CN114126496A - 超声波探头 - Google Patents

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金荣申
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Abstract

提供了一种超声波探头，该超声波探头包括超声换能器和衰减材料，该超声换能器包括换能器元件的阵列。衰减材料包括聚合物组合物，该聚合物组合物包括液晶聚合物和导热颗粒材料。该液晶聚合物具有如根据ISO测试第11443:2005号在高于熔融温度45℃的温度和400s‑1的剪切速率所测定的约270℃或更高的熔融温度和约500Pa‑s或更低的熔体粘度，以及聚合物组合物具有约0.2W/m‑K或更高的贯通面电导率。

Description

超声波探头
相关申请
本申请要求于2019年7月17日提交的申请号为62/875，025的美国临时申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
背景技术
超声成像探头持续在医疗领域得到广泛使用。举例来说，超声波探头被用于各种各样的外部、腹腔镜、内窥镜和血管内成像应用。例如，由成像探头提供的超声图像可以用于诊断目的。探头通常包括沿纵向轴线排列的多个平行压电换能器元件，每个元件与一对电极互连。电子电路刺激换能器元件，使它们发射超声能量。然后换能器元件将接收到的超声能量转换成电信号，然后电信号可以被处理并用于生成图像。通常，换能器包括具有声学面的压电材料的有源层，声信号从该声学面发射。通常，声衰减构件通常也设置在有源层的背面上以抑制不希望的声信号(例如，可能从换能器的背面发出并反射回换能器的背面的信号)，否则这些声信号会干扰在声学面上接收的声信号。不幸的是，由于大多数探头设计的复杂性增加，功耗增加，进而导致探头产生的热量增加。由于大多数声衰减构件不是高度热敏感的，因此这种增加的热量产生可能是一个问题。随着时间的推移，这最终会导致相机传感器出现故障。
因此，需要具有更高程度的热敏感性的改进的超声波探头。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，公开了一种超声波探头，该超声波探头包括超声换能器和衰减材料，该超声换能器包括换能器元件的阵列，该换能器元件能够将电能转换为超声声能以向目标区域发射，该衰减材料能够在超声声能向目标区域发射之后抑制超声声能返回到超声换能器。衰减材料包括聚合物组合物，该聚合物组合物包括液晶聚合物和导热颗粒材料。该液晶聚合物具有如根据ISO测试第11443:2005号在高于熔融温度45℃的温度和400s-1的剪切速率所测定的约270℃或更高的熔融温度和约500Pa-s或更低的熔体粘度，以及聚合物组合物具有约0.2W/m-K或更高的贯通面电导率。
下面更详细地阐述本发明的其他特征和方面。
附图说明
本发明的完整且可行的公开，包括其对本领域技术人员来说的最佳模式，在说明书的其余部分更具体地阐述，包括参考附图，其中：
图1是超声波探头和目标区域的实施方式的示意图；
图2是本发明的超声波探头的一个实施方式的等距视图；和
图3是图2的超声换能器的一部分的示意图。
具体实施方式
本领域普通技术人员将理解，本讨论仅是示例性实施方式的描述，并且不旨在限制本发明的更宽的方面。
一般而言，本发明涉及一种包含超声换能器和衰减材料的超声波探头，该衰减材料能够衰减入射到该材料上的声能，例如频率为100kHz至100MHz的能量。衰减材料包括聚合物组合物，该聚合物组合物包含液晶聚合物和导热颗粒材料。通过选择性地控制聚合物组合物中组分的性质及其相对浓度，所得组合物能够用作有效的声衰减材料，而且还展现出允许热传递的良好热性能，从而可使“热点”被快速消除，在使用过程中可降低零件的整体温度。更特别地，组合物展现出如根据ASTM E 1461-13所测定的约0.2W/m-K或更高的贯通面热导率，在一些实施方式中为约0.4W/m-K或更高，在一些实施方式中为约0.5W/m-K或更高，在一些实施方式中为约1W/m-K至约25W/m-K，在一些实施方式中为约2W/m-K至约20W/m-K，以及在一些实施方式中为约4W/m-K至约15W/m-K。
现将更详细地描述本发明的各种实施方式。
I.聚合物组合物
A.液晶聚合物
如上所述，聚合物基质中使用的液晶聚合物具有在约270℃至约400℃的仔细控制的范围内的熔融温度，在一些实施方式中约280℃至约380℃，在一些实施方式中约290℃至约370℃，并且在一些实施方式中，约300℃至约350℃。一种特别合适的液晶聚合物包含以下重复单元(1)至(3)：
Figure BDA0003474357340000031
Figure BDA0003474357340000041
其中，
Ra、Rb和Rf独立地为烯基、烷基、炔基、芳基、杂芳基、环烷基、杂环基、卤素或卤代烷基；以及
l、m和q独立地为0至4的整数，在一些实施方式为中0至2的整数，以及在一些实施方式为中0至1的整数。
在某些实施方式中，重复单元(1)可以衍生自4-羟基苯甲酸(“HBA”)(l为0)，重复单元(2)可以衍生自对苯二酚(“HQ”)(m为0)和/或重复单元(3)可以衍生自间苯二甲酸(“IA”)(q为0)。
通过选择性地控制重复单元(1)至(3)的性质和相对比例，本发明人发现所得聚合物不仅可以达到上述范围内的熔融温度，而且仍然可以实现很大程度的链缠结以使得聚合物展现出良好的熔体强度，这使其能够容易地用于本发明的超声波探头中。例如，重复单元(1)可以占聚合物的约40摩尔％至约80摩尔％、在一些实施方式中约50摩尔％至约70摩尔％以及在一些实施方式中约55摩尔％至约65摩尔％。类似地，重复单元(2)和(3)可以各自占聚合物的约1摩尔％至约20摩尔％、在一些实施方式中约2摩尔％至约15摩尔％以及在一些实施方式中约5摩尔％至约10摩尔％。不管采用的确切摩尔量如何，重复单元(2)与重复单元(3)的摩尔比可以选择性地控制以使其为约0.8至约2、在一些实施方式中为约0.9至约1.6以及在一些实施方式中为约1至约1.5。在一些情况下，重复单元(2)以大于重复单元(3)的摩尔量使用，使得摩尔比大于1。
当然，应当理解，聚合物中也可以使用其他重复单元。
Figure BDA0003474357340000051
其中，
Rc、Rd和Re独立地为烯基、烷基、炔基、芳基、杂芳基、环烷基、杂环基、卤素或卤代烷基；以及
n、o和p独立地为0至4的整数，在一些实施方式为中0至2的整数，以及在一些实施方式为中0至1的整数。
在某些实施方式中，重复单元(4)可以衍生自4,4-联苯酚(“BP”)(n和o为0)，重复单元(5)可以衍生自对苯二甲酸(“TA”)(p为0)。
重复单元(4)和(5)可以各自占聚合物的约5摩尔％至约30摩尔％、在一些实施方式中约6摩尔％至约25摩尔％以及在一些实施方式中约8摩尔％至约15摩尔％。不管采用的确切摩尔量如何，重复单元(5)与重复单元(4)的摩尔比可以选择性地控制以使其为约0.8至约2、在一些实施方式中为约0.9至约1.6以及在一些实施方式中为约1至约1.5。在一些情况下，重复单元(5)以大于重复单元(4)的摩尔量使用，使得摩尔比大于1。
仍然还可以在聚合物中使用其他重复单元。例如，也可以使用衍生自除HBA之外的芳族羟基羧酸的其他芳族羟基羧基重复单元，例如4-羟基-4'-联苯羧酸；2-羟基-6-萘甲酸(“HNA”)；2-羟基-5-萘甲酸；3-羟基-2-萘甲酸；2-羟基-3-萘甲酸；4'-羟苯基-4-苯甲酸；3'-羟苯基-4-苯甲酸；4'-羟苯基-3-苯甲酸等，以及其烷基、烷氧基、芳基和卤素取代物及其组合。类似地，也可以使用衍生自除TA和IA之外的芳族二羧酸的芳族二羧基重复单元，例如2,6-萘二羧酸(“NDA”)、二苯醚-4,4'-二羧酸、1,6-萘二羧酸、2,7-萘二羧酸、4,4'-二羧基联苯、双(4-羧基苯基)醚、双(4-羧基苯基)丁烷、双(4-羧苯基)乙烷、双(3-羧基苯基)醚、双(3-羧基苯基)乙烷等，以及其烷基、烷氧基、芳基和卤素取代物及其组合。也可以使用衍生自除HQ和BP之外的芳族二醇的芳族二醇系重复单元，例如，间苯二酚、2,6-二羟基萘、2,7-二羟基萘、1,6-二羟基萘、4,4'-二甲基联苯(或4,4'-联苯酚)、3,3'-二羟基联苯、3,4'-二羟基联苯、4,4'-二羟基联苯醚、双(4-羟苯基)乙烷等以及其烷基、烷氧基、芳基和卤素取代物及其组合。也可以使用重复单元，例如，衍生自芳族酰胺(例如，对乙酰氨基酚(“APAP”))和/或芳族胺(例如，4-氨基苯酚(“AP”)、3-氨基苯酚、1,4-苯二胺、1,3-苯二胺等)的那些重复单元。还应当理解，可以将各种其他单体重复单元并入到聚合物中。例如，在某些实施方式中，聚合物可以含有一个或多个衍生自非芳族单体(例如脂肪族或脂环族羟基羧酸、二羧酸(例如，环己烷二羧酸)、二醇、酰胺、胺等)的重复单元。当然，在其他实施方式中，聚合物可以为“全芳族”，因为其缺乏衍生自非芳族(例如，脂肪族或脂环族)单体的重复单元。
尽管不是必需的，但可能希望液晶聚合物含有低含量的衍生自环烷羟基羧酸和环烷二羧酸的重复单元，例如NDA、HNA或其组合。也就是说，衍生自环烷羟基羧酸和/或环烷二羧酸(例如，NDA、HNA或HNA和NDA的组合)的重复单元的总量通常少于聚合物的约10mol.％、在一些实施方式中少于约5mol.％，以及在一些实施方式中少于约1mol.％。液晶聚合物还可以含有低含量的衍生自芳族酰胺和芳族胺的重复单元，例如APAP、AP或其组合。也就是说，衍生自芳族酰胺和/或芳族胺(例如，APAP、AP或APAP和AP的组合)的重复单元的总量通常少于聚合物的约10mol.％、在一些实施方式中少于约5mol.％，以及在一些实施方式中少于约1mol.％。在特定的实施方式中，聚合物包含0mol.％的环烷羟基羧酸(例如，HNA)、0mol.％的环烷二羧酸(例如，NDA)、0mol.％的芳族酰胺(例如，APAP)和/或0mol.％的芳香胺(例如AP)。事实上，如果需要，液晶聚合物可以完全由重复单元(1)至(5)形成，使得重复单元(1)至(5)的总摩尔百分比等于100％。
