CN101237947B

CN101237947B - 弯曲的二维阵列换能器

Info

Publication number: CN101237947B
Application number: CN2006800292408A
Authority: CN
Inventors: H·孔克尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2026-07-24
Also published as: US20080315724A1; WO2007017780A2; WO2007017780A3; CN101237947A; EP1912748B1; EP1912748A2; JP2009504057A; US7821180B2; JP5161773B2

Abstract

本发明提供了一种弯曲的二维阵列换能器，其包括覆盖ASIC层(26)的压电材料层(20)，其中该ASIC层附着到基底翼(16)上。在正交的方位角方向和高度方向上切割该压电材料(20)，以便形成换能器元件的二维阵列，其中高度方向上的切割切口延伸穿过该ASIC层(26)，从而可以在方位角方向上弯曲该压电层(20)和该ASIC层(26)。所述基底翼(16)提供一个柔性基板，其可以被弯曲并且同时支撑该ASIC层(26)和压电元件(20)。在第二个例子中，所述压电层(20)和ASIC层(26)附着到柔性电路的相对侧，该柔性电路在该压电层(20)和ASIC层(26)被切割之后提供所述柔性基板。

Description

弯曲的二维阵列换能器

技术领域

本发明涉及医疗诊断超声系统，并且特别涉及在方位角维度中是弯曲的二维阵列换能器。

背景技术

在超声成像中，一维弯曲线性阵列换能器已被商业使用多年。弯曲阵列由于其宽视场而特别有用，并且可以用在诸如妇产科成像之类的应用中。小而紧凑的弯曲阵列常被用于留置探头，比如直肠内探头和阴道内探头。换能器阵列的弯曲以发散的扇状图案分散波束，并且减小波束控制和聚焦所需的电子延迟。传统上通过把压电换能器材料部分地切割到柔性基板中来制造弯曲阵列，从而形成平坦但是柔性的线性阵列。随后在一块基底(backing)材料上弯曲所述柔性线性阵列，该块基底材料被加工成所期望的曲率并且提供声学阻尼以及保持新弯曲的阵列的形状。随后通常利用柔性电路制成到各换能器元件的露出端的电连接。

虽然上述处理对于一维弯曲阵列工作良好，但是在尝试生产弯曲的二维(2D)阵列时则面临更多挑战。由于无法通过信号导线的侧面附着而到达所述2D阵列的内部的元件，因此必须从所述阵列的背面制作内部元件连接。由于所述阵列的背面是弯曲的，从而使得连接到这些内部阵列元件变得很复杂。此外，任何二维(2D)阵列的信号导线和控制导线的数目都可能变得非常多。减少系统中所存在的导线数目的一种方法是在换能器中合并专用集成电路(ASIC)，其对来自各组元件的信号进行预成形、组合及处理，从而把输出导线的数目减少到一个可管理的数量。然而，大量阵列元件与所述ASIC的互连仍然可能是成问题的。

在平坦阵列中，可以通过把所述ASIC直接接合到换能器阵列层叠中来简化所述互连问题。在不穿透所述ASIC的情况下切割该层叠，并且产生各单独的阵列元件，所述阵列元件与该ASIC直接电接触。但是对于弯曲阵列来说，刚性ASIC在换能器阵列层叠中的存在使得弯曲该阵列非常困难。因此，期望提供一种能够客服上述困难的制造弯曲的2D阵列换能器的方法。

发明内容

根据本发明的原理，提供一种弯曲的二维阵列换能器，其允许把具有ASIC或其他集成电路的平坦阵列换能器弯曲成所期望的形状。这是通过首先把ASIC和柔性基板接合到所述阵列层叠中而实现的，其中该ASIC被插入在压电材料与所述柔性基板之间。随后把该阵列层叠切割到所述柔性基板中，其中的切口穿透所述ASIC并且将其分成沿着方位角轴的各片段。

