DE102008014120A1

DE102008014120A1 - Ultrasonic transducer with acoustic adaptation layer for high ultrasonic frequencies and method for the production of the adaptation layer

Info

Publication number: DE102008014120A1
Application number: DE200810014120
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Tiefensee; Carsten Dr. Becker-Willinger; Gisela Dr. Heppe; Petra Dr. Herbeck-Engel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-09-24
Also published as: WO2009112025A3; WO2009112025A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem Wandlerkörper, auf dem eine akustische Anpassungsschicht aufgebracht ist. Die Anpassungsschicht ist aus einer polymeren Matrix mit darin eingebetteten nanoskaligen Partikeln gebildet, die aus einem Material aus wenigstens einem Metall und/oder Metalloxid oder Mischoxid, Metallcarbid, Metallchalkogenid oder Metallsulfat mit einer Dichte von mindestens >= 4 g/cm3 bestehen. Der Einsatz nanoskaliger Partikel hoher Dichte für die Herstellung der Anpassungsschicht ermöglicht sehr dünne Anpassungsschichten ohne die Gefahr starker Dämpfung.The present invention relates to an ultrasonic transducer with a transducer body on which an acoustic matching layer is applied. The matching layer is formed of a polymeric matrix with nanoscale particles embedded therein, which are made of a material of at least one metal and / or metal oxide or mixed oxide, metal carbide, metal chalcogenide or metal sulfate with a density of at least> = 4 g / cm 3. The use of nano-sized particles of high density for the production of the adaptation layer allows very thin adaptation layers without the risk of strong damping.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit einem Wandlerkörper, auf dem eine akustische Anpassungsschicht aufgebracht ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anpassungsschicht.The The present invention relates to an ultrasonic transducer with a Transducer body, on which an acoustic matching layer is applied, as well a method of making the matching layer.

Ultraschallwandler werden seit langem vor allem für bildgebende und messtechnische Anwendungen eingesetzt. Die Entwicklung des diagnostischen Ultraschalls in der Medizin verlangt seit einigen Jahren die Erschließung immer höherer Frequenzbereiche. Während die bereits gut etablierte Ultraschall-Technik in einem Frequenzbereich von typischerweise 5 MHz bis 10 MHz arbeitet, erfasst die aktuelle Entwicklung den Frequenzraum von bis zu 100 MHz. Die Erhöhung des Frequenzbereiches führt zu einer Verbesserung der räumlichen Auflösung. In der Ophthalmologie, der Dermatologie und in der Gefäßwanddiagnostik verspricht man sich durch Anwendung von hochfrequentem Ultraschall eine deutliche Verbesserung der Diagnostik durch die Sichtbarmachung kleiner anatomischer Strukturen.ultrasound transducer have been for a long time especially for imaging and metrological applications. The development diagnostic ultrasound in medicine has been demanding for some Years of development always higher Frequency ranges. While the already well established ultrasound technique in one frequency range typically 5MHz to 10MHz, captures the current one Develop the frequency space of up to 100 MHz. The increase of Frequency range leads to improve the spatial Resolution. In ophthalmology, dermatology and vascular wall diagnostics one promises oneself by application of high-frequency ultrasound one Significant improvement of the diagnosis by the visualization small anatomical structures.

Ein besonderes Problem bei der Anwendung von Ultraschall stellt die Einkopplung des Ultraschalls in das jeweilige Medium dar, in dem sich der Ultraschall ausbreiten soll. In Analogie zur Elektrizität kann jedem Material, das Schall leitete, eine akustische Impedanz Z zugeordnet werden. Diese Größe ist als das Produkt aus der Schallgeschwindigkeit v im Medium und der Dichte ρ des Mediums definiert: Z = ρ·v, wobei Z die akustische Impedanz, ρ die Dichte und v die Schallgeschwindigkeit bezeichnen. So weist beispielsweise Wasser bei 20°C eine Schallgeschwindigkeit von ca. 1500 m/s und eine Dichte von 1000 kg/m³ und somit eine akustische Impedanz von ca. 1,5 MRayl (Rayl: physikalische Einheit für die akustische Impedanz) auf. Aufgrund der unterschiedlichen akustischen Impedanzen unterschiedlicher Materialien treten beim Übergang von Ultraschall von einem in das andere Material Reflexionen an der Grenzfläche zwischen beiden Materialien auf. Für den Reflexionskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit den akustischen Impedanzen Z₁ und Z₂ gilt: R = (Z2 – Z1)2/(Z2 + Z1)2. A particular problem with the use of ultrasound is the coupling of the ultrasound into the respective medium in which the ultrasound is to propagate. By analogy with electricity, any material that conducts sound can be assigned an acoustic impedance Z. This quantity is defined as the product of the velocity of sound v in the medium and the density ρ of the medium: Z = ρ · v, where Z denotes the acoustic impedance, ρ the density and v the speed of sound. For example, water at 20 ° C has a sound velocity of about 1500 m / s and a density of 1000 kg / m ³ and thus an acoustic impedance of about 1.5 MRayl (Rayl: physical unit for the acoustic impedance). Due to the different acoustic impedances of different materials, the transition of ultrasound from one to the other material produces reflections at the interface between the two materials. For the reflection coefficient at the interface between two media with the acoustic impedances Z ₁ and Z ₂ : R = (Z 2 - Z 1 ) 2 / (Z 2 + Z 1 ) 2 ,

