柔性电容式微加工超声换能器阵列制造技术

一种设备，包括位于基板上的基于聚合物的电容式微加工超声换能器的阵列。该基板可以至少对电离辐射是基本上透射的、柔性的和/或具有位于其上的壁以保护换能器。有位于其上的壁以保护换能器。有位于其上的壁以保护换能器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】柔性电容式微加工超声换能器阵列
[0001]相关申请的交叉引证
[0002]本申请根据35U.S.C.
§
119(e)要求以下申请的优先权：2020年1月17日提交的题为“可穿戴的CMUT监测器(Wearable CMUT monitor)”的美国临时专利申请号62/962,284；2020年1月17日提交的题为“柔性电容式微加工超声换能器织物(Flexible Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer Fabric)”的美国临时专利申请号62/962,285；以及2020年1月17日提交的题为“基于透明聚合物的电容式微加工超声换能器(Transparent Polymer
‑
based Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers)”的美国临时专利申请号62/962,291，在允许此类结合的司法管辖区中，所有这些申请的全部内容通过引用结合于此。

技术介绍

[0003](a)

[0004]所公开的主题总体上涉及电容式微加工超声换能器阵列，具体地，涉及用于三维无生命结构的无损检测(NDT)的大型柔性阵列，该三维无生命结构包括桥梁支撑、管道以及飞机机翼；用于人类监测和治疗的柔性服装，以及用于组织诊断的X射线透射组件，具体地与X光机相关联。
[0005](b)相关现有技术
[0006]就每年创建的图像而言，超声成像是世界上最广泛使用的医学成像模态。在超声成像中，由换能器发射的超声波穿过材料并且从界面反射到具有不同声阻抗的其他材料。反射回波回到它们在其中被处理为形成超声图像的换能器。超声换能器将电压转换成声波，反之亦然。
[0007]自从二十世纪三十年代以来，超声系统传统上将压电材料用于它们的换能器。诸如压电晶体(例如，石英)、陶瓷(例如，锆钛酸铅(PZT))和聚合物(例如，聚偏二氟乙烯(PVDF))等材料已被用作换能器材料[1]。尽管压电换能器技术已成熟的事实，但是具有许多缺点，诸如由于晶圆级的互连和集成挑战[1]而在制作大型二维阵列方面的技术挑战。
[0008]声阻抗(材料中的声速乘以其密度，以瑞利进行测量)是系统对施加到系统的声压呈现的相反测量。这是基于压电的超声系统中的重要量，因为它确定多少声功率被有效地传递到被成像的目标材料。“声匹配层”是在基于压电的系统中的强制性结构，用于减少晶体的阻抗与目标材料(例如，组织或金属)的较低或较高阻抗之间的阻抗失配。这些匹配层通常由与液体凝胶组合的高密度橡胶制成，并且位于晶体和目标材料之间。
[0009]电容式微加工超声换能器(CMUT)被认为是当前的基于压电的换能器[1]的可替换技术。CMUT基本上是平行板电容器，在底部具有固定到基板的固定电极，在腔之上具有悬浮膜并且沿着边缘密封。在悬浮膜的顶部上图案化金属电极。当在两个电极之间施加叠加在DC电压上的AC信号时，由CMUT生成超声波；可替换地，在传入超声之前施加DC电压时，可以通过测量装置的电容变化来检测超声波。大多数CMUT由硅基板上的硅材料制成。硅具有比软组织高的声阻抗，以及比金属或复合材料低的声阻抗，因此仍然存在失配。
[0010]专利技术人先前已开发了基于聚合物的制造技术(Gerardo，Rohling和Cretu的美国专利10,509,013B2，10,564,132B2和10,598,632B1，其全部内容通过引用结合于本文中)，该技术允许使用聚合物膜来微制造超声换能器，还降低了所要求的操作电压。

技术实现思路

[0011]根据一方面，提供了(i)基板；(ii)位于基板上的基于聚合物的电容式微加工超声换能器的阵列，该阵列包括第一行换能器和将第一行换能器串联地电连接的电互连件；以及(iii)两行壁，该两行壁从基板的与换能器相同的侧延伸并且定位成使得第一行换能器在两行壁之间，其中，壁高于换能器。
[0012]该阵列还可包括附加行的换能器和使附加行中的任一行的换能器互相串联地电连接的电互连件，并且该设备还可包括附加行的壁，这些壁从基板的与附加行的换能器相同的侧延伸并且被定位成使得附加行的换能器分别在附加行的壁之间，其中，附加行的壁比附加行的换能器高。
[0013]多行换能器可定位成互相平行。
[0014]该设备还可包括跨越壁的电互连件，使得换能器包括电互连矩阵。
