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Elektrisch leitfähige Anpassschichten und Verfahren - Dokument DE102004040474A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004040474A1 31.03.2005
Titel Elektrisch leitfähige Anpassschichten und Verfahren
Anmelder Siemens Medical Solutions USA, Inc., Malvern, Pa., US
Erfinder Frey, Gregg W., Issaquah, Wash., US;
Sheljaskow, Todor, Issaquah, Wash., US;
Wilser, Walter T., Cupertino, Calif., US;
Walters, Worth B., Cupertino, Calif., US;
Oliver, Nelson H., Sunnyvale, Calif., US
Vertreter KRAMER - BARSKE - SCHMIDTCHEN, 81245 München
DE-Anmeldedatum 20.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004040474
Offenlegungstag 31.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.03.2005
IPC-Hauptklasse H04R 17/00
IPC-Nebenklasse A61B 8/00   G01N 29/28   
Zusammenfassung Es werden Anpassschichten (10, 60, 62, 64) bereitgestellt, einschließlich: Elektrisch leitfähige akustische Anpassschichten (10), Verfahren zum Leiten eines elektrischen Stroms durch die Anpassschichten (10), Verfahren zur Herstellung mehrdimensionaler Arrays unter Verwendung der leitfähigen Anpassschichten (10) und mehrdimensionale Arrays mit elektrisch leitfähigen Anpassschichten (10). Es werden Anpassschichten (10) mit Leitern (16) bereitgestellt, die zur Bereitstellung einer elektrischen Leitung durch die Dickendimension oder die Rangdimension der Anpassschicht (10) ausgerichtet sind. Beispielsweise ermöglichen Kontaktlöcher (22), ausgerichtete magnetische Teilchen oder leitfähige Filme (28), die mindestens teilweise oder vollständig innerhalb der Anpassschicht (10) jedes Elements (20) vorliegen, eine elektrische Leitung von dem Wandlermaterial zu einer Erdungsfolie oder einer Flex-Schaltung. Durch die Verwendung mehrerer elektrisch leitfähiger Anpassschichten (10) wird die Abstufung der akustischen Impedanz für eine bessere Anpassung bereitgestellt, während ein Trennen des gesamten Stapels, einschließlich der Anpassschichten (10) und des elektrokeramischen Materials, in einem Schritt ermöglicht wird.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Anpassschichten. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung akustische Anpassschichten, die in Schall- oder Ultraschallwandlerarchitekturen oder deren Herstellung verwendet werden.

Akustische Anpassschichten stellen eine akustische Impedanz bereit, die für eine effektive Übertragung akustischer Wellen zwischen der typischerweise hohen akustischen Impedanz eines Wandlers, der typischerweise eine piezoelektrische Keramik umfasst, und einer davon verschiedenen akustischen Impedanz eines angrenzenden Mediums liegt. Bei medizinischen Ultraschallanwendungen stellt der Patient eine relativ niedrige akustische Impedanz dar und der Einsatz einer oder mehrerer Anpassschichten stellt eine bessere Anpassung der akustischen Impedanz für die Übertragung akustischer Wellen zwischen dem Wandler und dem Patienten bereit. Typischerweise werden Anpassschichten aus nicht-leitfähigen Materialien wie z.B. Polymeren (z.B. Epoxymaterialien oder Urethanen) hergestellt. Die Anpassschicht kann zusätzliche Füllstoffmaterialien wie z.B. Metall- oder Keramikfüllstoffmaterialien enthalten, um die Dichte zu erhöhen und so die gewünschte akustische Impedanz zu erzeugen oder die Übertragung von Schallenergie zu optimieren.

Um eine nicht-leitfähige akustische Anpassschicht leitfähig zu machen, wird ein leitfähiger Füllstoff innerhalb der Anpassschicht dispergiert. Der Füllstoff kann in einer Form und in einer Größe hergestellt werden, die derart sind, dass nadelartige oder faserkristallartige Formen bereitgestellt werden. Der Füllstoff wird innerhalb der Anpassschicht statistisch verteilt. Hohe Konzentrationen an elektrisch leitfähigen Füllstoffen werden für einen Teilchen-Teilchen-Kontakt innerhalb der Masse der Anpassschicht bereitgestellt. Der Teilchenkontakt ermöglicht eine elektrische Leitung durch das Material. Die hohen Füllstoffkonzentrationen führen jedoch zu einer höheren akustischen Impedanz, wodurch die Anpassschicht zur Anpassung der Impedanz der Wandlerkeramik an die relativ niedrige Impedanz eines Patienten weniger gut geeignet ist, insbesondere bei einem Mehrfachanpassschichtaufbau, bei dem die äußerste Anpassschicht typischerweise eine relativ niedrige Impedanz aufweist, wie z.B. weniger als 3 MRayl.

Als Alternative für einen leitfähigen Füllstoff kann ein leitfähiges Material wie z.B. fester Graphit, Magnesium oder eine leitfähige Polymerkette für die Anpassschicht verwendet werden. Feste Materialien wie Graphit neigen jedoch zu relativ höheren oder sehr spezifischen akustischen Impedanzen, welche die Eignung solcher Anpassschichten begrenzen. Graphit oder andere feste Materialien werden mit spanabhebenden Verfahren hergestellt, wodurch die Materialien zur Herstellung gekrümmter Teile weniger zweckmäßig sind als ein gießfähiges Polymermaterial. Leitfähige Polymermoleküle werden typischerweise modifiziert (d.h. mit einem Zusatz versehen) und sind selten inhärent leitfähig. Die physikalischen Eigenschaften sind bezüglich einer Eignung in Wandleranwendungen und bezüglich einer angemessenen Leitfähigkeit beschränkt.

Für eindimensionale Wandler und Wandlerarrays kann die Leitfähigkeit zwischen der oberen und unteren Übertragungsfläche von Anpassschichten durch eine Metallplattierung oder einen gesputterten Film auf den Kanten der Anpassschichten erreicht werden, welche die obere und die untere Fläche elektrisch verbinden. Für eindimensionale Wandlerarrays sind die Seiten der Anpassschichten für ein Sputtern oder Plattieren leicht zugänglich. Für mehrdimensionale Arrays, wie z.B. 1,5- oder 2-dimensionale Arrays, ist eine Umfangsplattierung oder ein Umfangssputtern aufgrund des begrenzten Zugangs zu den Seiten der Anpassschichten jedes Elements nur schwer einzusetzen.

1,25-, 1,5-, 1,75- und 2-dimensionale Ultraschall-Phased-Arrays umfassen eine Mehrzahl von Arrayelementen in der Elevations- und Azimutdimension. Für einen großen Steuerwinkel, der z.B. mit zweidimensionalen Phased-Arrays verwendet wird, weisen die Elemente vorzugsweise einen Öffnungswinkel und ein geringes oder niedriges elektrisches und mechanisches Übersprechen sowohl in der Elevationsdimension als auch in der Azimutdimension auf. Um einzelne Wandlerelemente mechanisch zu trennen, wird eine Trennung ("Dicing") eingesetzt, um die mechanische Kopplung oder das Übersprechen zu minimieren. Beispielsweise weisen eindimensionale Arrays typischerweise eine oder mehrere akustische Anpassschichten auf, die zwischen der PZT-Keramik und der Linse oder dem Patienten angeordnet sind. Die PZT und die Anpassschichten werden in einer Achse getrennt, so dass einzelne Arrayelemente getrennt werden, um ein mechanisches Übersprechen durch die Anpassschichten zu vermindern. Entlang der Kanten jedes Arrayelements sind elektrische Verbindungen zu der PZT bereitgestellt.

Für zweidimensionale Phased-Arrays ist ein Trennen sowohl in der Azimutdimension als auch in der Elevationsdimension erforderlich, um das Übersprechen zu vermindern. Gegebenenfalls ist eine elektrisch leitfähige Anpassschicht mit hoher Impedanz auf der PZT-Keramik gestapelt und in einzelne Elemente getrennt. Eine gemeinsame Erdungsfolie oder Signal-Flex ist über der PZT und jeglicher elektrisch leitfähigen Anpassschicht typischerweise senkrecht zu der gewünschten Schallwellenübertragung laminiert, um eine zweite elektrische Verbindung zu der PZT bereitzustellen. Die verbindende leitfähige Schicht kann nicht so physikalisch in beiden Dimensionen getrennt werden, wie es die einzelnen Elemente sind, wenn in dem Array externe Verbindungselemente bereitgestellt werden sollen. Elektrisch nicht-leitfähige Anpassschichten werden dann über der Erdungsfolie oder der Signal-Flex laminiert. Die nicht-leitfähigen Anpassschichten stellen eine niedrigere akustische Impedanz bereit. Die nicht-leitfähigen Anpassschichten können zusätzlich in der Azimut- und Elevationsdimension getrennt werden. Wenn jedoch keine Anpassschicht oder nur eine elektrisch leitfähige Anpassschicht verwendet wird, führt dies zu einer verminderten axialen Auflösung und einer niedrigeren Bandbreite. Wenn zusätzliche nicht-leitfähige Anpassschichten bereitgestellt, jedoch nicht getrennt werden, nimmt das Übersprechen zu und der Öffnungswinkel wird vermindert. Wenn die zusätzlichen nichtleitfähigen Anpassschichten getrennt werden, führt dies zu einem zusätzlichen Trennverfahrensschritt, und es können sich Ausrichtungsprobleme ergeben. Das Übersprechen kann nicht optimal verhindert werden, da die akustischen Anpassschichten nicht vollständig getrennt werden können, ohne ein Durchschneiden von Signalleitungen oder der Erdungsfolie zu riskieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Probleme nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Anpassschicht gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfassen: Elektrisch leitfähige akustische Anpassschichten, Verfahren zum Leiten von elektrischem Strom durch die Anpassschichten, Verfahren zur Herstellung mehrdimensionaler Arrays unter Verwendung leitfähiger Anpassschichten und mehrdimensionale Arrays mit elektrisch leitfähigen Anpassschichten. Es werden Anpassschichten mit Leitern bereitgestellt, die ausgerichtet sind, um einen elektrischen Strom durch die Dicken- oder Rangedimension der Anpassschicht bereitzustellen. Beispielsweise ermöglichen Kontaktlöcher, ausgerichtete magnetische Teilchen oder leitfähige Filme mindestens teilweise oder vollständig innerhalb der Anpassschicht jedes Elements eine elektrische Leitung von dem Wandlermaterial zu einer Erdungsfolie oder einer Flex-Schaltung. Durch die Verwendung mehrerer elektrisch leitfähiger Anpassschichten wird eine Abstufung der akustischen Impedanz für eine bessere Anpassung bereitgestellt, während ein Trennen des gesamten Stapels, einschließlich der Anpassschichten und des Wandlermaterials, in einem einzigen Schritt möglich ist.

In einem ersten Aspekt wird eine elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht bereitgestellt, bei der sich die obere Fläche und die untere Fläche im Wesentlichen in der Elevationsebene und der Azimutebene befinden, wobei ein Leiter so ausgerichtet ist, dass er die obere Fläche und die untere Fläche mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht verbindet.

In einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Leiten von elektrischem Strom durch eine Anpassschicht bereitgestellt. Ein leitfähiges Material wird relativ zu der oberen Fläche und der unteren Fläche der Anpassschicht ausgerichtet. Das leitfähige Material befindet sich mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht. Das leitfähige Material ist elektrisch mit dem Wandler verbunden.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen diskutiert.

Die Komponenten und Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht, wobei stattdessen auf die Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Prinzipien Wert gelegt wird. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren in den unterschiedlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile.

Die 1 ist eine graphische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrisch leitfähigen akustischen Anpassschicht,

die 2A und 2B sind eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Arrays von Elementen mit Kontaktlöchern für eine elektrische Leitfähigkeit,

die 3A bis C stellen verschiedene Phasen der Herstellung einer Anpassschicht mit einem leitfähigen Film in einer Ausführungsform graphisch dar,

die 4 ist eine Draufsicht einer Anpassschicht mit einer Mehrzahl leitfähiger Filme in einer Ausführungsform,

die 5A und B stellen graphisch eine Ausführungsform einer Anpassschicht mit ausgerichteten magnetischen Teilchen und ein Verfahren zum Ausrichten der magnetischen Teilchen dar,

die 6 ist ein Fließdiagramm einer Ausführungsform zur Bildung eines mehrdimensionalen Arrays mit einer Mehrzahl elektrisch leitfähiger akustischer Anpassschichten,

die 7 ist eine graphische Darstellung eines mehrdimensionalen Arrays mit einer Mehrzahl elektrisch leitfähiger akustischer Anpassschichten,

die 8A bis C zeigen eine Ausführungsform zur Bildung einer leitfähigen Anpassschicht,

die 9A ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Elements, bei dem eine leitfähige Anpassschicht verwendet wird, und

die 9B ist eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Anpassschicht, die zur Verwendung auf einem zweidimensionalen Array getrennt worden ist.

Die 1 zeigt eine elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht 10. Die elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht kann aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, wie z.B. aus gießfähigen Materialien oder Feststoffen. Beispiele für gießfähige Materialien umfassen Polymere wie z.B. Urethane, Epoxymaterialien, Harze oder andere bekannte Materialien, die zu einem festen, halbfesten oder flexiblen Material aushärten. Gießfähige Materialien können ferner einen oder mehrere Katalysatoren) in einer vorgemischten Formulierung oder zugesetzte Katalysatoren umfassen, die ein Aushärten des gießfähigen Materials bei Raumtemperatur, durch Wärme, Licht oder durch andere Energiequellen verursachen. Feste Materialien umfassen Graphit, Keramiken oder andere bekannte feste Materialien für die akustische Anpassschicht, die zur Verwendung in Ultraschallwandlern geeignet sind. Die elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht 10 wird in einem medizinisch-diagnostischen Schallwandlerarray verwendet, wie z.B. einem Array für die Ultraschallbildgebung. Sie kann jedoch alternativ in anderen Schallarrays eingesetzt werden, wie z.B. für die Materialprüfung.

Die Anpassschicht umfasst gegebenenfalls ein oder mehrere Füllstoffmaterial(ien) mit einer beliebigen Dichte. Beispielsweise werden in die Anpassschicht metallische, keramische oder andere bekannte Materialien oder Kombinationen davon einbezogen. Füllstoffe modifizieren die Dichte und erhöhen oder vermindern die akustische Impedanz. Für verschiedene akustische Impedanzen können verschiedene Anteile des Füllstoffs in dem gießfähigen Material bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform ist der Füllstoff gleichmäßig innerhalb der Anpassschicht verteilt, es kann jedoch auch eine ungleichmäßige Verteilung verwendet werden. In alternativen Ausführungsformen enthält die Anpassschicht 10 keine zusätzlichen Füllstoffmaterialien.

Die akustische Anpassschicht 10 weist eine obere Fläche und eine untere Fläche 12, 14 auf, die sich jeweils im Wesentlichen in einer Azimutebene und einer Elevationsebene befinden (d.h. die Oberflächen erstrecken sich sowohl entlang der Azimutdimension als auch entlang der Elevationsdimension, die durch eine Dicke entlang der Rangedimension getrennt sind). In vielen Ausführungsformen sind die obere Fläche und die untere Fläche flach, wie z.B. planare Oberflächen, die senkrecht zur akustischen Ausbreitungsrichtung sind. Der Ausdruck im Wesentlichen wird hier verwendet, um gekrümmte Wandleroberflächen, gekrümmte oder abgestufte Elementoberflächen, gekrümmte Anpassschichten, Schwankungen bei der Dicke oder der Oberfläche aufgrund von Herstellungstechniken und Toleranzen oder eine beliebige andere Winkelversetzung zu berücksichtigen, die dazu führen, dass sich entweder die obere Fläche oder die untere Fläche oder beide Flächen aus der Azimutebene und der Elevationsebene heraus erstrecken. Die obere Fläche und die untere Fläche 12, 14 sind durch eine Dicke in der Tiefen- oder Rangedimension getrennt. Während die Dicke in der 1 als einheitliche Dicke gezeigt ist, kann für die Anpassschicht 10 auch eine variierende Dicke bereitgestellt werden. Die Dimensionen des Azimuts, der Elevation und der Range gelten bezüglich eines Wandlers, so dass ein Wandler akustische Energie im Allgemeinen entlang der Rangedimension von jedem Element eines Arrays von Elementen übertragen würde, die entlang der Azimutdimension und/oder der Elevationsdimension beabstandet sind.

