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Dokumentenidentifikation DE69401099T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0629994
Titel Mikrorillen für die Entwurf von breitbandiger klinischer Ultraschallwandler
Anmelder Hewlett-Packard Co., Palo Alto, Calif., US
Erfinder Bolorforosh, Mir Said Seyed, Palo Alto, CA 94309, US
Vertreter Schoppe, F., Dipl.-Ing.Univ., Pat.-Anw., 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 69401099
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.06.1994
EP-Aktenzeichen 943042978
EP-Offenlegungsdatum 21.12.1994
EP date of grant 11.12.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse B06B 1/06
IPC-Nebenklasse G10K 11/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ultraschallsonden und insbesondere auf Ultraschallsonden für eine akustische Abbildung.

Ultraschallsonden liefern einen bequemen und genauen Weg, um Informationen über unterschiedliche, interessierende Strukturen innerhalb eines zu analysierenden Körpers zu sammeln. Im allgemeinen weisen die verschiedenen, interessierenden Strukturen akustische Impedanzen auf, die sich von einer akustischen Impedanz eines Körpermediums, das die Strukturen umgibt, unterscheiden. Im Betrieb erzeugen derartige Ultraschallsonden einen Strahl von breitbandigen, akustischen Wellen, die dann von der Sonde durch eine Linse und in das Körpermedium eingekoppelt werden, derart, daß der akustische Strahl von der Linse fokussiert und in den Körper übertragen wird. Während sich der fokussierte, akustische Strahl durch den Körper ausbreitet, wird ein Teil des Signals von den verschiedenen Strukturen innerhalb des Körpers reflektiert und dann von der Ultraschallsonde empfangen. Durch ein Analysieren einer relativen zeitlichen verzögerung und Intensität der reflektierten akustischen Wellen, die von der Sonde empfangen werden, können sowohl eine räumliche Beziehung der verschiedenen Strukturen innerhalb des Körpers als auch Beschaffenheiten, die auf die akustische Impedanz der Strukturen bezogen sind, aus dem reflektierten Signal extrapoliert werden.

Beispielsweise liefern medizinische Ultraschallsonden für einen Arzt einen bequemen und genauen Weg, um Abbildungsdaten von verschiedenen anatomischen Teilen, wie z.B. von Herzgewebe- oder fötalen Gewebe-Strukturen innerhalb eines Körpers eines Patienten, zu sammeln. Im allgemeinen weisen das interessierende Herz- oder fötale Gewebe akustische Impedanzen auf, die sich von einer akustischen Impedanz eines Fluidmediums des Körpers, das die Gewebestrukturen umgibt, unterscheidet. Im Betrieb erzeugt eine derartige medizinische Sonde einen Strahl von breitbandigen, akustischen Wellen, die dann akustisch von einem Vorderabschnitt der Sonde durch eine akustische Linse und in das Körpermedium des Patienten eingekoppelt werden, derart, daß der Strahl fokussiert und in den Körper des Patienten übertragen wird. Typischerweise wird diese akustische Kopplung erreicht, indem der Vorderabschnitt der Sonde, auf dem die Linse befestigt ist, in Kontakt mit einer Oberfläche des Abdomens des Patienten gedrückt wird. Alternativ können invasivere Einrichtungen verwendet werden, wie z.B. ein Einfügen des Vorderabschnittes der Sonde durch einen Katheter in den Körper.

Während sich das akustische Signal durch den Körper des Patienten ausbreitet, wird ein Teil des akustischen Strahls von den verschiedenen Gewebestrukturen innerhalb des Körper schwach reflektiert und von dem Vorderabschnitt der medizinischen Ultraschallsonde empfangen. Durch Analysieren einer relativen zeitlichen Verzögerung und Intensität der schwach reflektierten Wellen extrapoliert ein Abbildungssystem eine Abbildung aus den schwach reflektierenden Wellen. Das extrapolierte Bild stellt sowohl eine räumliche Beziehung der verschiedenen Gewebestrukturen innerhalb des Körpers des Patienten als auch Beschaffenheiten dar, die auf die akustische Impedanz der Gewebestrukturen bezogen sind. Der Arzt sieht das extrapolierte Bild auf einem Anzeigegerät, das mit dem Abbildungssystem gekoppelt ist.

Da das akustische Signal lediglich schwach durch die interessierenden Gewebestrukturen reflektiert wird, ist es wichtig ungewollte akustische Signale, die durch einen Rückabschnitt der Sonde reflektiert werden, zu reduzieren. Falls ein Teil des akustischen Signals, das durch die Sonde erzeugt wird, von dem Rückabschnitt der Sonde reflektiert und dann in den Körper des Patienten übertragen wird, dann wurde ein erstes ungewolltes akustisches Signal erzeugt. Gleichermaßen wird dann ein weiteres, ungewolltes, akustisches Signal erzeugt, falls ein Teil des schwach reflektierten Signals, das von der Sonde empfangen wird, durch die Sonde hindurch übertragen und von dem Rückabschnitt der Sonde reflektiert wird. Derartige ungewollte Signale können das extrapolierte Bild, das für den Arzt zu sehen ist, verzerren, außer es werden korrigierende Maßnahmen ergriffen. Obwohl ein akustisch dämpfender Trägerkörper mit dem Rückabschnitt der Sonde gekoppelt werden kann, um dabei zu helfen, die Probleme, die durch die akustischen Fremdsignale verursacht werden, zu reduzieren, ist es wichtig, zu versuchen, eine effiziente akustische Kopplung zwischen dem Rückabschnitt einer Sonde und dem Trägerkörper zu schaffen.

Ein früher bekanntes akustisches Kopplungsverbesserungsschema liefert eine Ultraschallsonde, die eine Schicht eines unterschiedlichen akustischen Anpassungsmaterials aufweist, die mit einem Rückabschnitt eines piezoelektrischen Vibratorkörpers klebend verbunden ist. Eine dünne Schicht eines Klebstoffes ist aufgetragen, um die Schichten zu verbinden, wodurch unerwünschte klebende Verbindungslinien zwischen den Schichten eines unterschiedlichen Materials und dem piezoelektrischen Körper erzeugt werden. Die Schicht eines Anpassungsmaterials ist wiederum mit dem akustisch dämpfenden Trägerkörper gekoppelt. Fig. 1 stellt beispielsweise einen Ultraschallwandler 100 dar, der einen piezoelektrischen Vibratorkörper 104 aus Piezokeramik, wie z.B. Blei-Zirkonat- Titanat mit der akustischen Impedanz von 33.106 kg/m²s (kg/m²s Kilogramm/Meter² Sekunde), eine Schicht eines unterschiedlichen akustischen Materials, wie z.B. silizium 106 mit einer akustischen Impedanz von 19,5.106 kg/m²s und einen Trägerkörper 108 aus Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz von 3.106 kg/m²s aufweist. Die Siliziumschicht wird verwendet, um eine verbesserte akustische Impedanzanpassung zwischen der relativ hohen akustischen Impedanz des piezokeramischen Materials des Vibratorkörpers und der relativ niedrigen akustischen Impedanz des Trägerkörpers zu liefern. Der Vibratorkörper 104, der in Fig. 1 gezeigt ist, weist eine Resonanzfrequenz von 20 MHz auf, wobei die Siliziumschicht eine Dicke aufweist, die einem Viertel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz des Vibratorkörpers entspricht. Elektroden 110 sind für eine elektrische Erfassung akustischer Signale, die durch den Wandler empfangen werden, mit dem Vibratorkörper 104 elektrisch gekoppelt.

Der piezoelektrische Vibratorkörper 104, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist auf einer Seite mittels einer Klebstoffschicht 112 mit der Siliziumschicht verbunden. Die Dicke der Klebstoffschicht beträgt typischerweise 2 µm. Eine Siliziumschicht, die klebend mit einem piezoelektrischen Körper verbunden ist, wird ferner in dem U.S. Patent Nr. 4,672,591 mit dem Titel "Ultrasonic Transducer" erörtert, und wurde an Briesmesser u.a. erteilt. Dieses Patent liefert hilfreiche Hintergrundinformationen, die unterschiedliche akustische Anpassungsmaterialien betreffen, die mit piezoelektrischen Körpern verbunden sind.

