DE10155894A1 - Piezoelektrische Mehrschichtstruktur mit gleichmässigem elektrischem Feld - Google Patents

Piezoelektrische Mehrschichtstruktur mit gleichmässigem elektrischem Feld

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Abstract

Ein Ultraschallwandlerelement weist Material mit niedriger dielektrischer Konstante zur Begrenzung des elektrischen Felds eines Stapels aus piezoelektrischen Keramikschichten auf. Aus Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante hergestellte und sich in der Dickenrichtung erstreckende Kantenabschnitte sind bei gegenüberliegenden Enden der Mehrschichtstruktur ausgebildet. Diese Bereiche aus Material mit niedriger dielektrischer Konstante begrenzen das elektrische Feld auf das piezoelektrische Keramikmaterial mit hoher dielektrischer Konstante, wo es vertikal gerichtet bleibt. Auf diese Weise sind dann, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, die piezoelektrisch bewirkten Spannungen nahezu vollständig vertikal. Nebenmoden werden daher wesentlich verringert.

Description

Zur medizinischen Abbildung und zum zerstörungsfreien Testen verwendete Ultraschallwandler sind durch zwei Haupteigenschaften, Empfindlichkeit und Bandbreite, gekennzeichnet, die direkt mit der Durchdringung und Auflösung des Abbildungssystems korreliert sind. Es ist in dem Fachgebiet allgemein bekannt, daß piezoelektrische Mehrschichtstrukturen verglichen mit bekannten Einzelschichtvorrichtungen eine Empfindlichkeitssteigerung bereitstellen, da die Mehrschichtstruktur die elektrische Impedanz des piezoelektrischen Keramikelements wie z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) verringert.
Bei einem Mehrschicht-PZT-Wandlerarray sind die N Schichten (N < 1) akustisch in Reihe gekoppelt, so daß die Resonanzdicke λ/2 (wobei es sich bei λ um die Ultraschallwellenlänge handelt) t ist, die Stapeldicke. Wenn die Polarität einer angelegten Spannung zu der Polungsrichtung paßt, dehnt sich das piezoelektrische Material in der Dickenrichtung aus. Da für jede Schicht die elektrische Polarität gleich der Polungsrichtung ist, dehnen sich die Schichten aus oder drücken sich zusammen. Für eine gegebene angelegte Spannung ist das elektrische Feld quer über jede Schicht (Dicke t/N) größer als das elektrische Feld für einen Einzelschichtwandler (Dicke t), was zu einer größeren akustischen Ausgabeenergie führt. Elektrisch sind die Schichten parallelgeschaltet.
Verglichen mit einer Einzelschichtvorrichtung handelt es sich bei einer N-Schicht-Vorrichtung im wesentlichen um die Zusammenfassung von N parallelgeschalteten dünneren Kondensatoren. Da die Gesamtdicke der Struktur für eine gegebene Betriebsfrequenz konstant bleibt, erhöht sich die Kapazität der Vorrichtung als eine Funktion von N2.
Entsprechend sinkt die elektrische Impedanz als eine Funktion der Inversen von N2.
Da bekannte (Einzelschicht-)Wandlerelemente dazu neigen, verglichen mit der elektrischen Impedanz des das Element mit der Bedieneinheit verbindenden Kabels eine hohe elektrische Impedanz aufzuweisen, erfahren diese bekannten Wandlerelemente eine ernstliche Impedanzfehlanpassung, die die Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem Element und der Bedieneinheitelektronik beschränkt. Während diese Fehlanpassung für bekannte eindimensionale Wandler, für die die elektrische Impedanz typischerweise mehrere hundert Ohm verglichen mit 50 Ohm für das Kabel beträgt, unerwünscht ist, ist sie für Mehrzeilentastköpfe, bei denen die Elementimpedanz typischerweise ein paar tausend Ohm beträgt, untragbar. Eine piezoelektrische Struktur mit selbst ein paar Schichten reicht aus, um die Fehlanpassung zu verringern und dadurch die Empfindlichkeit auf ein tragbares Niveau zu verbessern.
Bei einem idealen piezoelektrischen Element ist das elektrische Feld überall in dem piezoelektrischen Material gleichmäßig und homogen. Im Gegensatz dazu ist für piezoelektrische Elemente mit Umlaufelektroden das elektrische Feld in der Nähe der Umlaufelektrode gestört. Wenn eine Spannung angelegt wird, erzeugt somit das sich ergebende elektrische Feld unerwünschte Spannungen in dem Element. Diese Spannungen verringern die gewünschte Bewegung. Insbesondere wird der elektromechanische Wirkungsgrad verglichen mit einer Parallelplattengeometrie verringert.
Bisher haben andere dieses Problem in verschiedenen Zusammenhängen erkannt und haben sich damit beschäftigt, es zu beseitigen [siehe z. B. US-Patent Nr. 4,217,684] oder es zur Verbesserung der Kontrastauflösung bei einer Ultraschallabbildungseinrichtung auszunutzen [siehe z. B. US-Patent Nr. 4,460,841]. Piezoelektrische Keramik weist relativ zu Luft oder den meisten anderen Materialien eine bemerkenswert hohe dielektrische Konstante auf, typischerweise mehrere hundert Mal größer für die harten PZT bis mehrere tausend Mal größer für die weichen PZT. Desilets et al. ["Effect of Wraparound Electrodes on Ultrasonic Array Performance", 1998 TEEE Ultrasonics Symposium] lehren die Verwendung eines Sägeschlitzes (d. h. Zerteilungsschlitzes) zur Änderung der dielektrischen Konstante in der Nähe der Kanten der piezoelektrischen Keramikschicht. Dies verringert das elektrische Randfeld mit seiner zugehörigen Kapazität drastisch und minimiert ferner durch horizontale Komponenten des elektrischen Felds verursachte Spannungen. Somit können Zerteilungsschlitze zur Begrenzung des elektrische Felds und Erzeugung einer gleichmäßigeren mechanischen Bewegung verwendet werden. Der Sägeschlitz kann jedoch nicht beliebig schmal sein, da er mit einem Sägeblatt erzeugt werden muß, dessen Dicke durch die Stärke des Blattmaterials bestimmt ist. Auf ähnliche Weise muß der Abschnitt der Keramik, der die Umlaufelektroden stützt, beträchtlich genug sein, um nicht zu brechen. Der Sägeschlitz kann mit Epoxidharz oder einem anderen Material mit niedriger dielektrischer Konstante gefüllt sein und immer noch die gewünschte Wirkung erzielen. Das Material mit niedriger dielektrischer Konstante wird jedoch eingeführt, nachdem die Keramikstruktur (mit einer hohen dielektrischen Konstante) anderweitig als ein homogener Körper gefertigt worden ist.
