CN115038938A - 超声换能器、背衬结构和相关方法 - Google Patents

超声换能器、背衬结构和相关方法 Download PDF

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CN115038938A CN202080093460.7A CN202080093460A CN115038938A CN 115038938 A CN115038938 A CN 115038938A CN 202080093460 A CN202080093460 A CN 202080093460A CN 115038938 A CN115038938 A CN 115038938A
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尼古拉斯·克里斯·查加雷斯
瓦拉克·卡莉安
埃里克·里德
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Resonance Acoustics International Inc
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Abstract

提供了一种超声换能器，超声换能器具有样本接触部和背部，该背部与样本接触部相对。换能器包括压电材料和背衬结构，该压电材料被配置成与样本声学通信，背衬结构与压电材料声学通信。背衬结构被配置成朝向样本接触部并且远离超声换能器的背部反射声能。背衬结构包括低声阻抗层和高声阻抗层。换能器还可以包括第二双层去匹配背衬。第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。还提供了超声换能器，该超声换能器包括一维压电阵列或二维压电矩阵，并包括被配置成反射声能的背衬结构。

Description

超声换能器、背衬结构和相关方法
技术领域
技术领域总体上涉及声能领域，并且更具体地涉及一种超声换能器、相关设备、装置方法和技术。
背景技术
压电声学换能器广泛应用于许多行业，具有广泛的应用。例如，压电超声换能器可用于医学应用，例如诊断成像和/或治疗应用。其他应用包括但不限于超声波无损检测以及超声波加工和焊接。压电超声换能器将电能转化为机械能，并将声波与电信号相互转换。
仍然需要可以缓解或减轻现有技术中的问题的技术、装置、设备和方法。
发明内容
根据一个方面，提供了一种超声换能器，包括：
压电材料，压电材料具有前表面和背表面，压电材料被配置成与样本声学通信；
背衬结构，背衬结构位于压电材料的背表面处，并被配置成向压电材料的前表面反射声能，背衬结构是导热和导电的，背衬结构包括：
第一双层去匹配背衬，第一双层去匹配背衬包括：
第一石墨层；和
由钨制成的层，所述由钨制成的层与第一石墨层接触；
第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬与第一双层去匹配背衬接触，第二双层去匹配背衬包括：
第二石墨层；和
铜层，所述铜层与第二石墨层接触；
散热器，所述散热器与背衬结构热接触；和
一个或多个电极，所述一个或多个电极与压电材料电通信。
在一些实施例中，散热器包括至少一个沟道，沟道构造成在沟道中接收和循环热传递流体。
在一些实施例中，热传递流体是液体。
在一些实施例中，散热器与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，超声换能器能够在工作频率下操作，工作频率与工作波长(λo)相关；并且第一石墨层、与第一石墨层接触的由钨制成的层、第二石墨层和铜层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
在一些实施例中，压电材料被配置成在工作频率下半波谐振。
在一些实施例中，超声换能器包括单个去匹配层，单个去匹配层位于压电材料和背衬结构之间，单个去匹配层与压电材料和背衬结构声学通信，单个去匹配层具有相对高于压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，压电材料被配置为在工作频率下四分之一波谐振。
在一些实施例中，压电材料具有谐振频率，谐振频率与谐振波长λr相关，单个去匹配层相对于压电材料的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层由钨制成。
在一些实施例中，压电材料具有声学特性，声学特性包括约27.5兆瑞利(MegaRayls，MR)的声阻抗。
在一些实施例中，第一石墨层具有约5.1MR的声阻抗。
在一些实施例中，第一石墨层具有的厚度包括在从约1.5mm到约1.6mm的范围内。
在一些实施例中，钨层具有约100MR的声阻抗。
在一些实施例中，钨层具有的厚度包括在从约2.6mm到约2.7mm的范围内。
在一些实施例中，第二石墨层具有约5.1MR的声阻抗。
在一些实施例中，第二石墨层具有的厚度包括在从约1.5mm到约1.6mm的范围内。
在一些实施例中，铜层具有约41.5MR的声阻抗。
在一些实施例中，铜层具有的厚度包括在从约2.5mm到约2.6mm的范围内。
在一些实施例中，压电材料是极化复合压电盘。
在一些实施例中，极化复合压电盘是1 3配置。
在一些实施例中，压电材料为PZT4的复合材料，压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，切口以约1200μm的间距切割。
在一些实施例中，压电材料具有的厚度包括在从约2.35mm到约2.45mm的范围内。
在一些实施例中，切口填充有复合填料，复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
在一些实施例中，复合填料是0 3配置。
在一些实施例中，环氧树脂是
Figure BDA0003748811300000031
301。
在一些实施例中，压电材料由压电层组成。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构接触的导热结构。
在一些实施例中，导热结构与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
在一些实施例中，导热结构在背衬结构的横向部分上延伸。
在一些实施例中，导热结构包括至少一个穿过导热结构的导电通孔。
在一些实施例中，超声换能器包括控制单元，该控制单元电连接到压电材料、背衬结构和一个或多个电极中的至少一个。
在一些实施例中，一个或多个电极通过背衬结构电连接到压电材料。
在一些实施例中，超声换能器包括具有耐磨性能的耐磨层。
在一些实施例中，耐磨层由钛制成。
在一些实施例中，超声换能器具有约50mm的直径。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成同相地反射声能。
在一些实施例中，背衬结构进一步被配置成在空间上和时间上分散背衬结构中不需要的声学混响。
根据一个方面，提供了一种超声换能器，包括：
压电材料，压电材料具有前表面和背表面，压电材料被配置成与样本声学通信；和
背衬结构，背衬结构位于压电材料的背表面处，并被配置成向压电材料的前表面反射声能，背衬结构包括：
第一双层去匹配背衬，第一双层去匹配背衬包括第一低声阻抗层和第一高声阻抗层；和
第二双层去匹配背衬，第二双层去匹配背衬连接到第一双层去匹配背衬，第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。
在一些实施例中，超声换能器包括散热器和导热层中的至少一个，散热器与背衬结构热接触，导热层与压电材料声学匹配。
在一些实施例中，超声换能器包括一个或多个电极，一个或多个电极与所述压电材料电通信。
在一些实施例中，背衬结构是导热和导电的。
在一些实施例中，超声换能器包括预组装电路，预组装电路与背衬结构的顶部电通信，使得预组装电路与压电材料电通信。
在一些实施例中，预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
在一些实施例中，散热器包括至少一个沟道，沟道构造成在沟道中接收和循环热传递流体。
在一些实施例中，热传递流体是液体。
在一些实施例中，散热器与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，超声换能器能够在工作频率下操作，工作频率与工作波长(λo)相关，第一低声阻抗层、第一高声阻抗层、第二低声阻抗层和第二高声阻抗层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
在一些实施例中，压电材料被配置成在工作频率下半波谐振。
在一些实施例中，超声换能器包括单个去匹配层，单个去匹配层位于压电材料和背衬结构之间，单个去匹配层与压电材料和背衬结构声学通信，单个去匹配层具有相对高于压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，压电材料被配置成在工作频率下四分之一波谐振。
在一些实施例中，压电材料具有谐振频率，谐振频率与谐振波长λr相关，单个去匹配层相对于压电材料的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层由钨制成。
在一些实施例中，压电材料具有声学特性，声学特性包括约27.5MR的声阻抗。
在一些实施例中，压电材料是极化复合压电盘。
在一些实施例中，极化复合压电盘具有约2.4mm的厚度。
在一些实施例中，极化复合压电盘是1 3配置。
在一些实施例中，压电材料为PZT4的复合材料，压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，切口以约1200μm的间距切割。
在一些实施例中，切口填充有复合填料，复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
在一些实施例中，复合填料是0 3配置。
在一些实施例中，环氧树脂是
Figure BDA0003748811300000051
301。
在一些实施例中，压电材料由压电层组成。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构接触的导热结构。
在一些实施例中，导热结构与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
在一些实施例中，导热结构在背衬结构的横向部分上延伸。
在一些实施例中，导热结构包括至少一个穿过导热结构的导电通孔。
在一些实施例中，超声换能器包括控制单元，该控制单元电连接到压电材料和背衬结构中的至少一个。
在一些实施例中，一个或多个电极通过背衬结构电连接到压电材料。
在一些实施例中，超声换能器包括具有耐磨性能的耐磨层。
在一些实施例中，耐磨层由钛制成。
在一些实施例中，超声换能器具有约50mm的直径。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成同相地反射声能。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成在空间上和时间上分散背衬结构中不需要的声学混响。
根据一个方面，提供一种超声换能器，具有样本接触部和背部，背部与样本接触部相对，超声换能器包括：
压电材料，压电材料被配置成与样本声学通信；和
背衬结构，背衬结构与压电材料声学通信，背衬结构被配置成朝向样本接触部并且远离超声换能器的背部反射声能，背衬结构包括：
低声阻抗层；和
高声阻抗层。
在一些实施例中，低声阻抗层和高声阻抗层形成第一双层去匹配背衬，超声换能器包括第二双层去匹配背衬，第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构热接触的散热器。
在一些实施例中，超声换能器包括与压电材料电通信的一个或多个电极。
在一些实施例中，背衬结构是导热和导电的。
在一些实施例中，超声换能器包括预组装电路，预组装电路与背衬结构的顶部电通信，使得预组装电路与压电材料电通信。
在一些实施例中，预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
在一些实施例中，散热器包括至少一个沟道，沟道构造成在沟道中接收和循环热传递流体。
在一些实施例中，热传递流体是液体。
在一些实施例中，散热器与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，超声换能器能够在工作频率下操作，工作频率与工作波长(λo)相关，低声阻抗层、高声阻抗层、第二低声阻抗层和第二高声阻抗层各自具有约λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
在一些实施例中，压电材料被配置成在工作频率下半波谐振。
在一些实施例中，超声换能器包括单个去匹配层，单个去匹配层位于所述压电材料和所述背衬结构之间，单个去匹配层与压电材料和所述背衬结构声学通信，单个去匹配层具有相对高于所述压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，压电材料被配置成在工作频率下四分之一波谐振。
在一些实施例中，压电材料具有谐振频率，谐振频率与谐振波长λr相关，单个去匹配层相对于压电材料的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层由钨制成。
在一些实施例中，压电材料具有声学特性，声学特性包括约27.5MR的声阻抗。
在一些实施例中，压电材料是极化复合压电盘。
在一些实施例中，极化复合压电盘具有约2.4mm的厚度。
在一些实施例中，极化复合压电盘是1 3配置。
在一些实施例中，压电材料为PZT4，压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，切口以约1200μm的间距切割。
在一些实施例中，切口填充有复合填料，复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
在一些实施例中，复合填料是0 3配置。
在一些实施例中，环氧树脂是
Figure BDA0003748811300000071
301。
在一些实施例中，压电材料由压电层组成。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构接触的导热结构。
在一些实施例中，导热结构与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
在一些实施例中，导热结构在背衬结构的横向部分上延伸。
在一些实施例中，导热结构包括至少一个穿过导热结构的导电通孔。
在一些实施例中，超声换能器包括控制单元，该控制单元电连接到压电材料和背衬结构中的至少一个。
在一些实施例中，一个或多个电极通过背衬结构电连接到压电材料。
在一些实施例中，超声换能器包括具有耐磨性能的耐磨层。
在一些实施例中，耐磨层由钛制成。
在一些实施例中，超声换能器具有约50mm的直径。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成同相地反射声能。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成在空间上和时间上分散背衬结构中不需要的声学混响。
在一些实施例中，压电材料被切成多个压电区域，多个压电区域通过间隙彼此分隔开，间隙是电绝缘和声学绝缘的；低声阻抗层和高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第一元件，多个第一元件通过第一组间隙彼此分隔开，第一组间隙中的每一个与分隔压电区域的间隙中的相应间隙对准，第一组间隙是电绝缘和声学绝缘的；并且第二低声阻抗层和第二高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第二元件，多个第二元件通过第二组间隙彼此分隔开，第二组间隙中的每一个与分隔压电区域的间隙中的相应间隙对准，第二组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
在一些实施例中，间隙、第一组间隙和第二组间隙是导热的。
根据一个方面，提供了一种超声换能器，包括：
一维压电阵列，一维压电阵列具有前表面和背表面，一维压电阵列被配置成与样本声学通信，并且包括在一维中排列的多个压电区域；
背衬结构，背衬结构位于一维压电阵列的背表面处，并被配置成向一维压电阵列的前表面反射声能，背衬结构包括双层去匹配背衬，双层去匹配背衬包括低声阻抗层和高声阻抗层；和
预组装电路，预组装电路与背衬结构的顶部电通信，使得预组装电路与一维压电阵列电通信。
在一些实施例中，超声换能器包括第二双层去匹配背衬，第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构热接触的散热器。
在一些实施例中，超声换能器包括与一维压电阵列电通信的一个或多个电极。
在一些实施例中，背衬结构是导热和导电的。
在一些实施例中，预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
在一些实施例中，每个压电区域通过间隙彼此隔开，间隙是电绝缘和声学绝缘的。
在一些实施例中，低声阻抗层和高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第一元件，多个第一元件通过第一组间隙彼此分隔开，第一组间隙中的每一个与分隔压电区域的间隙中的相应间隙对准，第一组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
