WO2009112025A2 - Ultraschallwandler mit akustischer anpassungsschicht für hohe ultraschallfrequenzen sowie verfahren zur herstellung der anpassungsschicht - Google Patents

Ultraschallwandler mit akustischer anpassungsschicht für hohe ultraschallfrequenzen sowie verfahren zur herstellung der anpassungsschicht Download PDF

Info

Publication number
WO2009112025A2
WO2009112025A2 PCT/DE2009/000346 DE2009000346W WO2009112025A2 WO 2009112025 A2 WO2009112025 A2 WO 2009112025A2 DE 2009000346 W DE2009000346 W DE 2009000346W WO 2009112025 A2 WO2009112025 A2 WO 2009112025A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ultrasonic transducer
matching layer
metal
particles
nanoscale particles
Prior art date
Application number
PCT/DE2009/000346
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009112025A3 (de
Inventor
Frank Tiefensee
Carsten Becker-Willinger
Gisela Heppe
Petra Herbeck-Engel
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2009112025A2 publication Critical patent/WO2009112025A2/de
Publication of WO2009112025A3 publication Critical patent/WO2009112025A3/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators

Definitions

  • Ultrasonic transducer with acoustic adaptation layer for high ultrasonic frequencies as well as methods for
  • the present invention relates to an ultrasonic transducer having a transducer body on which an acoustic matching layer is applied, and a method of manufacturing the matching layer.
  • Ultrasonic transducers have long been used primarily for imaging and metrological applications.
  • the development of diagnostic ultrasound in medicine has required the development of ever higher frequency ranges for several years. While the already well-established ultrasound technology operates in a frequency range of typically 5 MHz to 10 MHz, the current development covers the frequency space of up to 100 MHz. The increase of the frequency range leads to an improvement of the spatial resolution.
  • the use of high-frequency ultrasound promises to significantly improve diagnostics by visualizing small anatomical structures.
  • a particular problem with the use of ultrasound is the coupling of the ultrasound into the respective medium in which the ultrasound is to propagate.
  • Any material that conducts sound will be assigned an acoustic impedance Z.
  • Z p * v, where Z is the acoustic impedance, p the density and v
  • R (Z 2 -Z 1 ) 2 / (Z 2 + Z 1 ) 2 .
  • the vibration generators used in ultrasound systems nowadays are almost exclusively piezoelectric ceramics, so-called PZT ceramics, which are put into vibration via attached electrodes, usually a thickness vibration, in the frequency range of the ultrasound.
  • PZT ceramics have a mean acoustic impedance of 30 MRayl. So is ultrasound directly from the PZT ceramic in water Coupled, calculated using the above equation, a reflection coefficient of 0.82. 82% of the energy of the generated ultrasound is thus reflected back into the ceramic at the interface with water.
  • the efficiency of the coupling is increased by so-called matching layers, which are applied to the vibrator.
  • the acoustic impedance of a matching layer Z AS optimally reduces the coupling losses when it corresponds to the geometric mean of the acoustic impedance of the medium from which the sound comes and the acoustic impedance of the medium into which the sound is to be coupled.
  • the acoustic impedance of such an adaptation layer the following applies:
  • An adaptation layer which contributes to a reduction of the coupling losses of ultrasonic energy of a piezoelectric ceramic in water, would therefore have to have an acoustic impedance of approximately 6.8 MRayl.
  • the matching layer In addition to a suitable value of the acoustic impedance, the matching layer must also have a specific thickness d of ⁇ / 4 in order to be analogous to the
  • Optics as ⁇ / 4-layer acts.
  • the size ⁇ describes the wavelength of the ultrasound in the matching layer.
  • Acoustic adaptation layers for ultrasound in the typical frequency range of 5 MHz to 10 MHz have hitherto generally been achieved by introducing micro-scale Ceramic powder made in polymers.
  • the ceramic powder is stirred into the still liquid polymer, which is then cured.
  • the acoustic impedance is adjusted by varying the content of ceramic powder.
  • the production of a suitable ⁇ / 4 thickness of the matching layer is not a problem in this frequency range.
  • the acoustic matching layers must be made increasingly thinner to satisfy the ⁇ / 4 condition. So has an ultrasonic wave with a frequency of 100 MHz in a cured epoxy resin a wavelength of about 25 microns, the one
  • the object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer with a transducer body and an acoustic matching layer and a method for producing the matching layer, in which the matching layer also for a reduction of coupling losses at higher ultrasonic frequencies of up to 100 MHz or above can be formed.
  • the proposed ultrasonic transducer has, in a known manner, a transducer body on which an acoustic matching layer is applied.
  • Adaptation layer preferably has an acoustic impedance corresponding to the geometric mean of the acoustic impedance of the medium from which the sound comes, and the acoustic impedance of the medium, in which the sound is to be coupled, or not more of this geometric means than 10% deviates.
  • the transducer body can be, for example, a disk of a piezo-ceramic material which can be excited to ultrasonic vibrations by means of electrodes mounted on both sides.
  • any other piezoelectric material as a disk or thin layer, as a single element or array in or outside of a housing is possible. In the same way, it is of course also possible to detect ultrasonic waves via the electrodes with such a transducer body.
  • nanoscale particles consist of a material of at least one metal and / or metal oxide, mixed oxide, metal carbide, metal chalcogenide or metal sulfate with a density of at least ⁇ 4 g / cm 3 , preferably ⁇ 5 g / cm 3 and particularly preferably ⁇ 6 g / cm 3 (at 300 K).
  • Preferred metals are the elements of the 1st to 10th subgroup, as well as the metals of the 4th to 6th main group and Sr and Ba.
  • Nanoscale particles here are to be understood as meaning particles or particles which have a maximum diameter of ⁇ 1 .mu.m, particularly preferably of .ltoreq.100 nm, very particularly preferably .ltoreq.15 nm.
  • nanotechnology ie nanoscale particles
  • the content of nanoscale particles in the polymer matrix in the selected composition of these particles the acoustic impedance can be varied in a wider range, for which the ultrasonic transducer is formed.
  • Typical concentrations of the nanoscale particles in the polymer matrix are between 5% and 75%, preferably between 40% and 75%. Particularly advantageous for use in such adaptation layers, the use of nanoscale cerium oxide has proven.
  • the polymer matrix may be formed by a common organic polymer, for example by an epoxy resin Polyurethane, a polyamide, a polyester, a polyacrylate, a polymethacrylate, a polyimide, or by organic hybrid inorganic polymers.
  • a common organic polymer for example by an epoxy resin Polyurethane, a polyamide, a polyester, a polyacrylate, a polymethacrylate, a polyimide, or by organic hybrid inorganic polymers.
