DE68920370T2 - Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen zusammengesetzten Wandlers. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen zusammengesetzten Wandlers.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten piezoelektrischen Wandlers, das den Schritt zum Anordnen eines Blocks aus piezoelektrischem Material umfaßt, wobei dieser Block eine Vorder- und eine Rückseite hat. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines gebogenen zusammengesetzten Ultraschallwandlers. Das Herstellungsverfahren ermöglicht die Herstellung gebogener Ultraschallwandler in Grnßmengen. Derartige Wandler sind insbesondere nützlich in medizinischen Ultrasehall-Diagnostikgeräten.
  • Wandler für Ultrasehalldiagnostikausrüstung werden normalerweise aus einem einzigen Block des piezoelektrischen keramischen Bleizirkontitanat (PZT) hergestellt, aber auch andere keramische Produkte, wie z.B. Bleititanat und Bleimetaniobat und bestimmte Polymere, wie z.B. PVDV, sind ebenfalls verwendbar. Vor kurzem wurden zusammengesetzte piezoelektrische Werkstoffe entwickelt, die aus einer Matrix von PZT-Stäben in einem Polymer aufgebaut sind. Derartige zusammengesetzte Wandler bieten eine größere Freiheit im Entwurf von Wandlem. Der Begriff "zusammengesetzter Wandler" in dieser Beschreibung gibt einen Wandler an, der Gebiete aus einem elektrisch aktiven Werkstoff (d.h. einem piezoelektrischen Material) enthält, die in eine Matrix aus einem zweiten Material eingebettet sind. Vorzugsweise ist das zweite Material ein elektrisch passives Material (d.h. ein Isolator). Das zweite Material kann akustische Eigenschaften haben, die von den akustischen Eigenschaften des aktiven Materials abweichen.
  • Viele zusammengesetzte Wandler werden als flache Scheiben hergestellt. Jedoch ist für bestimmte Anwendungen mit medizinischem diagnostischem Ultraschall ein gebogener fokussierter Wandler erwünscht. Jedoch treten bei der Herstellung eines gebogenen zusammengesetzten Wandlers Schwierigkeiten auf. Ein Versuch zum Überwinden dieser Schwierigkeiten war die Herstellung der zusammengesetzten Wandler aus einem Polymer, wie z.B. Polyurethan, das außergewöhnlich flexibel ist, siehe zum Beispiel die zusammengesetzten Polyurethanwandler nach der Beschreibung in "Ultrasonic Probe Using Composite Piezoelectric Materials", IEEE Ultrasonic Symposium 1985, S. 634...636, und "Medical Ultrasonic Probe Using PZT/Polymer Composite" nach der Beschreibung in Vol. 3 der veröffenflichten Dokumente im zweiten "U.S./Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics", Nov. 4-7, 1984. Jedoch wurden aus flexible Polyurethanwerkstoffen hergestellte Ultraschallwandler weniger vollständig zufriedenstellend befunden.
  • Ein anderes Verfahren zum Bilden eines gebogenen zusammengestzten Wandlers wird in "1985 IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics", Vol. SU-32 auf Seiten 499...513, in einem Artikel mit dem Titel "Piezoelectric Composite Materials for Ultrasonic Transducer Applications. Part II: Evaluation of Ultrasonic Medical Applications" beschrieben. in diesem Artikel ist ein zusammengesetzter Wandler aus einem Epoxyd mit verhältnismäßig niedriger Viskosität hergestellt, das durch Erwärmen des bereits ausgehärteten Epoxyds auf eine Temperatur über seiner Glasübergangstemperatur bis zum Erweichen und Biegen in eine gebogene Form geschmolzen. Jedoch wurde dabei diese Ausführung weniger ganz zufriedenstellend angesehen, weil infolge des hohen Schrumpfprozentsatzes des Epoxydharzes mit niedriger Viskosität Wandler mit großen Durchmessern nicht herstellbar sind. Da das Schrumpfen proportional der Abmessung des Wandlers ist, wird der Schrumpfprozentsatz in Wandlem mit großen Durchmessern größer, wodurch sie unbrauchbar werden. Epoxyd mit höherer Viskosität ist mit diesem Verfahren nicht brauchbar, da es hitzehärtbar ist und sich durch Erwärmen nicht verformt.
