ES3055143T3

ES3055143T3 - Ultrasonic transducers, backing structures and related methods

Info

Publication number: ES3055143T3
Application number: ES20889452T
Authority: ES
Inventors: Nicholas Chris Chaggares; Varak Kalian; Eric Rieder
Original assignee: Resonant Acoustics Int Inc; Resonant Acoustics International Inc
Current assignee: Resonant Acoustics Int Inc; Resonant Acoustics International Inc
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2026-02-10
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: WO2021097561A1; CN115038938A; AU2020387737A1; US20240017294A1; EP4062128A1; CA3158819A1; JP2026004367A; EP4660590A2; FI4062128T3; TW202138762A; EP4062128A4; JP7748941B2; JP2023502230A; EP4062128B1

Abstract

Se proporciona un transductor ultrasónico con una sección de contacto con la muestra y una sección posterior, opuesta a la sección de contacto con la muestra. El transductor incluye un material piezoeléctrico configurado para comunicarse acústicamente con la muestra y una estructura de soporte en comunicación acústica con dicho material. La estructura de soporte está configurada para reflejar la energía acústica hacia la sección de contacto con la muestra y alejarla de la sección posterior del transductor ultrasónico. La estructura de soporte incluye una capa de baja impedancia acústica y una capa de alta impedancia acústica. El transductor también puede incluir un segundo soporte de desacoplamiento de doble capa. Este segundo soporte de desacoplamiento de doble capa incluye una segunda capa de baja impedancia acústica y una segunda capa de alta impedancia acústica. También se proporcionan transductores ultrasónicos que incluyen una matriz piezoeléctrica unidimensional o bidimensional, y una estructura de soporte configurada para reflejar la energía acústica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Transductores ultrasónicos, estructuras de respaldo y métodos relacionados

[0003] Campo técnico

[0004] El campo técnico generalmente se refiere al campo de la energía acústica y más particularmente se refiere a un transductor ultrasónico, dispositivos, aparatos, métodos y técnicas relacionados.

[0005] Antecedentes

[0006] Los transductores acústicos piezoeléctricos se usan ampliamente en muchas industrias y para una amplia variedad de aplicaciones. Por ejemplo, los transductores ultrasónicos piezoeléctricos pueden emplearse en aplicaciones médicas, por ejemplo, aplicaciones de diagnóstico por imágenes y/o terapéuticas. Otras aplicaciones incluyen, entre otras, la soldadura y el mecanizado ultrasónicos no destructivos. Los transductores ultrasónicos piezoeléctricos cambian la energía eléctrica en energía mecánica y convierten recíprocamente las ondas acústicas en señal(es) eléctrica(s).

[0007] Por ejemplo, el documento EP0727259 se refiere a transductores acústicos que comprenden medios generadores de pulsos acústicos para producir pulsos de energía acústica y que tienen una cara de aplicación frontal y una cara trasera, medios absorbentes acústicos acoplados a dicha cara trasera, medios aislantes acústicos que incluyen una primera subcapa de material que exhibe un primer valor de impedancia acústica y una segunda subcapa de material que exhibe un segundo valor de impedancia acústica que es sustancialmente diferente de dicho primer valor de impedancia acústica. Este documento también trata sobre un método para reducir las reflexiones de una estructura de soporte trasera en un transductor acústico.

[0008] Todavía existe la necesidad de técnicas, aparatos, dispositivos y métodos que alivien o mitiguen los problemas de la técnica anterior.

[0009] Resumen

[0010] De acuerdo con un aspecto que no se reivindica, se proporciona un transductor ultrasónico, que incluye:

[0011] un material piezoeléctrico que tiene una superficie delantera y una superficie trasera, el material piezoeléctrico se configura para estar en comunicación acústica con una muestra;

[0012] una estructura de respaldo colocada en la superficie trasera del material piezoeléctrico y configurada para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera del material piezoeléctrico, la estructura de respaldo es térmicamente conductora y eléctricamente conductora, la estructura de respaldo incluye:

[0013] un primer respaldo de desajuste de doble capa, el primer respaldo de desajuste de doble capa que incluye: una primera capa de grafito; y

[0014] una capa hecha de tungsteno en contacto con la primera capa de grafito;

[0015] un segundo respaldo de desajuste de doble capa que contacta con el primer respaldo de desajuste de doble capa, el segundo respaldo de desajuste de doble capa que incluye:

[0016] una segunda capa de grafito; y

[0017] una capa de cobre en contacto con la segunda capa de grafito;

[0018] un disipador de calor en contacto térmico con la estructura de respaldo; y

[0019] uno o más electrodos en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico.

[0020] En algunas modalidades, el disipador de calor incluye al menos un canal, el canal que se configura para recibir y hacer circular un fluido de transferencia de calor en el mismo.

[0021] En algunas modalidades, el fluido de transferencia de calor es un líquido.

[0022] En algunas modalidades, el disipador de calor se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo.

[0023] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico es operable a una frecuencia operativa, la frecuencia operativa está relacionada con una longitud de onda operativa (λ<o>); y la capa de grafito, la capa hecha de tungsteno en contacto con la primera capa de grafito, la segunda capa de grafito y la capa de cobre tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λo/4 de grosor o múltiplos impares de λ<o>/4.

[0024] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico se configura para que sea resonante a media onda a la frecuencia operativa.

[0025] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una única capa de desajuste posicionada entre el material piezoeléctrico y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que está en comunicación acústica con el material piezoeléctrico y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica del material piezoeléctrico, en donde el material piezoeléctrico se configura para que sea resonante de cuarto de onda a la frecuencia operativa.

[0026] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico tiene una frecuencia resonante, la frecuencia resonante está relacionada con una longitud de onda resonante λ<r>, la única capa de desajuste que tiene un grosor de menos de 2λ<r>/5 del grosor con respecto a la frecuencia resonante del material piezoeléctrico.

[0027] En algunas modalidades, la única capa de desajuste tiene un grosor que varía entre aproximadamente λ<r>/10 y aproximadamente λ<r>/20.

[0028] En algunas modalidades, la única capa de desajuste está hecha de tungsteno.

[0029] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico tiene propiedades acústicas que incluyen una impedancia acústica de aproximadamente 27,5 MegaRayls (aquí y en lo siguiente: 1 Rayl = 1 kg/(s · m<2>).

[0030] En algunas modalidades, la primera capa de grafito tiene una impedancia acústica de aproximadamente 5,1 MegaRayls.

[0031] En algunas modalidades, la primera capa de grafito tiene un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 1,5 mm a aproximadamente 1,6 mm.

[0032] En algunas modalidades, la capa de tungsteno tiene una impedancia acústica de aproximadamente 100 MegaRayls. En algunas modalidades, la capa de tungsteno tiene un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 2,6 mm a aproximadamente 2,7 mm.

[0033] En algunas modalidades, la segunda capa de grafito tiene una impedancia acústica de aproximadamente 5,1 MegaRayls.

[0034] En algunas modalidades, la segunda capa de grafito tiene un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 1,5 mm a aproximadamente 1,6 mm.

[0035] En algunas modalidades, la capa de cobre tiene una impedancia acústica de aproximadamente 41,5 MegaRayls. En algunas modalidades, la capa de cobre tiene un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 2,5 mm a aproximadamente 2,6 mm.

[0036] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico es un disco piezoeléctrico compuesto polarizado.

[0037] En algunas modalidades, el disco piezoeléctrico compuesto polarizado está en una configuración 1-3.

[0038] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico es un compuesto de PZT4, el material piezoeléctrico incluye pilares de 1000 um por 1000 um separados por ranuras de 200 um, las ranuras se realizan con un paso de aproximadamente 1200 um.

[0039] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico tiene un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 2,35 mm a aproximadamente 2,45 mm.

[0040] En algunas modalidades, las ranuras se rellenan con un relleno compuesto, el relleno compuesto incluye partículas de hafnio dopado en epoxi.

[0041] En algunas modalidades, el relleno compuesto está en una configuración de 0-3.

[0042] En algunas modalidades, el epoxi es Epo-Tek<®>301.

[0043] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico consiste en una capa piezoeléctrica.

[0044] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una estructura térmicamente conductora en contacto con la estructura de respaldo.

[0045] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora es una capa hecha de AlN o una capa hecha de óxido de berilio.

[0046] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se extiende en porciones laterales de la estructura de respaldo.

[0047] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora incluye al menos una vía eléctricamente conductora que pasa a través de la estructura térmicamente conductora.

[0048] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una unidad de control conectada eléctricamente a al menos uno del material piezoeléctrico, la estructura de respaldo y el uno o más electrodos.

[0049] En algunas modalidades, uno o más electrodos se conectan eléctricamente al material piezoeléctrico a través de la estructura de respaldo.

[0050] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una capa de desgaste que tiene propiedades de resistencia a la abrasión.

[0051] En algunas modalidades, la capa de desgaste está hecha de titanio.

[0052] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico tiene un diámetro de aproximadamente 50 mm.

[0053] En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para reflejar la energía acústica en fase. En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo.

[0054] De acuerdo con un aspecto de la invención reivindicada, se proporciona un transductor ultrasónico, que incluye: un material piezoeléctrico que tiene una superficie delantera y una superficie trasera, el material piezoeléctrico se configura para estar en comunicación acústica con una muestra; y

[0055] una estructura de respaldo colocada en la superficie trasera del material piezoeléctrico y configurada para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera del material piezoeléctrico, la estructura de respaldo incluye: un primer respaldo de desajuste de doble capa, el primer respaldo de desajuste de doble capa que incluye una primera capa de baja impedancia acústica y una primera capa de alta impedancia acústica; y

[0056] un segundo respaldo de desajuste de doble capa que contacta con el primer respaldo de desajuste de doble capa, el segundo respaldo de desajuste de doble capa que incluye una segunda capa de baja impedancia acústica y una segunda capa de alta impedancia acústica.

[0057] El transductor ultrasónico incluye al menos uno de un disipador de calor en contacto térmico con la estructura de respaldo o una capa térmicamente conductora acústicamente emparejada con el material piezoeléctrico.

[0058] El transductor ultrasónico incluye uno o más electrodos en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico, el uno o más electrodos se conectan eléctricamente al material piezoeléctrico a través de la estructura de respaldo. La estructura de respaldo es térmicamente conductora y eléctricamente conductora.

[0059] De acuerdo con la invención reivindicada, el primer respaldo de desajuste de doble capa comprende una primera capa de grafito como la primera capa de baja impedancia acústica; y una capa hecha de tungsteno como la primera capa de alta impedancia acústica, en contacto con la primera capa de grafito; y el segundo respaldo de desajuste de doble capa comprende una segunda capa de grafito como la segunda capa de baja impedancia acústica; y una capa de cobre como la segunda capa de alta impedancia acústica en contacto con la segunda capa de grafito.

[0060] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye un circuito eléctrico preensamblado, el circuito eléctrico preensamblado que está en comunicación eléctrica con una porción superior de la estructura de respaldo, de manera que está en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico.

[0061] En algunas modalidades, el circuito eléctrico preensamblado incluye al menos uno de: una placa de circuito impreso, un intercalador, un circuito integrado y un circuito integrado de aplicación específica.

[0062] En algunas modalidades, el disipador de calor incluye al menos un canal, el canal que se configura para recibir y hacer circular un fluido de transferencia de calor en el mismo.

[0063] En algunas modalidades, el fluido de transferencia de calor es un líquido.

[0064] En algunas modalidades, el disipador de calor se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo.

[0065] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico es operable a una frecuencia operativa, la frecuencia operativa está relacionada con una longitud de onda operativa (λ<o>); y la primera capa de baja impedancia acústica, la primera capa de alta impedancia acústica, la segunda capa de baja impedancia acústica y la segunda capa de alta impedancia acústica tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λo/4 de grosor o múltiplos impares de λ<o>/4. En algunas modalidades, el material piezoeléctrico se configura para que sea resonante a media onda a la frecuencia operativa.

[0066] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una única capa de desajuste posicionada entre el material piezoeléctrico y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que está en comunicación acústica con el material piezoeléctrico y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica del material piezoeléctrico, en donde el material piezoeléctrico se configura para que sea resonante de cuarto de onda a la frecuencia operativa.

[0067] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico tiene una frecuencia resonante, la frecuencia resonante está relacionada con una longitud de onda resonante λ<r>, la única capa de desajuste que tiene un grosor de menos de 2λ<r>/5 del grosor con respecto a la frecuencia resonante del material piezoeléctrico.

[0068] En algunas modalidades, la única capa de desajuste tiene un grosor que varía entre aproximadamente λ<r>/10 y aproximadamente λ<r>/20.

[0069] En algunas modalidades, la única capa de desajuste está hecha de tungsteno.

[0070] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico tiene propiedades acústicas que incluyen una impedancia acústica de aproximadamente 27,5 MegaRayls.

[0071] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico es un disco piezoeléctrico compuesto polarizado.

[0072] En algunas modalidades, el disco piezoeléctrico compuesto polarizado tiene un grosor de aproximadamente 2,4 mm. En algunas modalidades, el disco piezoeléctrico compuesto polarizado está en una configuración 1-3.

[0073] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico es un compuesto de PZT4, el material piezoeléctrico incluye pilares de 1000 um por 1000 um separados por ranuras de 200 um, las ranuras se realizan con un paso de aproximadamente 1200 um.

[0074] En algunas modalidades, las ranuras se rellenan con un relleno compuesto, el relleno compuesto incluye partículas de hafnio dopado en epoxi.

[0075] En algunas modalidades, el relleno compuesto está en una configuración de 0-3.

[0076] En algunas modalidades, el epoxi es Epo-Tek<®>301.

[0077] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico consiste en una capa piezoeléctrica.

[0078] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una estructura térmicamente conductora en contacto con la estructura de respaldo.

[0079] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora es una capa hecha de AlN o una capa hecha de óxido de berilio.

[0080] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se extiende en porciones laterales de la estructura de respaldo.

[0081] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora incluye al menos una vía eléctricamente conductora que pasa a través de la estructura térmicamente conductora.

[0082] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una unidad de control conectada eléctricamente a al menos uno del material piezoeléctrico y la estructura de respaldo.

[0083] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una capa de desgaste que tiene propiedades de resistencia a la abrasión.

[0084] En algunas modalidades, la capa de desgaste está hecha de titanio.

[0085] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico tiene un diámetro de aproximadamente 50 mm.

[0086] En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para reflejar la energía acústica en fase. En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo.

[0087] De acuerdo con un aspecto que no se reivindica, se proporciona un transductor ultrasónico que tiene una porción de contacto con la muestra y una porción trasera, la porción trasera que se opone a la porción de contacto con la muestra, que incluye:

[0088] un material piezoeléctrico configurado para estar en comunicación acústica con una muestra; y

[0089] una estructura de respaldo en comunicación acústica con el material piezoeléctrico, la estructura de respaldo se configura para reflejar la energía acústica hacia la porción de contacto con la muestra y lejos de la porción trasera del transductor ultrasónico, la estructura de respaldo incluye:

[0090] una capa de baja impedancia acústica; y

[0091] una capa de alta impedancia acústica.

[0092] En algunas modalidades, la capa de baja impedancia acústica y la capa de alta impedancia acústica forman un primer respaldo de desajuste de doble capa, y el transductor ultrasónico incluye un segundo respaldo de desajuste de doble capa, el segundo respaldo de desajuste de doble capa incluye una segunda capa de baja impedancia acústica y una segunda capa de alta impedancia acústica.

[0093] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye un disipador de calor en contacto térmico con la estructura de respaldo.

[0094] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye uno o más electrodos en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico.

[0095] En algunas modalidades, la estructura de respaldo es térmicamente conductora y eléctricamente conductora.

[0096] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye un circuito eléctrico preensamblado, el circuito eléctrico preensamblado que está en comunicación eléctrica con una porción superior de la estructura de respaldo, de manera que está en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico.

[0097] En algunas modalidades, el circuito eléctrico preensamblado incluye al menos uno de: una placa de circuito impreso, un intercalador, un circuito integrado y un circuito integrado de aplicación específica.

[0098] En algunas modalidades, el disipador de calor incluye al menos un canal, el canal que se configura para recibir y hacer circular un fluido de transferencia de calor en el mismo.

[0099] En algunas modalidades, el fluido de transferencia de calor es un líquido.

[0100] En algunas modalidades, el disipador de calor se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo.

[0101] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico es operable a una frecuencia operativa, la frecuencia operativa se relaciona con una longitud de onda operativa (λ<o>); y la capa de baja impedancia acústica, la capa de alta impedancia acústica, la segunda capa de baja impedancia acústica y la segunda capa de alta impedancia acústica tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λo/4 de grosor o múltiplos impares de λ<o>/4.

[0102] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico se configura para que sea resonante a media onda a la frecuencia operativa.

[0103] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una única capa de desajuste posicionada entre el material piezoeléctrico y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que está en comunicación acústica con el material piezoeléctrico y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica del material piezoeléctrico, en donde el material piezoeléctrico se configura para que sea resonante de cuarto de onda a la frecuencia operativa.

[0104] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico tiene una frecuencia resonante, la frecuencia resonante está relacionada con una longitud de onda resonante λ<r>, la única capa de desajuste que tiene un grosor de menos de 2λ<r>/5 del grosor con respecto a la frecuencia resonante del material piezoeléctrico.

[0105] En algunas modalidades, la única capa de desajuste tiene un grosor que varía entre aproximadamente λ<r>/10 y aproximadamente λ<r>/20.

[0106] En algunas modalidades, la única capa de desajuste está hecha de tungsteno.

[0107] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico tiene propiedades acústicas que incluyen una impedancia acústica de aproximadamente 27,5 MegaRayls.

[0108] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico es un disco piezoeléctrico compuesto polarizado.

[0109] En algunas modalidades, el disco piezoeléctrico compuesto polarizado tiene un grosor de aproximadamente 2,4 mm. En algunas modalidades, el disco piezoeléctrico compuesto polarizado está en una configuración 1-3.

[0110] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico es PZT4, el material piezoeléctrico incluye pilares de 1000 um por 1000 um separadas por ranuras de 200 um, las ranuras se realizan con un paso de aproximadamente 1200 um. En algunas modalidades, las ranuras se rellenan con un relleno compuesto, el relleno compuesto incluye partículas de hafnio dopado en epoxi.

[0111] En algunas modalidades, el relleno compuesto está en una configuración de 0-3.

[0112] En algunas modalidades, el epoxi es Epo-Tek<®>301.

[0113] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico consiste en una capa piezoeléctrica.

[0114] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una estructura térmicamente conductora en contacto con la estructura de respaldo.

[0115] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora es una capa hecha de AlN o una capa hecha de óxido de berilio.

[0116] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se extiende en porciones laterales de la estructura de respaldo.

[0117] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora incluye al menos una vía eléctricamente conductora que pasa a través de la estructura térmicamente conductora.

[0118] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una unidad de control conectada eléctricamente a al menos uno del material piezoeléctrico y la estructura de respaldo.

[0119] En algunas modalidades, uno o más electrodos se conectan eléctricamente al material piezoeléctrico a través de la estructura de respaldo.

[0120] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una capa de desgaste que tiene propiedades de resistencia a la abrasión.

