DE10197068T5

DE10197068T5 - Multidimensionales Feld und dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10197068T5
Application number: DE10197068T
Authority: DE
Inventors: Ram Chandler Hatangadi; Sanjay Tempe Chandran; David Mesa Chartrand
Original assignee: Parallel Design Inc
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2004-04-22
Also published as: US20030009873A1; US6759791B2; JP2004517521A; WO2002052544A2; WO2002052544A3; AU2002230894A1; JP3824315B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wandlers; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
– Vorsehen einer Substratanordnung;
– Anbringen von Aperturisolationsschnitten in der Substratanordnung in einer ersten Richtung;
– Anbringen kleinerer Elementschnitte in der Substratanordnung in einer zweiten Richtung;
– Positionieren mehrerer Signalleitungen auf die Substratanordnung, so dass die mehreren Signalleitungen mit den kleineren Elementschnitten ausgerichtet sind;
– Anbringen größerer Elementschnitte in der Substratanordnung in der zweiten Richtung, nachdem die mehreren Signalleitungen positioniert wurden, zum Erzeugen einer Multielement-Wandleranordnung.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wandler. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein 1,5-dimensionales Ultraschall-Wandlerfeld, das zur Verwendung in der medizinischen Bildaufbereitung geeignet ist, sowie auf Verfahren der Wandlerverwendung und -konstruktion.
Hintergrund der Erfindung
Wandler sind Vorrichtungen, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln oder umgekehrt. Eine gebräuchliche Anwendung von Wandlern ist in der Ultraschall-Bildaufbereitung, die oft in medizinischen Anwendungen, beim zerstörungsfreien Testen und dergleichen verwendet wird.
Für die medizinische Bildaufbereitung verwendete Wandler weisen typischerweise ein oder mehrere Wandlerelemente auf, die auf eine Elektronik abgestimmt und von dieser angesteuert werden können, die mit dem Wandler über ein Koaxialkabel oder dergleichen verbunden ist. Bei einer Ultraschall-Bildaufbereitungsanwendung wandelt ein typischer Wandler zweckmäßigerweise z.B. ein von der Elektronik erzeugtes elektrisches Signal in mechanische Schwingungen (z.B. Ultraschallwellen) um, die durch den menschlichen Körper gesendet und von ihm reflektiert werden können. Die Schwingungen können von einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen erzeugt werden, die zweckmäßigerweise die elektrische Ladung in akustische (d.h. Klang-) Energie umwandeln. Die Wandlerelemente können auch akustische Energie empfangen, die dann in elektrische Signale umgewandelt werden kann, die von der angeschlossenen Elektronik verarbeitet werden können.
Häufig sind Wandler in Wandlerelemente aufgeteilt, die einzeln und gleichmäßig entlang einer Geraden oder gekrümmten Achse zum Beispiel angeordnet sein können. Jedes Wandlerelement wird typischerweise von einem elektrischen Potential angesteuert, um eine einzelne Ultraschallwelle aus diesem bestimmten Element zu erzeugen. Jedes Wandlerelement kann aus einer piezoelektrischen (z.B. Keramik-) Schicht, einer leitfähigen Schicht und einer oder mehreren akustischen Abstimmungsschichten aufgebaut sein, wie zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,637,800, erteilt am 10. Juni 1997 an Finsterwald et al., beschrieben und hier als Referenz mit einbezogen. Jedes Element kann zur Vermeidung von Crosstalk und anderen Fehlersignalen von jedem der anderen Elemente akustisch isoliert sein. Die am häufigsten verwendeten Wandlerelemente werden typischerweise in einem eindimensionalen linearen Feld hergestellt und angeordnet, das es jedem Element erlaubt, einzeln durch die zugeordnete Elektronik adressierbar zu sein.
Die von den verschiedenen Wandlerelementen erzeugten einzelnen Wellen erzeugen eine resultierende Ultraschallwelle oder einen resultierenden Ultraschallstrahl, der auf einen ausgewählten Punkt gebündelt werden kann. Wenn ein elektrisches Signal gleichzeitig an jedes Element angelegt wird, ist die erzeugte Welle typischerweise relativ flach. Durch Anlegen eines elektrischen Signals in unterschiedlichen Zeitintervallen an unterschiedliche Elemente, kann die resultierende erzeugte Welle angewinkelt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann der resultierende Ultraschalleffekt als eine Gaußsche Kurve modelliert sein. Diese resultierende effektive Ultraschallwelle kann oft "abgestimmt" oder "gelenkt" werden, um ein Bild in einer Abbildungsebene abzutasten, indem einzelne Elemente des Wandlers aktiviert oder deaktiviert werden.
Das 1-D-Feld piezoelektrischen Wandlerelemente erlaubt es typischerweise, dass der Strahl von Ultraschallenergie im Azimut (d.h. der seitlichen und der axialen Richtung) der Abbildungsebene und nicht in der Elevationsebene, fokussiert wird. Objekte, die nicht in der Azimut-Abbildungsebene des Strahls sind, weisen allgemein niedrigere Auflösungen auf, da das 1-D-Feld typischerweise den Strahl in keiner anderen Ebene als dem Azimut lenken kann.
Die derzeitige Entwicklung hin zu einer digitalen Strahlformungstechnik verspricht regelmäßige und schnelle Erhöhungen der Anzahl von Kanälen in einem medizinischen Bildaufbereitungswandler. Eine häufige Implementierung eines 1-D- Wandlers verwendet typischerweise 128 Elemente, während eine vollständig abgetastete zweidimensionale Apertur typischerweise eine Anzahl von Elementen in der Größenordnung von 10.000 verwendet. Zusätzliche Kanäle führen typischerweise zu zusätzlichen Kosten und zusätzlicher Komplexität, weshalb ein Interesse darin besteht einzuschätzen, wie viel die Leistung mit einem moderaten Anstieg der Kanalanzahl verbessert werden kann.
Viele herkömmliche 1-D-Phasen-Feld-Sonden haben eine sehr gute seitliche und axiale Auflösung. Dies wurde durch Verbesserungen in der Wandlertechnik durch die Verbesserung empfindlicherer Vorverstärker und durch eine bessere Abstimmung zwischen den Wandlerelementen und der Sende-Empfangs-Elektronik erreicht. Ein Aspekt der Systemleistung, der in den letzten Jahren jedoch etwas vernachlässigt wurde, ist der Aspekt der Strahlbreite in der zur Abbildungsebene senkrechten Ebene, die oft als die "Elevationsstrahlbreite" oder "Scheibendicke" bezeichnet wird. Es gibt zwei Hauptgründe, warum die Scheibendicke weniger Aufmerksamkeit erfahren hat als entweder die seitliche oder die axiale Auflösung. Erstens wirken sich Veränderungen in der Elevationsstrahlbreite typischerweise nicht auf die Anzeige eines B-Abtastungsbilds ebenso dramatisch aus, wie Veränderungen der seitlichen und axialen Auflösung. Zweitens war das Bauen von Wandlerfeldern mit den erforderlichen Elevationseigenschaften schwierig, da die schon kleinen Elemente weiter unterteilt und unabhängig gesteuert werden müssen.
