TWI831555B - 超音波換能器與應用其的超音波探頭 - Google Patents
超音波換能器與應用其的超音波探頭 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI831555B TWI831555B TW112100085A TW112100085A TWI831555B TW I831555 B TWI831555 B TW I831555B TW 112100085 A TW112100085 A TW 112100085A TW 112100085 A TW112100085 A TW 112100085A TW I831555 B TWI831555 B TW I831555B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- array
- ultrasonic transducer
- series
- unit
- array units
- Prior art date
Links
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title 1
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 claims description 21
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 5
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims description 5
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 4
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- -1 poly(vinylidene fluoride) Polymers 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229920001166 Poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) Polymers 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 238000010339 medical test Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
一種超音波換能器，包括：超音波換能單元陣列及電路層。超音波換能單元陣列包括：多個第一陣列單元和多個第二陣列單元。第一陣列單元包括中至少二相鄰者沿第一方向排列，形成第一串列；第二陣列單元中至少二相鄰者沿一第二方向排列，形成第二串列與第一串列交叉。且第一方向與第二方向夾一個非180°角。電路層包括第一架橋單元及第二架橋單元。第一架橋單元串聯第一陣列單元；第二架橋單元串聯第二陣列單元；且第二架橋單元與第一架橋單元彼此不具有直接的電性連接。
Description
本發明是有關於一種超音波換能器與應用其的超音波探頭，且特別是有關於一種具有二維陣列結構的超音波換能器與應用其的超音波探頭。
超音波換能器(或稱為超音波探頭)具有即時成像、無放射線傷害且成本低等優點，常被應用於醫療檢測儀器之中。近年來又因微機電系統(micro-electro-mechanical-system，MEMS)技術的進步與發展，將超音波技術帶入微機械超音波換能器(micromachined ultrasonic transducer，MUT)的新領域，更拓展了超音波換能器在頭戴式虛擬實境(VR)、指紋生物辨識、醫療應用等領域的應用。
傳統超音波探頭是採用具有一維陣列結構，即是將超音波產生單元平行排列在基材上，通過接收反射波振幅變化的一維訊號建構出二維的超音波影像。而現有的技術已能將超音波產生單元組建成二維陣列結構，用以提供不同維度(例如，不同方
向或不同直線)的掃描。透過探頭的旋轉或平移，可以觀測到不同切面的影像，再透過電腦軟體，就可把這些切面重構成立體的影像。
當超音波探頭採用一維結構的超音波產生單元陣列時，由於每一個超音波產生單元都可以通過位於超音波產生單元陣列和基材之間的共同接地層形成接地，每一個聲波產生單元之間具有相同的接地參考電位，不易產生接地迴路干擾。
然而，當超音波探頭採用二維結構的超音波產生單元陣列時(以行列陣列(row-column array，RCA)超音波換能器為例)結構是在聲波產生單元陣列的上下兩側配置行列交叉排列的電極，只能將接地電極設於超音波產生單元陣列的周邊，無法直接在聲波產生單元陣列設置共同接地層。而且由於聲波產生單元陣列連線的關係複雜化，讓電流產生迴路空間，更容易使每一個聲波產生單元接地點的電位不同，進而出現許多變因，並造成電磁耐受性(electromagnetic susceptibility,EMS)訊號干擾。
