DE4325028B4

DE4325028B4 - Ultraschall-Wandlereinrichtung mit einem ein- oder zweidimensionalen Array von Wandlerelementen

Info

Publication number: DE4325028B4
Application number: DE4325028A
Authority: DE
Inventors: Fritz Breimesser; Bernd Dr. Gromoll; Hans-Peter Heindel; Bertram Sachs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-07-26
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2013-07-27
Also published as: JPH0767199A; US5427106A; DE4325028A1

Abstract

Ultraschall-Wandlereinrichtung mit einem ein- oder zweidimensionalen Array von Wandlerelementen, wobei die Einrichtung mindestens ein
plattenförmiges Teilstück aufweist, das
a) einen akustischen Dämpfungskörper,
b) eine Reihe von mehreren an einer Schmalseite des Dämpfungskörpers angeordneten Wandlerelementen, die jeweils einen piezoelektrischen Schwingungskörper mit an gegenüberliegenden Flächen angeordneten Elektroden aufweisen,
c) einen den Wandlerelementen zugeordneten elektronischen Schaltungsteil
sowie
d) Verbindungsleitungen zwischen dem Schaltungsteil und den Elektroden der Wandlerelemente
enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß in
dem mindestens einen Teilstück
– bei jedem Wandlerelement (4_j) eine Elektrode (8a, 8b) zwischen dem Dämpfungskörper (3) und dem Schwingungskörper (6a, 6b) angeordnet ist, deren elektrischer Anschlußteil (9a, 9b) um die Kante zwischen der Schmalseite (3c) und einer angrenzenden Breitseite (3a, 3b) des Dämpfungskörpers (3) geführt ist und mit dem jeweils zugehörenden Verbindungsleiter (10a, 10b) verbunden ist,
– an der von den Wandlerelementen (4_j) abgewandten Schmalseite des Dämpfungskörpers (3) ein...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Wandlereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Wandlereinrichtung ist der Veröffentlichung "Ultrasonics", März 1981, Seiten 81 bis 86 und der GB-A-2 052 918 zu entnehmen.

Auf dem Gebiet der abbildenden Ultraschalltechnik wird ein zu untersuchender, insbesondere menschlicher Körper mit Ultraschallpulsen beschallt. Aus an Grenzflächen dieses Körpers reflektierten Ultraschallechopulsen wird dann von einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit ein Ultraschallbild aufgebaut, wobei als Informationen die Echoamplituden und Echolaufzeiten dienen (vgl. z.B. "Proc. IEEE", Vol. 67, No. 4, Apr. 1979, Seiten 620 bis 641). Zum Senden und Empfangen der Ultraschallpulse nach diesem Puls-Echo-Verfahren werden vorzugsweise piezoelektrische Wandlerelemente eingesetzt. Diese Wandlerelemente können zu einer linearen (eindimensionalen) Reihe oder Kette, einem sogenannten linearen Array, angeordnet sein und werden zur Erzielung einer Richtwirkung von einer elektronischen Steuereinheit separat oder in Gruppen angesteuert. Die Steuerung des Schallstrahls erfolgt im Sendefall durch ein zeitverzögertes Senden der Einzelelemente, wobei sich durch Überlagerung der von den Elementen auslaufenden Wellen nach dem Huygens'schen Prinzip die gewünschte Strahlrichtung ergibt. Im Empfangsfall wird die gewünschte winkelabhängige Empfindlichkeit ebenfalls durch ein zeit- bzw. phasengerechtes Überlagern der von den Einzelelementen aufgezeichneten zeitlichen Signalverläufe erreicht. Entsprechende Arrays von Ultraschall-Wandlerelementen werden deshalb auch als "phased arrays" bezeichnet.

