JP2013201646A - Ultrasonic probe and method of manufacturing the same - Google Patents

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高志 小椋
Takayuki Nagata
貴之 永田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem of a conventional ultrasonic probe in that, with a piezoelectric element used as an oscillation element, a plate-like piezoelectric element is stacked together with a member such as a backing, a matching layer, and an electrode, and then they are diced and divided into individual elements, and in that case, dicing is made in hundred or more elements with a width about 100-200 μm normally, however, a tact time thereof is long and a water stream is jetted in order to reduce friction heat of a rotary blade, which can cause damage such as element breaking or layer peeling.SOLUTION: In an ultrasonic probe of the present invention, those obtained by processing PZT into balls are precisely arrayed, and electrode and wiring are formed mainly by screen printing, painting, and transfer, to allow transmission/reception of signals.

Description

本発明は、超音波診断に用いられる超音波探触子、または、超音波センサーなどに関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic probe or an ultrasonic sensor used for ultrasonic diagnosis.

まず、従来一般的な超音波探触子について、図1を用いて説明する。図1は、従来の超音波探触子の構成を示す縦断面図である。図1の上方から、音響レンズ3、整合層2、圧電振動子1、バッキング材4が積層された構造がとられ、図1においては、それぞれの部材の厚み方向が図示され、上部が生体側である。   First, a conventional general ultrasonic probe will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a conventional ultrasonic probe. 1, the acoustic lens 3, the matching layer 2, the piezoelectric vibrator 1, and the backing material 4 are stacked. In FIG. 1, the thickness direction of each member is illustrated, and the upper part is the living body side. It is.

一般的な超音波診断装置では、圧電振動子1から発信された超音波が整合層2、音響レンズ3を通り、生体に放射され、生体内で反射した超音波が往路と逆のルートを辿り、再び圧電振動子1にて受信され、その受信強度や応答時間に即した信号が輝度情報に変換され映像化される。   In a general ultrasonic diagnostic apparatus, an ultrasonic wave transmitted from the piezoelectric vibrator 1 passes through the matching layer 2 and the acoustic lens 3 and is radiated to the living body, and the ultrasonic wave reflected in the living body follows a route opposite to the forward path. The signal is received by the piezoelectric vibrator 1 again, and a signal in accordance with the received intensity and response time is converted into luminance information and visualized.

上記は、素子を1次元に配列されたものを例に説明したものであるが、この1次元構造によるプローブは、プローブ本体を移動させることで平面の画像を得ることができる。一方、これらの素子を2次元配列(マトリックス配列)させることで、プローブ本体を移動させなくとも平面の画像を得ることができ、また移動させることで立体の画像(3D画像)を得られるようにした、いわゆる2次元アレイ型のプローブがある。   The above is an example in which elements are arranged one-dimensionally. However, a probe having this one-dimensional structure can obtain a planar image by moving the probe body. On the other hand, by arranging these elements in a two-dimensional arrangement (matrix arrangement), a planar image can be obtained without moving the probe body, and a three-dimensional image (3D image) can be obtained by moving it. There is a so-called two-dimensional array type probe.

超音波プローブを作製するプロセスにおいては、図1のバッキング材4に圧電素子を重ね、さらに電極及び整合層2を重ねて接着した上で、所定の幅(例えば100μm間隔)でダイシングして1次元に独立配列した複数の送受信素子を得る。   In the process of manufacturing an ultrasonic probe, a piezoelectric element is overlaid on the backing material 4 in FIG. 1, and an electrode and a matching layer 2 are overlaid and bonded, followed by dicing at a predetermined width (for example, at 100 μm intervals). A plurality of transmitting / receiving elements arranged independently of each other are obtained.

同様に、2次元アレイプローブは、圧電素子を縦横にダイシングすることによって、マトリックス状に配列した素子構造を得る事ができる。この縦横に配列した素子に対して順番に信号を与え、超音波を発信し、被写体から返って来た音波を受け取ることにより、被写体の構造を映像化することができる。   Similarly, the two-dimensional array probe can obtain an element structure arranged in a matrix by dicing piezoelectric elements vertically and horizontally. By applying signals to the elements arranged in the vertical and horizontal directions in order, transmitting ultrasonic waves, and receiving the sound waves returned from the subject, the structure of the subject can be visualized.

