CN112423902A - 超声阵列换能器的制造 - Google Patents

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Abstract

本申请描述了用于制造柔性超声换能器阵列或在制造柔性超声换能器阵列中使用的方法，以及得到的超声换能器阵列。该方法包括在箔衬底上提供压电材料层，并且采用增材技术将至少一个电极施加于压电材料的表面，使得电极以电极阵列布置。该方法还包括采用增材技术将多个导电线路和多个电连接器施加于压电材料的表面或施加于设在压电材料的表面上的电介质材料层，使得相应的导电线路将相应的电极电连接至相应的电连接器。增材技术包括掩模、沉积、光图形化、印刷或图形化涂覆中的至少一种。可选地，压电材料层包括已沉积在箔上的无机压电材料层。

Description

超声阵列换能器的制造
【技术领域】
本申请涉及超声换能器及其制造，尤其是但并不限于超声换能器阵列。
【背景技术】
超声跨越的声频范围高于人类能够听到的范围，并且超声通常具有大于20kHz的频率。典型的运行范围从20kHz延伸至200MHz。运行的所需频率范围可以根据需要的应用而变化。例如，对于非破坏性测试而言，可以优选100kHz到20MHz范围之间的频率。对于医学成像而言，可以优选1MHz到100MHz范围之间的频率。在牙科成像中，可以优选频率范围在20MHz到200MHz之间的频率。然而，以上内容仅仅是示例性的，根据实际应用可以要求不同的运行超声频率。由于涉及高得多的频率，超声装置通常与一般用于可听应用的那些装置非常不同。
使用超声波的分析在一系列应用中显示出很大的前景，特别是在诸如医学成像的成像中，而且也在诸如非破坏性测试(Non-destructive Testing，NDT)的领域中，特别是在工业NDT中。使用超声技术的牙科成像是合适应用的一个示例，其中，超声成像可以用于确定牙齿的层的特性。然而，超声具有广泛的用途，并且超声的应用不限于这些示例。
超声换能器可操作为产生被传输到样本中的超声波，并且检测从样本的层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，可以对样本的各层进行成像，从而表征样本。
常规的超声换能器通常由大块陶瓷材料形成，这样可能是成本高、体积大并且难以制造，特别是在具有针对许多应用所期望的形状和特性时。此外，传统的超声换能器不容易使用自动化技术制造，并且通常需要高度的手动操作。因此，亟需改进的超声换能器及其制造方法。
【发明内容】
本发明的各个方面在独立权利要求中限定。从属权利要求中限定了一些优选特征。
根据本申请的第一方面，提供了一种用于制造超声换能器或在制造超声换能器中使用的方法，该方法包括：
提供压电材料层；
使用一个或多个增材技术以将至少一个电极施加于所述压电材料的表面，和/或以在例如所述压电材料的所述表面上或设于其上的电介质材料层上形成至少一个导电线路和或至少一个电连接器。
可以采用一个或多个增材技术来完全地印刷形成或以其他方式形成一个或多个电极、一个或多个导电线路以及一个或多个电连接器。在一些示例中，可以采用一个或多个增材技术在例如压电材料层上和/或设于其上的电介质材料层上一体地形成至少一个或多个电极、一个或多个导电线路和/或一个或多个电连接器。电介质材料层可以为中间层。这样，就可以不需要形成分离开的电极、导电线路和/或电连接器。上述布置有利于超声换能器的完全柔性(例如，弯曲性)以及针对全范围的应用的简单定制。本方法可以包括通过采用增材技术形成的导电线路连接至触点的电极。这样可以允许采用回流焊接方法将标准电连接附接至触点，而不用传统走线或手动走线附接至电缆或接口。这样可以简化生产工艺并且可以提供更加稳健、柔性的换能器。
压电材料层可以设置在衬底上。
该方法可以包括采用增材技术提供多个电极，例如，电极阵列。电极阵列的电极可以分布在一个或两个维度上。在一个示例中，电极阵列的电极可以线性地分布。然而，电极的阵列不一定线性地分布并且可以分布在两个维度上，例如，诸如(但不限于)网格形的阵列，圆形的阵列，环状地同心或嵌套的电极，依赖于连接器的、布置为树状结构的电极，或者其他的布置。通过使用本文所述的方法，可以实现在生产具有不同的电极布置或图案、不同的电极尺寸、不同的电极数量和不同的电极形状的电极阵列方面更高的自由度。这样，可以容易地选定电极在电极阵列中的定位、设置在不同位置上的电极的尺寸、电极的数量和电极的形状，以产生由换能器阵列产生的所需要的超声波束焦点或形状。例如，电极可以是矩形、正方形、圆形、椭圆形或环形、多边形和/或其他形状。
所述至少一个电极可以是至少一个工作电极，包括至少一个工作电极，或者被包括在至少一个工作电极中。
相应的导电线路可以将相应的电极电连接至相应的电连接器。这样，电极阵列的每个电极可以是单独地可寻址的。
增材技术可以包括掩模和/或光图形化。所述方法可以包括将抗蚀材料施加于例如压电材料层的表面。所述方法可以包括例如在压电材料层的至少部分或整个表面的上方施加抗蚀材料层。抗蚀材料可以是或包括光刻胶。抗蚀材料可以是或包括树脂材料，例如SU-8。抗蚀材料可以通过辐射(例如通过可见光、紫外线(UV)、远紫外线(extreme UV，EUV)等)而可活化或可反应。
所述方法可以包括提供掩模板。掩膜板可以限定开口的图案。掩模板的形状和/或开口的图案可以反映或象征电极的形状、导电线路的形状和/或连接器的形状。所述方法可以包括通过掩膜板向抗蚀材料施加辐射，使得例如抗蚀材料的仅选定区域(受掩膜板例如其开口的形状和/或图案所控制)才接收到辐射。所述辐射可以与接收辐射的抗蚀材料的选定区域进行选择性地交联，或以其他方式改变所述选定区域，或与选定区域进行反应。所述方法可以包括去除抗蚀材料层的一部分，例如，去除抗蚀材料的已暴露于辐射的选定区域之外的部分(在抗蚀材料是负性光刻胶的情况下)，或者去除抗蚀材料层的已暴露于辐射的选定区域(在抗蚀材料是正性光刻胶的情况下)。可以采用合适的溶剂，例如，水、有机溶剂和/或极性溶剂来实现去除抗蚀材料层的一部分。
在去除抗蚀材料的一部分后，剩余的抗蚀材料可以通过抗蚀材料来限定一系列的开孔或开口，以例如通过开口或开孔来暴露压电材料。至少一些开孔或开口可以限定所述至少一个电极(例如，电极阵列的电极)的位置。至少一些开口或开孔可以限定至少一个导电线路和/或至少一个电连接器的位置。至少一些或全部的开口或开孔(例如限定至少一个电极的位置的开孔或开口)可以为细长形，并且可以为0.1mm到10mm长和0.01mm到1mm宽，例如0.5mm到5mm长和0.05mm到0.5mm宽，诸如1mm×0.1mm。电极的宽度可以对应于(例如可以是)λ/2上下的20％之内，其中λ为由换能器产生的超声波的运行波长。抗蚀材料的切口可以保留在至少一些或全部的开孔或开口之间，例如在限定所述至少一个电极的位置的开孔或开口之间。缝可以为0.01mm到0.1mm宽。上述的尺寸在高频应用时是尤其有利的。然而，采用传统技术来生产具有这些尺寸的超声换能器阵列，至少对于足够的质量和可重复生产性来说，是非常困难的。
所述方法可以包括将导电材料至少施加于抗蚀材料层中的开孔或开口，和/或压电材料层的未被抗蚀材料覆盖的部分。导电材料可以是或包括金属或金属材料，例如，金。可以采用掩模沉积来施加导电材料。导电材料可以施加为使其可选择性地仅沉积在压电材料的至少一些或整个所述部分上，该压电材料的至少一些或整个所述对应于压电材料的与开口或开孔相对应的部分，和/或该压电材料的至少一些或整个所述部分对应于压电材料的未被抗蚀材料覆盖的其他部分。导电材料可以与对应于压电材料的开口或开孔和/或压电材料的未被抗蚀材料覆盖的其他部分的压电材料的至少一些或整个所述部分直接接触，也可以固定至上述压电材料的至少一些或整个所述部分。
所述方法可以包括去除抗蚀材料，或者剩余的抗蚀材料(例如，围绕电极、线路和/或连接器的剩余的抗蚀材料)可以保留在原处。导电材料可以形成所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)、所述至少一个导电线路和/或所述至少一个电连接器。相应的电极可以与其对应的线路和连接器成为一体。电极、导电线路和/或电连接器中的两者或更多者可以部分地或整体地在同一个制造步骤或由同一个工艺(例如，在常见施用或沉积步骤中)形成。
增材技术可以包括印刷、图形化涂覆和/或3D打印等。例如，所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)、所述至少一个导电线路和/或至少一个电连接器中的一者或多者可以被直接地印刷到例如压电材料上。增材技术可以包括在本申请的教导下对于本领域的技术人员而言容易想到的其他合适的增材性或选择性沉积技术。
所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)可以为细长形，例如矩形。所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)的尺寸可以在mm量级。例如，所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)可以为0.1mm到10mm长且为0.01mm到1mm宽，例如，0.5mm到5mm长且在0.05mm到0.5mm宽，诸如1mm×0.1mm。所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)可以彼此间隔开，例如，相隔在0.01mm到0.1mm之间，例如相隔0.05mm。
在电极阵列中的每个电极可以通过对应的导电线路连接至对应的连接器。所述至少一个导电线路中的至少一个或多个导电线路或每个导电线路的至少一部分可以远离其他导电线路中的一个或多个导电线路或每一个导电线路延伸、展开或成扇形散开。电连接器之间的间隔可以大于电极阵列的电极之间的间隔。例如，电连接器的间距可以为0.1mm到2.54mm，例如0.5mm。该布置可以允许电极阵列中的更高或更精细的分辨率，但是仍然允许以标准的连接器间距来布置电连接器。
电极阵列可以包括8到256个电极，例如16到128个电极，诸如16到64个电极。电极阵列可以包括多个不同尺寸(例如具有不同的电极面积)的电极。电极阵列可以包括不同形状的电极。这样，通过合适地选择电极面积和形状，可以允许在不使用多个通道的情况下来控制波束的焦点。
衬底可以是导电的，即，它可以是电导体。衬底可以是平面的。衬底可以是膜或片材。衬底可以是金属的，例如金属膜。衬底可以是或包括金属或金属箔，诸如铝箔。
衬底可以是电气接地电极，包括电气接地电极，或被包括在电气接地电极中。衬底可以是由增材技术形成的电极的对电极，包括由增材技术形成的电极的对电极，或被包括在由增材技术形成的电极的对电极中。对电极可以与至少一个工作电极(例如电极阵列的工作电极)形成电极对，该电极对可以设置在压电材料的与对电极相对的一侧上。衬底可以是接地电极，包括接地电极，或被包括在接地电极中。与衬底的其上设置有压电材料层的表面相对的衬底的表面可以是在使用中从其中辐射超声波的辐射表面。
衬底可以是或包括薄膜。衬底可以具有在20μm到200μm范围内的厚度。衬底可以比压电材料层厚，例如至少6倍，或10倍或更多倍。
压电材料层可以是压电材料膜，包括压电材料膜，或被包括在压电材料膜中。压电材料层可以配置为产生超声和/或为可操作的以产生超声，即，压电材料层可以是超声产生层或包括超声产生层。压电材料可以是无机材料或包括无机材料。压电材料可以是晶体的(例如多晶的)压电材料。压电材料可以是非聚合的压电材料。压电材料可以是或包括金属氧化物，诸如氧化锌。压电材料可以是或包括金属氮化物，诸如氮化硅。压电材料可以是或包括具有压电特性的材料的连续的层。例如，压电材料可以不包括在非压电材料的基体内的具有压电特性的压电材料的离散区域。压电材料层可以具有在2μm到20μm范围内的厚度。压电材料层可以比衬底薄。上述材料由于可以承受在回流焊接期间上升的温度而额外地有利，这可以允许采用更有利的制造技术来进行生产。
压电材料层或压电材料本身可以是或包括非铁电材料。压电材料层或压电材料本身可以提供压电响应和热释电响应二者。该布置可以允许作为超声阵列和用于超声测量的校正的温度传感器的双重用途。
所述方法可以包括例如在导电线路中的至少一部分或全部导电线路和/或至少一个电极(例如电极阵列的电极)上、周围和/或之间提供封装材料。封装材料可以是或包括电绝缘材料。封装材料可以是或包括电介质材料。封装材料可以让至少部分或全部的连接器暴露(即，没有封装材料)。封装材料可以让至少衬底的辐射表面暴露(即，没有封装材料)。封装材料可以覆盖导电线路和/或至少一个电极(例如电极阵列的电极)。封装材料可以仅设置在压电材料和/或形成导电线路的导电材料和/或至少一个电极上，即不设置在衬底上，或至少不设置在与衬底的其上设置有压电材料的一侧相对的衬底的一侧上。
超声换能器或超声换能器阵列可以是柔性的。衬底、压电材料层和至少一个电极、至少一个导电线路和/或至少一个电连接器可以是柔性的。
超声换能器或超声换能器阵列可以配置为产生20kHz到200MHz之间的频率范围内的超声。
上述方法及得到的换能器或换能器阵列的特定实施例提供潜在的优点。生产成本可以得到降低。电极阵列的生产可以被简化，和/或提高了生产量和/或质量。上述方法可以更适合于大批量或自动化制造和/或可以降低所需的人工干预程度。得到的超声设备的分辨率可以很高，同时仍然允许连接到标准连接器。超声换能器或换能器阵列可以有能力进行高频运行。超声换能器或换能器阵列可以为柔性的，这可以给予设计者更多的自由度和/或更容易地配置超声换能器或换能器阵列。所述方法意味着不需要结合至连接电极的复杂的单独电线。得到的超声换能器或换能器阵列可以在一个表面上具有全部的电连接，这个表面可以是背表面或者是其上发射超声辐射的发射表面之外的表面。这样可以导致容易组装的超声换能器或换能器阵列。此外，超声换能器或换能器阵列可以在不折叠(例如在不折叠衬底、压电材料和/或线路或电极)的情况下进行组装。这样可以减少故障/不良率。潜在的优点并不限于上述内容。
根据本申请的第二方面，提供一种超声换能器或超声换能器阵列，包括：
压电材料层；
设置于所述压电材料的表面上的至少一个电极。
可以采用第一方面的方法来形成超声换能器或超声换能器阵列。
超声换能器阵列可以包括多个电极，例如，电极阵列。电极阵列的电极可以分布在一个或两个维度上。在一个示例中，电极阵列的电极可以线性地分布。电极可以是工作电极。电极可以以圆形或在圆形布置分布，或以环形布置环绕地分布。
超声换能器阵列可以包括至少一个导电线路以及至少一个电连接器。相应的导电线路可以将相应的电极电连接至相应的电连接器。电极阵列的每个电极可以是例如通过对应的连接器和线路单独地可寻址的。
所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)可以为细长形，例如矩形。所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)的尺寸可以在mm量级。例如，所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)可以为0.1mm到10mm长且为0.01mm到1mm宽，例如，0.5mm到5mm长且在0.05mm到0.5mm宽，诸如1mm×0.1mm。所述至少一个电极(例如电极阵列的电极)可以彼此间隔开，例如，相隔在0.01mm到0.1mm之间，例如相隔0.05mm。
所述至少一个导电线路中的至少一个或每一个导电线路的至少一部分可以远离其他导电线路中的一个或多个导电线路或每一个导电线路延伸、展开或成扇形散开。电连接器之间的间隔可以大于电极阵列的电极之间的间隔。例如，电连接器的间距可以为0.1mm到1mm，例如0.5mm。
电极阵列可以包括8到256个电极，例如16到128个电极。
衬底可以是导电的，即，它可以是电导体。衬底可以是平面的。衬底可以是膜或片材。衬底可以是金属的，例如金属膜。衬底可以是或包括金属或金属箔，诸如铝箔。
衬底可以是电气接地电极，包括电气接地电极，或被包括在电气接地电极中。衬底可以是由增材技术形成的电极的对电极，包括由增材技术形成的电极的对电极，或被包括在由增材技术形成的电极的对电极中。对电极可以与至少一个工作电极(例如电极阵列的工作电极)形成电极对，该电极对可以设置在压电材料的与对电极相对的一侧上。与衬底的其上设置有压电材料层的表面相对的衬底的表面可以是在使用中从其中辐射超声波的辐射表面。
衬底可以是或包括薄膜。衬底可以具有在20μm到200μm范围内的厚度。衬底可以比压电材料层厚。
压电材料层可以是压电材料膜，包括压电材料膜，或被包括在压电材料膜中。压电材料层可以配置为产生超声和/或为可操作的以产生超声，即，压电材料层可以是超声产生层或包括超声产生层。压电材料层可以是或包括无机压电材料层。压电材料层可以是或包括晶体的(例如多晶的)压电材料层。压电材料层可以是非聚合的，和/或可以是或包括非聚合的压电材料层。压电材料可以是或包括金属氧化物，诸如氧化锌。压电材料可以是或包括金属氮化物，诸如氮化硅。压电材料可以是或包括具有压电特性的材料的连续的层。例如，压电材料可以不包括在非压电材料的基体内的具有压电特性的压电材料的离散区域。压电材料层可以具有在2到20μm范围内的厚度。压电材料层可以比衬底薄。压电材料层或压电材料本身可以是或包括非铁电材料。压电材料层或压电材料本身可以提供压电响应和热释电响应二者。
超声换能器或换能器阵列可以包括例如在导电线路中的至少一部分或全部导电线路和/或至少一个电极(例如电极的阵列的电极)上、周围和/或之间的封装材料。封装材料可以是或包括电绝缘材料。封装材料可以让至少部分或全部的电连接器暴露。封装材料可以覆盖导电线路和/或至少一个电极(例如电极阵列的电极)。封装材料可以仅设置在压电材料和/或形成导电线路的导电材料和/或至少一个电极上，即不设置在衬底上，或至少不设置在与衬底的其上设置有压电材料的一侧相对的衬底的一侧上。
超声换能器可以是柔性的。衬底、压电材料层和至少一个电极、至少一个导电线路和/或至少一个电连接器可以是柔性的。
根据本申请的第三方面，提供了一组计算机可读指令或计算机代码，该组计算机可读指令或计算机代码被配置为使得当由增材制造设备处理时，允许、控制或使得增材制造设备(或向增材制造设备提供指令或数据以)生产第二方面的超声换能器或超声换能器阵列的至少一部分或执行第一方面的方法的步骤中的至少一些步骤。
增材制造设备可以是3D打印机、其他类型的打印机和/或涂料机等，包括3D打印机、其他类型的打印机和/或涂料机等，或者被包括在3D打印机、其他类型的打印机和/或涂料机等中。增材制造设备可以是由计算机控制的或是计算机可控制的。
该组计算机可读指令或计算机代码可以被配置为使得当由增材制造设备处理时，允许、控制、使得增材制造设备沉积，或向增材制造设备提供指令或数据以沉积，第二方面的超声换能器或超声换能器阵列的至少一个电极(例如电极阵列的电极)、电导体线路和/或电连接器，或如第一方面的方法的一部分提供的超声换能器或超声换能器阵列的至少一个电极(例如电极阵列的电极)、电导体线路和/或电连接器。
根据本申请的第四方面，提供被配置为产生并发射超声波的超声装置，该超声装置包括第二方面的超声换能器或超声换能器阵列。
超声装置可以被配置为接收发射出的超声波的反射。
超声装置可以是医学超声成像装置。超声装置可以是非破坏性测试装置。超声装置可以是用于对牙齿结构成像的牙科超声成像装置。
上面根据本发明的任何方面或下面关于本发明的任何具体实施方式限定的单独特征和/或特征组合可以单独地和单个地、独立地或与任何其他限定的特征组合地用在本发明的任何其他方面或实施方式中。
此外，本发明旨在覆盖被配置为执行本文关于方法描述的任何特征的设备和/或使用、生产或制造本文描述的任何设备特征的方法。对于上面被描述为执行功能的任何设备特征，本发明还覆盖包括执行该功能的方法。
【附图说明】
现在将参考附图仅以示例的方式来描述本公开的这些和其他方面，在附图中：
图1为超声换能器阵列的示意性平面图；
图2为图1的换能器阵列的示意性侧视图；
图3为示出了图1和图2的换能器阵列的生产方法的流程图；
图4至图10为图3的方法的步骤的示意图，其中后缀为A的附图为将会成为图1和图2的超声换能器阵列的物体在制造阶段的侧面截面视图，后缀为B的附图为将会成为图1和图2的超声换能器阵列的物体在制造阶段的的平面图；
图11为增材制造系统的示意图；
图12为可以采用图3的方法生产的可替换的超声换能器阵列；
图13为可以采用图3的方法生产的另一个可替换的超声换能器阵列；
图14为可以采用图3的方法生产的另一个可替换的超声换能器阵列；
图15为可以采用图3的方法生产的另一个可替换的超声换能器阵列。
【具体实施方式】
图1示出了超声换能器阵列5的示意性平面视图，图2示出了超声换能器阵列5的示意性侧视图。超声换能器阵列5包括采用金属箔(在本情况下，为铝箔)形式的导电衬底10以及设置在衬底10的一个平面表面上的晶体的压电材料层15。衬底10充当支撑压电材料层15，并且可以起到对电极和超声波辐射表面的作用。在使用中，来自换能器阵列的超声波从该表面发射出。衬底10比压电材料层15厚得多(例如，厚10倍的量级)，并且在本示例中，衬底10为20μm到200μm厚，压电材料层15为2μm到20μm厚。在本示例中，压电材料为ZnO，但是可以理解地，也可以采用其他合适的压电材料，诸如AlN。
金属(在本情况下，为金)的细长的工作电极20的阵列设置在压电材料层15的与衬底10相对的一侧上的压电材料层15的表面上。如本示例所示，工作电极20为线性地分布，但是在其他实施例中也可以在两个维度上分布。各工作电极20连接至对应的导电线路25。线路25从各工作电极成扇形散开，并且随着它们远离工作电极20延伸，线路25彼此间也变得越来越远。相应的线路15的远离关联的工作电极20的一端电连接至关联的电连接器30。这样，阵列中的每个工作电极20均可通过电驱动/电寻址对应的连接器30独自地操作/寻址。因为导电线路25在工作电极20和连接器30之间成扇形散开，所以可以通过紧密间隔的工作电极20提供超声换能器阵列的高分辨率，但同时将连接器30例如以符合标准连接器配置的方式间隔开以方便连接。
在示例中，在阵列中设置有16到128个工作电极20，其中，每个电极为1mm长且0.1mm宽，并在电极20之间具有0.05mm的间隙。相对地，连接器30具有0.5mm间距。在工作电极20之间、线路25之间，以及连接器30之间设置有固化的、电绝缘的、交联的抗蚀材料，诸如SU-8树脂，这样可以有利于防止电串扰(electrical cross talk)。
电绝缘、电介质封装材料35设置在电极20和导电线路25上方和周围。然而，连接器30被暴露以允许电连接至制作出的控制器或处理装置。衬底10的辐射表面(即，衬底的相对于压电材料15的表面)也被暴露，并且没有封装材料。
为了生成超声，将交流驱动电流施加到适当的一个或多个连接器30，从而经由导电线路25施加到对应的一个或多个工作电极20。工作电极20与充当对极或接地电极的导电衬底形成耦合，以便在压电材料15的对应部分上施加交流电流。这又使得压电材料的对应部分与衬底的对应部分一起以高频振动，从而生成超声波，这些超声波从衬底的外表面的与被驱动的一个或多个工作电极20相对应的部分发射出。
图1和图2的超声换能器5可以采用增材制造来方便且有利地制造。在图3到图10示出了生产超声换能器5的合适的增材制造工艺的一个可能的示例。图3示出了增材制造工艺的流程图。图4A、图5A、图6A、图7A、图8A、图9A和图10A示出了将会成为超声换能器阵列5的物体在增材制造工艺的各个阶段中的侧面截面图。图4B、图5B、图6B、图7B、图8B、图9B和图10B示出了将会成为超声换能器阵列5的物体在增材制造工艺的各个阶段中的对应的平面截面图。
如图4A和图4B所示，该工艺以采用金属箔(诸如铝箔)形式的衬底10开始。衬底可以为20μm到200μm厚。如图3的步骤305中所指示的和图5A和图5B中所示出的，衬底10在一侧上涂覆有多晶压电材料薄层15，诸如氧化锌(ZnO)或者氮化铝(AlN)。压电材料层15为衬底10的1/10厚度的量级，例如为2μm到20μm厚。压电材料层15可以采用一系列合适的技术(诸如溅射涂覆和/或化学气相沉积等)来沉积。例如，压电材料15可以采用闭合场磁控溅射或高功率脉冲磁控溅射来沉积，这样可以优化膜的压电特性和/或生长形态。
如图3的步骤310中所指示的和图6A和图6B中所示出的，压电材料层15的与衬底10相对的表面随后被诸如SU-8的光刻胶40的层所覆盖。接着，如图3的步骤315中所指示的和图7A和图7B中所示出的，光刻胶40通过图形化的掩膜板45被暴露于辐射。掩膜板45中的开口用于让辐射50穿过，而掩膜板45的固体部分用于阻挡部分的辐射50。辐射50能改变光刻胶40的暴露于辐射50的部分的状态。例如，在负性光刻胶40中，辐射50与光刻胶40交联使其变得不溶，而光刻胶的没有被暴露于辐射的部分则仍然是可溶于合适的溶剂的。可选地，可以采用正性光刻胶。掩膜板45的图案和形状通过遮挡辐射50来影响电极20、导电线路25和触点30在光刻胶40中的成像。
