CN101612614B - 一种超声波探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于横向场激励的超声波探头，包括：压电元件(100)，以及，位于所述压电元件(100)同一参考面(20)上的第一电极(201)和第二电极(202)，用于在所述压电元件(100)内产生横向电场以激发出厚度伸缩振动模式的声波。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波探头。
背景技术
超声成像设备已经得到广泛应用，其传统上包含进行超声信号与电信号转换的超声探头、信号处理单元、图像显示单元等。超声探头在获得高分辨率的图像方面具有重要的作用。一般认为超声探头的中心频率越高，超声图像的分辨率越高。目前常用的超声成像设备所使用的压电超声换能器的中心频率大部分在20MHz以下。
为了获得更高超声成像的分辨率，采用频率在20～200MHz范围的高频率压电超声换能器是一个有效的解决途径。但目前所有压电超声换能器中的压电元件都工作于采用厚度场激励的厚度伸缩振动模式，如图1所示。厚度场激励模式的压电元件中，需要在压电元件的两个平面制作上电极，以形成垂直于晶体基板的激励电场，从而激励出厚度伸缩振动声波。但是，随着超声换能器频率的增加，换能器基板的厚度越来越小，而电极的厚度受到加工工艺的限制减小空间有限，因此换能器基板的厚度与电极厚度相差越来越小。此时，电极层对压电超声换能器的谐振特性会产生较大的影响。而且对于高频超声换能器，随着超声换能器中心频率的增加，声波波长越来越小，电极层厚度与声波波长相差也越来越小，此时，处于压电元件与被检测对象之间的电极层会对超声信号造成一定的干扰和衰减。
发明内容
本发明提供一种基于横向场激励的超声波探头，该装置能够消除电极层对超声信号传输的干扰和衰减。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种超声波探头，包括：压电元件，以及，形成于所述压电元件同一侧面的第一电极和第二电极，用于在所述压电元件内产生横向电场以激发出厚度伸缩振动模式的声波，所述的第一电极和第二电极产生的横向电场的方向是沿压电元件的特定晶体切向的，
还包括背衬，与所述压电元件排列有第一电极和第二电极的一侧相连接，
还包括：声透镜，以及，分别与所述声透镜和所述压电元件连接的匹配层。
通过研究和实验证实，采用横向场激励结构制作的压电元件，也可以激励出厚度伸缩振动的声波。采用上述技术方案，可以将所有的电极的都一起放在超声探头后端，这样在超声波的发射和接收路径上就不存在电极层，因此能够消除电极层对超声换能器传输信号的干扰和衰减。经过理论分析比较，当厚度场激励超声换能器和横向场激励超声换能器所用压电元件的机电耦合系数、声阻抗相同，且采用相同的机械结构时，横向场激励的超声换能器在理论上具有更高的灵敏度。此外，由于上述技术方案中，仅需要在压电元件同一侧面制作电极，更能节省制作电极的材料和工艺，降低成本。
其中，所述压电元件可以采用任意一种具有压电效应的压电材料。进一步而言，所述压电元件选择采用铌酸锂、钽酸锂、石英、硅酸镓镧、钽酸镓镧、铌酸镓镧、铌镁酸铅-钛酸铅(1-x)Pb(Mg(1/3)Nb(2/3))O3-xPbTiO3(简称PMN-PT)，或者，铌锌酸铅-钛酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(简称PZN-PT)。
其中，压电元件的形状可以是长方体，也可以是圆柱体。压电元件表面的电极，可以是两个相互平行设置的电极，且电极间距任意。电极还可以是其它任何形状、任何间距，只要能够在压电元件内产生横向电场。
上述技术方案中所称的“同一侧面”，如果该压电元件为立方体，是指不同的电极尽量排列在压电元件的同一侧，该侧并不特指所述压电元件的任何一面；如果该压电元件为圆柱体，是指不同的电极尽量排列在该圆柱体的一特定的母线上或者尽量靠近，而并不是指几何学上所称圆柱体的“侧面”。
进一步而言，所述压电元件采用X切铌酸锂晶体。
进一步采用上述技术措施的时候，经过多次试验证明，两个电极所形成的横向电场方向与X切铌酸锂晶体的X轴成7.5°时性能最好，但不排除其它角度也可以用。
进一步而言，其中，所述第一电极和第二电极可以由任意能够导电的材料制作而成。所述第一电极和第二电极选择采用金、银、铜、铝、铂，或者，钯。
其中，所述第一电极和第二电极可以是任意形状，只要能够在压电元件内产生横向电场，激励出厚度伸缩振动模式的声波。
进一步而言，所述第一电极和第二电极采用金相互平行的形成于所述压电元件同一表面，其厚度为50至300纳米；所述第一电极和第二电极分别通过一层铬附着在压电元件同一表面。
进一步而言，所述第一电极和第二电极之间的间距在0.1毫米以上。
进一步而言，所述的超声波探头，还包括：与所述压电元件连接有第一电极和第二电极一侧相连接的背衬。
其中，背衬可以是任意声阻抗、任意声速的材料，也可以是空气。
进一步而言，所述的超声波探头，还包括：声透镜，以及，分别与所述声透镜和所述压电元件连接的匹配层。
进一步而言，所述匹配层采用单层匹配层，或者多层匹配层。
与现有技术相比本发明的优点在于，可以将所有的电极的都一起放在超声探头后端，这样在超声波的发射和接收路径上就不存在电极层，因此能够消除电极层对超声换能器传输信号的干扰和衰减。经过理论分析比较，当厚度场激励超声换能器和横向场激励超声换能器所用压电元件的机电耦合系数、声阻抗相同，且采用相同的机械结构时，横向场激励的超声换能器在理论上具有更高的灵敏度。此外，由于上述技术方案中，仅需要在压电元件同一侧面制作电极，更能节省制作电极的材料和工艺，降低成本。
