用于超声换能器阵列的复合声学吸收器的制作方法

背景技术：

本实施例涉及用于超声换能器的声学背衬。诸如在医学诊断超声成像中使用的超声换能器包括用于在电能和声学能之间转换的换能器元件。为了吸收不合期望的声学能并且防止接收来自患者体外的杂声或结构的回声，声学吸收背衬块连接到换能器。背衬块是由用于吸收声学能的衰减材料形成的。衰减越高，越有效地防止接收来自患者体外的杂声或结构的回声。示例背衬材料是具有塑料填料的固化的环氧树脂。具有基于塑料填料的背衬块的环氧树脂一般具有与换能器匹配的声学阻抗，有一定程度的但是一般并不高的超声波吸收，并且不提供高热导率。

超声换能器具有许多产生热的元件，诸如具有达到10000个压电元件的二维换能器。较高功率的操作经常是合期望的但是造成声学噪声和较多的热。具有一定的吸收性和差的热导率的声学背衬材料可能关于换能器的使用强加限制。

技术实现要素：

通过介绍的方式，在下面描述的优选实施例包括超声换能器、声学吸收器和/或用于形成声学吸收器的方法。声学吸收器提供基于橡胶、陶瓷和金属颗粒的填料的合期望的衰减、阻抗和热导率量。可以调整不同填料的相对量以调节声学衰减、热导率和/或声学阻抗。

在第一方面中，超声换能器包括换能器元件的阵列。阵列中的换能器元件是分离地可操作的，以用于在声学能和电能之间进行换能。阵列具有在其处发射和接收声学能的正面以及与该正面相对的背面。超声换能器还包括相邻于阵列的背面的背衬。背衬是橡胶颗粒、金属颗粒和陶瓷颗粒的复合物。

在第二方面中，一种被提供用于超声换能器阵列的复合声学吸收器。该复合声学吸收器包括固化的环氧树脂，其中橡胶填料、金属填料和陶瓷填料分布在该固化的环氧树脂中。

在第三方面中，提供了一种用于形成换能器的声学背衬的方法。将环氧树脂、橡胶粉末、陶瓷粉末和金属粉末进行混合以形成混合物。将该混合物铸入到用于声学背衬块的模具中。在模具中固化该混合物。

本发明由随后的权利要求限定，并且不应当将本节中的任何内容当作对那些权利要求的限制。下面结合优选的实施例来讨论本发明的进一步的方面和优点。

附图说明

组件和各图未必成比例，相反重点被放在图示本发明的原理上。此外，在各图中，同样的参考标号贯穿不同的视图指明对应的部分。

图1是具有复合背衬的换能器元件阵列的示例示图，复合背衬具有三种或更多种填料；和

图2是用于形成超声换能器的背衬块的方法的一个实施例。

具体实施方式

复合声学吸收器提供高衰减和高热导率。使用分布的金属、橡胶和陶瓷填料的组合形成均匀材料可以提供高衰减、高热导率和/或可调节阻抗这两者。与金属泡沫或其它吸收器不同，本吸收器可以是容易地被加工的。具有高热导率的材料一般而言具有低的声学衰减。此外，具有高密度（阻抗）的材料也一般具有低的声学衰减。三种或更多种不同类型的填料的组合可以提供具有良好热导率和合期望的阻抗的高的声学衰减。不同类型的颗粒贡献于吸收器的不同的特性。

图1示出超声换能器10的一部分的一个实施例。超声换能器10包括用于基于所包括的填料的类型来吸收声学能并且提供想要的阻抗和热导率的吸收器。

超声换能器10是元件12的阵列。阵列是一维（1d）或多维（例如，1.25d，1.5d，1.75d，或2d）的换能器一部分。阵列10在换能器探头内，换能器探头诸如为手持式探头、导管、内腔（例如经食管的）或另外的探头。为了简单仅示出两个元件12，但是阵列可以包括附加的元件12，诸如数十、数百或数千个元件12。在一维阵列中，32、64、128、196或其它数目的元件12被布置为线型的、弯曲线型的或分段的阵列。在其它实施例中，元件12是多维阵列的一部分，多维阵列诸如为被布置为平坦或弯曲的表面阵列的1.25d、1.5d、1.75d或2d的阵列。