在一个例子中使用一种新颖的ASIC，其在将通过切割而被去除的区域内没有电路。每个ASIC片段都具有完整的功能，并且独立地控制每个方位角位置处的高度(elevational)元件。现在可以在一个弯曲的基底块上弯曲该阵列层叠，并且各单独的ASIC片段被连线在一起以便恢复所有ASIC片段的控制。在高度方向上限定各元件的切口不穿透所述ASIC，这是因为在这一方向上没有弯曲。

在本发明的另一个例子中，所述柔性基板是被插入在所述压电材料与ASIC之间的柔性电路。在这种情况下，从顶部把所述压电材料切割到所述柔性电路中，并且在单独的步骤中从底部把所述ASIC切割到所述柔性电路中。该柔性电路提供该ASIC与各阵列元件之间的连接，并且充当柔性基板。此外，所述柔性电路可以被设计成提供从(方位角的或高度的)阵列间距到ASIC间距的过渡。

附图说明

在附图中：

图1是本发明的弯曲二维换能器阵列层叠的透视图。

图2是以横截面图示出的本发明的换能器阵列层叠的各层的方位角视图。

图2A是图2的换能器阵列层叠的各层的立视图。

图3示出了在本发明的2D阵列的柔性基底翼上的元件的弯曲。

图4是根据本发明的原理构造的2D阵列的顶部平面图。

图5是本发明的一个例子的透视图，其中基底翼形成所述柔性基板。

图6示出了可以被用来连接到本发明的2D换能器阵列的各元件的ASIC的不同层。

图7是图5的例子的横截面立视图。

图8示出了本发明的一个例子的横截面立视图，其中到ASIC的连接从所述柔性基板制成。

图9是本发明的另一个例子的透视图，其中柔性电路提供所述柔性基板。

图10是图9的例子的横截面立视图。

图11是本发明的一个例子的横截面立视图，其中换能器元件的间距不同于ASIC的间距。

具体实施方式

首先参照图1，其中示出了2D弯曲的换能器阵列10。该换能器阵列由换能器元件12的矩阵形成，所述换能器元件形成在弯曲表面上，并且位于弯曲基底块14上。在本例中，该换能器阵列在方位角(AZ)维度上是弯曲的，并且每一行元件在高度(EL)维度上是线性的。该基底块14提供把所述换能器元件12固定在其适当位置处所必须的刚性弯曲表面。该基底块还提供一种用来衰减发射自所述阵列的背面的多余声学能量的措施。如图2中所示，所述换能器阵列由覆盖在ASIC和基底材料层16上的换能器材料层的层叠形成。该基底材料层16被称作基底翼。通过切割穿过所述层叠材料和ASIC并且切割到该基底翼16中来限定各各个换能器元件。该基底翼用来把所述换能器阵列固定在一起，并且其是柔性的，从而其可以被形成在所述基底块14上。具有高声学阻抗的导电材料的去匹配层(dematching layer)阻止从压电层20到ASIC26中的声学能量的耦合。所述导电材料在压电元件20与该去匹配层24下方的ASIC的电路之间传导信号。该去匹配层24通过导电凸块28接合到ASIC，所述导电凸块还在所述两层之间提供空间。在本例中，在压电层20上方是3个阻抗匹配层，以便把压电的阻抗与组织相匹配。根据本发明的原理，对所述各层的声学层叠进行切割，其中切口在高度维度上行进，其延伸穿过所有各层并且到达基底翼16中，正如图2中的白色切割切口所示。为了便于这些切口，所述ASIC的各电路元件被设置在最终得到的压电元件的下方，并且不在方位角方向中的各元件之间行进，其中制成高度方向中的切口。因此，这些切割切口可以完全延伸穿过所述ASIC并且到达基底翼中，而不会损坏任何ASIC电路。一旦进行了切割之后，可以如所述阵列层叠下方的箭头所示依照一条弧线弯曲该阵列层叠。