Obwohl die unterschiedlichen akustischen Anpassungsmaterialien, die bei früher bekannten Schemata verwendet wurden, helfen, eine Impedanzanpassung zu liefern, erzeugt die klebende Verbindung dieser Schichten zahlreiche weitere Probleme. Verbindungsverfahrensschritte, die benötigt werden, um derartige Schemata zu implementieren, erzeugen Schwierigkeiten bei der Herstellung. Beispielsweise ist es während der Herstellung schwierig sicherzustellen, daß keine Leerräume oder Lufttaschen in den Klebstoff eingebracht werden, die den Betrieb der Sonde beeinträchtigen. Außerdem wird die Zuverlässigkeit dieser früher bekannten Wandler durch abweichende thermische Ausdehnungskoeffizienten der Schichten aus unterschiedlichen Materialien und der piezoelektrischen Keramikkörper ungünstig beeinflußt. über einen Verwendungszeitraum von beispielsweise fünf Jahren können einige der Klebstoffverbindungen ihre Integrität verlieren, woraus sich Wandlerelemente ergeben, die keine wirksame akustische Kopplung mit dem dämpfenden Trägerkörper aufweisen. Zusätzlich wird das Betriebsverhalten bei höheren akustischen Signalfrequenzen, wie z.B. Frequenzen oberhalb 20 MHz, durch die Verbindungslinien zwischen dem piezoelektrischen Körper und den unterschiedlichen Materialien begrenzt.

Eine Maß derartiger Einschränkungen des Betriebsverhaltens ist eine verlängerte Abklingzeit in der Impulsantwort des Ultraschallsensors von Fig. 1. Eine derartige Impulsantwort kann unter Verwendung eines digitalen Computers und des KLM-Modells, wie es in "Acoustic Waves" von G. S. Kino auf den Seiten 41 bis 45 erörtert wird, simuliert werden. Fig. 2 ist ein Diagramm der simulierten Impulsantwort des Ultraschallsensors von Fig. 1, der die Resonanzfrequenz von 20 MHz aufweist, der in Wasser abstrahlt, und der gemäß den Prinzipien aufgebaut ist, die von Briesmesser u.a. gelehrt werden. Gemäß dem Impulsantwortdiagramm, das in Fig. 2 gezeigt ist, sagt die Simulation eine -6-dB-Abklingzeit (dB = Dezibel) von 0,221 µs, eine -20-dB-Abklingzeit von 0,589 µs und eine -40-dB-Abklingzeit von 1,013 µs voraus.

Eine weitere, früher bekannte Ultraschallsonde weist piezoelektrische Hochpolymer-Elemente auf. Jedes der piezoelektrischen Hochpolymer-Elemente weist einen zusammengesetzten Block von piezoelektrischen und polymeren Materialien auf. Fig. 3 ist beispielsweise eine Querschnittsansicht eines typischen piezoelektrischen, zusammengesetzten Wandlers. Wie es gezeigt ist, ist eine einzelne piezoelektrische Keramikplatte netzartig geschnitten, um fein geteilt zu werden, derart, daß eine Anzahl von feinen stangenartigen piezoelektrischen Keramiken 301 zweidimensional angeordnet sind. Ein Harz 307, das Mikroballone (Hohlglieder) 306 aufweist, wird gegossen, um die Zwischenräume zwischen den piezoelektrischen Keramikstangen 301 auszufüllen. Das Harz wird ausgehärtet, um die piezoelektrischen Keramikstangen 301 zu halten. An beiden Stirnflächen der piezoelektrischen Keramikstangen 301 und des Harzes 307 sind Elektroden 304 vorgesehen, um den piezoelektrischen Keramikwandler zu bilden. Der zusammengesetzte piezoelektrische Wandler, der in Fig. 3 gezeigt ist, ist einem Wandler ähnlich, der in dem U.S. Patent Nr. 5,142,187 mit dem Titel "Piezoelectric Composite Transducer For Use in Ultrasonic Probe" erörtert und an Saito u.a. erteilt wurde. Dieses Patent liefert hilfreiche Hintergrundinformationen, die die piezoelektrischen Zusammensetzungen betreffen.

Obwohl zusammengesetzte Materialien einige Vorteile liefern, treten Schwierigkeiten bei der elektrischen Erfassung von reflektierten akustischen Wellen auf, die von derartigen Zusammensetzungen empfangen werden. Die dielektrische Konstante jedes Hochpolymer-Elements ist relativ klein. Für eine Zusammensetzung, die zu 50% aus polymerer und zu 50% aus piezoelektrischer Keramik besteht, beträgt beispielsweise die dielektrische Konstante, die zwischen den Elektroden des Hochpolymer-Elements meßbar ist, ungefähr die Hälfte derjenigen, welche der piezoelektrischen Keramik inhärent ist. Demgemäß beträgt die dielektrische Konstante, die zwischen den Elektroden des Hochpolymer-Elements meßbar ist, nur ungefähr 1.700. Eine viel höhere dielektrische Konstante ist wünschenswert, derart, daß als Reaktion auf die reflektierten akustischen Wellen von den Elektroden eine höhere kapazitive Aufladung erfaßt wird. Die höhere dielektrische Konstante würde ferner eine verbesserte elektrische Impedanzanpassung zwischen der Sonde und den Komponenten des Abbildungssystems, das mit der Sonde elektrisch gekoppelt ist, liefern.

Es wird eine zuverlässige Ultraschallsonde benötigt, die ein gesteigertes Betriebsverhalten und eine wirksame elektrische Kopplung mit Abbildungssystemkomponenten schafft.

Eine Ultraschallsonde der vorliegenden Erfindung schafft eine wirksame und gesteuerte akustische Kopplung eines oder mehrerer piezoelektrischer Keramikelemente mit einem akustisch dämpfenden Trägerkörper, wobei dieselbe ferner eine wirksame elektrische Kopplung der Elemente mit den Elektroden zum elektrischen Anregen und Erfassen von akustischen Signalen liefert. Gewünschte akustische Signale werden von einem Vorderabschnitt der Sonde übertragen und empfangen, während ungewollte akustische Signale an dem Rückabschnitt der Sonde von dem Trägerkörper gedämpft werden. Die vorliegende Erfindung wird nicht durch Schwierigkeiten bei der Herstellung, der Zuverlässigkeit und dem Verhalten begrenzt, die früher bekannten akustischen Kopplungsverbesserungsschemata, die Klebstoffe verwenden, um Schichten von unterschiedlichen akustischen Materialien mit piezoelektrischen Keramiken zu verbinden, zugeordnet sind.

Kurz und in einer allgemeinen Form ausgedrückt verwendet die Ultraschallsonde der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere piezoelektrische Keramikelemente, wobei jedes eine jeweilige akustische Massenimpedanz aufweist. Ein jeweiliges Elektrodenpaar ist mit jedem Element gekoppelt. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente in einem ein- oder zweidimensionalen phasengesteuerten Array angeordnet. Jedes Element weist eine jeweilige Rückseite und eine jeweilige piezoelektrische Keramikschicht auf, die mit derselben einstückig ausgeführt ist, um im wesentlichen eine gewünschte akustische Impedanzanpassung zwischen der akustischen Massenimpedanz des Elements und dem akustisch dämpfenden Trägerkörper zu schaffen. Für ein elektrisches Potential, das zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar meßbar ist, gibt es eine relativ kleine elektrische Potentialdifferenz entlang einer jeweiligen Dicke der jeweiligen Schicht. Demgemäß ist die jeweilige piezoelektrische Schicht im wesentlichen elektromechanisch träge. Jedes Element weist ferner einen jeweiligen Massenrestabschnitt auf, der elektromechanisch aktiv i&t, und der auf einer gewünschten Massenresonanzfrequenz in Resonanz tritt. Durch Schaffen der akustischen Impedanzanpassung hilft die träge piezoelektrische Schicht dabei, eine wirksame und gesteuerte akustische Kopplung zwischen der Sonde und dem akustisch dämpfenden Trägerkörper zu schaffen.

Die jeweilige, träge, piezoelektrische Schicht jedes Elements weist flache Rillen auf, die auf der jeweiligen Rückseite jedes piezoelektrischen Elements angeordnet sind, und die sich durch die Dicke der trägen piezoelektrischen Schicht erstrecken. Genauer gesagt sind die flachen Rillen Mikrorillen, die sich typischerweise weniger als 1.000 µm in die jeweilige Oberfläche jedes Elements erstrecken. Im allgemeinen wird eine Tiefenabmessung der Rillen ausgewählt, die ungefähr ein Viertel der Wellenlänge der akustischen Signale beträgt. Ein Rillenvolumenbruchteil der trägen piezoelektrischen Schicht wird ausgewählt, um die akustische Impedanz und die Schallgeschwindigkeit der trägen piezoelektrischen Schicht zu steuern, um damit die gewünschte akustische Impedanzanpassung zu schaffen.

