一種性能優化的高頻超聲換能器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及超聲換能器，特別涉及一種性能優化的高頻超聲換能器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]血管內超聲(Intravascular Ultrasound，IVUS)是無創性的超聲技術和微創性的導管技術相結合的一種新的診斷方法。血管內超聲是利用導管技術將一個高頻微型超聲換能器導入冠狀動脈血管腔內進行探測，得到血管壁各層橫斷面成像，以輔助臨床醫生對血管內病變進行診斷。
[0003]血管內超聲成像系統包括三個主要部件:裝有超聲探頭的血管內超聲導管，回撤裝置以及超聲主機。血管內超聲導管直接在血管內工作，是整個成像系統的核心部件，安裝在超聲導管遠端的超聲換能器的性能將直接影響成像質量，進而影響超聲診斷儀的診斷效果Ο
[0004]目前臨床上使用的血管內超聲導管產品的設計主要有兩類:機械旋轉式和陣列式。機械旋轉式設計通過導管內柔韌的驅動轉軸旋轉，驅動導管遠端的單陣元超聲換能器，以獲取二維橫斷面圖像。在機械旋轉式的血管內超聲導管系統內，換能器和導管鞘之間需要充滿生理鹽水，以獲得最佳的聲學耦合。目前商品化的機械旋轉式的導管中心頻率在40MHz左右。陣列式是由多個陣元(目前為止最多為64個)呈環型排列在導管頂端外周，通過電子開關的逐次連續激勵，而獲得血管橫斷面圖像。其優點是沒有旋轉的部件，導絲通過中央腔，使用時不需要注射液體。由于制作高頻陣列式換能器的工藝難度極高，目前臨床產品的中心頻率為20MHz或小于20MHz。
[0005]目前臨床使用的血管內超聲導管中選用的換能器，無論是機械旋轉式的單陣元換能器，還是陣列式的多陣元換能器，均采用壓電陶瓷制作，其聲阻抗較高(30-40MRayl)，難以與血液聲阻抗(1.5-1.SMRayl)很好的匹配從而達到優異的聲學性能。
【發明內容】
[0006]本發明針對上述現有技術中存在的問題，提出一種性能優化的高頻超聲換能器及其制作方法，采用澆注或者蒸鍍的方法制作匹配層和/或背襯層，省略了膠水層，使得換能器的匹配性能更好，從而達到有益的聲學性能。同時使用高頻復合壓電材料，降低了超聲換能器的聲阻抗，提高了換能器的回波靈敏度和頻譜帶寬，優化了超聲圖像的對比度和分辨率。
[0007]為解決上述技術問題，本發明是通過如下技術方案實現的:
[0008]本發明提供一種性能優化的血管內超聲換能器，其包括:依次連接的背襯層、壓電層以及匹配層，其中:
[0009]所述背襯層為摻雜有顆粒材料的膠水混合物和/或所述匹配層為摻雜有顆粒材料的膠水混合物和/或所述匹配層為聚對二甲苯薄膜。(Parylene)。
[0010]超聲換能器的匹配層在壓電層與人體組織之間形成一個聲阻抗過度，匹配層的聲阻抗一般介于壓電層和人體組織之間，匹配層能夠幫助超聲能量高效的在聲阻抗較高的壓電層向聲阻抗較低的人體組織傳播。傳統換能器制作工藝中，使用膠水粘貼壓電層和匹配層，所以無法避免的引入一層聲阻抗匹配不佳、約1?2 μπι的膠水層，當超聲換能器頻率較低的時候，超聲波長遠遠大于膠水層的厚度，所以膠水層對超聲能量的傳播影響很小。但是對于血管內超聲應用中的換能器，其工作頻率在40MHz以上，波長比傳統的低頻(5MHz以下)換能器短很多，更接近于膠水層的厚度，故而對很薄的膠水層也會有強烈的反射。本發明中對匹配層的制作采用澆注的方法，將摻雜有顆粒材料的膠水混合物澆注在壓電層的輻射面，固化后將匹配層研磨至所需厚度；或者通過蒸鍍的方法將一定厚度的聚對二甲苯蒸鍍在換能器輻射面上形成匹配層；或者兩種方法同時使用。
[0011]超聲換能器的背襯層用于吸收壓電層向后發射的超聲能量，使得向后發射的超聲波不會與向前發射的超聲波產生疊加而延長脈沖超聲的長度，從而有利于提高超聲圖像的分辨率。其中:背襯層中的顆粒材料用于對超聲能量進行吸收和/或散射，將向后發射的超聲能量衰減掉，使得向前發射的超聲脈沖更短。
[0012]本發明沒有膠水粘貼層，使匹配層和/或背襯層與壓電層匹配更好，超聲脈沖在各層之間反射更小，換能器帶寬更寬。
[0013]較佳地，所述匹配層和/或所述背襯層的數量為一層或多層；當所述匹配層的數量為多層時，與所述壓電層相鄰的所述匹配層為摻雜有顆粒材料的膠水混合物。
[0014]較佳地，所述壓電層的厚度為10?30 μ m，其工作頻率大于40MHz。
