CN101797166B - 超声波探头、超声波成像设备及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声波探头、超声波成像设备及其制造方法。超声波探头包含：后部块，其具有预定厚度；柔性印刷电路板，其堆叠于后部块上以围绕后部块的顶面和侧面，且上面形成有布线图案；压电晶片，其堆叠于柔性印刷电路板的顶面上，且具有分别形成于其两侧上的上部和下部电极以及形成于其中的多个第二孔；接地电极板，其堆叠于压电晶片的顶面上，结合到上部电极且连接到柔性印刷电路板的接地层；声匹配层，其堆叠于接地电极板的顶面上；声透镜，其结合在声匹配层上；以及多个狭槽，其在垂直于第二孔的方向上形成，且从声匹配层中延伸到后部块的顶部。在后部块、压电晶片以及声匹配层中的至少一者中形成多个孔，且以矩阵阵列的形式形成布线图案。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波探头、超声波成像设备及其制造方法，且更特定来说，涉及一种用于增强振动性质(vibration property)且改善超声波图像的聚焦以获得清晰图像的超声波探头、超声波成像设备及其制造方法。
背景技术
超声是使用超声波检查人体的组织的方法，其将超声波照射到人体的患病区域(affected area)且通过从反射信号产生的图像来检测异常组织。超声用以诊断例如肿瘤等病变或测试胚胎。
超声波被定义为具有高于人可听见的频率范围的频率(大体上为20,000Hz到30MHz)的声音。用于人体诊断的超声波在1MHz到20MHz的范围内。
可将用于超声的超声成像设备划分为三个部分，即，超声波探头、信号处理器和显示器。超声波探头转换电信号和超声波信号，且信号处理器处理接收信号和发射信号。显示器使用从超声波探头和信号处理器获得的信号来产生图像。特定来说，超声波探头是决定超声波图像的质量的重要部件。
超声波探头大体上包含压电晶片(piezoelectric wafer)、电极、声匹配层(acoustic matching layer)、印刷电路板和声透镜(acoustic lens)。超声波探头的大小在减小，这就需要布置用于处理超声波探头中的超声波信号和电信号的布线图案的方法以及用于改善振动性质和聚焦以获得清晰超声波图像且加宽信号带宽的技术。
发明内容
本发明提供一种用于增强超声波成像设备的振动性质且改善超声波图像的聚焦以获得清晰图像的超声波探头、超声波成像设备及其制造方法。
根据本发明的一方面，提供一种超声波探头，其包括：后部块，其具有预定厚度，且所述后部块具有形成于其中的第一孔；柔性印刷电路板，其堆叠于所述后部块上以围绕所述后部块的顶面和侧面，且上面形成有布线图案；压电晶片，其堆叠于所述柔性印刷电路板的顶面上，且具有分别形成于其两侧上的上部和下部电极以及形成于其中的多个第二孔，且所述第一孔对应于所述第二孔；接地电极板(ground electrode plate)，其堆叠于所述压电晶片的顶面上，结合到所述上部电极且连接到所述柔性印刷电路板的接地层；声匹配层，其堆叠于所述接地电极板的顶面上；声透镜，其结合在所述声匹配层上；以及多个狭槽，其在垂直于所述第二孔的方向上形成，且从所述声匹配层中延伸到所述后部块的顶部。所述柔性印刷电路板包含：基膜，其由绝缘材料形成，且具有结合到所述后部块的底面以及与所述底面相对的顶面；以及布线图案，其形成于所述基膜的两侧上。所述布线图案包含：中央布线图案，其形成于所述基膜的所述顶面上，具有形成于相邻第二孔之间的中央垫，经由通路连接到所述中央垫，且经由所述基膜的所述底面而延伸到所述后部块的外部；第一布线图案，其具有形成于所述中央垫的一侧处的第一垫，连接到所述第一垫，且布置于所述基膜的所述顶面的一侧处；第二布线图案，其具有形成于所述中央垫的另一侧上的第二垫，连接到所述第二垫，且布置于所述基膜的所述顶面的另一侧处；保护层(protective layer)，其形成于所述中央布线图案的底面上以及所述第一和第二布线图案的顶面上以保护所述中央布线图案、所述第一和第二布线图案；以及接地层，其形成于所述第一和第二布线图案的所述顶面上所形成的所述保护层上，且连接到所述接地电极板。
