CN102297901A - 超声波探头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超声波探头及其制造方法。更具体地讲，通过将扁线***在背衬材料中而容易地制造具有多元件式压电材料的一维或二维超声波探头，使得压电单元以及信号电缆的布置变得简单容易，其中，所述扁线用作供应电信号的信号电缆。
Description
技术领域
与实施例一致的设备和方法通常涉及超声波探头，更具体地讲，涉及一种超声波探头和一种制造该超声波探头的方法，所述超声波探头具有压电材料，以发射和接收超声波。
背景技术
超声波探头是一种将超声波发射到目标物体并接收从目标物体反射的超声回波以生成目标物体的内部图像的装置。超声波探头可使用压电材料来产生超声波并接收从目标物体反射的超声波。现有技术的超声波探头通常具有压电元件、匹配层、背面膜(backside film)以及电路板。根据现有技术的工艺，为了将压电元件连接到外部信号端，将电路板置于背面膜内，并从背面膜的背面引出信号电缆。当将电路板嵌入在背面膜中时，必须使用薄规格(thingauge)的信号电缆，并且难以将多条信号电缆与对应于所述信号电缆的压电元件相匹配。
发明内容
示例性实施例提供一种具有信号电缆的超声波探头及一种制造该超声波探头的方法，所述信号电缆是扁线。
根据示例性实施例的一方面，提供一种超声波探头，所述超声波探头包括：压电材料；匹配层，设置在所述压电材料的正面上；声透镜，设置在所述匹配层的正面上；至少一层背衬材料，设置在所述压电材料的背面上并包括多条扁线；信号供应部分，设置在所述背衬材料的至少一个面上并电连接到所述多条扁线。
所述信号供应部分可包括柔性印刷电路板(FPCB)、印刷电路板(PCB)或电线。
所述多条扁线可设置在所述背衬材料中并可延伸穿过所述背衬材料，使得所述多条扁线的宽度与所述背衬材料的宽度相对应。
所述多条扁线可在所述背衬材料内排列，以形成沿所述背衬材料的长度方向延伸的多行，所述多行可被形成为使得所述多行中的一行中的多条扁线相对于所述多行中的另一行中的扁线沿长度方向交错地布置。
所述多条扁线可从所述背衬材料的正面暴露，以将电信号提供到所述压电材料，其中，所述多条扁线可被暴露于所述背衬材料的背面或侧面，以从所述信号供应部分接收电信号。
电极可置于所述背衬材料的正面、侧面和背面中的至少一个上。
所述信号供应部分可安装在所述背衬材料的侧面和背面中的至少一个上，以将电信号供应到所述背衬材料。
所述匹配层以及所述压电材料可沿宽度方向被分割成在数量上与置于所述背衬材料中的所述多条扁线的数量相等的多段。
所述压电材料可包括位于所述压电材料的正面上的第一电极层以及位于所述压电材料的背面上的第二电极层。
所述第一电极层是连接到所述信号供应部分的接地电极，而所述第二电极层可连接到所述背衬材料的所述多条扁线。
根据另一示例性实施例的一方面，提供一种制造超声波探头的方法，所述方法包括：制备具有间隔均匀的多个凹槽的夹具；在所述夹具的每个凹槽中放置扁线；将所述夹具嵌入在成型材料中并将所述夹具从所述成型材料移除，以形成背衬材料；对所述背衬材料的表面进行处理，以使每个凹槽中的扁线暴露于所述背衬材料的表面。
所述方法还可包括：在经表面处理的背衬材料的正面表面、侧面表面和背面表面中的至少一个上形成电极；在所述背衬材料的正面上安装压电材料；在所述压电材料的正面上安装匹配层；以等间隔分割所述压电材料和所述匹配层；在所述匹配层的正面上设置声透镜；在所述背衬材料的侧面或背面上设置信号供应部分。
所述信号供应部分可包括FPCB、PCB或电线。
所述夹具的所述多个凹槽可存在于所述夹具的相对的第一侧和第二侧，其中，位于两侧的凹槽可相对于彼此交错地布置。
所述成型材料可包括第一材料和第二材料的混合物，所述第一材料是硅、环氧树脂和橡胶中的至少一种，所述第二材料是金属和陶瓷粉体中的至少一种。
可将所述压电材料和所述匹配层分割成多个分割单元，使得所述压电材料的每个分割单元与位于所述背衬材料中的多条扁线中的一条连接。
