DE4325028A1 - Ultraschall-Wandlereinrichtung mit einem ein- oder zweidimensionalen Array von Wandlerelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Wandler­ einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Wandlereinrichtung ist der Veröffentlichung "Ultrasonics", März 1981, Seiten 81 bis 86 und der GB-A- 2 052 918 zu entnehmen.

Auf dem Gebiet der abbildenden Ultraschalltechnik wird ein zu untersuchender, insbesondere menschlicher Körper mit Ultraschallpulsen beschallt. Aus an Grenzflächen dieses Körpers reflektierten Ultraschallechopulsen wird dann von einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit ein Ultra­ schallbild aufgebaut, wobei als Informationen die Echo­ amplituden und Echolaufzeiten dienen (vgl. z. B. "Proc. IEEE", Vol. 67, No. 4, Apr. 1979, Seiten 620 bis 641). Zum Senden und Empfangen der Ultraschallpulse nach diesem Puls-Echo-Verfahren werden vorzugsweise piezoelektrische Wandlerelemente eingesetzt. Diese Wandlerelemente können zu einer linearen (eindimensionalen) Reihe oder Kette, einem sogenannten linearen Array, angeordnet sein und werden zur Erzielung einer Richtwirkung von einer elek­ tronischen Steuereinheit separat oder in Gruppen ange­ steuert. Die Steuerung des Schallstrahls erfolgt im Sen­ defall durch ein zeitverzögertes Senden der Einzelele­ mente, wobei sich durch Überlagerung der von den Elemen­ ten auslaufenden Wellen nach dem Huygens′schen Prinzip die gewünschte Strahlrichtung ergibt. Im Empfangsfall wird die gewünschte winkelabhängige Empfindlichkeit ebenfalls durch ein zeit- bzw. phasengerechtes Überlagern der von den Einzelelementen aufgezeichneten zeitlichen Signalver­ läufe erreicht. Entsprechende Arrays von Ultraschall- Wandlerelementen werden deshalb auch als "phased arrays" bezeichnet.

Mit solchen phasenverzögert angesteuerten linearen Arrays können in einer von der Normalen auf der Arrayoberfläche und der Längsrichtung des Arrays aufgespannten Ebene schwenkbare und fokussierbare Ultraschallstrahlen gesen­ det und empfangen werden. Der relativ zur Normalen ge­ messene Schwenkwinkel für den Ultraschallstrahl ist dabei um so größer, je kleiner der Abstand zwischen den Wandler­ elementen ist. Dieser Abstand wird im allgemeinen etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge λ des Ultraschalls ge­ wählt, um so zusätzliche Beugungsmuster zu unterdrücken, und beträgt beispielsweise bei einer Mittenfrequenz von 3,5 MHz etwa 0,2 mm. Andererseits ist eine bestimmte Min­ destlänge des linearen Arrays erforderlich, um eine hin­ reichende Schallamplitude und ein genaues Fokussieren des Strahls zu erreichen. Aus diesen beiden Forderungen be­ züglich des gegenseitigen Abstands der Wandlerelemente und der Mindestlänge des Arrays folgt eine Mindestzahl von Wandlerelementen für das Array, die typischerweise bei 64 oder höher liegt.

Für beliebige Strahlrichtungen eines Ultraschall-Strahles in allen drei Raumachsen, die die Voraussetzung zur Ab­ bildung von bewegten Körpern wie z. B. des Blutflusses im Herzen oder in Adern sind, muß das eindimensionale, li­ neare Array zu einer zweidimensionalen Matrix, einer so­ genannten 2D-Array-Anordnung, erweitert werden (vgl. z. B. "Ultrasonics Imaging", Vol. 14, 1992, Seiten 213 bis 233). Solche Matrix-Arrays für eine dreidimensionale Strahlsteue­ rung (vgl. z. B. "IEEE Trans. Ultrason., Ferroel., Frequ. Contr.", Vol. 38, No. 4, Jul. 1991, Seiten 320 bis 333) müssen hinsichtlich ihres lateralen und axialen Auflö­ sungsvermögens bestimmte Bedingungen erfüllen, um für dia­ gnostische Zwecke geeignet zu sein. Während das axiale Auflösungsvermögen in erster Linie von der abgestrahlten Frequenz und der Bandbreite der erforderlichen Elektronik bestimmt wird, ist das laterale Auflösungsvermögen durch die Frequenz und die effektive Apertur des Arrays festge­ legt. Für entsprechende kommerzielle Ultraschall-Wandler­ einrichtungen sind folgende Werte üblich: Mittenfrequenzen: 3,5 bis 10 MHz, effektive Apertur: 19 bis 10 mm, Bandbreite: 50% (6 dB) bezogen auf die Mittenfrequenz.

