CN103796149B - 一种尖劈状声学匹配层的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尖劈状声学匹配层的制作方法。具体步骤如下：以具有尖劈结构的石英微针为模板填充液态材料A，并且确保材料A固化后将完全充满尖劈模板间隙。可进一步地将填满材料A的石英尖劈阵列放入氢氟酸溶液中，将石英腐蚀掉，形成由材料A制成的尖劈模板，然后将按照声阻抗要求设计、配置好的材料B溶液填充材料A尖劈模板，使溶液完全固化。之后通过切割打磨，将两种不同材料的尖劈结构界面提取出来，制成一定厚度的薄片，这种薄片具有等效声阻抗在厚度方向连续变化的特点，因此可以作为理想的换能器声学匹配层。本发明的方法所需的设备和原料简单易得，制备过程易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的尖劈状换能器声学匹配层的制备方法。
背景技术
声波从一种材料入射到另一种不同的材料时，材料界面上会有很高的声反射。反射系数与两种材料的声阻抗有关，反射率公式如下：
其中，Z1和Z2分别是两种材料的声阻抗。
例如：声波从声阻抗约为30Mrayls（1rayl=1N.s/m2)的压电材料PZT入射到阻抗为1.5Mrayls的人体软组织时,声波反射率高达82%。
这种阻抗失配引起的声波反射会严重降低换能器的效率。传统的解决方式是采用基于厚度共振原理的声学匹配层，即在两种不同声阻抗材料之间加入厚度为四分之一中心波长的声匹配层。但是这种采用单个匹配层的换能器带宽不高，因此限制了换能器在成像等方面的应用。
尖劈状结构具有等效声阻抗在厚度方向连续变化的特征，使之可以用作理想的声学匹配层。采用这种匹配层的换能器将具有很大的带宽，因此在临床诊断、声学成像等方面有很广阔的应用前景。
尖劈结构可以通过电火花成型加工的方法获得，脉冲电源一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质中。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极点间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。通道面积很小并且放电时间很短，使能量高度集中，放电区域产生瞬时高温使材料熔化甚至蒸发，形成一个小凹坑，如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的尖劈加工表面，这种机械的加工方法需要精密的电火花加工工具。加工过程对器件、工件都有一定损耗，加工需要一定的能源损耗，成本较高。同时工具的损耗也会给结构精度带来影响。
另外一种尖劈结构的制作方法是利用光学或X射线排版印刷技术获得的。利用光学或X射线曝光显影的方法，在基材上面留下圆形或者正方形阵列图案，通过蚀刻的方法，在这些图形中形成倒尖劈状的凹坑。如果光刻胶足够厚的话，显影后还会形成由光刻胶组成的顶端为平面的尖劈结构阵列，然后再利用电镀的方法在阵列间隙镀满金属，去掉光刻胶，最后将匹配层材料填充这些尖劈状的模板之中，制成尖劈状匹配层。这方法利用了微电子加工中的排版印刷技术，需要电子束加工设备，加工条件比较严苛。制作成本较高。
发明内容
针对以上现有制备方法的缺点，本发明的目的是提供一种尖劈状声学匹配层的新型制作方法，这种制作方法简单，不需要昂贵的加工设备，制作条件也没那么苛刻，成本较低。
本发明采用的技术方案如下：
一种尖劈状声学匹配层的制作方法，包括以下几个步骤：
（1）以底端直径为2～200微米的石英微针阵列作为尖劈状结构模板，在微针阵列的中间填充液态材料A，使材料A没过尖劈的顶端，在材料A固化之前将模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，确保材料A完全填充满尖劈之间的间隙；之后将模板从干燥器中取出，等待材料A完全固化，得到由石英尖劈和材料A尖劈交替排列的互补结构；
（2）通过切割或打磨的方法将所述互补结构的尖劈界面提取出来，使得两种材料的尖劈状结构的顶端为尖角或者平面，得到复合结构的薄片；
（3）将薄片进一步打磨至一定的厚度，制成声学匹配层。
本发明制作方法另一实现的技术方案为采用的步骤如下：
