CN107923788B - 用于高频超声的膜水下听音器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于分析高频超音波换能器的膜水下听音器具有压电膜，该压电膜具有形成于膜表面上的电极图案。在一个实施例中，电极图案在除水下听音器有效区域以外的，膜的每一面上都是双重的。在一个实施例中，电极是通过用激光脉冲去除膜上的导电层形成的。激光被设置用来从膜的相同面从压电膜上去除导电层，从而精确地对准有效区域中的电极。在一个实施例中，水下听音器的有效区域具有900‑10000平方微米的面积。

Description

用于高频超声的膜水下听音器及其制造方法

相关申请交叉引用

本申请要求2016年2月19日提交的专利号为62/297763的美国临时申请，以及2015年8月18日提交的专利号为62/206808的美国临时申请的权益，其通过引用的方式整体并入。

技术领域

本公开的技术涉及用于测试超音波换能器的水下听音器，尤其是被用于测试高频超音波换能器的水下听音器。

背景技术

超声成像是通过从换能器发送多个声能的短脉冲到感兴趣区域，以及收集包含在相应回声信号中的信息而运行的。第1A图显示一种具有多个单独换能器组件12(未按比例绘制)的简化了的超音波换能器，当不同的电压在该组件间被提供时，该组件振动并产生超声声信号。当该组件接收声能时，该组件也产生电信号。组件12通常被安排在一个一维或者二维数组中，该数组包括一个或多个匹配层14以及固定镜头16。小心选择驱动信号被应用在每一个换能器组件上的振幅和时间，声信号建设性地合并从而在预定位置形成具有聚焦带的波束。随着换能器工作频率的增加，聚焦带(经常是米饭颗粒的形状)的尺寸减小。例如，在15MHz的中心频率，聚焦带的尺寸约为500×300μm。在30MHz，聚焦带的尺寸下降到约为280×150μm。在50MHz，聚焦带的尺寸小于200×100μm。除了超声数组，超声信号也可以由如第1B图所示的单元件换能器17产生。

随着具有超过70MHz上角频率的具有50MHz中心频率的数组系统的引入，超高频诊断超声在过去的十年里，在临床前和临床产业中都有了实质性的进步。有许多可以被探索的新的科学和医学可能性，由于超高频超声的更高分辨率和带宽。但是，新的测试和表征挑战与新的应用和性能一起出现了。如本领域技术人员将理解的，随着换能器在频率上的增加，波长相应地减小，并且多个其他机制，例如声波在水中的非线性传播变得越来越普遍。在科学上以及为了管理医疗和临床前设备的目的，当前需要理解超高频超声在水中的特性。另外，为了利用现代复杂的FEA模型，需要精确地测量处于或者甚至低于数组音高的声场。明显地，需要具有更高频率校准的更小孔径的水下听音器，以确保对谐波的精确测量，以及减小由被相对更大孔径的水下听音器测量时短波长声波引起的空间不确定性。

在超音波换能器能够被食品和药物管理局(FDA)批准在美国用于临床使用，或者能够在欧洲获得用于临床使用的CE标记之前，由换能器产生的声能必须被表征。该表征产生压力强度映射图，以确保聚焦带被很好地限定，并且换能器没有在不被期望的位置产生能量的热点。相似地，该表征确定，所产生的能量并没有那么大以至于其将在待检查的组织里导致空穴，并且功率输出在由多种组织施加的可接受的限度内。良好设立的标准存在以规定注册审批需要的测试协议和结果。然而，由于缺乏适当小的水下听音器孔径尺寸和足够高的频率校准数据，超高频超声越来越多地将这些测试推向以及超过极限。

如第2图所示，大多数换能器测试通过在液体槽40(通常是除气的水，但可以是另一种液体)中操作换能器20而被执行。水下听音器50被放置在超声波束路径中的被计算器控制的平台(未显示)上。当换能器被操作时，该平台被移动从而使得水下听音器去测量聚焦带的位置以及多个位置处的波束强度。来自水下听音器的信号被计算器系统储存以确定换能器如预想地在运行。空间中强度测量的散点图限定了超音波换能器波束的特性。

膜式水下听音器是最合适用于采样超声波束的，因为它们平坦的频率响应以及与由被测设备(DUT)造成的辐射图的简单相互作用。为了能够有效地采样波束，水下听音器的有效区域必须大体上小于被检测的换能器的聚焦带。在过去，可靠地制造可以被用于测试高频超音波换能器的，具有足够小的有效区域的膜式水下听音器是困难的。因此，用户被迫使用表现出不被期望的共振以及与被测量辐射图案的相互作用的针式水下听音器。另外，被设计来最小化不被期望的共振的特定形状的针式水下听音器被使用，诸如所谓的“口红式”水下听音器。然而，在实践中精确地将此类形状制造成对于非常高频率的超声特性来说足够小的规模是困难的。结果是针式水下听音器在表征高频波束图案上不如膜式水下听音器精确。

