NL8801825A

NL8801825A - Piezoelectric ultrasonic transducer for medical diagnosis equipment - comprises identical elements mounted on substrate to form asymmetrical shape for use in focussed arrays

Info

Publication number: NL8801825A
Application number: NL8801825A
Authority: NL
Original assignee: Optische Ind De Oude Delft Nv
Priority date: 1988-07-19
Filing date: 1988-07-19
Publication date: 1990-02-16

Abstract

Each element, built up on a substrate (14), consists of a piezoelectric block (10) with a trapezoidal vertical cross-section with a lower electrode layer (13) and upper impedance transforming layers (11,12,12'). The upper layers are also trapezoidal, so that the whole element on top of the substrate has a 'wedge-shaped' cross-section. The wedge-shaped cross-section gives a bandwidth which is 10 to 15 per cent greater than conventional transducers.

Description

Ultrasone transducent omvattende tenminste één rij ultrasone elementenUltrasonic transducer comprising at least one row of ultrasonic elements

De uitvinding heeft betrekking op een ultrasone transducent omvattende tenminste één rij ultrasone elementen, elk omvattende een piezo-elektrisch materiaal dat aan tegenover gelegen oppervlakken voorzien is van elektroden.The invention relates to an ultrasonic transducer comprising at least one row of ultrasonic elements, each comprising a piezoelectric material provided with electrodes on opposite surfaces.

Dergelijke ultrasone transducenten, meestal een ultrasoon array genoemd, zijn algemeen bekend en worden in het bijzonder bij medisch diagnostisch onderzoek toegepast. Het is tevens bekend, dat, in het bijzonder bij dergelijk onderzoek, voor een optimale axiale resolutie de door de transducent uitgezonden ultrasone zendpuls bij voorkeur zo kort mogelijk dient te zijn, hetgeen betekent dat de bandbreedte van de transducent bij voorkeur zo groot mogelijk dient te zijn.Such ultrasonic transducers, usually referred to as an ultrasonic array, are well known and are used in particular in medical diagnostic research. It is also known that, especially in such an examination, for optimal axial resolution, the ultrasonic transmit pulse emitted by the transducer should preferably be as short as possible, which means that the bandwidth of the transducer should preferably be as large as possible. to be.

De uitvinding beoogt met behulp van eenvoudige middelen een oplossing te verschaffen waarmee de bandbreedte van ultrasone array's met ten minste 5 a 10% vergroot kan worden, hetgeen reeds voldoende is voor een relevante verbetering.The object of the invention is to provide a solution by means of simple means with which the bandwidth of ultrasonic arrays can be increased by at least 5 to 10%, which is already sufficient for a relevant improvement.

De uitvinding voorziet daartoe in een ultrasone transducent van voornoemde soort waarbij van elk van de ultrasone elementen karakteristieke eigenschappen van tenminste het piëzo-elektrische materiaal in tenminste één richting variëren.To this end, the invention provides an ultrasonic transducer of the aforementioned type, wherein the characteristics of each of the ultrasonic elements of at least the piezoelectric material vary in at least one direction.

Bij voorkeur wordt de variatie van de karakteristieke eigenschappen verkregen door de hoogte van het piezo-elektrisch materiaal bij elk van de elementen in transversale richting vanaf de ene zijrand van de transducent naar de andere zijrand daarvan geleidelijk te doen afnemen.Preferably, the variation of the characteristic properties is obtained by gradually decreasing the height of the piezoelectric material at each of the elements transversely from one side edge of the transducer to the other side edge thereof.

De uitvinding berust op het inzicht dat de verhouding ^ bepalend is voor de karakteristieke eigenschappen van een uit een piëzoelektrisch keramisch materiaal bestaand ultrasoon element, waarbij d = de hoogte van het materiaal en v = de geluidssnelheid in het materiaal. Deze karakteristieke eigenschap kan worden weergegeven door de vergelijking:The invention is based on the insight that the ratio determines the characteristic properties of an ultrasonic element consisting of a piezoelectric ceramic material, wherein d = the height of the material and v = the speed of sound in the material. This characteristic can be represented by the equation:

(1) waarbij φ * de karakteristieke fase en Λ = de golflengte van de opgewekte ultrasone trilling.(1) where φ * is the characteristic phase and Λ = the wavelength of the generated ultrasonic vibration.

Zoals uit vergelijking (1) blijkt, kan de karakteristieke fase φ van het piëzoelektrische materiaal worden beïnvloed door variatie van de grootheden v en/of d. De snelheid v wordt bepaald door het specifieke piëzoelektrische materiaal dat wordt toegepast, zodat in principe een variatie van φ kan worden verkregen door stukjes uit verschillende soorten piëzoelektrisch materiaal tegen elkaar te bevestigen. Dit is echter een omslachtige en kostbare oplossing. Het is aanzienlijk eenvoudiger de hoogte d te variëren.As can be seen from equation (1), the characteristic phase φ of the piezoelectric material can be influenced by variation of the quantities v and / or d. The speed v is determined by the specific piezoelectric material used, so that in principle a variation of φ can be obtained by fastening pieces of different types of piezoelectric material together. However, this is a cumbersome and expensive solution. It is considerably easier to vary the height d.

Gebleken is, dat een verloop van de dikte in transversale richting van 100% aan één zijde van het array naar 70 a 80% aan de andere zijde van het array reeds de beoogde vergroting van de bandbreedte van 5 a 10% oplevert.It has been found that a transverse thickness variation from 100% on one side of the array to 70 to 80% on the other side of the array already yields the intended bandwidth increase of 5 to 10%.

