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TWI791376B - 波形改善方法及超音波換能器 - Google Patents

波形改善方法及超音波換能器 Download PDF

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TWI791376B
TWI791376B TW111101620A TW111101620A TWI791376B TW I791376 B TWI791376 B TW I791376B TW 111101620 A TW111101620 A TW 111101620A TW 111101620 A TW111101620 A TW 111101620A TW I791376 B TWI791376 B TW I791376B
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蔣富昇
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佳世達科技股份有限公司
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Abstract

波形改善方法包含提供壓電材料連接匹配材料；將至少一個匹配層中之一匹配層產生複數個第一溝槽；將隔離材料灌注於該些第一溝槽；以及提供壓電材料之輸入電壓，使壓電材料產生超音波訊號。壓電材料包含至少一個壓電層。匹配材料包含至少一個匹配層。匹配材料用以匹配壓電材料的聲阻抗。匹配層之該些第一溝槽用以優化聲阻抗及隔震效果。

Description

波形改善方法及超音波換能器
本發明揭露一種波形改善方法及超音波換能器，尤指一種利用匹配層上之複數個溝槽優化聲阻抗及隔震效果的波形改善方法及超音波換能器。
隨著醫療技術的日新月異，超音波的探測技術也越來越成熟。一般而言，超音波的探測方式會利用具有發射超音波訊號的探頭，對皮膚以下發射超音波訊號。並且，超音波訊號的探頭還會利用反射的超音波訊號，判斷皮膚以下肉眼不可視的物體之形狀和位置，以進行各種醫療用途。
傳統超音波換能器發射超音波訊號的方式為利用多個壓電裝置發射出多束超音波訊號，每一束超音波訊號會對應一條掃描線。並且，超音波換能器可接收對應掃描線的超音波反射訊號，進行影像辨識及物體偵測。一般而言，在傳統超音波換能器中，匹配層使用相應材料堆疊而成。匹配層的聲阻抗取決於其材料特性。然而，傳統超音波換能器的聲阻抗沒有優化，且隔震效果不佳，故超音波訊號會產生高能量的震鈴脈衝(Ring Down Pulse)。因此，傳統超音波換能器所發射的超音波波形並不是最佳化的，也導致超音波影像的解析度變差。
本發明一實施例提出一種波形改善方法。波形改善方法包含提供壓 電材料連接匹配材料，其中壓電材料包含至少一個壓電層，且匹配材料包含至少一個匹配層；將至少一個匹配層中之一個匹配層產生複數個第一溝槽；將隔離材料灌注於該些第一溝槽；以及提供壓電材料之輸入電壓，使壓電材料產生超音波訊號。
本發明另一實施例提出一種超音波換能器。超音波換能器包含殼體、壓電材料、匹配材料及兩電導材料。殼體用以提供容置空間。壓電材料置於殼體內，用以接收及產生超音波訊號。匹配材料置於殼體內，用以匹配聲阻抗。兩電導材料耦接於壓電材料，用以輸出/輸入電訊號。壓電材料包含至少一個壓電層。匹配材料包含至少一個匹配層。至少一個匹配層中之一個匹配層具有複數個溝槽。隔離材料灌注於該些溝槽。當兩電導材料輸入電壓時，壓電材料產生超音波訊號。匹配材料用以匹配壓電材料的聲阻抗。匹配層之該些第一溝槽用以優化聲阻抗及隔震效果。
100:超音波換能器
10:殼體
11:壓電材料
12:匹配材料
13:第一電導材料
14:第二電導材料
17:保護材料
M1:第一匹配層
M2:第二匹配層
