本發(fā)明涉及超聲換能器(ultrasoundtransducers)的聲學(xué)匹配層(acousticmatchinglayers)的設(shè)計(jì)和制造方法，其用于簡化和有效制造該層，以及改善該層的熱導(dǎo)率。

背景技術(shù)：

電流超聲換能器陣列(currentultrasoundtransducerarrays)的電聲換能(electro-acoustictransduction)是基于以下之一：

聚合物和鐵電陶瓷材料(ferroelectricceramicmaterials)的復(fù)合材料，以及

基底材料(例如si)的表面上的振動(dòng)膜，其中機(jī)電耦合為電容性的(cmut)或通過壓電材料層(pmut)。

為了塑造電聲換能的帶寬，使用在聲頻帶中心處具有～四分之一波長(λ/4)厚度的和特定的聲阻抗(acousticimpedance)的聲學(xué)層。該特定的聲阻抗通過將各種類型的固體顆粒(例如w、al、陶瓷、玻璃等)混入聚合物樹脂中來獲得，而該限定的層厚度通常通過研磨該層來獲得。為了獲得正確的厚度，在獲得所需厚度之前，需要中斷研磨數(shù)次以測(cè)量厚度。該方法耗時(shí)而昂貴，而本發(fā)明提供了一種用于更簡單地制造具有限定聲阻抗和厚度的匹配層的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到期望改進(jìn)包含具有顆粒的聚合物基體的復(fù)合聚合物材料的制造方法以獲得預(yù)定厚度和聲阻抗的復(fù)合材料。在此提供了本發(fā)明的概述。該概述形式簡短但并不代表限制本發(fā)明，本發(fā)明在其最寬泛的方面由所附的權(quán)利要求書所限定。

根據(jù)本發(fā)明，匹配層的厚度由單分散聚合物顆粒單層來限定。將該顆?；烊胫量珊衅渌☆w粒以限定聲阻抗的聚合物樹脂中。在固化之前和固化過程中將該混合物在兩個(gè)共形表面(conformalsurfaces)之間壓制以便在所述共形表面之間得到單分散聚合物顆粒單層，從而限定層的最終厚度。在固化后，得到了含有顆粒的聚合物層，其中其厚度由單分散聚合物顆粒單層限定，而形狀由所述共形表面的形狀限定。所述共形表面通?？稍谝粋€(gè)或兩個(gè)維度上是平面的或彎曲的，以適應(yīng)超聲陣列的形狀。

根據(jù)本發(fā)明，所述單分散聚合物顆粒還可由參與限定復(fù)合層聲阻抗的固體材料的表層所覆蓋。還可使用金屬表層(例如ag、au、al或cu)來使匹配層導(dǎo)電和導(dǎo)熱，例如使用匹配層進(jìn)行電接地和屏蔽以及改善換能器陣列的冷卻。通過使得金屬層涂覆電絕緣層可獲得電絕緣但提高的熱導(dǎo)性，或使得整個(gè)層由具有高熱導(dǎo)性的電絕緣材料(例如aln、beo)制成。

附圖說明

圖1說明了限定聲學(xué)匹配層的厚度的單分散聚合物顆粒單層以及使用參與限定匹配層的聲阻抗的更小顆粒。

圖2說明了導(dǎo)熱的單分散球，其包括覆蓋有導(dǎo)熱層的聚合物核心。

圖3示出了復(fù)合材料的聲阻抗相對(duì)于覆蓋單分散聚合物顆粒的表面的ag的體積填充(volumefill)的變化。

圖4示出了一個(gè)或多個(gè)聲學(xué)匹配層的制造方法，其中層厚度由單分散顆粒單層限定。

具體實(shí)施方式

根據(jù)一種實(shí)施方式，提供一種超聲換能器陣列探針，其設(shè)置為層狀結(jié)構(gòu)，包括至少一個(gè)換能器陣列元件層以及至少一個(gè)安裝成與換能器元件層聲學(xué)接觸(acousticcontact)的其他層。該其它層為復(fù)合材料層，其含有聚合物基質(zhì)和限定了所述其他層的厚度的單分散顆粒單層。

