TW201505609A - 高頻超音波探針 - Google Patents

Abstract

一種高頻率換能器探針，包括在其上有多個換能器元件的基板以及被一個或多個通孔電耦合至支撐基板的導電結構的接地層。該導電結構電耦合至擁有與換能器元件耦合的導體的印刷電路的接地層。

Description

高頻超音波探針

對相關申請的交互引用 本申請主張2013年5月24日提交的美國臨時申請No.61/827,524，名為“HIGH FREQUENCY ULTRASOUND PROBE”的權益及優先權，該申請以引用的方式全部併入本申請中。

該公開技術主要涉及超聲波換能器以及醫療診斷成像領域。更具體地，該公開技術涉及高頻超聲波換能器和相應的組裝方法。

超聲波換能器提供一種將電能轉換成聲能的方法，反之亦然。當電能是射頻信號的形式時，恰當設計的換能器可產生與驅動電射頻信號相同頻率特性的超聲波信號。診斷超聲波信號通常被用於低於1 MHz至大約10 MHz範圍的中心頻率。本領域技術人員將明白這種頻譜提供了一種解析度從幾毫米(mm)至一般大於300 um以及深度從幾mm至幾十釐米(cm)的生物組織成像的手段。

高頻超聲波換能器通常是擁有高於15 MHz且範圍超過60 MHz中心頻率的超聲波換能器。高頻超聲波換能器提供更高的解析度但限制了最大的穿透深度，同樣地它提供了一種從零點幾毫米至超過3釐米的深度和從20 um至300 um解析度的生物組織成像的手段。

當使用傳統診斷超聲波換能器運行在低於10 MHz的頻率時，眾多與製造高頻超聲波換能器相關的挑戰不會出現。本領域技術人員將明白結構通常會根據頻率的倒數按比例縮小，所以50 MHz的換能器的結構會比5 MHz的換能器的結構小10倍。在一些情形中，材料或者技術不能按比例縮小至要求的尺寸或形狀，或者這樣做它們就會失去它們的功能，因此需發展或適應新的技術以實現高頻超聲波換能器。在其他一些情形中，當處理與高頻超聲波換能器（HFUS）有關的更高射頻電子和聲學信號時，也有著全新要求。

射頻電力互連要求運用一些傳輸線的形式以有效地包含圍繞信號和接地導體的磁場。本領域技術人員會認識到根據被傳輸的頻率，需運用導體的長度、電阻抗匹配和遮罩技術以達到最佳效果。本領域技術人員會進一步認識到在較低診斷頻率時，對於超聲波系統和換能器設計者而言，這種互連已經得到高度發展且存在大量的選擇。這種互連通常由如下一些元件組成：第一是連接至超聲波系統的連接件，通常由大尺寸的零插入力（ZIF）類型或其他大尺寸的連接器組成；第二是從該系統連接器延伸至換能器的電纜（通常是微共軸的傳輸線）；第三是通常包括連接器和/或印刷電路板且位於在電纜和換能器之間的介面；最後是從連接器或電路板至每一個換能器元件的介面。這種典型的元件組在工業上可輕易獲得，並和其多種改型一起被成功運用于傳統診斷頻率超聲波換能器上。