Mit solchen phasenverzögert angesteuerten linearen Arrays können in einer von der Normalen auf der Arrayoberfläche und der Längsrichtung des Arrays aufgespannten Ebene schwenkbare und fokussierbare Ultraschallstrahlen gesendet und empfangen werden. Der relativ zur Normalen gemessene Schwenkwinkel für den Ultraschallstrahl ist dabei um so größer, je kleiner der Abstand zwischen den Wandlerelementen ist. Dieser Abstand wird im allgemeinen etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge λ des Ultraschalls gewählt, um so zusätzliche Beugungsmuster zu unterdrücken, und beträgt beispielsweise bei einer Mittenfrequenz von 3,5 MHz etwa 0,2 mm. Andererseits ist eine bestimmte Mindestlänge des linearen Arrays erforderlich, um eine hinreichende Schallamplitude und ein genaues Fokussieren des Strahls zu erreichen. Aus diesen beiden Forderungen bezüglich des gegenseitigen Abstands der Wandlerelemente und der Mindestlänge des Arrays folgt eine Mindestzahl von Wandlerelementen für das Array, die typischerweise bei 64 oder höher liegt.

Für beliebige Strahlrichtungen eines Ultraschall-Strahles in allen drei Raumachsen, die die Voraussetzung zur Abbildung von bewegten Körpern wie z.B. des Blutflusses im Herzen oder in Adern sind, muß das eindimensionale, lineare Array zu einer zweidimensionalen Matrix, einer so genannten 2D-Array-Anordnung, erweitert werden (vgl. z.B. "Ultrasonics Imaging", Vol. 14, 1992, Seiten 213 bis 233). Solche Matrix-Arrays für eine dreidimensionale Strahlsteuerung (vgl. z.B. "IEEE Trans. Ultrason., Ferroel., Frequ. Contr.", Vol. 38, No. 4, Jul. 1991, Seiten 320 bis 333) müssen hinsichtlich ihres lateralen und axialen Auflösungsvermögens bestimmte Bedingungen erfüllen, um für diagnostische Zwecke geeignet zu sein. Während das axiale Auflösungsvermögen in erster Linie von der abgestrahlten Frequenz und der Bandbreite der erforderlichen Elektronik bestimmt wird, ist das laterale Auflösungsvermögen durch die Frequenz und die effektive Apertur des Arrays festgelegt. Für entsprechende kommerzielle Ultraschall-Wandlereinrichtungen sind folgende Werte üblich:
Mittenfrequenzen: 3,5 bis 10 MHz, effektive Apertur: 19 bis 10 mm, Bandbreite: ≥ 50 % (6dB) bezogen auf die Mittenfrequenz.

Legt man die damit erreichbaren Auflösungsvermögen auch für 2D-Matrix-Arrays zugrunde, dann ergeben sich aufgrund der erwähnten λ/2-Bedingung Einzelelementabstände von 0,2 bis 0,075 mm und Matrizen von mindestens 64 × 64, insbesondere 100 × 100 Elementen. Diese 10000 Elemente sind z.B. auf einer Fläche von 50 mm × 50 mm unterzubringen, wobei ihre schallabstrahlenden Flächen jeweils etwa 0,2 mm × 0,2 mm groß sein können. Die Dicke der einzelnen Elemente beträgt je nach Frequenz und verwendeter Piezokeramik 0,35 mm (für 3,5 MHz) bis unter 0,2 mm (für 10 MHz). Außerdem sollte eine Übersprechdämpfung zwischen den einzelnen Elementen und der ihnen zugeordneten elektronischen Sende- und Empfangskanäle sowohl akustisch als auch elektronisch etwa 30 dB erreichen. Dieses erfordert erhebliche Anstrengungen bezüglich eines geeigneten aku stischen Dämpfungskörpers, eines sogenannten Backings, und auch bezüglich der Isolierungen der einzelnen elektrischen Zuleitungen. Der großen Anzahl von Einzelelementen kann keine entsprechende Anzahl von elektronischen Sende- und Empfangskanälen gegenüberstehen; deshalb ist eine effektive Nutzung der maximal möglichen Kanäle erforderlich, die durch Multiplexer-Schaltungen erreicht werden kann. Für beide Betriebsarten (Senden/Empfang) sind daher elektronische Schaltungsteile in der Nähe der piezoelektrischen Wandlerelemente nötig. Zweckmäßig wird man diese Schaltungsteile als integrierte Schaltungen ausführen, die auf der akustischen Schattenseite der Wandlerelemente anzuordnen sind. Dabei führt eine hohe Packungsdichte der Elemente zu Problemen hinsichtlich der Kontaktierungs- und Aufbautechnik sowie hinsichtlich der abzuführenden Verlustleistung der elektronischen Schaltungsteile.

