CN107005768A - 具有包括厚金属层的柔性印刷电路板的超声波换能器及其制造方法 - Google Patents

具有包括厚金属层的柔性印刷电路板的超声波换能器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种具有包括厚金属层的柔性印刷电路板的超声波换能器及其制造方法。根据本发明的一个实施方式，该超声波换能器包括：有源元件，其配置成产生超声波信号，其中所述有源元件以所产生的超声波信号的中心频率为基准具有1/4波长以下的厚度；以及柔性印刷电路板，其包括具有预定厚度的金属层，所述金属层形成在所述有源元件的一个表面上并电连接到所述有源元件，其中所述金属层阻挡超声波在与超声波的预定行进路径相反的方向上传播。

Description

具有包括厚金属层的柔性印刷电路板的超声波换能器及其制 造方法
技术领域
本发明涉及一种超声波换能器，其使用超声波以获得对象的内部图像信息。
背景技术
超声波诊断装置是通过将超声波信号发射到对象并用反射的超声波信号对对象的内部组织进行成像的装置。超声波诊断装置将超声波信号发送到待检查对象的诊断部位，并且接收从具有不同声阻抗的对象的内部组织之间的边界反射的超声波信号，从而能够获得诊断部位的图像信息。
超声波诊断装置包括：超声波换能器，其将超声波信号发送到对象，并接收从对象反射的超声波信号。超声波换能器包括有源元件、匹配层和背衬层。
发明内容
[技术问题]
根据实施方式提供一种具有柔性印刷电路板的超声波换能器及其制造方法，所述超声波换能器具有厚金属层以便提高灵敏度和带宽。
[技术方案]
本发明提供了一种超声波换能器，其包括：有源元件，其配置成产生超声波信号并且以所产生的超声波信号的中心频率为基准具有1/4波长以下的厚度；以及柔性印刷电路板，其包括金属层，所述金属层形成在所述有源元件的一个表面上且电连接到所述有源元件，并具有预定的厚度以阻挡超声波在与超声波的预定行进路径相反的方向上传播。
以超声波信号的中心频率为基准，所述金属层的厚度可以为2/3波长以上。
柔性印刷电路板的金属层可以形成在有源元件的后表面上并向有源元件施加电信号，有源元件可以通过从金属层施加的电信号产生超声波信号并发送超声波信号，并且金属层和有源元件之间的界面可以由于金属层的厚度而起到节点的作用，以阻挡超声波信号从有源元件沿着形成在柔性印刷电路板后表面的背衬层的方向传播，使得超声波信号仅在超声波的预定行进路径的方向上传播，从而增加超声换能器的灵敏度和带宽。
柔性印刷电路板的金属层可以在有源元件的一个表面上被沉积至预定的厚度。柔性印刷电路板的金属层可以被沉积成厚膜。
金属层的声阻抗和热导率可以通过选择或混合至少一种或多种金属原料来控制。金属层可以由铜、金、银、铝、钨、钽、钴、镍、铟、铍、黄铜、铁、铂、钛、碳化钨、氧化钼、碳化铬、碳化钽、通过石墨化聚合物膜而获得的PGS石墨片、石墨、碳纳米管、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铍、氧化镁和氧化锌中的一种或其组合形成。
超声波换能器还可以包括接地片，其形成在有源元件的另一表面上并电连接到有源元件。
本发明还提供了一种制造超声波换能器的方法，该方法包括：以超声波信号的中心频率为基准，设置厚度为1/4波长以下的超声波元件；以及形成柔性印刷电路板，该柔性印刷电路板在所述有源元件的一个表面上包括金属层，其中所述柔性印刷电路板的形成包括：增加所述金属层的厚度以便阻挡超声波从所述有源元件在与超声波的预定行进路径的方向相反的方向上传播。
通过增加金属层的厚度来形成柔性印刷电路板可以包括：以超声波信号的中心频率为基准，将厚度增加到2/3波长以上。通过增加金属层的厚度来形成柔性印刷电路板可以包括：在有源元件的表面上将金属层沉积成厚膜。
[有益效果]
根据一个实施方式，柔性印刷电路板的金属层的厚度增加，因此金属层和有源元件之间的界面起到节点的作用，以阻挡超声波沿与预定的超声波预定行进路径的方向相反的方向传播，使得超声波信号仅在超声波的预定行进路径的方向上传播，从而提高了超声波换能器的灵敏度和带宽。