本領域技術人員可以認識到這些元件中的一部分易於改變尺寸以達到與HFUS相關的更高頻率而其他的卻不能。微共軸傳輸線非常適合與HFUS相關的更高頻率，以及許多的工業標準連接器技術方案在終端系統也同樣適用。進一步地，本領域技術人員知道印刷電路板可被設計成工作在比HFUS要求的頻率高數量級的頻率。將高頻超聲波換能器與超聲波系統電力互連的挑戰主要在於使電力連接至HFUS陣列的實際元件的手段。這些元件非常小、易損壞且經常被限制在嚴格的熱預算內以至於傳統微電力互連技術並不適合HFUS換能器。例如引線鍵合、低溫焊接和ACF粘合劑是互連至傳統診斷頻率換能器時被廣泛採用的技術。但是這些技術存在著一些限制使得他們通常不適合使用在HFUS換能器上。例如，本領域技術人員會認識到互連的引線鍵合在間距小於100 um時是具有挑戰性的，間距小於50 um時變得幾乎不可能。當處理溫度被限制在小於攝氏100度時，引線鍵合甚至會更加具有挑戰性。此外當基板厚度小於100 um時，與引線鍵合相關的機械力會成問題。對於15 MHz至50 MHz中心頻率範圍的換能器，適合製造HFUS換能器的一般壓電材料必須薄約100 um至低於30um。當嘗試引線鍵合時，這些薄基板會破碎。間距低於200um時，ACF膠帶和其他非對稱導電粘合劑系統不適合用於高可靠性地連接，並且通常需要需要超過攝氏120度的熱預算，本領域技術人員會知道，這將對於一些與製造HFUS換能器材料相關的材料而言是有困難的。

一些HFUS換能器現在採用基於薄導電箔製成的銅電極的接地系統電力連接至換能器的正接地層（透鏡側），並且從堆疊的側邊伸出並環繞至柔性電路接地層。

這種方法的主要挑戰在於該透鏡與壓電材料的接地層的間隔。在導電箔設計中，該間隔等於在壓電基板和透鏡之間的匹配層的厚度，例如，在三匹配層設備中，四分之三波長匹配層或大約在50 MHz時30 um至20 MHz時的70 um(作為參考，通常打印紙的厚度為100 um)。這需要使用非常薄的箔利用非常薄的導電性環氧樹脂膠粘接層粘貼至陣列接地層。在隨後的拋光和粘合劑/清洗程式中保存該箔的機械完整性是非常具有挑戰性的。也可運用其他方法以允許使用更厚的箔，但是箔的第二個限制是由於與彎曲導電箔相關的力隨著箔變厚而增強，會有使透鏡分層的風險。

最後，本領域技術人員會認識到該導電箔技術需要接地電極沿邊緣伸出堆疊結構，使得對該設備的電隔離富有挑戰性，特別是當需要BF或CF醫療設備評級時。針對這些問題，需要改進連接至高頻超聲波換能器元件的技術。

正如在下文將會被進一步詳細討論，該公開技術涉及一種發送和接收高頻超聲波信號的高頻超聲波探針和組裝該探針的方法。該探針包含多個高頻換能器的基板，高頻換能器外表面有接地電極以及在相反的、每個高頻換能器內表面的單獨連接的信號電極。該探針同樣包括沿著換能器基板材料周界做出的多個通孔，通孔與位於包含陣列換能器的基板的正外側的接地電極電力連接。該探針進一步包括至少部分導電且其熱膨脹係數（CTE）與換能器基板的CTE高度匹配的支撐結構。

為解決上述問題，在此被公開的技術涉及高頻超聲波換能器。正如在下文將會進一步詳細的討論，與該公開技術一致的超聲波探針的實施例包括與被用於製作換能器元件陣列的材料的整體熱膨脹係數高度匹配的混合支撐結構。這允許支撐結構在連接至換能器基板時不會在超聲波換能器經常可見的熱偏差中引起過多的壓力或拉力。

在圖1所示的實施例中，高頻超聲波換能器100包括換能器元件線性（或其他形狀）陣列102，包含多個在超聲波系統（未顯示）和陣列超聲波換能器元件之間傳遞射頻信號的傳輸射頻傳輸線的線束104和多個位於射頻傳輸線和陣列換能器元件之間的電力互連。一機械外殼（未顯示）將一些或全部超聲波換能器探針組裝中包括的元件封裝，例如陣列換能器元件、聲堆疊和透鏡以及至線束的電力互連。

在一實施例中，在換能器元件102和線束104的傳輸線之間的電力互連是根據鐳射-蝕刻-鐳射（LEL）方法做出的，該工藝在美國專利No.8,316,518和美國專利申請No.13/657,783中被描述，以全文引用的方式被合併在此。