图2A从高度方向上示出了图2的换能器层叠。可以看出，该方向上的切割切口延伸穿过匹配层22、压电层20和去匹配层24，并且在ASIC层26上方的空间处终止，所述空间由导电凸块28产生。当仅仅在方位角方向上弯曲该换能器层叠时(如图1和2中所示)，没有必要在该方向上切割ASIC，因为每一个高度行的换能器元件在该例中都保持线性。

图3示出了在弯曲表面上弯曲基底翼16以为其给出所期望的曲率之后的所述2D阵列的拱形结构。在该图示中夸大了所述曲率，以便更好地进行说明。该图示出了导电凸块28，在切割之前组装各层时把所述导电凸块定位在去匹配层24与ASIC层26之间。所述导电凸块把层24与层26间隔开，以便为在方位角方向上切割元件提供容限。通过把切割锯条伸到由所述导电凸块在层24与层26之间产生的空间中来制成切口。这样做允许在方位角方向上切割所述ASIC上方的各层而无需切到该ASIC中，从而允许电路和导线在高度方向上穿过该ASIC。因此，在该例中，方位角方向上的切割切口仅仅延伸到ASIC26上方的空间，并且高度方向上的切割切口完全延伸穿过ASIC并且到达基底翼16中，以便允许在方位角方向上弯曲所述阵列，正如图3中所示出的那样。

图4示出了在方位角方向上具有21个元件并且在高度方向上具有5个元件的阵列层叠的顶表面。在其中一行中对5个压电元件20进行了编号。在该图的顶部，连接焊盘34沿着所述阵列的一侧排列，连线或柔性电路导线62可以通过所述焊盘附着到每一行，以便传导由该行的各元件发送和/或接收的信号。连接焊盘34在该例中位于ASIC层26的上表面上，该ASIC层从压电层叠的剩余部分的一侧延伸出去。该ASIC层还在所述阵列的另一侧从压电层叠延伸出去，连接焊盘36位于该处以便把控制信号施加到该ASIC电路。在该例中，通过连线或柔性电路导线48把所述焊盘36总线连接在一起。

图5是在弯曲所述层叠之前的本发明的二维阵列的另一个例子的透视图。该层叠被组装在基底翼16上，其中ASIC层26直接位于该基底翼上。可以看到，连接焊盘34处在ASIC26的顶表面附近，并且控制线连接焊盘36处在该ASIC之上(如图的后面所示)。在该例中，控制连接焊盘36通过从一个焊盘到下一个焊盘的连线48被“缝”在一起。导电凸块位于ASIC26的顶部与去匹配层24之间，并且在该图示中是不可见的。通过在高度方向上延伸的切割切口80切割穿过了所述层叠并且到达基底翼16。还通过在方位角方向上延伸的切割切口81切割穿过该层叠并且到达由所述导电凸块28产生的该ASIC26上方的空间。从而准备好将该层叠弯曲成其最终所期望的形状。

图6是构成ASIC26的各层40-44以及该ASIC的顶表面32和底表面46的概念图。该图描绘了仅对应于图4中的21个方位角元件行的其中之一的ASIC片段。该ASIC片段的5个视图被分解，并且全部以顶视图示出以便观看。顶层32示出了该ASIC片段的顶部。在该ASIC片段的一端有连接焊盘34，其通过垂直通孔连接到接收层42。与连接焊盘34相邻的是连接焊盘35，其通过垂直通孔连接到发送层44。连接焊盘35被用来向该ASIC和各换能器元件施加驱动信号。如果如图4的例子中所示对于每一个方位角行仅仅存在单一发送/接收线，则组合所述发送和接收连接焊盘以及对应的各层是可以接受的。在该例中，连接焊盘34用来把发送和接收线连接到所附着的柔性电路。5个导电电镀区域21位于所述ASIC之上，其与覆盖的去匹配层24相接触，并且向和从该ASIC上方的每一个压电元件传导信号。每一个区域21通过一个通孔连接到发送层44以把驱动信号施加到各压电元件，并且还通过第二通孔连接到接收层42，在该处接收来自各元件的信号。在所述顶层的右侧有6个连接焊盘36，在该处为该ASIC行上方的5个压电元件施加控制信号。在本例中，所述控制信号当中的几个专用于控制一对元件。一个控制信号控制外部(最左和最右)元件的发送信号路径中的开关，另一个控制信号控制这些外部元件的接收信号路径中的开关。另一对控制信号控制第二和第四元件的发送和接收信号路径，再一对控制信号控制该行的中心元件的发送和接收信号路径。这样就在不需要高度方向上的操控时约束这些元件以对称的对进行操作。这种设置是典型的1.5D阵列。通过为非对称操作添加更多控制线，可以在2D模式下操作所述阵列，在该模式下，可以在高度方向上从一端到另一端操控及聚焦波束。