此外，为了阻挡超声波在与超声波的预定行进路径的方向相反的方向上传播，仅需要增加柔性印刷电路板的金属层的厚度，而不需要在所述有源元件和背衬层之间添加去匹配层，其中所述去匹配层的声阻抗值大于所述有源元件的声阻抗值，因此其制造方法简单，并且可以降低制造成本。
此外，由于有源元件的厚度是基于中心频率的1/4波长(1/4λ)以下的长度，所以声阻抗减小，并且容易与系统电匹配。在这种情况下，可以通过仅增加柔性印刷电路板的金属层的厚度来提供1/4波长的换能器。
此外，本发明的具有厚金属层的柔性印刷电路板可以应用于任何类型的换能器，例如线性阵列、凸阵、相控阵列和单个元件等类型。
此外，由于当在有源元件的一个表面上形成柔性印刷电路板的金属层时使用厚膜沉积方法，所以可以精确地控制柔性印刷电路板的厚度，而不需要复杂的工艺，例如在传统的加工方法(例如粘接)中所需要的研磨和切割。此外，与加工方法相比，制造成本降低。
附图说明
图1是概略地示出了根据本发明的一个实施方式的具有厚柔性印刷电路板(FPCB)的超声波换能器的配置的结构图。
图2是用于描述根据本发明的一个实施方式的包括薄有源元件和具有厚金属层的FPCB的超声波换能器的超声波信号传播原理的超声波换能器的结构图。
图3是表示本发明的一个实施方式的超声波诊断装置的框图。
图4是表示本发明的一个实施方式的超声波换能器的制造方法的流程图。
图5至图7是示出根据本发明的一个实施方式的具有薄有源元件和包括厚金属层的FPCB的超声换能器和常规超声换能器之间的性能差异的图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的优选实施方式。在下面的描述中，未详细描述公知的功能或结构，因为它们将以不必要的细节使本发明不清楚。本文中使用的术语是考虑到本发明的元件的功能而定义的。这些术语可以根据用户和操作者的意图或惯例来改变。
应当理解，当第一层被称为“在…上”或“连接到”第二层时，除非明确地指出第一层“直接在…上”或“直接连接到”第二层，否则第一层可以直接在第二层上或直接连接到第二层，或者第三层可以介于第一层和第二层之间。
图1是概略地示出了根据本发明的一个实施方式的具有厚柔性印刷电路板(FPCB)的超声波换能器的配置的结构图。
本文使用的术语“概略”是指所示的附图示出了超声波换能器中所包括的元件之间的相对位置关系或堆叠关系。因此，超声波换能器中所包括的元件的具体形状、厚度等不一定与图中所示的相符。
参考图1，超声波换能器1包括背衬层10、柔性印刷电路板(FPCB，以下称为“FPCB”)11、有源元件12、匹配层13和切口(kerf)15，并且还可以包括接地片(GRS，以下称为“GRS”)14。
超声波换能器1可以是单元件换能器或由多个元件组成的阵列换能器。阵列换能器的类型可以包括线性阵列、凸阵和相控阵列，并且本发明可以适用于所有类型的阵列换能器。
有源元件12产生并向对象发送超声波信号，并且接收从对象反射的超声波信号，例如使用压电元件。背衬层10使由有源元件12产生并沿不期望方向(即朝向背衬层10)传播的超声波信号的反射波的返回最小化。
通常地，在换能器中，基于由有源元件产生的超声波信号的中心频率，有源元件的厚度具有半波长(1/2λ)长度。然而，为了使换能器提高灵敏度和扩大带宽，本发明基于中心频率而使用具有1/4λ以下长度的有源元件12。由于1/4波长有源元件12的厚度与1/2波长有源元件的厚度相比减小了一半，因此声阻抗降低、灵敏度变高且带宽变宽。
当超声波信号沿着超声波的预定行进路径的方向和与超声波的预定行进路径的方向相反的背衬层方向传播时，换能器的效率降低。为了阻挡或衰减沿背衬层方向传播的超声波信号，可以在有源元件和背衬层之间提供去匹配层。去匹配层具有比有源元件的声阻抗值大的声阻抗值，例如比有源元件的声阻抗值大至少两倍。在这种情况下，需要额外设置另一个去匹配层。
