专利名称：超声换能器超声阻抗匹配层及其制作方法、超声换能器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及超声应用领域，特别是指一种超声换能器超声阻抗匹配层及其制 作方法、超声换能器。
背景技术：
超声换能器是一种能把电信号转换成超声波，并且又能把从人体或其它被检测对 象中接收到的超声波反向信号转换成电信号的器件，它被广泛应用于医用超声诊断领域和 超声无损检测领域。通常超声换能器的结构包括压电陶瓷片、背衬、声透镜和带接插件的电 路板。在医用超声应用中，用于超声换能器的压电陶瓷材料的声阻抗值一般大于 30X 106kg/(m2s)，而人体组织等被测对象的声阻抗值一般小于1. 6X 106kg/(m2s)，因此超 声波在这两种不同媒质界面上会产生反射，从而导致能量的损失。
发明内容
本发明提出一种超声换能器超声阻抗匹配层及其制作方法、超声换能器，通过所 述超声阻抗匹配层可以有效地消减超声换能器的能量损耗，提高能量传播效率。本发明的技术方案是这样实现的一种超声换能器超声阻抗匹配层的制作方法，包括按照预定比例调配聚合物和金属氧化物颗粒，进行均勻混合后形成粘稠状的半液 态胶质；在所述粘稠状的半液态胶质中加入聚合触媒，产生聚合固化反应后形成相应厚度 的超声阻抗匹配层。优选的，形成相应厚度的超声阻抗匹配层后还包括将一层或多层所述超声阻抗匹配层设置于超声换能器的压电陶瓷片的前向声辐 射面。优选的，将一层或多层所述超声阻抗匹配层贴敷于超声换能器的压电陶瓷片的前 向声辐射面前还包括在所述超声阻抗匹配层的表面上设置不同的沟槽。优选的，所述聚合物为环氧树脂。优选的，所述金属氧化物颗粒为氧化铝。优选的，所述超声阻抗匹配层的厚度为所述超声阻抗匹配层内超声波波长的四分之一。优选的，所述超声阻抗匹配层的厚度为100-1000微米级。一种超声换能器超声阻抗匹配层，所述超声阻抗匹配层是根据前述制作方法制作 而成的超声阻抗匹配层。一种超声换能器，包括背衬、压电陶瓷片，还包括设置于所述压电陶瓷片的前向声辐射面的一层或多层超声阻抗匹配层。本发明所述超声阻抗匹配层可以提升超声换能器的能量转换效率，使压电陶瓷片 内的产热速率降低，降低超声换能器的散热处理要求，能更好地保证超声换能器的稳定使 用及使用寿命，增强使用安全性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有技术中未设置超声阻抗匹配层的压电陶瓷片示意图；图2为本发明中在压电陶瓷片的前向声辐射面设置超声阻抗匹配层后的示意图；图3为本发明一种超声换能器超声阻抗匹配层的制作方法优选实施例的流程示 意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。参照图3，示出了本发明一种超声换能器超声阻抗匹配层的制作方法优选实施例 的流程示意图，包括步骤步骤S310、按照预定比例调配聚合物和金属氧化物颗粒，进行均勻混合后形成粘 稠状的半液态胶质。所述预定比例为重量比，可以根据实际需求的不同进行确定，在本发明的优选实 施例中，所述金属氧化物颗粒的重量比最优选择少于30%，当然，选择其它的重量比也是能 实现本发明的，只要不影响固化即可。在本发明的一个实施例中，所述聚合物为环氧树脂，所述金属氧化物颗粒为氧化 铝。需要说明的是，聚合物采用环氧树脂，金属氧化物颗粒采用氧化铝只是本发明的一个优 选实施例，在其它实施例中还可以采用其它的聚合物如聚丙烯酸酯等和其它的金属氧化物 颗粒如氧化铁等。步骤S320、在所述粘稠状的半液态胶质中加入聚合触媒，产生聚合固化反应后形 成相应厚度的超声阻抗匹配层。所述聚合触媒是聚合物的一部分，不同的材料成分不同，可以根据实际需求确定， 本发明对此不进行限定。所述超声阻抗匹配层的厚度可以根据实际需求通过特定的模具进行限定。在本发 明的一个优选实施例中，当所述超声阻抗匹配层的声阻抗值约为压电陶瓷片的声阻抗值和 换能器前端传播媒质的声阻抗值的几何平均值，且所述超声阻抗匹配层的厚度对应其材料 的四分之一声学波长时，超声阻抗匹配层可以最有效地消减在匹配层与超声传播媒质界面处的反射能量损耗，提高能量传播效率。对于医用超声应用，本发明所述超声阻抗匹配层的声阻抗值介于3X106kg/ (m2s)-14X106kg/(m2s)之间。在本发明的另一个实施例中，如对于0. 5-5MHz的换能器而言，对应的超声阻抗匹 配层优选厚度为100-1000微米级。在本发明技术方案的具体实现过程中，通过采用微量参入特定颗粒或局部控制其 固化温度等手段，改变超声阻抗匹配层的局部密度或局部厚度，或采用外加电场极化或磁 场吸引等方式，诱导超声阻抗匹配层的金属氧化物积聚在某个区域，改变其均勻分布。超声 阻抗匹配层对声波的传播具有局部不同的衰减或延迟功能，导致来自压电陶瓷片的聚焦波 阵面受到不同程度的局部扰动，从而影响换能器的聚焦强度、焦区大小和聚焦主边瓣的比 值。因此，只要控制这些局部微量声阻抗的扰动在一定范围内，将改变聚焦特性或匹配换能 器阵列中各单元的特性，从而提高换能器的转换效率。在本发明的另一实施例中，所步骤S320后还包括步骤S340、将一层或多层所述超声阻抗匹配层设置于超声换能器的压电陶瓷片的 前向声辐射面。所述超声阻抗匹配层可以根据实际需要采用一层或多层。