考虑到这些问题，需要一种改进的高频膜式水下听音器以及制造此类水下听音器的方法。

发明内容

为了处理这些以及其他问题，此处被公开的技术涉及一种新的用于表征高频超音波换能器的膜式水下听音器设计以及制造超音波换能器膜式水下听音器的方法。此类表征可以被用于证明用于临床使用的换能器也可以被用于超音波换能器设计的开发和测试。在一个实施例中，水下听音器包括横跨在支撑结构上被拉伸，并且在两面上被涂覆有例如金或者金+铬薄层的导电材料的压电膜。之后从压电膜的每一面上去除导电材料的一部分，从而在膜的一面上产生正电极并在膜的另一面上产生负电极。该正电极和负电极在一个小区域里重迭，该区域界定水下听音器之有效区域。在一个实施例中，有效区域具有直径在10-30微米之间的尺寸。

在一些实施例中，诸如准分子激光器的图案化工具被用来有选择地从压电膜上去除部分导电材料，从而在膜上产生电极。在一个实施例中，膜两面的导电材料通过，例如从膜的同一面将膜暴露给激光能量，而不必翻转压电膜被去除。在一些实施例中，一个或多个校准特征或者基准点被产生在膜中，以使得压电膜可以相对于图案化工具的坐标系被精确地放置。一旦对准，可以从膜上精确地去除导电材料。

在一些实施例中，水下听音器包括在压电膜两面上互相重迭的正电极和负电极，并且膜一面上正电极被电连接到膜另一面上相应的正电极。相似地，膜一面上的负电极被电连接到膜另一面上相应的负电极。在一些实施例中，互相重迭的电极被电连接到一个或多个用激光在压电膜上产生并且填充有导电材料的导电通孔。

水下听音器的有效区域形成于膜一面上的正电极的一部分和膜另一面上的负电极互相重迭的位置。

在被公开发明的一些实施例中，为了允许通过积极轮询原薄膜获得的最大灵敏度，设备是由完全极化的压电聚合物或者共聚物膜制成。这可能导致与在预期有效孔径以外的位置被检测到的杂散信号相关的挑战。在被公开技术的一些实施例中，压电膜以非极化状态被制造在设备中，从而电极可以被用来点极化有效区域。这种方法可以减少或者消灭许多杂散信号，但是可能造成灵敏度的降低和点尺寸变化。在一些实施例中，重迭的同极性电极被用来在钳住膜中的电场，从而在点轮询中获得更好空间特异性，从而产生更精确的以及可预见的有效点尺寸。

在一些其他实施例中，在用导电材料涂覆之前，部分压电膜被选择性地去极化，以减少膜对在不期望位置接收到的声能的电响应，因此允许更加积极的轮询整个膜(与点极化相比)。在一个实施例中，压电膜在远离水下听音器有效区域的区域中被选择性地去极化。在一个实施例中，激光图案化工具被用来对压电膜去极化，通过用UV激光能量修改聚合物，从而膜在除有效区域以外的水下听音器的所有区域中保持机械完整，但是较低的压电效率。在另一个实施例中，非极化的压电共聚物膜被制造在设备中，激光图案化工具被用来修改膜，从而减小有效区域以外的所有区域中膜的压电电势，确保点轮询只能有效地发生在未修改的有效区域，电极被沉积从而它们可以和有效区域对准并且膜被点轮询。在另一个实施例中，先前的方法与重迭的同极性电极设计相结合，以在点轮询之后获得获得被极好限定的有效孔径。

