Ultraschallwandler

Abstract

 Ultraschallwandler mit einem Tragkörper (2), einer Sendeschicht (4) aus einem Material mit verhältnismäßig hoher dielektrischer Konstante und einer ersten λ/4-Anpassungsschicht (8), die der Sendeschicht (4) zugewandt ist sowie einer zweiten λ/4-Anpassungsschicht, die der Last zugewandt ist. Erfindungsgemäß ist die zweite λ/4-Anpassungsschicht zugleich als Empfangsschicht (6) und die erste λ/4-Anpassungsschicht zugleich als hartes Backing für die Empfangsschicht (6) vorgesehen. Dadurch erhält man einen Ultraschallwandler, dessen Sendeschicht (4) reflexionsarm an eine Last angepaßt ist und dessen Empfangsschicht (6) außergewöhnlich empfindlich ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit einem Tragkörper, einer Sendeschicht aus einem Material mit verhältnismäßig hoher dielektrischer Konstante und einer ersten λ/4-Anpassungsschicht, die der Sendeschicht zugewandt ist sowie einer zweiten λ/4-Anpassungsschicht, die einer Last zugewandt ist.

[0002] 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.

[0003] Es ist ein Ultraschallwandler bekannt, dessen Keramikwandler durch zwei A/4-Anpassungsschichten an ein Lastmedium Gewebe oder Wasser angepaßt wird. Dieses Wandlersystem enthält ein Backing aus Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz von 3x10⁶ Pas/m, einen Keramikwandler, eine erste λ/4-Anpassungsschicht aus Glas mit einer akustischen Impedanz von 10x10⁶ Pas/m und eine zweite 1/4-Anpassungsschicht aus Polyacryl oder aus Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz von 3x10⁶ Pas/m. Der Keramikwandler ist auf einem Backing angeordnet. Die Glasplatte als erste Anpassungsschicht ist mit einem Adhäsionskleber sehr niedriger Viskosität vorgenommen, so daß Klebeschichten im Bereich von etwa 2 µm 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 λ/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.

[0004] 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(NG₃). Die Empfangsschicht besteht demgegenüber aus einer piezoelektrischen Kunststoffolie mit einer akustischen Impedanz von etwa 3x10⁶ Pas/m beispielsweise Polyvinyliden-Fluorid PVDF oder Polycarbonat 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 λ/4-Schicht ausgebildet sein. Die Anpassungsschicht für den Sendefall ist jedoch hier keine einfache /4-Anpassung. Bei einfacher 1/4-Anpassung ergibt sich aus der Theorie eine Anpassungsschicht mit einer akustischen Impedanz von etwa 7x10 ⁶ Pas/m.

[0005] 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.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß die zweite Ä/4-Anpassungsschicht zugleich als Empfangsschicht und die erste l/4-Anpassungsschicht zugleich als 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.

[0007] 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.

[0008] 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. Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht erhält man einen breitbandigen, empfindlichen Ultraschallwandler mit verhältnismäßig großer Kapazität und entsprechend geringer Innenimpedanz.

[0009] 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.

[0010] In der Ausführungsform nach Figur 1 enthält ein Ultraschallwandler einen Tragkörper 2, eine Sendeschicht 4 und zwei λ/4-Anpassungsschichten, wobei die zweite A/4-Anpassungsschicht zugleich als Empfangsschicht 6 vorgesehen ist. Die erste Ä/4-Anpassungsschicht 8 ist der Sendeschicht 4 zugewandt und ist zugleich als 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 µm und bei einer Resonanzfrequenz von etwa 2 MHz beispielsweise 275 µm. 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(N0₃). 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 30x10⁶ Pas/m einer Last, beispielsweise Gewebe oder Wasser mit einer akustischen Impedanz von 1,5x10⁶Pas/m, anpassen. Um eine optimale reflektionsarme Anpassung zu erreichen, ist aus der Theorie die mehrstufige Transformation mit zwei 1/4-Anpassungsschichten bekannt, bei der ein zulässiger Eingangsreflexionsfaktor nach dem Tschebyscheff-Verlauf approximiert wird. Hieraus ergibt sich für die erste λ/4-Anpassungsschicht 8 eine akustische Impedanz von etwa 14x 10⁶ Pas/m und für die zweite 2/4-Anpassungsschicht eine akustische Impedanz von etwa 4x10⁶ 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.

[0011] 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.

[0012] Durch diese Gestaltung erhält man einen breitbandigen und empfindlichen Ultraschallwandler, der insbesondere wegen seiner annähernd reflexionsarmen Kopplung zwischen Gewebe und Ultraschallwandler in der Medizin Anwendung findet.

[0013] 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 µm 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 Polyvinylchlorid PVC, insbesondere Polyvinyliden-Fluorid PVDF, verwenden.

[0014] Durch diese Gestaltung der Empfangsschicht 6 kann man die dünnen, beispielsweise 9 um bis 25 um dicken, piezoelektrischen Kunststoffolien sehr gut polarisieren.

[0015] 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 um dick ist, ist auf die erste λ/4-Anpassungsschicht 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 Empfangsschicht 6 beispielsweise Polyvinylchlorid PVC, insbesondere Polyvinyliden-Fluorid 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.

[0016] 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.

Ansprüche

1. Ultraschallwandler mit einem Tragkörper (2), einer Sendeschicht (4) aus einem Material mit verhältnismäßig hoher dielektrischer Konstante und hoher akustischer Impedanz und einer ersten A/4-Anpassungsschicht (8), die der Sendeschicht (4) zugewandt ist sowie einer zweiten λ/4- Anpassungsschicht, die einer Last zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite λ/4-Anpassungsschicht zugleich als Empfangsschicht (6) vorgesehen ist und daß die erste λ/4-Anpassungsschicht (8) zugleich als Backing für die Empfangsschicht (6) 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 (14) besteht.

4. 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 (14) der Empfangsschicht (6) der Last zugewandt ist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der passiven piezoelektrischen Kunststoffolie (14) der Empfangsschicht (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-Metaniobat Pb(NG₃) besteht.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite λ/4-Anpassungsschicht eine akustische Impedanz von etwa 4x10⁶

hat und die erste λ/4-Anpassungsschicht (8) eine akustische Impedanz von etwa _14x10⁶

_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.

Zeichnung