CN116831618A - 一种超声换能器及超声换能器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声换能器技术领域，提供了一种超声换能器及超声换能器制备方法，所述超声换能器包括：超声探头，所述超声探头具有自聚焦结构，并且所述超声探头包括层叠设置的匹配层、第一电极层、压电层、第二电极层和背衬层，其中，所述压电层包括压电块与高分子矩阵网，多个所述压电块阵列排布于所述高分子矩阵网内。因此本发明通过设置阵列排布的压电块与自聚焦结构，在避免声透镜材料对超声的衰减的同时，能够提高产品的分辨度、灵敏度、信噪比、成像效果与穿透深度，增大探头的使用范围。
Description
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，尤其涉及一种超声换能器及超声换能器制备方法。
背景技术
超声成像是一种重要的医学影像疾病诊断手段。其主要通过超声换能器发射超声波进入人体或其他生物体，并进行线形、扇形或其他形式的扫描，遇到不同声阻抗的两种组织的交界面，超声波会反射回来被换能器接收，经过信号放大和处理，显示在屏幕上，形成人体或其他生物体的断层图像，称为超声图，用于供临床诊断。其中，高频阵列超声换能器，能提供更好的分辨率，在高分辨率成像诊断中有重要应用。
高频阵列超声换能器因为阵元间距小，仰角高度窄，导致阵元的灵敏度低，又因高频超声波在生物组织里的衰减很大，使得高频线阵探头只能看到生物组织较为浅表的区域，难以诊断和检测更深的生物组织。为增加探头的检测深度和分辨度，目前一般在仰角高度方向采用声透镜物理聚焦。然而，利用声透镜聚焦都有一个共同的缺陷，就是声透镜材料本身对超声有较强的衰减。因此，带有声透镜的高频线阵超声换能器一般灵敏度较低，降低了图像的信噪比，使得超声图像不清晰，在生物组织里的穿透深度也不深，这限制了高频探头的使用范围。
发明内容
本发明的目的在于至少克服上述现有技术的不足之一，提供了一种超声换能器及超声换能器制备方法，能够在避免声透镜材料对超声的衰减的同时，提高产品的分辨度、灵敏度与穿透深度。
本发明的技术方案是：一种超声换能器，包括：超声探头，所述超声探头具有自聚焦结构，并且所述超声探头包括层叠设置的匹配层、第一电极层、压电层、第二电极层和背衬层，其中，所述压电层包括压电块与高分子矩阵网，多个所述压电块阵列排布于所述高分子矩阵网内。
作为本技术方案的进一步改进，所述压电块由1-3型压电复合材料或者1-3型铁电单晶复合材料制得。
作为本技术方案的进一步改进，所述自聚焦结构为凹面。
作为本技术方案的进一步改进，沿所述压电层的一端向所述压电层的另一端的方向，每一排的所述压电块形成一阵元信号组；所述第二电极层对应一所述阵元信号组设有一阵元正极区，所述阵元正极区之间设有间隙；所述间隙内设有去耦材料。
作为本技术方案的进一步改进，所述超声换能器还包括多个第一导线与第二导线，所述阵元正极区包括第一阵元正极区与第二阵元正极区，沿所述第二电极层的一端向所述第二电极层的另一端的方向，所述第一阵元正极区与第二阵元正极区交替设置，所述阵元正极区具有相对的第一侧与第二侧，所述第一导线设置于所述阵元正极区的第一侧，并连接于所述第一阵元正极区，所述第二导线设置与所述阵元正极区的第二侧，并连接于所述第二阵元正极区。
作为本技术方案的进一步改进，所述匹配层组成为高分子软材料。
作为本技术方案的进一步改进，多个所述压电块为线阵列、相控阵列、凸阵列、扇形阵列或者面阵列排布。
本发明还提供了一种超声换能器制备方法，用于制备上述任一项所述的超声换能器，包括以下步骤：将多个压电块与高分子矩阵网压制成型，以制备压电层；于所述压电层相对的两表面分别制备第一电极层与第二电极层；于所述第一电极层远离所述压电层的表面堆叠设置匹配层，以形成半成品组件；将所述半成品组件置于定型冶具，并将所述半成品组件加热至所述半成品组件的玻璃化温度，以使所述半成品组件软化，然后将所述半成品组件固定于定型冶具，以使所述半成品组件具有自聚焦结构，停止加热；待所述半成品组件的温度降至室温，所述半成品组件成型；于所述第二电极层远离所述压电层的表面堆叠设置背衬层。