Legt man die damit erreichbaren Auflösungsvermögen auch für 2D-Matrix-Arrays zugrunde, dann ergeben sich aufgrund der erwähnten λ/2-Bedingung Einzelelementabstände von 0,2 bis 0,075 mm und Matrizen von mindestens 64 × 64, insbesondere 100 × 100 Elementen. Diese 10 000 Elemente sind z. B. auf einer Fläche von 50 mm × 50 mm unterzubrin­ gen, wobei ihre schallabstrahlenden Flächen jeweils etwa 0,2 mm × 0,2 mm groß sein können. Die Dicke der einzelnen Elemente beträgt je nach Frequenz und verwendeter Piezo­ keramik 0,35 mm (für 3,5 MHz) bis unter 0,2 mm (für 10 MHz). Außerdem sollte eine Übersprechdämpfung zwischen den einzelnen Elementen und der ihnen zugeordneten elek­ tronischen Sende- und Empfangskanäle sowohl akustisch als auch elektronisch etwa 30 dB erreichen. Dieses erfordert erhebliche Anstrengungen bezüglich eines geeigneten aku­ stischen Dämpfungskörpers, eines sogenannten Backings, und auch bezüglich der Isolierungen der einzelnen elek­ trischen Zuleitungen. Der großen Anzahl von Einzelelemen­ ten kann keine entsprechende Anzahl von elektronischen Sende- und Empfangskanälen gegenüberstehen; deshalb ist eine effektive Nutzung der maximal möglichen Kanäle er­ forderlich, die durch Multiplexer-Schaltungen erreicht werden kann. Für beide Betriebsarten (Senden/Empfang) sind daher elektronische Schaltungsteile in der Nähe der piezoelektrischen Wandlerelemente nötig. Zweckmäßig wird man diese Schaltungsteile als integrierte Schaltungen ausführen, die auf der akustischen Schattenseite der Wandlerelemente anzuordnen sind. Dabei führt eine hohe Packungsdichte der Elemente zu Problemen hinsichtlich der Kontaktierungs- und Aufbautechnik sowie hinsichtlich der abzuführenden Verlustleistung der elektronischen Schal­ tungsteile.

