[0002] [不适用]
[0003] 联邦资助的研究或开发
[0004] [不适用]
[0006] [不适用]
技术领域
[0007] 本技术的
实施例大体上涉及配置成提供改进热特性的超声换能器。
背景技术
[0008] 如在图1中描绘的，常规超声换能器100可以由包括透镜102、阻抗匹配层104和106、压电元件108、垫板110的各种层和用于连接到超声系统的电元件构成。
[0009] 压电元件108可以将电
信号转换成
超声波以朝目标传送并且也可以将接收的
超声波转换成
电信号。箭头112描绘从换能器100传送和在换能器100接收的超声波。该接收的超声波可以由超声系统使用以形成目标的图像。
[0010] 为了增加从换能器100输出的
能量，阻抗匹配层104、106设置在压电元件108和透镜102之间。常规上，最佳的阻抗匹配已经认为是当匹配层104、106将压电元件108和透镜102分开的距离x是以谐振
频率传送的超声波的期望
波长的大约1/4至1/2而达到。常规的看法是这样的配置可以在超声波离开匹配层104、106时保持在匹配层104、106内反射的超声波同相。
[0011] 从换能器100传送的超声波可以加热透镜102。然而，
接触患者的换能器具有大约40摄氏度的最大表面
温度以便避免患者不适并且遵守管制温度极限。从而，透镜温度可以是波传送功率和换能器性能的限制因素。
[0012] 许多已知的
热管理技术集中在换能器的背面以便最小化超声能朝透镜的反射。但是，需要有具有改进热特性的改进超声换能器。
发明内容
[0013] 本技术的实施例大体上涉及超声换能器和制造超声换能器的方法。
[0014] 在实施例中，例如，超声换能器可以包括：垫板；贴附到该垫板的压电元件，该压电元件配置成将电信号转换成超声波以朝目标传送，该压电元件配置成将接收的超声波转换成电信号；贴附到该压电元件的第一匹配层，该第一匹配层具有第一声阻抗和大约大于30W/mK的热导率；和贴附到该第一匹配层的第二匹配层，该第二匹配层具有低于该第一声阻抗的第二声阻抗。
[0015] 在实施例中，例如，第一声阻抗是大约10-20MRayl。
[0016] 在实施例中，例如，第一匹配层具有第一厚度，并且第二匹配层具有小于该第一厚度的第二厚度。
[0017] 在实施例中，例如，第二匹配层具有大约0.5-300W/mK的热导率。
[0018] 在实施例中，例如，超声换能器可以进一步包括贴附到第二匹配层的第三匹配层，该第三匹配层具有低于第二声阻抗的第三声阻抗。
[0019] 在实施例中，例如，超声换能器可以进一步包括透镜，其中第一和第二匹配层设置在压电元件和透镜之间，并且其中每个匹配层的厚度小于以谐振频率传送的超声波的期望波长的大约1/4。
[0020] 在实施例中，例如，第一匹配层包括金属。
[0021] 在实施例中，例如，第一匹配层包括配置成延伸超过压电元件的末端延伸到垫板的侧翼，该侧翼配置成从压电元件传导热到垫板。
[0022] 在实施例中，例如，压电元件包括多个切口，并且其中侧翼设置大致上垂直于该切口(cut)。
[0023] 在实施例中，例如，压电元件包括多个切口，并且其中侧翼设置大致上平行于该切口。
[0024] 在实施例中，例如，第一匹配层包括配置成延伸超过压电元件的末端的部分，该部分连接到配置成延伸到垫板的热传导板片，该部分和该板片配置成从压电元件传导热到垫板。
[0025] 在实施例中，例如，垫板、压电元件、第一匹配层和第二匹配层由环
氧树脂贴附。
[0026] 在实施例中，例如，制造超声换能器的方法可以包括：将垫板贴附到压电元件，该压电元件配置成将电信号转换成超声波以朝目标传送，该压电元件配置成将接收的超声波转换成电信号；将第一匹配层贴附到该压电元件，该第一匹配层具有第一声阻抗和大约大于30W/mK的热导率；和将第二匹配层贴附到该第一匹配层，该第二匹配层具有低于该第一声阻抗的第二声阻抗。
[0027] 在实施例中，例如，制造超声换能器的方法可以进一步包括：在压电元件和第一与第二匹配层中制造多个切口。
[0028] 在实施例中，例如，第一匹配层包括配置成延伸超过压电元件的末端的侧翼，并且该方法可以进一步包括：在该侧翼的表面上切割多个刻槽；并且将该侧翼远离刻槽折叠使得该侧翼延伸超过压电元件的末端延伸到垫板，该侧翼配置成从压电元件传导热到垫板。
[0029] 在实施例中，例如，第一匹配层包括配置成延伸超过压电元件的末端的部分，并且该方法可以进一步包括：将该部分连接到配置成延伸到垫板的热传导板片，该部分和该板片配置成从压电元件传导热到垫板。
[0030] 在实施例中，例如，垫板、压电元件、第一匹配层和第二匹配层由
环氧树脂贴附。
