JP2014131357A - 超音波変換器および他の構成要素の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、超音波変換器等の電気的構成要素の製造のための方法を特徴とする。具体的には、本発明は、例えば、電気回路への超音波変換器の接続の際に、電極をパターン化する方法、金属を表面に堆積させる方法、および、超音波変換器用の統合整合層を作製する方法を提供する。本発明は、また、本明細書において説明される方法によって生産される、超音波変換器を特徴とする。
【選択図】図1
Description
本願は、米国仮特許出願第61/192,661号(2008年9月19日出願)および米国仮特許出願第61/192,690号(2008年9月19日出願)の利益を主張し、両方の出願は、本明細書に参考として援用される。
本発明は、超音波変換器等の電気的構成要素の製造の分野に関する。
一実施形態において、例えば、以下の項目が提供される。
(項目1)
あるパターンで電極を生産する方法であって、該方法は、
(a)第1の複数の電極を備える電気的構成要素を提供するステップと、
(b)該電気的構成要素に近接して第2の複数の電極を備えるコネクタを設置するステップと、
(c)マトリクス材料および粒子材料を含む複合誘電体材料を該第1の複数の電極および該第2の複数の電極上に堆積させるステップであって、該マトリクス材料は、該粒子材料よりも低いフルエンスにおいてレーザ切除される、ステップと、
(d)マトリクス材料を除去して該複合誘電体材料の表面積を増大させるために、該複合誘電体材料の少なくとも一部分をレーザ切除し、該第1の複数の電極および該第2の複数の電極を露出させるために、該複合誘電体材料をレーザ切除し、および該第1の複数の電極の各々から該第2の複数の電極の対応する電極まで該複合誘電体材料の中にトレンチをレーザ切除するステップと、
(e)導電性金属をステップ(d)において切除された領域上に堆積させるステップと、
(f)レジストを該導電性材料上に堆積させるステップであって、該レジストは、該第1の複数の電極、該第2の複数の電極、および該トレンチの上において、他の切除された領域と比較してより厚い、ステップと、
(g)ネガパターンで該導電性金属の一部分を露出させるために、該レジストの一部分を除去し、該パターンで該電極を生産するために、該導電性金属の該露出部分をエッチングするステップと
を含む、方法。
(項目2)
(h)前記エッチングされた導電性属の領域をレーザ切除するステップをさらに含み、それにより、その中の前記複合誘電体材料を除去する、項目1に記載の方法。
(項目3)
ステップ(h)において、前記複合誘電体材料の実質的に全ておよび前記エッチングされた導電性金属の領域の下にある前記構成要素の一部分は、切除される、項目2に記載の方法。
(項目4)
あるパターンで電極を生産する方法であって、該方法は、
(a)圧電層と、積層体の中に所定の深さで延在する複数の第1の切り溝スロットとを備える超音波アレイ変換器積層体を提供するステップであって、該複数の第1の切り溝スロットは、複数の超音波アレイ素子を画定する、ステップと、
(b)該積層体に近接して該複数のアレイ素子の各々のための電気接続を有するコネクタを設置するステップと、
(c)マトリクス材料および粒子材料を含む複合誘電体材料を該積層体の底面および該コネクタの一部分上に堆積させるステップであって、該マトリクス材料は、該粒子材料よりも低いフルエンスにおいてレーザ切除される、ステップと、
(d)マトリクス材料を除去して該複合誘電体材料の表面積を増大させるために、該複合誘電体材料の少なくとも一部分をレーザ切除し、該複数のアレイ素子を露出させるために、該複合誘電体材料をレーザ切除し、および各アレイ素子から該コネクタの中の1つの電気接続まで、該複合誘電体材料の中にトレンチをレーザ切除するステップであって、該切除は、該複数の第1の切り溝スロットを露出させない、ステップと、