Das jeweilige Elektrodenpaar, das elektrisch mit dem piezoelektrischen Keramikmaterial jedes Elements verbunden ist, weist eine jeweilige Vorderelektrode auf, die mit einer jeweiligen Vorderseite jedes Elements verbunden ist, wobei eine jeweilige Rückelektrode mit einer jeweiligen Rückseite jedes Elements gekoppelt ist. Die Rückelektrode erstreckt sich in die Rillen und kontaktiert dieselben, wodurch elektrische Randbedingungen auferlegt werden, die eine gewünschte elektrische Feldverteilung innerhalb des Elements unterstützen. Die Entwurfsparameter, wie z.B. die Breiten- und Abstandsabmessung der Rillen, werden wie benötigt eingestellt, derart, daß für ein elektrisches Potential, das zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar jedes Arrayelements meßbar ist, eine relativ kleine elektrische Potentialdifferenz entlang der Dicke der jeweiligen, trägen, piezoelektrischen Schicht des Elements auftritt. Die Breiten- und Abstandsabmessung der Rillen sind beispielsweise ausgewählt, derart, daß eine relativ kleine elektrische Potentialdifferenz entlang der Dicke der trägen piezoelektrischen Schicht auftritt, die kleiner als ungefähr 5% des elektrischen Potentials ist, das zwischen dem Elektrodenpaar meßbar ist. Da das elektrische Potential entlang der Dicke der trägen piezoelektrischen Schicht relativ klein ist, ist die dielektrische Konstante, die zwischen den Elektroden des Elements meßbar ist, relativ hoch und im wesentlichen die gleiche, wie diejenige, welche dem keramischen Material des Elements zu eigen ist.

Wie später hierin detaillierter erörtert werden wird, ist die relativ hohe dielektrische Konstante gewünscht, derart, daß als Reaktion auf die reflektierten akustischen Wellen, die von den piezoelektrischen Elementen der Sonde der vorliegenden Erfindung empfangen werden, von den Elektroden eine hohe kapazitive Ladung erfaßt wird. Die relativ hohe dielektrische Konstante sorgt ferner für eine verbesserte elektrische Impedanzanpassung zwischen der Sonde und den Komponenten eines akustischen Abbildungssystems, das elektrisch mit der Sonde gekoppelt ist. Demgemäß wird die vorliegende Erfindung nicht durch Schwierigkeiten belastet, die einer elektrischen Erfassung von akustischen Wellen in früher bekannten Hochpolymer-Zusammensetzungen zugeordnet sind, welche eine relativ niedrige dielektrische Konstante aufweisen.

Ein Herstellungsvorteil, der der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist, besteht darin, daß die Rillen einfach in weite Bereiche von piezoelektrischen Materialien geätzt oder geschnitten werden können. Da die träge piezoelektrische Schicht einstückig mit dem piezoelektrischen Element ausgeführt ist, liefert die vorliegende Erfindung ferner eine Impedanzanpassung, ohne durch Herstellungs- und Zuverlassigkeitsprobleme belastet zu werden, die klebend verbundenen Schichten aus unterschiedlichen Schichten mit piezoelektrischen Keramiken zugeordnet sind. Ein Hochfrequenzverhalten der Ultraschallsonde, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist&sub1; wird nicht durch eine begrenzte Dicke von Klebstoffverbindungslinien begrenzt, die in einigen, früher bekannten Ultraschallsonden vorhanden sind. Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft darstellen, offensichtlich werden.

Fig. 1 zeigt eine Wegschnitt-Querschnittsansicht einer früher bekannten Ultraschallsonde.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine simulierte Impulsantwort des Wandlers von Fig. 1 darstellt.

Fig. 3 zeigt eine Wegschnitt-Querschnittsansicht eines weiteren, früher bekannten Ultraschallwandlers.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ultraschallsonde eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine Explosionsansicht der Ultraschallsonde von Fig. 4.

Fig. 5A zeigt eine detaillierte, perspektivische Wegschnitt-Ansicht von Fig. 5.

Fig. 6 ist ein Diagramm, das elektrische Äquipotentiallinien darstellt, die entlang einer longitudinalen Abmessung eines piezoelektrischen Elements der Sonde von Fig. 5 verteilt sind.

Fig. 7A bis D sind die jeweiligen Ansichten, die die Herstellungsschritte der Sonde von Fig. 5 darstellen.

Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine simulierte Impulsantwort einer Probe, die der in Fig. 5 gezeigten Probe ähnlich ist, darstellt.

Fig. 9 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel von Rillen dar, die sich durch die piezoelektrische Schicht der vorliegenden Erfindung erstrecken.

Fig. 10 stellt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel von Rillen dar, die sich durch die piezoelektrische Schicht der vorliegenden Erfindung erstrecken.

Fig. 11 ist eine detaillierte, perspektivische Ansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 12 ist eine detaillierte, perspektivische Ansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 12A ist eine weitere, detaillierte, perspektivische Wegschnitt-Ansicht einer piezoelektrischen Schicht, die in Fig. 12 gezeigt ist.

Fig. 13 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die Ultraschallsonde der vorliegenden Erfindung liefert eine wirksame und gesteuerte Kopplung eines akustischen Signals zwischen der Sonde und einem akustisch dämpfenden Trägerkörper, wobei dieselbe ferner Vorteile bei der Herstellung, der Zuverlässigkeit und dem Verhalten liefert. Fig. 4 ist eine vereinfachte, perspektivische Ansicht, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Ultraschallsonde 400 darstellt. Fig. 5 ist eine Explosionsansicht der in Fig. 4 gezeigten Ultraschailsonde 400. Wie es in Fig. 5 gezeigt ist, weist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Ultraschallsonde ein Array von piezoelektrischen Keramikelementen 501 auf, wobei jedes eine akustische Massenimpedanz ZPZT und eine longitudinale Abmessung L aufweist. Jedes Element umfaßt eine jeweilige piezoelektrische Keramikschicht 502, die einstückig mit demselben ausgeführt ist, und die eine Schichtdicke aufweist, die durch eine Tiefenabmessung D der Rillen definiert ist, die sich durch die Schicht erstrecken. Die jeweiligen piezoelektrischen Schichten sind im wesentlichen elektromechanisch träge. Jedes piezoelektrische Element weist ferner einen jeweiligen Massenrestabschnitt 503 auf, welcher elektromechanisch aktiv ist und bei einer gewünschten Massenresonanzfrequenz entlang einer Massenrestabmessung R, die in Fig. 5 gezeigt ist, in Resonanz tritt. Vorzugsweise wird die Massenrestabmessung R ausgewählt, um eine Hälfte einer Wellenlänge der gewünschten Massenresonanzfrequenz zu betragen.

Jedes Arrayelement weist eine elevationale Abmessung E auf, die einer jeweiligen elevationalen Apertur jedes Elements entspricht. Die elevationale Apertur und die akustische Resonanzfrequenz jedes Elements werden basierend auf einer gewünschten Abbildungsanwendung ausgewählt. Typischerweise wird die elevationale Abmessung E ausgewählt, um zwischen 7 und 15 Wellenlängen der akustischen Resonanzfrequenz der Sonde zu betragen. Wie es gezeigt ist, sind die piezoelektrischen Elemente in einer geeigneten, voneinander beabstandeten Beziehung F entlang einer azimutalen Abmessung A auf dem akustisch dämpfenden Trägerkörper 504 angeordnet. Der Trägerkörper besteht im wesentlichen aus Epoxid oder aus einem anderen, geeigneten&sub1; akustisch dämpfenden Material. Wie es gezeigt ist, weist jedes Element eine geeignet ausgewählte, laterale Abmessung G auf. Außerdem wird eine Anzahl von Elementen in dem Array basierend auf den Anforderungen der Abbildungsanwendung ausgewählt. Eine Abdominal-Ultraschallsonde für eine medizinische Abbildungsanwendung weist beispielsweise typischerweise mehr als 100 Elemente und eine elevationale Apertur von 10 Wellenlängen auf. Aus Gründen der Vereinfachung sind in der Sonde von Fig. 5 weit weniger Elemente gezeigt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Elemente im wesentlichen in speziell profilierten Blöcken eines piezoelektrischen Keramikmaterials ausgeführt, wie z.B. Blei-Zirkonat-Titanat PZT, wobei jedes eine jeweilige Vorderseite und Rückseite aufweist, die ungefähr parallel zueinander und ungefähr senkrecht zu der jeweiligen longitudinalen Abmessung L jedes Elements ausgerichtet sind. Es sollte offensichtlich sein, daß, obwohl PZT bevorzugt wird, andere piezoelektrische Keramikmaterialien, die Fachleuten bekannt sind, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung mit nützlichen Ergebnissen alternativ verwendet werden können.