[0121] En algunas modalidades, la capa de desgaste está hecha de titanio.

[0122] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico tiene un diámetro de aproximadamente 50 mm.

[0123] En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para reflejar la energía acústica en fase.

[0124] En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo.

[0125] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico se corta en una pluralidad de regiones piezoeléctricas, separadas entre sí por espacios, los espacios que son eléctricamente aislantes y acústicamente aislantes; al menos una de la capa de baja impedancia acústica y la capa de alta impedancia acústica se corta en una primera pluralidad de elementos, separados entre sí por un primer conjunto de espacios, cada uno del primer conjunto de espacios alineado con uno correspondiente de los espacios que separan las regiones piezoeléctricas, el primer conjunto de espacios que es eléctricamente aislante y acústicamente aislante; y al menos una de la segunda capa de baja impedancia acústica y la segunda capa de alta impedancia acústica se corta en una segunda pluralidad de elementos, separados entre sí por un segundo conjunto de espacios, cada uno del segundo conjunto de espacios alineado con uno correspondiente de los espacios que separan las regiones piezoeléctricas, el segundo conjunto de espacios que es eléctricamente aislante y acústicamente aislante.

[0126] En algunas modalidades, los espacios, el primer conjunto de espacios y el segundo conjunto de espacios son térmicamente conductores.

[0127] De acuerdo con un aspecto que no se reivindica, se proporciona un transductor ultrasónico, que incluye:

[0128] un arreglo piezoeléctrico unidimensional que tiene una superficie delantera y una superficie trasera, el arreglo piezoeléctrico unidimensional se configura para estar en comunicación acústica con una muestra e incluye una pluralidad de regiones piezoeléctricas dispuestas en una dimensión;

[0129] una estructura de respaldo colocada en la superficie trasera del arreglo piezoeléctrico unidimensional y configurada para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera del arreglo piezoeléctrico unidimensional, la estructura de respaldo incluye un respaldo de desajuste de doble capa, el respaldo de desajuste de doble capa incluye una capa de baja impedancia acústica y una capa de alta impedancia acústica; y

[0130] un circuito eléctrico preensamblado, el circuito eléctrico preensamblado que está en comunicación eléctrica con una porción superior de la estructura de respaldo, de manera que está en comunicación eléctrica con la matriz piezoeléctrica unidimensional.

[0131] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye un segundo respaldo de desajuste de doble capa, el segundo respaldo de desajuste de doble capa incluye una segunda capa de baja impedancia acústica y una segunda capa de alta impedancia acústica.

[0132] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye un disipador de calor en contacto térmico con la estructura de respaldo.

[0133] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye uno o más electrodos en comunicación eléctrica con el arreglo piezoeléctrico unidimensional.

[0134] En algunas modalidades, la estructura de respaldo es térmicamente conductora y eléctricamente conductora.

[0135] En algunas modalidades, el circuito eléctrico preensamblado incluye al menos uno de: una placa de circuito impreso, un intercalador, un circuito integrado y un circuito integrado de aplicación específica.

[0136] En algunas modalidades, cada región piezoeléctrica se separa una de otra por espacios, los espacios son eléctricamente aislantes y acústicamente aislantes.

[0137] En algunas modalidades, al menos una de la capa de baja impedancia acústica y la capa de alta impedancia acústica se corta en una primera pluralidad de elementos, separados entre sí por un primer conjunto de espacios, cada uno del primer conjunto de espacios se alinea con uno correspondiente de los espacios que separan las regiones piezoeléctricas, el primer conjunto de espacios es eléctricamente aislante y acústicamente aislante

[0138] En algunas modalidades, al menos una de la segunda capa de baja impedancia acústica y la segunda capa de alta impedancia acústica se corta en una segunda pluralidad de elementos, separados entre sí por un segundo conjunto de espacios, cada uno del segundo conjunto de espacios se alinea con uno correspondiente de los espacios que separan las regiones piezoeléctricas, el segundo conjunto de espacios es eléctricamente aislante y acústicamente aislante.

[0139] En algunas modalidades, los espacios, el primer conjunto de espacios y el segundo conjunto de espacios son térmicamente conductores.

[0140] En algunas modalidades, la porción superior de la estructura de respaldo está hecha de un material eléctricamente aislante.

[0141] En algunas modalidades, en donde el material eléctricamente aislante es térmicamente conductor.

[0142] En algunas modalidades, la porción superior incluye una capa fabricada a partir de AlN atravesada por vías eléctricamente conductoras, cada vía eléctricamente conductora se alinea con una correspondiente de la pluralidad de regiones piezoeléctricas dispuestas en una dimensión.

[0143] En algunas modalidades, la capa fabricada a partir de la capa de AlN tiene una cara frontal, la capa fabricada a partir de la capa de AlN se corta parcialmente de la cara frontal para mejorar la separación acústica de las adyacentes de la pluralidad de regiones piezoeléctricas dispuestas en una dimensión.

[0144] En algunas modalidades, el disipador de calor incluye al menos un canal, el canal que se configura para recibir y hacer circular un fluido de transferencia de calor en el mismo.

[0145] En algunas modalidades, el fluido de transferencia de calor es un líquido.

[0146] En algunas modalidades, el disipador de calor se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo.

[0147] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico es operable a una frecuencia operativa, la frecuencia operativa se relaciona con una longitud de onda operativa (λ<o>); y la capa de baja impedancia acústica, la capa de alta impedancia acústica, la segunda capa de baja impedancia acústica y la segunda capa de alta impedancia acústica tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λo/4 de grosor o múltiplos impares de λ<o>/4.

[0148] En algunas modalidades, el arreglo piezoeléctrico unidimensional se configura para resonar a media onda a la frecuencia operativa.

[0149] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una única capa de desajuste posicionada entre el arreglo piezoeléctrico unidimensional y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que está en comunicación acústica con el arreglo piezoeléctrico unidimensional y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica del arreglo piezoeléctrico unidimensional, en donde el arreglo piezoeléctrico unidimensional se configura para que sea resonante de cuarto de onda a la frecuencia operativa.

[0150] En algunas modalidades, el arreglo piezoeléctrico unidimensional tiene una frecuencia resonante, la frecuencia resonante está relacionada con una longitud de onda resonante λ<r>, la única capa de desajuste que tiene un grosor de menos de 2λr/5 de grosor con respecto a la frecuencia resonante de la serie piezoeléctrica unidimensional.

[0151] En algunas modalidades, la única capa de desajuste tiene un grosor que varía entre aproximadamente λ<r>/10 y aproximadamente λ<r>/20.

[0152] En algunas modalidades, la única capa de desajuste está hecha de tungsteno.

[0153] En algunas modalidades, las regiones piezoeléctricas incluyen pilares separados por ranuras.

[0154] En algunas modalidades, las ranuras se rellenan con un relleno compuesto, el relleno compuesto incluye partículas de hafnio dopado en epoxi.

[0155] En algunas modalidades, el relleno compuesto está en una configuración de 0-3.

[0156] En algunas modalidades, el epoxi es Epo-Tek<®>301.

[0157] En algunas modalidades, las regiones piezoeléctricas consisten en una capa piezoeléctrica.

[0158] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una estructura térmicamente conductora en contacto con la estructura de respaldo.

[0159] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora es una capa hecha de AlN o una capa hecha de óxido de berilio.

[0160] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se extiende en porciones laterales de la estructura de respaldo.

[0161] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una unidad de control conectada eléctricamente a al menos uno del arreglo piezoeléctrico unidimensional y la estructura de respaldo.

[0162] En algunas modalidades, uno o más electrodos se conectan eléctricamente a la serie piezoeléctrica unidimensional a través de la estructura de respaldo.

[0163] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una capa de desgaste que tiene propiedades de resistencia a la abrasión.

[0164] En algunas modalidades, la capa de desgaste está hecha de titanio.

[0165] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico tiene un diámetro de aproximadamente 50 mm.

[0166] En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para reflejar la energía acústica en fase. En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo.

[0167] De acuerdo con un aspecto que no se reivindica, se proporciona un transductor ultrasónico, que incluye:

[0168] una matriz piezoeléctrica bidimensional que tiene una superficie delantera y una superficie trasera, la matriz piezoeléctrica bidimensional se configura para estar en comunicación acústica con una muestra;

[0169] una estructura de respaldo colocada en la superficie trasera de la matriz piezoeléctrica unidimensional y configurada para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera de la matriz piezoeléctrica bidimensional, la estructura de respaldo que incluye un respaldo de desajuste de doble capa, el respaldo de desajuste de doble capa que incluye una capa de baja impedancia acústica y una capa de alta impedancia acústica; y

[0170] un circuito eléctrico preensamblado, el circuito eléctrico preensamblado que está en comunicación eléctrica con una porción superior de la estructura de respaldo, de manera que está en comunicación eléctrica con la matriz piezoeléctrica bidimensional.

[0171] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye un segundo respaldo de desajuste de doble capa, el segundo respaldo de desajuste de doble capa incluye una segunda capa de baja impedancia acústica y una segunda capa de alta impedancia acústica.

[0172] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye un disipador de calor en contacto térmico con la estructura de respaldo.

[0173] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye uno o más electrodos en comunicación eléctrica con la matriz piezoeléctrica bidimensional.

[0174] En algunas modalidades, la estructura de respaldo es térmicamente conductora y eléctricamente conductora.

[0175] En algunas modalidades, el circuito eléctrico preensamblado incluye al menos uno de: una placa de circuito impreso, un intercalador, un circuito integrado y un circuito integrado de aplicación específica.

[0176] En algunas modalidades, la matriz piezoeléctrica bidimensional incluye una pluralidad de regiones piezoeléctricas, cada región piezoeléctrica se separa una de otra por espacios, los espacios son eléctricamente aislantes y acústicamente aislantes.

[0177] En algunas modalidades, al menos una de la capa de baja impedancia acústica y la capa de alta impedancia acústica se corta en una primera pluralidad de elementos, separados entre sí por un primer conjunto de espacios, cada uno del primer conjunto de espacios se alinea con uno correspondiente de los espacios que separan las regiones piezoeléctricas, el primer conjunto de espacios es eléctricamente aislante y acústicamente aislante

[0178] En algunas modalidades, al menos una de la segunda capa de baja impedancia acústica y la segunda capa de alta impedancia acústica se corta en una segunda pluralidad de elementos, separados entre sí por un segundo conjunto de espacios, cada uno del segundo conjunto de espacios se alinea con uno correspondiente de los espacios que separan las regiones piezoeléctricas, el segundo conjunto de espacios es eléctricamente aislante y acústicamente aislante.

[0179] En algunas modalidades, los espacios, el primer conjunto de espacios y el segundo conjunto de espacios son térmicamente conductores.

[0180] En algunas modalidades, la porción superior de la estructura de respaldo está hecha de un material eléctricamente aislante.

[0181] En algunas modalidades, el material eléctricamente aislante es térmicamente conductor.

[0182] En algunas modalidades, la porción superior incluye una capa fabricada de AlN atravesada por vías eléctricamente conductoras, cada vía eléctricamente conductora se alinea con una correspondiente de la pluralidad de regiones piezoeléctricas.

[0183] En algunas modalidades, la capa fabricada a partir de la capa de AlN tiene una cara frontal, la capa fabricada a partir de la capa de AlN se corta parcialmente de la cara frontal para mejorar la separación acústica de las adyacentes de la pluralidad de regiones piezoeléctricas dispuestas en una dimensión.

[0184] En algunas modalidades, el disipador de calor incluye al menos un canal, el canal que se configura para recibir y hacer circular un fluido de transferencia de calor en el mismo.

[0185] En algunas modalidades, el fluido de transferencia de calor es un líquido.

[0186] En algunas modalidades, el disipador de calor se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo.

[0187] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico es operable a una frecuencia operativa, la frecuencia operativa se relaciona con una longitud de onda operativa (λ<o>); y la capa de baja impedancia acústica, la capa de alta impedancia acústica, la segunda capa de baja impedancia acústica y la segunda capa de alta impedancia acústica tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λo/4 de grosor o múltiplos impares de λ<o>/4.

[0188] En algunas modalidades, la matriz piezoeléctrica bidimensional se configura para que sea resonante a media onda a la frecuencia operativa.

[0189] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una única capa de desajuste posicionada entre la matriz piezoeléctrica bidimensional y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que está en comunicación acústica con la matriz piezoeléctrica bidimensional y la estructura de respaldo, la única capa de desajuste que tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica de la matriz piezoeléctrica bidimensional, en donde la matriz piezoeléctrica bidimensional se configura para resonar a un cuarto de onda a la frecuencia operativa.

[0190] En algunas modalidades, la matriz piezoeléctrica bidimensional tiene una frecuencia resonante, la frecuencia resonante se relaciona con una longitud de onda resonante λ<r>, la única capa de desajuste que tiene un grosor de menos de 2λr/5 de grosor con respecto a la frecuencia resonante de la matriz piezoeléctrica bidimensional.

[0191] En algunas modalidades, la única capa de desajuste tiene un grosor que varía entre aproximadamente λ<r>/10 y aproximadamente λ<r>/20.

[0192] En algunas modalidades, la única capa de desajuste está hecha de tungsteno.

[0193] En algunas modalidades, la matriz piezoeléctrica bidimensional incluye pilares separados por ranuras.

[0194] En algunas modalidades, las ranuras se rellenan con un relleno compuesto, el relleno compuesto incluye partículas de hafnio dopado en epoxi.

[0195] En algunas modalidades, el relleno compuesto está en una configuración de 0-3.

[0196] En algunas modalidades, el epoxi es Epo-Tek<®>301.

[0197] En algunas modalidades, la matriz piezoeléctrica bidimensional consiste en una capa piezoeléctrica.

[0198] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una estructura térmicamente conductora en contacto con la estructura de respaldo.

[0199] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora es una capa hecha de AlN o una capa hecha de óxido de berilio.

[0200] En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora se extiende en porciones laterales de la estructura de respaldo.

[0201] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una unidad de control conectada eléctricamente a al menos una de las matrices piezoeléctricas bidimensionales y la estructura de respaldo.

[0202] En algunas modalidades, uno o más electrodos se conectan eléctricamente a la matriz piezoeléctrica bidimensional a través de la estructura de respaldo.

[0203] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una capa de desgaste que tiene propiedades de resistencia a la abrasión.

[0204] En algunas modalidades, la capa de desgaste está hecha de titanio.

[0205] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico tiene un diámetro de aproximadamente 50 mm.

[0206] En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para reflejar la energía acústica en fase. En algunas modalidades, la estructura de respaldo se configura además para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo.

[0207] De acuerdo con otro aspecto, se proporcionan estructuras de respaldo de transductor de ultrasonido multicapa. En algunas modalidades, las estructuras de respaldo permiten reflejar una porción significativa y, en algunos casos, prácticamente toda la energía acústica hacia el frente del transductor. Tales transductores generalmente no se ven afectados por el contacto físico en la parte posterior de la pila de respaldo.

[0208] De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un transductor específico de material enfriado con líquido de un solo elemento diseñado para coincidir con el titanio. El transductor incluye una estructura de desajuste, tal como un respaldo de desajuste de doble capa (DLDB). El DLDB puede diseñarse para funcionar en un transductor piezoeléctrico de 680 kHz. El transductor puede tener un elemento piezocompuesto de 27,5 MegaRayls (MR) de impedancia acústica e incluye un primer par DLDB unido a un segundo par DLDB, el primer par DLDB incluye una primera capa de grafito que tiene una impedancia acústica de aproximadamente 5,1 (MR) y un grosor de 1,03 mm, y una segunda capa de metal de tungsteno que tiene una impedancia acústica de aproximadamente 100 MR y un grosor de 1,53 mm, el segundo par DLDB incluye una primera capa de grafito que tiene una impedancia acústica de aproximadamente 5,1 (MR) y un grosor de 0,905 mm, y una segunda capa de metal de cobre que tiene una impedancia acústica de aproximadamente 41,5 MR y un grosor de 1,71 mm.

[0209] En algunas modalidades, el DLDB incluye una primera capa de respaldo y una segunda capa de respaldo, cada una de las cuales tiene una cara distal y una cara proximal. La cara proximal puede estar en contacto acústico con la cara distal de la segunda capa de respaldo. El DLDB puede colocarse en contacto acústico con un elemento piezoeléctrico que tiene una cara distal y una cara proximal, la cara distal de la primera capa de respaldo está en contacto con la cara proximal del elemento piezoeléctrico. Las primeras y segundas capas de respaldo del DLDB pueden diseñarse para tener un grosor de aproximadamente ¼ de lambda para la frecuencia resonante diseñada del elemento piezoeléctrico. La primera capa de respaldo puede fabricarse de un material que tiene una impedancia acústica relativamente menor en comparación con el elemento piezoeléctrico. La segunda capa de respaldo puede fabricarse de un material que tiene una impedancia acústica relativamente mayor en comparación con la primera capa de respaldo.