Um an der Elevationsstrahlbreite Einstellungen vorzunehmen, wurden multidimensionale (z.B. 1,5-D und 2-D) Felder mit zusätzlichen Strahlformungselementen geschaffen, um eine verbesserte dynamische Fokussierung und Apodisation vorzusehen. Ein Verfahren zum Erzeugen eines multidimensionalen Felds beinhaltet die Schaffung zusätzlicher Elevationsaperturstreifen im Wandlerelement. Ein eindimensionales Wandlerfeld verwendet typischerweise 128 Elemente in der Abbildungsebene und kann in einer einzigen Reihe angeordnet sein. Ein 2-D-Feld enthält typischerweise Elemente, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind mit einem Elevationsabstand, der an eine akustische Wellenlänge angenähert ist, so dass der Strahl sowohl in Azimut- als auch in Elevationsrichtung gelenkt und fokussiert werden kann. Ein 1,5-D-Feld ist dahingehend ähnlich, dass Wandlerelemente in Apertur- und Elevationsstreifen angeordnet sind, wobei jedoch der Elevationsabstand relativ groß bleibt, so dass eine Strahlfokussierung jedoch allgemein keine Strahllenkung in der Elevationsachse möglich ist.
Bei der Schaffung von 1,5-D- und 2-D-Feldern treten typischerweise mehrere Probleme auf. Die angemessene elektrische und akustische Isolierung von Aperturstreifen ist ein Problem. Im US-Patent Nr. 5,920,972, erteilt am 13. Juli 1999 an Palczewska et al. und das hier durch Bezugnahme mit einbezogen ist, ist ein Verfahren zum akustischen und elektrischen Isolieren einzelner Aperturstreifen offenbart, das eine gemusterte leitfähige Metallisierungsbrücke über den einzelnen Aperturstreifen zum Vorsehen der elektrischen Verbindungen für jeden Streifen verwendet. Dieses Verfahren erzeugt jedoch typischerweise unerwünschten Intra-Element-Grosstalk (z.B. elektrische oder akustische Interferenz zwischen nebeneinander liegenden Wandlerelementen).
Ein zweites Problem, das häufig bei multidimensionalen Wandlerfeldern auftritt, tritt beim Vorsehen eines zuverlässigen Verfahrens zur Verbindung der Aperturstreifen auf. Im US-Patent Nr. 5,617,865, erteilt am 8. April 1997 an Palczewska et al. und hier als Referenz mit einbezogen, ist ein multidimensionales Feld offenbart, bei dem Aperturstreifen mit einer zweiseitigen Flexschaltung miteinander verbunden werden, die über der piezoelektrischen Keramikschicht des Wandlers laminiert ist. Dieses Verfahren erzeugt typischerweise unerwünschte Reflexionen von der flexiblen gedruckten Schaltung und stört die Impulsechoantwort. Typischerweise sind derzeitige Verfahren zum angemessenen Isolieren und Verbinden von Aperturstreifen kompliziert und kostenintensiv. Im US-Patent Nr. 5,704,105, erteilt am 6. Januar 1998 an Venkataramani et al. und hier als Referenz mit einbezogen, ist zum Beispiel ein weiteres Verfahren zur Schaffung von 1,5-Dund 2-D-Wandlerfeldern offenbart, doch ist das hier beschriebene Verfahren kompliziert umzusetzen, und es kann sein, dass die verschiedenen Elemente damit nicht angemessen isoliert werden. Es ist daher wünschenswert, Verfahren zu entwickeln, mit denen wirkungsvoll ein multidimensionales Feld geschaffen werden kann, das angemessen isolierte und verbundene Aperturstreifen aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach verschiedenen Aspekten der Erfindung wird ein Wandler hergestellt durch Vorsehen einer Substratanordnung, Anbringen von Aperturisolationsschnitten in der Substratanordnung in einer ersten Richtung, Anbringen kleinerer Elementschnitte in der Substratanordnung in einer zweiten Richtung, Positionieren mehrerer Signalleitungen (wie zum Beispiel eine Flexschaltung) auf der Substratanordnung, so dass die mehreren Signalleitungen mit den kleineren Elementschnitten ausgerichtet sind, und Anbringen größerer Elementschnitte in der Substratanordnung in der zweiten Richtung, nachdem die mehreren Signalleitungen positioniert wurden.
Verschiedene Aspekte der Erfindung enthalten auch einen multidimensionalen Wandler, der mehrere Elemente aufweist, wobei der Wandler einen Leiter; eine mit dem Leiter zusammengesetzte piezoelektrische Anordnung, die eine erste Vielzahl von Schnitten in einer ersten Richtung aufweist; und eine Abstimmungsschichtanordnung, die eine zweite Vielzahl von Aperturschnitten in der ersten Richtung aufweist, wobei die Abstimmungsschicht mit dem Leiter gegenüber der piezoelektrischen Anordnung verbunden ist, so dass die erste und die zweite Vielzahl von Elevationsschnitten zum Isolieren der mehreren Elemente in einer Elevationsdimension ausgerichtet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die oben angegebenen und weitere Merkmale und Vorteile werden in der folgenden detaillierten Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen beschrieben, die in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungsfiguren zu lesen ist, worin gleiche Referenznummern zum Identifizieren der gleichen oder ähnlicher Teile in den ähnlichen Ansichten verwendet werden. Es zeigt:
1(a) und 1(b) eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines beispielhaften Wandlerelements,
2 ein Fließdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Erzeugen eines Wandlers,
3(a), 3(b) und 3(c) Seitenansichten, die einen beispielhaften Vorgang zum Bilden einer Abstimmungsschichtanordnung demonstrieren,
4(a)–(d) Seitenansichten, die einen beispielhaften Vorgang zum Bilden einer piezoelektrischen Schichtanordnung demonstrieren,
5(a) und 5(b) Seitenansichten, die einen beispielhaften Vorgang zum Isolieren von Wandlerelementen in der Elevationsrichtung demonstrieren,
6(a), 6(b) und 6(c) Draufsichten, die einen beispielhaften Vorgang zum Befestigen von Schaltungsleitungen an Wandlerelementen und zum Isolieren von Wandlerelementen in der Azimutrichtung demonstrieren,
7 eine Seitenansicht eines beispielhaften Wandlers,
8 einen Plot akustischer Eigenschaften in Abhängigkeit eines Füllstoffprozentsatzes für einen beispielhaften Wandler und
9 einen Plot von Strahlbreite in Abhängigkeit von der Tiefe für einen beispielhaften Wandler.
