專利名稱：用于超聲波換能器的多層背襯吸收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于超聲波 換能器的多層背襯吸收器并且更具體地涉及具有根 據(jù)期望的靈敏度和/或帶寬而被調(diào)整的聲阻抗和吸收的多層背襯吸收器。
背景技術(shù)：
用于超聲波換能器的背襯吸收器典型地由金屬粒子(metal particle)和其他粘 結(jié)劑復合材料組成。美國專利Nos. 3，973，152,4, 090，153,4, 582，680以及6，814，618描述 了這樣的現(xiàn)有技術(shù)的背襯吸收器。美國專利No. 3，973，152描述了被施加于起吸收器作用 的多層金屬箔的壓力。然而，這樣的結(jié)構(gòu)和技術(shù)在若干方面是不足的。舉例來說，超聲波不 會傳播通過表面之間的相對小的縫隙(例如類似于大約0.01微米(um)或者更大的縫隙)。 相反地，超聲波僅被傳導通過所述金屬層實際接觸或者被熔合于彼此的小的面積。因為所述金屬表面不是理想地平整并且存在細微的凹凸不平之處，故實際的或 者真正的接觸面積表示總的表面面積的小部分，并且超聲波主要在超聲波的吸收所發(fā)生 的這些小的部位中傳播通過。這是超聲波在被加壓的多層金屬箔中的衰減的機制。為 了使所述金屬箔處于基本上均勻的接觸中而沒有上述相對小的縫隙，高壓(例如大約 50, OOOpsi (350MPa)或者更高)必須被施加以準許聲波通過大部分邊界區(qū)域。然而，這樣的 結(jié)構(gòu)不提供恰當?shù)奈?。因此，所述壓力必須處于產(chǎn)生多個接觸部位的某個值，由此為所述 波提供恰當?shù)乃p。然而，難以在這種環(huán)境內(nèi)以恒定的并且可再現(xiàn)的方式控制所述壓力的 施加。舉例來說，當施加高壓時，金屬通常是疲勞的并且壓力最終減小，由此使所述吸收隨 時間減小。關(guān)于所述已知的多層背襯吸收器的另外的問題涉及設(shè)計所述加壓結(jié)構(gòu)的困難。諸 如PZT或者晶體的壓電材料是易碎的并且容易被所施加的壓力損壞，可是多層金屬箔必須 被壓在所述壓電層上。這要求所述壓電材料支撐所述壓力。如果只有所述多層箔的周邊被 加壓并且主要的中心區(qū)域被粘合于壓電材料，則恰當?shù)膲毫Σ荒艹霈F(xiàn)在所述多層結(jié)構(gòu)的每 個邊界上。設(shè)計這樣的結(jié)構(gòu)是困難的，特別是當所述壓電層的尺寸薄(小于0.5毫米)且 大(大于5毫米)時。此外，所述加壓結(jié)構(gòu)(典型地包括螺釘和固定器)使得該裝置體積 大。更進一步，所述吸收和阻抗不能僅僅被設(shè)計為專門的值。背襯吸收器相對地難以制造并且控制這些裝置的吸收和聲阻抗。許多吸收器由混 合以環(huán)氧樹脂或者聚合物作為粘合劑的重金屬粒子組成。所述密度差產(chǎn)生沉淀物并且因此 要求徹底的混合。而且，鑄造必須在混合之后立即發(fā)生以將所述吸收器設(shè)置為所期望的形 狀。這樣的過程難以控制。此外，以正確的比率混合要求精確的重量測量。設(shè)計中的困難、再現(xiàn)性以及可靠性這樣的問題對于包括上述例子的任何吸收器而 言通?？梢姟？商娲奈掌鹘Y(jié)構(gòu)以及制造吸收器結(jié)構(gòu)的方法是期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一般目的(隨后將更詳細地被描述)是提供用于超聲波換能器的新的多層背襯吸收器。根據(jù)本發(fā)明的一方面，舉例來說，用于在厚度模式中操作的超聲波換能器的多層 背襯吸收器具有根據(jù)給定的靈敏度和帶寬而被調(diào)整的聲阻抗和吸收。該新穎的多層背襯吸 收器為換能器性能提供平滑的頻率響應曲線而沒有許多假的尖峰。本發(fā)明的實施例包括具有背襯層的換能器，所述背襯層包括被布置以便給定的阻 抗和吸收被得到的金屬、聚合物和/或粘合劑的層。