[发明专利]用于相控阵列换能器的缆线直接互联方法

说明书

技术领域

本发明涉及换能器阵列，其包括至少一个换能器元件，本发明特别涉及将信号线直接对正和电连接到各换能器元件的方法。本发明适于将信号线连接到各换能器元件，而不需要客户组配、昂贵的柔性电路、将信号线焊接在元件上或靠近元件、或使用灌装基底。

背景技术

在整个本明书中对相关技术的任何讨论决不应理解为承认该技术是众所周知的或是构成本领域公知常识的一部分。

超声换能器是这样的器件，其用于将电能转化为机械能，或将机械能转化为电能。电势产生在压电元件两侧，从而以对应于所施加电压的频率激励元件。结果，压电元件发射声能的超声波束，其可耦合到受测试材料中。反过来，当声波，例如原始超声波束的回波，入射到压电元件时，元件将跨越其电极产生相应的电压。

超声换能器的一种常规用途是超声成像，其被用于，例如，非破坏性试验。在这样的应用场合，换能器阵列常被构建，并且沿着直或弯曲轴线、或是以二维格栅的形式均匀分布。换能器阵列被构造为使得每个换能器元件可通过一些遥控电路而被独立激励(供电)。通过这种方式，控制电路可以被设计成以下述方式激励换能器阵列，即对声波进行定形和导向(典型地被称作波束成形)，以便于对试样的内部结构进行成像。这种类型的波束成形技术对于熟知本领域技术的人员来说是详知的。

这种类型的换能器结构要求多个导体被电连接至相应压电元件的第一侧(其典型为靠近基底材料的一侧)，并且返回路径(典型地采用布置在压电元件顶部的公共接地平面的形式)被连接至每个压电元件的第二侧，经常通过一或多个声匹配层。随着整体换能器的几何构造减小，而阵列中元件的数量增多，越来越难以实现对正和元件的电连接。

大部分的阵列换能器典型地使用中间板或柔性电路进行组配，以将信号线从控制电路电连接至各压电元件。公开于美国专利No.6,894,425的一种措施包括这样的方法，其中制造柔性电路并将其布置在基底和压电层之间。遗憾的是，设计和制造这样的柔性电路是昂贵且耗时的。此外，这种类型的电路层，不论是否柔性的，都要求直接焊接至压电元件，以确保良好的声匹配。这种焊接工艺可能引起压电元件经历显著的加热，这可能去极化或以其它方式损坏压电材料的结构。另外，中间板或柔性电路中的电路元件典型地导致与压电元件之间具有大接触面积，从而阻碍元件的声学性能。中间电路，不论是否柔性的，都还会增加换能器组件的复杂性，以及遥控电路和压电元件之间所需中间连接部的数量。

一种措施公开于美国专利No.5,592,730，另一种措施公开于美国专利No.5,559,388，二者提供了穿过基底材料产生导电通道(垂直于换能器阵列的平面沿着z轴分布的导电柱)的方法。虽然这些方法是有效的，但它们的产生也是复杂且耗时的，并且要求使用灌装基底，而灌装基底可能在固化过程中因收缩而变形，从而负面影响声学性能。另外，由于这些z轴连接方法仍存在中间电连接并且要求相对靠近压电材料焊接，它们几乎没有解决因使用柔性电路或其它类型的中间板而施加于压电材料的过热所造成的问题。

此外，用于通过基底材料产生柔性电路或导电通道的方法典型地要求显著的初始投资和构建时间。尽管与这些方法相关的附加成本和工作量对于大规模批量生产标准换能器组件而言是可以接受的，但对于客户定制的专用换能器组件的小规模生产而言，它们可能会显著地降低成本效率并且增加设计时间。

因此，有益的是提供一种在压电元件和控制电路之间的对正和电连接方法，其可靠、简单且制造容易。如果这种新式方法能够消除对高温焊接在压电元件上或附近的要求，则也是有益的。另外，如果这种新式方法能够显著减小现有方法将电连接部紧固在压电元件上所要求的接触面积，则也是有益的。如果这种新式方法显著减少控制电路和压电元件之间所需的中间连接部的数量，则也是有益的。如果这种新式方法能够以低成本和省时的方式来制造客户定制的专用换能器组件，则也是有益的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的相关问题。本发明通过在实体基底材料中刻制出沟纹图案而实现上述目的。这些沟纹被精确且可靠地制成(例如，通过使用切片锯(dicing saw)，当然其它方法也可以使用)，并且被用于精确地将信号线直接与各压电元件对正。粘合剂的薄层被用于将压电层挤压粘合至基底层，其中信号线被对正就位。基底层由专门选择为在温度和压力影响下略微变形的材料制成。结果，在挤压粘合过程中，信号线被封入基底和压电层之间，产生压电元件和遥控电路之间的直接电连接，并且消除了对任何中间电路连接部的需求。