專利名稱：超聲匹配層和換能器的制作方法
超聲匹配層和換能器
背景技術(shù)：
小動(dòng)物成像在許多學(xué)科中是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，包括臨床前的 藥物開發(fā)，發(fā)育生物學(xué)，心臟研究和分子生物學(xué)。幾種小動(dòng)物模型已 經(jīng)在這些領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，最流行的是小鼠和大鼠。高頻超聲已經(jīng)
被廣泛地用于在從大約20兆赫(MHz)到60兆赫以上的頻率對(duì)小鼠模型 進(jìn)行成像。然而，與小鼠模型相比，大鼠模型在高頻下難于成像，因 為大鼠具有高度衰減的和發(fā)生回波的表皮、真皮和皮下組織。
發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供了一種用于具有多個(gè)層的超聲換能器疊層(stack) 的匹配層。 一個(gè)匹配層可以包括一種包括一種基體材料的復(fù)合材料， 該基體材料載有多個(gè)微米尺寸和納米尺寸粒子。在另一方面，該復(fù)合 材料還可以包括一種載有多個(gè)重粒子和輕粒子的基體材料。在又一方 面， 一個(gè)匹配層還可以包括氰基丙烯酸酯。
本發(fā)明還提供了包括多個(gè)層的超聲換能器疊層，每個(gè)層均具有一 個(gè)頂面和一個(gè)相對(duì)的底面，其中該多個(gè)層包括一個(gè)壓電層和至少一個(gè) 匹配層。該匹配層可被置于該疊層中以覆蓋于該壓電層的頂面上。示 例性的疊層可以包括 一個(gè)包含一種復(fù)合材料的匹配層(所述復(fù)合材
料載有多個(gè)納米尺寸和微米尺寸粒子)、 一個(gè)載有多個(gè)重粒子和輕粒 子的匹配層以及一個(gè)包括氰基丙烯酸酯的匹配層。
本發(fā)明的其他系統(tǒng)、方法和方面以及優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)附圖和詳細(xì)說(shuō)明 進(jìn)行討論。
所述附圖——納入本說(shuō)明書中并組成本說(shuō)明書的一部分——示出 了本發(fā)明的某些方面，并和本說(shuō)明書一起用于解釋而非限制本發(fā)明的 原理。在所有這幾幅附圖中，在此使用的相同參考號(hào)所指均為相同部件。
8圖1是示出了具有多個(gè)層的示例性換能器疊層并示出了多個(gè)匹配 層的示意圖。
圖2是示出了在垂直方向的示例性換能器疊層的一個(gè)橫截面的示 意圖。
圖3是示出了帶有電連接的示例性換能器疊層的方框示意圖。 圖4是一個(gè)放大的示意圖，以示例性比例尺示出了圖3中的示例 性換能器疊層的層。
圖5是一個(gè)方框圖，示出了制造示例性換能器疊層的示例性方法。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可以通過(guò)參考下面的詳細(xì)說(shuō)明、實(shí)施例、附圖和權(quán)利要求 書，以及它們的前序的和后繼的說(shuō)明來(lái)更容易地理解。然而，在公開 并描述本發(fā)明的設(shè)備、系統(tǒng)和/或方法之前，應(yīng)理解本發(fā)明不是僅限于 所公開的具體設(shè)備、系統(tǒng)和/或方法，除非另有指定，因?yàn)檫@些本身當(dāng) 然可以變化。還應(yīng)理解，本文所用的術(shù)語(yǔ)僅出于描述特定方面的目的， 而并非意在限制。
本發(fā)明的下列說(shuō)明被提供作為對(duì)本發(fā)明的最佳的當(dāng)前所知的實(shí)施 方案的啟發(fā)性教導(dǎo)。在這方面，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)并且理 解，在保留本發(fā)明的有益效果的同時(shí)，還可以對(duì)本文所描述的本發(fā)明 的多個(gè)方面作出許多變化。同樣顯而易見的是，可以通過(guò)選擇本發(fā)明 的某些特征而不利用其他特征，來(lái)獲得本發(fā)明的某些期望的效果。從 而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，對(duì)本發(fā)明所做的許多修改和調(diào)整均為 可能的，且在某些情況下甚至是合乎需要的，且這些修改和調(diào)整是本 發(fā)明的一部分。因此，提供下面的說(shuō)明是作為對(duì)本發(fā)明的原理的例證， 而并非對(duì)其進(jìn)行限制。
如本文所用，單數(shù)形式"一"、"一個(gè)"和"該"均包括了復(fù)數(shù) 指示物，除非上下文另有清楚說(shuō)明。因此，例如，提及一 "層，，包括 具有兩個(gè)或多個(gè)這樣的層的方面，除非上下文另有清楚說(shuō)明。
本文中可以將范圍表示為從"大約"某個(gè)具體的數(shù)值，和/或到"大 約"另一個(gè)具體的數(shù)值。當(dāng)表示為這樣的范圍時(shí)，另一個(gè)方面包括了 從前述一具體的數(shù)值和/或到前述另一具體的數(shù)值。同樣地，當(dāng)通過(guò)使用先行詞"大約"將值表示為近似值時(shí)，將可以理解該具體的數(shù)值形 成了另一個(gè)實(shí)施方案。還將可以進(jìn)一步理解的是，每個(gè)這樣的范圍的 端點(diǎn)在相關(guān)于和獨(dú)立于另一個(gè)端點(diǎn)時(shí)均是有意義的。
如本文所用，術(shù)語(yǔ)"可選的"或"可選地"意為隨后描述的事件 或情形可發(fā)生或可不發(fā)生，且這樣的描述包括了所述事件和情形發(fā)生 和不發(fā)生的情況。
"受試者"意指?jìng)€(gè)體。例如，術(shù)語(yǔ)"受試者"包括小動(dòng)物或?qū)嶒?yàn) 動(dòng)物以及靈長(zhǎng)類包括人。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物包括但不限于諸如小鼠或大鼠之類 的嚙齒動(dòng)物。術(shù)語(yǔ)"實(shí)驗(yàn)動(dòng)物"也與動(dòng)物、小動(dòng)物、小實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或受 試者等術(shù)語(yǔ)通用，包括小鼠、大鼠、貓、狗、魚、兔子、豚鼠、嚙齒
動(dòng)物等。術(shù)語(yǔ)"實(shí)驗(yàn)動(dòng)物"不表示具體年齡或性別。因此，包括雄性 或雌性的、成年和新生的動(dòng)物，以及胎兒(包括胚胎)。
參考下面的對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案和其中包括的實(shí)施例的詳細(xì) 說(shuō)明，并參考附圖及其前序和后繼說(shuō)明，可以更容易地理解本發(fā)明。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及用于具有多個(gè)層的超聲換能器疊 層的匹配層。用于成像的超聲換能器或換能器疊層，利用了位于該換
能器的壓電層和透鏡層或面層(face layer)之間的聲學(xué)匹配層。該 壓電層通常具有高聲學(xué)阻抗(Z)。該被成像的受試者通常具有低很多的 聲學(xué)阻抗。如果該壓電層被直接壓到該受試者之上，則會(huì)由于在壓電 層和受試者之間的阻抗不匹配而損耗大量聲能。在超聲成像領(lǐng)域中， 位于壓電層和透鏡或面層之間的帶有聲學(xué)阻抗的匹配層被引入該換能 器疊層中，從而產(chǎn)生從較高阻抗的壓電層到較低阻抗的受試者之間的 過(guò)渡。
因此，本文所提供的匹配層可以被用在超聲換能器疊層中，從而 來(lái)完成從壓電層到透鏡或面層的阻抗過(guò)渡。示例性的匹配層可具有可 變的聲學(xué)阻抗。 一個(gè)示例性的匹配層可以具有介于大約7. 0兆瑞利到 大約14. 0兆瑞利之間的聲學(xué)阻抗。另一個(gè)示例性的匹配層可以具有介 于大約3. 0兆瑞利到大約7. 0兆瑞利之間的聲學(xué)阻抗。又一個(gè)示例性 的匹配層可以具有介于大約2.5兆瑞利到大約2. 8兆瑞利之間的聲學(xué) 阻抗。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能理解，每個(gè)示例性的匹配層均可以是％ 波長(zhǎng)的匹配層。超聲換能器疊層可被用來(lái)生成、發(fā)射和接收高頻(大于或等于20 兆赫)超聲。示例性的超聲換能器疊層包括至少一種所公開的匹配層。
圖1中示出了這種示例性的換能器疊層的示意圖。圖l示出了一 種換能器疊層IOO，所述換能器疊層具有鈮酸鋰壓電層102。該壓電層 的底面覆蓋于背襯層104的頂面之上。在壓電層的頂層上方是電極層 106、三個(gè)示例性的匹配層(108、 110和112)、 一個(gè)環(huán)氧結(jié)合層114 和一個(gè)透鏡層116。
在此方面，該匹配層108為具有更高阻抗的匹配層，所述匹配層 可以具有介于大約7. 0兆瑞利和大約14. 0兆瑞利之間的聲學(xué)阻抗。在 另一方面，匹配層108可以包括納米尺寸和微米尺寸粒子，如下文所 述。
在該匹配層108的上表面的上方是匹配層110,其具有低于匹配 層108的阻抗。該匹配層IIO可以具有介于大約3. 0兆瑞利和大約7. 0 兆瑞利之間的聲學(xué)阻抗。在另一方面，匹配層IIO可以包括輕粒子和 重粒子，如下文所述。
匹配層112具有低于匹配層110的阻抗。匹配層112具有介于大 約2. 5兆瑞利和大約2. 8兆瑞利之間的聲學(xué)阻抗。該匹配層112可以 包括氰基丙烯酸酯，如下文所述?？墒褂靡粋€(gè)環(huán)氧層114將該匹配層 112結(jié)合到下面的匹配層110。
示例性換能器疊層100的面層包括透鏡層116。該透鏡層可以包 括TPX，如下文所述。該透鏡層116可以被直接結(jié)合到匹配層112之 上。從而，在該示例性換能器疊層100中，匹配層(108、 110和112) 實(shí)現(xiàn)了從壓電層102到透鏡層116之間的阻抗過(guò)渡。
換能器疊層一_如本文所舉例說(shuō)明的一一可被用于使用高頻超聲 對(duì)受試者或者對(duì)受試者的解剖學(xué)部分進(jìn)行成像。生成的圖像可以具有 高分辨率。在一方面，超聲換能器疊層包括多個(gè)層，每個(gè)層均具有一 個(gè)頂面和一個(gè)相對(duì)的底面。在另一方面，該多個(gè)層包括一個(gè)壓電層和 至少一個(gè)匹配層。當(dāng)位于換能器疊層之中時(shí)，給定的匹配層的底面覆 蓋于該壓電層的頂面之上。
匹配層可以包括復(fù)合材料。在一方面，該復(fù)合材料可以包括一種 載有多個(gè)微米尺寸和納米尺寸粒子的基體材料。在另一方面，該復(fù)合
ii材料還可以包括一種載有多個(gè)第一重粒子和多個(gè)第二輕粒子的基體材
料。在又一方面，匹配層還可以包括氰基丙烯酸酯(CA)
使用示例性換能器疊層對(duì)超聲數(shù)據(jù)的捕獲，包括生成超聲，將 超聲發(fā)射到該受試者體內(nèi)，以及接收由該受試者反射的超聲。很大頻 率范圍內(nèi)的超聲均可被用于捕獲超聲數(shù)據(jù)。例如，可以使用臨床頻率 的超聲(少于20固z)或高頻超聲(大于或等于20MHz)。根據(jù)下述因素， 例如但不限于成像深度或期望分辨率，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地 確定使用什么頻率。