Beschreibung der Erfindung
Das hier offenbarte Ausführungsbeispiel der Erfindung erörtert hauptsächlich die Konstruktion eines multidimensionalen Felds zur Verwendung in einem medizinischen Bildaufbereitungswandler. Eine beliebige Anzahl weiterer Ausführungsformen fällt jedoch in den Umfang der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel könnten die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren auch im Zusammenhang mit anderen Typen von Wandlersystemen, wie zum Beispiel Audio-Lautsprechern, bei der zerstörungsfreien Prüfung, bei der nichtinvasiven Chirurgie, Zahnmedizin und dergleichen verwendet werden. In ähnlicher Weise könnten die hier im Zusammenhang mit 1,5-D-Feldern beschriebenen Techniken auch zum Umsetzen eines 2-D-Felds oder einer beliebigen anderen multidimensionalen Struktur verwendet werden. Außerdem wird erkannt werden, dass die Anordnung, räumliche Ausrichtung und die relativen Positionen der verschiedenen Elemente, wie sie hier genannt werden, auf beliebige Weise modifiziert werden könnten, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen würde. Auch wenn hier zum Beispiel die Begriffe "Azimut" und "Elevation" zur Vereinfachung der Erörterung verwendet werden, wäre es möglich, die Wandleranordnungen mit beliebigen Dimensionen, Feldgrößen oder Ausrichtungen zu formulieren. Außerdem könnten, obwohl hier traditionelle "Ein-Schicht"-Piezoelemente beschrieben sind, verschiedene äquivalente Strukturen, wie zum Beispiel Vielschicht-Piezostrukturen an deren Stelle treten. Vielschichtige piezoelektrische Wandler sind zum Beispiel in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/492,430, eingereicht am 27. Januar 2000, die hier als Referenz mit einbezogen ist, beschrieben.
Wie oben beschrieben, hat ein 1-D-Wandlerfeld eine eingeschränkte Fähigkeit zum Einstellen der Kontrastauflösung eines Bilds. Diese eingeschränkte Fähigkeit beruht darauf, dass ein typisches 1-D-Feld in der Elevationsrichtung nur eine Apertur hat, was typischerweise den Wandler auf eine einzige Brennzone in der Elevationsebene einschränkt. Durch das Erhöhen der Anzahl von Aperturstreifen in der Elevationsdimension kann die Anzahl von Brennzonen erhöht werden, um dadurch die Scheibendicke über eine größere Tiefe zu verringern, was seinerseits die Kontrastauflösung verbessert.
1(a) und 1(b) sind eine Draufsicht bzw. Seitenansicht eines beispielhaften multidimensionalen Wandlerfelds 100. Mit Bezug auf 1 sind eine Anzahl von Elementen (wie zum Beispiel Elemente 124, 126, 128) im Feld in eine zweidimensionale Matrix zusammengebaut, die eine Azimutrichtung (z.B. die vertikale Achse von 1(a)) und eine Elevationsrichtung (z.B. die Horizontalachse in den 1(a) und 1(b)) aufweist. Jedes Element enthält zweckmäßigerweise eine piezoelektrische Schicht 102 und eine erste und eine zweite Abstimmungsschicht 104 bzw. 106. Die piezoelektrische Schicht 102 kann durch eine leitfähige Schicht 108, die an eine elektrische Masse angeschlossen sein kann, von den Abstimmungsschichten 104 und 106 getrennt sein.
Wenn ein elektrisches Potenzial an die piezoelektrische Schicht 102 in einem bestimmten Element angelegt wird, kann das Element dazu veranlasst werden, mit einer Resonanzfrequenz zum Erzeugen einer Strahlung (wie zum Beispiel einer Ultraschallstrahlung) zu schwingen. Elektrische Leitungen 130, von denen jede an ein einzelnes Wandlerelement angeschlossen ist, legen zweckmäßigerweise das elektrische Potenzial an. Die Abstimmungsschichten 104 und 106 erlauben zweckmäßigerweise einen wirkungsvollen Transfer akustischer Energie im Zusammenhang mit der Ultraschallstrahlung an einen menschlichen Körper oder ein anderes Objekt. Durch selektives Aktivieren und Deaktivieren einzelner Elemente im Wandlerfeld 100 kann der durch das gesamte Feld erzeugte resultierende Strahl eingestellt werden. Folglich können über Signalleitungen 130 angelegte Signale zum Fokussieren oder Lenken des Ultraschallstrahls in einer herkömmlichen Wandleranwendung verwendet werden, wodurch zum Beispiel die Auflösung des Wandlers verbessert wird.
Auch wenn die verschiedenen Elemente im Wandlerfeld 100 eine gemeinsame Masse (z.B. die leitfähige Schicht 108) haben können, ist es typischerweise wünschenswert, die verschiedenen Elemente elektrisch und akustisch anderweitig zu isolieren, um Crosstalk, Rauschen und andere Fehlerquellen zu verhindern. Eine Isolation in der Elevationsrichtung kann durch Elevationsschnitte 116 und 118 geschehen, die mit einem akustisch dämpfenden Material, wie zum Beispiel Epoxidharz gefüllt werden können, wie unten vollständiger beschrieben ist. Eine Isolierung in der Azimutrichtung kann mit Azimutschnitten, wie zum Beispiel den Schnitten 120 in 1(a) geschehen. Verschiedene Elemente können auch kleinere Elementschnitte (wie zum Beispiel Schnitte 122 in 1(a)) in der Elevationsrichtung enthalten, um Dicke-Moden-Schwingungen der piezoelektrischen Schicht 102 zu verstärken, wodurch der Wirkungsgrad des Wandlerfelds 100 erhöht wird.
2 ist ein Fließdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 200 zur Herstellung eines Wandlers. Mit Bezug nun auf 2 enthält ein beispielhaftes Verfahren 200 zweckmäßigerweise: Vorbereiten von Abstimmungsschicht- und piezoelektrischen Schichtanordnungen (Schritte 202 bzw. 204), Befestigen der piezoelektrischen und Abstimmungsschichtanordnungen (Schritt 206), Isolieren der Elevationsapertur (Schritt 208), Anbringen kleinerer Elementschnitte (Schritt 210), Befestigen der Signalleitungen (Schritt 212), Anbringen der größeren Elementschnitte (Schritt 214) und Zusammensetzen des Wandlers (Schritt 216). Natürlich können auch andere Verfahren zum Schaffen eines Wandlers in anderen Ausführungsformen verwendet werden, oder es kann die Reihenfolge der verschiedenen Bearbeitungsschritte modifiziert werden, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird. Zum Beispiel könnten die Abstimmungsschicht- und piezoelektrischen Anordnungen vor Abschluss der Vorbereitungen auf einer der beiden oder auf beiden Anordnungen zusammengefügt werden.
Der Schritt 202 des Vorbereitens einer Abstimmungsschichtanordnung 300 weist je nachdem zweckmäßigerweise das Bilden einer oder mehrerer Abstimmungsschichten auf einer leitfähigen Schicht und das Schaffen akustischer Isolierungen in den Abstimmungsschichten in mindestens einer Dimension, wie zum Beispiel der Elevationsdimension, auf. 3(a)–(c) zeigen ein Verfahren zum Bilden einer Abstimmungsschichtanordnung 300. Mit Bezug auf 3 weist nun eine beispielhafte Abstimmungsschichtanordnung 300 zweckmäßigerweise eine leitfähige Schicht 108, eine erste akustische Abstimmungsschicht 104 und eine zweite akustische Abstimmungsschicht 106 auf. Die leitfähige Schicht 108 ist ein beliebiges elektrisch leitfähiges Material, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Gold, Silber oder dergleichen. In einem Ausführungsbeispiel wird die leitfähige Schicht 108 durch Abscheiden, Sputtern, Galvanisieren oder eine sonstige Beschichtung einer Platte (wie zum Beispiel einer Titanplatte) mit einem leitfähigen Material (wie zum Beispiel Gold, Silber, Kupfer oder dergleichen) gebildet.
