超声换能器组件和用于制造超声换能器组件的方法
超声换能器组件和用于制造超声换能器组件的方法
【专利说明】超声换能器组件和用于制造超声换能器组件的方法发明领域
[0001]本发明涉及超声换能器组件、尤其是用于血管内超声换能器的电容式微加工超声换能器(CMUT)单元及其制造方法。本发明还涉及超声换能器。
【背景技术】
[0002]在血管内超声装置领域中，通常已知的是在导管末端安装超声换能器以形成例如血管或周围组织的径向超声影像。超声换能器元件可以旋转，以便在所述导管末端的径向方向上发射和接收超声波。
[0003]还已知的是，采用具有超声换能器元件环形阵列的电子式扫描装置取代血管内超声装置的机械式扫描超声换能器元件。用于电子式扫描血管内超声系统的超声换能器元件通常基于压电陶瓷材料，其中这些装置的制造成本高且复杂，并且换能器元件无法为减小血管内换能器的尺寸而缩小。
[0004]电容式微加工超声换能器(CMUT)是基于硅晶片通过1C工艺技术制造的，且可以低成本制造，并可被缩小至血管内超声换能器的尺寸。为了制造环形的超声换能器阵列，在围绕圆柱形底座结构卷绕或弯曲并附接的硅晶片基底上形成半柔性的超声换能器阵列，以便形成所述环形阵列并在所述导管的径向方向上发射和接收超声波。
[0005]从US 2005/0146247 A2可知一种可弯曲的微加工超声换能器阵列，所述超声换能器阵列能够被附接到圆柱形底座结构上以形成圆柱形超声换能器阵列。
[0006]用于支撑所述柔性超声换能器阵列的底座结构必须高精度地制造，并且，将超声换能器阵列安装到底座结构上存在困难，且需要高精度的对准和复杂的操作设备，以便生产出用于血管内超声系统的环形形状的超声换能器阵列。
[0007]W0 2012/066430 A1公开了一种适用于心脏消融监视和肿瘤消融监视中的微创超声诊断装置的超声成像设备，其中，换能器组件和换能器系统是通过在箔片表面的孔中嵌入换能器贴片而在图案化的柔性箔片上制造出的。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种超声换能器组件，尤其是用于血管内超声系统的改进的超声换能器组件，所述超声换能器组件具有减小的尺寸且能够以较低的技术力量精确地生产。
[0009]在本发明的第一方面中，提供了一种超声换能器组件，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件，所述超声换能器组件包括:
[0010]换能器阵列，所述换能器阵列包含用于发射和接收超声波的多个换能器元件，
[0011]两个支撑元件，所述两个支撑元件柔性地连接到所述换能器阵列的相对两侧以支撑弯曲的或多边形形状的所述换能器阵列，以及
[0012]柔性连接层，所述柔性连接层连接到所述换能器阵列且连接到所述支撑元件，以使所述支撑元件柔性地连接到所述换能器阵列。
[0013]在本发明的另一方面中，提供了一种用于制造超声换能器组件、尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件的方法，所述方法包括步骤:
[0014]提供连接到基底的换能器支撑部分的换能器阵列，
[0015]将柔性连接层连接到所述基底，
[0016]将所述基底的一部分与所述换能器支撑部分分离以形成用于支撑所述换能器部分的支撑元件，使得所述支撑元件经由柔性层连接到所述换能器部分，以及
[0017]弯曲所述柔性连接层而使所述支撑元件连接到所述换能器支撑部分。
[0018]在本发明的另一方面中，提供了一种超声换能器，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器，所述超声换能器包括带有末端的细长探头和超声换能器，所述超声换能器包括此类超声换能器组件。
[0019]本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。应当理解的是，要求保护的方法具有与要求保护的装置相似和/或相同的优选实施例，且同样在从属权利要求中限定。
[0020]本发明基于这样的构思，S卩，在同一微制造工艺中制造所述换能器元件和所述支撑元件以减少制造工作，并在同一制造工艺中经由柔性连接层连接所述换能器阵列和所述支撑元件，使得所述支撑元件和所述换能器元件能够以较低的技术力量精确地互相组装。所述超声换能器组件能通过将所述支撑元件经由柔性连接层弯向所述超声换能器阵列以支撑弯曲的或多边形形状的所述换能器阵列而组装。因此，由于所述支撑元件和所述换能器阵列经由所述柔性连接层预组装在一起，所以减少了制造工作，并且，由于所述柔性连接层在预定位置连接所述支撑元件和所述换能器阵列，所以增加了的精度。另外，由于所述换能器阵列和所述支撑元件可以在一微制造工艺中制造，所以所述超声换能器组件的尺寸可以减小。
[0021]在一优选实施例中，所述连接层包括用于将所述换能器元件电连接到所述支撑元件的电互连件。这能够进一步减少制造工作，因为所述换能器元件的电连接被集成在所述换能器组件中。
[0022]在又一优选实施例中，所述支撑元件包括用于将所述换能器组件电连接到驱动装置的至少两个电接触部分。这能够通过较低的技术力量将所述超声换能器组件连接到驱动装置，例如通过连接器或插头。
[0023]在一优选实施例中，所述支撑元件包括具有圆形或多边形形状的支撑部分。这能够限定所述超声换能器组件的外在形式，且能够支撑预定形状的所述换能器阵列。
