【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超声换能器、背衬结构和相关方法
[0001]
总体上涉及声能领域，并且更具体地涉及一种超声换能器、相关设备、装置方法和技术。
技术介绍
[0002]压电声学换能器广泛应用于许多行业，具有广泛的应用。例如，压电超声换能器可用于医学应用，例如诊断成像和/或治疗应用。其他应用包括但不限于超声波无损检测以及超声波加工和焊接。压电超声换能器将电能转化为机械能，并将声波与电信号相互转换。
[0003]仍然需要可以缓解或减轻现有技术中的问题的技术、装置、设备和方法。
技术实现思路
[0004]根据一个方面，提供了一种超声换能器，包括：
[0005]压电材料，压电材料具有前表面和背表面，压电材料被配置成与样本声学通信；
[0006]背衬结构，背衬结构位于压电材料的背表面处，并被配置成向压电材料的前表面反射声能，背衬结构是导热和导电的，背衬结构包括：
[0007]第一双层去匹配背衬，第一双层去匹配背衬包括：
[0008]第一石墨层；和
[0009]由钨制成的层，所述由钨制成的层与第一石墨层接触；
[0010]第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬与第一双层去匹配背衬接触，第二双层去匹配背衬包括：
[0011]第二石墨层；和
[0012]铜层，所述铜层与第二石墨层接触；
[0013]散热器，所述散热器与背衬结构热接触；和
[0014]一个或多个电极，所述一个或多个电极与压电材料电通信。
[0015]在一些实施例中，散...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种超声换能器，包括：压电材料，所述压电材料具有前表面和背表面，所述压电材料被配置成与样本声学通信；背衬结构，所述背衬结构位于所述压电材料的背表面处，并被配置成向所述压电材料的前表面反射声能，所述背衬结构是导热和导电的，所述背衬结构包括：第一双层去匹配背衬，所述第一双层去匹配背衬包括：第一石墨层；和由钨制成的层，所述由钨制成的层与所述第一石墨层接触；第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬与所述第一双层去匹配背衬接触，所述第二双层去匹配背衬包括：第二石墨层；和铜层，所述铜层与所述第二石墨层接触；散热器，所述散热器与所述背衬结构热接触；和一个或多个电极，所述一个或多个电极与所述压电材料电通信。2.根据权利要求1所述超声换能器，其中，所述散热器包括至少一个沟道，所述沟道构造成在所述沟道中接收和循环热传递流体。3.根据权利要求2所述的超声换能器，其中，所述热传递流体是液体。4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声换能器，其中，所述散热器与所述背衬结构电绝缘。5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器能够在工作频率下工作，所述工作频率与工作波长(λ
o
)相关；和所述第一石墨层、与所述第一石墨层接触的所述由钨制成的层、所述第二石墨层和所述铜层各自具有约为λ
o
/4厚或λ
o
/4的奇数倍的对应厚度。6.根据权利要求5所述的超声换能器，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下半波谐振。7.根据权利要求5所述的超声换能器，还包括单个去匹配层，所述单个去匹配层位于所述压电材料和所述背衬结构之间，所述单个去匹配层与所述压电材料和所述背衬结构声学通信，所述单个去匹配层具有相对高于所述压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，所述压电材料被配置为在所述工作频率下四分之一波谐振。8.根据权利要求7所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有谐振频率，所述谐振频率与谐振波长λ
r
相关，所述单个去匹配层相对于所述压电材料的谐振频率具有小于2λ
r
/5厚的厚度。9.根据权利要求8所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层具有在约λ
r
/10至约λ
r
/20的范围内的厚度。10.根据权利要求7至9中任一项所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层由钨制成。11.根据权利要求1至10中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有声学特性，所述声学特性包括约27.5MR的声阻抗。12.根据权利要求1至11中任一项所述的超声换能器，其中，所述第一石墨层具有约
5.1MR的声阻抗。13.根据权利要求1至12中任一项所述的超声换能器，其中，所述第一石墨层具有的厚度包括在从约1.5mm到约1.6mm的范围内。14.根据权利要求1至13中任一项所述的超声换能器，其中，所述由钨制成的层具有约100MR的声阻抗。15.根据权利要求1至14中任一项所述的超声换能器，其中，所述由钨制成的层具有的厚度包括在从约2.6mm到约2.7mm的范围内。16.根据权利要求1至15中任一项所述的超声换能器，其中，所述第二石墨层具有约5.1MR的声阻抗。17.根据权利要求1至16中任一项所述的超声换能器，其中，所述第二石墨层具有的厚度包括在从约1.5mm到约1.6mm的范围内。18.根据权利要求1至17中任一项所述的超声换能器，其中，所述铜层具有约41.5MR的声阻抗。19.根据权利要求1至18中任一项所述的超声换能器，其中，所述铜层具有的厚度包括在从约2.5mm到约2.6mm的范围内。20.根据权利要求1至19中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为极化复合压电盘。21.根据权利要求20所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘为13配置。22.根据权利要求1至19中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为PZT4，所述压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，所述切口以约1200μm的间距切割。23.根据权利要求22所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有的厚度包括在从约2.35mm到约2.45mm的范围内。24.根据权利要求22或23所述的超声换能器，其中，所述切口填充有复合填料，所述复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。25.根据权利要求24所述的超声换能器，其中，所述复合填料为0 3配置。26.根据权利要求24或25所述的超声换能器，其中，所述环氧树脂是Epo
‑
301。27.根据权利要求1至19中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料由压电层组成。28.根据权利要求1至27中任一项所述的超声换能器，还包括与所述背衬结构接触的导热结构。29.根据权利要求28所述的超声换能器，其中，所述导热结构与所述背衬结构电绝缘。30.根据权利要求28或29所述的超声换能器，其中，所述导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。31.根据权利要求28至30中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构在所述背衬结构的横向部分上延伸。32.根据权利要求28至31中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构包括至少一个穿过所述导热结构的导电通孔。33.根据权利要求1至32中任一项所述的超声换能器，还包括控制单元，所述控制单元
电连接到所述压电材料、所述背衬结构和所述一个或多个电极中的至少一个。34.根据权利要求1至33中任一项所述的超声换能器，其中，所述一个或多个电极通过所述背衬结构电连接到所述压电材料。35.根据权利要求1至34中任一项所述的超声换能器，还包括耐磨层，所述耐磨层具有耐磨性能。36.根据权利要求35所述的超声换能器，其中，所述耐磨层由钛制成。37.根据权利要求1至36中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有约为50mm的直径。38.根据权利要求1至37中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成同相地反射声能。39.根据权利要求1至38中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成在空间和时间上分散所述背衬结构中的不需要的声学混响。40.一种超声换能器，包括：压电材料，所述压电材料具有前表面和背表面，所述压电材料被配置成与样本声学通信；和背衬结构，所述背衬结构位于所述压电材料的所述背表面处，并被配置成向所述压电材料的前表面反射声能，所述背衬结构包括：第一双层去匹配背衬，所述第一双层去匹配背衬包括第一低声阻抗层和第一高声阻抗层；和第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬连接到所述第一双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。41.根据权利要求40所述的超声换能器，还包括散热器和导热层中的至少一个，所述散热器与所述背衬结构热接触，所述导热层与所述压电材料声学匹配。42.根据权利要求40或41所述的超声换能器，还包括一个或多个电极，所述一个或多个电极与所述压电材料电通信。43.根据权利要求40至42中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构是导热和导电的。44.根据权利要求40至43中任一项所述的超声换能器，还包括预组装电路，所述预组装电路与所述背衬结构的顶部电通信，使得所述预组装电路与所述压电材料电通信。45.根据权利要求44所述的超声换能器，其中，所述预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。46.根据权利要求41所述的超声换能器，其中，所述散热器包括至少一个沟道，所述沟道构造成在所述沟道中接收和循环热传递流体。47.根据权利要求46所述的超声换能器，其中，所述热传递流体是液体。48.根据权利要求46或47所述的超声换能器，其中，所述散热器与所述背衬结构电绝缘。49.根据权利要求40至48中任一项所述的超声换能器，其中：所述超声换能器能够在工作频率下工作，所述工作频率与工作波长(λ
o
)相关；和所述第一低声阻抗层、所述第一高声阻抗层、所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻
抗层各自具有约为λ
o
/4厚或λ
o
/4的奇数倍的对应厚度。50.根据权利要求49的所述的超声换能器，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下半波谐振。51.根据权利要求49所述的超声换能器，还包括单个去匹配层，所述单个去匹配层位于所述压电材料和所述背衬结构之间，所述单个去匹配层与所述压电材料和所述背衬结构声学通信，所述单个去匹配层具有相对高于所述压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下四分之一波谐振。52.根据权利要求51所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有谐振频率，所述谐振频率与谐振波长λ
r
相关，所述单个去匹配层相对于所述压电材料的谐振频率具有小于2λ
r
/5厚的厚度。53.根据权利要求52所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层具有在约λ
r
/10至约λ
r
/20的范围内的厚度。54.根据权利要求51至53中任一项所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层由钨制成。55.根据权利要求40至54中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有声学特性，所述声学特性包括约27.5MR的声阻抗。56.根据权利要求40至55中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为极化复合压电盘。57.根据权利要求56所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘具有约2.4mm的厚度。58.根据权利要求56或57所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘为1 3配置。59.根据权利要求40至55中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为PZT4的复合材料，所述压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，所述切口以约1200μm的间距切割。60.根据权利要求59所述的超声换能器，其中，所述切口填充有复合填料，所述复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。61.根据权利要求60所述的超声换能器，其中，所述复合填料为0 3配置。62.根据权利要求60或61所述的超声换能器，其中，所述环氧树脂是Epo