在根据本发明的超声波换能器1中，在有源元件12的下侧将具有有源元件12的电互连功能的FPCB 11的金属层110形成为较厚，而不使用额外的去匹配层，因此金属层110和有源元件12之间的界面由于金属层110的厚度而起到节点(node)的作用，从而阻挡超声波信号沿与预定的超声波传播路径相反的方向传播。这种阻挡功能称为挡板(baffle)，且可通过FPCB 11的厚金属层110满足挡板条件。采用挡板条件的有源元件12通过对有源元件12(例如压电元件)的变形来使其以有源元件12和金属层110的接触表面为基准而仅沿超声波的预定行进路径的方向产生超声波信号，并且阻挡由有源元件12产生的超声波信号沿背衬层10方向传播。因此，超声波信号仅在超声波的预定行进路径的方向上传播，并且从而提高了灵敏度。
在下文中，将详细描述具有厚FPCB 11的超声波换能器1的每个元件。
背衬层10设置成使得声阻抗与有源元件12匹配。背衬层10可以配置成具有声衰减特性，所述声衰减特性是优异的吸声特性。具有优异的吸声特性的背衬层10抑制了形成在前表面上的有源元件12的自由振动，以减小超声波的脉冲宽度，并阻挡由有源元件12产生的超声波不必要地传播到后表面，从而有效地防止图像失真的发生。背衬层10可以使用具有优异的吸声特性的材料而形成为单层或多层。
根据一个实施方式的FPCB 11形成在有源元件12的后表面上。FPCB 11的金属层110电连接到有源元件12并且施加电压到有源元件12。此外，金属层110的厚度较厚以便阻挡超声波从有源元件12沿背衬层10方向传播。以由有源元件12产生的超声波信号的中心频率为基准，金属层110的厚度可以是2/3波长(2/3λ)以上的长度。金属层10的厚度可以为50μm至50mm，但不限于此。
根据一个实施方式的FPCB 11由基板层112和金属层110组成，并且金属层110形成在基板层112上。基板层112可以是聚酰亚胺(PI)，但不限于此。对于金属层110，可选择或混合至少一种或多种金属原料以调节声阻抗和热导率。例如，金属层110可以由铜、金、银、铝、钨、钽、钴、镍、铟、铍、黄铜、铁、铂、钛、碳化钨、氧化钼、碳化铬、碳化钽、通过石墨化聚合物膜而获得的PGS石墨片、石墨、碳纳米管、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铍、氧化镁和氧化锌中的一种或其组合形成。然而，金属层110可以由具有导电性的任何材料制成。
根据一个实施方式的FPCB 11的金属层110可以在有源元件12的一个表面上被沉积成厚膜。在这种情况下，可以进行沉积以使金属层110的厚度以超声波信号的中心频率为基准而变为2/3波长以上。将参考图4描述金属层110的沉积方法。
根据一个实施方式的有源元件12基于中心频率而具有1/4波长(1/4λ)以下的长度，以增强换能器的灵敏度并扩大其带宽。当通过诸如施加来自位于两端的FPCB 11和GRS14的电信号的方法向有源元件12施加能量时，有源元件12产生超声波信号。有源元件12的类型可以根据超声波换能器1的类型而变化，并且通常可以形成为压电元件。压电元件具有这样的特性：当通过压电效应施加机械压力时产生电压，当施加电压时发生机械变形。对压电元件的形状或阵列图案没有特别限制。压电元件可以由压电陶瓷形成(例如锆钛酸铅(PZT)类)、单晶、组合这些材料和聚合物材料而成的复合压电材料、或以聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表的聚合物材料的压电材料等。
匹配层13设置在有源元件12和对象之间，以调节两个元件之间的声阻抗的差异。例如，匹配层13可以将由有源元件12产生的超声波传送到对象，或者减少从对象返回的反射信号的损失。匹配层13可以起到缓冲作用，以减少诸如由于有源元件12和对象之间的声阻抗的急剧变化引起的图像失真的问题。
匹配层13可以具有堆叠多层的结构。例如图1所示，匹配层13可以由第一匹配层131和第二匹配层132组成，但是匹配层的数量不限于两个。构成具有多层的匹配层13的原因在于，由于有源元件12和人体组织(即对象)之间的声阻抗的差异相对较大，因此难以用单层材料层形成具有所需特性的匹配层。
