CN117505227B - 超声换能器及包括其的超声设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声换能器及包括其的超声设备，超声换能器包括依次叠设的匹配层、第一压电层和第二压电层，第二压电层固定设置，第一压电层设置为能够振动并在振动时产生朝向匹配层的正向声波和朝向第二压电层的反向声波，第一压电层与第二压电层的声阻抗相适配。反向声波几乎可以完全传导进入第二压电层，减少了被反射回第一压电层的反向声波，减小反向声波对于超声成像的图像质量的影响。第二压电层将声波能量被转换为电能，相比现有技术中声能转换为热能，降低了超声换能器的发热量，有利于增加超声换能器的使用寿命，也拓宽了超声换能器的应用场景。也无需为了增加吸收效率而增加第二压电层的厚度，有利于减小超声换能器的体积。

Description

超声换能器及包括其的超声设备

技术领域

本发明涉及超声技术领域，特别涉及一种超声换能器及包括其的超声设备。

背景技术

超声由于其无辐射、实时动态成像、可观察血流等明显的优势，在医疗影像诊断中得到了非常广泛的应用。超声换能器的更新换代是超声诊断系统发展的重要部分，医用超声换能器就是其中最重要的部分之一。随着医疗技术的发展，介入手术应用越来越广泛，介入超声（例如经食道超声）医疗器械也得到了前所未有的发展，相应的术式也应用日渐广泛。然而，由于介入超声应用场景所限，对超声换能器的尺寸和热效应提出了越来越高的要求。

如图1所示，现有技术中的超声换能器包括匹配层组1、压电晶体2和背衬3，背衬3一般采用轻质、高衰减系数的材料，主要目的是利用背衬3将传播至背衬3的声波迅速转换成热能，以吸收传递至背衬3的反向声波。然而背衬3材料声阻抗一般远小于压电材料，这就导致有很大一部分声波被反射回压电晶体2，这样会延长压电晶体2的振动时间，增加振铃干扰，导致信号振铃时间长、波动大，进而影响图像质量。

具体来说，一般压电晶体2的声阻抗在33MRayl左右，背衬材料的声阻抗在2~8MRayl。按照声波的反射规律，只有不足40%的反向声波的能量能传导至背衬3中，60%以上的声波被重新反射回压电晶体2。

同时，传入背衬3的声波转化为热能，会增加超声换能器的温度，在一些特殊的应用场景中（例如介入超声），对超声换能器热量的规定十分严格，这就大大限制了超声换能器的使用场景。

另外，现有技术中的背衬3对声波的吸收效率与其厚度成正比，为了尽可能的吸收入射声波，传统背衬3必须有足够的厚度才能实现，这也大大增加了超声换能器的体积。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种超声换能器及包括其的超声设备。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种超声换能器，包括依次叠设的匹配层、第一压电层和第二压电层，所述第二压电层固定设置，所述第一压电层设置为能够振动并在振动时产生朝向所述匹配层的正向声波和朝向所述第二压电层的反向声波，所述第一压电层与所述第二压电层的声阻抗相适配；

所述超声换能器还包括多个电极组，所述电极组用于连接超声换能器的功能部件，每个所述电极组包括一个或多个第一电极；

当所述电极组包括一个所述第一电极，所述第一电极的一端连接于所述第一压电层，另一端连接于所述功能部件；

当所述电极组包括多个所述第一电极，多个所述第一电极的一端分别独立连接于所述第一压电层，多个所述第一电极的另一端连接为一体并连接于所述功能部件。

在本方案中，通过在第一压电层背向匹配层的一侧设置固定的第二压电层，并使第一压电层和第二压电层的声阻抗相适配，当第一压电层振动产生正向声波和反向声波时，反向声波几乎可以完全传导进入第二压电层，也就大大减少了被反射回第一压电层的反向声波，进而减小了反向声波对于超声成像的图像质量的影响。因第二压电层的压电效应，第二压电层将声波能量被转换为电能，相比现有技术中声能转换为热能，降低了超声换能器的发热量，有利于增加超声换能器的使用寿命，也拓宽了超声换能器的应用场景。由于第一压电层和第二压电层的声阻抗相适配，第二压电层对于声波的吸收效率已然很高，无需为了增加吸收效率而增加第二压电层的厚度，有利于减小超声换能器的体积。另外，在超声换能器设置多个电极组，每个电极组可以分别用于连接不同的功能部件（例如图像采集部件、图像显示部件等），有利于提升超声换能器的功能多样性，并且可以根据实际需求，将连接于不同功能部件的电极组设置为包括不同数量的第一电极，有利于保证对能量的合理利用。