[0024]进一步优选的是，所述支撑元件包括具有比所述支撑部分更大的直径的连接部分，其中，所述连接部分被连接到所述连接层。因此，所述换能器阵列能够在径向方向上通过所述支撑部分得到支撑，且在轴向方向上通过具有比所述支撑部分更大的直径的所述连接部分得到支撑，使得组装后的超声换能器组件具有坚固的主体。
[0025]在另一优选实施例中，所述连接层被连接到所述支撑元件的端面。这能够进一步减少制造工作，因为所述支撑元件和所述换能器阵列可以连接到所述柔性连接层的平面表面。
[0026]在另一优选实施例中，所述支撑元件包括用于支撑所述超声换能器组件的中心凹陷。这能够通过可连接到所述凹陷的单个连接螺栓将所述换能器组件同轴安装在导管末端或类似处。
[0027]所述超声换能器组件包括柔性连接到所述换能器阵列的相对两侧的两个支撑元件。这能够进一步增加所述超声换能器组件的稳定性，因为所述换能器阵列能够在相对两侧得到支撑。
[0028]在一优选实施例中，所述柔性层为聚酰亚胺层或聚对二甲苯层。这能够以较低的技术力量在所述支撑元件与所述换能器阵列之间提供柔性连接。
[0029]在一优选实施例中，所述组件具有圆柱形或多面形形状，其中，所述换能器元件被布置于所述超声换能器组件的圆周面，以便在径向方向上发射和接收超声波。这能够在径向方向上发射和接收超声波，以及将所述超声换能器组件与导管或类似物结合以形成血管内超声系统。
[0030]在用于制造超声换能器组件的方法的优选实施例中，所述基底在与所述柔性层相反的表面处覆有蚀刻掩膜。这能够以较低的技术力量将所述支撑元件从所述换能器阵列分离，同时使所述支撑元件和所述换能器阵列仍然经由所述柔性层连接。
[0031]在一优选实施例中，所述支撑元件是通过干法蚀刻所述基底而分离的。这是一种以较低的技术力量提供具有精确和预定形状的支撑元件的简单方案。
[0032]进一步优选的是，包含所述换能器阵列和所述支撑元件的所述超声换能器组件是通过干法蚀刻所述基底并通过机械地分离所述柔性层而与所述基底分离的。这能够将所述换能器组件限定在所述基底内以及以较低的技术力量通过断开由干法蚀刻工艺限定的所述元件而从所述基底取出所述换能器组件。
[0033]如上面提及的，由于连接所述支撑元件和所述换能器阵列的柔性层，所述超声换能器组件能够通过将所述支撑元件弯向所述超声换能器阵列而组装，以使得所述换能器元件能够以弯曲的或多边形形状连接到所述支撑元件。因为所述换能器阵列和所述支撑元件通过微制造工艺形成于硅基底，所以，所述超声换能器组件能够缩小且具有较小的尺寸，以使所述超声换能器组件能够应用于血管内超声系统，并且可以以高精度和低技术力量来制造。
【附图说明】
[0034]参照下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并被阐明。在下面的附图中:
[0035]图1示出了组装前的超声换能器组件的平面示意图；
[0036]图2示出了图1的换能器组件的侧视示意图；
[0037]图3a、3b示出了用于示出其组装过程的超声换能器组件的透视图；
[0038]图4示出了组装后的超声换能器组件的轴向视角的示意性截面图；以及
[0039]图5a_k示出了用于制造超声换能器组件的制造步骤的顺序。
【具体实施方式】
[0040]图1示出了总体上由10表示的超声换能器组件的示意性俯视图。所述超声换能器组件包括换能器阵列12，换能器阵列12包含多个用于发射和接收超声波的换能器元件14。换能器组件10包括两个支撑元件16、18，所述两个支撑元件作为用于换能器阵列12的底座元件。支撑元件16、18具有圆形形状，并经由柔性连接层20连接到换能器阵列12。换能器阵列12在纵向轴线21的方向上具有细长的形状。
[0041]换能器元件14被制成为电容式微加工超声换能器(CMUT)。换能器元件14柔性地互相连接，使得换能器阵列12可以被弯曲，以形成如下所述的环形、圆形或多边形的换能器阵列12。换能器元件14能够经由柔性层柔性地互相连接，所述柔性层可以一体地连接到连接层20。
[0042]支撑元件16、18均包括中心凹陷22、24或中心开口22、24或中心孔22、24，以便支撑换能器组件10。将支撑元件16、18柔性地连接到换能器阵列12的柔性连接层20包括集成的电互连件26，电互连件26用于将换能器元件14电连接到支撑元件16、18。优选地，电互连件26连接到形成于支撑元件16、18的表面处的电连接元件28或者焊盘28，以便将换能器元件14电连接到用于驱动换能器阵列12的驱动装置。每个换能器元件14可连接到第一支撑元件16的一个电连接元件28，并且可连接到第二支撑元件18的连接元件中的一个上，以便单独地驱动每个换能器元件14。电互连件26可被集成到连接层20中或者可被印刷在连接层20上。
[0043]换能器组件10通过使用集成电路加工技术的微制造工艺由硅晶片制成，以形成换能器阵列12和支撑元件16、18。所述硅晶片可以是空白晶片或者可以包括预处理的有源器件或电路，如CMOS晶体管。
[0044]换能器元件14可包括硅岛，所述硅岛含有经由柔性连接层20互相连接的CMUT换能器。
[0045]支撑元件16、18经由柔性连接层20连接到换能器 阵列12，这样支撑元件16、18可被弯曲90°，使得柔性的换能器阵列12能够围绕支撑元件16、18卷绕，以便形成如下面进一步描述的圆柱形的换能器组件10。
[0046]图1所示的实施例包括换能器元件14的线型阵列，然而，换能器元件14的任何形状或任何形态都是可能的，且可应用于本发明，例如，圆形或多边形的换能器元件，所述换能器元件被布置成一维阵列或包括换能器元件14的行和列的二维阵列，所述行和列可交替移位。
[0047]图2示出了沿着换能器阵列12的纵向轴线21的换能器组件10的侧视示意图。换能器阵列12包括换能器元件14，且附接到柔性连接层20，柔性连接层20优选形成为一体。支撑元件16、18具有圆柱形形状，包含支撑部分30和连接部分32，其中，连接部分32具有比支撑部分30更大的直径。换句话说，支撑元件16、18具有“香槟瓶塞”的形状。支撑元件16、18的每个连接部分32的底面或端面34都连接到柔性连接层20。支撑元件16、18与换能器阵列12互相分隔一距离，且仅经由柔性连接层20互相连接。
[0048]为了组装换能器组件10，支撑元件16、18被围绕换能器阵列12的纵向轴线21弯曲，如箭头36所示。
[0049]在完全组装后的状态中，支撑部分30的圆周表面附接到换能器阵列12的背面38，以便支撑换能器阵列12并稳固组装后的换能器组件10的形式。支撑元件16、18的连接部分32抵靠在换能器阵列12的侧面40，以便在组装后的换能器组件10的轴向方向上支撑换能器阵列12。
[0050]图3a、3b示出了换能器组件10的示意性透视图，以解释换能器组件10的组装过程。相同的元件用相同的附图标记表示，其中在这里仅详细解释差异之处。
[0051]在第一步中，所述支撑元件被围绕换能器阵列12的纵向轴线21弯曲，使得支撑元件16、18的内端面42、44可以互相附接，例如，通过粘合剂或通过钎焊。
[0052]在图3b中，支撑元件16、18在其内端面42、44处互相附接而形成支撑换能器阵列12的圆柱形元件。柔性的换能器阵列12被如箭头46所示那样弯曲，且围绕支撑元件16、18的支撑部分30卷绕。因此，在组装形式中，换能器阵列12径向地附接到支撑部分30，并且在轴向方向上通过连接部分32支撑。
[0053]内端面42、44通过粘合剂或钎焊互相连接，或者换能器阵列12通过粘合剂、如PDMS之类的硅酮橡胶或热收缩管连接到所述支撑部分。
[0054]支撑部分30的圆周表面可具有圆形或环形的形状，或可具有多面形形状，使得组装后的换能器组件10，尤其是组装后的换能器阵列12具有相应的外形。
[0055]图4示出了组装后的换能器组件10在轴向观察方向上的示意性截面图。
[0056]换能器元件14被围绕支撑元件18的多面支撑部分30卷绕，并相应地附接到支撑部分30的不同面。换能器元件14经由连接层20柔性地互相连接，所述连接层可被设置在换能器阵列12的外侧。通过如此组装换能器组件10，可以在换能器组件10的径向方向上发射和检测超声波。
[0057]图5a至5k示出了用于制造换能器组件10的单个方法步骤。通常换能器组件10是通过微制造工艺在硅晶片基材上制造的。
[0058]首先，预处理的换能器元件14被附接到硅晶片基底50。所述基底可以是包含如CMOS晶体管的有源器件的完全处理的晶片。换能器元件14附接到或形成于基底50的将形成换能器阵列12的那部分处的前侧51，如图5a所示。
[0059]另外，通过沉积和图案化氧化物层，例如，PECVD(等离子增强的化学气相沉积)氧化物，在基底50的背侧54处形成硬掩模52，如图5b所示。
[0060]在接下来的步骤中，在基底50的前侧51、在换能器元件14上形成柔性连接层20，如图5c所示。柔性连接层20是聚酰亚胺柔性箔片，所述箔片包括夹在两层相等厚度的聚酰亚胺层之间的铝再布线层。柔性连接层20可以是聚对二甲苯层。
[0061 ]在工艺的末段，在基底50的前侧51上沉积薄铝层并图案化，以便形成硬掩模56来构造柔性连接层20，如图5d所示。
[0062]如图5e所示，利用硬掩膜52通过干法蚀刻工艺在基底50的背侧54蚀刻出ΙΟΟμπι的深度。另外，在基底50的背侧54上使用定时氧化蚀刻工艺，以便移除硬掩膜52的较薄部分58，如图5f所示。
[0063]在基底50的背侧54上实施的二次干法蚀刻工艺中，基底50被部分蚀刻到柔性连接层20，以便将支撑元件16、18从附接到换能器元件14的所述换能器部分分离。由于各向异性的干法蚀刻工艺，使得所述换能器部分的厚度减小并在所述支撑元件16、18处形成台阶，从而在连接部分32与支撑部分30之间形成差别。如图5g所示，在该蚀刻工艺之后，支撑元件
16、18被从周围的硅基底50分离，并仅经由柔性连接层20连接到周围的基底50。
[0064]利用在基底50的前侧51的铝层56作为硬掩膜，通过氧等离子体使柔性连接层20图案化，以便在支撑元件16、18上形成凹陷22、24、开口22、24或者中心孔22、24，如图511所示。在支撑元件16、18上蚀刻形成所述凹陷、开口或者孔22、24之后，通过定时湿法蚀刻移除硬掩膜56，如图5i所示。在工艺的这一阶段，换能器组件10被完全构造出，并仅通过形成于柔性连接层20的突片而被支撑在基板50内。
[0065]最后，通过断开柔性突片20而将换能器组件10从基底50取下，其中所述柔性突片是换能器组件10与基底50之间的唯一连接，如图5k所示。
[0066]组装后的换能器组件10的整体高度被限制为基底50的厚度的两倍，然而，通过在一列中堆叠多个换能器组件10可以形成具有任意长度的细长形状的超声换能器系统。
[0067]凹陷22、24或开口22、24或孔22、24可以具有圆形形状、方形形状、三角形形状或多边形形状，以便防止连接到超声换能器系统的换能器组件10的旋转。
