EP0173864B1 - Porous matching layer in an ultrasonic applicator - Google Patents

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EP0173864B1
EP0173864B1 EP85109705A EP85109705A EP0173864B1 EP 0173864 B1 EP0173864 B1 EP 0173864B1 EP 85109705 A EP85109705 A EP 85109705A EP 85109705 A EP85109705 A EP 85109705A EP 0173864 B1 EP0173864 B1 EP 0173864B1
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EP
European Patent Office
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matching layer
layer
transducer
acoustic impedance
ultrasonic transducer
Prior art date
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Expired
Application number
EP85109705A
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German (de)
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EP0173864A1 (en
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Hans Dr. Kaarmann
Karl Dr. Lubitz
Jutta Mohaupt
Martina Vogt
Wolfram Wersing
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Priority to DE3430161 priority
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Wandler, mit einer ersten Anpassungsschicht, die an den piezoelektrischen Wandler anschliesst, und mit einer zweiten Anpassungsschicht, die auf der ersten Anpassungsschicht aufgebracht ist und im Ultraschallbetrieb einem zu untersuchenden Objekt zugewandt ist; wobei die erste Anpassungsschicht bei einer Schichtdicke von λ/4 eine akustische Impedanz mit einem Wert zwischen dem des piezoelektrischen Wandlers und dem der zweiten Anpassungsschicht besitzt und wobei λ die Wellenlänge des Ultraschalls in der ersten Anpassungsschicht bei Nennfrequenz ist.The invention relates to an ultrasonic transducer with a piezoelectric transducer, with a first adaptation layer, which adjoins the piezoelectric transducer, and with a second adaptation layer, which is applied to the first adaptation layer and faces an object to be examined in ultrasonic operation; wherein the first matching layer at a layer thickness of λ / 4 has an acoustic impedance with a value between that of the piezoelectric transducer and that of the second matching layer and wherein λ is the wavelength of the ultrasound in the first matching layer at nominal frequency.
  • Ultraschallwandler der genannten Art werden verbreitet in der medizinischen Technik angewendet, um Aufschluss über die inneren Strukturen von Geweben und Organen in einem Patienten zu bekommen. Eine Schwierigkeit besteht dabei in der Einkopplung der Ultraschallwellen in den Patienten.Ultrasonic transducers of the type mentioned are widely used in medical technology in order to obtain information about the internal structures of tissues and organs in a patient. One difficulty here is in coupling the ultrasound waves into the patient.
  • Der piezoelektrische Wandler medizinischer Ultraschallantennen umfasst häufig einen Werkstoff, der eine relativ hohe akustische Impedanz aufweist. Materialien wie Keramiken aus Blei-Zirkonat-Titanat besitzen z. B. eine akustische lmpedanz von ca. 30 x 106 kg/m2s. Die Haut und das Gewebe des Patienten dagegen besitzt lediglich einen akustischen Widerstand von ca. 1,5 x 106 kg/m2s. Um eine unerwünschte Reflexion an der Grenzschicht piezoelektrischer Wandler/menschliches Gewebe weitgehend zu vermeiden, wird zwischen Wandler und Gewebe eine Anpassungsschicht angeordnet.The piezoelectric transducer of medical ultrasound antennas often comprises a material that has a relatively high acoustic impedance. Materials such as ceramics made of lead zirconate titanate z. B. an acoustic impedance of approx. 30 x 10 6 kg / m 2 s. The skin and tissue of the patient, however, has only an acoustic resistance of about 1.5 x 10 6 kg / m 2 s. In order to largely avoid undesired reflection at the boundary layer of piezoelectric transducers / human tissue, an adaptation layer is arranged between the transducer and the tissue.
  • Bisher wurde zur Transformation oder Anpassung der akustischen Impedanz des Keramik-Wandlers in bzw. an die des zu untersuchenden Objekts (z. B. menschliches Gewebe mit einer lmpedanz von etwa 1,5 x 106 kg/m2s) eine einzige Anpassungsschicht aus einem Kunststoff mit einer akustischen Impedanz von ca. 3 x 106 kg/ m2 oder wenig mehr eingesetzt. Diese Anpassungsschicht hatte eine Dicke von λ/4. λ ist dabei die Wellenlänge, die entsprechend der Nennfrequenz des Ultraschallwandlers im Material vorliegt. Ein theoretisch günstiger Wert liegt bei 7 x 106 kg/m2 s, wenn man von 30 x 106 kg/m2 s (Keramik) auf 1,5 x 106 kg/m2 s heruntertransformiert.So far, a single adaptation layer has been made for the transformation or adaptation of the acoustic impedance of the ceramic transducer into or onto that of the object to be examined (e.g. human tissue with an impedance of approximately 1.5 × 10 6 kg / m 2 s) a plastic with an acoustic impedance of approx. 3 x 10 6 kg / m2 or a little more. This adaptation layer had a thickness of λ / 4. λ is the wavelength that is present in the material according to the nominal frequency of the ultrasonic transducer. A theoretically favorable value is 7 x 10 6 kg / m 2 s if you step down from 30 x 10 6 kg / m 2 s (ceramic) to 1.5 x 106 kg / m2 s.
