超聲變換器及制造方法與流程

本發(fā)明解決用于改進(jìn)從陣列的熱量排放的超聲變換器的設(shè)計和制造方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前的超聲變換器陣列的電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)基于以下之一：

i)聚合物和鐵電體陶瓷材料的復(fù)合材料，和

ii)在基材材料(例如Si)的表面上的振動膜，其中，所述電-機(jī)械偶聯(lián)為電容性的(cmut)或通過壓電材料(pmut)的層。

為了使電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)的帶寬成形，并且還為了陣列的機(jī)械保護(hù)，使用與顆?；旌系木酆衔锊牧系穆晫W(xué)層，其中，對于聲學(xué)層的指定的聲學(xué)阻抗和其它特性，選擇聚合物的類型、顆粒和顆粒的體積填充。

變換器陣列的電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)通常具有產(chǎn)生變換器結(jié)構(gòu)的加熱的顯著的動力損失。為了改進(jìn)聲學(xué)層的散熱容量，Devallencourt等人已使用金屬顆?；蚓哂性诰酆衔锘现谢旌系母邔?dǎo)熱率陶瓷或氧化物的顆粒(Chr.Devallencourt，S.Michau，C.Bantiginies N.Felix:"A5-MHz piezocomposite ultrasound array for operations in high temperature and harsh environment(用于在高溫和嚴(yán)格環(huán)境中操作的5-MHz壓電復(fù)合材料超聲陣列)"IEEE Ultrasonics Symposium 2004和Chr.Devallencourt，F(xiàn).Grimaud，S.Michau，N.Felix:"1-3piezocomposite autoclavable transducers for medical and industrial applications(用于醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的1-3壓電復(fù)合材料可高壓的變換器)"IEEE Ultrasonics Symposium 2006)。然而，由于這些顆粒具有高特性聲學(xué)阻抗，對于具有低或其它能指定的特性聲學(xué)阻抗的層，使用這樣的顆粒使得難以得到>0.3W/mK的導(dǎo)熱率。

用于電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)的鐵電體陶瓷材料通常具有約2W/mK的導(dǎo)熱率。然而，這些陶瓷用作聚合物和鐵電體陶瓷材料的復(fù)合材料的一部分，其中，導(dǎo)熱率受到聚合物性質(zhì)的限制，并且對于復(fù)合材料，難以得到超過0.3W/mK的導(dǎo)熱率，如在以上出版物中報道的。

公知當(dāng)在低傳導(dǎo)率基質(zhì)(例如聚合物粘合劑)中混合高傳導(dǎo)率材料的普通形狀的顆粒時，有效的導(dǎo)熱率僅示出少量提高。通過使用針狀或薄片狀顆粒，可得到進(jìn)一步改進(jìn)，這由銀填充的傳導(dǎo)粘合劑公知。但是即使在這種情況下，導(dǎo)熱率達(dá)到小于相應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)將建議的導(dǎo)熱率的十分之一。也就是，加入的銀非常差地被利用，由于顆粒-顆粒接觸代表在熱傳輸中巨大的瓶頸。另外，向基料中加入金屬顆粒通常提高復(fù)合材料的聲學(xué)阻抗至不需要的值。本發(fā)明示出對這些挑戰(zhàn)的方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，期望改進(jìn)包括聚合物基料和導(dǎo)熱顆粒的復(fù)合聚合物材料的導(dǎo)熱率，以得到復(fù)合材料的預(yù)定的導(dǎo)熱率和聲學(xué)性質(zhì)。示出本發(fā)明的綜述。綜述為簡短形式，絕不代表對本發(fā)明的限制，本發(fā)明在其最寬的方面由所附權(quán)利要求所限定。

本發(fā)明示出具有相當(dāng)?shù)吐晫W(xué)阻抗(約1.5-5兆雷)和高導(dǎo)熱率的材料，其通過在聚合物基料材料中混合涂布有導(dǎo)熱層的聚合物顆粒而得到。在顆粒上的導(dǎo)熱層還可為電絕緣的，使得復(fù)合材料電絕緣，具有良好的導(dǎo)熱率。因此，在基料材料中的顆粒得到其中高度有效利用導(dǎo)熱材料的復(fù)合材料。結(jié)果是高導(dǎo)熱率，其中，通過改變聚合物核材料類型和聚合物核和直徑與涂層的厚度和材料類型的比率，特性聲學(xué)阻抗可變化(優(yōu)化)。在顆粒上的導(dǎo)熱層可為導(dǎo)電的，使得材料也導(dǎo)電，這在許多情況下可具有優(yōu)點(diǎn)，例如用于電屏蔽。

本發(fā)明進(jìn)一步示出變換器陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其在結(jié)構(gòu)的聲學(xué)層中利用這樣的材料，以排放通過陣列產(chǎn)生的熱量。本發(fā)明進(jìn)一步示出方案，其中，通過以下一個或多個進(jìn)一步改進(jìn)陣列的冷卻：i)空氣翅片管，和ii)珀爾貼元件，和iii)流體冷卻元件，以進(jìn)一步提取經(jīng)由所述聲學(xué)層從陣列元件除去的熱量。