根据本发明的另一方面，提供一种超声波成像设备，其包含：超声波探头；以及主体，其具有连接到所述超声波探头的连接器。
根据本发明的另一方面，提供一种制造超声波探头的方法，其包含：第一堆叠步骤，其依序堆叠压电晶片、接地电极板以及声匹配层；第二孔形成步骤，其在所述压电晶片中形成多个第二孔；第二堆叠步骤，其依序堆叠后部块和柔性印刷电路板；第三堆叠步骤，其在所述柔性印刷电路板上堆叠所述压电晶片；狭槽形成步骤，其形成垂直于所述第二孔的多个狭槽以使得所述狭槽从所述声匹配层延伸到所述后部块的顶部；以及结合步骤，其将声透镜结合到所述声匹配层上。
根据本发明，在后部块、压电晶片以及声匹配层中的至少一者中形成多个孔，且经由一次性切块过程(one-time dicing process)来形成多个狭槽以使得狭槽从声匹配层延伸到后部块的顶部，而以矩阵阵列的形式形成布线图案。因此，振动性质和聚焦可得以改善以获得清晰图像。
此外，本发明减少了超声波信号干扰且提供了宽带宽和高灵敏度。
另外，以矩阵阵列的形式布置布线图案以控制超声波信号或用于超声的功率，且因此可调节聚焦深度，扩大超声区域且获得清晰图像。
另外，将超声波探头连接到超声波成像设备的主体的连接器位于主体的顶部上，且因此用户可方便地使用超声波成像设备。
通过参看附图来详细描述本发明的示范性实施例，将更加明白本发明的上述和其它特征与优点。
附图说明
图1说明根据本发明的第一实施例的超声波成像设备。
图2A是根据本发明的第一实施例的超声波探头的横截面图。
图2B是根据本发明的第一实施例的超声波探头的透视图。
图3是根据本发明的一实施例的柔性印刷电路板的透视图。
图4A是沿着图3的线A-A取得的横截面图。
图4B是沿着图3的线B-B取得的横截面图。
图5为制造根据本发明的第一实施例的超声波探头的方法的流程图。
图6说明形成根据本发明的第一实施例的超声波探头的狭槽的方法。
图7是根据本发明的第二实施例的超声波探头的横截面图。
图8为制造根据本发明的第二实施例的超声波探头的方法的流程图。
图9是根据本发明的第三实施例的超声波探头的横截面图。
图10为制造根据本发明的第三实施例的超声波探头的方法的流程图。
图11A是根据本发明的第四实施例的超声波探头的横截面图。
图11B是根据本发明的第四实施例的超声波探头的透视图。
图12为制造根据本发明的第四实施例的超声波探头的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参看附图更完全地描述本发明，附图中示出了本发明的示范性实施例。然而，本发明可以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文陈述的实施例；而是，提供这些实施例以使得本发明将为详尽且完整的，且将本发明的概念完全传达给所属领域的技术人员。在全部图中，相同附图标记指代相同元件。
图1为根据本发明的第一实施例的超声波成像设备10。参看图1，超声波成像设备1包含主体11、超声波探头100、显示器13和输入单元14。
主体11包含发射和接收电信号和超声波信号的信号处理器以及存储超声所需要的应用程序(programs)和数据的存储单元。此外，用于将超声波探头100连接到主体11的连接器15提供于主体11外部。连接器15安置于主体11的顶部上以使得用户可容易将超声波探头100连接到主体11。
超声波探头100包含与患者的患病区域接触的声透镜80以及覆盖超声波探头100的其它组件的壳体90。声透镜80用于对超声波图像进行聚焦，且经布置以覆盖安置于声透镜80下方的声匹配层。声透镜80可由硅制成。将在稍后详细解释超声波探头100的被壳体90覆盖的其它组件。
