CN102670242B - 一种超声聚焦换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声聚焦换能器，包括平凸透镜，在平凸透镜下方依次紧密连接有匹配层、压电复合层以及背衬层，匹配层、压电复合层以及背衬层与平凸透镜共圆心。本发明基于平凸透镜的超声聚焦换能器，主要应用在医疗设备当中，属于超声波诊断设备部件。采用这种超声聚焦换能器能够更好地对人体各部位及其器官进行有效地检测，使图像更加清晰，减少误差。根据检测部位的不同，可以制备各种参数的换能器满足检测的需要。

Description

一种超声聚焦换能器

技术领域

本发明涉及一种超声换能器，具体涉及一种超声聚焦换能器，属于超声波诊断设备领域。

背景技术

在功率超声处理技术中，时常需要较高的超声强度，在低频超声常用超声变幅杆，而在高频超声常用聚焦换能器，声透镜聚焦系统等。超声聚焦探头在超声探伤、医学诊断和治疗等许多应用场合中得到采用。聚焦探头的基本作用是使探头发出的超声波在媒质中传播时，形成球面或圆柱面形的波阵面，最后聚到离初始波阵面一定距离F的声轴上的某一点上。聚焦探头大体上可分为曲面换能器有源自聚焦型、声透镜聚焦型、反射镜聚焦型、衍射聚焦型和电子聚焦型。

单晶片聚焦超声换能器主要有以下两种：(1)声透镜聚焦换能器：其特点是聚焦稳定，焦距大小取决于透镜曲率半径R，焦距改变方便，频率稳定，变化小。体积小，重量轻，耐用，不易损坏，装配方便，声功率较大，声入射角较小，能量损耗小，但目前采用硅橡胶做声透镜，衰减很大。声透镜聚焦换能器主要有以下两种：如图1所示的平凸透镜聚焦以及如图2所示的平凹透镜聚焦。(2)球面自聚焦换能器：其特点是焦距稳定可靠，焦距大小取决于压电晶片的曲率半径R，频率稳定，变化小。体积小巧，重量轻，耐用，不易损坏，声功率较大，声入射角较小，能量损耗小。聚焦声透镜的几何焦距F用下式计算：

F=R/(1-c/c₁)；

式中：R---透镜的曲率半径（m）；

      c---周围媒质的声速（m/s）；

      c₁---透镜材料中的声速（m/s）；

      c₁>c的固体透镜，F>0,为凹面透镜；c₁<c的透镜材料，如液体和橡胶透镜，F<0,为凸面透镜。

选择声透镜材料的原则是：声折射率n=(c/c₁)与1相差越大越好，声阻抗率与周围媒质的很接近，声衰减系数小。这样便能保证较理想的聚焦特性，较小的声能传输损失。

超声诊断的声聚焦是为了在尽量大的区域都有较高的分辨率，以利成像效果。因此提高超声换能器的分辨率可以使检测结果得到更好的辨别，有利于疾病的诊断，减少误诊的次数。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种超声聚焦换能器。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种超声聚焦换能器，包括平凸透镜，在平凸透镜下方依次紧密连接有匹配层、压电复合层以及背衬层，匹配层、压电复合层以及背衬层与平凸透镜共圆心。

本发明中，所述平凸透镜的材质为有机玻璃。

本发明中，所述匹配层的材质为掺有硅酸盐粉的环氧树脂。

本发明中，所述压电复合层为压电复合材料。

本发明中，所述背衬层的材质为掺有硅酸盐粉或者金属颗粒的橡胶。

本发明中，所述匹配层和所述压电复合层厚度均匀，即匹配层和所述压电复合层的各个位置的厚度是一样的。

有益效果：本发明基于低声衰减材料平凸透镜的超声聚焦换能器，主要应用在医疗设备当中，属于超声波诊断设备。采用这种超声聚焦换能器能够更好的对人体各部位及其器官进行有效地检测，提高灵敏度。根据检测部位的不同，可以制备各种参数的换能器满足检测的需要。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为现有技术中平凸透镜聚焦示意图。

图2为现有技术中平凹透镜聚焦示意图。

图3为本发明结构示意图。

图4为本发明实施例3.5M检测人体腹部的B超探头示意图。

图5为本发明中压电复合材料的结构示意图。

具体实施方式

本发明的结构示意图如图3所示，摒弃了大部分医用超声换能器的传统结构和材料，用图3所示的压电复合层结构，在该压电复合层3的上面依次粘接匹配层2和平凸透镜1，下方设置背衬层4，匹配层、压电复合层以及背衬层与平凸透镜共圆心。由于平凸透镜具有使声波会聚的效果，然后通过控制驱动信号能够使压电复合层发出的超声波聚焦，从而构成一个完整的超声聚焦换能器。

图3中的匹配层2和压电复合层3等厚度。压电晶片的曲率半径等参数根据换能器的所需频率的不同而定。平凸透镜、匹配层、压电晶片、背衬的厚度根据换能器的具体要求设计而定。

