DE3149732A1

DE3149732A1 - Ultraschallwandleranordnung

Info

Publication number: DE3149732A1
Application number: DE19813149732
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. 8501 Oberasbach Granz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-12-15
Filing date: 1981-12-15
Publication date: 1983-07-21
Also published as: DE3149732C2

Description

Ultraschallwandleranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Wandlerelementen und einem flachen Grundkörper, dem an seinen beiden Flachseiten Elektroden zugeordnet sind, zur Aufnahme von Ultraschallschwingungen aus einem schalltragenden Medium.
In der medislnischen Diagnostik und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall werden bekanntlich Arrays als Ultraschallsensoren eingesetzt, die aus einer linearen oder flächenhaften Anordnung von mehreren piezoelektrischen Wandlerelementen bestehen. Die von den einzelnen Ultraschallwandlern empfangenen Ultraschallecho signale des zu untersuchenden Körpers werden zu einem deutbaren Bild zusammengefaßt, beispielsweise im Fall der sogenannten 3-Scan-Darstellung. Um ein klares Bild zu erhalten, muß das Array Wandlerelemente mit hoher Empfindlichkeit f'1r Ultraschallwellen enthalten und die Empfindlichkeit muß über die gesamte Fläche homogen sein. Außerdem ist eine hohe Bandbreite erforderlich, die direkt in die Auflösung und die Qualität des dargestellten Bildes eingeht.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallempfangsarray für die medizinische Diagnostik und zerstörungsfreie Werkstoffprüfung in kompakter Bauweise anzugeben, dessen einzelne Wandlerelemente sich gegenseitig nicht wesentlich störend beeinflussen.
Sie sollen im Dickenmode schwingen und ihre Strahlcharakteristik soll im wesentlichen frei von Nebenkeulen sein.
Ultraschallwandlerarrays werden im allgemeinen aus spröden, harten Werkstoffen, beispielsweise aus Piezokeramik, hergestellt. Um ein Schwingen bevorzugt in der Dickenresonanz zu erhalten, wird die Wandleranordnung durch sogenannte Feinteilung in einzelne Wandlerelemente aufgetrennt, beispielsweise zersägt, deren Breite nur etwa 100 /um und weniger betragen kann.
Diese streifenförmigen Wandlerelemente müssen einzeln kontaktiert werden. Ein hoher Impedanzunterschied zu einem Last- oder Ankoppelmedium wird im allgemeinen durch eine /4-Anpassungsschicht an der Vorderseite der Wandleranordnung überwunden. Das Material für diese Anpassungsschicht ist in der Zusammensetzung ein spezieller Stoff mit eng begrenzter Dickentoleranz. Um Reflexionen des Ultraschalls an der Rückseite der Wandleranordnung zu vermeiden, ist ein Dämpfungskörper, ein sogenanntes Backing, vorgesehen, der aus einem besonderen Materialgemisch, beispielsweise einem Kleber mit feinem, hartem Zuschlag, besteht. Dieses Gemisch ist notwendig, um sowohl gute Anpassung an die Piezokeramik als auch eine hohe Dämpfung zu gewährleisten. Nur durch die gemeinsame Wirkung der Anpassungsschicht in Verbindung mit dem Dämpfungskörper wird bei einem Array aus Piezokeramik die erwünschte Bandbreite und damit die geforderte axiale Auflösung, beispielsweise bei einem-B-Scan-Bild, erreicht. Die Homogenität der Empfindlichkeit des Arrays über die gesamte Fläche bei einem Array mit einer größeren Anzahl von Wandlerelementen, beispielsweise mehr als 50 Wandlerelementen, läßt sich nur schwer erreichen (DE-OS 29 01 231).
Es ist ferner bekannt, daß eine piezoelektrische Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF als Detektor für Ultraschallschwingungen verwendet werden kann ("Ultrasonics", Jan. 1976, Seiten 15 bis 23).
Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den Gestaltungsmerkmalen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Der als Grundkörper dienenden Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF ist ein Muster von metallisierten Flächen zugeordnet, die jeweils als Elektrode für eines der Wandlerelemente dienen. Dieses Muster von metallisierten Flächen kann vorzugsweise auf dem mechanischen Träger befestigt werden. Das empfangene Signal wird dann kapazitiv angekoppelt. Die gegenüberliegende Flachseite des Grundkörpers kann zweckmäßig mit einem gemeinsamen durchgehenden Kontakt versehen werden, der auf Nullpotential gelegt werden kann. Die Wandlerelemente werden lediglich durch das zugeordnete metallische Muster der Elektroden gebildet und die Folie ist auch nur in diesen Bereichen polarisiert.
Durch die hohe Bedämpfung des Materials der Folie wird ein Ubersprechen zwischen benachbarten Wandlerelementen innerhalb dieser monolithischen Wandleranordnung weitgehend ausgeschlossen. Durch die Flexibilität des Grundkörpers mit der monolithischen Anordnung der Wandlerelemente und den Elektroden erhält man eine Baueinheit, die in einfacher Weise einer gewünschten Form des Trägers und damit einer beliebigen Oberflächenform des zu untersuchenden Mediums, beispielsweise Teilen des menschlichen Körpers wie der menschlichen Brust, angepaßt werden kann.
Das metallische Muster einschließlich seiner metallischen Anschlußleiter kann aber auch auf eine Flachseite der piezoelektrischen Folie direkt aufgebracht werden.
Die mit den als Elektrode dienenden metallischen Oberflächenbereichen versehene Folie wird dann auf den Träger aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt oder aufgekittet.
