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DE2914031C2 - Ultraschallwandler - Google Patents

Ultraschallwandler

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DE2914031C2
DE2914031C2 DE2914031A DE2914031A DE2914031C2 DE 2914031 C2 DE2914031 C2 DE 2914031C2 DE 2914031 A DE2914031 A DE 2914031A DE 2914031 A DE2914031 A DE 2914031A DE 2914031 C2 DE2914031 C2 DE 2914031C2
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Germany
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ultrasonic transducer
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receiving
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Jacqes Dipl.-Ing. Dr. 8521 Poxdorf Borburgh
Ingmar Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen Feigt
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Siemens AG
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Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, bestehend aus einer Sendeschicht aus Material mit relativ hoher dielektrischer Kontante und hoher Schallimpedanz und einer Empfangsschicht aus Material mit relativ niedriger dielektrischer Konstante und niedriger Schallimpedanz.
Für herkömmliche Ultraschallwandler, z. B. auch solche in Array-Form mit einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Einzelschwinger, wird insbesondere für den medizinischen Anwendungsfall eine kurze Pulsanregung mit hoher Eindringtiefe gefordert. Gleichzeitig gewinnt aber auch die originalgetreue Pulsverarbeitung w im Empfangsfall immer wichtigere Bedeutung, beispielsweise bei der Gewebserkennung etc. Übliche Ultraschallwandler verwenden ein einziges Piezomaterial gleichzeitig als Sender und Empfänger. Die geforderten Bedingungen sind hier nur mit relativ hohem technolo- v> gischen Aufwand, z. B. Feinteilung der Einzelschwinger bei der Array-Ausbildung, zu erreichen. Es wurden bereits Versuche unternommen, insbesondere den Empfangsfall zu verbessern. So wurden beispielsweise anstelle von Piezömalerialien zum Senden und Empfan-Igen Schichten aus;Po!yvinyidiflüörid:(pVF2);verwendet ' Ein Ültfäschailwandier dieser Art ist beispielsweise Gegenstand des Aufsatzes »EXPERIMENTAL BROADBAND ULfRASONtG TRANSDUCERS USING PVF2 PIEZOELECTRiC FILM« in der Zeitschrift »ELECTRONICS LETTERS« 5. August 1976, Vol. 12, Nr, 16, Seiten 363 und 364= Dieser vörbekannte Wandler verbessert zwar die Güte des Empfangs. Er verschlechtert jedoch gleichzeitig auch den Sendefall, da die Energieabgabe beim Senden wegen der niedrigen Güte der die Sendeschicht bildenden PVF2-Schicht zu gering ist Um einen etwas besseren Ausgleich zwischen Sendefall und Empfangsfall zu schaffen, wurde bereits ein weiterer Vorv hlag unterbreitet, der unter dem Titel »MONOLITHIC SILICON-PVF2 PIEZOELECTRIC ARRAYS FOR ULTRASONIC IMAGING« von den Autoren R. &. Swartz und ]. D. Plummer auf dem »Eighth International Symposium on Acoustic Imaging« in Key Biscayne, Florida zwischen dem 29. Mai und 2. Juni 1978 präsentiert wurde. Der in dieser Präsentationsunterlage, insbesondere auf der Seite 15. beschriebene sogenannte »Theta« Array-Wandler besteht aus einem äußeren Ring aus Piezokeramik, der als Sender dient, in dessen Innern mit sehr viel geringeren Abmessungen ein Empfangs-Array aus einer Schicht Polyvinyldifluorid (PVF2) angeordnet ist. Die räumlich getrennte Anordnung von Sende- und Empfangsschichten hat den Nachteil fehlender Kompaktheit, woraus wiederum immer noch zu ungünstiges Sende/Empfangsverhältnis resultiert,
Aufgabe: der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß bei optimal kompaktem Aufbau gleichzeitig optimale Ergebnisse für den Sende^ Und Empfangäfall geschaffen werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsge^ maß die beiden Schichten in Hybridtechnik flächig aufeinanderliegend miteinander verbunden sind.
