具有变迹的竖直方向聚焦的超声波传感器阵列制造技术

一种超声传感器阵列（１０），具有沿着一成像平面内一阵列轴线对齐的多个传感器元件（１２）。每个传感器构件（１２）包括一压电基片（２４），还包括一贴在基片后表面上的后电极（３２）和一贴在基片前表面上的具有一定图样的前电极（３０）。一导电的或金属的声学匹配层（２６）叠置在具有一定图样的前电极（３０）上。前电极（３０）沿着一与成像平面垂直的竖直轴线具有特殊图样，从而使在竖直平面内的发射的超声束变迹。该图样按一预定的锥形的加权函数而定，该函数最好近似一加重平均加权函数。与阵列轴线平行取向的一些狭槽切入压电基片（２４）的前表面，以形成多个子元件。这也使压电基片（２４）的这些部分被隔绝而不被具有一定图样的前电极所叠置，从而增强了束的变迹。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总地涉及超声波传感器阵列，更具体地涉及一种具有变迹的竖直方向上聚焦(apodized elevation focus)的声学上隔离的传感器元件的直线或曲线阵列。在近几年，超声成象技术在临床医疗诊断和材料的无损检测中已开始盛行。在医疗诊断的成象中，这些技术已被用于测量和记录深层器官以及整个身体的生理结构的尺寸和位置。超声成象系统一般包括多个沿一阵列轴线布置的平行压电传感器元件，每个元件都有一个压电层以及用于激励压电层并使它发射超声能的前和后电极。一个电激励电路激励传感器元件以形成能沿侧向扫描的超声能量细束，从而确定成象面。激励电路能以几种常规方式中的任一种激励多个压电元件，以提供例如沿成象面扫描一个窄束的相控阵，或在成象面内分步引导一个窄束的阶梯阵。在竖直方向平面内束的形成比较困难，因为由于成本上和简便性的原因，沿竖直方向轴线一般不提供多个用来电聚焦波束的传感器元件。通常，在传感器阵列的前面布置一个光学透镜，为超声波束提供一个单一的竖直方向聚焦。但是，由于传感器晶体沿竖直方向方向的长度有限，绕射会在竖直方向上导致侧波瓣出现，它与主波瓣的成象相互干扰。另外，透镜所产生的聚焦场深度会受到过度限制。过去已经尝试在竖直方向轴线上使超声波束变迹，以降低波束侧波瓣的幅度并由此改进传感器的清晰度。特别是，一薄片声屏蔽材料已被贴在压电传感器元件前表面的选定部分，以修整沿前表面各位置处发射出的超声能的强度，通常降低了在元件相对于它们中心的侧面处的强度。但是，使用声屏蔽材料是不精确的并且需要使用额外的层。因此，需要一种更有效的提供成象束的超声传感器阵列，该成象束具有降低的竖直方向侧波瓣和比较好的在较宽范围的场深度上的聚焦，无需使用声屏蔽材料。本专利技术满足了这种需要。本专利技术体现在一个超声传感器阵列中，它具有一个具有一定图样的前电极和导电声配匹层，提供了具有降低的竖直方向侧波瓣的变迹成象束。通过直接修整沿每个传感器元件前表面各位置处发射出的超声能来实现这种变迹。超声传感器阵列在一较宽范围的场深度上还展示出比较好的聚焦。特别是，超声传感器阵列包含有多个沿在成象面内的一阵列轴线排成一行的压电传感器元件。每个压电传感器元件都包含一压电基片，它带有一个由前电极覆盖的前表面，另外还有一个由后电极覆盖的后表面。电激励信号通过覆盖着的第一声配匹层施加到前电极。前电极具有一定图样，以提供一个沿一垂直于成象面的竖直方向轴线分布的预定锥形加权函数。这在竖直方向面中提供了束变迹，束的侧波瓣所具有的幅度比没有变迹的传感器元件所提供的要低。在本专利技术更详细的特征中，每个传感器元件的压电基片有一系列切入其前表面内的槽，沿完全平行于阵列轴线的方向排列。这些槽在声学上构成隔离的子元件，并且进一步隔离那些未被前电极覆盖的压电层部分，从而增强了所希望的束变迹。本专利技术另一个更详细的特征中，每个传感器元件的前电极具有特别的图样，以便该元件发射一种具有近似为加重平均加权函数的能量分布的超声波束。这被认为是提供了一种特别理想的束变迹形式。第一声匹配层可以取两种适当形式的任一种。在一种形式中，一个薄金属层(例如铜)形成第一声匹配层的后表面，以传导电信号给具有一定图样的前电极。或者，整个第一声匹配层可以由导电材料构成。在本专利技术的另一个特征中，每个压电传感器元件可以包含一个均匀厚度的第二声匹配层，覆盖着第一声匹配层。此外，一个非导电材料的声透镜可以覆盖声匹配层。最后，每个传感器元件的前表面在竖直方向平面内可以具有或者平面形状或者凹入形状。根据以下结合附图对较佳实施例的描述，本专利技术的其它特征和优点会变得显而易见，其中附图用例子说明了本专利技术的原理。附图说明图1是一幅部分剖开的本专利技术超声传感器阵列的透竖直方向，它具有多个独立的超声传感器元件。为了说明起见，阵列的一部分已从其余部分提出。