的凈場(chǎng)。相控陣列因此允許超聲束被創(chuàng)建(具有給定的空間分布)并允許將該超聲束電子地偏轉(zhuǎn)并聚焦在目標(biāo)體積中，而不需要機(jī)械裝置來(lái)操縱或重新定位換能器?？墒褂孟辔换冃Ｕ惴ň_且快速地控制多個(gè)位置處的聲功率沉積，以偏轉(zhuǎn)和聚焦超聲束穿過(guò)不同組織層，諸如脂肪和肌肉。利用這些獨(dú)特的能力，可容易地對(duì)位于身體較深處的癌癥組織進(jìn)行快速的體積成像和凝固。
[0008]允許靈活和精確的束成形和偏轉(zhuǎn)的相控陣列的構(gòu)造可包含復(fù)雜和精密的設(shè)計(jì)和制造步驟。有時(shí)用于超聲陣列設(shè)計(jì)中的一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是陣列元件之間的中心至中心間隔(間距)應(yīng)等于或小于波長(zhǎng)的一半，以避免不期望的副峰，諸如柵瓣。然而，隨著頻率的增加(即波長(zhǎng)的降低)和陣列配置從一維到二維的變化，相控陣列將具有更多數(shù)量的小元件。小元件尺寸不僅導(dǎo)致與各個(gè)元件的電連接的復(fù)雜度的增加，還導(dǎo)致元件的電阻抗的增加。
[0009]小陣列元件的大電阻抗能夠?qū)е翿F(射頻)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(源)(通常為50W)與陣列元件之間的電阻抗失配。在診斷相控陣列中，這種阻抗失配在發(fā)送模式下導(dǎo)致低聲功率輸出，并因此在接收模式下導(dǎo)致較差的靈敏度和信噪比(SNR)。類似地，對(duì)于高功率治療陣列，其能夠?qū)е螺^差的電聲功率轉(zhuǎn)換。該問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方式是為每個(gè)元件采用電阻抗匹配電路。由于這需要高額的制造成本來(lái)實(shí)現(xiàn)，故對(duì)于具有大量元件的相控陣列而言，傳統(tǒng)方法通常不太理想或有效率。因此，這些元件通常被設(shè)計(jì)為具有與源阻抗接近的電阻抗，以使發(fā)送至這些元件的功率最大化，而不使用匹配電路。
[0010]已經(jīng)有一些通過(guò)減少陣列元件電阻抗來(lái)代替使用電匹配電路的嘗試。一些方法設(shè)法使用厚膜流延工藝堆疊多層(N層)壓電材料，以降低元件的總電阻抗N2倍。然而，這種方法的制造工藝復(fù)雜且昂貴。類似地，使用劃分和填充方法結(jié)合的多層陶瓷和復(fù)合材料有時(shí)可改善發(fā)送至陣列元件的電功率。雖然可改善制造工藝的復(fù)雜度，但出現(xiàn)了與結(jié)合層的對(duì)準(zhǔn)和層離有關(guān)的其他問(wèn)題。
[0011]改進(jìn)的換能器設(shè)計(jì)和制造這種換能器和換能器陣列的方法是需要的，并且至少在超聲技術(shù)、醫(yī)療成像、超聲治療領(lǐng)域以及聲換能器技術(shù)的其它醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中是有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本公開(kāi)是針對(duì)用于相控陣列構(gòu)造的多層式側(cè)向模式耦合方法。制造工藝簡(jiǎn)單并且價(jià)廉。元件在長(zhǎng)時(shí)間操作下表現(xiàn)穩(wěn)固而不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷。此外，我們介紹了允許治療所需的高功率輸出的陣列結(jié)構(gòu)。
[0013]本設(shè)備和方法的其它方面針對(duì)用于相控陣列構(gòu)造的多層式側(cè)向模式耦合方法。在一些實(shí)施方式中，使用該方法構(gòu)造的相控陣列的電阻抗與現(xiàn)有方法相比顯著減少，并且易于控制至與源阻抗接近，使得該陣列能夠在不使用電匹配電路的情況下被驅(qū)動(dòng)。在一些方面，多層式換能器元件在壓電陶瓷板的側(cè)向模式下被驅(qū)動(dòng)，并且這種元件的陣列被設(shè)計(jì)和制造以用于諸如醫(yī)療超聲領(lǐng)域。
[0014]在一些方面，N層式側(cè)向模式換能器的總電阻抗比驅(qū)動(dòng)在厚度模式下的單層式換能器小(Nt/w)2倍(其中w是陣列元件的寬度，t是陣列元件的厚度)。
