DE10230129A1 - Ultraschall-Messwertwandlervorrichtung zur Verbesserung der Auflösung in einem Abbildungssystem - Google Patents

Ultraschall-Messwertwandlervorrichtung zur Verbesserung der Auflösung in einem Abbildungssystem

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Xuan-Ming Lu
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Abstract

Eine Ultraschall-Messwertwandlervorrichtung verwendet eine am nächsten bei einer piezoelektrischen Schicht (2) liegende, akustische Silizium-Anpassungsschicht (26), um eine verbesserte Auflösung zu erreichen. Ein Siliziumwafer, der auf eine geeignete Dicke geschliffen ist, ist in einem akustischen Stapel mit anderen Anpassungsschichtmaterialien (18, 20) während der Messwertwandlervorrichtungskonstruktion eingefügt. Die genaue Dicke ist durch die Einzelheiten des Entwurfs bestimmt, ist aber nominell eine viertel Wellenlänge in dem Silizium.

Description

  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Ultraschall- Abbildungssysteme, und insbesondere einen Ultraschall- Messwertwandlervorrichtungsentwurf, der die Auflösung eines Ultraschall-Abbildungssystems verbessert.
  • Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungen, die für medizinische Abbildungen und zerstörungsfreie Prüfungen verwendet werden, sind durch zwei Haupteigenschaften gekennzeichnet, nämlich Empfindlichkeit und Bandbreite, die direkt in Wechselbeziehung mit einer Eindringtiefe und Auflösung des Abbildungssystems stehen. Bei der Weiterentwicklung von Messwertwandlervorrichtungsentwürfen ist eine normierte Bandbreite von 30-40% mit einer einzelnen Anpassungsschicht auf 60-80% mit zwei Anpassungsschichten vergrößert worden. Bei einer medizindiagnostischen Ultraschallabbildung haben aktuelle Fortschritte bei einer Harmonischen-Abbildung (bzw. harmonic imaging), mit und ohne Kontrastmittel, die Vorteile von Messfühlern mit noch größerer Bandbreite hervorgehoben. Wie es durch die Bezeichnung impliziert ist, erfordert eine Harmonischen- Abbildung eine Empfindlichkeit von über 100% normierter Bandbreite. Die normierte Bandbreite (FBW) ist definiert als die Bandbreite geteilt durch die Mittenfrequenz:


    wobei Ulim die obere Grenze der Bandbreite ist, Llim die untere Grenze der Bandbreite ist und fctr die Mittenfrequenz ist.
  • Ein Messfühler sehr großer Bandbreite kann eine Abtastung durch Verringerung der Anzahl von Messfühlern, die zur Ausführung einer Diagnose erforderlich sind, vereinfachen. Bei herkömmlichen Situationen ist ein Hochfrequenz-Messfühler erforderlich, um nach feinen Details nahe der Haut zu suchen, und ein Tieffrequenz- Messfühler wird zur Farbflussabbildung, Doppler-Abbildung und zur Abbildung in größeren Tiefen in dem Körper verwendet. Es erfordert Zeit sowie Bedienungspersonbewegungen, um zwischen den Messfühlern umzuschalten. Wenn dies minimiert werden kann, können die Zeit sowie Anstrengungen, die zur Beendigung einer Patientenabtastung erforderlich sind, verringert werden.
  • Leistungsfähige Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungen weisen eine zu den meisten, einer Prüfung unterzogenen Gegenständen sehr unterschiedliche akustische Impedanz auf. Dies macht es schwierig, Ultraschallwellen zwischen diesen zwei Materialien zu koppeln. Es ist allgemein bekannt, dass akustische Anpassungsschichten die Empfindlichkeit und Bandbreite von Ultraschall- Messwertwandlervorrichtungen verbessern, indem die akustische Energie von Materialien einer spezifischen akustischen Impedanz, wie beispielsweise von piezoelektrischen Keramiken, zu Materialien einer unterschiedlichen spezifischen akustischen Impedanz, wie beispielsweise Wasserbäder oder der menschliche Körper, effektiver übertragen wird.
  • Die Theorie akustischer Anpassungsschichten ist allgemein bekannt und sehr ähnlich zu elektronischen Filterentwurfverfahren, wie sie durch T. Rhyne in "Computer Optimization of Transducer Transfer Functions Using Constraints on Bandwidth, Ripple, and Loss" IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Band 43, Nr. 6, Seiten 1136-1149 (November 1996) offenbart sind. Durch Anpassung der akustischen Impedanz und der Dicke der Anpassungsschichten kann eine Vielzahl von Standard-Bandpass-Eigenschaften erreicht werden, wie es in dem US-Patent No. 5,706,564 von Rhyne offenbart ist. Wie es in dem Patent von Rhyne gezeigt ist, existiert ein geeignetes Kontinuum zwischen den Thompson- und Butterworth-Bandverläufen. In der Praxis ist die Schwierigkeit für Ultraschall- Messwertwandlervorrichtungen, dass die optimalen akustischen Impedanzen für viele Anpassungsschichten mit einfachen Materialien nicht erreichbar sind. Beispielsweise muss in Zwei-Schichten-Entwürfen die innere Anpassungsschicht eine Impedanz von etwa 7 bis 10 MRayl aufweisen. Dies ist ungünstigerweise größer als Kunststoffe (2-4 MRayl) und kleiner als Glas und Metall (10-100 MRayl).