  • the proposed ultrasonic transducer is designed in one embodiment for a frequency range of ⁇ 30 MHz, in particular ⁇ 100 MHz, i. the transducer body has correspondingly high resonance frequencies.
  • the matching layer then has a thickness which corresponds approximately to a quarter of the wavelength in its material for which the ultrasonic transducer is formed.
  • the nanoscale particles used are dispersed in a liquid reactive mixture. This can be done, for example, in the following manner: An aqueous nanoparticle dispersion is mixed with a surface modifier and then thermally treated. The use of the surface modifier prevents agglomeration of the nanoparticles, so that they remain dispersed. As a result, the attenuation at high frequencies, for example at 100 MHz less than or equal 0.5 dB / microns are maintained. The resulting storage-stable mixture is then added to a mixture of organically modified hydrolyzable silane and metal alkoxide to initiate hydrolytic condensation. The hydrolytic condensation is known to the average person skilled in the art.
  • the precipitate which forms is dissolved after 12 h at the latest and, when using the abovementioned dispersion, a translucent sol results.
  • aqueous nanoparticle dispersion creates a clear SoI.
  • Concentration to the desired viscosity is followed by application (eg by spin coating) to the desired substrates, such as wafers, films, glass, polycarbonate, aluminum, stainless steel, etc.
  • the resulting transparent layers depending on the layer thickness, have a suitable temperature range between 100 and 160 ° C hardened.
  • the amount of nanoscale particles is chosen so that the desired acoustic impedance results according to the condition specified in the introduction.
  • the polymer is subsequently cured. This can still be fluid before it hardens
  • Fig. 1 is a highly schematic representation of an ultrasonic transducer in cross section; and 2 shows an example of the acoustic impedance as a function of the density of an adaptation layer according to the invention.
  • FIG. 1 shows a highly schematic representation of an ultrasound transducer with an adaptation layer, which may also be provided by the proposed ultrasound transducer.
  • the invention is not limited to the geometric shape of the ultrasonic transducer shown in FIG.
  • FIG. 1 shows very schematically in FIG.
  • this transducer body On both sides of this transducer body are two electrodes 3, 4 applied to the Wandlerkorper.
  • the front side with the front-side electrode 3 in this case corresponds to the side of the ultrasonic radiation or the ultrasonic reception.
  • the matching layer 2 On this front side, the matching layer 2 is applied with the thickness of ⁇ / 4, where ⁇ corresponds to the wavelength of the ultrasound in the material of the matching layer, for the radiation or reception of the Wandlerkorper 1 is formed.
  • the two electrodes 3, 4 via not shown leads with connected to a control electronics, also not shown, via which the Wandlerkorper 1 can be excited to ultrasonic vibrations, or can be received via the electrical signals occurring at the electrodes upon receipt of ultrasound.
  • the matching layer 2 in this example consists of nanoscale cerium oxide particles in a polymer matrix and has a thickness of about 6 ⁇ m for forming the ultrasonic transducer for a frequency of 100 MHz.
  • the ceria particles have diameters between 10 nm and 20 nm.
  • Ultrasonic wavelengths with a wavelength of about 25 ⁇ m are thus about 1000 times larger than these particles, so that the particles represent verifiable spreaders for the ultrasound.
  • a content of the ceria-type nanoscale particles of about 70% by weight was chosen to come in the range of 6.8 MRayl with the acoustic impedance.
  • Figure 2 shows yet another example of the acoustic impedance of a matching layer of ceria particles in a polymer matrix from the density of the matching layer formed therefrom.
  • the cerium oxide content between 0 and 75% by weight, it was possible to set the density between 1.4 g / cm 3 and 2.7 g / cm 3 and the acoustic impedance to values between 4 MRay1 and 7 MRay1.
  • FIG. 2 shows the measured dependence of the acoustic impedance on the density at a measuring frequency of 200 MHz.
  • the middle Material damping at 200 MHz is 0.2 dB / ⁇ m.
  • the invention thus provides a material with adjustable acoustic impedance for the technically relevant range up to 7 MRayl. The damping is notably very low.
  • Example 1 Preparation of a surface-modified particle dispersion
  • Dispersion (CAS 1306-38-3) mixed, heated for 1 h at 100 0 C with stirring and then stirred for 24 h at room temperature.
  • Example 2 Preparation of a matrix system (epoxy-functionalized inorganic-organic hybrid polymer) without particles
  • Glacial acetic acid (CAS 64-19-7) weighed.
  • the hydrolysis is started by adding 43.2 g of water in 3 ml steps with stirring and stirred for 24 h at room temperature. After evaporating off 57.9 g of ethanol and water at 50 0 C water bath temperature results in a paint with 79-84% degree of condensation ( 29 Si NMR) and 42-53% epoxide content (13C NMR).
  • the concentrated sol is applied by spin coating for 10 s at 1000 revolutions.
  • the coated substrates are cured according to the following temperature program: 3 h to 160 0 C, 1 h at 160 0 C, 6 h to cool.
  • the result is a 8.5 micron thick layer with a hardness of 184 N / mm 2 and a density of 1.4 g / cm 3 .
  • the epoxy-functionalized inorganic-organic hybrid polymers are resistant to the common organic solvents, in particular acetone. This is of particular interest, particularly with regard to medical applications, since surface disinfection with alcohols is not
  • the epoxy functionalized inorganic organic hybrid polymers have a flash point of 200 0 C, which is very high for a polymer.
  • Example 1 modified CeO 2 dispersion start 20% of Example 1 modified CeO 2 dispersion in 10 ml steps with stirring and stirred for 24 h at room temperature. After evaporating off 82.6 g of ethanol and water at 50 0 C water bath temperature results in a paint with 80% degree of condensation ( 29 Si NMR) and 47% epoxide content ( 13 C NMR).
  • the concentrated sol is applied for 10 s at 1000 and 2000 revolutions by spin coating.
  • the coated substrates were cured according to the temperature program mentioned in Example 2.
  • Epoxy-functionalized inorganic-organic hybrid polymers allow the adaptation of the matrix to the surface of the dispersed by the incorporation of additional OH groups and the special reaction of the sol-gel process
  • Nanoparticles and avoiding agglomerations The forming matrix encloses the dispersed surface-modified nanoparticles in the synthesis.
  • small nanoparticles in particular ⁇ 15 nm
  • high weight or volume fractions up to 75 wt .-%) can be introduced into the matrix.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem Wandlerkörper (1), auf dem eine akustische Anpassungsschicht (2) aufgebracht ist. Die Anpassungsschicht (2) ist aus einer polymeren Matrix mit darin eingebetteten nanoskaligen Partikeln gebildet, die aus einem Material aus wenigstens einem Metall und/oder Metalloxid oder Mischoxid, Metallcarbid, Metallchalkogenid oder Metallsulfat mit einer Dichte von mindestens = 4 g/cm3 bestehen. Der Einsatz nanoskaliger Partikel hoher Dichte für die Herstellung der Anpassungsschicht (2) ermöglicht sehr dünne Anpassungsschichten (2) ohne die Gefahr starker Dämpfung.