Aus der eingangs genannten Veröffentlichung und der ent­ sprechenden GB-A ist eine Ultraschall-Wandlereinrichtung mit einer Vielzahl von Ultraschall-Wandlerelementen be­ kannt, die zu einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Die Wandlereinrichtung ist dabei aus mehreren plat­ tenförmigen Teilstücken zusammengesetzt. Jedes dieser Teilstücken enthält einen plattenförmigen akustischen Dämpfungskörper, an dessen einer Schmalseite eine eindi­ mensionale Reihe (Zeile) von Wandlerelementen angeordnet ist. Diese Wandlerelemente sind durch entsprechende Unter­ teilung eines streifenförmigen piezokeramischen Körpers ausgebildet. Bei jedem so entstandenen Schwingungskörper eines Elementes sind die beiden erforderlichen Elektroden an gegenüberliegenden Seitenflächen angebracht, so daß die Elektroden parallel zur Schallabstrahlungsrichtung aus­ gerichtet sind. Die daran angeschlossenen elektrischen Verbindungsleitungen verlaufen über die entsprechenden beiden Breitseiten des Dämpfungskörpers und führen zu einem an dem Dämpfungskörper angebrachten elektronischen Schaltungsteil. Der Schaltungsteil jedes Teilstücks der Wandlereinrichtung setzt sich somit bei der bekannten Ausführungsform aus zwei auf den gegenüberliegenden Breitseiten ihres Dämpfungskörpers befindlichen Schal­ tungsuntereinheiten zusammen. Aufgrund dieser beidsei­ tigen Anordnung von Schaltungsuntereinheiten auf jedem Dämpfungskörper ist die Packungsdichte der gesamten Wand­ lereinrichtung aus den einzelnen Teilstücken entsprechend beschränkt. Diese Beschränkung ist auch dadurch bedingt, daß die elektronischen Schaltungsteile auf dem Dämpfungs­ körper nicht gekühlt sind und so nur eine begrenzte Ver­ lustleistung der Elektronik zugelassen werden kann. Fer­ ner läßt sich der für die bekannte Wandlereinrichtung vor­ gesehene Aufbau nicht ohne weiteres auch für höhere Fre­ quenzen und damit entsprechend kleinere Abmessungen der Elemente wegen einer Mindestdicke des Siliziums von über 0,1 mm vorsehen. Da außerdem die schallabstrahlenden Ele­ mente an ihrer Unterseite jeweils nur über eine Teilflä­ che mit dem Dämpfungskörper verbunden sind, ist dadurch ihr Abstrahlverhalten ungünstig beeinträchtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Ultra­ schall-Wandlereinrichtung mit den eingangs genannten Merk­ malen dahingehend auszugestalten, daß insbesondere zur Ausbildung eines zweidimensionalen Matrix-Arrays ein ver­ hältnismäßig einfacher Aufbau der Wandlereinrichtung mit hoher Packungsdichte ihrer Wandlerelemente ermöglicht wird und dabei ein störungsfreier Betrieb der Einrichtung zu gewährleisten ist. Die genannten Forderungen hinsichtlich der Auflösungsvermögen sollen dabei zumindest im wesent­ lichen zu erfüllen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung sind somit die zu einem Teilstück gehörenden Verbindungsleitungen und der daran angeschlossene elektronische Schaltungsteil nur auf einer Breitseite dieses Teilstücks angeordnet. Damit läßt sich eine Erhöhung der Packungsdichte gegenüber der bekannten Ausführungsform erreichen. Da der elektro­ nische Schaltungsteil auf einem eigenen Trägerkörper an­ gebracht, insbesondere in diesen integriert ist, kann vor­ teilhaft dieser Körper unter kühltechnischen und elektri­ schen bzw. elektronischen Gesichtspunkten großflächig aus­ geführt sein. Ferner sind minimale Längen der Verbindungs­ leitungen zu gewährleisten, so daß sie entsprechend ge­ ringe Strahlungsverluste verursachen und auch nur geringen Einstrahlungen unterliegen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wand­ lereinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schematisch deren Fig. 1 ein aus zwei Teilstücken gebildetes Teilsystem einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Wand­ lereinrichtung,
deren Fig. 2 zwei Wandlerelemente dieses Teilsystems, deren Fig. 3 einen Trägerkörper für elektronische Schaltungsteile der Einrichtung und deren Fig. 4 eine Anordnung von mehreren Trägerkörpern als Teil einer Wandlereinrichtung.

