CN212521818U - 微型阵列超声换能器及包含其的超声探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于超声成像技术领域，具体涉及一种微型阵列超声换能器及包含其的超声探头。本实用新型提供的微型阵列超声探头包括依次层叠设置的柔性电路板、压电晶片和声匹配层，压电晶片的第一压电电极和压电柱形成若干线型阵元，且每个阵元任何部分都能参与工作，最大限度地发挥了每个阵元在长度方向上的性能，继而提高了该微型阵列超声换能器的性能；压电晶片的第二压电电极由压电材料层延伸至与第一压电电极同侧，不需单独引入连接线，降低了微型阵列超声换能器在厚度方向上的尺寸，实现了超声换能器的微型化。本实用新型提供的超声探头实现了超声探头性能提升和结构微型化的统一，能够很好地用于体内超声成像。

Description

微型阵列超声换能器及包含其的超声探头

技术领域

本实用新型属于超声成像技术领域，具体涉及一种微型阵列超声换能器及包含其的超声探头。

背景技术

超声成像广泛应用于医疗诊断、工业检测等领域，具有无损、便捷以及可靠等优点。通过超声探头产生的超声波信号在不透光介质内传播，然后接收不透光物体反射的信号强度、频率、时间以及相位等信息，并对该信息进行处理，从而获得反映被探测的不透光介质内部结构声学特性分布的直观图像。

超声探头是超声成像设备的关键组成部分，其主要包括内部的压电换能器、电路部分、外壳部分等，根据压电换能器的数量可将超声探头分为单阵元超声探头和多阵元超声探头，而多阵元超声探头根据换能器的排布方式又可分为线阵型、凸阵型、面阵型等。

超声换能器的性能直接决定了超声成像的质量，其结构一般由压电片、背衬层、声匹配层、柔性电路板和声透镜等组成，其中，压电片1包括压电层11、第一电极12和第二电极13，其设置方式如图1所示，第二电极13设置在压电层11两侧，使得阵元长度方向的两端无法参与工作，限制了阵元在长度方向上性能的发挥，继而降低了超声换能器的性能；同时，受材料等因素限制为获得较好的线型阵元，第二电极13厚度不得不增加，增加了压电片1的厚度。再者，在将第二电极13引至与第一电极12同侧以方便引出至成像系统时，需在第二电极13上引入连接线14，引入连接线14使得超声换能器结构和制备工艺复杂化，需要对引入的连接线14进行精细加工以及与第二电极13的精确对接，工艺越复杂，就越难保证产品质量，尤其在一些微型超声换能器设计中显得更为突显。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有的超声换能器由于电极连接线的存在从而使得产品结构和制备工艺复杂并导致超声成像性能差的缺陷，从而提供一种微型阵列超声换能器以及包含该微型阵列超声换能器的超声探头。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型提供一种微型阵列超声换能器，包括依次层叠设置的柔性电路板、压电晶片和声匹配层：

所述柔性电路板上阵列设置有若干线型第一电路电极和至少一个第二电路电极；

所述压电晶片包括具有压电柱的压电材料层、阵列设置在所述压电材料层朝向所述柔性电路板一侧表面的若干线型第一压电电极以及覆盖在所述压电材料层朝向所述声匹配层一侧表面并沿所述压电材料层部分边缘延伸至所述压电材料层朝向所述柔性电路板一侧表面的平面型第二压电电极；

其中，若干所述第一电路电极与若干所述第一压电电极一一对应连接，所述第一电路电极与所述第二压电电极连接，且所述第二压电电极和相邻的所述第一压电电极之间以及相邻的两个所述第一压电电极之间形成线型压电电极间隙。