较佳地，所述超声换能器还包括多个第二电极，多个所述第二电极的一端分别独立连接于所述第二压电层，多个所述第二电极的另一端连接为一体。

在本方案中，连接于第二压电层的第二电极远离第二压电层的一端全部连接为一体，可以与功能部件连接，进一步提升超声换能器的功能多样性。

较佳地，所述第二压电层的电极连接于一需供电件。

在本方案中，第二压电层利用声波产生的电能可以用于给其他的需供电件供电，也就是说，第二压电层所产生的电能不仅不会对超声换能器产生负面影响，还可以作为可用能量加以使用。较佳地，所述第一压电层和/或所述第二压电层为压电陶瓷。

较佳地，所述第一压电层和/或所述第二压电层为单晶材料。

较佳地，所述超声换能器还包括背衬层，所述背衬层设于所述第二压电层背向所述第一压电层的一侧并贴合于所述第二压电层。

在本方案中，背衬层可以对反向声波实现进一步吸收的作用，有利于进一步提高吸收效率，也就进一步保证了超声成像的图像质量。

较佳地，所述背衬层的材料包括能够吸收声音的材料。

较佳地，所述第二压电层的厚度与所述第一压电层的厚度相同，以吸收全频带的所述反向声波。

较佳地，所述第二压电层的厚度小于所述第一压电层的厚度，以吸收高频率的所述反向声波。

较佳地，所述第二压电层的厚度大于所述第一压电层的厚度，以吸收低频率的所述反向声波。

一种超声设备，所述超声设备包括如上述所述的超声换能器。

在本方案中，当超声设备使用了上述的超声换能器，超声设备可以获得更清晰的图像质量、更小的体积、更长的使用寿命以及更广的应用场景。

本发明的积极进步效果在于：

本发明通过在第一压电层背向匹配层的一侧设置固定的第二压电层，并使第一压电层和第二压电层的声阻抗相适配，当第一压电层振动产生正向声波和反向声波时，反向声波几乎可以完全传导进入第二压电层，也就大大减少了被反射回第一压电层的反向声波，进而减小了反向声波对于超声成像的图像质量的影响。

另一方面，因第二压电层的压电效应，第二压电层在接收到反向声波后，声波能量被转换为了电能，相比现有技术中声能转换为热能，本实施例降低了超声换能器的发热量，有利于增加超声换能器的使用寿命，同时也拓宽了超声换能器的应用场景。

再者，由于第一压电层和第二压电层的声阻抗相适配，第二压电层对于声波的吸收效率已然很高，无需为了增加吸收效率而增加第二压电层的厚度，有利于减小超声换能器的体积。

另外，在超声换能器设置多个电极组，每个电极组可以分别用于连接不同的功能部件（例如图像采集部件、图像显示部件等），有利于提升超声换能器的功能多样性，并且可以根据实际需求，将连接于不同功能部件的电极组设置为包括不同数量的第一电极，有利于保证对能量的合理利用。

附图说明

图1为现有技术的超声换能器的局部结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的超声换能器的局部结构示意图。

现有技术的附图标记说明：

匹配层组1、压电晶体2、背衬3。

附图标记说明：

匹配层4、第一压电层5、第二压电层6、第二电极61、需供电件7。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。

如图2所示，本实施例公开了一种超声换能器，包括依次叠设的匹配层4、第一压电层5和第二压电层6，第二压电层6固定设置，第一压电层5设置为能够振动并在振动时产生朝向匹配层4的正向声波和朝向第二压电层6的反向声波，第一压电层5与第二压电层6的声阻抗相适配。其中，第一压电层5和第二压电层6的声阻抗相适配指两者的声阻抗相同或者相近，即第一压电层5和第二压电层6的声阻抗相同或者相差不大。

通过在第一压电层5背向匹配层4的一侧设置固定的第二压电层6，并使第一压电层5和第二压电层6的声阻抗相适配，当第一压电层5振动产生正向声波和反向声波时，反向声波几乎可以完全传导进入第二压电层6，也就大大减少了被反射回第一压电层5的反向声波，进而减小了反向声波对于超声成像的图像质量的影响。

另一方面，因第二压电层6的压电效应，第二压电层6在接收到反向声波后，声波能量被转换为了电能，相比现有技术中声能转换为热能，本实施例降低了超声换能器的发热量，有利于增加超声换能器的使用寿命，同时也拓宽了超声换能器的应用场景。

