DE3019478A1

DE3019478A1 - Verfahren zum herstellen einer ultraschallwandleranordnung

Info

Publication number: DE3019478A1
Application number: DE19803019478
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Phys. Dr. 8552 Höchstadt Diepers
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1980-05-21
Publication date: 1981-11-26

Description

Verfahren Illm Herstellen einer Ultraschallwandler-
anordnung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallwandleranordnung mit Wandlerelementen, deren Höhe wesentlich größer ist als ihre Breite.
Zur Herstellung von Ultraschallgruppen-Antennen, sogenannten Ultraschall-Arrays, beispielsweise für die Anwendung in medizinischen Diagnosegeräten, wird im allgemeinen zunächst ein größeres Schwingerplättchen hergestellt und dann eine elektrische oder zusätzlich noch eine mechanische AuSteilung in eine beispielsweise linear angeordnete Gruppe von Einzelschwingern vorgenommen. Die elektrische Teilung erfolgt durch Aufbringung von getrennten elektrischen Kontaktflächen, vorzugsweise einer Oberflächenmetallisierung, in regulär angeordneten, vorzugsweise rechteckigen Bezirken.
Anschließend wird über diese elektrischen Kontaktfelder die Polarisierung des Schwingermaterials vorgenommen, das beispielsweise eine Bleizirkonat-Titanat-Keramik sein kann. Zur Zuführung der elektrischen Spannung sind die Kontaktfelder mit elektrischen Anschlußleitern versehen. Die Wandlerelemente werden zwischen einem Dämpfungskörper und einem Anpassungskörper angeordnet.
Ein bekannter Wandlerkamm für ein Ultraschall-Array oder einen Compound-Scanner besteht aus einer linearen Anordnung von Ultraschallschwingern. Durch Feinunterteilung können die Ultraschallschwinger in akustisch und mechanisch getrennte Wandlerelemente aufgeteilt werden, die gruppenweise elektrisch parallelgeschaltet und gemeinsam gesteuert werden. Die Breite dieser Wandlerelemente wird vorzugsweise wesentlich geringer als die halbe Wellenlänge (2/2) der abgestrahlten bzw.
empfangenen Ultraschallwellen gewählt (DE-PS 28 29 570).
Bei Ultraschallwandler-Arrays für Abbildungssysteme zur Herstellung von Schnittbildern, sogenannten B-Bildern, eines zu untersuchenden Körpers erhält man eine Steigerung der Bildauflösung, wenn die Breite der einzelnen Wandlerelemente in der Längsrichtung des Arrays wesentlich geringer ist als ihre Höhe. Da der Abstand der Wandlerelemente bei der mechanischen Feinteilung, der durch die Schnittbreite gegeben ist, nicht beliebig klein gemacht werden kann, so steigen mit abnehmender Elementbreite auch die Teilungsverluste, weil die Größe der Zwischenräume im Verhältnis zur Breite der Wandlerelemente entsprechend zunimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschaliwandleranordnung anzugeben, die mit einer großen Anzahl von Wandlerelementen mit sehr geringer Breite und sehr geringem Abstand eine mechanisch feste Baueinheit bilden und unmittelbar als Grundkörper für einen Ultraschallkopf verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Verfahrensmerkmalen entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1. In dem aus dem Stapel von Platten aus Ultraschallschwingermaterial gebildeten Formkörper bestimmt die. Dicke der Platten die Breite der entstehenden Wandlerelemente der fertigen Ultraschallwandleranordnung. Der Füllstoff, dessen Dicke den gegenseitigen Abstand der entstehenden Wandlerelemente bestimmt und der eine feste mechanische Verbindung zwischen den Platten bildet, kann vor der Stapelung auf die Platten aufgetragen, beispielsweise aufgesprüht, aufgeschleudert oder auch aufgedruckt, beispielsweise nach dem bekannten Siebdruckverfahren aufgetragen, werden. Er bildet nach dem Erhärten eine feste mechanische Verbindung zwischen den Platten und wirkt somit zugleich als Klebeschicht. Es kann deshalb auch eine Kunststofffolie verwendet werden, die vorzugsweise auf beiden Flachseiten mit einer klebenden Oberflächenschicht versehen ist.
Es können aber auch Abstandhalter zwischen den Platten angeordnet werden, die beispielsweise aus Streifen einer sehr dünnen Folie bestehen können.