Description

Ultraschallwandler mit akustischer Anpassungsschicht für hohe Ultraschallfrequenzen sowie Verfahren zur
Herstellung der Anpassungsschicht
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem Wandlerkorper, auf dem eine akustische Anpassungsschicht aufgebracht ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anpassungsschicht .
Ultraschallwandler werden seit langem vor allem für bildgebende und messtechnische Anwendungen eingesetzt. Die Entwicklung des diagnostischen Ultraschalls in der Medizin verlangt seit einigen Jahren die Erschließung immer höherer Frequenzbereiche. Wahrend die bereits gut etablierte Ultraschall-Technik in einem Frequenzbereich von typischerweise 5 MHz bis 10 MHz arbeitet, erfasst die aktuelle Entwicklung den Frequenzraum von bis zu 100 MHz. Die Erhöhung des Frequenzbereiches fuhrt zu einer Verbesserung der raumlichen Auflosung. In der Ophthalmologie, der Dermatologie und in der Gefaßwanddiagnostik verspricht man sich durch Anwendung von hochfrequentem Ultraschall eine deutliche Verbesserung der Diagnostik durch die Sichtbarmachung kleiner anatomischer Strukturen.
Ein besonderes Problem bei der Anwendung von Ultraschall stellt die Einkopplung des Ultraschalls in das jeweilige Medium dar, in dem sich der Ultraschall ausbreiten soll. In Analogie zur Elektrizität kann jedem Material, das Schall leitet, eine akustische Impedanz Z zugeordnet werden. Diese Größe ist als das Produkt aus der Schallgeschwindigkeit v im Medium und der Dichte p des Mediums definiert: Z = p * v, wobei Z die akustische Impedanz, p die Dichte und v die
Schallgeschwindigkeit bezeichnen. So weist beispielsweise Wasser bei 20°C eine Schallgeschwindigkeit von ca. 1500 m/s und eine Dichte von 1000 kg/m3 und somit eine akustische Impedanz von ca. 1,5 MRayl (Rayl: physikalische Einheit für die akustische Impedanz) auf. Aufgrund der unterschiedlichen akustischen Impedanzen unterschiedlicher Materialien treten beim Übergang von Ultraschall von einem in das andere Material Reflexionen an der Grenzfläche zwischen beiden Materialien auf. Für den Reflexionskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit den akustischen Impedanzen Zi und Z2 gilt:
R = (Z2 - Z1)2 / (Z2 + Z1)2.
Je stärker sich die akustischen Impedanzen der beiden Medien unterscheiden, desto höher sind die Reflexionsverluste beim Durchtritt von Ultraschall durch die Grenzfläche.
Als Schwingungserzeuger in Ultraschallsystemen dienen heutzutage fast ausschließlich piezoelektrische Keramiken, sogenannte PZT-Keramiken, die über angebrachte Elektroden in eine Schwingung, in der Regel eine Dickenschwingung, im Frequenzbereich des Ultraschalls versetzt werden. PZT-Keramiken haben eine mittlere akustische Impedanz von 30 MRayl. Wird also Ultraschall direkt von der PZT-Keramik in Wasser eingekoppelt, so errechnet sich mit der obigen Gleichung ein Reflexionskoeffizient von 0,82. 82% der Energie des erzeugten Ultraschalls werden somit an der Grenzfläche zu Wasser in die Keramik zurückreflektiert.
Die Effizienz der Einkopplung wird durch so genannte Anpassungsschichten erhöht, die auf den Schwingungserzeuger aufgebracht werden. Die akustische Impedanz einer Anpassungsschicht ZAS verringert die Einkopplungsverluste optimal, wenn sie dem geometrischen Mittel der akustischen Impedanz des Mediums, aus dem der Schall kommt, und der akustischen Impedanz des Mediums entspricht, in das der Schall eingekoppelt werden soll. Für die akustische Impedanz einer derartigen Anpassungsschicht gilt damit:
Figure imgf000004_0001
Eine Anpassungsschicht, die zu einer Verringerung der Einkopplungsverluste von Ultraschallenergie einer piezoelektrischen Keramik in Wasser beiträgt, müsste also eine akustische Impedanz von ca. 6,8 MRayl aufweisen. Neben einem geeigneten Wert der akustischen Impedanz muss die Anpassungsschicht auch eine spezielle Dicke d von λ/4 aufweisen, damit sie in Analogie zur
Optik als λ/4-Schicht wirkt. Die Größe λ beschreibt die Wellenlänge des Ultraschalls in der Anpassungsschicht.
Stand der Technik
Akustische Anpassungsschichten für Ultraschall im typischen Frequenzbereich von 5 MHz bis 10 MHz werden bisher in der Regel durch Einbringen von mikroskaligem Keramik-Pulver in Polymere hergestellt. Das Keramikpulver wird in das noch flussige Polymer eingerührt, das dann ausgehartet wird. Die akustische Impedanz wird dabei durch Variation des Gehaltes an Keramikpulver eingestellt. Die Herstellung einer geeigneten λ/4-Dicke der Anpassungsschicht stellt in diesem Frequenzbereich kein Problem dar.