Die akustischen Abstimmungsschichten 104 und 106 werden aus einem Polymer oder einem Polymer-Kompositmaterial oder einem anderen geeigneten Material hergestellt. In einem Ausführungsbeispiel ist das die erste Abstimmungsschicht 104 bildende Polymermaterial so ausgewählt, dass es ein Polymer mit einem mittleren akustischen Impedanzwert ist, der zwischen demjenigen des Substrates und demjenigen der zweiten akustischen Abstimmungsschicht 106 liegt. Die erste Abstimmungsschicht 104 kann je nachdem gegossen und auf eine gewünschte Dicke abgeschliffen werden. Zum Beispiel kann eine gleichmäßige Dicke, die gleich ungefähr einer Viertel Wellenlänge der erwünschten Betriebsfrequenz ist, gemessen durch die Geschwindigkeit des Schalls im bestimmten ausgewählten Material, verwendet werden. Die Geschwindigkeit von Schall im menschlichen Körper ist ungefähr 1540 m/s, und eine beispielhafte Abstimmungsschicht hat eine entsprechende Dicke von ungefähr 0,013 bis 0,07 mm für einen Wandler, der im Frequenzbereich von ungefähr 3-6 MHz arbeitet, auch wenn natürlich dickere oder dünnere Abstimmungsschichten ebenfalls verwendet werden könnten. Ein beispielhaftes Material, das zur Bildung der ersten Abstimmungsschicht geeignet ist, ist die Verbindung HYSOL, die von Dexter Corporation erhältlich ist, auch wenn andere Materialien in alternativen Ausführungsformen verwendet werden können.
Die zweite akustische Abstimmungsschicht 106 wird in ähnlicher Weise so gewählt, dass sie einen akustischen Impedanzwert aufweist, der zwischen demjenigen der ersten akustischen Abstimmungsschicht und demjenigen des Materials liegt, mit dem der Wandler in Kontakt kommen soll (z.B. dem menschlichen Körper). In einer beispielhaften Ausführungsform kann die zweite akustische Abstimmungsschicht aus einem beliebigen herkömmlichen Abstimmungsschichtmaterial (wie zum Beispiel einem beliebigen Material, das dem für die erste akustische Abstimmungsschicht verwendeten ähnlich ist) mit entsprechenden akustischen Eigenschaften hergestellt werden. Das Material wird zweckmäßigerweise über die Abstimmungsschicht 104 gegossen oder in einer anderen Weise gebildet und auf eine erwünschte Dicke abgeschliffen, die ungefähr gleich einer Viertel Wellenlänge der erwünschten Betriebsfrequenz sein kann, gemessen durch die Schallgeschwindigkeit in dem bestimmten ausgewählten Epoxid- oder anderen Material. In verschiedenen Ausführungsformen wird das Material auf etwas mehr (z.B. ungefähr 0,25 mm) als die erwünschte Dicke geschliffen, um weitere Bearbeitungsschritte zu kompensieren. Ein Ausführungsbeispiel verwendet eine erwünschte Dicke von ungefähr 0,09–0,05 mm für einen Wandler, der im Frequenzbereich von ungefähr 3–6 MHz arbeitet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren die verschiedenen Schichten nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zeigen, und die tatsächliche Schichtdicke von dem bestimmten Anwendungsbereich sowie von der Materialauswahl abhängen wird.
Gemäß 3(b) können, nachdem die Abstimmungsschichten 104 und 106 gegossen wurden, parallele Schnitte 310 und 312 in den Abstimmungsschichten angebracht werden, um einzelne Elevationsaperturstreifen zu isolieren. Die Schnitte 310 und 312 können mit einem beliebigen Schneidverfahren, wie zum Beispiel mit einer Waversäge angebracht werden. Die Schnitte werden mit einer Tiefe angebracht, die zum Erzeugen einer akustischen Isolation zwischen den Elementen ausreicht, und diese Tiefe wird sich von Ausführungsform zu Ausführungsform unterscheiden. In einem Ausführungsbeispiel werden die Schnitte durch die Abstimmungsschichten 104 und 106, bis auf ungefähr 0,4 mm an die leitfähige Schicht 108 heran, angebracht.
Ein Abstand 320 entspricht zweckmäßigerweise der Größe der verschiedenen Elemente in der Elevationsrichtung und kann sich von einer Ausführungsform zur anderen dramatisch unterscheiden. Der Abstand kann zum Beispiel durch Teilen der Fläche des Wandlers durch die erwünschte Anzahl von Elementen in der Elevationsdimension, durch Verwenden des "Verfahrens der gleichen Fläche" (bei dem die kombinierte Fläche äußerer Reihen ungefähr gleich der Fläche der Mittelreihe ist, so dass elektrische Impedanzen und akustische Sensibilitäten ungefähr gleich sind), durch Verwendung des Verfahrens des minimalen integrierten absoluten Zeitverzögerungsfehlers (Minimum Integrated Absolute Time Delay Error / MIAE) oder durch ein beliebiges anderes Verfahren bestimmt werden. Das MIAE-Verfahren kann damit einhergehen, dass der integrierte absolute Zeitverzögerungsfehler entlang der Achse des Wandlers aufgrund der geometrischen Diskretisierung der Elevationsapertur zum Ergeben einer kleineren Weitfeld-Strahlbreite reduziert oder minimiert wird. Näheres über das MIAE-Verfahren ist in D.G. Wildes, Chiao R.Y., C.M.W. Daft, K.W. Rigby, L.S. Smith, K.E. Thomenius, "Elevation Performance of 1,25D and 1,5D Transducer Arrays" ("Elevationsleistung von 1,25-D- und 1,5-D-Wandlerfeldern"), IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Band 44, Nr. 5, September 1997, vorgesehen, wobei diese Druckschrift hier als Referenz mit einbezogen ist. In einem beispielhaften Wandler mit fünf Elementen in der Elevationsrichtung können zum Beispiel je nach den Gegebenheiten die mittleren Reihen in einem Abstand von ungefähr 0,458 Mal der Hälfte der Elevationsapertur beginnen, und die äußeren Reihen können mit einem Abstand von ungefähr 0,754 Mal der Hälfte der Elevationsapertur beginnen. Wieder kann die Beabstandung der verschiedenen Reihen gemäß einem beliebigen Verfahren geschehen und kann sich von Ausführungsform zu Ausführungsform stark unterscheiden.