Je stärker sich die akustischen Impedanzen der beiden Medien unterscheiden, desto höher sind die Reflexionsverluste beim Durchtritt von Ultraschall durch die Grenzfläche.ever stronger the acoustic impedances of the two media are different, the higher are the reflection losses due to the passage of ultrasound through the interface.

Als Schwingungserzeuger in Ultraschallsystemen dienen heutzutage fast ausschließlich piezoelektrische Keramiken, sogenannte PZT-Keramiken, die über angebrachte Elektroden in eine Schwingung, in der Regel eine Dickenschwingung, im Frequenzbereich des Ultraschalls versetzt werden. PZT-Keramiken haben eine mittlere akustische Impedanz von 30 MRayl. Wird also Ultraschall direkt von der PZT-Keramik in Wasser eingekoppelt, so errechnet sich mit der obigen Gleichung ein Reflexionskoeffizient von 0,82. 82% der Energie des erzeugten Ultraschalls werden somit an der Grenzfläche zu Wasser in die Keramik zurückreflektiert.When Vibration generators in ultrasound systems are almost used nowadays exclusively Piezoelectric ceramics, so-called PZT ceramics, which are mounted over Electrodes in a vibration, usually a thickness vibration, be offset in the frequency range of the ultrasound. PZT ceramics have a mean acoustic impedance of 30 MRayl. Will be so Ultrasound coupled directly from the PZT ceramic in water, so is calculated with the above equation, a reflection coefficient from 0.82. 82% of the energy of the generated ultrasound thus become at the interface reflected back to the ceramic in water.

Die Effizienz der Einkopplung wird durch so genannte Anpassungsschichten erhöht, die auf den Schwingungserzeuger aufgebracht werden. Die akustische Impedanz einer Anpassungsschicht Z_AS verringert die Einkopplungsverluste optimal, wenn sie dem geometrischen Mittel der akustischen Impedanz des Mediums, aus dem der Schall kommt, und der akustischen Impedanz des Mediums entspricht, in das der Schall eingekoppelt werden soll. Für die akustische Impedanz einer derartigen Anpassungsschicht gilt damit: ZAS = √(Z1·Z2). The efficiency of the coupling is increased by so-called matching layers, which are applied to the vibrator. The acoustic impedance of a matching layer Z _AS optimally reduces the coupling losses when it corresponds to the geometric mean of the acoustic impedance of the medium from which the sound comes and the acoustic impedance of the medium into which the sound is to be coupled. For the acoustic impedance of such an adaptation layer, the following applies: Z AS = √ (z 1 · Z 2 ).

Eine Anpassungsschicht, die zu einer Verringerung der Einkopplungsverluste von Ultraschallenergie einer piezoelektrischen Keramik in Wasser beiträgt, müsste also eine akustische Impedanz von ca. 6,8 MRayl aufweisen. Neben einem geeigneten Wert der akustischen Impedanz muss die Anpassungsschicht auch eine spezielle Dicke d von λ/4 aufweisen, damit sie in Analogie zur Optik als λ/4-Schicht wirkt. Die Größe λ beschreibt die Wellenlänge des Ultraschalls in der Anpassungsschicht.A Adaptation layer, resulting in a reduction of coupling losses of ultrasonic energy of a piezoelectric ceramic in water contributes should So have an acoustic impedance of about 6.8 MRayl. Next a suitable value of the acoustic impedance must be the matching layer also a specific thickness d of λ / 4 so that it acts in analogy to the optics as λ / 4-layer. The size λ describes the wavelength of the ultrasound in the matching layer.