Alle piezoelektrischen Wandler funktionieren durch ein Anlegen einer Spannung an Elektroden an gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung. Für einen Einzelschichtwandler ist es nicht erforderlich, Elektroden zu haben, die um die Kante der piezoelektrischen Keramik umlaufen. Bei bestimmten Fertigungsstrategien ist es bequem, die Elektroden an der Seite der Elemente verfügbar zu haben oder dazu in der Lage zu sein, einen elektrischen Kontakt zu sowohl der Oberseite als auch der Unterseite der Keramik von nur einer der Flächen auszubilden.
Wenn mit piezoelektrischen Mehrschichtwandlern gearbeitet wird, muß jedoch eine Verbindung mit den internen Elektroden vorhanden sein. Dieser Kontakt wird üblicherweise durch eine Umlaufelektrode bereitgestellt. Piezoelektrische Mehrschichtwandler sind für Mehrzeilenarrays am nützlichsten, bei denen die Elementimpedanz hoch ist, typischerweise über einem Kiloohm. Ein einfacher Zerteilungsschnitt (wie durch Desilets et al. gelehrt) würde jedoch die Verbindung mit den internen Elektroden für diese Wandler trennen.
Somit besteht ein Bedarf an einem Verfahren, das es einem ermöglichen würde, das elektrische Feld bei einem piezoelektrischen Mehrschichtwandler zu steuern.
Ein Ultraschallwandlerarray wird durch ein Verfahren hergestellt, das während der Fertigung einer piezoelektrischen Mehrschichtkeramik Material mit niedriger dielektrischer Konstante einführt, um das elektrische Feld zu begrenzen. Gemäß dem Stand der Technik wurde Luft oder ein anderes Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante durch die Dicke der Keramik eingeführt, nachdem die Keramik als ein homogener Körper ausgebildet worden war. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden aus Material mit niedriger dielektrischer Konstante hergestellte und sich in der Dickenrichtung erstreckende Kantenabschnitte bei gegenüberliegenden Enden der piezoelektrischen Mehrschichtkeramikstruktur ausgebildet.
Diese Kantenabschnitte dienen zur Begrenzung des elektrischen Felds, um es überall in dem piezoelektrischen Keramikmaterial im wesentlichen gleichmäßig und homogen zu halten.
Das Material mit niedriger dielektrischer Konstante wird bei den Kanten der Mehrschichtkeramik eingeführt. Jeder aus Material mit niedriger dielektrischer Konstante hergestellte Kantenabschnitt ist derart gelegen und konfiguriert, daß er eine distale Kante einer internen Elektrode von einer gegenüberliegenden Verbindung zwischen Elektroden an der Seite der piezoelektrischen Keramikschichtung trennt. Diese Bereiche mit niedriger dielektrischer Konstante begrenzen das elektrische Feld auf das Material mit hoher dielektrischer Konstante, wo es vertikal gerichtet bleibt. Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, sind folglich die piezoelektrisch bewirkten Spannungen nahezu vollständig vertikal. Nebenmoden werden daher wesentlich verringert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Kantenabschnitte mit niedriger dielektrischer Konstante durch eine angelegte Spannung nicht verformt. Folglich wird die Vibrationsmode des Elements verglichen mit der Parallelplattengeometrie modifiziert. Dies kann auch zu einem verbesserten Strahlprofil führen, da der Ultraschall apodisiert wird, wie es in dem Fachgebiet allgemein bekannt ist [siehe z. B. US-Patent Nr. 4,460,841]. Eine geringfügige Verbreiterung der Zentralkeule des Strahls wird durch bedeutende Verringerungen bei Nebenkeulenpegeln kompensiert.
Fig. 1 zeigt eine schematische grafische Darstellung, die eine isometrische Ansicht eines nachstehend als Einzel-PZT- Schicht-Wandlerpalette bezeichneten bekannten Einzel-PZT- Schicht-Wandleraufbaus zeigt.
Fig. 2 zeigt eine schematische grafische Darstellung eines Mehrschicht-PZT-Stapels gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das elektrische Feld in dem PZT-Material durch Pfeile angegeben wird.
Fig. 3-8 zeigen schematische grafische Darstellungen, die jeweils die Schritte bei der Herstellung eines Mehrschicht-PZT-Stapels gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen.
Fig. 9 zeigt eine isometrische Ansicht eines Wandlerarrays gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Echtzeitdigitalultraschallabbildungssystem allgemein darstellt, bei dem ein Mehrschicht-PZT-Wandler gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen integriert werden kann.
Ein bekannter Ultraschalltastkopf umfaßt einen nachstehend als Wandlerpalette bezeichneten Wandleraufbau, der in einem Tastkopfgehäuse gestützt sein muß. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt eine bekannte Wandlerpalette ein lineares Array von schmalen Wandlerelementen. Jedes Wandlerelement umfaßt eine Schicht 2 aus piezoelektrischem Keramikmaterial. Bei dem piezoelektrischen Material handelt es sich typischerweise um PZT.
Typischerweise weist das piezoelektrische Keramikmaterial 2 jedes Wandlerelements eine an seiner Rückseite ausgebildete Signalelektrode 4 und eine an seiner Vorderseite ausgebildete Erdungselektrode 6 auf. Jede Signalelektrode 4 kann über eine jeweilige Leiterbahn 8 auf einer flexiblen Signal-Leiterplatte (Signal-PCB) 10 mit einer Signalquelle wie z. B. einer jeweiligen Impulserzeugungseinrichtung 12 in der (nicht gezeigten) Sendeeinrichtung des Ultraschallabbildungssystems verbunden sein. Typischerweise ist jede Signalelektrode ebenfalls typischerweise selektiv mit einem (nicht gezeigten) jeweiligen Empfangskanal verbindbar. Die Amplitude, der Zeitverlauf und die Sendesequenz der durch die Impulserzeugungseinrichtungen zugeführten Sendeimpulse werden durch verschiedene Steuereinrichtungen bestimmt, die in die Systemsendeeinrichtung integriert sind. Jede Erdungselektrode 6 ist über eine (nicht gezeigte) jeweilige Leiterbahn auf einer flexiblen Erdungs-PCB 14 mit einer (nicht gezeigten) gemeinsamen Erde verbunden. Vorzugsweise befinden sich beide flexiblen PCB an der gleichen Seite der Palette, sind aber in Fig. 1 nur der Einfachheit der Veranschaulichung zuliebe an gegenüberliegenden Seiten der Palette gezeigt.
Die Wandlerpalette umfaßt ferner eine Masse 16 aus geeignetem Schalldämpfungsmaterial mit hohen akustischen Verlusten wie z. B. mit Metall angereichertem Epoxidharz, die als eine Stützschicht bei der hinteren Fläche des Wandlerelementarrays positioniert ist. Diese Stützschicht 16 ist mit der hinteren Fläche der Wandlerelemente gekoppelt, um Ultraschallwellen zu absorbieren, die aus der Rückseite jedes Elements austreten, so daß sie nicht teilweise reflektiert werden und störend auf die sich in der Vorwärtsrichtung ausbreitenden Ultraschallwellen einwirken.
Typischerweise umfaßt jedes Wandlerarrayelement auch eine erste Schicht zur Anpassung der akustischen Impedanz 18, die mit der metallisierten Vorderseite (wobei die Metallisierung die Erdungselektrode 6 ausbildet) der piezoelektrischen Keramikschicht 2 verbunden ist. Eine zweite Schicht zur Anpassung der akustischen Impedanz 20 ist mit der ersten Schicht zur Anpassung der akustischen Impedanz 18 verbunden. Die Schichten 2, 18 und 20 in der Wandlerpalette sind mit akustisch transparenten dünnen Schichten aus Klebemittel verbunden. Die akustische Impedanz der zweiten Anpassungsschicht 20 muß kleiner als die akustische Impedanz der ersten Anpassungsschicht 18 und größer als die akustische Impedanz des mit dem Wandlerarray akustisch gekoppelten Trägers sein.
Die in Fig. 1 gezeigte Palette ist in getrennte Wandlerelemente zerteilt worden, wobei jedes Element Schichten 2, 4, 6, 18 und 20 umfaßt, die derart zusammengeschichtet sind, daß sie einen Stapel ausbilden. Es ist jedoch leicht ersichtlich, daß die unzerteilte Palette durch eine Schichtung von Lagen oder Platten aus Material aufgebaut wird, um einen Stapel auszubilden. Die Palette wird daraufhin bis zu einer ausreichenden Tiefe zerteilt, um die jeweiligen Wandlerelemente auszubilden. Eine Zerteilungssäge wird zur Ausbildung paralleler Elementisolationsschnitte oder Sägeschlitze 24 verwendet. Jeder Schnitt geht vollständig durch die Schichten zur akustischen Anpassung 18 und 20 und die piezokeramische Schicht 2 hindurch, aber erstreckt sich lediglich teilweise in die Schallabsorptionsschicht 16. Die Sägeschlitze 24 können anschließend mit Elastomer oder Gummimaterial gefüllt werden.
Nach der Zerteilung werden die Vorderseiten der zweiten Schichten zur Anpassung der akustischen Impedanz 20 der Wandlerelemente unter Verwendung einer akustisch transparenten dünnen Schicht aus Silikonklebemittel üblicherweise mit der ebenen Rückseite einer konvexen zylindrischen Linse 22 verbunden. Die Linse 22 dient drei Zwecken: (1) Akustische Fokussierung (verursacht durch ihren linsenförmigen Querschnitt und ihre Materialeigenschaften einer niedrigen akustischen Geschwindigkeit); (2) Bereitstellung einer chemischen Barriere zum Schutz der Wandlerelemente vor Angriffen durch Gels, Köperflüssigkeiten, Reinigungsmittel usw.; und (3) Bereitstellung einer elektrischen Barriere zum Schutz des Patienten vor den elektrisch aktiven Wandlerelementen. Die Linse ist üblicherweise aus Silikongummi hergestellt.
