DE9401033U1 - Ultraschallwandlersystem mit zwei oder mehr Resonanzfrequenzen - Google Patents

Ultraschallwandlersystem mit zwei oder mehr Resonanzfrequenzen

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DE9401033U1 DE9401033U DE9401033U DE9401033U1 DE 9401033 U1 DE9401033 U1 DE 9401033U1 DE 9401033 U DE9401033 U DE 9401033U DE 9401033 U DE9401033 U DE 9401033U DE 9401033 U1 DE9401033 U1 DE 9401033U1
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Description

Ultraschallwandler mit zwei oder mehr Resonanzfrequenzen Beschreibung
Diese Erfindung bezieht sich auf Ultraschallwandler und insbesondere auf Ultraschallwandler, die fähig sind, Ultraschallsignale bei zwei oder mehr Frequenzen zu senden und/oder zu empfangen.
Ultraschallwandler werden bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen verwendet, bei denen es wünschenswert ist, das Innere eines Objekts zu sehen, ohne in dieses eindringen zu müssen. Bei medizinischen Anwendungen können zum Beispiel durch ein Ultraschallbild des Inneren eines menschlichen Körpers viele diagnostische Informationen erhalten werden, ohne Eingriffe oder andere Öffnungen der Haut durchzuführen. Folglich finden Ultraschallabbildungsgeräte, einschließlich Ultraschallsonden und zugeordnete Bildverarbeitungsgeräte, eine weit verbreitete medizinische Anwendung.
Der menschliche Körper ist jedoch akustisch nicht homogen. Abhängig davon, welche Strukturen des menschlichen Körpers als akustisches Übertragungsmedium dienen, und welche Strukturen die abzubildenden Ziele sind, können unterschiedliche Betriebsfrequenzen einer Ultraschallsonde wünschenswert sein.
Derzeitige Ultraschallsonden schließen einen Wandler oder ein Wandlerarray ein, das zur Anwendung auf einer bestimmten Frequenz optimiert ist. Wenn unterschiedliche Anwendungen die Verwendung von verschiedenen Ultraschallfrequenzen erfordern, wählt ein Anwender typischerweise aus einer Kollektion von verschiedenen Sonden eine Sonde aus, die auf oder nahe einer erwünschten Frequenz arbeitet. Folglich ist
oft eine Vielzahl von Sonden, von denen jede eine unterschiedliche Betriebsfrequenz hat, für akustische Abbildungsgeräte, die derzeitig in der Verwendung sind, erforderlich, wobei die Komplexität der Anwendung und die Kosten der Geräte erhöht werden.
Bekannte Dualfrequenzultraschallwandler verwenden einen Wandler mit einer relativ breiten Resonanzspitze. Die erwünschten Frequenzen werden durch Filtern ausgewählt. Derzeit käuflich erhältliche Dualfrequenzwandler haben begrenzte Bandbreitenverhältnisse, wie zum Beispiel 2,0/2,5 MHz oder 2,7/3,5 MHz. Ultraschallsensoren mit einer gestaffelten Frequenz, die das Hinunterschieben der Frequenz in dem Körper kompensieren, sind im US-Patent 5,025,790, erteilt am 25. Juni 1991, offenbart.
Sonden, die derzeitig verwendet werden, wie zum Beispiel die oben erwähnten, schließen typischerweise eine Impedanzanpassungsschicht ein. Diese Schicht paßt die akustische Impedanz des Wandlers oder des Wandlerarrays an die akustische Impedanz eines Objekts, das untersucht wird, wie zum Beispiel ein menschlicher Körper, ein. Die Impedanzanpassungsschichten, die derzeit verwendet werden, sind jedoch frequenzselektiv. Das heißt, sie passen die Wandlerimpedanz lediglich über ein enges Frequenzband an die Impedanz des Objekts, das untersucht wird, korrekt an. Deshalb agieren derzeitige Impedanzanpassungsschichten als Filter, die die anwendbare Bandbreite einer Sonde weiter einschränken.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallwandler zu schaffen, der fähig ist, auf zwei oder mehr Frequenzen zu senden und/oder zu empfangen.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrostriktiven Wandler gemäß Anspruch 1, gemäß Anspruch 11 und gemäß Anspruch 15 gelöst.
Diese Erfindung basiert auf der Verwendung einer Materials,
das durch Anlegen einer Gleichstromvorspannungsspannung sehr hoch polarisierbar ist, wodurch das Material piezoelektrische Eigenschaften zeigt. Das Material verliert seine Polarisation bei der Entfernung der Gleichstromvorspannungsspannung und zeigt nicht länger piezoelektrische Merkmale. Dieses Merkmal des Ein- oder Aus-Schaltens des piezoelektrischen Effekts durch das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer Gleichstromvorspannungsspannung kann zum Beispiel bei Materialien beobachtet werden, die bevorzugterweise in der Nähe ihrer Temperatur des Übergangs von der ferroelektrischen Phase in die paraelektrische Phase gehalten werden. Die ferroelektrische Phase zeigt piezoelektrische Eigenschaften, während die paraelektrische Phase diese nicht zeigt. Materialien, die die oben beschriebenen Eigenschaften haben, werden hier als elektrostriktive Materialien bezeichnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein elektrostriktiver Wandler zum Senden und Empfangen von Ultraschallenergie auf mehr als einer Frequenz eine erste und eine zweite elektrostriktive Schicht, die mechanisch derart miteinander verbunden sind, daß die Ultraschallschwingungen in einer Schicht in die andere Schicht gekoppelt werden, und eine Einrichtung zur selektiven Erzeugung elektrischer Felder, die in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind oder von elektrischen Feldern, die in dieselbe Richtung ausgerichtet sind, in der ersten und der zweiten elektrostriktiven Schicht. Der Wandler hat eine erste Resonanzfrequenz, wenn die elektrischen Felder in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, und hat eine zweite Resonanzfrequenz, wenn die elektrischen Felder in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Der Wandler kann ein einzelnes Element oder ein Array von Elementen umfassen.
Die Einrichtung zum selektiven Erzeugen elektrischer Felder innerhalb der ersten und der zweiten elektrostriktiven Schicht umfassen bevorzugterweise eine obere, eine mittlere und eine untere leitfähige elektrische Kontaktschicht, und
eine Einrichtung zum Anlegen von Vorspannungsspannungen an die obere, mittlere und untere elektrische Kontaktschicht. Die erste elektrostriktive Schicht ist zwischen der oberen und der mittleren elektrischen Kontaktschicht angeordnet, und die zweite elektrostriktive Schicht ist zwischen der mittleren und der unteren elektrischen Kontaktschicht angeordnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die erste und die zweite elektrostriktive Schicht die gleiche Dicke und die erste Resonanzfrequenz beträgt die Hälfte der zweiten Resonanzfrequenz.
Die Polarisationsrichtung jeder elektrostriktiven Schicht wird unabhängig von der anderen elektrostriktiven Schicht durch Anlegen einer Vorspannungsspannung mit einer ausgewählten Polarität an jede Schicht ausgewählt. Weil ein elektrostriktives Material keine permanente Polarisation beibehält, können verschiedene Polarisationsrichtungen für jede Schicht zu verschiedenen Zeiten während der Verwendung des Bauelements ausgewählt sein. Eine solche Struktur zeigt eine Dickenmodenresonanz bei zwei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen, abhängig von der Anzahl der elektrostriktiven Schichten, der Dicke jeder Schicht und der Polaritäten der Vorspannungsspannungen, die an die elektrischen Kontaktschichten angelegt sind.