根据另一示例性实施例的一方面，提供一种制造超声波探头的方法，所述方法包括：制备多个夹具，每个夹具均具有以等间隔形成的多个凹槽；在所述夹具的每个凹槽中放置扁线；在所述多个夹具之间填充成型材料以使所述多个夹具嵌入在所述成型材料中，并将所述多个夹具移除，以形成背衬材料；对所述背衬材料的表面进行处理，以使每条扁线暴露于表面；在所述背衬材料的正面上安装压电材料；在所述压电材料的正面上安装匹配层；将所述压电材料和所述匹配层两者分割成多个单元，每个分割的单元面积相等；在所述匹配层的正面上设置声透镜；在所述背衬材料的背面上设置信号单元。
所述方法还可包括：在经表面处理的背衬材料的正面、侧面和背面中的至少一个上形成电极。
所述信号供应部分可包括FPCB、PCB或电线。
可以以网格的形式将所述压电材料和所述匹配层分割成多个分割单元，使得一个分割单元与位于所述背衬材料中的多条扁线中的一条连接。
所述成型材料可包括第一材料和第二材料的混合物，其中，所述第一材料是硅、环氧树脂和橡胶中的至少一种，其中，所述第二材料是金属和陶瓷粉体中的至少一种。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例进行的描述，上述和/或其他方面将会变得清楚和更加容易理解，附图中：
图1是示出根据示例性实施例的超声波探头的分解透视图；
图2是示出根据示例性实施例的超声波探头的透视图；
图3是示出根据示例性实施例的匹配层和压电材料的透视图；
图4A和图4B是示出根据示例性实施例的背衬材料(backing material)的概念视图；
图5是示出根据示例性实施例的柔性印刷电路板的示意图；
图6是说明根据示例性实施例的制造超声波探头的过程的流程图；
图7A和图7B是示出根据示例性实施例的夹具(jig)的两幅透视图，图7C是示出所述夹具的俯视图；
图8是示出根据另一示例性实施例的背衬材料的概念视图；
图9是示出根据另一示例性实施例的匹配层和压电材料的透视图。
具体实施方式
以下，将参照附图对根据示例性实施例的超声波探头及其制造方法进行描述。
附图中，相同的标号指示实质相同的构成元件。
图1是示出根据一个示例性实施例的超声波探头的分解透视图。
根据示例性实施例，超声波探头包括：压电材料40；匹配层30，设置在压电材料40的正面上；保护层20，形成在匹配层30的正面上；声透镜10，安装在保护层20的正面上；至少一层背衬材料50，设置在压电材料40的背面上并包括设置在其中的多条扁线(flat wire)51；信号供应部分，例如，FPCB60，安装在背衬材料50的侧面或背面上，以将电流供应到压电材料40。
某些材料表现出这样的特征，即，当将机械压力施加于该材料时产生电势；相反，当将电势施加于该材料时可导致该材料变形。这种性质被称为压电效应，表现出这种性质的材料被称为压电材料。简单地讲，压电材料是一种将电能转换成机械振动和/或将机械振动转换成电能的材料。
当将电信号施加到压电材料40时，压电材料40将该电信号转换成机械振动，以产生超声波。压电材料40具有：第一电极层(未示出)，形成在压电材料40的正面上；第二电极层(未示出)，形成在压电材料40的背面上。第一电极层用作接地电极，而第二电极层用作接收电信号输入的信号电极。可利用导电材料来制备第一电极层和第二电极层，并将第一电极层和第二电极层分别附着到压电材料40的正面和背面。可选地，第一电极层和第二电极层可直接构成压电材料40的顶面和底面。第一电极层可被连接到FPCB 60，而第二电极层可被连接到从背衬材料50的正面暴露的扁线51。可利用锆钛酸铅(PZT)陶瓷、由铌镁酸铅和钛酸铅的固溶体制成的PZMT单晶、由铌锌酸铅和钛酸铅的固溶体制成的PZNT单晶等来形成压电材料40。
匹配层30可设置在压电材料40的正面上，以减小压电材料40和目标物体(未示出)之间的声阻抗的差异，进而将由压电材料40产生的超声波有效地传递到目标物体。可通过切块工艺(dicing process)将匹配层30以及压电材料40分割成多个单元，以使它们的宽度相等(图3)。
保护层20可设置在匹配层30的正面上，以防止由压电材料40产生的超声波泄漏，同时阻止外部高频信号的输入。保护层20可保护内部组件免受可能会与超声波探头接触的水以及用于给超声波探头消毒的化学物质的损坏。保护层20可以是涂覆或沉积于膜的表面以提供耐湿性和耐化学性的导电材料。
声透镜10可设置在匹配层30的正面上，并使超声波能够聚焦于目标物体。
背衬材料50设置在压电材料40的背面上并吸收由压电材料40产生的超声波，以防止超声波朝着压电材料40的背面前进，从而防止图像失真。背衬材料50可形成为多层，以增强超声衰减或屏蔽效应。
背衬材料50可具有嵌入其中的多条线51，以将电信号提供到压电材料40(图4A和图4B)。根据示例性实施例，线51可以是扁线。这样的扁线51可由包含金、银、铜、铝和/或镁的合金制成。参照图4A和图4B，多条扁线51被嵌入在背衬材料50中，以(沿z轴方向)延伸穿过背衬材料50的正面和背面。多条扁线51可被布置在沿背衬材料50的长度方向(x轴方向)延伸的两行中，这两行可被形成为使得一行中的扁线51相对于另一行中的扁线51沿长度方向交错地布置。扁线51可被布置成使得扁线51的宽度方向(y轴方向)与背衬材料50的宽度方向(y轴方向)一致。
如果将具有上述结构的多条扁线51嵌入在背衬材料50中，则背衬材料50可经历表面处理，以使扁线51暴露于背衬材料50的正面52、背面53和侧面54。暴露于背衬材料50的正面52的扁线51可连接到安装在背衬材料50的正面上的压电材料40。为了使扁线51与压电材料40电连接，可通过镀覆或沉积来在背衬材料的正面上形成附加电极，可通过切块来分割这样的电极。扁线51中的一条可与压电材料40的通过切块而被分割的每个单元接触，并可将电信号传递到所述每个单元。暴露于背衬材料50的背面53或侧面54的扁线51可被连接到设置在背衬材料50的背面53或侧面54上的FPCB 60。为了使扁线51与背衬材料50的背面53或侧面54上的FPCB 60电连接，背衬材料50还可具有在背衬材料50上设置的电极。由FPCB 60产生的电信号可通过扁线51朝着安装在背衬材料50的正面52上的压电材料40传递。
FPCB 60可设置在背衬材料50的侧面54上并可将电信号供应到压电材料40。可选地，FPCB 60也可设置在背衬材料50的背面53上，以将电信号供应到压电材料40(见图5)。对于安装在背衬材料50的背面上以将电信号供应到压电材料40的FPCB 60，与暴露于背衬材料50的背面的扁线51电连接的接触单元61被适当地定位，以与对应的扁线51的位置匹配。信号供应部分可被实现为用于供应电信号的另一组件(例如，PCB或电线)，而不是FPCB60。
图6是说明根据一个示例性实施例的制造超声波探头的过程的流程图。
为了制造根据上述示例性实施例的超声波探头，首先制备夹具70(S10；另见图7A)。夹具70是用于容易地并正确地确定机械工作位置的辅助装置。
如图7A中所示，在制造根据上述示例性实施例的超声波探头的过程中所使用的夹具70具有以等间隔形成于夹具70的两侧上的凹槽71，可将扁线51固定在凹槽71中。另外，存在于夹具两侧上的凹槽71相对于彼此交错地布置(图7C)。除此之外，可使用两个夹具70，每个夹具均具有形成于其任一侧上的凹槽71。
将扁线51固定在制备好的夹具70的凹槽71中(S20)。如图7B中所示，可将扁线51安装在夹具70的两个对应的凹槽71之间或者可将其缠绕在凹槽71上，从而将扁线51固定在凹槽71中。
在将扁线51固定在夹具70的凹槽71中之后，夹具经历成型(S30)。为了增加背衬材料50的声阻抗，可利用混合物使固定有扁线51的夹具70成型，所述混合物包含从硅、环氧树脂和橡胶中选择的任何一种材料以及金属或者高密度或高弹性模量的材料(例如，陶瓷粉体)。在成型之后，固化成型材料。
在成型材料固化之后，将夹具70移除，从而形成背衬材料50(S40)。当将扁线51固定在其中的夹具70移除时，扁线51可被嵌入并固定在固化的成型材料(即，背衬材料50)中，如图4A中所示。
在移除夹具70之后，因为先前将扁线51嵌入在背衬材料50中，所以使背衬材料50经历表面处理，以使扁线51暴露于背衬材料50的表面(S50)。对背衬材料50进行表面处理可使嵌入在背衬材料中的扁线51暴露于背衬材料50的正面52、侧面54和背面53(见图4B)。