如在'518號專利中所描述，在換能器元件和柔性電路或線束上的導體之間的電力互連是採用粒子（例如：二氧化矽）填充的環氧樹脂塗覆導體和換能器元件。位於換能器元件上方的區域外露並採用低能量鐳射在環氧樹脂上導體所需的位置製造出溝槽。隨著柔性電路的部分增多而增加雷射脈衝的數量以深入至柔性電路上的銅導體。溝道環氧樹脂和換能器元件採用例如金的導體濺射鍍膜，然後在金上塗覆抗蝕劑。隨後利用低能量鐳射在金即將被移除的區域移除該抗蝕劑。隨後採用濕法蝕刻方法在一些不需要金導體的區域移除大部分金導體。採用高能量鐳射移除任何剩下的金。位於需要導體的區域的抗蝕劑隨後被化學溶解。

FUJIFILM Sonosite, Inc.（本發明的受讓人）開發了鐳射-蝕刻-鐳射（稱為LEL）方法，其可以在間距小於10 um,熱預算小於攝氏80度下，將標準柔性PCB連接至超聲波陣列堆疊。基於LEL的技術目前被用於所有間距範圍從90 um至38 um的VSI設計陣列中，且在該領域中被證明是十分可靠的。

在一實施例中，兩個柔性電路104連接至換能器陣列的任意一邊。一電路有連接奇數個換能器元件的導體，另一電路有連接偶數個換能器元件的導體。每一個印刷電路都有著間距是陣列間距兩倍的導體。

在'783號專利申請中描述的技術是相似的，除了當位於柔性電路的不同層上的導體間隔比相鄰電子元件的間距隔得很遠時採用階梯式柔性電路。將柔性電路上的導體交織以使得在更小的間距下可連接以及在印刷電路板的同一層的所有導體都可被連接。

雖然換能器探針的公開實施例包括使用LEL技術的電力互連，本領域技術人員會認識到如果間隔和熱預算允許的話，陣列的信號電極和導線束的傳輸線之間的電力互連可採用其他方法。

在此描述的示例性的高頻超聲波探針是為解決採用擁有至少約15 MHz至大約50 MHz或更高的中心頻率的高頻超聲波換能器進行診斷成像時面臨的數個技術挑戰中的一個而特別設計的。本領域技術人員會理解雖然為製作中心頻率在大約1 MHz和10 MHz之間的傳統換能器探針而使用的一些先進技術會擴大到更高的頻率，但其他的技術則不會擴大到更高頻率。本領域技術人員同樣會瞭解到射頻傳輸線和接地技術必須為了設備的頻率和物理尺寸而正確地設計以提供最優的功能，例如將不需要的電反射最小化，最大化信噪比（SNR）以及提供射頻遮罩。

除了關於將每個元件電力連接至傳遞驅動信號至換能器的導體的挑戰外，也需要向陣列提供良好的射頻接地和足夠的遮罩。本領域技術人員會理解包含例如陣列HFUS換能器的多個元件的射頻設備的電氣接地需要接地導體的特殊性能以保證在元件之間的低串擾，高信噪比和良好的抗干擾度以及保證良好的信號完整性的寬頻帶性能。接地電流必須通過低阻抗的導電層而非導線，以從相鄰的元件中運送出，因為電感會引起無法預測的行為以及接地反彈會在溝道間產生不需要的串擾。此外，本領域技術人員將會認識到需考慮控制阻抗傳輸線和阻抗匹配，以及電磁波遮罩，這兩者都會影響良好的射頻接地設計。

