TWI709730B - 用於高頻超音波的膜水下聽音器及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種用於分析高頻超音波換能器的膜水下聽音器具有壓電膜，該壓電 膜具有形成於膜表面上的電極圖案。在一個實施例中，電極圖案在除水下聽音器有效區域以外的，膜的每一面上都是雙重的。在一個實施例中，電極是通過用激光脈衝去除膜上的導電層形成的。激光被設置用來從膜的相同面從壓電膜上去除導電層，從而精確地對準有效區域中的電極。在一個實施例中，水下聽音器的有效區域具有900-10000平方微米的面積。

Description

用於高頻超音波的膜水下聽音器及其製造方法 專利和專利申請通過引用併入

以下專利也通過引用的方式整體併入：2016年2月19日提交的專利號為62/297763的美國臨時申請，以及2015年8月18日提交的專利號為62/206808的美國臨時申請。

本公開的技術涉及用於測試超音波換能器的水下聽音器，尤其是被用於測試高頻超音波換能器的水下聽音器。

超聲成像是通過從換能器發送多個聲能的短脈衝到感興趣區域，以及收集包含在相應回聲信號中的信息而運行的。第1A圖顯示一種具有多個單獨換能器元件12(未按比例繪製)的簡化了的超音波換能器，當不同的電壓在該元件間被提供時，該元件振動并產生超聲聲信號。當該元件接收聲能時，該元件也產生電信號。元件12通常被安排在一個一維或者二維陣列中，該陣列包括一個或多個匹配層14以及固定鏡頭16。小心選擇驅動信號被應用在每一個換能器元件上的振幅和時間，聲信號建設性地合併從而在預定位置形成具有聚焦帶的波束。隨著換能器工作頻率的增加，聚焦帶(經常是米飯顆粒的形狀) 的尺寸減小。例如，在15MHz的中心頻率，聚焦帶的尺寸約為500×300μm。在30MHz，聚焦帶的尺寸下降到約為280×150μm。在50MHz，聚焦帶的尺寸小於200×100μm。除了超聲陣列，超聲信號也可以由如第1B圖所示的單元件換能器17產生。

隨著具有超過70MHz上角頻率的具有50MHz中心頻率的陣列系統的引入，超高頻診斷超聲在過去的十年里，在臨床前和臨床產業中都有了實質性的進步。有許多可以被探索的新的科學和醫學可能性，由於超高頻超聲的更高分辨率和帶寬。但是，新的測試和表征挑戰與新的應用和性能一起出現了。如本領域技術人員將理解的，隨著換能器在頻率上的增加，波長相應地減小，並且多個其他機制，例如聲波在水中的非線性傳播變得越來越普遍。在科學上以及為了管理醫療和臨床前設備的目的，當前需要理解超高頻超聲在水中的特性。另外，為了利用現代複雜的FEA模型，需要精確地測量處於或者甚至低於陣列音高的聲場。明顯地，需要具有更高頻率校準的更小孔徑的水下聽音器，以確保對諧波的精確測量，以及減小由被相對更大孔徑的水下聽音器測量時短波長聲波引起的空間不確定性。

在超音波換能器能夠被食品和藥物管理局(FDA)批准在美國用於臨床使用，或者能夠在歐洲獲得用於臨床使用的CE標記之前，由換能器產生的聲能必須被表征。該表征產生壓力強度映射圖，以確保聚焦帶被很好地限定，並且換能器沒有在不被期望的位置產生能量的熱點。相似地，該表征確定，所產生的能量並沒有那麼大以至於其將在待檢查的組織里導致空穴，並且功率輸出在由多種組織施加的可接受的限度內。良好設立的標準存在以規定註冊審批 需要的測試協議和結果。然而，由於缺乏適當小的水下聽音器孔徑尺寸和足夠高的頻率校准數據，超高頻超聲越來越多地將這些測試推向以及超過極限。

如第2圖所示，大多數換能器測試通過在液體槽40(通常是除氣的水，但可以是另一種液體)中操作換能器20而被執行。水下聽音器50被放置在超聲波束路徑中的被計算機控制的平台(未顯示)上。當換能器被操作時，該平台被移動從而使得水下聽音器去測量聚焦帶的位置以及多個位置處的波束強度。來自水下聽音器的信號被計算機系統儲存以確定換能器如預想地在運行。空間中強度測量的散點圖限定了超音波換能器波束的特性。

