CN105127082A - 超声换能器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换能器技术领域，提供了一种超声换能器及其制造方法，所述超声换能器，包括第一压电层、第二压电层、声匹配层背衬层、电路板以及第一接地铜箔、第二接地铜箔，所述第一压电层包括第一本体以及凸出于所述第一本体上表面的凸台，所述电路板置于所述第一本体上，所述电路板上设有贯通的容置槽，所述凸台置于所述容置槽内。本发明中，设置的凸台与容置槽嵌合的结构，减少了对于超声换能器声学性能的影响，同时降低了对压电器件电极制作方面的要求，使得制作更容易，成本更低。

Description

超声换能器及其制作方法

技术领域

本发明涉及换能器技术领域，更具体地说，是涉及一种超声换能器。

背景技术

用于诊断超声成像设备的超声换能器，其工作原理是将激励的电脉冲信号转换为超声波信号进入患者体内，再将超声回波信号转换为电信号，从而实现能量的转换。超声换能器又称为探头，是决定图像质量的关健部件，其核心声学部件压电层通常采用压电陶瓷、高分子复合材料、单晶压电材料制作。

图1所示为现有的一种超声换能器，其包括压电层1’、声匹配层2’、背衬块3’、声透镜4’、电路板5’和信号接地铜箔6’。电路板5’与压电层1’的正极接触，用于压电层1’与超声设备主机之间电信号的传递。这种结构换能器结构简单易于实现，但是对于低频小节距探头，频率越低的压电层厚度越厚，节距小的阵元面积越小，这样导致阵元的电容量偏小而阻抗偏高，和整机端的阻抗严重失配，因此导致阵元灵敏度偏低。

图2所示为现有的另一种超声换能器。在图2中，超声换能器采用了双层的压电层1’(双层的压电层1’的正电极相对，故电路板5’设置在两个压电层1’之间)，设置双层压电层1’的目的是增加阵元电容量并减小阵元阻抗，提高低频小节距探头的灵敏度，即是解决了图1中超声换能器存在的问题。同时，这种超声换能器的优点是结构简单，电路板设计和加工容易实现，便于装配，但另一方面也存在不足之处，由于两层压电层1’之间存在电路板5’，电路板5’的材料和压电层1’材料不同，且电路板5’具有一定的厚度，这样电路板5’会影响压电层1’的振动模式，从而对探头的声学性能产生影响。

图3所示为在图2所示基础上改进后的超声换能器。在图3中，仍然采用双层压电层1’，但通过特殊的翻边电极的形式避免了图2换能器的问题。具体地，压电层1’采用电极截面的涂镀形式示意，不连续部位为电极的绝缘槽。然而这种超声换能器产生了新的问题，一方面，翻边电极减少了压电层1’的实际可使用面积，对探头灵敏度有所影响。另一方面，如图3所示，这种叠层设计的压电层1’一侧为负极，另一侧为正极，因此用于引出阵元信号电极的电路板5’仅可于一侧引出，对于高密度探头的设计、加工方面存在一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声换能器及其制造方法，旨在解决现有技术中双层压电层超声换能器中电路板对探头声学性能存在影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种超声换能器，包括由下至上叠置的第一压电层及第二压电层、位于所述第二压电层上方的声匹配层以及位于所述第一压电层下方的背衬层，所述第一压电层与所述第二压电层之间设有电路板，所述第二压电层与所述声匹配层之间设有第一接地铜箔，所述第一压电层与所述背衬层之间设有第二接地铜箔，所述第一压电层包括第一本体以及凸出于所述第一本体上表面的凸台，所述电路板置于所述第一本体上，所述电路板上设有贯通的容置槽，所述凸台置于所述容置槽内。

可选地，所述凸台居中位于所述第一本体上。

可选地，所述凸台面积大于所述第一本体上未被所述凸台覆盖的面积。

可选地，所述电路板的厚度与所述凸台的高度相匹配。

可选地，所述凸台上表面设有第一电极，所述第二压电层包括第二本体以及设于所述第二本体下表面的第二电极，所述电路板的上表面设有第三电极，所述第二本体叠置于所述电路板上，所述第三电极与所述第一电极均与所述第二电极接触导通。