  • Diese Art der Anpassung mit einer einzigen Anpassungsschicht hat den Nachteil, dass sie nicht ausreichend breitbandig ist. Man ist deswegen zur Erzielung hoher Eindringtiefen und guter axialer Auflösung über einen grossen Frequenzbereich hinweg bereits in einem Ultraschallwandler der eingangs genannten Art dazu übergegangen, eine erste und eine zweite Anpassungschicht mit je λ/4 Dicke vorzusehen (vgl. Biomedizinische Technik, Band 27, Heft 7-8,1982, S. 182-185). Die akustischen Impedanzen dieser beiden Anpassungsschichten betragen ca. 12 x 106 kg/m2 s für die dem piezoelektrischen Ultraschallwandler zugewandte erste Anpassungsschicht und ca. 4,2 x 106 kg/m2 s für die dem Gewebe oder Patienten zugewandte Anpassungsschicht. Auf diese Weise lässt sich eine wesentlich bessere Anpassung erzielen.This type of adaptation with a single adaptation layer has the disadvantage that it is not sufficiently broadband. For this reason, in order to achieve high penetration depths and good axial resolution over a large frequency range, an ultrasound transducer of the type mentioned at the beginning has already been used to provide a first and a second adaptation layer, each with λ / 4 thickness (cf. Biomedical Engineering, Volume 27, booklet 7-8, 1982, pp. 182-185). The acoustic impedances of these two adaptation layers are approx. 12 x 10 6 kg / m2 s for the first adaptation layer facing the piezoelectric ultrasound transducer and approx. 4.2 x 10 6 kg / m 2 s for the adaptation layer facing the tissue or patient. In this way, a much better adjustment can be achieved.
  • Materialien für die zweite Anpassungsschicht mit einer akustischen Impedanz von etwa 4,2 × 106 kg/m2s lassen sich leicht finden oder fertigen. Es können dazu gängige Kunststoffe verwendet werden. Da die vorteilhaft einzusetzende akustische Impedanz der zweiten (Kunststoff-)Anpassungsschicht nur wenig von der Impedanz der Ultraschallwandler-Keramik abhängt, ist die einmal gewählte Impedanz für alle PZT-Keramiken des Ultraschallwandlers gleichermassen geeignet.Materials for the second matching layer with an acoustic impedance of approximately 4.2 × 10 6 kg / m 2 s can be easily found or manufactured. Common plastics can be used for this. Since the acoustic impedance of the second (plastic) matching layer, which can be advantageously used, depends only slightly on the impedance of the ultrasound transducer ceramic, the impedance once selected is equally suitable for all PZT ceramics of the ultrasound transducer.
  • Ein Problem hingegen ist es, Materialien für die erste Anpassungsschicht zu finden, die eine mittlere akustische Impedanz besitzen sollte, welche wegen ihrer (theoretisch untermauerten) Abhängigkeit von der Impedanz der gerade verwendeten Piezokeramik des piezoelektrischen Wandlers in gewissen Grenzen frei wählbar sein sollte. Sie sollte unter den genannten Gegebenheiten ca. 12 x 106 kg/m2 s betragen. Mit natürlichen Materialien lässt sich eine solche akustische Impedanz nur schwer erreichen. So z. B. liegen Gase und Flüssigkeiten im Bereich von 0 bis 4 x 106 kg/m2 s.On the other hand, it is a problem to find materials for the first adaptation layer that should have a medium acoustic impedance, which should be freely selectable within certain limits due to their (theoretically substantiated) dependence on the impedance of the piezo ceramic of the piezoelectric transducer currently used. Under the given conditions, it should be approx. 12 x 10 6 kg / m 2 s. Such acoustic impedance is difficult to achieve with natural materials. So z. B. gases and liquids are in the range of 0 to 4 x 10 6 kg / m 2 s.
