ГИБКАЯ ПЛАТА С ИЗБЫТОЧНЫМИ ТОЧКАМИ СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РЕШЕТКИ
FLEXIBLE CIRCUIT BOARD WITH REDUNDANT CONNECTION POINTS FOR AN ULTRASONIC ARRAY

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к ультразвуковым системам и, более конкретно, к ультразвуковым системам, включающим в себя гибкую плату для присоединения к элементам ультразвукового преобразователя в акустическом стеке.
Описание предшествующего уровня техники
Ультразвуковые преобразователи обычно включают в себя элементы пьезоэлектрических преобразователей, которые находятся в электрическом соединении со схемами, такими как схемы управления или приема, для управления передачей ультразвукового сигнала (например, ультразвукового импульса) и/или для приема отраженного ультразвукового сигнала (например, эхо-сигнала). Элементы преобразователя соединены с гибкой платой, которая предоставляет сигнальные шины для передачи сигналов между элементами преобразователя и схемой управления, схемой приема, схемой обработки и т.п. Такие схемы обычно включены в электронное оборудование, которое расположено снаружи ультразвукового зонда, такое как тележка с оборудованием или портативное вычислительное устройство. Таким образом, гибкая плата соединяет элементы преобразователя со схемой обработки, управления и/или приема.
Во время функционирования электрический импульс прилагается к электродам элементов преобразователя, что вызывает механическое изменение размеров элементов преобразователя и генерирует акустическую волну, которая передается к представляющей интерес целевой структуре, например, органу или другому физиологическому элементу в пределах организма пациента. Передаваемая акустическая волна затем отражается от представляющей интерес целевой структуры и принимается на поверхности элементов преобразователя, которые в ответ генерируют напряжение, которое детектируется в качестве сигнала приема с помощью соответствующей схемы обработки и/или приема.
Ультразвуковые преобразователи могут включать в себя элементы преобразователя, которые расположены в виде фазированных решеток, имеющих один или несколько рядов элементов преобразователя, которые электрически и акустически изолированы друг от друга. Такие решетки могут включать в себя 64 или более отдельных элементов преобразователя. Может быть сформирован акустический стек, включающий в себя такие элементы преобразователя, в виде слоистой структуры, включающей в себя защитный слой, гибкую плату, элементы преобразователя (например, пьезоэлектрические керамические элементы) и слой акустического согласования. Гибкая плата обычно содержит проводящие дорожки, сформированные на одной из сторон изолирующего слоя. Проводящие дорожки затем соединяются с соответствующими элементами преобразователя.
Важной характеристикой ультразвуковой решетки и конструкции такой решетки является надежность пути прохождения импульса сигнала к элементам преобразователя в решетке и от них. Если имеется короткое замыкание, обрыв цепи, высокое сопротивление или какой-либо дефект в пути прохождения сигнала, то сигналы, поступающие на подключенные элементы преобразователя и от них, могут не давать надежной информации, по которой можно правильно сформировать ультразвуковое изображение.
Таким образом, точка, в которой проводящие дорожки гибкой платы соединены с соответствующими элементами преобразователя, является критической точкой соединения, поскольку все управляющие сигналы, которые должны быть поданы от схемы управления к элементам преобразователя, передаются через отдельные проводящие дорожки. Аналогичным образом, принятые эхо-сигналы могут быть поданы от элементов преобразователя в схему приема и/или обработки через отдельные проводящие дорожки, соединенные с элементами преобразователя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее раскрытие, частично, удовлетворяет потребность в улучшении целостности пути прохождения сигнала через гибкую плату в ультразвуковом преобразователе. Улучшение целостности пути прохождения сигнала через гибкую плату обеспечивает более надежную передачу сигналов между схемами обработки, управления и/или приема и элементами преобразователя.
