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Verfahren Illm Herstellen einer Ultraschallwandler-
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anordnung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
einer Ultraschallwandleranordnung mit Wandlerelementen, deren Höhe wesentlich größer
ist als ihre Breite.
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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.
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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.
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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.
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empfangenen Ultraschallwellen gewählt (DE-PS 28 29 570).
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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.
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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.
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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.
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Es können aber auch Abstandhalter zwischen den Platten angeordnet
werden, die beispielsweise aus Streifen einer sehr dünnen Folie bestehen können.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei Piezomaterialien mit größerer Eigendämpfung, beispielsweise Bleimetaniobat,
können auch andere Abmessungen der Wandlerelemente gewählt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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4 Patentansprüche 3 Figuren