GM20、G11、GM21、GM1及GM22:溝槽
RD1:第一震鈴脈衝
RD2:第二震鈴脈衝
S601至S604:步驟
第1圖係為本發明之超音波換能器之實施例的架構圖。
第2圖係為第1圖之超音波換能器中，壓電材料及匹配材料之第一種結構的示意圖。
第3圖係為第1圖之超音波換能器中，壓電材料及匹配材料之第二種結構的示意圖。
第4圖係為第1圖之超音波換能器中，壓電材料及匹配材料之第三種結構的示意圖。
第5圖係為第1圖之超音波換能器中，超音波訊號在頻譜的震鈴脈衝之改善的示意圖。
第6圖係為第1圖之超音波換能器中，波形改善方法的流程圖。
第1圖係為本發明之超音波換能器100之實施例的架構圖。於此說明，超音波換能器100可為直線型超音波換能器、弧形超音波換能器、圓形超音波換能器、多曲率超音波換能器、球型超音波換能器或非球形超音波換能器。超音波換能器100的架構並不被第1圖所限制。超音波換能器100可包含殼體10、壓電材料11、匹配材料12、第一電導材料13以及第二電導材料14。殼體10用以提供容置空間，且不被特定形狀所限制。壓電材料11置於殼體10內，用以接收及產生超音波訊號。壓電材料11可為陶瓷結構的壓電晶體。並且，壓電材料11具有預先設定的聲阻抗，例如40M Rate(密度(g/cm3)/速度(m/s))。第一電導材料13以及第二電導材料14耦接於壓電材料11，用以輸出/輸入電訊號。並且，超音波換能器100還可以包含保護材料17，以及鏡頭層(未繪示)。保護材料17可裸露在外，亦即殼體10可不包覆保護材料17。超音波換能器100之任何合理的硬體變更都屬於本發明所揭露的範疇。在超音波換能器100中，壓電材料可包含至少一個壓電層。匹配材料12可包含至少一個匹配層。並且，至少一個匹配層中之一個匹配層具有複數個第一溝槽。隔離材料可以灌注於該些第一溝槽。隔離材料的材質並無限制，任何具備隔震效果的液態或固態材料都屬於本發明之隔離材料所應用的範疇。第一電導材料13以及第二電導材料14可為Flexible Print Circuit(FPC)軟性電路板，或是任何導電裝置。當第一電導材料13及第二電導材料14輸入電壓時，壓電材料11會發生彈性體的震動，故可產生超音波訊號。在超音波換能器100中，壓電材料11與匹配材料12相鄰。匹配材料12可用以匹配壓電材料11的聲阻抗。並且，匹配層之該些第一溝槽可用以優化聲阻抗及增強隔震效果。舉例而言，如前述提及，壓電材料11可具有原始的聲阻抗，為40M Rate。 匹配材料12可為兩層的匹配層，分別具有7M Rate以及2M Rate的聲阻抗。然而，在匹配材料12上產生第一溝槽後，可匹配壓電材料11的聲阻抗，如將壓電材料11的聲阻抗由40M Rate改變為16M Rate。並且，由於在匹配材料12上產生第一溝槽後，超音波訊號的接收點之外之諧波雜訊可經由溝槽而隔震，故超音波訊號的在頻譜的震鈴脈衝(Ring Down Pulse)可以降低。
第2圖係為超音波換能器100中，壓電材料11及匹配材料12之第一種結構的示意圖。如第2圖所示，壓電材料11可產生複數個第二溝槽G11。壓電材料11之壓電層的第二溝槽G11可為水平排列及/或垂直排列。例如，壓電材料11的第二溝槽G11可為垂直排列，用以將壓電材料11分為複數個陣元。在第2圖中，匹配材料12可包含第一匹配層M1以及第二匹配層M2。第一匹配層M1在壓電材料11及第二匹配層M2之間。第一匹配層M1或第二匹配層M2具有複數個第一溝槽，且第一匹配層M1或第二匹配層M2的該些第一溝槽對應於壓電材料11之該些第二溝槽。舉例而言，如第2圖所示，第二匹配層M2具有複數個第一溝槽GM20。並且，當壓電材料11用垂直溝槽G11分割不同的陣元時，第二匹配層M2的該些第一溝槽GM20可為水平排列。水平排列的該些第一溝槽GM20可使每一個在壓電材料11上的陣元等距均分，以使隔震效果更佳。換句話說，每一個壓電材料11的陣元對應於第二匹配層M2的該些第一溝槽，故壓電材料11的陣元對應的第一溝槽數量以及尺寸是一致的。並且，上述提及之匹配材料12的複數個第一溝槽，其尺寸、寬度以及深度可以自訂。匹配材料12的第一溝槽其最大深度不可超過匹配材料12的厚度。換句話說，匹配材料12的該些第一溝槽，不能將匹配材料12做物理性的切割為至少兩部分。
