高頻超聲探頭的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】局頻超聲?米頭
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年5月24日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/827，524，題為“高頻超聲波探頭”的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)通過(guò)引用被全部并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]所公開(kāi)的技術(shù)通常涉及超聲換能器和醫(yī)學(xué)診斷成像的領(lǐng)域。更具體地，所公開(kāi)的技術(shù)涉及高頻超聲換能器和組裝的相應(yīng)方法。
【背景技術(shù)】
[0004]超聲換能器提供用于將電能轉(zhuǎn)換成聲能，反之亦然的裝置。當(dāng)電能源是以RF信號(hào)的形式，正確設(shè)計(jì)的換能器可以產(chǎn)生具有如驅(qū)動(dòng)電RF信號(hào)的相同的頻率特性的超聲波信號(hào)。診斷超聲歷來(lái)被用來(lái)在范圍從少于1兆赫至大約10兆赫的中心頻率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，該頻譜提供成像生物組織的裝置，其具有范圍從幾毫米至通常大于300微米的分辨率，以及深度從幾毫米下至厘米的幾十倍。
[0005]尚頻超聲換能器通常是中心頻率尚于15兆赫和范圍至超過(guò)60兆赫的超聲換能器。高頻超聲換能器提供更高的分辨率，同時(shí)限制滲透的最大深度，因此，提供對(duì)從毫米的幾分之一到超過(guò)3厘米的深度的生物組織以20微米到超過(guò)300微米范圍的分辨率的成像的裝置。
[0006]存在與制作高頻超聲換能器相關(guān)聯(lián)的、當(dāng)在低于約10MHz的頻率工作的傳統(tǒng)臨床超聲換能器工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生的許多挑戰(zhàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，結(jié)構(gòu)通常根據(jù)頻率的倒數(shù)的比例縮減，從而50兆赫的傳感器將具有比5兆赫傳感器大約小10倍的結(jié)構(gòu)。在一些情況下，材料或技術(shù)不能按比例縮小到所需的大小或形狀，或在這樣做時(shí)，他們失去它們的功能且新技術(shù)必須被開(kāi)發(fā)或適于允許高頻超聲換能器實(shí)現(xiàn)。在其他情況下，當(dāng)處理與HFUS傳感器相關(guān)聯(lián)的更高的射頻電子與聲頻信號(hào)時(shí)，存在完全的新的要求。
[0007]RF電互連要求某種形式的傳輸線被用來(lái)有效地包含圍繞信號(hào)和接地導(dǎo)體的磁場(chǎng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，根據(jù)被傳輸頻率和導(dǎo)體的長(zhǎng)度，電阻抗匹配和屏蔽技術(shù)必須被采用以獲得最佳性能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將進(jìn)一步了解，在較低的臨床頻率，這樣的互連在超聲系統(tǒng)和換能器設(shè)計(jì)者的各種各樣的選項(xiàng)中被高度發(fā)展并可用，且這樣的互連通常由如下幾個(gè)部分組成:首先，到超聲波系統(tǒng)的連接，其通常包括零插入力(ZIF)型或其他大型格式接頭；第二，從系統(tǒng)連接器運(yùn)行朝向換能器的電纜(通常為微同軸傳輸線)；第三，通常包括連接器和/或印刷電路板的在電纜以及換能器之間的接口 ；最后，從連接器或電路板到每個(gè)換能器元件的接口。這種典型的組件集在行業(yè)中可用，許多變化被成功地用于傳統(tǒng)的臨床頻率美國(guó)換能器。
[0008]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，這些組件中的一些將容易擴(kuò)展到與HFUS關(guān)聯(lián)的較高頻率，而其他組件不會(huì)。微同軸傳輸線非常適合于與HFUS相關(guān)聯(lián)的更高的頻率，以及許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的連接器解決方案也在系統(tǒng)端適用。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道，印刷電路板可以被設(shè)計(jì)為在比那些HFUS所要求的數(shù)量級(jí)更高的頻率起作用。對(duì)于將HFUS換能器電互連至超聲系統(tǒng)的挑戰(zhàn)主要位于在電氣連接到HFUS陣列的實(shí)際元素的裝置中。這些元件是非常小的、易碎，以及通常僅限于嚴(yán)格的熱預(yù)算，以使得傳統(tǒng)的微電互連技術(shù)不適合于HFUS換能器。絲焊，低溫焊接，和ACF粘合劑，例如，被廣泛使用的技術(shù)用于制造與傳統(tǒng)的臨床頻率的換能器的互連。但是，這些技術(shù)也有限制，使它們通常不適合于HFUS傳感器上的使用。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解在小于約100微米的間距(pitch)的互連引線接合是具有挑戰(zhàn)性的，以及在低于50微米的間距變得幾乎不可能。當(dāng)處理溫度被限制為小于約100°C，引線接合是更具挑戰(zhàn)性。此外，當(dāng)基底的厚度小于約100微米時(shí)，與引線接合相關(guān)的機(jī)械力會(huì)成為問(wèn)題。適合制作HFUS換能器的典型的壓電材料必須減薄到約100 μ m到小于30微米的換能器，其橫跨15兆赫至50兆赫中心頻率范圍。當(dāng)引線接合被嘗試時(shí)，這些薄基底趨于破裂。ACF膠帶和其他不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)電粘合劑系統(tǒng)是不適合于低于約200微米的間距的高可靠性的連接，并且通常也需要超過(guò)120攝氏度的熱預(yù)算，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，對(duì)于與HFUS換能器材料的制造相關(guān)聯(lián)的一些材料可能有是問(wèn)題的。
[0009]一些HFUS換能器目前使用一種接地系統(tǒng)，該系統(tǒng)依賴于從薄導(dǎo)電箔制成的銅電極，其由被電連接到換能器的前部(透鏡側(cè))接地平面，然后退出堆疊的一側(cè)，并環(huán)繞朝向柔性電路接地層。
[0010]這種方法的主要挑戰(zhàn)是關(guān)系到透鏡與壓電材料的接地平面的間距。在導(dǎo)電箔的設(shè)計(jì)中，該空間等于，例如在三層匹配層設(shè)備中的壓電基底和透鏡之間的匹配層的厚度，四分之三波長(zhǎng)匹配層或約在50兆赫的30微米到約在20兆赫的70微米(僅供參考，典型的打印紙是100微米厚)。這需要使用非常薄的導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂的接合線將非常薄的箔連接到陣列接地平面。在隨后的研磨和粘合/清洗過(guò)程中的箔的機(jī)械完整性保護(hù)非常具有挑戰(zhàn)性。其他方法可能被采用以允許使用更厚的箔，但箔的次級(jí)限制是導(dǎo)致由于與彎曲導(dǎo)電箔相關(guān)的力引起的透鏡的脫層的風(fēng)險(xiǎn)，其隨著箔變厚而增加。
[0011]最后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，導(dǎo)電箔技術(shù)需要使接地電極沿邊緣退出堆疊結(jié)構(gòu)，在特別是當(dāng)BF或CF醫(yī)療設(shè)備的評(píng)分是必需的時(shí)候，使得該設(shè)備的電氣隔離成為挑戰(zhàn)。鑒于這些問(wèn)題，有必要對(duì)高頻超聲換能器元件進(jìn)行連接的技術(shù)做出改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]正如以下將要討論和示出的，所公開(kāi)的技術(shù)涉及發(fā)送和接收高頻超聲波信號(hào)的高頻超聲波探頭以及裝配這種探頭的方法。探頭包括具有多個(gè)高頻換能器的基底，其具有在換能器的外表面上的接地電極和在各換能器的相反的內(nèi)表面上的各自連接的信號(hào)電極。所述探頭還包括多個(gè)圍繞換能器基底材料的周邊產(chǎn)生的通孔，其電連接到在含有排列的換能器的基底的前外側(cè)上的接地電極。探頭還包括支撐結(jié)構(gòu)，其中至少一部分是導(dǎo)電的，并呈現(xiàn)熱膨脹系數(shù)(CTE)，其緊密匹配換能器的基底的系數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0013]本發(fā)明考慮附圖可以得到更全面地理解，附圖被包含在說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分，并與說(shuō)明書(shū)一起，來(lái)用于說(shuō)明本公開(kāi)的技術(shù)。
[0014]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例的陣列傳感器的完整的組裝的等軸視圖，其被標(biāo)記以示出接地系統(tǒng)的組件；
[0015]圖2是根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例的導(dǎo)電混合支撐結(jié)構(gòu)的頂部的透視圖；
[0016]圖3是根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例的導(dǎo)電混合支撐結(jié)構(gòu)的底部的透視圖；
[0017]圖4是根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例的換能器的基底的透視圖，其顯示稍后形成通孔的容器(pockets)和金屬膜；
[0018]圖5是根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例的通孔容器的特寫(xiě)透視圖；
[0019]圖6是根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例的經(jīng)由導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂填充的通孔容器的透視圖；
[0020]圖7是根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例的一透視圖，其俯視已減薄到最終厚度的傳感器基底的信號(hào)側(cè)，并隨著通孔從基底的信號(hào)側(cè)被暴露，顯示最終被電鍍和填充的通孔；
[0021]圖8根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例示出了陣列換能器的組裝的部件，其示出了柔性的、尚未連接到導(dǎo)電支撐結(jié)構(gòu)的接地平面；
[0022]圖9根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例示出了完全組裝的陣列換能器，其示出了由在柔性電路接地平面和導(dǎo)電支撐結(jié)構(gòu)之間的導(dǎo)電粘合劑所連接的接地路徑；
[0023]圖10是根據(jù)本公開(kāi)的技術(shù)的實(shí)施例的