因此，有需要提供一種先進的超音波換能器與應用其的超音波探頭，來解決習知技術所面臨的問題。
本說明書的實施例揭示一種超音波換能器(ultrasonic transducer)，包括：超音波換能單元陣列以及電路層。超音波換能單元陣列包括：複數個第一陣列單元和複數個第
二陣列單元。這些第一陣列單元中至少二相鄰者沿第一方向排列，形成第一串列；這些第二陣列單元中至少二相鄰者沿一第二方向排列，形成第二串列與第一串列交叉，且第一方向與第二方向夾一個非180°角。電路層位於超音波換能單元陣列的一側，包括：第一架橋單元及第二架橋單元。第一架橋單元串聯這些第一陣列單元；第二架橋單元串聯這些第二陣列單元；且第二架橋單元與第一架橋單元彼此不具有直接的電性連接。
本說明書的又一實施例揭示一種超音波探頭，包括殼件、超音波換能單元陣列以及電路層。超音波換能單元陣列配置於殼件之一側，且包括複數個第一陣列單元和複數個第二陣列單元。這些第一陣列單元沿第一方向排列形成一條第一串列；這些第二陣列單元沿第二方向排列形成一條第二串列與第一串列交叉；且第一方向與第二方向夾一非180°角。電路層位於超音波換能單元陣列的一側，包括第一架橋單元和第二架橋單元。第一架橋單元串聯這些第一陣列單元；第二架橋單元串聯這些第二陣列單元；且第二架橋單元與第一架橋單元彼此電性隔離。
根據上述實施例，本說明書是提供一種具有二維超音波換能單元陣列結構的超音波換能器與應用其的超音波探頭。採用設置在超音波換能單元陣列的一側，且具有彼此電性隔離之二種架橋單元的電路層，藉由此二種架橋單元，將二維超音波換能單元陣列中的超音波換能單元，串聯成兩種排列於不同維度的第一串列和第二串列。
由於，用於連接每一個超音波換能單元的導線已被電路層整合在超音波換能單元陣列的一側。因此，能容許共同接地層直接配置在超音波換能單元陣列相對於電路層的另一側。這樣的配置能讓每一個超音波換能單元直接與共同接地層直接或間接的電性連接，進而使每一個超音波換能單元之間具有相同的接地參考電位，大幅降低接地迴路干擾，從而降低超音波換能器所受到的電磁耐受性訊號干擾。
50:超音波探頭
100:超音波換能器
101:聲阻抗匹配層
101a:匹配層的表面
102:接地層
102a:表面
103:超音波換能單元陣列
103A:第一陣列單元
103B:第二陣列單元
103M:壓電材料層
103P1:第一頂點
103P2:第二頂點
104:電路層
104A:第一架橋單元
104A1:第一通道
104B:第二架橋單元
104B1:第二通道
104B2:第二連接層
105:第一導線
106:第二導線
107:隔離層
108:背後層
300:超音波換能器
304:電路層
304A:第一架橋單元
304A1:第一通道
304A2:第一連接層
304B:第二架橋單元
304B1:第二通道
304B2:第二連接層
307:隔離層
400:超音波換能器
403:超音波換能單元陣列
403A:第一陣列單元
403B:第二陣列單元
403P1:第一頂點
403S1:第一側邊
403P2:第二頂點
403S2:第二側邊
404:電路層
404A:第一架橋單元
404B:第二架橋單元
501:纜線
502:殼件
503:超音波辨識系統
A1:切線
A2:切線
E:外界環境
H1:間隔
H2:間隔
K1:第一連接層之長度
K2:第二連接層之長度
L1:第一方向
L2:第二方向
θ:非180°角
X1-X16:第一串列
Y1-Y16:第二串列
M1-M16:第一串列
N1-N16:第二串列
S1:側邊
S2:側邊
為了對本說明書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：第1A圖係根據本說明書的一實施例所繪示的一種超音波換能器的透視結構示意圖；第1B圖係根據第1A圖繪示超音波換能器的上視結構示意圖；第1C圖係繪示第1B圖之超音波換能器的部分上視結構放大圖；第2A圖係繪示沿著第1C圖之切線A1的超音波換能器部分結構剖面示意圖；第2B圖係繪示沿著第1C圖之切線A2的超音波換能器部分結構剖面示意圖；第3A圖係根據本說明書的另一實施例，繪示沿著第1C圖之切線A1的超音波換能器部分結構剖面示意圖；
第3B圖係根據本說明書的另一實施例，繪示沿著第1C圖之切線A2的超音波換能器部分結構剖面示意圖；第4A圖係根據本說明書的另一實施例所繪示的一種超音波換能器的上視結構示意圖；第4B圖係繪示第4A圖之超音波換能器的部分上視結構放大圖；以及第5圖係根據本說明書的一實施例，繪示一種超音波探頭的組裝示意圖。
