JP2005151560A - 多層セラミック音響変換器の作製方法 - Google Patents

多層セラミック音響変換器の作製方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2005151560A
JP2005151560A JP2004326667A JP2004326667A JP2005151560A JP 2005151560 A JP2005151560 A JP 2005151560A JP 2004326667 A JP2004326667 A JP 2004326667A JP 2004326667 A JP2004326667 A JP 2004326667A JP 2005151560 A JP2005151560 A JP 2005151560A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
ceramic
pieces
array
modified laminate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2004326667A
Other languages
English (en)
Other versions
JP4702826B2 (ja
Inventor
Charles E Baumgartner
チャールズ・イー・バウムガートナー
Robert S Lewandowski
ロバート・エス・ルバンドウスキー
George Sogoian
ジョージ・ソゴイアン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of JP2005151560A publication Critical patent/JP2005151560A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4702826B2 publication Critical patent/JP4702826B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/05Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H10N30/057Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by stacking bulk piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/06Forming electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/063Forming interconnections, e.g. connection electrodes of multilayered piezoelectric or electrostrictive parts
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/42Piezoelectric device making
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making
    • Y10T29/49007Indicating transducer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

【課題】 超音波イメージングシステムの感度を改善する。
【解決手段】 全体の電気インピーダンスが低い多層音響変換器の製造方法は、金属化された表面を薄い導電体に突き合わせる状態で2つの圧電セラミック層(2、4)を結合し、次いで、上部表面と底部表面とを電気的に接続してラップアラウンド型電極を形成すると共に、中心伝導体(6)が第2の電極を形成することに基づく。この方法で接続された圧電層からなる2層セラミックスタックの全体の電気インピーダンスは、同じ寸法の固体セラミック素子の電気インピーダンスの4分の1である。このことは、電気ケーブルのインピーダンスに対する音響スタックインピーダンス整合がより良好になされ、改良された音響素子感度を提供する。
【選択図】 図9

