用于制造超声换能器和其他部件的方法
用于制造超声换能器和其他部件的方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2009年9月18日、名称为"用于制造超声换能器和其他部件的 方法"的第200980145902. 1号发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求享有共同于2008年9月19日提交的美国临时申请No. 61/192, 661和 No. 61/192, 690的利益，所述两个申请都通过引用方式在此纳入本文。
技术领域
[0004] 本发明涉及制造电子部件诸如超声换能器的领域。
【发明内容】
[0005] 总体而言，本发明提供用于制造电子部件诸如阵列超声换能器的方法。
[0006] -方面，本发明在于一种制造呈一个图案的电极的方法，所述方法包括如下步 骤：提供一个电气部件，其包括多个第一电极；将包括多个第二电极的连接器放置在所述 电气部件附近；将包括基质材料和颗粒材料的复合介质材料沉积在所述多个第一电极和 所述多个第二电极上，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧 蚀；将所述复合介质材料的至少一部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质材料 的表面积；将所述复合介质材料激光烧蚀以暴露所述多个第一电极和所述多个第二电极； 以及在所述复合介质材料中从所述多个第一电极中的每一个电极到所述多个第二电极中 的相应电极激光烧蚀一个沟；在已经被烧蚀的区域上沉积导电金属；在所述导电金属上沉 积抗蚀剂，其中与其他烧蚀区域相比，所述抗蚀剂在所述多个第一电极、多个第二电极以及 所述沟上更厚；以及去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个负的图案来暴露所述导电金属 并蚀刻所述导电金属的暴露部分以制造呈所述图案的电极。本方法还可包括将经过蚀刻的 导电金属区域进行激光烧蚀，以去除位于其中的至少一部分所述复合介质材料。在该可选 步骤中，基本上所有的所述复合介质材料和位于经过蚀刻的导电金属区域下方的部件的一 部分可被烧蚀。
[0007] 在一个相关方面，本发明在于一种用于制造呈一个图案的电极的方法，所述方法 包括以下步骤：提供一个超声阵列换能器堆，所述堆具有一个压电层和在所述堆内延伸预 定深度的多个第一切口槽，其中所述多个第一切口槽限定多个超声阵列元件；将具有用于 多个阵列元件中的每一个阵列元件的电连接的连接器放置在所述堆的附近；在所述堆的底 面以及所述连接器的一部分上沉积包括基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基 质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀；将所述复合介质材料的至少一 部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质材料的表面积；将所述复合介质材料激 光烧蚀以暴露所述多个阵列元件；以及在所述复合介质材料中从每个阵列元件到连接器中 的一个电连接激光烧蚀一个沟，其中所述烧蚀不暴露所述多个第一切口槽；在步骤已经烧 蚀的区域上沉积导电金属；在所述导电金属上沉积抗蚀剂，其中与所述多个第一切口槽相 比，在每个阵列元件和沟上的抗蚀剂更厚；以及去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个相 对所述电极的图案为负的图案来暴露所述导电金属的一部分，以及蚀刻所述导电金属的暴 露部分以制造呈所述图案的电极。本方法还可包括将经过蚀刻的导电金属区域进行激光烧 蚀，以去除在所述多个第一切口槽上的所述复合介质材料从而在单个阵列元件之间形成凹 陷。在这个实施方案中，所述第一切口槽可被固体材料诸如环氧树脂填充。本方法还可包括 对单个阵列元件之间的凹陷进行激光烧蚀，其中接下来对凹陷的烧蚀在相比于制造凹陷所 用的能量密更高的能量密度下进行。本方法还可包括从图案化后的电极去除所述抗蚀剂。 本方法可包括又一个蚀刻步骤以去除由激光烧蚀形成的导电金属毛刺。优选的，没有步骤 在高于70°C时进行。本方法还可包括在沉积导电金属一一例如，金一一之前沉积一个粘合 剂层一一例如，包括铬的粘合剂层。所述蚀刻步骤可去除沉积在粘合剂层上的导电金属，同 时对所述复合材料的激光烧蚀还可去除通过蚀刻暴露的粘合剂层。优选地，在不足以烧蚀 所述导电金属的能量密度下通过烧蚀去除所述抗蚀剂。所述多个阵列元件的间距优选至多 100 μ m，例如，至多65 μ m。在所述复合介质材料中的示例基质材料是环氧树脂，示例颗粒材 料是二氧化硅或碳化硅。
[0008] 本发明还在于通过上述方法制造的超声换能器。该换能器包括一个阵列换能器 堆，其具有在所述堆内延伸预定深度的多个第一切口槽，并且其中所述多个第一切口槽限 定多个超声阵列元件；连接器，其具有用于每个阵列元件的一个电极；以及包括位于所述 堆的底面以及所述连接器的一部分上的基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基 质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀，其中所述复合介质材料被放置 在所述堆的底面以及所述连接器的一部分上面；其中在所述复合介质材料中的沟将每个阵 列元件连接至所述连接器的电极中的一个；并且其中在每个沟内沉积的金属提供在每个活 性元件和连接器的电极中的一个电极之间的电连接。可选地，所述多个第一切口槽被固体 材料填充，以及所述堆的底面包括在所述固体材料中的凹陷。所述换能器还可包括布置在 所述复合介质材料、所述沟和每个阵列元件的至少一部分上的背衬层（backing layer)。所 述换能器还可包括附着至所述堆的顶面的匹配层，和/或附着至所述堆的顶面的透镜。所 述阵列元件一般在至少20MHz的中心频率下运行。所述复合介质层还可倾斜相邻于所述阵 列元件中的每一个，以提供变迹（apodization)并抑制高度上的旁瓣（side lobes)。所述 换能器还可包括限定在所述压电堆中的多个第二切口槽，每个第二切口槽在所述堆内延伸 预定深度，其中每个第二切口槽相邻于至少一个第一切口槽，并且所述多个第二切口槽限 定多个阵列子元件。
[0009] 另一方面，本发明在于一种形成超声匹配层的方法，所述方法包括以下步骤：提供 一个声阵列换能器堆，其包括一个压电层并具有一个顶面和多个阵列元件，其中所述顶面 包括多个未布置在所述多个阵列元件上的隔离物；提供一个透镜组件，其具有顶面和底面； 将所述透镜组件的底面与多个隔离物相接触；以及将换能器堆的顶面与透镜组件的底面之 间的粘合剂熟化，以形成超声匹配层，其中所述粘合剂结合至透镜组件的底面和换能器堆 的顶面，由所述多个隔离物产生的在所述换能器堆的顶面和所述透镜组件的底面之间的距 离适合一个超声匹配层。所述透镜组件可包括一个透镜一一其例如，由Rexol i te或TPX 制备一一和形成组件的底面的第二匹配层一一其例如，包括氰基丙烯酸盐粘合剂。所述第 二匹配层可直接附着至透镜。所述换能器堆还可包括在堆内延伸预定深度的多个第一切口 槽，并且其中所述多个第一切口槽限定多个阵列元件。所述换能器堆还可包括布置在所述 压电层和所产生的匹配层之间的第三和第四匹配层。
[0010] 在一个相关方面，本发明在于一种超声换能器，其包括具有顶面和底面的透镜组 件；具有顶面和底面的阵列换能器堆；以及一个匹配层，其附着至所述透镜组件的底面和 所述换能器堆的顶面，其中所述换能器堆包括一个压电层和多个阵列元件，所述换能器堆 的顶面包括多个未放置在所述多个阵列元件上面的隔离物，并且所述透镜组件的底面与所 述多个隔离物相接触。所述换能器堆还可包括在所述堆内延伸预定深度的多个第一切口 槽，并且其中所述多个第一切口槽限定多个阵列元件；以及可选地在压电堆内限定的多个 第二切口槽，每个第二切口槽在所述堆内延伸预定深度，其中每个第二切口槽相邻于至少 一个第一切口槽，以及所述多个第二切口槽限定多个阵列子元件。所述透镜组件可包括一 个透镜一一其例如，由Rexolite或TPX制备一一和形成组件的底面的第二匹配层一一其例 如，包括氰基丙烯酸盐粘合剂。所述第二匹配层可直接附着至透镜。所述换能器堆还可包 括布置在所述压电层和附着至所述透镜组件的底面的匹配层之间的第三匹配层和第四匹 配层。所述阵列元件优选在至少20MHz的中心频率下运行。所述换能器还可包括对于每个 阵列元件有一个电极的连接器，以及包括位于所述堆的底面以及所述连接器的一部分上的 基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量 密度下被激光烧蚀，其中所述复合介质材料被放置在所述堆的底面以及所述连接器的一部 分上面；其中所述复合介质材料中的沟将每个阵列元件与所述连接器的电极中的一个电极 相连接；并且其中在每个沟内沉积的金属提供在每个活性元件和所述连接器的电极中的一 个电极之间的电连接。
[0011] 另一方面，本发明在于一种在表面上沉积材料 例如，金属或粘合剂 的方 法，所述方法包括以下步骤：提供包括基质材料（例如，聚合物诸如环氧树脂）和颗粒材料 (例如，二氧化硅或碳化硅）的复合介质衬底；在足以将所述基质材料而非颗粒材料烧蚀的 能量密度下激光烧蚀复合衬底的表面，以形成具有比所述复合衬底的表面更大面积的烧蚀 面；以及将所述材料沉积在所述烧蚀面上，其中将所述材料粘合至烧蚀衬底的强度大于将 所述材料粘合至未烧蚀衬底的强度。用于沉积的示例金属是金，本方法还可包括在沉积金 之前施加粘合剂层。
[0012] 本发明的优点将在下面的说明中部分给出，部分将从本说明中显然可见，或者可 通过实践本发明了解到。本发明的优点将借助于在所附权利要求中具体给出的元件和组合 被实现和获得。应理解的是，正如已声明的，上述的概括说明和下面的详细说明都仅是示例 性和解释性的，不意在限制本发明。
【附图说明】
[0013] 图1是一个举例示意的压电堆的横截面图（未按比例示出），示出了 ：PZT层；地电 极层，其安装至PZT层的顶面的一部分并且向外延伸超出PZT层的纵向边缘；第一和第二匹 配层，其安装在地电极层的顶面的一部分上；透镜；第四匹配层，其安装至透镜的底面；第 三匹配层，其安装至第二匹配层的顶面和第四匹配层的底部的一部分；以及介质层，其位于 换能器的非活性区域下方。还示出了形成在地电极层的顶表面上的多个隔离物，所述隔离 物相对于PZT层的顶面向上延伸预定距离，使得第四匹配层的底面可位于相对于PZT层和 居间的第一和第二匹配层的预期距离处。
[0014] 图2是一个示例透镜的示意性横截面图（未按比例示出）。
[0015] 图3是图1的PZT堆的示例横截面图，示出了换能器的活性区域和非活性区域。 [0016]图4是被示为安装至支持构件的完整的PZT堆的横截面图，并且示出了背衬层和 介质层。所述信号电极（该信号电极未在此处示出，但是其覆盖了阵列元件和相应柔性电 路之间的介质层的一些部分）可操作地将柔性电路结合至PZT堆中限定的具体阵列元件， 地电极电结合至相应的柔性电路的地。
[0017] 图5是PZT堆的顶部的俯视图，其中所示的匹配层1和2相附着。
[0018] 图6是PZT堆的顶部的俯视图，其中一个铜箔使用导电粘合剂安装至该PZT堆。尽 管所示的箔片延伸超过PZT堆的方位长度，但这两个末端薄片最终会在接下来的制造步骤 中被去除。
[0019] 图7是图6的PZT堆的顶部的俯视图，其中所述铜箔的末端薄片已被去除。
[0020] 图8是安装有透镜的PZT堆的顶部的俯视图。
[0021] 图9是PZT堆的顶部的俯视图，其将透镜示为透明层以便观察下方的层的校准，以 及所述铜箔、隔离物以及透镜的曲率半径的相对校准和定位。
[0022] 图10是在PZT堆已被磨合（lap)以实现最终目标厚度之后、且即将与柔性电路集 成以形成阵列组件的PZT堆的示意性横截面图。在本实施方案中，所述堆的其余层在以后 被完成。
[0023] 图11是将被机械加工进PZT堆的示例 切口图案的示意图。在这方面，较长的线代 表在阵列元件之间的第一切口槽，较短的线代表第二切口槽，即，子方块（sub-dice)切口。
[0024] 图12A和12B是用于供图10的PZT堆使用的支持构件的示意性俯视图和立体图， 示出第一纵向延伸的侧边缘部分和相对的第二纵向延伸的侧边缘部分，每个侧边缘部分具 有各自的内表面和相对的外表面，其中第一和第二纵向延伸的侧边缘部分的各自内表面的 一部分被配置如下，使得电路板一一诸如，例如但不意在限制，柔性电路板一一的远端部分 可与其连接，其中所述支持构件在各自的第一和第二纵向延伸的侧边缘部分之间具有一个 中间部分，该中间部分限定了一个居于中心的、纵向延伸的开口，其中图10的PZT堆被配置 安装在支持构件的中间部分的一部分上。
[0025] 图13是被示为粘合至图10的PZT堆的图12A和12B的支持构件的示意性横截面 图。
[0026] 图14是具有PZT堆固定安装于其中的支持构件的示意性仰视图，示出了被激光 切割进支持结构、并且相对于各自的阵列切口布置的柔性校准特征（feature)。一方面，右 侧的柔性校准特征相对于左侧的特征偏离如下一段距离，该距离基本等于阵列的间距（Pi tch)。还示出了 一个放大的俯视图。
[0027] 图15是具有PZT堆固定安装于其中的支持构件的示意性仰视图，示出了柔性电路 对相对于阵列切口校准的情况。红色条纹代表在柔性电路的顶侧上的铜迹线。
[0028] 图16是以芯片方式被接合（be die attached to)至两个柔性电路之后的PZT堆 的示意性横截面图。
[0029] 图17是示出施加的介质层的示意性横截面图。
[0030] 图18是所完成的介质层的示意性横截面图。在这方面，介质层限定了阵列的高度 尺寸并且在实现信号电极的沉积方面提供了从柔性电路到所述堆的平滑过渡面。
[0031] 图19是信号电极层的信号电极图案的示意图。在本示例中，橙色条纹代表已被去 除的电极，红色条纹代表每个相应柔性电路的引线框（Ieadframe)。在本示意图中，示出了 在每个柔性电路上方和下方的附加电极图案。
[0032] 图20是对于示例256元件换能器的全信号电极图案的示意图。青色方框限定了 PZT堆的活性区域，粉色方框限定了总括信号电极（blanket signal electrode)的周界。 激光修整（橙色）延伸超过Au周界，使得每个信号电极都被绝缘。
[0033] 图21是示出应用背衬材料的示意性横截面图。
[0034] 图22A和22B是在沉积信号电极图案之前，安装在支持构件上的阵列组件的示意 性横截面图。图22A代表在将柔性电路进行接地之前的阵列组件，图22B代表了进行接地 使得完成信号回路之后的阵列组件。
[0035] 图23是示出连接至示例PZT堆的一对柔性电路的示意图。在一个示例实施方案 中，示出了组件的引脚1 (即，元件1)，其连接至阵列组件左侧的柔性电路。在本非限制性实 施例中，阵列组件左侧的柔性电路连接至奇数元件，阵列组件右侧的柔性电路连接至偶数 元件。
【具体实施方式】
[0036] 本发明在于用于制造电气部件诸如超声换能器的方法。具体而言，本发明提供了 在表面上沉积材料诸如金属的方法；图案化电极的方法，例如在将超声换能器连接至电路 的部件方面；以及为超声换能器制造集成匹配层的方法。本发明还在于由此处描述的方法 制造的超声换能器。
[0037] 沉积材料
[0038] 本发明提供了用于使材料附着至表面一一例如金属薄膜或诸如环氧树脂的粘合 剂一一的改进方法。本方法还涉及使用复合材料的衬底。所述复合材料包括基质材料和颗 粒材料，所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低激光能量密度下被烧蚀。当该衬底在合 适能量密度下烧蚀时，基质材料被去除，但是颗粒材料得到保留，除非包围所述颗粒的所有 基质材料都被去除。该方法得到的是，一个由基质和部分暴露的颗粒材料相结合形成的高 度三维的表面。相比于未烧蚀的表面，该新形态的表面区域极大地增加。然后将材料诸如金 属或粘合剂沉积到烧蚀后的表面上，由于烧蚀形成的形态，粘附力增加。增加的粘附力优选 允许选定区域内的材料稍后烧蚀，而不使未烧蚀区域中的材料分层。示例的基质材料是聚 合物诸如环氧树脂，示例的颗粒材料是二氧化硅和碳化硅。用于沉积的示例金属是金。如 本领域所知的，对于某些金属，诸如金，粘合层一一例如包括铬的粘合层也可被沉积。此处 提供了本方法的条件和用途的实施例。
[0039] 电极图案化
[0040] 本发明还提供了用于图案化电极的方法。本方法可被用于将能够耐得住镀金属 法步骤（最高温度约60°C -70°c之间）的任意电气部件直接连接至柔性或其他电路板类 型的部件。本方法可被用于沿X，Y和Z方向，于mm规模的路程上制造小于5 μπι的特征 (feature)〇
