DE3309236A1 - Ultraschallwandler - Google Patents
UltraschallwandlerInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München VPA 83 P 307 5 DE
Ul traschallwandler
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einem Tragkörper, einer Sendeschicht aus einem
Material mit verhältnismäßig hoher dielektrischer Konstante und einer ersten X/4-Anpassungsschicht, die
der Sendeschicht zugewandt ist sowie einer zweiten X/4-Anpassungsschicht, die einer Last zugewandt ist.
In der medizinischen Ultraschalldiagnostik und der zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung werden Ultraschallbreitbandwandler eingesetzt. Insbesondere die
medizinische Anwendung, wo mit möglichst geringen Verlusten eine Kopplung zwischen Gewebe und Schallwandler
vorgenommen werden muß, erfordert eine Verbesserung der elektromechanischen und akustischen Eigenschaften
dieser Wandlersysteme.
Es ist ein Ultraschallwandler bekannt, dessen Keramikwandler
durch zwei λ/4-Anpassungsschichten an ein Lastmedium Gewebe oder Wasser angepaßt wird. Dieses
Wandlersystem enthält ein Backing aus Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz von 3x10 Pas/m, einen
Keramikwandler, eine erste X/4-Anpassungsschicht aus Glas mit einer akustischen Impedanz von 10x10 Pas/m
und eine zweite λ/4-Anpassungsschicht aus Polyacryl oder aus Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz
von 3x10 Pas/m. Der Keramikwandler ist auf einem Backing angeordnet. Die Glasplatte als erste Anpassungsschicht
ist mit einem Adhäsionskleber sehr
35
Ur 2 Hag / 9.3.1983
-2- VPA 83 P 3 0 7 5 DE
niedriger Viskosität vorgenommen, so daß Klebeschichten im Bereich von etwa 2 μΐη vorliegen. Das Epoxidharz, als
zweite Anpassungsschicht ist direkt auf die erste Anpassungsschicht aufgegossen (Experimentelle Untersuchungen
zum Aufbau von Ultraschallbreitbandwandlern, Biomedizinische Technik, Band 27, Heft 7 bis 8, 1982,
Seiten 182 bis 185). Durch diese doppelte >l/4-Anpassung
erreicht man nur eine Verbesserung der Empfindlichkeit
und der Bandbreite der Keramiksendeschicht. Die Bandbreite
dieses Ultraschallwandler beträgt etwa 60 bis 70 % der Mittenfrequenz.
Außerdem ist ein Ultraschallwandler bekannt, der eine
Sendeschicht aus einem Material mit verhältnismäßig hoher dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz
und einer Empfangsschicht aus einem Material mit verhältnismäßig niedriger dielektrischer Konstante und
niedriger Schallimpedanz, die in Hybridtechnik flächig aufeinanderliegend verbunden sind. Die Sendeschicht besteht
beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT oder
Bleimetaniobat Pb(NO,). Die Empfangsschicht besteht demgegenüber aus einer piezoelektrischen Kunststoffolie
mit einer akustischen Impedanz von etwa 3x10 Pas/m beispielsweise Polyvinylidenfluorid PVDF oder PoIycarbonat
oder Polyvinylchlorid PVC. Die Empfangsschicht soll zugleich Anpassungsschicht für den Sendefall sein
(deutsche Patentschrift 29 14 031). Die Ausbildung der Empfangsschicht als Anpassungsschicht zur Anpassung
an Körpergewebe kann aber nur als einfache ^./4-Schicht
ausgebildet sein. Die Anpassungsschicht für den Sendefall ist jedoch hier keine einfache /4-Anpassung. Bei
einfacher 7. /4-Anpassung ergibt sich aus der Theorie
eine Anpassungsschicht mit einer akustischen Impedanz von etwa 7x10 Pas/m.
-S-
-/- VPA 83 ρ 3 ο 7 5 QE
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen
Ultraschallwandler mit einem effektiven breitbandigen Sender und einem empfindlichen und breitbandigen
Empfänger anzugeben. Außerdem soll das keramische Schwingermaterial der Sendeschicht breitbandig an
Gewebe oder Wasser angepaßt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß die zweiteλΑ-Anpassungsschicht zugleich als Empfangsschicht und die erste λ/4-Anpassungsschicht zugleich
als hartes Backing für die Empfangsschicht vorgesehen ist, erhält man einen Ultraschallwandler, dessen
Sendeschicht reflexionsarm an eine Last angepaßt ist und dessen Empfangsschicht außergewöhnlich empfindlich
und breitbandig ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des
Ultraschallwandlers besteht die Empfangsschicht aus einem Stapel dünner elektrisch in Serie geschalteter
piezoelektrischer Kunststoffolien. Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht kann man die einzelnen
piezoelektrischen Kunststoffolien aufgrund der geringen
Dicke einfacher polarisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des
Ultraschallwandlers besteht die Empfangsschicht aus einer aktiven und einer passiven piezoelektrischen
Kunststoffolie, wobei die aktive piezoelektrische Kunststoffolie auf der ersten Anpassungsschicht angeordnet
ist und die passive piezoelektrische Kunststofffolie der Last zugewandt ist. Die Dicke der passiven
piezoelektrischen Kunststoffolie beträgt ein Vielfaches
der Dicke der aktiven piezoelektrischen Kunststoffolie.
