RU2294061C1 - Multicomponent piezoelectric transducer and its manufacturing process - Google Patents
Multicomponent piezoelectric transducer and its manufacturing process Download PDFInfo
- Publication number
- RU2294061C1 RU2294061C1 RU2005118317/28A RU2005118317A RU2294061C1 RU 2294061 C1 RU2294061 C1 RU 2294061C1 RU 2005118317/28 A RU2005118317/28 A RU 2005118317/28A RU 2005118317 A RU2005118317 A RU 2005118317A RU 2294061 C1 RU2294061 C1 RU 2294061C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transducer
- current collectors
- electrodes
- layer
- matching
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразователям и предназначено для использования в фазированных антенных решетках ультразвуковых приборах медицинской диагностики.The invention relates to piezoelectric transducers and is intended for use in phased antenna arrays of ultrasonic medical diagnostic devices.
Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий множество пьезоэлектрических элементов, со стороны поверхности излучения которых нанесены общие электрод и один или более согласующих слоев, а с противоположной стороны - сигнальные электроды и общий демпфирующий слой [1]. Для его изготовления на снабженную электродами длинномерную поляризованную пьезокерамическую пластину, толщина которой определяется его рабочей частотой, наносят токопроводящий согласующий слой. Затем в поперечном направлении прорезают узкие пазы через пьезокерамическую пластину и, частично, через согласующий слой. К противоположным электродам нарезанных таким образом элементов припаивают отдельные сигнальные токопроводы и наносят общий демпфирующий слой. В результате при изготовлении преобразователя достигается повышение надежности контакта общего токопровода с электродом каждого элемента и, как следствие, снижение брака.A known ultrasonic transducer containing many piezoelectric elements, on the side of the radiation surface of which are applied a common electrode and one or more matching layers, and on the opposite side are signal electrodes and a common damping layer [1]. For its manufacture, a conductive matching layer is applied to a long-length polarized piezoceramic plate equipped with electrodes, the thickness of which is determined by its operating frequency. Then, narrow grooves are cut in the transverse direction through the piezoceramic plate and, partially, through the matching layer. Separate signal conductors are soldered to the opposite electrodes of the elements thus cut and a common damping layer is applied. As a result, in the manufacture of the converter, an increase in the reliability of the contact of the common current path with the electrode of each element is achieved and, as a result, a decrease in marriage.
Недостатком описанного преобразователя является наличие акустической взаимосвязи между его элементами, обусловленной переходом при работе преобразователя акустических колебаний с одного элемента на другой через общие демпфер и согласующий слой. Это приводит к снижению чувствительности и разрешающей способности всего преобразователя.A disadvantage of the described transducer is the presence of an acoustic relationship between its elements, due to the transition during operation of the transducer of acoustic vibrations from one element to another through a common damper and matching layer. This leads to a decrease in the sensitivity and resolution of the entire converter.
Задача повышения чувствительности и разрешающей способности частично решена в ультразвуковом многоэлементном преобразователе [2], который содержит множество пьезокерамических элементов, каждый из которых снабжен отдельным токопроводящим демпфером, являющийся одновременно токопроводом. С противоположной стороны пьезоэлементов их электроды имеют электрический контакт с общим токопроводом.The task of increasing the sensitivity and resolution is partially solved in an ultrasonic multi-element transducer [2], which contains many piezoceramic elements, each of which is equipped with a separate conductive damper, which is simultaneously a conductive wire. On the opposite side of the piezoelectric elements, their electrodes have electrical contact with a common current lead.
При изготовлении преобразователя на одну из сторон поляризованной пьезокерамической пластины приклеивают токопроводящий демпфер. Затем прорезают пластину и часть демпфера, и заполняют образовавшиеся пазы резиноподобным электро- и акустическиизолирующим составом. После этого на свободные поверхности электродов всех полученных пьезоэлементов наносят общие токопроводящий и согласующий слои, а затем убирают непрорезанную часть демпфера.In the manufacture of the transducer, a conductive damper is glued to one side of the polarized piezoceramic plate. Then the plate and part of the damper are cut, and the formed grooves are filled with a rubber-like electro- and acoustically insulating composition. After that, common conductive and matching layers are applied to the free surfaces of the electrodes of all the piezoelectric elements obtained, and then the uncut part of the damper is removed.
Описанная конструкция позволяет уменьшить межэлементную акустическую взаимосвязь за счет использования раздельных демпферов, но общий согласующий слой остается, что снижает чувствительность и разрешающую способность преобразователя в целом.The described design allows to reduce the inter-element acoustic relationship due to the use of separate dampers, but the common matching layer remains, which reduces the sensitivity and resolution of the transducer as a whole.
