DE3309236A1 - ULTRASONIC CONVERTER - Google Patents
ULTRASONIC CONVERTERInfo
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Abstract
Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser ZeichenSIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Our mark
Berlin und München VPA 83 P 307 5 DEBerlin and Munich VPA 83 P 307 5 DE
Ul traschallwandlerUltrasonic transducer
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einem Tragkörper, einer Sendeschicht aus einem Material mit verhältnismäßig hoher dielektrischer Konstante und einer ersten X/4-Anpassungsschicht, die der Sendeschicht zugewandt ist sowie einer zweiten X/4-Anpassungsschicht, die einer Last zugewandt ist.The invention relates to an ultrasonic transducer with a support body, a transmission layer made of a Material with a relatively high dielectric constant and a first X / 4 matching layer, the facing the transmit layer and a second X / 4 adaptation layer facing a load.
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 sound transducer with the lowest possible losses must be made requires an improvement in the electromechanical and acoustic properties these converter systems.
Es ist ein Ultraschallwandler bekannt, dessen Keramikwandler durch zwei λ/4-Anpassungsschichten an ein Lastmedium Gewebe oder Wasser angepaßt wird. Dieses Wandlersystem enthält ein Backing aus Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz von 3x10 Pas/m, einen Keramikwandler, eine erste X/4-Anpassungsschicht aus Glas mit einer akustischen Impedanz von 10x10 Pas/m und eine zweite λ/4-Anpassungsschicht aus Polyacryl oder aus Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz von 3x10 Pas/m. Der Keramikwandler ist auf einem Backing angeordnet. Die Glasplatte als erste Anpassungsschicht ist mit einem Adhäsionskleber sehrAn ultrasonic transducer is known, its ceramic transducer is adapted to a load medium tissue or water by means of two λ / 4 adaptation layers. This The transducer system contains a backing made of epoxy resin with an acoustic impedance of 3x10 Pas / m, a Ceramic transducer, a first X / 4 matching layer made of glass with an acoustic impedance of 10x10 Pas / m and a second λ / 4 matching layer made of polyacrylic or epoxy resin with an acoustic impedance of 3x10 Pas / m. The ceramic transducer is arranged on a backing. The glass plate as the first adjustment layer is very with an adhesive glue
3535
Ur 2 Hag / 9.3.1983Ur 2 Hag / 9.3.1983
-2- VPA 83 P 3 0 7 5 DE -2- VPA 83 P 3 0 7 5 DE
niedriger Viskosität vorgenommen, so daß Klebeschichten im Bereich von etwa 2 μΐη vorliegen. Das Epoxidharz, als zweite Anpassungsschicht ist direkt auf die erste Anpassungsschicht aufgegossen (Experimentelle Untersuchungen zum Aufbau von Ultraschallbreitbandwandlern, Biomedizinische Technik, Band 27, Heft 7 bis 8, 1982, Seiten 182 bis 185). Durch diese doppelte >l/4-Anpassung erreicht man nur eine Verbesserung der Empfindlichkeit und der Bandbreite der Keramiksendeschicht. Die Bandbreite dieses Ultraschallwandler beträgt etwa 60 bis 70 % der Mittenfrequenz.Made low viscosity, so that there are adhesive layers in the range of about 2 μΐη. The epoxy resin, as the second adaptation layer, is poured directly onto the first adaptation layer (Experimental investigations on the structure of ultrasonic broadband transducers, Biomedical Engineering, Volume 27, Issues 7 to 8, 1982, pages 182 to 185). This double> 1/4 adjustment only leads to an improvement in the sensitivity and the bandwidth of the ceramic transmission layer. The bandwidth of this ultrasonic transducer is around 60 to 70 % of the center frequency.
