CN1802693A - 用于设计具有声激励集成电子器件的超声换能器的方法 - Google Patents

Abstract

超声换能器包括被布置在衬底块(12)和压电层(16)之间的多层变换器(14)，在每一个压电层上布置至少一个匹配层(18、20)。变换器(14)包括具有电子电路的基底(30)、一个或多个声激励层(32、34、36、38)和在压电层(16)和基底(30)之间插入的互连层(40)。选择基底(30)、各个声激励层(32、34、36、38)和互连层(40)的特性，然后确定在邻近变换器(14)的压电层(16)一侧处的变换器(14)的声阻抗。然后例如使用计算机模拟来改变特性，直到获得在邻近变换器(14)的压电层(16)一侧处提供想要的声学性能特性的这些特性的值。因此，在确定变换器(14)的声阻抗时考虑了电子电路。

Description

用于设计具有声激励集成电子器件的超声换能器的方法

本发明涉及一种用于设计在超声换能器中使用的声阻抗变换器的方法，以及还涉及一种具有声激励(acoustically active)集成电子电路的超声换能器。

用于诊断医学成像的典型的超声换能器通常包括诸如锆钛酸铅(PZT)之类的压电材料层、粘结至PZT层的一侧的一个或多个声阻抗匹配层以及粘结至另一侧的一块衬底(backing)材料。衬底块是具有任意厚度的材料的基底(substrate)。代替作为衬底块而提供的材料，使用空气衬底是可能的。

该匹配层用来增加超声能量与待成像身体或物体之间的耦合。

该换能器可被分成多个独立的小换能器(称为换能器元件)的阵列，以便于电子装置的超声束的扫描。图1显示这种换能器的一个换能器元件100的一部分。

衬底块102和匹配层104通常具有比压电层106低的声阻抗，以使压电层106以半波谐振模式振动，从而设定换能器工作的中心频率大约为

$f_{\mathrm{hw}}=\frac{2v}{d}$

其中f_hw是半波谐振频率，v是压电材料中的声速，以及d是压电材料的厚度。

可选择地，可以设计换能器具有比压电材料高的声阻抗的衬底材料。在这种情况中，换能器将以由下式给出的大约等于四分之一波长谐振频率的中心频率f_qw工作：

$f_{\mathrm{qw}}=\frac{4v}{d}$

显然，对于给定的压电材料和厚度，这些频率相差两倍。

二维(2-D)超声相控阵列换能器在衬底块的设计中被给予特别关注。一般地，2-D阵列需要将数千个单独的声换能器元件连接至超声系统电子设备。

在现有技术的换能器中，已经认识到在换能器的柄(handle)中结合电路以提供发射、接收、前置放大和形成局部束的功能是有利的。通过在换能器的声学衬底块中嵌入的导体或导电通路(如美国专利第5,592,730号中所示)或者通过在声学元件和包括导体的衬底块之间的薄的多层互连结构(如美国专利第5,977,691号中所示)实现声学元件和电路之间的连接。在这两种情况中，电子电路被布置在换能器的声激励区域的外面。

考虑到需要制造具有嵌入导体的衬底块并且因为数千个导体中的每一个必须与该电子电路连接，所以这些现有技术的换能器是难于制造的。再者，在换能器的激励区中互连结构的存在能够导致不想要的声学散射区域，从而在图像中产生伪影(artifact)。此外，互连结构中信号踪迹之间的电容在电子电路和换能器元件上引入不希望的负载，并且在各个元件之间提供多个串扰路径，这二者都降低了换能器的性能。在衬底块中嵌入导体的方法还造成衬底块体积大而重，从而使换能器难于使用。这种换能器的大的体积还阻碍该方法用于腔内(endocavity)换能器和在小空间中使用的其它换能器。

参考图2，具有嵌入导体的换能器的一个可替换例子是换能器108，在其中所需的电子电路被放置在邻近或紧密接近换能器的声学结构的一个或多个半导体芯片110上，因而具有电子电路的芯片一般采用集成电路的形式。因此，芯片110和声学元件104、106之间的互连结构112在电学上几乎变得无关紧要。在美国专利号5,435,313和5,744,898以及Sudol等人于2002年12月11日提交的标题为“Miniaturized Ultrasonic Transducer(小型超声换能器)”的美国临时专利申请序列号60/432,536(代理人记录号US020535)中描述了这种布置的例子，所述专利的公开在此被结合以作为参考。