Stand der TechnikState of the art

Akustische Anpassungsschichten für Ultraschall im typischen Frequenzbereich von 5 MHz bis 10 MHz werden bisher in der Regel durch Einbringen von mikroskaligem Keramik-Pulver in Polymere hergestellt. Das Keramikpulver wird in das noch flüssige Polymer eingerührt, das dann ausgehärtet wird. Die akustische Impedanz wird dabei durch Variation des Gehaltes an Keramikpulver eingestellt. Die Herstellung einer geeigneten λ/4-Dicke der Anpassungsschicht stellt in diesem Frequenzbereich kein Problem dar.acoustic Adaptation layers for Ultrasound in the typical frequency range from 5 MHz to 10 MHz will be previously usually by introducing microscale ceramic powder made in polymers. The ceramic powder is in the still liquid polymer stirred, then cured becomes. The acoustic impedance is thereby by varying the content adjusted to ceramic powder. The production of a suitable λ / 4 thickness the matching layer poses no problem in this frequency range represents.

Durch den zunehmenden Bedarf an Ultraschallwandlern für den Frequenzbereich von bis zu 100 MHz oder darüber müssen jedoch die akustischen Anpassungsschichten zur Erfüllung der λ/4-Bedingung zunehmend dünner ausgeführt werden. So hat eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz 100 MHz in einem ausgehärteten Epoxidharz eine Wellenlänge von ca. 25 μm, die eine Dicke der Anpassungsschicht von nur ca. 6 μm erfordert. Derartig dünne Schichten lassen sich mit der obigen Technik zur Herstellung der Anpassungsschichten nicht mehr erzeugen, da das eingesetzte Aluminiumoxid-Pulver Korngrößen in der gleichen Größenordnung aufweist. Körner dieser Größe stellen jedoch für den hochfrequenten Ultraschall riesige Streuer dar, so dass der Ultraschall in einer derartigen Anpassungsschicht durch Streuung vollständig gedämpft werden würde. Die Anpassungsschichten für hohe Ultraschallfrequenzen erfordern daher den Einsatz neuer Materialien.However, due to the increasing demand for ultrasonic transducers for the frequency range of up to 100 MHz or above, the acoustic matching layers must be made increasingly thinner to satisfy the λ / 4 condition. Thus, an ultrasonic wave having a frequency of 100 MHz in a cured epoxy resin has a wavelength of about 25 μm, which requires a thickness of the matching layer of only about 6 μm. Such Thin layers can no longer be produced with the above technique for making the matching layers, since the alumina powder used has grain sizes of the same order of magnitude. Grains of this size, however, are huge scatterers for high frequency ultrasound, so that the ultrasound in such a matching layer would be completely attenuated by scattering. The high ultrasonic frequency matching layers therefore require the use of new materials.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallwandler mit einem Wandlerkörper und einer akustischen Anpassungsschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung der Anpassungsschicht bereitzustellen, bei denen die Anpassungsschicht auch für eine Reduktion von Einkoppelverlusten bei höheren Ultraschallfrequenzen von bis zu 100 MHz oder darüber ausgebildet werden kann.The The object of the present invention is an ultrasonic transducer with a transducer body and an acoustic matching layer, and a method for To provide the adaptation layer in which the Adaptation layer also for a reduction of coupling losses at higher ultrasonic frequencies of up to 100 MHz or above can be trained.

Die Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder können der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnommen werden.The Task is with the ultrasonic transducer and the method according to claims 1 and 9 solved. Advantageous embodiments of the ultrasonic transducer and the method are the subject of the dependent claims or can the following description and the embodiment are taken.