Die Erfindung ermöglicht also äußerst kompakten Aufbau des Wandlers. Gleichzeitig wird den Bedingungen im Sende- und Empfangsfall in optimaler Weise Rechnung getragen.
Die Erfindung läßt sich in besonders vorteilhafter Ausgestaltung dahingehend ausbilden, daß die Empfangsschicht gleichzeitig Anpassungsschicht für den Sendefall ist Durch Ausnutzung des Empfängers gleichzeitig als Anpassungsschicht wird der Aufbau weiter vereinfacht; außerdem lassen sich hierdurch kurze Pulsanregungen besonders gut bewältigen. Die Empfangsschicht sollte in Ausbildung als Anpassungsschicht zur Anpassung an Körpergewebe oder bei Vorschaltung einer Wasserstrecke zur Anpassung an Wasser ausgebildet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier AusfOhrungsbeispiele anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt
F = g. ί einen Ultraschallwandler gemäß der Erfindung im Querschnitt,
Fig.2 einen im Aufbau modifizierten Ultraschallwandler.
In der F i g. 1 besteht der Ultraschallwandler in Sandwich-Bauweise aus einem Trägerkörper 1 mit Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3. Sämtliche Schichten sind großflächig untereinander in Hybridtechnik miteinander verbunden. Als Sendeschicht dient ein Material mit relativ hoher dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz, z. B. ein Piezokeramik-Material. Zu bevorzugen ist hierbei die Sendeschicht aus Beli-Zirkonat-Titanat oder Blei-Metaniobat. Die Empfangsschicht 3 besteht demgegenüber aus einem Material mit niedriger dielektrischer Konstante und niedriger Schallimpedanz. Sie dient gleichzeitig als Anpassungsschicht für den Sendefall. Hierzu bieten sich in bevorzugter Ausführungsform piezoelektrische Kunststoffolien mit einer Impedanz von etwa 3 · 10* Pas/m und -jiner Güte von etwa 15 an. Bevorzugtes Material für die als Empfangsschicht 3 dienende piezoelektrische Kunststoffolie ist Polyvinylfluorid (PVFj). Anstelle dieses Materials können auch Folien aus Polyvinylchlorid oder aus Polycarbonat Verwendung finden. Der Trägerkörper 1 kann aus Epoxydharz bestehen. Es kann jedoch hierfür als geeignetes »backing«-Material auch elastischer Gummi verwendet werden, so daß in Zusammenhang mit der elastischen Piezokunststoffolie und geeignet geteiltem Piezokeramikmaterial ein elastischer, anschmiegsamer Wandleraufbau möglich ist.
In der Ausführungsform des Wandlers der Fig. 1 weist die Sendeschicht 2 auf der der Empfangsschicht 3 abgewandten Fläche einen Kontaktanschluß für einen Sendeverstärker 4 auf. Über diesen Sendeverstärker werden also der Sendeschicht 2 die elektrischen Hochfrequenzimpulse zur Erregung der Sendeschicht 2 im Sinne der Aussendung von Ultraschallimpulsen zugeleitet. Zwischen Empfangsschicht 3 und Sendeschicht 2 ist eine weitere Kontaktierung, z. B. dünne Kontaktschicht oder Bahnen in gedruckter Schaltungstechnik, zwischengelagert, die einen elektrischen Empfangsanschluß zum Empfänger 6 für die von der Empfangsschicht 3 empfangenen Echoimpulse eines Sendeimpulses aufweist Parallel zum Empfangsverstärker 6 liegt ein Schalter 5, mit dem im Sendefall der Empfangsverstärker 6 kurzgeschlossen werden kann. In diesem Falle liegt zwischen SenHeschicht 2 und Empfangsschicht 3 Massepotentiat. Die Empfangsschicht 3 weist schließlich noch auf der der Sendeschicht abgewandten Fläche einen Anschluß 7 für Massepotential auf.