在这些公开中，电子电路的声学影响被忽略或者试图抑制电子电路的声学影响，例如通过使用在压电元件106和芯片10上的电子电路之间的“失配层”。然而，这些方法对于现有技术的超声成像系统并未产生满意的性能。为了使用这些成像系统，需要一种工作在大的带宽上的换能器，并且它产生的发射脉冲必须尽可能地短。例如，对于细微细节的成像，理想的是具有小于约1.6个周期的发射脉冲长度，该周期为在大约-10dB处测得的发射频率的周期。

在称为谐波成像的另一个模式中，换能器以一个频率发射超声，并且以第二谐波或该频率的两倍接收回波。这需要具有在大约-3dB处测得的中心频率的至少67％左右的单向带宽的换能器。一般地，最小可实现的脉冲长度与带宽成反比例。对于增加的性能，希望的是具有接近并且甚至超过中心频率的100％的带宽的换能器。实现这种级别的性能需要对整个声学结构的精心设计。

用于超声换能器的匹配层结构的设计在本领域中是众所周知的，并且在这里不详细讨论。对于高性能换能器，必须对衬底块和任何衬底层给予同样的关注。更经常地，成分均匀的材料被用于衬底块以提供均匀的声阻抗和高的声损耗，以便消除来自衬底块的边界或任何因机械或热的考虑而可能是必需的内部结构的反射的影响。

存在的电子芯片以及在衬底块和压电层之间的可能的电互连层变换提供给压电层的后侧的声阻抗，并且这个变换取决于频率。对于单一的衬底层，有两组特别感兴趣的频率。在衬底层的厚度是整数个半波长的频率处，在衬底层前侧看到的声阻抗等于加载衬底层的后侧的声阻抗；变换比是一(1)。在衬底层的厚度是奇数个四分之一波长的频率处，在所述层前侧看到的声阻抗是：

$Z_{\mathrm{qw}}=\frac{Z_c^2}{Z_L}$

其中Z_qw是在衬底层前侧看到的变换阻抗，Z_c是衬底层的材料的特性声阻抗(衬底层阻抗)，以及Z_L是在衬底层的后侧处的声负载阻抗。

如果衬底层阻抗比Z_L高，则变换的阻抗比衬底层阻抗本身高得多。相反地，如果衬底层阻抗比Z_L低，则变换的阻抗比衬底层阻抗低得多。在四分之一和半波频率之间，变换的阻抗采用复数的值，该复数具有在衬底层阻抗和四分之一波长变换阻抗之间的中间的幅度。

各个衬底层进一步变换由其后的衬底层产生的阻抗(当存在多个衬底层时)。由于其它衬底层产生随频率变化的阻抗，所以特性可能相当复杂，但可由公知变换来模拟：

$Z_{\mathrm{in}}=Z_c\frac{z_L+j{Z}_c\tan \left(\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\right)}{Z_c+j{Z}_L\tan \left(\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\right)}$

其中Z_in是变换的阻抗，8是层材料中声的波长，d是衬底层的厚度，以及j是-1的平方根。一般地，低于衬底层阻抗的阻抗被变换成高阻抗，而高于衬底层阻抗的阻抗被变换成低阻抗。

如由单一层变换的衬底块阻抗可随频率变化很大，并且添加更多的层可引起更多的变化，从而在最终变换的阻抗中导致大的谐振峰以及零。正如刚才所述，例如硅集成电路的电子电路以及相关的互连层将变换在其后的衬底块的阻抗，以使变换的阻抗在一些频率处可以非常高，而在其它频率处可以非常低。

如上所述，具有高衬底块阻抗的换能器将在四分之一波长模式并以近似两倍于具有相同压电层但具有低阻抗衬底层的换能器的频率工作。具有作为频率的函数的衬底块阻抗的换能器可以以变换的衬底块阻抗为高的频率工作在四分之一波长模式，以及以变换的衬底块阻抗为低的频率工作在半波模式。为一个模式设计的换能器在另一模式中将工作不佳，因此在想要的工作频带内具有以不同频率的不同模式将导致可能具有谐振峰或零的严重变形的狭窄频谱。

即使模式的混合没有发生，频率相关的衬底块阻抗也可能将不想要的失真引入到发射的频谱中。这种频谱妨碍在多个或谐波频率处的工作，并导致不能接受的长的发射脉冲。

根据这些考虑因素，可以看出，在接近声激励层的附近中结合电子电路的现有技术的换能器将不能产生最佳的性能。

本发明的一个目的是提供一种用于设计在超声换能器中使用的声阻抗变换器的新方法。

本发明的一个目的是提供一种用于将电子电路结合在换能器的声学设计中的方法，以提供具有想要的声学性能的换能器，并且可选择地优化换能器的声学性能，以及提供一种具有这种结合的电子电路的换能器。

本发明的另一个目的是提供一种具有声激励的集成电子电路的新的超声换能器。

为了实现这些目的和其他目的，在设计依据本发明的超声换能器时，代替考虑单层阻抗变换材料对换能器的声学性能的影响，设计了多层变换器，在其中具有电子电路的基底为其中一层，并且考虑了多层变换器的元件对声学性能的组合影响。多层变换器的元件的特性以及可能的元件数量于是被改变以得到具有想要的声学性能的变换器。元件特性的变化可能容易受到限制，例如制造、成本或结构的限制。

更具体而言，多层变换器一般被放置在衬底块和在其上布置至少一个匹配层的压电层之间，并且包括：一个具有被布置与其连接的电子电路的基底，一个或多个声激励层以及一个用于将在压电层的一侧上的激励层之一或压电层连接至该基底的互连层。选择基底、每个声激励层和互连层的特性，然后确定在邻近变换器的压电层一侧处变换器的声阻抗。以这种方式，在确定变换器的声阻抗时考虑了电子电路。在设计过程中，基底、每个声激励层和互连层的特性利用计算机模拟进行改变，直到获得在邻近变换器的压电层一侧处提供想要的声学性能特性的值。该特性可在邻近变换器的压电层一侧处提供最佳的声阻抗。同样，可选择特性以提供特定类型的换能器，例如工作在四分之一波长模式的换能器或工作在半波模式的换能器。基底、每个声激励层和互连层的可变特性是它们的材料或成分以及厚度。同样，可以测试不同类型的互连层。元件的其他特性也可在尽可能的程度上进行改变。如果变换器被设计成包括多个声激励层，则声激励层的数量也可被改变以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。如果变换器包括用于将电子电路连接至换能器电缆的附加互连层，则这个附加互连层的类型、材料和厚度也可被改变以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。

一般地，变换器的元件的一个或多个变化的特性可能容易受到设计的限制。因此，在设计过程中，可以对基底的材料和厚度、至少一个声激励层的材料和厚度以及互连层的类型、材料和厚度的变化施加限制。

依据本发明可由上述方法设计的超声换能器包括声衬底块、布置在该衬底块上的声阻抗变换器、布置在该变换器上的压电层和布置在该压电层上的至少一个匹配层。压电层和每个匹配层可被分割以形成换能器元件的阵列。该变换器包括基底、被布置与该基底连接的电子电路和至少一个不同于衬底块的声激励层。基底可由半导体材料制成，从而可以在其上制造电子电路。

该变换器一般将包括互连层，该互连层具有声阻抗并被布置在基底和压电层一侧上的声激励层之间或者在基底和压电层之间。因此，当在压电层的一侧上存在声激励层时，基底可被布置邻近衬底块并且声激励层被布置邻近压电层。一个或多个附加声激励层可被布置在基底的对侧，即在基底和衬底块之间。邻近压电层的一个或多个声激励层还可依据压电和匹配层的分割(partition)而被分割，以使各个换能器元件除了包括压电层的一部分和各个匹配层的一部分之外还可包括声激励层的一部分。可在声激励层的整个厚度上或在其厚度的一部分上进行声激励层的分割。

