[发明专利]一种使用梯度匹配层的超声探头

说明书

本发明公开了一种使用梯度匹配层的超声探头，该超声探头包括压电材料和匹配层，所述匹配层设置在压电材料的前表面上，所述匹配层设置为单层匹配层，以替代目前的多层匹配层来应用在超声换能器上，本发明通过声阻抗梯度材料的制备方法来制作出单层匹配层，替代目前的多层匹配层，应用在超声换能器上，其性能得到大幅提升，且声阻抗梯度材料，采用超薄多层的结构，同样厚度，多层叠合在一起，其阻抗成台阶状指数分布，因层数多，效果等同于阻抗连续分布，突破了传统锥孔复合法和离心沉降法对厚度的限制，尺寸大大缩小，性能均匀、可控，适合批量生产，满足医用超声和检测超声换能器的需求。

技术领域

本发明涉及超声探头技术领域，具体为一种使用梯度匹配层的超声探头。

背景技术

水声探测、无损检测、医用超声图像诊断中使用的超声换能器，其主要的性能指标是灵敏度和带宽，灵敏度越高，探测距离越远，带宽越宽，图像的分辨率越高，为提高超声换能器的灵敏度和带宽，常采用以下技术：

1、使用高性能的压电材料，使发射和接收的能力增强，带宽增加，如：采用用具有超高压电系数的压电陶瓷、压电单晶如PMN-PT等，采用具有高机电耦合系数的2-2/1-3型等特殊结构的压电陶瓷或单晶的复合材料；

2、使用多层声阻抗匹配层技术，降低传输过程中的损耗，拓宽带宽，在2MHz～10MHz的医用诊断超声探头中，现一般使用2层、3层匹配层，少数探头使用4层甚至5层匹配层，而在更高频的超声探头中，因加工难度的关系，一般采用一层或两层匹配层；

目前一维阵列式超声探头的基本结构所示，从内往外，分别是声吸收层(背衬)、压电材料、声匹配层和声透镜，压电材料的两面有电极，由线路引出，压电材料的声阻抗都比较高，压电陶瓷或单晶的声阻抗一般在35MRayl左右，压电或单晶复合材料的声阻抗一般在20MRayl左右，而人体组织的声阻抗一般在1.5MRayl，根据声功率透射公式，声阻抗的巨大差异导致声信号的透射率特别低，为提高声信号的透射效率，我们引入了声阻抗匹配层，一般，声阻抗匹配层是四分之一波长厚度的均匀的材质，理论计算表明：在不考虑匹配层衰减的情况下，最佳的单层匹配层，其透射率为32.3％，双层匹配层最高透射效率为45.3％，三层为54.6％，10层为79.9％，完美匹配层为100％；

为进一步提高透射率，人们发明了声阻抗连续变化的超材料，一般是在基材上加工出紧密排列的圆锥形的孔，填充不同密度的材料，这样其声阻抗在厚度方向成指数形式连续变化，如说明书附图图4所示，这种锥孔复合法制成的声阻抗匹配层，能比多层的匹配层结构的透射率高很多，可达到92％以上，这种声阻抗梯度超材料，阻抗从十几MRayl变化到几MRayl，在低频的水声单阵元换能器中已经得到应用，也有采用沉降法获得声阻抗连续变化的梯度材料：通过选用声阻抗值不同的填料以及调节填料在匹配层中的体积分数，通过离心沉降法处理，使填料粒子在聚合物基底中的浓度在垂直方向上呈梯度分布，再经过固化就可以得到声阻抗梯度匹配层材料，为进一步提高匹配效果，也可以在压电材料和声阻抗梯度材料之间再加一层均匀的高阻抗的匹配材料，匹配层的厚度跟波长相关，总的厚度一般为四分之一波长到2倍波长，即，工作频率低，波长长，匹配层的厚度就厚，加工起来容易，工作频率高，波长短，匹配层的厚度就薄，加工起来难度就大，匹配层中存在衰减，故匹配层的厚度不宜过厚，匹配层中的声速一般为2000～3000m/s，水声换能器一般工作在几百KHz，所以，水声换能器的匹配层中波长为mm级，而医用超声换能器一般在2MHz～10MHz，匹配层中的波长为0.1mm级；

匹配层一般由环氧胶中添加一些不同密度的金属粉或者金属氧化物粉，如钨粉、氧化铝粉、氧化铋粉，以及玻璃微珠等，按照一定的比例混合而成，有着特定的声阻抗(密度和声速)，其声衰减比较小，匹配层的加工方法有浇铸法、旋涂法、离心法等；