Außerdem ist ein Ultraschallwandler bekannt, der eine Sendeschicht aus einem Material mit verhältnismäßig hoher dielektrischer 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(NO,). Die Empfangsschicht besteht demgegenüber aus einer piezoelektrischen Kunststoffolie mit einer akustischen Impedanz von etwa 3x10 Pas/m beispielsweise Polyvinylidenfluorid PVDF oder PoIycarbonat oder Polyvinylchlorid PVC. Die Empfangsschicht soll zugleich Anpassungsschicht für den Sendefall sein (deutsche Patentschrift 29 14 031). Die Ausbildung der Empfangsschicht als Anpassungsschicht zur Anpassung an Körpergewebe kann aber nur als einfache ^./4-Schicht ausgebildet sein. Die Anpassungsschicht für den Sendefall ist jedoch hier keine einfache /4-Anpassung. Bei einfacher 7. /4-Anpassung ergibt sich aus der Theorie eine Anpassungsschicht mit einer akustischen Impedanz von etwa 7x10 Pas/m.In addition, an ultrasonic transducer is known which has a transmitting layer made of a material with a relatively high dielectric constant and high acoustic impedance and a receiving layer made of a material with a relatively low dielectric constant and low acoustic impedance, which are connected in hybrid technology to lie on top of one another. The transmission layer consists, for example, of lead zirconate titanate PZT or lead metaniobate Pb (NO,). In contrast, the receiving layer consists of a piezoelectric plastic film with an acoustic impedance of about 3 × 10 Pas / m, for example polyvinylidene fluoride PVDF or polycarbonate or polyvinyl chloride PVC. The receiving layer should also be an adaptation layer for the transmission case (German patent specification 29 14 031). The formation of the receiving layer as an adaptation layer for adaptation to body tissue can, however, only be in the form of a simple ^. / 4-layer. However, the adaptation layer for the transmission case is not a simple / 4 adaptation here. In simple 7/4 matching results from the theory of a matching layer having an acoustic impedance of about 7x10 Pas / m.
-S--S-
-/- VPA 83 ρ 3 ο 7 5 QE- / - VPA 83 ρ 3 ο 7 5 QE
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler mit einem effektiven breitbandigen Sender und einem empfindlichen und breitbandigen Empfänger anzugeben. Außerdem soll das keramische Schwingermaterial der Sendeschicht breitbandig an Gewebe oder Wasser angepaßt werden.The invention is now based on the object of a Ultrasonic transducer with an effective broadband transmitter and a sensitive broadband transmitter Specify recipient. In addition, the ceramic oscillator material of the transmission layer should be broadband Tissue or water to be adapted.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß die zweiteλΑ-Anpassungsschicht zugleich als Empfangsschicht und die erste λ/4-Anpassungsschicht zugleich als hartes Backing für die Empfangsschicht vorgesehen ist, erhält man einen Ultraschallwandler, dessen Sendeschicht reflexionsarm an eine Last angepaßt ist und dessen Empfangsschicht außergewöhnlich empfindlich und breitbandig ist.This object is achieved according to the invention with the characterizing Features of claim 1. Characterized in that the second λΑ adaptation layer at the same time as a receiving layer and the first λ / 4 adaptation layer at the same time is provided as a hard backing for the receiving layer, you get an ultrasonic transducer whose The transmitting layer is adapted to a load with low reflection and its receiving layer is exceptionally sensitive and is broadband.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Ultraschallwandlers besteht die Empfangsschicht aus einem Stapel dünner elektrisch in Serie geschalteter piezoelektrischer Kunststoffolien. Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht kann man die einzelnen piezoelektrischen Kunststoffolien aufgrund der geringen Dicke einfacher polarisieren.In a particularly advantageous embodiment of the With the ultrasonic transducer, the receiving layer consists of a stack of thin ones that are electrically connected in series piezoelectric plastic films. Through this design of the receiving layer one can see the individual piezoelectric plastic films due to the low Polarize thickness more easily.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ultraschallwandlers besteht die Empfangsschicht aus einer aktiven und einer passiven piezoelektrischen Kunststoffolie, wobei die aktive piezoelektrische Kunststoffolie auf der ersten Anpassungsschicht angeordnet ist und die passive piezoelektrische Kunststofffolie der Last zugewandt ist. Die Dicke der passiven piezoelektrischen Kunststoffolie beträgt ein Vielfaches der Dicke der aktiven piezoelektrischen Kunststoffolie.In a further advantageous embodiment of the In the ultrasonic transducer, the receiving layer consists of an active and a passive piezoelectric Plastic film, the active piezoelectric plastic film being arranged on the first matching layer and the passive piezoelectric plastic sheet faces the load. The thickness of the passive piezoelectric plastic film is a multiple the thickness of the active piezoelectric plastic film.
