CN1481284A - 一种利用金属化和烧蚀聚合体膜作为接地面来制造多元件探声管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造包括整体式压电传感器的探声管的方法。该方法包括：首先由柔性介电薄膜形成一接地面，上述柔性介电薄膜被导电膜所覆盖。该柔性介电薄膜被局部烧蚀从而使导电膜露出。被烧蚀的薄膜作为整体式压电传感器的覆盖层和接地面。本发明可应用于小型心内回波扫描探头中。
Description
本发明涉及一种特别用于医疗显象的探声管(acoustic probe)，更为精确地说涉及由多元件(或者通道)构成并且相互独立激励(excited)的探声管。
在许多文献特别是专利申请WO97/17145中描述了制造这些探声管的方法。该方法包括：首先形成一个印刷电路组件，该印刷电路组件包括一个连接网络、压电材料层、声学匹配叶片。更为精确地说，该印刷电路包括用来接触各种声学元件的导电轨道。所有的元件共用接地电极且该接地电极是通过插入到声学匹配叶片和压电材料层之间而实现，上述压电材料层是一个薄金属或者金属化的聚合体膜。
然后该薄膜在如图1所示的侧面上被折叠，图中示出了传感器元件Tij(由压电材料构成)以及声学匹配元件Aij1和Aij2，上述声学匹配元件的阻抗是变化的以保证有效地声学匹配。因此可对接地面P和与连接网络1相连接的金属化层Meij之间的每一个基本传感器进行控制。为了满足尺寸的限制，柔性接地面在探声管的侧面上被折叠，由于所述接地面的弯曲半径而使其尺寸大致约为500μm，这样就增加探声管的占用面积。
另外需要注意，该接地面位于压电元件和声学匹配元件之间，这样可导致对声波传播的干扰从而引起探声管的声学性能的降低。
探声管尺寸的增加和/或声学性能的降低成为在心内或心脏病应用领域使用的限制因素，因在上述领域中需使用占用面积小和声学性能高的探声管。
在这种情况下，本发明提供了一种原来利用制造接地面的方法来制造探声管的方法。
具体而言，本发明涉及一种利用整体式压电传感器制造探声管的方法，其包括如下步骤：
在介电薄膜的表面上形成一个连接网络，该连接网络包括主连接垫和接地垫；
在连接网络的表面上叠置上一压电材料层；
在柔性膜的表面上形成一导电膜；
在柔性膜的一特定区域进行烧蚀，以在该区域中将导电膜暴露出来，其中在该区域处柔性膜已经被去除；
在压电材料表面上以及在介电薄膜的表面上的柔性膜对露出的导电膜进行组合；
沿着第一轴对由导电膜和压电材料构成的组件进行剪切操作，以形成一个整体压电传感器。
该柔性膜优选地是一个聚酰亚胺薄膜，导电膜是一金属薄膜。
该金属薄膜优选地采用两个步骤制造而成。首先在柔性膜上形成第一金属化层，然后实施第二次金属化以增加金属薄膜的厚度。
根据本发明的不同实施形式，柔性膜的厚度大约为10～25μm，介电薄膜的厚度约为25～50μm。
根据本发明的不同实施方式，第一次金属化步骤可通过喷镀或者无电镀工艺(无电镀工艺和使用化学方法的金属化包括将该薄膜浸入到具有待被沉积的金属粒子的饱和浴液中。饱和浴液可使金属沉积在该薄膜的表面之上)来实现。第二步骤可通过电解沉积来实现。在第一次金属化步骤中可大致形成厚度为一微米数量级的金属层，而在第二步骤中其厚度大致可达到约十几微米数量级。
根据本发明的不同实施形式，利用CO2型激光对柔性膜进行局部烧蚀，从而局部地去除柔性膜而仅保留金属层。
金属层优选是由铜或者镍制成。
本发明的方法还包括一利用贵金属如金而实施的第三次金属化步骤，以防止前述步骤中所形成的金属层氧化。
根据本发明的不同实施方式，介电薄膜表面上的柔性膜的组合也可通过使用可在环境温度或者加热聚合的液态粘结剂来实现。
根据本发明的另一实施方式，该方法包括将中间粘性导电层放置于压电材料和介电薄膜之间。
利用本发明的方法，柔性膜的局部烧蚀可以在与压电材料层接触的特定区域仅留下导电膜。
因为导电膜的厚度很薄，所以不会对探声管的声学性能产生大的变化。另外，该金属膜通过柔性膜支撑在外侧，所以很容易进行处理。
下面参考附图并阅读给定的作为非限制实例的说明可使本发明更为清楚并能展示出其他优点。
图1为现有技术中的探声管的结构图，该探声管包括一个位于压电传感器和匹配叶片之间的接地板；
图2a～2f示出了本发明方法的主要步骤；
图3示出了根据图2a～2f所展示的方法制造出的探声管的剖面图；
图4示出了本发明的一个步骤，该步骤包括将中间导电层置于压电材料和介电薄膜之间；
图5示出了利用中间导电层制造而成的探声管的剖面图；
图6示出了包括在本发明方法中的剪切步骤，这样可获得整体式传感器；
图7示出了本发明的第二探声管制造方法的压电材料剪切步骤；
图8示出了根据图7所示的第二实例制造出的探声管的剖面图；
图9示出了根据图7制造出的探声管的剖面图，其还包括一个中间导电层。
下面我们对根据本发明的方法而制造成的单向探声管的一个例子进行说明，上述单向探声管包括线形压电传感器。
探声管通常包括一组整体式压电传感器(piezoelectrictransducer)，每一个压电传感器包括一个接地电极和一个在超声波传感器领域中被称为“热点”的控制电极。
一个柔性介电薄膜优选地用来连接上述电极，这样将热点和接地电极连接在一起。图2a示出了此种类型的印刷电路。
更具体地说，介电薄膜Fd包括主连接垫Pcp、次连接垫Pcs和接地垫PM，上述主连接垫与压电传感器相对，上述次连接垫偏离于传感器，上述接地垫与接地电极相连接。
更具体地说，主连接垫与次连接垫通过位于柔性介电薄膜侧面上相对形成的导体和导电垫而连接在一起，在上述柔性介电薄膜上连接有压电传感器。利用这种结构可以实现在相同的侧边上将所有的传感器电极连在一起。
下面我们来说明制造本发明探声管所需的步骤。
根据本发明的方法，一个用来制造压电传感器的压电材料层被沉积(图2b)在上述用于电气和机械连接的主连接垫Pcp(图2a)上。
注意：层CT没有覆盖接地垫PM和次连接垫Pcs，从图2b所示的侧边必须能通向上述接地垫和次连接垫。压电材料层的两侧边实现金属化。
同时，一导电膜形成在柔性膜的表面上。
柔性膜可以是聚酰亚胺薄膜，其厚度约为10～25μm并且在图2c所示的一个侧边上进行金属化。第一金属化层m1通过喷镀或者无电镀工艺形成在柔性膜Fs上。通常，该金属化层m1的厚度小于约1μm。
然后利用相同金属的电解沉积在金属化层m1的表面上形成第二金属化层m2，该金属层的厚度达约5～10μm。
较佳地，一非常薄且厚度约为0.3μm的贵金属层被薄镀(金属化层m3)在第二金属化层m2的表面上，上述贵金属层不会被氧化。
这样，金属化层m1/m2/m3形成了厚度约为5～10μm的导电膜Fc。
在图2d所示的第二步骤中，柔性膜Fs被如CO2激光局部雕刻从而露出导电膜Fc的区域S。另一金层优选地薄镀在区域S上以形成金属化层m′3。
在环境温度或者更高温度下采用按压方式实施覆盖操作。
一种可聚合液态粘结剂用来粘结上述组件(压电层/膜Fc界面和膜Fs/膜Fd界面)。
图3示出了沿着图2f中剖面线AA′的剖面图。
当其顶面和接地面均金属化后的压电材料层CT位于主连接垫Pcp上时，由导电膜Fc覆盖的、用来覆盖整个陶瓷层的柔性膜Fs位于介电薄膜Fd之上。为此目的，下沉在介电薄膜上(图2e)的，被烧蚀膜Fs的区域要大于压电材料相应的区域以便获得有效地覆盖。