[0015]该设备还可包括多列壁，多列壁从基板的与换能器相同的侧延伸并且跨过多行壁，其中，多列换能器分别在多列壁之间，并且其中，多列壁高于换能器。
[0016]壁可减降低声学交叉耦合。
[0017]壁中的至少一些壁可被分割。
[0018]换能器可包括染色的聚合物。
[0019]基板可以是柔性的。
[0020]基板的有换能器阵列位于其上的侧面的一部分可以是粘性的，并且是粘性的部分可以位于阵列周围。
[0021]基板可包括弹性织物。
[0022]基板可包括金属箔。
[0023]基板对于电离辐射可以是基本上透射的。
[0024]电离辐射可以是X射线。
[0025]该基板对X射线可具有至少77.4％的透射率。
[0026]该设备还可包括位于基板的至少一个拐角上的基准标记，其中，基准标记对于X射线的透射不如基板。
[0027]基板可以是非磁性的。
[0028]基板可以对紫外光、可见光和红外光中的至少一个是基本透射的。
[0029]基板可包括聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、铝和/或氧化铟锡。
[0030]壁可具有至少50μm的高度。
[0031]壁中的至少一些壁可在整个基板线性延伸。
[0032]壁中的至少一些壁可在整个基板上以锯齿形图案延伸。
[0033]壁中的至少一些壁可以是机械增强的。
[0034]机械增强的壁可包括增强部分和非增强部分，其中，增强部分比非增强部分厚，并且其中，至少壁的端部包括增强部分。
[0035]机械增强的壁可包括增强部分和非增强部分，其中，增强部分和非增强部分具有不同的横截面。
[0036]机械增强的壁可包括增强部分和非增强部分，其中，增强部分和非增强部分由不同材料制成。
[0037]该设备还可包括声学微透镜，该声学微透镜包括沉积在壁的顶部与换能器的顶部之间的一个或多个材料层。
[0038]基板可包括成行地应用于对象的带，其中，带包括沿着带的顶面的顶部焊盘、沿着带的底面的底部焊盘、以及穿过带的分别电连接成对的顶部焊盘和底部焊盘的过孔，其中，焊盘被定位成使得相邻行的带互相重叠，并且相邻行中的一行的顶部焊盘接触相邻行中的另一行的底部焊盘。
[0039]顶部焊盘和底部焊盘分别沿着顶面和底面的边缘延伸。
[0040]多行换能器可以相对于带的边缘非正交地延伸，以便于将带应用到弯曲表面。
[0041]带可包括被定位成便于焊盘重叠的凹凸(relief)对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种设备，包括：(i)基板，所述基板对于电离辐射为至少77.4％透射；以及(ii)位于所述基板上的基于聚合物的电容式微加工超声换能器的阵列，所述阵列包括第一行换能器和将所述第一行换能器串联地电连接的电互连件。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电离辐射是X射线。3.根据权利要求2所述的设备，还包括位于所述基板的至少一个拐角上的基准标记，其中，所述基准标记对于X射线的透射不如所述基板。4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述阵列还包括附加行的所述换能器和将所述附加行中的任一行的所述换能器彼此串联地电连接的电互连件。5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述行被定位为互相平行。6.根据权利要求5所述的设备，还包括跨越所述行的电互连件，使得所述换能器包括电互连矩阵。7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述换能器包括染色的聚合物。8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述基板的有所述换能器阵列位于其上的一侧的一部分是粘性的，并且其中，粘性的所述部分位于所述阵列周围。9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板包括弹性织物。10.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板包含金属箔。11.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板是柔性的。12.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板是非磁性的。13.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板对于紫外光、可见光和红外光中的至少一种为基本上透射的。14.