  • Oberhalb des letztgenannten Wertes existiert ein gewisses Loch, d. h. Materialien mit einer solchen Impedanz gibt es praktisch nicht, und die Werte von Mineralien, Metallen usw. liegen erst wieder zwischen 14 und ca. 100 × 106 kg/m2 s. Der hier angestrebte Bereich um ca. 12 × 106 kg/m2 ist nur sehr schwer mit Hilfe von Glasverbindungen zu erreichen. So wird z. B. in der Regel in diesem Bereich Borosilikatglas eingesetzt. Der Einsatz dieses und anderer Gläser bringt aber eine Reihe von Nachteilen mit sich. Glas lässt sich nur zeit-und geldaufwendig verarbeiten. Manche Gläser sind im interessierenden Impedanzbereich zudem noch giftig; ihre Bearbeitung ist daher kritisch. Für den Hersteller solcher Ultraschallwandler mit zwei Anpassungsschichten kommt noch eine zusätzliche Schwierigkeit bei der Beschaffung hinzu. Sie besteht darin, dass Glashersteller nur an grossem Absatz von Glasmengen interessiert sind und wenig Initiative zeigen, Mengen in der Grössenordnung von einigen Gramm zu fertigen. Auch die Bereitschaft zur Entwicklung und Herstellung von anderen Gläsern mit den nötigen akustischen und mechanischen Eigenschaften ist gering.There is a certain hole above the latter value, ie there are practically no materials with such an impedance, and the values of minerals, metals, etc. are only between 14 and approx. 100 × 10 6 kg / m 2 s again. The target range of approx. 12 × 10 6 kg / m 2 is very difficult to achieve with the help of glass connections. So z. B. usually used in this area borosilicate glass. However, the use of this and other glasses has a number of disadvantages. Glass can only be processed in a time and money-consuming manner. Some glasses are also toxic in the relevant impedance range; their processing is therefore critical. For the manufacturer of such ultrasonic transducers with two adaptation layers, there is an additional difficulty in procurement. It consists in the fact that glass manufacturers are only interested in large sales of glass quantities and show little initiative to produce quantities in the order of a few grams. The willingness to develop and manufacture other glasses with the necessary acoustic and mechanical properties is also low.
  • Aus der britischen Offenlegungsschrift GB-A 2052917 ist es an sich bekannt, akustische Anpassungsschichten für Ultraschallwandler aus Aluminiumoxid-Keramik mit Hohlräumen herzustellen, um die akustische Impedanz zu verändern. In dem dort gezeigten Wandleraufbau ist ein Ultraschall-Array mit einer Anpassungsschicht akustisch an einen absorbierenden Träger angepasst.From GB-A 2052917, it is known per se to produce acoustic matching layers for ultrasonic transducers from aluminum oxide ceramic with cavities in order to change the acoustic impedance. In the transducer structure shown there, an ultrasound array with an adaptation layer is acoustically adapted to an absorbent carrier.
  • Jedoch ist nicht angegeben, dass die Anpassungsschicht λ/4 dick sein soll, vielmehr soll die Anpassungsschicht dünn im Verhältnis zur Wellenlänge in diesem Material sein. Die Verwendung von Aluminiumoxid-Keramik schränkt die Einsatzmöglichkeiten für den Wandler ein, weil die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminiumoxid-Keramik und von piezokeramischem Material unterschiedlich sind.However, it is not specified that the adaptation layer λ / 4 should be thick, rather the adaptation layer should be thin in relation to the wel length in this material. The use of alumina ceramics limits the possible uses for the converter because the thermal expansion coefficients of alumina ceramics and of piezoceramic material are different.
  • Die europäische Offenlegungsschrift EP-A 0119855 gilt bezüglich der Neuheit nach Artikel 54 EPÜ als Stand der Technik. Dort erfolgt in einem kontaktlosen Entfernungsmesssystem die akustische Anpassung eines Ultraschallwandlers an Luft über zwei λ/4-dicke Schichten. Dabei besteht die vom Ultraschallwandler entfernt liegende Schicht, also die zweite Schicht, aus einem porösen Kunststoff.The European patent application EP-A 0119855 is regarded as state of the art with regard to novelty under Article 54 EPC. There, in a contactless distance measuring system, the acoustic adjustment of an ultrasonic transducer takes place in air over two λ / 4 thick layers. The layer located away from the ultrasound transducer, that is to say the second layer, consists of a porous plastic.
  • Es wurde nun erkannt, dass gerade die erste Anpassungsschicht auf die Qualität des Ultraschallbildes entscheidenden Einfluss nimmt.It has now been recognized that the first adaptation layer has a decisive influence on the quality of the ultrasound image.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art eine erste Anpassungsschicht anzugeben, die bei der Fertigung bezüglich ihrer akustischen Impedanz leicht einstellbar ist, deren mechanische Eigenschaften eine verhältnismässig leichte Verarbeitung ermöglichen und bei der mechanische Spannungen und Rissbildungen an der Grenzschicht zum Wandler nicht auftreten.The object of the invention is therefore to provide a first adaptation layer for an ultrasonic transducer of the type mentioned, which can be easily adjusted during manufacture with regard to its acoustic impedance, whose mechanical properties enable relatively easy processing and in which mechanical stresses and crack formation at the boundary layer Converter does not occur.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die erste Anpassungsschicht aus einem porösen piezokeramischen Material besteht, dessen Porosität so gewählt ist, dass sich eine vorgegebene akustische Impedanz ergibt.According to the invention, this object is achieved in that the first matching layer consists of a porous piezoceramic material, the porosity of which is selected such that a predetermined acoustic impedance results.
