CN109952768A - 用于超声阵列的具有冗余连接点的柔性电路 - Google Patents

用于超声阵列的具有冗余连接点的柔性电路 Download PDF

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Abstract

本申请提供了用于超声换能器的柔性电路和方法。在至少一个实施例中，超声装置包括柔性电路和多个换能器元件。柔性电路包括绝缘层，所述绝缘层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。在绝缘层的第一表面上包括多个第一导电焊盘，每个第一导电焊盘电耦合到相应的换能器元件。在绝缘层的第二表面上包括多个第二导电焊盘，每个第二导电焊盘电耦合到相应的第一导电焊盘和相应的换能器元件。

Description

用于超声阵列的具有冗余连接点的柔性电路
技术领域
本申请涉及超声系统，并且更具体地，涉及包括柔性电路的超声系统，其中柔性电路用于附接至声学堆叠中的超声换能器元件。
背景技术
超声换能器通常包括压电换能器元件，其被电连接到诸如驱动电路或接收电路那样的电路，用于驱动超声信号(例如，超声脉冲)的传输和/或用于接收反射的超声信号(例如，回波信号)。换能器元件被耦合到柔性电路，柔性电路提供信号线用于在换能器元件和驱动电路、接收电路、处理电路等电路之间传输信号。这种电路通常被包括在超声探头外部的电子设备中，例如设备推车(equipment cart)或手持计算设备。因此，柔性电路将换能器元件耦合到处理、驱动和/或接收电路。
在运行期间，电脉冲被施加到换能器元件的电极，这引起换能器元件尺寸的机械变化并且产生声波，该声波朝向感兴趣的目标结构(例如，病人身体内的器官或其他生理特征)传输。然后，传输的声波从感兴趣的目标结构反射并在换能器元件的表面处被接收，作为回应，换能器元件生成电压，该电压可作为接收信号由相关联的处理电路和/或接收电路检测。
超声换能器可包括多个换能器元件，多个换能器元件被布置成具有一排或多排换能器元件的相控阵，这些换能器元件在电学上和声学上彼此隔离。这种阵列可包括64个或更多个单独的换能器元件。包括这些换能器元件的声学堆叠可以被形成为分层结构，分层结构包括背衬层、柔性电路、换能器元件(例如，压电陶瓷元件)和声匹配层。柔性电路通常包括导电迹线，导电迹线被形成在绝缘层的一侧上。导电迹线然后被耦合到相应的换能器元件。
超声阵列以及这种阵列设计的一个重要特征是进出阵列中换能器元件的信号脉冲路径的可靠性。如果信号路径中存在短路、开路、高电阻或任何缺陷，则提供给连接的换能器元件和来自连接的换能器元件的信号可能无法生成可以准确地形成超声图像的可靠信息。
因此，柔性电路的导电迹线耦合到相应的换能器元件的点是关键的耦合点，因为所有驱动信号都是通过各个导电迹线从驱动电路提供给换能器元件的。类似地，接收的回波信号可以通过耦合到换能器元件的各个导电迹线从换能器元件提供到接收和/或处理电路。
发明内容
本申请部分地解决了通过超声换能器中的柔性电路的更好的信号路径连续性的需求。提高通过柔性电路的信号路径连续性使得在处理电路、驱动电路和/或接收电路与换能器元件之间的信号通信更可靠。
本申请所提供的实施例通过提供冗余连接点来提高通过柔性电路的信号通信，其中冗余连接点用于将信号传输到超声换能器中的每个换能器元件，例如在超声换能器的声学堆叠中的每个换能器元件。可以通过使柔性电路的绝缘层的两侧均包括导电焊盘而提供冗余连接点。在绝缘层的一侧上的导电焊盘耦合到形成在绝缘层的同一侧上的相应导电迹线。此外，也在绝缘层的另一相对侧上形成导电焊盘，并且在绝缘层的相对侧上的对应导电焊盘彼此对准并通过穿过绝缘层形成的导电通孔彼此耦合。因此，即使导电焊盘中的一个导电焊盘与换能器元件的连接点存在缺陷(例如，该缺陷可能导致开路、高电阻等)，信号仍然可以通过第二电连接点(由形成在绝缘层的相对侧上的导电焊盘提供)可靠地提供到换能器元件或从换能器元件提供。
在至少一个实施例中，提供了一种超声换能器，所述超声换能器包括多个换能器元件和柔性电路。所述柔性电路包括绝缘层，所述绝缘层具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面。多个第一导电焊盘形成在所述绝缘层的所述第一表面上，并且每个第一导电焊盘电耦合到相应的换能器元件。多个第二导电焊盘形成在所述绝缘层的所述第二表面上，并且每个所述第二导电焊盘电耦合到相应的第一导电焊盘和所述相应的换能器元件。