Description

本発明は、一般に、多層圧電セラミック変換器に関する。詳細には、本発明は、超音波イメージングシステムの感度を改善するための超音波変換器の設計に関する。
超音波イメージングに使用される音響変換器は、その両面が金属被覆され且つ電圧(信号)源と接地源にそれぞれ接続される圧電材料から構成される。この圧電材料は、典型的には、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)セラミックの組成物からなる。作動中、高周波電気波形がPZT電極に印加されることにより、セラミックの寸法変化が生じて音圧波又は音圧パルスが発生する。逆に、圧電材料の表面に音響反射が接触すると、該圧電材料は両電極間に電位差を発生させ、この電位差が受信信号として検出される。
電気波形を発生させ且つ検出するのに使用されるシステムに音響変換器を接続する同軸ケーブルは、通常、50ないし100オームの電気インピーダンスを有する。音響変換器の素子もまた、ケーブルと同じ電気インピーダンスを有することが望ましい。しかしながら、変換器素子の電気インピーダンスは、圧電材料の誘電率、幾何学的面積、及び厚みの関数である。圧電素子の音響応答及び周波数は、幾何学的面積及び厚みに関する特定の関係に対して最適化されるので、これらのパラメータは、ケーブルの電気インピーダンスに整合するように最適化することができない。多くの場合、超音波アレイ内の素子の電気インピーダンスは、リニアアレイ素子における数百オームから2次元アレイの小型素子における千オームを越える値の間を変動する可能性がある。電気インピーダンスにおけるこの不整合は、電気効率及び素子感度を低下させる。
医用イメージング及び非破壊検査に使用される超音波変換器は、感度と帯域幅の2つの主要特性によって特徴付けられ、これらは、イメージングシステムの透過率及び分解能に直接関係する。多層圧電構造体が従来型の単層デバイスに比較して感度の向上をもたらすことは当該技術分野において公知である。このことは、多層構造体により、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)である圧電セラミック素子のインピーダンスが低下することに起因して生じる。各素子は、電気的に並列に接続されるが音響的には直列に接続される複数の個々のセラミック層として作製される。この方式においては、素子は、依然として音響的には固体セラミックであるように機能しながら、セラミック層の個数の平方分の1に低減された電気インピーダンスを有する。
多層PZT変換器アレイにおいて、N(N>1)個の層は音響的に直列に結合され、そのためλ/2共振厚みがスタック厚みtである。印加電圧の極性が分極方向に一致するときには、圧電材料は厚みの方向に拡大される。各層について電気的極性は分極方向と同じであるので、これらの層は共に拡大又は縮小する。所定の印加電圧に対して、各層(厚みt/N)に及ぶ電界は単層変換器(厚みt)よりも大きく、結果としてより大きい音響出力が得られる。逆に言えば、低い印加電圧で単一の厚みのPZT素子の音響出力に一致させることができる。電気的には、各層は並列に接続される。単層デバイスと比較すると、N層のデバイスは本質的に並列状態でのN個の薄いコンデンサの合計である。構造体の全体の厚みは所定の動作周波数に対して一定であるので、デバイスのキャパシタンスはNの関数として増大する。これに対応して、インピーダンスはNの逆数の関数として低下する。
米国特許第6,260,248号には、未加工の圧電基板上に電極を配置し、次いで共焼成して固体の多層構造体を形成することによる、多層モノリシック圧電アクチュエータの形成方法が開示されている。しかしながら、この方法によって形成された構造体に関しては、圧電材料と電極材料との共焼成は、層の起伏又は非平面性につながる場合があるので、超音波変換器が必要とする許容誤差を維持することは困難である。また、医用超音波用途に要求される高い電気機械結合を有する圧電セラミックの形成は、高圧焼結条件のもとで最も良好に行われるが、これはこの種類の層状構造体に対して導電性ではない。従って、共焼成された未加工セラミック基板からではなく、平坦な高品質の圧電シートから多層構造体を形成することが最良である。
米国特許第5,381,385号で開示された第2の手法は、薄い圧電層の層状構造体を形成することであり、圧電層の各々はその表面上に金属電極を有する。アレイは、圧電材料のスタック内にホール(又はバイア)を形成することによって作製される。該バイアは、レーザ又は機械的穿孔によって形成することができる。しかしながら、セラミックの穿孔は困難な作業であり、より厚いセラミック基板を貫通する小さいホールの場合には特に困難である。低周波数の音響変換器のセラミックは、厚すぎてバイアを容易に形成することができない可能性があり、高周波数変換器用の小型の素子は高密度のバイアを必要とし、これはセラミック構造体を脆弱にする。加えて、バイアが形成された後、埋設されたセラミック層内の組込まれた電極に電気接点を作製する必要がある。これは、バイアが大きな面積でない限り、ホールのアスペクト比に起因して実行することが困難な場合がある。
米国特許第6,260,248号公報 米国特許第5,381,385号公報
多層圧電セラミック構造体を作製するためのより簡単な方法に対する必要性が存在する。
本発明は、全体の電気インピーダンスが低い多層音響変換器を作製するための簡単な方法に関する。1つの実施形態による方法は、金属化された表面を薄い導電体に突き合わせる状態で2つの圧電セラミック層を結合し、次いで、上部表面と底部表面とを電気的に接続してラップアラウンド型電極を形成すると共に、中心伝導体が第2の電極を形成することに基づく。この方法で接続された圧電層からなる2層セラミックスタックの全体の電気インピーダンスは、同じ寸法の固体セラミック素子の電気インピーダンスの4分の1である。このことは、音響スタックインピーダンスを電気ケーブルの電気インピーダンスに良好に整合させ、身体内イメージングの透過深度を高め、及び音響素子感度を改善する。インピーダンス整合は、多列変換器アレイに見られる小型の変換器素子において特に重要である。典型的なリニアフェーズドアレイ変換器素子は、形状が矩形であり、すなわち、これらは水平方位方向よりも仰角方向で長い。しかしながら、多列音響変換器は仰角方向にも分割されている素子を有する。多列変換器の極端な例は、素子が基本的に正方形とすることができる2次元アレイである。
