[发明专利]用于超声波换能器的多层背衬吸收器

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于超声波换能器的多层背衬吸收器并且更具体地涉及具有根据期望的灵敏度和/或带宽而被调整的声阻抗和吸收的多层背衬吸收器。

背景技术

用于超声波换能器的背衬吸收器典型地由金属粒子(metal particle)和其他粘结剂复合材料组成。美国专利Nos.3,973,152、4,090,153、4,582,680以及6,814,618描述了这样的现有技术的背衬吸收器。美国专利No.3,973,152描述了被施加于起吸收器作用的多层金属箔的压力。然而，这样的结构和技术在若干方面是不足的。举例来说，超声波不会传播通过表面之间的相对小的缝隙(例如类似于大约0.01微米(um)或者更大的缝隙)。相反地，超声波仅被传导通过所述金属层实际接触或者被熔合于彼此的小的面积。

因为所述金属表面不是理想地平整并且存在细微的凹凸不平之处，故实际的或者真正的接触面积表示总的表面面积的小部分，并且超声波主要在超声波的吸收所发生的这些小的部位中传播通过。这是超声波在被加压的多层金属箔中的衰减的机制。为了使所述金属箔处于基本上均匀的接触中而没有上述相对小的缝隙，高压(例如大约50,000psi(350MPa)或者更高)必须被施加以准许声波通过大部分边界区域。然而，这样的结构不提供恰当的吸收。因此，所述压力必须处于产生多个接触部位的某个值，由此为所述波提供恰当的衰减。然而，难以在这种环境内以恒定的并且可再现的方式控制所述压力的施加。举例来说，当施加高压时，金属通常是疲劳的并且压力最终减小，由此使所述吸收随时间减小。

关于所述已知的多层背衬吸收器的另外的问题涉及设计所述加压结构的困难。诸如PZT或者晶体的压电材料是易碎的并且容易被所施加的压力损坏，可是多层金属箔必须被压在所述压电层上。这要求所述压电材料支撑所述压力。如果只有所述多层箔的周边被加压并且主要的中心区域被粘合于压电材料，则恰当的压力不能出现在所述多层结构的每个边界上。设计这样的结构是困难的，特别是当所述压电层的尺寸薄(小于0.5毫米)且大(大于5毫米)时。此外，所述加压结构(典型地包括螺钉和固定器)使得该装置体积大。更进一步，所述吸收和阻抗不能仅仅被设计为专门的值。

背衬吸收器相对地难以制造并且控制这些装置的吸收和声阻抗。许多吸收器由混合以环氧树脂或者聚合物作为粘合剂的重金属粒子组成。所述密度差产生沉淀物并且因此要求彻底的混合。而且，铸造必须在混合之后立即发生以将所述吸收器设置为所期望的形状。这样的过程难以控制。此外，以正确的比率混合要求精确的重量测量。

设计中的困难、再现性以及可靠性这样的问题对于包括上述例子的任何吸收器而言通常可见。可替代的吸收器结构以及制造吸收器结构的方法是期望的。

发明内容

本发明的一般目的(随后将更详细地被描述)是提供用于超声波换能器的新的多层背衬吸收器。

根据本发明的一方面，举例来说，用于在厚度模式中操作的超声波换能器的多层背衬吸收器具有根据给定的灵敏度和带宽而被调整的声阻抗和吸收。该新颖的多层背衬吸收器为换能器性能提供平滑的频率响应曲线而没有许多假的尖峰。

本发明的实施例包括具有背衬层的换能器，所述背衬层包括被布置以便给定的阻抗和吸收被得到的金属、聚合物和/或粘合剂的层。适于通过粘合剂被粘合的多个沉积金属的聚合物层的结构的声阻抗和吸收被提供。适于通过粘合剂被粘合的各个金属层的结构的声阻抗和吸收的例子被示出。有金属和没有金属的总的多层区域之间的侧面边界(side boundary)相对于表面成一些角度以便来自所述吸收器的背部表面的反射不会反射回所述压电层。在一种配置中，多层吸收器在每个聚合物层上包括金属层并且被配置为周期光栅，其中方向和周期对于每个层是不同的，并且其中所述吸收器中的声波被散射或者衍射。

附图说明

考虑下面与附图相结合所获得的本发明的优选实施例的详细描述将有助于对本发明的理解，在附图中相似的标号表示相似的部件并且在附图中：

图1a是常规的超声波换能器的示意性图示。

图1b是根据本发明的实施例的二单元多层吸收器的示意性图示。

图1c是根据本发明的实施例的三单元多层吸收器的示意性图示。

图2a是根据本发明的实施例的多层吸收器与压电层相结合形成超声波换能器的示意性图示。

图2b是使用前匹配以及根据本发明的原理的多层吸收器的测量的波形。

图2c是使用前匹配以及根据本发明的原理用于2-2型复合材料PZT换能器的多层吸收器的测量的波形。