  • Dadurch, dass die akustische Impedanz des piezokeramischen Materials von seiner Porosität abhängig ist, kann man die akustische Impedanz auf einfache Weise bei der Herstellung beeinflussen. Je nachdem, ob die Porenmenge und/oder die Porengrösse gezielt erhöht oder erniedrigt wird, ergibt sich eine kleinere bzw. grössere akustische Impedanz. Ein Wert im kritischen Bereich um ca. 12 × 106 kg/m2 kann durch Variieren der Porosität gut eingestellt werden. Es hat sich als Vorteil erwiesen, eine ganze Reihe von z. B. 10 porösen piezokeramischen Anpassungsschichten herzustellen, die den Bereich um 12 x 106 kg/m2 s in Feinabstufungen von z. B. 0,2 x 106 kg/m2 s abdecken. All diese Anpassungsschichten erhalten bezüglich ihrer akustischen Impedanz eine Schichtdicke von λ/4. Anhand von Versuchen kann ermittelt werden, welche dieser gefertigten 10 Anpassungsschichten eine optimale Anpassung für den vorhandenen piezoelektrischen Wandler ergibt.Because the acoustic impedance of the piezoceramic material depends on its porosity, it is easy to influence the acoustic impedance during manufacture. Depending on whether the pore quantity and / or the pore size is specifically increased or decreased, there is a smaller or larger acoustic impedance. A value in the critical range of around 12 × 10 6 kg / m 2 can be adjusted well by varying the porosity. It has proven to be an advantage to use a whole range of e.g. B. 10 porous piezoceramic matching layers that cover the area around 12 x 10 6 kg / m 2 s in fine increments of z. B. Cover 0.2 x 10 6 kg / m 2 s. All of these matching layers are given a layer thickness of λ / 4 with regard to their acoustic impedance. Experiments can be used to determine which of the 10 matching layers produced results in an optimal matching for the existing piezoelectric transducer.
  • Da das Grundmaterial für die erste Anpassungsschicht ein piezokeramischer Werkstoff ist, lässt sich dieser gut verarbeiten. Er lässt sich leicht drehen, fräsen, kleben und schleifen. Ausserdem werden mechanische Spannungen und Rissbildungen an der Grenzschicht zum aktiven Wandler vermieden, weil die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der Anpassungsschicht und dem aktiven Wandler gleich sind.Since the base material for the first adaptation layer is a piezoceramic material, it can be processed easily. It is easy to turn, mill, glue and grind. In addition, mechanical stresses and cracks at the boundary layer with the active transducer are avoided because the thermal expansion coefficients of the adaptation layer and the active transducer are the same.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn die vorgegebene akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht einen Gradienten aufweist, welcher in Richtung auf den piezoelektrischen Wandler eine positive Steigung besitzt. Durch diese Massnahme lässt sich erreichen, dass die erste Anpassungsschicht einen kontinuierlichen Übergang der akustischen Impedanz von ca. 30 x 106 kg/m2 s bis hinunter zu ca. 4 x 106 kg/m2 s, dem Wert der zweiten Anpassungsschicht, gewährleistet. Dadurch wird der Ultraschallwandler in seinem Frequenzverhalten noch breitbandiger, als er ohnehin durch die Verwendung von zwei Anpassungsschichten ist.A further advantageous embodiment of the invention results if the predetermined acoustic impedance of the first matching layer has a gradient which has a positive slope in the direction of the piezoelectric transducer. This measure makes it possible for the first adaptation layer to have a continuous transition in acoustic impedance from approx. 30 x 10 6 kg / m 2 s down to approx. 4 x 10 6 kg / m 2 s, the value of the second adaptation layer, guaranteed. As a result, the frequency response of the ultrasound transducer becomes even broader than it is due to the use of two adaptation layers.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
    • Fig. 1 einen piezoelektrischen Wandler mit erster erfindungsgemässer Anpassungsschicht;
    • Fig.2 eine Darstellung des Verlaufs der akustischen Impedanz in Abhängigkeit von der Porenmenge; und
    • Fig. eine Anpassungsschicht mit kontinuierlich veränderter Porosität
    Further advantages and refinements of the invention result from the subclaims in connection with the drawings. Show it:
    • 1 shows a piezoelectric transducer with a first adaptation layer according to the invention;
    • 2 shows the course of the acoustic impedance as a function of the amount of pores; and
    • Fig. An adaptation layer with continuously changing porosity