本発明の1つの態様は、加工物の製造方法であって、(a)セラミック材料の2つのピースを備え、これらの間に金属電極を有する積層構造体を構成する段階と、(b)積層構造体を電極に垂直な平行平面に沿って切断し、それぞれの電極を有する複数の積層ピースを形成する段階と、(c)積層構造体を順に結合して、電極が間隔を置いて配置され且つ実質的に互いに平行である結合スタックを形成する段階と、(d)電極の端部が露出している結合スタックの一方の側の表面上に誘電材料の層を配置する段階とを含む。
本発明の別の態様は、加工物の製造方法であって、(a)セラミック材料の2つのプレートを備え、これらの間に金属電極を有する積層構造体を構成する段階と、(b)積層構造体を電極に垂直な平行平面に沿って切断して複数の積層バーを形成し、各積層バーはほぼ矩形のプロファイルを形成する4つの側部を有し且つそれぞれの電極によって分離された2つのセラミックピースを備るようにする段階と、(c)該積層バーの各々について、電極の端部が露出された第1の側の表面に誘電材料の層を配置し、該誘電層が露出された端部を覆い、第1の側に隣接する第2及び第3の側の表面と誘電層の複数の区域とに金属を付着させ、誘電層の各金属化された区域が第2及び第3の側の金属化された表面に電気的に接続されているようにする段階とを含む。
本発明の別の態様は、超音波変換器アレイの前駆体であって、該前駆体は、取り付けられたバーの列を形成するように並べて結合された複数の実質的に同一の直線形バーを備え、各バーが、金属電極によって分離された実質的に等しい厚みの2つのセラミック部分と、電極の端部が露出された第1の側の表面上で該露出された端部を覆う誘電材料の層と、第1の側に隣接する第2及び第3の側の表面上の金属層と該誘電層の複数の区域上の金属層とを備え、誘電層の各金属化された表面が第2及び第3の側の金属化された表面に電気的に接続しており、各バーが更に第1の側に対向する第4の表面上のスペーサ材料の層を備え、各バーのスペーサ材料の層が隣接するバーの誘電層に対向し、全てのバーの電極が実質的に同一平面にあることを特徴とする。
本発明の更に別の態様は、互いに音響的に絶縁された積層変換器素子の列を備える超音波変換器アレイであって、積層変換器素子の各々は、水平平面に沿って延びる金属電極によって分離された実質的に等しい厚みのセラミック材料の上層及び底層と、電極の端部が露出されている側に配置された、当該側に露出された該端部を覆い且つ垂直平面に沿って延びる誘電材料の層と、セラミック材料の上層の水平前方表面上に配置された第2の金属層と、セラミック材料の底層の水平後方表面上に配置された第3の金属層と、誘電層上に配置され、且つ第2及び第3の金属層と電気的に接触する電気コネクタを形成するようにパターン形成されることによりセラミック層及びこれらの間の電極と誘電層によって電気的に絶縁されたラップアラウンド型電極を形成する第4の金属層とを備える。
本発明の他の態様は、以下で開示され且つ請求項で特許請求される。次に、異なる図面の同じ要素に同じ参照符号が付けられた図面を参照する。
本発明は、偶数のセラミック層からなる多層セラミック音響スタックの作製方法に関する。説明のため、ここでは2層セラミック音響スタックの作製方法が詳細に開示される。2層スタック自体は、4つ又はそれ以上のセラミック層を有する多層スタックを構成するよう積重ねることができる。開示される方法は、リニア音響アレイ及び多列音響アレイの両方の音響素子並びに2次元音響アレイ用の小型素子の作製に有用である。このような音響アレイは医用イメージング用途に有用である。
以下に詳細に開示される2層圧電音響変換器を形成する方法によれば、圧電素子の構造完全性は、素子の一部を除去することによって低下することはない。該方法は、金属化された表面が対向する状態で2つの圧電セラミック層を積層することに基づく。任意選択的に、薄い導電体を金属化された表面の間、すなわち中心に挟装することができる。セラミック層は、セラミックのバーの形態、好ましくは、セラミックのシート又はプレートの形態とすることができる。この場合において、中心導電性材料への積層に続いて、材料がバーにダイスカットされ、回転されて中心導電性材料が露出される。バーは、中心導電性材料が表面に対して垂直となる位置まで90度回転される。この位置で、バーが共に積層される。次いで、積層構造体の一方の面の整列した表面が誘電材料で被覆されて、中心導電性材料が次の電極と電気的に絶縁される。適切な誘電材料は、限定ではないが、パリレン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリウレタン、及び他の材料を含む一般的な電気絶縁体から選択することができ、且つ、被覆、浸漬、積層、或いは蒸着によって付着させることができる。(パリレンは、化学族ポリ−パラキシレンに属するポリマーの商品名である。)1つの構成において、8ミクロンの厚み及び200ボルト/ミクロンより大きな平均絶縁破壊強度を有するカプトン(商標)HNフィルムがセラミックに積層された。別の構成においては、300ボルト/ミクロンより大きな平均絶縁破壊強度を有する、パリレン−Nの7ミクロン厚みの層がセラミック上に蒸着された。更なる構成においては、300ボルト/ミクロンより大きな平均絶縁破壊強度を有する、パリレン−Cの7ミクロン厚みの層がセラミック上に蒸着された。これらの試料の不良率は最小であった。
誘電材料の付着に続いて、金属層が誘電材料の露出された表面上に付着される。金属は連続的であるか、又はパターンが形成されるか、何れであってもよく、限定ではないが、スパッタリング又は無電解めっきを含む任意の選択された方法によって付着させることができる。また、金属化されたカプトン(商標)ポリイミドフィルムなどの場合、セラミックバーへの付着前に誘電材料に金属を事前に付着させることもできる。次いで、金属被覆された誘電材料の表面が、積層された内部の導電性材料を有するセラミックのバーの側部に対応するように切断され、これらのバーは、再度90度回転されて元の向きに戻される。このステージでは、各バーは、セラミックピースの間の中心に位置する導電体を有するセラミックの2つの層と、中心導電性材料に垂直な向きのセラミック積層体の一方の側に沿って位置する外側が金属被覆された誘電絶縁材料とからなる。
一連のこれらのバーは、エポキシによる積層を用いて永続的に、又はウェハーワックスなどの材料を用いて一時的に結合することができ、或いはバーは個々のままとすることもできる。次いで、バーの上部及び底部の外側表面を、スパッタリング又は他の何らかの方法により堆積された金属などの導電体で被覆することができる。また、この堆積された金属は、各誘電絶縁層の露出された長い端部に沿った(先に堆積された)金属の層に接触し、これにより1つのセラミックシートの上部表面から第2のセラミックシートの底部表面への電気的短絡が形成される。しかしながら、中心導電性材料は、誘電絶縁層によってこの電気経路と電気的に絶縁されたままである。
結果として得られた材料のバーは、超音波イメージングデバイスにおける2層の多層セラミック音響材料として有用である。これらはまた、セラミック列への部分的なダイスカットによって、多列イメージングアレイ用の複数のより小型の素子又は2次元音響イメージングアレイ用の複数の素子に分割又はダイスカットすることができ、これによって中心導電性材料内へのダイスカット又はこれを貫通するダイスカットを行うことなく素子を形成することができる。音響変換器は、信号電極として機能する両セラミック層の金属化された外部表面と、これらのセラミック層の間に位置付けられた、接地電極として機能する中心導電性材料とで動作するように構成される。2つのセラミック層の間の信号電極は、変換器素子の側部に沿って位置付けられた金属層によって電気的に接続され、該信号電極は誘電材料の層によって接地電極から電気的に絶縁される。
別の実施形態において、出発セラミック材料は、最終ダイスカット段階が行われて個別の音響素子を形成することになる場所に刻印することができ、これによって中心導電性材料内へのダイスカットのリスクが低減される。
次に、1つの実施形態による方法を図面を参照して説明する。
図1を参照すると、第1の段階は、2つの圧電セラミックシート2及び4を備える構造体を共に結合することであり、各シートは少なくとも1つの金属化された面を有し、対向する該金属化された面の間に薄い導電性フォイル6が配置されている。伝導性フォイル6は音響素子用の中心(接地)電極として機能し、導電性があり且つ音響反射をおこさないように十分に薄い必要がある。該金属フォイルの全体の厚みは10ミクロン未満で0.5ミクロンを越える厚みでなければならず、1ないし5ミクロンの厚みがこの電極においては好ましい。1つの例示的な構成においては、2ミクロンの厚みの金フォイルが使用された。金属メッシュを薄い金属フォイルと置き換えることができる。別の実施形態においては、セラミックの表面は、金属フォイルと置き換えるのに十分な金属厚みを有して直接めっきすることができる。
この構造体が共に結合されると、バー又はロッドにダイスカットされ、図2に見られるように90度回転されて中心(接地)電極が上部表面に露出されるようにして結合される。結合材料のそれぞれの層は、図2において数字8で示される。
製造の次のステージ(図3に示される)においては、誘電材料の層10を結合構造体(各回転バーからの側部表面を備える)の上面を覆って配置して、露出された中心電極を電気的に絶縁する。次いで、金属層が誘電材料の層10の上部に堆積され、且つ結合構造体の上部にライン又はトレース12を形成するようにパターン形成される。このステージの1つの実施形態において、片側フレキシブルプリント回路がセラミックに結合され、その結果該フレックス回路の誘電材料が中心金属フォイルの断面の端部を覆い、且つフレックス回路上のトレースが外側表面上に露出される。
次いで、図4に示されるように、スペーサ材料の層14が、結合構造体の底部表面上に配置される。スペーサ材料は、変換器アレイの所望のピッチをもたらす厚みにまで任意選択的に研磨される。スペーサ材料の層と誘電材料の層とは互いに平行であり、結合構造体の両側表面上にあるものとすることができる。スペーサ材料は、最終アレイから除去されない場合、隣接する変換器素子の間で音響クロストークをひき起こさない材料でなければならない。1つのこのような材料はガラスビーズ充填エポキシである。しかしながら、スペーサ材料が容認できない音響クロストークをひき起こす場合には、例えば、ダイスカットによってスペーサ材料が除去されなければならない。或いは、スペーサ材料は、ウェハー結合材料としてよく使用されるフタル酸グリコールとすることができる。フタル酸グリコールは液化点まで加熱するか又は適切な溶媒に溶解させることができ、これによって後続のステージでのスペーサ材料の除去が容易になる。
次いで、結合加工物は、結合材料の層が位置している平行平面に沿って切断又はダイスカットされる。次いで、結果として得られる個々のバーは、誘電材料(その上に金属トレースを有する)で覆われた1つの面と、スペーサ材料で覆われた反対側の面とを有する。これらのバーは同様に、90度回転されてこれらの元の向きに戻され、図5に示されるように共に結合される。このことは、中心接地電極6が誘電材料の各層14を覆うそれぞれの金属被覆12に対して水平且つ直交する構造体をもたらす。それぞれのバーは、スペーサ材料のそれぞれの層14によって分離される。
次のステージにおいて、バーの上部及び底部のセラミック層の露出された表面が金属化され(すなわち、金属で被覆され)、セラミックへの電気接触が形成される。これらの金属被覆は図6においてそれぞれ数字16及び18によって示される。各セラミックバーの側部は、各バーの上部及び底部上の金属被覆を電気的に短絡するパターン形成された垂直方向(図6に見られるように)の金属層12を有する。同時に、各バーの誘電材料の層10が、垂直金属層12から中心金属層6の端部を電気的に絶縁する。
このことは、2つのセラミックプレートが電気的に並列接続されると共に音響的には直列に結合されている多層セラミック構造体をもたらす。この多層セラミック構造体は、信号がセラミック構造体の1つの表面電極に接続され且つ接地が中心電極に接続されている音響変換器において固体セラミック構造体の代替品として使用することができる。
