CN110191766A - 在吸声衬垫结构上具有电迹线的超声换能器及其制造方法 - Google Patents

在吸声衬垫结构上具有电迹线的超声换能器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种超声换能器，其包括具有多个换能器元件的换能器阵列。换能器阵列具有第一侧和第二侧。另外，一个或多个接地电极设置在换能器阵列的第一侧上，并且一个或多个信号电极设置在换能器阵列的第二侧上。此外，吸声衬垫结构操作地耦接到换能器阵列的多个换能器元件。同样，多条电迹线被布线在吸声衬垫结构的表面上，并且操作地耦接到一个或多个信号电极中的至少一个和一个或多个接地电极中的至少一个。

Description

在吸声衬垫结构上具有电迹线的超声换能器及其制造方法
背景技术
本说明书的实施方案涉及超声换能器和用于在超声换能器的吸声衬垫结构上布线电迹线的方法。
超声是医学成像中广泛使用的物理疗法。超声成像通常在心脏病学、产科、妇科和腹部成像等中使用。超声系统的超声换能器通常包括换能器阵列、吸声衬垫结构和诸多电迹线。换能器阵列包括多个换能器元件。此外，超声换能器包括匹配层，该匹配层附接到换能器的前部，以増强在换能器元件与患者中的目标组织之间的能量传递。超声换能器的吸声衬垫结构用于限制存在于换能器背面的声波干涉存在于换能器前部的声波。换能器元件与超声换能器的驱动电路之间的电连接通常经由柔性电路布线。具体地，换能器元件电耦接到存在于柔性电路上的电迹线，并且电迹线进而电耦接到驱动电路，以提供例如电信号传输。
通常，柔性电路用于布线在换能器元件与超声换能器的驱动电路之间的电连接。具体地，信号挠曲件和接地挠曲件用于提供从每个换能器元件到超声系统的驱动电路的连接。在一端，信号挠曲件和接地挠曲件与被耦接到换能器元件的信号电极和接地电极连接，并且在另一端，信号挠曲件通常连接到缆线束中的一组导线，该缆线束经由标准连接器连接到超声系统的驱动电路。不利地，随着换能器元件数量的増加，由于与换能器元件不断増加的数量相对应的连接件的数较大，该缆线束趋于变得刚性。另外，用于制造超声换能器的当前柔性电路通常具有两个或更多个导电图案层，该导电图案层需要被电绝缘，用于超声换能器适当运行。
发明内容
在一个实施方案中，超声换能器包括具有多个换能器元件的换能器阵列。换能器阵列具有第一侧和第二侧。另外，一个或多个接地电极设置在换能器阵列的第一侧上，并且一个或多个信号电极设置在换能器阵列的第二侧上。此外，吸声衬垫结构操作地耦接到换能器阵列的多个换能器元件。同样，多条电迹线被布线在吸声衬垫结构的表面上，并且操作地耦接到一个或多个信号电极中的至少一个和一个或多个接地电极中的至少一个。
在另一个实施方案中，超声系统包括采集子系统，该采集子系统具有容纳超声换能器的超声换能器探针。采集子系统被构造成采集图像数据。超声换能器包括具有多个换能器元件的换能器阵列。换能器阵列具有第一侧和第二侧。另外，一个或多个接地电极设置在换能器阵列的第一侧上，并且一个或多个信号电极设置在换能器阵列的第二侧上。此外，吸声衬垫结构操作地耦接到换能器阵列的多个换能器元件。同样，多条电迹线被布线在吸声衬垫结构的表面上，并且操作地耦接到一个或多个信号电极中的至少一个和一个或多个接地电极中的至少一个。超声系统还包括处理子系统和显示装置，处理子系统被构造成处理所采集的图像数据，显示装置被构造成显示所采集的图像数据、经处理的图像数据或所采集的图像数据和经处理的图像数据两者。
在另一个实施方案中，提供了用于在吸声衬垫结构的目标表面上布线多条电迹线的方法。该方法包括提供具有第一导电颗粒的第一导电材料。另外，该方法包括通过沿吸声衬垫结构在一个或多个方向上移动喷嘴头来在吸声衬垫结构的目标表面的至少一部分上添加地制造导电材料的第一层。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明实施方案的这些和其他特征和方面，其中附图中相同的符号在所有附图中表示相同的部分，其中：
图1是根据本说明书的方面的示例性超声系统的图解示意图；
图2A至图2B是根据本说明书的方面的具有平面表面的吸声衬垫结构的示意图，其中多条电迹线被布线在吸声衬垫结构的平面表面的至少一部分上；
图3是根据本说明书的方面的具有弯曲表面的吸声衬垫结构的示意图，其中多条电迹线设置在吸声衬垫结构的弯曲表面的至少一部分上；
图4A至图7D是根据本说明书的方面的用于在吸声衬垫结构上布线多个电迹线，同时在多条电迹线与一个或多个接地电极之间提供电绝缘的多种实施方案的示意图；
图8是根据本说明书的方面的用于在吸声衬垫结构上布线多条电迹线的方法的示例性流程图；并且
图9是根据本说明书的方面的用于使用喷嘴头在吸声衬垫结构的表面上布线多条电迹线的构造的示意图，喷嘴头被构造成在一个或多个方向上平移、在一个或多个方向上旋转或在一个或多个方面上平移和旋转两者。
具体实施方式
