[发明专利]具有聚乙烯第三匹配层的宽带矩阵换能器

说明书

超声换能器用于将电信号变换为超声能量以及将超声能量变换回电信号。超声能量可以用于例如对感兴趣的身体进行检查，并且由换能器从该身体接收的回声可以用于获得诊断信息。一个特别的应用是医疗成像，其中回声用于形成患者内部器官的二维和三维图像。超声换能器使用匹配层或一系列匹配层，以更加有效地将压电体中产生的声学能量耦合到受检者或患者的身体。匹配层位于换能器的上面，靠近正被探测的身体。以类似于光学路径中用于透镜的相应防反射涂层功能的方式，逐层完成声学耦合。换能器中压电材料与身体相比相对高的声阻抗由匹配层的中间阻抗(intervening impedance)跨越(span)。例如，设计可能要求特定阻抗的第一匹配层。第一匹配层是声路径从换能器到身体所遇到的第一个层。每个连续的匹配层，如果任何一层，需要逐步降低的阻抗。最顶端层的阻抗仍然比身体的阻抗高，但一个或多个层提供了在将由压电体产生的超声声学地耦合到身体、以及将从身体返回的超声耦合到压电体的过程中较平滑的传输、阻抗方向渐变(impedance-wise)。

最佳分层包括适当系列的声学阻抗的设计和相应材料的识别。一维换能器的匹配层中使用的材料包括陶瓷、石墨复合材料、聚亚安酯等，所述一维(1D)换能器的单元以单个行的方式排成直线。

虽然已知1D换能器包括许多匹配层，但是配置有二维(2D)阵列换能器单元的换能器由于换能器单元的不同形状而需要不同的匹配层方案。传输的声波以那个特定声波的频率特性振动，并且该频率具有相关联的波长。1D阵列换能器的单元在一个横向方向上典型地小于工作频率半个波长宽度，但在其它横向方向上是几个波长的长度。2D阵列换能器的单元在两个横向方向上可以小于半个波长。这种形状的变化降低了有效的纵向刚性，并且因此降低了单元的机械阻抗。由于单元阻抗较低，所以造成匹配层的阻抗也应当较低以获得最佳性能。然而，低阻抗材料的复杂因素在于，当如在2D阵列换能器中一样被切割成窄柱时，声的速度变得依赖于信号的频率，这一现象称为速度色散。这种色散改变层与频率的匹配特性，这是不希望的，并且可以产生截止频率，在该截止频率之上操作换能器是不可能的。由于缺少用于三个匹配层设计的合适材料，所以2D阵列换能器通常仅使用两个匹配层制造。然而，这限制了带宽和灵敏度，两者对于改善多普勒、彩色流量(color flow)和谐波成像模式方面的性能都是关键的。例如，在谐波成像的情况下，传输低的基频以提供进入超声受检者或患者的身体组织的较深穿透，而通过接收基频以上的谐波频率来获得较高的分辨率。因而常常希望足够大的带宽，以包含多种多样的频率。

1D和2D阵列换能器的压电单元典型地由多晶陶瓷材料制成，其中一种最普通的是锆钛酸铅(PZT)。单晶压电材料正变得可以使用，例如单晶铌锰酸铅/钛酸铅(lead manganese niobate/lead titanate，PMN/PT)合金。由这些单晶材料制成的压电换能器单元呈现出显著较高的电-机械耦合，这潜在地提供了改善的灵敏度和带宽。

当前的发明人注意到，提高的单晶压电体的电-机械耦合还产生较低的有效声阻抗。结果，优选地，选择匹配层，其声阻抗低于用于通常的多晶换能器(例如陶瓷换能器)的匹配层的声阻抗。

由于三个匹配层单晶换能器要求具有较低声阻抗的匹配层，并且由于超声探头换能器的第二匹配层总是比其第一匹配层阻抗低，所以对陶瓷换能器可用的第二匹配层、例如石墨复合材料可以用作三个匹配层单晶换能器的第一匹配层。

第一和第二匹配层典型地足够坚硬，使得用于阵列的每个单元的层必须彼此机械地分离开以保持每个单元声学地独立于其它单元。最通常的，这通过在两个方向上锯齿切割的方式完成，所述锯齿切割穿透两个匹配层和压电材料。

另一个考虑可以是电导率，其对于各向同性导电的石墨复合材料来说将是不存在的问题。

然而，找到适当的第二匹配层可以包括选择这样的材料，其不仅具有适当的声阻抗，而且具有合适的电导率。

超声探头的压电换能器依赖于压电体中产生的电场。这些场通过连接到压电体的至少两个面的电极产生并且检测。例如为了产生超声，在电极之间施加电压，需要电连接到电极。换能器的每个单元可以接收不同的电输入。到换能器单元的终端有时垂直地连接到声学路径，虽然这对于二维矩阵阵列的内部单元可能是有问题的。从而，可以优选的是，将单元连接到共同基础，该共同基础位于阵列的上面或者下面。匹配层可以用作基础平面、或者可以提供分离的基础平面。该基础平面可以用导电箔片实施，该箔片足够薄以避免干扰超声。