Aus der eingangs genannten Veröffentlichung und der entsprechenden GB-A ist eine Ultraschall-Wandlereinrichtung mit einer Vielzahl von Ultraschall-Wandlerelementen bekannt, die zu einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Die Wandlereinrichtung ist dabei aus mehreren plattenförmigen Teilstücken zusammengesetzt. Jedes dieser Teilstücken enthält einen plattenförmigen akustischen Dämpfungskörper, an dessen einer Schmalseite eine eindimensionale Reihe (Zeile) von Wandlerelementen angeordnet ist. Diese Wandlerelemente sind durch entsprechende Unterteilung eines streifenförmigen piezokeramischen Körpers ausgebildet. Bei jedem so entstandenen Schwingungskörper eines Elementes sind die beiden erforderlichen Elektroden an gegenüberliegenden Seitenflächen angebracht, so daß die Elektroden parallel zur Schallabstrahlungsrichtung ausgerichtet sind. Die daran angeschlossenen elektrischen Verbindungsleitungen verlaufen über die entsprechenden beiden Breitseiten des Dämpfungskörpers und führen zu einem an dem Dämpfungskörper angebrachten elektronischen Schaltungsteil. Der Schaltungsteil jedes Teilstücks der Wandlereinrichtung setzt sich somit bei der bekannten Ausführungsform aus zwei auf den gegenüberliegenden Breitseiten ihres Dämpfungskörpers befindlichen Schaltungsuntereinheiten zusammen. Aufgrund dieser beidseitigen Anordnung von Schaltungsuntereinheiten auf jedem Dämpfungskörper ist die Packungsdichte der gesamten Wandlereinrichtung aus den einzelnen Teilstücken entsprechend beschränkt. Diese Beschränkung ist auch dadurch bedingt, daß die elektronischen Schaltungsteile auf dem Dämpfungskörper nicht gekühlt sind und so nur eine begrenzte Verlustleistung der Elektronik zugelassen werden kann. Ferner läßt sich der für die bekannte Wandlereinrichtung vorgesehene Aufbau nicht ohne weiteres auch für höhere Frequenzen und damit entsprechend kleinere Abmessungen der Elemente wegen einer Mindestdicke des Siliziums von über 0,1 mm vorsehen. Da außerdem die schallabstrahlenden Elemente an ihrer Unterseite jeweils nur über eine Teilfläche mit dem Dämpfungskörper verbunden sind, ist dadurch ihr Abstrahlverhalten ungünstig beeinträchtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Ultraschall-Wandlereinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß insbesondere zur Ausbildung eines zweidimensionalen Matrix-Arrays ein verhältnismäßig einfacher Aufbau der Wandlereinrichtung mit hoher Packungsdichte ihrer Wandlerelemente ermöglicht wird und dabei ein störungsfreier Betrieb der Einrichtung zu gewährleisten ist. Die genannten Forderungen hinsichtlich der Auflösungsvermögen sollen dabei zumindest im wesentlichen zu erfüllen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung sind somit die zu einem Teilstück gehörenden Verbindungsleitungen und der daran angeschlossene elektronische Schaltungsteil nur auf einer Breitseite dieses Teilstücks angeordnet. Damit läßt sich eine Erhöhung der Packungsdichte gegenüber der bekannten Ausführungsform erreichen. Da der elektronische Schaltungsteil auf einem eigenen Trägerkörper angebracht, insbesondere in diesen integriert ist, kann vorteilhaft dieser Körper unter kühltechnischen und elektrischen bzw. elektronischen Gesichtspunkten großflächig ausgeführt sein. Ferner sind minimale Längen der Verbindungsleitungen zu gewährleisten, so daß sie entsprechend geringe Strahlungsverluste verursachen und auch nur geringen Einstrahlungen unterliegen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schematisch
deren 1 ein aus zwei Teilstücken gebildetes Teilsystem einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlereinrichtung,
deren 2 zwei Wandlerelemente dieses Teilsystems,
deren 3 einen Trägerkörper für elektronische Schaltungsteile der Einrichtung und
deren 4 eine Anordnung von mehreren Trägerkörpern als Teil einer Wandlereinrichtung.
In den Figuren sich entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die erfindungsgemäße Ultraschall-Wandlereinrichtung, die auch als "Applikator" bezeichnet wird oder ein Teil eines solchen Applikators sein kann, setzt sich aus einer bestimmten Anzahl von plattenförmigen Teilstücken zusammen. Jedes Teilstück der Gesamteinrichtung kann vorteilhaft einzeln gefertigt und getestet und dann zu der Gesamteinrichtung gestapelt werden. Jedes dieser Teilstücke soll dabei eine eindimensionale Reihe (Zeile, Kette) von in einer Längsrichtung hintereinander angeordneten Ultraschall-Wandlerelementen enthalten, wobei diese Reihe insbesondere eine Spalte oder eine Zeile einer im allgemeinen rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Matrix-Anordnung aller Wandlerelemente der Einrichtung darstellt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform können jeweils zwei benachbarte Teilstücke als ein Teilsystem mit einer Doppelreihe von Ultraschall-Wandlerelementen ausgebildet sein. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel eines solchen Teilsystems ist in 1 als Schrägansicht veranschaulicht. Dieses allgemein mit 2 bezeichnete Teilsystem kann man sich als zwei Rücken an Rücken aneinandergefügte Teilstücke denken, wobei einzelne Teile dieser Teilstücke nunmehr auch gemeinsame Körper bilden können. Das Teilsystem 2 umfaßt einen akustischen Dämpfungskörper 3, auf dessen oberer Schmalseite 3c zwei Reihen 4a und 4b von Ultraschall-Wandlerelementen 4_j angeordnet sind. Dabei ist j = 1 ...M, wobei M die Gesamtzahl aller Wandlerelemente 4_j der Doppelreihe 4a-4b ist. Beispielsweise sind 2 × 64 solcher Elemente 4_j vorgesehen. Der als Backing für diese Wandlerelemente dienende Dämpfungskörper 3 besteht z.B. aus einem speziellen Epoxidharz. Seine Dicke d ist an die entsprechende Querausdehnung der Doppelreihe 4a-4b angepaßt.
Aus dieser Doppelreihe sind zwei einzelne dieser zumindest im wesentlichen alle gleichgestalteten Ultraschall-Wandlerele mente 4_j in 2 in Seitenansicht wiedergegeben. Jedes dieser Elemente 4_j enthält einen säulen- oder quaderförmigen Schwingungskörper 6a bzw. 6b aus einem piezoelektrischen Material wie z.B. PZT. An den freien Stirnseiten und an den gegenübeliegenden, dem Dämpfungskörper 3 zugewandten Bodenseiten der Schwingungskörper 6a und 6b befinden sich zwei zur Schwingungsanregung dieser Körper erforderliche Elektroden 7 und 8a bzw. 8b, die durch verstärkte Linien angedeutet sind. Diese beispielsweise aus Ti-Au-Schichten bestehenden Elektroden sind somit quer zur Abstrahlungsrichtung der Ultraschall-Strahlung S ausgerichtet; d.h., die Normalen auf den Elektrodenflächen weisen in diese Abstrahlrichtung. Wie in 2 ferner angedeutet ist, können alle Schwingungskörper einer Doppelreihe stirnseitig mit einer gemeinsamen, durchgehenden Elektrode 7 versehen sein, die beispielsweise in Form einer Folie aufgeklebt wird. Diese Elektrode wird im allgemeinen auf Erdpotential gelegt und ist gegebenenfalls von einer Anpaßschicht abgedeckt. Der elektrische Anschluß dieser Elektrode befindet sich dabei am Rand der Doppel reihe. Die bodenseitigen Elektroden 8a und 8b haben jeweils einen elektrischen Anschlußteil 9a bzw. 9b. Diese Anschlußteile führen um eine Kante zwischen der oberen Schmalseite 3c des Dämpfungskörpers 3 und der jeweils angrenzenden Breitseite 3a bzw. 3b und sind dort mit einem elektrischen Verbindungsleiter 10a bzw. 10b kontaktiert.