提供了使用用于在吸声衬垫结构上布线多条电迹线的附加制造方法形成的超声换能器或超声换能器探针的实施方案。在某些实施方案中，提供了用于添加制造以在超声换能器的吸声衬垫结构的表面上布线电迹线的过程。具体地，在吸声衬垫结构的表面上提供电迹线，以实现换能器阵列的多个换能器元件与采用超声换能器的超声系统的驱动电路之间的电耦接。多条电迹线包括多个信号迹线和多个接地迹线。电迹线被布线在吸声衬垫结构上，使得在单独的电迹线之间以及在信号迹线与超声换能器的一个或多个电极之间存在电绝缘。
需要指出的是，术语“换能器”和“超声换能器”在整个本说明书中可互换地使用。
在一些实施方案中，本文所公开的系统和方法使用一种或多种导电材料或油墨以形成多条电迹线。导电材料沿吸声衬垫结构表面上的预限定路径被沉积为精细电迹线。电迹线可包括一个或多个层。另外，在一些实施方案中，本文所公开的方法还可包括使用添加制造技术沉积一种或多种电绝缘材料或油墨。例如，电绝缘材料可沉积在多条电迹线的两个或多条电迹线之间，或至少沉积在选定电迹线的一部分上，或前述两者，以向电迹线提供期望的电绝缘。此外或替代地，电绝缘材料可沉积在超声换能器的电迹线与电极之间。例如，电绝缘材料可沉积在信号迹线与接地电极之间。在一个示例中，直接写入技术可用于沉积导电油墨和/或电绝缘油墨。
将会理解的是，通常，在超声换能器中，复杂且昂贵的插入层柔性电路设置在吸声衬垫结构上，以在换能器元件与超声换能器的驱动电路之间提供电连接。在某些实施方案中，本说明书的超声换能器包括吸声衬垫结构，该吸声衬垫结构包括电迹线，电迹线使用添加制造而直接沉积在吸声衬垫结构的表面上，以在换能器元件与换能器的驱动电路之间提供电连接。连续地，本说明书的超声换能器不需要设置在吸声衬垫结构上的复杂柔性电路。有利地，由于电迹线在吸声衬垫结构的表面上直接沉积，本说明的超声换能器中采用的唯一柔性电路可以是相对简单且低成本的柔性电路，例如被构造成有利于所选电迹线和电极之间的电连接的插入层电路。有利地，通过经由使用超声换能器的部件(吸声衬垫结构)的表面以布线电迹线而规避使用复杂且昂贵的柔性电路，显著地减少了超声换能器或超声换能器探针的设计中的成本和复杂性。
虽然在用于医学成像系统(诸如超声成像系统)的吸声衬垫结构的背景中描述了下文所示出的示例性实施方案，但将会理解的是，也设想了超声成像系统中的这种吸声衬垫结构在其他应用(诸如设备诊断和检查、行李检查、安全应用)中的使用。
图1示出了根据本说明书的方面的用于成像的示例性医疗成像系统，诸如超声系统100。系统100被构造成便于例如经由超声换能器探针104从诸如患者102的目标对象采集图像数据。然而，在某些其他实施方案中，目标对象可包括行李、样品、其他设备等等。探针104可被构造成采集表示患者102的目标区域的图像数据。在一些实施方案中，探针104可被构造成促进介入手术。因此，在这些实施方案中，探针104可包括侵入式探针。在一些其他实施方案中，探针104可包括非侵入性探针。在图1的本非限制性示例中，目标对象包括患者102，并且超声换能器探针104为非侵入性探针。探针104的非限制性示例可包括经胸探针、内窥镜、腹腔镜、基于导管的探针、外科探针、直肠探针、经阴道探针、腔内探针、适用于介入手术的探针、其他外部探针或它们的组合。探针104容纳超声换能器(图1未示出)。超声换能器包括换能器阵列(图1未示出)，其具有多个换能器元件(图1未示出)。
在某些实施方案中，探针104可包括基于成像导管的探针。另外，成像导管的成像定向可包括前视导管、侧视导管或斜视导管。然而，也可采用向前视导管、侧视导管和斜视导管的组合作为成像导管。
附图标记106表示将探针连接到超声系统100的其他部件的电缆线。具体地，缆线106在超声换能器与系统100的驱动电路(图1中未示出)之间提供电连接。具体地，缆线106在超声换能器的换能器阵列的多个换能器元件与系统100的驱动电路之间提供电连接。多个换能器元件被构造成产生和传输到患者102的声能。另外，多个换能器元件也被构造成接收来自患者102的反向散射的声信号，以产生和显示图像。除了换能器阵列之外，超声换能器还包括设置在换能器阵列的第一侧上的一个或多个声匹配层、设置在换能器阵列的第二侧上的互连电路或插入层电路、透镜、吸声衬垫结构和被布线在吸声衬垫结构的表面上的多条电迹线。插入层电路被构造成经由吸声衬垫结构将换能器阵列操作地耦接到系统100的驱动电路。吸声衬垫结构可以用于衰减声波的高度衰减背衬层的形式存在。另外，透镜可设置在声匹配层上，并且被构造成在患者102与匹配层之间提供界面。在某些实施方案中，透镜可被构造成引导和聚焦由换能器元件传输到患者102的声能。替代地，透镜可包括非聚焦层。声匹配层可被构造成促进阻抗差的匹配，该匹配可存在于高阻抗换能器元件与低阻抗患者102之间。
在本说明的实施方案中，使用添加制造以共形的方式将电迹线布线到吸声衬垫结构上。如本文所使用的，术语“共形的方式”，“共形地沉积”或“共形地布线”是指使用添加制造将电迹线沉积在吸声衬垫结构的表面上，使得电迹线遵循其上设置有电迹线的吸声衬垫结构的表面的一个或多个轮廓、线匝、曲率、边缘和表面轮廓。
系统100可与探针104操作地关联，并且被构造成便于图像数据的采集和/或处理。为此，系统100可包括采集子系统110和处理子系统112。可采用由系统100所采集和/或处理的图像数据以协助例如临床医生识别疾病状态、评估治疗的需求、确定合适的治疗选择、跟踪疾病的进展和/或监测治疗对疾病状态的影响。
尽管图1中未示出，但是采集子系统110还包括发射/接收切换电路、发射器、接收器和波束形成器。在某些实施方案中，多个换能器元件以间隔关系布置，以形成换能器阵列，诸如但不限于一维换能器阵列或二维换能器阵列。在某些实施方案中，可以采用压电或微机加工的机电(MEMS)材料来制造换能器元件，例如但不限于锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅酸镁(PMNT)、复合PZT或微机加工硅。
当超声波被传输到患者102中时，超声波被反向散射离开患者102内的组织和血液。取决于进入波从其返回的组织内的距离以及相对于波在其处返回的换能器组件的表面的角度，超声换能器在不同的时间接收反向散射的波。换能器元件将来自反向散射波的超声能量转换为电信号。在一个实施方案中，换能器组件可以是双向换能器。
在某些实施方案中，处理子系统112可耦接到存储系统，诸如数据存储库114，其中数据存储库114被构造成存储所采集的图像数据。尽管未示出，但处理子系统112可包括控制处理器、解调器、成像模式处理器、扫描转换器以及显示处理器。在一个示例中，显示处理器可耦接到用于显示图像的显示监视器/装置116。用户界面118可用于与控制处理器和显示监视器/设备116交互。控制处理器还可耦接到远程连接子系统，远程连接子系统包括web服务器和远程连接界面。处理子系统112可进一步耦接到数据存储库，诸如数据存储库114，并且被构造成接收超声图像数据。数据存储库与成像工作站交互。
另外，系统100可被构造成使用显示装置116和用户界面区域118来显示所采集的图像数据。根据本说明书的方面，显示装置116可被构造成基于经由成像探针100采集的图像数据来显示由系统104产生的图像。另外，显示装置116可被构造成协助用户视觉化所产生的图像。在某些实施方案中，诸如在触摸屏中，显示装置116和用户界面118可重叠。
上述部件可以是专用硬件元件，诸如具有数字信号处理器的电路板，或者可以是在通用计算机或处理器，诸如商用的现成的个人计算机(PC)上运行的软件。根据本说明书的多种实施方案，可以组合或分离多种部件。因此，将会理解的是，经由示例提供了本超声成像系统，并且本发明的系统和方法决不受具体系统结构的限制。此外，尽管在医学成像系统(诸如超声成像系统)、其他成像系统和应用(诸如工业成像系统)以及无损评估和检测系统(诸如管道检查系统)的背景中描述了下文所示出的示例性实施方案，但也可设想液体反应器检测系统。例如，下文所示出和描述的示例性实施方案可在用于厚度监测、界面监测或裂缝检测所采用的工业孔探仪中获得应用。另外，下文所示出和描述的示例性实施方案可在与其他成像模式、位置跟踪系统或其他传感器系统结合而使用超声成像的多形态成像系统中获得应用。
此外，在某些实施方案中，换能器组件设置在换能器探针(诸如图1的探针104)中。有利地，本说明书的换能器组件或超声换能器探针不包括复杂柔性电路，该复杂柔性电路通常用于在换能器阵列的换能器元件与换能器探针104的驱动电路之间提供电通信。在某些实施方案中，将换能器元件或换能器阵列操作地耦接到超声换能器的驱动电路的电迹线直接地沉积在吸声衬垫结构的外表面上。
在某些实施方案中，多条电迹线包括信号迹线和接地迹线，信号迹线和接地迹线被布线在吸声衬垫结构上，以使超声换能器电耦接到超声系统的驱动电路或信号线缆。另外，接地迹线可耦接到接地电极，以提供接地连接。在一些实施方案中，吸声衬垫结构的斜面或半径的使用、信号迹线的厚度控制、设置在信号迹线上的绝缘层的厚度控制、或它们组合，可用于将吸声衬垫结构上的信号迹线与超声换能器的换能器元件的接地触点或接地电极电绝缘。例如，吸声衬垫结构的一部分可被倒角，以在吸声衬垫结构上的信号迹线与换能器阵列上的接地电极之间提供物理隔离。另外，电绝缘层可设置在信号迹线的至少一部分上，以在信号迹线与接地电极之间提供电绝缘。在一些实施方案中，电绝缘材料可沉积在电迹线之间，以使电迹线彼此电绝缘。在这些实施方案的一些中，电绝缘材料可使用添加制造设置在电迹线之间。另外，在一些实施方案中，在组装超声换能器以在电迹线与信号电极和接地电极之间提供期望的耦接之后，电绝缘层可设置或沉积在信号和/或接地迹线的部分上，以防止这些电迹线与超声换能器的其他部件或电路的不期望电接触。
有利地，本专利申请中描述的系统和方法可用于现有超声探针的制造过程，其中在现有超声换能器或超声探针的部件中需要最小的修改或不需要修改。例如，为了将现有超声换能器转换为本说明书的超声换能器，复杂柔性电路可与吸声衬垫结构解耦、从探针移除并用电迹线替换，该电迹线使用添加制造以共形的方式布线在吸声衬垫结构的表面上。有利地，针对用于形成电路金属化的电迹线，部件表面积(即，吸声衬垫结构的表面积)的利用释放了超声探针内的空间。
在某些实施方案中，电迹线在吸声衬垫结构上的布线可包括一种或多种添加制造技术。因此，在这些实施方案的一些中，材料通常逐层地沉积以制备三维物体。可与本说明书一起使用的添加制造的多种示例性方法可包括以下的过程，诸如但不限于直接写入、电子束沉积、激光沉积、立体光刻、三维(3D)印刷以及它们的组合。
在一些实施方案中，该方法包括直接写入过程，以沿吸声衬垫结构的表面上的预限定路径将导电油墨和绝缘油墨作为精细迹线印刷在一个或多个层中。有利地，迹线在吸声衬垫结构上的直接布线用于替换昂贵且复杂的柔性电路的使用，其常规地用于在换能器阵列的换能器元件和驱动电路之间提供电连接。需要指出的是，用于电迹线的导电材料可包括填充有高体积浓度的金属颗粒的液体材料。
有利地，电迹线可在吸声衬垫结构的平面的、弯曲的、角形的或局部平面的和局部弯曲的表面上形成。在某些实施方案中，布线电迹线包括布线信号迹线和接地迹线，同时在信号迹线和接地迹线之间提供电绝缘。另外，在形成这些电迹线的同时，在信号迹线与接地电极之间提供电绝缘。
图2A至图2B示出了具有平面表面254的组合的吸声衬垫结构254的示例。图2A表示吸声衬垫结构250的第一侧251以及图2B表示与第一侧面251相对设置的吸声衬垫结构250的第二侧253。多条电迹线252直接设置在吸声衬垫结构250的平面表面254的部分上。多条电迹线252包括信号迹线和接地迹线两者。在一些实施方案中，吸声衬垫结构250可是现有超声换能器的吸声衬垫结构。在这些实施方案的一些中，耦接到吸声衬垫结构的复合柔性电路可与吸声衬垫结构250解耦，并且电迹线可被布线在吸声衬垫结构250上。另外，电迹线可适当地连接到超声换能器的信号电极或接地电极。吸声衬垫结构250可具有平面表面、起伏表面、弯曲表面、倾斜表面、角形表面、接头、弯曲部或它们的组合。电迹线252可使用添加制造而共形地沉积在表面254上。在某些实施方案中，电迹线252在添加制造过程中使用添加制造装置的喷嘴头的移动而共形地沉积。
图3示出了具有弯曲表面302和平面表面304的示例性吸声衬垫结构300。多条电迹线306直接设置在吸声衬垫结构300的表面302和304上。另外，电迹线306使用添加制造被共形地布线在弯曲表面302和平面表面304上。在一侧，电迹线306连接到信号或接地电极(图3中未示出)，另一方面，电迹线306可经由缆线(图3中未示出)连接到驱动电路，其中缆线可经由端口308耦接到电迹线306。电迹线306包括信号迹线、接地迹线或信号迹线和接地迹线两者。
图4A至7D表示用于布线多条电迹线并在超声换能器的选定电迹线(例如信号迹线)和接地电极之间提供电绝缘的替换实施方案。具有被布线在吸声衬垫结构上的电迹线的超声换能器的非限制性示例在图4A至7D中。在本专利申请的范围中设想了所示出示例4A至7D的多种组合。
现在转到图4A至图4C，图4A示出了具有换能器阵列404以及可选地多个声匹配层403的超声换能器400的剖视图。换能器阵列404可由压电材料制成，其表面被金属化以用作电极。图4B示出了图4A的超声换能器400的一部分的立体图430，此外，图4C表示图4A的超声换能器400的立体图440，换能器阵列404具有第一侧406和第二侧。第二侧被“绝缘切口”414划分成信号电极411(设置在绝缘切口414之间)和接地电极413。在一个示例中，换能器阵列404可包括压电阵列(PZT)阵列；或二元或三元压电晶体(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–xPbTiO3(PMNT)。多个声匹配层402的一个声匹配层403设置在换能器阵列406的第一侧404上。另外，多个声匹配层408的另一个声匹配层403设置在声匹配层402上。另外，在图示的实施方案中，换能器阵列404包括耦接到接地电极416的接地导体413。另外，超声换能器400包括具有信号迹线422和接地迹线(图4A至图4C中未示出)的吸声衬垫结构420，接地迹线被布线在吸声衬垫结构423的表面420上。换能器阵列404的信号电极被构造成耦接到信号迹线422，以传输和接收超声信号。此外，接地电极413被构造成耦接到接地迹线，以提供与换能器阵列404的多个换能器元件(图4A至图4C中未示出)的接地连接。换能器阵列404包括被称为“绝缘切口”414的凹槽或通道。每个绝缘切口414均被构造成将设置在绝缘切口414的一侧上的信号电极与设置在绝缘切口414的另一侧上的接地电极413电绝缘。在非限制性示例中，接地导体416可使用焊料连接到换能器阵列404。
另外，尽管未示出，但可选地，互连层(也称为“插入层电路”，诸如简单的柔性电路)可设置在换能器阵列410的第二侧404上。具体地，插入层电路可设置在换能器阵列404的第二侧410和吸声衬垫结构420的表面423之间，以在换能器元件之间提供电耦接。
在某些实施方案中，吸声衬垫结构420可被适当地成形，以在换能器阵列404的接地导体416与被布线在吸声衬垫结构420上的信号迹线422之间提供电绝缘。在图示的示例中，吸声衬垫结构420的一部分424设置有斜面、倒角或切口，使得被布线在吸声衬垫结构420上的信号迹线422不与换能器阵列404的接地导体416接触。尽管未示出，但在另一个实施方案中，可在吸声衬垫结构420中提供凹槽，例如在吸声衬垫结构420的表面423上，以容纳接地导体416的部分，使得接地导体416设置在这些凹槽内，并且因此与吸声衬垫结构的信号迹线422物理隔离和电绝缘。可替代地或另外地，信号迹线422可设置在存在于换能器阵列404的第二侧410上的凹槽中，以在信号迹线422与接地导体416之间提供电绝缘。
参考图5A至图5C，图5A示出了具有换能器阵列504以及可选地多个声匹配层501的超声换能器500的剖视图。图5B示出了图5A的超声换能器500的一部分的立体图530，此外，图5C表示图5A的超声换能器500的立体图540。
换能器阵列504包括第一侧506和第二侧508。多个声匹配层502的一个声匹配层501设置在换能器阵列504的第一侧506上。此外，多个声匹配层501的另一个声学匹配层512设置在声匹配层502上。绝缘切口510设置在换能器阵列504的多个换能器元件上，从而使信号电极503与接地电极505分离。信号电极503设置在绝缘切口510之间的换能器阵列504的第二侧508上。此外，接地电极505设置在第一侧506上以及在换能器阵列504的第二侧508的一部分上。可选地，在一些实施方案中，插入层电路513也可设置在换能器阵列504的第二侧508上。超声换能器500还包括吸声衬垫结构514，吸声衬垫结构514朝向换能器阵列504的第二侧508设置。吸声衬垫结构514包括信号迹线514，信号迹线514直接设置在吸声衬垫结构516的表面上。信号迹线516对应于换能器阵列504的多个换能器元件。另外，吸声衬垫结构514包括接地迹线517，接地迹线517直接设置在吸声衬垫结构514的表面上。信号迹线516和接地迹线517被构造成耦接到换能器阵列504的信号电极503和接地电极505。信号迹线516可具有变化厚度，以防止存在于吸声衬垫结构514上的信号迹线516与换能器阵列504的接地电极505之间的不期望电接触。信号迹线516的变化厚度可特别地用于以下的实施方案中，其中换能器阵列504与吸声衬垫结构514之间不采用柔性电路504。在图示的示例中，信号迹线516的一部分520包括第一厚度520，并且信号迹线516的第二部分524包括第二厚度526，其中第一厚度522大于第二厚度526，使得信号迹线516与换能器阵列504的接地电极505物理隔离和电绝缘。第一厚度值522和第二厚度值526可在约1微米到约20微米的范围内。在一个示例中，第二厚度值526可在第一厚度522的约20％到约80％的范围内。
虽然在图5A至图5C的图示实施方案中，通过改变电迹线的厚度以及吸声衬垫结构514的成形部分523的厚度以向信号迹线提供电绝缘，但是需要指出的是，在替换实施方案中，可以选择信号迹线523的变化厚度，使得在不使吸声衬垫结构514的部分523倒角的情况下向电迹线提供电绝缘。
现在转到图6A至图6C，图6A示出了具有换能器阵列604和多个声匹配层601的超声换能器600的剖视图。图6B示出了图6A的超声换能器600的一部分的立体图630，此外，图6C表示图6A的超声换能器600的一部分的另一个立体图640，如图6A和图6C所示，声匹配层602设置在换能器阵列604的第一侧上，并且另一声匹配层606设置在声匹配层602上。绝缘切口610横跨换能器阵列604的多个换能器元件行进，从而使信号电极603(设置在绝缘切口610之间)与接地电极605分离。另外，插入层柔性电路608可选地设置在换能器阵列604的第二侧上。插入层柔性电路608可用于支撑信号电极603和接地电极605。特别地，具有弯曲外表面的换能器阵列可采用插入层柔性电路(诸如电路608)，以有利于换能器元件与信号电极和接地电极603和605的耦接。
吸声衬垫结构613分别经由信号迹线609和接地迹线611操作地耦接到信号电极603和接地电极605。信号迹线609和接地迹线611直接设置在吸声衬垫结构613的表面上。可选地，信号迹线609可具有变化的厚度值。例如，信号迹线609可包括具有第一厚度616的第一部分614以及具有第二厚度620的第二部分618，其中第一厚度大于第二厚度，使得信号迹线609与超声换能器600的接地电极605物理隔离和电绝缘。可在从约1微米到约20微米的范围中选择第一厚度616和第二厚度620。在一个示例中，第二厚度620可以在第一厚度616的约20％到约80％的范围内。替代地，或者除改变信号迹线609的厚度之外，绝缘层622可设置在信号迹线609的至少一部分上，以在换能器阵列604的接地电极605与被布线在吸声衬垫结构613上的信号迹线609之间提供电绝缘。
虽然未示出，但是在一个实施方案中，信号迹线609可在信号迹线609的整个长度上具有均匀的厚度，并且绝缘层622可设置在信号迹线的选择性部分上或在信号迹线609之间，以在信号迹线609与接地电极605之间提供电绝缘。另外，可选择信号迹线609的选择性部分的厚度、绝缘层622的厚度或前述厚度两者，使得在不需要使吸声衬垫结构613的部分624倒角的情况下，在信号迹线609与接地电极之间提供电绝缘。
参考图7A至图7D，图7A示出了具有换能器阵列704和多个声匹配层701的超声换能器700的剖视图。图7B示出了操作地耦接到换能器阵列704的相互交叉电极的顶视图720。图7C示出了图7A的超声换能器700的一部分的立体图730，此外，图7D示出了图7A的超声换能器700的另一个实施方案的立体图740。图7A至图7D用于在超声换能器700中的吸声衬垫结构上布线电迹线的又一个实施方案。在图示的实施方案中，多个声匹配层701的一个声匹配层702设置在换能器阵列704的第一侧上，另一个声匹配层706设置在声匹配层702上。另外，可选地，插入层柔性电路708设置在换能器阵列704的第二侧上。绝缘切口710横跨换能器阵列704的多个换能器元件行进。插入层柔性电路708宽于吸声衬垫结构711。在图示的实施方案中，插入层柔性电路708的宽度表示为w1，并且吸声衬垫结构711的宽度表示为w2。
信号电极716和接地电极718耦接到插入层柔性电路708，使得接地电极718不与被布线在吸声衬垫结构711上的信号迹线712物理接触。特别地，选择声学衬垫结构711的宽度和曲率半径以促进信号迹线712和接地电极718的隔离。
插入层柔性电路708可用于支撑信号电极716和接地电极718。通常，具有弯曲外表面的换能器阵列可采用插入层柔性电路，诸如电路708，以促进换能器元件与信号电极716和接地电极718的耦接。
图7B表示从箭头719表示的方向观察的插入层柔性电路(参考图7A)。如图所示，接地电极716和信号电极718形成一种相互交叉结构。
尽管未示出图4A至图7D的实施方案，非导电材料/油墨可沉积在两个或多条电迹线之间或一条或多条电迹线上，以向电迹线提供电绝缘或隔离。另外，在吸声衬垫结构的表面上布线电迹线之前，粘附促进剂材料或粘附促进剂层可设置在吸声衬垫结构的表面上。此外，虽然本文所示出的实施方案描绘和描述了两个声匹配层，但在本说明书的范围内设想了使用一个或多于两个的声匹配层。
图8为根据本说明书的实施方案的在吸声衬垫结构的表面上布线的多条电迹线的添加制造方法的示例流程图800。其上布线有多条电迹线的吸声衬垫结构的表面可被称为“表面”或“目标表面”，因此，术语“表面”和“目标表面”可在图8和图9的描述中互换地使用。
在框802处，通过提供具有第一导电颗粒的第一导电材料或油墨来开始该方法。该方法可使用一种以上的油墨，诸如第一导电油墨、第二导电油墨等等。这些油墨可使用添加制造逐层地沉积，并且在化学成分上可彼此不同或相同。在一个实施方案中，提供油墨的步骤(诸如提供导电油墨的步骤802)可包括使用电功能胶体颗粒、粘合剂(例如聚氨酯)、表面活性剂、一种或多种固化剂、载体溶剂、或它们组合的一种或多种配制导电油墨。选择油墨配方的组分，使得油墨具有合适的流变性质(例如，粘度、表面张力等)，以有利于导电油墨通过分配器的喷嘴头的一致分配。
为了増强吸声衬垫结构上的电迹线的粘附力，一种或多种合适的粘合促进粘合剂可与第一导电油墨混合。可选地，在块804处，可在将电迹线写入或沉积在吸声衬垫结构的表面上之前处理吸声衬垫结构的表面。在一些示例中，吸声衬垫结构的表面可暴露于等离子体和/或激光和蒸汽，或经受印刷沉积方法，以増强电迹线的油墨对吸声衬垫结构的表面的粘附性。在另一个示例中，吸声衬垫结构的表面可用合适的润湿剂润湿。在一个实施方案中，执行吸声衬垫结构的目标表面的受控润湿，以提供用于电迹线的精细特征分辨率。特别地，取决于用于油墨的溶剂并取决于目标表面的材料，低表面张力二次溶剂(例如，醇)，离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂或一种或多种硅烷，或它们的组合可用作润湿剂。
由于电迹线的精细尺寸，期望在添加制造装置的印刷装置的喷嘴头或直接写入装置与吸声衬垫结构的表面上的目标区域之间具有増强的对准。在块805处，可在目标表面与添加制造装置的喷嘴头之间提供对准，以沿吸声衬垫结构的表面上的预确定路径沉积导电材料。例如，成像技术可用于在目标表面上定位基准参考特征。对基准和印刷喷嘴头的相对位置的事先了解可用于外推要沉积油墨的吸声衬垫结构的表面上的目标区域的位置。在某些其他实施方案中，可使用一种或多种三维扫描和配准技术(诸如但不限于，激光点/线三角测量、结构化光成像和/或触摸探针扫描)用于増强喷嘴头与表面上的目标区域之间的对准。三维扫描和配准技术可产生目标表面的三维点云数据。对该数据(诸如图像分割和/或图案匹配)的分析可用于确定要沉积油墨的目标区域的位置。
在某些实施方案中，直接写入过程可用于直接写入分配件或喷射头或喷嘴头，分配件或喷射头或喷嘴头可在3个或多个方向上移动，以沉积导电油墨(诸如胶体油墨)。油墨可以高度填充的悬浮液或浆液的形式分配在吸声衬垫结构的表面上的多种位置处。
另外，在某些实施方案中，可以使用逐层沉积在吸声衬垫结构的目标表面上添加制造电迹线。例如，在框806处，通过在一个或多个方向上移动和/或倾斜喷嘴头，第一导电材料或油墨的第一图案或第一层沉积在目标表面的至少一部分上。此外，喷嘴头可沿一个或多个轴线移动，以使多条电迹线能够共形沉积。通常，电迹线的宽度可在约20微米到约200微米之间。
