其中包括声学匹配区域的超声设备的制作方法

本申请对2017年2月24日在美国专利商标局中提交的、题为“ultrasonicgastransducershavingacousticallymatchedregionstherein”的序列号为62/463,375的美国临时专利申请要求优先权，该美国临时专利申请的公开内容由此通过引用被并入本文中，如同以其全部被阐明那样。

相关申请的交叉引用

该非临时申请与以下相关：于2016年12月9日提交的、题为“thicknessmodetransducersandrelateddevicesandmethods”（代理案号170084-00003）的序列号为15/374,044的美国申请，于2016年12月9日提交的、题为“thickness-planarmodetransducersandrelateddevices”（代理案号170084-00004）的序列号为15/374,129的美国申请，以及于2017年2月22日提交的、题为“multi-elementbendingtransducersandrelatedmethodsanddevices”（代理案号170084-00008）的序列号为62/461,610的美国临时专利申请，所述申请中的每个的公开内容由此通过引用被并入本文中，如同以其全部被阐明那样。

本发明涉及基于换能器的电气设备，并且更具体地涉及基于压电的换能器。

背景技术：

声学匹配层已用于改进诸如压电换能器内的锆钛酸铅（pzt）元件之类的具有相对高声学阻抗的声学元件和诸如气体之类的具有相对低声学阻抗的介质之间的声学传输效率。材料的声学阻抗是材料密度和其中声速的函数。当将诸如pzt的压电材料与诸如甲烷的气体进行声学匹配时，典型地优选由具有非常低的声速和低密度的固体材料组成的匹配层。例如，如专利号为4,523,122的tone等人的美国专利中所公开的，声学阻抗匹配层可以包括分散在热固性树脂的固化产物中的热膨胀的基于树脂的微球。此外，专利号为6,989,625的suzuki等人的美国专利公开了在超声换能器中使用具有低密度和低音速的第一声学匹配层以及具有更高密度和更高音速的第二声学匹配层。该第一声学匹配层可以形成为干凝胶层，所述干凝胶层被公开为通过溶胶-凝胶过程产生的多孔体。

在t.e.gomezalvarez-arenas的题为“acousticimpedancematchingofpiezoelectrictransducerstotheair”ieeetrans,onultrasonics,ferroelectrics,andfrequencycontrol,vol.51,no.5,pp.624-633,5月（2004）以及“anondestructiveintegritytestformembranefiltersbasedonair-coupledultrasonicspectroscopy”ieeetrans,onultrasonics,ferroelectrics,andfrequencycontrol,vol.50,no.6,pp.676-685,6月（2003）的文章中公开了使用薄膜过滤材料努力将压电换能器的声学阻抗与空气相匹配的又另外的示例。最后，在t.e.gomezalvarez-arenas等人的题为“novelimpedancematchingmaterialsandstrategiesforair-coupledpiezoelectrictransducers”ieeesensors，11月3-6（2013）的文章中公开了具有匹配层的空气耦合压电换能器的使用，所述匹配层基于具有高音速和几乎闭孔结构的刚性和可机器加工的聚合物泡沫。

技术实现要素：

根据本发明的实施例的超声设备包括其中具有压电元件的换能器，该压电元件可以作为声学信号接收表面和/或声学信号生成表面而操作。此外，在压电元件上提供至少一个声学匹配层。该至少一个声学匹配层可以被配置成n个声学匹配层的复合物，其中n个声学匹配层中的第一声学匹配层接触压电元件的主表面。该第一声学匹配层可以具有等效于的声学阻抗，其中n是大于零的正整数。在本发明的一些实施例中，的量值可以被定义为：，其中是压电元件（例如，锆钛酸铅（pzt））的声学阻抗，并且是相容气体的声学阻抗。

在至少一个声学匹配层上提供保护层，该保护层可以在所述设备的操作期间直接暴露于相容气体。特别地，可以提供保护层，其具有等效于的声学阻抗，其中：。在本发明的一些实施例中，可以作为聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）层提供的保护层可以利用铝（al）来被金属化并且具有小于约20微米的厚度。