Der vorgeschlagene Ultraschallwandler weist in bekannter Weise einen Wandlerkörper auf, auf dem eine akustische Anpassungsschicht aufgebracht ist. Bei dem Wandlerkörper kann es sich beispielsweise um eine Scheibe aus einem piezokeramischen Material handeln, das über beidseitig angebrachte Elektroden zu Ultraschallschwingungen angeregt werden kann. Als Wandlerkörper ist aber auch jedes andere piezoelektrische Material als Scheibe oder dünne Schicht, als Einzelelement oder Array in oder außerhalb eines Gehäuses möglich. In gleicher Weise lassen sich mit einem derartigen Wandlerkörper selbstverständlich auch Ultraschallwellen über die Elektroden detektieren. Bei dem vorgeschlagenen Ultraschallwandler ist die akustische Anpassungsschicht aus einer Polymermatrix gebildet, in die nanoskalige Partikel eingebettet sind. Die nanoskaligen Partikel bestehen dabei aus einem Material aus wenigstens einem Metall und/oder Metalloxid oder Mischoxid, Metallcarbid, Metallchalkogenid oder Metallsulfat mit einer Dichte von mindestens ≥ 4 g/cm³, bevorzugt ≥ 5 g/cm³ und besonders bevorzugt ≥ 6 g/cm³ (bei 300 K). Bevorzugte Metalle sind die Elemente der 1. bis 10. Nebengruppe, sowie die Metalle der 4. bis 6. Hauptgruppe und Sr sowie Ba. Unter nanoskaligen Partikeln sind hierbei Teilchen bzw. Partikel zu verstehen, die einen maximalen Durchmesser von < 1 μm, besonders bevorzugt von ≤ 100 nm aufweisen.The proposed ultrasonic transducer has in known manner a transducer body on which an acoustic matching layer is applied. The converter body can be, for example, a disk of a piezoceramic material which can be excited to ultrasonic vibrations by means of electrodes mounted on both sides. As a transducer body but any other piezoelectric material as a disk or thin layer, as a single element or array in or outside of a housing is possible. In the same way, of course, ultrasound waves can also be detected via the electrodes with such a transducer body. In the proposed ultrasonic transducer, the acoustic matching layer is formed from a polymer matrix in which nanoscale particles are embedded. The nanoscale particles consist of a material of at least one metal and / or metal oxide or mixed oxide, metal carbide, metal chalcogenide or metal sulfate with a density of at least ≥ 4 g / cm ³ , preferably ≥ 5 g / cm ³ and particularly preferably ≥ 6 g / cm ³ (at 300 K). Preferred metals are the elements of the 1st to 10th subgroup, as well as the metals of the 4th to 6th main group and Sr and Ba. Nanoscale particles are particles or particles which have a maximum diameter of <1 .mu.m, particularly preferably of .ltoreq.100 nm.

Durch die Verwendung der Nanotechnologie, d. h. von nanoskaligen Partikeln, für die Herstellung der Anpassungsschicht treten die oben erläuterten Probleme hinsichtlich der starken Streuung bei den für hohe Frequenzbereiche des Ultraschalls erforderlichen dünnen Anpassungsschichten nicht mehr auf. Auf der anderen Seite kann über den Gehalt an nanoskaligen Partikel in der Polymermatrix bei der gewählten Zusammensetzung dieser Partikel die akustische Impedanz in einem größeren Bereich variiert werden, für die der Ultraschallwandler ausgebildet ist. Übliche Konzentrationen der nanoskaligen Partikel in der Polymermatrix liegen zwischen 5% und 75%, bevorzugt zwischen 40% und 75%. Besonders vorteilhaft für den Einsatz in derartigen Anpassungsschichten hat sich die Verwendung von nanoskaligen Ceroxidteilchen erwiesen. Die Polymermatrix kann durch ein gängiges organisches Polymer gebildet sein, z. B. durch ein Epoxidharz, ein Polyurethan, ein Polyamid, ein Polyesther, ein Polyacrylat, ein Polymethacrylat, ein Polyimid oder durch organisch anorganische Hybridpolymere.By the use of nanotechnology, d. H. of nanoscale particles, for the Making the matching layer, the problems explained above occur in terms of the strong dispersion in the high frequency ranges of the Ultrasound required thin Adjustment layers are no longer on. On the other hand, over the Content of nanoscale particles in the polymer matrix at the selected composition of these particles the acoustic impedance in a wider range be varied, for which is formed of the ultrasonic transducer. Usual concentrations of nanoscale particles in the polymer matrix are between 5% and 75%, preferably between 40% and 75%. Especially advantageous for use Such conformal layers have the use of nanoscale ceria particles proved. The polymer matrix can be replaced by a common organic polymer be formed, for. Example, by an epoxy resin, a polyurethane, a polyamide, a polyester, a polyacrylate, a polymethacrylate, a polyimide or by organic inorganic hybrid polymers.

Der vorgeschlagene Ultraschallwandler ist in einer Ausführungsform für einen Frequenzbereich von ≥ 30 MHz ausgebildet, d. h. der Wandlerkörper weist entsprechend hohe Resonanzfrequenzen auf. Die Anpassungsschicht hat dann eine Dicke, die in etwa einem Viertel der Wellenlänge in ihrem Material entspricht, für die der Ultraschallwandler ausgebildet ist.Of the proposed ultrasonic transducer is in one embodiment for one Frequency range of ≥ 30 MHz trained, d. H. the transducer body has correspondingly high Resonant frequencies on. The matching layer then has a thickness, which corresponds to about one quarter of the wavelength in their material, for the the ultrasonic transducer is formed.