  • Bei dem Versuch, die Ultraschall- Messwertwandlervorrichtungsbandbreite zu vergrößern, sind mehrere Ansätze möglich. Viele sind jedoch mit komplizierten Materialentwicklungen, wie beispielsweise dem Wachstum von großen piezoelektrischen Einzelkristall- Materialien, oder mit komplizierten Mischstrukturen verbunden. Als Beispiel seien Park et al. "Characteristics of Relaxor-Based Piezoelectric Single Crystals for Ultrasonic Transducers", 1996 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 935-942 (1996), und W. A. Smith "The Role of Piezocomposites in Ultrasound Transducers", 1989 IEEE Ultrasonics Symposium, Seiten 755-766 (1989) genannt. Somit besteht ein Erfordernis für ein einfaches Anpassungsschichtmaterial mit einer optimalen akustischen Impedanz, das einfach verarbeitet werden kann.
  • Eine Ultraschall-Messwertwandlervorrichtung erreicht eine deutlich bessere Auflösung, indem die am nächsten bei der piezoelektrischen Schicht gelegene akustische Anpassungsschicht aus Silizium hergestellt wird. Silizium ist ein einfaches, allgegenwärtiges und leicht verfügbares Material, das umfangreich untersucht worden ist, es ist preiswert und es ist relativ einfach zu verarbeiten. Da Silizium der Baustein für im Wesentlichen alle Halbleiterelektronikelemente ist, sind Wafer mit einem Durchmesser bis zu mehreren Zoll einfach verfügbar.
  • Gemäß dem einfachsten Ausführungsbeispiel wird ein Siliziumwafer, wie er für die Halbleiterverarbeitung erhalten wird, auf eine geeignete Dicke geschliffen und in einen akustischen Stapel mit anderen Anpassungsschichtmaterialien während der Messwertwandlervorrichtungsherstellung eingefügt. Die genaue Dicke wird durch die Einzelheiten des Entwurfs bestimmt, ist aber nominell eine viertel Wellenlänge in dem Material.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Messwertwandlervorrichtungsanpassungsschichtstruktur (unter Verwendung einer Computeroptimierung) ausgelegt, eine Chebyshev-Bandform bzw. einen Chebyshev-Bandverlauf zu erzeugen. Für diese Bandform ist die ideale akustische Impedanz für die dritte Schicht etwa 18,6 MRayl, so dass der Standard-Siliziumwafer mit einer akustischen Impedanz von 19,6 MRayl nahezu, aber nicht völlig optimal ist. Unterschiedliche Formen führen jedoch zu modifizierten Werten der akustischen Impedanz. Durch Änderung der Form des Siliziums beispielsweise in einen engen Balken, was die geeignete Form für ein Messwertwandlervorrichtungsanordnungselement darstellt, wird eine bessere Anpassung an die gewünschte Impedanz erreicht.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Siliziumwafer-Ausrichtung ausgewählt werden, um die akustische Impedanz des Siliziums genauer an die anzupassen, die für einen spezifischen Bandformentwurf erforderlich ist. Da Silizium ein kubisches Material ist, sind drei Standard-Ausrichtungen oder "-Schnitte" verfügbar, die durch Miller-Indizes (100), (110) und (111) bezeichnet sind. Diese Indizes sind auf die Ausrichtung der Waferebene relativ zu den Kristallachsen bezogen. Gemäß einem komplexeren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist, wenn alternative Schnitte vorgenommen werden, eine noch größere Flexibilität in der akustischen Impedanz möglich.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine isometrische Darstellung einer herkömmlichen Messwertwandlervorrichtungspalette,
  • Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Teils einer Messwertwandlervorrichtungspalette gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung,
  • Fig. 3 einen Graphen einer Übertragungsfunktion für eine computersimulierte Messwertwandlervorrichtung mit einer normierten Bandbreite von 103% und einer angenäherten Chebyshev-Bandform und
  • Fig. 4 ein Blockschaltbild eines digitalen Echtzeit- Ultraschall-Abbildungssystems, in dem eine Messwertwandlervorrichtung mit extrem großer Bandbreite sowie mit einer Silizium-Anpassungsschicht eingebaut sein kann.