當(dāng)希望高分辨率的成像且該受試者體內(nèi)的將被成像的結(jié)構(gòu)所處的 深度不太大時(shí)，人們希望使用高頻超聲。從而，捕獲超聲數(shù)據(jù)的過(guò)程 可以包括向該受試者體內(nèi)發(fā)射具有至少20MHz的頻率的超聲，并且接 收由該受試者反射的所發(fā)射的超聲的一部分。例如，可以使用具有大 約2醒z、 3謹(jǐn)z、 40MHz、 5謹(jǐn)z、 60MHz或更高的中心頻率的換能器。 在一個(gè)示例性優(yōu)選實(shí)施方案中，該換能器可以具有大約20MHz的中心 頻率(對(duì)于下文給出的每個(gè)一般頻率的實(shí)例，設(shè)計(jì)頻率均為25MHz)。
對(duì)于小動(dòng)物的成像，人們通常期望使用高頻超聲發(fā)射，此時(shí)可在 可接受的穿透深度下達(dá)到高分辨率。從而，該方法可以以臨床頻率或 高頻率用于小動(dòng)物受試者?？蛇x地，如上所述，該小動(dòng)物可以是大鼠 或小鼠。
所公開的換能器可被操作地連接到一個(gè)用于生成、發(fā)射、接收和 處理超聲數(shù)據(jù)的超聲成像系統(tǒng)。例如，可使用超聲掃描設(shè)備發(fā)射、接 收和處理超聲，所述超聲掃描設(shè)備可提供從至少約20MHz到最高實(shí)際 頻率的超聲信號(hào)?？梢允褂萌魏慰稍?0MHz或更高頻率下運(yùn)行的超聲 系統(tǒng)或設(shè)備。
本文所描述的匹配層可以和其他能夠在期望頻率下發(fā)射和接收超 聲的設(shè)備一起使用。例如，可以使用采用了陣列換能器的超聲系統(tǒng)。
如果對(duì)小動(dòng)物受試者進(jìn)行成像，則其可以作為示例地被置于可以 使用麻醉設(shè)備的平臺(tái)上。從而，該方法可和用于成像小動(dòng)物的平臺(tái)和 裝置(包括帶有容易操作的探針固定器裝置的"導(dǎo)軌"型平臺(tái)) 一起 使用。例如，所述系統(tǒng)可以和多軌道成像系統(tǒng)一起使用，以及和小動(dòng) 物固定組件一起使用，如題為"Integrated Multi-Rail Imaging
12System"的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/683， 168,題為"Integrated Multi-Rail Imaging System"的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/053， 748，題為
"Small Animal Mount Assembly"的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/683， 870 并現(xiàn)在已于2005年2月8日頒布的美國(guó)專利No. 6, 851, 392，以及題 為"Small Animal Mount Assembly"的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 11/053， 653 所述，上述文獻(xiàn)均以援引方式納入本文。
小動(dòng)物可以在成像過(guò)程中被麻醉，并且可監(jiān)控重要生理參數(shù)例如 心率和溫度。從而，該系統(tǒng)可以包括用于捕獲心電圖(ECG)和溫度信 號(hào)以進(jìn)行處理和顯示的裝置。該系統(tǒng)還可以顯示生理波形，例如心電 圖、呼吸或血壓的波形。
本文還提供了當(dāng)期望高幀率時(shí)，在用于使用基于線的圖像重構(gòu)以 產(chǎn)生超聲圖像的系統(tǒng)中使用所描述的換能器或匹配層。這樣的系統(tǒng)的 一個(gè)實(shí)例可以具有如美國(guó)專利申請(qǐng)10/736, 232和美國(guó)專利申請(qǐng)公布 20040236219中所述的下述組件，這些專利申請(qǐng)以援引方式納入本文。 本文公開的用于使用基于線的圖像重構(gòu)以產(chǎn)生超聲圖像的系統(tǒng)，可以 提供具有超過(guò)200幀每秒的有效幀率的超聲圖像。該系統(tǒng)包括一種基 于心電圖的技術(shù)，所述技術(shù)可產(chǎn)生高時(shí)間分辨率，并允許使用超聲來(lái) 準(zhǔn)確地描繪小動(dòng)物(例如小鼠、大鼠、兔或其他小動(dòng)物)體內(nèi)迅速移 動(dòng)的結(jié)構(gòu)，例如心臟。
可以對(duì)許多不同的感興趣的器官成像，包括具有內(nèi)腔的動(dòng)態(tài)器官。 例如，可以4吏用本文描述的方法和系統(tǒng)對(duì)心臟或其一部分進(jìn)4亍成4象。 然而，該方法和系統(tǒng)并不僅限于對(duì)心臟成像，對(duì)其他器官或其部分成 像，包括心臟血管系統(tǒng)的其他部分的成像也是可預(yù)期的。
幾個(gè)小動(dòng)物模型在研究中得以廣泛使用，最為流行的是小鼠和大 鼠。高頻超聲被用于對(duì)小鼠模型成像，在從約20MHz到超過(guò)60MHz的 頻率下尤其有效。然而，與小鼠模型相比，大鼠模型被證明難于在高 頻下成像，這是由于存在高度衰減的和生成回波的表皮、真皮和皮下 組織，它們導(dǎo)致了兩個(gè)主要的成像障礙。第一個(gè)是高頻超聲能的高衰 減。第二個(gè)是產(chǎn)生多次反射，這導(dǎo)致了混響成像的偽像。這兩種障礙 都可以通過(guò)改變所述用于對(duì)該大鼠成像的換能器的操作特性來(lái)減輕。
用于克服這些成像障礙的示例性的操作特性，可以包括用于克服衰減的高靈敏度、用于克服混響的匹配透鏡系統(tǒng)和/或在換能器和組織 之間使用匹配衰減層以衰減多次反射。此外，所述用于對(duì)該大鼠成4象 的換能器可以具有較寬的帶寬，以免損害軸向分辨率。
這三種特性通常是以相互犧牲為代價(jià)才得以實(shí)現(xiàn)的，且通常被認(rèn) 為是工程學(xué)上的一種平衡。在一個(gè)實(shí)例中，更高的靈敏度通常是以犧 牲帶寬為代價(jià)才得以實(shí)現(xiàn)的。相似地，更好的匹配通常涉及損耗透鏡
材料，從而損害了靈敏度，并且如果在設(shè)計(jì)頻率下設(shè)計(jì)為y4波長(zhǎng)匹配， 則導(dǎo)致帶寬的減少。匹配衰減層的添加也導(dǎo)致了原始信號(hào)等級(jí)的靈敏 度降低。
本文描述了一種換能器，所述換能器具有與水的聲學(xué)匹配、靈敏 度和寬帶寬響應(yīng)，并且可用于對(duì)受試者動(dòng)物模型進(jìn)行成像。該換能器 改進(jìn)了對(duì)于大鼠和其他小動(dòng)物模型的高頻超聲成像。
在一方面，為了克服大鼠組織的高衰減性，本文描述了一種具有 很高靈敏度的有效的換能器。在又一個(gè)方面，該換能器是具有例如大
約80%或更多的-6dB帶寬的相對(duì)寬帶寬。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供了用于具有多個(gè)層的超聲換能器疊層 的匹配層。在一方面，所描述的匹配層可以是一個(gè)包括壓電層的超聲 換能器疊層的層。在另一方面，該疊層可以包括其他層，諸如，例如 但不意在限于，背襯層、其他匹配層、透鏡層、信號(hào)電極層、接地電 極層、結(jié)合層和/或其他為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的層。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，匹配層包括復(fù)合材料。在此方面， 該復(fù)合材料可以包括載有多個(gè)微米尺寸和納米尺寸粒子的基體材料。 在另 一方面，該復(fù)合材料也可以包括載有多個(gè)重粒子和輕粒子的基體 材料。在另一個(gè)實(shí)例中，匹配層還可以包括固化的氰基丙烯酸酯。
本文舉例說(shuō)明的是包括了多個(gè)層的超聲換能器疊層，每個(gè)層均具 有一個(gè)頂面和一個(gè)相對(duì)的底面。在一方面，該多個(gè)層包括一個(gè)壓電層 和至少一個(gè)匹配層。在此方面，該匹配層可以#1置于該疊層中，以佳」 得它們基本覆蓋于該壓電層的頂面上。示例性的疊層可以包括含有
載有多個(gè)納米尺寸和微米尺寸粒子的復(fù)合材料的匹配層，載有多個(gè)重 粒子和輕粒子的匹配層和包括氰基丙烯酸酯的匹配層。
可被使用的壓電材料包括，例如但不意在限于，陶瓷材料、復(fù)合陶瓷材料以及單晶體。例如，鈮酸鋰(LiNb)可被用于示例性的單陣元 機(jī)械掃描換能器。在另一個(gè)實(shí)例中，36度的Y旋轉(zhuǎn)鈮酸鋰是一種用于 壓電層的示例性材料。鈮酸鋰具有高效率機(jī)械耦合特性(大約50%的 Kt)，以及非常低的介電常數(shù)(f r-34)且可以產(chǎn)生有效的單陣元換能 器，所述單陣元換能器可以不使用另外的電匹配網(wǎng)絡(luò)。此外，鈮酸鋰 (LiNb)具有高的Q值(在10， 000區(qū)域內(nèi))，這可以產(chǎn)生窄帶換能器?？?以預(yù)期的是高Q值可以通過(guò)寬帶匹配結(jié)構(gòu)和阻尼背襯系統(tǒng)(damping backing system)來(lái)補(bǔ)償，其起到減少換能器的Q值的作用。
在又一個(gè)方面，背襯系統(tǒng)可和該換能器疊層一起使用，且可被連 接到壓電層的底面和/或位于壓電層的底面之下。如果使用背襯層，則 可達(dá)到幾個(gè)目的。首先，其具有使得該換能器與期望帶寬發(fā)生共鳴的 聲學(xué)阻抗。其次，它是高衰減的，從而使得在換能器自身中減少或消 除了內(nèi)反射。最后，該背襯層可以與壓電元件可操作地接觸。
在一個(gè)示例性方面，相對(duì)于LiNb的Z，選擇聲學(xué)阻抗盡可能低的 背襯層以達(dá)到高靈敏度，同時(shí)保證較好帶寬。例如，在約5MR到7MR 的范圍之內(nèi)的聲學(xué)阻抗，在靈敏度和帶寬之間實(shí)現(xiàn)了一種期望的平衡。 例如，若期望較高帶寬，則可采用介于大約25 MR到40 MR之間的背 襯阻抗。
關(guān)于背襯層的衰減，衰減越高，所需用于消除內(nèi)反射的背襯厚度 就越小。同樣，較薄的背襯層導(dǎo)致?lián)Q能器具有較少的質(zhì)量和體積。
在另一方面，該背襯層可以是導(dǎo)電性的，也可以是絕緣體。然而， 無(wú)論使用導(dǎo)體還是絕緣體，背襯層均會(huì)被可操作地連接到壓電層。導(dǎo) 電性的背襯層可以使得制造過(guò)程較快，其具有非常窄的可能衰減范圍 和非常窄的可用聲學(xué)阻抗范圍。非導(dǎo)電性的背村層允許了非常寬的阻 尼和衰減可能性范圍。
一個(gè)示例性的背襯層是由Ablebond 16-1導(dǎo)電性的環(huán)氧材料構(gòu)成 的。此背襯層材料具有大約6. 7MR的聲學(xué)阻抗，以及在30MHz下超過(guò) 大約IOO dB/mm的衰減。此外，這個(gè)示例性的導(dǎo)電環(huán)氧層在結(jié)合線處 顯示了優(yōu)秀的導(dǎo)電性，并且與該壓電層形成了整體連接。
在另一方面，為了創(chuàng)建非常高的帶寬設(shè)計(jì)而期望低靈敏度，也可 以使用金屬來(lái)形成背襯層，例如但不意在限于銦、錫和銦合金。
15在另一方面，也可以使用一個(gè)透鏡層。例如，可以使用與水基本 聲學(xué)匹配的透鏡。這樣的透鏡可以具有高于水或低于水的聲速，但是 與水的不同足以使得可以產(chǎn)生一個(gè)實(shí)際的曲面，以達(dá)到期望的聚焦量。