附图说明

图1A示意性地显示出由传统超音波换能器数组形成的波束图形。

图1B显示出由传统单元件超音波换能器形成的波束图形。

图2显示出用于用水下听音器测试超音波换能器的习知系统。

图3A和3B显示出与被公开技术的一个实施例一致的示例性高频膜水下听音器。

图4显示出根据被公开技术的一个实施例构造的膜式水下听音器的部分三维剖视图。

图5A显示出根据被公开技术的一个实施例被安装在支撑杆上的完整的水下听音器。

图5B显示出根据被公开技术的一个实施例涂覆有在声学上和水良好匹配的弹性体材料的水下听音器上表面上的电极的一部分。

图6显示出根据被公开技术的一个实施例涂覆有在声学上和水良好匹配的弹性体的水下听音器下表面。

图7显示出根据被公开技术的另一个实施例，在导体被应用之前压电膜是如何被处理的。

图8显示出根据被公开技术的另一方面被用来调理来自膜式水下听音器的信号的缓冲电路的一个实施例。以及

图9显示出根据被公开技术的另一个实施例构造的具有多个有效区域的数组式膜水下听音器。

具体实施例

与以下将进一步详细描述的一样，被公开技术是具有一个或多个可以被用来表征高频超音波换能器的小有效区域的膜式水下听音器。在一个实施例中，膜由具有例如在3-12微米之间厚度的，例如P(VDF-TrFE)的薄膜压电共聚物制成。然而，其他厚度或者其他压电材料(例如PVDF)可以被使用。膜优选地横跨在框架上以从膜上去除任何皱纹的方式被拉伸。在一个实施例中，膜被固定在外箍上，之后用内箍沿着其周边同时拉伸，该内箍周向地将膜的一部分按压进凹槽以拉伸使其像鼓面一样无皱纹。一旦膜被拉伸，该膜就被粘附到安装在内箍内的圆形框架上，并且框架外部的多余膜被切除。该框架之后被用于形成水下听音器的一部分。在一个实施例中，框架具有约2cm的直径，但是更大或者更小的框架可以被使用。

框架被安装到金属支座上，之后通过溅射或者其他方法被用金属导体，例如金或者金+铬(或者其他金属导体)涂覆。在一个实施例中，被放置在膜上的导体的厚度是1500-2500埃。无论更薄或者更厚的导体涂层可以被使用，例如但不限于300埃到5000埃。

膜两面的导电涂层之后被图案化以在膜的上表面和下表面上形成导体的重迭部分，从而形成水下听音器的有效区域。重迭的导电区域必须被精确地对准，并且在一些实施例中是在10-30微米的数量级上，这在准利号为62/206808的美国临时申请中所描述的技术之前是不可能可靠地制造的。

图3A和3B显示出根据被公开技术的一个实施例构造的水下听音器100的一个实施例。水下听音器100包括被粘到圆形框架104上的大体圆盘状的压电膜102，该圆形框架104反过来被固定到支座105上。在一个实施例中，支座105由例如钛的导电金属制成。第一电极106在压电膜的一面被图案化，而第二电极(未显示)在压电膜的另一面被图案化。在一些实施例中，压电膜可以包括一对穿过压电膜的校准特征或者基准点108、110(未按比例绘制)，以使得膜与激光图案化系统对准。校准特征可以用激光产生，并且可以几乎具有任何形状(正方形、长方形、十字等)。在一个实施例中，校准特征是每边约为10微米的正方形。校准特征的角使得压电膜以亚微米级的精确度对准。

在膜的两面都被涂覆有金属导体的情况下，以准分子激光器或者其他图案化工具从压电膜的表面去除部分导电涂层的方式，从而膜相对不受影响。

在一个实施例中，一旦电极图案产生于膜的第一面上，该膜被翻转并且用一个或多个校准特征108、110对准图案化工具。一旦对准，图案化工具在膜的第二面上形成电极。在被公开技术的一个实施例中，膜第一面上的电极形成水下听音器的正电极，而压电膜另一面上的第二个、更大的电极接地。

在以下详细描述的另一个实施例中，膜两面上的绝大多数电极可以通过将膜的单面暴露给激光能量而产生。在该实施例中，可以不需要校准特征或者基准点。

细线120(例如，键合金丝，或者镀银铜总线)可以被连接到膜上的第一电极。另外，结合线也可以被连接到第二电极，或者如果框架104和/或支座105是导电的，该框架可以被用来连接到第二电极。在一个实施例中，声学匹配的弹性体126被倾倒在水下听音器的背面上。在另一个实施例中，为了最大的灵敏度，匹配的弹性体可以被省略以使得膜的两面以及各自的电极无遮盖。在一个实施例中，弹性体126由具有与水的声学阻抗紧密匹配的声学阻抗的硅橡胶制成。

在一些实施例中，将缓冲放大器安装到放置在支座105上的印刷电路板上，或者直接将缓冲放大器安装到水下听音器的膜上可能是有利的。缓冲放大器可以增加所产生信号的增益和/或缓冲该信号，从而其可以被信号电缆(未显示)运输。在一个实施例中，水下听音器的支座105和SMA或者其他类型的连接器128安装在一起。SMA连接器128是同轴连接器，其中外层屏蔽被连接到导电支座105或者负电极，并且中心导体被连接到正电极(或者缓冲放大器的输出端，如果缓冲放大器被使用)。如果需要，与SMA连接器的连接也可以是相反的。

