用于超声波换能器的多层背衬吸收器制造技术

用于在厚度模式中操作的超声波换能器的多层背衬吸收器具有适合于给定的灵敏度及带宽的声阻抗和吸收。所述多层背衬吸收器为换能器性能提供平滑的频率响应曲线。换能器具有背衬层，该背衬层包括被布置以便给定的阻抗和吸收被得到的金属、聚合物和／或粘合剂层。有金属和没有金属的总的多层区域之间的侧面边界与表面成一些角度以便来自所述吸收器的背部表面的反射不会反射回所述压电层。多层吸收器包括在每个聚合物层上的金属层并且被配置成周期性光栅，其中所述方向和周期对于每个层是不同的，并且其中所述吸收器中的声波被散射或者衍射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及用于超声波 换能器的多层背衬吸收器并且更具体地涉及具有根 据期望的灵敏度和/或带宽而被调整的声阻抗和吸收的多层背衬吸收器。
技术介绍
用于超声波换能器的背衬吸收器典型地由金属粒子(metal particle)和其他粘 结剂复合材料组成。美国专利Nos. 3，973，152,4, 090，153,4, 582，680以及6，814，618描述 了这样的现有技术的背衬吸收器。美国专利No. 3，973，152描述了被施加于起吸收器作用 的多层金属箔的压力。然而，这样的结构和技术在若干方面是不足的。举例来说，超声波不 会传播通过表面之间的相对小的缝隙(例如类似于大约0.01微米(um)或者更大的缝隙)。 相反地，超声波仅被传导通过所述金属层实际接触或者被熔合于彼此的小的面积。因为所述金属表面不是理想地平整并且存在细微的凹凸不平之处，故实际的或 者真正的接触面积表示总的表面面积的小部分，并且超声波主要在超声波的吸收所发生 的这些小的部位中传播通过。这是超声波在被加压的多层金属箔中的衰减的机制。为 了使所述金属箔处于基本上均勻的接触中而没有上述相对小的缝隙，高压(例如大约 50, OOOpsi (350MPa)或者更高)必须被施加以准许声波通过大部分边界区域。然而，这样的 结构不提供恰当的吸收。因此，所述压力必须处于产生多个接触部位的某个值，由此为所述 波提供恰当的衰减。然而，难以在这种环境内以恒定的并且可再现的方式控制所述压力的 施加。举例来说，当施加高压时，金属通常是疲劳的并且压力最终减小，由此使所述吸收随 时间减小。关于所述已知的多层背衬吸收器的另外的问题涉及设计所述加压结构的困难。诸 如PZT或者晶体的压电材料是易碎的并且容易被所施加的压力损坏，可是多层金属箔必须 被压在所述压电层上。这要求所述压电材料支撑所述压力。如果只有所述多层箔的周边被 加压并且主要的中心区域被粘合于压电材料，则恰当的压力不能出现在所述多层结构的每 个边界上。设计这样的结构是困难的，特别是当所述压电层的尺寸薄(小于0.5毫米)且 大(大于5毫米)时。此外，所述加压结构(典型地包括螺钉和固定器)使得该装置体积 大。更进一步，所述吸收和阻抗不能仅仅被设计为专门的值。背衬吸收器相对地难以制造并且控制这些装置的吸收和声阻抗。许多吸收器由混 合以环氧树脂或者聚合物作为粘合剂的重金属粒子组成。所述密度差产生沉淀物并且因此 要求彻底的混合。而且，铸造必须在混合之后立即发生以将所述吸收器设置为所期望的形 状。这样的过程难以控制。此外，以正确的比率混合要求精确的重量测量。设计中的困难、再现性以及可靠性这样的问题对于包括上述例子的任何吸收器而 言通常可见。可替代的吸收器结构以及制造吸收器结构的方法是期望的。
技术实现思路
本专利技术的一般目的(随后将更详细地被描述)是提供用于超声波换能器的新的多层背衬吸收器。根据本专利技术的一方面，举例来说，用于在厚度模式中操作的超声波换能器的多层 背衬吸收器具有根据给定的灵敏度和带宽而被调整的声阻抗和吸收。该新颖的多层背衬吸 收器为换能器性能提供平滑的频率响应曲线而没有许多假的尖峰。本专利技术的实施例包括具有背衬层的换能器，所述背衬层包括被布置以便给定的阻 抗和吸收被得到的金属、聚合物和/或粘合剂的层。适于通过粘合剂被粘合的多个沉积金 属的聚合物层的结构的声阻抗和吸收被提供。适于通过粘合剂被粘合的各个金属层的结构 的声阻抗和吸收的例子被示出。有金属和没有金属的总的多层区域之间的侧面边界(side boundary)相对于表面成一些角度以便来自所述吸收器的背部表面的反射不会反射回所述 压电层。