  • Ein anderes Verfahren zur Bildung gebogener zusammengesetzter Ultrasehallwandler besteht darin, daß konkave und konvexe Flächen an einem flachen zusammengesetzten Wandler geschliffen werden. Jedoch können mit diesem Verfahren nur Wandler mit verhältnismäßig kleinem Radius hergestellt werden, da die Dicke des zusammengesetzten Blocks durch die Tiefe der Rille begrenzt wird, die zum Erzeugen des Blocks mit dem Verschneide- und Auffüllverfahren darin geschnitten werden kann. PZT-Stäbe können nur bis zu verhältnismäßig kurzer Längen geschnitten werden und also ist die Größe der Biegung durch das Schleifen gebogener Flächen ziemlich begrenzt. Außerdem können PZT/Polymer-Kompositen nur in verhältnismäßig dünnen Sektionen hergestellt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu beseitigen und gebogene zusammengesetzte Epoxyd/PZT-Wandler mit großen Abmessungen und ausgezeichneten elektromechanischen Eigenschaften zu schaffen.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines gebogenen zusammengesetzten Ultrasehallwandlers mit einer verhältnismäßig großen Abmessung anzugeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es weiter folgende Schritte umfaßt: Netzformung an der Rückseite des Blocks mit einer Reihe von Rillen, Netzbildung an der Vorderseite des Materials mit einer Reihe verhältnismäßig tiefer Rillen zum Erzeugen einer Matrix aufstehender piezoelektrischer Stäbe, das Ausfüllen der Räume zwischen den piezoelektrischen Stäben an der Vorderseite des Blocks mit einem aushärtbaren polymeren Harz, teilweise Aushärten des die Räume zwischen den Stäben an der Vorderseite des Blocks ausfüllenden Harzes, Kompressionsformen des Blocks in eine Kurve, wobei die Vorderseite konkav und die Rückseite konvex wird, das Aushärten des Harzes unter ständigem Festhalten des in die gebogene Form gebrachten Blocks, bis der Harz ausgehärtet ist, und das Entfernen der Rückseite des Blocks zum Erzeugen eines sphärisch gebogenen Wandlers mit einer Anzahl einzelner piezoelektrischer Stäbe in einer Matrix aus ausgehärtetem polymerem Harz. Die Vorderseite kann geschliffen werden, um eine zu große Epoxydmenge von den Stabenden zu entfernen und geringe Fehler in der Kurve zu korrigieren.
    • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
  • Fig. 1 einen Querschnitt durch den Block aus piezoelektrischem Material, aus dem der Wandler mit den in den Vorder- und Rückflächen geschnittenen Netzen hergestellt wird,
  • Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kompressionsformapparat zur Bildung des gebogenen Wandlers, und
  • Fig. 3 einen Querschnitt durch den fertiggestellten gebogenen piezoelektrischen Wandler.
  • In Fig. 1 ist der Block 10 aus PZT-Material zur Formung des fertiggestellten piezoelektrischen Wandlers dargestellt. Der Block 10 hat die Form einer zylindrischen Platte und enthält eine Vorderseite 12, eine Rückseite 14 und eine Seitenwand 16. Der Block kann aus jedem geeigneten piezoelektrischen Material wie aus einem Keramik bestehen. Ein kleinkörniges Material mit hoher Dichte eignet sich insbesondere zum Herstellen der feinen zusammengesetzten Struktur, die für den fertiggestellten Wandler erforderlich ist. Vorzugsweise wird die Vorderseite 12 des Blocks 10 geläppt, um mögliche mikroskopische Oberflächenrisse zu beseitigen, die im Keramik entstanden sein können.
