CN108889589B - 超声换能器及超声装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声换能器以及超声装置，其中，超声换能器包括压电层，所述压电层的尺寸使得所述压电层产生至少两种振型；其中，所述振型与所述超声换能器所产生的超声波的频率一一对应。本发明提供的超声换能器，通过对压电层尺寸的设计使得同一压电层在外加激励的情况下，能够激发压电层同时产生多种振型；同时，压电层的振型不同，将外加激励的电信号转换成超声波信号的频率也就不同。因此，通过压电层的尺寸设计，能够在不增加或减小原有超声换能器体积的情况下，使得超声换能器能够产生多种频率的超声波，进而提高超声换能器的使用范围。

Description

超声换能器及超声装置
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，具体涉及超声换能器及超声装置。
背景技术
超声探针是通过超声探头产生入射超声波(发射波)和接收发射超声波(回波)的，它是超声成像的重要部件。而超声探头的任务就是将电信号变换为超声波信号或相反地将超声波信号变换为电信号。探头可以发射和接收超声，进行电、声信号转换，能够将由主机送来的电信号转变为高频振荡的超声信号，又能将从组织脏器发射回来的超声信号转变为电信号而显示于主机的显示器上。
超声探头的重要组成部分为超声换能器，其中，超声换能器在外加激励时，超声换能器内的压电层能产生弹性形变，从而产生超声波；相反情况下，当超声声波通过压电层时，又能引起它产生弹性形变，继而引起电压的变化，最后通过信号处理装置对相应电信号变化的处理来完成被探测物的图像探查。
其中，超声探头产生的超声波的频率越高，成像的清晰度越高；超声波的频率越低，超声的探测深度越深。因此，现有技术中通过在超声探针中集成多个超声探头，每个超声探头产生超声波的频率不同，就能够同时满足成像精度与探测深度的需求。具体地，每个超声探头中超声换能器产生一种频率的超声波，例如，图1a)至图1c)所示，在同一超声探针中集成了两个超声探头，分别产生高频与低频的超声波。将两种频率的超声探头左右放置(图1a))，前后放置(图1b))，或背靠背放置(图1c))，实现类似的功能。然而，通过该技术方案实现的超声探针的体积大，在血管内对探针尺寸要求极高的情况下，使用范围减小，并不能满足。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种超声换能器及超声装置，以解决多个超声换能器的排列所导致的整体体积过大的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种超声换能器，包括压电层，所述压电层的尺寸使得所述压电层产生至少两种振型；其中，所述振型与所述超声换能器所产生的超声波的频率一一对应。
本发明提供的超声换能器，通过对压电层尺寸的设计使得同一压电层在外加激励的情况下，能够激发压电层同时产生多种振型；同时，压电层的振型不同，将外加激励的电信号转换成超声波信号的频率也就不同。因此，通过压电层的尺寸设计，能够在不增加或减小原有超声换能器体积的情况下，使得超声换能器能够产生多种频率的超声波，进而提高超声换能器的使用范围。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述超声换能器产生两种频率，分别为第一频率和第二频率，其中，所述第一频率不小于所述第二频率。
本发明中的超声换能器，在外界激励的作用下，同一压电层能够产生两种频率的超声波，这两种频率可以同时工作，也可以按照需求分开工作。具体地，第二频率较低，有助于超声穿透介质，增加扫描深度，用于指导及调整方向；第一频率较高，对近区域介质分辨率高，可用于判断狭小通道、周壁、区域是否完整、是否病变，可弥补第一频率超声波由于近场盲区不能准确探测的缺点。本发明提供的超声换能器，能够实现在单个超声换能器中结合低频超声和高频超声各自的优势，具有较大的应用空间。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述压电层的厚度使得所述压电层沿厚度方向产生伸缩振动，并对应于所述第一频率。