Akustische Ultraschallsonden verwenden oft eine Anpassungsschicht zwischen dem Wandlerelement und dem zu untersuchenden Objekt, wie oben beschrieben. Bei einer Ultraschallsonde, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, kann die Anpassungsschicht mit einer gestaffelten akustischen Impedanz derart vorgesehen sein, daß der Wandler ordnungsgemäß an ein Objekt, das untersucht wird, bei den zwei oder mehr Betriebsfrequenzen angepaßt wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines Wandlerarrays gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittdarstellung des Ausführungsbeispieles aus Fig. 1 entlang der Linie 2-2 und die Darstellung eines Betriebsmodus des Wandlers; und
Fig. 3 die Querschnittsdarstellung aus Fig. 2, die einen zweiten Betriebsmodus des Wandlers zeigt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Der allgemeine Aufbau eines Wandlerarrays gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Der Wandlerarray aus Fig. 1 schließt eine Serie von elektrostriktiven Elementen 101 ein, die Seite an Seite auf einer Unterstützungsschicht 102 angeordnet sind. Die Unterstützungsschicht 102 kann eine Dämpfungsschicht mit einer geeigneten akustischen Impedanz sein, um die Empfindlichkeit, die Bandbreite oder die Impulslänge des Wandlers zu optimieren. Typische Arrays schließen einige zehn bis einige hundert Elemente ein, von denen jedes 100-600 Mikrometer in y-Richtung breit ist. Jedes elektrostriktive Element 101 kann typischerweise zwischen 0,5 und 2 cm in x-Richtung lang sein. Die Elemente 101 sind physikalisch derart abgetrennt, daß sie individuell mit Energie versorgt werden können. Abhängig von den Betriebsfrequenzen des Arrays, können die Elemente 101 in Z-Richtung 0,1 bis 2 mm hoch sein. Solche Elemente können bei Frequenzen von niedrigen Megaherz bis zu mehreren zehn Megaherz betrieben werden. Ein typischer Array ist in y-Richtung zwischen 1 und 6 cm lang. Die Abmessungen, die offenbart sind, sind für einen breiten Bereich von medizinischen Anwendungen geeignet, wobei jedoch andere Anwendungen nach Abmessungen rufen können, die außerhalb des offenbarten Bereichs liegen, die ohne weiteres durch Fachleute berechnet werden können. Das Array aus elektrostriktiven Elementen 101 kann mit einer
Impedanzanpassungsschicht 103 bedeckt sein.
Die elektrostriktiven Elemente 101 werden durch Spannungen angeregt, die, wie im Folgenden in Verbindung mit Fig. 2 und 3 beschrieben, angelegt werden. Die akustische Energie, die in dem Array erzeugt wird, wird durch die Impedanzanpassungsschicht 103 in ein Objekt, das untersucht wird, zum Beispiel ein menschlicher Körper, übertragen.
Ein elektrostriktives Material ist durch Anlegen einer Gleichstromvorspannungsspannung sehr polarisierbar, wodurch das Material piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Das elektrostriktive Material verliert seine Polarisation bei der Entfernung der Gleichstromvorspannungsspannung und zeigt nicht langer piezoelektrische Eigenschaften. Elektrostriktive Elemente 101 können aus irgendeinem geeigneten elektrostriktiven Material hergestellt sein. Zwei Beispiele eines solchen Materials schließen Blei-Magnesium-Neobat, das mit Blei-Titanat verändert wurde, und Barium-Strontium-Titanat ein. Im allgemeinen sind Materialien mit einem Phasenübergang nahe der Raumtemperatur geeignet. Interessierende Phasenübergänge schließen solche zwischen ferro-elektrischen und para-elektrischen Eigenschaften oder zwischen ferroelektrischen und anti-ferro-elektrischen Eigenschaften ein.
Ferner müssen die Elemente 101 nicht aus einem einzelnen keramischen Material hergestellt sein, wie oben bemerkt, sondern können eine Zusammensetzung eines keramischen elektrostriktiven Materials in einer polymeren Matrix sein, oder sie können aus einem nicht-keramischen elektrostriktiven Material sein. Viele geeignete Arten von elektrostriktiven Materialien sind Fachleuten bekannt.
Während es bevorzugt wird, Materialien auszuwählen, die ihren Phasenübergang auf oder in der Nähe der Betriebstemperatur des Materials haben, ist dies nicht erforderlich. Wenn das Material zum Beispiel bei einer Temperatur betrieben wird, die viel höher als die Übergangstemperatur ist,
erfordert es eine größere Gleichstroinvorspannungsspannung. Wenn das Material wesentlich unter der Übergangstemperatur betrieben wird, kann der induzierte piezoelektrische Effekt bei der Entfernung der Vorspannungsspannung nicht vollständig verschwinden.
Wie in der Querschnittsdarstellung aus Fig. 2 zu sehen, schließt das Element 101 zwei Schichten aus elektrostriktivem Material 201 und 203 ein. Jede der elektrostriktiven Schichten 201 und 203 ist zwischen einem Paar von leitfähigen elektrischen Kontaktschichten angeordnet. Die elektrostriktive Schicht 201 ist zwischen den leitfähigen elektrischen Kontaktschichten 205 und 207 angeordnet, während die elektrostriktive Schicht 203 zwischen den leitfähigen elektrischen Kontaktschichten 207 und 209 angeordnet ist. Die elektrische Kontaktschicht 207 zwischen den elektrostriktiven Schichten 201 und 203 ist ausreichend dünn, daß Ultraschallschwingungen mechanisch zwischen den Schichten 201 und 203 gekoppelt sind.
Diese Struktur kann angelegt werden, um zwei unterschiedliche Ausgangsfrequenzen zu erzeugen und wird nun mit Bezug auf Fig. 2 und 3 beschrieben. In einem ersten Modus, der durch die Spannungen auf der rechten Seite von Fig. 2 bezeichnet ist, werden die äußersten Kontaktschichten 205 und 209 bezüglich der mittleren Kontaktschicht 207 auf Vorspannungspotentialen von -Vj3-^a3 gehalten. Die mittlere Kontaktschicht 207 wird dann durch eine Spannung Ve(t) angeregt. Die Anregungsspannung Ve(t) kann zum Beispiel ein kurzer, rechteckiger Gleichstromimpuls sein. Ein elektrisches Feld wird durch die Vorspannungsspannung Vbias in jeder der elektrostriktiven Schichten 201 und 203 eingestellt. Die elektrischen Felder innerhalb der Schichten 201 und 203 sind in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet, wie durch die Pfeile E in Fig. 2 angezeigt. Diese Struktur zeigt eine Dickenmodenresonanz bei einer Frequenz F1, die wie folgt bestimmt wird:
F1 = v/4*h,
wobei &ngr; die Schallgeschwindigkeit in den Schichten 201 und 203, und h die Höhe (Dicke) jeder Schicht in der z-Richtung ist.
Wenn die angelegten Spannungen geändert werden, wie in Fig. 3 gezeigt, dann wird die Dickenmodenresonanzfrequenz verändert. In dem zweiten Modus, bezeichnet durch die Spannungen an der rechten Seite von Fig. 3, wird die äußere Kontaktschicht 205 auf einen Vorspannungspotential +V^ias 9e~ halten, während die äußere Kontaktschicht 209 auf -Vj3^33 gehalten wird. Die mittlere Kontaktschicht 207 wird auf Null Volt gehalten. Folglich sind die elektrischen Felder in den Schichten 201 und 203 in die gleiche Richtung ausgerichtet, wie durch die Pfeile E in Fig. 3 angezeigt ist. Die mittlere Kontaktschicht 207 wird dann durch eine Spannung Ve(t) angelegt. Als ein Ergebnis wird die Resonanzfrequenz dieses Modus F2/ wie folgt bestimmt:
F2 = v/2*h
Aus den Gleichungen, die F1 und F2 beschreiben, ist es offensichtlich, daß F2 zweimal F1 ist.
Typische Dickenmodenresonanzfrequenzen liegen im Bereich von niedrigen Megaherz bis zu mehreren zehn Megaherz, wie oben beschrieben. Die angelegten Anregungsspannungen können Rechteckimpulse sein. Um eine geeignete piezoelektrische Kopplungskonstante zu erhalten, können die elektrischen Felder im Bereich von etwa 2-20 kV/cm sein. Nachdem das erforderliche Feld von dem verwendeten elektrostriktiven Material abhängt, sollte dieser Bereich nicht als beschränkend angesehen werden. Für 0,5 mm dicke elektrostriktive Schichten können die angelegten Spannungen, die den obigen elektrischen Feldern entsprechen, etwa 100 Volt bis 1000 Volt sein. Bei einer Mehrschichtkonfiguration mit einer festen Gesamt-
dicke führt das Erhöhen der Anzahl von Schichten zu dünneren Schichten. Folglich können kleinere Vorspannungsspannungen verwendet werden, um die erforderlichen &Egr;-Felder zu erreichen. Das Ausführungsbeispiel, das oben beschrieben ist, kann zum Beispiel 0,5 mm Schichten und eine Vorspannungsspannung von etwa 100-1000 Volt verwenden. Ein Vier-Schicht Ausführungsbeispiel, das zur Erzeugung derselben minimalen Frequenz fähig ist, würde 0,25 mm dicke Schichten haben. Die Vorspannungsspannung für jede Schicht würde deshalb etwa 50-500 Volt sein.
Der erste Modus, der in Fig. 2 gezeigt ist, und der zweite Modus, der in Fig. 3 gezeigt ist, erzeugen die unterschiedlichen Frequenzen wie folgt. Wenn die Struktur, wie in Fig. 2 gezeigt, vorgespannt ist, dann sind die Felder, die durch die Anregungsspannung Ve(t) in jeder der Schichten 201 und 203 erzeugt werden, in derselben Richtung, wie die Gleichstromvorspannungsfelder (mit E bezeichnet). Die Struktur schwingt auf die gleiche Art wie eine einzelne Schicht, deren Dicke die Summe der Dicken der Schichten 201 und 203 ist.
Wenn im Gegensatz dazu die Struktur vorgespannt ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist, dann ist das Feld, das durch die Anregungsspannung Ve(t) in Schicht 203 erzeugt wird, in derselben Richtung wie das Gleichstromvorspannungsfeld (mit E bezeichnet) in der Schicht 203, aber das Feld, das durch die Anregungsspannung Ve(t) in Schicht 201 erzeugt wird, ist in der ,entgegengesetzten Richtung gegenüber dem Gleichstromvorspannungsfeld (bezeichnet mit E) in der Schicht 201. Die Struktur schwingt auf dieselbe Art, wie eine einzelne Schicht, deren Dicke gleich der Dicke der Schicht 201 oder 203 ist. Wie im Folgenden gesehen wird, ermöglicht es dieses Verhalten, Wandler zu entwerfen, die verschiedene Betriebsfrequenzen haben, unter Verwendung der Gleichungen, die bekannt sind, um Resonanzkörper zu beschreiben.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf den Fall, bei dem
die Dicken der Schichten 201 und 203 gleich sind. Durch Auswahl unterschiedlicher Dicken für die Schichten 201 und 203 können die Verhältnisse der zwei Resonanzfrequenzen verändert werden. Durch Auswählen der Anzahl der elektrostriktiven Schichten in einem Wandler und durch Auswählen der Dicke der verschiedenen Schichten kann ein Wandler mit zwei oder mehr unterschiedlichen erwünschten Resonanzfrequenzen hergestellt werden. Die Vorspannungsspannungen, die an die Wandler angelegt werden, können, wie oben beschrieben, geändert werden, um die Resonanzfrequenzen zu steuern. Viele Änderungen, zum Beispiel der Größe und Anwendung dieser Wandler, wird für Fachleute ohne weiteres offensichtlich sein. Es wird darauf hingewiesen, daß die Resonanzfrequenz des Wandlers die Frequenz bestimmt, bei der Ultraschallenergie durch den Wandler gesendet wird, und die Frequenz ist, bei der Ultraschallenergie durch den Wandler empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Die Resonanzfrequenz des Wandlers der vorliegenden Erfindung wird teilweise durch die Vorspannungsspannungen, die an die Schichten angelegt werden, bestimmt, wodurch eine elektronische Steuerung der Resonanzfrequenzen zugelassen wird. Bei einer Anwendung des Anwenders der vorliegenden Erfindung wird ein Impuls bei einer Resonanzfrequenz übertragen. Nachdem der Ultraschallimpuls übertragen ist, wird die Vorspannungsspannung, die an den Wandlerschichten anliegt, derart geschaltet, daß auf einer unterschiedlichen Resonanzfrequenz empfangen wird. Solche Operationen können nützlich sein, wenn die gesendete Ultraschallenergie in ihrer Frequenz in dem Zielgebiet verschoben wird, oder wenn Elemente innerhalb des Zielgebiets bei Frequenzen, die sich von der Sendefrequenz unterscheiden, schwingen.
Bei einer weiteren Anwendung des Wandlers der vorliegenden Erfindung sendet und überträgt ein Wandler auf einer Resonanzfrequenz zur normalen zwei-dimensionalen Ultraschallabbildung. Periodisch werden die Vorspannungsspannungen, die an die Schichten des Wandlers angelegt sind, derart geschal-
tet, daß der Wandler auf einer niedrigeren Resonanzfrequenz zur Dopplerflußbilderzeugung sendet und empfängt.
Allgemein wird darauf hingewiesen, daß der Wandler der vorliegenden Erfindung einen Betrieb über weit beabstandete Resonanzfrequenzen mittels eines einzelnen Wandlers erlaubt. Ferner können die Resonanzfrequenzen während des Betriebs elektronisch umgeschaltet werden. Das elektronische Umschalten von Vorspannungsspannungen kann durch Techniken durchgeführt werden, die in Fachkreisen gut bekannt sind.
Die Berechung der Dicken, die erforderlich sind, um die erwünschten Dickenmodenresonanzfrequenzen zu erzeugen, sind innerhalb der Fähigkeiten der Fachleute. Die Frequenz einer akustischen Welle ist F = &ngr;/&Lgr;, wobei &ngr; die Schallgeschwindigkeit in dem Medium, das die akustische Welle führt, ist, und &Lgr; die Wellenlänge einer Welle der Frequenz F in dem Medium ist. Wenn F ferner auf die Dickenmodenresonanzfrequenz des Mediums, das die akustische Welle führt, eingestellt ist, dann gilt F = (c/5*) 1/2/2h, wobei c die Steifigkeit des Resonatorkörpers ist, 5* die Dichte des Resonatorkörpers ist und h die Höhe des Resonatorkörpers ist. Folglich kann man beginnend mit den Materialeigenschaften des Mediums die erforderliche Dicke berechnen, um irgendeine bestimmte erwünschte Resonanzfrequenz zu erzeugen. Durch Anwenden der obigen Gleichung und der Übertragungsleitungstheorie auf die Struktur, die in den Zeichnungen gezeigt ist und oben beschrieben ist, kann irgendein erwünschter Satz von Resonanzfrequenzen erzeugt werden.
Der Aufbau von Mehrschichtstrukturen der vorliegenden Erfindung kann durch eine Kombination einer bekannten Keramikoder Verbundkeramik-Verfahrenstechnik erfolgen. Das beschriebene Aufbauverfahren beginnt entweder mit der Vorbereitung eines Keramikwafers oder eines Verbundkeramikwafers, dessen Dicke gleich der Dicke einer Schicht der erwünschten Struktur ist. Die erwünschten elektrischen Kontaktschichten werden dann im Vakuum abgeschieden, zerstäubt oder durch
Siebdruck auf den Wafer gedruckt. Zusätzliche Wafer und elektrische Kontaktschichten können auf diese Basisstruktur in einer akustisch angepaßten Art, ebenfalls unter Verwendung herkömmlicher Techniken, die Fachleuten bekannt sind, gebondet werden.
Obwohl das bestimmte beschriebene Ausführungsbeispiel die Form eines Phasen-Arrays oder eines linearen Arrays hat, kann jegliche Anzahl von Elementen 101, die für einen bestimmten Wandlertyp und Anwendung geeignet sind, verwendet werden. Wandler werden zum Beispiel oft nur unter Verwendung eines einzelnen Wandlerelements 101 aufgebaut. Das Verhalten und der Aufbau eines solchen isolierten Elements ist dasselbe, wie oben bezüglich jedes Elements 101 eines Phasen-Arrays oder eines linearen Arrays beschrieben.
Wie bereits früher angemerkt, ist es wünschenswert, eine Impedanzanpassungsschicht 103 zwischen den Elementen 101 und einem Objekt, das untersucht wird, einzuschließen. Eine solche Schicht kann ein modifiziertes, festes Material, zum Beispiel ein Polymer, das mit einem Puder angereichert ist, sein. Das Puder kann zum Beispiel Aluminiumoxid sein, das durch das Polymer verteilt wird, um die akustische Impedanz der Schicht einzustellen. Eine solche Schicht, die auf eine Frequenz f angepaßt ist, wird jedoch eine akustische Welle von &lgr;&igr;/4 bei der Wellenlänge ^i^ die der Frequenz f entspricht, haben, aber wird eine akustische Dicke von &Lgr;2/2 kleiner Wellenlänge X2/ die der Frequenz 2f entspricht, haben. Deshalb wird die Schicht nicht ordnungsgemäß auf eine Frequenz 2f angepaßt sein. Eine Kompromißdicke zwischen &lgr;&igr;/4 und &Lgr;2/4 könnte gewählt werden. Bevorzugterweise wäre die Impedanzanpassungsschicht ausreichend breitbandig, um den Wandler auf das Objekt, das untersucht wird, bei allen interessierenden Frequenzen anzupassen.
Eine Art, um eine Breitbandanpassungsschicht 103 zu erreichen, ist es, die Schicht aus einem Material aufzubauen, das mit einem Puder angereichert wurde, bei dem sich die Dichte
• *
der Anreicherung von der Oberfläche der Anpassungsschicht 103, die benachbart zu dem Wandler ist, zu der Oberfläche der Anpassungsschicht 103, das benachbart zu dem Objekt, das untersucht wird, ist, ändert. Eine geeignete Stafflungsfunktion ist eine exponentielle Verteilung des Puders, das stärker an der Wandlerelementoberfläche angereichert ist. Zwei Verfahren zur Herstellung einer solchen Schicht werden nun beschrieben.