適于通過粘合劑被粘合的多個沉積金 屬的聚合物層的結(jié)構(gòu)的聲阻抗和吸收被提供。適于通過粘合劑被粘合的各個金屬層的結(jié)構(gòu) 的聲阻抗和吸收的例子被示出。有金屬和沒有金屬的總的多層區(qū)域之間的側(cè)面邊界(side boundary)相對于表面成一些角度以便來自所述吸收器的背部表面的反射不會反射回所述 壓電層。在一種配置中，多層吸收器在每個聚合物層上包括金屬層并且被配置為周期光柵， 其中方向和周期對于每個層是不同的，并且其中所述吸收器中的聲波被散射或者衍射。


考慮下面與附圖相結(jié)合所獲得的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述將有助于對本 發(fā)明的理解，在附圖中相似的標號表示相似的部件并且在附圖中圖Ia是常規(guī)的超聲波換能器的示意性圖示。圖Ib是根據(jù)本發(fā)明的實施例的二單元多層吸收器的示意性圖示。圖Ic是根據(jù)本發(fā)明的實施例的三單元多層吸收器的示意性圖示。圖2a是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多層吸收器與壓電層相結(jié)合形成超聲波換能器的 示意性圖示。圖2b是使用前匹配以及根據(jù)本發(fā)明的原理的多層吸收器的測量的波形。圖2c是使用前匹配以及根據(jù)本發(fā)明的原理用于2-2型復合材料PZT換能器的多 層吸收器的測量的波形。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的與壓電層相結(jié)合的分級的邊界多層吸收器的示意 性圖示。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的二單元多層吸收器的分級的背部表面的示意性圖
7J\ ο圖5a是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光柵金屬多層吸收器的層的示意性圖示。圖5b是具有根據(jù)本發(fā)明的原理的光柵多層吸收器的2-2型復合材料換能器。圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例、對于每個層具有任意不同的光柵的多層吸收器的層 結(jié)構(gòu)的示意性圖示。圖7是用于根據(jù)圖Ib中所示的本發(fā)明的實施例的具有50微米(um)銅和12微米 粘合劑的多層吸收器的作為頻率的函數(shù)的聲阻抗的圖形表示。圖8是用于根據(jù)圖Ib所示的本發(fā)明的實施例的具有25微米(μπι)銅和25微米 粘合劑的多層吸收器的作為頻率的函數(shù)的聲阻抗的圖形表示。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細地參考本發(fā)明的當前的示范性實施方式，其例子在附圖中被示出。在 任何可能的地方，相同的參考標號將貫穿所述附圖被用于表示相同或者相似的部件。
圖Ia示出在厚度振動模式中操作的典型的超聲波換能器的結(jié)構(gòu)1。層2表示振動 材料層，諸如壓電材料層2，并且典型地由(但不限于)PZT或者單晶體層組成，其厚度響應 于(諸如使用驅(qū)動電路系統(tǒng)被施加于所述換能器的電信號或者到來的聲波)刺激在兆赫茲 (MHz)頻率范圍內(nèi)振動，如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的那樣。層2的材料不必須是均勻 的但是陶瓷和聚合物的復合材料常常被使用。超聲波被輻射到前向3并且被用于其本身的 目的，諸如無損診斷、成像或者聚能。結(jié)果生成的回波4(即在后向4上傳播的聲波)沒有 積極地被使用并且應當是相對弱的。圖Ia中的插圖示出用于壓電層2的復合結(jié)構(gòu)。