In den Figuren sich entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die erfindungsgemäße Ultraschall-Wandlereinrichtung, die auch als "Applikator" bezeichnet wird oder ein Teil eines solchen Applikators sein kann, setzt sich aus einer be­ stimmten Anzahl von plattenförmigen Teilstücken zusammen. Jedes Teilstück der Gesamteinrichtung kann vorteilhaft einzeln gefertigt und getestet und dann zu der Gesamtein­ richtung gestapelt werden. Jedes dieser Teilstücke soll dabei eine eindimensionale Reihe (Zeile, Kette) von in einer Längsrichtung hintereinander angeordneten Ultra­ schall-Wandlerelementen enthalten, wobei diese Reihe ins­ besondere eine Spalte oder eine Zeile einer im allgemeinen rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Matrix-Anordnung aller Wandlerelemente der Einrichtung darstellt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform können jeweils zwei benachbarte Teilstücke als ein Teilsystem mit einer Doppelreihe von Ultraschall-Wandlerelementen ausgebildet sein. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel eines solchen Teilsystems ist in Fig. 1 als Schrägansicht veranschau­ licht. Dieses allgemein mit 2 bezeichnete Teilsystem kann man sich als zwei Rücken an Rücken aneinandergefügte Teil­ stücke denken, wobei einzelne Teile dieser Teilstücke nun­ mehr auch gemeinsame Körper bilden können. Das Teilsystem 2 umfaßt einen akustischen Dämpfungskörper 3, auf dessen oberer Schmalseite 3c zwei Reihen 4a und 4b von Ultra­ schall-Wandlerelementen 4 _j angeordnet sind. Dabei ist j = 1 . . . M, wobei M die Gesamtzahl aller Wandlerelemente 4 _jder Doppelreihe 4a-4b ist. Beispielsweise sind 2 × 64 solcher Elemente 4 _j vorgesehen. Der als Backing für diese Wandlerelemente dienende Dämpfungskörper 3 besteht z. B. aus einem speziellen Epoxidharz. Seine Dicke d ist an die entsprechende Querausdehnung der Doppelreihe 4a-4b ange­ paßt.

Aus dieser Doppelreihe sind zwei einzelne dieser zumindest im wesentlichen alle gleichgestalteten Ultraschall-Wandler­ elemente 4 _j in Fig. 2 in Seitenansicht wiedergegeben. Je­ des dieser Elemente 4 _j und 4_j+1 enthält einen säulen- oder quaderförmigen Schwingungskörper 6a bzw. 6b aus einem piezoelektrischen Material wie z. B. PZT. An den freien Stirnseiten und an den gegenüberliegenden, dem Dämpfungs­ körper 3 zugewandten Bodenseiten der Schwingungskörper 6a und 6b befinden sich zwei zur Schwingungsanregung dieser Körper erforderliche Elektroden 7 und 8a bzw. 8b, die durch verstärkte Linien angedeutet sind. Diese beispiels­ weise aus Ti-Au-Schichten bestehenden Elektroden sind so­ mit quer zur Abstrahlungsrichtung der Ultraschall-Strah­ lung S ausgerichtet; d. h., die Normalen auf die Elektro­ denflächen weisen in diese Abstrahlrichtung. Wie in Fig. 2 ferner angedeutet ist, können alle Schwingungskörper einer Doppelreihe stirnseitig mit einer gemeinsamen, durch­ gehenden Elektrode 7 versehen sein, die beispielsweise in Form einer Folie aufgeklebt wird. Diese Elektrode wird im allgemeinen auf Erdpotential gelegt und ist gegebenenfalls von einer Anpaßschicht abgedeckt. Der elektrische Anschluß dieser Elektrode befindet sich dabei am Rand der Doppel­ reihe. Die bodenseitige Elektroden 8a und 8b weisen jeweils einen elektrischen Anschlußteil 9a bzw. 9b auf. Diese An­ schlußteile führen um eine Kante zwischen der oberen Schmalseite 3c des Dämpfungskörpers 3 und der jeweils an­ grenzenden Breitseite 3a bzw. 3b und sind dort mit einem elektrischen Verbindungsleiter 10a bzw. 10b kontaktiert.