附圖說明

圖1示出在絕熱聚合物基料材料中由導(dǎo)熱顆粒組成的導(dǎo)熱材料。

圖2示出被導(dǎo)熱層覆蓋的具有聚合物核的導(dǎo)熱球。

圖3示出利用本發(fā)明的導(dǎo)熱材料的超聲變換器陣列探頭。

圖4顯示使用空氣翅片管、珀爾貼元件和流體冷卻，改進(jìn)從探頭的熱量除去。

圖5顯示對于15μm和30μm顆粒核，在絕熱聚合物基料中具有導(dǎo)熱顆粒的相對體積填充的Ag的復(fù)合材料的導(dǎo)熱率的變化。

圖6顯示使用具有不同尺寸的顆粒來提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱率。

圖7顯示使用具有集成電子元件的Si-層作為散熱和陣列元件信號的前加工的組合。

圖8顯示組合使用大傳導(dǎo)球用于與在具有大量元件的陣列結(jié)構(gòu)中陣列元件、散熱和聲學(xué)層組合的電連接。

圖9顯示在圖3中的結(jié)構(gòu)的向后延伸的細(xì)節(jié)，以包括第二變換器陣列，用于以較低頻帶操作，以提供用于以高頻帶和低頻帶的組合操作的探頭。

圖10顯示使用cmut技術(shù)用于本發(fā)明的電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

具體實(shí)施方式

根據(jù)一種實(shí)施方式，提供了一種布置為層狀結(jié)構(gòu)排列的超聲變換器陣列探頭，其包括至少一個變換器陣列元件的層和至少一個以聲學(xué)安裝并且與所述變換器元件的層熱接觸的其它層。所述其它層為包括聚合物基料和顆粒的復(fù)合材料層。顆粒進(jìn)而包括聚合物核，所述聚合物核涂布有比所述聚合物核更加導(dǎo)熱的材料的表面層。

表面層的導(dǎo)熱率優(yōu)選為聚合物核的導(dǎo)熱率的至少10倍。

其它層的總導(dǎo)熱率可通過選擇以下至少之一來確定：i)用于所述顆粒表面層的材料的類型，和ii)所述顆粒表面層的厚度，和iii)所述顆粒聚合物核的尺寸，和iv)在所述聚合物基料中的所述顆粒的填充密度。

此外或備選地，其它層的聲學(xué)性質(zhì)通過選擇以下至少之一來預(yù)先決定：i)用于形成所述聚合物基料的材料的類型，和ii)用于形成所述顆粒聚合物核的材料的類型，和iii)所述顆粒聚合物核的尺寸，和iv)用于形成所述顆粒表面層或多個所述顆粒表面層的一種材料的類型或多種材料的類型，和v)所述顆粒表面層的厚度，和vi)在所述聚合物基料中的顆粒的填充密度。

聚合物核可包括多孔聚合物材料。

至少一個其它層可參與使所述陣列的電-聲學(xué)轉(zhuǎn)移功能成形。

變換器元件的至少一層可包括以下至少之一：i)壓電-陶瓷材料，和ii)cmut/pmut技術(shù)。

表面層可包括導(dǎo)電材料，并且其中在聲學(xué)層內(nèi)的顆粒的包裝密度可使得接觸顆粒的表面層的導(dǎo)電性使得復(fù)合材料層導(dǎo)電。

復(fù)合材料層可為提供與變換器陣列的元件電連接的結(jié)構(gòu)的一部分。

導(dǎo)熱材料的層可包括電絕緣材料。

表面層可包括涂布有電絕緣材料的導(dǎo)電材料。

在一種實(shí)施方式中，變換器元件的至少一層包括陶瓷-聚合物復(fù)合材料。聚合物為包括聚合物基料和顆粒的復(fù)合材料，所述顆粒包括聚合物核，所述聚合物核涂布有比所述聚合物核更加導(dǎo)熱的材料的層。層的外表面不導(dǎo)電。

導(dǎo)熱材料的表面層可包括改進(jìn)所述聚合物顆粒和涂層之間或多個涂層之間的粘著的層。

顆?？蔀閱畏稚㈩w粒。

聚合物顆?？捎芍辽賰山M顆粒組成，每組顆粒各自具有單分散核，其中，不同組的顆粒具有不同的直徑。

可選擇至少一個其它層以具有厚度，使得在變換器元件的層的中心頻率下其反轉(zhuǎn)聲學(xué)阻抗。該其它層可放置在至少一個電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)層和排熱層之間。

