CN105381943B - 超声换能器、渐变声阻抗匹配层及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及换能器技术领域，提供了一种超声换能器、渐变声阻抗匹配层及其制造方法，所述渐变声阻抗匹配层包括本体，所述本体的声阻抗由所述本体的一端连续渐变至所述本体的另一端，所述本体由胶粘剂与至少一种粉末基料制作而形成。采用这种胶粘剂与粉末基料制作渐变声阻抗匹配层所需原料少，操作方便，制作周期短，易于生产并实现产业化；而且，显著改善声能向被检测对象传输的效率，与此同时，可以优化工艺制作流程，避免引入胶粘剂粘接多层匹配层，进而改善超声换能器的时域响应和频域响应，显著的提高超声换能器的灵敏度、带宽等。
Description
技术领域
本发明涉及换能器技术领域，更具体地说，是涉及一种超声换能器、渐变声阻抗匹配层及其制造方法。
背景技术
超声换能器因其具有压电效应，是一种能实现电信号和声信号相互转换的器件，是超声系统中最为核心的声学器件。目前超声探头中一般采用双层匹配技术，现有的双层匹配超声换能器的主要声学结构如图1所示，包括压电层101、由下至上依次位于压电层101上方的第一匹配层1021、第二匹配层1022、接触层103，以及位于压电层101下方的背衬层104。其中，压电层101是超声换能器中最为核心的部件，可以采用压电陶瓷PZT(锆钛酸铅)、压电复合材料、压电单晶等材料制作；第一匹配层1021和第二匹配层1022之间采用粘接剂进行粘接。在医用B超领域，接触层103为声透镜，主要用于声场的聚焦进而收窄波束宽度，在工业无损检测，接触层103可以是延迟块或保护薄膜；背衬层104主要用于吸收压电层101向后辐射的声信号并起固定支撑作用。
上述结构中，压电层101的声阻抗ZP为30Mrayls，假定被检测对象声阻抗ZL为1.5Mrayls，由于两者之间声阻抗差异较大，这种由阻抗不匹配造成的声能反射系数为：
由(1)式可知，如果压电层101和接触层103之间无匹配层，则压电层101产生的声能量绝大部分由于声阻抗不匹配而被反射回来，只有18％的声能量向前传播进而进入被检测对象，导致能量未能有效利用进而影响成像的质量，因而在压电层101和接触层103之间加入匹配层起着至关重要的作用。目前商用超声换能器大多数采用单层、双层或多层匹配层，其中单层匹配和双层匹配由于匹配层数有限，不能完全实现压电层101和被检测对象之间的声阻抗匹配，多层匹配层方案虽然可以显著的改善声能向被检测对象的传输效率，但是随着匹配层数的增加，相应的粘接层数也依次增加，这无疑会增加探头制造工艺难度、不确定性及其复杂性。与此同时，超声波在粘接层中的多次反射会随之增强，进一步降低超声换能器的整体性能。如果匹配层的声阻抗不是逐层变化而是渐变变化，即渐变匹配声阻抗的大小由压电层101一侧渐变过渡至接触层103一侧，可以解决多层匹配方案中声能传输效率和制作工艺两者不可兼得的问题。目前市面上也出现了声阻抗渐变式超声换能器，但是存在如下缺陷：
专利号为CN200820151708.7的中国专利公开了一种声阻抗连续变化的超声换能器，主要采用由粒径相同、比重不同的多种声学材料颗粒与高分子偶联剂混合固化而成，在重力的作用下，颗粒按照比重大小由大至小依次纵向排列，固化后即可形成声阻抗连续变化的匹配层，该方案需要多种粉末，且粉末比重需连续变化，制作成本高，难度大。
专利号为CN201310296746.7的中国专利中，采用梯度温度固化法制造声阻抗渐变匹配层，具体实现方案为：设置多段固化温度使树脂的粘度由稠变稀，并在此过程中填充材料根据密度不同形成不同的沉积层，相对密度小的粉末往上浮，相对密度大的粉末往下沉，使得内部不同密度的粉末沿纵向形成声阻抗渐变的匹配层，但其制作过程复杂，需要多种不同比重的粉末且设置多段固化温度，该方法温度控制严格，固化时间较长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声换能器、渐变声阻抗匹配层及其制造方法，旨在解决现有技术中超声换能器中渐变声阻抗制作复杂、成本高、难度大的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种渐变声阻抗匹配层，包括本体，所述本体的声阻抗由所述本体的一端连续渐变至所述本体的另一端，所述本体由胶粘剂与至少一种粉末基料制作而形成。
可选地，所述本体由所述胶粘剂与所述至少一种粉末基料采用3D打印方式打印而成。
可选地，所述粉末基料为一种，所述粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
可选地，所述粉末基料为两种或两种以上，所述胶粘剂依次与每种所述粉末基料粘接，且每种所述粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
本发明还提供了一种渐变声阻抗匹配层的制作方法，采用一种胶粘剂以及至少一种粉末基料制作形成一本体，且在制作过程中控制所述胶粘剂与所述至少一种粉末基料的质量配比以使所述本体的声阻抗由所述本体的一端连续渐变至所述本体的另一端。
