CN111687025A - 双背衬超声换能器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种双背衬超声换能器及制备方法，所述双背衬超声换能器包括依次层叠的第一背衬层、第二背衬层、有源元件层及匹配层；其中，所述第一背衬层具备高声阻抗及高导热性；所述第二背衬层具有低声阻抗。该双背衬结构超声换能器克服传统单一低声阻抗背衬层低导热性的缺陷，将所述第二背衬层设置在第一背衬层与有源元件层之间，提升第一背衬层与有源元件层之间的声阻抗匹配，以提高超声换能器的带宽；同时兼容低声阻抗和高导热性的优异性能，不仅提高超声换能器的工作电压，还提高换能器的灵敏度和带宽，进而增强超声换能器的探测穿透力和分辨力，使超声换能器的整体性能提升，以提升图像质量。
Description
技术领域
本发明涉及超声应用领域，尤其涉及一种双背衬超声换能器及制备方法。
背景技术
超声换能器是医疗超声诊断***的关键组成部件,超声换能器的更新换代是医疗超声诊断***发展的重要部分，医用超声换能器就是其中一种。人的心脏位于肋骨之下，超声的声束仅能通过肋骨之间的窄缝而进入胸腔，这要求超声换能器体积必须小。而穿透深度，分辨率及血流等方面决定了图像质量，进而要求相控阵换能器具有高灵敏，高带宽等特点。
传统技术中的医用超声换能器的背衬声阻抗值对超声换能器的灵敏度有着很大的影响。超声换能器中背衬层若采用低声阻抗材料，则背衬层导热性差；背衬层若采用高声阻抗材料，则背衬层导热性强。背衬层的声阻抗和导热性是一对矛盾体，兼得低声阻抗和较好的导热性能的超声换能器是目前亟待解决的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述背景技术中的问题，提供一种能够兼得低声阻抗和优异导热性能的双背衬超声换能器及制备方法。
为解决上述技术问题，本申请提出一种技术方案：
一种双背衬超声换能器，包括依次层叠的第一背衬层、第二背衬层、有源元件层及匹配层；
其中，所述第一背衬层具备高声阻抗及高导热性；
所述第二背衬层具有低声阻抗。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置依次层叠结构的第一背衬层、第二背衬层、有源元件层及匹配层，所述第一背衬层具有高声阻抗及高导热性，所述第二背衬层具备低声阻抗；该双背衬结构超声换能器克服传统单一低声阻抗背衬层低导热性的缺陷，将所述第二背衬层设置在第一背衬层与有源元件层之间，提升第一背衬层与有源元件层的声阻抗匹配，以提高超声换能器的带宽；同时兼容低声阻抗和高导热性的优异性能，不仅提高超声换能器的工作电压，还提高换能器的灵敏度和带宽，进而增强超声换能器的探测穿透力和分辨力，使超声换能器的整体性能提升，以提升图像质量。
在其中一个实施例中，所述第一背衬层的厚度大于所述第二背衬层的厚度。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，第一背衬层和第二背衬层均为吸声层，通过设置所述第一背衬层的厚度大于第二背衬层的厚度，若第二背衬层的厚度过厚，影响超声换能器的热量传导；若第二背衬层的厚度过薄，影响双背衬超声换能器的灵敏度，较厚的第一背衬层一方面具有高导热性，另一方面具有强吸声能力，使得第一背衬层的吸声能力强于第二背衬层的吸声能力，极大地吸收背向辐射产生的声能，消除干扰波，提高图像质量。
在其中一个实施例中，所述第一背衬层的制备材料包括环氧树脂、钨粉及铁粉中至少一种；所述第二背衬层的制备材料包括环氧树脂、玻璃微珠及钨粉中至少一种。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过采用包括环氧树脂、钨粉及铁粉中至少一种的制备材料合成所述第一背衬层，以实现第一背衬层的高声阻抗、高导热性及高声衰减；通过采用包括环氧树脂、玻璃微珠及钨粉中至少一种的制备材料合成所述第二背衬层，以实现第二背衬层的低声阻抗、高灵敏度。