Wie ferner Fig. 1 zu entnehmen ist, können alle zu einer Reihe 4a oder 4b gehörenden und gemeinsam über eine der Breitseiten 3a bzw. 3b des Dämpfungskörpers 3 führenden Verbindungsleiter 10a bzw. 10b zu einem flexiblen Folien­ leiter 11a bzw. 11b aus z. B. in ein Polyimid eingelagerten oder darauf angeordneten Leiteradern nach Art einer flexiblen gedruckten Schaltung zusammengefaßt sein. Jeder Verbindungsleiter stellt dabei innerhalb eines Kanals i (mit i = 1 . . . bis N, wobei N die Anzahl der Kanäle bzw. Wandlerelemente in einer Reihe ist und somit N = M/2 ist) die elektrische Verbindung zwischen dem zugehörenden Wandlerelement 4 _j und einem Elektronikteil 13 _i dar. In der Figur ist nur ein zu einem Kanal gehörender Elektronikteil 13 _i durch die von ihm belegte Fläche eines entsprechenden Trägerkörpers 14 veranschaulicht. Dieser Trägerkörper ist ebenfalls platten- oder streifenförmig ausgebildet, wobei seine Dicke zumindest weitgehend der Dicke d des Dämpfungs­ körpers 3 entspricht. Der Trägerkörper 14 ist mit sei­ ner oberen Schmalseite an der unteren Schmalseite des Dämpfungskörpers 3 mechanisch z. B. über die zu beiden Seiten des Dämpfungskörpers angeordneten Folienleiter 11a und 11b befestigt. Dabei kann zwischen den beiden Körpern 3 und 14 aus akustischen Gründen gegebenenfalls ein schma­ ler Zwischenraum 15 verbleiben. Da die von den Elektronik­ teilen 13 _i eingenommene Fläche auf dem Trägerkörper 14 im allgemeinen eine größere Ausdehnung in Längsrichtung (Hauptausdehnungsrichtung) des Teilsystems 2 gegenüber der entsprechenden Ausdehnung der Doppelreihe 4a-4b an Wand­ lerelementen 4 _j beansprucht, kann vorteilhaft jeder Fo­ lienleiter 11a, 11b sich vom Bereich der Wandlerelemente auf den Bereich der Elektronikteile hin verbreiternd aus­ gestaltet sein.

Der innerhalb eines elektronischen Kanals zugeordnete Elektronikteil 13 _i ist im allgemeinen sowohl für den Sen­ defall als auch für den Empfangsfall ausgelegt. Gegebenen­ falls ist es jedoch auch möglich, für diese beiden Betriebs­ arten getrennte Elektronikteile, z. B. mit unterschiedli­ chen Technologien vorzusehen, wobei diese Teile auch hin­ tereinander angeordnet werden können. Alle zu einer Wand­ lerelementereihe gehörenden Elektronikteile bilden minde­ stens einen elektronischen Schaltungsteil. Dabei sei der der Wandlerelementereihe 4a zuzuordnende, in der Fig. 1 bis auf den zu einem Kanal gehörenden Elektronikteil 13. nicht näher ausgeführte Schaltungsteil mit 17a bezeichnet. Er kann vorteilhaft in den Trägerkörper 14 integriert sein, falls dieser im wesentlichen aus einem hierfür ge­ eigneten Material der Halbleitertechnik wie Si besteht. Dieser Schaltungsteil befindet sich vorteilhaft im Bereich des akustischen Schattens der Wandlereinrichtung und ist dabei senkrecht bezüglich der Schallabstrahlungsrichtung S orientiert. Für die Wandlerreihe 4b ist ein entsprechender elektronischer Schaltungsteil auf der in der Figur nicht sichtbaren rückwärtigen Breitseite des Trägerkörpers 14 vorzusehen. Die Verbindung der Elektronikteile 13 _i unter­ einander und mit einer Anschlußfläche 18 ist in der Figur mit 19 bezeichnet. Über diese Anschlußfläche ist der Schaltungsteil 17a mit einer nachgeordneten Elektronik, insbesondere einem Multiplexer, verbunden.

In Fig. 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit die ge­ meinsame stirnseitige Masseelektrode 7 (vgl. Fig. 2) nicht veranschaulicht, die beispielsweise über den von der Dop­ pelreihe 4a-4b nicht belegten Teil der Fläche 3c kontak­ tiert wird. Außerdem wurde auf eine Darstellung mindestens einer Schirmungsfläche verzichtet, die zur gegenseitigen elektrischen Entkopplung bzw. Schirmung benachbarter Teil­ systeme 2 dienen kann. Diese im allgemeinen auf Massepoten­ tial gelegte, gegenüber benachbarten elektrisch leitenden Teilen isolierte Schirmungsfläche deckt dabei wenigstens den Bereich des Folienleiters 11a ab und kann gegebenen­ falls so großflächig ausgebildet sein, daß auch der elek­ tronische Schaltungsteil 17a mit abgedeckt wird. Im Be­ darfsfalle kann auch auf jeder der beiden Außenflächen des Teilsystems 2 mindestens eine derartige Schirmungsfläche vorgesehen werden.