[0015]各種實(shí)施方式可減少與診斷和治療相控陣列相關(guān)聯(lián)的制造成本。一些實(shí)施方式可減少或消除陣列設(shè)計(jì)中對(duì)電阻抗匹配電路的需要。高功率治療陣列可變得更加實(shí)際或可能，因?yàn)殡姌O被構(gòu)造以將熱能從陣列元件轉(zhuǎn)移走，還因?yàn)楸緜?cè)向模式激發(fā)方法避免了換能器的層離。
[0016]在一些實(shí)施方式中，在成像陣列的情況下，可使用所呈現(xiàn)的技術(shù)獲得高達(dá)和超過(guò)IOOMHz的高頻。
[0017]一個(gè)實(shí)施方式針對(duì)用于制造換能器元件的聲學(xué)陣列的方法，包括:提供多個(gè)聲換能器元件，每個(gè)聲換能器元件具有限定其空間范圍的多個(gè)維度，該多個(gè)維度包括沿著第一軸線的第一維度，該元件在由電驅(qū)動(dòng)信號(hào)激發(fā)時(shí)沿第一軸線輻射聲能；沿基本垂直于所述第一軸線的至少第一軸線在該陣列的工作面中機(jī)械地布置該多個(gè)換能器元件；提供多個(gè)導(dǎo)電箔，該多個(gè)導(dǎo)電箔充當(dāng)電極以向換能器元件傳輸電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該多個(gè)導(dǎo)電箔插設(shè)在該多個(gè)聲換能器元件之間，使得相鄰的一對(duì)換能器元件共享位于該對(duì)換能器之間的同一電極；以及使用電驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電電極驅(qū)動(dòng)該多個(gè)換能器元件。
[0018]另一個(gè)實(shí)施方式針對(duì)聲學(xué)裝置、設(shè)備或系統(tǒng)，包括:多個(gè)聲換能器元件；每個(gè)聲換能器元件包括換能器的多元件陣列的元件；每個(gè)聲換能器元件能夠沿第一軸線機(jī)械地響應(yīng)于接收的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以當(dāng)由電耦合至換能器的對(duì)應(yīng)的相對(duì)面的一對(duì)電極沿第二軸線施加接收的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)沿第一軸線振動(dòng)，其中第二軸線與第一軸線基本垂直；以及其中該多個(gè)換能器元件相對(duì)于彼此設(shè)置在陣列的面中，使得設(shè)置在兩個(gè)相鄰換能器元件之間的公共電極共享在所述兩個(gè)相鄰的換能器元件之間，并充當(dāng)該相鄰的換能器元件中每個(gè)的一個(gè)電極或一對(duì)電極。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]為了更完整地理解本構(gòu)思的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖參照下面的對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，在附圖中:
[0020]圖1示出在厚度模式和側(cè)向耦合模式下驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷PZT的示例性示意圖；
[0021]圖2示出具有共享電極構(gòu)造的單個(gè)兩層PZT的示例性示意圖；
[0022]圖3示出示例性實(shí)施方式，其中(a)為用于測(cè)試32元件成像或42元件HIFU線性陣列的實(shí)驗(yàn)裝置，(b)為原點(diǎn)位于陣列中心的笛卡爾坐標(biāo)系；
[0023]圖4示出示例性模型和設(shè)置在模型中的線；
[0024]圖5示出示例比較(a)以厚度模式驅(qū)動(dòng)的單層換能器與(b)以側(cè)向模式驅(qū)動(dòng)的兩層換能器之間的電阻抗測(cè)量值的曲線圖；
[0025]圖6示出電阻抗的某些示例，(a)幅度，(b) 32元件相控陣列元件在水中的相位測(cè)量值；(I):側(cè)向模式，(2)對(duì)應(yīng)于兩層陣列元件的厚度模式，(3)對(duì)應(yīng)于單層換能器的厚度模式；
[0026]圖7示出來(lái)自32元件成像陣列的中心元件的示例性脈沖回波脈沖響應(yīng):(a-b)為測(cè)量到的發(fā)送的脈沖及其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化FFT，并且(c-d)為波形的脈沖回波測(cè)量值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化FFT ；