In einer besonderen Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung kann ein Träger aus einem Material mit wesentlich höherer Schallimpedanz als der Grundkörper vorgesehen sein. Ferner kann ein Träger aus einem Material mit wenigstens annähernd der gleichen Schallimpedanz wie das zu untersuchende Medium verwendet werden. Für eine Verwendung der Ultraschallwandleranordnung als Hydrophon kann der Träger vorzugsweise aus vulkanisierbarem, ungesättigtem Äthylen-Propylen-Kautschuk bestehen, der Diene enthält und unter der Bezeichnung EPDM-Gummi bekannt ist. Mit dieser Ausführungsform erhält man eine flexible Wandleranordnung.
Durch das Polyvinylidenfluorid PVDF des Grundkörpers und die damit verbundene gute Anpassung an ein schalltragendes Medium, beispielsweise Wasser, ist das -breitbandige Verhalten der Ultraschallwandleranordnung gesichert. Bei einem Grundkörper von genügend homogener Dicke ist auch die Empfindlichkeit über die Fläche der Anordnung homogen. Das mechanische Uberkoppeln der Ultraschallwandler untereinander ist bei diesem monolithischen Aufbau, bei dem die Wandlerelemente innerhalb der Folie durch die polarisierten Bereiche unter den Metallisierungen- gebildet werden, nur gering.
Das Uberkoppeln bei einer Ultraschallwandleranordnung mit einem Träger, dessen Schallimpedanz wesentlich größer ist als die Schallimpedanz des Grundkörpers, dem sogenannten Hard-Backing, läßt sich weiter vermindern, wenn das Backing, nämlich der Träger, bis zu einer Tiefe von etwa der Wellenlänge 2 zwischen den Ultraschallwandlern eingesägt wird. Die Strahlcharakteristik entspricht etwa der theoretischen Charakteristik eines der Wandlerelemente und ist im wesentlichen frei von Nebenkeulen. Eine gute Empfangsempfindlic-hkeit erhält man mit einem Träger beispielsweise aus Keramik und eine hohe Echofreiheit mit einem weichen Backing, beispielsweise einem massiven Körper aus einem Polyvinylidenfluorid.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 und 2 Jeweils eine Ausführungsform einer Ultraschallwandleranordnung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.
In der Ausführungsform einer Ultraschallwandleranordnung nach Figur 1 sind ein flacher Grundkörper mit 2, mehrere Elektroden mit 4 bis 8 sowie eine an der oberen Flachseite des Grundkörpers 2 angeordnete gemeinsame Elektrode mit 9 und ein Trägerkörper mit 10 bezeichnet. Der Grundkörper 2 besteht aus einer piezoelektrischen Folie, vorzugsweise aus Polyvinylidenfluorid PVDF, und ist nur in den Bereichen in Richtung seiner Dicke polarisiert, die jeweils zwischen einer der Elektroden 4 bis 8 und der gemeinsamen Elektrode 9 liegen. Diese Bereiche bilden somit jeweils ein Wandlerelement, die in der Figur gestrichelt angedeutet und mit 14 bis 18 bezeichnet sind. Die Elektroden 4 bis 8 sind jeweils mit einem elektrischen Anschlußleiter versehen, die in der Figur mit 24 bis 28 bezeichnet sind. Im Bereich dieser Anschlußleiter 24 bis 28 ist der Grundkörper 2 nicht polarisiert, so daß diese Bereiche elektroakustisch unwirksam sind.
Die Elektroden 4 bis 8 bestehen aus elektrisch leitendem Material beispielsweise Silber, das auf den Trägerkörper 10 aufgebracht, beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert ist. Diese Elektroden 4 bis 8 können beispielsweise aus einer aufgebrachten Metallschicht herausgeätzt sein. Ferner kann eine Dampfmaske verwendet werden, mit deren Hilfe nur die Oberflächenbereiche der Elektroden 4 bis 8 mit der Metallauflage versehen werden. Zweckmäßig können mit den Elektroden 4 bis 8 zugleich auch die elektrischen Anschlußleiter 24 bis 28 aufgebracht werden, an denen jeweils eine Steuerleitung angeschlossen, beispielsweise angelötet, werden kann.
Der mechanische Träger 10, das sogenannte Backing, kann vorzugsweise aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz bestehen. Zu dieser Ausführungsform als sogenanntes Hard-Backing ist beispielsweise Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid Al 203,2geeignet, dessen Schallimpedanz etwa 40 106 kg/m s beträgt. Ferner ist auch Quarz mit einer Schallimpedanz von 14 . 106 kg/m2s geeignet. Diese Baueinheit aus Träger und Elektroden wird dann mit Hilfe einer in der Figur nicht dargestellten dünnen Kleber- oder Kitt schicht am Grundkörper 2 befestigt. Diese Kleberschicht besteht aus elektrisch isolierendem Material und das empfangene Signal wird im Frequenzbereich von etwa 1 bis 10 MHz von den Wandlerelementen 14 bis 18 auf die Elektroden 4 bis 8 kapazitiv übergekoppelt.
In der Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung nach Figur 2 sind die Elektroden 4 bis 8 mit ihren in der Figur nicht näher bezeichneten Anschlußleitern an der unteren Flachseite des Grundkörpers 2 angebracht.
Die gemeinsame Elektrode 9 an der oberen Flachseite des Grundkörpers 2 wird im allgemeinen auf Nulipotential gelegt. In dieser Ausführungsform wird diesen Grundkörper 2 bildende und mit ihren ElektrodefrÄ4 bis 9 versehene PVDF-Folie mit Hilfe einer in der Figur nicht dargestellten Klebe- oder Kittschicht auf dem Träger 10 befestigt. In dieser Ausführungsform liegt die Klebeschicht zwischen den Elektroden 4 bis 8 und dem Träger 10. In der Ausführungsform als Hydrophon zur Aufnahme von Ultraschallschwingungen aus einem Ankopplungsmedium, beispielsweise Wasser, kann der Trägerkörper 10 vorzugsweise aus einem vulkanisierbaren, ungesättigten Äthylen-Propylen-Kautschuk bestehen, der Diene enthält und unter der Bezeichnung EPDM-Gummi bekannt ist.
Das mechanische Uberkoppeln der Wandlerelemente 14 bis 18 ist bei diesem monolithischen Aufbau nur gering. In der Ausführungsform eines Hard-Backings läßt sich das Uberkoppeln weiter vermindern, wenn man den Träger 10 zwischen den einzelnen Wandlerelementen 14 bis 18 einsägt, vorzugsweise bis zu einer Tiefe der Wellenlänge .
6 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite

Claims

Patentansprüche A). Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Wandlerelementen (14 bis 18) und einem flachen Grundkörper (2), dem an seinen beiden Flachseiten Elektroden (4 bis 8 und 9) zugeordnet sind, zur Aufnahme von Ultraschallschwingungen aus einem schalltragenden Medium, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF als Grundkörper (2) vorgesehen ist, die an einer ihrer Flachseiten in vorbestimmten Bereichen, die jeweils eines der Wandlerelemente (14 bis 18) bilden, Jeweils mit einer Elektrode (4 bis 8) aus elektrisch leitendem Material versehen ist und in diesen Bereichen in Richtung ihrer Dicke polarisiert ist und auf einem mechanischen Träger (10) angeordnet ist.
2. Ultraschallwandleranordnung 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 Elektroden (4 bis 8) auf dem Grundkörper (2) befestigt sind.
3. Ultraschallwandleranordnung 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 Elektroden (4 bis 8) am Träger (10) befestigt sind.
4. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Träger (10) aus einem Material mit wesentlich höherer Schallimpedanz als der Grundkörper (2) vorgesehen ist.
5. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Träger (10) aus einem Material mit wenigstens annähernd der gleichen Schallimpedanz wie das schalltragende Medium besteht.
6. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 5 zur Verwendung als Hydrophon, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Träger (10) aus EPDM-Gummi besteht.