Durch den zunehmenden Bedarf an Ultraschall- wandlern für den Frequenzbereich von bis zu 100 MHz oder darüber müssen jedoch die akustischen Anpassungsschichten zur Erfüllung der λ/4-Bedingung zunehmend dunner ausgeführt werden. So hat eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz 100 MHz in einem ausgeharteten Epoxidharz eine Wellenlange von ca. 25 μm, die eine
Dicke der Anpassungsschicht von nur ca. 6 μm erfordert. Derartig dünne Schichten lassen sich mit der obigen Technik zur Herstellung der Anpassungsschichten nicht mehr erzeugen, da das eingesetzte Aluminiumoxid-Pulver Korngroßen in der gleichen Größenordnung aufweist. Korner dieser Große stellen jedoch für den hochfrequenten Ultraschall riesige Streuer dar, so dass der Ultraschall in einer derartigen Anpassungsschicht durch Streuung vollständig gedampft werden wurde. Die Anpassungsschichten für hohe Ultraschallfrequenzen erfordern daher den Einsatz neuer Materialien.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallwandler mit einem Wandlerkorper und einer akustischen Anpassungsschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anpassungsschicht bereitzustellen, bei denen die Anpassungsschicht auch für eine Reduktion von Einkoppelverlusten bei höheren Ultraschallfrequenzen von bis zu 100 MHz oder darüber ausgebildet werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhangigen Patentansprüche oder können der nach- folgenden Beschreibung sowie dem Ausfuhrungsbeispiel entnommen werden.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler weist in bekannter Weise einen Wandlerkorper auf, auf dem eine akustische Anpassungsschicht aufgebracht ist. Die
Anpassungsschicht weist vorzugsweise eine akustische Impedanz auf, die dem geometrischen Mittel aus der akustischen Impedanz des Mediums, aus dem der Schall kommt, und der akustischen Impedanz des Mediums, in das der Schall eingekoppelt werden soll, entspricht oder die von diesem geometrischen Mittel um nicht mehr als 10% abweicht. Bei dem Wandlerkorper kann es sich beispielsweise um eine Scheibe aus einem piezo- keramischen Material handeln, das über beidseitig angebrachte Elektroden zu Ultraschallschwingungen angeregt werden kann. Als Wandlerkorper ist aber auch jedes andere piezoelektrische Material als Scheibe oder dünne Schicht, als Einzelelement oder Array in oder außerhalb eines Gehäuses möglich. In gleicher Weise lassen sich mit einem derartigen Wandlerkorper selbstverständlich auch Ultraschallwellen über die Elektroden detektieren. Bei dem vorgeschlagenen Ultraschallwandler ist die akustische Anpassungsschicht aus einer Polymermatrix gebildet, in die nanoskalige Partikel eingebettet sind. Die nanoskaligen Partikel bestehen dabei aus einem Material aus wenigstens einem Metall und/oder Metalloxid, Mischoxid, Metallcarbid, Metallchalkogenid oder Metallsulfat mit einer Dichte von mindestens ≥ 4 g/cm3, bevorzugt ≥ 5 g/cm3 und besonders bevorzugt ≥ 6 g/cm3 (bei 300 K) . Bevorzugte Metalle sind die Elemente der 1. bis 10. Nebengruppe, sowie die Metalle der 4. bis 6. Hauptgruppe und Sr sowie Ba. Unter nanoskaligen Partikeln sind hierbei Teilchen bzw. Partikel zu verstehen, die einen maximalen Durchmesser von < 1 μm, besonders bevorzugt von ≤ 100 nm, ganz besonders bevorzugt ≤ 15 nm aufweisen.
Durch die Verwendung der Nanotechnologie, d.h. von nanoskaligen Partikeln, für die Herstellung der Anpassungsschicht treten die oben erläuterten Probleme hinsichtlich der starken Streuung bei den für hohe Frequenzbereiche des Ultraschalls erforderlichen dünnen Anpassungsschichten nicht mehr auf. Auf der anderen Seite kann über den Gehalt an nanoskaligen Partikel in der Polymermatrix bei der gewählten Zusammensetzung dieser Partikel die akustische Impedanz in einem größeren Bereich variiert werden, für die der Ultraschallwandler ausgebildet ist. Übliche Konzentrationen der nanoskaligen Partikel in der Polymermatrix liegen zwischen 5% und 75%, bevorzugt zwischen 40% und 75%. Besonders vorteilhaft für den Einsatz in derartigen Anpassungsschichten hat sich die Verwendung von nanoskaligen Ceroxidteilchen erwiesen. Die Polymermatrix kann durch ein gangiges organisches Polymer gebildet sein, z.B. durch ein Epoxidharz, ein Polyurethan, ein Polyamid, ein Polyesther, ein Polyacrylat, ein Polymethacrylat , ein Polyimid oder durch organisch anorganische Hybridpolymere.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler ist in einer Ausführungsform für einen Frequenzbereich von ≥ 30 MHz, insbesondere ≥ 100 MHz ausgebildet, d.h. der Wandlerkörper weist entsprechend hohe Resonanzfrequenzen auf. Die Anpassungsschicht hat dann eine Dicke, die in etwa einem Viertel der Wellenlänge in ihrem Material entspricht, für die der Ultraschallwandler ausgebildet ist.