変換器が多列音響アレイ又は2次元音響アレイとなる場合には、図6に示されるように、該多層セラミックは一方向から部分的に切り開いてダイスカットされ、そのためセラミックの1つの層が個別の素子に分離されるが、金属中心層又は接地電極は分離又は切断されないようにする。このダイスカット作業は、間隔を置いた互いに平行な切り口(kerf)20を形成する。
製造の次のステージにおいて、加工物が、図7に示される位置に反転され、すなわち180度回転される。底部に切り口20を有する部分的にダイスカットされた加工物は、次いで、電気信号コネクタのパターン形成されたアレイの上にセットされる。このような電気コネクタのアレイの1つの実施例は、音響減衰性(すなわち散乱材及び/或いは吸音材)材料の本体24(図8を参照)内部に埋め込まれた一連の間隔を置いて配置され且つ互いに平行なフレックス回路であり、フレックス回路の誘電基板上に転写されたトレース26の端部が、加工物のダイスカットされた半分に突き合う音響減衰性本体の表面で露出されるようになる。音響減衰性本体24は、実質的に音響的に透明でありトレース26と反対側の部分的にダイスカットされた加工物の金属化された表面との間の電気接触を可能とするエポキシの薄層を用いて加工物に結合することができる。
結果として得られる積層構造体において、切り口20はフレックス回路に直交する。次のステージにおいて、セラミックバーのアレイは、加工物の他方の側を同じピッチで同じ方向に、内部(すなわち中心)金属層に接近するが貫通しない深さまで同様にダイスカットされる。これにより、各バーの長さを延びる連続した中心金属電極が残る。
最終的に、図9に見られるように、アレイは直交方向にスペーサ材料を貫通して完全にダイスカットされる。図9に見られるように、該切断部は音響バッキング材料24内に延びることができる。この最終ダイスカット作業は、各2層セラミックバーの間にそれぞれの空隙20を形成し、これによって、多層変換器アレイのそれぞれのコラム(2つのみが示されている)が形成され、該コラムは共に音響バッキング層24によって保持される。その後、音響整合層及び音響レンズを変換器アレイの前方表面に従来の方式で配置することができる。結果として得られる多層超音波変換器アレイにおいては、多層セラミック素子の駆動信号は、音響バッキング層24を通ってトレース26を介し(音響バッキング層24に埋め込まれたフレックス回路の誘電基板は、電気的接続を明確に表すために図9からは省略されている)、誘電層10の外側を包み込む金属化層12を経て各多層セラミック素子上の上部及び底部電極まで通る。連続接地電極6はアレイの一方の端部で共通バスに接続される。
前述の方法は、多重セラミック素子が誘電層の表面を覆って形成された相互接続を有する構造体を提供する。誘電層は、中心接地電極及び圧電セラミックの両方を電界から保護する。より詳細には、低誘電率材料の層10は電界を高誘電率のセラミック材料2、4に閉じ込め、ここでは電界は垂直に配向されて保持される。このようにして信号電極と接地電極との間に電圧が印加されると、圧電的に誘起される歪みは、接地電極の端部近傍ではほとんど完全に垂直である。従って、他の場合には信号電極がセラミック素子の側部と接触することにより発生される剪断モードなどのスプリアスモードが実質的に低減される。
前述の方法の変形は、セラミックの1つ又は両方のピースを音響素子の位置を示すために予めダイスカットすることであり、これによって中心接地電極に近接してダイスカットする必要性が低減される。
上述の構造体は、多層セラミック構造体を作製するための以前の方法よりも作製がはるかに簡単である。結果として得られる多層セラミックは、セラミック音響素子の小さな静電容量が超音波イメージングシステムの他の部分のインピーダンスにうまく整合しない2次元アレイ変換器を含めて高周波音響変換器又は多列音響変換器に特に有用である。
2層スタック自体は、4つ又はそれ以上のセラミック層を有する多層スタックを構成するよう積重ねることができる。4つ又はそれ以上の層のスタックは、スタックの各中心接地電極が自己接続されるという条件で作製することができる。これは、例えば、素子の列の端部位置で行うことができる。
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ且つ均等物で本発明の要素と置き換えることができる点は当業者には理解されるであろう。更に、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく本発明の教示に特定の状況を適合させるために多くの変更を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲に包含される全ての実施形態を含むことが意図される。
本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。 本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。 本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。 本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。 本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。 本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。 本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。 本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。 本発明の1つの実施形態による製造段階の種々のステージを表す図。
符号の説明
2 セラミック材料
4 セラミック材料
6 接地電極
10 誘電層
12 トレース
16 金属被覆
18 金属被覆
20 空隙
24 音響バッキング材料
26 トレース