Für einen Ultraschallwandler mit einem Mehrschichtstapel aus piezoelektrischem Material mit zwischen benachbarte Schichten eingeschobenen internen Elektroden wird die in Fig. 1 gezeigte Einzelschicht 2 durch den piezoelektrischen Stapel ersetzt. Ein Mehrschicht-PZT-Stapel 26 mit jeweiligen Arrays von parallelen Elektroden 28, 30 und jeweiligen Kantenabschnitten mit niedriger dielektrischer Konstante 29, 31, 33 und 35 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Unter der Annahme, daß die Oberseite des Mehrschichtstapels 26 mit der ersten Schicht zur akustischen Anpassung akustisch gekoppelt wird, während die Unterseite mit der Masse aus Schallabsorptionsmaterial akustisch gekoppelt wird, wird das Elektrodenarray 28 mit Erde verbunden, während das Elektrodenarray 30 mit der Signalquelle verbunden wird. Der in Fig. 2 gezeigte Stapel 26 umfaßt drei parallele Lagen oder Platten aus piezoelektrischem Keramikmaterial 34, 36 bzw. 38, wobei jede Schicht aus Keramikmaterial eine konstante Dicke aufweist. Für einen Stapel mit drei Schichten umfaßt das Elektrodenarray 28 eine zwischen den piezoelektrischen Keramikschichten 36 und 38 angeordnete interne Elektrode 40, eine an der Außenseite der piezoelektrischen Keramikschicht 34 angeordnete externe Elektrode 42 und eine sich über die Grenzflächen an einer Seite der Schichten 34, 36 und 38 erstreckende Verbindung zwischen Elektroden 44. Die Verbindung zwischen Elektroden 44 verbindet die Elektroden 40 und 42 elektrisch. Die Verbindung zwischen Elektroden 44 ist ferner vorzugsweise über eine eine der in Fig. 1 gezeigten flexiblen Erdungs-PCB 14 ähnelnde flexible Erdungs-PCB aufweisende Verbindung elektrisch mit Erde verbunden. Das Elektrodenarray 30 umfaßt auch eine zwischen den piezoelektrischen Keramikschichten 34 und 36 angeordnete interne Elektrode 46, eine an der Außenseite der piezoelektrischen Keramikschicht 38 angeordnete externe Elektrode 48 und eine sich über die Grenzflächen an der anderen Seite der Schichten 34, 36 und 38 erstreckende Verbindung zwischen Elektroden 50. Die Verbindung zwischen Elektroden 50 verbindet die Elektroden 46 und 48 elektrisch. Darüber hinaus ist die Verbindung zwischen Elektroden 50 vorzugsweise über eine eine der in Fig. 1 gezeigten flexiblen PCB 10 ähnelnde flexible Signal-PCB aufweisende Verbindung elektrisch mit der Signalquelle verbunden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Stapel 26 mit einem zwischen dem Ende der internen Signalelektrode 46 und der Erdungsverbindung zwischen Elektroden 44 gelegenen ersten Kantenabschnitt mit niedriger dielektrischer Konstante 31 gefertigt. Vorzugsweise weist der Kantenschnitt 31 die Form eines Parallelepipeds mit einer der Summe der Dicken der Keramikschichten 34 und 36 (wobei die Dicke der internen Signalelektrode 46 vernachlässigt wird) annähernd gleichen Höhe und einer dem das Ende der internen Signalelektrode 46 und die Erdungsverbindung zwischen Elektroden 44 trennenden Abstand gleichen Breite auf. Auf ähnliche Weise ist ein zweiter Kantenabschnitt mit niedriger dielektrischer Konstante 33 zwischen dem Ende der internen Erdungselektrode 40 und der Signalverbindung zwischen Elektroden 50 gelegen. Der Kantenschnitt 33 weist die Form eines Parallelepipeds mit einer der Summe der Dicken der Keramikschichten 36 und 38 (wobei die Dicke der internen Signalelektrode 46 vernachlässigt wird) annähernd gleichen Höhe und einer dem das Ende der internen Erdungselektrode 40 und die Signalverbindung zwischen Elektroden 50 trennenden Abstand gleichen Breite auf. Darüber hinaus ist ein dritter Kantenabschnitt mit niedriger dielektrischer Konstante 29 unter dem Kantenabschnitt 31 der Schicht 38 benachbart gelegen, während ein vierter Kantenabschnitt mit niedriger dielektrischer Konstante 35 über dem Kantenabschnitt 33 der Schicht 34 benachbart gelegen ist. Die Kantenabschnitte aus Material mit niedriger dielektrischer Konstante begrenzen das elektrische Feld auf das Material mit hoher dielektrischer Konstante, wo es vertikal gerichtet bleibt, wie es in Fig. 2 durch Pfeile dargestellt ist. Auf diese Weise sind dann, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, die piezoelektrisch bewirkten Spannungen nahezu vollständig vertikal. Nebenmoden werden daher wesentlich verringert.
Die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 2 dargestellten piezoelektrischen Mehrschichtstapels sind in Fig. 3-8 veranschaulicht. Der Herstellungsprozeß wird durch ein Hinlegen eines Bands oder Streifens aus piezoelektrischem Keramikmaterial 38 mit Durchgängen oder Schlitzen 52 und 54 darin begonnen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Der Durchgang 52 in der Schicht 38 wird daraufhin mit Material mit niedriger dielektrischer Konstante 29 gefüllt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Der Abschnitt der oberen Fläche der piezoelektrischen Keramikmaterialschicht 38 links (in Fig. 3) von dem Durchgang 54 und die obere Fläche des Materials mit niedriger dielektrischer Konstante 29 wird daraufhin zur Ausbildung einer Elektrode 40 mit Metall beschichtet, wie es in Fig. 4 angegeben ist. Eine zweite Schicht 36 aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit Durchgängen 52 und 54 wird daraufhin über der ersten Keramikschicht 38 angebracht, wobei die Durchgänge 52 und 54 der Schicht 36 jeweils nach den Durchgängen 52 und 54 der Schicht 38 ausgerichtet werden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Somit liegt der Durchgang 52 der Schicht 36 über dem Abschnitt der Elektrode 40, der über dem Material mit niedriger dielektrischer Konstante 29 liegt. Die durch die Durchgänge 54 in den Schichten 36 und 38 ausgebildete Öffnung wird daraufhin mit Material mit niedriger dielektrischer Konstante 33 gefüllt. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, werden der Abschnitt der oberen Fläche der piezoelektrischen Keramikmaterialschicht 36 rechts von dem Durchgang 52 und die obere Fläche des Materials mit niedriger dielektrischer Konstante 33 daraufhin zur Ausbildung einer Elektrode 46 mit Metall beschichtet. Eine dritte Schicht 34 aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit Durchgängen 52 und 54 wird daraufhin über der zweiten Keramikschicht 36 angebracht, wobei die Durchgänge 52 und 54 der Schicht 34 wieder jeweils nach den Durchgängen 52 und 54 der Schichten 36 und 38 ausgerichtet werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Somit liegt der Durchgang 54 der Schicht 34 über dem Abschnitt der Elektrode 46, der über dem Material mit niedriger dielektrischer Konstante 33 liegt. Die durch die Durchgänge 52 in den Schichten 34 und 36 ausgebildete Öffnung wird daraufhin mit Material mit niedriger dielektrischer Konstante 31 gefüllt, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Ferner wird der Durchgang 54 in der Schicht 34 mit Material mit niedriger dielektrischer Konstante 35 gefüllt. Der in Fig. 7 gezeigte geschichtete Stapel wird daraufhin gesintert, damit das gesinterte Material mit niedriger dielektrischer Konstante die Kantenabschnitte 29, 31, 33 und 35 ausbildet. Die Enden des gesinterten piezoelektrischen Stapels werden daraufhin beschnitten, um das Material mit niedriger dielektrischer Konstante bei beiden Grenzflächen freizulegen, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Ferner können die oberen und unteren externen Flächen des piezoelektrischen Stapels beigeschliffen werden, um es sicherzustellen, daß die freigelegten Flächen der Kantenabschnitte mit den externen Flächen der Schichten 34 bzw. 38 bündig abschließen. Danach werden die externen Elektroden und die Verbindungen zwischen Elektroden angebracht, indem externe Flächen des piezoelektrischen Mehrschichtstapels metallisiert werden. Wie es in Fig. 8 gezeigt ist, wird eine externe Elektrode 42 an der freigelegten Fläche der dritten Keramikschicht 34 und der freigelegten oberen Fläche des Kantenabschnitts 31 angebracht; eine Verbindung zwischen Elektroden 44 wird an der freigelegten seitlichen Fläche des Kantenabschnitts 31 angebracht; eine externe Elektrode 48 wird an der freigelegten Fläche der ersten Keramikschicht 38 und der freigelegten unteren Fläche des Kantenabschnitts 33 angebracht; und eine Verbindung zwischen Elektroden 50 wird an der freigelegten seitlichen Fläche des Kantenabschnitts 33 angebracht. Die Verbindung zwischen Elektroden 44 muß auf eine derartige Weise angebracht werden, daß die Elektroden 40 und 42 elektrisch verbunden werden. Ähnlich muß die Verbindung zwischen Elektroden 50 auf eine derartige Weise angebracht werden, daß die Elektroden 46 und 48 elektrisch verbunden werden.
Der in Fig. 8 gezeigte fertiggestellte Stapel ist dazu bereit, in eine Wandlerpalette integriert zu werden. Als Teil des letzteren Prozesses wird eine Masse aus Schallabsorptionsmaterial an der elektrodenbeschichteten unteren Fläche der Keramikschicht 38 angebracht; eine Schicht zur akustischen Anpassung wird an der elektrodenbeschichteten oberen Fläche der Keramikschicht 34 angebracht; eine flexible Signal-PCB wird mit der Verbindung zwischen Elektroden 50 oder der Elektrode 48 der hinteren Fläche verbunden; und eine flexible Erdungs-PCB wird mit der Verbindung zwischen Elektroden 44 oder der Elektrode 42 der vorderen Fläche verbunden. Die sich ergebende Materialplatte wird daraufhin auf die bekannte Art und Weise zerteilt, um das in Fig. 9 gezeigte Wandlerarray zu erzeugen.
Alternative Herstellungsverfahren sind möglich. Beispielsweise können die in Fig. 3-8 als Durchgänge gezeigten Bereiche mit einem flüchtigen Material gefüllt werden, wenn die ursprünglichen Bänder hergestellt werden. Wenn das Teil daraufhin während des Sinterns gebrannt wird, werden diese flüchtigen Bereiche weggebrannt, wobei Löcher übriggelassen werden, die daraufhin mit Epoxidharz oder einem ähnlichen Material mit niedriger dielektrischer Konstante gefüllt werden. Völlig andere Ansätze sind ebenfalls möglich. Beispielsweise sind computergesteuerte "Drucker" zur Anordnung von Pulvern aus mehreren unterschiedlichen Materialien in spezifischen dreidimensionalen Strukturen entwickelt worden. Alternativ können Streifen aus Material mit niedriger dielektrischer Konstante oder flüchtigem Material entsprechend den Kantenabschnitten angebracht werden, gefolgt von einem Gießen piezoelektrischen Materials um die Streifen. Oder es können eine Schicht aus piezoelektrischem Material gegossen und, während das Gießen in seinem "grünen" (nicht gesinterten) Zustand ist, Durchgänge 52 und 54 photolithographisch definiert und weggeätzt werden, gefolgt von einem Füllen der Durchgänge mit Material mit niedriger dielektrischer Konstante.
Alternativ ist es möglich, ein Mehrschichtwandlerarray unter Verwendung eines Verfahrens mit den nachstehenden Schritten aufzubauen: "grüne" Lagen aus für die Elektrode mit Polymerkeramiktinte beschichteter Keramik schichten; den Stapel zur Ausbildung von Schlitzen oder Durchgängen zerteilen oder laserbohren; das sich ergebende Teil sintern; und daraufhin die Schlitze oder Durchgänge auffüllen. Die externen Elektroden können abhängig von der Elektrodenzusammensetzung nach dem Sintern hinzugefügt werden oder alternativ am Platze mitgesintert werden. Platin und Palladium sind Beispiele für Metalle, die dazu in der Lage sind, der Sintertemperatur standzuhalten.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf einen beispielhaften piezoelektrischen Stapel mit drei (N = 3) Schichten offenbart ist, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung ohne Rücksicht auf die Anzahl von Schichten (d. h. N < 1) bei jedem piezoelektrischen Mehrschichtstapel Anwendung findet.
Es sind mehrere mögliche Wahlmöglichkeiten für ein bei der Fertigung von Kantenabschnitten zur Begrenzung des elektrischen Felds zu verwendendes Material mit niedriger dielektrischer Konstante vorhanden. Es ist vorteilhaft, ein Material auszuwählen, das mit der piezoelektrischen Keramik mitgebrannt werden kann, d. h. eine weitere kompatible Keramik. Bei anderen Elektronikanwendungen werden viele bekannte Keramiken wie beispielsweise Aluminiumoxid, Al2O3 verwendet. Aluminiumoxid weist bei Frequenzen in dem zur Ultraschallabbildung verwendeten niedrigen MHz-Bereich eine relative dielektrische Konstante von etwa 10 auf. Verglichen mit einigen piezoelektrischen Keramiken mit relativen dielektrischen Konstanten von mehr als 1000 werden die Feldlinien verglichen damit, was bei dem homogenen piezoelektrischen Material auftreten würde, um einen Faktor von über 100 begrenzt oder begradigt.