[0210] En algunas modalidades, el transductor comprende un disco piezoeléctrico compuesto polarizado 1-3 de 2,4 mm de grosor, cuyo grosor corresponde a aproximadamente entre 0,35 y 0,4 lambda, pero que funciona en modo ½ lambda, que tiene un electrodo positivo en la cara proximal y un electrodo negativo en la cara distal. El grosor del disco piezoeléctrico puede elegirse para que sea más delgado que ½ lambda para compensar el efecto de carga de masa del respaldo de DLDB. El compuesto piezoeléctrico puede fabricarse mediante el corte y el relleno de material polarizado PZT4 que tiene ranuras de 200 um cortadas a un paso de 1200 um que dejan pilares de 1000 um por 1000 um separados por ranuras de 200 um. Las ranuras pueden ser, por ejemplo y sin ser limitativas, rellenadas con un relleno compuesto 0-3 de partículas de aproximadamente 5 um de dióxido de hafnio dopado en epoxi Epotek 301, de manera que la impedancia acústica del material de relleno de ranura compuesto varía entre aproximadamente 7 a 8 Mega Rayls (MR), y la impedancia acústica de la capa piezocompuesta total se iguala estrechamente a titanio que es aproximadamente 27,5 MR. La cara negativa de la capa compuesta piezoeléctrica puede unirse a la cara proximal de un disco de 6 mm de grosor de aleación de zinc-aluminio ZA-8, mediante el uso, por ejemplo, de un epoxi cargado de polvo de tungsteno. La cara distal del disco ZA-8, puede unirse a la cara proximal de un disco compuesto de alúmina, mediante el uso de un epoxi Epotek 301 cargado con óxido de hafnio de partículas submicrométricas. El disco compuesto de alúmina puede incluir pilares de 750 um por 750 um por 1400 um de altura, separadas por ranuras de 200 um, las ranuras se rellenan con el mismo epoxi cargado con partículas de hafnio usado para hacer el disco compuesto piezoeléctrico. La cara distal del compuesto de alúmina puede unirse a su vez a la cara proximal de un disco de titanio de 3 mm de grosor, con una capa de epoxi Epotek 301 cargado con óxido de hafnio submicrónico. Después, pueden unirse dos conjuntos de respaldos de doble capa de desajuste (DLDB) a la cara proximal del disco piezoeléctrico mediante el uso de epoxi Epotek 301 cargado con polvo de tungsteno submicrométrico como sigue. La cara proximal del disco compuesto piezoeléctrico se une a la cara distal de un disco de grafito Poco DFP-1 de 1030 um de grosor, que tiene una impedancia acústica de 5,1 MR, 905 um correspondiente a ¼ lambda a 680 kHz, la frecuencia central del transductor. Después, la cara proximal del disco de grafito se une a la cara distal de un disco de tungsteno de 1530 um de grosor, que tiene una impedancia acústica de 100 MR, el grosor del disco de tungsteno correspondiente a ¼ lambda a ~ 850 kHz, también ligeramente por encima de la frecuencia central del transductor. Después, la cara proximal del disco de tungsteno se une a la cara proximal de un disco de grafito Poco DFP-1 de 905 um de grosor, que tiene una impedancia acústica de 5,1 MR, el grosor correspondiente a ¼ lambda a ~800 kHz, ligeramente por encima de la frecuencia central del transductor. La cara proximal del disco de grafito se une a la cara distal de un disco de cobre de 1710 um de grosor, que tiene una impedancia acústica de 41,5 MR, el grosor correspondiente a ¼ lambda a 680 kHz. El disco de grafito y el disco de tungsteno constituyen la primera pila de respaldo de desajuste de doble capa, y el disco de grafito y el disco de cobre constituyen la segunda pila de DLDB. Estas dos pilas trabajan juntas para aislar acústicamente el disco compuesto piezoeléctrico de los elementos de enfriamiento térmico del transductor, lo que permite que la solución de enfriamiento térmico se una directamente a la cara proximal del disco de cobre sin interrumpir sustancialmente el rendimiento acústico del transductor. En estas modalidades, la cara distal de un disco de AlN de 1 mm de grosor altamente conductor térmico se une a la cara proximal del disco de cobre, mediante el uso de epoxi térmicamente conductor. El disco de AlN se muestrea para permitir espacio para la conexión eléctrica al disco de cobre que se realiza con un cable soldado, o alternativamente, un cable unido a epoxi conductor. Cabe señalar que toda la pila de DLDB en esta modalidad es tanto conductora eléctrica como térmicamente, lo que hace posible la conexión eléctrica al electrodo de señal del disco compuesto piezoeléctrico directamente a través de las pilas de DLDB. Además, debe señalarse que existen muchos materiales que pueden usarse prácticamente en la aplicación de la tecnología descrita más allá de los que se describen explícitamente en esta modalidad ilustrativa, algunos de los cuales son conductores eléctricos, conductores térmicos, o ambos, o ninguno de los dos conductores térmicos o eléctricos. En esta modalidad ilustrativa, las capas de DLDB son tanto eléctricamente como térmicamente conductoras. La cara proximal de una base de disipador de calor de cobre se suelda o se suelda al borde distal de una parte superior de disipador de calor, para formar un ensamble de disipador de calor hueco de cobre, cuya cara distal se une directamente a la cara proximal del disco de AlN, con epoxi térmicamente conductor, pero eléctricamente aislante. En las modalidades ilustradas, la cara proximal de la parte superior del disipador de calor hueco se une con el mismo epoxi térmicamente conductor a la cara distal de un disco de AlN. El disco de AIN tiene dos orificios de desahogo en él y una muesca, los agujeros permiten que los tubos de enfriamiento se fijen a los tubos de garra integrales de la parte superior del disipador de calor, y la muesca permite una trayectoria de holgura para el cable de señal unido a la capa de DLDB de cobre. La cara proximal del disco de AlN puede unirse a la cara distal del distribuidor de calor de cobre mediante el uso de epoxi térmicamente conductor. La carcasa de cobre se puede ajustar a presión al perímetro del disco ZA-8 y unir a la pila acústica y térmica completa mediante el uso de un epoxi eléctricamente aislante y térmicamente conductor. En algunas modalidades, todos los vacíos se rellenan con epoxi térmicamente conductor y eléctricamente aislante, lo que hace que todo el ensamble sea sólido, aparte del interior hueco del ensamble disipador de calor (es decir,parte superior del disipador de calor y parte inferior del disipador de calor). Las mangueras de goma, que pueden tener, por ejemplo y sin ser limitativas, un diámetro interior de 0,9525 cm (3/8 de pulgada), se adaptan a los jefes de manguera de enfriamiento de cobre y se fijan en su lugar con abrazaderas de manguera. El transductor incluye un contacto eléctrico, que puede estar incorporado por un conector eléctrico BNC RF, soldado a la tapa de cobre. El conductor central del conector BNC puede soldarse además al cable de señal, conectando así eléctricamente el conductor de señal BNC al electrodo de señal positivo del disco compuesto piezoeléctrico. La tapa de cobre, en algunas modalidades, puede soldarse o unirse con epoxi conductor al labio proximal de la carcasa de cobre, completando la conexión eléctrica desde el suelo del conector BNC y el electrodo negativo del disco compuesto piezoeléctrico a través de la carcasa de cobre y el disco ZA-8. El transductor también incluye una carcasa de plástico eléctricamente aislante, unida a la tapa de cobre y la carcasa de cobre, que cubre al menos parcialmente el borde del disco compuesto de alúmina y reposa sobre la superficie del disco de titanio. El transductor resultante (es decir,el ensamble de los componentes que se han descrito previamente) se conecta a un intercambiador de calor líquido de aire a líquido y se llena con un líquido de enfriamiento adecuado. Un ejemplo no limitativo de líquido de enfriamiento es una mezcla de propilenglicol/agua al 50 %

[0212] De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un arreglo lineal 1-D que tiene una única capa de respaldo de DLDB completamente cortada y conectada eléctricamente directamente a una PCB que se describirá a continuación. Esta configuración permite una interconexión eléctrica relativamente fácil del arreglo, e incluso una aplicación relativamente directa de un ASIC o conector de alta densidad directamente a la pila. La serie incluye una capa de desgaste protectora. Esta capa podría ser alternativamente una lente o una capa de ajuste, en dependencia de la aplicación. Los elementos piezoeléctricos, cada uno separado entre sí por un espacio (o ranura) forman la serie lineal 1-D. La serie también incluye una primera estructura DLDB que comprende primero una capa de ¼ de lambda de baja impedancia acústica, separada en elementos con espacios entre ellos, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie; y, en segundo lugar, sobre la capa de baja impedancia acústica se proporciona una capa de ¼ de lambda de alta impedancia acústica, que puede estar hecha de tungsteno. La capa de alta impedancia acústica se separa en elementos con espacios entre ellos, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie. La matriz también se proporciona con electrodos en superficies de PCB, una PCB y una vía en la placa de circuito impreso que conecta electrodos de una cara a la cara opuesta.

[0214] De acuerdo con otro aspecto más de la invención, un arreglo lineal 1-D equipado con DLDB dual que tiene un segundo par de DLDB que se superpone al primer par de DLDB, el segundo par de DLDB que comprende una capa ¼ lambda de baja impedancia acústica sobre la cual se proporciona una capa ¼ lambda de alta impedancia acústica térmicamente continua lateralmente. La capa térmicamente conductora es AlN o podría ser óxido de berilio u otro material aislante eléctrico térmicamente conductor adecuado y contiene vías eléctricamente conductoras para hacer la conexión a los elementos del transductor. Esto permite que la matriz se enfríe desde los bordes y se conecte eléctricamente directamente con una PCB, por ejemplo.

[0215] De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un transductor de matriz 2-D. En algunas modalidades, la matriz 2-D es una matriz de elementos DLDB 16 x 16 dual que tiene una capa térmicamente continua lateralmente. El transductor de matriz incluye una capa de desgaste protectora, que podría reemplazarse alternativamente por una lente, o una capa de ajuste, en dependencia de la aplicación que abarca el área completa del arreglo de transductores 2D. El transductor de matriz incluye elementos piezoeléctricos separados entre sí por un espacio (o ranura) en dos ejes para formar la matriz o matriz de 2-D lineal. El transductor de matriz incluye una primera pila de DLDB que comprende una capa de ¼ de lambda de baja impedancia acústica, separada en elementos con espacios entre ellos en dos ejes, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie, y una capa de ¼ de lambda de alta impedancia acústica, que puede fabricarse de tungsteno. La capa puede separarse en elementos con espacios entre ellos en dos ejes, en línea con los elementos piezoeléctricos dispuestos. Las capas y definen una primera pila. El transductor de matriz también incluye una segunda pila. La segunda pila de DLDB incluye una capa ¼ lambda de baja impedancia acústica, separada en elementos con espacios entre ellos en dos ejes, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie, y una capa ¼ lambda de alta impedancia acústica. La capa es generalmente continua y está hecha de AlN. En este contexto, la expresión "continuo" se refiere al hecho de que la pila no tiene espacios y proporciona conductividad térmica lateral a lo largo de ambos ejes del arreglo. La conductividad eléctrica vertical se proporciona mediante vías en la capa de AlN. Esta capa es particularmente útil para mantener la temperatura igual en el interior del arreglo 2-D con respecto a los elementos de borde.

[0216] Otras características y ventajas de la presente descripción se harán más evidentes tras la lectura de la siguiente descripción no restrictiva de modalidades específicas de la misma, dadas a modo de ejemplo solo con referencia a las figuras adjuntas.

[0217] Breve descripción de las figuras

[0218] La Figura 1a muestra un transductor ultrasónico enfriado con líquido, de acuerdo con una modalidad. La Figura 1b muestra una estructura de respaldo en contacto con un material piezoeléctrico del transductor ultrasónico de la Figura 1a. La Figura 1c es una sección transversal de la Figura 1b. La Figura 1d es una sección transversal de la Figura 1a.

[0219] La Figura 2 es una vista despiezada de un transductor ultrasónico enfriado con líquido, de acuerdo con otra modalidad.

[0220] La Figura 3 es otra vista en despiece del transductor ultrasónico enfriado por líquido ilustrado en la Figura 2. La Figura 4 ilustra una estructura de respaldo en contacto con un material piezoeléctrico del transductor ultrasónico, y un disipador de calor en contacto térmico con la estructura de respaldo, de acuerdo con una modalidad.

[0221] La Figura 5 muestra una única capa de desajuste intercalada entre un material piezoeléctrico y un respaldo de desajuste de doble capa, de acuerdo con una modalidad.

[0222] La Figura 6 es una sección transversal de la Figura 5.

[0223] La Figura 7 ilustra un arreglo lineal unidimensional de 16 elementos, de acuerdo con una modalidad.

[0224] La Figura 8 es una sección transversal de la Figura 7, que ilustra las capas que forman el arreglo lineal unidimensional de 16 elementos.

[0225] La Figura 9 es otra sección transversal de la Figura 7, que ilustra las capas que forman el arreglo lineal unidimensional de 16 elementos

[0226] La Figura 10 ilustra un arreglo lineal unidimensional de 16 elementos, de acuerdo con otra modalidad.

[0227] La Figura 11 es una sección transversal de la Figura 10, que ilustra las capas que forman el arreglo lineal unidimensional de 16 elementos.

[0228] La Figura 12 es otra sección transversal de la Figura 10, que ilustra las capas que forman el arreglo lineal unidimensional de 16 elementos

[0229] La Figura 13 es una ilustración simplificada del principio de funcionamiento del transductor ultrasónico. Más específicamente, al considerar un caso de banda relativamente estrecha, se muestra la interacción de los coeficientes de reflexión y la disposición particular de capas de impedancia acústica baja y alta en los DLDB que da como resultado que solo las reflexiones en fase lleguen a la cara de salida (frontal) del transductor. Debido a la resonancia de cada capa DLDB, y la fase resultante de los pares alternos, la energía solo deja una capa en fase cada cuatro reflexiones y se interfiere parcialmente de manera destructiva cada dos reflexiones. El resultado es que la energía una vez atrapada en las capas de DLDB tarda un tiempo relativamente largo en disminuir y a amplitud muy baja.

[0230] La Figura 14 muestra una matriz piezoeléctrica bidimensional, de acuerdo con una modalidad.

[0231] La Figura 15 es una vista despiezada de la Figura 14.

[0232] La Figura 16 es una sección transversal de la Figura 14.

[0233] La Figura 17 muestra un transductor ultrasónico, de acuerdo con otra modalidad.

[0234] La Figura 18 muestra un transductor ultrasónico, de acuerdo con otra modalidad.

[0235] La Figura 19a es una comparación del transductor específico de material respaldado por aire de última generación (arriba) que transmite a Titanio a 680 kHz sin disipador de calor y el transductor ultrasónico de la Figura 1a (abajo) en las mismas condiciones. La Figura 19b es una comparación del logaritmo del envolvente del transductor específico de material respaldado por aire de última generación que transmite en titanio (arriba) y el transductor ultrasónico de la Figura 1a que transmite en titanio (abajo).

[0236] La Figura 20 es una comparación de tres transductores específicos de material de 680 kHz que tienen disipadores de calor de cobre unidos a la superficie trasera de la pila piezoeléctrica: transductor específico de material respaldado por aire con un disipador de calor unido directamente a la superficie trasera del elemento piezoeléctrico del transductor (arriba); método de última generación de unión de un disipador de calor al elemento piezoeléctrico del transductor con material térmicamente conductor acústicamente perdido tal como espuma de silicona rellena de alúmina (medio); y el transductor ultrasónico de la Figura 1a, que tiene un disipador de calor unido directamente a la estructura de respaldo (abajo).

[0237] La Figura 21 muestra el logaritmo del envolvente de las formas de onda mostradas en la Figura 20.

[0238] La Figura 22a es una comparación de transductores de un solo elemento de 10 MHz, respuesta de pulso eco de pulso con un elemento piezoeléctrico resonante de ¼ de lambda y una capa de desajuste de tungsteno de ~ 1/10 de lambda de grosor, que ilustra el efecto de añadir un solo DLDB a la parte posterior de la capa de desajuste. La Figura 22b muestra la comparación del logaritmo del envolvente de las formas de onda de los transductores de un solo elemento de 10 MHz mostrados en la Figura 22a.

[0239] La Figura 23a es una comparación de los efectos de añadir un disipador de calor de cobre de 3 mm de grosor directamente a la parte posterior de las pilas acústicas de 10 MHz de la Figura 22a, el respaldo DML unido directamente al disipador de calor de cobre de 3 mm desarrolla múltiples reflexiones internas que dan como resultado artefactos no deseados en aplicaciones de imágenes o inspección (arriba); y la pila equipada con DLDB no experimenta cambios medibles cuando el disipador de calor se une directamente a la superficie de la pila acústica (abajo). La Figura 23b es una comparación de los envolventes logarítmicos de las formas de onda de eco de pulso del transductor de 10 MHz que se muestra en la Figura 23a.

[0240] La Figura 24 es una comparación de una respuesta de eco de pulso de un material específico elemento de arreglo 1D de 5 MHz de 550 um por 5 mm con un elemento piezoeléctrico compuesto de PZT emparejado para transmitir a titanio con respaldo de DLDB doble en comparación con uno con respaldo de aire. Se observa una diferencia mínima entre el transductor respaldado por aire (arriba) y el transductor equipado con DLDB (abajo), aparte de un aumento menor de la longitud del pulso que se observa en la pila equipada con DLDB.

[0241] La Figura 25 es una comparación de la respuesta de eco de pulso de los elementos transductores descritos en la Figura 24 con la adición de un disipador de calor de cobre de 6 mm unido directamente a la parte posterior de las pilas acústicas (arriba). Se observan artefactos de reverberación interna significativos cuando el disipador de calor se une a la parte posterior del transductor respaldado por aire (parte inferior).

[0242] Descripción detallada

[0243] En la siguiente descripción, las características similares en las figuras se han dado números de referencia similares y, para no sobrecargar indebidamente las figuras, algunos elementos pueden no indicarse en algunas figuras si ya se identificaron en una o más figuras anteriores. También debe entenderse en la presente descripción que los elementos de las figuras no se representan necesariamente a escala, ya que se hace hincapié en ilustrar claramente los elementos y estructuras de las presentes modalidades. Los términos "un", "una" y "uno" se definen en la presente descripción para significar "al menos uno", es decir, estos términos no excluyen un número plural de elementos, a menos que se indique lo contrario. También debe señalarse que los términos tales como "sustancialmente", "generalmente" y "aproximadamente", que modifican un valor, condición o característica de una característica de una modalidad ilustrativa, deben entenderse en el sentido de que el valor, condición o característica se define dentro de las tolerancias que son aceptables para el funcionamiento adecuado de esta modalidad ilustrativa para su aplicación prevista.

[0244] En la presente descripción, los términos "conectado", "acoplado" y variantes y derivados de estos, se refieren a cualquier conexión o acoplamiento, ya sea directo o indirecto, entre dos o más elementos. La conexión o acoplamiento entre los elementos puede ser acústica, mecánica, física, óptica, operativa, eléctrica, inalámbrica o una de sus combinaciones.

[0245] Se apreciará que los descriptores de posición que indican la posición u orientación de un elemento con respecto a otro elemento se usan en la presente descripción para facilitar y aclarar la descripción y, a menos que se indique de cualquier otra manera, deben tomarse en el contexto de las figuras y no deben considerarse limitantes. Se entenderá que los términos relativos espacialmente (por ejemplo, "exterior" e "interior", "fuera" e "dentro", "periferia" y "central", "sobre" y "debajo", y "arriba" y "abajo") pretenden abarcar diferentes posiciones y orientaciones en el uso u operación de las presentes modalidades, además de las posiciones y orientaciones ejemplificadas en las figuras.

[0246] Contexto teórico general

[0247] Un transductor ultrasónico piezoeléctrico generalmente está compuesto por un elemento piezoeléctrico que tiene dos caras opuestas. El elemento piezoeléctrico puede elegirse para funcionar a una frecuencia deseada. Un ejemplo de tal operación incluye la resonancia acústica del elemento piezoeléctrico. Los transductores acústicos piezoeléctricos pueden incluir una pluralidad de capas, que pueden ser, por ejemplo y sin ser limitativos, apiladas o superpuestas. Además del(de los) elemento(s) piezoeléctrico(s), un transductor acústico piezoeléctrico puede incluir al menos uno de: señal y electrodo(s) de tierra, capa(s) de coincidencia, respaldo(s) acústico(s), lente(s) y muchas otras capas o estructura(s) para mejorar su rendimiento en su aplicación prevista. Algunos transductores pueden diseñarse para emitir energía acústica (es decir,transmisores), mientras que otros pueden detectar la energía acústica que incide (es decir,receptores). Cabe señalar que algunos transductores pueden optimizarse para realizar ambas funciones (es decir,transceptores). Pueden implementarse diferentes técnicas en el campo de los transductores ultrasónicos para producir diferentes tipos de transductores ultrasónicos piezoeléctricos.

