一種超聲聚焦換能器的製作方法
2023-12-07 09:03:51 1
專利名稱：一種超聲聚焦換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲換能器，具體涉及一種超聲聚焦換能器，屬於超聲波診斷設備領域。
背景技術：
在功率超聲處理技術中，時常需要較高的超聲強度，在低頻超聲常用超聲變幅杆，而在高頻超聲常用聚焦換能器，聲透鏡聚焦系統等。超聲聚焦探頭在超聲探傷、醫學診斷和治療等許多應用場合中得到採用。聚焦探頭的基本作用是使探頭髮出的超聲波在媒質中傳播時，形成球面或圓柱面形的波陣面，最後聚到離初始波陣面一定距離F的聲軸上的某一點上。聚焦探頭大體上可分為曲面換能器有源自聚焦型、聲透鏡聚焦型、反射鏡聚焦型、衍 射聚焦型和電子聚焦型。單晶片聚焦超聲換能器主要有以下兩種(I)聲透鏡聚焦換能器其特點是聚焦穩定，焦距大小取決於透鏡曲率半徑R，焦距改變方便，頻率穩定，變化小。體積小，重量輕，耐用，不易損壞，裝配方便，聲功率較大，聲入射角較小，能量損耗小，但目前採用矽橡膠做聲透鏡，衰減很大。聲透鏡聚焦換能器主要有以下兩種如圖I所示的平凸透鏡聚焦以及如圖2所示的平凹透鏡聚焦。(2)球面自聚焦換能器其特點是焦距穩定可靠，焦距大小取決於壓電晶片的曲率半徑R，頻率穩定，變化小。體積小巧，重量輕，耐用，不易損壞，聲功率較大，聲入射角較小，能量損耗小。聚焦聲透鏡的幾何焦距F用下式計算
F=R/ (l-c/ci)；
式中R---透鏡的曲率半徑(m)；
c---周圍媒質的聲速(m/s)；
C1---透鏡材料中的聲速(m/s)；
C^c的固體透鏡，F>0，為凹面透鏡；ci〈c的透鏡材料，如液體和橡膠透鏡，F<0,為凸面透鏡。選擇聲透鏡材料的原則是聲折射率n=(C/Cl)與I相差越大越好，聲阻抗率與周圍媒質的很接近，聲衰減係數小。這樣便能保證較理想的聚焦特性，較小的聲能傳輸損失。超聲診斷的聲聚焦是為了在儘量大的區域都有較高的解析度，以利成像效果。因此提高超聲換能器的解析度可以使檢測結果得到更好的辨別，有利於疾病的診斷，減少誤診的次數。
發明內容
發明目的本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種超聲聚焦換能器。為了解決上述技術問題，本發明公開了一種超聲聚焦換能器，包括平凸透鏡，在平凸透鏡下方依次緊密連接有匹配層、壓電複合層以及背襯層，匹配層、壓電複合層以及背襯層與平凸透鏡共圓心。
本發明中，所述平凸透鏡的材質為有機玻璃。本發明中，所述匹配層的材質為摻有矽酸鹽粉的環氧樹脂。本發明中，所述壓電複合層為壓電複合材料。本發明中，所述背襯層的材質為摻有矽酸鹽粉或者金屬顆粒的橡膠。本發明中，所述匹配層和所述壓電複合層厚度均勻，即匹配層和所述壓電複合層的各個位置的厚度是一樣的。有益效果本發明基於低聲衰減材料平凸透鏡的超聲聚焦換能器，主要應用在醫療設備當中，屬於超聲波診斷設備。採用這種超聲聚焦換能器能夠更好的對人體各部位及其器官進行有效地檢測，提高靈敏度。根據檢測部位的不同，可以製備各種參數的換能器滿 足檢測的需要。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做更進一步的具體說明，本發明的上述和/或其他方面的優點將會變得更加清楚。圖I為現有技術中平凸透鏡聚焦示意圖。圖2為現有技術中平凹透鏡聚焦示意圖。圖3為本發明結構示意圖。圖4為本發明實施例3. 5M檢測人體腹部的B超探頭示意圖。圖5為本發明中壓電複合材料的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的結構示意圖如圖3所示，摒棄了大部分醫用超聲換能器的傳統結構和材料，用圖3所示的壓電複合層結構，在該壓電複合層3的上面依次粘接匹配層2和平凸透鏡1，下方設置背襯層4，匹配層、壓電複合層以及背襯層與平凸透鏡共圓心。由於平凸透鏡具有使聲波會聚的效果，然後通過控制驅動信號能夠使壓電複合層發出的超聲波聚焦，從而構成一個完整的超聲聚焦換能器。圖3中的匹配層2和壓電複合層3等厚度。壓電晶片的曲率半徑等參數根據換能器的所需頻率的不同而定。平凸透鏡、匹配層、壓電晶片、背襯的厚度根據換能器的具體要求設計而定。本發明各層連接處通過加入環氧後，放在烤箱裡以一定的溫度固化。不僅使各部分很好的粘結在一起，而且此處的能量損耗基本可以忽略不計。換能器的具體材料
第一層的平凸透鏡是有機玻璃，衰減很小，目的是聲波聚焦，能夠很好的提升換能器的效率。第二層的匹配層是摻有固體顆粒的環氧樹脂，目的是阻抗匹配，使能量有效地透入到被測物體中。第三層的壓電複合層為壓電複合材料，是壓電陶瓷通過切割填充工藝實現，不僅具有壓電陶瓷的各種優良性能，同時材質更加柔軟，各項性能均有很好的提升，
第四層的背襯層，目的是減少回波，是摻有固體顆粒的橡膠，使能量輻射進去後，被吸收掉。本發明工作原理及發明點換能器的工作原理是通過彎曲的壓電複合層振動將聲波聚焦(焦距較小)，再通過聲透鏡發散聲波，總的效果是聚焦到所需長度。主要發明點是用衰減小的有機玻璃等材料代替目前用矽橡膠做的聲透鏡，使用更有效的壓電複合層及不同的換能器結構。本發明不但能夠使換能器的聲波有效地輻射到人體中，提高其靈敏度度，同時採用的這種結構和人體接觸也不會產生異樣的感覺，這種換能器也能達到量產的要求。
實施例換能器的實例及模型參數推導
如檢測人體的3. 5M的B超探頭，矽橡膠透鏡最厚處為Imm左右，矽橡膠的聲衰減非常大，靈敏度降低很多。用本實施例結構做的換能器比用矽橡膠聲透鏡的換能器靈敏度高6dB以上，實現了本發明提高靈敏度的目的，使檢測深度提高，判斷準確。 如圖4所示，本實施例3. 5M檢測人體腹部的B超探頭的各參數數據如下
其中ab為單元長度12mm，c點是聚焦點(根據檢測的深度不同，調整焦距)，oc為換能器到人體檢測部位的距離，長度80mm，聲波在水中傳播速度為1480m/s，在有機玻璃中的傳播速度為2600m/s。。Tac=Tecoac2=ao2+oc2。求出eo的長度為O. 395mm,又因為半徑ad=ed,及ad2= (ad_eo) 2+ao2,求出ad的長度為45. 767mm，所以求出Λ的角度為15. I度。本實施例中平凸透鏡I的材料為有機玻璃，阻抗為2. 4 Mrayls，聲傳播速度2600 m/s,最厚處eo為O. 395mm, ^的角度為15. I度。匹配層2的材料為摻有矽酸鹽粉的環氧樹脂，是環氧樹脂加熱後加入矽酸鹽粉均勻攪拌後製作而成，摻雜減少，聲阻抗降低。本實施例中匹配層材料重量比為1:3的環氧樹脂和碳酸鈣粉末的均勻混合物，阻抗為6 Mrayls,聲傳播速度3600 m/s,厚度O. 257mm。一般情況，環氧樹脂和矽酸鹽粉的重量比區間為I :0. Ofl :3，相應的阻抗區間為2. 8飛Mrayls。當然也可以不加矽酸鹽。矽酸鹽具體可以是碳酸鈣、花崗巖等。壓電複合材料3是將壓電陶瓷和環氧樹脂按一定的連通方式、一定的體積比例和一定的空間幾何分布複合而成。這些複合材料可按連通性給以分類，以兩個數字中間加一短線表示，第一個數字代表壓電相的連通維數，後一個數字代表聚合物分量相的連通維數。1-3型表示PZT只在一個方向上連通，另一種材料在三個方向上連通，如圖5所示。本實施例中採用壓電陶瓷通過切割填充環氧樹脂後的1-3型複合材料，阻抗為14 Mrayls，聲傳播速度 2600m/s，厚度 O. 429mm。背襯層4是摻有矽酸鹽粉或者金屬顆粒的橡膠，本實施例中被襯材料阻抗為8Mrayls0可以用矽橡膠中摻入碳酸鈣粉、鐵粉或鎢粉，再硫化得到。具體可以參見文獻1，單組分室溫硫化矽橡膠的配置，黃文潤，《有機矽材料》，2002，16 (4)或者是文獻2，高溫硫化矽橡膠(HTV)的生產及應用(上)，嚴偉傑，江西化工，1994年02期。根據檢測部位所需的深度求出換能器的曲率半徑及所需角度。本發明通過超聲換能器結構及材料的變化，提高檢測靈敏度，並能廣泛應用於生產當中。本發明提供了一種超聲聚焦換能器的思路及方法，具體實現該技術方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術 加以實現。
權利要求
1.一種超聲聚焦換能器，其特徵在於，包括平凸透鏡，在平凸透鏡下方依次緊密連接有匹配層、壓電複合層以及背襯層，匹配層、壓電複合層以及背襯層與平凸透鏡共圓心。
2.根據權利要求I所述的ー種超聲聚焦換能器，其特徵在於，所述平凸透鏡的材質為有機玻璃。
3.根據權利要求I所述的ー種超聲聚焦換能器，其特徵在於，所述匹配層的材質為摻有矽酸鹽粉的環氧樹脂。
4.根據權利要求I所述的ー種超聲聚焦換能器，其特徵在於，所述壓電複合層為壓電複合材料。
5.根據權利要求I所述的ー種超聲聚焦換能器，其特徵在於，所述背襯層的材質為摻有矽酸鹽粉或者金屬顆粒的橡膠。
6.根據權利要求I所述的ー種超聲聚焦換能器，其特徵在於，所述匹配層厚度均勻。
7.根據權利要求I所述的ー種超聲聚焦換能器，其特徵在於，所述壓電複合層厚度均勻。
全文摘要
本發明提供一種超聲聚焦換能器，包括平凸透鏡，在平凸透鏡下方依次緊密連接有匹配層、壓電複合層以及背襯層，匹配層、壓電複合層以及背襯層與平凸透鏡共圓心。本發明基於平凸透鏡的超聲聚焦換能器，主要應用在醫療設備當中，屬於超聲波診斷設備部件。採用這種超聲聚焦換能器能夠更好地對人體各部位及其器官進行有效地檢測，使圖像更加清晰，減少誤差。根據檢測部位的不同，可以製備各種參數的換能器滿足檢測的需要。
文檔編號A61B8/00GK102670242SQ20111008564
公開日2012年9月19日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者吳浩東, 馬克偉 申請人:南京大學