[0027]圖8示出當(dāng)該陣列聚焦時(shí)的XY和YZ面中的示例性標(biāo)準(zhǔn)化輻射壓力幅度測(cè)量值:其中(a-b)為聚焦于(0，0，30)mm處的測(cè)量值，(c_d)為聚焦于(0，10，30)mm處的測(cè)量值
[0028]圖9示出模型中的四個(gè)尼龍線的掃描圖像；
[0029]圖10示出具有側(cè)向振動(dòng)模式的4層PZT換能器的示例性示意圖；
[0030]圖11示出具有側(cè)向振動(dòng)模式的4層PZT換能器的頻譜；
[0031]圖12示出具有側(cè)向振動(dòng)模式的雙頻2層PZT換能器的示例，其中(a)為雙頻換能器的單獨(dú)元件的構(gòu)造，并且(b)為完全組裝的雙頻換能器；
[0032]圖13示出用于二維陣列的六層換能器元件的構(gòu)造的示例性示意圖，并且示出了實(shí)際的6層元件；以及
[0033]圖14示出(a)使用六層元件制造的8x82D陣列的略圖；(b)陣列的示出使用低溫焊錫球的電連接器的底視圖；以及(c)8x82D陣列照片。
【具體實(shí)施方式】
[0034]如上所述，有用的是減少相控陣列的電阻抗并將該電阻抗控制為接近源阻抗，使得該陣列能夠在不使用電匹配電路的情況下被驅(qū)動(dòng)。還期望便于從換能器陣列或換能器的區(qū)域移除熱量，以在工作期間(尤其是處于較高功率或?qū)τ谳^長(zhǎng)的工作時(shí)間而言)將換能器陣列或換能器的區(qū)域保持在可接受的工作溫度限制內(nèi)。這在如下情況下尤其有用:換能器或陣列或其它部件的物理特性可能由工作期間的溫度的不期望或意外的升高而受到不利影響或改變或降低性能。
[0035]發(fā)明人和/或 申請(qǐng)人:中的一些或全部已經(jīng)提交了用于改進(jìn)換能器裝置設(shè)計(jì)以及換能器裝置的制造的申請(qǐng)，這些申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。例如，參見(jiàn)來(lái)自第11/600，301號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)和第60/736,713號(hào)臨時(shí)申請(qǐng)的第2007/0167764A1號(hào)美國(guó)專利公布，這些文獻(xiàn)的內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
[0036]本公開(kāi)提供了可使用在診斷與HIFU(高強(qiáng)度聚焦超聲)相控陣列構(gòu)造中的多層式側(cè)向模式換能器元件(和/或陣列)的驅(qū)動(dòng)、使用方法、制造、以及設(shè)計(jì)的構(gòu)思。本系統(tǒng)和方法提供了高效容易的方法來(lái)減小具有小寬度厚度比的陣列元件的大電阻抗以及減小高功率應(yīng)用的溫度。
[0037]作為示例性實(shí)施方式，并且為了證實(shí)側(cè)向耦合方法，我們?cè)谙旅嬉允纠f(shuō)明來(lái)描述一維線性32元件(770kHz)成像和42元件(1.45Mhz)高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)相控陣列的制造和性能，其中示例的延伸對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的。本討論和示例示出本側(cè)向模式耦合技術(shù)的益處。本示例中的陣列均已由發(fā)明人測(cè)試并且在沒(méi)有電匹配電路的情況下被驅(qū)動(dòng)。這減少了制造陣列的時(shí)間以及制造成本和復(fù)雜度。通過(guò)在設(shè)計(jì)中增加更多層，能夠輕易地實(shí)現(xiàn)電阻抗的進(jìn)一步減小。
[0038]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明的多層式換能器元件在壓電陶瓷板的側(cè)向模式下被驅(qū)動(dòng)。為了使性能最大化，我們由軟PZT-5陶瓷板構(gòu)造陣列，并利用其與硬PZT陶瓷板(例如，PZT-4)相比更高的介電常數(shù)(ετ)、耦合因子(k31)、以及機(jī)電常數(shù)(d31)。表1示出硬PZT-4和軟PZT-5陶瓷的材料特性。當(dāng)然，這些特性僅僅是示例性的并且旨在說(shuō)明本示例，并不意在限制或詳盡可用于本范圍的特性的可能范圍。
【權(quán)利要求】