第3圖係為超音波換能器100中，壓電材料11及匹配材料12之第二種結構的示意圖。如第3圖所示，壓電材料11可產生複數個第二溝槽G11。壓電材料11之壓電層的第二溝槽G11可為水平排列及/或垂直排列。例如，壓電材料11 的第二溝槽G11可為垂直排列，用以將壓電材料11分為複數個陣元。在第3圖中，匹配材料12可包含第一匹配層M1以及第二匹配層M2。第一匹配層M1在壓電材料11及第二匹配層M2之間。第一匹配層M1或第二匹配層M2具有複數個第一溝槽。舉例而言，如第3圖所示，第二匹配層M2具有複數個第一溝槽GM21。第二匹配層M2的該些第一溝槽GM21可為棋盤式的格狀排列。並且，第二匹配層M2的該些第一溝槽GM21的深度限制以及功效以於前文中描述，故於此將不再贅述。並且，雖然第2圖以及第3圖中，為第二匹配層M2具有第一溝槽GM20以及第一溝槽GM21。然而，本發明之超音波換能器100並不以此為限制。舉例而言，在其他實施例中，超音波換能器100也可以僅有第一匹配層M1具有第一溝槽。超音波換能器100之第一匹配層M1以及第二匹配層M2也可以同時具有第一溝槽。細節如後文詳述。
第4圖係為超音波換能器100中，壓電材料11及匹配材料12之第三種結構的示意圖。類似於前述特徵。如第4圖所示，壓電材料11可產生複數個第二溝槽G11。壓電材料11之壓電層的第二溝槽G11可為水平排列及/或垂直排列。例如，壓電材料11的第二溝槽G11可為垂直排列，用以將壓電材料11分為複數個陣元。在第4圖中，匹配材料12可包含第一匹配層M1以及第二匹配層M2。第一匹配層M1在壓電材料11及第二匹配層M2之間。第一匹配層M1以及第二匹配層M2具有複數個第一溝槽。如第4圖所示，第一匹配層M1具有複數個第一溝槽GM1。第二匹配層M2具有複數個第一溝槽GM22。第一匹配層M1的該些第一溝槽GM1以及第二匹配層M2的該些第一溝槽GM22可為垂直排列或是水平排列。並且，上述提及第一匹配層M1的該些第一溝槽GM1以及第二匹配層M2的該些第一溝槽GM22其尺寸、寬度以及深度可以自訂。然而，第一匹配層M1的該些第一溝槽GM1以及第二匹配層M2的該些第一溝槽GM22，其最大深度不可超過匹配材料12的厚度。換句話說，匹配材料12的該些第一溝槽，不能將壓電材料11或是 匹配材料12做物理性的切割為至少兩部分。並且，第一匹配層M1及第二匹配層M2的溝槽可對應於壓電層之第二溝槽。舉例而言，當壓電材料11用垂直的第二溝槽G11分割不同的陣元時，第一匹配層M1的該些第一溝槽GM1可為水平排列。第二匹配層M2的該些第一溝槽GM22也可為水平排列。水平排列的該些第一溝槽GM1以及GM22可使每一個在壓電材料11上的陣元等距均分，以使隔震效果更佳。換句話說，每一個壓電材料11的陣元可對應於第一匹配層M1以及第二匹配層M2的該些第一溝槽(如GM1以及GM22)，故壓電材料11的陣元對應的溝槽數量以及尺寸是一致的。
超音波換能器100也支援超音波的發射以及接收功能，描述於下。如前述提及，超音波換能器100之壓電材料11可為壓電陶瓷材料。在超音波換能器100中，當壓電材料11接收超音波訊號後，壓電材料11會發生陶瓷材料的彈性震動。因此，壓電材料11的兩側可產生複數個極性相反的電荷。該些極性相反的電荷可以透過第一電導材料13以及第二電導材料14而產生電訊號。電訊號再透過第一電線15以及第二電線16傳輸到外部系統。並且，若壓電材料11的透過第一電導材料13以及第二電導材料14輸入極性相反的電壓，壓電材料11可利用具有溝槽的至少一個匹配層執行聲阻抗匹配。並且，因壓電材料11可為壓電陶瓷材料，故壓電陶瓷材料可用共振方式產生超音波訊號。
