超聲換能器的熱傳遞和聲匹配層制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及“超聲換能器的熱傳遞和聲匹配層”。一種超聲換能器(900)，其包括定義了前面(912)和背面(914)的壓電元件(910)。該超聲換能器(900)包括連接到壓電元件(910)的前面(912)的透鏡(908)，連接到壓電元件(910)的背面(914)的散熱器(924)，設(shè)置在壓電元件(910)和散熱器(924)之間的背面匹配層(920)。背面匹配層(920)熱連接到壓電元件(910)和散熱器(924)，且背面匹配層(920)配置成將熱量從壓電元件(910)傳導(dǎo)到散熱器(924)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
超聲換能器的熱傳遞和聲匹配層相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求了美國(guó)專利申請(qǐng)No.13/234658的優(yōu)先權(quán)，該美國(guó)專利申請(qǐng)的公開以引用方式并入本文。聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)[不適用]微縮膠片/版權(quán)參考[不適用]。
本技術(shù)的實(shí)施例大體上涉及配置成提供改進(jìn)熱特性的超聲換能器。
技術(shù)介紹
如在圖1中描繪的，常規(guī)超聲換能器100可以由包括透鏡102、阻抗匹配層104和106、壓電元件108、襯墊110的各種層和用于連接到超聲系統(tǒng)的電元件構(gòu)成。壓電元件108可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波以朝目標(biāo)發(fā)送并且也可以將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。箭頭112描繪從換能器100發(fā)送和在換能器100接收的超聲波。該接收的超聲波可以由超聲系統(tǒng)使用以形成目標(biāo)的圖像。為了增加從換能器100輸出的能量，阻抗匹配層104、106設(shè)置在壓電元件108和透鏡102之間。常規(guī)上，最佳的阻抗匹配已經(jīng)認(rèn)為是當(dāng)匹配層104、106將壓電元件108和透鏡102分開的距離x是以諧振頻率發(fā)送的超聲波的期望波長(zhǎng)的大約1/4至1/2而達(dá)到。常規(guī)的看法是這樣的配置可以在超聲波離開匹配層104、106時(shí)保持在匹配層104、106內(nèi)反射的超聲波同相。從換能器100發(fā)送的超聲波可以加熱透鏡102。然而，接觸患者的換能器具有大約40攝氏度的最大表面溫度以便避免患者不適并且遵守管制溫度極限。從而，透鏡溫度可以是波發(fā)送功率和換能器性能的限制因素。許多已知的熱管理技術(shù)集中在換能器的背面以便最小化超聲能朝透鏡的反射。但是，需要有具有改進(jìn)熱特性的改進(jìn)超聲換能器。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)的實(shí)施例大體上涉及超聲換能器和制造超聲換能器的方法。在一實(shí)施例中，超聲換能器包括定義了前面和背面的壓電元件，壓電元件配置成將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成將從前面朝向目標(biāo)發(fā)送的超聲波，壓電元件配置成將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該超聲換能器包括連接到壓電元件的前面的透鏡，連接到壓電元件的背面的散熱器，以及設(shè)置在壓電元件和散熱器之間的背面匹配層。背面匹配層熱連接到壓電元件和散熱器。背面匹配層配置成將熱量從壓電元件傳導(dǎo)到散熱器。在一實(shí)施例中，超聲換能器包括定義了前面和背面的壓電元件。壓電元件配置成將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成將從前面朝向目標(biāo)發(fā)送的超聲波。壓電元件配置成將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲換能器包括連接到壓電元件的前面的透鏡，連接到壓電元件的背面的散熱器，以及連接到壓電元件和散熱器兩者的背面匹配層。背面匹配層包含配置成延伸超過(guò)壓電元件的端到散熱器的翼板。背面匹配層配置成將熱量從壓電元件傳導(dǎo)到散熱器。在一實(shí)施例中，一種制作超聲換能器的方法，包括將匹配層附連到壓電元件的前面，將背面匹配層附連到壓電元件的背面，以及將背面匹配層連接到散熱器，其中散熱器面向壓電元件的背面。附圖說(shuō)明圖1描繪現(xiàn)有技術(shù)超聲換能器的層的截面。圖2A描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的層的截面。