阵列具有正面11，在该正面11处将声学能发射到患者并且接收来自患者的声学能。正面11是平坦的、凹的或凸的。正面11与探头的声学窗口相邻并且/或者被相邻于要被扫描的区域放置。一个或多个匹配层14位于正面11处。背面13与阵列10的正面相对。背面13远离声学窗口，诸如与换能器层16相比更远离声学窗口。阵列10的背面13被定位为相邻于背衬18，诸如换能器层16的作为阵列的背面13的底部。

阵列的每个换能器元件12包括一个或多个换能器层16、一个或多个匹配层14、一个或多个背衬层18、电极和信号线（例如与相应的电极连接的柔性电路或粗糙接触焊盘）。可以提供附加的、不同的或更少的组件。例如，提供开关或多路复用器以用于将同一线缆或同一发射通道连接到不同的多个的元件12和相关联的电极。作为另一示例，为每个元件12提供调节电路。

每个元件12可操作以用于在声学能和电能之间进行换能。换能器层16与地和在换能器层16的相对侧上的信号电极组合地将电能转换为用于发射的声学能。所生成的声学能的大部分朝向阵列的正面11和背面13传播。换能器层16将所接收的声学能转换成电能。电极被提供在换能器层16的相对侧上以用于换能器10的操作。

元件12是针对分离的操作而在声学上和电气上隔离的。在元件12之间的切口、环氧树脂或其它分隔可以提供声学隔离。可以替换地将桥或共用的换能器材料连接在元件12之间。分离的信号电极可以提供电隔离。共用的接地电极可以是由一些或所有的元件12共享的。多个元件12可以诸如在矩阵系统中或者在形成宏元件的系统中共享发射或接收电极。

由相同或不同的换能器材料形成一个或多个换能器层16。例如使用诸如pzn-pt或pmn-pt的单晶。可以使用诸如pzt5h或复合材料的其它压电材料。在另一实施例中，由半导体材料将换能器层16形成为微机电或cmut器件。在又一实施例中，由电致伸缩聚合物来形成换能器层16。

由同一块换能器材料来形成所有的元件12。每个元件12的换能器层16为相同的厚度、层数和材料，诸如通过切割pzt块来形成用于每个元件12的换能器层16。提供相同的在进行发射的正面11和背面13之间的换能器层16的厚度。在其它实施例中，不同的元件12具有不同的结构，诸如不同数量的换能器层16、不同的厚度和/或不同的材料。

每个元件12的换能器层16的声学阻抗在10和50兆雷之间。压电陶瓷具有大约30兆雷的声学阻抗。不同的材料混合物或形成处理可以造成从30兆雷的偏离。“大约”计及了这种以及由于添加多层的换能器材料或其它材料所致的偏离。复合换能器层16（例如被保持在一起的或被由环氧树脂围绕的压电材料的柱或板）可以具有不同的声学阻抗。

背衬层18相邻于阵列的背面13，诸如相邻于换能器层16的底部（如在图1中示出那样）。诸如金属化的柔性电路材料的电极或其它层可以被定位在换能器层16和背衬层18之间。

背衬层18是背衬块或声学吸收器的其它复合物。背衬层18可以是用于所有元件12的单个模制的或成形（例如机械加工）的块。替换地，将分离的背衬块提供用于不同的组的元件12。

对背衬层18进行构型并设定大小以与超声换能器10匹配。背衬层18的沿着阵列的方位和横向尺寸的尺寸可以与阵列匹配或者延伸超过阵列。背衬层18的深度可以大于换能器10要针对其进行使用的最长波长的1/4。在一个实施例中，深度大于换能器材料层16的深度。背衬层18可以包括用于与换能器10配合的突起或凹口。可以添加夹具或其它结构以将背衬层18配合或连接到换能器10。一旦对准，背衬层10（例如声学吸收器的模制的块）就被接合或固定到换能器10。

背衬层18包括多种不同的材料。可以混合不同的材料，诸如复合背衬。四种或更多种不同类型的材料形成背衬层18。基质或基础材料是环氧树脂，但是可以使用诸如合成橡胶的其它接合剂。背衬层18由固化的环氧树脂（诸如其中热固性和热塑性的组份混合在一起以化学固化的环氧树脂）的支承结构形成。可以使用热、压力或其它环境控制来形成固化的环氧树脂。

其它类型的材料被包括作为填料19，诸如采用粉末形式的颗粒。可以将任何填料19与不同类型的材料一起使用，提供不同形式的填料。填料颗粒具有任何大小，诸如在最长尺寸上小于换能器波长的10％。填料颗粒具有任何大小，诸如球形、柱形和/或无定形。通过将填料包括在背衬层18内（例如与环氧树脂混合），形成基质（例如环氧树脂）和填料的固体块。替换地，填料引起还包括有空气间隙或空囊。在任一情况下，背衬层18包括被由环氧树脂或其它基质材料保持在位和/或分离开的颗粒。每个或大多数颗粒被环氧树脂或基质围绕。

各种填料19在具有或不具有空气间隙的情况下分布在环氧树脂中。填料19由三种或更多种不同类型的材料或物质形成。例如，背衬块18的复合物的填料19包括橡胶颗粒、金属颗粒和陶瓷颗粒。橡胶颗粒是天然橡胶、合成橡胶或其它橡胶材料。例如，使用硅酮粉末。橡胶颗粒具有任何范围的大小（最大直径），诸如1-10、8-100、20-80、40-50微米或其它范围。颗粒可以是粉末和/或具有球形或无定形的形状。

金属颗粒是任何金属。例如，使用钨、铜或铝的粉末。金属颗粒具有任何范围的大小（最大直径），诸如1-10、10-60、20-50、30-40或15-25微米。颗粒可以是粉末和/或具有球形、柱形或无定形的形状。

陶瓷颗粒是金属、非金属或准金属的任何无机化合物，诸如结晶氧化物、氮化物或碳化物的材料。碳或硅材料可以被用作为陶瓷颗粒。在一个实施例中，陶瓷颗粒是氮化铝粉末。陶瓷颗粒具有任何范围的大小（最大直径），诸如1-10、8-100、20-80、40-50微米或其它范围。颗粒可以是粉末和/或具有球形、柱形或无定形的形状。

填料19是遍布背衬层18地分布的。填料的分布是实质上均匀的。每种类型的填料和基质的分布是实质上均匀的。“实质上”被用于计及混合处理中的容限，诸如背衬层18的10％或更多的任何子体积具有小于4%的与背衬层18的其它子体积的变化。由于不同填料的均匀分布，每个元件12具有如下的背衬：其具有与其它元件12类似的组成。

可以使用任何的填料19的相对于基质（例如环氧树脂）的量。例如，背衬层18的按重量的15%—90％是由填料19形成的。在其它示例中，使用20%—40％、50%—70％或70%—80％。

可以使用填料19的类型对于另一填料19的类型的任何比例。例如按填料的重量有25%—30％或15%—35％的橡胶颗粒、25%—50％或20%—40％的金属颗粒、以及20%—50％或25%—40％的陶瓷颗粒。

各填料19的不同比例调节背衬层18的各种特性。取决于换能器和/或要被用于发射的功率水平，可以形成具有不同特性的背衬层18。通过包括三种或更多种不同类型的填料材料，可以调节声学衰减、热导率和/或声学阻抗。三种或更多种不同类型的填料（例如，特别是橡胶、金属和陶瓷）可以允许针对衰减、热导率和阻抗特性中的两个或更多个（例如全部三个）的有益的值。声学衰减主要受橡胶颗粒、任何空气间隙、以及不同材料在速度上的不同影响。热导率主要受陶瓷颗粒影响，其中金属颗粒贡献较少。声学阻抗主要受金属颗粒影响，这是由于金属与其它类型的材料相比有更高的密度。

在一个实施例中，背衬具有在2.0mhz下的至少2db/mm的声学衰减或者在3.5mhz下的至少5db/mm的声学衰减、至少0.9或1兆雷的声学阻抗、以及至少3w/mk的热导率。表1示出用于填料组合的一些样本和对应的特性。

。

der332是环氧树脂，deh24是环氧树脂固化剂，byk是表面活性剂，aln是氮化铝，并且w是钨。这些示例造成背衬的不同特性，如下面在表2中示出那样：

。

图2示出形成用于声学换能器的声学背衬块的方法的一个实施例。使用三种或更多种类型的材料作为用于复合背衬块的填料。各类型的材料的特性贡献于背衬的不同方面。通过组合不同类型的填料，背衬块的声学和/或热特性可以提供与良好的热导率组合的良好的衰减和阻抗。