-ί-
-/- VPA 83 P 3 0 7 5 DE
Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht erhält man
einen breitbandigen, empfindlichen Ultraschallwandler mit verhältnismäßig großer Kapazität und entsprechend
geringer Innenimpedanz.
5
5
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Figur 1 zeigt einen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung
und in
Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
dargestellt.
Figur 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Figur 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
In der Ausführungsform nach Figur 1 enthält ein Ultraschallwandler
einen Tragkörper 2, eine Sendeschicht 4 und zwei λ/4-Anpassungsschichten, wobei die zweite
λA-Anpassungsschicht zugleich als Empfangsschicht 6
vorgesehen ist. Die erste λ/4-Anpassungsschicht 8 ist der Sendeschicht 4 zugewandt und ist zugleich als
hartes Backing für die Empfangsschicht 6 vorgesehen. Sämtliche Schichten können vorzugsweise großflächig
in Hybridtechnik miteinander verbunden sein. Die Dicken der Anpassungsschichten betragen jeweils bei einer vorbestimmten
Resonanzfrequenz eine viertel Wellenlänge. Bei einer Resonanzfrequenz von etwa 10 MHz beträgt die
Dicke der Anpassungsschichten beispielsweise 55 um und
bei einer Resonanzfrequenz von etwa 2 NHz beispielsweise 275 pm. Als Sendeschicht 4 dient ein Material mit
relativ hoher dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz, beispielsweise ein Piezokeramik-Material. Zu
bevorzugen ist hierbei eine Sendeschicht 4 aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT oder Bleimetaniobat Pb(NO7).
-1 --5- VPA 83 P 30 7 5DE
Die beiden Anpassungsschichten haben die Aufgabe, unterschiedliche akustische Impedanzen reflexionsarm
aneinander anzupassen. Hier muß man die Sendeschicht aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT mit einer akustischen
Impedanz von ungefähr 30x10 Pas/m einer Last, beispielsweise Gewebe oder Wasser mit einer akustischen
Impedanz von 1,5x10 Pas/m, anpassen. Um eine optimale
reflektionsarme Anpassung zu erreichen, ist aus der
Theorie die mehrstufige Transformation mit zwei λ/4-Anpassungsschichten bekannt, bei der ein zulässiger
Eingangsreflexionsfaktor nach dem
'^~N Tschebyscheff-Verlauf approximiert wird. Hieraus ergibt
sich für die erste λ/4-Anpassungsschicht 8 eine akustische Impedanz von etwa I4x 10 Pas/m und für die
zweite 3/4-Anpassungsschicht eine akustische Impedanz
von etwa 4x10 Pas/m. Als Material für die erste Anpassungsschicht 8 kann man beispielsweise Porzellan,
vorzugsweise Quarzglas, insbesondere einen glasartigen Stoff (Macor) und für die zweite Anpassungsschicht kann
man beispielsweise Polyvinylchlorid PVC,, insbesondere
PolyvinylidenFluorid PVDF, verwenden.
Damit die zweite Anpassungsschicht zugleich als —^ Empfangsschicht 6 dient, muß man die Polyvinyliden-Fluorid
PVDF-Schicht polarisieren und mit elektrischen Anschlüssen versehen, die, wie die elektrischen
Anschlüsse der Sendeschicht, in der Figur 1 nicht dargestellt sind.
Durch diese Gestaltung erhält man einen breitbandigen und empfindlichen Ultraschall wandler, der insbesondere
wegen seiner annähernd reflexionsarmen Kopplung zwischen Gewebe und Ultraschallwandler in der Medizin
Anwendung findet.
35
-jS- VPA 83 P307 5DE
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform nach
Figur 2 besteht die Empfangsschicht 6 aus einem Stapel dünner elektrisch in Serie geschalteter piezoelektrischer
Kunststoffolien 10. Diese piezoelektrischen Kunststoffolien 10 sind jeweils in derselben Richtung
polarisiert und die Dicke des Stapels beträgt eine viertel Wellenlänge bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz.
