專利名稱：用于換能器探頭的換能器結構及其制作方法
技術領域：
本文所述的實施例涉及換能器結構，且更特定而言，涉及對于用于換能器探頭的換能器結構的受控的造型和布置的方法和系統。
背景技術：
常常包括壓電柱或壓電柱陣列的超聲探頭用于多種應用，包括例如通過超聲掃描的結構內部的無損成像。在許多這種成像應用中，期望使用復合材料，復合材料通常由壓電材料和非壓電材料組成。這些復合材料導致比單片壓電材料更好的壓電性能。需要盡可能多地減小構成該復合件的個別壓電特征的大小，以允許以更高的頻率操作，而這又提供在所得到的圖像中的増加的分辨率。已知的用于制造壓電換能器的切割-填充法在壓電換能器中的柱狀件大小減小時大體到達分辨率極限。此外，制造探頭的已知方法，諸如切割和填充方法，限于在換能器柱之間制作直線切ロ，從而限制了可用的換能器設計空間，例如，換能器柱布置、截面形狀的限制和不能制作自由形式的三維換能器特征。以更高頻率的已知超聲探頭的操作部分地通過減小換能器材料的厚度且相對應地減小包括換能器的壓電柱的x_y截面面積來實現。此操作導致為了完成換能器的制造，切割時間延長。此外，由于(更薄的)壓電柱的増加的斷裂可能性，與常規的制造低頻換能器的產品產量相比，用于制造高頻換能器的切割-填充法的產品產量通常減小。此外，已知的制造方法可產生利用剪切波制成的換能器，這造成一個或多個超聲波長在復合結構內行進。剪切波造成對探頭的設計約束且造成探頭中諸如鳴震(ringing)的聲干渉。
發明內容
在一方面，提供一種用于在超聲探頭的構造中使用的復合陶瓷換能器結構。該結構包括基板和多個壓電換能器柱。多個壓電換能器柱在位于基板的X-Y平面上的多個空間位置處可控制地形成于基板上。多個壓電柱包括限定于基板的X-Y-Z平面中的多個形狀，其中多個壓電換能器柱被配置成便于最小化在超聲探頭內的剪切波。在另一方面，提供一種用于制造用于超聲探頭的構造中的陶瓷換能器結構的方法。該方法包括形成基板層并且形成在基板層上的層，其中該層包括換能器材料和光聚合物。該方法還包括使得該層的多個選定區域對可編程的光模式(pattern)曝光，以使得該層的選定區域可控制地固化來便于形成多個壓電換能器柱。壓電換能器柱包括位于基板的X-Y平面上且具有在基板的X-Y-Z平面中的多種形狀的多個空間位置。壓電換能器柱被配置成便于最小化剪切波且維持在超聲探頭內的縱波。在又一方面，提供一種超聲探頭。探頭包括基板和可控制地形成于基板上的多個壓電換能器柱。柱形成于基板的X-Y平面上的多個空間位置，且其中多個壓電柱包括限定于基板的X-Y-Z平面中的多個形狀。多個壓電換能器柱被配置成便于最小化剪切波且維持在超聲探頭內的縱波。探頭還包括外接地圍繞在基板上的壓電換能器柱的填料。電接觸件聯接到多個壓電換能器柱以便于將電能轉換為超聲能。
圖1示出了包括多個換能器柱陣列的示例性換能器結構的局部截面視圖。圖2為制造用于圖1所示結構的換能器柱陣列的示例性方法的流程圖。圖3a示出了可用于制造用于圖1所示結構的換能器柱的示例性漿液系統。圖3b示出了圖3a所示的衆液系統的另ー過程視圖。圖4示出了可用于制造圖1所示結構的換能器柱的示例性光調制系統。圖5a示出了在圖4中所示用于制作示例性光模式的光調制系統。圖5b示出了圖4所示的光調制系統的另ー過程視圖。圖5c示出了圖4所示的光調制系統的另ー過程視圖。圖5d示出了圖4所示的光調制系統的另ー過程視圖。圖6示出了圖1所示的結構的透視圖。圖7示出了用于圖6所示結構的示例性換能器柱的側視圖。圖8示出了可用于圖6所示的結構的示例性換能器柱的另ー側視圖。圖9示出了可用于圖6所示結構的換能器柱的示例性陣列的平面圖。圖10示出了圖9所示的換能器柱陣列的透視圖。圖11示出了利用換能器柱陣列制作的示例性探頭的局部側視圖。部件列表 10 結構
12 陣列
14 換能器柱
16 基板
200 方法