Auch wenn nur zwei Elevationsaperturschnitte 310 und 312 in 3 gezeigt sind, könnten eine beliebige Anzahl von Elevationsaperturschnitten in Abhängigkeit von der bestimmten praktischen Umsetzung angebracht werden. Das Schneiden von zwei Rillen erzeugt zum Beispiel in geeigneter Weise drei Aperturstreifen, die einem Mittelstreifen und zwei äußeren Streifen entsprechen. Die zwei äußeren Streifen können in verschiedenen Ausführungsformen verbunden werden, um einen Brennpunkt zu schaffen, der je nach dem selektiv aktiviert oder deaktiviert werden kann. Die Anzahl von Elevationsaperturschnitten muss dann durch den Grad der Fokussierung bestimmt werden, der in der Elevationsrichtung erwünscht ist. Das Schneiden von vier Rillen erzeugt in geeigneter Weise fünf Aperturstreifen (was drei Brennpunkten entspricht, wenn die äußeren Streifen (sowie die zweitäußersten Streifen) miteinander verbunden sind). In einem Ausführungsbeispiel wird durch sechs Rillen, welche sieben Aperturstreifen und vier Brennpunkte erzeugen, im Vergleich zu einem eindimensionalen Wandlerfeld in geeigneter Weise eine hohe Auflösung und eine große Tiefenschärfe geschaffen.
Gemäß 3(c) kann eine akustisch dämpfende Verbindung 314 in die Aperturschnitte 310 und 312 gegossen werden, um die akustische Isolation zwischen den Elementen zu verbessern. Die verwendete Verbindung ist ein akustisch dämpfendes Polymer oder ein beliebiges anderes Material mit entsprechenden Eigenschaften, so dass die Dämpfung, die Längs- und Scher-Akustikgeschwindigkeiten und die akustische Impedanz ungefähr zu den Eigenschaften der Abstimmungsschichten passen (siehe 8 und der sie begleitende Text unten). In verschiedenen Ausführungsformen minimiert (oder mindestens verringert) die Verbindung 314 wesentlich die Ausbreitung von Lamb-Wellen-Moden (d.h. Oberflächenwellen) zwischen den beiden Abstimmungsschichtstreifen. In einem Ausführungsbeispiel kann die dämpfende Verbindung 314 ein gefülltes Polyurethan sein, das eine Shore-A-Härte von 80 hat und von Ciba Corporation erhältlich ist. Nachdem die Verbindung 314 angebracht wurde, kann die Verbindung in zweckmäßiger Weise vulkanisiert werden, und die Abstimmungsschichtanordnung 300 kann auf eine beliebige gewünschte Größe zugeschnitten werden. Das Zuschneiden kann mit einer Säge oder einem anderen Gerät in geeigneter Weise erfolgen.
Unter momentanem erneuten Bezug auf 2 wird bei Schritt 204 zweckmäßigerweise eine piezoelektrische Anordnung 400 vorbereitet, die mit der Abstimmungsschichtanordnung 300 zusammengefügt werden kann. Die 4(a)–(d) sind Seitenansichten, die ein beispielhaftes Verfahren zum Vorbereiten der piezoelektrischen Anordnung 400 zeigen. Gemäß 4(a)–(d) kann nun ein ausgewähltes Substrat 402 (wie zum Beispiel aus Keramik oder einem anderen Material mit piezoelektrischen Eigenschaften) flach gemacht werden (z.B. durch Schleifen) und zweckmäßigerweise auf eine rechteckige Form zugeschnitten werden. Geeignete Substratmaterialien sind Keramik und beliebiges anderes Material mit piezoelektrischen Eigenschaften. In einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 402 das Keramik PZT5H, das von (CTS) Corporation erhältlich ist. Eine leitfähige Schicht 404 kann durch ein beliebiges Verfahren, wie zum Beispiel Beschichten, Galvanisieren, Spritzen, Vakuumabscheidung oder ein beliebiges anderes Metallisierungsverfahren auf das Substrat 402 aufgebracht werden. Bei einem beispielhaften Verfahren zum Aufbringen einer leitfähigen Schicht 404 wird zuerst die Oberfläche des Substrats 402 mit einer Säurelösung (wie zum Beispiel einer 5%-igen Fluorbor-Säurelösung) geätzt, und dann wird das Substrat 402 unter Verwendung herkömmlicher Beschichtungsverfahren mit elektrolosem Nickel beschichtet. Andere Materialien, die zum leitfähigen Beschichten 404 verwendet werden, sind zum Beispiel Lot, Gold, Silber, Kupfer oder ein beliebiges anderes leitfähiges Material. In verschiedenen Ausführungsformen wird die leitfähige Beschichtung 404 um die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Materials 402 angeordnet. In anderen Ausführungsformen werden nur ausgewählte Flächen (wie zum Beispiel die obere und/oder die untere Fläche) des piezoelektrischen Materials 402 mit leitfähigem Material 404 beschichtet. Zum Beispiel kann das Beschichtungsmaterial vollständig um vier aneinanderliegenden Oberflächen des Substrats ausgedehnt werden, so dass eine Umfangsfläche des Substrats zweckmäßigerweise mit leitfähigem Material bedeckt ist und zwei Flächen (die der vorderen und der hinteren Oberfläche entsprechen) des Substrats unbedeckt bleiben.
Gemäß 4(c) können nun Elevationsaperturschnitte 406 und 408 in der piezoelektrischen Schicht 400 angebracht werden, um die elektrische Isolation zwischen den Elementen zu verbessern. In verschiedenen Ausführungsformen werden die Schnitte 406 und 408 durch die leitfähige Schicht 404, deren Dicke in der Größenordnung von ungefähr 0,013 mm sein kann, gemacht. Die Aperturschnitte 406 und 408 können mit einem beliebigen Verfahren, wie zum Beispiel unter der Verwendung einer Waversäge, angebracht werden. Die Breite der Schnitte 406 und 408 variiert je nach Ausführungsform stark, kann jedoch in der Größenordnung von ungefähr 0,5 mm sein. Zusammengesetzte Schnitte 408 können auch in der piezoelektrischen Anordnung 400 mit einer Waversäge oder einem anderen Verfahren angebracht werden, um ein späteres Einführen des Wandlers in ein Laminat oder in einen anderen Formungsmechanismus zu erleichtern, um einen erwünschten internen Brennradius zu erzeugen. Zusammengesetzte Schneid- und Wandler-Herstellungsverfahren sind im Einzelnen zum Beispiel im vorher hier als Referenz mit einbezogenen Patent von Finsterwald et al. erörtert.
Unter momentanem Rückbezug auf 2 können, nachdem die Abstimmungsschichtanordnung 300 und die piezoelektrische Anordnung 400 vollständig sind, die zwei Anordnungen in geeigneter Weise zusammengefügt werden (Schritt 206). 5(a) ist eine Seitenansicht, die ein beispielhaftes Verfahren zum Zusammenfügen der zwei Anordnungen zeigt (Schritt 206). Gemäß 5(a) wird nun die piezoelektrische Anordnung 400 und die Abstimmungsschichtanordnung 300 in geeigneter Weise ausgerichtet und angeordnet, so dass die Aperturschnitte 406 und 408 in der piezoelektrischen Anordnung 400 den Aperturschnitten 312 und 310 in der Abstimmungsschichtanordnung 300 entsprechen. Die zwei Anordnungen können durch ein beliebiges Verfahren zusammengefügt werden, wie zum Beispiel Kleben, Laminieren, Löten oder dergleichen. In einem Ausführungsbeispiel werden die Anordnungen 300 und 400 unter der Verwendung eines niedrigviskösen Klebers 502, wie zum Beispiel des Klebers EP-30V, der von MasterBond Corporation erhältlich ist, oder unter der Verwendung eines beliebigen anderen geeigneten Klebers, der zwischen die leitende Schicht 108 der Abstimmungsschichtanordnung 300 und einer metallisierten Oberfläche der piezoelektrischen Anordnung 400 eingebracht wird, aufeinander laminiert. In solchen Ausführungsformen kann der Kleber die Lücken 406 und 408 in der piezoelektrischen Anordnung 400 füllen.