在其中一个实施例中，所述第二背衬层的声阻抗为0MRayl～2.5MRayl。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置所述第二背衬层的声阻抗为0MRayl～2.5MRayl，声阻抗值低至2.5MRayl的第二背衬层保证了双背衬超声换能器的较高的灵敏度，即保证了超声换能器的探测穿透力和分辨力，也使得第二背衬层的声阻抗值与有源元件层的声阻抗值接近，以确保来自有源元件层背向辐射的超声波，能全部透进背衬层中。
在其中一个实施例中，所述第二背衬层的厚度为1/4λ～3/4λ，λ为超声波长。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置所述第二背衬层的厚度范围为1/4λ～3/4λ，λ为超声波长，可保证在不影响超声换能器的情况下，使得所述第二背衬层的导热性达到最大，自第一背衬层传递的声音透过第二背衬层传递至有源元件层。
在其中一个实施例中，所述第一背衬层的声阻抗为2.5MRayl～7.0MRayl。
在其中一个实施例中，所述有源元件层包括压电陶瓷、压电陶瓷复合材料、压电单晶材料及压电单晶复合材料中的至少一种。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置包括压电陶瓷、压电陶瓷复合材料、压电单晶材料及压电单晶复合材料中的至少一种的合成材料制备有源元件层，以产生声能。
在其中一个实施例中，所述匹配层包括层叠的至少两层子匹配层，各所述子匹配层之间通过粘接剂连接。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置包括层叠的至少两层子匹配层，各所述子匹配层之间通过粘接剂连接，改善背衬层与有源元件层之间声阻抗的匹配，拓展超声换能器的带宽，将有源元件层产生的声能透声。
在其中一个实施例中，还包括：
透镜层，所述透镜层设置于所述匹配层远离所述有源元件层的表面。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置于所述匹配层远离所述有源元件层表面的透镜层，用于聚焦单一基元声能，或多个基元聚焦声能，将对打到人体组织反射回来的信号进行处理成像。
一种双背衬超声换能器的制备方法，包括：
提供第一背衬层，所述第一背衬层具备高声阻抗及高导热性；
于所述第一背衬层的上表面形成第二背衬层，所述第二背衬层具有低声阻抗；
于所述第二背衬层的上表面形成有源元件层；
于所述有源元件层的上表面形成匹配层。
于上述实施例中的双背衬超声换能器的制备方法中，通过设置第一背衬层，所述第一背衬层具备高声阻抗及高导热性，于所述第一背衬层的上表面形成第二背衬层，所述第二背衬层具有低声阻抗；于所述第二背衬层的上表面形成有源元件层；于所述有源元件层的上表面形成匹配层，形成双背衬结构的超声换能器。该双背衬结构超声换能器制备方法克服传统单一低声阻抗背衬层低导热性的缺陷，将所述第二背衬层设置在第一背衬层与有源元件层之间，提升第一背衬层与有源元件层之间的声阻抗匹配，以提高超声换能器的带宽；同时兼容低声阻抗和高导热性的优异性能，不仅提高超声换能器的工作电压，还提高双背衬换能器的灵敏度和带宽，进而增强双背衬超声换能器的探测穿透力和分辨力，使双背衬超声换能器的整体性能提升，以提升图像质量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更好地描述和说明这里公开的那些发明的实施例和/或示例，可以参考一幅或多幅附图。用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对所公开的发明、目前描述的实施例和/或示例以及目前理解的这些发明的最佳模式中的任何一者的范围的限制。