[0031] 在实施例中，例如，超声换能器可以包括：垫板；贴附到该垫板的压电元件，该压电元件配置成将电信号转换成超声波以朝目标传送，该压电元件配置成将接收的超声波转换成电信号；透镜；以及设置在该压电元件和该透镜之间的匹配层，该匹配层配置成从压电元件传导热到垫板。
附图说明
[0032] 图1描绘
现有技术超声换能器的层的横截面。
[0033] 图2A描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器的层的横截面。
[0034] 图2B是根据本技术的实施例使用的超声换能器的匹配层属性表。
[0035] 图3描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器的层的横截面。
[0036] 图4描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器的层的横截面。
[0037] 图5描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器的层的横截面。
[0038] 图6描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器的层的透视图。
[0039] 图7描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器的计算机模拟结果。
[0040] 图8是描绘常规换能器和根据本技术的实施例建造的换能器的透镜表面处的温度测量的试验结果的图表。
[0041] 前面的发明内容以及某些实施例的下列详细说明当与附图结合阅读时将更好理解。为了说明本发明的目的，某些实施例在图中示出。然而，应该理解本发明不限于附图中示出的设置和工具。
具体实施方式
[0042] 本技术的实施例大体上涉及配置成提供改进热特性的超声换能器。在图中，类似的元件用类似的标识符标识。
[0043] 图1描绘现有技术超声换能器100的层的横截面。换能器100在背景技术中描述，并且包括设置在透镜102和压电元件108之间的两个匹配层104、106。匹配层104、106提供透镜102和压电元件108之间的组合距离x，该距离x是以谐振频率传送的超声波的期望波长的大约1/4至1/2。
[0044] 图2A描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器200的层的横截面。换能器200包括透镜102、阻抗匹配层203-206、压电元件108、垫板110和用于连接到超声系统的电元件。垫板110包括
散热(heat sink)和热管理。在某些实施例中，匹配层203-206、压电元件108和透镜102可以使用环氧树脂或在由例如工艺装备和/或压机提供的压
力下硬化的
粘合剂材料接合在一起。
[0045] 如利用常规超声换能器，压电元件108可以将电信号转换成超声波以朝目标传送并且也可以将接收的超声波转换成电信号。箭头112描绘从换能器200传送和在换能器200接收的超声波。该接收的超声波可以由超声系统使用以形成目标的图像。
[0046] 为了增加从换能器100输出的能量，阻抗匹配层203-206设置在压电元件108和透镜102之间。匹配层203-206将压电元件108和透镜102分开距离y，其可以小于或大于距离x(该距离是以谐振频率传送的超声波的期望波长的大约1/4至1/2)。
[0047] 如在图1中描绘的，常规换能器一般包括两个匹配层104、106。这样的匹配层一般包括环氧树脂和填充物。已经发现在压电元件附近包括具有相对较高的声阻抗和相对较高的热导率的匹配层可以改进热特性和/或声属性。本文示出的实施例描绘具有三个或四个匹配层的发明性换能器。但是，实施例可以包括例如少至两个匹配层和大于四个匹配层，例如五个或六个匹配层。
[0048] 图2B是发明性超声换能器的实施例的匹配层203-206的属性表。设置在压电元件108和匹配层205之间的匹配层206可以包括具有大约10-20MRayl的声阻抗和大于大约30W/mK的热导率的材料。匹配层206可以具有小于大约0.22λ的厚度，其中λ是以谐振频率传送的超声波的期望波长。在某些实施例中，匹配层206可以包括例如金属，例如
铜、铜
合金、具有嵌入其中的
石墨图案的铜、镁、镁合金、例如
硅的
半导体材料、
铝(板或棒)和/或
铝合金等。金属可以具有相对高的声阻抗使得超声波以较高的速度传播通过该层，由此需要较厚的匹配层以达到期望的声特性。
[0049] 设置在匹配层206和匹配层204之间的匹配层205可以包括具有大约5-15MRayl的声阻抗和大约1-300W/mK的热导率的材料。匹配层205可以具有小于大约0.25λ的厚度。在某些实施例中，匹配层205可以包括例如金属，例如铜、
铜合金、具有嵌入其中的石墨图案的铜、镁、镁合金、铝(板或棒)、铝合金、填充环氧树脂、玻璃陶瓷、复合陶瓷和/或玻璃陶瓷(macor)等。