在一种配置中，多层吸收器在每个聚合物层上包括金属层并且被配置为周期光栅， 其中方向和周期对于每个层是不同的，并且其中所述吸收器中的声波被散射或者衍射。 附图说明考虑下面与附图相结合所获得的本专利技术的优选实施例的详细描述将有助于对本 专利技术的理解，在附图中相似的标号表示相似的部件并且在附图中图Ia是常规的超声波换能器的示意性图示。图Ib是根据本专利技术的实施例的二单元多层吸收器的示意性图示。图Ic是根据本专利技术的实施例的三单元多层吸收器的示意性图示。图2a是根据本专利技术的实施例的多层吸收器与压电层相结合形成超声波换能器的 示意性图示。图2b是使用前匹配以及根据本专利技术的原理的多层吸收器的测量的波形。图2c是使用前匹配以及根据本专利技术的原理用于2-2型复合材料PZT换能器的多 层吸收器的测量的波形。图3是根据本专利技术的实施例的与压电层相结合的分级的边界多层吸收器的示意 性图示。图4是根据本专利技术的实施例的二单元多层吸收器的分级的背部表面的示意性图7J\ ο图5a是示出了根据本专利技术的实施例的光栅金属多层吸收器的层的示意性图示。图5b是具有根据本专利技术的原理的光栅多层吸收器的2-2型复合材料换能器。图6是根据本专利技术的实施例、对于每个层具有任意不同的光栅的多层吸收器的层 结构的示意性图示。图7是用于根据图Ib中所示的本专利技术的实施例的具有50微米(um)铜和12微米 粘合剂的多层吸收器的作为频率的函数的声阻抗的图形表示。图8是用于根据图Ib所示的本专利技术的实施例的具有25微米(μπι)铜和25微米 粘合剂的多层吸收器的作为频率的函数的声阻抗的图形表示。具体实施例方式现在将详细地参考本专利技术的当前的示范性实施方式，其例子在附图中被示出。在 任何可能的地方，相同的参考标号将贯穿所述附图被用于表示相同或者相似的部件。图Ia示出在厚度振动模式中操作的典型的超声波换能器的结构1。层2表示振动 材料层，诸如压电材料层2，并且典型地由(但不限于)PZT或者单晶体层组成，其厚度响应 于(诸如使用驱动电路系统被施加于所述换能器的电信号或者到来的声波)刺激在兆赫兹 (MHz)频率范围内振动，如本领域的普通技术人员所理解的那样。层2的材料不必须是均勻 的但是陶瓷和聚合物的复合材料常常被使用。超声波被辐射到前向3并且被用于其本身的 目的，诸如无损诊断、成像或者聚能。结果生成的回波4(即在后向4上传播的声波)没有 积极地被使用并且应当是相对弱的。图Ia中的插图示出用于压电层2的复合结构。在左圈A内示出通过聚合物14(三 维的)材料结合的PZT柱(post) 13 ( 一维的)，其被称为1-3型复合材料。右圈B示出通过 聚合物层14( 二维的)结合的PZT板13 ( 二维的)并且被称为2-2复合材料。这些结构常 常被用在诸如NDT (无损评估换能器)或者医疗成像的应用中。 当PZT的整体式层(或者非复合材料)被用在厚度振动模式中时，将其振动的特 征与如所述的复合材料结构相比较。当厚度尺寸或者方向在振动期间扩展时，平面方向的 尺寸必须变得更小。相反地，当厚度尺寸缩小时，所述平面尺寸必须扩展。由于所述平面尺 寸比波长大得多，故压电层在这些平面方向内不能振动。在平面方向内无法振动抑制了在 所述厚度方向内的振动。当PZT材料在所述厚度方向内被截短以便具有相对于平面方向小的尺寸时，进入 所述平面方向中的振动被允许并且厚度振动被增强。这意味着厚度方向内的有效的弹性常 数被降低(实际上变成更软的材料)并且它的声阻抗被降低。另外，所述超声波形被激发 并且还以更高的灵敏度接收声信号。仍然参考图l本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种供超声波换能器使用的背衬吸收器，所述背衬吸收器包括：具有至少一个金属层以及至少一个粘合剂层的单元多层，其中所述背衬吸收器适用于被耦合到所述超声波换能器的振动层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M托达，ML汤普森，
申请(专利权)人：精量电子美国有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]