用于设计具有声激励集成电子器件的超声换能器的方法技术

超声换能器包括被布置在衬底块（１２）和压电层（１６）之间的多层变换器（１４），在每一个压电层上布置至少一个匹配层（１８、２０）。变换器（１４）包括具有电子电路的基底（３０）、一个或多个声激励层（３２、３４、３６、３８）和在压电层（１６）和基底（３０）之间插入的互连层（４０）。选择基底（３０）、各个声激励层（３２、３４、３６、３８）和互连层（４０）的特性，然后确定在邻近变换器（１４）的压电层（１６）一侧处的变换器（１４）的声阻抗。然后例如使用计算机模拟来改变特性，直到获得在邻近变换器（１４）的压电层（１６）一侧处提供想要的声学性能特性的这些特性的值。因此，在确定变换器（１４）的声阻抗时考虑了电子电路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于设计在超声换能器中使用的声阻抗变换器的方法，以及还涉及一种具有声激励(acoustically active)集成电子电路的超声换能器。用于诊断医学成像的典型的超声换能器通常包括诸如锆钛酸铅(PZT)之类的压电材料层、粘结至PZT层的一侧的一个或多个声阻抗匹配层以及粘结至另一侧的一块衬底(backing)材料。衬底块是具有任意厚度的材料的基底(substrate)。代替作为衬底块而提供的材料，使用空气衬底是可能的。该匹配层用来增加超声能量与待成像身体或物体之间的耦合。该换能器可被分成多个独立的小换能器(称为换能器元件)的阵列，以便于电子装置的超声束的扫描。附图说明图1显示这种换能器的一个换能器元件100的一部分。衬底块102和匹配层104通常具有比压电层106低的声阻抗，以使压电层106以半波谐振模式振动，从而设定换能器工作的中心频率大约为fhw=2vd]]>其中fhw是半波谐振频率，v是压电材料中的声速，以及d是压电材料的厚度。可选择地，可以设计换能器具有比压电材料高的声阻抗的衬底材料。在这种情况中，换能器将以由下式给出的大约等于四分之一波长谐振频率的中心频率fqw工作fqw=4vd]]>显然，对于给定的压电材料和厚度，这些频率相差两倍。二维(2-D)超声相控阵列换能器在衬底块的设计中被给予特别关注。一般地，2-D阵列需要将数千个单独的声换能器元件连接至超声系统电子设备。在现有技术的换能器中，已经认识到在换能器的柄(handle)中结合电路以提供发射、接收、前置放大和形成局部束的功能是有利的。通过在换能器的声学衬底块中嵌入的导体或导电通路(如美国专利第5,592,730号中所示)或者通过在声学元件和包括导体的衬底块之间的薄的多层互连结构(如美国专利第5,977,691号中所示)实现声学元件和电路之间的连接。在这两种情况中，电子电路被布置在换能器的声激励区域的外面。考虑到需要制造具有嵌入导体的衬底块并且因为数千个导体中的每一个必须与该电子电路连接，所以这些现有技术的换能器是难于制造的。再者，在换能器的激励区中互连结构的存在能够导致不想要的声学散射区域，从而在图像中产生伪影(artifact)。此外，互连结构中信号踪迹之间的电容在电子电路和换能器元件上引入不希望的负载，并且在各个元件之间提供多个串扰路径，这二者都降低了换能器的性能。在衬底块中嵌入导体的方法还造成衬底块体积大而重，从而使换能器难于使用。这种换能器的大的体积还阻碍该方法用于腔内(endocavity)换能器和在小空间中使用的其它换能器。参考图2，具有嵌入导体的换能器的一个可替换例子是换能器108，在其中所需的电子电路被放置在邻近或紧密接近换能器的声学结构的一个或多个半导体芯片110上，因而具有电子电路的芯片一般采用集成电路的形式。因此，芯片110和声学元件104、106之间的互连结构112在电学上几乎变得无关紧要。在美国专利号5,435,313和5,744,898以及Sudol等人于2002年12月11日提交的标题为“Miniaturized Ultrasonic Transducer(小型超声换能器)”的美国临时专利申请序列号60/432,536(代理人记录号US020535)中描述了这种布置的例子，所述专利的公开在此被结合以作为参考。在这些公开中，电子电路的声学影响被忽略或者试图抑制电子电路的声学影响，例如通过使用在压电元件106和芯片10上的电子电路之间的“失配层”。然而，这些方法对于现有技术的超声成像系统并未产生满意的性能。为了使用这些成像系统，需要一种工作在大的带宽上的换能器，并且它产生的发射脉冲必须尽可能地短。例如，对于细微细节的成像，理想的是具有小于约1.6个周期的发射脉冲长度，该周期为在大约-10dB处测得的发射频率的周期。在称为谐波成像的另一个模式中，换能器以一个频率发射超声，并且以第二谐波或该频率的两倍接收回波。这需要具有在大约-3dB处测得的中心频率的至少67％左右的单向带宽的换能器。一般地，最小可实现的脉冲长度与带宽成反比例。对于增加的性能，希望的是具有接近并且甚至超过中心频率的100％的带宽的换能器。实现这种级别的性能需要对整个声学结构的精心设计。用于超声换能器的匹配层结构的设计在本领域中是众所周知的，并且在这里不详细讨论。对于高性能换能器，必须对衬底块和任何衬底层给予同样的关注。更经常地，成分均匀的材料被用于衬底块以提供均匀的声阻抗和高的声损耗，以便消除来自衬底块的边界或任何因机械或热的考虑而可能是必需的内部结构的反射的影响。存在的电子芯片以及在衬底块和压电层之间的可能的电互连层变换提供给压电层的后侧的声阻抗，并且这个变换取决于频率。对于单一的衬底层，有两组特别感兴趣的频率。在衬底层的厚度是整数个半波长的频率处，在衬底层前侧看到的声阻抗等于加载衬底层的后侧的声阻抗；变换比是一(1)。在衬底层的厚度是奇数个四分之一波长的频率处，在所述层前侧看到的声阻抗是Zqw=Zc2ZL]]>其中Zqw是在衬底层前侧看到的变换阻抗，Zc是衬底层的材料的特性声阻抗(衬底层阻抗)，以及ZL是在衬底层的后侧处的声负载阻抗。如果衬底层阻抗比ZL高，则变换的阻抗比衬底层阻抗本身高得多。相反地，如果衬底层阻抗比ZL低，则变换的阻抗比衬底层阻抗低得多。在四分之一和半波频率之间，变换的阻抗采用复数的值，该复数具有在衬底层阻抗和四分之一波长变换阻抗之间的中间的幅度。各个衬底层进一步变换由其后的衬底层产生的阻抗(当存在多个衬底层时)。由于其它衬底层产生随频率变化的阻抗，所以特性可能相当复杂，但可由公知变换来模拟Zin=ZczL+jZctan(2πdλ)Zc+jZLtan(2πdλ)]]>其中Zin是变换的阻抗，8是层材料中声的波长，d是衬底层的厚度，以及j是-1的平方根。一般地，低于衬底层阻抗的阻抗被变换成高阻抗，而高于衬底层阻抗的阻抗被变换成低阻抗。如由单一层变换的衬底块阻抗可随频率变化很大，并且添加更多的层可引起更多的变化，从而在最终变换的阻抗中导致大的谐振峰以及零。正如刚才所述，例如硅集成电路的电子电路以及相关的互连层将变换在其后的衬底块的阻抗，以使变换的阻抗在一些频率处可以非常高，而在其它频率处可以非常低。如上所述，具有高衬底块阻抗的换能器将在四分之一波长模式并以近似两倍于具有相同压电层但具有低阻抗衬底层的换能器的频率工作。具有作为频率的函数的衬底块阻抗的换能器可以以变换的衬底块阻抗为高的频率工作在四分之一波长模式，以及以变换的衬底块阻抗为低的频率工作在半波模式。为一个模式设计的换能器在另一模式中将工作不佳，因此在想要的工作频带内具有以不同频率的不同模式将导致可能具有谐振峰或零的严重变形的狭窄频谱。即使模式的混合没有发生，频率相关的衬底块阻抗也可能将不想要的失真引入到发射的频谱中。这种频谱妨碍在多个或谐波频率处的工作，并导致不能接受的长的发射脉冲。根据这些考虑因素，可以看出，在接近声激励层的附近中结合电子电路的现有技术的换能器将不能产生最佳的性能。本专利技术的一个目的是提供一种用于设计在超声换能器中使用的声阻抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设计供超声换能器使用的在声激励衬底块和压电层之间的声阻抗变换器的方法，其中至少一个匹配层被布置在该压电层上，包括：选择具有被布置与其连接的电子电路的基底的特性，具有电子电路的该基底是该变换器的一部分；选择不同于衬底块的至 少一个声激励层中每个的特性，该至少一个声激励层是该变换器的一部分；选择在电子电路和压电层之间插入的互连层的特性，该互连层是该变换器的一部分；确定在邻近变换器的压电层一侧处的声阻抗，因此在确定声阻抗时考虑了电子电路；以及　 　改变基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性，以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-6-9 60/476,9801.一种设计供超声换能器使用的在声激励衬底块和压电层之间的声阻抗变换器的方法，其中至少一个匹配层被布置在该压电层上，包括选择具有被布置与其连接的电子电路的基底的特性，具有电子电路的该基底是该变换器的一部分；选择不同于衬底块的至少一个声激励层中每个的特性，该至少一个声激励层是该变换器的一部分；选择在电子电路和压电层之间插入的互连层的特性，该互连层是该变换器的一部分；确定在邻近变换器的压电层一侧处的声阻抗，因此在确定声阻抗时考虑了电子电路；以及改变基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性，以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。2.如权利要求1所述的方法，其中该至少一个声激励层包括多个声激励层，进一步包括改变声激励层的数量以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。3.如权利要求2所述的方法，其中通过计算机模拟来实施基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性的改变。4.如权利要求1所述的方法，其中该至少一个声激励层包括多个声激励层，进一步包括在互连层和压电层之间布置声激励层的第一层以及在基底和衬底块之间布置声激励层的第二层。5.如权利要求1所述的方法，其中该至少一个声激励层包括多个声激励层，进一步包括在互连层和压电层之间布置至少一个声激励层。6.如权利要求1所述的方法，其中基底由半导体材料制成，进一步包括在半导体材料上制造电子电路。7.如权利要求1所述的方法，进一步包括选择用于将电子电路连接至换能器电缆的附加互连层的特性，以及改变该附加互连层的特性，以在邻近变换器的压电层一侧处获得想要的声学性能特性。8.如权利要求7所述的方法，其中附加互连层的特性包括互连层的类型、材料和厚度。9.如权利要求8所述的方法，进一步包括对基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性的改变施加限制。10.如权利要求9所述的方法，其中所施加的限制包括对用于基底、至少一个声激励层或互连层的具体材料的限制。11.如权利要求9所述的方法，其中所施加的限制包括对用于基底、至少一个声激励层或互连层的最小或最大厚度的限制。12.如权利要求1所述的方法，其中改变基底的特性、至少一个声激励层的特性和互连层的特性以优化在邻近变换器的压电层一侧处的声阻抗。13.如权利要求1所述的方法，其中互连层的特性包括互连层的类型，该互连层的类型是从由导电环氧树脂和倒装芯片粘接组成的组中选择的。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：W奥斯曼恩，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]