[发明专利]用于超声波换能器的多层声阻抗变换器

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求两项美国专利申请的优先权，其中一项申请序列号为61/238,816的美国临时专利申请，名称为：用于超声波换能器的多层阻抗变换器，申请日期为2009年9月1日，另一项申请序列号为12/836,071，名称为：用于超声波换能器的多层阻抗变换器，申请日期为2010年7月14日，本发明的保护的主题包含在上述申请中。

技术领域

本发明涉及用于超声波的声阻抗变换器以及用于设计该声阻抗变换器的方法。

背景技术

超声波换能器通常作为脉冲模变换器在较宽的频率范围内进行运行。由于该变换器需要处理宽带频率信号，所以宽带设计非常关键。在现有技术中，阻抗变换器被安放在超声波换能器的压电层面上，以用于提高变换器的宽带频率响应。宽带变换器的重要应用之一是医疗成像系统。在医疗成像系统中非常需要一种用于变换器的经济、可靠且可重复地大规模生产的方法。

在现有技术中，用于超声波换能器的阻抗变换器是众所周知的。在现有技术中，总所周知，一个超声波换能器包括压电激活层，一个或多个前匹配层，以及位于压电激活层后面的背衬吸收体，其中前匹配层位于压电激活层前面，可作为阻抗变换器使用。典型的压电材料具有高特性声阻抗，例如，锆钛酸铅(即熟知的“PZT”)。例如PZT的特性声阻抗Z_PZT＝30×10⁶kg/m²s(Rayl)。典型传播介质，例如水的声阻抗较低，例如，Z_R＝1.5×10⁶Rayl。由于这些介质的特性声阻抗的差异性，在压电激活层和传输介质(在前边界)之间的边界，超声波换能器压电激活层中的声波向后被反射至进电激活层，而在后边界(位于压电激活层后表面和压电激活层后面的材料之间的边界)，超声波换能器压电激活层中的声波向前被反射进压电激活层。这样，在超声波换能器中引起一特定频率的谐振，该频率由压电材料的半波长决定。

当该谐振换能器通过电压脉冲(当作为一个发射器)或声脉冲(当作为一个接收器)被驱动时，信号波不会迅速地衰减(即所谓的响铃现象)。这样实施的变换器不适合成像系统。在成像系统中短声脉冲束被激发，在一方向上进行扫描并被目标反射回来，从而构造出目标的影像。一前阻抗变换层(在现有技术中，被称为用于减少反射的匹配层)被插入到压电层前面和传播介质之间，以用于减轻由于压电材料特性声阻抗和前传播介质的差异产生的谐振。

在向后方向上，即在远离压电层前面的方向上，压电层的振荡会激发出声波。从后边界向前面一定量的反射是被期望的，这样可以提高超声波换能器的敏感性。通常情况下，声波吸收体材料的背衬吸收层依附在压电层后面。当背衬吸收体材料的特性声阻抗能够有效地与压电材料后面匹配时，大量的声能量可以通过后面边界，而不会发生反射，接着这些声波被背衬吸收体所吸收。在这种情况下，换能器的敏感性被降低，使得对于一些应用来说频宽变得过大。因此，在压电材料的特性声阻抗和背衬吸收体材料之间的一些失配是需要的，这取决于需要的频宽和敏感性。

可以对背衬吸收体材料特性声阻抗进行选择以获得期望的超声波换能器性能。当一个换能器未设置有具有合适特性声阻抗的背衬吸收体材料时，背衬阻抗转换层可以被添加到压电激活层和背衬吸收层之间，以用于在压电层后边界提供必需的、全面的声阻抗。

一个典型的声阻抗变换器结构可以是一层均匀厚度，且厚度大约为声换能器期望运行波长的四分之一。声阻抗变换层包括一特性声阻抗(Z_m)，该声阻抗约为传播介质特性声阻抗(Z₁)和压电激活层特性声阻抗(Z_p)的几何平均数。即：Z_m＝√(Z₁.Z_p)。由于Z₁比较小(Z₁＝Z_R＝1.5×10⁶Rayl)，且压电层的特性声阻抗相对较高，因此，匹配层的特性声阻抗Z_m被选择在传播介质和压电层阻抗之间，即：Z_p＞Z_m＞Z₁。