在对背衬材料50进行表面处理之后，可在背衬材料50的正面52、侧面54或背面53上形成电极(未示出)，以将背衬材料50的扁线51电连接到压电材料40或FPCB 60(S60)。将压电材料40和匹配层30依次安装在经表面处理的背衬材料50的正面52上(S70)。在设置了压电材料40和匹配层30之后，通过切块来分割这两种元件(S80)。对匹配层30和压电材料40进行分割，以使分割开的压电单元连接到暴露于背衬材料50的正面的每条扁线51(见图3)。因此，分割开的压电单元的数量可与背衬材料50中的扁线51的数量基本上相等。
在对匹配层30和压电材料40进行分割之后，在匹配层30的正面上设置保护层20和声透镜10(S90)，并在背衬材料50的背面53或侧面54上设置FPCB 60(S100)。
与上述直线式超声波探头相对比，制造二维阵列式超声波探头的过程通过下面的详细描述将会被清楚地理解。
为了制造根据另一示例性实施例的二维阵列式超声波探头，首先制备多个夹具70。每个夹具70均可具有仅在夹具的一侧上形成或者不同于此而在夹具的两侧上形成的凹槽71。可将制备好的夹具70设置为多个。以下，将举例说明并详细描述具有形成在夹具的两侧上的凹槽的夹具70。将扁线51固定在夹具70的凹槽71中。如图7B中所示，可将每条扁线51安装在夹具70的两个凹槽71之间或者可将其缠绕在凹槽71上，从而将扁线51固定在凹槽71中。在将扁线51固定在夹具70的凹槽71中之后，所述多个夹具经历成型。为了增加背衬材料50的声阻抗，可利用混合物使固定有扁线51的夹具70成型，所述混合物包含从硅、环氧树脂和橡胶中选择的任何一种第一材料结合诸如金属或者高密度或高弹性模量的材料(例如，陶瓷粉体)的第二材料。然后固化成型材料。在成型材料固化之后，将夹具70移除，从而形成背衬材料50。背衬材料50可使多条扁线51以包括多行和多列的矩阵形式嵌入在背衬材料中(图8)。上述制造二维阵列式超声波探头的过程可使用与在制造直线式超声波探头的过程中所使用的夹具70相同的夹具。以多个夹具而不是一个夹具来完成该制造过程。因此，这样的二维超声波探头不需要被设计成具有高精度结构的额外夹具。
在形成背衬材料50之后，使背衬材料经历表面处理，以使嵌入在背衬材料50中的扁线51暴露于背衬材料50的正面和背面。在表面处理之后，可在背衬材料50的正面52、侧面54或背面53上形成电极(未示出)，以使背衬材料50的扁线51与压电材料40或FPCB 60电连接。将压电材料40和匹配层30依次安装在经表面处理的背衬材料50的正面52上，并通过切块来分割这两种元件。对匹配层30和压电材料40进行分割，以使分割开的压电单元与暴露于背衬材料50的正面52的每条扁线51连接。因此，可以以期望的方式布置分割开的压电单元40；例如，以网格的形式布置分割开的压电单元40，其中，所述单元40与扁线51相对应，扁线51在背衬材料50的内部以矩阵形式排列(见图9)。在对匹配层30和压电材料40进行分割之后，在匹配层30的正面上设置保护层20和声透镜10(见图1和图2)，同时在背衬材料50的背面53上设置FPCB 60。
如上所述，根据示例性实施例的超声波探头及其制造方法的优点在于，利用扁线来制造用于将电信号供应到压电材料的信号电缆，使得分离的压电单元和信号电缆之间的连接变得简单。此外，通过减小分割开的压电单元之间的距离，可容易地制造配备有多元件式压电材料的超声波探头。因此，可制造灵敏度得到提高的超声波探头。
尽管已经具体示出并描述了示例性实施例，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明构思的精神和范围的情况下，可以对这些示例性实施例进行形式和细节上的各种改变。
Claims (15)
1.一种超声波探头，包括：
压电材料；
匹配层，位于所述压电材料的正面上；
声透镜，安装在所述匹配层的正面上；
至少一个背衬材料，位于所述压电材料的背面上并包括多条扁线；
信号单元，与所述背衬材料相邻设置并与所述多条扁线电连接。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述多条扁线嵌入在所述背衬材料中并沿正面方向和背面方向延伸穿过所述背衬材料，使得所述多条扁线的宽度与所述背衬材料的宽度相对应。