Nachdem die zwei Anordnungen 300 und 400 zusammengefügt wurden, können die Elemente weiter in der Elevationsdimension isoliert werden (Schritt 208 in 2), indem weitere Elevationsaperturschnitte 504 und 506 von der freiliegenden Oberfläche der piezoelektrischen Anordnung 400 zu Lücken 406 und 408 oder auf eine beliebige andere Tiefe angebracht werden. Gemäß 5(b) können nun Aperturschnitte 504 und 506 mit einer Waversäge oder einem anderen Gerät angebracht werden, um beieinanderliegende Wandlerelemente akustisch zu isolieren. Die Isolierung kann dadurch verstärkt werden, dass die Schnitte mit akustisch dämpfendem Material gefüllt werden, wie das oben im Zusammenhang mit dem Material 314 und unten im Zusammenhang mit 8 beschrieben ist. Das verwendete Material ist zweckmäßigerweise ein Polymer mit Eigenschaften der Dämpfung akustischer Geschwindigkeiten in Längs- und Scherrichtung und einer akustischen Impedanz, welche zu den Eigenschaften des piezoelektrischen Materials passen. Das ausgewählte Polymer kann seitliche Moden oder Crosstalk zwischen Keramikaperturstreifen in geeigneter Weise minimieren (oder mindestens verringern). Das zum Füllen der Schnitte 504 und 506 verwendete Material kann mit dem Material 314 identisch sein, das in der Abstimmungsschichtanordnung 300 verwendet wurde, oder die beiden Materialien können sich unterscheiden. Zum Beispiel könnte ein Material, das zum Füllen der Elevationsaperturen 504 und 506 verwendet werden kann, ein gefülltes Polyurethan, wie zum Beispiel ein Polyurethan mit der Shore-A-Härte 80 sein, das von Ciba Inc. erhältlich ist. Nachdem das akustisch dämpfende Material vulkanisiert wurde, ist eine piezoelektrische Anordnung 500 mit elektrischer und akustischer Isolation zwischen den Elementen in der Elevationsrichtung in geeigneter Weise vollständig und zur Bearbeitung in der Azimutrichtung bereit.
Unter momentanem Rückbezug auf 2 weist eine Bearbeitung der piezoelektrischen Anordnung 500 in der Azimutrichtung zweckmäßigerweise das Anbringen kleinerer Elementschnitte (Schritt 210), das Befestigen von Signalleitungen (Schritt 212) und das Anbringen größerer Elementschnitte in der Elevationsrichtung (Schritt 214) auf. Die 6(a), (b) und (c) sind beispielhafte Seitenansichten dieser entsprechenden Schritte. Gemäß 6(a) werden nun kleinere Elementschnitte 602 in der Elevationsrichtung mit einer Waversäge oder einem anderen Gerät angebracht. Kleinere Elementschnitte 602 können in geeigneter Weise durch die gesamte piezoelektrische Anordnung 500 oder nur teilweise durch die Anordnung 500 (z.B. nur bis zum Erreichen der leitfähigen Schicht 108 (1)) gemacht werden. Die kleineren Elementschnitte 602 erhöhen zweckmäßigerweise die Dicken-Moden-Schwingung des Wandlerelements durch Erzeugung von "Unterelementen", wodurch der Wirkungsgrad des Wandlers verbessert wird; trotzdem sind kleinere Elementschnitte optionale Schnitte, die in verschiedenen alternativen Ausführungsformen auch weggelassen werden können.
Die kleineren Elementschnitte 602 (welche den kleineren Elementschnitten 122 in 1 entsprechen) können eine beliebige Schnittfugenbreite haben, wie zum Beispiel in der Größenordnung von ungefähr 5–100 Mikrometer. In einem Ausführungsbeispiel ist die Schnittfugenbreite der kleineren Elementschnitte ungefähr 30 Mikrometer, auch wenn natürlich auch andere Schnittfugenbreiten verwendet werden könnten.
Nachdem die kleineren Elementschnitte 602 in der piezoelektrischen Anordnung 500 angebracht wurden, können Signalleitungen 606 in geeigneter Weise angebracht werden. Gemäß 6(b) kann nun eine Flexschaltung 604 an jedem Elevationsstreifen im Wandlerfeld angebracht werden. Die Flexschaltung 604 enthält zweckmäßigerweise eine Anzahl von Signalleitungsabschnitten 606, die durch Isolationsbereiche 612 getrennt sind. Die Signalleitungsabschnitte 606 entsprechen zweckmäßigerweise einzelnen Wandlerelementen. Ein Beispiel einer Flexschaltung ist von Unicircuit Corporation erhältlich, die eine Anzahl von Leiterbahnen 606 enthält, die in Polyimid oder einem ähnlichen Film eingebettet sind. Natürlich könnten beliebige Signalleitungen, Schaltungen oder auch andere Verfahren in alternativen Ausführungsformen verwendet werden. Zum Beispiel könnten einzelne Leitungen entsprechend positioniert und mit jedem Element im Wandler verbunden werden.
Der Flexschaltungsbus 604 kann durch ein beliebiges Verfahren auf die piezoelektrische Anordnung 500 ausgerichtet werden. In Ausführungsbeispielen kann eine "V-Nut" 608 vor der Anbringung lasergeätzt oder in anderer Weise auf dem Flexschaltungsbus 604 markiert werden. Auch wenn verschiedene Konfigurationen der V-Nut formuliert werden könnten, wird bei einer Ausführungsform eine Linie von einer Mitte mindestens eines Leiters 606 zur Kante des Leiters gezogen. Alternativ dazu könnte ein Pfeil oder eine andere Markierung auf dem Flexschaltungsbus 604 angebracht werden, die mit einem der kleineren Elementschnitte 602 in der piezoelektrischen Anordnung 500 ausgerichtet werden könnte. Die Ausrichtung kann dadurch geschehen, dass die kleineren Elementschnitte 602 und die V-Nut 608 durch ein Mikroskop oder durch ein anderes Betrachtungsgerät betrachtet würden, um den Flexschaltungsbus 604 in geeigneter Weise zu positionieren. Der Flexschaltungsbus 604 kann auf der piezoelektrischen Anordnung 500 befestigt werden, indem die Leitungen auf eine metallisierte Oberfläche der Elemente gelötet werden, durch eine Befestigung mit Kleber, Epoxidharz oder einem anderen Klebstoff, oder durch ein beliebiges anderes Verfahren.