Die Wahl eines speziellen Materials kann nicht nur bezüglich der dielektrischen Konstante, sondern auch bezüglich Verarbeitungseigenschaften ausgebildet werden. Die hohe dielektrische Konstante von piezoelektrischen Keramiken tritt auf, da die Zusammensetzung sich in der Nähe einer morphotropen Phasengrenze befindet. Viele der einen Bestandteil bildenden Materialien weisen deutlich niedrigere dielektrische Konstanten auf. Daher kann es erwartet werden, daß eines der einen Bestandteil bildenden Materialien für die Bereiche mit niedriger dielektrischer Konstante verwendet wird. In dem üblichen Fall des PZT können jedoch die einen Bestandteil bildenden Oxide, Bleioxid, Zirconiumoxid und Titanoxid, nicht unter den gleichen Bedingungen wie PZT gesintert werden. Beispielsweise wird Bleioxid diffundieren oder verflüchtigt werden und wird sich mit dem Rest der Probe mischen. Die Bereiche, die ursprünglich reines Bleioxid waren, werden weniger dicht und spröder und brechen wahrscheinlich während der Verarbeitung. Ferner neigt Aluminiumoxid zur Reaktion mit Blei zur Ausbildung schwächerer Komponenten.
Es sind andere, bessere Zusammensetzungen vorhanden, die für die Bereiche mit niedriger dielektrischer Konstante verwendet werden können. Diese besseren Zusammensetzungen sind durch ihre niedrige dielektrische Konstante und hohe Sinterfähigkeit gekennzeichnet, z. B. Magnesiumtitanat, Calciumtitanat, Strontiumtitanat, Yttrium-stabilisiertes Zirconiumoxid und Bismuttitanat. Eine Hinzufügung einer kleinen Menge von Blei zu diesen Materialien kann das Mitsintern fördern. Darüber hinaus handelt es sich bei Zirconaten und Stannaten von Blei und Erdalkalioxid und Seltenerdoxid und Titandioxid um andere Materialien, die mit PZT mitsinterfähig sein sollten. Zusätzlich können diese Materialien mit langer dielektrischer Konstante mit ausgewählten Glasfritten gemischt werden, um das Mitsintern mit den PZT-Schichten zu fördern.
Der Ultraschallwandlertastkopf der Erfindung kann in ein anderweitig bekanntes Ultraschallabbildungssystem integriert werden. Die grundlegende Signalverarbeitungskette bei einem die Erfindung aufweisenden, nachstehend als B-Mode-Abbildungssystem bezeichneten B-Betriebsart-Abbildungssystem ist in Fig. 10 dargestellt, wo ein Ultraschalltastkopf 56 ein Wandlerarray 58 mit einer Vielzahl von Wandlerelementen aufweist, wobei jedes Element einen piezoelektrischen Mehrschichtkeramikstapel wie beispielsweise in Fig. 9 dargestellt umfaßt. Die einzelnen Elemente des Wandlerarrays werden durch jeweilige Impulserzeugungseinrichtungen aktiviert, die in einem Sendeabschnitt einer Strahlformungseinrichtung 6C integriert sind. Die Impulserzeugungseinrichtungen werden derart gesteuert, daß sie das Wandlerarray zum Senden eines auf eine Sendebrennpunktlage fokussierten Ultraschallstrahls veranlassen. Die zurückgesendete Ultraschallwellenenergie wird durch die Wandlerelemente in elektrische HF-Signale gewandelt. Diese elektrischen Signale werden in jeweiligen Kanälen eines Empfangsabschnitts der Strahlformungseinrichtung 60 empfangen. Der Empfangsabschnitt der Strahlformungseinrichtung 60 fokussiert die empfangenen Signale auf eine allgemein bekannte Art und Weise dynamisch bei aufeinanderfolgenden Bereichen entlang einer Abtastzeile, um einen Empfangsvektor auszubilden. Die Ausgabedaten (I/Q oder Hochfrequenz) der Strahlformungseinrichtung für jede Abtastzeile werden an eine Signalverarbeitungseinrichtung 62 zur Hüllkurvenerfassung und logarithmischen Komprimierung weitergegeben. Die sich ergebenden Bilddaten werden daraufhin zur Anzeige auf einem Anzeigemonitor 66 durch eine Anzeigeverarbeitungseinrichtung 64 verarbeitet. Die Systemsteuerung ist in einem Hostcomputer oder einer Systemsteuereinrichtung 68 konzentriert, die von einer Bedienungsperson eingegebene Befehle durch eine Bedienungspersonschnittstelle 70 annimmt und dann wieder die verschiedenen Subsysteme steuert.
Während lediglich bestimmte bevorzugte Merkmale der Erfindung veranschaulicht und beschrieben sind, fallen dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen ein. Außerdem findet die Erfindung in jedem Bereich Anwendung, in dem Ultraschallwandler mit einer gesteigerten Empfindlichkeit benötigt werden, wie z. B. bei einem zerstörungsfreien Testen. Es ist daher selbstverständlich, daß die beigefügten Patentansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
Ein Ultraschallwandlerelement weist Material mit niedriger dielektrischer Konstante zur Begrenzung des elektrischen Felds eines Stapels aus piezoelektrischen Keramikschichten auf. Aus Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante hergestellte und sich in der Dickenrichtung erstreckende Kantenabschnitte sind bei gegenüberliegenden Enden der Mehrschichtstruktur ausgebildet. Diese Bereiche aus Material mit niedriger dielektrischer Konstante begrenzen das elektrische Feld auf das piezoelektrische Keramikmaterial mit hoher dielektrischer Konstante, wo es vertikal gerichtet bleibt. Auf diese Weise sind dann, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, die piezoelektrisch bewirkten Spannungen nahezu vollständig vertikal. Nebenmoden werden daher wesentlich verringert.

