CN110191765A - 超声换能器 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产多个压电超声换能器元件的方法，该方法包括在基材片的表面的至少一部分上提供或沉积压电材料，以形成分层构件；以及由分层构件形成一个或多个压电超声换能器元件。

Description

超声换能器
技术领域
本发明涉及超声换能器设备和相关系统和方法。
背景技术
使用超声波的分析在一系列应用中(特别是在诸如医学成像的成像中)，以及在诸如无损检测(NDT)的领域中(特别是在工业NDT中)显示出巨大的希望。使用超声技术的牙齿成像是合适应用的一个示例，其中超声成像可用于确定牙齿层的(例如，牙釉质、牙本质和牙髓的)性质，以及确定和表征层的厚度以及在其中的任何缺陷、疾病或其他问题。
超声换能器可操作以产生超声波，该超声波被传输到样本(例如，牙齿或硬质材料)中，并且检测从样本的层之间的界面(例如，牙釉质和牙本质之间或者牙本质和牙髓之间的界面)反射的超声波的反射。通过使用诸如飞行时间和其他分析的技术，可对样本(例如牙齿)的层成像，从而表征样本。超声波在该应用中的应用是特别有利的，因为传统的牙齿成像技术涉及使用X射线，X射线对接受者和执行辐射的医师都有潜在的危害，并且需要安全、昂贵、耗时的放射性物质控制。
传统的超声换能器通常由块状陶瓷材料形成，其可能成本高、体积大且难以制造，特别是具有许多应用所需的形状和性能。
本发明的至少一个实施例的至少一个方面是为了提供一种改进的超声换能器和相关系统和/或改进的成像或测试方法，特别是医学成像方法，最特别是牙齿成像方法或者替代地工业非破坏性测试方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种制造一个或多个(优选地多个)压电构件或元件(例如超声换能器元件)的方法。该方法可包括在基材的至少一部分上提供或沉积压电材料(例如，基材片)，例如以形成分层构件。压电材料可布置或沉积在基材的至少一部分上，以便覆盖基材(例如基材片)的表面的至少一些、大部分或全部。一个或多个压电构件或元件(例如超声换能器构件或元件)可由分层构件(例如，在其上提供或沉积有压电材料的基材(例如基材片))形成。
该方法可包括例如在压电材料或基材上提供或沉积一层介电材料。可在至少部分或全部表面(例如，介电材料的相对于基材的另一或相对侧或表面)上提供或沉积介电材料。介电材料可以是聚合物、塑料或环氧树脂，例如SU8。介电材料可具有小于1mm的厚度。介电材料可具有高电压密度。介电材料可以是电绝缘体。
该方法可包括以下中的一个或多个：从分层构件(例如，在其上提供或沉积有压电材料的基材(例如基材片))切割、冲压、释放和/或以其他方式形成一个或优选地多个成形部分。成形部分可以是或者形成换能器元件，或可以是或形成用于生产其上的换能器元件的坯料。
成形部分(例如换能器元件或坯料)可包括有源部分和从有源部分突出的至少一个突片。在使用中，有源部分可适于产生超声波。突片可适于用作电连接器或电极。有源部分可以是至少部分圆形的(除了与突片的接口之外)、椭圆形、四边形(例如正方形或矩形)或其他适当形状的部分。该方法可包括相对于有源部分弯曲突片，以使得突片成角度，例如，至少45°、至少60°或垂直于有源部分。可弯曲突片，以使得突片朝向由压电材料形成的分层构件的表面弯曲，例如，远离由压电材料形成的分层构件的表面。
以这种方式，所得的压电构件或元件可包括有源部分和与有源部分成角度的突片。
多个(例如大量的)这种压电构件或元件可由沉积在基材上的单片压电材料制成。压电构件或元件可以是或形成换能器元件，或者可以是或形成可用于生产换能器元件的坯料或部件。以这种方式，可生产大量压电构件或元件(例如，使用片沉积和切割或冲压工艺)，其中，压电构件或元件随后可组装成换能器。以这种方式，本方法可包括使用单个沉积步骤，生产多个或甚至许多换能器构件或元件。这导致更便宜且更容易生产换能器，并且允许提高生产率。这与压电材料单独沉积以形成单个换能器或生长单晶并且单晶用于单个换能器的方法形成对比。单晶的生长可能是耗时的。另外，使用单晶形成单个换能器可能是困难的，因为单晶难以切割成所需的尺寸和/或角度，例如，用于形成高频换能器。在单个换能器的形成中使用单晶可能导致大量浪费并且通常可能导致制造困难。
根据本发明的第二方面，提供了一种组装超声换能器的方法。该方法可包括提供或形成换能器元件。可使用第一方面的方法形成换能器元件。该方法可包括在基材的至少一部分上布置或沉积压电材料，例如，至少部分地形成换能器元件。基材可被配置或布置成提供超声换能器的第一电极或电连接器。该方法可包括将至少一个第二电极或电连接器连接到换能器元件，例如，到压电材料。
基材可被配置或布置成提供超声换能器的第一电极或电连接器。该方法可包括将至少一个第二电极或电连接器连接到换能器元件，例如，到压电材料。
至少一个第二电极的横向范围或表面积(或组合的横向范围或表面积)可小于压电材料的横向范围或表面积。接触、耦合或接合或支撑换能器元件的一个或多个第二电极的一个或多个连接区域的表面积(例如，总表面积或组合表面积)可小于或大体上小于换能器元件的(或其压电材料的)表面积。
换能器元件可在离散或间隔开的接触区域或其表面的一部分(例如压电材料的表面)上被支撑、耦合、接合或接触。换能器元件可由超声换能器的一个或多个支撑结构、在换能器元件的仅一些但不是全部的表面(例如，压电材料的表面)上被支撑、耦合、接合或接触。
该方法可包括将多个第二电极或电触头连接到换能器元件，例如，到压电材料。每个第二电极的横向范围或表面积，或多个第二电极的总或组合横向范围或表面积可小于换能器元件的(例如，压电材料的)横向范围或表面积。
该方法可包括在将第二电极或电连接器连接到换能器元件(例如，到压电材料)之前，形成或成形换能器元件(例如，基材和/或压电材料)。
例如，换能器元件可以是或包括基材和/或压电材料片的一部分或由其形成。该方法可包括从基材和/或压电材料片切割和/或释放基材和/或压电材料的一部分。
该方法包括在压电材料上布置另一背衬元件。
该方法可包括将基材、压电材料、该/每个第二电极或多个第二电极和另一背衬元件中的至少一个布置在壳体中。
该方法可包括在壳体中布置延迟材料的至少一部分。延迟材料的至少一部分可布置在壳体的接合元件和基材之间。延迟材料可被配置为在由设备接收的超声波和由设备产生的超声波之间引入时间延迟。
根据本发明的第三方面，提供了一种组装超声换能器的方法。该方法可包括提供基材。该方法可包括提供压电材料。压电材料可布置或沉积在基材的至少一部分上。基材可被配置或布置成形成超声换能器的第一电极或电连接器。该方法可包括将第二电极或电连接器连接到压电材料。第二电极或电连接器的横向范围或表面积可小于压电材料的横向范围或表面积。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于对物体成像的超声换能器。超声换能器可适用于物体的生物医学成像。超声换能器可用于牙齿应用。例如，超声换能器可适用于口腔结构(例如牙齿结构)的成像。超声换能器可被配置成用于非破坏性测试。
超声换能器可包括换能器元件，其可以是或包括平面的薄膜或分层的换能器元件。换能器元件可包括基材，例如非压电基材。基材可以是柔性基材。基材可以是薄的和/或独立的基材。基材可任选地但不是基本上是或包括膜或箔。基材可以是导电基材。基材可被配置或布置成形成超声换能器的第一电极或电连接器，或者可电连接到第一电极或电连接器。
换能器元件可包括压电材料。压电材料可布置或沉积在基材的至少一部分或全部上。基材和压电材料可以是、形成、包括或包含在分层的换能器元件的层中。
换能器元件可包括介电材料，例如介电材料层。压电材料可沉积或提供在压电材料上。可在介电材料的侧面或表面(例如，介电材料的相对于基材的另一或相对侧或表面)的至少一部分或全部上提供或沉积介电材料。可在换能器的外表面或向外表面上提供或沉积介电材料。介电材料可以是聚合物、塑料或环氧树脂，例如SU8。介电材料可具有小于1mm的厚度。介电材料可具有高电压密度。介电材料可以是电绝缘体。
可至少部分地通过第一方面的方法生产换能器元件。可使用第二方面或第三方面的方法至少部分地组装超声换能器。
超声换能器可包括一个或多个第二电极或电连接器。一个或多个第二电极或电连接器可连接、耦合或接合到换能器元件，例如，到压电材料。例如，一个或多个第二电极或电连接器可通过接合材料(例如，导电环氧树脂或其他导电接合材料)连接、耦合或接合到换能器元件(例如压电材料)。一个或多个第二电极或电连接器可被配置成至少部分地支撑换能器元件。
接触、耦合或接合到或支撑换能器元件的一个或多个第二电极的一个或多个连接区域的表面积(例如，总表面积或组合表面积)可小于换能器元件的(或者其压电材料的)表面积。换句话说，一个或多个第二电极或电连接器的横向范围或接触面积(例如，总横向范围或接触面积)可小于换能器元件的横向范围或表面积。通过提供具有小于由第二电极或电触头支撑或接触，或接合或耦合到第二电极或电触头的换能器元件的表面的横向范围或表面积的第二电极或电触头，可促进第二电极到换能器元件的接合或连接。此外，可改善换能器元件的超声波的产生。附加地或替代地，这可允许例如在使用时，多个第二电极连接到换能器元件，例如以允许聚焦由超声换能器发射的一个或多个超声波。
换能器元件可仅在离散或间隔开的接触区域或其表面的一部分(例如压电材料的表面)上被支撑、耦合、接合或接触。换能器元件可由超声换能器的一个或多个支撑结构、在换能器元件的仅一些但不是全部表面(例如，压电材料的表面)上被支撑、耦合、接合或接触。
超声换能器可包括壳体，例如，用于接收、支撑和/或安装换能器元件、基材、压电材料、该/每个第二电极或多个第二电极和另一背衬元件中的至少一个的壳体。壳体或其部件可由陶瓷、塑料和/或聚合物制成。替代地或附加地，壳体或其部件可由金属或金属合金制成。壳体可限定开口，例如在壳体的一端。换能器元件可安装或接合到壳体，例如，到壳体的端部或开口周围的周边。换能器元件可悬挂在壳体中的开口上，例如，覆盖和/或关闭壳体中的开口。壳体可限定与开口连通的腔、室或孔。一个或多个第二电极或电连接器可至少部分地设置在壳体中的腔、室或孔内。
壳体的腔、室或孔可设置有或者填充有填充物，例如凝胶或树脂。填充物可被配置成对压电材料的响应没有影响或影响可忽略不计。
超声换能器可被布置成使得换能器元件由壳体和/或一个或多个第二电极或电连接器和/或填充材料支撑。上面提到的超声换能器的支撑结构可以是或包括壳体和一个或多个第二电极或电连接器。
第二电极或电连接器可以是或包括销或细长电极或电连接器。第二电极或电连接器可包括轴，并且可包括头部，该头部可大体垂直于轴延伸或者与轴成角度。第二电极可包括或形成背衬元件。第二电连接器可连接到背衬元件。第二电极或电连接器和/或背衬元件可被配置成阻尼由压电材料产生的超声波。这可导致过度振动的减少，并且允许减小空间超声脉冲长度，这可导致超声换能器的分辨率提高。
一个或多个第二电极或电连接器可布置在换能器元件上(例如换能器元件的压电材料)，使得第二电极或电连接器的至少一部分(例如，第二电极或电连接器的轴)在大体垂直于压电材料的表面的方向上延伸。第二电极或电连接器的至少一部分(例如头部)可沿换能器元件的表面延伸或与换能器元件的表面平行延伸。第二电极或电连接器的头部可接合到换能器元件(例如，到压电材料或到背衬元件)。