图6的ASIC的下一层是开关层40，由来自连接焊盘36的控制信号所控制的开关和延迟元件位于该层中。在接收层42中，已经在开关层40中被开关及延迟的接收自各换能器元件的信号被总线连接到与连接焊盘34相连的通孔。在发送层44中，来自连接焊盘35的发送信号被分配到对应于每个换能器元件的通孔。通过开关层40中的电路来开关这些通孔，并且可以按照所期望的那样对其进行延迟。层46示出了ASIC26的底部。该图示出了用于把控制信号带到所述ASIC的第二种方法，即通过该ASIC底部的6条导线47。来自这些导线的信号通过从导线47向上延伸穿过所述ASIC的通孔而被施加到开关层40中的电子装置。到导线47的连接可以通过位于基底翼16上或者穿过该基底翼的导线17来实现。

图7示出了如何能够把受控信号带到图5的例子中的换能器元件以及从中带走受控信号。ASIC26中的导电线路54从连接焊盘34向下延伸，并且随后向上延伸到该ASIC上方的元件行中的每一个元件。由于线路54向上延伸到每一个去匹配层和压电元件下方的导电凸块28，因此其连接穿过受控开关和/或延迟元件50。这些受控元件50由通过ASIC中的控制线52所施加的控制信号来控制。控制线52又连接到ASIC之上的控制信号连接焊盘36。在该例中，通过ASIC之上的柔性电路条带60把控制信号带到连接焊盘36。导线62把信号带到与导电线路54相连的连接焊盘34和各元件并且从中带走信号。

在图8中给出了从ASIC26的底部把信号带到受控元件50的一个例子。电极条带56沿着基底翼16的表面排列，并且把控制信号带到控制线52，其中可以从ASIC26的底部接入所述控制线52。这种结构允许形成更窄的层叠，这是因为不需要该层叠的侧面上的对应于所述控制信号柔性电路60的区域。

图9是本发明的另一个例子的透视图，其中通过柔性电路70来促进所述阵列的弯曲。在该例中，柔性电路70位于ASIC层26与去匹配层24之间。ASIC层26附着到柔性电路70的底部，并且去匹配层24、压电层20和匹配层22被组装在该柔性电路之上。通过在方位角方向和高度方向上延伸到柔性电路70中的切口80和81来切割该柔性电路上方的层叠。利用在高度方向上延伸并且与切割切口80对准的切口82来切割ASIC26。在给出切割切口的足够宽度的情况下，随后可以通过弯曲柔性的柔性电路层70在方位角方向上弯曲所述阵列，该柔性电路层是在弯曲该弯曲阵列时将其固定在一起的基板。在本例中不使用基底翼。可以在弯曲了所述阵列层叠之后将声学基底浇铸或附着在该阵列层叠的后面。