在左圈A內(nèi)示出通過聚合物14(三 維的)材料結(jié)合的PZT柱(post) 13 ( 一維的)，其被稱為1-3型復合材料。右圈B示出通過 聚合物層14( 二維的)結(jié)合的PZT板13 ( 二維的)并且被稱為2-2復合材料。這些結(jié)構(gòu)常 常被用在諸如NDT (無損評估換能器)或者醫(yī)療成像的應用中。 當PZT的整體式層(或者非復合材料)被用在厚度振動模式中時，將其振動的特 征與如所述的復合材料結(jié)構(gòu)相比較。當厚度尺寸或者方向在振動期間擴展時，平面方向的 尺寸必須變得更小。相反地，當厚度尺寸縮小時，所述平面尺寸必須擴展。由于所述平面尺 寸比波長大得多，故壓電層在這些平面方向內(nèi)不能振動。在平面方向內(nèi)無法振動抑制了在 所述厚度方向內(nèi)的振動。當PZT材料在所述厚度方向內(nèi)被截短以便具有相對于平面方向小的尺寸時，進入 所述平面方向中的振動被允許并且厚度振動被增強。這意味著厚度方向內(nèi)的有效的彈性常 數(shù)被降低(實際上變成更軟的材料)并且它的聲阻抗被降低。另外，所述超聲波形被激發(fā) 并且還以更高的靈敏度接收聲信號。仍然參考圖la，在壓電材料層2中傳播的聲波5在與背襯材料6的界面邊界7處 被反射。如果背襯材料6的聲阻抗與壓電材料層2的聲阻抗非常不同，則來自所述邊界7的 反射是強的并且諧振在壓電材料層2中發(fā)生并且處于諧振的振動變強。然而，所述脈沖信 號也振鈴太長的周期。另一方面，如果背襯材料6的聲阻抗足夠接近壓電材料2的聲阻抗， 則來自所述邊界7的反射是弱的并且大部分聲波能量被傳導通過所述邊界7并且被背襯 材料6吸收。這導致壓電材料層的弱的諧振以及不強的振動，以便被激發(fā)的正面波(front wave)也不足夠強，由此導致作為超聲波換能器在激發(fā)和接收方面低的靈敏度。在上文所述的情況中，諧振帶寬變得太寬并且對于換能器結(jié)構(gòu)1靈敏度總體上不 是足夠高。如果通過所述背襯材料6的吸收不足夠高，則所述波8在背襯材料6的末端表 面9處被反射并且傳播回所述壓電材料層2，通過相長干涉或者相消干涉在頻率響應曲線 上產(chǎn)生多個尖峰并且引起脈沖波形失真。因此，被傳導到背襯材料6中的所述波8應當被 吸收。對于實際的換能器，來自邊界7的一些適量的反射被需要以提供必要的靈敏度和 帶寬。背襯材料6的厚度受用于換能器結(jié)構(gòu)1的可用空間限制并且后向傳播的波8在傳播 時以及在末端表面9的反射離開(reflect off)之前必須被吸收。因此，如果厚背襯層可 以被使用，背襯層吸收系數(shù)對于足夠的反射衰減不必須是非常大的。然而，如果所述背襯材 料6的厚度具有某些尺寸(例如厚度)限制，則所述吸收系數(shù)必須大于更大的層的吸收系 數(shù)以得到所期望的結(jié)果。取決于所述壓電材料和結(jié)構(gòu)(例如整體式PZT板、1-3型或者2-2型復合材料或者單晶體)，所述聲阻抗將變化并且因此，靈敏度和帶寬是不同的。所述背襯吸收器材料的阻 抗和衰減可以根據(jù)特定的需求被調(diào)整。 用于包括通過粘合劑被粘合的多個金屬沉積的聚合物層的結(jié)構(gòu)的聲阻抗和吸收 具有適合用作實際的背襯吸收器的性能特征。超聲波換能器所要求的帶寬和靈敏度對于不 同的應用可能是不同的。存在設(shè)計適用于專門的需求的阻抗和吸收的需要。根據(jù)本發(fā)明的 一方面，適于大量生產(chǎn)的具有金屬_粘合劑多層以及金屬_聚合物_粘合劑多層的周期性 結(jié)構(gòu)在本文中被描述。所述阻抗、吸收和速度通過設(shè)計方程而被表明。聲背襯結(jié)構(gòu)中的金屬層相對重且硬。當該結(jié)構(gòu)在波傳播期間被振動時，所述金屬 層移動但是不是被彈性地變形。所述粘合劑相比較而言是軟的并且由于所述金屬層的位移 而經(jīng)受擴展/壓縮。該運動給予所述金屬層相對高的動能。由于這些粘合劑的彈性損耗因 子大，能量通過熱生成而被損耗。