作为本技术方案的进一步改进，于所述压电层相对的两表面分别制备第一电极层与第二电极层的步骤包括：将所述压电层置入溅射设备，从而于所述压电层相对的两表面分别溅射形成第一电极层与第二电极层；所述第二电极层对应所述压电层的多个阵元信号组，形成多个阵元正极区，并通过划片机使所述阵元正极区之间具有间隙；将去耦材料设于所述间隙内。
作为本技术方案的进一步改进，于所述压电层相对的两表面分别制备第一电极层与第二电极层的步骤之后，所述超声换能器制备方法包括：对所述超声探头进行电磁屏蔽处理；将外壳套设于所述超声探头；将电缆的一端穿过所述外壳的开口，电连接于所述第二电极层，并将电缆的另一端焊接于插座上。
本发明提供了一种超声换能器及超声换能器制备方法，其中，超声换能器包括：超声探头，所述超声探头具有自聚焦结构，并且所述超声探头包括层叠设置的匹配层、第一电极层、压电层、第二电极层和背衬层，其中，所述压电层包括压电块与高分子矩阵网，多个所述压电块阵列排布于所述高分子矩阵网内。相较于现有技术，本发明通过设置阵列排布的压电块与自聚焦结构，使得超声换能器在避免声透镜材料对超声的衰减的同时，能够提高产品的分辨度、灵敏度、信噪比、成像效果与穿透深度，增大探头的使用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明一实施例提供的超声换能器的立体图；
图2是本发明另一实施例提供的超声换能器中压电块与高分子矩阵网成型状态时的立体图；
图3是本发明一实施例提供的超声换能器中第一电极层、压电层与第二电极层的立体图；
图4是本发明一实施例提供的超声换能器中匹配层、第一电极层、压电层与第二电极层未变形状态时的立体图；
图5是本发明一实施例提供的超声换能器中匹配层、第一电极层、压电层与第二电极层变形状态时的立体图；
图6是本发明一实施例提供的超声换能器中匹配层、第一电极层、压电层、第二电极层与背衬层的立体图；
图7是本发明另一实施例提供的超声换能器的立体图；
图8是本发明提供的超声换能器制备方法第一实施例的流程图；
图9是本发明提供的超声换能器制备方法第二实施例的流程图。
图中：
100、超声换能器；10、超声探头；11、自聚焦结构；12、匹配层；13、第一电极层；14、压电层；141、压电块；142、高分子矩阵网；15、第二电极层；151、第一导线；152、第二导线；153、去耦材料；16、背衬层；20、外壳；21、探头外壳；22、握持外壳；30、电缆；40、插座；50、电缆保护套；
A、控制或激活方向上多个压电块总的孔径；H、压电块的仰角高度；P、两个相邻压电块的中心间距；E、单个压电块的宽度；G、相邻压电块间的刀缝宽度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。
另外，本发明实施例中若有“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
本发明提供了一种超声换能器，请参阅图1，超声换能器100包括：超声探头10，所述超声探头10具有自聚焦结构11，所述自聚焦结构11包括有折射面，从而能够使所述超声探头10发射的声波经所述自聚焦结构11折射而实现自聚焦功能，进而能够提高产品的分辨度、灵敏度与穿透深度，并增大探头的使用范围。并且所述超声探头10包括层叠设置的匹配层12、第一电极层13、压电层14、第二电极层15和背衬层16，其中，所述压电层14包括压电块141与高分子矩阵网142，多个所述压电块141阵列排布于所述高分子矩阵网142内。相较于现有技术，本发明通过设置阵列排布的压电块141与自聚焦结构11，使得超声换能器100在避免声透镜材料对超声的衰减的同时，能够提高产品的分辨度、灵敏度、信噪比、成像效果与穿透深度，增大探头的使用范围。