  • Da der Block 10 schließlich mit dem Kompressionsformverfahren in eine zusammengesetzte Kurve gebogen wird, werden Anteile des Blocks beim Formen rissig. Demnach wird zum Gewährleisten gleichmäßiger Risse im Block 10 seine Rückseite 14 mit einem Netzwerk von Rillenreihen 18 versehen. Die Rillen 18 werden in die Rückseite 14 mit einer Feindiamantsäge eingeschnitten. Zunächst wird eine Reihe paralleler Einschnitten an der Rückseite 14 des Blocks 10 angebracht. Danach wird der Block 10 über 90º gedreht und eine weitere Reihe paralleler Schnitte in der Rückseite 14 des Blocks 10 angebracht. Dementsprechend entsteht an der Rückseite 14 des Blocks 10 eine Würfelung mittels senkrechter Rillen 18. Die Würfelung an der Rückseite 14 ist verhältnismäßig untief im Vergleich zu den Einschnitten, die in der Vorderseite l2 des Blocks 10 angebracht werden müssen. Ausschließlich beispielsweise wird eine ausreichende Rillenbildung an der Rückseite 14 mit 0,2 mm tiefen Einschnitten angebracht, die 2 mm auseinanderliegen und eine Schnittbreite von 0,075 mm haben. Die Tiefe, der Mitte-zu-Mitte-Abstand und die Position der Rillen 18 an der Rückseite 14 müssen kein besonderes Verhältnis zu den Rillen an der Vorderseite 12 haben, da die rückseitigen Rillen 18 nur angebracht sind, um im Block 10 beim Formen gleichmäßige Risse zu bilden, und die ganze Rückseite 14 des Blocks 10 wird schließlich vollständig weggeschliffen.
  • Nach der Netzwerkbildung an der Rückseite 14 wird die Vorderseite 12 mit einer Reihe senkrechter tiefer Einschnitte 20 mit geringem Mitte-zu-Mitte-Abstand mit einem Netzwerk versehen. Nur beispielsweise können die Einschnitte 20 mit einem Mitte-zu-Mitte-Abstand von 0,15 mm, einer Einschnittbreite von 0,075 mm und mit einer Tiefe von 0,9 mm angebracht werden. Wie an der Rückseite 14 wird die Vorderseite 12 zunächst mit einer Feindiamantsäge in einer Reihe paralleler Einschnitte geschnitten. Danach wird der Block 10 über 90º gedreht und eine weitere Reihe von Einschnitten senkrecht zur ersten Reihe von Einschnitten angebracht. Dies ergibt eine Reihe keramischer Stäbe, die aus dem Block 10 aufstehen, wobei jeder Stab etwa 75 zu 75 zu 900 um in der Länge hat. Diese Stäbe sind alles, das vom PZT-Material zurückbleibt, wenn der Wandler fertiggestellt ist.
  • Der folgende Schritt in diesem Verfahren ist das Ausfüllen der Rillen 20 mit einem aushärtbaren polymeren Harz (Epoxyd) und wird mit Hilfe einer Zentrifuge ausgeführt. Ein geeignetes Epoxyd für diese Anwendung ist ein Epoxyd mit hoher Viskosität und geringer Schwindung. Es wurde gefünden, daß die Viskosität des Epoxyds umgekehrt proportional der Schwindung ist. Das bedeutet, daß ein Epoxyd mit einer hohen Viskosität einen niedrigen Schwindprozentsatz aufweist, was ein wichtiger Faktor ist, wenn ein gebogener Wandler mit verhältnismäßig großem Durchmesser geformt wird. Da jedoch das Epoxyd eine hohe Viskosität hat, füllt es die Rillen 20 nicht selbst aus. Deshalb wird eine Zentrifuge verwendet, um die Rillen mit Epoxyd auszufüllen. Die Vorderseite 12 des Blocks 10 wird mit Epoxyd bedeckt und anschließend in einer Zentrifuge angebracht, wobei die Rückseite 14 des Blocks in der Zentrifuge der Außenseite zugewandt ist. Durch die Drehbewegung der Zentrifuge wird das Epoxydkunstharz in die Rillen 20 hineingezogen. Das Kunstharz muß die Oberflächen der Stäbe 22 bedecken. Nachdem das Epoxyd sich in den Rillen 20 abgesetzt hat, wird es zum Teil ausgehärtet, in dem der mit Epoxyd ausgefüllte Block 10 auf Raumtemperatur stehen gelassen wird. Nach der teilweise Aushärtung fließt das Epoxydkunstharz beim Kompressionsformen.