而且，图3示出了陶瓷层的下部金属化层Mei和主连接垫之间的电气连接以及陶瓷层的上部金属化层Mes和接地垫PM通过导电膜Fc的电气连接，上述导电膜由柔性膜Fs支撑。各种层之间的电气连接通过表面上的凹凸不平来实现。在图3中没有示出很薄(厚度小于1微米)的粘结剂层，该粘结剂由于各种层上的凹凸不平而流到空腔中，将表面组合在一起，然而并不影响电气连接的性能。
我们刚刚介绍了一种不同的形式，其中压电材料层与介电薄膜相接触，表面组合通过一很薄的液态粘结剂来实现。
本发明的另一实现形式还可使用一中间粘结导电连接层C1。该中间导电层C1优选地是一各向异性的导电材料，即其在一特定的方向上具有导电性，当其被热压时仅在如与介电薄膜Fd的平面垂直的方向上具有电气连接，上述方向即为如图4所示与平面(X，Y)垂直的Z轴方向。该类型的树脂虽然在整个沉积基层上的压电材料层上具有连续、均匀的粘性，但是其仅在Z轴方向(不是X或者Y轴方向)上将压电元件与位于介电薄膜Fd上的电气连接相连在一起。该材料通常包括具有导电颗粒的粘合剂。
然后，压电材料层CT被叠置在中间导电层C1上。
注意：中间导电层C1和压电材料层CT没有覆盖接地垫PM和次连接垫PCs，从图2b和4所示的侧边须能通向上述接地垫和次连接垫。
图5示出了本发明包括层C1的探声管的剖面图。
第一层Ca1的声阻抗通常较高，声学匹配层Ca2的声阻抗较低。
第一层Ca1通常可包括具有金属颗粒的热固性或者热塑性树脂和具有镍的环氧树脂的混合物。该材料的体积电阻率通常小于10-3Ω.m，且其声阻抗约为9M雷利，声学匹配层Ca2的阻抗优选地约为3M雷利。
膜Fs的厚度优选地约为10～30微米以便进行正确地覆盖(即形成压电材料层的形状，其通常是PZT类型的陶瓷叶片且厚度约为150～600μm)以及保持接地板的柔韧性。因此可通过如下方式减小探声管的尺寸：折叠接地板并将其粘结在吸收器的侧边上。
在真空和压力之下可实现组合操作。通常可覆盖膜Fs上施加压力或者在该薄膜之下产生真空。两种效果可通过如下方式而被叠加在一起：在薄膜Fs上产生一个真空并将组件封装在一个由压力作用在其上的外壳中。
当执行了上述组合操作时，执行剪切操作Tj来剪切组件以便如图6所示分开基本压电传感器TP1。如图6所示可利用金刚石锯在方向Dy上实施剪切操作。由此形成了一个线形传感器，其宽度大致为50～500微米。为了对线形传感器进行电绝缘，剪切线停止在介电薄膜Fd的厚度处。
在前形成的组件也可由激光来实施剪切。
最后，两种类型的剪切可被组合在一起。因此，声学匹配叶片可由激光来实施剪切，而介电材料(在此情况下是陶瓷)可使用机械锯来实施剪切。机械锯剪切方法可以释放在粘结不同热膨胀系数的材料时产生的热应力。通过首先剪切声学匹配叶片，陶瓷中的热应力可被释放出来，这样在第二剪切时陶瓷不会破裂。
一旦线形传感器在介电薄膜的表面上形成，则需要实施常规的构造操作以便形成曲面探声管，上述曲面探声管在超声波扫描术中非常有用。
通过使用柔性介电薄膜并在前对线形传感器进行剪切，我们可得到具有足够曲率的所述曲面介电薄膜从而将其组合在曲面吸收器(吸收声波的材料)的表面之上。通常采用将柔性膜粘结在所述吸收器的表面上来实现该组合。
我们已经以单向探声管为例对本发明进行了说明，但是本发明还可应用于在柔性介电薄膜表面上具有连接网络的探声管中，这样可以得到具有传感器阵列的探声管，上述传感器阵列由线形声学匹配元件所覆盖。