Für die Herstellung der Anpassungsschicht werden die eingesetzten nanoskaligen Partikel in eine flüssige Reaktivmischung dispergiert. Dies kann beispielsweise in folgender Weise erfolgen: Eine wässrige Nano- partikeldispersion wird mit einem Oberflächen- modifikator versetzt und anschließend thermisch behandelt. Durch den Einsatz des Oberflächenmodifi- kators wird eine Agglomeration der Nanopartikel verhindert, so dass diese dispergiert bleiben. Hierdurch kann die Dämpfung bei hohen Frequenzen, z.B. bei 100 MHz kleiner gleich 0,5 dB/μm gehalten werden. Die erhaltene lagerstabile Mischung wird anschließend zu einem Gemisch aus organisch modifiziertem hydrolysierbarem Silan und Metallalkoxid gegeben, um eine hydrolytische Kondensation einzuleiten. Die hydrolytische Kondensation ist dem durchschnittlichen Fachmann bekannt. Der sich bildende Niederschlag ist spätestens nach 12 h gelöst und es resultiert bei Verwendung der oben genannten Dispersion ein trans- luzentes SoI. Bei der Verwendung von Wasser statt wassriger Nanopartikeldispersion entsteht ein klares SoI. Nach Einengen bis zur gewünschten Viskosität folgt die Applikation (z.B. per Schleuderbeschichtung) auf die gewünschten Substrate wie Wafer, Folien, Glas, Polycarbonat , Aluminium, Edelstahl etc. Die resultierenden transparenten Schichten werden in Abhängigkeit von der Schichtdicke mit einem geeigneten Temperaturprogramm zwischen 100 und 160 °C gehartet.
Hierbei wird die Menge der nanoskaligen Partikel so gewählt, dass sich die gewünschte akustische Impedanz entsprechend der in der Beschreibungseinleitung angegebenen Bedingung ergibt. Wie bereits oben erläutert, wird das Polymer anschließend ausge- härtet. Vor dem Ausharten kann das noch flussige
Polymer mit den eingebetteten nanoskaligen Partikeln beispielsweise in der gewünschten Dicke auf eine Scheibe aus PZT-Material oder ein Gehäuse, die den Wandlerkorper bilden, aufgeschleudert werden. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten des Aufbringens möglich, die sich nicht von den bisher eingesetzten Techniken des Standes der Technik unterscheiden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler wird nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Ultraschallwandlers im Querschnitt; und Fig. 2 ein Beispiel für die akustische Impedanz in Abhängigkeit von der Dichte einer erfindungsgemaßen Anpassungsschicht .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler wird nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels in
Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Die Figur 1 zeigt hierbei eine stark schematisierte Darstellung für einen Ultraschallwandler mit einer Anpassungsschicht, wie sie auch der vorgeschlagene Ultraschallwandler aufweisen kann. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf die in der Figur 1 dargestellte geometrische Form des Ultraschallwandlers beschrankt .
Die Figur 1 zeigt stark schematisiert im
Querschnitt den PZT-Wandlerkorper 1, der in diesem Beispiel scheibenförmig ausgebildet ist. Beidseitig dieses Wandlerkorpers sind zwei Elektroden 3, 4 auf den Wandlerkorper aufgebracht. Die Vorderseite mit der vorderseitigen Elektrode 3 entspricht hierbei der Seite der Ultraschallabstrahlung bzw. des Ultraschallempfangs. Auf diese Vorderseite ist die Anpassungsschicht 2 mit der Dicke von λ/4 aufgebracht, wobei λ der Wellenlange des Ultraschalls in dem Material der Anpassungsschicht entspricht, für deren Abstrahlung bzw. Empfang der Wandlerkorper 1 ausgebildet ist. Für den Betrieb dieses Ultraschallwandlers sind die beiden Elektroden 3, 4 über nicht dargestellte Zuleitungen mit einer ebenfalls nicht dargestellten Ansteuerelektronik verbunden, über die der Wandlerkorper 1 zu Ultraschallschwingungen angeregt werden kann, bzw. über die an den Elektroden beim Empfang von Ultraschall auftretende elektrische Signale empfangen werden können.
Die Anpassungsschicht 2 besteht in diesem Beispiel aus nanoskaligen Ceroxidteilchen in einer Polymermatrix und weist für eine Ausbildung des Ultraschallwandlers für eine Frequenz von 100 MHz eine Dicke von etwa 6 μm auf. Die Ceroxidteilchen haben Durchmesser zwischen 10 nm und 20 nm. Ultraschallwellenlangen mit einer Wellenlange von ca. 25 μm sind damit gegenüber diesen Teilchen etwa 1000-mal größer, so dass die Teilchen ver- nachlassigbare Streuer für den Ultraschall darstellen. Für die Ultraschallfrequenz von 100 MHz wurde ein Gehalt der nanoskaligen Ceroxidteilchen von etwa 70 Gew.% gewählt, um mit der akustischen Impedanz in den Bereich von 6,8 MRayl zu kommen. Damit werden mit diesem Ultraschallwandler Einkoppelverluste bei der Einkopplung des Ultraschalls in Wasser oder ein medizinisches Koppelgel minimiert.