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板包含聚酰亚胺。15.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板包含聚碳酸酯。16.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板包含聚甲基丙烯酸甲酯。17.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板包含铝。18.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述基板包含氧化铟锡。19.根据权利要求1所述的设备，还包括两行壁，所述两行壁从所述基板的与所述第一行换能器相同的侧延伸并且被定位成使得所述第一行换能器在所述两行壁之间，其中，所述壁高于所述第一行换能器。20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述阵列还包括附加行的换能器和将所述附加行中的任一行的所述换能器互相串联地电连接的电互连件，并且其中，所述设备还包括附加行的壁，所述附加行的壁从所述基板的与所述附加行的换能器相同的侧延伸且被定位成使得所述附加行的换能器分别在所述附加行的壁之间，其中，所述附加行的壁高于所述附加行的换能器。21.根据权利要求20所述的设备，还包括多列壁，所述多列壁从所述基板的与所述换能器相同的侧延伸且横跨所述多行壁，其中，多列所述换能器分别在所述多列壁之间，其中，所述多列壁高于所述换能器。22.根据权利要求19至21中任一项所述的设备，其中，所述壁降低声学交叉耦合。23.根据权利要求19至22中任一项所述的设备，其中，所述壁中的至少一些壁被分割。
24.根据权利要求19或20所述的设备，其中，所述壁具有至少50μm的高度。25.根据权利要求19至24中任一项所述的设备，其中，所述壁中的至少一些壁在所述基板上线性延伸。26.根据权利要求19至24中任一项所述的设备，其中，所述壁中的至少一些壁在所述基板上以锯齿形图案延伸。27.根据权利要求19至26中任一项所述的设备，其中，所述壁中的至少一些壁是机械增强的。28.根据权利要求27所述的设备，其中，机械增强的所述壁包括增强部分和非增强部分，其中，所述增强部分比所述非增强部分厚，并且其中，所述壁的至少端部包括所述增强部分。29.根据权利要求27所述的设备，其中，机械增强的所述壁包括增强部分和非增强部分，其中，所述增强部分和所述非增强部分具有不同的横截面。30.根据权利要求27所述的设备，其中，机械增强的所述壁包括增强部分和非增强部分，其中，所述增强部分和所述非增强部分由不同的材料制成。31.根据权利要求19至30中任一项所述的设备，还包括声学微透镜，所述声学微透镜包括沉积在所述壁的顶部与所述换能器的顶部之间的一个或多个材料层。32.根据权利要求1至31中任一项所述的设备，其中，所述基板包括用于成行地应用至对象的带，其中，所述带包括沿着所述带的顶面的顶部焊盘、沿着所述带的底面的底部焊盘、以及穿过所述带的分别电连接成对的所述顶部焊盘和所述底部焊盘的过孔，其中，所述焊盘被定位成使得所述带的相邻行互相重叠，并且所述相邻行中的一行的所述顶部焊盘接触所述相邻行的另一行的所述底部焊盘。33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述顶部焊盘和所述底部焊盘分别沿着所述顶面和所述底面的边缘延伸。34.根据权利要求32所述的设备，其中，所述多行换能器相对于所述带的边缘非正交地延伸，以便于将所述带应用到弯曲表面。35.根据权利要求32至34中任一项所述的设备，其中，所述带包括凹凸对准锁定图案，所述凹凸对准锁定图案被定位成便于所述焊盘的重叠。36.根据权利要求35所述的设备，其中，所述凹凸对准锁定图案包括所述顶面和所述底面中的一个上的突起以及位于所述顶面和所述底面中的另一个中的对应凹部。37.根据权利要求1至36中任一项所述的设备，还包括嵌入所述基板中的光波导。38.根据权利要求37所述的设备，其中，所述光波导终止于所述换能器。39.根据权利要求37所述的设备，其中，所述光波导终止于所述换能器外部的所述基板中。40.根据权利要求1至39中任一项所述的设备，还包括：(i)无线发射器，所述无线发射器通信地耦接至所述换能器；以及(ii)电池，所述电池电耦接至所述无线发射器和所述换能器，其中，所述无线发射器被配置为将使用所述换能器获得的超声数据无线传输至控制器。41.一种设备，包括：