18 功能層
202 形成功能層
204 使得多個選定區域曝光
206 使得功能層的選定區域固化
208 移除功能層的未曝光區域
210 使得換能器元件陣列脫脂(debinding)
212 燒結(sinter)換能器元件陣列 20 漿液系統 22 漿液 24 分配器 26 珠滴(bead)
28 刀片 30 調制器系統 32 計算機 34 光調制器 36 光模式 38數字模式
42模式
44模式
46模式
48模式
50探頭(50)
52非周期性間距
54近端
56遠端
58主體
60均勻配置
62非正交形狀
64直徑
66高度
68空隙
70六邊形
72長度
73側部
74高度
76非周期性陣列
78換能器元件
79成對的換能器元件84
80直徑
81分組
82直徑
83間距(在換能器元件84之間)
84換能器元件
85間距(在換能器元件78與換能器元件84之間)
86電極 88側部 92填料。
具體實施例方式圖1示出了包括置于基板16上的多個換能器柱14的陣列12的示例性換能器結構10的截面圖。圖2為可用于制作換能器柱14的陣列12的示例性方法200的流程圖。在示例性實施例中，方法200包括在基板16上形成202層18 (在圖3中示出)。基板16可包括諸如但不限于下列的材料塑料、玻璃、云母、金屬、陶瓷和/或其組合。層18由諸如但不限于下列材料制成超聲換能器材料和光可固化的聚合物材料。超聲換能器材料可包括一種或多種導電材料、和/或一種或多種壓電材料和/或ー種或多種聲材料。
在示例性實施例中，層18的多個選定區域向可編程的光系統30(在圖4中示出)曝光204。接下來，層18的選定區域固化206以形成聚合超聲換能器區域且選擇性地移除208層18的未曝光區域以形成聚合超聲換能器柱14的期望布置。方法200還包括將聚合超聲換能器柱14脫脂210以選擇性地移除有機聚合物，且然后燒結212聚合超聲換能器柱14的布置以得到超聲換能器柱14的期望陣列12。圖3a示出了可用于制備層18的示例性漿液系統20。圖3b示出了圖3a所示的漿液系統的另ー過程視圖。用于形成薄均勻層的任何合適制造方法可用于形成層18。在示例性實施例中，漿液系統20的分配器24在基板16上沉積漿液22的珠滴26，其中漿液22包括換能器材料和光聚合物材料。可基于結構10的預定特性來控制漿液珠滴26的大小和/或珠滴26形成的速率。在制造期間，刀片28可控制地擦漿液22以便于形成具有期望大小和形狀的層18。用于制備層18的其它合適系統(未圖示)包括但不限于本領域中已知的刀片技術、刮刀技術和絲網印刷。在示例性實施例中，層18包括壓電材料15和光可固化的聚合物材料17。任何合適的壓電材料可用于制成層18。例如，壓電材料可包括但不限于僅包括鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鋰、鈦酸鉍、鈦酸鉛和/或其組合。其它壓電材料可包括但不限于僅包括鈮鎂酸鉛、鈮鋅酸鉛、鈮鎳酸鉛、氧化鉍鈧和/或其組合。在示例性實施例中，壓電材料包括鋯鈦酸鉛(PZT)。在另ー實施例中，層18還可包括任何合適的導電材料和光聚合物。例如，合適的導電材料可包括但不限于僅包括鉬、鈀、鉬-鈀合金和/或其組合。可與ー種或多種超聲換能器材料兼容的任何光可固化的聚合物用于形成層18。另外，當對給定波長分布的光曝光時聚合的任何光可固化的材料可用于制作層18。圖4示出可用于制造用于結構10的換能器柱14的陣列12的示例性光調制器系統30。圖5a至圖5d示出了圖4所示的用于制作示例性光模式的光調制系統。在實施例中，空間光調制器34系統性地移動以使得層18曝光，使用“步進掃描”(step-and-scan)制造技木。在制造期間，層18的多個選定區域19向能啟動聚合過程的預定強度和波長分布的光曝光204。