ここでの説明は、上記した医療向けの超音波プローブにおいて記載したものであるが、体内へ超音波を発信し、内臓等の状態を知ることに使用するだけではなく、空中に放射して、空間に存在する物体においても検知するセンサーとして同様に機能させることができる。その場合、音響インピーダンスの整合を図るために、整合層2を空気に対応したものに設計変更する必要がある。   The explanation here is described in the above-mentioned ultrasonic probe for medical use, but it is not only used for transmitting the ultrasonic wave into the body and knowing the state of the internal organs, but also radiating it in the air, It can be similarly functioned as a sensor for detecting an object existing in space. In that case, in order to match the acoustic impedance, it is necessary to change the design of the matching layer 2 to one corresponding to air.

基本的に、医療向けは高精細画像が要求されるため、素子のサイズが200μm以下と小さくなるが、空間に位置する大きな物体を検知するのであれば、素子サイズはこれより大きくても構わず、プローブのサイズも大型化させた方がより広い空間のセンシングが可能である。   Basically, since a high-definition image is required for medical use, the element size is as small as 200 μm or less, but the element size may be larger if a large object located in a space is detected. The larger the probe size, the wider space sensing is possible.

整合層の設計については、超音波が通過する媒体がコンクリートや水であっても同様である。   The matching layer design is the same even if the medium through which the ultrasonic wave passes is concrete or water.

特開2011−110111号公報JP 2011-110111 A 特開2005−101748号公報JP 2005-101748 A

2次元アレイプローブの先行例としては、1例として文献1を上げる。2次元アレイプローブを作製するためには、圧電素子を縦横にダイシングして文献1の図1にあるような状態に切断する必要がある。   As a prior example of a two-dimensional array probe, reference 1 is given as an example. In order to produce a two-dimensional array probe, it is necessary to dice the piezoelectric element vertically and horizontally and cut it into a state as shown in FIG.

しかし、例えば一般的な1次元アレイプローブの素子数、100素子程度を得るために、100回のダイシングを実施するには、およそ1時間の時間をかけながら切断する必要がある。なぜなら、切断スピードを上げることで、圧電層のクラックや素子折れなどの破壊、各層間の剥離などが発生し、歩留まりが低下するからである。このような状態で2次元アレイプローブを得るために縦横に素子をダイシングする場合、仮に100×100素子のアレイを得るためには単純にその倍の時間を要するだけでなく、上面のサイズが小さくなる分、表面層(主に整合層)のチッピングが生じやすくなり、さらには、2軸で切断され、棒状になったバッキング−圧電素子−整合層の積層体は、それ自体が物理的に折れやすい状態になる。   However, for example, in order to obtain the number of elements of a general one-dimensional array probe, about 100 elements, in order to carry out dicing 100 times, it is necessary to cut while taking approximately 1 hour. This is because increasing the cutting speed causes breakage of the piezoelectric layer such as cracks and element breaks, separation between layers, and the like, resulting in a decrease in yield. When dicing elements vertically and horizontally to obtain a two-dimensional array probe in such a state, to obtain an array of 100 × 100 elements, not only simply doubles the time but also the size of the upper surface is small. As a result, chipping of the surface layer (mainly the matching layer) is likely to occur, and furthermore, the backing-piezoelectric element-matching layer laminate cut into a biaxial shape into a rod shape itself is physically folded. It becomes easy.

ダイシング工程では、噴水流を回転するブレードにかけ被切断物との摩擦熱を低減しながら切断作業を行なっている。そのため、折れ易くなった棒状の素子は、ますます外部からの負荷を追うことになり、単純に時間をかければという問題ではなくなって来る。これは文献1の図2の断面積で図示される通りである。   In the dicing process, the cutting operation is performed while reducing the frictional heat with the workpiece by applying the fountain flow to the rotating blade. For this reason, the rod-shaped element that is easy to be broken will follow the load from the outside more and more, and it will not be a problem of simply taking time. This is as illustrated by the cross-sectional area of FIG.