Варианты осуществления, представленные в настоящем раскрытии, улучшают передачу сигнала через гибкую плату посредством предоставления избыточных точек соединения для передачи сигнала на каждый элемент преобразователя в ультразвуковом преобразователе, например, в акустическом стеке ультразвукового преобразователя. Избыточные точки соединения могут быть обеспечены посредством наличия проводящих площадок с обеих сторон изолирующего слоя гибкой платы. Проводящие площадки на одной из сторон изолирующего слоя соединены с соответствующими проводящими дорожками, сформированными на той же стороне изолирующего слоя. Кроме того, проводящие площадки сформированы на противоположной стороне изолирующего слоя, и соответствующие проводящие площадки на противоположных сторонах изолирующего слоя выровнены друг с другом и соединены друг с другом через проводящие сквозные отверстия, сформированные в изолирующем слое. Соответственно, даже если существует дефект в точке прикрепления одной из проводящих площадок к элементу преобразователя (который может вызвать, например, обрыв цепи, высокое сопротивление или тому подобное), сигналы все равно могут надежно передаваться к элементу преобразователя и от него через вторую точку электрического соединения, обеспечиваемую проводящей площадкой, сформированной на противоположной стороне изолирующего слоя.
По меньшей мере, в одном из вариантов осуществления представлен ультразвуковой преобразователь, который включает в себя множество элементов преобразователя и гибкую плату. Гибкая плата включает в себя изолирующий слой, имеющий первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности. Множество первых проводящих площадок сформировано на первой поверхности изолирующего слоя, и каждая первая проводящая площадка имеет электрическое соединение с соответствующим элементом преобразователя. Множество вторых проводящих площадок сформировано на второй поверхности изолирующего слоя, и каждая из вторых проводящих площадок имеет электрическое соединение с соответствующей первой проводящей площадкой и соответствующим элементом преобразователя.
В другом варианте осуществления представлен ультразвуковой преобразователь, который включает в себя гибкую плату. Гибкая плата включает в себя изолирующий слой, имеющий первую поверхность и вторую поверхность, противоположную первой поверхности, множество проводящих дорожек на первой поверхности изолирующего слоя, каждая из которых имеет электрическое соединение с соответствующими первыми проводящими площадками на первой поверхности изолирующего слоя, и множество вторых проводящих площадок на второй поверхности изолирующего слоя. Гибкая плата дополнительно содержит множество проводящих сквозных отверстий, каждое из которых проходит через соответствующую первую проводящую площадку, изолирующий слой и соответствующую вторую проводящую площадку. Каждое из проводящих сквозных отверстий электрически соединяет соответствующие первую и вторую проводящие площадки друг с другом. Ультразвуковой преобразователь может дополнительно включать в себя множество элементов преобразователя, при этом каждый из элементов преобразователя имеет электрическое соединение с соответствующей первой проводящей площадкой и соответствующей второй проводящей площадкой.
В еще одном варианте осуществления предложен способ, который включает в себя формирование множества проводящих дорожек на первой поверхности изолирующего слоя; формирование множества первых проводящих площадок на первой поверхности изолирующего слоя, при этом каждая из первых проводящих дорожек имеет электрическое соединение с соответствующей первой проводящей площадкой; формирование множества вторых проводящих площадок на второй поверхности изолирующего слоя, при этом вторая поверхность находится напротив первой поверхности; и электрическое соединение каждой из первых проводящих площадок с соответствующей второй проводящей площадкой.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 представляет собой вид в перспективе гибкой платы для акустического стека в ультразвуковом преобразователе в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего раскрытия.
Фигура 2 представляет собой вид в перспективе другой гибкой платы для акустического стека в ультразвуковом преобразователе в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего раскрытия.
Фигура 3А представляет собой вид спереди, иллюстрирующий акустический стек ультразвукового преобразователя, включающий в себя гибкую плату, в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего раскрытия.
Фигура 3В представляет собой вид сбоку акустического стека, показанного на фигуре 3А, в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего раскрытия.
