TW202409599A - 二維超音波換能器及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種二維超音波換能器，包括二軟性電路板以及一聲電轉換元件。此二軟性電路板分別設置於一第一維度及一第二維度上。聲電轉換元件設置於二軟性電路板之間，聲電轉換元件之相對兩側分別設有一導電層以及一匹配層，導電層與二軟性電路板之一於第一維度上相連接，匹配層與二軟性電路板之另一於第二維度上相連接，聲電轉換元件及導電層於第二維度上被分為N等分，且聲電轉換元件及匹配層於第一維度上被分為M等分，以構成MхN個陣元，其中M,N為大於1的正整數。
Description
本發明是有關於一種超音波換能器及其製造方法，且特別是有關於一種二維超音波換能器及其製造方法。
傳統的超音波換能器（或稱為探頭）由一維或二維結構的聲波產生單元（或稱為陣元）來發射超音波訊號以及接收對應於發射超音波訊號的反射超音波訊號。由於傳統的聲波產生單元以複數個焊線與電路板電性連接，電路板上需要預留焊接的區域且焊接的數量非常多，組裝過程複雜，因而可用的陣元數量有限而無法有效增加通道數，且組裝後的聲波產生單元的體積大，也會影響超音波換能器的整體需求。因此，如何改善現有的超音波換能器的結構及其製造方法，以符合實際的需求，為業界亟欲解決的問題。
本發明係有關於一種二維超音波換能器及其製造方法，可在體積小及通道數多的情況下製作出二維超音波換能器，以提高二維超音波換能器的整體需求。
根據本發明之一方面，提出一種二維超音波換能器，包括二軟性電路板以及一聲電轉換元件。此二軟性電路板分別設置於一第一維度及一第二維度上。聲電轉換元件設置於二軟性電路板之間，聲電轉換元件之相對兩側分別設有一導電層以及一導電匹配層，導電層與二軟性電路板之一於第一維度上相連接，匹配層與二軟性電路板之另一於第二維度上相連接，聲電轉換元件及導電層於第二維度上被分為N等分，且聲電轉換元件及匹配層於第一維度上被分為M等分，以構成MхN個陣元，其中M,N為大於1的正整數。其中M、N 數目可等於或不等於，M間隔可等於或不等於N間隔。
根據本發明之一方面，提出一種二維超音波換能器的製造方法，包括下列步驟。形成一聲電轉換元件；分別設置一導電層以及一匹配層於聲電轉換元件之相對兩側；設置一第一軟性電路板於一第一維度上，第一軟性電路板於第一維度上與導電層相連接；切割聲電轉換元件及導電層，使聲電轉換元件及導電層於一第二維度上被分為N等分；設置一第二軟性電路板於第二維度上，第二軟性電路板於第二維度上與匹配層相連接；以及切割聲電轉換元件及匹配層，使聲電轉換元件及匹配層於第一維度上被分為M等分，以構成MхN個陣元，其中M,N為大於1的正整數。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域具有通常知識者在顯而易知的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本申請保護的範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。
請參照第1A、1B、2A及2B圖，其中第1A及1B圖分別繪示依照本發明一實施例的二維超音波換能器100的分解示意圖及組合示意圖，第2A及2B圖分別繪示二維超音波換能器100於第二維度（Y-Y維度）及第一維度（X-X維度）上的剖面示意圖。
根據本發明之一實施例，二維超音波換能器100包括二軟性電路板112、114以及一聲電轉換元件116。此二軟性電路板112、114分別設置於一第一維度及一第二維度上。聲電轉換元件116設置於二軟性電路板112、114之間，聲電轉換元件116之相對兩側分別設有一導電層117以及一匹配層118，導電層117與軟性電路板之一於第一維度上相連接，匹配層118與軟性電路板之另一於第二維度上相連接，聲電轉換元件116及導電層117於第二維度上被分為N等分，且聲電轉換元件116及匹配層118於第一維度上被分為M等分，以構成MхN個陣元101，其中M,N為大於1的正整數。
請參照第1A及2A圖，聲電轉換元件116例如由一壓電元件1161以及二導電材料1162相互堆疊而成，壓電元件1161位於此二導電材料1162之間，導電材料1162例如為厚度為1微米以下的鉻/金或鈦金或1-100微米之銀電極。壓電元件1161可包括由鋯鈦酸鉛（Lead-Zirconate- Titanate；PZT）、PZT陶瓷、單晶鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(lead magnesium niobate-lead titanate；PMN-PT)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚(偏二氟乙烯-共-三氟乙烯)(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)；PVDF -TrFE)及/或其他PVDF共聚物中之一種或多者所組成。壓電元件1161可透過施加外力（壓力）產生電壓（壓電效應）或透過施加電壓產生變形（逆壓電效應）。在本實施例中，透過施加電壓，讓壓電元件1161產生高頻率振動，高頻率震動是一種聲波，如果此聲波的頻率落在超音波範圍(≧20 kHz)，即為超音波振動。相反地，利用壓電元件1161的正壓電效應(機械能轉換電能)即可接收超音波訊號，再將超音波訊號轉換成感測訊號。