  • Figur 1 zeigt einen Ultraschallwandler 1, welcher insgesamt vier Schichten umfasst: eine Dämpfungsschicht 3, eine Schicht 5, in welche eine Anzahl piezoelektrischer Wandlerelemente 7 eingebettet ist und die nachfolgend als «piezoelektrischer Wandler» bezeichnet wird, eine erste Anpassungsschicht 9 und eine zweite Anpassungsschicht 11. Die piezoelektrischen Wandlerelemente 7 strahlen impulsförmige akustische Wellen 13 im Ultraschallbereich in Richtung der ersten und zweiten Anpassungsschicht 9 bzw. 11 aus. Die akustischen Wellen 13 sollen möglichst ungehindert in ein zu untersuchendes Objekt, in diesem Fall in einen Patienten 15, eingekoppelt werden. Treffen die akustischen Wellen 13 beim Übergang zum Patienten 15 auf Grenzflächen von Materialien unterschiedlicher akustischer Impedanz, so werden sie an diesem zum Teil reflektiert, welches einen unerwünschten Nebeneffekt ergibt. Um dieses zu vermeiden, sind die beiden Anpassungsschichten 9, 11 vorgesehen. Die erste Anpassungsschicht 0 hat eine akustische lmpedanz von ca. 12 x 106 kg/m2 s, welches einen Mittelwert darstellt zwischen der Impedanz der piezoelektrischen Wandlerelemente 7 von ca. ZK=30 x 106 kg/m2 s und der Impedanz der zweiten Anpassungsschicht 11 von ca. Z2 =4 x 106 kg/ m2 s. Die zweite Anpassungsschicht 11 wiederum liegt mit ihrem Wert Z2 zwischen der akustischen Impedanz Z, der ersten Anpassungsschicht 9 und der akustischen Impedanz Zg des Patientengewebes, die ungefähr Zg=1,5×106kg/m2s beträgt. Als piezoelektrisches Wandlermaterial wird hier bevorzugt eine Keramik aus Blei-Zirkonat-Titanat verwendet. Diese hat einen relativ hohen lmpedanzwert, nämlich ZK=34 x 106 kg/m2 s.FIG. 1 shows an ultrasonic transducer 1, which comprises a total of four layers: a damping layer 3, a layer 5, in which a number of piezoelectric transducer elements 7 are embedded and which is referred to below as “piezoelectric transducer”, a first adaptation layer 9 and a second adaptation layer 11 The piezoelectric transducer elements 7 emit pulsed acoustic waves 13 in the ultrasound range in the direction of the first and second adaptation layers 9 and 11, respectively. The acoustic waves 13 should be coupled as freely as possible into an object to be examined, in this case a patient 15. If the acoustic waves 13 hit interfaces of materials of different acoustic impedance during the transition to the patient 15, they are partially reflected on this, which results in an undesirable side effect. In order to avoid this, the two adaptation layers 9, 11 are provided. The first matching layer 0 has an acoustic impedance of approx. 12 x 10 6 kg / m 2 s, which represents a mean value between the impedance of the piezoelectric transducer elements 7 of approx. Z K = 30 x 10 6 kg / m 2 s and the impedance the second adaptation layer 11 of approximately Z2 = 4 × 10 6 kg / m 2 s. The second adaptation layer 11 in turn lies with its value Z 2 between the acoustic impedance Z, the first adaptation layer 9 and the acoustic impedance Zg of the patient tissue, which is approximately Z g = 1.5 × 10 6 kg / m 2 s. A ceramic made of lead zirconate titanate is preferably used here as the piezoelectric transducer material. This has a relatively high impedance value, namely ZK = 34 x 10 6 kg / m 2 s.
  • Die Werte für die Anpassungsschichten 9, 11 errechnen sich näherungsweise aus den Formeln
    Figure imgb0001
    und
    Figure imgb0002
    wobei Z1 die akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht 9, Z2 die Impedanz der zweiten Anpassungsschicht 11, ZK die des piezoelektrischen Wandlers 7 und Zg die des Gewebes an der Einkoppelstelle ist.
    The values for the adaptation layers 9, 11 are approximately calculated from the formulas
    Figure imgb0001
    and
    Figure imgb0002
    where Z 1 is the acoustic impedance of the first matching layer 9, Z 2 is the impedance of the second matching layer 11, Z K that of the piezoelectric transducer 7 and Zg that of the tissue at the coupling point.
  • Die erste Anpassungsschicht 9 liegt mit dem angestrebten Wert Z1 ihrer akustischen Impedanz in einem Bereich, der mit natürlichen Werkstoffen nur schwer zu erreichen ist. Aus diesem Grund umfasst die erste Anpassungsschicht 9 ein Material vergleichsweise hoher Impedanz, das mit Hohlräumen oder Poren 17 versehen ist, die das akustische Verhalten des gewählten Materials verändern, u.a. die Impedanz herabsetzen. Als Material für die erste Anpassungsschicht 9 wird eine poröse Piezokeramik gewählt. Sie lässt sich gut und leicht verarbeiten. Die Schichtdicke der Anpassungsschichten 9 und 11 beträgt jeweils λ/4. λ/4 ist dabei die Wellenlänge des Ultraschalls in den Anpassungsschichten 9, 11. Sie entspricht der Frequenz, mit der die piezoelektrischen Wandler 7 angeregt werden.With the desired value Z1 of its acoustic impedance, the first adaptation layer 9 lies in a range that is difficult to achieve with natural materials. For this reason, the first matching layer 9 comprises a material of comparatively high impedance, which is provided with cavities or pores 17 which change the acoustic behavior of the selected material, i.a. lower the impedance. A porous piezoceramic is selected as the material for the first adaptation layer 9. It can be processed well and easily. The layer thickness of the adaptation layers 9 and 11 is λ / 4 in each case. λ / 4 is the wavelength of the ultrasound in the adaptation layers 9, 11. It corresponds to the frequency with which the piezoelectric transducers 7 are excited.