(e)導電性金属をステップ(d)において切除された領域上に堆積させるステップと、
(f)レジストを該導電性材料上に堆積させるステップであって、該レジストは、該複数の第1の切り溝スロットと比較して、各アレイ素子およびトレンチの上においてより厚い、ステップと、
(g)該電極のパターンのネガであるパターンで該導電性金属の一部分を露出させるために、該レジストの一部分を除去し、該パターンで該電極を生産するために、該導電性金属の該露出部分をエッチングするステップと
を含む、方法。
(項目5)
(h)前記エッチングされた導電性金属の領域をレーザ切除するステップをさらに含み、それにより、前記複数の第1の切り溝スロットの上の前記複合誘電体材料を除去して、個々のアレイ素子の間にくぼみを作製する、項目4に記載の方法。
(項目6)
(i)個々のアレイ素子の間の前記くぼみをレーザ切除するステップをさらに含み、ステップ(i)は、ステップ(h)よりも高いフルエンスにおいて生じる、項目5に記載の方法。
(項目7)
ステップ(i)の後に前記レジストを除去するステップをさらに含む、項目6に記載の方法。
(項目8)
ステップ(i)の生産品をエッチングするステップをさらに含み、それにより、レーザ切除によって生産される導電性金属バリを除去する、項目6に記載の方法。
(項目9)
前記複数の第1の切り溝スロットは、固体材料で充填され、ステップ(h)において切除される、項目5に記載の方法。
(項目10)
いかなるステップも70℃を超えた状態で生じない、項目4に記載の方法。
(項目11)
ステップ(e)は、前記導電性金属の前に、接着層を堆積させるステップをさらに含む、項目4に記載の方法。
(項目12)
ステップ(g)における前記エッチングは、前記接着層上に堆積させられた前記導電性金属を除去する、項目11に記載の方法。
(項目13)
ステップ(h)における前記レーザ切除は、ステップ(g)によって露出させられた前記接着層を除去する、項目12に記載の方法。
(項目14)
前記導電性金属は、金である、項目11に記載の方法。
(項目15)
前記接着層は、クロムを含む、項目11に記載の方法。
(項目16)
ステップ(g)は、前記導電性金属を切除することに不十分なフルエンスにおいて、前記レジストをレーザ切除するステップを含む、項目4に記載の方法。
(項目17)
前記複数のアレイ素子のピッチは、最大でも100μmである、項目4に記載の方法。
(項目18)
前記複数のアレイ素子のピッチは、最大でも65μmである、項目4に記載の方法。
(項目19)
前記マトリクス材料は、エポキシを含む、項目4に記載の方法。
(項目20)
前記粒子材料は、シリカまたは炭化ケイ素を含む、項目4に記載の方法。
(項目21)
(i)積層体の中に所定の深さで延在する複数の第1の切り溝スロットを備えるアレイ変換器積層体であって、該複数の第1の切り溝スロットは、複数の超音波アレイ素子を画定する、アレイ変換器積層体と、(ii)各アレイ素子用の電極を有するコネクタと、(iii)マトリクス材料および粒子材料を該積層体の底面および該コネクタの一部分上に含む複合誘電体材料であって、該マトリクス材料は、該粒子材料よりも低いフルエンスにおいてレーザ切除される、複合誘電体材料とを備える、超音波変換器であって、
該複合誘電体材料は、該積層体の該底面および該コネクタの一部分の上に配置され、該複合誘電体材料の中のトレンチは、各アレイ素子を該コネクタの該電極のうちの1つに接続し、各トレンチの中に堆積させられた金属は、各能動素子と該コネクタの該電極のうちの1つとの間に電気接続を提供する、超音波変換器。
(項目22)
前記複数の第1の切り溝スロットは、固体材料で充填され、前記積層体の前記底面は、該固体材料の中にくぼみを備える、項目21に記載の変換器。
(項目23)
前記複合誘電体材料、前記トレンチ、および各アレイ素子の少なくとも一部分の上に配置されるバッキング層をさらに備える、項目21に記載の変換器。