Für die Herstellung der Anpassungsschicht werden die eingesetzten nanoskaligen Partikel in eine flüssige Reaktivmischung dispergiert. Dies kann beispielsweise in folgender Weise erfolgen: Eine wässrige Nanopartikeldispersion wird mit einem Oberflächenmodifikator versetzt und anschließend thermisch behandelt. Die erhaltene lagerstabile Mischung wird anschließend zu einem Gemisch aus organisch modifiziertem hydrolysierbarem Silan und Metallalkoxid gegeben, um eine hydrolytische Kondensation einzuleiten. Diese Vorgehensweise ist dem durchschnittlichen Fachmann bekannt. Der sich bildende Niederschlag ist spätestens nach 12 h gelöst und es resultiert bei Verwendung der oben genannten Dispersion ein transluzentes Sol. Bei der Verwendung von Wasser statt wässriger Nanopartikeldispersion entsteht ein klares Sol. Nach Einengen bis zur gewünschten Viskosität folgt die Applikation (z. B. per Schleuderbeschichtung) auf die gewünschten Substrate wie Wafer, Folien, Glas, Polycarbonat, Aluminium, Edelstahl etc. Die resultierenden transparenten Schichten werden in Abhängigkeit von der Schichtdicke mit einem geeigneten Temperaturprogramm zwischen 100 und 160°C gehärtet.For the production The adaptation layer becomes the nanoscale particles used in a liquid Reactive mixture dispersed. This can, for example, in the following Done way: An aqueous Nanoparticle dispersion is mixed with a surface modifier and then thermally treated. The resulting storage-stable mixture is then added a mixture of organically modified hydrolyzable silane and metal alkoxide to initiate hydrolytic condensation. This procedure is known to the average person skilled in the art. The precipitate is dissolved after 12 h at the latest and it results in the use of the above dispersion, a translucent Sol. When using water instead of aqueous nanoparticle dispersion a clear sol arises. After concentration to the desired viscosity follows the application (eg by spin coating) on the desired Substrates such as wafers, foils, glass, polycarbonate, aluminum, stainless steel etc. The resulting transparent layers become dependent of the layer thickness with a suitable temperature program between 100 and 160 ° C hardened.

Hierbei wird die Menge der nanoskaligen Partikel so gewählt, dass sich die gewünschte akustische Impedanz entsprechend der in der Beschreibungseinleitung angegebenen Bedingung ergibt. Wie bereits oben erläutert, wird das Polymer anschließend ausge härtet. Vor dem Aushärten kann das noch flüssige Polymer mit den eingebetteten nanoskaligen Partikeln beispielsweise in der gewünschten Dicke auf eine Scheibe aus PZT-Material oder ein Gehäuse, die den Wandlerkörper bilden, aufgeschleudert werden. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten des Aufbringens möglich, die sich nicht von den bisher eingesetzten Techniken des Standes der Technik unterscheiden.Here, the amount of nanoscale Particles selected so that the desired acoustic impedance results in accordance with the condition stated in the introduction. As already explained above, the polymer is subsequently cured. Before curing, the still liquid polymer with the embedded nanoscale particles, for example, in the desired thickness on a disc of PZT material or a housing, which form the transducer body, are spin coated. Of course, other ways of applying are possible, which do not differ from the previously used techniques of the prior art.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Der vorgeschlagene Ultraschallwandler wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:Of the proposed ultrasonic transducer is described below with reference to a embodiment briefly explained in connection with the drawings. in this connection demonstrate:

1 eine stark schematisierte Darstellung eines Ultraschallwandlers im Querschnitt; und 1 a highly schematic representation of an ultrasonic transducer in cross section; and

2 ein Beispiel für die akustische Impedanz in Abhängigkeit von der Dichte einer erfindungsgemäßen Anpassungsschicht. 2 an example of the acoustic impedance as a function of the density of an adaptation layer according to the invention.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Der vorgeschlagene Ultraschallwandler wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren nochmals kurz erläutert. Die 1 zeigt hierbei eine stark schematisierte Darstellung für einen Ultraschallwandler mit einer Anpassungsschicht, wie sie auch der vorgeschlagene Ultraschallwandler aufweisen kann. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf die in der 1 dargestellte geometrische Form des Ultraschallwandlers beschränkt.The proposed ultrasonic transducer will be briefly explained again below with reference to an embodiment in conjunction with the figures. The 1 shows a highly schematic representation of an ultrasonic transducer with an adaptation layer, as they may also have the proposed ultrasonic transducer. Of course, the invention is not on the in the 1 shown limited geometric shape of the ultrasonic transducer.

