坚固、简单且可高效制造的换能器阵列制造技术

一种用于超声应用的换能器阵列包括多个换能器元件，所述换能器元件设置成自对准连接到柔性电缆。所述阵列易于制造，适用于可佩戴、无线和其它小型超声设备。一种制造坚固的换能器阵列的简单而高效的方法涉及在将换能器元件连接到其各自的导体之后，至少部分地分离所述换能器元件。述换能器元件。述换能器元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】坚固、简单且可高效制造的换能器阵列


[0001]本专利技术属于用于超声应用的换能器阵列领域，例如用于可佩戴的无线超声设备的换能器阵列。本专利技术还涉及生产所述换能器阵列的坚固、简单且高效的方法，且涉及一种包括所述换能器阵列的产品。

技术介绍

[0002]超声波是一种振荡声压波，其频率高于人类听觉范围的上限(因此称为超声波)。超声设备可以以从20kHz到几千兆赫的频率工作。超声波可以用于许多不同的领域。超声波设备用于探测物体和测量距离。超声成像(超声波检查)用于兽医和人类医学。在产品和结构的无损检测中，超声波用于检测不可见的缺陷。在工业上，超声波用于清洗、混合和加速化学工艺。在较高的功率水平下，超声波可用于医学治疗或改变物质的化学性质。
[0003]已经有了在尺寸、成本和质量方面改进超声系统的方法，例如换能器设计、传输和接收电路设计和波束形成算法。目前，超声系统的尺寸和功率的很大一部分用于波束形成器，波束形成器负责引导和/或聚焦超声波束。如果放松诸如尺寸和功率的设计限制，则由64至128个传输/接收通道组成的具有波束形成器的标准换能器阵列可以直接实现。随着超声系统变得更加便携，甚至可佩戴，似乎有必要采用比标准车载系统通道更少、功耗更低的新型波束形成器架构。
[0004]超声的一种应用涉及膀胱监测。许多人，例如老年人、排尿功能障碍或尿床的儿童、分娩后的妇女、患有神经性膀胱的患者、精神错乱的人以及其他人，都难以控制膀胱的功能，且难以按时如厕排尿。这种(部分)失禁非常不方便，且可能导致心理问题和身体问题(例如感染、局部皮肤问题)。这种失禁的解决方案包括应用例如尿布和尿床报警器。然而，这种事后解决方案可以限制失禁的后果，但并不总能为某些患者群体提供最佳解决方案。
[0005]对于一些超声应用，如膀胱监测，使用专用的手持设备。这些专用设备有各种缺点，尤其是需要在传感器和监测器之间布线，设备的手持使用；因此，其不适合长期监测。一些现有技术的设备可能需要训练有素的专业人员来操作换能器并评估所看到的情况。典型地，这些被用于医疗机构如医院中的间歇检查。利用现有技术，不可能持续跟踪膀胱的填充情况，并在膀胱变满时向用户或他/她的看护者发出警报。这与许多(健康)问题相关，包括但不限于儿童尿失禁(UI)(膀胱活动过少或过多、排尿功能障碍、尿床)；患有神经源性膀胱功能障碍的成年人，患有暂时性或永久性脊柱问题的人，疗养院患者。它还与预防尿潴留(UR)相关(例如手术期间和术后、产后)。
[0006]超声设备通常是手持式的，且是为间歇使用而制造的。其也很大，或者至少太大而不能佩戴，其不能(半)永久地固定在身体上，不能由患者在正常生活中，坐、站或躺的时候使用，且可能需要电缆用于电力和信号传输，且在使用中不实用。
[0007]对于使用超声波来确定或监测诸如体内的腔体内的液体体积的某些设备，可能需要相对于设备的方向成一定角度地提供超声波。尤其是骨头，比如膀胱附近的耻骨，可能会阻碍超声；然后，所述设备通常需要放置在耻骨上方，且需要以一定角度传输和接收超声
波。
[0008]一般来说，对于长期使用的设备，尤其是小型可佩戴设备，例如膀胱监测器，需要使用最少量的能量，因为通常设备上装有电源,且应尽可能少地充电。现有技术超声技术的电子电路致力于获得尽可能多和尽可能详细的信息，通常使用复杂的电子设备和能够成像的软件。然而，这种设备的能量消耗相对较大。如果这样的设备被有线连接到电网，这不是很大的问题，但是考虑到运行时间，对于独立的设备，这可能是一个很大的问题。
[0009]现有技术的设备，尤其是换能器阵列，生产起来困难且笨重。通常需要通过焊接相应触点来提供到阵列中相应换能器元件的连接。这种焊接通常限于大约0.3mm的宽度，在所述尺寸以下，焊接成本显著增加。以小间距焊接换能器元件意味着相邻换能器元件之间短路的风险，并因此破坏阵列的性能。由于需要使用同轴电缆，这变得更加复杂，因为对于传统的图像形成，换能器元件通常必须由远离换能器阵列的强大电子电路驱动。
[0010]已经尝试使用例如半导体领域中使用的焊接机或丝焊机。这些机器通常使用压力和/或热量来实现焊接，其结果是恶化或破坏了压电换能器材料的特性。结果，没有发现实际应用。
[0011]也已经进行了适当对准连接的尝试。然而，所属领域的技术人员通常局限于每个和任何连接的上述焊接，且连接的正确对准即使不是不可能的，至少也是复杂的。当然，对于更大的阵列或更小的间距，这种对准更加麻烦。
[0012]因此，仍然需要一种可以在超声设备中使用的坚固、简单的换能器阵列，其克服了一个或多个上述缺点，而不损害基本的功能和优点。