在一些实施例中，第二低声阻抗层和第二高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第二元件，多个第二元件通过第二组间隙彼此分隔开，第二组间隙中的每一个与分隔压电区域的间隙中的相应间隙对准，第二组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
在一些实施例中，间隙、第一组间隙和第二组间隙是导热的。
在一些实施例中，背衬结构的顶部由电绝缘材料制成。
在一些实施例中，电绝缘材料是导热的。
在一些实施例中，顶部包括由AlN制成的层，该层被导电通孔穿过，每个导电通孔与在一维中排列的多个压电区域中的相应的压电区域对准。
在一些实施例中，由AlN层制成的层具有前面，由AlN层制成的层从前面部分地切割，以增强在一维中排列的多个压电区域中的相邻压电区域的声学隔离。
在一些实施例中，散热器包括至少一个沟道，沟道构造成在沟道中接收和循环热传递流体。
在一些实施例中，热传递流体是液体。
在一些实施例中，散热器与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，超声换能器能够在工作频率下操作，工作频率与工作波长(λo)相关，低声阻抗层、高声阻抗层、第二低声阻抗层和第二高声阻抗层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
在一些实施例中，一维压电阵列被配置成在工作频率下半波谐振。
在一些实施例中，超声换能器包括单个去匹配层，单个去匹配层位于一维压电阵列和背衬结构之间，单个去匹配层与一维压电阵列和所述背衬结构声学通信，单个去匹配层具有相对高于所述一维压电阵列的声阻抗的相应的声阻抗，其中，一维压电阵列被配置成在工作频率下四分之一波谐振。
在一些实施例中，一维压电阵列具有谐振频率，谐振频率与谐振波长λr相关，单个去匹配层相对于一维压电阵列的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层由钨制成。
在一些实施例中，压电区域包括由切口隔开的柱。
在一些实施例中，切口填充有复合填料，复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
在一些实施例中，复合填料是0 3配置。
在一些实施例中，环氧树脂是
Figure BDA0003748811300000101
301。
在一些实施例中，压电区域由压电层组成。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构接触的导热结构。
在一些实施例中，导热结构与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
在一些实施例中，导热结构在背衬结构的横向部分上延伸。
在一些实施例中，超声换能器包括控制单元，该控制单元电连接到一维压电阵列和背衬结构中的至少一个。
在一些实施例中，一个或多个电极通过背衬结构电连接到一维压电阵列。
在一些实施例中，超声换能器包括具有耐磨性能的耐磨层。
在一些实施例中，耐磨层由钛制成。
在一些实施例中，超声换能器具有约50mm的直径。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成同相地反射声能。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成在空间上和时间上分散背衬结构中不需要的声学混响。
根据一个方面，提供了一种超声换能器，包括：
二维压电矩阵，二维压电矩阵具有前表面和背表面，二维压电矩阵被配置成与样本声学通信；
背衬结构，背衬结构位于一维压电矩阵的背表面处，并被配置成向二维压电矩阵的前表面反射声能，背衬结构包括双层去匹配背衬，双层去匹配背衬包括低声阻抗层和高声阻抗层；和
预组装电路，预组装电路与背衬结构的顶部电通信，使得预组装电路与二维压电矩阵电通信。
在一些实施例中，超声换能器包括第二双层去匹配背衬，第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构热接触的散热器。
在一些实施例中，超声换能器包括与二维压电矩阵电通信的一个或多个电极。
在一些实施例中，背衬结构是导热和导电的。
在一些实施例中，预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
在一些实施例中，二维压电矩阵包括多个压电区域，每个压电区域通过间隙彼此隔开，间隙是电绝缘和声学绝缘的。
在一些实施例中，低声阻抗层和高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第一元件，多个第一元件通过第一组间隙彼此分隔开，第一组间隙中的每一个与分隔压电区域的间隙中的相应间隙对准，第一组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
在一些实施例中，第二低声阻抗层和第二高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第二元件，多个第二元件通过第二组间隙彼此分隔开，第二组间隙中的每一个与分隔压电区域的间隙中的相应间隙对准，第二组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
在一些实施例中，间隙、第一组间隙和第二组间隙是导热的。
在一些实施例中，背衬结构的顶部由电绝缘材料制成。
在一些实施例中，电绝缘材料是导热的。
在一些实施例中，顶部包括由AlN制成的层，该层被导电通孔穿过，每个导电通孔与多个压电区域中的相应压电区域对准。
在一些实施例中，由AlN层制成的层具有前面，由AlN层制成的层从前面部分地切割，以增强在一维中排列的多个压电区域中的相邻压电区域的声学隔离。
在一些实施例中，散热器包括至少一个沟道，沟道构造成在沟道中接收和循环热传递流体。
在一些实施例中，热传递流体是液体。
在一些实施例中，散热器与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，超声换能器能够在工作频率下操作，工作频率与工作波长(λo)相关，低声阻抗层、高声阻抗层、第二低声阻抗层和第二高声阻抗层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
在一些实施例中，二维压电矩阵被配置成在工作频率下半波谐振。
在一些实施例中，超声换能器包括位于二维压电矩阵和背衬结构之间的单个去匹配层，单个去匹配层与二维压电矩阵和背衬结构声学通信，单个去匹配层具有相对高于二维压电矩阵的声阻抗的相应的声阻抗，其中，二维压电矩阵被配置成在工作频率下四分之一波谐振。
在一些实施例中，二维压电矩阵具有谐振频率，谐振频率与谐振波长λr相关，单个去匹配层相对于二维压电矩阵的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
在一些实施例中，单个去匹配层由钨制成。
在一些实施例中，二维压电矩阵包括由切口隔开的柱。
在一些实施例中，切口填充有复合填料，复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
在一些实施例中，复合填料是0 3配置。
在一些实施例中，环氧树脂是
Figure BDA0003748811300000131
301。
在一些实施例中，二维压电矩阵由压电层组成。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构接触的导热结构。
在一些实施例中，导热结构与背衬结构电绝缘。
在一些实施例中，导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
在一些实施例中，导热结构在背衬结构的横向部分上延伸。
在一些实施例中，超声换能器包括控制单元，该控制单元电连接到二维压电矩阵和背衬结构中的至少一个。
在一些实施例中，一个或多个电极通过背衬结构电连接到二维压电矩阵。
在一些实施例中，超声换能器包括具有耐磨性能的耐磨层。
在一些实施例中，耐磨层由钛制成。
在一些实施例中，超声换能器具有约50mm的直径。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成同相地反射声能。
在一些实施例中，背衬结构还被配置成在空间上和时间上分散背衬结构中不需要的声学混响。
根据另一方面，提供了多层超声换能器背衬结构。在一些实施例中，背衬结构使得能够将很大一部分声能反射出换能器的前面，在一些情况下几乎所有声能反射出换能器的前面。这种换能器一般不受背衬叠层的背部的物理接触的影响。
根据另一方面，提供了一种设计成与钛匹配的单元件液体冷却材料专用换能器。该换能器包括去匹配结构，例如双层去匹配背衬(dual layer de-matching backing，DLDB)。DLDB可以设计成在680kHz压电换能器上工作。换能器具有27.5兆瑞利(MegaRayls，MR)声阻抗的压电复合材料元件，并且包括第一DLDB对，第一DLDB对接合到第二DLDB对，第一DLDB对包括声阻抗约为5.1MR且厚度为1.03mm的第一石墨层和声阻抗约为100MR且厚度为1.53mm的第二钨金属层，第二DLDB对包括声阻抗约为5.1MR且厚度为0.905mm的第一石墨层，以及声阻抗约为41.5MR且厚度为1.71mm的第二铜金属层。
在一些实施例中，DLDB包括第一背衬层和第二背衬层，第一背衬层和第二背衬层中的每个具有远端面和近端面。近端面可与第二背衬层的远端面声学接触。DLDB可以被布置成与具有远端面和近端面的压电元件声学接触，第一背衬层的远端面与压电元件的近端面接触。对于压电元件的设计谐振频率，DLDB的第一背衬层和第二背衬层可以被设计为约1/4λ(lambda)厚度。第一背衬层可以由与压电元件相比具有相对较低声阻抗的材料制成。第二背衬层可以由与第一背衬层相比具有相对高的声阻抗的材料制成。
在一些实施例中，换能器包括2.4mm厚的1 3极化复合压电盘，该厚度对应于约0.35λ到0.4λ之间，但1/2λ模式下工作，在近端面上具有正电极和在远端面上具有负电极。压电盘部的厚度可以选择为比1/2λ薄以补偿DLDB背衬的质量负载效应。压电复合材料可以通过切割和填充极化的PZT4材料制成，压电复合材料具有以1200μm的间距切割的200μm的切口，留下由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱。切口可以例如但不限于用掺杂到Epotek301环氧树脂中的大约5μm二氧化铪颗粒的0 3复合填料填充，使得复合切口填充材料的声阻抗的范围在大约7MR到8MR之间，并且整个压电复合材料层的声阻抗与约为27.5MR的钛紧密匹配。可以使用例如载有钨粉的环氧树脂，将压电复合层的负极面与6mm厚的ZA-8锌铝合金盘的近端面接合。然后可以使用载有亚微米颗粒氧化铪的Epotek 301环氧树脂，将ZA-8盘的远端面接合到氧化铝复合盘的近端面。氧化铝复合盘可以包括750μm乘750μm乘1400μm高的柱，该柱由200μm的切口隔开，切口填充有与制造压电复合盘的相同的载有铪颗粒的环氧树脂。通过载有亚微米氧化铪的Epotek 301环氧树脂层，氧化铝复合材料的远端面可进而接合到3mm厚的钛盘的近端面。然后如下所述，使用载有亚微米钨粉的Epotek 301环氧树脂，将两组双层去匹配背衬(DLDB)接合到压电盘的近端面。压电复合盘的近端面与1030μm厚的Poco DFP-1石墨盘的远端面接合，石墨盘的声阻抗为5.1MR，905μm对应于680kHz(换能器的中心频率)下的1/4λ。然后，将石墨盘的近端面接合到1530μm厚的钨盘的远端面，钨盘的声阻抗为100MR，钨盘的厚度对应于约850kHz(略高于换能器的中心频率)下的1/4λ。然后，将钨盘的近端面接合到905μm厚的Poco DFP-1石墨盘的近端面，石墨盘的声阻抗为5.1MR，厚度对应于约800kHz(略高于换能器的中心频率)下的1/4λ。石墨盘的近端面与1710μm厚的铜盘的远端面接合，铜盘的声阻抗为41.5MR，厚度对应于680kHz下的1/4λ。石墨盘和钨盘构成第一双层去匹配背衬叠层，石墨盘和铜盘构成第二DLDB叠层。这两个叠层一起工作，将压电复合盘与换能器的热冷却元件声学隔离，从而允许热冷却溶液直接接合到铜盘的近端面，而基本上不会破坏换能器的声学性能。在这些实施例中，使用导热环氧树脂将1mm厚的高导热AlN盘的远端面接合到铜盘的近端面。AlN盘开有槽口，以为与铜盘的电连接留出空间，采用焊接线或替代地导热环氧树脂接合线进行电连接。需要注意的是，本实施例中的整个DLDB叠层既是导电的又是导热的，使得通过DLDB叠层直接与压电复合盘的信号电极电连接成为可能。此外，应该注意，除了在该示例性实施例中明确描述的那些材料之外，存在许多可以实践用于本公开技术的应用的材料，这些材料中一些是导电的、导热的或者两者兼有，或者既不导热也不导电。在这个示例性实施例中，DLDB层都是导电和导热的。铜散热器基底的近端面被钎焊或焊接到散热器顶部的远端边缘上，以形成中空铜散热器组件，中空铜散热器组件的远端面通过导热但电绝缘的环氧树脂与AlN盘的近端面直接接合。在所示实施例中，中空散热器顶部的近端面通过同一导热环氧树脂接合到AlN盘的远端面。AIN盘在其上具有两个间隙孔、以及槽口，这些孔使得冷却管能够被固定到散热器顶部的一体式的带倒钩管上，槽口为附接到铜DLDB层的信号线提供间隙路径。AlN圆盘的近端面可以使用导热环氧树脂接合到铜散热器的远端面。铜壳体可以压入配合到ZA-8盘的周边，并使用电绝缘和导热环氧树脂接合到完整的声学和热的叠层上。在一些实施例中，所有空隙都填充有导热且电绝缘的环氧树脂，从而使整个组件除了散热器组件的中空内部(即，散热器顶部和散热器底部)以外都成为实心的。橡胶软管可具有例如但不限于3/8英寸的内径，橡胶软管安装到铜散热器带倒钩软管凸台的顶部并用软管夹固定到位。换能器包括电触点，该电触点可以由焊接到铜盖的BNC RF电连接器实现。BNC连接器的中心导体还可以焊接到信号线上，从而将BNC信号导体电连接到压电复合盘的信号正电极上。在一些实施例中，铜盖可以用导热环氧树脂焊接或接合到铜壳体的近端唇缘，从而通过铜壳体和ZA-8盘完成从BNC连接器的接地端与压电复合盘的负电极的电连接。换能器还包括电绝缘塑料壳体，塑料壳体接合到铜盖和铜壳体上，至少部分覆盖氧化铝复合盘的边缘并搁置在钛盘的表面上。得到的换能器(即前面描述的部件的组件)然后连接到液体循环的空气-液体热交换器并填充合适的冷却液。冷却液的非限制性示例是50％丙二醇/水混合物。
根据另一个方面，提供了一维线性阵列，以下将描述，该一维线性阵列具有单个DLDB背衬层，该背衬层被完全切割并直接电连接到PCB。这样的配置允许阵列的相对容易的电互连，甚至允许相对直接地将ASIC或高密度连接器直接应用于叠层。该阵列包括防护耐磨层。替代性地，该层可以是透镜或匹配层，这取决于具体的应用。每一个压电元件由间隙(或切口)彼此分隔开以形成一维阵列。该阵列还包括第一DLDB，第一DLDB包括低声阻抗1/4λ层，低声阻抗1/4λ层以与阵列的压电元件一致的方式通过多个元件之间的间隙被分隔成多个元件；以及第一DLDB包括设置在低声阻抗层的之上的高声阻抗1/4λ层，高声阻抗1/4λ层由钨制成。高声阻抗层以与阵列的压电元件一致的方式通过多个元件之间的间隙被分隔成多个元件。该阵列还提供了在PCB表面上的电极，PCB和在电路板上的通孔，该通孔将电极从一个面连接到相对面。
根据本发明的又一个方面，提供了一种配备双DLDB的一维阵列，一维阵列具有叠加在第一DLDB对上的第二DLDB对，第二DLDB对包括低声阻抗1/4λ层，在低声阻抗1/4λ层之上设置了横向热连续的高声阻抗1/4λ层。该导热层是AlN或可以是氧化铍或其他合适的导热电绝缘材料，并包含导电通孔，用以连接到换能器的元件。这使得阵列能够从边缘冷却并且直接与例如PCB电连接。
根据另一个方面，提供了一种二维矩阵换能器。在一些实施例中，二维矩阵是双DLDB 16×16元件矩阵阵列，该阵列具有横向热连续层。矩阵换能器包括防护耐磨层，根据跨越二维换能器阵列的整个区域的应用，耐磨层可以替换为透镜或匹配层。该矩阵换能器包括压电元件，压电元件在两个轴上由间隙(或切口)彼此分隔开以形成二维线性阵列或矩阵阵列。该矩阵换能器包括第一DLDB叠层，第一DLDB叠层包括低声阻抗1/4λ层和高声阻抗1/4λ层，低声阻抗1/4λ层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙在两个轴上被分隔成多个元件，高声阻抗1/4λ层由钨制成。该层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙在两个轴上被分隔成多个元件。所述多个层限定了第一叠层。矩阵换能器还包括第二叠层，第二DLDB叠层包括低声阻抗1/4λ层，该低声阻抗1/4λ层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙在两个轴上被分隔成多个元件，第二DLDB叠层还包括高声阻抗1/4λ层。该层通常是连续的，并且由AlN制成。在上下文中，表述“连续”是指叠层没有间隙并沿阵列的两个轴提供横向导热率。垂直电导率由AlN层中的导电通孔提供。该层在保持二维阵列内部相对于边缘元件的温度相等方面特别有用。