1.聲學(xué)裝置，包括: 多個(gè)聲換能器元件； 每個(gè)所述聲換能器元件包括換能器的多元件陣列的元件； 每個(gè)所述聲換能器元件能夠沿第一軸線機(jī)械地響應(yīng)于接收的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以當(dāng)由一對(duì)電極沿第二軸線施加所述接收的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)沿所述第一軸線振動(dòng)，其中所述一對(duì)電極與所述換能器的對(duì)應(yīng)的相對(duì)面電耦合，所述第二軸線基本垂直于所述第一軸線，以及 其中所述多個(gè)聲換能器元件相對(duì)于彼此設(shè)置在所述多元件陣列的面中，使得設(shè)置在兩個(gè)相鄰的聲換能器元件之間的公共電極在所述兩個(gè)相鄰的聲換能器元件之間被共享，并充當(dāng)所述兩個(gè)相鄰的聲換能器元件中每個(gè)的一個(gè)電極或一對(duì)電極。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個(gè)聲換能器元件沿所述第二軸線堆疊，以沿所述第二軸線一個(gè)位于另一個(gè)旁邊地形成元件的線型陣列，并從所述線型陣列的與所述第二軸線垂直的工作面發(fā)送聲能。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述裝置包括聲換能器元件和夾在所述陣列的每?jī)蓚€(gè)相鄰聲換能器元件之間的導(dǎo)電電極的交替序列。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個(gè)聲換能器元件設(shè)置在所述陣列中，以形成沿所述第二軸線并沿與所述第一軸線和所述第二軸線基本垂直的第三軸線延伸的陣列。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述陣列元件沿標(biāo)準(zhǔn)笛卡爾坐標(biāo)系的X維度(第二軸線)和y維度(第三軸線)延伸并沿所述標(biāo)準(zhǔn)笛卡爾坐標(biāo)系的z維度(第一軸線)輻射聲能。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一換能器元件具有沿所述第一軸線的第一物理維度，以具有由所述第一物理維度限定的第一對(duì)應(yīng)諧振頻率，第二換能器元件具有與所述第一物理維度不同的第二物理維度并具有由所述第二物理維度限定的第二對(duì)應(yīng)諧振頻率，所述第二對(duì)應(yīng)諧振頻率不同于所述第一對(duì)應(yīng)諧振頻率。
7.制造換能器元件的聲學(xué)陣列的方法，包括: 提供多個(gè)聲換能器元件，其中每個(gè)所述聲換能器元件具有限定其空間范圍的多個(gè)維度，所述多個(gè)維度包括沿第一軸線的第一維度，所述聲換能器元件在由電驅(qū)動(dòng)信號(hào)激發(fā)時(shí)沿所述第一軸線福射聲能； 沿與所述第一軸線基本垂直的至少第一軸線在所述陣列的工作面中機(jī)械地布置所述多個(gè)換能器元件； 提供多個(gè)導(dǎo)電箔，所述多個(gè)導(dǎo)電箔充當(dāng)電極以向所述換能器元件傳輸電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述多個(gè)導(dǎo)電箔插設(shè)在所述多個(gè)聲換能器元件之間，使得相鄰的一對(duì)換能器元件共享位于該對(duì)換能器之間的同一電極；以及 使用電驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)所述導(dǎo)電電極驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)換能器元件。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述布置的步驟包括沿著單個(gè)軸線相對(duì)于彼此布置所述換能器元件。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述布置的步驟包括沿著均與所述第一軸線垂直的兩個(gè)維度布置所述換能器元件。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括向所述陣列的表面施加低溫焊料，以將所述換能器元件連接至所述陣列。
【文檔編號(hào)】H01L41/083GK103946996SQ201280055479
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月20日
【發(fā)明者】庫(kù)萊沃·許尼寧, 宋俊昊 申請(qǐng)人:新寧研究院