本說明書是提供一種超音波換能器與應用其的超音波探頭，可以提改善接超音波換能器地迴路的干擾，以及降低電磁耐受性訊號干擾。為了對本說明書之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉複數個較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。
但必須注意的是，這些特定的實施案例，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。
請參照第1A圖至第1C圖，第1A圖係根據本說明書的一實施例所繪示的一種超音波換能器100的透視結構示意圖。第1B圖係根據第1A圖繪示超音波換能器100的上視結構示意圖。第1C圖係繪示第1B圖之超音波換能器100的部分上視結構放大圖。超音波換能器100包括：聲阻抗匹配層101(匹配層可設置或不設置，以微機電超音波換能器MUT設計薄膜聲阻抗與人體組織接近可不設置聲阻抗匹配層101、以水下超音波換能器應用以高壓驅動可滿足穿透深度之需求可不設置聲阻抗匹配層101。具聲阻抗匹配層101之換能器對水與人體動物組織具較佳超音波穿透性)、接地層102、超音波換能單元陣列103、電路層104、複數條第一導線105、複數條第二導線106、背後層108。
其中，接地層102位於聲阻抗匹配層101的表面101a上。超音波換能單元陣列103位於接地層102上，且與接地層102直接或間接的電性連接。電路層104位於超音波換能單元陣列103遠離接地層102的一側，並與超音波換能單元陣列103電性連接。背後層108配置於電路層104上方(即，背對超音波換能單元陣列103之一側)。若有聲學透鏡則配置於超音波換能單元陣列103相對電路層104的另一側(即，背對電路層104的一側)。
在本說明書的一些實施例中，聲阻抗匹配層101可以是一種設置在超音波換能器100的超音波換能單元陣列103(例如，壓電陶瓷)與外界環境E(例如，空氣)之間的聲阻匹配層(acoustic matching layer)。其具有使超音波換能單元陣列103
和外界環境E的聲阻相互匹配，從而可以有效地將超音波換能單元陣列103所產生的超音波傳遞到外界環境E(例如，空氣)中。
考慮具有較佳的耐候性及可靠度，用來構成聲阻抗匹配層101的材料，可以包括高分子樹脂與空心粉體混合成的複合材料。但聲阻抗匹配層101的結構與材料並不以此為限，例如在另外一些實施例中，聲阻抗匹配層101可以是一種多層結構。例如在本說明書的一些實施例中，聲阻抗匹配層101可以包括耦合到超音波換能單元陣列103(接地層102)上的一層或多層，由具有不同或相同聲阻抗(Z)的複數種材料所構成的聲阻匹配層。
接地層102位於聲阻抗匹配層101遠離外界環境E的表面101a上。在本說明書的一實施例中，接地層102為導電材料層，用來與超音波換能單元陣列103直接或間接的電性連接。例如在本實施例中，接地層102可以是一種圖案化的導電層；具有一個尺寸實質上與超音波換能單元陣列103相同的表面102a，用來與超音波換能單元陣列103直接或間接的電性連接。101聲阻抗匹配層若具導電性，如導電銀膠。其功能可以接地層102合併使用。
超音波換能單元陣列103排列於接地層102的表面102a上方，且與接地層102直接或間接的電性連接。超音波換能單元陣列103包括複數個第一陣列單元103A和複數個第二陣列單元103B。複數個第一陣列單元103A中至少有二個以上的第一陣列單元103A，以彼此鄰接的方式，沿第一方向L1(例如，平行Y軸的方向)排列，形成一條第一串列(例如，第一串列X1)；複數個
第二陣列單元103B之中至少有二個以上的第二陣列單元103B，以彼此鄰接的方式，沿第二方向L2(例如，平行X軸的方向)排列，形成一條第二串列(例如，第二串列Y1)。其中，第一方向L1與第二方向L2夾一個非180°角θ(例如，90°角)，且第一串列X1和第二串列Y1彼此交叉。
藉由上述排列方式，可以在接地層102的表面102a上形成複數條彼此平行且相互電性隔離的第一串列(例如，第一串列X1-X16)和複數條彼此平行且相互電性隔離的第二串列(例如，第二串列Y1-Y16)。每一條第一串列(例如，第一串列X1-X16)中的第一陣列單元103A之間具有相同的第一間距(pitch)P1；每一條第二串列(例如，第二串列Y1-Y16)中的第二陣列單元103B之間具有相同的第二間距P2。在本說明書的一些實施例中第一間距P1大於第二間距P2。在另一些實施例中第一間距P1實質上等於第二間距P2。在另一些實施例中第一間距P1與第二間距P2也可不相同。
詳言之，如第1B圖所繪示，超音波換能單元陣列103可以是一種矩形陣列，或其他例如三角形陣列、五角形陣列、六角形陣列，但不以此為限。複數個第一陣列單元103A係藉由切割壓電材料層103M所形成的256(16×16)個彼此隔離的稜形圖案。其中，每17個第一陣列單元103A(稜形圖案)沿著一方向(例如平行Y軸的方向，第一方向L1)排列，形成16條彼此平行的第一串列X1-X16。每一個第一陣列單元103A(稜形圖案)具有2個第一