Подробное описание
В различных вариантах осуществления, описанных в настоящем раскрытии, гибкая плата для ультразвукового преобразователя может включать в себя проводящие площадки, сформированные на каждой из двух противоположных сторон изолирующего слоя гибкой платы. Проводящие площадки на первой стороне изолирующего слоя, соответственно, имеют электрическое соединение с соответствующими проводящими площадками на второй стороне изолирующего слоя посредством сквозного проводящего отверстия, сформированного через соответствующие проводящие площадки и изолирующий слой. Проводящие площадки на одной из первой стороны или второй стороны изолирующего слоя имеют электрическое соединение с соответствующими проводящими дорожками на гибкой плате. Гибкая плата может быть соединена с акустическим стеком таким образом, что каждый элемент преобразователя в акустическом стеке имеет электрическое соединение, по меньшей мере, с двумя проводящими площадками, то есть, проводящими площадками на противоположных сторонах изолирующего слоя, которые имеют электрическое соединение друг с другом через сквозное проводящее отверстие. Таким образом, гибкая плата предоставляет, по меньшей мере, две точки контакта, обеспечиваемые каждой из проводящих площадок, соединенных друг с другом посредством проводящего сквозного отверстия, через которое сигнал, передаваемый по проводящей дорожке (например, сигнал управления для выполнения подключенным элементом преобразователя передачи ультразвукового импульса или эхо-сигнала, принятого подключенным элементом преобразователя), может быть подан или принят от элемента преобразователя.
Фигура 1 представляет собой вид в перспективе, по меньшей мере, одного варианта осуществления гибкой платы 10 для акустического стека в ультразвуковом преобразователе. Гибкая плата 10 включает в себя изолирующий слой 12, проводящие дорожки 14 и проводящие площадки 16.
Изолирующий слой 12 сделан из любого подходящего гибкого изолирующего материала, такого как полиимид. Проводящие дорожки 14 сформированы на первой поверхности 11 (например, на передней поверхности) изолирующего слоя 12. Проводящие дорожки 14 могут быть сделаны из любого проводящего материала и могут быть сформированы с применением любого подходящего процесса, такого как напыление проводящего материала на изолирующий слой 12 с использованием одной или нескольких масок или рисунков напыления. В одном или более вариантах осуществления проводящие дорожки 14 содержат медь.
Каждая из проводящих дорожек 14, сформированных на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12, соединена с соответствующей проводящей площадкой 16а на первой поверхности 11. Проводящие площадки 16а могут быть сформированы в том же процессе и из того же материала, что и проводящие дорожки 14.
В варианте осуществления, показанном на фигуре 1, каждая из проводящих площадок 16а на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12 выровнена и электрически соединена с соответствующей проводящей площадкой 16b, которая сформирована на второй поверхности 13 (например, задней поверхности) изолирующего слоя 12. Проводящие площадки 16а, 16b электрически соединены друг с другом через проводящую сквозную лунку или отверстие 18.
Сквозное отверстие 18 сформировано через выровненные соответствующие проводящие площадки 16а на первой поверхности 11 и проводящие площадки 16b на второй поверхности 13. Сквозное отверстие может быть сформировано, например, путем сверления, штамповки или тому подобного через выровненные проводящие площадки 16а, 16b на первой и второй поверхностях 11, 13 изолирующего слоя 12, и это сквозное отверстие может быть затем покрыто проводящим материалом, таким как медь. По существу, сквозные отверстия 18 электрически соединяют соответствующие проводящие площадки 16а, 16b через изолирующий слой 12. Соответственно, сигнал, подаваемый через дорожку 14 на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12, подается на проводящую площадку 16а на первой поверхности 11, а также к соответствующей проводящей площадке 16b на второй поверхности 13 через сквозное отверстие 18.
Таким образом, гибкая плата 10 предоставляет избыточные точки электрического контакта, когда она прикреплена к акустическому стеку. То есть, гибкая плата 10 может быть прикреплена к акустическому стеку таким образом, что соответствующие проводящие площадки 16а, 16b, сформированные на каждой стороне изолирующего слоя 12, будут находиться в контакте с соответствующим элементом преобразователя в акустическом стеке. Кроме того, поскольку соответствующие проводящие площадки 16а, 16b электрически связаны друг с другом через проводящее сквозное отверстие 18, сигнал, подаваемый через дорожку 14 на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12, будет передан на соответствующий элемент преобразователя с помощью соответствующих проводящих площадок на обеих поверхностях 11, 13 изолирующего слоя 12. Соответственно, передача сигнала (например, управляющего сигнала) на элемент преобразователя в акустическом стеке может быть упрощена даже в том случае, когда, например, одна из соответствующих проводящих площадок 16а, 16b имеет дефектное соединение с элементом преобразователя или ее способность переносить электрический сигнал ухудшена каким-либо образом.
Гибкая плата 10 может быть нарезана на отдельные проводящие тракты с применением, например, пилы для резки полупроводниковых пластин. Гибкая плата 10 может быть нарезана таким образом, чтобы каждый из проводящих трактов включал в себя соответствующую проводящую дорожку 14 и соответствующие проводящие площадки 16а, 16b, сформированные на соответствующих поверхностях изолирующего слоя 12. Гибкая плата 10 может быть разрезана, например, вдоль линий разреза 22, 24, как показано на фигуре 1.
Фигура 2 представляет собой вид в перспективе гибкой платы 100 в соответствии с одним или более альтернативными вариантами осуществления настоящего раскрытия. Гибкая плата 100 на фигуре 2 аналогична по структуре и функции гибкой плате 10 на фигуре 1, за исключением различий, которые будут обсуждаться ниже. Характеристики, общие для гибких плат 10 и 100, не будут описываться в настоящем раскрытии повторно для краткости.
Основное отличие между гибкими платами 10 и 100 состоит в том, что в гибкой плате 100 на фигуре 2 проводящие площадки на второй поверхности 13 изолирующего слоя 12 сформированы из одной проводящей шины 116. Проводящая шина 116 может быть сформирована, например, из меди с применением методики напыления. Альтернативно, проводящая шина 116 может представлять собой предварительно изготовленный фрагмент проводящего материала, который прикреплен ко второй поверхности 13 изолирующего слоя 12 с использованием, например, клея. В одном или более вариантах осуществления проводящая шина 116 имеет высоту (h) около 5 миллиметров. Проводящая шина 116 сформирована на противоположной поверхности изолирующего слоя 12 (например, второй поверхности 13, как показано), или связана с ним, в форме проводящих площадок 16а. Как и в гибкой плате 10 на фигуре 1, проводящие сквозные отверстия 18 сформированы через проводящие площадки 16а на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12, и они электрически соединяют проводящие площадки 16а с соответствующими областями проводящей шины 116 на второй поверхности 13 изолирующего слоя 12.
Затем гибкую плату 100 можно нарезать на отдельные проводящие тракты с помощью пилы для резки полупроводниковых пластин и разрезания, например, вдоль линий 122, 124 нарезки. После разрезания через проводящую шину 116 и изолирующий слой 12, как показано линиями 122, 124 нарезки, гибкая плата 100 включает в себя отдельные проводящие тракты, состоящие из дорожек 14, сформированных на первой поверхности 11 изолирующего слоя, а также проводящих площадок 16а на первой поверхности 11 и соответствующих проводящих областей проводящей шины 116 на второй поверхности 13 (то есть, частей проводящей шины 116 после нарезки), которые соединены с соответствующими проводящими площадками 16а через проводящие сквозные отверстия 18.
Фиг. 3А представляет собой вид спереди, иллюстрирующий акустический стек 200 ультразвукового преобразователя, включающий в себя гибкую плату, в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения, а фигура 3В представляет собой вид сбоку акустического стека 200, показанного на фигуре 3А.