Claims (23)

1. Ultraschallwandlerarray mit einer Vielzahl von Elementen, wobei jedes der Elemente umfaßt:
eine erste und zweite Schicht (38, 36) aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit einer relativ hohen dielektrischen Konstante, wobei die erste und zweite Schicht jeweils eine Vorderseite und Rückseite aufweisen, wobei die Vorderseite der zweiten Schicht der Rückseite der ersten Schicht gegenüberliegt;
eine erste Elektrode (48) in Kontakt mit der Vorderseite der ersten Schicht;
eine zweite Elektrode (40) zwischen der Vorderseite der zweiten Schicht und der Rückseite der ersten Schicht;
eine dritte Elektrode (46) in Kontakt mit der Rückseite der zweiten Schicht;
eine erste Verbindung zwischen Elektroden (50), die die erste und dritte Elektrode elektrisch verbindet; und
einen ersten Abschnitt (33) aus Material mit einer relativ niedrigen dielektrischen Konstante, wobei der erste Abschnitt sich zwischen der ersten Verbindung zwischen Elektroden und einer gegenüberliegenden Kante der zweiten Elektrode und zwischen der ersten und dritten Elektrode erstreckt.
2. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 1, ferner mit:
einer dritten Schicht (34) aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial mit einer Vorderseite und Rückseite, wobei die Vorderseite der dritten Schicht der Rückseite der zweiten Schicht mit der dritten Elektrode dazwischen gegenüberliegt;
einer vierten Elektrode (42) in Kontakt mit der Rückseite der dritten Schicht;
einer zweiten Verbindung zwischen Elektroden (44), die die zweite und vierte Elektrode elektrisch verbindet; und
einem zweiten Abschnitt (31) aus dem Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante, wobei der zweite Abschnitt sich zwischen der zweiten Verbindung zwischen Elektroden und einer gegenüberliegenden Kante der ersten Elektrode und zwischen der zweiten und vierten Elektrode erstreckt.
3. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Keramikmaterial gesintert ist und das Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante gesintert ist.
4. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 3, wobei das piezoelektrische Keramikmaterial Blei-Zirkonat-Titanat umfaßt und das Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante eines aus der aus Aluminiumoxid, Bleistannat, Titandioxid, Magnesiumtitanat, Calciumtitanat, Strontiumtitanat, Yttrium-stabilisiertem Zirconiumoxid, Bismuttitanat und Zirconaten und Stannaten von Blei, Erdalkalioxid und Seltenerdoxid und äquivalenten Materialien bestehenden Gruppe umfaßt.
5. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 1, ferner mit einer Schicht aus Material zur akustischen Anpassung mit einer Fläche, die der Vorderseite der ersten Schicht aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial gegenüberliegt, wobei die erste Elektrode zwischen der ersten Schicht und der Schicht aus Material zur akustischen Anpassung gelegen ist.
6. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 1, wobei die relativ hohe dielektrische Konstante um einen Faktor in der Größenordnung von 100 größer als die relativ niedrige dielektrische Konstante ist.
7. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 2, wobei die gesamte Anzahl von Schichten aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial größer als drei ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlerelements, mit den Schritten:
  • a) Ausbilden eines ersten und zweiten Durchgangs (52, 54) in einer ersten Schicht (38) aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit einer relativ hohen dielektrischen Konstante;
  • b) Anbringen einer ersten Metallelektrode (40) an einem Bereich an der ersten Schicht, wobei der Bereich den ersten oder zweiten Durchgang ausschließt;
  • c) Anbringen einer zweiten Schicht (36) aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial über der ersten Schicht mit der ersten Elektrode dazwischen, um einen Stapel auszubilden;
  • d) Ausbilden eines ersten und zweiten Durchgangs (52, 54) in der zweiten Schicht (36) aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial, wobei der erste und zweite Durchgang in einer Richtung mit dem ersten und zweiten Durchgang der ersten Schicht gelegen sind;
  • e) Füllen der ersten und zweiten Durchgänge mit einem Material (29, 31, 33) mit relativ niedriger dielektrischer Konstante; und
  • f) Beschneiden der ersten und zweiten Schicht zur Freilegung von Flächen des Materials mit relativ niedriger dielektrischer Konstante.
9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, ferner mit den Schritten:
  • a) Koppeln einer zweiten Metallelektrode (46) mit einer Rückseite der zweiten Schicht;
  • b) Koppeln einer dritten Metallelektrode (48) mit einer Vorderseite des Stapels;
  • c) Anbringen einer dritten Schicht (34) aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial über der zweiten Schicht mit der zweiten Elektrode dazwischen, um die Höhe des Stapels zu vergrößern;
  • d) Koppeln einer vierten Metallelektrode (42) mit einer Rückseite der dritten Schicht; und
  • e) Ausbilden einer Metallverbindung zwischen Elektroden (50) an zumindest einer der freigelegten Flächen des Materials mit niedriger dielektrischer Konstante, wobei die zweite und dritte Elektrode durch die Metallverbindung zwischen Elektroden elektrisch verbunden werden.
10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt des gemeinsamen Sinterns des piezoelektrischen Keramikmaterials und des Materials mit niedriger dielektrischer Konstante.
11. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Keramikmaterial Blei-Zirkonat-Titanat umfaßt und das Material mit niedriger dielektrischer Konstante eines aus der aus Aluminiumoxid, Bleistannat, Titandioxid, Magnesiumtitanat, Calciumtitanat, Strontiumtitanat, Bismuttitanat, Zirconaten und Stannaten von Blei, Erdalkalioxid und Seltenerdoxid und äquivalenten Materialien bestehenden Gruppe umfaßt.
12. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, ferner mit:
vor dem Schritt (b) den ersten oder zweiten Durchgang der ersten Schicht mit flüchtigem Material füllen; und
danach vor dem Schritt (e) den Stapel sintern, um das flüchtige Material aus dem einen gefüllten Durchgang wegzubrennen.