排熱層可包括至少一個與陣列元件連接的具有集成電子元件的半導(dǎo)體層。

超聲變換器陣列探頭還可包括布置為從所述探頭除去熱量的以下至少之一：i)空氣翅片管冷卻，和ii)珀爾貼元件，和iii)流體冷卻。

所述集成電子元件和所述陣列元件之間的電連接可使用通過所述至少一個其它層延伸的電連接得到。

陣列元件和關(guān)聯(lián)的電子元件之間的電連接可經(jīng)由單一顆粒建立，其中，所述單一顆粒的所述表面層導(dǎo)電。

可選擇單一顆粒和周圍填充材料的組成和尺寸，使得單一顆粒與周圍填充材料共同在所述陣列元件的傳輸帶內(nèi)在某一頻率下用作聲學(xué)阻抗反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

陣列元件和關(guān)聯(lián)的電路之間的電連接可通過包括大體積填充的電絕緣的導(dǎo)熱顆粒和較低體積填充的電絕緣顆粒的電各向異性粘合劑而得到。導(dǎo)電顆?？纱笥陔娊^緣顆粒。在該布置中，導(dǎo)電顆粒可大于電絕緣顆粒。

變換器陣列元件的層可包括陶瓷-聚合物復(fù)合材料，其中復(fù)合材料的聚合物元件通過電各向異性粘合劑形成。

陣列探頭可設(shè)置為在兩個單獨(dú)的頻帶下操作，下文中分別稱為較高頻帶和較低頻帶。至少一層變換器陣列元件可包括以較高頻帶操作的陣列和至少一個其它層，并且以較低頻帶操作的其它陣列可在以較高頻帶操作的陣列的一側(cè)上提供，所述側(cè)與以較高頻帶操作的陣列的發(fā)射側(cè)相對。

在陣列之間的至少一個其它層可包括兩個復(fù)合材料層。在兩個復(fù)合材料層之間，可提供具有由導(dǎo)熱率為所述復(fù)合材料層的導(dǎo)熱率的至少10倍的材料制成的層。復(fù)合材料層包括填充有顆粒的聚合物基料，所述顆粒包括聚合物核，所述核涂布有比所述聚合物核更加導(dǎo)熱的材料的表面層。

根據(jù)另一實(shí)施方式，提供了一種制造超聲變換器陣列的方法，所述方法包括對于包括具有嵌入的顆粒的聚合物基料的復(fù)合材料，所述嵌入的顆粒包括聚合物核，所述聚合物核涂布有比所述聚合物核更高導(dǎo)熱率的材料的表面層，選擇以下至少之一：所述復(fù)合材料的總導(dǎo)熱率，和所述復(fù)合材料的聲學(xué)性質(zhì)。所述復(fù)合材料的總導(dǎo)熱率，通過選擇以下至少之一：i)用于所述顆粒表面層的材料的類型，和ii)所述顆粒表面層的厚度，和iii)所述顆粒聚合物核的尺寸，和iv)在所述聚合物基料中的所述顆粒的體積填充。所述復(fù)合材料的聲學(xué)性質(zhì)，通過選擇以下至少之一：i)在所述聚合物基料中的材料的類型，和ii)在所述顆粒聚合物核中的材料的類型，和iii)所述顆粒聚合物核的尺寸，和iv)在所述顆粒表面層中的材料的類型，和v)所述顆粒表面層的厚度，和vi)在所述聚合物基料中的顆粒的體積填充。所述方法還包括根據(jù)所述一個或多個選擇產(chǎn)生復(fù)合材料層，和使所述復(fù)合材料層與超聲變換器陣列連接，以用于熱傳導(dǎo)。

在以下示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方式。

該示出意味著僅用于說明的目的，絕不代表對本發(fā)明的限制，本發(fā)明在其最寬的方面由所附權(quán)利要求所限定。

可制造尺寸分布在約2-100μm范圍的限定平均值的聚合物顆粒，并且這樣的聚合物顆粒市售可得，例如得自Dow Chemical Company。使用例如在美國專利4,336,173和美國專利4,459,378中描述的方法，可制造直徑在2-100μm范圍的單分散聚合物顆粒，并且這樣的聚合物顆粒市售可得，例如得自Conpart AS。顆粒可由聚合物制成，其中原料的特性本體聲學(xué)阻抗通常在1.5-3.5kg/m²s范圍。聚合物顆?？捎衫绫揭蚁┲瞥?，例如，與二乙烯基苯交聯(lián)的苯乙烯。用于本發(fā)明的其它苯乙烯單體包括甲基苯乙烯和乙烯基甲苯。可使用苯乙烯單體的混合物。另一個選項是由丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯腈、甲基丙烯腈、氯乙烯、乙酸乙烯酯和丙酸乙烯酯制備的顆粒。這些單體中任一種的混合物還可任選與以上苯乙烯單體共同使用。所有單體可與二乙烯基苯或二丙烯酸單體(例如乙烷-二醇-二丙烯酸酯)交聯(lián)。一些顆?？尚枰脡A處理以水解酯基，以允許交聯(lián)。優(yōu)選使用交聯(lián)劑，因此形成交聯(lián)的顆粒。

根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，聚合物顆粒涂布有>50W/mK，或更優(yōu)選>100W/mK，或還更優(yōu)選>150W/mK的高導(dǎo)熱率的材料的層，例如金屬，像Ag(429)、Cu(401)、Au(318)、Al(237)、Mg(156)、Ni(91)，或電絕緣材料AlN(285)、BeO(330)，其中，括號中的數(shù)字為材料的導(dǎo)熱率，以W/mK計。電半導(dǎo)體Si具有149W/mK的高導(dǎo)熱率，具有對于未摻雜的Si非常低的導(dǎo)電性。通過提高涂層的厚度，球的特性本體聲學(xué)阻抗可提高超過聚合物核的特性阻抗，取決于涂層材料的類型和層厚。為了進(jìn)一步降低聲學(xué)阻抗，還可使得聚合物核為多孔的，具有約5-75％的孔隙率，其中，提高的孔隙率將降低顆粒的聲學(xué)阻抗。還可制造約200nm尺寸的顆粒，并且涂布有金屬和電絕緣、導(dǎo)熱材料二者。

在可硬化的聚合物基料材料(例如像雙組份聚合物材料或單組分聚合物膠)中混合這樣的涂布的顆粒可因此用于產(chǎn)生具有導(dǎo)熱率和特性聲學(xué)阻抗的復(fù)合材料，其隨著在基料材料中涂布的球的密度/包裝而提高，由純基料材料起始，并且向上，取決于涂層材料的厚度和類型、在顆粒核中的材料的類型、粒徑和在基料材料中的顆粒的密度。具有多孔聚合物核的顆粒可用于具有體積填充的顆粒的復(fù)合材料的聲學(xué)阻抗的低提高，并且隨著顆粒的體積填充的提高，甚至降低聲學(xué)阻抗。復(fù)合材料的導(dǎo)熱率和特性聲學(xué)阻抗可通過提高涂層厚度來提高，其中，圖5顯示可如何得到導(dǎo)熱率>1W/mK的實(shí)例，并且其它實(shí)驗(yàn)已顯示導(dǎo)熱率>2W/mK的復(fù)合材料。使用電絕緣涂層可得到類似的導(dǎo)熱率，提供電絕緣復(fù)合材料。這種類型的復(fù)合材料可在聚合物和鐵電體陶瓷材料的復(fù)合材料中用作聚合物填充，保持約2W/mK的平均導(dǎo)熱率，即，與整個鐵電體陶瓷類似。

應(yīng)理解，如果顆粒的密度如此高以至于大量的顆粒接觸，可實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱率。這在圖1中顯示，其中，100顯示具有嵌入的顆粒102的聚合物基料101的復(fù)合材料，該嵌入的顆粒102具有聚合物核103，該聚合物核103涂布有金屬層104。復(fù)合材料布置作為在兩種材料105和106之間的層，并且在這些材料之間的溫差從高溫材料到低溫材料輸送熱量。因此，在基料中的顆粒得到具有高導(dǎo)熱率的復(fù)合材料，導(dǎo)熱率與特性聲學(xué)阻抗共同隨著顆粒的體積填充和聚合物顆粒核的尺寸和材料類型以及涂層的厚度和材料類型而變化。應(yīng)理解，雖然圖1僅顯示顆粒102接近材料105和106，但是在材料105和106限定的整個空間中可提供顆粒102。

具有顆粒的金屬涂層，顆粒之間的接觸還引入顆粒-基料復(fù)合材料的導(dǎo)電性，在一些情況下其為可用的，在其它情況下可為不利的。在后一種情況下，顆?？赏坎加芯哂懈邔?dǎo)熱率的電絕緣材料，例如AlN、BeO、Si和Al₂O₃。然而，比起沉積金屬涂層，沉積這樣的材料更復(fù)雜和耗時，實(shí)際方案是提供第一層金屬，例如Ag、Au、Cu、Al、Ni，其提供大部分導(dǎo)熱率，并涂布有較薄層的電絕緣材料，優(yōu)選也具有高導(dǎo)熱率，例如如圖2中的顆粒200所顯示的。在該圖中，201顯示顆粒的聚合物核，202顯示具有高導(dǎo)熱率和導(dǎo)電性的金屬層，203顯示具有高導(dǎo)熱率的電絕緣材料。例如使用公知的化學(xué)方法(例如硅烷化)可得到具有低導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱率的Si層203。該方法還可用于涂布有其它類型的電絕緣材料。涂布有Au、Ag或Al層的顆?？山?jīng)由公知的方法例如硫醇化學(xué)(用于絕緣單層的直接共價鍵合或作為表面配體用于進(jìn)一步反應(yīng))而被電絕緣材料功能化，并且通過乳液聚合形成絕緣層。

用圖2的顆粒200代替圖1的顆粒102因此得到具有高導(dǎo)熱率但是低導(dǎo)電性的復(fù)合材料，其與特性聲學(xué)阻抗共同隨著顆粒的體積填充和涂層的厚度和材料類型而變化。Si也是具有高導(dǎo)熱率和低導(dǎo)電性的有趣的涂層材料。涂布有SiO₂薄層的Si得到具有特別低導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱率的顆粒。

各向異性膠用于固定例如集成電路芯片與相同類型的基材，使得芯片上的接觸碰撞和基材上的導(dǎo)體接觸。制備各向異性膠作為填充傳導(dǎo)顆粒的膠基料，其如此低密度，以至于在正常的本體復(fù)合材料中導(dǎo)電性低。

然而，當(dāng)在電路芯片上的傳導(dǎo)碰撞和基材上的導(dǎo)體之間對膠施壓時，膠基料擠出，并且傳導(dǎo)顆粒使得碰撞和基材上的導(dǎo)體之間直接電接觸，例如如在H.Kristiansen，Z.L.Zhang和J.Liu,"Characterization of Mechanical Properties of Metal coated Polymer Spheres for Anisotropic Conductive Adhesive (用于各向異性傳導(dǎo)粘合劑的金屬涂布的聚合物球的機(jī)械性質(zhì)的表征)"，IEEE Advanced Packaging Materials 2005，0-7803-9085-7/05，部分8-2中描述的。

通過用大體積分?jǐn)?shù)的導(dǎo)熱但是電絕緣的顆粒(例如如在圖2中)和較低體積分?jǐn)?shù)的具有導(dǎo)電表面涂層的較大的顆粒填充膠基料，可得到具有提高的導(dǎo)熱率的各向異性膠。導(dǎo)電顆?？蓛?yōu)選大于電絕緣顆粒，使得導(dǎo)電顆粒使得集成電路芯片上的傳導(dǎo)碰撞和基材表面上的導(dǎo)體之間接觸，而較小的電絕緣顆粒與膠基料一起被擠出。

除了提供導(dǎo)熱率和導(dǎo)電性的層以外，可加入例如Ni的薄層，以提高聚合物核和表面層之間以及不同的表面層之間的連接。外層可覆蓋有保護(hù)層，該保護(hù)層抑制導(dǎo)熱層的氧化，這可能限制在接觸的顆粒之間的熱傳導(dǎo)。這樣的保護(hù)層可例如由前述電絕緣材料或有機(jī)分子的"自裝配的單層"(SAM)制成。

包括基料材料和上述類型的顆粒的復(fù)合材料在用于超聲變換器中的聲學(xué)層，以除去通過變換器組件產(chǎn)生的熱量和使變換器帶寬成形非常有用。一個實(shí)例示于圖3，其中，300顯示通過變換器組件的橫截面，其設(shè)計用于與具有壓電變換器陣列302的載荷材料301聲學(xué)相互作用。僅為了說明性目的，我們顯示在線性陣列的上升方向的橫截面，其顯示陣列元件303。壓電層可為根據(jù)已知方法的聚合物-陶瓷復(fù)合材料。陣列組件可為任何形式，例如環(huán)狀陣列、線性陣列、1.5D、1.75D或2D基質(zhì)陣列，并且從圖3的示意圖延伸至任何形式的陣列，可由本領(lǐng)域任何技術(shù)人員實(shí)施。

在陣列的前面為提供陣列元件的地面電極的薄金屬層304。金屬層與兩個聲學(xué)匹配層305和306進(jìn)一步連接，為載荷材料301提供良好的聲學(xué)偶聯(lián)。在該實(shí)例中，匹配層由在圖1和圖2中舉例說明的導(dǎo)熱材料制成，其中，通過選擇以下至少之一得到層的比聲學(xué)阻抗：i)具有比聲學(xué)阻抗的聚合物基料，和ii)具有比聲學(xué)阻抗的聚合物核，和iii)聚合物核的尺寸，和iv)在涂層中的材料的類型，和v)涂層的厚度。

厚的金屬電屏蔽接地連接307與接地電極304和匹配層305和306二者連接，以提供電接地和從電極和導(dǎo)熱匹配層(因此也從陣列)散熱二者。匹配層可優(yōu)選也為導(dǎo)電的，以改進(jìn)圍繞陣列以及接地電極304和屏蔽接地連接307的電屏蔽。

熱元件電極308與陣列元件303的背部粘附，并且使用柔性印刷技術(shù)可例如得到與陣列元件的電連接，其中，安裝于柔韌性絕緣層310的金屬導(dǎo)體309粘附于元件熱電極308，并且使元件電極與外部電路和/或電纜連接。例如通過焊接或傳導(dǎo)膠或各向異性傳導(dǎo)膠或各向異性薄膜技術(shù)，可得到金屬導(dǎo)體和元件電極之間的連接。柔韌性絕緣材料310的另一側(cè)方便地涂布有薄的金屬層311，其與電信號地面進(jìn)一步連接。

為了進(jìn)一步改進(jìn)從陣列的散熱，陣列可與具有高導(dǎo)熱率的低聲學(xué)阻抗層312向后匹配，其中，該層的厚度為在陣列的中心頻率下波長的四分之一。該層可隨后與具有高導(dǎo)熱率的較厚的層313(例如金屬層Cu、Ag或Al或半導(dǎo)體像Si)連接，以從層312和超聲變換器陣列302排出熱量。層312的聲學(xué)阻抗應(yīng)比層313的聲學(xué)阻抗低得多(例如，<5兆雷)。Si可用作集成電路的基材，如關(guān)于以下圖7和圖8所描述的。層313可在襯背材料314或其它聲學(xué)結(jié)構(gòu)上安裝，例如在圖9中顯示的。

層313可與散熱結(jié)構(gòu)(例如金屬屏蔽接地連接307)進(jìn)一步連接。在該實(shí)例中，導(dǎo)熱層312還可優(yōu)選具有進(jìn)一步改進(jìn)圍繞陣列的電屏蔽的導(dǎo)電性。使用圖2的電絕緣顆粒還可方便地制備柔版印刷絕緣材料310，作為圖1類型的復(fù)合材料，用于通過該層改進(jìn)的熱傳導(dǎo)。層313可方便地在吸收聚合物的襯背材料上安裝，該吸收聚合物也可為導(dǎo)熱的，如關(guān)于圖1和圖2所描述的。

為了進(jìn)一步改進(jìn)從陣列除去熱量，外部空氣翅片管可用于從散熱器307除去熱量，例如在圖4中示出的，其中，散熱器307與外部空氣冷卻翅片管414連接。根據(jù)已知的方法，人們可進(jìn)一步使用珀爾貼元件以提高從探頭輸送熱量，例如作為在層313和散熱器307之間的示于圖4的珀爾貼元件415。珀爾貼元件從313向307泵送熱量。通過流動流體還可得到從探頭除去熱量的改進(jìn)，例如通過層313通過一組窄的流動通道416，這使得313進(jìn)入流化的冷卻元件。流動通道通過入口管417和出口管418進(jìn)料，并且流體可經(jīng)由管在離探頭某一距離被引導(dǎo)至冷卻系統(tǒng)，例如通過自然對流，例如通過流體蒸發(fā)和冷凝，如在一些計算機(jī)中使用的熱管技術(shù)(參見，例如，http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pipe)增強(qiáng)，或使用泵，均根據(jù)已知的方法。

流體冷卻系統(tǒng)的另一個實(shí)例是使散熱器307與具有分布的流動通道420的單獨(dú)的基于流體的冷卻元件419連接。冷卻元件419還可方便地通過珀爾貼元件421與散熱器307連接，該珀爾貼元件421將熱量從散熱器307泵送至冷卻元件419。流體經(jīng)由入口管423和出口管424泵送通過流動通道422，并且流體可經(jīng)由管在離探頭遙遠(yuǎn)的距離被引導(dǎo)至冷卻系統(tǒng)。

圖5顯示可得到的導(dǎo)熱率的一個實(shí)驗(yàn)實(shí)例。橫坐標(biāo)表示在基料材料中包括銀涂布的球的復(fù)合材料中銀的體積密度，而縱坐標(biāo)表示導(dǎo)熱率，以W/mK計。應(yīng)理解，對于給定的球尺寸和涂層厚度，橫坐標(biāo)也間接代表顆粒/球的包裝密度，并且對于固定的球尺寸和固定的球包裝密度，橫坐標(biāo)還可認(rèn)為間接代表球的銀涂層的厚度。如在該圖的圖例中指示，在圖5中的兩條線分別涉及平均直徑為15μm和30μm的球。如在圖5中示出的。

通過在復(fù)合材料中使具有第一直徑的顆粒與第二不同直徑的顆粒組合，可提高顆粒的最大包裝，因此提高最大導(dǎo)熱率。這在圖6中示出。具有小直徑601的顆粒填充具有大直徑602的顆粒之間的空間，提高導(dǎo)熱層的活性面積，因此提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱率。使用具有某一直徑分布的某一體積的顆粒，可得到較致密的包裝的類似效果。

在圖7中示出使用圖3的層313作為Si-基材用于電子集成電路的其它細(xì)節(jié)。該圖顯示通過陣列的橫截面，例如在通過線性陣列或1.5D、1.75D或2D陣列的方位角方向，其橫過一組具有熱元件電極708的陣列元件703。該陣列具有前接地電極304，具有聲學(xué)匹配層305和306至載荷材料301，如在圖3中。該圖還通過實(shí)例顯示與前電極連接的散熱器307、匹配層和Si層313，如在圖3中，并且可進(jìn)一步通過圖4中的實(shí)例通過珀爾貼元件415連接。