Wie darüber hinaus in Fig. 1 angedeutet ist, kann der Trägerkörper 14 vorteilhaft aus zwei plattenförmigen Teilen 14a und 14b zusammengesetzt sein, deren einander zugewandten Oberflächen so strukturiert sind, daß Kühl­ kanäle 20 und 21 für ein Kühlmedium M ausgebildet sind. Mit Hilfe dieses Kühlmediums ist die durch die elektro­ nischen Schaltungsteile erzeugte Verlustwärme abzuführen. Jede Platte 14a und 14b kann dabei vorteilhaft ein Si- Chip sein, der mit dem zugeordneten Schaltungsteil 17a bzw. 17b versehen ist. Gestaltungsmöglichkeiten von Kühlkanälen in solchen Chips sind Gegenstand der nicht­ vorveröffentlichten DE-Patentanmeldung P 43 11 839.9 vom 15.4.1993 mit dem Titel "Mikrokühleinrichtung für eine Elektronik-Komponente".

Ein Ausführungsbeispiel eines Trägerkörpers 14 aus Si mit zwei Kühlkanälen 20 und 21 zeigt Fig. 3 als Querschnitt. Zum Aufbau dieses Trägerkörpers als ein Wärmetauscher­ element zur Abführung der von den elektronischen Schal­ tungsteilen 17a und 17b hervorgerufenen Verlustwärme wer­ den zwei dünne Streifen oder Platten (Chips) benötigt, die zumindest an ihren aneinander zu fügenden Oberflächen in entsprechender, vorzugsweise gleicher Weise struk­ turiert sind. Die Strukturierung jeder Si-Platte wird in an sich bekannter Weise durch Einarbeiten von Ausnehmungen in eine im allgemeinen zunächst ebene Flachseite der je­ weiligen Platte vorgenommen. Diese Flachseite stellt die Rückseite der Platte bzgl. des zugehörenden, in der Figur durch gestrichelte Linien nur angedeuteten elektronischen Schaltungsteils dar. In der Fig. 3 ist eine entsprechend strukturierte erste Si-Platte mit 14a bezeichnet. Diese Platte hat z. B. eine Stärke s, die zusammen mit dem zuge­ ordneten elektronischen Schaltungsteil 17a vorzugsweise zumindest in etwa halb so groß ist wie die Dicke d des akustischen Dämpfungskörpers. In ihre eine Flachseite sind Ausnehmungen 24 so anisotrop eingeätzt, daß man Pyramiden­ stümpfe 25 erhält. Diese Pyramidenstümpfe sind über die zu strukturierende Fläche regelmäßig verteilt und gegeneinan­ der versetzt angeordnet, wobei sie im Bereich ihrer Böden jeweils gegenseitig beabstandet sind. Die Tiefe t der Aus­ nehmungen 24, die der Höhe der Pyramidenstümpfe 25 ent­ spricht, ist dabei kleiner als die Plattenstärke s. Eine weitere Si-Platte 14b ist entsprechend der ersten Si-Plat­ te 14a strukturiert. Die beiden Si-Platten 14a und 14b werden dann an den Flächen ihrer abgestumpften Pyrami­ denspitzen aneinandergefügt und dort mit einem besonderen Verbindungsmittel zu einem starren Wärmetauscherelement verbunden. Es ergeben sich so aufgrund der korrespondie­ renden Ausnehmungen in den beiden Si-Platten Kühlkanäle 27 mit verhältnismäßig großen Strömungsquerschnitten. Als das in der Figur durch verstärkte Linien angedeutete Verbin­ dungsmittel 28 zwischen den Si-Platten 14a und 14b wird vorteilhaft ein gut-wärmeleitendes Haft-bzw. Klebemittel, vorzugsweise ein Silberleitkleber verwendet.

Bei der Strukturierung der Si-Platten werden zweckmäßig auch stegartige seitliche Abschlüsse ausgebildet, die - bei Betrachtung eines Querschnittes - eine Rinnenform der jeweiligen strukturierten Si-Platte 14a bzw. 14b er­ geben und so ein seitliches Austreten eines Kühlmediums M aus dem Trägerkörper 14 verhindern.

