用于超声阵列的声学透镜制造技术

提供了一种适用于CMUT阵列(74)的声学透镜。所述声学透镜包括：第一层(47)，其包括热固性弹性体，所述热固性弹性体具有选自烃的聚合物材料，其中，所述第一层具有被布置为面向阵列的内表面(72)以及被布置为与所述内表面相对的凸形外表面(40)；以及第二层(42)，其被耦合到所述第一层的外表面并且包括热塑性聚合物聚甲基戊烯和复合于其中的选自聚烯烃族(POE)的弹性体，其中，所述外部层定位于所述声学窗口层外表面，其中，所述第一层具有第一声波速度(v1)并且所述第二层具有第二声波速度(v2)，所述第二速度大于所述第一声波速度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于超声阵列的声学透镜
本专利技术涉及用于电容式微机械换能器的超声阵列的声学透镜。本专利技术还涉及包括这样的声学透镜的超声探头。
技术介绍
半导体技术的最新进展带来电容式微机械超声换能器(CMUT)的发展。这些换能器被认为是代替常规的基于压电的超声换能器(PZT)的潜在的候选。CMUT换能器单元包括具有可移动机械部分(也被称为膜)的腔体和由所述腔体所分离的一对电极。在接收超声波时，超声波使膜移动或振动并且改变电极之间的电容，其可以被检测到。由此，超声波被转换为对应的电信号。相反地，应用到电极的电信号令膜移动或振动，从而发射超声波。CMUT的优点在于，其可以使用半导体制作工艺制造，并且因此可以更容易与专用集成电路(ASIC)集成；CMUT换能器提供低成本的、扩展的频率范围和超过传统PZT的更精细的声频率。固有地根据基于PZT的技术，具有CMUT的大多数常用的超声阵列具有选自用于基于PZT的换能器的材料(诸如硅橡胶，例如RTV)的声学窗口或透镜材料。US4880012公开了一种适用于基于压电(PZT)的阵列的复合声学透镜。US4880012的声学透镜包括接合到与PZT阵列接触的声匹配层的上表面的第一层和结合到所结合到上述第一层的上表面的第二声学透镜层。通过提供与第一层相比具有较高衰减的第二声学透镜层，该声学透镜会聚由阵列生成的超声波，使得在界面处波在任何坐标处都具有恒定的损失。US4880012的声学透镜的第一层由不含填料的硅橡胶制成并且示出约1000m/s的声速。所述第二声学透镜层由含有填料(例如氧化铝)的硅橡胶制成以增加其超声衰减系数。然而，电声转换的CMUT过程不同于PZT机制，其中，CMUT膜与被用于透镜的声学材料之间的相互作用会降低换能器的声学性能。己经发现，传统的填充硅橡胶(也称为室温固化橡胶或RTV)声学透镜材料，其易于塑形就位并通过模制成形成所需形状，而被使得与CMUT阵列接触，除了正常的频率相关的衰减之外，还引入CMUT阵列中的额外的声学损失。该损耗表现在2dB的衰减增加和高达4MHz的中心频率的下移。存在这样的需要：提供一种适于基于声波传输的基于CMUT的超声阵列的经改进的声学透镜，其中，所述CMUT单元适于在以下两者中操作：常规和塌陷操作模式。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于包括电容式微机械换能器的超声阵列的声学透镜，所述声学透镜提供声波传播与该层的化学和机械稳定性的组合的改进。该目的根据本专利技术通过提供一种声学透镜来实现，所述声学透镜包括：第一层，其包括热固性弹性体，所述热固性弹性体具有选自烃族的聚合物材料，其中，所述第一层具有被布置为面向所述阵列的内表面和被布置为与所述内表面相对的凸形外表面；以及第二层，其被耦合到所述第一层的外表面并且包括热塑性聚合物聚甲基戊烯和复合于其中的选自聚烯烃族(POE)的弹性体用于所述第二层的声阻抗调节，其中，所述第一层具有第一声波速度(v1)并且所述第二层具有第二声波速度(v2)，所述第二速度大于所述第一声波速度。本专利技术的声学透镜有利地组合了适于提供适用于CMUT阵列的声波会聚透镜的两种材料的使用。热固性弹性体的第一层具有选自烃族的聚合物材料。对于适用于医学超声的宽范围的声波频率，例如在2MHz与25MHz之间，放置在靠近CMUT阵列的该层展示出对于穿过其中的声能的每毫米声损失小于2dB。具有选自碳氢化合物的聚合物材料的热固性弹性体层具有等于或小于0.95g/cm3的密度和等于或大于1.45MRayl的声阻抗。当被放置为与CMUT单元膜直接接触时，所述第一层提供声学窗层到CMUT单元膜的改进的声学耦合。因此，不要求所述声学窗口与所述CMUT阵列之间的额外耦合介质。包括热塑性聚合物(例如聚甲基戊烯)的第二层提供声学透镜的机械和化学稳定性。包括热固性弹性体的第一层具有第一声波速度(v1)，并且包括热塑性聚合物的第二层具有大于所述第一声波速度的第二声波速度(v2)。该波速度差与第一层的外表面的凸形形状的组合提供了由CMUT阵列生成的声波在声学透镜的焦点处的会聚。若有一种包括具有尽可能低的声波衰减的层的声学透镜是有益的。用作声学透镜第二层的聚甲基戊烯(TPX)材料是示出热塑性聚烯烃中最低的纵向声波衰减的一种。对于在医学超声中适用的宽范围的声波频率，例如2至10MHz，其展示了对于穿过其中的声能的每毫米声损耗小于3.5dB。