Wie ferner 1 zu entnehmen ist, können alle zu einer Reihe 4a oder 4b gehörenden und gemeinsam über eine der Breitseiten 3a bzw. 3b des Dämpfungskörpers 3 führenden Verbindungsleiter 10a bzw. 10b zu einem flexiblen Folienleiter 11a bzw. 11b aus z.B. in ein Polyimid eingelagerten oder darauf angeordneten Leiteradern nach Art einer flexiblen gedruckten Schaltung zusammengefaßt sein. Jeder Verbindungsleiter stellt dabei innerhalb eines Kanals i (mit i = 1... bis N, wobei N die Anzahl der Kanäle bzw. Wandlerelemente in einer Reihe ist und somit N = M/2 ist) die elektrische Verbindung zwischen dem zugehörenden Wandlerelement 4_j und einem Elektronikteil 13_i dar. In der Figur ist nur ein zu einem Kanal gehörender Elektronikteil 13_i durch die von ihm belegte Fläche eines entsprechenden Trägerkörpers 14 veranschaulicht. Dieser Trägerkörper ist ebenfalls platten- oder streifenförmig ausgebildet, wobei seine Dicke zumindest weitgehend der Dicke d des Dämpfungskörpers 3 entspricht. Der Trägerkörper 14 ist mit seiner oberen Schmalseite an der unteren Schmalseite des Dämpfungskörpers 3 mechanisch z.B. über die zu beiden Seiten des Dämpfungskörpers angeordneten Folienleiter 11a und 11b befestigt. Dabei kann zwischen den beiden Körpern 3 und 14 aus akustischen Gründen gegebenenfalls ein schmaler Zwischenraum 15 verbleiben. Da die von den Elektronikteilen 13_i eingenommene Fläche auf dem Trägerkörper 14 im allgemeinen eine größere Ausdehnung in Längsrichtung (Hauptausdehnungsrichtung) des Teilsystems 2 gegenüber der entsprechenden Ausdehnung der Doppelreihe 4a-4b an Wandlerelementen 4_j beansprucht, kann vorteilhaft jeder Folienleiter 11a, 11b sich vom Bereich der Wandlerelemente auf den Bereich der Elektronikteile hin verbreiternd ausgestaltet sein.
Der innerhalb eines elektronischen Kanals zugeordnete Elektronikteil 13_i ist im allgemeinen sowohl für den Sendefall als auch für den Empfangsfall ausgelegt. Gegebenenfalls ist es jedoch auch möglich, für diese beiden Betriebsarten getrennte Elektronikteile, z.B. mit unterschiedlichen Technologien vorzusehen, wobei diese Teile auch hintereinander angeordnet werden können. Alle zu einer Wandlerelementereihe gehörenden Elektronikteile bilden mindestens einen elektronischen Schaltungsteil. Dabei sei der der Wandlerelementereihe 4a zuzuordnende, in der 1 bis auf den zu einem Kanal gehörenden Elektronikteil 13_i nicht näher ausgeführte Schaltungsteil mit 17a bezeichnet. Er kann vorteilhaft in den Trägerkörper 14 integriert sein, falls dieser im wesentlichen aus einem hierfür geeigneten Material der Halbleitertechnik wie Si besteht. Dieser Schaltungsteil befindet sich vorteilhaft im Bereich des akustischen Schattens der Wandlereinrichtung und ist dabei senkrecht bezüglich der Schallabstrahlungsrichtung S orientiert. Für die Wandlerreihe 4b ist ein entsprechender elektronischer Schaltungsteil auf der in der Figur nicht sichtbaren rückwärtigen Breitseite des Trägerkörpers 14 vorzusehen. Die Verbindung der Elektronikteile 13_i untereinander und mit einer Anschlußfläche 18 ist in der Figur mit 19 bezeichnet. Über diese Anschlußfläche ist der Schaltungsteil 17a mit einer nachgeordneten Elektronik, insbesondere einem Multiplexer, verbunden.