(i)基板；(ii)位于所述基板上的基于聚合物的电容式微加工超声换能器的阵列，所述阵列包括第一行换能器和将所述第一行换能器串联地电连接的电互连件；以及(iii)两行壁，所述两行壁从所述基板的与所述换能器相同的侧延伸并且被定位成使得所述第一行换能器在所述两行壁之间，其中，所述壁高于所述换能器。42.根据权利要求41所述的设备，其中，所述阵列还包括附加行的所述换能器和将所述附加行中的任一行的所述换能器互相串联地电连接的电互连件，并且其中，所述设备还包括附加行的壁，所述附加行的壁从所述基板的与所述附加行的换能器相同的侧延伸并且被定位成使得所述附加行的换能器分别在所述附加行的壁之间，其中，所述附加行的壁高于所述附加行的换能器。43.根据权利要求42所述的设备，其中，所述多行换能器被定位成互相平行。44.根据权利要求43所述的设备，还包括跨越所述壁的电互连件，使得所述换能器包括电互连矩阵。45.根据权利要求42至44中任一项所述的设备，还包括多列壁，所述多列壁从所述基板的与所述换能器相同的侧延伸并且穿过所述多行壁，其中，多列所述换能器分别在所述多列壁之间，其中，所述多列壁高于所述换能器。46.根据权利要求41至45中任一项所述的设备，其中，所述壁减少声学交叉耦合。47.根据权利要求41至46中任一项所述的设备，其中，所述壁中的至少一些壁被分割。48.根据权利要求41至47中任一项所述的设备，其中，所述换能器包括染色的聚合物。49.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板是柔性的。50.根据权利要求49所述的设备，其中，所述基板的有所述换能器阵列位于其上的一侧的一部分是粘性的，并且其中粘性的所述部分位于所述阵列周围。51.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板包括弹性织物。52.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板包含金属箔。53.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板对于电离辐射是基本上透射的。54.根据权利要求53所述的设备，其中，所述电离辐射是X射线。55.根据权利要求54所述的设备，其中，所述基板对X射线具有至少77.4％的透射率。56.根据权利要求54或55所述的设备，还包括位于所述基板的至少一个拐角上的基准标记，其中，所述基准标记对于X射线的透射不如所述基板。57.根据权利要求41至48中任一项的设备，其中，所述基板为非磁性的。58.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板对于紫外光、可见光和红外光中的至少一种为基本上透射的。59.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板包含聚酰亚胺。60.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板包含聚碳酸酯。61.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板包含聚甲基丙烯酸甲酯。62.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板包含铝。63.根据权利要求41至48中任一项所述的设备，其中，所述基板包含氧化铟锡。
64.根据权利要求41至63中任一项所述的设备，其中，所述壁具有至少50μm的高度。65.根据权利要求41至64中任一项所述的设备，其中，所述壁中的至少一些壁在所述基板上线性延伸。66.根据权利要求41至64中任一项所述的设备，其中，所述壁中的至少一些壁在所述基板上以锯齿形图案延伸。67.根据权利要求41至64中任一项所述的设备，其中，所述壁中的至少一些壁是机械增强的。68.根据权利要求67所述的设备，其中，机械增强的所述壁包括增强部分和非增强部分，其中，所述增强部分比所述非增强部分厚，并且其中，所述壁的至少端部包括所述增强部分。69.根据权利要求67所述的设备，其中，机械增强的所述壁包括增强部分和非增强部分，其中，所述增强部分和所述非增强部分具有不同的横截面。70.根据权利要求67所述的设备，其中，机械增强的所述壁包括增强部分和非增强部分，其中，所述增强部分和所述非增强部分由不同的材料制成。71.根据权利要求41至70中任一项所述的设备，还包括声学微透镜，所述声学微透镜包括沉积在所述壁的顶部与所述换能器的顶部之间的一个或多个材料层。72.根据权利要求41至71中任一项所述的设备，其中，所述基板包括用于成行地应用至对象的带，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特，
申请(专利权)人：大不列颠哥伦比亚大学，
类型：发明
国别省市：