また、圧電素子は大面積化が難しく、複数の素子を大判で用いていては、素子の信頼性に影響し、素子間の厚みのムラなどが発生して安定性を失ってしまう。   In addition, it is difficult to increase the area of the piezoelectric element, and if a plurality of elements are used in a large format, the reliability of the element is affected, and unevenness in the thickness between elements occurs, resulting in loss of stability.

このような歩留まりの低下につちえは、文献1においても、「一般的に、開口径(振動子の数)が大きくなるに従って、振動子群の歩留まりが劣化し、コストが上昇する傾向にある。」との認識をされている。   In reference to such a decrease in yield, Document 1 also “generally, as the aperture diameter (number of vibrators) increases, the yield of the vibrator group tends to deteriorate and the cost tends to increase. Is recognized.

このように、1次元から2次元に移行する上で、上記の様な課題により、急激に歩留まりが低下し、cMUTやpMUTなどの半導体技術を用いた精密な工程によって得られる素子に従来の圧電素子を高密度に2次元配置するプロセスで対抗することが出来なくなってしまっているのが現状である。   As described above, in the transition from one dimension to two dimensions, due to the above-described problems, the yield is drastically reduced, and a conventional piezoelectric element is obtained by a precise process using semiconductor technology such as cMUT or pMUT. The current situation is that it is impossible to compete with the process of two-dimensionally arranging elements at high density.

本発明は、このように製造タクト上の問題や工法上の信頼性の課題を解消し、安価な2次元アレイプローブを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the problem in manufacturing tact and the problem of reliability in construction method, and to provide an inexpensive two-dimensional array probe.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、製造タクトのかかるダイシング工程を用いることなく、かつ安定して多数個の素子を形成させることのできる手法を提供する。   The present invention solves the above-described conventional problems, and provides a technique capable of stably forming a large number of elements without using a dicing process that requires manufacturing tact.

本発明にかかる超音波探触子及びセンサーによれば、素子を形成するPZTからなる素子を球状に加工したものを用いる。   According to the ultrasonic probe and sensor of the present invention, an element made of PZT that forms an element is processed into a spherical shape.

球体の素子を用いる例としては、例えば文献2では、球体表面に均一な厚さで塗布した加熱溶融性の樹脂を互いの素子が接するように集積後、前記樹脂を加熱溶融することで、素子同士を密着させるといった手法が開示されている。   As an example of using a spherical element, for example, in Document 2, a heat-meltable resin coated with a uniform thickness on the surface of a spherical body is integrated so that the elements touch each other, and then the resin is heated and melted. A method of bringing them into close contact with each other is disclosed.

この手法を採った場合には、素子への膜厚の制御、接合条件の厳密化などにより、接合後の歪みや、寸法の変化などを安定させるプロセス技術が不可欠であるが、さらに電極付与の前段階でのコーティング皮膜の部分除去など、製造プロセスに高度な技術と精度が要求され、具現化するためには、製造に伴う高いコストが発生することが予想される。   When this method is adopted, a process technology that stabilizes the distortion and dimensional change after bonding by controlling the film thickness on the element and tightening the bonding conditions is indispensable. High technology and accuracy are required for the manufacturing process, such as partial removal of the coating film in the previous stage, and high costs associated with manufacturing are expected to be realized in order to realize it.

また、文献2では、球状素子の2次元、3次元配置を可能とするとの旨の記載はあるが、配置した後にどのように、電極を形成するのか、どのように利用するのかが明確では無く実用性を欠いている。   Further, in Reference 2, there is a description that the two-dimensional and three-dimensional arrangement of the spherical elements is possible, but it is not clear how to form the electrode after the arrangement and how to use it. Lack of practicality.

さらに、この手法を用いたばあい、素子へコーティングする樹脂の膜厚が不均一であったり、加熱ムラや圧力ムラによって素子間に狂いが生じる可能性が高い。   Furthermore, when this method is used, there is a high possibility that the film thickness of the resin coated on the element is non-uniform, or that there is a deviation between elements due to uneven heating or uneven pressure.

微小な球体へ均一な膜厚を形成させる手法についても特に文献2には開示されていないが、素子単独で均一な薄膜を微小球に形成させることは技術的に困難であり、この精度が低ければ、素子の配置の精度にも影響を及ぼす。   A technique for forming a uniform film thickness on a minute sphere is not particularly disclosed in Document 2, but it is technically difficult to form a uniform thin film on a minute sphere by an element alone, and this accuracy is low. This also affects the accuracy of element placement.

さらに、溶融して素子を接合した場合には、球であるため当然、球体間には樹脂の無い空間が存在する。溶融接合した場合には、これらが空間に閉じ込められることになるが、素子間に空気の存在はインピーダンスの極端な違いにより反射を生じるため、実使用には大きな課題である。   Further, when the elements are joined by melting, since they are spheres, there is naturally a space without resin between the spheres. In the case of fusion bonding, these are confined in a space, but the presence of air between elements causes reflection due to an extreme difference in impedance, which is a big problem in actual use.

また、記載はされていないが、圧電素子を駆動させる上で必須となる電極を素子上に形成させる必要があるが、一旦、樹脂をコートしてしまった素子から、そのコートした樹脂の一部を互いの素子間にある樹脂に影響を与えずに剥離することは難しく、素子間の配置に歪みを生ずることは必須である。   In addition, although not described, it is necessary to form an electrode necessary for driving the piezoelectric element on the element, but from the element once coated with the resin, a part of the coated resin Is difficult to peel off without affecting the resin between the elements, and it is essential to cause distortion in the arrangement between the elements.

上記の課題のいずれもが、超音波ビームの精度に影響するが、これらのプロセス上の課題を解決することによって文献2のアイデアを実現するには、非常に高度の技術を要するだけでなく、高コストが生じることが予想される。   All of the above issues affect the accuracy of the ultrasonic beam, but not only a very high level of technology is required to realize the idea of Document 2 by solving these process issues, High costs are expected to occur.

本発明は、文献2に見られる手法とは異なり、より簡便な方法で素子を配置し、電極を形成する。   In the present invention, unlike the technique found in Document 2, elements are arranged by a simpler method to form electrodes.

およそ直径200μmの真球に加工したPZT(5)を所定の配列で複数の孔を設けた基板(6)のそれぞれの孔に並べて得られる構造が基本構造となる。   A basic structure is a structure obtained by arranging PZT (5) processed into a true sphere having a diameter of approximately 200 μm in each hole of the substrate (6) provided with a plurality of holes in a predetermined arrangement.

さらに、圧電素子間の空隙に樹脂(7)を流し込み、それぞれの素子を固定した後、圧電素子の上下に導電ペーストによって電極(8)を設け、スクリーン印刷などで配線を施す。   Further, a resin (7) is poured into the gaps between the piezoelectric elements, and the respective elements are fixed. Then, electrodes (8) are provided on the upper and lower sides of the piezoelectric elements with conductive paste, and wiring is applied by screen printing or the like.

さらに、整合層を接合し、圧電の電極に所定の電圧をかけることで素子の分極を実施する。   Furthermore, the matching layer is bonded, and the device is polarized by applying a predetermined voltage to the piezoelectric electrode.

始めから分極した圧電体を用いないのは、切断した個々の素子片の分極方向が配列時に揃わないからである。素子を球状にしたのは、個々の素子片を配列させた時に形状的な方向性に配慮する必要がないからである。   The reason why the piezoelectric body polarized from the beginning is not used is that the polarization directions of the individual cut element pieces are not aligned at the time of arrangement. The reason why the elements are made spherical is that it is not necessary to consider the shape directionality when the individual element pieces are arranged.

PZT球体については、一旦バルクで平面状に形成したものを所定のブロックサイズに切断し、それらを物理的に球体に加工(球体研磨)したものを用いているが、型内焼成など、真球を形成する効率的な手法があれば、特にプロセスにはこだわらない。   As for PZT spheres, those that have been once formed in bulk in a flat shape are cut into a predetermined block size and then physically processed into spheres (sphere polishing). If there is an efficient method of forming the process, it does not stick to the process.