Die jeweilige, träge, piezoelektrische Schicht 502, die einstückig mit der jeweiligen Rückseite jedes piezoelektrischen Elements ausgeführt ist, liefert im wesentlichen eine akustische Impedanzanpassung zwischen der akustischen Massenimpedanz jedes piezoelektrischen Elements und der akustischen Impedanz eines akustisch dämpfenden Trägerkörpers. Wie es detailliert in Ansicht 5A gezeigt ist, weist die jeweilige, träge, piezoelektrische Schicht 502, die einstückig mit jedem piezoelektrischen Element 501 des Arrays ausgeführt ist, die Rillen 505 auf, welche auf der jeweiligen Rückseite jedes Elements angeordnet sind, um die akustische Impedanz der Schicht zu steuern. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Rillen entlang der jeweiligen elevationalen Abmessung E jedes Elements im wesentlichen parallel zueinander angeordnet.

Wie es in Fig. 5 und 5A gezeigt ist, ist ein jeweiliges Elektrodenpaar elektrisch mit dem piezoelektrischen Keramikmaterial jedes piezoelektrischen Elements gekoppelt. Das jeweilige Elektrodenpaar jedes Elements weist eine jeweilige Vorderelektrode 506, die mit der jeweiligen Vorderseite jedes piezoelektrischen Elements gekoppelt ist, und ferner eine jeweilige Rückelektrode 507 auf, die sich in die Rillen erstreckt und dieselben kontaktiert, die auf der jeweiligen Rückseite jedes piezoelektrischen Elements angeordnet sind. Diese Elektrodenanordnung hilft dabei, sicherzustellen, daß die piezoelektrische Schicht im wesentlichen elektromechanisch trage ist. Ein konformes Material, vorzugsweise Luft, ist innerhalb der Rillen an jede Elektrode angrenzend angeordnet. Wie hierin später detaillierter erörtert werden wird, kann ein geeignetes, alternatives, konformes Material, z.B. Polyethylen, anstelle von Luft verwendet werden. Das ausgewählte konforme Material weist eine akustische Impedanz Zkonform auf, die demselben zugeordnet ist.

Durch Anlegen eines jeweiligen Spannungssignals an das jeweilige Elektrodenpaar, das mit jedem piezoelektrischen Element gekoppelt ist, wird der Massenrestabschnitt jedes Elements angeregt, um akustische Signale mit der gewünschten Resonanzfrequenz zu erzeugen. Jeweilige Leitungen 508 sind zum Anlegen der Spannungssignale mit jeder Elektrode gekoppelt. Die akustischen Signale werden bei ihrer Ausbreitung entlang der jeweiligen longitudinale Abmessung jedes Elements durch einen longitudinalen Resonanzmodus des piezoelektrischen Elements unterstützt. Die jeweiligen akustischen Signale, die von jedem piezoelektrischen Element des Arrays erzeugt werden, werden zusammen als ein jeweiliger einzelner Strahl von akustischen Wellen emittiert. Die einzelnen Strahlen der Elemente des Arrays verschmelzen zu einem einzigen akustischen Strahl, der in das Medium des zu untersuchenden Körpers übertragen wird. Bei einer medizinischen Abbildungsanwendung wird der akustische Strahl beispielsweise in den Körper eines Patienten übertragen. Durch Steuern eines Phasenverhaltens der jeweiligen Spannungssignale, die an jedes Element des Arrays angelegt sind, wird das Phasenverhalten der einzelnen Strahlen gesteuert, um eine azimutale Lenkung des verschmolzenen akustischen Strahls zu bewirken, derart, daß der verschmolzene akustische Strahl durch den Körper wobbelt. Eine akustische Linse 511, die in einer Explosionsansicht in Fig. 5 gezeigt ist, ist mit den Elementen akustisch gekoppelt, um eine elevationale Fokussierung des akustischen Strahls zu liefern.

Während sich die akustischen Signale durch den körper des Patienten ausbreiten, werden Abschnitte des Signals von den verschiedenen Gewebestrukturen innerhalb des Körpers schwach reflektiert, von den piezoelektrischen Elementen empfangen und von dem jeweiligen Elektrodenpaar, das mit jedem piezoelektrischen Element gekoppelt ist, elektrisch erfaßt. Die reflektierten akustischen Signale werden als erstes von dem jeweiligen Massenabschnitt jedes piezoelektrischen Elements empfangen. Die Signale breiten sich dann entlang der jeweiligen longitudinalen Abmessung jedes piezoelektrischen Elements aus. Die Signale breiten sich dann durch die jeweilige träge piezoelektrische Schicht aus, die einstückig mit jedem piezoelektrischen Element ausgeführt ist. Demgemäß breiten sich die akustischen Signale durch den Massenrestabschnitt des piezoelektrischen Elements mit einer ersten Geschwindigkeit aus, wobei sich dieselben dann durch die träge piezoelektrische Schicht mit einer zweiten Geschwindigkeit ausbreiten. Vorzugsweise wird die Tiefenabmessung D der Rillen der trägen piezoelektrischen Schicht ausgewählt, um ein Viertel der Wellenlänge der akustischen Signale, die sich durch die träge piezoelektrische Schicht bewegen, zu betragen.

Die Tiefenabmessung D der Rillen definiert die Dicke der jeweiligen, trägen, piezoelektrischen Schicht, die einstückig mit jedem der piezoelektrischen Elemente ausgeführt ist. Die Tiefenabmessung D jeder Rille und eine Abstandsabmessung P der jeweiligen Rillen sind ausgewählt, um laterale und Scher-Resonanzmoden der trägen piezoelektrischen Schicht von einer unerwünschten Wechselwirkung mit dem longitudinalen Resonanzmode des piezoelektrischen Elements zu trennen. Außerdem sind die Tiefe und der Abstand der Rillen ausgewählt, um eine wirksame Übertragung von akustischer Energie durch die träge piezoelektrische Schicht zu liefern. Zusätzlich sind die Tiefe und der Abstand der Rillen ausgewählt, derart, daß die träge piezoelektrische Schicht für die akustischen Wellen homogen erscheint. Im allgemeinen werden durch ein Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis D/W von kleiner oder gleich ungefähr 0,4 gemäß zusätzlichen Lehren der vorliegenden Erfindung über Rillen, die hierin später detaillierter erörtert werden, nützliche Ergebnisse erzeugt. Die Breitenund Abstandsabmessung der Rillen werden ferner falls nötig derart eingestellt, daß für ein elektrisches Potential, das zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar jedes Arrayelements meßbar ist, eine relativ kleine elektrische Potentialdifferenz entlang der Dicke der trägen piezoelektrischen Schicht auftritt. Die Breiten- und Abstandsabmessung der Rillen werden beispielsweise ausgewählt, derart, daß eine elektrische Potentialdifferenz entlang der Dicke der piezoelektrischen Schicht auftritt, die kleiner als ungefähr 5% des elektrischen Potentials ist, das zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar jedes Elements meßbar ist.

Die akustische Impedanz der trägen piezoelektrischen Schicht wird gesteuert, um eine akustische Impedanzanpassung zwischen der akustischen Massenimpedanz jedes piezoelektrischen Elements und einer akustischen Impedanz des akustisch dämpfenden Trägerkörpers zu liefern. Die akustische Impedanz der trägen piezoelektrischen Schicht wird im wesentlichen durch einen Rillenvolumenbruchteil bestimmt, welcher basierend auf der Breiten- und Abstandsabmessung der Rillen 505 auf der jeweiligen Rückseite jedes der piezoelektrischen Elemente 501 angeordnet ist.

Eine gewünschte akustische Impedanz Zschicht der trägen piezoelektrischen Schicht wird berechnet, um eine Impedanzanpassung zwischen der akustischen Massenimpedanz ZPZT des keramischen Materials des piezoelektrischen Elements und der akustischen Impedanz Zkörper des akustisch dämpfenden Trägerkörpers unter Verwendung der folgenden Gleichung zu erzeugen:

ZSchicht = (ZPZT ZKörper)S

Falls beispielsweise die akustische Impedanz Zkörper des akustisch dämpfenden Trägerkörpers 3.106 kg/m²s beträgt, und die akustische Massenimpedanz ZPZT von Blei-Zirkonat-Titanat 33.106 kg/m²s beträgt, ergibt sich die gewünschte akustische Impedanz der trägen piezoelektrischen Schicht Zschicht zu ungefähr 9,95.106 kg/m²s.

Die akustische Impedanz der trägen piezoelektrischen Schicht wird im wesentlichen durch den Rillenvolumenbruchteil der trägen piezoelektrischen Schicht gesteuert. Der Rillenvolumenbruchteil der Schicht wird durch Teilen des Volumens einer Rille, die sich durch die Schicht erstreckt, durch die Summe des Volumens der Rille und des Volumens einer verbleibenden Keramikschicht, die an die Rille angrenzt, definiert. Ein gewünschter Rillenvolumenbruchteil v wird aus der gewünschten akustischen Impedanz der Schicht und aus der jeweiligen akustischen Impedanz des piezoelektrischen Keramikmaterials und des konformen Materials berechnet. Der gewünschte Volumenbruchteil v ist ungefähr gleich dem folgenden Ausdruck:

(ZPZT - ZSchicht)/(ZPZT - ZKonform)

Falls beispielsweise Luft das konforme Material mit einer akustischen Impedanz Zkonform von 411 kg/m²s ist, und falls die Werte für die akustische Impedanz Zschicht der trägen piezoelektrischen Schicht und für die akustische Massenimpedanz ZPZT des Keramikmaterials des Elements, wie es hierin vorher artikuliert wurde, gegeben sind, beträgt der gewünschte Rillenvolumenbruchteil der trägen piezoelektrischen Schicht v ungefähr 69,8%.

Eine gewünschte Rillentiefe D wird aus der Schallgeschwindigkeit CSchicht in der trägen piezoelektrischen Schicht und einem Viertel der Wellenlänge der akustischen Resonanzfrequenz f des piezoelektrischen Elements unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

D = R (CSchicht/f)

Falls der gewünschte Rillenvolumenbruchteil der trägen piezoelektrischen Schicht ungefähr 69,8% beträgt, kann die Schallgeschwindigkeit Cschicht in der trägen piezoelektrischen Schicht auf ungefähr 3,5.106 cm/s abgeschätzt werden. Alternativ kann die Schallgeschwindigkeit in der trägen piezoelektrischen Schicht unter Verwendung ausgeklügelterer Verfahren, wie z.B. solchen, die auf Tensoranalysemodellen der trägen piezoelektrischen Schicht basieren, abgeschätzt werden. Tensoranalysemodelle, die in "Modeling 1-3 Composite Piezoelectrics: Thickness-Mode Oscillations", von Smith u.a., S. 40 - 47, aus IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Bd. 38, Nr. 1, Januar 1991, erörtert werden, können beispielsweise angepaßt werden, um die Schallgeschwindigkeit in der trägen piezoelektrischen Schicht abzuschätzen. Falls eine abgeschätzte Schallgeschwindigkeit Cschicht in der trägen piezoelektrischen Schicht von 3,5 10&sup5; cm/s und die gewünschte Massenresonanzfrequenz f von 2 MHz gegeben sind, beträgt die Tiefe der Rillen D ungefähr 437,5 µm. Demgemäß sind die gezeigten Rillen Mikro-Rillen, die sich weniger als 1.000 µm in die Rückseite des Elements erstrecken.

Ein Abstand P der Rillen wird berechnet, derart, daß der Abstand weniger als das 0,4-fache der Rillentiefe beträgt:

P < (0,4 D)

Falls beispielsweise die Rillentiefe D mit ungefähr 437,5 µm gegeben ist, sollte der Abstand der Rillen kleiner oder gleich 175 µm sein.

Die Rillenbreite W wird basierend auf dem Abstand P, dem Rillenvolumenbruchteil v und einem Korrekturfaktor k unter Verwendung der folgenden Formel berechnet:

W = P v k

Ein gewünschter Wert für den Korrekturfaktor k wird basierend auf einer Verbindbarkeit ("connectivity") der Keramik der trägen piezoelektrischen Schicht und des konformen Materials ausgewählt. Für die träge piezoelektrische Schicht, die Rillen aufweist, die wie in Fig. 5 und 5A gezeigt angeordnet sind, weist die Schicht eine 2-2-Verbindbarkeit auf, wobei der Korrekturfaktor k einfach 1 ist. Bei altetnativen Ausführungsbeispielen sind die Rillen abwechselnd angeordnet, derart, daß die Schicht eine unterschiedliche Verbindbarkeit aufweist, woraus sich ein unterschiedlicher Korrekturf aktor ergibt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Rillen beispielsweise derart angeordnet, daß die Schicht eine 1-3-Verbindbarkeit aufweist, woraus sich ein Korrekturfaktor k von 1,25 ergibt. Falls eine 2-2-Verbindbarkeit gegeben ist, derart, daß der Korrekturf aktor k 1, der Abstand 175 µm und der Rillenvolumenbruchteil der trägen piezoelektrischen Schicht 69,8% betragen, beträgt die Rillenbreite W ungefähr 122,1 µm.

Für Ausführungsbeispiele der Sonde, die skaliert sind, um auf einer höheren Resonanzfrequenz zu arbeiten, werden relevante Rillenabmessungen demgemäß skaliert. Für ein Ausführungsbeispiel der Sonde, das skaliert ist, um beispielsweise auf einer akustischen Resonanzfrequenz von 20 MHz zu arbeiten, werden die relevanten Rillenabmessungen des 2-MHz-Sondenbeispiels, das vorher erörtert wurde, um einen Faktor 10 skaliert. Daher werden für ein Array von piezoelektrischen Elementen, von denen jedes eine Massenresonanzfrequenz von 20 MHz aufweist, und für jeweilige piezoelektrische Schichten mit Rillen, die für eine 2-2-Verbindbarkeit angeordnet sind, die relevanten Abmessungen der Rillen um den Faktor 10 verkleinert, um einen Abstand von 17,5 µm, eine Breite von 12,21 µm und eine Tiefe von ungefähr 43,75 µm aufzuweisen. Demgemäß sind die gezeigten Rillen wieder Mikro-Rillen, die sich weniger als 1.000 µm in die Rückseite des Elements erstrecken.

Eine jeweilige Anzahl von Gliedern in einem Satz von Rillen entlang der elevationalen Abmessung E jedes piezoelektrischen Elements des Arrays ist auf den Abstand der Rillen und auf die jeweilige elevationale Apertur jedes Elements bezogen. Typischerweise liegt die jeweilige Anzahl von Gliedern in dem Satz von Rillen entlang der elevationalen Abmessung E ungefähr zwischen dem Bereich von 50 und 200 Rillen, um nützliche Impedanzanpassungsergebnisse zu erzeugen. Für eine gegebene, bevorzugte, elevationale Abmessung E von 10 Wellenlängen beträgt beispielsweise eine bevorzugte jeweilige Anzahl von Rillen entlang der elevationalen Abmessung ungefähr 100 Rillen. Aus Gründen der Vereinfachung sind in Fig. 5 weniger als 100 Rillen gezeigt.

Rückmetallelektroden erstrecken sich in die Rillen und kontaktieren dieselben, wobei dieselben elektrische Randbedingungen auferlegen, die eine gewünschte elektrische Feldverteilung innerhalb jedes Elements unterstützen. Entwurfsparameter, wie z.B. die Breiten- und Abstandsabmessung der Rillen, werden wie benötigt eingestellt, derart, daß für eine elektrische Potentialdifferenz, die zwischen den jeweiligen Elektrodenpaaren jedes Arrayelements meßbar ist, eine relativ kleine Potentialdifferenz entlang der Dicke der jeweiligen piezoelektrischen Schicht jedes Elements auftritt. Beispielsweise werden die Breiten- und Abstandsabmessung der Rillen ausgewählt, derart, daß eine relativ kleine Potentialdifferenz entlang der Dicke der piezoelektrischen Schicht auftritt, die niedriger als ungefähr 5% der elektrischen Potentialdifferenz ist, die zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar meßbar ist. Es sollte offensichtlich sein, daß es für Ultraschallsonden mehrere relevante Quellen der elektrischen Potentialdifferenz gibt, die zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar meßbar ist. Beispielsweise ist eine relevante Quelle der elektrischen Potentialdifferenz, die zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar meßbar ist, eine Spannung, die an die Elektroden angelegt ist, um in jedem piezoelektrischen Keramikelement akustische Signale anzuregen. Eine weitere relevante Quelle der elektrischen Potentialdifferenz, die zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar meßbar ist, ist eine Spannung, die durch schwach reflektierte akustische Signale, die durch jedes Element empfangen werden, in jedes piezoelektrische Element induziert wird.