  • Es ist bei der Fertigung des Ultraschallwandlers 1 häufig von vorneherein nicht genau anzugeben, welchen Wert die akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht 9 aufweisen muss. Dieser Wert hängt unter anderem von der akustischen Impedanz ZK der piezoelektrischen Wandlerelemente 7 selber ab, die eine gewisse Streubreite hat, und auch von der Impedanz der zweiten Anpassungsschicht 11, die bevorzugt aus Kunststoff besteht und in ihrem Wert auch variieren kann. Es ist deswegen wünschenswert, eine Anzahl erster Anpassungsschichten 9 zur Verfügung zu haben, deren akustische Impedanzen eine Abstufung aufweisen. Es kann durch Versuche mit dem Ultraschallwandler 1 ermittelt werden, welche dieser Anpassungsschichten 9 geeignet ist, um in dem betreffenden Ultraschallwandler 1 fest und endgültig eingebaut zu werden.When manufacturing the ultrasound transducer 1, it is often not possible to state exactly from the start what value the acoustic impedance of the first matching layer 9 must have. This value depends, among other things, on the acoustic impedance Z K of the piezoelectric transducer elements 7 themselves, which has a certain spread, and also on the impedance of the second matching layer 11, which is preferably made of plastic and can also vary in value. It is therefore desirable to have a number of first matching layers 9 available whose acoustic impedances have a gradation. Experiments with the ultrasound transducer 1 can determine which of these adaptation layers 9 are suitable for being permanently and permanently installed in the ultrasound transducer 1 in question.
  • Um diese Einstellung und Abstufung der akustischen Impedanz Z1 zu erreichen, ist die erste Anpassungsschicht 9 mit gleichmässig verteilten Poren 17 versehen. Die Poren 17 lassen sich bei der Herstellung in ihrer mittleren Dichte und/ oder in ihrer Grösse variieren, wodurch die akustische Impedanz Z1 gezielt unterschiedliche Werte annimmt. Auf diese Weise kann ein Sortiment fein abgestufter erster Anpassungsschichten 9 gefertigt werden, aus welchen die günstigste dann ausgewählt wird.In order to achieve this setting and grading of the acoustic impedance Z 1 , the first matching layer 9 is provided with uniformly distributed pores 17. The pores 17 can be varied in their mean density and / or their size during manufacture, as a result of which the acoustic impedance Z 1 specifically assumes different values. In this way, an assortment of finely graduated first adaptation layers 9 can be produced, from which the cheapest is then selected.
  • Figur 2 zeigt ein Diagramm, in welchem die akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht 9 aufgetragen ist über dem Porenanteil oder der Porosität (in %) in der ersten Anpassungsschicht 9. Die erste Anpassungsschicht 9 besteht hier bevorzugt aus Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik. Auch ein anderes Material mit Werten im angestrebten Impedanzbereich kann gewählt werden. Diagramm nach Figur 2 wird die angestrebte akustische Impedanz von etwa 12 x 106 kg/m2 bei einer Porosität von ungefähr 36 erreicht. Durch Variieren dieser Prozentzahl im Bereich ±2% kann der Bereich der akustischen Impedanz z. B. zwischen 11 und 13 x 106 kg/m2 s variiert werden. Durch kleine Änderungen in der Porosität, z.B. in der Grössenordnung von 1%, lässt sich hier also eine Feinabstufung der akustischen Impedanz ZI der ersten Anpassungsschicht 9 erreichen. Dies gilt im Prinzip auch für andere Materialien.FIG. 2 shows a diagram in which the acoustic impedance of the first matching layer 9 is plotted against the pore fraction or the porosity (in%) in the first matching layer 9. The first matching layer 9 here preferably consists of lead-zirconate-titanate ceramic. Another material with values in the desired impedance range can also be selected. 2, the desired acoustic impedance of approximately 12 × 10 6 kg / m 2 is achieved with a porosity of approximately 36. By varying this percentage in the range ± 2%, the range of acoustic impedance z. B. can be varied between 11 and 13 x 10 6 kg / m 2 s. By small changes in the porosity, for example in the order of 1%, a fine gradation of the acoustic impedance Z I of the first matching layer 9 can be achieved here. In principle, this also applies to other materials.