技术实现思路

[0013]本公开在第一方面涉及一种用于超声的坚固、简单、可高效制造的换能器，其包括至少n个换能器元件的换能器阵列，其中n优选大于8，其中相邻的换能器元件之间具有至少部分第一间隔，其中所述部分间隔可以由限制器提供，例如染料限制器、染料锯或激光切割机。提供包括至少n个导体的柔性电缆，优选为扁平柔性电缆，用于连接到换能器元件。至少两个导体通过自对准电触点电连接到至少两个单独的换能器元件。优选地，所有电连接的触点一次连接，例如使用由焊接机提供的焊接触点，优选地，至少3至1024个换能器元件一次连接，可选地包括至少一个接地触点。导体提供到电源和/或电路的连接，用于提供信号，例如电脉冲，用于驱动相应的换能器元件。电连接可以包括至少一个触点，通常在柔性电缆的相应导体的另一侧。
[0014]此外，可以为换能器阵列提供外壳，在所述外壳中可以提供换能器阵列，优选地，换能器阵列嵌入在所述外壳中。通常，外壳完全包围换能器阵列，可选地具有用于超声波的开口或窗口，或者允许电缆连接到外部。然而，优选地，不向外部提供电缆，且所述设备是无线的，所有的电子设备都设置在外壳内。由于许多不同因素的巧合，当前配置的设备可以实现其简化的目标，尤其是对于低分辨率的目的。首先，通过选择低分辨率，可以在单片结构中容易地制造较少换能器元件的有限阵列。其次，通过在图像质量上让步，减少电子元件的数量。因此，降低了驱动和处理这种阵列所需的功率，允许将必要的电子器件包含在可佩戴的小型设备的外壳内。因此，简化了布线和连接，因为不再需要屏蔽同轴电缆来将换能器连接到外部处理电子设备。
[0015]因此，除了换能器阵列和电缆之外，外壳可以包括承载所有必要互连的印刷电路板(PCB)、具有驱动阵列所需处理能力的微处理器、用于临时或永久存储数据和指令的存储器、用于例如通过wifi、蓝牙等与外部接收器通信数据和指令的无线通信模块以及诸如电池的电源，所述电源可以是可更换的或可充电的。所属领域的技术人员将会很好地理解，这些项目中的一些或全部可以适当地分离或集成在一起。
[0016]电触点是自对准的，这在本上下文中意味着相应触点不是一次一个地单独连接到分立的换能器元件，而是共同连接，随后通过锯切等分离。在目前描述的方法中，可以应用一个公共触点，所述公共触点随后被提供有间隔。这种电触点可以通过焊接、使用导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生产简化的换能器阵列的方法，包括提供在相应的第一和第二表面上具有第一和第二电极层的换能器材料板，在柔性电缆中提供至少n个导体，其中n≥8，在所述板的一侧，优选通过焊接形成与所述导体端部的单个触点，且在所述板的宽度上，同时保持所述板的温度低于220℃，优选为10℃或更低于所述换能器材料可能发生去极化的温度，通过在所述焊接的一侧提供至少n
‑