  • Ein herkömmlicher Ultraschall-Messfühler umfasst eine Messwertwandlervorrichtungspalette, die in einem Messfühlergehäuse gehalten werden muss. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst eine herkömmliche Messwertwandlervorrichtungspalette eine lineare regelmäßige Anordnung von schmalen Messwertwandlerelementen. Jedes Messwertwandlerelement umfasst eine Schicht 2 eines piezoelektrischen Keramikmaterials. Das piezoelektrische Material ist typischerweise eine Keramik, wie beispielsweise Blei- Zirkonat-Titanat-Difluorid (PZT-Difluorid) oder ein PZT- Keramik-/Polymer-Mischmaterial.
  • Typischerweise weist das piezoelektrische Material 2 jedes Messwertwandlerelements eine Signalelektrode 4 auf einer zugehörigen Rückseite und eine Erdungselektrode 6 auf einer zugehörigen Vorderseite auf. Jede Signalelektrode 4 kann mit einer Signalquelle, beispielsweise einem jeweiligen Impulsgenerator 12, in einer (nicht gezeigten) Übertragungseinrichtung des Ultraschall-Abbildungssystems verbunden sein, mit der der Messfühler über eine jeweilige Leitungsspur 8 auf einer flexiblen gedruckten Signalschaltungsplatine (PCB) 10 verbunden ist. Jede Signalelektrode ist typischerweise ebenso selektiv mit einem jeweiligen (nicht gezeigten) Empfängerkanal verbindbar. Die Amplitude, eine Zeitsteuerung sowie eine Übertragungssequenz der durch die Impulsgeneratoren zugeführten Übertragungsimpulse werden durch verschiedene Steuerungseinheiten bestimmt, die in der Systemübertragungseinrichtung eingefügt sind. Jede Erdungselektrode 6 ist mit einem (nicht gezeigten) gemeinsamen Erdungsanschluss über eine jeweilige (nicht gezeigte) Spur auf einer flexiblen Erdungs-PCB 14 verbunden. Vorzugsweise sind beide flexible PCB bei der selben Seite der Palette, obwohl sie in Fig. 1 an gegenüberliegenden Seiten der Palette gezeigt sind, was lediglich für eine vereinfachte Darstellung dient.
  • Die Messwertwandlervorrichtungspalette umfasst ebenso eine Masse 16 eines geeigneten akustischen Dämpfungsmaterials mit hohen akustischen Verlusten, beispielsweise ein mit Metall belastetes Epoxydmaterial, das an der Rückseite der Messwertwandlerelementanordnung positioniert ist. Diese Stützschicht 16 ist an die Rückseite der Messwertwandlerelemente gekoppelt, um Ultraschallwellen zu absorbieren, die von der Rückseite jedes Elements austreten, so dass sie nicht zum Teil reflektiert werden und die sich in die Vorwärtsrichtung ausbreitenden Ultraschallwelle stören.
  • Typischerweise umfasst jedes Messwertwandlervorrichtungsanordnungselement ebenso eine erste Akustische-Impedanz-Anpassungsschicht 18, die an die metallisierte Vorderseite (die die Erdungselektrode bildet) der piezoelektrischen Schicht 2 befestigt bzw. gebondet ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Eine zweite Akustische-Impedanz-Anpassungsschicht 20 ist an die erste Akustische-Impedanz-Anpassungsschicht 18 gebondet. Die Schichten 2, 18 und 20 in der Messwertwandlervorrichtungspalette werden unter Verwendung von akustisch transparenten, dünnen Klebstoffschichten gebondet. Die akustische Impedanz der zweiten Anpassungsschicht 20 muss kleiner als die akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht 18 sein und größer als die akustische Impedanz des Mediums sein, das akustisch an die Messwertwandlervorrichtungsanordnung gekoppelt ist. Beispielsweise kann die zweite Anpassungsschicht 20 aus einem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Polysulfon oder Rexolite, bestehen, das außerordentliche akustische Übertragungseigenschaften aufweist. Rexolite ist eine Marke für ein warm ausgehärtetes Material, das durch Vernetzen von Polystyrol mit Divinyl-Benzol erzeugt wird, das von C-LEC Plastics, Inc., Beverly, NJ erhältlich ist.
  • In Fig. 1 ist eine Palette gezeigt, die in getrennte Messwertwandlerelemente geschnitten bzw. geteilt worden ist, wobei jedes Element gestapelte Schichten 2, 4, 6, 18 und 20 umfasst. Die nicht-zerteilte Palette wird durch Aufschichten von Lagen oder Platten aufgebaut, um einen Stapel zu bilden. Die Palette wird dann bis auf eine ausreichende Tiefe zerteilt, um die jeweiligen Messwertwandlerelemente auszubilden. Zur Ausbildung paralleler Element-Isolationsschnitte oder -Kerben 24 wird eine Zerteilungssäge verwendet. Jeder Schnitt geht vollständig durch die akustischen Anpassungsschichten 18, 20 und die piezokeramische Schicht 2 hindurch und erstreckt sich lediglich zum Teil in eine akustische Absorptionsschicht 16. Die Kerben 24 werden nachfolgend mit einem Elastomer- oder Gummimaterial gefüllt.
  • Nach der Teilung werden die Vorderseiten der zweiten Akustische-Impedanz-Anpassungsschichten 20 der Messwertwandlerelemente auf herkömmliche Weise auf die ebene Rückseite einer konvexen zylindrischen Linse 22 unter Verwendung einer akustisch transparenten, dünnen Silikonklebstoffschicht gebondet. Die Linse 22 dient zu drei Zwecken: (1) akustische Fokussierung (aufgrund des zugehörigen linsenförmigen Querschnitts und zugehöriger niedriger akustischer Geschwindigkeits- Materialeigenschaften); (2) Bereitstellen einer chemischen Barriere zum Schutz der Messwertwandlerelemente vor Angriffen durch Gele, Körperflüssigkeiten, Reinigungsmittel usw.; und (3) Bereitstellen einer elektrischen Barriere zum Schutz des Patienten vor den elektrisch aktiven Messwertwandlerelementen. Die Linse wird herkömmlicherweise aus Silikongummi hergestellt.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst jedes Messwertwandlerelement drei akustische Anpassungsschichten. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, umfasst jedes Messwertwandlerelement eine erste akustische Anpassungsschicht 26 eines Einzelkristall- Siliziums, das auf die metallisierte Vorderseite einer Schicht 2 aus piezoelektrischen Material gebondet ist, eine zweite akustische Anpassungsschicht 18 aus mit Metalleinschlüssen (beispielsweise Kupfer, Antimon oder ein ähnliches Material) imprägniertem Grafit, die auf die erste akustische Anpassungsschicht 26 gebondet ist, und eine dritte akustische Anpassungsschicht 20 aus Rexolite, die auf die zweite akustische Anpassungsschicht 18 gebondet ist. Silizium weist die Vorteile auf, dass es ein einfaches, leicht verfügbares und allgegenwärtiges Material ist, das einfach verarbeitet wird und umfangreich untersucht worden ist. Da Silizium der Baustein für die meisten Halbleiter-Elektronikelemente ist, sind Wafer mit einem Durchmesser bis zu mehreren Zoll einfach verfügbar.
  • Gemäß dem einfachsten Ausführungsbeispiel wird ein Siliziumwafer, wie er für eine Halbleiterverarbeitung erhalten wird, auf eine geeignete Dicke geschliffen und in den akustischen Stapel mit anderen Anpassungsschichtmaterialien während des Messwertwandlervorrichtungsaufbaus eingefügt. Die genaue Dicke wird durch die Einzelheiten des Entwurfs bestimmt, ist aber nominell eine viertel Wellenlänge in dem Material.
  • Um eine Messwertwandlervorrichtungsanpassungsschichtstruktur mit einer Chebyshev-Bandform zu schaffen, ist die ideale akustische Impedanz für die dritte Anpassungsschicht etwa 18,6 MRayl, so dass der Standard-Siliziumwafer mit einer Impedanz von 19,6 MRayl nahezu, aber nicht völlig optimal ist. Unterschiedliche Formen führen jedoch zu modifizierten Werten der akustischen Impedanz. Durch Änderung der Form des Siliziums in, beispielsweise, einen engen Balken, was die geeignete Form für ein Messwertwandlervorrichtungsanordnungselement ist, wird eine bessere Anpassung an die gewünschte Impedanz erreicht.
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Siliziumwafer-Ausrichtung ausgewählt werden, um die akustische Impedanz des Silizium genauer an die anzupassen, die für einen spezifischen Bandformentwurf erforderlich ist. Da Silizium ein kubisches Material ist, sind drei Standard-Ausrichtungen oder "-Schnitte" verfügbar, die durch Miller-Indizes (100), (110) und (111) bezeichnet sind. Diese Indizes sind auf die Ausrichtung der Waferebene relativ zu den Kristallachsen bezogen. Die jeweiligen akustischen Impedanzen für die drei Schnitte sind wie folgt:


  • In der vorstehend beschriebenen Tabelle bezeichnen Zlong und Zshear die akustische Impedanz für longitudinale Welle bzw. für Scherwellen in einem Grundmaterial. Die akustische Impedanz ist ein nützliches Konzept zum Beschreiben der Übertragung und Reflexion von akustischen Wellen an der Grenze zwischen zwei Materialien und hängt von Materialeigenschaften, wie beispielsweise der Dichte und Steifigkeit, sowie von der akustischen Wellenart und der Form des Materials ab. Zusätzlich ist bei den meisten Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnungen die Anpassungsschicht nicht fortlaufend, sondern ist in getrennte Balken geteilt, und in der Dicke-Dimension fortlaufende akustische Wellen weisen folglich zusätzliche Beschränkungen auf, die durch die Seiten der Balken auferlegt werden. Zbeam bezeichnet somit die akustische Impedanz für eine Dicke-Mode-Schwingung in einem langen engen Balken, wie er herkömmlicherweise in Ultraschallanordnungen verwendet wird.