3.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述多条扁线在所述背衬材料内排列，以形成沿所述背衬材料的长度方向延伸的多行，其中，所述多行被形成为使得相对行中的多条扁线相对于彼此沿宽度方向交错地布置。
4.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述多条扁线暴露于所述背衬材料的正面，以将电信号供应到所述压电材料，其中，所述多条扁线还暴露于所述背衬材料的背面和侧面中的任何一个，以从所述信号单元接收电信号。
5.根据权利要求4所述的超声波探头，所述超声波探头还包括：电极，形成在所述背衬材料的正面、侧面和背面中的至少一个上。
6.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述信号单元是柔性印刷电路板、印刷电路板或电线；其中，所述信号单元安装在所述背衬材料的侧面或背面上，以将电信号供应到所述背衬材料。
7.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述压电材料和所述匹配层沿宽度方向被分割成在数量上与所述多条扁线的数量相等的多段。
8.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述压电材料包括：第一电极层，形成在所述压电材料的正面上；第二电极层，形成在所述压电材料的背面上，所述第一电极层是连接到所述信号单元的接地电极，而所述第二电极层连接到所述背衬材料的扁线。
9.一种制造超声波探头的方法，包括：
制备具有间隔均匀的多个凹槽的夹具；
在所述夹具的每个凹槽中放置扁线；
在所述夹具中填充成型材料并将所述夹具从所述成型材料移除，以形成背衬材料；
对所述背衬材料的表面进行处理，以使每个凹槽中的扁线暴露于所述背衬材料的经处理的表面；
在经表面处理的背衬材料的正面表面、侧面表面和背面表面中的至少一个上形成电极；
在所述背衬材料的正面上安装压电材料；
在所述压电材料的正面上安装匹配层；
以等间隔分割所述压电材料和所述匹配层；
在所述匹配层的正面上设置声透镜；
在所述背衬材料的侧面或背面上设置信号单元。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述信号单元是柔性印刷电路板、印刷电路板或电线。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述夹具的所述多个凹槽存在于所述夹具的第一侧和相对的第二侧上，其中，位于两侧的凹槽相对于彼此沿宽度方向交错地布置。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述压电材料和所述匹配层分割成多个分割单元，使得所述压电材料的每个分割单元与位于所述背衬材料中的多条扁线中的一条连接。
13.一种制造超声波探头的方法，包括：
制备多个夹具，每个夹具均具有间隔均匀的多个凹槽；
在每个夹具的每个凹槽中放置扁线；
在所述多个夹具之间填充成型材料以使所述多个夹具嵌入在所述成型材料中，并将所述多个夹具移除，以形成背衬材料；
对所述背衬材料的表面进行处理，以使每条扁线暴露于所述背衬材料的经处理的表面；
在经表面处理的背衬材料的正面、侧面或背面中的至少一个上形成电极；
在所述背衬材料的正面上安装压电材料；
在所述压电材料的正面上安装匹配层；
将所述压电材料和所述匹配层分割成多个单元，每个分割的单元面积相等；
在所述匹配层的正面上设置声透镜；
在所述背衬材料的背面上设置信号单元。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述信号单元是从柔性印刷电路板、印刷电路板和电线中选择的任何一种。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，以网格的形式将所述压电材料和所述匹配层分割成多个分割单元，使得每个分割单元与位于所述背衬材料中的多条扁线中的一条连接。
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