此外，導電層117與匹配層118例如為導電銀膠或其他導電物，為了讓換能器100所產生的超音波能可從聲電轉換元件116（例如壓電陶瓷）傳送到物體或是流體中（例如空氣或水)，聲電轉換元件116的聲阻（acoustic impedance）必須與物體或是流體的聲阻匹配才行。例如，導電層117與匹配層118可採用高分子樹脂與粉體混合成的複合材料來降低聲電轉換元件116的聲阻抗特性，使其與物體或是流體的聲阻抗相匹配。
在第1A圖中，第一軟性電路板112設置於聲電轉換元件116的第一維度上，第二軟性電路板114設置於聲電轉換元件116的第二維度上。第一維度例如是X-X維度，第二維度例如是Y-Y維度，兩者可互換。為了更方便瞭解聲電轉換元件116於第一維度及第二維度上的差異，請先參照第2A圖，其中聲電轉換元件116及導電層117於第二維度上被分為N等分，彼此之間具有縫隙（縫隙內填入固化膠材1151或維持空氣縫隙），且第一軟性電路板112在切割聲電轉換元件116及導電層117時也被分為N等分（對應N個第一導線1121），因此，第一軟性電路板112的第一導線1121在第二維度上彼此電性絕緣。此外，匹配層118在切割聲電轉換元件116及導電層117時並未完全切斷（僅有頂部導電匹配層1181被切割，底部匹配層1182保留而彼此相連），使匹配層118在第二維度上仍與第二軟性電路板114的第二導線1141相連接，以使聲電轉換元件116在二個維度上可分別通過第一軟性電路板112與第二軟性電路板114傳輸訊號及接收訊號。上述的頂部導電匹配層1181與底部匹配層1182可為不同匹配材料所組成或不用配置，例如頂部導電匹配層1181通常為導電膠或導電銀膠，而底部匹配層1182通常為高分子樹脂。
接著，請參照第2B圖，聲電轉換元件116及匹配層118於第一維度上被分為M等分，彼此之間具有縫隙（縫隙內填入固化膠材1152或維持空氣縫隙），且第二軟性電路板114在切割聲電轉換元件116及匹配層118時也被分為M等分（導線1141對應複數個訊號導線T與二側接地導線G），因此，第二軟性電路板114的導線1141在第一維度上彼此電性絕緣。此外，導電層117在切割聲電轉換元件116及匹配層118時並未完全切斷（僅有部分匹配層被切割，其餘部分保留而彼此相連），使導電層117在第一維度上仍與第一軟性電路板112的第一導線1121相連接，以使聲電轉換元件116在二個維度上可分別通過第一軟性電路板112與第二軟性電路板114傳輸訊號及接收訊號。
請參照第2A及2B圖，第一軟性電路板112例如具有N條第一導線1121，第二軟性電路板114例如具有M條第二導線1141。此N條第一導線1121與此M條第二導線1141分別連接至聲電轉換元件116之相對兩側的導電層117及該匹配層118。也就是說，此N條第一導線1121分別與分為N等分的導電層117在第二維度上相連接，此M條第二導線1141分別與分為M等分的匹配層118在第一維度上相連接，以構成具有MхN個二維排列的陣元101的超音波換能器100。
在一實施例中，此M條第一導線1121與此N條第二導線1141中至少一者包括接地導線G以及複數條訊號導線T，例如此接地導線G可位於此些訊號導線T之任一側或相對兩側（參見第1A圖）。以20條第一導線1121與28條第二導線1141為例，除了位於第一導線1121外側二邊之接地導線G及/或第二導線1141外側二邊之接地導線G之外，其餘16條第一導線1121及/或其餘24條第二導線1141可為訊號導線T，用以接收來自於聲電轉換元件116的感測訊號或輸入至聲電轉換元件116的電源訊號，接地導線G可減少外電磁場對上述的電源訊號或感測訊號的影響，用以將外來的干擾訊號接地（導入地），以避免干擾訊號進入訊號導線T中。更進一步地，當M條第一導線1121或N條第二導線1141用以收發訊號時，相對壓電元件1161之另一側的導電材料1162則可用以直接或間接地連結M條第一導線1121或N條第二導線1141的最外側2條接地導線G並提供接地。