显示器13显示通过为超声和检查而执行的应用程序所获得的超声波图像。
输入单元14用以执行检查所需的应用程序或输入数据，且包含多个按键。
现将参看图2A和图2B解释根据本发明的第一实施例的超声波探头100。图2A是根据本发明的第一实施例的超声波探头100的横截面图，且图2B是根据本发明的第一实施例的超声波探头100的透视图。
根据本发明的第一实施例的超声波探头100包含依序堆叠的后部块10、柔性印刷电路板20、压电晶片50、接地电极板60以及声匹配层70。虽然根据本发明的第一实施例的超声波探头100包含安置于声匹配层70上的声透镜80(图1所示)，但图2A和图2B中未示出声透镜。
后部块10位于超声波探头100的底部处，且吸收从压电晶片50行进到后部块10的非所需的超声波信号。
柔性印刷电路板20位于后部块10的顶面上且具有形成于其两侧上的布线图案。稍后将更详细地解释柔性印刷电路板20。
压电晶片50布置于柔性印刷电路板20的顶面上，且具有分别形成于其两侧上的上部电极55和下部电极57以及多个第二孔53。
虽然于本发明的第一实施例中的压电晶片50中形成有两个第二孔53，但第二孔的数目不限于此。压电晶片50可由PZT或PMN-PT形成。上部电极55和下部电极57是通过溅镀、电子束、热蒸镀(thermal evaporation)或电镀而形成。上部电极55连接到接地电极板60，且下部电极57连接到柔性印刷电路板20。
接地电极板60具有形成于其顶面上的金属层和形成于其底面上的绝缘层，且围绕压电晶片50的顶面和侧面。柔性印刷电路板20包含接地层。接地电极板60的底端连接到柔性印刷电路板20的接地层。
声匹配层70由金属粉末或陶瓷粉末制成，且形成于接地电极板60的顶面上。
多个狭槽83经形成以使得所述多个狭槽83在垂直于第二孔53的方向上从声匹配层70延伸到后部块10的顶部。虽然根据本发明的第一实施例的超声波探头100具有五个狭槽83，但狭槽83的数目不限于此。
声透镜(未图示)用于对超声波图像进行聚焦，且位于声匹配层70的顶面上。
现在将参看图2A、图2B、图3、图4A以及图4B来解释根据本发明的第一实施例的柔性印刷电路板20和布线图案。图3是柔性印刷电路20的透视图，图4A是沿着图3的线A-A取得的横截面图，且图4B是沿着图3的线B-B取得的横截面图。
图3示出了在形成狭槽83之前的柔性印刷电路板20。狭槽83的位置由图3中的虚线指示。
柔性印刷电路板20包含基膜31和布线图案。基膜31由绝缘材料制成。基膜31的底面结合到后部块10的顶面，且基膜31的顶面与所述底面相对。将布线图案划分为中央布线图案33、第一布线图案35以及第二布线图案37，且形成于基膜31的两侧上。
中央布线图案33形成于基膜31的顶面上，且包含形成于相邻第二孔53之间的区中的中央垫43。中央布线图案33通过通路39连接到中央垫43，且通过基膜31的底面延伸到后部块10的外部。此处，中央布线图案33交替地布置于中央垫43的一侧和另一侧上。因此，图4A中所示的中央布线图案33位于中央垫43的右侧处，而图4B中所示的中央布线图案33形成于中央垫43的左侧处。
第一布线图案35包含第一垫45，第一垫45形成于中央垫43的一侧处、连接到第一垫45且布置于基膜31的顶面的一侧处。第二布线垫37包含第二垫47，第二垫47形成于中央垫43的另一侧处、连接到第二垫47且布置于基膜31的顶面的另一侧处。
用于保护布线图案的保护层41形成于中央布线图案33的底面上以及第一布线图案35和第二布线图案37的顶面上。此处，中央垫43、第一垫45以及第二垫47未由保护层41保护，且其经暴露以连接到压电晶片50的下部电极57。
接地层49形成于第一布线图案35和第二布线图案37上形成的保护层41上，且连接到接地电极板60。