這種機制具有高的吸收。聚合物層在一定程度上比粘合 劑硬并且具有相似的作用。多層結(jié)構(gòu)的阻抗、速度以及吸收和截止頻率的設(shè)計方程在下面給出。參考圖lb， 示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的二單元多層吸收器的示意性圖示。在圖Ib中，單元層11和 12分別是金屬和粘合劑，并且結(jié)合的多層15被提供。圖Ic示出了單元層21、22、23，這些 層在優(yōu)選實施例中分別是銅、聚合物以及粘合劑，并且結(jié)合的層25被提供。圖Ib中的基本 單元層包括金屬(例如銅)11和粘合劑12 (例如壓敏粘合劑或者噴射粘合劑)。為了獲得 足夠的吸收，多個單元層10被結(jié)合以形成周期性結(jié)構(gòu)，吸收器15。適合于特定換能器的設(shè) 計的吸收器的阻抗、吸收和速度可以根據(jù)厚度、密度、速度和Q值(機械品質(zhì)因子或者彈性 損耗因子的倒數(shù))而被計算。金屬的Q值比粘合劑的Q值高若干量級并且不影響吸收器的 性能，因為金屬在振動期間不會遭遇彈性變形。在質(zhì)量_彈簧-質(zhì)量-彈簧等重復的系統(tǒng)中，縱向位移波對于某個頻率(截止頻 率fc)以下的頻率范圍以恒定的速度傳播。如果所有的彈簧都是理想無損的，則所述波傳 播長的距離。然而，在fc以上，所述波隨傳播距離強烈地衰減(指數(shù)地衰減)。因此，在這 個系統(tǒng)中，傳播僅存在于fc以下。根據(jù)順序連接的質(zhì)量和有損彈簧模型的基本方程，波速 以及阻抗和吸收系數(shù)可以被得到。在這個計算中，每個層厚度被假定為遠遠小于波長。根 據(jù)本發(fā)明的原理而被配置的多層吸收器的結(jié)果示范性的值在下面被提供。單元層的每單位 面積的重量M= pmhm+paha，并且單位面積彈簧常數(shù)K= [ (hm/PmVm2) +(ha/PaV^r1,聲阻 抗Z0= (MK)1/2，平均傳播速度V。= (hm+ha)(K/M)1/2并且吸收系數(shù)α = (co/2QaV。)，其中P 為密度，h為厚度，Vffl和Va是在每個材料中的速度，并且下標m和a代表金屬和粘合劑。該 關(guān)系保持到最大頻率，對于無損材料在該頻率以上聲阻抗開始下降并且傳播在高于fc的 頻率處不存在。因此，所述最大頻率被定義為所述截止頻率，由fc= (1/^)(K/M)°_5給出。在圖Ic的實施例中，示出了包括三個層21、22、23的單元多層結(jié)構(gòu)，所述三個層具 有各自的密度Pp P 2、P3，厚度hp h2、h3和速度VpV2J315 M和K的表達式被改動如下。M =P A+ P 2h2+ P 3h3 以及 K = [ (V P J12) + (h2/ ρ Χ) + (h3/ P 3V32) ] 并且 V0 = (Wh3) (K/M)V2。單元多層結(jié)構(gòu)的三個層20表示實際上有用的結(jié)構(gòu)。參考圖lc，典型地被使用的 材料的例子被描述，其中銅21被沉積在被用于典型的柔性印刷電路的聚合物層22上。這 些單元層通過壓敏粘合劑23被粘合以形成吸收器25。這些單元材料以及粘合的過程在大 量生產(chǎn)中是廣泛可用的。
圖2a示出了用于超聲波換能器30的示范性吸收器的典型使用，其中示出了諸如 PZT的壓電材料31、前匹配層32、電極33、被附接在所述壓電材料的背部的多層吸收器35、 驅(qū)動信號源36以及用于被接收的信號的放大器37。此外，單元(按照圖Ib的11、12或者按 照圖Ic的21、22、23)的多層結(jié)構(gòu)可以被粘合于PZT材料以便提供ΡΖΤ-11-12-11-12-(或 者 ΡΖΤ-21-22-23-21-22-23-21-22-23-)的結(jié)構(gòu)?？商娲兀宝Ζ?12-11-12-11—(或者 PZT 23-22-21-23-22-21—)的結(jié)構(gòu)也可以被提供。