Bei einem Verfahren kann ein ungehärtetes Basispolymer mit einem Puder angereichert werden. Das ungehärtete Polymer wird dann zentrifugiert, um das Puder in einer gestaffelten Art zu verteilen. Abschließend wird das zentrifugierte Polymer gehärtet, wodurch folglich die Puderdichtestaffelung in dem gehärteten festen Stoff eingestellt wird, die während des Schritts des Zentrifugierens erreicht wurde. Das gehärtete Polymer kann dann in Wafer mit einer geeigneten Größe und Dicke zur Anwendung geschnitten werden.
Bei einem zweiten Verfahren zur Herstellung einer Anpassungsschicht 103, kann die Anpassungsschicht 103 ein Laminat einer Mehrzahl von dünnen Schichten aus Polymer sein, die jede eine unterschiedliche, einheitliche Verteilung des Puders, das darin angereichert ist, haben. Unter Verwendung dieser Technik kann die Dichte des Puders in irgendeiner Entfernung von der Oberfläche der Struktur verändert werden, um eine breite Vielzahl von Stafflungsfunktionen von der Oberfläche der Anpassungsschicht 113, die benachbart zu dem Wandler ist, bis zu der Oberfläche der Anpassungsschicht 103, die benachbart zu dem Objekt, das untersucht wird, ist, zu schaffen.

Claims (19)

• tr *Φ ·' · ·· ♦ ♦ ·
1. Elektrostriktiver Wandler zum Senden und Empfangen von ültraschallenergie auf mehr als einer Frequenz, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
mindestens drei beabstandete leitfähige elektrische Kontaktschichten (205, 207, 209);
eine erste und eine zweite elektrostriktive Schicht (201, 203), die zwischen benachbarten Paaren der elektrischen Kontaktschichten (205, 207, 209) angeordnet sind, um eine laminierte Struktur zu bilden; und
eine Vorspannungseinrichtung (Vj3-^3) , um in der ersten und der zweiten elektrostriktiven Schicht (201, 203) auswahlmäßig elektrische Felder (E) , die in entgegengesetzte Richtung ausgerichtet sind, oder elektrische Felder (E) , die in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, zu erzeugen, wobei der Wandler eine erste Resonanzfrequenz hat, wenn die elektrischen Felder in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, und eine zweite Resonanzfrequenz hat, wenn die elektrischen Felder (E) in die gleiche Richtung ausgerichtet sind.
2. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet,
daß die erste und die zweite elektrostriktive Schicht (201, 203) gleich dick sind, und
daß die erste Resonanzfrequenz halb so groß wie die zweite Resonanzfrequenz ist.
3. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge-
kennzeichnet,
daß die erste und die zweite elektrostriktive Schicht (201, 203) ungleiche Dicken haben.
4. Elektrostriktiver Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner gekennzeichnet durch
eine Impedanzanpassungsschicht (103) auf einer ersten Oberfläche der laminierten Struktur.
5. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch
eine akustisch optimierte Unterstützungsschicht (102) auf einer zweiten Oberfläche der laminierten Struktur gegenüberliegend der ersten Oberfläche.
6. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anpassungsschicht (103) einen festen Körper umfaßt, der ein Puder mit einer Dichte hat, die von einer Oberfläche des festen Körpers zu einer gegenüberliegenden Oberfläche des festen Körpers gestaffelt ist.
7. Elektrostriktiver Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Impedanzanpassungsschicht (103) ein Laminat umfaßt, das eine Mehrzahl von Schichten umfaßt, wobei jede eine geleichmäßige Puderdichte unabhämgig von jeder anderen Schicht hat.
8. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Staffelung von einer Oberfläche des festen
Körpers zu der gegenüberliegenden Oberfläche des festen Körpers exponential ist.
9. Elektrostriktiver Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorspannungseinrichtung (Vj3J^3) eine Einrichtung zum elektrischen Umschalten der Resonanzfrequenz des Wandlers während des Betriebs einschließt.
10. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Einrichtung zum elektrischen Umschalten der Resonanzfrequenz des Wandlers eine Einrichtung zum Senden bei einer Resonanzfrequenz und zum Empfangen bei einer unterschiedlichen Resonanzfrequenz einschließt.