[0050] 设置在匹配层205和匹配层203之间的匹配层204可以包括具有大约2-8MRayl的声阻抗和大约0.5-50W/mK的热导率的材料。匹配层204可以具有小于大约0.25λ的厚度。在某些实施例中，匹配层204可以包括例如非金属，例如具有填充物(例如硅石填充物等)的环氧树脂等。在某些实施例中，匹配层204可以包括例如石墨
型材料。例如具有填充物的环氧树脂等非金属可以具有相对低的声阻抗使得超声波以较低的速度传播通过该层，由此需要较薄的匹配层以达到期望的声特性。
[0051] 设置在匹配层204和透镜102之间的匹配层203可以包括具有大约1.5-3MRayl的声阻抗和大约0.5-50W/mK的热导率的材料。匹配层203可以具有小于大约0.25λ的厚度。在某些实施例中，匹配层203可以包括例如非金属，例如塑料和/或具有填充物(例如硅石填充物等)的环氧树脂等。
[0052] 在实施例中，当匹配层203-206离压电元件108的距离增加时匹配层203-206的声阻抗减小。即，匹配层206可以具有比匹配层205高的声阻抗，匹配层205可以具有比匹配层204高的声阻抗，并且匹配层204可以具有比匹配层203高的声阻抗。已经发现提供具有采用该方式减小的声阻抗的三个或更多匹配层可以提供例如改进的声属性，例如增加的灵敏度和/或增加的边缘带宽等。例如，这样改进的声属性可以改进例如人体等目标中的结构的检测。
[0053] 在实施例中，匹配层205、206的热导率大于匹配层203、204的热导率。已经发现在压电元件108附近设置具有相对高热导率的匹配层(例如匹配层205和/或206)可以提供改进的热特性。例如，这样的匹配层可以比例如匹配层203和204等较低热导率的匹配层更容易地耗散由压电元件108产生的热。
[0054] 图3描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器300的层的横截面。换能器300包括第一阻抗匹配层303、第二阻抗匹配层304、第三阻抗匹配层305、压电元件308和垫板310。该描绘的层包括较大切口312和较小切口314。较大切口312延伸通过匹配层303-305、通过压电元件308并且进入垫板310。较大切口312可以提供压电元件308的部分之间的电分离。较小切口314延伸通过匹配层303-305并且部分通过压电元件308。较小切口不完全延伸通过压电元件308，并且不延伸进入垫板310。较小切口314不提供压电元件308的部分之间的电分离。较小切口314例如通过阻尼该层的邻近部分之间的
水平振动可以改进声性能。在某些实施例中，切口可以提供有大约30比1的切口深度与切口宽度比率。在某些实施例中，较大切口可以提供有大约1.282毫米的切口深度并且较小切口可以提供有大约1.085毫米的切口深度，两个类型的切口都提供有例如大约0.045毫米的切口宽度。在某些实施例中，切口可以提供有例如大约0.02至0.045毫米的切口宽度。已经发现将匹配层203-206的厚度最小化可以通过允许如在图3中描绘的换能器层的划片(dicing)提供改进的声性能。还发现将匹配层203-206的厚度最小化可以使得采用小于
30比1的切口深度与切口宽度比率的划片成为可能。使用当前的划片技术，例如使用划片机的划片等，难以获得大于30比1的切口深度与切口宽度比率。例如，可以使用激光或其他已知方法在换能器层中制造切口。
[0055] 图4描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器400的层的横截面。换能器400配置与在图2A中描绘的换能器200相似。然而，换能器400包括匹配层401代替匹配层206。匹配层401设置在压电元件108和匹配层205之间，并且可以包括与在图2A中描绘的匹配层206相似的材料和厚度。匹配层401包括延伸超过压电元件108的末端延伸到垫板110的侧翼402。
[0056] 可以通过提供匹配层401使得它延伸超过压电元件108的末端来形成侧翼402。多个刻槽403可以提供在匹配层401的表面中，并且匹配层401延伸超过压电元件108的末端的部分可以朝压电元件108和垫板110远离刻槽403来折叠使得刻槽403如在图4中示出的那样设置在弯折的外肘和/或其周围。一旦侧翼402提供在压电元件108和垫板110的末端附近时，该折叠操作可以完成。
[0057] 侧翼402配置成从压电元件108传导热到在垫板110处的散热和/或热管理。匹配层401和侧翼402的相对高的热导率可以辅助朝换能器400的垫板110并且远离透镜102的期望热传递。侧翼402还可以通过连接到例如通常放置在压电元件108和垫板110之间的柔性
电路等适当的接地电路而形成换能器400的地线。侧翼402还可以充当换能器
400的电屏蔽。
[0058] 图5描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器500的层的横截面。换能器500配置与在图2A中描绘的换能器200相似。然而，换能器500包括匹配层501代替匹配层206。匹配层501设置在压电元件108和匹配层205之间，并且可以包括与在图2A中描绘的匹配层206相似的材料和厚度。匹配层501延伸超过压电元件108的末端。例如，在实施例中，匹配层501可以延伸超过压电元件108的末端大约一毫米或更少。贴附到匹配层
501的延伸部分的板片502延伸过压电元件108的末端而延伸到垫板110。板片502可以使用热传导环氧树脂贴附到匹配层501。板片502包括例如相对高热导率的材料，例如与匹配层501相同的材料、石墨和/或热传导环氧树脂等。板片502配置成从压电元件108传导热到在垫板110处的散热和/或热管理。匹配层501和板片502的相对高的热导率可以辅助朝换能器500的垫板110并且远离透镜102的期望热传递。
[0059] 图6描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器600的层的透视图。换能器600包括具有侧翼402的阻抗匹配层401、压电元件308和垫板310。其他阻抗匹配层和透镜没有在图6中描绘。描绘的层包括较大切口312和较小切口314，这些切口大致上垂直于方位方向(a)并且大致上平行于垂直方向(e)。较大切口312延伸通过匹配层、通过压电元件308并且进入垫板310。较小切口314延伸通过匹配层并且部分通过压电元件308。较小切口不完全延伸通过压电元件308，并且不延伸进入垫板310。侧翼402设置在换能器600的四个边附近并且将朝压电元件308和垫板310折叠使得侧翼402可以从压电元件308传导热到在垫板110处的散热和/或热管理。在其他实施例中，侧翼402可提供在换能器的一个、两个、三个或四个边的附近。例如，在某些实施例中，侧翼402可仅沿换能器的两个对边提供，使得侧翼设置成大致上垂直于切口312和314。在这样的实施例中，侧翼402沿方位方向(a)而不是垂直方向延伸(e)。
[0060] 图7描绘根据本技术的实施例使用的超声换能器的计算机模拟结果。图7描绘具有三个匹配层的3.5MHz一维线性阵列换能器的模拟研究的结果。最靠近压电元件的匹配层(第一匹配层)包括具有13.9MRayl的声阻抗的铝棒。第二匹配层包括具有6.127MRayl的声阻抗的填充环氧树脂。第三匹配层包括具有2.499MRayl的声阻抗的未限定物质(其可以例如是塑料和/或具有填充物(例如硅石填充物等)的环氧树脂)。考虑到这些声阻抗，模拟指示了这些层可以具有0.2540毫米(铝棒)、0.1400毫米(填充环氧树脂)、0.1145毫米(未限定材料)的相应厚度。该计算机模拟证明了从内部匹配层到外部匹配层的距离(例如从如在图2中描绘的匹配层206到203的距离y等)可以比在常规换能器中的匹配层更薄，例如在图1中描绘的那样，其可以具有以谐振频率传送的超声波的期望波长的大约1/4的匹配层厚度。这样的模拟可以使
用例如KLM模型、Mason模型和/或有限元模拟以确定期望的特性。
[0061] 模拟研究可以用于优化匹配层特性使得具有期望的声阻抗和热导率的匹配层提供有最小厚度，由此允许切割操作更有效地执行。
[0062] 图8是描绘在常规换能器和根据本技术的实施例建造的换能器的透镜表面的温度测量的试验结果的图表800。该图表标绘在透镜表面的温度与时间的关系。常规换能器的温度测量由线802指示并且根据本技术的实施例建造的换能器的温度测量由线804指示。在试验期间，两个换能器在相同条件和设定值下连接到超声系统。根据本技术的实施例建造的换能器在40分钟的时段期间维持比常规换能器冷大约3至4摄氏度的透镜表面温度。
[0063] 在某些实施例中，本文描述的技术可以连同一维线性阵列换能器、二维换能器和/或环形阵列换能器应用。在某些实施例中，本文描述的技术可以连同任何几何结构的换能器应用。
[0064] 应用本文的技术可以提供改进声属性和/或热特性的技术效果。例如，将热引导远离换能器透镜可以允许换能器以增加的功率水平使用，由此改进信号
质量和图像质量。
[0065] 本文描述的本发明不仅伸及本文描述的换能器，而还伸及制造这样的换能器的方法。
[0066] 尽管本发明已经参照实施例描述，本领域内技术人员将理解可做出各种改变并且可替换等同物而不偏离本发明的范围。另外，可做出许多
修改以使特定情况或材料适应于本发明的讲授而不偏离它们的范围。因此，规定本发明不限于公开的特定实施例，而本发明将包括落入附上的
权利要求的范围内的所有实施例。
[0067] 部件列表
[0068]
[0069]