В другом известном многоэлементном преобразователе с демпфером, выполненным из материала с ультранизким импедансом [3], прорезается пьезокерамическая пластина, согласующие слои и часть демпфера, что приводит к максимальной межэлементной акустической развязке. Однако часть демпфера остается, и полная акустическая изоляция элементов не достигается.In another known multi-element transducer with a damper made of a material with ultra-low impedance [3], a piezoceramic plate, matching layers and a part of the damper are cut, which leads to maximum inter-element acoustic isolation. However, part of the damper remains, and complete acoustic isolation of the elements is not achieved.
Аналогичная конструкция приведена в многоэлементном ультразвуковом преобразователе [4], в котором прорезаются согласующие слои, часть демпфера и пьезокерамическая пластина, в качестве которой для выравнивания электрической емкости различных по размерам элементов был использован традиционный многослойный пьезоэлектрический актюатор.A similar design is given in a multi-element ultrasonic transducer [4], in which matching layers, a damper part and a piezoceramic plate are cut, for which a traditional multilayer piezoelectric actuator was used to align the electric capacitance of elements of various sizes.
Все вышеперечисленные аналоги обладают общим недостатком совместно изготавливаемого массива элементов преобразователя, а именно неравномерностью чувствительности по его отдельным элементам.All of the above analogues have a common drawback of a jointly manufactured array of converter elements, namely, the uneven sensitivity of its individual elements.
Наиболее близким по выполнению и достигаемому результату к заявляемому преобразователю и способу его изготовления является многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления [5], принимаемый за прототип.The closest to the implementation and the achieved result to the claimed transducer and method of its manufacture is a multi-element piezoelectric transducer and method of its manufacture [5], taken as a prototype.
Пьезоэлектрический преобразователь содержит пьезокерамические элементы с электродами на их противоположных поверхностях, имеющие соотношение высоты к ширине не менее двух и расположенные параллельно друг другу на жестко связанном с нижним электродом демпфере, а также согласующий слой, протектор или фокусирующую линзу. Пьезокерамические элементы соединены между собой связующим веществом через слой электроизоляционной пленки.The piezoelectric transducer contains piezoceramic elements with electrodes on their opposite surfaces, having a height to width ratio of at least two and parallel to each other on a damper rigidly connected to the lower electrode, as well as a matching layer, protector or focusing lens. Piezoceramic elements are interconnected by a binder through a layer of electrical insulation film.
Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя состоит в том, что вначале формируют многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов шириной в два раза меньшей резонансного размера путем их жесткого соединения связующим веществом через слой электроизоляционной пленки. После этого осуществляют их резку перпендикулярно слоям на высоту, соответствующую резонансному размеру, металлизируют и снабжают токосъемниками верхние и нижние поверхности заготовок, а затем подвергают поляризации и аттестации. Отобранные заготовки своими нижними поверхностями приклеивают к общему демпферу, а на верхние поверхности заготовок наносят согласующий слой, к которому крепят протектор или фокусирующую линзу.A method of manufacturing a piezoelectric transducer consists in the fact that initially multilayer packages of blanks of non-polarized piezoceramic elements with a width half the resonant size are formed by rigidly bonding them with a binder through a layer of an insulating film. After that, they are cut perpendicular to the layers to a height corresponding to the resonant size, metallized and supplied with current collectors the upper and lower surfaces of the workpieces, and then subjected to polarization and certification. The selected blanks are glued to the common damper with their lower surfaces, and a matching layer is applied to the upper surfaces of the blanks, to which a tread or focusing lens is attached.
Несмотря на то, что предварительный отбор заготовок элементов позволил уменьшить поэлементную неравномерность чувствительности преобразователя за счет доли, обусловленной технологическими допусками при производстве пьезокерамических пластин, остается существенный вклад в неравномерность, обусловленный качеством клеевых слоев между пьезоэлементами и демпфером, между пьезоэлементами и согласующим слоем. Принимая во внимание малые, в конкретном примере 100 мкм, поперечные размеры пьезоэлемента, возрастает вклад, обусловленный неоднородностью смесей и пространственной флуктуацией акустических импедансов составов демпфера и согласующего слоя. В преобразователе-прототипе также остается поэлементная неравномерность чувствительности, обусловленная технологическими допусками на толщину согласующего слоя.Despite the fact that the preliminary selection of the blanks of the elements made it possible to reduce the elementwise unevenness of the sensitivity of the transducer due to the proportion due to technological tolerances in the production of piezoceramic plates, there remains a significant contribution to the unevenness due to the quality of the adhesive layers between the piezoelectric elements and the damper, between the piezoelectric elements and the matching layer. Taking into account the small, in a specific example, 100 μm transverse dimensions of the piezoelectric element, the contribution increases due to the heterogeneity of the mixtures and the spatial fluctuation of the acoustic impedances of the compositions of the damper and matching layer. In the prototype Converter also remains elementwise non-uniformity of sensitivity due to technological tolerances on the thickness of the matching layer.
Другим недостатком известного преобразователя является наличие акустических взаимосвязей между его элементами из-за общих демпфера и согласующего слоя, которые не обеспечивают межэлементную акустическую изоляцию.Another disadvantage of the known transducer is the presence of acoustic relationships between its elements due to the common damper and matching layer, which do not provide inter-element acoustic insulation.
Оба эти недостатка снижают общую чувствительность и поперечную разрешающую способность всего преобразователя. Это видно из следующего. Как известно [6], чувствительность определяется, как способность обнаруживать и наблюдать малые сигналы на фоне мешающих помех и собственных шумов системы. Чувствительность всего преобразователя зависит, в числе прочих, от чувствительности каждого элемента и способности к независимой друг от друга совместной работе группы или всех элементов по формированию фронта акустической волны, т.е. поверхности, в любой точке которой в данный момент времени фаза волны одна и та же, например, соединяющей начала излучаемых импульсов. Поперечной разрешающей называется способность преобразователя различать по отдельности два близких точечных отражателя, расположенных на линии, перпендикулярной акустической оси преобразователя. Чувствительность и поперечная разрешающая способность зависят от многих факторов, в том числе от резкости фокусировки, т.е. концентрации акустической энергии. Последняя, а следовательно, чувствительность преобразователя в фокусной зоне и поперечная разрешающая способность находятся в обратной зависимости от размеров фокусного пятна. А так как фокусировка в многоэлементном преобразователе осуществляется за счет совместной работы группы или всех элементов, но включающимися раздельно, с задержкой по времени, то поэлементная неравномерность чувствительности и межэлементная акустическая связь приводят к искажению волнового фронта и размыванию фокусного пятна, следовательно, снижению чувствительности и поперечной разрешающей способности преобразователя.Both of these drawbacks reduce the overall sensitivity and lateral resolution of the entire transducer. This can be seen from the following. As is known [6], sensitivity is defined as the ability to detect and observe small signals against interfering noise and system noise. The sensitivity of the entire transducer depends, among others, on the sensitivity of each element and the ability to independently work together in a group or all elements to form the front of an acoustic wave, i.e. surface at any point which at the given moment the phase of the wave is the same, for example, connecting the beginning of the emitted pulses. The transverse resolution is the ability of the transducer to distinguish separately two close point reflectors located on a line perpendicular to the acoustic axis of the transducer. Sensitivity and lateral resolution depend on many factors, including focus sharpness, i.e. concentration of acoustic energy. The latter, and therefore the sensitivity of the transducer in the focal zone and the transverse resolution, are inversely related to the size of the focal spot. And since focusing in a multi-element transducer is carried out due to the joint work of a group or all elements, but switched on separately, with a time delay, element-wise non-uniformity of sensitivity and inter-element acoustic coupling lead to distortion of the wavefront and blurring of the focal spot, therefore, a decrease in sensitivity and transverse resolution of the converter.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и поперечной разрешающей способности многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя за счет существенного увеличения его поэлементной равномерности чувствительности и обеспечения электрической и акустической изоляции друг от друга его отдельных элементов.The technical result of the invention is to increase the sensitivity and transverse resolution of a multi-element piezoelectric transducer due to a significant increase in its element-wise uniformity of sensitivity and to ensure electrical and acoustic isolation of its individual elements from each other.
Технический результат достигается тем, что многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезокерамические элементы, снабженные электродами с токосъемниками на их противоположных поверхностях, демпфером, согласующим слоем и общей фокусирующей линзой, соединенные между собой связующим веществом через слой акустоэлектроизоляционного материала, согласно изобретению выполнен из отдельных элементарных преобразователей, каждый из которых содержит пьезокерамический элемент с электродами и токосъемниками на противоположных поверхностях, демпфер и согласующий слой, а акустоэлектроизоляционный слой посредством связующего вещества размещен между боковыми поверхностями элементарных преобразователей.The technical result is achieved by the fact that a multi-element piezoelectric transducer containing piezoceramic elements equipped with electrodes with current collectors on their opposite surfaces, a damper, a matching layer and a common focusing lens, interconnected by a binder through a layer of acoustoelectric insulation material, according to the invention is made of separate elementary transducers, each of which contains a piezoceramic element with electrodes and current collectors on the opposite false surfaces damper and matching layer, and akustoelektroizolyatsionny layer by a binder is disposed between the side surfaces of the elementary transducers.
Технический результат достигается также тем, что в известном способе изготовления многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, включающем припаивание токосъемников к электродам поляризованной длинномерной пластины из пьезокерамического материала, нанесение демпфирующего и согласующего слоев на противоположные поверхности электродов пластины, резку в поперечной плоскости на отдельные части, склеивание поверхностей разреза через акустоэлектроизоляционный слой, формирование на согласующем слое фокусирующей линзы, согласно изобретению, предварительно изготавливают первичный преобразователь из пьезокерамической пластины путем припаивания по ее длине сплошных токосъемников и нанесения на противоположные поверхности электродов демпфирующего и согласующего слоев, затем производят резку на элементарные преобразователи, осуществляют сортировку по электроакустическим параметрам (статической электрической емкости, тангенсу угла диэлектрических потерь, а также амплитудно-частотной характеристике) и склеивают через акустоэлектроизоляционный слой по плоскости разреза отсортированные части между собой.The technical result is also achieved by the fact that in the known method of manufacturing a multi-element piezoelectric transducer, including soldering current collectors to the electrodes of a polarized long plate of piezoceramic material, applying damping and matching layers to opposite surfaces of the plate electrodes, cutting in the transverse plane into separate parts, bonding the cut surfaces through acoustoelectric insulating layer, formation of a focusing lens on the matching layer, according In accordance with the invention, the primary transducer is prefabricated from a piezoceramic plate by soldering continuous current collectors along its length and applying damping and matching layers on opposite surfaces of the electrodes, then cutting onto elementary transducers, sorting by electro-acoustic parameters (static electric capacitance, dielectric loss tangent, as well as the amplitude-frequency characteristic) and glued through an acoustoelectric insulation layer according to section cutness sorted parts between each other.
Изготовление первичного преобразователя из длинномерной пьезокерамической поляризованной пластины с последующей резкой на части позволяет получить полуфабрикаты - элементарные преобразователи (пьезоэлемент, токосъемники, демпфер и согласующий слой), которые после сортировки будут идентичными по электроакустическим параметрам, в отличие от прототипа, в котором проводилась сортировка заготовок пьезоэлементов.The manufacture of the primary transducer from a long piezoelectric ceramic polarized plate with subsequent cutting into parts allows to obtain semi-finished products - elementary transducers (piezoelectric element, current collectors, damper and matching layer), which after sorting will be identical in electroacoustic parameters, in contrast to the prototype, in which the piezoelectric element blanks were sorted .
Обеспечение идентичности электрически и акустически изолированных друг от друга элементов преобразователя позволяет сформировать плавный, равномерный волновой фронт и получить фокусное пятно с минимальными для данного фокусного расстояния и данной частоты акустических колебаний размерами. Это приводит к максимальной концентрации энергии в зоне фокуса и, соответственно, повышению чувствительности и поперечной разрешающей способности преобразователя.Ensuring the identity of the transducer elements that are electrically and acoustically isolated from each other allows forming a smooth, uniform wavefront and obtaining a focal spot with a minimum size for a given focal length and given frequency of acoustic vibrations. This leads to a maximum concentration of energy in the focus area and, accordingly, an increase in the sensitivity and transverse resolution of the transducer.
На фиг.1 приведен схематический чертеж многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя; на фиг.2 - пьезокерамической пластины с припаянными вдоль ее длины сплошными токосъемниками; на фиг.3 - первичного преобразователя; на фиг.4 - расчетные графики амплитуды эхо-сигнала.Figure 1 shows a schematic drawing of a multi-element piezoelectric transducer; figure 2 - piezoelectric plate with soldered along its length solid current collectors; figure 3 - primary Converter; figure 4 - calculated graphs of the amplitude of the echo signal.
Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь (фиг.1) выполнен из n элементарных преобразователей 1, каждый из которых содержит пьезокерамический элемент 2 с верхним и нижним электродами 3 и 4, соответственно на противоположных поверхностях снабженные токосъемниками 5. К верхнему электроду 3 присоединен согласующий слой 6, а нижний электрод 4 жестко связан с демпфером 7. Боковые поверхности элементарных преобразователей 1 соединены между собой связующим веществом 8 через слой акустоэлектроизолирующего материла 9. По периметру и на согласующие слои 6 всех элементарных преобразователей 1 прикреплен жесткий электрический экран (не показан) и нанесена общая фокусирующая линза 10, соответственно.A multi-element piezoelectric transducer (Fig. 1) is made of n elementary transducers 1, each of which contains a
Для изготовления многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя вначале формируют заготовку преобразователя (фиг.2), состоящую из пьезокерамической пластины 2 с припаянными вдоль ее длины сплошными токосъемниками 5. Центральный токосъемник припаивают к нижнему электроду 4, а два периферийных токосъемника - к верхнему электроду 3 так, что они образуют форму для заливки демпфера. Используя торцевые заглушки (не показаны) для полученной формы, заливают демпфер 7. После этого на верхний электрод 3 пьезокерамической пластины 2 наносят согласующий слой 6. Полученный таким образом первичный преобразователь с заданным шагом режут перпендикулярно его длине на элементарные преобразователи 1 (фиг.3). Затем их подвергают электроакустическим испытаниям и сортируют. Отобранные, идентичные элементарные преобразователи склеивают друг с другом через слой акустоэлектроизоляционного материала. Склеивание производят в сборочном приспособлении, обеспечивающем формирование многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя как линейного, так и конвексного типа. Далее, на сформированный преобразователь по его периметру крепят общий электрический экран, а со стороны согласующего слоя - фокусирующую линзу. После этого периферийные токосъемники всех элементарных преобразователей припаивают к общему электрическому экрану, а центральные токосъемники - к шинам разъема.To fabricate a multi-element piezoelectric transducer, a transducer preform is first formed (Fig. 2), consisting of a
Работа многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя определяется параметрами электрических сигналов, подаваемых на его отдельные элементы для формирования фронта излученной во внешнюю среду акустической волны и способом подключения элементов на прием отраженных акустических сигналов для преобразования их в электрические. Упрощенно, ее можно представить следующим образом. Преобразователь приводится в акустический контакт с исследуемым объектом. На каждый элемент всего преобразователя в случае использования его в качестве фазированной антенной решетки или части преобразователя при использовании его в режиме сканирующей фокусирующей системы подаются с задержкой по времени инициализирующие электрические сигналы. В результате этого излученные акустические волны от возбужденных элементов преобразователя в зависимости от соотношения фаз этих сигналов формируют цилиндрический фронт общей волны и фокусируются на заданном направлении и расстоянии в исследуемом объекте. При этом в зоне фокуса концентрируется максимум акустической энергии, и если здесь оказывается граница раздела сред с разными акустическими свойствами (отражатель), то часть этой энергии отражается назад к элементам преобразователя. Здесь происходит обратное преобразование акустического сигнала в электрический.The operation of a multi-element piezoelectric transducer is determined by the parameters of the electrical signals supplied to its individual elements to form the front of the acoustic wave emitted into the external environment and by the method of connecting the elements to receive reflected acoustic signals to convert them into electrical ones. Simplified, it can be represented as follows. The transducer is brought into acoustic contact with the test object. When each element of the entire transducer is used as a phased array or part of the transducer when used in the scanning focusing system mode, initializing electrical signals are delayed. As a result of this, the emitted acoustic waves from the excited elements of the transducer, depending on the phase relationship of these signals, form a cylindrical front of the common wave and focus on a given direction and distance in the object under study. In this case, the maximum of acoustic energy is concentrated in the focus zone, and if there is a media interface with different acoustic properties (reflector), part of this energy is reflected back to the transducer elements. Here, the inverse transformation of the acoustic signal into an electric one takes place.
Как известно [7], сходящиеся волновые фронты при фокусировке звука характеризуются, как правило, неравномерным распределением амплитуды и отклонением формы фронта от идеальной сферы или цилиндра, т.н. аберрацией. При фокусировке в акустике большую роль играет неравномерность амплитуды и меньшую - аберрация. В результате дифракции волн в фокусе образуется фокальное пятно или полоса.As is known [7], converging wave fronts during sound focusing are characterized, as a rule, by an uneven distribution of the amplitude and deviation of the front shape from an ideal sphere or cylinder, the so-called aberration. When focusing in acoustics, a large role is played by the unevenness of the amplitude and a smaller one by aberration. As a result of diffraction of waves in focus, a focal spot or band is formed.
Чувствительность и поперечная разрешающая способность многоэлементного преобразователя определяются в том числе размерами фокусного пятна. Эти размеры зависят, в основном, от плавности и правильности формы волнового фронта и теоретически приближаются к размерам фокусного пятна, получаемым для активных концентраторов (изогнутые пьезопластины, представляющие часть цилиндра). Однако поэлементная неравномерность чувствительности и межэлементная акустическая связь приводят к искажению волнового фронта и увеличению размеров фокусного пятна. Так, у серийных многоэлементных преобразователей поэлементная неравномерность чувствительности может достигать 6 дБ, а у прототипа - 4 дБ. Но уменьшения размеров фокусного пятна у прототипа практически нет, так как влияние на него более высокой равномерности чувствительности компенсируется расширением фокусного пятна за счет значительной межэлементной акустической связи. В заявляемом преобразователе поэлементная неравномерность чувствительности может быть сведена до нуля при том, что межэлементная электрическая и акустическая изоляция реализуется в максимальном объеме. Это приводит, как показывают эксперименты, к существенному, на 30-50%, уменьшению размеров фокусного пятна и соответствующему повышению чувствительности и поперечной разрешающей способности преобразователя.The sensitivity and transverse resolution of a multi-element transducer are determined including the size of the focal spot. These sizes depend mainly on the smoothness and correctness of the wavefront shape and theoretically approach the sizes of the focal spot obtained for active concentrators (curved piezoelectric plates representing part of the cylinder). However, the element-wise non-uniformity of sensitivity and inter-element acoustic coupling lead to distortion of the wavefront and an increase in the size of the focal spot. So, in serial multi-element converters, the element-wise non-uniformity of sensitivity can reach 6 dB, and in the prototype - 4 dB. But the prototype has practically no reduction in the size of the focal spot, since the influence on it of a higher uniformity of sensitivity is compensated by the expansion of the focal spot due to the significant inter-element acoustic coupling. In the inventive converter, the element-wise non-uniformity of sensitivity can be reduced to zero, while the inter-element electrical and acoustic insulation is realized to the maximum extent. This leads, as experiments show, to a substantial, by 30-50%, reduction in the size of the focal spot and a corresponding increase in the sensitivity and transverse resolution of the converter.
На фиг.4 приведены расчетные пронормированные графики амплитуды эхо-сигнала при сканировании двух точечных отражателей. Пунктирной и сплошной линиями показаны значения амплитуд эхо-сигналов от каждого отражателя поотдельности для прототипа и заявляемого преобразователя соответственно. Линиями двойной толщины обозначены суммарные эхо-сигналы от обоих отражателей, расположенных на минимальном расстоянии друг от друга, при котором они воспринимаются раздельно. На практике, для определения минимального расстояния различимости используется классический критерий, при котором полагается, что точечные объекты разрешаются, если в суммарном сигнале от них есть провал (двугорбость). Этот критерий разрешающей способности называется разрешением по Рэлею. Из анализа приведенных графиков видно, что при уменьшении размеров фокусного пятна на 30% у заявляемого преобразователя, на столько же повышается чувствительность и поперечная разрешающая способность.Figure 4 shows the calculated normalized graphs of the amplitude of the echo signal when scanning two point reflectors. The dashed and solid lines show the values of the amplitudes of the echo signals from each reflector separately for the prototype and the inventive converter, respectively. Lines of double thickness denote the total echo signals from both reflectors located at a minimum distance from each other, at which they are perceived separately. In practice, the classical criterion is used to determine the minimum distance of distinguishability, under which it is assumed that point objects are resolved if there is a dip (bump) in the total signal from them. This resolution criterion is called Rayleigh resolution. From the analysis of the graphs, it can be seen that when the size of the focal spot is reduced by 30% for the inventive converter, the sensitivity and transverse resolution increase by the same amount.
Примером изготовления конкретного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя по заявляемому способу может служить изготовление стандартного 128-элементного преобразователя с конвексным электронным сканированием на частоту 3,5 МГц. Вначале из пьезокерамического материала типа ПКР-7М изготавливали пластины с соответствующей рабочей частоте преобразователя толщиной 0,56 мм, шириной 12 мм и длиной, например, 30 мм. Затем производили вакуумное напыление монель-металлом электродов на поверхность пьезопластин и их поляризацию. После этого припаивали к каждой пьезопластине вдоль ее длины сплошные токосъемники из медной фольги толщиной 0,05 мм. Центральный токосъемник припаивали к нижнему электроду пьезопластины, а два периферийных токосъемника - к верхнему электроду так, что они образовывали форму для заливки демпфера. Используя торцевые заглушки для полученной формы, заливали высокоимпедансный демпфер с максимальным содержанием вольфрама для обеспечения возможно большего прохождения акустических волн в демпфер. Высота токосъемников и, соответственно, формы определялась условием достаточного поглощения волн в демпфере и составляла примерно 4 мм. После этого на верхний электрод пьезоэлемента наносили четвертьволновой согласующий слой со значением акустического импеданса, равным средней геометрической величин импеданса пьезокерамики и среды распространения акустических волн для обеспечения максимально возможного прохождения акустических волн в среду и обратно из среды распространения к пьезоэлементу в режиме приема.An example of the manufacture of a specific multi-element piezoelectric transducer according to the claimed method can be the manufacture of a standard 128-element transducer with convex electronic scanning at a frequency of 3.5 MHz. Initially, plates with the corresponding operating frequency of the transducer, 0.56 mm thick, 12 mm wide, and, for example, 30 mm long, were made from piezoceramic material of the PKR-7M type. Then, a monel-metal electrode was vacuum sprayed onto the surface of the piezoelectric plates and polarized. After that, solid current collectors made of copper foil 0.05 mm thick were soldered to each piezoelectric plate along its length. The central current collector was soldered to the lower electrode of the piezoelectric plate, and two peripheral current collectors were soldered to the upper electrode so that they formed a mold for filling the damper. Using end caps for the obtained shape, a high-impedance damper with a maximum tungsten content was poured to ensure the greatest possible transmission of acoustic waves into the damper. The height of the current collectors and, accordingly, the shape was determined by the condition of sufficient absorption of waves in the damper and was approximately 4 mm. After that, a quarter-wave matching layer was applied to the upper electrode of the piezoelectric element with an acoustic impedance equal to the geometric mean impedance of the piezoceramics and the propagation medium of acoustic waves to ensure the maximum possible passage of acoustic waves into and out of the propagation medium to the piezoelectric element in the receiving mode.
Полученный таким образом первичный преобразователь, резали перпендикулярно его длине на элементарные преобразователи толщиной 0,28 мм. Затем измеряли их электрические параметры - емкость, тангенс угла диэлектрических потерь и интегральный электроакустический параметр - амплитудно-частотную характеристику. По результатам измерений производили выборку с разбросом по указанным параметрам, например, не более 3%. Отобранные таким образом, 256 элементарных преобразователей склеивали друг с другом через слой конденсаторной бумаги толщиной 0,02 мм в сборочном приспособлении, обеспечивающем формирование конвексного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с заданным радиусом кривизны, например, 60 мм. Далее на сформированный преобразователь по его периметру крепили общий электрический экран из твердой листовой латуни толщиной 0,2 мм для придания большей жесткости всей конструкции, а со стороны согласующего слоя - общую фокусирующую линзу из силиконовой резины. После этого с помощью перемычек каждые два элементарных преобразователя соединяли электрически между собой параллельно. Таким образом, получили пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из 128 элементов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из двух субъэлементов - элементарных преобразователя. Шаг дискретизации преобразователя составил 0,6 мм, а угол сканирования при 32-канальном сканировании - 57°. Периферийные токосъемники всех элементарных преобразователей припаивали к общему электрическому экрану, а центральные токосъемники каждой пары элементарных преобразователей - к шинам разъема.The primary transducer thus obtained was cut perpendicularly to its length into 0.28 mm thick elementary transducers. Then their electrical parameters were measured - capacitance, dielectric loss tangent and integral electro-acoustic parameter - amplitude-frequency characteristic. According to the measurement results, a sample was made with a spread in the indicated parameters, for example, no more than 3%. Selected in this way, 256 elementary transducers were glued to each other through a layer of capacitor paper 0.02 mm thick in an assembly device that provided the formation of a convex multi-element piezoelectric transducer with a given radius of curvature, for example, 60 mm. Next, a common electric screen of solid sheet brass 0.2 mm thick was attached to its formed perimeter along its perimeter to give greater rigidity to the entire structure, and from the side of the matching layer, a common focusing lens made of silicone rubber. After that, using jumpers, every two elementary transducers were connected electrically to each other in parallel. Thus, we obtained a piezoelectric transducer consisting of 128 elements, each of which, in turn, consists of two subelements - elementary transducers. The sampling step of the transducer was 0.6 mm, and the scanning angle for 32-channel scanning was 57 °. The peripheral current collectors of all elementary converters were soldered to a common electric screen, and the central current collectors of each pair of elementary converters were soldered to the connector buses.
Источники информацииInformation sources
1. Патент US №6821253, МПК А 61 В 008/00, H 01 L 041/047, 600/437, 459, 463, опубл. 23.11.2004 г.1. US patent No. 6821253, IPC A 61 B 008/00, H 01 L 041/047, 600/437, 459, 463, publ. November 23, 2004
2. Заявка US №20030150273 А1, МПК G 01 N 029/26, H 04 R 017/00, H 04 R 031/00, опубл. 14.08.2003 г.2. Application US No. 20030150273 A1, IPC G 01 N 029/26, H 04 R 017/00, H 04 R 031/00, publ. 08/14/2003
3. Патент US №6087761, МПК H 01 L 041/18, 310/322, 326, 327, 334, 335, опубл. 11.07.2000 г.3. US patent No. 6087761, IPC H 01 L 041/18, 310/322, 326, 327, 334, 335, publ. 07/11/2000
4. Патент US №6656124, МПК А 61 В 006/00, 310/314, 336, 322, 334, 600/437, опубл. 02.12.2003 г.4. US patent No. 6656124, IPC A 61 B 006/00, 310/314, 336, 322, 334, 600/437, publ. 12/02/2003
5. Патент RU №2121241 С1, 6 МПК H 04 R 17/00, опубл. 27.10.1998 г.5. Patent RU No. 2121241 C1, 6 IPC H 04 R 17/00, publ. 10/27/1998
6. Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы. М.: Видар, 1999, 256 с.6. Osipov L.V. Ultrasonic diagnostic devices. M .: Vidar, 1999, 256 pp.
7. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Сов. Энциклопедия, 1984, 944 с.7. Physical encyclopedic dictionary. / Ch. ed. A.M. Prokhorov. - M .: Owls. Encyclopedia, 1984, 944 p.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005118317/28A RU2294061C1 (en) | 2005-06-14 | 2005-06-14 | Multicomponent piezoelectric transducer and its manufacturing process |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005118317/28A RU2294061C1 (en) | 2005-06-14 | 2005-06-14 | Multicomponent piezoelectric transducer and its manufacturing process |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2294061C1 true RU2294061C1 (en) | 2007-02-20 |
Family
ID=37863550
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005118317/28A RU2294061C1 (en) | 2005-06-14 | 2005-06-14 | Multicomponent piezoelectric transducer and its manufacturing process |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2294061C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2493673C1 (en) * | 2012-03-02 | 2013-09-20 | Елена Анатольевна Алюшникова | Ultrasonic transducer for physiotherapy equipment |
| RU2544878C2 (en) * | 2009-11-09 | 2015-03-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Ultrasonic hifu-transducer with non-magnetic conducting through connections |
| RU2648301C1 (en) * | 2016-12-23 | 2018-03-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Ultrasonic transducer |
-
2005
- 2005-06-14 RU RU2005118317/28A patent/RU2294061C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2544878C2 (en) * | 2009-11-09 | 2015-03-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Ultrasonic hifu-transducer with non-magnetic conducting through connections |
| RU2493673C1 (en) * | 2012-03-02 | 2013-09-20 | Елена Анатольевна Алюшникова | Ultrasonic transducer for physiotherapy equipment |
| RU2648301C1 (en) * | 2016-12-23 | 2018-03-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Ultrasonic transducer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4424465A (en) | Piezoelectric vibration transducer | |
| US6049159A (en) | Wideband acoustic transducer | |
| US5099459A (en) | Phased array ultrosonic transducer including different sized phezoelectric segments | |
| JPH02253798A (en) | Piezoelectric converting element | |
| JP2006519556A (en) | Micromachined ultrasonic transducer with bias polar beam profile control | |
| GB2232321A (en) | Focusing piezoelectric transducer | |
| JPS605133A (en) | Ultrasonic converter improved in vibration mode | |
| RU2294061C1 (en) | Multicomponent piezoelectric transducer and its manufacturing process | |
| Papadakis et al. | 2 Fabrication and characterization of transducers | |
| US5511043A (en) | Multiple frequency steerable acoustic transducer | |
| US10134973B2 (en) | Ultrasonic transducer and manufacture method thereof | |
| Hurmila et al. | Ultrasonic transducers using PVDF | |
| RU2697024C1 (en) | Ultrasound separately-combined converter | |
| Cannata et al. | A kerfless 30 MHz linear ultrasonic array | |
| Savoia et al. | A low frequency broadband flexural mode ultrasonic transducer for immersion applications | |
| RU85782U1 (en) | MULTI-ELEMENT PIEZOELECTRIC CONVERTER | |
| CN219850568U (en) | Focusing air coupling ultrasonic transducer | |
| CN216771608U (en) | Focusing piezoelectric ceramic acoustic emission source and contact type A-type ultrasonic focusing probe | |
| Bierregaard et al. | Cost-effective screen printed linear arrays for medical imaging fabricated using PZT thick films | |
| US20230191455A1 (en) | Methods and systems for multi-frequency transducer array fabrication | |
| US12005476B2 (en) | Methods and systems for a multi-frequency transducer array | |
| CN218691247U (en) | Annular array ultrasonic transducer | |
| RU2121241C1 (en) | Piezoelectric converter and process of its manufacture | |
| US11819880B2 (en) | Methods and systems for a multi-frequency transducer array | |
| US20230028329A1 (en) | Methods and systems for wafer scale transducer array fabrication |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090615 |