Акустический стек 200 включает в себя множество элементов 32 преобразователя, слой 34 акустического согласования и гибкую плату 10. Гибкая плата 10 прикреплена к нижней поверхности элементов 32 преобразователя, и слой 34 акустического согласования прикреплен к верхней поверхности элементов 32 преобразователя.
Гибкая плата 10, элементы 32 преобразователя и слой 34 акустического согласования могут быть прикреплены друг к другу с целью формирования акустического стека 200 с использованием клеевого материала, такого как эпоксидная смола. В одном или более вариантах осуществления элементы 32 преобразователя выполнены из пьезоэлектрического материала, такого как пьезоэлектрический керамический материал. Элементы 32 преобразователя могут содержать электроды (например, сигнальные электроды и/или заземляющие электроды), которые имеют электрическое соединение с проводящими площадками 16а, 16b, сформированными на первой и второй поверхностях 11, 13, соответственно, изолирующего слоя 12. Альтернативно, элементы 32 преобразователя могут быть электрически соединены с соответствующими проводящими площадками 16а, 16b посредством присоединения элементов 32 преобразователя к гибкой плате 10 с помощью проводящей эпоксидной смолы, припоя, паяльной пасты или тому подобного. Гибкую плату 10 прикрепляют к элементам 32 преобразователя таким образом, чтобы каждый элемент 32 преобразователя имел электрическое соединение с двумя проводящими площадками 16а, 16b, по одной на каждой поверхности 11, 13 изолирующего слоя 12, посредством чего создаются избыточные точки контакта для передачи сигнала от соответствующей проводящей дорожки 14 на элемент 32 преобразователя.
Акустический блок 200, показанный на фигуре 3А и 3В, может быть сформирован посредством различных процессов изготовления. В одном из вариантов осуществления элементы 32 преобразователя могут быть изначально выполнены в виде единого блока из пьезоэлектрического материала. Аналогично, проводящие площадки 16а на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12 и/или проводящие площадки 16b на второй поверхности 13 изолирующего слоя 13 быть изначально выполнены в виде блока из проводящего материала (например, проводящей шины 116, показанной на фигуре 2), имеющего электрическое соединение с соответствующими дорожками 14 на изолирующем слое 12.
Сквозные отверстия могут быть сформированы, например, путем сверления, штамповки или тому подобного, через проводящую шину 116 на второй поверхности 13 в местах, которые будут включены в проводящие площадки 16b после их формирования. Сквозные отверстия формируют таким образом, чтобы они проходили через проводящую шину 116, изолирующий слой 12 и проводящие площадки 16а на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12. Затем сквозные отверстия могут покрывать, с помощью электролитического метода или иным способом, проводящим материалом, таким как медь, с целью формирования проводящих отверстий 18, которые электрически соединяют проводящие площадки 16а с соответствующими областями проводящей шины 116, которые после нарезки станут проводящими площадками 16b на второй поверхности 13 изолирующего слоя 12.
Пьезоэлектрический блок может быть прикреплен к гибкой плате 10 таким образом, чтобы проводящие площадки 16a на первой поверхности 11 и проводящая шина 116 на второй поверхности 13 находились в контакте с пьезоэлектрическим блоком. Затем пьезоэлектрический блок и гибкую плату 10 могут нарезать на отдельные элементы 32 преобразователя и соответствующие проводящие площадки 16а, 16b с помощью пилы для резки полупроводниковых пластин. По существу, может быть сформировано множество отдельных элементов 32 преобразователя, при этом каждый элемент 32 преобразователя имеет электрическое соединение с парой связанных проводящих площадок 16а, 16b гибкой платы 10. Каждая из проводящих площадок 16а имеет электрическое соединение с соответствующей дорожкой 14, сформированной на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12, и каждая проводящая площадка 16a дополнительно соединена через проводящее сквозное отверстие 18 с соответствующей проводящей площадкой 16b на второй поверхности 13 изолирующего слоя 12. Соответственно, избыточное электрическое соединение формируется между гибкой схемой 10 и элементами 32 преобразователя, так как каждая дорожка 14 гибкой платы 10 соединена с проводящей площадкой 16а на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12, а также с проводящей площадкой 16b на второй поверхности 13 изолирующего слоя 12.