Die 1 zeigt stark schematisiert im Querschnitt den PZT-Wandlerkörper 1, der in diesem Beispiel scheibenförmig ausgebildet ist. Beidseitig dieses Wandlerkörpers sind zwei Elektroden 3, 4 auf den Wandlerkörper aufgebracht. Die Vorderseite mit der vorderseitigen Elektrode 3 entspricht hierbei der Seite der Ultraschallabstrahlung bzw. des Ultraschallempfangs. Auf diese Vorderseite ist die Anpassungsschicht 2 mit der Dicke von λ/4 aufgebracht, wobei λ der Wellenlänge des Ultraschalls in dem Material der Anpassungsschicht entspricht, für deren Abstrahlung bzw. Empfang der Wandlerkörper 1 ausgebildet ist. Für den Betrieb dieses Ultraschallwandlers sind die beiden Elektroden 3, 4 über nicht dargestellte Zuleitungen mit einer ebenfalls nicht dargestellten Ansteuerelektronik verbunden, über die der Wandlerkörper 1 zu Ultraschallschwingungen angeregt werden kann, bzw. über die an den Elektroden beim Empfang von Ultraschall auftretende elektrische Signale empfangen werden können.The 1 shows a highly schematic cross-section of the PZT transducer body 1 , which is disc-shaped in this example. On both sides of this transducer body are two electrodes 3 . 4 applied to the transducer body. The front side with the front side electrode 3 this corresponds to the side of the ultrasonic radiation or the ultrasonic reception. On this front is the adjustment layer 2 with the thickness of λ / 4 applied, where λ corresponds to the wavelength of the ultrasound in the material of the matching layer, for their radiation or reception of the transducer body 1 is trained. For the operation of this ultrasonic transducer are the two electrodes 3 . 4 connected via leads, not shown, with a control electronics, also not shown, via which the transducer body 1 can be excited to ultrasonic vibrations, or can be received via the electrical signals occurring at the electrodes when receiving ultrasound.

Die Anpassungsschicht 2 besteht in diesem Beispiel aus nanoskaligen Ceroxidteilchen in einer Polymermatrix und weist für eine Ausbildung des Ultraschallwandlers für eine Frequenz von 100 MHz eine Dicke von etwa 6 μm auf. Die Ceroxidteilchen haben Durchmesser zwischen 10 nm und 20 nm. Ultraschallwellenlängen mit einer Wellenlänge von ca. 25 μm sind damit gegenüber diesen Teilchen etwa 1000-mal größer, so dass die Teilchen ver nachlässigbare Streuer für den Ultraschall darstellen. Für die Ultraschallfrequenz von 100 MHz wurde ein Gehalt der nanoskaligen Ceroxidteilchen von etwa 70 Gew.-% gewählt, um mit der akustischen Impedanz in den Bereich von 6,8 MRayl zu kommen. Damit werden mit diesem Ultraschallwandler Einkoppelverluste bei der Einkopplung des Ultraschalls in Wasser oder ein medizinisches Koppelgel minimiert.The adjustment layer 2 In this example, it consists of nanoscale cerium oxide particles in a polymer matrix and has a thickness of about 6 μm for forming the ultrasonic transducer for a frequency of 100 MHz. The ceria particles have diameters between 10 nm and 20 nm. Ultrasonic wavelengths having a wavelength of about 25 μm are thus about 1000 times larger than these particles, so that the particles represent negligible spreaders for the ultrasound. For the ultrasonic frequency of 100 MHz, a content of the ceria-type nanoscale particles of about 70% by weight was chosen to come within the range of 6.8 MRayl with the acoustic impedance. Thus, coupling losses with the coupling of the ultrasound into water or a medical coupling gel are minimized with this ultrasonic transducer.

2 zeigt noch ein Beispiel für die akustische Impedanz einer Anpassungsschicht aus Ceroxidteilchen in einer Polymermatrix von der Dichte der daraus gebildeten Anpassungsschicht. Durch Variation des Ceroxidanteils zwischen 0 und 75 Gew.-% konnte hierbei die Dichte zwischen 1,4 g/cm³ und 2,7 g/cm³ und die akustische Impedanz auf Werte zwischen 4 MRayl und 7 MRayl eingestellt werden. Die 2 zeigt die gemessene Abhängigkeit der akustischen Impedanz von der Dichte bei einer Messfrequenz von 200 MHz. Die mittlere Materialdämpfung bei 200 MHz liegt bei 0,2 dB/μm. Die Erfindung stellt somit ein Material mit einstellbarer akustischer Impedanz für den technisch relevanten Bereich bis 7 MRayl bereit. Die Dämpfung ist hierbei erfreulicherweise sehr gering. 2 Figure 14 shows yet another example of the acoustic impedance of a matching layer of ceria particles in a polymer matrix from the density of the matching layer formed therefrom. By varying the cerium oxide content between 0 and 75% by weight, it was possible to set the density between 1.4 g / cm ³ and 2.7 g / cm ³ and the acoustic impedance to values between 4 MRay1 and 7 MRay1. The 2 shows the measured dependence of the acoustic impedance on the density at a measuring frequency of 200 MHz. The average material loss at 200 MHz is 0.2 dB / μm. The invention thus provides a material with adjustable acoustic impedance for the technically relevant range up to 7 MRayl. The damping is fortunately very low.

