CN112403873B - 一种堆叠式超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种堆叠式超声换能器。所述堆叠式超声换能器包括由底向上依次设置的背衬层、低频压电层、绝缘层及组合层；组合层包括：低频匹配层、中频压电层、高频压电层及高频匹配层；绝缘层的上表面设置低频匹配层；由低频匹配层上表面向下刻蚀至绝缘层的上表面形成贯穿空腔；贯穿空腔内由底向上依次设置中频压电层、高频压电层及高频匹配层。该堆叠式超声换能器每个压电层均能被激励产生具有不同频率的超声波，将各个压电层产生的超声波进行空间叠加，从而产生单极超声脉冲，在改善成像质量的同时也减小了占地面积。
Description
技术领域
本发明涉及医学超声检测器械技术领域，特别是涉及一种堆叠式超声换能器。
背景技术
以压电材料为基础的超声换能器具有技术成熟、成本低和实时成像等许多优点，因此被广泛应用于医学超声检测领域。传统的基于PZT的单频率超声换能器一般能达到60％的-6dB相对带宽，其传输波形长度大致有2-3个周期。为了提高超声换能器的带宽和改善超声波形，基于压电复合材料的超声换能器被研制出来，其-6dB相对带宽接近于100％，传输波形的长度在2个周期以内，较大程度上提升了超声图像的质量。为了进一步提升超声图像的质量，许多其他类型的超声检测技术被开发，如光声成像技术、电容式微加工超声换能器技术等。新型的超声成像方式能获得更高的分辨率和更好的图像质量，但这些方式所需要的硬件设备较为昂贵，设备较为复杂，技术工艺还不成熟。
在基于空化的超声治疗中，2个周期以内的短的声脉冲可以产生较为精准的组织消融，超声长度越小越有利于精确的组织消融。传统的超声换能器所激励出来的传输超声波很难达到1-2个周期长度，即使能达到也一般用于检测不用于发射。
为了进一步减小基于PZT材料的换能器的传输超声长度，提高超声图像的质量，可以使用多频率合成技术来合成一个单极超声脉冲。最为典型的例子是使用多个单频率超声换能器在空间上排布为一个球形或者半球形，从而在球心处合成一个单极超声脉冲。这种方式能够合成波形极好的单极超声脉冲，但是多个单频率超声换能器整体的半径达到了分米级别，使得占地面积较大不利于实际应用。
因此，现有产生单极超声脉冲改善成像质量的方案存在占地面积大的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种堆叠式超声换能器，可使得各个压电层产生的超声波进行空间叠加产生单极超声脉冲以改善成像质量的同时减小占地面积。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种堆叠式超声换能器，包括由底向上依次设置的背衬层、低频压电层、绝缘层及组合层；所述组合层包括：低频匹配层、中频压电层、高频压电层及高频匹配层；
所述绝缘层的上表面设置所述低频匹配层；由所述低频匹配层上表面向下刻蚀至所述绝缘层的上表面形成贯穿空腔；所述贯穿空腔内由底向上依次设置所述中频压电层、所述高频压电层及所述高频匹配层；
所述低频压电层用于接收低频激励信号并产生低频超声波；所述中频压电层用于接收中频激励信号并产生中频超声波；所述高频压电层用于接收高频激励信号并产生高频超声波；
所述低频匹配层用于加强所述低频超声波的前向波；所述高频匹配层用于加强所述高频超声波的前向波；所述高层匹配层和所述高频压电层构成中频匹配层，所述中频匹配层用于加强所述中频超声波的前向波；所述前向波为由所述背衬层向所述高频匹配层传输的超声波；
所述背衬层用于衰减所述低频超声波的背向波、所述中频超声波的背向波以及所述高频超声波的背向波；所述背向波为所述前向波的反方向波；
所述低频超声波的前向波、所述中频超声波的前向波和所述高频超声波的前向波叠加形成单极超声波。
可选的，所述低频压电层、所述中频压电层和所述高频压电层的声阻抗相同。
可选的，所述背衬层的声阻抗与所述低频压电层的声阻抗的比例范围是0.6:1-1.2:1。
可选的，所述绝缘层的声阻抗为所述低频压电层的声阻抗的0.1-1.5倍。
可选的，所述绝缘层的厚度为所述高频超声波的波长的0.01-3倍。