在沉积时，导电材料可经历相变，并且由于例如溶剂蒸发和/或粘结剂和固化剂的光或热致聚合而凝固。
印刷或沉积的电迹线的热处理可在目标表面中导致不期望的失真。为了使到目标表面的热传递以及目标表面的后续失真最小化，在一些实施方案中，可提供合适的热处理以凝固和/或稳定油墨。例如，具有紫外(UV)源、红外(IR)源和/或激光源的空间局部热处理可用于热处理沉积的电迹线。
有利地，通过使用本说明书的技术，厚度在约1微米到10微米范围内的电迹线可共形地沉积在吸声衬垫结构的目标表面上。此外，在电迹线包括两个或多个层的情况下，电层的不同层可由相同的油墨或不同的油墨制成。在一个示例中，不同层的至少一个层可具有一种具有与其它层的油墨的组分不同的组分的油墨。
在电迹线包括两个或多个层的实施方案中，如框808所示，提供具有第二导电颗粒的第二导电材料。第二导电材料可包括第二导电颗粒。另外，第一导电材料和第二导电材料的化学组分可以相同或不同。
可选地，在框810处，可在第一层的至少一部分上添加制造第二导电材料的第二图案或第二层。可在第一层固化之前或之后添加制造第二层。此外，可通过沿一个或多个轴线在一个或多个方向上移动喷嘴头来沉积第二层。
此外，可选地，可使用一种或多种导电颗粒配制第二导电油墨。第二导电油墨可沉积在第一导电油墨上，并且可基于电迹线中的所需层数重复该过程。此外，非导电油墨或绝缘油墨可沉积诸如在信号迹线的部分上或在信号迹线之间，以在信号迹线之间以及在信号迹线与接地电极之间提供电绝缘。
通过重复框802-框810所示的过程，具有相同或不同导电材料的多个层可共形地沉积在吸声衬垫结构的目标表面上。
可选地，在框812处，非导电或绝缘材料沉积在沉积图案或层之间或之上。例如，非导电或绝缘材料或油墨可沉积在电迹线之间或至少沉积在电迹线的一部分上。在一个实施方案中，电绝缘材料可沉积在信号迹线的至少一部分上，以在信号迹线与换能器阵列的接地电极之间提供电绝缘。在相同的或不同的实施方案中，电绝缘材料可沉积在两个或多条电迹线之间，以在电迹线之间提供电绝缘。
在沉积电迹线以及可选地导电材料之后，可通过将换能器阵列物理地耦接到吸声衬垫结构而形成超声换能器或换能器组件，使得电迹线适当地耦接到换能器阵列的电极。
未物理地耦接到电极的信号迹线的部分可涂覆有电绝缘材料(例如，如图6B所示)，以防止在电迹线与超声换能器的其他部件或电路之间的不期望接触。可使用涂覆技术沉积电绝缘层，诸如但不限于直接写入技术、浸涂、喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积或适用于在相对大的区域上沉积材料的任何其它技术。
通过控制所沉积的导电材料油墨的位置和沉积速率，可逐层地建造一种三维物体。在某些实施方案中，该方法包括直接写入过程，以沿吸声衬垫结构表面上的预限定路径将导电油墨和绝缘油墨作为精细迹线印刷在一个或多个层中。该过程用于替换昂贵且复杂的柔性电路的使用，其常规地用于在声学换能器阵列的元件和驱动电路之间提供电连接。需要指出的是，用于电迹线的导电材料可包括填充有高体积浓度的金属颗粒的液体材料。
图9示出了由图8的框805和框806所表示的方法步骤的非限制性示例。在图示的布置900中，印刷装置或写入装置(图9中未示出)的喷嘴头901被示出处于通常由附图标记902，903，905，907和909表示的不同位置。通过移动和/或倾斜喷嘴头901以适配吸声衬垫结构904的表面轮廓，喷嘴头901被构造成处于不同的定向。在图示的示例中，喷嘴头901在共同形成吸声衬垫结构904表面的子表面或表面上移动。例如，在图示的实施方案中，表面906，908和910可被称为吸声衬垫结构的子表面。虽然表面906，908和910被示出为平面表面，但需要指出的是，本说明书的装置900和方法也可用于将电迹线布线在吸声衬垫结构904的弯曲表面上。
如图所示，在不同位置902，903，905，907和909处的喷嘴头901以确定的角度倾斜，以有利于电迹线在吸声衬垫结构904的表面上的共形沉积。线913和915示出了喷嘴头901的运动路径。此外，喷嘴头901也可在一个或多个方向上来回移动，诸如由箭头917和919表示的方向。此外，一个或多个喷嘴头可用于使电迹线918的一个或多个层沉积在一个或多个位置(诸如位置912和914)中。此外，相同的或不同的喷嘴头可用于沉积诸如用附图标记920表示的电绝缘材料。在图示的实施方案中，非导电或绝缘材料920也可沉积在所需区域中，诸如电迹线918上或之间的区域，以在两个或多条电迹线和电迹线与接地电极之间提供电绝缘。
有利地，本技术的多种实施方案允许在吸声衬垫结构上布线电信号和信号迹线，同时在接地电极和信号迹线之间提供电绝缘。需要指出的是，图4A至7D中所示出的多种实施方案的组合可用于提供电迹线在超声换能器中的布线，以消除对用于在换能器阵列与超声换能器的驱动电路之间提供电连接的柔性电路的需求。例如，使吸声衬垫结构的一部分倒角以及使信号迹线的一部分绝缘可用于在接地电极与信号迹线之间提供物理隔离和电绝缘。有利地，本技术的电迹线和信号迹线可被布线在现有的吸声衬垫结构上。另外，信号迹线和接地迹线可用于现有的超声换能器，而具有最小改变或无设计改变。在一个实施方案中，可使用本技术的信号迹线和接地迹线减小超声探针的探针尺寸。