Im Folgenden werden Synthesebeispiele für die Herstellung einer oberflächenmodifizierten Partikeldispersion, eines Matrixsystems ohne Partikel sowie eines erfindungsgemäßen Nanokompositsystems angegeben.in the The following are synthesis examples for the preparation of a surface-modified Particle dispersion, a matrix system without particles and one nanocomposite system according to the invention specified.

Beispiel 1: Herstellung einer oberflächenmodifizierten PartikeldispersionExample 1: Preparation of a surface-modified particle dispersion

3 g 2-(2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy)essigsäure (CAS 16024-58-1) werden mit 97 g 20 Gew-% wässriger CeO₂ Dispersion (CAS 1306-38-3) gemischt, 1 h bei 100°C unter Rühren erhitzt und anschließend 24 h bei Raumtemperatur gerührt.3 g of 2- (2- (2-methoxyethoxy) ethoxy) acetic acid (CAS 16024-58-1) are mixed with 97 g of 20% by weight aqueous CeO ₂ dispersion (CAS 1306-38-3) for 1 h at 100 ° C heated with stirring and then stirred for 24 h at room temperature.

Beispiel 2: Herstellung eines Matrixsystems ohne PartikelExample 2: Preparation of a matrix system without particles

In einen 250 ml Rundkolben mit ovalem Rührmagnet werden 83,4 g 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan (CAS 2602-34-8), 35,9 g Zirconiumbutylat (CAS 1071-76-7) und 18 g Eisessig (CAS 64-19-7) eingewogen. Die Hydrolyse wird durch Zugabe von 43,2 g Wasser in 3 ml Schritten unter Rühren gestartet und 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Nach Abrotieren von 57,9 g Ethanol und Wasser bei 50°C Wasserbadtemperatur resultiert ein Lack mit 79–84% Kondensationsgrad (²⁹Si-NMR) und 42–53% Epoxidgehalt (13C NMR). Das eingeengte Sol wird 10 s bei 1000 Umdrehungen per Schleuderbeschichtung appliziert. Die beschichteten Substrate werden nach folgendem Temperaturprogramm gehärtet: 3 h bis 160°C, 1 h bei 160°C, 6 h bis Abkühlung. Es resultiert eine 8,5 μm dicke Schicht mit einer Härte von 184 N/mm² und einer Dichte von 1,4 g/cm³.83.4 g of 3-glycidoxypropyltriethoxysilane (CAS 2602-34-8), 35.9 g of zirconium butylate (CAS 1071-76-7) and 18 g of glacial acetic acid (CAS 64-19-7) are placed in a 250 ml round-bottom flask with an oval stirring magnet. weighed. The hydrolysis is by addition of 43.2 g of water in 3 ml steps with stirring started and stirred for 24 h at room temperature. After evaporating off 57.9 g of ethanol and water at 50 ° C water bath temperature results in a lacquer with 79-84% degree of condensation ( ²⁹ Si NMR) and 42-53% epoxide content (13C NMR). The concentrated sol is applied for 10 s at 1000 revolutions by spin coating. The coated substrates are cured according to the following temperature program: 3 h to 160 ° C, 1 h at 160 ° C, 6 h to cool. The result is a 8.5 micron thick layer with a hardness of 184 N / mm ² and a density of 1.4 g / cm ³ .