用于通過粘合劑 被粘合的各種金屬層的結(jié)構(gòu)的聲阻抗和吸收的例子也被提供。這 些示范性實施例可以適用于1-3或者2-2型陶瓷-聚合物復合材料。復合材料與整體式 PZT板相比具有更低的聲阻抗。材料參數(shù)的測量被執(zhí)行以得到以薄層形式的粘合劑和聚合 物的高頻材料特性，并且密度、傳播速度和材料Q值被得到。具有周期的10個結(jié)合的單元 結(jié)構(gòu)(N = 10)、使用50um銅和12um粘合劑的多層吸收器的設(shè)計的第一例子具有阻抗Ζ。= 9MRayl并且速度V。= 1102m/s (米/秒)并且在6MHz處alpha(a ) = 3420/m并且截止 頻率處于fc = 6. 28MHz。在往返行程期間的衰減為-34dB(分貝)?？偤穸葹?20um。這 意味著被傳導到所述吸收器中的波在其返回所述吸收器所附接的壓電層34的背板時具有 34dB的衰減。這些結(jié)果可以被用于超聲波換能器的設(shè)計。接著示出了另一種厚度組合的第 二例子，其中25um銅和25um粘合劑被用于10個周期結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的值為Z。= 4. 7MRayl, V0 = 925m/s，在5. 5MHz處α = 7470/m, fc = 5. 9MHz并且往返行程衰減為24dB,總厚度為 500um。第三例子包括三個單元層，18um銅、25um聚酰亞胺以及12um壓敏粘合劑。所述計 算的值為 Z0 = 4. 8MRayl, V0 = 1253m/s, α = 3008/m，其中對于 N = 10，fc = 7. 25MHz 以 及550um的總厚度，往返行程衰減在6MHz處為29dB。用于整體式PZT板換能器的多層吸收器的示范性實施例也被提供。該結(jié)構(gòu)與圖 2a中所示的那個相同。所述換能器是由PZT5H制成的330um厚的陶瓷板，具有IlOum聚偏 二乙烯的氟化物(PVDF)的前匹配層以及具有Z。= 15. 6MRayl以及V。= 2078的期望值、 由通過2. 5um粘合劑層被粘合的10片40um不銹鋼組成并且總厚度為0. 42mm的背襯吸收 器。所述換能器被浸入在水中并且聲波朝向金屬塊的平整表面而被發(fā)射并且反射被相同的 換能器接收。圖2b示出被測量的波形(橫坐標的單位為秒并且縱坐標是任意的)。激發(fā)電 壓包括急劇的單個電壓脈沖。聲波處于4MHz并且振蕩波迅速減小。對于這個實施例，非復 合材料PZT板被使用，其具有粗略地比1-3型或者2-2型復合材料高兩倍的阻抗可是被觀 察的信號迅速地衰減。一般而言，制造適用于PZT板的吸收器與制造適用于復合陶瓷的吸 收器相比更加困難，特別是當所述吸收器的厚度被限制并且高吸收被要求時，并且因此，這 個結(jié)果指示多層背襯吸收器作為吸收器具有優(yōu)良的性能。在另一個示范性實施例中，用于 2-2型復合材料PZT換能器的多層吸收器被提供。該結(jié)構(gòu)與圖Ib右側(cè)插圖所示的那個相 同，其為圖2a中的壓電層31。所述換能器是由PZT5H制成的330um厚的陶瓷板，其中50um 的切塊的狹槽(diced slot)由聚合物填充，其具有IlOum聚偏二乙烯的氟化物(PVDF)的 前匹配層以及由10層25um粘合劑、25um聚酰亞胺和38um銅組成并且總厚度為0. 88mm的 背襯吸收器。所述換能器被浸在水中并且聲波朝向金屬塊的平整表面而被發(fā)射并且反射被 相同的換能器接收。圖2c示出被測量的波形(橫坐標的單位為秒并且縱坐標是任意的)。 激發(fā)電壓包括急劇的單個電壓脈沖。聲波處于5. 5MHz并且振蕩波迅速減小。對于這個實 施例，具有比PZT的整體式板的阻抗更低的阻抗的2-2型復合材料PZT被使用并且示出這樣的信號的迅速衰減。這個結(jié)果指示多層背襯吸收器作為吸收器具有優(yōu)良的性能。