（1）以底端直径为2～200微米的石英微针阵列作为尖劈状结构模板，在微针阵列的中间填充液态材料A，使材料A没过尖劈的顶端，在材料A固化之前将模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，确保材料A完全填充满尖劈之间的间隙；之后将模板从干燥器中取出，等待材料A完全固化；
（2）将步骤（1）中填满材料A的石英微针阵列放入氢氟酸溶液中腐蚀24小时以上，形成由材料A制得的尖劈状模板；
（3）按照声阻抗要求，设计声学复合材料B，并根据设计要求，配置材料B溶液；
（4）用步骤（3）所得的溶液填充步骤（2）的尖劈状模板，在溶液固化前将模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，确保溶液完全充满尖劈模板中的凹槽；之后将模板从干燥器取出，等待溶液完全固化，得到由材料A尖劈和材料B尖劈交替排列的互补结构；
（5）通过切割或打磨的方法将所述互补结构的尖劈界面提取出来，使得两种材料的尖劈状结构的顶端为尖角或者平面，得到复合结构的薄片，并进一步将其磨成一定厚度的薄片，制成匹配层。
其中，步骤（1）中的材料A是环氧树脂或光固化树脂等可以固化的材料。
进一步地，步骤（3）中的材料B是为满足声阻抗要求而设计按一定比例组分配制的，具体可以是由环氧树脂和钨粉、环氧树脂和二氧化钛、光固化树脂和钨粉或者光固化树脂和二氧化钛组合成的声学复合材料。
本发明通过在石英微针阵列的间隙中填充匹配层材料获得尖劈状交替排列的互补结构，制得阻抗匹配范围在15MRayls（石英）-1.5MRayls（人体软组织）变化的尖劈状匹配层。或者以上述的石英微针阵列为模板，在其间隙中填充匹配层材料A，制成材料A的尖劈阵列结构，再以材料A的尖劈阵列结构为模板，填充匹配层材料B，获得尖劈状交替排列的互补结构，制得阻抗匹配范围在30MRayls（换能器压电材料）-1.5MRayls（人体软组织）变化的尖劈状匹配层。本发明利用了现有的石英微针阵列结构，所需的设备和原料简单易得，在特定的条件下，易得到等效声阻抗在厚度方向连续变化的匹配层。并且本方法制得的匹配层阻抗匹配范围可以在换能器的压电材料声阻抗（30MRayls）至人体软组织声阻抗（1.5MRayls）之间较大的范围内调节，具体的阻抗匹配数值参数可以通过换能器压电材料和换能器实际的工作环境进行选择，这种匹配层也适合应用在高性能宽带换能器中。
附图说明
图1为本发明尖劈状匹配层的截面示意图；
图2为本发明尖劈状匹配层的工艺流程图，（a）为实施例1的，（b）为实施例2的。
图3为本发明尖劈状匹配层的结构示意图，（a）为俯视图，（b）为仰视图。
图4为实施例1的光学显微镜表征结果，（a）为俯视图，（b）为仰视图。
图5为实施例2的光学显微镜表征结果，（a）为俯视图，（b）为仰视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明尖劈状匹配层结构如图1所示，由两种不同材料的尖劈状结构A和尖劈状结构B交替排列构成，两种尖劈状结构的顶端都为平面的。制备的匹配层的厚度是与换能器频率有关的，大小等于换能器中心波长的四分之一。
在厚度方向上，每一层截面上的等效密度和等效模量都可以用以下公式表示：
其中，ρ0，ρ1分别为两种不同介质的材料密度；K0，K1分别为两种不同介质的弹性模量；n0，n1分别为两种材料所占截面的百分比。
由于声阻抗公式（Z表示材料的声阻抗），所以在厚度方向上，等效声阻抗是连续变化的。
实施例1
（1）在底端直径为2～200微米的尖劈状石英微针阵列（中国专利ZL200710134575.2）表面浇灌环氧树脂直至树脂没过尖劈顶端，在树脂固化之前将石英微针阵列放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，让树脂填满尖劈间隙，然后取出，等待树脂完全固化。
（2）通过切割的方法将步骤（1）所得的两种不同材料的尖劈界面提取出来，形成两端为如图3所示的平面复合结构的薄片，
（3）将步骤（2）所得的薄片进一步打磨至200微米的厚度，制成匹配层。
这种匹配层适用于中心频率为5MHz的压电换能器，它的声阻抗匹配范围可以在14.5Mrayls-3.2Mrayls之间调节。具体的制作流程见附图2(a)。
实施例2