本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式示于圖1中，其中100表示復(fù)合聲學(xué)匹配層，其由位于聚合物樹脂102中的單分散顆粒101單層構(gòu)成。聚合物樹脂還可含有固體材料的更小顆粒103以限定該層的聲阻抗。

可制備尺寸分布在限定平均值附近的約2～200μm范圍內(nèi)的聚合物顆粒，并且此類聚合物顆粒是市售可得的，例如可購自dowchemicalcompany。例如可用美國專利4,336,173和美國專利4,459,378中所記載的方法來制備直徑在2-200μm范圍內(nèi)的單分散聚合物顆粒，并且此類聚合物顆粒是市售可得的，例如可購自conpartas。這些顆?？捎稍系奶卣黧w聲阻抗(characteristicbulkacousticimpedance)通常在1.5-3.510⁶kg/m²s范圍內(nèi)的聚合物制成。聚合物顆粒例如可由苯乙烯制成，例如與二乙烯基苯交聯(lián)的苯乙烯。用于本發(fā)明的其他苯乙烯單體包括甲基苯乙烯和乙烯基甲苯?？墒褂帽揭蚁﹩误w的混合物。另一種選擇是由丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯腈、甲基丙烯腈、氯乙烯、乙酸乙烯酯和丙酸乙烯酯所制備的顆粒。還可使用任意這些單體的混合物，并任選地與上述苯乙烯單體一起。所有單體均可與二乙烯基苯或二丙烯酸單體如乙二醇-二丙烯酸酯交聯(lián)。某些顆?？赡苄枰脡A處理以使酯基團(tuán)水解而能夠交聯(lián)。優(yōu)選使用交聯(lián)劑并因此形成交聯(lián)顆粒。

根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式，所述聚合物顆粒涂覆于更硬的材料(stiffermaterials)的表層，以控制可用于限定該層的聲阻抗的顆粒的總剛度(stiffness)。該表層可為高電導(dǎo)率(>10ms/m)和熱導(dǎo)率(>50w/mk)的材料，例如金屬如ag(63，429)、cu(58，401)、au(45，318)、al(35，237)、mg(23，156)、ni(14，91)，或電絕緣材料aln(非常低，285)、beo(非常低，330)，其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為以ms/m和w/mk為單位的材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。電半導(dǎo)體si具有149w/mk的高熱導(dǎo)率，同時(shí)對(duì)于未摻雜的si具有非常低的電導(dǎo)率。這些層將影響匹配層的總的電導(dǎo)率或熱導(dǎo)率。導(dǎo)電匹配層可用于換能器陣列的電接地和屏蔽目的，而熱導(dǎo)匹配層可用于改善換能器組件的冷卻。因此金屬表面層可用于這兩者。

通過增加涂層表層的厚度，可將球體的體積剛度(bulkstiffness)增加到聚合物核心的體積剛度之上，這取決于涂層材料的類型和表層的厚度。這可用于增加匹配層的聲阻抗。為了降低顆粒的剛度，聚合物核心可制成多孔的，孔隙率為～5-75％，其中孔隙率的增加將降低匹配層的聲阻抗。還可制備尺寸低至～200nm的顆粒并涂覆有金屬和電絕緣的導(dǎo)熱材料。

具有金屬表層和電絕緣層的組合的單分散顆粒的實(shí)例為圖2中所示的200，其中201表示單分散聚合物核心，202表示金屬表層，而203表示電絕緣材料的外表層。

更小顆粒103用于調(diào)節(jié)匹配層的聲阻抗。這些顆粒非常小，以至于其可在單分散顆粒101層之間空間存在，而又不介入限定層厚度。顆粒103可為任意形狀，并且不必是單分散的，但單分散形式對(duì)于限定尺寸來說是引人關(guān)注的制造方法，當(dāng)然對(duì)于這些顆粒來說也是引人關(guān)注的制造方法。