11. Elektrostriktiver Wandler zum Senden und Empfangen von Ultraschallenergie auf mehr als einer Frequenz, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine Unterstützungsschicht (102); und
eine Mehrzahl von elektrostriktiven Wandlerelementen (101), die auf der Unterstutzungsschicht (102) in einem Array angeordnet sind, wobei die elektrostriktiven Elemente (101) eine erste und eine zweite elektrostriktive ,Schicht (201, 203) , die zwischen leitfähigen elektrischen Kontaktschichten (205, 207, 209) in einer laminierten Struktur angeordnet sind, und eine Vorspannungseinrichtung (Vj-,j[as) umfaßt, um elektrische Felder (E) , die in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind, oder elektrische Felder (E) , die in dieselbe Richtung ausgerichtet sind, in der ersten und der zweiten Schicht (201, 203) auswahlmäßig zu erzeugen, wobei jedes der Elemente (101) eine erste Resonanzfrequenz hat, wenn die elektrischen Felder (E) in entgegenge-
setzte Richtungen ausgerichtet sind, und eine zweite Resonanzfrequenz hat, wenn die elektrischen Felder (E) in dieselbe Richtung ausgerichtet sind.
12. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 11, ferner gekennzeichnet durch,
eine Impedanzanpassungsschicht (103) auf einer Oberfläche der laminierten Struktur gegenüber der Unterstützungsschicht (102) .
13. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite elektrostriktive Schicht (201, 203) gleich dick sind, und
daß die erste Resonanzfrequenz halb so groß wie die zweite Resonanzfrequenz ist.
14. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite elektrostriktive Schicht (201, 203) ungleiche Dicken haben.
15. Elektrostriktiver Wandler zum Senden und Empfangen von Ultraschallenergie auf mehr als einer Frequenz, gekennzeichnet durch:
eine erste und eine zweite elektrostriktive Schicht (201, 203), die mechanisch derart miteinander gekoppelt sind, daß Ultraschallschwingungen in einer Schicht in die andere Schicht gekoppelt werden; und
eine Einrichtung (205, 207, 209, Vj-,ias), um innerhalb der ersten und der zweiten elektrostriktiven Schicht (201, 203) elektrische Felder (E) , die in entgegenge-
_ 1 Q .
setzten Richtungen ausgerichtet sind, oder elektrische Felder (E) , die in derselben Richtung ausgerichtet sind, auswahlmäßig zu erzeugen, wobei der Wandler eine erste Resonanzfrequenz hat, wenn die elektrischen Felder (E) in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind, und eine zweite Resonanzfrequenz hat, wenn die elektrischen Felder (E) in derselben Richtung ausgerichtet sind.
16. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennz e ichnet,
daß die Einrichtung (205, 207, 209, Vj3^33) zum auswahlmäßigen Erzeugen elektrischer Felder (E) folgende Merkmale aufweist:
eine obere, eine mittlere und eine untere leitfähige elektrische Kontaktschicht (205, 207, 209), wobei die erste elektrostriktive Schicht (201) zwischen der oberen und der mittleren elektrischen Kontaktschicht (205, 207) angeordnet ist, und die zweite elektrostriktive Schicht (205) zwischen der mittleren (207) und der unteren (209) elektrischen Kontaktschicht angeordnet ist; und
eine Vorspannungseinrichtung (vbias) zum Anlegen von Vorspannungsspannungen an die obere, mittlere und untere elektrische Kontaktschicht (205, 207, 209).
17. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Vorspannungseinrichtung (Vj3^a3) folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Anlegen einer Referenzspannung an die mittlere elektrische Kontaktschicht (207);
eine Einrichtung zum Anlegen von Vorspannungsspannungen mit derselben Polarität relativ zu der Referenzspannung an die obere und die untere elektrische Kontaktschicht (205, 209), wenn bei der ersten Resonanzfrequenz gearbeitet wird; und
eine Einrichtung zum Anlegen von Vorspannungsspannungen mit entgegengesetzten Polaritäten relativ zu der Referenzspannung an die obere und die untere elektrische Kontaktschicht (205, 209), wenn bei der zweiten Resonanzfrequenz gearbeitet wird;
18. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorspannungsspannungen relativ zu der Referenzspannung gleiche Beträge haben.
19. Elektrostriktiver Wandler nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorspannungseinrichtung (Vj3^33) eine Einrichtung zum elektronischen Umschalten der Resonanzfrequenz des Wandlers während des Betriebs umfaßt.
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