[0041] 通常，本方法包括提供需要电极图案化的电气部件。所述部件被涂覆以材料，诸如 上述的复合材料。该涂层被常规地烧蚀，并按照电极的预期图案被选择性去除。接下来将 导电金属层沉积在烧蚀后的表面上。然后将抗蚀剂应用在金属层上。因为所述涂层按照电 极图案被去除，其中在涂层被去除处所施加的金属被沉积在槽或沟中。这些槽或沟被注满 抗蚀剂，导致形成高出电极图案的更厚的抗蚀剂层。接下来从不构成电极图案部分的区域 中去除所述抗蚀剂，并蚀刻所述金属。然后将这些区域中任何剩下的金属和涂层烧蚀。最 后，所述抗蚀剂可被去除，形成电极图案。如此处更加详细描述的，电气部件的一部分-- 例如，换能器的切口槽中的填料--会被烧蚀以形成相对于图案化电极的凹陷。接下来可 使用在相对高能量密度下在这些凹陷中的烧蚀，以去除先前步骤后留下的无关金属。所述 凹陷保护图案化电极免受烧蚀的副作用（其原本可能会导致分层）的影响。
[0042] 本方法的一个示例用途在于制造与阵列超声换能器的电连接。阵列的每个元件 一般都连接至一个同轴电缆。在高频（例如，20MHz及以上）时，构成阵列的元件一般都太 小且易损，因而不适于常规的引线接合法（其通常需要至少约75 μπι)。另外，引线接合法 所需的热聚集（thermal budgets)也会成为问题。对于高频换能器，湿蚀刻也会无效，这 是由于热聚集而无法对抗蚀剂进行硬烤（hard bake)，因为抗蚀剂会在去除金属之前就融 解。电极的激光烧蚀也会成问题，因为薄膜可被去除，但是频繁破裂，以及提供抗裂性的较 厚膜（> 约6000埃）由于激光烧蚀中的金属的溅射，倾向于短路。此外，烧蚀过程可能会 造成电极的附带损害。然而，本发明的方法可被用来制备与阵列的多个元件的多个电连接， 所述阵列例如具有40 μm或更小（例如，小于25 μm)的间距，以及小到16 μm宽的子元件 (sub-element)〇
[0043] 可结合本发明用于烧蚀的激光器是短波激光器诸如KrF受激准分子激光器系统 (具有例如约248nm波长）或氟化氩激光器（具有例如约193nm波长）。另一方面，用于切 割压电层的激光器是短脉冲长度激光器。例如，可以使用被修改为发射大约ps到fs的短 脉冲长度的激光器。可使用具有大约0-20J/cm2的能量密度范围的KrF受激准分子激光器 系统（具有大约248nm波长的UV光）。可在低于去除导电材料所需的能量密度下去除抗蚀 剂（例如，小于〇.8J/cm2)。当希望如此处所述通过烧蚀来去除残留的导电金属、粘合层以 及复合材料时，能量密度可在〇. 8-1. OJ/cm2之间。较高能量密度一一例如，高达5J/cm2-一 下的烧蚀可被用来去除位于凹陷中的复合材料（以及位于其下的部分电气部件）。
[0044] 此处提供了本方法的条件和用途的进一步实施例。
[0045] 集成匹配层
[0046] 本发明在于用于制造集成匹配层的方法。对于高频应用，用于聚焦超声阵列的透 镜通常被制造为一个分立的部件，其必须附着至换能器。在高频下，使用粘合剂附着透镜很 复杂，因为对于20MHz，需要将任一粘合线减少至小于大约1 μ m，对于较高频，则需要减少 至较薄。产生这样的粘合线存在以下挑战：i)当粘合剂中的基本球形的小空隙被挤平时， 产生大空隙。这样的空隙可能由任一个表面上的潮湿问题造成，或者由粘合剂中截留的小 空隙造成。ii )将粘合线挤压成这样的尺寸会干扰分子在粘合剂中的迀移率并降低性能。 iii)为了将粘合线压至合适尺寸，必须将位于粘合在一起的两个部分之间的多余的粘合剂 从中挤压出。随着粘合厚度减少，克服粘合剂内的剪切力所需的力随着粘合厚度非线性增 加，并且会迅速超出所述堆和/或透镜材料可接受的力预算。为了确保粘合线对所述堆没 有不利影响，本发明提供了一种将粘合线制造进匹配层的方法。本方法消除了对于超薄层 的需要，从而摆脱了上述顾虑。
[0047] 本方法利用了施加在换能器周界的、并继而被磨合以实现集成匹配层的预期最终 高度的隔离物。然后通过将透镜（以及附着至透镜的任意匹配层）和隔离物所附着至的 表面之间的粘合剂进行熟化来制造匹配层。如果在粘合剂中使用颗粒例如用于调整声阻 抗，可使用纳米颗粒掺杂质以确保所形成的未熟化的胶能够以不超出少量微米的误差被 向下压到隔离物上（由于颗粒被限制在隔离物的顶部和透镜的底部之间）。希望隔离物 非常小以使限制的粉末最少化，但是又得大到足以被准确磨合至一个高度，其直径例如约 0. 25-0. 75mm。在预期频率范围内，该方法所需的夹紧力非常小，因为粘合线相对较厚，例如 在5-25 μ m之间。此处提供了本方法的条件和用途的实施例。
[0048] 对换能器的综述
[0049] 还将围绕可使用此处描述的方法而制造的超声换能器来进一步描述本发明。换能 器堆的部件，包括压电层、匹配层、透镜以及背衬层在本领域是公知的，并被描述在美国专 利No. 7, 230, 368、美国公开文本No. 2007/0222339、美国公开文本No. 2007/0205698以及美 国公开文本No. 2007/0205697中。
[0050] -方面，超声换能器包括一个堆，该堆具有第一面、相对的第二面以及延伸在二者 之间的纵向轴线Ls。所述堆包括多个层，每层都具有顶面和相对的底面。一方面，所述堆的 多个层包括压电层和介质层（其可如此处所述被沉积并被图样化）。一方面，所述介质层连 接至压电层的至少一部分并位于其下面。
[0051] 所述堆的多个层还可包括地电极层、信号电极层、背衬层，以及至少一个匹配层。 附加的层的切面可包括但不限于暂时性保护层（未示出）、声透镜、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（未示 出）等。
[0052] 所述压电层可由各种材料制成。例如，形成压电层的材料包括陶瓷、单晶体、聚合 物和共聚物材料、具有〇-3、2-2和/或3-1连接性（connectivity)的陶瓷-聚合物和陶 瓷-陶瓷复合物等。在一个实施例中，压电层包括锆钛酸铅（PZT)陶瓷。
[0053] 所述介质层可限定所述压电层的活性区域。所述介质层可被应用至所述压电层的 底面。一方面，所述介质层不会覆盖所述压电层的整个底面。一方面，所述介质层限定一个 开口或间隙，其沿着与所述堆的纵向轴线基本平行的方向延伸第二预定长度。所述介质层 中的开口优选与压电层的底面的中心区域对准。所述开口限定阵列的高度尺寸。一方面， 阵列的每个元件都具有相同的高度尺寸，且开口的宽度在如下的压电层区域内是恒定的， 该区域被保留用于已形成切口槽的器件的活性区域。一 方面，介质层中的开口的长度可沿 着基本垂直于所述堆的纵向轴线的轴线方向以预定方式变化，最终形成阵列元件的高度尺 寸的变化。
[0054] 介质层和压电层的相对厚度以及介质层和压电层的相对介电常数限定了所施加 的电压在两个层上被分割的程度。在一个实施例中，电压可被分割为介质层占90 %、压电层 占10%。可以设定，可改变在介质层和压电层上的电压分割比率。在其下面没有介质层的 压电层部分中，施加电压的整个大小都在压电层上。这部分限定了阵列的活性区域。在这 方面，介质层允许了使用比活性区域更宽的压电层，并且允许了在活性区域中制造切口槽， 并允许切口槽以一种方式延伸超出该区域，使得即阵列元件和阵列子元件被限定在活性区 域中，但是在顶面上保持共同的地。
[0055] 在堆中限定了多个第一切口槽。每个第一切口槽在堆内延伸预定深度，且沿基本 平行于所述堆的纵向轴线的方向延伸第一预定长度。所述第一切口槽的"预定深度"可遵 照如下预定深度轮廓（profile)，该轮廓根据第一切口槽的相应长度上的位置而变。每个第 一切口槽的第一预定长度至少与介质层所限定的开口的第二预定长度一样长，且比沿基本 平行于所述堆的纵向轴线的纵向方向的位于所述堆的第一面和相对的第二面之间的纵距 要短。一方面，多个第一切口槽限定了多个超声阵列元件。
[0056] 所述超声换能器还可包括多个第二切口槽。在这方面，每个第二切口槽在堆内延 伸预定深度，且沿基本平行于所述堆的纵向轴线的方向延伸第三预定长度。第二切口槽的 "预定深度"可遵循如下预定深度轮廓，该轮廓根据第二切口槽的相应长度上的位置而变。 每个第二切口槽的长度至少与介质层所限定的开口的第二预定长度一样长，且比沿基本平 行于所述堆的纵向轴线的长度方向的位于所述堆的第一面和相对的第二面之间的纵距要 短。一方面，每个第二切口槽相邻于至少一个第一切口槽。一方面，多个第一切口槽限定了 多个超声阵列元件，多个第二切口槽限定了多个超声阵列子元件。例如，对于一个如下的阵 列：该阵列中，两个相应的第一切口槽之间有一个第二切口槽，每个阵列元件具有两个阵列 子元件。对于每个阵列元件具有两个子方块元件的64-元件阵列来说，制造129个相应的 第一和第二切口槽以制造128个压电子元件，其构成阵列的64个元件。可以设定，对于较 大阵列可增加该数字。对于没有子方块的阵列，对于具有64个和256个阵列元件的阵列结 构可分别使用65个和257个第一切口槽。一方面，第一和/或第二切口槽可被注满空气。 在替代方面，第一和/或第二切口槽也可被注满液体或固体，诸如，例如聚合物。
[0057] 因为第一切口槽和第二切口槽都不延伸进所述堆的相应第一面和第二面中的任 一个，即，所述切口槽具有中间长度，所形成的阵列元件被位于所述堆的相应第一面和第二 面附近的所述堆的毗邻部分支撑。
[0058] 所述堆的压电层可在如下频率共振，即，相对于电流诊断成像频率标准（current clinical imaging frequency standards)被认为是较高的频率。一方面，压电层在大约 30MHz的这一中心频率处发生共振。在其他方面，压电层在处于大约10-200MHZ之间、优选 处于大约20-150MHZ之间、以及更优选处于大约25-lOOMHz之间的一中心频率下共振。
[0059] 多个超声阵列子元件中的每一个都有大约0. 2-1. 0的宽高比，优选大约0. 3-0. 8 之间，更优选大约0.3-0. 7之间。一方面，对于压电元件可以使用小于约0.6的宽高比。该 宽高比以及由此产生的几何形状有助于将阵列元件的横向共振模式与用于产生声能的厚 度共振模式分开。因此，所给出的宽高比被配置用于防止压电条内的任何横向共振模式干 扰首要的厚度模式共振。如本领域技术人员所能理解的，类似的横截面设计可被考虑用于 其他类型的阵列。每个阵列元件可包括至少一个子方块切口，使得每个阵列元件将实际上 包括两条或更多的条，其中属于每一个各元件的所有条的信号电极一起电短路。
[0060] 压电条的宽高比还会影响阵列元件的方向性（directivity)，即，宽度越窄，方向 性就越低，并且阵列的转向角（steering angle)就越大。对于具有大于约0.5 λ的间距的 许多阵列而言，针对驱动元件的小孔产生的栅瓣（grating lobes)的振幅将增加。PZT条的 各种示例宽高比可包括但不限于：
[0061]
[0062] 第一和/或第二切口槽可被空气或液体或固体一一诸如聚合物一一填充。填充物 可以是如下低声阻抗材料，即，将阵列结构内的相邻压电条之间的机械耦合（coupling)最 小化的低声阻抗材料。如果选定，低声阻抗材料可具有在压电条的带宽之外的声响应以避 免与压电条的任何不想要的耦合。应理解，填充物的选择会影响阵列元件的有效宽度，即， 阵列元件的有效宽度将会由于元件之间的任何机械耦合而等于或大于阵列元件的实际宽 度。而且，随着有效宽度增加，阵列元件的方向性将稍微增加。例如，但不意在限制，Epotek 301和/或301-2环氧树脂等可被用做切口填充物材料。
[0063] 使用多个第一和第二切口槽，通过"子方块"形成子元件是一种如下技术，其中 两个相邻的子元件被一起电短路，使得所述一对短路的子元件如同阵列的一个元件一样 工作。对于指定的元件间距一一其是第一切口槽形成的阵列元件的中心与中心之间的间 隔一一子方块允许实现提高的元件宽高比，使得元件内不想要的横向共振被调整到器件运 行的预期带宽之外的频率。
[0064] 一方面，所述堆的压电层具有大约7. 5-300微米的间距，优选大约10-150微米，更 优选大约15-100微米。在一个实施例中，且不意在限制，对于30MHz的阵列设计，对于1. 5 λ 所形成的间距是大约74微米。
[0065] 在高频下，当阵列元件的宽度和切口槽的宽度按比例缩小至1-10微米量级时，在 阵列制造中希望制造窄的切口槽。缩小切口槽可使阵列的间距最小化，使得在阵列器件的 正常运行中，能量的栅瓣的影响可被最小化。而且，通过将切口槽变窄，对于指定阵列间距 而言，通过去除尽可能少的压电层，元件强度和灵敏度被最大化。使用激光加工，压电层可 被图案化以细小的间距并保持机械完整性。
[0066] 如上指出的，多个层还可包括信号电极层和地电极层。所述电极可通过施加金属 化层来限定，所述金属化层覆盖介质层和压电层的暴露区域。如本领域技术人员可以理解 的，所述电极层可包括任意金属化表面。可以使用的电极材料的非限制性实施例是镍（Ni)。 不进行氧化的较低阻抗（在I-IOOMHz下）的金属化层可通过薄膜沉积技术诸如溅射（蒸 发、电镀等）被沉积。Cr/Au组合（分别为300/3000埃）是一个这样的较低阻抗的金属化 层的示例，但是也可使用较薄和较厚的层。铬被用作金的界面间粘合层。如本领域技术人 员清楚的，可以设定，可使用在半导体和微制造领域中公知的其他惯用的界面间粘合层。信 号电极可如此处所述被图案化。
[0067] 所述堆的多个层还可包括至少一个匹配层，所述匹配层具有顶面和相对的底面。 一方面，所述多个层包括两个这样的匹配层。第一匹配层的底面的至少一部分可连接至压 电层的顶面的至少一部分。如果使用第二匹配层，第二匹配层的底面的至少一部分连接至 第一匹配层的顶面的至少一部分。所述匹配层能至少与介质层中所限定的开口在基本平行 于所述堆的纵向轴线的长度方向上的第二预定长度一样长。此处描述了用于制造集成匹配 层的方法。
[0068] 匹配层的厚度通常等于处于器件的中心频率下的声音在匹配层材料本身内的波 长的大约1/4。这些匹配层的具体厚度范围取决于对这些层的选择、这些层的具体材料特性 以及器件的预期中心频率。在一个实施例中，且不意在限制，对于聚合物基的匹配层材料， 在30MHz下，其优选厚度值为约15-25 μ m。
[0069] -方面，匹配层的声阻抗可在8_9Mrayl之间；另一方面，该声阻抗可在3-10Mrayl 之间；再一方面，该声阻抗可在l-33Mrayl之间。
[0070] 所述堆的多个层还可包括一个背衬层，其具有顶面和相对的底面。一方面，背衬层 基本填充介质层所限定的开口。另一方面，背衬层的顶面的至少一部分连接至介质层的底 面的至少一部分。又一方面，介质层的基本所有底面都连接至背衬层的顶面的至少一部分。 再一方面，背衬层的顶面的至少一部分连接至压电层的底面的至少一部分。
[0071] 所述匹配层和背衬层可选自声阻抗位于空气和/或水的声阻抗与压电层的声阻 抗之间的材料。另外，如本领域技术人员可以理解的，环氧树脂或聚合物可与各种组分和各 种比例的金属和/或陶瓷粉末混合，来制造具有各种声阻抗和声衰减的材料。在本公开文 本中，可以设定任意这样的材料的组合。匹配层的选择范围从1-6分立层到一个逐渐变化 的层，背衬层的选择范围从0-5分立层到一个逐渐变化的层，所述选择改变了某一具体中 心频率下的压电层的厚度。
[0072] -方面，换能器的背衬层可被配置使得当压电元件被电激发或者在接收模式运行 时，朝向背衬层向下传播的声能被背衬材料吸收以避免在超声换能器堆的厚度内任何不必 要的声反射。一方面，为了影响对进入背衬材料的声能的预期吸收，具有高的声衰减的单一 背衬材料被配置得足够厚使得该层像无限厚的层一样起作用。如果设定了不止一种背衬材 料，为了以任意方式调节换能器的带宽和/或特征频率响应，则相应地选择声阻抗。在一个 示例方面，背衬层可包括掺杂粉末的环氧树脂。
[0073] -方面，透镜可被布置为与堆的最上层的顶面处于基本覆盖配准（overlying registration)。所述透镜可被用于将声能聚焦。所述透镜可由本领域技术人员所能知晓的 聚合物材料制成。在一个优选方面，所述透镜可由与水良好匹配且具有低声损耗的材料制 成。例如，具有三个平坦侧面和一个曲面的预形成或预制造的Rexolite块可被用作透镜。 曲率半径（R)是由声透镜的预期焦距决定的。例如但不意在限制，所述透镜可通过利用计 算机数字控制设备、激光加工、模制等被常规地成型。一方面，曲率半径足够大使得曲率宽 度（WC)至少与介质层所限定的开口一样宽。示例的透镜材料是聚甲基戊烯（例如，TPX? )以及交键的聚苯乙烯（例如，Rexolite?)。
[0074] RexoI ite中的声速大于水中的声速，因此，透镜由凹面制成。透镜的曲率半径限定 了阵列的升高的焦深。对于IOmm的焦距，曲率半径（R) =3. 65mm。再一方面，透镜的最大 曲率深度可被最小化以避免在成像过程中使用的声凝胶中截留有空气包（air pocket)。又 一方面，透镜最薄的横截面部分可以被制得尽可能薄，使得在透镜的正面形成的内部声反 射暂时保持接近主脉冲。又一方面，透镜的最薄的横截面部分可以足够厚以通过BF和/或 CF等级的IEC患者泄露电流测试。在另一方面，透镜的曲率可延伸超出阵列的活性区域，以 避免由于透镜边界不连续性所导致的任何不希望的衍射。示例Rexolite透镜的示例焦深 和曲率半径为：
[0075]
[0076] 在一个优选方面，透镜的最小厚度基本位于介质层所限定的开口或间隙的中心的 上方。而且，曲率宽度大于介质层所限定的开口或间隙。一方面，透镜的长度可大于切口槽 的长度，以允许一旦将透镜安装在换能器器件的顶部上面，所有的切口槽都被保护并密封。
[0077] 至少一个第一切口槽可延伸穿过或进入至少一个层，以达到其在堆中的预期深度 /深度轮廓。所述堆的层中的一些层或全部层可被基本上同时切穿或切入。这样，多个所述 层可被基本上同 时选择性地切穿。此外，正如本领域技术人员可以明了的，一些层可被同时 选择性地切穿，而另一些层可随后在多个时刻被选择性地切穿。一方面，至少一个第一和/ 或第二切口槽的至少一部分延伸至如下预定深度，该深度是从压电层的顶面到压电层的底 面的距离的至少60% ;以及至少一个第一和/或第二切口槽的至少一部分可延伸至如下预 定深度，该预定深度是从压电层的顶面到压电层的底面的距离的100 %。
[0078] 至少一个第一切口槽的至少一部分可延伸进入介质层预定深度，且一个第一切口 槽的至少一部分还可延伸进入背衬层预定深度。如本领域技术人员会明了的，进入背衬层 的预定深度可从〇微米变化到等于或大于压电层自身的厚度。利用激光实施穿过背衬层的 微加工可在相邻元件之间的绝缘方面提供显著改进。一方面，一个第一切口槽的至少一部 分延伸穿过至少一个层，并延伸进入背衬层预定深度。如此处所述，进入背衬层的预定深度 可变化。与同一相应切口槽的另一部分的预定深度相比，或与沿其纵向方向基本平行于所 述堆的纵向轴线的另一个切口槽的至少一部分的预定深度相比，至少一个第一切口槽的至 少一部分的预定深度可变化。另一方面，至少一个第一切口槽的预定深度可比至少一个另 一切口槽的预定深度更深。
[0079] 如上所述，至少一个第二切口槽可如上文针对第一切口槽所描述的一样，延伸穿 过至少一个层达到其在所述堆中的预定深度。第二切口槽可如上文针对第一切口槽所描述 的一样延伸进入或穿过所述堆的至少一个层。如果所述堆的各个层被单独切割，所述堆的 给定层中的每一个切口槽，无论第一切口槽还是第二切口槽都会基本与位于其相邻层中的 相应槽覆盖配准。
[0080] 换能器还可包括一个支持构件，从而为换能器的各种部件提供机械支撑，并且在 制造过程中提供辅助。
[0081] 现在将围绕图1-23中大体示出的换能器配置描述本发明。超声换能器包括堆 800,所述堆具有第一面802、相对的第二面804,以及在二者之间延伸的纵向轴线Ls。所述 堆具有多个层，每个层具有顶面828和相对的底面830。所述堆的多个层包括例如压电层 806、介质层808,以及多个匹配层。所述介质层可连接至压电层的至少一部分并位于其下 面。在一个实施例中，所述多个匹配层包括在堆中的四个匹配层。
[0082] 所述堆的多个层还可包括地电极层810、信号电极层812和背衬层814,所述地电 极层被布置在压电层的顶面上。
[0083] 如图1和图3中所示，换能器堆限定了一个活性区域和一个非活性区域，其中一 个介质层被提供在地电极的下方，所述地电极充当电势分割器并限制施加在压电层上的电 压。在附图中，所述堆包括活性区域中的以下各层（从上到下）：
[0084]
[0085] 在非活性区域，所述堆换能器包括以下各层（从上到下）：
[0086]
[0087]
[0088] 压电层806可由各种材料制成。例如但不意在限制，形成压电层的材料可包括陶 瓷、单晶体、聚合物和共聚物材料，具有〇-3、2-2和/或3-1连接性的陶瓷-聚合物以及陶 瓷-陶瓷复合物，诸如此类等。在一个实施例中，压电层包括锆钛酸铅（PZT)陶瓷。
[0089] 如图6-7中所示，相应的第一和第二地电极的内缘可具有如下锯齿状或阶梯状设 计，其有助于在地电极粘合至压电层时帮助避免任何故障线（fault lines)。又一方面，相 应的第一和第二地电极的外缘被配置为延伸越过压电层的相应的纵向面边缘，使得它们可 如所预期地被布置为与电路板电通信以形成预期的接地。从而，一方面，地电极层的一部分 一般保持暴露以允许信号地可从地电极被连接至电路板。
[0090] 再一方面，相应的第一和第二地电极的内缘彼此间隔开一个如下距离，该距离足 以使相应的第一和第二匹配层被顺序安装在相应的第一和第二地电极的内缘之间的压电 层的顶面上。在这方面，第一和第二匹配层816、826的纵向延伸边缘可与相应的第一和第 二地电极的内缘间隔开。可选地，可提供多个隔离物，使其位于如所述堆的活性区域所限定 的声场的外侧，处于相应的第一和第二地电极的顶面的一部分上。每个隔离物900相对于 压电层的顶面向上延伸预定距离，使得第四匹配层846的底面可相对于压电层和居间的第 一和第二匹配层位于预定距离。在这方面，一个隔离物可位于或形成在相应的第一和第二 地电极的锯齿状内缘的向内延伸部分上。一方面，一旦完成所述堆的装配，由所述隔离物 900形成的间隔等于所述堆的第三匹配层836的厚度。可以设定，所述隔离物可由可被磨合 成或构造至目标厚度的任意材料制成。
[0091] 在一个示例方面，介质材料包括掺杂二氧化娃的Epotek 301环氧树脂，其具有 大约为4的较低的相对介电常数，并且当介质表面被低能量密度的UV光和/或等离子体 处理时，其可对溅射的金提供强粘附。又一方面，介质的厚度可至少为l〇ym，优选至少 10 μ m，更优选至少20 μ m。可选地，介质层的边缘可相对于横截面倾斜，以提供一些变迹 (apodization)并帮助抑制高度上的旁瓣（side lobe)。倾斜的具体形状可由本领域技术 人员基于对超声波的预期影响来选择。另一方面，限定阵列的高度尺寸的掺杂环氧树脂介 质层中的间隙的宽度可优选在大约0. 5mm-3. 5mm之间，更优选在大约0. 75mm-3. Omm之间， 最特别地在I. 〇__3. Omm之间。
[0092] 所述堆的多个层还可包括至少一个匹配层，该匹配层具有一个顶面和相对的底 面。又一方面，每个匹配层的声阻抗可被配置使得声阻抗从压电层上方的第一匹配层至正 好位于透镜下面的顶部匹配层单向减少。在一个示例方面，匹配层中的至少一个层是聚合 物基的。还可以设定所有的匹配层都是聚合物基的。再一方面，示例的多个匹配层可形成 不具有可察觉的相位中断的基本平滑的脉冲响应。脉冲响应的平滑性质意味着在时间和换 能器的频率响应之间存在着可预知的关系。
[0093] 在一个示例性给出的方面，多个匹配层包括四个这样的匹配层。在一个示例方面， 第一匹配层816的底面的至少一部分可连接至地电极层的顶面的至少一部分，所述地电极 层如上所述安装在压电层的顶面上。第二匹配层826的底面的至少一部分连接至第一匹配 层的顶面的至少一部分。第一和第二匹配层可以至少与介质层所限定的开口在基本平行于 所述堆的纵向轴线的长度方向上的第二预定长度一样长。
[0094] 如图8-9中所示，透镜809可被放置为与作为所述堆的最上面的层的匹配层的顶 面基本覆盖配准。在这方面，透镜是一个可被用于将声能聚焦的固定透镜。例如，一块预形 成或预制造的Rexolite--其可具有三个平坦的侧面和一个曲面--可被用作透镜。又一 方面，固定透镜809提供了一种用于在高度上进行聚焦的装置。透镜的厚度可比压电层或 匹配层更厚。
[0095] -方面，第四匹配层846的顶面粘合至透镜的底部平面。在其中透镜由Rexolite 制成的实施方案中，第四匹配层846可由氰基丙烯酸盐（CA)粘合剂制成，该粘合剂是一种 可被牢固粘合至Rexolite透镜的低声学材料，正如美国公开文本No. 2007/0205698中所描 述的。当然，可以设定，可使用能够被牢固粘合至预期透镜材料的任意低阻抗材料。又一方 面，优选的是CA层的底面一一即，第四匹配层一一粘合连接至第二匹配层的顶面。在这方 面，第四匹配层的底面坐于多个隔离物的顶面上，使得透镜可位于距第二匹配层预期距离 处/与第二匹配层间隔开预期距离。在这方面，粘合层将透镜粘合至所述堆。
[0096] 所应用的粘合剂层还可作为第三匹配层836,只要施加至透镜的底面的粘合剂 层在厚度上相对于波长是合适的（诸如，例如但不限于，在厚度上是波长的1/4)。在这 个实施例中，可以设定，选择粉末以及选定粉末浓度来调节声阻抗使其匹配预期的声学图 (acoustic profile)。本领域技术人员将明白Epotek 301环氧树脂、Epotek 301-2环氧 树脂以及诸如此类可被用作粘合剂层以形成所述的第三匹配层。Epotek 301环氧树脂在其 纯状态（pure state)下具有2. 9Mrayl的声阻抗，并且可被掺杂具有不同成分和大小的粉 末以形成0-3复合材料，所述材料可被配置为在控制声音的密度和速度上具有预期的声阻 抗。在这个示例方面，CA层充当作换能器的匹配层之一。从而，在一个非限制性实施例方 面，多个匹配层可包括一个CA层，三个位于下面的匹配层可包括装有粉末的Epotek 301环 氧树脂、Epotek 301-2环氧树脂以及诸如此类。
[0097] 再一方面，在将透镜安装到堆上之前，CA层和透镜可被激光切割，其有效地将阵列 切口（即，第一和/或第二阵列切口槽）一一以及在一方面，子方块切口或第二切口一一延 伸穿过两个匹配层（或者如果使用了两个匹配层的话）进入透镜。如果CA和透镜被激光 切割，可使用一个拾放机器（或者根据被粘合在一起的实际部件来设计具体尺寸和形状的 校准夹具）在堆的顶层的最上表面同时沿X和Y将透镜校准。为了激光切割CA和透镜，可 使用大约0. 5-5J/cm2的激光能量密度。
[0098] 在各种示例方面，阵列具有下列声设计特征：
[0099]
[0101] 实施例1-图案化电极
[0102] -个柔性电路被放置在一个相对于超声阵列平面成45度倾斜的平面上，所述柔 性电路的每个指状物（finger)与相应的阵列元件排成直线。两块柔性电路--阵列的每 一侧有一个一一相互错列，使得每个柔性电路是阵列的间距的两倍。所述柔性电路永久粘 附在这个位置。整个组件被填充二氧化硅颗粒的环氧树脂充满，所述环氧树脂覆盖所有的 柔性指状物。所述环氧树脂被塑形以形成在所有阵列上的平滑的内部轮廓，使得从一个面 到另一个面没有突然过渡。
[0103] 然后利用一个受激准分子激光器（例如，248nm)来选择性地暴露阵列的活性区 域一一通过使用一个不会烧蚀压电物质但是却可去除环氧树脂混合物的能量密度，从压电 的表面，例如，沿每个元件的PZT，去除颗粒/环氧树脂。在活性区域的每个元件之间留有切 口宽度的隆起（ridges)。然后从柔性指状物上去除环氧树脂混合物，暴露柔性电路的铜。 然后从每个元件到其相应的指状物之间形成沟（trenche)。溅射所述换能器，使整个内表面 覆盖Iym的金。可以使用任意本位金属（standard metal)。可使用一个络粘合层与金沉 积物相结合。环氧树脂混合物的激光烧蚀和压电的激光激活提高了金属的粘附力。
[0104] 将标准的正性光致抗蚀剂涂覆到金上。由于所述沟和隆起，所述抗蚀剂较厚地淤 积在沟内而在较高区域保持较薄。所述抗蚀剂可以允许被干燥但是不允许进行硬烤。使用 设置到非常低能量密度（大约〇.3J/cm2)的激光去除抗蚀剂而不损坏下面的金。这是重要 的，因为直接对金烧蚀一般会导致剩下的电极的间接损坏。在如此将电极负图案暴露在抗 蚀剂中之后，使用标准湿金蚀刻方法在高达50°C的稍高温度下将金蚀刻长达数分钟。这样 做的结果是将几乎所有的金向下移至Cr/Au合金区域，该区域仅是大约300埃厚。
[0105] 使用处于稍微较高能量密度--例如，大约0. 8J/cm2--的激光去除剩下的金 属。该能量密度将去除剩下的金属并在金层下的环氧树脂中形成沟。在其中切口小于5μπι 的活性区域，可使用第三、高能量密度通路（例如，处于大约3J/cm2)去除短路。使用0.8J/ cm2通路制成的沟充当由激光脉冲所导致的等离子体的导向装置，从而防止了可能会由于 初始使用高能量密度所导致的电极的间接损 坏。在最后一个激光器通路后，可使用短湿蚀 刻来清理激光切割边缘的毛刺。最后，通过在室温下在合适溶剂中进行溶解来去除抗蚀剂。
[0106] 实施例2 -使换能器与电路结合
[0107] 图4-23示出了制备上述换能器堆以及可操作地将换能器堆与电路板结合的方 法。在下文中所述的实施方案中的任一个实施方案可基本上用本发明的任意方法来实施。
[0108] 在第一步骤中，压电层一一其中有金属化的地电极层（未示出）结合至压电层的 顶面一一被初始地封阻，并且其底面被常规地磨合以实现第一预期厚度。一方面，第一预期 厚度一般不是最终厚度，而是允许对压电层继续操作的一个厚度。在第二步骤中，第一匹配 层816被应用至金属化地电极层的顶面的一部分，并且在熟化后，被磨合至目标厚度。同步 地，第二匹配层826被应用至第一匹配层的顶面的一部分并且接下来在熟化后被磨合至目 标厚度。一方面，第一匹配层和第二匹配层都基本位于压电层的中心并且在压电层的伸长 边缘之间的压电层的顶面上延伸。第一和第二匹配层816、826的纵向延伸边缘可与压电层 的纵向延伸边缘间隔开。
[0109] 接下来，将铜箔910--例如使用导电粘合剂--结合至金属化的地电极层的顶 面的一部分。如图6中所示，铜箔被布置为在周向围绕第一和第二匹配层。又一方面，铜 箔910--其限定相应的第一和第二地电极--也被布置使得相应的第一和第二地电极的 内缘与相应的第一和第二匹配层的纵向延伸边缘间隔开。又一方面，相应的第一和第二地 电极的向外的边缘向外延伸出压电层的纵向面，使得它们可在制造方法的接下来步骤中被 可操作地结合至电路板的地。再一方面，如附图中示出的，第一和第二地电极的内缘可具有 延伸出压电层的纵向面的锯齿状图案，使得相应的第一和第二地电极可沿着压电层的相应 的纵向面被容易地弯曲。如图7中所示，铜箔的相应末端接下来被去除，以将相应的第一地 电极和第二地电极物理地隔开。一方面，邻近的铜箔可用于将铜箔粘合至压电层。可选地， 单个的第一地电极和第二地电极可被单独安装至压电层，这将形成如图7中所示的相同结 构。所述第一和第二地电极有效地作为金属化的地电极层的延伸部。
[0110] 另一方面，为了从相应的第一和第二地电极的顶面实现一个支座（standoff)，将 多个隔离物900布置在相应的第一和第二地电极的顶面的多个部分上。所述多个隔离物 900可以是柱状物或点状物，它们分布在压电层的整个周界。又一方面，多个隔离物900可 被布置在与相应的第一和第二地电极的内缘相邻的所述相应的第一和第二地电极的顶面 的多个部分上。再一方面，所述多个隔离物可被布置在所述堆的活性区域外面，即，在所述 堆的非活性区域中。所述隔离物可由任意能够被磨合以实现预期目标厚度的常规材料制 成。
[0111] 第四匹配层846粘附结合至透镜809,并且接下来允许在被磨合以实现预期目标 厚度之前熟化。在一示例方面，所述透镜可包括Rexolite，第四匹配层可包括CA粘合剂。 又一方面，第四匹配层可被应用至Rexolite白板（blank)，并且可在将Rexolite白板加工 成透镜之前被磨合以实现预期目标厚度。
[0112] 参照图1和8-10,第四匹配层846位于多个隔离物的顶面上，以确保被用于粘合透 镜/第四匹配层的粘合剂将形成第三匹配层836,所述第三匹配层在粘合剂熟化时具有预 期的目标厚度。另一方面，粘合的透镜/第四匹配层可位于所述堆的基本中心与压电层形 成预期配准。
[0113] 现在参照图11，一方面，压电层的底面可在形成第一和第二切口槽之前被磨合以 实现预期厚度。所述第一和第二切口槽被形成达到堆中的预期深度。所述第一和第二切口 槽是从所述堆的底部在所述堆中加工形成的。一方面，所述第一和第二切口槽是使用大约 3-10J/cm2之间一一优选地大约5J/cm2-一的激光能量密度用激光加工进所述堆中的。该 激光能量密度足以形成在所述堆的压电层中希望得到的切口高宽比。
[0114] 而且，一方面，测针记号基准（pin marker fiducial)可，例如但不限于，通过激光 加工被描划在压电层的底面上。所述测针记号基准可以是例如至少一个标记，诸如多个十 字形记号。如果使用的话，所述测针记号可被用于在接下来的下游制造方法中将所述堆相 对于柔性电路正确定位。又一方面，所述测针记号基准应延伸进入压电层的底面一个深度， 该深度足以使得当压电层的底面被磨合以实现最终目标厚度时所述测针记号基准仍是可 见的。优选的是所述测针记号基准的蚀刻图案基本笔直向下延伸，使得当压电层的底面被 磨合时，测针记号基准的宽度不变。
[0115] 如图11中所示，又一方面，激光校准标记930可，例如但不限于，通过激光加工被 描划在压电层的底面上。所述激光校准标记930可以是至少两个标记，诸如两个十字形记 号，在所述堆的任一个末端有一个。如果使用的话，所述激光校准标记930可被用于在接下 来的下游制造方法中帮助所述堆的校准和/或配准。又一方面，校准标记应延伸进入压电 层的底面一个深度，该深度足以使得当压电层的底面被磨合以实现其最终目标厚度时所述 标记仍是可见的。优选的是所述激光校准标记的蚀刻图案基本笔直向下延伸，使得当压电 层的底面被磨合时，所述激光校准标记的宽度不变。
[0116] 可选地，所形成的第一和第二切口槽被如上所述填充，且填充材料允许熟化。接下 来，所述压电层的底面被磨合以实现其最终目标厚度，这导致如图10中所示的所述堆的横 截面图。人们应理解，在制造过程的这个阶段，介质层、信号电极层以及背衬层尚未形成。