一種可用的示例性透鏡材料是聚甲基戊烯或TPX。這種熱塑性塑料具 有1.8 MR的聲學(xué)阻抗和2200m/s的縱向速度。也可以使用凸透鏡(具 有低于水的聲速)。
與某些替代性材料相比，TPX損耗較重(在30MHz下為5. 7dB/m邁)， 但卻提供了異常好的對(duì)于水和組織的聲學(xué)匹配。使用TPX的主要挑戰(zhàn) 在于它非常難于結(jié)合到超聲換能器疊層的其他層上。例如， Rexolite (—種熱固交聯(lián)型聚苯乙烯)具有低于TPX的損耗，其具有在 30MHz下僅約1. ldB/mm的損耗，但卻具有2. 6 MR的聲學(xué)阻抗。Rexo1 ite 可以用在非常需要靈敏度且多次反射可被容忍的場(chǎng)合。通過(guò)使用薄的 透鏡，并且將F數(shù)(F-Number)處于通常范圍的較高端(一般為約2. 5 至3),該損耗可被減輕。
在許多方面，至少 一個(gè)％波長(zhǎng)匹配層被用在超聲換能器疊層中。 通常，這樣的W波長(zhǎng)匹配層也被簡(jiǎn)稱為"匹配層"。應(yīng)注意到，術(shù)語(yǔ) "匹配層"被用在本發(fā)明的整個(gè)說(shuō)明書中，并且具有與^波或波長(zhǎng)匹 配層相同的意義。該y4波匹配層不僅影響靈敏度，還影響帶寬。
在高頻下，匹配層的厚度數(shù)量級(jí)為大約5. 0 jifli到50. 0 jLim,且 通常中間粘結(jié)層具有較低的公差。例如，厚于500nm的層對(duì)于設(shè)計(jì)是 有害的，而任何厚于1500nm的層都基本抵消了該疊層的效果。如本領(lǐng) 域技術(shù)人員所能理解，對(duì)于^波長(zhǎng)層，厚度取決于期望的發(fā)射頻率和 層中的聲速。從而，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)對(duì)組合物的聲速的常規(guī)測(cè)試 以及憑借所掌握的對(duì)期望的設(shè)計(jì)頻率的知識(shí)，將可以容易地確定包括 了輕粒子和重粒子的W波長(zhǎng)匹配層的適當(dāng)厚度。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，示例性透鏡層包含TPX，所述TPX 連接到氰基丙烯酸酯匹配層上，其具有大約3MR的聲學(xué)阻抗。如本文 所述，氰基丙烯酸酯匹配層被結(jié)合到該TPX透鏡層上以附接到該疊層 的其他層上。
在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，大約10 MR的匹配層被覆蓋于具有大 約4. 5 MR至5 MR的聲學(xué)阻抗的匹配層之上，以增強(qiáng)帶寬并保持優(yōu)良的敏感度。這可以示例性地使用兩層鎢摻雜的環(huán)氧層來(lái)完成，使用真 空砂磨器將所述環(huán)氧層砂磨到期望的厚度。在又一個(gè)方面，低阻抗層
也可以摻雜有碳化硅(SiC)納米粒子以防止在固化過(guò)程中鎢粉末沉淀。 如上文所述，另一個(gè)匹配層可以是沉積在TPX透鏡層之上的氰基 丙烯酸酯(CA)層。可以用一個(gè)環(huán)氧層將所述結(jié)合到透鏡層上的CA匹配 層結(jié)合到低阻抗匹配層上，所述低阻抗匹配層位于該CA層的底面下方 的疊層中。在一方面，該環(huán)氧層的垂直厚度(elevational thickness) 是大約5拜或更少。由于該環(huán)氧材料與CA的聲學(xué)相似度，在幾微米的 厚度(在20MHz下〈5nm)的情況下該層對(duì)于該疊層的性能影響不顯著。 在一方面，該環(huán)氧材料可以是，例如但不意在限于Epotek 301環(huán)氧材 料。在另 一方面，可以使用 一種橡膠增韌CA(例如Loct i te Black Max ), 所述CA可以具有略低的聲學(xué)阻抗。
在本發(fā)明的替代性實(shí)施方案中，用于包括了多個(gè)層的超聲換能器 疊層的匹配層，可以包括一種含有基體材料的復(fù)合材料，所述基體材 料載有多個(gè)微米尺寸和納米尺寸粒子。在一個(gè)方面，該復(fù)合材料形成 超聲換能器疊層的匹配層。該匹配層可以是W聲學(xué)波長(zhǎng)匹配層。
這些粒子在各自的納米尺寸范圍和微米尺寸范圍內(nèi)可以具有不同 的尺寸。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所載有的粒子具有小于該匹配層的 厚度的最大縱向尺寸或伸長(zhǎng)尺寸。例如，該微米尺寸粒子具有大約5jim 的最大縱向尺寸，且該納米尺寸粒子具有大約800nm的最大縱向尺寸， 其中該匹配層厚度是大于5jim。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，所選擇的 粒子應(yīng)該盡可能地小，以免使之不能達(dá)到期望的聲學(xué)阻抗。名義上， 在匹配層中衰減應(yīng)被保持到最小，并且粒子尺寸遠(yuǎn)小于一個(gè)波長(zhǎng)。例 如，在16.5jim的四分之一波長(zhǎng)層中的一個(gè)5jim粒子，大約是一個(gè)波長(zhǎng) 的1/13。
在一方面，微米尺寸和納米尺寸粒子可以包括高密度金屬。例如， 該微米尺寸和納米尺寸粒子，可以包括鎢、金、鉑或其混合物。替代 性地，如果期望非導(dǎo)電性層，則可以使用高密度陶瓷材料，例如PZT。
在又一個(gè)方面，該基體材料可以是聚合物。在一個(gè)非限制性的實(shí) 例中，形成該基體的聚合物可以是環(huán)氧材料。例如，該環(huán)氧材料可以 是一種低粘性、室溫固化的環(huán)氧材料，具有一個(gè)高于該換能器的最大工作溫度的Tg。某些非限制性的環(huán)氧材料的實(shí)例包括Epotek⑧301和 302 (Epotek， Billerica， MA) 、Cotronics Duralco 4461 (Cotronics， Brooklyn, NY) 、 West Systems Epoxies (West Systems, Bay City, MI)和多種Araldite Epoxy結(jié)合物?；蛘?，該匹配層也可以是熱塑性 塑料，諸如聚曱基丙烯酸甲酯(PMMA)例如丙烯酸、樹脂玻璃、透明合 成樹脂或聚碳酸酯(PC)例如Lexan。
在一個(gè)示例性方面，微米尺寸和納米尺寸粒子可被載入該基體材 料中，該微米尺寸粒子與納米尺寸粒子的比例為介于大約5: 1到1:5 重量份之間。例如，微米尺寸和納米尺寸粒子可被載入該基體材料中， 該微米尺寸粒子與納米尺寸粒子的比例大約為1:1重量份。在另一個(gè) 方面，隨著期望的聲學(xué)阻抗增加，大粒子的期望百分比也會(huì)增加。例 如，如果期望10 MR的匹配層，可以使用1:1的比例。在另一個(gè)實(shí)例 中，對(duì)于12MR的層，可以使用2:1或3:1的微米尺寸粒子納米尺寸 粒子的比例。
在某些示例性方面，該匹配層的納米尺寸粒子和微米尺寸粒子占 所述復(fù)合材料的大約10%到大約35% (體積比)。在其他實(shí)例中，納米 尺寸粒子和微米尺寸粒子占所述復(fù)合材料的大約25%到大約30%(體積 比)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，納米尺寸粒子和微米尺寸粒子占所述 復(fù)合材料的大約25% (體積比)。
通過(guò)設(shè)計(jì)使所述具有納米和微米粒子的匹配層具有期望的聲學(xué)阻 抗。例如，可以形成該匹配層使其聲學(xué)阻抗在大約7. 0兆瑞利(MR)和 14. 0兆瑞利(MR)之間。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該匹配層的聲學(xué)阻抗 是大約10 MR。
在不同的方面，該匹配層的厚度可以變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能 理解，所述達(dá)到％波長(zhǎng)匹配層的厚度將隨著匹配層中的聲速和通過(guò)該 匹配層的超聲的頻率而改變。從而，基于本文的教導(dǎo)以及任何期望的 超聲發(fā)射頻率，包括在20MHz和更高的頻率，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可 以確定該匹配層的合適厚度。在其他示例性的方面，在匹配層中的聲 速可以在大約1000米每秒(m/s)和3000m/s之間。此外，匹配層的垂 直厚度可以在大約4nm到30jim之間。
在一個(gè)實(shí)施方案中，用于產(chǎn)生該納米/微米粒子匹配層的過(guò)程，包
18括提供一種基體材料、多個(gè)微米尺寸粒子和多個(gè)納米尺寸粒子。該基 體材料載有用于形成一種復(fù)合材料的多個(gè)微米尺寸粒子和多個(gè)納米尺 寸粒子，而所形成的復(fù)合材料用于產(chǎn)生超聲換能器疊層的匹配層。在 一方面，微米尺寸粒子和納米尺寸粒子可以包括同樣的基礎(chǔ)材料。當(dāng)
然，應(yīng)該考慮到，孩i:米尺寸粒子和納米尺寸粒子也可以由不同的基礎(chǔ) 材料組成。
如圖1所示，該納米/微米粒子匹配層可在具有多個(gè)層的示例性超 聲換能器疊層100中用作匹配層。如圖所示，示例性的超聲疊層IOO 包括多個(gè)層，每個(gè)層均具有一個(gè)頂面和一個(gè)相對(duì)的底面。該多個(gè)層包 括一個(gè)壓電層102和至少一個(gè)匹配層。當(dāng)然，多個(gè)匹配層(108、 110 和112)可被用在換能器疊層100之中。該匹配層108包括上述的乂波 長(zhǎng)聲學(xué)匹配層。
在某些示例性實(shí)施方案中，該壓電層可以在至少約20兆赫(MHz) 的中心頻率下生成超聲，用于傳輸通過(guò)該第一匹配層。這樣的高傳輸 中心頻率在對(duì)小動(dòng)物包括大鼠的成像過(guò)程中可能特別合乎需要。從而， 在一個(gè)示例性方面，該壓電層可以在至少大約20MHz、 25MHz、30MHz、 35MHz、 40MHz、 45 MHz、 50 MHz、 55 MHz、 60 MHz、65 MHz、 70 MHz
或更高的中心頻率下生成超聲，以傳輸通過(guò)該第一匹配層。
在另一個(gè)方面，該壓電層可以具有20 MR或更高的聲學(xué)阻抗。如 上所述， 一種可以使用的示例性的壓電層包括鈮酸鋰，其具有大約34 MR的阻抗。在另一個(gè)實(shí)例中，該壓電層可以包括PZT,其具有大約33 MR至35 MR的阻抗。
當(dāng)然，除本文所描述的納米/微米匹配層之外，還可以使用其他匹 配層。具有多個(gè)層的超聲換能器疊層的一個(gè)示例性匹配層，包括一種 包括一種基體材料的復(fù)合材料，該復(fù)合材料載有多個(gè)第一重粒子和多 個(gè)第二輕粒子。然而，應(yīng)該注意到的是，輕重粒子并不限于本實(shí)施方 案中的尺寸。從而，該包括了輕粒子和重粒子的匹配層可以包括納米 粒子和微米粒子的混合物。例如，該輕粒子可以是微米尺寸的或納米 尺寸的，同時(shí)該重粒子也可以是微米尺寸的或納米尺寸的，其任意組 合均可被添加到該基體材料中。
具有輕粒子和重粒子的該匹配層可以包括％聲學(xué)波長(zhǎng)匹配層。在
19某些非限制性的實(shí)例中，輕粒子具有大約4克每立方厘米(g/cc)或更 低的質(zhì)量密度，而重粒子具有大于約4. Og/cc的質(zhì)量密度。例如，輕 粒子可以具有介于大約2. 5g/cc和大約4. Og/cc的質(zhì)量密度。重粒子 可以具有例如10. Og/cc或更大的質(zhì)量密度。
