CN101238506A - 具有聚乙烯第三匹配层的宽带矩阵换能器 - Google Patents
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Abstract
一种超声换能器,包括压电单元(175)、第一和第二匹配层(120,130)、以及包括低密度聚乙烯(LPDE)的第三匹配层(140)。为超声矩阵探头提供宽的带宽的所述第三匹配层(140)可以向下延伸以包围所述阵列(S360)并且连接到外壳以对阵列进行密封(S370)。
Description
超声换能器用于将电信号变换为超声能量以及将超声能量变换回电信号。超声能量可以用于例如对感兴趣的身体进行检查,并且由换能器从该身体接收的回声可以用于获得诊断信息。一个特别的应用是医疗成像,其中回声用于形成患者内部器官的二维和三维图像。超声换能器使用匹配层或一系列匹配层,以更加有效地将压电体中产生的声学能量耦合到受检者或患者的身体。匹配层位于换能器的上面,靠近正被探测的身体。以类似于光学路径中用于透镜的相应防反射涂层功能的方式,逐层完成声学耦合。换能器中压电材料与身体相比相对高的声阻抗由匹配层的中间阻抗(intervening impedance)跨越(span)。例如,设计可能要求特定阻抗的第一匹配层。第一匹配层是声路径从换能器到身体所遇到的第一个层。每个连续的匹配层,如果任何一层,需要逐步降低的阻抗。最顶端层的阻抗仍然比身体的阻抗高,但一个或多个层提供了在将由压电体产生的超声声学地耦合到身体、以及将从身体返回的超声耦合到压电体的过程中较平滑的传输、阻抗方向渐变(impedance-wise)。
最佳分层包括适当系列的声学阻抗的设计和相应材料的识别。一维换能器的匹配层中使用的材料包括陶瓷、石墨复合材料、聚亚安酯等,所述一维(1D)换能器的单元以单个行的方式排成直线。
虽然已知1D换能器包括许多匹配层,但是配置有二维(2D)阵列换能器单元的换能器由于换能器单元的不同形状而需要不同的匹配层方案。传输的声波以那个特定声波的频率特性振动,并且该频率具有相关联的波长。1D阵列换能器的单元在一个横向方向上典型地小于工作频率半个波长宽度,但在其它横向方向上是几个波长的长度。2D阵列换能器的单元在两个横向方向上可以小于半个波长。这种形状的变化降低了有效的纵向刚性,并且因此降低了单元的机械阻抗。由于单元阻抗较低,所以造成匹配层的阻抗也应当较低以获得最佳性能。然而,低阻抗材料的复杂因素在于,当如在2D阵列换能器中一样被切割成窄柱时,声的速度变得依赖于信号的频率,这一现象称为速度色散。这种色散改变层与频率的匹配特性,这是不希望的,并且可以产生截止频率,在该截止频率之上操作换能器是不可能的。由于缺少用于三个匹配层设计的合适材料,所以2D阵列换能器通常仅使用两个匹配层制造。然而,这限制了带宽和灵敏度,两者对于改善多普勒、彩色流量(color flow)和谐波成像模式方面的性能都是关键的。例如,在谐波成像的情况下,传输低的基频以提供进入超声受检者或患者的身体组织的较深穿透,而通过接收基频以上的谐波频率来获得较高的分辨率。因而常常希望足够大的带宽,以包含多种多样的频率。
1D和2D阵列换能器的压电单元典型地由多晶陶瓷材料制成,其中一种最普通的是锆钛酸铅(PZT)。单晶压电材料正变得可以使用,例如单晶铌锰酸铅/钛酸铅(lead manganese niobate/lead titanate,PMN/PT)合金。由这些单晶材料制成的压电换能器单元呈现出显著较高的电-机械耦合,这潜在地提供了改善的灵敏度和带宽。
当前的发明人注意到,提高的单晶压电体的电-机械耦合还产生较低的有效声阻抗。结果,优选地,选择匹配层,其声阻抗低于用于通常的多晶换能器(例如陶瓷换能器)的匹配层的声阻抗。
由于三个匹配层单晶换能器要求具有较低声阻抗的匹配层,并且由于超声探头换能器的第二匹配层总是比其第一匹配层阻抗低,所以对陶瓷换能器可用的第二匹配层、例如石墨复合材料可以用作三个匹配层单晶换能器的第一匹配层。
第一和第二匹配层典型地足够坚硬,使得用于阵列的每个单元的层必须彼此机械地分离开以保持每个单元声学地独立于其它单元。最通常的,这通过在两个方向上锯齿切割的方式完成,所述锯齿切割穿透两个匹配层和压电材料。
另一个考虑可以是电导率,其对于各向同性导电的石墨复合材料来说将是不存在的问题。
然而,找到适当的第二匹配层可以包括选择这样的材料,其不仅具有适当的声阻抗,而且具有合适的电导率。
超声探头的压电换能器依赖于压电体中产生的电场。这些场通过连接到压电体的至少两个面的电极产生并且检测。例如为了产生超声,在电极之间施加电压,需要电连接到电极。换能器的每个单元可以接收不同的电输入。到换能器单元的终端有时垂直地连接到声学路径,虽然这对于二维矩阵阵列的内部单元可能是有问题的。从而,可以优选的是,将单元连接到共同基础,该共同基础位于阵列的上面或者下面。匹配层可以用作基础平面、或者可以提供分离的基础平面。该基础平面可以用导电箔片实施,该箔片足够薄以避免干扰超声。
然而,除非在第一匹配层和压电单元之间设置分离的基础平面,优选地,使第一匹配层在声学路径方向上是导电的,以便完成从后面流动并且穿过阵列的电路。因为2D阵列单元是机械分离的,例如通过在两个方向上锯齿切割产生独立的柱,所以对于阵列内部的单元,不存在横向地到阵列边缘的电通路。因而,该电通路必须经过匹配层完成。对于第二匹配层保持相同的规则。
聚亚安酯具有大约2.1兆瑞利(MRayl)的声阻抗,可以用作第三匹配层,该第三匹配层要求比第一或第二层低的阻抗。然而,除了具有比所希望的阻抗略高的阻抗,聚亚安酯非常易于受化学反应的影响。因此,聚亚安酯需要保护涂层,以将聚亚安酯和换能器阵列的剩余部分密封以不受环境污染物例如化学消毒剂和湿气的影响。另外,从过程控制的角度来看,不同的生产过程可以产生不同的保护涂层厚度,导致所生产的探头中不均匀的声性能。最终,对施加保护涂层的分离的过程的需要极大地增加了生产成本。
为了克服上面提到的缺点,一方面,超声换能器包含压电单元、以及第一到第三匹配层,所述第三匹配层包括低密度聚乙烯(LDPE)。
另一方面,超声换能器具有在二维结构上排列的换能器单元阵列以及至少三个匹配层。
下面将在后面附图的帮助下阐述所述新颖超声探头的细节,其中:
图1是依照本发明的具有三个匹配层的矩阵换能器的侧面截面图;
图2是一个例子的侧面截面图,该例子显示了第三匹配层如何连接到换能器外壳;以及
图3是制造图1所示换能器的过程的一个例子的流程图。
图1通过示例性而非限制性的例子显示了依照本发明的可用于超声探头的矩阵换能器100。矩阵换能器100具有压电层110、三个匹配层120、130、140、与第三匹配层140结合的薄膜150、互连层155、一个或多个半导体芯片(IC)160以及背衬165。压电层110包含换能器单元175的二维阵列170,阵列中的行平行于图1的图纸而阵列的列垂直于图1的图纸。换能器100进一步包括在第二和第三匹配层130、140之间的共同基础平面180,该基础平面180向周边延伸至向下环绕用于固定到柔性电路185,从而完成对于各个换能器单元175的电路。具体地,换能器单元175通过柱形凸起190或其它方式接合到半导体芯片160,并且芯片连接到柔性电路185。同轴电缆(未示出)连接到柔性电路185,该同轴电缆典型地来自超声探头的背部。矩阵换能器100可用于传输超声和/或接收超声。
如前面提到的,第一匹配层120可以实施为石墨复合材料。
环氧匹配层传输具有足够速度的声,并且该匹配层具有一定的密度进而一定的声阻抗,该阻抗足够低以实现为三层矩阵换能器的第二匹配层;然而,环氧层是非导电的。
第二匹配层130可以例如是装载有导电粒子的聚合物。
第三匹配层140优选由低密度聚乙烯(LDPE)制成并且是LDPE薄膜150的一部分,所述LDPE薄膜150以类似于共同基础平面180的方式向下延伸。
然而如在图2中看到的,取代于连接到柔性电路185,图1中所示实施例中的第三匹配层140通过环氧粘结剂210附着到换能器100的外壳220以形成阵列170周围的密封。环氧粘结剂210也可以用在换能器外壳220和与第三匹配层140重叠的声学透镜230之间。
图3阐述了一个用于制造图1的探头100以致于包括LDPE薄膜110具体体现为(embodying)第三匹配层140的方法的例子。为了构造阵列170,将压电材料和第一双匹配层120、130被机械加工为恰当的厚度并且将电极施加到压电层110(步骤S310)。在第一匹配层120被施加到压电层110顶部(步骤S320)之后,施加第二匹配层(步骤S330)。层110、120、130的这个组合可以直接连接到集成电路160,如果存在的话,或者连接到中间连接装置,例如柔性电路185或具有嵌入的导体的背衬结构。然后通过在两个正交方向上进行多个锯齿切割,换能器100被分隔为独立元件175的2D阵列170(步骤S340)。在锯齿切割操作之后,基础平面180连接到第二匹配层130的顶部并且向下环绕阵列170以便与柔性电路185或其它连接装置相接触。在顶部施加LDPE薄膜110并且环绕以向下延伸,从而包围阵列170。薄膜150的一部分相应地形成最顶部的匹配层,其在这里是第三匹配层140(步骤S350、S360)。为了形成阵列170周围的密封封口,向下延伸的薄膜150例如通过环氧化物(epoxy)210连接到外壳220(步骤S370)。因而,LDPE还充当阻挡层。附加的步骤将声学透镜230,典型地为室温硫化(room temperature vulcanization,RTV)硅橡胶,连接到第三匹配层140(步骤S380)。与聚亚氨酯相比,使用聚乙烯作为第三匹配层140使得不需要保护涂层,从而显著削减了生产成本。
