具有至少一个平衡式直线电机组件的声学显微成像器件

摘要

公开了一种扫描声学显微镜，包括超声换能器和平衡式直线电机组件。该平衡式直线电机组件包括平衡重，该平衡重安装成沿与该换能器在其上行进的第一直线路径相平行的直线路径移动。该平衡重具有与该转子和该换能器的质量大致相等的质量。当该扫描声学显微镜用来询问样品时，在该转子和换能器正沿该第一直线路径移动的同时，该平衡重正适于沿该第二直线路径移动，以使得该换能器能够加速以及减速而不会产生振动。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年2月7日提交的第60/765,917号美国临时申 请的权益，通过引用的方式将该申请的内容纳入本申请，就如同在本 申请中作了充分阐述一样。

背景技术

本发明总体上涉及在使用脉冲超声能进行非破坏性测试和故障分 析的领域中的改进。更具体地，本发明涉及一种用于进行声学显微成 像(“AMI”)操作的器件，该器件利用平衡式直线电机以在至少一个 方向上移动声学换能器。

多个授权的专利公开了AMI器件，所述AMI器件出于非破坏性测 试和故障分析的目的利用了脉冲超声能。例如，第4,781,067号美国 专利公开了一种平衡式扫描机构。在该专利的摘要中，记载到，该专 利中所公开的机构用来沿包括X-Y扫描图案中X部分的直线路径来回 地快速驱动声学显微镜或其他仪器的换能器。该摘要还记载了，该换 能器安装在第一滑架上，以及平衡重可以安装在第二滑架上，每个滑 架及其上内容物的总质量相等。该摘要进一步记载了，驱动皮带连接 到两个滑架以沿X轴以大小相等但方向相反的加速度和速度相反地驱 动它们。常规的电机和皮带轮用来驱动皮带。通过引用的方式将该专 利的内容纳入本申请，就如同在本申请中作了充分阐述一样。

作为另一个实例，2002年3月19日授权的第6,357,136号美国 专利，其名称为用于处理小零件的扫描声学显微镜系统以及方法。该 专利的摘要记载了，该发明的使用防止了松散保持的小零件在检查期 间或在干燥期间从托盘移出。通过引用的方式将该专利的内容纳入本 申请，就如同在本申请中作了充分阐述一样。

另一个实例是2005年4月19日授权的第6,880,387号美国专利， 其名称为提供改进的信息推导和可视化的声学显微成像方法。该专利 的摘要记载了，推导出样品的声学图像，并然后获得一个或多个另外 的图像的视觉叠加。通过引用的方式将该专利的内容纳入本申请，就 如同在本申请中作了充分阐述一样。

另一个实例是2005年5月10日授权的第6,890,302号美国专利， 其名称为扫描声学显微成像信号的频域处理。在该专利的摘要中，记 载到，获得了代表样品中声阻抗特征的时域信号，并然后将其转换到 频域。该摘要还记载了，可以修改该频域信号，并然后将其转换回时 域信号。通过引用的方式将该专利的内容纳入本申请，就如同在本申 请中作了充分阐述一样。

另一个实例是2005年5月24日授权的第6,895,820号美国专利， 其公开了一种用于捕获4D声学反射信号的声学显微成像方法以及装 置。该专利的摘要记载了，利用超声换能器在样品内的三维变化的位 置询问样品，其中对于各询问位置产生聚焦的A-扫描。通过引用的方 式将该专利的内容纳入本申请，就如同在本申请中作了充分阐述一样。

另一个实例是2006年1月3日授权的第6,981,417号美国专利， 其公开了一种用于非矩形边界区域的扫描声学显微成像方法以及装 置。该专利的摘要记载了，命令载物台系统(stage system)以使得 超声探针询问样品表面上和/或样品体积内的非矩形边界空间。该专利 还记载了，图21-29示意性地图示了可以结合该专利中所公开的发明 采用的多种2D和3D扫描模式和技术。通过引用的方式将该专利的内 容纳入本申请，就如同在本申请中作了充分阐述一样。

其他公开了多种AMI器件的专利包括第6,460,414号、第 5,684,252号、第5,600,068号、第4,866,986号以及第4,518,992 号美国专利。通过引用的方式将这些专利的内容纳入本申请，就如同 在本申请中作了充分阐述一样。