取決于設(shè)計需求，多層吸收器的總厚度可能變得太厚，特別是當為了高的衰減必 須使用許多層時或者當所述多層吸收器必須被用在吸收在其中變得更小的低頻區(qū)域中時。 減小層的總數(shù)可能不產(chǎn)生足夠的衰減。在這樣的情況下，金屬層的區(qū)域的邊界可以如圖3 所示被分級，其中換能器40具有被粘合到壓電材料(即PZT)41的邊界分級的吸收器45。 為形成這種邊界分級的吸收器，單元層46 (只有一個層在右側(cè)被示出)上的金屬48被部分 地沉積在聚合物膜47的被選擇的區(qū)域上。該金屬區(qū)域?qū)τ诿總€層是不同的并且朝遠離所 述PZT材料的背部的方向逐漸減小。因此，所述邊界49朝著所述背部表面被分級。所述金 屬區(qū)域比非金屬區(qū)域更厚以便所述非金屬區(qū)域變成凹入的(這是粘合劑-金屬-聚合物膜 的單元層的情況)。被輻射到吸收器45中的回波44被所述分級的邊界49反射并且在另一 個邊界處再次被反射并且當其返回所述PZT層時，反射的相位對于每個不同的射線是不同 的并且具有不同相位的反射沒有相長地被加在一起而是有效地被抵消。因此，使用這種方 式增加了有效的衰減。
當所述單位層如圖4所示的那樣由兩個層11 (金屬)和12 (粘合劑)來表示時， 最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和方法是不同的。盡管有可能制造沿分級的邊界49被截短的吸收器區(qū)域，類似 于圖3中的情況，即其中被切除的區(qū)域被去掉，這比所述三層的情況更加困難。因此，在這 種情況下，只有最背部的表面被制成非平整的、分級的表面59。為了增加多層吸收器的衰減，聚合物膜22上的金屬層21被細分成形成圖5a所示 的光柵61的窄長條。粘合劑23被布置在一側(cè)上。在下一層上的光柵62與第一光柵61的 方向成角度(不必須是圖6所示的直角)地被放置并且其他層63和64相似地在不同的角 度并且具有不同的周期性(其可能具有任意的周期)并且所有層被粘合在一起。這樣的結(jié) 構(gòu)為主射束產(chǎn)生強的散射介質(zhì)(scattering agent)以及強的吸收。然而，如圖5a所示，在 其中每隔一層成直角的對于所有層具有恒定的周期的結(jié)構(gòu)有利于強烈地被衍射的射束并 且通過激發(fā)被衍射的射束來吸收主射束。圖6示出了金屬光柵61、62、63等等，其彼此成不 同的角度并且與PZT層41相結(jié)合作為光柵吸收器。粘合劑(未示出)被使用，并且為了示 意的目的更大地示出了每個層之間的空間并且光柵方向和周期被示出為是不相等的。圖5b示出垂直于2-2型復合材料中的PZT的長度方向的金屬光柵。厚的金屬67 被沉積在聚合物層22上并且所有的層被粘合在一起。為了示意的目的，圖5b示出被分開 的每個聚合物層。每個PZT單元13具有前電極70和后電極71并且PZT單元之間的空間 被諸如環(huán)氧樹脂的聚合物材料14填充。每個PZT單元可以用不同相位的信號來驅(qū)動并且 結(jié)果的聲射束方向因而可以被控制或者掃描。被所述光柵散射或者衍射的回波返回所述 PZT單元但是所述波處于Y-Z平面中并且不在PZT單元之間產(chǎn)生耦合。如果所述光柵被旋 轉(zhuǎn)90度而平行于所述PZT單元(在Y方向內(nèi))，被散射或者衍射的波在X-Z方向內(nèi)并且這 些波在所述PZT單元之間產(chǎn)生耦合。這使得聲射束更寬并且被重構(gòu)的圖像變得模糊。已使用一維模型計算了示范性多層吸收器的阻抗特性，這基于在一個層與另一個 層之間的合適的邊界條件的情況下的波分析。該結(jié)果與前述簡化的設(shè)計方程一致。從圖Ib 中的一個側(cè)表面16所看到的阻抗作為頻率的函數(shù)被計算并且結(jié)果被顯示在圖7中。這是 對于50um銅加上12um粘合劑以N = 10次重復。所述阻抗在5MHz以下圍繞8MRayl的平 均值變化。