再者，由于第一压电层5和第二压电层6的声阻抗相适配，第二压电层6对于声波的吸收效率已然很高，无需为了增加吸收效率而增加第二压电层6的厚度，有利于减小超声换能器的体积。

超声换能器还包括多个电极组，电极组用于连接超声换能器的功能部件，每个电极组包括一个或多个第一电极；当电极组包括一个第一电极，第一电极的一端连接于第一压电层，另一端连接于功能部件；当电极组包括多个第一电极，多个第一电极的一端分别独立连接于第一压电层，多个第一电极的另一端连接为一体并连接于功能部件。每个电极组可以分别用于连接不同的功能部件（例如图像采集部件、图像显示部件等），有利于提升超声换能器的功能多样性，并且可以根据实际需求，将连接于不同功能部件的电极组设置为包括不同数量的第一电极，有利于保证对能量的合理利用。

超声换能器还包括多个第二电极61，多个第二电极61的一端分别独立连接于第二压电层6，多个第二电极61的另一端连接为一体，从而可以与功能部件连接，进一步提升超声换能器的功能多样性。

多个第二电极61的另一端连接为一体并连接有需供电件7，即第二压电层6利用声波产生的电能可以用于给其他的需供电件7供电，也就是说，第二压电层6所产生的电能不仅不会对超声换能器产生负面影响，还可以作为可用能量加以使用。具体的，需供电件7是电阻，也可以是其他功能部件。

在本实施例中，第一压电层5和第二压电层6均为压电陶瓷，第一压电层5和第二压电层6采用相同或者类似的陶瓷材料，第一压电层5产生的反向声波几乎可以100%传导进入第二压电层6。在其他的实施例中，第一压电层5和第二压电层6也可以是单晶材料。

当然，还可以再进一步设置背衬层，背衬层设于第二压电层6背向第一压电层5的一侧并贴合于第二压电层6，背衬层的材料包括能够吸收声音的材料，背衬层可以对反向声波实现进一步吸收的作用，有利于进一步提高吸收效率，也就进一步保证了超声成像的图像质量。

第二压电层6的谐振频率主要与厚度有关，通过改变第二压电层6的厚度可以吸收不同频率范围的反向声波。当第二压电层6的厚度与第一压电层5的厚度相同时，第二压电层6可以吸收全频带的反向声波。当第二压电层6的厚度小于第一压电层5的厚度，第二压电层6可以吸收较高频率的反向声波。当第二压电层6的厚度大于第一压电层5的厚度，第二压电层6可以吸收较低频率的反向声波。可以根据实际使用场景的需求，选择不同厚度的第二压电层6。其中需要注意的是，较高频率包括高频率，较低频率包括低频率。

本实施例还公开了一种超声设备，超声设备包括如上述的超声换能器。当超声设备使用了上述的超声换能器，超声设备可以获得更清晰的图像质量、更小的体积、更长的使用寿命以及更广的应用场景。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声换能器，其特征在于，包括依次叠设的匹配层、第一压电层和第二压电层，所述第二压电层固定设置，所述第一压电层设置为能够振动并在振动时产生朝向所述匹配层的正向声波和朝向所述第二压电层的反向声波，所述第一压电层与所述第二压电层的声阻抗相适配；

所述超声换能器还包括多个电极组，所述电极组用于连接超声换能器的功能部件，每个所述电极组包括一个或多个第一电极；

当所述电极组包括一个所述第一电极，所述第一电极的一端连接于所述第一压电层，另一端连接于所述功能部件；

当所述电极组包括多个所述第一电极，多个所述第一电极的一端分别独立连接于所述第一压电层，多个所述第一电极的另一端连接为一体并连接于所述功能部件。

2.如权利要求1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二电极，多个所述第二电极的一端分别独立连接于所述第二压电层，多个所述第二电极的另一端连接为一体。

3.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，多个所述第二电极的另一端连接为一体并连接有需供电件。

4.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第一压电层和/或所述第二压电层为压电陶瓷。

5.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第一压电层和/或所述第二压电层为单晶材料。

6.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括背衬层，所述背衬层设于所述第二压电层背向所述第一压电层的一侧并贴合于所述第二压电层。

7.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第二压电层的厚度与所述第一压电层的厚度相同，以吸收全频带的所述反向声波。

8.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第二压电层的厚度小于所述第一压电层的厚度，以吸收高频率的所述反向声波。

9.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第二压电层的厚度大于所述第一压电层的厚度，以吸收低频率的所述反向声波。

10.一种超声设备，其特征在于，所述超声设备包括如权利要求1-9任一项所述的超声换能器。