Nachdem die Signalleitungen 606 auf der piezoelektrischen Anordnung 500 befestigt wurden, können größere Elementschnitte 610 in der Elevationsrichtung angebracht werden. Gemäß 6(c) können nun größere Elementschnitte 610 mit einer Waversäge oder einem anderen Gerät angebracht werden, um die verschiedenen Elemente in der Azimutrichtung zu isolieren. Wie die kleineren Elementschnitte 602 können die größeren Elementschnitte 610 durch die gesamte piezoelektrische Anordnung 500 zum vollständigen Isolieren der verschiedenen Elemente gemacht werden. Alternativ dazu können die größeren Elementschnitte 610 nur teilweise durch die Anordnung 500 gemacht werden, zum Beispiel bis zur leitfähigen Schicht 108 (1). In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schnittfugenbreite der größeren Elementschnitte 610 breiter oder gleich der Schnittfugenbreite der kleineren Elementschnitte 602 gemacht werden. Auch wenn eine beliebige Schnittfugenbreite verwendet werden könnte, verwendet ein Ausführungsbeispiel eine Schnittfugenbreite von ungefähr 50 Mikrometer zum Isolieren der verschiedenen Elemente in der Azimutrichtung. Die Verwendung schmaler Unterelementschnittfugen und breiterer größerer Elementschnittfugen kann dazu beitragen, das Gesamtaspektverhältnis der Elemente beizubehalten, was die Dicke-Moden-Element-Antwort beeinflusst und auch den Inter-Element-Crosstalk aufgrund der größeren Lücke zwischen nebeneinanderliegenden Elementen verringern kann. Im in 6(c) gezeigten Ausführungsbeispiel werden je nach den Gegebenheiten die größeren Elementschnitte durch die Flexschaltung 604 vom Elevationsisolationsschnitt 504 bis in die Isolationsbereiche 612 der Flexschaltung 604 angebracht, um zweckmäßigerweise die Leitungen 606 elektrisch zu isolieren, die mit jedem einzelnen Element verbunden sind.
Nachdem die verschiedenen Elemente in der piezoelektrischen Anordnung 500 sowohl in der Elevations- als auch in der Azimutdimension isoliert wurden, kann die Anordnung 500 in ein Wandlergehäuse gelegt werden (Schritt 216 von 2). 7 ist ein Schnitt durch einen beispielhaften Wandler 700 mit einer Wandleranordnung 500, wie sie oben beschrieben wurde, im Zusammenhang mit einer oder mehreren Masseleitungen 706, einem Hintergrundmaterial 702 und einer akustischen Linse 704. In der in 7 gezeigten Ausführungsform sind in der Elevationsdimension sechs Elemente vorhanden, auch wenn natürlich mehr oder weniger Elemente in verschiedenen anderen Ausführungsformen verwendet werden könnten.
Zur Schaffung einer akustischen Linse 704 kann neben den akustischen Abstimmungsschichten ein Vorderflächenmaterial auf die Vorderfläche des Wandlers gelegt werden. Ein beliebiges geeignetes Vorderflächenmaterial, wie zum Beispiel ein Siliziumgummi oder Polyurethan könnten verwendet werden. Verschiedene Formen von Vordermaterialien wirken als Linsen zum Fokussieren der akustischen Schicht auf einen spezifischen Brennpunkt und können auch als eine schützende Dichtung dienen. Alternativ dazu könnten auch die akustischen Abstimmungsschichten und/oder die piezoelektrischen Schichten in entsprechender Weise gebogen, angewinkelt oder sonst wie ausgebildet sein, um die Strahlung (zum Beispiel die Ultraschallstrahlung) zu fokussieren. In solchen Ausführungsformen kann dann eine eigene akustische Linse 704 zum Einsatz kommen oder auch nicht.
Auf dem Substrat gegenüber den akustischen Abstimmschichten kann zum Dämpfen der von der Oberfläche des Wandlers 700 empfangenen Reflexionen ein Hintergrundmaterial 702 angebracht werden. Geeignete Hintergrundmaterialien sind zum Beispiel Polymere, Epoxidharze und dergleichen. Beispielhafte Polymere, die zum Beispiel mit Aluminiumoxid oder Wolframoxid gefüllt sind, könnten ebenfalls verwendet werden. Das Hintergrundmaterial 702 kann über die Keramikschicht gegossen werden, um die Wandlerelemente und die entsprechenden Signal- und Masseleitungen einzukapseln. Das Hintergrundmaterial 702 absorbiert und/oder isoliert zweckmäßigerweise von der Keramikschicht erzeugte Klangwellen, um die entsprechende Bandbreite für den erwünschten Wandler beizubehalten.
Signalmasseleitungen 706 können elektrisch mit der piezoelektrischen Anordnung 500 verbunden sein. Wie in 7 gezeigt, wurden die Enden 708 und 710 der piezoelektrischen Anordnung 500 metallisiert (zum Beispiel während des Schritts 204 (2)), so dass die durch die leitfähige Schicht 108 vorgesehene gemeinsame Masse elektrisch mit der Vorderfläche der piezoelektrischen Anordnung 500 verbunden ist.
Die 8 und 9 geben zusätzliche Konstruktionseinzelheiten für beispielhafte Wandler. 8 ist ein Plot zweier akustischer Eigenschaften (Dicke-Moden-Elektromechanik-Kopplungsfaktor (kt') und akustische Impedanz (Z)) für verschiedene Gewichtungsfraktionen von Füllstoff (der eine beliebige Art von Füllstoffmaterial wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Wolframoxid oder dergleichen sein kann) im akustisch dämpfenden Material. Allgemein kann es wünschenswert sein, die Impedanz (Z) für in Abstimmungsschichten verwendete Polymere zu minimieren und die Impedanz (Z) zur Verwendung in piezoelektrischen Schichten zu maximieren. Wie aus der Fig. gesehen werden kann, erzeugen verschiedene Konzentrationen von Füllmaterial verschiedene akustische Effekte, und der bestimmte für einen bestimmten Wandler erwünschte Effekt kann sich von einer Ausführungsform zur anderen stark ändern.
Gemäß 9 ist ein Plot einer Strahlbreite in Abhängigkeit von der Tiefe für einen Sieben-Elevationsstreifen-Wandler mit einem, drei, fünf bzw. sieben aktivierten Elevationselementen. Ein Plot für ein eindimensionales Feld ist zu Vergleichszwecken ebenfalls gegeben. Wie aus der Figur zu sehen ist, wird durch das kombinierte Elevationsstrahlprofil unter der Verwendung aller vier Aperturen eine Strahlbreite von weniger als drei Millimeter mit einer Reichweite von sechs Millimeter bis 150 Millimeter zusammen mit einer größeren Auflösung und einer sehr großen Tiefenschärfe vorgesehen. Natürlich repräsentiert dieser Plot beispielhafte Ergebnisse für eine Ausführungsform; aus anderen Wandlern erhaltene Ergebnisse können davon stark abweichen.