超声换能器可包括多个第二电极或电连接器。多个第二电极或电连接器或每个第二电极或电连接器可连接或接合到换能器元件(例如，到压电材料)。多个第二电极或电连接器的总(例如组合)横向范围或表面积可小于换能器元件的(例如压电材料的)横向范围或表面积。多个第二电极或电连接器可包括或限定第二电极或电连接器的阵列。通过在换能器元件上(例如，在其压电材料上)连接多个第二电极或电连接器，可改善由超声换能器发射的一个或多个超声波的聚焦。
超声换能器可包括另一背衬元件。背衬元件或另一背衬元件可形成换能器元件的一个或多个层。另一背衬元件可被配置成允许阻尼由压电材料产生的超声波。通过提供另一背衬元件，可改善过度振动的减少，这可允许减小空间超声脉冲长度和/或可导致超声换能器的分辨率的改善。
另一背衬元件可布置在压电材料上。例如，另一背衬元件可布置在压电材料上，使得另一背衬元件支撑基材和压电材料。另一背衬元件可布置在压电材料上，使得背衬元件围绕该/每个第二电极或电连接器，或多个第二电极或电连接器。另一背衬元件可布置在压电材料上，使得背衬元件和第二电极或多个第二电极相对于彼此同轴地布置。
另一背衬元件可包括绝热材料。另一背衬元件的绝热材料可允许背衬元件用作隔热罩。
超声换能器可包括接合元件，例如，用于接合或接触待成像物体的接合件。接合元件可包括膜。接合元件可以是柔性的或可变形的。接合元件可是聚合的，例如，它可以是或包含聚合物膜。接合元件可供一个或多个超声波透过。接合元件可布置在壳体的一端或第二壳体上。例如，接合元件可布置成跨越壳体或第二壳体的端部。例如，第二壳体可以可移动或可滑动地安装在壳体上，并且被配置成可相对于壳体移动或滑动。
换能器元件、该/每个第二电极或多个第二电极和背衬元件中的至少一个可以可移动地或可滑动地布置在壳体中或相对于第二壳体可移动地或可滑动地布置，例如，以允许改变或调节接合元件和换能器元件之间的距离。
超声换能器可包括阻尼材料。阻尼材料的至少一部分可布置在壳体中、第二壳体中或者限定在壳体和第二壳体之间的室或容积中。例如，阻尼材料的至少一部分可布置在接合元件和换能器元件(例如换能器元件的基材)之间。阻尼材料可被配置为减小或改变由超声换能器接收的一个或多个超声波的速度。阻尼材料可被配置为在换能器元件产生超声波和从超声换能器发射超声波之间引入时间延迟。阻尼材料可被配置成允许在由超声换能器产生的一个或多个超声波与由超声换能器接收的一个或多个超声波(例如由待成像物体反射的一个或多个超声波)之间进行区分(例如在其之间引入时间延迟)。可配置或提供材料以用作延迟线。该材料可以是或包括可变形材料，例如，环氧树脂或凝胶型材料。这可允许例如当换能器元件相对于接合元件滑动或移动时，材料的厚度并因此允许延迟线的厚度变化。
超声换能器可被配置为以0.001至200MHz(例如，40至120MHz(例如用于牙齿应用)或1至10MHz(例如用于NDT应用))的区域中的频率发射一个或多个超声波。在使用时，换能器元件可被配置和/或布置成使得超声换能器发射包括0.001至200MHz(例如，约40至120MHz)频率的一个或多个超声波。压电材料可具有约2至8μm的厚度。基材可具有约15至60μm的厚度。
基材可以是或包括金属基材，例如金属箔。基材可以是或包括柔性和/或导电基材。柔性基材可允许换能器元件(例如，基材和/或压电材料)成形为非平面或弯曲的，例如以允许聚焦一个或多个超声波。基材可以是或包括铝或铜基材。
压电材料可以是或包括无机材料。压电材料可以是或包括结晶或多晶材料。压电材料可以是非聚合的。压电材料可以是或包括具有压电特性的连续材料层，例如，压电材料在非压电材料矩阵内可不包括具有压电特性的压电材料的离散区域。压电材料可以是或包括氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于与超声换能器(例如第四方面的超声换能器)接口的设备。该设备可连接、耦合或可连接或可耦合到超声换能器。该设备可连接、耦合或可连接或可耦合到用于激励超声换能器的源头和用于接收来自超声换能器的信号的接收器。该设备可连接、耦合或可连接或可耦合在超声收发器与源头和接收器之间。
该设备可被配置为调节或选择设备的电特性(例如，阻抗)，使得超声换能器对应的电特性(例如，阻抗)匹配或对应于用于激励超声换能器的源头或者用于接收来自超声换能器的信号的接收器的对应的电特性。电特性可以是或包括阻抗。
该设备可包括第一配置。在第一配置中，该设备可被配置为调节或选择设备的阻抗，以提供换能器的阻抗与接收器的阻抗之间的阻抗匹配。
该设备可包括第二配置。在第二配置中，该设备可被配置为调节或选择设备的阻抗，以提供换能器的阻抗与源头的阻抗之间的阻抗匹配。
该设备可被配置为在第一配置和第二配置之间可切换或可操作。该设备可包括开关构件，例如门或门电路。开关构件可被配置成在第一配置和第二配置之间操作或切换设备。
该设备可包括第一调节系统。第一调节系统可以是或包括阻抗或阻抗网络。第一调节系统可包括在开关构件中，或者可连接或连接到开关构件。第一调节系统可被配置为提供设备的电特性，以便例如当设备处于第一配置时，对应或匹配源头和/或超声换能器的电特性，例如以阻抗匹配超声换能器和源头。在第一配置中，第一调节系统可设置在源头和超声换能器之间的导电路径中或切换到导电路径中。
该设备可包括第二调节系统。第二调节系统可以是或包括阻抗或阻抗网络，其可具有与第一调节系统不同的阻抗。第二调节系统可包括在开关构件中，或者可连接或连接到开关构件。第二调节构件可被配置为提供设备的电特性，以便例如当设备处于第二配置时，对应或匹配接收器和/或超声换能器的电特性，例如以阻抗匹配超声换能器和接收器。在第二配置中，第二调节系统可设置在超声换能器和接收器之间的导电路径中或切换到导电路径中。