  • Die Frequenzkonstanten der verschiedenen in Frage kommenden komplexen Keramiksysteme (Mischkristalle) auf der Basis von z. B. PbTio3 und PbZr03, das mit einem zweiten komplexen Oxid wie z. B. Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 mit eventuell zusätzlichen Dotierstoffen versetzt ist, unterscheiden sich nur wenig voneinander. Über die Einstellung der Porosität beim Herstellen kann daher für jede Wandler Keramikmasse eine erste Anpassungsschicht 9 mit der gewünschten akustischen Impedanz von ca. 12 x 106 kg/m2 s hergestellt werden.The frequency constants of the various complex ceramic systems in question (mixed crystals) based on e.g. B. PbTio 3 and PbZr0 3 , which with a second complex oxide such. B. Pb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 with possibly additional dopants, differ little from each other. By adjusting the porosity during manufacture, a first adaptation layer 9 with the desired acoustic impedance of approximately 12 × 10 6 kg / m 2 s can therefore be produced for each ceramic mass transducer.
  • Die zuvor genannten komplexen Keramiksysteme haben allesamt den weiteren Vorteil, dass sie piezoelektrische Eigenschaften besitzen. Dieses ist von Bedeutung insbesondere bezüglich der thermischen Ausdehnung der ersten Anpassungsschicht 9. Diese muss nämlich angepasst sein an diejenige der piezoelektrischen Wandlerelemente 7. Bestehen nun sowohl die piezoelektrischen Wandlerelemente 7 als auch die erste Anpassungsschicht 9 aus einem piezokeramischen Material, so liegen ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten so dicht beieinander, dass sich die erste Anpassungsschicht 9 z.B. durch Zusatz von Dotierstoffen in ihrer thermischen Ausdehnung den piezoelektrischen Wandlerelementen 7 anpassen lässt. Dadurch werden mechanische Spannungen mit Rissbildung oder gar Bruch an der Grenzschicht verhindert. Die poröse erste Anpassungsschicht 9, die auf der Basis eines piezoelektrischen Materials gefertigt ist, liegt in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten etwa zwischen 1 und 10 ppm/K.The complex ceramic systems mentioned above all have the further advantage that they have piezoelectric properties. This is of particular importance with regard to the thermal expansion of the first adaptation layer 9. This must namely be adapted to that of the piezoelectric transducer elements 7. If both the piezoelectric transducer elements 7 and the first adaptation layer 9 now consist of a piezoceramic material, their thermal expansion coefficients are so close together that the first adaptation layer 9, for example can be adapted to the piezoelectric transducer elements 7 in their thermal expansion by adding dopants. This prevents mechanical stresses with crack formation or even breakage at the boundary layer. The porous first adaptation layer 9, which is manufactured on the basis of a piezoelectric material, lies in its thermal expansion coefficient approximately between 1 and 10 ppm / K.
  • Figur 3 zeigt eine erste Anpassungsschicht 9, in welcher die Dichte der Poren 17 unterschiedlich verteilt ist. Zur zweiten Anpassungsschicht 11 hin befinden sich mehr Poren 17 als zur oberen Seite hin, die an den piezoelektrischen Wandler 5 anschliesst. Diese unterschiedliche Porendichte, d.h. die nach oben abnehmende Porenkonzentration und/oder -grösse, bewirkt auch eine unterschiedliche akustische Impedanz, die sich im Verlaufe der ersten Anpassungsschicht 9 von oben nach unten hin verringert (Radient). Es ist somit möglich, die erste Anpassungsschicht 9 so zu gestalten, dass sie an ihrer oberen Seite, also der Grenzschicht zum piezoelektrischen Wandler 7, eine akustische Impedanz ZK von ca. 30 × 106 kg/m2 aufweist und an ihrer unteren Seite, die zur zweiten Anpassungsschicht 11 weist, eine akustische Impedanz von ca. 4 x 106 kg/m2 s besitzt. Es ist also möglich, die erste Anpassungsschicht 9 so herzustellen, dass sich ihre akustische Impedanz Z, in Deckenrichtung kontinuierlich zwischen zwei gewünschten Werten ändert. Eine Anpassungsschicht 9 dieser Art mit einem Impedanzgradienten ergibt eine besonders breitbandige Anpassung.FIG. 3 shows a first adaptation layer 9, in which the density of the pores 17 is distributed differently. There are more pores 17 towards the second adaptation layer 11 than towards the upper side, which adjoins the piezoelectric transducer 5. This different pore density, ie the pore concentration and / or size decreasing upwards, also causes a different acoustic impedance, which decreases in the course of the first adaptation layer 9 from top to bottom (radius). It is thus possible to design the first matching layer 9 such that it has an acoustic impedance Z K of approximately 30 × 10 6 kg / m 2 on its upper side, that is to say the boundary layer with the piezoelectric transducer 7, and on its lower side , which faces the second adaptation layer 11, has an acoustic impedance of approx. 4 × 10 6 kg / m 2 s. It is therefore possible to produce the first adaptation layer 9 in such a way that their acoustic impedance Z in the ceiling direction changes continuously between two desired values. An adaptation layer 9 of this type with an impedance gradient results in a particularly broadband adaptation.
  • Der Porositätsgradient kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Anpassungsschicht in einem Foliengiessverfahren hergestellt wird. Dem Giessschlicker wird Perlpolymerisat zugesetzt, welches sich aufgrund der Schwerkraft entmischt. Sowohl durch die Viskosität des Giessschlickers für die Folie der ersten Anpassungsschicht 9 als auch durch den Verlauf der anschliessenden Sinterung können unterschiedliche Gradienten eingestellt werden.The porosity gradient can e.g. B. can be achieved in that the adaptation layer is produced in a film casting process. Bead polymer is added to the pouring slurry, which separates due to gravity. Different gradients can be set both by the viscosity of the casting slip for the film of the first adaptation layer 9 and by the course of the subsequent sintering.
  • Auch hier ist es wieder vorteilhaft, eine grössere Anzahl von in ihrem Impedanzgradienten unterschiedlichen ersten Anpassungsschichten 9 zu fertigen und hinterher durch Versuch und Probieren zu entscheiden, welche von diesen ersten Anpassungsschichten 9 die geeignete zum Einbau in den Ultraschallwandler 1 ist. Dieses experimentelle Auffinden der geeigneten ersten Anpassungsschicht 9 ist deswegen angebracht, weil eine Vielzahl von Kriterien berücksichtigt werden müssen, deren gegenseitige Einflüsse und Wechselwirkungen nur im Versuch ermittelt werden können. So z. B. sollte für jede ersten Anpassungsschicht 9 geprüft werden, wie sie sich auf die Empfindlichkeit des Ultraschallsenders oder -empfängers, auf die Pulsform des Sendeimpulses, auf dessen Pulslänge, auf Phasensprünge usw. auswirkt. Neben diesen Kriterien, die die Bildqualität beeinflussen, ist noch der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Schichtdicke der ersten Anpassungsschicht 9, die immer nur näherungsweise λ/4 entsprechen kann, entscheidend.Here, too, it is again advantageous to manufacture a larger number of first matching layers 9 with different impedance gradients and to subsequently decide by trial and error which of these first matching layers 9 is the most suitable for installation in the ultrasonic transducer 1. This experimental finding of the suitable first adaptation layer 9 is appropriate because a large number of criteria must be taken into account, the mutual influences and interactions of which can only be determined in an experiment. So z. B. should be checked for each first adaptation layer 9, how it affects the sensitivity of the ultrasonic transmitter or receiver, on the pulse shape of the transmission pulse, on its pulse length, on phase jumps, etc. In addition to these criteria, which influence the image quality, the thermal expansion coefficient and the layer thickness of the first adaptation layer 9, which can always only approximately correspond to λ / 4, are also decisive.

Claims (10)

1. Ultrasonic transducer having a piezoelectric transducer (5), having a first matching layer (9) which is connected to the piezoelectric transducer (5), having a second matching layer (11) which is applied to the first matching layer (9) and during ultrasonic operation faces an object (15) which is to be examined, the fist matching layer (9) with a layer thickness (d1) of λ/4 having an acoustic impedance (ZI) with a value between that ofthe piezoelectric transducer (5) and that of the second matching layer (11) and λ being the wavelength of the ultrasound in the first matching layer (9) at rated frequency, characterised in that the first matching layer (9) consists of a porous piezoceramic material, the porosity of which is chosen so that a given acoustic impedance (ZI) results.
2. Ultrasonic transducer according to claim 1, characterised in that the porous material of the first matching layer (9) is a mixed crystal which contains PbTi03 and PbZr03.
3. Ultrasonic transducer according to claim 2, characterised in that the mixed crystal contains a further complex oxide.
4. Ultrasonic transducer according to claim 3, characterised in that the mixed crystal contains Pb(Mg1/3Nb2/3)/O3 as a complex oxide.
5. Ultrasonic transducer according to one of the claims 2 to 4, characterised in that the mixed crystal contains an additional doping agent.
6. Ultrasonic transducer according to one of the claims 1 to 5, characterised in that the acoustic impedance (Zl) of the first matching layer (9) lies between 11 and 13 kg/m2s.
7. Ultrasonic transducer according to one of the claims 1 to 6, characterised in that the given acoustic impedance (ZI) of the first matching layer (9) has a gradient which has a positive slope in the direction of the piezoelectric transducer (5).
8. Ultrasonic transducer according to one of the claims 1 to 7, characterised in that the coefficient of thermal expansion of the first matching layer (9) corresponds approximately to that of the piezoelectric transducer (5).
9. Ultrasonic transducer according to one of the claims 1 to 8, characterised in that the second matching layer (11) has a thickness (d2) of λ/4 and consists of a plastics material.
10. Ultrasonic transducer according to one of the claims 1 to 9, characterised in that the first and the second matching layer (9, 11) are combined to form a common porous matching layer, the pore distribution of which has a gradient.
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