本发明中的超声换能器在外界激励的作用下，压电层厚度尺寸使得该压电层沿厚度方向产生伸缩振动，压电层的极化方向与厚度方向平行，电极面与厚度方向垂直；即，压电层中振子的振动方向和压电层所产生的超声波的传播方向均与厚度方向平行，且振子在厚度方向上的谐振频率与超声波的频率对应。本发明中压电层的厚度使得压电层产生的超声波为第一频率的横波，该第一频率的超声波可以在固体中传播。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，采用如下公式表示所述厚度以及所述第一频率之间的关系：
fc＝f1×D；
其中，fc为所述沿厚度方向产生伸缩振动的频率常数；f1为所述第一频率；D为所述厚度。
本发明中，压电层的厚度与压电层所产生的超声波的频率(第一频率)成反比，即第一频率越高对应的压电层的厚度越厚。因此，通过在制作工艺允许的范围内，将压电层的厚度做的越薄，对应的第一频率越高，能够提高超声换能器的成像精度；即，本发明中提供的超声换能器，压电层厚度尺寸越小，对应的超声波的频率越高，成像精度越高。
结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述第一频率为5MHz至60MHZ；所述厚度为0.03mm至0.4mm。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述压电层的长度与宽度的比值使得所述压电层沿所述长度和宽度方向同时产生伸缩振动，并对应于所述第二频率。
本发明提供的超声换能器，压电层的长度与宽度比值使得压电层中的压电振子在外界激励作用下，产生沿长度和宽度方向的伸缩振动，极化方向与厚度方向平行，电极面与厚度方向垂直。具体地，压电层中振子的振动方向与厚度方向垂直，所产生的超声波的传播方向与厚度方向平行或垂直，且振子的谐振频率与超声波的频率对应。本发明中压电层的长度与宽度的比值使得压电层产生的超声波为第二频率的纵波，该第二频率的超声波可以在固体、液体和气体中传播。
结合第一方面第五实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述长度与宽度的比值与所述第二频率成反比。
本发明中，压电层的长度与宽度的比值与压电层所产生的超声波的频率(第二频率)成反比，即第二频率越低对应的压电层的长度与宽度的比值越高。因此，通过在制作工艺允许的范围内，将压电层做成细长条状，使得该超声换能器可以对狭长的血管之类人体组织进行成像，且对应的第二频率越低，超声波穿透的深度越深。
结合第一方面第六实施方式，在第一方面第七实施方式中，所述第二频率为0.1MHz至5MHz；所述长度为0.5mm至5mm；所述宽度为0.2mm至5mm；所述超声换能器还包括：沿所述压电层的厚度方向，层叠设置在所述压电层两侧的背衬层和第一匹配层。
本发明提供的超声换能器，通过在压电层厚度方向设置第一匹配层，用于压电层中晶体辐射的超声波进入人体，实现对人体组织的检查；即，第一匹配层用于实现换能器在厚度方向发射的超声与人体之间声阻抗的匹配，使得压电层沿厚度方向发射的超声波能够顺利进入人体。
结合第一方面第七实施方式，在第一方面第八实施方式中，所述超声换能器还包括绕设在所述压电层外周表面上的第二匹配层。
本发明提供的超声换能器，通过在压电层外周表面上绕设第二匹配层，使得压电层沿长度以及宽度方向发射的超声波能够顺利进入人体。
根据第二方面，本发明提供了一种超声探针，包括本发明第一方面以及第一方面任意一项实施方式所述的超声换能器。
