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Die
vorliegende Erfindung betrifft Anpassschichten. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung akustische Anpassschichten, die in Schall-
oder Ultraschallwandlerarchitekturen oder deren Herstellung verwendet
werden.
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Akustische
Anpassschichten stellen eine akustische Impedanz bereit, die für eine effektive Übertragung
akustischer Wellen zwischen der typischerweise hohen akustischen
Impedanz eines Wandlers, der typischerweise eine piezoelektrische Keramik
umfasst, und einer davon verschiedenen akustischen Impedanz eines
angrenzenden Mediums liegt. Bei medizinischen Ultraschallanwendungen
stellt der Patient eine relativ niedrige akustische Impedanz dar
und der Einsatz einer oder mehrerer Anpassschichten stellt eine
bessere Anpassung der akustischen Impedanz für die Übertragung akustischer Wellen
zwischen dem Wandler und dem Patienten bereit. Typischerweise werden
Anpassschichten aus nicht-leitfähigen
Materialien wie z.B. Polymeren (z.B. Epoxymaterialien oder Urethanen)
hergestellt. Die Anpassschicht kann zusätzliche Füllstoffmaterialien wie z.B.
Metall- oder Keramikfüllstoffmaterialien
enthalten, um die Dichte zu erhöhen
und so die gewünschte
akustische Impedanz zu erzeugen oder die Übertragung von Schallenergie
zu optimieren.
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Um
eine nicht-leitfähige
akustische Anpassschicht leitfähig
zu machen, wird ein leitfähiger
Füllstoff
innerhalb der Anpassschicht dispergiert. Der Füllstoff kann in einer Form
und in einer Größe hergestellt
werden, die derart sind, dass nadelartige oder faserkristallartige
Formen bereitgestellt werden. Der Füllstoff wird innerhalb der
Anpassschicht statistisch verteilt. Hohe Konzentrationen an elektrisch
leitfähigen
Füllstoffen
werden für
einen Teilchen-Teilchen-Kontakt innerhalb der Masse der Anpassschicht
bereitgestellt. Der Teilchenkontakt ermöglicht eine elektrische Leitung
durch das Material. Die hohen Füllstoffkonzentrationen
führen
jedoch zu einer höheren
akustischen Impedanz, wodurch die Anpassschicht zur Anpassung der
Impedanz der Wandlerkeramik an die relativ niedrige Impedanz eines
Patienten weniger gut geeignet ist, insbesondere bei einem Mehrfachanpassschichtaufbau,
bei dem die äußerste Anpassschicht
typischerweise eine relativ niedrige Impedanz aufweist, wie z.B.
weniger als 3 MRayl.
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Als
Alternative für
einen leitfähigen
Füllstoff kann
ein leitfähiges
Material wie z.B. fester Graphit, Magnesium oder eine leitfähige Polymerkette
für die Anpassschicht
verwendet werden. Feste Materialien wie Graphit neigen jedoch zu
relativ höheren
oder sehr spezifischen akustischen Impedanzen, welche die Eignung
solcher Anpassschichten begrenzen. Graphit oder andere feste Materialien
werden mit spanabhebenden Verfahren hergestellt, wodurch die Materialien
zur Herstellung gekrümmter
Teile weniger zweckmäßig sind
als ein gießfähiges Polymermaterial.
Leitfähige
Polymermoleküle
werden typischerweise modifiziert (d.h. mit einem Zusatz versehen) und
sind selten inhärent
leitfähig.
Die physikalischen Eigenschaften sind bezüglich einer Eignung in Wandleranwendungen
und bezüglich
einer angemessenen Leitfähigkeit
beschränkt.
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Für eindimensionale
Wandler und Wandlerarrays kann die Leitfähigkeit zwischen der oberen und
unteren Übertragungsfläche von
Anpassschichten durch eine Metallplattierung oder einen gesputterten
Film auf den Kanten der Anpassschichten erreicht werden, welche
die obere und die untere Fläche
elektrisch verbinden. Für
eindimensionale Wandlerarrays sind die Seiten der Anpassschichten
für ein Sputtern
oder Plattieren leicht zugänglich.
Für mehrdimensionale
Arrays, wie z.B. 1,5- oder 2-dimensionale Arrays, ist eine Umfangsplattierung
oder ein Umfangssputtern aufgrund des begrenzten Zugangs zu den
Seiten der Anpassschichten jedes Elements nur schwer einzusetzen.
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1,25-,
1,5-, 1,75- und 2-dimensionale Ultraschall-Phased-Arrays umfassen
eine Mehrzahl von Arrayelementen in der Elevations- und Azimutdimension.
Für einen
großen
Steuerwinkel, der z.B. mit zweidimensionalen Phased-Arrays verwendet
wird, weisen die Elemente vorzugsweise einen Öffnungswinkel und ein geringes
oder niedriges elektrisches und mechanisches Übersprechen sowohl in der Elevationsdimension
als auch in der Azimutdimension auf. Um einzelne Wandlerelemente
mechanisch zu trennen, wird eine Trennung ("Dicing") eingesetzt, um die mechanische Kopplung
oder das Übersprechen
zu minimieren. Beispielsweise weisen eindimensionale Arrays typischerweise
eine oder mehrere akustische Anpassschichten auf, die zwischen der PZT-Keramik
und der Linse oder dem Patienten angeordnet sind. Die PZT und die
Anpassschichten werden in einer Achse getrennt, so dass einzelne
Arrayelemente getrennt werden, um ein mechanisches Übersprechen
durch die Anpassschichten zu vermindern. Entlang der Kanten jedes
Arrayelements sind elektrische Verbindungen zu der PZT bereitgestellt.
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Für zweidimensionale
Phased-Arrays ist ein Trennen sowohl in der Azimutdimension als
auch in der Elevationsdimension erforderlich, um das Übersprechen
zu vermindern. Gegebenenfalls ist eine elektrisch leitfähige Anpassschicht
mit hoher Impedanz auf der PZT-Keramik gestapelt und in einzelne Elemente
getrennt. Eine gemeinsame Erdungsfolie oder Signal-Flex ist über der
PZT und jeglicher elektrisch leitfähigen Anpassschicht typischerweise
senkrecht zu der gewünschten
Schallwellenübertragung laminiert,
um eine zweite elektrische Verbindung zu der PZT bereitzustellen.
Die verbindende leitfähige Schicht
kann nicht so physikalisch in beiden Dimensionen getrennt werden,
wie es die einzelnen Elemente sind, wenn in dem Array externe Verbindungselemente
bereitgestellt werden sollen. Elektrisch nicht-leitfähige Anpassschichten werden
dann über der
Erdungsfolie oder der Signal-Flex laminiert. Die nicht-leitfähigen Anpassschichten
stellen eine niedrigere akustische Impedanz bereit. Die nicht-leitfähigen Anpassschichten
können
zusätzlich
in der Azimut- und Elevationsdimension getrennt werden. Wenn jedoch
keine Anpassschicht oder nur eine elektrisch leitfähige Anpassschicht
verwendet wird, führt
dies zu einer verminderten axialen Auflösung und einer niedrigeren
Bandbreite. Wenn zusätzliche nicht-leitfähige Anpassschichten
bereitgestellt, jedoch nicht getrennt werden, nimmt das Übersprechen
zu und der Öffnungswinkel
wird vermindert. Wenn die zusätzlichen
nichtleitfähigen
Anpassschichten getrennt werden, führt dies zu einem zusätzlichen
Trennverfahrensschritt, und es können sich
Ausrichtungsprobleme ergeben. Das Übersprechen kann nicht optimal
verhindert werden, da die akustischen Anpassschichten nicht vollständig getrennt
werden können,
ohne ein Durchschneiden von Signalleitungen oder der Erdungsfolie
zu riskieren.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch
leitfähige
akustische Anpassschicht bereitzustellen, welche die vorstehend genannten
Probleme nicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Anpassschicht gemäß Anspruch 1 und das Verfahren
gemäß Anspruch
16 gelöst.
Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfassen: Elektrisch
leitfähige
akustische Anpassschichten, Verfahren zum Leiten von elektrischem
Strom durch die Anpassschichten, Verfahren zur Herstellung mehrdimensionaler Arrays
unter Verwendung leitfähiger
Anpassschichten und mehrdimensionale Arrays mit elektrisch leitfähigen Anpassschichten.
Es werden Anpassschichten mit Leitern bereitgestellt, die ausgerichtet
sind, um einen elektrischen Strom durch die Dicken- oder Rangedimension
der Anpassschicht bereitzustellen. Beispielsweise ermöglichen
Kontaktlöcher,
ausgerichtete magnetische Teilchen oder leitfähige Filme mindestens teilweise
oder vollständig
innerhalb der Anpassschicht jedes Elements eine elektrische Leitung
von dem Wandlermaterial zu einer Erdungsfolie oder einer Flex-Schaltung.
Durch die Verwendung mehrerer elektrisch leitfähiger Anpassschichten wird eine
Abstufung der akustischen Impedanz für eine bessere Anpassung bereitgestellt,
während
ein Trennen des gesamten Stapels, einschließlich der Anpassschichten und
des Wandlermaterials, in einem einzigen Schritt möglich ist.
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In
einem ersten Aspekt wird eine elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht
bereitgestellt, bei der sich die obere Fläche und die untere Fläche im Wesentlichen
in der Elevationsebene und der Azimutebene befinden, wobei ein Leiter
so ausgerichtet ist, dass er die obere Fläche und die untere Fläche mindestens
teilweise innerhalb der Anpassschicht verbindet.
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In
einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Leiten von elektrischem
Strom durch eine Anpassschicht bereitgestellt. Ein leitfähiges Material wird
relativ zu der oberen Fläche
und der unteren Fläche
der Anpassschicht ausgerichtet. Das leitfähige Material befindet sich
mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht. Das leitfähige Material
ist elektrisch mit dem Wandler verbunden.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang
mit den bevorzugten Ausführungsformen
diskutiert.
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Die
Komponenten und Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht, wobei stattdessen
auf die Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Prinzipien Wert gelegt
wird. Darüber
hinaus bezeichnen in den Figuren in den unterschiedlichen Ansichten
gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile.
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Die 1 ist eine graphische Darstellung
einer Ausführungsform
einer elektrisch leitfähigen akustischen
Anpassschicht,
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die 2A und 2B sind eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht
einer Ausführungsform
eines Arrays von Elementen mit Kontaktlöchern für eine elektrische Leitfähigkeit,
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die 3A bis C stellen verschiedene
Phasen der Herstellung einer Anpassschicht mit einem leitfähigen Film
in einer Ausführungsform
graphisch dar,
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die 4 ist eine Draufsicht einer
Anpassschicht mit einer Mehrzahl leitfähiger Filme in einer Ausführungsform,
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die 5A und B stellen graphisch
eine Ausführungsform
einer Anpassschicht mit ausgerichteten magnetischen Teilchen und
ein Verfahren zum Ausrichten der magnetischen Teilchen dar,
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die 6 ist ein Fließdiagramm
einer Ausführungsform
zur Bildung eines mehrdimensionalen Arrays mit einer Mehrzahl elektrisch
leitfähiger
akustischer Anpassschichten,
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die 7 ist eine graphische Darstellung
eines mehrdimensionalen Arrays mit einer Mehrzahl elektrisch leitfähiger akustischer
Anpassschichten,
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die 8A bis C zeigen eine Ausführungsform
zur Bildung einer leitfähigen
Anpassschicht,
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die 9A ist eine perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform
eines Elements, bei dem eine leitfähige Anpassschicht verwendet
wird, und
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die 9B ist eine Draufsicht einer
Ausführungsform
einer Anpassschicht, die zur Verwendung auf einem zweidimensionalen
Array getrennt worden ist.
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Die 1 zeigt eine elektrisch
leitfähige akustische
Anpassschicht 10. Die elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht
kann aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, wie z.B. aus
gießfähigen Materialien
oder Feststoffen. Beispiele für gießfähige Materialien
umfassen Polymere wie z.B. Urethane, Epoxymaterialien, Harze oder
andere bekannte Materialien, die zu einem festen, halbfesten oder
flexiblen Material aushärten.
Gießfähige Materialien
können
ferner einen oder mehrere Katalysatoren) in einer vorgemischten
Formulierung oder zugesetzte Katalysatoren umfassen, die ein Aushärten des
gießfähigen Materials
bei Raumtemperatur, durch Wärme,
Licht oder durch andere Energiequellen verursachen. Feste Materialien
umfassen Graphit, Keramiken oder andere bekannte feste Materialien
für die
akustische Anpassschicht, die zur Verwendung in Ultraschallwandlern
geeignet sind. Die elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht 10 wird
in einem medizinisch-diagnostischen Schallwandlerarray verwendet,
wie z.B. einem Array für
die Ultraschallbildgebung. Sie kann jedoch alternativ in anderen
Schallarrays eingesetzt werden, wie z.B. für die Materialprüfung.
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Die
Anpassschicht umfasst gegebenenfalls ein oder mehrere Füllstoffmaterial(ien)
mit einer beliebigen Dichte. Beispielsweise werden in die Anpassschicht
metallische, keramische oder andere bekannte Materialien oder Kombinationen
davon einbezogen. Füllstoffe
modifizieren die Dichte und erhöhen oder
vermindern die akustische Impedanz. Für verschiedene akustische Impedanzen
können
verschiedene Anteile des Füllstoffs
in dem gießfähigen Material
bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform ist der Füllstoff
gleichmäßig innerhalb
der Anpassschicht verteilt, es kann jedoch auch eine ungleichmäßige Verteilung
verwendet werden. In alternativen Ausführungsformen enthält die Anpassschicht 10 keine
zusätzlichen
Füllstoffmaterialien.
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Die
akustische Anpassschicht 10 weist eine obere Fläche und
eine untere Fläche 12, 14 auf,
die sich jeweils im Wesentlichen in einer Azimutebene und einer
Elevationsebene befinden (d.h. die Oberflächen erstrecken sich sowohl
entlang der Azimutdimension als auch entlang der Elevationsdimension, die
durch eine Dicke entlang der Rangedimension getrennt sind). In vielen
Ausführungsformen
sind die obere Fläche
und die untere Fläche
flach, wie z.B. planare Oberflä chen,
die senkrecht zur akustischen Ausbreitungsrichtung sind. Der Ausdruck
im Wesentlichen wird hier verwendet, um gekrümmte Wandleroberflächen, gekrümmte oder
abgestufte Elementoberflächen,
gekrümmte
Anpassschichten, Schwankungen bei der Dicke oder der Oberfläche aufgrund von
Herstellungstechniken und Toleranzen oder eine beliebige andere
Winkelversetzung zu berücksichtigen,
die dazu führen,
dass sich entweder die obere Fläche
oder die untere Fläche
oder beide Flächen aus
der Azimutebene und der Elevationsebene heraus erstrecken. Die obere
Fläche
und die untere Fläche 12, 14 sind
durch eine Dicke in der Tiefen- oder Rangedimension getrennt. Während die
Dicke in der 1 als einheitliche
Dicke gezeigt ist, kann für
die Anpassschicht 10 auch eine variierende Dicke bereitgestellt
werden. Die Dimensionen des Azimuts, der Elevation und der Range
gelten bezüglich
eines Wandlers, so dass ein Wandler akustische Energie im Allgemeinen
entlang der Rangedimension von jedem Element eines Arrays von Elementen übertragen
würde,
die entlang der Azimutdimension und/oder der Elevationsdimension
beabstandet sind.
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Gemäß der 1 entspricht die Anpassschicht 10 einem
einzelnen Element eines Wandlers. Es kann eine Anpassschicht 10 bereitgestellt
werden, die sich über
mehrere Elemente erstreckt. In einer Ausführungsform ist die gleiche
Anpassschicht 10 für
jedes Element oder alle Elemente eines Ultraschallwandlers bereitgestellt,
wobei die Anpassschicht 10 jedoch getrennt oder in einer
anderen Weise ausgebildet ist, um ein akustisches Übersprechen zwischen
den Elementen zu verhindern oder zu vermindern. In einer Ausführungsform
ist nur eine einzige Anpassschicht 10 auf einem oder mehreren
der Elemente bereitgestellt. In alternativen Ausführungsformen
ist eine Mehrzahl von akustischen Anpassschichten 10 auf
einem oder mehreren der Elemente des Wandlers bereitgestellt.
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Für elektrisch
leitfähige
akustische Anpassschichten ist auf der oberen Fläche und der unteren Fläche 12, 14 der
Anpassschicht eine Metallschicht bereitgestellt. Die Metallschicht
erstreckt sich über die
gesamte Fläche
oder nur über
einen Abschnitt der Fläche.
In einer Ausführungsform
wird die Metallschicht auf die Anpassschicht 10 abgeschieden,
plattiert oder gesputtert. In alternativen Ausführungsformen wird die Metallschicht
angrenzend an die Anpassschicht 10 angeordnet oder in anderer
Weise an die Anpassschicht 10 gebunden, wie z.B. zusammen mit
der Bereitstellung einer separaten Erdungsfolie, Signalleitung oder
flexiblen Schaltung, die an die Anpassschicht gebunden ist, ohne
dass eine Metallschicht durch Sputtern, Abscheiden, Plattieren oder in
sonstiger Weise auf der Anpassschicht 10 ausgebildet werden
muss. in alternativen Ausführungsformen
ist auf der oberen und/oder unteren Fläche keine Metallschicht bereitgestellt.
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Um
einen elektrischen Strom zwischen den Metallschichten oder durch
die Anpassschicht 10 zu leiten, ist ein Leiter 16 relativ
zu der oberen und der unteren Oberfläche mindestens teilweise innerhalb der
Anpassschicht 10 ausgerichtet. Der Leiter 16 umfasst
ein beliebiges Material mit beliebigen verschiedenen Formen oder
Größen, das
den elektrischen Strom von der oberen Fläche 12 zu der unteren
Fläche 14 oder
umgekehrt leiten kann. Einige Beispiele solcher Leiter werden nachstehend
diskutiert. Es können
auch andere Leiter verwendet werden, die innerhalb der Anpassschicht 10 ausgerichtet
sind.
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Gemäß der 1 ist die Ausrichtung derart, dass
sich der Leiter im Wesentlichen senkrecht zu der oberen und der
unteren Fläche 12, 14 erstreckt. Es
können
Leiter 16 bereitgestellt werden, die sich mit Winkeln von
der oberen und der unteren Fläche 12, 14 erstrecken,
die von 90° verschieden
sind. Der Leiter 16 kann einem weniger direkten Weg folgen, wie
z.B. in anderen Ausführungsformen
entlang eines gekrümmten
oder gewundenen Leiters durch die Anpassschicht 10. Der
Leiter 16 ist so ausgerichtet, dass anstelle einer statistisch
verwendeten Metallfüllung
eine gewisse Art einer Organisation stattgefunden hat, was dazu
führt,
dass der Leiter eine elektrische Verbindung zwischen der oberen
und der unteren Fläche
herstellt.
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Gemäß der 1 befindet sich der Leiter 16 derart
innerhalb der Anpassschicht 10, dass der Leiter 16 nicht
auf einer Seite 18 der Anpassschicht 10 freigelegt
ist, sondern nur auf der oberen und der unteren Fläche 12, 14.
In alternativen Ausführungsformen
befindet sich der Leiter 16 mindestens teilweise innerhalb
und teilweise auf der Kante der Anpassschicht 10. Beispielsweise
liegt ein leitfähiger
Film auf einer äußeren Seite 18 der
Anpassschicht 10 frei, erstreckt sich jedoch auch innerhalb
der Anpassschicht als planare Schicht, die sich von der oberen Fläche 12 zur
unteren Fläche 14 erstreckt,
wobei sich eine Kante des leitfähigen
Films oder der leitfähigen Schicht
an der Seite 18 und/oder einer anderen Seite in der Rangedimension
der Anpassschicht 10 befindet.
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In
einer Ausführungsform
befindet sich der Leiter 16 entlang der Elevations- und
Azimutebene der unteren oder oberen Fläche 12, 14 näher an einer Kante 18 der
Anpassschicht als an der Mitte eines Elements. Beispielsweise zeigt
die 2A ein Element 20 mit
zwei Leitern 22, die in der Nähe der Kanten 18 und
weiter weg von der Mitte des Elements 20 angeordnet sind.
Das Anordnen des Leiters 16 in der Nähe der Kanten 18 der
Anpassschicht 10 setzt den Leiter 16 einer geringeren
mechanischen Ausdehnung und Kontraktion aufgrund des Betriebs des Wandlers
aus. Die Verminderung der Spannung kann eine längere Lebensdauer des Wandlers
und eine geringere Delaminierung des Leiters 16 bewirken.
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Wie
es ebenfalls in der 2A gezeigt
ist, ist in einigen Ausführungsformen
mehr als ein Leiter 16 bereitgestellt. Für jedes
Element 20 kann eine beliebige Anzahl von Leitern 16,
wie z.B. 1, 2, 3 oder mehr Leiter 16 verwendet
werden. Für
verschiedene Elemente kann eine unterschiedliche Anzahl von Leitern 16 verwendet
werden. Zwei oder mehr Leiter 16 werden bereitgestellt,
um ein Versagen eines Elements aufgrund eines Versagens eines einzelnen
Leiters zu verhindern. Die Leiter 16 werden in beliebigen
verschiedenen Mustern oder statistischen Positionen auf der oberen
und unteren Fläche
jedes Elements und der dazugehörigen
Anpassschicht 10 bereitgestellt.
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Die 2A und 2B zeigen ein Ausführungsbeispiel des Leiters 16.
Der Leiter 16 ist ein Kontaktloch 22, bei dem
sich ein leitfähiges
Material von der oberen Fläche 12 zu
der unteren Fläche 14 erstreckt. Die
Anpassschicht 10 ist aus einem gewünschten Material mit einer
resultierenden gewünschten
akustischen Impedanz ausgebildet, wie z.B. einer akustischen Impedanz
von 2,5 bis 7 MRayl. Es können
jedoch auch größere oder
kleinere akustische Impedanzen bereitgestellt werden, die z.B. näher an dem Wert
von 1,5 MRayl von Wasser oder dem Wert von 35 MRayl liegen, der
für eine
piezoelektrische Keramik typisch ist. Wenn die Anpassschicht 10 aus
einem gießfähigen Material
ausgebildet wird, wird die Anpassschicht 10 gehärtet.
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Die
Kontaktlöcher 22 werden
in einem beliebigen Muster hergestellt, wie z.B. so wie die beiden Kontaktlöcher 22 an
den Ecken des Elements 20, das in der 2A gezeigt ist. Die Kontaktlöcher 22 werden
mit einem Laser, durch Plasmaätzen
oder eine andere Ätztechnik,
durch Bohren oder einer anderen bekannten Technik zur Bildung von
Kontaktlöchern ausgebildet.
Die Kontaktlöcher 22 können in
einem beliebigen Muster verteilt werden, einschließlich einer
beliebigen Anzahl von Kontaktlöchern 22 und/oder
mit einer beliebigen Form, einschließlich kreisförmig, elliptisch
oder als Schlitze. Wenn das Muster in einer Kerbe (teilweise in
dem Element) liegt, dann kann die zusätzliche Größe des Kontaktlochs 22 die
Herstellung des Kontaktlochs 22 und eine anschließende Metallisierung
erleichtern. Die Verwendung einer beliebigen Anzahl und Größe trägt der Füllung mit
einem leitfähigen
und/oder nicht-leitfähigen
Material zur Erzeugung einer zwischen der oberen Fläche und
der unteren Fläche
verschiedenen akustischen Impedanz und Leitfähigkeit Rechnung. Ein Kontaktloch 22 wird
so ausgebildet, dass es sich von der oberen Fläche 12 zur unteren
Fläche 14 erstreckt.
In einer Ausführungsform
hat das Kontaktloch einen Durchmesser von 0,025 bis 0,05 mm (1 bis
2 Mil), wie z.B. 0,038 mm (1,5 Mil) und eine Dicke oder Tiefe von
0,076 bis 0,15 mm (3 bis 6 Mil). Es können sowohl andere Dicken für die Anpassschicht 10 als
auch andere Durchmesser der Kontaktlöcher 22 eingesetzt
werden. Das leitfähige
Material, wie z.B. ein Metall, wird dann nassplattiert, stromlos
plattiert, aufgedampft, gesputtert, abgeschieden, plattiert oder
unter Verwendung einer beliebigen anderen Dünnfilmtechnik in einer beliebigen
Dicke, wie z.B. in einer Dicke von mehreren Mikrometern, innerhalb des
Kontaktlochs 22 ausgebildet. Die Dicke des leitfähigen Materials
innerhalb des Kontaktlochs 22 ist so gering wie möglich, während eine
kontinuierliche elektrische Leitfähigkeit ermöglicht wird, ohne die akustische
Impedanz der Masse der Anpassschicht 10 und das akustische
Leistungsvermögen
der Anpassschicht 10 zu beeinflussen. Alternativ ist das
gesamte Kontaktloch 22 mit leitfähigem Material gefüllt.
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In
einer Ausführungsform
werden auf der Anpassschicht 10 vor der Ausbildung der
Kontaktlöcher 22 Metallschichten 24 abgeschieden.
In alternativen Ausführungsformen
werden die Kontaktlöcher 22 ausgebildet
und dann wird das leitfähige
Material innerhalb des Kontaktlochs 22 als Teil des gleichen Verfahrens,
wie es zur Ausbildung der Metallschichten 24 eingesetzt
wird, oder eines anderen Verfahrens bereitgestellt.
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Die 2A zeigt einen Array von
9 Elementen 20 innerhalb eines Musters von zwei Kontaktlöchern 22 für jedes
Element 20. In alternativen Ausführungsformen können Arrays
mit einer unterschiedlichen Anzahl von Elementen bereitgestellt werden,
die sich entlang der Elevations- und/oder
der Azimutdimension erstrecken. In einer Ausführungsform wird die Anpassschicht 10 für den gesamten Wandlerarray
oder einen Teil des Wandlerarrays vor dem Trennen der Elemente ausgebildet.
Die Kontaktlöcher 22 werden
als Muster auf der Schicht so ausgebildet, wie es für die spätere Bildung
der Elemente geeignet ist. Mindestens ein Kontaktloch 22 wird
für jedes
Element oder Subelement bereitgestellt, wobei beliebige Elemente
im Hinblick auf die Beabstandung, die Dicke oder die Frequenz weiter
getrennt werden. In einer Ausführungsform
werden die Kontaktlöcher 22 so
angeordnet, dass mindestens ein Kontaktloch 22 ungeschnitten
oder ungetrennt verbleibt. Beispielsweise ist mindestens ein Kontaktloch 22 von
einer Kante 18 des Elements 20 abgewandt angeordnet.
In anderen Ausführungsformen
ist das Kontaktloch 22 so angeordnet, dass der Trennschnitt,
der eine Kante oder Trennung zwischen zwei angrenzenden Elementen
definiert, durch das Kontaktloch 22 verläuft. In
einer anderen Ausführungsform
sind alle Kontaktlöcher 22 so
angeordnet, dass die Element-Trennschnitte nicht durch eines der
Kontaktlöcher 22 verlaufen.
Wie es gezeigt ist, ist jedes der Kontaktlöcher 22 einer gegenüberliegenden Ecke
des Elements 20 zugeordnet, jedoch werden in alternativen
Ausführungsformen
andere Positionen für
ein Kontaktloch oder beide Kontaktlöcher bereitgestellt, wie z.B.
entlang der Kanten 18 von den Ecken abgewandt oder näher an der
Mitte des Elements 20. Die Lage des Anpassschichtmaterials
wird auf dem Wandlermaterial gestapelt und dann wird jedes Element
getrennt, einschließlich
mit Schnitten durch die Anpassschicht. In alternativen Ausführungsformen
wird die Schicht des Anpassschichtmaterials zu einem anderen Zeitpunkt
geschnitten oder getrennt als das Wandlermaterial. Die Anzahl und
die Größe der Kontaktlöcher 22 könnte variieren,
so dass das Füllen
der Kontaktlöcher 22 mit
unterschiedlichen Materialien zu einem Material mit einer zusammengesetzten
akustischen Impedanz führt,
die durch die ein zelnen Materialeigenschaften und den Volumenanteil
gesteuert wird. Wenn der Füllstoff,
das Substrat oder beide leitfähig
sind, wird innerhalb der leitfähigen
Anpassschicht ein Bereich mit unterschiedlicher Impedanz bereitgestellt.
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Die 3C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Anpassschicht 10, bei der zwischen der oberen und unteren
Fläche 12, 14 Leiter
ausgerichtet sind. Gemäß der 3C erstreckt sich eine Mehrzahl
von leitfähigen
Filmen 28 innerhalb der Anpassschicht 10 mindestens
teilweise von der oberen Fläche 12 zu
der unteren Fläche 14.
Jeder der leitfähigen
Filme 28 ist eine planare Schicht, jedoch können auch
lineare Leitungen, gekrümmte
Schichten, gekrümmte
Leitungen oder andere Strukturen verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform
ist jeder der leitfähigen
Filme 28 ein gesputtertes Metall, jedoch können auch
andere Leiter und/oder Abscheidungstechniken verwendet werden. Die 4 zeigt eine Draufsicht
einer Anpassschicht 10, bei der jeder der Leiter 28 auf
der oberen Fläche 12 der
Anpassschicht freigelegt ist. Jeder der leitfähigen Filme 28 weist
im Querschnitt senkrecht zu der Azimut- und Elevationsebene eine
umschlossene Form auf, wie z.B. ein Quadrat oder ein Rechteck. Es
können
Trapezformen, Kreisformen oder Parallelogrammformen oder andere
Formen bereitgestellt werden. In alternativen Ausführungsformen
ist einer oder sind mehrere der leitfähigen Filme 28 eine
planare Schicht oder Leitung, was anstelle einer umschlossenen Form
zu einer einzelnen freiliegenden Linie oder einem einzelnen freiliegenden
Punkt führt.
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Die 3A und 3B zeigen Zwischenschritte bei der Ausbildung
des leitfähigen
Films 28 auf dem Inneren oder mindestens teilweise innerhalb
der Anpassschicht 10. Gemäß der 3A ist innerhalb der Anpassschicht 10 eine
Mehrzahl von Innenflächen 30 ausgebildet.
Für eine
Anpassschicht 10 aus einem gießfähigen oder festen Material
wird die Anpassschicht 10 ausgebildet und zu einer einheitlichen
Dicke oder einer anderen gewünschten
Dicke geschliffen. Die Anpassschicht 10 wird dann zur Bildung
von Kerben 32 getrennt, die sich in, jedoch nicht durch
die Anpassschicht 10 erstrecken. Die Seitenwände der Kerben
stellen die Innenflächen 30 bereit.
In einer Ausführungsform
sind die Kerben so breit, dass die Trenntiefe das ein- bis zweifache
der Breite der Kerbe beträgt.
Es können
andere Abmessungsbeziehungen und/oder eine andere Kerbenanzahl bereitgestellt
werden, was für
eine gegebene Element- oder Anpassschichtausdehnung zu einer größeren oder
kleineren Anzahl von Innenflächen 30 führt. In einer
Ausführungsform
wird für
jedes Element eine einzelne Kerbe bereitgestellt oder für jedes
Element wird sogar eine einzelne Seitenwand einer Kerbe bereitgestellt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
für gießfähige Anpassschichten 10 werden
die Innenflächen 30 unter
Verwendung einer Form ausgebildet. Beispielsweise wird eine Edelstahlstruktur mit
Rillen mit einer Formentrennbeschichtung beschichtet. Das gießfähige Anpassschichtmaterial
wird dann in die Form eingebracht. Nach der Härtung wird die Anpassschicht 10 entnommen.
Als Folge der Rillen oder Rippen, die innerhalb der Form bereitgestellt
sind, werden die Innenflächen 30 gebildet.
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Wenn
Formverfahren eingesetzt werden, können sich verjüngende,
nicht-linear geformte vertikale Wände mit feststehenden oder
variablen Abständen
als Funktion der Gestaltung der Form bereitgestellt werden. Zur
Bildung verschiedener Formen mit verschiedenen Winkeln können unter
Verwendung der Kerbenausführungsform
Trennschnitte mit mehreren Dimensionen oder Breiten eingesetzt werden.
Durch eine sich verjüngende
Ausbildung als Funktion der Form oder der mehrfachen Trennschnitte
mit verschiedenen Breiten kann eine akustische Eigenschaft der Anpassschicht 10 als
Funktion der Tiefe variiert werden.
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Um
die in der 4 gezeigten
umschlossenen leitfähigen
Filme bereitzustellen, werden die Kerben oder Innenflächen 30 in
einem kreuz und quer verlaufenden Muster ausgebildet, wie es z.B.
durch ein Trennen parallel zu der Azimutdimension und dann parallel
zu der Elevationsdimension erreicht wird. Zwischen den verschiedenen
Schnitten können Winkel
eingesetzt werden, die von 90° verschieden sind.
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Das
leitfähige
Material wird auf den Innenflächen 30 angeordnet.
Beispielsweise wird bzw. werden ein Sputtern, eine Abscheidung,
ein Plattieren oder andere bekannte Techniken zur Bereitstellung eines
Metallfilms auf einer Innenfläche 30 verwendet. In
einer Ausführungsform
wird Titan auf den Innenflächen
und auf anderen freiliegenden Kanten abgeschieden. Mittels Sputterabscheidung
wird dann eine Goldschicht über
dem Titan ausgebildet. Es können auch
andere Metallschichten bereitgestellt werden, wie z.B. Chrom- und
Goldschichten oder von Gold verschiedene Metallschichten. Durch
die Bereitstellung eines dünnen
Metallfilms, wie z.B. eines Films mit einer Dicke von weniger als
10 Mikrometer, wird die akustische Impedanz der Anpassschicht 10 in
der gewünschten
Weise aufrechterhalten. In einer Ausführungsform wird das Metall
durch Plattieren oder andere Techniken in einer Dicke von 0,1 bis
0,2 Mikrometer abgeschieden.
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Gemäß der 3B werden die Kerben 32 derart
gefüllt,
dass die Teile der Anpassschicht 10, die zu den Innenflächen 30 gehören, gefüllt oder
bedeckt werden. Für
eine gießfähige Anpassschicht wird
in die Kerben 30 das gleiche oder ein anderes Anpassschichtmaterial
gegossen und gehärtet. Wenn
sich verjüngende
Kerben bereitgestellt werden, kann ein anderes Anpassschichtmaterial
gegossen werden, was zu einer Änderung
der akustischen Impedanz als Funktion der Tiefe führt. Bei
einem festen Anpassschichtmaterial werden die Kerben 32 mit einem gießfähigen Anpassschichtmaterial
gefüllt oder
ein anderes Stück
eines festen Anpassschichtmaterials wird mit dem gleichen Abstand
oder der gleichen Form in dem gleichen Muster geschnitten oder getrennt.
Die zwei festen Stücke
werden dann mit einem Epoxymaterial miteinander verbunden oder in
einer anderen Weise gebunden, um die in der 3B gezeigte ineinandergefügte Struktur
zu bilden.
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Als
Folge des Bindens oder des weiteren Gießens umfasst die Anpassschicht 10 ein
miteinander verbundenes Muster oder einen (im Querschnitt) Zick-Zack-verlaufenden
leitfähigen
Film innerhalb der Anpassschicht 10. Der leitfähige Film 34 ist
zwischen getrennten Volumina der festen oder gießfähigen Anpassschicht angeordnet.
Gemäß der 3B liegt der leitfähige Film 34 an
den Kanten 18 der Anpassschicht frei und liegt an der oberen
Fläche
und der unteren Fläche 12 und 14 nicht
frei. In alternativen Ausführungsformen
werden die Kerben 32 nur teilweise gefüllt, was zu einem Freiliegen
des leitfähigen
Films 34 auf der oberen oder der unteren Fläche 12, 14 führt.
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Die
obere und die untere Fläche 12 und 14 werden
geschliffen oder in anderer Weise bearbeitet, um flache oder andere
Oberflächen
bereitzustellen, wobei der leitfähige
Film 34 sowohl auf der oberen als auch auf der unteren
Fläche 12, 14 bereitgestellt wird.
Die 3C zeigt die Anpassschicht 10 von 3B nach dem Schleifen. Die
Abschnitte des leitfähigen
Films 34 parallel zu der oberen und der unteren Fläche 12, 14 in
der Azimutebene und der Elevationsebene werden weggeschliffen. Die
Anpassschicht 10 kann in anderen Ausführungsformen so geschliffen
werden, dass der elektrische Leiter 34 ohne Entfernung
der horizontalen Flächen
entfernt wird. Die Leiter 28 verbinden die obere Fläche 12 elektrisch
mit der unteren Fläche 14.
Sobald die Anpassschicht 10 auf die gewünschte Dicke geschliffen worden
ist, werden zur weiteren elektrischen Verbindung gegebenenfalls
Metallschichten auf der oberen und der unteren Fläche 12, 14 bereitgestellt.
In alternativen Ausführungsformen
wird die Anpassschicht 10 bereitgestellt, ohne dass zusätzliche
Metallschichten auf der oberen und der unteren Fläche 12, 14 abgeschieden
werden.
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Die 8C zeigt eine ähnliche
Ausführungsform
der Anpassschicht 10, die als 94 bezeichnet ist, wobei
Leiter zwischen der oberen Fläche
und der unteren Fläche 92, 93 ausgerichtet
sind. Gemäß den 8A bis C erstreckt sich
eine Mehrzahl von leitfähigen
Filmen 95 von der oberen Fläche 92 zu der unteren
Fläche 93 mindestens
teilweise innerhalb der Anpassschicht 94. Jeder der leitfähigen Filme 95 ist eine
planare Schicht, jedoch können
auch lineare Leitungen, gekrümmte
Schichten, gekrümmte
Leitungen oder andere Strukturen verwendet werden.
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Die 8A und 8B zeigen Zwischenschritte bei der Ausbildung
des leitfähigen
Films 95 der Anpassschicht im Inneren oder mindestens teilweise
innerhalb der Anpassschicht 94. Gemäß der 8A wird eine Mehrzahl von Innenflächen durch
Stapeln und miteinander Verbinden von Schichten aus leitfähigem 95 und
nicht-leitfähigem
Material 99 gebildet, wobei die Dicke der isolierenden,
nicht-leitfähigen Schichten 99 derart
ist, dass die gewünschte
Lokalisierung oder Periodizität
der Leitfähigkeit
zwischen der letzten oberen Fläche 92 und
unteren Fläche 93 der
Anpassschicht erreicht wird. Die Anpassschicht 94 wird
aus den Schnitten 96 des gebundenen und gestapelten Schichtmaterialblocks
senkrecht zu den leitfähigen
Ebenen oder in einem beliebigen Winkel herausgeschnitten, so dass
sich die leitfähigen
Ebenen 95 zu der resultierenden oberen Fläche 92 und der
resultierenden unteren Fläche 93 erstrecken.
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Unter
Verwendung dünner
leitfähiger
Schichten 95 oder leitfähiger
Materialien mit ähnlichen
akustischen Eigenschaften wie die isolierenden Schichten werden Änderungen
der akustischen Impedanz der Hauptmasse des isolierenden Materials
minimiert, wodurch ein leitfähiges
Material mit niedriger akustischer Impedanz erhalten wird. Gegebenenfalls
wird durch die Auswahl von Materialeigenschaften, Variationen bei
der Materialdicke und/oder dem Materialmuster, die in den erforderlichen
Volumenanteilen kombiniert, gebunden oder verschmolzen werden, eine
unterschiedliche, zusammengesetzte akustische Impedanz erreicht.
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Zum
miteinander Verbinden der Schichten werden bekannte Techniken verwendet.
Beispielsweise werden Haftmittel, wie z.B. Epoxymaterialien, oder
ein miteinander Verschmelzen des Materials unter Verwendung von
Wärme und/oder
Druck zum Schmelzen oder Härten
der Materialien verwendet. Die isolierenden Schichten können gegossen
werden oder das Haftmittel selbst wird als isolierende Schicht verwendet.
Alternativ ist das Haftmittel leitfähig und wird zur Bildung der
leitfähigen
Schicht verwendet, die auf das isolierende Material aufgebracht
wird, oder als Haftmittel zwischen leitfähigen und/oder nicht-leitfähigen Schichten
verwendet. Der Druck während
des Haftmittelbindens kann Bindungslinien minimieren und die Bindungsdicke
steuern, so dass die gewünschte
Leiterperiodizität
in der Schichtdimension erhalten wird. Es können auch Füllstoffe verwendet werden,
um die Bindungslinien und/oder die Schichtdicken zu steuern. Um
die Metallschichten des isolierenden Materials miteinander zu verlöten kann
ein anodisches Binden eingesetzt werden oder es können Verfahren
verwendet werden, die einem Löten ähnlich sind.
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Die
leitfähigen
Oberflächen 95 können einer Musterbildung
unterworfen oder mit anderen Oberflächen mit Kontaktlöchern durch
das isolierende Material verbunden werden, um komplexe Leiterbahnen innerhalb
der Masse des resultierenden Anpassschichtmaterials bereitzustellen.
Diese Bahnen können
sich zu der oberen und unteren Fläche 92, 93 der resultierenden
An passschichtkomponente erstrecken oder nicht. Eine Leiterbahn oder
eine Verbindung zwischen Schichten wird durch haftendes Binden von
Schichten mit dünnen
Bindungslinien erhalten, um ein unebenes Kontaktlöten zu erreichen.
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In
einer Ausführungsform
werden 300 Mikrometer dicke Schichten 99 aus einem isolierenden
Polymerfilm mit niedriger Impedanz wie z.B. Kapton durch Sputtern
von 10 Mikrometer Kupfer und Flash-Aufdampfen von Titan als Haftmittelschicht metallisiert,
die auch eine leitfähige
Schicht 95 auf einer der oberen und der unteren Fläche oder
auf beiden (d.h. den flachen Oberflächen senkrecht zur Dicke des
Films) ist und die gegebenenfalls anschließend einer Musterbildung unterworfen
werden kann. Die Schichten werden mit einem ungefüllten Epoxymaterial
unter Wärme
und Druck haftend aneinander gebunden. Der Block 97 wird
senkrecht zu den Ebenen der gebundenen metallisierten Schichten
geschnitten. Die obere Fläche
und die untere Fläche 92 und 93 werden
geschliffen oder auf eine andere Weise bearbeitet, um flache oder
andere Oberflächen bereitzustellen,
wobei der leitfähige
Film 95 sowohl auf der oberen als auch auf der unteren
Fläche 92, 93 freiliegt.
Sobald die Anpassschicht 94 bis zur gewünschten Dicke geschliffen worden
ist, werden auf der oberen und der unteren Fläche 92, 93 für eine weitere
elektrische Verbindung gegebenenfalls Metallschichten bereitgestellt.
In alternativen Ausführungsformen
wird die Anpassschicht 94 ohne zusätzliche, auf der oberen und
der unteren Fläche 92, 93 abgeschiedene
Metallschichten verwendet.
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Die 9A und 9B zeigen ein Wandlerelement mit einem
planaren Leiter innerhalb einer Anpassschicht. Beispielsweise wird
die Anpassschicht 94 der 8C mit
einem 3 × 3-Array
von Elementen verwendet, wie es in der 9B gezeigt ist. Die 9B zeigt eine Draufsicht auf die neun
Elemente, wobei die fettgedruckten Linien die planaren Leiter innerhalb
der Anpassschicht zeigen. Gemäß der 9A umfasst ein Element die
PZT mit zwei leitfähigen
Anpassschichten. Die an die PZT angrenzende Schicht ist ein Material
mit hoher akustischer Impedanz mit einer intrinsischen Leitfähigkeit
der Materialmasse. Die obere oder von der PZT beabstandete Schicht
ist die leitfähige
Schicht, wobei der planare Leiter die obere Fläche und die untere Fläche verbindet.
Die untere Fläche
liegt an der anderen Anpassschicht an.
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Die 5A und 5B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Leiters 16 in der Anpassschicht 10. In diesem
Ausführungsbeispiel
ist ein gießfähiges Anpassschichtmaterial
mit leitfähigen
magnetischen Teilchen gefüllt.
Durch Härten
des Materials in einem Magnetfeld werden die magnetischen Teilchen
ausgerichtet und entlang der Magnetfeldlinien in Kontakt miteinander
gezogen. Als Folge des Magnetfelds ist es wahrscheinlicher, dass
sich die magnetischen Teilchen mit ihrer langen Seite entlang einer
Dimension ausrichten, die eher senkrecht als pa rallel zu der oberen
und der unteren Fläche 12, 14 ist,
wenn sich die Magnetfeldlinien eher senkrecht als parallel erstrecken.
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In
einer Ausführungsform
sind die magnetischen Teilchen ein weichmagnetisches Material. Weichmagnetische
Materialien sind nur in der Gegenwart eines Magnetfelds magnetisch.
Die Teilchen können
eine beliebige Form aufweisen und können z.B. in Form von Kügelchen,
Plättchen,
Stäbchen, Drähten, Fasern,
Faserkristallen oder anderen bekannten Formen vorliegen. In einer
Ausführungsform wird
ein Nickelpulver bereitgestellt, jedoch kann bzw. können auch
Eisen, Cobalt oder Eisen-Cobalt-Legierungen oder Nickel verwendet
werden. Nickel kann ausgewählt
werden, da Nickel mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit oxidiert.
Um eine Oxidation von Nickel oder anderen Materialien zu vermeiden,
können
die Teilchen z.B. mit Gold beschichtet werden. Die Teilchen werden
durch Mahlen gebildet oder auf eine andere Weise statistisch erzeugt,
wie z.B. in einem Reibmühlenverfahren.
In einer Ausführungsform
haben die Teilchen eine Größe von etwa
5 Mikrometer. Die Teilchen können
jedoch auch größer oder
kleiner sein, wie z.B. 1 bis 20 Mikrometer. Die Teilchen werden
nicht zwangsläufig
gemahlen oder so geformt, dass sie eine bestimmte Form aufweisen, wie
z.B. eine Faserkristall- oder Nadelform. In alternativen Ausführungsformen
werden insbesondere längliche
Formen ausgebildet. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Nickelpulverzusatz
von 1 bis 12 Vol.-% oder 8 bis 50 Gew.-% in einem gießfähigen Epoxymaterial
als Anpassschicht 10 bereitgestellt.
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Gemäß der 5A wird eine Schale 42 mit den
Anpassschichtmaterialien gefüllt,
einschließlich dem
gießfähigen Anpassschichtmaterial,
den magnetischen Teilchen und zusätzlichen Füllstoffen. In einer Ausführungsform
ist das Anpassschichtmaterial ein niedrigviskoses Harz mit einem
Härtungskatalysator.
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Zwei
Magneten 44 werden von nicht-metallischen Trägern 46 auseinandergehalten.
In einer Ausführungsform
bestehen die nicht-metallischen Träger 46 aus Keramik,
Kunststoff oder Kautschuk, jedoch können auch andere bekannte Materialien
verwendet werden. Die Magneten 44 sind Bariumferritmagneten oder
andere Permanentmagneten. Es kann ein beliebiger Permanentmagnet
oder Elektromagnet verwendet werden. Die Magneten 44 sind
durch die Träger 46 etwa
um das zwei- bis dreifache der gewünschten Höhe der Anpassschicht 10 beabstandet. Es
kann ein größerer oder
kleinerer Abstand bereitgestellt werden, wie z.B. 5,1 bis 7,6 cm
(2 bis 3 Zoll). Die Magneten 44 sind so ausgerichtet, dass
sich die Magnetfeldlinien zwischen den beiden Magneten in einer
vertikalen Richtung erstrecken, wie es in der 5A gezeigt ist. Es können beliebige Magnetfeldstärken verwendet
werden. Es können
geringe Magnetfeldstärken
verwendet werden, die ausreichend sind, um einige magnetische Teilchen
dazu zu bringen, sich entlang der Magnetfeldlinien auszurichten.
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Gemäß der 5B ist die Schale oder die Platte 42 zwischen
den Magneten 44 zum Härten
angeordnet. In einer Ausführungsform
wird zum Härten ein
chemischer Katalysator verwendet, jedoch kann für eine beschleunigte Härtung auch
Wärme eingesetzt
werden. Wenn Wärme
eingesetzt wird, wird die Wärmemenge überwacht
oder die Magneten werden so ausgewählt, dass die Wärme die
Effektivität
der Magneten zumindest während
des Härtungszyklus und
vorzugsweise während
einer Anzahl von Härtungszyklen
nicht zerstört.
In einer Ausführungsform wird
der Rahmen, der von den Magneten 44 und den Trägern 46 gebildet
wird, in einem Ofen angeordnet, der typischerweise zum Härten gießfähiger Anpassschichtmaterialien
verwendet wird.
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Sobald
es sich verfestigt hat, hält
das Anpassschichtmaterial die magnetischen Teilchen so, wie sie
durch die Feldlinien innerhalb der Anpassschicht ausgerichtet worden
sind, selbst wenn es aus dem Magnetfeld entfernt wird. Aufgrund
der Ausrichtung entlang der Magnetfeldlinien wird zwischen der oberen
und der unteren Fläche 12 und 14 eine
höhere
Leitfähigkeit
bereitgestellt als zwischen den Kantenflächen. Dieser anisotrope Leiter
stellt ein leitfähiges
Material bereit, das mehr von der oberen Fläche zur unteren Fläche ausgerichtet
ist als von der Kante 18 zur Kante 18.
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Der
Anpassschichtblock wird dann geschliffen, mit Schleifpapier bearbeitet
oder gesägt,
um die gewünschten
Anpassschichtabmessungen bereitzustellen. Selbst mit den magnetischen
Teilchen werden elektrisch leitfähige
Anpassschichten mit 2,5 bis 3,5 MRayl oder anderen akustischen Impedanzen bereitgestellt,
die akustisch wie herkömmliche,
nicht leitfähige
Anpassschichten gehandhabt werden können und wirken. Im Gegensatz
dazu können
Graphit-Anpassschichten
eine akustische Impedanz von etwa 7 MRayl aufweisen.
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Unter
Verwendung der vorstehend diskutierten elektrisch leitfähigen Anpassschichten
wird ein Verfahren zum Leiten von elektrischem Strom durch die Anpassschicht
bereitgestellt. Das leitfähige
Material wird relativ zu der oberen und der unteren Fläche 12, 14 der
Anpassschicht 10 ausgerichtet (d.h. das leitfähige Material
befindet sich senkrecht zur Azimutebene und zur Elevationsebene
eines Ultraschallwandlers). Das leitfähige Material 16 ist
selbst nach der Ausbildung der Elemente 20 des Arrays mindestens
teilweise oder vollständig
innerhalb der Anpassschicht 10 ausgebildet. Durch senkrechte
Ausrichtung des Leiters zu der oberen und der unteren Fläche 12, 14 wird
ein elektrischer Strom von der oberen oder der unteren Fläche 12, 14 zu
der anderen der unteren und oberen Fläche 14, 12 geleitet.
Durch die Anpassschicht wird für
jedes Element eines Ultraschallwandlers eine Bahn oder eine Mehrzahl
von Bahnen des leitfähigen
Materials 16 bereitgestellt.
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Für eine effizientere
elektrische Übertragung des
Stroms von der Anpassschicht zu einer anderen Anpassschicht, der
Erdungsebene, der Flex-Schaltung, der Signalleitung, dem Wandler,
dem PZT-Material oder -Element umfasst bzw. umfassen eine oder mehrere
der oberen und unteren Fläche 12, 14 der
Anpassschicht 10 eine Metallschicht. Beispielsweise wird
die Elektrode einer PZT-Keramik mit der Anpassschicht 10 in
Kontakt gebracht und damit verbunden. Als Folge davon ist das leitfähige Material elektrisch
mit dem Wandler verbunden. Das leitfähige Material ist ebenfalls
mit einem System wie z.B. einer Erdungsfolie oder Signalleitung
elektrisch verbunden.
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Die 6 zeigt ein Verfahren zur
Herstellung eines mehrdimensionalen Arrays von N × M Elementen,
wobei sowohl N als auch M größer als
1 ist. Beispielsweise wird mit den elektrisch leitfähigen akustischen
Anpassschichten eine 1,25D-, 1,5D-, 1,75D-, 2D-Anordnung oder eine
andere mehrdimensionale Anordnung von Elementen bereitgestellt.
Für eine Anpassung
der akustischen Impedanz werden mehrere akustische Anpassschichten
bereitgestellt, was eine effiziente akustische Anpassung zwischen
dem Wandler und dem Patienten ermöglicht. Um ein separates Trennen
der Elemente des Wandlers und der Anpassschichten zu vermeiden,
ist eine Mehrzahl der Anpassschichten elektrisch leitfähig.
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Im
Schritt 50 werden mindestens zwei Anpassschichten, die
elektrischen Strom leiten können, auf
mindestens einem Element des Arrays positioniert oder gestapelt.
Beispielsweise wird eine beliebige der hier diskutierten elektrisch
leitfähigen
akustischen Anpassschichten verwendet, einschließlich derjenigen, die in den
einleitenden Abschnitten dieser Beschreibung diskutiert worden sind.
Beispielsweise werden Lagen von Anpassschichten auf einem Wandlermaterial
gestapelt oder positioniert, um sie später in einzelne Elemente des
mehrdimensionalen Arrays zu trennen.
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In
einer Ausführungsform
werden zwei elektrisch leitfähige
akustische Anpassschichten mit oder ohne zusätzliche nicht-leitfähige Anpassschichten gestapelt.
In anderen Ausführungsformen
werden drei elektrisch leitfähige
akustische Anpassschichten verwendet. Alle oder nur ein Subsatz
der Anpassschichten für
ein gegebenes Element sind elektrisch leitfähig. In einer Ausführungsform
werden verschiedene Arten elektrisch leitfähiger akustischer Anpassschichten
als Funktion der gewünschten
akustischen Impedanz verwendet. Beispielsweise wird angrenzend an
das Wandlermaterial eine feste Graphit-Anpassschicht verwendet,
jedoch werden elektrisch leitfähige
Anpassschichten aus einem gießfähigen Material
mit einer niedrigeren akustischen Impedanz näher am Patienten oder der Linse
verwendet. Es kann eine beliebige. Kombination aus magnetischen
Teilchen, Kontaktlöchern
oder Anpassschichten des leitfähigen
Filmtyps verwendet werden. In einer Ausführungsform weisen zwei oder
mehr der Anpassschichten die gleiche Art des Aufbaus auf, jedoch
mit unterschiedlichen Mengen an Füllstoffmaterial oder unterschiedlichen
Dicken. In anderen Ausführungsformen werden
verschiedene Arten von Anpassschichten in einer Kombination verwendet.
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Im
Schritt 52 werden das gestapelte Wandlermaterial und die
elektrisch leitfähigen
akustischen Anpassschichten getrennt. Das Trennen wird sowohl in
der Azimutdimension als auch in der Elevationsdimension durchgeführt. Das
Trennen bildet Kerben, die einzelne Elemente des mehrdimensionalen Wandlerarrays
bilden. Zur Trennung der Anpassschichten und des elektrokeramischen
Materials wird der gleiche Trennvorgang eingesetzt. In alternativen Ausführungsformen
werden separate Trennschnitte eingesetzt, um die Anpassschichten
akustisch zu isoliern und das Wandlermaterial elektrisch zu isolieren. Alle
elektrisch leitfähigen
Anpassschichten werden gleichzeitig getrennt, können jedoch in anderen Ausführungsformen
separat getrennt werden.
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Im
Schritt 54 werden die elektrisch leitfähigen Anpassschichten mit anderen
Komponenten des Wandlers elektrisch verbunden. Beispielsweise wird eine
elektrisch leitfähige
Anpassschicht, die sich am nächsten
zur Linse oder auf dem Stapel zuoberst befindet, an eine Erdungsfolie,
eine Flex-Schaltung oder eine Signalleitung laminiert. Als weiteres
Beispiel wird eine elektrisch leitfähige Anpassschicht 10, die
sich am nächsten
zu dem Wandlermaterial befindet, an das Wandlermaterial oder an
eine Elektrode auf dem Wandlermaterial laminiert. Die elektrisch
leitfähigen
Anpassschichten werden aneinander laminiert oder gebunden, wodurch
eine elektrische Verbindung zwischen der Erdungsfolie, der Signalleitung oder
der Flex-Schaltung und dem Wandlermaterial bereitgestellt wird.
Da die elektrisch leitfähigen
akustischen Anpassschichten mit einer niedrigen akustischen Impedanz
verfügbar
sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird ein mehrdimensionaler Wandlerarray
mit getrennten oder gekerbten Anpassschichten zur Vermeidung eines Übersprechens
unter Verwendung eines einzigen Trennschritts bereitgestellt.
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Die 7 zeigt einen Abschnitt
eines mehrdimensionalen Arrays von Wandlerelementen. Insbesondere
sind zwei Elemente 20 gezeigt, die durch eine Kerbe 56 entlang
der Elevationsdimension voneinander beabstandet sind. Jedes der
beiden Elemente umfasst das Wandlermaterial 58. Die Kerbe 56 definiert
die Elemente 20. Die Kerbe 56 erstreckt sich durch
die Anpassschichten 60, 62 und 64. Entlang
der Elevationsdimension können
zusätzliche Elemente
bereitgestellt werden. Eine Mehrzahl von Elementen ist auch entlang
der Azimutdimension bereitgestellt und die Elemente sind durch Kerben
definiert, die sich durch die Anpassschichten und das Wandlermaterial
erstrecken.
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Während drei
Anpassschichten gezeigt sind, kann auch eine andere Anzahl von Anpassschichten 60, 62, 64 verwendet
werden. In einer Ausführungsform
sind alle Anpassschichten 60, 62, 64 elektrisch leitfähig, jedoch
ist in anderen Ausführungsformen nur
ein Subsatz davon leitfähig.
Kontaktlöcher,
magnetische Teilchen oder leitfähige
Filme stellen ein leitfähiges
Material 16 bereit, das entlang der Dickendimension ausgerichtet
ist, um ein elektrisches Signal von dem Wandlermaterial 58 zu
einer Erdungsfolie, einer Signalleitung oder einer Flex-Schaltung 66 bereitzustellen.
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Vorstehend
wurden verschiedene Aspekte und Kombinationen von Aspekten der vorliegenden Erfindung
beschrieben. Es kann ein beliebiger einzelner Aspekt oder eine beliebige
Kombination der Aspekte eingesetzt werden. Beispielsweise können die elektrisch
leitfähigen
akustischen Anpassschichten einzeln auf einem Einzelelement-Array,
einem eindimensionalen oder einem mehrdimensionalen Array verwendet
werden. Als weiteres Beispiel ist die Verwendung mehrerer elektrisch
leitfähiger
akustischer Anpassschichten auf einem eindimensionalen Array oder
Einzelelementarray möglich.
Als weiteres Beispiel werden mehrere Anpassschichten, die entweder
elektrisch leitfähig
sind oder nicht, auf einem mehrdimensionalen Array gestapelt und
gleichzeitig mit dem Wandlermaterial geschnitten.
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Während die
Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen
beschrieben worden ist, sollte beachtet werden, dass viele Veränderungen
und Modifizierungen durchgeführt
werden können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die vorstehende
detaillierte Beschreibung sollte deshalb lediglich veranschaulichend
und nicht beschränkend
aufgefasst werden und es sollte beachtet werden, dass der Schutzbereich
dieser Erfindung lediglich durch die beigefügten Patentansprüche einschließlich aller Äquivalente festgelegt
ist.