例如，第一重粒子可以包括選自鵠粒子和鋯酸鉛滴定溶液粒子或 其混合物的微米尺寸粒子或納米尺寸粒子。在又一個(gè)實(shí)例中，該第二 輕粒子包括選自碳化硅粒子和氧化鋁粒子或其混合物的微米尺寸粒子 或納米尺寸粒子。此外，第二輕粒子的密度可以是在重粒子和該基體 材料的最終組合物的密度的約100°/。至200%之間。
如上文所述，輕粒子和重粒子可以在尺寸上有所變化。在不同的 方面，重粒子或輕粒子可以小于l微米。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所 載有的粒子的最大縱向或拉伸尺寸小于所述由它們所組成的匹配層中 的一個(gè)波長(zhǎng)的1/50。輕粒子和重粒子可以載于該基體材料之中，該基 體材料可以包括聚合物，例如環(huán)氧材料。在一個(gè)實(shí)例中，所載有的多 個(gè)粒子可以占該復(fù)合材料的至少大約11.0% (體積比)。例如，該多 個(gè)粒子可以占介于該復(fù)合材料的大約11.0%和20. 0% (體積比)之間。 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該復(fù)合材料的體積的大約5. 5%包括多個(gè)納米 尺寸重粒子，以及該復(fù)合材料的體積的大約5. 5%包括多個(gè)納米尺寸輕 粒子。在本優(yōu)選實(shí)施方案中，如同在其他示例性實(shí)施方案中一樣，該 重粒子可以是鵠粒子、PZT粒子、金粒子或鉑粒子，該輕粒子可以是 碳化硅粒子或氧化鋁粒子。
所述包括了重粒子和輕粒子的匹配層的聲學(xué)阻抗可以變化。例如， 該層的聲學(xué)阻抗可以在約3. 0兆瑞利和7. 0兆瑞利之間。在一個(gè)示例 性實(shí)施方案中，該聲學(xué)阻抗是大約4.5 MR。
該匹配層的厚度也可以變化。從而本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過(guò)對(duì)聲 速的常規(guī)測(cè)試以及憑借所掌握的對(duì)期望的傳輸頻率的知識(shí)，將可以容 易地確定包括輕粒子和重粒子的匹配層的W波長(zhǎng)的適當(dāng)厚度。在一個(gè) 實(shí)例中，該匹配層可以具有介于約1500 m/s和約4500 m/s之間的聲 速。在其他實(shí)例中，在該匹配層中的聲速可以在約1800 m/s和約2500 m/s之間。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，匹配層中的聲速是大約2100m/s。 在不同的方面，應(yīng)該考慮到所述包括輕粒子和重粒子的示例匹配層的厚度可以在約4. 0微米和30微米之間。例如，對(duì)于示例性的20MHz中 心頻率的換能器，對(duì)于25MHz設(shè)計(jì)頻率，其包括由占復(fù)合材料體積的 大約5. 5%的納米尺寸的第一重粒子和占復(fù)合材料體積的大約5. 5%的 納米尺寸的第二輕粒子構(gòu)成的示例性混合物，該匹配層在該超聲換能 器疊層的垂直方向上的厚度為大約22. O微米。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，用于產(chǎn)生該輕/重粒子匹配層的過(guò) 程，包括提供一種基體材料、多個(gè)第一重粒子和多個(gè)第二輕粒子。在 此方面，該基體材料載有多個(gè)第一重粒子和多個(gè)第二輕粒子，以形成 一種可用作超聲換能器疊層的匹配層的復(fù)合材料。
一個(gè)超聲換能器疊層可以包括一個(gè)匹配層，該匹配層包括重粒子 和輕粒子，如上文所述。這個(gè)匹配層可以包括換能器疊層的一種較低 阻抗匹配層，所述換能器疊層還包括一個(gè)較高阻抗匹配層。在此方面， 如同該較低阻抗匹配層一樣，該較高阻抗匹配層包括具有相似重量的 納米粒子和微米粒子，和/或材料。
從而，示例性疊層IOO可以包括多個(gè)層，每個(gè)層均具有一個(gè)頂面 和一個(gè)相對(duì)的底面。該多個(gè)層可以包括一個(gè)壓電層102和至少一個(gè)匹 配層。匹配層IIO可以包括復(fù)合材料，該復(fù)合材料含有一種載有多個(gè) 第一重粒子和多個(gè)第二輕粒子的基體材料，其中該匹配層110的底面 覆蓋于該壓電層102的頂面之上。該超聲換能器疊層IOO還可以包括 一個(gè)匹配層108,其具有高于匹配層110的阻抗的阻抗，該匹配層108 被置于壓電層102的頂面和匹配層110的底面之間。
該壓電層可以在至少大約20兆赫(MHz)的中心頻率下生成超聲， 用于發(fā)射通過(guò)一個(gè)或多個(gè)匹配層。例如，該壓電層可以在至少大約25 MHz、 30 MHz、 35 MHz、 40 MHz、 45 MHz、 50 MHz、 55 MHz、 60 MHz、 65 MHz、 70 MHz或者更高的中心頻率下生成超聲，用于發(fā)射通過(guò)一個(gè) 或多個(gè)匹配層。該超聲可以被發(fā)射通過(guò)該匹配層108然后通過(guò)該匹配 層110。
本文還提供具有多個(gè)層的超聲換能器疊層100的背襯層104。該 背襯層可以包括一種含有基體材料的復(fù)合材料，該基體材料載有多個(gè) 微米尺寸和納米尺寸粒子。本文還提供超聲換能器疊層100的背襯層 104,該超聲換能器疊層包括一種含有基體材料的復(fù)合材料，該基體材
21料載有多個(gè)第一重粒子和多個(gè)第二輕粒子。 實(shí)驗(yàn)
提出下列實(shí)施例，以便為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員提供有關(guān)本文所 要求保護(hù)的化合物、組合物，物品、設(shè)備和/或方法是如何構(gòu)成和評(píng)估 的完整的公開和說(shuō)明，并且純粹意為舉例說(shuō)明本發(fā)明而并非意在對(duì)發(fā) 明人所認(rèn)為屬于其發(fā)明的范圍作出限制。已經(jīng)努力確保數(shù)字(例如數(shù) 量、溫度等)的準(zhǔn)確性，但是仍應(yīng)考慮到存在一些誤差和偏差。除非另
有說(shuō)明，份數(shù)為重量份數(shù)，溫度是以。c為單位或?yàn)榄h(huán)境溫度，壓力等 于或接近于大氣壓力。
實(shí)施例1:帶有TPX透鏡的示例性LiNb 20 MHz至25 MHz換能器 疊層的制造
圖5是示出了制造帶有TPX透鏡的示例性LiNb 20 MHz至25 MHz 換能器的示例性方法的方框圖。該制造過(guò)程在下面以三個(gè)示例性部分 加以描述。首先，描述了制造匹配層和壓電層以形成疊層。其次，描 述了透鏡層和氰基丙烯酸酯匹配層的制造。最后，描述了將透鏡和氰 基丙烯酸酯層結(jié)合到該換能器疊層上的過(guò)程。
匹配層和壓電層的制造
制備用于壓電層的鈮酸鋰晶體，如方框504所示。將一個(gè)36度Y 切LiNb晶體打磨(lap)到厚度為期望的中心頻率的0. 4入，以補(bǔ)償質(zhì) 量負(fù)荷。使用適合的方式，例如電子束沉積或陰極濺鍍，向該晶體鍍 3000埃的金。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，通?？墒褂勉t或鎳的薄層來(lái) 改進(jìn)所述金層的粘合性。LiNb晶體的金側(cè)面是用丙酮來(lái)清潔的。在清 潔之后，該晶體被置于清潔的地方，直到進(jìn)一步處理為止。
制備用于乂波匹配層的載有納米粒子和微米粒子的環(huán)氧材料。方 框506,制備一個(gè)高阻抗匹配層，其具有高于大約8 MR的阻抗。制成 聲學(xué)阻抗高于8MR的負(fù)載的環(huán)氧材料的組合物，這一過(guò)程通常受到可 被該環(huán)氧材料潤(rùn)濕的粉末的最大體積比所限制。以小到足以與25MHz 設(shè)計(jì)相匹配的粒子來(lái)達(dá)到高于20%的體積比是有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榧?xì)粉 末具有大的表面體積比。由于受到20。/。體積限制以及使用鎢粉末，很難制成聲學(xué)阻抗高于大約8 MR至9 MR的組合物。參見例如Martha G. Grewe, T. R. Gururaha, Thomas R Shrout和Robert E Newnham的
"Acoustic Properties of Particle/Polymer Composites for Ultrasonic Transducer Backing Applications," IEEE Trans, on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,第 37巻，第 6期，1990年11月。
低粘性的環(huán)氧材料(優(yōu)選低于1000cps)的應(yīng)用，使得可以在該混 合物變得太干以至于不能使用之前向該環(huán)氧材料中添加最大體積比的 粉末。本領(lǐng)域已知的這種環(huán)氧材料的一個(gè)實(shí)例是Epotek 301。參見例 如Haifeng Wang， Ti邁Ritter， We冊(cè)u(píng) Cao和K. Kirk Shung的"Passive Materials for High Frequency Ultrasound Transducers" ， SPIE Conf. on Ultrasonic Transducer Engineering, San Diego, California, 1999年2月，SPIE第3664巻。在添加任何粉末之前將 該環(huán)氧材料充分混合。
為了制成示例性的10兆瑞利匹配層，在環(huán)氧基體中使用體積比為 25%的粉末。為了達(dá)到這個(gè)體積比，使用了相對(duì)大的5]nm津立子。然而， 這樣的大粒子不會(huì)與換能器的頻率相匹配，因?yàn)槠ヅ鋵拥恼麄€(gè)厚度將 僅可容納3個(gè)顆粒。還使用了一種以1: 1比例混合了 5nm粉末的亞微 米鴒(W)粉末。這在至少l:6到2:1的重量比范圍內(nèi)是有效的。在載有 粉末的環(huán)氧材料中可以達(dá)到的密度上限是受潤(rùn)濕所有粉末粒子表面的 能力限制的。隨著粒子尺寸增加，粉狀材料體積與表面區(qū)域的比率線 性地增加。從而，隨著該粉末粒子直徑增加，該粉末與環(huán)氧材料的體 積比也增加，其中所述環(huán)氧材料可被充分潤(rùn)濕以產(chǎn)生無(wú)空隙混合物。 然而，隨著粒子尺寸增加，也產(chǎn)生許多問(wèn)題沉淀以及單個(gè)粒子與超 聲能的波長(zhǎng)的逐漸顯著的交互作用。
為了減少在匹配層中的衰減并且為了預(yù)測(cè)該基體和粉末的混合材 料的聲學(xué)阻抗，所述粒子直徑可以小于該基體(環(huán)氧材料)的波長(zhǎng)。為 制備％波長(zhǎng)匹配層，該粒子尺寸可以小到足以使得該組合物的整個(gè)厚 度可包括至少15個(gè)或更多個(gè)粒子。
對(duì)納米粒子和較大粒子的混合物的示例性使用，使得可以獲得高 密度負(fù)載的粉末，該粉末既具有高體積比，又具有對(duì)沉淀的很好控制。
23沉淀是通過(guò)調(diào)整納米粒子的數(shù)量以控制最終的糊劑的粘性和觸變指數(shù) 來(lái)加以控制的。除從可達(dá)到的體積分?jǐn)?shù)的上限和減少較大粒子的沉淀 中獲得的好處之外，納米粒子還提供了在任何給定橫截面的情況下，
該％波層(例如在25 MHz下16. 5jim厚)均具有高數(shù)量的粒子以及平均 空間分布的粉末粒子(也即在大粒子之間沒(méi)有較大的環(huán)氧材料區(qū)域，這 是僅有大粒子時(shí)的應(yīng)有情況)。