Gemäß der 1 entspricht die Anpassschicht 10 einem einzelnen Element eines Wandlers. Es kann eine Anpassschicht 10 bereitgestellt werden, die sich über mehrere Elemente erstreckt. In einer Ausführungsform ist die gleiche Anpassschicht 10 für jedes Element oder alle Elemente eines Ultraschallwandlers bereitgestellt, wobei die Anpassschicht 10 jedoch getrennt oder in einer anderen Weise ausgebildet ist, um ein akustisches Übersprechen zwischen den Elementen zu verhindern oder zu vermindern. In einer Ausführungsform ist nur eine einzige Anpassschicht 10 auf einem oder mehreren der Elemente bereitgestellt. In alternativen Ausführungsformen ist eine Mehrzahl von akustischen Anpassschichten 10 auf einem oder mehreren der Elemente des Wandlers bereitgestellt.

Für elektrisch leitfähige akustische Anpassschichten ist auf der oberen Fläche und der unteren Fläche 12, 14 der Anpassschicht eine Metallschicht bereitgestellt. Die Metallschicht erstreckt sich über die gesamte Fläche oder nur über einen Abschnitt der Fläche. In einer Ausführungsform wird die Metallschicht auf die Anpassschicht 10 abgeschieden, plattiert oder gesputtert. In alternativen Ausführungsformen wird die Metallschicht angrenzend an die Anpassschicht 10 angeordnet oder in anderer Weise an die Anpassschicht 10 gebunden, wie z.B. zusammen mit der Bereitstellung einer separaten Erdungsfolie, Signalleitung oder flexiblen Schaltung, die an die Anpassschicht gebunden ist, ohne dass eine Metallschicht durch Sputtern, Abscheiden, Plattieren oder in sonstiger Weise auf der Anpassschicht 10 ausgebildet werden muss. in alternativen Ausführungsformen ist auf der oberen und/oder unteren Fläche keine Metallschicht bereitgestellt.

Um einen elektrischen Strom zwischen den Metallschichten oder durch die Anpassschicht 10 zu leiten, ist ein Leiter 16 relativ zu der oberen und der unteren Oberfläche mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht 10 ausgerichtet. Der Leiter 16 umfasst ein beliebiges Material mit beliebigen verschiedenen Formen oder Größen, das den elektrischen Strom von der oberen Fläche 12 zu der unteren Fläche 14 oder umgekehrt leiten kann. Einige Beispiele solcher Leiter werden nachstehend diskutiert. Es können auch andere Leiter verwendet werden, die innerhalb der Anpassschicht 10 ausgerichtet sind.

Gemäß der 1 ist die Ausrichtung derart, dass sich der Leiter im Wesentlichen senkrecht zu der oberen und der unteren Fläche 12, 14 erstreckt. Es können Leiter 16 bereitgestellt werden, die sich mit Winkeln von der oberen und der unteren Fläche 12, 14 erstrecken, die von 90° verschieden sind. Der Leiter 16 kann einem weniger direkten Weg folgen, wie z.B. in anderen Ausführungsformen entlang eines gekrümmten oder gewundenen Leiters durch die Anpassschicht 10. Der Leiter 16 ist so ausgerichtet, dass anstelle einer statistisch verwendeten Metallfüllung eine gewisse Art einer Organisation stattgefunden hat, was dazu führt, dass der Leiter eine elektrische Verbindung zwischen der oberen und der unteren Fläche herstellt.

Gemäß der 1 befindet sich der Leiter 16 derart innerhalb der Anpassschicht 10, dass der Leiter 16 nicht auf einer Seite 18 der Anpassschicht 10 freigelegt ist, sondern nur auf der oberen und der unteren Fläche 12, 14. In alternativen Ausführungsformen befindet sich der Leiter 16 mindestens teilweise innerhalb und teilweise auf der Kante der Anpassschicht 10. Beispielsweise liegt ein leitfähiger Film auf einer äußeren Seite 18 der Anpassschicht 10 frei, erstreckt sich jedoch auch innerhalb der Anpassschicht als planare Schicht, die sich von der oberen Fläche 12 zur unteren Fläche 14 erstreckt, wobei sich eine Kante des leitfähigen Films oder der leitfähigen Schicht an der Seite 18 und/oder einer anderen Seite in der Rangedimension der Anpassschicht 10 befindet.

In einer Ausführungsform befindet sich der Leiter 16 entlang der Elevations- und Azimutebene der unteren oder oberen Fläche 12, 14 näher an einer Kante 18 der Anpassschicht als an der Mitte eines Elements. Beispielsweise zeigt die 2A ein Element 20 mit zwei Leitern 22, die in der Nähe der Kanten 18 und weiter weg von der Mitte des Elements 20 angeordnet sind. Das Anordnen des Leiters 16 in der Nähe der Kanten 18 der Anpassschicht 10 setzt den Leiter 16 einer geringeren mechanischen Ausdehnung und Kontraktion aufgrund des Betriebs des Wandlers aus. Die Verminderung der Spannung kann eine längere Lebensdauer des Wandlers und eine geringere Delaminierung des Leiters 16 bewirken.

Wie es ebenfalls in der 2A gezeigt ist, ist in einigen Ausführungsformen mehr als ein Leiter 16 bereitgestellt. Für jedes Element 20 kann eine beliebige Anzahl von Leitern 16, wie z.B. 1, 2, 3 oder mehr Leiter 16 verwendet werden. Für verschiedene Elemente kann eine unterschiedliche Anzahl von Leitern 16 verwendet werden. Zwei oder mehr Leiter 16 werden bereitgestellt, um ein Versagen eines Elements aufgrund eines Versagens eines einzelnen Leiters zu verhindern. Die Leiter 16 werden in beliebigen verschiedenen Mustern oder statistischen Positionen auf der oberen und unteren Fläche jedes Elements und der dazugehörigen Anpassschicht 10 bereitgestellt.

Die 2A und 2B zeigen ein Ausführungsbeispiel des Leiters 16. Der Leiter 16 ist ein Kontaktloch 22, bei dem sich ein leitfähiges Material von der oberen Fläche 12 zu der unteren Fläche 14 erstreckt. Die Anpassschicht 10 ist aus einem gewünschten Material mit einer resultierenden gewünschten akustischen Impedanz ausgebildet, wie z.B. einer akustischen Impedanz von 2,5 bis 7 MRayl. Es können jedoch auch größere oder kleinere akustische Impedanzen bereitgestellt werden, die z.B. näher an dem Wert von 1,5 MRayl von Wasser oder dem Wert von 35 MRayl liegen, der für eine piezoelektrische Keramik typisch ist. Wenn die Anpassschicht 10 aus einem gießfähigen Material ausgebildet wird, wird die Anpassschicht 10 gehärtet.

Die Kontaktlöcher 22 werden in einem beliebigen Muster hergestellt, wie z.B. so wie die beiden Kontaktlöcher 22 an den Ecken des Elements 20, das in der 2A gezeigt ist. Die Kontaktlöcher 22 werden mit einem Laser, durch Plasmaätzen oder eine andere Ätztechnik, durch Bohren oder einer anderen bekannten Technik zur Bildung von Kontaktlöchern ausgebildet. Die Kontaktlöcher 22 können in einem beliebigen Muster verteilt werden, einschließlich einer beliebigen Anzahl von Kontaktlöchern 22 und/oder mit einer beliebigen Form, einschließlich kreisförmig, elliptisch oder als Schlitze. Wenn das Muster in einer Kerbe (teilweise in dem Element) liegt, dann kann die zusätzliche Größe des Kontaktlochs 22 die Herstellung des Kontaktlochs 22 und eine anschließende Metallisierung erleichtern. Die Verwendung einer beliebigen Anzahl und Größe trägt der Füllung mit einem leitfähigen und/oder nicht-leitfähigen Material zur Erzeugung einer zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche verschiedenen akustischen Impedanz und Leitfähigkeit Rechnung. Ein Kontaktloch 22 wird so ausgebildet, dass es sich von der oberen Fläche 12 zur unteren Fläche 14 erstreckt. In einer Ausführungsform hat das Kontaktloch einen Durchmesser von 0,025 bis 0,05 mm (1 bis 2 Mil), wie z.B. 0,038 mm (1,5 Mil) und eine Dicke oder Tiefe von 0,076 bis 0,15 mm (3 bis 6 Mil). Es können sowohl andere Dicken für die Anpassschicht 10 als auch andere Durchmesser der Kontaktlöcher 22 eingesetzt werden. Das leitfähige Material, wie z.B. ein Metall, wird dann nassplattiert, stromlos plattiert, aufgedampft, gesputtert, abgeschieden, plattiert oder unter Verwendung einer beliebigen anderen Dünnfilmtechnik in einer beliebigen Dicke, wie z.B. in einer Dicke von mehreren Mikrometern, innerhalb des Kontaktlochs 22 ausgebildet. Die Dicke des leitfähigen Materials innerhalb des Kontaktlochs 22 ist so gering wie möglich, während eine kontinuierliche elektrische Leitfähigkeit ermöglicht wird, ohne die akustische Impedanz der Masse der Anpassschicht 10 und das akustische Leistungsvermögen der Anpassschicht 10 zu beeinflussen. Alternativ ist das gesamte Kontaktloch 22 mit leitfähigem Material gefüllt.