[0117] 现在参照图12A和12B，示出了支持构件940的一个示例实施方案。所述支持构件 具有第一纵向延伸侧边缘部分942以及相对的第二纵向延伸侧边缘部分944,每个侧边缘 部分具有相应的内表面946和相对的外表面948,其中第一和第二纵向延伸侧边缘部分的 相应内表面的一部分被配置使得电路板--诸如柔性电路板--或电路板对（如图23中 所示）的远端部分可与其连接。可使用具有较少迹线（traces)的其他柔性设计。例如，可 需要更多柔性电路来相加构成总计256条迹线。支持构件还具有在相应的第一和第二纵向 延伸侧边缘部分之间延伸的中间部分，所述第一和第二纵向延伸侧边缘部分限定一个中心 的、纵向延伸开口。所述中间部分还向所述支持构件提供机械强度和完整性，这是必要的， 因为当所述支持构件被结合至所述堆时，其将提供机械支撑以防止所述堆在剩下的装配过 程中变形。一方面，第一和第二纵向延伸侧边缘部分942、944可被布置为相互之间成锐角， 或者，它们可被布置为相互之间基本平行或者相互之间共面。
[0118] 在一个示例方面，多个电路校准特征960--诸如图10-15中示出的示例刻痕 线一一被切入或者以其他方式常规地形成进支持构件的中间部分的底面的一部分中。在 这个方面，所述多个电路校准特征可被布置使得它们相邻于和/或延伸至相应的第一和第 二纵向延伸侧边缘部分和/或支持构件的开口。可以理解，多个电路校准特征允许将电路 板或电路板对的引线框（信号迹线）的远端部分相对于堆内切割的第一切口槽准确地定 位。可以设定，支持构件的开口的相对侧上的多个电路校准特征相互之间彼此偏离一个等 于换能器阵列的间距的距离，以允许在电路板或电路板对与阵列元件之间形成交互的信号 电极图案。一方面，可在将所述堆安装至支持构件之后的一个单独步骤中形成多个校准特 征960。或者，可在将所述堆固定安装至支持构件之前形成多个校准特征，只要所述支持构 件能够充分配准地被安装至所述堆。
[0119] 如图13中所示，换能器堆被固定安装至支持构件940的中间部分的顶面的至少一 部分，并且电路校准特征被形成使得所述电路校准特征被放置为与压电层的阵列开口相配 准。一方面，所述堆组件可粘附结合至支持构件。可以设定，一方面，所述多个校准特征960 可在将所述堆固定安装至支持构件之后的一个单独步骤中被形成在所述支持构件中。可选 地，所述多个校准特征可在将所述堆固定安装至支持构件之前被形成在所述支持构件中。
[0120] 电路板一一诸如图16中示出的柔性电路一一的远端的相应底面连接至第一和第 二纵向延伸侧边缘部分924、944的相应内表面946。一方面，可通过使用粘合剂--诸如CA 粘合剂--将柔性电路结合至支持构件。相应的柔性电路与多个电路校准特征960相配准 地被固定安装至第一和第二纵向延伸侧边缘部分的相应内表面，以确保相应电路板上的电 路与阵列换能器的切口校准达到小于约〇. 5间距公差内。
[0121] 如图17中所示，介质层（例如，如此处所述的复合材料）可被应用至阵列的底面 部分。在一个可选步骤中，基准标记可在应用介质层之前被掩盖掉。一方面，介质材料可延 伸以覆盖附接至支持构架的柔性电路或者柔性电路对的引线框。一方面，可以设定，如果希 望的话，介质材料可与介质材料分别被应用。又一方面，介质层的轮廓相对于压电堆的短 轴居中，并且其被配置使得位于压电层的底面上的介质层的厚度满足使压电层不起作用的 最小电学要求。另一方面，所述介质层可被配置使得从柔性电路到压电层的底面的面过渡 具有如下控制的横截面轮廓，该横截面轮廓在制备沉积信号电极层中没有尖锐的边缘或底 切。所述介质从零到目标厚度的过渡允许相对均匀厚度的临时共形涂层一一诸如，例如但 不意在限制，抗蚀剂材料一一被应用在总括信号电极层的顶部，这允许在接下来图案化信 号电极层的过程中使用光烧蚀平版印刷法。
[0122] 实际上，优选如图17中所示将介质层应用在压电堆的底部上，并且接下来使用低 能量密度的激光来整修去除活性区域中的电介质，并且形成如图18中所示的平滑过渡。这 样的低能量密度可安全且干净地去除介质材料而不会明显烧蚀金属氧化物粉末、PZT或者 柔性电路上的铜等金属。在以248nm运行的受激准分子激光器的非限制实例中，合理的能 量密度在0.5-1. 5J/cm2的范围内。如上所述，介质层中形成的开口限定了阵列的高度，并 且所述开口可具有下列特征：其可比第一和第二切口槽相对于压电堆的短轴的长度更窄， 和/或其可比多个第一切口槽相对于压电堆的长轴的长度更长。
[0123] 参照图19和20,信号电极层的图案化以及将其电连接至柔性电路或柔性电路对 可通过使用常规的封装技术完成，诸如，但不限于平版印刷法及引线结合法、各向异性导电 膜和带，或者在所述堆和所述柔性引线框之间的直接接触。然而，优选的是，通过使用多个 可以被推广至高于50MHz的频率的于最小封装轨迹体积内完成所述信号电极层的图案化 的步骤。一方面，通过下列基本步骤（下面将更加详细描述）制造信号电极：借助于激光光 烧蚀对电极进行表面制备；真空沉积总括信号电极并且将所述堆的底面短路至柔性电路的 所有迹线，即，将所述堆的256个阵列元件短路连接至柔性电路的所有256条迹线；以及结 合激光光烧蚀平版印刷术和化学蚀刻将绝缘的电极图案化为溅射金属。一方面，可以设定， 每个信号电极将由金（Au)制成，并且将是大约0.5-1. 5um厚；优选大约0.6-1. 2um厚，更优 选地大约0. 8-1. Oum厚。所述的金电极的厚度允许金如同肉眼可见的或大块金属层一样起 作用，并且具有预期的易延展和可卷曲的特性，这增加了器件的可靠性。
[0124] 可以明白，具有较小100埃厚度的Cr或Ti/W的薄层可被常规地用作粘附层，或者 镍铬合金被用作扩散屏障一一当沉积金电极时。常规地，这些附加层的厚度相对于金电极 非常薄，并且，在通过共同沉积将金属合金化的情况下，合金的数量不足以影响下述的信号 电极图案技术。可以设定，在描述信号电极的图案化时，其中包括了金属合 金的所有组合。
[0125] 在沉积信号电极之前，可使用激光以确保压电层的底部的预期部分被完全暴露， 没有残留的介质层覆盖住活性区域的压电层。而且，激光可将位于第一切口槽上方的介质 层图案化以形成升高的隆起。人们将明白在活性区域中的第一切口槽上方形成的隆起将帮 助减小应用在第一切口槽上的抗蚀剂的厚度，并允许抗蚀剂淤积在压电层上。这有助于提 供对信号电极的干净的切口图案化。
[0126] 另一方面，激光可被用于形成从阵列的每个活性元件延伸至其在柔性电路引线框 上的指定铜迹线的浅沟或凹陷通路。在介质中的从活性元件（active element)到柔性电 路的沟允许抗蚀剂淤积在其中，这帮助在图案化信号电极的过程中保护金。又一方面，激光 可被用在该步骤中以去除在相应的柔性电路的铜迹线上的介质材料并干净地暴露所述铜 迹线。
[0127] 可选地，激光可被用于在将要被信号电极覆盖的阵列换能器的部分上形成"不平 整的"有纹表面（textured surface)。所述有纹表面可帮助促进将信号电极金属粘附至表 面，如此处所述。
[0128] 对于示例的256元件换能器阵列，信号电极层形成由256个隔离信号电极构成的 信号电极图案。一方面，每个隔离的信号电极可在所述堆的活性区域中一一包括到介质层 的倾斜过渡--具有最小的电极间隙，所述最小的电极间隙大约与相邻的阵列元件之间的 第一切口槽的宽度一样宽。该电极间隙可从介质间隙的一侧延伸到另一侧并且优选基本直 接位于第一切口槽上。或者，在子方块切口，即第二切口槽之上不需要电极间隙，因为子方 块压电条如上所述被电短路在一起。另一方面，在介质层的顶部，通过去除在相邻于每个阵 列元件的两个电极间隙之间的金，每个隔离的信号电极的末端止于介质层上。如图19和20 中所示，对于每个相邻元件，末端图案从左到右交替并且匹配柔性电路引线框。又一方面， 末端图案从所述堆到柔性电路的延伸可被提供在介质的顶部以完成将每个信号电极与相 邻元件的绝缘。如人们将理解的，末端图案的延伸也可从左变化到右使得所述延伸落在柔 性电路上的两个相邻引线之间。
[0129] 在一个实施方案中，在将一个金层常规沉积到换能器的准备好的部分之后，使用 多步骤的激光烧蚀和蚀刻过程来形成复杂的信号电极图案。在一个示例方面，可使用常规 溅射技术来施加金层。在第一步骤中，应用抗蚀剂层以在所沉积的金层上获得基本均匀的 涂层。所述堆可被翻倒或摇动以帮助确保抗蚀剂涂层基本均匀。在这方面，可以设定，抗蚀 剂将被允许在基本室温下变干燥。在抗蚀剂的软烤温度以下的升高温度也是允许的，只要 该温度不超过所述堆的材料或构造所对应的热预算或限度（例如但不限于50°C)。在接下 来的步骤中，使用例如大约0. 3J/cm2的低能量密度的激光可仅将整个信号电极图案一一诸 如，例如整个256阵列元件信号电极图案--上的抗蚀剂光烧蚀。在接下来的步骤中，将信 号电极图案常规蚀刻以使所施加的金层变薄。非限制性地，该蚀刻步骤可通过将蚀刻材料 加温至32°C并且蚀刻3分钟来示例完成。
[0130] 接下来，激光可被基本应用在第一切口槽上以帮助去除仍然位于第一切口槽上的 任何残留金属中的大部分。而且，在该步骤中，可以设定，在相邻于压电层的底面的第一切 口槽内的填充材料的一部分将被去除。如人们将明白的，这样去除填充材料将在第一切口 槽内的填充材料中形成浅沟，所述第一切口槽延伸在压电层的底面的平面下。一方面，可以 设定，对于该烧蚀步骤激光将使用中间能量密度，即，大约0. 3-0. 8J/cm2之间。
[0131] 又一方面，可以设定，可在每个激光烧蚀步骤之后，实现将一普通激光以低能量密 度水平一一即，大约〇. 3到0. 4J/cm2之间一一从柔性电路以及其他潜在暴露区域上面越 过。激光的这样低能量密度的经过可帮助确保去除任何残留的、不希望的蚀刻后的溅射的 金。
[0132] 在一个可选的附加步骤中，激光可被另外以极小数量脉冲在高能量密度下施加在 第一切口槽和末端图案上以去除在信号电极形成过程的该阶段可能仍然存在的任何毛刺。 正如人们将理解的，先前形成的任何凹陷的特征可帮助保护沉积的信号电极免受在增加的 能量密度激光烧蚀过程中形成的等离子体羽辉（plasma plume)的侵害。
[0133] 如人们将理解的，在上述处理之后，将每个信号电极可操作地安装至换能器，并且 将其电连接至柔性电路的一个单独电路和一个单独阵列元件。或者，测试信号电极是否短 路使得可识别任意短路并且可完成目标重新工作以校正所识别的短路。
[0134] 或者，可执行一个附加的蚀刻步骤来清理信号电极图案的毛刺。非限制性地，这个 蚀刻步骤可通过将蚀刻材料加温至32°C并且蚀刻1分钟来完成。这个步骤可帮助去除任何 最后残渣，当应用背衬层时，所述最后残渣会存在导致短路的风险。最后，将抗蚀剂从换能 器/支持构件/柔性电路组件一一即，阵列组件一一中清除干净，并且再次对信号电极进行 短路测试，使得可识别任意短路并且可完成锁定的重复工作以修正所识别的短路。
[0135] 如图21中所示，应用背衬层以完成阵列组件。一方面，背衬层可被布置以覆盖并 延伸超出所述堆的活性区域。又一方面，背衬层可基本填充在支持构件的第一和第二纵向 延伸侧边缘部分的相应内表面之间的所述支持构件内限定的空腔。
[0136] 在一个附加步骤中并且参照图22A和22B，从所述堆到结合的柔性电路的信号返 回通路应在形成信号电极之前被可操作地结合。这允许在已形成信号电极图案之后，测试 信号电极的电安全。一方面，导电材料一一诸如，铜带以及诸如此类一一被布置在阵列组件 上以将相应的第一和第二地电极电连接至柔性电路上的相应的地。所述铜带可与附加的导 电环氧树脂材料或低温焊料相结合以形成可靠的电接触。由此，在一个实施例中，来自组件 的信号返回通路基本平行于切口延伸至所述堆的末端，向上穿过导电环氧树脂粘合线进入 铜箔，然后通过示例的铜带的附加导电通路到达柔性电路上。
[0137] 其他实施方案
[0138] 在本申请中，参考了各种出版物。这些出版物的公开文本在此通过引用方式以其 整体纳入本文本。
[0139] 除非另外明确指出，此处给出的任何方法决不能理解为需要以特定顺序实施其步 骤。相应地，在其中方法权利要求没有实际说明其步骤所要遵循的顺序或者在权利要求或 说明书中没有以其他方式明确指出步骤限于特定顺序时，在任何情况下决不意在暗示存在 一个顺序。上述声明同样适用任何没有字面基础的解释，包括：相对于步骤或操作流的安排 的逻辑问题；从语法结构或标点符号得出的简单含义；以及在本说明书中描述的实施方案 的数目或类型。
[0140] 本领域技术人员应明白在不偏离本发明的范围或主旨的情况下，可以对本发明做 出各种修改和变化。结合考虑本说明书以及此处公开的对本发明的实践，本发明的其他实 施方案对于本领域技术人员将是明了的。说明书和实施例意在仅被认为是示例性的，本发 明的真正范围和主旨由下列权利要求说明。
[0141] 其他实施方案在权利要求中。
【主权项】
1. 用于制造呈一个图案的电极的方法，所述方法包括如下步骤： (a) 提供一个电气部件，其包括多个第一电极； (b) 将包括多个第二电极的连接器放置在所述电气部件附近； (c) 将包括基质材料和颗粒材料的复合介质材料沉积在所述多个第一电极和所述多个 第二电极上，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀； (d) 将所述复合介质材料的至少一部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质 材料的表面积；将所述复合介质材料激光烧蚀以暴露所述多个第一电极和所述多个第二电 极；以及在所述复合介质材料中从所述多个第一电极中的每一个电极到所述多个第二电极 中的相应电极激光烧蚀一个沟； (e) 在步骤（d)中烧蚀的区域上沉积导电金属； (f) 在所述导电金属上沉积抗蚀剂，其中与其他烧蚀区域相比，所述抗蚀剂在所述多个 第一电极、多个第二电极以及所述沟上更厚；以及 (g) 去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个负的图案来暴露所述导电金属并蚀刻所述 导电金属的暴露部分以制造呈所述图案的电极。2. 根据权利要求1的方法，还包括步骤（h):将经过蚀刻的导电金属区域进行激光烧 蚀，以去除位于其中的至少一部分所述复合介质材料。3. 根据权利要求2的方法，其中在步骤（h)中，基本上所有的所述复合介质材料和位于 经过蚀刻的导电金属区域下方的部件的一部分被烧蚀。4. 用于制造呈一个图案的电极的方法，所述方法包括如下步骤： (a) 提供一个超声阵列换能器堆，所述堆包括一个压电层和在所述堆内延伸预定深度 的多个第一切口槽，其中所述多个第一切口槽限定多个超声阵列元件； (b) 将具有用于多个阵列元件中的每一个阵列元件的电连接的连接器放置在所述堆的 附近； (c) 在所述堆的底面以及所述连接器的一部分上沉积包括基质材料和颗粒材料的复合 介质材料，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀； (d) 将所述复合介质材料的至少一部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质 材料的表面积；将所述复合介质材料激光烧蚀以暴露所述多个阵列元件；以及在所述复合 介质材料中从每个阵列元件到连接器中的一个电连接激光烧蚀一个沟，其中所述烧蚀不暴 露所述多个第一切口槽； (e) 在步骤（d)中烧蚀的区域上沉积导电金属； (f) 在所述导电金属上沉积抗蚀剂，其中与所述多个第一切口槽相比，在每个阵列元件 和沟上的抗蚀剂更厚；以及 (g) 去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个相对所述电极的图案为负的图案来暴露所 述导电金属的一部分，以及蚀刻所述导电金属的暴露部分以制造呈所述图案的电极。5. 根据权利要求4的方法，还包括（h):将经过蚀刻的导电金属区域进行激光烧蚀，以 去除在所述多个第一切口槽上的所述复合介质材料从而在单个阵列元件之间形成凹陷。6. 根据权利要求5的方法，还包括（i):将单个阵列元件之间的凹陷激光烧蚀，其中步 骤（i)相比于步骤（h)在较高能量密度下进行。7. 根据权利要求6的方法，还包括在步骤（i)之后去除所述抗蚀剂。8. 根据权利要求6的方法，还包括将步骤⑴的产物进行蚀刻以去除由激光烧蚀形成 的导电金属毛刺。9. 根据权利要求5的方法，其中所述多个第一切口槽被固体材料填充，所述固体材料 在步骤（h)中被烧蚀。10. 根据权利要求4的方法，其中没有步骤在高于70°C时进行。
【专利摘要】本发明在于制造电子部件诸如超声换能器的方法。具体而言，本发明提供，例如，在超声换能器与电路的连接中，的图案化电极的方法；在表面上沉积金属的方法；以及对于超声换能器制造集成匹配层的方法。本发明还在于通过此处所述的方法制造的超声换能器。
【IPC分类】B06B1/06
【公开号】CN104889042
【申请号】CN201410830257
【发明人】M·卢卡斯, C·查格雷斯, D·赫森, 庞国锋
【申请人】富士胶片索诺声公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2009年9月18日
【公告号】CN102308375A, CN102308375B, CN103811366A, EP2344042A1, EP2344042A4, EP2345066A1, EP2345066A4, US8316518, US20100156244, US20110144494, US20130096434, WO2010031192A1, WO2010031192A8, WO2010033867A1
