用于换能器探头的换能器结构及其制作方法技术

本发明专利技术涉及用于换能器探头的换能器结构及其制作方法。一种用于超声探头(50)的构造中的复合陶瓷换能器结构(10)包括基板(16)和多个压电换能器柱(14)。多个压电换能器柱(14)可控制地形成于基板(16)上位于基板(16)的X-Y平面中的多个空间位置处。多个压电柱(14)包括限定于基板(16)的X-Y-Z平面中的多个形状，其中多个压电换能器柱(14)被配置成便于最小化在超声探头(50)内的剪切波。

【技术实现步骤摘要】

本文所述的实施例涉及换能器结构，且更特定而言，涉及对于用于换能器探头的换能器结构的受控的造型和布置的方法和系统。
技术介绍
常常包括压电柱或压电柱阵列的超声探头用于多种应用，包括例如通过超声扫描的结构内部的无损成像。在许多这种成像应用中，期望使用复合材料，复合材料通常由压电材料和非压电材料组成。这些复合材料导致比单片压电材料更好的压电性能。需要尽可能多地减小构成该复合件的个别压电特征的大小，以允许以更高的频率操作，而这又提供在所得到的图像中的増加的分辨率。已知的用于制造压电换能器的切割-填充法在压电换能器中的柱状件大小减小时大体到达分辨率极限。此外，制造探头的已知方法，诸如切割和填充方法，限于在换能器柱之间制作直线切ロ，从而限制了可用的换能器设计空间，例如，换能器柱布置、截面形状的限制和不能制作自由形式的三维换能器特征。以更高频率的已知超声探头的操作部分地通过减小换能器材料的厚度且相对应地减小包括换能器的压电柱的x_y截面面积来实现。此操作导致为了完成换能器的制造，切割时间延长。此外，由于(更薄的)压电柱的増加的断裂可能性，与常规的制造低频换能器的产品产量相比，用于制造高频换能器的切割-填充法的产品产量通常减小。此外，已知的制造方法可产生利用剪切波制成的换能器，这造成一个或多个超声波长在复合结构内行进。剪切波造成对探头的设计约束且造成探头中诸如鸣震(ringing)的声干渉。
技术实现思路
在一方面，提供一种用于在超声探头的构造中使用的复合陶瓷换能器结构。该结构包括基板和多个压电换能器柱。多个压电换能器柱在位于基板的X-Y平面上的多个空间位置处可控制地形成于基板上。多个压电柱包括限定于基板的X-Y-Z平面中的多个形状，其中多个压电换能器柱被配置成便于最小化在超声探头内的剪切波。在另一方面，提供一种用于制造用于超声探头的构造中的陶瓷换能器结构的方法。该方法包括形成基板层并且形成在基板层上的层，其中该层包括换能器材料和光聚合物。该方法还包括使得该层的多个选定区域对可编程的光模式(pattern)曝光，以使得该层的选定区域可控制地固化来便于形成多个压电换能器柱。压电换能器柱包括位于基板的X-Y平面上且具有在基板的X-Y-Z平面中的多种形状的多个空间位置。压电换能器柱被配置成便于最小化剪切波且维持在超声探头内的纵波。在又一方面，提供一种超声探头。探头包括基板和可控制地形成于基板上的多个压电换能器柱。柱形成于基板的X-Y平面上的多个空间位置，且其中多个压电柱包括限定于基板的X-Y-Z平面中的多个形状。多个压电换能器柱被配置成便于最小化剪切波且维持在超声探头内的纵波。探头还包括外接地围绕在基板上的压电换能器柱的填料。电接触件联接到多个压电换能器柱以便于将电能转换为超声能。附图说明图1示出了包括多个换能器柱阵列的示例性换能器结构的局部截面视图。图2为制造用于图1所示结构的换能器柱阵列的示例性方法的流程图。图3a示出了可用于制造用于图1所示结构的换能器柱的示例性浆液系统。图3b示出了图3a所示的衆液系统的另ー过程视图。图4示出了可用于制造图1所示结构的换能器柱的示例性光调制系统。图5a示出了在图4中所示用于制作示例性光模式的光调制系统。图5b示出了图4所示的光调制系统的另ー过程视图。图5c示出了图4所示的光调制系统的另ー过程视图。图5d示出了图4所示的光调制系统的另ー过程视图。图6示出了图1所示的结构的透视图。图7示出了用于图6所示结构的示例性换能器柱的侧视图。图8示出了可用于图6所示的结构的示例性换能器柱的另ー侧视图。图9示出了可用于图6所示结构的换能器柱的示例性阵列的平面图。图10示出了图9所示的换能器柱阵列的透视图。图11示出了利用换能器柱阵列制作的示例性探头的局部侧视图。部件列表 10 结构 12 阵列 14 换能器柱 16 基板 200 方法 18 功能层 202 形成功能层 204 使得多个选定区域曝光 206 使得功能层的选定区域固化 208 移除功能层的未曝光区域 210 使得换能器元件阵列脱脂(debinding) 212 烧结(sinter)换能器元件阵列 20 浆液系统 22 浆液 24 分配器 26 珠滴(bead) 28 刀片 30 调制器系统 32 计算机 34 光调制器 36 光模式 38数字模式 42模式 44模式 46模式 48模式 50探头(50) 52非周期性间距 54近端 56远端 58主体 60均匀配置 62非正交形状 64直径 66高度 68空隙 70六边形 72长度 73侧部 74高度 76非周期性阵列 78换能器元件 79成对的换能器元件84 80直径 81分组 82直径 83间距(在换能器元件84之间) 84换能器元件 85间距(在换能器元件78与换能器元件84之间) 86电极 88侧部 92填料。