通过阅读下面的仅作为示例参照附图提供的非限制性的具体实施例的描述，本说明书的其他特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1a示出了根据一个实施例的液体冷却的超声换能器。图1b示出了与图1a的超声换能器的压电材料接触的背衬结构。图1c是图1b的横截面。图1d是图1a的横截面。
图2是根据另一个实施例的液体冷却的超声换能器的分解图。
图3是图2所示液体冷却的超声换能器的另一分解图。
图4示出了根据一个实施例的与超声换能器的压电材料接触的背衬结构，以及与背衬结构热接触的散热器。
图5示出了根据一个实施例的夹设在压电材料和双层去匹配背衬之间的单个去匹配层。
图6是图5的横截面。
图7示出了根据一个实施例的16元件一维线性阵列。
图8是图7的横截面，示出了形成16元件一维线性阵列的层。
图9是图7的另一个横截面，示出了形成16元件一维线性阵列的层。
图10示出了根据另一个实施例的16元件一维线性阵列。
图11是图10的横截面，示出了形成16元件一维线性阵列的层。
图12是图10的另一个横截面，示出了形成16元件一维线性阵列的层。
图13是超声换能器的工作原理的简单示意图。更具体地说，考虑到相对窄带的情况，图中示出了反射系数的相互作用以及DLDB中低声阻抗层和高声阻抗层的特定布置，导致仅同相反射到达换能器的输出(前)面。由于每个DLDB层的谐振以及所产生的交替对的相位，能量仅在每四次反射中同相地留在层中，并且能量在每两次反射都会受到部分破坏性干扰。结果是能量一旦被困在DLDB层中，需要相对较长的时间才能下降，并且以非常低的幅度下降。
图14示出了根据一个实施例的二维压电矩阵。
图15是图14的分解图。
图16是图14的横截面。
图17示出了根据另一个实施例的超声换能器。
图18示出了根据另一个实施例的超声换能器。
图19a是在相同条件下以680kHz传输到钛的不包括散热器的目前的空气背衬材料特定换能器(上图)与图1a的超声换能器(下图)的比较。图19b是传输到钛的目前的空气背衬材料特定换能器(上图)和图1a的传输到钛的超声换能器(下图)的包络的对数的比较。
图20是如下的三个680kHz材料专用换能器的比较，三个换能器均具有附接到压电叠层的背面的铜散热器：空气背衬材料专用换能器，其具有直接接合到换能器的压电元件的背面的散热器(上图)；目前的将散热器接合到换能器的压电元件的方法，换能器具有声学损耗的导热材料，例如氧化铝填充的硅胶泡沫(中图)；以及图1a的超声换能器，其具有直接接合到背衬结构的散热器(下图)。
图21示出了图20所示波形的包络的对数。
图22a是10MHz单元件换能器的比较，即，1/4λ(lambda)谐振压电元件的脉冲回波脉冲响应与约1/10λ厚的钨去匹配层的脉冲回波脉冲响应的比较，该图示出了将单个DLDB添加到去匹配层的背面的效果。图22b示出了图22a所示10MHz单元件换能器的波形的对数包络的比较。
图23a是将3mm厚铜散热器直接添加到图22a中的10MHz声学叠层的背面的效果对比，直接接合到3mm铜散热器的DML背衬会产生多次内部反射，从而导致不需要的成像或检测应用中的伪影(上图)；以及在散热器直接接合到声学叠层的表面时，配备DLDB的叠层不会发生可测量的变化(下图)。图23b是图23a所示的10MHz换能器的脉冲回波波形的对数包络的比较。
图24是具有被匹配以传输到钛的PZT复合压电元件的材料特定5MHz一维阵列元件550μm乘5mm在具有双DLDB背衬的情况下和具有空气背衬的情况下的脉冲回波响应的比较。除了在配备DLDB的叠层中看到的轻微脉冲长度增加之外，空气背衬换能器(上图)和配备DLDB的换能器(下图)之间的差异最小。
图25是图24中描述的换能器元件的脉冲回波响应的比较，其中增加了6毫米铜散热器，该散热器直接接合到声学叠层的背面(上图)。当散热器接合到空气背衬换能器的背面时，会看到明显的内部混响伪影(下图)。
具体实施方式
在以下描述中，附图中的相似特征已被赋予相似的附图标记，并且为了不使附图受到不适当的限制，如果一些元件已经在一个或多个先前的附图中标识，则在一些附图上可能未指示这些元件。在本文中还应该理解，由于重点放在清楚地示出本申请的实施例的元件和结构上，所以附图的元件不必按比例绘制。术语“一(a)”、“一(an)”和“一个(one)”在本文中被定义为表示“至少一个”，也就是说，除非另有说明，否则这些术语不排除多个元件。还需要注意的是，修饰示例性实施例的特征的值、条件或特点的诸如“基本上”、“通常”和“大约”的术语应理解为意味着该值、条件或特点被限定在该示例性实施例针对其预期应用的适当操作可接受的公差内。
在本说明书中，术语“连接”、“耦合”及其变型和派生词是指两个或更多个元件之间的直接或间接的任何连接或耦合。元件之间的连接或耦合可以是声学的、机械的、物理的、光学的、操作的、电的、无线的或其组合。
应当理解的是，为了便于描述和清楚起见，在本文中使用指示一个元件相对于另一元件的位置或定向的位置叙述语，并且除非另有说明，否则这些叙述语应在附图的上下文中采用，并且不应视为限制性的。应当理解的是，除了附图中例示的位置和定向之外，空间相对术语(例如，“外部”和“内部”、“外侧”和“内侧”、“外围”和“中央”、“上方”和“下方”以及“顶部”和“底部”)还旨在涵盖本申请的实施例中使用或操作的不同的位置和定向。
一般理论背景
压电超声换能器一般由压电元件组成，压电元件具有两个相对面。可以选择压电元件以在期望的频率下操作。这种操作的示例包括压电元件的声学谐振。压电声学换能器可以包括多个层，例如但不限于，这些层可以是堆叠的或叠覆的。除了压电元件之外，压电声学换能器可以包括信号和接地电极、匹配层、声背衬、透镜和许多其他层或结构中的至少一个，以提高其在预期应用中的性能。一些换能器可以设计成输出声能(即发射机)，而另一些换能器可以检测撞击声能(即接收机)。需要注意的是，一些换能器可以被优化以执行这两种功能(即，收发器)。在超声换能器领域中可以实施不同的技术，以生产不同类型的压电超声换能器。
在大多数情况下，设计压电换能器与许多挑战相关联，例如优化和/或引导朝向预定目标的声能，以及最小化远离预期目标的声能。例如，可以考虑相对简单的薄盘形压电元件的情况，当在压电盘上施加适当频率的电压时，该薄盘形压电元件将倾向于从盘的正面和背面产生相等的声波。
存在各种各样的技术来改进这种压电盘的特性，以增强从一个面(例如前面或远端面)输出的声能，并减小从另一个面(背面或近端面)输出的声能。本领域技术人员将知道，这种压电元件通常被布置成使得每个面都与导电电极接触。导电电极的一个示例是溅射金属，该溅射金属使得压电元件连接到电子系统和/或其他适当的电路。在将RF电压信号施加到电极的实施方式中，压电元件经受机械扰动。如果电RF信号的频率和一维压电阵列的厚度匹配正确的工作条件，则可以使压电元件在超声频率下机械谐振。人们会注意到，这种可能性取决于压电材料的特性。
在本领域中通常已知的是可以在压电超声换能器中使用背衬。背衬的示例包括但不限于：声阻抗远低于压电层的吸收背衬；一些具有复合形式以消散和吸收声能的吸收背衬；去匹配层，该去匹配层具有远高于压电层的声阻抗和通常小于1/4λ的厚度，该去匹配层被设计成将所有能量有效地反射到换能器的输出部，同时起到可调谐质量负载作用；以及其他技术，例如空气背衬以及许多其他包括延迟线背衬等的变型。
许多换能器背衬是低声阻抗的吸收背衬，被设计成将大部分或至少大部分能量反射到换能器的前面(或替代地“工作面”)并吸收和消散背衬内的未反射的能量。这种吸收背衬通常具有预定的几何构造，例如背衬可以足够大并且具有特定形状，以吸收足够的声能并防止不需要的内部反射返回到压电晶体。这些低声阻抗背衬通常要求压电层在1/2λ谐振模式下操作。
去匹配层是另一种常见的背衬技术，被设计成将能量反射出换能器的前部，同时为调谐阻尼提供一些可调节的质量负载。添加去匹配层的影响通常需要设计1/4波的谐振换能器。在一些实施方式中，可以操作去匹配层以反射接近百分之100的能量或至少大部分能量。
另一个实施方案包括空气背衬换能器，其也可以将接近百分之100的能量或者至少大部分能量反射出前面。然而，这种换能器不允许质量负载或阻尼，但会以与吸光背衬相同的模式工作，因为压电将以1/2λ共振。
除其他外，大多数背衬技术的一个限制是，在不影响声学信号的情况下，换能器的背面无法进行电连接，换能器的背面通常应在最小的面积内制作，以最小化声学伪影和/损失。现有技术的另一个限制是难以提供与换能器的压电元件直接接触的有效热冷却解决方案。随着现代基于弛豫的多晶和单晶铁电体以牺牲热鲁棒性为代价变得越来越高效，上述挑战变得越来越重要。
值得注意的是，由于无法接近矩阵换能器的内部元件，会使二维阵列换能器的冷却和电互连以及声学背衬考虑更具挑战性。因此，如本文将描述的，存在开发一种导电的声学有效背衬的需要。如本文将描述的，还需要开发一种导热的声学有效的背衬技术。如本文将描述的，还需要开发一种在声学和空间上有效的背衬，该背衬能够反射压电换能器的几乎所有声能，同时使背衬的近端面相对没有声能，并使得电装置和热装置的连接成为可能，而不会破坏换能器的性能。如本文将描述的，需要开发一种导热和导电的声学有效背衬，该背衬可以连接到一维或二维阵列换能器，为每个元件提供电连接，冷却每个元件。
超声换能器的背衬结构
概括地说，本说明书涉及多层超声换能器背衬结构或类似技术。在一些实施例中，该技术允许将很大一部分声能反射出换能器的前面，在一些情况下，允许将几乎所有声能反射出换能器的前面。此外，根据当前技术制造的系统或设备通常不受背衬叠层的背面处的物理接触的影响。本文介绍的换能器在热电和声学上相对有效，因为在背衬层中吸收的能量非常少。
在本公开的上下文中，如下文将更详细描述的，背衬结构可以包括一个或多个去匹配背衬，每个去匹配背衬包括两层。在这方面，每一个去匹配背衬将被称为“双层去匹配背衬”，或简称为“DLDB”。在一些实施例中，DLDB对可用作背衬结构，即，超声换能器可包括第一DLDB和第二DLDB，每个DLDB包括两层。在其他实施例中，例如但不限于，两个或更多个DLDB对可以用作背衬结构，以进一步声学隔离背表面。
值得注意的是，形成DLDB的层具有电、声、热和机械性能，这些性能可能根据目标应用而变化。例如，在不受限制的情况下，DLDB可以包括导电和导热的层、既不导电也不导热的层或其任何组合。
参考图1至图6，将描述超声换能器100的实施例。
超声换能器100通常包括压电材料102、背衬结构108、散热器122和一个或多个电极126(称为电极126)。尽管将在整个说明书中描述的超声换能器的实施例将被描述为包括压电材料，但本领域技术人员将注意到，本公开的超声换能器可包括任何铁电材料、任何单晶或多晶材料、任何机电换能器材料，这样的材料具有以下特性中的一种或多种：铁电性、热电性、压电性、电致伸缩和其他相关性质。应当注意，在本说明书的上下文中，如本领域技术人员容易理解的那样，表述“压电材料”也可以指铁电材料、热电材料、弛豫材料和电致伸缩材料。
压电材料102具有前表面104和背表面106。压电材料102配置成与样本(图中未示出)声学通信。压电材料102具有声学特性。例如但不限于，声学特性可包括约27.5兆瑞利(MegaRayls，MR)的声阻抗。
在一些实施例中，压电材料102可以是极化复合压电盘。极化复合压电盘可以为13配置。
在一些实施例中，压电材料102可以是PZT4的复合材料并且可以包括柱。例如，非限制性地，这些柱是由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱。切口可以以大约1200μm的间距切割。可以用复合填料填充切口。在一些实施例中，复合填料可以是0 3配置。复合填料可以包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。环氧树脂的一个非限制性示例是
Figure BDA0003748811300000241
301。在一些实施例中，压电材料102可以具有的厚度包括在从约2.35mm到约2.45mm的范围内。
在一些实施例中，压电材料102由压电层组成。
背衬结构108位于压电材料102的背表面106处。背衬结构108配置成朝向压电材料102的前表面104反射声能。在一些实施例中，背衬结构108还配置成同相地反射声能。在一些实施例中，背衬结构108进一步配置成在空间上和时间上分散背衬结构108中不需要的声学混响。背衬结构108是导热和导电的。图1至图6所示的背衬结构108包括第一双层去匹配背衬110和第二双层去匹配背衬116。
第一双层去匹配背衬110包括第一石墨层112和与第一石墨层112接触的由钨制成的层114。在一些实施例中，第一石墨层112具有约5.1MR的声阻抗，并且第一石墨层具有的厚度包括在从约1.5mm到约1.6mm的范围内。在一些实施例中，钨层114具有约100MR的声阻抗和包括在从约2.6mm到约2.7mm的范围内的厚度。本领域技术人员将容易理解，第一石墨层112和钨层114的声阻抗和厚度由目标应用规定，因此可以不同于上面列出的示例。
第二双层去匹配背衬116与第一双层去匹配背衬110接触。第二双层去匹配背衬116包括第二石墨层118和与第二石墨层118接触的铜层120。在一些实施例中，第二石墨层118具有约5.1MR的声阻抗，并且具有包括在从约1.5mm到约1.6mm的范围内的厚度。在一些实施例中，铜层120具有约41.5MR的声阻抗和包括在从约2.5mm到约2.6mm的范围内的厚度。本领域技术人员将容易理解，第二石墨层118和铜层120的声阻抗和厚度由目标应用规定，因此可以不同于上面列出的示例。
散热器122与背衬结构108热接触。在一些实施例中，散热器122包括至少一个沟道124。该沟道124构造成在沟道中接收和循环热传递流体。热传递流体可以是液体、气体或其任何混合物。在一些实施例中，散热器122与背衬结构108电绝缘。
电极126与压电材料102电通信。在一些实施例中，超声换能器100包括控制单元(图中未示出)，该控制单元电连接到压电材料102、背衬结构108和电极126中的至少一个。该控制单元可用于控制超声换能器100。在一些实施例中，电极126通过背衬结构108电连接到压电材料102。
超声换能器100可在工作频率下工作。该工作频率与工作波长λo相关。在一些实施例中，第一石墨层112、与第一石墨层112接触的由钨制成的层114、第二石墨层118以及铜层120各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。在一些实施例中，工作波长λo可以是约530kHz。
在一个实施例中，压电材料102配置成在工作频率下半波谐振。
在另一实施例中，超声换能器100包括位于压电材料102和背衬结构108之间的单个去匹配层128。单个去匹配层128与压电材料102及背衬结构108声学通信。单个去匹配层128具有相应声阻抗，该声阻抗高于压电材料102的声阻抗。在这个实施例中，压电材料102配置成在工作频率下四分之一波谐振。压电材料102具有谐振频率，该谐振频率与谐振波长λr有相关。单个去匹配层128具有的厚度相对于压电材料102的谐振频率小于2λr/5厚。单个去匹配层128可以具有的厚度的范围在约λr/10至约λr/20之间。例如但不限于，单个去匹配层128可以由钨制成。其他材料可用于单个去匹配层128。在一些实施例中，谐振波长λr可以是约530kHz。
在一些实施例中，超声换能器包括与背衬结构108接触的导热结构130。在一些实施例中，导热结构130与背衬结构108电绝缘。在一些实施例中，导热结构130可以是由氮化铝(AlN)制成的层或由氧化铍制成的层。在一些实施例中，导热结构130可在背衬结构108的横向部分上延伸。在一些实施例中，导热结构130包括至少一个穿过导热结构130的导电通孔。
在一些实施例中，超声换能器100包括具有耐磨性能的耐磨层132。例如但不限于，耐磨层132可以由钛制成。
在一些实施例中，超声换能器100包括与压电材料102声学匹配的导热层133。如图1d所示，导热层133可设置在压电材料102和耐磨层132之间。这样的导热层可以通过铜盖135与散热器122热接触。值得注意的是，盖135可以由任何其他导热材料制成。
在一些实施例中，超声换能器100具有约50mm的直径。
示例
现在将描述超声换能器的其他的实施例。
在一些实施例中，超声换能器包括两个堆叠的DLDB(双DLDB叠层)，这些堆叠的DLDB堆叠在被设计为与钛匹配的单元件液体冷却材料的特定换能器上。一个示例性实施例，DLDB被设计成在680kHz压电换能器上工作，压电换能器具有27.5兆瑞利(MegaRayls，MR)声阻抗的压电复合材料元件，DLDB的该示例性实施例包括接合到第二DLDB对的第一DLDB对，第一DLDB对包括声阻抗约为5.1MR且厚度为1.03mm的第一石墨层和声阻抗约为100MR且厚度为1.53mm的第二钨金属层，第二DLDB对包括声阻抗约为5.1MR且厚度为0.905mm的第一石墨层和声阻抗约为41.5MR且厚度为1.71mm的第二铜金属层。
在一些实施例中，单元件换能器上的一个或两个DLDB具有小于2/5λ，且尤其小于1/4λ的高声阻抗去匹配层(DML)，该高声阻抗去匹配层置于DLDB叠层和压电元件之间。
在一些实施例中，DLDB包括第一背衬层和第二背衬层，每个背衬层具有远端面和近端面。第一背衬层的近端面可以与第二背衬层的远端面声学接触；这两层一起构成DLDB结构。DLDB进而可以与具有远端面和近端面的压电元件声学接触，第一背衬层的远端面与压电元件的近端面接触。对于压电元件的设计谐振频率，DLDB的第一背衬层和第二背衬层可以被设计为约1/4λ厚度。第一背衬层可以由与压电元件相比具有相对较低声阻抗的材料制成。第二背衬层可以由与第一背衬层相比具有相对高的声阻抗的材料制成。
在两个或更多个DLDB堆叠的实施例中，通过DLDB实现了与连接到换能器的电和热结构的改进或增加的声学隔离。
在一些实施例中，在工作中，第一DLDB的第一层的第一面将朝向换能器的背衬的大部分声能反射回换能器的工作面，而第一层的背面也将到达它的大部分能量同相地反射回换能器的工作面。由于1/4波层和由于DLDB中包括的各层中从低声阻抗过渡到高声阻抗而导致反射系数的符号交替，在换能器的带宽上，DLDB的各层开始与背衬中的剩余能量谐振。然后，谐振层在相对较长的时间段内，以非常低的幅度通过背衬叠层向前和向后释放同相的能量，从而随着时间的推移以可接受的低幅度有效地散布不需要的反射。
已经描述的DLDB的实施例可以对已经针对1/2λ谐振压电换能器和大于DLDB的轻层的声阻抗并且与压电层的声阻抗很好匹配的预期负载而设计的声学叠层有效。这种结构的示例可以在PCT专利申请PCT/CA2019/051046中找到，其内容通过引用并入本文。
如本文所述的DLDB的实施例也可以对已经为1/2λ谐振压电换能器和大于DLDB的轻层的声阻抗的预期负载而设计的声学叠层有效。当负载与第一DLDB层的较低声阻抗层相当或更低时，换能器可以包括具有比负载更高的声阻抗的压电层、以及一个或多个匹配层。
在一些实施例中，DLDB可以与结合去匹配层的1/4λ叠层一起使用。在另一示例中，DLDB可以与高声阻抗去匹配层一起被包含在1/4λ谐振压电换能器设计中，其中，高声阻抗去匹配层布置于DLDB和压电材料之间，其中对负载材料的声阻抗几乎没有限制。该技术可应用于特定材料的换能器，或具有匹配层的换能器或任何其他实用的负载匹配方法。
DLDB层的厚度的变化可用于扩展换能器的带宽并提高背衬在更宽频谱上的反射率。这种变化可以根据目标应用来实现。
由于通过DLDB实现的相对较高的声学隔离以及使各层导热的可能性，使得可以将散热器直接应用到DLDB的近端面，从而在不损害换能器的声学特性的情况下，直接从压电元件的背面高效去除热量。
由于通过DLDB实现的相对较高的隔音效果以及使各层导电的可能性，可以通过例如焊接、引线接合或使用导热环氧树脂将电线或其他电路连接到DLDB的顶层而实现直接与DLDB的近端面进行电连接。
在一些实施例中，还可以将DLDB切割成多个与换能器阵列的压电元件对准的元件，使得可以将印刷电路板或ASIC内插器、电连接器或其他电路直接应用到DLDB的近端面，从而实现与换能器的高效电连接，该换能器阵列例如为一维线性阵列、二维矩阵阵列或其他多元素换能器阵列。当超声探头是二维多元件阵列时，这是有用的，从而在不影响换能器的声学特性的情况下，使大量的元件能够直接连接到与阵列的每个元件对应的DLDB。这些实施例将在本说明书的其他部分中描述。
由于背衬是相对低轮廓并且能够实现与低轮廓DLDB的直接电连接，当涉及到低轮廓超声探头时，本技术可以在设计方面提供优势。低轮廓超声探头的示例包括但不限于用于内腔医学探头、内窥镜和NDT圆柱换能器和阵列的探头。
在一些实施例中，DLDB具有一个或多个层，每个层由横向电绝缘和轴向导电的热传导材料制成，从而产生各向同性导热和各向异性导电的层。在一个实施例中，高声阻抗层由例如氮化铝(AlN)陶瓷制成。高声阻抗层具有多个导电通孔，导电通孔被布局成与多元阵列元件对准。DLDB的另一层可以通过例如切割、蚀刻、或机加工或通过其他方法被分离成横向电隔离和声学隔离的元件，这些元件与压电阵列的元件对准。这两个层的组合产生了如下的背衬，该背衬提供了从每个换能器元件到DLDB的近端表面的电连接，通过整个DLDB和压电叠层从一个元件到每个其他元件的横向电隔离，以及在元件的整个阵列上的连续的和/或持续的横向热传导。本领域技术人员将理解，然后可以通过使用一些冷却技术装置(例如空气对空气热交换器，或例如液体冷却散热器)从AlN层的周边去除热量来实现换能器的散热，同时仍然能够实现将阵列直接电连接到PCB或插入器。本领域技术人员可以容易地看到，该方法可以适用于堆叠的多个DLDB，以增加声学隔离和/或热传导。在一维、特别是二维的换能器阵列中使用电隔离、连续和/或持续的导热的DLDB使得能够直接冷却大型阵列而不损害声学性能，并提供相对简单和经济有效的电互连装置。
在一些实施例中，可以液体冷却DLDB。
在一些实施例中，提供了配备有液体冷却的DLDB的680kHz材料专用换能器，该换能器用于与钛和其他类似的声阻抗材料(例如锆)一起使用。换能器可以具有50mm的直径和配备有双DLDB的叠层。
人们将注意到，换能器是该技术的示例性实施例，并且仅用于说明性目的。除了在当前描述中公开的内容之外，换能器可以包括本领域技术人员已知的一些其他元件。
在一些实施例中，换能器包括2.4mm厚的1 3极化复合压电盘，该厚度对应于空载自由谐振条件下的约0.35λ到0.4λ之间，但在1/2λ模式下工作，在近端面上具有正电极和在远端面上具有负电极。如本领域技术人员将理解的，压电盘的厚度选择为比1/2λ薄以补偿DLDB背衬的质量负载效应和声学负载。压电复合材料可以通过切割和填充极化的PZT4材料制成，压电复合材料具有以1200μm的间距切割的200μm的切口，留下由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱。切口可以例如但不限于用掺杂到
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301环氧树脂中的大约5μm二氧化铪颗粒的0 3复合填料填充，使得复合切口填充材料的声阻抗的范围在大约7MR到8MR之间，并且整个压电复合材料层的声阻抗与约为27.5MR的钛紧密匹配。可以使用例如载有钨粉的环氧树脂，将压电复合层的负极面与6mm厚的ZA-8锌铝合金盘的近端面接合。然后可以使用载有亚微米颗粒氧化铪的Epotek 301环氧树脂，将ZA-8盘的远端面接合到氧化铝复合盘的近端面。氧化铝复合盘可以包括750μm乘750μm乘1400μm高的柱，该柱由200μm的切口隔开，切口填充有与制造压电复合盘的相同的载有铪颗粒的环氧树脂。通过载有亚微米氧化铪的Epotek 301环氧树脂层，氧化铝复合材料的远端面可进而接合到3mm厚的钛盘的近端面。然后如下所述，使用载有亚微米钨粉的epotek 301环氧树脂，将两组双层去匹配背衬(DLDB)接合到压电盘的近端面。压电复合盘的近端面与1030μm厚的Poco DFP-1石墨盘的远端面接合，石墨盘的声阻抗为5.1MR，905μm对应于680kHz(换能器的中心频率)下的1/4λ。然后，将石墨盘的近端面接合到1530μm厚的钨盘的远端面，钨盘的声阻抗为100MR，钨盘的厚度对应于约850kHz(略高于换能器的中心频率)下的1/4λ。然后将钨盘的近端面接合到905μm厚的Poco DFP-1石墨盘的近端面，石墨盘的声阻抗为5.1MR，厚度对应于约800kHz(略高于换能器的中心频率)下的1/4λ。石墨盘的近端面与1710μm厚的铜盘的远端面接合，铜盘的声阻抗为41.5MR，厚度对应于680kHz下的1/4λ。石墨盘和钨盘构成第一双层去匹配背衬叠层，石墨盘和铜盘构成第二DLDB叠层。这两个叠层一起工作，将压电复合盘与换能器的热冷却元件声学隔离，从而允许热冷却溶液直接结合到铜盘的近端面，而基本上不会破坏换能器的声学性能。在这些实施例中，使用导热环氧树脂将1mm厚的高导热AlN盘的远端面接合到铜盘的近端面。AlN盘开有槽口，以为与铜盘的电连接留出空间，采用焊接线或替代地导热环氧树脂接合线进行电连接。需要注意的是，本实施例中的整个DLDB叠层既是导电的又是导热的，使得通过DLDB叠层直接与压电复合盘的信号电极电连接成为可能。此外，应该注意，除了在该示例性实施例中明确描述的那些材料之外，存在许多可以实践用于本公开技术的应用的材料，这些材料中一些是导电的、导热的或者两者兼有，或者既不导热也不导电。在这个示例性实施例中，DLDB层都是导电和导热的。铜散热器基底的近端面被钎焊或焊接到散热器顶部的远端边缘上，以形成中空铜散热器组件，中空铜散热器组件的远端面通过导热但电绝缘的环氧树脂与AlN盘的近端面直接接合。在所示实施例中，中空散热器顶部的近端面通过同一导热环氧树脂接合到AlN盘的远端面。AIN盘在其上具有两个间隙孔、以及槽口，这些孔使得冷却管能够被固定到散热器顶部的一体式的带倒钩管上，槽口为附接到铜DLDB层的信号线提供间隙路径。AlN盘的近端面可以使用导热环氧树脂接合到铜散热器的远端面。铜壳体可以压入配合到ZA-8盘的周边，并使用电绝缘和导热环氧树脂接合到完整的声学和热叠层上。在一些实施例中，所有空隙都填充有导热且电绝缘的环氧树脂，从而使整个组件除了散热器组件的中空内部(即，散热器顶部和散热器底部)以外都成为实心的。橡胶软管可具有例如但不限于3/8英寸的内径，该橡胶软管安装到顶部铜散热器带倒钩软管凸台并用软管夹固定到位。换能器包括电触点，该电触点可以由焊接到铜盖的BNC RF电连接器实现。BNC连接器的中心导体还可以焊接到信号线上，从而将BNC信号导体电连接到压电复合盘的信号正电极上。在一些实施例中，铜盖可以用导热环氧树脂焊接或接合到铜壳体的近端唇缘，从而通过铜壳体和ZA-8盘完成从BNC连接器的接地端与压电复合盘的负电极的电连接。换能器还包括电绝缘塑料壳体，塑料壳体接合到铜盖和铜壳体上，至少部分覆盖氧化铝复合盘的边缘并搁置在钛盘的表面上。得到的换能器(即前面描述的部件的组件)然后连接到液体循环的空气-液体热交换器并填充合适的冷却液。冷却液的非限制性示例是50％丙二醇/水混合物。
这些实施例可用于通过双DLDB叠层向压电复合材料盘的信号电极提供直接冷却，以及通过铜壳体和ZA-8盘向压电复合材料盘的接地电极提供间接冷却，在冷却液流速约为每分钟几升和热交换器的情况下，可以消除数百瓦的功率。更具体地，在一些实施例中，超声换能器可以包括与压电材料声学匹配的导热层，以允许这种间接冷却。此外，本文所述的设计允许单向超过90％的高带宽(例如，示例性换能器为6dB带宽)，在使用高效液体填充金属散热器直接冷却压电元件的同时，混响伪影可以忽略不计。
在一些实施例中，提供了用于液体冷却换能器的、压电层与DLDB的叠层。五层可以叠加，但很容易理解，它们可以沿着整个表面或仅部分表面共同延伸。一层为与钛相匹配的单元件1/2λ压电复合层。一层为第一DLDB叠层的低声阻抗1/4λ石墨层。一层为第一DLDB叠层的高声阻抗1/4λ钨层。一层为第二DLDB叠层的低声阻抗1/4λ石墨层。一层为第一DLDB叠层的高声阻抗1/4λ铜层。
在一些实施例中，超声换能器包括钛耐磨层、氧化铝(AlN)复合电隔离层以及导热的、导电的且声导通的层。例如但不受限制，该层可以由锌或锌合金制成，并且在作为比较好的热导体的同时在声学上与钛匹配。该换能器还包括单个元件，即约1/2λ压电复合层。该层可以与钛相匹配。换能器包括第一DLDB叠层和第二DLDB叠层，每个叠层包括低声阻抗层和高声阻抗层。更具体地说，第一DLDB叠层包括低声阻抗的1/4λ石墨层和高声阻抗的1/4λ钨层，第二DLDB叠层包括低声阻抗的1/4λ石墨层和高声阻抗的1/4λ铜层。根据本实施例的换能器还包括导热电绝缘层。例如但不受限制，该层可以由氮化铝制成。换能器还包括导电和导热壳体，以及电绝缘塑料外部壳体。换能器的其它部件包括但不一定限于具有软管切口的电绝缘盘(该电绝缘盘可以由AlN制成)、水冷式热交换器基底、水冷式热交换器顶部、具有软管切口的传热层(传热层可以由铜制成)、铜的壳体盖、BNC RF电连接器和液体冷却软管。
在一些实施例中，提供了一种具有布置在适当位置的两个DLDB叠层的声学叠层，其中完全电隔离的液体冷却热交换器通过AlN电绝缘层与DLDB的铜层直接热接触。
在一些实施例中，提供了一种10MHz压电单元件换能器叠层，其具有0.12λ(62.5μm)厚的钨去匹配层，该钨去匹配层设置在双层去匹配背衬叠层的1/4λ厚(70μm)的低声阻抗石墨层与1/4λ厚(130μm)高声阻抗的钨层之间。该压电单元件换能器叠层包括10MHz压电叠层，该压电叠层具有115μm厚的1 3PZT复合叠层、62.5μm厚的钨去匹配层和双层去匹配背衬叠层。根据该实施例的换能器包括可以与钛匹配的单元件1/4λ压电复合层。换能器还包括0.12λ去匹配层，该匹配层可以由钨制成。换能器还包括一个DLDB叠层，该DLDB叠层包括可以由石墨制成的低声阻抗1/4λ层和可以由钨制成的高声阻抗1/4λ层。
在一些实施例中，提供了10MHz压电复合材料换能器设计。声学叠层可以包括压电复合盘、钨去匹配层和包括石墨层和钨层的双层去匹配背衬叠层。压电复合盘的声阻抗约为25MR，厚度为115μm，该厚度对应于约1/4λ，该压电复合盘在盘的近端面上具有正极和电极，在盘的远端面上具有负极和电极。该钨去匹配层的厚度为62.5μm，对应于约0.12λ。DLDB的石墨层的厚度为70μm，对应于10Mhz下的1/4λ，钨层的厚度为130μm，也对应于10MHz下的1/4λ。声学叠层使用低粘度环氧树脂接合在一起，低粘度环氧树脂例如为Cotronics 4461。电连接是通过在需要时，将一小部分亚微米钨粉装入环氧树脂中来实现的。本领域技术人员将理解，为了使压电复合元件与水匹配，可以使用1/4波匹配层。为了该示例性实施例的目的，使用两个1/4波匹配层，第一匹配层接合到压电复合层的远端面，第一匹配层具有约10MR的声阻抗，第二匹配层具有约3MR的声阻抗。图22a、图22b、图23a和图23b中示出了在具有和不具有接合到DLDB的高声阻抗层的近端面上的铜散热器的情况下，该叠层的模拟测试结果。
现在将描述包括一维压电阵列的超声换能器的不同实施例。
包括一维压电阵列的超声换能器
现在转向图7至图12，图7至图12示出了超声换能器阵列200。
超声换能器阵列200包括具有前表面204和背表面206的一维压电阵列202。一维压电阵列202被配置成与样本(图中未示出)声学通信。如图所示，阵列202包括在一维中排列的多个压电区域203。
超声换能器阵列200还包括位于一维压电阵列202的背表面206处的背衬结构208。背衬结构208被配置成朝向一维压电阵列202的前表面204反射声能。在一些实施例中，背衬结构208还构造成同相地反射声能。在一些实施例中，背衬结构208进一步配置成在空间上和时间上分散背衬结构208中不需要的声学混响。背衬结构208包括双层去匹配背衬210。在一些实施例中，背衬结构208是导热和导电的。在一些实施例中，背衬结构208的顶部209由电绝缘材料制成。在一些实施例中，背衬结构208的顶部209包括由AlN制成的层，该层被导电通孔236穿过，每个导电通孔236与在一维中排列的多个压电区域203中的相应的压电区域对准。在一些实施例中，由AlN层制成的层具有前面，由AlN层制成的层从前面部分地切割，以增强在一维中排列的多个压电区域203中的相邻压电区域的声学隔离。
双层去匹配背衬210包括低声阻抗层212和高声阻抗层214。在一些实施例中，低声阻抗层212和高声阻抗层214形成第一双层去匹配背衬210，超声换能器包括第二双层去匹配背衬216，第二双层去匹配背衬216包括第二低声阻抗层218和第二高声阻抗层220。
超声换能器200还包括预组装电路234。预组装电路234与背衬结构208的顶部209电通信，使得其与压电材料202电通信。在一些实施例中，预组装电路234包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
在一些实施例中，超声换能器200包括散热器，该散热器类似于先前描述的散热器。散热器与背衬结构208热接触。在一些实施例中，散热器包括至少一个沟道。该沟道构造成在沟道中接收和循环热传递流体。热传递流体可以是液体、气体或其任何混合物。在一些实施例中，散热器与背衬结构208电绝缘。
在一些实施例中，超声换能器200包括一个或多个电极，该电极通过背衬结构208电连接到一维压电阵列202。超声换能器200可以包括控制单元，该控制单元电连接到一维压电阵列202和背衬结构208中的至少一个。
如图所示，每个压电区域203通过间隙238彼此分隔开。间隙238是电绝缘的，优选地，是声绝缘的。类似地，在一些实施例中，低声阻抗层210和高声阻抗层212中的至少一个可以切割成多个第一元件240，多个第一元件通过第一组间隙242彼此分隔开。第一组间隙242中的每一个与分隔压电区域203的间隙238中的相应间隙对准。第一组间隙242是电绝缘的，优选地，是声绝缘的。在一些实施例中，第二低声阻抗层218和第二高声阻抗层220中的至少一个可以切割成多个第二元件244，多个第二元件通过第二组间隙246彼此分隔开。第二组间隙246中的每一个与分隔压电区域203的间隙238中的相应间隙对准。第二组间隙246是电绝缘的，优选地，是声绝缘的。在一些实施例中，间隙238、第一组间隙242和第二组间隙246是导热的。
在一些实施例中，超声换能器200可在工作频率下工作。该工作频率与工作波长λo相关。低声阻抗层212、高声阻抗层214、第二低声阻抗层218和第二高声阻抗层220各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
在一个实施例中，一维压电阵列202被配置成在工作频率下半波谐振。
在另一实施例中，超声换能器202包括位于一维压电阵列202和背衬结构208之间的单个去匹配层228。单个去匹配层228与一维压电阵列及背衬结构208声学通信。单个去匹配层228具有高于一维压电阵列202的声阻抗的相应声阻抗。一维压电阵列202被配置成在工作频率下四分之一波谐振。在一些实施例中，一维压电阵列202具有与谐振波长λr相关的谐振频率，，单个去匹配层228相对于一维压电阵列202的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。在一些实施例中，单个去匹配层228的厚度在约λr/10至约λr/20的范围内。在一些实施例中，单个去匹配层228由钨制成。
在一些实施例中，一维压电阵列202包括由切口隔开的柱。在一些实施例中，用复合填料填充切口。复合填料可以包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。在一些实施例中，复合填料可以是0 3配置。在一些实施例中，环氧树脂可以是
Figure BDA0003748811300000351
301。
在一些实施例中，压电区域203由压电层组成。
在一些实施例中，超声换能器300包括与背衬结构208接触的导热结构230。在一些实施例中，导热结构230与背衬结构208电绝缘。在一些实施例中，导热结构230是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。在一些实施例中，导热结构230在背衬结构208的横向部分上延伸。
在一些实施例中，超声换能器200包括具有耐磨性能的耐磨层232。在一些实施例中，耐磨层232由钛制成。
在一些实施例中，超声换能器200具有约50mm的直径。
示例
现在将描述包括一维压电阵列的超声换能器的其他实施例。
在一些实施例中，提供了具有单个DLDB背衬层的一维线性阵列，该背衬层被完全切割并直接电连接到PCB，这允许阵列的相对容易的电互连，甚至相对直接地将ASIC或高密度连接器直接应用于叠层。
在一些实施例中，提供了16元件的一维线性阵列，该16元件的一维线性阵列具有单个DLDB背衬层，该背衬层被完全切割并直接电连接到PCB。如前所述，这样的配置允许阵列的相对容易的电互连，甚至允许相对直接地将ASIC或高密度连接器直接应用于叠层。阵列可以包括防护耐磨层。替代性地，该层可以是透镜或匹配层，这取决于具体的应用。每一个压电元件由间隙(或切口)彼此分隔开以形成一维阵列。该阵列还包括低声阻抗1/4λ层，该层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙被分隔成多个元件。高声阻抗1/4λ层设置在低声阻抗层之上，该高声阻抗1/4λ层可以由钨制成。高声阻抗层以与阵列的压电元件一致的方式通过多个元件之间的间隙被分隔成多个元件。该阵列还设置有在PCB表面上的电极，PCB和在电路板上的通孔，该通孔将电极从一个面连接到相对面。
在一些实施例中，如本领域技术人员将理解的，形成一维阵列或二维矩阵的元件和层可以进一步被分成子元件，以优化声学特性。在一些实施例中，压电层可以被切分。在其他实施例中，DLDB背衬结构可以被切分，并且在其他实施例中，一些DLDB的一些层可以被切分。应当注意，这些阵列换能器的示例仅用于说明目的，因此不应被视为限制性的。更具体地，可以在本公开的超声换能器(或其组件)上执行通过切分和操纵纵横比(例如，通过形成额外的间隙)来增强声学特性的任何方法。此外，DLBD背衬配置可应用于这些方法和技术。
在一些实施例中，提供了双DLDB 16元件线性阵列，该线性阵列具有第二(最顶部)DLDB叠层的横向热连续层。该导热层是AlN或可以是氧化铍或其他合适的导热电绝缘材料，并该导热层包含导电通孔以连接到换能器的元件。这允许阵列从边缘冷却，并直接与例如PCB电连接。本领域技术人员将理解的，冷却面积和PCB的覆盖范围之间的这种折衷可以根据空间和设计需要进行折衷。
在一些实施例中，提供了双DLDB 16元件线性阵列，该线性阵列具有第二(最顶部)DLDB叠层的横向热连续层。这阵列包括防护耐磨层。替代性地，该层可以是透镜或匹配层或取决于具体的应用的层。该阵列还包括压电元件，每一个压电元件由间隙(或切口)彼此分隔开以形成一维阵列。该阵列包括低声阻抗1/4λ层和高声阻抗1/4λ层，该低声阻抗1/4λ层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙被分隔成多个元件，该高声阻抗1/4λ层由钨制成。该层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙被分隔成多个元件。该阵列还包括另一个低声阻抗1/4λ层，该另一个低声阻抗1/4λ层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙被分隔成多个元件，该阵列还包括另一个高声阻抗1/4λ层。该层可以由AlN制成，并且没有间隙，这意味着该层是连续的。该层提供沿阵列的横向热导率。垂直电导率由AlN层中的通孔提供。AlN层中的通孔提供垂直相邻层之间的电通信。该阵列还包括在PCB表面上的电极、印刷电路板和在印刷电路板上的通孔，该通孔将电极从一个面连接到相对面。
现在将描述包括二维压电矩阵的超声换能器的实施例。
包括二维压电矩阵的超声换能器
现在转向图14至图16，示出了超声换能器300。
超声换能器300包括具有前表面304和背表面306的二维压电矩阵302。二维压电矩阵302被配置成与样本(图中未示出)声学通信。本领域技术人员将容易理解，虽然以下段落明确提及二维矩阵，但这种二维结构可以由环形阵列来体现，环形阵列相对于超声换能器的中心具有对称定位的圆形间隙。事实上，二维矩阵可以用任何阵列形状来体现。
超声换能器300还包括位于二维压电矩阵302的背表面306处的背衬结构308。背衬结构308被配置成朝向二维压电矩阵302的前表面304反射声能。在一些实施例中，背衬结构308还被配置成同相地反射声能。在一些实施例中，背衬结构308还被配置成在空间上和时间上分散背衬结构308中不需要的声学混响。背衬结构308包括双层去匹配背衬310。在一些实施例中，背衬结构308是导热和导电的。在一些实施例中，背衬结构308的顶部309由电绝缘材料制成。在一些实施例中，背衬结构308的顶部309包括由AlN制成的层，该层被导电通孔336穿过，每个导电通孔336与多个压电区域303中的相应的压电区域对准。在一些实施例中，由AlN层制成的层具有前面，由AlN层制成的层从前面部分地切割，以增强多个压电区域303中的相邻压电区域的声学隔离。
双层去匹配背衬310包括低声阻抗层312和高声阻抗层314。在一些实施例中，低阻声抗层312和高声阻抗层314形成第一双层去匹配背衬310，超声换能器包括第二双层去匹配背衬316。第二双层去匹配背衬316包括第二低声阻抗层318和第二高声阻抗层320。
超声换能器300还包括预组装电路334。预组装电路334与背衬结构308的顶部309电通信，使得其与压电材料302电通信。在一些实施例中，预组装电路334包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
在一些实施例中，超声换能器300包括散热器，该散热器类似于先前描述的散热器。散热器应与背衬结构308热接触。在一些实施例中，散热器包括至少一个沟道。该沟道构造成在沟道中接收和循环热传递流体。热传递流体可以是液体、气体或其任何混合物。在一些实施例中，散热器与背衬结构308电绝缘。
在一些实施例中，超声换能器300包括一个或多个电极，电极通过背衬结构308电连接到二维压电矩阵302。超声换能器300可以包括控制单元，该控制单元电连接到二维压电矩阵302及背衬结构308中的至少一个。
如图所示，每个压电区域303通过间隙338彼此分隔开。间隙338是电绝缘和声绝缘的。类似地，在一些实施例中，低声阻抗层310和高声阻抗层312中的至少一个可以切割成多个第一元件340，多个第一元件通过第一组间隙342彼此分隔开。第一组间隙342中的每一个与分隔压电区域303的间隙338中的相应间隙对准。第一组间隙342是电绝缘和声绝缘的。类似地，在一些实施例中，第二低声阻抗层318和第二高声阻抗层320中的至少一个可以切割成多个第二元件344，多个第二元件通过第二组间隙346彼此分隔开。第二组间隙346中的每一个与分隔压电区域303的间隙338中的相应间隙对准。第二组间隙346是电绝缘和声绝缘的。在一些实施例中，间隙338、第一组间隙342和第二组间隙346是导热的。
在一些实施例中，超声换能器300可在工作频率下工作。该工作频率与工作波长λo相关。低声阻抗层312、高声阻抗层314、第二低声阻抗层318和第二高声阻抗层320各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
在一个实施例中，二维压电矩阵302被配置成在工作频率下半波谐振。
在另一实施例中，超声换能器300包括位于二维压电矩阵302和背衬结构308之间的单个去匹配层328。单个去匹配层328与二维压电矩阵和匹配的背衬结构308声学通信。单个去匹配层328具有的间隙与形成在压电矩阵302中的间隙对准。单个去匹配层328可以是导电的。单个去匹配层328具有高于二维压电矩阵302的声阻抗的相应声阻抗。二维压电矩阵302被配置成在工作频率下四分之一波谐振。在一些实施例中，二维压电矩阵302具有与谐振波长λr相关的谐振频率，单个去匹配层328相对于二维压电矩阵302的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。在一些实施例中，单个去匹配层328的厚度在约λr/10至约λr/20的范围内。在一些实施例中，单个去匹配层328由钨制成。
在一些实施例中，二维压电矩阵302包括由切口隔开的柱。在一些实施例中，用复合填料填充切口。复合填料可以包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。在一些实施例中，复合填料可以是0 3配置。在一些实施例中，环氧树脂可以是
Figure BDA0003748811300000391
301。
在一些实施例中，压电区域303由压电层组成。
在一些实施例中，超声换能器300包括与背衬结构308接触的导热结构330。在一些实施例中，导热结构330与背衬结构308电绝缘。在一些实施例中，导热结构330是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。在一些实施例中，导热结构330在背衬结构308的横向部分上延伸。
在一些实施例中，超声换能器300包括具有耐磨性能的耐磨层332。在一些实施例中，耐磨层332由钛制成。
在一些实施例中，超声换能器300具有约50mm的直径。
示例
现在将描述包括二维压电矩阵的超声换能器的其他实施例。
在一些实施例中，提供了具有两个DLDB叠层的二维矩阵换能器，第二叠层的顶层包括具有导电通孔的AlN的连续导热层，二维矩阵换能器对应于先前描述的一维换能器的二维版本。
在一些实施例中，提供了双DLDB 16×16元件矩阵阵列，该阵列具有第二(最顶部)DLDB叠层的横向热连续层。矩阵换能器包括防护耐磨层，根据跨越二维换能器阵列的整个区域的应用，耐磨层可以替代性地替换为透镜、匹配层或其他声学结构。该矩阵换能器包括压电元件，压电元件在两个轴上由间隙(或切口)彼此分隔开以形成二维线性阵列或矩阵阵列。该矩阵换能器包括低声阻抗1/4λ层和高声阻抗1/4λ层，低声阻抗1/4λ层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙在两个轴上被分隔成多个元件，高声阻抗1/4λ层由钨制成。该层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙在两个轴上被分隔成多个元件。所述多个层限定了第一DLDB叠层。矩阵换能器还包括第二DLDB叠层。第二DLDB叠层包括低声阻抗1/4λ层，该低声阻抗1/4λ层以与阵列的压电元件对应的方式通过多个元件之间的间隙在两个轴上被分隔成多个元件，第二DLDB叠层还包括高声阻抗1/4λ层。该层通常是连续的，并且由AlN制成。在上下文中，表述“连续”是指叠层没有间隙并沿阵列的两个轴提供横向导热率。垂直电导率由AlN层中的导电通孔提供。该层在保持二维阵列内部相对于边缘元件的温度相等方面特别有用。
超声换能器的低声阻抗层和高声阻抗层
现在转向图17，示出了超声换能器400。超声换能器400包括具有前表面404和背表面406的压电材料402。压电材料402被配置成与样本(未在图17中示出)声学通信。超声换能器包括背衬结构408，背衬结构位于压电材料402的背表面406处，背衬结构被配置成向压电材料402的前表面404反射声能。背衬结构408包括第一双层去匹配背衬410和第二双层去匹配背衬416。
第一双层去匹配背衬410包括第一低声阻抗层412和第一高声阻抗层414。第二双层去匹配背衬416与第一双层去匹配背衬410连接。第二双层去匹配背衬416包括第二低声阻抗层418和第二高声阻抗层420。
应当注意，超声换能器400可以包括关于超声换能器100、超声换能器200和超声换能器300描述的可选特征中的一个或多个。
现在转向图18，示出了超声换能器500，超声换能器具有样本接触部504和背部506。背部506与样本接触部504相对。超声换能器500包括压电材料502，压电材料被配置成与样本(未在图18中示出)声学通信。超声换能器500包括与压电材料502声学通信的背衬结构508。背衬结构508被配置成朝向样本接触部分504且远离超声换能器500的后部506反射声能。背衬结构508包括低声阻抗层512和高声阻抗层514。在一些实施例中，低声阻抗层512和高声阻抗层514形成第一双层去匹配背衬510，超声换能器包括第二双层去匹配背衬516。第二双层去匹配背衬516包括第二低声阻抗层518和第二高声阻抗层520。
在一些实施例中，压电材料502被切成多个压电区域，多个压电区域通过间隙彼此隔开，间隙是电绝缘和声学绝缘的。低声阻抗层510和高声阻抗层512中的至少一个可以切割成多个第一元件，多个第一元件通过第一组间隙彼此分隔开。第一组间隙的每一个与分隔压电区域的间隙中的相应间隙对准。第一组间隙是电绝缘和声绝缘的。类似地，第二低声阻抗层518和第二高声阻抗层520中的至少一个切割成多个第二元件，多个第二元件通过第二组间隙彼此分隔开。第二组间隙的每一个与分隔压电区域的间隙中的相应间隙对准。第二组间隙是电绝缘和声绝缘的。
应当注意，超声换能器500可以包括关于超声换能器100、超声换能器200、超声换能器300和超声换能器400描述的可选特征中的一个或多个。
现在已经描述了超声换能器的不同实施例，将讨论这些实施例中的一些实施例的性能，并且更具体地，就使用本文已经描述的超声换能器可以获得的结果来讨论。
结果的示例
图19A是在相同条件下工作的、以680kHz传输到钛的不包括散热器的现有空气背衬材料特定换能器(上图)(参见PCT/CA2019/051046，其内容通过引用并入本文)和本文所公开的双DLDB材料专用换能器的比较。可以看到由于DLDB产生的额外同相反射而导致的带宽轻微降低，其中空气背衬换能器的带宽从105％-6dB降低到DLDB换能器的91％，并且与目前的空气背衬设计相比，效率略有下降约1dB。
图19b是现有的传输到钛的空气背衬材料特定换能器的包络的对数(上图)和传输到钛的本文以已描述的双DLDB为例的当前技术的包络的对数(下图)的比较。本领域的技术人员会注意到，来自背衬的反射能量随时间在DLDB中呈指数衰减。发射波尾部的能量比空气背衬的情况高约40dB。虽然这本身是不期望的，然而，在考虑将散热器连接到叠层的背面的情况时，如前所述，这是期望的。
图20是如下的三个680kHz材料专用换能器的比较，三个换能器均具有附接到压电叠层的背面的铜散热器：空气背衬材料专用换能器，其具有直接接合到换能器的压电元件的背面的散热器(上图)；目前的将散热器接合到换能器的压电元件的方法，换能器具有声学损耗的导热材料，例如氧化铝填充的硅胶泡沫(中图)；以及材料特定换能器，其具有双DLDB叠层和直接接合到DLDB叠层的顶层的散热器(下图)。可以看出，当散热器应用于叠层时，配备双DLDB的设计不会承受在典型的目前的换能器中看到的内部反射。此外，由于前两张图中散热器损失了声能，上图中的换能器输出降低了4dB，中间图的设计降低了约3dB，而配备双DLDB的换能器没有任何灵敏度或带宽上的损失。应当注意的是，在使用导热但声学损耗层将散热器接合或耦合到压电叠层的现有的方法中，通常需要在声学性能和热导率方面进行相对显著的折衷，以获得有用的装置，而配备DLDB的设计的热导率比中间图中换能器设计的热导率高出一个数量级以上，同时也没有混响伪影。
图21示出了图20所示波形的包络的对数刻度。需要注意的是，当将散热器应用到叠层的背面时，配备DLDB的换能器(下图)内不需要的混响显着减少。另请注意，配备DLDB的叠层(下图)的SNR仍然超过35dB，而现有叠层(上图和中间图)的SNR小于3dB，本质上是不可用的。
图22a是10MHz单元件换能器之间的比较，即，1/4λ谐振压电元件的脉冲回波(双向)脉冲响应与约1/10λ厚的钨去匹配层背衬(DML)的脉冲回波(双向)脉冲响应之间的比较，比较了将单个DLDB背衬添加到DML的背面的效果。需要注意的是，换能器的性能几乎没有变化。更具体地说，插入损耗的差异相差小于0.5dB，并且带宽相似。
图22b是图22a所示10MHz单元件换能器的波形的包络比较的对数。值得注意的是，DLDB的效果是使来自背衬的反射能量重新分配在低水平并随着时间的推移而扩散。这种效果在脉冲回波(双向)信号中是平坦的。DLDB叠层(下图)的SNR被限制在约47dB，而现有DML叠层(上图)的SNR超过70dB，而医学成像应用通常需要至少60dB的SNR，其中通过图像处理，这对于要求苛刻的医学成像应用来说可能是可以接受的。对于治疗性医学应用以及NDT和其他工业应用，配备DLDB的叠层通常是可以接受的。值得注意的是，通过配备DLDB的叠层改善了振尾长度。
图23a是将3mm厚铜散热器直接添加到图22a中的10MHz声学叠层的背面的效果对比，直接接合到3mm铜散热器的DML背衬会产生多次内部反射，从而导致不需要的成像或检测应用中的伪影(上图)；以及在散热器直接接合到声学叠层的表面时，配备DLDB的叠层不会发生可测量的变化(下图)。
图23b是图23a所示的10MHz换能器的脉冲回波波形的对数包络的比较。需要注意的是，将铜散热器添加到配备DML的现有换能器(上图)的背面使得对于大多数SNR小于3dB的应用而言基本上无法使用，而当铜散热器或类似设备(例如PCB)直接接合到DLDB叠层的近端层时，配备本申请的技术的换能器呈现出SNR超过50dB。
图24是具有被匹配以传输到钛的PZT复合压电元件的材料特定5MHz一维阵列元件550μm乘5mm在具有双DLDB背衬的情况下和具有空气背衬的情况下的脉冲回波响应的比较。除了在配备DLDB的叠层中看到的轻微脉冲长度增加之外，空气背衬换能器(上图)和配备DLDB的换能器(下图)之间的差异最小。
图25是图24中描述的换能器元件的脉冲回波响应的比较，其中增加了6毫米铜散热器，该散热器直接接合到声学叠层的背面。值得注意的是，当散热器接合到空气背衬换能器的背面时，会出现明显的内部混响伪影(上图)，而配备DLDB的声学叠层不受添加散热器的影响(下图)。更具体地说，下图对应于已经在本申请中描述的一维压电阵列。需要注意的是，在DLDB元件的背面焊接导线、接合或焊接PCB或陶瓷内孔，不会劣化换能器元件的声学性能质量，从而为相对简化的阵列换能器设计铺平了道路。
附加理论考虑
以上已经描述了技术和性能的不同实施例，现在将呈现进一步的理论细节。如前所述，背衬结构可以包括一个或多个双层去匹配背衬(DLDB)叠层，并且每个DLDB包括两个层，该层可以例如但不限于直接声学通信。在一些实施方案中，这些层可以粘接地接合在一起。DLDB叠层的每个层的厚度可以在约1/10λ到1/2λ之间，在一些实施例中该厚度约1/4λ。在一些实施例中，超声换能器包括两个DLDB叠层，即四层，包括石墨盘、钨盘、石墨盘和铜盘。这四个层限定了两对双层去匹配背衬(DLDB)，它们协同工作以反射从压电复合盘在近端方向上发射的大部分或几乎全部声能，导致压电复合盘发射的几乎全部声能被传输出钛盘的远端面。在这些实施例中，钛盘充当外部耐磨层和超声耦合到预期钛负载的主要点，换能器将传输到预期钛负载内。然而，应当注意，配备有DLDB叠层的换能器也可以以本领域中已知或尚未知的任何数量的输出配置来工作，例如透镜、匹配层、延迟线等。在具有不同声阻抗的材料的界面上产生的声压反射根据由以下公式给出的反射系数R来计算：
Figure BDA0003748811300000441
而从一种材料到另一种材料的传递压力根据以下公式由传递系数T计算：
Figure BDA0003748811300000442
其中，Z1是声波在其中传播的介质的声阻抗，Z2也是声波在其中传播的在介质的声阻抗。基于这些公式，本领域技术人员将理解，当声波从低阻抗传播到高声阻抗时，反射系数的符号将为正值，当声波从高声阻抗介质传播到低声阻抗介质时，反射系数的符号将为负值。传递系数总是正的。DLDB中的层的布置有效地确保了几乎所有的声能朝向DLDB的第一层内的钛耐磨层的远端面同相地反射。此外，DLDB的高度声学不匹配的1/4波层的交替存在导致每一层使进入该层的声能在很长的时间内以很低的幅度谐振并重新分配。结果是随着时间的推移，以低幅度传播不需要的背衬反射。在压电元件和DLDB的第一低声阻抗层之间，或在DML的背面和DLDB的第一低声阻抗层之间发生的初始反射对换能器的整体效率具有显着影响。在1/2波谐振换能器的情况下，通常要注意使压电元件和DLDB的第一低声阻抗层之间的声阻抗失配最大化。当使用配备DML的1/4λ换能器设计时，这种影响不太严重，但仍会影响DLDB的整体性能。
使用诸如石墨或镀银空心玻璃球、或低密度导热环氧树脂、或例如石墨和环氧树脂的复合物、或诸如镁和环氧树脂的低声阻抗金属的复合物，作为DLDB的第一层，这使得在整个DLDB叠层中保持导热性和导电性，同时在压电元件和DLDB的第一层之间保持高的初始反射系数。使用上面列出的示例性材料，很容易获得1.5至6MR范围内的声阻抗，以及所需的不同程度的电导率和热导率。然而，DLDB的层并不是必须由导电或导热材料制成，也不应被视为对本说明书范围的限制。当一个或多个DLDB叠层的部分层或全部层被期望由热绝缘或电绝缘材料制成时，也存在相应的应用。非导电DLDB叠层的一个示例是将约1/4波厚的聚苯乙烯交联树脂(交联聚苯乙烯)层接合到约1/4波厚的氧化铝层上。此外，DLDB叠层的层可以由混合材料制成，例如具有导电通孔的AlN。DLDB的随后的第二层应被选择成使第二层本身与低声阻抗层之间的声阻抗失配最大化。诸如金属钨、金属钼、碳化钨和其他高声阻抗材料的材料提供了高声阻抗、良好导热性和良好导电性的良好组合。应当注意的是，存在许多其他材料，它们可以根据特定的应用进行定制，并且仍然属于本申请的技术的范围。
可以通过以下简化推理来说明DLDB叠层的效果。第一步是考虑在换能器的中心频率处的无限窄带宽中的功能。第二步是考虑每一层在中心频率处正好是1/4λ。本领域技术人员容易理解，在实际设备中并非如此，每个DLDB的每一层的相对宽带都经过优化以扩展设备的有效带宽。但是，为了使DLDB叠层的整体功能清晰，考虑并详细说明窄带情况，以便将所有DLDB层视为中心频率的波长的1/4。在1/2λ谐振压电设计的情况下与压电复合层相邻的或在1/4λ谐振压电设计的情况下与去匹配层相邻的声阻抗差异大的1/4波层的叠层的效果是创建一系列强谐振层，由于每个边界处的高(例如，优选地超过80％)反射系数，这些强谐振层也彼此高度声学隔离。通过示例的方式并参考图13更容易影响对背衬效果的解释。使用本文公开的声学叠层的实施例，可以看到：从压电层进入到第一石墨层的声波首先经历180度相变(负反射系数)和69％反射回到压电层，剩余的31％的声波传输到石墨层中。一旦进入石墨层，声波就会在石墨层内混响，使得声波在每次穿过石墨层时都是同相的，该层是1/4波谐振的。波在到钨层的边界处经历90％的反射，在到压电层的边界处经历69％的反射。本领域技术人员将看到，仅在从石墨层的近端壁进行奇数次反射(第一次、第三次、第五次反射等等)之后，石墨层内的混响的声波在被反射回压电层时是同相的。人们还将注意到，石墨层内的声波在从石墨层的近端壁反射偶数次(第二次、第四次、第六次反射等)之后是异相的。人们还会注意到，从石墨层传输到相邻钨层的声压波在从石墨层的远端壁进行偶数次反射之后是同相的，使得第0次、第2次、第4次……反射将传播进入钨层，在钨层内经历相长干涉，但第一次、第三次、第五次……反射将在钨层内经历相消干涉。每个DLDB组合的效果的一阶近似是随着时间的推移传播每个声脉冲的能量，每个混响的幅度呈指数衰减。如图19a和图19b所示，结果是添加到换能器的脉冲响应中的非常低水平的呈指数衰减的声学“尾巴”。虽然通常不希望在超声换能器的脉冲响应中添加衰减环，但DLDB通过双向方式补偿这种负面影响。首先，衰荡电平非常低，在单向应用中通常为-35dB，在双向应用中为-50dB。其次，配备DLDB的换能器的脉冲响应一般不受所需的诸如连接到换能器叠层上的散热器以及电连接件的设备的影响。本领域技术人员可能会注意到，由于DLDB第一层的有效相位反射率，换能器的脉冲响应通过在其间插入DLDB叠层而改善了约-20dB到-30dB，换能器配备有直接结合的散热器或PCB或与背衬或压电材料的近端面的一部分或换能器的去匹配层的近端面基本声学通信的其他类似结构。类似地，传播到DLDB叠层的背面的能量通过谐振层传输，谐振层也随着时间扩展并且振幅减小，使得到达DLDB对的近端面的波的振幅非常小并且随着时间扩展。因此，散热器、PCB和/或类似物可以接合到或以其他方式邻近并接触最终DLDB叠层的近端面，而对叠层的声学性能几乎没有影响或完全没有影响。如果图13适于呈现宽带情况，由于在其他频率处发生异相反射，因此可以观察到朝向超声换能器前面的同相反射。值得注意的是，异相反射会以随机且通常是破坏性的方式相互干扰。因此，与在设计工作频率下发生的同相反射相比异相反射意义较小。
观察680kHz液冷换能器的包络的对数时，可以清楚地看到声能在DLDB层内随时间扩散的影响，如图19b和图21所示。
在相对较小的空间内高效隔离的效果是能够将散热器、PCB、焊接线、ASICS和其他期望结构直接连接到换能器的声学叠层。本领域技术人员将理解能够将PCB直接电连接(例如通过焊接)到阵列的声学叠层的好处，例如成像阵列通过预先焊接到PCB的现成高密度电连接器进行电互连。此外，本领域的技术人员将理解，通过使用例如各向异性导电带，可以相对容易地将ASIC直接应用到一维或二维阵列而不损害声学性能。
这里描述的技术的实施例与现在将呈现的一些优点相关联。通常，使用DLDB代替现有的低声阻抗吸收背衬或简单的DML层的动机是使得能够在最小的空间(和/或有限的空间)中将电组件、散热器或其他期望的结构直接连接到声学叠层。此外，由于DLDB所需的小空间，DLDB可使换能器的组装在更多空间受限的应用中成为可能，例如，但不限于基于导管的换能器。
在DLDB对包括石墨和钨的实施例中，多达97％的声能在其到达钨层的后壁之前可以在换能器的前面被同相反射回来。当换能器包括第二对DLDB层时，它可以将到达第二钨层的背面的声压降低超过70dB，并且由于PCB或散热器在该表面产生的任何反射或混响在其通过DLDB叠层返回时进一步降低。实际结果很好，并且在某些情况下，电互连件和/或散热器与声学叠层几乎完全声学隔离，即使当第二DLDB使用较低声阻抗的第二层(例如铜或氮化铝)来实现电学或热学特性时。
必须注意的是，DLDB的高声阻抗层和低声阻抗层可以由固体材料制成，或者可以由导电的声学复合材料制成，例如切割的石墨，该切割的石墨在切割后溅射，并用环氧树脂填充，以形成具有约2.5MR到约4MR之间的声阻抗的导电和导热层，或者例如混合到环氧树脂中的镀银微球体，并且不受限制。
背衬的电气特性可能很有用，因为导电背衬使得能够直接附接PCB、ASIC或焊接或有线接头，而对设备的声学性能没有不利影响。
背衬的热性能也很有用，因为DLDB中使用的导热背衬材料允许压电元件的高效散热，随着诸如PMN-PT的先进弛豫材料和相关材料的发展，这一点变得越来越重要。
应当指出的是，从理论上看，DLDB背衬作用的频率范围一般没有限制。从实际的角度来看，在一些情况下，它可以在至少10kHz或100kHz下使用，在充分的过程控制下，可能高达50MHz或100MHz。
本文中已经描述和示出了多个替代性的实施例和示例。以上描述的实施例仅旨是示例性的。本领域技术人员将理解各个实施例的特征以及部件的可能组合和变化。本领域技术人员将进一步理解，可以与本文公开的其他实施例以任何组合来提供任何实施例。因此，本申请的示例和实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。因此，虽然已经示出和描述了特定的实施例，但是在不明显脱离说明书中定义的范围的情况下，可以想到许多修改。

Claims (192)

1.一种超声换能器，包括：
压电材料，所述压电材料具有前表面和背表面，所述压电材料被配置成与样本声学通信；
背衬结构，所述背衬结构位于所述压电材料的背表面处，并被配置成向所述压电材料的前表面反射声能，所述背衬结构是导热和导电的，所述背衬结构包括：
第一双层去匹配背衬，所述第一双层去匹配背衬包括：
第一石墨层；和
由钨制成的层，所述由钨制成的层与所述第一石墨层接触；
第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬与所述第一双层去匹配背衬接触，所述第二双层去匹配背衬包括：
第二石墨层；和
铜层，所述铜层与所述第二石墨层接触；
散热器，所述散热器与所述背衬结构热接触；和
一个或多个电极，所述一个或多个电极与所述压电材料电通信。
2.根据权利要求1所述超声换能器，其中，所述散热器包括至少一个沟道，所述沟道构造成在所述沟道中接收和循环热传递流体。
3.根据权利要求2所述的超声换能器，其中，所述热传递流体是液体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声换能器，其中，所述散热器与所述背衬结构电绝缘。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声换能器，其中，
所述超声换能器能够在工作频率下工作，所述工作频率与工作波长(λo)相关；和
所述第一石墨层、与所述第一石墨层接触的所述由钨制成的层、所述第二石墨层和所述铜层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
6.根据权利要求5所述的超声换能器，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下半波谐振。
7.根据权利要求5所述的超声换能器，还包括单个去匹配层，所述单个去匹配层位于所述压电材料和所述背衬结构之间，所述单个去匹配层与所述压电材料和所述背衬结构声学通信，所述单个去匹配层具有相对高于所述压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，所述压电材料被配置为在所述工作频率下四分之一波谐振。
8.根据权利要求7所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有谐振频率，所述谐振频率与谐振波长λr相关，所述单个去匹配层相对于所述压电材料的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
9.根据权利要求8所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层由钨制成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有声学特性，所述声学特性包括约27.5MR的声阻抗。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的超声换能器，其中，所述第一石墨层具有约5.1MR的声阻抗。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的超声换能器，其中，所述第一石墨层具有的厚度包括在从约1.5mm到约1.6mm的范围内。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的超声换能器，其中，所述由钨制成的层具有约100MR的声阻抗。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的超声换能器，其中，所述由钨制成的层具有的厚度包括在从约2.6mm到约2.7mm的范围内。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的超声换能器，其中，所述第二石墨层具有约5.1MR的声阻抗。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的超声换能器，其中，所述第二石墨层具有的厚度包括在从约1.5mm到约1.6mm的范围内。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的超声换能器，其中，所述铜层具有约41.5MR的声阻抗。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的超声换能器，其中，所述铜层具有的厚度包括在从约2.5mm到约2.6mm的范围内。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为极化复合压电盘。
21.根据权利要求20所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘为13配置。
22.根据权利要求1至19中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为PZT4，所述压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，所述切口以约1200μm的间距切割。
23.根据权利要求22所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有的厚度包括在从约2.35mm到约2.45mm的范围内。
24.根据权利要求22或23所述的超声换能器，其中，所述切口填充有复合填料，所述复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
25.根据权利要求24所述的超声换能器，其中，所述复合填料为0 3配置。
26.根据权利要求24或25所述的超声换能器，其中，所述环氧树脂是Epo-
Figure FDA0003748811290000031
301。
27.根据权利要求1至19中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料由压电层组成。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的超声换能器，还包括与所述背衬结构接触的导热结构。
29.根据权利要求28所述的超声换能器，其中，所述导热结构与所述背衬结构电绝缘。
30.根据权利要求28或29所述的超声换能器，其中，所述导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构在所述背衬结构的横向部分上延伸。
32.根据权利要求28至31中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构包括至少一个穿过所述导热结构的导电通孔。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的超声换能器，还包括控制单元，所述控制单元电连接到所述压电材料、所述背衬结构和所述一个或多个电极中的至少一个。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的超声换能器，其中，所述一个或多个电极通过所述背衬结构电连接到所述压电材料。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的超声换能器，还包括耐磨层，所述耐磨层具有耐磨性能。
36.根据权利要求35所述的超声换能器，其中，所述耐磨层由钛制成。
37.根据权利要求1至36中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有约为50mm的直径。
38.根据权利要求1至37中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成同相地反射声能。
39.根据权利要求1至38中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成在空间和时间上分散所述背衬结构中的不需要的声学混响。
40.一种超声换能器，包括：
压电材料，所述压电材料具有前表面和背表面，所述压电材料被配置成与样本声学通信；和
背衬结构，所述背衬结构位于所述压电材料的所述背表面处，并被配置成向所述压电材料的前表面反射声能，所述背衬结构包括：
第一双层去匹配背衬，所述第一双层去匹配背衬包括第一低声阻抗层和第一高声阻抗层；和
第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬连接到所述第一双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。
41.根据权利要求40所述的超声换能器，还包括散热器和导热层中的至少一个，所述散热器与所述背衬结构热接触，所述导热层与所述压电材料声学匹配。
42.根据权利要求40或41所述的超声换能器，还包括一个或多个电极，所述一个或多个电极与所述压电材料电通信。
43.根据权利要求40至42中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构是导热和导电的。
44.根据权利要求40至43中任一项所述的超声换能器，还包括预组装电路，所述预组装电路与所述背衬结构的顶部电通信，使得所述预组装电路与所述压电材料电通信。
45.根据权利要求44所述的超声换能器，其中，所述预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
46.根据权利要求41所述的超声换能器，其中，所述散热器包括至少一个沟道，所述沟道构造成在所述沟道中接收和循环热传递流体。
47.根据权利要求46所述的超声换能器，其中，所述热传递流体是液体。
48.根据权利要求46或47所述的超声换能器，其中，所述散热器与所述背衬结构电绝缘。
49.根据权利要求40至48中任一项所述的超声换能器，其中：
所述超声换能器能够在工作频率下工作，所述工作频率与工作波长(λo)相关；和
所述第一低声阻抗层、所述第一高声阻抗层、所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻抗层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
50.根据权利要求49的所述的超声换能器，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下半波谐振。
51.根据权利要求49所述的超声换能器，还包括单个去匹配层，所述单个去匹配层位于所述压电材料和所述背衬结构之间，所述单个去匹配层与所述压电材料和所述背衬结构声学通信，所述单个去匹配层具有相对高于所述压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下四分之一波谐振。
52.根据权利要求51所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有谐振频率，所述谐振频率与谐振波长λr相关，所述单个去匹配层相对于所述压电材料的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
53.根据权利要求52所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
54.根据权利要求51至53中任一项所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层由钨制成。
55.根据权利要求40至54中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有声学特性，所述声学特性包括约27.5MR的声阻抗。
56.根据权利要求40至55中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为极化复合压电盘。
57.根据权利要求56所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘具有约2.4mm的厚度。
58.根据权利要求56或57所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘为1 3配置。
59.根据权利要求40至55中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为PZT4的复合材料，所述压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，所述切口以约1200μm的间距切割。
60.根据权利要求59所述的超声换能器，其中，所述切口填充有复合填料，所述复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
61.根据权利要求60所述的超声换能器，其中，所述复合填料为0 3配置。
62.根据权利要求60或61所述的超声换能器，其中，所述环氧树脂是Epo-
Figure FDA0003748811290000061
301。
63.根据权利要求40至55中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料由压电层组成。
64.根据权利要求40至63中任一项的所述的超声换能器，还包括与所述背衬结构接触的导热结构。
65.根据权利要求64所述的超声换能器，其中，所述导热结构与所述背衬结构电绝缘。
66.根据权利要求64或65所述的超声换能器，其中，所述导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
67.根据权利要求64至66中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构在所述背衬结构的横向部分上延伸。
68.根据权利要求64至67中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构包括至少一个穿过所述导热结构的导电通孔。
69.根据权利要求40至68中任一项所述的超声换能器，还包括控制单元，所述控制单元电连接到所述压电材料和所述背衬结构中的至少一个。
70.根据权利要求42所述的超声换能器，其中，所述一个或多个电极通过所述背衬结构电连接到所述压电材料。
71.根据权利要求40至70中任一项所述的超声换能器，还包括耐磨层，所述耐磨层具有耐磨性能。
72.根据权利要求71所述的超声换能器，其中，所述耐磨层由钛制成。
73.根据权利要求40至72中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有约为50mm的直径。
74.根据权利要求40至73中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成同相地反射声能。
75.根据权利要求40至74中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成在空间和时间上分散所述背衬结构中的不需要的声学混响。
76.一种超声换能器，具有样本接触部和背部，所述背部与所述样本接触部相对，所述超声换能器包括：
被配置成与样本声学通信的材料；和
背衬结构，所述背衬结构与压电材料声学通信，所述背衬结构被配置成朝向所述样本接触部并且远离所述超声换能器的背部反射声能，所述背衬结构包括：
低声阻抗层；和
高声阻抗层。
77.根据权利要求76所述的超声换能器，其中，所述低声阻抗层和所述高声阻抗层形成第一双层去匹配背衬，所述超声换能器还包括第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。
78.根据权利要求76或77所述的超声换能器，还包括散热器，所述散热器与所述背衬结构热接触。
79.根据权利要求76至78中任一项所述的超声换能器，还包括一个或多个电极，所述一个或多个电极与所述压电材料电通信。
80.根据权利要求76至79中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构是导热和导电的。
81.根据权利要求76至80中任一项所述的超声换能器，还包括预组装电路，所述预组装电路与所述背衬结构的顶部电通信，使得所述预组装电路与所述压电材料电通信。
82.根据权利要求81所述的超声换能器，其中，所述预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
83.根据权利要求78所述的超声换能器，其中，所述散热器包括至少一个沟道，所述沟道构造成在所述沟道中接收和循环热传递流体。
84.根据权利要求83所述的超声换能器，其中，所述热传递流体是液体。
85.根据权利要求83或84所述的超声换能器，其中，所述散热器与所述背衬结构电绝缘。
86.根据权利要求77所述的超声换能器，其中，
所述超声换能器能够在工作频率下工作，所述工作频率与工作波长(λo)相关；和
所述低声阻抗层、所述高声阻抗层、所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻抗层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
87.根据权利要求86所述的超声换能器，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下半波谐振。
88.根据权利要求86所述的超声换能器，还包括单个去匹配层，所述单个去匹配层位于所述压电材料和所述背衬结构之间，所述单个去匹配层与所述压电材料和所述背衬结构声学通信，所述单个去匹配层具有相对高于所述压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下四分之一波谐振。
89.根据权利要求88所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有谐振频率，所述谐振频率与谐振波长λr相关，所述单个去匹配层相对于压电材料的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
90.根据权利要求89所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
91.根据权利要求88至90中任一项所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层由钨制成。
92.根据权利要求76至91中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有声学特性，所述声学特性包括约27.5MR的声阻抗。
93.根据权利要求76至92中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为极化复合压电盘。
94.根据权利要求93所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘具有约2.4mm的厚度。
95.根据权利要求92或93所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘为1 3配置。
96.根据权利要求76至92中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为PZT4的复合材料，所述压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，所述切口以约1200μm的间距切割。
97.根据权利要求96所述的超声换能器，其中，所述切口填充有复合填料，所述复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
98.根据权利要求97所述的超声换能器，其中，所述复合填料为0 3配置。
99.根据权利要求96或97所述的超声换能器，其中，所述环氧树脂是Epo-
Figure FDA0003748811290000101
301。
100.根据权利要求76至92中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料由压电层组成。
101.根据权利要求76至100中任一项所述的超声换能器，还包括与所述背衬结构接触的导热结构。
102.根据权利要求101所述的超声换能器，其中，所述导热结构与所述背衬结构电绝缘。
103.根据权利要求100或101所述的超声换能器，其中，所述导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
104.根据权利要求101至103中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构在所述背衬结构的横向部分上延伸。
105.根据权利要求101至104中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构包括至少一个穿过所述导热结构的导电通孔。
106.根据权利要求76至105中任一项所述的超声换能器，还包括控制单元，所述控制单元电连接到所述压电材料和所述背衬结构中的至少一个。
107.根据权利要求79所述的超声换能器，其中，所述一个或多个电极通过所述背衬结构电连接到所述压电材料。
108.根据权利要求79至107中任一项所述的超声换能器，还包括耐磨层，所述耐磨层具有耐磨性能。
109.根据权利要求108所述的超声换能器，其中，所述耐磨层由钛制成。
110.根据权利要求76至109中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有约为50mm的直径。
111.根据权利要求76至110中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成同相地反射声能。
112.根据权利要求76至111中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成在空间和时间上分散所述背衬结构中的不需要的声学混响。
113.根据权利要求77至112中任一项所述的超声换能器，其中，
所述压电材料被切成多个压电区域，所述多个压电区域通过间隙彼此隔开，所述间隙是电绝缘和声学绝缘的；
所述低声阻抗层和所述高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第一元件，所述多个第一元件通过第一组间隙彼此分隔开，所述第一组间隙中的每一个与分隔所述压电区域的所述间隙中的相应间隙对准，所述第一组间隙是电绝缘和声学绝缘的；和
所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第二元件，所述多个第二元件通过第二组间隙彼此分隔开，所述第二组间隙中的每一个与分隔所述压电区域的所述间隙中的相应间隙对准，所述第二组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
114.根据权利要求113所述的超声换能器，其中，所述间隙、所述第一组间隙和所述第二组间隙是导热的。
115.一种超声换能器，包括：
一维压电阵列，所述一维压电阵列具有前表面和背表面，所述一维压电阵列被配置成与样本声学通信，并且包括在一维中排列的多个压电区域；
背衬结构，所述背衬结构位于所述一维压电阵列的背表面处，并被配置成向所述一维压电阵列的前表面反射声能，所述背衬结构包括双层去匹配背衬，所述双层去匹配背衬包括低声阻抗层和高声阻抗层；和
预组装电路，所述预组装电路与所述背衬结构的顶部电通信，使得所述预组装电路与所述一维压电阵列电通信。
116.根据权利要求115所述的超声换能器，还包括第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。
117.根据权利要求115或116所述的超声换能器，还包括散热器，所述散热器与所述背衬结构热接触。
118.根据权利要求115至117中任一项所述的超声换能器，还包括一个或多个电极，所述一个或多个电极与所述一维压电阵列电通信。
119.根据权利要求115至118中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构是导热和导电的。
120.根据权利要求115至119中任一项所述的超声换能器，其中，所述预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
121.根据权利要求116至120中任一项所述的超声换能器，其中，每个所述压电区域通过间隙彼此隔开，所述间隙是电绝缘和声学绝缘的。
122.根据权利要求121所述的超声换能器，其中，所述低声阻抗层和所述高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第一元件，所述多个第一元件通过第一组间隙彼此分隔开，所述第一组间隙中的每一个与分隔所述压电区域的所述间隙中的相应间隙对准，所述第一组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
123.根据权利要求121或122所述的超声换能器，其中，所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第二元件，所述多个第二元件通过第二组间隙彼此分隔开，所述第二组间隙中的每一个与分隔所述压电区域的所述间隙中的相应间隙对准，所述第二组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
124.根据权利要求123所述的超声换能器，其中，所述间隙、所述第一组间隙和所述第二组间隙是导热的。
125.根据权利要求115至124中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构的顶部由电绝缘材料制成。
126.根据权利要求125所述的超声换能器，其中，所述电绝缘材料是导热的。
127.根据权利要求115至126中任一项所述的超声换能器，其中，所述顶部包括被导电通孔穿过的由AlN制成的层，每个导电通孔与在一维中排列的多个压电区域中的相应压电区域对准。
128.根据权利要求127所述的超声换能器，其中，所述由AlN层制成的层具有前面，所述由AlN层制成的层从所述前面部分地切割，以增强在一维中排列的多个压电区域中的相邻压电区域的声学隔离。
129.根据权利要求117所述的超声换能器，其中，所述散热器包括至少一个沟道，所述沟道构造成在所述沟道中接收和循环热传递流体。
130.根据权利要求129所述的超声换能器，其中，所述热传递流体是液体。
131.根据权利要求129或130所述的超声换能器，其中，所述散热器与所述背衬结构电绝缘。
132.根据权利要求116所述的超声换能器，其中，
所述超声换能器能够在工作频率下工作，所述工作频率与工作波长(λo)相关；和
所述低声阻抗层、所述高声阻抗层、所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻抗层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
133.根据权利要求132的所述的超声换能器，其中，所述一维压电阵列被配置成在所述工作频率下半波谐振。
134.根据权利要求132所述的超声换能器，还包括单个去匹配层，所述单个去匹配层位于所述一维压电阵列和所述背衬结构之间，所述单个去匹配层与所述一维压电阵列和所述背衬结构声学通信，所述单个去匹配层具有相对高于所述一维压电阵列的声阻抗的相应的声阻抗，其中，所述一维压电阵列被配置成在所述工作频率下四分之一波谐振。
135.根据权利要求134所述的超声换能器，其中，所述一维压电阵列具有谐振频率，所述谐振频率与谐振波长λr相关，所述单个去匹配层相对于所述一维压电阵列的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
136.根据权利要求135所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
137.根据权利要求134至136中任一项所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层由钨制成。
138.根据权利要求115至137中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电区域包括由切口隔开的柱。
139.根据权利要求138所述的超声换能器，其中，所述切口填充有复合填料，所述复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
140.根据权利要求139所述的超声换能器，其中，所述复合填料为0 3配置。
141.根据权利要求139或140所述的超声换能器，其中，所述环氧树脂是Epo-
Figure FDA0003748811290000141
301。
142.根据权利要求115至137中任一项所述的超声换能器，其中，每个所述压电区域由压电层组成。
143.根据权利要求115至142中任一项所述的超声换能器，还包括与所述背衬结构接触的导热结构。
144.根据权利要求143所述的超声换能器，其中，所述导热结构与所述背衬结构电绝缘。
145.根据权利要求143或144所述的超声换能器，其中，所述导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
146.根据权利要求143至145中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构在所述背衬结构的横向部分上延伸。
147.根据权利要求113至142中任一项所述的超声换能器，还包括控制单元，所述控制单元电连接到所述一维压电阵列和所述背衬结构中的至少一个。
148.根据权利要求147所述的超声换能器，其中，所述一个或多个电极通过所述背衬结构电连接到所述一维压电阵列。
149.根据权利要求115至148中任一项所述的超声换能器，还包括耐磨层，所述耐磨层具有耐磨性能。
150.根据权利要求149所述的超声换能器，其中，所述耐磨层由钛制成。
151.根据权利要求115至150中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有约为50mm的直径。
152.根据权利要求115至151中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成同相地反射声能。
153.根据权利要求115至152中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成在空间和时间上分散所述背衬结构中的不需要的声学混响。
154.一种超声换能器，包括：
二维压电矩阵，所述二维压电矩阵具有前表面和背表面，所述二维压电矩阵被配置成与样本声学通信；
背衬结构，所述背衬结构位于所述一维压电矩阵的背表面处，并被配置成向所述二维压电矩阵的前表面反射声能，所述背衬结构包括双层去匹配背衬，所述双层去匹配背衬包括低声阻抗层和高声阻抗层；和
预组装电路，所述预组装电路与所述背衬结构的顶部电通信，使得所述预组装电路与所述二维压电矩阵电通信。
155.根据权利要求154所述的超声换能器，还包括第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。
156.根据权利要求154或155所述的超声换能器，还包括散热器，所述散热器与所述背衬结构热接触。
157.根据权利要求154至156中任一项所述的超声换能器，还包括一个或多个电极，所述一个或多个电极与所述二维压电矩阵电通信。
158.根据权利要求154至157中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构是导热和导电的。
159.根据权利要求154至158中任一项所述的超声换能器，其中，所述预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。
160.根据权利要求155至159中任一项所述的超声换能器，其中，所述二维压电矩阵包括多个压电区域，每个所述压电区域通过间隙彼此隔开，所述间隙是电绝缘和声学绝缘的。
161.根据权利要求160所述的超声换能器，其中，所述低声阻抗层和所述高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第一元件，所述多个第一元件通过第一组间隙彼此分隔开，所述第一组间隙中的每一个与分隔所述压电区域的所述间隙中的相应间隙对准，所述第一组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
162.根据权利要求160或161所述的超声换能器，其中，所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻抗层中的至少一个被切割成多个第二元件，所述多个第二元件通过第二组间隙彼此分隔开，所述第二组间隙中的每一个与分隔所述压电区域的所述间隙中的相应间隙对准，所述第二组间隙是电绝缘和声学绝缘的。
163.根据权利要求162所述的超声换能器，其中，所述间隙、所述第一组间隙和所述第二组间隙是导热的。
164.根据权利要求154至163中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构的顶部由电绝缘材料制成。
165.根据权利要求162所述的超声换能器，其中，所述电绝缘材料是导热的。
166.根据权利要求160至164中任一项所述的超声换能器，其中，所述顶部包括被导电通孔穿过的由AlN制成的层，每个导电通孔与所述多个压电区域中的相应压电区域对准。
167.根据权利要求166所述的超声换能器，其中，所述由AlN层制成的层具有前面，所述由AlN层制成的层从所述前面部分地切割，以增强在一维中排列的多个压电区域中的相邻压电区域的声学隔离。
168.根据权利要求156所述的超声换能器，其中，所述散热器包括至少一个沟道，所述沟道构造成在所述沟道中接收和循环热传递流体。
169.根据权利要求168所述的超声换能器，其中，所述热传递流体是液体。
170.根据权利要求168或169所述的超声换能器，其中，所述散热器与所述背衬结构电绝缘。
171.根据权利要求155所述的超声换能器，其中，
所述超声换能器能够在工作频率下工作，所述工作频率与工作波长(λo)相关；和
所述低声阻抗层、所述高声阻抗层、所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻抗层各自具有约为λo/4厚或λo/4的奇数倍的对应厚度。
172.根据权利要求171的所述的超声换能器，其中，所述二维压电矩阵被配置成在所述工作频率下半波谐振。
173.根据权利要求171所述的超声换能器，还包括单个去匹配层，所述单个去匹配层位于所述二维压电矩阵和所述背衬结构之间，所述单个去匹配层与所述二维压电矩阵和所述背衬结构声学通信，所述单个去匹配层具有相对高于所述二维压电矩阵的声阻抗的相应的声阻抗，其中，所述二维压电矩阵被配置成在所述工作频率下四分之一波谐振。
174.根据权利要求173所述的超声换能器，其中，所述二维压电矩阵具有谐振频率，所述谐振频率与谐振波长λr相关，所述单个去匹配层相对于所述二维压电矩阵的谐振频率具有小于2λr/5厚的厚度。
175.根据权利要求174所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层具有在约λr/10至约λr/20的范围内的厚度。
176.根据权利要求173至175中任一项所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层由钨制成。
177.根据权利要求154至176中任一项所述的超声换能器，其中，所述二维压电矩阵包括由切口隔开的柱。
178.根据权利要求177所述的超声换能器，其中，所述切口填充有复合填料，所述复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。
179.根据权利要求178所述的超声换能器，其中，所述复合填料为0 3配置。
180.根据权利要求178或179所述的超声换能器，其中，所述环氧树脂是Epo-
Figure FDA0003748811290000171
301。
181.根据权利要求154至180中任一项所述的超声换能器，其中，所述二维压电矩阵由压电层组成。
182.根据权利要求154至181中任一项的所述的超声换能器，还包括与所述背衬结构接触的导热结构。
183.根据权利要求182所述的超声换能器，其中，所述导热结构与所述背衬结构电绝缘。
184.根据权利要求182或183所述的超声换能器，其中，所述导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。
185.根据权利要求182至184中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构在所述背衬结构的横向部分上延伸。
186.根据权利要求154至185中任一项所述的超声换能器，还包括控制单元，所述控制单元电连接到所述二维压电矩阵和所述背衬结构中的至少一个。
187.根据权利要求186所述的超声换能器，其中，所述一个或多个电极通过所述背衬结构电连接到所述二维压电矩阵。
188.根据权利要求154至187中任一项所述的超声换能器，还包括耐磨层，所述耐磨层具有耐磨性能。
189.根据权利要求188所述的超声换能器，其中，所述耐磨层由钛制成。
190.根据权利要求154至189中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有约为50mm的直径。
191.根据权利要求154至190中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成同相地反射声能。
192.根据权利要求154至191中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成在空间和时间上分散所述背衬结构中的不需要的声学混响。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115575933A (zh) * 2022-12-07 2023-01-06 深圳华声医疗技术股份有限公司 探头杯套、超声系统及超声系统控制方法
CN117019608A (zh) * 2023-10-08 2023-11-10 中北大学 一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114660182A (zh) * 2022-04-02 2022-06-24 常州达森特无损检测设备有限公司 一种带耐磨层的高分辨率超声换能器
EP4285837A1 (en) * 2022-06-03 2023-12-06 Trophy Sas Compact ultrasound transducers for intraoral uses

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5166573A (en) * 1989-09-26 1992-11-24 Atochem North America, Inc. Ultrasonic contact transducer and array
US5629906A (en) * 1995-02-15 1997-05-13 Hewlett-Packard Company Ultrasonic transducer
JP2008086362A (ja) * 2006-09-29 2008-04-17 Fujifilm Corp 超音波用探触子、超音波内視鏡、及び、超音波診断装置
CN101969764B (zh) * 2007-12-06 2014-06-04 精量电子(美国)有限公司 用于超声波换能器的多层背衬吸收器
US9180490B2 (en) * 2012-05-22 2015-11-10 General Electric Company Ultrasound transducer and method for manufacturing an ultrasound transducer
CN107920797B (zh) * 2015-09-03 2021-02-12 富士胶片索诺声公司 超声波换能器组件
JPWO2019031047A1 (ja) * 2017-08-09 2020-09-10 ソニー株式会社 超音波振動子、診断用超音波プローブ、手術器具、シート型超音波プローブ及び電子機器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115575933A (zh) * 2022-12-07 2023-01-06 深圳华声医疗技术股份有限公司 探头杯套、超声系统及超声系统控制方法
CN117019608A (zh) * 2023-10-08 2023-11-10 中北大学 一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法
CN117019608B (zh) * 2023-10-08 2024-01-05 中北大学 一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法

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