参考下面结合附图的说明可以最好地理解本发明连同另外的目的及其优点，其中相同的参考数字标识相同的元件，以及其中：

图1显示现有技术的换能器元件的部分；

图2显示另一现有技术的换能器的几个元件；

图3A是图2中所示的现有技术的换能器的衬底块的可能的声阻抗图；

图3B是图2中所示的现有技术的换能器的频率响应图，该换能器具有图3A中所示的声阻抗；

图3C是图2中所示的现有技术的换能器的发射脉冲图，该换能器具有图3B中所示的频率响应；

图4显示由依据本发明的方法制造的换能器的第一实施例的几个元件；

图5显示由依据本发明的方法制造的换能器的第二实施例的几个元件；

图6显示由依据本发明的方法制造的换能器的第三实施例的几个元件；

图7显示由依据本发明的方法制造的换能器的第四实施例的几个元件；

图8显示由依据本发明的方法制造的换能器的第五实施例的几个元件；

图9是显示依据本发明的方法的步骤的流程图；

图10A是图5中所示的换能器的变换器的可能的声阻抗图；

图10B是依据本发明具有图10A中所示声阻抗的换能器的频率响应图；

图10C是依据本发明具有图10B中所示频率响应的换能器的发射脉冲图；

图11A是图6中所示的换能器的变换器的可能的声阻抗图；

图11B是依据本发明具有图11A中所示声阻抗的换能器的频率响应图；

图11C是依据本发明具有图11B中所示频率响应的换能器的发射脉冲图；

图12A是依据本发明工作在四分之一波长模式的换能器的变换器的可能的声阻抗图；

图12B是依据本发明具有图12A中所示声阻抗的换能器的频率响应图；以及

图12C是依据本发明具有图12B中所示频率响应的换能器的发射脉冲图。

参考附图，其中相同的参考数字指的是相同或类似的元件，图4显示用于依据本发明的相控阵列换能器的换能器10的几个换能器元件10a。该换能器包括多个以一维或二维阵列布置的这种换能器元件10a。在该阵列中，换能器元件10a可以一维或多维形式布置在平坦的平面中或者以一维或多维形式布置在曲面(curve)中。

换能器10包括衬底块12和布置在衬底块12的前侧的声阻抗变换器14、布置在变换器14上的压电层16以及布置在压电层16上的两个匹配层18、20。压电层16和匹配层18、20被分割成换能器元件10a，以使每个换能器元件10a包括压电层16的段(section)16a和每个匹配层18、20的段18a、20a。虽然显示了单一压电层16和两个匹配层18、20，但是可以提供任何数量的压电层和匹配层。

匹配层18、20的制造可与换能器10的剩余部分的制造分开和无关地来进行。例如匹配层18、20可以是聚合物膜(polymer film)，该聚合物膜被切割成每个换能器元件10a的大小的数段，并且然后由环氧树脂或另外的粘合剂连接至压电层16。元件镀金属(metallization)层22被应用在最上面匹配层20的上表面、在所有换能器元件10a上面和其间，以及导体24被提供以用于经柔性电路板26使换能器元件10a接地。使换能器元件10a接地的其它合适的方法也可以在本发明中使用。因此，当所有的匹配层18、20导电时，镀金属层22和导体24的使用仅仅是一个提供接地连接的示例性方法。一个重要的考虑因素是提供至压电层16的顶部表面上电极的电连接。其他方法将包括在匹配层之间结合镀金属层、直接连接镀金属层至顶部电极、或者制造顶部电极以使它围绕边沿至压电层16的后侧。

还提供电导体28以将电路板26上的电路电耦合至变换器14中的电子电路。

变换器14包括至少芯片30、至少一个声激励层和互连层40，该芯片30包括电子电路并且在下文中被称为集成电路，该互连层40被布置在集成电路30的上方，用来将集成电路连接至覆盖层。如果在集成电路30和压电层16之间没有提供声激励层，覆盖在互连层40上面的层可能是压电层16；或者当在集成电路30和压电层16之间提供一个或多个声激励层时，覆盖在互连层40上面的层可能是声激励层。在其中在互连层40和压电层16之间有一个或多个声激励层的实施例中，这些层必须由导电材料制成，或者另外提供从互连层40至压电层16上的后电极的导电通路，例如通过在该层中嵌入导电通路。