優(yōu)選大粒子和小粒子的混合物。僅僅使用納米粒子導(dǎo)致了可能的 小于體積的20。yi的上限，而僅僅使用5.0 nm粒子或者甚至2. Ojim或 3. Ojim粒子產(chǎn)生了高衰減的匹配層，由于與波長(zhǎng)相比粒子之間的空間 較大，所以所述高衰減匹配層具有定義不清的聲學(xué)阻抗。 一種示例性 的鎢摻雜的環(huán)氧材料的制備，包括一批3:1 (體積比)的Epotek 301 環(huán)氧材料和鎢粉末(50%:50%的5nm:〈ljim)的混合物。這是一種具有 高觸變指數(shù)的糊劑，并且是重量比為85%的鎢混合物，具有5.7 g/cc 的密度以及25%鎢的體積分?jǐn)?shù)。由于納米尺寸粒子的較小尺寸，它的 厚度可以包括最多達(dá)5Q個(gè)粒子。例如，按下述比例稱出該混合物0. 5g 的混合301環(huán)氧材料(O. lg硬化劑和0. 4g樹脂)；l. 5g的〈l^i邁鎢粉末； 1. 5g的5jim鎢粉末。
一種中等聲學(xué)阻抗的匹配層——具有介于大約3.5 MR到6 MR之 間的阻抗——是按照方框514所示通過(guò)將輕重量的粒子與重粒子混合 來(lái)制造的。中等聲學(xué)阻抗匹配層的制備過(guò)程，可以使用高體積分?jǐn)?shù)的 單一輕粒子以在此范圍內(nèi)達(dá)到中等和更高的阻抗。然而，使用單一材 料，以足夠小的粒子尺寸來(lái)產(chǎn)生中等聲學(xué)阻抗的過(guò)程，通常需要艱難
地尋找具有適合的粉末顆粒尺寸的可獲得的適合密度的材料。高體積 分?jǐn)?shù)使得混合、除氣以及涂布/敷設(shè)(spreading/application)非常
困難，由于所要制備的糊劑具有高粘性和高觸變性，這導(dǎo)致了制造問(wèn) 題。然而，因?yàn)榉勰┑捏w積比通常被保持在11%以上以將衰減保持在 較低水平，所以通常必須在達(dá)到理想聲學(xué)阻抗和理想物理屬性之間達(dá) 成一種折衷，或者必須尋找一種新材料并再次開始該過(guò)程。
從而，通過(guò)一起使用輕重?fù)诫s物，可以獲得一種技術(shù)方案，所述 技術(shù)方案減輕了由于粘性、潤(rùn)濕以及觸變指數(shù)等問(wèn)題導(dǎo)致的實(shí)現(xiàn)期望 聲學(xué)阻抗的問(wèn)題。向會(huì)產(chǎn)生期望聲學(xué)阻抗的體積分?jǐn)?shù)中混合一種重材
24料，然后添加輕納米粒子直到達(dá)到期望的粘性和觸變指數(shù)(也即， 一種 輕易潤(rùn)濕的糊劑，但不會(huì)到處流動(dòng)或沉淀)。在一個(gè)實(shí)例中， 一種市售
的輕重量SiC納米粒子可被用作該輕重量粒子。幾種這樣的粒子(包 括但不限于p-3. 2 g/cc的SiC和p-3. 9g/cc的氧化鋁)可用于緩解潤(rùn) 濕、粘性和觸變指數(shù)的問(wèn)題，由此實(shí)現(xiàn)給定聲學(xué)阻抗。
在這種情況下，匹配層的聲學(xué)阻抗幾乎完全是由重粉末的體積分 數(shù)所控制的，其中所述重粉末在那種分?jǐn)?shù)下會(huì)具有顯著的沉淀問(wèn)題。 然而，復(fù)合混合物和沉淀物的粘性和稠度幾乎完全是由輕重量粉末所 控制的。在此方面，選擇該輕重量粉末以使得其密度介于重粉末環(huán)氧 材料混合物的期望組合物密度的約100%到200%之間。
例如，在示例性的25 MHz 4.5 MR匹配層中，在適合的室溫固^匕 的低粘性環(huán)氧材料中使用體積分?jǐn)?shù)為5.5%的鴒粉末納米粒子，以達(dá)到 介于大約4. 5 MR至5 MR的聲學(xué)阻抗。然后添加SiC納米粒子以達(dá)到 示例性的11%的體積分?jǐn)?shù)。
這種示例性的混合物易于處理、可以非常良好地潤(rùn)濕，并且在i殳 定用于固化所述環(huán)氧材料的24小時(shí)固化時(shí)間里絲亳不會(huì)沉淀。在添加 SiC粒子之前，該混合物在很短的時(shí)間內(nèi)完全沉淀，然而，在添加SiC 之后，該混合物變得有觸變性，且不會(huì)沉淀。添加SiC粒子對(duì)聲學(xué)阻 抗的改變極微小，但是顯著地改變了粘性并且消除了該混合物的沉淀 現(xiàn)象。在該適中的范圍內(nèi)，使用兩種易于得到的粉末材料可以達(dá)到任 何期望的聲學(xué)阻抗，同時(shí)保持理想的工作特性而不沉淀，且不需要特 別高的體積分?jǐn)?shù)。此外，由于納米粒子的尺寸，衰減和散射被保持到 最小，使其成為特殊的匹配層。
鴒摻雜的環(huán)氧材料可以被添加到該疊層中，如方框508中所示。 匹配層的敷設(shè)需要小心注意，因?yàn)樵谄ヅ鋵又械臍庋ㄍǔ?huì)使得疊層 出故障。在壓電晶體和栽有粉末的環(huán)氧材料的交界面附近的氣穴可能 是有害的。
為了防止氣穴，均勻地涂布該負(fù)載的環(huán)氧材料，且將氣穴迫至該 混合物的表面。 一般地，用來(lái)制造匹配層的觸變性的糊劑，難于"流" 到部件上，通常需要攪動(dòng)以使之如液體般流動(dòng)。從而， 一種振蕩操縱 器(例如，雕刻機(jī)(engraver),帶有一根附在其上的22gauge線)可被用于在該晶體的表面涂布該糊劑，以使得它流過(guò)并潤(rùn)濕整個(gè)表面。 此外，這種振蕩促使氣穴升起到該糊劑的表面，在這里它們可以被砂 磨去除。這就允許了使用高觸變性的糊劑，所述糊劑在涂布之后會(huì)與 預(yù)期的一樣不會(huì)沉淀。
在一個(gè)實(shí)例中，在顯微鏡下，使用帶有22gauge的硬回火銅線L 型尖端的雕刻機(jī)刻針，將該觸變糊劑平滑地移到該表面之上，以便良 好的潤(rùn)濕以及促使氣穴升到表面上。通常，該雕刻機(jī)刻針被用在該孔 的整個(gè)表面之上，并被設(shè)定在低幅度高頻率的設(shè)置處(大約 7， 200spm)。在一方面，鈮酸鋰晶體的表面被覆蓋，在邊緣附近留有的 一'J、部分邊(大約.25mm)未被覆蓋，以使其隨后可被用于接地。如果環(huán) 氧材料被置于該邊上，它無(wú)法在不將整個(gè)批料移離換能器表面的情況 下被有效地清除。
如方框510所示，使該環(huán)氧材料在室溫下固化并且在提高的溫度 下進(jìn)行后固化。使用室溫來(lái)固化環(huán)氧材料，以使得各層不會(huì)發(fā)生顯著 收縮，這種收縮可導(dǎo)致該壓電晶體翹曲。優(yōu)選高的Tg,故選擇可在烘 箱中進(jìn)行提高溫度的后固化的環(huán)氧材料。使該環(huán)氧材料在室溫固化約 18小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間(優(yōu)選24小時(shí))。此外，固化的環(huán)氧材料在恒溫箱 中在65攝氏度下被后固化大約3小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。
該第一匹配層被砂磨和/或打磨，如方框510中所示。多余的材料 :帔移去以獲得該V4波長(zhǎng)匹配層?？梢証使用幾種方法(例如打磨或妙'磨等 等)來(lái)移去多余的材料，剩下一個(gè)％波厚度的匹配層。 一種砂磨系統(tǒng)被 用于將第一匹配層砂磨到入/4的厚度，其中c-1600m/s (對(duì)于25MHz 版本，這是16jim至17nm厚)。仔細(xì)固定并且測(cè)量樣本，因?yàn)樵O(shè)計(jì)頻 率為約25MHz的示例性20MHz設(shè)備的公差是處于2fim至3jim范圍內(nèi)， 也即16. 5 pm +2 / -l拜。
制造并敷設(shè)第二低阻抗層，如方框514中所示。在完成第一匹配 層之后，第二介質(zhì)聲學(xué)阻抗糊劑被敷設(shè)到該第一層之上，重復(fù)涂布、 固化和材料移除的過(guò)程以制成第二％波層。批料是如下配方混合的 摻雜了鎢粉末的環(huán)氧材料，所述環(huán)氧材料是使用Epotek301和〈lnm的 鴒粉末的17:1 (體積比)或(鴒按重量比占51%)的混合物。添加相當(dāng) 于混合物質(zhì)量的50。/。的〈ljim SiC粉末，并混合直到獲得均勻的糊劑。
26通過(guò)以研缽和桿輕輕混合除去糊劑中的任何團(tuán)塊。按下述比例稱出該
混合物0. 5g的混合301環(huán)氧材料；0. 52g的〈lnm鴒粉末；0. 2g的〈lnm 碳化硅粉末。按照與第一層一樣的方式敷設(shè)第二層，使用雕刻機(jī)中的 L型尖端來(lái)均勻涂布該糊劑以及進(jìn)行良好的潤(rùn)濕。然后該混合物被允 許在室溫下固化約18小時(shí)至24小時(shí)，然后在65攝氏度下后固化3小 時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。
如方框516所示，砂磨和/或打磨所述第二匹配層。將該材料砂磨 到入/4的厚度，其中c-2100邁/s，也即，對(duì)于25MHz設(shè)計(jì)頻率的實(shí)例， 這個(gè)厚度是大約18 ja m至19 y m厚+/-1 p m。
制備用于該疊層的支撐結(jié)構(gòu)，并且將該晶體結(jié)合到該支撐結(jié)構(gòu)上， 如方框518和520所示。在一方面，該疊層位于外殼中?？梢?吏用Ultem 1000 (聚醚酰亞胺)插入物，其具有和該期望的換能器孔相匹配的ID 以及和期望的Ti換能器外殼的規(guī)格相匹配的0D和高度，以使得該插 入物的頂部低于Ti外殼的邊大約1. 5 mm。插入物的前表面被清潔并 檢查，以使之清潔并免得出現(xiàn)毛刺或者噴濺。例如，該插入物可以用 超聲清潔器和去污劑初步地清潔，且可以在臨使用前用異丙醇清潔。
制備少量適合的低溫固化、中等粘性的環(huán)氧材料(例如Loctite E-20 HP),并使用海綿端的棉簽將其在所述插入物的干凈的前表面上 涂布成一層非常薄的膜。該環(huán)氧材料并未被大量涂布，以便形成一個(gè) 直徑為插入物壁厚度的彎月面。在操作中，晶體被放置到該插入物的 環(huán)氧材料覆蓋的表面上且位于該插入物的中心上，其中疊層一側(cè)向上。 在一個(gè)實(shí)例中，使用真空吸附裝置將該鈮酸鋰晶體敷設(shè)到該插入物上。 加一個(gè)少量的力，以將該晶體推至該插入物的表面上，這導(dǎo)致了該環(huán) 氧材料流向下面的插入物的邊緣。居中的晶體被置入恒溫箱中，以在 大約40X:下固化大約3個(gè)小時(shí)。
在固化之后，檢查該插入物/晶體組合件以保證該晶體居中并且完 全粘附到該插入物。隨后，該插入物/晶體組合件的外部被清潔。通過(guò) 將該部分滑入一個(gè)示例性的外殼，從而檢查該Ultem插入物的未增加 的直徑。
在此階段，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，所述聲學(xué)疊層可被置于適 合的支撐結(jié)構(gòu)之上，并且敷設(shè)尾部電極和適當(dāng)?shù)厮p的背襯材料，如方框522和524所示。這些功能可以通過(guò)使用導(dǎo)電性的環(huán)氧材料作為 背襯層來(lái)加以組合。
在一個(gè)實(shí)例中，通常按照使清潔平滑的工作表面晶體層向下的方 向放置示例性的插入物/晶體組合件。該背襯腔被充滿了 Ablebond 16-l銀導(dǎo)電性的環(huán)氧材料。首先使用環(huán)氧材料注射器和敷料器端，以 在該腔的中心放置一 團(tuán)環(huán)氧材料以填充該腔。該環(huán)氧材料被敷設(shè)到該 晶體的整個(gè)背面，以保證不讓任何氣穴留在背襯材料中。使用該環(huán)氧 注射器以繼續(xù)用該敷料器端來(lái)在該環(huán)氧層的表面之下填充，以免在填 充時(shí)在所述環(huán)氧材料中產(chǎn)生氣穴。填充該腔直到該導(dǎo)電性的環(huán)氧材料 1氐于該插入物的邊緣大約0. 5mm。