頂點103P1，分別用來與位於同一條第串列(例如，第一串列X1)中與之相鄰的另外二個第一陣列單元103A(稜形圖案)鄰接。例如，同一條第串列(例如，第一串列X1)中相鄰的二個第一陣列單元103A(稜形圖案)，分別將各自的其中一個第一頂點103P1以彼此鄰接的方式，沿第一方向L1鄰接排列。
複數個第二陣列單元103B係藉由切割壓電材料層103M，所形成的256(16×16)個彼此隔離的稜形壓電材料圖案。其中，每16個第二陣列單元103B(稜形圖案)沿著另一方向(例如平行X軸的方向，第二方向L2)排列，形成16條彼此平行的第二串列Y1-Y16。每一個第二陣列單元103B(稜形圖案)具有2個第二頂點103P2，分別用來與位於同一條第二串列(例如，第二串列Y1)中相鄰的另外二個第二陣列單元103B(稜形圖案)鄰接。例如，同一條第二串列(例如，第二串列Y1)中相鄰的二個第二陣列單元103B(稜形圖案)，分別將各自的其中一個第二頂點103P2以彼此鄰接的方式，沿第二方向L2鄰接排列。
構成壓電材料層103M的壓電材料，可以是由鋯鈦酸鉛(被稱為「PZT陶瓷」)所製成。但在本說明書的一些實施例中，構成壓電材料層103M的壓電材料並不以此為限。例如，在其他實施例中可以採用單晶鐵電弛豫(single crystal ferroelectric relaxors，例如單晶鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(lead magnesium niobate-lead titanate；PMN-PT))或具有壓電特性的其他合成材料(例如聚偏二氟乙烯(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的材料)來替代PZT陶瓷。
在本說明書的另外一些實施例中，除了PZT陶瓷之外，構成超音波換能單元陣列103的複數個第一陣列單元103A和複數個第二陣列單元103B，也可以分別是複數個壓電式微機電超音波換能器(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT)單元、複數個電容式機械微機電超音波換能(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)單元或者是上述三者的任意組合。
電路層104位於超音波換能單元陣列103遠離接地層102的一側，包括：第一架橋單元104A及第二架橋單元104B。第一架橋單元104A用於串聯這些第一陣列單元103A；第二架橋單元104B用於串聯這些第二陣列單元103B；且第一架橋單元104A與第二架橋單元104B彼此不具有直接的電性連接。在一些實施例中，電路層104可以例如是軟性印刷電路板(Flexible Printed Circuit，FPC)，或是利用微機電製程或半導體製程所製作出的軟性電路板，但不以此為限。
例如請參照第2A圖和第2B圖，第2A圖係繪示沿著第1C圖之切線A1的超音波換能器100部分結構剖面示意圖。第2B圖係繪示沿著第1C圖之切線A2的超音波換能器100部分結構剖
面示意圖。第一架橋單元104A可以是一種圖案化金屬層，形成於超音波換能單元陣列103上方，且用於與第一串列(例如，第一串列X2)中的第一陣列單元103A直接或間接的電性連接，使第一串列(例如，第一串列X2)中的第一陣列單元103A彼此串連。第二架橋單元104B可以是一種形成於超音波換能單元陣列103上方，且與第二串列(例如，第二串列Y2)中的第二陣列單元103B直接或間接電性連接的圖案化金屬層，使第二串列(例如，第二串列Y2)中的第二陣列單元103B彼此串連。且第一架橋單元104A和第二架橋單元104B之間可以藉由隔離層107相互隔離。
在本實施例中，構成第一架橋單元104A的圖案化金屬層包括至少一個第一通道104A1，每一個第一通道104A1分別對應地電性連接位於同一條第一串列(例如，第一串列X2)中相鄰的二個第一陣列單元103A(稜形圖案)，使第一串列(例如，第一串列X2)中的每一個第一陣列單元103A彼此串連。且隔離層107覆蓋於超音波換能單元陣列103上方。
構成第二架橋單元104B的圖案化金屬層形成於隔離層107的上表面，且第二架橋單元104B包括至少一個第二通道104B1以及複數個導電插塞(以下稱為第二連接層104B2)。每一個第二通道104B1對應連接二個第二連接層104B2，藉以組成一個導電結構，跨過一個第一架橋單元104A(第一通道104A1)，並且對應地電性連接位於同一條第二串列(例如，第二串列Y2)中相鄰的二個第二陣列單元103B(稜形圖案)。