-ί--ί-
-/- VPA 83 P 3 0 7 5 DE- / - VPA 83 P 3 0 7 5 DE
Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht erhält man
einen breitbandigen, empfindlichen Ultraschallwandler mit verhältnismäßig großer Kapazität und entsprechend
geringer Innenimpedanz.
5This design of the receiving layer results in a broadband, sensitive ultrasonic transducer with a relatively large capacity and a correspondingly low internal impedance.
5
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.Reference is made to the drawing for further explanation taken, in which an embodiment of an ultrasonic transducer is illustrated schematically according to the invention.
Figur 1 zeigt einen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung und inFigure 1 shows an ultrasonic transducer according to the invention and in
Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
dargestellt.
Figur 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform
der Erfindung.FIG. 2 shows an advantageous embodiment of the invention.
Figure 3 illustrates another embodiment of the invention.
In der Ausführungsform nach Figur 1 enthält ein Ultraschallwandler einen Tragkörper 2, eine Sendeschicht 4 und zwei λ/4-Anpassungsschichten, wobei die zweite λA-Anpassungsschicht zugleich als Empfangsschicht 6 vorgesehen ist. Die erste λ/4-Anpassungsschicht 8 ist der Sendeschicht 4 zugewandt und ist zugleich als hartes Backing für die Empfangsschicht 6 vorgesehen. Sämtliche Schichten können vorzugsweise großflächig in Hybridtechnik miteinander verbunden sein. Die Dicken der Anpassungsschichten betragen jeweils bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz eine viertel Wellenlänge. Bei einer Resonanzfrequenz von etwa 10 MHz beträgt die Dicke der Anpassungsschichten beispielsweise 55 um und bei einer Resonanzfrequenz von etwa 2 NHz beispielsweise 275 pm. Als Sendeschicht 4 dient ein Material mit relativ hoher dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz, beispielsweise ein Piezokeramik-Material. Zu bevorzugen ist hierbei eine Sendeschicht 4 aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT oder Bleimetaniobat Pb(NO7).In the embodiment according to FIG. 1, an ultrasonic transducer contains a support body 2, a transmission layer 4 and two λ / 4 adaptation layers, the second λA adaptation layer being provided at the same time as the reception layer 6. The first λ / 4 adaptation layer 8 faces the transmission layer 4 and is at the same time provided as a hard backing for the reception layer 6. All layers can preferably be connected to one another over a large area using hybrid technology. The thicknesses of the adaptation layers are in each case a quarter wavelength at a predetermined resonance frequency. At a resonance frequency of approximately 10 MHz, the thickness of the adaptation layers is, for example, 55 μm, and at a resonance frequency of approximately 2 NHz, for example, 275 μm. A material with a relatively high dielectric constant and high sound impedance, for example a piezoceramic material, is used as the transmission layer 4. A transmission layer 4 made of lead zirconate titanate PZT or lead metaniobate Pb (NO 7 ) is preferred here.