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301。63.根据权利要求40至55中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料由压电层组成。64.根据权利要求40至63中任一项的所述的超声换能器，还包括与所述背衬结构接触的导热结构。65.根据权利要求64所述的超声换能器，其中，所述导热结构与所述背衬结构电绝缘。66.根据权利要求64或65所述的超声换能器，其中，所述导热结构是由AlN制成的层或由氧化铍制成的层。67.根据权利要求64至66中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构在所述背衬结构的横向部分上延伸。68.根据权利要求64至67中任一项所述的超声换能器，其中，所述导热结构包括至少一个穿过所述导热结构的导电通孔。
69.根据权利要求40至68中任一项所述的超声换能器，还包括控制单元，所述控制单元电连接到所述压电材料和所述背衬结构中的至少一个。70.根据权利要求42所述的超声换能器，其中，所述一个或多个电极通过所述背衬结构电连接到所述压电材料。71.根据权利要求40至70中任一项所述的超声换能器，还包括耐磨层，所述耐磨层具有耐磨性能。72.根据权利要求71所述的超声换能器，其中，所述耐磨层由钛制成。73.根据权利要求40至72中任一项所述的超声换能器，其中，所述超声换能器具有约为50mm的直径。74.根据权利要求40至73中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成同相地反射声能。75.根据权利要求40至74中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构还被配置成在空间和时间上分散所述背衬结构中的不需要的声学混响。76.一种超声换能器，具有样本接触部和背部，所述背部与所述样本接触部相对，所述超声换能器包括：被配置成与样本声学通信的材料；和背衬结构，所述背衬结构与压电材料声学通信，所述背衬结构被配置成朝向所述样本接触部并且远离所述超声换能器的背部反射声能，所述背衬结构包括：低声阻抗层；和高声阻抗层。77.根据权利要求76所述的超声换能器，其中，所述低声阻抗层和所述高声阻抗层形成第一双层去匹配背衬，所述超声换能器还包括第二双层去匹配背衬，所述第二双层去匹配背衬包括第二低声阻抗层和第二高声阻抗层。78.根据权利要求76或77所述的超声换能器，还包括散热器，所述散热器与所述背衬结构热接触。79.根据权利要求76至78中任一项所述的超声换能器，还包括一个或多个电极，所述一个或多个电极与所述压电材料电通信。80.根据权利要求76至79中任一项所述的超声换能器，其中，所述背衬结构是导热和导电的。81.根据权利要求76至80中任一项所述的超声换能器，还包括预组装电路，所述预组装电路与所述背衬结构的顶部电通信，使得所述预组装电路与所述压电材料电通信。82.根据权利要求81所述的超声换能器，其中，所述预组装电路包括印刷电路板、内插器、集成电路和专用集成电路中的至少一个。83.根据权利要求78所述的超声换能器，其中，所述散热器包括至少一个沟道，所述沟道构造成在所述沟道中接收和循环热传递流体。84.根据权利要求83所述的超声换能器，其中，所述热传递流体是液体。85.根据权利要求83或84所述的超声换能器，其中，所述散热器与所述背衬结构电绝缘。86.根据权利要求77所述的超声换能器，其中，
所述超声换能器能够在工作频率下工作，所述工作频率与工作波长(λ
o
)相关；和所述低声阻抗层、所述高声阻抗层、所述第二低声阻抗层和所述第二高声阻抗层各自具有约为λ
o
/4厚或λ
o
/4的奇数倍的对应厚度。87.根据权利要求86所述的超声换能器，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下半波谐振。88.根据权利要求86所述的超声换能器，还包括单个去匹配层，所述单个去匹配层位于所述压电材料和所述背衬结构之间，所述单个去匹配层与所述压电材料和所述背衬结构声学通信，所述单个去匹配层具有相对高于所述压电材料的声阻抗的相应的声阻抗，其中，所述压电材料被配置成在所述工作频率下四分之一波谐振。89.根据权利要求88所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有谐振频率，所述谐振频率与谐振波长λ
r
相关，所述单个去匹配层相对于压电材料的谐振频率具有小于2λ
r
/5厚的厚度。90.根据权利要求89所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层具有在约λ
r
/10至约λ
r
/20的范围内的厚度。91.根据权利要求88至90中任一项所述的超声换能器，其中，所述单个去匹配层由钨制成。92.根据权利要求76至91中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料具有声学特性，所述声学特性包括约27.5MR的声阻抗。93.根据权利要求76至92中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为极化复合压电盘。94.根据权利要求93所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘具有约2.4mm的厚度。95.根据权利要求92或93所述的超声换能器，其中，所述极化复合压电盘为1 3配置。96.根据权利要求76至92中任一项所述的超声换能器，其中，所述压电材料为PZT4的复合材料，所述压电材料包括由200μm的切口隔开的1000μm乘1000μm的柱，所述切口以约1200μm的间距切割。97.根据权利要求96所述的超声换能器，其中，所述切口填充有复合填料，所述复合填料包括掺杂到环氧树脂中的二氧化铪颗粒。98.根据权利要求97所述的超声换能器，其中，所述复合填料为0 3配置。99.根据权利要求96或97所述...
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