DE10296407T5

DE10296407T5 - Transduceranordnung mit mehreren überlagerten Elementen, und ein Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10296407T5
Application number: DE10296407T
Authority: DE
Inventors: John P. III San Jose Mohr; Worth B. Cupertino Walters; Sevig Cupertino Ayter
Original assignee: Acuson Corp
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2004-04-15
Also published as: CN1505845A; US20020117941A1; US6437487B1; US20030107303A1; WO2002071503A1; US6971148B2; CN100466316C

Abstract

Mehrdimensionales Transducerarray, wobei eine Verbesserung mindestens ein Element aufweist, mit
mindestens zwei Schichten Transducermaterial;
einer ersten Elektrode auf einer ersten der mindestens zwei Schichten; und
einer zweiten Elektrode auf einer zweiten der mindestens zwei Schichten; wobei
die mindestens zwei Schichten polymer gebondet sind, und ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten und der zweiten Elektrode einen Rauheits-Kontakt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Mehrschichttransducer (Transducer, die mehrere Schichten aufweisen) und ein Verfahren zu deren Herstellung. Beispielsweise wird ein mehrgeschichteter, mehrdimensionaler Transducer verwendet. Mehrdimensionale Transduceranordnungen (Transducer Arrays) weisen 1,5-dimensionale (1,5D) und zweidimensionale Anordnungen auf. Beispielsweise wird für ein Ultraschallabtasten eines Patienten eine Anordnung von N × M Elementen verwendet, wobei N und M größer 2 sind. 1,5-dimensionale Anordnungen (Arrays) enthalten typischerweise Anordnungen von 64 oder 128 in Azimutrichtung beabstandete Elemente in drei, fünf oder mehreren in Elevationsrichtung beabstandeten Reihen.
Mehrdimensionale Transduceranordnungen haben typischerweise kleine Plattenbereiche oder Bereiche zur Übertragung akustischer Energie von einer Azimut- und Elevationsebene. Mehrere Schichten tragen zu den kleinen Plattenbereichen bei. Die mehreren Schichten sind entlang der Bereichsrichtung gestapelt. Mehrere Schichten für jedes Element reduzieren den elektrischen Widerstand (Impedanz), verglichen mit einem äquivalenten Element mit nur einer Schicht. Die Kapazität eines Transducerelements nimmt mit dem Quadrat der Anzahl an Schichten, die das Transducerelement bilden, zu. Die erhöhte Kapazität des Transducerelements hat eine Reduzierung der elektrischen Impedanz des Transducerelements zur Folge.
Gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichttransduceranordnung werden Blätter von piezoelektrischem Keramik durch "Tape Casting" aus Rohmaterialien gebildet. Eine interne Elektrode wird auf ein piezoelektrisches Keramikblatt siebgedruckt, und dann wird ein anderes Keramikblatt auf die innere Elektrodenseite des ersten Blatts lamelliert (geschichtet). Außenelektroden werden auf den Außenseiten des ersten und zweiten Blatts gedruckt und eingebrannt. Saithoh, S. et al., "A Dual Frequency Ultrasonic Probe", Jpn. J. Appl. Phys., Ausgabe 31, 31-1, Seiten 172-74 (1992) beschreibt beispielsweise ein derartiges Verfahren. Die Signalelektroden sind mit Leitungen verbunden, indem eine flexible Schaltung, TAB-ähnliche Jumper oder ein Drahtbonden verwendet werden. Die Masseelektrode wird verbunden, indem ein leitfähiges Epoxydharz verwendet wird, das die Masseelektrode und einen sekundären Anschluss kontaktiert, beispielsweise eine flexible Schaltung oder eine Metallfolie.
Mehrschichttransducer werden ebenfalls mit VIAS (Durchkontaktierung) hergestellt, um ähnlich ausgerichtete Schichten zu verbinden. Mehrere Löcher werden mechanisch oder mittels Laser in das piezoelektrische Keramikblatt gestanzt, gebohrt oder geätzt, um die Vias auf jeder Schicht des piezoelektrischen Keramiks zu bilden. Die Via-Löcher werden mit einer Metallpaste gefüllt, und die Oberflächenelektroden jeder Schicht werden mittels Siebdruck gebildet. Mehrere Schichten von Green Tape werden dann überlagert, um die Vias auszurichten, um einen Mehrschichtkernverbund (Sandwich) zu bilden. Der Mehrschichtkernverbund wird lamelliert (geschichtet) und gesintert, um eine Einzelstruktur zu bilden. Die Elektroden werden metallisiert, indem eine Galvanoabscheidung oder Vakuumabscheidung auf den Eingangsanschlüssen erfolgt. Für ein Beispiel eines derartigen Prozesses siehe US 5,548,564 , dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme Bestandteil der Anmeldung wird.
Kurzzusammenfassung
Die Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche definiert, und Nichts in diesem Abschnitt soll als eine Beschränkung dieser Ansprüche verstanden werden. Einführend wird im Folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben, welches einen Mehrschichttransducer und ein Verfahren zur Herstellung des Transducers aufweist. Verschiedene Aspekte der Mehrschichttransducerelemente werden im Folgenden diskutiert und beschreiben eine oder mehrere Erfindungen.
Verschiedene der im Folgenden diskutierten Ausführungsbeispiele enthalten mindestens: (1) Mehrschicht- und/oder mehrdimensionale Anordnungen, wobei die Schichten polymer gebondet und elektrisch durch Rauheits-Kontakt oder Berührungsflächenkontakt (auch „asperity contact" genannt) verbunden sind, (2) eine Mehrschichtanordnung von Elementen, wobei Luft oder Gas mindestens zwei Elemente voneinander trennt, (3) eine gerade Anzahl von Schichten, wobei jede Schicht durch Rauheits-Kontakt elektrisch verbunden ist, (4) mehrere Schichten, wobei jede Schicht ein Transducermaterial und Elektroden mit einem im Wesentlichen gleichen Aufbau aufweist, und (5) elektrisch isolierende (isolierte) Elektroden auf Schichten, durch Kerbenbildung oder Schneiden nach dem Zusammenbonden der Schichten.
Gemäß einem ersten Aspekt wird der mehrdimensionale Mehrschicht-Transducer derart hergestellt, dass Elektroden, die mit jeder der Schichten in Zusammenhang stehen, elektrisch mit Elektroden der anderen Schichten über Rauheits-Kontakt bzw. Berührungsflächenkontakt verbunden sind. Durch Verwendung einer bestimmten Folge von Schneiden und Metallisieren der Blätter jeder Schicht werden entsprechenden Verbindungen durch Rauheits-Kontakt der Elektroden bereitgestellt. Ein Teilschnitt entlang eines Bereichs der Azimutbreite, jedoch nicht über die gesamte Azimutbreite des Blatts wird durchgeführt. In Abhängigkeit von der Schicht wird die Reihenfolge des Bildens der Teilausnehmungen und der Metallisierung geändert. Die Schichten werden dann gestapelt und gebondet. Da die Schichten gebondet werden, ist kein Füllmaterial erforderlich, was Luft zwischen den in Elevationsrichtung beabstandeten Elementen zur Folge hat. Luft liefert eine akustische Isolation.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine gerade Anzahl von Schichten über Rauheits-Kontakt elektrisch verbunden. Verschiedene Herstellungsverfahren können verwendet werden, die das Bilden von Unterbrechungen (Diskontinuitäten) durch Schneiden und Metallisieren aufweisen.
Gemäß einem dritten Aspekt enthält jedes der verschiedenen Mehrschichtausführungsbeispiele Schichten mit Unterbrechungen und Transducermaterial in gleichem Format. Durch Flipping (Anklipsen) einer oder mehrerer Schichten relativ an eine andere Schicht und durch Stapeln der Schichten wird ein kontinuierlicher elektrischer Kontakt für zwei oder mehrere Elektroden für jede Schicht gebildet.
Gemäß einem vierten Aspekt wird jedes der verschiedenen Mehrschichtausführungsbeispiele hergestellt, indem die Schichten zusammengebondet werden, bevor einige der Elektroden elektrisch isoliert werden. Eine Kerbe wird in dem gebondeten Stapel an Schichten gebildet. Die Kerbe erstreckt sich durch eine Schicht und in eine andere. Die Kerbe isoliert oder bildet eine Majoritäts- und Minoritätselektrode auf einer oder auf zwei Schichten.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Figurenkurzbeschreibung
Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, statt dessen sollen die Prinzipien der Erfindung verdeutlicht werden. In den Figuren werden darüber hinaus die gleichen Bezugsziffern für gleiche oder entsprechende Bestandteile verwendet.
1 zeigt eine Draufsicht einer Ebene, die durch die Azimut- und Elevationsrichtungen (Dimensionen) einer mehrdimensionalen Transduceranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung definiert ist.
2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Elevations- und Bereichsrichtung gemäß 1 der Mehrschichttransducerelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3A – 3F, 4A – 4D und 5A – 5F zeigen perspektivische Ansichten und Querschnittsansichten einer ersten, zweiten und dritten Schicht der Transducerelemente, wie in 2 gezeigt, während verschiedener Phasen der Herstellung.
6 zeigt eine Querschnittsansicht der Mehrschichttransducerelemente gemäß 2, die in einem zusammengebauten (montierten) Transducer gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden.
7 zeigt eine Querschnittsansicht von Mehrschichttransducern, wie in 2 gezeigt, die in einem zusammengebauten Transducer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden.
8 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Elevations- und Bereichsrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Mehrschichttransducerelements.
9 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Elevations- und Bereichsrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des Mehrschichttransducerelements.
10A – 10D zeigen perspektivische Ansichten mit oberen und unteren Ausrichtungen jeder der zwei Schichten gemäß 8 oder jeder der Paare von Schichten 22 gemäß 9.
11 zeigt eine Draufsicht einer flexiblen Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
12A zeigt eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Schicht eines Transducerelements.
Die 12B – 12D zeigen Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsbeispiele von gestapelten Schichten eines Transducerelements.
12E zeigt eine Querschnittsansicht eines Mehrschichttransducerelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
13 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer mehrdimensionalen Mehrschichttransduceranordnung.