Figur 2 zeigt noch ein Beispiel für die akustische Impedanz einer Anpassungsschicht aus Ceroxidteilchen in einer Polymermatrix von der Dichte der daraus gebildeten Anpassungsschicht. Durch Variation des Ceroxidanteils zwischen 0 und 75 Gew.% konnte hierbei die Dichte zwischen 1,4 g/cm3 und 2,7 g/cm3 und die akustische Impedanz auf Werte zwischen 4 MRayl und 7 MRayl eingestellt werden. Die Figur 2 zeigt die gemessene Abhängigkeit der akustischen Impedanz von der Dichte bei einer Messfrequenz von 200 MHz. Die mittlere Materialdämpfung bei 200 MHz liegt bei 0,2 dB/μm. Die Erfindung stellt somit ein Material mit einstellbarer akustischer Impedanz für den technisch relevanten Bereich bis 7 MRayl bereit. Die Dämpfung ist hierbei erfreulicherweise sehr gering.
Im Folgenden werden Synthesebeispiele für die Herstellung einer oberflächenmodifizierten Partikeldispersion, eines Matrixsystems ohne Partikel sowie eines erfindungsgemäßen Nanokompositsystems angegeben.
Beispiel 1: Herstellung einer oberflächenmodifizierten Partikeldispersion
3 g 2- (2- (2-Methoxyethoxy)ethoxy) essigsaure (CAS 16024- 58-1) werden mit 97 g 20 Gew-% wässriger CeO2
Dispersion (CAS 1306-38-3) gemischt, 1 h bei 100 0C unter Rühren erhitzt und anschließend 24 h bei Raumtemperatur gerührt.
Beispiel 2: Herstellung eines Matrixsystems (expoxid- funktionalisiertes anorganisch organisches Hybridpolymer) ohne Partikel
In einen 250 ml Rundkolben mit ovalem Rührmagnet werden 83,4 g 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan (CAS 2602-34-8), 35,9 g Zirconiumbutylat (CAS 1071-76-7) und 18 g
Eisessig (CAS 64-19-7) eingewogen. Die Hydrolyse wird durch Zugabe von 43,2 g Wasser in 3 ml Schritten unter Rühren gestartet und 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Nach Abrotieren von 57,9 g Ethanol und Wasser bei 50 0C Wasserbadtemperatur resultiert ein Lack mit 79-84 % Kondensationsgrad (29Si-NMR) und 42-53 % Epoxidgehalt (13C NMR) . Das eingeengte SoI wird 10 s bei 1000 Umdrehungen per Schleuderbeschichtung appliziert. Die beschichteten Substrate werden nach folgendem Tempera- turprogramm gehartet: 3 h bis 1600C, 1 h bei 1600C, 6 h bis Abkühlung. Es resultiert eine 8,5 μm dicke Schicht mit einer Harte von 184 N/mm2 und einer Dichte von 1,4 g/cm3. Die epoxidfunktionalisierten anorganisch organischen Hybridpolymere sind gegen die gangigen organischen Losungsmittel resistent, insbesondere Aceton. Dies ist insbesondere im Hinblick auf medizinische Anwendungen von besonderem Interesse, da eine Desinfektion der Oberfläche mit Alkoholen kein
Problem darstellt. Außerdem weisen die epoxidfunktionalisierten anorganisch organischen Hybridpolymere eine Entflammungstemperatur von 2000C auf, was für ein Polymer sehr hoch ist.
Beispiel 3: Herstellung eines Nanokompositsystems In einen 250 ml Rundkolben mit ovalem Ruhrmagnet werden 47,3 g GPTES (Glycidoxypropyltriethoxysilan) , 20,4 g Zirconiumbutylat und 10,2 g Eisessig eingewogen. Die Hydrolyse wird durch Zugabe von 149,9 g wassriger
20 %iger nach Beispiel 1 modifizierter CeO2 Dispersion in 10 ml Schritten unter Ruhren gestartet und 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Nach Abrotieren von 82,6 g Ethanol und Wasser bei 50 0C Wasserbadtemperatur resultiert ein Lack mit 80 % Kondensationsgrad (29Si- NMR) und 47 % Epoxidgehalt (13C-NMR) . Das eingeengte SoI wird 10 s bei 1000 und 2000 Umdrehungen per Schleuderbeschichtung appliziert. Die beschichteten Substrate gemäß dem in Beispiel 2 genannten Temperaturprogramm gehartet. In Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit beim Schleuder- beschichtungsprozess resultieren 2 und 3 μm dicke Schichten mit einer Harte von 488 N/mm2 und einer Dichte von 2,0 g/cm3. Epoxifunktionalisierte anorganisch organische Hybridpolymere erlauben durch den Einbau von zusätzlichen OH-Gruppen und die besondere Reaktionsführung des Sol-Gel-Prozesses eine Anpassung der Matrix an die Oberfläche der dispergierten
Nanopartikel und die Vermeidung von Agglomerationen. Die sich bildende Matrix umschließt bei der Synthese die dispergierten oberflächenmodifizierten Nanopartikel. Durch das beschriebene Verfahren können insbesondere kleine Nanopartikel (insbesondere <15nm) in besonders hohen Gewichts- bzw. Volumenanteilen (bis zu 75 Gew.-%) in die Matrix eingebracht werden.
Bezugs zeichenliste
PZT-Wandlerkörper Anpassungsschicht vorderseitige Elektrode rückseitige Elektrode