[0248] En la mayoría de los casos, el diseño de un transductor piezoeléctrico se asocia con numerosos desafíos, por ejemplo, la optimización y/o la dirección de la energía acústica hacia el objetivo previsto, así como también la minimización de la energía acústica lejos del objetivo previsto. Por ejemplo, se puede considerar el caso relativamente simple de un elemento piezoeléctrico en forma de disco delgado, que cuando se aplica un voltaje de frecuencia apropiado a través del disco piezoeléctrico, tenderá a producir ondas acústicas iguales desde las caras frontal y posterior del disco. Existe una amplia variedad de técnicas para refinar las características de tal disco piezoeléctrico para mejorar la salida de energía acústica desde una cara (la cara frontal o cara distal, por ejemplo), y disminuirla desde la otra cara (la cara trasera o cara proximal). Un experto en la técnica sabrá que tal elemento piezoeléctrico generalmente se coloca de manera que cada cara está en contacto con un electrodo eléctricamente conductor. Un ejemplo de electrodo eléctricamente conductor es el metal pulverizado, que permite que el elemento piezoeléctrico se conecte a sistemas electrónicos y/u otros circuitos apropiados. En las implementaciones en donde se aplica una señal de tensión de RF a los electrodos, el elemento piezoeléctrico experimenta una perturbación mecánica. Si la frecuencia de la señal eléctrica de RF y el grosor de la serie piezoeléctrica unidimensional coinciden con las condiciones de funcionamiento correctas, entonces el elemento piezoeléctrico puede hacerse resonante mecánicamente a frecuencias ultrasónicas. Se debe señalar que tal posibilidad depende de las características del material piezoeléctrico.

[0249] En la técnica se conoce generalmente que los respaldos pueden usarse en transductores ultrasónicos piezoeléctricos. Los ejemplos de respaldos incluyen, pero no se limitan a, respaldos absorbentes que tienen una impedancia acústica mucho menor que la capa piezoeléctrica, algunos de los cuales tienen formas compuestas para disipar y absorber la energía acústica, capas de desacoplamiento que tienen una impedancia acústica mucho mayor que la capa piezoeléctrica y un grosor típicamente menor que ¼ de lambda diseñado para reflejar eficientemente toda la energía a la salida del transductor mientras se permite un efecto de carga de masa sintonizable, así como también otras tecnologías tales como respaldo de aire, y muchas otras variaciones que incluyen respaldos de línea de retardo y aún otros.

[0250] Muchos respaldos de transductores son respaldos absorbentes de baja impedancia acústica y están diseñados para reflejar la mayor parte o al menos una porción significativa de la energía hacia la parte delantera (o, alternativamente, la "cara de trabajo") del transductor y absorber y disipar la energía no reflejada dentro del respaldo. Tales respaldos absorbentes generalmente tienen una configuración geométrica predeterminada, por ejemplo, los respaldos pueden ser suficientemente grandes y tener una forma específica para absorber suficiente energía acústica y evitar que las reflexiones internas no deseadas regresen al cristal piezoeléctrico. Estos respaldos de baja impedancia acústica requieren típicamente que la capa piezoeléctrica opere en modo resonante de ½ lambda.

[0251] Las capas de desajuste son otra tecnología de respaldo común, diseñada para reflejar la energía desde el frente del transductor, mientras que proporciona una carga de masa algo ajustable para sintonizar el amortiguamiento. El efecto de añadir una capa de desajuste generalmente requiere el diseño de un transductor resonante de ¼ de onda. En algunas implementaciones, las capas de desajuste pueden operarse para reflejar cerca del 100 por ciento de la energía, o al menos una porción significativa de la energía.

[0252] Otra implementación incluye transductores respaldados por aire, que también pueden reflejar cerca del 100 por ciento de la energía hacia el frente, o al menos una porción significativa de la misma. Sin embargo, tales transductores no permiten la carga o amortiguación de la masa, pero funcionarán en el mismo modo que un respaldo absorbente de luz, ya que el piezoeléctrico resonará a ½ lambda.

[0253] Una limitación de la mayoría de las tecnologías de respaldo, entre otras, es que la parte posterior del transductor no es accesible para la conexión eléctrica sin comprometer la señal acústica y generalmente debe hacerse en un área mínima para minimizar los artefactos y/o pérdidas acústicas. Una limitación adicional de las tecnologías existentes es la dificultad de proporcionar soluciones de enfriamiento térmico eficientes en contacto directo con los elementos piezoeléctricos del transductor. Los desafíos mencionados anteriormente son de creciente importancia a medida que los ferroeléctricos policristalinos y de cristal único a base de relaxor se vuelven cada vez más eficientes a expensas de la robustez térmica.

[0254] Cabe señalar que los transductores de matriz 2-D pueden hacer que las consideraciones de refrigeración y de interconexión eléctrica y de respaldo acústico sean más desafiantes debido a la falta de acceso a los elementos interiores de un transductor de matriz. Como resultado, existe la necesidad de desarrollar un respaldo acústicamente eficiente que sea eléctricamente conductor, como se describirá en la presente descripción. También existe la necesidad de desarrollar una tecnología de respaldo acústicamente eficiente que sea térmicamente conductora, como se describirá en la presente descripción. También existe la necesidad de desarrollar un respaldo acústicamente y espacialmente eficiente que sea capaz de reflejar casi toda la energía acústica del transductor piezoeléctrico mientras deja la cara proximal del respaldo relativamente libre de energía acústica, lo que hace posible la conexión de dispositivos eléctricos y/o térmicos sin interrumpir el rendimiento del transductor, como se describirá en la presente descripción. Existe la necesidad de desarrollar un respaldo térmicamente conductor y eléctricamente conductor acústicamente eficiente que pueda conectarse a un transductor de matriz 1-D o 2-D que proporcione conectividad eléctrica a cada elemento, enfriamiento a cada elemento, como se describirá en la presente descripción.

[0255] Estructuras de respaldo para transductores ultrasónicos

[0256] En términos generales, la presente descripción se refiere a estructuras de respaldo de transductores de ultrasonido multicapa o tecnologías similares. En algunas modalidades, la tecnología permite reflejar una porción significativa y, en algunos casos, prácticamente toda la energía acústica hacia el frente del transductor. Adicionalmente, los sistemas o dispositivos fabricados de acuerdo con la tecnología actual generalmente no se ven afectados por el contacto físico en la parte posterior de la pila de respaldo. Los transductores que se presentarán en la presente descripción son térmicos, eléctricamente y acústicamente relativamente eficientes, ya que se absorbe muy poca energía en las capas de respaldo.

[0257] En el contexto de la presente descripción, y como se describirá con mayor detalle a continuación, la estructura de respaldo puede incluir uno o más respaldos de desajuste, cada uno de los cuales incluye dos capas. Con respecto a esto, cada respaldo de desajuste se denominará "respaldo de desajuste de doble capa", o simplemente "DLDB". En algunas modalidades, un par de DLDB puede usarse como la estructura de respaldo, es decir,el transductor ultrasónico puede incluir un primer DLDB y un segundo DLDB, cada DLDB incluye dos capas. En otras modalidades, dos o más pares de DLDB pueden usarse como la estructura de respaldo, por ejemplo y sin ser limitativo, para aislar acústicamente aún más la superficie trasera.

[0258] Cabe señalar que las capas que forman el DLDB tienen propiedades eléctricas, acústicas, térmicas y mecánicas, y estas propiedades pueden variar de acuerdo con la aplicación objetivo. Por ejemplo, y sin ser limitativo, el DLDB puede incluir capas que son eléctricamente conductoras y térmicamente conductoras, capas que no son eléctricamente ni térmicamente conductoras, o cualquiera de sus combinaciones.

[0259] Con referencia a las Figuras 1 a 6, se describirán modalidades de un transductor ultrasónico 100.

[0260] El transductor ultrasónico 100 generalmente incluye un material piezoeléctrico 102, una estructura de respaldo 108, un disipador de calor 122 y uno o más electrodos 126 (denominados electrodos 126). Si bien las modalidades del transductor ultrasónico que se describirán a lo largo de la descripción se describirán como que incluyen un material piezoeléctrico, un experto en la técnica notará que los transductores ultrasónicos de la descripción actual pueden incluir en su lugar cualquier material ferroeléctrico, cualquier cristal único o materiales policristalinos, cualquier material de transducción electromecánica, tales materiales que tienen una o más de las siguientes propiedades: ferroelectricidad, piroelectricidad, piezoelectricidad, electrostricción y otras propiedades relevantes. Se observará que, en el contexto de la presente descripción, la expresión "material piezoeléctrico" también puede referirse a material ferroeléctrico, material piroeléctrico, material relajador y material electrostricivo, como lo entenderá fácilmente un experto en la técnica.

[0261] El material piezoeléctrico 102 tiene una superficie delantera 104 y una superficie trasera 106. El material piezoeléctrico 102 se configura para estar en comunicación acústica con una muestra (no ilustrada en las Figuras). El material piezoeléctrico 102 tiene propiedades acústicas. Por ejemplo, y sin ser limitativo, las propiedades acústicas pueden incluir una impedancia acústica de aproximadamente 27,5 MegaRayls.

[0262] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico 102 puede ser un disco piezoeléctrico compuesto polarizado. El disco piezoeléctrico compuesto polarizado puede estar en una configuración 1-3.

[0263] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico 102 puede ser un compuesto de PZT4 y puede incluir pilares. Por ejemplo, y sin ser limitativo, los pilares pueden ser pilares de 1000 um por 1000 um separados por 200 um de ranuras. Las ranuras pueden cortarse a un paso de aproximadamente 1200 um. Las ranuras pueden rellenarse con un relleno compuesto. En algunas modalidades, el relleno compuesto puede estar en una configuración de 0-3. El relleno compuesto puede incluir partículas de hafnio dopado en epoxi. Un ejemplo no limitativo de epoxi es Epo-Tek<®>301. En algunas modalidades, el material piezoeléctrico 102 puede tener un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 2,35 mm a aproximadamente 2,45 mm

[0264] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico 102 consiste en una capa piezoeléctrica.

[0265] La estructura de respaldo 108 se coloca en la superficie trasera 106 del material piezoeléctrico 102. La estructura de respaldo 108 se configura para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera 104 del material piezoeléctrico 102. En algunas modalidades, la estructura de respaldo 108 se configura además para reflejar la energía acústica en fase. En algunas modalidades, la estructura de respaldo 108 se configura además para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo 108. La estructura de respaldo 108 es térmicamente conductora y eléctricamente conductora. La estructura de respaldo 108 ilustrada en las Figuras 1 a 6 incluye un primer respaldo de desajuste de doble capa 110 y un segundo respaldo de desajuste de doble capa 116.

[0266] El primer respaldo de desajuste de doble capa 110 incluye una primera capa de grafito 112 y una capa hecha de tungsteno 114 en contacto con la primera capa de grafito 112. En algunas modalidades, la primera capa de grafito 112 tiene una impedancia acústica de aproximadamente 5,1 MegaRayls y tiene un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 1,5 mm a aproximadamente 1,6 mm. En algunas modalidades, la capa de tungsteno 114 tiene una impedancia acústica de aproximadamente 100 MegaRayls y un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 2,6 mm a aproximadamente 2,7 mm. Un experto en la técnica entenderá fácilmente que la impedancia acústica y el grosor de la primera capa de grafito 112 y la capa de tungsteno 114 están dictados por la aplicación específica, y por lo tanto podrían ser diferentes de los ejemplos enumerados anteriormente.

[0267] El segundo respaldo de desajuste de doble capa 116 contacta con el primer respaldo de desajuste de doble capa 110. El segundo respaldo de desajuste de doble capa 116 incluye una segunda capa de grafito 118 y una capa de cobre 120 en contacto con la segunda capa de grafito 118. En algunas modalidades, la segunda capa de grafito 118 tiene una impedancia acústica de aproximadamente 5,1 MegaRayls y un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 1,5 mm a aproximadamente 1,6 mm. En algunas modalidades, la capa de cobre 120 tiene una impedancia acústica de aproximadamente 41,5 MegaRayls y tiene un grosor incluido en un intervalo que se extiende de aproximadamente 2,5 mm a aproximadamente 2,6 mm. Un experto en la técnica entenderá fácilmente que la impedancia acústica y el grosor de la segunda capa de grafito 118 y la capa de cobre 120 están dictados por la aplicación específica, y por lo tanto podrían ser diferentes de los ejemplos enumerados anteriormente.

[0268] El disipador de calor 122 está en contacto térmico con la estructura de respaldo 108. En algunas modalidades, el disipador de calor 122 incluye al menos un canal 124. Tal canal 124 se configura para recibir y hacer circular un fluido de transferencia de calor en el mismo. El fluido de transferencia de calor puede ser un líquido, gaseoso o cualquiera de sus mezclas. En algunas modalidades, el disipador de calor 122 se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo 108.

[0269] Los electrodos 126 están en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico 102. En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 100 incluye una unidad de control (no ilustrada en las Figuras) conectada eléctricamente a al menos uno del material piezoeléctrico 102, la estructura de respaldo 108 y los electrodos 126. Tal unidad de control puede ser útil para controlar el transductor ultrasónico 100. En algunas modalidades, los electrodos 126 se conectan eléctricamente al material piezoeléctrico 102 a través de la estructura de respaldo 108.

[0270] El transductor ultrasónico 100 es operable a una frecuencia operativa. Esta frecuencia operativa se relaciona con una longitud de onda operativa λo. En algunas modalidades, la primera capa de grafito 112, la capa hecha de tungsteno 114 en contacto con la primera capa de grafito 112, la segunda capa de grafito 118 y la capa de cobre 120 tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λo/4 de grosor o múltiplos impares de λo/4. En algunas modalidades, la longitud de onda operativa λo puede ser de aproximadamente 530 kHz.

[0271] En una modalidad, el material piezoeléctrico 102 se configura para que sea resonante a media onda a la frecuencia operativa.

[0272] En otra modalidad, el transductor ultrasónico 100 incluye una única capa de desajuste 128 colocada entre el material piezoeléctrico 102 y la estructura de respaldo 108. La única capa de desajuste 128 está en comunicación acústica con el material piezoeléctrico 102 y la estructura de respaldo 108. La única capa de desajuste 128 tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica del material piezoeléctrico 102. En esta modalidad, el material piezoeléctrico 102 se configura para resonar a un cuarto de onda a la frecuencia operativa. El material piezoeléctrico 102 tiene una frecuencia resonante, y esta frecuencia resonante se relaciona con una longitud de onda resonante λr. La única capa de desajuste 128 tiene un grosor de menos de 2λr-/5 de grosor con respecto a la frecuencia resonante del material piezoeléctrico 102. La única capa de desajuste 128 puede tener un grosor que varía entre aproximadamente λr/10 y aproximadamente λr/20. La única capa de desajuste 128 puede fabricarse, por ejemplo y sin ser limitativa, de tungsteno. Podrían usarse otros materiales para la única capa de desajuste 128. En algunas modalidades, la longitud de onda resonante λr puede ser de aproximadamente 530 kHz.

[0273] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una estructura térmicamente conductora 130 en contacto con la estructura de respaldo 108. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 130 se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo 108. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 130 puede ser una capa hecha de AlN o una capa hecha de óxido de berilio. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 130 puede extenderse en porciones laterales de la estructura de respaldo 108. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 130 incluye al menos una vía eléctricamente conductora que pasa a través de la estructura térmicamente conductora 130.

[0274] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 100 incluye una capa de desgaste 132 que tiene propiedades resistentes a la abrasión. La capa de desgaste 132 puede fabricarse, por ejemplo y sin ser limitativa, de titanio. En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 100 incluye una capa térmicamente conductora 133 acústicamente emparejada con el material piezoeléctrico 102. Como se representa en la Figura 1d, la capa térmicamente conductora 133 puede proporcionarse entre el material piezoeléctrico 102 y la capa de desgaste 132. Tal capa térmicamente conductora puede estar en contacto térmico con el disipador de calor 122 a través de una tapa de cobre 135. Cabe señalar que la tapa 135 podría fabricarse de cualquier otro material térmicamente conductor.

[0275] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 100 tiene un diámetro de aproximadamente 50 mm.

[0276] Ejemplos

[0277] Otras modalidades del transductor ultrasónico que se han descrito hasta ahora se presentarán ahora.

[0278] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye dos DLDB apilados, apilados (pila de DLDB doble) en un transductor específico de material enfriado con líquido de un solo elemento diseñado para coincidir con el titanio. Una modalidad ilustrativa del DLDB diseñada para operar en un transductor piezoeléctrico de 680 kHz que tiene un elemento piezocompuesto de 27,5 MegaRayls (MR) de impedancia acústica incluye un primer DLDB unido a un segundo par de DLDB, el primer par de DLDB incluye una primera capa de grafito que tiene una impedancia acústica de aproximadamente 5,1 MR y un grosor de 1,03 mm, y una segunda capa de metal de tungsteno que tiene una impedancia acústica de aproximadamente 100 MR y un grosor de 1,53 mm, el segundo par de DLDB incluye una primera capa de grafito que tiene una impedancia acústica de aproximadamente 5,1 (MR) y un grosor de 0,905 mm, y una segunda capa de metal de cobre que tiene una impedancia acústica de aproximadamente 41,5 MR y un grosor de 1,71 mm.

[0279] En algunas modalidades, uno o dos DLDB en un transductor de elemento único que tiene una capa de desajuste de impedancia acústica alta (DML) de menos de 2/5 lambda y típicamente menos de 1/4 lambda, interpuesta entre las pilas de DLDB y el elemento piezoeléctrico.

[0280] En algunas modalidades, el DLDB incluye una primera capa de respaldo y una segunda capa de respaldo, cada una de las cuales tiene una cara distal y una cara proximal. La cara proximal de la primera capa de respaldo puede estar en contacto acústico con la cara distal de la segunda capa de respaldo; las dos capas juntas comprenden la estructura DLDB. El DLDB, a su vez, puede colocarse en contacto acústico con un elemento piezoeléctrico que tiene una cara distal y una cara proximal, la cara distal de la primera capa de respaldo está en contacto con la cara proximal del elemento piezoeléctrico. Las primeras y segundas capas de respaldo del DLDB pueden diseñarse para tener un grosor de aproximadamente ¼ de lambda para la frecuencia resonante diseñada del elemento piezoeléctrico. La primera capa de respaldo puede fabricarse de un material que tiene una impedancia acústica relativamente menor en comparación con el elemento piezoeléctrico. La segunda capa de respaldo puede fabricarse de un material que tiene una impedancia acústica relativamente mayor en comparación con la primera capa de respaldo.

[0281] En las modalidades en donde se apilan dos o más DLDB, puede lograrse una mejora o aumento del aislamiento acústico de las estructuras eléctricas y térmicas conectadas al transductor a través del DLDB.

[0282] En algunas modalidades, en funcionamiento, la primera cara de la primera capa del primer DLDB refleja la mayor parte de la energía acústica dirigida hacia el respaldo del transductor de regreso a la cara de trabajo del transductor, mientras que la cara trasera de la primera capa también refleja la mayor parte de la energía que la alcanza, de esta manera en fase. Las capas del DLDB comienzan a resonar con la energía restante en el respaldo, sobre el ancho de banda del transductor debido a las capas de ¼ de onda y el signo alterno de los coeficientes de reflexión debido a la transición de baja a alta impedancia acústica en las capas incluidas en el DLDB. Las capas resonantes liberan la energía en fase tanto hacia adelante como hacia atrás a través de la pila de respaldo, durante un período de tiempo relativamente largo y a una amplitud muy baja, lo que permite dispersar eficazmente las reflexiones no deseadas a lo largo del tiempo a una amplitud aceptablemente baja.

[0283] Las modalidades del DLDB que se han descrito pueden ser efectivas en pilas acústicas que se han diseñado para transductores piezoeléctricos resonantes de ½ lambda y una carga prevista que es mayor que la impedancia acústica de la capa de luz del DLDB y que se empareja bien con la impedancia acústica de la capa piezoeléctrica. Ejemplos de tales estructuras pueden encontrarse en la solicitud de patente PCT PCT/CA2019/051046.

[0284] Las modalidades del DLDB como se describe en la presente descripción también pueden ser efectivas en pilas acústicas que se han diseñado para transductores piezoeléctricos resonantes de ½ lambda y una carga prevista que es mayor que la impedancia acústica de la capa de luz del DLDB. Cuando la carga es comparable o menor que la capa de impedancia acústica inferior de la primera capa DLDB, el transductor puede incluir una capa piezoeléctrica que tiene una impedancia acústica mayor que la carga y una o más capas de ajuste.

[0285] En algunas modalidades, el DLDB puede usarse con una pila de ¼ de lambda junto con una capa de desajuste. En otro ejemplo, el DLDB puede incluirse con una capa de desajuste acústico alto en un diseño de transductor piezoeléctrico resonante de ¼ de lambda, en donde la capa de desajuste acústico alto se interpone entre el DLDB y el material piezoeléctrico sin casi ninguna restricción a la impedancia acústica del material de carga. Esta técnica puede aplicarse a transductores específicos de material, o transductores que tienen capas coincidentes o cualquier otro método práctico de coincidencia de carga.

[0286] Una variación del grosor de las capas de DLDB puede usarse para expandir el ancho de banda del transductor y para mejorar la reflectividad del respaldo en un espectro de frecuencia más amplio. Tal variación puede implementarse en dependencia de la aplicación que se desea.

[0287] Debido al aislamiento acústico relativamente alto logrado por el DLDB y la posibilidad de hacer que las capas sean térmicamente conductoras, es posible aplicar directamente un disipador de calor a la cara proximal del DLDB, lo que da como resultado una eliminación altamente eficiente del calor directamente desde la parte posterior del elemento piezoeléctrico sin comprometer las propiedades acústicas del transductor.

[0288] Debido al aislamiento acústico relativamente alto logrado por el DLDB y la posibilidad de hacer que las capas sean eléctricamente conductoras, es posible hacer una conexión eléctrica directamente a la cara proximal del DLDB, por ejemplo, soldando, uniendo con alambre, o mediante el uso de epoxi conductor para unir un cable u otro circuito eléctrico a la capa superior del DLDB.

[0289] En algunas modalidades, es posible además cortar en cubos el DLDB en elementos alineados con los elementos piezoeléctricos de un arreglo de transductores tal como, por ejemplo, un arreglo lineal 1-D, un arreglo de matriz 2-D, u otros conjuntos de transductores de múltiples elementos de manera que se pueda aplicar una placa de circuito impreso, o un intercalador ASIC, conector eléctrico, u otro circuito eléctrico directamente a la cara proximal del DLDB, haciendo una conexión eléctrica altamente eficiente al transductor. Esto puede ser útil cuando la sonda ultrasónica es una matriz de múltiples elementos 2-D que hace posible la conexión a un número relativamente grande de elementos directamente al DLDB correspondiente a cada elemento de la matriz sin comprometer las propiedades acústicas de los transductores. Estas modalidades se describirán en otras secciones de la descripción.

[0290] Debido a que el respaldo tiene un perfil relativamente bajo y permite la conexión eléctrica directa al DLDB de perfil bajo, la presente tecnología puede proporcionar ventajas en términos de diseño cuando se trata de sondas ultrasónicas de perfil bajo. Los ejemplos de sondas ultrasónicas de perfil bajo incluyen, entre otros, sondas usadas para sondas médicas intracavitarias, endoscopios y transductores y conjuntos cilíndricos NDT.

[0291] En algunas modalidades, el DLDB tiene una o más capas, cada una de las cuales está hecha de un material térmicamente conductor que es eléctricamente aislante lateralmente y axialmente conductor, lo que da como resultado una capa térmicamente conductora isotrópica y eléctricamente conductor anisotrópica. En una modalidad, la capa de alta impedancia acústica se fabrica de una cerámica de nitruro de aluminio (AlN), por ejemplo. La capa de alta impedancia acústica tiene una pluralidad de vías eléctricamente conductoras dispuestas para alinearse con un elemento de matriz de múltiples elementos. La otra capa del DLDB puede separarse en elementos eléctricamente y acústicamente aislados lateralmente, alineados con los elementos del arreglo de elementos piezoeléctricos mediante, por ejemplo, corte, grabado o mecanizado o mediante otros métodos. La combinación de estas dos capas da como resultado un respaldo que proporciona conectividad eléctrica desde cada elemento transductor a la superficie proximal del DLDB, aislamiento eléctrico lateral de un elemento a cada otro elemento a través de todo el DLDB y la pila piezoeléctrica, y conductividad térmica lateral contigua y/o continua sobre todo el arreglo de elementos. Un experto en la técnica entenderá que el enfriamiento por disipación del transductor puede lograrse entonces al eliminar el calor del perímetro de la capa de AlN mediante el uso de algunos medios de tecnología de enfriamiento, por ejemplo, un intercambiador de calor de aire a aire, o por ejemplo un disipador de calor de enfriamiento líquido, mientras que aún permite la conexión eléctrica directa de la serie a un PCB o intercalador. Un experto en la técnica puede ver fácilmente que este enfoque puede adaptarse a múltiples DLDB apilados para aumentar el aislamiento acústico y/o la conductividad térmica. Este uso de DLDB térmicamente contiguos y/o continuos eléctricamente aislados en arreglos de transductores 1-D y especialmente 2-D permite el enfriamiento directo de grandes arreglos sin comprometer el rendimiento acústico y proporciona un medio de interconexión eléctrica relativamente simple y rentable.

[0293] En algunas modalidades, el DLDB puede enfriarse con líquido.

[0295] En algunas modalidades, se proporciona un transductor específico de material de 680 kHz enfriado con líquido DLDB para su uso con titanio y otros materiales de impedancia acústica similares (tales como zirconio). El transductor puede tener un diámetro de 50 mm y una pila equipada con DLDB doble.

[0297] Se debe señalar que el transductor es una modalidad ilustrativa de la tecnología y sirve únicamente para fines ilustrativos. Aparte de lo que se describe en la descripción actual, el transductor podría incluir otros elementos conocidos por un experto en la técnica.

[0299] En algunas modalidades, el transductor comprende un disco piezoeléctrico compuesto polarizado 1-3 de 2,4 mm de grosor, cuyo grosor corresponde a aproximadamente entre 0,35 y 0,4 lambda en una condición de resonancia libre sin carga, pero que opera en modo de ½ lambda, que tiene un electrodo positivo en la cara proximal y un electrodo negativo en la cara distal. Como un experto en la técnica entenderá, el grosor del disco piezoeléctrico se elige para que sea más delgado que ½ lambda para compensar el efecto de carga de masa de la parte posterior de DLDB y las cargas acústicas. El compuesto piezoeléctrico puede fabricarse mediante el corte y el relleno de material polarizado PZT4 que tiene ranuras de 200 um cortadas a un paso de 1200 um que dejan pilares de 1000 um por 1000 um separados por ranuras de 200 um. Las ranuras pueden estar, por ejemplo y sin ser limitativos, rellenos con un relleno compuesto 0-3 de partículas de aproximadamente 5 um de dióxido de hafnio dopado en Epotek<®>301 epoxi, de manera que la impedancia acústica del material de relleno de ranura compuesto varía entre aproximadamente 7 a 8 Mega Rayls (MR), y la impedancia acústica de la capa de piezocompuesto general se iguala estrechamente al titanio que es aproximadamente 27,5 MR. La cara negativa de la capa de compuesto piezoeléctrico puede unirse a la cara proximal de un disco de 6 mm de grosor de aleación de zinc-aluminio ZA-8, mediante el uso, por ejemplo, de un epoxi cargado de polvo de tungsteno. La cara distal del disco ZA-8, puede unirse a la cara proximal de un disco compuesto de alúmina, mediante el uso de un epoxi Epotek 301 cargado con óxido de hafnio de partículas submicrométricas. El disco compuesto de alúmina puede incluir pilares de 750 um por 750 um por 1400 um de altura, separadas por ranuras de 200 um, las ranuras se rellenan con el mismo epoxi cargado con partículas de hafnio usado para hacer el disco compuesto piezoeléctrico. La cara distal del compuesto de alúmina puede unirse a su vez a la cara proximal de un disco de titanio de 3 mm de grosor, con una capa de epoxi Epotek 301 cargado con óxido de hafnio submicrónico. Después, se unen dos conjuntos de respaldos de doble capa desajustados (DLDB) a la cara proximal del disco piezoeléctrico mediante el uso de epóxido epotek 301 cargado con polvo de tungsteno submicrométrico como sigue. La cara proximal del disco compuesto piezoeléctrico se une a la cara distal de un disco de grafito Poco DFP-1 de 1030 um de grosor, que tiene una impedancia acústica de 5,1 MR, 905 um correspondiente a ¼ lambda a 680 kHz, la frecuencia central del transductor. Después, la cara proximal del disco de grafito se une a la cara distal de un disco de tungsteno de 1530 um de grosor, que tiene una impedancia acústica de 100 MR, el grosor del disco de tungsteno correspondiente a ¼ lambda a ~ 850 kHz, también ligeramente por encima de la frecuencia central del transductor. Después, la cara proximal del disco de tungsteno se une a la cara proximal de un disco de grafito Poco DFP-1 de 905 um de grosor, que tiene una impedancia acústica de 5,1 MR, el grosor correspondiente a ¼ lambda a ~800 kHz, ligeramente por encima de la frecuencia central del transductor. La cara proximal del disco de grafito se une a la cara distal de un disco de cobre de 1710 um de grosor, que tiene una impedancia acústica de 41,5 MR, el grosor correspondiente a ¼ lambda a 680 kHz. El disco de grafito y el disco de tungsteno constituyen la primera pila de respaldo de desajuste de doble capa, y el disco de grafito y el disco de cobre constituyen la segunda pila de DLDB. Estas dos pilas trabajan juntas para aislar acústicamente el disco compuesto piezoeléctrico de los elementos de enfriamiento térmico del transductor, lo que permite que la solución de enfriamiento térmico se una directamente a la cara proximal del disco de cobre sin interrumpir sustancialmente el rendimiento acústico del transductor. En estas modalidades, la cara distal de un disco de AlN de 1 mm de grosor altamente conductor térmico se une a la cara proximal del disco de cobre, mediante el uso de epoxi térmicamente conductor. El disco de AlN se muestrea para permitir espacio para la conexión eléctrica al disco de cobre que se realiza con un cable soldado, o alternativamente, un cable unido a epoxi conductor. Cabe señalar que toda la pila de DLDB en esta modalidad es tanto conductora eléctrica como térmicamente, lo que hace posible la conexión eléctrica al electrodo de señal del disco compuesto piezoeléctrico directamente a través de las pilas de DLDB. Además, debe señalarse que existen muchos materiales que pueden usarse prácticamente en la aplicación de la tecnología descrita más allá de los que se describen explícitamente en esta modalidad ilustrativa, algunos de los cuales son conductores eléctricos, conductores térmicos, o ambos, o ninguno de los dos conductores térmicos o eléctricos. En esta modalidad ilustrativa, las capas de DLDB son tanto eléctricamente como térmicamente conductoras. La cara proximal de una base de disipador de calor de cobre se suelda o se suelda al borde distal de una parte superior de disipador de calor, para formar un ensamble de disipador de calor hueco de cobre, cuya cara distal se une directamente a la cara proximal del disco de AlN, con epoxi térmicamente conductor, pero eléctricamente aislante. En las modalidades ilustradas, la cara proximal de la parte superior del disipador de calor hueco se une con el mismo epoxi térmicamente conductor a la cara distal de un disco de AlN. El disco de AlN tiene dos orificios de desahogo en él y una muesca, los orificios permiten que los tubos de enfriamiento se fijen a los tubos de barbas integrales de la parte superior del disipador de calor, y la muesca permite una trayectoria de desahogo para el cable de señal unido a la capa de DLDB de cobre. La cara proximal del disco de AlN puede unirse a la cara distal del distribuidor de calor de cobre mediante el uso de epoxi térmicamente conductor. La carcasa de cobre se puede ajustar a presión al perímetro del disco ZA-8 y unir a la pila acústica y térmica completa mediante el uso de un epoxi eléctricamente aislante y térmicamente conductor. En algunas modalidades, todos los vacíos se rellenan con epoxi térmicamente conductor y eléctricamente aislante, lo que hace que todo el ensamble sea sólido, aparte del interior hueco del ensamble disipador de calor (es decir,parte superior del disipador de calor y parte inferior del disipador de calor). Las mangueras de goma, que pueden tener, por ejemplo y sin ser limitativas, un diámetro interior de 0,9525 cm (3/8 de pulgada), se adaptan a los jefes de manguera de enfriamiento de cobre y se fijan en su lugar con abrazaderas de manguera. El transductor incluye un contacto eléctrico, que puede estar incorporado por un conector eléctrico BNC RF, soldado a la tapa de cobre. El conductor central del conector BNC puede soldarse además al cable de señal, conectando así eléctricamente el conductor de señal BNC al electrodo de señal positivo del disco compuesto piezoeléctrico. La tapa de cobre, en algunas modalidades, puede soldarse o unirse con epoxi conductor al labio proximal de la carcasa de cobre, completando la conexión eléctrica desde el suelo del conector BNC y el electrodo negativo del disco compuesto piezoeléctrico a través de la carcasa de cobre y el disco ZA-8. El transductor también incluye una carcasa de plástico eléctricamente aislante, unida a la tapa de cobre y la carcasa de cobre, que cubre al menos parcialmente el borde del disco compuesto de alúmina y reposa sobre la superficie del disco de titanio. El transductor resultante (es decir,el ensamble de los componentes que se han descrito previamente) se conecta a un intercambiador de calor líquido de aire a líquido y se llena con un líquido de enfriamiento adecuado. Un ejemplo no limitativo de líquido de enfriamiento es una mezcla de propilenglicol/agua al 50 %.

[0301] Estas modalidades pueden usarse para proporcionar enfriamiento directo al electrodo de señal del disco compuesto piezoeléctrico, a través de las pilas de DLDB dobles, así como también enfriamiento indirecto al electrodo de tierra del disco de piezocompuesto, a través de la carcasa de cobre y el disco ZA-8, lo que permite la eliminación de cientos de vatios con velocidades de flujo de refrigerante de aproximadamente unos pocos litros por minuto y un intercambiador de calor. Más específicamente, en algunas modalidades, el transductor ultrasónico puede incluir una capa térmicamente conductora acústicamente emparejada con el material piezoeléctrico para permitir dicho enfriamiento indirecto. Adicionalmente, el diseño que se describe en la presente descripción permite un ancho de banda alto de más del 90 % en una vía (por ejemplo, ancho de banda de 6 dB para el transductor ilustrativo), y es posible que los artefactos de reverberación sean insignificantes mientras se enfría directamente el elemento piezoeléctrico con un disipador de calor metálico relleno de líquido eficiente.

[0303] En algunas modalidades, se proporciona una pila de capa piezoeléctrica y DLDB para transductores enfriados por líquido. Pueden superponerse cinco capas, pero se entendería fácilmente que podrían extenderse a lo largo de una totalidad o solo una porción de su superficie. La capa es una capa compuesta piezoeléctrica de ½ lambda de un solo elemento emparejada con titanio. La capa es una capa de grafito de ¼ lambda de baja impedancia acústica de la primera pila de DLDB. La capa es una capa de tungsteno de ¼ de lambda de alta impedancia acústica de la primera pila de DLDB. La capa es una capa de grafito de ¼ de lambda de baja impedancia acústica de la segunda pila de DLDB. La capa es una capa de cobre de ¼ de lambda de alta impedancia acústica de la primera pila de DLDB.

[0304] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye una capa de desgaste de titanio, una capa de aislamiento eléctrico compuesta de óxido de aluminio (AlN) y una capa térmica, eléctrica y acústicamente conductora. La capa puede ser, por ejemplo y sin ser limitativa, de zinc o aleación de zinc, y estar acústicamente emparejada con titanio mientras que es un mejor conductor térmico. El transductor incluye además una capa compuesta piezoeléctrica de un solo elemento de ~ ½ lambda. La capa puede coincidir con el titanio. El transductor incluye una primera y segunda pilas de DLDB, cada una de las cuales incluye una capa de baja impedancia acústica y una capa de alta impedancia acústica. Más particularmente, la primera pila de DLDB incluye una capa de grafito de ¼ de lambda de baja impedancia acústica y una capa de tungsteno de ¼ de lambda de alta impedancia acústica, y la segunda pila de DLDB incluye una capa de grafito de ¼ de lambda de baja impedancia acústica y una capa de cobre de ¼ de lambda de alta impedancia acústica. El transductor de acuerdo con esta modalidad incluye además una capa de aislamiento eléctrico térmicamente conductora. La capa puede estar hecha de, por ejemplo y sin ser limitativa, nitruro de aluminio. El transductor también incluye una carcasa conductora eléctrica y térmica, así como también una carcasa externa de plástico aislante eléctrico. Otros componentes de los transductores incluyen, pero no se limitan necesariamente a un disco eléctricamente aislante con recortes de manguera, que puede fabricarse de AlN, una base de intercambiador de calor de bloque de agua, una parte superior de intercambiador de calor de bloque de agua, una capa de transferencia de calor con recortes de manguera, que puede fabricarse de cobre, una tapa de carcasa de cobre, un conector eléctrico BNC RF y mangueras de enfriamiento líquido.

[0306] En algunas modalidades, se proporciona una pila acústica con dos pilas de DLDB en su lugar con un intercambiador de calor de enfriamiento líquido completamente aislado eléctricamente en contacto térmico directo con la capa de cobre del DLDB a través de una capa aislante eléctrica de AlN.

[0308] En algunas modalidades, se proporciona una pila de traductor de elemento único piezoeléctrico de 10 MHz que tiene una capa de desajuste de tungsteno de 0,12 lambda (62,5 um) de grosor interpuesta entre una pila de respaldo de desajuste de doble capa que incluye una capa de grafito de baja impedancia de ¼ lambda de grosor (70 um) y una capa de tungsteno de alta impedancia de ¼ lambda de grosor (130 um). Esto incluye una pila piezoeléctrica de 10 MHz que tiene una pila compuesta de PZT 1-3 de 115 um de grosor, una capa de desajuste de tungsteno de 62,5 um de grosor y una pila de respaldo de desajuste de doble capa. El transductor de acuerdo con esta modalidad incluye una capa compuesta piezoeléctrica de ¼ de lambda de un solo elemento, que puede coincidir con el titanio. El transductor también incluye una capa de desajuste de 0,12 lambda, que puede fabricarse de tungsteno. El transductor también incluye una pila de DLDB, que incluye una capa de ¼ de lambda de baja impedancia acústica que puede estar hecha de grafito y una capa de ¼ de lambda de alta impedancia acústica que puede estar hecha de tungsteno. En algunas modalidades, se proporciona un diseño de transductor piezocompuesto de 10 MHz. La pila acústica puede incluir un disco compuesto piezoeléctrico, una capa de desajuste de tungsteno, y una pila de respaldo de desajuste de doble capa incluye una capa de grafito y una capa de tungsteno. El disco compuesto piezoeléctrico tiene una impedancia acústica de aproximadamente 25 MR, un grosor de 115 um, correspondiente a aproximadamente ¼ lambda, y tiene un polo positivo y un electrodo en la cara proximal, y un polo negativo y un electrodo en la cara distal del disco. La capa de desajuste de tungsteno tiene un grosor de 62,5 um, correspondiente a aproximadamente 0,12 lambda. La capa de grafito, del DLDB es de 70 um de grosor, correspondiente a ¼ de lambda a 10 MHz, y la capa de tungsteno, es de 130 um de grosor, también correspondiente a ¼ de lambda a 10 MHz. La pila acústica se une mediante el uso de un epoxi de baja viscosidad, tal como Cotronics 4461. La conexión eléctrica se realiza mediante la carga de una fracción de polvo de tungsteno submicrónico en el epoxi donde sea necesario. Un experto en la técnica entenderá que para los propósitos de ajustar el elemento piezoeléctrico con agua se pueden usar capas de ajuste de ¼ de onda. Para los propósitos de esta modalidad ilustrativa, se usan dos capas de ajuste de ¼ de onda, la primera capa de ajuste unida a la cara distal de la capa compuesta piezoeléctrica, que tiene una impedancia acústica de ~10 MR, y la segunda que tiene una impedancia acústica de ~ 3 MR. Los resultados de las pruebas simuladas de esta pila con y sin un disipador de calor de cobre unido a la cara proximal de la capa de alta impedancia acústica del DLDB, se muestran en las Figuras 22a, 22b, 23a y 23b.

[0309] Ahora se describirán diferentes modalidades de un transductor ultrasónico que incluye un arreglo piezoeléctrico unidimensional.

[0310] Transductores ultrasónicos que incluyen un arreglo piezoeléctrico unidimensional

[0311] Ahora, al volver a las Figuras 7 a 12, se ilustra un arreglo de transductores ultrasónicos 200.

[0312] El arreglo de transductores ultrasónicos 200 incluye un arreglo piezoeléctrico unidimensional 202 que tiene una superficie delantera 204 y una superficie trasera 206. El arreglo piezoeléctrico unidimensional 202 se configura para estar en comunicación acústica con una muestra (no ilustrada en las Figuras). Como se ilustra, el arreglo 202 incluye una pluralidad de regiones piezoeléctricas 203 dispuestas en una dimensión.

[0313] El arreglo de transductores ultrasónicos 200 también incluye una estructura de respaldo 208 colocada en la superficie trasera 206 del arreglo piezoeléctrico unidimensional 202. La estructura de respaldo 208 se configura para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera 204 del arreglo piezoeléctrico unidimensional 202. En algunas modalidades, la estructura de respaldo 208 se configura además para reflejar la energía acústica en fase. En algunas modalidades, la estructura de respaldo 208 se configura además para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo 208. La estructura de respaldo 208 incluye un respaldo de desajuste de doble capa 210. En algunas modalidades, la estructura de respaldo 208 es térmicamente conductora y eléctricamente conductora. En algunas modalidades, una porción superior 209 de la estructura de respaldo 208 se fabrica de un material eléctricamente aislante. En algunas modalidades, la porción superior 209 de la estructura de respaldo 208 incluye una capa fabricada a partir de AlN atravesada por vías eléctricamente conductoras 236, cada vía eléctricamente conductora 236 se alinea con una correspondiente de la pluralidad de regiones piezoeléctricas 203 dispuestas en una dimensión. En algunas modalidades, la capa fabricada a partir de la capa de AlN tiene una cara frontal, y la capa fabricada a partir de la capa de AlN se corta parcialmente de la cara frontal para mejorar la separación acústica de las adyacentes de la pluralidad de regiones piezoeléctricas 203 dispuestas en una dimensión.

[0314] El respaldo de desajuste de doble capa 210 incluye una capa de baja impedancia acústica 212 y una capa de alta impedancia acústica 214. En algunas modalidades, la capa de baja impedancia 212 y la capa de alta impedancia acústica 214 forman un primer respaldo de desajuste de doble capa 210 y el transductor ultrasónico incluye un segundo respaldo de desajuste de doble capa 216. El segundo respaldo de desajuste de doble capa 216 incluye una segunda capa de baja impedancia acústica 218 y una segunda capa de alta impedancia acústica 220.

[0315] El transductor ultrasónico 200 también incluye un circuito eléctrico preensamblado 234. El circuito eléctrico preensamblado 234 está en comunicación eléctrica con la porción superior 209 de la estructura de respaldo 208, de manera que está en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico 202. En algunas modalidades, el circuito eléctrico preensamblado 234 incluye al menos uno de: una placa de circuito impreso, un intercalador, un circuito integrado y un circuito integrado de aplicación específica.

[0316] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 200 incluye un disipador de calor similar al que se describió anteriormente. El disipador de calor está en contacto térmico con la estructura de respaldo 208. En algunas modalidades, el disipador de calor incluye al menos un canal. Tal canal se configura para recibir y hacer circular un fluido de transferencia de calor en el mismo. El fluido de transferencia de calor puede ser un líquido, gaseoso o cualquiera de sus mezclas. En algunas modalidades, el disipador de calor se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo 208.

[0317] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 200 incluye uno o más electrodos conectados eléctricamente a la serie piezoeléctrica unidimensional 202 a través de la estructura de respaldo 208. El transductor ultrasónico 200 puede incluir una unidad de control conectada eléctricamente a al menos uno del arreglo piezoeléctrico unidimensional 202 y la estructura de respaldo 208.

[0318] Como se ilustra, cada región piezoeléctrica 203 se separa una de otra por espacios 238. Los espacios 238 son eléctricamente aislantes y preferentemente también acústicamente aislantes. De manera similar, en algunas modalidades, al menos una de la capa de baja impedancia acústica 210 y la capa de alta impedancia acústica 212 puede cortarse en una primera pluralidad de elementos 240, separados entre sí por un primer conjunto de espacios 242. Cada uno del primer conjunto de espacios 242 se alinea con uno correspondiente de los espacios 238 que separan las regiones piezoeléctricas 203. El primer conjunto de espacios 242 es eléctricamente aislante y preferentemente también acústicamente aislante. En algunas modalidades, al menos una de la segunda capa de baja impedancia acústica 218 y la segunda capa de alta impedancia acústica 220 puede cortarse en una segunda pluralidad de elementos 244, separados entre sí por un segundo conjunto de espacios 246. Cada uno del segundo conjunto de espacios 246 se alinea con uno correspondiente de los espacios 238 que separan las regiones piezoeléctricas 203. El segundo conjunto de espacios 246 es eléctricamente aislante y preferentemente también acústicamente aislante. En algunas modalidades, los espacios 238, el primer conjunto de espacios 242 y el segundo conjunto de espacios 246 son térmicamente conductores.

[0319] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 200 es operable a una frecuencia operativa. Esta frecuencia operativa se relaciona con una longitud de onda operativa λ<o>. La capa de baja impedancia acústica 212, la capa de alta impedancia acústica 214, la segunda capa de baja impedancia acústica 218 y la segunda capa de alta impedancia acústica 220 tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λo/4 de grosor o múltiplos impares de λ<o>/4.

[0320] En una modalidad, el arreglo piezoeléctrico unidimensional 202 se configura para resonar a media onda a la frecuencia operativa.

[0321] En otra modalidad, el transductor ultrasónico 202 incluye una única capa de desajuste 228 colocada entre el arreglo piezoeléctrico unidimensional 202 y la estructura de respaldo 208. La única capa de desajuste 228 está en comunicación acústica con la matriz piezoeléctrica unidimensional y la estructura de respaldo de ajuste 208. La única capa de desajuste 228 tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica de la serie piezoeléctrica unidimensional 202. El arreglo piezoeléctrico unidimensional 202 se configura para resonar a un cuarto de onda a la frecuencia operativa. En algunas modalidades, el arreglo piezoeléctrico unidimensional 202 tiene una frecuencia resonante asociada a una longitud de onda resonante λ<r>, y la única capa de desajuste 228 tiene un grosor de menos de 2λr/5 de grosor con respecto a la frecuencia resonante de la serie de arreglos piezoeléctricos unidimensional 202. En algunas modalidades, la única capa de desajuste 228 tiene un grosor que varía entre aproximadamente λ<r>/10 y aproximadamente λ<r>/20. En algunas modalidades, la única capa de desajuste 228 está hecha de tungsteno.

[0322] En algunas modalidades, el arreglo piezoeléctrico unidimensional 202 incluye columnas separadas por ranuras. En algunas modalidades, las ranuras se rellenan con un relleno compuesto. El relleno compuesto puede incluir partículas de hafnio dopado en epoxi. En algunas modalidades, el relleno compuesto puede estar en una configuración de 0-3. En algunas modalidades, el epoxi puede ser Epo-Tek<®>301.

[0323] En algunas modalidades, las regiones piezoeléctricas 203 consisten en una capa piezoeléctrica.

[0324] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 200 incluye una estructura térmicamente conductora 230 en contacto con la estructura de respaldo 208. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 230 se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo 208. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 230 es una capa hecha de AlN o una capa hecha de óxido de berilio. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 230 se extiende en porciones laterales de la estructura de respaldo 208.

[0325] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 200 incluye una capa de desgaste 232 que tiene propiedades resistentes a la abrasión. En algunas modalidades, la capa de desgaste 232 está hecha de titanio.

[0326] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 200 tiene un diámetro de aproximadamente 50 mm.

[0327] Ejemplo

[0328] Ahora se presentarán otras modalidades de un transductor ultrasónico que incluye un arreglo piezoeléctrico unidimensional.

[0329] En algunas modalidades, se proporciona un arreglo lineal 1-D que tiene una única capa de respaldo de DLDB completamente picada y conectada eléctricamente directamente a una PCB, lo que permite una interconexión eléctrica relativamente fácil del arreglo, e incluso una aplicación relativamente directa de un ASIC o conector de alta densidad directamente a la pila.

[0330] En algunas modalidades, se proporciona un arreglo lineal 1-D de 16 elementos que tiene una única capa de respaldo de DLDB completamente cortada y unida eléctricamente directamente a una PCB. Como se mencionó anteriormente, tal configuración permite una interconexión eléctrica relativamente fácil del arreglo, e incluso una aplicación relativamente directa de un ASIC o conector de alta densidad directamente a la pila. La matriz puede incluir una capa de desgaste protectora. Esta capa podría ser alternativamente una lente o una capa de ajuste, en dependencia de la aplicación. Los elementos piezoeléctricos, cada uno separado entre sí por un espacio (o ranura) forman la serie lineal 1-D. La matriz también incluye una capa de ¼ de lambda de baja impedancia acústica, separada en elementos con espacios entre ellos, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie. Sobre la capa de baja impedancia acústica se proporciona una capa de ¼ de lambda de alta impedancia acústica, que puede estar hecha de tungsteno. La capa de alta impedancia acústica se separa en elementos con espacios entre ellos, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie. La matriz también se proporciona con electrodos en superficies de PCB, una PCB y una vía en la placa de circuito impreso que conecta electrodos de una cara a la cara opuesta.

[0331] En algunas modalidades, los elementos y capas que forman el arreglo unidimensional o la matriz bidimensional pueden separarse además en subelementos para optimizar las propiedades acústicas, como se entenderá por un experto en la técnica. En algunas modalidades, la capa piezoeléctrica puede subdividirse. En aún otras modalidades, la estructura de respaldo de DLDB puede subdividirse, y en aún otras modalidades, algunas capas de algunos de los DLDB pueden subdividirse. Cabe señalar que estos ejemplos de transductores en serie tienen un propósito ilustrativo solamente, y por lo tanto no deben considerarse limitativos. Más específicamente, cualquier método para mejorar las propiedades acústicas a través de subdisección y la manipulación de la relación de aspecto (por ejemplo, al formar espacios adicionales) puede realizarse en los transductores ultrasónicos (o componentes de estos) de la presente descripción. Además, la configuración de respaldo de DLBD puede aplicarse a estos métodos y técnicas.

[0332] En algunas modalidades, se proporciona un arreglo lineal de 16 elementos DLDB dual que tiene una capa térmicamente continua lateralmente de la segunda pila de DLDB (superior). La capa térmicamente conductora es AlN o podría ser óxido de berilio u otro material aislante eléctrico térmicamente conductor adecuado y contiene vías eléctricamente conductoras para hacer la conexión a los elementos del transductor. Esto permite que la matriz se enfríe desde los bordes y se conecte eléctricamente directamente con una PCB, por ejemplo. Como un experto en la técnica entenderá, esta compensación entre el área de enfriamiento y la cobertura de la PCB puede intercambiarse en dependencia del espacio y las necesidades de diseño.

[0333] En algunas modalidades, se proporciona un arreglo lineal de 16 elementos DLDB dual que tiene una capa térmicamente continua lateralmente de la segunda pila de DLDB (superior). Esta serie incluye una capa de desgaste protectora. La capa podría ser alternativamente una lente, o capa o capas coincidentes en dependencia de la aplicación. La serie también incluye elementos piezoeléctricos, cada uno de los cuales está separado entre sí por un espacio (o ranura) para formar la serie lineal 1-D. La serie incluye una capa de ¼ de lambda de baja impedancia acústica, separada en elementos con espacios entre ellos, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie. y una capa de ¼ de lambda de alta impedancia acústica, que puede estar hecha de tungsteno. La capa se separa en elementos con espacios entre ellos, de acuerdo con los elementos piezoeléctricos dispuestos. La serie incluye otra capa de ¼ de lambda de baja impedancia acústica, separada en elementos con espacios entre ellos, en línea con el elemento piezoeléctrico en serie, y otra capa de ¼ de lambda de alta impedancia acústica. La capa puede fabricarse de AlN y no tiene espacios, lo que significa que la capa es continua. La capa proporciona conductividad térmica lateral a lo largo de la matriz. La conductividad eléctrica vertical se proporciona mediante vías en la capa de AlN. Las vías en la capa de AlN proporcionan comunicación eléctrica entre las capas adyacentes verticalmente. La matriz también incluye electrodos en superficies de PCB, una placa de circuito impreso y una vía impresa en la placa de circuito que conecta electrodos de una cara a la cara opuesta.

[0334] Ahora se presentarán modalidades de un transductor ultrasónico que incluye una matriz piezoeléctrica bidimensional Transductores ultrasónicos que incluyen una matriz piezoeléctrica bidimensional

[0335] Ahora, al volver a las Figuras 14 a 16, se ilustra un transductor ultrasónico 300.

[0336] El transductor ultrasónico 300 incluye una matriz piezoeléctrica bidimensional 302 que tiene una superficie delantera 304 y una superficie trasera 306. La matriz piezoeléctrica bidimensional 302 se configura para estar en comunicación acústica con una muestra (no ilustrada en las Figuras). Un experto en la técnica entenderá fácilmente que, si bien los siguientes párrafos hacen referencia explícita a una matriz 2D, tal estructura 2D puede ser incorporada por un arreglo anular que tiene espacios circulares ubicados simétricamente con respecto al centro del transductor ultrasónico. De hecho, la matriz 2D podría incorporarse mediante cualquier forma de matriz.

[0337] El transductor ultrasónico 300 también incluye una estructura de respaldo 308 colocada en la superficie trasera 306 de la matriz piezoeléctrica bidimensional 302. La estructura de respaldo 308 se configura para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera 304 de la matriz piezoeléctrica bidimensional 302. En algunas modalidades, la estructura de respaldo 308 se configura además para reflejar la energía acústica en fase. En algunas modalidades, la estructura de respaldo 308 se configura además para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo 308. La estructura de respaldo 308 incluye un respaldo de desajuste de doble capa 310. En algunas modalidades, la estructura de respaldo 308 es térmicamente conductora y eléctricamente conductora. En algunas modalidades, una porción superior 309 de la estructura de respaldo 308 se fabrica de un material eléctricamente aislante. En algunas modalidades, la porción superior 309 de la estructura de respaldo 308 incluye una capa fabricada de AlN atravesada por vías eléctricamente conductoras 336, cada vía eléctricamente conductora 336 se alinea con una correspondiente de la pluralidad de regiones piezoeléctricas 303. En algunas modalidades, la capa fabricada a partir de la capa de AlN tiene una cara frontal, y la capa fabricada a partir de la capa de AlN se corta parcialmente de la cara frontal para mejorar la separación acústica de las adyacentes de la pluralidad de regiones piezoeléctricas 303.

[0338] El respaldo de desajuste de doble capa 310 incluye una capa de baja impedancia acústica 312 y una capa de alta impedancia acústica 314. En algunas modalidades, la capa de baja impedancia 312 y la capa de alta impedancia acústica 314 forman un primer respaldo de desajuste de doble capa 310 y el transductor ultrasónico incluye un segundo respaldo de desajuste de doble capa 316. El segundo respaldo de desajuste de doble capa 316 incluye una segunda capa de baja impedancia acústica 318 y una segunda capa de alta impedancia acústica 320.

[0339] El transductor ultrasónico 300 también incluye un circuito eléctrico preensamblado 334. El circuito eléctrico preensamblado 334 está en comunicación eléctrica con la porción superior 309 de la estructura de respaldo 308, de manera que está en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico 302. En algunas modalidades, el circuito eléctrico preensamblado 334 incluye al menos uno de: una placa de circuito impreso, un intercalador, un circuito integrado y un circuito integrado de aplicación específica.

[0340] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 300 incluye un disipador de calor similar al que se describió anteriormente. El disipador de calor debe estar en contacto térmico con la estructura de respaldo 308. En algunas modalidades, el disipador de calor incluye al menos un canal. Tal canal se configura para recibir y hacer circular un fluido de transferencia de calor en el mismo. El fluido de transferencia de calor puede ser un líquido, gaseoso o cualquiera de sus mezclas. En algunas modalidades, el disipador de calor se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo 308.

[0341] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 300 incluye uno o más electrodos conectados eléctricamente a la matriz piezoeléctrica bidimensional 302 a través de la estructura de respaldo 308. El transductor ultrasónico 300 puede incluir una unidad de control conectada eléctricamente a al menos una de las matrices piezoeléctricas bidimensionales 302 y la estructura de respaldo 308.

[0342] Como se ilustra, cada región piezoeléctrica 303 se separa una de otra por espacios 338. Los espacios 338 son eléctricamente aislantes y acústicamente aislantes. De manera similar, en algunas modalidades, al menos una de la capa de baja impedancia acústica 310 y la capa de alta impedancia acústica 312 puede cortarse en una primera pluralidad de elementos 340, separados entre sí por un primer conjunto de espacios 342. Cada uno del primer conjunto de espacios 342 se alinea con uno correspondiente de los espacios 338 que separan las regiones piezoeléctricas 303. El primer conjunto de espacios 342 es eléctricamente aislante y acústicamente aislante. En algunas modalidades, al menos una de la segunda capa de baja impedancia acústica 318 y la segunda capa de alta impedancia acústica 320 puede cortarse en una segunda pluralidad de elementos 344, separados entre sí por un segundo conjunto de espacios 346. Cada uno del segundo conjunto de espacios 346 se alinea con uno correspondiente de los espacios 338 que separan las regiones piezoeléctricas 303. El segundo conjunto de espacios 346 es eléctricamente aislante y acústicamente aislante. En algunas modalidades, los espacios 338, el primer conjunto de espacios 342 y el segundo conjunto de espacios 346 son térmicamente conductores.

[0343] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 300 es operable a una frecuencia operativa. Esta frecuencia operativa se relaciona con una longitud de onda operativa λ<o>. La capa de baja impedancia acústica 312, la capa de alta impedancia acústica 314, la segunda capa de baja impedancia acústica 318 y la segunda capa de alta impedancia acústica 320 tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λ<o>/4 de grosor o múltiplos impares de λ<o>/d.

[0344] En una modalidad, la matriz piezoeléctrica bidimensional 302 se configura para resonar a media onda a la frecuencia operativa.

[0345] En otra modalidad, el transductor ultrasónico 300 incluye una única capa de desajuste 328 colocada entre la matriz piezoeléctrica bidimensional 302 y la estructura de respaldo 308. La única capa de desajuste 328 está en comunicación acústica con la matriz piezoeléctrica bidimensional y la estructura de respaldo de ajuste 308. La única capa de desajuste 328 puede tener espacios alineados con los espacios formados en la matriz piezoeléctrica 302. La única capa de desajuste 328 puede ser eléctricamente conductora. La única capa de desajuste 328 tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica de la matriz piezoeléctrica bidimensional 302. La matriz piezoeléctrica bidimensional 302 se configura para resonar a un cuarto de onda a la frecuencia operativa. En algunas modalidades, la matriz piezoeléctrica bidimensional 302 tiene una frecuencia resonante asociada a una longitud de onda resonante λ<r>, y la única capa de desajuste 328 tiene un grosor de menos de 2λr/5 de grosor con respecto a la frecuencia resonante de la matriz piezoeléctrica bidimensional 302. En algunas modalidades, la única capa de desajuste 328 tiene un grosor que varía entre aproximadamente λ<r>/10 y aproximadamente λ<r>/20. En algunas modalidades, la única capa de desajuste 328 está hecha de tungsteno.

[0346] En algunas modalidades, la matriz piezoeléctrica bidimensional 302 incluye columnas separadas por ranuras. En algunas modalidades, las ranuras se rellenan con un relleno compuesto. El relleno compuesto puede incluir partículas de hafnio dopado en epoxi. En algunas modalidades, el relleno compuesto puede estar en una configuración de 0-3. En algunas modalidades, el epoxi puede ser Epo-Tek<®>301.

[0347] En algunas modalidades, las regiones piezoeléctricas 303 consisten en una capa piezoeléctrica.

[0348] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 300 incluye una estructura térmicamente conductora 330 en contacto con la estructura de respaldo 308. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 330 se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo 308. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 330 es una capa hecha de AlN o una capa hecha de óxido de berilio. En algunas modalidades, la estructura térmicamente conductora 330 se extiende en porciones laterales de la estructura de respaldo 308.

[0349] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 300 incluye una capa de desgaste 332 que tiene propiedades resistentes a la abrasión. En algunas modalidades, la capa de desgaste 332 está hecha de titanio.

[0350] En algunas modalidades, el transductor ultrasónico 300 tiene un diámetro de aproximadamente 50 mm.

[0351] Ejemplos

[0352] Ahora se presentarán otras modalidades de un transductor ultrasónico que incluye una matriz piezoeléctrica bidimensional.

[0353] En algunas modalidades, se proporciona un transductor de matriz 2-D que tiene dos pilas de DLDB, la capa superior de la segunda pila que comprende una capa térmicamente conductora continua de AlN que tiene vías eléctricamente conductoras, correspondientes a una versión 2D del transductor 1D descrito anteriormente.

[0354] En algunas modalidades, se proporciona una matriz de elementos DLDB 16 x 16 dual que tiene una capa térmicamente continua lateralmente de la segunda pila de DLDB (superior). El transductor de matriz incluye una capa de desgaste protectora, que podría reemplazarse alternativamente por una lente, o una capa de ajuste, u otra estructura acústica en dependencia de la aplicación que abarca el área completa del arreglo de transductores 2D. El transductor de matriz incluye elementos piezoeléctricos separados entre sí por un espacio (o ranura) en dos ejes para formar la matriz o matriz de 2-D lineal. El transductor de matriz incluye una capa de ¼ de lambda de baja impedancia acústica, separada en elementos con espacios entre ellos en dos ejes, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie, y una capa de ¼ de lambda de alta impedancia acústica, que puede fabricarse de tungsteno. La capa puede separarse en elementos con espacios entre ellos en dos ejes, en línea con los elementos piezoeléctricos dispuestos. Las capas y definen una primera pila de DLDB. El transductor de matriz también incluye una segunda pila de DLDB. La segunda pila de DLDB incluye una capa ¼ lambda de baja impedancia acústica, separada en elementos con espacios entre ellos en dos ejes, en línea con los elementos piezoeléctricos en serie, y una capa ¼ lambda de alta impedancia acústica. La capa es generalmente continua y está hecha de AlN. En este contexto, la expresión "continuo" se refiere al hecho de que la pila no tiene espacios y proporciona conductividad térmica lateral a lo largo de ambos ejes del arreglo. La conductividad eléctrica vertical se proporciona mediante vías eléctricamente conductoras en la capa de AlN. Esta capa es particularmente útil para mantener la temperatura igual en el interior del arreglo 2D con respecto a los elementos de borde.

[0355] Capas de baja y alta impedancia acústica para transductores ultrasónicos

[0356] Ahora, al girar la Figura 17, se muestra un transductor ultrasónico 400. El transductor ultrasónico 400 incluye un material piezoeléctrico 402 que tiene una superficie delantera 404 y una superficie trasera 406. El material piezoeléctrico 402 se configura para estar en comunicación acústica con una muestra (no ilustrada en la Figura 17). El transductor ultrasónico incluye una estructura de respaldo 408 colocada en la superficie trasera 406 del material piezoeléctrico 402 y configurada para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera 404 del material piezoeléctrico 402. La estructura de respaldo 408 que incluye un primer respaldo de desajuste de doble capa 410 y un segundo respaldo de desajuste de doble capa 416.

[0357] El primer respaldo de desajuste de doble capa 410 incluye una primera capa de baja impedancia acústica 412 y una primera capa de alta impedancia acústica 414. El segundo respaldo de desajuste de doble capa 416 se conecta al primer respaldo de desajuste de doble capa 410. El segundo respaldo de desajuste de doble capa 416 incluye una segunda capa de baja impedancia acústica 418 y una segunda capa de alta impedancia acústica 420.

[0358] Se señalará que el transductor ultrasónico 400 puede incluir una o más de las características opcionales que se han descrito con respecto al transductor ultrasónico 100, al transductor ultrasónico 200 y al transductor ultrasónico 300. Ahora, al volver a la Figura 18, se muestra un transductor ultrasónico 500 que tiene una porción de contacto de muestra 504 y una porción trasera 506. La porción trasera 506 se opone a la porción de contacto de muestra 504. El transductor ultrasónico 500 incluye un material piezoeléctrico 502 configurado para estar en comunicación acústica con una muestra (no ilustrada en la Figura 18). El transductor ultrasónico 500 incluye una estructura de respaldo 508 en comunicación acústica con el material piezoeléctrico 502. La estructura de respaldo 508 se configura para reflejar la energía acústica hacia la porción de contacto con la muestra 504 y lejos de la porción trasera 506 del transductor ultrasónico 500. La estructura de respaldo 508 incluye una capa de baja impedancia acústica 512 y una capa de alta impedancia acústica 514. En algunas modalidades, la capa de baja impedancia acústica 512 y la capa de alta impedancia acústica 514 forman un primer respaldo de desajuste de doble capa 510 y el transductor ultrasónico incluye un segundo respaldo de desajuste de doble capa 516. El segundo respaldo de desajuste de doble capa 516 incluye una segunda capa de baja impedancia acústica 518 y una segunda capa de alta impedancia acústica 520.

[0359] En algunas modalidades, el material piezoeléctrico 502 se corta en una pluralidad de regiones piezoeléctricas, separadas entre sí por espacios, los espacios que son eléctricamente aislantes y acústicamente aislantes. Al menos una de la capa de baja impedancia acústica 510 y la capa de alta impedancia acústica 512 puede cortarse en una primera pluralidad de elementos, separados entre sí por un primer conjunto de espacios. Cada uno del primer conjunto de espacios puede alinearse con uno correspondiente de los espacios que separan las regiones piezoeléctricas. El primer conjunto de espacios es eléctricamente aislante y acústicamente aislante. De manera similar, al menos una de la segunda capa de baja impedancia acústica 518 y la segunda capa de alta impedancia acústica 520 se corta en una segunda pluralidad de elementos, separados entre sí por un segundo conjunto de espacios. Cada uno del segundo conjunto de espacios está alineado con uno correspondiente de los espacios que separan las regiones piezoeléctricas. El segundo conjunto de espacios es eléctricamente aislante y acústicamente aislante.

[0360] Se señalará que el transductor ultrasónico 500 puede incluir una o más de las características opcionales que se han descrito con respecto al transductor ultrasónico 100, el transductor ultrasónico 200, el transductor ultrasónico 300 y el transductor ultrasónico 400.

[0361] Ahora que se han descrito diferentes modalidades de un transductor ultrasónico, se analizarán los rendimientos de algunas de estas modalidades, y más específicamente en términos de los resultados que pueden obtenerse mediante el uso de los transductores ultrasónicos que se han descrito en la presente descripción.

[0362] Ejemplos de resultados

[0363] La Figura 19A es una comparación del transductor específico de material respaldado por aire existente (arriba) que transmite a Titanio a 680 kHz sin disipador de calor (ver PCT/CA2019/051046) y un transductor específico de material DLDB dual como se describe en la presente descripción, que opera en las mismas condiciones. La reducción ligera típica en el ancho de banda debido a las reflexiones en fase adicionales producidas por el DLDB puede verse, con una reducción del 105 % -6 dB en el ancho de banda para el transductor respaldado por aire al 91 % para la versión DLDB, y una caída modesta en la eficiencia de ~ 1 dB en comparación con el diseño de respaldo de aire de última generación.

[0364] La Figura 19b es una comparación del logaritmo del envolvente del transductor específico de material respaldado por aire existente que transmite en titanio (arriba) y la tecnología actual (abajo), ejemplificada en el DLDB dual que se ha descrito, que transmite en titanio. Un experto en la técnica notará el decaimiento exponencial de la energía reflejada desde el respaldo extendido en el tiempo en el DLDB. La energía en la cola de la onda transmitida es aproximadamente 40 dB mayor que para el caso respaldado por aire. Si bien esto no es conveniente por sí solo, sin embargo, es conveniente cuando se considera el caso de unir un disipador de calor a la parte posterior de la pila como se presentó anteriormente.

[0365] La Figura 20 es una comparación de tres transductores específicos de material de 680 kHz que tienen disipadores de calor de cobre unidos a la superficie trasera de la pila piezoeléctrica: un transductor específico de material respaldado por aire con un disipador de calor unido directamente a la superficie trasera del elemento piezoeléctrico del transductor (arriba); un método existente de unión de un disipador de calor al elemento piezoeléctrico del transductor con un material térmicamente conductor acústicamente perdido tal como espuma de silicona rellena de alúmina (medio); y un transductor específico de material que tiene pilas de DLDB dobles y un disipador de calor unido directamente a la capa superior de las pilas de DLDB (abajo). Como puede verse, el diseño equipado con DLDB dual no sufre de las reflexiones internas que se observan en los transductores de la técnica habitual cuando se aplica un disipador de calor térmico a la pila. Además, debido a la energía acústica perdida al disipador de calor en los dos primeros gráficos, la salida del transductor superior se reduce en 4 dB, y el diseño medio se reduce en ~3 dB, mientras que el transductor de doble DLDB equipado no experimenta ninguna pérdida de sensibilidad o ancho de banda. Cabe señalar que en el enfoque existente de usar una capa térmicamente conductora pero acústicamente con pérdidas para unir o acoplar el disipador de calor a la pila piezoeléctrica, generalmente se requiere un compromiso relativamente significativo tanto en el rendimiento acústico como en la conductividad térmica para obtener un dispositivo útil, mientras que la conductividad térmica del diseño equipado con DLDB es más de un orden de magnitud mayor que la del diseño del transductor medio mientras que también no presenta artefactos de reverberación.

[0366] La Figura 21 es una ilustración de la escala logarítmica del envolvente de las formas de onda mostradas en la Figura 20. Cabe señalar que hay una reducción sustancial en la reverberación no deseada dentro del transductor equipado DLDB (parte inferior) cuando se aplica un disipador de calor a la parte posterior de la pila. También tenga en cuenta que la SNR para la pila equipada con DLDB (inferior) sigue siendo superior a 35 dB, mientras que la SNR para las pilas existentes (superior e intermedia) es inferior a 3 dB y son esencialmente, inutilizables.

[0367] La Figura 22a es una comparación de transductores de un solo elemento de 10 MHz, respuesta de pulso de eco (dos vías) con un elemento piezoeléctrico resonante de ¼ de lambda y un aproximadamente 1/10 comparación de la capa de desajuste de tungsteno gruesa lambda (DML) de respaldo del efecto de añadir un único respaldo de DLDB a la parte posterior de la DML. Cabe señalar que casi no hay cambios en el rendimiento del transductor. Más particularmente, la pérdida de inserción difiere en menos de 0.5 dB y el ancho de banda es similar.

[0368] La Figura 22b es el logaritmo de la comparación de envolvente de las formas de onda de los transductores de un solo elemento de 10 MHz mostrados en la Figura 22a. Cabe señalar que el efecto del DLDB es redistribuir la energía reflejada desde el respaldo a un nivel bajo y extenderla en el tiempo. Este efecto es plano cuando se ve en señales de eco de pulso (dos vías). La SNR para la pila de DLDB (inferior) se limita a aproximadamente 47 dB en comparación con más de 70 dB para la pila DML existente (superior), mientras que a menudo se requiere al menos 60 dB de SNR para aplicaciones de imágenes médicas, con el procesamiento de imágenes esto puede ser aceptable incluso para aplicaciones de imágenes médicas exigentes. Para aplicaciones médicas terapéuticas, así como también para NDT y otras aplicaciones industriales, la pila equipada con DLDB generalmente será aceptable. Cabe señalar que la longitud de la cola de timbre se mejora mediante la pila equipada con DLDB.

[0369] La Figura 23a es una comparación de los efectos de añadir un disipador de calor de cobre de 3 mm de grosor directamente a la parte posterior de las pilas acústicas de 10 MHz de la Figura 22a: el respaldo DML unido directamente al disipador de calor de cobre de 3 mm desarrolla múltiples reflexiones internas que dan como resultado artefactos no deseados en aplicaciones de imágenes o inspección (arriba) y la pila equipada con DLDB no experimenta cambios medibles cuando el disipador de calor se une directamente a la superficie de la pila acústica (abajo).

[0370] La Figura 23b es una comparación de los envolventes logarítmicos de las formas de onda de eco de pulso del transductor de 10 MHz que se muestra en la Figura 23a. Cabe señalar que la adición del disipador de calor de cobre a la parte posterior del transductor existente equipado con DML (arriba) lo hace esencialmente inutilizable para la mayoría de las aplicaciones, con una relación SNR de menos de 3 dB, mientras que el transductor equipado con la presente tecnología exhibe más de 50 dB de SNR cuando un disipador de calor de cobre o un dispositivo similar, tal como una PCB, se une directamente a la capa proximal de la pila de DLDB.

[0371] La Figura 24 es una comparación de una respuesta de eco de pulso de un material específico 5 MHz 1D elemento de arreglo 550 um por 5 mm con un elemento piezoeléctrico compuesto de PZT emparejado para transmitir a titanio con respaldo de DLDB doble en comparación con uno con respaldo de aire. Se observa una diferencia mínima entre el transductor respaldado por aire (arriba) y el transductor equipado con DLDB (abajo), aparte de un aumento menor de la longitud del pulso que se observa en la pila equipada con DLDB.

[0372] La Figura 25 es una comparación de la respuesta de eco de pulso de los elementos transductores descritos en la Figura 24 con la adición de un disipador de calor de cobre de 6 mm unido directamente a la parte posterior de las pilas acústicas. Cabe señalar los importantes artefactos de reverberación interna que se ven cuando el disipador de calor se une a la parte posterior del transductor respaldado por aire (parte superior), mientras que la pila acústica equipada con DLDB no se ve afectada por la adición del disipador de calor (parte inferior). Más particularmente, la figura inferior corresponde a la matriz piezoeléctrica unidimensional que se ha descrito. Cabe señalar que soldar cables, unir o soldar PCBs o interporos cerámicos en la parte posterior de los elementos DLDB también no da como resultado deterioro de la calidad del rendimiento acústico de los elementos transductores, lo que allana el camino a diseños de transductores de matriz relativamente simplificados.

[0373] Consideraciones teóricas adicionales

[0374] Ahora que se han descrito diferentes modalidades de la tecnología y los desempeños, se presentarán más detalles teóricos. Como se mencionó anteriormente, la estructura de respaldo puede incluir una o más pilas de respaldo de desajuste de doble capa (DLDB), y cada DLDB incluye dos capas, que pueden ser, por ejemplo y sin ser limitativas, en comunicación acústica directa. En algunas implementaciones, las capas pueden unirse de manera adhesiva. Cada capa de una pila de DLDB puede estar entre aproximadamente 1/10 lambda y ½ lambda de grosor, y en algunas modalidades aproximadamente ¼ lambda de grosor. En algunas modalidades, el transductor ultrasónico incluye dos pilas de DLDB,es decir,cuatro capas, que incluyen el disco de grafito, el disco de tungsteno, el disco de grafito y el disco de cobre. Estas cuatro capas definen los dos pares de respaldos de doble capa desajustados (DLDB) que trabajan en arreglo para reflejar una porción significativa o prácticamente toda la energía acústica emitida en la dirección proximal del disco compuesto piezoeléctrico que da como resultado que prácticamente toda la energía acústica emitida por el disco compuesto piezoeléctrico se transmita a través de la cara distal del disco de titanio. En estas modalidades, el disco de titanio actúa como una capa de desgaste exterior y el punto principal de acoplamiento ultrasónico a la carga de titanio prevista en la que el transductor transmitirá. Sin embargo, debe señalarse que los transductores equipados con pilas de DLDB también pueden funcionar con cualquier número de configuraciones de salida conocidas o no conocidas en la técnica, tales como lentes, capas de ajuste, líneas de retardo y similares. Las reflexiones de presión acústica generadas en la interfaz de materiales que tienen diferente impedancia acústica se calculan de acuerdo con el coeficiente de reflexión R dado por la siguiente ecuación:

[0377]

[0380] Si bien la presión transmitida de un material a otro se calcula a partir del coeficiente de transmisión T, de acuerdo con lo siguiente:

[0383]

[0386] DondeZ1

es la impedancia acústica del medio desde el cual viaja la onda acústica yZ2

es la impedancia acústica del medio en el que viaja la onda acústica. Con base en estas ecuaciones, un experto en la técnica entenderá que el signo del coeficiente de reflexión será positivo cuando las ondas acústicas viajan de una impedancia baja a una impedancia acústica alta, y negativo cuando la onda acústica viaja de medios de impedancia acústica alta a baja. El coeficiente de transmisión es siempre positivo. La disposición de capas en el DLDB asegura eficazmente la reflexión de casi toda la energía acústica, en fase, hacia la cara distal de la capa de desgaste de titanio dentro de la primera capa del DLDB. Además, la presencia de capas de ¼ de onda altamente acústicamente desajustadas del DLDB da como resultado que cada capa resuene y redistribuya la energía acústica que entra en esa capa a amplitudes muy bajas durante un período de tiempo muy largo. El resultado es difundir las reflexiones de respaldo no deseadas a lo largo del tiempo a una amplitud baja. La reflexión inicial que se produce entre el elemento piezoeléctrico y la primera capa de baja impedancia acústica del DLDB, o entre la parte posterior de un DML, y la primera capa de baja impedancia acústica del DLDB, tiene un impacto significativo en la eficiencia general del transductor. Generalmente se tiene cuidado de maximizar el desajuste de impedancia acústica entre el elemento piezoeléctrico y la primera capa de baja impedancia acústica del DLDB en el caso de un transductor resonante de ½ onda. Este efecto es menos grave cuando se usa un diseño de transductor de ¼ de lambda equipado con DML, pero aún afecta el rendimiento general del DLDB.

[0388] El uso de materiales tales como grafito o esferas huecas de vidrio plateado, o epoxi conductor de baja densidad, o por ejemplo un compuesto de grafito y epoxi, o un compuesto de un metal de baja impedancia acústica tal como magnesio y epoxi como la primera capa del DLDB permite que tanto la conductividad térmica como la eléctrica se mantenga a lo largo de la pila de DLDB mientras se mantiene un alto coeficiente de reflexión inicial entre el elemento piezoeléctrico y la primera capa del DLDB. Mediante el uso de los materiales ilustrativos enumerados anteriormente, se obtiene fácilmente la impedancia acústica en el intervalo de 1,5 a 6 MR, junto con grados variables de conductividad eléctrica y térmica según se requiera. Sin embargo, no es necesario, ni debe tomarse como limitante del alcance de la presente descripción, que las capas del DLDB se fabriquen de material conductor eléctrica o térmicamente. Puede haber aplicaciones cuando algunas o todas las capas de una o más pilas de DLDB sean convenientes para fabricarse de materiales térmicamente aislantes o eléctricamente aislantes. Un ejemplo de una pila de DLDB no conductora es una capa de aproximadamente ¼ de onda de Rexolite (poliestireno reticulado) unida a una capa de aproximadamente ¼ de onda de alúmina. Además, las capas de una pila de DLDB podrían fabricarse a partir de materiales híbridos, tales como AlN con vías eléctricamente conductoras. La segunda capa subsecuente del DLDB, debe elegirse para maximizar el desajuste de impedancia acústica entre sí y la capa de baja impedancia acústica. Materiales tales como metal de tungsteno, metal de molibdeno, carburo de tungsteno y otros materiales de alta impedancia acústica ofrecen una buena combinación de alta impedancia acústica, buena conductividad térmica y buena conductividad eléctrica. Cabe señalar que existen muchos otros materiales que pueden adaptarse a aplicaciones específicas y aún caer dentro del alcance de esta tecnología.

[0390] El efecto de la pila de DLDB puede explicarse a través del siguiente razonamiento simplificado. Un primer paso es considerar la función en un ancho de banda infinitamente estrecho en la frecuencia central del transductor. Un segundo paso es considerar que cada capa es exactamente ¼ de lambda en la frecuencia central. Un experto en la técnica entenderá fácilmente que este no es el caso en el dispositivo real, que es relativamente de banda ancha, cada capa de cada DLDB se ha optimizado para extender el ancho de banda efectivo del dispositivo. Sin embargo, con el propósito de aclarar la función general de las pilas de DLDB, se considera y detalla el caso de banda estrecha para tratar todas las capas de DLDB como ¼ de la longitud de onda de la frecuencia central. El efecto de apilar capas de ¼ de onda de impedancias acústicas altamente contrastantes adyacentes a la capa compuesta piezoeléctrica en el caso de diseños piezoeléctricos resonantes de ½ lambda, o adyacente a la capa de desajuste en el caso de diseños piezoeléctricos resonantes de ¼ de lambda, es crear una serie de capas fuertemente resonantes que también están altamente aisladas acústicamente entre sí debido a la alta (por ejemplo, preferentemente más del 80 %) de coeficiente de reflexión en cada límite. Una explicación del efecto del respaldo se ve más fácilmente afectada por medio de un ejemplo, y con referencia a la Figura 13. Mediante el uso de las modalidades de la pila acústica que se han descrito en la presente descripción, se puede ver que la onda acústica que va de la capa piezoeléctrica a la primera capa de grafito primero sufre un cambio de fase de 180 grados (coeficiente de reflexión negativo) y 69 % de reflexión de vuelta a la capa piezoeléctrica, el 31 % restante de la onda acústica se transmite a la capa de grafito. Una vez dentro de la capa de grafito, la onda acústica reverbera dentro de la capa de grafito de manera que está en fase en cada cruce a través de la capa, la capa es resonante ¼ de onda. La onda experimenta un 90 % de reflexión en el límite con la capa de tungsteno y un 69 % de reflexión en el límite con la capa piezoeléctrica. Un experto en la técnica verá que la onda acústica reverberante dentro de la capa de grafito está en fase cuando se refleja de vuelta a la capa piezoeléctrica, solo después de un número impar de reflexiones desde la pared proximal de la capa de grafito, primera, 3<ra>, 5<ta>y así sucesivamente. También se observará que la onda acústica dentro de la capa de grafito está fuera de fase después de un número par de reflexiones de la pared proximal de la capa de grafito, segunda, 4<ta>, 6<ta>, reflexiones, etc. También se observará que la onda de presión acústica transmitida desde la capa de grafito a la capa de tungsteno adyacente está en fase después de un número par de reflexiones de la pared distal de la capa de grafito, de manera que la 0, segunda, 4<ta>,... reflexiones viajarán hacia la capa de tungsteno, experimentando interferencia constructiva dentro de la capa de tungsteno, pero la primera, 3<ra>, 5<ta>, ... reflexiones experimentarán interferencia destructiva dentro de la capa de tungsteno. Una aproximación de primer orden del efecto combinado de cada DLDB es esparcir la energía de cada pulso acústico en el tiempo, cada reverberación decae exponencialmente en amplitud. El resultado es un "cola" acústica de nivel muy bajo que decae exponencialmente que se añade a la respuesta de impulso del transductor como se muestra claramente en las Figuras 19a y 19b. Si bien generalmente es indeseable añadir un anillo en descomposición a la respuesta de impulso de un transductor ultrasónico, el DLDB compensa este efecto negativo de dos maneras. En primer lugar, la caída del anillo es de nivel muy bajo, típicamente -35 dB en aplicaciones unidireccionales y -50 dB en casos bidireccionales. En segundo lugar, la respuesta de impulso del transductor equipado con DLDB generalmente no se ve afectada por la adición de dispositivos convenientes tales como disipadores de calor y conexiones eléctricas a la pila de transductores. Un experto en la técnica puede señalar que la respuesta de impulso del transductor, que está equipada con un disipador de calor o PCB unido directamente u otra estructura similar en comunicación acústica sustancial con el respaldo o una porción de la cara proximal del material piezoeléctrico o la cara proximal de la capa de desajuste del transductor se mejora típicamente al interponer la pila de DLDB entre ellos entre aproximadamente -20 dB y -30 dB, debido a la reflectividad en fase eficiente de la primera capa del DLDB. De manera similar, la energía que viaja hacia la parte posterior de la pila de DLDB se transmite a través de las capas resonantes, también se extiende en el tiempo y disminuye en amplitud, de modo que la amplitud de las ondas que llegan a la cara proximal de los pares DLDB es muy pequeña y se extiende en el tiempo. Por lo tanto, los disipadores de calor, PCB y/o similares pueden unirse o estar de otro modo adyacentes y en contacto con la cara proximal de la pila de DLDB final con poco o ningún efecto en el rendimiento acústico de la pila. Si la Figura 13 se adaptara para presentar un caso de banda ancha, podrían observarse reflejos en fase que van hacia el frente del transductor ultrasónico, ya que los reflejos fuera de fase ocurrirían a otras frecuencias. Cabe señalar que las reflexiones fuera de fase interferirían de una manera aleatoria y, a menudo, destructiva entre sí. Como tal, las reflexiones fuera de fase serían por lo tanto de menor importancia que las reflexiones en fase que ocurren a la frecuencia de operación diseñada.

[0392] El efecto de la propagación de la energía acústica en el tiempo dentro de las capas de DLDB puede verse claramente cuando se observa el registro del envolvente del transductor enfriado con líquido de 680 kHz, que se muestra en las Figuras 19b y 21.

[0394] El efecto de este aislamiento altamente efectivo en un espacio relativamente pequeño es permitir la conexión directa de disipadores de calor, PCB, cables soldados, ASIC y otras estructuras convenientes a la pila acústica de un transductor. Un experto en la técnica apreciará el beneficio de poder conectar eléctricamente, por ejemplo, mediante soldadura, una PCB directamente a la pila acústica de un arreglo, por ejemplo, un arreglo de imágenes que realiza la interconexión eléctrica a través de un conector eléctrico de alta densidad disponible en el mercado previamente soldado a la PCB. Además, un experto en la técnica apreciará la relativa facilidad con la que un ASIC podría aplicarse directamente a una matriz 1 o 2D sin comprometer el rendimiento acústico mediante el uso de una cinta conductora anisotrópica, por ejemplo.

[0396] Las modalidades de la tecnología que se han descrito en la presente descripción se asocian con algunas ventajas que se presentarán a continuación. En general, la motivación para usar el DLDB en lugar de un respaldo absorbente de baja impedancia acústica existente o una capa DML simple es para permitir la conexión directa de componentes eléctricos, disipadores de calor u otras estructuras convenientes a la pila acústica en un espacio mínimo (y/o un espacio limitado). Además, el DLDB puede hacer posible el ensamble de transductores en aplicaciones de espacio más confinado, tales como, por ejemplo y sin ser limitativo, transductores basados en catéter debido al pequeño espacio requerido por el DLDB.

[0398] En las modalidades en donde el par DLDB incluye grafito y tungsteno, hasta el 97 % de la energía acústica puede reflejarse en fase de vuelta hacia la parte delantera del transductor antes de que llegue a la pared trasera de la capa de tungsteno. Cuando el transductor incluye un segundo par de capas DLDB, puede reducir la presión acústica que llega a la parte posterior de la segunda capa de tungsteno en más de 70 dB, y cualquier reflexión o reverberación generada en esa superficie debido a una PCB o disipador de calor se reduce aún más a medida que viaja de regreso a través de las pilas de DLDB. El resultado práctico es bueno y, en algunos casos, un aislamiento acústico casi completo de la interconexión eléctrica y/o disipadores de calor desde la pila acústica, incluso cuando la segunda DLDB utiliza una segunda capa de impedancia acústica inferior tal como nitruro de cobre o aluminio para propiedades eléctricas o térmicas.

[0399] Cabe señalar que las capas de alta y baja impedancia acústica del DLDB pueden fabricarse a partir de materiales sólidos, o pueden fabricarse a partir de compuestos acústicos eléctricamente conductores tales como grafito picado, pulverizado después de picar y relleno con epoxi para formar una capa altamente conductora eléctrica y térmica que tiene una impedancia acústica de entre aproximadamente 2,5 MR y aproximadamente 4 MR, o microbolas plateadas mezcladas en epoxi, por ejemplo, y sin ser limitativas.

[0400] Las propiedades eléctricas del respaldo pueden ser útiles en el sentido de que un respaldo eléctricamente conductor permite la unión directa de PCB, ASIC o juntas soldadas o cableadas sin efecto perjudicial en el rendimiento acústico del dispositivo.

[0401] Las propiedades térmicas del respaldo también pueden ser útiles, ya que los materiales de respaldo térmicamente conductores usados en el DLDB permiten un disipador de calor altamente eficiente del elemento piezoeléctrico que aumenta de manera crítica con el desarrollo de materiales relajadores avanzados tales como PMN-PT y materiales relacionados.

[0402] Cabe señalar que, desde un punto de vista teórico, generalmente no hay límite al intervalo de frecuencia sobre el cual funcionará el respaldo de DLDB. Desde un punto de vista práctico, puede usarse a partir de al menos 10 kHz, o 100 kHz en algunas circunstancias, y quizás hasta tan alto como 50 MHz o 100 MHz con un control de proceso suficiente. En la presente descripción se han descrito e ilustrado varias modalidades y ejemplos alternativos. Las modalidades descritas anteriormente pretenden ser solo ilustrativas. Un experto en la técnica apreciaría las características de las modalidades individuales, y las posibles combinaciones y variaciones de los componentes. Un experto en la técnica apreciaría además que cualquiera de las modalidades podría proporcionarse en cualquier combinación con las otras modalidades descritas en la presente descripción. Por lo tanto, los ejemplos y modalidades presentes deben considerarse en todos los aspectos como ilustrativos y no restrictivos. En consecuencia, aunque se han ilustrado y descrito modalidades específicas, se les ocurren numerosas modificaciones sin apartarse significativamente del alcance definido en las reivindicaciones actuales.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Un transductor ultrasónico (100), que comprende:

un material piezoeléctrico (102) que tiene una superficie delantera (104) y una superficie trasera (106), el material piezoeléctrico (102) se configura para estar en comunicación acústica con una muestra; una estructura de respaldo (108) colocada en la superficie trasera (106) del material piezoeléctrico (102) y configurada para reflejar la energía acústica hacia la superficie delantera (104) del material piezoeléctrico (102), la estructura de respaldo (108) es térmicamente conductora y eléctricamente conductora, la estructura de respaldo (108) que comprende:

un primer respaldo de desajuste de doble capa (110), el primer respaldo de desajuste de doble capa que comprende una primera capa de baja impedancia acústica (412) y una primera capa de alta impedancia acústica (414); y

un segundo respaldo de desajuste de doble capa (116) que contacta con el primer respaldo de desajuste de doble capa (110), el segundo respaldo de desajuste de doble capa que comprende una segunda capa de baja impedancia acústica (418) y una segunda capa de alta impedancia acústica (420); al menos uno de un disipador de calor (122) en contacto térmico con la estructura de respaldo (108) o una capa térmicamente conductora acústicamente emparejada con el material piezoeléctrico (102); y uno o más electrodos (126) en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico (102), el uno o más electrodos (126) que se conectan eléctricamente al material piezoeléctrico (102) a través de la estructura de respaldo (108),

caracterizado porque:

el primer respaldo de desajuste de doble capa (110) comprende:

una primera capa de grafito (112) como la primera capa de baja impedancia acústica (412); y una capa hecha de tungsteno (114) como la primera capa de alta impedancia acústica (414), en contacto con la primera capa de grafito (112); y

el segundo respaldo de desajuste de doble capa (116) comprende:

una segunda capa de grafito (118) como la segunda capa de baja impedancia acústica (418); y una capa de cobre (120) como la segunda capa de alta impedancia acústica (420) en contacto con la segunda capa de grafito (118).

2. El transductor ultrasónico (100) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un circuito eléctrico preensamblado (234), el circuito eléctrico preensamblado (234) que está en comunicación eléctrica con una porción superior (209) de la estructura de respaldo (108), de manera que está en comunicación eléctrica con el material piezoeléctrico (102), el circuito eléctrico preensamblado (234) que comprende al menos uno de: una placa de circuito impreso, un intercalador, un circuito integrado y un circuito integrado de aplicación específica.

3. El transductor ultrasónico (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el disipador de calor (122) comprende al menos un canal (124), el canal (124) se configura para recibir y circular un fluido de transferencia de calor en el mismo, el fluido de transferencia de calor es preferentemente un líquido, el disipador de calor (122) se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo (108).

4. El transductor ultrasónico (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde:

el transductor ultrasónico (100) es operable a una frecuencia operativa, la frecuencia operativa se relaciona con una longitud de onda operativa (λ<o>); y

la primera capa de baja impedancia acústica (412), la primera capa de alta impedancia acústica (414), la segunda capa de baja impedancia acústica (418) y la segunda capa de alta impedancia acústica (120) tienen cada una un grosor correspondiente de aproximadamente λ<o>/4 de grosor o múltiplos impares de λ<o>/4.

5. El transductor ultrasónico (100) de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el material piezoeléctrico (102) se configura para resonar a media onda a la frecuencia operativa.

6. El transductor ultrasónico (100) de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además una sola capa de desajuste (128) posicionada entre el material piezoeléctrico (102) y la estructura de respaldo (108), la sola capa de desajuste (128) que está en comunicación acústica con el material piezoeléctrico (102) y la estructura de respaldo (108), la sola capa de desajuste (128) que tiene una impedancia acústica correspondiente relativamente mayor que una impedancia acústica del material piezoeléctrico (102), en donde el material piezoeléctrico (102) se configura para resonar a un cuarto de onda a la frecuencia operativa, el material

piezoeléctrico (102) que tiene una frecuencia resonante, la frecuencia resonante que se relaciona con una longitud de onda resonante λ<r>, la única capa de desajuste (128) que tiene un grosor de menos de 2λr/5 de grosor con respecto a la frecuencia resonante del material piezoeléctrico (102), la única capa de desajuste (128) que tiene un grosor que varía entre aproximadamente λ<r>/10 y aproximadamente λ<r>/20.

7. El transductor ultrasónico (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el material piezoeléctrico (102) es un disco piezoeléctrico compuesto polarizado, el disco piezoeléctrico compuesto polarizado que tiene un grosor de aproximadamente 2,4 mm y está en una configuración 1-3.

8. El transductor ultrasónico (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el material piezoeléctrico (102) es un compuesto de PZT4, el material piezoeléctrico que comprende pilares de 1000 um por 1000 um separados por ranuras de 200 um, las ranuras se cortan con un paso de aproximadamente 1200 um, las ranuras se rellenan con un relleno compuesto, el relleno compuesto que comprende partículas de dióxido de hafnio dopado en epoxi, el relleno compuesto está en una configuración 0-3.

9. El transductor ultrasónico (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el material piezoeléctrico (102) consiste en una capa piezoeléctrica.

10. El transductor ultrasónico (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende además una estructura térmicamente conductora (130) en contacto con la estructura de respaldo (108), la estructura térmicamente conductora (130) que se aísla eléctricamente de la estructura de respaldo (108) y que se extiende en porciones laterales de la estructura de respaldo (108).

11. El transductor ultrasónico (100) de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la estructura térmicamente conductora (130) comprende al menos una vía eléctricamente conductora que pasa a través de la estructura térmicamente conductora (130).

12. El transductor ultrasónico (100) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la estructura de respaldo (108) se configura además para reflejar la energía acústica en fase y/o para dispersar espacial y temporalmente las reverberaciones acústicas no deseadas en la estructura de respaldo (108).