CN105080822A - 一种新型超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型超声换能器，包括匹配层，压电层和背衬层，所述压电层和所述背衬层之间设有高声阻抗层，所述高声阻抗层为声阻抗大于所述压电层的声阻抗的层，且所述压电层的厚度基本为四分之一波长。本发明在超声换能器的压电层与背衬层之间，加入一层高声阻抗层，使得压电层以约为四分之一波长的厚度振动，这样，既提高了整个换能器的信噪比及带宽，又降低了超声换能器的阻抗，利于和超声检测系统匹配。

Description

一种新型超声换能器

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，特别涉及一种新型超声换能器，具体是在压电层与背衬层之间加入一层高声阻抗层的超声换能器。

背景技术

超声检测系统，是利用超声波在不同组织、材料、界面上的反射进行成像或者分析的设备。而超声换能器是超声检测系统的核心部件，它可以实现电能与机械振动之间的能量转换，产生超声波，并且接收不同组织、材料反射的声波，将反射的声波转换成电信号，传递给超声检测系统，由超声检测系统进行信号处理及成像或者判断分析。

通常，超声换能器主要由压电层、匹配层及背衬层组成。其中，压电层是产生并接收超声波的主动元件，声阻抗通常为35MRayl左右，厚度为半波长左右；匹配层用以过渡及匹配压电材料与不同媒介之间的阻抗，使得大部分的超声波能量能进入媒介；背衬层起到阻尼及衰减声波的作用，使得压电材料的谐振过程尽快终止。

现在市场上已有的超声换能器的基本结构就是半波长左右厚度的压电层(可以为压电陶瓷、压电单晶或者压电复合材料)，加上单层或者不同阻抗的多层匹配层以及不同阻抗的背衬层。

传统的超声换能器结构存在两个问题：

首先，由于传统的超声换能器内部的压电层的厚度为半个波长，且压电层背后的材料，包括背衬层，阻抗通常不超过10MRayl。当压电层以半波长振动时，会不可避免地受到来自背后的声波干扰，引入从背衬层反射回的声波，影响信噪比及带宽，造成带宽较低，信噪比较差；

其次，由于压电层的厚度较厚，为半波长厚度的压电材料，使得压电层的电容降低，导致整个换能器阻抗提高，超过200欧姆，这与通常50欧姆的超声检测系统接口存在较大的阻抗失配，不利于和超声检测系统相匹配，使得超声检测系统发射及接收的效率降低，影响图像质量。

发明内容

本发明提供一种新型超声换能器，以解决现有技术中存在的上述缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种新型超声换能器，包括匹配层，压电层和背衬层，所述压电层和所述背衬层之间设有高声阻抗层，所述高声阻抗层是声阻抗大于所述压电层的声阻抗的层，且所述压电层的厚度基本为四分之一波长。

在本发明中，高声阻抗层的材料选择声阻抗大于压电层的材料即可，例如合适的金属、陶瓷或者高分子材料，本发明不对高声阻抗层的材料进行具体限定。

在本发明的具体实施方式中，所述高声阻抗层为一层或由多层叠加而成。所述高声阻抗层的厚度是由换能器设计的声学要求所决定，声波在其中传播的规律，按正常的波动方程来考虑。高声阻抗层的厚度越厚，声波在其中的吸收和衰减越大；厚度越薄，声波在其中的吸收和衰减越小，引起的内部反射越大。

在本发明的具体实施方式中，所述压电层为一层或由多层叠加而成。

在本发明的一些具体实施方式中，所述压电层的材料选自压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或压电聚合物。其中，压电单晶可以是PMN-PT，PIN-PMN-PT或者其他单晶材料。

在本发明的具体实施方式中，所述匹配层为一层或由多层叠加而成。

在本发明的具体实施方式中，所述超声换能器还包括引出每个阵元用的电路板。

在本发明的一些具体实施方式中，所述超声换能器用于阵元引出的方式可以是：电路板设置在高声阻抗层的上表面或下表面，也可以是电路板设置在压电层的上表面或下表面，也可以是电路板设置在匹配层的上表面或下表面，或者可以是电路板设置在压电层的侧面，或者可以是电路板设置在背衬层中。

在本发明的一些具体实施方式中，在电路板和背衬材料之间还可以加入用于控制换能器激发与接收的专用集成电子电路芯片(ASIC，即ApplicationSpecificIntegratedCircuits)。