许多公布的专利申请公开了多种其他AMI器件。例如，公布的第 20030045768号和第20040048111号美国专利申请，其名称为“用于 在显微镜下操作的超声探针”。两个公布的第169段记载了，用于“反 射器61”的“前进/后退机构”可以用“直线电机62和开关63”构造。 通过引用的方式将这些公布的内容纳入本申请，就如同在本申请中作 了充分阐述一样。

作为另一个实例，第20040173024号美国专利公布，其名称为“用 于控温超声检查的方法和装置”。该公布记载了，“通过第一位置控 制器134(诸如受系统计算机106控制的直线电机或步进电机)的动 作沿扫描线调整受检查的物体130和超声换能器102的相对位置，该 第一位置控制器134沿轨道136移动该换能器。”通过引用的方式将 该公布的内容纳入本申请，就如同在本申请中作了充分阐述一样。

2001年8月，名为Sonix的公司发布了一篇新闻稿，其描述了该 公司的UHR-2001型号的扫描声学显微镜。该新闻稿记载了，UHR-2100 显微镜包括扫描轴上的0.5微米的编码器、更高定位精度的改进滚珠 丝杠、直线伺服电机以及直接耦合到伺服冲头的换能器。

目前可得到的具有直线电机的AMI器件，诸如上面描述的那些， 在使用中严重受限。为了在AMI操作中得到有用的数据，必须将在换 能器组件加速或减速时引起的振动保持在一定最大量以下。例如，在 上述器件中使用的直线电机在加速或减速时必须经受不大于0.1G。因 此，直线电机在最高速度仅可以运行不超过约40％的时间。当直线电 机以如此低的效率运行时，扫描具体样品(例如，集成电路封装)所 需的时间必然大大增加，超过电机以更高额定效率运行时可能的时间。 当在商业应用中AMI器件用来在样品托盘上进行故障分析时该缺点被 复合，这导致不期望的成本增加。

附图说明

本发明的多个实例的目的、特征以及附带的优点将变得完全清楚， 正如当结合附图考虑时它们变得更易理解，在附图中相同的附图标记 在几幅视图中始终表示相同或相似的零件，以及其中：

图1是示出了包含本发明各方面的扫描声学显微镜的示意图；

图2A-2C是图示本发明的第一实施方案的总体示意图，该第一实 施方案包括三个单独的平衡式直线电机组件，其用来在X、Y和Z方向 上驱动超声换能器；

图2D是图示其中图2A-2C示出的超声换能器可以在各X、Y和Z 方向上从初始位置移动到外界限(outer limit)的空间的图；

图3和3A-3B是平衡式直线电机组件的立体图，该平衡式直线电 机组件用来沿X轴移动超声换能器；

图3C和3D是图3-3B示出的平衡式直线电机组件的一部分的近视 图；

图4A-4C图示了本发明的第二实施方案，在该第二实施方案中单 独的平衡式直线电机组件用来在X和Y方向上控制超声换能器的移动， 而常规步进电机组件用来在Z方向上控制换能器移动；

图5是本发明的实施方案的总体示意图，在该实施方案中两个超 声换能器安装在直线电机的定子上，以沿由该直线电机定子限定的X 轴反向移动；以及

图6是图示图形界面如何可以用来限定超声换能器的移动路径以 允许进行样品的扫描的总体流程图。

具体实施方式

虽然本发明容许有多种形式的实施方案，但是在附图中示出并且 将在后文描述目前优选的实施方案，同时应理解，本公开内容应被认 为是本发明的举例，而不意在将本发明限制到所示出的具体的实施方 案。还应理解，本说明书的这部分的标题，即，“具体实施方式”，涉 及美国专利局的要求，并不意味着，也不应认为限制了本说明书中所 公开的主题。

在本公开内容中，词“一个”应被认为包括单数和复数。相反， 在适当的情形下，对复数项目的任何引用应包括单数。

参见图1，图示了包含本发明各方面的扫描声学显微镜10的示意 图。如图1所示，显微镜10适于检查浸没在耦合介质14中的样品12 (例如，集成电路封装)。可以单独检查样品12，例如就像在实验室 应用中的情形一样，或者样品12例如可以安装到其他零件的托盘上以 进行检查，这通常是商业应用中的情形。

