CN104226577B - 用于微加工的超声换能器的声学镜片 - Google Patents

用于微加工的超声换能器的声学镜片 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于微加工的超声换能器的声学镜片。在一个实施例中，换能器堆栈可包括电容微加工的超声换能器(CMUT)、声镜片、以及在其之间的匹配层。该匹配层可由柔性材料(例如弹性体和／或流体)制成，并被配置为与CMUT一起使用。该匹配层可包括在该换能器的顶表面之上的底表面，以及在镜片的底表面之下的顶表面。

Description

用于微加工的超声换能器的声学镜片
对相关申请的交互引用
本申请要求，2013年3月15日提出的申请案号为61／793,124，名称为“用于微加工的超声换能器的声学镜片”的美国临时专利申请的优先权，这里通过引用将其公开内容结合于此。
技术领域
本发明通常涉及超声换能器，特别是超声换能器的匹配层。
背景技术
在超声成像设备中，主体的图像是通过传输一个或多个来自声波换能器的脉冲进入体内而创建。响应于该脉冲的反射回波信号由相同或不同的换能器检测。回波信号引起换能器元件产生电子信号，该电子信号被超声波系统分析，以创建回波信号的一些特征的图，如它们的振幅、功率或频移等。因此该图可以作为图像显示给用户。
一种类型的换能器是微加工超声换能器(MUT)，其可以由例如，硅制成并配置为发送和接收超声波能量。MUT可包括电容微加工的超声换能器(CMUTs)和压电微加工超声换能器(PMUTs)。相对于传统的换能器，MUT可提供许多优势，例如，更低的生产成本，减少的制造时间，和／或更宽的频率带宽。然而，MUT可能脆弱并通常地用于一次性的内部超声成像的应用中。
在外部探测器中使用换能器一般包括将声镜片粘结或以其他方式附加在换能器上。声镜片可防止换能器损坏和／或也可提供声学聚焦到一个主体。在一些低频应用中，MUT可用于具有声镜片的外部探测器，例如，弹性体材料。然而，由于越高频率材料的声衰减越大等原因，这些弹性体镜片可能不适用于高频超声的应用(例如，高于15MHz)。因此，需要用于适合使用在更高的频率的MUT探测器的低损耗和持久的声镜片。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种超声换能器堆栈，包括第一匹配层，具有第一顶表面和第一底表面，其中所述第一匹配层包括柔性材料(compliant material)，以及其中所述第一匹配层具有第一厚度和第一声阻抗；镜片层，具有覆盖在所述第一顶表面上的第二底表面，第二顶表面，和第二厚度，其中所述镜片层具有第二厚度和第二声阻抗；以及换能器层，具有在所述第一底表面和所述第二底表面下的第三顶表面，其中所述第三层包括微加工的超声换能器，被配置为在中心频率产生超声波，以及其中所述第三顶表面包括所述换能器的上膜。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于外部使用的超声换能器堆栈，所述超声换能器堆栈包括第一匹配层，具有第一顶表面和第一底表面，其中所述第一匹配层包括第一柔性材料，以及其中所述第一匹配层具有第一声阻抗；镜片层，具有覆盖在所述第一顶表面上的第二底表面，以及第二顶表面被配置为放置于倚靠主体的外皮，其中所述镜片层具有与所述第一声阻抗不同的第二声阻抗；以及第三层，具有在所述第一底表面和所述第二底表面下的第三顶表面，其中所述第三层包括微加工的超声换能器，被配置为产生超声波。
附图说明
图1是现有技术中的电容微加工超声换能器的侧示图。
图2A是根据本公开的技术的一个或多个实施例配置的超声换能器堆栈的等轴前视图。
图2B是根据本公开的技术的一个实施例配置的超声换能器堆栈的放大侧视图。