可选地，沿所述声匹配层的宽度方向设有若干平行设置的凹槽，各所述凹槽的底部延伸至所述背衬层。

可选地，所述电路板为柔性电路板。

本发明还提供了一种超声换能器的制作方法，包括以下工艺步骤：

将一第一压电层及一第二电压层分别粘贴于一电路板的两侧，所述电路板上具有贯通的容置槽，所述第一压电层上具有凸台，所述凸台穿设于所述容置槽内；将一第一接铜箔粘贴于所述第二压电层上表面，将一第二接地铜箔粘贴于所述第一压电层下表面，将一声匹配层粘贴于所述第一接铜箔上表面，将一背衬层粘贴于所述第二接地铜箔下表面形成声学部件。

进一步地，还包括切割步骤：

将所述组装形成的声学部件沿所述声匹配层的宽度方向进行切割形成平行设置的凹槽，各所述凹槽的底部延伸至所述背衬层。

具体地，所述第一压电层包括第一本体，沿所述第一本体的四周边缘开设凹槽以使所述第一本体的中部形成所述凸台。

本发明中，设置的凸台与容置槽嵌合的结构，使得凸台上的第一电极与第二压电层上的第二电极能直接触接导通，同时，电路板上的第三电极与能与第二压电层上的第二电极直接触接导通，这种方法较传统的双层压电层设计，电路板没有将第一压电层与第二压电层完全隔离开，从而减少了对于超声换能器声学性能的影响，同时，也回避了传统翻边电极使得压电层有效面积减小的问题。

附图说明

图1是现有技术中的一种超声换能器的侧视图；

图2是现有技术中的第二种超声换能器的侧视图；

图3是现有技术中的第三种超声换能器的侧视图；

图4是本发明实施例中超声换能器的侧视图；

图5是本发明实施例中第一压电层的结构示意图；

图6是本发明实施例中电路板的结构示意图；

图7是本发明实施例中超声换能器的分解示意图；

图8是本发明实施例中超声换能器各部件粘贴完成示意图；

图9是本发明实施例中超声换能器切割示意图；

图10是本发明实施例中超声换能器切割后的结构示意图；

1’-压电层；2’-声匹配层；3’-背衬块；

4’-声透镜；5’-电路板；6’-信号接地铜箔；

10-第一压电层；11-第二压电层；12-第一本体；

13-凸台；14-第二本体；15-凹槽；

20-声匹配层；30-背衬层；40-电路板；

41-容置槽；50-第一接地铜箔；51-第二接地铜箔；

60-声透镜；70-凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

参照图4、图7、图9，本发明提供的超声换能器，包括由下至上叠置的第一压电层10及第二压电层11、位于第二压电层11上方的声匹配层20以及位于第一压电层10下方的背衬层30，第一压电层10与第二压电层11之间设有电路板40，第二压电层11与声匹配层20之间设有第一接地铜箔50，第一压电层10与背衬层30之间设有第二接地铜箔51。第一接地铜箔50和第二接地铜箔51用于阵元信号地的引线。其中，第一压电层10包括第一本体12、凸出于第一本体12上表面的凸台13以及设于凸台13上表面的第一电极(图中未示出)。电路板40置于第一本体12上，电路板40的上表面设有第三电极(图中未示出)，电路板40上设有贯通的容置槽41，凸台13置于容置槽41内且第一电极裸露于容置槽41处。第二压电层11包括第二本体14以及设于第二本体14下表面的第二电极(图中未示出)，第二本体14叠置于电路板40上，第二本体14上的第二电极与电路板40上的第三电极接触导通，同时第二电极也与凸台13上的第一电极接触导通。从而，电路板40上的第三电极即同时与第一压电层10上的第一电极、第二压电层11上的第二电极导通，通过电路板40完成了双层压电层的电极信号的引出。