  • Wie es in der vorstehend beschriebenen Tabelle gezeigt ist, ist es möglich, leicht unterschiedliche akustische Impedanzen zu erreichen und somit den akustischen Entwurf zu optimieren. In einem weiteren und komplexeren Ausführungsbeispiel ist, wenn alternative Schnitte vorgenommen werden, eine noch größere Flexibilität bei der akustischen Impedanz möglich. Wie es in Kristallphysik-Standardlehrbüchern (beispielsweise B.A. Auld, "Acoustic Fields and Waves in Solids", Abschnitt 3.D, J. W. Wiley, New York, 1973) dargestellt ist, sind die elastischen Konstanten von Silizium eine Funktion der Kristallausrichtung und sind einfach zu berechnen.
  • Insbesondere kann ein Computerprogramm zur Berechnung der elastischen Matrix eines Siliziumkristalls für einen beliebigen Satz von Euler-Winkeln unter Verwendung von Bond-Matrizen verwendet werden.
  • Ein Drei-Anpassungsschichten-Chebyshev-Entwurf ist unter Verwendung von Computermodellen künstlich erzeugt worden. Die freien Hauptparameter in den Modellen sind die Dicken der Anpassungsschichten gewesen. Diese Schichten sind dann hergestellt worden und in einem Palettenaufbau verwendet worden. Die Palette ist daraufhin getestet worden. Die Einzelheiten und Ergebnisse dieses Experiments sind wie nachstehend beschrieben.
  • Das ausgewählte piezoelektrische Material ist eine Keramik gewesen, die eine akustische Impedanz von 32,35 MRayl und eine Schallgeschwindigkeit von 4,147 m/sek. aufweist. Für die Computersimulation ist die Dicke der piezokeramischen Schicht auf 218 Mikrometer festgelegt worden. Die Impedanzen der drei Anpassungsschichten sind auf 19,6, 7,4 und 2,44 MRayl entsprechend einem Einzelkristall-Silizium (100), SbGr bzw. Rexolite festgelegt worden. Rexolite und SbGr (d. h. mit Antimon imprägniertes Graphit) sind ausgewählt worden, da sie in einem bekannten Zwei-Anpassungsschichten-Breitband- Messfühlerentwurf verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung dieser Materialien begrenzt. Andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften können für die zweite und dritte Anpassungsschicht verwendet werden. Einzelkristall-Silizium ist für die erste Anpassungsschicht ausgewählt werden, da die zugehörige Impedanz nahe bei dem optimalen Wert von 18,6 MRayl für eine Chebyshev-Bandform liegt.
  • Sowohl ein eindimensionales Modell (das lediglich eine Schwingungsmode annimmt) als auch ein Finites-Element- Modell (FEM) sind zur Simulation der akustischen Reaktion eines Drei-Anpassungsschichten-Entwurfs unter Verwendung der vorstehend genannten Materialien verwendet worden.
  • Das eindimensionale Modell ist zur Optimierung der Dicke der Anpassungsschichten verwendet worden. Bei der eindimensionalen Optimierung sind die jeweiligen akustischen Impedanzen und (Schall-)Geschwindigkeiten der drei Anpassungsschichten auf die nachstehenden Werte festgelegt worden: ZSi = 19,60 MRayl, νSi = 8,270 m/sek, ZSbGr = 7, 40 MRayl, νsbGr = 2,800 m/sek und Zrexolite = 2,44 MRayl, νrexolite = 2,324 m/sek. Lediglich die Dicke der akustischen Anpassungsschichten durfte variiert werden. Die akustische Ausgangsenergie ist daraufhin dem FEM zugeführt worden, das für den Formfaktor sowie die finiten Größeneffekte von ZSi und νSi verantwortlich ist. Die Parameter aus dem FEM (Finites-Element-Modell) sind dann zurück zu dem eindimensionalen Modell für eine erneute Optimierung geführt worden. Der Entwurf der Messwertwandlervorrichtung ist für eine Messwertwandlervorrichtung mit 103% normierter Bandbreite mit einer angenäherten Chebyshev-Form, die vier Spitzen aufweist, wobei die zwei mittleren zusammengedrängt werden, um eine einzelne Spitze zu bilden. Die vorhergesagte Form der Übertragungsfunktion für den optimierten Entwurf ist in Fig. 3 gezeigt. Die berechneten Dicken der Anpassungsschichten für den optimierten Entwurf sind wie folgt: Silizium - 313,5 Mikrometer, SbGr - 104,9 Mikrometer, Rexolite - 85,83 Mikrometer.
  • Eine Palette, die Anpassungsschichten und eine piezokeramische Schicht mit den vorstehend beschriebenen Dicken aufweist, ist daraufhin für einen Test aufgebaut worden. P-Typ-Siliziumwafer ((100)-Siliziumwafer) sind auf die gewünschte Dicke, d. h. 313,5 Mikrometer, geschliffen worden. Eine 25 Mikrometer breite Zerteilungsklinge ist verwendet worden, was den aktiven Bereich der Messwertwandlerelemente leicht verringert.