  • In Fig. 2 ist der Apparat für das Kompressionsformen des Blocks 10 dargestellt. Der Block 10 wird über einer Form 24 mit einer sphärischen konkaven Höhlung 28 angebracht. Die Form 24 wird in einer unteren Formhalterung 30 festgehalten, die durch einen Halter 37 an einer oberen Formhalterung 34 befestigt wird. Die Form 24 enthält einen Lufteinläß 36, der für Flüssigkeitszufuhr mit einem Druckeinlaß 38 in der unteren Formhalterung 30 gekoppelt ist. Die obere Formhalterung 34 enthält einen oberen Druckeinlaß 40. Wie in Fig. 2 dargestellt, wird der epoxydgefüllte Wandler 10 über der Form 24 angebracht und mit einer dünnen Gummiblende 42 abgedeckt.
  • Der obere Druckeinlaß 40 wird mit einer Luftleitung (oder einer anderen Fluidleitung) verbunden, die einen Druck von etwa 80 Pfund je Quadratzoll zuführt. Der Druck auf die Blende 42 preßt den Wandlerblock 10 nach unten an den Umriß der Form 24. Der Wandlerblock 10 wird 24 Stunden unter Druck in der Form festgehalten, und in dieser Zeit kann sich das Epoxyd ganz aushärten. im Epoxydkunstharz eingefangene Blasen können durch die Zufuhr von 80 Pfund je Quadratzoll in den unteren Formdruckeinlaß 38 entfernt werden, wobei der Druck nach dem oberen Formeinlaß 40 gleichzeitig auf 160 Pfund je Quadratzoll gebracht wird. Nachdem der Block 24 Stunden in der Form 24 zurückgelassen ist, hat sich das Epoxyd ganz ausgehärtet und der Wandler behält die Kurve bei, wenn der Druck weggenommen wird. Nach dem Ausnehmen aus der Form 24 kann dem Wandler eine Nachhätttungsbearbeitung auf höherer Temperatur zum ganzen Entwickeln der guten Eigenschaften des Epoxydharzes gegeben werden. Der geformte Wandler ist jetzt fertig zum Schleifen.
  • Nach dem Wegnehmen des Wandlers aus der Form 24 hat er eine konkave sphärische Vorderfiäche 12 und eine konvexe Rückfläche 14. Die Rückfläche 14 ist längs der Rillen 18 abgerissen und die Rückfläche 14 enthält eine Anzahl rechteckiger Blöcke aus piezoelektrischem Material zwischen senkrechten Rillen 18. Aus den Blöcken erstrecken sich die Stäbe 22, die jetzt derart angeordnet sind, daß sie nach dem Brennpunkt des Wandlers 10 zeigen. Zum Fertigstellen des Wandlers wird der Rückanteil 14 des Wandlers 10 weggeschliffen und der Überschuß an Epoxyd, das über die Stäbe 20 an der konkaven Vorderseite 12 ausragt, muß ebenfalls weggeschliffen werden.