Claims (10)

  1. 加工物の製造方法であって、
    セラミック材料の2つのピース(2、4)を備え、これらの間に金属電極(6)を有する積層構造体を構成する段階と、
    前記積層構造体を前記電極に垂直な平行平面に沿って切断し、それぞれの電極を有する複数の積層ピースを形成する段階と、
    前記積層構造体を順に結合(8)して、前記電極が間隔を置いて配置され且つ実質的に互いに平行である結合スタックを形成する段階と、
    前記電極の端部が露出している前記結合スタックの一方の側の表面上に誘電材料の層(10)を配置する段階と、
    を含む方法。
  2. 前記構成する段階が、各セラミックピースの表面を金属化する段階を含む請求項1に記載の方法。
  3. 前記構成する段階が、
    前記金属化された層が金属フォイルに接触する状態で該金属フォイルの両側に前記セラミックピースを配置する段階と、
    前記金属化されたセラミックピースと金属とを共に積層して積層構造体を形成する段階と、
    を更に含む請求項2に記載の方法。
  4. 前記誘電材料の層の表面をパターン形成された金属で被覆する段階を更に含む請求項1に記載の方法。
  5. 前記積層されたピースが結合されているそれぞれの平面に沿って前記結合スタックを切断し、これによって、各々が一方の側に誘電材料の層と他方の側にスペーサ材料の層とを備える複数の修正積層ピースを形成する段階と、
    隣接する修正積層ピースの誘電材料の層に各修正積層ピースの前記スペーサ材料の層が突き合う状態で且つ前記電極が実質的に同一表面にある状態で、前記修正積層ピースをアレイで配置する段階と、
    を更に含む請求項4に記載の方法。
  6. 前記同一平面の電極に実質的に平行な前記修正積層ピースの表面を金属化する段階を更に含む請求項5に記載の方法。
  7. 前記修正積層ピースの各々が縦軸に平行に配置されたバーであり、前記同一平面の電極によって定められる平面の一方側に配置された前記修正積層ピースのアレイの一部を切断する段階を更に含み、各切断部が前記縦軸に実質的に垂直なそれぞれの平面内にあり、前記切断する段階が前記金属化段階の前又は後に行われることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 電気信号コネクタ(26)のパターン形成されたアレイ上に前記修正積層ピースのアレイの切断された部分をセットする段階と、前記修正積層ピースのアレイの突き合わされている金属化表面のそれぞれの区域が前記電気信号コネクタに接触する状態で前記各ピースを互いに結合する段階と、
    を更に含む請求項7に記載の方法。
  9. 前記中心金属層の同一平面区域によって定められる前記平面の他方側に配置された前記修正積層ピースの一部分を切断する段階を更に含み、各切断部が前記一方側のそれぞれの切断部と実質的に同一平面内にあることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 電気信号コネクタ(26)のパターン形成されたアレイを、前記電気信号コネクタのそれぞれの端部が前記本体の表面で露出された状態で音響減衰材料の本体(24)内に埋め込む段階を更に含み、前記修正積層ピースのアレイを前記電気信号コネクタのパターン形成されたアレイに結合する段階が前記修正積層ピースのアレイを前記本体に結合する段階を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
JP2004326667A 2003-11-11 2004-11-10 多層セラミック音響変換器の作製方法 Expired - Fee Related JP4702826B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/706,820 US7017245B2 (en) 2003-11-11 2003-11-11 Method for making multi-layer ceramic acoustic transducer
US10/706,820 2003-11-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005151560A true JP2005151560A (ja) 2005-06-09
JP4702826B2 JP4702826B2 (ja) 2011-06-15

Family

ID=34552626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004326667A Expired - Fee Related JP4702826B2 (ja) 2003-11-11 2004-11-10 多層セラミック音響変換器の作製方法

Country Status (3)

Country Link
US (2) US7017245B2 (ja)
JP (1) JP4702826B2 (ja)
DE (1) DE102004054293A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015033409A (ja) * 2013-08-07 2015-02-19 コニカミノルタ株式会社 超音波探触子
CN109984771A (zh) * 2019-05-06 2019-07-09 上海爱声生物医疗科技有限公司 一种超声换能器探头及超声成像仪

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5067821B2 (ja) * 2001-04-13 2012-11-07 古野電気株式会社 多周波送受波器
US7017245B2 (en) * 2003-11-11 2006-03-28 General Electric Company Method for making multi-layer ceramic acoustic transducer
US7156938B2 (en) * 2003-11-11 2007-01-02 General Electric Company Method for making multi-layer ceramic acoustic transducer
JP4805254B2 (ja) * 2004-04-20 2011-11-02 ビジュアルソニックス インコーポレイテッド 配列された超音波トランスデューサ
US20070222339A1 (en) * 2004-04-20 2007-09-27 Mark Lukacs Arrayed ultrasonic transducer
US20080229749A1 (en) * 2005-03-04 2008-09-25 Michel Gamil Rabbat Plug in rabbat engine
CA2628100C (en) 2005-11-02 2016-08-23 Visualsonics Inc. High frequency array ultrasound system
US7622848B2 (en) * 2006-01-06 2009-11-24 General Electric Company Transducer assembly with z-axis interconnect
JP4752562B2 (ja) * 2006-03-24 2011-08-17 ヤマハ株式会社 鍵駆動装置及び鍵盤楽器
DE102006025960B4 (de) * 2006-06-02 2011-04-07 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleitereinrichtung
AT503816B1 (de) * 2006-06-06 2008-01-15 Piezocryst Advanced Sensorics Piezoelektrischer sensor
US7581296B2 (en) * 2007-04-11 2009-09-01 Ge Inspection Technologies, Lp Acoustic stack for ultrasonic transducers and method for manufacturing same
US7573721B2 (en) * 2007-05-17 2009-08-11 Kinsus Interconnect Technology Corp. Embedded passive device structure and manufacturing method thereof
WO2009011089A1 (ja) * 2007-07-19 2009-01-22 Panasonic Corporation 超音波探触子とこれを用いた超音波診断装置および超音波探傷装置
US20090183350A1 (en) * 2008-01-17 2009-07-23 Wetsco, Inc. Method for Ultrasound Probe Repair
WO2009099438A1 (en) * 2008-02-05 2009-08-13 Morgan Advanced Ceramics, Inc. Encapsulation coating to reduce particle shedding
US9184369B2 (en) 2008-09-18 2015-11-10 Fujifilm Sonosite, Inc. Methods for manufacturing ultrasound transducers and other components
WO2010033867A1 (en) * 2008-09-18 2010-03-25 Visualsonics Inc. Methods for acquisition and display in ultrasound imaging
US9173047B2 (en) 2008-09-18 2015-10-27 Fujifilm Sonosite, Inc. Methods for manufacturing ultrasound transducers and other components
US7842613B1 (en) * 2009-01-07 2010-11-30 Integrated Device Technology, Inc. Methods of forming microelectronic packaging substrates having through-substrate vias therein
US8237334B2 (en) 2009-04-22 2012-08-07 Parker-Hannifin Corporation Piezo actuator
GB0916480D0 (en) * 2009-09-21 2009-10-28 Univ Dundee Wire bond free connection of high frequency piezoelectric ultrasound transducer arrays
US8680745B2 (en) 2010-07-21 2014-03-25 General Electric Company Device for measuring material thickness
US8264129B2 (en) 2010-07-21 2012-09-11 General Electric Company Device and system for measuring material thickness
US9237880B2 (en) * 2011-03-17 2016-01-19 Koninklijke Philips N.V. Composite acoustic backing with high thermal conductivity for ultrasound transducer array
JP5729280B2 (ja) * 2011-11-30 2015-06-03 ヤマハ株式会社 静電型スピーカ
US8857261B2 (en) 2012-04-12 2014-10-14 General Electric Company Sensing device and method of attaching the same
JP5963603B2 (ja) * 2012-08-03 2016-08-03 オリンパス株式会社 超音波振動デバイス、超音波振動デバイスの製造方法および超音波医療装置
US9432788B2 (en) * 2013-10-17 2016-08-30 Audeze Llc Thin film circuit for acoustic transducer and methods of manufacture
US10712457B2 (en) 2013-11-20 2020-07-14 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Microfabrication technology for producing sensing cells for molecular electronic transducer based seismometer
CN103826190B (zh) * 2014-02-13 2017-09-22 海鹰企业集团有限责任公司 小尺寸阵元及由该阵元组成的低旁瓣高频声基阵
JP6091460B2 (ja) * 2014-04-11 2017-03-08 シマネ益田電子株式会社 電子部品の製造方法
US10596598B2 (en) * 2016-12-20 2020-03-24 General Electric Company Ultrasound transducer and method for wafer level front face attachment
CN111684302A (zh) 2018-01-02 2020-09-18 皇家飞利浦有限公司 高功率微波束形成器超声换能器探头
US11806191B2 (en) * 2018-05-21 2023-11-07 General Electric Company Phased array transducers and wafer scale manufacturing for making the same
CN109449282A (zh) * 2018-10-24 2019-03-08 海鹰企业集团有限责任公司 一种提高高频多基元换能器电绝缘性能的方法
US11417309B2 (en) * 2018-11-29 2022-08-16 Ascent Venture, Llc. Ultrasonic transducer with via formed in piezoelectric element and method of fabricating an ultrasonic transducer including milling a piezoelectric substrate
CN115474128B (zh) * 2022-10-19 2024-03-08 哈尔滨工业大学(威海) 一种高灵敏度水声换能器