在第1A及1B圖中，第一軟性電路板112及第二軟性電路板114分別具有相對的一第一開口111及一第二開口113，該第一開口111對應顯露部分該導電層117，第二開口113對應顯露部分該匹配層118。第一開口111在X方向上的尺寸略小於導電層117的尺寸，第一開口111的外圍區域與導電層117重疊，使得位於第一開口111的外圍區域的第一導線1121與導電層117相連接，或例如可透過導電膠與導電層117相連接。此外，第二開口113在Y方向上的尺寸略小於匹配層118的尺寸，第二開口113的外圍區域與匹配層118重疊，使得位於第二開口113的外圍區域的第二導線1141與匹配層118相連接，或例如可透過導電膠與匹配層118相連接。也就是說，N條第一導線1121延伸至該第一開口111的至少一側（在第1A及1B圖中由相對兩側向第一開口111延伸）並分別與N等分的導電層117互相直接或間接連接，M條第二導線1141延伸至該第二開口113的至少一側（在第1A及1B圖中由相對兩側向第二開口113延伸）並分別與M等分的匹配層118互相直接或間接連接。
請參照第1C圖，在一實施例中，第一開口111於Y方向上的尺寸可加大，使第一開口111於Y方向上的尺寸大於兩側的接地導線G之間的相對距離。另外，第二開口113於X方向上的尺寸可加大，使第二開口113於X方向上的尺寸大於兩側的接地導線G之間的相對距離。
另外，請參照第1D圖，在一實施例中，當第一開口111於Y方向上的尺寸較小而使第一軟性電路板112有足夠的軟板空間時，X軸向兩側的接地導線G可延伸於第一開口111的兩側並相連為同一導線。另外，當第二開口113於X方向上的尺寸較小而使第二軟性電路板114有足夠的軟板空間時，Y軸向兩側的接地導線G可延伸於第二開口113的兩側並相連為同一導線。
在本實施例中，由於第一開口111對應顯露導電層117且第一開口111內無第一導線1121通過其中，提高導電層117的開口率，因此導電層117的聲阻匹配可具有較佳效果。另外，由於第二開口113對應顯露匹配層118且第二開口113內無第二導線1141通過其中，提高匹配層118的開口率，因此匹配層118的聲阻匹配可具有較佳效果。
以下針對二維超音波換能器100的製造方法逐一描述，請參照第3A至6B圖，其中第3A至3C圖分別繪示二維超音波換能器100的聲電轉換元件116的製作方法的流程圖，第4A至4C圖分別繪示設置第一軟性電路板112於聲電轉換元件116的第一維度上的流程圖，第5A至5C圖分別繪示設置第二軟性電路板114於聲電轉換元件116的第二維度上的流程圖，第6A至6B圖分別繪示設置一背膠層120以覆蓋該第一開口111中的導電層117的示意圖。
二維超音波換能器100的製造方法包括下列步驟。首先，形成一聲電轉換元件116。分別設置一導電層117以及一匹配層118於聲電轉換元件116之相對兩側。設置一第一軟性電路板112於一第一維度上，第一軟性電路板112於第一維度上與導電層117相連接。切割聲電轉換元件116及導電層117，使聲電轉換元件116及導電層117於一第二維度上被分為N等分。設置一第二軟性電路板114於第二維度上，第二軟性電路板114於第二維度上與匹配層118相連接。切割聲電轉換元件116及匹配層118，使聲電轉換元件116及匹配層118於第一維度上被分為M等分，以構成MхN個陣元。
在第3A至3B圖中，導電層117以及匹配層118分別經由塗佈、沉積或其他方式而固定於聲電轉換元件116之相對兩側。匹配層118的厚度可大於等於與導電層117的厚度，導電層117的厚度大於20微米，匹配層118的厚度也大於20微米，且匹配層118可根據超音波的1/4波長來設計共振頻率。由上而下，導電層117、第一導電材料1162、壓電元件1161、第二導電材料1162以及匹配層118相互堆疊，以構成聲電轉換元件116。
在第4A至4C圖中，該第一軟性電路板112設置於第一維度上，且第一軟性電路板112與導電層117相連接，接著，以刀具由上往下切割或是多個並排刀具同時由上往下切割第一軟性電路板112、聲電轉換元件116及導電層117，但不會切斷匹配層118（參見第2A及4B圖）。因此，第一軟性電路板112、聲電轉換元件116及導電層117在第二維度上被分為N等分。同時，刀具切割所產生的N-1條縫隙1191（即切割道）形成在N等分的聲電轉換元件116及N等分的導電層117之間，後續在第4C圖中，將膠材1151填入於各個縫隙1191（即切割道）之中並固化，以加強聲電轉換元件116的結構或維持空氣縫隙。
後續，將第4C圖的聲電轉換元件116的半成品翻轉，使其底面的匹配層118朝上，以利於進行第二軟性電路板114貼合及切割的步驟，詳述如下。在第5A至5C圖中，第二軟性電路板114設置於第二維度上，且第二軟性電路板114與匹配層118相連接，接著，以刀具由上往下切割或是多個並排刀具同時由上往下切割第二軟性電路板114、聲電轉換元件116及匹配層118，但不會切斷導電層117（參見第2B及5B圖）。因此，第二軟性電路板114、聲電轉換元件116及匹配層118在第一維度上被分為M等分。同時，刀具切割所產生的M-1條縫隙1192（即切割道）形成在M等分的聲電轉換元件116及M等分的匹配層118之間，後續在第5C圖中，將膠材1152填入於各個縫隙1192（即切割道）之中並固化或維持空氣縫隙，以加強聲電轉換元件116的結構。上述第4A至4C圖的步驟與第5A至5C圖的步驟順序可交換，本發明對此不加以限定。
在第6A及6B圖中，完成上述的第一及第二軟性電路板112、114貼合、切割及填膠的步驟之後，可形成一背膠層120於導電層117或匹配層118上，其中覆蓋背膠層120的一側為反向發射聲波的面，而未覆蓋背膠層120的一側為正向發射聲波的面。在本實施例中，僅以背膠層120覆蓋在導電層117為例做說明，但不以此為限。如第6A及6B圖所示，背膠層120覆蓋第一開口111中的該導電層117，背膠層120用以吸收反向發射的聲波，亦即吸收往背膠層120及導電層117所在方位傳遞的聲波，以及快速恢復聲電轉換元件116為靜止狀態以降低殘響，影響訊號的判讀。因此，背膠層120必須具備強烈的衰減特性，才能使在背膠層120內傳遞的聲波完全被背膠層120吸收，而不致影響向前方傳遞（即匹配層118所在方位）的聲場以及降低殘響造成的訊號判讀問題。
本發明上述實施例的二維超音波換能器及其製造方法，相對於傳統的聲波產生單元以複數個焊線與電路板電性連接方式，改為以排列在二維方向上的第一軟性電路板及第二軟性電路板與聲電轉換元件相連接，並透過軟板貼合、切割及填膠等步驟來完成聲電轉換元件及其感測線路的組裝，製作出體積小（適合手持及行動醫療儀器使用）及通道數多（例如128或256個通道以上）的二維超音波換能器，以提高二維超音波換能器的整體需求。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:二維超音波換能器
101:陣元
111:第一開口
112:第一軟性電路板
1121:第一導線
113:第二開口
114:第二軟性電路板
1141:第二導線
1151:膠材
1152:膠材
116:聲電轉換元件
1161:壓電元件
1162:導電材料
117:導電層
118:匹配層
1181:頂部導電匹配層
1182:底部匹配層
1191:縫隙
1192:縫隙
120:背膠層
G:接地導線
T:訊號導線
N,M:數量
X-X:第一維度
Y-Y:第二維度
第1A及1B圖分別繪示依照本發明一實施例的二維超音波換能器的分解示意圖及組合示意圖；
第1C及1D圖分別繪示依照本發明另二實施例的二維超音波換能器的分解示意圖；
第2A及2B圖分別繪示二維超音波換能器於第二維度（Y-Y維度）及第一維度（X-X維度）上的剖面示意圖；
第3A至3C圖分別繪示二維超音波換能器的聲電轉換元件的製作方法的流程圖；
第4A至4C圖分別繪示設置第一軟性電路板於聲電轉換元件的第一維度上的流程圖；
第5A至5C圖分別繪示設置第二軟性電路板於聲電轉換元件的第二維度上的流程圖；及
第6A至6B圖分別繪示設置一背膠層以覆蓋該第一開口中的導電層的示意圖。
100:二維超音波換能器
101:陣元
111:第一開口
112:第一軟性電路板
1121:第一導線
113:第二開口
114:第二軟性電路板
1141:第二導線
1151:膠材
1152:膠材
116:聲電轉換元件
1161:壓電元件
1162:導電材料
117:導電層
118:匹配層
G:接地導線
T:訊號導線
N,M:數量
X-X:第一維度
Y-Y:第二維度
Claims (12)
- 一種二維超音波換能器，包括： 二軟性電路板，分別設置於一第一維度及一第二維度上；以及 一聲電轉換元件，設置於該二軟性電路板之間，該聲電轉換元件之相對兩側分別設有一導電層以及一匹配層，該導電層與該二軟性電路板之一於該第一維度上相連接，該匹配層與該二軟性電路板之另一於該第二維度上相連接，該聲電轉換元件及該導電層於該第二維度上被分為N等分，且該聲電轉換元件及該匹配層於該第一維度上被分為M等分，以構成MхN個陣元，其中M,N為大於1的正整數。
- 如請求項1所述之二維超音波換能器，其中該二軟性電路板分別具有N條第一導線及M條第二導線，該N條第一導線與該M條第二導線分別連接至該導電層及該匹配層。
- 如請求項2所述之二維超音波換能器，其中該N條第一導線與該M條第二導線中至少一者包括二接地導線以及複數條訊號導線，該二接地導線位於該些訊號導線之相對兩側。
- 如請求項2所述之二維超音波換能器，其中該二軟性電路板分別具有相對的一第一開口及一第二開口，該第一開口對應顯露部分該導電層，該第二開口對應顯露部分該匹配層，其中該N條第一導線延伸至該第一開口的至少一側，該M條第二導線延伸至該第二開口的至少一側。