Eine Modifikation des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 zeigt der Wandler in der F i g. 2.
Dieser Wandler besteht wiederum entsprechend jenem der Fig. 1 aus Trägermaterial 1, Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3 in Hybrid-Bauweise. Im Unterschied zum Wandler der F i g. 1 sind jedoch nach Sandwich-Art zwischen Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3 Bauteile 8 der Empfangsschaltung, insbesondere Empfangsverstärker, in IC-Bauweise eingelagert Diese Art des integrierten Aufbaus führt zu besonders kompakter Bauform. Die Anschaltung der IC-Bauelemente 8 zwischen Sendeschicht 2 und Empfangsschicht 3 erfolgt über die Signalleitung 9.
Die in den F i g. 1 und 2 lediglich im Querschnitt dargestellen Ultraschallwandler weisen im vorliegenden Fall bevorzugt quaderförmige Gestalt auf. Arrays in dieser Form sind beispielsweise in den Fig. 1 und 2 der DE-AS 26 28 492 dargestellt. Selbstverständlich können auch anders geformte Wandler-Arrays Verwendung finden, wie z. B. Wandler-Arrays mit matrLxförmiger Anordnung der Einzelelemente, wobei die Flächenform der Gesamtanordnung beliebig wieder quaderförmig oder auch rund od. dgl. sein kann. Entsprechend können auch Ultraschall-Arrays mit Feinteilung der Einzelelemente Verwendung finden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:
1. Uliraschall wandler, bestehend aus einer Sendeschicht aus Material mit relativ honer dielektrischer Konstante und hoher Schallimpedanz und einer s Empfangsschicht aus Material mit relativ niedriger dielektrischer Konstante und niedriger Schallimpedanz, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schichten (2, 3) in Hybridtechnik flächig aufeinanderliegend miteinander verbunden sind.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (3) gleichzeitig Anpassungsschicht für den Sendefall ist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (3) zur Anpassung an Körpergewebe oder bei Vorschaltung einer Wasserstrecke zur Anpassung an Wasser ausgebildet ist.
4. Ultrasci allwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (3) auf der Sendeschicht (2) unter Zwischenlagerung einer Kontaktierung, z. B. dünne Kontaktschicht oder Leiterbahnen in gedruckter Schaltungstechnik, aufgebracht, vorzugsweise aufgeklebt, ist
5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung einen elektrischen Empfangsanschluß zum Empfänger (6) aufweist.
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Sendeschicht (2) abgewandte Fläche der Empfangsschicht (3) einen Anschluß (V/ für Massepotential aufweist.
7. Ultraschallwandler nach eir. .m der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschicht
(2) auf der der Empfangsschicht (3) abgewandten Fläche einen Anschluß für den Sender (4) aufweist
8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Sandwich-Bauweise zwischen Sende- (2) und Empfangsschicht (3) Bauteile (8) der Empfangsschaltung, insbesondere Empfangsverstärker, in IC-Bauweise eingelagert sind.
9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschicht (2) aus Piezokeramik und die Empfangsschicht (3) aus piezoelektrischer Kunststoffolie gefertigt sind.
10. Ultraschallwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschicht (3) aus piezoelektrischer Kunststoffolie mit einer Impedanz von etwa 3 - 106 Pas/m und einer Güte von etwa 15 gefertigt ist.
11. Ultraschallwandler nach Anspruch 9 oder 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschicht aus Blei-Zirkonat-Titanat oder Blei-Metaniobat gefertigt ist
12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Kunststoffolie der Empfangsschicht (3) aus Polyvinyldifluorid (PVF2) oder Polyvinylchlorid oder Polycarbonat besteht
13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in Hybridtechnik miteinander verbundene Sendeschicht (2) und Empfangsschicht (3) zusätzlich und vorzugsweise ebenfalls in Hybridtechnik auf einem Dämpfungsträgerkörper (1), vorzugsweise aus elastischem Gummi od. dgl, angebracht sind.
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