优选地，该结构的微型阵列超声换能器，所述压电材料层选自1-3型压电复合材料。

进一步优选地，该结构的微型阵列超声换能器，所述压电材料层朝向所述柔性电路板的一侧表面上设置有与所述压电电极间隙对应的凹槽结构。

优选地，该结构的微型阵列超声换能器，所述第一压电电极与所述第一电路电极的线型设置方式一致，选自直线段、圆弧线段、椭圆弧段、正弦曲线段中的任一种。

进一步优选地，该结构的微型阵列超声换能器，所述第一压电电极、所述第一电路电极形成(1～3)×(8～128)矩形阵列；

沿垂直于线型延伸方向上相邻的两个所述第一压电电极或相邻的两个所述第一电路电极平行；沿平行于线型延伸方向上相邻的两个所述第一压电电极或相邻的两个所述第一电路电极错开。

进一步优选地，该结构的微型阵列超声换能器，沿垂直于线型延伸方向上相邻的两个所述第一电路电极之间设置有与所述第一电路电极线型一致的电路电极间隙；

所述电路电极间隙与所述压电电极间隙、所述凹槽结构对应设置。

进一步优选地，该结构的微型阵列超声换能器，所述柔性电路板远离所述压电晶片的一侧表面上设置有背衬层，所述声匹配层远离所述压电晶片的一侧表面上设置有声透镜；

所述声透镜、所述声匹配层、所述压电晶片、所述柔性电路板和所述背衬层的总厚度≤1.5mm，总宽度≤2mm。

本实用新型提供一种超声探头，包括：

壳体，具有内腔；

位于所述内腔的如上所述的微型阵列超声换能器；

将所述微型阵列超声换能器内柔性电路板的第一电路电极和第二电路电极分别引出至所述壳体外的第一引出电极和第二引出电极。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型提供的微型阵列超声换能器包括依次层叠设置的柔性电路板、压电晶片和声匹配层。其中，柔性电路板上阵列设置有若干线型第一电路电极和至少一个第二电路电极；压电晶片包括具有压电柱的压电材料层、阵列设置在压电材料层朝向柔性电路板一侧表面的若干线型第一压电电极以及覆盖在压电材料层朝向声匹配层一侧表面并沿压电材料层部分边缘延伸至压电材料层朝向柔性电路板一侧表面的平面型第二压电电极；若干第一电路电极与若干第一压电电极一一对应连接，第一电路电极与第二压电电极连接，且第二压电电极和相邻的第一压电电极之间以及相邻的两个第一压电电极之间形成线型压电电极间隙。

该结构的微型阵列超声换能器，压电材料层内具有若干压电柱，在其一侧表面设置若干线型第一压电电极，在其另一侧面设置平面型第二压电电极，相邻的两个第一压电电极之间形成线型压电电极间隙，第一压电电极和压电柱形成若干线型阵元，且每个阵元任何部分都能参与工作，最大限度地发挥了每个阵元在长度方向上的性能，同时降低了微型阵列超声换能器在厚度方向上的尺寸，实现了超声换能器的微型化，继而提高了该微型阵列超声换能器的性能；同时，第二压电电极由压电材料层延伸至与第一压电电极同侧，不需单独引入连接线，避免了常规超声换能器制备过程中因需对连接线精细加工以及与第二压电电极精确对接而导致工艺复杂的问题。

2.本实用新型提供的微型阵列换能器，压电材料层选用1-3型压电复合材料，由垂直于压电材料层两表面的若干压电柱形成，该压电复合材料具有一个个独立的阵元，每个阵元在工作过程中不会受其它阵元的影响，整体性能更加优越；更为重要地，若干压电柱可并联于同一个线型的第一压电电极上，从而形成足够多的线型阵元，很大程度地提高微型阵列换能器的性能。

3.本实用新型提供的微型阵列超声换能器，第一电路电极线型选自直线段、圆弧线段、椭圆弧段、正弦曲线段中的任一种，第一压电电极、凹槽结构对应地选自上述线型中的任一种，从而形成多种形式的线型阵元，以实现微型阵列超声换能器的波束偏转、聚焦等功能。