在另一个实施例中，提供了一种包括柔性电路的超声换能器。柔性电路包括：绝缘层，所述绝缘层具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；在所述绝缘层的所述第一表面上的多条导电迹线，每条所述导电迹线电耦合到所述绝缘层的所述第一表面上的相应的第一导电焊盘；以及在所述绝缘层的所述第二表面上的多个第二导电焊盘。所述柔性电路还包括多个导电通孔，每个所述导电通孔延伸穿过相应的第一导电焊盘、所述绝缘层和相应的第二导电焊盘。每个所述导电通孔使得相应的第一导电焊盘和相应的第二导电焊盘互相电耦合。所述超声换能器还可包括多个换能器元件，每个所述换能器元件电耦合到相应的第一导电焊盘和相应的第二导电焊盘。
在另一个实施例中，提供了一种方法，所述方法包括在绝缘层的第一表面上形成多条导电迹线；在所述绝缘层的所述第一表面上形成多个第一导电焊盘，每条第一导电迹线电耦合到相应的第一导电焊盘；在所述绝缘层的第二表面上形成多个第二导电焊盘，所述第二表面与所述第一表面相对；以及将每个所述第一导电焊盘电耦合到相应的第二导电焊盘。
附图说明
图1是根据本申请的一个或多个实施例的、用于超声换能器中的声学堆叠的柔性电路的透视图。
图2是根据本申请的一个或多个实施例的、用于超声换能器中的声学堆叠的另一柔性电路的透视图。
图3A是示出根据本申请的一个或多个实施例的、包括柔性电路的超声换能器声学堆叠的正视图。
图3B是根据本申请的一个或多个实施例的、图3A中所示的声学堆叠的侧视图。
具体实施方式
在这里描述的各种实施例中，用于超声换能器的柔性电路可包括导电焊盘，所述导电焊盘被形成在柔性电路的绝缘层的两个相对侧中的每一侧上。绝缘层的第一侧上的导电焊盘各自通过导电通孔电耦合到绝缘层的第二侧上的相应导电焊盘，其中导电通孔穿过相应的导电焊盘和绝缘层形成。绝缘层的第一侧或第二侧中的一侧上的导电焊盘电耦合到柔性电路上的相应导电迹线。柔性电路可以耦合到声学堆叠(acoustic stack)，这样声学堆叠中的每个换能器元件都电耦合到至少两个导电焊盘，即在绝缘层的相对侧上通过导电通孔互相电耦合的导电焊盘。因此，柔性电路提供了至少两个接触点，该至少两个电触点由通过导电通孔彼此耦合的每个导电焊盘提供，其中可以通过该至少两个接触点向换能器元件提供或从换能器元件处接收沿着导电迹线传输的信号(例如，用于驱动连接的换能器元件以发送超声脉冲的驱动信号或由连接的换能器元件接收的回波信号)。
图1是用于超声换能器中的声学堆叠的柔性电路10的至少一个实施例的透视图。柔性电路10包括绝缘层12、导电迹线14和导电焊盘16。
绝缘层12由任何合适的柔性绝缘材料制成，例如聚酰亚胺。导电迹线14被形成在绝缘层12的第一表面11(例如，前表面)上。导电迹线14可以由任何导电材料制成，并且可以使用任何合适的工艺形成，例如通过使用一个或多个掩模(mask)或沉积图案(depositionpattern)将导电材料沉积在绝缘层12上。在一个或多个实施例中，导电迹线14包括铜。
形成在绝缘层12的第一表面11上的每条导电迹线14都耦合到第一表面11上的相应导电焊盘16a。导电焊盘16a可以用与导电迹线14相同工艺并使用与导电迹线14相同的材料形成。
在图1所示的实施例中，绝缘层12的第一表面11上的每个导电焊盘16a与形成在绝缘层12的第二表面13(例如背面)上的相应导电焊盘16b对准并电耦合。导电焊盘16a、16b通过导电穿孔或通孔18彼此电耦合。
穿过对准的第一表面11上的相应导电焊盘16a和第二表面13上的相应导电焊盘16b形成通孔18。通孔可以通过例如钻孔、冲孔等工艺穿过绝缘层12的第一和第二表面11、13上的对准的导电焊盘16a、16b而形成，然后通孔可以用诸如铜一类的导电材料电镀。这样，通孔18穿过绝缘层12使相应的导电焊盘16a、16b电耦合。因此，通过绝缘层12的第一表面11上的迹线14提供的信号被提供给第一表面11上的导电焊盘16a，同时通过通孔18提供到第二表面13上的相应导电焊盘16b。
因此，柔性电路10在附接到声学堆叠时提供冗余的电接触点。也就是说，柔性电路10可以附接到声学堆叠，使得形成在绝缘层12的每一侧上的相应导电焊盘16a、16b均与声学堆叠中的相应换能器元件接触。另外，由于相应的导电焊盘16a、16b通过导电通孔18互相电耦合，因此通过绝缘层12的第一表面11上的迹线14提供的信号将通过绝缘层12的两个表面11、13上的相应导电焊盘传输到相应的换能器元件。因此，即使在某些情况下(例如对应的导电焊盘16a、16b中的一个导电焊盘与换能器元件存在错误连接，或以任何方式降低了其携带电信号的能力)，也依然可以实现向声音堆叠中的换能器元件的信号(例如，驱动信号)传输。
通过使用例如切割锯，可以将柔性电路10切割成单独的导电路径。柔性电路10可以被切割使得每个导电路径均包括相应的导电迹线14和形成在绝缘层12的相应表面上的相应导电焊盘16a、16b。例如，柔性电路10可以沿着切割线22、24被切割，如图1所示。
图2是根据本申请的一个或多个替代实施例的柔性电路100的透视图。除了将在下面讨论的差异之外，图2的柔性电路100在结构和功能上类似于图1的柔性电路10。出于简洁的目的，这里将不再描述柔性电路10和100的共同的特征。
柔性电路10和100之间的主要区别在于，在图2的柔性电路100中，绝缘层12的第二表面13上的导电焊盘由单个导电总线116形成。例如，导电总线116可以通过使用沉积技术由铜形成。或者，导电总线116可以是预制的导电材料片，其使用例如粘合剂被粘合到绝缘层12的第二表面13。在一个或多个实施例中，导电总线116具有约5毫米的高度(h)。导电总线116被形成或被粘接在绝缘层12的相对表面(例如，如图所示的第二表面13)上作为导电焊盘16b。如在图1的柔性电路10中那样，穿过绝缘层12的第一表面11上的导电焊盘16a形成导电通孔18，从而将导电焊盘16a电耦合到绝缘层12的第二表面13上的导电总线116的相应区域。
然后可以使用切割锯将柔性电路100切割成单独的导电路径，例如沿着切割线122、124切割。在穿过导电总线116和绝缘层12切割之后，如切割线122、124所示，柔性电路100包括多个单独的导电路径，其中导电路径由形成在绝缘层的第一表面11上的迹线14以及在第一表面11上的导电焊盘16a和在第二表面13上的导电总线116的相应导电区域(即，切割后的导电总线116的部分)构成，导电总线116的相应导电区域通过导电通孔18耦合到相应的导电焊盘16a。
图3A是示出超声换能器声学堆叠200的正视图，其中超声换能器声学堆叠200包括根据本申请的一个或多个实施例的柔性电路；图3B是图3A中示出的声学堆叠200的侧视图。
声学堆叠200包括多个换能器元件32、声匹配层34和柔性电路10。柔性电路10被附接到换能器元件32的下表面，声匹配层34被附接到换能器元件32的上表面。
柔性电路10、换能器元件32和声匹配层34可以通过使用粘合材料(例如环氧树脂)而互相附接以形成声学堆叠200。在一个或多个实施例中，换能器元件32由诸如压电陶瓷材料那样的压电材料制成。换能器元件32可包括电极(例如，信号电极和/或接地电极)，它们被电耦合到分别被形成在绝缘层12的第一和第二表面11、13上的导电焊盘16a、16b。替换地，可以通过使用导电环氧树脂、焊料、焊膏等将换能器元件32附接到柔性电路10而使换能器元件32电耦合到相应的导电焊盘16a、16b。柔性电路10以下述方式附接到换能器元件32，即每个换能器元件32电耦合到两个导电焊盘16a、16b(在绝缘层12的每个表面11、13上各一个)，从而建立冗余的接触点用于将信号从相关的导电迹线14传输到换能器元件32。
图3A和3B中所示的声学块200可以通过各种制造工艺形成。在一个实施例中，换能器元件32最初可以以单个压电材料块提供。类似地，在绝缘层12的第一表面11上的导电焊盘16a和/或绝缘层12的第二表面13上的导电焊盘16b可以最初被提供为电耦合到绝缘层12上的相应迹线14的导电材料块(例如，如图2所示的导电总线116)。
通孔可以通过例如钻孔、冲孔等工艺被形成，一旦形成，它就在某个位置穿过第二表面13上的导电总线116，该位置将被包括在导电焊盘16b中。所述通孔被形成以延伸穿过导电总线116、绝缘层12以及绝缘层12的第一表面11上的导电焊盘16a。然后可以用导电材料(例如铜)电镀或涂覆通孔，以形成导电通孔18而将导电焊盘16a电耦合到导电总线116的相关区域，其中导电总线116在被切割之后将成为绝缘层12的第二表面13上的导电焊盘16b。