根据本发明的第六方面，提供了一种与超声换能器设备一起使用的系统。该系统可包括用于与超声换能器接口的设备。该设备可以是或包括根据第五方面的设备。
该设备可包括源头，例如，用于激励超声换能器的源头。源头可连接或可连接到设备。
该设备可包括用于接收的接收器，例如，用于接收来自超声换能器的信号的接收器。接收器可连接或连接到设备。
源头和接收器可经由用于与超声换能器接口的设备连接或可连接到超声收发器。
根据本发明的第七方面，提供了一种超声换能器系统。该系统可包括根据第四方面的超声换能器设备。该系统可包括与根据第五方面的超声换能器设备一起使用的系统。与超声换能器设备一起使用的系统可连接或可连接到超声换能器。
根据本发明的第八方面，提供了一种对物体成像的方法。该物体可以是或包括口腔结构，例如牙齿。该方法可包括相对于物体定位超声换能器，例如，以允许对物体成像。该方法可包括非破坏性测试或包含在非破坏性测试中。超声换能器设备可以是或包括根据第四方面的超声换能器。该方法可包括使用超声换能器对物体成像。
使用步骤可包括将来自超声换能器的一个或多个超声波导向物体。使用步骤可包括通过超声换能器接收由物体或其一部分反射的一个或多个超声波。
该方法可包括基于从物体接收的一个或多个超声波来构建和/或记录物体的图像。该方法可包括基于从物体的一个或多个层或层之间的接口(例如，从牙釉质和牙本质之间的接口和/或牙本质和牙髓之间的接口)接收的一个或多个超声波来构建和/或记录物体的图像。
该方法可包括例如通过选择性地将驱动电流或电势施加到所选择的第二电极或电触头，或不同的驱动电流或电势到不同的第二电极或电触头，和/或通过提供弯曲的或非平面的换能器元件(例如，凹形换能器元件)来聚焦从超声换能器引导的超声波。
应当理解，在本发明的任何其他方面或实施例中，以上根据本发明的任何方面定义的特征或以下关于本发明的任何特定实施例定义的特征可单独地或与任何其他定义的特征组合地利用。
附图说明
仅通过举例的方式，参考附图，将不再描述本发明的至少一个实施例，附图中：
图1示出了超声换能器的透视图；
图2示出了图1的超声换能器的侧视图；
图3示出了图1和图2的超声换能器的另一侧的视图；
图4示出了图1至图3的超声换能器的顶部剖视图；
图5示出了穿过图3中所示的平面A-A的剖视图；
图6(a)至图6(d)示出了用于形成图1至图5的超声换能器的换能器元件的坯料的制造；
图7示出了从图6的坯料到换能器元件的形成；
图8示出了由图6的坯料形成的换能器元件的透视图；
图9示出了图8的换能器元件的侧视图；
图10示出了包括销和图8和图9的换能器元件的组件，其用于图1至图5的超声换能器；
图11示出了替代组件，包括多个销和图8和图9的换能器元件；
图12(a)示出了图1至图5的超声换能器的透视图；
图12(b)示出了替代超声换能器的透视前视图；
图12(c)示出了图1至图5的超声换能器的透视前视图；
图13示出了图1至图5的超声换能器的损耗随频率的变化；
图14示出了图1至图5的超声换能器的阻抗随频率的变化；
图15示出了在图1至图5的超声换能器以与换能器元件的压电涂层的厚度相关的谐振频率操作时的等效电路；
图16示出了在图1至图5的超声换能器以与换能器元件的压电涂层的厚度相关的谐振频率以外的频率“非谐振(off-resonance)”操作时的等效电路；
图17示出了用于操作超声换能器(例如图1至图5的超声换能器)的操作电路的示意图；以及
图18示出了用于形成图1至图5的超声换能器的换能器元件的替代坯料。
具体实施方式
在整个以下描述中，相同的附图标记将用于标识相同的部件。
图1至图5示出了超声换能器5，其包括呈中空构件形式的支撑件10，该支撑件10限定腔15，其中支撑件10支撑换能器元件20。换能器元件20包括安装在支撑件10的一端上并且在腔15中的开口上延伸的有源部分25，以便在一端封闭腔15。换能器元件20还包括连接部分30，连接部分30沿着支撑件10的外表面从有源部分25延伸到支撑件10的端部，该端部远离支撑件10的设置有有源部分25的端部。
在图1至图5所示的特定示例中，支撑件10由陶瓷材料形成并呈中空圆柱形管的形式，并且换能器元件20的有源部分25是大体圆形的并且尺寸设计成与支撑件10的端部匹配。连接部分30呈突片的形式从有源部分25延伸并且大体垂直于有源部分25延伸。连接部分30用作电极，例如换能器元件20的接地电极。然而，应当理解，支撑件10和换能器元件20的其他布置(例如，形状、尺寸和/或配置)是可能的。例如，支撑件10可呈长方体或盒子部分或多边形棱柱或椭圆形棱柱的形式，并且换能器元件20的有源部分25可呈任何其他合适的形状或对应于支撑件10的端部或者其中的腔的形状，例如，正方形、矩形或其他多边形或椭圆形。
超声换能器5设置有一个或多个销31，其设置在腔15内。在图1至图5的示例中，仅提供单个销31，但是应当理解，可提供多个销31，例如，销31的阵列。销31是细长的，并且销31的长度方向大体在支撑件10内的腔15的纵向方向上延伸。销31优选地是金属的(但不是必须的)。在本示例中，销31包括轴32和头部33(例如，平头)，其中头部33大致垂直于轴32延伸。销31的头部33经由导电接合34接合到换能器元件20的有源部分25，导电接合34例如由导电环氧树脂或其他合适的粘合剂或接合剂形成。销31用作换能器元件20的电极，并且与由连接部分30形成的电极一起用作电极对，以在换能器元件20上提供/接收电位差。销31还用于提供换能器元件20的有源部分25的附加阻尼。
只有换能器元件20的有源部分25的离散部分被直接支撑，换句话说，换能器元件20的有源部分25的仅一些但不是全部的区域(例如，支撑件10的端部或一个或多个销31)被支撑构件接触，以及压电元件20的有源部分25的至少一部分(例如，10％、30％、55％或更多)不与支撑件10或销31接触(尽管由诸如凝胶或树脂(优选地超声透明凝胶或树脂)的设置在腔15中的合适的支撑材料支撑)。
