CN111013994A - 一种接触式聚焦型医用压电超声换能器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种接触式聚焦型医用压电超声换能器，其特征在于，包括：壳体、第二匹配层、以及从上至下依次设于所述壳体内的背衬块、压电层、第一匹配层；第一匹配层为镁合金层，第二匹配层为环氧树脂的凹形声透镜，第一匹配层与所述第二匹配层的厚度均为换能器工作波长的四分之一；第二匹配层的上表面和第一匹配层的下表面连接，第一匹配层的上表面和压电层的下表面连接，压电层的上表面与背衬块的下表面连接。所制得的5MHz～10MHz聚焦型超声换能器的带宽范围为60％～75％，灵敏度范围为‑10.5dB～‑12.2dB，同时具有较大的带宽和较高的灵敏度，提升了超声图像的分辨率，减少图像失真。
Description
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，尤其涉及一种接触式聚焦型医用压电超声换能器及制备方法。
背景技术
在医学成像领域，超声已经成为应用最多的医疗诊断成像手段之一，仅次于传统的X射线。超声换能器的性能和品质直接影响整机的性能，为了能够在短脉冲激励下获得清晰且具有一定深度的超声图像，换能器必须具有较宽的频带宽度和较大的灵敏度，这对换能器具有严格的设计要求，因此超声换能器的性能和品质十分重要。
现有技术中，传统换能器匹配层的声阻抗只能在2-7MRayl之间调节，与理论值9.3Mrayl仍存在差距，导致换能器的带宽和灵敏度达不到最佳的水平。另一方面，传统换能器制造过程不稳定，对最终产品性能难以有效的控制，对传统换能器批量生产造成不便。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种接触式聚焦型医用压电超声换能器及制备方法，以提高超声图像识别分辨率，减少图像失真的声匹配效果。
为实现上述功能，本发明的技术方案为：
一种接触式聚焦型医用压电超声换能器，包括：壳体、第二匹配层、以及从上至下依次设于壳体内的背衬块、压电层、第一匹配层；
第一匹配层为镁合金层，第二匹配层为环氧树脂的凹形声透镜，第一匹配层与第二匹配层的厚度均为换能器工作波长的四分之一，压电层的上表面和下表面设有电极，背衬块固定于压电层的上表面，第一匹配层固定于压电层的下表面并与其电连接，第一匹配层还与壳体电连接，第二匹配层固定于第一匹配层的下表面。
其中，第一匹配层的镁铝合金为AZ31B镁合金或GW83镁合金或ZK60镁合金，第二匹配层的材料为Epo-Tek 301树脂。背衬块的材料为树脂:钨粉:玻璃球＝1:4:0.5的配比材料，背衬块材料的声阻抗为9.12Mrayl。压电层为PZT-5h陶瓷，PZT-5h陶瓷Nt为2MHz·mm。
一种接触式聚焦型医用压电超声换能器制备方法，包括以下步骤：
S1：采用压电陶瓷作为压电层，并通过被银处理在压电层的上下表面形成电极；
S2：采用镁合金作为第一匹配层，并将第一匹配层的上表面固定于压电层的下表面；
S3：按背衬块的配比材料进行配置和搅拌，待固化后，将固化后的背衬块切割成所需大小并固定于在压电层的上表面，其中，背衬块的配比材料为树脂:钨粉:玻璃球＝1:4:0.5的配比材料；
S4：将固定在一起的背衬块、压电层和第一匹配层放入壳体中并设置引线；
S5：在壳体中灌入环氧树脂进行封装固定，同时，通过银浆将第一匹配层与壳体连接；
S6：在第一匹配层的下表面通过环氧树脂形成凹形声透镜，凹形声透镜为第二匹配层。
其中，压电陶瓷为PZT-5h陶瓷，步骤S1中被银处理过程包括以下步骤：
A1：对PZT-5h陶瓷进行超声波清洗；
A2：在清洗后的PZT-5h陶瓷的上下表面均匀涂覆银浆；