系統30包括計算機32，其提供數字控制信號來控制調制光強度和/或空間光調制器34的方向來便于在層18上生成預定光模式36。在一個實施例中,可編程的光模式36被數字地控制。計算機32生成電子控制信號且空間光調制器34在層18的多個選定區域19上投射預定光模式36來曝光井固化206層18的那些選定區域19。每ー層18向數字地可編程的光模式36曝光，且個別特征的成像經由計算機控制動態實現。表示待制作的結構的截面的數字模式38投射到層18上。空間光調制器34選擇性地固化206存在于層18的選定區域19內的光聚合物以得到層18內的聚合區域。如在圖5a至圖5d中最佳可見地，在制造期間，空間光調制器模塊34可在大體上水平面中沿著X平面和Y平面移動來向層18上發射呈期望的曝光模式42的數字可編程的光模式36。空間光調制器模塊34也可沿著Z平面移動。例如，空間光調制器模塊34可沿著X平面平移來在層18的至少一部分上產生第一曝光模式44，且沿著Y平面平移以在層18的至少一部分上產生不同的曝光模式46。同樣地，空間光調制器34可沿著Z平面平移以在層18的至少一部分上產生又一曝光模式48。使用此步進掃描技術便于使用小面積、高分辨率和數字掩膜來制造更大部分。方法200繼續選擇性地移除208層18的未曝光區域21來產生聚合換能器柱14的期望布置。接下來，將聚合換能器柱14的陣列12脫脂210來移除有機聚合物。最后，在示例性實施例中，方法200包括燒結212聚合換能器柱14來得到橫跨基板14(如在圖1中所示)間隔開的超聲換能器柱14的期望陣列12。換能器柱14能以任何受控制的間距放置和/或能以不同的物理尺寸和/或不同的形狀來獨立地制作。換能器柱14能以降低的成本且以任何間距可控制地形成和/或具有用于能使結構10如本文所述地起作用的自由形式的三維造型的任何物理尺寸和/或形狀。換能器柱14的可控制的造型和布置通過最小化或基本上消除了在陣列12內行進的超聲換能器波長的剪切波而便于提高探頭(諸如圖11所示的探頭50)的分辨率。換能器柱14可具有任何合適配置和/或方位和/或大小，其便于最小化和/或消除陣列12內的剪切波；便于維持和/或增強在陣列12內的縱波和/或便于提高探頭50的分辨率。在實施例中，多個換能器柱14可控制地形成且布置于基板16上。多個換能器柱14形成為在基板16的X-Y平面上具有多個空間位置。另外，多個換能器柱14形成為具有限定于基板16的X-Y-Z平面中的多個形狀。換能器柱14的多個空間位置和多個形狀被配置成便于最小化剪切波且維持在陣列12內的縱波。在實施例中，換能器柱14的空間位置和/或形狀被配置為便于干涉和/或消除(cancellation)由柱14生成且在柱14內或柱14之間行進的剪切波。在示例性實施例中，換能器柱14的空間位置和/或形狀還便于減小在柱14內或柱14之間行進的剪切波的振幅。多個空間位置和形狀便于增強探頭，諸如探頭50 (在圖11中示出)的壓電性質和聲性質。圖6示出了包括可控制地形成和布置的換能器柱14的陣列12的結構10的透視圖。在實施例中，換能器柱14的多個空間位置包括多個換能器柱14在基板16上的周期性布置。備選地，換能器柱14的多個空間位置包括多個換能器柱14在基板16上的非周期性布置。在實施例中，換能器柱14位于基板16上的多個空間位置包括0-3、3-0、1-3、3-1、3-3和2-2復合結構中的至少ー個。在示例性實施例中，換能器柱14定位成使得間距52限定于相鄰的換能器柱14之間。在實施例中，間距52在換能器柱14中的至少ー個與相鄰換能器柱14之間等距。在另一實施例中，間距52在換能器柱14中的至少ー個與相鄰換能器柱14之間不等距。在ー個實施例中，在換能器柱14之間的間距52在約5微米與約50微米之間。每個換能器柱14包括近端54、遠端56和在它們之間延伸的主體58。