-1 --5- VPA 83 P 30 7 5DE -1 - -5- VPA 83 P 30 7 5DE
Die beiden Anpassungsschichten haben die Aufgabe, unterschiedliche akustische Impedanzen reflexionsarm aneinander anzupassen. Hier muß man die Sendeschicht aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT mit einer akustischen Impedanz von ungefähr 30x10 Pas/m einer Last, beispielsweise Gewebe oder Wasser mit einer akustischen Impedanz von 1,5x10 Pas/m, anpassen. Um eine optimale reflektionsarme Anpassung zu erreichen, ist aus der Theorie die mehrstufige Transformation mit zwei λ/4-Anpassungsschichten bekannt, bei der ein zulässiger Eingangsreflexionsfaktor nach demThe task of the two adaptation layers is to ensure that different acoustic impedances are low-reflection adapt to each other. Here you have to use the transmission layer made of lead-zirconate-titanate PZT with an acoustic Impedance of about 30x10 Pas / m of a load, for example tissue or water with an acoustic Adjust the impedance of 1.5x10 Pas / m. To get an optimal Achieving low reflection adjustment is out of the Theory known the multi-stage transformation with two λ / 4 adaptation layers, in which one permissible Input reflection factor according to the
'^~N Tschebyscheff-Verlauf approximiert wird. Hieraus ergibt sich für die erste λ/4-Anpassungsschicht 8 eine akustische Impedanz von etwa I4x 10 Pas/m und für die zweite 3/4-Anpassungsschicht eine akustische Impedanz von etwa 4x10 Pas/m. Als Material für die erste Anpassungsschicht 8 kann man beispielsweise Porzellan, vorzugsweise Quarzglas, insbesondere einen glasartigen Stoff (Macor) und für die zweite Anpassungsschicht kann man beispielsweise Polyvinylchlorid PVC,, insbesondere PolyvinylidenFluorid PVDF, verwenden.'^ ~ N Chebyshev curve is approximated. This results in an acoustic impedance of approximately 14 × 10 Pas / m for the first λ / 4 adaptation layer 8 and an acoustic impedance of approximately 4 × 10 Pas / m for the second 3/4 adaptation layer. Porcelain, preferably quartz glass, in particular a vitreous material (Macor), for example, can be used as the material for the first adaptation layer 8, and polyvinyl chloride PVC, in particular polyvinylidene fluoride PVDF, for example, can be used for the second adaptation layer.
Damit die zweite Anpassungsschicht zugleich als —^ Empfangsschicht 6 dient, muß man die Polyvinyliden-Fluorid PVDF-Schicht polarisieren und mit elektrischen Anschlüssen versehen, die, wie die elektrischen Anschlüsse der Sendeschicht, in der Figur 1 nicht dargestellt sind.So that the second adaptation layer also serves as - ^ receiving layer 6, you have to use the polyvinylidene fluoride Polarize the PVDF layer and provide electrical connections that, like the electrical Connections of the transmission layer, not shown in FIG. 1.
Durch diese Gestaltung erhält man einen breitbandigen und empfindlichen Ultraschall wandler, der insbesondere wegen seiner annähernd reflexionsarmen Kopplung zwischen Gewebe und Ultraschallwandler in der Medizin Anwendung findet.This design gives a broadband and sensitive ultrasonic transducer, which in particular because of its almost anechoic coupling between tissue and ultrasonic transducer in medicine Applies.