图3A和图3B是根据本公开的技术的一个实施例配置的超声换能器堆栈的侧视图。
图4A和图4B是根据本公开的技术的一个实施例配置的超声换能器堆栈的侧视图。
具体实施方式
本技术通常涉及配置用于超声换能器的匹配层。应当理解的是许多以下讨论的细节被提出以描述以下的实施例，其描述方式足够使得在相关领域熟练的技术人员制造并使用公开的实施例。然而，下面描述的几个细节可能并不是实践本技术的某些实施例所必需的。此外，该技术可包括在权利要求范围内、但并未参考图1-4B进行详细描述的其他实施例。
使用示例的换能器堆栈从一主体捕获超声波数据通常包括产生超声波，向主体传送超声波，以及接收由主体反射的超声波。广泛的频率的超声波可以被用来捕获超声波数据，例如，可以使用低频率超声波(如，低于15MHz)和／或高频超声波(例如，大于或等于15MHz)。那些本领域普通技术人员可以很容易地基于，例如但不限于，图像的深度和／或所需的分辨率等因素，确定使用哪个频率范围。
公开的换能器可以可操作地连接至超声波成像系统，用于超声波数据的生成、传输、接收和处理。例如，可以使用能提供任何频率的超声波信号的超声波扫描装置对超声波进行传输、接收和处理。在本公开的一些方面，可以使用能运行在15MHz或者以上的超声波系统或设备，而在其他方面，也可以使用配置为运行在低于15MHz的超声波系统或设备。虽然下面公开的换能器可被用于超声医学测量和／或成像应用，它们并不局限于这些用途。在一些实施例中，例如，以下的换能器可用于生物计量应用，例如指纹扫描仪。
图1是现有技术中的电容微加工超声换能器的侧示图。换能器100包括耦合到上电极104的电源101，下电极102置于衬底114(例如，硅衬底)上。上电极104耦合或邻近膜108。如下所详述的，上电极104可被配置为引起108膜偏转，其可例如引起超声波从其传播开。间隙110允许膜108充分向下偏转(如，朝向下电极102)而不与下电极102和／或衬底114接触。膜108可响应于例如上、下电极102和104之间的电压的变化的和／或施加在膜108上的声能(例如，超声波)而偏转。
在所示的实施例中，换能器被配置为电容微加工超声换能器(CMUT)。本领域普通技术人员可理解，可由电源101将偏置电压施加在上电极104和下电极102。电源101可包括交流电流源和／或直流电流源(图中未显示)。冲击在换能器100上的声能(例如超声波)可以偏转膜108，引起上、下电极102和104之间的电压变化，以产生电信号。相反地，在上、下电极102和104之间施加交流电信号可以偏转膜108，以产生超声波信号，从而从换能器100传播开。
图2A是根据所公开的技术的实施例所配置的超声换能器堆栈200的等轴前视图。换能器200包括在第一层220以下的换能器堆栈层201和第二层224。换能器201可包括，例如，单个阵列元素，换能器元素的一维阵列，或换能器元素的多维阵列。此外，换能器201可以由本领域已知的任何合适的换能器制成，例如，压电换能器，CMUT，压电微加工超声换能器(PMUT)等。换能器顶表面203位于第一层底表面223之下，第一层顶表面221在第二层底表面225之下。第二层顶表面226可被应用于主体或放置接近一主体(例如，人类，动物，等等)。
图2B是根据本公开的实施例配置的换能器堆栈200的侧视图。在所示的实施例中，换能器层包括CMUT(例如，图1的换能器100)。本领域普通技术人员应理解，CMUT换能器(如，换能器201)可能脆弱，并缺乏其他类型的换能器的耐久性(如，压电(PZT)换能器)。然而，将低声损失和耐用的硬材料直接放置到CMUT换能器上会显著降低阵列的效率，甚至可能阻止阵列工作。因此，如下进一步详细地描述，以镜片(例如，第二层224)和换能器之间的相对薄的柔性层(例如，第一层220)组装超声换能器的堆栈(例如，换能器201)允许换能器有效地发射超声波，且还将换能器201和第二层224进行结合。此外，结合硬的外层还可保持换能器的平整度，从而提高换能器的效率和准确性。
参照图2A和2B，第一层220由柔性材料(例如，PDMS类型硅胶)制成，被配置为将第二层224加入或耦合至换能器201。然而，在其他实施例中，第一层220可由例如任何在该领域已知的适合匹配层的材料所制成，例如，弹性体、凝胶、聚合材料等。在进一步的实施例中，第一层220可由任何合适的流体制成，例如，如水、油等等。在一些实施例中，例如，第一层220可是一个薄的、具有低杨氏模量的低硬度层(例如低于100MPa)。
如图2A和2B所示，第二层224可被配置为位于第一层220之上或者接近第一层220的声窗。本领域普通技术人员应理解，第二层224可以是低声损耗的持久层并且可以鲁棒地保护换能器201不受影响和／或暴露于污染物，同时保护主体(例如，人类患者，小动物等)免于换能器201产生的过量的热和／或电。第二层224可以由本领域已知的适用于超声成像的任何镜片材料制成，例如，塑料、塑料复合材料、聚合物，等等。在一些实施例中，例如，第二层224可由热固性交联苯乙烯共聚物(如，Rexolite)和／或聚甲基戊烯(例如，TPX)制成。
尽管图2A和2B所示的实施例仅示出第一层220和第二层224，根据所公开的技术，可选地可使用超过两层。在一些实施例中，例如，至少第三层(图中未显示)，其具有大约在第一层的第一声阻抗和第二层的第二声阻抗之间的声阻抗。换言之，例如，一个薄的复合层(图中未显示)可被用于或结合至换能器200之中、在第一层220和第二层224之间。在复合层之中的层可包括从第一声阻抗向第二声阻抗逐渐变化的声阻抗(如，增加或减少)从而提高第一层220和第二层224之间的匹配。
在一些实施例中，第一层220可具有小于感兴趣的超声波频率范围的1／4波长的厚度。然而，在其他实施例中，第一层220可具有感兴趣的超声波频率的任何合适的分数(例如，1／1，1/2，1/4，1／8等等)的波长的厚度。在一些实施例中，例如，第一层220的厚度可被选为适当薄，以减少通过第一层的衰减，还具有合适的厚度以允许换能器201的膜的运动，且不被第二层224妨碍。此外，在所示的实施例中，第二层224被显示为具有第二厚度T2，其大于第一层220的第一厚度T1。然而，在其他实施例中，第一厚度T1可具有等于或大于第二厚度T2的厚度。在一些进一步的实施例中，第一层220可以基于例如，性能特征(如MUT的薄膜厚度、细胞结构特性等)和／或从超声换能器201发出频率，具有不同厚度。在一些实施例中，例如，第二层224可以被配置为可移除地附接在第一层220上，从而多个不同层224(图中未显示)可以附接至换能器201和第一层220。
本领域普通技术人员应理解，直接将第二层224粘合在换能器201可能阻止或减少从换能器201发射的超声波能量。例如，将第二层224置于直接接触或接近接触换能器201可能极大地阻碍响应于阵列中的交流电流的变化的膜108的运动(图2A)。因此，将第一层220(例如，一层由柔性材料制成的层)放置在换能器201和第二层224之间可允许膜108的运动，同时也提高它们之间的声阻抗匹配。在一些实施例中，第一层220也可以被配置为将第二层224粘附、结合或者耦接至换能器201。
在其他一些实施例中，例如，换能器堆栈200可包含额外的层。例如，第一层220和换能器201之间的空隙层可包括换能器201上的薄材料或涂层物质，其能保护换能器201不被腐蚀，且足够薄，从而不会明显影响换能器201的性能。第一层220可以包括，例如，水或其他合适的液体，其声阻抗相对类似于第二层224的声阻抗。
本领域普通技术人员应能理解，第一层220和第二层220之间的声阻抗失配可能造成混响和／或环状回声。减少声阻抗不匹配的影响的一种方法是在第一层220和第二层224之间创建纹理的接口，例如，如图3所示。减少声阻抗不匹配的影响的另一种方法是配置和／或选择第一层220，以具有至少大致接近第二层224的声阻抗的声阻抗，反之亦然。例如，一种方法是由一种复合材料形成第一层220，该复合材料具有与形成第二层224的材料相似的声阻抗。本领域技术人员应理解，将更致密的颗粒材料添加到所选择的第一层可增加产生的复合材料的密度，因此增加声阻抗。例如，在一个实施例中，次微米颗粒可以掺杂到第一层220以增加或减少质量，或者改变第一层220的密度以尽可能接近匹配第二层224。在其他一些实施例中，例如，第一层220可以掺杂多个微米级的颗粒和纳米级的颗粒。例如，第一层220可包括低硬度柔性材料，例如，硅胶，以及可以将微米级的粉末添加至硅胶。然而，仅仅将微米级的颗粒添加至第一层220可能导致微米级的粉末沉淀到第一层220的底部。因此，可将具有纳米级的颗粒的第二粉末添加到第一层220，以填补多个微米级的颗粒之间的空间。该内容将在以下参照图4A和4B进一步详细地描述。
图3A是换能器堆栈300的侧视图，其根据本公开的一个实施例配置。第一层320将第二层324耦合至换能器201。第二层324的有纹理的表面325在第一层320的顶表面321之上，和／或与其接触，并且包括多个凹槽322和多个脊部323。脊部323被配置为延伸进入第一层320的厚度的一部分。在所示的实施例中，凹槽322和脊部323纵向延伸笔直地穿过第二层324。然而，在其他实施例中，凹槽322和脊部322可能有其他图案，例如，螺旋，对角线，之字形等等。
普通的技术人员应理解，通过提供在第一层320和第二层324之间的渐进的接口，有纹理的表面325可减少在换能器栈300中的声阻抗不匹配。有纹理的表面325也可以在一些实施例中提高第一层320和第二层324之间的附着。参照如上关于第一层220的描述，第一层320可以例如，由柔性材料制成，例如，硅胶或其他合适的低硬度、可以结合到换能器201的材料。
图3B是换能器堆栈301的侧视图，其根据本公开的一个实施例进行配置。第一层340将第二层344耦接至换能器201。第二层345的底表面345位于第一层340的顶表面342之上，和／或与其接触。底表面345包括多个峰346和多个谷347，在其之间形成多个凹槽348。在所示的实施例中，从第二层344延伸到第一层340的谷347约等于第一层340的厚度。然而，在其他实施例，谷347可只延伸第一层340的厚度的一部分。
图4A是根据本公开的实施例配置的换能器堆栈400的侧视图。图4B是图4A的一部分的放大图。一起参照图4A和4B，换能器堆栈400包括在换能器201和第二层224之间的第一层420。如图4A所示，第一层420可以具有在第二层224(如，声镜片或窗口)的底表面之下的顶表面。第一层也可以具有覆在换能器201的顶表面(例如，图1的膜108和／或上电极104)上的底表面。第一层420可以是匹配层，被配置为用于具有掺杂或填充了第一颗粒428(以下简称“第一颗粒”)和第二颗粒429(以下简称“第二颗粒”)的基质材料427的超声波。例如，在一些实施例中，基质材料427可以由柔性材料制成(如，PDMS-类型硅胶、弹性体、流体，和／或任何合适的低硬度的具有相对较低的杨氏模量(例如，小于100MPa)的材料)，以及换能器201可以被配置为参考图1所述的CMUT换能器。然而，在其他的实施例中，基质材料427可由环氧树脂或其他合适的材料制成，且换能器201可以配置为压电换能器(PZT)以配置用于超声波。