根据本发明的附加实施例，超声设备可以具有两个声学匹配层（即，n=2），并且n个声学匹配层中的第二声学匹配层可以在保护层和n个声学匹配层中的第一声学匹配层之间延伸。该第二声学匹配层可以具有等效于的声学阻抗，其中被定义为：。对于当n=1时，第一声学匹配层可以形成为聚醚砜（pes）层，并且对于当n=2时，第二声学匹配层可以形成为pes层。

根据本发明的又另外的实施例，超声设备可以包括其中具有压电元件的换能器和在压电元件上的第一声学匹配层（例如，聚醚砜（pes）层）。在第一声学匹配层上提供聚合物保护层。该聚合物保护层可以被配置成具有小于约20微米厚度的聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）层。优选地，选择厚度使得保护层抑制对下面的声学匹配层的化学和/或机械损伤，同时使得能够对声学匹配频率进行充分的微调。根据本发明的这些实施例中的一些，可以提供由pet形成的第二声学匹配层，其在第一声学匹配层和压电元件之间延伸。特别地，第二声学匹配层可以接合到压电元件，并且聚合物保护层可以接合到第一声学匹配层。聚合物保护层也可以利用铝来被金属化，以便提供附加的化学/机械保护而不显著降低频率调谐能力。

附图说明

图1a-1b是根据本发明的实施例的超声换能器的横截面视图。

具体实施方式

现在将参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以用许多不同的形式被具体化，并且不应该被解释为受限于本文中阐明的实施例；而是，提供这些实施例使得本公开将是透彻和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。相同的参考标号始终指代相同的元件。

将理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应该受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一区域、层或区段进行区分。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不意图成为本发明的限制。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，术语“包含”、“包括”、“具有”及其变体当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。相比之下，术语“由……组成”当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件，并且排除附加的特征、步骤、操作、元件和/或部件。

除非另有定义，否则本文中使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解，诸如在常用词典中定义的那些术语之类的术语应该被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义相一致的含义，并且将不以理想化或过度形式化的意义被解释，除非在本文中明确地这样定义。

现在参考图1a，根据本发明的实施例的超声设备10被图示为包括其中具有压电元件的超声换能器12（例如，厚度模式换能器）。如本领域技术人员将理解的，因为超声换能器可以将声学信号（例如，超声波）转换为电气信号和/或反之亦然，所以压电元件可以作为声学信号生成/接收表面13操作。当压电元件被用作声学信号接收表面时，设备10可以作为超声传感器操作。

如图1a所示出的，在换能器12的压电元件上提供至少一个声学匹配层14。该至少一个声学匹配层14可以被配置成（例如，不同材料、密度等的）n个声学匹配层的复合物，其中n个声学匹配层中的第一声学匹配层接触换能器12内的压电元件的主表面。该第一声学匹配层可以具有等效于的声学阻抗，其中n是大于零的正整数。在本发明的一些实施例中，的量值可以被定义为：，其中是压电元件（例如，锆钛酸铅（pzt））的声学阻抗，并且是相容气体18（例如，甲烷）的声学阻抗。

在至少一个声学匹配层14上提供保护层16，该保护层16可以在超声设备10的操作期间直接暴露于相容气体18。特别地，可以提供保护层16，其具有等效于的声学阻抗，其中：。在本发明的一些实施例中，可以作为聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）层提供的保护层16可以利用诸如铝之类的金属来被金属化并且具有例如小于约20微米的厚度。优选地，选择厚度使得保护层16抑制对下面的声学匹配层14的化学和/或机械损伤，同时使得能够对超声设备10内的声学匹配频率进行充分的微调。