压电块可以被附接到柔性电路10，使得第一表面11上的导电焊盘16a和第二表面13上的导电总线116与压电块接触。然后可以使用切割锯将压电块和柔性电路10切割成单独的换能器元件32和相应的导电焊盘16a、16b。这样，可以形成多个单独的换能器元件32，每个换能器元件32都电耦合到柔性电路10的一对相关的导电焊盘16a、16b。每个导电焊盘16a电耦合到形成在绝缘层12的第一表面11上的相应迹线14，并且每个导电焊盘16a还通过导电通孔18耦合到绝缘层12的第二表面13上的相应导电焊盘16b。因此，在柔性电路10和换能器元件32之间形成冗余电连接，因为柔性电路10的每条迹线14都被耦合到绝缘层12的第一表面11上的导电焊盘16a以及绝缘层12的第二表面13上的导电焊盘16b。
在如上所述压电块被切割成单独的换能器元件32之后，在换能器元件32之间和/或在柔性电路10的相邻导电焊盘16a、16b之间形成的间隙可以用粘合材料填充，例如环氧树脂填料40。
然后可以使用任何合适的粘合剂(例如环氧树脂)将声匹配层34附接到换能器元件32的上表面和/或环氧树脂填料40。
绝缘层12的第一表面11上的导电焊盘16a不必具有与绝缘层12的第二表面13上的相应导电焊盘16b相同的尺寸。例如，如图2所示，可以切割穿过导电总线116而形成导电焊盘16b，而导电焊盘16a可以在之前连同迹线14一起被形成为具有合适的尺寸。在这种情况下，在切割柔性电路10之后形成的导电焊盘16b可以具有比预先形成的导电焊盘16a更大的面积尺寸。
在另一个实施例中，换能器元件32最初可以作为单个压电材料块被提供，而柔性电路10可以在这之前被切割成多个迹线14以及带有导电通孔18(穿过相应的导电焊盘16a、16b形成)的相应导电焊盘16a、16b。预切割的柔性电路10可以附接到压电块，使得每对相关的导电焊盘16a、16b在某些区域接触压电块，其中这些区域稍后将被切割成单独的换能器元件32。压电块然后将被切割成多个单独的换能器元件32，例如使用切割锯。
在又一个实施例中，声学堆叠10可以由已经被切割的换能器元件32和已经被切割的柔性电路10(以形成多个迹线14和具有导电通孔18的相应导电焊盘16a、16b，导电通孔18被形成为穿过相应的导电焊盘16a、16b)形成。在这种情况下，换能器元件32可以直接附接到或以其他方式电耦合到绝缘层12的第一和第二表面11、13上的相应导电焊盘16a、16b。如本文所描述的，可以施加环氧树脂填料40并且可以将声匹配层34附接到换能器元件32。
上述实施例的各种特征和元件可以以其他方式组合以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他的改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及权利要求主张的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开内容的限制。

Claims (20)

1.一种超声换能器，其特征在于，所述超声换能器包括：
多个换能器元件；以及
柔性电路，所述柔性电路包括：
绝缘层，所述绝缘层具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
多个第一导电焊盘，所述第一导电焊盘在所述绝缘层的所述第一表面上，每个所述第一导电焊盘电耦合到相应的换能器元件；以及
多个第二导电焊盘，所述第二导电焊盘在所述绝缘层的所述第二表面上，所述多个第二导电焊盘中的每个第二导电焊盘电耦合到相应的第一导电焊盘和所述相应的换能器元件。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述柔性电路还包括：
多条导电迹线，所述多条导电迹线在所述绝缘层的所述第一表面上，每条导电迹线电耦合到相应的第一导电焊盘。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第一导电焊盘通过导电通孔电耦合到相应的第二导电焊盘，其中穿过所述相应的第一导电焊盘和所述相应的第二导电焊盘形成所述导电通孔。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述相应的第一导电焊盘和所述相应的第二导电焊盘通过粘合材料附接到所述相应的换能器元件。