A3：对涂覆银浆后的PZT-5h陶瓷进行烘干及烧结，烧结的温度为550℃，烧结的时间为5h。
进一步优选地，步骤S6具体包括以下步骤：
S61：在壳体靠近第一匹配层的一端套上外筒，并在外筒内灌入环氧树脂；
S62：灌入环氧树脂后，并在外筒内放置一喷涂有脱模剂、半径为凹形声透镜的预设曲率半径的钢球；
S63：待环氧树脂固化后，剥离外筒和钢球，形成凹形声透镜。
其中，第一匹配层的镁铝合金为AZ31B镁合金或GW83镁合金或ZK60镁合金，第二匹配层的材料为Epo-Tek 301树脂。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明中的第一匹配层采用镁合金，厚度为波长的四分之一，接近KLM理论对双层声学中对第一匹配层的阻抗要求，同时有着声衰减系数小，声速大的优势；
其次，把第二层匹配层制作成凹形透声镜，进一步提高了超声图像的分辨率，利用声透镜对超声波进行聚焦，使得超声波在焦点处声能达到极大值，换能器横向分辨率有显著提升，从而提升超声成像的图片质量；
此外，本发明的背衬块采用树脂:钨粉:玻璃球＝1:4:0.5的配比，具有良好的振动特性，也能提高换能器分辨率。
附图说明
图1为本发明的具体结构示意图；
图2为本发明的5MHz聚焦型(左)换能器和平面型(右)换能器声场模拟结果图；
图3为本发明的5MHz聚焦型换能器和平面型换能器轴线声场分布对比图；
图4为本发明的5MHz聚焦型换能器和平面型换能器焦点处横向声压声场分布对比曲线图；
图5为本发明的AZ31B镁合金作第一层匹配层的5MHz的聚焦换能器的阻抗测试结果图；
图6为本发明的AZ31B镁合金作第一层匹配层的5MHz的聚焦换能器的带宽测试结果图；
图7为本发明的AZ31B镁合金作第一层匹配层的5MHz的聚焦换能器的灵敏度测试结果。
附图标记说明：
1：第一匹配层；2：第二匹配层；3：压电层；4：电极；5：背衬块；6：填充物；7：壳体；8：同轴线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种接触式聚焦型医用压电超声换能器及制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
实施例1
参看图1，一种接触式聚焦型医用压电超声换能器，包括：壳体7、第二匹配层2、以及从上至下依次设于壳体7内的背衬块5、压电层3、第一匹配层1；
第一匹配层1为镁合金层，第二匹配层2为环氧树脂的凹形声透镜，第一匹配层1与第二匹配层2的厚度均为换能器工作波长的四分之一，压电层3的上表面和下表面设有电极4，背衬块5固定于压电层3的上表面，第一匹配层1固定于压电层3的下表面并与其电连接，第一匹配层1还与壳体7电连接，第二匹配层2固定于第一匹配层1的下表面。
其中，第一匹配层1的镁铝合金为AZ31B镁合金或GW83镁合金或ZK60镁合金，第二匹配层2的材料为Epo-Tek 301树脂。
现对本实施例进行详细说明：
参看图1，在本实施例中，采用KLM传输线模型，采用双匹配层，经计算第一匹配层1的声阻抗最佳为9.3MRayl，因此选择镁合金作为第一匹配层1的材料；第二层匹配层声阻抗最佳为2.3MRayl，因此选择Epo-Tek 301树脂作为第二匹配层2的材料。
参看图2、图3和图4，通过采用Comsol模拟了平面型和聚焦型超声换能器的声场，发现聚焦型换能器较平面型换能器焦点位置发生前移，聚焦型换能器焦点处的声压更高，有利于实现更好的声波聚焦；聚焦型换能器较平面型换能器处声束宽度更小，即横向分辨率更高，因此第二匹配层2采用凹形声透镜；此外Epo-Tek 301树脂的使用可以防止镁合金被腐蚀。
其中，压电层3为PZT-5h陶瓷，PZT-5h陶瓷Nt为2MHz·mm。