4.本实用新型提供的微型阵列超声换能器，沿垂直于线型延伸方向上相邻的两个第一电路电极平行，沿平行于线型延伸方向上相邻的两个第一电路电极错开，可在加工条件有限的情况下进一步减小第一电路电极之间的距离，从而实现微型阵列超声换能器的微型化设计。

5.本实用新型提供的微型阵列超声换能器，第一压电电极、第一电路电极形成(1～3)×(8～128)矩形阵列，集成化设置实现了超声换能器的微型化。

6.本实用新型提供的超声探头，包含微型阵列超声换能器和第一引出电极、第二引出电极，一方面实现了超声探头性能提升和结构微型化的统一，另一方面方便与成像主机连接，能够很好地用于体内超声成像。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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1为现有技术的压电片结构示意图；

图2为本实用新型实施例1提供的微型阵列超声换能器结构示意图；

图3为本实用新型实施例1提供的压电晶片结构示意图；

图4为本实用新型实施例1提供的压电柱结构示意图；

图5为本实用新型实施例1提供的压电晶片局部结构放大示意图；

图6为本实用新型实施例1提供的压电晶片俯视图；

图7为本实用新型实施例1提供的柔性电路板结构示意图；

图8为本实用新型实施例4提供的超声探头结构示意图；

附图标记说明：

1-压电片；11-压电层；12-第一电极；13-第二电极；14-连接线；

2-微型阵列超声换能器；21-压电晶片；211-压电材料层；2111-压电柱；2112-凹槽结构；212-第一压电电极；213-第二压电电极；22-柔性电路板；221-第一电路电极；222-第二电路电极；223-电路电极间隙；23-声匹配层；24-背衬层；25-声透镜层；

3-超声探头；31-壳体；32-超声换能器；33-引出电极；331-第一引出电极；332-第二引出电极；

4-成像主机。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种微型阵列超声换能器2，如图2所示，包括压电晶片21、柔性电路板22、声匹配层23、背衬层24和声透镜层25。

压电晶片21是微型阵列超声换能器2的核心部件，在接收电压后产生振动并输出超声波，压电晶片21的形状、材质、厚度等参数直接影响着微型阵列超声换能器2的性能，继而决定了超声成像质量。如图3所示，压电晶片21包括压电材料层211、第一压电电极212和第二压电电极213。

压电材料层211形状可选自矩形、圆形、椭圆形等几何形状，其材质可选自压电单晶(如铌酸锂、PMNT等)、压电陶瓷(如PbTiO₃、PZT等)、压电聚合物(如PVDF、TrFE等)和压电复合材料(如陶瓷/聚合物、单晶/聚合物等)等，其厚度为20～500μm。

本实施例中，压电材料层211材质选用1-3型压电复合材料，其本身具有垂直于两表面的若干压电柱2111，如图4所示，压电柱2111之间相互独立，有助于形成一个个独立阵元，每个阵元在工作过程中不受其它阵元的影响，使得整体性能更加优越，因此，1-3型压电复合材料在制作工艺上体现出比其它常规压电材料更多的优势，即不需对压电材料层211进行深度切割等加工便可形成上述若干独立压电柱2111，然后在若干独立压电柱2111设置压电电极再与柔性电路板连接即可形成所需形式的阵元结构。

本实施例中，压电材料层211设计为矩形，为方便压电柱2111与其它部件连接以形成较为理想的线型阵元结构，在压电材料层211的一侧表面通过切割等方法形成若干线型的凹槽结构2112，如图5所示，使得凸起的压电柱2111形成更规则的压电线阵。