附图说明
图1是一种现有的超声波探头实施例的结构示意图；
图2是本发明超声波探头一种实施例的结构示意图；
图3是本发明超声波探头电极分布一种实施例的结构示意图；
图4是本发明超声波探头电极分布另一种实施例的结构示意图；
图5是本发明超声波探头一种较优的实施例的超声脉冲信号及其频谱特性。
具体实施方式
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示的超声波探头一种典型的实施例，其包括采用横向场激励结构的压电元件100和一般超声探头都具有的背衬500、匹配层400、声透镜300。其中，电极层包括连接并排列于所述压电元件100同一侧的第一电极201和第二电极202，用于将所述压电元件100内产生横向电场以激发出厚度伸缩振动模式的声波。
其中，压电元件100采用由压电单晶材料基板，可以选择采用铌酸锂、钽酸锂、石英、硅酸镓镧、钽酸镓镧、铌酸镓镧、铌镁酸铅-钛酸铅(1-x)Pb(Mg(1/3)Nb(2/3))O3-xPbTiO3(简称PMN-PT)、铌锌酸铅-钛酸铅Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(简称PZN-PT)等任意一种具有压电效应的压电晶体材料。
所述第一电极201和第二电极202可以选择采用金、银、铜、铝、铂、钯等任意能够导电的材料制作。其中，所述第一电极201和第二电极202的形状和电极之间的间距可以任意距离，只需要能够在压电基板内使用横向电场激发厚度伸缩振动模式的声波即可。
其中，所述背衬500、匹配层400和声透镜300部分为超声波探头可选的结构。所述背衬500可以是任意声阻抗、任意声速的材料，也可以是空气。匹配层400可以是单层匹配层，也可以是多层匹配层，可以选择采用由任意声阻抗、任意声速的材料进行制作。所述声透镜300可以是任意形状，由任意声阻抗、任意声速的材料制作而成。
如图3和图4所示两种不同的实施例，其区别在于，所述压电元件100的形状有一定的差异，图3的为一种矩形立方体形状，图4为一种饼形。
其中，所述第一电极201和第二电极202互相间隔一定的距离d。当该对电极受到电压激励的时候，在该对电极之间产生横向电场，该横向电场在所述压电元件100内激励出厚度伸缩振动模式的声波。
本发明超声波探头一种较优的实施例如下：
压电元件100选用3mm×4mm的X切铌酸锂晶体制作而成，其厚0.43mm.。所述第一电极201和第二电极202分别为两个平行电极，电极表面为200nm厚的金，在金与铌酸锂之间有大约2nm厚的铬，以增强金电极的附着力。所述第一电极201和第二电极202之间有0.5mm的间距，其之间的缝隙方向与铌酸锂晶体的X轴成82.5°，以保证横向场激励下，X切铌酸锂具有最大的厚度伸缩振动模式机电耦合系数。背衬500采用绝缘树脂EPO-TEK301制作而成，厚度6mm。匹配层400采用1/4波长单层匹配层，由EPO-TEK301制作而成。没有制作声透镜。
如图5所示，使用标准的超声脉冲发射接收测试方法，在消声水槽中对该超声波探头进行性能测试。仪器采用Panametrics/Olympus 5900PR。在超声波探头前端放置一抛光的钢板。测试获得通过超声换能器发射并接收到的超声脉冲信号及其频谱特性，从图中可以看出，该超声探头中心频率7.86MHz，带宽25.84％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超声波探头，其特征在于，包括：压电元件(100)，以及，形成于所述压电元件(100)同一侧面的第一电极(201)和第二电极(202)，用于在所述压电元件(100)内产生横向电场以激发出厚度伸缩振动模式的声波，
所述的第一电极(201)和第二电极(202)产生的横向电场的方向是沿压电元件(100)的特定晶体切向的，
还包括背衬(500)，与所述压电元件(100)排列有第一电极(201)和第二电极(202)的一侧相连接，
还包括：声透镜(300)，以及，分别与所述声透镜(300)和所述压电元件(100)连接的匹配层(400)。
2.如权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，所述压电元件(100)选择采用铌酸锂、钽酸锂、石英、硅酸镓镧、钽酸镓镧、铌酸镓镧、铌镁酸铅-钛酸铅，或者，铌锌酸铅-钛酸铅。
3.如权利要求2所述的超声波探头，其特征在于，所述压电元件(100)采用X切铌酸锂晶体，所述第一电极(201)和第二电极(202)所形成的横向电场方向与X切铌酸锂晶体的X轴成7.5°。
4.如权利要求1、2或3所述的超声波探头，其特征在于，所述第一电极(201)和第二电极(202)选择采用金、银、铜、铝、铂，或者，钯。
5.如权利要求4所述的超声波探头，其特征在于，所述第一电极(201)和第二电极(202)采用位于所述压电元件(100)同一侧面相互平行的金膜；所述金膜厚度在50至2000纳米之间，并分别通过一层铬与所述压电元件(100)相连接。
6.如权利要求5所述的超声波探头，其特征在于，所述第一电极(201)和第二电极(202)之间的间距在0.1毫米以上。
7.如权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，所述匹配层(400)采用单层匹配层，或者多层匹配层。
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