In einer Ausführungsform werden auf der Anpassschicht 10 vor der Ausbildung der Kontaktlöcher 22 Metallschichten 24 abgeschieden. In alternativen Ausführungsformen werden die Kontaktlöcher 22 ausgebildet und dann wird das leitfähige Material innerhalb des Kontaktlochs 22 als Teil des gleichen Verfahrens, wie es zur Ausbildung der Metallschichten 24 eingesetzt wird, oder eines anderen Verfahrens bereitgestellt.

Die 2A zeigt einen Array von 9 Elementen 20 innerhalb eines Musters von zwei Kontaktlöchern 22 für jedes Element 20. In alternativen Ausführungsformen können Arrays mit einer unterschiedlichen Anzahl von Elementen bereitgestellt werden, die sich entlang der Elevations- und/oder der Azimutdimension erstrecken. In einer Ausführungsform wird die Anpassschicht 10 für den gesamten Wandlerarray oder einen Teil des Wandlerarrays vor dem Trennen der Elemente ausgebildet. Die Kontaktlöcher 22 werden als Muster auf der Schicht so ausgebildet, wie es für die spätere Bildung der Elemente geeignet ist. Mindestens ein Kontaktloch 22 wird für jedes Element oder Subelement bereitgestellt, wobei beliebige Elemente im Hinblick auf die Beabstandung, die Dicke oder die Frequenz weiter getrennt werden. In einer Ausführungsform werden die Kontaktlöcher 22 so angeordnet, dass mindestens ein Kontaktloch 22 ungeschnitten oder ungetrennt verbleibt. Beispielsweise ist mindestens ein Kontaktloch 22 von einer Kante 18 des Elements 20 abgewandt angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist das Kontaktloch 22 so angeordnet, dass der Trennschnitt, der eine Kante oder Trennung zwischen zwei angrenzenden Elementen definiert, durch das Kontaktloch 22 verläuft. In einer anderen Ausführungsform sind alle Kontaktlöcher 22 so angeordnet, dass die Element-Trennschnitte nicht durch eines der Kontaktlöcher 22 verlaufen. Wie es gezeigt ist, ist jedes der Kontaktlöcher 22 einer gegenüberliegenden Ecke des Elements 20 zugeordnet, jedoch werden in alternativen Ausführungsformen andere Positionen für ein Kontaktloch oder beide Kontaktlöcher bereitgestellt, wie z.B. entlang der Kanten 18 von den Ecken abgewandt oder näher an der Mitte des Elements 20. Die Lage des Anpassschichtmaterials wird auf dem Wandlermaterial gestapelt und dann wird jedes Element getrennt, einschließlich mit Schnitten durch die Anpassschicht. In alternativen Ausführungsformen wird die Schicht des Anpassschichtmaterials zu einem anderen Zeitpunkt geschnitten oder getrennt als das Wandlermaterial. Die Anzahl und die Größe der Kontaktlöcher 22 könnte variieren, so dass das Füllen der Kontaktlöcher 22 mit unterschiedlichen Materialien zu einem Material mit einer zusammengesetzten akustischen Impedanz führt, die durch die einzelnen Materialeigenschaften und den Volumenanteil gesteuert wird. Wenn der Füllstoff, das Substrat oder beide leitfähig sind, wird innerhalb der leitfähigen Anpassschicht ein Bereich mit unterschiedlicher Impedanz bereitgestellt.

Die 3C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anpassschicht 10, bei der zwischen der oberen und unteren Fläche 12, 14 Leiter ausgerichtet sind. Gemäß der 3C erstreckt sich eine Mehrzahl von leitfähigen Filmen 28 innerhalb der Anpassschicht 10 mindestens teilweise von der oberen Fläche 12 zu der unteren Fläche 14. Jeder der leitfähigen Filme 28 ist eine planare Schicht, jedoch können auch lineare Leitungen, gekrümmte Schichten, gekrümmte Leitungen oder andere Strukturen verwendet werden.

In einer Ausführungsform ist jeder der leitfähigen Filme 28 ein gesputtertes Metall, jedoch können auch andere Leiter und/oder Abscheidungstechniken verwendet werden. Die 4 zeigt eine Draufsicht einer Anpassschicht 10, bei der jeder der Leiter 28 auf der oberen Fläche 12 der Anpassschicht freigelegt ist. Jeder der leitfähigen Filme 28 weist im Querschnitt senkrecht zu der Azimut- und Elevationsebene eine umschlossene Form auf, wie z.B. ein Quadrat oder ein Rechteck. Es können Trapezformen, Kreisformen oder Parallelogrammformen oder andere Formen bereitgestellt werden. In alternativen Ausführungsformen ist einer oder sind mehrere der leitfähigen Filme 28 eine planare Schicht oder Leitung, was anstelle einer umschlossenen Form zu einer einzelnen freiliegenden Linie oder einem einzelnen freiliegenden Punkt führt.

Die 3A und 3B zeigen Zwischenschritte bei der Ausbildung des leitfähigen Films 28 auf dem Inneren oder mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht 10. Gemäß der 3A ist innerhalb der Anpassschicht 10 eine Mehrzahl von Innenflächen 30 ausgebildet. Für eine Anpassschicht 10 aus einem gießfähigen oder festen Material wird die Anpassschicht 10 ausgebildet und zu einer einheitlichen Dicke oder einer anderen gewünschten Dicke geschliffen. Die Anpassschicht 10 wird dann zur Bildung von Kerben 32 getrennt, die sich in, jedoch nicht durch die Anpassschicht 10 erstrecken. Die Seitenwände der Kerben stellen die Innenflächen 30 bereit. In einer Ausführungsform sind die Kerben so breit, dass die Trenntiefe das ein- bis zweifache der Breite der Kerbe beträgt. Es können andere Abmessungsbeziehungen und/oder eine andere Kerbenanzahl bereitgestellt werden, was für eine gegebene Element- oder Anpassschichtausdehnung zu einer größeren oder kleineren Anzahl von Innenflächen 30 führt. In einer Ausführungsform wird für jedes Element eine einzelne Kerbe bereitgestellt oder für jedes Element wird sogar eine einzelne Seitenwand einer Kerbe bereitgestellt.

In einer alternativen Ausführungsform für gießfähige Anpassschichten 10 werden die Innenflächen 30 unter Verwendung einer Form ausgebildet. Beispielsweise wird eine Edelstahlstruktur mit Rillen mit einer Formentrennbeschichtung beschichtet. Das gießfähige Anpassschichtmaterial wird dann in die Form eingebracht. Nach der Härtung wird die Anpassschicht 10 entnommen. Als Folge der Rillen oder Rippen, die innerhalb der Form bereitgestellt sind, werden die Innenflächen 30 gebildet.

Wenn Formverfahren eingesetzt werden, können sich verjüngende, nicht-linear geformte vertikale Wände mit feststehenden oder variablen Abständen als Funktion der Gestaltung der Form bereitgestellt werden. Zur Bildung verschiedener Formen mit verschiedenen Winkeln können unter Verwendung der Kerbenausführungsform Trennschnitte mit mehreren Dimensionen oder Breiten eingesetzt werden. Durch eine sich verjüngende Ausbildung als Funktion der Form oder der mehrfachen Trennschnitte mit verschiedenen Breiten kann eine akustische Eigenschaft der Anpassschicht 10 als Funktion der Tiefe variiert werden.

