流体不可渗透的超声换能器制造技术

本发明专利技术提供了一种流体不可渗透的换能器，包括：外壳和换能器头的组件；以及致动器，所述致动器设置在所述外壳中在所述换能器头的后部的后面，且可操作以通过所述换能器头传输声能。换能器头和外壳限定换能器的流体不可渗透的工作部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】流体不可渗透的超声换能器
技术介绍
超声换能器用于广泛的各种应用，例如，在医学成像中，用于施加超声能量以加热或破坏生物体内的组织的程序，以及用于喷射流体滴的过程中。上述情况中的任一个或全部可能需要超声换能器能够将声能聚焦到小焦点。举例来说，使用声学方式产生流体滴的一些方法包括在Ellson的美国专利No.8,544,976和Stearns等人的美国专利No.6,416,164中描述的那些方法，这两篇专利均以引用方式并入本文以用于所有目的。超声辐射可以通过多种方式聚焦。例如，弯曲表面可用于将声辐射引导或转向到焦点。对于产生流体滴的过程，焦点可设置在流体表面附近。一种这样的技术在Lovelady等人的美国专利No.4,308,547中描述。一些可商购的声换能器通过弯曲表面聚焦声能，这些声换能器包括由Camasonics(英国威尔特郡)、GE/Krautkramer，SonicConcepts,Inc.(美国华盛顿巴索)以及Sonotec(德国哈勒)，UltranGroup(美国宾夕法尼亚州立学院)制造的一些聚焦的浸入式换能器。聚焦声能的其他方法包括使用菲涅耳透镜，如在例如Quate等人的美国专利No.5,041,849中描述的。各种通用弯曲表面和球形表面换能器用于非破坏性测试(NDT)行业、医疗行业等。如本文中所使用，“浸入式(Immersion)”不但指示用于NDT的浸入式的常规定义(其中换能器部分地或完全地浸入液体耦合流体中)，而且可在更一般的意义上用于包括换能器的任何部分暴露于液体，即换能器的一部分与流体耦合接触的应用。超声换能器通常包括致动器和聚焦元件，该聚焦元件集中由致动器产生的声能。致动器的一些实例包括压电元件和磁致伸缩元件。在操作中，致动器由超声驱动频率的信号驱动，并在有源物理元件中产生超声振动。这些振动被发射到周围介质中，例如液体或凝胶(例如，水)，并且从那里发射到所关注的结构或介质。例如，在涉及液滴喷射的应用中，声能可以超声振动的形式从换能器通过比如水的声传导流体或耦合流体传输，并且从那里传输到储存器中，液滴从储存器喷射。设计成在浸入液体介质中时主要地或显著地聚焦声能的换能器通常称为浸入式换能器。聚焦的浸入式换能器采用成形的有源物理元件，该有源物理元件可以包括例如弯曲面，或者可以采用菲涅耳尔透镜或类似结构。在此类情况下，这一面必须由可精确成形为聚焦形状且可容易地将声能传输到液体介质中的材料构成。为此，传统的聚焦的浸入式超声换能器采用硬固化环氧树脂、陶瓷、复合材料或类似材料来形成聚焦透镜的聚焦形状。虽然此类聚焦透镜材料可通过模制或另一净成形制造方法形成，并且虽然在有限的持续时间内大体上防水，但已发现此类材料易于降解，并且当长持续时间暴露于水时，可能倾向于逐渐吸收水，从而导致变形，导致声学特性的改变并最终导致换能器失效。虽然此类换能器可适用于短期浸入应用，但对于要求长期浸入的应用需要更高的精度和耐久性。典型的浸入式换能器，例如用于常规NDT程序的那些换能器，与液滴喷射换能器相比在液体中具有相对较低的占空比，并且不需要随时间推移具有恒定焦距。然而，对于声学液滴喷射应用，装置性能更依赖于聚焦的一致性，尤其是在长浸没时间内的一致性。因此，希望具有一系列换能器，它们在窄范围的聚焦行为内运行，并且尽管换能器在长时间段内浸没但仍保持在该窄范围内。
技术实现思路