在本发明的一些具体实施方式中，电路板可以使用印制电路板或者柔性电路板，并且可以使用一层或多层电路板用于阵元引出。此外，电路板也可以用导线、电缆线、铜箔或者其他导电材料代替，可以通过直接焊接、粘结或者其他连接方式固定在压电材料的表面，也可以固定在所述超声换能器中其他有金属镀层材料的表面或者导电材料的表面。

在本发明的一些具体实施方式中，所述超声换能器为1D、1.25D、1.5D、1.75D或2D阵列超声换能器。其中，1D，1.25D，1.5D，1.75D和2D是指阵列换能器中阵元的不同排列方式。1D换能器是指长条形的阵元沿换能器的长度方向呈直线排列，每个阵元的中心间距小于1.5个波长。1D换能器能够在长度方向与深度方向构成的平面上进行聚焦和方向引导，而在宽度方向与深度方向构成的平面上只能固定的聚焦于某一个深度。2D换能器是指在换能器的宽度方向也进行切割并进行引出，各阵元的中心与长度和宽度方向上相邻的阵元之间的间距小于1.5个波长。2D换能器能够在任意方向上进行聚焦。1.25D，1.5D和1.75D换能器是1D与2D换能器之间的这种方案，1.25D换能器在宽度方向上将阵元分割成4个子阵元，上下两两对称的子阵元通过引线相连，同时进行控制；中间两个子阵元可以分割开或不分割开。1.5D换能器在宽度方向上将阵元分割成6个子阵元，上下各三个子阵元，上下两两对称的子阵元通过引线相连同时控制；中间两个子阵元可以分割开或不分割开。1.75D换能器将每个阵元分割成6个子阵元并单独引线并单独控制。

在本发明的一些具体实施方式中，所述超声换能器为单阵元换能器或由多个阵元按同心环的方式排列的超声换能器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一，本发明通过在压电层与背衬层之间加入高声阻抗层，使得压电层以约四分之一厚度振动，避免来自压电层背后的声波干扰，提高换能器的带宽，减小脉冲长度，使得图像质量得到提升；

第二，同时，由于压电层的厚度变薄，本发明的超声换能器芯部的阻抗可以降低到100欧姆以下，大大改善了换能器与超声检测系统的匹配。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例的超声换能器的芯部结构示意图，其中标号为1的箭头代表压电层振动时产生的向前，即往匹配层端传播的超声波，标号为2的箭头代表压电层振动时产生的向后，即往高声阻抗层端传播的极少量的超声波。

具体实施方式

本发明提供一种新型超声换能器，包括匹配层，压电层和背衬层，所述压电层和所述背衬层之间设有高声阻抗层，所述高声阻抗层为声阻抗大于所述压电层的声阻抗的层，且所述压电层的厚度约为四分之一波长，或基本为四分之一波长。

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例

请参见图1，本实施例提供的一种新型超声换能器，其主要结构示意图如图1所示，在其中一种实施方式中，该超声换能器从上至下，依次为匹配层、压电层、高声阻抗层、引出每个阵元用的电路板以及背衬层。需要说明的是，每一层材料都有可能是由多层叠加而成。例如，匹配层可以是一层或由多层叠加而成，压电材料也可以是一层或由多层叠加而成，高声阻抗层也可以是一层或由多层叠加而成，并且电路板的设置位置不限于仅为高声阻抗层和背衬层之间，而是还可以为其他的位置，例如下述的电路板的设置位置。

在本发明中，用于阵元引出的方式可以是：电路板设置在高声阻抗层的上表面或下表面，也可以是电路板设置在压电材料层的上表面或下表面，也可以是电路板设置在匹配层的上表面或下表面，或者还可以电路板设置在压电材料层的侧面，或者还可以电路板设置在背衬材料中。电路板可以使用印制电路板或者柔性电路板，并且可以使用一层或多层电路板用于阵元引出。电路板也可以用导线、电缆线、铜箔或者其他导电材料代替，通过直接焊接、粘结或者其他连接方式固定在压电材料的表面，或者也可以固定在本发明的超声换能器中其他有金属镀层的材料表面或者导电的材料表面。

在本实施例的一些实施方式中，在电路板和背衬材料之间还可以加入用于控制换能器激发与接收的专用集成电子电路芯片(ASIC)。

本实施例所述的压电层，其材料可以是压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或者压电聚合物。其中，压电单晶可以是PMN-PT，PIN-PMN-PT或者其他单晶材料。

在本发明中，高声阻抗层所使用的材料的声阻抗需大于压电层所使用的材料的声阻抗。声阻抗为声波在材料中传播的速度乘以材料的密度。

本发明的设计理论如下：

当超声换能器没有设置高声阻抗层的时候，压电层近似于两端自由振动，振动方程的解如下：

其中，各参数的含义分别为

ε(t，x)为压电层在振动时的位移，A_n为待定的常数，ω_n为压电层在振动时的角频率，k_n为压电层在振动时的波数，k_n＝ω_n/c,为压电层在振动时的相位。