また、球体の素材は必要な感度が得られること、また球体に加工ができることが条件であり、それらを満たせば、必ずしもPZTが材料である必要はない。   The material of the sphere is required to obtain the required sensitivity and can be processed into a sphere, and PZT does not necessarily have to be a material as long as these conditions are satisfied.

医療用超音波プローブとしてではなく、空間のセンサーとして機能させる場合には、素子は200μmではなく、より大きなサイズ、例えば1mm程度にした方が望ましい。なぜなら、出力感度が高まり、音波の到達距離がより得られるからである。このサイズについては、対象とする物体のセンシング精度や、感度などを考慮して決めれば良い。   In the case of functioning not as a medical ultrasonic probe but as a spatial sensor, it is desirable that the element has a larger size, for example, about 1 mm, instead of 200 μm. This is because the output sensitivity is increased and the reach of sound waves can be obtained more. This size may be determined in consideration of the sensing accuracy and sensitivity of the target object.

医療用としても、200μmにこだわる必要はなく、必要な感度や精度に基づき、サイズを設計すればよい。   Even for medical use, it is not necessary to stick to 200 μm, and the size may be designed based on the required sensitivity and accuracy.

球体を固定する素子間に充填する樹脂材料(7)には、素子間のクロストークを減衰させる効果も有しているため、支持効果に優れ(すなわち剛性を有し)かつ減衰効果に優れた高内部損失素材を用いるのが望ましい。   The resin material (7) filled between the elements for fixing the sphere also has an effect of attenuating crosstalk between the elements, so that it has an excellent support effect (that is, has rigidity) and an excellent attenuation effect. It is desirable to use a high internal loss material.

球体素子(5)間に樹脂(7)を充填させる前に、個々の素子を保持する方法としては、基板(6)の逆方向からバキュームし、吸引力により一時的に孔に固定させる方法が望ましい。   As a method of holding individual elements before filling the resin (7) between the spherical elements (5), a method of vacuuming from the opposite direction of the substrate (6) and temporarily fixing them to the holes by suction force is available. desirable.

配線については、各々の球体圧電の上下に電極(8)を設け、それぞれにプラス/マイナスの逆位相電位を与える必要があるが、素子数が多く、素子間が狭いばあいなど、互いの素子の配線が交差してしまう場合には、立体配線を実施するのが望ましい。立体配線は、バッキング材料の内部に形成してもよいし、圧電の表側に形成してもよい。また一方の電極をすべての素子、(または複数の素子をグループ化した単位)で共通化させたグランドとして、いわゆる「ベタ配線」を実施しても構わない。この電極材料が、圧電側にある場合には、それが整合層の一部を形成していても構わない。   As for wiring, it is necessary to provide electrodes (8) above and below each spherical piezoelectric element and to apply a plus / minus reverse phase potential to each of them. It is desirable to implement a three-dimensional wiring when these wirings intersect. The three-dimensional wiring may be formed inside the backing material or may be formed on the front side of the piezoelectric. In addition, so-called “solid wiring” may be performed by using one electrode as a ground that is shared by all elements (or a unit in which a plurality of elements are grouped). If this electrode material is on the piezoelectric side, it may form part of the matching layer.

配線を形成する手法は、導電ペーストを用いてスクリーン印刷やインクジェット型の印刷機を用いることが望ましい。導電ペーストについては、電圧の負荷による破壊を防ぐために、できるだけ抵抗成分の小さなナノ銀ペーストやナノ銅ペースト、ナノ金ペーストなどを用いるのが望ましい、これらは、低温焼成ができる素材でもあり、基板に熱的な負荷がかからないためその面でも望ましい。   As a method for forming the wiring, it is desirable to use screen printing or an ink jet type printing machine using a conductive paste. As for the conductive paste, it is desirable to use nano silver paste, nano copper paste, nano gold paste, etc. with a resistance component as small as possible to prevent breakdown due to voltage load. This is also desirable because it does not apply thermal load.