Beispiel 3: Herstellung eines NanokompositsystemsExample 3: Production of a nanocomposite system

In einen 250 ml Rundkolben mit ovalem Rührmagnet werden 47,3 g GPTES, 20,4 g Zirconiumbutylat und 10,2 g Eisessig eingewogen. Die Hydrolyse wird durch Zugabe von 149,9 g wässriger 20%iger nach Beispiel 1 modifizierter CeO₂ Dispersion in 10 ml Schritten unter Rühren gestartet und 24 h bei Raumtemperatur gerührt. Nach Abrotieren von 82,6 g Ethanol und Wasser bei 50°C Wasserbadtemperatur resultiert ein Lack mit 80% Kondensationsgrad (²⁹Si-NMR) und 47% Epoxidgehalt (¹³C-NMR). Das eingeengte Sol wird 10 s bei 1000 und 2000 Umdrehungen per Schleuderbeschichtung appliziert. Die beschichteten Substrate gemäß dem in Beispiel 2 genannten Temperaturprogramm gehärtet. In Abhängigkeit von der Umdrehungsgeschwindigkeit beim Schleuderbeschichtungsprozess resultieren 2 und 3 μm dicke Schichten mit einer Härte von 488 N/mm² und einer Dichte von 2,0 g/cm³.47.3 g of GPTES, 20.4 g of zirconium butoxide and 10.2 g of glacial acetic acid are weighed into a 250 ml round-bottom flask with an oval stirring magnet. The hydrolysis is started with stirring by addition of 149.9 g of aqueous 20% strength CeO ₂ dispersion modified in accordance with Example 1 in 10 ml steps and stirred at room temperature for 24 h. After evaporation of 82.6 g of ethanol and water at 50 ° C water bath temperature results in a paint with 80% condensation degree ( ²⁹ Si NMR) and 47% epoxide content ( ¹³ C NMR). The concentrated sol is applied for 10 s at 1000 and 2000 revolutions by spin coating. The coated substrates are cured according to the temperature program mentioned in Example 2. Depending on the speed of rotation in the spin coating process, 2 and 3 μm thick layers with a hardness of 488 N / mm ² and a density of 2.0 g / cm ^{3 result} .

11: PZT-WandlerkörperPZT transducer body
22: Anpassungsschichtadjustment layer
33: vorderseitige Elektrodefront electrode
44: rückseitige Elektroderear electrode

Claims

Ultrasonic transducer with a transducer body ( 1 ) on which an acoustic adaptation layer ( 2 ), wherein the acoustic matching layer ( 2 ) is formed from a polymer matrix embedded therein with nanoscale particles, which consist of a material of at least one metal and / or metal oxide or mixed oxide, metal carbide, metal chalcogenide or metal sulfate having a density of at least ≥ 4 g / cm ³ .

Ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the metals Elements of the 1st to 10th subgroup, metals of the 4th to 6th main group, Sr or Ba include.

Ultrasonic transducer according to claim 1 or 2, wherein the material of the nanoscale particles has a density of ≥ 5 g / cm ³ , more preferably ≥ 6 g / cm ³ .

Ultrasonic transducer according to one of Claims 1 to 3, in which the nanoscale particles consist of TiO ₂ , ZrO ₂ , CeO ₂ , Y ₂ O ₃ , indium tin oxide (ITO), SnO ₂ , antimony tin oxide (ATO), Sb ₂ O ₃ , WO ₃ , W, Nb, Nb ₂ O ₅ , Ta, Ta ₂ O ₅ and / or BaSO _{4 are} formed.

Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 3, in which the nanoscale particles nanoscale cerium oxide particles and / or zirconia particles.

Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 5, wherein the polymer matrix by an organic or an organic modified inorganic polymer or polycondensate formed is.

Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 6, in which the nanoscale particles with a proportion between 5 and 75% by weight, preferably between 40 and 75% by weight, in the polymer matrix available.

Ultrasonic transducer according to one of Claims 1 to 7, in which the transducer body ( 1 ) is formed of a piezoelectric material.

A method of making an acoustic matching layer for an ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 8, wherein nanoscale particles are provided consisting of a material of at least one metal and / or metal oxide or mixed oxide, metal carbide, metal chalcogenide or metal sulfate with a density of at least ≥ 4 g / cm ³ , in which the nanoscale particles are dispersed in a liquid reactive mixture and subsequently introduced into a liquid polymer material, and in which the polymer material with the nanoscale particles embedded therein is subsequently used to form the matching layer ( 2 ) is cured.

A method according to claim 9, wherein metals are elements 1st to 10th subgroup, metals of 4th to 6th main group, Sr or Ba.

The method of claim 9 or 10, wherein the nanoscale particles are provided from a material having a density of ≥ 5 g / cm ³ , more preferably ≥ 6 g / cm ³ .

Method according to one of claims 9 to 11, in which as nanoscale Particles nanoscale ceria particles and / or zirconia particles be used.

Method according to one of claims 9 to 12, wherein a quantity of nanoscale particles, which are introduced into the polymer material is adjusted so that the cured polymer material having embedded therein nanoscale particles has an acoustic impedance between 4 and 7 MRayl.