图10示出了一种用于把控制线和信号线带到图9例子的各元件并且将其从中带走的一种技术。导线74延伸穿过柔性电路层70以便通过外部导线62和ASIC26中的总线54把输入信号带到各换能器元件并且从中带走输出信号。总线54通过柔性电路层70中的导线74a-74e被分配到每个元件。对应于每个元件的受控开关和/或延迟元件50由ASIC中的控制线52控制，所述控制线耦合到处在柔性电路70的下面的控制信号导线36。在本例中不需要导电凸块，这是因为没有必要在ASIC与去匹配层之间产生切割容限空间。相反，如图所示，所述去匹配层直接附着到所述柔性电路的顶表面，并且所述切割切口进入该柔性电路很短的距离。

图11示出了本发明的另一个例子，其中，柔性电路层70提供了在该柔性电路层上方的压电层叠与该柔性电路层下方的ASIC区域之间的不同间距之间的过渡。在本例中，去匹配层24、压电层20以及匹配层22被按照与图10相同的间距切割。如通过虚线分开的5个区域26a-26e所示，ASIC26具有更大间距。可以看到，导线74a-74e通过在该例中经由其穿过柔性电路层70的路径从各换能器元件的中心延伸到对应于每个元件的ASIC区域的中心来适应这些不同的间距。因此，通过所述柔性电路层的适当布局，在本发明的一个例子中可以适应对应于ASIC区域和换能器元件的不同间距。

Claims

1.一种弯曲的二维阵列换能器，其包括：

基底材料层；

集成电路层，其覆盖该基底材料层；以及

压电材料层，其覆盖该集成电路层并且电耦合到该集成电路层，

其中，该压电材料层在第一和第二正交方向上被切割，并且该集成电路层在第二方向上被切割。

2.权利要求1的弯曲的二维阵列换能器，其中，通过共同的切割切口在第二方向上切割所述压电材料层和集成电路层。

3.权利要求2的弯曲的二维阵列换能器，其中，在第一方向上弯曲该阵列换能器。

4.权利要求1的弯曲的二维阵列换能器，还包括位于所述压电材料层与所述集成电路层之间的去匹配材料层。

5.权利要求4的弯曲的二维阵列换能器，其中，第一方向上的切割切口延伸穿过压电材料层并且在该压电材料层与集成电路层之间终止。

6.权利要求5的弯曲的二维阵列换能器，还包括形成去匹配材料层与集成电路层之间的电连接和空间的导电片段层，

其中，第一方向上的切割切口在该空间中终止。

7.权利要求1的弯曲的二维阵列换能器，其中，所述集成电路层还包括连接到与该阵列的各压电元件位置对准的多个位置的多条信号导线，

其中，所述多个位置在第二方向上延伸。

8.权利要求7的弯曲的二维阵列换能器，其中，所述集成电路层还包括在第二方向上延伸的多条控制信号导线。

9.权利要求8的弯曲的二维阵列换能器，其中，从所述集成电路层的顶部接入所述控制信号导线。

10.权利要求8的弯曲的二维阵列换能器，其中，从所述集成电路层的底部接入所述控制信号导线。

11.权利要求1的弯曲的二维阵列换能器，还包括：

柔性电路层，其覆盖集成电路层并且电耦合该集成电路层，以及位于压电材料层之下并且电耦合该压电材料层。

12.权利要求11的弯曲的二维阵列换能器，其中，所述柔性电路包括把所述压电材料层的各元件与所述集成电路层的位于底部的电路电连接的多条导线。

13.权利要求12的弯曲的二维阵列换能器，其中，所述多条导线包括发送或接收信号导线的至少其中之一。

14.权利要求12的弯曲的二维阵列换能器，其中，所述集成电路层的电路展现出与所述压电材料层的各覆盖元件相同的间距。

15.权利要求12的弯曲的二维阵列换能器，其中，所述集成电路层的电路在至少一个方向上展现出与所述压电材料层的各覆盖元件不同的间距。

16.权利要求11的弯曲的二维阵列换能器，其中，所述集成电路层包括与所述压电材料层的各元件相关联的多个受控电元件，

其中，所述柔性电路层包括电耦合到该集成电路层的各受控电元件的多条控制信号导线。