脉冲发生器16受运动控制器18控制，并且用来激励换能器20通 常以10MHz或更低至230MHz或更高范围内的频率产生超声能脉冲。图 1中示出了一个超声能脉冲22。通过受控制器18控制的X-Y-Z驱动器 26由X-Y-Z载物台24在X、Y和Z坐标中扫描换能器20。该控制器包 括，例如，存储在存储器中的指令集，该指令集使得换能器20相对于 待检查的样品在期望的路径中移动。

换能器20适于接收超声脉冲的反射，该超声脉冲指向样品12， 然后被样品12中具有的声阻抗特征反射。此反射信号由接收器28以 模拟形式处理，并提供到多通道处理器30。反射信号的数字化形式可 以存储在多通道存储器32中，并且如果需要，可以在显示器34上示 出。在本发明的一个具体实施方案中，多通道存储器32会存储例如样 品12的表面上或样品12内部中多个三维上变化点的聚焦的A-扫描。

图2A-2C是图示本发明的第一实施方案的总体示意图，该第一实 施方案包括三个单独的平衡式直线电机组件36、38和40，其用来在X、 Y和Z方向上移动超声换能器42。在图2D中，超声换能器42的初始 静止位置示为地点44。直线电机组件36用来将超声换能器42沿X轴 从初始地点44驱动到外界限46。直线电机组件38驱动X轴电机组件 36和换能器42，以使得换能器可以沿Y轴从初始地点44移动到外界 限48。类似地，直线电机组件40用来沿Z轴驱动X轴电机组件36、Y 轴电机组件38以及超声换能器42，以使得换能器可以沿Z轴从初始 地点44移动到外界限50。

在本发明的一个实施方案中，Y电机组件包括两个平衡式直线电 机组件(后文描述)，该两个平衡式直线电机组件连附到例如支撑换能 器的X轴电机组件的末端。在另一个实施方案中，Z轴电机组件包括 三个平衡式直线电机组件，该三个平衡式直线电机组件连附到Y轴电 机组件的互补部分。然而，应理解，可使用平衡式直线电机组件的任 何构造来实现本发明的目的。

通过使用单独的平衡式直线电机组件来控制换能器42相对于样 品12的移动路径，换能器可在样品(例如，螺旋图案)内的任何方向 上非常快速地移动，而不仅仅是在标准的X-Y光栅扫描上。一个优点 在于，例如，通过使换能器沿整个待扫描空间或体积中期望路径行进 可以快速检查在例如医疗仪器的密封包装的表面上或空间中的非矩形 边界区域。

在Z方向上的速度不太重要的应用中，可使用在X和Y方向上驱 动换能器42的平衡式直线电机组件，而使用常规电机组件在Z方向上 控制换能器移动。类似地，在一个方向上快速移动是重要的应用(例 如，细长的矩形扫描)中，可使用平衡式直线电机组件来控制X方向 上的移动，而在Y和Z方向上的移动由常规电机组件控制，因为在这 些方向上的增量运动在这样的应用中很小。

图3和3A-3B是图2A中示出的直线电机组件36的立体图。组件 36包括直线电机定子54以及滑动安装在该定子上的直线电机转子54。 如对本领域的普通技术人员显而易见的是，将电流施加到转子54上使 得其沿由定子52限定的轴移动。包括位置传感器(未示出)以使得控 制器18(图1)知道转子54相对于定子52的位置。适于结合本发明 使用的直线电机、直线轴承以及其他装置在市场上可买到并在 www.trilogysystems.com上有描述。此种电机包括，例如，无铁芯直 线电机以及具有变动转矩减小能力并能够获得例如1米/秒最高速度 的直线电机。例如，此种电机能够使换能器组件在加速或减速期间经 受例如最高达10G的力。

在设计根据本发明的平衡式直线电机组件中，应记住的一个重要 标准是直线电机的寿命。当用太大的力使电机加速或减速时，直线电 机中的电流十分高。因此，可以利用使换能器组件经受约5G力的直线 电机，该约5G的力在运行期间产生足够小的电流量而不会有害地影响 电机的寿命。

