CN114146888A - 一种基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列，包括两个并排设置的换能器子阵列，每个换能器子阵列均包括结构相同的多个换能器阵元，各个换能器阵元均包括背衬、压电材料层以及匹配层，压电材料层包括上压电材料层和下压电材料层，属于不同的换能器子阵列的换能器阵元、其上压电材料层的厚度值相异，换能器阵元的上压电材料层上端、下压电材料层下端连接正极引线结构，二者之间连接负极引线结构，通过超声主机驱动上压电材料层或压电材料层来接收或发射声电信号。如此设置，使用压电材料层或仅使用上压电材料层时，前方均无遮挡，提高了工作效率；声电信号发射和接收存在多种组合，便于适应更多的应用场景。

Description

一种基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列

技术领域

本发明涉及医用超声设备技术领域，更具体地说，涉及一种基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列。

背景技术

在医疗领域中，超声设备被广泛应用，从成像到治疗均有涉及。在超声成像应用领域，超声换能器阵列是核心部件。一般的超声换能器阵列由压电材料配合匹配层、透镜、背衬、电极引线等组成，传感灵敏度、频率响应带宽等是其重要的衡量因素。通常要求超声换能器阵列的频带越宽越好，尤其是当超声成像设备工作于谐波成像模式时，采用频率f₀的基频发射，采用频率为2f₀的二次谐波接收成像。甚至在某些治疗监测的场景中还需要用到频率为3f₀的谐波分量，这就更需要宽带的换能器来保证谐波信号能够被接收到。调整压电材料的规格、匹配层和背衬的声学参数、电学匹配参数等都可以改善换能器的带宽，但改进的幅度有限。因此，有人提出在换能器中采用两层压电材料来拓展换能器阵列的带宽，利用其中相对低频率的部分进行发射，相对高频率的部分进行接收。

现有技术中，授权公告号为CN101262960B的专利文件中公开了一种双频带超声换能器阵列，该换能器结构包括低频换能部分、设置在低频换能部分前面的高频换能部分以及设置在高频换能部分前面的保护层，保护层所在的一侧为传播面。在其使用远离传播面的低频换能部分的时候，有一部分有效面积被前面的高频换能部分遮挡，影响工作效率；并且在低频换能部分和高频换能部分之间设置了绝缘层，这样就导致二者的压电材料不直接相连，加工共用地线的时候增加了技术难度。

因此，如何解决现有技术中由于遮挡而导致双频带超声换能器的某一部分工作效率低、且地线加工难度大的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列，以解决现有技术中由于遮挡而导致双频带超声换能器的某一部分工作效率低、且地线加工难度大的问题。而且，本发明中采用宽带超声换能器阵列中的不同区域分别进行发射和接收，可以实现多种发射-接收频率的组合，满足不同的应用需求。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列，包括两个并排设置的换能器子阵列，每个所述换能器子阵列均包括结构相同的多个换能器阵元，且两个所述换能器子阵列包含的所述换能器阵元的数量相等，各个所述换能器阵元均包括背衬、设置在所述背衬上端的压电材料层以及设置在所述压电材料层上端的匹配层，所述压电材料层包括上压电材料层和设置在所述上压电材料层下端的下压电材料层，属于不同的所述换能器子阵列的所述换能器阵元、其所述上压电材料层的厚度值相异，在各个所述换能器阵元的所述上压电材料层的上端以及所述下压电材料层的下端均连接正极引线结构，在所述上压电材料层和所述下压电材料层的接触面连接负极引线结构，通过超声主机驱动所述上压电材料层或所述压电材料层来接收或发射声电信号。

优选地，各个所述换能器阵元的所述压电材料层的厚度值均相等。

优选地，属于不同的所述换能器子阵列的所述换能器阵元、其所述上压电材料层的厚度值之比等于相对应的两个所述换能器子阵列的宽度值之比。

优选地，所述换能器子阵列的最大宽度为a，其满足的条件为d＝a²/λ，其中d为预期需求的所述换能器子阵列的近场距离，λ为声波在传播介质中传播的波长。

优选地，各个所述换能器阵元的所述背衬的厚度值均相等。

优选地，各个所述换能器阵元的所述匹配层的厚度值均相等。

优选地，各个所述换能器阵元的外侧均设有用于将所述正极引线结构和所述负极引线结构绝缘隔离的绝缘隔离层。

本发明提供的技术方案，具有以下有益效果：多频点谐振的宽带超声换能器阵列在工作时，通过超声主机驱动换能器子阵列的至少一个换能器阵元来发射声电信号，驱动换能器子阵列的至少一个换能器阵元来接收声电信号，改变换能器阵元被驱动的部分即可调节发射和接收频率，具体地，可以驱动换能器阵元的上压电材料层或压电材料层，使用压电材料层或仅使用上压电材料层时，前方均不存在遮挡，提高了超声换能器阵列的工作效率；由于换能器子阵列有两个，且对应的换能器阵元的上压电材料层的厚度不同，因此超声换能器阵列存在多个发射和接收频率，可以适应更多的应用场景。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列的侧视图；

图3是本发明实施例中属于其中一个换能器子阵列的换能器阵元、其上压电材料层被驱动时的结构示意图；

图4是本发明实施例中属于另一个换能器子阵列的换能器阵元、其上压电材料层被驱动时的结构示意图；

图5是本发明实施例中属于其中一个换能器子阵列的换能器阵元、其压电材料层被驱动时的结构示意图；

图6是本发明实施例中属于另一个换能器子阵列的换能器阵元、其压电材料层被驱动时的结构示意图；

图7是本发明实施例中两个换能器子阵列中并排的换能器阵元的压电材料层被同时驱动时的结构示意图。

图中：

1-换能器子阵列，2-换能器阵元，3-背衬，4-压电材料层，41-上压电材料层，42-下压电材料层，5-匹配层，6-正极引线结构，7-负极引线结构，8-绝缘隔离层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本具体实施方式的目的在于提供一种基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列，解决现有技术中由于遮挡而导致双频带超声换能器的某一部分工作效率低、且地线加工难度大的问题。而且，本实施例中采用宽带超声换能器阵列中的不同区域分别进行发射和接收，可以实现多种发射-接收频率的组合，满足不同的应用需求。

以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。

请参阅图1和图2，在本实施例中，基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列包括两个并排设置的换能器子阵列1，每个换能器子阵列1均包括数量相等的换能器阵元2，各个换能器阵元2沿换能器子阵列1的长度方向等间隔排布，同一个换能器子阵列1所包含的各个换能器阵元2的结构完全相同。每一个换能器阵元2均包括背衬3、压电材料层4以及匹配层5，压电材料层4设置在背衬3的上端，匹配层5设置在压电材料层4的上端。压电材料层4包括上压电材料层41和设置在上压电材料层41下端的下压电材料层42，下压电材料层42靠近背衬3设置。对于不同的换能器子阵列1的换能器阵元2，其上压电材料层41的厚度值不同。各个换能器阵元2的上压电材料层41的上端以及下压电材料层42的下端均连接正极引线结构6、在上压电材料层41和下压电材料层42的接触面连接负极引线结构7。将超声换能器阵列与超声主机相连接，超声主机可以驱动换能器阵元2的上压电材料层41来进行声电信号的接收或发射，也可以驱动上压电材料层41和下压电材料层42组成的压电材料层4对声电信号进行接收或发射。

具体地，上压电材料层41上端的正极引线结构6包括设置在上压电材料层41上表面的正电极和与正电极相连接的正极引线，下压电材料层42下端的正极引线结构6包括设置在下压电材料层42下表面的正电极和与正电极相连接的正极引线，负极引线结构7包括设置在上压电材料层41和下压电材料层42之间的负电极和与负电极相连接的负极引线。正极引线的引出方向与换能器阵元2的高度方向一致，负极引线的引出方向垂直于正极引线，对于图2中显示的放置方式，负极是从纸面向读者方向引出的。

需要说明的是，每个换能器子阵列1由多个换能器阵元2排列组成，换能器阵元2的排列方向为换能器子阵列1的长度方向，同一个换能器子阵列1的各个换能器阵元2的结构相同，且呈等间距的周期排列。不同的换能器阵元2的正电极之间均是相互分离的，每个换能器阵元2均设有正极引线结构；而所有的负电极之间是互相连接的，所有的换能器阵元2由同一个负极引线结构统一连接，如此设计结构更加简单。

而且，在实际使用过程中，可以通过电路控制部分换能器阵元2工作来进行声电信号的接收或发射，并且控制不同的换能器阵元2在发射和接收时的时序性，这样行成的声场效果就是可以把声波按不同的偏转角进行传播，就是所谓的相控阵。将各个正极引线结构分开设置，就可以实现有些换能器阵元2工作有些停止工作、不同的换能器阵元2发射或接收的时间不同。

当上压电材料层41被驱动时，前方不存在遮挡，使用上压电材料层41和下压电材料层42联合组成的压电材料层4时，前方也不存在遮挡，提高了工作效率；还可以用并排设置的换能器阵元2的压电材料层4组成的整体来对声电信号进行接收和发射。由于属于不同的换能器子阵列1的换能器阵元2、其上压电材料层41的厚度不同，且换能器阵元2的压电材料层4的厚度必然大于上压电材料层41的厚度，因此换能器阵列能够发射或接收不同频率的超声波，使其能够适应更多的应用场景。

根据驻波理论，压电材料层4的厚度h与中心频率f之间的关系是：h＝C/2f，其中C是压电材料层4中纵波的波速，因此压电材料层4的厚度与中心频率成反比，在驱动上压电材料层41和驱动整个压电材料层4时，发射和接收的声电信号频率不同。

在本实施例的优选方案中，各个换能器阵元2的压电材料层4的厚度值均相等。如此设置，便于保证换能器阵元2以及换能器子阵列1结构的一致性。在一些实施例中，各个换能器阵元2的压电材料层4的上表面处于同一平面内，如此设置，方便驱动并排设置的换能器阵元2的压电材料层4整体来发射或接收声电信号，所使用的压电材料层4的面积更大，可以有更大的发射功率。

在本实施例中，属于不同的换能器子阵列1的换能器阵元2、其上压电材料层41的厚度值之比与两个换能器子阵列1的宽度值之比相等。作为具体的实施例，若图2中所示的左右两个换能器阵元2的上压电材料层41的厚度值之比为2:3，则对应的两个换能器子阵列1的宽度值之比也为2:3。换能器子阵列1的宽度指如图2所示的放置状态下，由纸面的左侧向右侧的延伸方向上即为宽度。

进一步地，设换能器子阵列1的最大宽度为a，其满足的条件为d＝a²/λ，其中d为预期需求的换能器子阵列1的近场距离，λ为声波在传播介质中的波长，具体的为声波在压电材料层4中传播的波长。根据声场理论，所有换能器发射的声场均存在近场和远场。在近场的声场变化剧烈，难以控制；远场的声场变化舒缓，便于使用。因而一般需尽量缩短变化剧烈的部分。声场的近场和远场的交界，以其瑞利距离为分界：d＝a²/λ，其中d为预期需求的近场距离，a为换能器子阵列1的宽度，λ为声波在传播介质中的波长。为使左右两个换能器子阵列1的近场范围一致，因而需要换能器子阵列1的宽度与上压电材料层41的厚度呈同比例。并且公式中计算所得的a为允许的最大值，一般需将a取值减小，以留出工程裕量。

在本实施例的优选方案中，各个换能器阵元2的背衬3的厚度值均相等，背衬3用于吸声并对压电材料层4进行支撑。进一步地，各个换能器阵元2的匹配层5的厚度值也相等，根据超声换能器的声学匹配原理，通过匹配层5实现声学匹配。如此设置，各个换能器阵元2的匹配层5、压电材料层4以及背衬3的厚度值分别相等，便于保证换能器子阵列1结构的一致性。

在本实施例中，各个换能器阵元2的外侧设有绝缘隔离层8，其中，“外侧”也即换能器阵元2不与并列的另一个换能器阵元2相贴靠的一侧。如此设置，绝缘隔离层8起到将正极引线结构与负极引线结构进行绝缘隔离的作用，还能保护换能器阵元2。

下面结合图3-图7，对多频点谐振的宽带超声换能器阵列进行具体说明，需要说明的是，图中填充颜色的部分即为被驱动的部分：

实施例一：如图3所示，驱动某一个换能器子阵列1的换能器阵元2的上压电材料层41工作，由该上压电材料层41上端的正极引线结构6和下端的负极引线结构7作为组合进行连接，声电信号的发射和接收均由该上压电材料层41来完成。

实施例二：如图4所示，与实施例一类似，驱动另一个换能器子阵列1的换能器阵元2的上压电材料层41工作，来完成声电信号的发射和接收。

实施例三：某一个换能器子阵列1的换能器阵元2、其上压电材料层41和下压电材料层42作为联合体，由上压电材料层41上端的正极引线结构6和下压电材料层42下端的正极引线结构6作为组合进行驱动，实现声电信号的发射，如图5所示，此时其中一组正极引线结构6需接入负极信号，由于每个换能器阵元2均设有正极引线结构6，因此，描述为“一组正极引线结构6”；由上述被驱动的换能器阵元2的上压电材料层41上端的正极引线结构6和下端的负极引线结构7作为组合驱动上压电材料层41工作来接收声电信号，如图3所示，这样可以实现一个低频发射高频接收的过程。

实施例四：与实施例三类似，驱动属于另一个换能器子阵列1的换能器阵元2、上压电材料层41和下压电材料层42组成的联合体工作来发射声电信号，如图6所示，此时其中一组正极引线结构6需接入负极信号；仅驱动上述换能器阵元2的上压电材料层41来接收声电信号，如图4所示，实现一个低频发射高频接收的过程。

实施例五：如图7所示，两个换能器子阵列1的换能器阵元2的压电材料层4作为一个整体被驱动来发射和接收声电信号，由压电材料层4上端的正极引线结构6和下端的正极引线结构6作为组合进行连接，此时其中一组正极引线结构6需接入负极信号，实现两个换能器子阵列1的最低频发射和接收。

实施例六：驱动两个换能器子阵列1的换能器阵元2的压电材料层4作为整体来发射声电信号，由压电材料层4上端的正极引线结构6和下端的正极引线结构6作为组合进行连接，此时其中一组正极引线结构6需接入负极信号，如图7所示；其中一个换能器子阵列1的换能器阵元2其上压电材料层41上端的正极引线结构6和下端的负极引线结构7作为组合驱动该上压电材料层41接收声电信号，如图3所示，实现一个低频发射高频接收的过程。

实施例七：与实施例六类似，两个换能器子阵列1的换能器阵元2的压电材料层4作为一个整体被驱动来发射声电信号，此时其中一组正极引线结构6需接入负极信号，如图7所示；另一个换能器子阵列1的换能器阵元2其上压电材料层41上端的正极引线结构6和下端的负极引线结构7作为组合驱动该上压电材料层41接收声电信号，如图4所示，实现一个低频发射高频接收的过程。

如此设置，包含两个换能器子阵列1的超声换能器阵列，至少存在以上七种发射和接收的组合方式，给予整个系统的使用更多的选择性，使宽带超声换能器阵列能够适应更多的应用场景；并且在以上实施例中，每一个被驱动的部分前方均无遮挡，提高了超声换能器阵列的工作效率。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。本发明提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不互相制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互结合，达到多个效果共同实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于多频点谐振的宽带超声换能器阵列，其特征在于，包括两个并排设置的换能器子阵列(1)，每个所述换能器子阵列(1)均包括结构相同的多个换能器阵元(2)，且两个所述换能器子阵列(1)包含的所述换能器阵元(2)的数量相等，各个所述换能器阵元(2)均包括背衬(3)、设置在所述背衬(3)上端的压电材料层(4)以及设置在所述压电材料层(4)上端的匹配层(5)，所述压电材料层(4)包括上压电材料层(41)和设置在所述上压电材料层(41)下端的下压电材料层(42)，属于不同的所述换能器子阵列(1)的所述换能器阵元(2)、其所述上压电材料层(41)的厚度值相异，在各个所述换能器阵元(2)的所述上压电材料层(41)的上端以及所述下压电材料层(42)的下端均连接正极引线结构(6)，在所述上压电材料层(41)和所述下压电材料层(42)的接触面连接负极引线结构(7)，通过超声主机驱动所述上压电材料层(41)或所述压电材料层(4)来接收或发射声电信号。

2.如权利要求1所述的宽带超声换能器阵列，其特征在于，各个所述换能器阵元(2)的所述压电材料层(4)的厚度值均相等。

3.如权利要求1所述的宽带超声换能器阵列，其特征在于，属于不同的所述换能器子阵列(1)的所述换能器阵元(2)、其所述上压电材料层(41)的厚度值之比等于相对应的两个所述换能器子阵列(1)的宽度值之比。

4.如权利要求3所述的宽带超声换能器阵列，其特征在于，所述换能器子阵列(1)的最大宽度为a，其满足的条件为d＝a²/λ，其中d为预期需求的所述换能器子阵列(1)的近场距离，λ为声波在传播介质中传播的波长。

5.如权利要求2所述的宽带超声换能器阵列，其特征在于，各个所述换能器阵元(2)的所述背衬(3)的厚度值均相等。

6.如权利要求5所述的宽带超声换能器阵列，其特征在于，各个所述换能器阵元(2)的所述匹配层(5)的厚度值均相等。

7.如权利要求1所述的宽带超声换能器阵列，其特征在于，各个所述换能器阵元(2)的外侧均设有用于将所述正极引线结构(6)和所述负极引线结构(7)绝缘隔离的绝缘隔离层(8)。

Images