图4显示出膜水下听音器的另一个实施例。在该实施例中，膜上的导体被图案化从而在膜的上表面和下表面上产生大体匹配的电极。在该实施例中，压电膜上表面和下表面上的两个正电极互相重迭，并且压电膜上表面和下表面上的两个负电极互相重迭。除了水下听音器有效区域以外，上表面上的正电极不与下表面上的负电极重迭(反之亦然)。图4是水下听音器200的部分三维截面图，其中实线所示的电极图案位于膜的上表面，虚线所示的电极图案位于膜的下表面。膜的上表面包括被接地层或者接地电极214包围的T形电极210(未按比例绘制)。大体相同的T形电极212形成于膜的下表面，并且位于膜上表面上的电极210的正下方。具有与接地层电极214大体相同形状的相应接地层或者接地电极216位于膜上表面上接地层214正下方的膜下表面上。在一些实施例中，两面上的接地层电极214、216与正电极210、212被围绕在正电极周围的间隙分隔开。

在一些实施例中，压电膜上下表面上的正电极和压电膜上下表面上的负电极或者接地层电极是电连接的。在一些实施例中，一个或多个通孔220填充有导电环氧材料或者其他导电材料，从而将上方正电极210电连接到下方正电极212。类似的一个或多个被填充的通孔将上方接地层电极214和下方接地层电极216电连接在一起。通孔可以通过激光燃烧出穿过压电膜的洞，之后用诸如导电环氧材料的导电材料填充该洞而形成。如果通孔220在膜被溅射之前穿过膜，通孔220也可以保持未填充并且被溅射穿过。如果支撑被拉伸的压电膜的框架或者框架的一部分是导电的，那么电极214、216可以通过框架被电连接，并且针对较大负电极214、216的通孔可以被消除。在所示的实施例中，重迭的T形电极210、212是水下听音器的正电极，而重迭的接地层214、216被电接地。然而，极性可以是相反的。

在膜水下听音器中，下方正电极212的突出部分212a位于上方接地层电极214相应形状的突出部分214a的下方。两个突出部分212a、214a之间的重迭部分形成了水下听音器的有效区域，当该有效区域被暴露给声能时其产生信号。在一些实施例中，重迭的正电极和接地电极的区域约为900平方微米。然而，此处公开的水下听音器的其他实施例的重迭区域(或者有效区域)可以在约100平方微米和约10000平方微米之间。然而，更大或者更小的重迭区域也可以被使用。有效区域的最佳尺寸取决于待分析的超音波换能器的工作频率。如果有效区域太小，灵敏度可能太低从而导致不被接受的SNR、增加的不确定性、以及增加的测试时间。另一方面，如果有效区域太大，那么空间平均可能造成导致不被接受的空间和频谱不确定性的不精确。

在所示的实施例中，接地层214的突出部分214a和膜上表面上的正电极210之间有间隙211。类似地，正电极12的突出部分212a和膜下表面上周围接地层216之间有间隙213。在一个实施例中，间隙211、213是直的，从而电极的重迭部分(例如，有效区域)大体上是正方形。在另一个实施例中，间隙可以是弯曲的从而有效区域大体上是圆形。有效区域的其他形状(椭圆形、星形等)也可以用图案化工具产生。

在一个实施例中，间隙211和213具有约5μm的类似宽度。然而，它们可以小至约1.5μm，大至约100μm。间隙211可以是与间隙213相同的宽度，或者它们可以是不同的宽度。间隙的宽度与由突出部分212a和214a重迭区域限定的有效区域的长度可以结合间隙211和213被定制，通过考虑膜中的非正常电场分量从而控制有效区域的有效点尺寸。例如，如果需要正方形的有效区域，可以通过关于突出部分212a和214a的宽度来减小间隙211和213邻近边的距离来采用较小的重迭长度。

电导体224将信号电极210、212连接到宽带缓冲放大器(未显示)，该宽带缓冲放大器放大电极重迭区域被暴露给高频超声信号时产生的信号。在所示的实施例中，导体224被连接到水下听音器下表面上的正电极212。然而，导体可以被连接到水下听音器上表面上的正电极。在一个实施例中，信号电极被电容耦合到宽带缓冲放大器以确保信号电极和接地电极之间不存在直流偏移。在一个实施例中，信号电极可以通过串联的、值约为10nF的电容226被连接到宽带放大器的输入端。本领域技术人员将理解，取决于需要的频率和阻抗特性，其他值可以被使用。在一个实施例中，接地层214、216由焊料短接至支撑膜的框架。来自放大器的信号可以被同轴电缆或者其他电导体运输至接收电子器件(未显示)，该接收电子器件储存和分析信号从而表征由超音波换能器产生的波束图案。如图5A所示，完成的膜水下听音器被固定到接线柱228上，该接线柱使得水下听音器可以被安装到被放置在关于被测换能器的多个位置上的可移动平台中。图5A是按比例绘制的，并且在所示的实施例中，T形电极的长度约为7.5mm，而重迭电极部分的长度约为30μm。为了比较，沙滩沙的颗粒是100μm或更大。因此，需要精确的图案化工具以精确地在膜上形成重迭区域。

