超声变换器及制造方法技术

一种包括至少一个复合材料层的超声变换器阵列。该层包括其中嵌入聚合物颗粒的聚合物基料。所述聚合物颗粒涂布有导热率高于聚合物基料和聚合物颗粒的导热率的材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术解决用于改进从阵列的热量排放的超声变换器的设计和制造方法。
技术介绍
当前的超声变换器阵列的电-声学转导基于以下之一：i)聚合物和铁电体陶瓷材料的复合材料，和ii)在基材材料(例如Si)的表面上的振动膜，其中，所述电-机械偶联为电容性的(cmut)或通过压电材料(pmut)的层。为了使电-声学转导的带宽成形，并且还为了阵列的机械保护，使用与颗粒混合的聚合物材料的声学层，其中，对于声学层的指定的声学阻抗和其它特性，选择聚合物的类型、颗粒和颗粒的体积填充。变换器阵列的电-声学转导通常具有产生变换器结构的加热的显著的动力损失。为了改进声学层的散热容量，Devallencourt等人已使用金属颗粒或具有在聚合物基料中混合的高导热率陶瓷或氧化物的颗粒(Chr.Devallencourt，S.Michau，C.Bantiginies N.Felix:\A5-MHz piezocomposite ultrasound array for operations in high temperature and harsh environment(用于在高温和严格环境中操作的5-MHz压电复合材料超声阵列)\IEEE Ultrasonics Symposium 2004和Chr.Devallencourt，F.Grimaud，S.Michau，N.Felix:\1-3piezocomposite autoclavable transducers for medical and industrial applications(用于医疗和工业应用的1-3压电复合材料可高压的变换器)\IEEE Ultrasonics Symposium 2006)。然而，由于这些颗粒具有高特性声学阻抗，对于具有低或其它能指定的特性声学阻抗的层，使用这样的颗粒使得难以得到>0.3W/mK的导热率。用于电-声学转导的铁电体陶瓷材料通常具有约2W/mK的导热率。然而，这些陶瓷用作聚合物和铁电体陶瓷材料的复合材料的一部分，其中，导热率受到聚合物性质的限制，并且对于复合材料，难以得到超过0.3W/mK的导热率，如在以上出版物中报道的。公知当在低传导率基质(例如聚合物粘合剂)中混合高传导率材料的普通形状的颗粒时，有效的导热率仅示出少量提高。通过使用针状或薄片状颗粒，可得到进一步改进，这由银填充的传导粘合剂公知。但是即使在这种情况下，导热率达到小于相应的体积分数将建议的导热率的十分之一。也就是，加入的银非常差地被利用，由于颗粒-颗粒接触代表在热传输中巨大的瓶颈。另外，向基料中加入金属颗粒通常提高复合材料的声学阻抗至不需要的值。本专利技术示出对这些挑战的方案。
技术实现思路
本专利技术人已经认识到，期望改进包括聚合物基料和导热颗粒的复合聚合物材料的导热率，以得到复合材料的预定的导热率和声学性质。示出本专利技术的综述。综述为简短形式，绝不代表对本专利技术的限制，本专利技术在其最宽的方面由所附权利要求所限定。本专利技术示出具有相当低声学阻抗(约1.5-5兆雷)和高导热率的材料，其通过在聚合物基料材料中混合涂布有导热层的聚合物颗粒而得到。在颗粒上的导热层还可为电绝缘的，使得复合材料电绝缘，具有良好的导热率。因此，在基料材料中的颗粒得到其中高度有效利用导热材料的复合材料。结果是高导热率，其中，通过改变聚合物核材料类型和聚合物核和直径与涂层的厚度和材料类型的比率，特性声学阻抗可变化(优化)。在颗粒上的导热层可为导电的，使得材料也导电，这在许多情况下可具有优点，例如用于电屏蔽。本专利技术进一步示出变换器阵列结构的设计，其在结构的声学层中利用这样的材料，以排放通过阵列产生的热量。本专利技术进一步示出方案，其中，通过以下一个或多个进一步改进阵列的冷却：i)空气翅片管，和ii)珀尔贴元件，和iii)流体冷却元件，以进一步提取经由所述声学层从阵列元件除去的热量。附图说明图1示出在绝热聚合物基料材料中由导热颗粒组成的导热材料。图2示出被导热层覆盖的具有聚合物核的导热球。图3示出利用本专利技术的导热材料的超声变换器阵列探头。图4显示使用空气翅片管、珀尔贴元件和流体冷却，改进从探头的热量除去。图5显示对于15μm和30μm颗粒核，在绝热聚合物基料中具有导热颗粒的相对体积填充的Ag的复合材料的导热率的变化。图6显示使用具有不同尺寸的颗粒来提高复合材料的导热率。图7显示使用具有集成电子元件的Si-层作为散热和阵列元件信号的前加工的组合。图8显示组合使用大传导球用于与在具有大量元件的阵列结构中阵列元件、散热和声学层组合的电连接。图9显示在图3中的结构的向后延伸的细节，以包括第二变换器阵列，用于以较低频带操作，以提供用于以高频带和低频带的组合操作的探头。图10显示使用cmut技术用于本专利技术的电-声学转导。具体实施方式根据一种实施方式，提供了一种布置为层状结构排列的超声变换器阵列探头，其包括至少一个变换器阵列元件的层和至少一个以声学安装并且与所述变换器元件的层热接触的其它层。所述其它层为包括聚合物基料和颗粒的复合材料层。颗粒进而包括聚合物核，所述聚合物核涂布有比所述聚合物核更加导热的材料的表面层。表面层的导热率优选为聚合物核的导热率的至少10倍。其它层的总导热率可通过选择以下至少之一来确定：i)用于所述颗粒表面层的材料的类型，和ii)所述颗粒表面层的厚度，和iii)所述颗粒聚合物核的尺寸，和iv)在所述聚合物基料中的所述颗粒的填充密度。此外或备选地，其它层的声学性质通过选择以下至少之一来预先决定：i)用于形成所述聚合物基料的材料的类型，和ii)用于形成所述颗粒聚合物核的材料的类型，和iii)所述颗粒聚合物核的尺寸，和iv)用于形成所述颗粒表面层或多个所述颗粒表面层的一种材料的类型或多种材料的类型，和v)所述颗粒表面层的厚度，和vi)在所述聚合物基料中的颗粒的填充密度。聚合物核可包括多孔聚合物材料。至少一个其它层可参与使所述阵列的电-声学转移功能成形。变换器元件的至少一层可包括以下至少之一：i)压电-陶瓷材料，和ii)cmut/pmut技术。表面层可包括导电材料，并且其中在声学层内的颗粒的包装密度可使得接触颗粒的表面层的导电性使得复合材料层导电。复合材料层可为提供与变换器阵列的元件电连接的结构的一部分。导热材料的层可包括电绝缘材料。表面层可包括涂布有电绝缘材料的导电材料。在一种实施方式中，变换器元件的至少一层包括陶瓷-聚合物复合材料。聚合物为包括聚合物基料和颗粒的复合材料，所述颗粒包括聚合物核，所述聚合物核涂布有比所述聚合物核更加导热的材料的层。层的外表面不导电。导热材料的表面层可包括改进所述聚合物颗粒和涂层之间或多个涂层之间的粘着的层。颗粒可为单分散颗粒。聚合物颗粒可由至少两组颗粒组成，每组颗粒各自具有单分散核，其中，不同组的颗粒具有不同的直径。可选择至少一个其它层以具有厚度，使得在变换器元件的层的中心频率下其反转声学阻抗。该其它层可放置在至少一个电-声学转导层和排热层之间。排热层可包括至少一个与阵列元件连接的具有集成电子元件的半导体层。超声变换器阵列探头还可包括布置为从所述探头除去热量的以下至少之一：i)空气翅片管冷却，和ii)珀尔贴元件，和iii)流体冷却。所述集成电子元件和所述阵列元件之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种布置为层状结构的超声变换器阵列探头，其包括：‑至少一个变换器阵列元件的层，和‑至少一个以声学安装并且与所述变换器元件的层热接触的其它层，其中‑所述其它层包括颗粒，所述颗粒包括聚合物核，所述聚合物核涂布有至少一个比所述聚合物核更加导热的材料的表面层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.21 GB 1320594.31.