近端54聯接到基板16，且主體58從近端54遠離基板16延伸。在示例性實施例中，多個換能器14中的至少ー個具有形成為具有基本上均勻配置60的主體58。更具體而言，如本文所用的均勻配置60包括基本上平滑的側部輪廓和/或基本上均勻的模式化側部輪廓(未圖示)，其允許沿主體58的截面形狀的微小變化。另外，如本文所用的，均勻配置60包括用于主體58的基本上相似的截面積。在另ー實施例中，用于多個換能器柱14的多個形狀包括多個換能器柱14中的至少ー個換能器柱14的不同截面積。另外，在實施例中，用于多個換能器柱14的多個形狀包括用于多個換能器柱14中的至少ー個換能器柱14的不同側部輪廓形狀。在示例性實施例中，多個換能器柱14的至少ー個主體58具有非正交(non-orthogonal)形狀62,諸如但不限于包括基本上圓形截面的柱狀形狀。在一個實施例中，這樣的換能器元件14的直徑64的長度在約I微米與約50微米之間。在示例性實施例中，主體50各具有如在端部54與56之間測量的基本上相等的高度66。在示例性實施例中，每個換能器元件高度66在約5微米與約150微米之間。此外，在示例性實施例中，主體58包括至少2:1的高度與寬度的縱橫比。備選地，至少ー個主體58被形成為具有不同于陣列12內的多個換能器柱14中其它主體58的高度66。圖7示出了用于圖6所示的結構的示例性換能器柱14的側視圖。在示例性實施例中，至少ー個換能器柱14可具有不同于多個換能器柱14中的其它換能器柱14的密度68。備選地，多個換能器柱14中的每個換能器柱14可具有基本上相似的密度。每個換能器柱14的密度結構便于最小化或基本上消除在陣列12內行進的超聲換能器波的剪切波。換能器柱14可形成為具有便于消除在陣列12的柱14內或者在陣列12的柱14之間行進的剪切波的任何密度分布。換能器柱14可形成為具有便于維持在陣列12的柱14內或者在陣列12的柱14之間行進的縱波的任何密度分布。另外，在實施例中，多個換能器柱14中的每個換能器柱14能具有均勻密度分布或不均勻密度分布。換能器柱14也可包括諸如但不限于分布于換能器柱14內的盲孔和通孔的結構。圖8示出了形成為具有非正交形狀70的示例性換能器元件14的側視圖。在示例性實施例中，換能器元件14形成為具有由六邊形截面限定的柱形。在示例性實施例中，換能器元件14的每ー側73的長度72在約I微米與約50微米之間，且每個換能器元件14具有如從基板16測量的在約5微米到約150微米之間的高度74。圖9示出了安置于圖6所示的基板16上的換能器柱14的示例性陣列76的平面圖。圖10示出了陣列76的透視圖。在示例性實施例中，在陣列76內的換能器柱14形成為具有非正交形狀，諸如但不限于由基本上圓形截面限定的柱形。備選地，陣列76中的換能器柱14可被形成為具有其它非正交形狀(未圖示)，諸如但不限于六邊形截面形狀。此夕卜，在陣列76中的換能器柱14可形成為具有正交形狀(未圖示)。如圖所示，至少ー些換能器柱14被形成為在陣列76內具有不同于陣列76內的其它換能器柱14的物理大小。更具體而言，在示例性實施例中，陣列76包括多個換能器柱78，其被形成為具有比陣列76中的其它換能器柱84更大的截面大小。此外，在實施例中，在陣列76內的每個換能器元件78具有比每個相鄰換能器元件84的直徑82更大的直徑80。在示例性實施例中，每個直徑80比每個直徑82大大約30%至50%。在陣列76中，每個換能器元件78定位于成對79換能器柱84與其它換能器柱84的分組84之間。換能器柱84的分組84可包括多個換能器柱84。在一個實施例中，分組81包括四個換能器柱84。在示例性實施例中，限定于相鄰換能器柱84之間的間距83在約5微米到約50微米之間。另外，限定于換能器元件78與每個相鄰換能器元件84之間的間距85在約5微米到約50微米之間。