[0068]虽然在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但这些图示和描述应理解为图示性或示例性的，而不是限制性的;本发明并不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施要求保护的发明过程中，从对附图、公开内容和所附权利要求的研究，能够理解并实现所公开实施例的其他变体。
[0069]在权利要求中，词语“包括”并不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。单个元件或其他单元可能实现权利要求中记载的若干项的功能。事实上某些措施记载在互不相同的从属权利要求中并不表示这些措施的组合不能被用于获益。
[0070]权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制保护范围。
【主权项】
1.一种超声换能器组件(10)，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件，所述超声换能器组件包括: 换能器阵列(12)，所述换能器阵列包含用于发射和接收超声波的多个换能器元件(14)， 两个支撑元件(16、18)，所述两个支撑元件柔性连接到所述换能器阵列的相对两侧以支撑弯曲的或多边形形状的所述换能器阵列，以及 柔性连接层(20)，所述柔性连接层连接到所述换能器阵列且连接到所述支撑元件，以使所述支撑元件柔性地连接到所述换能器阵列。2.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述连接层包括用于将所述换能器元件电连接到所述支撑元件的电互连件(26)。3.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述支撑元件包括用于将所述换能器组件电连接到驱动装置的至少两个电接触部分(28)。4.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述支撑元件包括具有圆形或多边形形状的支撑部分(30)。5.根据权利要求4所述的超声换能器组件，其特征在于，所述支撑元件包括具有比所述支撑部分更大的直径的连接部分(32)，所述连接部分被连接到所述连接层。6.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述连接层被连接到所述支撑元件的端面。7.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述支撑元件包括用于支撑所述超声换能器组件的中心凹陷(22、24)。8.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述柔性层为聚酰亚胺层或聚对二甲苯层。9.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述换能器组件具有圆柱形或多面形形状，所述换能器元件被布置于所述超声换能器组件的圆周表面，以便在径向方向上发射和接收超声波。10.—种用于制造超声换能器组件(10)、尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件的方法，所述方法包括步骤: 提供连接到基底(50)的换能器部分的换能器阵列(12)， 将柔性连接层(20)连接到所述基底， 将所述基底的一部分与所述换能器部分分离以形成用于支撑所述换能器部分的支撑元件(16、18)，使得所述支撑元件经由所述柔性层连接到所述换能器部分，以及 弯曲所述柔性连接层而使所述支撑元件连接到所述换能器部分。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基底在与所述柔性连接层相反的表面(54)处覆有蚀刻掩膜(52)。12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述支撑元件是通过干法蚀刻所述基底而分离的。13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包含所述换能器阵列和所述支撑元件的所述超声换能器组件是通过干法蚀刻所述基底并通过机械地分离所述柔性层而与所述基底分离的。14.一种超声换能器，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器，所述超声换能器包括带有末端的细长探头和根据权利要求1-9中的任一项所述的用于在所述探头的径向方向上发射和检测超声波的超声换能器(10)。
【专利摘要】本发明涉及一种超声换能器组件(10)，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件。组件(10)包括换能器阵列(12)，所述换能器阵列包含用于发射和接收超声波的多个换能器元件(14)。提供了两个支撑元件(16、18)，以支撑弯曲的或多边形形状的换能器阵列(12)。支撑元件(16、18)经由柔性连接层(20)连接到换能器阵列(12)以使支撑元件(16、18)柔性地连接到换能器阵列(12)。
【IPC分类】G10K11/00, A61B8/00, B06B1/02
【公开号】CN105492128
【申请号】CN201480047080
【发明人】R·德克尔, V·A·亨内肯
【申请人】皇家飞利浦有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年8月14日
【公告号】EP3038762A1, US20160207068, WO2015028311A1
【专利说明】超声换能器组件和用于制造超声换能器组件的方法发明领域
[0001]本发明涉及超声换能器组件、尤其是用于血管内超声换能器的电容式微加工超声换能器(CMUT)单元及其制造方法。本发明还涉及超声换能器。
【背景技术】
[0002]在血管内超声装置领域中，通常已知的是在导管末端安装超声换能器以形成例如血管或周围组织的径向超声影像。超声换能器元件可以旋转，以便在所述导管末端的径向方向上发射和接收超声波。
[0003]还已知的是，采用具有超声换能器元件环形阵列的电子式扫描装置取代血管内超声装置的机械式扫描超声换能器元件。用于电子式扫描血管内超声系统的超声换能器元件通常基于压电陶瓷材料，其中这些装置的制造成本高且复杂，并且换能器元件无法为减小血管内换能器的尺寸而缩小。
[0004]电容式微加工超声换能器(CMUT)是基于硅晶片通过1C工艺技术制造的，且可以低成本制造，并可被缩小至血管内超声换能器的尺寸。为了制造环形的超声换能器阵列，在围绕圆柱形底座结构卷绕或弯曲并附接的硅晶片基底上形成半柔性的超声换能器阵列，以便形成所述环形阵列并在所述导管的径向方向上发射和接收超声波。
[0005]从US 2005/0146247 A2可知一种可弯曲的微加工超声换能器阵列，所述超声换能器阵列能够被附接到圆柱形底座结构上以形成圆柱形超声换能器阵列。
[0006]用于支撑所述柔性超声换能器阵列的底座结构必须高精度地制造，并且，将超声换能器阵列安装到底座结构上存在困难，且需要高精度的对准和复杂的操作设备，以便生产出用于血管内超声系统的环形形状的超声换能器阵列。
[0007]W0 2012/066430 A1公开了一种适用于心脏消融监视和肿瘤消融监视中的微创超声诊断装置的超声成像设备，其中，换能器组件和换能器系统是通过在箔片表面的孔中嵌入换能器贴片而在图案化的柔性箔片上制造出的。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种超声换能器组件，尤其是用于血管内超声系统的改进的超声换能器组件，所述超声换能器组件具有减小的尺寸且能够以较低的技术力量精确地生产。
[0009]在本发明的第一方面中，提供了一种超声换能器组件，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件，所述超声换能器组件包括:
[0010]换能器阵列，所述换能器阵列包含用于发射和接收超声波的多个换能器元件，
[0011]两个支撑元件，所述两个支撑元件柔性地连接到所述换能器阵列的相对两侧以支撑弯曲的或多边形形状的所述换能器阵列，以及
[0012]柔性连接层，所述柔性连接层连接到所述换能器阵列且连接到所述支撑元件，以使所述支撑元件柔性地连接到所述换能器阵列。
[0013]在本发明的另一方面中，提供了一种用于制造超声换能器组件、尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件的方法，所述方法包括步骤:
[0014]提供连接到基底的换能器支撑部分的换能器阵列，
[0015]将柔性连接层连接到所述基底，
[0016]将所述基底的一部分与所述换能器支撑部分分离以形成用于支撑所述换能器部分的支撑元件，使得所述支撑元件经由柔性层连接到所述换能器部分，以及
[0017]弯曲所述柔性连接层而使所述支撑元件连接到所述换能器支撑部分。
[0018]在本发明的另一方面中，提供了一种超声换能器，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器，所述超声换能器包括带有末端的细长探头和超声换能器，所述超声换能器包括此类超声换能器组件。
[0019]本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。应当理解的是，要求保护的方法具有与要求保护的装置相似和/或相同的优选实施例，且同样在从属权利要求中限定。
[0020]本发明基于这样的构思，S卩，在同一微制造工艺中制造所述换能器元件和所述支撑元件以减少制造工作，并在同一制造工艺中经由柔性连接层连接所述换能器阵列和所述支撑元件，使得所述支撑元件和所述换能器元件能够以较低的技术力量精确地互相组装。所述超声换能器组件能通过将所述支撑元件经由柔性连接层弯向所述超声换能器阵列以支撑弯曲的或多边形形状的所述换能器阵列而组装。因此，由于所述支撑元件和所述换能器阵列经由所述柔性连接层预组装在一起，所以减少了制造工作，并且，由于所述柔性连接层在预定位置连接所述支撑元件和所述换能器阵列，所以增加了的精度。另外，由于所述换能器阵列和所述支撑元件可以在一微制造工艺中制造，所以所述超声换能器组件的尺寸可以减小。
[0021]在一优选实施例中，所述连接层包括用于将所述换能器元件电连接到所述支撑元件的电互连件。这能够进一步减少制造工作，因为所述换能器元件的电连接被集成在所述换能器组件中。
[0022]在又一优选实施例中，所述支撑元件包括用于将所述换能器组件电连接到驱动装置的至少两个电接触部分。这能够通过较低的技术力量将所述超声换能器组件连接到驱动装置，例如通过连接器或插头。
[0023]在一优选实施例中，所述支撑元件包括具有圆形或多边形形状的支撑部分。这能够限定所述超声换能器组件的外在形式，且能够支撑预定形状的所述换能器阵列。
