[发明专利]超声换能器和制造超声换能器的方法

说明书

技术领域

本公开涉及超声换能器和多个换能器的阵列的设计和构造。

相关申请

本申请是于2011年9月20日提交的第61/536,636号美国申请的非临时申请并要求其权益。该美国申请的内容通过引用并入本文。

背景技术

在现代医疗实践中，超声提供一种快速、非侵入性且低本高效的成像和治疗形式。随着相控阵列制造和电子技术的发展，超声的应用已经得到快速增长。超声波和超声能量场从超声换能器投射至经受成像或治疗的体积内。换能器以如下原理工作：将输入的电驱动信号能量转换为输出的超声能量，因为制造换能器的材料经受与输入的电驱动信号相应的机械尺寸变化。此外，根据应用，换能器能够通过逆向的机械至电的换能处理将入射的超声能量转换为可测量的电能，从而由入射声波导致的尺寸压缩在换能器的材料中激发或诱发电响应。用于制造超声换能器元件的典型材料是压电晶体材料，诸如锆钛酸铅(PZT)和类似材料。

在传输模式中，超声能量从发送换能器的面发射，并根据超声能量传播的已知定律在所选媒介(通常为流体或粘弹性或允许超声波传播的其它媒介)中传播。经受换能器装置或阵列成像或治疗的患者的组织有时被近似为粘弹性流体。其声学参数，诸如声速和吸收系数能够被确定并影响超声波在患者体内传播的方式。

多个超声源或换能器元件可被分组为一维或两维的阵列。通过控制发送至阵列的每一个(或多个组)超声元件的电驱动信号，该阵列发射的声场总体上能够在空间和时间上被控制和定向。施加至阵列的元件的电驱动信号的幅度和相位均使用计算机控制的驱动电路控制在各个元件水平。

当换能器元件的尺寸足够小时，在被从离换能器一定距离观察时可充当点超声源。超声阵列的所谓的远场行为常常通过考虑来自该阵列的各个成员换能器的累积效果来逼近。对于许多换能器元件的阵列，叠加原理通常适用，至少作为线性系统中的第一逼近，由此通过对该阵列的各个元件的效果进行叠加地求和来推导总的超声场，以获得在空间和时间上的任何情况下的总阵列的净场。相控阵列因此允许超声束被创建(具有给定的空间分布)并允许将该超声束电子地偏转并聚焦在目标体积中，而不需要机械装置来操纵或重新定位换能器。可使用相位畸变校正算法精确且快速地控制多个位置处的声功率沉积，以偏转和聚焦超声束穿过不同组织层，诸如脂肪和肌肉。利用这些独特的能力，可容易地对位于身体较深处的癌症组织进行快速的体积成像和凝固。

允许灵活和精确的束成形和偏转的相控阵列的构造可包含复杂和精密的设计和制造步骤。有时用于超声阵列设计中的一个设计标准是阵列元件之间的中心至中心间隔(间距)应等于或小于波长的一半，以避免不期望的副峰，诸如栅瓣。然而，随着频率的增加(即波长的降低)和阵列配置从一维到二维的变化，相控阵列将具有更多数量的小元件。小元件尺寸不仅导致与各个元件的电连接的复杂度的增加，还导致元件的电阻抗的增加。

小阵列元件的大电阻抗能够导致RF(射频)驱动系统(源)(通常为50W)与阵列元件之间的电阻抗失配。在诊断相控阵列中，这种阻抗失配在发送模式下导致低声功率输出，并因此在接收模式下导致较差的灵敏度和信噪比(SNR)。类似地，对于高功率治疗阵列，其能够导致较差的电声功率转换。该问题的传统解决方式是为每个元件采用电阻抗匹配电路。由于这需要高额的制造成本来实现，故对于具有大量元件的相控阵列而言，传统方法通常不太理想或有效率。因此，这些元件通常被设计为具有与源阻抗接近的电阻抗，以使发送至这些元件的功率最大化，而不使用匹配电路。

已经有一些通过减少阵列元件电阻抗来代替使用电匹配电路的尝试。一些方法设法使用厚膜流延工艺堆叠多层(N层)压电材料，以降低元件的总电阻抗N²倍。然而，这种方法的制造工艺复杂且昂贵。类似地，使用划分和填充方法结合的多层陶瓷和复合材料有时可改善发送至阵列元件的电功率。虽然可改善制造工艺的复杂度，但出现了与结合层的对准和层离有关的其他问题。

改进的换能器设计和制造这种换能器和换能器阵列的方法是需要的，并且至少在超声技术、医疗成像、超声治疗领域以及声换能器技术的其它医疗和工业应用中是有用的。

发明内容

本公开是针对用于相控阵列构造的多层式侧向模式耦合方法。制造工艺简单并且价廉。元件在长时间操作下表现稳固而不产生结构缺陷。此外，我们介绍了允许治疗所需的高功率输出的阵列结构。