Verdere vergroting van de bandbreedte kan nog worden verkregen door de dikte van één of meer impedantie-aanpassingslagen, die, zoals bekend, worden toegepast om een optimale impedantie-aanpassing te krijgen aan het medium waarin de ultrasone golven worden uitgezonden, ook in dezelfde mate als de hoogte van het piëzoelektrische materiaal te doen verlopen.Further bandwidth enhancement can still be obtained by the thickness of one or more impedance matching layers, which, as is known, are used to achieve optimal impedance matching to the medium in which the ultrasonic waves are emitted, also to the same extent as extend the height of the piezoelectric material.

De dikte van deze aanpassingslagen is namelijk o.a. afhankelijk van de hoogte van het piëzoelektrische materiaal, zodat voor een optimaal resultaat bij voorkeur ook de dikte van deze aanpassingslagen dient te variëren.Namely, the thickness of these adjustment layers depends, inter alia, on the height of the piezoelectric material, so that for an optimum result the thickness of these adjustment layers should preferably also vary.

De uitvinding zal in het hiernavolgende nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoor-beeld onder verwijzing naar de tekening, hierin toont: fig. 1 in perspektief een uit een aantal ultrasone elementen opgebouwd ultrasone array transducent; en fig. 2 een zijaanzicht van één van de elementen van het array volgens fig. 1.The invention will be elucidated hereinbelow on the basis of an exemplary embodiment with reference to the drawing, in which: Fig. 1 shows in perspective a ultrasonic array transducer composed of a number of ultrasonic elements; and FIG. 2 is a side view of one of the elements of the array of FIG. 1.

Fig. 1 toont een ultrasoon array omvattende een aantal ultrasone elementen, elk omvattende een piezo-elektrisch materiaal 10, met aan de bovenzijde een elektrode 11, op welke elektrode een of meer impedantie-aanpassingslagen kunnen zijn aangebracht, van welke lagen er in de figuur een tweetal met de verwijzingscijfers 12 en 12' is aangegeven. Aan de onderzijde van het ultrasone element bevindt zich een tweede elektrode 13 en een drager 14, dikwijls de backing laag genoemd.Fig. 1 shows an ultrasonic array comprising a number of ultrasonic elements, each comprising a piezoelectric material 10, with an electrode 11 at the top, on which electrode one or more impedance matching layers can be provided, two of which layers are shown in the figure. is denoted by reference numerals 12 and 12 '. At the bottom of the ultrasonic element there is a second electrode 13 and a support 14, often referred to as the backing layer.

Het toepassen van een dergelijke backing laag is algemeen bekend.The use of such a backing layer is generally known.

Fig. 2 toont een zijaanzicht van een enkel ultrasoon element van de array transducent volgens fig. 1. Zoals deze figuur duidelijk toont verloopt de hoogte in de Z-richting (zie fig. 1) van het piezo-elektrisch materiaal 10 in de transversale Y-richting van het element geleidelijk vanaf de ene langszijde van het array naar de andere langszijde. Wanneer de hoogte aan de ene langszijde op 1 wordt gesteld is de hoogte aan de andere langszijde b.v. in de orde grootte van 0,75. De uiteindelijke keuze hangt echter af van de gewenste bandbreedte en gevoeligheid. De hoogte van de aanpassingslagen 12 en 12' verloopt evenredig met die van het piëzoelektrische materiaal. Voor het verkrijgen van een relevante bandbreedtevergroting van de ultrasone transducent is het niet noodzakelijk dat de hoogte van de lagen 12 en 12' varieert. Ook zonder variatie van de hoogte van deze lagen, of bij variatie van de hoogte van slechts één of twee van deze lagen wordt reeds een bandbreedtevergroting verkregen.Fig. 2 shows a side view of a single ultrasonic element of the array transducer of FIG. 1. As this figure clearly shows, the height in the Z direction (see FIG. 1) of the piezoelectric material 10 extends in the transverse Y direction. of the element gradually from one longitudinal side of the array to the other longitudinal side. When the height on one longitudinal side is set to 1, the height on the other longitudinal side is e.g. in the order of 0.75. However, the final choice depends on the desired bandwidth and sensitivity. The height of the adjustment layers 12 and 12 'is proportional to that of the piezoelectric material. In order to obtain a relevant bandwidth increase of the ultrasonic transducer, it is not necessary that the height of the layers 12 and 12 'varies. Even without varying the height of these layers, or by varying the height of only one or two of these layers, a bandwidth increase is already obtained.

Tenslotte wordt opgemerkt, dat in principe ook een bandbreedtevergroting kan worden verkregen door de hoogte van het piezo-elektrisch materiaal van elk van de ultrasone elementen in de laterale X-richting van het array te variëren. Dit leidt echter tot een constructief zeer gecompliceerd array.Finally, it is noted that in principle a bandwidth increase can also be obtained by varying the height of the piezoelectric material of each of the ultrasonic elements in the lateral X direction of the array. However, this leads to a structurally very complicated array.

Claims

Ultrasonic transducer comprising at least one row of ultrasonic elements, each comprising a piezoelectric material provided with electrodes on opposite surfaces, characterized in that each of the ultrasonic elements has characteristic properties of at least the piezoelectric material in at least vary one direction.

An ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the height of the piezoelectric material of each of the elements transversely decreases in the row from one side edge of the transducer to the other side edge.

Ultrasonic transducer according to claim 2, characterized in that at least one adjustment layer is arranged on the top of each of the elements, and in that the thickness of the at least one adjustment layer is proportional to and in the same direction as the height of the piezoelectric material decreases.