其中，凹槽结构2112的线型可以是直线段、圆弧线段、椭圆弧段、正弦曲线段等几何线型的任一种，自然地，压电线阵也可选自上述几种线型；凹槽结构2112和压电线阵各自形成(1～3)×(8～128)矩形阵列。本实施例中，凹槽结构2112和压电线阵均为直线段型，均为2×32矩形阵列，每个凹槽结构2112、每个压电线阵的线型整体延伸方向与压电材料层211宽度方向一致；并且，沿垂直于各自线型延伸方向上相邻的两个凹槽结构2112互相平行、相邻的两个压电线阵互相平行，沿平行于各自线型延伸方向上相邻的两个凹槽结构2112互相错开、相邻的两个压电线阵互相错开，如图6所示，既获得了线型阵元结构，又节约了空间。

每一个压电线阵包含若干独立压电柱2111，且在每个压电线阵之间(即凹槽结构2112内)填充有隔离材料，如环氧胶、空气等，则每一个压电线阵的压电柱2111与电极等其它部件连接时，相邻压电线阵之间互不影响，即可形成较为理想的线型阵元结构，超声性能得到提升；同时，将压电材料层211厚度优选设计为50～150μm，更优选为100μm，使得超声换能器更加微型化。

如图4、图5和图6所示，第一压电电极212为若干线型阵列，设置在压电材料层211具有凹槽结构2112的一侧部分表面上。第一压电电极212的线型与压电线阵的线型一致，可选自直线段、圆弧线段、椭圆弧段、正弦曲线段等几何线型中的任一种，本实施例中，第一压电电极212为直线段型，呈2×32矩形阵列，通过蒸镀方式与压电线阵一一对应连接，无需使用粘接层，降低了超声换能器的厚度。

如图3所示，第二压电电极213呈矩形，完全覆盖在压电材料层211另一侧面，即凹槽结构2112的反面，并至少一端沿压电材料层211部分边缘延伸至第一压电电极212侧形成包边结构，并与第一压电电极212之间形成压电电极间隙(图中未标注)，该压电电极间隙对应凹槽结构2112，如图5所示。本实施例中，第二压电电极213两端均沿压电材料层211的两短边延伸至第一压电电极212侧形成双侧包边结构。

上述第一压电电极212、第二压电电极213均为蒸镀金电极，厚度为200nm～800nm，优选500nm，降低了微型阵列超声换能器2在厚度方向上的尺寸，并通过第二压电电极213双侧包边结构实现了与第一电路电极212同侧，不需单独引入连接线，并避免了常规超声换能器制备过程中因需对连接线精细加工以及与第二压电电极213精确对接而导致工艺复杂的问题。同时，第一压电电极212呈线型，第二压电电极213呈平面型，形成良好的线型阵元结构。

如图2和图7所示，柔性电路板22设置在压电材料层21具有凹槽结构2112的一侧表面，厚度为40μm，包括第一电路电极221、第二电路电极222和电路电极间隙223。第一电路电极221设置若干，形成(1～3)×(8～128)矩形阵列，与压电线阵排布方式一致，以利于二者一一对应连接；第一电路电极221呈线型，选自直线段、圆弧线段、椭圆弧段、正弦曲线段等几何线型中的任一种。本实施例中，若干第一电路电极221呈2×32矩形阵列排布，每一个第一电路电极221线型选自与第一压电电极212一致的直线段型，其线型延伸方向平行于压电晶片21宽度方向。并且，沿垂直于线型延伸方向上相邻的两个第一电路电极221平行，二者间隙形成线型电路电极间隙223，电路电极间隙223与第一电路电极221线型保持一致，也即，该电路电极间隙223与凹槽结构2112、压电电极间隙线型设置方式也一致；沿平行于线型延伸方向上相邻的两个第一电路电极221错开。第二电路电极222设置在柔性电路板22的两端，与相邻的第一电路电极221之间也设置有电路电极间隙223，实现第二电路电极222和第一电路电极221的不连接。将柔性电路板22压接在压电晶片21上，以将若干第一电路电极221与若干第一压电电极212一一对应连接、第二电路电极222与第二压电电极213连接，同时凹槽结构2112、压电电极间隙也与电路电极间隙223对应，实现了柔性电路板22与压电晶片21的连接。