膜式水下聽音器是最合適用於採樣超聲波束的，因為它們平坦的頻率響應以及與由被測設備(DUT)造成的輻射圖的簡單相互作用。為了能夠有效地採樣波束，水下聽音器的有效區域必須大體上小於被檢測的換能器的聚焦帶。在過去，可靠地製造可以被用於測試高頻超音波換能器的，具有足夠小的有效區域的膜式水下聽音器是困難的。因此，用戶被迫使用表現出不被期望的共振以及與被測量輻射圖案的相互作用的針式水下聽音器。另外，被設計來最小化不被期望的共振的特定形狀的針式水下聽音器被使用，諸如所謂的“口紅式”水下聽音器。然而，在實踐中精確地將此類形狀製造成對於非常高頻率的超聲特性來說足夠小的規模是困難的。結果是針式水下聽音器在表征高頻波束圖案上不如膜式水下聽音器精確。

考慮到這些問題，需要一種改進的高頻膜式水下聽音器以及製造此類水下聽音器的方法。

為了處理這些以及其他問題，此處被公開的技術涉及一種新的用於表征高頻超音波換能器的膜式水下聽音器設計以及製造超音波換能器膜式水下聽音器的方法。此類表征可以被用於證明用於臨床使用的換能器也可以被用於超音波換能器設計的開發和測試。在一個實施例中，水下聽音器包括橫跨在支撐結構上被拉伸，並且在兩面上被塗覆有例如金或者金+鉻薄層的導電材料的壓電膜。之後從壓電膜的每一面上去除導電材料的一部分，從而在膜的一面上產生正電極并在膜的另一面上產生負電極。該正電極和負電極在一個小區域里重疊，該區域界定水下聽音器之有效區域。在一個實施例中，有效區域具有直徑在10-30微米之間的尺寸。

在一些實施例中，諸如準分子激光器的圖案化工具被用來有選擇地從壓電膜上去除部分導電材料，從而在膜上產生電極。在一個實施例中，膜兩面的導電材料通過，例如從膜的同一面將膜暴露給激光能量，而不必翻轉壓電膜被去除。在一些實施例中，一個或多個校準特徵或者基準點被產生在膜中，以使得壓電膜可以相對於圖案化工具的坐標系被精確地放置。一旦對準，可以從膜上精確地去除導電材料。

在一些實施例中，水下聽音器包括在壓電膜兩面上互相重疊的正電極和負電極，並且膜一面上正電極被電連接到膜另一面上相應的正電極。相似地，膜一面上的負電極被電連接到膜另一面上相應的負電極。在一些實施例中，互相重疊的電極被電連接到一個或多個用激光在壓電膜上產生並且填充有導電材料的導電通孔。

水下聽音器的有效區域形成於膜一面上的正電極的一部分和膜另一面上的負電極互相重疊的位置。

在被公開發明的一些實施例中，為了允許通過積極輪詢原薄膜獲得的最大靈敏度，設備是由完全極化的壓電聚合物或者共聚物膜製成。這可能導致與在預期有效孔徑以外的位置被檢測到的雜散信號相關的挑戰。在被公開技術的一些實施例中，壓電膜以非極化狀態被製造在設備中，從而電極可以被用來點極化有效區域。這種方法可以減少或者消滅許多雜散信號，但是可能造成靈敏度的降低和點尺寸變化。在一些實施例中，重疊的同極性電極被用來在鉗住膜中的電場，從而在點輪詢中獲得更好空間特異性，從而產生更精確的以及可預見的有效點尺寸。

在一些其他實施例中，在用導電材料塗覆之前，部分壓電膜被選擇性地去極化，以減少膜對在不期望位置接收到的聲能的電響應，因此允許更加積極的輪詢整個膜(與點極化相比)。在一個實施例中，壓電膜在遠離水下聽音器有效區域的區域中被選擇性地去極化。在一個實施例中，激光圖案化工具被用來對壓電膜去極化，通過用UV激光能量修改聚合物，從而膜在除有效區域以外的水下聽音器的所有區域中保持機械完整，但是較低的壓電效率。在另一個實施例中，非極化的壓電共聚物膜被製造在設備中，激光圖案化工具被用來修改膜，從而減小有效區域以外的所有區域中膜的壓電電勢，確保點輪詢只能有效地發生在未修改的有效區域，電極被沉積從而它們可以和有效區域對準並且膜被點輪詢。在另一個實施例中，先前的方法與重疊的同極性電極設計相結合，以在點輪詢之後獲得獲得被極好限定的有效孔徑。