[0024]进一步优选的是，所述支撑元件包括具有比所述支撑部分更大的直径的连接部分，其中，所述连接部分被连接到所述连接层。因此，所述换能器阵列能够在径向方向上通过所述支撑部分得到支撑，且在轴向方向上通过具有比所述支撑部分更大的直径的所述连接部分得到支撑，使得组装后的超声换能器组件具有坚固的主体。
[0025]在另一优选实施例中，所述连接层被连接到所述支撑元件的端面。这能够进一步减少制造工作，因为所述支撑元件和所述换能器阵列可以连接到所述柔性连接层的平面表面。
[0026]在另一优选实施例中，所述支撑元件包括用于支撑所述超声换能器组件的中心凹陷。这能够通过可连接到所述凹陷的单个连接螺栓将所述换能器组件同轴安装在导管末端或类似处。
[0027]所述超声换能器组件包括柔性连接到所述换能器阵列的相对两侧的两个支撑元件。这能够进一步增加所述超声换能器组件的稳定性，因为所述换能器阵列能够在相对两侧得到支撑。
[0028]在一优选实施例中，所述柔性层为聚酰亚胺层或聚对二甲苯层。这能够以较低的技术力量在所述支撑元件与所述换能器阵列之间提供柔性连接。
[0029]在一优选实施例中，所述组件具有圆柱形或多面形形状，其中，所述换能器元件被布置于所述超声换能器组件的圆周面，以便在径向方向上发射和接收超声波。这能够在径向方向上发射和接收超声波，以及将所述超声换能器组件与导管或类似物结合以形成血管内超声系统。
[0030]在用于制造超声换能器组件的方法的优选实施例中，所述基底在与所述柔性层相反的表面处覆有蚀刻掩膜。这能够以较低的技术力量将所述支撑元件从所述换能器阵列分离，同时使所述支撑元件和所述换能器阵列仍然经由所述柔性层连接。
[0031]在一优选实施例中，所述支撑元件是通过干法蚀刻所述基底而分离的。这是一种以较低的技术力量提供具有精确和预定形状的支撑元件的简单方案。
[0032]进一步优选的是，包含所述换能器阵列和所述支撑元件的所述超声换能器组件是通过干法蚀刻所述基底并通过机械地分离所述柔性层而与所述基底分离的。这能够将所述换能器组件限定在所述基底内以及以较低的技术力量通过断开由干法蚀刻工艺限定的所述元件而从所述基底取出所述换能器组件。
[0033]如上面提及的，由于连接所述支撑元件和所述换能器阵列的柔性层，所述超声换能器组件能够通过将所述支撑元件弯向所述超声换能器阵列而组装，以使得所述换能器元件能够以弯曲的或多边形形状连接到所述支撑元件。因为所述换能器阵列和所述支撑元件通过微制造工艺形成于硅基底，所以，所述超声换能器组件能够缩小且具有较小的尺寸，以使所述超声换能器组件能够应用于血管内超声系统，并且可以以高精度和低技术力量来制造。
【附图说明】
[0034]参照下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并被阐明。在下面的附图中:
[0035]图1示出了组装前的超声换能器组件的平面示意图；
[0036]图2示出了图1的换能器组件的侧视示意图；
[0037]图3a、3b示出了用于示出其组装过程的超声换能器组件的透视图；
[0038]图4示出了组装后的超声换能器组件的轴向视角的示意性截面图；以及
[0039]图5a_k示出了用于制造超声换能器组件的制造步骤的顺序。
【具体实施方式】
[0040]图1示出了总体上由10表示的超声换能器组件的示意性俯视图。所述超声换能器组件包括换能器阵列12，换能器阵列12包含多个用于发射和接收超声波的换能器元件14。换能器组件10包括两个支撑元件16、18，所述两个支撑元件作为用于换能器阵列12的底座元件。支撑元件16、18具有圆形形状，并经由柔性连接层20连接到换能器阵列12。换能器阵列12在纵向轴线21的方向上具有细长的形状。
[0041]换能器元件14被制成为电容式微加工超声换能器(CMUT)。换能器元件14柔性地互相连接，使得换能器阵列12可以被弯曲，以形成如下所述的环形、圆形或多边形的换能器阵列12。换能器元件14能够经由柔性层柔性地互相连接，所述柔性层可以一体地连接到连接层20。
[0042]支撑元件16、18均包括中心凹陷22、24或中心开口22、24或中心孔22、24，以便支撑换能器组件10。将支撑元件16、18柔性地连接到换能器阵列12的柔性连接层20包括集成的电互连件26，电互连件26用于将换能器元件14电连接到支撑元件16、18。优选地，电互连件26连接到形成于支撑元件16、18的表面处的电连接元件28或者焊盘28，以便将换能器元件14电连接到用于驱动换能器阵列12的驱动装置。每个换能器元件14可连接到第一支撑元件16的一个电连接元件28，并且可连接到第二支撑元件18的连接元件中的一个上，以便单独地驱动每个换能器元件14。电互连件26可被集成到连接层20中或者可被印刷在连接层20上。
[0043]换能器组件10通过使用集成电路加工技术的微制造工艺由硅晶片制成，以形成换能器阵列12和支撑元件16、18。所述硅晶片可以是空白晶片或者可以包括预处理的有源器件或电路，如CMOS晶体管。
[0044]换能器元件14可包括硅岛，所述硅岛含有经由柔性连接层20互相连接的CMUT换能器。
[0045]支撑元件16、18经由柔性连接层20连接到换能器 阵列12，这样支撑元件16、18可被弯曲90°，使得柔性的换能器阵列12能够围绕支撑元件16、18卷绕，以便形成如下面进一步描述的圆柱形的换能器组件10。
[0046]图1所示的实施例包括换能器元件14的线型阵列，然而，换能器元件14的任何形状或任何形态都是可能的，且可应用于本发明，例如，圆形或多边形的换能器元件，所述换能器元件被布置成一维阵列或包括换能器元件14的行和列的二维阵列，所述行和列可交替移位。