Mit dem aus zwei Platten zusammengesetzten Trägerkörper 14 läßt sich auch ein Mikro-Heat-Pipe-System ausbilden. Hierzu wird der Aufbau gemäß Fig. 3 an allen Seiten mit Abschlußstegen versehen und der so allseitig verschließ­ bare Innenraum unter Vakuum mit einer Kühlflüssigkeit, z. B. mit Wasser oder mit einem speziellen Fluor-Kohlen­ stoff, gefüllt.

Solche Heat-Pipe-Systeme sind bei einer Anordnung mehrerer Si-Trägerkörper angenommen, die in Fig. 4 in Schrägan­ sicht dargestellt sind. Entsprechend der Anzahl der Rei­ hen oder Doppelreihen des Arrays von Wandlerelementen der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung hat die Anordnung 30 eine Anzahl k von Trägerkörpern 14 _k. Jeder Trägerkörper erstreckt sich dabei in Längsrichtung der Wandlereinrich­ tung gesehen nicht nur über den durch eine Fläche 31 ver­ anschaulichten, wärmeerzeugenden Bereich der einzelnen von ihnen zu tragenden oder in sie integrierten elektronischen Schaltungsteile (17a, 17b), sondern ist noch mit einem Teil 14′ ein Stückweit in diese Richtung verlängert. Durch ein versetztes Aneinanderfügen benachbarter Trägerkörper 14 _k läßt sich dann ein kammartiger Aufbau erreichen, wobei die gegenseifig beabstandeten Verlängerungsteile 14′ Kühl­ rippen für ein an ihnen außen vorbeiströmendes Kühlmedium M′ wie z. B. die Umgebungsluft darstellen. Um die Wärmeab­ gabe an die Umgebungsluft insbesondere der die Kühlrippen bildenden Verlängerungsteile 14′ zu unterstützen, kann man dort noch an den jeweiligen Außenflächen oberflächenver­ größernde Maßnahmen vorsehen. Die aneinanderliegenden, die Wärme erzeugenden Bereiche 31 umfassenden Teile der Trä­ gerkörper 14 _k sind gemäß Fig. 1 ausgebildet. Diese Be­ reiche 31 sind mit den übrigen Teilen des jeweiligen Ein­ richtungsteilstücks oder -teilsystems (2) verbunden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, für die Anord­ nung 30 gemäß Fig. 4 seitlich offene Trägerkörper 14 _k zu verwenden, durch die ein Kühlmedium wie Luft in das Kanal­ system der Trägerkörper ein- und aus diesem System wieder austreten kann.

Bei der Wandlereinrichtung nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß sie ein zweidimensionales Matrix-Array von Wandlerelementen aufweisen soll, wobei sie aus meh­ reren Teilstücken bzw. Teilsystemen zusammengesetzt ist. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Ankopplung der elektronischen Schaltungsteile an die Elektroden der Wandlerelemente und zur Kühlung auch bei linearen (eindimensionalen) Arrays angewandt werden, die somit nur eine einzige Reihe von Wandlerelementen auf­ weisen.

Claims (17)

1. Ultraschall-Wandlereinrichtung mit einem ein- oder zweidimensionalen Array von Wandlerelementen, wobei die Einrichtung mindestens ein plattenförmiges Teilstück aufweist, das

• a) einen akustischen Dämpfungskörper,
• b) eine Reihe von mehreren an einer Schmalseite des Dämpfungskörpers angeordneten Wandlerelementen, die jeweils einen piezoelektrischen Schwingungskörper mit an gegenüberliegenden Flächen angeordneten Elektroden aufweisen,
• c) einen den Wandlerelementen zugeordneten elektro­ nischen Schaltungsteil sowie
• d) Verbindungsleitungen zwischen dem Schaltungsteil und den Elektroden der Wandlerelemente enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem mindestens einem Teilstück

