EP0017216B1 - Ultraschallwandler - Google Patents

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EP0017216B1
EP0017216B1 EP80101743A EP80101743A EP0017216B1 EP 0017216 B1 EP0017216 B1 EP 0017216B1 EP 80101743 A EP80101743 A EP 80101743A EP 80101743 A EP80101743 A EP 80101743A EP 0017216 B1 EP0017216 B1 EP 0017216B1
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EP
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layer
ultrasonic transducer
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receiving
transmitting
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EP80101743A
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EP0017216A3 (en
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Jaques Dr. Dipl.-Ing. Borburgh
Ingmar Dr. Dipl.-Phys. Feigt
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Definitions

  • the invention relates to an ultrasound transducer, consisting of a transmission layer and a reception layer, both of which are connected to one another in hybrid technology lying flat on one another.
  • the object of the present invention is to develop such an ultrasound transducer in such a way that, with an optimally compact structure, optimal results are simultaneously obtained for the transmission and reception case.
  • the transmission layer consists of material with a relatively high dielectric constant and high sound impedance and the receiving layer consists of material with a relatively low dielectric constant and low sound impedance.
  • the invention enables optimal conditions in the case of transmission and reception.
  • a receiving layer made of material with a relatively low dielectric constant and low impedance ensures optimal reception quality.
  • the transmission case then remains unaffected, since the energy output during transmission, as known per se, remains unchanged due to the use of a transmission layer made of material with a relatively high dielectric constant and high acoustic impedance.
  • the invention can also be designed in such a way that the receiving layer is at the same time an adaptation layer for the transmission case.
  • the receiving layer is designed in the form of an adaptation layer for adaptation to body tissue or, if a water section is connected upstream, for adaptation to water.
  • the transmitting layer consists, as has also been customary hitherto, of piezoceramic, while the receiving layer consists of piezoelectric plastic film, in particular of polyvinyl difluoride (PVF 2 ) or polyvinyl chloride or polycarbonate.
  • PVF 2 polyvinyl difluoride
  • Theta arrays are ultrasound transducers which are constructed from an outer ring-shaped transmission array and from a reception array arranged inside the ring.
  • the ultrasonic transducer in a sandwich construction consists of a carrier body 1 with a transmission layer 2 and a reception layer 3. All of the layers are interconnected over a large area using hybrid technology.
  • a material with a relatively high dielectric constant and high sound impedance e.g. B. a piezoceramic material.
  • the transmission layer made of lead zirconate titanate or lead metaniobate is preferred.
  • the receiving layer 3 consists of a material with a low dielectric constant and low sound impedance. It also serves as an adaptation layer for the transmission case.
  • piezoelectric plastic films with an impedance of approximately 3 are available for this purpose. 10 6 Pas / m and a quality of about 15 to.
  • the preferred material for the piezoelectric plastic film serving as the receiving layer 3 is polyvinyl difluoride (PVF 2 ).
  • PVF 2 polyvinyl difluoride
  • films made of polyvinyl chloride or polycarbonate can also be used.
  • the carrier body 1 can consist of epoxy resin.
  • elastic rubber can also be used as a suitable “backing” material for this purpose, so that in connection with the elastic piezoplastic film and suitably divided piezoceramic material, an elastic, conformable transducer structure is possible.
  • the transmission layer 2 has a contact connection for a transmission amplifier 4 on the surface facing away from the reception layer 3.
  • the electrical radio-frequency pulses for excitation of the transmission layer 2 in the sense of the transmission of ultrasound pulses are thus supplied to the transmission layer 2 via this transmission amplifier.
  • the reception amplifier 6 there is a switch 5 with which the reception amplifier 6 can be short-circuited in the case of transmission.
  • the receiving layer 3 also has a connection 7 for ground potential on the surface facing away from the transmitting layer.
  • the converter in FIG. 2 shows a modification of the exemplary embodiment in FIG. 1.
  • This converter in turn consists of that of FIG. 1 from the carrier material 1, transmission layer 2 and reception layer 3 in a hybrid construction.
  • components 8 of the receiving circuit in particular receiving amplifiers, are incorporated in an IC design in the manner of a sandwich between the transmitting layer 2 and the receiving layer 3. This type of integrated structure leads to a particularly compact design.
  • the IC components 8 are switched on between the transmission layer 2 and the reception layer 3 via the signal line 9.
  • the ultrasonic transducers shown only in cross section in FIGS. 1 and 2 preferably have a cuboid shape in the present case.
  • Arrays in this form are shown, for example, in FIGS. 1 and 2 of DE-AS-2 628 492.
  • other shaped transducer arrays can be used, such as.
  • B. transducer arrays with a matrix-like arrangement of the individual elements, the surface shape of the overall arrangement being again cuboid or even round or dg! can be.
  • ultrasound arrays with fine division of the individual elements can also be used.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler, bestehend aus einer Sendeschicht und einer Empfangsschicht, die beide in Hybridtechnik flächig aufeinanderliegend miteinander verbunden sind.
  • Ein Ultraschallwandler dieser Art ist aus der US-PS 2 625 035 vorbekannt.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen solchen Ultraschallwandler dahingehend weiterzubilden, daß bei optimal kompaktem Aufbau gleichzeitig optimale Ergebnisse für den Sende-und Empfangsfall geschaffen werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sendeschicht aus Material mit relativ hoher dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz und die Empfangsschicht aus Material mit relativ niedriger dielektrischer Konstante und niedriger Schallimpedanz besteht.
  • Die Erfindung ermöglicht bei äußerst kompaktem Aufbau des Wandlers optimale bedingungen im Sende- und im Empfangsfall. Eine Empfangsschicht aus Material mit relativ niedriger dielektrischer Konstante und niedriger Schaihmpedanz gewährleistet optimale Empfangsgüte. Der Sendefall bleibt dann unbeeinflußt, da die Energieabgabe beim Senden, wie an sich bekannt, durch die Verwendung einer Sendeschicht aus Material mit relativ hoher dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz unverändert stark bleibt.
  • Ein Ultraschallwandler, der aus zwei piezoelektrischen Schichten aufgebaut ist, von denen die eine eine relativ hohe und die andere eine relativ niedrige Schallimpedanz aufweisen, ist an sich schon aus der US-PS 2 875 354 vorbekannt. Die beiden Schichten dieses vorbekannten Wandlers sind aber nicht, wie es vorliegende Erfindung fordert, gleichzeitig Sende- und Empfangsschicht. Vielmehr ist im Gegensatz dazu jede der beiden Schichten sowohl Sendeschicht als auch Empfangsschicht. Darüber hinaus ist auch keine Aussage darüber gemacht, daß die Sende-/Empfangsschicht mit relativ hoher Schallimpedanz gleichzeitig auch eine relativ hohe dielektrische Konstante bzw. die zweite Sende-/Empfangsschicht mit relativ niedriger Schallimpedanz auch gleichzeitig noch eine relativ niedrige dielektrische Konstante hat.
  • Die Erfindung läßt sich in vorteilhafter Ausgestaltung auch dahingehend ausbilden, daß die Empfangsschicht gleichzeitig Anpassungsschicht für den Sendefall ist. Durch Ausnutzung des Empfängers gleichzeitig als Anpassungsschicht wird der Aufbau weiter vereinfacht; außerdem lassen sich hierdurch kurze Pulsanregungen besonders gut bewältigen. Die Empfangsschicht sollte in Ausbildung als Anpassungsschicht zur Anpassung an Körpergewebe oder bei Vorschaltung einer Wasserstrecke zur Anpassung an Wasser ausgebildet sein.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht die Sendeschicht, wie bisher auch schon üblich, aus Piezokeramik, während die Empfangsschicht jedoch aus piezoelektrischer Kunststoffolie, insbesondere aus Polyvinyldifluorid (PVF2) oder Polyvinylchlorid oder Polycarbonat, besteht.
  • Zwar ist schon aus dem Aufsatz »EXPERIMEN-TAL BROADBAND ULTRASONIC TRANSDU-CERS USING PVF2 PIEZOELECTRIC FILM« in der Zeitschrift »ELECTRONIC LETTERS« 5. August 1976, Vol. 12, Nr. 16, Seiten 393 und 394 ein Ultraschallwandler in PVF2-Ausbildung vorbekannt; es ist jedoch so, daß sowohl der Sendewandler als auch der Empfangswandler aus PVF2 gefertigt sind und beide Wandler außerdem auch noch getrennt voneinander angeordnet sind. Sende- und Empfangswandler liegen also nicht in Hybridtechnik flächig aufeinander. Zwar wird in dieser speziellen Ausbildung des Standes der Technik die Güte des Empfangs verbessert; gleichzeitig verschlechtert sich aber der Sendefall, da die Energieabgabe beim Senden wegen der niedrigen Güte der die Sendeschicht bildenden PVF2-Schicht zu gering ist.
  • Aus dem Aufsatz »MONOLITHIC SILICON-PVF2 PIEZOELECTRIC ARRAYS FOR ULTRASONIC IMAGING« der Autoren R. G. Swartz und J. D. Plummer, erstmals vorgetragen zwischen dem 29. Mai und 2. Juni 1978 auf dem »Eighth International Symposium on Acoustic Imaging« in Key Biscayne, Florida, bzw. dann veröffentlicht in der Zeitschrift »Acoustical Imaging« Vol. 8, 1978, Seiten 69 bis 95, ist auch noch ein Vorschlag bekannt, gemäß dem bei einem sogenannten »Theta«-Array als »inneres Array« ein 32 x 1 linear array von POSFET-Wandlern verwendet werden soll. POSFET-Wandler, die zwar ebenfalls mit PVF2 arbeiten, die jedoch ansonsten zum vorliegenden erfindungsgemäßen Wandler unterschiedlich aufgebaut sind, sind in dem Aufsatz in verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. »Theta«-Arrays sind hingegen in dem Aufsatz »High-Resolution B-Scan Systems Using a Circular Array« von A. Macovski und S. J. Norton aus »Acoustical Holography« Vol. 6, 1978, Seiten 69 bis 95 vorbekannt. Demgemäß sind »Theta«-Arrays Ultraschallwandler, die aus einem äußeren ringförmigen Sende-Array und aus einem innerhalb des Ringes angeordneten Empfangs-Array aufgebaut sind.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen.
  • Es zeigt
    • Fig. 1 einen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung im Querschnitt,
    • Fig. 2 einen im' Aufbau modifizierten Ultraschallwandler.
  • In der Fig. 1 besteht der Ultraschallwandler in Sandwich-Bauweise aus einem Trägerkörper 1 mit Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3. Sämtliche Schichten sind großflächig untereinander in Hybridtechnik miteinander verbunden. Als Sendeschicht dient ein Material mit relativ hoher dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz, z. B. ein Piezokeramik-Material. Zu bevorzugen sind hierbei die Sendeschicht aus Blei-Zirkonat-Titanat oder Blei-Metaniobat. Die Empfangsschicht 3 besteht demgegenüber aus einem Material mit niedriger dielektrischer Konstante und niedriger Schallimpedanz. Sie dient gleichzeitig als Anpassungsschicht für den Sendefall. Hierzu bieten sich in bevorzugter Ausführungsform piezoelektrische Kunststofffolien mit einer Impedanz von etwa 3 . 106 Pas/m und einer Güte von etwa 15 an. Bevorzugtes Material für die als Empfangsschicht 3 dienende piezoelektrische Kunststoffolie ist Polyvinyldifluorid (PVF2). Anstelle dieses Materials können auch Folien aus Polyvinylchlorid oder aus Polycarbonat Verwendung finden. Der Trägerkörper 1 kann aus Epoxydharz bestehen. Es kann jedoch hierfür als geeignetes »backing«-Material auch elastischer Gummi verwendet werden, so daß in Zusammenhang mit der elastischen Piezokunststoffolie und geeignet geteiltem Piezokeramikmaterial ein elastischer, anschmiegsamer Wandleraufbau möglich ist.
  • In der Ausführungsform des Wandlers der Fig. 1 weist die Sendeschicht 2 auf der der Empfangsschicht 3 abgewandten Fläche einen Kontaktanschluß für einen Sendeverstärker 4 auf. Über diesen Sendeverstärker werden also der Sendeschicht 2 die elektrischen Hochfrequenzimpulse zur Erregung der Sendeschicht 2 im Sinne der Aussendung von Ultraschallimpulsen zugeleitet. Zwischen Empfangsschicht 3 und Sendeschicht 2 ist eine weitere Kontaktierung, z. B. dünne Kontaktschicht oder Bahnen in gedruckter Schaltungstechnik, zwischengelagert, die einen elektrischen Empfangsanschluß zum Empfänger 6 für die von der Empfangsschicht 3 empfangenen Echoimpulse eines Sendeimpulses aufweist. Parallel zum Empfangsverstärker 6 liegt ein Schalter 5, mit dem im Sendefall der Empfangsverstärker 6 kurzgeschlossen werden kann. In diesem Falle liegt zwischen Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3 Massepotential. Die Empfangsschicht 3 weist schließlich noch auf der der Sendeschicht abgewandten Fläche einen Anschluß 7 für Massepotential auf.
  • Eine Modifikation des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 zeigt der Wandler in der Fig. 2.
  • Dieser Wandler besteht wiederum entsprechend jenem der Fig. 1 aus Trägermaterial 1, Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3 in Hybrid-Bauweise. Im Unterschied zum Wandler der Fig. 1 sind jedoch nach Sandwich-Art zwischen Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3 Bauteile 8 der Empfangsschaltung, insbesondere Empfangsverstärker, in IC-Bauweise eingelagert. Diese Art des integrierten Aufbaus führt zu besonders kompakter Bauform. Die Anschaltung der IC-Bauelemente 8 zwischen Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3 erfolgt über die Signalleitung 9.
  • Die in den Fig. 1 und 2 lediglich im Querschnitt dargestellten Ultraschallwandler weisen im vorliegenden Fall bevorzugt quaderförmige Gestalt auf. Arrays in dieser Form sind beispielsweise in den Fig. 1 und 2 der DE-AS-2 628 492 dargestellt. Selbstverständlich können auch anders geformte Wandler-Arrays Verwendung finden, wie z. B. Wandler-Arrays mit matrixförmiger Anordnung der Einzeielemente, wobei die Flächenform der Gesamtanordnung beliebig wieder quaderförmig oder auch rund od. dg! sein kann. Entsprechend können auch Ultraschall-Arrays mit Feinteilung der Einzelelemente Verwendung finden.

Claims (13)

1. Ultraschallwandler, bestehend aus einer Sendeschicht und einer Empfangsschicht, die beide in Hybridtechnik flächig aufeinanderliegend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschicht (2) aus Material mit relativ hoher dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz und die Empfangsschicht (3) aus Material mit relativ niedriger dielektrischer Konstante und niedriger Schallimpedanz besteht.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (3) gleichzeitig Anpassungsschicht für den Sendefall ist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (3) zur Anpassung an Körpergewebe oder bei Vorschaltung einer Wasserstrecke zur Anpassung an Wasser ausgebildet ist.
4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (3) auf der Sendeschicht (2) unter Zwischenlagerung einer Kontaktierung, z. B. dünnen Kontaktschicht oder Leiterbahnen in gedruckter Schaltungstechnik, aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt, ist.
5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung einen elektrischen Empfangsanschluß zum Empfänger (6) aufweist.
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Sendeschicht (2) abgewandte Fläche der Empfangsschicht (3) einen Anschluß (7) für Massepotential aufweist.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschicht (2) auf der der Empfangsschicht (3) abgewandten Fläche einen Anschluß für den Sender (4) aufweist.
8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Sandwich-Bauweise zwischen Sende-(2) und Empfangsschicht (3) Bauteile (8) der Empfangsschaltung, insbesondere Empfangsverstärker, in IC-Bauweise eingelagert sind.
9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschicht (2) aus Piezokeramik und die Empfangsschicht (3) aus piezoelektrischer Kunststoffolie gefertigt sind.
10. Ultraschallwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (3) aus piezoelektrischer Kunststoffolie mit einer Impedanz von etwa 3 - 106 Pas/m und einer Güte von etwa 15 gefertigt ist.
11. Ultraschallwandler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschicht aus Blei-Zirkonat-Titanat oder Blei-Metaniobat gefertigt ist.
12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Kunststoffolie der Empfangsschicht (3) aus Polyvinyldifluorid (PVF2) oder Polyvinylchlorid oder Polycarbonat besteht.
13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in Hybridtechnik miteinander verbundene Sendeschicht (2) und Empfangsschicht (3) zusätzlich und vorzugsweise ebenfalls in Hybridtechnik auf einem Dämpfungsträgerkörper (1), vorzugsweise aus elastischem Gummi od. dgl. angebracht sind.
EP80101743A 1979-04-06 1980-04-01 Ultraschallwandler Expired EP0017216B1 (de)

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