在此描述的示例性的實施例中，使用微機械加工的通孔和接地層以在高頻超聲波換能器中產生低阻抗、高品質的射頻接地。根據公開技術製造的高頻超聲波換能器探針有著電力和空間高效，且機械上和熱力上都穩固的高品質、低阻抗的射頻接地。本領域技術人員會認識到在每一個掃描頭的換能器可以包括由絕緣機電驅動器組成的基板材料，例如但不局限於壓電陶瓷材料或弛豫鐵電體材料，鄰近該驅動器一面的接地電極和鄰近相反面的信號電極，使得可施加或測量穿過機電驅動器厚度的電場。本領域技術人員會理解換能器基板可由複合材料組成，該複合材料基於在被動介電材料矩陣內以有利模式排列的合適的機電驅動材料，例如環氧樹脂類的聚合物，以產生擁有驅動器和矩陣材料的複合特性的聲學換能器。本領域技術人員會進一步理解這種方法可容易地被應用於任何合適的由介電材料組成且具有製作通孔的邊界區域，或者被介電材料或絕緣材料包圍並通過該材料可製作通孔的換能器基板。

在優選實施例中，接地電極對陣列中所有換能器元件是公共的，接地電極位於換能器和形成換能器的基板的遠端面。圖4和圖5說明了換能器基板120，換能器元件102在其內形成。基板的一面（例如：外表面）覆蓋有導電性材料122，例如金。基板120含有多個圍繞基板周界的通孔124。這些通孔內部被電鍍以使得在基板外表面的導電性材料122與在含有傳輸線以驅動換能器元件的柔性（或其他）電路上的接地層電接觸。

導電性材料122形成由一個或多個匹配層和透鏡組成的聲學堆疊所覆蓋的公共接地電極。圖15顯示了包括基板120、通孔124、位於基板上方的匹配層126、位於匹配層126上的透鏡128以及將這些元件固定的導電結構130的組裝超聲波探針的橫截面圖。

在示例性的實施例中，由導電性材料122形成的接地層被顯示位於陣列換能器的遠端面並且是穿過整個換能器陣列的公共接地層（見圖4和圖10）。公共層電極提供了接地的低阻通路並且為位於陣列近端面的信號電極提供射頻遮罩。位於換能器基板遠端面的接地層通過位於圖4至圖7顯示的沿著基板120的周界多個導電性通孔24電力連接至導電結構130（圖3）。

導電性通孔124通過在換能器基板120上做出兜孔而形成，然後將電極材料沉積在陣列換能器的整個外表面，且如圖4和圖5顯示地統一塗覆通孔槽124的內表面。通過可微機械加工陶瓷的方法製作出兜孔，例如反應離子蝕刻、鐳射蝕刻或傳統微機械加工。在示例性的例子中，鐳射機械加工的通孔124在兜孔內有略微錐形的壁以防止在兜孔壁的金屬電極沉積中的遮蔽。然後通孔124的兜孔被填滿導電性材料，例如導電性環氧樹脂，或其他任何可粘附兜孔內表面的導電性材料（見圖6）。最後，在陣列換能器的處理中，換能器基板120變薄至要求的尺寸以在換能器中達到要求的超聲波共振，例如對50 MHz的換能器大約是30 um。

通過確保兜孔比換能器基板的厚度深，當換能器基板變薄至如圖7顯示的最終尺寸時最終實現通孔124。通過在填充導電性材料之前金屬化通孔，可確保導電性填充材料的膨脹/收縮不會導致圍繞通孔124周界的微破裂。

隨後採用導電性粘合劑將導電結構130粘至換能器基板的近端面，以使得混合錐形支撐的暴露的導電性底面覆蓋暴露的導電性通孔124的上表面（見圖10,11和15）。如可從圖8，圖9和圖11可見，通孔124提供了從基板120的接地層至導電結構130的導電性通路。隨後導電性粘合劑150被用於電耦合導電結構至柔性印刷電路104的接地層107。這保證了在柔性印刷電路上的接地層和混合錐形支撐的導電結構130之間的非常低的電感連接。這也同樣保證了位於換能器基板的內表面的信號電極、混合錐形支撐和PCB板被提供出色遮罩的接地電極完全圍繞。