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2009年9月18日、名称为"用于制造超声换能器和其他部件的 方法"的第200980145902. 1号发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求享有共同于2008年9月19日提交的美国临时申请No. 61/192, 661和 No. 61/192, 690的利益，所述两个申请都通过引用方式在此纳入本文。
技术领域
[0004] 本发明涉及制造电子部件诸如超声换能器的领域。
【发明内容】
[0005] 总体而言，本发明提供用于制造电子部件诸如阵列超声换能器的方法。
[0006] -方面，本发明在于一种制造呈一个图案的电极的方法，所述方法包括如下步 骤：提供一个电气部件，其包括多个第一电极；将包括多个第二电极的连接器放置在所述 电气部件附近；将包括基质材料和颗粒材料的复合介质材料沉积在所述多个第一电极和 所述多个第二电极上，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧 蚀；将所述复合介质材料的至少一部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质材料 的表面积；将所述复合介质材料激光烧蚀以暴露所述多个第一电极和所述多个第二电极； 以及在所述复合介质材料中从所述多个第一电极中的每一个电极到所述多个第二电极中 的相应电极激光烧蚀一个沟；在已经被烧蚀的区域上沉积导电金属；在所述导电金属上沉 积抗蚀剂，其中与其他烧蚀区域相比，所述抗蚀剂在所述多个第一电极、多个第二电极以及 所述沟上更厚；以及去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个负的图案来暴露所述导电金属 并蚀刻所述导电金属的暴露部分以制造呈所述图案的电极。本方法还可包括将经过蚀刻的 导电金属区域进行激光烧蚀，以去除位于其中的至少一部分所述复合介质材料。在该可选 步骤中，基本上所有的所述复合介质材料和位于经过蚀刻的导电金属区域下方的部件的一 部分可被烧蚀。
[0007] 在一个相关方面，本发明在于一种用于制造呈一个图案的电极的方法，所述方法 包括以下步骤：提供一个超声阵列换能器堆，所述堆具有一个压电层和在所述堆内延伸预 定深度的多个第一切口槽，其中所述多个第一切口槽限定多个超声阵列元件；将具有用于 多个阵列元件中的每一个阵列元件的电连接的连接器放置在所述堆的附近；在所述堆的底 面以及所述连接器的一部分上沉积包括基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基 质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀；将所述复合介质材料的至少一 部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质材料的表面积；将所述复合介质材料激 光烧蚀以暴露所述多个阵列元件；以及在所述复合介质材料中从每个阵列元件到连接器中 的一个电连接激光烧蚀一个沟，其中所述烧蚀不暴露所述多个第一切口槽；在步骤已经烧 蚀的区域上沉积导电金属；在所述导电金属上沉积抗蚀剂，其中与所述多个第一切口槽相 比，在每个阵列元件和沟上的抗蚀剂更厚；以及去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个相 对所述电极的图案为负的图案来暴露所述导电金属的一部分，以及蚀刻所述导电金属的暴 露部分以制造呈所述图案的电极。本方法还可包括将经过蚀刻的导电金属区域进行激光烧 蚀，以去除在所述多个第一切口槽上的所述复合介质材料从而在单个阵列元件之间形成凹 陷。在这个实施方案中，所述第一切口槽可被固体材料诸如环氧树脂填充。本方法还可包括 对单个阵列元件之间的凹陷进行激光烧蚀，其中接下来对凹陷的烧蚀在相比于制造凹陷所 用的能量密更高的能量密度下进行。本方法还可包括从图案化后的电极去除所述抗蚀剂。 本方法可包括又一个蚀刻步骤以去除由激光烧蚀形成的导电金属毛刺。优选的，没有步骤 在高于70°C时进行。本方法还可包括在沉积导电金属一一例如，金一一之前沉积一个粘合 剂层一一例如，包括铬的粘合剂层。所述蚀刻步骤可去除沉积在粘合剂层上的导电金属，同 时对所述复合材料的激光烧蚀还可去除通过蚀刻暴露的粘合剂层。优选地，在不足以烧蚀 所述导电金属的能量密度下通过烧蚀去除所述抗蚀剂。所述多个阵列元件的间距优选至多 100 μ m，例如，至多65 μ m。在所述复合介质材料中的示例基质材料是环氧树脂，示例颗粒材 料是二氧化硅或碳化硅。
[0008] 本发明还在于通过上述方法制造的超声换能器。该换能器包括一个阵列换能器 堆，其具有在所述堆内延伸预定深度的多个第一切口槽，并且其中所述多个第一切口槽限 定多个超声阵列元件；连接器，其具有用于每个阵列元件的一个电极；以及包括位于所述 堆的底面以及所述连接器的一部分上的基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基 质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀，其中所述复合介质材料被放置 在所述堆的底面以及所述连接器的一部分上面；其中在所述复合介质材料中的沟将每个阵 列元件连接至所述连接器的电极中的一个；并且其中在每个沟内沉积的金属提供在每个活 性元件和连接器的电极中的一个电极之间的电连接。可选地，所述多个第一切口槽被固体 材料填充，以及所述堆的底面包括在所述固体材料中的凹陷。所述换能器还可包括布置在 所述复合介质材料、所述沟和每个阵列元件的至少一部分上的背衬层（backing layer)。所 述换能器还可包括附着至所述堆的顶面的匹配层，和/或附着至所述堆的顶面的透镜。所 述阵列元件一般在至少20MHz的中心频率下运行。所述复合介质层还可倾斜相邻于所述阵 列元件中的每一个，以提供变迹（apodization)并抑制高度上的旁瓣（side lobes)。所述 换能器还可包括限定在所述压电堆中的多个第二切口槽，每个第二切口槽在所述堆内延伸 预定深度，其中每个第二切口槽相邻于至少一个第一切口槽，并且所述多个第二切口槽限 定多个阵列子元件。
[0009] 另一方面，本发明在于一种形成超声匹配层的方法，所述方法包括以下步骤：提供 一个声阵列换能器堆，其包括一个压电层并具有一个顶面和多个阵列元件，其中所述顶面 包括多个未布置在所述多个阵列元件上的隔离物；提供一个透镜组件，其具有顶面和底面； 将所述透镜组件的底面与多个隔离物相接触；以及将换能器堆的顶面与透镜组件的底面之 间的粘合剂熟化，以形成超声匹配层，其中所述粘合剂结合至透镜组件的底面和换能器堆 的顶面，由所述多个隔离物产生的在所述换能器堆的顶面和所述透镜组件的底面之间的距 离适合一个超声匹配层。所述透镜组件可包括一个透镜一一其例如，由Rexol i te或TPX 制备一一和形成组件的底面的第二匹配层一一其例如，包括氰基丙烯酸盐粘合剂。所述第 二匹配层可直接附着至透镜。所述换能器堆还可包括在堆内延伸预定深度的多个第一切口 槽，并且其中所述多个第一切口槽限定多个阵列元件。所述换能器堆还可包括布置在所述 压电层和所产生的匹配层之间的第三和第四匹配层。
[0010] 在一个相关方面，本发明在于一种超声换能器，其包括具有顶面和底面的透镜组 件；具有顶面和底面的阵列换能器堆；以及一个匹配层，其附着至所述透镜组件的底面和 所述换能器堆的顶面，其中所述换能器堆包括一个压电层和多个阵列元件，所述换能器堆 的顶面包括多个未放置在所述多个阵列元件上面的隔离物，并且所述透镜组件的底面与所 述多个隔离物相接触。所述换能器堆还可包括在所述堆内延伸预定深度的多个第一切口 槽，并且其中所述多个第一切口槽限定多个阵列元件；以及可选地在压电堆内限定的多个 第二切口槽，每个第二切口槽在所述堆内延伸预定深度，其中每个第二切口槽相邻于至少 一个第一切口槽，以及所述多个第二切口槽限定多个阵列子元件。所述透镜组件可包括一 个透镜一一其例如，由Rexolite或TPX制备一一和形成组件的底面的第二匹配层一一其例 如，包括氰基丙烯酸盐粘合剂。所述第二匹配层可直接附着至透镜。所述换能器堆还可包 括布置在所述压电层和附着至所述透镜组件的底面的匹配层之间的第三匹配层和第四匹 配层。所述阵列元件优选在至少20MHz的中心频率下运行。所述换能器还可包括对于每个 阵列元件有一个电极的连接器，以及包括位于所述堆的底面以及所述连接器的一部分上的 基质材料和颗粒材料的复合介质材料，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量 密度下被激光烧蚀，其中所述复合介质材料被放置在所述堆的底面以及所述连接器的一部 分上面；其中所述复合介质材料中的沟将每个阵列元件与所述连接器的电极中的一个电极 相连接；并且其中在每个沟内沉积的金属提供在每个活性元件和所述连接器的电极中的一 个电极之间的电连接。
[0011] 另一方面，本发明在于一种在表面上沉积材料 例如，金属或粘合剂 的方 法，所述方法包括以下步骤：提供包括基质材料（例如，聚合物诸如环氧树脂）和颗粒材料 (例如，二氧化硅或碳化硅）的复合介质衬底；在足以将所述基质材料而非颗粒材料烧蚀的 能量密度下激光烧蚀复合衬底的表面，以形成具有比所述复合衬底的表面更大面积的烧蚀 面；以及将所述材料沉积在所述烧蚀面上，其中将所述材料粘合至烧蚀衬底的强度大于将 所述材料粘合至未烧蚀衬底的强度。用于沉积的示例金属是金，本方法还可包括在沉积金 之前施加粘合剂层。
[0012] 本发明的优点将在下面的说明中部分给出，部分将从本说明中显然可见，或者可 通过实践本发明了解到。本发明的优点将借助于在所附权利要求中具体给出的元件和组合 被实现和获得。应理解的是，正如已声明的，上述的概括说明和下面的详细说明都仅是示例 性和解释性的，不意在限制本发明。
【附图说明】
[0013] 图1是一个举例示意的压电堆的横截面图（未按比例示出），示出了 ：PZT层；地电 极层，其安装至PZT层的顶面的一部分并且向外延伸超出PZT层的纵向边缘；第一和第二匹 配层，其安装在地电极层的顶面的一部分上；透镜；第四匹配层，其安装至透镜的底面；第 三匹配层，其安装至第二匹配层的顶面和第四匹配层的底部的一部分；以及介质层，其位于 换能器的非活性区域下方。还示出了形成在地电极层的顶表面上的多个隔离物，所述隔离 物相对于PZT层的顶面向上延伸预定距离，使得第四匹配层的底面可位于相对于PZT层和 居间的第一和第二匹配层的预期距离处。
[0014] 图2是一个示例透镜的示意性横截面图（未按比例示出）。
[0015] 图3是图1的PZT堆的示例横截面图，示出了换能器的活性区域和非活性区域。 [0016]图4是被示为安装至支持构件的完整的PZT堆的横截面图，并且示出了背衬层和 介质层。所述信号电极（该信号电极未在此处示出，但是其覆盖了阵列元件和相应柔性电 路之间的介质层的一些部分）可操作地将柔性电路结合至PZT堆中限定的具体阵列元件， 地电极电结合至相应的柔性电路的地。
[0017] 图5是PZT堆的顶部的俯视图，其中所示的匹配层1和2相附着。
[0018] 图6是PZT堆的顶部的俯视图，其中一个铜箔使用导电粘合剂安装至该PZT堆。尽 管所示的箔片延伸超过PZT堆的方位长度，但这两个末端薄片最终会在接下来的制造步骤 中被去除。
[0019] 图7是图6的PZT堆的顶部的俯视图，其中所述铜箔的末端薄片已被去除。
[0020] 图8是安装有透镜的PZT堆的顶部的俯视图。
[0021] 图9是PZT堆的顶部的俯视图，其将透镜示为透明层以便观察下方的层的校准，以 及所述铜箔、隔离物以及透镜的曲率半径的相对校准和定位。
[0022] 图10是在PZT堆已被磨合（lap)以实现最终目标厚度之后、且即将与柔性电路集 成以形成阵列组件的PZT堆的示意性横截面图。在本实施方案中，所述堆的其余层在以后 被完成。
[0023] 图11是将被机械加工进PZT堆的示例 切口图案的示意图。在这方面，较长的线代 表在阵列元件之间的第一切口槽，较短的线代表第二切口槽，即，子方块（sub-dice)切口。
[0024] 图12A和12B是用于供图10的PZT堆使用的支持构件的示意性俯视图和立体图， 示出第一纵向延伸的侧边缘部分和相对的第二纵向延伸的侧边缘部分，每个侧边缘部分具 有各自的内表面和相对的外表面，其中第一和第二纵向延伸的侧边缘部分的各自内表面的 一部分被配置如下，使得电路板一一诸如，例如但不意在限制，柔性电路板一一的远端部分 可与其连接，其中所述支持构件在各自的第一和第二纵向延伸的侧边缘部分之间具有一个 中间部分，该中间部分限定了一个居于中心的、纵向延伸的开口，其中图10的PZT堆被配置 安装在支持构件的中间部分的一部分上。
[0025] 图13是被示为粘合至图10的PZT堆的图12A和12B的支持构件的示意性横截面 图。
[0026] 图14是具有PZT堆固定安装于其中的支持构件的示意性仰视图，示出了被激光 切割进支持结构、并且相对于各自的阵列切口布置的柔性校准特征（feature)。一方面，右 侧的柔性校准特征相对于左侧的特征偏离如下一段距离，该距离基本等于阵列的间距（Pi tch)。还示出了 一个放大的俯视图。
[0027] 图15是具有PZT堆固定安装于其中的支持构件的示意性仰视图，示出了柔性电路 对相对于阵列切口校准的情况。红色条纹代表在柔性电路的顶侧上的铜迹线。
[0028] 图16是以芯片方式被接合（be die attached to)至两个柔性电路之后的PZT堆 的示意性横截面图。
[0029] 图17是示出施加的介质层的示意性横截面图。
[0030] 图18是所完成的介质层的示意性横截面图。在这方面，介质层限定了阵列的高度 尺寸并且在实现信号电极的沉积方面提供了从柔性电路到所述堆的平滑过渡面。
[0031] 图19是信号电极层的信号电极图案的示意图。在本示例中，橙色条纹代表已被去 除的电极，红色条纹代表每个相应柔性电路的引线框（Ieadframe)。在本示意图中，示出了 在每个柔性电路上方和下方的附加电极图案。
[0032] 图20是对于示例256元件换能器的全信号电极图案的示意图。青色方框限定了 PZT堆的活性区域，粉色方框限定了总括信号电极（blanket signal electrode)的周界。 激光修整（橙色）延伸超过Au周界，使得每个信号电极都被绝缘。
[0033] 图21是示出应用背衬材料的示意性横截面图。
[0034] 图22A和22B是在沉积信号电极图案之前，安装在支持构件上的阵列组件的示意 性横截面图。图22A代表在将柔性电路进行接地之前的阵列组件，图22B代表了进行接地 使得完成信号回路之后的阵列组件。
[0035] 图23是示出连接至示例PZT堆的一对柔性电路的示意图。在一个示例实施方案 中，示出了组件的引脚1 (即，元件1)，其连接至阵列组件左侧的柔性电路。在本非限制性实 施例中，阵列组件左侧的柔性电路连接至奇数元件，阵列组件右侧的柔性电路连接至偶数 元件。
【具体实施方式】
[0036] 本发明在于用于制造电气部件诸如超声换能器的方法。具体而言，本发明提供了 在表面上沉积材料诸如金属的方法；图案化电极的方法，例如在将超声换能器连接至电路 的部件方面；以及为超声换能器制造集成匹配层的方法。本发明还在于由此处描述的方法 制造的超声换能器。
[0037] 沉积材料
[0038] 本发明提供了用于使材料附着至表面一一例如金属薄膜或诸如环氧树脂的粘合 剂一一的改进方法。本方法还涉及使用复合材料的衬底。所述复合材料包括基质材料和颗 粒材料，所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低激光能量密度下被烧蚀。当该衬底在合 适能量密度下烧蚀时，基质材料被去除，但是颗粒材料得到保留，除非包围所述颗粒的所有 基质材料都被去除。该方法得到的是，一个由基质和部分暴露的颗粒材料相结合形成的高 度三维的表面。相比于未烧蚀的表面，该新形态的表面区域极大地增加。然后将材料诸如金 属或粘合剂沉积到烧蚀后的表面上，由于烧蚀形成的形态，粘附力增加。增加的粘附力优选 允许选定区域内的材料稍后烧蚀，而不使未烧蚀区域中的材料分层。示例的基质材料是聚 合物诸如环氧树脂，示例的颗粒材料是二氧化硅和碳化硅。用于沉积的示例金属是金。如 本领域所知的，对于某些金属，诸如金，粘合层一一例如包括铬的粘合层也可被沉积。此处 提供了本方法的条件和用途的实施例。
[0039] 电极图案化
[0040] 本发明还提供了用于图案化电极的方法。本方法可被用于将能够耐得住镀金属 法步骤（最高温度约60°C -70°c之间）的任意电气部件直接连接至柔性或其他电路板类 型的部件。本方法可被用于沿X，Y和Z方向，于mm规模的路程上制造小于5 μπι的特征 (feature)〇