12:換能器元件

14:匹配層

16:固定鏡頭

17:單元件換能器

20:換能器

40:液體槽

50:水下聽音器

100:水下聽音器

102:壓電膜

104:圓形框架

105:支座

106:第一電極

108:校準特徵

110:基準點

120:細線

126:彈性體

128:連接器

200:水下聽音器

210:T形電極

211:間隙

212:T形電極

212a:突出部分

213:間隙

214:接地電極

214a:突出部分

216:接地電極

220:通孔

224:電導體

226:電容

228:接線柱

300:壓電膜

302:區域

310:基準點

312:基準點

406:同軸電纜

400:緩衝放大器

500a~500f:多個正電極

502a~502e:多個負電極

第1A圖圖示地顯示出由習知超音波換能器陣列形成的波束圖形。

第1B圖顯示出由習知單元件超音波換能器形成的波束圖形。

第2圖顯示出用於用水下聽音器測試超音波換能器的習知系統。

第3A和第3B圖顯示出與被公開技術的一個實施例一致的示例性高頻膜水下聽音器。

第4圖顯示出根據被公開技術的一個實施例構造的膜式水下聽音器的部分三維剖視圖。

第5A圖顯示出根據被公開技術的一個實施例被安裝在支撐桿上的完整的水下聽音器。

第5B圖顯示出根據被公開技術的一個實施例塗覆有在聲學上和水良好匹配的彈性體材料的水下聽音器上表面上的電極的一部分。

第6圖顯示出根據被公開技術的一個實施例塗覆有在聲學上和水良好匹配的彈性體的水下聽音器下表面。

第7圖顯示出根據被公開技術的另一個實施例，在導體被應用之前壓電膜是如何被處理的。

第8圖顯示出根據被公開技術的另一方面被用來調理來自膜式水下聽音器的信號的緩衝電路的一個實施例。以及第9圖顯示出根據被公開技術的另一個實施例構造的具有多個有效區域的陣列式膜水下聽音器。

與以下將進一步詳細描述的一樣，被公開技術是具有一個或多個可以被用來表征高頻超音波換能器的小有效區域的膜式水下聽音器。在一個實 施例中，膜由具有例如在3-12微米之間厚度的，例如P(VDF-TrFE)的薄膜壓電共聚物製成。然而，其他厚度或者其他壓電材料(例如PVDF)可以被使用。膜優選地橫跨在框架上以從膜上去除任何皺紋的方式被拉伸。在一個實施例中，膜被固定在外箍上，之後用內箍沿著其周邊同時拉伸，該內箍周向地將膜的一部分按壓進凹槽以拉伸使其像鼓面一樣無皺紋。一旦膜被拉伸，該膜就被粘附到安裝在內箍內的圓形框架上，並且框架外部的多餘膜被切除。該框架之後被用於形成水下聽音器的一部分。在一個實施例中，框架具有約2cm的直徑，但是更大或者更小的框架可以被使用。

框架被安裝到金屬支座上，之後通過濺射或者其他方法被用金屬導體，例如金或者金+鉻(或者其他金屬導體)塗覆。在一個實施例中，被放置在膜上的導體的厚度是1500-2500埃。無論更薄或者更厚的導體塗層可以被使用，例如但不限於300埃到5000埃。

膜兩面的導電塗層之後被圖案化以在膜的上表面和下表面上形成導體的重疊部分，從而形成水下聽音器的有效區域。重疊的導電區域必須被精確地對準，並且在一些實施例中是在10-30微米的數量級上，這在專利號為62/206808的美國臨時申請中所描述的技術之前是不可能可靠地製造的。

第3A圖和第3B圖顯示出根據被公開技術的一個實施例構造的水下聽音器100的一個實施例。水下聽音器100包括被粘到圓形框架104上的大體圓盤狀的壓電膜102，該圓形框架104反過來被固定到支座105上。在一個實施例中，支座105由例如鈦的導電金屬製成。第一電極106在壓電膜的一面被圖案化，而第二電極(未顯示)在壓電膜的另一面被圖案化。在一些實施例中，壓電膜可以包括一對穿過壓電膜的校準特徵或者基準點108、110(未按比例繪製)， 以使得膜與激光圖案化系統對準。校準特徵可以用激光產生，並且可以幾乎具有任何形狀(正方形、長方形、十字等)。在一個實施例中，校準特徵是每邊約為10微米的正方形。校準特徵的角使得壓電膜以亞微米級的精確度對準。

在膜的兩面都被塗覆有金屬導體的情況下，以準分子激光器或者其他圖案化工具從壓電膜的表面去除部分導電塗層的方式，從而膜相對不受影響。

在一個實施例中，一旦電極圖案產生於膜的第一面上，該膜被翻轉並且用一個或多個校準特徵108、110對準圖案化工具。一旦對準，圖案化工具在膜的第二面上形成電極。在被公開技術的一個實施例中，膜第一面上的電極形成水下聽音器的正電極，而壓電膜另一面上的第二個、更大的電極接地。

在以下詳細描述的另一個實施例中，膜兩面上的絕大多數電極可以通過將膜的單面暴露給激光能量而產生。在該實施例中，可以不需要校準特徵或者基準點。

細線120(例如，鍵合金絲，或者鍍銀銅總線)可以被連接到膜上的第一電極。另外，結合線也可以被連接到第二電極，或者如果框架104和/或支座105是導電的，該框架可以被用來連接到第二電極。在一個實施例中，聲學匹配的彈性體126被傾倒在水下聽音器的背面上。在另一個實施例中，為了最大的靈敏度，匹配的彈性體可以被省略以使得膜的兩面以及各自的電極無遮蓋。在一個實施例中，彈性體126由具有與水的聲學阻抗緊密匹配的聲學阻抗的硅橡膠製成。

在一些實施例中，將緩衝放大器安裝到放置在支座105上的印刷電路板上，或者直接將緩衝放大器安裝到水下聽音器的膜上可能是有利的。緩 衝放大器可以增加所產生信號的增益和/或緩衝該信號，從而其可以被信號電纜(未顯示)運輸。在一個實施例中，水下聽音器的支座105和SMA或者其他類型的連接器128安裝在一起。SMA連接器128是同軸連接器，其中外層屏蔽被連接到導電支座105或者負電極，並且中心導體被連接到正電極(或者緩衝放大器的輸出端，如果緩衝放大器被使用)。如果需要，與SMA連接器的連接也可以是相反的。

第4圖顯示出膜水下聽音器的另一個實施例。在該實施例中，膜上的導體被圖案化從而在膜的上表面和下表面上產生大體匹配的電極。在該實施例中，壓電膜上表面和下表面上的兩個正電極互相重疊，並且壓電膜上表面和下表面上的兩個負電極互相重疊。除了水下聽音器有效區域以外，上表面上的正電極不與下表面上的負電極重疊(反之亦然)。第4圖是水下聽音器200的部分三維截面圖，其中實線所示的電極圖案位於膜的上表面，虛線所示的電極圖案位於膜的下表面。膜的上表面包括被接地電極214包圍的T形電極210(未按比例繪製)。大體相同的T形電極212形成於膜的下表面，並且位於膜上表面上的電極210的正下方。具有與接地電極214大體相同形狀的相應接地電極216位於膜上表面上接地電極214正下方的膜下表面上。在一些實施例中，兩面上的接地電極214、216與正電極210、212被圍繞在正電極周圍的間隙分隔開。

在一些實施例中，壓電膜上下表面上的正電極和壓電膜上下表面上的負電極或者接地電極是電連接的。在一些實施例中，一個或多個通孔220填充有導電環氧材料或者其他導電材料，從而將上方正電極210電連接到下方正電極212。類似的一個或多個被填充的通孔將上方接地電極214和下方接地電極216電連接在一起。通孔可以通過激光燃燒出穿過壓電膜的洞，之後用諸如導電環 氧材料的導電材料填充該洞而形成。如果通孔220在膜被濺射之前穿過膜，通孔220也可以保持未填充並且被濺射穿過。如果支撐被拉伸的壓電膜的框架或者框架的一部分是導電的，那麼接地電極214、216可以通過框架被電連接，並且針對較大負接地電極214、216的通孔可以被消除。在所示的實施例中，重疊的T形電極210、212是水下聽音器的正電極，而重疊的接地電極214、216被電接地。然而，極性可以是相反的。

在膜水下聽音器中，下方正電極212的突出部分212a位於上方接地電極214相應形狀的突出部分214a的下方。兩個突出部分212a、214a之間的重疊部分形成了水下聽音器的有效區域，當該有效區域被暴露給聲能時其產生信號。在一些實施例中，重疊的正電極和接地電極的區域約為900平方微米。然而，此處公開的水下聽音器的其他實施例的重疊區域(或者有效區域)可以在約100平方微米和約10000平方微米之間。然而，更大或者更小的重疊區域也可以被使用。有效區域的最佳尺寸取決於待分析的超音波換能器的工作頻率。如果有效區域太小，靈敏度可能太低從而導致不被接受的SNR、增加的不確定性、以及增加的測試時間。另一方面，如果有效區域太大，那麼空間平均可能造成導致不被接受的空間和頻譜不確定性的不精確。

在所示的實施例中，接地電極214的突出部分214a和膜上表面上的正電極210之間有間隙211。類似地，正電極212的突出部分212a和膜下表面上周圍接地電極216之間有間隙213。在一個實施例中，間隙211、213是直的，從而電極的重疊部分(例如，有效區域)大體上是正方形。在另一個實施例中，間隙可以是彎曲的從而有效區域大體上是圓形。有效區域的其他形狀(橢圓形、星形等)也可以用圖案化工具產生。

在一個實施例中，間隙211和213具有約5μm的類似寬度。然而，它們可以小至約1.5μm，大至約100μm。間隙211可以是與間隙213相同的寬度，或者它們可以是不同的寬度。間隙的寬度與由突出部分212a和214a重疊區域限定的有效區域的長度可以結合間隙211和213被定制，通過考慮膜中的非正常電場分量從而控制有效區域的有效點尺寸。例如，如果需要正方形的有效區域，可以通過關於突出部分212a和214a的寬度來減小間隙211和213鄰近邊的距離來採用較小的重疊長度。

電導體224將信號電極210、212連接到寬帶緩衝放大器(未顯示)，該寬帶緩衝放大器放大電極重疊區域被暴露給高頻超聲信號時產生的信號。在所示的實施例中，導體224被連接到水下聽音器下表面上的正電極212。然而，導體可以被連接到水下聽音器上表面上的正電極。在一個實施例中，信號電極被電容耦合到寬帶緩衝放大器以確保信號電極和接地電極之間不存在直流偏移。在一個實施例中，信號電極可以通過串聯的、值約為10nF的電容226被連接到寬帶放大器的輸入端。本領域技術人員將理解，取決於需要的頻率和阻抗特性，其他值可以被使用。在一個實施例中，接地電極214、216由焊料短接至支撐膜的框架。來自放大器的信號可以被同軸電纜或者其他電導體運輸至接收電子器件(未顯示)，該接收電子器件儲存和分析信號從而表征由超音波換能器產生的波束圖案。如第5A圖所示，完成的膜水下聽音器被固定到接線柱228上，該接線柱使得水下聽音器可以被安裝到被放置在關於被測換能器的多個位置上的可移動平台中。第5A圖是按比例繪製的，並且在所示的實施例中，T形電極的長度約為7.5mm，而重疊電極部分的長度約為30μm。為了比較，沙灘沙的 顆粒是100μm或更大。因此，需要精確的圖案化工具以精確地在膜上形成重疊區域。

為了產生電極圖案，用去除導體但不會損害膜本身的激光在膜的導電塗層上圖案化。在一個實施例中，第一激光脈衝去除膜上表面上的導體，並且第二脈衝在相同位置(並且在膜的同一面)去除膜下表面上的導體。為了產生T形電極，因此使用雙脈衝以描畫T形電極210、212的形狀。為了在T形電極210的端部和接地電極214的突出部分214a之間形成間隙211，激光脈衝的尺寸被設置為間隙的期望尺寸，並且在激光被移動時單脈衝只被用來去除膜上表面上的導體。激光脈衝的精確控制確保了只在膜一面上的電極材料的去除，使得電極在另一面未受損壞。

為了在下方T形電極212的突出部分212a和周圍接地電極216之間形成間隙213，膜被翻轉並且單脈衝被用來去除膜下表面上的導體。因為膜在導體被去除時對可見光和UV光來說都是大體透明的，膜和激光對準系統的校準被簡化了。另外，因為大多數上方電極和下方電極可以用激光從膜的同一面被圖案化，所有上方電極和下方電極的對準是高度精確的。膜精確的電極限定和小而精確的間隙211和213允許高度精確和可預見的有效區域，這在當有效區域尺寸變得和膜厚度更接近時是至關重要的，這允許精確控制和非正常電場分量最小化。

儘管被公開的實施例使用T形電極，但是其他形狀可以被使用是會被理解的，諸如“I形”或“L形”電極或其他形狀。

壓電膜兩面上雙電極的使用被證明是有利的，特別是在水下聽音器的構造中使用預極化膜時。在所示的實施例中，重疊電極在包含信號電極路 徑的膜所有區域，以及包含接地電極的所有區域中強制零(或接近零)電場條件。在一些先前的實施例中，發現由於水和連接電極與壓電膜的緩衝電路中的靈敏電子器件的輕微導電性，不具有雙電極的水下聽音器不需要接地電極去產生信號，並且任何未被鉗制的信號路徑可以產生雜散信號。在所述高頻水下聽音器中期望的壓電膜的使用使得這種情況被嚴重惡化，因為在測量來自有效區域的信號所需的靈敏電子器件中檢測出總量非常小的電荷。

在另一個實施例中，用非極化的薄膜開始是可能的。利用被用於有效區域的電壓和溫度的適合組合來產生電極以及電極有效區域。與雙電極設計結合使用非極化薄膜，之後點輪詢，這幾乎消除了由突出214a和212a以及間隙211和213限定的，被非常精確限定的有效重疊區域之外的信號。

在所示的實施例中，電極設計中長方形或者正方形的有效區域被採用，以簡化用於開發的水下聽音器的激光裝配。被公開技術可以被適用於生產如上所述的圓形電極。任何形狀(例如，圓形、正方形、橢圓形、或者甚至星形)可以通過光切除激光掩膜製造，可以通過穿過壓電膜的去除金屬導體的去除被製造(校準穿過膜而沒有切割膜)。

在一些實施例中，通過將弱金屬刻蝕(例如5%醋酸)應用到完成的電極圖案中，以確保被激光光切除的區域中沒有導電金屬殘留，導體去除被進一步提高。雖然用激光去除100%的金屬電極是很有可能的，但是完美地調諧激光器以實現100%的電極去除是有挑戰性的。因此，在一個實施例中，將水下聽音器膜浸入被設計用來去除100-200埃金屬的弱化學腐蝕中，確保在光切除之後可能被遺留的電極的任何殘餘從膜的表面被去除。如本領域技術人員將理解的，該化學腐蝕程序可以以多種方式被微調從而如期望的那樣優化金屬去除。

此外，在一個實施例中，膜兩面的電極可以塗覆有薄光抗蝕劑或者能夠抵抗濕腐蝕材料的其他材料，並且激光可以被用來去除抗蝕劑和導電材料從而生產所需的電極圖案。如本領域技術人員將理解的，當使用此類抗蝕劑層時，被採用的濕腐蝕可以更具腐蝕性，而無需冒著被期望剩餘電極惡化的風險。必須注意理解，激光與光抗蝕劑的相互作用從而恰當地說明被用於該方法的抗蝕劑對激光能量的吸收，在特殊間隙區域中被採用的該方法被用來產生重疊電極區域212a和214a。然而，抗蝕劑可以被輕易地用於用多個激光脈衝去除的上方電極和下方電極的任何區域。然而，濕腐蝕必須被仔細地選擇，以確保與用於構造此處描述的小孔徑水下聽音器的薄聚合物膜的化學相容性和熱相容性。

此處被公開技術通過控制被用於去除電極材料的激光的性能，使得從水下聽音器的正面和背面去除電極材料被近乎完美校準的區域，從而膜正面和背面上的導體可以從膜同一面被去除。這使得幾乎整個電極圖案從膜的一面被製成，確保水下聽音器正面關於相對於水下聽音器背面的亞微米級的精確度。

在一些實施例中，被公開技術還包括將重疊電極從正面向背面電連接的通孔。通孔可以用激光或者其他方法以及被用來導電地連接正面電極和背面電極的導電環氧樹脂或者其他導電手段(濺射、電線等)製成。儘管通孔之外的手段(例如電線)可以被用來將一面上的電極電連接到另一面上的相應電極，但是通孔使得在幾乎沒有機械力的情況下僅用激光切穿膜製成非常低的阻抗連接和電感連接。此類低電感和低阻抗連接確保即使在高動態射頻條件下，膜可以被鉗在電極之間的近零電場。

電極圖案和通孔被完成后，一個實施例用聚合物彈性體126覆蓋背面電極或下方電極，例如如第6圖所示的覆蓋著背面信號電極和接地電極的硅有機樹脂。如本領域技術人員將理解的，一些硅有機樹脂具有非常好的與水的聲學匹配，並且具有防止信號電極在單電極隔離帶的區域中產生任何雜散聲信號的非常高的電絕緣特性，在高頻中相對高的聲學損失。硅有機樹脂還用於保護電極和膜不受磨損，並且極好地提高了膜的剛性從而使掃描系統具有更快的掃描速度和不太嚴格的減振規格。例如環氧樹脂的其他聚合物，或者例如TPX或LDPE的與水匹配良好的工程塑料，或者例如聚氨酯或乳膠材料的彈性體，或者特別開發的聲學聚合物材料可以被用為聲學襯墊或者覆蓋物，只要它們與水匹配良好並且可以被用於具有低應力的水下聽音器膜(例如，以液體形式傾倒並在當前位置固化)。

如第5B圖所示，在一些實施例中，膜上表面正電極的一部分也被聲學匹配的彈性體126覆蓋。在一個實施例中，彈性體被用牙籤或者在顯微鏡下的其他小的塗抹器涂在上方電極。然而，應當認識到，其他精度的材料沉積工具可以被使用的。在所示的實施例中，水下聽音器有效區域上沒有聲學匹配的彈性體。

在一個實施例中，電極被用UV激光圖案化在塗覆有P(VDFTrFE)的膜上，該UV激光被調諧成在第一個脈衝中從膜的正面去除電極材料，並且在第二個脈衝中從膜的背面去除電極材料，保持膜本身未受損壞。正面電極的單區域被從膜上去除，以隔離信號電極和膜正面上的接地電極。該膜之後被翻轉並且可見地與膜背面的圖案對準(由穿過透明膜的激光切除產生)。一旦對準，背面電極的單區域被去除從而隔離信號電極和膜背面上的接地電極。膜正面上 的接地電極圖案的一部分和膜背面上的信號電極圖案的一部分重疊(反之亦然)。這是膜上信號電極和接地電極重疊的唯一的位置。膜上只有兩個有電極存在並且沒有重疊的位置(例如，限定重疊電極的小的隔離區域或者間隙211和213)。

在一個實施例中，導電材料是以1900埃的厚度被涂施加的Cr/Au(其他導電材料和厚度可以被使用)。通過用穿過掩膜的準分子激光器以及10倍還原光學器件從膜的一面切除，導電材料從膜的正面和背面被去除。激光波長被設置為248nm，並且積分通量被選擇為低於膜切除閾值。在一個實施例中，積分通量被選擇為0.25J/cm2。該脈衝特性使得電極材料從膜的正面在單脈衝中被去除，而沒有影響背面的電極。之後第二個同樣的脈衝被用於從膜的背面去除導電材料。這是在無不利地影響膜本身的情況下完成的。該方法去除了在膜的相對面上對準重疊電極的邊的挑戰。

激光能量波長積分通量的其他結合可以被用於去除上方電極，而不影響下方電極或者去除上方電極和下方電極。目標是使用不被用於壓電元件的聚合物膜顯著吸收，但是被電極材料強烈吸收的激光脈衝。在一個實施例中，具有~15ns持續時間脈衝的248nm的準分子激光器被使用。另外，光切除的使用允許複雜圖案被聚焦在膜上，因此允許在單個脈衝中形成間隙。

根據被公開技術的一個實施例，高頻膜水下聽音器包括在其相對面上具有導電材料的壓電膜。如果需要通過從膜的每一面切除導體來製造電極，那麼通過在正面上的切除以及對背面的穿過膜的切除，在電極材料的正面和背面上形成一個或多個校準特徵是有利的，確保正面和背面基準點的完美校準。壓電膜的第一面包括通過去除一些導電材料形成的第一電極圖案。壓電膜 的第二面包括去除一些導電材料形成的第二電極圖案。第一電極圖案和第二電極圖案在水下聽音器的有效區域重疊。

在一些實施例中，“去極化”除水下聽音器有效區域以外區域中的壓電膜是有利的。第7圖顯示了以減小膜壓電反應的方式用區域302上方的激光處理的壓電膜300的一部分。在一個實施例中，該處理發生在除水下聽音器有效區域以外的所有區域。在將導電塗層涂至膜之前進行該處理。在一個實施例中，一個或多個基準點310、312產生於膜中，從而一旦電極圖案被形成，水下聽音器的有效區域可以被形成於未被處理的區域。

由激光進行的處理修改了壓電膜，從而該膜對接收到的聲能量響應較小。這減少了由電極區域產生的偽影，而不是由有效區域產生的偽影。在一個實施例中，區域302中的處理通過用具有0.5-1J/cm2之間激光積分通量以及約20Hz脈衝重複頻率的，約15ns的一系列脈衝對壓電膜圖案化而進行。

第8圖說明了在該信號被傳輸給遠程計算機系統(未顯示)中處理電子器件之前，用於接收和緩衝水下聽音器產生信號的電路。該電路包括緩衝放大器400，其在一個實施例中是以單位增益配置連接的集成電路(模擬裝置公司，型號為AD8054)，其具有通過電容226被連接到水下聽音器正電極的正輸入。水下聽音器上的負電極被連接到印刷電路板上的接地連接。同軸電纜406被用於將經由緩衝放大器400放大的信號運輸到另外的信號處理電路(前置放大器、A/D轉換器、DSP等)。供給緩衝放大器的正電壓和負電壓，以及供給安裝有緩衝放大器的印刷電路板的接地連接是通過單獨的線提供的。在一個實施例中，印刷電路板被承載在水下聽音器的支座126上。整個電路板被封閉在防水密封材料從而電路可以在水下工作。

第9圖顯示出根據被公開技術的實施例構造的水下聽音器的可選實施例。在該實施例中，網格水下聽音器在膜的每個表面上包括多個薄電極。各個電極在形成水下聽音器多個有效區域的多個位置上互相重疊。在所示的實施例中，多個正電極500a,500b,……500f被圖案化在膜的一面上，並且多個負電極502a,502b,……502e形成在膜的另一面上。水下聽音器的有效區域形成在正電極和負電極重疊的每個位置。如將被理解的，每個電極必須被單獨地的連接到單獨的緩衝放大器或者用多路轉換器等連接到共同緩衝放大器。

第9圖顯示的陣列型水下聽音器允許通過選擇哪個正電極和哪個負電極被連接到接收電子器件並且水下聽音器本身不需要被移動而多個位置被採樣。在一個實施例中，重疊電極可以通過圖案化膜的每一面而被產生，或者需要從兩面去除材料的區域可以如上所描述的從薄膜的單面被圖案化。

隨著高頻超聲發現另外的臨床用途，高頻超音波換能器需要被測試以確保它們對於在患者身上的使用是安全的。被公開技術使得具有足夠小的有效區域的膜水下聽音器被製造，從而它們可以被用於分析來自這些具有20-50Hz以及更高的中心頻率的高頻超音波換能器的波束圖案。

從前述內容可以理解，出於說明目的，本發明的具體實施方式已經在此被描述，但可以不脫離本發明的範圍做出各種修改。因此，本發明除通過所附的權利要求外不被限制。

Claims (17)

1. 一種用於測量來自高頻超音波換能器之聲能的膜水下聽音器，包括：框架；壓電膜，其具有由該框架支撐的第一面和第二面，且包括位於該壓電膜兩面上的導體材料；以及在該導電材料內形成且在該壓電膜的相對面互相重疊的第一電極圖案和第二電極圖案，從而界定出該水下聽音器的有效區域，該第一電極圖案包含第一電極，該第二電極圖案包含第二電極；其中，包含有該第一電極的該第一電極圖案形成於該壓電膜的該第一面與該第二面，且在除有效區域以外的部分互相重疊，以及其中，包含有該第二電極的該第二電極圖案形成於該壓電膜的該第一面與該第二面，且在除該有效區域以外的部分互相重疊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之膜水下聽音器，其中位於該壓電膜每一面上的該第一電極圖案被電耦合在一起。
3. 如申請專利範圍第2項所述之膜水下聽音器，還包括位於該壓電膜內的，與位於該壓電膜每一面上的該第一電極圖案電耦合的一個或多個導電通孔。
4. 如申請專利範圍第1項所述之膜水下聽音器，還包括用以放大該水下聽音器的該有效區域產生的信號的緩衝放大器，其中，該緩衝放大器的輸入電路被電容耦合至位於該膜上的該第一電極圖案或該第二電極圖案。
5. 如申請專利範圍第1項所述之膜水下聽音器，還包括至少一個用激光切入該壓電膜的校準特徵。
6. 如申請專利範圍第1項所述之膜水下聽音器，其中該水下聽音器的該有效區域具有小於1600平方微米的面積。
7. 如申請專利範圍第1項所述之膜水下聽音器，其中該水下聽音器的該有效區域具有小於900平方微米的面積。
8. 一種用於高頻超音波的膜水下聽音器的製造方法，其製造用於測量來自高頻超音波換能器之聲能的膜水下聽音器，包括：拉伸橫跨在框架上的壓電膜；將導電層應用至該壓電膜的第一面和第二面；以及在該壓電膜上選擇性地去除部分該導電層，從而形成在該水下聽音器的該有效區域內重疊的第一電極圖案和第二電極圖案，該第一電極圖案包含第一電極，該第二電極圖案包含第二電極，其中該第一電極圖案及該第二電極圖案形成於該壓電膜的該第一面與該第二面；其中，該導電層被去除是通過將激光能量應用於該導電層從而去除部分該導電層，且保持該壓電膜的完整。
9. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中該導電層被選擇性地去除是通過：將激光能量應用於位於該壓電膜該第一面上的該導電層，從而在該膜的該第一面形成該第一電極圖案；以及將激光能量應用於該壓電膜的該第一面中該導電層已從該壓電膜的該第一面被去除的位置，從而在該壓電膜的該第二面形成該第一電極圖案，其中位於該壓電膜上的該第一面和該第二面的該第一電極圖案在該水下聽音器除該有效區域以外的部分互相重疊。
10. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中該導電層是通過濺射工具被施加的。
11. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中該電極是在部分該導電層被激光從該壓電膜上去除之後，通過將化學腐蝕應用到該壓電膜上而形成的。
12. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中該電極是通過應用抗蝕劑層的激光圖案化與化學腐蝕的結合去除該壓電膜上的該導電層而形成的。
13. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，還包括在該壓電膜中形成的，與位於該壓電膜每一面上的該些電極圖案電連接的導電通孔。
14. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，還包括：在施加該激光能量至該導電層之前處理該壓電膜的區域，從而減小除該水下聽音器的該有效區域以外的該膜的壓電特性。
15. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，還包括膜通過將電壓應用到位於該壓電膜上的該第一電極圖案和該第二電極圖案點輪詢該壓電膜的該有效區域。
16. 一種用於測量來自高頻超音波換能器之聲能的膜水下聽音器，包括：壓電膜，包含第一面和第二面；位於該壓電膜的該第一面與該第二面上的第一電極；位於該壓電膜的該第一面與該第二面上的第二電極，據此該第一電極和該第二電極在直徑為10-30微米的區域內重疊；以及至少一個穿過該壓電膜的校準特徵，從而使得該壓電膜與電極圖案化工具對齊。
17. 一種用於測量來自高頻超音波換能器之聲能的膜水下聽音器，包括：壓電膜，包含第一面和第二面；位於該壓電膜的該第一面與該第二面上的複數個第一電極；以及位於該壓電膜的該第一面與該第二面上的複數個第二電極，據此位於該些表面上的該些第一電極與該些第二電極在有效區域的網格圖案上重疊。

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