虽然在图3中显示了特定的步骤顺序,但是本发明的预期范围不局限于这个顺序。因而例如,第一和第二匹配层120、130可以连接在一起,然后作为一个单元施加到压电材料110。此外,声学设计可以要求在压电层110后面有一个或多个声学层。
在本发明的替代实施例中,声学透镜230由窗口(即没有聚焦的声能量的元件)代替。该窗口可以由例如窗口材料PEBAX制成。通常,PEBAX窗口将不仅需要对于聚亚安酯第三匹配层的保护层,而且另外需要中间粘结层(intervening bonding layer)以将保护层粘结到PEBAX,所述中间粘结层由例如聚酯材料(如迈拉)制成。然而,LDPE可以直接连接到PEBAX;从而不需要保护层也不需要连接层。在连接到第二匹配层130之前,PEBAX窗口材料和LDPE薄膜150的双层可以通过第一匹配层120连接到阵列170。最后得到的具有PEBAX窗口的换能器100不仅可用于经食管的超声心动图(TEE),而且可用于例如心脏内超声心动图(ICE)的其它应用。任选地,为了满足尺寸约束,LDPE可以被切割为一定的尺寸并且不进行包裹。
该创造性的匹配层可以结合到其它种类的探头中,例如儿科探头,以及结合到各种类型的阵列上,例如曲线的和脉管的阵列。
虽然上面的实施例描述为具有三个匹配层,但可以包括额外的匹配层,例如在第二和最顶部的匹配层130、140之间。
虽然已经显示、描述以及指出了本发明基本的新颖特征,如应用在其优选实施例中的,应当理解的是,在不脱离本发明的精神的情况下,本领域技术人员可以对所示器件的形式和细节、以及其操作进行各种省略和替换以及改变。例如显然地,以实质上相同的方式执行实质上相同的功能以获得相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合都在本发明的范围之内。此外,应当认识到的是,与本发明任何公开形式或实施例相关所显示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以以作为设计选择的常规方式的任意其它公开的或描述的或提出的形式或实施例而被结合。因而,意图仅如所附于此的权利要求的范围所指示的进行限制。
Claims (14)
1、一种超声换能器(100),包括:
压电单元(175);
第一和第二匹配层(120,130);以及
包括低密度聚乙烯(LDPE)的第三匹配层(140)。
2、权利要求1所述的换能器,进一步包括LDPE薄膜(150),该薄膜包含所述第三匹配层并且向下延伸以包围所述单元(S360)。
3、权利要求2所述的换能器,其中所述薄膜形成所述单元(210,S370)周围的密封的一部分。
4、一种超声换能器(100),包括:
在二维结构上排列的换能器单元(175)阵列(170);以及
至少三个匹配层(120,130,140)。
5、权利要求4所述的换能器,其中所述层的最上层(140)包括低密度聚乙烯(LDPE)。
6、权利要求4所述的换能器,包括薄膜(150),该薄膜包含所述层的最上层并且向下延伸以包围所述阵列(S360)。
7、权利要求6所述的换能器,其中所述薄膜形成所述阵列周围的密封(210,S370)的一部分。
8、一种制造超声换能器(100)的方法,包括:
提供压电单元(175);以及
为该单元提供三个匹配层(120,130,140),所述第三匹配层包括低密度聚乙烯(LDPE)。
9、权利要求8所述的方法,其中所述提供操作提供薄膜(150),该薄膜包含所述第三匹配层并且向下延伸以包围所述单元(S360)。
10、权利要求9所述的方法,其中所述薄膜形成所述单元周围的密封(210,S370)的一部分。
11、一种制造超声换能器的方法,包括:
提供在二维结构上排列的换能器单元(175)阵列(170);以及
为所述阵列提供至少三个匹配层(S320,S330,S350)。
12、权利要求11所述的方法,其中所述层的最上层(140)包括低密度聚乙烯(LDPE)。
13、权利要求11所述的方法,其中提供操作提供薄膜(150),该薄膜包含所述层的最上层并且向下延伸以包围所述阵列(S360)。
14、权利要求13所述的方法,其中所述薄膜形成所述阵列周围的密封(210,S370)的一部分。
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