谐振频率为

f_n＝c/(2*d)

d＝1/2*c/f＝1/2*λ

其中，c为压电层材料的振速，λ为压电层在振动时的波长，d为压电层的厚度，即厚度为半波长，f_n为谐振频率，其中n＝1，2，3，…,(n＝1为一次谐振，n＝2为二次谐振，…),f为换能器的工作频率。

当超声换能器加入高声阻抗层之后，由于高声阻抗层的高阻抗，使得压电层靠近背衬层的一侧受到的阻尼作用加大，形成近似一端自由振动，一端固定的状态，边界条件即：

(δε/δd)_((x＝d))＝0

ε_(x＝0)＝0

得一次谐振频率为

f_n＝c/(4*d)

此时，超声换能器的频率比未加高声阻抗层时减小一半。为了保持频率不变，压电层的厚度需变为约四分之一波长。由此，压电层的电容比未加高声阻抗层时增大约一倍，压电层的阻抗也相应减小，从而更利于超声换能器和超声检测系统进行匹配。同时，由于压电层厚度减半，阻抗减小，所需要的激励电压也相应减小，这更有利于激励电路制作，并有利于减少换能器的发热量。

同时，由于高声阻抗层的阻尼作用，压电层的谐振将较快停止，使得换能器的脉冲响应较短，带宽较宽，超声图像的轴向分辨率较好。

并且，由于高声阻抗层能够抑制向超声换能器背部传播的超声能量，就可以大大简化背衬层的设计与制作，并且有利于在高声阻抗层后方额外设置声衰减能力较小的硅材料电子芯片，例如，用于2D换能器中，阵元的引出或者用于波束合成的芯片，做波束合成一类的信号处理。

综上，本发明在超声换能器的压电层与背衬层之间，加入一层高声阻抗层，使得压电层以约为四分之一波长的厚度振动。这样，既提高了整个换能器的信噪比及带宽，又降低了超声换能器的阻抗，利于超声换能器和超声检测系统匹配。

本发明的超声换能器，既可以应用在医用超声领域，也可以应用在工业超声领域，包括超声探伤、超声测厚、流速流量测定、超声显微镜等等。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (12)

1.一种新型超声换能器，包括匹配层，压电层和背衬层，其特征在于，所述压电层和所述背衬层之间设有高声阻抗层，所述高声阻抗层为声阻抗大于所述压电层的声阻抗的层，且所述压电层的厚度基本为四分之一波长。

2.如权利要求1所述的新型超声换能器，其特征在于，所述高声阻抗层为一层或由多层叠加而成。

3.如权利要求1所述的新型超声换能器，其特征在于，所述压电层为一层或由多层叠加而成。

4.如权利要求1或3所述的新型超声换能器，其特征在于，所述压电层的材料选自压电陶瓷、压电单晶、压电复合材料或压电聚合物。

5.如权利要求1所述的新型超声换能器，其特征在于，所述匹配层为一层或由多层叠加而成。

6.如权利要求1所述的新型超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括引出阵元用的电路板。

7.如权利要求6所述的新型超声换能器，其特征在于，所述超声换能器用于阵元引出的方式是：所述电路板设置在所述高声阻抗层的上表面或下表面，或所述电路板设置在所述压电层的上表面或下表面，或所述电路板设置在所述匹配层的上表面或下表面，或所述电路板设置在所述压电层的侧面，或所述电路板设置在所述背衬层中。

8.如权利要求6或7所述的新型超声换能器，其特征在于，所述电路板为印制电路板或者柔性电路板，并且所述电路板为一层或多层电路板。

9.如权利要求6或7所述的新型超声换能器，其特征在于，在所述电路板和所述背衬层之间加入用于控制换能器激发与接收的专用集成电子电路芯片ASIC。

10.如权利要求1所述的新型超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括引出阵元用的非电路板导电材料件，所述非电路板导电材料件固定在所述压电层的表面或固定在所述超声换能器中除所述压电层之外的具有金属镀层材料的表面或者导电材料的表面。

11.如权利要求1所述的新型超声换能器，其特征在于，所述超声换能器为1D、1.25D、1.5D、1.75D或2D阵列超声换能器。

12.如权利要求1所述的新型超声换能器，其特征在于，所述超声换能器为单阵元换能器或由多个阵元按同心环的方式排列的超声换能器。