参看图1，本实施例中，压电层3为PZT-5h陶瓷，PZT-5h陶瓷Nt为2MHz·mm，PZT-5h陶瓷的上表面和下表面均经被银处理设有电极4。本实施例采用的PZT陶瓷由于具有较高的居里点，在较大的温度范围内性能都比较稳定，成本低，同时具备较高的机电耦合系数和压电应变常数，其特性与本实施例相匹配。
参看图1，本实施例中，背衬块5材料选用树脂:钨粉:玻璃球＝1:4:0.5的配比，背衬块5材料的声阻抗为9.12Mrayl。
在本实施例中，超声换能器的曲率半径R和焦距f的计算公式如下：
c1为超声波在水中的声速，c2为超声波在第二匹配层2中的声速。
参看图5，需要对本实施例进行多个参数的测试：阻抗测试采用精密阻抗分析仪，测试得谐振频率fr，反谐振频率fa，根据公式
计算得有效机电耦合系数Keff；
参看图6，带宽测试中，本实施例受75MHz脉冲发射激励发出超声波，超声波经石英靶反射后被本实施例接收，反射的回波经接收器处理后被示波器记录，测试时换能器置于水浴中且石英靶材距离换能器的高度为焦距；
参看图7，灵敏度测试也采用上述带宽测试的方法，测试时本实施例置于水浴中,本实施例通过50Ω内阻的信号发生器所产生的20个正弦脉冲串激励，脉冲串的振幅为1V，频率为中心频率。示波器在1MΩ耦合模式下记录激励信号的大小Vi；信号经反射物返回后被本实施例转换成电信号由示波器记录为Vo。为得到更准确的插入损耗数值，在计算最终结果时，我们对信号在水中的衰减和在水与石英界面处的透射损耗进行补偿，本实施例的双向插入损耗公式为：
其中αquartz为声波在石英表面的透射损耗，具体数值为1.9dB，αwater为声波在水中衰减造成的信号损失，具体数值为2.2·10-4dB/mm·MHz2。d为换能器到石英表面的距离，单位为mm，fc为换能器的中心频率。
实施例2
参看图1，本实施例提供一种基于实施例1的接触式聚焦型医用压电超声换能器制备方法，包括以下步骤：
S1：采用压电陶瓷作为压电层3，并通过被银处理在压电层3的上下表面形成电极4；
S2：采用镁合金作为第一匹配层1，并将第一匹配层1的上表面固定于压电层3的下表面；
S3：按背衬块5的配比材料进行配置和搅拌，待固化后，将固化后的背衬块5切割成所需大小并固定于在压电层3的上表面，其中，背衬块5的配比材料为树脂:钨粉:玻璃球＝1:4:0.5的配比材料；
S4：将固定在一起的背衬块5、压电层3和第一匹配层1放入壳体7中并设置引线；
S5：在壳体7中灌入环氧树脂进行封装固定，同时，通过银浆将第一匹配层1与壳体7连接；
S6：在第一匹配层1的下表面通过环氧树脂形成凹形声透镜，凹形声透镜为第二匹配层2。
其中，压电陶瓷为PZT-5h陶瓷，步骤S1中被银处理过程包括以下步骤：
A1：对PZT-5h陶瓷进行超声波清洗；
A2：在清洗后的PZT-5h陶瓷的上下表面均匀涂覆银浆；
A3：对涂覆银浆后的PZT-5h陶瓷进行烘干及烧结，烧结的温度为550℃，烧结的时间为5h。
具体地，步骤S6具体包括以下步骤：
S61：在壳体7靠近第一匹配层1的一端套上外筒，并在外筒内灌入环氧树脂；
S62：灌入环氧树脂后，并在外筒内放置一喷涂有脱模剂、半径为凹形声透镜的预设曲率半径的钢球；
S63：待环氧树脂固化后，剥离外筒和钢球，形成凹形声透镜。
其中，第一匹配层1的镁铝合金为AZ31B镁合金或GW83镁合金或ZK60镁合金，第二匹配层2的材料为Epo-Tek 301树脂。
现对本实施例进行详细说明：
参看图1，在本实施例中，对压电层3进行被银处理，制作背衬块5，将第一匹配层1、压电层3和背衬块5相互粘贴放入壳体7内并引线，同轴线8中一根导线用银浆连接外壳接地，另一根导线与压电层3连接，灌入301树脂进行封装加固定，即填充物6，封装后用少量银浆将第一匹配层1与壳体7连接。接着，在金属壳上加外筒，灌入301树脂后，放置喷涂了脱模剂的半径为聚焦换能器曲率半径的钢球，待树脂固化后去除钢球即形成凹形层，即为第二匹配层2。
实施例3
参看图1，本实施例提供一种基于实施例1的以AZ31B镁合金作第一层匹配层的10MHz单振元聚焦超声换能器，该装置采用如实施例1中任意一项要求的结构。本实施例中，压电层3采用PZT-5h陶瓷，陶瓷片直径为2.3mm，厚度为0.2mm。其第一层匹配层镁合金AZ31B的直径为2.3mm，厚度为160μm，背衬块5尺寸为2.3*2.3mm2，厚度为2mm，第二层匹配层Epo-Tek301凹形声透镜的最薄处中心厚度为65μm。经计算得到，本实施例的曲率半径为3mm，焦距f的值为6.9mm。阻抗分析仪测试得谐振频率为9.23MHz，反谐振频率为11.52MHz，计算得有效机电耦合系数Keff为0.59。带宽测试时换能器置于水浴中且距离石英靶材6.9mm(焦距附近)左右，带宽测试得聚焦换能器中心频率为9.5MHz，带宽为60％。灵敏度测试中，脉冲串的振幅为1V，频率为中心频率9.5MHz，测试后得灵敏度为-10.5dB。
实施例4
参看图1，本实施例提供一种基于实施例1的以GW83镁合金作第一层匹配层的5MHz单振元聚焦超声换能器，该装置采用如实施例1中任意一项要求的结构。本实施例中所用的PZT-5h陶瓷，陶瓷片直径为4.6mm，厚度为0.4mm,第一层匹配层镁合金AZ31B的直径4.6mm,厚度为307μm,背衬块5尺寸为4.6*4.6mm2，厚度为4mm，第二层匹配层Epo-Tek 301凹形声透镜的最薄处中心厚度为130μm。经计算得到，本实施例的曲率半径为5mm，焦距f的值为11.5mm。阻抗分析仪测试得谐振频率为4.82MHz，反谐振频率为5.47MHz,计算得有效机电耦合系数Keff为0.47。带宽测试时换能器置于水浴中且距离石英靶材11mm(焦距附近)左右。带宽测试得聚焦换能器中心频率为4.6MHz，带宽为72％。灵敏度测试中，脉冲串的振幅为1V，频率为中心频率4.6MHz，测试后计算得灵敏度为-11.7dB。
实施例5
参看图1，本实施例提供一种基于实施例1的以ZK60镁合金作第一层匹配层的5MHz单振元聚焦超声换能器，该装置采用如实施例1中任意一项要求的结构。其中本发明中所用的PZT-5h陶瓷Nt为2MHz·mm，陶瓷片直径为4.6mm，厚度为0.4mm，第一层匹配层镁合金ZK60的直径4.6mm，厚度为311μm，背衬块5尺寸为4.6*4.6mm2，厚度为4mm，第二层匹配层Epo-Tek301凹形声透镜的最薄处中心厚度为130μm。经计算得到，本实施例的曲率半径为5mm，焦距f的值为11.5mm。阻抗分析仪测试得谐振频率为4.55MHz，反谐振频率为5.28MHz,计算得有效机电耦合系数Keff为0.51。带宽测试时换能器置于水浴中且距离石英靶材11mm(焦距附近)左右。带宽测试得聚焦换能器中心频率为4.8MHz，带宽为75％。灵敏度测试中，脉冲串的振幅为1V，频率为中心频率4.8MHz，测试后计算得灵敏度为-11.2dB。
综上所述，多个实施例中本发明中的第一匹配层1采用镁合金，接近KLM理论对双层声学中对第一匹配层1的阻抗要求，同时有着声衰减系数小，声速大的优势；经测试并计算，具有较大的带宽和较高的灵敏度，提升了超声图像的分辨率，减少图像失真；此外，把第二层匹配层制作成凹形透声镜，进一步提高了超声图像的分辨率，利用声透镜对超声波进行聚焦，使得超声波在焦点处声能达到极大值，换能器横向分辨率有显著提升，从而提升超声成像的图片质量；使用相匹配尺寸的钢球压制出第二匹配层2，方便快捷；其次，本发明的背衬块5采用树脂:钨粉:玻璃球＝1:4:0.5的配比，具有良好的振动特性，也能提高换能器分辨率；使用PZT-5h陶瓷作为压电层3，降低成本，具备较高的机电耦合系数和压电应变常数。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种接触式聚焦型医用压电超声换能器，其特征在于，包括：壳体、第二匹配层、以及从上至下依次设于所述壳体内的背衬块、压电层、第一匹配层；