图4显示一个其中变换器14包括布置在互连层40和压电层16之间的单一声学层36的实施例。在互连层40和压电层16之间可以提供附加的声学层。

可以运用与压电层16被分割的相同的制造工艺将声学层36分割成多个段36a，每个段36a是相应换能器元件10a的一部分。因此，每个换能器元件10a包括声学层段36a、压电层段16a和匹配层段18a、20a。

图5显示一个变换器14，它包括集成电路30、布置在集成电路30和衬底块12之间的单一声学层32、以及布置在集成电路30和压电层16之间的互连层40。图6显示一个变换器14，它包括集成电路30、布置在集成电路30和衬底块12之间的单一声学层32、布置在集成电路30和压电层16之间的单一声学层36、以及布置在集成电路30和声学层36之间的互连层40。

图7显示一个变换器14，它包括集成电路30，布置在集成电路30和衬底块12之间的两个声学层32、34，布置在集成电路30和压电层16之间的单一声学层36，以及布置在集成电路30和声学层36之间的互连层40。

图8显示一个与图7中显示的变换器类似的变换器，但是它包括互连层40、在互连层40和压电层16之间的两个声学层36、38。在互连层40和压电层16之间的这种声学层的数量可以在下面讨论的设计过程中进行选择。

集成电路30中的电子电路被结合进换能器10的声学设计中，以能够获得换能器的想要的声学性能，例如以便优化换能器10的声学性能。也就是，当考虑阻抗特性和评价声学性能时，包括电子电路的集成电路30被看作变换器14的其中一层。一般地，在变换器14的前侧即在压电层16的后侧考虑变换器14的阻抗。

使用标准的集成电路处理技术可在硅片上制造集成电路30中的电子电路。其他半导体材料也可用于实现具有电子电路的芯片的制造，如果它们拥有形成并实现电子电路的操作的能力的话。

变换器14还可包括用于将集成电路30中的电子电路互连至压电层16以及换能器电缆(未示出)的一个或多个层。这些可能的附加互连层中的每层都具有声学特性，具体为声速和声阻抗，它们可在变换器14的设计中被使用并起作用(factor)。

就诸如声学层32、34、36、38之类的每个元件的特性而言，通过类似于在微波电子设备中使用的多段阻抗变换器的设计的方法来构造变换器14。在应用在微波电子设备的这种阻抗变换器中，一系列传输线路段以级联方式连接在源和负载之间。一般地，每个传输线路段是以感兴趣频带的中心频率的波长的四分之一，并具有由想要的阻抗变换、变换器中段的数量和感兴趣的带宽确定的特性阻抗。对于微波电子领域的技术人员而言，实现宽范围的阻抗变换比并使用直到至少八段的微波四分之一波长变换器的标准设计是公知的。

类似地，使用与用于设计和构造在微波电子设备中使用的阻抗变换器的相同的方法和设计方程可以设计和构造依据本发明的声阻抗变换器。在声阻抗变换器中，电子电路和任何互连层变为声激励层，所述声激励层被包括在变换器的声学设计中并且被修整(tailor)以满足性能的要求。在大多数情况中，声负载还是可调整的参数。

现在参考图9，在设计过程中，一开始将考虑换能器的想要的声学性能，例如中心频率、带宽和脉冲响应特征(步骤42)。然后，确定换能器将工作在四分之一波长模式还是半波模式(步骤44)。这就确定了期望的是高衬底阻抗还是低衬底阻抗(步骤46)。根据这个和想要的声学性能的考虑，确定衬底阻抗的实际想要的幅度。于是，确定要在变换器14中出现的元件并确定各个元件的特性，例如各个元件的材料和厚度以及互连层的类型(步骤48)。例如，以上述方式或以任何已知的方式来确定这种变换器14的声学性能(步骤50)。