  • Das Schleifen des Wandlers 10 kann von Hand gegen gebogene Polierelemente oder in einer Linsenfertigungsmaschine ausgeführt werden. Die konvexe Rückseite 14 wird auf den geeigneten Radius geschliffen, bis alle durch die Risse entlang seneechter Rillen 18 gebildeten Blöcke entfernt sind, wobei nur die Stäbe 22 in der Epoxydmatrix hochstehen. Ähnlich wird die Vorderfläche 10 weggeschliffen, bis die Spitzen der Stäbe 22 sich mit der oberen Fläche fluchten. Dementsprechend ist der fertiggestellte Wandler in Fig. 3 dargestellt, in dem jeder Stab 22 von den anderen getrennt und in einer sphärisch gebogenen Epoxydmatrix verteilt ist, Danach werden die Ränder des Wandlers 10 in die geeignete zylindrische Form geschliffen, beispielsweise mit Hilfe einer Rotationsrandschleifmaschine.
  • Am Ende des Schleifvorgangs werden an beiden Seiten des Wandlers 10 mit einem geeigneten Verfahren, wie z.B. Thermoaufdampfung, Elektroden abgeschieden. Die Elektroden können auch durch Kathodenzerstäubung oder mit anderen bekannten Metallabscheidungsverfahren abgeschieden werden. Die Elektroden mit konvexer Rückseite, werden durch Anritzen zur Bildung ringförmiger Ringelektroden durchgeschnitten. Dieses Ritzen kann auf einer kleinen Motordrehbank oder mit einem Schneidwerkzeug erfolgen. Die Anzahl der Elektroden kann sich abhängig vom erforderlichen Wandlertyp ändern, und nach dem Ritzen wird jede der Elektroden an der konvexen Rückseite 14 elektrisch von den anderen isoliert. Schließlich kann eine akustische Anpassungsschicht auf der konkaven Vorderfläche 12 angebracht werden. Die akustische Anpassungsschicht kann aus einem geeigneten Material mit einer geeigneten akustischen Impedanz, wie Epoxyd, hergestellt werden, das auf der Vorderfläche 10 angebracht und auf geeignete Weise ausgehärtet wird.
    • BEISPIEL
  • Ein sphärisch gebogener piezoelektrischer zusammengesetzter Wandler wurde aus einer Honeywell 278 Keramikplatte mit einem Durchmesser von 22 mm und einer Dicke von 1,5 mm hergestellt. Die Platte wurde auf 1,2 mm Dicke vor dem Schneiden poliert. Die Rückseite wurde mit einer Reihe von 0,075 mm breiten Schlitzen im Abstand von 2 mm voneinander und mit einer Tiefe von 0,2 mm netzförmig bemustert. Danach wurde der Block gedreht und eine zweite Reihe gleicher senkrechter Rillen in der Rückfläche des Blocks ausgeschnitten. Die Vorderfiäche des Blocks wurde mit 0,075 mm breiten Rillen würfelförmig bemustert, die 0,9 mm tief bei einem Mitte- zu-Mitte-Abstand von 0,150 mm waren. Die Schlitze wurden mit einem rotierenden Diamantblatt angebracht.
  • Das benutzte Epoxyd zum Ausfüllen der Rillen an der VorderfIäche war Stycast Nr. 2057 Epoxyd mit einer Viskosität von 3500 cps. Es wurden 100 Gewichtsteile Epoxyd von Stycast Nr. 2057 Harz mit sieben Gewichtsteilen von Catalyst Nr. 9 gemischt. Eine Zentrifuge wurde zum Ausfüllen der Rillen benutzt und danach wurde das Epoxyd zum Teil vier Stunden auf Raumtemperatur ausgehärtet. Der teilweise ausgehärtete Wandler wurde kompressionsgeformt mit einem 70 mm Krümmungsradius unter einem Druck von 80 Pfund je Quadratzoll. Das Epoxyd wurde zum vollständigen Aushärten in der Form 24 Stunden belassen. Nach dem Ausnehmen aus der Form erfuhr der Wandler noch eine Nachaushärtung bei 80ºC in vier Stunden. Danach wurden die Rückfläche des Wandlers und die Vorderfiäche auf die richtigen Abmessungen abgeschliffen. Auf der Vorderfläche wurden Goldelektroden abgeschieden und eine Anpassungsschicht aus Araldite-502-Epoxyd wurde als akustische Anpassungsschicht verwendet.