为了产生电极图案，用去除导体但不会损害膜本身的激光在膜的导电涂层上图案化。在一个实施例中，第一激光脉冲去除膜上表面上的导体，并且第二脉冲在相同位置(并且在膜的同一面)去除膜下表面上的导体。为了产生T形电极，因此使用双脉冲以描画T形电极210、212的形状。为了在T形电极210的端部和接地层214的突出部分214a之间形成间隙211，激光脉冲的尺寸被设置为间隙的期望尺寸，并且在激光被移动时单脉冲只被用来去除膜上表面上的导体。激光脉冲的精确控制确保了只在膜一面上的电极材料的去除，使得电极在另一面未受损坏。

为了在下方T形电极212的突出部分212a和周围接地层216之间形成间隙213，膜被翻转并且单脉冲被用来去除膜下表面上的导体。因为膜在导体被去除时对可见光和UV光来说都是大体透明的，膜和激光对准系统的校准被简化了。另外，因为大多数上方电极和下方电极可以用激光从膜的同一面被图案化，所有上方电极和下方电极的对准是高度精确的。膜精确的电极限定和小而精确的间隙211和213允许高度精确和可预见的有效区域，这在当有效区域尺寸变得和膜厚度更接近时是至关重要的，这允许精确控制和非正常电场分量最小化。

尽管被公开的实施例使用T形电极，但是其他形状可以被使用是会被理解的，诸如“I形”或“L形”电极或其他形状。

压电膜两面上双电极的使用被证明是有利的，特别是在水下听音器的构造中使用预极化膜时。在所示的实施例中，重迭电极在包含信号电极路径的膜所有区域，以及包含接地电极的所有区域中强制零(或接近零)电场条件。在一些先前的实施例中，发现由于水和连接电极与压电膜的缓冲电路中的灵敏电子器件的轻微导电性，不具有双电极的水下听音器不需要接地电极去产生信号，并且任何未被钳制的信号路径可以产生杂散信号。在所述高频水下听音器中期望的压电膜的使用使得这种情况被严重恶化，因为在测量来自有效区域的信号所需的灵敏电子器件中检测出总量非常小的电荷。

在另一个实施例中，用非极化的薄膜开始是可能的。利用被用于有效区域的电压和温度的适合组合来产生电极以及点极有效区域。与双电极设计结合使用非极化薄膜，之后点轮询，这几乎消除了由突出214a和212a以及间隙211和213限定的，被非常精确限定的有效重迭区域之外的信号。

在所示的实施例中，电极设计中长方形或者正方形的有效区域被采用，以简化用于开发的水下听音器的激光装配。被公开技术可以被适用于生产如上所述的圆形电极。任何形状(例如，圆形、正方形、椭圆形、或者甚至星形)可以通过光切除激光掩膜制造，可以通过穿过压电膜的去除金属导体的去除被制造(校准穿过膜而没有切割膜)。

在一些实施例中，通过将弱金属刻蚀(例如5％醋酸)应用到完成的电极图案中，以确保被激光光切除的区域中没有导电金属残留，导体去除被进一步提高。虽然用激光去除100％的金属电极是很有可能的，但是完美地调谐激光器以实现100％的电极去除是有挑战性的。因此，在一个实施例中，将水下听音器膜浸入被设计用来去除100-200埃金属的弱化学腐蚀中，确保在光切除之后可能被遗留的电极的任何残余从膜的表面被去除。如本领域技术人员将理解的，该化学腐蚀程序可以以多种方式被微调从而如期望的那样优化金属去除。