此后，测试是否获得了想要的阻抗(步骤52)，并且如果没有获得想要的阻抗，则改变元件的特性(步骤54)，例如改变基底的材料和/或厚度和/或声激励层的数量和位置，然后确定改变的变换器14的声学性能(步骤50)。反复改变该变换器14的一个或多个元件的一个或多个特性并随后确定变换器变化14的声学性能，并且进行分析以检查是否提供了想要的声阻抗(步骤52)。如果是，则选择压电和匹配层的特性(步骤56)，例如声阻抗和厚度，并对整个换能器的声学性能进行分析(步骤58)，以检查是否获得了想要的声学性能(步骤60)。如果是，则可利用具有提供想要的声学性能的特性的元件来构造换能器10(步骤62)。

否则，确定是否有可能利用选择的衬底阻抗来获得想要的声学性能(步骤64)。如果是，则改变压电和匹配层的特性(步骤66)，并分析改变的换能器的声学性能(步骤58)。反复改变压电层的一个或多个特性或者匹配层的一个或多个特性，并进行分析以检查是否获得了想要的声学性能。如果没有，则通过选择用于换能器或新的衬底阻抗的不同模式而有可能获得想要的性能。另外，即使没有想要的声学性能，仍可选择元件的特性以提供最佳的声学性能。还可执行该设计过程以获得最优的声学性能。

元件的特性的变化可单独进行改变，例如只改变基底的厚度，或以组合形式进行改变，例如改变基底的材料和厚度。

在依据本发明的阻抗变换器的设计上经常存在约束条件，因为例如一个或多个层可能必须由特定材料进行制造或者具有指定的最小或最大厚度。这些约束条件可能需要偏离变换器的理想设计，比如改变一个或多个其它层的厚度或阻抗。设计的优化很可能是借助于使用模拟程序的计算机来执行的。

在诸如图6、7和8所示的一些实施例中，声学层可被布置在包括电子电路的集成电路30的上面和下面，即声学层32和34被布置在集成电路30的下面，以及声学层36被布置在集成电路30的上面。可以理解的是，在任何特定实施例中所有层的数量、成分和/或厚度将由该设计过程来确定，并且将至少部分地取决于换能器的想要的工作参数。

一般地，当设计和构造换能器时，至少包括电子电路的芯片的厚度将被指定。在硅片上制造集成电路的情况下，使用通常在集成电路工业中使用的任何晶片减薄工艺可产生这个厚度。

互连层表示用于实现材料层至集成电路的连接的任何已知装置，其适合于应用，例如导电环氧树脂或“倒装芯片”粘接。在设计阶段可以改变互连层的类型以获得变换器14的想要的声学性能。

所选择的特定连接装置应该提供具有一致的声学特性和厚度的层。在声变换器的最终形式中互连层所需的声学特性可决定互连装置的选择。此外，在可用的材料和可能的厚度上存在限制，利用其可制造将影响声学设计的互连装置。

现在将参考图3A-3C和图10-12C来讨论在依据本发明的换能器中的变换器14的设计的优点。图3A是图2中所示的现有技术的换能器的衬底结构的可能的声阻抗(衬底阻抗)图，其中横坐标是归一化至换能器108的中心频率的频率(f/f_c)，以及纵坐标是由除以压电材料的典型阻抗得到的声阻抗的幅度(Z/Z₀)。衬底结构包含衬底块102、集成电路110和互连层112。集成电路110和互连层112位于衬底块102上而不考虑它们的声学特性。不用考虑或优化集成电路110和互连层112的声学特性，由压电层106的后侧看到的声阻抗将具有图3A中所示的明显的峰和零值。

虽然图3A中所示的图是示例性的并且实际的图取决于换能器构造的细节，但是阻抗中的大峰和零值是典型的，并将引起换能器的严重的恶化谱。

图3B显示从试图在上述的衬底结构上构造宽带换能器而得到的可能的频率响应。在该频谱中存在对应于图3A所示的阻抗中的大峰的显著的深度零值(deep null)。在图3C中示出得到的发射脉冲，其中横坐标是以中心频率的周期测得的时间，以及纵坐标是脉冲的幅度。波形及其包络均被显示在图3C中。在主脉冲之外的几个周期的波形连续使构造在衬底结构上的构造的换能器不能用于现代超声成像系统。特别是，如在包络的最宽伸展-10dB处测得的脉冲宽度多于3个周期。