並且，如前述提及，超音波換能器100可為直線型超音波換能器、弧形超音波換能器、圓形超音波換能器、多曲率超音波換能器、球型超音波換能器或非球形超音波換能器。換句話說，超音波換能器100中的至少一個匹配層可為直線型匹配層、弧形匹配層、圓形匹配層、多曲率匹配層、球型匹配層或非球形匹配層。並且，若壓電材料11為單一陣元，則匹配材料12的溝槽可用棋盤式的格狀溝槽。若壓電材料11被區分為多個陣元區域，則匹配材料12的溝槽配置可對應壓電材料11的陣元區域，以使每一個陣元有良好的隔震效果。
第5圖係為超音波換能器100中，超音波訊號在頻譜的震鈴脈衝(Ring Down Pulse)之改善的示意圖。應當理解的是，一般的超音波換能器所產生的震鈴脈衝的理想值是2~3根。並且，震鈴脈衝的振幅越小，或是震鈴脈衝的諧波越少，意味著超音波訊號的波形越佳。在第5圖中，實線為匹配材料12未引入第一溝槽之超音波換能器所產生之超音波訊號之的脈衝回波波形(Pulse Echo Waveform)。X軸為波值。Y軸為時間。RD1為波形的震鈴脈衝之一。虛線為匹配材料12引入第一溝槽之超音波換能器100所產生之超音波訊號之的脈衝回波波形。X軸為波值。Y軸為時間。RD2為波形的震鈴脈衝之一。在第5圖中，震鈴脈衝RD2小於震鈴脈衝RD1。並且，引入第一溝槽之超音波換能器100所產生之超音波訊號中，大部分的震鈴脈衝以及諧波振幅均小於傳統的超音波換能器所產生之超音波訊號之震鈴脈衝以及諧波振幅。換句話說，在超音波換能器100中，當壓電材料11利用具有該些第一溝槽的至少一個匹配層執行聲阻抗匹配且以共振方式產生超音波訊號後，超音波訊號的震鈴脈衝可以降低。因此，由於超音波換能器100所產生的超音波訊號之波形可被優化，故超音波訊號在頻譜上的能量會更集中，以使成像的解析度更佳。
並且，在超音波換能器100中，至少一個匹配層可包含第一匹配層以及第二匹配層。第一匹配層在壓電層及第二匹配層之間。第二匹配層可具有第一表面，用以連接第一匹配層以及第二表面。並且，該些第一溝槽可用垂直第二表面的方向進行切割程序而形成。切割程序可以選擇性地切斷或不切斷第二匹配層。當第二匹配層被切斷後，可選擇性地切開部分第一匹配層而不切斷該第一匹配層。並且，壓電材料可包括複數個第二溝槽。該些第一溝槽可與該些第二溝槽垂直。或者，該些第一溝槽可與該些第二溝槽逐個對齊。
第6圖係為超音波換能器100中，波形改善方法的流程圖。波形改善方法的流程包含步驟S601至步驟S604。任何合理的技術變更或是步驟置換都屬 於本發明所揭露的範疇。步驟S601至步驟S604描述如下：步驟S601：提供壓電材料11連接匹配材料12，其中壓電材料11包含至少一個壓電層，且匹配材料12包含至少一個匹配層；步驟S602：將至少一個匹配層中之一個匹配層產生複數第一個溝槽；步驟S603：將隔離材料灌注於該些溝槽；步驟S604：提供壓電材料11之輸入電壓，使壓電材料11產生超音波訊號。
步驟S601至步驟S604的細節已於前文詳述，故於此將不再贅述。在超音波換能器100中，由於匹配材料12引入複數個第一溝槽以優化聲阻抗，因此超音波換能器100所產生的超音波訊號之波形可以獲得改善，進而增加影像品質以及解析度。
綜上所述，本發明描述一種超音波換能器以及波形改善方法。超音波換能器包含壓電材料以及匹配材料。匹配材料中至少一層的匹配層具有複數個溝槽。該些溝槽可匹配以及優化壓電材料的聲阻抗。該些溝槽也可以提升超音波換能器中每一個陣元的隔震效果。並且，在聲阻抗被優化後，超音波換能器所產生之超音波訊號之大部分的震鈴脈衝以及諧波振幅都可以被降低。換句話說，於由於超音波換能器所產生的超音波訊號之波形可被優化，故超音波訊號在頻譜上的能量會更集中，以使成像的解析度更佳。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:超音波換能器
10:殼體
11:壓電材料
12:匹配材料
13:第一電導材料
