DE3309234A1 - Ultrasonic transducer - Google Patents

Ultrasonic transducer

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DE3309234A1
DE3309234A1 DE19833309234 DE3309234A DE3309234A1 DE 3309234 A1 DE3309234 A1 DE 3309234A1 DE 19833309234 DE19833309234 DE 19833309234 DE 3309234 A DE3309234 A DE 3309234A DE 3309234 A1 DE3309234 A1 DE 3309234A1
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Reinhard Dr. 8520 Erlangen Lerch
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile

Abstract

An ultrasonic transducer with a support body (2), a transmitting layer (6) and a receiving layer (4) which consists of a piezo-electric plastic foil. According to the invention, the receiving layer (4) is arranged on the support body (2) and the transmitting layer (6) consists of a stack of thin piezo-electric plastic foils (8) which is arranged on the receiving layer (4) and the total thickness of the receiving layer (4) and transmitting layer (6) is a quarter wavelength at a predetermined resonant frequency. This provides a high-power sensitive ultrasonic transducer. <IMAGE>

Description

UltraschallwandlerUltrasonic transducer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einem Tragkörper, einer Sendeschicht und einer Empfangsschicht, die aus einer piezoelektrischen Kunststoffolie besteht.The invention relates to an ultrasonic transducer with a Support body, a transmitting layer and a receiving layer, which consists of a piezoelectric Consists of plastic film.

In der medizinischen Ultraschalldiagnostik und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden Ultraschallbreitbandwandler eingesetzt. Insbesondere die medizinische Anwendung, wo mit möglichst geringen Verlusten eine Kopplung zwischen Gewebe und Schallwandler vorgenommen werden muß, erfordert eine Verbesserung der elektromechanischen und akustischen Eigenschaften dieser Wandlersysteme.In medical ultrasound diagnostics and non-destructive Ultrasonic broadband transducers are used for material testing. especially the medical application, where a coupling between Tissue and transducer needs to be made requires an improvement in the electromechanical and acoustic properties of these transducer systems.

Es ist ein Ultraschallwandler bekannt, der eine Sendeschicht aus einem Material mit verhältnismäßig hoher dielekrischer Konstante und hoher Schallimpedanz und einer Empfangsschicht aus einem Material mit verhältnismäßig niedriger dielektrischer Konstante und niedriger Schallimpedanz, die in Hybridtechnik flächig aufeinanderliegend verbunden sind. Die Sendeschicht besteht beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT oder Bleimetaniobat Pb(N03). Die Empfangsschicht besteht demgegenüber aus einer piezoelektrischen Kunststoffolie mit einer akustischen Impedanz von etwa 3x106 Pas/m, beispielsweise Polyvinyliden-Fluorid PVDF oder Polykarbonat oder Polyvinylchlorid PVC (deutsche Patentschrift 29 14 031).There is an ultrasonic transducer known, which has a transmission layer from a Material with a relatively high dielectric constant and high acoustic impedance and a receiving layer made of a relatively low dielectric material Constant and low acoustic impedance, which in hybrid technology lie flat on top of one another are connected. The transmission layer consists, for example, of lead-zirconate-titanate PZT or lead metaniobate Pb (N03). The receiving layer, on the other hand, consists of one piezoelectric plastic film with an acoustic impedance of about 3x106 Pas / m, for example polyvinylidene fluoride PVDF or polycarbonate or polyvinyl chloride PVC (German Patent 29 14 031).