利用如图5所示的依据本发明在换能器10中具有在集成电路30和衬底块12之间的单一声激励层32的变换器14，与图3A所示的声阻抗相比，如图10A所示由压电层16的后侧看到的声阻抗基本上更均匀。重要的是，在上述设计过程中对集成电路30的厚度和/或互连层40的厚度进行调整，然后选择特定的厚度以提供合适的衬底阻抗。

图10B显示从依据本发明的具有图10A所示的声阻抗的换能器中得到的频率响应，以及在图10C中显示得到的发射脉冲。波形及其包络均显示在图10C中。频率响应在-3dB处具有比中心频率的约70％略大的带宽，并且在-10dB处发射脉冲响应的宽度大约是1.6个周期。

现在参考图11A-11C，对于图6所示的变换器14，与图3A所示的声阻抗相比，如图11A所示的由压电层16的后侧看去的声阻抗基本上更均匀。在上述设计过程中对集成电路30的厚度和互连层40的厚度进行调整，然后选择特定的厚度以提供合适的衬底阻抗。

图11B显示从依据本发明的具有图11A所示的声阻抗的换能器中得到的频率响应，以及在图11C中显示得到的发射脉冲。频率响应在-3dB处具有比中心频率的约80％略大的带宽，并且在-10dB处发射脉冲响应的宽度大约是1.4个周期。

现在参考图12A-12C，对于图6所示的变换器14，当设计为工作在四分之一波长模式时，该变换器被设计成在压电层后侧处提供尽可能大的声阻抗，这是通过适当选择变换器的层的数量以及这些层的特性来实现的。相反，图10A-11C中的图用于工作在半波模式的具有图5和6所示的变换器的换能器。

图12A显示这个实施例的衬底声阻抗的典型图。纵坐标比图9A和10A中的坐标明显增加，并且阻抗幅度甚至超过用于感兴趣的部分频带的标度。图12B和12C分别显示可能得到的频率响应和发射脉冲。频率响应在-3dB处具有超过中心频率的90％的带宽，并且在-10dB处发射脉冲响应的宽度大约是1.2个周期。

因此，可以看到，通过控制集成电路、互连层和一个(多个)声激励层的厚度，依据本发明的换能器10中的变换器14可被设计成提供与带宽和中心频率相关的想要的频率响应和/或发射脉冲。变换器可被设计成提供具有在-3dB处至少具有中心频率的70％、80％或90％的带宽的频率响应和/或在-10dB处具有小于中心频率的约1.6个周期、约1.4个周期或约1.2个周期的宽度。

设计和构造变换器14以包括集成电路30、声学层32、34、36和/或38(和可能的其他层)以及互连层40优化了在变换器14的顶侧看去的声阻抗(其与在压电层16的后侧看去的是一样的)。

与本发明相对比，在现有技术的换能器元件中，未对变换进行优化以用于高性能，因为仅仅存在两层(即半导体芯片110和互连层112)，并且它们的特性受到设计的其他方面的约束。例如，几乎所有的集成电路被制造为硅片。本发明人已经认识到，添加其他声学层允许这些约束被嵌入在较大阻抗变换器的设计中，从而提供了忽略半导体芯片本身的约束的能力。

尽管在此已经参考附图描述了本发明的说明性实施例，但是可以理解，本发明不限于这些确切的实施例，并且在不脱离本发明的范围或精神的情况下，本领域普通技术人员之一可以在其中实施各种其他变化和更改。

Claims (28)

1、一种设计供超声换能器使用的在声激励衬底块和压电层之间的声阻抗变换器的方法，其中至少一个匹配层被布置在该压电层上，包括：

选择具有被布置与其连接的电子电路的基底的特性，具有电子电路的该基底是该变换器的一部分；

选择不同于衬底块的至少一个声激励层中每个的特性，该至少一个声激励层是该变换器的一部分；

选择在电子电路和压电层之间插入的互连层的特性，该互连层是该变换器的一部分；

确定在邻近变换器的压电层一侧处的声阻抗，因此在确定声阻抗时考虑了电子电路；以及

改变基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性，以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。

2、如权利要求1所述的方法，其中该至少一个声激励层包括多个声激励层，进一步包括改变声激励层的数量以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。