虽然中央垫43、第一垫45以及第二垫47在根据本发明的第一实施例的柔性印刷电路板20中形成3×6的矩阵阵列，但其可形成3×64到3×192的矩阵阵列。
此外，虽然根据本发明的第一实施例的柔性印刷电路板20具有三个布线图案，包含中央布线图案33、第一布线图案35以及第二布线图案37，但布线图案的数目不限于此。如果形成五个布线图案，那么中央布线图案交替地形成于基膜的底面的一侧和另一侧上，两个布线图案形成于中央布线图案的一侧上，且另外两个布线图案形成于中央布线图案的另一侧上。所述两个布线图案分别布置于柔性印刷电路板的两端处。
一般来说，在压电晶片50和柔性印刷电路板20的接触部分处实现电路连接。1.5D(维度)超声波探头具有多层级电路结构，以便连接超身波探头的两端上的电路。然而，超声波探头100的振动和声学性质随着后部块10、压电晶片50和声匹配层70、柔性印刷电路20以及接地电极板60的厚度减小而增加。因此，根据本发明的柔性印刷电路板20的两侧上的电路未连接于柔性印刷电路板20与压电晶片50的接触部分处，且柔性印刷电路板20的两端彼此结合，如图2B所示，且因此与压电晶片50接触的柔性印刷电路板20的厚度减小以改善超声波探头100的声学性质。
现在将参看图2到图6解释制造根据本发明的第一实施例的超声波探头的方法。图5为制造根据本发明的第一实施例的超声波探头的方法的流程图，且图6说明形成根据本发明的第一实施例的超声波探头的狭槽的方法。
参看图5，在步骤S711中依序堆叠压电晶片50、接地电极板60以及声匹配层70。
在步骤S713中在压电晶片50中形成所述多个第二孔53。
在步骤S715中依序堆叠后部块10和柔性印刷电路板20。
在步骤S721中将在步骤S711中堆叠的压电晶片50定位于在步骤S715中堆叠的柔性印刷电路板20的顶面上。
当依序堆叠后部块10、柔性印刷电路板20、压电晶片50、接地电极板60以及声匹配层70时，在步骤S723中形成所述多个狭槽83以使得所述多个狭槽83在垂直于第二孔53的方向上从声匹配层70延伸到后部块10的顶部。
在步骤S725中将声透镜(未图示)结合在形成有狭槽83的声匹配层70上以覆盖声匹配层70的整个表面。声透镜由例如硅等材料形成，且使用硅底漆(silicon primer)将声透镜结合到声匹配层70上。
在步骤S727中将接地电极板60连接到柔性印刷电路板20的接地层59，且将柔性印刷电路板20的两端彼此结合以连接第一布线图案45和第二布线图案55来构造电路。
现在将参看图6解释在步骤S723中形成狭槽83的方法。
参看图6，使用切块机(dicing machine)500以便在步骤S723中所堆叠的后部块10、柔性印刷电路板20、压电晶片50、接地电极板60以及声匹配层70中形成狭槽83。图6所示为形成五个狭槽83中的四个。
在步骤S723中使用的切块机500可用以在压电晶片50中形成第二孔53。
在堆叠和结合步骤中使用通用型环氧树脂结合根据本发明的超声波探头，因为可通过涂覆通用型环氧树脂薄达1到2μm而实现电结合。虽然通用型环氧树脂代替具有相对弱的粘性的导电型环氧树脂，但用以结合超声波探头的粘合剂不限于通用型环氧树脂。
现在将参看图7和图8解释根据本发明的第二实施例的超声波探头200。图7是根据本发明的第二实施例的超声波探头200的横截面图，且图8为制造根据本发明的第二实施例的超声波探头200的方法的流程图。
根据本发明的第二实施例的超声波探头200包含形成于后部块110中的多个第一孔113以及形成于压电晶片150中的多个第二孔153。第一孔113的数目等于第二孔113的数目，且第一孔113和第二孔153具有相同大小。根据本发明的第二实施例的超声波探头200可减少超声波干扰，且根据形成于后部块110中的第一孔113来改善振动性质。
参看图7和8，在步骤S611中依序堆叠压电晶片150、接地电极板160以及声匹配层170。在步骤S613中在压电晶片150中形成所述多个第二孔153，且在步骤S617中在后部块110中形成对应于第二孔153的第一孔113。