（1）在底端直径为2～200微米的尖劈状石英微针阵列（中国专利ZL200710134575.2）尖端表面灌胶环氧树脂直至树脂没过尖劈顶端，在树脂固化之前将石英微针阵列放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，使树脂完全充满尖劈间隙。取出，等待环氧树脂完全固化。
（2）将步骤（1）所得的填充满环氧树脂的石英微针阵列放入氢氟酸溶液中腐蚀24小时以上。形成由环氧树脂制得的尖劈状模板。
（3）按声阻抗要求，称量10.85克钨粉，将它溶解在10毫升环氧树脂中，然后加入2.5毫升环氧树脂固化剂，将它们混合均匀，配成质量比为1:1的钨粉-环氧树脂溶液。
（4）用步骤（3）所得的溶液浇灌步骤（2）形成的尖劈模板，在溶液固化前将其放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，使溶液完全充满尖劈模板的凹槽。然后取出，等待溶液完全固化。
（5）通过两端打磨的方法将步骤（4）形成的不同组分树脂的尖劈界面提取出来，进一步将其打磨至400um厚度的薄片，两端露出如图3所示的平面复合结构，制成匹配层。
这种匹配层适用于频率为2.5MHz的压电换能器。通过用钨粉-环氧树脂复合材料替换石英，可以将匹配层的声阻抗匹配上限提高至和压电材料的声阻抗（比如PZT的声阻抗为36Mrayls）相近，更好地实现声阻抗匹配。具体的制作流程见附图2(b)。
表征结果：
将实施例制得的两种匹配层在光学显微镜下进行表征，结果如图4和图5所示。
图中匹配层上下面露出的圆直径不同，代表了匹配层厚度方向上不同的截面形状，这也验证了匹配层具有如图1所示的截面结构。
如上所述，采用本发明的新型尖劈状声学匹配层的制作方法，可以获得新型的等效阻抗连续变化的匹配层，制备过程简单。
Claims (2)
1.一种尖劈状声学匹配层的制作方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)以底端直径为2～200微米的石英微针阵列作为尖劈状结构模板，在微针阵列的中间填充液态材料A，使材料A没过尖劈的顶端，在材料A固化之前将模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，确保材料A完全填充满尖劈之间的间隙；之后将模板从干燥器中取出，等待材料A完全固化，得到由石英尖劈和材料A尖劈交替排列的互补结构；其中，材料A是环氧树脂或光固化树脂；
(2)通过切割或打磨的方法将所述互补结构的尖劈界面提取出来，使得两种材料的尖劈状结构的顶端为尖角或者平面，得到复合结构的薄片；
(3)将薄片进一步打磨至一定的厚度，制成声学匹配层。
2.一种尖劈状声学匹配层的制作方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(1)以底端直径为2～200微米的石英微针阵列作为尖劈状结构模板，在微针阵列的中间填充液态材料A，使材料A没过尖劈的顶端，在材料A固化之前将模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，确保材料A完全填充满尖劈之间的间隙；之后将模板从干燥器中取出，等待材料A完全固化；其中，材料A是环氧树脂或光固化树脂；
(2)将步骤(1)中填满材料A的石英微针阵列放入氢氟酸溶液中腐蚀24小时以上，形成由材料A制得的尖劈状模板；
(3)按照声阻抗要求，设计声学复合材料B，并根据设计要求，配置材料B溶液；其中，材料B是由环氧树脂和钨粉、环氧树脂和二氧化钛、光固化树脂和钨粉或者光固化树脂和二氧化钛组合成的声学复合材料；
(4)用步骤(3)所得的溶液填充步骤(2)的尖劈状模板，在溶液固化前将模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分钟以上，确保溶液完全充满尖劈模板中的凹槽；之后将模板从干燥器取出，等待溶液完全固化，得到由材料A尖劈和材料B尖劈交替排列的互补结构；
(5)通过切割或打磨的方法将所述互补结构的尖劈界面提取出来，使得两种材料的尖劈状结构的顶端为尖角或者平面，得到复合结构的薄片，并进一步将其磨成一定厚度的薄片，制成匹配层。
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