  • Der Wandler wurde auf 3 MHz betrieben und es wurde gefunden, daß er eine hohe elektromechanische Kopplung (kt = 0,57) und eine niedrige akustische impedanz (12 Mrayl) hatte. Der erzeugte Wandler ist ein wirksamer Breitbandwandler, der sich insbesondere für medizinische Bildformung eignet. Die Feldelemente, die das Elektrodenmuster allein definiert, weisen niedriges Kreuzkoppeln zwischen benachbarten Elementen auf. Gute seitliche Auflösung in einem großen Bereich der Tiefen kann erhalten werden, wenn er mit elektronisch abgetasteter Fokussierung benutzt wird. Der mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Wandler wies ebenfalls gute Impulsbeantwortungen auf.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, soll klar sein, daß Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne aus dem Rahmen der Erfindung herauszutreten, was dem versierten Fachmann bekannt sein wird. Es wird davon ausgegangen, daß derartige Änderungen und Abwandlungen sich im Bereich und im Rahmen der Erfindung und der angehängten Ansprüche befinden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen zusammengesetzten Wandlers, das den Schritt zum Anbringen eines Blocks aus piezoelektrischen Material umfaßt, dieser Block eine Vorderseite und eine Rückseite hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiter folgende Schritte umfaßt:
Netzformung an der Rückseite des Blocks mit einer Reihe von Rillen,
Netzformung an der Vorderseite des Materials mit einer Reihe verhältnismäßig tiefer Rillen zum Erzeugen einer Matrix aufstehender piezoelektrischer Stäbe,
Ausfüllen der Räume zwischen den piezoelektrischen Stäben an der Vorderseite des Blocks mit einem aushärtbaren polymeren Harz,
teilweise Aushärten der Harzfüllung in den Räumen zwischen den Stäben an der Vorderseite des Blocks,
Kompressionsformung des Blocks in eine Kurve, wobei die Vorderseite konkav und die Rückseite konvex ist,
Aushärten des Harzes, wahrend der geformte Block in der gekrümmten Form festgehalten wird, bis das Kunstharz ausgehärtet ist, und
Entfernen der Rückseite des Blocks zur Erzeugung eines sphärisch gekrümmten Wandlers mit einer Vielzahl einzelner piezoelektrischer Stäbe in einer Matrix von ausgehärtetem polymerem Kunstharz.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter den Schritt der Abscheidung von Elektroden wenigstens auf der Vorderseite oder der Rückseite des Wandlers umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter den Schritt zum Anbringen einer akustischen Anpassungschicht auf der Vorderseite des fertiggestellten Wandlers umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die netzförmige Vorderseite des Blocks durch Ausschneiden einer Reihe senkrecht angeordneter Rillen in der Vorderseite gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitte-zu- Mitte-Abstand der Netze an der Rückseite des Blocks im wesentlichen größer ist als der Mitte-zu-Mitte-Abstand der Netze an der Vorderseite.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Ausfüllen der Rillen mit dem Kunstharz den Schritt zum Zentrifugieren des Blocks umfaßt, der gewährleistet, daß die Rillen des Blocks mit dem Kunstharz gefüllt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Netze an der Vorderseite im wesentlichen größer ist als die Tiefe der Netze an der Rückseite.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aushärtbare polymere Kunstharz ein Epoxyd mit hoher Viskosität und niedriger Schrumpfung enthält.
DE68920370T 1988-07-15 1989-07-10 Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen zusammengesetzten Wandlers. Expired - Fee Related DE68920370T2 (de)

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