МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к пьезоэлектрическим преобразователям, предназначенным для использования в фазированных антенных решетках ультразвуковых приборов медицинской диагностики.
Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий множество пьезоэлектрических элементов, со стороны поверхности излучения которых нанесены общие электрод и один или более согласующих слоев, а с противоположной стороны - сигнальные электроды и общий демпфирующий слой (US 6821253, МПК А61В 008/00, H01L 041/047, 23.11.2004) [1].
Наличие акустической взаимосвязи между его элементами, обусловленной переходом акустических колебаний с одного элемента на другой через общие демпфер и согласующий слой приводит к снижению чувствительности и разрешающей способности всего преобразователя.
Задача повышения чувствительности и разрешающей способности частично решена в ультразвуковом многоэлементном преобразователе (US 6546803, МПК G01N 29/24, G01R 033/20, 15.04.2003 г.) [2], который содержит множество пьезокерамических элементов, каждый из которых снабжен отдельным токопроводящим демпфером, который является одновременно токопроводом. При изготовлении преобразователя на одну из сторон поляризованной пьезокерамической пластины приклеивают токопроводящий демпфер. Затем прорезают пьезокерамическую пластину и часть демпфера и заполняют образовавшиеся пазы между пьезокерамическими элементами резиноподобным акустоэлектроизоляционным составом. На свободные поверхности электродов всех пьезоэлементов наносят общие токопроводящий и согласующий слои, а затем убирают непрорезанную часть демпфера. Описанная конструкция позволяет уменьшить межэлементную акустическую взаимосвязь за счет использования раздельных демпферов, но при этом сохраняется межэлементная акустическая связь через согласующий слой, что приводит к искажению волнового фронта акустической волны и снижает чувствительность и разрешающую способность многоэлементного преобразователя.
Другой известный многоэлементный преобразователь имеет демпфер, выполненный из материала с ультранизким импедансом (US 6453526, МПК В06В 1/06, G10K 11/00, H04R 017/10, 24.09.2002) [3]. При изготовлении в заготовке прорезается пьезокерамическая пластина, согласующие слои и часть демпфера, что приводит к максимальной межэлементной акустической развязке. Однако другая часть демпфера остается, и полная акустическая изоляция элементов не достигается.
Задача уменьшения поэлементной неравномерности чувствительности преобразователя, обусловленной технологическими допусками при производстве пьезокерамических пластин решена в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе (RU 2121241, С1 6 МПК H04R 17/00, 27.10.1998) [4]. Пьезоэлектрический преобразователь содержит пьезокерамические элементы с электродами на их противоположных поверхностях, при этом отношение высоты пьезокерамических пластин к ширине составляет не менее двух. Пьезокерамические элементы расположены параллельно друг другу на жестко связанном с нижним электродом демпфере. На верхнем электроде расположен согласующий слой, на поверхность которого нанесена фокусирующая линза. Пьезокерамические элементы соединены между собой связующим веществом через слой электроакустоизоляционной пленки. Предварительный отбор заготовок элементов позволяет уменьшить поэлементную неравномерность чувствительности преобразователя за счет уменьшения разброса электроакустических параметров пьезокерамических элементов, обусловленного технологическими допусками при производстве пьезокерамических пластин. Однако остается существенный вклад в неравномерность чувствительности преобразователя, обусловленный качеством клеевых слоев между пьезоэлементами и демпфером, между пьезоэлементами и согласующим слоем. При малых, порядка 100 мкм, поперечных размерах пьезоэлектрических элементов возрастает вклад, обусловленный неоднородностью смесей и пространственной флуктуацией акустических импедансов составов демпфера и согласующего слоя. В пьезоэлектрическом преобразователе также остается поэлементная неравномерность чувствительности, обусловленная технологическими допусками на толщину согласующего слоя. Другим недостатком известного преобразователя является наличие акустических взаимосвязей между его элементами из-за общих демпфера и согласующего слоя, которые не обеспечивают межэлементную акустическую изоляцию. Эти недостатки приводят к снижению общей чувствительности и поперечной разрешающей способности многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь (RU 2294061 С1, 6 МПК H04R 17/00, 31/00, 20.02.2007) [5], принимаемый за прототип.