[0047]图2示出了沿着换能器阵列12的纵向轴线21的换能器组件10的侧视示意图。换能器阵列12包括换能器元件14，且附接到柔性连接层20，柔性连接层20优选形成为一体。支撑元件16、18具有圆柱形形状，包含支撑部分30和连接部分32，其中，连接部分32具有比支撑部分30更大的直径。换句话说，支撑元件16、18具有“香槟瓶塞”的形状。支撑元件16、18的每个连接部分32的底面或端面34都连接到柔性连接层20。支撑元件16、18与换能器阵列12互相分隔一距离，且仅经由柔性连接层20互相连接。
[0048]为了组装换能器组件10，支撑元件16、18被围绕换能器阵列12的纵向轴线21弯曲，如箭头36所示。
[0049]在完全组装后的状态中，支撑部分30的圆周表面附接到换能器阵列12的背面38，以便支撑换能器阵列12并稳固组装后的换能器组件10的形式。支撑元件16、18的连接部分32抵靠在换能器阵列12的侧面40，以便在组装后的换能器组件10的轴向方向上支撑换能器阵列12。
[0050]图3a、3b示出了换能器组件10的示意性透视图，以解释换能器组件10的组装过程。相同的元件用相同的附图标记表示，其中在这里仅详细解释差异之处。
[0051]在第一步中，所述支撑元件被围绕换能器阵列12的纵向轴线21弯曲，使得支撑元件16、18的内端面42、44可以互相附接，例如，通过粘合剂或通过钎焊。
[0052]在图3b中，支撑元件16、18在其内端面42、44处互相附接而形成支撑换能器阵列12的圆柱形元件。柔性的换能器阵列12被如箭头46所示那样弯曲，且围绕支撑元件16、18的支撑部分30卷绕。因此，在组装形式中，换能器阵列12径向地附接到支撑部分30，并且在轴向方向上通过连接部分32支撑。
[0053]内端面42、44通过粘合剂或钎焊互相连接，或者换能器阵列12通过粘合剂、如PDMS之类的硅酮橡胶或热收缩管连接到所述支撑部分。
[0054]支撑部分30的圆周表面可具有圆形或环形的形状，或可具有多面形形状，使得组装后的换能器组件10，尤其是组装后的换能器阵列12具有相应的外形。
[0055]图4示出了组装后的换能器组件10在轴向观察方向上的示意性截面图。
[0056]换能器元件14被围绕支撑元件18的多面支撑部分30卷绕，并相应地附接到支撑部分30的不同面。换能器元件14经由连接层20柔性地互相连接，所述连接层可被设置在换能器阵列12的外侧。通过如此组装换能器组件10，可以在换能器组件10的径向方向上发射和检测超声波。
[0057]图5a至5k示出了用于制造换能器组件10的单个方法步骤。通常换能器组件10是通过微制造工艺在硅晶片基材上制造的。
[0058]首先，预处理的换能器元件14被附接到硅晶片基底50。所述基底可以是包含如CMOS晶体管的有源器件的完全处理的晶片。换能器元件14附接到或形成于基底50的将形成换能器阵列12的那部分处的前侧51，如图5a所示。
[0059]另外，通过沉积和图案化氧化物层，例如，PECVD(等离子增强的化学气相沉积)氧化物，在基底50的背侧54处形成硬掩模52，如图5b所示。
[0060]在接下来的步骤中，在基底50的前侧51、在换能器元件14上形成柔性连接层20，如图5c所示。柔性连接层20是聚酰亚胺柔性箔片，所述箔片包括夹在两层相等厚度的聚酰亚胺层之间的铝再布线层。柔性连接层20可以是聚对二甲苯层。
[0061 ]在工艺的末段，在基底50的前侧51上沉积薄铝层并图案化，以便形成硬掩模56来构造柔性连接层20，如图5d所示。
[0062]如图5e所示，利用硬掩膜52通过干法蚀刻工艺在基底50的背侧54蚀刻出ΙΟΟμπι的深度。另外，在基底50的背侧54上使用定时氧化蚀刻工艺，以便移除硬掩膜52的较薄部分58，如图5f所示。
[0063]在基底50的背侧54上实施的二次干法蚀刻工艺中，基底50被部分蚀刻到柔性连接层20，以便将支撑元件16、18从附接到换能器元件14的所述换能器部分分离。由于各向异性的干法蚀刻工艺，使得所述换能器部分的厚度减小并在所述支撑元件16、18处形成台阶，从而在连接部分32与支撑部分30之间形成差别。如图5g所示，在该蚀刻工艺之后，支撑元件
16、18被从周围的硅基底50分离，并仅经由柔性连接层20连接到周围的基底50。
[0064]利用在基底50的前侧51的铝层56作为硬掩膜，通过氧等离子体使柔性连接层20图案化，以便在支撑元件16、18上形成凹陷22、24、开口22、24或者中心孔22、24，如图511所示。在支撑元件16、18上蚀刻形成所述凹陷、开口或者孔22、24之后，通过定时湿法蚀刻移除硬掩膜56，如图5i所示。在工艺的这一阶段，换能器组件10被完全构造出，并仅通过形成于柔性连接层20的突片而被支撑在基板50内。
[0065]最后，通过断开柔性突片20而将换能器组件10从基底50取下，其中所述柔性突片是换能器组件10与基底50之间的唯一连接，如图5k所示。
[0066]组装后的换能器组件10的整体高度被限制为基底50的厚度的两倍，然而，通过在一列中堆叠多个换能器组件10可以形成具有任意长度的细长形状的超声换能器系统。
[0067]凹陷22、24或开口22、24或孔22、24可以具有圆形形状、方形形状、三角形形状或多边形形状，以便防止连接到超声换能器系统的换能器组件10的旋转。
[0068]虽然在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但这些图示和描述应理解为图示性或示例性的，而不是限制性的;本发明并不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施要求保护的发明过程中，从对附图、公开内容和所附权利要求的研究，能够理解并实现所公开实施例的其他变体。