這個阻抗變化是由于來自末端表面(圖Ib中的17)的反射。由于所述衰減在較低的頻率處變得更小，反射變得更強并且因此由周期性相長和相消結(jié)合所引起的阻抗的 變化在較低的頻率處更高。所述阻抗在所述截止頻率(6.3MHz)以上也變得更低。所述截 止現(xiàn)象由于所述粘合劑中的損耗而不是急劇的。使用與圖7相同的分析，圖8示出N = 10的25um銅和25um粘合劑的另一種結(jié)構(gòu) 的阻抗特性。如所示出的那樣，聲阻抗對于較厚的粘合劑較低(4MRayl)，如在設(shè)計方程中 所描述的那樣。所理解的是用于不同于在本文中所描述的示范性情況的頻率的設(shè)計可以 被實現(xiàn)。當每個層厚度是η倍大(或者小至1/η)的因子時，fc變得小至1/η (或者大至η 倍)并且只要每個層的厚度比率保持改變，則Ζ。不改變。因此，如在本文中所示出并且所描述的那樣，粘合劑的粘合層以及聚合物層具有 可預測的、穩(wěn)定的、可靠的、持久的吸收器材料特性。另外，所述壓電材料可以是均勻板(非 復合材料)或者PZT-聚合物復合材料。本發(fā)明的裝置包括金屬、聚合物以及粘合劑層的設(shè) 計以得到所期望的阻抗和吸收。用于通過粘合劑被粘合的多個金屬沉積的聚合物層的結(jié)構(gòu) 的聲阻抗和吸收被分析。給出所述吸收器結(jié)構(gòu)的必要性能的設(shè)計方程已被示出。用于通過 粘合劑被粘合的各種金屬層的結(jié)構(gòu)的聲阻抗和吸收的例子被提供。有金屬和沒有金屬的總 的多層區(qū)域之間的側(cè)面邊界與表面成一些角度。每個聚合物層上的周期性的窄金屬條的層 通過粘合劑被粘合。每個層上的金屬條處于不同的并且不必須是周期性的角度。
因而，相對于上面的描述，應當理解的是對于本發(fā)明的部件最優(yōu)的空間關(guān)系，包 括尺寸、材料、形狀、形式、操作、裝配以及使用的功能和方式的變化，被認為對于本領(lǐng)域的 技術(shù)人員是顯而易見的，并且在附圖中被示出并且在說明書中被描述的那些的所有等效關(guān) 系被意圖是被本發(fā)明所包含的。因此，前述內(nèi)容被看作僅是對本發(fā)明的原理的示意。另外，由于本領(lǐng)域的技術(shù)人員 將容易地想到大量修改和變化，所期望的不是將本發(fā)明限制于與所示出和所描述的完全相 同的構(gòu)造和操作，并且因此，可以采取所有合適的修改和等同，這落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種供超聲波換能器使用的背襯吸收器，所述背襯吸收器包括具有至少一個金屬層以及至少一個粘合劑層的單元多層，其中所述背襯吸收器適用于被耦合到所述超聲波換能器的振動層。
2.如權(quán)利要求1所述的背襯吸收器，其特征在于，其中所述背襯吸收器還包括復數(shù)個單元多層。
3.如權(quán)利要求2所述的背襯吸收器，其特征在于，其中每個單元多層還包括聚合物層。
4.如權(quán)利要求3所述的背襯吸收器，其特征在于，其中所述至少一個金屬層中的每一 個被沉積在所述聚合物層中的對應的一個上以形成金屬條的周期性光柵，其中所述光柵的 方向和周期對于每個單元層是相同的。
5.如權(quán)利要求3所述的背襯吸收器，其特征在于，其中所述至少一個金屬層中的每一 個被沉積在所述聚合物層中的對應的一個上以形成金屬條的周期性光柵，其中所述光柵的 方向或者周期對于每個單元層是不同的。
6.如權(quán)利要求5所述的背襯吸收器，其特征在于，其中所述光柵的所述方向被放置于 相對于每個相鄰多層的所述光柵的所述方向成90度角處。
7.如權(quán)利要求3所述的背襯吸收器，其特征在于，其中所述至少一個金屬層中的每一 個被部分地沉積在所述聚合物層中的對應的一個的被選擇的區(qū)域上以形成邊界分級用于 以增加有效衰減的方式反射回波。
8.如權(quán)利要求1所述的背襯吸收器，其特征在于，其中所述振動層包括整體式PZT板、 1-3型PZT復合材料以及2-2型PZT復合材料中的一個。
