[发明专利]超声波探头的多层阻抗匹配结构

说明书

技术领域

一般来说，本文所公开的主题涉及超声波探头(ultrasound probe)，更具体来说，涉及超声波探头中的声学叠层(acoustical stack)。

背景技术

超声波探头通常具有许多各自与探头的成像元件对应的声学叠层。各声学叠层具有以堆叠配置附连在一起的若干层。叠层中的压电层由具有高阻抗的压电材料、例如压电陶瓷形成。

匹配(matching)层设置在压电层的顶侧，以便在具有高阻抗的压电层与探头中具有低阻抗的外部或透镜之间变换声阻抗。低阻抗可基于待扫描的水、人体或者其它对象的声阻抗。许多探头包括基于四分之一波长匹配的两个匹配层，其中每个匹配层大约四分之一波长厚。各四分之一波长匹配层用于变换有限宽带中的阻抗。使用两个四分之一波长匹配层将带宽范围限制在80％与90％之间。为了在较大带宽中实现阻抗匹配，需要较大数量的四分之一波长匹配层。但是，增加四分之一波长匹配层的数量极大地增加叠层的厚度，并且增加信号衰减。另外，堆叠材料变得越来越难以切割，并且可能难以在仍然控制预期几何形状和阻抗的同时找到用于每个四分之一波长匹配层的适当材料。

另外，已经提出使用具有连续变化阻抗的材料的梯度或分级(graded)匹配层或者具有不同声阻抗的多种不同材料的多个层来代替离散的四分之一波长匹配层。但是，这些分级匹配层配置要求匹配层的总厚度过厚。仅当分级匹配层的厚度在至少一个或两个波长的范围之内时，才实现良好的匹配特性。在这种厚度，发生超声波信号的强衰减。切割操作因层的厚度而非常困难，因为切割对于较厚层是困难的，而对于薄的层则不是，并且要求高的刀片曝露量。但是，如果分级匹配层的厚度小于一个波长，则将产生带宽中的不良匹配或鸣振(ringing)。

发明内容

在一个实施例中，用于超声波探头的声学叠层包括具有顶侧和底侧的压电层以及形成匹配层结构的多个匹配层段(section)。每个匹配层段包括包含第一材料的弹簧(spring)层以及包含与第一材料不同的第二材料的质量(mass)层。位于最接近压电层的匹配层段中的弹簧层比其它匹配层段中的弹簧层薄。

在另一个实施例中，一种用于形成超声波探头的声学叠层的匹配层结构的方法，包括形成第一匹配层段，所述第一匹配层段包括在第一匹配层段的底侧的弹簧层以及在第一匹配层段的顶侧的质量层。第一匹配层段的底侧配置成附连到压电层和四分之一波长匹配层中之一。弹簧层包括弹簧材料，并且质量层包括阻抗高于弹簧材料的质量材料。形成至少一个附加匹配层段，所述附加匹配层段包括在附加匹配层段的底侧的弹簧层以及在附加匹配层段的顶侧的质量层。附加匹配层段的底侧配置成附连到第一匹配层段的顶侧。弹簧层包括弹簧材料，且质量层包括质量材料。

在又一个实施例中，一种用于形成超声波探头的声学叠层的匹配层结构的方法，包括：通过形成包括弹簧材料的弹簧层并且在弹簧层上形成包括质量材料的质量层，形成第一匹配层段。质量材料具有高于弹簧材料的密度。通过形成与包括质量材料的质量层交替的、包括弹簧材料的弹簧层，在第一匹配层段之上形成N个匹配层段。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例形成的超声波系统。

图2示出根据本发明的一个实施例形成的具有三维(3D)能力的小型化超声波系统。

图3示出根据本发明的一个实施例形成的移动超声波成像系统。

图4示出根据本发明的一个实施例形成的手携式或袖珍超声波成像系统。

图5示出根据本发明的一个实施例形成的用于超声波探头的匹配层结构。

图6示出根据本发明的一个实施例形成的用于四分之一波长传输线的集总电路(lumped circuit)，其提供构建图5的匹配层结构所用的匹配层段的机械性质的电等效。

图7-10示出根据本发明的一个实施例、基于图5的匹配层结构的带宽性能的声学模拟。

图11示出根据本发明的一个实施例、用于确定要包含在探头的匹配层结构中的匹配层段的数量的方法。

图12示出包括根据本发明的一个实施例形成的匹配层结构和四分之一波长匹配层的声学叠层。

具体实施方式