[0069]在权利要求中，词语“包括”并不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。单个元件或其他单元可能实现权利要求中记载的若干项的功能。事实上某些措施记载在互不相同的从属权利要求中并不表示这些措施的组合不能被用于获益。
[0070]权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制保护范围。
【主权项】
1.一种超声换能器组件(10)，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件，所述超声换能器组件包括: 换能器阵列(12)，所述换能器阵列包含用于发射和接收超声波的多个换能器元件(14)， 两个支撑元件(16、18)，所述两个支撑元件柔性连接到所述换能器阵列的相对两侧以支撑弯曲的或多边形形状的所述换能器阵列，以及 柔性连接层(20)，所述柔性连接层连接到所述换能器阵列且连接到所述支撑元件，以使所述支撑元件柔性地连接到所述换能器阵列。2.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述连接层包括用于将所述换能器元件电连接到所述支撑元件的电互连件(26)。3.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述支撑元件包括用于将所述换能器组件电连接到驱动装置的至少两个电接触部分(28)。4.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述支撑元件包括具有圆形或多边形形状的支撑部分(30)。5.根据权利要求4所述的超声换能器组件，其特征在于，所述支撑元件包括具有比所述支撑部分更大的直径的连接部分(32)，所述连接部分被连接到所述连接层。6.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述连接层被连接到所述支撑元件的端面。7.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述支撑元件包括用于支撑所述超声换能器组件的中心凹陷(22、24)。8.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述柔性层为聚酰亚胺层或聚对二甲苯层。9.根据权利要求1所述的超声换能器组件，其特征在于，所述换能器组件具有圆柱形或多面形形状，所述换能器元件被布置于所述超声换能器组件的圆周表面，以便在径向方向上发射和接收超声波。10.—种用于制造超声换能器组件(10)、尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件的方法，所述方法包括步骤: 提供连接到基底(50)的换能器部分的换能器阵列(12)， 将柔性连接层(20)连接到所述基底， 将所述基底的一部分与所述换能器部分分离以形成用于支撑所述换能器部分的支撑元件(16、18)，使得所述支撑元件经由所述柔性层连接到所述换能器部分，以及 弯曲所述柔性连接层而使所述支撑元件连接到所述换能器部分。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基底在与所述柔性连接层相反的表面(54)处覆有蚀刻掩膜(52)。12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述支撑元件是通过干法蚀刻所述基底而分离的。13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包含所述换能器阵列和所述支撑元件的所述超声换能器组件是通过干法蚀刻所述基底并通过机械地分离所述柔性层而与所述基底分离的。14.一种超声换能器，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器，所述超声换能器包括带有末端的细长探头和根据权利要求1-9中的任一项所述的用于在所述探头的径向方向上发射和检测超声波的超声换能器(10)。
【专利摘要】本发明涉及一种超声换能器组件(10)，尤其是用于血管内超声系统的超声换能器组件。组件(10)包括换能器阵列(12)，所述换能器阵列包含用于发射和接收超声波的多个换能器元件(14)。提供了两个支撑元件(16、18)，以支撑弯曲的或多边形形状的换能器阵列(12)。支撑元件(16、18)经由柔性连接层(20)连接到换能器阵列(12)以使支撑元件(16、18)柔性地连接到换能器阵列(12)。
【IPC分类】G10K11/00, A61B8/00, B06B1/02
【公开号】CN105492128
【申请号】CN201480047080
【发明人】R·德克尔, V·A·亨内肯
【申请人】皇家飞利浦有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年8月14日
【公告号】EP3038762A1, US20160207068, WO2015028311A1
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