- 如請求項4所述之二維超音波換能器，更包括一背膠層，覆蓋該第一開口中的該導電層或該第二開口中的該匹配層。
- 如請求項1所述之二維超音波換能器，其中該聲電轉換元件由一壓電元件以及二導電材料相互堆疊而成，該壓電元件位於該二導電材料之間。
- 如請求項1所述之二維超音波換能器，其中該聲電轉換元件更包括一膠材，該膠材填入於該MхN個陣元之間的縫隙。
- 一種二維超音波換能器的製造方法，包括： 形成一聲電轉換元件； 分別設置一導電層以及一匹配層於該聲電轉換元件之相對兩側； 設置一第一軟性電路板於一第一維度上，該第一軟性電路板於該第一維度上與該導電層相連接； 切割該聲電轉換元件及該導電層，使該聲電轉換元件及該導電層於一第二維度上被分為N等分； 設置一第二軟性電路板於該第二維度上，該第二軟性電路板於該第二維度上與該匹配層相連接；以及 切割該聲電轉換元件及該匹配層，使該聲電轉換元件及該匹配層於該第一維度上被分為M等分，以構成MхN個陣元，其中M,N為大於1的正整數。
- 如請求項8所述之二維超音波換能器的製造方法，其中該第一軟性電路板及第二軟性電路板分別具有N條第一導線及M條第二導線，該N條第一導線與該M條第二導線分別連接至該導電層及該匹配層。
- 如請求項9所述之二維超音波換能器的製造方法，其中該N條第一導線與該M條第二導線中至少一者包括二接地導線以及複數條訊號導線，該二接地導線位於該些訊號導線之相對兩側。
- 如請求項9所述之二維超音波換能器的製造方法，其中該第一軟性電路板及該第二軟性電路板分別具有相對的一第一開口及一第二開口，該第一開口對應顯露部分該導電層，該第二開口對應顯露部分該匹配層，其中該N條第一導線延伸至該第一開口的至少一側，該M條第二導線延伸至該第二開口的至少一側。
- 如請求項8所述之二維超音波換能器的製造方法，其中該聲電轉換元件由一壓電材料元件以及二導電材料相互堆疊而成，該壓電材料元件位於該二導電材料之間。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW111132013A TWI825946B (zh) | 2022-08-25 | 2022-08-25 | 二維超音波換能器及其製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW111132013A TWI825946B (zh) | 2022-08-25 | 2022-08-25 | 二維超音波換能器及其製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI825946B TWI825946B (zh) | 2023-12-11 |
| TW202409599A true TW202409599A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90053183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW111132013A TWI825946B (zh) | 2022-08-25 | 2022-08-25 | 二維超音波換能器及其製造方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| TW (1) | TWI825946B (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP3787807B1 (en) * | 2018-04-30 | 2023-07-26 | Vermon S.A. | Ultrasound transducer |
| CN110828655B (zh) * | 2019-11-15 | 2021-11-30 | 飞依诺科技(苏州)有限公司 | 超声探头、压电复合材料晶片及其制备方法 |
| CN113092595B (zh) * | 2021-03-24 | 2022-09-30 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 复合柔性三维压力监测阵列的柔性超声换能阵列及装置 |
-
2022
- 2022-08-25 TW TW111132013A patent/TWI825946B/zh active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TWI825946B (zh) | 2023-12-11 |
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