Die relativ kleine elektrische Potentialdifferenz entlang der Dicke der piezoelektrischen Schicht ist in Fig. 6 graphisch dargestellt. Fig. 6 ist eine detaillierte Wegschnitt- Abschnittsansicht eines der piezoelektrischen Elemente von Fig. 5, wodurch ein erläuterndes Diagramm geliefert wird, das die elektrischen Äquipotentiallinien zeigt, die entlang der longitudinalen Abmessung L des Elements für das Beispiel der Rillenbreite und -Tiefe, das im vorhergehenden hierin erörtert wurde, verteilt sind. Obwohl elektrische Äquipotentiallinien unsichtbar sind, sind zur Erläuterung entsprechende Linien in das Diagramm von Fig. 6 eingezeichnet. Wie es in einem Querschnitt durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht 502 zu sehen ist, erstrecken sich die Rillen, die einen Abstand P, eine Breite W und eine Tiefe D aufweisen, in die Rückseite des Elements. Wenn ein exemplarisches Potential von 1 Volt gegeben ist, das zwischen dem Elektrodenpaar 506, 507 meßbar ist, entsprechen die Äquipotentiallinien, die in Fig. 6 gezeigt sind, Potentialinkrementen von 0,01 Volt. Da die elektrischen Randbedingungen dafür sorgen, daß es im wesentlichen keine tangentiale Komponente eines elektrischen Feldes an einer Grenzfläche eines Leiters gibt, und da sich die elektrischen Feldverteilungen allmählich ändem, erstrecken sich die rückseitigen Metallelektroden in die Rillen und kontaktieren dieselben, um elektrische Randbedingungen aufzuerlegen, die innerhalb des Elements die gewünschte elektrische Feldverteilung unterstützen. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, gibt es eine relativ kleine, elektrische Potentialdifferenz entlang der Dicke der trägen piezoelektrischen Schicht, die lediglich 3% des elektrischen Potentials beträgt, das zwischen dem Elektrodenpaar des Arrayelements meßbar ist. Da die elektrische Potentialdifferenz entlang der Dicke der trägen piezoelektrischen Schicht relativ klein ist, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, ist die dielektrische Konstante, die zwischen den Elektroden 506, 507 des Elements meßbar ist, im wesentlichen die gleiche, wie diejenige, welche dem Blei-Zirkonat-Titanat-Material des Elements zu eigen ist, und welche daher relativ hoch ist. Außerdem hilft die relativ kleine Potentialdifferenz entlang der Dicke der piezoelektrischen Schicht ferner dabei, sicherzustellen, daß die piezoelektrische Schicht im wesentlichen elektromechanisch träge ist.

Auf das Element, das schwach reflektierte, akustische Signale empfängt, wie es im vorhergehenden hierin beschrieben wurde, wird eine kapazitive Aufladung der Elektroden durch einen Verschiebungsstrom getrieben. Der Verschiebungsstrom ist linear proportional zu einem Produkt eines elektrischen Potentials, das zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar meßbar ist, und der dielektrischen Konstante. Demgemäß liefert die relativ hohe dielektrische Konstante eine relativ hohe kapazitive Aufladung. Die hohe kapazitive Aufladung ist erwünscht, um eine Verkabelung wirksam zu treiben, die die Elektroden mit den Abbildungssystemkomponenten elektrisch koppelt, welche eine relative zeitliche Verzögerung und Intensität des schwach reflektierten akustischen Signals analysieren, das von der Sonde empfangen und von den Elektroden elektrisch erfaßt wird. Aus der Analyse extrapoliert das Abbildungssystem sowohl eine räumliche Beziehung der unterschiedlichen Strukturen innerhalb des Körpers als auch die Beschaffenheiten, die auf die akustische Impedanz der Strukturen bezogen sind, um eine Abbildung der Strukturen innerhalb des Körpers zu erzeugen.

Gleichermaßen ist die elektrische Impedanz jedes Elements umgekehrt proportional zu der dielektrischen Konstante jedes Elements. Die relativ hohe dielektrische Konstante liefert eine relativ niedrige, elektrische Impedanz. Die niedrige elektrische Impedanz jedes Elements ist erwünscht, um eine verbesserte Impedanzanpassung an eine niedrige elektrische Impedanz der Verkabelung und an eine niedrige elektrische Impedanz der Abbildungssystemkomponenten zu liefern.

Eine Herstellung, ein Polen und ein Zerteilen der piezoelektrischen Elemente des Arrays werden bezugnehmend auf die vereinfachten Fig. 7A bis D dargestellt und erörtert. Ein anfänglicher Schritt liefert eine Platte 701 eines piezoelektrischen Keramikausgangsmaterials, wie es in Fig. 7A gezeigt ist. Da das Ausgangsmaterial noch nicht gepolt ist, gibt es lediglich eine zufällige Ausrichtung von einzelnen ferroelektrischen Bereichen innerhalb des Materials, wodurch das Material elektromechanisch trage ist. Wie es in Fig. 7B gezeigt ist, weist die Platte eine trägen piezoelektrische Schicht 702, die einstückig mit der Platte ausgeführt ist, und einen Massenrestabschnitt 703 der Platte auf. Die träge piezoelektrische Schicht ist durch Rillen 705 mit einer Tiefe D gekennzeichnet, die in eine Rückseite der Platte geschnitten sind, und die sich durch eine Dicke der Schichterstrecken. Die Rillen sind unter Verwendung einer Klinge einer Zerteilvorrichtung in die Platte geschnitten. Die Klingenbreite ist derart ausgewählt, daß die Rillen die gewünschte Breitenabmessung W aufweisen. Die Steuerungen der Zerteilvorrichtung sind eingestellt, um die Rillen mit dem gewünschten Abstand P und der gewünschten Tiefe D zu schneiden. Alternativ können photolithographische Verfahren, die ein chemischen Ätzen verwenden, verwendet werden, um die Rillen mit dem gewünschten Abstand, der gewünschten Dicke und der gewünschten Breite in die Rückoberfläche der Platte zu ätzen. Als weitere Alternative können die Rillen unter Verwendung eines geeigneten Lasers in die Rückseite der Platte ablatiert werden.

Metallelektroden werden durch ein Sputtern auf der Platte abgeschieden. Ein dünner Metallfilm mit einer ausgewählten Dicke zwischen ungefähr 100 bis 300 nm wird auf die Vorderseite gesputtert, um eine Vorderelektrode 706 zu erzeugen, wobei eine weiterer, ähnlicher, dünner Metallfilm auf die Rückseite gesputtert wird, um eine Rückelektrode 707, wie es in Fig. 7C gezeigt ist, zu erzeugen. Der Metallfilm der Rückelektrode 707 erstreckt sich in die Rillen in 4er Rückseite der Platte und kontaktiert dieselben.

Ein Polungsverfahren weist folgende Schritte auf: Plazieren der Platte in einem geeigneten Ofen; Erhöhen einer Temperatur der Platte bis in die Nähe eines Curiepunktes des piezoelektrischen Keramikausgangsmaterials; und daraufhin Anlegen eines sehr starken elektrischen Gleichfeldes von ungefähr 20 kV/cm über die Vorder- und Rückelektroden, während die Temperatur der Platte langsam verringert wird. Da eine elektrische Potentialdifferenz entlang der Dicke der trägen, piezoelektrischen Schicht, die die Rillen aufweist, lediglich ein kleiner Bruchteil eines gesamten elektrischen Potentials zwischen den Elektroden ist, behält die träge piezoelektrische Schicht 702 im wesentlichen die zufällige Ausrichtung der einzelnen ferroelektrischen Bereiche, die in dem piezoelektrischen Ausgangsmaterial vorhanden sind. Demgemäß ist die träge, piezoelektrische Schicht 702 lediglich sehr schwach gepolt und bleibt elektromechanisch träge. Die schwache Polung der piezoelektrischen Schicht hilft ferner dabei, sicherzustellen, daß die Schicht elektromechanisch träge ist. Im Gegensatz dazu richtet das Polungsverfahren eine große Mehrheit von einzelnen ferroelektrischen Bereichen in dem Massenrestabschnitt 703 der piezoelektrischen Platte aus. Demgemäß ist der Massenrestabschnitt 703 der Platte sehr stark gepolt und elektromechanisch aktiv.