对于所述自聚焦结构11，请参阅图1，所述自聚焦结构11可以由匹配层12、第一电极层13、压电层14和第二电极层15弯折形成。优选的，所述自聚焦结构11可以为凹面，声波经过凸面的折射形成聚焦，以替代声透镜聚焦，避免声透镜材料对声波的衰减，从而提高超声换能器100的分辨度、灵敏度和穿透深度。
进一步的，所述超声探头10的两侧可以相对所述超声探头10的中部沿所述超声探头10的高度方向(沿所述第一电极层13至所述第二电极层15最短距离的方向)圆滑凸起，以使所述超声探头10呈弧形凹面，从而使得超声在经过所述超声探头10以及被测物体时产生折射，进而实现聚焦功能，提高超声探头10的分辨度，方便用户使用。当然，本发明中的自聚焦结构11的形状结构不限于此，例如所述超声探头10表面的某部分可以为弧形凹槽，而其他部分为平面，又例如所述超声探头10表面可以设有多个弧形凹槽，又例如所述超声探头10可以呈折线形凹面，又例如所述自聚焦结构11可以设有凸面或凸起，又例如所述超声探头10可以具有类似钻石或者足球的不平整表面结构等等，只要能够实现超声换能器100的自聚焦功能即可。
对于所述匹配层12，请结合图1与图4，优选的，所述匹配层12组成为柔性高分子材料(例如热塑性环氧树脂等)，柔性高分子材料不仅具有较好的匹配性，可以使压电层14和被测物体之间的界面处的声阻抗相匹配,减小超声波的反射和折射，使超声波在不同介质之间的传播更加有效，提高超声波传播的能量效率，而且具有较好的热塑成型性，所述匹配层12可以与压电层14一起制造成型以构成自聚焦结构11，从而实现自聚焦功能。在实际应用中，还可以根据使用需求于柔性高分子材料添加相应的粉末填料以提高匹配层12的性能，例如加入适量钨粉、铁粉等金属或者氧化铝、氧化铁等氧化物粉末填料时，能够提高所述匹配层12的高声阻抗值。
可以理解的是，本发明中所述匹配层12的数量可以根据实际应用设置为一层或者多层，只要能够使得压电层14和被测物体之间的界面处的声阻抗相匹配，提高超声波传播的能量效率即可。
对于所述压电块141，请结合图1与图2，优选的，所述压电块141可以由1-3型压电复合材料(一种由压电陶瓷和聚合物通过一定体积比、质量比和连通方式复合制成的压电复合材料，其压电材料的连通维数为1，聚合物的连通维数为3)或者1-3型铁电单晶复合材料(一种由铁电单晶和聚合物通过一定体积比、质量比和连通方式复合制成的铁电单晶复合材料，其铁电单晶的连通维数为1，聚合物的连通维数为3)制得。1-3型压电复合材料及1-3型铁电单晶复合材料具有良好的成型性，从而能够方便设计压电块141阵列排布的方式以及形成所述自聚焦结构11，从而达到自聚焦的目的，进而在避免声透镜材料对超声的衰减的同时，能够提高产品的分辨度、灵敏度、信噪比、成像效果与穿透深度，增大探头的使用范围。
可以理解的是，根据Sin(θ1)/C1＝Sin(θ2)/C2(其中，C1为声波在超声探头10内的声速，C2为声波在被测物体内的声速，θ1为声波在超声探头10内的入射角，θ2为声波在被测物体内的折射角)可知，当C1＜C2时，凸面结构将对声波有汇聚作用；当C1＞C2时，凹面结构将对声波有汇聚作用。在现有技术中，声透镜主要采用硅橡胶材料或者环氧树脂(或可浇铸氨基甲酸酯有机聚合物)材料制得。声波在硅橡胶材料的声速一般比在常用被测物体(例如人体皮肤组织)的声速小，因此硅橡胶材料在超声换能器中常用来制备凸面声透镜；声波在环氧树脂或可浇铸氨基甲酸酯有机聚合物系列材料的声速一般比在常用被测物体的声速大，因此环氧树脂等材料常用来制备换能器的凹面聚焦。但是，利用声透镜聚焦都有一个共同的缺陷，就是声透镜材料本身对超声有较强的衰减。因此，带有声透镜的超声换能器一般灵敏度较低，在生物组织里的穿透深度也不深，这限制了探头使用范围。
然而，在本发明实施例中，声波在1-3型压电复合材料及1-3型铁电单晶复合材料的声速一般小于在常用被测物体(例如人体皮肤组织)内的声速，因此本发明实施例中所述自聚焦结构11优选为凹面或凹槽结构，从而代替现有技术中的声透镜，实现自聚焦功能。当然，上述仅是本发明中较佳的实施例，本发明不限于此，所述压电块141以及所述自聚焦结构11的具体形状，可以根据实际应用调整，只要能够实现自聚焦功能即可。
可以理解的是，在生产过程中，本发明实施例利用1-3型压电复合材料及1-3型铁电单晶复合材料加热易成型的特点，可以方便地改变多个所述压电块141之间的参数，以更方便地使用所述超声换能器100，这些设计参数一般包括：控制或激活方向上多个压电块141总的孔径A、压电块141的仰角高度H、两个相邻压电块141的中心间距P、单个压电块141的宽度E、相邻压电块141间的刀缝宽度G等，在实际应用中一般通过调整以上参数控制声波的检测。本发明对以上参数不做限制，只要不影响所述超声换能器100的使用即可。
优选的，多个所述压电块141可以为线阵列、相控阵列、凸阵列、扇形阵列或者面阵列排布，这也使得所述超声换能器100可以为线阵列换能器、相控阵列换能器、凸阵列换能器、扇形阵列换能器或者面阵列换能器。可以理解的是，本发明通过改变所述压电块141之间的包括上述孔径A、仰角高度H等参数，即可改变所述压电块141之间的阵列方式，从而使声波以不同高度等发射，并得到不同的超声影像以方便用户使用。当然，本发明中所述压电块141的排列方式不限于此，只要不影响超声换能器100的使用即可。
对于所述高分子矩阵网142，请结合图1与图2，优选的，所述高分子矩阵网142设有多个贯穿所述高分子矩阵网142，且与所述压电块141相适配的安装孔(未标示)，所述压电块141安装于所述安装孔内，从而能够实现多个压电块141的矩阵排布。
优选的，所述高分子矩阵网142可以采用高分子材料制得，例如由环氧树脂等材料制得，高分子材料能够在加热后软化变形、冷却后定型，从而方便支撑所述压电块141的阵列排布，进而提升超声换能器100的灵敏度与穿透深度，以及方便使所述超声探头10形成所述自聚焦结构11，实现自聚焦功能。
可以理解的是，所述压电块141与所述高分子矩阵网142可以为一层，制造方便，降低成本。当然，本发明对此不作限制，所述压电块141与所述高分子矩阵网142也可以为多层结构，从而能够降低驱动电压，以方便使用。
优选的，所述压电块141与所述高分子矩阵网142可以为压制成型，制造方便。
对于所述第一电极层13与第二电极层15，请结合图1与图3，所述第一电极层13与第二电极层15为相互配对的地电极和正电极设置，分别设于所述压电层14两侧，以使所述压电层14通电发生逆压电效应以产生声波。
进一步地，本发明实施例优选地将所述第一电极层13作为地电极，所述第二电极层15作为正电极，其中，由于所述第一电极层13作为地电极可以对所述超声换能器100的阵元信号起到电磁屏蔽的效果，所述第一电极层13和匹配层12靠近被测物体，可以减少来自外界与被测物体的电磁信号干扰，提高超声换能器100接收到的回波信号的信号效果，提升信噪比，增加超声换能器100的成像效果；并且当所述第二电极层15靠近所述背衬层16时，在第一导线151和第二导线152(或者柔性电路板等其它电连接件)连接所述第二电极层15后，所述背衬层16能够保护所述第一导线151和第二导线152(或者柔性电路板等其它电连接件)，而且若是将所述第一电极层13作为正电极，则需要在设置匹配层12前，就将第一导线151和第二导线152(或者柔性电路板等其它电连接件)连接于所述第一电极层13，否则将大大增加引线难度，但这样设置在对压电层14与匹配层12加热时，所述第一导线151和第二导线152极有可能因温度过高而损坏，因此将所述第二电极层15作为正电极，还可以避免增加引线难度，或者所述第一导线151和第二导线152因温度过高而损坏的问题，以及方便于所述超声换能器100定型设置所述自聚焦结构11。
优选的，请参阅图4，沿所述压电层14的一端向所述压电层14的另一端的方向，每一排的所述压电块141形成一阵元信号组，用以发射一组阵元信号。并且所述第二电极层15对应一所述阵元信号组设有一阵元正极区，所述阵元正极区之间设有间隙，从而形成多个单独的电极元件，进而使多个单独的电极元件对所述压电层14作用，使所述压电层14形成多组声波。
优选的，所述间隙内设有去耦材料153，从而能够起到抗干扰，为所述压电层14提供较稳定的电源的作用，进而提升信噪比，增加超声换能器100的成像效果。
可以理解的是，本发明实施例优选的对所述第二电极层15进行阵元信号区分割(也即使所述第二电极层15对应一所述阵元信号组设有一阵元正极区，阵元正极区之间设有间隙)，使得所述第一导线151和第二导线152(或者柔性电路板等其它电连接件)能够连接于所述第二电极层15，从而使得在第一导线151和第二导线152(或者柔性电路板等其它电连接件)连接所述第二电极层15后，所述背衬层16能够保护所述第一导线151和第二导线152(或者柔性电路板等其它电连接件)，而且若是对所述第一电极层13进行阵元信号区分割，则需要在设置匹配层12前，就将第一导线151和第二导线152(或者柔性电路板等其它电连接件)连接于所述第一电极层13，否则将大大增加引线难度，但这样设置在对压电层14与匹配层12加热时，所述第一导线151和第二导线152极有可能因温度过高而损坏，因此对所述第二电极层15进行阵元信号区分割，还可以避免增加引线难度，或者所述第一导线151和第二导线152因温度过高而损坏的问题，以及方便于所述超声换能器100定型设置所述自聚焦结构11。
对于所述背衬层16，请参阅图1与图6，所述背衬层16用于吸收压电层14因震动而往超声探头10内部辐射的声能量，减少声能量反射过来再传给压电层14造成干扰的问题。
在一些实施例中，请结合图1、图5与图6，所述超声换能器100还包括多个第一导线151与第二导线152，所述阵元正极区包括第一阵元正极区与第二阵元正极区，沿所述第二电极层15的一端向所述第二电极层15的另一端的方向，所述第一阵元正极区与第二阵元正极区交替设置，所述阵元正极区具有相对的第一侧与第二侧，所述第一导线151设置于所述阵元正极区的第一侧，并连接于所述第一阵元正极区，所述第二导线152设置与所述阵元正极区的第二侧，并连接于所述第二阵元正极区，从而方便整理导线，合理规划导线间的间距，减少引线出错的可能，提升产品合格率。
当然本发明对所述超声换能器100的电连接方式不限于此，只要能够实现所述超声换能器100的电连接即可，例如将柔性电路板连接于所述第二电极层15等。
在一些实施例中，请参阅图7，所述超声换能器100还包括外壳20，所述外壳20套设于所述超声探头10，从而对所述超声探头10起到保护作用。进一步的，所述外壳20包括探头外壳21与握持外壳22，所述探头外壳21容纳所述超声探头10，所述握持外壳22用以方便用户握持。所述探头外壳21与握持外壳22之间可以通过螺纹连接或者螺钉连接等，本发明不限于此，只要不影响所述超声换能器100的使用即可。
在一些实施例中，请参阅图7，所述超声换能器100还包括电缆30，所述电缆30的一端通过所述外壳20的开口与所述第一导线151与第二导线152连接，所述电缆30的另一端与插座40连接，从而实现所述超声换能器100的电连接。进一步的，所述插座40优选为医用插座40，医用插座40具有绝缘要求、漏电流要求以及剩余电压要求等，从而能够提高安全性。
在一些实施例中，请参阅图7，所述超神换能器还包括电缆保护套，所述电缆保护套套设于所述电缆30的两端，从而能够进一步保护所述电缆30。
如图8所示，本发明提供了一种超声换能器制备方法，超声换能器制备方法用于制备所述超声换能器100，结合图1至图7，超声换能器制备方法包括以下步骤：
S101:将多个压电块141与高分子矩阵网142压制成型，以制备压电层14；
S102:压电层14相对的两表面分别制备第一电极层13与第二电极层15；
S103:于所述第一电极层13远离所述压电层14的表面堆叠设置匹配层12，以形成半成品组件；
S104:将所述半成品组件置于定型冶具，并将所述半成品组件加热至所述半成品组件的玻璃化温度，以使所述半成品组件软化，然后将所述半成品组件固定于定型冶具，以使所述半成品组件具有自聚焦结构11，停止加热；
S105:待所述半成品组件的温度降至室温，所述半成品组件成型；
S106:于所述第二电极层15远离所述压电层14的表面堆叠设置背衬层16。
优选的，所述压电块141可以由1-3型压电复合材料或者1-3型铁电单晶复合材料制得。1-3型压电复合材料及1-3型铁电单晶复合材料加热易软化，并在通过定型治具定型冷却后，能够方便设计阵列排布的方式以及形成所述自聚焦结构11，从而达到自聚焦的目的，进而在避免声透镜材料对超声的衰减的同时，能够提高产品的分辨度、灵敏度、信噪比、成像效果与穿透深度，增大探头的使用范围。
优选的，压电层14相对的两表面分别制备第一电极层13与第二电极层15的步骤之前，可以首先对压电层14裁剪至适合大小，再对所述压电层14进行清洁干燥处理，避免杂质水分影响制备第一电极层13与第二电极层15。
可以理解的是，将所述半成品组件固定于定型冶具的步骤可以通过固定冶具、机械手等方式进行，例如通过机械手按压固定所述半成品组件于所述定型冶具等。
优选的，所述匹配层12为两层，从而能够更好地进行匹配。进一步的，一层所述匹配层12的厚度可以为中心频率下匹配层12的1/4波长，从而使得声波在所述匹配层12的传播距离为匹配层12的1/2波长，进而能够减少声波于所述匹配层12内反射而扰乱声波的现象，增加声波的灵敏度与分辨度。
优选的，在实际生产过程中，按照Z1＝Zc 4/7ZL 3/7，Z2＝Zc 1/7ZL 6/7，其中，Z1为第一层匹配层声阻抗(靠近所述压电层14的一层)，Z2为第二层匹配层声阻抗(靠近被测物体的一层)，Zc为压电层14的声阻抗，ZL为被测物体的声阻抗，即可分别得到第一层匹配层与第二层匹配层的声阻抗。当然，在实际情况中满足声阻条件的材料未必存在或者相应材料难以合成，因此，第一匹配层与第二层匹配层的声阻抗选取条件可以适当放宽。
可以理解的是，根据Sin(θ1)/C1＝Sin(θ2)/C2(其中，C1为声波在超声探头10内的声速，C2为声波在被测物体内的声速，θ1为声波在超声探头10内的入射角，θ2为声波在被测物体内的折射角)可知，当C1＜C2时，凸面结构将对声波有汇聚作用；当C1＞C2时，凹面结构将对声波有汇聚作用。在本发明实施例中，声波在1-3型压电复合材料及1-3型铁电单晶复合材料的声速一般小于在常用被测物体(例如人体皮肤组织)内的声速，因此本发明实施例中所述自聚焦结构11优选为凹面或凹槽结构，当然，上述仅是本发明中较佳的实施例，本发明不限于此，所述压电块141以及所述自聚焦结构11的具体形状，可以根据实际应用调整，只要能够实现自聚焦功能即可。
本发明提供的超声换能器制备方法，首先将多个压电块141与高分子矩阵网142压制成型，以制备形成压电层14，如图2所示，此时压电块与高分子矩阵网处于成型状态；其次于所述压电层14相对的两表面分别制备第一电极层13与第二电极层15，请参阅图3与图4；然后于所述第一电极层13远离所述压电层14的表面堆叠设置匹配层12，以形成半成品组件，请参阅图4，此时匹配层、第一电极层、压电层与第二电极层处于未加热变形状态；将所述半成品组件置于定型冶具，并将所述半成品组件加热至所述半成品组件的玻璃化温度，以使所述半成品组件软化，然后将所述半成品组件固定于定型冶具，以使所述半成品组件具有自聚焦结构11，然后停止加热；待所述半成品组件的温度降至室温，所述半成品组件成型，请参阅图5，此时匹配层、第一电极层、压电层与第二电极层处于加热变形状态；于所述第二电极层15远离所述压电层14的表面堆叠设置背衬层16，请参阅图6。因此本发明实施例利用1-3型复合材料(指1-3型压电复合材料及1-3型铁电单晶复合材料)与高分子材料加热冷却后易成型的特点，使压电块141能够矩阵式排布，以形成阵元式声波，从而提高超声换能器100的灵敏度与分辨率，并且还通过将压电层14与匹配层12一起加热，形成了自聚焦结构11而使声波聚焦，从而避免了传统阵列换能器利用声透镜聚焦的诸多缺点，提高了超声灵敏度、增加穿透深度，增大了超声换能器100的诊断范围。
作为本实施例的其中一种可选实施方式，压电层14相对的两表面分别制备第一电极层13与第二电极层15的步骤，进一步可以包括：
S1021:将所述压电层14置入溅射设备，从而于所述压电层14相对的两表面分别溅射形成第一电极层13与第二电极层15；
S1022:所述第二电极层15对应所述压电层14的多个阵元信号组，形成多个阵元正极区，并通过划片机使所述阵元正极区之间具有间隙；
S1023:将去耦材料153设于所述间隙内。
优选的，所述溅射设备可以为磁控溅射仪等设备，控制方便精准。
优选的，可以于所述压电层14相对的两表面先溅射Cr金属层再溅射Au金属层从而形成Cr/Au电极层，以具有良好的电极性能。当然，本发明对电极层的材料不做限制，只要能使所述压电层14发射出声波即可，例如，所述电极层也可以由Ni/Au或者NiCr合金/Au等材料溅射形成。
可以理解的是，通过划片机使所述阵元正极区之间具有间隙，从而能够使得每个所述阵元正极区可以作为一个单独的电极元件，每个单独的电极元件对应一阵元信号组，从而使得多个阵元信号组能够发出多组声波。
作为本实施例的其中一种可选实施方式，待所述半成品组件的温度降至室温，所述半成品组件成型的步骤，进一步可以包括：
S1051:将第一导线151与第二导线152连接于所述第二电极层15；
在所述半成品组件成型后，将第一导线151与第二导线152连接于所述第二电极层15，用于实现所述超声换能器100的电连接。进一步的，所述阵元正极区可以包括第一阵元正极区与第二阵元正极区，沿所述第二电极层15的一端向所述第二电极层15的另一端的方向，所述第一阵元正极区与第二阵元正极区交替设置，所述阵元正极区具有相对的第一侧与第二侧，所述第一导线151设置于所述阵元正极区的第一侧，并连接于所述第一阵元正极区，所述第二导线152设置与所述阵元正极区的第二侧，并连接于所述第二阵元正极区，从而方便整理导线，合理规划导线间的间距。当然，实现所述第二电极层15电连接的方式不限于此，也可以通过连接柔性电路板实现所述第二电极层15的电连接。
请一并参阅图1至图9，图9示出了根据本发明另一个实施例的灯具封装方法的流程图，该实施例与上述实施例不同之处在于，于所述第二电极层15远离所述压电层14的表面堆叠设置背衬层16的步骤之后，所述超声换能器制备方法包括：
S1061:对所述超声探头10进行电磁屏蔽处理；
S1062:将外壳20套设于所述超声探头10；
S1063:将电缆30的一端穿过所述外壳20的开口，电连接于所述第二电极层15，并将电缆30的另一端焊接于插座40上。
可以理解的是，对所述超声探头10进行电磁屏蔽处理的方式可以包括于所述超声探头10增加电磁波吸收材料、喷涂屏蔽涂料、设置滤波器件或者于外壳20设置电磁波屏蔽罩等，本发明不限于此，只要能够减少信号干扰即可。
可以理解的是，在本发明实施例中，所述电缆30的一端可以连接于所述第一导线151与第二导线152，从而实现与所述第二电极层15的电连接。
本发明提供了一种超声换能器及超声换能器制备方法，其中，超声换能器100包括：超声探头10，所述超声探头10具有自聚焦结构11，并且所述超声探头10包括层叠设置的匹配层12、第一电极层13、压电层14、第二电极层15和背衬层16，其中，所述压电层14包括压电块141与高分子矩阵网142，多个所述压电块141阵列排布于所述高分子矩阵网142内。相较于现有技术，本发明通过设置阵列排布的压电块141与自聚焦结构11，使得超声换能器100在避免声透镜材料对超声的衰减的同时，能够提高产品的分辨度、灵敏度、信噪比、成像效果与穿透深度，增大探头的使用范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超声换能器，其特征在于，包括：
超声探头，所述超声探头具有自聚焦结构，并且所述超声探头包括层叠设置的匹配层、第一电极层、压电层、第二电极层和背衬层，其中，所述压电层包括压电块与高分子矩阵网，多个所述压电块阵列排布于所述高分子矩阵网内。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压电块由1-3型压电复合材料或者1-3型铁电单晶复合材料制得。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述自聚焦结构为凹面。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
沿所述压电层的一端向所述压电层的另一端的方向，每一排的所述压电块形成一阵元信号组；所述第二电极层对应一所述阵元信号组设有一阵元正极区，所述阵元正极区之间设有间隙；所述间隙内设有去耦材料。
5.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，
所述超声换能器还包括多个第一导线与第二导线，所述阵元正极区包括第一阵元正极区与第二阵元正极区，沿所述第二电极层的一端向所述第二电极层的另一端的方向，所述第一阵元正极区与第二阵元正极区交替设置，所述阵元正极区具有相对的第一侧与第二侧，所述第一导线设置于所述阵元正极区的第一侧，并连接于所述第一阵元正极区，所述第二导线设置与所述阵元正极区的第二侧，并连接于所述第二阵元正极区。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的超声换能器，其特征在于，所述匹配层组成为高分子软材料。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的超声换能器，其特征在于，多个所述压电块为线阵列、相控阵列、凸阵列、扇形阵列或者面阵列排布。
8.一种超声换能器制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至7任一项所述的超声换能器，包括以下步骤：
将多个压电块与高分子矩阵网压制成型，以制备压电层；
于所述压电层相对的两表面分别制备第一电极层与第二电极层；
于所述第一电极层远离所述压电层的表面堆叠设置匹配层，以形成半成品组件；
将所述半成品组件置于定型冶具，并将所述半成品组件加热至所述半成品组件的玻璃化温度，以使所述半成品组件软化，然后将所述半成品组件固定于定型冶具，以使所述半成品组件具有自聚焦结构，停止加热；
待所述半成品组件的温度降至室温，所述半成品组件成型；
于所述第二电极层远离所述压电层的表面堆叠设置背衬层。
9.根据权利要求8所述的超声换能器制备方法，其特征在于，于所述压电层相对的两表面分别制备第一电极层与第二电极层的步骤包括：
将所述压电层置入溅射设备，从而于所述压电层相对的两表面分别溅射形成第一电极层与第二电极层；
所述第二电极层对应所述压电层的多个阵元信号组，形成多个阵元正极区，并通过划片机使所述阵元正极区之间具有间隙；
将去耦材料设于所述间隙内。
10.根据权利要求8所述的超声换能器制备方法，其特征在于，于所述压电层相对的两表面分别制备第一电极层与第二电极层的步骤之后，所述超声换能器制备方法包括：
对所述超声探头进行电磁屏蔽处理；
将外壳套设于所述超声探头；
将电缆的一端穿过所述外壳的开口，电连接于所述第二电极层，并将电缆的另一端焊接于插座上。
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| CN202310822167.5A CN116831618A (zh) | 2023-07-05 | 2023-07-05 | 一种超声换能器及超声换能器制备方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115156018A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-10-11 | 广东云声科技有限公司 | 3d打印制备的个性化多功能超声阵列装置及制备方法 |
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2023
- 2023-07-05 CN CN202310822167.5A patent/CN116831618A/zh active Pending
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