Um die in der 4 gezeigten umschlossenen leitfähigen Filme bereitzustellen, werden die Kerben oder Innenflächen 30 in einem kreuz und quer verlaufenden Muster ausgebildet, wie es z.B. durch ein Trennen parallel zu der Azimutdimension und dann parallel zu der Elevationsdimension erreicht wird. Zwischen den verschiedenen Schnitten können Winkel eingesetzt werden, die von 90° verschieden sind.

Das leitfähige Material wird auf den Innenflächen 30 angeordnet. Beispielsweise wird bzw. werden ein Sputtern, eine Abscheidung, ein Plattieren oder andere bekannte Techniken zur Bereitstellung eines Metallfilms auf einer Innenfläche 30 verwendet. In einer Ausführungsform wird Titan auf den Innenflächen und auf anderen freiliegenden Kanten abgeschieden. Mittels Sputterabscheidung wird dann eine Goldschicht über dem Titan ausgebildet. Es können auch andere Metallschichten bereitgestellt werden, wie z.B. Chrom- und Goldschichten oder von Gold verschiedene Metallschichten. Durch die Bereitstellung eines dünnen Metallfilms, wie z.B. eines Films mit einer Dicke von weniger als 10 Mikrometer, wird die akustische Impedanz der Anpassschicht 10 in der gewünschten Weise aufrechterhalten. In einer Ausführungsform wird das Metall durch Plattieren oder andere Techniken in einer Dicke von 0,1 bis 0,2 Mikrometer abgeschieden.

Gemäß der 3B werden die Kerben 32 derart gefüllt, dass die Teile der Anpassschicht 10, die zu den Innenflächen 30 gehören, gefüllt oder bedeckt werden. Für eine gießfähige Anpassschicht wird in die Kerben 30 das gleiche oder ein anderes Anpassschichtmaterial gegossen und gehärtet. Wenn sich verjüngende Kerben bereitgestellt werden, kann ein anderes Anpassschichtmaterial gegossen werden, was zu einer Änderung der akustischen Impedanz als Funktion der Tiefe führt. Bei einem festen Anpassschichtmaterial werden die Kerben 32 mit einem gießfähigen Anpassschichtmaterial gefüllt oder ein anderes Stück eines festen Anpassschichtmaterials wird mit dem gleichen Abstand oder der gleichen Form in dem gleichen Muster geschnitten oder getrennt. Die zwei festen Stücke werden dann mit einem Epoxymaterial miteinander verbunden oder in einer anderen Weise gebunden, um die in der 3B gezeigte ineinandergefügte Struktur zu bilden.

Als Folge des Bindens oder des weiteren Gießens umfasst die Anpassschicht 10 ein miteinander verbundenes Muster oder einen (im Querschnitt) Zick-Zack-verlaufenden leitfähigen Film innerhalb der Anpassschicht 10. Der leitfähige Film 34 ist zwischen getrennten Volumina der festen oder gießfähigen Anpassschicht angeordnet. Gemäß der 3B liegt der leitfähige Film 34 an den Kanten 18 der Anpassschicht frei und liegt an der oberen Fläche und der unteren Fläche 12 und 14 nicht frei. In alternativen Ausführungsformen werden die Kerben 32 nur teilweise gefüllt, was zu einem Freiliegen des leitfähigen Films 34 auf der oberen oder der unteren Fläche 12, 14 führt.

Die obere und die untere Fläche 12 und 14 werden geschliffen oder in anderer Weise bearbeitet, um flache oder andere Oberflächen bereitzustellen, wobei der leitfähige Film 34 sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Fläche 12, 14 bereitgestellt wird. Die 3C zeigt die Anpassschicht 10 von 3B nach dem Schleifen. Die Abschnitte des leitfähigen Films 34 parallel zu der oberen und der unteren Fläche 12, 14 in der Azimutebene und der Elevationsebene werden weggeschliffen. Die Anpassschicht 10 kann in anderen Ausführungsformen so geschliffen werden, dass der elektrische Leiter 34 ohne Entfernung der horizontalen Flächen entfernt wird. Die Leiter 28 verbinden die obere Fläche 12 elektrisch mit der unteren Fläche 14. Sobald die Anpassschicht 10 auf die gewünschte Dicke geschliffen worden ist, werden zur weiteren elektrischen Verbindung gegebenenfalls Metallschichten auf der oberen und der unteren Fläche 12, 14 bereitgestellt. In alternativen Ausführungsformen wird die Anpassschicht 10 bereitgestellt, ohne dass zusätzliche Metallschichten auf der oberen und der unteren Fläche 12, 14 abgeschieden werden.

Die 8C zeigt eine ähnliche Ausführungsform der Anpassschicht 10, die als 94 bezeichnet ist, wobei Leiter zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche 92, 93 ausgerichtet sind. Gemäß den 8A bis C erstreckt sich eine Mehrzahl von leitfähigen Filmen 95 von der oberen Fläche 92 zu der unteren Fläche 93 mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht 94. Jeder der leitfähigen Filme 95 ist eine planare Schicht, jedoch können auch lineare Leitungen, gekrümmte Schichten, gekrümmte Leitungen oder andere Strukturen verwendet werden.

Die 8A und 8B zeigen Zwischenschritte bei der Ausbildung des leitfähigen Films 95 der Anpassschicht im Inneren oder mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht 94. Gemäß der 8A wird eine Mehrzahl von Innenflächen durch Stapeln und miteinander Verbinden von Schichten aus leitfähigem 95 und nicht-leitfähigem Material 99 gebildet, wobei die Dicke der isolierenden, nicht-leitfähigen Schichten 99 derart ist, dass die gewünschte Lokalisierung oder Periodizität der Leitfähigkeit zwischen der letzten oberen Fläche 92 und unteren Fläche 93 der Anpassschicht erreicht wird. Die Anpassschicht 94 wird aus den Schnitten 96 des gebundenen und gestapelten Schichtmaterialblocks senkrecht zu den leitfähigen Ebenen oder in einem beliebigen Winkel herausgeschnitten, so dass sich die leitfähigen Ebenen 95 zu der resultierenden oberen Fläche 92 und der resultierenden unteren Fläche 93 erstrecken.

Unter Verwendung dünner leitfähiger Schichten 95 oder leitfähiger Materialien mit ähnlichen akustischen Eigenschaften wie die isolierenden Schichten werden Änderungen der akustischen Impedanz der Hauptmasse des isolierenden Materials minimiert, wodurch ein leitfähiges Material mit niedriger akustischer Impedanz erhalten wird. Gegebenenfalls wird durch die Auswahl von Materialeigenschaften, Variationen bei der Materialdicke und/oder dem Materialmuster, die in den erforderlichen Volumenanteilen kombiniert, gebunden oder verschmolzen werden, eine unterschiedliche, zusammengesetzte akustische Impedanz erreicht.

Zum miteinander Verbinden der Schichten werden bekannte Techniken verwendet. Beispielsweise werden Haftmittel, wie z.B. Epoxymaterialien, oder ein miteinander Verschmelzen des Materials unter Verwendung von Wärme und/oder Druck zum Schmelzen oder Härten der Materialien verwendet. Die isolierenden Schichten können gegossen werden oder das Haftmittel selbst wird als isolierende Schicht verwendet. Alternativ ist das Haftmittel leitfähig und wird zur Bildung der leitfähigen Schicht verwendet, die auf das isolierende Material aufgebracht wird, oder als Haftmittel zwischen leitfähigen und/oder nicht-leitfähigen Schichten verwendet. Der Druck während des Haftmittelbindens kann Bindungslinien minimieren und die Bindungsdicke steuern, so dass die gewünschte Leiterperiodizität in der Schichtdimension erhalten wird. Es können auch Füllstoffe verwendet werden, um die Bindungslinien und/oder die Schichtdicken zu steuern. Um die Metallschichten des isolierenden Materials miteinander zu verlöten kann ein anodisches Binden eingesetzt werden oder es können Verfahren verwendet werden, die einem Löten ähnlich sind.