Известный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь - прототип содержит n элементарных преобразователей, соединенных между собой связующим веществом через слой акустоэлектроизоляционного материала, каждый из которых имеет пьезокерамический элемент с электродами и токосъемниками на противоположных поверхностях, демпфер, согласующий слой, на поверхностях согласующих слоев расположена фокусирующая линза, выполненная из эластичного акустически прозрачного материала. При этом количество элементарных преобразователей в несколько раз превышает количество составляющих элементов многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, что обусловлено тем, что для достижения максимальных значений коэффициента электромеханической связи протяженного пьезокерамического элемента, поляризованного по толщине, необходимо чтобы его толщина не менее чем в два раза превышала его ширину (Домаркас В.И., Пилецкас Э.Л. Ультразвуковая эхоскопия. - Л.: Машиностроение, 1988, с.110) [6]. С другой стороны, установившиеся в практике применения многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей размеры активной части и количество элементов требуют существенно больших значений для ширины каждого пьезоэлектрического элемента. В результате каждый составляющий элемент многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя представляет собой несколько последовательно расположенных и электрически параллельно соединенных между собой элементарных преобразователей, что приводит к усложнению конструкции и удорожанию процесса сборки многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя. Нахождение фокусирующей линзы в процессе работы ультразвукового диагностического прибора в непосредственном контакте с объектом исследования часто приводит к отрыву фокусирующей линзы от поверхности согласующего слоя, что снижает срок службы преобразователя.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и процесса сборки многоэлементного преобразователя, за счет уменьшения количества элементарных преобразователей при сохранении чувствительности и поперечной разрешающей способности многоэлементного преобразователя и повышение срока службы, за счет увеличения силы сцепления между фокусирующей линзой и согласующим слоем каждого элементарного преобразователя. Указанный технический результат не достигается в известных аналогах и прототипе.
Технический результат достигается тем, что многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь содержит элементарные преобразователи, каждый из которых имеет пьезокерамическую пластину с электродами и токосъемниками на противоположных поверхностях, демпфер и согласующий слой, причем боковые поверхности элементарных преобразователей соединены между собой связующим материалом через акустоэлектроизоляционный слой, а на рабочей поверхности элементарных преобразователей нанесена фокусирующая линза, выполненная из акустически прозрачного эластичного материала.
Согласно полезной модели, в каждом элементарном преобразователе со стороны рабочей поверхности до демпфера выполнен, по крайней мере, один вертикальный паз, разделяющий пьезокерамическую пластину вместе с согласующим слоем на равные части, соединенные токосъемниками электрически параллельно.
Другое отличие состоит в том, что количество вертикальных пазов k определяется из условия: k≥(L/n-γ-t/2)/(δ+t/2), где t - толщина пьезокерамической пластины, L - длина активной части преобразователя, n - количество элементов в преобразователе, γ - толщина связующего и акустоэлектроизоляционного слоев между элементами преобразователя, δ - ширина вертикального паза.
Сущность полезной модели поясняется фигурами чертежей.
На фиг.1 приведен схематический чертеж многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, продольное сечение.
На фиг.2 приведен схематический чертеж пьезокерамической пластины с припаянными вдоль ее длины сплошными токосъемниками.
На фиг.3 приведен схематический чертеж элементарного преобразователя, отсеченного от заготовки.
Многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь (фиг.1) выполнен из n элементарных преобразователей 1, каждый из которых содержит пьезокерамическую пластину 2 с верхним электродом 3 и нижним электродом 4, которые снабжены токосъемниками 5. На поверхности электрода 3 расположен согласующий слой 6, а на поверхности электрода 4 расположен демпфер 7. В каждом элементарном преобразователе 1 со стороны рабочей поверхности до демпфера 7 выполнен, по крайней мере, один вертикальный паз 8, разделяющий пьезокерамическую пластину 2 и согласующий слой 6 на равные части. Вертикальный паз 8 акустически разделяет пьезокерамическую пластину 2 вместе с согласующим слоем 6 на две равные части, соединенные токосъмниками 5 электрически параллельно. Боковые поверхности элементарных преобразователей 1 соединены между собой связующим веществом 9 через слой акустоэлектроизоляционного материала 10. На рабочих поверхностях всех n элементарных преобразователей 1 закреплена фокусирующая линза 11.