在步骤S619中依序堆叠形成有第一孔113的后部块110以及柔性印刷电路板120。此处，更需要在后部块110中形成第一孔113且随后在后部块110上堆叠柔性印刷电路板120。
在步骤S621中，在步骤S619中安置于后部块110上的柔性印刷电路板120上堆叠着在步骤S611中布置的压电晶片150。
在步骤S623中形成垂直于第二孔153的多个狭槽(未图示)以使得狭槽从声匹配层170延伸到后部块110的顶部。
在步骤S625中将声透镜(未图示)结合到形成有狭槽的声匹配层170上以覆盖声匹配层170的整个表面。
在步骤S627中将接地电极板160连接到柔性印刷电路板120的接地层(未图示)且将柔性印刷电路板120的两端彼此结合以连接第一和第二布线图案(未图示)，进而构造电路。
现在将参看图9和10解释根据本发明的第三实施例的超声波探头200。图9是根据本发明的第三实施例的超声波探头300的横截面图，且图10为制造根据本发明的第三实施例的超声波探头300的方法的流程图。
根据本发明的第三实施例的超声波探头300包含形成于压电晶片250中的多个第二孔253以及形成于声匹配层270中的多个第三孔273。此处，第二孔273的数目等于第三孔273的数目，且第二孔253和第三孔273具有相同大小。根据本发明的第三实施例的超声波探头300根据形成于声匹配层270中的第三孔273而减少超声波干扰以改善振动性质。
参看图9和图10，在步骤S511中依序堆叠压电晶片250、接地电极板260以及声匹配层270。在步骤S513中在压电晶片250中形成所述多个第二孔253，且在步骤S515中在声匹配层270中形成对应于第二孔253的第三孔273。
在步骤S519中依序堆叠后部块210和柔性印刷电路板220。
在步骤S521中，在步骤S519中安置于后部块210上的柔性印刷电路板220上堆叠着在步骤S511中布置的压电晶片250。
在步骤S523中形成垂直于第二孔253的多个狭槽(未图示)以使得狭槽从声匹配层270延伸到后部块210的顶部。
在步骤S525中将声透镜(未图示)结合到形成有狭槽的声匹配层270上以覆盖声匹配层270的整个表面。
在步骤S527中将接地电极板260连接到柔性印刷电路板220的接地层(未图示)且将柔性印刷电路板220的两端彼此结合以连接第一和第二布线图案(未图示)，进而构造电路。
现在将参看图11A、图11B和图12解释根据本发明的第四实施例的超声波探头400。图11A是根据本发明的第四实施例的超声波探头400的横截面图，图11B是根据本发明的第四实施例的超声波探头400的透视图，且图12为制造根据本发明的第四实施例的超声波探头400的方法的流程图。
根据本发明的第四实施例的超声波探头400包含形成于后部块310中的多个第一孔313、形成于压电晶片350中的多个第二孔353以及形成于声匹配层370中的多个第三孔373。第一孔313的数目、第二孔353的数目以及第三孔373的数目是相同的，且第一孔313、第二孔353和第三孔373具有相同大小。根据本发明的第四实施例的超声波探头400可根据形成于后部块310、压电晶片350以及声匹配层370中的第一孔313、第二孔353和第三孔373而将层间干扰减到最少来改善振动性质。
参看图11A、图11B和图12，在步骤S411中依序堆叠压电晶片350、接地电极板360以及声匹配层370。在步骤S413中在压电晶片350中形成所述多个第二孔353，且在步骤S415中在声匹配层370中形成对应于第二孔353的第三孔373。在步骤S417中在后部块310的上部部分中形成对应于第二孔353和第三孔373的第一孔313。
在步骤S419中依序堆叠着形成有第一孔313的后部块310和柔性印刷电路板320。