本发明提供的超声探针，通过对压电层尺寸的设计使得同一压电层在外加激励的情况下，能够激发压电层同时产生多种振型；同时，压电层的振型不同，将外加激励的电信号转换成超声波信号的频率也就不同。因此，通过压电层的尺寸设计，能够在不增加或减小超声探针尺寸的前提下，产生多种频率的超声波，其中，频率越高，成像精度越高；频率越低，穿透深度越，从而使得本发明提供的超声探针具有较广的应用范围。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了现有技术中超声换能器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中超声换能器的一个具体示意的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中超声换能器的导纳曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本领域技术人员需要理解的是，振型指在振动的任一时刻，各质点位移的比值保持不变，即振动的形状保持不变的形式。振型是结构体系的一种固有特性，它与固有频率相对应，为所对应的固有频率体系的自身振动的形态，每一阶固有频率都对应一种振型。
本申请发明人经过多次实验得出，压电层在外界激励作用下，所产生的超声波的频率与压电层的振型有关，而振型与压电层的尺寸相关。压电层的尺寸不同，所激发的振型不同；而不同振型所对应的压电层的尺寸之间具有相互重合的部分，因此，当压电层的尺寸设置在重合部分时，压电层就可激发出不同的振型。即，对应于同一压电层，能够激发出多种振型，进而产生多种频率的超声波。
本发明实施例提供了一种超声换能器，包括压电层，该压电层的尺寸使得压电层在外界激励下，产生至少两种振型。其中，每种振型对应的谐振频率即为压电层所产生的超声波的频率。
超声波的频率越高，对应的成像精度越高；频率越低，对应的穿透深度越深。低频的范围不同，对应的穿透深度就不同，利用同一超声换能器，就能够实现不同深度的成像；在低频的基础上结合高频超声波，就能够实现在对不同深度成像的基础上，达到治疗的目的。即，本发明实施例提供的超声换能器还能够实现成像与治疗同时进行，具有较广的应用范围。例如，应用于不同深度的成像，如骨表面和一定深度的松质骨，或者深度的组织和浅表的组织组合成像。
本发明实施例提供的超声换能器，通过对压电层尺寸的设计使得同一压电层在外加激励的情况下，能够激发压电层同时产生多种振型；同时，压电层的振型不同，将外加激励的电信号转换成超声波信号的频率也就不同。因此，通过压电层的尺寸设计，能够在不增加或减小原有超声换能器体积的情况下，使得超声换能器能够产生多种频率的超声波，进而提高超声换能器的使用范围。
在本实施例的一些可选实施方式中，如图2所示，超声换能器包括压电层10。图2中，箭头x所指方向为宽度方向，箭头y所指方向为长度方向，箭头z所指方向为厚度方向；此外，在工作过程中，超声换能器的移动方向为箭头x所在的方向，即超声换能器沿箭头x所在方向前进或后退。
超声换能器超声产生两种频率，分别为第一频率和第二频率，且第一频率不小于第二频率。相应地，超声换能器的压电层在外界激励下，激发出两种不同的振型。其中，第一振型对应于第一频率，第二振型对应于第二频率。
本实施例中的超声换能器在工作时，能够产生上述两种频率的超声波，这两种超声波可以同时工作，也可以分开工作。当外界激励的频率的脉冲为对应于第一振型的脉冲时，第一振型工作；当外界激励的频率的脉冲为对应于第二振型的脉冲时，第二振型工作；当加的脉冲足够包含两种频率的时候，即加的脉冲为窄脉冲，对应傅里叶变换频谱就会有很宽的频率范围，足够覆盖第一振型以及第二振型工作所需的激励脉冲时，上述两种频率的超声波即可同时工作。
其中，压电层10的厚度使得压电层10产生第一振型，对应的超声波具有第一频率；即第一振型为压电层沿厚度方向产生伸缩振动，也可称之为厚度振型。具体地，压电层10沿着材料的厚度方向伸缩振动，推动介质产生声波和声压，实现探测的功能。
此外，发明人经过多次实验发现，压电层10的厚度与第一频率成反比，具体可以采用如下公式表示：
fc＝f1×D；
其中，fc为沿厚度方向产生伸缩振动的频率常数；f1为第一频率；D为压电层10的厚度。