本发明各层连接处通过加入环氧后，放在烤箱里以一定的温度固化。不仅使各部分很好的粘结在一起，而且此处的能量损耗基本可以忽略不计。

换能器的具体材料：

第一层的平凸透镜是有机玻璃，衰减很小，目的是声波聚焦，能够很好的提升换能器的效率。

第二层的匹配层是掺有固体颗粒的环氧树脂，目的是阻抗匹配，使能量有效地透入到被测物体中。

第三层的压电复合层为压电复合材料，是压电陶瓷通过切割填充工艺实现，不仅具有压电陶瓷的各种优良性能，同时材质更加柔软，各项性能均有很好的提升，

第四层的背衬层，目的是减少回波，是掺有固体颗粒的橡胶，使能量辐射进去后，被吸收掉。

本发明工作原理及发明点：换能器的工作原理是通过弯曲的压电复合层振动将声波聚焦（焦距较小），再通过声透镜发散声波，总的效果是聚焦到所需长度。主要发明点是用衰减小的有机玻璃等材料代替目前用硅橡胶做的声透镜，使用更有效的压电复合层及不同的换能器结构。本发明不但能够使换能器的声波有效地辐射到人体中，提高其灵敏度度，同时采用的这种结构和人体接触也不会产生异样的感觉，这种换能器也能达到量产的要求。

实施例

换能器的实例及模型参数推导：

如检测人体的3.5M的B超探头，硅橡胶透镜最厚处为1mm左右，硅橡胶的声衰减非常大，灵敏度降低很多。用本实施例结构做的换能器比用硅橡胶声透镜的换能器灵敏度高6dB以上，实现了本发明提高灵敏度的目的，使检测深度提高，判断准确。

如图4所示，本实施例3.5M检测人体腹部的B超探头的各参数数据如下：

其中ab为单元长度12mm, c点是聚焦点（根据检测的深度不同，调整焦距），oc为换能器到人体检测部位的距离，长度80mm，声波在水中传播速度为1480m/s,在有机玻璃中的传播速度为2600m/s。。

T_ac=T_ec。

ac²=ao²+oc²。

求出eo的长度为0.395mm，又因为半径ad=ed，及ad²=（ad-eo）²+ao²，求出ad的长度为45.767mm，所以求出                                                

的角度为15.1度。本实施例中平凸透镜1的材料为有机玻璃，阻抗为2.4 Mrayls，声传播速度2600 m/s，最厚处eo为0.395mm，的角度为15.1度。

匹配层2的材料为掺有硅酸盐粉的环氧树脂，是环氧树脂加热后加入硅酸盐粉均匀搅拌后制作而成，掺杂减少，声阻抗降低。本实施例中匹配层材料重量比为1:3的环氧树脂和碳酸钙粉末的均匀混合物，阻抗为6 Mrayls，声传播速度3600 m/s，厚度0.257mm。一般情况，环氧树脂和硅酸盐粉的重量比区间为1：0.01~1：3，相应的阻抗区间为2.8~6 Mrayls。当然也可以不加硅酸盐。硅酸盐具体可以是碳酸钙、花岗岩等。

压电复合材料 3是将压电陶瓷和环氧树脂按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成。这些复合材料可按连通性给以分类，以两个数字中间加一短线表示，第一个数字代表压电相的连通维数，后一个数字代表聚合物分量相的连通维数。1-3 型表示PZT 只在一个方向上连通，另一种材料在三个方向上连通，如图5所示。本实施例中采用压电陶瓷通过切割填充环氧树脂后的 1-3 型复合材料，阻抗为14 Mrayls，声传播速度2600m/s，厚度0.429mm。

背衬层4是掺有硅酸盐粉或者金属颗粒的橡胶，本实施例中被衬材料阻抗为8 Mrayls。可以用硅橡胶中掺入碳酸钙粉、铁粉或钨粉，再硫化得到。具体可以参见文献1，单组分室温硫化硅橡胶的配置，黄文润，《有机硅材料》，2002,16（4）或者是文献2，高温硫化硅橡胶（HTV）的生产及应用（上），严伟杰，江西化工，1994年02期。

根据检测部位所需的深度求出换能器的曲率半径及所需角度。

本发明通过超声换能器结构及材料的变化，提高检测灵敏度，并能广泛应用于生产当中。

本发明提供了一种超声聚焦换能器的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种超声聚焦换能器，其特征在于，包括平凸透镜，在平凸透镜凸端的下方依次紧密连接有匹配层、压电复合层以及背衬层，匹配层、压电复合层以及背衬层与平凸透镜共圆心，圆心角α的角度为15.1度，其中平凸透镜的平端远离下方的匹配层；

所述平凸透镜的材质为有机玻璃，阻抗为2.4Mrayls，声传播速度2600m/s，最厚处为0.395mm；

所述匹配层的材质为掺有硅酸盐粉的环氧树脂；

所述压电复合层为压电复合材料；

所述背衬层的材质为掺有硅酸盐粉或者金属颗粒的橡胶。

Images