In 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit die gemeinsame stirnseitige Masseelektrode 7 (vgl. 2) nicht veranschaulicht, die beispielsweise über den von der Doppelreihe 4a-4b nicht belegten Teil der Fläche 3c kontaktiert wird. Außerdem wurde auf eine Darstellung mindestens einer Schirmungsfläche verzichtet, die zur gegenseitigen elektrischen Entkopplung bzw. Schirmung benachbarter Teilsysteme 2 dienen kann. Diese im allgemeinen auf Massepotential gelegte, gegenüber benachbarten elektrisch leitenden Teilen isolierte Schirmungsfläche deckt dabei wenigstens den Bereich des Folienleiters 11a ab und kann gegebenenfalls so großflächig ausgebildet sein, daß auch der elektronische Schaltungsteil 17a mit abgedeckt wird. Im Bedarfsfalle kann auch auf jeder der beiden Außenflächen des Teilsystems 2 mindestens eine derartige Schirmungsfläche vorgesehen werden.
Wie darüber hinaus in 1 angedeutet ist, kann der Trägerkörper 14 vorteilhaft aus zwei plattenförmigen Teilen 14a und 14b zusammengesetzt sein, deren einander zugewandten Oberflächen so strukturiert sind, daß Kühlkanäle 20 und 21 für ein Kühlmedium M ausgebildet sind. Mit Hilfe dieses Kühlmediums ist die durch die elektronischen Schaltungsteile erzeugte Verlustwärme abzuführen. Jede Platte 14a und 14b kann dabei vorteilhaft ein Si-Chip sein, der mit dem zugeordneten Schaltungsteil 17a bzw. 17b versehen ist. Gestaltungsmöglichkeiten von Kühlkanälen in solchen Chips sind Gegenstand der nichtvorveröffentlichten DE-Patentanmeldung P 43 11 839.9 vom 15.4.1993 mit dem Titel "Mikrokühleinrichtung für eine Elektronik-Komponente".
Ein Ausführungsbeispiel eines Trägerkörpers 14 aus Si mit zwei Kühlkanälen 20 und 21 zeigt 3 als Querschnitt. Zum Aufbau dieses Trägerkörpers als ein Wärmetauscherelement zur Abführung der von den elektronischen Schaltungsteilen 17a und 17b hervorgerufenen Verlustwärme werden zwei dünne Streifen oder Platten (Chips) benötigt, die zumindest an ihren aneinander zu fügenden Oberflächen in entsprechender, vorzugsweiße gleicher Weise strukturiert sind. Die Strukturierung jeder Si-Platte wird in an sich bekannter Weise durch Einarbeiten von Ausnehmungen in eine im allgemeinen zunächst ebene Flachseite der jeweiligen Platte vorgenommen. Diese Flachseite stellt die Rückseite der Platte bzgl. des zugehörenden, in der Figur durch gestrichelte Linien nur angedeuteten elektronischen Schaltungsteils dar. In der 3 ist eine entsprechend strukturierte erste Si-Platte mit 14a bezeichnet. Diese Platte hat z.B. eine Stärke s, die zusammen mit dem zugeordneten elektronischen Schaltungsteil 17a vorzugsweise zumindest in etwa halb so groß ist wie die Dicke d des akustischen Dämpfungskörpers. In ihre eine Flachseite sind Ausnehmungen 24 so anisotrop eingeätzt, daß man Pyramidenstümpfe 25 erhält. Diese Pyramidenstümpfe sind über die zu strukturierende Fläche regelmäßig verteilt und gegeneinander versetzt angeordnet, wobei sie im Bereich ihrer Böden jeweils gegenseitig beabstandet sind. Die Tiefe t der Ausnehmungen 24, die der Höhe der Pyramidenstümpfe 25 entspricht, ist dabei kleiner als die Plattenstärke s. Eine weitere Si-Platte 14b ist entsprechend der ersten Si-Platte 14a strukturiert. Die beiden Si-Platten 14a und 14b werden dann an den Flächen ihrer abgestumpften Pyramidenspitzen aneinandergefügt und dort mit einem besonderen Verbindungsmittel zu einem starren Wärmetauscherelement verbunden. Es ergeben sich so aufgrund der korrespondierenden Ausnehmungen in den beiden Si-Platten Kühlkanäle 20 oder 21 mit verhältnismäßig großen Strömungsquerschnitten. Als das in der Figur durch verstärkte Linien angedeutete Verbindungsmittel 28 zwischen den Si-Platten 14a und 14b wird vorteilhaft ein gut-wärmeleitendes Haft- bzw. Klebemittel, vorzugsweise ein Silberleitkleber verwendet.
