CN112958420B - 一种高带宽的超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声换能器的技术领域，更具体地，涉及一种高带宽的超声换能器及其制备方法，包括匹配层、背衬层、多个阵列排布的压电阵元、以及用于超声声束聚焦的声透镜，所述压电阵元设有第一电极面和呈平面设置的第二电极面，所述第二电极面为发射面、与极化方向垂直，所述第一电极面和第二电极面之间的间距规律变化，所述背衬层、压电阵元、匹配层、声透镜顺序设置，所述第一电极面贴于背衬层设置，所述第二电极面贴于匹配层设置。本发明的压电单元为变厚度结构，在施加激励电压后，压电阵元厚度不同的部分将以不同的频率振动，从而加宽超声换能器的带宽，提高超声换能器的成像质量和检测准确性，可应用于谐波成像。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器的技术领域，更具体地，涉及一种高带宽的超声换能器及其制备方法。
背景技术
谐波成像作为一种超声成像技术，可以获得人体较深部位的高分辨率图像，且可以有效避免基波成分在发射与传播过程中不可避免产生的各种伪像。相较于传统的消化道超声成型方式，超声谐波成像技术可以更加有效地检测胃肠道粘膜下肿瘤、胰腺癌等消化道疾病。然而，谐波成像由于整个系统工作在基波到谐波的一个很宽的频带范围中，要实现谐波成像必须使用宽频带的探头。因此，高带宽的环形超声换能器对消化道内窥镜的超声谐波成像技术的实现非常重要。为了提高超声换能器的带宽，通常在换能器的前表面加阻抗匹配层及在后表面加背衬吸声块，但由于有很大一部分声能穿入后背衬，导致超声换能器的灵敏度降低。
中国专利CN106859700A公开了一种超声环形阵列换能器，包括支撑圆筒、背衬材料层、压电层和匹配材料层，背衬材料层呈环形并且设于支撑圆筒的外侧面上，压电层设于背衬材料层的外侧，所述压电层由沿支撑圆筒周向排列成环形阵列的多个压电阵元组成，相邻两个压电阵元之间具有切缝；匹配材料层呈环形并且包覆在各压电阵元及切缝外侧；各压电阵元的内侧面均与背衬材料层的外侧面粘结，各压电阵元的外侧面均与匹配材料层的内侧面粘结。上述方案虽可降低环形阵列换能器的制作难度，但是其获得的频带范围较窄，限制了其在消化道内窥镜的超声谐波成像领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高带宽的超声换能器及其制备方法，可加宽超声换能器的带宽，可提高超声换能器的成像质量，适用于超声谐波成像。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种高带宽的超声换能器，包括匹配层、背衬层、多个阵列排布的压电阵元、以及用于超声声束聚焦的声透镜，所述压电阵元设有第一电极面和呈平面设置的第二电极面，所述第二电极面为发射面、与极化方向垂直，所述第一电极面和第二电极面之间的间距规律变化，所述背衬层、压电阵元、匹配层、声透镜顺序设置，所述第一电极面贴于背衬层设置，所述第二电极面贴于匹配层设置。
本发明的高带宽的超声换能器，压电阵元为变厚度结构，对压电阵元施加激励电压后，压电阵元厚度不同的部分将以不同的频率振动，压电阵元以较宽的频谱振动，从而加宽超声换能器的带宽，可提高超声换能器的成像质量，可用于超声谐波成像。由于压电阵子厚度的变化，谐振频率处阻抗值变小，利于提高超声换能器的灵敏度。匹配层用于与超声换能器前表面的声阻抗匹配，可提高超声换能器的带宽和灵敏度；背衬层吸收超声换能器向后发射的超声波，提高超声换能器带宽和纵向分辨率。变厚度的压电阵元会导致声束的偏转，从而导致成像时检测到的位置与实际位置不相符，形成检测误差，而声透镜可以改变声束，使超声波聚焦，可有效减小由压电阵元厚度非对称变化导致的检测误差。
进一步地，所述第一电极面为斜面，所述第一电极面和第二电极面之间的间距自压电阵元的一端向压电阵元的另一端逐渐均匀变化。