虽然本文已经示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域的技术人员将会想到许多修改和改变。因此，应该理解的是，所附权利要求旨在涵盖属于本发明范围内的所有此类修改和变型。

Claims (20)

1.一种超声换能器，所述超能换能器包括：
换能器阵列，所述换能器阵列具有第一侧和第二侧，并且包括多个换能器元件；
一个或多个接地电极，所述一个或多个接地电极设置在所述换能器阵列的第一侧上；
一个或多个信号电极，所述一个或多个信号电极设置在所述换能器阵列的第二侧上；
吸声衬垫结构，所述吸声衬垫结构操作地耦接到所述换能器阵列的所述多个换能器元件；和
多条电迹线，所述多条电迹线被布线在所述吸声衬垫结构的表面上，并且操作地耦接到所述一个或多个信号电极中的至少一个和一个或多个接地电极中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述多条电迹线直接设置在所述吸声衬垫结构的表面上。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述多条电迹线包括多个信号迹线和多个接地迹线。
4.根据权利要求3所述的超声换能器，其中所述信号迹线耦接到所述一个或多个信号电极的相应信号电极。
5.根据权利要求3所述的超声换能器，其中所述吸声衬垫结构的一部分被倒角，以在所述一个或多个接地电极与所述多个信号迹线之间提供电绝缘。
6.根据权利要求3所述的超声换能器，还包括电绝缘材料，所述电绝缘材料设置在所述多个信号迹线的至少一部分上，以使所述多个信号迹线与所述一个或多个接地电极电绝缘。
7.根据权利要求3所述的超声换能器，其中所述多个信号迹线的一个或多个信号迹线具有变化的厚度。
8.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述吸声衬垫结构包括平面表面、弯曲表面、角形表面、起伏表面或它们的组合。
9.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述一个或多个信号电极与所述一个或多个接地电极形成相互交叉结构。
10.根据权利要求1所述的超声换能器，还包括耦接到所述换能器阵列的插入层柔性电路。
11.根据权利要求10所述的超声换能器，其中所述插入层柔性电路的宽度大于所述吸声衬垫结构的宽度。
12.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述多条电迹线共形地设置在所述吸声衬垫结构的表面上。
13.根据权利要求1所述的超声换能器，包括设置在所述换能器阵列的第一侧上的一个或多个声匹配层。
14.一种超声系统，所述超声系统包括：
采集子系统，所述采集子系统被构造成采集图像数据，其中所述采集子系统包括超声换能器，并且其中所述超声换能器包括：
换能器阵列，所述换能器阵列具有第一侧和第二侧，并且包括多个换能器元件；
一个或多个接地电极，所述一个或多个接地电极设置在所述换能器阵列的第一侧上；
一个或多个信号电极，所述一个或多个信号电极设置在所述换能器阵列的第二侧上；
吸声衬垫结构，所述吸声衬垫结构操作地耦接到所述换能器阵列的所述多个换能器元件；和
多条电迹线，所述多条电迹线布线在所述吸声衬垫结构的表面上，并且操作地耦接到所述一个或多个信号电极中的至少一个和一个或多个接地电极中的至少一个；
处理子系统，所述处理子系统耦接到所述采集子系统，并且被构造成处理所采集的图像数据；和
显示装置，所述显示装置被构造成显示所采集的图像数据、经处理的图像数据或所述所采集的图像数据和所述经处理的图像数据两者。
15.根据权利要求14所述的超声系统，其中所述多条电迹线耦接到所述超声系统的驱动电路。
16.根据权利要求14所述的超声系统，其中所述超声换能器不包括柔性电路，以电耦接所述多个换能器元件和所述超声系统的驱动电路。
17.根据权利要求14所述的超声系统，其中所述多条电迹线共形地设置在所述吸声衬垫结构的表面上。
18.根据权利要求14所述的超声系统，还包括设置在所述多条电迹线的两个或多个之间的电绝缘材料。
19.一种用于在吸声衬垫结构的目标表面上布线多条电迹线的方法，所述方法包括：
提供具有第一导电颗粒的第一导电材料；以及
通过沿所述吸声衬垫结构在一个或多个方向上移动喷嘴头，在所述吸声衬垫结构的所述目标表面的至少一部分上添加制造所述第一导电材料的第一层。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括通过在所述一个或多个方向上移动所述喷嘴头，在固化所述第一导电材料的第一层之前或之后将第二导电材料的第二层沉积在所述第一层的至少一部分上。
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