3535
-jS- VPA 83 P307 5DE-jS- VPA 83 P307 5DE
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform nach Figur 2 besteht die Empfangsschicht 6 aus einem Stapel dünner elektrisch in Serie geschalteter piezoelektrischer Kunststoffolien 10. Diese piezoelektrischen Kunststoffolien 10 sind jeweils in derselben Richtung polarisiert und die Dicke des Stapels beträgt eine viertel Wellenlänge bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz. Bis zu einer Frequenz von beispielsweise 4 MHz kann der Stapel zweckmäßig aus beispielsweise 25 μπι dicken Kunststoffolien 10 bestehen, während für höhere Frequenzen der Stapel aus beispielsweise 9 pm dicken Kunststoffolien 10 aufgebaut sein kann. Als Material für die piezoelekrischen Kunststoffolien der Empfangsschicht 6 kann man beispielsweise Polyvinyl-Chlorid PVC, insbesondere Polyvinylidenfluorid PVDF, verwenden.In a particularly advantageous embodiment according to FIG. 2, the receiving layer 6 consists of a stack of thin piezoelectric cells connected electrically in series Plastic sheets 10. These piezoelectric plastic sheets 10 are each facing in the same direction polarized and the thickness of the stack is a quarter wavelength at a predetermined resonance frequency. Up to a frequency of, for example, 4 MHz, the stack can expediently consist of, for example, 25 μm thick plastic films 10 exist, while for higher frequencies the stack of, for example, 9 pm thick Plastic films 10 can be constructed. As a material for the piezoelectric plastic films Reception layer 6 can be, for example, polyvinyl chloride PVC, in particular polyvinylidene fluoride PVDF, use.
Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht 6 kann man die dünnen, beispielsweise 9 pm bis 25 pm dicken, piezoelektrischen Kunststoffolien sehr gut polarisieren.This configuration of the receiving layer 6 allows the thin, for example 9 μm to 25 μm thick, piezoelectric ones Polarize plastic films very well.
In einer weiteren Ausführungsform nach Figur 3 besteht die Empfangsschicht 6 aus einer aktiven piezoelektrischen Kunststoffolie 12 und einer dickeren passiven piezoelektrischen Kunststoffolie 14. Die Dicke der passiven piezoelektrischen Kunststoffolie 14 der Empfangsschicht 6 beträgt ein Vielfaches, beispielsweise 2 bis 15fache, der Dicke der aktiven piezoelektrischen Kunststoffolie 12 der Empfangsschicht 6. Die aktive piezoelektrische Kunststoffolie 12, die beispielsweise 25 pm dick ist, ist auf die erste λ/4-Αη-passungsschicht 8 angeordnet und die passive piezoelektrische Kunststoffolie 14 ist der Last zugewandt. Auch in dieser Ausführungsform verwendet man als Material für die piezoelektrischen Kunststoffolien derIn a further embodiment according to FIG. 3 there is the receiving layer 6 made of an active piezoelectric plastic film 12 and a thicker passive one piezoelectric plastic sheet 14. The thickness of the passive piezoelectric plastic film 14 of the receiving layer 6 is a multiple, for example 2 to 15 times the thickness of the active piezoelectric plastic film 12 of the receiving layer 6. The active piezoelectric plastic film 12, which is, for example, 25 μm thick, is on the first λ / 4-Αη matching layer 8 and the passive piezoelectric plastic sheet 14 faces the load. In this embodiment too, the material used is used for the piezoelectric plastic films of
-7- VPA 83 P307 5DE-7- VPA 83 P307 5DE
Empfangsschicht 6 beispielsweise Polyvinylchlorid PVC, insbesondere Polyvinylidenfluorid PVDF. Sowohl die aktive als auch die passive piezoelektrische Kunststoffolie 12 bzw. 14 bestehen aus demselben Material, wobei die aktive piezoelektrische Kunststoffolie 12 polarisiert ist.Reception layer 6 for example polyvinyl chloride PVC, especially polyvinylidene fluoride PVDF. Both the active and the passive piezoelectric plastic film 12 and 14 are made of the same material, with the active piezoelectric plastic film 12 is polarized.
Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht 6 erhält man einen breitbandigen und empfindlichen Ultraschallwandler mit verhältnismäßig großer Kapazität und entsprechend geringer Innenimpedanz bei verhältnismäßig kleinen räumlichen Abmessungen.This design of the receiving layer 6 results in a broadband and sensitive ultrasonic transducer with relatively large capacity and correspondingly low internal impedance at relatively small spatial dimensions.
10 Patentansprüche
3 Figuren10 claims
3 figures
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Claims (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8130 | Withdrawal |