换能器元件20的有源部分25设置有压电材料36。具体地，换能器元件20是复合的、平面的、分层的薄膜换能器元件20，其由设置在导电支撑层37的表面上的压电材料层36形成。在一个特别优选的例子中，压电材料层36包括氧化锌(ZnO)层，支撑层37包括导电膜或箔，优选金属膜或箔，例如铝箔。压电材料层36提供压电特性，而支撑层37支撑薄层压电材料36，并改变换能器元件20的谐振特性。薄层压电材料36大体比支撑层37薄得多。例如，薄层压电材料36可在2μm厚和20μm厚之间，优选地在2μm厚和8μm厚之间，例如4μm厚至6μm厚。例如，支撑层37可在30μm厚和200μm厚之间，优选在40μm厚和80μm厚之间。举例来说，支撑层37可比压电材料层36厚2倍和20倍之间，例如，厚8倍和12倍之间。层状薄膜换能器元件20可通过用于形成层状薄膜结构的任何合适的方法形成，但是优选将压电材料层36涂覆(并且特别是溅射涂覆)到支撑层37上。在一些实施方案中，ZnO任选为结晶的，其具有柱状结构和优选的(002)取向。
换能器元件20布置成使得压电材料36相对于支撑层37位于换能器元件20的内侧或腔侧，并且支撑层37相反地位于压电材料36的外侧。在示例性布置中，压电材料37设置有导电涂层(例如铬层和/或金层)，以形成背电极。以这种方式，可经由销31和导电接合34将电位施加到换能器元件20/压电材料36，或从换能器元件20/压电材料36接收电位。在替代布置中，换能器元件不需要包括连接部分30而是需要另一种形式的电连接，例如导线或导电涂料可用于在导电支撑层37与地或参考电压之间提供导电通路。
支撑件10和换能器元件20可选地设置在中空延迟线壳体35内。中空延迟线壳体35的一端由柔性膜40封闭。膜40与换能器元件20的有源部分25间隔开并面向有源部分25，使得延迟线室45由膜40、中空延迟线壳体35的内壁的一部分和换能器元件20的有源部分25限定。延迟线室45可填充有用于延迟或减慢超声波传播的凝胶或其他合适的材料，以便起到延迟线的作用。延迟线的延迟特性是可选择的，或者可选地，在使用中是可变的，例如，通过改变延迟线室45的尺寸，特别是通过改变换能器元件20的有源部分25和膜40之间的间隔和/或延迟线室45内设置的凝胶或其他材料的类型、密度、压力或其他性质。支撑件10和换能器元件20可选地可滑动、可移动和/或可拆卸地安装在中空延迟线壳体35内，或者在其它实施例中可固定在中空延迟线壳体35内。上述延迟线布置有利地允许更容易地分离发送和接收的信号，但是应当理解，它不是必需的。
如图6(a)所示，换能器元件20可通过将压电材料36(例如ZnO)涂覆到导电支撑层37(例如铝箔)的表面上而形成，例如通过溅射涂覆或其他合适的涂覆方式来形成分层片或辊38。压电材料36在基材37上形成薄膜，如图6(b)所示，其示出了分层片或辊38的侧面轮廓图。然后，如图6(c)和图6(d)所示，可切割或冲压出涂覆在压电材料36中的支撑层37的坯料50，其中图6(c)示出了片或辊38中的切割坯料50，而图6(d)示出了一旦与片或辊38分离的单个坯料50。坯料50包括将成为有源部分25的部分55，和将成为连接部分30的突片部分60。如图7所示，突片部分60可相对于将要成为有源部分25的部分55弯曲，以便与其成角度或大体垂直，如图8和图9所示。
以这种方式，应当理解，可仅使用单个压电材料36沉积工艺或步骤来生产多个坯料50。由于坯料50接着可形成为换能器元件20，因此许多换能器元件20可通过使用单个压电材料36沉积工艺或步骤，由单个片或辊38形成。此外，使用板或辊的上述方法允许使用低成本的大规模制造技术。这使得换能器5更便宜、更快速且更容易批量生产。
如图10所示，销31的头部33使用接合34(例如导电环氧树脂)接合到将成为有源部分25的部分55。尽管图1至图10中所示的超声换能器5的实施例中仅具有单个销31，但是在替代实施例中，应当理解，可提供多个销31。在这种情况下，如图11所示，每个销31与其他销31间隔开，并经由导电接合34接合到换能器元件20的有源部分25的压电材料36。有源部分25的一些区域与销31或支撑件10接触或由销31或支撑件10直接支撑，而有源部分25在销31和支撑件10之间的一些区域保持浮动或自由。在一个可选实施例中，围绕销31的部分并由压电材料36限定的体积可选地设置有柔性的、可变形的和/或柔韧的材料(例如电介质)。
换能器元件20的有源部分25位于陶瓷支撑件10的端部上，并且与支撑件接合。例如，压电材料36或设置在其上的涂层接合到支撑件10的端部，并且连接部分30放置成使得向上延伸，邻近支撑件10的外侧表面。
膜40接合到延迟线壳体35的一端，并且凝胶设置在延迟线室45中。然后，将支撑件10和换能器元件20组件的至少一部分或全部提供到延迟线壳体35的延迟线室45中，使得换能器元件20的有源部分25面向膜40但与膜40间隔开，从而形成换能器元件20。
换能器5、5'的换能器元件20、20'的另外的变化是可能的。例如，图12(a)和图12(c)中示出了具有平坦有源部分25的换能器元件20。然而，应当理解，可替代地提供具有弯曲或凹入的有源部分25'的换能器元件20'，如图12(b)所示。在这种情况下，有源部分25'的曲率聚焦由换能器5产生的超声波，这对于深度成像和其他这样的分析特别有用，例如分析牙齿的层或结构或其他牙齿成像。销31的阵列可提供额外的支撑，以帮助将有源部分25'保持在弯曲配置中。可选地，可在有源部分25'上提供一些环氧树脂或导电环氧树脂或其他合适的材料，以便保持弯曲或凹入形状的有源部分25'。
弯曲或凹入的形状可在制造过程中形成，例如，通过使用诸如滚珠或轴承的弯曲成形器来形成弯曲形状，其可任选地通过在腔15内提供诸如环氧树脂的支撑材料来保持，然后移除成形器以留下弯曲或凹入的有源部分25'。虽然这种布置有利地提供了聚焦光束，但是可考虑有源部分25'的其他形状或几何形状，例如，用于需要高度分散或发散的超声波的应用的凸起。
图13示出了损耗随频率的变化。从中可看出，在换能器元件20的有源部分25的谐振频率处获得最小损耗。但是，由于换能器元件20的有源部分25是一种非常薄的薄膜，这种谐振频率往往高于许多应用所需的频率，例如牙齿和其他医学成像。例如，由压电材料36的厚度引起的谐振频率可以是从200MHz到GHz水平，而较低的频率(例如在0.001到200MHz之间，例如在20到100MHz之间(例如，40至120MHz))对于许多医学成像应用(特别是用于牙齿成像的牙齿成像)是优选的。例如，在NDT应用中，从1到10MHz的频率范围可能是优选的。从图14中可看出，在这些有用的“非谐振(off-resonance)”频率下，薄膜换能器5的阻抗可显著高于在谐振频率下的阻抗。
这可通过将超声换能器5在谐振频率(所谓的厚度模式)下操作时的等效电路(如图15所示)与用于非谐振操作的等效电路(如图16所示)进行比较来解释。当非谐振时，超声换能器5大体等效于与非谐振电阻(ROR)串联的电容(Cp)，如图16所示。然而，当在换能器元件20的谐振频率下使用时，超声换能器5的操作更类似于“非谐振”情况下的电容Cp，电容Cp与另一电容Cs并联地操作，而另一电容Cs又与具有厚度模式电阻RTM和电感L n串联，如图15所示。从图13和图14可看出，在换能器元件20的谐振频率下的操作导致较低的损耗。用于牙齿成像最有利的频率操作(例如，大约40-120MHz)相对于谐振频率下的操作导致非常高的阻抗。超声换能器5在谐振时的机械和电传递比在非谐振操作时更有效。解决此问题的一种方法可以是使用高转换速率电路来操作换能器5。
利用上述换能器元件20的结构，支撑层37(例如铝箔)的nλ/2谐振具有显性效应，并且操作频率对应于由支撑层37的λ/2谐振贡献的第一泛音和第二泛音。因此，换能器元件的谐振频率受诸如支撑层37的厚度等因素的影响，并且在某种程度上受到涂覆在支撑层37上的压电材料36的厚度的影响。然而，诸如耐久性、可加工性和易于构造之类的其他考虑因素也会影响这些部件的厚度选择，因此在一般情况下需要使用“非谐振”的换能器元件20(即不在换能器元件20的谐振频率范围内)，特别是对于某些医学成像应用，优选牙齿成像，其中理想的操作频率大体在从40到120MHz的范围内，而换能器元件20的谐振频率大体在400MHz到1GHz的范围内(参见图14)。
为了改善超声换能器5在许多应用(例如某些医疗应用，特别是需要“非谐振”操作的牙齿应用)中的操作，超声换能器与控制系统65一起使用，如图17所示。系统65包括脉冲发生器单元70，用于提供脉冲发生器信号，该信号用于操作超声换能器5以发射超声脉冲。控制系统65还包括接收器75，用于响应于超声换能器5接收的超声信号并且代表超声换能器5接收的超声信号，处理由超声换能器5产生的信号。
以最佳阻抗匹配发送和接收信号是有益的。然而，传统的阻抗匹配方法在当前情况下可能是无效的，因为脉冲发生器70的最佳阻抗匹配要求大体与接收器75所需的有很大不同。因此，简单地将界面处的阻抗与超声换能器5匹配可能在传输和/或接收期间导致次优匹配。
控制系统65包括两个不同的阻抗系统80、85，第一阻抗系统80最佳地阻抗匹配脉冲发生器70，而第二阻抗系统85最佳地阻抗匹配接收器75。由于脉冲发生器70和接收器75的阻抗要求是不同的，应当理解，阻抗系统80、85具有彼此不同的总阻抗。阻抗系统80、85都耦合到门电路90，门电路90又耦合到脉冲发生器70、接收器75和超声换能器5。门电路90可操作以在第一配置和第二配置之间切换，第一配置中，第一阻抗系统80经由门电路90切换到超声换能器5和脉冲发生器70之间的电通路，以及第二配置中，第二阻抗系统85经由门电路90切换到超声换能器5和接收器75之间的电通路，这取决于超声换能器5是否分别发送或接收。
门电路90最好是无源的，并用于确定信号的方向，即如上所述在适当的阻抗系统80、85中发送或接收和切换。以这种方式，无论超声换能器5的当前操作如何，都提供适当的阻抗匹配。这可在诸如牙齿成像的应用中提供非常显著的性能增益，其中非谐振操作可以是优选的。
尽管上面描述了各种特别有利的实施例，但是应当理解，可使用替代的布置。
在一个例子中，图18示出了图6(a)至图6(d)所示结构的替代方案。特别地，除了附加的介电材料层39沉积在压电材料36的、与支撑层37相对的表面上之外，图18中所示的布置与图6(b)中所示的布置相同。在图18的实施例中，换能器元件20通过例如通过溅射涂覆或其他合适的涂覆技术，将压电材料36(例如ZnO)涂覆到导电支撑层37(例如铝箔)的表面上而形成，并且然后，将介电材料层39施加到压电材料层的表面上，以形成分层片或辊38'。此后，可以图6(c)和图6(d)所示的方式切割或冲压出分层片或辊38'的坯料，然后用于形成如上所述(例如，与图7至图11相关的)的超声换能器。可替代地，可在将一个或多个电极31接合到压电材料36之后施加介电材料39，这可节省必须形成以便在一个或多个电极31和压电材料26之间提供电接触的穿过介电材料39的开口。
合适的介电材料39的实例包括聚合物材料、塑料材料或环氧树脂，例如SU8。介电材料的厚度小于压电材料的厚度，例如，<1mm。介电材料具有高电压密度(即，它是电绝缘体)。以上述方式施加介电材料39可能是有益的，例如，它可方便地将所得的超声换能器产生的频率降低到更适合某些应用(例如非破坏性测试(NDT))的频率，其可以是(但不限于)例如在1到10MHz的范围内。
例如，虽然描述了包含沉积在铝膜上的ZnO的薄膜超声换能器，但是应当理解，可使用不同的压电材料(例如氮化铝(AIN))和/或不同的基材/支撑层，例如不同金属或者导电聚合物的膜。
另外，尽管有利地描述了诸如溅射涂覆的制造技术，但是应当理解，可使用其他替代技术。
此外，虽然上面描述了示例性厚度和厚度比，但是应当理解，可使用不同的厚度和厚度比，这取决于诸如应用、所使用的材料、所使用的制造工艺等的考虑因素。
而且，虽然描述了各种部件的各种几何布置、形状和尺寸，但是应当理解，本发明不必限于这些布置、形状或尺寸。
这样，上述具体实施方案仅作为非限制性实施例提供，以帮助理解本发明，但保护范围由权利要求决定。

Claims (48)

1.一种用于制造多个压电超声换能器元件的方法，所述方法包括：
在基材片的表面的至少部分上提供或沉积压电材料，以形成分层构件；以及
从所述分层构件形成一个或多个压电超声换能器元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压电材料布置或沉积在所述基材的所述表面的所述至少部分上，以便覆盖所述基材片的所述表面的至少大部分或全部。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括以下组中的一个或多个：从所述分层构件切割、冲压、释放和/或以其他方式形成一个或优选地多个成形部分，所述成形部分形成所述换能器元件或用于从其产生所述换能器元件的坯料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述成形部分包括有源部分和从所述有源部分突出的至少一个突片，并且所述方法包括相对于所述有源部分弯曲所述突片，使得所述突片相对于所述有源部分成角度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，包括在所述压电材料的表面的至少一些或全部上提供或沉积介电材料层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述压电材料是以下组中的至少一个：无机、结晶、多晶和/或非聚合材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述压电材料处于具有压电特性的连续材料层中，其中，所述压电材料在非压电材料矩阵内不包括压电材料的离散区域。
8.一种用于对物体成像的超声换能器，所述超声换能器包括换能器元件、至少一个第一电极或电触头，以及至少一个第二电极或电触头，其中，所述换能器元件包括：
基材；以及
压电材料，所述压电材料布置或沉积在所述基材的至少一部分上；以及
所述至少一个第二电极或电触头连接、耦合或接合到所述换能器元件；以及
接触、耦合或接合到或支撑所述换能器元件的所述至少一个第二电极或电触头的区域的总表面积或组合表面积小于所述换能器元件的表面积。
9.根据权利要求8所述的超声换能器，其中，所述超声换能器被配置为在非谐振下操作。
10.根据权利要求8或9所述的超声换能器，还包括设置在所述压电材料的表面的至少一些或全部上的介电材料。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料是以下组中的至少一个：无机、结晶、多晶和/或非聚合材料。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述压电材料处于具有压电特性的连续材料层中，其中，所述压电材料在非压电材料矩阵内不包括压电材料的离散区域。
13.根据权利要求8至12所述的超声换能器，其中，所述换能器元件仅在离散或间隔开的接触区域或其表面的一部分上被支撑、耦合、接合或接触。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的超声换能器，其中，所述换能器元件中的至少一些是自由的、浮动的或不被支撑的。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的超声换能器，其中，所述换能器元件是分层薄膜换能器元件，并且其中，所述压电材料和所述基材形成多层所述换能器元件。
16.根据权利要求15所述的超声换能器，其中，所述基材包括金属箔，并且所述压电材料沉积在所述金属箔上。
17.根据权利要求8至16中任一项所述的超声换能器，其中，所述基材形成或连接到所述第一电极或电触头。
18.根据权利要求8至17中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器被布置成使得所述压电材料和基材由所述第二电极或电连接器悬挂。
19.根据权利要求8至18中任一项所述的超声换能器，其中，所述第二电极或电连接器布置在所述换能器元件上，使得所述第二电极或电连接器在大体垂直于所述换能器元件的表面的方向上延伸。
20.根据权利要求8至19中任一项所述的超声换能器，其中，所述多个第二电极包括或限定第二电极或电连接器的阵列。
21.根据权利要求8至20中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器包括另一背衬元件，所述另一背衬元件被配置为允许阻尼由所述压电材料产生的超声波。
22.根据权利要求21所述的超声换能器，其中，所述另一背衬元件布置在所述压电材料上，使得所述另一背衬元件支撑所述基材和所述压电材料和/或围绕所述/每个第二电极或所述多个第二电极。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的超声换能器，其中，所述另一背衬元件包括绝热材料。