聚甲基戊烯适用于与聚烯烃弹性体复合，其对于纵向声波和剪切波都具有更高的衰减。将聚烯烃弹性体引入与聚甲基戊烯的复合物中会改变复合物的密度。由于材料的声学阻抗与该材料的密度成比例，所以第二层的平均阻抗可以用其中的复合的弹性体进行调整。聚甲基戊烯为复合物提供机械、化学稳定性并且具有低的声波衰减；而聚烯烃弹性体提供调整复合物的声学阻抗并进一步改善其声波传播特性的可能性。如果第二层表现出较低的声衰减和较低的声阻抗，其可能更接近地匹配到身体、人体组织(约1.6MRayl)。另外，包括复合物的聚烯烃性质的第二层提供低的水渗透水平。包括这种复合物的第二层抵抗消毒剂(针对典型的医学超声设备使用的)；并具有良好的机械保护性能，如耐冲击性和耐磨性，并且是生物相容的。聚甲基戊烯和聚烯烃弹性体的混合物还提供增加的剪切波衰减，其有利地减少换能器元件之间的串扰。因此，这样第二层的应用可以在超声成像期间示出图像伪影的减少。在本专利技术的另一个实施例中，所述弹性体包括聚丁二烯。若有一种包括具有尽可能低的声波衰减的层的声学透镜是有益的。聚丁二烯是表现出对传播声能的最低衰减效果的材料中的一种。聚丁二烯材料还针对所述传播声学信号提供3dB点处的大约140％的大带宽。这种材料与CMUT阵列的声学耦合提供了CMUT的振动(移动)部分的机械性能的最佳保持，并导致最佳的声能传播。在另一个实施例中，包括聚丁二烯的第一层还包括嵌入其中的用于第一层的声阻抗调节的颗粒。嵌入颗粒引入到聚合物材料颗粒中提供了增加第一层的总声阻抗的可能性。这允许将第一层的阻抗调谐为更接近第二层的声学层阻抗。由于聚丁二烯展示这样的低声能损耗(衰减)的事实，因而由嵌入的颗粒引起的可能额外声学损耗可以足够低以便影响通过所述声学窗口层的所述声波传播的质量。当声学透镜的第一层包括具有嵌入的绝缘颗粒的聚丁二烯时，提供了声学窗口层到CMUT单元的膜的直接声耦合。因此，不要求所述声学窗口与所述CMUT阵列之间的额外耦合介质。另外，由于聚合物层材料的相对低的密度和相对高的声阻抗，与例如硅橡胶相比，为了进一步的声学阻抗调节，可能需要添加颗粒的相对较小的重量百分比，使得最大声学透镜的阻抗不超过对应于超声处理的组织的声阻抗的约1.6MRayl的值。在另一个实施例中，第二层的弹性体是包括共聚物链的热塑性弹性体。该实施例的外部声学层将是具有热塑性特性的复合物。热塑性聚烯烃弹性体(TPE)的示例可以是乙烯与另一种α-烯烃(例如辛烷或丁烷)的共聚物。在本专利技术的另一个实施方案中，基于第一层的总重量的颗粒的重量百分比与基于第二层的总重量的弹性体的重量百分比相关，使得第一层的声阻抗基本上与第二层的声阻抗相同。该实施例允许第一层和第二层的声阻抗的相对调谐，同时保持第二波速大于第一波速。可以选择第一层和聚烯烃弹性体中的颗粒的百分比，使得两层的声阻抗匹配本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电容式微机械换能器(CMUT)(74)的超声阵列的声学透镜，包括：‑第一层(1)，其包括热固性弹性体，所述热固性弹性体具有选自烃族的聚合物材料，其中，所述第一层具有被布置为面向阵列的内表面以及被布置为与所述内表面相对的凸形外表面；以及‑第二层(2)，其被耦合到所述第一层的所述外表面并且包括热塑性聚合物聚甲基戊烯和复合于其中的选自聚烯烃族(POE)的弹性体，其中，所述第一层具有第一声波速度并且所述第二层具有第二声波速度，所述第二波速大于所述第一波速。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.18 EP 15200991.61.一种用于电容式微机械换能器(CMUT)(74)的超声阵列的声学透镜，包括：-第一层(1)，其包括热固性弹性体，所述热固性弹性体具有选自烃族的聚合物材料，其中，所述第一层具有被布置为面向阵列的内表面以及被布置为与所述内表面相对的凸形外表面；以及-第二层(2)，其被耦合到所述第一层的所述外表面并且包括热塑性聚合物聚甲基戊烯和复合于其中的选自聚烯烃族(POE)的弹性体，其中，所述第一层具有第一声波速度并且所述第二层具有第二声波速度，所述第二波速大于所述第一波速。2.根据权利要求1所述的声学透镜，其中，所述热固性弹性体包括聚丁二烯。3.根据权利要求1或2所述的声学透镜，其中，所选择的弹性体是热塑性弹性体(TPE)。4.根据权利要求2所述的声学透镜，其中，包括聚丁二烯的所述第一层还包括嵌入于其中的用于所述第一层的声阻抗调节的颗粒。5.根据权利要求4所述的声学透镜，其中，基于所述第一层的总重量的所述颗粒的重量百分比与基于所述第二层的总重量的所述弹性体的重量百分比相关，使得所述第一层的声阻抗与所述第二层的声阻抗基本相同。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·迪克森，S·舒列波夫，F·J·G·哈肯斯，P·H·M·蒂默曼斯，L·J·A·M·贝克尔斯，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL