DE3149732C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallwandler­ anordnung mit mehreren Wandlerelementen und einem flachen Grundkörper, dem an seinen beiden Flachseiten Elektroden zugeordnet sind, zur Aufnahme von Ultra­ schallschwingungen aus einem schalltragenden Medium.

In der medizinischen Diagnostik und der zerstörungs­ freien Werkstoffprüfung mit Ultraschall werden bekannt­ lich Arrays als Ultraschallsensoren eingesetzt, die aus einer linearen oder flächenhaften Anordnung von mehreren piezoelektrischen Wandlerelementen bestehen. Die von den einzelnen Ultraschallwandlern empfangenen Ultraschall­ echosignale des zu untersuchenden Körpers werden zu einem deutbaren Bild zusammengefaßt, beispielsweise im Fall der sogenannten B-Scan-Darstellung. Um ein klares Bild zu erhalten, muß das Array Wandlerelemente mit hoher Empfindlichkeit für Ultraschallwellen enthalten und die Empfindlichkeit muß über die gesamte Fläche homogen sein. Außerdem ist eine hohe Bandbreite erforderlich, die direkt in die Auflösung und die Qualität des dargestellten Bildes eingeht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallempfangsarray für die medizinische Diagnostik und zerstörungsfreie Werkstoffprüfung in kompakter Bauweise anzugeben, dessen einzelne Wandlerelemente sich gegenseitig nicht wesentlich störend beeinflussen. Sie sollen im Dickenmode schwingen und ihre Strahl­ charakteristik soll im wesentlichen frei von Nebenkeulen sein.

Ultraschallwandlerarrays werden im allgemeinen aus spröden, harten Werkstoffen, beispielsweise aus Piezo­ keramik, hergestellt. Um ein Schwingen bevorzugt in der Dickenresonanz zu erhalten, wird die Wandleran­ ordnung durch sogenannte Feinteilung in einzelne Wand­ lerelemente aufgetrennt, beispielsweise zersägt, deren Breite nur etwa 100 µm und weniger betragen kann. Diese streifenförmigen Wandlerelemente müssen einzeln kontaktiert werden. Ein hoher Impedanzunterschied zu einem Last- oder Ankoppelmedium wird im allgemeinen durch eine λ/4-Anpassungsschicht an der Vorderseite der Wandleranordnung überwunden. Das Material für diese Anpassungsschicht ist in der Zusammensetzung ein spezieller Stoff mit eng begrenzter Dickentoleranz. Um Reflexionen des Ultraschalls an der Rückseite der Wandleranordnung zu vermeiden, ist ein Dämpfungskörper, ein sogenanntes Backing, vorgesehen, der aus einem besonderen Materialgemisch, beispielsweise einem Kleber mit feinem, hartem Zuschlag, besteht. Dieses Gemisch ist notwendig, um sowohl gute Anpassung an die Piezokeramik als auch eine hohe Dämpfung zu gewährleisten. Nur durch die gemeinsame Wirkung der Anpassungsschicht in Verbin­ dung mit dem Dämpfungskörper wird bei einem Array aus Piezokeramik die erwünschte Bandbreite und damit die geforderte axiale Auflösung, beispielsweise bei einem B-Scan-Bild, erreicht. Die Homogenität der Empfindlich­ keit des Arrays über die gesamte Fläche bei einem Array mit einer größeren Anzahl von Wandlerelementen, bei­ spielsweise mehr als 50 Wandlerelementen, läßt sich nur schwer erreichen (DE-OS 29 01 231).

Es ist ferner bekannt, daß eine piezoelektrische Folie aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Detektor für Ultra­ schallschwingungen verwendet werden kann ("Ultrasonics", Jan. 1976, Seiten 15 bis 23).

Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den Gestaltungsmerkmalen nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Der als Grundkörper dienenden Folie aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ein Muster von metalli­ sierten Flächen zugeordnet, die jeweils als Elektrode für eines der Wandlerelemente dienen. Dieses Muster von metallisierten Flächen kann vorzugsweise auf dem mechanischen Träger befestigt werden. Das empfangene Signal wird dann kapazitiv angekoppelt. Die gegenüber­ liegende Flachseite des Grundkörpers kann zweckmäßig mit einer gemeinsamen durchgehenden Elektrode versehen werden, die auf Nullpotential gelegt werden kann. Die Wandlerelemente werden lediglich durch das zugeordnete metallische Muster der Elektroden gebildet und die Folie ist auch nur in diesen Bereichen polarisiert. Durch die hohe Bedämpfung des Materials der Folie wird ein Übersprechen zwischen benachbarten Wandlerelementen innerhalb dieser monolithischen Wandleranordnung weit­ gehend ausgeschlossen. Durch die Flexibilität des Grundkörpers mit der monolithischen Anordnung der Wandlerelemente und den Elektroden erhält man eine Baueinheit, die in einfacher Weise einer gewünschten Form des Trägers und damit einer beliebigen Oberflächen­ form des zu untersuchenden Mediums, beispielsweise Teilen des menschlichen Körpers wie der menschlichen Brust, angepaßt werden kann.