3、如权利要求2所述的方法，其中通过计算机模拟来实施基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性的改变。

4、如权利要求1所述的方法，其中该至少一个声激励层包括多个声激励层，进一步包括在互连层和压电层之间布置声激励层的第一层以及在基底和衬底块之间布置声激励层的第二层。

5、如权利要求1所述的方法，其中该至少一个声激励层包括多个声激励层，进一步包括在互连层和压电层之间布置至少一个声激励层。

6、如权利要求1所述的方法，其中基底由半导体材料制成，进一步包括在半导体材料上制造电子电路。

7、如权利要求1所述的方法，进一步包括：

选择用于将电子电路连接至换能器电缆的附加互连层的特性，以及

改变该附加互连层的特性，以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。

8、如权利要求7所述的方法，其中附加互连层的特性包括互连层的类型、材料和厚度。

9、如权利要求8所述的方法，进一步包括对基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性的改变施加限制。

10、如权利要求9所述的方法，其中所施加的限制包括对用于基底、至少一个声激励层或互连层的具体材料的限制。

11、如权利要求9所述的方法，其中所施加的限制包括对用于基底、至少一个声激励层或互连层的最小或最大厚度的限制。

12、如权利要求1所述的方法，其中改变基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性以优化在邻近变换器的压电层一侧处的声阻抗。

13、如权利要求1所述的方法，其中互连层的特性包括互连层的类型，该互连层的类型是从由导电环氧树脂和倒装芯片粘接组成的组中选择的。

14、如权利要求1所述的方法，其中基底的特性包括基底的材料和厚度。

15、如权利要求1所述的方法，其中至少一个声激励层的特性包括至少一个声激励层的材料和厚度。

16、如权利要求1所述的方法，其中互连层的特性包括互连层的类型、材料和厚度。

17、如权利要求1所述的方法，其中想要的声学性能特性为在-3dB点处具有中心频率的至少70％、至少80％或至少90％的带宽的频率响应。

18、如权利要求1所述的方法，其中想要的声学性能特性为在-10dB点处具有中心频率的小于1.6个周期、小于1.4个周期或小于1.2个周期的宽度的发射脉冲响应。

19、一种超声换能器，包括：

声衬底块；

布置在所述衬底块上的声阻抗变换器；

布置在所述变换器上的压电层；以及

布置在所述压电层上的至少一个匹配层；

所述变换器包含基底、布置与所述基底连接的电子电路、具有在所述基底和所述压电层之间插入的声阻抗的互连层以及不同于所述衬底块的至少第一声激励层。

20、如权利要求19所述的换能器，其中所述互连层被布置在所述基底和所述第一声激励层之间，所述基底被布置邻近所述衬底块以及所述第一声激励层被布置邻近所述压电层。

21、如权利要求19所述的换能器，其中所述变换器还包括第二声激励层，该第二声激励层被布置在所述基底的与所述第一声激励层相对的一侧。

22、如权利要求19所述的换能器，其中所述变换器还包括被布置在所述基底和所述衬底块之间的第二和第三声激励层。

23、如权利要求19所述的换能器，其中所述第一声激励层被布置邻近所述压电层，所述互连层被布置在所述基底和所述第一声激励层之间以及第二和第三声激励层被布置在所述基底和所述衬底块之间。

24、如权利要求23所述的换能器，还包括至少一个附加声激励层，所述第一和所述至少一个附加声激励层被布置在所述互连层和所述压电层之间。

25、如权利要求19所述的换能器，其中所述第一声激励层被布置邻近所述压电层，所述换能器包括多个被布置在一维或二维的阵列中的独立元件，每个所述元件包括所述压电层的段和所述第一声激励层的段。

26、如权利要求19所述的换能器，其中所述换能器包括多个被布置在曲面中的独立元件。

27、如权利要求19所述的换能器，其中所述变换器被设计成向换能器提供在-3dB点处具有中心频率的至少70％、至少80％或至少90％的带宽的频率响应。

28、如权利要求19所述的换能器，其中所述变换器被设计成向换能器提供在-10dB点处具有中心频率的小于1.6个周期、小于1.4个周期或小于1.2个周期的宽度的发射脉冲响应。

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