[發明專利]一種使用梯度匹配層的超聲探頭

在審

• 申請號: 202211258881.8
• 申請日: 2022-10-14
• 公開（公告）號: CN115644922A
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 鄭曙光;徐卓;嚴永科;欒鵬;王三紅;杜紅亮
• 申請（專利權）人: 蘇州思萃電子功能材料技術研究所有限公司
• 主分類號: A61B8/00
• 分類號: A61B8/00;B29C41/24;B29B13/00;B29K63/00;B29K505/02;B29K505/08
• 代理公司: 天津垠坤知識產權代理有限公司 12248
• 代理人: 秦偉華;黃光平

本發明公開了一種使用梯度匹配層的超聲探頭，該超聲探頭包括壓電材料和匹配層，所述匹配層設置在壓電材料的前表面上，所述匹配層設置為單層匹配層，以替代目前的多層匹配層來應用在超聲換能器上，本發明通過聲阻抗梯度材料的制備方法來制作出單層匹配層，替代目前的多層匹配層，應用在超聲換能器上，其性能得到大幅提升，且聲阻抗梯度材料，采用超薄多層的結構，同樣厚度，多層疊合在一起，其阻抗成臺階狀指數分布，因層數多，效果等同于阻抗連續分布，突破了傳統錐孔復合法和離心沉降法對厚度的限制，尺寸大大縮小，性能均勻、可控，適合批量生產，滿足醫用超聲和檢測超聲換能器的需求。

技術領域

本發明涉及超聲探頭技術領域，具體為一種使用梯度匹配層的超聲探頭。

背景技術

水聲探測、無損檢測、醫用超聲圖像診斷中使用的超聲換能器，其主要的性能指標是靈敏度和帶寬，靈敏度越高，探測距離越遠，帶寬越寬，圖像的分辨率越高，為提高超聲換能器的靈敏度和帶寬，常采用以下技術：

1、使用高性能的壓電材料，使發射和接收的能力增強，帶寬增加，如：采用用具有超高壓電系數的壓電陶瓷、壓電單晶如PMN-PT等，采用具有高機電耦合系數的2-2/1-3型等特殊結構的壓電陶瓷或單晶的復合材料；

2、使用多層聲阻抗匹配層技術，降低傳輸過程中的損耗，拓寬帶寬，在2MHz～10MHz的醫用診斷超聲探頭中，現一般使用2層、3層匹配層，少數探頭使用4層甚至5層匹配層，而在更高頻的超聲探頭中，因加工難度的關系，一般采用一層或兩層匹配層；

目前一維陣列式超聲探頭的基本結構所示，從內往外，分別是聲吸收層(背襯)、壓電材料、聲匹配層和聲透鏡，壓電材料的兩面有電極，由線路引出，壓電材料的聲阻抗都比較高，壓電陶瓷或單晶的聲阻抗一般在35MRayl左右，壓電或單晶復合材料的聲阻抗一般在20MRayl左右，而人體組織的聲阻抗一般在1.5MRayl，根據聲功率透射公式，聲阻抗的巨大差異導致聲信號的透射率特別低，為提高聲信號的透射效率，我們引入了聲阻抗匹配層，一般，聲阻抗匹配層是四分之一波長厚度的均勻的材質，理論計算表明：在不考慮匹配層衰減的情況下，最佳的單層匹配層，其透射率為32.3％，雙層匹配層最高透射效率為45.3％，三層為54.6％，10層為79.9％，完美匹配層為100％；

為進一步提高透射率，人們發明了聲阻抗連續變化的超材料，一般是在基材上加工出緊密排列的圓錐形的孔，填充不同密度的材料，這樣其聲阻抗在厚度方向成指數形式連續變化，如說明書附圖圖4所示，這種錐孔復合法制成的聲阻抗匹配層，能比多層的匹配層結構的透射率高很多，可達到92％以上，這種聲阻抗梯度超材料，阻抗從十幾MRayl變化到幾MRayl，在低頻的水聲單陣元換能器中已經得到應用，也有采用沉降法獲得聲阻抗連續變化的梯度材料：通過選用聲阻抗值不同的填料以及調節填料在匹配層中的體積分數，通過離心沉降法處理，使填料粒子在聚合物基底中的濃度在垂直方向上呈梯度分布，再經過固化就可以得到聲阻抗梯度匹配層材料，為進一步提高匹配效果，也可以在壓電材料和聲阻抗梯度材料之間再加一層均勻的高阻抗的匹配材料，匹配層的厚度跟波長相關，總的厚度一般為四分之一波長到2倍波長，即，工作頻率低，波長長，匹配層的厚度就厚，加工起來容易，工作頻率高，波長短，匹配層的厚度就薄，加工起來難度就大，匹配層中存在衰減，故匹配層的厚度不宜過厚，匹配層中的聲速一般為2000～3000m/s，水聲換能器一般工作在幾百KHz，所以，水聲換能器的匹配層中波長為mm級，而醫用超聲換能器一般在2MHz～10MHz，匹配層中的波長為0.1mm級；

匹配層一般由環氧膠中添加一些不同密度的金屬粉或者金屬氧化物粉，如鎢粉、氧化鋁粉、氧化鉍粉，以及玻璃微珠等，按照一定的比例混合而成，有著特定的聲阻抗(密度和聲速)，其聲衰減比較小，匹配層的加工方法有澆鑄法、旋涂法、離心法等；