此外，在一个实施例中，膜两面的电极可以涂覆有薄光抗蚀剂或者能够抵抗湿腐蚀材料的其他材料，并且激光可以被用来去除抗蚀剂和导电材料从而生产所需的电极图案。如本领域技术人员将理解的，当使用此类抗蚀剂层时，被采用的湿腐蚀可以更具腐蚀性，而无需冒着被期望剩余电极恶化的风险。必须注意理解，激光与光抗蚀剂的相互作用从而恰当地说明被用于该方法的抗蚀剂对激光能量的吸收，在特殊间隙区域中被采用的该方法被用来产生重迭电极区域212a和214a。然而，抗蚀剂可以被轻易地用于用多个激光脉冲去除的上方电极和下方电极的任何区域。然而，湿腐蚀必须被仔细地选择，以确保与用于构造此处描述的小孔径水下听音器的薄聚合物膜的化学兼容性和热兼容性。

此处被公开技术通过控制被用于去除电极材料的激光的性能，使得从水下听音器的正面和背面去除电极材料被近乎完美校准的区域，从而膜正面和背面上的导体可以从膜同一面被去除。这使得几乎整个电极图案从膜的一面被制成，确保水下听音器正面关于相对于水下听音器背面的亚微米级的精确度。

在一些实施例中，被公开技术还包括将重迭电极从正面向背面电连接的通孔。通孔可以用激光或者其他方法以及被用来导电地连接正面电极和背面电极的导电环氧树脂或者其他导电手段(溅射、电线等)制成。尽管通孔之外的手段(例如电线)可以被用来将一面上的电极电连接到另一面上的相应电极，但是通孔使得在几乎没有机械力的情况下仅用激光切穿膜制成非常低的阻抗连接和电感连接。此类低电感和低阻抗连接确保即使在高动态射频条件下，膜可以被钳在电极之间的近零电场。

电极图案和通孔被完成后，一个实施例用聚合物弹性体126覆盖背面电极或下方电极，例如如图6所示的覆盖着背面信号电极和接地电极的硅有机树脂。如本领域技术人员将理解的，一些硅有机树脂具有非常好的与水的声学匹配，并且具有防止信号电极在单电极隔离带的区域中产生任何杂散声信号的非常高的电绝缘特性，在高频中相对高的声学损失。硅有机树脂还用于保护电极和膜不受磨损，并且极好地提高了膜的刚性从而使扫描系统具有更快的扫描速度和不太严格的减振规格。例如环氧树脂的其他聚合物，或者例如TPX或LDPE的与水匹配良好的工程塑料，或者例如聚氨酯或乳胶材料的弹性体，或者特别开发的声学聚合物材料可以被用为声学衬垫或者覆盖物，只要它们与水匹配良好并且可以被用于具有低应力的水下听音器膜(例如，以液体形式倾倒并在当前位置固化)。

如图5B所示，在一些实施例中，膜上表面正电极的一部分也被声学匹配的弹性体126覆盖。在一个实施例中，弹性体被用牙签或者在显微镜下的其他小的涂抹器涂在上方电极。然而，应当认识到，其他精度的材料沉积工具可以被使用的。在所示的实施例中，水下听音器有效区域上没有声学匹配的弹性体。

在一个实施例中，电极被用UV激光图案化在涂覆有P(VDFTrFE)的膜上，该UV激光被调谐成在第一个脉冲中从膜的正面去除电极材料，并且在第二个脉冲中从膜的背面去除电极材料，保持膜本身未受损坏。正面电极的单区域被从膜上去除，以隔离信号电极和膜正面上的接地层/电极。该膜之后被翻转并且可见地与膜背面的图案对准(由穿过透明膜的激光切除产生)。一旦对准，背面电极的单区域被去除从而隔离信号电极和膜背面上的接地层/电极。膜正面上的接地电极图案的一部分和膜背面上的信号电极图案的一部分重迭(反之亦然)。这是膜上信号电极和接地电极重迭的唯一的位置。膜上只有两个有电极存在并且没有重迭的位置(例如，限定重迭电极的小的隔离区域或者间隙211和213)。

在一个实施例中，导电材料是以1900埃的厚度被涂施加的Cr/Au(其他导电材料和厚度可以被使用)。通过用穿过掩膜的准分子激光器以及10倍还原光学器件从膜的一面切除，导电材料从膜的正面和背面被去除。激光波长被设置为248nm，并且积分通量被选择为低于膜切除阈值。在一个实施例中，积分通量被选择为0.25J/cm2。该脉冲特性使得电极材料从膜的正面在单脉冲中被去除，而没有影响背面的电极。之后第二个同样的脉冲被用于从膜的背面去除导电材料。这是在无不利地影响膜本身的情况下完成的。该方法去除了在膜的相对面上对准重迭电极的边的挑战。