Die Dicke der zuletzt senkrecht zur Stapelebene abgetrennten plattenförmigen Grundkörper für jeweils ein Ultraschallwandler-Array bestimmt die Höhe der Wandlerelemente in der fertigen Wandleranordnung und beträgt vorzugsweise wenigstens das Doppelte, insbesondere den mehrfachen Betrag der Dicke der Platten.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, die drei perspektivische Ansichten enthält, mit deren Hilfe die Verfahrensschritte nach der Erfindung schematisch veranschaulicht werden.
Nach Figur 1 wird zunächst eine größere Anzahl von streifenförmigen Platten 4 bis 7 aus Ultraschallschwingermaterial beispielsweise durch Abtrennen aus einem Keramikblock hergestellt und zu einem Stapel 2 aufgeschichtet. Die Platten 4 bis 7 können beispielsweise aus Bleizirkonat-Titanat Pb(ZrTi)03 oder Bleimetaniobat Pb(NbO)2 oder einem anderen Schwingermaterial bestehen. Die Dicke der Platten 4 bis 7 kann beispielsweise 100 /um oder weniger betragen. Zwischen den Platten 4 bis 7 werden Abstandshalter angeordnet, die in der Figur mit 10 bis 15 bezeichnet sind und vorzugsweise aus Streifen einer Kunststoffolie bestehen können, deren Dicke den Abstand A der Platten bestimmt und wesentlich geringer ist als die Dicke D der Platten 4 bis 7. Die Anzahl der Platten, von denen in der Figur zur Vereinfachung nur vier dargestellt sind, wird gleich der gedUnschten Anzahl der Wandlerelemente in der herzustellenden Ultraschallwandleranordnung gewählt und kann beispielsweise mehrere 100 betragen. Die Platten 4 bis 7 des Stapels 2 werden von außen fixiert, beispielsweise mittels Klammern, und die Spalte 18 bis 20 zwischen den Abstandshaltern 10 bis 15 sowie auch die in der Figur nicht näher bezeichneten Spalten außerhalb der Abstandshalter 10 bis 15 werden mit einem Füllmaterial versehen, das gegenüber dem Ultraschallschwingermaterial der Platten 4 bis 7 wesentlich abweichende, d.h. eine wesentlich geringere oder wesentlich größere akustische Impedanz aufweist, die sich als Produkt aus der Dichte des Ultraschallschwingermaterials und der Schallgeschwindigkeit des in Frage kommenden Schwingungsmods ergibt. Das Füllmaterial kann beispielsweise aus einem selbsthärtenden Kunststoff, vorzugsweise Araldit, oder auch Epoxidharz sowie Silikon-Gummi bestehen. Die Spalten 18 bis 20 können mit dem Füllmaterial ausgegossen oder sie können auch durch Tauchen des Stapels 2 gefüllt werden.
Die Dicke der Abstandshalter 10 bis 15 wird so gewählt, daß das Verhältnis des Abstands A zur Wellenlänge 2 im Füllmaterial der Spalte 18 bis 20 vorzugsweise etwa 1/4 beträgt. Unter Umständen kann dieses Verhältnis auch etwa 3/4 oder sogar 5/4 gewählt werden.
Nach dem Erhärten des Füllstoffes 22 bis 24 zwischen den Platten 4 bis 7 des Stapels 2 entsteht jeweils eine Ultraschallwandleranordnung 30 und 31 durch Abtrennen von Scheiben senkrecht zur Stapelebene und parallel zur Richtung der Breite B und in Richtung der Länge L des Stapels 2 hintereinander. Diese scheibenförmigen Grundkörper 30 und 31 für jeweils eine Ultraschallwandleranordnung enthalten jeweils eine lineare Anordnung von Wandlerelementen 34 bis 37, deren Länge 1 gleich der Breite B des Stapels 2 und deren Breite b gleich der Dicke D der Platten 4 bis 7 ist. Die Dicke der Grundkörper 30 und 31, d.h. der Abstand der senkrechten Schnitte, bestimmt die Höhe h der entstehenden Wandlerelemente 34 bis 37 und sie wird so gewählt, daß die Höhe h vorzugsweise wenigstens doppelt so groß ist wie die Breite b der Wandlerelemente 34 bis 37. Damit erhält man insbesondere bei Piezomaterialien mit verhältnismäßig geringer Eigendämpfung, beispielsweise bei Bleizirkonat-Titanat (PZT), den gleichen Effekt wie mit der bekannten akustischen Trennung durch Feinteilung.
Bei Piezomaterialien mit größerer Eigendämpfung, beispielsweise Bleimetaniobat, können auch andere Abmessungen der Wandlerelemente gewählt werden.
Zur Verwendung als lineares Array zum Herstellen von Schnittbildern, sogenannten B-Bildern, beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, werden die Wandlerelemente auf beiden Flachseiten des Grundkörpers 30 nach Figur 3 jeweils mit einer Metallisierung 42 bzw.
43 aus mechanisch gut haftendem und elektrisch lestendem sowie lötbarem Material versehen, die beispielsweise aus einer Chrom/Platin/Gold-Schicht oder aus einer Schichtkombination, beispielsweise Chrom/Nickel, Chrom/Silber oder Chrom/Gold, bestehen kann.