Es ist ferner ein Ultraschallwandler bekannt, der einen Tragkörper aus einem Material mit verhältnismal3ig hoher akustischer Impedanz und einen >/4-dicken Stapel dünner elektrisch parallelgeschalteter piezoelektrischer Kunststoffolien hat. Diese piezoelektrischen Kunststofffolien sind entgegengesetzt polarisiert und mechanisch in Reihe geschaltet. Als piezoelektrischer Kunststoff ist Polyvinyliden-Fluorid PVDF vorgesehen (R.C.Swartz, J.D.Plummer,"On the Generation of High-frequency Acoustic Energy with Polyvinylidene-Fluoride", IEEE Trans. on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-27, No. 6, 1980, Seiten 295 bis 303).Furthermore, an ultrasonic transducer is known which has a support body Made of a material with a relatively high acoustic impedance and a> / 4-thick Stack of thin, electrically parallel-connected piezoelectric plastic films Has. These piezoelectric plastic films are polarized in opposite directions and mechanically connected in series. As a piezoelectric plastic, polyvinylidene fluoride is used PVDF provided (R.C.Swartz, J.D.Plummer, "On the Generation of High-frequency Acoustic Energy with Polyvinylidene-Fluoride ", IEEE Trans. On Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-27, No. 6, 1980, pages 295-303).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler anzugeben, dessen Sende- und Empfangs schicht aus einem piezoelektrischen Polymer bestehen. Außerdem soll die Sende- und Empfangsschicht getrennt optimiert werden.The invention is now based on the object of an ultrasonic transducer indicate whose transmitting and receiving layer is made of a piezoelectric polymer exist. In addition, the sending and receiving layers should be optimized separately.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß die Sendeschicht aus einem Stapel dünner piezoelektrischer Kunststoffolien und die Empfangsschicht aus einer piezoelektrischen Kunststoffolie besteht, erhält man einen leistungsstarken und empfindlichen Ultraschallwandler.This object is achieved according to the invention with the characterizing Features of claim 1. Characterized in that the transmitting layer is thinner from a stack piezoelectric plastic film and the receiving layer made of a piezoelectric If there is plastic film, you get a powerful and sensitive ultrasonic transducer.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.For further explanation, reference is made to the drawing, in the one embodiment of an ultrasonic transducer according to the invention schematically is illustrated.

In der dargestellten Ausführungsform enthält ein Ultraschallwandler einen Tragkörper 2, eine Empfangsschicht 4 und eine Sendeschicht 6. Die Sendeschicht 6 besteht aus einem Stapel dünner piezoelektrischer Kunststofffolien 8, die elektrisch parallelgeschaltet und entgegengesetzt polarisiert sind. Die Empfangsschicht 4 ist auf dem Tragkörper 2 angeordnet und die Sendeschicht 6 ist auf der Empfangsschicht 4 vorgesehen. Der Tragkörper 2 dient zugleich als hartes Backing für die Empfangsschicht 4. Unter Umständen kann es nützlich sein, daß die Sendeschicht 6 auf dem Tragkörper 2 angeordnet ist und die Empfangsschicht 4 auf der Sendeschicht 6 vorgesehen ist. Sämtliche Schichten können vorzugsweise großflächig in Hybridtechnik miteinander verbunden sein. Die Cesamtdicke der Empfangsschicht 4 und der Sendeschicht 6 beträgt bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz eine viertel Wellenlänge. Bei einer Resonanzfrequenz von etwa 2 MHz beträgt die Gesamtdicke der Empfangsschicht 4 und der Sendeschicht 6 beispielsweise 275 pm und bei einer Resonanzfrequenz von etwa 10 MHz beträgt die Gesamtdicke 55 pm. Die Dicke der Sendeschicht beträgt ein Vielfaches, beispielsweise 2 bis 15fache, der Dicke der Empfangsschicht 4. Die Empfangsschicht 4 ist bis zu einer Frequenz von etwa 4 MHz beispielsweise 25 pm dick, während bei höheren Frequenzen die Empfangsschicht 4, beispielsweise 50 Mm dick ist. Bis zu einer Frequenz von beispielsweise 4 MHz kann der Stapel der Sendeschicht 6 aus beispielsweise 25 um dicken piezoelektrischen Kunststoffolien 8, während für höhere Frequenzen der Stapel aus beispielsweise 9 Mm dicken piezoelektrischen Kunststofffolien 8 aufgebaut sein kann. Als Material für die piezoelektrischen Kunststoffolien 8 und der Empfangsschicht 4 kann man beispielsweise Polyvinylchlorid PVC, insbesondere Polyvinyliden-Fluorid PVDF verwenden.In the illustrated embodiment, it includes an ultrasonic transducer a support body 2, a receiving layer 4 and a transmitting layer 6. The transmitting layer 6 consists from a stack of thin piezoelectric plastic films 8, which are electrically connected in parallel and polarized in opposite directions. The receiving layer 4 is arranged on the support body 2 and the transmitting layer 6 is on the receiving layer 4 provided. The support body 2 also serves as a hard backing for the receiving layer 4. Under certain circumstances it can be useful that the transmission layer 6 on the support body 2 is arranged and the receiving layer 4 is provided on the transmitting layer 6. All of the layers can preferably be joined together over a large area using hybrid technology be connected. The total thickness of the receiving layer 4 and the transmitting layer 6 is a quarter wavelength at a predetermined resonance frequency. At a resonance frequency of about 2 MHz is the total thickness of the receiving layer 4 and the transmitting layer 6, for example, 275 pm and at a resonance frequency of about 10 MHz Total thickness 55 pm. The thickness of the transmission layer is a multiple, for example 2 to 15 times, the thickness of the receiving layer 4. The receiving layer 4 is up to a frequency of about 4 MHz, for example, 25 pm thick, while at higher frequencies the receiving layer 4 is, for example, 50 µm thick. Up to a frequency of for example 4 MHz, the stack of the transmission layer 6 can be for example 25 μm thick piezoelectric plastic sheets 8, while for higher frequencies the stack be constructed from, for example, 9 µm thick piezoelectric plastic films 8 can. As a material for the piezoelectric plastic films 8 and the receiving layer 4, for example, polyvinyl chloride PVC, in particular polyvinylidene fluoride Use PVDF.