具体实施例方式图1示出了包括置于基板16上的多个换能器柱14的阵列12的示例性换能器结构10的截面图。图2为可用于制作换能器柱14的阵列12的示例性方法200的流程图。在示例性实施例中，方法200包括在基板16上形成202层18 (在图3中示出)。基板16可包括诸如但不限于下列的材料塑料、玻璃、云母、金属、陶瓷和/或其组合。层18由诸如但不限于下列材料制成超声换能器材料和光可固化的聚合物材料。超声换能器材料可包括一种或多种导电材料、和/或一种或多种压电材料和/或ー种或多种声材料。在示例性实施例中，层18的多个选定区域向可编程的光系统30(在图4中示出)曝光204。接下来，层18的选定区域固化206以形成聚合超声换能器区域且选择性地移除208层18的未曝光区域以形成聚合超声换能器柱14的期望布置。方法200还包括将聚合超声换能器柱14脱脂210以选择性地移除有机聚合物，且然后烧结212聚合超声换能器柱14的布置以得到超声换能器柱14的期望阵列12。图3a示出了可用于制备层18的示例性浆液系统20。图3b示出了图3a所示的浆液系统的另ー过程视图。用于形成薄均匀层的任何合适制造方法可用于形成层18。在示例性实施例中，浆液系统20的分配器24在基板16上沉积浆液22的珠滴26，其中浆液22包括换能器材料和光聚合物材料。可基于结构10的预定特性来控制浆液珠滴26的大小和/或珠滴26形成的速率。在制造期间，刀片28可控制地擦浆液22以便于形成具有期望大小和形状的层18。用于制备层18的其它合适系统(未图示)包括但不限于本领域中已知的刀片技术、刮刀技术和丝网印刷。在示例性实施例中，层18包括压电材料15和光可固化的聚合物材料17。任何合适的压电材料可用于制成层18。例如，压电材料可包括但不限于仅包括锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸锂、钛酸铋、钛酸铅和/或其组合。其它压电材料可包括但不限于仅包括铌镁酸铅、铌锌酸铅、铌镍酸铅、氧化铋钪和/或其组合。在示例性实施例中，压电材料包括锆钛酸铅(PZT)。在另ー实施例中，层18还可包括任何合适的导电材料和光聚合物。例如，合适的导电材料可包括但不限于仅包括钼、钯、钼-钯合金和/或其组合。可与ー种或多种超声换能器材料兼容的任何光可固化的聚合物用于形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超声探头(50)的构造中的复合陶瓷换能器结构(10)，所述结构(10)包括：基板(16)；以及多个压电换能器柱(14)，其在位于所述基板(16)的X?Y平面上的多个空间位置中可控制地形成于所述基板(16)上，所述多个压电柱(14)包括限定于所述基板(16)的X?Y?Z平面中的多个形状，所述多个压电换能器柱(14)被配置成便于最小化在所述超声探头(50)内的剪切波。

【技术特征摘要】
2011.09.22 US 13/240,7541.一种用于超声探头(50)的构造中的复合陶瓷换能器结构(10)，所述结构(10)包括 基板(16);以及 多个压电换能器柱(14)，其在位于所述基板(16)的X-Y平面上的多个空间位置中可控制地形成于所述基板(16)上，所述多个压电柱(14)包括限定于所述基板(16)的X-Y-Z平面中的多个形状，所述多个压电换能器柱(14)被配置成便于最小化在所述超声探头(50)内的剪切波。2.根据权利要求1所述的复合陶瓷换能器结构(10)，其特征在于，每个所述多个压电换能器柱(14)包括光可固化的压电陶瓷材料。3.根据权利要求1所述的复合陶瓷换能器结构(10)，其特征在于，位于所述基板(16)的X-Y平面上的所述多个空间位置包括0-3、3-0、1-3、3-1、3-3和2-2复合结构(10)中的至少一个。4.根据权利要求1所述的复合陶瓷换能器结构(10)，其特征在于，在所述基板(16)的X-Y平面中的所述多个空间位置包括所述多个压电换能器柱(14)的非周期性布置。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：MH克罗恩，P辛格，PA梅耶，骆巍，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：