CN113042347A - 一种阵列超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种阵列超声换能器，包括依次设置的吸声背衬层、压电层、声学匹配层和声透镜；压电层包括在一个平面上的阵元信号引线区域和压电阵元区域；还包括柔性电路板，柔性电路板电性连接阵元信号引线区域，从而使柔性电路板分布在压电层外围，不在压电阵元和吸声背衬层之间，消除了柔性电路板对阵列超声换能器性能的影响。此外，阵元信号引线区域和压电阵元区域在同一块压电材料上，避免增加工艺的难度和复杂性。进一步，柔性电路板的引线与每个压电阵元的信号电极一一对应，便于实现阵元信号引线区域与柔性线路板之间的电性连接。

Description

一种阵列超声换能器

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种阵列超声换能器。

背景技术

超声成像广泛应用于医疗诊断和工业检测等领域，具有无损、无辐射、便捷以及成本低等优势。超声换能器是能将电激励信号转换成超声信号又能将反射回来的超声信号转换成电信号的器件，是超声成像设备的关键部件，超声换能器的性能直接决定了超声成像的质量。超声换能器主要分为单阵元超声换能器和阵列超声换能器。由于阵列超声换能器成像的方便性，目前医疗和工业领域的超声成像设备主要使用的是阵列超声换能器。

现有的超声换能器及制备方法都存在着不同的缺点影响超声换能器的性能：

超声换能器在工作时，压电片振动会同时向前和向后发出超声波。上述向前为向匹配层方向，向后为向背衬层方向。向前的超声波是超声成像所需要的，但是向后的超声波是不需要的。向后的超声波会反射之后对向前的超声波产生影响，从而影响超声成像的质量。柔性电路板可以简化阵列超声换能器的引线工艺，但是柔性电路板一般夹在压电阵元和背衬层之间，会降低换能器的性能。

而大部分超声换能器将柔性电路板设置在压电阵元和背衬层之间，虽然在制备上采用不同的方式减小柔性电路板在厚度方向上的尺寸以降低柔性电路板所造成的影响。但是，尺寸的减小是有限度的，采用现有技术将厚度减小后的柔性电路板依然对成像质量影响明显，从而降低换能器的性能。

为了消除柔性电路板的影响，部分阵列超声换能器采用将柔性电路板置于压电阵元两侧的设置方式，但是这种设置方式将柔性电路板与压电阵元连接的工艺复杂，成本高，例如：柔性电路板信号线路与压电阵元导电电极之间的连接需要通过涂覆二氧化硅填充的环氧树脂、激光烧蚀、镀金、涂覆抗蚀剂、湿法刻蚀、激光刻蚀以及最后化学溶解掉抗蚀剂等一系列工艺步骤实现。此外，高频超声换能器的阵元尺寸较小，柔性电路板与压电阵元的连接工艺难度大；低频超声换能器部分采用焊接或导电胶将单根同轴线与单个阵元连接的方式节约成本，但是超声换能器阵元数较多，一般为128阵元以上，每个阵元都要单独连接，工艺复杂费时，且良品率和可靠性不高。

综上所述，现有的超声换能器的制作方法大都是把柔性电路板直接插在压电阵元和背衬层之间，会降低换能器的性能。也有将柔性电路板置于压电阵元两侧，但是将柔性电路板线路与压电阵元实现电气连接的工艺非常复杂，成本较高。为了节约成本，也有超声换能器采用焊接或导电胶将单根同轴线与单个阵元连接，但是换能器阵元数较多，每个阵元都要单独连接，工艺复杂费时，而且良品率和可靠性不高。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种不增加工艺的复杂性和难度的阵列超声换能器。

具体地，所述阵列超声换能器，包括依次设置的吸声背衬层、压电层、声学匹配层和声透镜；所述压电层包括阵元信号引线区域和压电阵元区域；还包括柔性电路板，所述柔性电路板电性连接所述阵元信号引线区域。优选地，所述阵元信号引线区域与所述压电阵元区域设置在同一块压电材料上，可以一体成型，避免增加工艺的复杂性和难度。在一些实施例中，所述压电层包括一块压电材料，所述阵元信号引线区域和所述压电阵元区域分别设置在所述压电材料的不同区域上。

进一步，所述压电层包括压电片及设置在所述压电片一侧表面的地电极面和设置在所述压电片另一侧表面的信号电极面，所述压电层设置有刻槽，所述刻槽对应所述阵元信号引线区域与所述压电阵元区域之间的界限；所述柔性电路板连接所述信号电极面。所述压电片包括多个压电阵元，每个所述压电阵元分别具有位于地电极面的地电极和位于信号电极面的信号电极，所述柔性电路板的引线与每个所述压电阵元的信号电极一一对应。优选地，所述压电阵元间填充隔离物质，如环氧树脂等。所述阵元信号引线区域与所述压电阵元区域的压电阵元尺寸及压电阵元的间距接近程度为90％以上。