(項目24)
前記積層体の頂面に取り付けられる整合層をさらに備える、項目21に記載の変換器。
(項目25)
前記積層体の前記頂面に取り付けられる、レンズをさらに備える、項目21に記載の変換器。
(項目26)
前記アレイ素子は、少なくとも20MHzの中心周波数において動作する、項目21に記載の変換器。
(項目27)
前記複合誘電体層は、アポダイゼーションを提供し、サイドローブの仰角を抑制するために、前記アレイ素子の各々に隣接して傾斜させられる、項目21に記載の変換器。
(項目28)
前記圧電積層体の中に画定される複数の第2の切り溝スロットをさらに備え、各第2の切り溝スロットは、該積層体の中に所定の深さで延在し、各第2の切り溝スロットは、少なくとも1つの第1の切り溝スロットに隣接して位置付けられ、該複数の第2の切り溝スロットは、複数のアレイ副素子を画定する、項目21に記載の変換器。
(項目29)
超音波整合層を形成する方法であって、該方法は、
(a)圧電層を備え、頂面および複数のアレイ素子を有する音響アレイ変換器積層体を提供するステップであって、該頂面は、該複数のアレイ素子の上に配置されない複数のスペーサを備える、ステップと、
(b)頂面および底面を有するレンズアセンブリを提供するステップと、
(c)該レンズアセンブリの該底面を該複数のスペーサと接触させるステップと、
(d)該超音波整合層を形成するために、該変換器積層体の該頂面と該レンズアセンブリの該底面との間で接着剤を硬化させるステップであって、該接着剤は、該レンズアセンブリの該底面および該変換器積層体の該頂面に接合し、該複数のスペーサに起因する該変換器積層体の該頂面と該レンズアセンブリの該底面との間の距離は、超音波整合層に対して適切である、ステップと
を含む、方法。
(項目30)
前記レンズアセンブリは、レンズと、該アセンブリの前記底面を形成する第2の整合層とを備える、項目29に記載の方法。
(項目31)
前記レンズは、RexoliteまたはTPXを含む、項目30に記載の方法。
(項目32)
前記第2の整合層は、シアノアクリレートを含む、項目30に記載の方法。
(項目33)
前記第2の整合層は、前記レンズに直接的に接着する、項目30に記載の方法。
(項目34)
前記変換器積層体は、該積層体の中に所定の深さで延在する複数の第1の切り溝スロットをさらに備え、該複数の第1の切り溝スロットは、前記複数のアレイ素子を画定する、項目29に記載の方法。
(項目35)
前記変換器積層体は、前記圧電層とステップ(d)の前記整合層との間に配置される第3および第4の整合層をさらに備える、項目29に記載の方法。
(項目36)
頂面および底面を有するレンズアセンブリと、頂面および底面を有するアレイ変換器積層体と、該レンズアセンブリの該底面および該変換器積層体の該頂面に接着する整合層と、を備える超音波変換器であって、該変換器積層体は、圧電層と、複数のアレイ素子とを備え、該変換器積層体の該頂面は、該複数のアレイ素子の上に配置されない複数のスペーサを備え、該レンズアセンブリの該底部は、該複数のスペーサに接触している、超音波変換器。
(項目37)
前記変換器積層体は、該積層体の中に所定の深さで延在する複数の第1の切り溝スロットをさらに備え、該複数の第1の切り溝スロットは、前記複数のアレイ素子を画定する、項目36に記載の変換器。
(項目38)
前記圧電積層体の中に画定される複数の第2の切り溝スロットをさらに備え、各第2の切り溝スロットは、該積層体の中に所定の深さで延在し、各第2の切り溝スロットは、少なくとも1つの第1の切り溝スロットに隣接して位置付けられ、該複数の第2の切り溝スロットは、複数のアレイ副素子を画定する、項目37に記載の変換器。
(項目39)
前記レンズアセンブリは、レンズと、該アセンブリの前記底面を形成する第2の整合層を備える、項目36に記載の変換器。
(項目40)