在步骤S421中在步骤S419中安置于后部块310上的柔性印刷电路板320上堆叠着在步骤S411中布置的压电晶片350。
当在步骤S421中依序堆叠后部块310、柔性印刷电路板320、压电晶片350、接地电极板360以及声匹配层370时，在步骤S423中形成垂直于第二孔353的多个狭槽383以使得狭槽383从声匹配层370延伸到后部块310的顶部。
在步骤S425中，将声透镜(未图示)结合到形成有狭槽383的声匹配层370上以覆盖声匹配层370的整个表面。
在步骤S427中将接地电极板360连接到柔性印刷电路板320的接地层359且将柔性印刷电路板320的两端彼此结合以连接第一和第二布线图案(未图示)，进而构造电路。
已通过实施例描述了根据本发明的超声波探头、超声波成像设备以及其制造方法。虽然已参考本发明的示范性实施例来特定绘示且描述了本发明，但所属领域的技术人员将了解，在不脱离由所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下可在其中作出各种形式和细节上的改变。
Claims (10)
1.一种超声波探头，其包括：
后部块，其具有预定厚度，且所述后部块具有形成于其中的第一孔；
柔性印刷电路板，其堆叠于所述后部块上以围绕所述后部块的顶面和侧面，且上面形成有布线图案；
压电晶片，其堆叠于所述柔性印刷电路板的顶面上，且具有分别形成于其两侧上的上部和下部电极以及形成于其中的多个第二孔，且所述第一孔对应于所述第二孔；
接地电极板，其堆叠于所述压电晶片的顶面上，结合到所述上部电极且连接到所述柔性印刷电路板的接地层；
声匹配层，其堆叠于所述接地电极板的顶面上；
声透镜，其结合至所述声匹配层上；以及
多个狭槽，其在垂直于所述第二孔的方向上形成，且从所述声匹配层中延伸到所述后部块的顶部，
其中所述柔性印刷电路板包括：
基膜，其由绝缘材料形成，且具有结合到所述后部块上的底面以及与所述底面相对的顶面；以及
布线图案，其形成于所述基膜的两侧上，其中所述布线图案包括：
中央布线图案，其形成于所述基膜的所述顶面上，具有形成于相邻的所述第二孔之间的中央垫，经由通路连接到所述中央垫，且经由所述基膜的所述底面而延伸到所述后部块的外部；
第一布线图案，其具有形成于所述中央垫的一侧处的第一垫，连接到所述第一垫，且布置于所述基膜的所述顶面的一侧处；
第二布线图案，其具有形成于所述中央垫的另一侧处的第二垫，连接到所述第二垫，且布置于所述基膜的所述顶面的另一侧处；
保护层，其形成于所述中央布线图案的底面上以及所述第一和第二布线图案的顶面上以保护所述中央布线图案、所述第一和第二布线图案；以及
接地层，其形成于所述第一和第二布线图案的所述顶面上所形成的所述保护层上，且连接到所述接地电极板。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其中所述声匹配层具有形成于其中的第三孔，所述第三孔对应于所述第二孔。
3.根据权利要求2所述的超声波探头，其中所述第一、第二以及第三孔具有相同大小。
4.根据权利要求3所述的超声波探头，其中第一孔的数目、第二孔的数目以及第三孔的数目等于二或四。
5.根据权利要求1所述的超声波探头，其中所述中央布线图案交替地布置于所述基膜的一侧和另一侧上。
6.根据权利要求5所述的超声波探头，其中所述柔性印刷电路板的两端彼此结合以使得所述第一和第二布线图案彼此连接。
7.根据权利要求6所述的超声波探头，其中所述中央垫、所述第一垫和所述第二垫形成3×96矩阵阵列。
8.根据权利要求7所述的超声波探头，其中狭槽的数目为95。
9.一种超声波成像设备，其包括：
根据权利要求1或2所述的超声波探头；以及
主体，其具有连接到所述超声波探头的连接器。
10.根据权利要求9所述的超声波成像设备，其中所述连接器位于所述主体的顶部上。
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