該背襯疊層一一被稱為"片(pill)"——現(xiàn)在可被置于適合的外 殼之中并被密封，所述外殼取決于該設(shè)備的預(yù)期用途，考慮了重量預(yù) 算、溫度和射頻屏蔽等等，如方框526和528所示。
該片被置于該外殼裝置上，未固化的環(huán)氧材料向上。幾小點(diǎn)Loctite E-20 HP被敷設(shè)到該片的后邊緣，以使得這幾個(gè)點(diǎn)不會(huì)流到一起。其 次，在該片之上放置一個(gè)完成的外殼，直到該片接觸該外殼的后面為 止。隨后，固定夾就被置于該外殼之上以將其保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫?允許其在室溫下固化大約18小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。然后該組合件被置于一 個(gè)恒溫箱之中，在65度下后固化約3個(gè)小時(shí)。通常，該片的表面的定 向與地面平行，并且指向下方以幫助防止該背襯層在該外殼中流動(dòng)。
接下來(lái)，可以敷設(shè)一個(gè)密封層。在此實(shí)例中，當(dāng)該環(huán)氧材料完全 固化時(shí)，沿著該晶體的周界敷設(shè)環(huán)氧材料滴，以使得在該晶體和Ti外 殼之間存在一個(gè)連續(xù)的平滑的表面。此時(shí)，沿著鈮酸鋰晶體的周界和 該外殼的內(nèi)徑施加非常少量的Epotek 301。該晶體的表面低于該Ti 外殼上的斜面大約1.25mm，以便在晶體和Ti外殼之間理想地形成一 個(gè)環(huán)氧材料的負(fù)彎月面。該晶體和該Ti均為清潔的，并且在它們的表 面上沒(méi)有環(huán)氧材料，從而可將金噴濺到這兩個(gè)表面上。在操作過(guò)程中， 使用高放大率(大約20倍，優(yōu)選地為更多)以施加該環(huán)氧材料滴。在一 個(gè)實(shí)例中，該環(huán)氧材料可被敷設(shè)到沿該周界的三個(gè)位置，并允許利用 引力和毛細(xì)作用使其沿著周界流動(dòng)。在又一實(shí)例中， 一條厚度較小的 線(大約26 gauge)可被附著到尖銳的Q-尖端的末尾，以增進(jìn)控制來(lái)
28幫助該結(jié)合劑沿著整個(gè)周界流動(dòng)。允許所得結(jié)構(gòu)在室溫下固化約12小 時(shí)至18小時(shí)?？梢灾貜?fù)該密封過(guò)程，且允許該結(jié)構(gòu)在室溫下固化大約 18小時(shí)，然后將其置于65攝氏度下進(jìn)行后固化大約3小時(shí)。在該環(huán) 氧材料固化之后，檢查Ti外殼的邊緣存在的環(huán)氧材料。移去任何存在 于邊緣上的環(huán)氧材料。
將可理解的是，在聲學(xué)疊層的暴露的金邊緣對(duì)信號(hào)返回路徑進(jìn)行 接地連接，如方框530所示。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能認(rèn)識(shí)到，粘 附這樣的電極的幾種方法包括了陰極'減鍍、導(dǎo)電性的墨水和環(huán)氧材料、 與良導(dǎo)體直接機(jī)械接觸等等。
在一個(gè)超聲疊層的實(shí)例中，按照上文所述形成的疊層可以被結(jié)合 到第三低阻抗匹配層和一個(gè)透鏡上。選擇一個(gè)完全匹配的透鏡。如上 文所述，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該透鏡在聲學(xué)阻抗上與水緊密匹配， 以便減少混響偽像。此外，透鏡材料可以是低衰減的并且具有與水中 聲速充分不同的聲速，以便能夠產(chǎn)生聚焦效果而不具有極端的曲率。 有許多用于形成超聲換能器用的透鏡的示例性材料。此外，許多換能 器設(shè)計(jì)使用了固化壓電元件或者陣列結(jié)構(gòu)作為透鏡的替代物。
為了對(duì)大鼠成像，在透鏡的設(shè)計(jì)中混響偽像是一個(gè)重要的考慮因 素。雖然有其他在高頻下?lián)p耗更低或更強(qiáng)折射能力的材料存在，但是 TPX仍被認(rèn)為是優(yōu)選的透鏡材料，其具有與水匹配的聲學(xué)性質(zhì)。TPX 是聚烯烴家族的成員之一，并且與大多數(shù)塑料相比，TPX具有與水和 組織緊密匹配的阻抗。TPX具有介于大約1. 78 MR到1.85 MR之間的 聲學(xué)阻抗。參考例如AlanR. Selfridge的"Approximate Material Properties in Isotropic Materials", IEEE Trans. Sonics和 Ultrasonics,第SU-32巻，第3期，1985年5月。水的阻抗是Z-l. 5 MR。
眾所周知，TPX難于和環(huán)氧材料以及大多數(shù)其他粘合劑結(jié)合。在 工業(yè)中TPX的最常見用途是作為剝離膜。也即，TPX被認(rèn)為是一種大 多數(shù)東西都不會(huì)與之結(jié)合的材料。雖然某些表面制造技術(shù)可被用于增 強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，但是事實(shí)上即使使用了粘性促進(jìn)劑和底漆或者電暈蝕刻， 在精密的應(yīng)用中TPX也通常是不可結(jié)合的，必須通過(guò)機(jī)械力或熱密封 或溶焊來(lái)進(jìn)行接合。參見，Timothy Ritter, K. Kirk Shung， XuecangGeng， Pat Lopath， Richard Tutwi ler和Thomas Shrout， Proceeding
of SPIE--第3664巻Medical Imaging 1999年Ultrasonic
Transducer Engineering, K. Kirk Shung，編輯，1999年6月，第67-75 頁(yè)。
成像換能器中透鏡和聲學(xué)疊層之間的結(jié)合線會(huì)在幾分鐘內(nèi)經(jīng)受超 過(guò)40攝氏度的溫度波動(dòng)，且在使用過(guò)程中通常會(huì)經(jīng)受迅速冷卻。此外， 它經(jīng)常被超聲能所轟擊。結(jié)合上的弱點(diǎn)通常會(huì)導(dǎo)致?lián)Q能器中出現(xiàn)剝離 和死點(diǎn)。為此原因，希望使用高質(zhì)量的結(jié)合線來(lái)進(jìn)行換能器的構(gòu)建。
對(duì)于示例的高頻超聲換能器來(lái)說(shuō)，透鏡與疊層始終保持接觸。即 便是細(xì)小的未結(jié)合部分也可導(dǎo)致?lián)Q能器中出現(xiàn)死點(diǎn)。
在一個(gè)示例性的實(shí)例中，氰基丙烯酸酯(CA)粘合系統(tǒng)被結(jié)合到該 TPX透鏡上。通過(guò)使用適合的底漆(例如且不意在限制，VerikAC77、 某些基于甲苯的底漆等)，CA可以形成對(duì)TPX的穩(wěn)定結(jié)合。然而，因 為氰基丙烯酸酯的固化特性為非常快速且依賴于基質(zhì)和環(huán)境條件，所 以CA尚未被用在換能器疊層中。該膠粘劑可以在用于制造高頻超聲疊 層的非常細(xì)密的結(jié)合線處發(fā)生項(xiàng)刻固化。添加結(jié)合線間隔物時(shí)通常不 使用CA粘合劑，因?yàn)樗鼈兙哂写蟊砻鎱^(qū)域會(huì)導(dǎo)致該材料的瞬間固化。 由于同樣原因，CA也不能作為負(fù)栽的粉末，這更使得它不適合成為用 于換能器制造的備選材料。此外，在文獻(xiàn)中尚無(wú)法查到CA的聲學(xué)屬性， 因?yàn)樵摬牧显谟糜诔Ｒ?guī)測(cè)試的足夠厚的部分中無(wú)法被固化。此外，因 為類似的原因尚無(wú)法獲得可以用于聲學(xué)模型CA的材料屬性。
盡管缺乏技術(shù)描述以及具有在本領(lǐng)域中被指出的缺點(diǎn)，處于少數(shù) 幾個(gè)厚度范圍內(nèi)的CA可被固化。CA可被固化的范圍可被用于形成％波 匹配層，所述^波匹配層適用于自5兆赫起最高達(dá)超過(guò)60兆赫的頻率。 CA的聲學(xué)屬性是通過(guò)將其用作匹配層來(lái)確定的，且將其關(guān)聯(lián)到一個(gè)使 用了基于KLM模型的PiezoCAD軟件的模型(獲自Sonic Concepts, Woodinville， Washington USA)。結(jié)果顯示了 CA可,皮用作匹配層， 其具有介于約2. 5 MR至2. 8 MR之間的聲學(xué)阻抗。
一種將TPX結(jié)合到％波匹配系統(tǒng)上的示例性方法利用了 CA。在TPX 層和CA層之間的結(jié)合被測(cè)試，結(jié)果顯示在該CA層和該TPX層之間的 界面至少與該TPX自身強(qiáng)度相仿。然而，由于上述原因，它并不適合
30于被直接結(jié)合到該疊層上，因?yàn)榻Y(jié)合厚度無(wú)法控制，可能發(fā)生結(jié)合失 效和未對(duì)準(zhǔn)現(xiàn)象，這些可能會(huì)在組裝的最后階段毀掉幾乎完成的換能 器疊層。
在一個(gè)示例性過(guò)程中，在該TPX透鏡層的背面(平坦側(cè))制成％波 厚度的CA固化層，且然后使用傳統(tǒng)環(huán)氧材料將所形成的結(jié)構(gòu)與先前形 成的疊層的頂面相結(jié)合。該環(huán)氧材料很輕易與該CA層結(jié)合，且該CA 層又依次結(jié)合到該TPX透鏡層上。從而該CA層在該疊層的頂部與該 TPX透鏡層之間形成了/4波匹配層。在該示例性疊層的情況下，該疊層 的頂部具有4. 5 MR的聲學(xué)阻抗，而該CA的Z=2. 5至2. 8，而該TPX 透鏡層的Z-1.8。這產(chǎn)生了一種換能器，其在25 MHz relV/V下具有 -6dB帶寬的85°乂至90。/。以及介于大約-41dB到-42dB的雙向插入損失。
在一個(gè)實(shí)例中，利用鋁箔剝離層和導(dǎo)線間隔物將一定數(shù)量的CA膠 粘劑(例如Verik PR40)涂布到TPX透鏡的背面，如方框534和536 所示。在操作中，該剝離膜被置于一個(gè)平坦表面(優(yōu)選真空板以使得該 薄膜平坦)上。在一方面，該鋁箔是清潔的，并且沒(méi)有油和潮氣。將導(dǎo) 線以一種圖案的方式布到該剝離膜之上。在一方面，按照放射形圖案 放置導(dǎo)線以使得所述導(dǎo)線在它們共同的頂點(diǎn)不相遇。這些導(dǎo)線被用作 CA層的間隔物。對(duì)于示例性的25MHz疊層，直徑為大約25jim的導(dǎo)線 被用于形成一個(gè)CA層，其具有大約23jim至25nm的最終厚度。這比期 望的CA的Va波厚度要略微厚一些，而對(duì)于25MHz設(shè)計(jì)頻率的換能器， 期望的乂波厚度是介于大約21jim到23 nm之間。在此方面，估計(jì)CA 的縱向速度是介于大約2100m/s到2200m/s之間。在隨后的磨擦過(guò)程 中移除所述l拜至3nm的多余材料，該磨擦過(guò)程也被用于準(zhǔn)備該CA 層的表面，以改進(jìn)該環(huán)氧材料的粘性，所述環(huán)氧材料被用于將所述具 有粘性的CA層的透鏡層與下方的疊層粘合起來(lái)。
在操作中，使用適合的粗砂SiC砂紙來(lái)磨擦該TPX透鏡層的背面 以改善用于粘合的表面，并且用適合的CA聚烯烴底漆(例如Verik AC77、基于曱苯的底漆等)處理，如方框532所示。然后該透鏡層的 背面被覆以大量的CA，以使得基本整個(gè)表面均被潤(rùn)濕，如方框536所 示。當(dāng)允許CA在透鏡背面形成相對(duì)厚的彎月面的時(shí)候，CA將不會(huì)快 速固化，從而該大量的CA提供了足夠的時(shí)間以將該透鏡放置到準(zhǔn)備好
31的剝離膜/導(dǎo)線布置之上。
隨后，該透鏡層一一帶有敷設(shè)的CA——被放置在該剝離膜之上并 且被輕輕地施壓，以使得該透鏡將導(dǎo)線夾于在下面的剝離膜和透鏡層 之間而形成"三明治"狀，如方框538所示。在固化大約兩個(gè)小時(shí)之 后，該透鏡和所附著的剝離膜被從該真空板移除，且該剝離膜被從該 透鏡層剝?nèi)?，如方?42所示。接下來(lái)，該CA層被允許固化大約24 小時(shí)，如方框540所示，在此時(shí)使用SiC砂紙除去ljim至3jim的CA 以磨擦該新形成的CA層的表面，準(zhǔn)備結(jié)合到該疊層上，如方框544所 示。
該組合物形成的透鏡層/CA層被結(jié)合到該換能器疊層上，如方框 548、 550和552所示。在一個(gè)實(shí)例中， 一種適合的低粘性RT固化環(huán) 氧材料(例如Epotek301)——具有接近于CA層的聲學(xué)阻抗值的聲學(xué) 阻抗一一被用于將該復(fù)合透鏡層/CA層粘合到下方的疊層上。在一方 面，使用一個(gè)固定裝置將該透鏡保持在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，以在該環(huán)氧材 料的固化過(guò)程中保持至少大約100kPa的壓力。在這樣的薄結(jié)合線處對(duì) 環(huán)氧材料使用外部熱源進(jìn)行的在提高的溫度下的繼續(xù)后固化來(lái)進(jìn)行固 化，這保證了產(chǎn)生少于5nm的結(jié)合線，優(yōu)選從lnm到3jim。將可理解 的是，既然該環(huán)氧材料的聲學(xué)阻抗類似于CA的聲學(xué)阻抗，那么該結(jié)合 層對(duì)該疊層的貢獻(xiàn)即使有，也非常少。
上述示例性方法可以用于制成換能器疊層，其中該壓電層具有從 約5MHz到大約60MHz或更高的中心頻率。這樣的換能器可被用于使用 高發(fā)射頻率(大于或等于20MHz)對(duì)小動(dòng)物包括大鼠進(jìn)行成像。
實(shí)施例2:用于一種示例性的帶有TPX透鏡的寬帶(85n/。至95 %的 -6dB帶寬)鈮酸鋰換能器的一般性高頻設(shè)計(jì)
表1示出了構(gòu)成示例性換能器疊層的不同的層。該疊層設(shè)計(jì)可被 用于具有從20 MHz到超過(guò)60 MHz的中心頻率的換能器。
選擇設(shè)計(jì)中心頻率/D ，使之高于該設(shè)備的期望運(yùn)行中心頻率/。， 以補(bǔ)償降低了設(shè)備的中心頻率的質(zhì)量負(fù)荷。/D是該設(shè)備在空氣中不借 助透鏡和空氣背襯而運(yùn)行時(shí)的頻率。對(duì)于這個(gè)示例性設(shè)計(jì)而言，/。被選擇為約為最終換能器的期望中心頻率的1.15倍到1.25倍。例如， 對(duì)于20 MHz設(shè)備而言，鑒于表l中所示的關(guān)系起見，人們會(huì)選擇/。= 約23 MHz至25 MHz。
表1:_
_TPX透鏡_
CA(氰基丙烯酸酯)％波匹配層
厚度=i,其中c,是相關(guān)層的縱向速度
4/D
低粘性RTC環(huán)氧材料的薄層 (通常:Epotek 301、 Duralco 4461)
中等阻抗SiC納米粒子和鴒納米粒子摻雜的環(huán)氧材 料的^波匹配層，
脅念
高阻抗鴒摻雜的環(huán)氧材料的V^波匹配層(混合了 鴒納米粒子的5nm凈立子)
厚度=
4/0
厚度二ki,其中k=0.4 導(dǎo)電性的環(huán)氧材料背襯，其中Z-5MR至7MR
本申請(qǐng)通篇引用了多篇出版物。這些出版物的公開內(nèi)容全部通過(guò) 援引方式納入本申請(qǐng)，以更完整地描述本發(fā)明所屬領(lǐng)域的狀態(tài)。
給出上述詳細(xì)說(shuō)明僅為理解本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，不應(yīng)從中 理解出不必要的限制，因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯而易見的是， 可以在不脫離所附權(quán)利要求書及其等價(jià)物的前提下作出改動(dòng)。
33提供前述對(duì)發(fā)明的說(shuō)明作為本發(fā)明的當(dāng)前為人所知的最優(yōu)的實(shí)施 方案的啟示性教導(dǎo)。對(duì)于這一點(diǎn)，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到并且 理解可對(duì)本文描述的本發(fā)明的多個(gè)方面作出改動(dòng)，同時(shí)仍然保留本發(fā)
明的有益的效果。同樣顯而易見的是，本發(fā)明的某些期望益處可通過(guò) 選擇本發(fā)明的某些特征而不利用其他特征來(lái)獲得。下述權(quán)利要求書中 的所有裝置或步驟加上功能元件的相應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、行為及等價(jià)物， 意在包括用于執(zhí)行所述功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或行為以及其他已被要 求保護(hù)的要素，如所明確要求保護(hù)的。
除非另有清楚說(shuō)明，本文所述的任何方法不應(yīng)理解為其步驟需要 以特定順序執(zhí)行。從而，當(dāng)方法權(quán)利要求并未明確敘述其步驟應(yīng)遵循 的順序時(shí)，抑或在權(quán)利要求書或說(shuō)明書中不曾明確地陳述這些步驟被 限制到特定的順序時(shí)，在任何方面均不應(yīng)理解為暗示了順序。這一點(diǎn)
對(duì)于任何可能用于進(jìn)行解釋的未經(jīng)說(shuō)明的事實(shí)均成立，包括關(guān)于步 驟安排或操作流程的邏輯關(guān)系；從語(yǔ)法組織與標(biāo)點(diǎn)符號(hào)中獲得的明白 含義；以及在說(shuō)明書中所描述的實(shí)施方案的數(shù)量或種類。
從而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能理解，可對(duì)本發(fā)明作出許多修改和改 編，這些修改和改編在某些情況下甚至是合乎需要的，且成為本發(fā)明 的一部分。在考慮本文公開的發(fā)明的說(shuō)明書和實(shí)施例之后，本發(fā)明的 其他實(shí)施方案對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。因此，前序 的描述僅為對(duì)本發(fā)明的原理的例證而非對(duì)之限制。說(shuō)明書和實(shí)施例僅 意為示例性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神由下面的權(quán)利要求書所示出。
3權(quán)利要求
1. 一種超聲換能器疊層的匹配層，所述超聲換能器疊層具有多個(gè)層，其中所述匹配層包括一種包括一種基體材料的復(fù)合材料，該基體材料載有多個(gè)微米尺寸和納米尺寸粒子，該復(fù)合材料形成該超聲換能器疊層的匹配層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該匹配層是^聲學(xué)波長(zhǎng)匹 配層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該載有的粒子具有小于該 匹配層厚度的最大伸長(zhǎng)尺寸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該納米尺寸粒子具有大約 800n邁或更少的最大伸長(zhǎng)尺寸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該微米尺寸和納米尺寸粒 子包括高密度金屬。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的匹配層，其中該高密度金屬選自鴒、金 或鉑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該微米尺寸和納米尺寸粒 子包括鴒、金或鈿或其混合物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該微米尺寸和納米尺寸粒 子包括高密度陶瓷材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該基體材料是聚合物。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的匹配層，其中該聚合物是環(huán)氧材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的匹配層，其中該環(huán)氧材料是一種低粘 性的室溫固化的環(huán)氧材料，所述環(huán)氧材料具有高于該換能器最大工作 溫度的Tg。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該微米尺寸和納米尺寸粒 子被載于該基體材料之中，該微米尺寸粒子與該納米尺寸粒子的重量 數(shù)值比為介于大約5:1到1: 5之間。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的匹配層，其中該微米尺寸和納米尺寸 粒子被載于該基體材料之中，該微米尺寸粒子與該納米尺寸粒子的重 量數(shù)值比為大約1: 1。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該納米尺寸粒子和該微米尺寸粒子在體積上組成該復(fù)合材料的大約10%到大約35%。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的匹配層，其中該納米尺寸粒子和該樣i 米尺寸粒子在體積上組成該復(fù)合材料的大約25%到大約30%。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的匹配層，其中該納米尺寸粒子和該微 米尺寸粒子在體積上組成該復(fù)合材料的大約25%。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該匹配層的聲學(xué)阻抗介于 大約7. 0兆瑞利到大約14. 0兆瑞利之間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的匹配層，其中該匹配層的聲學(xué)阻抗是 大約10兆瑞利。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中該匹配層的厚度在該超聲 換能器疊層的垂直方向上介于大約4微米到30微米之間。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的匹配層，其中在該匹配層中的聲速介于 大約1000米/秒到大約3000米/秒之間。
21. 根據(jù)權(quán)利要求2 0所述的匹配層，其中在該匹配層中的聲速介 于大約1200米/秒到大約2100米/秒之間。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的匹配層，其中在該匹配層中的聲速是 大約1600米/秒。
23. —種超聲換能器疊層，包括多個(gè)層，每個(gè)層具有一個(gè)頂面和一個(gè)相對(duì)的底面，其中該多個(gè)層 包括一個(gè)壓電層；和一個(gè)包括一種復(fù)合材料的匹配層，該復(fù)合材料包括一種載有 多個(gè)微米尺寸和納米尺寸粒子的基體材料，其中該匹配層的底面覆于該壓電層的頂面之上。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層被配 置為在至少大約20兆赫MHz的中心頻率下生成超聲，以便傳輸通過(guò)該 匹配層。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層被配 置為在至少大約25 MHz、 30 MHz、 35 MHz、 40 MHz、 45 MHz、 50 MHz、 55 MHz、 60 MHz、 65MHz、 70MHz或更高的中心頻率下生成超聲，以便 傳輸通過(guò)該匹配層。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的超聲換能器疊層，其中該匹配層是一 個(gè)乂聲學(xué)波長(zhǎng)匹配層。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的超聲換能器疊層，其中該匹配層中的 聲速介于大約1000米/秒到大約3000米/秒之間。
28. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層包括 鈮酸鋰。
29. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層包括PZT。
30. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層具有 至少20兆瑞利的聲學(xué)阻抗。
31. —種超聲換能器疊層的匹配層，所述超聲換能器疊層具有多個(gè) 層，所述匹配層包括一種包括一種基體材料的復(fù)合材料，所述基體材料載有多個(gè)第一 重粒子和多個(gè)第二輕粒子。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該匹配層是Y4聲學(xué)波長(zhǎng) 匹配層。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的匹配層，其中該匹配層中的聲速介于 大約1500米/秒到大約4500米/秒之間。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的匹配層，其中該匹配層中的聲速介于 大約1800米/秒到大約2500米/秒之間。
35. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該第一重粒子包括選自 鴒粒子和鋯酸鉛滴定溶液粒子或其混合物的粒子，且其中該第二輕粒 子包括選自碳化硅粒子和氧化鋁粒子或其混合物的粒子。
36. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該第一重粒子包括具有 至少大約10. O克每立方厘米的質(zhì)量密度的粒子，且其中該第二輕粒子 包括具有小于大約4. 0克每立方厘米的質(zhì)量密度的粒子。
37. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該第二輕粒子具有小于 或等于大約4. 0克每立方厘米的質(zhì)量密度。
38. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該第二輕粒子具有介于 大約2.5克每立方厘米到大約4. O克每立方厘米之間的質(zhì)量密度。
39. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該第一重粒子具有大于或等于大約10. 0克每立方厘米的質(zhì)量密度。
40. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該第一重粒子具有大于 或等于大約4. 0克每立方厘米的質(zhì)量密度。
41. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該載有的粒子具有小于 該匹配層的寬度的最大伸長(zhǎng)尺寸。
42. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該基體材料是一種聚合物。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的匹配層，其中該聚合物是環(huán)氧材料。
44. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該多個(gè)粒子在體積上組成該復(fù)合材料的至少大約11%。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的匹配層，其中該多個(gè)粒子在體積上組 成該復(fù)合材料的大約11°/。到大約20%。
46. 根據(jù)權(quán)利要求44所述的匹配層，其中該復(fù)合材料的大約5.5% 的體積包括多個(gè)納米尺寸第一重粒子，且其中該復(fù)合材料的大約5.5% 的體積包括多個(gè)納米尺寸第二輕粒子。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的匹配層，其中該第一重粒子選自鵪粒 子、PZT粒子或其混合物，而該第二輕粒子選自碳化硅粒子、氧化鋁 粒子或其混合物。
48. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該第一重粒子和該第二 輕粒子在尺寸上均小于1微米。
49.4艮據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該匹配層的聲學(xué)阻抗介 于大約3. 0兆瑞利到大約7. 0兆瑞利之間。
50.j艮據(jù)權(quán)利要求49所述的匹配層，其中該匹配層的聲學(xué)阻抗是 大約4. 5兆瑞利。
51. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的匹配層，其中該匹配層的厚度在該超 聲換能器疊層的垂直方向上介于大約4. O微米到大約30. O微米之間。
52. —種超聲換能器疊層，包括多個(gè)層，每個(gè)層均具有一個(gè)頂面和一個(gè)相對(duì)的底面，其中該多個(gè) 層包括一個(gè)壓電層；和一個(gè)包括一種復(fù)合材料的第一匹配層，該復(fù)合材料包括一種載有多個(gè)第一重粒子和多個(gè)第二輕粒子的基體材料，其中該第一匹配層的 底面覆于該壓電層的頂面之上。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層被配 置為在至少大約20兆赫MHz的中心頻率下生成超聲，以便傳輸通過(guò)該 第一匹配層。
54. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層被配 置為在至少大約25 MHz、 30 MHz、 35 MHz、 40 MHz、 45 MHz、 50 MHz、 55 MHz、 60 MHz、 65 MHz、 70 MHz或更高的中心頻率下生成超聲，以 便傳輸通過(guò)該笫 一 匹配層。
55. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層選自 鈮酸鋰、PZT或其混合物。
56. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的超聲換能器疊層，其中該疊層還包括 一個(gè)阻抗高于該第一匹配層的阻抗的第二匹配層，且其中該第二匹配層^:置于該壓電層的頂面和該第一匹配層的底面之間。
57. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層被配 置為在至少大約20兆赫MHz的中心頻率下生成超聲，以便傳輸通過(guò)該 第二匹配層然后通過(guò)該第一匹配層。
58. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的超聲換能器疊層，其中該第二匹配層 與該第一匹配層相同。
59. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層可以 在至少大約25 MHz、 30 MHz、 35 MHz、 40 MHz、 45 MHz、 50 MHz、 55 MHz、 60 MHz、 65 MHz、 70 MHz或更高的中心頻率下生成超聲，以侵_ 傳輸通過(guò)該第二匹配層然后通過(guò)該第一匹配層。
60. —種具有多個(gè)層的超聲換能器疊層的背襯層，包括 一種包括一種基體材料的復(fù)合材料，所述基體材料載有多個(gè)微米尺寸和納米尺寸粒子，該復(fù)合材料形成該超聲換能器疊層的背襯層。
61. —種具有多個(gè)層的超聲換能器疊層的背襯層，包括一種包括一種基體材料的復(fù)合材料，所述基體材料載有多個(gè)第一 重粒子和多個(gè)第二輕粒子，該復(fù)合材料形成該超聲換能器疊層的背襯層。
62. —種用于產(chǎn)生一個(gè)用于具有多個(gè)層的超聲換能器疊層的匹配層的方法，包括提供一種基體材料； 提供多個(gè)微米尺寸粒子； 提供多個(gè)納米尺寸粒子；以及使該基體材料載有多個(gè)該微米尺寸粒子和多個(gè)該納米尺寸粒子以 形成復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料用于產(chǎn)生所述超聲換能器疊層的匹配 層。
63. 根據(jù)權(quán)利要求62所述的方法，其中該微米尺寸粒子和該納米 尺寸粒子由同樣的基礎(chǔ)材料組成。
64. 根據(jù)權(quán)利要求62所述的方法，其中該微米尺寸粒子和該納米 尺寸粒子由不同的基礎(chǔ)材料組成。
65. —種為具有多個(gè)層的超聲換能器疊層產(chǎn)生匹配層的方法，包括提供一種基體材料； 提供多個(gè)第一重粒子； 提供多個(gè)第二輕粒子；以及使該基體材料載有多個(gè)該第一重粒子和多個(gè)該第二輕粒子以形成 復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料用于產(chǎn)生所述超聲換能器疊層的匹配層。
全文摘要
在一方面，用于具有匹配層的超聲換能器疊層的匹配層，包括一種載有多個(gè)微米尺寸粒子和納米尺寸粒子的基體材料。在另一方面，該基體材料載有多個(gè)重粒子和輕粒子。在另一方面，超聲換能器疊層包括一個(gè)壓電層和至少一個(gè)匹配層。在一方面，該匹配層包括一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括一種載有多個(gè)微米尺寸粒子和納米尺寸粒子的基體材料。在另一方面，該復(fù)合材料還可以包括一種載有多個(gè)重粒子和輕粒子的基體材料。在又一方面，該匹配層還可以包括氰基丙烯酸酯。
文檔編號(hào)A61B8/14GK101442940SQ200780015936
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2007年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月2日
發(fā)明者D·赫森, J·梅希, N·C·查格瑞斯 申請(qǐng)人:視聲公司