圖3中的301表示匹配層的聲阻抗隨著由鎢(w)制成的平均直徑為～2μm的顆粒103的密度的變化。單分散顆粒為由聚合物樹脂中的苯乙烯聚合物制成的直徑30μm的球。向單分散顆粒101引入ag表層，使層的聲阻抗提高到曲線302。

圖4示出彎曲陣列的匹配層400的制造過程的圖示。圖4a中示出兩個(gè)具有共形表面403和404的兩個(gè)固體壓縮模具(solidcompressiondies)401和402。在該具體實(shí)施方式中，將還可含有更小顆粒103的在雙組分聚合物樹脂中的單分散顆粒的混合物405的一部分置于下壓縮模具402上。然后將壓縮模具401和402由箭頭406所示壓在一起至圖4b中所示的位置，以使混合物405在表面403和404之間擠開，從而使得單分散顆粒101單層在共形表面403和404之間限定最終匹配層400的厚度。在聚合物樹脂固化后打開壓縮模具401和402，然后提供了具有限定厚度和聲阻抗的自含型匹配層400(selfcontainedmatchinglayer400)，其可膠合至換能器陣列。使用彎曲的超聲陣列作為壓縮模具401能夠?qū)⑵ヅ鋵又苯幽z合至陣列上。

如圖4c所示，使用帶有附加的第一匹配層408的彎曲的超聲陣列407作為壓縮模具401的部分能夠?qū)⒌诙ヅ鋵?09直接膠合至彎曲的陣列407上的第一匹配層408上。還可使用相同的方法將新匹配層膠合至現(xiàn)有匹配層上，其中例如結(jié)構(gòu)407和408為一種或多種現(xiàn)有匹配層。很明顯，也可將現(xiàn)有匹配層連接到壓縮模具402上以便在相反方向上構(gòu)建匹配層結(jié)構(gòu)，并且換能器陣列407的背襯結(jié)構(gòu)(backingstructure)也可包括在壓縮模具401中。

圖4a-c示出彎曲陣列的匹配層的制造示例，其中本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚的是，通過調(diào)整表面403和404可制造任何形式的匹配層。由于匹配層很薄，還可制造平面層，其可通過折彎圖4b中所制造的匹配層400來適應(yīng)各種彎曲陣列。

還方便的是，根據(jù)已知的使樹脂固化的方法，通過選擇補(bǔ)救措施如加熱、振動(dòng)等來提高樹脂的固化速率。

在匹配層的制造過程中，可能難以控制單分散顆粒101之間的橫向距離(lateraldistance)。為了在該距離將匹配層的聲學(xué)功能的敏感度降低至準(zhǔn)確而恒定，有利的是制備聚合物樹脂102和更小顆粒103的混合物，從而使該混合物的聲阻抗與涂覆的單分散顆粒的聲阻抗相同。

因此，雖然已經(jīng)示出并描述和指出了應(yīng)用于其優(yōu)選實(shí)施方式的本發(fā)明的基本的新穎的特征，但應(yīng)當(dāng)理解的是，在偏離本發(fā)明的精神下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可做出所示裝置的形式和細(xì)節(jié)以及其操作中的各種省略、替換和變化。

還明確的是，以基本相同的方式執(zhí)行基本上相同的功能來實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果的那些元件和/或方法步驟的所有組合均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，與本發(fā)明的任何公開形式或?qū)嵤┓绞较嘟Y(jié)合所示和/或所描述的結(jié)構(gòu)和/或元件和/或方法步驟可以任何其他公開的或描述的或建議的形式或?qū)嵤┓绞郊{入作為設(shè)計(jì)選項(xiàng)的一般問題。因此，目的是僅如所附的權(quán)利要求書的范圍所示受到限制。