前記レンズは、RexoliteまたはTPXを含む、項目39に記載の変換器。
(項目41)
前記第2の整合層は、シアノアクリレートを含む、項目40に記載の変換器。
(項目42)
前記第2の整合層は、前記レンズに直接的に接着する、項目39に記載の変換器。
(項目43)
前記変換器積層体は、前記圧電層と、前記レンズアセンブリの前記底面に接着する前記整合層との間に配置される第3および第4の層をさらに備える、項目36に記載の変換器。
(項目44)
前記アレイ素子は、少なくとも20MHzの中心周波数において動作する、項目36に記載の変換器。
(項目45)
各アレイ素子用の電極を有するコネクタと、マトリクス材料および粒子材料を前記積層体の底面および前記コネクタの一部分上に含む複合誘電体材料とをさらに備え、該マトリクス材料は、該粒子材料よりも低いフルエンスにおいてレーザ切除され、
該複合誘電体材料は、該積層体の該底面および該コネクタの一部分の上に配置され、該複合誘電体材料の中のトレンチは、各アレイ素子を該コネクタの該電極のうちの1つに接続し、各トレンチの中に堆積させられた金属は、各能動素子と該コネクタの該電極のうちの1つとの間に電気接続を提供する、項目37に記載の変換器。
(項目46)
表面上に材料を堆積させる方法であって、該方法は、
(a)マトリクス材料と、粒子材料とを含む複合誘電体基板を提供するステップと、
(b)該複合基板の表面をあるフルエンスにおいてレーザ切除するステップであって、該フルエンスは、該複合基板の表面よりも大きい表面積を有する切除された表面を形成するために、該マトリクス材料を切除することには十分であるが、該粒子材料には十分でない、ステップと、
(c)該材料を該切除された表面上に堆積させるステップであって、該切除された基板への該材料の接着強度は、切除されていない基板への該材料の接着強度よりも大きい、ステップと
を含む、方法。
(項目47)
前記マトリクス材料は、ポリマーを含む、項目46に記載の方法。
(項目48)
前記粒子材料は、シリカまたは炭化ケイ素を含む、項目46に記載の方法。
(項目49)
ステップ(c)の前記材料は、金属または接着剤である、項目46に記載の方法。
(項目50)
ステップ(c)の前記材料は、金であり、前記方法は、ステップ(c)の前に接着層を適用するステップをさらに含む、項目47に記載の方法。
本発明は、例えば金属またはエポキシ等の接着剤の薄膜といった表面への材料の接着のための、改良された方法を提供する。方法は、複合材料の基板の使用を伴う。複合材料は、マトリクス材料と、粒子材料とを含み、マトリクス材料は、粒子材料よりも低いフルエンスで切除する。この基板が適切なフルエンスで切除されるときにマトリクス材料が除去されるが、粒子材料は、粒子を包囲している全てのマトリクス材料が除去されない限り保持される。プロセスの結果は、マトリクス材料および部分的に露出する粒子材料の組み合わせによって形成される、高度な3次元表面である。新しい形態の表面積は、切除されていない表面と比較して、大幅に増大される。次いで、金属または接着剤等の材料が、切除された表面に堆積させられ、切除によって作製される形態のため、接着が増大される。改良された接着は、好ましくは、切除されていない領域の中の材料の層間剥離を伴わずに、選択された領域の中の材料の後の切除を可能にする。例示的なマトリクス材料は、エポキシ等のポリマーであり、例示的な粒子材料は、シリカおよび炭化ケイ素である。堆積のための例示的な金属は、金である。また、従来技術において公知のように、金等のある種の金属について、例えばクロムを含有する接着層が堆積させられてもよい。方法の条件および使用の実施例を、本明細書に提供する。
本発明はまた、電極をパターン化するための方法を提供する。このプロセスは、金属化ステップ(最高温度60〜70°以下)に耐えることができる任意の電気的構成要素を、可撓線または他の回路基板型の構成要素に直接的に接続するために使用することができる。この方法は、X、Y、およびZにおけるmmスケール距離にわたって5μmより小さい特徴を作製するために使用することができる。
本発明はまた、統合整合層を作製するためのプロセスを特徴とする。高周波応用の場合、超音波アレイを集束させるためのレンズは、しばしば、別個の部品として製造し、これを変換器に取り付けなければならない。高周波では、レンズを取り付けるための接着剤の使用は、あらゆる接合線を、20MHzの場合は約1μm未満まで低減する、また、より高い周波数に対して薄くするという必要性によって難しくなる。そのような接合線を生産することは、以下のような課題を提示する。i)接着剤の中の小さい、概して球状の空洞が平坦に押しつぶされるときに、大きい空洞が作製される。このような空洞は、表面上か、または接着剤の中の小さい閉じ込められた空洞からの、濡れ性の問題に起因する可能性がある。ii)接合線をこのような寸法に押しつぶすことは、接着剤の中の分子の移動性を妨げ、性能を損なう可能性がある。iii)接合線を適切な寸法に押圧するために、接合される2つの部品の間から余剰の接着剤を追い出さなければならない。接合の厚さが減少するにつれて、接着剤内の剪断力を克服するために必要とされる力は、接合厚さとともに非線形に増大し、積層体および/またはレンズ材料の力バジェットを迅速に超える可能性がある。接合線が積層体に対するいかなる悪影響も有さないことを確実にするために、本発明は、接合線を整合層の中に作製する方法を提供する。このアプローチは、極薄層の必要性を排除し、したがって、上述の懸念を解消する。
本発明は、本明細書で説明される方法で生産することができる超音波変換器に関して、さらに説明する。圧電層と、整合層と、レンズと、バッキング層とを含む、変換器積層体の構成要素は、従来技術において公知であり、米国特許第7,230,368号、米国特許公報第2007/0222339号、米国特許公報第2007/0205698号、および米国特許公報第2007/0205697号で説明されている。
可撓性回路は、超音波アレイの面に対して45度傾斜した面上に設置され、可撓線の各フィンガーは、対応するアレイ素子とともに並べられる。アレイの各側部に1つずつある、2つの可撓線部品は、各可撓線がアレイのピッチの2倍であるように千鳥状にされる。可撓線は、この位置に恒久的に取り付けられる。アセンブリ全体は、可撓線フィンガーの全てを覆うシリカ粒子充填エポキシで充填される。エポキシは、アレイの全てにわたって滑らかな内部プロファイルを形成するように成形され、よって、一方の表面から他方へのいかなる突然の遷移もない。
図4−23は、前述の変換器積層体を準備して、変換器積層体を回路基板に動作可能に連結する、方法論を示す。以下に説明される実施形態のいずれかは、概して、本発明の任意の方法とともに採用されてもよい。
本出願の全体にわたって、様々な刊行物が参照される。これらの出版の開示は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
特に明示的に記述されていない限り、本願明細書に記載されたあらゆる方法が、そのステップを特定の順序で実行する必要があるものとして解釈されることを意図していない。したがって、方法クレームは、そのステップが従うべき順序を実際に列挙していない場合、または特にステップを特定の順序に限定する旨が請求項または説明に記述されていない場合、いかなる側面においても、順序が推測されることを意図していない。これは、ステップまたは動作フローの配列に関する論理的事項、文法構成または句読点に由来する平易な意味、および明細書に記載された実施形態の数または種類を含む、解釈のためのあらゆる可能な表現されていない基準にも当てはまる。
Claims (1)
- 本願明細書に記載された発明。
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