用於設計具有聲激勵集成電子器件的超聲換能器的方法
2023-05-06 23:37:56
專利名稱：用於設計具有聲激勵集成電子器件的超聲換能器的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於設計在超聲換能器中使用的聲阻抗變換器的方法，以及還涉及一種具有聲激勵(acoustically active)集成電子電路的超聲換能器。
用於診斷醫學成像的典型的超聲換能器通常包括諸如鋯鈦酸鉛(PZT)之類的壓電材料層、粘結至PZT層的一側的一個或多個聲阻抗匹配層以及粘結至另一側的一塊襯底(backing)材料。襯底塊是具有任意厚度的材料的基底(substrate)。代替作為襯底塊而提供的材料，使用空氣襯底是可能的。
該匹配層用來增加超聲能量與待成像身體或物體之間的耦合。
該換能器可被分成多個獨立的小換能器(稱為換能器元件)的陣列，以便於電子裝置的超聲束的掃描。
圖1顯示這種換能器的一個換能器元件100的一部分。
襯底塊102和匹配層104通常具有比壓電層106低的聲阻抗，以使壓電層106以半波諧振模式振動，從而設定換能器工作的中心頻率大約為fhw=2vd]]>其中fhw是半波諧振頻率，v是壓電材料中的聲速，以及d是壓電材料的厚度。
可選擇地，可以設計換能器具有比壓電材料高的聲阻抗的襯底材料。在這種情況中，換能器將以由下式給出的大約等於四分之一波長諧振頻率的中心頻率fqw工作fqw=4vd]]>顯然，對於給定的壓電材料和厚度，這些頻率相差兩倍。
二維(2-D)超聲相控陣列換能器在襯底塊的設計中被給予特別關注。一般地，2-D陣列需要將數千個單獨的聲換能器元件連接至超聲系統電子設備。
在現有技術的換能器中，已經認識到在換能器的柄(handle)中結合電路以提供發射、接收、前置放大和形成局部束的功能是有利的。通過在換能器的聲學襯底塊中嵌入的導體或導電通路(如美國專利第5,592,730號中所示)或者通過在聲學元件和包括導體的襯底塊之間的薄的多層互連結構(如美國專利第5,977,691號中所示)實現聲學元件和電路之間的連接。在這兩種情況中，電子電路被布置在換能器的聲激勵區域的外面。
考慮到需要製造具有嵌入導體的襯底塊並且因為數千個導體中的每一個必須與該電子電路連接，所以這些現有技術的換能器是難於製造的。再者，在換能器的激勵區中互連結構的存在能夠導致不想要的聲學散射區域，從而在圖像中產生偽影(artifact)。此外，互連結構中信號蹤跡之間的電容在電子電路和換能器元件上引入不希望的負載，並且在各個元件之間提供多個串擾路徑，這二者都降低了換能器的性能。在襯底塊中嵌入導體的方法還造成襯底塊體積大而重，從而使換能器難於使用。這種換能器的大的體積還阻礙該方法用於腔內(endocavity)換能器和在小空間中使用的其它換能器。
參考圖2，具有嵌入導體的換能器的一個可替換例子是換能器108，在其中所需的電子電路被放置在鄰近或緊密接近換能器的聲學結構的一個或多個半導體晶片110上，因而具有電子電路的晶片一般採用集成電路的形式。因此，晶片110和聲學元件104、106之間的互連結構112在電學上幾乎變得無關緊要。在美國專利號5,435,313和5,744,898以及Sudol等人於2002年12月11日提交的標題為「Miniaturized Ultrasonic Transducer(小型超聲換能器)」的美國臨時專利申請序列號60/432,536(代理人記錄號US020535)中描述了這種布置的例子，所述專利的公開在此被結合以作為參考。
在這些公開中，電子電路的聲學影響被忽略或者試圖抑制電子電路的聲學影響，例如通過使用在壓電元件106和晶片10上的電子電路之間的「失配層」。然而，這些方法對於現有技術的超聲成像系統並未產生滿意的性能。為了使用這些成像系統，需要一種工作在大的帶寬上的換能器，並且它產生的發射脈衝必須儘可能地短。例如，對於細微細節的成像，理想的是具有小於約1.6個周期的發射脈衝長度，該周期為在大約-10dB處測得的發射頻率的周期。