GRS 14可以形成在匹配层13和有源元件12之间，并且匹配层13可以通过GRS 14与有源元件12交换电信号。切口15填充在元件之间。
同时，在图1中，FPCB11位于背衬层10的前表面上，并且GRS 14位于匹配层13的后表面上，但其位置可以根据构成有源元件的层的极化方向而变化。例如，GRS 14可以形成在FPCB 11的位置，并且FPCB 11可以形成在GRS 14的位置。
图2是用于描述根据本发明的一个实施方式的包括薄有源元件和具有厚金属层的FPCB的超声波换能器的超声波信号传播原理的结构图。
参考图2，在根据一个实施方式的换能器中，有源元件的厚度较薄，并且FPCB的金属层的厚度较厚。例如，基于超声波信号的中心频率，有源元件12具有1/4波长(1/4λ)以下的长度，并且基于超声波信号的中心频率，FPCB 11的金属层110具有2/3波长(2/3λ)以上的厚度。因此，满足挡板条件，以阻挡超声波信号在与超声波的预定行进路径相反的方向上传播。采用挡板条件的有源元件12通过对有源元件12(例如压电元件)的变形来使其以有源元件12和金属层110的接触表面为基准而仅沿超声波的预定行进路径的方向产生超声波信号，并且阻挡由有源元件12产生的超声信号沿背衬层10方向传播。因此，超声波信号仅在超声波的预定行进路径的方向上传播，并从而提高了灵敏度。
图3是表示本发明的一个实施方式的超声波诊断装置的框图。
参考图3，超声波诊断装置30可以包括超声波换能器1、波束成形单元2、图像处理器3和输出单元4。
超声波换能器1可以形成有多个换能器元件300-1、300-2至300-n。根据一个实施方式，超声波换能器1包括以超声波信号的中心频率为基准具有1/4波长以下的厚度的有源元件和在有源元件的一个表面上具有厚金属层的FPCB。金属层电连接到有源元件以将电信号提供到有源元件，并具有足够厚度以阻挡超声波从有源元件在与超声波的预定行进路径相反的方向上传播。以超声波信号的中心频率为基准，金属层的厚度可以为2/3波长以上。根据一个实施方式的FPCB的金属层在有源元件的一个表面上被沉积成厚膜以使厚度较厚。
波束成形单元2驱动超声波换能器1以将超声波信号发送到对象，并且通过处理从对象返回的反射信号来产生波束信号。图像处理器3从波束形成单元2接收波束信号并产生超声波图像。输出单元4将由图像处理器3生成的超声波图像显示到外部。
图4是表示本发明的一个实施方式的超声波换能器的制造方法的流程图。
参考图4，制造超声换能器的方法包括在有源元件的一个表面上形成FBCB的厚金属层的操作。为此，提供以超声波信号的中心频率为基准而具有1/4波长以下的厚度的有源元件，如400所示。此外，FPCB形成在一个表面上，例如有源元件的后表面，其中，形成在有源元件的后表面上的金属层的厚度被增加。金属层被沉积成厚膜以使厚度较厚，如410所示。在这种情况下，可以进行沉积以使金属层以超声信号的中心频率为基准而具有2/3波长以上的厚度。通过使用本发明的厚膜沉积方法代替常规加工方法(例如粘接)，可以精确地控制FPCB的厚度而不需要复杂的工艺(例如研磨和切割)。此外，与加工方法相比，制造成本降低。
图5至图7是示出根据本发明的一个实施方式的具有薄有源元件和包括厚金属层的FPCB的超声换能器和常规超声换能器之间的性能差异的图。
参见图5至图7，具有包括厚金属层的FPCB的超声波换能器的灵敏度和带宽得到改善。
详细地，图5是将常规超声波换能器的相对于时间的输出电压大小和本发明的具有薄有源元件和厚金属层的FPCB的超声波换能器的相对于时间的输出电压大小进行比较的图。如图5所示，可以看出，本发明的超声波换能器在相同的时间间隔期间表现出较大的电压变化。
图6是将常规超声换能器的相对于频率的标准化(normalized)幅度和本发明的具有包括厚金属层和有源元件的FPCB的超声波换能器的相对于频率的标准化幅度进行比较的图。
参考图6，可以看出，本发明的超声波换能器在更宽的范围内表现出较大的标准化幅度。因此，本发明的超声波换能器的带宽变宽、灵敏度提高。在采用挡板条件的有源元件的情况下，有源元件以FPCB的有源元件和金属层之间的接触面为基准而仅沿向上的方向上变形，以使由有源元件产生的超声波仅沿与背衬材料方向相反的方向传播。
图7是将常规超声波换能器的阻抗大小和本发明的具有包括薄有源元件和厚金属层的FPCB的超声波换能器的阻抗大小进行比较的图。
参考图7，可以看出，在本发明的超声波换能器的情况下，声阻抗的大小由于有源元件的厚度减少而降低，并且容易与系统电匹配。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要它们在所附权利要求及其等同的范围内。

Claims (11)

1.一种超声波换能器，其包括：
有源元件，其配置成产生超声波信号并且以所产生的超声波信号的中心频率为基准而具有1/4波长以下的厚度；以及
柔性印刷电路板，其包括金属层，所述金属层形成在所述有源元件的一个表面上且电连接到所述有源元件，所述金属层具有预定的厚度以阻挡超声波在与超声波的预定行进路径相反的方向上传播。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中，以超声波信号的中心频率为基准，所述金属层的厚度为2/3波长以上。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中，所述柔性印刷电路板的金属层形成在所述有源元件的后表面上并向所述有源元件施加电信号，
所述有源元件通过从金属层施加的电信号产生超声波信号并发送超声波信号，并且所述金属层和所述有源元件之间的界面由于所述金属层的厚度而起到节点的作用，以阻挡超声波信号从所述有源元件沿着形成在柔性印刷电路板后表面的背衬层的方向传播，使得超声波信号仅在超声波的预定行进路径的方向上传播，从而增加超声换能器的灵敏度和带宽。
4.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中，所述柔性印刷电路板的金属层在所述有源元件的一个表面上被沉积至预定的厚度。
5.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中，所述柔性印刷电路板的金属层被沉积成厚膜。
6.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中，所述金属层的声阻抗和热导率通过选择或混合至少一种或多种金属原料来控制。
7.根据权利要求6所述的超声波换能器，其中，所述金属层由铜、金、银、铝、钨、钽、钴、镍、铟、铍、黄铜、铁、铂、钛、碳化钨、氧化钼、碳化铬、碳化钽、通过石墨化聚合物膜而获得的PGS石墨片、石墨、碳纳米管、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化铍、氧化镁和氧化锌中的一种或其组合形成。
8.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中，所述超声波换能器还包括接地片，所述接地片形成在所述有源元件的另一表面上并电连接到有源元件。
9.一种制造超声波换能器的方法，所述方法包括：
以超声波信号的中心频率为基准，设置厚度为1/4波长以下的有源元件；以及
形成柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板在所述有源元件的一个表面上包括金属层，
其中，所述柔性印刷电路板的形成包括：增加所述金属层的厚度以便阻挡超声波从所述有源元件在与超声波的预定行进路径的方向相反的方向上传播。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过增加所述金属层的厚度来形成柔性印刷电路板包括：以超声波信号的中心频率为基准，将厚度增加到2/3波长以上。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，通过增加所述金属层的厚度来形成柔性印刷电路板包括：在有源元件的一个表面上将金属层沉积成厚膜。
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