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschallwandler mit einem Wandlerkörper (1), auf dem eine akustische Anpassungsschicht (2) aufgebracht ist, wobei die akustische Anpassungsschicht (2) aus einer Polymermatrix mit darin eingebetteten nanoskaligen Partikeln gebildet ist, die aus einem Material aus wenigstens einem Metall und/oder Metalloxid, Mischoxid, Metallcarbid, Metall- chalkogenid oder Metallsulfat mit einer Dichte von mindestens ≥ 4 g/cm3 bestehen.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, bei dem die Metalle Elemente der 1. bis 10. Nebengruppe, Metalle der 4. bis 6. Hauptgruppe, Sr oder Ba umfassen.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Material der nanoskaligen Partikel eine Dichte von ≥ 5 g/cm3, besonders bevorzugt ≥ 6 g/cm3, aufweist.
4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die nanoskaligen Partikel aus TiO2, ZrO2, CeO2, Y2O3, Indiumzinnoxid (ITO), SnO2, Antimonzinnoxid (ATO) , Sb2O3, WO3, W, Nb, Nb2O5, Ta, Ta2O5 und/oder BaSO4 gebildet sind.
5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die nanoskaligen Partikel nanoskalige Ceroxidteilchen und/oder Zirkonoxidteilchen sind.
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis
5, bei dem die Polymermatrix durch ein organisches oder ein organisch modifiziertes anorganisches
Polymer oder Polykondensat gebildet ist.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis
6, bei dem die nanoskaligen Partikel mit einem Anteil zwischen 5 und 75 Gew.%, bevorzugt zwischen 40 und 75 Gew.%, in der Polymermatrix vorliegen.
8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis
7, bei dem der Wandlerkörper (1) aus einem piezo- elektrischen Material gebildet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer akustischen Anpassungsschicht für einen Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem nanoskalige Partikel bereitgestellt werden, die aus einem Material aus wenigstens einem Metall und/oder Metalloxid oder Mischoxid, Metallcarbid, Metallchalkogenid oder Metallsulfat mit einer Dichte von mindestens ≥ 4 g/cm3 bestehen, bei dem die nanoskaligen Partikel in einer flüssigen Reaktivmischung dispergiert und nachfolgend in ein flüssiges Polymermaterial eingebracht werden, und bei dem das Polymermaterial mit den darin eingebetteten nanoskaligen Partikeln anschließend zur Bildung der Anpassungsschicht (2) ausgehärtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Metalle Elemente der 1. bis 10. Nebengruppe, Metalle der 4. bis 6. Hauptgruppe, Sr oder Ba eingesetzt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die nanoskaligen Partikel aus einem Material bereitgestellt werden, das eine Dichte von ≥ 5 g/cm3, besonders bevorzugt ≥ 6 g/cm3, aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem als nanoskalige Partikel nanoskalige Ceroxidteilchen und/oder Zirkonoxidteilchen eingesetzt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem eine Menge der nanoskaligen Partikel, die in das Polymermaterial eingebracht werden, so eingestellt wird, dass das ausgehärtete Polymermaterial mit den darin eingebetteten nanoskaligen Partikeln eine akustische Impedanz zwischen 4 und 7 MRayl aufweist.
PCT/DE2009/000346 2008-03-13 2009-03-13 Ultraschallwandler mit akustischer anpassungsschicht für hohe ultraschallfrequenzen sowie verfahren zur herstellung der anpassungsschicht WO2009112025A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008014120.8 2008-03-13
DE200810014120 DE102008014120A1 (de) 2008-03-13 2008-03-13 Ultraschallwandler mit akustischer Anpassungsschicht für hohe Ultraschallfrequenzen sowie Verfahren zur Herstellung der Anpassungsschicht