液晶聚合物可以在熔融聚合过程中合成。该方法可以包括最初将用于形成重复单元(例如，HBA、IA、HQ、TA和/或BP)的单体引入反应器容器中以引发缩聚反应。在此类反应中使用的特定条件和步骤是众所周知的，并且可以在以下中更详细地描述：Calundann的美国专利第4,161,470号；Linstid,III等人的美国专利第5,616,680号；Linstid,III等人的美国专利第6,114,492号；Shepherd等人的美国专利第6,514,611号；以及Waggoner的WO2004/058851。用于反应的容器没有特别限制，尽管一般希望使用通常用于高粘度流体反应的容器。这种反应容器的实例可以包括搅拌罐型设备，其具有带可变形状搅拌叶片的搅拌器，例如锚型、多级型、螺旋带型、螺杆轴型等，或其改进的形状。这种反应容器的其他实例可以包括通常用于树脂捏合的混合设备，例如捏合机、辊磨机、班伯里(Banbury)密炼机等。
如果需要，反应可以通过本领域已知的单体乙酰化进行。这可以通过向单体中加入乙酰化剂(例如，乙酸酐)来完成。乙酰化通常在约90℃的温度开始。在乙酰化的初始阶段期间，可以使用回流来保持蒸汽相温度低于乙酸副产物和酸酐开始蒸馏的温度。乙酰化过程中的温度范围通常为90℃至150℃，并且在一些实施方式中，为约110℃至约150℃。如果使用回流，蒸汽相温度通常会超过乙酸的沸点，但仍保持足够低以保留残留的乙酸酐。例如，乙酸酐在约140℃的温度蒸发。因此，为反应器提供约110℃至约130℃的温度的蒸汽相回流是特别合乎需要的。为确保反应基本上完全，可以使用过量的乙酸酐。过量酸酐的量将根据所采用的特定乙酰化条件而变化，包括存在或不存在回流。基于存在的反应物羟基基团的总摩尔数，使用过量约1摩尔％至约10摩尔％的乙酸酐并不少见。
乙酰化可以在单独的反应器容器中发生，或者它可以在聚合反应器容器内原位发生。当使用单独的反应器容器时，可以将一种或多种单体引入乙酰化反应器并随后转移至聚合反应器。同样，也可以将一种或多种单体直接引入反应器容器而不进行预乙酰化。
除了单体和可选的乙酰化剂之外，反应混合物内还可以包括其他组分以帮助促进聚合。例如，可以可选地使用催化剂，例如金属盐催化剂(例如乙酸镁、乙酸锡(I)、钛酸四丁酯、乙酸铅、乙酸钠、乙酸钾等)和有机化合物催化剂(例如，N-甲基咪唑)。基于重复单元前体的总重量，此类催化剂通常以约50ppm至约500ppm的量使用。当使用单独的反应器时，通常希望将催化剂应用于乙酰化反应器而不是聚合反应器，尽管这绝不是必需的。
通常在聚合反应器容器内将反应混合物加热至高温以引发反应物的熔融缩聚。缩聚可以在例如约270℃至约400℃的温度范围内发生。例如，一种用于形成聚合物的合适技术可以包括将前体单体和乙酸酐装入反应器中，将混合物加热至约90℃至约150℃的温度以使单体乙酰化(例如，形成乙酰氧基)，然后升温至约270℃至约400℃的温度进行熔融缩聚。随着接近最终聚合温度，可以将反应的挥发性副产物(例如乙酸)去除，从而可以容易地达到所需的分子量。反应混合物通常在聚合期间进行搅拌以确保良好的传热和传质，进而确保良好的材料均匀性。搅拌器的旋转速度可以在反应过程中变化，但通常在约10转/分钟(“rpm”)至约100rpm的范围内，并且在一些实施方式中，从约20rpm至约80rpm。为了增加熔体的分子量，聚合反应也可以在真空下进行，真空的应用有利于除去在缩聚的最后阶段形成的挥发物。真空可以通过施加抽吸压力产生，例如在约5磅/平方英寸(“psi”)至约30psi的范围内，并且在一些实施方式中，约10psi至约20psi。
在熔融聚合之后，熔融聚合物通常可以通过装配有具有所需构造的模的挤出孔从反应器中排出，冷却并收集。通常，熔体通过穿孔模排出以形成线料，该线料被放入水浴中、造粒并干燥。树脂也可以是线状、颗粒状或粉末状。
不管采用的具体方法如何，所得聚合物可以具有在400s-1的剪切速率下所测定的相对低的熔体粘度，例如约25Pa-s至约350Pa-s，在一些实施方式中为约30Pa-s至约305Pa-s，并且在一些实施方式中为约35Pa-s至约250Pa-s。熔体粘度可以根据ISO测试第11443:2005号在比聚合物的熔融温度高约45℃的温度测定(例如，对于熔融温度为305℃的聚合物，在350℃测定)。
B.导热颗粒材料
为了帮助实现所需的热性能，聚合物组合物还包含导热颗粒材料。颗粒材料的平均尺寸(例如，直径)，例如根据ISO 13320:2009(例如，使用Horiba LA-960粒度分布分析器)使用激光衍射技术所测定的，通常为约100微米至约2000微米、在一些实施方式中约250微米至约1400微米、在一些实施方式中约300微米至约1300微米以及在一些实施方式中约400微米至约1200微米。导热颗粒材料也可以具有较窄的尺寸分布。也就是说，至少约70vol％的粒子、在一些实施方式中至少约80vol％的粒子以及在一些实施方式中至少约90vol％的粒子可以具有上文所提及的范围内的尺寸。在某些实施方式中，颗粒材料可以具有“片状”形状，因为它具有相对高的纵横比(例如，平均长度或平均直径除以平均厚度)，例如约4:1或更大、在一些实施方式中约8:1或更大以及在一些实施方式中约10:1至约2000:1。平均厚度例如可以为约10微米或更小、在一些实施方式中约0.01微米至约8微米，以及在一些实施方式中约0.05微米至约5微米。材料的比表面积也可以相对较高，例如约0.5m2/g或更高，在一些实施方式中约1m2/g或更高，并且在一些实施方式中，约2m2/g至约40m2/g。比表面积可根据标准方法测定，例如通过以氮气作为吸附气体的物理气体吸附法(B.E.T.法)，如本领域公知的并且由Brunauer、Emmet和Teller(J.Amer.Chem.Soc.,vol.60,Feb.,1938,pp.309-319)所描述的。颗粒材料还可以具有例如根据ASTM B527-15所测定的约0.2g/cm3至约1.0g/cm3的粉末振实密度，在一些实施方式中为约0.3g/cm3至约0.9g/cm3，并且在一些实施方式中为约0.4g/cm3至约0.8g/cm3。
