[发明专利]具有改善的热行为的超声换能器组件

说明书

技术领域

本发明涉及用于超声诊断成像的系统。更具体而言，本发明涉及包括和/或便于使用超声换能器探头中的换能器元件的大阵列和小阵列的超声设备/系统和相关方法。

背景技术

超声诊断成像系统使医疗专业人员能够无需侵入式探查手术检查患者的体内结构。超声诊断成像系统通常包括连接至主系统的换能器探头，主系统向换能器探头提供控制信号，处理由换能器探头采集的数据并显示对应图像。

当前的换能器探头一般由一行换能器元件构成，每个换能器元件连接到换能器控制组件或专用集成电路(ASIC)的端子，换能器控制组件或专用集成电路处理发送到和接收自声学元件的信号。通常，这种连接是通过设置于通往个体换能器元件的柔性电缆一端的焊丝实现的。电缆的另一端一般连接至具有所有信号处理电子器件的控制台。典型地，以150到500微米的间距布置96到256个换能器元件。

预计下一代换能器会采用布置成矩阵配置的数千个换能器元件的阵列，这种矩阵配置由多行和列的换能器声学元件构成。每个换能器元件都需要通往ASIC(或其他控制电路)的端子的电互连。大量换能器元件必然需要具有数千股线的极大电缆，这带来了重大的实际问题。

由一块其中设置有平行信号轨道的背衬材料构成的内插器可以用于互连ASIC的端子和连接至个体换能器元件的信号线。例如，在共同受让的2006年7月24日提交的美国临时专利申请No.60/820184中公开了一种这样的内插器，在此通过引用将其公开内容并入本文。以前公开的内插器匹配ASIC端子和通往个体换能器元件的信号触点之间的节距差异。利用以前公开的内插器，可以将标准化的ASIC用于不同的换能器阵列几何结构。

不过，构建具有大量换能器元件的换能器探头提出了很多设计挑战。当前的ASIC设计仅适于与几百个换能器元件连接。于是，包含数千换能器元件的换能器探头超过了常规ASIC设计的连接容量，从而需要几个ASIC。此外，由于换能器元件一般至少部分是由昂贵的压电材料制造的，在预先测试的ASIC和在其上安装换能器元件的任何内插器之间具有可靠的互连过程至关重要。如果使用固定的互连结构，例如导电胶，在部件故障的情况下不可能有效率地修复装置。便于实现ASIC到换能器元件的连接的可修复互连技术/组件通过在必要时实现换能器探头的拆卸和再组装而提供了经济的方案。

在换能器探头外壳内一般有两个主要的热源必须要加以处理。第一，换能器元件产生的声功率的一部分损耗掉，作为声学堆中的热量产生。这一热量的大部分是在换能器探头的透镜内产生的，通常在一瓦的量级。第二，在工作时，每个ASIC通常散发大约1瓦的热量。可能有另一种热源，例如与无线发送相关联的电子器件。值得注意的是，在包括多个ASIC，例如“N”个ASIC元件的换能器设计中，换能器中产生的总热量可能是与这样多个ASIC相关联的个体ASIC中产生功率的“N”倍。于是，有效的换能器设计必须要考虑到潜在的热效应。

因为在检查期间换能器透镜是接触人体的，所以对于可以允许/接受的最大换能器透镜温度有限制。相对于下一代超声换能器探头而言，对热设计的考虑越来越重要，例如，以防止在换能器探头工作期间透镜温度变得过高。当前用于无源除热的技术可能会出现问题，特别在开发和商用下一代换能器探头时会出现问题，这种技术一般依赖于与环境的热对流，结合通过换能器探头和主系统之间的电缆的热传导。无源除热的效率一般取决于换能器设计特有的因素，例如换能器的布局(这可能直接影响除热)和可用的排热表面面积。为了有效地进行无源除热，理想地，在换能器外壳上很好地分布热量。

专利文献包括了背景相关知识的教导。例如，授予Erikson等人的美国专利No.6589180公开了一种高密度超声换能器阵列，其使用了由各衬底和无源装置上的有源集成电路装置构成的多层结构。利用配置有延伸通过衬底的导体的微型通孔实现衬底之间的导电互连。可以利用焊锡组装各层，这样允许在制成之前测试选定的层和电路。类似地，授予Winzer等人的美国专利No.5629578公开了一种封装在高密度互连的多芯片模块中的换能器阵列，其具有设置于衬底中的集成电路芯片、设置于其上的互连层以及设置于互连结构表面上的多层复合致动器。