一种布置为层状结构的超声变换器阵列探头，其包括：-至少一个变换器阵列元件的层，和-至少一个以声学安装并且与所述变换器元件的层热接触的其它层，其中-所述其它层包括颗粒，所述颗粒包括聚合物核，所述聚合物核涂布有至少一个比所述聚合物核更加导热的材料的表面层。2.根据权利要求1所述的超声变换器阵列探头，其中所述颗粒包含在聚合物基料中。3.根据权利要求1或2所述的超声变换器阵列探头，其中-所述至少一个其它层的总导热率通过选择以下至少之一来确定：i)用于所述颗粒表面层的材料的类型，和ii)所述颗粒表面层的厚度，和iii)所述颗粒聚合物核的尺寸，和/或，其中-所述至少一个其它层的声学性质通过选择以下至少之一来预先决定：i)用于形成所述颗粒聚合物核的材料的类型，和ii)所述颗粒聚合物核的尺寸，和iii)用于形成所述颗粒表面层或多个所述颗粒表面层的一种材料的类型或多种材料的类型，和iv)所述颗粒表面层的厚度。4.根据权利要求2所述的超声变换器阵列探头，其中-所述至少一个其它层的总导热率通过选择以下至少之一来确定：i)用于形成所述聚合物基料的材料的类型，和ii)在所述聚合物基料中的颗粒的填充密度，和/或，其中-所述至少一个其它层的声学性质通过选择以下至少之一来预先决定：i)用于形成所述聚合物基料的材料的类型，和ii)在所述聚合物基料中的颗粒的填充密度。5.根据权利要求1或2所述的超声变换器阵列探头，其中，所述聚合物核包括多孔聚合物材料。6.根据权利要求1或2所述的超声变换器阵列探头，其中，所述至少一个其它层参与使所述阵列的电-声学转移功能成形。7.根据权利要求1所述的超声变换器阵列探头，其中，所述至少一个变换器元件的层包括以下至少之一：i)压电-陶瓷材料，和ii)cmut/pmut技术。8.根据权利要求1-7中任一项所述的超声变换器阵列探头，其中，所述表面层包括导电材料，并且其中，在所述其它层内的所述颗粒的包装密度使得接触颗粒的所述表面层的导电性使得所述其它层导电。9.根据权利要求1所述的超声变换器阵列探头，其中，所述其它层为提供与所述变换器阵列的元件电连接的结构的一部分。10.根据权利要求1-9中任一项所述的超声变换器阵列探头，其中，所述导热材料的表面层包括电绝缘材料。11.根据权利要求10所述的超声变换器阵列探头，其中，所述表面层包括涂布有电绝缘材料的导电材料。12.根据权利要求10所述的超声变换器阵列探头，其中，所述至少一个变换器元件的层基于聚合物和铁电体陶瓷材料的复合材料，并且所述聚合物作为包括聚合物基料的复合材料制备，所述聚合物基料包括据权利要求10所述的颗粒。13.根据权利要求1-12中任一项所述的超声变换器阵列探头，其中，所述导热材料的表面层包括改进所述聚合物颗粒和涂层之间或多个涂层之间的粘着的层。14.根据权利要求1-13中任一项所述的超声变换器阵列探头，其中，所述颗粒为单分散颗粒。15.根据权利要求1-13中任一项所述的超声变换器阵列探头，其中，所述颗粒由至少两组颗粒组成，每组颗粒各自具有单分散核，其中，不同组的颗粒具有不同的直径。16.根据前述权利要求中任一项所述的超声变换器阵列探头，其中，所述至少一个其它层具有在所述变换器元件的层的操作带宽内在某一频率下反转声学阻抗的厚度，并且所述其它层放置在所述至少一个电-声学转导层和排热层之间。17.根据权利要求16所述的超声变换器阵列探头，其中，所述排热层包括至少一个与阵列元件连接的具有集成电子元件的半导体层。18.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：比约恩·A·J·安杰尔森，
申请(专利权)人：海浪科技有限公司，
类型：发明
国别省市：挪威;NO