После нарезки пьезоэлектрического блока на отдельные элементы 32 преобразователя, как описано выше, зазоры, образованные между элементами 32 преобразователя и/или между соседними проводящими площадками 16а, 16b гибкой платы 10, могут быть заполнены клеящим материалом, таким как эпоксидный наполнитель 40.
Затем слой 34 акустического согласования может быть прикреплен к верхней поверхности элементов 32 преобразователя и/или эпоксидного наполнителя 40 с использованием любого подходящего клея, такого как эпоксидная смола.
Проводящие площадки 16a на первой поверхности 11 изолирующего слоя 12 не обязательно имеют те же размеры, что и соответствующие проводящие площадки 16b на второй поверхности 13 изолирующего слоя 12. Например, как показано на фигуре 2, проводящие площадки 16b, могут быть сформированы посредством нарезки через проводящую шину 116, в то время как проводящие площадки 16a могут быть уже сформированы с подходящими размерами вместе с дорожками 14. В таком случае, проводящие площадки 16b, сформированные после нарезки гибкой платы 10, могут иметь большую величину площади, чем предварительно сформированные проводящие площадки 16а.
В другом варианте осуществления элементы 32 преобразователя могут быть изначально выполнены в виде единого блока из пьезоэлектрического материала, тогда как гибкая плата 10 может быть предварительно разрезана на множество дорожек 14 и связанных проводящих площадок 16а, 16b с проводящими сквозными отверстиями 18, сформированными через соответствующие проводящие площадки 16а, 16b. Предварительно разрезанная гибкая плата 10 может быть прикреплена к пьезоэлектрическому блоку таким образом, чтобы каждая связанная пара проводящих площадок 16а, 16b контактировала с пьезоэлектрическим блоком в областях, которые впоследствии будут разрезаны на отдельные элементы 32 преобразователя. Затем пьезоэлектрический блок нарезают на отдельные элементы 32 преобразователя, например, с помощью пилы для резки полупроводниковых пластин.
В еще одном варианте осуществления акустический стек 10 может быть сформирован из элементов 32 преобразователя, которые уже были нарезаны, и из гибкой платы 10, которая также уже нарезана, с формированием множества дорожек 14 и связанных проводящих площадок 16а, 16b с проводящими сквозными отверстиями 18, сформированными через соответствующие проводящие площадки 16а, 16b. В таком случае элементы 32 преобразователя могут быть непосредственно прикреплены или могут иметь иное электрическое соединение с соответствующими проводящими площадками 16а, 16b на первой и второй поверхностях 11, 13, соответственно, изолирующего слоя 12. Может быть нанесен эпоксидный наполнитель 40, и слой 34 акустического согласования может быть прикреплен к элементам 32 преобразователя, как описано в настоящем раскрытии.
Различные характеристики и элементы вариантов осуществления, описанных выше, могут комбинироваться дополнительными способами в целях предоставления дополнительных вариантов осуществления. Эти и другие изменения могут быть внесены в варианты осуществления в свете вышеприведенного подробного описания. Как правило, в приведенной ниже формуле изобретения используемые термины не следует истолковывать как ограничивающие формулу изобретения конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в описании и формуле изобретения, но следует понимать их как включающие в себя все возможные варианты осуществления вместе с полным объемом эквивалентов, к которым такие пункты формулы изобретения имеют отношение. Соответственно, формула изобретения не ограничивается настоящим раскрытием.