Das Anbringen der elektrischen Kontakte erfolgt beispielsweise durch Auflöten von Kontaktfahnen 44 und 46, die mit einem in der Figur nicht dargestellten elektrischen Steuerleiter verbunden werden. Die Kontaktfahnen können vorzugsweise aus einer metallisierten Kunststoffolie, insbesondere aus Poly- (diphenyloxidpyromellithimid) (Polyimid, Kapton) oder auch aus einer Polyesterfolie auf der Basis Äthylenglykol und Terephthalsäure (Mylar) bestehen. Die Metallauflage der Kunststoffolie kann vorzugsweise aus mehreren Schichten bestehen, von denen die erste Schicht aus einem Material besteht, das an der Folie gut haftet und die letzte Schicht aus einem Material besteht, das sich leicht mit der Metallauflage der Wandlerelemente verbinden läßt. Auf der gegenüberliegenden Flachseite werden die Wandlerelemente des Grundkörpers 30 im allgemeinen mit einem gemeinsamen elektrischen Anschlußleiter 48 versehen, der in der Figur lediglich im Schnitt dargestellt ist. Auf einer Flachseite wird der Grundkörper 30 dann mit einer Anpassungsschicht 52 und auf der gegenüberliegenden Flachseite mit einem Dämpfungskörper 54 versehen.
In dieser Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung werden jeweils mehrere einander benachbarte Wandlerelemente mit einer Kontaktfolie elektrisch parallelgeschaltet und gemeinsam gesteuert. Es können aber auch die einzelnen Wandlerelemente jeweils mit einem elektrischen Anschlußleiter versehen werden.
Der Füllstoff 22 bis 24 bildet jeweils eine feste mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Wandlerelementen 34 bis 37. In dieser Ausführungsform der Wandleranordnung wird in Verbindung mit dem Dämpfungskörper 54 ein übersprechen zwischen den einzelnen Wandlerelementen 34 bis 37 auch dann praktisch noch ausgeschlossen, wenn das Verhältnis der Spaltbreite A, die den gegenseitigen Abstand der Wandlerelemente 34 bis 37 bestimmt, zur Wellenlänge ) des Füllstoffes 22 bis 24 nur noch etwa 1/10 beträgt, d.h. wenn der Abstand der Wandlerelemente 34 bis 37 wesentlich kleiner als die Wellenlänge i ist. Der Dämpfungskurzschluß über dem Dämpfungskörper 54 macht dies möglich, so daß sehr geringe Abstände zwischen den einzelnen Wandlerelementen 34 bis 37 gewählt werden können, die wenige um nicht wesentlich überschreiten. Damit erhält man eine höhere Dichte an Wandlerelementen und die gesamte Abstrahlfläche der Ultraschallwandleranordnung wird entsprechend vergrößert. Die Eindringtiefe in das zu untersuchende Medium wird bei unveränderter elektrischer Anregung somit entsprechend erhöht.
4 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Patentansprüche Ö Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallwandleranordnung mit Wandlerelementen, deren Höhe wesentlicn größer ist als ihre Breite, gek e n n z e i c h -n e t durch die Merkmale, daß a) streitenförmige Platten (4 bis 7) aus Ultraschallschwingermaterial mit ihren Flachseiten jeweils abwechselnd mit einer dünnen Zwischenschicht aus einem Füllstoff (22 bis 24), dessen akustische Impedanz wesentlich verschieden ist von der akustischen Impedanz des Ultraschallschwingermaterials der Platten (4 bis 7), aufeinandergeschichtet werden b) und daß eine mechanische feste Verbindung zwiscnen dem Füllstoff (22 bis 24) und den Platten (4 bis 7) hergestellt wird, und daß c) anschließend mehrere die Wandlerelemente (34 bis 37) enthaltende Grundkörper (30 bzw. 31) für jeweils eine Ultraschallwandleranordnung durch jeweils einen Schnitt senkrecht zur Stapelebene und parallel zur Breite (B) und in Richtung der Länge (L) des Stapels (2) hintereinander hergestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die streifenförmigen Platten (4 bis 7) jeweils abwechselnd mit einem Abstandshalter (10 bis 15) aufeinandergeschichtet und anschließend die zwischen den Platten (4 bis 7) entstehenden Spalte mit dem Füllstoff (22 bis 24) gefüllt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Füllstoff (22 bis 24) vor dem Aufeinanderchichten auf wenigstens eine der Flachseiten der Platten (4 bis 7) aufgetragen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Abstand (h) der Schnitte mindestens doppelt so groß wie die Dicke (D) der Platten (4 bis 7) gewählt wird.