图1为本申请一实施例中提供的一种双背衬超声换能器的截面结构示意图；
图2为本申请另一实施例中提供的一种双背衬超声换能器的截面结构示意图；
图3为本申请另一实施例中提供的一种双背衬超声换能器的制备方法流程示意图。
附图标记说明：100-双背衬超声换能器，1-第一背衬层，2-第二背衬层，3-有源元件层，4-匹配层，5-透镜层。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
应当理解，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件和另一个元件区分开。例如，在不脱离本申请的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
为了说明本申请上述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
在本申请的一个实施例中提供的一种双背衬超声换能器中，如图1所示，双背衬超声换能器100包括依次层叠的第一背衬层1、第二背衬层2、有源元件层3及匹配层4；其中，所述第一背衬层1具备高声阻抗及高导热性；所述第二背衬层2具有低声阻抗。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置依次层叠结构的第一背衬层、第二背衬层、有源元件层及匹配层，所述第一背衬层具有高声阻抗及高导热性，所述第二背衬层具备低声阻抗；该双背衬结构超声换能器克服传统单一低声阻抗背衬层低导热性的缺陷，将所述第二背衬层设置在第一背衬层与有源元件层之间，提升第一背衬层与有源元件层之间的声阻抗匹配，以提高双背衬超声换能器的带宽；同时兼容低声阻抗和高导热性的优异性能，不仅提高双背衬超声换能器的工作电压，还提高双背衬换能器的灵敏度和带宽，进而增强双背衬超声换能器的探测穿透力和分辨力，使双背衬超声换能器的整体性能提升，以提升图像质量。
在其中一个实施例中，双背衬超声换能器100包括但不限于平面换能器、线阵换能器、相控阵换能器、方阵换能器、凸阵换能器及单元换能器等。
进一步地，于上述实施例中的双背衬超声换能器中，如图1所示，所述第一背衬层1的厚度大于所述第二背衬层2的厚度。第一背衬层1和第二背衬层2均为吸声层，通过设置第一背衬层1的厚度大于第二背衬层2的厚度，第二背衬层2的厚度过厚，影响超声换能器的热量传导，第二背衬层2的厚度过薄，影响超声换能器的灵敏度，较厚的第一背衬层1一方面具有高导热性，另一方面具有强吸声能力，使得第一背衬层1的吸声能力强于第二背衬层2的吸声能力，极大地吸收背向辐射产生的声能，消除干扰波，提高图像质量。
在其中一个实施例中，假如双背衬超声换能器100的中心频率为2.7MHz，第二背衬层2的声阻抗为2.6MRayl，传递声速为1573m/s，通过计算机仿真获取第二背衬层的厚度为0.3mm。在不影响双背衬超声换能器100的灵敏度的情况下，所准许的最大厚度值。
进一步地，于上述实施例中的双背衬超声换能器中，如图1所示，所述第一背衬层1的制备材料包括环氧树脂、钨粉及铁粉中至少一种；所述第二背衬层2的制备材料包括环氧树脂、玻璃微珠及钨粉中至少一种。
具体地，通过采用包括环氧树脂、钨粉及铁粉中至少一种的制备材料合成第一背衬层1，以实现第一背衬层1的高声阻抗、高导热性及高声衰减；第一背衬层1高导热性可有效提高双背衬超声换能器100的工作电压，工作电压值与双背衬超声换能器100的灵敏度成正比，进而提高了双背衬超声换能器100的穿透力和分辨力，以提升图像质量。第一背衬层1的高衰减性能使得在超声换能器100自身中减小或消除内反射，从而尽可能的减少第一背衬层1的厚度，而较薄的第一背衬层1厚度导致制备双背衬超声换能器100具有较少的质量和体积，降低双背衬超声换能器100的制备成本；通过采用包括环氧树脂、玻璃微珠及钨粉中至少一种的制备材料合成第二背衬层2，以实现第二背衬层2的低声阻抗、高灵敏度。