  • Testergebnisse zeigen eine normierte Bandbreite von 95-97%, was wesentlich besser als die 75% ist, die mit einem standardgemäßen Zwei-Anpassungsschichten-Entwurf, der SbGr und Rexolite verwendet, erhalten werden, sowie eine zeitliche Reaktion, die vergleichbar mit dem standardgemäßen Zwei-Anpassungsschichten-Entwurf ist. Die Empfindlichkeit ist etwa 2 dB kleiner als die des standardgemäßen Zwei-Anpassungsschichten-Entwurfs, wahrscheinlich aufgrund dessen, dass der Keramikbereich verringert worden ist und zusätzliche Verluste in der Anpassungsschichtstruktur vorhanden gewesen sind. Die Zwei-Wege-Übertragungsfunktion ist unter Verwendung eines Standard-Flachplatten-Reflexionselements gemessen worden. Die Testdaten entsprechen der vorhergesagten Form der in Fig. 3 gezeigten Übertragungsfunktion sehr nahe, wobei eine breite mittlere Erhebung um zwei Spitzen an jedem Ende des Bandes vorhanden sind. Da lediglich existierende Anpassungsschichtmaterialien für diesen Test verwendet worden sind, können Verbesserungen durch Verwenden eines optimierteren Entwurfs erreicht werden. Die Theorie des Entwurfs zeigt, dass normierte Bandbreiten in dem 100%-Bereich erreichbar sind. Insbesondere kann die Anpassungsschichtstruktur durch Variation der Ausrichtung der Einzelkristall-Siliziumstruktur in jedem Messwertwandlerelement optimiert werden.
  • Obwohl die meisten Ultraschall- Messwertwandlervorrichtungen derzeit eine Keramik als das piezoelektrische Element verwenden, legen Fortschritte bei dem piezoelektrischen Einzelkristallwachstum, insbesondere PZNT (Blei-Zink-Niobat-Titanat) und PMNT (Blei-Magnesium-Niobat-Titanat) nahe, dass diese Materialien innerhalb der nächsten Jahre verfügbar werden können. Eine Verwendung dieses Materials mit einer höheren piezoelektrischen Kopplung erweitert die Bandbreite dieser Vorrichtungen noch weiter. Es ist ersichtlich, dass eine Variation in der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Materials Änderungen in dem Entwurf bezüglich der Dicke der Schichten und somit der Ausrichtung des Silizium-Anpassungsschicht-Schnittes verursachen.
  • Der erfindungsgemäße Ultraschall-Messwertwandler- Messfühler kann in einem ansonsten herkömmlichen Ultraschall-Abbildungssystem eingebaut sein und weist insbesondere eine Anwendung in Systemen auf, die eine Harmonischen-Abbildungsbetriebsart (Harmonic-imaging- Betriebsart) aufweisen. Die Grundsignalverarbeitungskette in einem B-Modus-Abbildungssystem, in das die Erfindung eingebaut ist und das eine Harmonischen- Abbildungsbetriebsart aufweist, ist in Fig. 4 gezeigt. Ein Ultraschall-Messfühler 28 umfasst eine Messwertwandlervorrichtungsanordnung 30 mit einer Vielzahl von Messwertwandlerelementen, wobei jedes Element eine piezoelektrische Schicht und eine akustische Silizium-Anpassungsschicht mit einer Erdungselektrode dazwischen aufweist. Die Elemente der Messwertwandlervorrichtungsanordnung werden durch jeweilige Impulsgeneratoren aktiviert, die in einem Übertragungsabschnitt einer Strahlerzeugungseinrichtung 32 eingebaut sind. Die Impulsgeneratoren werden gesteuert, um die Messwertwandlervorrichtungsanordnung zu veranlassen, einen Ultraschallstrahl zu übertragen, der auf eine Übertragungsbrennpunktposition fokussiert ist und eine Grundmittenfrequenz aufweist. Die zurückkommende Ultraschallwellenenergie wird in elektrische HF-Signale (Hochfrequenzsignale) durch die Messwertwandlerelemente umgewandelt. Diese elektrischen Signale werden in jeweiligen Empfängerkanälen eines Empfängerabschnitts der Strahlerzeugungseinrichtung 32 empfangen. Der Empfängerabschnitt der Strahlerzeugungseinrichtung 32 fokussiert dynamisch die Empfangssignale bei aufeinanderfolgenden Bereichen entlang einer Abtastlinie auf eine allgemein bekannte Weise, um einen Empfangsvektor zu bilden. Die Strahlerzeugungseinrichtungsausgangsdaten (I/Q oder HF) für jede Abtastlinie werden durch eine B-Modus- Signalverarbeitungskette 34 geführt, die beispielsweise ein Bandpass-Filter für ein Hindurchlassen eines Bandes von harmonischen Signalkomponenten, die bei einer harmonischen Frequenz zentriert sind, eine Hüllkurvenerfassung sowie eine logarithmische Komprimierung umfassen kann. Alternativ dazu können andere Harmonischen-Abbildungstechniken verwendet werden, beispielsweise eine Golay-kodierte Anregung bei der Übertragung und eine Dekodierung bei dem Empfang. Die resultierenden Bilddaten werden dann durch eine Anzeigeverarbeitungseinrichtung 36 für eine Anzeige auf einem Anzeigemonitor 38 verarbeitet. Eine Systemsteuerung ist in einem Host-Computer oder einer Systemsteuerungseinrichtung 40 zentriert, die Bedienungsperson-Eingangsbefehle über eine Bedienungspersonschnittstelle 42 annimmt und im Gegenzug die verschiedenen Untersystem steuert.