方法形成用于与图1的换能器10一起使用的图1的背衬层18，但是可以被用于形成用于其它声学换能器的其它声学吸收器。

可以提供附加的、不同的或更少的动作。例如，提供用于与阵列对准动作和/或在阵列堆叠中进行接合的动作。

在动作20中，搅拌器、振动器（例如摇摆器）、离心机或其它搅动装置对复合混合物进行混合。例如，将环氧树脂（例如热固性和热塑性环氧树脂）和填料这两部分放入桶中。可以添加附加的、不同的或更少的组份。通过振动、旋转、搅动和/或另外的能量施加来混合桶中的混合物，以使不同的填料均匀地分布。

诸如橡胶粉末（例如硅酮颗粒）、陶瓷粉末（例如氮化铝颗粒）和金属粉末（例如钨颗粒）的填料是被分离地添加或预混合的。各类型的填料被以任何顺序分离地添加或者被预混合，并且然后被添加到环氧树脂。可以使用任何比例、体积和/或重量百分比的不同类型的填料。测量并且添加填料的组份。

对用以形成复合背衬或声学吸收器的组份成份进行混合。可以使用任何混合处理，包括添加顺序、混合时段、混合速度、混合温度、混合压力、混合湿度或其它可控的混合特性。混合造成复合物或混合物的浆料。

在动作22中，机器人、泵和/或伺服控制的喷嘴将混合物铸入到用于声学背衬块的模具中。将混合物倾倒、注入、挤出或者另外地放置在模具中。在替换的实施例中，手动地将混合物倾倒到模具中。

模具成形以形成声学吸收器。大小和形状基于要针对其形成背衬的换能器或阵列。要被固定在背衬中的其它部分（诸如线材和/或托架）也可以被包括在模具中。模具可以包括凹口、延出部和/或其它形状以用于对准、加工或一旦形成就使用衬部。在一个实施例中，模具限定具有基于（例如对大小和形状进行匹配）换能器元件的二维阵列的长度、宽度和/或深度的方形或矩形的板料或坯板。替换地，形状和大小是为了提供声学吸收器的坯板以被加工成用于与特定换能器一起使用的大小和/或形状。

在动作24中，对铸入到模具中的混合物进行固化。模具可以是封闭的，诸如利用板料覆盖开口的顶部。在固化期间模具可以被保持静止或者运动（例如振动）。

固化是通过化学激活进行的。环氧树脂固化，变得更加固态或从液体形式转变为凝胶或固态形式。替换地或附加地，添加热、压力或其它能量来加速固化。在一个实施例中，夹具在70摄氏度下在12小时以上的固化中对顶部板料施加压力以确保大小和平坦度。可以使用其它方法、温度或时段。随着浆料固化，可以使用随着浆料固化任何固化特性的随时间经过的变化。

在固化之后，将背衬复合物或声学吸收器从模具移除。背衬可以被加工，诸如砂磨、刨平、切割、钻孔、冲压和/或另外地改变以用于使用。例如，可以将单个固化复合物板料切割成用于多个换能器的多个背衬块。替换地，来自模具的给定的固化复合物被用于单个或给定的换能器。

在一个实施例中，所要求的量的环氧树脂和固化剂被称重并且放入到混合杯中。然后添加硅酮粉末、氮化铝粉末和钨。将该一次性杯放入到具有1500rpm的离心混合器中3分钟。然后移除混合物并且铸入。该模具在一定压力下放置，并且在压力下将模具在55c下放置在空气炉中过夜。模具被移除并且继续固化12小时。

背衬复合物或声学吸收器被定位成抵靠换能器堆叠或者被定位在换能器堆叠中（例如，抵靠提供用于阵列的元件的信号电极的柔性电路材料的位置）。使用环氧树脂、夹具和/或其它连接，使背衬抵靠换能器堆叠而保持在位。

一旦换能器被形成（例如在接合包括背衬块和任何切口的声学堆叠之后），就可以使用换能器。由于经调节的声学阻抗、声学衰减和热导率，可以在附加的功率下（例如不太快地过热）使用换能器，同时提供足够的噪声降低（例如吸收不合期望的声学能）并且同时避免反射（例如阻抗一般匹配于换能器元件）。三种或更多种类型的填料材料的组合提供想要的或经调节的背衬特性。

虽然已经在上面通过参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解的是可以在不脱离本发明的范围的情况下作出许多改变和修改。因此意图的是前面的详细描述被认为是说明性的而不是进行限制，并且理解的是意图由随后的权利要求（包括所有等同物）来限定本发明的精神和范围。