换能器42安装在通过安装板58卡紧到转子54的支架56上。两 个连接器60和62用来将安装板58连接到皮带64。皮带64围绕皮带 轮66、68、70和72移动并且与它们接触。皮带64也卡紧到连接器 74和76，该连接器支撑平衡重78沿直线轴承80移动。包括柔性支撑 构件82以使得可以进行适当的电连接(未示出)到换能器42、转子 54以及位置传感器(未示出)，该位置传感器用来检测转子相对于定 子的位置。将位置传感器信息反馈回到控制器18(图1)。图3C和3D 是图3-3B示出的平衡式直线电机组件36的一部分的近视图。

根据图3-3D示出的实施方案，皮带64使得平衡重78沿着与换能 器移动的方向相反的方向移动。根据本发明，平衡重78以及连接器 74和76的总质量大致等于转子54、安装板58、支架56以及连接器 60和62的总质量。在优选实施方案中，总质量彼此相等。通过这样 做，换能器42加速或减速时产生的力被由平衡重78的加速或减速所 产生的力平衡。因为两个总质量朝相反的方向移动，所以产生的力互 相抵消。例如，这使得能够用例如5G的力快速加速或减速换能器42， 因此使得能够以比用常规AMI器件得到的速率高得多的速率进行高效 扫描操作。

为了进一步改进AMI器件10的操作和操作精度，可设计平衡重 78以使得它的质心在Y方向上尽可能地接近换能器42。通过这样做， 最小化了由平衡重78和换能器42反向移动所生成的旋转力。通过设 计将换能器42安装在直线电机转子54上的支撑结构以使得所得组件 的质心尽可能地接近平衡重78的质心，可以更进一步增强这种效果。

根据本发明的教导可以使用包括前段中所述的平衡式直线电机且 利用常规电机来产生沿Y和Z轴的移动的AMI器件。此种AMI器件的 使用提供了显著的优点：相对于常规器件进行相同的扫描所花的时间， 改善了给定扫描区域的扫描时间。

为了避免引起可能毁坏扫描数据的振动，在现有技术器件中使用 的换能器受限于加速度的上限值，例如，为G力的几分之一。因此， 在常规器件中使用的常规非平衡式直线电机能够在最高扫描速度下运 行有限的时间量，例如，由于现有技术换能器反复变换方向所花的显 著增加的时间量。由于这个事实，即，本发明包含例如平衡了由换能 器的移动所产生的力的平衡重78，根据本发明制造的扫描器可以比现 有技术换能器快得多地进行减速和加速，因此，对于特定的扫描应用 可以以最高扫描速度(例如，40英寸/秒)移动约90％的时间。

图4A-4C图示了本发明的第二实施方案。根据该实施方案，使用 常规步进电机或类似电机84来沿Z轴移动换能器86，以及使用平衡 式直线电机88(例如，如图3所示)来沿由该直线电机的定子(未示 出)限定的X轴移动换能器和Z轴电机84。在一个具体实施方案中， 常规电机84安装在板58(图3)上，以使得它可以沿Z轴上下移动支 架56。根据该实施方案，单独的平衡式直线电机组件90用来绕Y轴 移动X轴电机组件88、Z轴电机组件84以及换能器86。

参见图5，示出了本发明的另一个实施方案的高级总体示意图。 在该实施方案中，使用附加的换能器而不是平衡重来产生抵消在第一 换能器加速或减速时产生的力的补偿力。在该实施方案中，安装了两 个换能器94和96以沿直线电机定子92在中点98与端点100和102 之间移动。换能器94和96可操作地耦合到不同的直线电机转子104 和106。例如，通过向具有相反极性的转子104和106供应控制电流， 使得转子104和106沿定子102反向移动。

通过使换能器94和转子104的总质量等于换能器96和转子106 的总质量，由它们的反向移动所产生的力相互抵消。这使得，例如， 扫描操作以比现有技术AMI器件中所可能的快得多的速度进行。这也 使得，例如，该发明的扫描能力双倍于使用一个换能器的本发明实施 方案可能的扫描能力。根据该另一个实施方案，换能器94和96以与 待检查的两托盘零件(未示出)操作相关的方式安装。