[0041] 通常，本方法包括提供需要电极图案化的电气部件。所述部件被涂覆以材料，诸如 上述的复合材料。该涂层被常规地烧蚀，并按照电极的预期图案被选择性去除。接下来将 导电金属层沉积在烧蚀后的表面上。然后将抗蚀剂应用在金属层上。因为所述涂层按照电 极图案被去除，其中在涂层被去除处所施加的金属被沉积在槽或沟中。这些槽或沟被注满 抗蚀剂，导致形成高出电极图案的更厚的抗蚀剂层。接下来从不构成电极图案部分的区域 中去除所述抗蚀剂，并蚀刻所述金属。然后将这些区域中任何剩下的金属和涂层烧蚀。最 后，所述抗蚀剂可被去除，形成电极图案。如此处更加详细描述的，电气部件的一部分-- 例如，换能器的切口槽中的填料--会被烧蚀以形成相对于图案化电极的凹陷。接下来可 使用在相对高能量密度下在这些凹陷中的烧蚀，以去除先前步骤后留下的无关金属。所述 凹陷保护图案化电极免受烧蚀的副作用（其原本可能会导致分层）的影响。
[0042] 本方法的一个示例用途在于制造与阵列超声换能器的电连接。阵列的每个元件 一般都连接至一个同轴电缆。在高频（例如，20MHz及以上）时，构成阵列的元件一般都太 小且易损，因而不适于常规的引线接合法（其通常需要至少约75 μπι)。另外，引线接合法 所需的热聚集（thermal budgets)也会成为问题。对于高频换能器，湿蚀刻也会无效，这 是由于热聚集而无法对抗蚀剂进行硬烤（hard bake)，因为抗蚀剂会在去除金属之前就融 解。电极的激光烧蚀也会成问题，因为薄膜可被去除，但是频繁破裂，以及提供抗裂性的较 厚膜（> 约6000埃）由于激光烧蚀中的金属的溅射，倾向于短路。此外，烧蚀过程可能会 造成电极的附带损害。然而，本发明的方法可被用来制备与阵列的多个元件的多个电连接， 所述阵列例如具有40 μm或更小（例如，小于25 μm)的间距，以及小到16 μm宽的子元件 (sub-element)〇
[0043] 可结合本发明用于烧蚀的激光器是短波激光器诸如KrF受激准分子激光器系统 (具有例如约248nm波长）或氟化氩激光器（具有例如约193nm波长）。另一方面，用于切 割压电层的激光器是短脉冲长度激光器。例如，可以使用被修改为发射大约ps到fs的短 脉冲长度的激光器。可使用具有大约0-20J/cm2的能量密度范围的KrF受激准分子激光器 系统（具有大约248nm波长的UV光）。可在低于去除导电材料所需的能量密度下去除抗蚀 剂（例如，小于〇.8J/cm2)。当希望如此处所述通过烧蚀来去除残留的导电金属、粘合层以 及复合材料时，能量密度可在〇. 8-1. OJ/cm2之间。较高能量密度一一例如，高达5J/cm2-一 下的烧蚀可被用来去除位于凹陷中的复合材料（以及位于其下的部分电气部件）。
[0044] 此处提供了本方法的条件和用途的进一步实施例。
[0045] 集成匹配层
[0046] 本发明在于用于制造集成匹配层的方法。对于高频应用，用于聚焦超声阵列的透 镜通常被制造为一个分立的部件，其必须附着至换能器。在高频下，使用粘合剂附着透镜很 复杂，因为对于20MHz，需要将任一粘合线减少至小于大约1 μ m，对于较高频，则需要减少 至较薄。产生这样的粘合线存在以下挑战：i)当粘合剂中的基本球形的小空隙被挤平时， 产生大空隙。这样的空隙可能由任一个表面上的潮湿问题造成，或者由粘合剂中截留的小 空隙造成。ii )将粘合线挤压成这样的尺寸会干扰分子在粘合剂中的迀移率并降低性能。 iii)为了将粘合线压至合适尺寸，必须将位于粘合在一起的两个部分之间的多余的粘合剂 从中挤压出。随着粘合厚度减少，克服粘合剂内的剪切力所需的力随着粘合厚度非线性增 加，并且会迅速超出所述堆和/或透镜材料可接受的力预算。为了确保粘合线对所述堆没 有不利影响，本发明提供了一种将粘合线制造进匹配层的方法。本方法消除了对于超薄层 的需要，从而摆脱了上述顾虑。
[0047] 本方法利用了施加在换能器周界的、并继而被磨合以实现集成匹配层的预期最终 高度的隔离物。然后通过将透镜（以及附着至透镜的任意匹配层）和隔离物所附着至的 表面之间的粘合剂进行熟化来制造匹配层。如果在粘合剂中使用颗粒例如用于调整声阻 抗，可使用纳米颗粒掺杂质以确保所形成的未熟化的胶能够以不超出少量微米的误差被 向下压到隔离物上（由于颗粒被限制在隔离物的顶部和透镜的底部之间）。希望隔离物 非常小以使限制的粉末最少化，但是又得大到足以被准确磨合至一个高度，其直径例如约 0. 25-0. 75mm。在预期频率范围内，该方法所需的夹紧力非常小，因为粘合线相对较厚，例如 在5-25 μ m之间。此处提供了本方法的条件和用途的实施例。
[0048] 对换能器的综述
[0049] 还将围绕可使用此处描述的方法而制造的超声换能器来进一步描述本发明。换能 器堆的部件，包括压电层、匹配层、透镜以及背衬层在本领域是公知的，并被描述在美国专 利No. 7, 230, 368、美国公开文本No. 2007/0222339、美国公开文本No. 2007/0205698以及美 国公开文本No. 2007/0205697中。
[0050] -方面，超声换能器包括一个堆，该堆具有第一面、相对的第二面以及延伸在二者 之间的纵向轴线Ls。所述堆包括多个层，每层都具有顶面和相对的底面。一方面，所述堆的 多个层包括压电层和介质层（其可如此处所述被沉积并被图样化）。一方面，所述介质层连 接至压电层的至少一部分并位于其下面。
[0051] 所述堆的多个层还可包括地电极层、信号电极层、背衬层，以及至少一个匹配层。 附加的层的切面可包括但不限于暂时性保护层（未示出）、声透镜、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（未示 出）等。
[0052] 所述压电层可由各种材料制成。例如，形成压电层的材料包括陶瓷、单晶体、聚合 物和共聚物材料、具有〇-3、2-2和/或3-1连接性（connectivity)的陶瓷-聚合物和陶 瓷-陶瓷复合物等。在一个实施例中，压电层包括锆钛酸铅（PZT)陶瓷。
[0053] 所述介质层可限定所述压电层的活性区域。所述介质层可被应用至所述压电层的 底面。一方面，所述介质层不会覆盖所述压电层的整个底面。一方面，所述介质层限定一个 开口或间隙，其沿着与所述堆的纵向轴线基本平行的方向延伸第二预定长度。所述介质层 中的开口优选与压电层的底面的中心区域对准。所述开口限定阵列的高度尺寸。一方面， 阵列的每个元件都具有相同的高度尺寸，且开口的宽度在如下的压电层区域内是恒定的， 该区域被保留用于已形成切口槽的器件的活性区域。一 方面，介质层中的开口的长度可沿 着基本垂直于所述堆的纵向轴线的轴线方向以预定方式变化，最终形成阵列元件的高度尺 寸的变化。
[0054] 介质层和压电层的相对厚度以及介质层和压电层的相对介电常数限定了所施加 的电压在两个层上被分割的程度。在一个实施例中，电压可被分割为介质层占90 %、压电层 占10%。可以设定，可改变在介质层和压电层上的电压分割比率。在其下面没有介质层的 压电层部分中，施加电压的整个大小都在压电层上。这部分限定了阵列的活性区域。在这 方面，介质层允许了使用比活性区域更宽的压电层，并且允许了在活性区域中制造切口槽， 并允许切口槽以一种方式延伸超出该区域，使得即阵列元件和阵列子元件被限定在活性区 域中，但是在顶面上保持共同的地。
[0055] 在堆中限定了多个第一切口槽。每个第一切口槽在堆内延伸预定深度，且沿基本 平行于所述堆的纵向轴线的方向延伸第一预定长度。所述第一切口槽的"预定深度"可遵 照如下预定深度轮廓（profile)，该轮廓根据第一切口槽的相应长度上的位置而变。每个第 一切口槽的第一预定长度至少与介质层所限定的开口的第二预定长度一样长，且比沿基本 平行于所述堆的纵向轴线的纵向方向的位于所述堆的第一面和相对的第二面之间的纵距 要短。一方面，多个第一切口槽限定了多个超声阵列元件。
[0056] 所述超声换能器还可包括多个第二切口槽。在这方面，每个第二切口槽在堆内延 伸预定深度，且沿基本平行于所述堆的纵向轴线的方向延伸第三预定长度。第二切口槽的 "预定深度"可遵循如下预定深度轮廓，该轮廓根据第二切口槽的相应长度上的位置而变。 每个第二切口槽的长度至少与介质层所限定的开口的第二预定长度一样长，且比沿基本平 行于所述堆的纵向轴线的长度方向的位于所述堆的第一面和相对的第二面之间的纵距要 短。一方面，每个第二切口槽相邻于至少一个第一切口槽。一方面，多个第一切口槽限定了 多个超声阵列元件，多个第二切口槽限定了多个超声阵列子元件。例如，对于一个如下的阵 列：该阵列中，两个相应的第一切口槽之间有一个第二切口槽，每个阵列元件具有两个阵列 子元件。对于每个阵列元件具有两个子方块元件的64-元件阵列来说，制造129个相应的 第一和第二切口槽以制造128个压电子元件，其构成阵列的64个元件。可以设定，对于较 大阵列可增加该数字。对于没有子方块的阵列，对于具有64个和256个阵列元件的阵列结 构可分别使用65个和257个第一切口槽。一方面，第一和/或第二切口槽可被注满空气。 在替代方面，第一和/或第二切口槽也可被注满液体或固体，诸如，例如聚合物。
[0057] 因为第一切口槽和第二切口槽都不延伸进所述堆的相应第一面和第二面中的任 一个，即，所述切口槽具有中间长度，所形成的阵列元件被位于所述堆的相应第一面和第二 面附近的所述堆的毗邻部分支撑。
[0058] 所述堆的压电层可在如下频率共振，即，相对于电流诊断成像频率标准（current clinical imaging frequency standards)被认为是较高的频率。一方面，压电层在大约 30MHz的这一中心频率处发生共振。在其他方面，压电层在处于大约10-200MHZ之间、优选 处于大约20-150MHZ之间、以及更优选处于大约25-lOOMHz之间的一中心频率下共振。
[0059] 多个超声阵列子元件中的每一个都有大约0. 2-1. 0的宽高比，优选大约0. 3-0. 8 之间，更优选大约0.3-0. 7之间。一方面，对于压电元件可以使用小于约0.6的宽高比。该 宽高比以及由此产生的几何形状有助于将阵列元件的横向共振模式与用于产生声能的厚 度共振模式分开。因此，所给出的宽高比被配置用于防止压电条内的任何横向共振模式干 扰首要的厚度模式共振。如本领域技术人员所能理解的，类似的横截面设计可被考虑用于 其他类型的阵列。每个阵列元件可包括至少一个子方块切口，使得每个阵列元件将实际上 包括两条或更多的条，其中属于每一个各元件的所有条的信号电极一起电短路。
[0060] 压电条的宽高比还会影响阵列元件的方向性（directivity)，即，宽度越窄，方向 性就越低，并且阵列的转向角（steering angle)就越大。对于具有大于约0.5 λ的间距的 许多阵列而言，针对驱动元件的小孔产生的栅瓣（grating lobes)的振幅将增加。PZT条的 各种示例宽高比可包括但不限于：
[0061]
[0062] 第一和/或第二切口槽可被空气或液体或固体一一诸如聚合物一一填充。填充物 可以是如下低声阻抗材料，即，将阵列结构内的相邻压电条之间的机械耦合（coupling)最 小化的低声阻抗材料。如果选定，低声阻抗材料可具有在压电条的带宽之外的声响应以避 免与压电条的任何不想要的耦合。应理解，填充物的选择会影响阵列元件的有效宽度，即， 阵列元件的有效宽度将会由于元件之间的任何机械耦合而等于或大于阵列元件的实际宽 度。而且，随着有效宽度增加，阵列元件的方向性将稍微增加。例如，但不意在限制，Epotek 301和/或301-2环氧树脂等可被用做切口填充物材料。
[0063] 使用多个第一和第二切口槽，通过"子方块"形成子元件是一种如下技术，其中 两个相邻的子元件被一起电短路，使得所述一对短路的子元件如同阵列的一个元件一样 工作。对于指定的元件间距一一其是第一切口槽形成的阵列元件的中心与中心之间的间 隔一一子方块允许实现提高的元件宽高比，使得元件内不想要的横向共振被调整到器件运 行的预期带宽之外的频率。
[0064] 一方面，所述堆的压电层具有大约7. 5-300微米的间距，优选大约10-150微米，更 优选大约15-100微米。在一个实施例中，且不意在限制，对于30MHz的阵列设计，对于1. 5 λ 所形成的间距是大约74微米。
[0065] 在高频下，当阵列元件的宽度和切口槽的宽度按比例缩小至1-10微米量级时，在 阵列制造中希望制造窄的切口槽。缩小切口槽可使阵列的间距最小化，使得在阵列器件的 正常运行中，能量的栅瓣的影响可被最小化。而且，通过将切口槽变窄，对于指定阵列间距 而言，通过去除尽可能少的压电层，元件强度和灵敏度被最大化。使用激光加工，压电层可 被图案化以细小的间距并保持机械完整性。
[0066] 如上指出的，多个层还可包括信号电极层和地电极层。所述电极可通过施加金属 化层来限定，所述金属化层覆盖介质层和压电层的暴露区域。如本领域技术人员可以理解 的，所述电极层可包括任意金属化表面。可以使用的电极材料的非限制性实施例是镍（Ni)。 不进行氧化的较低阻抗（在I-IOOMHz下）的金属化层可通过薄膜沉积技术诸如溅射（蒸 发、电镀等）被沉积。Cr/Au组合（分别为300/3000埃）是一个这样的较低阻抗的金属化 层的示例，但是也可使用较薄和较厚的层。铬被用作金的界面间粘合层。如本领域技术人 员清楚的，可以设定，可使用在半导体和微制造领域中公知的其他惯用的界面间粘合层。信 号电极可如此处所述被图案化。
[0067] 所述堆的多个层还可包括至少一个匹配层，所述匹配层具有顶面和相对的底面。 一方面，所述多个层包括两个这样的匹配层。第一匹配层的底面的至少一部分可连接至压 电层的顶面的至少一部分。如果使用第二匹配层，第二匹配层的底面的至少一部分连接至 第一匹配层的顶面的至少一部分。所述匹配层能至少与介质层中所限定的开口在基本平行 于所述堆的纵向轴线的长度方向上的第二预定长度一样长。此处描述了用于制造集成匹配 层的方法。
[0068] 匹配层的厚度通常等于处于器件的中心频率下的声音在匹配层材料本身内的波 长的大约1/4。这些匹配层的具体厚度范围取决于对这些层的选择、这些层的具体材料特性 以及器件的预期中心频率。在一个实施例中，且不意在限制，对于聚合物基的匹配层材料， 在30MHz下，其优选厚度值为约15-25 μ m。
[0069] -方面，匹配层的声阻抗可在8_9Mrayl之间；另一方面，该声阻抗可在3-10Mrayl 之间；再一方面，该声阻抗可在l-33Mrayl之间。
[0070] 所述堆的多个层还可包括一个背衬层，其具有顶面和相对的底面。一方面，背衬层 基本填充介质层所限定的开口。另一方面，背衬层的顶面的至少一部分连接至介质层的底 面的至少一部分。又一方面，介质层的基本所有底面都连接至背衬层的顶面的至少一部分。 再一方面，背衬层的顶面的至少一部分连接至压电层的底面的至少一部分。
[0071] 所述匹配层和背衬层可选自声阻抗位于空气和/或水的声阻抗与压电层的声阻 抗之间的材料。另外，如本领域技术人员可以理解的，环氧树脂或聚合物可与各种组分和各 种比例的金属和/或陶瓷粉末混合，来制造具有各种声阻抗和声衰减的材料。在本公开文 本中，可以设定任意这样的材料的组合。匹配层的选择范围从1-6分立层到一个逐渐变化 的层，背衬层的选择范围从0-5分立层到一个逐渐变化的层，所述选择改变了某一具体中 心频率下的压电层的厚度。
[0072] -方面，换能器的背衬层可被配置使得当压电元件被电激发或者在接收模式运行 时，朝向背衬层向下传播的声能被背衬材料吸收以避免在超声换能器堆的厚度内任何不必 要的声反射。一方面，为了影响对进入背衬材料的声能的预期吸收，具有高的声衰减的单一 背衬材料被配置得足够厚使得该层像无限厚的层一样起作用。如果设定了不止一种背衬材 料，为了以任意方式调节换能器的带宽和/或特征频率响应，则相应地选择声阻抗。在一个 示例方面，背衬层可包括掺杂粉末的环氧树脂。
[0073] -方面，透镜可被布置为与堆的最上层的顶面处于基本覆盖配准（overlying registration)。所述透镜可被用于将声能聚焦。所述透镜可由本领域技术人员所能知晓的 聚合物材料制成。在一个优选方面，所述透镜可由与水良好匹配且具有低声损耗的材料制 成。例如，具有三个平坦侧面和一个曲面的预形成或预制造的Rexolite块可被用作透镜。 曲率半径（R)是由声透镜的预期焦距决定的。例如但不意在限制，所述透镜可通过利用计 算机数字控制设备、激光加工、模制等被常规地成型。一方面，曲率半径足够大使得曲率宽 度（WC)至少与介质层所限定的开口一样宽。示例的透镜材料是聚甲基戊烯（例如，TPX? )以及交键的聚苯乙烯（例如，Rexolite?)。
[0074] RexoI ite中的声速大于水中的声速，因此，透镜由凹面制成。透镜的曲率半径限定 了阵列的升高的焦深。对于IOmm的焦距，曲率半径（R) =3. 65mm。再一方面，透镜的最大 曲率深度可被最小化以避免在成像过程中使用的声凝胶中截留有空气包（air pocket)。又 一方面，透镜最薄的横截面部分可以被制得尽可能薄，使得在透镜的正面形成的内部声反 射暂时保持接近主脉冲。又一方面，透镜的最薄的横截面部分可以足够厚以通过BF和/或 CF等级的IEC患者泄露电流测试。在另一方面，透镜的曲率可延伸超出阵列的活性区域，以 避免由于透镜边界不连续性所导致的任何不希望的衍射。示例Rexolite透镜的示例焦深 和曲率半径为：
[0075]
[0076] 在一个优选方面，透镜的最小厚度基本位于介质层所限定的开口或间隙的中心的 上方。而且，曲率宽度大于介质层所限定的开口或间隙。一方面，透镜的长度可大于切口槽 的长度，以允许一旦将透镜安装在换能器器件的顶部上面，所有的切口槽都被保护并密封。