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0387076A (ja) * 1989-08-30 1991-04-11 Nec Corp 圧電アクチュエータ及びその製造方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4217684A (en) * 1979-04-16 1980-08-19 General Electric Company Fabrication of front surface matched ultrasonic transducer array
DE3021449A1 (de) * 1980-06-06 1981-12-24 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Ultraschallwandleranordnung und verfahren zu seiner herstellung
US4460841A (en) * 1982-02-16 1984-07-17 General Electric Company Ultrasonic transducer shading
US5329496A (en) * 1992-10-16 1994-07-12 Duke University Two-dimensional array ultrasonic transducers
US5381385A (en) * 1993-08-04 1995-01-10 Hewlett-Packard Company Electrical interconnect for multilayer transducer elements of a two-dimensional transducer array
JP3846271B2 (ja) * 2001-11-05 2006-11-15 松下電器産業株式会社 薄膜圧電体素子およびその製造方法
JP2003272324A (ja) * 2002-03-15 2003-09-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd 薄膜圧電体素子およびその製造方法並びにアクチュエータ
US7017245B2 (en) * 2003-11-11 2006-03-28 General Electric Company Method for making multi-layer ceramic acoustic transducer
US7082655B2 (en) * 2003-12-18 2006-08-01 Ge Inspection Technologies, Lp Process for plating a piezoelectric composite

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0387076A (ja) * 1989-08-30 1991-04-11 Nec Corp 圧電アクチュエータ及びその製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015033409A (ja) * 2013-08-07 2015-02-19 コニカミノルタ株式会社 超音波探触子
CN109984771A (zh) * 2019-05-06 2019-07-09 上海爱声生物医疗科技有限公司 一种超声换能器探头及超声成像仪
CN109984771B (zh) * 2019-05-06 2021-12-31 上海爱声生物医疗科技有限公司 一种超声换能器探头及超声成像仪

Also Published As

Publication number Publication date
US7148608B2 (en) 2006-12-12
US7017245B2 (en) 2006-03-28
JP4702826B2 (ja) 2011-06-15
DE102004054293A1 (de) 2005-06-02
US20060117551A1 (en) 2006-06-08
US20050099096A1 (en) 2005-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4702826B2 (ja) 多層セラミック音響変換器の作製方法
JP4758634B2 (ja) 多層セラミック音響変換器の製造方法
US6552471B1 (en) Multi-piezoelectric layer ultrasonic transducer for medical imaging
JP4869257B2 (ja) 超音波変換器アレイ
US6971148B2 (en) Method of manufacturing a multi-dimensional transducer array
JP5331483B2 (ja) 超音波探触子
US5920972A (en) Interconnection method for a multilayer transducer array
US7581295B2 (en) Piezoelectric element and method of manufacturing the same
JP4519259B2 (ja) 2次元アレイ超音波プローブ及びその製造方法
US6625854B1 (en) Ultrasonic transducer backing assembly and methods for making same
US6761688B1 (en) Multi-layered transducer array and method having identical layers
JP2005210245A (ja) 超音波プローブ
JP5462077B2 (ja) 振動子および超音波探触子
JP2001029346A (ja) 超音波探触子及びその製造方法
JP2004080193A (ja) 超音波トランスデューサおよびその製造方法
US10553779B2 (en) Method of fabricating an acoustic transducer
US6333590B1 (en) Ultrasonic transducer having laminate structure, ultrasonic probe and production method thereof
JP4516327B2 (ja) 積層構造体の製造方法
JP2002142294A (ja) 超音波探触子とその製造方法
JP2002345093A (ja) 超音波探触子の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20071108

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100531

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100608

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100908

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20100908

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110208

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20110223

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110303

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees