RU85782U1

RU85782U1 - MULTI-ELEMENT PIEZOELECTRIC CONVERTER

Info

Publication number: RU85782U1
Application number: RU2009118842/22U
Authority: RU
Inventors: Вадим Фазылович Рахимов; Сергей Николаевич Хоруженко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "УзиДон" (ООО "УзиДон)
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2009-08-10

Abstract

1. Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий элементарные преобразователи, каждый из которых имеет пьезокерамическую пластину с электродами и токосъемниками на противоположных поверхностях, демпфер и согласующий слой, причем боковые поверхности элементарных преобразователей соединены между собой связующим материалом через акустоэлектроизоляционный слой, а на рабочей поверхности элементарных преобразователей закреплена фокусирующая линза, выполненная из акустически прозрачного эластичного материала, отличающийся тем, что в каждом элементарном преобразователе со стороны рабочей поверхности до демпфера выполнен, по крайней мере, один вертикальный паз, разделяющий акустически пьезокерамическую пластину вместе с согласующим слоем на равные части, соединенные токосъемниками электрически параллельно. ! 2. Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что количество вертикальных пазов k определяется из условия k≥(L/n-γ-t/2)/(δ+t/2), где t - толщина пьезокерамической пластины, L - длина активной части преобразователя, n - количество элементов в преобразователе, γ - толщина связующего и акустоэлектроизоляционного слоев между элементарными преобразователями, δ - ширина вертикального паза.1. A multi-element piezoelectric transducer containing elementary transducers, each of which has a piezoceramic plate with electrodes and current collectors on opposite surfaces, a damper and a matching layer, and the side surfaces of the elementary transducers are interconnected by a binder material through an acoustoelectric insulation layer, and fixed to the working surface of the elementary transducers focusing lens made of acoustically transparent elastic material, excellent yuschiysya in that each elementary converter from the working surface to the damper is formed by at least one vertical slot which separates acoustically piezoceramic plate with the matching layer at equal parts, current collectors are electrically connected in parallel. ! 2. The multi-element piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that the number of vertical grooves k is determined from the condition k≥ (L / n-γ-t / 2) / (δ + t / 2), where t is the thickness of the piezoceramic plate, L is the length of the active part of the transducer, n is the number of elements in the transducer, γ is the thickness of the binder and acoustoelectric insulation layers between the elementary transducers, δ is the width of the vertical groove.

Description

Полезная модель относится к пьезоэлектрическим преобразователям, предназначенным для использования в фазированных антенных решетках ультразвуковых приборов медицинской диагностики.The utility model relates to piezoelectric transducers intended for use in phased array antennas 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 (US 6821253, МПК А61В 008/00, H01L 041/047, 23.11.2004) [1].A known ultrasonic transducer containing many piezoelectric elements, on the side of the radiation surface of which a common electrode and one or more matching layers are applied, and on the opposite side are signal electrodes and a common damping layer (US 6821253, IPC А61В 008/00, H01L 041/047, 11/23/2004) [1].

Наличие акустической взаимосвязи между его элементами, обусловленной переходом акустических колебаний с одного элемента на другой через общие демпфер и согласующий слой приводит к снижению чувствительности и разрешающей способности всего преобразователя.The presence of the acoustic relationship between its elements, due to the transition of acoustic vibrations from one element to another through a common damper and matching layer, reduces the sensitivity and resolution of the entire transducer.

Задача повышения чувствительности и разрешающей способности частично решена в ультразвуковом многоэлементном преобразователе (US 6546803, МПК G01N 29/24, G01R 033/20, 15.04.2003 г.) [2], который содержит множество пьезокерамических элементов, каждый из которых снабжен отдельным токопроводящим демпфером, который является одновременно токопроводом. При изготовлении преобразователя на одну из сторон поляризованной пьезокерамической пластины приклеивают токопроводящий демпфер. Затем прорезают пьезокерамическую пластину и часть демпфера и заполняют образовавшиеся пазы между пьезокерамическими элементами резиноподобным акустоэлектроизоляционным составом. На свободные поверхности электродов всех пьезоэлементов наносят общие токопроводящий и согласующий слои, а затем убирают непрорезанную часть демпфера. Описанная конструкция позволяет уменьшить межэлементную акустическую взаимосвязь за счет использования раздельных демпферов, но при этом сохраняется межэлементная акустическая связь через согласующий слой, что приводит к искажению волнового фронта акустической волны и снижает чувствительность и разрешающую способность многоэлементного преобразователя.The task of increasing the sensitivity and resolution is partially solved in an ultrasonic multielement transducer (US 6546803, IPC G01N 29/24, G01R 033/20, 04/15/2003) [2], which contains many piezoceramic elements, each of which is equipped with a separate conductive damper , which is simultaneously a conductor. In the manufacture of the transducer, a conductive damper is glued to one side of the polarized piezoceramic plate. Then the piezoceramic plate and part of the damper are cut and the formed grooves between the piezoceramic elements are filled with a rubber-like acoustoelectric insulation composition. The common conductive and matching layers are applied to the free surfaces of the electrodes of all piezoelectric elements, and then the uncut part of the damper is removed. The described design allows one to reduce the inter-element acoustic coupling due to the use of separate dampers, but at the same time the inter-element acoustic coupling is maintained through the matching layer, which leads to distortion of the wavefront of the acoustic wave and reduces the sensitivity and resolution of the multi-element transducer.

Другой известный многоэлементный преобразователь имеет демпфер, выполненный из материала с ультранизким импедансом (US 6453526, МПК В06В 1/06, G10K 11/00, H04R 017/10, 24.09.2002) [3]. При изготовлении в заготовке прорезается пьезокерамическая пластина, согласующие слои и часть демпфера, что приводит к максимальной межэлементной акустической развязке. Однако другая часть демпфера остается, и полная акустическая изоляция элементов не достигается.Another well-known multi-element converter has a damper made of a material with ultra-low impedance (US 6453526, IPC B06B 1/06, G10K 11/00, H04R 017/10, September 24, 2002) [3]. During manufacture, a piezoceramic plate, matching layers and a part of the damper are cut through in the blank, which leads to maximum inter-element acoustic decoupling. However, another part of the damper remains, and complete acoustic isolation of the elements is not achieved.

Задача уменьшения поэлементной неравномерности чувствительности преобразователя, обусловленной технологическими допусками при производстве пьезокерамических пластин решена в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе (RU 2121241, С1 6 МПК H04R 17/00, 27.10.1998) [4]. Пьезоэлектрический преобразователь содержит пьезокерамические элементы с электродами на их противоположных поверхностях, при этом отношение высоты пьезокерамических пластин к ширине составляет не менее двух. Пьезокерамические элементы расположены параллельно друг другу на жестко связанном с нижним электродом демпфере. На верхнем электроде расположен согласующий слой, на поверхность которого нанесена фокусирующая линза. Пьезокерамические элементы соединены между собой связующим веществом через слой электроакустоизоляционной пленки. Предварительный отбор заготовок элементов позволяет уменьшить поэлементную неравномерность чувствительности преобразователя за счет уменьшения разброса электроакустических параметров пьезокерамических элементов, обусловленного технологическими допусками при производстве пьезокерамических пластин. Однако остается существенный вклад в неравномерность чувствительности преобразователя, обусловленный качеством клеевых слоев между пьезоэлементами и демпфером, между пьезоэлементами и согласующим слоем. При малых, порядка 100 мкм, поперечных размерах пьезоэлектрических элементов возрастает вклад, обусловленный неоднородностью смесей и пространственной флуктуацией акустических импедансов составов демпфера и согласующего слоя. В пьезоэлектрическом преобразователе также остается поэлементная неравномерность чувствительности, обусловленная технологическими допусками на толщину согласующего слоя. Другим недостатком известного преобразователя является наличие акустических взаимосвязей между его элементами из-за общих демпфера и согласующего слоя, которые не обеспечивают межэлементную акустическую изоляцию. Эти недостатки приводят к снижению общей чувствительности и поперечной разрешающей способности многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя.The task of reducing the elementwise non-uniformity of the transducer sensitivity due to technological tolerances in the production of piezoceramic plates was solved in a multi-element piezoelectric transducer (RU 2121241, C1 6 IPC H04R 17/00, 10.27.1998) [4]. The piezoelectric transducer contains piezoceramic elements with electrodes on their opposite surfaces, while the ratio of the height of the piezoelectric plates to the width is at least two. Piezoceramic elements are arranged parallel to each other on a damper rigidly connected to the lower electrode. A matching layer is located on the upper electrode, on the surface of which a focusing lens is applied. Piezoceramic elements are interconnected by a binder through a layer of electro-acoustic insulation film. Preliminary selection of blanks of elements allows to reduce the element-wise unevenness of the sensitivity of the transducer by reducing the spread of electro-acoustic parameters of piezoceramic elements due to technological tolerances in the production of piezoceramic plates. However, there remains a significant contribution to the non-uniformity of the sensitivity of the transducer, due to the quality of the adhesive layers between the piezoelectric elements and the damper, between the piezoelectric elements and the matching layer. For small, about 100 μm, transverse sizes of the piezoelectric elements, 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 the matching layer. The piezoelectric transducer also remains an elementwise non-uniformity of sensitivity due to technological tolerances on the thickness of the matching layer. 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. These disadvantages lead to a decrease in the overall sensitivity and transverse resolution of the multi-element piezoelectric transducer.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь (RU 2294061 С1, 6 МПК H04R 17/00, 31/00, 20.02.2007) [5], принимаемый за прототип.The closest in technical essence to the claimed utility model is a multi-element piezoelectric transducer (RU 2294061 C1, 6 IPC H04R 17/00, 31/00, 02/20/2007) [5], taken as a prototype.

Известный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь - прототип содержит n элементарных преобразователей, соединенных между собой связующим веществом через слой акустоэлектроизоляционного материала, каждый из которых имеет пьезокерамический элемент с электродами и токосъемниками на противоположных поверхностях, демпфер, согласующий слой, на поверхностях согласующих слоев расположена фокусирующая линза, выполненная из эластичного акустически прозрачного материала. При этом количество элементарных преобразователей в несколько раз превышает количество составляющих элементов многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, что обусловлено тем, что для достижения максимальных значений коэффициента электромеханической связи протяженного пьезокерамического элемента, поляризованного по толщине, необходимо чтобы его толщина не менее чем в два раза превышала его ширину (Домаркас В.И., Пилецкас Э.Л. Ультразвуковая эхоскопия. - Л.: Машиностроение, 1988, с.110) [6]. С другой стороны, установившиеся в практике применения многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей размеры активной части и количество элементов требуют существенно больших значений для ширины каждого пьезоэлектрического элемента. В результате каждый составляющий элемент многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя представляет собой несколько последовательно расположенных и электрически параллельно соединенных между собой элементарных преобразователей, что приводит к усложнению конструкции и удорожанию процесса сборки многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя. Нахождение фокусирующей линзы в процессе работы ультразвукового диагностического прибора в непосредственном контакте с объектом исследования часто приводит к отрыву фокусирующей линзы от поверхности согласующего слоя, что снижает срок службы преобразователя.The well-known multi-element piezoelectric transducer - the prototype contains n elementary transducers interconnected by a binder through a layer of acousto-electric insulation material, each of which has a piezoceramic element with electrodes and current collectors on opposite surfaces, a damper, a matching layer, a focusing lens made of surfaces of matching layers made of elastic acoustically transparent material. Moreover, the number of elementary transducers is several times greater than the number of constituent elements of a multi-element piezoelectric transducer, which is due to the fact that in order to achieve maximum values of the electromechanical coupling coefficient of an extended piezoelectric ceramic polarized in thickness, it is necessary that its thickness is at least two times its width ( Domarkas V.I., Pileckas E.L. Ultrasonic echoscopy. - L.: Mechanical Engineering, 1988, p.110) [6]. On the other hand, the dimensions of the active part and the number of elements that are established in the practice of using multi-element piezoelectric transducers require significantly larger values for the width of each piezoelectric element. As a result, each constituent element of a multi-element piezoelectric transducer is a series of elementary transducers arranged in series and electrically connected in parallel with each other, which leads to a complication of the construction and cost of the assembly process of a multi-element piezoelectric transducer. Finding the focusing lens during the operation of the ultrasound diagnostic device in direct contact with the object of study often leads to the separation of the focusing lens from the surface of the matching layer, which reduces the life of the transducer.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и процесса сборки многоэлементного преобразователя, за счет уменьшения количества элементарных преобразователей при сохранении чувствительности и поперечной разрешающей способности многоэлементного преобразователя и повышение срока службы, за счет увеличения силы сцепления между фокусирующей линзой и согласующим слоем каждого элементарного преобразователя. Указанный технический результат не достигается в известных аналогах и прототипе.The technical result of the claimed utility model is to simplify the design and assembly process of a multi-element transducer by reducing the number of elementary transducers while maintaining the sensitivity and lateral resolution of the multi-element transducer and increasing the service life by increasing the adhesion force between the focusing lens and the matching layer of each elementary transducer. The specified technical result is not achieved in the known analogues and prototype.

Технический результат достигается тем, что многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь содержит элементарные преобразователи, каждый из которых имеет пьезокерамическую пластину с электродами и токосъемниками на противоположных поверхностях, демпфер и согласующий слой, причем боковые поверхности элементарных преобразователей соединены между собой связующим материалом через акустоэлектроизоляционный слой, а на рабочей поверхности элементарных преобразователей нанесена фокусирующая линза, выполненная из акустически прозрачного эластичного материала.The technical result is achieved by the fact that a multi-element piezoelectric transducer contains elementary transducers, each of which has a piezoceramic plate with electrodes and current collectors on opposite surfaces, a damper and a matching layer, the side surfaces of elementary transducers being connected by a bonding material through an acoustoelectric insulation layer, and on the working surface elementary transducers applied focusing lens made of acoustically proz achnogo elastic material.

Согласно полезной модели, в каждом элементарном преобразователе со стороны рабочей поверхности до демпфера выполнен, по крайней мере, один вертикальный паз, разделяющий пьезокерамическую пластину вместе с согласующим слоем на равные части, соединенные токосъемниками электрически параллельно.According to a utility model, at least one vertical groove is made in each elementary converter from the working surface to the damper, dividing the piezoceramic plate together with the matching layer into equal parts connected by current collectors electrically in parallel.

Другое отличие состоит в том, что количество вертикальных пазов k определяется из условия: k≥(L/n-γ-t/2)/(δ+t/2), где t - толщина пьезокерамической пластины, L - длина активной части преобразователя, n - количество элементов в преобразователе, γ - толщина связующего и акустоэлектроизоляционного слоев между элементами преобразователя, δ - ширина вертикального паза.Another difference is that the number of vertical grooves k is determined from the condition: k≥ (L / n-γ-t / 2) / (δ + t / 2), where t is the thickness of the piezoceramic plate, L is the length of the active part of the transducer , n is the number of elements in the transducer, γ is the thickness of the binder and acoustoelectric insulation layers between the transducer elements, δ is the width of the vertical groove.

Сущность полезной модели поясняется фигурами чертежей.The essence of the utility model is illustrated by the figures of the drawings.

На фиг.1 приведен схематический чертеж многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, продольное сечение.Figure 1 shows a schematic drawing of a multi-element piezoelectric transducer, longitudinal section.

На фиг.2 приведен схематический чертеж пьезокерамической пластины с припаянными вдоль ее длины сплошными токосъемниками.Figure 2 shows a schematic drawing of a piezoceramic plate with solid current collectors soldered along its length.

На фиг.3 приведен схематический чертеж элементарного преобразователя, отсеченного от заготовки.Figure 3 shows a schematic drawing of an elementary transducer, cut off from the workpiece.

Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь (фиг.1) выполнен из n элементарных преобразователей 1, каждый из которых содержит пьезокерамическую пластину 2 с верхним электродом 3 и нижним электродом 4, которые снабжены токосъемниками 5. На поверхности электрода 3 расположен согласующий слой 6, а на поверхности электрода 4 расположен демпфер 7. В каждом элементарном преобразователе 1 со стороны рабочей поверхности до демпфера 7 выполнен, по крайней мере, один вертикальный паз 8, разделяющий пьезокерамическую пластину 2 и согласующий слой 6 на равные части. Вертикальный паз 8 акустически разделяет пьезокерамическую пластину 2 вместе с согласующим слоем 6 на две равные части, соединенные токосъмниками 5 электрически параллельно. Боковые поверхности элементарных преобразователей 1 соединены между собой связующим веществом 9 через слой акустоэлектроизоляционного материала 10. На рабочих поверхностях всех n элементарных преобразователей 1 закреплена фокусирующая линза 11.A multi-element piezoelectric transducer (Fig. 1) is made of n elementary transducers 1, each of which contains a piezoceramic plate 2 with an upper electrode 3 and a lower electrode 4, which are equipped with current collectors 5. On the surface of the electrode 3 there is a matching layer 6, and on the surface of the electrode 4 damper 7 is located. In each elementary converter 1, at least one vertical groove 8 is made from the side of the working surface to the damper 7, separating the piezoceramic plate 2 and the matching layer 6 into equal parts. The vertical groove 8 acoustically separates the piezoceramic plate 2 together with the matching layer 6 into two equal parts connected by current collectors 5 electrically in parallel. The lateral surfaces of the elementary transducers 1 are interconnected by a binder 9 through a layer of acoustoelectric insulation material 10. A focusing lens 11 is fixed on the working surfaces of all n elementary transducers 1.

Количество k вертикальных пазов 8 в каждом элементарном преобразователе 1 согласно приведенным ниже выводам должно удовлетворять соотношению:The number k of vertical grooves 8 in each elementary transducer 1 according to the conclusions below should satisfy the ratio:

k≥(L/n-γ-t/2)/(δ+t/2), где t - толщина пьезокерамической пластины, L - длина активной части преобразователя, n - количество элементов в преобразователе, γ - толщина связующего и акустоэлектроизоляционного слоев между элементарными преобразователями, δ - ширина вертикального паза (1)k≥ (L / n-γ-t / 2) / (δ + t / 2), where t is the thickness of the piezoceramic plate, L is the length of the active part of the transducer, n is the number of elements in the transducer, γ is the thickness of the binder and acoustoelectric insulating layers between elementary transducers, δ is the width of the vertical groove (1)

Условием максимума коэффициента электромеханической связи протяженной пьезокерамической пластины 2 шириной d, поляризованной по толщине t, является известное выражение:The condition for the maximum coefficient of electromechanical coupling of an extended piezoceramic plate 2 of width d polarized by thickness t is the well-known expression:

После резки пьезокерамической пластины на равные части суммарная ширина этих частей составляет (k+1)d, а суммарная ширина всех вертикальных пазов 8 составляет kδ. В то же время, исходная ширина пьезокерамической пластины равна L/n-γ, и простым сложением получаем выражение:After cutting the piezoceramic plate into equal parts, the total width of these parts is (k + 1) d, and the total width of all vertical grooves 8 is kδ. At the same time, the initial width of the piezoceramic plate is L / n-γ, and by simple addition we get the expression:

С учетом соотношения между толщиной и шириной пьезокерамической пластины (2), получаем формулу (1) для определения количества вертикальных пазов 8 в одном элементарном преобразователе 1. Подставляя в правую часть выражения (1) численные значения для конкретного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, определяем из ряда натуральных чисел k=1, 2,… первое удовлетворяющее условию (1) число, которое и будет равно количеству вертикальных пазов 8 в каждом элементарном преобразователе 1. Определив количество вертикальных пазов k, вычисляем величину шага резки Δ=d+δ, подставляя d из выражения (2), получаем формулу для расчета шага резки:Taking into account the relationship between the thickness and width of the piezoelectric ceramic plate (2), we obtain formula (1) for determining the number of vertical grooves 8 in one elementary transducer 1. Substituting the numerical values for a specific multi-element piezoelectric transducer into the right side of expression (1), we determine from a number of natural of numbers k = 1, 2, ... the first satisfying condition (1) is a number that will be equal to the number of vertical grooves 8 in each elementary transducer 1. Having determined the number of vertical grooves k, calculate yaem cutting step size Δ = d + δ, d substituting the expression (2), a formula for calculating the cutting step:

Для изготовления многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя формируют заготовку 12 преобразователя (фиг.2), состоящую из пьезокерамической пластины 2 с припаянными вдоль ее длины сплошными токосъемниками 5. Токосъемники 5 припаивают посередине к нижнему электроду 4, а по краям - к верхнему электроду 3. При этом токосъемники 5 вместе с поверхностью пьезокерамической пластины 2 образуют форму для заливки демпфера 7. Используя торцевые заглушки (не показаны), заливают демпфер 7. Затем на верхний электрод 3 пьезокерамической пластины 2 наносят согласующий слой 6. В полученной заготовке преобразователя (фиг.3), на первом шаге прорезают, по крайней мере, один вертикальный паз 8 со стороны согласующего слоя 6 до демпфера 7 перпендикулярно длине заготовки 12, а на следующем шаге отсекают элементарный преобразователь 1 от заготовки. На третьем шаге прорезают вертикальный паз 8, на четвертом - отсекают элементарный преобразователь 1, и т.д. Изготовленные элементарные преобразователи 1 подвергают электроакустическим испытаниям и сортируют. Отобранные идентичные элементарные преобразователи 1 склеивают друг с другом через слой акустоэлектроизоляционного материала 10. Склеивание производят в сборочном приспособлении, обеспечивающем формирование многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя как линейного, так и конвексного типа. На сформированный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь по его периметру припаивают общий электрический экран (не показан), а со стороны согласующего слоя 6 наносят фокусирующую линзу 11. Затем периферийные токосъемники 5 всех элементарных преобразователей 1 припаивают к общему электрическому экрану, а центральные токосъемники 5 - к шинам разъема.For the manufacture of a multi-element piezoelectric transducer, a blank of the transducer 12 is formed (Fig. 2), consisting of a piezoceramic plate 2 with continuous current collectors soldered along its length 5. Current collectors 5 are soldered in the middle to the lower electrode 4, and along the edges to the upper electrode 3. In this case, the current collectors 5 together with the surface of the piezoceramic plate 2 form a mold for filling the damper 7. Using end caps (not shown), fill the damper 7. Then, on the upper electrode 3 of the piezoceramic plate 2 n wear the matching layer 6. In the obtained blank of the converter (Fig. 3), at least one vertical groove 8 is cut from the side of the matching layer 6 to the damper 7 perpendicular to the length of the blank 12 in the first step, and at the next step the elementary transducer 1 is cut off from blanks. In the third step, a vertical groove 8 is cut, in the fourth, the elementary transducer 1 is cut off, etc. The manufactured elementary transducers 1 are subjected to electro-acoustic tests and sorted. Selected identical elementary transducers 1 are glued to each other through a layer of acoustoelectro-insulating material 10. Bonding is carried out in an assembly device that provides the formation of a multi-element piezoelectric transducer of both linear and convex type. A common electric screen (not shown) is soldered around the perimeter of the piezoelectric transducer formed along its perimeter, and a focusing lens 11 is applied on the side of the matching layer 6. Then, the peripheral current collectors 5 of all elementary transducers 1 are soldered to the common electric screen, and the central current collectors 5 are soldered to the connector buses .

Наличие, по крайней мере, одного вертикального паза 8 в каждом элементарном преобразователе 1, сокращает в два раза по сравнению с прототипом количество элементарных преобразователей в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе, а при количестве вертикальных пазов равном k - в (k+1) раза, что приводит к упрощению его конструкции и уменьшению времени сборки при сохранении чувствительности и поперечной разрешающей способности многоэлементного преобразователя. Это обусловлено тем, что пространственное расположение и электрическое подключение в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе одного элементарного преобразователя, разделенного вертикальным пазом аналогично расположению и параллельному подключению двух элементарных преобразователей прототипа. При сборке многоэлементного преобразователя силиконовая резина материала фокусирующей линзы частично заполняет вертикальные пазы 8, что приводит к увеличению силы сцепления между согласующим слоем 6 и фокусирующей линзой 11 и, следовательно, к повышению срока службы многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя.The presence of at least one vertical groove 8 in each elementary transducer 1 reduces by half the number of elementary transducers in a multi-element piezoelectric transducer compared to the prototype, and (k + 1) times with the number of vertical grooves equal to k, which leads to simplify its design and reduce assembly time while maintaining the sensitivity and transverse resolution of the multi-element transducer. This is due to the fact that the spatial arrangement and electrical connection in a multi-element piezoelectric transducer of one elementary transducer separated by a vertical groove is similar to the location and parallel connection of two prototype elementary transducers. When assembling a multi-element transducer, the silicone rubber of the focusing lens material partially fills the vertical grooves 8, which leads to an increase in the adhesion force between the matching layer 6 and the focusing lens 11 and, therefore, to increase the service life of the multi-element piezoelectric transducer.

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. При акустическом контакте многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с исследуемым объектом на каждый элементарный преобразователь 1, работающий в режиме фазированной антенной решетки, инициализирующие электрические сигналы подаются с задержкой по времени. В режиме сканирующей фокусирующей системы в каждый момент времени используется часть элементарных преобразователей 1. В результате акустические волны от возбужденных элементарных преобразователей 1 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 элементарным преобразователям 1 и 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. With the acoustic contact of a multi-element piezoelectric transducer with the object under study for each elementary transducer 1 operating in the phased array mode, initializing electrical signals are delayed. In the scanning focusing system mode, at each moment of time, a part of elementary transducers 1 is used. As a result, acoustic waves from excited elementary transducers 1, depending on the phase ratio 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 an interface between media with different acoustic properties (reflector), part of this energy is reflected back to elementary transducers 1 and the acoustic signal is converted back to electric.

Был изготовлен стандартный 128-элементный преобразователь с конвексным электронным сканированием на частоту 3,5 МГц с длиной и шириной активной части равными 76,8 мм и 12 мм, соответственно. Толщина пьезокерамической пластины 2, определяемая рабочей частотой преобразователя, для материала типа ПКР-7М равна 0,56 мм, ширина вертикального паза составляет 0,06 мм, что на порядок меньше длины ультразвуковой волны в пьезокерамике, толщина связующего и акустоэлектроизоляционного слоев между элементарными преобразователями составляет 0,02 мм. Подставив в правую часть формулы (1) приведенные выше размеры, получаем k≥(76,8/128-0,02-0,56/2)/(0,06+0,56/2), определяем из ряда натуральных чисел k=1, 2,… первое удовлетворяющее условию (3) k≥0,88 число, которое и будет равно количеству k=1 вертикальных пазов в каждом элементарном преобразователе. Затем по формуле (4) определяется шаг резки Δ=(76,8/128-0,02+0,06)/(1+1), откуда Δ=0,32.A standard 128-element converter with convex electronic scanning at a frequency of 3.5 MHz with a length and width of the active part of 76.8 mm and 12 mm, respectively, was manufactured. The thickness of the piezoelectric ceramic plate 2, determined by the working frequency of the transducer, for a material of the PKR-7M type is 0.56 mm, the width of the vertical groove is 0.06 mm, which is an order of magnitude less than the length of the ultrasonic wave in the piezoceramics, the thickness of the binder and acoustoelectric insulation layers between elementary transducers 0.02 mm. Substituting the above dimensions into the right side of formula (1), we obtain k≥ (76.8 / 128-0.02-0.56 / 2) / (0.06 + 0.56 / 2), determined from a number of natural numbers k = 1, 2, ... the first number satisfying condition (3) k≥0.88, which will be equal to the number k = 1 of vertical grooves in each elementary transducer. Then, according to the formula (4), the cutting step Δ = (76.8 / 128-0.02 + 0.06) / (1 + 1) is determined, whence Δ = 0.32.

Были изготовлены пьезокерамические пластины шириной 12 мм и длиной 30 мм, на противоположные поверхности которых вакуумным напылением монель-металлом наносились электроды 3, 4. После поляризации постоянным электрическим полем припаивали к каждой пьезокерамической пластине 2 вдоль ее длины сплошные токосъемники 5 из медной фольги толщиной 0,05 мм. Центральный токосъемник припаивали к нижнему электроду 4 пьезкерамической пластины 2, а два периферийных токосъемника - к верхнему электроду 3 так, чтобы они образовывали форму для заливки демпфера 7. Используя торцевые заглушки для полученной формы, заливали высокоимпедансный демпфер 7. Высота токосъемников и, соответственно, формы для заливки демпфера 7 определяется условием достаточного поглощения волн и составляет около 4 мм. На верхний электрод 3 пьезокерамического элемента 2 наносили четвертьволновой согласующий слой 6 со значением акустического импеданса, равным среднему геометрическому величин импеданса пьезокерамики и среды распространения акустических волн для обеспечения максимального прохождения акустических волн в среду распространения (тело человека) и обратно к пьезокерамическому элементу в режиме приема. Полученную заготовку прорезали до демпфера 7 в поперечной плоскости со стороны согласующего слоя с шагом 0,32 мм и шириной реза 0,06 мм, причем через один проход глубину реза увеличивали до момента отсечения элементарного преобразователя. Получены элементарные преобразователи высотой около 5 мм, длиной 12 мм, шириной 0,58 мм и центральным вертикальным пазом шириной 0,06 мм. Затем измеряли их электрические параметры - емкость, тангенс угла диэлектрических потерь и амплитудночастотную характеристику. По результатам измерений производили выборку элементарных преобразователей с разбросом по указанным параметрам не более 3%. Отобранные 128 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 60 мм. 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, частично заполняющую вертикальные пазы всех 128 элементарных преобразователей. Периферийные токосъемники всех элементарных преобразователей припаивали к общему электрическому экрану, а центральные токосъемники элементарных преобразователей - к шинам разъема. Шаг дискретизации 128-элементного пьезоэлектрического преобразователя составил 0,6 мм, а угол сканирования при 32-х канальном сканировании - 57°.Piezoceramic plates were made with a width of 12 mm and a length of 30 mm, on the opposite surfaces of which electrodes 3, 4 were applied by vacuum sputtering with monel metal. After polarization with a constant electric field, solid current collectors 5 of copper foil 5 were thickened along its length, 0, 05 mm. The central current collector was soldered to the lower electrode 4 of the piezoceramic plate 2, and two peripheral current collectors were soldered to the upper electrode 3 so that they formed a mold for filling the damper 7. Using end caps for the obtained form, the high-impedance damper 7 was filled in. The height of the current collectors and, accordingly, the shape for filling the damper 7 is determined by the condition of sufficient absorption of waves and is about 4 mm A quarter-wave matching layer 6 was applied to the upper electrode 3 of the piezoelectric ceramic element 2 with an acoustic impedance equal to the geometric mean of the impedance of the piezoceramic and acoustic wave propagation medium to ensure maximum transmission of acoustic waves to the propagation medium (human body) and back to the piezoceramic element in the receiving mode. The resulting workpiece was cut to a damper 7 in the transverse plane from the side of the matching layer with a pitch of 0.32 mm and a cut width of 0.06 mm, and through one pass, the cut depth was increased until the elementary transducer was cut off. Elementary transducers with a height of about 5 mm, a length of 12 mm, a width of 0.58 mm and a central vertical groove 0.06 mm wide were obtained. Then their electrical parameters were measured - capacitance, dielectric loss tangent and amplitude-frequency characteristic. According to the measurement results, a selection of elementary transducers was made with a spread in the specified parameters of not more than 3%. Selected 128 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 of 60 mm. A common electric shield made of solid sheet brass 0.2 mm thick was attached to the formed transducer 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, partially filling the vertical grooves of all 128 elementary transducers. The peripheral current collectors of all elementary converters were soldered to the common electric screen, and the central current collectors of elementary converters were soldered to the connector buses. The sampling step of a 128-element piezoelectric transducer was 0.6 mm, and the scanning angle for 32-channel scanning was 57 °.

Источники информации:Information sources:

1. US 6821253, МПК А61В 008/00, H01L 041/047, НКИ США 600/437, 459, 463, опубл. 23.11.2004.1. US 6821253, IPC A61B 008/00, H01L 041/047, NCI US 600/437, 459, 463, publ. 11/23/2004.

2. US 6546803, МПК G01N 29/24, G01R 033/20, опубл. 15.04.2003 г.2. US 6546803, IPC G01N 29/24, G01R 033/20, publ. 04/15/2003

3. US 6453526, МПК В06В 1/06, G10K 11/00, H04R 017/10, опубл. 24.09.2002.3. US 6453526, IPC B06B 1/06, G10K 11/00, H04R 017/10, publ. 09.24.2002.

4. RU 2121241 C1, 6 MПК H04R 17/00, опубл. 27.10.1998 г.4. RU 2121241 C1, 6 MPK H04R 17/00, publ. 10/27/1998

5. RU 2294061 C1, 6 МПК H04R 17/00, 31/00, опубл. 20.02.2007 - прототип.5. RU 2294061 C1, 6 IPC H04R 17/00, 31/00, publ. 02/20/2007 - a prototype.

6. Домаркас В.И., Пилецкас Э.Л. Ультразвуковая эхоскопия. - Л.:6. Domarkas V.I., Pileckas E.L. Ultrasound echoscopy - L .:

Машиностроение, 1988, с.110.Engineering, 1988, p. 110.

Claims

1. A multi-element piezoelectric transducer containing elementary transducers, each of which has a piezoceramic plate with electrodes and current collectors on opposite surfaces, a damper and a matching layer, and the side surfaces of the elementary transducers are interconnected by a binder material through an acoustoelectric insulation layer, and fixed to the working surface of the elementary transducers focusing lens made of acoustically transparent elastic material, excellent yuschiysya in that each elementary converter from the working surface to the damper is formed by at least one vertical slot which separates acoustically piezoceramic plate with the matching layer at equal parts, current collectors are electrically connected in parallel.

2. The multi-element piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that the number of vertical grooves k is determined from the condition k≥ (L / n-γ-t / 2) / (δ + t / 2), where t is the thickness of the piezoceramic plate, L is the length of the active part of the transducer, n is the number of elements in the transducer, γ is the thickness of the binder and acoustoelectric insulation layers between the elementary transducers, δ is the width of the vertical groove.