圖2B是根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的匹配層屬性表。圖3描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的層的截面。圖4描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的層的截面。圖5描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的層的截面。圖6描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的層的透視圖。圖7描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。圖8是描繪常規(guī)換能器和根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例建造的換能器的透鏡表面處的溫度測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果的圖表。圖9描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的層的截面。圖10描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的透視圖。圖11描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器的層的截面。圖12描繪顯示模擬數(shù)據(jù)的圖表。圖13描繪顯示模擬數(shù)據(jù)的圖表。前面的
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
以及某些實(shí)施例的下列詳細(xì)描述當(dāng)與附圖結(jié)合閱讀時(shí)將更好理解。為了說(shuō)明本專利技術(shù)的目的，某些實(shí)施例在圖中示出。然而，應(yīng)該理解本專利技術(shù)不限于附圖中示出的設(shè)置和工具。具體實(shí)施方式本技術(shù)的實(shí)施例大體上涉及配置成提供改進(jìn)熱特性的超聲換能器。在圖中，類似的元件用類似的標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)。圖1描繪現(xiàn)有技術(shù)超聲換能器100的層的截面。換能器100在
技術(shù)介紹
中描述，并且包括設(shè)置在透鏡102和壓電元件108之間的兩個(gè)匹配層104、106。匹配層104、106提供透鏡102和壓電元件108之間的組合距離x，該距離x是以諧振頻率發(fā)送的超聲波的期望波長(zhǎng)的大約1/4至1/2。圖2A描繪根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例使用的超聲換能器200的層的截面。換能器200包括透鏡102、阻抗匹配層203-206、壓電元件108、襯墊110和用于連接到超聲系統(tǒng)的電元件。襯墊110包括散熱器(heatsink)和熱管理。在某些實(shí)施例中，匹配層203-206、壓電元件108和透鏡102可以使用環(huán)氧樹脂或在由例如工藝裝備和/或壓機(jī)提供的壓力下硬化的粘合劑材料接合在一起。如利用常規(guī)超聲換能器，壓電元件108可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波以朝目標(biāo)發(fā)送并且也可以將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。箭頭112描繪從換能器200發(fā)送的和在換能器200接收的超聲波。該接收的超聲波可以由超聲系統(tǒng)使用以形成目標(biāo)的圖像。為了增加從換能器100輸出的能量，阻抗匹配層203-206設(shè)置在壓電元件108和透鏡102之間。匹配層203-206將壓電元件108和透鏡102分開距離y，其可以小于或大于距離x(該距離是以諧振頻率發(fā)送的超聲波的期望波長(zhǎng)的大約1/4至1/2)。如在圖1中描繪的，常規(guī)換能器一般包括兩個(gè)匹配層104、106。這樣的匹配層一般包括環(huán)氧樹脂和填充物。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在壓電元件附近包括具有相對(duì)較高的聲阻抗和相對(duì)較高的熱導(dǎo)率的匹配層可以改進(jìn)熱特性和/或聲屬性。本文示出的實(shí)施例描繪具有三個(gè)或四個(gè)匹配層的專利技術(shù)性換能器。但是，實(shí)施例可以包括例如少至兩個(gè)匹配層和大于四個(gè)匹配層，例如五個(gè)或六個(gè)匹配層。圖2B是專利技術(shù)性超聲換能器的實(shí)施例的匹配層203-206的屬性表。設(shè)置在壓電元件108和匹配層205之間的匹配層206可以包括具有大約10-20MRayl的聲阻抗和大于大約30W/mK的熱導(dǎo)率的材料。匹配層206可以具有小于大約0.22λ的厚度，其中λ是以諧振頻率發(fā)送的超聲波的期望波長(zhǎng)。在某些實(shí)施例中，匹配層206可以包括例如金屬，例如銅、銅合金、具有嵌入其中的石墨圖案的銅、鎂、鎂合金、例如硅的半導(dǎo)體材料、鋁(板或棒)和/或鋁合金等。金屬可以具有相對(duì)高的聲阻抗使得超聲波以較高的速度傳播通過(guò)該層，由此需要較厚的匹配層以達(dá)到期望的聲特性。設(shè)置在匹配層206和匹配層204之間的匹配層205可以包括具有大約5-15MRayl的聲阻抗和大約1-300W/mK的熱導(dǎo)率的材料。匹配層205可以具有小于大約0.25λ的厚度。在某些實(shí)施例中，匹配層205可以包括例如金屬，例如銅、銅合金、具有嵌入其中的石墨圖案的銅、鎂、鎂合金、鋁(板或棒)、鋁合金、填充的環(huán)氧樹脂、玻璃陶瓷、復(fù)合陶瓷和/或macor(玻璃陶瓷)等。設(shè)置在匹配層205和匹配層203之間的匹配層204可以包括具有大約2-8MRayl的聲阻抗和大約0.5-50W/mK的熱導(dǎo)率的材料。匹配層204可以具有小于大約0.25λ的厚度。在某些實(shí)施例中，匹配層204可以包括例如非金屬，例如具有填充物(例如硅石填充物等)的環(huán)氧樹脂等。在某些實(shí)施例中，匹配層204可以包括例如石墨型材料。例如具有填充物的環(huán)氧樹脂等非金屬可以具有本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種超聲換能器(900)，包括：定義了前面(912)和背面(914)的壓電元件(910)，所述壓電元件(910)配置成將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成將從所述前面(912)朝向目標(biāo)發(fā)送的超聲波，所述壓電元件(910)配置成將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；連接到所述壓電元件(910)的所述前面(912)的透鏡(908)；連接到所述壓電元件(910)的所述背面(914)的散熱器(924)；設(shè)置在所述壓電元件(910)和所述散熱器(924)之間的背面匹配層(920)，所述背面匹配層(920)熱連接到所述壓電元件(910)和所述散熱器(924)，其中所述背面匹配層(920)配置成將熱量從所述壓電元件(910)傳導(dǎo)到所述散熱器(924)。

【技術(shù)特征摘要】
2011.09.16 US 13/234,6581.一種超聲換能器(900)，包括：定義了前面(912)和背面(914)的壓電元件(910)，所述壓電元件(910)配置成將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成將從所述前面(912)朝向目標(biāo)發(fā)送的超聲波，所述壓電元件(910)配置成將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；連接到所述壓電元件(910)的所述前面(912)的透鏡(908)；連接到所述壓電元件(910)的所述背面(914)的散熱器(924)；設(shè)置在所述壓電元件(910)和所述散熱器(924)之間的背面匹配層(920)，所述背面匹配層(920)與所述壓電元件和所述散熱器相接觸，所述背面匹配層熱連接到所述壓電元件(910)和所述散熱器(924)，所述背面匹配層包括延伸超過(guò)所述壓電元件邊緣的翼板，所述翼板與所述散熱器相接觸，其中所述背面匹配層(920)配置成將熱量從所述壓電元件(910)傳導(dǎo)到所述散熱器(924)。2.如權(quán)利要求1所述的超聲換能器(900)，其中所述透鏡(908)間接連接到所述壓電元件(910)。3.如權(quán)利要求1所述的超聲換能器(900)，其中所述背面匹配層(920)間接連接到所述壓電元件(910)。4.如權(quán)利要求3所述的超聲換能器(900)，其中所述背面匹配層(920)間接連接到所述散熱器(924)。5.如權(quán)利要求1所述的超聲換能器(900)，其中所述背面匹配層(920)直接連接到所述散熱器(924)。6.如權(quán)利要求2所述的超聲換能器(900)，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述透鏡(908)和所述壓電元件(910)之間的第一匹配層(902)，所述第一匹配層(902)具有第一聲阻抗和大于30W/mK的熱導(dǎo)率。7.如權(quán)利要求6所述的超聲換能器(900)，進(jìn)一步包括附連到所述第一匹配層(902)并設(shè)置在所述第一匹配層(902)的所述透鏡(908)之間的第二匹配層(...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：AC邰，H伊索諾，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：通用電氣公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：