此外，导热颗粒材料可以具有高的固有热导率，例如约50W/m-K或更高，在一些实施方式中为约100W/m-K或更高，并且在一些实施方式中为约150W/m-K或更高。这种材料的例子可以包括，例如，氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅镁(MgSiN2)、石墨(例如，膨胀石墨)、碳化硅(SiC)、碳纳米管、炭黑、金属氧化物(例如，氧化锌、氧化镁、氧化铍、氧化锆、氧化钇等)、金属粉末(例如，铝、铜、青铜、黄铜等)等，以及其组合。石墨特别适用于本发明的聚合物组合物。事实上，在某些实施方式中，石墨可以占聚合物组合物中采用的导热颗粒材料的大部分，例如导热颗粒材料的约50wt.％或更多，在一些实施方式中，约70wt.％或更多，并且在一些实施方式中，约90wt.％至100wt.％。
聚合物组合物中通常采用占每100份液晶聚合物的约50重量份至约200重量份的量的导热颗粒材料，在一些实施方式中为约70重量份至约180重量份，并且在一些实施方式中为约100重量份至约150重量份。例如，导热颗粒材料可以占聚合物组合物的约25wt.％至约70wt.％，在一些实施方式中约30wt.％至约65wt.％，并且在一些实施方式中约40wt.％至约60wt.％。液晶聚合物同样可以占聚合物组合物的约30wt.％至约75wt.％，在一些实施方式中约35wt.％至约70wt.％，并且在一些实施方式中，约40wt.％至约60wt.％。
C.可选组分
各种各样的其他组分也可包括在聚合物组合物中，例如流动改性剂、润滑剂、颜料、抗氧化剂、稳定剂、表面活性剂、蜡、阻燃剂、抗滴落添加剂、成核剂(例如，氮化硼)、无机颗粒填料(例如，滑石、云母等)、无机纤维填料(例如，玻璃纤维)和添加以增强特性和可加工性的其他材料，以及添加以增强特性和可加工性的其他材料。例如，可以在聚合物组合物中使用能够承受液晶聚合物的加工条件而基本上不分解的润滑剂。这种润滑剂的实例包括通常在工程塑料材料的加工中用作润滑剂的类型的脂肪酸酯、其盐、酯、脂肪酸酰胺、有机磷酸酯及烃蜡，包括其混合物。合适的脂肪酸通常具有含有约12个至约60个碳原子的碳主链，例如肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、花生酸、褐煤酸、十八酸、帕里拉油酸(parinric acid)等等。合适的酯包括脂肪酸酯、脂肪醇酯、蜡酯、甘油酯、二醇酯和复合酯。脂肪酸酰胺包括脂肪初级酰胺、脂肪二级酰胺、亚甲基和亚乙基双酰胺及烷醇酰胺，例如，棕榈酸酰胺、硬脂酸酰胺、油酸酰胺、N,N'-亚乙基双硬脂酰胺等等。脂肪酸的金属盐也是合适的，例如，硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸镁等；烃蜡，包括石蜡、聚烯烃和氧化聚烯烃蜡及微晶蜡。特别合适的润滑剂为硬脂酸的酸、盐或酰胺，例如季戊四醇四硬脂酸酯、硬脂酸钙或N,N'-亚乙基双硬脂酰胺。当使用时，(一种或多种)润滑剂(按重量计)通常构成聚合物组合物的约0.05wt.％至约1.5wt.％，以及在一些实施方式中约0.1wt.％至约0.5wt.％。
II.形成
聚合物组合物的组分(例如，(一种或多种)液晶聚合物、(一种或多种)导热颗粒材料等)可以经熔融加工或掺合在一起。组分可以单独或组合供应至挤出机，该挤出机包括以可旋转安装并容纳于筒(例如，圆柱形筒)内的至少一个螺杆并且挤出机可以限定进料区段和沿着螺杆的长度定位于进料区段下游的熔融区段。挤出机可以为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。可以选择螺杆的速度以达到所需的滞留时间、剪切率、熔融加工温度等。例如，螺杆速度可以在每分钟约50转至约800转(rpm)、在一些实施方式中约70rpm至约150rpm以及在一些实施方式中约80rpm至约120rpm的范围内。熔融共混期间的表观剪切率也可以在约100s-1至约10000s-1、在一些实施方式中约500s-1至约5000s-1以及在一些实施方式中约800s-1至约1200s-1的范围内。表观剪切率等于4Q/πR3，其中Q为聚合物熔体的体积流量(m3/s)，以及R为熔融聚合物流动通过的毛细管(例如，挤出机模具)的半径(m)。
与其形成的具体方式无关，所得聚合物组合物可具有优异的热性质。例如，聚合物组合物的熔体粘度可以足够低以使其可容易流入具有小尺寸的模具的空腔中。在一个特定实施方式中，聚合物组合物在剪切率为400s-1下测定的熔体粘度可以为约500Pa-s或更低、在一些实施方式中约50Pa-s至约450Pa-s、在一些实施方式中约60Pa-s至约400Pa-s、在一些实施方式中约80Pa-s至约370Pa-s以及在一些实施方式中约150Pa-s至约350Pa-s。熔体粘度可以根据ISO测试第11443:2005号在高于组合物的熔融温度45℃的温度(例如，约350℃)测定。
当然除上文所提及的这些之外，该聚合物组合物也可以展现出其他良好的强度特性。例如，该组合物可以展现出根据ISO测试第179-1:2010号(技术上等效于ASTM D256-10e1)在23℃所测定的，约1kJ/m2、在一些实施方式中约2kJ/m2至约40kJ/m2以及在一些实施方式中约3kJ/m2至约30kJ/m2的夏比无缺口冲击强度(Charpy unnotched impactstrength)。该组合物也可以展现出：约10MPa至约500MPa、在一些实施方式中约20MPa至约400MPa以及在一些实施方式中约30MPa至约350MPa的拉伸强度；约0.3％或更大、在一些实施方式中约0.5％至约15％以及在一些实施方式中约0.6％至约10％的拉伸断裂应变；和/或约4000MPa至约30000MPa、在一些实施方式中约6000MPa至约25000MPa以及在一些实施方式中约7000MPa至约20000MPa的拉伸模量。拉伸特性可以根据ISO测试第527:2012号(技术上等效于ASTM D638-14)在23℃测定。该组合物也可以展现出约30MPa至约500MPa、在一些实施方式中约40MPa至约400MPa以及在一些实施方式中约50MPa至约350MPa的挠曲强度和/或约0.3％或更大、在一些实施方式中约0.4％至约15％以及在一些实施方式中约0.6％至约10％的挠曲断裂应变。挠曲特性可以根据ISO测试第178:2010号(技术上等效于ASTMD790-10)在23℃测定。该组合物也可以展现出如根据ASTM D648-07(技术上等效于ISO测试第75-2:2013号)在1.8MPa的指定负荷下所测定的，约180℃或更高以及在一些实施方式中约190℃至约280℃的载荷挠曲温度(Deflection temperature under load，DTUL)。
III.超声波探头
如上所述，本发明的聚合物组合物用于超声换能器探头的至少一部分。探头可用于产生二维和/或三维成像，其可以是线性的、凸的(弯曲的)、定相的(扇形)、单个的或TV型探头。一般而言，超声波探头包含至少一个超声换能器，该至少一个超声换能器包括换能器元件的阵列，该换能器元件能够将电能转换为超声声能以向目标区域发射。探头还含有衰减材料，该衰减材料能够抑制超声声能在向目标区域发射后返回到超声换能器。
探头的特定配置可以根据本领域技术人员已知的而变化。参照图1，例如，示出了超声波探头100的一个实施方式，该超声波探头100包括至少一个超声换能器103。超声换能器103可以是机械有源层，该机械有源层可操作以将电能转换成机械(例如，声学)能和/或将机械能转换成电能。例如，超声换能器103可以是可操作的以将来自超声成像设备109的电信号转换成超声声能。此外，超声换能器103可以是可操作的以将接收的超声声能转换成电信号。超声换能器103可以包含至少一个接地电极112和至少一个信号电极113。信号电极113和接地电极112可以分别通过至少一个信号连接件110(例如，至少一个信号线)和至少一个接地连接件111(例如，至少一个接地线)电互连到超声成像设备109。超声换能器103还可以包含单独的换能器元件(未示出)的阵列，其各自通过信号连接件和接地连接件电连接到超声成像设备109。该阵列可以是包括单行的单独的换能器元件的一维阵列，或者是包括例如在多列和多行中布置的单独的换能器元件的多维阵列(例如，二维)。可以聚集整个阵列的接地连接件并通过单个接地连接件连接到超声成像设备109。
为了产生超声图像，超声成像设备109可以向超声换能器103发送电信号，超声换能器103进而可以将电能转换成超声声能104，以向目标区域102发射。目标区域102可以是患者的内部结构，例如器官。目标区域102内的结构可以将声能106的一部分反射回超声换能器103。反射的声能106可以通过超声换能器103转换成电信号，该电信号可以被发送到超声成像设备109，在超声成像设备中可以处理信号并且可以生成目标区域102的图像。将来自超声成像设备109的电信号转换成超声声能104的过程还可以在除了朝向目标区域102之外的方向上产生额外的声能107。该额外的声能107可以从各种结构(例如超声波探头100的壳体101)进行反射，并且返回到超声换能器103，在那里它可以转换为电信号。来自反射的额外的声能107的电信号可以干扰来自反射的声能106的电信号。这种干扰可能导致图像质量劣化。
因此，为了减少来自反射的额外的声能107的干扰，在超声波探头100中可以包括声衰减材料108。声衰减材料108可以沿着超声换能器103的与超声换能器103面向目标区域102的表面相对的表面(例如，超声换能器103的背面)互连到超声换能器103。声衰减材料108可以防止大量的额外的声能107返回到超声换能器103的背面。声衰减材料108还可以减少从其他来源到达超声换能器103的背面的声能的量。在这方面，声衰减材料108可以提供减少的干扰和增强的图像质量。在声衰减材料108直接连接到超声换能器103的实施方式中，信号连接件110可以穿过声衰减材料108。
声衰减材料108也可以定位在超声波探头100内的其他位置，以使超声波探头100内的声能衰减。例如，声衰减材料114可以放置在壳体101上或甚至形成壳体101的全部或一部分以抑制(例如，吸收)声能，否则该声能可以从壳体101的内表面反射并降低图像质量。虽然图1中的壳体101的内部的衬里整个一侧被示出，但应该理解的是，声衰减材料114可以沿着壳体101的任何表面或部分放置，在那里可以有益于使声能衰减。声衰减材料114还可以与超声波探头100内的其他结构(例如，电路板)相邻，以使否则可能从其他结构反射的声能衰减。
图2示出了超声波探头组件1200的一个特定实施方式的透视图。探头组件1200包括壳体1201和电缆1202。电缆1202与超声成像设备(未示出)互连。通常，探头组件1200包括多个超声换能器，该多个超声换能器包含在壳体1201内的并且可操作以沿着探头组件1200的一端通过探头组件面1203传送超声能量。为声波形式的超声能量可以导向并通过患者的外表面并进入患者的内部结构。声波可以与各种内部特征相互作用并从各种内部特征反射。然后可以通过探头组件1200检测这些反射，并通过超声成像设备显示，作为患者的内部结构的图像。
探头组件1200可以可操作地扫描成像体积1208。这可以通过将一维换能器阵列安装在可移动构件上来实现。通常，一维换能器阵列包括沿着纵向轴线1205的多个换能器元件的单行。通过电子控制，可以沿着纵向轴线1205扫过一束声能。一些声能被反射回换能器阵列，这些声能通过换能器阵列从声能转换为电信号。然后可以将这些电信号转换成被声能扫过的区域的二维图像。探头组件1200可以包含一维换能器阵列，其可以沿着仰角轴线1204机械地扫过(例如，旋转)。因此，通过沿着纵向轴线1205的电子扫描和换能器阵列的沿着仰角轴线1204的机械扫描的组合，可以使一束声能扫描通过成像体积1208。反射回换能器阵列的能量可以被转换成成像体积1208的三维图像。
探头组件1200中的换能器阵列也可以是二维阵列，其可以沿着仰角轴线1204机械地扫过(例如，旋转)。可以利用垂直于旋转轴线(例如，仰角轴线1204)的阵列的尺寸来进一步控制传送的声能。例如，沿着仰角轴线1204的换能器可以用于塑造声能以减少侧瓣并改善沿着仰角轴线1204的焦点。
转到图3，呈现了一维超声换能器系统1300的横截面示意图。超声换能器系统1300具有纵向轴线1305和仰角轴线1304，该纵向轴线1305和仰角轴线1304例如分别与图2的探头组件的纵向轴线1205和仰角轴线1204类似。超声换能器系统1300可以是可操作地传送和/或接收超声信号。
通常，如本领域技术人员已知的，换能器1315(包括有源层诸如压电层1306，和与其附着的任何可选的如下所述的匹配层)可以被分成沿纵向轴线1305的预定数量的离散部分(例如，部分1309a至部分1309n，其中n表示预定数量的离散部分)。这些离散部分中的每一个可以是换能器元件(例如，离散部分1309a可以是换能器元件)。离散部分可以电互连，使得两个或更多个离散作为单个换能器元件操作(例如，离散部分1309a和离散部分1309b可以是电互连的并且用作单个换能器元件)。还可以存在背衬1313。
图3示出了沿纵向轴线1305为直的超声换能器系统1300。超声换能器系统1300可以沿纵向轴线1305弯曲。例如，可以通过沿纵向轴线1305将单独的平面换能器元件以互相夹角放置来实现该弯曲。图3还示出了超声换能器系统1300的单独的换能器元件为沿着仰角轴线1304的平面。在替代配置中，超声换能器系统1300的单独的换能器元件可以沿着仰角轴线1304弯曲。
换能器1315可以包括压电层1306。压电层1306可以包括压电材料层1320、第一电极层1321和第二电极层1322。压电材料层1320可以包括陶瓷基材料(例如，锆钛酸铅(PZT))。第一电极层1321和第二电极层1322可以包括一层或多层导电材料。连接到每个单独的换能器元件的第一电极层1321的部分可以用作该单独的换能器元件的信号电极。类似地，连接到每个单独的换能器元件的第二电极层1322的部分可以用作该单独的换能器元件的接地电极。
通常，信号电极和接地电极如图3所示设置，其中接地电极在压电材料1320的面向待成像区域的侧面。信号电极和接地电极的位置可以颠倒。在这样的实施方式中，可能需要提供额外的接地层以屏蔽信号层。接地电极可以是如图3所示的单独的电极，或者可以是位于每个单独的换能器元件上的一层连续的接地材料。单独的换能器元件电极可以互连到电子电路，这可以提供声波产生和感测。
可选的声匹配层可以互连到压电层1306。图3的超声换能器系统1300示出了互连到压电层1306的第一可选匹配层1307和第二可选匹配层1308。可选匹配层的存在和数量可以根据图3所示的配置变化。换能器1315包括压电层1306，以及附接到压电层1306上的任何可选匹配层。
压电层1306可以是可操作地将电能转换为机械能和将机械能转换为电能的机械有源层。如前所述，压电层1306可以包括夹在接地电极和信号电极之间的PZT材料层。能够产生声信号的各种组分和材料可以代替压电层1306的至少一部分。这些组分和材料包括陶瓷材料，铁电材料，复合材料，微型电容式超声换能器(Capacitor micromachinedultrasound transducer，CMUT)，压电微机械超声换能器(Piezoelectric micromachinedultrasound transducer，PMUT)及其任何组合。无论特定的组分，操作或材料的机电原理，机械有源层可以包括将电能转换为机械能和机械能转换为电能的手段，该机械有源层具有声学面1314和可以单独控制的多个换能器元件。通常，本领域技术人员已知的用于产生可用于成像目的的超声声信号的任何系统可以在机械有源层中使用。
每个单独的离散部分可以通过在换能器1315的切割期间产生的切口(例如，在离散部分1309c和1309d之间的切口1310)与相邻的离散部分分离。可以用填充材料填充切口。另外，一个或多个声学透镜可以互连到声学面1314。
当压电层1306发射声能时，一些声能将进入背衬1313。由于这种声能不导向成像体积1208，所以希望该声能被衰减。使该声能衰减有助于减少通过压电层1306的后侧反射回压电层1306中的声能的量。这种反射的声能可以干扰正从成像体积1208反射回压电层1306的声能，这可能导致图像劣化。
在所示实施方式中，背衬1313包括多个层(例如，第一层1301和第二层1302)。当然，应该理解的是，背衬1313也可以由单层形成。无论如何，背衬1313的至少一部分可以包含本发明的聚合物组合物以用作声衰减材料。在一个实施方式中，例如，第二层1302和/或第一层1301可以由聚合物组合物形成。当然，这种层还可以含有超声换能器设计领域中本领域技术人员已知的其他材料，例如环氧树脂、硅橡胶、钨、氧化铝、云母、微球或其组合。
可以使用各种不同的技术形成由聚合物组合物形成的超声波探头的部件(例如，背衬、壳体等)。合适的技术可以包括例如注射模制、低压注射模制、挤压压缩模制、气体注射模制、泡沫注射模制、低压气体注射模制、低压泡沫注射模制、气体挤压压缩模制、泡沫挤压压缩模制、挤压模制、泡沫挤压模制、压缩模制、泡沫压缩模制、气体压缩模制等。例如，可以使用包括模具的注射模制系统，该模具内可以注射聚合物组合物。可以对注射器内部的时间进行控制和优化以使得聚合物基质不被预固化。当达到循环时间并且筒充满用于排出时，可以使用活塞将组合物注射至模具腔。也可以使用压缩模制系统。如同注射模制，将聚合物组合物成型为所需制品也发生在模具内。可以使用任何已知技术，例如通过自动化机器人臂拾取将组合物置放于压缩模具中。模具的温度可以维持在聚合物基质的凝固温度或高于该凝固温度持续所需时间段以允许凝固。然后可以通过使模制产物达到低于熔融温度的温度来使其凝固。所得产物可以经脱模。可以调节各模制工艺的循环时间以合适聚合物基质，以获得充分黏结并提高总体工艺产率。
参照以下实施例可以更好地理解本发明。
测试方法
热导率：平面内和贯通面热导率值根据ASTM E1461-13确定。
熔体粘度：熔体粘度(Pa-s)可以根据ISO测试第11443:2005号以400s-1的剪切率且在高于熔融温度45℃的温度(例如，约305℃)，使用Dynisco LCR7001毛细管流变仪来测定。流变仪孔(模具)具有1mm的直径、20mm的长度、20.1的L/D比率和180°的入射角。筒的直径为9.55mm+0.005mm，以及杆的长度为233.4mm。
熔融温度：可以通过如本领域中已知的差示扫描量热法(“DSC”)来测定熔融温度(“Tm”)。熔融温度如通过ISO测试第11357-2:2013号所测定的，为差示扫描量热法(DSC)峰值熔融温度。在DSC程序下，如ISO标准10350中所记载的，使用在TA Q2000仪器上进行的DSC测量值以每分钟20℃加热和冷却样品。
载荷挠曲温度(DTUL)：载荷挠曲温度可以根据ISO测试第75-2:2013(技术上等效于ASTM D648-07)来测定。更具体地，可以对长度为80mm、厚度为10mm和宽度为4mm的测试条带样品进行沿边三点弯曲测试，其中指定负荷(最大外部纤维应力)为1.8兆帕。可以将试样降低进入硅酮油浴中，其中温度以每分钟升高2℃直至其挠曲0.25mm(对于ISO测试第75-2:2013号为0.32mm)。
拉伸模量、拉伸应力和拉伸伸长率：拉伸特性可以根据ISO测试第527:2012号(技术上等效于ASTM D638-14)来测试。可以在长度为80mm、厚度为10mm和宽度为4mm的相同测试条带样品上进行模量和强度测量。测试温度可以为23℃，以及测试速度可以为1mm/min或5mm/min。
挠曲模量、挠曲应力和挠曲伸长率：挠曲特性可以根据ISO测试第178:2010号(技术上等效于ASTM D790-10)来测试。可以在64mm支撑跨度上进行该测试。可以在未切割的ISO 3167多用途棒的中心部分上进行测试。测试温度可以为23℃以及测试速度可以为2mm/min。
无缺口夏比冲击强度：夏比特性可以根据ISO测试第ISO 179-1:2010号(技术上等效于ASTM D256-10，方法B)来测试。可以使用1型试样尺寸(80mm长度、10mm宽度和4mm厚度)进行该测试。测试温度可以为23℃。
实施例
用于超声波探头的聚合物组合物可以如本文所述由55wt.％的石墨片和45wt.％的液晶聚合物形成。该组合物可以展现出下表中列出的热性能和机械性能。
Figure BDA0003474357340000211
Figure BDA0003474357340000221
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以对本发明进行这些和其他修改和变型。另外，应当理解的是，各个实施方式的方面可以全部互换或部分互换。此外，本领域普通技术人员将理解，前述描述仅是示例性的，并且不意在限制如所附权利要求中进一步描述的本发明。

Claims (22)

1.一种超声波探头，包括：
超声换能器，所述超声换能器包括换能器元件的阵列，所述换能器元件能够将电能转换为超声声能以向目标区域发射；和
衰减材料，所述衰减材料能够抑制所述超声声能在向所述目标区域发射后返回到所述超声换能器，其中所述衰减材料包括聚合物组合物，所述聚合物组合物包括液晶聚合物和导热颗粒材料，其中所述液晶聚合物具有如根据ISO测试第11443:2005号在高于熔融温度45℃的温度和400s-1的剪切速率所测定的约270℃或更高的熔融温度和约500Pa-s或更低的熔体粘度，并且进一步地其中所述聚合物组合物具有约0.2W/m-K或更高的贯通面电导率。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述液晶聚合物包括重复单元(1)至(3)：
Figure FDA0003474357330000011
Figure FDA0003474357330000021
其中，
Ra、Rb和Rf独立地为炔基、烷基、烯基、芳基、杂芳基、环烷基、杂环基、卤素或卤代烷基；以及
l、m和q独立地为0至4的整数。
3.根据权利要求2所述的超声波探头，其中，所述重复单元(1)衍生自4-羟基苯甲酸，所述重复单元(2)衍生自对苯二酚，以及所述重复单元(3)衍生自间苯二甲酸。
4.根据权利要求2所述的超声波探头，其中，所述重复单元(1)占所述聚合物的约40摩尔％至约80摩尔％，并且其中所述重复单元(2)和(3)各自占所述聚合物的约1摩尔％至约20摩尔％。
5.根据权利要求2所述的超声波探头，其中，所述重复单元(2)与所述重复单元(3)的摩尔比为约0.8至约2。
6.根据权利要求2所述的超声波探头，其中，所述液晶聚合物还包括重复单元(4)和重复单元(5)：
Figure FDA0003474357330000022
其中，
Rc、Rd和Re独立地为炔基、烷基、烯基、芳基、杂芳基、环烷基、杂环基、卤素或卤代烷基；以及
n、o和p独立地为0至4的整数。
7.根据权利要求6所述的超声波探头，其中，所述重复单元(4)衍生自4,4'-联苯酚，以及所述重复单元(5)衍生自对苯二甲酸。
8.根据权利要求7所述的超声波探头，其中，所述重复单元(4)和(5)各自占所述聚合物的约5摩尔％至约30摩尔％。
9.根据权利要求7所述的超声波探头，其中，所述重复单元(5)与所述重复单元(4)的摩尔比为约0.8至约2。
10.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述导热颗粒材料的平均尺寸为约100微米至约2000微米。
11.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述导热颗粒材料具有约50W/m-K或更高的固有热导率。
12.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述导热颗粒材料包括氮化硼、氮化铝、氮化硅镁、石墨、碳化硅、碳纳米管、炭黑、金属氧化物、金属粉末或其组合。
13.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述导热颗粒材料以每100份所述液晶聚合物约50份至约200份的量存在于所述聚合物组合物中。
14.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述导热颗粒材料占所述聚合物组合物的约25wt.％至约70wt.％，以及所述液晶聚合物占所述聚合物组合物的约30wt.％至约75wt.％。
15.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述聚合物组合物具有约4W/m-K至约15W/m-K的贯通面电导率。
16.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述超声波探头连接到超声成像设备，所述超声成像设备配置为将电能发送到所述超声换能器。
17.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述衰减材料电连接至所述超声换能器的表面。
18.根据权利要求1所述的超声波探头，还包括壳体，所述壳体包围所述超声换能器。
19.根据权利要求18所述的超声波探头，其中，所述壳体的至少一部分由所述衰减材料形成。
20.根据权利要求19所述的超声波探头，其中，所述衰减材料位于所述壳体的表面上。
21.根据权利要求1所述的超声波探头，其中，所述超声换能器包括邻近背衬定位的压电层。
22.根据权利要求21所述的超声波探头，其中，所述背衬包括所述衰减材料。
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