In den Rillen wird ein konformes Material angeordnet. Wie es hierin im vorhergehenden erörtert wurde, ist das konforme Material bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Gas, wie z.B. Luft. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das konf orme Material ein konformer Festkörper mit niedriger Dichte, wie z.B. Polyethylen. Leitungszuführungen 708 sind mit den Metallf ilmen, wie es in Fig. 7D gezeigt ist, unter Verwendung einer Drahtverbindungstechnik elektrisch gekoppelt. Alternativ können die Leitungszuführungen durch eine sehr dünne Epoxidschicht oder durch ein Verlöten mit den Metallfilmen elektrisch gekoppelt werden. Ein akustisch dämpfender Trägerkörper 704, der aus einem auf Epoxidharz basierenden Grundmaterial hergestellt ist, wird auf die Rückseite der Platte gegossen, um die Platte, wie es in Fig. 7D gezeigt ist, zu tragen. Die Zerteilvorrichtung schneidet an regelmäßig beabstandeten Positionen vollständig durch die piezoelektrische Platte, um einzelne piezoelektrische Elemente des Arrays 710 zu trennen. Eine akustische Linse, die in der Explosionsansicht in Fig. 7D gezeigt ist, wird aus einem geeigneten Harz auf die Vorderseite der piezoelektrischen Elemente gegossen.

Die träge piezoelektrische Schicht, die eine akustische Impedanzanpassung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung liefert, liefert ferner bei hohen akustischen Frequenzen ein gesteigertes Betriebsverhalten, da die Schicht einstückig mit dem piezoelektrischen Element ausgeführt ist. Bei früher bekannten Ultraschallwandlern wurde eine unterschiedliche Impedanzanpassungsschicht getrennt von dem piezoelektrischen Element hergestellt, und dann unter Verwendung einer typischen 2-µm-dicken Schicht eines Klebstoffes mit den Wandlern verbunden, woraus sich Einschränkungen im Verhalten ergaben, wie es hierin im vorhergehenden erörtert wurde. Ein Maß für das gesteigerte Betriebsverhalten ist eine reduzierte Abklingzeit der Impulsantwort der piezoelektrischen Elemente der Sonde. Eine derartige Impulsantwort kann unter Verwendung eines digitalen Computers und des KLM-Modells simuliert werden, wie es im vorhergehenden hierin erörtert wurde.

Fig. 8 ist ein Diagramm einer simulierten Impulsantwort des piezoelektrischen Elements, das demjenigen ähnlich ist, das in Fig. 5 gezeigt ist, wobei dasselbe jedoch eine Resonanzfrequenz von 20 MHz aufweist und in Wasser abstrahlt. Gemäß dem Impulsantwortdiagramm, das in Fig. 8 gezeigt ist, sagt eine Simulation eine reduzierte -6-dB-Abklingzeit von 0,201 µs, eine reduzierte -20-dB-Abklingzeit von 0,383 µs und eine reduzierte -40-dB-Abklingzeit von 0,734 µs voraus. Im Gegensatz dazu zeigt die Impulsantwort des früher bekannten Wandlers, der in Fig. 2 gezeigt ist und vorher hierin erörtert wurde, eine verlängerte Abklingzeit.

Durch Auswählen der Anordnung und der Abmessungen der Rillen, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements angeordnet sind, sind die gewünschten akustischen Eigenschaften der piezoelektrischen Keramikschicht darauf zugeschnitten, um den verschiedenen akustischen Frequenzantwortanforderungen zu genügen. Bei einigen alternativen Ausführungsbeispielen umfassen die Rillen in jedem piezoelektrischen Element eine Mehrzahl von Rillensätzen zum Versehen der piezoelektrischen Elemente mit einer gesteigerten, akustischen Impulsfrequenzantwort. Jeder Satz von Rillen umfaßt Glieder mit einer jeweiligen Rillentiefe, die auf eine jeweilige Wellenlänge der akustischen Signale bezogen ist. Derartige alternative Ausführungsbeispiele werden auf eine ähnliche Art und Weise hergestellt, wie es im vorhergehenden bezugnehmend auf die Fig. 7A bis D erörtert wurde.

Ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel der trägen piezoelektrischen Schicht der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise in Fig. 9 dargestellt. Wie in Fig. 7B, die vorher erörtert wurde, zeigt Fig. 9 eine Platte eines piezoelektrischen Materials mit einer trägen piezoelektrischen Schicht 902, die einstückig mit der Platte ausgeführt ist, Rillen, die sich durch die Schicht erstrecken, und einen Massenrestabschnitt 903 der Platte. Im Gegensatz zu Fig. 7B, die vorher erörtert wurde, umfassen die Rillen von Fig. 9 einen ersten Satz von Rillen 905, eine zweiten Satz von Rillen 906 und einen dritten Satz von Rillen 907, die aneinandergrenzend angeordnet sind. Wie es gezeigt ist, sind die Rillen in die Platte geschnitten, derart, daß die Rillen einen Abstand P und eine Breite W aufweisen. Jedes Glied des ersten Rillensatzes ist mit einer jeweiligen Tiefe D, welche ungefähr ein ganzzahliges Vielfaches eines Viertels einer ersten Wellenlänge der akustischen Signale ist, in die Rückseite des piezoelektrischen Elements geschnitten. Gleichermaßen weist jedes Glied des zweiten Rillensatzes eine jeweilige Tiefenabmessung D' auf, welche ungefähr ein ganzzahliges Vielfaches eines Viertels einer zweiten Wellenlänge der akustischen Signale ist. Jedes Glied eines dritten Rillensatzes weist eine jeweilige Tiefenabmessung D'' auf, welche ungefähr ein ganzzahliges Vielfaches eines Viertels einer dritten Wellenlänge der akustischen Signale ist. Jeweilige Glieder des ersten, zweiten und dritten Satzes von Rillen sind in einem "Treppenstufen"-Muster angeordnet, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. In jeden Satz von Rillen kann ein einziges konformes Material angeordnet werden. Alternativ kann ein unterschiedliches konformes Material in jedem Satz von Rillen angeordnet werden, um die gewünschte Frequenzantwort zu erreichen. Ein Sputter-, ein Polungs-, und ein Zerteilverfahren werden dann auf eine ähnliche Art und Weise durchgeführt, wie es im vorhergehenden hinsichtlich den Fig. 7C und 7D erörtert wurde, um das alternative Ausführungsbeispiel der Ultraschallsonde, die eine gesteigerte Frequenzantwort aufweist, zu vervollständigen.

Bei weiteren alternativen Ausführungsbeispielen ist anstelle des abrupten "Treppenstufen"-Musters ein geglättetes Rillenprofil geätzt, um abhängig von den Entwurfsanforderungen die piezoelektrischen Elemente mit einem gesteigerten akustischen Verhalten, wie z.B. mit einer breiten Frequenzantwort, oder mit einer verbesserten akustischen Empfindlichkeit zu schaffen. Derartige alternative Ausführungsbeispiele weisen beispielsweise Rillen auf, wobei jede Rille ein geglättetes "V"-Profil aufweist und sich in die Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements erstreckt. Derartige alternative Ausführungsbeispiele sind auf eine ähnliche Art und Weise hergestellt, wie es im vorhergehenden hinsichtlich den Fig. 7A bis D erörtert wurde. Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der trägen piezoelektrischen Schicht der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise in Fig. 10 dargestellt. Wie es im vorhergehenden in Fig. 7B erörtert wurde, zeigt Fig. 10 eine Platte eines piezoelektrischen Materials mit einer trägen piezoelektrischen Schicht 1002, die einstückig mit der Platte ausgeführt ist, Rillen, die sich durch die Schicht erstrecken und einen Massenrestabschnitt 1003 der Platte. Im Gegensatz zu Fig. 7B, die vorher erörtert wurde, weisen die Rillen von Fig. 10 Rillen 1005 mit dem geglätteten "V"-Profil auf. Wie es gezeigt ist, sind die Rillen in die Platte geätzt, derart, daß die Rillen einen Abstand P, eine Breite W und eine Tiefe D aufweisen.

Weitere Ausführungsbeispiele liefern alternative Rillenanordnungen auf der jeweiligen Rückseite jedes piezoelektrischen Elements. Im Gegensatz zu dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das detailliert in Fig. 5A gezeigt ist, bei dem die Rillen, die auf jedem piezoelektrischen Element angeordnet sind, im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, ist beispielsweise in Fig. 11 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel detailliert gezeigt, bei dem jedes piezoelektrische Element 1101 eine jeweilige träge piezoelektrische Schicht 1102 mit einem ersten und einem zweiten Satz von Rillen 1105, 1106 aufweist, die im wesentlichen senkrecht zueinander auf der jeweiligen Rückseite jedes Elements angeordnet sind. Ein Metallfilm ist auf die Rückseite jedes Elements gesputtert, um eine jeweilige hintere Elektrode 1107 zu schaffen, die sich in die Rillen erstreckt und dieselben kontaktiert. Demgemäß bedeckt der Metallfilm die Rillen. Luft wird als ein konformes Material verwendet, das in den Rillen angeordnet ist. Wegen der Anordnung der Rillen, die in Fig. 11 gezeigt ist, weist die Schicht eine 1-3-Verbindbarkeit auf. Wie es im vorhergehenden erörtert wurde, werden die Rillen unter Verwendung einer Zerteilvorrichtung in die piezoelektrischen Elemente geschnitten, um eine Tiefe D, eine Breite W und einen Abstand P aufzuweisen. Alternativ werden die Rillen unter Verwendung einer Photolithographie und chemischer Ätzflüssigkeiten selektiv in die Elemente geätzt, oder dieselben werden unter Verwendung eines Lasers ablatiert.

Eine weitere alternative Rillenanordnung auf der jeweiligen Rückseite jedes piezoelektrischen Elements ist detailliert in Fig. 12 gezeigt, bei dem jedes piezoelektrische Element 1201 eine jeweilige trage piezoelektrische Schicht 1202 mit speziell profilierten Rillen 1205 aufweist, die in die Schicht geätzt sind. Die speziell profilierten Rillen liefern rautenförmig geformte Keramikrestabschnitte der piezoelektrischen Schicht. Eine jeweilige Rückelektrode 1207, die sich in die Rillen erstreckt und dieselben kontaktiert, wird durch Sputtern als ein Metallfilm abgeschieden. Der Metallfilm bedeckt die Rillen der Schicht. Bei einer noch detaillierteren Wegschnitt-Ansicht 12A ist der Metallfilm der Elektrode weggeschnitten, um das schwach gepolte piezoelektrische Keramikmaterial der trägen piezoelektrischen Schicht zu zeigen. Luft, die als konformes Material verwendet wird, ist in den Rillen angeordnet. Wegen den speziell profilierten Rillen, die in Fig. 12 gezeigt sind, weist die piezoelektrische Schicht eine 1-1-Verbindbarkeit auf.

Eine stark vereinfachte Querschnittsansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 13 gezeigt. Wie es in Fig. 13 gezeigt ist, ist ein piezoelektrisches Element 1301, das eine einstückig ausgeführte, träge, piezoelektrische Schicht 1302 mit Rillen 1305 aufweist, im wesentlichen demjenigen ähnlich, das in Fig. 5 gezeigt ist. Das alternative Ausführungsbeispiel, das in Fig. 13 gezeigt ist, weist jedoch anstelle von Luft Polyethylen als konformes Material auf, das in den Rillen angeordnet ist, wie es vorher hierin hinsichtlich Fig. 5 erörtert wurde. Zusätzlich weist das alternative Ausführungsbeispiel eine zweite Impedanzanpassungsschicht 1306 auf, die mit der trägen piezoelektrischen Schicht verbunden ist, wobei die zweite Schicht eine Dicke X und eine akustische Impedanz aufweist, die ausgewählt sind, um eine Impedanzanpassung zwischen der akustischen Massenimpedanz des piezoelektrischen Elements 1301 und der akustischen Impedanz eines akustisch dämpfenden Trägerkörpers 1304 weiter zu verbessern.

Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, ist die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen von Teilen, die derart beschrieben und dargestellt wurden, begrenzt, wobei verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche kann die Erfindung daher anders, als es spezifisch beschrieben und dargestellt ist, ausgeführt werden.


Anspruch[de]

1. Eine Ultraschallsonde mit folgenden Merkmalen:

einem akustisch dämpfenden Trägerkörper (504) mit einer akustischen Impedanz;

einem Körper (501) aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial mit einem piezoelektrischen Keramikschichtabschnitt (502), der an einen Massenrestabschnitt (503) des piezoelektrischen Keramikmaterials angrenzt, wobei sowohl die Schicht (502) als auch der Rest (503) eine jeweilige akustische Impedanz aufweisen; und

einer Mehrzahl von Rillen (505; 905; 1005; 1105; 1205; 1305), die Abmessungen aufweisen, die zum Steuern der akustischen Impedanz der Schicht (502) ausgewählt sind, um die akustische Impedanz des Restes (503) an die akustische Impedanz des akustisch dämpfenden Trägerkörpers (504) anzupassen, wobei die Rillen auf einer Oberfläche des Keramikkörpers (501) angeordnet und ausreichend flach sind, um sich lediglich durch den Schichtabschnitt (502) des Keramikkörpers (501) zu erstrecken.

2. Eine Ultraschallsonde gemäß Anspruch 1, bei der die Rillen (503) jeweils eine jeweilige Tiefenabmessung aufweisen, die sich in die piezoelektrische Keramikschicht (502) erstreckt, wobei die jeweilige Tiefenabmessung ungefähr gleich einem Viertel einer Wellenlänge der akustischen Signale ist.

3. Eine Ultraschallsonde gemäß Anspruch 1, bei der

der piezoelektrische Keramikkörper (501) eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, wobei die piezoelektrische Keramikschicht (502) einstückig mit der Vorderseite ausgeführt ist; und

die Sonde ferner ein Elektrodenpaar (506, 507) aufweist, das elektrisch mit dem piezoelektrischen Keramikkörper gekoppelt ist, wobei das Elektrodenpaar eine Rückelektrode (506), die mit der Rückseite des piezoelektrischen Keramikkörpers elektrisch verbunden ist, und eine Vorderelektrode (507) aufweist, die mit der Vorderseite des piezoelektrischen Keramikkörpers elektrisch gekoppelt ist.

4. Eine Ultraschallsonde gemäß Anspruch 3, bei der sich die Vorderelektrode (507) in die Rillen (505; 905; 1005; 1105; 1205; 1305) erstreckt und dieselben kontaktiert.

5. Eine Ultraschallsonde gemäß Anspruch 3, bei der eine dielektrische Konstante, die zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar (506, 507) meßbar ist, im wesentlichen die gleiche wie diejenige ist, welche dem piezoelektrischen Keramikmaterial des Körpers (501) zu eigen ist.

6. Eine Ultraschallsonde gemäß Anspruch 1, bei der die piezoelektrische Keramikschicht (502) bezüglich des Massenrests (503) des piezoelektrischen Keramikmaterials schwach gepolt ist.

7. Eine Ultraschallsonde gemäß Anspruch 6, bei der

der Massenrest (503) des piezoelektrischen Keramikmaterials ausreichend gepolt ist, um im wesentlichen elektromechanisch aktiv zu sein; und

die schwach gepolte piezoelektrische Keramikschicht (502) im wesentlichen elektromechanisch träge ist.

8. Eine Sonde gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von Rillen (505; 905; 1005; 1105; 1205; 1305) eine Rillenanzahl innerhalb eines Bereichs von ungefähr 50 bis 200 Rillen aufweist.

9. Eine Sonde gemäß Anspruch 8, bei der die Anzahl der Rillen (505; 905; 1005; 1105; 1205; 1305) ungefähr 100 Rillen beträgt.

10. Eine Sonde gemäß Anspruch 1, die ferner ein Array von piezoelektrischen Elementen (500) aufweist, wobei jedes Element folgende Merkmale aufweist:

einen jeweiligen Körper (501) des piezoelektrischen Keramikmaterials mit einen jeweiligen piezoelektrischen Keramikschichtabschnitt (502), der an einen jeweiligen Massenrestabschnitt (503) des piezoelektrischen Keramikmaterials angrenzt; und

Rillen, die sich durch die jeweilige Schicht zum Steuern der akustischen Impedanz der jeweiligen Schicht erstrecken.







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