Bei der Strukturierung der Si-Platten werden zweckmäßig auch stegartige seitliche Abschlüsse ausgebildet, die – bei Betrachtung eines Querschnittes – eine Rinnenform der jeweiligen strukturierten Si-Platte 14a bzw. 14b ergeben und so ein seitliches Austreten eines Kühlmediums M aus dem Trägerkörper 14 verhindern.
Mit dem aus zwei Platten zusammengesetzten Trägerkörper 14 läßt sich auch ein Mirko-Heat-Pipe-System ausbilden. Hierzu wird der Aufbau gemäß 3 an allen Seiten mit Abschlußstegen versehen und der so allseitig verschließbare Innenraum unter Vakuum mit einer Kühlflüssigkeit, z.B. mit Wasser oder mit einem speziellen Fluor-Kohlenstoff, gefüllt.
Solche Heat-Pipe-Systeme sind bei einer Anordnung mehrerer Si-Trägerkörper angenommen, die in 4 in Schrägansicht dargestellt sind. Entsprechend der Anzahl der Reihen oder Doppelreihen des Arrays von Wandlerelementen der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtungen hat die Anordnung 30 eine Anzahl k von Trägerkörpern 14_k . Jeder Trägerkörper erstreckt sich dabei in Längsrichtung der Wandlereinrichtung gesehen nicht nur über den durch eine Fläche 31 veranschaulichten, wärmeerzeugenden Bereich der einzelnen von ihnen zu tragenden oder in sie integrierten elektronischen Schaltungsteile (17a, 17b), sondern ist noch mit einem Teil 14' ein Stückweit in diese Richtung verlängert. Durch ein versetztes Aneinanderfügen benachbarter Trägerkörper 14_k läßt sich dann ein kammartiger Aufbau erreichen, wobei die gegenseitig beabstandeten Verlängerungsteile 14' Kühlrippen für ein an ihnen außen vorbeiströmendes Kühlmedium M' wie z.B. die Umgebungsluft darstellen. Um die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft insbesondere der die Kühlrippen bildenden Verlängerungsteile 14' zu unterstützen, kann man dort noch an den jeweiligen Außenflächen oberflächenvergrößernde Maßnahmen vorsehen. Die aneinanderliegenden, die Wärme erzeugenden Bereiche 31 umfassenden Teile der Trägerkörper 14k sind gemäß 1 ausgebildet. Diese Bereiche 31 sind mit den übrigen Teilen des jeweiligen Einrichtungsteilstücks oder -teilsystems (2) verbunden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, für die Anordnung 30 gemäß 4 seitlich offene Trägerkörper 14_k zu verwenden, durch die ein Kühlmedium wie Luft in das Kanalsystem der Trägerkörper ein- und aus diesem System wieder austreten kann.
Bei der Wandlereinrichtung nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß sie ein zweidimensionales Matrix-Array von Wandlerelementen aufweisen soll, wobei sie aus mehreren Teilstücken bzw. Teilsystemen zusammengesetzt ist. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Ankopplung der elektronischen Schaltungsteile an die Elektroden der Wandlerelemente und zur Kühlung auch bei linearen (eindimensionalen) Arrays angewandt werden, die somit nur eine einzige Reihe von Wandlerelementen aufweisen.

Claims

Ultraschall-Wandlereinrichtung mit einem ein- oder zweidimensionalen Array von Wandlerelementen, wobei die Einrichtung mindestens ein plattenförmiges Teilstück aufweist, das a) einen akustischen Dämpfungskörper, b) eine Reihe von mehreren an einer Schmalseite des Dämpfungskörpers angeordneten Wandlerelementen, die jeweils einen piezoelektrischen Schwingungskörper mit an gegenüberliegenden Flächen angeordneten Elektroden aufweisen, c) einen den Wandlerelementen zugeordneten elektronischen Schaltungsteil sowie d) Verbindungsleitungen zwischen dem Schaltungsteil und den Elektroden der Wandlerelemente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mindestens einen Teilstück – bei jedem Wandlerelement (4_j ) eine Elektrode (8a, 8b) zwischen dem Dämpfungskörper (3) und dem Schwingungskörper (6a, 6b) angeordnet ist, deren elektrischer Anschlußteil (9a, 9b) um die Kante zwischen der Schmalseite (3c) und einer angrenzenden Breitseite (3a, 3b) des Dämpfungskörpers (3) geführt ist und mit dem jeweils zugehörenden Verbindungsleiter (10a, 10b) verbunden ist, – an der von den Wandlerelementen (4_j ) abgewandten Schmalseite des Dämpfungskörpers (3) ein streifenförmiger Trägerkörper (14, 14_k ) befestigt ist, der auf einer Breitseite den allen Wandlerelementen (4_j ) des Teilstücks zugeordneten elektronischen Schaltungsteil (17a, 17b) enthält und – des Trägerkörper (14, 14_k ) mit Mitteln zur Kühlung versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus mehreren plattenförmigen Teilstücken unter Ausbildung eines zweidimensionalen Matrix-Arrays an Wandlerelementen (4_j ).
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilstücke zu einem Teilsystem (2) der Wandlereinrichtung mit zwei eine Doppelreihe bildenden Reihen von Wandlerelementen (4_j ) integriert sind und die zu den Reihen (4a, 4b) gehörenden Verbindungsleiter (10a, 10b) und elektronischen Schaltungsteile (17a, 17b) sich auf gegenüberliegenden Breitseiten des Teilsystems (2) befinden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einer Reihe (4a, 4b) von Wandlerelementen (4_j ) gehörenden Verbindungsleiter (10a bzw. 10b) durch einen flexiblen Folienleiter (11a bzw. 11b) gebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienleiter (11a, 11b) sich von der Längsausdehnung der Reihe (4a, 4b) von Wandlerelementen (4_j ) auf die entsprechende Ausdehnung des elektronischen Schaltungsteils (17a, 17b) erweiternd ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Außenseite des Teilstückes wenigstens eine zumindest den Bereich der Verbindungsleiter (10a; 10b) abdeckende Schirmungsfläche zu einer elektrischen Schirmung gegenüber einem benachbarten Teilstück vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trägerkörper (14, 14_k ) Kühlkanäle (20, 21) für ein Kühlmedium (M) enthält.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (14, 14_k ) aus zwei Platten (14a, 14b) zusammengesetzt ist, die an ihren aneinandergefügten Oberflächen entsprechend den auszubildenden Kühlkanälen (20, 21) strukturiert sind.
Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (14, 14_k ) ein allseitig geschlossenes Heat-Pipe-System bildet mit einem entsprechenden Kühlmedium in seinen Kühlkanälen (20, 21).
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer Außenfläche des mindestens einen Trägerkörpers (14, 14_k ) dessen Wärmeaustauschfläche vergrößernde Mittel vorgesehen sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trägerkörper (14, 14_k ) der Einrichtung in einer Längsrichtung parallel zu der Reihe (4a, 4b) der Wandlerelemente (4_j ) gesehen über den Bereich (31) seines elektronischen Schaltungsteiles (17a, 17b) hinaus zu einem Verlängerungsteil (14') verlängert ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführungsform der Einrichtung mit einem Array von Wandlerelementen (4_j ) benachbarte Trägerkörper (14_k ) so versetzt angeordnet sind, daß ihre Verlängerungsteile (14') Kühlrippen für ein äußeres Kühlmedium (M') bilden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trägerkörper (14, 14_k ) zumindest teilweise aus Silizium (Si) besteht.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektronischer Schaltungsteil (17a, 17b) zumindest teilweise in das Silizium des jeweiligen Trägerkörpers (14, 14_k ) integriert ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schaltungsteil (17a, 17b) getrennte Elektronikteile (13_i ) für den Sendefall und für den Empfangsfall enthält.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (4_j ) mindestens einer Reihe (4a, 4b) an den Stirnseiten ihrer Schwingungskörper (6a, 6b) eine gemeinsame Elektrode (7) aufweisen.