可选的，所述低频压电层的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料；所述中频压电层的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料；所述高频压电层的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料。
可选的，所述低频超声波的中心频率为1MHz-10MHz；所述中频超声波的中心频率为2MHz-40MHz，所述中频超声波的中心频率是所述低频超声波的中心频率的2-4倍；所述高频超声波的中心频率为4MHz-100MHz，所述高频超声波的中心频率是所述中频超声波的中心频率的2-4倍。
可选的，所述低频匹配层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构；所述高频匹配层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。
可选的，所述低频匹配层的厚度为低频匹配超声波波长的0.1-0.5倍；所述低频匹配超声波为所述低频超声波传输到所述低频匹配层时的超声波；
所述高频匹配层的厚度为高频匹配超声波波长的0.1-0.5倍；所述高频匹配超声波为所述高频超声波传输到所述高频匹配层时的超声波。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种堆叠式超声换能器，包括由底向上依次设置的背衬层、低频压电层、绝缘层及组合层；组合层包括：低频匹配层、中频压电层、高频压电层及高频匹配层；绝缘层的上表面设置低频匹配层；由低频匹配层上表面向下刻蚀至绝缘层的上表面形成贯穿空腔；贯穿空腔内由底向上依次设置中频压电层、高频压电层及高频匹配层。该堆叠式超声换能器每个压电层均能被激励产生具有不同频率的超声波，将各个压电层产生的超声波进行空间叠加，从而产生单极超声脉冲以改善成像质量的同时也减小了占地面积。
附图说明
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的堆叠式超声换能器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于堆叠式超声换能器产生短周期单极脉冲的装置示意图；
图3为本发明实施例提供的低频压电层在1MHz时所激发出来的低频超声波波形示意图；
图4为本发明实施例提供的中频压电层在3MHz时所激发出来的中频超声波波形示意图；
图5为本发明实施例提供的高频压电层在6MHz时所激发出来的高频超声波波形示意图；
图6为本发明实施例提供的堆叠式超声换能器所激发出来的单极超声波波形示意图。
符号说明：1-背衬层，2-低频压电层，3-绝缘层，4-中频压电层，5-高频压电层，6-低频匹配层，7-高频匹配层，8-堆叠式超声换能器，9-水听器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种堆叠式超声换能器，旨在产生短周期的单极超声脉冲以改善成像效果的同时可以减小占地面积，可应用于医学超声检测器械技术领域。本发明公开的堆叠式超声换能器，每个压电层均能被激励产生具有不同频率的超声波，将各个压电层产生的超声波进行空间叠加，从而产生单极超声脉冲以改善成像效果，同时也减小了占地面积。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的堆叠式超声换能器的结构示意图。如图1所示，本实施例中的堆叠式超声换能器，包括由底向上依次设置的背衬层1、低频压电层2、绝缘层3及组合层；所述组合层包括：低频匹配层6、中频压电层4、高频压电层5及高频匹配层7。
所述绝缘层3的上表面设置所述低频匹配层6；由所述低频匹配层6上表面向下刻蚀至所述绝缘层3的上表面形成贯穿空腔；所述贯穿空腔内由底向上依次设置所述中频压电层4、所述高频压电层5及所述高频匹配层7。
所述低频压电层2用于接收低频激励信号并产生低频超声波；所述中频压电层4用于接收中频激励信号并产生中频超声波；所述高频压电层5用于接收高频激励信号并产生高频超声波。
所述低频匹配层6用于加强所述低频超声波的前向波，提升所述低频超声波的穿透效率和相对带宽；所述高频匹配层7，用于加强所述高频超声波的前向波，提升所述高频超声波的穿透效率和相对带宽；所述高层匹配层和所述高频压电层5构成中频匹配层，所述中频匹配层用于加强所述中频超声波的前向波，提升所述中频超声波的穿透效率和相对带宽；所述前向波为由背衬层1向高频匹配层7方向传输的超声波。
所述背衬层1用于衰减所述低频超声波的背向波、所述中频超声波的背向波以及所述高频超声波的背向波；所述背向波为所述前向波的反方向波。
所述绝缘层3，采用高耐压材料，用于隔离低频压电层2和中频压电层4之间的电接触，降低电干扰。
所述低频超声波的前向波、所述中频超声波的前向波和所述高频超声波的前向波叠加形成单极超声波。
可选的，所述低频压电层2、所述中频压电层4和所述高频压电层5的声阻抗相同。
可选的，所述背衬层1的声阻抗与所述低频压电层2的声阻抗的比例范围是0.6:1-1.2:1，比例越接近1越好；所述背衬层1的厚度根据材料的声衰减系数、超声波频率和具体的应用场景进行选择。
可选的，所述绝缘层3的声阻抗为所述低频压电层2的声阻抗的0.1-1.5倍。
可选的，所述绝缘层3的厚度为所述高频超声波的波长的0.01-3倍，所述厚度越小，选择的材料的声阻抗与所述低频压电层2的声阻抗相差越大。
可选的，所述低频压电层2的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料；所述中频压电层4的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料；所述高频压电层5的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料。
可选的，所述低频超声波的中心频率为1MHz-10MHz；所述中频超声波的中心频率为2MHz-40MHz，所述中频超声波的中心频率是所述低频超声波的中心频率的2-4倍；所述高频超声波的中心频率为4MHz-100MHz，所述高频超声波的中心频率是所述中频超声波的中心频率的2-4倍。
可选的，所述低频匹配层6为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构；所述高频匹配层7为使用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。
可选的，所述低频匹配层6的厚度为低频匹配超声波波长的0.1-0.5倍；所述低频匹配超声波为所述低频超声波传输到所述低频匹配层6时的超声波；所述高频匹配层7的厚度为高频匹配超声波波长的0.1-0.5倍；所述高频匹配超声波为所述高频超声波传输到所述高频匹配层7时的超声波。可选的，所述低频压电层2、所述中频压电层4、所述高频压电层5、所述低频匹配层6、所述高频匹配层7、所述绝缘层3及所述背衬层1宽度一致；所述高频压电层5和所述中频压电层4的长度比分为是1:1-1:2，所述中频压电层4和所述低频压电层2的长度比范围是1:1.2-1:3。
图2为本发明实施例基于堆叠式超声换能器产生短周期单极脉冲的装置示意图。如图2所示，本实施例中的基于堆叠式超声换能器产生短周期单极脉冲的装置包括依次连接的多路信号发生器、堆叠式超声换能器8、水听器9、信号采集器及信号处理单元。使用该装置产生单极超声波的步骤如下：
(1)多路信号发生器产生低频激励信号，低频激励信号为单周期1MHz的正弦波，burst周期设置为1kHz。
(2)用低频激励信号激励中心频率为1MHz的低频压电层2，如图3所示，低频压电层2产生低频超声波。
(3)水听器9接收低频超声波。
(4)信号采集器采集水听器9接收到的信号。
(5)信号处理单元显示信号采集器采集的信号的波形形状和出现峰值的时间。
(6)多路信号发生器产生中频激励信号，中频激励信号为单周期3MHz的正弦波，burst周期设置为1kHz。
(7)用中频激励信号激励中心频率为3MHz的中频压电层4，如图4所示，中频压电层4产生中频超声波。
(8)水听器9接收中频超声波。
(9)重复步骤(4)-(5)。
(10)多路信号发生器产生高频激励信号，高频激励信号为单周期6MHz的正弦波，burst周期设置为1kHz。
(11)用高频激励信号激励中心频率为6MHz的高频压电层4，如图5所示，高频压电层4产生高频超声波。
(12)水听器9接收高频超声波。
(13)重复步骤(4)-(5)。
(14)根据三个不同频率的信号出现峰值的时间，计算时间差，并调试好多路信号发生器所激励的电压比例。
(15)根据时间差，低频激励信号激励低频压电层2产生低频超声波，低频超声波的前向波到达中频压电层4的上表面时，中频激励信号激励中频压电层4产生中频超声波，根据波的叠加原理，低频超声波2的前向波和中频超声波4的前向波合成第一超声波；第一超声波到达高频压电层5的上表面时，高频激励信号激励高频压电层5产生高频超声波，根据波的叠加原理，第一超声波和高频超声波的前向波合成单极超声波，各个超声波的背向波在背衬层1处被衰减至零。其中前向波为由背衬层向高频匹配层方向传输的超声波，背向波为与前向波方向相反的超声波。
(16)水听器接收并记录单极超声波。
(17)信号处理单元对单极超声波进行处理从而成像并计算带宽，处理手段包括但不限于滤波、傅里叶变换和各种前沿算法，单极超声波的波形图如图6所示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种堆叠式超声换能器，其特征在于，包括由底向上依次设置的背衬层、低频压电层、绝缘层及组合层；所述组合层包括：低频匹配层、中频压电层、高频压电层及高频匹配层；
所述绝缘层的上表面设置所述低频匹配层；由所述低频匹配层上表面向下刻蚀至所述绝缘层的上表面形成贯穿空腔；所述贯穿空腔内由底向上依次设置所述中频压电层、所述高频压电层及所述高频匹配层；
所述低频压电层用于接收低频激励信号并产生低频超声波；所述中频压电层用于接收中频激励信号并产生中频超声波；所述高频压电层用于接收高频激励信号并产生高频超声波；
所述低频匹配层用于加强所述低频超声波的前向波；所述高频匹配层用于加强所述高频超声波的前向波；所述高频 匹配层和所述高频压电层构成中频匹配层，所述中频匹配层用于加强所述中频超声波的前向波；所述前向波为由所述背衬层向所述高频匹配层传输的超声波；
所述背衬层用于衰减所述低频超声波的背向波、所述中频压电层的背向波以及所述高频超声波的背向波；所述背向波为所述前向波的反方向波；
所述低频超声波的前向波、所述中频超声波的前向波和所述高频超声波的前向波叠加形成单极超声波。
2.根据权利要求1所述的堆叠式超声换能器，其特征在于，所述低频压电层、所述中频压电层和所述高频压电层的声阻抗相同。
3.根据权利要求1所述的堆叠式超声换能器，其特征在于，所述背衬层的声阻抗与所述低频压电层的声阻抗的比例范围是0.6:1-1.2:1。
4.根据权利要求1所述的堆叠式超声换能器，其特征在于，所述绝缘层的声阻抗为所述低频压电层的声阻抗的0.1-1.5倍。
5.根据权利要求1所述的堆叠式超声换能器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为所述高频超声波的波长的0.01-0.1倍。
6.根据权利要求1所述的堆叠式超声换能器，其特征在于，所述低频压电层的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料；所述中频压电层的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料；所述高频压电层的材料为压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料。
7.根据权利要求1所述的堆叠式超声换能器，其特征在于，所述低频超声波的中心频率为1MHz-10MHz；所述中频超声波的中心频率为2MHz-40MHz，所述中频超声波的中心频率是所述低频超声波的中心频率的2-4倍；所述高频超声波的中心频率为4MHz-100MHz，所述高频超声波的中心频率是所述中频超声波的中心频率的2-4倍。
8.根据权利要求1所述的堆叠式超声换能器，其特征在于，所述低频匹配层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构；所述高频匹配层为采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。
9.根据权利要求1所述的堆叠式超声换能器，其特征在于，所述低频匹配层的厚度为低频匹配超声波波长的0.1-0.5倍；所述低频匹配超声波为所述低频超声波传输到所述低频匹配层时的超声波；
所述高频匹配层的厚度为高频匹配超声波波长的0.1-0.5倍；所述高频匹配超声波为所述高频超声波传输到所述高频匹配层时的超声波。
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