如图3的步骤320中所指示的和图8A和图8B所示的，将合适的溶剂施加于光刻胶40，以便于去除光刻胶40的对应于(通过采用掩膜板45的辐射50在光刻胶40中成像的)电极20、导电线路25和触点30的部分。去除光刻胶40暴露出压电材料层15的对应部分。
如图3的步骤325中所指示的和图9A和图9B所示的，金属层55沉积为使其沉积到压电材料15的暴露部分上。这样，在压电材料15的暴露部分上的金属55形成工作电极20阵列、导电线路25以及触点30。
电绝缘的、固化的光刻胶40保留在电极阵列的各电极20之间、导电线路25之间和触点25之间，并用于帮助防止串扰。此外，如图3的步骤330中所指示的和图10A和10B所示的，电绝缘的封装材料35设置于电极20和导电线路25的外表面的上方和周围，以便于保护它们并使其绝缘。封装材料35可以是任意合适的电介质材料。然而，触点30可以被暴露出来使得它们可以形成与合适的控制器、信号发生器和/或处理装置的电连接。
尽管用于形成超声换能器阵列的增材制造方法的有利的示例在图3到图10中示出，并且关于图3到图10进行了描述，但是可以理解的是也可以采用其他合适的增材制造技术。例如，步骤310到步骤325的掩模、光图形化、选择性地去除光刻胶以及金属沉积可以替换为直接的3D打印或其他方式以适当的图案施加金属55，以如图11所示，采用3D打印机或其他增材制造装置1205来形成电极20、导电线路25和/或触点30。本领域的技术人员可以容易地想到其他合适的增材制造技术。
尽管以上关于附图描述了具体示例，但是应当理解，对以上示例的变更是可能的。由此可见，保护范围由权利要求限定，而不是由上述具体示例限定。
例如，尽管上面给出了作为ZnO或AlN的压电材料的示例，但是应当理解，可以替代地使用其他压电材料。另外，尽管上面给出了电极、导电线路和触点的各种厚度、大小、数量和几何布置，但是应当理解，可以使用电极、导电线路和触点的其他厚度、大小、数量以及几何布置。实际上，尽管电极都被示出为相同的尺寸和形状，但是应当理解，电极中的至少一些或全部可以具有不同的尺寸和/或形状。此外，在电极阵列中的电极不需要线性地布置。在图12到图15中示出了一些可替换的电极布置的示例。图12示出了与图1和图2中示出的超声换能器阵列5相似的超声换能器阵列5，但是图12的超声换能器阵列5具有在两个维度上而不是线性地分布的电极20。在图12的示例中，电极20分布为网格形布置，并且电极为正方形。但是也可以采用电极的其他二维分布和/或电极的其他形状或尺寸。图13示出了与图1和图2中示出的超声换能器阵列5相似的超声换能器阵列5，图13示出的超声换能器阵列5具有线性布置且为矩形的电极20。图14示出了具有环形电极20且在中心具有圆形电极20的实施例。在该示例中，电极20为同心地布置，但是并不是必须的。相似地，图14中的示出的“嵌套”/同心原则可以应用于电极的其他形状和布置。图15示出了在具有圆形电极的情况下的树状排布的电极布置。然而，覆盖范围包括电极20、连接器25和触点30的其他布置，包括但不限于本文示出和/或描述的任意实施例的特征的任意适当组合，和/或基于目前的教导是容易想到的。采用本文描述的方法使超声换能器阵列5的设计者更容易提供电极20的布置、数量、尺寸和形状，以产生最适合于需要的应用的超声辐射。

Claims (17)

1.一种用于制造柔性超声换能器或在制造所述柔性超声换能器阵列中使用的方法，所述柔性超声换能器用于成像和非破坏性测试，所述方法包括：在箔衬底上提供压电材料层；
采用增材技术将多个电极施加于所述压电材料的表面，并且将多个导电线路和多个电连接器施加于所述压电材料的所述表面或施加于设置在所述压电材料的所述表面上的电介质材料中间层，其中所述电极以电极阵列布置，并且相应的导电线路将相应的电极电连接至相应的电连接器；
其中，所述增材技术包括掩模、沉积、光图形化、印刷或图形化涂覆中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少所述电极、导电线路和电连接器均为采用所述一个或多个增材技术一体形成。
3.根据权利要求1所述的方法，包括：
将抗蚀材料施加于所述压电材料层的所述表面；
提供掩膜板，所述掩膜板限定开口图案，所述开口图案反映或象征所述电极的形状、所述导电线路的形状和/或所述连接器的形状；