然而值得注意的是，電路層304的結構並不以此為限。例如請參照第3A圖和第3B圖，第3A圖根據本說明書的另一實施例，所繪示的超音波換能器300部分結構剖面示意圖。第3B圖係沿著第1C圖中的切線A2所繪示的超音波換能器300的部分結構剖面示意圖。電路層304的結構大致與第2A圖和第2B圖所繪示的電路層104類似，差別在於第一架橋單元304A的結構有所不同。由於電路層304中的其他結構與第2A圖和第2B圖所繪示者相同，故不再贅述。
在本實施例中，電路層304還包括一個覆蓋於超音波換能單元陣列103中所有第一陣列單元103A和第二陣列單元103B上方的隔離層307。第一架橋單元304A包括至少一個第一通道304A1以及複數個導電插塞(以下稱為第一連接層304A2)。每一個第一通道304A1對應連接的二個第一連接層304A2，藉以組成一個導電結構，分別對應地電性連接位於同一條第一串列(例如，第一串列X2)中相鄰的二個第一陣列單元103A(稜形圖案)。每一個第二通道304B1對應連接二個第二連接層304B2，藉以組成一個導電結構，跨過一個第一架橋元304A(第一通道304A1)，並且對應地電性連接位於同一條第二串列(例如，第二串列Y2)中相鄰的二個第二陣列單元103B(稜形圖案)。在一些實施例中，第一架橋單元304A的第一通道304A1與該些第一陣列單元103A之間隔H1可以小於或大於第二架橋單元304B的第二通道304B1與該些第二陣列單元103B之間隔H2。在另外一些實施例中，第一架橋單
元304A的第一連接層304A2之長度K1可以大於或小於第二架橋單元304B的第二連接層304B2之長度K2。
請再參照第1B圖，複數條第一導線105彼此電性隔離，且每一條第一導線105分別對應地連接於一條第一串列(例如，第一串列X1)。複數條第二導線106彼此電性隔離，且每一條第二導線106分別對應地連接於一條第二串列(例如，第二串列Y1)。在本實施例中，超音波換能器100具有16個第一導線105和16個第二導線106。其中，16個第一導線105沿著平行X軸的方向(第二方向L2)排列於超音波換能單元陣列103的一側邊S1；且分別與第一串列X1-X16之一者，靠近側邊S1之一端的一個第一陣列單元103A(稜形圖案)對應地直接或間接的電性連接。16個第二導線106沿著平行Y軸的方向(第二方向L2)排列於超音波換能單元陣列103的另一側邊S2；且分別與第二串列Y1-Y16之一者，靠近側邊S2之一端的一個第二陣列單元103B(稜形圖案)對應地直接或間接的電性連接。
另外，第一串列X1-X16中的每一個第一陣列單元103A(稜形圖案)以及第二串列Y1-Y16中的每一個第二陣列單元103B(稜形圖案)與位在下方的接地層102直接或間接的電性連接。超音波換能器100的控制器(未繪示)可以通過第一導線105和第二導線106(可選擇性地)對第一串列X1-X16中的每一個第一陣列單元103A以及第二串列Y1-Y16中的每一個第二陣列單元103B施加電壓，藉由壓電效應使其發生變形，進而產生高頻率振
動，形成聲波，如果此聲波的頻率落在超音波範圍(≧20kHz)，即為超音波振動。
相反地，當控制器(未繪示)分別透過第一導線105和第二導線106對第一串列X1-X16中的每一個第一陣列單元103A以及第二串列Y1-Y16中的每一個第二陣列單元103B接收反射的超音波訊號時，藉由正壓電效應(機械能轉換電能)即可將接收到的超音波訊號轉換成感測訊號。
請參照第4A圖和第4B圖，第4A圖係根據本說明書的另一實施例所繪示的一種超音波換能器400的上視結構示意圖。第4B圖係繪示第4A圖之超音波換能器400的部分上視結構放大圖。超音波換能器400的結構大致與第1B圖所繪示的超音波換能100類似，差別在於構成超音波換能單元陣列403的複數個第一陣列單元403A和複數個第二陣列單元403B的形狀、排列和連接方式有所不同。由於超音波換能器400的其他結構與第1A圖至第1C圖所繪示者相同，故不再贅述。
在本實施例中，超音波換能單元陣列403仍為(但不以此為限)一種矩形陣列，複數個第一陣列單元403A可以是藉由1024(32×32)個彼此隔離的三角形壓電材料圖案。其中，每32個第一陣列單元403A(三角形圖案)沿著平行Y軸的方向(第一方向L1)排列，形成16條彼此平行的第一串列M1-M16。每一個第一陣列單元403A(三角形圖案)分別具有1個第一頂點403P1和1
個第一側邊403S1，分別用來與相鄰的另一個第一陣列單元403A鄰接。