[0015]較佳地，所述壓電層為超高頻復合壓電層；所述超高頻壓電復合層的頻率大于40MHz，其帶寬超過60%，分辨率比現有換能器提高。
[0016]較佳地，所述壓電層包括壓電材料和非壓電材料，所述非壓電材料填充在所述壓電材料的間隙中。由于材料中間隙的存在，使這種材料中的橫波模式的干擾也被降至很低的水平。
[0017]較佳地，所述壓電材料的間隙寬度小于5 μπι，間隙寬度極窄，能夠進一步降低橫波模式的干擾。
[0018]較佳地，所述壓電材料為壓電單晶材料；所述非壓電材料為環氧樹脂類材料或硅膠類材料或環氧樹脂與硅膠的混合材料。壓電單晶材料的壓電性能更優，靈敏度更高，帶寬更寬；環氧樹脂類材料的聲阻抗較低；這兩者形成的復合壓電材料較一般的壓電材料，聲阻抗更低，機電耦合系數更高，頻率響應帶寬更寬，從而使得換能器的靈敏度和分辨率更尚ο
[0019]較佳地，所述背襯層為高聲阻抗背襯層或低聲阻抗背襯層或空氣背襯層；所述高聲阻抗背襯層的聲阻抗大于40MRayl ;所述低聲阻抗背襯層的聲阻抗小于lOMRayl ;當采用普通背襯層時，向后傳播的超聲波被充分吸收，換能器的靈敏度和帶寬相互平衡和優化；當采用高聲阻抗背襯層時，其聲阻抗遠大于壓電層的聲阻抗，使得向后傳播的聲波在壓電層與背襯層的界面產生全反射，回到輻射面，提高了換能器的靈敏度和帶寬，但降低了換能器的工作頻率，此時為了得到所需頻率就必須降低壓電層的厚度；另一方面，當采用含有大量空氣的空氣背襯層時，其聲阻抗極小，所以向后傳播的超聲波遇到聲阻抗差異很大的界面，能量也會被全部反射回輻射面，從而提高了換能器的靈敏度，但降低了換能器的帶寬。
[0020]本發明還提供一種性能優化的高頻超聲換能器的制造方法，其包括以下步驟:
[0021]S11:將摻雜有顆粒材料的膠水混合物澆注在壓電層的一面或相對的兩面形成匹配層和/或背襯層；
[0022]S12:固化后，將所述匹配層和/或所述背襯層研磨至預設厚度。
[0023]較佳地，所述步驟S12之后還包括:
[0024]S13:將聚對二甲苯使用升華再冷卻的方法蒸鍍到匹配層的表面，使得換能器輻射面上形成一定厚度的聚對二甲苯薄膜，作為新的匹配層。
[0025]較佳地，所述步驟SI 1之前還包括:
[0026]S101:使用刻蝕技術制作超高頻復合材料的壓電層。由于切割縫很細，采用刻蝕技術制作出的壓電層更精準，聲場性能更優。
[0027]較佳地，所述步驟S101具體包括:
[0028]S1011:在壓電材料上刻蝕出預設的間隙；
[0029]S1012:在刻蝕出的間隙中填充非壓電材料，形成超高頻復合材料的壓電層。
[0030]較佳地，當所述步驟S11為:將摻雜有顆粒材料的膠水混合物澆注在壓電層的兩面分別形成匹配層和背襯層時，形成所述匹配層和形成所述背襯層時摻雜的顆粒材料的材質不同。匹配層的顆粒材料較小，小于換能器工作頻率對應的波長，對超聲波的衰減較弱；而背襯層中的顆粒較大，形狀不規則，有利于對超聲波進行衰減，制作匹配層和背襯層時采用材質不同的顆粒材料，能夠對超聲波的衰減進行優化。
[0031]本發明還提供另外一種性能優化的高頻超聲換能器的制造方法，其包括以下流程:
[0032]S21:將聚對二甲苯使用升華再冷卻的方法蒸鍍到壓電層的一面，形成一定厚度的聚對二甲苯薄膜，作為匹配層；和/或包括:
[0033]S22:將摻雜有顆粒材料的膠水混合物澆注在壓電層的另一面，形成背襯層；
[0034]其中:可以只包括流程S21，也可以只包括流程S22或者兩個都包括，當兩個都包括時，不分先后順序。
[0035]相較于現有技術，本發明具有以下優點:
[0036](1)本發明提供的性能優化的高頻超聲換能器及其制作方法，采用澆注的方法，將摻雜有顆粒材料的膠水混合物澆注在壓電層上形成匹配層和/或背襯層，或者采用蒸鍍的方法將聚對二甲苯直接蒸鍍在換能器輻射面上形成匹配層，省去了膠水層，與壓電層匹配更好，帶寬更寬；
[0037](2)另外本發明還使用高頻復合壓電材料，降低了超聲換能器的聲阻抗，提高了換能器的回波靈敏度和頻譜帶寬，優化了超聲圖像的對比度和分辨率。
[0038]當然，實施本發明的任一產品并不一定需要同時達到以上所述的所有優點。
【附圖說明】
[0039]下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明:
[0040]圖1為本發明的性能優化的高頻超聲換能器的結構示意圖；
[0041]圖2為本發明的性能優化的高頻超聲換能器的壓電層的結構示意圖；
[0042]圖3為本發明的性能