CN116511011A - 波形改善方法及超音波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波形改善方法包含提供压电材料连接匹配材料；将至少一个匹配层中的一个匹配层产生多个第一沟槽；将隔离材料填充于该多个第一沟槽；以及提供压电材料的输入电压，使压电材料产生超音波讯号。压电材料包含至少一个压电层。匹配材料包含至少一个匹配层。匹配材料用以匹配压电材料的声阻抗。匹配层的该多个第一沟槽用以优化声阻抗及隔震效果。

Description

波形改善方法及超音波换能器

技术领域

本发明涉及超音波换能技术领域，尤涉及一种利用匹配层上的多个沟槽优化声阻抗及隔震效果的波形改善方法及超音波换能器。

背景技术

随着医疗技术的日新月异，超音波的探测技术也越来越成熟。一般而言，超音波的探测方式会利用具有发射超音波讯号的探头，对皮肤以下发射超音波讯号。并且，超音波讯号的探头还会利用反射的超音波讯号，判断皮肤以下肉眼不可视的物体的形状和位置，以进行各种医疗用途。

传统超音波换能器发射超音波讯号的方式为利用多个压电装置发射出多束超音波讯号，每一束超音波讯号会对应一条扫描线。并且，超音波换能器可接收对应扫描线的超音波反射讯号，进行影像辨识及物体侦测。一般而言，在传统超音波换能器中，匹配层使用相应材料堆叠而成。匹配层的声阻抗取决于其材料特性。然而，传统超音波换能器的声阻抗没有优化，且隔震效果不佳，故超音波讯号会产生高能量的震铃脉冲(Ring Down Pulse)。因此，传统超音波换能器所发射的超音波波形并不是最佳化的，也导致超音波影像的解析度变差。

发明内容

本发明的目的在于提出一种波形改善方法及超音波换能器，可以改善隔振效果、提高解析度。

基于上述目的，本发明提出一种一种波形改善方法，其特征在于，包含：提供压电材料连接匹配材料，其中该压电材料包含至少一个压电层，且该匹配材料包含至少一个匹配层；将该至少一个匹配层中一个匹配层产生多个第一沟槽；将隔离材料填充于该多个第一沟槽；及提供该压电材料输入电压，使该压电材料产生超音波讯号；其中，该匹配材料用以匹配该压电材料的声阻抗，且该匹配层的该多个第一沟槽用以优化该声阻抗及隔震效果。

较佳的，另包含：将该至少一个压电层产生多个第二沟槽；其中该压电层的该多个第二沟槽沿该压电层表面相互正交的两个方向中的一个方向或两个方向排列。

较佳的，该至少一个匹配层包含第一匹配层以及第二匹配层，该第一匹配层在该压电层及该第二匹配层之间，该第二匹配层具有该多个第一沟槽，且该第二匹配层的多个第一沟槽对应于该压电层的该多个第二沟槽；或者，该至少一个匹配层包含第一匹配层以及第二匹配层，该第一匹配层在该压电层及该第二匹配层之间，该第一匹配层及该第二匹配层具有该多个第一沟槽，且该第一匹配层及该第二匹配层的该多个第一沟槽对应于该压电层的该多个第二沟槽。

较佳的，该压电材料为压电陶瓷材料，当该压电材料接收该超音波讯号后，该压电陶瓷材料的两侧产生多个极性相反的电荷，且该多个极性相反的电荷通过两个电导材料而产生电讯号。

较佳的，若该压电陶瓷材料的两侧通过该两个电导材料输入极性相反的电压，该压电陶瓷材料利用该具有该多个第一沟槽的该匹配层执行声阻抗匹配，且以共振方式产生该超音波讯号。

较佳的，该匹配层的该多个第一沟槽的深度不超过该匹配层的厚度。

较佳的，当该压电材料利用该具有该多个第一沟槽的该匹配层执行声阻抗匹配且以共振方式产生该超音波讯号后，该超音波讯号的震铃脉冲降低。

较佳的，该至少一个匹配层为直线型匹配层、弧形匹配层、圆形匹配层、多曲率匹配层、球型匹配层或非球形匹配层。

基于上述目的，本发明还提出一种超音波换能器，其包含：

壳体，用以提供容置空间；

压电材料，置于该容置空间内，该压电材料用以产生及接收超音波讯号；

匹配材料，置于该容置空间内，该匹配材料用以匹配该压电材料的声阻抗；及

两个电导材料，耦接于该压电材料，该两个电导材料用以输出及输入电讯号；

其中，该压电材料包含至少一个压电层，该匹配材料包含至少一个匹配层，该至少一个匹配层中一个匹配层具有多个第一沟槽，隔离材料填充于该多个第一沟槽，当该两个电导材料输入电压时，该压电材料产生该超音波讯号，该匹配层的该多个第一沟槽用以优化该声阻抗及隔震效果。

较佳的，该至少一个匹配层包含第一匹配层以及第二匹配层，该第一匹配层在该压电层及该第二匹配层之间，该第二匹配层具有第一表面以及第二表面，其中该第一表面连接该第一匹配层，该多个第一沟槽通过自该第二表面并以垂直该第二表面的方向进行切割程序而成。

较佳的，该切割程序不切穿该第二匹配层；或者，该切割程序切穿该第二匹配层，且未切割该第一匹配层；或者，该切割程序切穿该第二匹配层的同时，切割该第一匹配层且不切穿该第一匹配层。

较佳的，该压电材料包括多个第二沟槽,该多个第一沟槽与该多个第二沟槽相互正交；或者，该压电材料包括多个第二沟槽,该多个第一沟槽与该多个第二沟槽逐个对齐。

本发明提出的超音波换能器以及波形改善方法，超音波换能器包含压电材料以及匹配材料。匹配材料中至少一层的匹配层具有多个沟槽。该多个沟槽可匹配以及优化压电材料的声阻抗。该多个沟槽也可以提升超音波换能器中每一个阵元的隔震效果。并且，在声阻抗被优化后，超音波换能器所产生的超音波讯号的大部分的震铃脉冲以及谐波振幅都可以被降低，优化产生的超音波讯号波形，提升成像解析度。

附图说明

图1为本发明超音波换能器的实施例的架构图。

图2为图1的超音波换能器中，压电材料及匹配材料的第一种结构的示意图。

图3为图1的超音波换能器中，压电材料及匹配材料的第二种结构的示意图。

图4为图1的超音波换能器中，压电材料及匹配材料的第三种结构的示意图。

图5为图1的超音波换能器中，超音波讯号改善频谱的震铃脉冲的示意图。

图6为图1的超音波换能器中，波形改善方法的流程图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

图1为本发明的超音波换能器100的实施例的架构图。于此说明，超音波换能器100可为直线型超音波换能器、弧形超音波换能器、圆形超音波换能器、多曲率超音波换能器、球型超音波换能器或非球形超音波换能器。超音波换能器100的架构并不被图1所限制。超音波换能器100可包含壳体10、压电材料11、匹配材料12、第一电导材料13以及第二电导材料14。壳体10用以提供容置空间，且不被特定形状所限制。压电材料11置于壳体10内，用以接收及产生超音波讯号。压电材料11可为陶瓷结构的压电晶体。并且，压电材料11具有预先设定的声阻抗，例如40M Rate(密度(g/cm3)/速度(m/s))。第一电导材料13以及第二电导材料14耦接于压电材料11，用以输出/输入电讯号。并且，超音波换能器100还可以包含保护材料17，以及镜头层(未绘示)。保护材料17可裸露在外，亦即壳体10可不包覆保护材料17。超音波换能器100的任何合理的硬体变更都属于本发明所揭露的范畴。在超音波换能器100中，压电材料可包含至少一个压电层。匹配材料12可包含至少一个匹配层。并且，至少一个匹配层中的一个匹配层具有多个第一沟槽。隔离材料可以填充于该多个第一沟槽。隔离材料的材质并无限制，任何具备隔震效果的液态或固态材料都属于本发明的隔离材料所应用的范畴。所谓填充，可以是通过例如刀具的薄型工具将堆叠于该匹配层上方的隔离材料层压入该多个第一沟槽，也可以是将隔离材料灌注入该多个第一沟槽。第一电导材料13以及第二电导材料14可为软性电路板(Flexible Print Circuit，简称FPC)，软性排线，或是任何导电装置。当第一电导材料13及第二电导材料14输入电压时，压电材料11会发生弹性体的震动，故可产生超音波讯号。在超音波换能器100中，压电材料11与匹配材料12相邻。匹配材料12可用以匹配压电材料12的声阻抗。并且，匹配层的该多个第一沟槽可用以优化声阻抗及增强隔震效果。举例而言，如前述提及，压电材料11可具有原始的声阻抗，为40M Rate。匹配材料12可为两层的匹配层，分别具有7M Rate以及2M Rate的声阻抗。然而，在匹配材料12上产生第一沟槽后，可匹配压电材料12的声阻抗，如将压电材料11的声阻抗由40M Rate改变为16M Rate。并且，由于在匹配材料12上产生第一沟槽后，超音波讯号的接收点之外的谐波杂讯可经由沟槽而隔震，故超音波讯号的在频谱的震铃脉冲(Ring Down Pulse)可以降低。

图2为超音波换能器100中，压电材料11及匹配材料12的第一种结构的示意图。如图2所示，压电材料11可产生多个第二沟槽G11。压电材料11的压电层的第二沟槽G11可为沿该压电层的表面相互正交的两个方向中的一个方向排列或两个方向排列。以具有直线型匹配层的超音波换能器为例，压电材料11的第二沟槽G11可为沿该压电层的表面排列、并相对长边垂直排列，用以将压电材料11分为多个阵元。在图2中，匹配材料12可包含第一匹配层M1以及第二匹配层M2。第一匹配层M1在压电材料11及第二匹配层M2之间。第一匹配层M1或第二匹配层M2具有多个第一沟槽，且第一匹配层M1或第二匹配层M2的该多个第一沟槽对应于压电材料11的该多个第二沟槽。举例而言，如图2所示，第二匹配层M2具有多个第一沟槽GM20。并且，当压电材料11用垂直排列的第二沟槽G11分割不同的阵元时，第二匹配层M2的该多个第一沟槽GM20可与第二沟槽G11相正交，换句话说，多个第一沟槽GM20沿该压电层表面排列、且相对长边平行排列。平行排列的该多个第一沟槽GM20可使匹配材料12相对每一个在压电材料11上的阵元等距均分，以使隔震效果更佳。换句话说，每一个压电材料11的阵元对应于第二匹配层M2的该多个第一沟槽，故压电材料11的阵元对应的第一沟槽数量以及尺寸是一致的。并且，上述提及的匹配材料12的多个第一沟槽，其尺寸、宽度以及深度可以自订。匹配材料12的第一沟槽其最大深度不可超过匹配材料12的厚度。换句话说，匹配材料12的该多个第一沟槽，不能将匹配材料12做物理性的切割为至少两部分。

图3为超音波换能器100中，压电材料11及匹配材料12的第二种结构的示意图。如图3所示，压电材料11可产生多个第二沟槽G11。压电材料11的压电层的第二沟槽G11可为沿该压电层的表面相互正交的两个方向中的一个方向排列或两个方向排列。例如，压电材料11的第二沟槽G11可为沿该压电层的表面排列、并相对长边垂直排列，用以将压电材料11分为多个阵元。在图3中，匹配材料12可包含第一匹配层M1以及第二匹配层M2。第一匹配层M1在压电材料11及第二匹配层M2之间。第一匹配层M1或第二匹配层M2具有多个第一沟槽。举例而言，如图3所示，第二匹配层M2具有多个第一沟槽GM21。第二匹配层M2的该多个第一沟槽GM21可为棋盘式的格状排列。并且，第二匹配层M2的该多个第一沟槽GM21的深度限制以及功效以于前文中描述，故于此将不再赘述。并且，虽然图2以及图3中，为第二匹配层M2具有第一沟槽GM20以及第一沟槽GM21。然而，本发明的超音波换能器100并不以此为限制。举例而言，在其他实施例中，超音波换能器100也可以仅有第一匹配层M1具有第一沟槽。超音波换能器100的第一匹配层M1以及第二匹配层M2也可以同时具有第一沟槽。细节如后文详述。

图4为超音波换能器100中，压电材料11及匹配材料12的第三种结构的示意图。类似于前述特征。如图4所示，压电材料11可产生多个第二沟槽G11。压电材料11的压电层的第二沟槽G11可为该压电层的表面相互正交的两个方向中的一个方向排列或两个方向排列。例如，压电材料11的第二沟槽G11可为沿该压电层的表面排列、并相对长边垂直排列，用以将压电材料11分为多个阵元。在图4中，匹配材料12可包含第一匹配层M1以及第二匹配层M2。第一匹配层M1在压电材料11及第二匹配层M2之间。第一匹配层M1以及第二匹配层M2具有多个第一沟槽。如图4所示，第一匹配层M1具有多个第一沟槽GM1。第二匹配层M2具有多个第一沟槽GM22。第一匹配层M1的该多个第一沟槽GM1以及第二匹配层M2的该多个第一沟槽GM22可为沿该压电层的表面排列、并相对长边垂直排列或是平行排列。并且，上述提及第一匹配层M1的该多个第一沟槽GM1以及第二匹配层M2的该多个第一沟槽GM22其尺寸、宽度以及深度可以自订。然而，第一匹配层M1的该多个第一沟槽GM1以及第二匹配层M2的该多个第一沟槽GM22，其最大深度不可超过匹配材料12的厚度。换句话说，匹配材料12的该多个第一沟槽，不能将压电材料11或是匹配材料12做物理性的切割为至少两部分。并且，第一匹配层M1及第二匹配层M2的沟槽可对应于压电层的第二沟槽。举例而言，当压电材料11用沿该压电层表面排列、且相对长边垂直的第二沟槽G11分割不同的阵元时，第一匹配层M1的该多个第一沟槽GM1可为沿该压电层表面排列、且相对长边平行排列。第二匹配层M2的该多个第一沟槽GM22也可为沿该压电层表面排列、且相对长边平行排列。平行排列的该多个第一沟槽GM1以及GM22可使每一个在压电材料11上的阵元等距均分，以使隔震效果更佳。换句话说，每一个压电材料11的阵元可对应于第一匹配层M1以及第二匹配层M2的该多个第一沟槽(如GM1以及GM22)，故压电材料11的阵元对应的沟槽数量以及尺寸是一致的。

超音波换能器100也支持超音波的发射以及接收功能，描述于下。如前述提及，超音波换能器10的压电材料11可为压电陶瓷材料。在超音波换能器100中，当压电材料11接收超音波讯号后，压电材料11会发生陶瓷材料的弹性震动。因此，压电材料11的两侧可产生多个极性相反的电荷。该多个极性相反的电荷可以通过第一电导材料13以及第二电导材料14而产生电讯号。电讯号再通过第一电线15以及第二电线16传输到外部系统。并且，若压电材料11的通过第一电导材料13以及第二电导材料14输入极性相反的电压，压电材料11可利用具有沟槽的至少一个匹配层执行声阻抗匹配。并且，因压电材料11可为压电陶瓷材料，故压电陶瓷材料可用共振方式产生超音波讯号。

并且，如前述提及，超音波换能器100可为直线型超音波换能器、弧形超音波换能器、圆形超音波换能器、多曲率超音波换能器、球型超音波换能器或非球形超音波换能器。换句话说，超音波换能器100中的至少一个匹配层可为直线型匹配层、弧形匹配层、圆形匹配层、多曲率匹配层、球型匹配层或非球形匹配层。并且，若压电材料11为单一阵元，则匹配材料12的沟槽可用棋盘式的格状沟槽。若压电材料11被区分为多个阵元区域，则匹配材料12的沟槽配置可对应压电材料11的阵元区域，以使每一个阵元有良好的隔震效果。

图5为超音波换能器100中，超音波讯号在频谱的震铃脉冲(Ring Down Pulse)的改善的示意图。应当理解的是，一般的超音波换能器所产生的震铃脉冲的理想值是2～3根。并且，震铃脉冲的振幅越小，或是震铃脉冲的谐波越少，意味着超音波讯号的波形越佳。在图5中，实线为匹配材料12未引入第一沟槽的超音波换能器所产生的超音波讯号的脉冲回波波形(Pulse Echo Waveform)。X轴为波值。Y轴为时间。RD1为波形的震铃脉冲之一。虚线为匹配材料12引入第一沟槽的超音波换能器100所产生的超音波讯号的脉冲回波波形。X轴为波值。Y轴为时间。RD2为波形的震铃脉冲之一。在图5中，震铃脉冲RD2小于震铃脉冲RD1。并且，引入第一沟槽的超音波换能器100所产生的超音波讯号中，大部分的震铃脉冲以及谐波振幅均小于传统的超音波换能器所产生的超音波讯号的震铃脉冲以及谐波振幅。换句话说，在超音波换能器100中，当压电材料11利用具有该多个第一沟槽的至少一个匹配层执行声阻抗匹配且以共振方式产生超音波讯号后，超音波讯号的震铃脉冲可以降低。因此，由于超音波换能器100所产生的超音波讯号的波形可被优化，故超音波讯号在频谱上的能量会更集中，以使成像的解析度更佳。

并且，在超音波换能器100中，至少一个匹配层可包含第一匹配层以及第二匹配层。第一匹配层在压电层及第二匹配层之间。第二匹配层可具有第一表面以及第二表面，该第一表面用以连接第一匹配层。并且，该多个第一沟槽可用垂直于第二表面的方向进行切割程序而形成。切割程序可以选择性地切穿或不切穿第二匹配层。当第二匹配层被切穿后，可选择性地切开部分第一匹配层而不切穿该第一匹配层。并且，压电材料可包括多个第二沟槽。该多个第一沟槽可与该多个第二沟槽相互正交。或者，该多个第一沟槽可与该些第二沟槽逐个对齐。

图6为超音波换能器100中，波形改善方法的流程图。波形改善方法的流程包含步骤S601至步骤S604。任何合理的技术变更或是步骤置换都属于本发明所揭露的范畴。步骤S601至步骤S604描述如下：

步骤S601:提供压电材料11连接匹配材料12，其中压电材料11包含至少一个压电层，且匹配材料12包含至少一个匹配层；

步骤S602:将至少一个匹配层中的一个匹配层产生多个第一个沟槽；

步骤S603:将隔离材料填充于该多个沟槽；

步骤S604:提供压电材料11的输入电压，使压电材料11产生超音波讯号。

步骤S601至步骤S604的细节已于前文详述，故于此将不再赘述。在超音波换能器100中，由于匹配材料12引入多个第一沟槽以优化声阻抗，因此超音波换能器100所产生的超音波讯号的波形可以获得改善，进而增加影像品质以及解析度。

综上所述，本发明描述一种超音波换能器以及波形改善方法。超音波换能器包含压电材料以及匹配材料。匹配材料中至少一层的匹配层具有多个沟槽。该多个沟槽可匹配以及优化压电材料的声阻抗。该多个沟槽也可以提升超音波换能器中每一个阵元的隔震效果。并且，在声阻抗被优化后，超音波换能器所产生的超音波讯号的大部分的震铃脉冲以及谐波振幅都可以被降低。换句话说，于由于超音波换能器所产生的超音波讯号的波形可被优化，故超音波讯号在频谱上的能量会更集中，以使成像的解析度更佳。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (12)

1.一种波形改善方法，其特征在于，包含：

提供压电材料连接匹配材料，其中该压电材料包含至少一个压电层，且该匹配材料包含至少一个匹配层；

将该至少一个匹配层中一个匹配层产生多个第一沟槽；

将隔离材料填充于该多个第一沟槽；及

提供该压电材料输入电压，使该压电材料产生超音波讯号；

其中，该匹配材料用以匹配该压电材料的声阻抗，且该匹配层的该多个第一沟槽用以优化该声阻抗及隔震效果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，另包含：

将该至少一个压电层产生多个第二沟槽；

其中该压电层的该多个第二沟槽沿该压电层表面相互正交的两个方向中的一个方向或两个方向排列。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该至少一个匹配层包含第一匹配层以及第二匹配层，该第一匹配层在该压电层及该第二匹配层之间，该第二匹配层具有该多个第一沟槽，且该第二匹配层的多个第一沟槽对应于该压电层的该多个第二沟槽；或者，该至少一个匹配层包含第一匹配层以及第二匹配层，该第一匹配层在该压电层及该第二匹配层之间，该第一匹配层及该第二匹配层具有该多个第一沟槽，且该第一匹配层及该第二匹配层的该多个第一沟槽对应于该压电层的该多个第二沟槽。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该压电材料为压电陶瓷材料，当该压电材料接收该超音波讯号后，该压电陶瓷材料的两侧产生多个极性相反的电荷，且该多个极性相反的电荷通过两个电导材料而产生电讯号。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，若该压电陶瓷材料的两侧通过该两个电导材料输入极性相反的电压，该压电陶瓷材料利用该具有该多个第一沟槽的该匹配层执行声阻抗匹配，且以共振方式产生该超音波讯号。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该匹配层的该多个第一沟槽的深度不超过该匹配层的厚度。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当该压电材料利用该具有该多个第一沟槽的该匹配层执行声阻抗匹配且以共振方式产生该超音波讯号后，该超音波讯号的震铃脉冲降低。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该至少一个匹配层为直线型匹配层、弧形匹配层、圆形匹配层、多曲率匹配层、球型匹配层或非球形匹配层。

9.一种超音波换能器，其特征在于，包含：

壳体，用以提供容置空间；

压电材料，置于该容置空间内，该压电材料用以产生及接收超音波讯号；

匹配材料，置于该容置空间内，该匹配材料用以匹配该压电材料的声阻抗；及

两个电导材料，耦接于该压电材料，该两个电导材料用以输出及输入电讯号；

其中，该压电材料包含至少一个压电层，该匹配材料包含至少一个匹配层，该至少一个匹配层中一个匹配层具有多个第一沟槽，隔离材料填充于该多个第一沟槽，当该两个电导材料输入电压时，该压电材料产生该超音波讯号，该匹配层的该多个第一沟槽用以优化该声阻抗及隔震效果。

10.如权利要求9所述的超音波换能器，其特征在于，该至少一个匹配层包含第一匹配层以及第二匹配层，该第一匹配层在该压电层及该第二匹配层之间，该第二匹配层具有第一表面以及第二表面，其中该第一表面连接该第一匹配层，该多个第一沟槽通过自该第二表面并以垂直该第二表面的方向进行切割程序而成。

11.如权利要求10所述的超音波换能器，其特征在于，

该切割程序不切穿该第二匹配层；或者，

该切割程序切穿该第二匹配层，且未切割该第一匹配层；或者，

该切割程序切穿该第二匹配层的同时，切割该第一匹配层且不切穿该第一匹配层。

12.如权利要求9所述的超音波换能器，其特征在于，该压电材料包括多个第二沟槽,该多个第一沟槽与该多个第二沟槽相互正交；或者，

该压电材料包括多个第二沟槽,该多个第一沟槽与该多个第二沟槽逐个对齐。