进一步地，所述第一电极面和第二电极面之间的间距自压电阵元中心向压电阵元两端对称变化。
进一步地，所述第一电极面为弧形凹面，所述第一电极面和第二电极面之间的间距自压电阵元中心向压电阵元两端对称均匀增加。
进一步地，所述背衬层、压电阵元、匹配层、声透镜自下而上设置，所述声透镜向上凸起设置，多个所述压电阵元线性阵列。
进一步地，所述背衬层、压电阵元、匹配层、声透镜自内向外同轴设置，所述声透镜向外凸起设置，多个所述压电阵元呈环形阵列。
进一步地，多个所述压电阵元呈360°圆环形阵列，所述第一电极面为弧形凹面，若干所述弧形凹面的中心线相交于一交点，所述交点位于圆环形的中心轴线。
进一步地，所述匹配层至少为两层，所述匹配层为柔性可弯曲结构。
本发明还提供了一种高带宽的超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
S10.将多个压电块阵列粘接于匹配层；
S20.在步骤S10后，打磨压电块远离匹配层的侧面，并重新附电极；
S30.在步骤S20后，沿压电块厚度变化方向进行切割获得压电阵元，压电块的打磨面为第一电极面，压电块与匹配层粘接的粘接面为第二电极面；
S40.在步骤S30后，引出压电阵元的信号线与地线，并弯曲匹配层和压电阵元成环形结构；
S50.在步骤S40后，对所述环形结构内侧浇筑背衬层，在所述环形结构外周设置声透镜。
本发明的高带宽的超声换能器的制备方法，将压电阵元先粘接于匹配层再将匹配层弯曲成环，可解决目前压电阵元无法弯曲成环及压电阵元难以粘接于成环匹配层的技术难点。
优选地，所述压电块制作材料选自1-3复合材料、2-2复合材料、PZT压电陶瓷中的一种或几种的组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的高带宽的超声换能器，压电阵元为变厚度结构，对压电阵元施加激励电压后，压电阵元厚度不同的部分将以不同的频率振动，从而加宽超声换能器的带宽，可提高超声换能器的成像质量，可用于超声谐波成像，且具有较好的检测准确性；
本发明的高带宽的超声换能器的制备方法，将压电阵元先粘接于匹配层再将匹配层弯曲成环，可解决目前压电阵元无法弯曲成环及压电阵元难以粘接于成环匹配层的技术难点。
附图说明
图1为高带宽的超声换能器的结构示意图；
图2为一种高带宽的超声换能器的局部结构示意图；
图3为另一种高带宽的超声换能器的局部结构示意图；
图4为另一种高带宽的超声换能器的结构示意图；
图5为一种压电阵元的结构示意图；
图6为另一种压电阵元的结构示意图；
图7为高带宽的超声换能器的制备方法的流程图；
附图中：1-匹配层；2-背衬层；3-压电阵元；31-第一电极面；32-第二电极面；4-声透镜。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1所示为本发明的高带宽的超声换能器的实施例，包括匹配层1、背衬层2、多个阵列排布的压电阵元3、以及用于超声声束聚焦的声透镜4，所述压电阵元3设有第一电极面31和呈平面设置的第二电极面32，所述第二电极面32为发射面、与极化方向垂直，所述第一电极面31和第二电极面32之间的间距规律变化，所述背衬层2、压电阵元3、匹配层1、声透镜4顺序设置，所述第一电极面31贴于背衬层2设置，所述第二电极面32贴于匹配层1设置。本实施例中，每个压电阵元3均设置有信号线用于信号传输。
本实施例实施时，压电阵元3为变厚度结构，对压电阵元3施加激励电压后，压电阵元3厚度不同的部分将以不同的频率振动，压电阵元3以较宽的频谱振动，从而加宽超声换能器的带宽，可提高超声换能器的成像质量，可用于超声谐波成像。由于压电阵子厚度的变化，谐振频率处阻抗值变小，利于提高超声换能器的灵敏度。
匹配层1用于与超声换能器前表面的声阻抗匹配，可提高超声换能器的带宽和灵敏度；背衬层2吸收超声换能器向后发射的超声波，提高超声换能器带宽和纵向分辨率。本实施例中，匹配层1的厚度由压电阵元3的中心频率决定，匹配层1的厚度也可随着压电阵元3厚度的变化而发生相应的改变。
变厚度的压电阵元3会导致声束的偏转，从而导致成像时检测到的位置与实际位置不相符，形成检测误差，而声透镜4可以改变声束，使超声波聚焦，可有效减小由压电阵元3厚度非对称变化导致的检测误差。
在其中一个实施例中，所述第一电极面31为斜面，所述第一电极面31和第二电极面32之间的间距自压电阵元3的一端向压电阵元3的另一端逐渐均匀变化，如图5所示。对压电阵元3施加激励电压后，压电阵元3厚度不同的部分将以不同的频率振动，压电阵元3以较宽的频谱振动，从而可加宽超声换能器的带宽，提高超声换能器的成像质量，可适用于超声谐波成像。具体地，本实施例中第一电极面31和第二电极面32之间的间距可自一端向另一端逐渐均匀增加或逐渐均匀减小。需要说明的是，第一电极面31和第二电极面32之间的间距除线性均匀变化外，也可设置为厚度非线性均匀变化。
在另外一个实施例中，所述第一电极面31和第二电极面32之间的间距自压电阵元3中心向压电阵元3两端对称变化。如此厚度变化的压电阵元3，压电阵元3的中部厚度最小且压电阵元3的厚度自中部向两端逐渐均匀增加，压电阵元3厚度不同的部分以不同的频率振动，从而可加宽超声换能器的带宽。
在其中一个实施例中，所述第一电极面31为弧形凹面，所述第一电极面31和第二电极面32之间的间距自压电阵元3中心向压电阵元3两端对称均匀增加，如图6所示。将第一电极面31设置为弧形凹面便于第一电极面31的加工，但第一电极面31的形状并不作为本发明的限制性规定。
在其中一个实施例中，所述背衬层2、压电阵元3、匹配层1、声透镜4自下而上设置，所述声透镜4向上凸起设置，多个所述压电阵元3线性阵列，如图4所示。如此排列得到的超声换能器为方体结构。需要说明的是，压电阵元3的阵列排列方式并不限于线性阵列，阵列方式可根据使用场景的不同而做出适应性改变。
在另外一个实施例中，所述背衬层2、压电阵元3、匹配层1、声透镜4自内向外同轴设置，所述声透镜4向外凸起设置，多个所述压电阵元3呈环形阵列，如图1至图3所示。如此排列得到的超声换能器为环形结构。需要说明的是，压电阵元3的阵列排列方式并不限于环形阵列，阵列方式可根据不同的使用场景的不同而做出适应性改变。
在其中一个实施例中，多个所述压电阵元3呈360°圆环形阵列，所述第一电极面31为弧形凹面，若干所述弧形凹面的中心线相交于一交点，所述交点位于圆环形的中心轴线。如此排列得到的超声换能器为圆环形结构。需要说明的是，压电阵元3的阵列排列方式并不限于圆环形阵列，阵列方式可根据不同的使用场景的不同而做出适应性改变。本实施例的圆环形结构的超声换能器，上下两端为平面结构、侧面为声透镜层，整体呈鼓状结构，在用于消化道成像时，本实施例可对消化道进行全方位成像，可有效保证成像质量和检测准确性。
在其中一个实施例中，所述匹配层1至少为两层，所述匹配层1为柔性可弯曲结构。设置两层匹配层1可更大程度地提高超声换能器的带宽，设置匹配层1为柔性可弯曲结构便于超声换能器的制作及多层匹配层1的成型。匹配层1为柔性可弯曲结构易于制备得到圆环形阵列的超声换能器，可应用于消化道的食管、十二指肠的成像，由于压电阵元3的发射面为平面，保证每个压电阵元3的发射面与反射面平行，从而保证反射回来的声波到达超声换能器表面的时间一致，不对压电阵元3的振动时长产生影响。将压电阵元3的发射面设置为平面也利于圆环形超声换能器的制备。本实施例中的匹配层1可设置为两层，节约超声换能器的制作成本的同时、提高超声换能器的带宽。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
实施例二
如图7所示为高带宽的超声换能器的制备方法的实施例，包括以下步骤：
S10.将多个压电块阵列粘接于匹配层1，匹配层1为柔性可弯曲结构；
S20.在步骤S10后，打磨压电块远离匹配层1的侧面，并重新附电极；
S30.在步骤S20后，沿压电块厚度变化方向进行切割获得压电阵元3，压电块的打磨面为第一电极面31，压电块与匹配层1粘接的粘接面为第二电极面32；
S40.在步骤S30后，引出压电阵元3的信号线与地线，并弯曲匹配层1和压电阵元3成环形结构；
S50.在步骤S40后，对所述环形结构内侧浇筑背衬层2，在所述环形结构外周设置声透镜4。
其中，所述压电块制作材料选自1-3复合材料、2-2复合材料、PZT压电陶瓷中的一种或几种的组合。当然，本实施例的压电块材料并不限于上述列举的材料种类，其他类型的压电材料也可适用于本发明。
经过上述步骤，压电阵元3的第二电极面32为平面，第二电极面32可方便地在匹配层1进行粘接，匹配层1也可很好地弯曲环绕，从而方便地制备得到环形变厚度的超声内窥镜，从而解决目前压电阵元3无法弯曲成环及压电阵元3难以粘接于成环匹配层1的技术难点。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高带宽的超声换能器，其特征在于，包括匹配层(1)、背衬层(2)、多个阵列排布的压电阵元(3)、以及用于超声声束聚焦的声透镜(4)，所述压电阵元(3)设有第一电极面(31)和呈平面设置的第二电极面(32)，所述第二电极面(32)为发射面、与极化方向垂直，所述第一电极面(31)和第二电极面(32)之间的间距规律变化，所述背衬层(2)、压电阵元(3)、匹配层(1)、声透镜(4)顺序设置，所述第一电极面(31)贴于背衬层(2)设置，所述第二电极面(32)贴于匹配层(1)设置，所述第一电极面(31)为斜面，所述第一电极面(31)和第二电极面(32)之间的间距自压电阵元(3)的一端向压电阵元(3)的另一端逐渐均匀变化，所述背衬层(2)、压电阵元(3)、匹配层(1)、声透镜(4)自内向外同轴设置，所述声透镜(4)向外凸起设置，多个所述压电阵元(3)呈环形阵列，多个所述压电阵元(3)呈360°圆环形阵列，所述第一电极面(31)为弧形凹面，若干所述弧形凹面的中心线相交于一交点，所述交点位于圆环形的中心轴线，所述匹配层(1)至少为两层，所述匹配层(1)为柔性可弯曲结构，所述匹配层(1)的厚度可随着压电阵元3厚度的变化而改变。
2.根据权利要求1所述的高带宽的超声换能器，其特征在于，所述第一电极面(31)和第二电极面(32)之间的间距自压电阵元(3)中心向压电阵元(3)两端对称变化。
3.根据权利要求2所述的高带宽的超声换能器，其特征在于，所述第一电极面(31)为弧形凹面，所述第一电极面(31)和第二电极面(32)之间的间距自压电阵元(3)中心向压电阵元(3)两端对称均匀增加。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高带宽的超声换能器，其特征在于，所述背衬层(2)、压电阵元(3)、匹配层(1)、声透镜(4)自下而上设置，所述声透镜(4)向上凸起设置，多个所述压电阵元(3)线性阵列。
5.一种高带宽的超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.将多个压电块阵列粘接于匹配层(1)；
S20.在步骤S10后，打磨压电块远离匹配层(1)的侧面，并重新附电极；
S30.在步骤S20后，沿压电块厚度变化方向进行切割获得压电阵元(3)，压电块的打磨面为第一电极面(31)，压电块与匹配层(1)粘接的粘接面为第二电极面(32)；
S40.在步骤S30后，引出压电阵元(3)的信号线与地线，并弯曲匹配层(1)和压电阵元(3)成环形结构；
S50.在步骤S40后，对所述环形结构内侧浇筑背衬层(2)，在所述环形结构外周设置声透镜(4)。
6.根据权利要求5所述的高带宽的超声换能器的制备方法，其特征在于，所述压电块制作材料选自1-3复合材料、2-2复合材料、PZT压电陶瓷中的一种或几种的组合。
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