如在美国专利8,343,289中更详细地解释，并在此处完整地引用，第一颗粒428和／或第二颗粒429可分别基于第一层420的期望的操作参数(声阻抗、声衰减、导电性、密度等)进行选择。在一些实施例中，例如，第一颗粒428可包括合适的第一金属(例如，钨、金、铂、它们的合金，和／或其混合物)的微米级的颗粒(例如，大于或等于一微米)的，以及第二颗粒429可包括第一金属的纳米级颗粒(例如，小于1微米)或合适的第二金属(例如，钨、金、铂、等等)。在其他实施例中，例如，第一颗粒428和第二颗粒429可由相同的材料制成。
除非上下文中明确地要求相反地，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和类似物应被理解为开放式包含，而不是独有或者穷尽地，也即，包含，但不限于。如本文中所使用的，“连接”、“耦接”或者其任何变形表示在两个或者多个元素之间的任何直接或者非直接的连接或者耦接；在元素之间的耦接和连接可以是物理的、逻辑的，或者其组合。此外，词组“之中”、“之上”、“之下”以及具有类似意义的词，用于本申请中，指的是整个的申请，而并不是申请的特定的一部分。当上下文允许时，在具体实施例中的使用单数或者复数的词可还分别包括复数或单数。涉及两个或多个项目的一列表的单词“或”，覆盖以下所有的解释：在该列表中的项目的任一个，在该列表中的所有项目，以及该列表中的项目的任何组合。
上面所公开的技术的具体实施例不在于穷尽或将所公开的技术限制在以上所公开的精确形式。虽然为了说明目的，所公开的技术的具体的实施例在以上进行说明，在所公开的技术范围内，各种等同的修改都是可能的，相关领域技术人员应能理解。例如，尽管过程或块以一给定的顺序示出，可选的实现可能会执行例程，或使用系统，该例程的步骤，以及该系统的块，具有不同的顺序，以及一些流程或块可被删除、移动、添加、细分、结合，和／或修改以提供替代或子组合。每个过程或块可以各种不同的方式实现。同时，过程或块有时显示为串行进行，这些过程或块也可并行进行或实现，或在不同的时间被执行。进一步地，这里指出的任何具体的数字只是例子：替代实施例可能采用不同的值或范围。
此处提供的所公开的技术的教导可以应用到其他系统，并不一定是上面描述的系统。上面描述的不同例子中的元素和行为可以被组合以提供所公开的技术的进一步实现。所公开的技术的一些替代的实现可不仅包括上面所提到的实现的额外的元素，也可能包括更少的元素。
根据上面的具体实施例，可对所公开的技术进行这些和其他改变。虽然上述描述描述了所公开的技术的某些例子，并描述了所考虑的最佳方式，无论上面的文本方式多么详细，公开的技术可在多方面习得。系统的细节可能在其具体实现上相差很大，其还是被此处所披露的所公开的技术所包含。如上所述，在描述某些特性或公开的技术的某些方面所使用的特定的术语不应该被认为暗示该术语被重新定义以局限于与该术语相关联的所公开的技术的任何特定的特征、特性、或方面。一般来说，下列权利要求中所使用的术语不应被解释为将所公开的技术限制在说明书中公开的具体例子，除非上面具体实施例部分明确地定义了这样的术语。

Claims (25)

1.一种超声换能器堆栈，包括：
换能器层，具有顶表面，其中所述换能器层包括微加工的超声换能器；
镜片层，具有覆盖在所述换能器层的所述顶表面上的底表面，其中所述镜片层包括聚甲基戊烯或者热固性交联苯乙烯共聚物镜片材料；以及
中间层，具有顶表面和底表面，其中，所述中间层的所述顶表面位于所述镜片层的所述底表面之下，其中，所述中间层的所述底表面覆盖在所述换能器层的所述顶表面之上，并且其中所述中间层包括具有硬度低于所述镜片层和所述超声换能器的所述顶表面的硬度的材料。
2.如权利要求1所述的换能器堆栈，其中所述中间层包括具有小于100MPa的杨氏模量的材料。