在稱為諧波成像的另一個模式中，換能器以一個頻率發射超聲，並且以第二諧波或該頻率的兩倍接收回波。這需要具有在大約-3dB處測得的中心頻率的至少67％左右的單向帶寬的換能器。一般地，最小可實現的脈衝長度與帶寬成反比例。對於增加的性能，希望的是具有接近並且甚至超過中心頻率的100％的帶寬的換能器。實現這種級別的性能需要對整個聲學結構的精心設計。
用於超聲換能器的匹配層結構的設計在本領域中是眾所周知的，並且在這裡不詳細討論。對於高性能換能器，必須對襯底塊和任何襯底層給予同樣的關注。更經常地，成分均勻的材料被用於襯底塊以提供均勻的聲阻抗和高的聲損耗，以便消除來自襯底塊的邊界或任何因機械或熱的考慮而可能是必需的內部結構的反射的影響。
存在的電子晶片以及在襯底塊和壓電層之間的可能的電互連層變換提供給壓電層的後側的聲阻抗，並且這個變換取決於頻率。對於單一的襯底層，有兩組特別感興趣的頻率。在襯底層的厚度是整數個半波長的頻率處，在襯底層前側看到的聲阻抗等於加載襯底層的後側的聲阻抗；變換比是一(1)。在襯底層的厚度是奇數個四分之一波長的頻率處，在所述層前側看到的聲阻抗是Zqw=Zc2ZL]]>其中Zqw是在襯底層前側看到的變換阻抗，Zc是襯底層的材料的特性聲阻抗(襯底層阻抗)，以及ZL是在襯底層的後側處的聲負載阻抗。
如果襯底層阻抗比ZL高，則變換的阻抗比襯底層阻抗本身高得多。相反地，如果襯底層阻抗比ZL低，則變換的阻抗比襯底層阻抗低得多。在四分之一和半波頻率之間，變換的阻抗採用複數的值，該複數具有在襯底層阻抗和四分之一波長變換阻抗之間的中間的幅度。
各個襯底層進一步變換由其後的襯底層產生的阻抗(當存在多個襯底層時)。由於其它襯底層產生隨頻率變化的阻抗，所以特性可能相當複雜，但可由公知變換來模擬Zin=ZczL+jZctan(2d)Zc+jZLtan(2d)]]>其中Zin是變換的阻抗，8是層材料中聲的波長，d是襯底層的厚度，以及j是-1的平方根。一般地，低於襯底層阻抗的阻抗被變換成高阻抗，而高於襯底層阻抗的阻抗被變換成低阻抗。
如由單一層變換的襯底塊阻抗可隨頻率變化很大，並且添加更多的層可引起更多的變化，從而在最終變換的阻抗中導致大的諧振峰以及零。正如剛才所述，例如矽集成電路的電子電路以及相關的互連層將變換在其後的襯底塊的阻抗，以使變換的阻抗在一些頻率處可以非常高，而在其它頻率處可以非常低。
如上所述，具有高襯底塊阻抗的換能器將在四分之一波長模式並以近似兩倍於具有相同壓電層但具有低阻抗襯底層的換能器的頻率工作。具有作為頻率的函數的襯底塊阻抗的換能器可以以變換的襯底塊阻抗為高的頻率工作在四分之一波長模式，以及以變換的襯底塊阻抗為低的頻率工作在半波模式。為一個模式設計的換能器在另一模式中將工作不佳，因此在想要的工作頻帶內具有以不同頻率的不同模式將導致可能具有諧振峰或零的嚴重變形的狹窄頻譜。
即使模式的混合沒有發生，頻率相關的襯底塊阻抗也可能將不想要的失真引入到發射的頻譜中。這種頻譜妨礙在多個或諧波頻率處的工作，並導致不能接受的長的發射脈衝。
根據這些考慮因素，可以看出，在接近聲激勵層的附近中結合電子電路的現有技術的換能器將不能產生最佳的性能。
本發明的一個目的是提供一種用於設計在超聲換能器中使用的聲阻抗變換器的新方法。
本發明的一個目的是提供一種用於將電子電路結合在換能器的聲學設計中的方法，以提供具有想要的聲學性能的換能器，並且可選擇地優化換能器的聲學性能，以及提供一種具有這種結合的電子電路的換能器。
本發明的另一個目的是提供一種具有聲激勵的集成電子電路的新的超聲換能器。
為了實現這些目的和其他目的，在設計依據本發明的超聲換能器時，代替考慮單層阻抗變換材料對換能器的聲學性能的影響，設計了多層變換器，在其中具有電子電路的基底為其中一層，並且考慮了多層變換器的元件對聲學性能的組合影響。多層變換器的元件的特性以及可能的元件數量於是被改變以得到具有想要的聲學性能的變換器。元件特性的變化可能容易受到限制，例如製造、成本或結構的限制。
更具體而言，多層變換器一般被放置在襯底塊和在其上布置至少一個匹配層的壓電層之間，並且包括一個具有被布置與其連接的電子電路的基底，一個或多個聲激勵層以及一個用於將在壓電層的一側上的激勵層之一或壓電層連接至該基底的互連層。選擇基底、每個聲激勵層和互連層的特性，然後確定在鄰近變換器的壓電層一側處變換器的聲阻抗。以這種方式，在確定變換器的聲阻抗時考慮了電子電路。在設計過程中，基底、每個聲激勵層和互連層的特性利用計算機模擬進行改變，直到獲得在鄰近變換器的壓電層一側處提供想要的聲學性能特性的值。該特性可在鄰近變換器的壓電層一側處提供最佳的聲阻抗。同樣，可選擇特性以提供特定類型的換能器，例如工作在四分之一波長模式的換能器或工作在半波模式的換能器。基底、每個聲激勵層和互連層的可變特性是它們的材料或成分以及厚度。同樣，可以測試不同類型的互連層。元件的其他特性也可在儘可能的程度上進行改變。如果變換器被設計成包括多個聲激勵層，則聲激勵層的數量也可被改變以在鄰近變換器的壓電層一側處獲得想要的聲學性能特性。如果變換器包括用於將電子電路連接至換能器電纜的附加互連層，則這個附加互連層的類型、材料和厚度也可被改變以在鄰近變換器的壓電層一側處獲得想要的聲學性能特性。
一般地，變換器的元件的一個或多個變化的特性可能容易受到設計的限制。因此，在設計過程中，可以對基底的材料和厚度、至少一個聲激勵層的材料和厚度以及互連層的類型、材料和厚度的變化施加限制。
依據本發明可由上述方法設計的超聲換能器包括聲襯底塊、布置在該襯底塊上的聲阻抗變換器、布置在該變換器上的壓電層和布置在該壓電層上的至少一個匹配層。壓電層和每個匹配層可被分割以形成換能器元件的陣列。該變換器包括基底、被布置與該基底連接的電子電路和至少一個不同於襯底塊的聲激勵層。基底可由半導體材料製成，從而可以在其上製造電子電路。
該變換器一般將包括互連層，該互連層具有聲阻抗並被布置在基底和壓電層一側上的聲激勵層之間或者在基底和壓電層之間。因此，當在壓電層的一側上存在聲激勵層時，基底可被布置鄰近襯底塊並且聲激勵層被布置鄰近壓電層。一個或多個附加聲激勵層可被布置在基底的對側，即在基底和襯底塊之間。鄰近壓電層的一個或多個聲激勵層還可依據壓電和匹配層的分割(partition)而被分割，以使各個換能器元件除了包括壓電層的一部分和各個匹配層的一部分之外還可包括聲激勵層的一部分。可在聲激勵層的整個厚度上或在其厚度的一部分上進行聲激勵層的分割。
參考下面結合附圖的說明可以最好地理解本發明連同另外的目的及其優點，其中相同的參考數字標識相同的元件，以及其中圖1顯示現有技術的換能器元件的部分；圖2顯示另一現有技術的換能器的幾個元件；圖3A是圖2中所示的現有技術的換能器的襯底塊的可能的聲阻抗圖；圖3B是圖2中所示的現有技術的換能器的頻率響應圖，該換能器具有圖3A中所示的聲阻抗；圖3C是圖2中所示的現有技術的換能器的發射脈衝圖，該換能器具有圖3B中所示的頻率響應；圖4顯示由依據本發明的方法製造的換能器的第一實施例的幾個元件；圖5顯示由依據本發明的方法製造的換能器的第二實施例的幾個元件；圖6顯示由依據本發明的方法製造的換能器的第三實施例的幾個元件；圖7顯示由依據本發明的方法製造的換能器的第四實施例的幾個元件；圖8顯示由依據本發明的方法製造的換能器的第五實施例的幾個元件；圖9是顯示依據本發明的方法的步驟的流程圖；圖10A是圖5中所示的換能器的變換器的可能的聲阻抗圖；圖10B是依據本發明具有圖10A中所示聲阻抗的換能器的頻率響應圖；圖10C是依據本發明具有圖10B中所示頻率響應的換能器的發射脈衝圖；圖11A是圖6中所示的換能器的變換器的可能的聲阻抗圖11B是依據本發明具有圖11A中所示聲阻抗的換能器的頻率響應圖；圖11C是依據本發明具有圖11B中所示頻率響應的換能器的發射脈衝圖；圖12A是依據本發明工作在四分之一波長模式的換能器的變換器的可能的聲阻抗圖；圖12B是依據本發明具有圖12A中所示聲阻抗的換能器的頻率響應圖；以及圖12C是依據本發明具有圖12B中所示頻率響應的換能器的發射脈衝圖。
參考附圖，其中相同的參考數字指的是相同或類似的元件，圖4顯示用於依據本發明的相控陣列換能器的換能器10的幾個換能器元件10a。該換能器包括多個以一維或二維陣列布置的這種換能器元件10a。在該陣列中，換能器元件10a可以一維或多維形式布置在平坦的平面中或者以一維或多維形式布置在曲面(curve)中。
換能器10包括襯底塊12和布置在襯底塊12的前側的聲阻抗變換器14、布置在變換器14上的壓電層16以及布置在壓電層16上的兩個匹配層18、20。壓電層16和匹配層18、20被分割成換能器元件10a，以使每個換能器元件10a包括壓電層16的段(section)16a和每個匹配層18、20的段18a、20a。雖然顯示了單一壓電層16和兩個匹配層18、20，但是可以提供任何數量的壓電層和匹配層。
匹配層18、20的製造可與換能器10的剩餘部分的製造分開和無關地來進行。例如匹配層18、20可以是聚合物膜(polymer film)，該聚合物膜被切割成每個換能器元件10a的大小的數段，並且然後由環氧樹脂或另外的粘合劑連接至壓電層16。元件鍍金屬(metallization)層22被應用在最上面匹配層20的上表面、在所有換能器元件10a上面和其間，以及導體24被提供以用於經柔性電路板26使換能器元件10a接地。使換能器元件10a接地的其它合適的方法也可以在本發明中使用。因此，當所有的匹配層18、20導電時，鍍金屬層22和導體24的使用僅僅是一個提供接地連接的示例性方法。一個重要的考慮因素是提供至壓電層16的頂部表面上電極的電連接。其他方法將包括在匹配層之間結合鍍金屬層、直接連接鍍金屬層至頂部電極、或者製造頂部電極以使它圍繞邊沿至壓電層16的後側。
還提供電導體28以將電路板26上的電路電耦合至變換器14中的電子電路。
變換器14包括至少晶片30、至少一個聲激勵層和互連層40，該晶片30包括電子電路並且在下文中被稱為集成電路，該互連層40被布置在集成電路30的上方，用來將集成電路連接至覆蓋層。如果在集成電路30和壓電層16之間沒有提供聲激勵層，覆蓋在互連層40上面的層可能是壓電層16；或者當在集成電路30和壓電層16之間提供一個或多個聲激勵層時，覆蓋在互連層40上面的層可能是聲激勵層。在其中在互連層40和壓電層16之間有一個或多個聲激勵層的實施例中，這些層必須由導電材料製成，或者另外提供從互連層40至壓電層16上的後電極的導電通路，例如通過在該層中嵌入導電通路。
圖4顯示一個其中變換器14包括布置在互連層40和壓電層16之間的單一聲學層36的實施例。在互連層40和壓電層16之間可以提供附加的聲學層。
可以運用與壓電層16被分割的相同的製造工藝將聲學層36分割成多個段36a，每個段36a是相應換能器元件10a的一部分。因此，每個換能器元件10a包括聲學層段36a、壓電層段16a和匹配層段18a、20a。
圖5顯示一個變換器14，它包括集成電路30、布置在集成電路30和襯底塊12之間的單一聲學層32、以及布置在集成電路30和壓電層16之間的互連層40。圖6顯示一個變換器14，它包括集成電路30、布置在集成電路30和襯底塊12之間的單一聲學層32、布置在集成電路30和壓電層16之間的單一聲學層36、以及布置在集成電路30和聲學層36之間的互連層40。
圖7顯示一個變換器14，它包括集成電路30，布置在集成電路30和襯底塊12之間的兩個聲學層32、34，布置在集成電路30和壓電層16之間的單一聲學層36，以及布置在集成電路30和聲學層36之間的互連層40。
圖8顯示一個與圖7中顯示的變換器類似的變換器，但是它包括互連層40、在互連層40和壓電層16之間的兩個聲學層36、38。在互連層40和壓電層16之間的這種聲學層的數量可以在下面討論的設計過程中進行選擇。
集成電路30中的電子電路被結合進換能器10的聲學設計中，以能夠獲得換能器的想要的聲學性能，例如以便優化換能器10的聲學性能。也就是，當考慮阻抗特性和評價聲學性能時，包括電子電路的集成電路30被看作變換器14的其中一層。一般地，在變換器14的前側即在壓電層16的後側考慮變換器14的阻抗。
使用標準的集成電路處理技術可在矽片上製造集成電路30中的電子電路。其他半導體材料也可用於實現具有電子電路的晶片的製造，如果它們擁有形成並實現電子電路的操作的能力的話。
變換器14還可包括用於將集成電路30中的電子電路互連至壓電層16以及換能器電纜(未示出)的一個或多個層。這些可能的附加互連層中的每層都具有聲學特性，具體為聲速和聲阻抗，它們可在變換器14的設計中被使用並起作用(factor)。
就諸如聲學層32、34、36、38之類的每個元件的特性而言，通過類似於在微波電子設備中使用的多段阻抗變換器的設計的方法來構造變換器14。在應用在微波電子設備的這種阻抗變換器中，一系列傳輸線路段以級聯方式連接在源和負載之間。一般地，每個傳輸線路段是以感興趣頻帶的中心頻率的波長的四分之一，並具有由想要的阻抗變換、變換器中段的數量和感興趣的帶寬確定的特性阻抗。對於微波電子領域的技術人員而言，實現寬範圍的阻抗變換比並使用直到至少八段的微波四分之一波長變換器的標準設計是公知的。
類似地，使用與用於設計和構造在微波電子設備中使用的阻抗變換器的相同的方法和設計方程可以設計和構造依據本發明的聲阻抗變換器。在聲阻抗變換器中，電子電路和任何互連層變為聲激勵層，所述聲激勵層被包括在變換器的聲學設計中並且被修整(tailor)以滿足性能的要求。在大多數情況中，聲負載還是可調整的參數。
現在參考圖9，在設計過程中，一開始將考慮換能器的想要的聲學性能，例如中心頻率、帶寬和脈衝響應特徵(步驟42)。然後，確定換能器將工作在四分之一波長模式還是半波模式(步驟44)。這就確定了期望的是高襯底阻抗還是低襯底阻抗(步驟46)。根據這個和想要的聲學性能的考慮，確定襯底阻抗的實際想要的幅度。於是，確定要在變換器14中出現的元件並確定各個元件的特性，例如各個元件的材料和厚度以及互連層的類型(步驟48)。例如，以上述方式或以任何已知的方式來確定這種變換器14的聲學性能(步驟50)。
此後，測試是否獲得了想要的阻抗(步驟52)，並且如果沒有獲得想要的阻抗，則改變元件的特性(步驟54)，例如改變基底的材料和/或厚度和/或聲激勵層的數量和位置，然後確定改變的變換器14的聲學性能(步驟50)。反覆改變該變換器14的一個或多個元件的一個或多個特性並隨後確定變換器變化14的聲學性能，並且進行分析以檢查是否提供了想要的聲阻抗(步驟52)。如果是，則選擇壓電和匹配層的特性(步驟56)，例如聲阻抗和厚度，並對整個換能器的聲學性能進行分析(步驟58)，以檢查是否獲得了想要的聲學性能(步驟60)。如果是，則可利用具有提供想要的聲學性能的特性的元件來構造換能器10(步驟62)。
否則，確定是否有可能利用選擇的襯底阻抗來獲得想要的聲學性能(步驟64)。如果是，則改變壓電和匹配層的特性(步驟66)，並分析改變的換能器的聲學性能(步驟58)。反覆改變壓電層的一個或多個特性或者匹配層的一個或多個特性，並進行分析以檢查是否獲得了想要的聲學性能。如果沒有，則通過選擇用於換能器或新的襯底阻抗的不同模式而有可能獲得想要的性能。另外，即使沒有想要的聲學性能，仍可選擇元件的特性以提供最佳的聲學性能。還可執行該設計過程以獲得最優的聲學性能。
元件的特性的變化可單獨進行改變，例如只改變基底的厚度，或以組合形式進行改變，例如改變基底的材料和厚度。
在依據本發明的阻抗變換器的設計上經常存在約束條件，因為例如一個或多個層可能必須由特定材料進行製造或者具有指定的最小或最大厚度。這些約束條件可能需要偏離變換器的理想設計，比如改變一個或多個其它層的厚度或阻抗。設計的優化很可能是藉助於使用模擬程序的計算機來執行的。
在諸如圖6、7和8所示的一些實施例中，聲學層可被布置在包括電子電路的集成電路30的上面和下面，即聲學層32和34被布置在集成電路30的下面，以及聲學層36被布置在集成電路30的上面。可以理解的是，在任何特定實施例中所有層的數量、成分和/或厚度將由該設計過程來確定，並且將至少部分地取決於換能器的想要的工作參數。
一般地，當設計和構造換能器時，至少包括電子電路的晶片的厚度將被指定。在矽片上製造集成電路的情況下，使用通常在集成電路工業中使用的任何晶片減薄工藝可產生這個厚度。
互連層表示用於實現材料層至集成電路的連接的任何已知裝置，其適合於應用，例如導電環氧樹脂或「倒裝晶片」粘接。在設計階段可以改變互連層的類型以獲得變換器14的想要的聲學性能。
所選擇的特定連接裝置應該提供具有一致的聲學特性和厚度的層。在聲變換器的最終形式中互連層所需的聲學特性可決定互連裝置的選擇。此外，在可用的材料和可能的厚度上存在限制，利用其可製造將影響聲學設計的互連裝置。
現在將參考圖3A-3C和圖10-12C來討論在依據本發明的換能器中的變換器14的設計的優點。圖3A是圖2中所示的現有技術的換能器的襯底結構的可能的聲阻抗(襯底阻抗)圖，其中橫坐標是歸一化至換能器108的中心頻率的頻率(f/fc)，以及縱坐標是由除以壓電材料的典型阻抗得到的聲阻抗的幅度(Z/Z0)。襯底結構包含襯底塊102、集成電路110和互連層112。集成電路110和互連層112位於襯底塊102上而不考慮它們的聲學特性。不用考慮或優化集成電路110和互連層112的聲學特性，由壓電層106的後側看到的聲阻抗將具有圖3A中所示的明顯的峰和零值。
雖然圖3A中所示的圖是示例性的並且實際的圖取決於換能器構造的細節，但是阻抗中的大峰和零值是典型的，並將引起換能器的嚴重的惡化譜。
圖3B顯示從試圖在上述的襯底結構上構造寬帶換能器而得到的可能的頻率響應。在該頻譜中存在對應於圖3A所示的阻抗中的大峰的顯著的深度零值(deep null)。在圖3C中示出得到的發射脈衝，其中橫坐標是以中心頻率的周期測得的時間，以及縱坐標是脈衝的幅度。波形及其包絡均被顯示在圖3C中。在主脈衝之外的幾個周期的波形連續使構造在襯底結構上的構造的換能器不能用於現代超聲成像系統。特別是，如在包絡的最寬伸展-10dB處測得的脈衝寬度多於3個周期。
利用如圖5所示的依據本發明在換能器10中具有在集成電路30和襯底塊12之間的單一聲激勵層32的變換器14，與圖3A所示的聲阻抗相比，如圖10A所示由壓電層16的後側看到的聲阻抗基本上更均勻。重要的是，在上述設計過程中對集成電路30的厚度和/或互連層40的厚度進行調整，然後選擇特定的厚度以提供合適的襯底阻抗。
圖10B顯示從依據本發明的具有圖10A所示的聲阻抗的換能器中得到的頻率響應，以及在圖10C中顯示得到的發射脈衝。波形及其包絡均顯示在圖10C中。頻率響應在-3dB處具有比中心頻率的約70％略大的帶寬，並且在-10dB處發射脈衝響應的寬度大約是1.6個周期。
現在參考圖11A-11C，對於圖6所示的變換器14，與圖3A所示的聲阻抗相比，如圖11A所示的由壓電層16的後側看去的聲阻抗基本上更均勻。在上述設計過程中對集成電路30的厚度和互連層40的厚度進行調整，然後選擇特定的厚度以提供合適的襯底阻抗。
圖11B顯示從依據本發明的具有圖11A所示的聲阻抗的換能器中得到的頻率響應，以及在圖11C中顯示得到的發射脈衝。頻率響應在-3dB處具有比中心頻率的約80％略大的帶寬，並且在-10dB處發射脈衝響應的寬度大約是1.4個周期。
現在參考圖12A-12C，對於圖6所示的變換器14，當設計為工作在四分之一波長模式時，該變換器被設計成在壓電層後側處提供儘可能大的聲阻抗，這是通過適當選擇變換器的層的數量以及這些層的特性來實現的。相反，圖10A-11C中的圖用於工作在半波模式的具有圖5和6所示的變換器的換能器。
圖12A顯示這個實施例的襯底聲阻抗的典型圖。縱坐標比圖9A和10A中的坐標明顯增加，並且阻抗幅度甚至超過用於感興趣的部分頻帶的標度。圖12B和12C分別顯示可能得到的頻率響應和發射脈衝。頻率響應在-3dB處具有超過中心頻率的90％的帶寬，並且在-10dB處發射脈衝響應的寬度大約是1.2個周期。
因此，可以看到，通過控制集成電路、互連層和一個(多個)聲激勵層的厚度，依據本發明的換能器10中的變換器14可被設計成提供與帶寬和中心頻率相關的想要的頻率響應和/或發射脈衝。變換器可被設計成提供具有在-3dB處至少具有中心頻率的70％、80％或90％的帶寬的頻率響應和/或在-10dB處具有小於中心頻率的約1.6個周期、約1.4個周期或約1.2個周期的寬度。
設計和構造變換器14以包括集成電路30、聲學層32、34、36和/或38(和可能的其他層)以及互連層40優化了在變換器14的頂側看去的聲阻抗(其與在壓電層16的後側看去的是一樣的)。
與本發明相對比，在現有技術的換能器元件中，未對變換進行優化以用於高性能，因為僅僅存在兩層(即半導體晶片110和互連層112)，並且它們的特性受到設計的其他方面的約束。例如，幾乎所有的集成電路被製造為矽片。本發明人已經認識到，添加其他聲學層允許這些約束被嵌入在較大阻抗變換器的設計中，從而提供了忽略半導體晶片本身的約束的能力。
儘管在此已經參考附圖描述了本發明的說明性實施例，但是可以理解，本發明不限於這些確切的實施例，並且在不脫離本發明的範圍或精神的情況下，本領域普通技術人員之一可以在其中實施各種其他變化和更改。
權利要求
1.一種設計供超聲換能器使用的在聲激勵襯底塊和壓電層之間的聲阻抗變換器的方法，其中至少一個匹配層被布置在該壓電層上，包括選擇具有被布置與其連接的電子電路的基底的特性，具有電子電路的該基底是該變換器的一部分；選擇不同於襯底塊的至少一個聲激勵層中每個的特性，該至少一個聲激勵層是該變換器的一部分；選擇在電子電路和壓電層之間插入的互連層的特性，該互連層是該變換器的一部分；確定在鄰近變換器的壓電層一側處的聲阻抗，因此在確定聲阻抗時考慮了電子電路；以及改變基底的特性、至少一個聲激勵層的特性和互連層的特性，以在鄰近變換器的壓電層一側處獲得想要的聲學性能特性。
2.如權利要求1所述的方法，其中該至少一個聲激勵層包括多個聲激勵層，進一步包括改變聲激勵層的數量以在鄰近變換器的壓電層一側處獲得想要的聲學性能特性。
3.如權利要求2所述的方法，其中通過計算機模擬來實施基底的特性、至少一個聲激勵層的特性和互連層的特性的改變。
4.如權利要求1所述的方法，其中該至少一個聲激勵層包括多個聲激勵層，進一步包括在互連層和壓電層之間布置聲激勵層的第一層以及在基底和襯底塊之間布置聲激勵層的第二層。
5.如權利要求1所述的方法，其中該至少一個聲激勵層包括多個聲激勵層，進一步包括在互連層和壓電層之間布置至少一個聲激勵層。
6.如權利要求1所述的方法，其中基底由半導體材料製成，進一步包括在半導體材料上製造電子電路。
7.如權利要求1所述的方法，進一步包括選擇用於將電子電路連接至換能器電纜的附加互連層的特性，以及改變該附加互連層的特性，以在鄰近變換器的壓電層一側處獲得想要的聲學性能特性。
8.如權利要求7所述的方法，其中附加互連層的特性包括互連層的類型、材料和厚度。
9.如權利要求8所述的方法，進一步包括對基底的特性、至少一個聲激勵層的特性和互連層的特性的改變施加限制。
10.如權利要求9所述的方法，其中所施加的限制包括對用於基底、至少一個聲激勵層或互連層的具體材料的限制。
11.如權利要求9所述的方法，其中所施加的限制包括對用於基底、至少一個聲激勵層或互連層的最小或最大厚度的限制。