[0077] 至少一个第一切口槽可延伸穿过或进入至少一个层，以达到其在堆中的预期深度 /深度轮廓。所述堆的层中的一些层或全部层可被基本上同时切穿或切入。这样，多个所述 层可被基本上同 时选择性地切穿。此外，正如本领域技术人员可以明了的，一些层可被同时 选择性地切穿，而另一些层可随后在多个时刻被选择性地切穿。一方面，至少一个第一和/ 或第二切口槽的至少一部分延伸至如下预定深度，该深度是从压电层的顶面到压电层的底 面的距离的至少60% ;以及至少一个第一和/或第二切口槽的至少一部分可延伸至如下预 定深度，该预定深度是从压电层的顶面到压电层的底面的距离的100 %。
[0078] 至少一个第一切口槽的至少一部分可延伸进入介质层预定深度，且一个第一切口 槽的至少一部分还可延伸进入背衬层预定深度。如本领域技术人员会明了的，进入背衬层 的预定深度可从〇微米变化到等于或大于压电层自身的厚度。利用激光实施穿过背衬层的 微加工可在相邻元件之间的绝缘方面提供显著改进。一方面，一个第一切口槽的至少一部 分延伸穿过至少一个层，并延伸进入背衬层预定深度。如此处所述，进入背衬层的预定深度 可变化。与同一相应切口槽的另一部分的预定深度相比，或与沿其纵向方向基本平行于所 述堆的纵向轴线的另一个切口槽的至少一部分的预定深度相比，至少一个第一切口槽的至 少一部分的预定深度可变化。另一方面，至少一个第一切口槽的预定深度可比至少一个另 一切口槽的预定深度更深。
[0079] 如上所述，至少一个第二切口槽可如上文针对第一切口槽所描述的一样，延伸穿 过至少一个层达到其在所述堆中的预定深度。第二切口槽可如上文针对第一切口槽所描述 的一样延伸进入或穿过所述堆的至少一个层。如果所述堆的各个层被单独切割，所述堆的 给定层中的每一个切口槽，无论第一切口槽还是第二切口槽都会基本与位于其相邻层中的 相应槽覆盖配准。
[0080] 换能器还可包括一个支持构件，从而为换能器的各种部件提供机械支撑，并且在 制造过程中提供辅助。
[0081] 现在将围绕图1-23中大体示出的换能器配置描述本发明。超声换能器包括堆 800,所述堆具有第一面802、相对的第二面804,以及在二者之间延伸的纵向轴线Ls。所述 堆具有多个层，每个层具有顶面828和相对的底面830。所述堆的多个层包括例如压电层 806、介质层808,以及多个匹配层。所述介质层可连接至压电层的至少一部分并位于其下 面。在一个实施例中，所述多个匹配层包括在堆中的四个匹配层。
[0082] 所述堆的多个层还可包括地电极层810、信号电极层812和背衬层814,所述地电 极层被布置在压电层的顶面上。
[0083] 如图1和图3中所示，换能器堆限定了一个活性区域和一个非活性区域，其中一 个介质层被提供在地电极的下方，所述地电极充当电势分割器并限制施加在压电层上的电 压。在附图中，所述堆包括活性区域中的以下各层（从上到下）：
[0084]
[0085] 在非活性区域，所述堆换能器包括以下各层（从上到下）：
[0086]
[0087]
[0088] 压电层806可由各种材料制成。例如但不意在限制，形成压电层的材料可包括陶 瓷、单晶体、聚合物和共聚物材料，具有〇-3、2-2和/或3-1连接性的陶瓷-聚合物以及陶 瓷-陶瓷复合物，诸如此类等。在一个实施例中，压电层包括锆钛酸铅（PZT)陶瓷。
[0089] 如图6-7中所示，相应的第一和第二地电极的内缘可具有如下锯齿状或阶梯状设 计，其有助于在地电极粘合至压电层时帮助避免任何故障线（fault lines)。又一方面，相 应的第一和第二地电极的外缘被配置为延伸越过压电层的相应的纵向面边缘，使得它们可 如所预期地被布置为与电路板电通信以形成预期的接地。从而，一方面，地电极层的一部分 一般保持暴露以允许信号地可从地电极被连接至电路板。
[0090] 再一方面，相应的第一和第二地电极的内缘彼此间隔开一个如下距离，该距离足 以使相应的第一和第二匹配层被顺序安装在相应的第一和第二地电极的内缘之间的压电 层的顶面上。在这方面，第一和第二匹配层816、826的纵向延伸边缘可与相应的第一和第 二地电极的内缘间隔开。可选地，可提供多个隔离物，使其位于如所述堆的活性区域所限定 的声场的外侧，处于相应的第一和第二地电极的顶面的一部分上。每个隔离物900相对于 压电层的顶面向上延伸预定距离，使得第四匹配层846的底面可相对于压电层和居间的第 一和第二匹配层位于预定距离。在这方面，一个隔离物可位于或形成在相应的第一和第二 地电极的锯齿状内缘的向内延伸部分上。一方面，一旦完成所述堆的装配，由所述隔离物 900形成的间隔等于所述堆的第三匹配层836的厚度。可以设定，所述隔离物可由可被磨合 成或构造至目标厚度的任意材料制成。
[0091] 在一个示例方面，介质材料包括掺杂二氧化娃的Epotek 301环氧树脂，其具有 大约为4的较低的相对介电常数，并且当介质表面被低能量密度的UV光和/或等离子体 处理时，其可对溅射的金提供强粘附。又一方面，介质的厚度可至少为l〇ym，优选至少 10 μ m，更优选至少20 μ m。可选地，介质层的边缘可相对于横截面倾斜，以提供一些变迹 (apodization)并帮助抑制高度上的旁瓣（side lobe)。倾斜的具体形状可由本领域技术 人员基于对超声波的预期影响来选择。另一方面，限定阵列的高度尺寸的掺杂环氧树脂介 质层中的间隙的宽度可优选在大约0. 5mm-3. 5mm之间，更优选在大约0. 75mm-3. Omm之间， 最特别地在I. 〇__3. Omm之间。
[0092] 所述堆的多个层还可包括至少一个匹配层，该匹配层具有一个顶面和相对的底 面。又一方面，每个匹配层的声阻抗可被配置使得声阻抗从压电层上方的第一匹配层至正 好位于透镜下面的顶部匹配层单向减少。在一个示例方面，匹配层中的至少一个层是聚合 物基的。还可以设定所有的匹配层都是聚合物基的。再一方面，示例的多个匹配层可形成 不具有可察觉的相位中断的基本平滑的脉冲响应。脉冲响应的平滑性质意味着在时间和换 能器的频率响应之间存在着可预知的关系。
[0093] 在一个示例性给出的方面，多个匹配层包括四个这样的匹配层。在一个示例方面， 第一匹配层816的底面的至少一部分可连接至地电极层的顶面的至少一部分，所述地电极 层如上所述安装在压电层的顶面上。第二匹配层826的底面的至少一部分连接至第一匹配 层的顶面的至少一部分。第一和第二匹配层可以至少与介质层所限定的开口在基本平行于 所述堆的纵向轴线的长度方向上的第二预定长度一样长。
[0094] 如图8-9中所示，透镜809可被放置为与作为所述堆的最上面的层的匹配层的顶 面基本覆盖配准。在这方面，透镜是一个可被用于将声能聚焦的固定透镜。例如，一块预形 成或预制造的Rexolite--其可具有三个平坦的侧面和一个曲面--可被用作透镜。又一 方面，固定透镜809提供了一种用于在高度上进行聚焦的装置。透镜的厚度可比压电层或 匹配层更厚。
[0095] -方面，第四匹配层846的顶面粘合至透镜的底部平面。在其中透镜由Rexolite 制成的实施方案中，第四匹配层846可由氰基丙烯酸盐（CA)粘合剂制成，该粘合剂是一种 可被牢固粘合至Rexolite透镜的低声学材料，正如美国公开文本No. 2007/0205698中所描 述的。当然，可以设定，可使用能够被牢固粘合至预期透镜材料的任意低阻抗材料。又一方 面，优选的是CA层的底面一一即，第四匹配层一一粘合连接至第二匹配层的顶面。在这方 面，第四匹配层的底面坐于多个隔离物的顶面上，使得透镜可位于距第二匹配层预期距离 处/与第二匹配层间隔开预期距离。在这方面，粘合层将透镜粘合至所述堆。
[0096] 所应用的粘合剂层还可作为第三匹配层836,只要施加至透镜的底面的粘合剂 层在厚度上相对于波长是合适的（诸如，例如但不限于，在厚度上是波长的1/4)。在这 个实施例中，可以设定，选择粉末以及选定粉末浓度来调节声阻抗使其匹配预期的声学图 (acoustic profile)。本领域技术人员将明白Epotek 301环氧树脂、Epotek 301-2环氧 树脂以及诸如此类可被用作粘合剂层以形成所述的第三匹配层。Epotek 301环氧树脂在其 纯状态（pure state)下具有2. 9Mrayl的声阻抗，并且可被掺杂具有不同成分和大小的粉 末以形成0-3复合材料，所述材料可被配置为在控制声音的密度和速度上具有预期的声阻 抗。在这个示例方面，CA层充当作换能器的匹配层之一。从而，在一个非限制性实施例方 面，多个匹配层可包括一个CA层，三个位于下面的匹配层可包括装有粉末的Epotek 301环 氧树脂、Epotek 301-2环氧树脂以及诸如此类。
[0097] 再一方面，在将透镜安装到堆上之前，CA层和透镜可被激光切割，其有效地将阵列 切口（即，第一和/或第二阵列切口槽）一一以及在一方面，子方块切口或第二切口一一延 伸穿过两个匹配层（或者如果使用了两个匹配层的话）进入透镜。如果CA和透镜被激光 切割，可使用一个拾放机器（或者根据被粘合在一起的实际部件来设计具体尺寸和形状的 校准夹具）在堆的顶层的最上表面同时沿X和Y将透镜校准。为了激光切割CA和透镜，可 使用大约0. 5-5J/cm2的激光能量密度。
[0098] 在各种示例方面，阵列具有下列声设计特征：
[0099]
[0101] 实施例1-图案化电极
[0102] -个柔性电路被放置在一个相对于超声阵列平面成45度倾斜的平面上，所述柔 性电路的每个指状物（finger)与相应的阵列元件排成直线。两块柔性电路--阵列的每 一侧有一个一一相互错列，使得每个柔性电路是阵列的间距的两倍。所述柔性电路永久粘 附在这个位置。整个组件被填充二氧化硅颗粒的环氧树脂充满，所述环氧树脂覆盖所有的 柔性指状物。所述环氧树脂被塑形以形成在所有阵列上的平滑的内部轮廓，使得从一个面 到另一个面没有突然过渡。
[0103] 然后利用一个受激准分子激光器（例如，248nm)来选择性地暴露阵列的活性区 域一一通过使用一个不会烧蚀压电物质但是却可去除环氧树脂混合物的能量密度，从压电 的表面，例如，沿每个元件的PZT，去除颗粒/环氧树脂。在活性区域的每个元件之间留有切 口宽度的隆起（ridges)。然后从柔性指状物上去除环氧树脂混合物，暴露柔性电路的铜。 然后从每个元件到其相应的指状物之间形成沟（trenche)。溅射所述换能器，使整个内表面 覆盖Iym的金。可以使用任意本位金属（standard metal)。可使用一个络粘合层与金沉 积物相结合。环氧树脂混合物的激光烧蚀和压电的激光激活提高了金属的粘附力。
[0104] 将标准的正性光致抗蚀剂涂覆到金上。由于所述沟和隆起，所述抗蚀剂较厚地淤 积在沟内而在较高区域保持较薄。所述抗蚀剂可以允许被干燥但是不允许进行硬烤。使用 设置到非常低能量密度（大约〇.3J/cm2)的激光去除抗蚀剂而不损坏下面的金。这是重要 的，因为直接对金烧蚀一般会导致剩下的电极的间接损坏。在如此将电极负图案暴露在抗 蚀剂中之后，使用标准湿金蚀刻方法在高达50°C的稍高温度下将金蚀刻长达数分钟。这样 做的结果是将几乎所有的金向下移至Cr/Au合金区域，该区域仅是大约300埃厚。
[0105] 使用处于稍微较高能量密度--例如，大约0. 8J/cm2--的激光去除剩下的金 属。该能量密度将去除剩下的金属并在金层下的环氧树脂中形成沟。在其中切口小于5μπι 的活性区域，可使用第三、高能量密度通路（例如，处于大约3J/cm2)去除短路。使用0.8J/ cm2通路制成的沟充当由激光脉冲所导致的等离子体的导向装置，从而防止了可能会由于 初始使用高能量密度所导致的电极的间接损 坏。在最后一个激光器通路后，可使用短湿蚀 刻来清理激光切割边缘的毛刺。最后，通过在室温下在合适溶剂中进行溶解来去除抗蚀剂。
[0106] 实施例2 -使换能器与电路结合
[0107] 图4-23示出了制备上述换能器堆以及可操作地将换能器堆与电路板结合的方 法。在下文中所述的实施方案中的任一个实施方案可基本上用本发明的任意方法来实施。
[0108] 在第一步骤中，压电层一一其中有金属化的地电极层（未示出）结合至压电层的 顶面一一被初始地封阻，并且其底面被常规地磨合以实现第一预期厚度。一方面，第一预期 厚度一般不是最终厚度，而是允许对压电层继续操作的一个厚度。在第二步骤中，第一匹配 层816被应用至金属化地电极层的顶面的一部分，并且在熟化后，被磨合至目标厚度。同步 地，第二匹配层826被应用至第一匹配层的顶面的一部分并且接下来在熟化后被磨合至目 标厚度。一方面，第一匹配层和第二匹配层都基本位于压电层的中心并且在压电层的伸长 边缘之间的压电层的顶面上延伸。第一和第二匹配层816、826的纵向延伸边缘可与压电层 的纵向延伸边缘间隔开。
[0109] 接下来，将铜箔910--例如使用导电粘合剂--结合至金属化的地电极层的顶 面的一部分。如图6中所示，铜箔被布置为在周向围绕第一和第二匹配层。又一方面，铜 箔910--其限定相应的第一和第二地电极--也被布置使得相应的第一和第二地电极的 内缘与相应的第一和第二匹配层的纵向延伸边缘间隔开。又一方面，相应的第一和第二地 电极的向外的边缘向外延伸出压电层的纵向面，使得它们可在制造方法的接下来步骤中被 可操作地结合至电路板的地。再一方面，如附图中示出的，第一和第二地电极的内缘可具有 延伸出压电层的纵向面的锯齿状图案，使得相应的第一和第二地电极可沿着压电层的相应 的纵向面被容易地弯曲。如图7中所示，铜箔的相应末端接下来被去除，以将相应的第一地 电极和第二地电极物理地隔开。一方面，邻近的铜箔可用于将铜箔粘合至压电层。可选地， 单个的第一地电极和第二地电极可被单独安装至压电层，这将形成如图7中所示的相同结 构。所述第一和第二地电极有效地作为金属化的地电极层的延伸部。
[0110] 另一方面，为了从相应的第一和第二地电极的顶面实现一个支座（standoff)，将 多个隔离物900布置在相应的第一和第二地电极的顶面的多个部分上。所述多个隔离物 900可以是柱状物或点状物，它们分布在压电层的整个周界。又一方面，多个隔离物900可 被布置在与相应的第一和第二地电极的内缘相邻的所述相应的第一和第二地电极的顶面 的多个部分上。再一方面，所述多个隔离物可被布置在所述堆的活性区域外面，即，在所述 堆的非活性区域中。所述隔离物可由任意能够被磨合以实现预期目标厚度的常规材料制 成。
[0111] 第四匹配层846粘附结合至透镜809,并且接下来允许在被磨合以实现预期目标 厚度之前熟化。在一示例方面，所述透镜可包括Rexolite，第四匹配层可包括CA粘合剂。 又一方面，第四匹配层可被应用至Rexolite白板（blank)，并且可在将Rexolite白板加工 成透镜之前被磨合以实现预期目标厚度。
[0112] 参照图1和8-10,第四匹配层846位于多个隔离物的顶面上，以确保被用于粘合透 镜/第四匹配层的粘合剂将形成第三匹配层836,所述第三匹配层在粘合剂熟化时具有预 期的目标厚度。另一方面，粘合的透镜/第四匹配层可位于所述堆的基本中心与压电层形 成预期配准。
[0113] 现在参照图11，一方面，压电层的底面可在形成第一和第二切口槽之前被磨合以 实现预期厚度。所述第一和第二切口槽被形成达到堆中的预期深度。所述第一和第二切口 槽是从所述堆的底部在所述堆中加工形成的。一方面，所述第一和第二切口槽是使用大约 3-10J/cm2之间一一优选地大约5J/cm2-一的激光能量密度用激光加工进所述堆中的。该 激光能量密度足以形成在所述堆的压电层中希望得到的切口高宽比。
[0114] 而且，一方面，测针记号基准（pin marker fiducial)可，例如但不限于，通过激光 加工被描划在压电层的底面上。所述测针记号基准可以是例如至少一个标记，诸如多个十 字形记号。如果使用的话，所述测针记号可被用于在接下来的下游制造方法中将所述堆相 对于柔性电路正确定位。又一方面，所述测针记号基准应延伸进入压电层的底面一个深度， 该深度足以使得当压电层的底面被磨合以实现最终目标厚度时所述测针记号基准仍是可 见的。优选的是所述测针记号基准的蚀刻图案基本笔直向下延伸，使得当压电层的底面被 磨合时，测针记号基准的宽度不变。
[0115] 如图11中所示，又一方面，激光校准标记930可，例如但不限于，通过激光加工被 描划在压电层的底面上。所述激光校准标记930可以是至少两个标记，诸如两个十字形记 号，在所述堆的任一个末端有一个。如果使用的话，所述激光校准标记930可被用于在接下 来的下游制造方法中帮助所述堆的校准和/或配准。又一方面，校准标记应延伸进入压电 层的底面一个深度，该深度足以使得当压电层的底面被磨合以实现其最终目标厚度时所述 标记仍是可见的。优选的是所述激光校准标记的蚀刻图案基本笔直向下延伸，使得当压电 层的底面被磨合时，所述激光校准标记的宽度不变。
[0116] 可选地，所形成的第一和第二切口槽被如上所述填充，且填充材料允许熟化。接下 来，所述压电层的底面被磨合以实现其最终目标厚度，这导致如图10中所示的所述堆的横 截面图。人们应理解，在制造过程的这个阶段，介质层、信号电极层以及背衬层尚未形成。