3.如权利要求1所述的换能器堆栈，其中所述中间层具有第一厚度，以及所述镜片层具有第二厚度，以及其中所述第一厚度小于所述第二厚度。
4.如权利要求1所述的换能器堆栈，其中所述中间层所具有的厚度小于由所述微加工的超声换能器产生的超声波信号的中心频率的1/4波长。
5.如权利要求1所述的换能器堆栈，其中所述微加工的超声换能器被配置为产生中心频率为15MHz或高于15MHz的超声波。
6.如权利要求1所述的换能器堆栈，其中所述镜片层的所述底表面包括多个脊部和在所述多个脊部之间的多个凹槽。
7.如权利要求1所述的换能器堆栈，其中所述中间层包括加载了第一多个微米级的颗粒和第二多个纳米级的颗粒的基质材料。
8.如权利要求7所述的换能器堆栈，其中所述第一多个微米级的颗粒，是基于所述中间层的要求的声阻抗所选出。
9.如权利要求1所述的换能器堆栈，还包括位于所述中间层和所述镜片层之间的匹配层。
10.如权利要求9所述的换能器堆栈，所述匹配层被配置为提供在所述中间层的声阻抗和所述镜片层的声阻抗之间的声阻抗梯度。
11.如权利要求1所述的换能器堆栈，其中所述镜片层可移除地附接至所述中间层。
12.一种用于外部使用的超声换能器堆栈，所述超声换能器堆栈包括：
镜片层，具有顶表面，被配置为放置于倚靠主体的外皮，其中所述镜片层包括具有第一声阻抗和第一柔性的聚甲基戊烯或者热固性交联苯乙烯共聚物镜片材料；以及
微加工的超声换能器，包括具有第二柔性的顶部；以及
位于所述镜片层和所述微加工的超声换能器的所述顶表面之间的中间层，其中所述中间层具有与所述镜片层的所述第一声阻抗不同的声学阻抗，以及其中所述中间层包括具有硬度低于所述微加工的超声换能器硬度和所述镜片层硬度的材料。
13.如权利要求12所述的换能器堆栈，其中所述中间层包括PDMS类型硅胶。
14.如权利要求12所述的换能器堆栈，其中所述微加工的超声换能器的所述顶部包括抗腐蚀材料。
15.如权利要求12所述的换能器堆栈，其中所述镜片层可移除地附接至所述中间层。
16.如权利要求12所述的换能器堆栈，其中所述镜片层还包括具有多个脊部的底表面，以其中相邻的脊部由凹槽分隔。
17.如权利要求12所述的换能器堆栈，其中所述中间层包括具有第一多个微米级的颗粒和第二多个纳米级的颗粒的材料。
18.如权利要求12所述的换能器堆栈，其中所述中间层包括流体。
19.如权利要求12所述的换能器堆栈，其中所述微加工的超声换能器是电容性微加工的超声换能器(CMUT)。
20.如权利要求12所述的换能器堆栈，其中所述微加工的超声换能器是压电微加工的超声换能器(PMUT)。
21.一种超声换能器堆栈，包括
第一层，具有顶表面和底表面，其中所述第一层包括PDMS类型硅胶，以及其中所述第一层具有第一厚度和第一声阻抗；以及
聚甲基戊烯或者热固性交联苯乙烯共聚物镜片层，具有覆盖在所述第一层的所述顶表面上的底表面，其中所述镜片层具有顶表面、第二厚度和不同于所述第一层的声阻抗的声阻抗；以及
换能器层，具有在所述第一层的所述底表面和所述镜片层下的顶表面，其中所述换能器层包括微加工的超声换能器，被配置为在中心频率产生超声波，以及其中所述换能器层的所述顶表面包括所述换能器的上膜，以及其中所述第一层包括具有硬度低于所述镜片层的硬度和所述换能器层的顶表面的硬度的材料。
22.如权利要求21所述的换能器堆栈，其中所述第一层包括具有小于100MPa的杨氏模量的材料。
23.如权利要求21所述的换能器堆栈，其中所述第一厚度小于所述第二厚度。
24.如权利要求21所述的换能器堆栈，其中所述第一厚度所具有的厚度小于所述中心频率的1/4波长。
25.如权利要求21所述的换能器堆栈，其中所述中心频率为15MHz或高于15MHz。
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