更具体地，制备第一背衬层1的合成材料中所占有的金属粉末比例超过50％，可提高第一背衬层1的导热性。适当地调节三种材料所占比例，获得导热性、声衰减、声阻抗值性能均最优的第一背衬层1。
进一步地，于上述实施例中的双背衬超声换能器中，第二背衬层2的声阻抗为0MRayl～2.5MRayl。
具体地，通过设置第二背衬层2的声阻抗为0MRayl～2.5MRayl，声阻抗值低至2.5MRayl的第二背衬层2保证了超声换能器的较高的灵敏度，即保证了超声换能器的探测穿透力和分辨力，也使得第二背衬层2的声阻抗值与有源元件层的声阻抗值接近，确保来自有源元件层背向辐射的超声波，能全部透进背衬层中。
进一步地，于上述实施例中的双背衬超声换能器中，第一背衬层1的声阻抗为2.5MRayl～7.0MRayl。
在本申请的一个实施例中提供的一种双背衬超声换能器中，如图1所示，有源元件层3，包括压电陶瓷、压电陶瓷复合材料、压电单晶材料及压电单晶复合材料中的至少一种。有源元件层3为双背衬超声换能器100的核心层，其作用至少包括以下方面：1、取得大的空间增益或提高空间分辨率；2、增大发射声功率、频带或改善瞬态特性；3、提高信噪比；4、实现多波束、波束扫描、可变焦距或动态焦距、自适应波束成形等，即形成所需要的指向性。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置包括压电陶瓷、压电陶瓷复合材料、压电单晶材料及压电单晶复合材料中的至少一种的合成材料制备有源元件层3，以产生声能。
在本申请的一个实施例中提供的一种双背衬超声换能器中，如图1所示，匹配层4包括层叠的至少两层子匹配层，各所述子匹配层之间通过粘接剂连接；匹配层4实现了从有源元件层3到透镜层5之间的阻抗过渡，用于拓展带宽透声。
具体地，将包括层叠的至少两层子匹配层紧密贴于有源元件层3的表面，在一定的温度湿度条件下，置于尺度密合的压片机内加压固定，使子匹配层完全粘合于有源元件层3上。
更具体地，各子匹配层之间通过粘接剂连接，所述粘接剂包括但不仅限于聚酯型热熔胶黏剂、丙烯酸酯厌氧胶粘剂、氰基丙酸酯胶粘剂、高透明性有机硅胶粘剂等。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置包括层叠的至少两层子匹配层，各所述子匹配层之间通过粘接剂连接，改善背衬层与有源元件层的声阻抗的匹配，拓展超声换能器的带宽，还可将有源元件层产生的声能透声。
在本申请的一个实施例中提供的一种双背衬超声换能器中，如图2所示，双背衬超声换能器100还包括透镜层5，透镜层5设置于所述匹配层4远离所述有源元件层3的表面。
具体地，透镜层5包括但不仅限于硅橡胶材料，硅橡胶材料具有耐热性、耐寒性、介电性、耐臭氧和耐大气老化等性能，硅橡胶突出的性能是使用温度宽广，能在-60℃(或更低的温度)至+250℃(或更高的温度)下长期使用。硅橡胶的缺点是：抗张强度和抗撕裂强度等机械性能较差，在常温下其物理机械性能不及大多数合成橡胶，且除腈硅、氟硅橡胶外，一般的硅橡胶耐油、耐溶剂性能欠佳。
于上述实施例中的双背衬超声换能器中，通过设置在所述匹配层远离所述有源元件层表面的透镜层，用于聚焦单一基元声能，或多个基元聚焦声能，将对打到人体组织反射回来的信号进行处理成像。
在本申请的一个实施例中提供的一种双背衬超声换能器的制备方法中，如图3所示，包括如下步骤：
步骤S202：提供第一背衬层，所述第一背衬层具备高声阻抗及高导热性；
具体地，通过采用包括环氧树脂、钨粉及铁粉中至少一种的制备材料合成第一背衬层1，以实现第一背衬层1的高声阻抗、高导热性及高声衰减，确保双背衬超声换能器100在工作工程中热量的传导发散和声能的吸收，以提高双背衬超声换能器100的工作电压，进而提升其灵敏度，提高图像质量。