1个至少部分的分隔，将所述换能器材料分成至少n个换能器元件的阵列，其中所述分隔完全延伸通过所述焊接，从而将所述单个触点分成n个独立的自对准触点，每个触点与所述柔性电缆的单个导体连接，以及将所述分离和连接的换能器材料放置在外壳中，且可选地将所述换能器材料固定在所述外壳中，例如通过胶粘、通过粘合、通过施加力以及其组合。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述换能器的第一表面由所述换能器上的可选层保护，以提供机械刚度，保护所述外壳中的所述换能器，并作为声学背衬层，和/或其中所述单个触点具有0.2mm至2mm的宽度，和/或其中所述单个触点被施加在柔性电缆的端部，和/或其中所述换能器材料在焊接期间被冷却。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述单个触点通过焊接形成，且所述焊接在少于10秒的时间内进行。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在形成所述单个触点之后但在分离所述换能器材料之前，所述连接电缆的端部向下弯曲离开切割路径。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中提供接地触点，所述接地触点从所述板的所述第二表面处的所述第二电极层沿着所述板的至少一侧延伸至所述板的所述第一表面上的至少一个电极，其中所述至少一个电极与所述柔性电缆的所述至少一个导体电触点。6.一种可选地可通过权利要求1的方法获得的用于超声的坚固、简单且可高效制造的换能器阵列，包括至少n个换能器元件的换能器阵列，其中n≥8，其中两个相邻的换能器元件之间具有至少部分第一间隔，柔性电缆，包括至少n个导体，优选为扁平柔性电缆，至少两个导体通过自对准电触点电连接到至少两个单独的换能器元件，优选为焊接触点，可选地包括至少一个接地触点，电源和/或电路，用于提供信号，例如脉冲，并用于驱动换能器元件，与至少一个触点电连接，通常在所述柔性电缆的相应导体的另一侧，以及所述换能器阵列的外壳，在所述外壳中提供了换能器阵列，优选地，所述换能器阵列嵌入在所述外壳中。7.根据权利要求6所述的换能器阵列，其中每个单独的换能器元件包括选自钛酸盐、块状压电材料、压电复合材料、活性压电材料的压电材料，例如锆钛酸铅((PZT)(Pb[Zr
x
Ti1‑
x
]O
3 0≤x≤1)、AlN、(PbMg
0.33
Nb
0.67
)1‑
x
(PbTiO3)
x
，优选x＝0.28
‑
0.5(PMNT)、MNT钴、陶瓷和晶体材料、微机电系统(MEMS)，例如CMUT和PMUT，以及其组合。8.根据权利要求7所述的换能器阵列，其中所述换能器元件材料具有0.1毫米至2毫米的厚度，例如0.3毫米至1.0毫米。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的换能器阵列，其中至少一个换能器元件配备有用于电触点的导电材料，优选为涂覆的导电材料，优选在其顶侧和底侧，和/或其中与柔性电缆的自对准电触点是焊接触点、导电胶合触点或电容耦合触点。10.根据权利要求6至9中任一项所述的换能器阵列，其中所述阵列中的换能器元件被间隔分离，优选地被充气间隔分离，其中所述间隔具有0.01mm至1mm的宽度，例如0.05mm，且其中所述元件之间的所述间隔是所述元件厚度的50％至95％。11.根据权利要求6至10中任一项所述的换能器阵列，...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷努特，
申请(专利权)人：诺维欧扫描有限责任公司，
类型：发明
国别省市：