图2是一幅图1阵列提出部分的放大剖面图，示出了几个超声传感器元件。图3是一幅本专利技术超声传感器阵列的侧剖竖直方向。图4是一幅在制造过程的早期阶段中用于本专利技术超声传感器阵列中的压电基片的横剖面图。压电基片有隔离的前和后电极。图5一幅图4压电基片的端竖直方向，拥有一系列锯口槽，并且部分前电极按规定的图样被除掉。图6A和6B是根据加重平均加权函数及其相应付里叶变换加权的窗口曲线图，单位是幅值的对数。图7A和7B是均匀加权矩形窗口及其相应付里叶变换的曲线图，单位是幅值的对数。图8是图6A加重平均加权函数的曲线图，它被划分成与本专利技术超声传感器元件前电极部分有关的区域。图9A是一幅由传感器阵列所产生的扫描束在竖直方向上的分布曲线图，位于距传感器阵列40毫米距离处，其中传感器阵列带有根据图7A中曲线图均匀加权得出的传感器元件。图9B是一幅在距传感器阵列40毫米的距离处，传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图，阵列具有根据图8的加重平均加权函数加权得出的传感器元件。图10A是一幅在距传感器阵列60毫米的距离处，传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图，传感器阵列具有根据图7A的曲线图均匀加权得出的传感器元件。图10B是一幅在距传感器阵列60毫米的距离处，带有根据图8的加重平均加权函数加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布线图。图11A是一幅在距传感器阵列80毫米的距离处，带有根据图7A的曲线图均匀加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。图11B是一幅在距传感器阵列80毫米的距离处，带有根据图8加重平均加权函数加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。图12A是一幅在距传感器阵列100毫米距离处，带有根据图7A的曲线图均匀加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。图12B是一幅在距传感器阵列100毫米的距离处，传感器阵列所产生的描束的在竖直方向上的分布曲线图，传感器阵列具有根据图8加重平均加权函数加权得出的传感器元件。图13A是一幅在距传感器阵列120毫米的距离处，带有根据图7A曲线图均匀加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。图13B是一幅在距传感器阵列120毫米的距离处，带有根据图8的加重平均加权函数加权得出的传感器元件的传感器阵列所产生的扫描束的在竖直方向上的分布曲线图。图14是一幅本专利技术超声传感器阵列替代实施例的横剖面侧竖直方向。图15是一幅本专利技术超声传感器阵列另一个替代实施例的横剖面侧竖直方向。如图所示，特别是图1-3所示，本专利技术体现于一个通常由标号10代表的超声传感器阵列中，并且体现于一种用于成象一个目标的相关方法中，其中通过在成象面中扫描一个窄束超声能量成象一个目标。传感器阵列包含有多个声学上隔离的超声传感器元件12，它们由可控幅度和相位的信号所激励，使波束在成象面上扫描。由于通过有选择地仅激励每个元件的选定部分而产生的单个传感器元件的变迹，因此传感器阵列提供了改进的波束的竖直方向聚焦。这使传感器阵列能提供改进的成象。超声传感器阵列10包含有多个装在外壳14内的独立的超声传感器元件12。单独的元件被电连接到一个柔性印刷电路板的导线16上并电连接到由聚合物衬垫材料20固定到位的接地薄片18上。绕传感器元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个用于成象一个目标的超声传感器阵列，包含有多个在成象面内的沿阵列轴排成一列的压电传感器元件，每个压电传感器元件包括：一个带有前表面和后表面的压电基片；一个覆盖了压电基片前表面选定部分的具有一定图样的前电极，这种被选定部分小于整个前 表面；一个覆盖了压电基片后表面的后电极；和一个覆盖具有一定图样的前电极并向前电极传导电信号的第一声匹配层；其中具有一定图样的前电极被构成提供一个预定的垂直于成象面的沿竖直轴线分布的锥形加权函数，从而提供一个在竖直平面内变迹的超声 能束。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：P迈克尔芬斯特瓦尔特，
申请(专利权)人：平行设计有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]