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2009112025A2 true WO2009112025A2 (de) 2009-09-17
WO2009112025A3 WO2009112025A3 (de) 2009-12-03

Family

ID=40983856

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2009/000346 WO2009112025A2 (de) 2008-03-13 2009-03-13 Ultraschallwandler mit akustischer anpassungsschicht für hohe ultraschallfrequenzen sowie verfahren zur herstellung der anpassungsschicht

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008014120A1 (de)
WO (1) WO2009112025A2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017103172A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Koninklijke Philips N.V. An acoustic lens for an ultrasound array
US11812238B2 (en) 2018-05-04 2023-11-07 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Impedance matching device, transducer device and method of manufacturing an impedance matching device

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070205697A1 (en) * 2006-03-02 2007-09-06 Chaggares N C Ultrasonic matching layer and transducer

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4256309B2 (ja) * 2003-09-29 2009-04-22 株式会社東芝 超音波プローブおよび超音波診断装置
DE102007017651B4 (de) * 2006-04-12 2010-05-27 Schott Ag Transparenter duroplastischer Komposit aus organischer Matrix mit nanoskaligen Glaspartikeln, Verfahren zur Herstellung desselben und dessen Verwendung

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070205697A1 (en) * 2006-03-02 2007-09-06 Chaggares N C Ultrasonic matching layer and transducer

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control IEEE USA, Bd. 54, Nr. 3, März 2007 (2007-03), Seiten 467-469, XP002546865 ISSN: 0885-3010 *
ZHU J ET AL: "P3K-2 Fabrication and Characterization of Nanocrystalline TiO2-Polymer Composite Matching Layers" ULTRASONICS SYMPOSIUM, 2007. IEEE, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 1. Oktober 2007 (2007-10-01), Seiten 1917-1920, XP031195373 ISBN: 978-1-4244-1383-6 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017103172A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Koninklijke Philips N.V. An acoustic lens for an ultrasound array
US11386883B2 (en) 2015-12-18 2022-07-12 Koninklijke Philips N.V. Acoustic lens for an ultrasound array
US11812238B2 (en) 2018-05-04 2023-11-07 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Impedance matching device, transducer device and method of manufacturing an impedance matching device

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008014120A1 (de) 2009-09-24
WO2009112025A3 (de) 2009-12-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60008677T2 (de) Schuppenartige Siliciumdioxidteilchen und diese enthaltende härtbare Zusammensetzung
EP2577236B1 (de) Ultraschallwandler zum einsatz in einem fluiden medium
DE4304265A1 (de)
Dufaud et al. Stereolithography of PZT ceramic suspensions
DE112007001957T5 (de) Schallwandleranordnung mit geringem Profil
EP2019848A1 (de) Nanopartikel
WO2005108320A2 (de) Mit funktionellen gruppen homogen beschichtete pulverteilchen, ein verfahren zu deren herstellung und ihre verwendung
DE10041038B4 (de) Sphärische Metalloxidpartikel mit partikulären Oberflächenerhebungen und Verfahren zu dessen Herstellung sowie deren Verwendung
WO1992004134A1 (de) Ultraschallwandler für die laufzeitmessung von ultraschall-impulsen in einem gas
US4756808A (en) Piezoelectric transducer and process for preparation thereof
DE102016003724A1 (de) Pulver zum dreidimensionalen Formen und dreidimensionaler Formgegenstand
DE202009001974U1 (de) Vorrichtung mit einer echogenen Beschichtung sowie echogene Schicht
WO2009112025A2 (de) Ultraschallwandler mit akustischer anpassungsschicht für hohe ultraschallfrequenzen sowie verfahren zur herstellung der anpassungsschicht
DE60316472T2 (de) Korrosionsbeständiges ultraschallhorn
EP4220278A1 (de) Optische überwachungsvorrichtung
Sato et al. Atomic-scale observation of titanium-ion shifts in barium titanate nanoparticles: implications for ferroelectric applications
DE112013004642T5 (de) Dünnschichtige piezoelektrische Vorrichtung, piezoelektrisches Stellglied, piezoelektrischer Sensor, Festplattenlaufwerk und Tintenstrahldrucker
US20160155433A1 (en) Ultrasound apparatus and method
EP2504831B1 (de) Dämpfungsmasse für ultraschallsensor, verwendung eines epoxidharzes
JP2024019547A (ja) 超音波探触子用音響レンズ、超音波探触子、超音波プローブおよび超音波診断装置
US8410664B2 (en) Method for changing ultrasound wave frequency by using the acoustic matching layer
CN100392394C (zh) 一种制造用于超声检测探头的背衬材料的方法
Vuksanović et al. Inorganically modified particles FeAl-LDH@ SiO2 as reinforcement in poly (methyl) methacrylate matrix composite
Zhu Optimization of matching layer design for medical ultrasonic transducer
WO2016083808A1 (en) Matching layers for ultrasound apparatus and manufacturing methods therefore

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09720149

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09720149

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2