本发明实施例中，设置的凸台13与容置槽41嵌合的结构，使得凸台13上的第一电极与第二压电层11上的第二电极能直接触接导通，同时，电路板40上的第三电极与能与第二压电层11上的第二电极直接触接导通，这种方法较图2中传统的双层压电层设计，电路板40没有将第一压电层10与第二压电层11完全隔离开，从而减少了对于超声换能器声学性能的影响，同时，也回避了图3中传统翻边电极使得压电层有效面积减小的问题。

由图7可以看出，凸台13居中位于第一本体12上。本实施例中，第一本体12为长方形板状，凸台13沿其长度方向设置。第一本体12上未被凸台13覆盖的区域面积远小于凸台13面积。电路板40置于第一本体12上时，电路板40的大小与第一本体12上未被凸台13覆盖的区域大小相同，而电路板40的上表面设有第三电极，第三电极用于将电信号传递，在保证第三电极能将第一电极与第二电极导通以及第一电极与第二电极和主机信号传递的前提下，第三电极的面积越小越好，第三电极的面积越小，凸台13的面积就越大，相应的，凸台13上的第一电极的面积也越大。本实施例中，凸台13的面积远大于第一本体12上未被覆盖的面积，也最大程度地保证了第一电极的面积。

优选地，电路板40的厚度与凸台13的高度相匹配。由于容置槽41是贯通于电路板40设置，即容置槽41的高度与凸台13的高度是相匹配的，这样，电路板40放置于第一本体12上时，电路板40的高度与凸台13的度度平齐，从而可保证第二压电层11置于其上能更贴密地贴合。当然，凸台13上设有第一电极，电路板40上设有第三电极，第一电极与第三电极是极薄的银层或金层，第一电极和第三电极的高度可忽略不计。

声匹配层20可以为一层，也可以为两层或是更多层。实际应用中，根据被检测对象不同即应用场合的不同，设置合适的层数来实现声阻抗的匹配。

本实施例中，背衬层30固化后用于吸收背向散射能量，其可由环氧树脂混合填充物制成。

本实施例中，沿声匹配层20的宽度方向设有若干平行设置的凹槽70，各凹槽70的底部延伸至背衬层30。通过设置若干平行的凹槽70，使得超声换能器顶部形成若干独立的阵元，从而实现超声换能器更好的声传播性能。

本实施例中，电路板40用于阵元信号电极的引线，电路板40优选为柔性电路板。柔性电路板便于折叠，便于电路板40在引出时进行弯折。

本实施例中，超声换能器还包括声透镜60，声透镜60用于聚集声场以使焦点处声波能量集中进而收窄波束宽度。当然，在无损检测领域，该声透镜60也可以替换为声延迟片，用于厚度测量。

本发明实施例还提供了一种超声换能器的制作方法，包括以下工艺步骤：

制备步骤：

制备第一压电层10，预备第一本体12，于第一本体12上表面制作凸台13，并于所述凸台13上表面制作第一电极。

在本步骤中，预备第一本体12时，第一本体12的材料可以选用压电陶瓷PZT、复合材料、压电单晶等等。如图5所示，在制作凸台13时，使用划片机在第一本体12的两长度侧以及宽度侧分别切割形成凹槽15，这样第一本体12的中部相对四周的凹槽15即形成凸台13。凹槽15的深度也即是凸台13的高度，与电路板40的厚度相同，这样，后序利用凹槽15安装电路板40后，电路板40的上表面与凸台13的上表面平齐。

凸台13制作完成后，在凸台13上表面制作第一电极，第一电极可采用银或金或其他的导体材料。当然，第一本体12的下表面上也设有与第一接地铜箔50电连接的电极，此为现有公知常识，此处不作赘述。

制备第二压电层11，预备第二本体14，并于第二本体14的下表面制作第二电极；

第二本体14的形状、大小及材料与第一本体12相同，于第二本体14的下表面制作第二电极。同样的，第二本体14的上表面也设有与第二接地铜箔51电连接的电极，此处未不作重点提及。

制备电路板40，如图6所示，于电路板40上设置贯通的容置槽41，并于电路板40的上表面制作第三电极。电路板40优选柔性电路板，由图中可以看出，柔性电路板40的两端向外延伸，可向外进行弯折，便于引线。