例如，对于一般陶瓷材料厚度振型常数为2MHz·mm，即1mm厚度的压电材料谐振频率为2MHz。由上述厚度与第一频率之间的关系可知，厚度越小，第一频率越大。
本实施例中，压电层10的厚度与压电层10所产生的超声波的频率(第一频率)成反比，即第一频率越高对应的压电层10的厚度越厚。因此，通过在制作工艺允许的范围内，将压电层10的厚度做的越薄，对应的第一频率越高，能够提高超声换能器的成像精度；即，本实施例中的超声换能器，压电层10厚度尺寸越小，对应的超声波的频率越高，成像精度越高。
可选地，本实施例中，第一频率为5MHz至60MHz，相应地，压电层10的厚度为0.03mm至0.4mm。
进一步地，本实施例中，压电层的长度与宽度的比值使得压电层10产生第二振型，对应的超声波具有第二频率；即第二振型为压电层10沿长度和宽度方向同时产生伸缩振动，也可称之为轮廓振型。
本实施例中的超声换能器，压电层10的长度与宽度的比值使得压电层10中的压电振子在外界激励作用下，产生沿长度和宽度方向的伸缩振动，极化方向与厚度方向平行，电极面与厚度方向垂直。具体地，压电层10中振子的振动方向与厚度方向垂直，所产生的超声波的传播方向与厚度方向平行或垂直，且振子的谐振频率与超声波的频率对应。本发明中压电层10的长度与宽度的比值满足预设条件时，能够使得压电层10产生的超声波为第二频率的纵波，该第二频率的超声波可以在固体、液体和气体中传播。常见压电材料频率常数为1.3MHz·mm，可以满足血管内溶栓，骨科椎弓根置钉超声导航、脑部成像治疗一体化等对频率和尺寸的需求。
此外，发明人经过多次实验发现，压电层10的长度与宽度的比值与第二频率成反比。
发明人发现压电层的长度与宽度的比值与压电层10所产生的超声波的频率(第二频率)成反比，即第二频率越低对应的压电层10的长度与宽度的比值越高。
可选地，本实施例中，第二频率为0.1MHz至5MHz，相应地，压电层10的长度为0.5mm至5mm，宽度为0.2mm至5mm。
在本发明的一些可选实施方式中，压电层10的长度与宽度的比值为1:4至4:1。通过设置长度与宽度的比值，使得压电层10在外界激励下激发出的振型主要为轮廓振型。若压电层10的长度与宽度的比值小于或大于上述数值范围，会激发出长度振型，从而对轮廓振型造成干扰，进而影响超声换能器的使用效果。
本实施例中提供的超声换能器，利用同一压电层10能够产生两种不同频率的超声波。当压电层10的厚度很薄时，第一频率越高；且当压电层10的长度与宽度的比值越大时，第二频率越低。即当将压电层10的厚度做很薄，且长度与宽度的比值越大时，相当于将超声换能器在工艺允许范围内，做成细长条状，使得该超声换能器可以对狭长的血管之类人体组织进行成像，且对应的第二频率越低，超声波穿透的深度越深。具体地，本实施例中的超声换能器，能够通过小尺寸产生低频与高频的超声波。
如图2所示，超声换能器还包括分别设置在压电层10两侧，沿厚度方向设置的背衬层30以及第一匹配层20。其中，背衬层30用于吸收压电层10背向辐射的超声，减小或消除压电层10内晶体两端之间超声的多次反射造成的干扰，以压电层10发射超声的分辨率。
在沿压电层10的厚度方向设置第一匹配层20，实现换能器在厚度方向发射的超声与人体之间声阻抗的匹配，使得压电层10沿厚度方向发射的超声波能够顺利进入人体，实现对人体组织的检查。
其中，第一匹配层20的数量可以根据具体情况进行具体设置，例如，可以是一层，两层或三层等等。
同时，超声换能器还包括绕设在压电层外周表面上的第二匹配层(图中未示出)，实现超声换能器在沿长度以及宽度方向发射的超声与人体之间声阻抗的匹配，实现对人体组织的检查。
其中，第二匹配层20的数量可以根据具体情况进行具体设置，例如，可以是一层，两层或三层等等。
轮廓振型根据轮廓振动特性，可以分为厚度方向发射，和多方向发射两种类型。
1)厚度方向发射超声：可以在厚度方向增加第一匹配层20和背衬层30，保证声波的顺利。这种超声换能器可以成像也可以用于治疗。