9.如權(quán)利要求4所述的背襯吸收器，其特征在于，其中所述振動層包括具有復數(shù)個PZT 材料的拉長的條的2-2型PZT復合材料并且其中所述光柵的所述拉長的金屬區(qū)域的方向垂 直于所述PZT條。
10.一種制造用于超聲波換能器的背襯吸收器的方法，所述方法包括通過將第一金屬層耦合到第一粘合劑層來形成第一多層單元。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法還包括通過將第二金屬層耦合到第二粘合劑層來形成附加的多層單元；并且將所述附加的多層單元粘合到所述第一多層單元。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括重復所述附加的多層的所述形成以及所述附加的多層單元的所述粘合直到預先確定 的聲吸收值已被達到。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述形成還包括首先將聚合物層耦 合到所述金屬層。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，其中所述形成還包括將所述金屬層沉積 在聚合物層上以形成金屬條的周期性光柵，其中所述光柵的方向和周期對于每個單元多層 是相同的。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，其中所述形成還包括將所述金屬層沉積 在聚合物層上以形成金屬條的周期性光柵，其中所述光柵的方向或者周期對于每個單元多 層是不同的。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，其中所述光柵的所述方向被放置于相對2于每個相鄰多層的所述光柵的所述方向成90度角處。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述形成還包括將所述金屬層部分 地沉積在所述至少一個聚合物層中的每一個的被選擇的區(qū)域上以形成邊界分級用于以增 加有效衰減的方式反射波。
18.—種超聲波換能器組件，所述超聲波換能器組件包括 振動層；以及被耦合到所述振動層的背襯吸收器，所述背襯吸收器具有復數(shù)個單元多層，每個單元 多層包括被配置在周期性光柵內(nèi)的金屬層、聚合物層以及粘合劑層，其中所述方向和周期 對于每個層是不同的。
19.如權(quán)利要求19所述的超聲波換能器組件，其特征在于，其中所述振動層包括整體 式PZT板、1-3型PZT復合材料以及2-2型PZT復合材料中的一個。
20.一種制造超聲波換能器組件的方法，所述方法包括 提供振動層；形成復數(shù)個多層單元，其中通過將金屬沉積在聚合物層上來形成每個多層單元； 通過使用復數(shù)個粘合劑層將所述復數(shù)個多層單元彼此粘合以形成背襯吸收器； 將所述背襯吸收器粘合到所述振動層的背板以吸收超聲波。
全文摘要
用于在厚度模式中操作的超聲波換能器的多層背襯吸收器具有適合于給定的靈敏度及帶寬的聲阻抗和吸收。所述多層背襯吸收器為換能器性能提供平滑的頻率響應曲線。換能器具有背襯層，該背襯層包括被布置以便給定的阻抗和吸收被得到的金屬、聚合物和/或粘合劑層。有金屬和沒有金屬的總的多層區(qū)域之間的側(cè)面邊界與表面成一些角度以便來自所述吸收器的背部表面的反射不會反射回所述壓電層。多層吸收器包括在每個聚合物層上的金屬層并且被配置成周期性光柵，其中所述方向和周期對于每個層是不同的，并且其中所述吸收器中的聲波被散射或者衍射。
文檔編號A01N3/00GK101969764SQ200880126477
公開日2011年2月9日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
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