本文中描述的实施例包括换能器，所述换能器包括外壳和换能器头的组件，所述换能器头具有面向前向方向的聚焦透镜，且所述换能器头的后部面向后向方向。所述外壳与所述换能器头连接且在后向方向上延伸，其中致动器设置在所述外壳中所述换能器头的后部的后面，且可操作以在所述前向方向上通过所述换能器头传输声能。如本文中所描述，流体不可渗透性可至少施加到在使用换能器时换能器的不可避免地浸入工作流体中的部分。例如，根据各种实施例，所述换能器头和外壳可限定所述换能器的流体不可渗透的工作部分。流体不可渗透还可包括例如不可渗透水或类似粘性的反应性和非反应性溶剂，或不可渗透普通液体和/或溶剂体系的穿透，所述普通液体和/或溶剂体系包括非极性、极性质子和极性非质子溶剂，并且特别是水/水溶液(包括盐水)、DMSO、乙醇、烷烃、油、表面活性剂等。在一些实施例中，流体不可渗透还包括在常规操作条件下和在升高的温度/压力下(诸如在灭菌程序期间使用的那些)不可渗透蒸汽，例如溶剂蒸汽、水蒸汽、空气或其它类似气体。根据一些另外的实施例，不只换能器的工作部分可以是流体不可渗透的，例如，在一些实施例中，外壳可以完全密封以防止液体侵入。根据各种实施例，所述外壳和换能器头由一种或多种流体不可渗透、非吸收性固体材料形成，所述材料是例如金属元件、金属合金、陶瓷或类似材料。换能器头和外壳中的任一者或两者可由具有适当声学性能的任何合适的不透水材料形成。材料(如果是单个部分)或组件(如果是多个部分)优选地提供厄米性(hermiticity)和流体(包括但不限于水)不可渗透性，且换能器头优选地具有不过大的声阻抗，即，不会导致高声学损耗和/或增加“振铃(ringing)”，如下文所论述的。合适的材料可包含例如铝、铍、镉、锗、铅、银、锡、钛、锌、锆，上述任一者的合金，或在具有或不具有密封剂、掺杂剂或用于缓解腐蚀、毒性或结构弱点的类似物质的情况下含有上述材料中任一者的合成物。换能器头(或透镜)的材料选择不仅在流体不可渗透性方面，而且在机械性质相对均匀方面都与常规环氧透镜形成对比。换能器头(或透镜)因此在浸没时保持机械均匀性，从而产生在换能器的使用期限内持续存在的良好光束对称性。外壳和换能器头优选地以产生由公共部分形成的不透水和非吸收性接头的方式联结，例如焊接或钎焊在一起，或以其它方式永久性且不透水地联结。换能器头优选地由能够为高精度应用传输可再现声速的材料形成，因此具有高声速的材料是优选的。替代地，外壳和换能器头的一些部分可以由例如陶瓷或塑料与金属组合的多种材料制成，前提条件是组件不会影响长期厄米性。例如，塑料或陶瓷套筒可以设置在金属外壳周围，或者可在包含换能器头和/或换能器头部件的组件的内部或外部，或者内部和外部两者镀覆金属。根据各种实施例，外壳和换能器头可由限定工作部分的连续元件形成，其中聚焦透镜直接形成在连续元件的换能器头部分上，且致动器定位在外壳中聚焦透镜后面。根据一些实施例，聚焦透镜由被构造成聚焦声能的换能器头的凹入部分形成。此凹入部分可由球形声学透镜、柱形声学透镜或其它合适的声学聚焦形状形成。在一些实施例中，聚焦透镜可包括被构造成聚焦声能的衍射声学透镜。限定聚焦透镜的周边部分可以限定换能器头边缘，并且在一些实施例中，衰减层定位在换能器头边缘上，其中衰减层可操作以吸收声能。在一些实施例中，辅助换能器可定位在衰减层上且通过衰减层与换能器分离。换能器头还可包括设置在聚焦透镜上的匹配层，以用于减少从聚焦透镜通过匹配层传输到介质中的声信号的损失。因此，匹配层可部分地基于换能器旨在要与其一起作用的介质的声学特性来选择。典型的声学介质包括水、水溶液或具有类似于水的粘度的其他流体，以及各种低声损耗凝胶，例如但不限于水/丙二醇基凝胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种换能器，包括：/n外壳；/n流体不可渗透的换能器头，所述流体不可渗透的换能器头包括金属聚焦透镜，所述换能器头具有后表面和前表面，所述金属聚焦透镜设置在所述前表面上，并且被构造成将超声朝焦点聚焦；以及/n致动器，所述致动器结合到所述换能器头的后表面，并且能够操作以产生所述金属聚焦透镜的振荡机械振动，使得从所述金属聚焦透镜朝所述焦点发射超声，其中，所述外壳和换能器头以流体不可渗透的方式连接，以防止液体进入所述外壳中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180330 US 62/650,9191.一种换能器，包括：
外壳；
流体不可渗透的换能器头，所述流体不可渗透的换能器头包括金属聚焦透镜，所述换能器头具有后表面和前表面，所述金属聚焦透镜设置在所述前表面上，并且被构造成将超声朝焦点聚焦；以及
致动器，所述致动器结合到所述换能器头的后表面，并且能够操作以产生所述金属聚焦透镜的振荡机械振动，使得从所述金属聚焦透镜朝所述焦点发射超声，其中，所述外壳和换能器头以流体不可渗透的方式连接，以防止液体进入所述外壳中。