Количество k вертикальных пазов 8 в каждом элементарном преобразователе 1 согласно приведенным ниже выводам должно удовлетворять соотношению:
k≥(L/n-γ-t/2)/(δ+t/2), где t - толщина пьезокерамической пластины, L - длина активной части преобразователя, n - количество элементов в преобразователе, γ - толщина связующего и акустоэлектроизоляционного слоев между элементарными преобразователями, δ - ширина вертикального паза (1)
Условием максимума коэффициента электромеханической связи протяженной пьезокерамической пластины 2 шириной d, поляризованной по толщине t, является известное выражение:
После резки пьезокерамической пластины на равные части суммарная ширина этих частей составляет (k+1)d, а суммарная ширина всех вертикальных пазов 8 составляет kδ. В то же время, исходная ширина пьезокерамической пластины равна L/n-γ, и простым сложением получаем выражение:
С учетом соотношения между толщиной и шириной пьезокерамической пластины (2), получаем формулу (1) для определения количества вертикальных пазов 8 в одном элементарном преобразователе 1. Подставляя в правую часть выражения (1) численные значения для конкретного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя, определяем из ряда натуральных чисел k=1, 2,… первое удовлетворяющее условию (1) число, которое и будет равно количеству вертикальных пазов 8 в каждом элементарном преобразователе 1. Определив количество вертикальных пазов k, вычисляем величину шага резки Δ=d+δ, подставляя d из выражения (2), получаем формулу для расчета шага резки:
Для изготовления многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя формируют заготовку 12 преобразователя (фиг.2), состоящую из пьезокерамической пластины 2 с припаянными вдоль ее длины сплошными токосъемниками 5. Токосъемники 5 припаивают посередине к нижнему электроду 4, а по краям - к верхнему электроду 3. При этом токосъемники 5 вместе с поверхностью пьезокерамической пластины 2 образуют форму для заливки демпфера 7. Используя торцевые заглушки (не показаны), заливают демпфер 7. Затем на верхний электрод 3 пьезокерамической пластины 2 наносят согласующий слой 6. В полученной заготовке преобразователя (фиг.3), на первом шаге прорезают, по крайней мере, один вертикальный паз 8 со стороны согласующего слоя 6 до демпфера 7 перпендикулярно длине заготовки 12, а на следующем шаге отсекают элементарный преобразователь 1 от заготовки. На третьем шаге прорезают вертикальный паз 8, на четвертом - отсекают элементарный преобразователь 1, и т.д. Изготовленные элементарные преобразователи 1 подвергают электроакустическим испытаниям и сортируют. Отобранные идентичные элементарные преобразователи 1 склеивают друг с другом через слой акустоэлектроизоляционного материала 10. Склеивание производят в сборочном приспособлении, обеспечивающем формирование многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя как линейного, так и конвексного типа. На сформированный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь по его периметру припаивают общий электрический экран (не показан), а со стороны согласующего слоя 6 наносят фокусирующую линзу 11. Затем периферийные токосъемники 5 всех элементарных преобразователей 1 припаивают к общему электрическому экрану, а центральные токосъемники 5 - к шинам разъема.
Наличие, по крайней мере, одного вертикального паза 8 в каждом элементарном преобразователе 1, сокращает в два раза по сравнению с прототипом количество элементарных преобразователей в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе, а при количестве вертикальных пазов равном k - в (k+1) раза, что приводит к упрощению его конструкции и уменьшению времени сборки при сохранении чувствительности и поперечной разрешающей способности многоэлементного преобразователя. Это обусловлено тем, что пространственное расположение и электрическое подключение в многоэлементном пьезоэлектрическом преобразователе одного элементарного преобразователя, разделенного вертикальным пазом аналогично расположению и параллельному подключению двух элементарных преобразователей прототипа. При сборке многоэлементного преобразователя силиконовая резина материала фокусирующей линзы частично заполняет вертикальные пазы 8, что приводит к увеличению силы сцепления между согласующим слоем 6 и фокусирующей линзой 11 и, следовательно, к повышению срока службы многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя.
Работа многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя определяется параметрами электрических сигналов, подаваемых на его отдельные элементы для формирования фронта излученной во внешнюю среду акустической волны и способом подключения элементов на прием отраженных акустических сигналов для преобразования их в электрические. При акустическом контакте многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с исследуемым объектом на каждый элементарный преобразователь 1, работающий в режиме фазированной антенной решетки, инициализирующие электрические сигналы подаются с задержкой по времени. В режиме сканирующей фокусирующей системы в каждый момент времени используется часть элементарных преобразователей 1. В результате акустические волны от возбужденных элементарных преобразователей 1 в зависимости от соотношения фаз этих сигналов формируют цилиндрический фронт общей волны и фокусируются на заданном направлении и расстоянии в исследуемом объекте. При этом в зоне фокуса концентрируется максимум акустической энергии, и если здесь оказывается граница раздела сред с разными акустическими свойствами (отражатель), то часть этой энергии отражается назад к элементарным преобразователям 1 и происходит обратное преобразование акустического сигнала в электрический.
Был изготовлен стандартный 128-элементный преобразователь с конвексным электронным сканированием на частоту 3,5 МГц с длиной и шириной активной части равными 76,8 мм и 12 мм, соответственно. Толщина пьезокерамической пластины 2, определяемая рабочей частотой преобразователя, для материала типа ПКР-7М равна 0,56 мм, ширина вертикального паза составляет 0,06 мм, что на порядок меньше длины ультразвуковой волны в пьезокерамике, толщина связующего и акустоэлектроизоляционного слоев между элементарными преобразователями составляет 0,02 мм. Подставив в правую часть формулы (1) приведенные выше размеры, получаем k≥(76,8/128-0,02-0,56/2)/(0,06+0,56/2), определяем из ряда натуральных чисел k=1, 2,… первое удовлетворяющее условию (3) k≥0,88 число, которое и будет равно количеству k=1 вертикальных пазов в каждом элементарном преобразователе. Затем по формуле (4) определяется шаг резки Δ=(76,8/128-0,02+0,06)/(1+1), откуда Δ=0,32.
Были изготовлены пьезокерамические пластины шириной 12 мм и длиной 30 мм, на противоположные поверхности которых вакуумным напылением монель-металлом наносились электроды 3, 4. После поляризации постоянным электрическим полем припаивали к каждой пьезокерамической пластине 2 вдоль ее длины сплошные токосъемники 5 из медной фольги толщиной 0,05 мм. Центральный токосъемник припаивали к нижнему электроду 4 пьезкерамической пластины 2, а два периферийных токосъемника - к верхнему электроду 3 так, чтобы они образовывали форму для заливки демпфера 7. Используя торцевые заглушки для полученной формы, заливали высокоимпедансный демпфер 7. Высота токосъемников и, соответственно, формы для заливки демпфера 7 определяется условием достаточного поглощения волн и составляет около 4 мм. На верхний электрод 3 пьезокерамического элемента 2 наносили четвертьволновой согласующий слой 6 со значением акустического импеданса, равным среднему геометрическому величин импеданса пьезокерамики и среды распространения акустических волн для обеспечения максимального прохождения акустических волн в среду распространения (тело человека) и обратно к пьезокерамическому элементу в режиме приема. Полученную заготовку прорезали до демпфера 7 в поперечной плоскости со стороны согласующего слоя с шагом 0,32 мм и шириной реза 0,06 мм, причем через один проход глубину реза увеличивали до момента отсечения элементарного преобразователя. Получены элементарные преобразователи высотой около 5 мм, длиной 12 мм, шириной 0,58 мм и центральным вертикальным пазом шириной 0,06 мм. Затем измеряли их электрические параметры - емкость, тангенс угла диэлектрических потерь и амплитудночастотную характеристику. По результатам измерений производили выборку элементарных преобразователей с разбросом по указанным параметрам не более 3%. Отобранные 128 элементарных преобразователей склеивали друг с другом через слой конденсаторной бумаги толщиной 0,02 мм в сборочном приспособлении, обеспечивающем формирование конвексного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с заданным радиусом кривизны 60 мм. На сформированный преобразователь по его периметру крепили общий электрический экран из твердой листовой латуни толщиной 0,2 мм для придания большей жесткости всей конструкции, а со стороны согласующего слоя - общую фокусирующую линзу из силиконовой резины, частично заполняющую вертикальные пазы всех 128 элементарных преобразователей. Периферийные токосъемники всех элементарных преобразователей припаивали к общему электрическому экрану, а центральные токосъемники элементарных преобразователей - к шинам разъема. Шаг дискретизации 128-элементного пьезоэлектрического преобразователя составил 0,6 мм, а угол сканирования при 32-х канальном сканировании - 57°.
Источники информации:
1. US 6821253, МПК А61В 008/00, H01L 041/047, НКИ США 600/437, 459, 463, опубл. 23.11.2004.
2. US 6546803, МПК G01N 29/24, G01R 033/20, опубл. 15.04.2003 г.
3. US 6453526, МПК В06В 1/06, G10K 11/00, H04R 017/10, опубл. 24.09.2002.
4. RU 2121241 C1, 6 MПК H04R 17/00, опубл. 27.10.1998 г.
5. RU 2294061 C1, 6 МПК H04R 17/00, 31/00, опубл. 20.02.2007 - прототип.
6. Домаркас В.И., Пилецкас Э.Л. Ультразвуковая эхоскопия. - Л.:
Машиностроение, 1988, с.110.