陣列76的方位、和換能器柱78和84的形狀和/或大小便于最小化或基本上消除在換能器結構10的換能器柱14內或之間行進的剪切波。另外，陣列70的方位、和換能器柱78和84的形狀和/或大小便于維持在換能器結構10的換能器柱14內或之間行進的縱波。此外，陣列76的方位和換能器柱78和84的形狀和/或大小便于減小結構10的總大小以允許探頭，諸如探頭50(在圖11中示出)以比具有已知間距和/或方位和/或形狀的探頭更高的頻率來操作。另外，陣列76的方位、和換能器柱78和84的形狀和/或大小便于提高由探頭50所得到的圖像的分辨率。圖11示出了被制作為具有換能器柱14的陣列12的示例性探頭50的局部側視圖。探頭50包括換能器柱14的陣列12，換能器柱14具有聯接到每個頂側88的電極86，其使得探頭50電聯接到電源(未圖示)。柱14將電能轉換為超聲能。探頭50還包括填料92，填料92外接基板16上的多個換能器柱14。在示例性實施例中，填料92包括環氧化物材料，其將換能器柱保持在一起且在柱14之間支承電極材料，這形成具有比單片陶瓷材料更低的聲阻抗和更高的耦合系數的復合材料。這種造型便于在換能器柱14與由探頭50所檢查的構件(未圖示)之間更高效的聲耦合。如本文所用的術語“控制或布置”當用于討論結構和/或換能器柱和/或探頭的一個或多個構件的背景下時，可獨立地由用戶限定或可編程地實施的換能器柱的物理幾何形狀和/或大小和/或方位。此外，該術語也可指且包括下面這樣的情形探頭的換能器柱的布置也為用戶限定的且可例如為不均勻的和/或均勻的。這種布置在受控制或不受控制的距離上可為非周期性/隨機的。術語“柱”當用于討論結構和/或換能器柱和/或探頭的一個或多個構件的背景下時，可指壓電材料的任何特征。本文所述的實施例提供便于最小化和/或消除剪切波并且維持縱波的換能器柱的幾何形狀和/或方位和/或間距，而與包括已知換能器柱的探頭的性能相比，這提高了相關聯的探頭的性能。本文所述的實施例包括在任一 x-y、x-z、或y-z平面中的非正交的柱截面，諸如例如圓形和六邊形。非正交的截面還便于最小化或基本上消除由跨該結構上所施加的電勢所生成的剪切波。本文所述的實施例還提供使用成本節約的制造生產自由形式的三維換能器柱用于改進的更高機電耦合系數，在換能器與檢查的物件之間改進的聲阻抗匹配和改進的諧振特性的能力。本文所描述的實施例提供用于換能器探頭的結構。所公開的尺寸范圍包括在它們之間的所有子范圍。用于換能器柱的尺寸范圍便于減小換能器元件的總大小以使得探頭能以更高的頻率操作。此外，用于換能器元件的尺寸范圍便于提高由探頭所得到的圖像的分辨率。本文所述的實施例的技術效果包括受控制的換能器柱的陣列，其便于最小化或消除在換能器結構的陣列內行進的剪切波。本文所述的換能器柱的陣列的另ー技術效果便于減小換能器元件的大小以便于探頭以更高頻率操作。換能器柱陣列的又一技術效果便于提高探頭所得到的圖像中的分辨率。在上文中詳細地描述了換能器柱、探頭和制造換能器柱、結構和探頭以及組裝探頭的方法的示例性實施例。換能器柱、結構、探頭和方法并不限于本文所述的具體實施例，而是換能器柱和/或探頭的構件和/或方法的步驟可獨立地且單獨于本文所述的其它構件和/或步驟利用。例如，探頭和方法也可與其它診斷系統和方法組合地使用，且并不限于僅利用如本文所述的超聲換能器探頭來實踐。而是，可結合許多其它診斷系統或其它支承結構來實施和利用示例性實施例。盡管在某些附圖中示出但未在其它附圖中示出本發明的各種實施例的具體特征，但這只是出于方便目的。根據本發明的原理，附圖的任何特征可結合任何其它附圖的任何特征來參考和/或要求保護。本書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳實施方式，且還使本領域技術人員能夠實踐本發明，包括做出和使用任何層或系統及執行任何合并的方法。