Bis zu einer Frequenz von beispielsweise 4 MHz kann der Stapel zweckmäßig aus beispielsweise 25 μπι
dicken Kunststoffolien 10 bestehen, während für höhere Frequenzen der Stapel aus beispielsweise 9 pm dicken
Kunststoffolien 10 aufgebaut sein kann. Als Material für die piezoelekrischen Kunststoffolien der
Empfangsschicht 6 kann man beispielsweise Polyvinyl-Chlorid PVC, insbesondere Polyvinylidenfluorid PVDF,
verwenden.
Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht 6 kann man die dünnen, beispielsweise 9 pm bis 25 pm dicken, piezoelektrischen
Kunststoffolien sehr gut polarisieren.
In einer weiteren Ausführungsform nach Figur 3 besteht
die Empfangsschicht 6 aus einer aktiven piezoelektrischen Kunststoffolie 12 und einer dickeren passiven
piezoelektrischen Kunststoffolie 14. Die Dicke der
passiven piezoelektrischen Kunststoffolie 14 der Empfangsschicht 6 beträgt ein Vielfaches, beispielsweise
2 bis 15fache, der Dicke der aktiven piezoelektrischen Kunststoffolie 12 der Empfangsschicht 6. Die
aktive piezoelektrische Kunststoffolie 12, die beispielsweise 25 pm dick ist, ist auf die erste λ/4-Αη-passungsschicht
8 angeordnet und die passive piezoelektrische Kunststoffolie 14 ist der Last zugewandt.
Auch in dieser Ausführungsform verwendet man als Material
für die piezoelektrischen Kunststoffolien der
-7- VPA 83 P307 5DE
Empfangsschicht 6 beispielsweise Polyvinylchlorid PVC,
insbesondere Polyvinylidenfluorid PVDF. Sowohl die aktive als auch die passive piezoelektrische Kunststoffolie
12 bzw. 14 bestehen aus demselben Material, wobei die aktive piezoelektrische Kunststoffolie 12
polarisiert ist.
Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht 6 erhält man einen breitbandigen und empfindlichen Ultraschallwandler
mit verhältnismäßig großer Kapazität und entsprechend geringer Innenimpedanz bei verhältnismäßig
kleinen räumlichen Abmessungen.
10 Patentansprüche
3 Figuren
3 Figuren
- Leerseite -
Claims (1)
- VPA 83 ρ 3 ο 7 5 DEPatentansprücheIy Ultraschallwandler mit einem Tragkörper (2), einer Sendeschicht (A) aus einem Material mit verhältnismäßig hoher dielektrischer Konstante und einer ersten ^/4-Anpassungsschicht (8), die der Sendeschicht (A) zugewandt ist sowie einer zweiten Z/A- Anpassungsschicht, die einer Last zugewandt ist, dadurch g ekennzeichnet , daß die zweite λ/Α-Αη-passungsschicht zugleich als Empfangsschicht (6) vorgesehen ist und daß die erste λ/A-Anpassungsschicht (8) zugleich als hartes Backing für die Empfangsschicht (öf-'vorgesehen ist.2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsschicht (6) aus einem Stapel dünner elektrisch in Serie geschalteter piezoelektrischer Kunststoffolien (10) besteht.3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfangsschicht (6) aus einer aktiven piezoelektrischen Kunststoffolie (12) und einer passiven piezoelektrischen Kunststofffolie (1A) besteht.25A. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die aktive piezoelektrische Kunststoffolie (12) der Empfangsschicht (6) auf dem harten Backing angeordnet ist und die passive piezoelektrische Kunststoffolie (1A) der Empfangsschicht (6) der Last zugewandt ist.5. Ultraschallwandler nach Anspruch 3/ dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der passiven piezoelektrischen Kunststoffolie (1A) derVPA 83 P 3 0 7 5DEEmpfangsschicht (6) ein Vielfaches der Dicke der aktiven piezoelektrischen Kunststoffolie (12) der Empfangsschicht (6) beträgt.6. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet / daß die Sendeschicht (4) aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT oder Blei-fletaniobat Pb(NO3) besteht.7· Ultraschallwandler nach Anspruch 1 und 6, d adurch gekennzeichnet, daß die zweite "X. /4-Anpassungsschicht eine akustische Impedanzvon etwa 4x10 -^- hat und die erste 7. /4-Anpassungsschicht (8) eine akustische Impedanz von etwa 614x106 ^ hat.8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (6) aus piezoelektrischen Kunststofffolien (10, 12, 14) besteht.9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die piezoelektrischen Kunststoffolien (10, 12, 14) der Empfangsschicht(6) aus Polyvinyliden-Fluorid PVDF oder Polyvinylchlorid PVC bestehen.10. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste λ/4-Anpassungsschicht aus Quarzglas oder einem glasartigen Stoff oder Porzellan besteht.
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