Zur Umsetzung der Erfindung in die Praxis sind keine Elemente oder Komponenten notwendig, wenn sie hier nicht ausdrücklich als "erforderlich" oder "wesentlich" bezeichnet sind. Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Auswirkungen und Äquivalente aller Elemente in den unten folgenden Ansprüchen sollen eine beliebige Struktur, ein beliebiges Material oder beliebige Auswirkungen zur Durchführung der Funktionen in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen, wie sie spezifisch beansprucht sind, einschließen. Außerdem können die in Verfahrensansprüchen genannten Schritte in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden. Der Umfang der Erfindung sollte anhand der nachfolgenden Ansprüche und ihrer gesetzlichen Äquivalente und nicht durch die oben gegebenen Beispiele bestimmt werden.
Zusammenfassung
Nach verschiedenen Aspekten der Erfindung wird ein Wandler hergestellt durch Vorsehen einer Substratanordnung, Anbringen großer Elementschnitte in einer Substratanordnung in einer ersten Richtung, Anbringen kleiner Elementschnitte in der Substratanordnung in einer zweiten Richtung, Positionieren mehrerer Signalleitungen (wie zum Beispiel einer Flexschaltung) auf der Substratanordnung, so das die mehreren Signalleitungen mit den kleinen Elementschnitten ausgerichtet sind, und Anbringen großer Elementschnitte in der Substratanordnung in der zweiten Richtung, nachdem die mehreren Signalleitungen positioniert wurden. Verschiedene Aspekte der Erfindung schließen auch einen multidimensionalen Wandler ein, der mehrere Elemente hat, wobei der Wandler einschließt: einen Leiter, eine piezoelektrische Anordnung, die mit dem Leiter zusammengesetzt wurde und eine erste Vielzahl von Schnitten in einer ersten Richtung aufweist; und eine Abstimmungsschichtanordnung, die eine zweite Vielzahl von Aperturschnitten in der ersten Richtung aufweist, wobei die Abstimmungsschicht mit dem Leiter gegenüber der piezoelektrischen Anordnung verbunden ist, so dass die erste und die zweite Vielzahl von Elevationsschnitten zueinander ausgerichtet sind, um die mehreren Elemente in einer Elevationsdimension zu isolieren.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wandlers; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Vorsehen einer Substratanordnung; – Anbringen von Aperturisolationsschnitten in der Substratanordnung in einer ersten Richtung; – Anbringen kleinerer Elementschnitte in der Substratanordnung in einer zweiten Richtung; – Positionieren mehrerer Signalleitungen auf die Substratanordnung, so dass die mehreren Signalleitungen mit den kleineren Elementschnitten ausgerichtet sind; – Anbringen größerer Elementschnitte in der Substratanordnung in der zweiten Richtung, nachdem die mehreren Signalleitungen positioniert wurden, zum Erzeugen einer Multielement-Wandleranordnung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Vorsehens der Substratanordnung die folgenden Schritte umfasst: – Vorbereiten einer piezoelektrischen Anordnung; – Vorbereiten einer Abstimmungsschichtanordnung; und – Befestigen der piezoelektrischen Anordnung auf der Abstimmungsschichtanordnung zum Schaffen der Substratanordnung.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Vorbereitens der Abstimmungsschichtanordnung die folgenden Schritte umfasst: – Bilden mindestens einer Abstimmungsschicht auf einer leitfähigen Schicht; – Bilden von Schnitten in der mindestens einen Abstimmungsschicht in der ersten Richtung; und – Füllen der Schnitte in der mindestens einen Abstimmungsschicht mit akustisch dämpfendem Material.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt des Vorbereitens der piezoelektrischen Anordnung umfasst: – Aufbringen einer leitfähigen Schicht auf ein Substratmaterial; und – Bilden von Isolationsschnitten im Substratmaterial in der ersten Richtung.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Befestigens der piezoelektrischen Anordnung auf der Abstimmungsschichtanordnung umfasst: Ausrichten der Schnitte in der mindestens einen Abstimmungsschicht mit den Isolationsschnitten im Substratmaterial.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter umfassend: Füllen der Isolationsschnitte im Substratmaterial mit dem akustisch dämpfenden Material.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem weiter der Schritt des Vorbereitens der piezoelektrischen Anordnung weiter umfasst: Bilden von zusammengesetzten Schnitten im Substratmaterial.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die zusammengesetzten Schnitte in der ersten Richtung gemacht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Signalleitungen eine Flexschaltung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Positionierens der mehreren Signalleitungen auf der Substratanordnung umfasst: – Bilden einer Markierung auf der Flexschaltung; und – Ausrichten der Markierung auf einen der kleinen Elementschnitte in der Substratanordnung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Abstand zwischen den Schnitten in der ersten Richtung durch das Verfahren des minimalen integrierten absoluten Zeitverzögerungsfehlers bestimmt wird.
Wandler hergestellt nach dem Verfahren von Anspruch 1.
Wandler hergestellt nach dem Verfahren von Anspruch 2.
Wandler hergestellt nach dem Verfahren von Anspruch 5.
Wandler hergestellt nach dem Verfahren von Anspruch 10.
Multidimensionaler Wandler mit mehreren Elementen, wobei der Wandler umfasst: – einen Leiter; – eine piezoelektrische Anordnung auf einer ersten Seite des Leiters, wobei die piezoelektrische Anordnung eine erste Vielzahl von Schnitten in einer ersten Richtung aufweist; – eine Abstimmungsschichtanordnung mit einer zweiten Vielzahl von Aperturschnitten in der ersten Richtung, wobei die Abstimmungsschicht mit dem Leiter gegenüber der piezoelektrischen Anordnung verbunden ist, so dass die erste und die zweite Vielzahl von Elevationsschnitten aufeinander ausgerichtet sind, um die mehreren Elemente in einer Elevationsdimension zu isolieren.
Multidimensionaler Wandler nach Anspruch 16, bei dem sowohl die erste als auch die zweite Vielzahl von Schnitten mit einem akustisch dämpfenden Material gefüllt wird.
Multidimensionaler Wandler nach Anspruch 17, bei dem die piezoelektrische Anordnung weiter mehrere Schnitte in einer zweiten Richtung umfasst.
Multidimensionaler Wandler nach Anspruch 18, bei dem die mehreren Schnitte in der zweiten Richtung die mehreren Elemente in einer Azimutrichtung isolieren.
Multidimensionaler Wandler nach Anspruch 18, bei dem die mehreren Schnitte in der zweiten Richtung große Elementschnitte umfassen, welche die mehreren Elemente in einer Azimutrichtung isolieren.
Multidimensionaler Wandler nach Anspruch 20, bei dem die mehreren Schnitte in der zweiten Richtung weiter mehrere kleinere Elementschnitte umfassen.
Multidimensionaler Wandler nach Anspruch 21, weiter umfassend mehrere Signalleitungen, wobei jede der mehreren Signalleitungen mit einem der mehreren Elemente verbunden ist.
Multidimensionaler Wandler nach Anspruch 22, bei dem die mehreren Signalleitungen eine Flexschaltung umfassen.
Multidimensionaler Wandler nach Anspruch 23, bei dem die Flexschaltung vor dem Schneiden der mehreren großen Elementschnitte mit dem Wandler verbunden wird.