14A und 14B zeigen perspektivische Ansichten und Querschnittsansichten eines Ausführungsbeispiels einer Schicht für ein Element.
Die 14C – 14E zeigen Querschnittsansichten von gestapelten Schichten für ein Ausführungsbeispiel eines Transducerelements.
15 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer mehrdimensionalen Mehrschichttransduceranordnung mit entgegengesetzten Oberflächenverbindungen entgegengesetzter Polarität.
16A und 16B zeigen perspektivische Ansichten und Querschnittsansichten eines Ausführungsbeispiels einer oberen Schicht der Transduceranordnung gemäß 15.
17 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Mehrschichttransduceranordnung mit entgegengesetzten Oberflächenverbindungen entgegengesetzter Polarität.
18A und 18B zeigen perspektivische Ansichten und Querschnittsansichten eines Ausführungsbeispiels eines Dreischichtelements mit Kerben, die nach dem Bonden gebildet werden.
Die 19A – 19E zeigen perspektivische Ansichten und Querschnittsansichten eines anderen Ausführungsbeispiels eines Mehrschichttransducerelements mit Kerben, die nach dem Bonden gebildet werden.
20 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer mehrdimensionalen Mehrschichttransduceranordnung mit Kerben, die nach dem Bonden gebildet werden.
21A – 21D zeigen Querschnittsansichten von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen von Mehrschichtelemente, die für eine Elevationsseitenkeulenreduktion („Elevation side lobe" – Reduktion) ausgelegt sind.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die im Folgenden diskutierten Ausführungsbeispiele weisen Mehrschichtelemente für eine Transduceranordnung (Transducer Array) auf. Jedes Element enthält zwei oder mehrere Schichten von Transducermaterial. Verschiedene der Ausführungsbeispiele, die im Folgenden diskutiert werden, weisen mindestens einen oder mehrere Bestandteile auf von: (1) mehrdimensionale Mehrschichtanordnungen (Arrays), bei denen die Schichten polymer gebondet und durch Rauheits-Kontakt elektrisch verbunden sind, (2) Mehrschichtanordnung von Elementen, wobei Luft oder Gas mindestens zwei Elemente trennt, (3) eine gerade Anzahl von Schichten, wobei jede Schicht elektrisch durch Rauheits-Kontakt verbunden ist, (4) mehrere Schichten, wobei jede Schicht Elektroden mit einem im Wesentlichen gleichen Aufbau aufweist, und (5) elektrisch isolierte Elektroden auf Schichten durch Kerbenbildung oder Schneiden nach Zusammenbonden der Schichten. Jedes dieser Ausführungsbeispiele wird im Folgenden in unterschiedlichen Abschnitten individuell oder in Kombination mit anderen Ausführungsbeispielen beschrieben. Andere Kombinationen oder individuelle Ausführungsformen können geschaffen werden.
I. Mehrdimensionale Anordnung mit Rauheits-Kontakt und Luft- oder Gasseparation
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden mehrdimensionale Anordnungen von Mehrschichtelementen gebildet. Die mehreren Schichten von Transducermaterial werden durch Rauheits-Kontakt elektrisch verbunden. In mindestens einer Richtung, beispielsweise der Elevationsrichtung, sind verschiedene Elemente durch Luft getrennt, wodurch die Elemente akustisch und mechanisch isoliert werden. Der Rauheits-Kontakt und die Luftseparation werden durch eine Reihe von Teilausnehmungen oder durch Dicing (Schneiden) durch jede Schicht und Metallisierung gebildet.
1 zeigt eine 1,5D Transduceranordnung von Elementen. Drei in Elevationsrichtung beabstandete Reihen von Elementen sind gebildet. 64 oder 128 in Azimutrichtung beabstandete Elemente sind gebildet. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können mehr oder weniger in Elevations- oder Azimutrichtung beabstandete Elemente verwendet werden. Wie in der Figur gezeigt, enthalten die zwei äußeren Reihen der Elemente 12 und 14 kleinere Elemente (beispielsweise Nebenelemente oder Sub-Elemente) in der Azimutelevationsebene, als die mittlere Reihe 16 der Elemente. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann der Bereich jedes Elements der Gleiche sein oder als Funktion entweder der Azimut-, Elevations- oder Bereichsrichtung variieren. Gemäß einem noch anderen alternativen Ausführungsbeispiel wird eine zweidimensionale Transduceranordnung, beispielsweise ein Array von 64 mal 64 Elementen, oder 1,75D-Array gebildet. Für ein mehrdimensionales Array wird eine Anordnung von N × M Elementen bereitgestellt, wobei N und M größer als 2 sind. Die Anordnung kann aus einer beliebigen Anzahl von Transducerelementen 18 bestehen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht der Transduceranordnung gemäß 1. Insbesondere sind drei in Elevationsrichtung beabstandete Elemente 20 gezeigt. Jedes Element 20 weist drei Schichten 22 eines Transducermaterials auf. Mehrere oder weniger Schichten können verwendet werden.
Das Transducermaterial enthält piezoelektrisches Keramik, beispielsweise einen einkristallpiezoelektrischen Körper, ein Mosaik (Verbund-) oder anderes piezoelektrisches Material. Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält das piezoelektrische Keramik Standardkomponenten wie beispielsweise von CTS von Albuquerque, Neu Mexiko (beispielsweise HDD3203). Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden Keramikschichten verwendet, die durch "Tape Casting" oder andere Prozesse gebildet werden. Die Verwendung von herkömmlich verfügbaren piezoelektrischen Materialien hat Kostenvorteile. Gemäß weiteren alternativen Ausführungsbeispielen werden andere Transducermaterialien verwendet, beispielsweise kapazitive mikroelektromechanische Ultraschallgeräte. Unterschiedliche oder gleiche Materialien können für unterschiedliche Schichten von Transducermaterial verwendet werden.
Die Schichten von Transducermaterial enthalten eine untere Schicht 24, eine mittlere Schicht 26 und eine obere Schicht 28. Jede Schicht 22 enthält ein Blatt aus Transducermaterial. Die Dicke jedes Blatts wird als Funktion der Gesamtdicke des Transducerelements bestimmt. Wenn jedes Blatt die gleiche Dicke aufweist, wird die Gesamtdicke des Transducerelements durch die Anzahl der Schichten geteilt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können unterschiedliche Schichten unterschiedliche Dicken aufweisen. Die Dicke kann als Funktion der Elevations- oder Azimutposition des Elements in der Anordnung (Array) variieren, und/oder als Funktion der Azimut und/oder der Elevationsposition innerhalb eines Elements für eine, eine ausgewählte oder alle der Schichten 22.
Die Abmessungen der Schichten 22 und der Elemente 20 sind eine Funktion des Transducerdesigns, beispielsweise eine Funktion der gewünschten Betriebsfrequenz, Bandbreite, Fokussierungsauflösung oder anderer Eigenschaften, die von der Transducerverwendung (Transducerapplikation) abhängen. Die Schichten von unterschiedlicher Dicke und/oder Form können gebildet werden, indem gemeinsame Werkzeuge und Techniken, die allgemein bekannt sind, verwendet werden, beispielsweise Läppen, Schleifen, Trennschleifen (Dicen) und Bonden, wodurch Kosten reduziert werden, die Anpassbarkeit an den Markt verbessert und Zeit gespart werden kann. In anderen alternativen Ausführungsbeispielen weist eine oder weisen mehrere der Schichten 22 eine nicht gleichförmige Dicke auf, wie beispielsweise in der US 5,438,998 und 5,415,175 beschrieben, deren Offenbarungen durch Bezugnahme hiermit Bestandteil der Anmeldung werden. Beispielsweise wird ein plano-konkaver Transducer oder ein Transducer mit einer frequenzunabhängigen Fokussierung verwendet, wobei das Array oder die individuellen Elemente eine konkave oder eine konvexe Form aufweisen.
Jede Schicht 22 jedes Elements 20 enthält eine positive Elektrode 30 und eine negative Elektrode 32, die auf der Schicht 22 gebildet sind. Die Ausdrücke positive und negative Elektrode beziehen sich auf den Anschluss der Transduceranordnungen mit einem Ultraschallsystem, wobei die positiven Elektroden mit Signalwegen gekoppelt sind und die negativen Elektroden mit Massewegen oder umgekehrt. Positiv und Negativ soll die entgegengesetzten Pole auf den Schichten allgemein wiederspiegeln. Die positiven und die negativen Elektroden können in Bezug auf die Orientierung umgekehrt sein. Die negative Elektrode 32 der oberen Schicht 28 bedeckt eine untere Fläche (Bodenfläche) und vorzugsweise einen wesentlichen Bereich der Bodenfläche der oberen Schicht 28. Die positive Elektrode 30 bedeckt eine obere Fläche und insbesondere eine gesamte obere Fläche, eine Seitenfläche und einen Bereich der Bodenfläche der oberen Schicht 28. Obere und Untere bezieht sich in diesem Fall auf die Orientierung der Schicht in der Bereichsrichtung, wie in den Figuren gezeigt. Die negative Elektrode 32 der mittleren Schicht 26 bedeckt die obere Fläche der Schicht 26, und insbesondere einen wesentlichen Bereich der oberen Oberfläche 26, einer Seitenfläche und einen Bereich der Bodenfläche der Schicht 26. Die positive Elektrode 30 der mittleren Schicht 26 bedeckt eine Bodenfläche der mittleren Schicht 26, und spezieller einen wesentlichen Bereich der Bodenfläche, einer Seitenfläche und eines Bereichs der oberen Oberfläche der mittleren Schicht 26. Die positive Elektrode 32 der Bodenschicht 24 bedeckt eine obere Oberfläche der Schicht 24 und vorzugsweise einen wesentlichen Bereich der oberen Fläche der Schicht 24. Die negative Elektrode 32 der Bodenschicht 24 bedeckt eine Bodenfläche der Schicht 24 und vorzugsweise die gesamte Bodenfläche, eine Seitenfläche und einen Bereich der oberen Fläche der Bodenschicht 24. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist Elektrodenmaterial auf beiden Seitenflächen von einer oder von beiden der oberen und unteren Schichten 28 und 24 bereitgestellt. Andere Elektrodenanordnungen und Anschlüsse (Verbindungen) können verwendet werden, beispielsweise Drahtbonden, flexible Schaltungsanschlüsse oder Via-Anschlüsse (Durchgangskontaktierung).
Die durchgehenden positiven und negativen Elektroden 30 und 32 werden mittels Sputtern aufgebracht und enthalten Gold. Andere Metalle, beispielsweise Nickel und Silber und andere Oberflächentechniken können verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Elektrode eine Dicke von ungefähr 1,500-3,000 Angström, jedoch können dünnere oder dickere Elektroden verwendet werden.
Die positive Elektrode 30 ist von der negativen Elektrode 32 auf jeder Schicht 22 durch eine Unterbrechung (Diskontinuität) 34 getrennt. Auf der oberen Schicht 28 ist die Unterbrechung 34 auf einer Boden- und Randfläche. Für die mittlere Schicht 26 sind die Unterbrechungen 34 auf der oberen Fläche und einer Randfläche. Auf der oberen Schicht 28 sind Unterbrechungen 34 auf der oberen und unteren Fläche. Die Unterbrechungen 34 trennen und isolieren die positiven und die negativen Elektroden 30 und 32 elektrisch. Die Schichten 32 sind gestapelt, so dass die Unterbrechungen 34 auf der oberen und unteren Fläche der Schichten 22 fluchten. Die positiven Elektroden 30 und die negativen Elektroden 32 jedes Elements sind elektrisch jeweils miteinander gekoppelt. Jede Schicht 22 jedes Elements 20 hat im Wesentlichen eine positive Elektrode 30 auf einer Oberfläche und eine negative Elektrode 32 auf einer gegenüber liegenden Fläche. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können die Unterbrechungen 34 an unterschiedlichen Positionen gebildet sein, beispielsweise auf einer oberen oder unteren Fläche anstatt an einer Seite oder einer Ecke.
Die Elektroden 30, 32 jeder Schicht 22 kontaktieren die Elektroden 30, 32 der anderen Schichten 22 durch Rauheits-Kontakt. Zusätzliches Löten, Drahtbänder oder Via-Anschlüsse (Verbindungen) sind nicht erforderlich, können jedoch verwendet werden. Das Läppen, Schleifen oder andere Herstellungsverfahren für die Transducermaterialien liefert eine fein aufgerauhte Oberfläche. Die Rauhigkeit der Oberfläche erlaubt eine gleichmäßige Verteilung eines physikalischen und elektrischen Kontakts zwischen den Elektroden 30, 32.
Die Schichten 22 werden durch Polymerbonden zusammengehalten. Die Polymerbondverbindung wird zwischen jeder Schicht 22 verwendet. Da die Schichten 22 zusammen gepresst sind, füllt eine dickflüssige Bondverbindung (Bondmaterial) die Spalten und erlaubt einen Rauheits-Kontakt zwischen den Elektroden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können andere Bondmittel verwendet werden, beispielsweise in Verbindung mit anodischem Bonden, Schweißen oder Fixieren (Schmelzen).
Die in Elevationsrichtung beabstandeten Elemente 20 sind durch einen Luftspalt 36 getrennt. Durch Bonden der Schichten 22 jedes Elements 20 ist zwischen den Elementen 20 kein Verbundwerkstofffüller notwendig. Nach der Montage können andere Gase verwendet werden, um die Elemente 20 zu trennen. Das Gas oder die Luft können auch verwendet werden, um Elemente in Azimutrichtung zu trennen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird ein flüssiges, plasmaartiges oder festes Füllmaterial in die Spalte 36 eingebracht. Wie im Folgenden diskutiert, erlaubt ein Verfahren zur Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel des beabstandenden Elements 20, dass Luft oder andere Gase verwendet werden können, um die Elemente 20 akustisch und mechanisch zu trennen.
Verschiedene Techniken können verwendet werden, um mehrdimensionale Mehrschichttransduceranordnungen herzustellen. Die 3 bis 5 repräsentieren ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung von Mehrschichttransducern mit einer ungeraden Anzahl an Schichten. In dem Beispiel gemäß den 3 bis 5 werden drei Schichten 22 verwendet, jedoch können weitere Schichten gebildet werden. Wie ebenfalls durch die 3 bis 5 dargestellt, werden drei in Elevationsrichtung beabstandete Elemente verwendet, jedoch können beliebig viele Elemente gebildet werden, indem Techniken verwendet werden, die im Folgenden diskutiert werden. In dem Beispiel wird eine in Azimutrichtung beabstandete Reihe von in Elevationsrichtung beabstandeten Elementen gebildet. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden zwei oder mehrere in Azimutrichtung beabstandete Reihen von dem gleichen oder von unterschiedlichen Blättern des piezoelektrischen Materials oder Transducermaterials gebildet.
Die 3A zeigt die obere Schicht 28. Die obere Schicht 28 wird tauchgeschliffen, um die Öffnung 40 zu bilden. Eine Dicing-Säge, ein Ätzen, ein Laserschneiden, eine Drahtsäge oder andere Schneidtechniken können verwendet werden, um die Öffnung 40 zu bilden. Die Öffnung 40 erstreckt sich entlang der Azimutrichtung, jedoch nicht über die gesamte Azimutbreite der oberen Schicht 28. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 40 entlang der Azimutbreite zentriert. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen ist die Öffnung 40 dezentriert, oder erstreckt sich zu einem Rand. Die Öffnung 40 ist entlang der Elevationsrichtung derart positioniert, dass eines der Elemente 20 durch die Öffnung 40 und einen Rand der oberen Schicht 28 definiert ist. Eine oder mehrere Brücken 42 verbinden das Element 20 mit dem Rest der oberen Schicht 28. Wie in diesem Beispiel gezeigt, verbinden zwei Brücken 42 das Element 20 mit dem Rest der oberen Schicht 28, nach dem Bilden der Öffnung 40. Das Tauchschleifen erfolgt vorzugsweise über die gesamte Dicke entlang der Bereichsrichtung der oberen Schicht 28.
Nach dem Bilden der Öffnung 40 wird die obere Schicht 28 metallisiert. Durch das Verwenden von Sputtern, "Wet Chemical Plating", Bedampfung (Vapor Deposition) oder andere Verfahren, die eine geeignete Haftungssteuerung und Dickensteuerung ermöglichen, werden Elektroden 44, wie in 3B gezeigt, um alle oder fast alle Oberflächen des Transducermaterials 46 der oberen Schicht 28 gebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Titankristallkeim auf das Transducermaterial 46 aufgebracht. Eine dickere Goldschicht wird dann aufgesputtert, gefolgt von einen Elektronenplating zur Zugabe von weiterem Gold. Wie in der Querschnittsansicht 3B von 3A gezeigt, bedeckt die Elektrode 44 die Ränder der Öffnung 40.
Wie in 3C gezeigt, bildet ein zweiter Tauchschliff ("Plunge Cut") eine Öffnung 48. Die Öffnung 48 verläuft parallel zu der Öffnung 40 und erstreckt sich nur über einen Bereich der Gesamtazimutbreite der oberen Schicht 28, wie oben diskutiert. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen sind die Öffnungen 40 und 48 nicht parallel. Die Öffnung 48 ist ebenfalls in 3D gezeigt, die eine Querschnittsansicht von 3C darstellt. Das Tauchschleifen resultiert in freigelegten Rändern des Transducermaterials 46 in der Öffnung 48 (beispielsweise Ränder ohne eine Elektrode 44). Die Öffnung 48 definiert zwei zusätzliche Elemente 20, das Mittelelement und die Elemente ganz rechts, wie in den 3C und 3D gezeigt.
3D zeigt auch das Entfernen von Elektrodenmaterial von einem linken Rand 50 der oberen Schicht 28. Das Elektrodenmaterial wird entfernt, um den Rand 50 freizulegen, durch Sanden, Trennschleifen (Dicing), Schneiden, Laserschneiden, Schneiden mit einer Drahtsäge oder Ätzen.
3E zeigt die Bildung von Unterbrechungen 52 auf der Elektrode 44. Die Unterbrechungen 52 werden gebildet, indem eine Waversäge (Dicing Saw) verwendet wird, durch Mustern der Unterbrechungen während der Elektrodenaufbringung, Maskieren während des Sputterns der Metallisierung, durch Fotolithografie oder andere Verfahren, die zum Entfernen von Abschnitten der Elektrode oder zum selektiven Verhindern des Bildens einer Elektrode geeignet sind. Die Unterbrechungen 52 isolieren elektrisch Abschnitte der Elektrode 44. Die Unterbrechungen 52 verlaufen parallel zu den Öffnungen 40 und 48 gemäß einem Ausführungsbeispiel, können jedoch unter einem Winkel zu einer oder zu beiden Öffnungen 40, 48 verlaufen, gekrümmt sein oder eine andere unterschiedliche Form aufweisen, die die Elektroden isoliert.
3F zeigt die obere Schicht 28 mit den Unterbrechungen 52. Jedes Element 20 hat zwei Elektroden 44, die durch freigelegte Oberflächen auf dem Transducermaterial 46 definiert sind. Beispielsweise weist jedes Element 20 eine positive Elektrode 30 und eine negative Elektrode 32 auf. Die Elektroden sind durch die Unterbrechungen 52, die freigelegten Ränder 50 und/oder die Öffnung 48 getrennt. Der Bereich der Unterbrechungen 52 ist vorzugsweise weit genug, um die positiven Elektroden 30 von den negativen Elektroden 32 elektrisch zu isolieren. Für diese obere Schicht 28 sind die Elektroden 44 derart gebildet, dass mindestens ein Bereich der positiven Elektrode 30 und der negativen Elektrode 32 auf einer Bodenfläche ist. Die Unterbrechungen 52 sind von einem Rand versetzt, mit einem Abstand groß genug, um eine geeignete Anschlussfläche für eine Minoritätselektrode zu lassen, um einen elektrischen Kontakt mit einer Minoritätselektrode auf einer benachbarten Schicht zu bilden. Die Schichten 22 werden dann derart angeordnet, dass die kontaktierenden Elektroden eine integrierte Elektrode bilden mit abwechselnder Polarität, als Funktion der Bereichsabmessung.
Die obere Schicht 28 ist gepolt. Ein elektrisches Feld, beispielsweise ein Gleichstrom, wird über die Elektroden 44 angelegt, um die Kristalle des Transducermaterials auszurichten. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen erfolgt das Polen zu einem späteren Zeitpunkt oder überhaupt nicht.
4A zeigt die mittlere Schicht 26. Zwei Tauchschliffe (Einstichschnitte) bilden Öffnungen 54. Die Öffnungen 54 erstrecken sich entlang einer Azimutbreite, jedoch nicht über die gesamte Azimutbreite der mittleren Schicht 26. Die Öffnungen 54 definieren die in Elevationsrichtung beabstandeten Elemente 20. Wie in 4B gezeigt, wird die mittlere Schicht 26 metallisiert, um die Elektroden 44 zu bilden. Die Elektroden 44 werden nach den Öffnungen 54 gebildet. Die Elektroden 44 werden auf alle oder auf die meisten Oberflächen des Transducerelements 46 aufgebracht, einschließlich innerhalb der Öffnungen 54.
Die 4C und 4D zeigen die Bildung von Unterbrechungen 52 auf der oberen und unteren Fläche der mittleren Schicht 26. 4D zeigt eine Querschnittsansicht der 4C. Die Unterbrechungen 52 isolieren die positiven Elektroden 32 elektrisch von den negativen Elektroden 30. Jede positive Elektrode 30 oder 32 bedeckt einen wesentlichen Bereich der oberen oder unteren Fläche, jeweils des Elements 20. Das Verbleibende jeder Fläche weist eine Elektrode 44 auf, die mit einer unterschiedlichen Polarität in Zusammenhang steht. Die Unterbrechungen 52 sind derart gebildet, dass beide, die positive und die negative Elektrode 30 und 32 der mittleren Schicht 26 die Elektroden 44 der oberen Schicht 28 und der unteren Schicht 24 kontaktieren.
Nach der Bildung der positiven und negativen Elektroden 30 und 32 wird die mittlere Schicht 26 gepolt. Alternativ wird die mittlere Schicht 26 nicht gepolt.
5A zeigt den ersten Schritt bei der Bildung der unteren Schicht 24. Ein Tauchschleifen erzeugt die Öffnung 40. Die Öffnung 40 erzeugt eines der in Elevationsrichtung beabstandeten Elemente 20. Für eine 1,5-dimensionale Transduceranordnung gemäß diesem Beispiel ist das Element 20 auf einer anderen Elevationsseite, als das Element 20, das durch die Öffnung 40 auf der oberen Schicht 28 definiert ist (der Tauschliff 40 für die obere Schicht 28 bildet also das linke Element 20 und der Tauchschliff 40 der unteren Schicht 24 bildet das am weitesten rechts liegende Element 20).
5B zeigt eine Querschnittsansicht von 5A nachdem die untere Schicht 24 metallisiert worden ist. Die Elektroden 44 sind auf jedem freigelegten Rand des Transducermaterials 46 gebildet, einschließlich innerhalb der Öffnung 40. 5C zeigt die Bildung von einer anderen Öffnung 48, um zwei zusätzliche in Elevationsrichtung beabstandete Elemente 20 zu definieren. Der Tauchschliff zur Bildung der Öffnung 48 legt die Transducermaterialoberflächen innerhalb der Öffnung 48 frei, wie in 5D gezeigt. Das Elektrodenmaterial 44 bedeckt nicht die freigelegten Oberflächen innerhalb der Öffnung 48. Die 5D zeigt auch das Entfernen des Elektrodenmaterials von einem am weitesten rechts gelegenen Rand 60 der unteren Schicht 24.
5E zeigt die Bildung von Unterbrechungen 52 auf einer oberen Fläche der unteren Schicht 24. Wie in 5F gezeigt, definieren die Unterbrechungen 52, die freigelegten Flächen in der Öffnung 50 und der Rand 60 die positiven und negativen Elektroden 30, 32 auf jedem Element 20. Die positiven und negativen Elektroden 30, 32 sind elektrisch isoliert. Das Transducermaterial 46 jedes Elements 20 wird dann gepolt. Alternativ erfolgt keine Polung oder eine Polung zu unterschiedlichen Zeiten.
Die obere, mittlere und untere Schicht 28, 26, 24 sind gestapelt und wie in 2 ausgerichtet. Die Unterbrechungen 34, 52 fluchten, um elektrisch parallele mehrschichtpiezoelektrische Elemente 20 zu bilden. Wie in der Figur gezeigt beginnt die gestapelte Anordnung mit einer negativen Elektrode 32 auf dem Boden des Elements 20 und endet mit der positiven Elektrode 30 oben auf dem Element 20. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann entweder eine positive oder negative Startelektrodenausrichtung verwendet werden. Vorzugsweise sind die Elektroden 44 derart angeordnet, dass die Elektrodenpolarität als Funktion der Schicht 22 innerhalb des Elements 20 alterniert.
Wenn sie gestapelt sind, kontaktieren die Elektroden 44 einander über einen Rauheits-Kontakt. Der Rauheits-Kontakt liefert eine elektrische Verbindung für jede positive Elektrode 30 jeder Schicht 22 zu den anderen positiven Elektroden der anderen Schichten 22. Der Rauheits-Kontakt liefert ebenfalls eine elektrische Verbindung für die negativen Elektroden 32.
Die Öffnungen 36 werden verwendet, um die Schichten 22 auszurichten. Ein Balken, eine Stange oder eine andere Vorrichtung wird in eine oder in mehrere der Öffnungen 36 eingeführt, um die verschiedenen Schichten 22 auszurichten. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können andere Ausrichttechniken verwendet werden, beispielsweise das Stapeln in einer Form, externes mechanisches Ausrichten oder zusätzliche Herstellungstechniken, wie im Folgenden beschrieben.
Nach dem Ausrichten wird der Rauheits-Kontakt durch Polymer-Bonden aufrecht erhalten. Ein Epoxydharz-Bonden oder andere Klebeverbindungen mit genügender Viskosität, um eine Punkt zu Punkt oder Rauheits-Kontaktierung der benachbarten Elektroden 44 zu erlauben, können verwendet werden. Beispielsweise wird ein Epoxydharzkleber, wie etwa EPO-TEC 301 verwendet.
Der Transducer wird von dem Mehrschichttransducermaterial aufgebaut. Wie in den 6 und 7 gezeigt, wird eine Anpassungsschicht 62 entlang einer Azimutbreite geschnitten, entweder über die gesamte Breite oder über einen Bereich der Breite, und auf dem Stapel der Schichten 22 platziert. Die Anpassungsschicht 62 enthält eines von verschiedenen Materialien für eine akustische Anpassung des Transducermaterials 46 an den Körper oder ein Gel. Die Anpassungsschicht 62 ist geformt, um eine ähnliche Azimut- und Elevationsrichtung aufzuweisen, wie jedes Element 20. Die Anpassungsschicht 62 kann in der Dicke, im Durchmesser oder bezüglich akustischer Eigenschaften variieren, und/oder eine oder mehrere Schichten aufweisen. Die Anpassungsschicht 62 wird an die gestapelten Schichten Transducermaterial gebondet.
Ein Boden der gestapelten Schichten 22 wird mit einer flexiblen Signal- und Masseschaltung 64 gekoppelt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die flexible Schaltung 64 einen mittleren Anschlussbereich, der aus einer dünnen Kupferschicht gebildet ist, welche auf einen Polyamidfilm aufgebracht ist, beispielsweise KAPTON^TM, im Handel verfügbar von E.I. DuPont Company. Individuelle Signalwege erstrecken sich von jeder Seite des Zentralanschlussbereichs. Die flexiblen Schaltungen 64 werden an die gestapelten Schichten des Transducermaterials gebondet, mit einem Epoxydharzkleber oder einem anderen Bondmittel. Die flexible Schaltung 64 liefert einen elektrischen Kontakt mit den Elektroden 44 des gestapelten Transducermaterials über einen Rauheits-Kontakt. Die Polymerverbindung (Polymer-Bond) hält den Kontakt zwischen der flexiblen Schaltung 64 und den Elektroden 44. Die flexible Schaltung 64 ist derart ausgelegt, dass individuelle Signalleitungen die mittleren und die äußeren Elemente 20 verbinden, um Signalleitungen zu trennen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen werden die Elemente 20 miteinander kurzgeschlossen. In noch anderen alternativen Ausführungsbeispielen ist die flexible Schaltung 64 mit einer oberen Fläche der gestapelten Schichten 22 gekoppelt.
Unterschiedliche Techniken können verwendet werden, um die positiven Elektroden 30 der gestapelten Schichten des Transducermaterials an ein Ultraschallsystem zu koppeln. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie in 6 gezeigt, kann eine Folie 66 oder eine andere elektrische leitende Substanz über die obere Schicht 28 positioniert werden, in Kontakt mit den positiven Elektroden 30. Die Folie 66 wird an die Anpassungsschicht 62 und die obere Schicht 28 gebondet, beispielsweise polymergebondet oder anders geklebt. Der Rauheits-Kontakt liefert einen elektrischen Kontakt zwischen der Folie 66 und den positiven Elektroden 32 jedes Elements 20. Die Folie 66 ist elektrisch geerdet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie in 7 gezeigt, wird die Anpassungsschicht 62 metallisiert, beispielsweise durch Sputtern, wodurch eine Elektrode 63 auf mindestens der unteren Fläche der Anpassungsschicht 62 gebildet wird. Ein Massebus 65, beispielsweise ein metallisierter Mylar-Film oder andere elektrisch leitfähige Substanzen, ist mit den Elektroden, die auf der Anpassungsschicht 62 gebildet sind, verbunden. Die Anpassungsschicht 22 kann leitfähiges Material aufweisen.
Die flexible Schaltung 64 und die gestapelten Schichten 22 sind weiter an ein akustisches Verstärkungsmaterial 68 gebondet. Das akustische Verstärkungsmaterial 68 weist eine mechanische Abstützung für die Anordnung auf, und hat akustische Eigenschaften für eine gewünschte Funktion.
Während der Montage halten die Brücken 42 in Verbindung mit den Öffnungen 36 jede Schicht 22 und das in Zusammenhang stehende Element 20 an Position. Die Elemente 20 werden dann mechanisch oder akustisch voneinander isoliert, indem die Brücken 42 entfernt werden. Die Brücken werden entlang der Elevationsrichtung geschnitten (gedict), um die Elemente 20 zu trennen. Die Schichten 22 werden beispielsweise entlang einer Linie senkrecht zu der längsten Abmessung der Öffnungen 36, 40, 44, 48 geschnitten. Das Trennschleifen (Dicing) unterbricht die Ränder der Öffnungen 40, 48, 54, die akustisch jedes Element isolieren. Der Schnitt erfolgt durch alle Schichten 22.
Die akustisch isolierten Elemente 20 werden durch Luft oder Gas getrennt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird ein Polymer- oder Epoxydharzfilter zwischen die in Elevations- und Azimutrichtung beabstandeten Elemente eingeführt. Nach der akustischen Isolierung jedes Elements 20 werden eine Mehrzahl der in Elevationsrichtung beabstandeten Elemente 20 entlang der Azimutrichtung ausgerichtet, um die Anordnung (das Array) zu definieren.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele können mit den Prozessen, Strukturen oder Materialien verwendet werden, die in der US 6,121,718 beschrieben sind, deren Offenbarung durch Bezugnahme hiermit Bestandteil der Anmeldung wird. Das eindimensionale Transducerarray gemäß diesem Patent wird als eine mehrdimensionale Anordnung hergestellt.
II. Array (Anordnung) mit einer geraden Anzahl von Schichten, die einen Rauheits-Kontakt aufweisen
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden Anordnungen von Elementen mit einer geraden Anzahl von Schichten geschaffen. Die Schichten des Transducermaterials sind polymergebondet und über Rauheits-Kontakt elektrisch verbunden. Die Zweischichtelemente können verwendet werden, für eine niedrige und mittlere Ultraschallfrequenzakustikübertragung, beispielsweise bei 5 MHz. Für das Zweischichtbeispiel können dickere piezoelektrische Schichten verwendet werden, als für ein bei der gleichen Frequenz arbeitendes Dreischichtelement. Vier oder mehrere Schichten können ebenfalls gebildet werden. Der Rauheits-Kontakt liefert eine minimale Bondleitungsdünnschicht zwischen den Schichten des Transducermaterials, wodurch die Leistungsfähigkeit verbessert und die Betriebsfrequenz erweitert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthalten die Anordnungen eine eindimensionale Anordnung von Elementen in einer einzelnen Reihe entlang der Azimutrichtung. Beispielsweise werden Mehrschichttransducer mit einer ungeraden Anzahl von Schichten, wie in der US 6,121,718 offenbart, mit einer geraden Anzahl an Schichten gebildet. Alternativ wird eine mehrdimensionale Anordnung mit Elementen gebildet, die eine gerade Anzahl an Schichten aufweisen. Beispielsweise können die Herstellungsprozesse, die im Vorangegangenen für mehrdimensionale, Mehrschichtanordnungen diskutiert worden sind, für eine gerade Anzahl von Schichten verwendet werden. Positive und negative Elektroden sind durch Rauheits-Kontakt verbunden und durch Unterbrechungen getrennt. Für Anordnungen mit irgendeiner Abmessung können die oben diskutierten verschiedenen Prozesse, Materialien und Strukturen einschließlich Abwandlungen mit einer geraden Anzahl von Schichten verwendet werden, wie im Folgenden diskutiert wird.
Die 8 und 9 zeigen Querschnittsansichten von Transducerelementen 20, die zwei und vier Schichten 22 eines Transducermaterial jeweils aufweisen. Alternativ können sechs oder mehrere Schichten gebildet sein. Die Elemente 20 enthalten auch positive Elektroden 30 und negative Elektroden 32, Anpassungsschichten 62, ein akustisches Verstärkungsmaterial 68 und flexible Schaltungen 64. Darüber hinaus können weniger oder unterschiedliche Komponenten verwendet werden.
Die positiven und negativen Elektroden 30, 32 sind durch Unterbrechungen 34 getrennt. Wie gezeigt, sind die Unterbrechungen 34 auf der oberen und unteren Oberfläche der Schichten 22 relativ zu der Richtung der akustischen Ausbreitung gebildet (also oben und unten entlang der Bereichsachse). Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere der Unterbrechungen 34 an einer Ecke oder entlang eines Randes (also Seite) lokalisiert sein.
Die Unterbrechungen 34 von benachbarten Flächen benachbarter Schichten 22 sind ausgerichtet. Die positiven Elektroden 30 und die negativen Elektroden 32 jeder Schicht kontaktieren in Zusammenhang stehende positive und negative Elektroden 30, 32 benachbarter Schichten. Der Kontakt weist einen Rauheits-Kontakt auf, jedoch können andere elektrische Verbindungen gebildet sein.
Die 10A bis 10D zeigen perspektivische Ansichten von oben und von unten von jeder der zwei Schichten gemäß 8 oder jedem der Paare der Schichten 22 gemäß 9. Die 10A und 10C zeigen eine obere und untere Ansicht einer ersten oder oberen Schicht 22. Die 10B und 10D zeigen eine obere und eine untere Ansicht einer zweiten oder Bodenschicht 22. Die Unterbrechungen 34 der unteren Fläche der oberen Schicht 22 und der oberen Fläche der Bodenschicht 22 sind zueinander ausgerichtet, wenn die Schichten gestapelt sind. Die negative Elektrode 32 der oberen Schicht 22 kontaktiert die negative Elektrode 32 der Bodenschicht 22, wenn die Schichten gestapelt sind. Die positiven Elektroden 30 der oberen und unteren Schicht 22 kontaktieren, wenn die Schichten gestapelt sind. Jede Schicht 22 weist zwei Unterbrechungen 34 auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 30, 32 und die Unterbrechungen 34 der zwei Schichten 22 im Wesentlichen gleich, beispielsweise Spiegelbilder, für eine effiziente Herstellung. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen sind die Schichten 22 asymmetrisch.
Die Schichten 22 werden miteinander gebondet oder verbunden, wie oben diskutiert, und in den 8 und 9 gezeigt. Die Schichten 22 des Transducermaterials werden ebenfalls gebondet oder an der flexiblen Schaltung 64 angebracht. Die dünne, flexible gedruckte Schaltung 64 verbindet die positiven und negativen Elektroden 30, 32 jedes Elements 20 einer Anordnung von Elementen 20 mit dem Ultraschallsystem mittels Rauheits-Kontakt. 11 zeigt eine Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der flexiblen Schaltung 64 zur Verwendung mit einer eindimensionalen Anordnung von Elementen. Die flexible Schaltung 64 enthält eine erste Mehrzahl von Signalwegen 102 für eine elektrische Verbindung der negativen Elektroden mit Masse oder dem Ultraschallsystem, und eine zweite Mehrzahl von Signalwegen 104 zur elektrischen Verbindung der positiven Elektroden mit dem Ultraschallsystem. Ein Isolationsabschnitt 106 ist für eine Ausrichtung mit der Unterbrechung 34 auf der Bodenfläche der Bodenschicht 22 gebildet. Die elektrische Isolation zwischen den Elementen 20 wird erzeugt, wenn die Elemente in Azimutrichtung geschnitten werden. Alternativ weist die flexible Schaltung 64 zusätzliche Isolationsabschnitte auf, die die Signalwege 102, 104 für jedes Element 20 trennen. In einem noch anderen alternativen Ausführungsbeispiel, das im Folgenden diskutiert wird, sind die negativen Signalwege 102 mit einer oberen Fläche der oberen Schicht 22 verbunden, wodurch ein größerer Kontaktbereich erlaubt wird.
III. Im Wesentlichen ähnlicher Aufbau von Schichten
Gemäß einem Ausführungsbeispiel für eine eindimensionale oder eine mehrdimensionale Anordnung von Elementen hat jede Schicht den gleichen Aufbau mit zwei Elektroden und zwei Unterbrechungen (Diskontinuitäten). Die oberen und die unteren Flächen jeder Schicht aus einem Transducermaterial weisen eine Minoritäts- und Majoritätselektrode auf. Die gleiche Verarbeitung bildet jede Schicht. Alternativ kann eine andere Verarbeitung verwendet werden, um eine oder um mehrere Schichten zu bilden. Die Schichten werden gestapelt. Um eine zusätzliche Schicht hinzuzufügen, wird eine andere Schicht mit einer im Wesentlichen gleichen Konfiguration hinzugefügt. Durch Anklipsen (flipping) der symmetrischen Schichten relativ zu einer benachbarten Schicht, werden die Minoritäts- und Majoritätselektroden für ein Bonden ausgerichtet. Eine gerade oder ungerade Anzahl von Schichten wird gebildet.
12A zeigt den Aufbau jeder Schicht 22. Jede Schicht 22 wird individuell in einer im Wesentlichen gleichen Weise verarbeitet. Zwei Unterbrechungen 34 isolieren zwei Elektroden 120 elektrisch. Jede Elektrode 120 ist auf der oberen, unteren und einer Seitenfläche positioniert. Die Unterbrechungen 34 sind angeordnet, um eine Minoritäts- und Majoritätselektrode auf jeder der oberen und unteren Fläche zu bilden. Die Unterbrechung 34 erstreckt sich entlang der Länge der Azimutrichtung der Schicht 22. Die Position der Unterbrechungen 34 auf der oberen und der unteren Fläche weist von gegenüberliegenden Rändern den gleichen Abstand auf, wodurch symmetrische Schichten 22 gebildet werden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist die Schicht 22 asymmetrisch, beispielsweise in Elevationsrichtung asymmetrisch.
Zwei Schichten 22 sind ausgerichtet, wie in 12B gezeigt. Durch Anklipsen einer Schicht 22 um die Elevationsachse werden zwei Minoritäts- und Majoritätselektroden 120 und zwei Unterbrechungen 34 ausgerichtet. Die Minoritäts- und Majoritätselektroden 120 sind durch einen Rauheits-Kontakt elektrisch verbunden. Die Unterbrechungen 34 isolieren die Elektroden. Wenn sie ausgerichtet sind, bilden die Schichten 22 zwei isolierte Elektroden 120.
12C zeigt ein Stapeln eines zusätzlichen Paares von ausgerichteten Schichten 22. Die Unterbrechungen 34 und die Elektroden 120 sind auf einer Bodenfläche eines Paares und einer oberen Fläche eines anderen Paares ausgerichtet. Irgendeine Anzahl von Paaren von Schichten 22 kann gestapelt werden.
12D zeigt das Stapeln einer zusätzlichen Einzelschicht 22 auf vier Schichten 22 (zwei Paaren), um fünf Schichten 22 bereitzustellen (zu bilden). Die Unterbrechungen 34 und die Elektroden 120 werden auf einer Bodenfläche einer Schicht 22 und einer oberen Fläche einer anderen Schicht 22 ausgerichtet. Die ungeraden Schichten 22 sind Spiegelbilder oder relativ zu geraden Schichten 22 geklippt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können drei oder sieben oder mehr Schichten 22 gebildet werden.
12E zeigt eine Querschnittsansicht eines Elements 20 mit zwei Schichten 22, jedoch können zusätzliche Schichten 22 gebildet werden. Das Element 20 ist in einer eindimensionalen Transduceranordnung positioniert, jedoch kann eine mehrdimensionale Anordnung verwendet werden. Eine ungerade Anzahl von Schichten kann gebildet werden, wie in 12D gezeigt. 12D zeigt fünf Schichten 22, jedoch können drei oder sieben oder mehr Schichten gebildet werden.
Wie in 12E gezeigt, wird die flexible Schaltung 64 gebondet oder elektrisch mit den Elektroden 120 verbunden, um positive und negative Elektroden 30 und 32 zu bilden. Ein Signalweg der flexiblen Schaltung 64 ist mit einer der Majoritäts- und Minoritätselektroden 120 auf einer planaren Fläche verbunden, beispielsweise einer Bodenfläche einer unteren Schicht 22 oder eine obere Fläche einer oberen Schicht 22. Für eine bessere akustische Performance (Leistungsfähigkeit) weist die flexible Schaltung 64 einen dünnen Mehrschichtschaltkreis mit kleiner Schaltungsgeometrie auf. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen, wie im Folgenden diskutiert, können positive und negative Verbindungen (Anschlüsse) auf unterschiedlichen oder entgegengesetzten Bereichen der gestapelten Schichten 22 gebildet werden.
Ein Rauheits-Kontakt zwischen den Schichten 22 und der flexiblen Schaltung 64 bildet einen elektrischen Anschluss für positive und negative Elektroden 30, 32 für jede Schicht 22. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen liefert ein Verlöten, ein Bonden von leitfähigem Material, ein Drahtbonden oder eine ähnliche elektrische Anbringung (Verbindung) eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 120 und/oder der flexiblen Schaltung 64.
Nach der Montage werden die gestapelten Schichten 22 trenngeschliffen oder geschnitten, um in Azimutrichtung beabstandete Elemente 20 zu isolieren. Eine eindimensionale Anordnung von Elementen 20 wird gebildet.
13 zeigt eine Querschnittsansicht einer mehrdimensionalen Anordnung von Elementen 20 in einer 1,5D-Arraystruktur. Unterschiedliche Elevationselementgrößen und Formen können gebildet sein. Wie in der Figur gezeigt, ist eine gerade Anzahl von Schichten 22 bereitgestellt. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen kann eine ungerade Anzahl von Schichten 22 gebildet sein.
Jede Schicht 22 enthält eine im Wesentlichen gleiche Konfiguration von Unterbrechungen 34 und negativen und positiven Elektroden 34, 32 in der Bereichs- und Azimutebene. Für jede Schicht 22 jedes Elements 20 werden Minoritäts- und Majoritätselektroden auf beiden, der oberen und unteren Fläche gebildet. Die Unterbrechungen 34 einer Schicht 22 sind zu einer benachbarten Schicht 22 ausgerichtet, beispielsweise durch Flipping einer symmetrischen Schicht 22 oder Spiegelschicht 22.
Die flexible Schaltung 64 weist eine Mehrzahl von Isolationen auf, die in Zusammenhang stehen mit den Unterbrechungen 34 zwischen negativen und positiven Elektroden 30, 32. Separate Signalwege sind mit jedem Element 20 verbunden. Die gemeinsamen oder separaten negativen oder Massesignalwege können mit jedem Element 20 verbunden sein.
Die 14A – 14E stellen das Herstellen der Schichten 22 mit einem im Wesentlichen gleichen Aufbau für eine mehrdimensionale Anordnung dar. Jede Schicht 22 wird individuell verarbeitet, jedoch in einer ähnlichen oder gleichen Weise. Verschiedene alternative Prozesse, Strukturen und Materialien sind in der oben gegebenen Diskussion unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 genannt worden und hier anwendbar. Es erfolgt keine erneute Beschreibung davon.
14A zeigt eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht einer Schicht 22 für eine mehrdimensionale Anordnung. Das Transducermaterial 140 wird tauchgeschliffen, um zwei Öffnungen 40 zu bilden.
Die Schicht 22 wird auf einer oberen Fläche, zwei Rändern und einer unteren Fläche metallisiert, wodurch die Elektrode 44 gebildet wird. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können andere zwei Randflächen oder alle Flächen metallisiert sein. Wie in der perspektivischen Ansicht und der Querschnittsansicht gemäß 14B gezeigt, sind die Unterbrechungen 34 in der Elektrode 44 gebildet. Zwei Unterbrechungen 34 für jeden Abschnitt der Schicht 22, die mit einem Element 20 in Zusammenhang steht, isolieren zwei Elektroden 44. Eine Unterbrechung 34 für jedes Element 20 ist auf einer oberen Fläche und eine andere Unterbrechung 34 für jedes Element 20 ist auf einer unteren Fläche (Bodenfläche) gebildet, wodurch eine Minoritäts- und Majoritätselektrode für jedes Element 20 auf beiden, der oberen und der unteren Fläche gebildet werden.
14C zeigt zwei gestapelte Schichten 22. Die Unterbrechungen 34 der oberen Fläche einer Schicht 22 und eine untere Fläche der anderen Schicht 22 sind ausgerichtet. Die Minoritäts- und Majoritätselektroden 44 auf den Oberflächen sind ebenfalls ausgerichtet. Die Elektroden 44 sind elektrisch mit Rauheits-Kontakt verbunden, wodurch zwei isolierte Elektroden 44 für jedes Element 20 gebildet werden. Jede Schicht 22 jedes Elements 20 kontaktiert zwei unterschiedliche Elektroden 44.
14D zeigt vier gestapelte Schichten 22, wobei die Schichten 22 einen im Wesentlichen gleichen Aufbau aufweisen. 14E zeigt fünf gestapelte Schichten 22. Eine andere Anzahl von geraden oder ungeraden Schichten 22 kann gebildet sein. Die Schichten 22 sind gestapelt, wie im Vorangegangenen für die 12B – 12D diskutiert worden ist.
IV. Anschlüsse mit entgegengesetzter Polarität auf gegenüberliegenden Flächen
Die 6 und 15 zeigen alternative Ausführungsbeispiele, um die flexible Schaltung 64 mit den Majoritäts- und Mijoritätselektroden auf einer Fläche zu verbinden. Diese alternativen Ausführungsbeispiele können mit irgendeinem der Elemente und/oder Prozesse, die oben diskutiert worden sind, verwendet werden. Wie in 15 gezeigt, sind Signalwege 150 mit positiven Elektroden 30 auf einer Oberfläche verbunden, und Massewege 152 sind mit negativen Elektroden 32 auf einer anderen Oberfläche verbunden. Wie gezeigt, sind die Signalwege 150 mit einer Bodenfläche benachbart zu dem Verstärkungsblock 68 verbunden, und die Massewege 152 sind mit einer oberen Fläche benachbart zu der akustischen Anpassungsschicht 62 verbunden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen sind einige oder alle der Signal- oder Massewege 150, 152 mit einem anderen Ort verbunden, beispielsweise unterschiedliche Oberflächen oder Ränder der Schichten 22.
Die Signal- und Massewege 150, 152 weisen flexible Schaltungen oder andere alternative elektrische Verbindungen auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Massewege 152 eine flexible Schaltung oder Folie auf, ohne Isolationsabschnitte.
Wenn die Masse- oder Signalwege 152, 150 keine Isolationsabschnitte aufweisen, sind die Unterbrechungen 34 an einer Ecke oder einem Rand der Schicht positioniert. 15 zeigt beispielsweise die Massewege 152 ohne Isolationsabschnitte. Die Unterbrechungen 34 auf der oberen Fläche der oberen Schicht 22 benachbart zu dem Masseweg 152 sind auf den Eckrändern der Schicht 22 gebildet. Die verbleibenden Schichten 22 werden verarbeitet oder wie oben diskutiert gebildet. Für ein Beispiel einer ungeraden Anzahl an Schichten 22 mit entgegengesetzter Polarität, entgegengesetzter Oberflächenverbindung mit einem Ultraschallsystem, siehe US 6,121,718 .
Die 16A und 16B zeigen die Bildung eines Elektrodenaufbaus der oberen Schicht 22. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen stellen die 16A und 16B die Bildung der unteren oder beider, der oberen und der unteren Schicht 22 dar. Verschiedene alternative Verarbeitungen, Strukturen und Materialien sind in der oben gegebenen Diskussion unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 genannt worden und hier anwendbar, jedoch erfolgt keine erneute Beschreibung davon.
In 16A bilden Tauchschliffe zwei Öffnungen 40 in der oberen Schicht 22. Die Schicht 22 wird metallisiert, wodurch eine Elektrode um einen Bereich oder auf der gesamten Schicht 22 gebildet wird. Unterbrechungen 34 sind in den Elektroden gebildet, um zwei Elektroden für jedes Element 20 zu isolieren, wie in 16B gezeigt. Die Unterbrechungen 34 auf der Bodenfläche (untere Fläche) bilden Majoritäts- und Minoritätselektroden auf der Planarfläche. Die Unterbrechungen 34 auf der oberen Fläche bilden eine Elektrode, die auf der Oberfläche freigelegt ist. Beispielsweise sind Unterbrechungen 34 der oberen Fläche auf einem Eckrand oder dem Rand der Schicht 22 gebildet.
Die entgegengesetzte elektrische Oberflächenverbindung mit entgegengesetztem Pol mit dem Ultraschallsystem kann mit Mehrdimensionaltransduceranordnungen, wie in 15 gezeigt und Eindimensionaltransduceranordnungen, wie in 17 gezeigt, verwendet werden. Vollplanare elektrische Verbindungen werden gebildet, indem die Elektroden in einer Ecke oder auf einem Rand isoliert werden. Die Oberfläche für eine vollplanare Zwischenverbindung hat eine einzelne Elektrode. Die elektrische Kontinuität wird zwischen Schichten durch Rauheits-Kontakt zwischen der Minoritäts- und Majoritätselektrode auf benachbarten planaren Flächen benachbarter Schichten 22 gebildet.
V. Isolieren von Elektroden nach dem Bonden
Gemäß einem anderen alternativen Herstellungsverfahren können die Elektroden für eine Mehrzahl von Schichten 22 nach dem Bonden der Schichten erzeugt werden. Das Isolieren der Elektroden nach dem Bonden der Schichten wird für zwei oder drei Schichtelemente verwendet, kann jedoch für eine größere Anzahl an Schichten verwendet werden. Beispielsweise werden zwei oder drei Schichten gebondet und die Elektroden dann isoliert. Die Schichten werden dann mit anderen Schichten gestapelt. Gemäß einem anderen Beispiel werden vier oder mehr Schichten gebondet, wobei eine oder mehrere Schichten Unterbrechungen aufweisen, die vor dem Bonden gebildet werden, jedoch hat mindestens eine Schicht Unterbrechungen, die nach dem Bonden gebildet werden. Für Zwei- oder Dreischichtelemente können alle Unterbrechungen nach dem Bonden der Schichten erzeugt werden.
Die 18A und 18B zeigen ein Transducerelement 20 mit drei Schichten 22. Für die obere Schicht 28 werden die Unterbrechungen 34 durch eine Kerbe 180 durch die obere Schicht 28 und auf einer Ecke, wie oben diskutiert, gebildet. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird die zweite Unterbrechung 34 auf einem Rand oder einer oberen Fläche gebildet. Für die untere Schicht 24 werden Unterbrechungen 34 durch eine Kerbe 182 durch die untere Schicht 24 und auf der unteren Fläche gebildet. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen wird die zweite Unterbrechung 34 auf einer Ecke oder einem Rand gebildet. Für die mittlere Schicht werden Unterbrechungen durch Kerben 180 und 182 gebildet.
Die Kerben 180 und 182 erstrecken sich durch eine Schicht 22 und mindestens durch die Elektrode einer benachbarten Schicht 22. Wie in der Figur gezeigt, bildet jede Kerbe 180, 182 zwei Unterbrechungen 34 auf einer Schicht 22 und eine andere Unterbrechung 34 auf einer anderen Schicht 22.
18B zeigt die drei Schichten 22 in einem zusammengesetzten Element 20. Die positive (Signal) und negative (Masse) Elektrode 30 und 32 sind als zwei kontinuierliche Elektroden für die Schichten 22 gebildet. Jede Schicht 22 hat eine Majoritätselektrode, eine Minoritätselektrode und eine Unterbrechung 34, die zu einer benachbarten Schicht 22 ausgerichtet sind. Die Minoritäts- und Majoritätselektroden der benachbarten Schichten 22 sind durch Rauheits-Kontakt verbunden. Alternativ sind die Elektroden drahtgebondet oder in anderer Weise elektrisch verbunden.
Ein Jumper 184 bildet über der Kerbe 180 auf der oberen Fläche der oberen Schicht 28 eine elektrische Verbindung. Der Jumper 184 weist eine Schicht einer Folie auf, einen leitfähigen Film, einen Drahtjumper, eine flexible Schaltung, ein gebondetes elektrisch leitendes Material oder andere elektrische Anschlusskomponenten. Der Jumper 184 verbindet das positive Signal von der flexiblen Schaltung 64, um eine Majoritätselektrode für die obere Schicht 28 zu bilden. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen weist der Jumper 184 eine flexible Schaltung oder eine Folie auf, die mit dem Masse- oder einem negativen Signalweg verbunden ist, und die flexible Schaltung 64, die das positive Signal trägt, ist mit einer anderen Elektrode verbunden.
Die flexible Schaltung 64, die das negative oder das Massesignal trägt, verbindet eine Minoritätselektrode elektrisch mit einer Majoritätselektrode auf der unteren Fläche der unteren Schicht 24. Eine andere Unterbrechung 34 isoliert die positiven und die negativen Elektroden 30, 32 auf der unteren Fläche der unteren Schicht 22.
Die 19A – 19C zeigen die Schichten 22 zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Herstellungsverfahrens zur Bildung von Unterbrechungen nach dem Bonden der Schichten 22. Eine Zweischichtausführung wird diskutiert, jedoch kann eine andere Anzahl Schichten gebildet werden.
19A zeigt zwei Schichten 22, die jeweils Transducermaterial aufweisen, welches im Wesentlichen durch eine Elektrode 44 abgedeckt wird. Ein kontinuierlicher leitender Film (die Elektrode 44) umgibt das Transducermaterial jeder Schicht 22, wie in 19B gezeigt.
Nachdem die Schichten 22 mit dem leitfähigen Film metallisiert worden sind, werden die Schichten 22 zusammengebondet, wie in 19B gezeigt und im Vorangegangenen diskutiert worden ist. Die Elektroden 44 jeder Schicht 22 sind in Rauheits-Kontakt mit den Elektroden 44 der anderen Schicht 22. Andere Techniken zur Bildung eines elektrischen Kontakts können verwendet werden.
19C zeigt eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht der zwei gebondeten Schichten 22 mit Unterbrechungen 34. Eine Unterbrechung 34 auf der oberen Fläche der oberen Schicht 28 und der unteren Fläche der unteren Schicht 24 sind wie oben beschrieben gebildet. Die Elektroden 44 werden beispielsweise trenngeschliffen oder geschnitten, nachdem oder bevor die Schichten 22 gebondet werden. Eine andere Unterbrechung 34 jeder Schicht wird durch Schneiden oder Trennschleifen (Dicen) der Kerbe 182 durch die untere Schicht 24 und in die obere Schicht 28 hinein gebildet. Irgendwelche Schneid- oder Trennschleif- (Dicing) Instrumente (Werkzeuge, wie oben diskutiert), können verwendet werden, beispielsweise ein Laser oder eine Drahtsäge. Die Unterbrechungen 34 der oberen und der unteren Schichten 24, 28 auf benachbarten Oberflächen werden durch die Kerbe 182 gebildet. Die flexible Schaltung 64 oder andere elektrische Jumper verbinden die Elektroden über die Kerbe 182. In alternativen Ausführungsbeispielen erstreckt sich die Kerbe 182 durch die obere Schicht 28 und in die Bodenschicht (untere Schicht) 24. Die Kerbe 182 wird mit Polymer oder Gas, beispielsweise Luft, gefüllt.
Wie in 19E gezeigt, werden die gebondeten Schichten 22 mit den gebildeten Unterbrechungen 22 mit der flexiblen Schaltung 64, der akustischen Anpassungsschicht 62 und dem Verstärkungsblock 68 montiert. Die flexible Schaltung 64 liefert die elektrische Verbindung über die Kerbe 182. Wenn die flexible Schaltung 64 entlang der unteren Fläche der unteren Schicht 22 beides, positive und negative Signalwege liefert, ist eine Unterbrechung 34 auf der oberen Fläche der oberen Schicht 22 positioniert. Alternativ, wie oben diskutiert, befindet sich die Unterbrechung 34, die die negative und die positive Elektrode isoliert, an einer Eck- oder Randfläche.
Paare von Schichten 22, die Unterbrechungen aufweisen, die nach dem Bonden gebildet worden sind, können gestapelt und gebondet werden. 19D zeigt zwei Paare von Schichten 22, die gestapelt sind. Der Jumper oder die flexible Schaltung 64 ist für die Bodenfläche (untere Fläche) des unteren Paars der Schichten 22 bereitgestellt. Die Elektrode 44 der oberen Fläche des unteren Paars der Schichten 22 verbindet die Elektroden über die Kerbe 182 des oberen Paars der Schichten 22 elektrisch. Zusätzliche Paare oder individuelle Schichten 22 können hinzugefügt werden.
20 zeigt eine Querschnittsansicht einer mehrdimensionalen Transduceranordnung mit Unterbrechungen 34, die nach dem Bonden gebildet werden. Die Elemente 20 sind mit zwei Schichten 22 gezeigt, jedoch können die Elemente 20 irgendeine gerade oder eine ungerade Anzahl von Schichten 22 aufweisen. Die Kerben 182 werden geschnitten, nachdem die Schichten 22 zusammengebondet worden sind. Die flexible Schaltung 64 jumpert die Kerben 182 auf jedem Element 20. In alternativen Ausführungsbeispielen sind unterschiedliche Jumper gebildet und/oder das Massesignal oder negative Signal ist mit der oberen Schicht 22 verbunden.
Durch Bonden der Schichten 22 vor der Erzeugung der Unterbrechungen 34 wird das Transducermaterial dicker und für Dicingkomponenten (Trennschleifkomponenten) leichter zu handhaben. Die gebondeten Schichten 22 sind weniger zerbrechlich, als jede einzelne Schicht 22. Die individuellen Schichten 22 werden behandelt, ohne geschwächt zu werden, was durch das Trennschleifen der Elektroden verursacht wird. Das Ausrichten der Schichten 22 erfolgt durch die Kerbe 180, 182, anstatt eines Ausrichtverfahrens mit hoher Toleranz nach der Erzeugung der Unterbrechungen 34. Folglich kann der Oberflächenbereich der Minoritätselektrode minimiert werden.
VI. Elevationsseitenkeulensteuerung
Die Mehrschichttransducerelemente können gebildet werden, um die Erzeugung von Elevationsseitenkeulen während der akustischen Übertragung zu steuern. Die US 5,410,208 und 5,706,820 , deren Offenbarungen durch Bezugnahme hiermit Bestandteil der Anmeldung werden, offenbaren Elevationsseitenkeulensteuerungstechniken. Die Lehren dieser zwei Patente können jeweils getrennt oder kombiniert betrachtet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat eine obere Fläche des Transducermaterials einen kleineren Oberflächenbereich als eine untere Fläche. Die 21A und 21B zeigen zwei und drei Schichten 22 von Transducermaterial mit unterschiedlichen Oberflächenbereichen entlang der Bereichsrichtung. Die Elevationsbreite jeder Schicht 22 ist beispielsweise größer für die obere Schicht 22 als für die mittlere oder obere Schicht 22, wie in 21A gezeigt. Der Oberflächenbereich der oberen Schicht 22 ist kleiner als der der unteren oder mittleren Schicht 22. Zwei oder mehrere der Schichten 22 können gleiche oder ähnliche Oberflächenbereiche und entsprechende Elevationsbreiten aufweisen.
Gemäß einem anderen Beispiel haben eine obere Schicht 22 oder jede Schicht 22 Seiten unter einem Winkel, der größer als ungefähr 90 Grad ist, und kleiner als ungefähr 120 Grad relativ zu einer primären akustischen Ausbreitungsrichtung oder relativ zu der Bereichsachse, wie in 21B gezeigt. Jede Schicht 22 hat sich verjüngende Ränder entlang einer oder entlang mehrerer Seiten. Der Oberflächenbereich jeder Schicht 22 und das Element 20 in der Azimut-Elevationsebene ist kleiner als eine Funktion der Bereichsposition. Die oberen Flächenbereiche sind kleiner als die der Bodenflächenbereiche.
In alternativen Ausführungsbeispielen werden vier oder mehrere Schichten von Transducermaterial gebildet. In anderen alternativen Ausführungsbeispielen umfassen ein, mehrere oder alle Elemente 20 einer mehrdimensionalen Transduceranordnung eine obere Fläche aus Transducermaterial, die einen kleineren Oberflächenbereich aufweist, als eine untere Fläche.
21C zeigt Kerben 210 in einer oder mehreren Schichten 22 von Elementen 20. Zwei oder drei Schichten 22 sind gezeigt, jedoch kann eine zusätzliche Anzahl an Schichten 22 verwendet werden. Die Kerben 210 sind entlang der Elevationsrichtung getrennt oder beabstandet, um den Elevationsabstand von übertragener akustischer Energie zu reduzieren. Eine oder mehrere Kerben 210 werden trenngeschliffen (gedict) oder benachbart zu einer oder zu beiden Elevationsrändern von einer oder mehreren Schichten 22 gebildet. Beispielsweise werden zwei oder drei Kerben 210 an jedem Elevationsrand jeder Schicht 22 gebildet. Die Kerben 210 erstrecken sich durch einen wesentlichen Bereich oder durch die gesamte Schicht 22. Die Kerben 210 sind gebildet, wie oben diskutiert, um Unterbrechungen zu erzeugen oder sie sind mit Jumpern versehen, um positive und negative Elektroden für jede Schicht 22 zu bilden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel, wie in 21D gezeigt, sind die Unterbrechungen 34 derart positioniert, dass der aktive Bereich des Transducermaterials jeder Schicht 22 unterschiedliche Oberflächenbereiche liefert. Die Unterbrechungen 34 sind weiter beabstandet von den Elevationsrändern des Transducermaterials oder der Schichten 22, als Funktion der Bereichsrichtung. Der Oberflächenbereich der Minoritätselektrode 44 ist größer für die untere oder obere Schicht 22 oder Oberflächen, als für die untere Schichten oder Bodenschichten 22 oder Oberflächen.
Obwohl die Erfindung im Vorangegangenen unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, soll betont werden, dass viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können ein anderes Herstellungsverfahren und andere Montagetechniken verwendet werden. Irgendeine Kombination kann verwendet werden von (mindestens jeweils eines): Bereitstellen einer Luft zwischen den in Elevationsrichtung oder Azimutrichtung beabstandeten Elementen, Verwenden von Tauchschleifen, wie oben beschrieben, Elevationsseitenkeulensteuerung, eine ungerade oder gerade Anzahl von Elementen, entgegengesetzte Pole auf gegenüberliegenden Oberflächen oder einer gleichen Oberfläche, Isolation der Elektroden nach dem Bonden, Verwenden von im Wesentlichen ähnlichen Schichten und Rauheits-Kontakt.
Es ist folglich beabsichtigt, dass die oben im Einzelnen genannte Beschreibung als Beispiel für gegenwärtige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung verstanden werden soll, und die Erfindung nicht als Solche dadurch definiert wird. Dies geschieht nur in den folgenden Ansprüchen, die alle Äquivalente umfassen, die die Schutzbereiche der Erfindung mit definieren sollen.
Transduceranordnung mit mehreren überlagerten Elementen, und ein Verfahren zu deren Herstellung
Mehrschichtelemente für eine Transduceranordnung werden bereitgestellt. Jedes Element enthält zwei oder mehrere Schichten von Transducermaterial. Verschiedene der Elemente umfassen mindestens eines von: (1) mehrdimensionale Mehrschichtanordnungen, wobei die Schichten polymer gebondet und elektrisch durch Rauheits-Kontakt verbunden sind, (2) eine Mehrschichtanordnung von Elementen, wobei Luft oder Gas mindestens zwei Elemente trennt, (3) eine ungerade Anzahl von Schichten, wobei jede Schicht elektrisch durch Rauheits-Kontakt verbunden ist, (4) Mehrschichten, wobei jede Schicht Transducermaterial und Elektroden in einem im Wesentlichen gleichen Aufbau aufweist, und (5) elektrisch isolierte Elektroden auf den Schichten, durch Kerben oder Schneiden nach dem Bonden der Schichten.
(2)

Claims

Mehrdimensionales Transducerarray, wobei eine Verbesserung mindestens ein Element aufweist, mit mindestens zwei Schichten Transducermaterial; einer ersten Elektrode auf einer ersten der mindestens zwei Schichten; und einer zweiten Elektrode auf einer zweiten der mindestens zwei Schichten; wobei die mindestens zwei Schichten polymer gebondet sind, und ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten und der zweiten Elektrode einen Rauheits-Kontakt aufweist.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem das Transducermaterial ein piezoelektrisches Material aufweist.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem der Rauheits-Kontakt durch das Polymer-Bond aufrecht erhalten wird.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei in Elevationsrichtung beabstandete Elemente durch Luft getrennt sind.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Schichten mindestens zwei Schichten gleicher Dicke in Bereichsrichtung aufweisen.
Transducer nach Anspruch 1, mit einer 1,5-D Anordnung.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem die Dicke des Elements entlang einer Bereichsrichtung variiert.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Schichten eine ungerade Anzahl an Schichten aufweisen.
Transducer nach Anspruch 1, mit einem teilweise hergestellten Transducer, wobei mindestens zwei in Elevationsrichtung beabstandete Elemente durch einen Teildurchschnitt getrennt und relativ zueinander durch eine nicht geschnittene Brücke aus Transducermaterial gehalten werden.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Schichten drei Schichten aufweisen, wobei jede Schicht die positive und die negative Elektrode aufweist, und die positive und negative Elektrode von einer oberen und einer unteren Schicht in elektrischem Kontakt mit der positiven und negativen Elektrode einer mittleren Schicht sind.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Schichten eine gerade Anzahl von Schichten aufweisen.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem eine erste elektrische Leitung von einem Ultraschallsystem benachbart zu einer oberen Schicht der mindestens zwei Schichten ist, und eine zweite elektrische Leitung von dem Ultraschallsystem benachbart zu einer unteren Schicht der mindestens zwei Schichten ist.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem jede der mindestens zwei Schichten mindestens zwei Elektroden aufweist, die durch zwei Unterbrechungen getrennt sind, wobei ein Aufbau der mindestens zwei Elektroden und der zwei Unterbrechungen im Wesentlichen für jede Schicht gleich ist.
Transducer nach Anspruch 1, bei dem jede der mindestens zwei Schichten mindestens eine Majoritäts- und eine Minoritätselektrode auf der oberen und der unteren Fläche aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer mehrdimensionalen Transduceranordnung, mit den Schritten: (a) Stapeln von mindestens einer ersten und einer zweiten Schicht Transducermaterial; und (b) elektrisches Verbinden der ersten und der zweiten Schicht durch Rauheits-Kontakt, wobei der Rauheits-Kontakt isolierten Elementen der mehrdimensionalen Transduceranordnung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit: (c) einem Montieren des Transducers mit den gestapelten Schichten; und (d) einem Separieren der ersten und der zweiten in Elevationsrichtung benachbarten Elemente des montierten gestapelten Transducers mit Luft.
Verfahren nach Anspruch 15, mit (c) einem Schneiden durch die erste Schicht von Transducermaterial entlang nur eines Bereichs einer Azimutbreite der ersten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt (a) ein Stapeln einer ungeraden Anzahl von Schichten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt (a) ein Stapeln einer geraden Anzahl von Schichten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit . (d) einem Verbinden einer ersten elektrischen Leitung von einem Ultraschallsystem benachbart zu der ersten Schicht; und (e) einem Verbinden einer zweiten elektrischen Leitung von dem Ultraschallsystem benachbart zu der zweiten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit (d) einem Konfigurieren der ersten und der zweiten Schicht, wobei mindestens zwei Elektroden und zwei Unterbrechungen im Wesentlichen für jede Schicht gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit (d) einem Liefern von mindestens einer Majoritäts- und Minoritätselektrode auf beiden, der oberen und der unteren Oberfläche von jeder der ersten und zweiten Schicht.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit (d) einem Bonden der gestapelten Schichten; und (e) einem Trennschleifen (Dicen) durch zwei Schichten der gestapelten Schichten, nach Schritt (d); wobei der Schritt (e) zwei Elektroden, die mit jeder der zwei Schichten in Zusammenhang stehen, elektrisch isoliert.