在一些实施例中，所述压电阵元区域可以为一维阵列，优选地，为一维线阵；所述阵元信号引线区域分布在所述压电阵元区域的一侧或两侧；所述柔性电路板的数量为1-2块。可选地，所述压电阵元区域也可以为二维面阵排列；所述阵元信号引线区域分布所述压电阵元区域的任意1-4侧；所述柔性电路板的数量为1-4块。所述柔性电路板的电路与所述阵元信号引线区域上的电极一一对应，便于实现所述阵元信号引线区域与所述柔性线路板之间的连接。

具体地，所述柔性电路板的数量为一块时，所述柔性电路板设置有镂空区域，所述镂空区域与所述压电阵元区域尺寸对应。在一些实施例中，所述柔性电路板的数量为两块及以上，所述柔性电路板拼接后不覆盖所述压电阵元区域。

可选地，所述柔性电路板设置在所述压电层与所述吸声背衬层之间，所述信号电极面朝向所述吸声背衬层；或者是，所述柔性电路板设置在所述压电层与声学匹配层之间，或者声学匹配层与所述声透镜之间，所述信号电极面朝向所述声学匹配层。

综上所述，本发明的阵列超声换能器将柔性电路板设置在压电层外围，而不是压电阵元与吸声背衬层中间，消除了柔性电路板对阵列超声换能器的影响。进一步，柔性电路板的引线与每个压电阵元的信号电极一一对应，便于实现所述阵元信号引线区域与所述柔性线路板之间的电性连接。优选地，阵元信号引线区域与压电阵元区域在同一块压电材料上，可以一体成型，避免增加工艺的难度和复杂性。本发明所提供的阵列超声换能器良品率高，可靠性强，制备工艺简单、可操作性强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明的阵列超声换能器的内部结构示意图；

图1b为本发明的阵列超声换能器内部的另一结构示意图；

图2a为本发明的阵列超声换能器的压电层的结构示意图；

图2b为本发明的阵列超声换能器的压电层另一角度的结构示意图；

图2c为本发明阵列超声换能器的压电层的地电极面结构示意图；

图2d为本发明阵列超声换能器的压电层的信号电极面结构示意图；

图3a为引线阵元区域分布在压电阵元区域一侧的结构示意图；

图3b为引线阵元区域分布在压电阵元区域两侧的结构示意图；

图3c为引线阵元区域分布在压电阵元区域两侧的另一结构示意图；

图4a为引线阵元区域分布在压电阵元区域四侧的结构示意图；

图4b为引线阵元区域分布在压电阵元区域四侧的另一结构示意图；

图4c为引线阵元区域分布在压电阵元区域四侧的又一结构示意图。

附图标记：

1-压电层；10-刻槽；100-压电片；11-压电阵元区域；12-阵元信号引线区域；13-信号电极区域；2-声学匹配层；3-吸声背衬层；4-柔性电路板；5-声透镜；6-封装材料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种不增加工艺的复杂性和难度的阵列超声换能器，将压电层分为压电阵元区域和阵元信号引线区域，将柔性电路板粘接到阵元信号引线区域实现与压电层的电气互连，使柔性电路板分布在压电层的外围，不用直接粘接到压电阵元上，从而避免了夹在压电层与背衬层之间影响换能器的性能。

具体地，参见图1a和图1b，为本发明所提供的阵列超声换能器的内部结构示意图。阵列超声换能器由压电层1、声学匹配层2、吸声背衬层3、柔性电路板4、声透镜5和外壳组成，其中，吸声背衬层3、压电层1、声学匹配层2、声透镜5依次层叠排列，外壳将阵列超声换能器的内部结构进行封装。其中，压电层1发出超声波；声学匹配层2用于使压电层1与外部物体之间的声阻抗匹配；吸声背衬层3吸收向吸声背衬层3方向发出的超声波；柔性电路板4用于实现压电层1与外部电路的电气互连，相对于传统的引线工艺，采用柔性电路板4实现电气互连能够简化阵列超声换能器的引线工艺。此外，在本发明中柔性电路板4分布在压电层1的外围，避免反射需要被吸收的向吸声背衬层3发出的超声波影响成像质量；声透镜5聚焦声场，将压电层1发射出的声波进行聚焦；声学匹配层2和吸声背衬层3可以采用直接粘接、铸造、离心或气相沉积等方法制备。可选地，柔性电路板4可以设置在压电层1朝向吸声背衬层3的面上，也可以设置在压电层1朝向声学匹配层2的面上，或者设置在声学匹配层2朝向声透镜5的面上。

参见图2a和图2b，为压电层1的具体结构示意图。压电层1包括压电片100及设置在压电片100两侧表面的电极面，压电片100包括多个压电阵元，压电阵元间的空隙填充隔离物质，如环氧树脂等，压电片100的上下两面覆盖电极，一面为信号电极，另一面为地电极。信号电极面上的电极覆盖压电阵元的间隙之外的区域，间隙处没有电极。地电极面上的电极可以只覆盖压电阵元间隙之外的区域，也可以覆盖除刻槽之外的整个面。地电极面包括设置在同一块压电材料上的压电阵元区域11和阵元信号引线区域12两部分，且两个区域中压电材料尺寸和压电材料的间距尺寸接近程度为90％以上，压电阵元区域11和阵元信号引线区域12在同一块压电材料上，可以一体成型，避免增加工艺的复杂性和难度。在一些实施例中，压电层1同一块压电材料的不同区域上，压电材料上的压电阵元尺寸和压电阵元的间距相等。

在本实施例中，地电极面设置有刻槽10，压电阵元区域11和阵元信号引线区域12通过刻槽10分开，阵元信号引线区域12分布在压电层1的边缘，压电阵元区域11的外围。刻槽10可以由能够微加工陶瓷的任何手段来创建，例如机械切割，激光切割以及离子刻蚀等。压电层1采用的可以是传统压电材料，也可以是1-3复合压电材料或者2-2复合压电材料。地电极面的压电阵元区域11和阵元信号引线区域12覆盖有导电电极，刻槽10处没有导电电极。信号电极面的信号电极区域13表面覆盖有导电电极，压电阵元与压电阵元之间的间隙表面没有导电电极。

进一步，压电层1的朝向与柔性电路板4所在的位置相关联，具体为柔性电路板4位于压电层1的信号电极面所朝向的方向上。在一些实施例中，柔性电路板4设置于压电层1朝向吸声背衬层3的面上与压电层1连接，压电层1的地电极面粘接声学匹配层2。可选地，声学匹配层2为一层或多层结构。也可以在声学匹配层2上设置刻槽，具体地，在上述压电层1有刻槽10的位置，声学匹配层2上设置有刻槽，通过电场的相互作用在压电层1上形成分开的压电阵元区域11和阵元信号引线区域12，刻槽的位置对应压电阵元区域11与阵元信号引线区域12之间的界限。压电层1的信号电极面朝向吸声背衬层3，压电阵元区域11直接覆盖有吸声背衬层3，阵元信号引线区域12分布在压电层1的外围，与柔性电路板4的一端电性连接，柔性电路板4的部分区域覆盖在阵元信号引线区域12上，其中柔性电路板4的引线与每个压电阵元的信号电极一一对应，柔性电路板4的另一端向外引出，便于实现阵元信号引线区域12与柔性线路板4之间的电性连接。柔性电路板4电性连接压电层1的外围，不在压电层1和吸声背衬层3之间，消除了柔性电路板4对阵列超声换能器性能的影响。多侧引出时柔性电路板4数量可以是多个也可以是一个，柔性电路板4整体呈矩形或者是L型。可选地，柔性电路板4上面可以覆盖封装材料6也可以没有，具体为：当吸声背衬层3能够覆盖整个压电层时没有封装材料6；当吸声背衬层3仅覆盖压电阵元区域11时，设置有封装材料6。

可选地，柔性电路板4也可以设置于声学匹配层2朝向声透镜5的面上，当声学匹配层2为导体时与声学匹配层2连接，压电层1的信号电极面粘接声学匹配层2。具体地，声学匹配层2为单层结构，在压电层1上设置刻槽10分开压电阵元区域11和阵元信号引线区域12。为使超声换能器的内部结构便于封装，柔性电路板4可以弯折以使结构规整。在一些实施例中，每块柔性电路板4都包括两部分，一部分覆盖阵元信号引线区域12，另一部分贴合整个阵列超声换能器内部结构的外轮廓，在柔性电路板4的电路延伸的方向上，柔性电路板4的截面为L型。

压电阵元可以是一维阵列，也是可以是二维面阵排列。一维阵列可以是线阵、相控阵、凸阵等，优选为一维线阵，阵元信号引线区域12可以分布在压电阵元区域11的任一侧或者两侧，分布两侧时柔性电路板4可以是两个也可以是一个。参见说明书附图3a，为阵元信号引线区域12分布在压电阵元区域11的一侧时的结构示意图，柔性电路板4整体呈矩形，一端覆盖在阵元信号引线区域12上进行连接，另一端向外引出。参见图3b和图3c，分别为阵元信号引线区域12分布在压电阵元区域11的两侧时，柔性电路板4的数量为两个和一个的结构示意图。可选地，可以为两块矩形柔性电路板4一端分别覆盖在两侧的阵元信号引线区域12上进行连接，相对的另一端向外引出；也可以在一块柔性电路板4上裁切出与压电阵元区域11尺寸对应的镂空区域，将柔性电路板4覆盖在阵元信号引线区域12实现与压电层1的电气连接。

阵元信号引线区域12可以分布在二维面阵排列的压电阵元区域11的任意一侧，或任意两侧，或任意三侧，或者全部四侧。参见图4a、4b和4c，以全部四侧都有阵元信号引线区域12为例，柔性电路板4的数量可选，可以是一块，或两块，或四块。柔性电路板4的数量为一块时，柔性电路板4上的电路呈“十”字状分布，沿电路相交处裁切出矩形的镂空区域，通孔四周的电路数量与阵元信号引线区域12上的电极数量相等，将柔性电路板4覆盖在阵元信号引线区域12上，柔性电路板4的电路与阵元信号引线区域12上的电极一一对应。当柔性电路板4的数量为两块时，柔性电路板4拼接后不覆盖压电阵元区域11，仅覆盖在压电层1外围相邻两侧的阵元信号引线区域12上，其电路水平向外延伸，柔性电路板4在平面上整体呈L型。也可以采用四块柔性电路板4分别覆盖在压电层1外围的阵元信号引线区域12上以实现与压电层1的电气连接。

综上所述，本发明提供了一种工艺简单、可靠、可操作性强的阵列超声换能器。其压电层包括压电阵元区域和阵元信号引线区域，阵元信号引线区域分布在压电层外围，与柔性电路板的一端电性连接，从而使柔性电路板分布在压电层外围，不在压电层和吸声背衬层之间，消除了柔性电路板对阵列超声换能器的影响。此外，阵元信号引线区域和压电阵元区域在同一块压电材料上，可以一体成型，避免了增加工艺的复杂性和难度。进一步，柔性电路板的引线与每个压电阵元的信号电极一一对应，便于实现阵元信号引线区域与柔性线路板之间的电性连接。本发明所提供的阵列超声换能器良品率高，可靠性强，制备工艺简单，可操作性强，且能够适用于所有频率范围的阵列超声换能器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，除了以上实施例以外，还可以具有不同的变形例，以上实施例的技术特征可以相互组合，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种阵列超声换能器，其特征在于，包括依次设置的吸声背衬层、压电层、声学匹配层和声透镜；

所述压电层包括阵元信号引线区域和压电阵元区域；

还包括柔性电路板，所述柔性电路板电性连接所述阵元信号引线区域。

2.根据权利要求1所述的阵列超声换能器，其特征在于，

所述压电层包括压电片及设置在所述压电片一侧表面的地电极面和设置在所述压电片另一侧表面的信号电极面，所述地电极面设置有刻槽，所述刻槽对应所述阵元信号引线区域与所述压电阵元区域之间的界限，所述柔性电路板电性连接所述信号电极面。

3.根据权利要求2所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述压电片包括多个压电阵元，每个所述压电阵元分别具有位于地电极面的地电极和位于信号电极面的信号电极，所述柔性电路板的引线与每个所述压电阵元的信号电极一一对应。

4.根据权利要求2所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述柔性电路板设置在所述压电层与所述吸声背衬层之间，所述信号电极面朝向所述吸声背衬层。

5.根据权利要求2所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述柔性电路板设置在所述压电层与所述声学匹配层之间，所述信号电极面朝向所述声学匹配层。

6.根据权利要求2所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述柔性电路板设置在所述声学匹配层与所述声透镜之间，所述信号电极面朝向所述声学匹配层。

7.根据权利要求2所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述压电阵元间设置间隙，间隙中填有隔离物质。

8.根据权利要求1所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述压电阵元区域为一维阵列；

所述阵元信号引线区域分布在所述压电阵元区域的一侧或两侧。

9.根据权利要求1所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述压电阵元区域为二维面阵排列；

所述阵元信号引线区域分布所述压电阵元区域的任意1-4侧。

10.根据权利要求1-9任一项所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述压电层包括一块压电材料，所述阵元信号引线区域和所述压电阵元区域分别设置在所述压电材料上的不同区域。

11.根据权利要求1-9任一项所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述阵元信号引线区域与所述压电阵元区域的压电阵元尺寸及压电阵元的间距接近程度为90％以上。

12.根据权利要求1-9任一项所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述柔性电路板的数量为一块，所述柔性电路板设置有镂空区域，所述镂空区域与所述压电阵元区域尺寸对应。

13.根据权利要求1-9任一项所述的阵列超声换能器，其特征在于，所述柔性电路板的数量为两块以上，所述柔性电路板拼接后不覆盖所述压电阵元区域。

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