激光能量波长积分通量的其他结合可以被用于去除上方电极，而不影响下方电极或者去除上方电极和下方电极。目标是使用不被用于压电组件的聚合物膜显著吸收，但是被电极材料强烈吸收的激光脉冲。在一个实施例中，具有～15ns持续时间脉冲的248nm的准分子激光器被使用。另外，光切除的使用允许复杂图案被聚焦在膜上，因此允许在单个脉冲中形成间隙。

根据被公开技术的一个实施例，高频膜水下听音器包括在其相对面上具有导电材料的压电膜。如果需要通过从膜的每一面切除导体来制造电极，那么通过在正面上的切除以及对背面的穿过膜的切除，在电极材料的正面和背面上形成一个或多个校准特征是有利的，确保正面和背面基准点的完美校准。压电膜的第一面包括通过去除一些导电材料形成的第一电极图案。压电膜的第二面包括去除一些导电材料形成的第二电极图案。第一电极图案和第二电极图案在水下听音器的有效区域重迭。

在一些实施例中，“去极化”除水下听音器有效区域以外区域中的压电膜是有利的。图7显示了以减小膜压电反应的方式用区域302上方的激光处理的压电膜300的一部分。在一个实施例中，该处理发生在除水下听音器有效区域以外的所有区域。在将导电涂层涂至膜之前进行该处理。在一个实施例中，一个或多个基准点310、312产生于膜中，从而一旦电极图案被形成，水下听音器的有效区域可以被形成于未被处理的区域。

由激光进行的处理修改了压电膜，从而该膜对接收到的声能量响应较小。这减少了由电极区域产生的伪影，而不是由有效区域产生的伪影。在一个实施例中，区域302中的处理通过用具有0.5-1J/cm2之间激光积分通量以及约20Hz脉冲重复频率的，约15ns的一系列脉冲对压电膜图案化而进行。

图8说明了在该信号被传输给远程计算器系统(未显示)中处理电子器件之前，用于接收和缓冲水下听音器产生信号的电路。该电路包括缓冲放大器400，其在一个实施例中是以单位增益配置连接的集成电路(仿真装置公司，型号为AD8054)，其具有通过电容226被连接到水下听音器正电极的正输入。水下听音器上的负电极被连接到印刷电路板上的接地连接。同轴电缆406被用于将经由缓冲放大器400放大的信号运输到另外的信号处理电路(前置放大器、A/D转换器、DSP等)。供给缓冲放大器的正电压和负电压，以及供给安装有缓冲放大器的印刷电路板的接地连接是通过单独的线提供的。在一个实施例中，印刷电路板被承载在水下听音器的支座126上。整个电路板被封闭在防水密封材料从而电路可以在水下工作。

图9显示出根据被公开技术的实施例构造的水下听音器的可选实施例。在该实施例中，网格水下听音器在膜的每个表面上包括多个薄电极。各个电极在形成水下听音器多个有效区域的多个位置上互相重迭。在所示的实施例中，多个正电极500a,500b,……500f被图案化在膜的一面上，并且多个负电极502a,502b,……502e形成在膜的另一面上。水下听音器的有效区域形成在正电极和负电极重迭的每个位置。如将被理解的，每个电极必须被单独地的连接到单独的缓冲放大器或者用多路转换器等连接到共同缓冲放大器。

图9显示的数组型水下听音器允许通过选择哪个正电极和哪个负电极被连接到接收电子器件并且水下听音器本身不需要被移动而多个位置被采样。在一个实施例中，重迭电极可以通过图案化膜的每一面而被产生，或者需要从两面去除材料的区域可以如上所描述的从薄膜的单面被图案化。

随着高频超声发现另外的临床用途，高频超音波换能器需要被测试以确保它们对于在患者身上的使用是安全的。被公开技术使得具有足够小的有效区域的膜水下听音器被制造，从而它们可以被用于分析来自这些具有20-50Hz以及更高的中心频率的高频超音波换能器的波束图案。

从前述内容可以理解，出于说明目的，本发明的具体实施方式已经在此被描述，但可以不脱离本发明的范围做出各种修改。因此，本发明除通过所附的权利要求外不被限制。

Claims (16)

1.一种用于测量来自高频超音波换能器之声能的膜水下听音器，包括：

框架；

压电膜，其具有由该框架支撑的第一面和第二面，且包括位于该压电膜两面上的导电材料；以及

在该导电材料内形成的包含第一电极的第一电极图案以及包含第二电极的第二电极图案，其中该第一电极图案和该第二电极图案在该压电膜的相对面互相重迭，从而界定出该水下听音器的有效区域；