換言之，同一條第一串列(例如，第一串列X1)中的複數個第一陣列單元403A有兩種排列方式：其中一種排列方式是，在同一條第一串列(例如，第一串列X1)中的複數個第一陣列單元403A至少有二個相鄰的第一陣列單元403A，分別將各自的一個第一頂點103P1以彼此鄰接的方式，沿第一方向L1排列。另一種排列方式是，在同一條第一串列(例如，第一串列X1)中至少有二個相鄰的第一陣列單元403A，分別將各自的第一側邊403S1以彼此鄰接的方式，沿第一方向L1鄰接排列，或可理解為，在同一條第一串列(例如，第一串列X1)中至少有二個相鄰的第一陣列單元403A，分別將各自除了第一頂點103P1以外的二個頂點彼此鄰接的方式，沿第一方向L1排列。
每32個第二陣列單元403B(三角形圖案)沿著平行X軸的方向(第二方向L2)排列，形成16條彼此平行的第二串列N1-N16。每一個第二陣列單元403B(三角形圖案)分別具有1個第二頂點403P2和1個第二側邊403S2，分別用來與相鄰的另一個第二陣列單元403B鄰接。
同樣地，同一條第二串列(例如，第二串列N1)中的複數個第二陣列單元403B也有兩種排列方式：同一條第二串列(例如，第二串列N1)中的複數個第二陣列單元403B至少有二個相鄰的第二陣列單元403B，分別將各自的一個第二頂點403P2以彼此
鄰接的方式，沿第二方向L2排列；且同一條第二串列(例如，第二串列N1)中至少有二個相鄰的第二陣列單元403B，分別將各自的第二側邊403S1以彼此鄰接的方式，沿第二方向L2鄰接排列，或可理解為，在同一條第二串列(例如，第二串列N1)中至少有二個相鄰的第二陣列單元403B，分別將各自除了第二頂點403P2以外的二個頂點彼此鄰接的方式，沿第二方向L2排列。
與第1B圖所繪示的超音波換能器100相比，超音波換能器400中構成每一條第一串列M1-M16的第一陣列單元403A的個數增加了一倍，構成每一條第二串列N1-N16的第二陣列單元403B的個數也增加一倍。因此，電路層404中用於串聯第一陣列單元403A的第一架橋單元404A的個數也會加倍；用於串聯第二陣列單元403B的第二架橋單元404B的個數也會加倍，同時亦增加超音波換能器的探測效能。
請參照第6圖，第6圖係根據本說明書的一實施例，繪示一種超音波探頭50的組裝示意圖。在本實施例中，超音波探頭50包括纜線501、超音波換能器100/400、超音波辨識系統503和殼件502。超音波換能器100/400安裝於殼件502的殼體之中，並通過纜線501與內建於例如電腦主機中的超音波辨識系統503電連接。使超音波辨識系統503透過纜線501從超音波換能器100/400接收訊號，進而依據所接收的訊號產生特徵圖像。在一些實施例中，殼件502可以是手持超音波的手持殼件，或是其他應用領域的殼體，例如魚群探測器的探測器殼件。
根據上述實施例，本發明提供一種具有二維超音波換能單元陣列結構的超音波換能器(例如，超音波換能器100)與應用其的超音波探頭(例如，超音波探頭50)。採用設置在超音波換能單元陣列(例如，超音波換能單元陣列103)的一側，且具有彼此電性隔離之二種架橋單元(例如，第一架橋單104A和第二架橋單元104B)的電路層(例如，電路層104)，藉由此二種架橋單元104A和104B，將二維超音波換能單元陣列103中的超音波換能單元103A和103B，串聯成兩種排列於不同維度的第一串列(例如，第一串列X1-X16)和第二串列(例如，第二串列Y1-Y16)。
由於，用於連接每一個超音波換能單元的103A和103B導線(例如，第一架橋單104A和第二架橋單元104B)已被電路層104整合在超音波換能單元陣列103的一側。因此，能容許共同接地層(例如，接地層102)直接配置在超音波換能單元陣列103相對於電路層104的另一側，即背對電路層104的一側。這樣的配置能讓每一個超音波換能單元104A和104B直接與共同接地層102直接或間接的電性連接，進而使每一個超音波換能單元之間具有相同的接地參考電位，大幅降低接地迴路干擾，從而降低超音波換能器100所受到的電磁耐受性訊號干擾。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何該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，當可作些許之更動與潤飾，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:超音波換能器
103:超音波換能單元陣列
103A:第一陣列單元
103B:第二陣列單元
103M:壓電材料層
103P1:第一頂點
103P2:第二頂點
104:電路層
104A:第一架橋單元
104B:第二架橋單元
105:第一導線
106:第二導線
L1:第一方向
L2:第二方向
θ:非180°角
S1:側邊
S2:側邊
X1-X16:第一串列
Y1-Y16:第二串列
Claims (11)
- 一種超音波換能器(ultrasonic transducer)，包括：一超音波換能單元陣列，包括：複數個第一陣列單元，其中至少二相鄰者沿一第一方向排列，形成一第一串列；其中該些第一陣列單元係為複數個具有頂點的非圓形圖案，並包括複數個第一頂點，該些第一陣列單元中至少二相鄰者沿該第一方向以該些第一頂點中至少之一者彼此鄰接的方式排列，形成該第一串列；以及複數個第二陣列單元，其中至少二相鄰者沿一第二方向排列，形成一第二串列與該第一串列交叉，且該第一方向與該第二方向夾一非180°角，其中該些第二陣列單元係為複數個具有頂點的非圓形圖案，並包括複數個第二頂點，該些第二陣列單元中至少二相鄰者沿該第二方向以該些第二頂點中至少之一者彼此鄰接的方式排列，形成該第二串列；以及一電路層，位於該超音波換能單元陣列的一側，包括：一第一架橋單元，串聯該些第一陣列單元；以及一第二架橋單元，串聯該些第二陣列單元，且該第二架橋單元與該第一架橋單元彼此不具有直接的電性連接。
- 如請求項1所述之超音波換能器，更包括一第一導線與一第二導線，該第一導線電性連接該第一串列，該第二導線電性連接該第二串列。
- 如請求項1所述之超音波換能器，其中該些第一陣列單元具有一第一間距；該些第二陣列單元具有一第二間距；且該第一間距大於該第二間距。
- 如請求項1所述之超音波換能器，其中包括一接地層，該接地層配置於該超音波換能單元陣列，遠離該電路層的一側，並電性連接該第一串列、該第二串列或二者之組合。
- 如請求項1所述之超音波換能器，其中該第一架橋單元更包括一第一通道，該第一通道分別對應地電性連接該些第一陣列單元，該第二架橋單元更包括一第二通道，該第二通道分別對應地電性連接該些第二陣列單元。
- 如請求項5所述之超音波換能器，其中該第一架橋單元更包括複數個第一連接層，該些第一連接層位於該第一通道與該些第一陣列單元之間，並且電性連接該第一通道與該些第一陣列單元，該第二架橋單元更包括複數個第二連接層，該些第二連接層位於該第二通 道與該些第二陣列單元之間，並且電性連接該第二通道與該些第二陣列單元。
- 如請求項6所述之超音波換能器，其中該些第一連接層的長度小於或大於該些第二連接層的長度。
- 如請求項5所述之超音波換能器，其中該些第一通道與該些第一陣列單元之間隔小於或大於該些第二通道與該些第二陣列單元之間隔。
- 如請求項1所述之超音波換能器，其中該些第一陣列單元和該些第二陣列單元中至少之一者，係複數個壓電式微機電超音波換能器單元、複數個電容式機械微機電超音波換能單元，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，或三者之任意組合。
- 如請求項1所述之超音波換能器，其中該電路層係一軟式印刷電路板。
- 一種超音波探頭，包括：一殼件；以及如申請專利範圍請求項1至10中任一請求項所述的超音波換能單元陣列，配置於該殼件之一側。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW112100085A TWI831555B (zh) | 2023-01-03 | 2023-01-03 | 超音波換能器與應用其的超音波探頭 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW112100085A TWI831555B (zh) | 2023-01-03 | 2023-01-03 | 超音波換能器與應用其的超音波探頭 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI831555B true TWI831555B (zh) | 2024-02-01 |
Family
ID=90824721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW112100085A TWI831555B (zh) | 2023-01-03 | 2023-01-03 | 超音波換能器與應用其的超音波探頭 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI831555B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180246207A1 (en) * | 2015-09-08 | 2018-08-30 | Dalhousie University | Systems and methods of combined phased-array and fresnel zone plate beamforming employing delay-corrected fresnel sub-apertures |
| CN110871157A (zh) * | 2018-08-31 | 2020-03-10 | 株式会社日立制作所 | 超声波换能器阵列以及超声波探测器 |
-
2023
- 2023-01-03 TW TW112100085A patent/TWI831555B/zh active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180246207A1 (en) * | 2015-09-08 | 2018-08-30 | Dalhousie University | Systems and methods of combined phased-array and fresnel zone plate beamforming employing delay-corrected fresnel sub-apertures |
| CN110871157A (zh) * | 2018-08-31 | 2020-03-10 | 株式会社日立制作所 | 超声波换能器阵列以及超声波探测器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10707407B2 (en) | Ultrasonic device, method for manufacturing the same, electronic device and ultrasonic imaging device | |
| CN1289212C (zh) | 具有可变声学阻抗的超声波换能器晶片 | |
| JP6519212B2 (ja) | 圧電素子、圧電デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置 | |
| EP1854157B1 (en) | Piezoelectric micromachined ultrasonic transducer with air-backed cavities | |
| US5834880A (en) | Multilayer array ultrasonic transducers | |
| US9976992B2 (en) | Ultrasonic device, method for manufacturing the same, probe, and electronic apparatus | |
| CN103300883B (zh) | 超声波探头及超声波探头的制造方法 | |
| JP6314777B2 (ja) | 超音波センサー並びにプローブおよび電子機器 | |
| TWI632710B (zh) | 超音波轉換器裝置及超音波探針及電子機器及超音波影像裝置 | |
| CN111465455B (zh) | 高频超声波换能器 | |
| CN101238506A (zh) | 具有聚乙烯第三匹配层的宽带矩阵换能器 | |
| US9246077B2 (en) | Ultrasonic transducer device, head unit, probe, and ultrasonic imaging apparatus | |
| JP2005511115A (ja) | リボンケーブル取付けシステムを用いた超音波プローブ | |
| EP3097987B1 (en) | Ultrasonic imaging apparatus including a piezoelectric element with a piezoelectric film and a vibrating film | |
| JP6507574B2 (ja) | 超音波デバイスユニット並びにプローブおよび電子機器 | |
| TWI831555B (zh) | 超音波換能器與應用其的超音波探頭 | |
| KR20150073056A (ko) | 초음파 진단장치 및 초음파 진단장치의 제조방법 | |
| JP6221679B2 (ja) | 超音波デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置 | |
| EP3851164A1 (en) | Ultrasound emission device and ultrasound apparatus | |
| CN114950925B (zh) | 柔性可延展微机电系统超声阵列及医用超声诊断设备 | |
| JP2010219774A (ja) | 超音波トランスデューサ、超音波プローブおよび超音波診断装置 | |
| CN220653918U (zh) | 超音波换能器 | |
| JP2000214144A (ja) | ２次元配列型超音波探触子 | |
| JP2017153652A (ja) | 超音波装置および超音波プローブ | |
| JP2017029571A (ja) | 圧電デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置 |