如图2所示，声匹配层23厚度为5～100μm，优选50μm，设置在压电晶片21远离柔性电路板22的一侧表面上；背衬层24厚度为200～800μm，优选500μm，设置在柔性电路板22远离压电晶片21的一侧表面上；声透镜层25厚度为100～500μm，优选300μm，设置在声匹配层23远离压电晶片21的一侧表面上。该结构的微型阵列超声换能器各层(声透镜层25、声匹配层23、压电晶片21、柔性电路板22和背衬层24)的总厚度≤1.5mm，总宽度≤2mm。

实施例2

本实施例提供一种超声探头3，如图8所示，包括壳体31、超声换能器32和引出电极33。

壳体31具有内腔；超声换能器32位于该内腔，采用实施例1提供的微型阵列超声换能器；引出电极33一端与超声换能器32内的电路板电极连接，另一端与成像主机4连接；其中，引出电极33包括第一引出电极331和第二引出电极332，分别与第一电路电极221、第二电路电极222连接。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种微型阵列超声换能器，包括依次层叠设置的柔性电路板、压电晶片和声匹配层，其特征在于：

所述柔性电路板上阵列设置有若干线型第一电路电极和至少一个第二电路电极；

所述压电晶片包括具有压电柱的压电材料层、阵列设置在所述压电材料层朝向所述柔性电路板一侧表面的若干线型第一压电电极以及覆盖在所述压电材料层朝向所述声匹配层一侧表面并沿所述压电材料层部分边缘延伸至所述压电材料层朝向所述柔性电路板一侧表面的平面型第二压电电极；

其中，若干所述第一电路电极与若干所述第一压电电极一一对应连接，所述第一电路电极与所述第二压电电极连接，且所述第二压电电极和相邻的所述第一压电电极之间以及相邻的两个所述第一压电电极之间形成线型压电电极间隙。

2.根据权利要求1所述的微型阵列超声换能器，其特征在于，所述压电材料层选自1-3型压电复合材料。

3.根据权利要求2所述的微型阵列超声换能器，其特征在于，所述压电材料层朝向所述柔性电路板的一侧表面上设置有与所述压电电极间隙对应的凹槽结构。

4.根据权利要求3所述的微型阵列超声换能器，其特征在于，所述第一压电电极与所述第一电路电极的线型设置方式一致，选自直线段、圆弧线段、椭圆弧段、正弦曲线段中的任一种。

5.根据权利要求4所述的微型阵列超声换能器，其特征在于，所述第一压电电极、所述第一电路电极形成(1～3)×(8～128)矩形阵列；

沿垂直于线型延伸方向上相邻的两个所述第一压电电极或相邻的两个所述第一电路电极平行；沿平行于线型延伸方向上相邻的两个所述第一压电电极或相邻的两个所述第一电路电极错开。

6.根据权利要求5所述的微型阵列超声换能器，其特征在于，沿垂直于线型延伸方向上相邻的两个所述第一电路电极之间设置有与所述第一电路电极线型一致的电路电极间隙；

所述电路电极间隙与所述压电电极间隙、所述凹槽结构对应设置。

7.根据权利要求1-6任一所述的微型阵列超声换能器，其特征在于，所述柔性电路板远离所述压电晶片的一侧表面上设置有背衬层，所述声匹配层远离所述压电晶片的一侧表面上设置有声透镜；

所述声透镜、所述声匹配层、所述压电晶片、所述柔性电路板和所述背衬层的总厚度≤1.5mm，总宽度≤2mm。

8.一种超声探头，其特征在于，包括：

壳体，具有内腔；

位于所述内腔的权利要求1-7任一所述的微型阵列超声换能器；

将所述微型阵列超声换能器内柔性电路板的第一电路电极和第二电路电极分别引出至所述壳体外的第一引出电极和第二引出电极。

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