此时，当在制造单向探声管以将压电材料层通过柔性膜Fs沉积在柔性介电薄膜Fd(图2b)上时，可以使用相同的方法。
然后沿着轴线Dx实施剪切操作从而剪切如图7所示的压电材料，图7示出了层CT中的剪切部分Ti。图8示出了在对薄膜Fs/Fc、层CT、层Ca1以及Ca2实施连续沉积之后沿着线BB′的剖面图。最后采用与具有线形传感器的单向探声管的方法，沿着Y轴线实施剪切Ti的操作，这样将组件Ca1/Ca2/Fc/CT向下剪切到柔性介电薄膜Fd。
图9示出了使用中间导电层C1时沿着线BB′的剖面图。然后在Ca1/Ca2/Fc/CT/C1上沿着Y轴线实施剪切Tj。
Claims (15)
1、一种制造具有整体式压电传感器的探声管的方法，其中该方法包括如下步骤：
在介电薄膜(Fd)的表面上形成一个连接网络，该连接网络包括主连接垫(Pcp)和接地垫(PM)；
在连接网络的表面上叠置上一压电材料层(CT)；
在柔性膜(Fs)的表面上形成一导电膜(Fc)；
在柔性膜(Fs)的一特定区域(S)进行烧蚀，使在该区域中将导电膜(Fc)暴露出来，其中在该区域处柔性膜(Fs)已经被去除；
在压电材料表面上和在介电薄膜(Fd)的表面上的柔性膜对露出的导电膜进行组合；
沿着第一轴(Dx)对由导电膜和压电材料(CT)构成的组件进行剪切操作(Ti)，以形成一个整体压电传感器(Tp1)。
2、如权利要求1所述的制造探声管的方法，其中导电膜(Fc)是一金属膜。
3、如权利要求2所述的制造探声管的方法，其中包括将具有第一厚度的第一金属层(m1)沉积在柔性膜(Fs)的表面之上，然后沉积具有第二厚度的第二金属层(m2)，上述第二厚度要大于第一厚度至少一个数量级。
4、如权利要求3所述的制造探声管的方法，其中第一金属层可通过将金属喷镀在柔性膜(Fs)上而形成。
5、如权利要求3或者4所述的制造探声管的方法，其中第二金属层通过在第一金属层上电解沉积而形成，形成该二金属层的金属可与第一金属层的相同或不同。
6、如权利要求2～5任一个所述的制造探声管的方法，其中包括在形成金属膜时沉积一层非常薄的贵金属如金，以防止所述金属膜被氧化。
7、如权利要求2～6任一个所述的制造探声管的方法，其中金属膜是铜或者镍。
8、如权利要求2～7任一个所述的制造探声管的方法，其中导电膜的厚度约为5～10μm。
9、如权利要求1～8任一个所述的制造探声管的方法，其中在特定区域上柔性膜的烧蚀是利用CO2激光进行，而将柔性膜暴露出来。
10、如权利要求1～9任一个所述的制造探声管的方法，其中利用液态粘结剂对压电材料表面上的导电膜以及对介电薄膜表面柔性膜进行组合，各种金属表面之间的电连接利用各表面的凹凸不平而形成。
11、如权利要求1～9任一个所述的制造探声管的方法，其中包括将导电粘结层(C1)沉积在介电薄膜的表面之上，以在压电材料(CT)和主连接垫(Pcp)之间形成电连接。
12、如权利要求11所述的制造探声管的方法，其中导电粘结层包括一种各向异性的导电材料。
13、如权利要求1～12任一个所述的制造探声管的方法，其中还包括将至少一声学匹配层(Ca1)沉积在导电膜(Fc)之上，上述导电膜位于压电材料之上。
14、如权利要求13所述的制造探声管的方法，其中包括将具有较高阻抗(Ca1)的第一声学匹配层沉积在导电膜上以及将具有较低阻抗(Ca2)的第二声学匹配层沉积在第一声学匹配层上。
15、如权利要求1～14所述的制造探声管的方法，其中还包括沿着第二剪切线(Dy)的先前剪切操作，以沿与第一剪切线相垂直的方向剪切压电材料层。
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