Die leitfähigen Oberflächen 95 können einer Musterbildung unterworfen oder mit anderen Oberflächen mit Kontaktlöchern durch das isolierende Material verbunden werden, um komplexe Leiterbahnen innerhalb der Masse des resultierenden Anpassschichtmaterials bereitzustellen. Diese Bahnen können sich zu der oberen und unteren Fläche 92, 93 der resultierenden Anpassschichtkomponente erstrecken oder nicht. Eine Leiterbahn oder eine Verbindung zwischen Schichten wird durch haftendes Binden von Schichten mit dünnen Bindungslinien erhalten, um ein unebenes Kontaktlöten zu erreichen.

In einer Ausführungsform werden 300 Mikrometer dicke Schichten 99 aus einem isolierenden Polymerfilm mit niedriger Impedanz wie z.B. Kapton durch Sputtern von 10 Mikrometer Kupfer und Flash-Aufdampfen von Titan als Haftmittelschicht metallisiert, die auch eine leitfähige Schicht 95 auf einer der oberen und der unteren Fläche oder auf beiden (d.h. den flachen Oberflächen senkrecht zur Dicke des Films) ist und die gegebenenfalls anschließend einer Musterbildung unterworfen werden kann. Die Schichten werden mit einem ungefüllten Epoxymaterial unter Wärme und Druck haftend aneinander gebunden. Der Block 97 wird senkrecht zu den Ebenen der gebundenen metallisierten Schichten geschnitten. Die obere Fläche und die untere Fläche 92 und 93 werden geschliffen oder auf eine andere Weise bearbeitet, um flache oder andere Oberflächen bereitzustellen, wobei der leitfähige Film 95 sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Fläche 92, 93 freiliegt. Sobald die Anpassschicht 94 bis zur gewünschten Dicke geschliffen worden ist, werden auf der oberen und der unteren Fläche 92, 93 für eine weitere elektrische Verbindung gegebenenfalls Metallschichten bereitgestellt. In alternativen Ausführungsformen wird die Anpassschicht 94 ohne zusätzliche, auf der oberen und der unteren Fläche 92, 93 abgeschiedene Metallschichten verwendet.

Die 9A und 9B zeigen ein Wandlerelement mit einem planaren Leiter innerhalb einer Anpassschicht. Beispielsweise wird die Anpassschicht 94 der 8C mit einem 3 × 3-Array von Elementen verwendet, wie es in der 9B gezeigt ist. Die 9B zeigt eine Draufsicht auf die neun Elemente, wobei die fettgedruckten Linien die planaren Leiter innerhalb der Anpassschicht zeigen. Gemäß der 9A umfasst ein Element die PZT mit zwei leitfähigen Anpassschichten. Die an die PZT angrenzende Schicht ist ein Material mit hoher akustischer Impedanz mit einer intrinsischen Leitfähigkeit der Materialmasse. Die obere oder von der PZT beabstandete Schicht ist die leitfähige Schicht, wobei der planare Leiter die obere Fläche und die untere Fläche verbindet. Die untere Fläche liegt an der anderen Anpassschicht an.

Die 5A und 5B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Leiters 16 in der Anpassschicht 10. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein gießfähiges Anpassschichtmaterial mit leitfähigen magnetischen Teilchen gefüllt. Durch Härten des Materials in einem Magnetfeld werden die magnetischen Teilchen ausgerichtet und entlang der Magnetfeldlinien in Kontakt miteinander gezogen. Als Folge des Magnetfelds ist es wahrscheinlicher, dass sich die magnetischen Teilchen mit ihrer langen Seite entlang einer Dimension ausrichten, die eher senkrecht als parallel zu der oberen und der unteren Fläche 12, 14 ist, wenn sich die Magnetfeldlinien eher senkrecht als parallel erstrecken.

In einer Ausführungsform sind die magnetischen Teilchen ein weichmagnetisches Material. Weichmagnetische Materialien sind nur in der Gegenwart eines Magnetfelds magnetisch. Die Teilchen können eine beliebige Form aufweisen und können z.B. in Form von Kügelchen, Plättchen, Stäbchen, Drähten, Fasern, Faserkristallen oder anderen bekannten Formen vorliegen. In einer Ausführungsform wird ein Nickelpulver bereitgestellt, jedoch kann bzw. können auch Eisen, Cobalt oder Eisen-Cobalt-Legierungen oder Nickel verwendet werden. Nickel kann ausgewählt werden, da Nickel mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit oxidiert. Um eine Oxidation von Nickel oder anderen Materialien zu vermeiden, können die Teilchen z.B. mit Gold beschichtet werden. Die Teilchen werden durch Mahlen gebildet oder auf eine andere Weise statistisch erzeugt, wie z.B. in einem Reibmühlenverfahren. In einer Ausführungsform haben die Teilchen eine Größe von etwa 5 Mikrometer. Die Teilchen können jedoch auch größer oder kleiner sein, wie z.B. 1 bis 20 Mikrometer. Die Teilchen werden nicht zwangsläufig gemahlen oder so geformt, dass sie eine bestimmte Form aufweisen, wie z.B. eine Faserkristall- oder Nadelform. In alternativen Ausführungsformen werden insbesondere längliche Formen ausgebildet. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Nickelpulverzusatz von 1 bis 12 Vol.-% oder 8 bis 50 Gew.-% in einem gießfähigen Epoxymaterial als Anpassschicht 10 bereitgestellt.

Gemäß der 5A wird eine Schale 42 mit den Anpassschichtmaterialien gefüllt, einschließlich dem gießfähigen Anpassschichtmaterial, den magnetischen Teilchen und zusätzlichen Füllstoffen. In einer Ausführungsform ist das Anpassschichtmaterial ein niedrigviskoses Harz mit einem Härtungskatalysator.

Zwei Magneten 44 werden von nicht-metallischen Trägern 46 auseinandergehalten. In einer Ausführungsform bestehen die nicht-metallischen Träger 46 aus Keramik, Kunststoff oder Kautschuk, jedoch können auch andere bekannte Materialien verwendet werden. Die Magneten 44 sind Bariumferritmagneten oder andere Permanentmagneten. Es kann ein beliebiger Permanentmagnet oder Elektromagnet verwendet werden. Die Magneten 44 sind durch die Träger 46 etwa um das zwei- bis dreifache der gewünschten Höhe der Anpassschicht 10 beabstandet. Es kann ein größerer oder kleinerer Abstand bereitgestellt werden, wie z.B. 5,1 bis 7,6 cm (2 bis 3 Zoll). Die Magneten 44 sind so ausgerichtet, dass sich die Magnetfeldlinien zwischen den beiden Magneten in einer vertikalen Richtung erstrecken, wie es in der 5A gezeigt ist. Es können beliebige Magnetfeldstärken verwendet werden. Es können geringe Magnetfeldstärken verwendet werden, die ausreichend sind, um einige magnetische Teilchen dazu zu bringen, sich entlang der Magnetfeldlinien auszurichten.

Gemäß der 5B ist die Schale oder die Platte 42 zwischen den Magneten 44 zum Härten angeordnet. In einer Ausführungsform wird zum Härten ein chemischer Katalysator verwendet, jedoch kann für eine beschleunigte Härtung auch Wärme eingesetzt werden. Wenn Wärme eingesetzt wird, wird die Wärmemenge überwacht oder die Magneten werden so ausgewählt, dass die Wärme die Effektivität der Magneten zumindest während des Härtungszyklus und vorzugsweise während einer Anzahl von Härtungszyklen nicht zerstört. In einer Ausführungsform wird der Rahmen, der von den Magneten 44 und den Trägern 46 gebildet wird, in einem Ofen angeordnet, der typischerweise zum Härten gießfähiger Anpassschichtmaterialien verwendet wird.

Sobald es sich verfestigt hat, hält das Anpassschichtmaterial die magnetischen Teilchen so, wie sie durch die Feldlinien innerhalb der Anpassschicht ausgerichtet worden sind, selbst wenn es aus dem Magnetfeld entfernt wird. Aufgrund der Ausrichtung entlang der Magnetfeldlinien wird zwischen der oberen und der unteren Fläche 12 und 14 eine höhere Leitfähigkeit bereitgestellt als zwischen den Kantenflächen. Dieser anisotrope Leiter stellt ein leitfähiges Material bereit, das mehr von der oberen Fläche zur unteren Fläche ausgerichtet ist als von der Kante 18 zur Kante 18.