[0117] 现在参照图12A和12B，示出了支持构件940的一个示例实施方案。所述支持构件 具有第一纵向延伸侧边缘部分942以及相对的第二纵向延伸侧边缘部分944,每个侧边缘 部分具有相应的内表面946和相对的外表面948,其中第一和第二纵向延伸侧边缘部分的 相应内表面的一部分被配置使得电路板--诸如柔性电路板--或电路板对（如图23中 所示）的远端部分可与其连接。可使用具有较少迹线（traces)的其他柔性设计。例如，可 需要更多柔性电路来相加构成总计256条迹线。支持构件还具有在相应的第一和第二纵向 延伸侧边缘部分之间延伸的中间部分，所述第一和第二纵向延伸侧边缘部分限定一个中心 的、纵向延伸开口。所述中间部分还向所述支持构件提供机械强度和完整性，这是必要的， 因为当所述支持构件被结合至所述堆时，其将提供机械支撑以防止所述堆在剩下的装配过 程中变形。一方面，第一和第二纵向延伸侧边缘部分942、944可被布置为相互之间成锐角， 或者，它们可被布置为相互之间基本平行或者相互之间共面。
[0118] 在一个示例方面，多个电路校准特征960--诸如图10-15中示出的示例刻痕 线一一被切入或者以其他方式常规地形成进支持构件的中间部分的底面的一部分中。在 这个方面，所述多个电路校准特征可被布置使得它们相邻于和/或延伸至相应的第一和第 二纵向延伸侧边缘部分和/或支持构件的开口。可以理解，多个电路校准特征允许将电路 板或电路板对的引线框（信号迹线）的远端部分相对于堆内切割的第一切口槽准确地定 位。可以设定，支持构件的开口的相对侧上的多个电路校准特征相互之间彼此偏离一个等 于换能器阵列的间距的距离，以允许在电路板或电路板对与阵列元件之间形成交互的信号 电极图案。一方面，可在将所述堆安装至支持构件之后的一个单独步骤中形成多个校准特 征960。或者，可在将所述堆固定安装至支持构件之前形成多个校准特征，只要所述支持构 件能够充分配准地被安装至所述堆。
[0119] 如图13中所示，换能器堆被固定安装至支持构件940的中间部分的顶面的至少一 部分，并且电路校准特征被形成使得所述电路校准特征被放置为与压电层的阵列开口相配 准。一方面，所述堆组件可粘附结合至支持构件。可以设定，一方面，所述多个校准特征960 可在将所述堆固定安装至支持构件之后的一个单独步骤中被形成在所述支持构件中。可选 地，所述多个校准特征可在将所述堆固定安装至支持构件之前被形成在所述支持构件中。
[0120] 电路板一一诸如图16中示出的柔性电路一一的远端的相应底面连接至第一和第 二纵向延伸侧边缘部分924、944的相应内表面946。一方面，可通过使用粘合剂--诸如CA 粘合剂--将柔性电路结合至支持构件。相应的柔性电路与多个电路校准特征960相配准 地被固定安装至第一和第二纵向延伸侧边缘部分的相应内表面，以确保相应电路板上的电 路与阵列换能器的切口校准达到小于约〇. 5间距公差内。
[0121] 如图17中所示，介质层（例如，如此处所述的复合材料）可被应用至阵列的底面 部分。在一个可选步骤中，基准标记可在应用介质层之前被掩盖掉。一方面，介质材料可延 伸以覆盖附接至支持构架的柔性电路或者柔性电路对的引线框。一方面，可以设定，如果希 望的话，介质材料可与介质材料分别被应用。又一方面，介质层的轮廓相对于压电堆的短 轴居中，并且其被配置使得位于压电层的底面上的介质层的厚度满足使压电层不起作用的 最小电学要求。另一方面，所述介质层可被配置使得从柔性电路到压电层的底面的面过渡 具有如下控制的横截面轮廓，该横截面轮廓在制备沉积信号电极层中没有尖锐的边缘或底 切。所述介质从零到目标厚度的过渡允许相对均匀厚度的临时共形涂层一一诸如，例如但 不意在限制，抗蚀剂材料一一被应用在总括信号电极层的顶部，这允许在接下来图案化信 号电极层的过程中使用光烧蚀平版印刷法。
[0122] 实际上，优选如图17中所示将介质层应用在压电堆的底部上，并且接下来使用低 能量密度的激光来整修去除活性区域中的电介质，并且形成如图18中所示的平滑过渡。这 样的低能量密度可安全且干净地去除介质材料而不会明显烧蚀金属氧化物粉末、PZT或者 柔性电路上的铜等金属。在以248nm运行的受激准分子激光器的非限制实例中，合理的能 量密度在0.5-1. 5J/cm2的范围内。如上所述，介质层中形成的开口限定了阵列的高度，并 且所述开口可具有下列特征：其可比第一和第二切口槽相对于压电堆的短轴的长度更窄， 和/或其可比多个第一切口槽相对于压电堆的长轴的长度更长。
[0123] 参照图19和20,信号电极层的图案化以及将其电连接至柔性电路或柔性电路对 可通过使用常规的封装技术完成，诸如，但不限于平版印刷法及引线结合法、各向异性导电 膜和带，或者在所述堆和所述柔性引线框之间的直接接触。然而，优选的是，通过使用多个 可以被推广至高于50MHz的频率的于最小封装轨迹体积内完成所述信号电极层的图案化 的步骤。一方面，通过下列基本步骤（下面将更加详细描述）制造信号电极：借助于激光光 烧蚀对电极进行表面制备；真空沉积总括信号电极并且将所述堆的底面短路至柔性电路的 所有迹线，即，将所述堆的256个阵列元件短路连接至柔性电路的所有256条迹线；以及结 合激光光烧蚀平版印刷术和化学蚀刻将绝缘的电极图案化为溅射金属。一方面，可以设定， 每个信号电极将由金（Au)制成，并且将是大约0.5-1. 5um厚；优选大约0.6-1. 2um厚，更优 选地大约0. 8-1. Oum厚。所述的金电极的厚度允许金如同肉眼可见的或大块金属层一样起 作用，并且具有预期的易延展和可卷曲的特性，这增加了器件的可靠性。
[0124] 可以明白，具有较小100埃厚度的Cr或Ti/W的薄层可被常规地用作粘附层，或者 镍铬合金被用作扩散屏障一一当沉积金电极时。常规地，这些附加层的厚度相对于金电极 非常薄，并且，在通过共同沉积将金属合金化的情况下，合金的数量不足以影响下述的信号 电极图案技术。可以设定，在描述信号电极的图案化时，其中包括了金属合 金的所有组合。
[0125] 在沉积信号电极之前，可使用激光以确保压电层的底部的预期部分被完全暴露， 没有残留的介质层覆盖住活性区域的压电层。而且，激光可将位于第一切口槽上方的介质 层图案化以形成升高的隆起。人们将明白在活性区域中的第一切口槽上方形成的隆起将帮 助减小应用在第一切口槽上的抗蚀剂的厚度，并允许抗蚀剂淤积在压电层上。这有助于提 供对信号电极的干净的切口图案化。
[0126] 另一方面，激光可被用于形成从阵列的每个活性元件延伸至其在柔性电路引线框 上的指定铜迹线的浅沟或凹陷通路。在介质中的从活性元件（active element)到柔性电 路的沟允许抗蚀剂淤积在其中，这帮助在图案化信号电极的过程中保护金。又一方面，激光 可被用在该步骤中以去除在相应的柔性电路的铜迹线上的介质材料并干净地暴露所述铜 迹线。
[0127] 可选地，激光可被用于在将要被信号电极覆盖的阵列换能器的部分上形成"不平 整的"有纹表面（textured surface)。所述有纹表面可帮助促进将信号电极金属粘附至表 面，如此处所述。
[0128] 对于示例的256元件换能器阵列，信号电极层形成由256个隔离信号电极构成的 信号电极图案。一方面，每个隔离的信号电极可在所述堆的活性区域中一一包括到介质层 的倾斜过渡--具有最小的电极间隙，所述最小的电极间隙大约与相邻的阵列元件之间的 第一切口槽的宽度一样宽。该电极间隙可从介质间隙的一侧延伸到另一侧并且优选基本直 接位于第一切口槽上。或者，在子方块切口，即第二切口槽之上不需要电极间隙，因为子方 块压电条如上所述被电短路在一起。另一方面，在介质层的顶部，通过去除在相邻于每个阵 列元件的两个电极间隙之间的金，每个隔离的信号电极的末端止于介质层上。如图19和20 中所示，对于每个相邻元件，末端图案从左到右交替并且匹配柔性电路引线框。又一方面， 末端图案从所述堆到柔性电路的延伸可被提供在介质的顶部以完成将每个信号电极与相 邻元件的绝缘。如人们将理解的，末端图案的延伸也可从左变化到右使得所述延伸落在柔 性电路上的两个相邻引线之间。
[0129] 在一个实施方案中，在将一个金层常规沉积到换能器的准备好的部分之后，使用 多步骤的激光烧蚀和蚀刻过程来形成复杂的信号电极图案。在一个示例方面，可使用常规 溅射技术来施加金层。在第一步骤中，应用抗蚀剂层以在所沉积的金层上获得基本均匀的 涂层。所述堆可被翻倒或摇动以帮助确保抗蚀剂涂层基本均匀。在这方面，可以设定，抗蚀 剂将被允许在基本室温下变干燥。在抗蚀剂的软烤温度以下的升高温度也是允许的，只要 该温度不超过所述堆的材料或构造所对应的热预算或限度（例如但不限于50°C)。在接下 来的步骤中，使用例如大约0. 3J/cm2的低能量密度的激光可仅将整个信号电极图案一一诸 如，例如整个256阵列元件信号电极图案--上的抗蚀剂光烧蚀。在接下来的步骤中，将信 号电极图案常规蚀刻以使所施加的金层变薄。非限制性地，该蚀刻步骤可通过将蚀刻材料 加温至32°C并且蚀刻3分钟来示例完成。
[0130] 接下来，激光可被基本应用在第一切口槽上以帮助去除仍然位于第一切口槽上的 任何残留金属中的大部分。而且，在该步骤中，可以设定，在相邻于压电层的底面的第一切 口槽内的填充材料的一部分将被去除。如人们将明白的，这样去除填充材料将在第一切口 槽内的填充材料中形成浅沟，所述第一切口槽延伸在压电层的底面的平面下。一方面，可以 设定，对于该烧蚀步骤激光将使用中间能量密度，即，大约0. 3-0. 8J/cm2之间。
[0131] 又一方面，可以设定，可在每个激光烧蚀步骤之后，实现将一普通激光以低能量密 度水平一一即，大约〇. 3到0. 4J/cm2之间一一从柔性电路以及其他潜在暴露区域上面越 过。激光的这样低能量密度的经过可帮助确保去除任何残留的、不希望的蚀刻后的溅射的 金。
[0132] 在一个可选的附加步骤中，激光可被另外以极小数量脉冲在高能量密度下施加在 第一切口槽和末端图案上以去除在信号电极形成过程的该阶段可能仍然存在的任何毛刺。 正如人们将理解的，先前形成的任何凹陷的特征可帮助保护沉积的信号电极免受在增加的 能量密度激光烧蚀过程中形成的等离子体羽辉（plasma plume)的侵害。
[0133] 如人们将理解的，在上述处理之后，将每个信号电极可操作地安装至换能器，并且 将其电连接至柔性电路的一个单独电路和一个单独阵列元件。或者，测试信号电极是否短 路使得可识别任意短路并且可完成目标重新工作以校正所识别的短路。
[0134] 或者，可执行一个附加的蚀刻步骤来清理信号电极图案的毛刺。非限制性地，这个 蚀刻步骤可通过将蚀刻材料加温至32°C并且蚀刻1分钟来完成。这个步骤可帮助去除任何 最后残渣，当应用背衬层时，所述最后残渣会存在导致短路的风险。最后，将抗蚀剂从换能 器/支持构件/柔性电路组件一一即，阵列组件一一中清除干净，并且再次对信号电极进行 短路测试，使得可识别任意短路并且可完成锁定的重复工作以修正所识别的短路。
[0135] 如图21中所示，应用背衬层以完成阵列组件。一方面，背衬层可被布置以覆盖并 延伸超出所述堆的活性区域。又一方面，背衬层可基本填充在支持构件的第一和第二纵向 延伸侧边缘部分的相应内表面之间的所述支持构件内限定的空腔。
[0136] 在一个附加步骤中并且参照图22A和22B，从所述堆到结合的柔性电路的信号返 回通路应在形成信号电极之前被可操作地结合。这允许在已形成信号电极图案之后，测试 信号电极的电安全。一方面，导电材料一一诸如，铜带以及诸如此类一一被布置在阵列组件 上以将相应的第一和第二地电极电连接至柔性电路上的相应的地。所述铜带可与附加的导 电环氧树脂材料或低温焊料相结合以形成可靠的电接触。由此，在一个实施例中，来自组件 的信号返回通路基本平行于切口延伸至所述堆的末端，向上穿过导电环氧树脂粘合线进入 铜箔，然后通过示例的铜带的附加导电通路到达柔性电路上。
[0137] 其他实施方案
[0138] 在本申请中，参考了各种出版物。这些出版物的公开文本在此通过引用方式以其 整体纳入本文本。
[0139] 除非另外明确指出，此处给出的任何方法决不能理解为需要以特定顺序实施其步 骤。相应地，在其中方法权利要求没有实际说明其步骤所要遵循的顺序或者在权利要求或 说明书中没有以其他方式明确指出步骤限于特定顺序时，在任何情况下决不意在暗示存在 一个顺序。上述声明同样适用任何没有字面基础的解释，包括：相对于步骤或操作流的安排 的逻辑问题；从语法结构或标点符号得出的简单含义；以及在本说明书中描述的实施方案 的数目或类型。
[0140] 本领域技术人员应明白在不偏离本发明的范围或主旨的情况下，可以对本发明做 出各种修改和变化。结合考虑本说明书以及此处公开的对本发明的实践，本发明的其他实 施方案对于本领域技术人员将是明了的。说明书和实施例意在仅被认为是示例性的，本发 明的真正范围和主旨由下列权利要求说明。
[0141] 其他实施方案在权利要求中。
【主权项】
1. 用于制造呈一个图案的电极的方法，所述方法包括如下步骤： (a) 提供一个电气部件，其包括多个第一电极； (b) 将包括多个第二电极的连接器放置在所述电气部件附近； (c) 将包括基质材料和颗粒材料的复合介质材料沉积在所述多个第一电极和所述多个 第二电极上，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀； (d) 将所述复合介质材料的至少一部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质 材料的表面积；将所述复合介质材料激光烧蚀以暴露所述多个第一电极和所述多个第二电 极；以及在所述复合介质材料中从所述多个第一电极中的每一个电极到所述多个第二电极 中的相应电极激光烧蚀一个沟； (e) 在步骤（d)中烧蚀的区域上沉积导电金属； (f) 在所述导电金属上沉积抗蚀剂，其中与其他烧蚀区域相比，所述抗蚀剂在所述多个 第一电极、多个第二电极以及所述沟上更厚；以及 (g) 去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个负的图案来暴露所述导电金属并蚀刻所述 导电金属的暴露部分以制造呈所述图案的电极。2. 根据权利要求1的方法，还包括步骤（h):将经过蚀刻的导电金属区域进行激光烧 蚀，以去除位于其中的至少一部分所述复合介质材料。3. 根据权利要求2的方法，其中在步骤（h)中，基本上所有的所述复合介质材料和位于 经过蚀刻的导电金属区域下方的部件的一部分被烧蚀。4. 用于制造呈一个图案的电极的方法，所述方法包括如下步骤： (a) 提供一个超声阵列换能器堆，所述堆包括一个压电层和在所述堆内延伸预定深度 的多个第一切口槽，其中所述多个第一切口槽限定多个超声阵列元件； (b) 将具有用于多个阵列元件中的每一个阵列元件的电连接的连接器放置在所述堆的 附近； (c) 在所述堆的底面以及所述连接器的一部分上沉积包括基质材料和颗粒材料的复合 介质材料，其中所述基质材料相比于所述颗粒材料在较低能量密度下被激光烧蚀； (d) 将所述复合介质材料的至少一部分激光烧蚀以去除基质材料并增加所述复合介质 材料的表面积；将所述复合介质材料激光烧蚀以暴露所述多个阵列元件；以及在所述复合 介质材料中从每个阵列元件到连接器中的一个电连接激光烧蚀一个沟，其中所述烧蚀不暴 露所述多个第一切口槽； (e) 在步骤（d)中烧蚀的区域上沉积导电金属； (f) 在所述导电金属上沉积抗蚀剂，其中与所述多个第一切口槽相比，在每个阵列元件 和沟上的抗蚀剂更厚；以及 (g) 去除所述抗蚀剂的一部分使得以呈一个相对所述电极的图案为负的图案来暴露所 述导电金属的一部分，以及蚀刻所述导电金属的暴露部分以制造呈所述图案的电极。5. 根据权利要求4的方法，还包括（h):将经过蚀刻的导电金属区域进行激光烧蚀，以 去除在所述多个第一切口槽上的所述复合介质材料从而在单个阵列元件之间形成凹陷。6. 根据权利要求5的方法，还包括（i):将单个阵列元件之间的凹陷激光烧蚀，其中步 骤（i)相比于步骤（h)在较高能量密度下进行。7. 根据权利要求6的方法，还包括在步骤（i)之后去除所述抗蚀剂。8. 根据权利要求6的方法，还包括将步骤⑴的产物进行蚀刻以去除由激光烧蚀形成 的导电金属毛刺。9. 根据权利要求5的方法，其中所述多个第一切口槽被固体材料填充，所述固体材料 在步骤（h)中被烧蚀。10. 根据权利要求4的方法，其中没有步骤在高于70°C时进行。
【专利摘要】本发明在于制造电子部件诸如超声换能器的方法。具体而言，本发明提供，例如，在超声换能器与电路的连接中，的图案化电极的方法；在表面上沉积金属的方法；以及对于超声换能器制造集成匹配层的方法。本发明还在于通过此处所述的方法制造的超声换能器。
【IPC分类】B06B1/06
【公开号】CN104889042
【申请号】CN201410830257
【发明人】M·卢卡斯, C·查格雷斯, D·赫森, 庞国锋
【申请人】富士胶片索诺声公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2009年9月18日
【公告号】CN102308375A, CN102308375B, CN103811366A, EP2344042A1, EP2344042A4, EP2345066A1, EP2345066A4, US8316518, US20100156244, US20110144494, US20130096434, WO2010031192A1, WO2010031192A8, WO2010033867A1
最新回复(0)