本發明的專利保護范圍由權利要求限定，且可包括本領域技術人員所想到的其它示例。如果其它示例具有與權利要求的字面語言并無不同的結構元件或者如果其它示例包括與權利要求的字面語言并無實質不同的等效結構元件，則這些其它示例預期在權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種用于超聲探頭(50)的構造中的復合陶瓷換能器結構(10)，所述結構(10)包括 基板(16);以及 多個壓電換能器柱(14)，其在位于所述基板(16)的X-Y平面上的多個空間位置中可控制地形成于所述基板(16)上，所述多個壓電柱(14)包括限定于所述基板(16)的X-Y-Z平面中的多個形狀，所述多個壓電換能器柱(14)被配置成便于最小化在所述超聲探頭(50)內的剪切波。
2.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，每個所述多個壓電換能器柱(14)包括光可固化的壓電陶瓷材料。
3.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，位于所述基板(16)的X-Y平面上的所述多個空間位置包括0-3、3-0、1-3、3-1、3-3和2-2復合結構(10)中的至少一個。
4.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，在所述基板(16)的X-Y平面中的所述多個空間位置包括所述多個壓電換能器柱(14)的非周期性布置。
5.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，所述多個壓電換能器柱(14)中的至少一個具有不同于所述多個壓電換能器柱(14)中的其余換能器柱的截面面積。
6.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，所述多個壓電換能器柱(14)中的至少一個具有不同于所述多個壓電換能器柱(14)中的其余換能器柱的側部輪廓。
7.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，所述多個壓電換能器柱(14)中的至少一個具有不同于所述多個壓電換能器柱(14)中的其余換能器柱的高度。
8.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，所述多個壓電換能器柱(14)中的至少一個具有不同于所述多個壓電換能器柱(14)中的其余換能器柱的密度。
9.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，所述多個壓電換能器柱(14)中的至少一個具有不均勻的密度。
10.根據權利要求1所述的復合陶瓷換能器結構(10)，其特征在于，至少一個所述多個壓電換能器柱(14)與所述多個壓電換能器柱(14)中的相鄰壓電換能器柱(14)不等距地間隔開。
全文摘要
本發明涉及用于換能器探頭的換能器結構及其制作方法。一種用于超聲探頭(50)的構造中的復合陶瓷換能器結構(10)包括基板(16)和多個壓電換能器柱(14)。多個壓電換能器柱(14)可控制地形成于基板(16)上位于基板(16)的X-Y平面中的多個空間位置處。多個壓電柱(14)包括限定于基板(16)的X-Y-Z平面中的多個形狀，其中多個壓電換能器柱(14)被配置成便于最小化在超聲探頭(50)內的剪切波。
文檔編號B06B1/06GK103008218SQ20121035404
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月21日 優先權日2011年9月22日
發明者M.H.克羅恩, P.辛格, P.A.梅耶, 駱巍 申請人:通用電氣公司