步骤S204：于所述第一背衬层的上表面形成第二背衬层，所述第二背衬层具有低声阻抗；
具体地，通过采用包括环氧树脂、玻璃微珠及钨粉中至少一种的制备材料合成所述第二背衬层2，以实现第二背衬层2的低声阻抗、高灵敏度。
步骤S206：于所述第二背衬层的上表面形成有源元件层；
具体地，通过设置包括压电陶瓷、压电陶瓷复合材料、压电单晶材料及压电单晶复合材料中的至少一种的合成材料制备有源元件层3，以产生声能。
步骤S208：于所述有源元件层的上表面形成匹配层。
具体地，通过设置包括层叠的至少两层子匹配层，各所述子匹配层之间通过粘接剂连接，改善背衬层与有源元件层3之间声阻抗的匹配，拓展双背衬超声换能器100的带宽，还可将有源元件层3产生的声能透声。
于上述实施例中的双背衬超声换能器的制备方法中，通过设置第一背衬层，所述第一背衬层具备高声阻抗及高导热性，于所述第一背衬层的上表面形成第二背衬层，所述第二背衬层具有低声阻抗；于所述第二背衬层的上表面形成有源元件层；于所述有源元件层的上表面形成匹配层，形成双背衬结构的超声换能器。该双背衬结构超声换能器制备方法克服传统单一低声阻抗背衬层低导热性的缺陷，将所述第二背衬层设置在第一背衬层与有源元件层之间，提升第一背衬层与有源元件层之间的声阻抗匹配，以提高超声换能器的带宽；同时兼容低声阻抗和高导热性的优异性能，不仅提高超声换能器的工作电压，还提高双背衬换能器的灵敏度和带宽，进而增强双背衬超声换能器的探测穿透力和分辨力，使双背衬超声换能器的整体性能提升，以提升图像质量。
应该理解的是，虽然图3的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种双背衬超声换能器，其特征在于，包括依次层叠的第一背衬层、第二背衬层、有源元件层及匹配层；
其中，所述第一背衬层具备高声阻抗及高导热性；
所述第二背衬层具有低声阻抗。
2.根据权利要求1所述的双背衬超声换能器，其特征在于，所述第一背衬层的厚度大于所述第二背衬层的厚度。
3.根据权利要求2所述的双背衬超声换能器，其特征在于，所述第一背衬层的制备材料包括环氧树脂、钨粉及铁粉中至少一种；所述第二背衬层的制备材料包括环氧树脂、玻璃微珠及钨粉中至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双背衬超声换能器，其特征在于，所述第二背衬层的声阻抗为0MRayl～2.5MRayl。
5.根据权利要求1-3任一项所述的双背衬超声换能器，其特征在于，所述第二背衬层的厚度为1/4λ～3/4λ，λ为超声波长。
6.根据权利要求1-3任一项所述的双背衬超声换能器，其特征在于，所述第一背衬层的声阻抗为2.5MRayl～7.0MRayl。
7.根据权利要求1-3任一项所述的双背衬超声换能器，其特征在于，所述有源元件层包括压电陶瓷、压电陶瓷复合材料、压电单晶材料及压电单晶复合材料中的至少一种。
8.根据权利要求1-3任一项所述的双背衬超声换能器，其特征在于，所述匹配层包括层叠的至少两层子匹配层，各所述子匹配层之间通过粘接剂连接。
9.根据权利要求1-3任一项所述的双背衬超声换能器，其特征在于，还包括：
透镜层，所述透镜层设置于所述匹配层远离所述有源元件层的表面。
10.一种双背衬超声换能器的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一背衬层，所述第一背衬层具备高声阻抗及高导热性；
于所述第一背衬层的上表面形成第二背衬层，所述第二背衬层具有低声阻抗；
于所述第二背衬层的上表面形成有源元件层；
于所述有源元件层的上表面形成匹配层。
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