CN113812973A - 一种基于热敏背衬的微型超声换能器 - Google Patents

一种基于热敏背衬的微型超声换能器 Download PDF

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Abstract

一种基于热敏背衬的微型超声换能器,包括依次设于热敏背衬层上的有源元件层、匹配层和透声层;有源元件层用于发射和接收超声信号;热敏背衬层用于作为热敏电阻吸收有源元件层背面的超声信号;透声层用于聚焦超声信号;匹配层用于有源元件层和透声层之间的声阻抗匹配。其以热敏背衬取代额外的热敏电阻,并具有较高的声衰减能力,满足换能器的吸声要求;在正常使用温度范围内其电阻率随温度近似线性变化,满足作为热敏材料使用需求,通过测量背衬层的电阻率即可推算出换能器的温度,推算结果精度高,且减小了换能器头部占用空间,更利于微型化设计。其制备工艺简单,声阻抗、声衰减以及热敏系数可控,成本低,具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种基于热敏背衬的微型超声换能器
技术领域
本发明涉及一种超声换能器,具体涉及一种基于热敏背衬的微型超声换能器。
背景技术
物超声换能器发出的超声波进入人体组织后,在人体不同声特性阻抗的分界处形成反射回声,从而可以对人体内部组织器官成像,这就是医学超声换能器应用的原理。
超声换能器过长时间工作或者置于阻抗失配的环境中,会导致温度升高。温升会导致超声换能器参数变化,逐渐偏移最佳匹配状态,更严重的是温升会导致压电陶瓷晶片性能的劣化。同时,温升过高会对人体组织造成伤害。
常规换能器温度监测方法是在换能器周围放置若干个温度传感器。而对于微型化的超声换能器(如IVUS、ICE超声换能器),每增加一个元器件意味着整体体积的增加,不利于换能器的微型化设计。
发明内容
为解决现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于热敏背衬的微型超声换能器。
为了实现上述目标,本发明采用如下的技术方案:
一种基于热敏背衬的微型超声换能器,包括依次设于热敏背衬层上的有源元件层、匹配层和透声层;
所述有源元件层,用于发射和接收超声信号;
所述热敏背衬层,用于作为热敏电阻吸收有源元件层背面的超声信号;
所述透声层,用于聚焦超声信号;
所述匹配层,用于有源元件层和透声层之间的声阻抗匹配。
上述热敏背衬层,按质量份,组分包括环氧树脂30-50份、固化剂10-20份、导电粉料10-30份、添加剂20-30份、空心微球5-15份。
进一步的,上述导电粉料包括石墨粉、银粉、TiNC、AgCu、纳米V2O5、碳纤维中的至少一种。
进一步的,上述热敏背衬层的制备,包括以下步骤:
A1、按质量份,混合环氧树脂、导电粉料和添加剂,搅拌;
A2、加入空心微球、固化剂,混合均匀后抽真空,制得胶料;
A3、将胶料注塑成型,固化,去除应力后,制得热敏背衬层。
更进一步的,上述步骤A1中的搅拌时间为10-20min,搅拌温度为60-80℃;
步骤A2中的抽真空为在真空室中抽真空10-20min;
步骤A3中的固化为在室温下固化10-15h后,在70-120℃下固化1-5h;去除应力为室温下静置24h以上。
上述热敏背衬层的厚度为0.2-1mm,长为5-10mm,宽为1-3mm。
上述匹配层由环氧树脂和氧化铝粉的混合制得。
上述匹配层为n(n≧1)层,各匹配层的厚度为层内超声波长的1/4。
上述的超声换能器,制作包括以下步骤:
B1、制备热敏背衬层、匹配层;
B2、将匹配层粘于有源元件层的顶面;
B3、于有源元件层的底面粘结热敏背衬层;
B4、从匹配层切割有源元件层呈m个阵元后,用环氧胶填缝;
B5、将透声层粘结在填缝后的匹配层顶面;
B6、将电极粘于热敏背衬层的两侧后,制得超声换能器。
上述有源元件层和热敏背衬层之间还粘有匹配层。
本发明的有益之处在于:
本发明的一种基于热敏背衬的微型超声换能器,以热敏背衬取代了额外的热敏电阻,热敏背衬具有较高的声衰减能力,满足换能器的吸声要求;在正常使用温度范围内其电阻率随温度近似线性变化,满足作为热敏材料使用需求,通过测量背衬层的电阻率即可推算出换能器的温度,推算结果精度高,简便便捷。且,以热敏背衬取代额外的热敏电阻,还减小了换能器头部占用空间,更利于产品的微型化设计。
本发明的一种基于热敏背衬的微型超声换能器,其制备工艺简单,声阻抗、声衰减以及热敏系数可控,制备成本低,可用于连续生产,具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为基于热敏背衬的微型超声换能器的结构示意图。
图2为热敏背衬层的电阻率-温度变化曲线图。
附图中标记的含义如下:1、透声层,2、匹配层,3、有源元件层,4、热敏背衬层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种基于热敏背衬的微型超声换能器,由依次粘设于热敏背衬层上的有源元件层、匹配层、透声层,和粘设于热敏背衬层两侧的电极组成。
有源元件层,即压电材料/压电层,常见的有:压电陶瓷、压电复合材料、压电单晶或者压电薄膜材料,用于发射和接收超声信号。有源元件层还可以为压电复合材料,如1-3型、2-2型压电复合材料。
匹配层,用于有源元件层和透声层之间的声阻抗匹配,拓宽频带、提高灵敏度,提高换能器的声发射效率。匹配层为n(n≧1)层,匹配层的材料为环氧树脂和氧化铝粉的混合体,根据使用需求匹配层也可选择派瑞林涂层或者是由环氧与其他声阻抗调节粉料组成。匹配层的厚度为层内超声波长的1/4。
透声层,起到聚焦超声信号和保护换能器的作用。
热敏背衬层,不仅起到吸收超声波的作用,还作为温度传感器使用,大大减小了换能器的体积。其厚度优选为0.2-1mm,长度为5-10mm,宽度为1-3mm;其中,长*宽这一面粘接有源元件层,宽*厚两面粘接电极。
按质量份,热敏背衬层由30-50份环氧树脂、10-20份固化剂、10-30份导电粉料、20-30份添加剂和5-15份空心微球组成。
添加剂用于调节声阻抗和散射特性,粒径优选为10-150um,成分优选为钨粉、铁粉、铜粉、铝粉、羟基铁粉、二氧化铈粉、氧化钇粉、氧化铝粉中的至少一种。
其中,导电粉料优选为石墨粉、银粉、TiNC、AgCu、纳米V2O5、碳纤维中的至少一种。粉体粒径为5-80um;碳纤维直径为2-8um,长度为20-200um。
空心微球用于增大衰减,调节声学性能;材质优选为:内层材质为氧化铈、氧化钇、氧化镧、氧化镨、硼化锆中的一种;外层材质为氧化铈、氧化钇、氧化镧、氧化镨、硼化锆、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钡、氧化锌、氧化锰中的一种。
固化剂可选碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、甲酯、乙酯、丁酯、乙二醇酯和甘油酯中的一种或其他。
制备热敏背衬层的步骤为:
A1、按质量份,混合环氧树脂、导电粉料和添加剂,在60-80℃下搅拌10-20min;
A2、再加入空心微球、固化剂,室温下混合均匀,放入真空室中抽真空10-20min,制得胶料;
A3、将胶料注塑成型,在室温条件下固化10-15h,再70-120℃下固化1-5h,最后室温放置24h以上以去除应力,制得热敏背衬层。
步骤A2中的抽真空为在真空室中抽真空10-20min;
步骤A3中的固化为在室温下固化10-15h后,在70-120℃下固化1-5h;去除应力为室温下静置24h以上。
超声换能器的制作,步骤为:
B1、制备热敏背衬层、匹配层;
B2、将匹配层粘于有源元件层的顶面;
B3、于有源元件层的底面粘结热敏背衬层;
B4、从匹配层的顶面切割有源元件层,切穿至下层的背衬层,使得有源元件层呈m个阵元后,用环氧胶填缝;m=1、32、64、96、128、256;
即,当m=1时,换能器有单阵元;当=32、64、96、128、256时,换能器有多阵元;
B5、将透声层粘结在填缝后的匹配层顶面;
B6、将电极粘于热敏背衬层的两侧后,制得超声换能器。
基于上述方法,制备以下的超声换能器,并测试。
实施例1:制备热敏背衬层
环氧树脂选用40份的双酚A型的环氧树脂;
空心微球10份,选用的内层材质为氧化铈,外层材质为氧化钛;
固化剂选用10份的碳酸二甲酯;
导电粉料选用20份的石墨粉;
添加剂选用20份的钨粉;
制备长*宽*厚=10mm*2mm*0.5mm的长方体片状的热敏背衬层。
长*宽这一面粘接到有源元件层,宽*厚两面做电极,用作热敏背衬层电阻测试电极。
实施例2:制备超声换能器
按30-50质量份的环氧树脂、40-60质量份的氧化铝粉及10-20质量份的固化剂配比,混合制备成匹配层。
有源元件层选用1-3型压电复合材料,厚度为0.2-1mm;阻抗值为18.6Mrayl。
透声层的厚度为0.2-2mm;
以实施例1制备的热敏背衬层,结合n=2的匹配层,从有源元件层依次往上的各匹配层的厚度以阻抗值表示分别为6.8-10.4Mrayl、2.5-3.5Mrayl,切割的阵元数量m=64,按上述方法制备超声换能器后,从背衬层两侧的导电电极处引出信号线。
声效检测:
声速、衰减测试方法参见GB/T 18022-2000声学1-10MHz频率范围内橡胶和塑料纵波声速与衰减系数的测量方法。
声阻抗测试即为:材料密度*声速。
上述的超声换能器中的热敏背衬层的测试结果如下:声阻抗:3.8MRayl,声衰减119.63dB/cm@5MHz。
电阻率-温度检测:
测试结果如图2所示,在90℃以内近似线性关系,斜率为0.003(Ω·cm/℃)。
结果表明,热敏背衬具有较高的声衰减能力,满足换能器的吸声要求。在正常使用温度范围内其电阻率随温度近似线性变化,满足作为热敏材料使用需求。
基于电阻率-温度变化曲线;使用时,背衬层的电阻率会随温度线性变化,通过测量背衬层的电阻率即可推算出换能器的温度。
对于阵列式换能器,可在有源元件层和热敏背衬层之间添加绝缘的匹配层,其声阻抗介于有源元件层和热敏背衬层之间。在有源元件层的电极和热敏背衬层之间起到电绝缘作用。同时,还起到两者之声阻抗匹配作用,使得超声信号尽可能的进入背衬层。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,上述实施例不以任何形式限制本发明,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于热敏背衬的微型超声换能器,其特征在于,包括依次设于热敏背衬层上的有源元件层、匹配层和透声层;
所述有源元件层,用于发射和接收超声信号;
所述热敏背衬层,用于作为热敏电阻吸收有源元件层背面的超声信号;
所述透声层,用于聚焦超声信号;
所述匹配层,用于有源元件层和透声层之间的声阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的超声换能器,其特征在于,所述热敏背衬层,按质量份,组分包括环氧树脂30-50份、固化剂10-20份、导电粉料10-30份、添加剂20-30份、空心微球5-15份。
3.根据权利要求2所述的超声换能器,其特征在于,所述导电粉料包括石墨粉、银粉、TiNC、AgCu、纳米V2O5、碳纤维中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的超声换能器,其特征在于,所述热敏背衬层的制备,包括以下步骤:
A1、按质量份,混合环氧树脂、导电粉料和添加剂,搅拌;
A2、加入空心微球、固化剂,混合均匀后抽真空,制得胶料;
A3、将胶料注塑成型,固化,去除应力后,制得热敏背衬层。
5.根据权利要求4所述的超声换能器,其特征在于,所述步骤A1中的搅拌时间为10-20min,搅拌温度为60-80℃;
步骤A2中的抽真空为在真空室中抽真空10-20min;
步骤A3中的固化为在室温下固化10-15h后,在70-120℃下固化1-5h;去除应力为室温下静置24h以上。
6.根据权利要求1所述的超声换能器,其特征在于,所述热敏背衬层的厚度为0.2-1mm,长为5-10mm,宽为1-3mm。
7.根据权利要求1所述的超声换能器,其特征在于,所述匹配层由环氧树脂和氧化铝粉的混合制得。
8.根据权利要求1所述的超声换能器,其特征在于,所述匹配层为n(n≧1)层,各匹配层的厚度为层内超声波长的1/4。
9.根据权利要求1-8任一所述的超声换能器,其特征在于,制作包括以下步骤:
B1、制备热敏背衬层、匹配层;
B2、将匹配层粘于有源元件层的顶面;
B3、于有源元件层的底面粘结热敏背衬层;
B4、从匹配层切割有源元件层呈m个阵元后,用环氧胶填缝;
B5、将透声层粘结在填缝后的匹配层顶面;
B6、将电极粘于热敏背衬层的两侧后,制得超声换能器。
10.根据权利要求9所述的超声换能器,其特征在于,所述有源元件层和热敏背衬层之间还粘有匹配层。
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