その他にも抵抗成分の小さな配線用素材があれば、前記に上げた材料にこだわることはない。   In addition, if there is a wiring material having a small resistance component, the above-mentioned materials are not particular.

整合層については、素子基板ごと整合層の機能を付与する材料を塗工積層させるような形成法をとるのが望ましいが、従来の工法通りに整合層を形成するフィルム素材を基板に貼りつけても構わない。   As for the matching layer, it is desirable to adopt a formation method in which a material that provides the function of the matching layer is applied and laminated together with the element substrate, but the film material that forms the matching layer is pasted on the substrate as in the conventional method. It doesn't matter.

素子を配置するために設ける基板の孔については、マイクロブラスト手法を用いることで、すり鉢状の孔を精密に設けることができるが、エッチングやドリルを用いた加工など同様に精密な孔が所定の通り形成できれば特に手法を選ばない。   With respect to the holes in the substrate provided for arranging the elements, a mortar-shaped hole can be precisely formed by using the microblast method. However, a precise hole such as etching or processing using a drill is predetermined. Any method can be used if it can be formed.

本発明にかかる超音波探触子によれば、球状の圧電素子を所定の細孔を設けた基板に配置し、スクリーン印刷や精密塗工などにより電極や配線、素子間の重点素子や整合層などを設けることで、従来の圧電からなる平板をダイシングによって素子化することに比較して、タクトタイムが短縮される安価な工法であり、かつ、ダイシングによる素子の破壊などが防止されるため歩留まりについても向上し、商品の低コスト化に貢献することができる。   According to the ultrasonic probe according to the present invention, a spherical piezoelectric element is arranged on a substrate provided with predetermined pores, and electrodes, wiring, element emphasis elements and matching layers are formed by screen printing or precision coating. This is an inexpensive method that shortens the tact time compared to making a flat plate made of piezoelectric material into an element by dicing, and prevents the destruction of the element due to dicing and the yield. Can also contribute to the cost reduction of products.

従来の超音波探触子の断面図Cross-sectional view of a conventional ultrasonic probe 本発明における球体圧電を孔を設けたベースに配置した断面図Sectional drawing which arrange | positioned the spherical piezoelectric material in this invention in the base which provided the hole 本発明における球体圧電を重点樹脂によって固着し配線を設けた断面図Cross-sectional view in which the spherical piezoelectric element according to the present invention is fixed by a priority resin and wiring is provided.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態)
平板に形成した厚み300ミクロンのPZT系圧電素子を縦、横、高さ300ミクロン角にダイシングし、研磨して直径200ミクロンの球状の圧電体を得た。
(Embodiment)
A 300-micron-thick PZT piezoelectric element formed on a flat plate was diced into a vertical, horizontal, and 300-micron height and polished to obtain a spherical piezoelectric body having a diameter of 200 microns.

また、別途100ミクロン厚のセラミックス基板に口径150ミクロンの孔をマイクロブラスト製法により、素子間隔を250ミクロンピッチで縦、横10列。計100素子分の細孔を設けた。完全に同じ位置に所定の孔を設けた基板を2枚用意し、それぞれ基板A、基板Bとした。   In addition, holes with a diameter of 150 microns are separately formed on a ceramic substrate with a thickness of 100 microns by a microblast manufacturing method, and element intervals are 10 rows vertically and horizontally at a pitch of 250 microns. A total of 100 pores were provided. Two substrates having predetermined holes provided at exactly the same position were prepared as substrate A and substrate B, respectively.

この細孔を設けた基板Aの裏面にバキュームを取り付け、吸引することで、100素子の球状圧電を細孔にホールドした。   A vacuum was attached to the back surface of the substrate A provided with the pores, and suction was performed to hold the spherical piezoelectric element of 100 elements in the pores.

もう一枚の基板Bの表面側から、スキージを用いて導電性ペーストを孔に充填した。周りに付着した導電ペーストはすべて拭きとった。   From the surface side of another substrate B, the conductive paste was filled into the holes using a squeegee. All conductive paste adhering to the periphery was wiped off.

基板Aをバキュームし、素子をホールドしながら、前記基板Aと基板Bの表面同士を位置合わせしながら、基板Aの球状圧電基板Bの細孔に挿入した。   While the substrate A was vacuumed and the element was held, the surfaces of the substrate A and the substrate B were aligned and inserted into the pores of the spherical piezoelectric substrate B of the substrate A.

この状態で、導電性ペーストを200℃、1時間で十分に硬化させ、粒子を孔に固着させると共に、球の「南半球部分」に電極を形成した。   In this state, the conductive paste was sufficiently cured at 200 ° C. for 1 hour to fix the particles in the holes and to form electrodes on the “southern hemisphere portion” of the sphere.

その後、UV硬化型の高分子樹脂を素子間の隙間に充填し、UVを照射して硬化、素子を固着させた。   Thereafter, a UV curable polymer resin was filled in the gaps between the elements, and cured by UV irradiation to fix the elements.

次に、圧電素子側、すなわち、「北半球部分」全面に、銀ナノペーストを塗工し150℃10分で焼成して電極とした。   Next, a silver nano paste was applied to the piezoelectric element side, that is, the entire surface of the “northern hemisphere”, and baked at 150 ° C. for 10 minutes to obtain an electrode.

裏面には立体配線を行った積層基板を用いたバッキングを正確に位置合わせをしながら添付した。   A backing using a laminated substrate with three-dimensional wiring was attached to the back surface while accurately aligning.

その後、表、裏の前記電極(7)に1kvの電圧をかけ分極を行った。分極は圧電材料のキュリー温度を超えるように200℃程度に加温したシリコンオイル内において実施した。   Thereafter, polarization was performed by applying a voltage of 1 kv to the front and back electrodes (7). The polarization was performed in silicon oil heated to about 200 ° C. so as to exceed the Curie temperature of the piezoelectric material.

最後に、圧電素子側に、整合層材料を所定量塗工し、乾燥、焼成させることで超音波プローブ用トランスデューサを得た。   Finally, a predetermined amount of the matching layer material was applied to the piezoelectric element side, dried and fired to obtain an ultrasonic probe transducer.

このような実施例によって得られた超音波プローブ用トランスデューサのバッキング側と圧電素子側に銀ペースト及び銀ナノペーストで形成した電極を通じてパルス電位を与えることで超音波を送信させることができた。   Ultrasonic waves could be transmitted by applying a pulse potential to the backing side and the piezoelectric element side of the ultrasonic probe transducer obtained in this example through electrodes formed of silver paste and silver nanopaste.

本発明にかかる、超音波プローブはPZTを球型に加工したものを精密に配列して、配線を施し、所定の部材を主にスクリーン印刷や塗工によって形成し、信号の受発信を可能としたものである。これにより、ダイシングにかかる時間がなくなりタクトタイムの縮減につながる。また、ダイシングによる素子破壊による組立工程での歩留まりの向上を図ることができ、コストパフォーマンスに優れたプローブの開発が可能である。この構造及び製造方法は、特に素子がマトリックス配置され、格段に素子数の多くなる2次元アレイプローブにて効果的である。   The ultrasonic probe according to the present invention is formed by precisely arranging PZT processed into a spherical shape, wiring, and forming a predetermined member mainly by screen printing or coating, thereby enabling transmission and reception of signals. It is a thing. This eliminates the time required for dicing, leading to a reduction in tact time. In addition, it is possible to improve the yield in the assembly process due to element destruction due to dicing, and it is possible to develop a probe with excellent cost performance. This structure and manufacturing method are particularly effective in a two-dimensional array probe in which elements are arranged in a matrix and the number of elements is significantly increased.

さらに、本構造では、圧電素子の平板サイズに寄らず大面積化が可能で、超音波医療診断向けにとどまらず、空間用の物体センサーなど多くの分野に応用が可能である。   Furthermore, this structure can increase the area regardless of the plate size of the piezoelectric element, and can be applied not only for ultrasonic medical diagnosis but also in many fields such as an object sensor for space.