如图1b所示出的，可以作为超声传感器或声学信号发生器操作的超声设备10'可以具有两个声学匹配层（即，n=2），并且n个声学匹配层中的第二声学匹配层14b可以在保护层16和n个声学匹配层中的第一声学匹配层14a之间延伸，该第一声学匹配层14a可以被配置为改进超声设备10'的带宽和灵敏度。该第二声学匹配层14b可以具有等效于的声学阻抗，其中被定义为：。第一声学匹配层14a可以形成为pet层，并且第二声学匹配层14b可以形成为例如聚醚砜（pes）层。以这种方式，第一和第二声学匹配层14a、14b以及保护层16可以共同作为多层声学匹配层（aml）结构操作。

在本发明的一些实施例中，aml结构可以被配置成夹在聚合物材料（例如pet）片之间的pes过滤膜。该过滤膜可以作为相对低密度、低刚度和低声学阻抗的材料来操作以提供高度的声学匹配，而具有中等密度、刚度和声学阻抗的第一声学匹配层14a可以改进声学带宽和换能器灵敏度。再次参考图1b，用于在400khz下操作的示例性匹配层结构可以包括由聚醚砜形成的过滤膜声学匹配层14b，过滤膜声学匹配层14b具有0.8微米的孔径和150微米的厚度。“前”保护层16可以是小于20微米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯层（例如，10微米），并且第一声学匹配层14a可以是700微米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯层。保护层16的厚度可以足以抑制对下面的声学匹配层的化学和/或机械损伤，同时足够薄以使得能够对声学匹配频率进行充足的微调。保护层16也可以利用诸如铝的金属来被金属化，以提供附加的化学/机械保护，而不显著降低频率调谐能力。

通过使用来源于商业可获得的薄膜盘过滤器的声学匹配层来创建超声换能器以供测试，所述薄膜盘过滤器包括具有0.8μm的孔径和47mm的过滤盘直径的150μm厚的聚醚砜（pes）盘过滤器，其如由pall公司^tm制造。从圆形过滤盘切割一条过滤膜材料，并且然后在轻微张力（以维持平整度）下将其固定到载玻片。将诸如由3m公司制造的remount^tm之类的喷涂粘合剂以30cm的距离并且以与垂直方向成45度的角度喷涂到过滤膜条上持续约0.5秒。将换能器放置在过滤膜条的粘合侧上，并且以0.5巴的压力压缩该换能器持续60秒。250克重量用于带有具有7×7mm正面尺寸的较低频率换能器，并且125克重量用于带有具有5×5mm正面尺寸的较高频率换能器。利用解剖刀修整过滤膜条，以移除换能器正面区（即pzt表面）外部的材料。然后重复这些切割、粘合和修整步骤以按需要来构建附加的薄膜材料层。

在性能测试期间，使用两对弹簧探针安装换能器，所述两对弹簧探针接触铝前板和不锈钢背板的侧，以提供机械和电气接触。使用诸如由avisoftbioacoustics^tm制造的型号为cm16/cmpa40-5v的麦克风之类的超声电容式麦克风来测量对具有16周期突发脉冲的5伏（峰到峰）正弦输入信号进行响应的声学输出。针对低频率换能器的传输距离是15cm并且针对高频率换能器的传输距离是8.5cm。在麦克风前置放大器上的增益设置对于低频测试被设置成最小值，并且对于高频测试被设置成中间值（增益控制旋转180度）。通过如下来测量传输-接收性能：选择由丙烯酸管（内径18mm和长度15cm（用于低频率测试）或长度8.5cm（用于高频测试）连接的一对换能器。数字示波器用于捕获来自激光振动计、超声麦克风和换能器传输-接收测试的输出。在使用150微米厚的聚醚砜薄膜作为声学匹配层的高频率换能器测试的情况下，相对于没有匹配层的以其他方式的等效换能器，在传输-接收增益方面实现了20db改进。

在附图和说明书中，已经公开有本发明的典型优选实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅在一般性和描述性意义上被使用并且不用于限制目的，本发明的范围在以下权利要求中被阐明。