所述第一匹配层为镁合金层，所述第二匹配层为环氧树脂的凹形声透镜，所述第一匹配层与所述第二匹配层的厚度均为换能器工作波长的四分之一，所述压电层的上表面和下表面设有电极，所述背衬块固定于所述压电层的上表面，所述第一匹配层固定于所述压电层的下表面并与其电连接，所述第一匹配层还与所述壳体电连接，所述第二匹配层固定于所述第一匹配层的下表面。
2.根据权利要求1所述的接触式聚焦型医用压电超声换能器，其特征在于，所述第一匹配层的镁铝合金为AZ31B镁合金或GW83镁合金或ZK60镁合金，所述第二匹配层的材料为Epo-Tek 301树脂。
3.根据权利要求2所述的接触式聚焦型医用压电超声换能器，其特征在于，所述背衬块的材料为树脂:钨粉:玻璃球＝1:4:0.5的配比材料，所述背衬块材料的声阻抗为9.12Mrayl。
4.根据权利要求3所述的接触式聚焦型医用压电超声换能器，其特征在于，所述压电层为PZT-5h陶瓷，所述PZT-5h陶瓷Nt为2MHz·mm。
5.一种接触式聚焦型医用压电超声换能器制备方法，包括以下步骤：
S1：采用压电陶瓷作为压电层，并通过被银处理在所述压电层的上下表面形成电极；
S2：采用镁合金作为第一匹配层，并将所述第一匹配层的上表面固定于所述压电层的下表面；
S3：按背衬块的配比材料进行配置和搅拌，待固化后，将固化后的所述背衬块切割成所需大小并固定于在所述压电层的上表面；
S4：将固定在一起的所述背衬块、所述压电层和所述第一匹配层放入所述壳体中并设置引线；
S5：在所述壳体中灌入环氧树脂进行封装固定，同时，通过银浆将所述第一匹配层与所述壳体连接；
S6：在所述第一匹配层的下表面通过环氧树脂形成凹形声透镜，所述凹形声透镜为第二匹配层。
6.根据权利要求5所述的接触式聚焦型医用压电超声换能器制备方法，其特征在于，所述压电陶瓷为PZT-5h陶瓷，所述步骤S1中被银处理过程包括以下步骤：
A1：对所述PZT-5h陶瓷进行超声波清洗；
A2：在清洗后的所述PZT-5h陶瓷的上下表面均匀涂覆银浆；
A3：对涂覆银浆后的所述PZT-5h陶瓷进行烘干及烧结。
7.根据权利要求6所述的接触式聚焦型医用压电超声换能器制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为550℃，所述烧结的时间为5h。
8.根据权利要求5所述的接触式聚焦型医用压电超声换能器制备方法，其特征在于，所述背衬块的配比材料为树脂:钨粉:玻璃球＝1:4:0.5的配比材料。
9.根据权利要求5所述的接触式聚焦型医用压电超声换能器制备方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：
S61：在所述壳体靠近所述第一匹配层的一端套上外筒，并在所述外筒内灌入环氧树脂；
S62：灌入环氧树脂后，并在外筒内放置一喷涂有脱模剂、半径为所述凹形声透镜的预设曲率半径的钢球；
S63：待环氧树脂固化后，剥离所述外筒和所述钢球，形成所述凹形声透镜。
10.根据权利要求5所述的接触式聚焦型医用压电超声换能器制备方法，其特征在于，所述第一匹配层的镁铝合金为AZ31B镁合金或GW83镁合金或ZK60镁合金，所述第二匹配层的材料为Epo-Tek 301树脂。
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