14:第二電導材料
17:保護材料

Claims (14)

  1. 一種波形改善方法，包含：提供一壓電材料連接一匹配材料，其中該壓電材料包含至少一壓電層，且該匹配材料包含至少一匹配層；將該至少一匹配層中一匹配層產生複數個第一溝槽；將一隔離材料灌注於該些第一溝槽；及提供該壓電材料一輸入電壓，使該壓電材料產生一超音波訊號；其中該匹配材料用以匹配該壓電材料的一聲阻抗，且該匹配層之該些第一溝槽用以優化該聲阻抗及一隔震效果。
  2. 如請求項1所述之方法，另包含：將該至少一壓電層產生複數個第二溝槽；其中該壓電層之該些第二溝槽係為一水平排列及/或一垂直排列。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該至少一匹配層包含一第一匹配層以及一第二匹配層，該第一匹配層在該壓電層及該第二匹配層之間，該第二匹配層具有該些第一溝槽，且該第二匹配層的該些第一溝槽對應於該壓電層之該些第二溝槽。
  4. 如請求項2所述之方法，其中該至少一匹配層包含一第一匹配層以及一第二匹配層，該第一匹配層在該壓電層及該第二匹配層之間，該第一匹配層及該第二匹配層具有該些第一溝槽，且該第一匹配層及該第二匹配層的該些第一溝槽對應於該壓電層之該些第二溝槽。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該壓電材料係為一壓電陶瓷材料，當該壓電材料接收該超音波訊號後，該壓電陶瓷材料的兩側產生複數個極性相反的電荷，且該些極性相反的電荷透過兩電導材料而產生電訊號。
  6. 如請求項5所述之方法，其中若該壓電陶瓷材料的兩側透過該兩電導材料輸入極性相反的電壓，該壓電陶瓷材料利用具有該些第一溝槽的該匹配層執行聲阻抗匹配，且以一共振方式產生該超音波訊號。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該匹配層之該些第一溝槽的一深度不超過該匹配層之一厚度。
  8. 如請求項1所述之方法，其中當該壓電材料利用具有該些第一溝槽的該匹配層執行聲阻抗匹配且以一共振方式產生該超音波訊號後，該超音波訊號的一震鈴脈衝(Ring Down Pulse)降低。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該至少一匹配層為一直線型匹配層、一弧形匹配層、一圓形匹配層、一多曲率匹配層、一球型匹配層或一非球形匹配層。
  10. 一種超音波換能器，包含：一殼體，用以提供一容置空間；一壓電材料，置於該容置空間內，用以接收及產生一超音波訊號；一匹配材料，置於該容置空間內，用以匹配該壓電材料的一聲阻抗；及兩電導材料，耦接於該壓電材料，用以輸出/輸入電訊號； 其中該壓電材料包含至少一壓電層，該匹配材料包含至少一匹配層，至少一匹配層中一匹配層具有複數個第一溝槽，一隔離材料灌注於該些第一溝槽，當該兩電導材料輸入電壓時，該壓電材料產生該超音波訊號，該匹配層之該些第一溝槽用以優化該聲阻抗及一隔震效果。
  11. 如請求項10所述之超音波換能器，其中該至少一匹配層包含一第一匹配層以及一第二匹配層，該第一匹配層在該壓電層及該第二匹配層之間，該第二匹配層具有一第一表面連接該第一匹配層以及一第二表面，該複數個第一溝槽係以垂直該第二表面的方向進行進行一切割程序而成。
  12. 如請求項11所述之超音波換能器，其中該切割程序選擇性地切斷或不切斷該第二匹配層，當切斷該第二匹配層後，可選擇性地切開部分該第一匹配層而不切斷該第一匹配層。
  13. 如請求項10所述之超音波換能器，其中該壓電材料包括複數個第二溝槽，該些第一溝槽係與該複數個第二溝槽垂直。
  14. 如請求項10所述之超音波換能器，其中該壓電材料包括複數個第二溝槽，該些第一溝槽係與該複數個第二溝槽逐個對齊。
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