12.如權利要求1所述的方法，其中改變基底的特性、至少一個聲激勵層的特性和互連層的特性以優化在鄰近變換器的壓電層一側處的聲阻抗。
13.如權利要求1所述的方法，其中互連層的特性包括互連層的類型，該互連層的類型是從由導電環氧樹脂和倒裝晶片粘接組成的組中選擇的。
14.如權利要求1所述的方法，其中基底的特性包括基底的材料和厚度。
15.如權利要求1所述的方法，其中至少一個聲激勵層的特性包括至少一個聲激勵層的材料和厚度。
16.如權利要求1所述的方法，其中互連層的特性包括互連層的類型、材料和厚度。
17.如權利要求1所述的方法，其中想要的聲學性能特性為在-3dB點處具有中心頻率的至少70％、至少80％或至少90％的帶寬的頻率響應。
18.如權利要求1所述的方法，其中想要的聲學性能特性為在-10dB點處具有中心頻率的小於1.6個周期、小於1.4個周期或小於1.2個周期的寬度的發射脈衝響應。
19.一種超聲換能器，包括聲襯底塊；布置在所述襯底塊上的聲阻抗變換器；布置在所述變換器上的壓電層；以及布置在所述壓電層上的至少一個匹配層；所述變換器包含基底、布置與所述基底連接的電子電路、具有在所述基底和所述壓電層之間插入的聲阻抗的互連層以及不同於所述襯底塊的至少第一聲激勵層。
20.如權利要求19所述的換能器，其中所述互連層被布置在所述基底和所述第一聲激勵層之間，所述基底被布置鄰近所述襯底塊以及所述第一聲激勵層被布置鄰近所述壓電層。
21.如權利要求19所述的換能器，其中所述變換器還包括第二聲激勵層，該第二聲激勵層被布置在所述基底的與所述第一聲激勵層相對的一側。
22.如權利要求19所述的換能器，其中所述變換器還包括被布置在所述基底和所述襯底塊之間的第二和第三聲激勵層。
23.如權利要求19所述的換能器，其中所述第一聲激勵層被布置鄰近所述壓電層，所述互連層被布置在所述基底和所述第一聲激勵層之間以及第二和第三聲激勵層被布置在所述基底和所述襯底塊之間。
24.如權利要求23所述的換能器，還包括至少一個附加聲激勵層，所述第一和所述至少一個附加聲激勵層被布置在所述互連層和所述壓電層之間。
25.如權利要求19所述的換能器，其中所述第一聲激勵層被布置鄰近所述壓電層，所述換能器包括多個被布置在一維或二維的陣列中的獨立元件，每個所述元件包括所述壓電層的段和所述第一聲激勵層的段。
26.如權利要求19所述的換能器，其中所述換能器包括多個被布置在曲面中的獨立元件。
27.如權利要求19所述的換能器，其中所述變換器被設計成向換能器提供在-3dB點處具有中心頻率的至少70％、至少80％或至少90％的帶寬的頻率響應。
28.如權利要求19所述的換能器，其中所述變換器被設計成向換能器提供在-10dB點處具有中心頻率的小於1.6個周期、小於1.4個周期或小於1.2個周期的寬度的發射脈衝響應。
全文摘要
超聲換能器包括被布置在襯底塊(12)和壓電層(16)之間的多層變換器(14)，在每一個壓電層上布置至少一個匹配層(18、20)。變換器(14)包括具有電子電路的基底(30)、一個或多個聲激勵層(32、34、36、38)和在壓電層(16)和基底(30)之間插入的互連層(40)。選擇基底(30)、各個聲激勵層(32、34、36、38)和互連層(40)的特性，然後確定在鄰近變換器(14)的壓電層(16)一側處的變換器(14)的聲阻抗。然後例如使用計算機模擬來改變特性，直到獲得在鄰近變換器(14)的壓電層(16)一側處提供想要的聲學性能特性的這些特性的值。因此，在確定變換器(14)的聲阻抗時考慮了電子電路。
文檔編號B06B1/06GK1802693SQ200480015965
公開日2006年7月12日 申請日期2004年6月7日 優先權日2003年6月9日
發明者W·奧斯曼恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司