Das metallische Muster einschließlich seiner metalli­ schen Anschlußleiter kann aber auch auf eine Flachseite der piezoelektrischen Folie direkt aufgebracht werden. Die mit den als Elektrode dienenden metallischen Ober­ flächenbereichen versehene Folie wird dann auf den Träger aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt oder auf­ gekittet.

In einer besonderen Ausführungsform der Ultraschall­ wandleranordnung kann ein Träger aus einem Material mit wesentlich höherer Schallimpedanz als der Grundkörper vorgesehen sein. Ferner kann ein Träger aus einem Material mit wenigstens annähernd der gleichen Schall­ impedanz wie das zu untersuchende Medium verwendet werden. Für eine Verwendung der Ultraschallwandleran­ ordnung als Hydrophon kann als Träger vorzugsweise aus vulkanisierbarem, ungesättigtem Äthylen-Propylen- Kautschuk bestehen, der Diene enthält und unter der Bezeichnung EPDM-Gummi bekannt ist. Mit dieser Ausfüh­ rungsform erhält man eine flexible Wandleranordnung.

Durch das Polyvinylidenfluorid (PVDF) des Grundkörpers und die damit verbundene gute Anpassung an ein schall­ tragendes Medium, beispielsweise Wasser, ist das breit­ bandige Verhalten der Ultraschallwandleranordnung gesichert. Bei einem Grundkörper von genügend homogener Dicke ist auch die Empfindlichkeit über die Fläche der Anordnung homogen. Das mechanische Überkoppeln der Ultraschallwandler untereinander ist bei diesem mono­ lithischen Aufbau, bei dem die Wandlerelemente innerhalb der Folie durch die polarisierten Bereiche unter den Metallisierungen gebildet werden, nur gering.

Das Überkoppeln bei einer Ultraschallwandleranordnung mit einem Träger, dessen Schallimpedanz wesentlich größer ist als die Schallimpdeanz des Grundkörpers, dem sogenannten Hard-Backing, läßt sich weiter vermindern, wenn das Backing, nämlich der Träger, bis zu einer Tiefe von etwa der Wellenlänge λ zwischen den Ultraschall­ wandlern eingesägt wird. Die Strahlcharakteristik entspricht etwa der theoretischen Charakteristik eines der Wandlerelemente und ist im wesentlichen frei von Nebenkeulen. Eine gute Empfangsempfindlichkeit erhält man mit einem Träger beispielsweise aus Keramik und eine hohe Echofreiheit mit einem weichen Backing, beispielsweise einem massiven Körper aus einem Poly­ vinylidenfluorid.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 und 2 jeweils eine Ausführungsform einer Ultraschallwandler­ anordnung nach der Erfindung schematisch veranschau­ licht sind.

In der Ausführungsform einer Ultraschallwandleranord­ nung nach Fig. 1 sind ein flacher Grundkörper mit 2, mehrere Elektroden mit 4 bis 8 sowie eine an der oberen Flachseite des Grundkörpers 2 angeordnete gemeinsame Elektrode mit 9 und ein Trägerkörper mit 10 bezeichnet. Der Grundkörper 2 besteht aus einer piezo­ elektrischen Folie, vorzugsweise aus Polyvinyliden­ fluorid (PVDF) und ist nur in den Bereichen in Richtung seiner Dicke polarisiert, die jeweils zwischen einer der Elektroden 4 bis 8 und der gemeinsamen Elektrode 9 liegen. Diese Bereiche bilden somit jeweils ein Wandler­ element, die in der Figur gestrichelt angedeutet und mit 14 bis 18 bezeichnet sind. Die Elektroden 4 bis 8 sind jeweils mit einem elektrischen Anschlußleiter versehen, die in der Figur mit 24 bis 28 bezeichnet sind. Im Bereich dieser Anschlußleiter 24 bis 28 ist der Grundkörper 2 nicht polarisiert, so daß diese Bereiche elektroakustisch unwirksam sind.

Die Elektroden 4 bis 8 bestehen aus elektrisch leiten­ dem Material, beispielsweise Silber, das auf den Träger­ körper 10 aufgebracht, beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert ist. Diese Elektroden 4 bis 8 können beispielsweise aus einer aufgebrachten Metallschicht herausgeätzt sein. Ferner kann eine Dampfmaske ver­ wendet werden, mit deren Hilfe nur die Oberflächen­ bereiche der Elektroden 4 bis 8 mit der Metallauflage versehen werden. Zweckmäßig können mit den Elektroden 4 bis 8 zugleich auch die elektrischen Anschluß­ leiter 24 bis 28 aufgebracht werden, an denen jeweils eine Steuerleitung angeschlossen, beispielsweise ange­ lötet, werden kann.

Der mechanische Träger 10, das sogenannte Backing, kann vorzugsweise aus einem Material mit hoher akusti­ scher Impedanz bestehen. Zu dieser Ausführungsform als sogenanntes Hard-Backing ist beispielsweise Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid Al₂O₃, geeignet, dessen Schallimpedanz 40 · 10⁶ Pa · s/m beträgt. Ferner ist auch Quarz mit einer Schallimpedanz von 14 · 10⁶ Pa · s/m geeignet. Diese Baueinheit aus Träger und Elektroden wird dann mit Hilfe einer in der Figur nicht darge­ stellten dünnen Kleber- oder Kittschicht am Grund­ körper 2 befestigt. Diese Klebeschicht besteht aus elektrisch isolierendem Material und das empfangene Signal wird im Frequenzbereich von etwa 1 bis 10 MHz von den Wandlerelementen 14 bis 18 auf die Elektroden 4 bis 8 kapazitiv übergekoppelt.

In der Ausführungsform der Ultraschallwandleranordnung nach Fig. 2 sind die Elektroden 4 bis 8 mit ihren in der Figur nicht näher bezeichneten Anschlußleitern an der unteren Flachseite des Grundkörpers 2 angebracht. Die gemeinsame Elektrode 9 an der oberen Flachseite des Grundkörpers 2 wird im allgemeinen auf Nullpotential gelegt. In dieser Ausführungsform wird die den Grund­ körper 2 bildende und mit ihren Elektroden 4 bis 9 versehene PVDF-Folie mit Hilfe einer in der Figur nicht dargestellten Klebe- oder Kittschicht auf dem Träger 10 befestigt. In dieser Ausführungsform liegt die Klebe­ schicht zwischen den Elektroden 4 bis 8 und dem Träger 10. In der Ausführungsform als Hydrophon zur Aufnahme von Ultraschallschwingungen aus einem Ankopplungsmedium, beispielsweise Wasser, kann der Trägerkörper 10 vorzugsweise aus einem vulkanisier­ baren, ungesättigten Äthylen-Propylen-Kautschuk bestehen, der Diene enthält und unter der Bezeichnung EPDM-Gummi bekannt ist.

Das mechanische Überkoppeln der Wandlerelemente 14 bis 18 ist bei diesem monolithischen Aufbau nur gering. In der Ausführungsform eines Hard-Backings läßt sich das Überkoppeln weiter vermindern, wenn man den Träger 10 zwischen den einzelnen Wandlerelementen 14 bis 18 einsägt, vorzugsweise bis zu einer Tiefe der Wellen­ länge λ.

Claims (6)

1. Ultraschallwandleranordnung mit mehreren Wandler­ elementen (14 bis 18) und einem flachen Grundkörper (2), dem an seinen beiden Flachseiten Elektroden (4 bis 8 und 9) zugeordnet sind, zur Aufnahme von Ultraschall­ schwingungen aus einem schalltragenden Medium, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Grund­ körper (2) vorgesehen ist, an deren einer Flach­ seite in vorbestimmten Bereichen, die jeweils eines der Wandlerelemente (14 bis 18) bilden, jeweils eine Elektrode (4 bis 8) aus elektrisch leitendem Material anliegt und die in diesen Bereichen in Richtung ihrer Dicke polarisiert ist und auf einem mechanischen Träger (10) angeordnet ist.

2. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4 bis 8) auf dem Grundkörper (2) befestigt sind.

3. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4 bis 8) am Träger (10) befestigt sind.

4. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger (10) aus einem Material mit wesentlich höherer Schallimpedanz als der Grundkörper (2) vorge­ sehen ist.

5. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (10) aus einem Material mit wenigstens annähernd der gleichen Schallimpedanz wie das schalltragende Medium besteht.

6. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 5 zur Verwendung als Hydrophon, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger (10) aus EPDM-Gummi besteht.