制备声匹配层20；声匹配层20在制备时可以根据实际需要制作一层、两层或是更多层。

制备背衬层30。

制备第一接地铜箔50及第二接地铜箔51。

需要说明的是，声匹配层20、背衬层30、第一接地铜箔50及第二接地铜箔51的制作方法均与现有技术相同，此处不作赘述，而且，声匹配层20、背衬层30、第一接地铜箔50及第二接地铜箔51的制备不分先后顺序，也可同时进行。

组装步骤：

参照图7、图8，将第一压电层10的第一本体12粘贴于电路板40下表面，使凸台13穿于容置槽41内，再将第二压电层11的第二本体14粘贴于电路板40上表面，将第二接地铜箔51粘贴于第一压电层10下表面，将第一接地铜箔50粘贴于第二压电层11上表面，将声匹配层20粘贴于第一接地铜箔50上表面，将背衬层30粘贴于第二接地铜箔51下表面。这样，电路板40上的第三电极便于第二本体14下表面的第二电极接通，同时，第二本体14下表面的第二电极又与凸台13上的第一电极接通，从而完成了压电层的电极信号引线的引出。在上述的组装步骤中，在不影响整体结构的前提下，各组件的粘接也可以同时或交叉进行。

在组装步骤后，还包括切割步骤：

如图9、图10所示，在本步骤中，利用划片机对组装步骤形成的声学部件沿声匹配层20的宽度方向进行切割形成平行设置的凹槽70，各凹槽70的底部延伸至背衬层30，从而形成多个独立阵元。

在本实施例中，最后再通过粘贴或浇铸的方式形成图4所示的声透镜60，这样，换能器的核心声学部件就已经组装完成。当然，声透镜60也可以采用声延迟片来代替。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声换能器，包括由下至上叠置的第一压电层及第二压电层、位于所述第二压电层上方的声匹配层以及位于所述第一压电层下方的背衬层，所述第一压电层与所述第二压电层之间设有电路板，所述第二压电层与所述声匹配层之间设有第一接地铜箔，所述第一压电层与所述背衬层之间设有第二接地铜箔，其特征在于：所述第一压电层包括第一本体以及凸出于所述第一本体上表面的凸台，所述电路板置于所述第一本体上，所述电路板上设有贯通的容置槽，所述凸台置于所述容置槽内。

2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述凸台居中位于所述第一本体上。

3.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述凸台面积大于所述第一本体上未被所述凸台覆盖的面积。

4.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述电路板的厚度与所述凸台的高度相匹配。

5.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述凸台上表面设有第一电极，所述第二压电层包括第二本体以及设于所述第二本体下表面的第二电极，所述电路板的上表面设有第三电极，所述第二本体叠置于所述电路板上，所述第三电极与所述第一电极均与所述第二电极接触导通。

6.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：沿所述声匹配层的宽度方向设有若干平行设置的凹槽，各所述凹槽的底部延伸至所述背衬层。

7.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于：所述电路板为柔性电路板。

8.一种超声换能器的制作方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

将一第一压电层及一第二电压层分别粘贴于一电路板的两侧，所述电路板上具有贯通的容置槽，所述第一压电层上具有凸台，所述凸台穿设于所述容置槽内；将一第一接铜箔粘贴于所述第二压电层上表面，将一第二接地铜箔粘贴于所述第一压电层下表面，将一声匹配层粘贴于所述第一接铜箔上表面，将一背衬层粘贴于所述第二接地铜箔下表面形成声学部件。

9.如权利要求8所述的超声换能器的制作方法，其特征在于：还包括切割步骤：

将所述组装形成的声学部件沿所述声匹配层的宽度方向进行切割形成平行设置的凹槽，各所述凹槽的底部延伸至所述背衬层。

10.如权利要求8或9所述的超声换能器的制作方法，其特征在于：所述第一压电层包括第一本体，沿所述第一本体的四周边缘开设凹槽以使所述第一本体的中部形成所述凸台。