Der Anpassschichtblock wird dann geschliffen, mit Schleifpapier bearbeitet oder gesägt, um die gewünschten Anpassschichtabmessungen bereitzustellen. Selbst mit den magnetischen Teilchen werden elektrisch leitfähige Anpassschichten mit 2,5 bis 3,5 MRayl oder anderen akustischen Impedanzen bereitgestellt, die akustisch wie herkömmliche, nicht leitfähige Anpassschichten gehandhabt werden können und wirken. Im Gegensatz dazu können Graphit-Anpassschichten eine akustische Impedanz von etwa 7 MRayl aufweisen.

Unter Verwendung der vorstehend diskutierten elektrisch leitfähigen Anpassschichten wird ein Verfahren zum Leiten von elektrischem Strom durch die Anpassschicht bereitgestellt. Das leitfähige Material wird relativ zu der oberen und der unteren Fläche 12, 14 der Anpassschicht 10 ausgerichtet (d.h. das leitfähige Material befindet sich senkrecht zur Azimutebene und zur Elevationsebene eines Ultraschallwandlers). Das leitfähige Material 16 ist selbst nach der Ausbildung der Elemente 20 des Arrays mindestens teilweise oder vollständig innerhalb der Anpassschicht 10 ausgebildet. Durch senkrechte Ausrichtung des Leiters zu der oberen und der unteren Fläche 12, 14 wird ein elektrischer Strom von der oberen oder der unteren Fläche 12, 14 zu der anderen der unteren und oberen Fläche 14, 12 geleitet. Durch die Anpassschicht wird für jedes Element eines Ultraschallwandlers eine Bahn oder eine Mehrzahl von Bahnen des leitfähigen Materials 16 bereitgestellt.

Für eine effizientere elektrische Übertragung des Stroms von der Anpassschicht zu einer anderen Anpassschicht, der Erdungsebene, der Flex-Schaltung, der Signalleitung, dem Wandler, dem PZT-Material oder -Element umfasst bzw. umfassen eine oder mehrere der oberen und unteren Fläche 12, 14 der Anpassschicht 10 eine Metallschicht. Beispielsweise wird die Elektrode einer PZT-Keramik mit der Anpassschicht 10 in Kontakt gebracht und damit verbunden. Als Folge davon ist das leitfähige Material elektrisch mit dem Wandler verbunden. Das leitfähige Material ist ebenfalls mit einem System wie z.B. einer Erdungsfolie oder Signalleitung elektrisch verbunden.

Die 6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines mehrdimensionalen Arrays von N × M Elementen, wobei sowohl N als auch M größer als 1 ist. Beispielsweise wird mit den elektrisch leitfähigen akustischen Anpassschichten eine 1,25D-, 1,5D-, 1,75D-, 2D-Anordnung oder eine andere mehrdimensionale Anordnung von Elementen bereitgestellt. Für eine Anpassung der akustischen Impedanz werden mehrere akustische Anpassschichten bereitgestellt, was eine effiziente akustische Anpassung zwischen dem Wandler und dem Patienten ermöglicht. Um ein separates Trennen der Elemente des Wandlers und der Anpassschichten zu vermeiden, ist eine Mehrzahl der Anpassschichten elektrisch leitfähig.

Im Schritt 50 werden mindestens zwei Anpassschichten, die elektrischen Strom leiten können, auf mindestens einem Element des Arrays positioniert oder gestapelt. Beispielsweise wird eine beliebige der hier diskutierten elektrisch leitfähigen akustischen Anpassschichten verwendet, einschließlich derjenigen, die in den einleitenden Abschnitten dieser Beschreibung diskutiert worden sind. Beispielsweise werden Lagen von Anpassschichten auf einem Wandlermaterial gestapelt oder positioniert, um sie später in einzelne Elemente des mehrdimensionalen Arrays zu trennen.

In einer Ausführungsform werden zwei elektrisch leitfähige akustische Anpassschichten mit oder ohne zusätzliche nicht-leitfähige Anpassschichten gestapelt. In anderen Ausführungsformen werden drei elektrisch leitfähige akustische Anpassschichten verwendet. Alle oder nur ein Subsatz der Anpassschichten für ein gegebenes Element sind elektrisch leitfähig. In einer Ausführungsform werden verschiedene Arten elektrisch leitfähiger akustischer Anpassschichten als Funktion der gewünschten akustischen Impedanz verwendet. Beispielsweise wird angrenzend an das Wandlermaterial eine feste Graphit-Anpassschicht verwendet, jedoch werden elektrisch leitfähige Anpassschichten aus einem gießfähigen Material mit einer niedrigeren akustischen Impedanz näher am Patienten oder der Linse verwendet. Es kann eine beliebige. Kombination aus magnetischen Teilchen, Kontaktlöchern oder Anpassschichten des leitfähigen Filmtyps verwendet werden. In einer Ausführungsform weisen zwei oder mehr der Anpassschichten die gleiche Art des Aufbaus auf, jedoch mit unterschiedlichen Mengen an Füllstoffmaterial oder unterschiedlichen Dicken. In anderen Ausführungsformen werden verschiedene Arten von Anpassschichten in einer Kombination verwendet.

Im Schritt 52 werden das gestapelte Wandlermaterial und die elektrisch leitfähigen akustischen Anpassschichten getrennt. Das Trennen wird sowohl in der Azimutdimension als auch in der Elevationsdimension durchgeführt. Das Trennen bildet Kerben, die einzelne Elemente des mehrdimensionalen Wandlerarrays bilden. Zur Trennung der Anpassschichten und des elektrokeramischen Materials wird der gleiche Trennvorgang eingesetzt. In alternativen Ausführungsformen werden separate Trennschnitte eingesetzt, um die Anpassschichten akustisch zu isoliern und das Wandlermaterial elektrisch zu isolieren. Alle elektrisch leitfähigen Anpassschichten werden gleichzeitig getrennt, können jedoch in anderen Ausführungsformen separat getrennt werden.

Im Schritt 54 werden die elektrisch leitfähigen Anpassschichten mit anderen Komponenten des Wandlers elektrisch verbunden. Beispielsweise wird eine elektrisch leitfähige Anpassschicht, die sich am nächsten zur Linse oder auf dem Stapel zuoberst befindet, an eine Erdungsfolie, eine Flex-Schaltung oder eine Signalleitung laminiert. Als weiteres Beispiel wird eine elektrisch leitfähige Anpassschicht 10, die sich am nächsten zu dem Wandlermaterial befindet, an das Wandlermaterial oder an eine Elektrode auf dem Wandlermaterial laminiert. Die elektrisch leitfähigen Anpassschichten werden aneinander laminiert oder gebunden, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen der Erdungsfolie, der Signalleitung oder der Flex-Schaltung und dem Wandlermaterial bereitgestellt wird. Da die elektrisch leitfähigen akustischen Anpassschichten mit einer niedrigen akustischen Impedanz verfügbar sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird ein mehrdimensionaler Wandlerarray mit getrennten oder gekerbten Anpassschichten zur Vermeidung eines Übersprechens unter Verwendung eines einzigen Trennschritts bereitgestellt.

Die 7 zeigt einen Abschnitt eines mehrdimensionalen Arrays von Wandlerelementen. Insbesondere sind zwei Elemente 20 gezeigt, die durch eine Kerbe 56 entlang der Elevationsdimension voneinander beabstandet sind. Jedes der beiden Elemente umfasst das Wandlermaterial 58. Die Kerbe 56 definiert die Elemente 20. Die Kerbe 56 erstreckt sich durch die Anpassschichten 60, 62 und 64. Entlang der Elevationsdimension können zusätzliche Elemente bereitgestellt werden. Eine Mehrzahl von Elementen ist auch entlang der Azimutdimension bereitgestellt und die Elemente sind durch Kerben definiert, die sich durch die Anpassschichten und das Wandlermaterial erstrecken.

Während drei Anpassschichten gezeigt sind, kann auch eine andere Anzahl von Anpassschichten 60, 62, 64 verwendet werden. In einer Ausführungsform sind alle Anpassschichten 60, 62, 64 elektrisch leitfähig, jedoch ist in anderen Ausführungsformen nur ein Subsatz davon leitfähig. Kontaktlöcher, magnetische Teilchen oder leitfähige Filme stellen ein leitfähiges Material 16 bereit, das entlang der Dickendimension ausgerichtet ist, um ein elektrisches Signal von dem Wandlermaterial 58 zu einer Erdungsfolie, einer Signalleitung oder einer Flex-Schaltung 66 bereitzustellen.

Vorstehend wurden verschiedene Aspekte und Kombinationen von Aspekten der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es kann ein beliebiger einzelner Aspekt oder eine beliebige Kombination der Aspekte eingesetzt werden. Beispielsweise können die elektrisch leitfähigen akustischen Anpassschichten einzeln auf einem Einzelelement-Array, einem eindimensionalen oder einem mehrdimensionalen Array verwendet werden. Als weiteres Beispiel ist die Verwendung mehrerer elektrisch leitfähiger akustischer Anpassschichten auf einem eindimensionalen Array oder Einzelelementarray möglich. Als weiteres Beispiel werden mehrere Anpassschichten, die entweder elektrisch leitfähig sind oder nicht, auf einem mehrdimensionalen Array gestapelt und gleichzeitig mit dem Wandlermaterial geschnitten.

Während die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte beachtet werden, dass viele Veränderungen und Modifizierungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die vorstehende detaillierte Beschreibung sollte deshalb lediglich veranschaulichend und nicht beschränkend aufgefasst werden und es sollte beachtet werden, dass der Schutzbereich dieser Erfindung lediglich durch die beigefügten Patentansprüche einschließlich aller Äquivalente festgelegt ist.


Anspruch[de]
  1. Eine elektrisch leitfähige akustische Anpassschicht (10) mit einer oberen und einer unteren Fläche (12, 14), wobei die obere und die untere Fläche (12, 14) jeweils im Wesentlichen in einer Azimutebene und einer Elevationsebene liegen, wenn sie auf einem Schallwandler verwendet werden, und wobei ein Leiter (16) mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht (10) relativ zu der oberen und der unteren Fläche (12, 14) angeordnet ist.
  2. Anpassschicht nach Anspruch 1, bei welcher der Leiter (16) senkrecht zu der oberen und der unteren Fläche (12, 14) ausgerichtet ist.
  3. Anpassschicht nach Anspruch 1 oder 2, die einem Element (20) des Wandlers entspricht, wobei der Leiter (16) und mindestens ein zusätzlicher Leiter (16) zwischen der oberen und unteren Fläche (12, 14) innerhalb des Elements (20) angeordnet sind.
  4. Anpassschicht nach Anspruch 1 oder 2, die einem Element (20) des Wandlers entspricht, wobei der Leiter (16) entlang der Elevationsebene und der Azimutebene der unteren Fläche (14) näher an einer Kante des Elements (20) als an der Mitte des Elements (20) angeordnet ist.
  5. Anpassschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ein gießfähiges Material umfasst.
  6. Anpassschicht nach Anspruch 5, bei der das gießfähige Material ein Polymer umfasst.
  7. Anpassschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Leiter (16) ein Leitermaterial in einem Kontaktloch (22) umfasst, das sich von der oberen Fläche (12) zu der unteren Fläche (14) erstreckt.
  8. Anpassschicht nach Anspruch 7, bei der das Leitermaterial eine Metallplattierung ist.
  9. Anpassschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der Leiter (16) einen leitfähigen Film (28) umfasst, der sich von der oberen Fläche (12) zu der unteren Fläche (14) mindestens teilweise innerhalb der Schicht (10) erstreckt.
  10. Anpassschicht nach Anspruch 9, bei welcher der leitfähige Film (28) ein gesputtertes Metall umfasst.
  11. Anpassschicht nach Anspruch 9 oder 10, bei welcher der Leiter (16) in einer Querschnittsansicht senkrecht zu der Azimutebene und der Elevationsebene der oberen Fläche (12) eine Mehrzahl umschlossener Formen umfasst.
  12. Anpassschicht nach einem der Ansprüche 9 bis 11, die ein festes Anpassschichtmaterial umfasst, wobei der Leiter (16) zwischen separaten Volumina des festen Anpassschichtmaterials angeordnet ist.
  13. Anpassschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welcher der Leiter (16) magnetische Teilchen umfasst, die derart ausgerichtet sind, dass die längste Dimension der magnetischen Teilchen entlang einer Dimension ausgerichtet ist, die eher senkrecht als parallel zu der oberen und der unteren Fläche (12, 14) ist.
  14. Anpassschicht nach Anspruch 13, bei der die magnetischen Teilchen ein weichmagnetisches Pulver umfassen.
  15. Anpassschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die ferner eine Metallschicht auf der oberen Fläche und der unteren Fläche (12, 14) umfasst.
  16. Ein Verfahren zum Leiten eines elektrischen Potenzials durch eine Anpassschicht (10), die eine obere und eine untere Fläche (12, 14) aufweist, wobei die obere und die untere Fläche (12, 14) jeweils im Wesentlichen in einer Azimutebene und einer Elevationsebene liegen, wenn sie auf einem Schallwandler verwendet werden, wobei das Verfahren umfasst:

    (a) Ausrichten eines leitfähigen Materials relativ zu der oberen und der unteren Fläche (12, 14) der Anpassschicht (10), wobei sich das leitfähige Material mindestens teilweise innerhalb der Anpassschicht (10) befindet, und

    (b) elektrisches Verbinden des leitfähigen Materials mit dem Wandler.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem (a) das Ausrichten des Leiters (16) senkrecht zu der oberen und der unteren Fläche (12, 14) umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, das ferner umfasst:

    (c) Bereitstellen des leitfähigen Materials in einer Mehrzahl von Bahnen zwischen der oberen und der unteren Fläche (12, 14) für jedes einer Mehrzahl von Elementen (20) des Ultraschallwandlers.
  19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, das ferner umfasst:

    (c) Bereitstellen des leitfähigen Materials in einer Bahn zwischen der oberen und der unteren Fläche (12, 14) an einer Kante eines Elements (20) des Ultraschallwandlers, wobei eine Mitte des Elements (20) keine elektrisch leitfähigen Bahnen aufweist.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem (a) das Ausrichten des leitfähigen Materials in der Anpassschicht (10) aus einem gießfähigen Material umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem (a) umfasst:

    (a1) Ausbilden mindestens eines Kontaktlochs (22) in der Anpassschicht (10), wobei sich das Kontaktloch (22) zwischen der oberen und der unteren Fläche (12, 14) erstreckt, und

    (a2) Bereitstellen des leitfähigen Materials in dem Kontaktloch (22).
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem (a2) eines von Plattieren, Füllen und Beschichten des Kontaktlochs (22) mit einer Metallschicht umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem (a) umfasst:

    (a1) Ausbilden von Innenflächen (12, 14) innerhalb der Anpassschicht (10),

    (a2) Anordnen des leitfähigen Materials auf den Innenflächen (12, 14), und

    (a3) Füllen eines Teils der Anpassschicht (10), der zu den Innenflächen (12, 14) gehört.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem (a1) das Trennen der Anpassschicht (10) umfasst, wobei das Trennen Kerben 56 mit Seitenwänden bereitstellt, welche die Innenflächen (12, 14) umfassen, (a2) eines von Sputtern, Abscheiden und Plattieren eines Metallfilms (28) auf die bzw. den Innenflächen (12, 14) umfasst, und (a3) das Füllen der Kerben (56) umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem (a1) das Formen eines Abschnitts der Anpassschicht (10) umfasst.
  26. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem (a1) das Ausbilden eines Kreuzmusters von Innenflächen (12, 14) in der Azimutdimension und der Elevationsdimension umfasst.
  27. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem (a) umfasst:

    (a1) Bereitstellen magnetischer Teilchen innerhalb eines gießfähigen Materials, und

    (a2) Bereitstellen eines Magnetfelds, das sich eher senkrecht als parallel zu der oberen und der unteren Fläche (12, 14) erstreckt.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 16, 17 und 21 bis 27, das ferner (c) das Ausbilden einer Metallschicht auf jeder der oberen und der unteren Fläche (12, 14) umfasst.
  29. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem (a)

    (a1) das abwechselnde Kombinieren leitfähiger und nicht-leitfähiger Materialschichten und

    (a2) das Schneiden senkrecht zu Schichten des leitfähigen Materials umfasst.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, das ferner (c) vor dem Kombinieren das Aufbringen der leitfähigen Schicht auf die nicht-leitfähige Schicht umfasst.
  31. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem (a) das Ausrichten der leitfähigen Schicht umfasst, die nicht planar ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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