24.根据权利要求8至23中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器包括壳体，所述壳体用于容纳所述换能器元件、所述/每个第二电极或所述多个第二电极和/或所述另一背衬元件中的至少一个。
25.根据权利要求24所述的超声换能器，其中，所述超声换能器包括诸如柔性膜的接合元件，其用于接合或接触物体，所述接合元件布置在所述壳体的一端上。
26.根据权利要求24或25所述的超声换能器，其中，所述换能器元件和所述接合元件相对于彼此可移动地或可滑动地布置，以允许改变或调节所述接合元件和所述换能器元件之间的距离。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器包括布置在所述接合元件和所述基材之间的延迟材料。
28.根据权利要求27所述的超声换能器，其中，所述材料被配置为在由所述超声换能器产生的一个或多个超声波与由所述超声换能器接收的一个或多个超声波之间引入时间延迟。
29.根据权利要求8至28中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器被配置为发射包括40至120MHz或1至10MHz的范围内的频率的一个或多个超声波。
30.根据权利要求8至29中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料包括在2至8μm的范围内的厚度。
31.根据权利要求8至30中任一项所述的超声换能器，其中，所述基材包括在15至60μm的范围内的厚度。
32.根据权利要求8至21中任一项所述的超声换能器，其中，所述基材是或包括柔性和/或导电基材。
33.根据权利要求8至32中任一项所述的超声换能器，其中，所述第二电极或电连接器是或包括销。
34.根据权利要求33所述的超声换能器，其中，所述销的头部经由导电接合件接合到所述换能器元件。
35.根据权利要求34所述的超声换能器，其中，所述销的所述头部接合到所述压电材料。
36.一种用于与超声换能器接口的设备，所述设备被配置为调节或选择所述设备的电特性(例如阻抗)，使得所述超声换能器的所述电特性(例如阻抗)匹配或对应于用于激励所述超声换能器的源头或用于接收来自所述超声换能器的信号的接收器的电特性(例如阻抗)。
37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述设备包括第一配置，在第一配置中，所述设备被配置为调节或选择所述设备的所述阻抗，以提供所述换能器的所述阻抗与所述接收器的所述阻抗之间的阻抗匹配。
38.根据权利要求36或37所述的设备，其中，所述设备包括第二配置，在第二配置中，所述设备被配置为调节或选择所述设备的所述阻抗，以提供所述换能器的所述阻抗与所述源头的所述阻抗之间的阻抗匹配。
39.根据权利要求37或38所述的设备，其中，所述设备包括开关构件，所述开关构件被配置为在所述第一配置和所述第二配置之间操作或切换所述设备。
40.根据权利要求39所述的设备，其中，所述设备包括第一阻抗或阻抗网络，所述第一阻抗或阻抗网络可连接或连接到所述开关构件，并且被配置为当所述设备处于所述第一配置时，阻抗匹配所述超声换能器和所述源头。
41.根据权利要求40所述的设备，其中，所述设备包括第二阻抗或阻抗网络，所述第二阻抗或阻抗网络可连接或连接到所述开关构件，并且被配置为当所述设备处于所述第二配置时，阻抗匹配所述超声换能器和所述源头。
42.一种与超声换能器设备一起使用的布置，所述布置包括：
根据权利要求36至41中任一项所述的设备；
源头，用于激励所述超声换能器，所述源头连接或可连接到所述设备；以及
接收器，用于接收来自所述超声换能器的信号，所述接收器可连接或连接到所述设备。
43.一种超声换能器系统，所述系统包括：
根据权利要求8至35中任一项所述的超声换能器设备；以及
根据权利要求42所述的与超声换能器设备一起使用的布置，所述布置连接或可连接到所述超声换能器。
44.一种产生超声换能器的方法，所述方法包括：
提供换能器元件，所述换能器元件包括在基材的至少一部分上的压电材料；以及
将至少一个第二电极或电连接器连接到所述换能器元件，接触、耦合或接合到或支撑所述换能器元件的一个或多个第二电极或电连接器的区域的总或组合表面积小于所述换能器元件的表面积。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述方法包括使用权利要求1至7中任一项所述的方法产生所述换能器元件。
46.一种组装超声换能器的方法，所述方法包括：
提供基材和布置或沉积在所述基材的至少一部分上的压电材料，所述基材可选地被配置或布置成形成所述超声换能器的第一电极；
将至少一个第二电极连接到所述压电材料，使得接触、耦合或接合到或支撑所述换能器元件的一个或多个第二电极或电连接器的区域的总或组合表面积小于所述换能器元件的表面积。
47.一种对诸如牙齿的物体成像的方法，所述方法包括：
相对于所述物体定位根据权利要求8至35中任一项所述的超声换能器，以允许所述物体的成像；以及
使用所述超声换能器对所述物体成像。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述方法包括：
基于从牙釉质和牙本质之间和/或牙本质和牙髓之间的一个或多个接口接收的一个或多个超声波来构造和/或记录所述物体的图像。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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