導電結構130是混合支撐結構的一部分，在此被稱作混合錐形支撐。如圖2所示，該混合錐形支撐由導電性外部結構130和通過包覆成型、粘合劑或其他技術被固定在外部結構上的絕緣嵌入件140組成。絕緣嵌入件140包括引導兜孔142以輔助將印刷柔性電路對齊至陣列換能器（見圖2、3和13）。導電結構130被設計成與換能器基板120的熱膨脹係數高度匹配。在示例性的實施例中，當基板為陶瓷基板，例如PZT或PMN-PT，選擇鉬作為導電結構，和PZT的熱膨脹係數4.7 ppm/℃相比其擁有熱膨脹係數大約為4.8 ppm/℃。根據陣列換能器要經歷的預期熱擾動，更高度匹配的熱膨脹係數可能會變得有些重要，以允許選擇不同的材料。例如，有人也可選擇改造的鎳鐵合金例如因瓦合金(invar)以及其變體以匹配特定材料的熱膨脹係數。其他導電性的材料如基於石墨烯的材料，或者也可是電鍍陶瓷，只要結構的熱膨脹係數與換能器基板在預期熱範圍內高度匹配。

如在圖10中的最佳顯示，接地電極122被進一步延伸穿過導電性支撐結構130至柔性印刷電路板104的接地層107。通過大的表面積連接接地層以保證低阻抗連接至接地層。在示例性的實施例中，採用導電性粘合劑連接導電性支撐結構130至換能器基板120（見圖8至10）接地層122，儘管本領域技術人員會理解可採用其他方法連接導電結構至接地層，例如焊接、導電膠帶和金屬化。

如上述所討論，多個信號電極被沉積在每個換能器的近端面，各自之間互相隔絕以使得陣列中每單個換能器可獨立地連接至發射器/接收器。每個信號電極連接至位於柔性印刷電路板的單層上的信號線，以作為一種在換能器電極和將電信號來回傳遞至超聲波系統的傳輸線之間提供電力互連的手段。如上所描述，固定在導電結構130上的絕緣嵌入件140在換能器元件102和導電結構130之間提供絕緣屏障。

進一步地，在PCB中對電極的鐳射定義的過程中，為保證在不冒險暴露部分導電結構下對信號電極的鐳射微機械加工成為可能，由例如由氧化鋁的陶瓷絕緣體160形成的阻隔帶的薄層在將粘接PCB 104進混合錐形支撐上的兜孔（見圖10和圖11）之前被粘接至PCB 104的背面。該絕緣體用於在對齊錐形支撐之前使柔性PCB變硬和平坦，使得PCB上的信號電極與陣列換能器的對齊更加有效和精確。此外，陶瓷絕緣體可防止在印刷柔性電路的導線和導電結構130之間出現短路。

本領域技術人員會理解環繞陣列換能器結構的整個周界的導電結構將會提供額外的射頻遮罩。進一步地，具有高表面積對體積比的導電性接地結構的使用保證了低電感，且當其被放置在極為貼近所有的陣列信號導體時保證了接地電流的最小阻抗，因此與使用導線連接從換能器接地極至印刷電路接地極相比，這種方式具有更好的雜訊抑制。

由上所述，應當注意到本發明特定的實施例在這裡以示例為目的被描述，但是在不背離本發明精神和範圍的情況下可以做不同的修改。相應地，本發明除了後附的權利要求，並不被限制。

100‧‧‧高頻超聲波換能器
102‧‧‧換能器元件
104‧‧‧線束
107‧‧‧接地層
120‧‧‧換能器基板
122‧‧‧接地電極
124‧‧‧通孔
126‧‧‧匹配層
128‧‧‧透鏡
130‧‧‧導電結構
140‧‧‧絕緣嵌入件
142‧‧‧引導兜孔
150‧‧‧電性粘合劑
160‧‧‧陶瓷絕緣體

在考慮附圖的情形下該發明可能會被更全面地理解，附圖被合併至說明書中並組成說明書的一部分，與說明書一起共同說明該公開技術。 圖1是與該公開技術的實施例一致的被標記的陣列換能器的完全組裝的等距視圖，以說明接地系統的元件； 圖2是與該公開技術的實施例一致的在導電混合支撐結構上方的透視圖； 圖3是與該公開技術的實施例一致的在導電混合支撐結構底部的透視圖； 圖4是與該公開技術的實施例一致的顯示隨後將形成通孔的兜孔和金屬薄膜的換能器基板的透視圖； 圖5是與該公開技術的實施例一致的通兜孔的特寫透視圖； 圖6是與該公開技術的實施例一致的填滿導電性環氧樹脂通兜孔的透視圖； 圖7是與該公開技術的實施例一致的在薄至最終厚度換能器的基板信號側俯視的透視圖，顯示了從基板信號側暴露的最終電鍍和填充的通孔； 圖8是與該公開技術的實施例一致的以說明陣列換能器的組裝完成的元件，顯示了還未連接至導電支撐結構的柔性電路的接地層； 圖9是與該公開技術的實施例一致的以說明完全組裝的陣列換能器，顯示了在柔性電路接地層和導電支撐結構之間以導電粘合劑連接的接地通路； 圖10是與該公開技術的實施例一致的以說明陣列換能器功能部分和接地系統的完全標記的橫截面透視圖； 圖11是與該公開技術的實施例一致的接地系統的橫截面，顯示了從陣列換能器的公共接地層至印刷電路板的接地層的接地導體的直接通路； 圖12是與該公開技術的實施例一致的顯示在陣列換能器某處採用鐳射-蝕刻-鐳射方法進行信號互連的俯視圖； 圖13是與該公開技術的實施例一致的在陣列一端的信號電極的特寫透視圖，顯示了將信號電極與用於傳導接地電流至柔性電路的接地層的支承結構的導電部分隔離開的必要； 圖14是與該公開技術的實施例一致的陣列和信號電極的橫截面的透視圖；且 圖15顯示了信號電極和接地系統都處於恰當位置的陣列換能器的部分橫截面，說明了導電混合支撐結構的絕緣功能。 該專利或申請檔包括至少一幅彩色附圖。附有彩色附圖的專利或者專利申請檔公開的複製件根據請求和繳納必須費用後由專利局提供。

100‧‧‧高頻超聲波換能器

102‧‧‧換能器元件

104‧‧‧線束

130‧‧‧導電結構

Claims (10)

1. 一種高頻超聲波探針，包括：     一導電結構,所述導電結構擁有高度匹配一換能器基板的一熱擴張係數；     一基板，具有多個換能器元件，在所述導電結構內被支撐；     一接地層，位於所述基板上，所述接地層被一個或多個通孔電耦合至所述導電結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述的高頻超聲波探針，進一步包括擁有耦合至所述換能器元件和所述接地層的導體的一或多個印刷電路，其中所述印刷電路的所述接地層電耦合至所述導電結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述的高頻超聲波探針，其中所述印刷電路的所述接地層採用一導電性粘合劑電路耦合至所述導電結構。
4. 如申請專利範圍第2項所述的高頻超聲波探針，進一步包括位於所述印刷電路和所述導電結構之間的一絕緣阻隔帶。
5. 如申請專利範圍第1項所述的高頻超聲波探針，其中所述導電結構包括位於所述導電結構和所述基板之間的一絕緣嵌入件。
6. 如申請專利範圍第1項所述的高頻超聲波探針，其中所述導電結構和所述基板具有相似的一熱擴張係數。
7. 一種超聲波換能器，包括：     擁有多個在其中形成的換能器元件的一基板，其中所述基板擁有一公共接地電極和填滿導電性材料的多個通孔；     所述基板被裝入的一導電結構，其中所述導電結構通過所述通孔電耦合至所述基板上的所述接地電極。
8. 如申請專利範圍第7項所述的超聲波換能器，其中所述基板和所述換能器元件具有相似的一熱擴張係數。
9. 如申請專利範圍第7項所述的超聲波換能器，其中所述通孔位於環繞所述基板的一周界上。
10. 如申請專利範圍第7項所述的超聲波換能器，其中所述導電結構擁有被構造成支撐導體至所述換能器元件的多個傾斜壁。