2)多方向发射：可以在厚度方向、长宽方向发射，通过增加厚度和长宽方向增加匹配层(第一匹配层20以及第二匹配层)，和厚度方向增加背衬层30。这种超声换能器主要用于无具体单一方向测试需求，建议用于溶栓、声操控方面等需求多角度超声场合。
对于和厚度振型结合的轮廓振型，根据应用，可以分为轮廓振型厚度方向发射和厚度振型的厚度方向发射，主要应用于不同深度的成像，如骨表面和一定深度的松质骨，或者深度的组织和浅表的组织组合成像。
作为本实施例的一个具体应用实例，应用该超声换能器制作的超声探头长宽厚的尺寸分别为：0.6mm，2mm，1mm，其中压电层10长宽厚的尺寸分别为：0.6mm，2mm，0.25mm，背衬层30长宽厚的尺寸分别为：0.6mm，2mm，0.55mm。
图3为1-10MHz仿真的双频换能器导纳曲线，横坐标为频率，纵坐标为导纳的倒数，从图3中可以看出，A为轮廓振型的谐振频率，位于2.5MHz；B为厚度振型的谐振频率，位于8.5MHz；因此，通过外界通过合适的脉冲激励，例如窄脉冲激励，就可以实现轮廓振型和厚度振型的同时激励。
从图3中得出的结论为，超声换能器中压电层10的尺寸使得其能够激发出不同的振型，进而产生不同频率的超声波。即，在通过合适的压电层尺寸，在结合外界激励，就可以使得激发出的不同振型同时或分开工作。
本发明实施例还提供一种超声装置，包括上述所述的超声换能器。其中，关于超声换能器的详细结构细节，请参照上文所述，在此不再赘述。
本实施例中的超声装置可以是超声探头，超声探针，超声水听器，超声传感器等等，也可以应用于其他利用超声换能器进行检测或探测的超声装置。该超声装置只要是包括超声换能器，且应用本发明的技术方案(通过压电层的尺寸使得压电层10超声至少两种振型)，达到本发明目的的(在不增加超声换能器尺寸的前提下，使得超声换能器能够产生多种频率的超声波)，均属于本发明的保护范围。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种超声换能器，包括压电层，其特征在于，所述压电层的尺寸使得所述压电层产生至少两种振型；其中，所述振型与所述超声换能器所产生的超声波的频率一一对应，所述超声换能器产生两种频率，分别为第一频率和第二频率，其中，所述第一频率不小于所述第二频率，所述压电层的厚度使得所述压电层沿厚度方向产生伸缩振动，并对应于所述第一频率，所述压电层的长度与宽度的比值使得所述压电层沿所述长度和宽度方向同时产生伸缩振动，并对应于所述第二频率。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，采用如下公式表示所述厚度以及所述第一频率之间的关系：
fc＝f1×D；
其中，fc为所述沿厚度方向产生伸缩振动的频率常数；f1为所述第一频率；D为所述厚度。
3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述第一频率为5MHz至60MHz；所述厚度为0.03mm至0.4mm。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述长度与宽度的比值与所述第二频率成反比。
5.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，所述第二频率为0.1MHz至5MHz；所述长度为0.5mm至5mm；所述宽度为0.2mm至5mm；所述超声换能器还包括：沿所述压电层的厚度方向，层叠设置在所述压电层两侧的背衬层和第一匹配层。
6.根据权利要求5所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括绕设在所述压电层外周表面上的第二匹配层。
7.一种超声装置，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的超声换能器。
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