5.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，所述粘合材料包括导电粘合材料。
6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括声匹配层，所述声匹配层被布置在所述多个换能器元件上并被附接到所述多个换能器元件。
7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述绝缘层包括聚酰亚胺。
8.一种超声换能器，其特征在于，所述超声换能器包括：
柔性电路，所述柔性电路包括：
绝缘层，所述绝缘层具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
多条导电迹线，所述导电迹线在所述绝缘层的所述第一表面上；
多个第一导电焊盘，所述第一导电焊盘在所述绝缘层的所述第一表面上，每个所述第一导电焊盘电耦合到相应的第一导电迹线；
多个第二导电焊盘，所述第二导电焊盘在所述绝缘层的所述第二表面上；以及
多个导电通孔，每个所述导电通孔延伸穿过相应的第一导电焊盘、所述绝缘层和相应的第二导电焊盘，每个所述导电通孔使所述相应的第一导电焊盘和所述相应的第二导电焊盘彼此电耦合。
9.根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括：
多个换能器元件，每个所述换能器元件电耦合到相应的第一导电焊盘和相应的第二导电焊盘。
10.根据权利要求9所述的超声换能器，其特征在于，每个所述换能器元件通过粘合材料附接到相应的第一导电焊盘和相应的第二导电焊盘。
11.根据权利要求10所述的超声换能器，其特征在于，所述粘合材料包括导电粘合材料。
12.根据权利要求9所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括声匹配层，所述声匹配层被布置在所述多个换能器元件上并被附接到所述多个换能器元件。
13.根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，所述绝缘层包括聚酰亚胺。
14.一种方法，其特征在于，所述方法包括：
在绝缘层的第一表面上形成多条导电迹线；
在所述绝缘层的所述第一表面上形成多个第一导电焊盘，每条所述第一导电迹线电耦合到相应的第一导电焊盘；
在所述绝缘层的第二表面上形成多个第二导电焊盘，所述第二表面与所述第一表面相对；
将每个所述第一导电焊盘电耦合到相应的第二导电焊盘；以及
将相应的第一导电焊盘和相应的第二导电焊盘电耦合到相应的超声换能器元件。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，将每个所述第一导电焊盘电耦合到相应的第二导电焊盘包括：
形成多个导电通孔，其中穿过相应的第一导电焊盘、所述绝缘层和相应的第二导电焊盘形成每个所述导电通孔。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，形成所述多个第一导电焊盘包括：
将导电总线附接到所述绝缘层的所述第一表面，每条所述第一导电迹线被耦合到所述导电总线的相应部分；以及
切割所述导电总线以形成所述多个第一导电焊盘。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，形成所述多个第二导电焊盘包括：
将导电总线附接到所述绝缘层的所述第二表面；以及
切割所述导电总线以形成所述多个第二导电焊盘。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，形成所述多个第一导电焊盘包括将第一导电总线附接到所述绝缘层的所述第一表面并切割所述第一导电总线，形成所述多个第二导电焊盘包括将第二导电总线附接到所述绝缘层的第二表面并切割所述第二导电总线。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述相应的换能器元件上形成声匹配层。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将压电材料块附接到所述多个第一导电焊盘和所述多个第二导电焊盘；以及
切割所述压电材料块以形成多个超声换能器元件。
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