CN1998095B - 阵列式超声换能器 - Google Patents

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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface

Abstract

一种超声换能器，包括一具有第一面、相对的第二面以及在该第一面和第二面之间延伸的纵轴线的层叠物。该层叠物包括多个层，每一个层具有一顶面和一相对的底面，其中该层叠物的多个层包括一压电层和一介电层。该介电层连接到该压电层上并限定一在基本平行于该层叠物的轴线的方向上延伸第二预定长度的开口。多个第一切口槽被限定在该层叠物内，每一个第一切口槽在该层叠物内延伸一预定深度并在基本平行于该轴线的方向上延伸第一预定长度。每一个第一切口槽的第一预定长度至少等于由该介电层所限定的开口的第二预定长度并且短于在基本平行于该轴线的纵向上该层叠物的第一面和该相对的第二面之间的纵向距离。

Description

阵列式超声换能器
相关申请的交叉引用
本申请要求在2004年4月20日提交的第60/563,784号美国临时申请的权益，该申请通过引用全文纳入本说明书中。
背景技术
由压电材料制成的高频超声换能器用于医疗领域中对皮肤和眼睛中的小组织特征进行析像，并且也用于血管成像应用中。高频超声换能器也用于对小动物或者试验动物的结构和液体流动进行成像。最简单的超声成像系统使用一个固定焦距的单元件换能器，该单元件换能器用机械方法扫描来捕获二维深度的图像。然而，线性阵列换能器更具有吸引力，具有像可变焦距、可变波束控制之类的特点并且允许使用更先进的构图算法和增大的帧频率。
虽然线性阵列换能器具有许多优点，但常规的线性阵列换能器制造需要复杂的工序。而且，在高频率时，即在20Mhz或者大约20Mhz或20Mhz以上时，阵列的压电结构必须比低频阵列的压电结构更小、更薄、更精密。至少由于这些原因，使用切割锯以及像叉指式对接(interdigital pair bonding)之类最新切割锯方法产生阵列的常规切片和填充方法在制造高频线性阵列换能器时有许多缺点并且不能令人满意。
发明内容
一方面，本发明的超声换能器包括一具有第一面、相对的第二面和在该第一面和第二面之间延伸的纵轴线的层叠物(stack)。该层叠物包括多个层，每一个层具有一顶面和一相对的底面。一方面，该层叠物的多个层包括一连接到介电层的压电层。多个切口槽(kerf slot)被限定在该层叠物中，每一个切口槽在该层叠物内延伸一预定深度并且在基本平行于轴线的方向上延伸第一预定长度。另一方面，介电层限定一在基本平行于该层叠物的轴线的方向上延伸第二预定长度的开口。在一个示例方面，每一个切口槽的第一预定长度至少等长于该介电层所限定的开口的第二预定长度。此外，该第一预定长度短于在基本平行于该纵轴线的纵向上、层叠物的第一面和相对的第二面之间的纵向距离。
附图说明
包括在本说明书中并构成本说明书一部分的附图图解了下述的几个方面，并且与说明书一起解释本发明的原理。所有的附图中，相同的数字代表相同的元件。
图1是示出了多个阵列单元的本发明的阵列式超声换能器的实施方案的立体图。
图2是图1中的阵列式超声换能器的多个阵列单元中的一个阵列单元的立体图。
图3是示出了安装在图2的阵列单元上的透镜的立体图。
图4是本发明阵列式超声换能器的一个实施方案的横截面图。
图5是图4中所示出的实施方案的分解横截面图。
图6是横切阵列式超声换能器的纵轴线Ls所得的图1中的阵列式超声换能器的示例性局部横截面图，该图示出了通过第一匹配层、压电层、介电层延伸并且进入衬底层的多个第一和第二切口槽。
图7是横切阵列式超声换能器的纵轴线Ls所得的图1中的阵列式超声换能器的示例性局部横截面图，该图示出了通过第一和第二匹配层、压电层、介电层延伸并且进入衬底层的多个第一和第二切口槽。
图8是横切阵列式超声换能器的纵轴线Ls所得的图1中的阵列式超声换能器的示例性局部横截面图，该图示出了通过第一和第二匹配层、压电层、介电层延伸并且进入透镜和衬底层的多个第一和第二切口槽。
图9是横切阵列式超声换能器的纵轴线Ls所得的图1中的阵列式超声换能器的示例性局部横截面图，该图示出了通过第一和第二匹配层、压电层、介电层延伸并且进入透镜和衬底层的多个第一和第二切口槽，其中，在此实施例中，该多个第二切口槽比该多个第一切口槽窄。
图10是横切阵列式超声换能器的纵轴线Ls所得的图1中的阵列式超声换能器的示例性局部横截面图，该图示出了通过第一和第二匹配层、压电层、介电层延伸并且进入透镜和衬底层的多个第一切口槽，此外也示出了通过第一和第二匹配层延伸并进入透镜和压电层的多个第二切口槽。
图11是横切阵列式超声换能器的纵轴线Ls所得的图1中的阵列式超声换能器的示例性局部横截面图，该图示出了通过第一和第二匹配层、压电层、介电层延伸并且进入透镜和衬底层的多个第一切口槽，此外也示出了通过介电层延伸并且进入压电层的多个第二切口槽。
图12A-G示出了用于制造本发明的阵列式超声换能器的实施方案的示例性方法。
具体实施方式
本说明书全文所使用的范围可以被表述为从“大约”一特定值和/或到“大约”另一特定值。当表述这一范围时，另一实施方案包括从该特定值和/或到其它特定值。同样地，当通过使用前述的“大约”以近似值表示数值时，应该理解的是，该特定值形成另一实施方案。应该进一步理解的是，每一个范围的两端点在相关于另一端点和独立于另一端点时都是重要的。也应该理解的是，在本说明书中公开了多个数值，每个数值除公开了该数值本身之外，在本说明书中还公开了“大约”该特定数值。例如，如果公开了数值“30”，则也公开了“大约30”。也应该理解的是，如本领域普通技术人员所能够恰当理解的，当公开了一个数值时，也公开了“小于或等于”该数值、“大于或等于该数值”和在两数值之间的可能范围。例如，如果公开了数值“30”，则也公开了“小于或等于30”和“大于或等于30”。
也应该理解的是，在整个本申请中，数据以多种不同形式提供，并且该数据代表端点和起始点以及这些数据点任意组合的范围。例如，如果公开了特定数据点“30”和特定数据点“100”，应该理解为公开了大于、大于或等于、小于、小于或等于以及等于“30”和“100”以及“30”和“100”之间。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的现象或情况能够或者不能够发生，而且该描述包括该现象或情况发生的例子和该现象或情况不发生的例子。
本发明在以下的示例性实施方案中会被更详细地描述，由于其中的许多改型和变体会被本领域普通技术人员所理解，所以该示例性实施方案仅仅旨在说明。如本说明书中所使用的，“一”、“一个”或“该”根据其被使用的上下文可以表示一个或多个。
参照图1-11，在本发明的一个方面，超声换能器包括具有第一面102、相对的第二面104和在其二者之间延伸的纵轴线Ls的层叠物100。该层叠物包括多个层，每一层具有顶面128和相对的底面130。在一方面，该层叠物的多个层包括压电层106和介电层108。在一方面，该介电层连接到该压电层上并位于压电层下面。
该层叠物的多个层可进一步包括接地电极层110、信号电极层112、衬底层114以及至少一匹配层。被切割的附加层可以包括但不限于，临时保护层(未示出)、声透镜302、光致抗蚀剂层(未示出)、导电环氧树脂(未示出)、粘合剂层(未示出)、聚合物层(未示出)、金属层等。
压电层106可以由各种各样的材料制成。形成该压电层的材料可以选自例如但不是限于由陶瓷、单晶体、聚合物和共聚物材料、具有0-3型、2-2型和/或3-1型连通性(connectivity)的陶瓷-聚合物复合物和陶瓷-陶瓷复合物等组成的组。在一个实施例中，该压电层包括锆钛酸铅(PZT)陶瓷。
介电层108能够限定该压电层的工作区域。通过常规薄膜技术——包括但不限于旋涂或浸涂技术，至少一部分该介电层能够直接沉积到至少一部分该压电层上。或者，可以通过光刻术(photolithography)对介电层构图以裸露压电层的一区域。
如所示例性示出的，该介电层可以被施用到该压电层的底面上。在一方面，该介电层不覆盖该压电层的整个底面。在一方面，该介电层限定一开口或缺口，该开口或缺口在基本平行于该层叠物的纵轴线的方向上延伸第二预定长度L2。在介电层上的开口优选与压电层的底面的中心区域对准。该开口限定该阵列的高度尺寸。在一方面，该阵列的每一个单元120具有相同的高度尺寸，并且该开口的宽度在专供形成有切口槽的该装置的工作区域之用的压电层区域内是不变的。在一方面，在介电层上开口的长度能够以预定的方式在基本垂直于该层叠物的纵轴线的轴线上变化，从而引起阵列单元在高度尺寸上的变化。
介电层和压电层的相对厚度以及介电层和压电层的相对介电常数限定了所施加电压在该两层分配的程度。在一个实施例中，电压可以被拆分为90％施加在介电层，10％施加在压电层。可以预期的是，施加在介电层和压电层的分压比率是可变的。在其下面没有介电层的压电层部分，所施加的电压全部值都施加在压电层上。这一部分限定了该阵列的工作区域。
在这一方面，介电层使得可以使用比工作区域宽的压电层，并且使得切口槽(下文中描述)能以该阵列单元(下文中描述)和阵列子单元(下文中描述)被限定在工作区域内但在顶面保持公共接地(common ground)的方式在该工作区域内被制造并且延伸到该区域之外。
多个第一切口槽118被限定在该层叠物内。每个第一切口槽都在该层叠物内延伸一预定深度并在基本平行于该层叠物纵轴线的方向上延伸第一预定长度L1。可以理解的是，第一切口槽的“预定深度”可以构成一预定深度曲线，该曲线是沿该第一切口槽的相应长度的位置函数。每一个第一切口槽的第一预定长度至少等长于由介电层所限定的该开口的第二预定长度，并且短于在基本平行于层叠物的纵轴线的纵向上的层叠物的第一面和相对的第二面之间的纵向距离。在一方面，该多个第一切口槽限定多个超声阵列单元120。
该超声换能器还可包括多个第二切口槽122。在这一方面，每个第二切口槽都在该层叠物内延伸一预定深度并在基本平行于该层叠物的纵轴线的方向上延伸第三预定长度L3。如上文所指出的那样，该第二切口槽的“预定深度”可以构成一预定深度曲线，该曲线是沿该第二切口槽的相应长度的位置函数。每个第二切口槽的长度至少等长于由介电层限定的该开口的第二预定长度，并且短于在基本平行于层叠物的纵轴线的纵向上层叠物的第一面和相对的第二面之间的纵向距离。在一方面，每一个第二切口槽定位于邻近至少一个第一切口槽。在一方面，多个第一切口槽限定多个超声阵列单元，多个第二切口槽限定多个超声阵列子单元124。例如，对于无任何第二切口槽的本发明的阵列，每个阵列单元都具有一个阵列子单元；对于在两个相应的第一切口槽之间带有一个第二切口槽的本发明的阵列，每个阵列单元都具有两个阵列子单元。
本领域普通技术人员可以理解的是，由于第一切口槽或第二切口槽均不延伸到层叠物的任意一个相应的第一面和第二面，也就是说，切口槽具有居中长度，所形成的阵列单元被靠近层叠物相应第一面和第二面的层叠物的邻近部分支撑。
本发明的层叠物的压电层能够在被认为比现有临床成像频率标准高的频率下谐振。在一方面，该压电层在大约30MHz的中心频率下谐振。在另一方面，该压电层在大约在10-200MHz之间的中心频率下谐振，优选在大约20-150MHz之间的中心频率下谐振，更优选在大约25-100MHz之间的中心频率下谐振。
在一方面，多个超声阵列子单元中的每一个都具有大约在0.2-1.0之间、优选大约在0.3-0.8之间、更优选大约在0.4-0.7之间的宽度与高度的宽高比。在一方面，使用了用于压电单元横截面的小于大约0.6的宽度与高度的宽高比。这一宽高比和由其所得到的几何结构将阵列单元的横向谐振模(resonance mode)从与用来产生声能的厚度谐振模中分开。如本领域普通技术人员所理解的，可以考虑将类似的横截面设计用于其它类型的阵列。
如上所述，制造多个第一切口槽来限定多个阵列单元。在一个每个阵列单元都具有两个切割子单元的64个单元的阵列的非限定性实施例中，加工129个第二切口槽用来产生128个压电子单元，该128个压电子单元组成该阵列的64个单元。可以预期的是，对于更大的阵列来说，这一数字是可以增加的。对于没有进行子切割的阵列来说，带有64个和256个阵列单元的阵列结构可以分别使用65个和257个第一切口槽。在一方面，该第一和/或第二切口槽可以填充空气。在另一个可选的方面，该第一和/或第二切口槽还可被填充液体或例如聚合物之类的固体。
通过“子切割”方法使用多个第一和第二切口槽形成子单元是一种将两邻近子单元电短接在一起的技术，以使得该对被短接的子单元起该阵列一个单元的作用。对于给定的单元间距(该间距为第一切口槽所形成的阵列单元的中心到中心的距离)来说，子切割可为增加的单元宽度与高度的宽高比创造条件，以使得在单元内的有害横向谐振被转变为发生在该设备所需要的运转带宽之外的频率。
在低频率，可以使用精密的切割刀片子切割阵列单元。在高频率，由于阵列单元尺寸减小，所以子切割变得更加困难。对于大于约20MHz的高频阵列设计来说，子切割理念——在以更大单元间距为代价的情况下——能够降低典型阵列单元的电阻抗，并增加阵列单元的信号强度和敏感性。阵列的间距可以用相对于在该设备的中心频率下声音在水中的波长来描述。例如，当涉及具有30MHz中心频率的换能器时，50微米的波长是能够使用的有用波长。考虑到这一点，大多数应用可接受具有大约在0.5λ-2.0λ之间的单元间距的线性阵列。
在一方面，本发明的层叠物的压电层具有大约在7.5-300微米之间、优选大约在10-150微米之间、更优选大约在15-100微米之间的间距。在一个不旨在进行限制的实例中，对于30MHz的阵列设计，1.5λ所得到的间距是大约74微米。
在不旨在进行限制的另一方面，对于带有大约60微米厚压电层(该压电层具有大约8微米宽和74微米间隔的第一切口槽并带有定位于邻近至少一个第一切口槽的第二切口槽，该第二切口槽也具有大约8微米的切口宽度)的层叠物来说，形成具有合乎需求的宽度与高度的宽高比的阵列子单元和间距为大约1.5λ的64个单元的阵列。如果没有使用子切割并且所有相应的切口槽都是第一切口槽，那么该阵列结构可以被构造和布置为形成128个单元的间距为0.75λ的阵列。
在高频率，当阵列单元的宽度和切口槽的宽度按比例缩小到1-10个微米级时，最好是在阵列的制造中加工窄的切口槽。本领域的普通技术人员可以理解的是，窄化的切口槽能够将阵列的间距降至最小，从而使得该阵列装置正常工作过程中的能量栅瓣效应最小化。另外，通过窄化切口槽，对于给定的阵列间距，通过除去尽可能少的压电层来最大化单元强度和敏感度。使用激光加工，该压电层可以以细小的间距构图并保持机械完整性。
可以使用激光微切削加工将该多个第一和/或第二切口槽延伸到层叠物里的各自预定深度。激光微切削加工提供了一种非接触方法来延伸或“切割”该切口槽。能够用来“切割”切口槽的激光器包括，例如，可见光激光器和紫外线波长激光器以及脉冲持续时间从100ns-1fs的激光器等。在所公开的发明的一个方面，通过使用在UV范围内较短波长的激光器和/或脉冲宽度为皮秒-飞秒的激光器最小化热影响区域(HAZ)。
激光微切削加工能够在尽可能短的时间内将大量能量控制在尽可能小的体积内局部烧蚀材料表面。如果入射光子的吸收在足够短的时段内发生，则没有时间发生热传导。用很少的残余能量产生一个干净的烧蚀后的槽，这能够防止局部熔化并使热损害最小化。最好选择使在汽化区域内所消耗的能量最大化同时使对周围压电层的损失最小化的激光条件。
为了最小化该HAZ，可以最大化所吸收的激光脉冲的能量密度并防止能量在材料内通过热传导机构损耗。两种可以被使用的示例性类型的激光器为紫外线(UV)激光器和飞秒(fs)激光器。UV激光器在陶瓷中具有非常浅的吸收深度，因此能量被包含在浅层的体积内。Fs激光器具有非常短的时间脉冲(约10-15s)，因此能量的吸收在这个时间量程内发生。在一个实施例中，在激光切割之后不需要对压电层进行任何再极化。
UV受激准分子激光器适于制造用于生产例如像喷嘴、光学装置、传感器等之类微型光电机械系统(MOEMS)单元的复杂微型结构。由于在几个紫外线波长处有短脉冲形式的高峰值功率输出，所以受激准分子激光器以低热损害和高解析度对材料进行处理。
通常，如本领域普通技术人员所理解的，对于给定的激光微加工系统，烧蚀深度主要取决于每一脉冲的能量和脉冲的数量。对于给定的最高达一深度的激光流量，烧蚀速率几乎是不变的并且是完全独立的，超过该深度则该烧蚀速率快速降低并饱和(saturate)为零。通过控制压电体层叠物上每一入射位置的脉冲数量，可以得到最高达给定激光能流饱和深度的作为位置函数的预定切口深度。该饱和深度被认为是等离子体羽流(在烧蚀过程中产生的)和激光槽壁两者的激光能量吸收所造成的。在羽流中的等离子体当其被限制在更深的槽壁内时会更密集，更易吸收；此外，羽流延伸可能要用更长的时间。在高频下，激光脉冲开始和羽流衰减开始之间的时间通常是几纳秒。对于脉冲宽度为10个纳秒级的激光器，这意味着激光束的后部会与羽流互相作用。使用皮秒-飞秒的激光器能够避免激光束与羽流互相作用。
在一方面，用来将第一或第二切口槽延伸到压电层里或者延伸通过压电层的激光器是例如KrF受激准分子激光系统(例如，具有大约248nm波长)之类的短波长激光器。另一个可以使用的短波长激光器的例子是氩氟化物激光器(argon fluoride laser)(例如，具有大约193nm的波长)。在另一方面，用于切割该压电层的激光器是短脉冲宽度的激光器。例如，可以使用被改进为发射ps到fs级的短脉冲宽度的激光器。
可以使用具有大约0-20J/cm2(对于PZT陶瓷，优选大约0.5-10.0J/cm2)能流范围的KrF受激准分子激光系统(具有大约为248nm波长的UV光)来激光切割大约1-30μm宽(更优选大约5-10μm宽)、穿过压电层大约1-200μm厚(优选10-150μm厚)的切口槽。压电层的实际厚度多数常常基于从1/4λ到1/2λ的厚度，而该厚度又基于该材料的声音速度以及该阵列换能器的预期中心频率而变化。如本领域普通技术人员所清楚的，衬底层和匹配层的选择以及它们各自的声阻抗值决定该压电层的最终厚度。也如本领域普通技术人员所清楚的，该目标厚度可以在该阵列每个子单元具体的宽度与高度的宽高比基础上进一步精确调整。切口的宽度越宽并且激光能流越高，则受激准分子激光器就能够切得越深。每单位区域的激光脉冲数目还使得能进行良好的深度控制。在另一方面，一个更低能流的激光脉冲，即小于大约1J/cm2-10J/cm2，可被用来激光烧蚀穿过聚合物材料(polymerbased material)和穿过薄金属层。
正如上文所指出的那样，该多个层可进一步包括信号电极层112和接地电极层110。可以通过应用覆盖介电层和压电层暴露区域的镀金属层(未示出)来限定该电极。如本领域普通技术人员可理解的，该电极层可以包括任何金属化的表面。能够使用的电极材料的一个非限定性的实例就是镍(Ni)。没有氧化的更低阻抗(1-100MHz)的金属化层能够通过例如像喷镀(蒸镀、电镀等)之类的薄膜沉积技术而被沉积。铬/金组合物(分别300/3000埃)是这种更低阻抗金属化层的实例，但是更薄或更厚的层也能使用。铬用作金的界面粘附层。如本领域普通技术人员所清楚的，可以预期的是，可以使用在半导体和微型制造领域众所周知的其它常规界面粘附层。
信号电极层的至少一部分顶面连接到压电层的至少一部分底面上，信号电极层的至少一部分顶面连接到介电层的至少一部分底面上。在一方面，如本文所描述的，该信号电极比介电层所限定的开口更宽，并且覆盖在导电材料404之上区域内的介电层的边缘，该导电材料404用于将该层叠物表面安装到内插器(interposer)上。
在一方面，所沉积的信号电极图案为覆盖压电层底面的整个表面的图案或者为横跨介电层所限定的开口延伸的适合区域的预定图案。该信号电极的初始长度可以比其最终长度更长。该信号电极可以被修整(或刻蚀)成更复杂图案，从而导致更短的长度。
可以使用激光(或者是其它例如像反应离子刻蚀(RIE)等的材料去除技术)去除一些所沉积的电极以形成最终复杂的信号电极图案。在一方面，可以通过喷镀(分别为300/3000的铬/金-但是更厚和更薄的层也是可预期的)来沉积比介电间隙更长的简单矩形形状的信号电极。然后借助于激光器对信号电极进行构图。
荫罩(shadow mask)和标准“湿式清洗台(wet bench)”照相制版法也可以用于直接形成相同或相似的、更复杂详细的信号电极图案。
在另一方面，接地电极层的至少一部分底面连接到压电层的至少一部分顶面上。接地电极层的至少一部分顶面连接到第一匹配层116的至少一部分底面上。在一方面，该接地电极层在基本平行于该层叠物纵轴线的纵向上至少等长于介电层所限定的开口的第二预定长度。在另一方面，该接地电极层在基本平行于该层叠物纵轴线的纵向上至少等长于每个第一切口槽的第一预定长度。在还一方面，该接地电极层连接式地基本覆盖压电层的所有顶面。
在一方面，该接地电极层在基本平行于该层叠物纵轴线的纵向上至少等长于每个第一切口槽的第一预定长度(如上所述)以及每个第二切口槽的第三预定长度。在一方面，部分接地电极通常保持裸露，以便于将信号地线从接地电极连接到在内插器402(下文有述)上的信号地线线迹(signal ground trace)上。
在一个实施例中，虽然信号电极和接地电极都可以通过物理沉积技术(蒸镀或喷镀)被涂覆，但是也可以使用例如像电镀之类的其它方法。在一优选的方面，也使用例如像喷镀之类的仿形涂敷技术来在介电层边缘的附近区域获得良好的阶梯覆盖。
正如上文所指出的那样，在没有介电层的区域，施加到该信号电极和接地电极的电信号的全部电势存在于该压电层。在有介电层的区域，电信号的全部电势分布在介电层的厚度以及压电层的厚度上。在一方面，施加在介电层的电势和施加在压电层的电势的比值，与介电层的厚度和压电层的比值成正比，与介电层的介电常数和压电层的介电常数的比值成反比。
该层叠物的多个层可以进一步包括至少一个具有顶面和相对底面的匹配层。在一方面，该多个层包括两个这样的匹配层。第一匹配层116的至少一部分底面可被连接到该压电层的至少一部分顶面上。如果使用了第二匹配层126，则该第二匹配层的至少一部分底面连接到该第一匹配层的至少一部分顶面上。该匹配层至少等长于在基本平行于该层叠物纵轴线的纵向上的由介电层所限定的开口的第二预定长度。
该匹配层具有预定的声阻抗和目标厚度。例如，混有环氧树脂的粉末(体积％)可以用来产生预定的声阻抗。匹配层可以被施用到压电层的顶面上，使其固化并被研磨到恰当的目标厚度。本领域普通技术人员能理解的是，在该装置中心频率下，在该匹配层材料本身内部，该匹配层能够具有通常等于大约1/4声音波长或者大约等于1/4声音波长的厚度。该匹配层的具体厚度范围取决于该装置的层的实际选择、它们的具体材料特性以及预期的中心频率。在一个不旨在进行限制的实例中，对于基于聚合物的匹配层材料来说，在30MHz下，形成约15-25μm的优选厚度值。
在一方面，该匹配层可以包括以30％的体积与301-2 Epotek环氧树脂混合的PZT，该以30％的体积与301-2 Epotek环氧树脂混合的PZT具有大约8兆雷(Mrayl)的声阻抗。在一方面，该声阻抗可以在大约8-9兆雷，在另一方面，该声阻抗可以在大约3-10兆雷，在还另一方面，该阻抗可以在大约1-33兆雷。如本领域普通技术人员所公知的，制备掺有环氧树脂的粉末并且随后将该材料固化到压电层的顶面上，以使得在该层内基本上没有气穴。该环氧树脂可以在初始时就被脱气，混入粉末后则对该混合物进行第二次脱气。该混合物可以在高于室温(20-200℃)  (其中用于301-2环氧树脂的为80℃)的设定点温度被施用到压电层的表面上。该环氧树脂通常在2小时内固化。在不旨在进行限制的一个方面，在301-2环氧树脂中有30％体积的PZT，则该第一匹配层的厚度是大约1/4波长并为大约20μm厚。
该层叠物的该多个层可以进一步包括具有顶面和相对底面的衬底层114。在一方面，该衬底层基本上充满由介电层所限定的开口。在另一方面，该衬底层的至少一部分顶面连接到该介电层的至少一部分底面上。在又一方面，介电层的基本上所有底面都连接到该衬底层的至少一部分顶面上。在还一方面，该衬底层的至少一部分顶面连接到该压电层的至少一部分底面上。
如本领域普通技术人员可理解的，该匹配层和衬底层可以选自声抗阻在空气和/或水的声抗阻以及该压电层的声抗阻之间的材料。此外，如本领域普通技术人员可理解的，环氧树脂或聚合物可以与各种组分和比率的金属和/或陶瓷粉末混合，以制造可变声抗阻和声衰减的材料。所有这些材料的组合在该公开文本中是可预期的。将匹配层从1-6个不连续层(discrete layer)到一个渐变层进行选择、以及将衬底层从0-5个不连续层到一个渐变层进行选择能使得用于特定中心频率的压电层的厚度变化。
在一方面，对于带有两匹配层和一衬底层的30MHz的压电阵列换能器来说，该压电层的厚度是在大约50μm到约60μm之间。在另一非限制性实施例中，该厚度可以在大约40μm到75μm之间的范围内变动。对于中心频率在25-50MHz的换能器以及对于不同数量的匹配层和衬底层来说，基于所使用的材料的认识，该压电层的厚度相应地成比例变化，并且换能器设计领域的普通技术人员能够确定其合适的尺寸。
可以使用激光器改变该压电层的一个(或两个)面。一个这样的改变可以是在施用匹配层和衬底层之前产生弯曲的陶瓷表面。这是施用于二维上的激光切割的可变深度控制方法的延伸。通过在两维上去除材料使表面弯曲后，可以沉积金属化层(未示出)。压电层的再极化也可以用来重新排列压电层材料的电偶极子。
在一方面，透镜302可以以与作为该层叠物最上层的那层的顶面基本叠置对准的方式被定位。该透镜可以用于聚焦声能。该透镜可以由如本领域普通技术人员所知的聚合材料制成。例如，具有三个平侧面和一个曲面的预成型或预加工的Rexolite片可以用作透镜。曲率半径(R)由声透镜的预期焦距确定。例如，但不旨在进行限制，该透镜可以用计算机数控设备、激光加工、模塑等方法常规加工。在一方面，该曲率半径足够大，以使得该弯曲宽度(WC)至少与介电层所限定的开口等宽。
在一个优选的方面，该透镜的最小厚度基本上叠加在介电层所限定的开口或间隙的中心之上。此外，该弯曲宽度大于该介电层所限定的开口或间隙。在一方面，考虑到一旦该透镜安装在换能器装置的顶面上时所有的切口槽都要被保护和密封，该透镜的长度可以宽于该切口槽的长度。
在一方面，该透镜的平坦面可以涂覆有粘合剂层，以将该透镜粘结到该层叠物上。在一个实施例中，该粘合剂层可以是用作将透镜粘结到该层叠物上的SU-8光致抗蚀剂层。可以理解的是，如果施用到透镜底面的粘合剂层的厚度是在厚度上为适合的波长(例如厚度为1/4波长)，则所施用的粘合剂层也可以作为第二匹配层126。所示例的SU-8层的厚度可以通过普通的薄膜沉积技术(例如旋涂之类)控制。
当涂覆温度升高到大约60-85℃时，SU-8薄膜变得具有粘性。在温度高于85℃时，SU-8层的表面拓扑开始变化。因此，在优选的方面，这一过程在80℃的设定点温度实施。由于SU-8层已是固态形式，升高的温度只使得该层变得具有粘性，因而一旦该层被连接到该层叠物上，所施用的SU-8就不会沿该阵列的切口向下流动。这样在形成的阵列单元之间保持了物理间隙和机械隔离。
为了避免在SU-8层和第一匹配层之间混入空气，这一粘结过程在局部真空内进行是优选的。在粘结发生、使该试件冷却到室温之后，将该SU-8层暴露在紫外线下(穿过该Rexolite层)来使SU-8交联，以使该层更坚固，并提高粘附性。
在将透镜安装在该层叠物上之前，该SU-8层和该透镜可以被激光切割，这样能有效地使该阵列切口(第一和/或第二阵列切口槽，在一方面是子切割的或第二切口)延伸通过两个匹配层(如果使用了两个匹配层)并进入透镜。如果该SU-8和透镜被激光切割，可以使用取放机器(或者按一定尺寸制作并加工为与粘结在一起的实际零件的特定尺寸和形状相应的调准夹具)在该层叠物的上层的最上层表面上在X和Y方向上对准透镜。可以使用大约1-5J/cm2的激光能流来激光切割该SU-8和透镜。
至少一个第一切口槽能够延伸通过或者进入至少一层以达到其在该层叠物内预定的深度/深度曲线。层叠物的一些层或者所有的层能够基本同时被切穿或者切入。因此，可以选择性地基本同时切穿多个层。而且，如本领域普通技术人员所清楚的，可以选择性地基本同时切穿几个层，而在随后的时间选择性地切穿其它层。在一方面，至少一个第一和/或第二切口槽的至少一部分延伸到一预定深度，该预定深度至少是从压电层顶面到压电层底面的距离的60％，并且至少一个第一和/或第二切口槽的至少一部分能延伸一预定深度，该预定深度是从压电层顶面到压电层底面的距离的100％。
至少一个第一切口槽的至少一部分能够延伸到该介电层内一预定深度，且至少一个第一切口槽的至少一部分也能够延伸到衬底层内一预定深度。如本领域普通技术人员所清楚的，进入衬底层的预定深度可以在从0微米到等于或大于压电层本身厚度的深度之间变化。通过衬底层的激光微切削加工能提供在邻近单元之间的隔离的显著改进。在一方面，一个第一切口槽的至少一部分延伸通过至少一层并延伸到衬底层内一预定深度。如本说明书所描述的，该进入衬底层的预定深度可以变化。至少一个第一切口槽的至少一部分的预定深度能相对于同一相应切口槽的另一部分的预定深度变化，或者相对于在基本平行于该层叠物纵轴线的纵向上的另一切口槽的至少一部分的预定深度变化。在另一方面，该至少一个第一切口槽的预定深度可以深于该至少一个其它切口槽的预定深度。
如上文所描述，如上文对于第一切口槽所描述的，至少一个第二切口槽能够延伸通过至少一层来在层叠物中达到一预定深度。如上文对于第一切口槽所描述的，该第二切口槽能够延伸到所述层叠物的至少一层里或者延伸通过所述层叠物的至少一层。如果层叠物的层是独立切割的，则在层叠物的给定层内的每一个切口槽，无论是第一切口槽或者是第二切口槽都能够充分叠置对准相邻层上的对应槽。
在一优选方法中，在该层叠物被安装到内插器上并且衬底层被施用之后，将该切口槽激光切割进入压电层内。
该超声换能器可进一步包括具有顶面和相对底面的内插器402。在一方面，该内插器限定在基本平行于该层叠物的纵轴线Ls的方向上延伸第四预定长度L4的第二开口。该第二开口便于将衬底层简单施用至该压电层叠物的底面上。
多个电线迹(electrical traces)406可以以预定图案的方式被定位在该内插器的顶面上，并且信号电极层112也能够限定一电极图案。该层叠物，包括带有限定电极图案的信号电极112，可以以基本叠置对准方式与该内插器402一起安装，以使得由信号电极层所限定的电极图案与定位在该内插器顶面上的电线迹的预定图案电性连接。该内插器也可以用作引到该阵列的个体单元的电引线(electricalleads)的再分配层。该阵列的接地电极110能够连接到在内插器上留给接地连接的线迹上。如果使用了透镜，这些连接可以在连接透镜之前进行。然而，如果在一个透镜材料的区域小得足以使得接地电极的一部分仍然裸露出，则该连接可以在透镜被连接上之后进行。有许多本领域普通技术人员所公知的导电环氧树脂和油漆可以被用于进行这些连接。如本领域普通技术人员所清楚的，引线接合(wirebonding)也可以被用于这些连接。例如，引线接合可以用来进行从内插器到柔性电路的连接并用来进行从该层叠物到该内插器的连接。因此，可以预期的是，可以使用本领域中已知的方法——例如并不旨在进行限制，通过使用导电表面安装材料(包括但不限于焊料)或通过使用引线接合——来进行表面安装。
衬底材料114可以如本文中所描述的方式来制造。在一个非限定性实施例中，该衬底材料可以由能被用来产生预定声阻抗的混有环氧树脂的粉末(体积％)制成。以30％与301-2 Epotek环氧树脂混合的PZT具有8兆雷的声阻抗，并且不导电。当使用基于环氧树脂的衬底时，在内插器限定的第二开口内发生一些就地固化的地方，使用刚性板粘结到层叠物的顶面上能够帮助最小化该层叠物的翘曲。基于环氧树脂的衬底层可以由其它粉末例如钨、铝等组成。可以理解的是，例如导电的加银环氧树脂之类的其它常规衬底材料也是可以预期的。
为了减少需要被就地固化的材料量，衬底层可以在其固化之后被预制和切割成合适的尺寸，以使其适合通过该内插器所限定的开口。该预制衬底的顶面可以被涂敷一层新的衬底材料(或者其它粘合剂)并且被定位在该内插器所限定的第二开口内。通过减少就地固化的材料的量，可以减少在层叠物内产生的残余应力量，并且能够保持该压电层的表面基本平整或平坦。在衬底层的粘结完成之后可以拆掉该刚性板。
本发明的阵列可以是如本领域普通技术人员所理解的任何形式的阵列，包括线型阵列、稀疏线性阵列、1.5维阵列等。
制造超声阵列的示例方法
本说明书提供了一种制造超声阵列的方法，该方法包括用激光切割压电层106，其中所述压电层在高超声发送频率下谐振。本说明书还提供了一种包括用激光切割压电层的制造超声阵列的方法，其中该压电层在大约30MHz的超声发送中心频率下谐振。本说明书还提供了一种包括用激光切割压电层的制造超声阵列的方法，其中所述压电层在大约10-200MHz、优选在大约20-150MHz、更优选在大约25-100MHz的超声发送频率下谐振。
本说明书还提供了一种通过用激光切割压电层以使得热影响区域最小化的制造超声阵列的方法。本发明也论述了一种包括用激光切割压电层而不需要再极化(在激光微切削加工之后)的制造超声阵列的方法。
本说明书还提供了一种方法，其中可以在一个或者一系列连续步骤中实现所有功能层的“切割”。本说明书还提供了一种制造超声阵列的方法，该方法包括用激光切割压电层以使得该压电层在高超声发送频率下谐振。在一个实施例中，激光除了切割压电层还切割附加层。在另一个实施例中，该压电层和附加层基本在同一时间或者基本同时被切割。所切割的附加层可以包括，但不限于，临时保护层、声透镜302、匹配层116和/或126、衬底层114、光致抗蚀剂层、导电环氧树脂类、粘合剂层、聚合物层、金属层、电极层110和/或112等。一些或所有层可以基本同时被切穿。因此，多个层可以基本同时被选择性地切穿。而且，如本领域普通技术人员所清楚地，几个层可以在同一时间被选择性地切穿，其它层可以在随后的时间被选择性地切穿。
还提供了一种方法，其中在层叠物的顶面和底面都暴露在空气中的地方，激光首先切穿至少一压电层，其次切穿衬底层。层叠物100可以连接到机械支撑件或内插器402上，该机械支撑件或内插器402限定了位于该层叠物区域下面的孔或开口，以便保持进入层叠物底面的通道。该内插器也可以用作引到该阵列的个体单元的电引线的再分配层。在一个实施例中，在激光切穿安装在内插器上的层叠物之后，附加衬底材料可以被沉积进入由该内插器所限定的第二开口内，以增加该衬底层的厚度。
当然，所公开的方法并不限于用激光单重切割，如本领域普通技术人员所清楚的，可以用激光进行多重附加的切割，穿过一个或者多个所公开的层。
还提供了一种制造超声阵列的方法，该方法包括用激光切割压电层，以使得该压电层在高超声发送频率下谐振。在此实施方案中，激光器将该压电层的各部分切割至不同的深度。例如，该激光器可以切割到至少一个深度或者几个不同的深度。激光器切割的每一深度都可以被认为该阵列结构的独立区域。例如，一个区域可能需要激光器切穿该匹配层、电极层、压电层和衬底层，而第二个区域可能需要激光器切穿该匹配层、电极层、压电层、介电层108等。
在所公开的方法的一个方面，预切割的组装好的层叠物的顶面和底面均被裸露，激光加工可以从任何一个面(或者两个面)进行。在此实施例中，具有两个被裸露的面便于激光加工产生更干净和更平直的切口边缘。一旦激光束“穿透”，则因为该加工过程不再依靠从进入点喷射出的材料并且激光束与切割最深部分的羽流之间的相互作用可以被最小化，所以激光束能够清理切口的边缘。
还提供了一种方法，其中激光还能够对其它压电层构图。除了PZT压电陶瓷之外，通过使用例如像插指方法之类本领域所公知的技术，可以制造并研磨陶瓷聚合物复合层至同样厚度。例如，2-2和3-1型陶瓷聚合物复合物可以制成具有大约为阵列所需间距的宽度和陶瓷与陶瓷的间隔。该聚合物填充物可以被去除，并且该阵列的单元与单元之间的串扰可以被降低。由于去除聚合物材料所需的能流低于去除陶瓷所需要的能流，因此受激准分子激光器是一种用于去除在聚合物-陶瓷复合物中的聚合物来制造带有通风切口(air kerfs)的阵列结构的适合工具。在这种情况下，在该阵列的工作区域内(去除了聚合物的地方)，该2-2型复合物可以用作1相陶瓷(1-phase ceramic)。或者，可以去除在3-1型复合物内的聚合物的一个连通轴(axis ofconnectivity)。
另一种用于该2-2型复合物的方法可以是激光微加工垂直于该2-2型复合物取向的切口。由于该阵列单元可以是陶瓷/聚合物的复合物，因而得到的结构可以是类似于使用3-1型复合物生成的一个结构。由于陶瓷和聚合物都可以在同一时间被烧蚀，因而这一方法可以用更高的能流加工。
被激光烧蚀的试件表面可被保护起来，避免在激光加工本身的过程中在试件上沉积碎屑。在此实施例中，可以在层叠物组件的顶面上设置保护层。该保护层可以是临时性的并且能够在激光加工之后被去除。该保护层可以是可溶解层，例如常规抗蚀剂层。例如，当顶面是一薄金属层时，该保护层起防止金属剥离或剥落的作用。如本领域普通技术人员所理解的，可以使用其它尽管在高激光能流和高密度激光切割下仍能够保持粘合到试件上并且在激光切割之后仍然能够被从表面去除的可溶解层。
实施例
提出了以下实施例，以便为本领域普通技术人员提供在此要求保护的超声阵列换能器和方法的完全公开和描述，并且仅旨在对本发明作单纯示例，并不旨在限制发明人认为属于自己发明的范围。
图12a-12g示出了一种使用激光微切削技术制造示例性高频超声阵列的示例性方法。首先，提供了在其顶面和底面带有电极的预极化压电结构。一示例性结构为由CTS Communications Components Inc(Bloomingdale，IL)经销的型号为PZT 3203HD(零件编号KSN6579C)的产品。在一方面，在压电体顶面的电极成为该阵列的接地电极110，在其底面的电极被去除并用介电层108取代。一电极可以随后被沉积到该压电体的底面上，成为该阵列的信号电极112。
可选地，未氧化的更低阻抗(在1-100MHz下)的金属化层通过例如像喷镀、蒸镀、电镀等之类的薄膜沉积技术来沉积。这种金属化层的非限定性实例为铬/金结合物(combination)。如果使用这种层，则该铬用作金的粘合剂层。可选地，对于陶瓷压电体(例如PZT)，从厂商处得到的结构的本身表面粗糙度可以大于所期望的。为了提高在获得压电层106的目标厚度时的准确度/精确度，可以将该压电结构的顶面研磨为一光滑面层(smoothfinish)并且将电极施用到该研磨面上。
然后，第一匹配层116被施用到该压电结构的顶面上。在一方面，部分上电极保持裸露，以便于信号地线从上电极连接到在下面的内插器402上的信号地线线迹(或多个线迹)上。该匹配层被施用到该压电结构的顶面上，以被固化并随后被研磨到该目标厚度。所使用的匹配层材料的一个非限定性实例就是以30％与301-2 Epotek环氧树脂混合的PZT，该以30％与301-2 Epotek环氧树脂混合的PZT具有大约8兆雷的声抗阻。在一些实施例中，对于第一层需要在7-9兆雷范围的值。在另一些实施例中，可以使用在1-33兆雷范围内的值。掺有环氧树脂的粉末被制备并且随后被固化到该压电结构的顶面上，以使得在第一匹配层内基本上没有气穴。在一个非限定性实施例中，该301-2环氧树脂在初始时就被脱气，被混入粉末后，该混合物被第二次脱气。该混合物在高于室温的设定点温度下被施用到该压电结构的表面上。在此方面，该匹配层具有所需要的7-9兆雷的声抗阻和大约为1/4波长的目标厚度，对于301-2环氧树脂内的30％PZT，该目标厚度大约为20μm。可选地，不同组成以及与所需要粘度的不同环氧树脂适当混合(体积百分比)的粉末可以用来产生所需要的声抗阻。
可选地，一金属化层可以被施用到与压电结构的上电极连接的研磨匹配层的顶上。这一附加金属层起帮助电屏蔽的冗余接地层(redundant grounding layer)的作用。
当该层叠物完全形成时，该压电结构的底面被研磨以获得压电层106的目标厚度，该目标厚度适于产生具有所需要的工作中心频率的装置。所需要的厚度取决于对该层叠物的层、它们材料的组分以及制成的几何形状和尺寸的选择。该压电层的厚度受在该层叠物中其它层的声阻抗以及阵列单元120的宽高比的影响，该阵列单元120的宽高比由阵列间距以及阵列单元切口118和子切割切口122的切口宽度限定。例如，对于具有两匹配层和一衬底层的30MHz压电阵列来说，压电层的目标厚度是大约60μm。在另一个实施例中，该目标厚度为大约50-70μm。如本领域普通技术人员所公知的，频率在25-50MHz范围内时，基于对所使用的材料的认识，该目标厚度值相应地成比例变化。
介电层108被施用到被研磨的压电层的至少一部分底面上。所施用的介电层在该压电层的中心区域(在匹配层所覆盖的区域之下)限定了一个开口。可以理解，由该介电层所限定的开口也限定了该阵列的高度尺寸。在一个示例性的实施例中，为了形成介电层，使用了被设计用来旋涂到平面和表体(represents)上的SU-8抗蚀剂成分(MicroChem，Newton，MA)。通过控制旋转速度、旋转时间以及加热时间(在旋涂和薄膜沉积技术领域中已知的所有标准参数)可以获得均匀的厚度。该SU-8成分也是可光成像的，因此通过标准照相平板印刷技术，可以对该介电层构图并且在抗蚀剂中刻蚀出所需宽度和幅度的间隙以形成在该压电层中的开口。可选地，可以使用负性抗蚀剂成分，以使得在刻蚀过程中暴露在UV照射下的抗蚀剂区域不会被去除，以形成该介电层的开口(或者任何普通图案)。
介电层与压电层底面的粘合通过后期UV照射来强化。在刻蚀过程之后的补充UV照射可以促进SU-8层内的交联并提高该介电层的粘附性和耐化学性。
可选地，可以使用机械支撑件来防止层叠物100在介电层施用过程中的破裂。在此方面，通过将SU-8层旋压(spinning)到该机械支撑件本身上，将该机械支撑件应用到第一匹配层上。该机械支撑件可以使用在沉积该SU-8介电体、旋转、烘焙、初始的UV照射以及抗蚀剂的显影(development)过程中。在一方面，该机械支撑件在第二次UV照射之前被去除，因为该SU-8层起支撑自身的作用。
接着，信号电极层112被施用到该压电层的研磨底面以及该介电层的底面上。该信号电极层比该介电层所限定的开口宽，并且在叠置于在用来将该层叠物表面安装到底层内插器的导电材料之上的区域内覆盖在被构图的介电层的边缘上。该信号电极层通常通过例如像蒸镀或喷镀之类常规物理沉积技术来施用，但可以使用其它例如像电镀之类的技术。在另一实施例中，为了在该介电层边缘的附近区域内获得良好的阶梯覆盖，使用了例如像喷镀等的常规仿形喷涂技术。在一个实施例中，该信号电极层覆盖该层叠物的底面的整个表面或者形成一个中心穿过介电层所限定的开口的矩形图案。然后通过激光对该信号电极层构图。
在一方面，信号电极层的初始长度长于该信号电极的最终长度。该信号电极被修整(或刻蚀)成更复杂的图案以形成更短的长度。可以理解的是，可以使用阴罩或者标准照相平板印刷工艺来沉积花纹更复杂详细的图案。此外，激光或者其它材料去除技术，例如像反应离子刻蚀(RIE)也可以被用来去除一些沉积的信号电极以形成类似的复杂图案。
在没有介电层的区域，被施加到该信号电极和接地电极的电信号的全部电势存在于压电层。在有介电层的区域，该电信号的全部电势沿该介电层的厚度以及该压电层的厚度被分布施加。
接下来，该层叠物被安装到一机械支撑件上，以使得该第一匹配层的上表面被连接到该机械支撑件上并且该层叠物的底面被裸露。在一方面，该机械支撑件的表面尺寸大于该层叠物的表面尺寸。在另一方面，在当从顶部看时仍然可见的该机械支撑件的区域内(即支撑件的周边内)，具有在将该层叠物表面安装到内插器的时候用于对准的标记。例如，该机械支撑件可以是，但并不限于一内插器。这一内插器的一个例子是可以从基内姆公司(Gennum Corporation)(加拿大，安大略，Burlington)买到的64-单元、74μm间距的阵列(在30MHZ时为1.5λ)，其零件编号为GK 3907_3A。当该机械支撑件和该内插器相同时，该介电层所限定的开口的两个边缘可以垂直于该支撑件上的金属线迹定向，以使得在表面安装步骤中该层叠物能够相对于在内插器上的金属线迹被正确地定向。
在一方面，在该内插器上的任意(或所有)外部线迹都用作对准标记。这些标记便于确定由该介电层所限定的开口在X-Y两个轴上相对于在机械支撑件上的标记的取向。在另一方面，在该机械支撑件上的对准标记被放置在该层叠物本身的表面的一部分上。例如，在沉积接地电极层时对准标记可以被放置在该层叠物上。
如上文所提到的，在信号电极层的底面上用激光形成电极图案，该图案位于该层叠物的底面上。该激光切割的深度深得足以去除该电极的一部分。本领域普通技术人员可以理解的是，这种激光微切削工艺步骤类似于用激光器修整在表面电阻器和电路板或柔性电路上的电线迹。在一方面，使用在机械支撑件周边上的标记作为参照，激光束的X-Y轴以与由介电层所限定的开口的已知关系来限定。该激光修整的图案以该图案能够叠加(superimposed)在内插器上所限定的金属线迹图案顶面这样的方式来定向。将修整后的信号电极图案相对于内插器的信号线迹图案的Y轴对准是重要的，在一方面，该误差不大于1个完整的阵列单元间距。
用荫罩的投影刻蚀方法(projection etch mode)中所使用的KrF受激准分子激光器可以用来生成所需要的电极图案。例如，可以使用Lumonics(Farmington Hills，MI)EX-844，FWHM＝20ns。在一方面，使用矩形孔径切断的该受激准分子激光束的均质中心部分穿过光束衰减器、双远焦系统(double telescopic system)以及薄金属罩，并且成像在该试件的表面上，该试件安装在具有有效焦距为86.9mm的3透镜投影系统(分辨率≤1.5μm)的计算机控制x-y-z台(stage)上。在一方面，该罩投影系统的缩小比例可以固定为10∶1。
在一方面，两组零件被修整为在该层叠物上的信号电极里。引线指(Leadfinger)零件被修整到该层叠物上的信号电极里，以提供从内插器到由被介电层所限定的开口限定的压电层的工作区域的电连续性。在布置这些引线指的过程中，可以产生该信号电极的最终长度。窄传输线(narrow lines)也被修整到该层叠物上的信号电极里，以使每个引线指电绝缘。
通过将该层叠物安装到机械支撑内插器(尺寸正好并且构成实际内插器)上并且将激光修整后的信号电极图案相对于在机械支撑件上的外部可见的金属图案定向，使得该修整后的信号电极图案自动对齐实际内插器上的线迹。在表面安装中使用对齐该两个机械支撑内插器和实际内插器的边缘的夹具，使得表面安装变得简单。在表面安装过程完成之后，去除该机械支撑内插器。对于该表面安装过程，可以使用本领域中公知的材料404，该材料包括，例如可以从美国英迪姆公司(Indium Corporation of America)(Utica，NY)买到的低温使用的铟焊料。
接下来，衬底材料114被施用到已形成的层叠物上。如果使用基于环氧树脂的衬底，并且其中在该内插器的孔内发生一些就地固化，则可以使用刚性板连接到该层叠物的顶面上以防止该层叠物的翘曲。一旦该衬底层的固化完成，则该板就可以被拆掉。在一方面，选择包括高声阻抗和足够厚度的衬底材料性能的组合，以使得该衬底材料起到尽可能接近100％吸收材料的作用。该衬底层不会引起在阵列单元之间的电短路。
该层叠物的接地电极连接到该内插器上的为接地连接所保留的线迹上。有许多本领域普通技术人员所公知的示例性导电环氧树脂和油漆能够用于进行这一连接。在一方面，如本领域普通技术人员已知的，来自该内插器的线迹连接到由柔性电路或者其它PCB材料制成的更大的底轨迹电路平台(footprint circuit platform)上，该轨迹电路平台便于将该阵列和实时运转该设备来实时产生超声图像所必须的适合的波束生成器电子仪器整合。可以使用例如像焊接、引线接合以及各向异性导电薄膜(ACF)之类的本领域已知的几种技术来实现这些电连接。
在一方面，阵列单元120和子单元124可以通过对激光束进行调准以使得阵列切口槽相对于在该层叠物上的底部电极图案定向和对齐(在X和Y上均对齐)来形成。可选地，该激光切口槽延伸到下面的衬底层里。
在一方面，透镜302以与该层叠物的最上层的顶面基本叠置对准的方式被定位。在另一方面，该透镜的最小厚度基本上叠加在由介电层所限定的开口的中心之上。在又一方面，该曲率宽度比介电层所限定的开口宽。考虑到一旦该透镜被安装在该换能装置的顶面上时所有的切口槽都要被保护和密封，因而该透镜的长度宽于在下面的切口槽的宽度。
在一方面，该透镜的底面、平坦面可以被涂敷粘合剂层，以将该透镜粘合到已形成并已被切割的层叠物上。在一个实施例中，该粘合剂层可以是用作将该透镜粘合到该层叠物上的SU-8光致抗蚀剂层。可以理解的是，如果施用到透镜底面的粘合剂层的厚度具有厚度为适当波长(例如厚度为1/4波长)的性质，则所施用的粘合剂层也可以作为第二匹配层126。所示例的SU-8层的厚度可以通过普通的薄膜沉积技术(例如旋涂)控制。
当涂覆温度升高到大约60-85℃时，SU-8薄膜变得具有粘性。在温度高于85℃时，SU-8层的表面拓扑开始变化。因此，在优选的方面，这一过程优选在80℃的设定点温度实施。由于SU-8层已是固态形式，升高的温度只使得该层变得具有粘性，因而一旦该粘合剂层被连接到该层叠物上，所施用的SU-8就不会沿该阵列的切口向下流动。这样在形成的阵列单元之间保持了物理间隙和机械隔离。为了避免在粘合剂层和第一匹配层之间混入空气，这一粘结过程在局部真空内进行是优选的。一方面，在粘合发生、使该试件冷却到室温之后，将该SU-8层进行紫外线照射(通过附连的透镜)来使该SU-8交联，以使该层更坚固，并提高粘附性。
在另一方面，在将透镜安装到该层叠物上之前，该SU-8层和该透镜可以被激光切割，这样有效地使该阵列切口(第一和/或第二阵列切口槽，在一方面是子切割的切口或第二切口)延伸穿过两个匹配层(如果使用了两个匹配层)并进入透镜。
对本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和主旨的情况下，可以对本发明作出各种改体和变型。考虑了在此公开的本发明的说明书和实践，其它实施方案对本领域的普通技术人员来说也是显而易见的。旨在使该说明书和实施例被认为仅仅是示例性的。

Claims (64)

1.一种超声换能器，包括：
一层叠物，该层叠物具有第一面、相对的第二面以及在该第一面和第二面之间延伸的纵轴线，其中该层叠物包括多个层，每一个层具有一顶面和一相对的底面，其中该层叠物的多个层包括一压电层和一介电层，使得该介电层限定该压电层的一工作区域；以及
多个被限定在该层叠物内的第一切口槽，每一个第一切口槽在该层叠物内延伸一预定深度并且在平行于该轴线的方向上延伸第一预定长度，
其中该介电层的顶面连接于该压电层的一部分底面并位于该压电层的一部分底面下面，并且限定了在平行于该层叠物的轴线的方向上延伸第二预定长度的开口，其中每一个第一切口槽的第一预定长度至少等长于由该介电层所限定的开口的第二预定长度并且短于在平行于该轴线的纵向上该层叠物的第一面和该相对的第二面之间的纵向距离。
2.权利要求1的超声换能器，其特征在于，该多个第一切口槽限定多个超声阵列单元。
3.权利要求1的超声换能器，其特征在于，该多个层还包括一信号电极层，其中该信号电极层的至少一部分顶面连接到该压电层的至少一部分底面上，并且其中该信号电极层的至少一部分顶面连接到该介电层的至少一部分底面上。
4.权利要求3的超声换能器，其特征在于，该多个层还包括一接地电极层，其中该接地电极层的至少一部分底面连接到该压电层的至少一部分顶面上。
5.权利要求4的超声换能器，其特征在于，在平行于该轴线的纵向上，该接地电极层至少等长于由介电层所限定的开口的第二预定长度。
6.权利要求5的超声换能器，其特征在于，在平行于该轴线的纵向上，该接地电极层至少等长于每一个第一切口槽的第一预定长度。
7.权利要求4的超声换能器，其特征在于，该层叠物的多个层还包括至少一个匹配层，每一个匹配层具有一顶面和一相对的底面，其中该多个第一切口槽延伸通过该至少一个匹配层。
8.权利要求7的超声换能器，其特征在于，该至少一个匹配层包括一第一匹配层和一第二匹配层，该第二匹配层被连接到该第一匹配层上以使得该第二匹配层叠置在该第一匹配层之上。
9.权利要求8的超声换能器，其特征在于，该第一匹配层的至少一部分底面连接到该压电层的至少一部分顶面上。
10.权利要求7的超声换能器，其特征在于，在平行于该轴线的纵向上，该至少一个匹配层的每一个匹配层至少等长于由该介电层所限定的开口的第二预定长度。
11.权利要求7的超声换能器，其特征在于，该层叠物的多个层还包括一衬底层，其中该衬底层的至少一部分顶面连接到该介电层的至少一部分底面上。
12.权利要求11的超声换能器，其特征在于，该衬底层充满由介电层所限定的开口。
13.权利要求11的超声换能器，其特征在于，该衬底层的至少一部分顶面连接到该压电层的至少一部分底面上。
14.权利要求11的超声换能器，还包括一透镜，其中该透镜以与该至少一个匹配层的该匹配层的顶面叠置对准的方式被定位。
15.权利要求14的超声换能器，其特征在于，至少一个第一切口槽延伸到该透镜的底部中。
16.权利要求1的超声换能器，其特征在于，至少一个第一切口槽的至少一部分延伸到一预定深度，该预定深度至少是从压电层顶面到压电层底面的距离的60％。
17.权利要求11的超声换能器，其特征在于，至少一个第一切口槽的至少一部分延伸通过该压电层。
18.权利要求17的超声换能器，其特征在于，至少一个第一切口槽的至少一部分延伸到位于下面的介电层中一预定深度。
19.权利要求18的超声换能器，其特征在于，一个第一切口槽的至少一部分延伸到该衬底层中。
20.权利要求1的超声换能器，其特征在于，该至少一个第一切口槽的至少一部分的预定深度在平行于该轴线的纵向上变化。
21.权利要求1的超声换能器，其特征在于，该至少一个第一切口槽的预定深度深于至少一个其它第一切口槽的预定深度。
22.权利要求1的超声换能器，还包括多个第二切口槽，每一个第二切口槽在该层叠物内延伸一预定深度并且在平行于该轴线的方向上延伸第三预定长度，其中每一个第二切口槽的长度至少等长于由该介电层所限定的开口的第二预定长度并且短于在平行于该轴线的纵向上该层叠物的第一面和相对的第二面之间的纵向距离，其中每一个第二切口槽定位于邻近至少一个第一切口槽。
23.权利要求22的超声换能器，其特征在于，该多个第一切口槽限定多个超声阵列单元，并且该多个第二切口槽限定多个超声阵列子单元。
24.权利要求23的超声换能器，其特征在于，该多个超声阵列子单元中的每一个具有0.5到0.7的宽度与高度的宽高比。
25.权利要求22的超声换能器，其特征在于，在平行于该轴线的纵向上，该接地电极层至少等长于每一个第一切口槽的第一预定长度以及每一个第二切口槽的第三预定长度。
26.权利要求22的超声换能器，其特征在于，至少一个第二切口槽的至少一部分延伸到一预定深度，该预定深度至少是从压电层顶面到压电层底面的距离的60％。
27.权利要求11的超声换能器，还包括多个第二切口槽，每一个第二切口槽在该层叠物内延伸一预定深度并且在平行于该轴线的方向上延伸第三预定长度，其中每一个第二切口槽的长度至少等长于由该介电层所限定的开口的第二预定长度并且短于在平行于该轴线的纵向上该层叠物的第一面和相对的第二面之间的纵向距离，其中每一个第二切口槽定位于邻近该至少一个第一切口槽。
28.权利要求27的超声换能器，其特征在于，至少一个第二切口槽的至少一部分延伸通过该压电层。
29.权利要求28的超声换能器，其特征在于，至少一个第二切口槽延伸到位于下面的介电层中。
30.权利要求29的超声换能器，其特征在于，一个第二切口槽的至少一部分延伸到该衬底层中。
31.权利要求22的超声换能器，其特征在于，第二切口槽的预定深度在平行于该轴线的纵向上变化。
32.权利要求22的超声换能器，其特征在于，该至少一个第二切口槽的预定深度深于至少一个其它第二切口槽的预定深度。
33.权利要求4的超声换能器，还包括一具有顶面和相对的底面的内插器。
34.权利要求33的超声换能器，还包括多个电线迹，该多个电线迹以预定图案被定位在该内插器的顶面上。
35.权利要求34的超声换能器，其特征在于，该内插器限定一在平行于该层叠物的轴线的方向上延伸第四预定长度的第二开口。
36.权利要求34的超声换能器，其特征在于，该信号电极层限定一电极图案。
37.权利要求36的超声换能器，其特征在于，该层叠物以与内插器叠置对准的方式安装，以使得由信号电极层所限定的电极图案与被定位在该内插器顶面上的电线迹的预定图案电性连接。
38.权利要求1的超声换能器，其中所述换能器被配置为在20-100MHz之间的中心频率下谐振。
39.一种超声换能器，包括：
一层叠物，该层叠物具有第一面、相对的第二面以及在该第一面和第二面之间延伸的纵轴线，其中该层叠物包括多个层，每一个层具有一顶面和一相对的底面，其中该多个层包括一压电层和一介电层，使得该介电层限定该压电层的一工作区域；和
多个被限定在该层叠物的一部分内的第一切口槽，每一个第一切口槽延伸到该层叠物中一预定深度并在平行于该纵轴线的方向上延伸第一预定长度，其中该第一预定长度短于在该第一面和相对的第二面之间的纵向距离。
40.权利要求39的超声换能器，其特征在于，该多个第一切口槽限定多个超声阵列单元。
41.权利要求39的超声换能器，其特征在于，该压电层连接到该介电层上。
42.权利要求41的超声换能器，其特征在于，该介电层限定一在平行于该层叠物的纵轴线的方向上延伸第二预定长度的开口，其中该每一个第一切口槽的第一预定长度至少等长于该开口的第二预定长度。
43.权利要求42的超声换能器，还包括多个第二切口槽，每一个第二切口槽在该层叠物内延伸一预定深度并且在平行于该轴线的方向上延伸第三预定长度，其中每一个第二切口槽的第三预定长度至少等长于由该介电层所限定的开口的第二预定长度并且短于在平行于该轴线的纵向上该层叠物的第一面和相对的第二面之间的纵向距离，其中一个第二切口槽定位于邻近该至少一个第一切口槽。
44.权利要求39的超声换能器，其特征在于，该多个层还包括一接地电极层、一信号电极层、一衬底层和至少一个匹配层。
45.权利要求43的超声换能器，其特征在于，该多个层还包括一接地电极层、一信号电极层、一衬底层和至少一个匹配层。
46.权利要求39的超声换能器，其特征在于，至少一个第一切口槽延伸通过至少一个层以到达其在该层叠物内的预定深度。
47.权利要求43的超声换能器，其特征在于，至少一个第二切口槽延伸通过至少一个层以到达其在该层叠物内的预定深度。
48.权利要求44的超声换能器，其特征在于，一个第一切口槽的至少一部分延伸通过至少一个层并延伸到该衬底层中一预定深度。
49.权利要求39的超声换能器，其特征在于，该至少一个第一切口槽的至少一部分的预定深度在平行于该轴线的纵向上变化。
50.权利要求39的超声换能器，其特征在于，该至少一个第一切口槽的预定深度深于该至少一个其它切口槽的预定深度。
51.权利要求45的超声换能器，其特征在于，一个第二切口槽的至少一部分延伸通过至少一个层并延伸到该衬底层中一预定深度。
52.权利要求46的超声换能器，其特征在于，该至少一个第二切口槽的至少一部分的预定深度在平行于该轴线的纵向上变化。
53.权利要求43的超声换能器，其特征在于，该至少一个第二切口槽的预定深度深于该至少一个其它切口槽的预定深度。
54.权利要求39的超声换能器，其特征在于，至少一个第一切口槽的至少一部分延伸到一预定深度，该预定深度至少是从压电层顶面到压电层底面的距离的60％。
55.权利要求39的超声换能器，其特征在于，至少一个第一切口槽的至少一部分延伸通过该压电层。
56.权利要求43的超声换能器，其特征在于，至少一个第二切口槽的至少一部分延伸到一预定深度，该预定深度至少是从压电层的顶面到压电层的底面的距离的60％。
57.权利要求43的超声换能器，其特征在于，至少一个第二切口槽的至少一部分延伸通过该压电层。
58.权利要求44的超声换能器，该超声换能器还包括一透镜，其中该透镜以与该层叠物的顶面叠置对准的方式定位。
59.权利要求58的超声换能器，其特征在于，至少一个第一切口槽延伸到该透镜的底部中。
60.权利要求44的超声换能器，其特征在于，该信号电极层的至少一部分位于该压电层的底面之下并连接于该压电层的底面，并且该信号电极层的至少一部分位于该介电层底面的之下并连接于该介电层的底面。
61.权利要求60的超声换能器，其特征在于，该信号电极层限定一电极图案。
62.权利要求61的超声换能器，还包括一具有顶面和相对底面的内插器，该内插器的顶面带有多个以预定图案定位于其上的电线迹，其中该层叠物以与内插器叠置对准的方式安装，以使得由信号电极层所限定的电极图案与电线迹的预定图案电性连接。
63.权利要求62的超声换能器，还包括用于以与内插器结构叠置对准的方式安装该层叠物的装置。
64.权利要求39的超声换能器，其中所述换能器被配置为在20-100MHz之间的中心频率下谐振。
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