  • Obwohl lediglich bestimmte bevorzugte Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden sind, sind für einen Fachmann viele Modifikationen und Änderungen ersichtlich. Beispielsweise kann ein Material mit akustischen Impedanz- und Schallgeschwindigkeitswerten, die ähnlich denen von Silizium sind, anstelle von Silizium verwendet werden. Zusätzlich ist der vorstehend offenbarte Messwertwandlervorrichtungs-Messfühler mit extrem großer Bandbreite nicht auf eine Verwendung in einem Harmonischen-Abbildungssystem begrenzt. Es ist folglich ersichtlich, dass die beigefügten Patentansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, die in den Bereich der Erfindung fallen.
  • Wie es vorstehend beschrieben ist, verwendet eine Ultraschall-Messwertwandlervorrichtung eine am nächsten bei einer piezoelektrischen Schicht 2 liegende, akustische Silizium-Anpassungsschicht 26, um eine verbessert Auflösung zu erreichen. Ein Siliziumwafer, der auf eine geeignete Dicke geschliffen ist, ist in einem akustischen Stapel mit anderen Anpassungsschichtmaterialien 18, 20 während der Messwertwandlervorrichtungskonstruktion eingefügt. Die genaue Dicke ist durch die Einzelheiten des Entwurfs bestimmt, ist aber nominell eine viertel Wellenlänge in dem Silizium.

Claims (25)

1. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung mit einer Vielzahl von Elementen, wobei jedes Element umfasst:
eine Schicht (2) eines piezoelektrischen Materials mit einer ersten metallisierten Oberfläche und
eine erste akustische Anpassungsschicht (26), die benachbart zu der ersten metallisierten Oberfläche der Schicht des piezoelektrischen Materials ist,
wobei die erste akustische Anpassungsschicht Silizium umfasst.
2. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 1, mit einer zweiten akustischen Anpassungsschicht (18), die benachbart zu der ersten akustischen Anpassungsschicht ist, wobei die zweite akustische Anpassungsschicht ein Material umfasst, das eine akustische Impedanz aufweist, die kleiner als die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht ist.
3. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 2, mit einer dritten akustischen Anpassungsschicht (20), die benachbart zu der zweiten akustischen Anpassungsschicht ist, wobei die dritte akustische Anpassungsschicht ein Material umfasst, das eine akustische Impedanz aufweist, die kleiner als die akustische Impedanz der zweiten akustischen Anpassungsschicht ist.
4. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 2, wobei das piezoelektrische Material eine Keramik umfasst.
5. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die Keramik Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
6. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die zweite akustische Anpassungsschicht ein Antimon-Graphit-Mischmaterial umfasst.
7. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die dritte akustische Anpassungsschicht Rexolite umfasst.
8. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 3, mit einer akustischen Linse (22), die benachbart zu der dritten akustischen Anpassungsschicht ist.
9. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Schicht des piezoelektrischen Materials eine zweite metallisierte Oberfläche (4) umfasst und ferner eine Masse (16) eines akustisch absorbierenden Materials umfasst, die benachbart zu der zweiten metallisierten Oberfläche ist.
10. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Silizium eine Einzelkristall- Struktur aufweist, die derart ausgerichtet ist, dass die erste akustische Anpassungsschicht eine akustische Impedanz von etwa 19,6 MRayl aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung einer Ultraschall- Messwertwandlervorrichtungsanordnung mit den Schritten:
a) Metallisieren einer Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht (2);
b) Anbringen einer ersten akustischen Anpassungsschicht (26) bei der metallisierten Oberfläche der Schicht des piezoelektrischen Materials, um einen Schichtstapel zu bilden,
c) Anbringen einer zweiten akustischen Anpassungsschicht (18) bei der ersten akustischen Anpassungsschicht, um den Stapel zu vergrößern,
d) Anbringen einer dritten akustischen Anpassungsschicht (20) bei der zweiten akustischen Anpassungsschicht, um den Stapel weiter zu vergrößern, und
e) Teilen des Stapels, um eine Anordnung getrennter Elemente zu bilden,
wobei die erste akustischen Anpassungsschicht einen Siliziumwafer umfasst, die zweite akustische Anpassungsschicht eine akustische Impedanz ausweist, die kleiner ist als die akustische Impedanz der ersten akustischen Anpassungsschicht, und die dritte akustische Anpassungsschicht eine akustische Impedanz aufweist, die kleiner ist als die akustische Impedanz der zweiten akustischen Anpassungsschicht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Siliziumwafer eine Einzelkristall-Struktur aufweist, die ausgerichtet ist, um eine Impedanz nahe einem optimalen Wert für eine Chebyshev-Bandform zu haben, und die erste akustische Anpassungsschicht eine akustische Impedanz von etwa 19,6 MRayl aufweist.
13. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung mit einer Vielzahl von Elementen, wobei jedes Element umfasst:
eine Schicht (2) eines piezoelektrischen Materials mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, eine erste Elektrode (6), die elektrisch an die erste Oberfläche der Schicht des piezoelektrischen Materials gekoppelt ist, und
eine erste akustische Anpassungsschicht (26) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche der ersten akustischen Anpassungsschicht akustisch an die erste Oberfläche der Schicht des piezoelektrischen Materials gekoppelt ist,
wobei die erste akustische Anpassungsschicht eine akustische Impedanz in einem Bereich von etwa 18,6 bis 19,6 MRayl aufweist und ein nicht-gemischtes Material umfasst.
14. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 13, wobei die erste akustische Anpassungsschicht Silizium umfasst.
15. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 14, wobei das Silizium eine Einzelkristall- Struktur aufweist, die ausgerichtet ist, um eine Impedanz nahe einem optimalen Wert für eine Chebyshev-Bandform zu haben, und die erste akustische Anpassungsschicht eine akustische Impedanz von etwa 19,6 MRayl aufweist.
16. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 13, mit einer zweiten akustischen Anpassungsschicht (20), die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die zweite Oberfläche der zweiten akustischen Anpassungsschicht akustisch an die erste Oberfläche der ersten akustischen Anpassungsschicht gekoppelt ist.
17. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 16, mit einer dritten akustischen Anpassungsschicht, die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die zweite Oberfläche der dritten akustischen Anpassungsschicht akustisch an die erste Oberfläche der zweiten akustischen Anpassungsschicht gekoppelt ist.
18. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 16, wobei das piezoelektrische Material eine Keramik umfasst.
19. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 18, wobei die Keramik Blei-Zirkonat-Titanat umfasst.
20. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 16, wobei die zweite akustische Anpassungsschicht Antimon-Grafit-Mischmaterialien umfasst.
21. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 17, wobei die dritte akustische Anpassungsschicht Rexolite umfasst.
22. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 17, mit einer akustischen Linse (22), die benachbart zu der dritten akustischen Anpassungsschicht der Messwertwandlerelemente ist.
23. Ultraschall-Messwertwandlervorrichtungsanordnung nach Anspruch 13, umfassend:
eine zweite Elektrode (4), die elektrisch an die zweite Oberfläche der Schicht des piezoelektrischen Materials gekoppelt ist, und
eine Masse (16) eines akustisch absorbierenden Materials, die akustisch an die zweite Oberfläche der Schicht des piezoelektrischen Materials gekoppelt ist.
24. Verfahren zum Übertragen einer Ultraschallwellenenergie in menschliches Gewebe, mit den Schritten:
elektrisches Aktivieren einer Schicht eines piezoelektrischen Keramikmaterials zur Erzeugung einer Ultraschallwellenenergie und
Hindurchführen der Ultraschallwellenenergie durch eine Schicht aus Silizium, bevor sie auf das menschliche Gewebe auftrifft.
25. Ultraschall-Abbildungssystem mit
einer Anordnung (30) von Messwertwandlerelementen,
einer Strahlerzeugungseinrichtung (32), die eine Vielzahl von Impulsgeneratoren (12) zur Aktivierung der Übertragungselemente umfasst, um eine Ultraschallwellenenergie zu übertragen, und die eine Vielzahl von Empfängerkanälen zum Empfangen von elektrischen Empfangssignalen von den Messwertwandlerelementen umfasst, die in Reaktion auf eine zu den Messwertwandlerelementen zurückkehrende Ultraschallwellenenergie erzeugt werden,
einer Signalverarbeitungseinrichtung (34) zur Verarbeitung der Empfangssignale, um Bilddaten zu erzeugen, und
einem Anzeigeuntersystem (36, 38) zur Anzeige eines Bilds, das eine Funktion der Bilddaten ist,
wobei jedes der Messwertwandlerelemente umfasst:
eine Schicht (2) eines piezoelektrischen Keramikmaterials mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche,
eine Elektrode (6), die elektrisch an die erste Oberfläche der Schicht des piezoelektrischen Materials gekoppelt ist, und
eine akustische Anpassungsschicht (26) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche der ersten akustischen Anpassungsschicht akustisch an die erste Oberfläche der Schicht des piezoelektrischen Keramikmaterials gekoppelt ist, wobei die akustische Anpassungsschicht Silizium umfasst.
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