通过所述掩膜板将辐射施加于所述抗蚀材料，使得所述抗蚀材料的仅选定区域接收所述辐射，并受所述掩膜板的所述开口图案所控制，使得所接收的辐射与所述抗蚀材料的接收所述辐射的所述选定区域进行选择性地交联或以其他方式改变所述选定区域或与所述选定区域进行反应；
根据所述抗蚀材料层的一部分是否接收到所述辐射来去除所述抗蚀材料层的所述一部分；以及
将导电材料至少施加于未被抗蚀材料覆盖的所述压电材料的一部分，以形成所述至少一个电极(例如所述电极阵列的电极)、所述至少一个导电线路和/或所述至少一个电连接器。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述至少一个电极(例如所述电极阵列的电极)为细长形。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述至少一个电极(例如所述电极阵列的电极)为0.1mm到10mm长且为0.01mm到0.1mm宽，并且彼此间隔开0.01mm到0.1mm。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述至少一个导电线路中的一个或多个导电线路中的至少一部分或所述至少一个导电线路中的每一个导电线路的至少一部分远离其他导电线路中的一个或多个导电线路延伸、展开或成扇形散开，或者远离所述其他导电线路中的每一个导电线路延伸、展开或成扇形散开。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电连接器之间的间隔大于所述电极阵列的电极之间的间隔。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述电极阵列包括8至256个电极。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，包括在所述导电线路中的至少一部分或全部导电线路和/或所述至少一个电极(例如所述电极阵列的电极)上、周围和/或之间提供封装材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述封装材料为电绝缘的电介质材料。
11.一种柔性超声换能器阵列，包括：
在金属箔衬底上的压电材料层；
在所述压电材料的表面上的多个电极；
在所述压电材料的所述表面上或者在位于所述压电材料层的所述表面上的电介质材料中间层上的多个导电线路和多个电连接器；其中：
相应的导电线路将相应的电极电连接至相应的电连接器；
所述相应的电极与所述相应的导电线路成为一体。
12.根据权利要求11所述的超声换能器阵列，其中，所述电极阵列的至少一个或每一个电极为0.1mm到10mm长且为0.01mm到1mm宽，并且彼此间隔开0.01mm到0.1mm。
13.根据权利要求12或其任何从属权利要求所述的超声换能器阵列，其中，所述导电线路中的至少一个或每一个导电线路的至少一部分远离其他导电线路中的至少一个或每一个导电线路延伸、展开或成扇形散开。
14.根据权利要求11至13中任意一项所述的超声换能器阵列，其中，所述电连接器之间的间隔大于所述电极阵列的电极之间的间隔。
15.根据权利要求11至14中任意一项所述的超声换能器阵列，其中，所述超声换能器阵列包括在所述导电线路的至少一部分或全部导电线路和/或所述电极阵列的电极上、周围和/或之间的电绝缘的电介质封装材料。
16.一组计算机可读指令或计算机代码，其配置为使得当由增材制造设备处理时，允许、控制或使得所述增材制造设备沉积，或向所述增材制造设备提供指令或数据以沉积，根据权利要求11至15中任意一项所述的超声换能器阵列的电极阵列的电极、导电体线路和电连接器，或如在权利要求1至10中任意一项所述的方法中所描述的超声换能器阵列的电极阵列的电极、导电体线路和电连接器。
17.一种超声非破坏性测试或成像装置，包括权利要求11至15中任意一项所述的超声换能器阵列，所述超声换能器阵列配置为产生或发射超声波和/或接收发射出的超声波的反射。
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