13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt des Verbindens einer Schicht (18) aus Material zur akustischen Anpassung mit der Vorderseite der dritten Schicht, wobei die vierte Elektrode zwischen der dritten Schicht und der Schicht aus Material zur akustischen Anpassung gelegen ist.
14. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei die relativ hohe dielektrische Konstante um einen Faktor in der Größenordnung von 100 größer als die relativ niedrige dielektrische Konstante ist.
15. Ultraschallwandlerelement mit:
einer ersten und zweiten Schicht (38, 36) aus Keramikmaterial mit einer relativ hohen dielektrischen Konstante, wobei die erste und zweite Schicht jeweils eine Vorderseite und Rückseite aufweisen, wobei die Vorderseite der zweiten Schicht der Rückseite der ersten Schicht gegenüberliegt;
einer ersten Elektrode (48) in Kontakt mit der Vorderseite der ersten Schicht;
einer zweiten Elektrode (40) zwischen der Vorderseite der zweiten Schicht und der Rückseite der ersten Schicht;
einer dritten Elektrode (46) in Kontakt mit der Rückseite der zweiten Schicht;
einer ersten Verbindung zwischen Elektroden (50), die die erste und dritte Elektrode elektrisch verbindet; und
einem ersten Abschnitt (33) aus Material mit einer relativ niedrigen dielektrischen Konstante, wobei der erste Abschnitt sich zwischen der ersten Verbindung zwischen Elektroden und einer gegenüberliegenden Kante der zweiten Elektrode und zwischen der ersten und dritten Elektrode erstreckt.
16. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 15, ferner mit:
einer dritten Schicht (34) aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial mit einer Vorderseite und Rückseite, wobei die Vorderseite der dritten Schicht der Rückseite der zweiten Schicht mit der dritten Elektrode dazwischen gegenüberliegt;
einer vierten Elektrode (42) in Kontakt mit der Rückseite der dritten Schicht;
einer zweiten Verbindung zwischen Elektroden (44), die die zweite und vierte Elektrode elektrisch verbindet; und
einem zweiten Abschnitt (31) aus dem Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante, wobei der zweite Abschnitt sich zwischen der zweiten Verbindung zwischen Elektroden und einer gegenüberliegenden Kante der ersten Elektrode und zwischen der zweiten und vierten Elektrode erstreckt.
17. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 15, wobei das piezoelektrische Keramikmaterial gesintert ist und das Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante gesintert ist.
18. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 15, wobei das piezoelektrische Keramikmaterial Blei-Zirkonat-Titanat umfaßt und das Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante eines aus der aus Aluminiumoxid, Bleistannat, Titandioxid, Magnesiumtitanat, Calciumtitanat, Strontiumtitanat, Yttrium-stabilisiertem Zirconiumoxid, Bismuttitanat und äquivalenten Materialien, Zirconaten und Stannaten von Blei, Erdalkalioxid und Seltenerdoxid und äquivalenten Materialien bestehenden Gruppe umfaßt.
19. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 15, wobei die relativ hohe dielektrische Konstante um einen Faktor in der Größenordnung von 100 größer als die relativ niedrige dielektrische Konstante ist.
20. Ultraschallwandlerelement nach Anspruch 16, wobei die gesamte Anzahl von Schichten aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial bei jedem Element größer als drei ist.
21. Ultraschallabbildungssystem mit:
einer Vielzahl von Wandlerelementen (58);
einer Impulserzeugungseinrichtung (12) zur Aktivierung zumindest eines der Wandlerelemente zum Senden von Ultraschallwellenenergie;
einer Strahlformungseinrichtung (60) einschließlich eines Empfangskanals zum Empfangen elektrischer Empfangssignale von dem zumindest einen Wandlerelement, die im Ansprechen auf zu dem Wandlerelement zurückkehrende Ultraschallwellenenergie erzeugt werden;
einer Signalverarbeitungseinrichtung (62) zur Verarbeitung der Empfangssignale zur Ausbildung von Bilddaten; und
einem Anzeigesubsystem (64, 66) zur Anzeige eines Bilds, bei dem es sich um eine Funktion der Bilddaten handelt,
wobei jedes der Wandlerelemente umfaßt:
eine erste und zweite Schicht (38, 36) aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit einer relativ hohen dielektrischen Konstante, wobei die erste und zweite Schicht jeweils eine Vorderseite und Rückseite aufweisen, wobei die Vorderseite der zweiten Schicht der Rückseite der ersten Schicht gegenüberliegt;
eine erste Elektrode (48) in Kontakt mit der Vorderseite der ersten Schicht;
eine zweite Elektrode (40) zwischen der Vorderseite der zweiten Schicht und der Rückseite der ersten Schicht;
eine dritte Elektrode (46) in Kontakt mit der Rückseite der zweiten Schicht;
eine Verbindung zwischen Elektroden (50), die die erste und dritte Elektrode elektrisch verbindet; und
einen Abschnitt (33) aus Material mit einer relativ niedrigen dielektrischen Konstante, wobei der Abschnitt sich zwischen der Verbindung zwischen Elektroden und einer gegenüberliegenden Kante der zweiten Elektrode und zwischen der ersten und dritten Elektrode erstreckt.
22. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 22, ferner mit:
einer dritten Schicht (34) aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial mit einer Vorderseite und Rückseite, wobei die Vorderseite der dritten Schicht der Rückseite der zweiten Schicht mit der dritten Elektrode dazwischen gegenüberliegt;
einer vierten Elektrode (42) in Kontakt mit der Rückseite der dritten Schicht;
einer zweiten Verbindung zwischen Elektroden (44), die die zweite und vierte Elektrode elektrisch verbindet; und
einem zweiten Abschnitt (31) aus dem Material mit niedriger dielektrischer Konstante, wobei der zweite Abschnitt sich zwischen der zweiten Verbindung zwischen Elektroden und einer gegenüberliegenden Kante der ersten Elektrode und zwischen der zweiten und vierten Elektrode erstreckt.
23. Ultraschallabbildungssystem nach Anspruch 22, wobei die gesamte Anzahl von Schichten aus dem piezoelektrischen Keramikmaterial bei jedem der Elemente größer als drei ist.
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