其中，包含该第一电极的该第一电极图案形成于该压电膜的第一面和第二面上，且在除有效区域以外的部分互相重迭并且电连接；

其中，包含该第二电极的该第二电极图案形成于该压电膜的第一面和第二面上，且在除该有效区域以外的部分互相重迭并且电连接；以及

其中该膜水下听音器的该有效区域由该压电膜的该第一面上的该第一电极图案的重迭部分以及该压电膜的该第二面上的该第二电极图案的一部分定义。

2.根据权利要求1所述的膜水下听音器，还包括位于该压电膜内的，与位于该压电膜的该第一面和第二面上的该第一电极图案电耦合的一个或多个导电通孔。

3.根据权利要求1所述的膜水下听音器，还包括用以放大该水下听音器的该有效区域产生的信号的缓冲放大器，其中，该缓冲放大器的输入电路被电容耦合至位于该膜上的该第一电极图案或该第二电极图案。

4.根据权利要求1所述的膜水下听音器，还包括至少一个用激光切入该压电膜的校准特征。

5.根据权利要求1所述的膜水下听音器，其中该水下听音器的该有效区域具有小于1600平方微米的面积。

6.根据权利要求1所述的膜水下听音器，其中该水下听音器的该有效区域具有小于900平方微米的面积。

7.一种方法，其制造用于测量来自高频超音波换能器的声能的膜水下听音器，包括：

拉伸横跨在框架上的压电膜；

将导电层应用至该压电膜的第一面和第二面；以及

在该压电膜上选择性地去除部分该导电层，从而形成在该水下听音器的有效区域内重迭的包含第一电极的第一电极图案和包含第二电极的第二电极图案，其中该第一电极图案和第二电极图案均在该压电膜的第一面和第二面上被创建，并且其中该第一电极图案和该第二电极图案在除该有效区域以外的部分互相重迭；

电连接在该压电膜的第一面和第二面上形成的包含该第一电极的该第一电极图案；

电连接在该压电膜的第一面和第二面上形成的包含该第二电极的该第二电极图案；以及

其中，该导电层被去除是通过将激光能量应用于该导电层从而去除部分该导电层，且保持该压电膜的完整。

8.根据权利要求7所述的方法，其中该导电层被选择性地去除是通过：

将激光能量应用于位于该压电膜的该第一面上的该导电层，从而在该膜的该第一面形成该第一电极图案；以及

将激光能量应用于该压电膜的该第一面中该导电层已从该压电膜的该第一面被去除的位置，从而在该压电膜的第二面形成该第一电极图案，其中位于该压电膜上的该第一面和该第二面的该第一电极图案在该水下听音器除该有效区域以外的部分互相重迭。

9.根据权利要求7所述的方法，其中该导电层是通过溅射工具被施加的。

10.根据权利要求7所述的方法，其中该第一电极图案或该第二电极图案是在部分该导电层被激光从该压电膜上去除之后，通过将化学腐蚀应用到该压电膜上而形成的。

11.根据权利要求7所述的方法，其中该电极是通过应用抗蚀剂层的激光图案化与化学腐蚀的结合去除该压电膜上的该导电层而形成的。

12.根据权利要求7所述的方法，还包括在该压电膜中形成导电通孔以与位于该压电膜每一面上的该重迭的第一电极图案电连接。

13.根据权利要求7所述的方法，还包括：在施加该导电层之前处理该压电膜的区域，从而减小除该水下听音器的该有效区域以外的该压电膜的压电特性。

14.根据权利要求7所述的方法，还包括膜通过将电压应用到位于该压电膜上的该第一电极图案和该第二电极图案点轮询该压电膜的该有效区域。

15.一种用于测量来自高频超音波换能器的声能的膜水下听音器，包括：

压电膜；

位于该压电膜相对的第一表面和第二表面上的包含第一电极的第一电极图案；

位于该压电膜相对的第一表面和第二表面上的包含第二电极的第二电极图案，据此该第一电极图案和该第二电极图案在直径为10-30微米的区域内重迭；以及

至少一个穿过该压电膜的校准特征，从而使得该压电膜与电极图案化工具对齐。

16.一种膜水下听音器，包括：

框架；

压电膜，其具有在该框架中被支撑的第一面和第二面，且包括位于该压电膜的该第一面和该第二面上的导体；

第一对基本相同的电极，其设置在该导体内的第一电极图案中且在该压电膜的该第一面和该第二面上重迭并且其通过具有一个或多个通孔的该压电膜电连接；

第二对基本相同的电极，其设置在该导体内的第二电极图案中且在该压电膜的该第一面和该第二面上重迭并且其被电连接；

其中该压电膜的该第一面上的该第一电极图案的一部分与该压电膜的该第二面上的该第二电极图案的一部分重迭，以创建该水下听音器的有效区域。

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