Durch diese Gestaltung erhält man einen leistungsstarken und empfindlichen Ultraschallwandler, dessen Empfangsschicht 4 und dessen Sendeschicht 6 getrennt den Einsatzbereich des Ultraschallwandlers angepaßt werden.This design gives you a powerful and sensitive one Ultrasonic transducer, whose Receiving layer 4 and its sending layer 6 can be adapted separately to the area of application of the ultrasonic transducer.

5 Patentansprüche 1 Figur Leerseite5 claims 1 figure Blank page

Claims (5)

Patentansprüche i IJltraschallwandler mit einem Tragkörper (2), einer Sendeschicht (6) und einer Empfangsschicht (4), die aus einer piezoelektrischen Kunststoffolie besteht, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Empfangsschicht (4) auf dem Tragkörper (2) angeordnet ist und daß die Sendeschicht (6) aus einem Stapel dünner piezoelektrischer Kunststoffolien (8) besteht und auf der Empfangsschicht (4) angeordnet ist und daß die Gesamtdicke der Empfangsschicht (4) und der Sendeschicht (6) bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz eine viertel Wellenlänge beträgt.Claims i Ultrasonic transducer with a support body (2), a Sending layer (6) and a receiving layer (4), which consists of a piezoelectric Plastic film is made up of the fact that the receiving layer is not shown (4) is arranged on the support body (2) and that the transmission layer (6) consists of a Stack of thin piezoelectric plastic films (8) consists and on the receiving layer (4) is arranged and that the total thickness of the receiving layer (4) and the sending layer (6) is a quarter wavelength at a predetermined resonance frequency. 2-. Ultraschallwandler 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 Dicke der Sendeschicht (6) ein Vielfaches der Dicke der Empfangsschicht (4) beträgt. 2-. Ultrasonic transducer according to Claim 1, d u r c h g e n n n z e i c h n e t that the thickness of the transmitting layer (6) is a multiple of the thickness of the Receiving layer (4) is. 3. Ultraschallwandler 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 Tragkörper (2) als hartes Backing in bezug auf die Empfangsschicht (4) vorgesehen ist. 3. Ultrasonic transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n notices that the support body (2) acts as a hard backing with respect to the receiving layer (4) is provided. 4. Ultraschallwandler 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 Empfangsschicht (4) ebenfalls aus einer piezoelektrischen Kunststoffolie besteht. 4. Ultrasonic transducer according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the receiving layer (4) also consists of a piezoelectric Consists of plastic film. 5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 und 4, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die piezoelektrische Kunststoffolie der Empfangsschicht (4) und der Sendeschicht (6) jeweils aus Polyvinyliden-Fluorid PVDF bestehen. 5. Ultrasonic transducer according to claim 1 and 4, d ad u r c h g e k e It is noted that the piezoelectric plastic film of the receiving layer (4) and the transmission layer (6) each consist of polyvinylidene fluoride PVDF.
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