1 圧電振動子
2 整合層
3 音響レンズ
4 バッキング
5 球状圧電素子
6 基板
7 圧電素子間の充填材料
8 電極材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator 2 Matching layer 3 Acoustic lens 4 Backing 5 Spherical piezoelectric element 6 Substrate 7 Filling material between piezoelectric elements 8 Electrode material

Claims (9)

PZTを球体に加工し、球体の赤道位置を境界として、南半球、北半球に位置する半球表面の全部または一部に電極を設け、かつ電極を塗工しない絶縁エリアを赤道近傍に設けた素子を配置して形成される超音波プローブ。 PZT is processed into a sphere, with the equator position of the sphere as the boundary, electrodes are provided on all or part of the surface of the hemisphere located in the southern and northern hemispheres, and an element in which an insulating area not coated with an electrode is provided near the equator An ultrasonic probe formed as a result. PZTを球体に加工し、球体の赤道位置を境界として、南半球、北半球に位置する半球表面の全部または一部に電極を設け、かつ電極を塗工しない絶縁エリアを赤道近傍に設けた素子を2次元に配置して形成される請求項1の超音波プローブ。 Two elements are formed by processing PZT into a sphere, providing electrodes on all or part of the surface of the hemisphere located in the southern and northern hemispheres with the equator position of the sphere as the boundary, and providing an insulating area near the equator where no electrode is applied. The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the ultrasonic probe is arranged in a dimension. PZT球体が100〜1000μmの間のサイズである請求項1、2の超音波プローブ。 The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the PZT sphere has a size between 100 and 1000 μm. 素子を配置する基材の加工孔が、所定のテーパーを形成している貫通孔であり、素子を配置する上面の孔の口径は、球体が孔内に完全に埋設しない口径であり、また下面の口径は球体の直径以下のサイズである請求項1、2、3に記載の超音波プローブ。 The processing hole of the base material on which the element is arranged is a through hole forming a predetermined taper, and the diameter of the hole on the upper surface on which the element is arranged is a diameter at which the sphere is not completely embedded in the hole. The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the aperture is a size equal to or smaller than the diameter of the sphere. 素子を配置する加工孔に接着性を有する導電性ペーストを予め充填し、配置した素子を固定すると共に電極の形成を行った請求項1〜4に記載の超音波プローブ。 5. The ultrasonic probe according to claim 1, wherein the processing hole in which the element is arranged is filled with a conductive paste having adhesiveness in advance to fix the arranged element and form an electrode. 配置した球体によって裏面に押し出された導電ペーストが電極用のバンプを形成するように充填量を制御した請求項5の超音波プローブ。 6. The ultrasonic probe according to claim 5, wherein the filling amount is controlled so that the conductive paste pushed out to the back surface by the arranged sphere forms a bump for the electrode. 基材上に配置された複数の球体素子間を樹脂を充填して埋めると共に、基材に設けた口径と同じ直径分が球体の上面に残るように樹脂の充填量を制御した請求項1〜5の超音波プローブ。 The filling amount of the resin is controlled so that the same diameter as the aperture provided in the base material remains on the upper surface of the sphere while filling the space between the plurality of spherical elements arranged on the base material with resin. 5 ultrasonic probes. 配置した球体の上面に一様に導電ペーストを塗工し、電極の形成と配線を同時に実施した請求項7の超音波プローブ。 The ultrasonic probe according to claim 7, wherein the conductive paste is uniformly applied to the upper surface of the arranged sphere, and the formation of the electrodes and the wiring are performed simultaneously. 配置した球体を電極によって複数連結したことを特徴とする請求項1、2の超音波プローブ。 The ultrasonic probe according to claim 1, wherein a plurality of arranged spheres are connected by electrodes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105606141A (en) * 2016-02-29 2016-05-25 汉得利(常州)电子股份有限公司 Omnibearing spherical ultrasonic sensor
CN104237388B (en) * 2014-09-03 2017-02-01 中冶建筑研究总院有限公司 Spherical ultrasonic probe for detecting defects of nonmetal solid material and detection method

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