• - bei jedem Wandlerelement (4 _j) eine Elektrode (8a, 8b) zwischen dem Dämpfungskörper (3) und dem Schwingungs­ körper (6a, 6b) angeordnet ist, deren elektrischer Anschlußteil (9a, 9b) um die Kante zwischen der Schmal­ seite (3c) und einer angrenzenden Breitseite (3a, 3b) des Dämpfungskörpers (3) geführt ist und mit dem je­ weils zugehörenden Verbindungsleiter (10a, 10b) ver­ bunden ist,
• - an der von den Wandlerelementen (4 _j) abgewandten Schmal­ seite des Dämpfungskörpers (3) ein streifenförmiger Trägerkörper (14, 14 _k) befestigt ist, der auf einer Breitseite den allen Wandlerelementen (4 _j) des Teil­ stücks zugeordneten elektronischen Schaltungsteil (17a, 17b) enthält und
• - der Trägerkörper (14, 14 _k) mit Mitteln zur Kühlung versehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch eine Zusammensetzung aus mehreren platten­ förmigen Teilstücken unter Ausbildung eines zweidimen­ sionalen Matrix-Arrays an Wandlerelementen (4 _j)

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei Teilstücke zu einem Teilsystem (2) der Wandlereinrichtung mit zwei eine Dop­ pelreihe (4a-4b) bildenden Wandlerelementen (4 _j) inte­ griert sind und die zu den Reihen (4a, 4b) gehörenden Verbindungsleiter (10a, 10b) und elektronischen Schal­ tungsteile (17a, 17b) sich auf gegenüberliegenden Breit­ seiten des Teilsystems (2) befinden.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die zu einer Reihe (4a, 4b) von Wandlerelementen (4 _j) gehörenden Verbindungsleiter (10a bzw. 10b) durch einen flexiblen Folienleiter (11a bzw. 11b) gebildet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Folienleiter (11a, 11b) sich von der Längsausdehnung der Reihe (4a, 4b) von Wandlerelementen (4 _j) auf die entsprechende Ausdehnung des elektronischen Schaltungsteils (17a, 17b) erweiternd aus­ gebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß auf min­ destens einer Außenseite des Teilstückes wenigstens eine zumindest den Bereich der Verbindungsleiter (10a; 10b) abdeckende Schirmungsfläche vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der min­ destens eine Trägerkörper (14, 14 _k) Kühlkanäle (20, 21) für ein Kühlmedium (M) enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Trägerkörper (14, 14 _k) aus zwei Platten (14a, 14b) zusammengesetzt ist, die an ihren aneinandergefügten Oberflächen entsprechend den auszubildenden Kühlkanälen (20, 21) strukturiert sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (14, 14 _k) ein allseitig geschlossenes Heat-Pipe-System bildet mit einem entsprechenden Kühlmedium in seinen Kühlkanälen (20, 21).

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß auf wenig­ stens einer Außenfläche des mindestens einen Trägerkörpers (14, 14 _k) dessen Wärmeaustauschfläche vergrößernde Mittel vorgesehen sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der min­ destens eine Trägerkörper (14, 14 _k) der Einrichtung in Längsrichtung über den Bereich (31) seines elektronischen Schaltungsteiles (17a, 17b) hinaus zu einem Verlängerungs­ teil (14′) verlängert ausgebildet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer Ausführungs­ form der Einrichtung mit einem Array von Wandlerelemen­ ten (4 _j) benachbarte Trägerkörper (14 _k) so versetzt an­ geordnet sind, daß ihre Verlängerungsteile (14′) Kühl­ rippen für ein äußeres Kühlmedium (M′) bilden.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der min­ destens eine Trägerkörper (14, 14 _k) zumindest teilweise aus Silizium (Si) besteht.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein elektroni­ scher Schaltungsteil (17a, 17b) zumindest teilweise in das Silizium des jeweiligen Trägerkörpers (14, 14 _k) in­ tegriert ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß der elek­ tronische Schaltungsteil (17a, 17b) getrennte Elektronik­ teile (13 _i) für den Sendefall und für den Empfangsfall enthält.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wand­ lerelemente (4 _j) mindestens einer Reihe (4a, 4b) an den Stirnseiten ihrer Schwingungskörper (6a, 6b) eine gemein­ same Elektrode (7) aufweisen.