将一层或多层超声阻抗匹配层紧密贴敷于压电陶瓷片表面，其一种实现方式是在 一定的温度温度条件下，置于尺度密合的模具内加压固定，使超声阻抗匹配层完全固化后 粘合于压电陶瓷片的前向声辐射面。在换能器的压电陶瓷片的表面贴敷(设置)超声阻抗匹配层可降低整个换能器的 谐振品质因数Q值，放宽换能器谐振带宽，适当增加换能器输入电阻抗，弥补由于高Q值工 作导致的实际换能器阻抗值下降，换能器谐振带宽加宽导致的优点是有利于换能器的瞬态 开关响应更加迅速，换能器对迅速变换的电信号的响应更加灵敏迅速，更合适以高脉冲重 复频率短脉冲方式工作，从而更好地控制发射声剂量和降低组织吸热升温的风险。相应地， 电功率放大器与该换能器的阻抗匹配难度降低，可以在相对较宽的频段内发射。功放就可 以在多个频率点驱动贴敷超声阻抗匹配层的换能器使之有效发射声功率。不同的换能器可 使用同一个功放和相似的电阻抗匹配，使得产品部件的互换性成为可能。相比于未贴敷超声阻抗匹配层的换能器而言，适当增加的带宽可以使得换能器具 备一定的接收灵敏度，从而可以有限度地在发射的同时接收来自其声场焦点处的背向散射 信号或组织声发射信号。这一优点使得换能器能够通过其接收的反射信号的强度判断其焦 点处组织特性的可能变化。在本发明的另一实施例中，所述步骤S340前还包括步骤S330、在所述超声阻抗匹配层的表面上设置不同的沟槽。通过在所述超声阻抗匹配层的表面上设置不同的沟槽，改变其球面自聚焦特性， 获得扩大的焦斑。在本发明的另一实施例中，在所述步骤S340中，将超声阻抗匹配层设置于超声换 能器的压电陶瓷片的前向声辐射面时，在超声阻抗匹配层和压电陶瓷片表面采用不同的胶 粘密度，改变质点振动传输的局部界面条件，来扰动均勻的球面聚焦波前等相位面。从而也 可以实现不同的局部声阻抗扰动方案，获得不同的聚焦特性变化，例如，可以采用同心圆环的扰动分布来改变换能器输出的波前等相位面获得偏移的或扩大的聚焦区域，或采用此方 法在平面压电陶瓷片上贴敷此改良的匹配层获得改变的发射波束。本发明还保护了一种通过前述方法实施例的制作方法制作而成的超声换能器匹 配层。本发明还公开了一种超声换能器，所述超声换能器除了包括背衬、压电陶瓷片等 组成部件外，还包括设置于所述压电陶瓷片的前向声辐射面的一层或多层超声阻抗匹配 层。所述超声阻抗匹配层通过前述方法实施例的制作方法制作而成。本领域普通技术人员可以理解，在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并 不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性 的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种超声换能器超声阻抗匹配层的制作方法，其特征在于，包括按照预定比例调配聚合物和金属氧化物颗粒，进行均勻混合后形成粘稠状的半液态胶质；在所述粘稠状的半液态胶质中加入聚合触媒，产生聚合固化反应后形成相应厚度的超 声阻抗匹配层。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成相应厚度的超声阻抗匹配层后 还包括将一层或多层所述超声阻抗匹配层设置于超声换能器的压电陶瓷片的前向声辐射面。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，将一层或多层所述超声阻抗匹配层 贴敷于超声换能器的压电陶瓷片的前向声辐射面前还包括在所述超声阻抗匹配层的表面上设置不同的沟槽。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述聚合物为环氧树脂。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述金属氧化物颗粒为氧化铝。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述超声阻抗匹配层的厚度为所述 超声阻抗匹配层内超声波波长的四分之一。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述超声阻抗匹配层的厚度为 100-1000微米级。
8.一种超声换能器超声阻抗匹配层，其特征在于，所述超声阻抗匹配层是根据权利要 求1至7任一项所述的制作方法制作而成的超声阻抗匹配层。
9.一种超声换能器，包括背衬、压电陶瓷片，其特征在于，还包括设置于所述压电陶瓷 片的前向声辐射面的根据权利要求1至7任一项所述的制作方法制作而成的一层或多层超 声阻抗匹配层。
全文摘要
本发明公开了超声换能器超声阻抗匹配层及其制作方法、超声换能器。所述制作方法包括按照预定比例调配聚合物和金属氧化物颗粒，进行均匀混合后形成粘稠状的半液态胶质；在所述粘稠状的半液态胶质中加入聚合触媒，产生聚合固化反应后形成相应厚度的超声阻抗匹配层。本发明所述超声阻抗匹配层可以提升超声换能器的能量转换效率，使压电陶瓷片内的产热速率降低，降低超声换能器的散热处理要求，能更好地保证超声换能器的稳定使用及使用寿命，增强使用安全性。
文档编号H04R17/00GK102143423SQ20101010453
公开日2011年8月3日 申请日期2010年2月1日 优先权日2010年2月1日
发明者印向涛, 费兴波 申请人:北京汇福康医疗技术有限公司