2.根据权利要求1所述的换能器，其中所述外壳包括金属外壳，所述金属外壳通过流体不可渗透的接头连接到所述金属聚焦透镜。


3.根据权利要求2所述的换能器，其中所述流体不可渗透的接头包括焊接接头。


4.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述外壳和换能器头以流体不可渗透的方式连接以防止气体进入所述外壳中。


5.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述外壳和所述金属聚焦透镜是一体形成的。


6.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜包括球形凹表面。


7.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜包括柱形凹表面。


8.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述致动器是压电换能器。


9.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头的前表面包括环绕所述聚焦透镜的周边部分，并且还包括：
衰减层，所述衰减层与所述周边部分相接并且被构造成吸收从所述致动器通过所述周边部分发射的超声能量。


10.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括匹配层，所述匹配层联接到所述聚焦透镜以将超声从所述聚焦透镜传输到介质，所述匹配层被构造成与超声从所述聚焦透镜向所述介质的直接传输相比，增强超声从所述聚焦透镜向所述介质的传输。


11.根据权利要求10所述的换能器，其中所述聚焦透镜具有第一声阻抗，所述介质具有不同于所述第一声阻抗的第二声阻抗，并且所述匹配层具有在所述第一声阻抗与所述第二声阻抗之间的匹配声阻抗。


12.根据权利要求11所述的换能器，其中所述匹配声阻抗根据等式近似等于Zm，其中Zl是所述第一声阻抗，并且Zc是所述第二声阻抗。


13.根据权利要求12所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在Zm的10％内。


14.根据权利要求12所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在Zm的5％内。


15.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在约4-10Mrayl的范围内。


16.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配声阻抗在约6-8Mrayl的范围内。


17.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括石墨。


18.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括含氟聚合物层。


19.根据权利要求11-14中任一项所述的换能器，其中所述匹配层包括聚偏氟乙烯。


20.根据权利要求11-19中任一项所述的换能器，其中所述匹配层的厚度对应于在标称频率下通过所述匹配层的声信号的四分之一波长的奇数倍。


21.根据权利要求20所述的换能器，其中所述匹配层的厚度在由所述四分之一波长的奇数倍限定的标称厚度的20％内。


22.根据权利要求20所述的换能器，其中所述匹配层的厚度在由所述四分之一波长的奇数倍限定的标称厚度的10％内。


23.根据权利要求20-22中任一项所述的换能器，其中所述标称频率在2到15MHz的范围内。


24.根据权利要求10-23中任一项所述的换能器，其中所述匹配层具有范围从30到80μm的厚度。


25.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括设置在所述前表面上的第一匹配层和设置在所述第一匹配层上的第二匹配层，所述第一匹配层和所述第二匹配层被构造成与超声从所述聚焦透镜向介质的直接传输相比，增强超声从所述聚焦透镜向所述介质的传输。


26.根据权利要求25所述的换能器，其中：
所述聚焦透镜具有第一声阻抗；
所述介质具有不同于所述第一声阻抗的第二声阻抗；
所述第一匹配层具有在所述第一声阻抗与所述第二声阻抗之间的第一匹配声阻抗；并且
所述第二匹配层具有在所述第一匹配声阻抗与所述第二声阻抗之间的第二匹配声阻抗。


27.根据权利要求26所述的换能器，其中所述第一匹配声阻抗和所述第二匹配声阻抗分别近似等于Zm1和Zm2，其中并且并且其中Zl对应于所述金属聚焦透镜的声阻抗，并且Zc对应于所述介质的声阻抗。


28.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述聚焦透镜的直径比所述致动器大。


29.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头由金属或金属合金形成。


30.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头包括铝(Al)、铍(Be)、镉(Cd)、碳(C)、铬(Cr)、铜(Cu)、锗(Ge)、金(Au)、铁(Fe)、铅(Pb)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、铌(Nb)、磷(P)、铂(Pt)、硒(Se)、硅(Si)、银(Ag)、锡(Sn)、钛(Ti)、钨(W)、钒(V)、锌(Zn)或锆(Zr)中的一者或多者。


31.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头和外壳的特征在于在浸入液体中时液体渗透深度和引起的材料损失为零。


32.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述换能器头和外壳的特征在于与液体接触每年的材料重量损失小于0.1％。


33.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述致动器的厚度等于由所述换能器生成的标称频率下的声信号的标称声波波长的大约一半。


34.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中所述致动器的厚度等于大约275μm。


35.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，还包括背衬材料，所述背衬材料被构造成衰减由所述致动器传输的声能，所述致动器位于所述背衬材料与所述金属聚焦透镜之间。


36.根据权利要求35所述的换能器，其中所述背衬材料包括均匀地悬浮在声阻尼材料中的声散射材料的颗粒。


37.根据权利要求35所述的换能器，其中所述背衬材料包括阻尼聚合物基质。


38.根据权利要求35所述的换能器，其中所述背衬材...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴布尔·哈迪米奥卢，杰伊·道尔顿，理查德·N·埃尔森，
申请(专利权)人：拉伯赛特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US