图6是总体流程图，其图示了图形界面如何可以用来限定超声换 能器的移动路径以使得能够进行样品的扫描。在步骤108，待扫描物 体的图像被数字化并馈入发明的AMI器件的控制系统。在步骤110， 使用标准的图形界面来在待扫描物体的数字化图像上限定一个用户选 择区域。这使得用户能够在待扫描的物体上限定一个具体区域。在步 骤112，使用另一个图形界面来为待扫描物体上的选择区域识别不同 的扫描深度。在步骤114，使用算法来确定换能器相对于待扫描物体 移动的最有效路径，从而在最少量的时间里进行扫描。在步骤116， 然后进行扫描。

一种扫描声学显微镜，包括超声换能器；平衡式直线电机组件， 其包括转子、定子以及平衡重，该换能器安装在该转子上，该转子和 换能器安装在该定子上以沿由该定子限定的第一直线路径移动，该平 衡重安装为沿平行于该第一直线路径的第二直线路径移动，该平衡重 具有与该转子和该换能器的质量大致相等的质量；电连接到该换能器 和该平衡式直线电机组件的控制器，该控制器适于使得该转子和换能 器以预定的移动顺序沿该第一直线路径移动以至少部分询问样品；以 及当该样品正被询问时，在该转子和换能器正沿该第一直线路径移动 的同时，该平衡重适于沿该第二直线路径移动。

在一个实施方案中，在样品正被询问时，换能器沿一个或多个非 直线轨迹行进。

在另一个实施方案中，当样品正被询问时，换能器通过耦合介质 可操作地耦合到样品；控制器适于使得超声换能器朝位于限定在样品 内部的给定体积内的多个三维上变化的点中的每一个发射声能脉冲； 换能器对于每个脉冲具有聚焦点，该聚焦点位于样品的给定体积内、 与三维上变化的点中对应的一个点相同的地点。

在另一个实施方案中，当样品正被询问时，换能器通过耦合介质 可操作地耦合到样品；该控制器适于使得超声换能器朝位于限定在样 品内部的给定体积内的多个三维上变化的点中的每一个发射声能脉 冲；换能器对于每个脉冲具有聚焦点，该聚焦点位于样品的给定体积 内、与三维上变化的点中对应的一个点相同的地点；控制器进一步适 于使得换能器接收对应于每个脉冲的反射信号，每个反射信号包括样 品的A-扫描，该A-扫描聚焦在样品的给定体积内、与其对应的点上； 所有这些反射信号表示在限定在样品内部的给定体积中呈现的声阻抗 特征。

根据本发明的扫描声学显微镜可以包括，例如，第二电机组件(例 如，直线电机组件或平衡式直线电机组件)，以至少在垂直于该第一直 线路径的方向上移动换能器。

根据本发明的示例性实施方案，扫描声学显微镜可以包括第一和 第二直线路径，其中该第一直线路径与该第二直线路径共线。该平衡 重可以通过，例如，第二超声换能器形成。

该换能器在改变方向时可以回到该平衡式直线电机组件的选定速 度，而不引起振动。

根据本发明的扫描声学显微镜可以用来询问，例如，微电子样品、 密封包装或者生物材料。

皮带和皮带轮组件可以用来将平衡重连接到该换能器和转子。

扫描声学显微镜的控制器可以使得该换能器相对于样品在X-Y光 栅扫描中移动。

在一个示例性的扫描声学显微镜中，该第一和第二直线路径可以 相互间隔，该平衡重的质心定位为减小在换能器减速以及变向时产生 的旋转力的至少一部分。

然后，对于以上描述，应意识到，本发明的零件的最佳尺寸关系， 包括尺寸、材料、形状、形式、功能的变化以及操作、装配和使用的 方式，被视为对于本领域技术人员是完全显而易见的，并且意在使所 有与附图中示出的和说明书中描述的内容等同的关系被本发明所包 含。

因此，上述内容被认为仅对本发明的原理起说明作用。另外，由 于对本领域技术人员来说很容易进行多种修改和变化，所以不希望将 本发明限制到示出的和描述的确切结构和操作，并且因此，可以采取 落在本发明的范围内的所有合适的修改和等效替代。