在該實(shí)例中的Si-基材313具有接收器放大器，并且對于每一個陣列元件，潛在地還具有傳輸放大器。放大器經(jīng)由在Si-基材313上的連接表面701與單個陣列元件連接，并且通過導(dǎo)熱層312運(yùn)行的導(dǎo)電電線702與元件電極708連接。在這種情況下，導(dǎo)熱層312優(yōu)選電絕緣。在該實(shí)例中，在陣列元件之間的空間704還填充有與在圖1和圖2中描述的類似的導(dǎo)熱和電絕緣復(fù)合材料，并且根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，其不需要電極和電線的單獨(dú)的電絕緣。通過將元件進(jìn)一步切成方塊成為聚合物-陶瓷復(fù)合材料，切成方塊的體積方便地也填充有導(dǎo)熱和電絕緣聚合物復(fù)合材料，例如根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式。層313可進(jìn)一步根據(jù)已知的方法由若干具有電相互連接的堆疊的Si-基材層組成；使得不顯示該層狀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。這允許集成電路提高的復(fù)雜性和對于不同的層使用不同的技術(shù)，其中，例如第一層可使用高電壓(約100V)技術(shù)用于傳輸放大器，第二層使用對于低噪聲接收器放大器優(yōu)化的技術(shù)，而其它層使用對于信號加工優(yōu)化的技術(shù)，例如信號延遲和從鄰近的元件加入延遲的信號以形成亞縫隙信號，均根據(jù)已知的方法。

Si-基材結(jié)構(gòu)的背面可例如經(jīng)由在Si-基材結(jié)構(gòu)背面上的表面705與儀器連接，經(jīng)由具有傳導(dǎo)線711、接地平面712的柔性印刷電路710進(jìn)一步連接，通過絕緣聚合物層713與電纜和儀器分隔，根據(jù)已知的方法。

圖8顯示圖7的設(shè)備的一個變體，其適用于具有高數(shù)量元件(像1.75D或2D陣列)的陣列。圖8a顯示具有元件801的2D陣列的一部分的前視圖，其中，線802指示示于圖8b的橫截面的位置。每一個元件在背面上具有熱信號電極808，在前側(cè)具有共同的接地電極304，經(jīng)由聲學(xué)匹配層305和306與載荷材料301連接，如在圖3和圖7中。

在圖7中描述對于每一個元件具有與放大器連接的傳導(dǎo)表面701的導(dǎo)熱Si-基材層結(jié)構(gòu)313。在當(dāng)前的實(shí)施方式中，具有聚合物核804和導(dǎo)電和導(dǎo)熱層805的單一球803連接元件電極808和傳導(dǎo)表面701，并且在Si-結(jié)構(gòu)301中用作陣列元件和集成電路二者之間的電導(dǎo)體，并且用作反轉(zhuǎn)Si-結(jié)構(gòu)301和陣列元件之間的(四分之一波)匹配結(jié)構(gòu)對聲學(xué)阻抗。在陣列元件的背部阻抗倒轉(zhuǎn)將Si-結(jié)構(gòu)的相對高的聲學(xué)阻抗轉(zhuǎn)化為低阻抗，采用與在圖3和圖7中的層312相同的方式，在陣列元件的背部，以振動速度產(chǎn)生抗波節(jié)。

為了制造圖8b中的結(jié)構(gòu)，

1)球803可通過以下與元件電極808安置：i)靜電力，ii)通過安置網(wǎng)安置或iii)使用對于研究的陣列專門設(shè)計的真空工具從托盤撿起(由傳統(tǒng)的球格柵陣列(BGA)技術(shù)已知)。安置網(wǎng)可例如由聚合物制備，其在可化學(xué)蝕刻的固體材料中，在切成方塊的模具中鑄造，與在用于元件的陶瓷中切成方塊類似，其中，在聚合物硬化后，將模具蝕刻離開。人們可制備"在陣列上"安置網(wǎng)，其中，元件電極808首先由過厚的傳導(dǎo)和可蝕刻的材料(例如Cu、Ag、Al或Au)制備，并且將元件801和電極808之間的空間用聚合物(優(yōu)選根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的導(dǎo)熱和電絕緣聚合物復(fù)合材料)填充至電極的頂部。在聚合物填充固化后，電極的頂部區(qū)域被蝕刻離開，使得電極區(qū)域形成聚合物格柵壁之間的凹處，

2)例如通過以下，球可粘附于電極：i)加熱開始時與電極連接的低溫焊料，或ii)通過固化開始時與電極連接的傳導(dǎo)膠，

3)在球與元件電極粘附后，球之間的空間806可填充有導(dǎo)熱但是電絕緣聚合物復(fù)合材料填充，如關(guān)于圖7描述的。在制造聚合物-陶瓷復(fù)合材料期間，陣列元件之間的空間可填充有類似的聚合物復(fù)合材料，或者形成位置格柵，如在以上第1)點(diǎn)中描述的。

4)安置Si-層結(jié)構(gòu)313，使得安置傳導(dǎo)表面701與匹配球和元件接觸，和

5)例如通過以下，球803粘附于傳導(dǎo)墊701：i)加熱開始時與表面連接的低溫焊料，或ii)通過固化開始時與表面連接的傳導(dǎo)膠，或iii)備選地，橫過在第3)點(diǎn)下聚合物復(fù)合材料填充和球的整個表面可沉積各向異性膠，或者iv)備選地，在第3)點(diǎn)下的聚合物復(fù)合材料填充可均為電各向異性膠，其填充得如此厚，以至于其恰好覆蓋球803。針對球?qū)鲗?dǎo)表面加壓，擠出覆蓋球的各向異性膠，使得在各向異性膠中的傳導(dǎo)顆粒使得傳導(dǎo)表面701和球803之間電接觸，根據(jù)已知的方法。人們可優(yōu)選使用含有導(dǎo)電和電絕緣二者但是導(dǎo)熱的球的各向異性膠填充，用于如上所述提高的導(dǎo)熱率。

通過適當(dāng)選擇核的材料和球的傳導(dǎo)層，與球的直徑和球之間的填充一起，具有填充的球可用作從Si-結(jié)構(gòu)到陣列元件的聲學(xué)阻抗反轉(zhuǎn)變換器，與圖3和圖7中的層312類似。

在圖3、圖4、圖7和圖8中的結(jié)構(gòu)可向后延伸至包括在較低頻率下操作的陣列，例如根據(jù)美國專利7,727,156和8,182,428，并且如通過在圖9中的實(shí)例示出。超聲陣列元件302、703和803隨后以高頻(HF)帶操作，該實(shí)施方式的層312和313為用于HF帶的向后絕緣部分的一部分，如在引用的美國專利中描述的。該本性的絕緣部分對在HF帶中的超聲波提供至少10dB，更優(yōu)選至少30dB的衰減。使用低特性聲學(xué)阻抗(<5兆雷)層901使HF絕緣部分向后進(jìn)一步延伸。具有陣列元件902的低頻率(LF)超聲陣列在901的背部安裝，其中，903為LF元件的信號接地電極，904為熱信號元件電極。HF和LF之間的頻率比可為3:1-30:1。在該實(shí)例中的結(jié)構(gòu)在任選的襯背材料908上安裝。在該實(shí)例中，使用具有接地平面?zhèn)鲗?dǎo)層907和與熱電極904連接的熱導(dǎo)體905的柔版印刷電路，得到與熱元件電極的電連接。在該實(shí)例中，絕緣部分和襯背906的層312和901由根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的聚合物/顆粒復(fù)合材料制備，例如在圖1中描述的，以從陣列排出熱量。由具有高熱傳導(dǎo)的材料制備的層313和903進(jìn)一步排出熱量至散熱器結(jié)構(gòu)307，如上所述。

參考使用包括聚合物材料和壓電-陶瓷的復(fù)合材料用于陣列元件的電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)來描述以上各圖。雖然如此，使用電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)的其它技術(shù)在預(yù)計之中，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在Si-基材上使用cmut/pmut技術(shù)用于電-聲學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一個實(shí)例在圖10中顯示。1001顯示使用與載荷材料301的聲學(xué)連接，在前側(cè)上具有振動膜轉(zhuǎn)鼓1002的Si-基材。Si-基材安裝于導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料312，并且進(jìn)一步安裝于排熱層313，如在圖3中描述的。該結(jié)構(gòu)可向后延伸，例如在圖3、圖4、圖7、圖8和圖9中顯示的，并且膜可被保護(hù)層1003覆蓋，該保護(hù)層還可提供與載荷材料301匹配的改進(jìn)的阻抗。與轉(zhuǎn)鼓的電連接未顯示，由于在文獻(xiàn)中示出了許多不同的方案，也通過通孔，其中，與陣列元件的連接例如可如在圖7和圖8b中那樣進(jìn)行。

因此，雖然已顯示和描述并指出本發(fā)明的基本新穎特征適用于其優(yōu)選的實(shí)施方式，應(yīng)理解的是，在不偏離本發(fā)明的精神下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到示出的裝置的形式和細(xì)節(jié)以及它們的操作的各種省略和替代和變化。

還明確地預(yù)期以基本相同的方式實(shí)施基本相同的功能以實(shí)現(xiàn)相同結(jié)果的那些元件和/或方法步驟的所有組合在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，應(yīng)理解結(jié)合本發(fā)明的任何公開的形式或?qū)嵤┓绞斤@示和/或描述的結(jié)構(gòu)和/或元件和/或方法步驟可摻入任何其它公開的或描述的或建議的形式或?qū)嵤┓绞阶鳛樵O(shè)計選擇的通用題材。因此，意圖僅受限于由所附權(quán)利要求的范圍所指示的。