可选地，采用3D打印方式将所述胶粘剂与所述粉末基料粘接形成所述本体。
可选地，采用一种所述粉末基料，所述粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
可选地，采用两种或两种以上的所述粉末基料，所述胶粘剂依次与每种所述粉末基料粘接，且每种所述粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
可选地，所述3D打印方式包括熔融层积成型FDM、立体平版印刷SLA、选择性激光烧结SLS或三维粉末粘接3DP。
本发明还提供了一种超声换能器，包括压电层、由上至下依次位于所述压电层上方的匹配层、接触层以及位于所述压电层下方的背衬层，所述匹配层为上述的渐变声阻抗匹配层，所述本体靠近所述压电层的一端的声阻抗与所述压电层的声阻抗相同，所述本体靠近所述接触层的一端的声阻抗与所述接触层的声阻抗相同。
本发明中，采用胶粘剂与粉末基料来制作匹配层所需原料少，操作方便，制作周期短，易于生产并实现产业化；相对现有单层或双层或多层匹配结构的超声换能器，具有渐变声阻抗匹配层结构的超声换能器能高效利用压电层产生的声信号，显著改善声能向被检测对象传输的效率，与此同时，可以优化工艺制作流程，避免引入胶粘剂粘接多层匹配层，避免出现因超声波在胶粘剂中多次反射造成的降低超声换能器性能的问题，进而改善超声换能器的时域响应和频域响应，显著的提高超声换能器的灵敏度、带宽等。
附图说明
图1是现有技术中超声换能器的侧视图；
图2是本发明实施例中超声换能器的侧视图；
图3是本发明实施例中匹配层的声阻抗随一种粉末基料和一种胶粘剂配比变化而变化的示意图；
图4是本发明实施例中匹配层的声阻抗随至少两种粉末基料和一种胶粘剂配比变化而变化的示意图；
图5是本发明实施例中采用三维粉末粘接3DP打印匹配层的结构示意图；
图6是本发明实施例中采用光固化成型SLA打印匹配层的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
参照图2，本发明实施例提供了一种超声换能器，适用于医疗和工业无损探头等领域，包括但不限于单晶片、双晶片、一维阵列以及二维阵列的超声波换能器。所述超声换能器包括压电层10、由上至下依次位于压电层10上方的渐变声阻抗匹配层20、接触层30以及位于压电层10下方的背衬层104。其中，渐变声阻抗匹配层20包括本体21，本体21的声阻抗由本体21的一端连续渐变至本体21的另一端，本体21由一种胶粘剂及至少一种粉末基料采用逐渐改变胶粘剂与粉末基料配比的方式制作而成。具体地，采用3D打印自动打印而成。
具体地，对于医用领域，接触层30为声透镜，主要用于声场的聚焦进而收窄波束宽度。而在工业无损检测领域，接触层30可以是延迟块或保护薄膜。
本实施例中，在采用3D打印时，一端喷头喷出粉末基料，另一端喷头喷出胶粘剂，同时控制粉末基料及胶粘剂的量随时间变化，采用3D打印方式制作渐变声阻抗匹配层20所需原料少，操作方便，制作周期短，易于生产并实现产业化；相对现有单层或双层或多层匹配结构的超声换能器，采用3D打印技术制作含渐变声阻抗匹配层20结构的超声换能器能高效利用压电层10产生的声信号，显著改善声能向被检测对象传输的效率，与此同时，可以优化工艺制作流程，避免引入胶粘剂粘接多层渐变声阻抗匹配层20，避免出现因超声波在胶粘剂中多次反射造成的降低超声换能器性能的问题，进而改善超声换能器的时域响应和频域响应，显著的提高超声换能器的灵敏度、带宽等。
为便于描述，将渐变声阻抗匹配层20的本体21靠近压电层10的端部命名为第一端部211，将本体21靠近接触层30的端部命名为第二端部212，这样，第一端部211的声阻抗与压电层10的声阻抗相同，第二端部212的声阻抗与接触层30的声阻抗相同。在目前的超声换能器中，压电层10的声阻抗一般较高，而接触层30声阻抗一般较低。这样，第一端部211的声阻抗较高，第二端部212的声阻抗较低，第一端部211与第二端部212之间的部分则沿第一端部211向第二端部212逐渐变小。
设渐变声阻抗匹配层20声阻抗为Z，则Z满足以下公式：
Z＝ρ×c (2)；
其中，ρ为渐变声阻抗匹配层20的密度，而c为声速。
在超声换能器中，压电层10一般可采用压电陶瓷PZT(锆钛酸铅)、压电复合材料、压电单晶等材料制成，压电层10的声阻抗一般较高，在20～30Mrayls左右，对于不同应用领域来说，接触层30可以是声透镜或延时块或保护薄膜，声阻抗在2Mrayls左右。因而可以确定第一端部211的声阻抗与第二端部212的声阻抗。由公式(2)即知，渐变声阻抗匹配层的声阻抗与材料的密度、声速有关，通过改变粉末基料和胶粘剂两者之间的比例，即可影响匹配层的密度和声速，进而改变渐变声阻抗匹配层的声阻抗。本实施例中，胶粘剂优选为环氧胶。
由于不同的粉末基料在胶粘剂中的填充具有不同的极限，故不同的粉末基料与胶粘剂对应形成的匹配层的声阻抗具有一个范围，当压电层的声阻抗与接触层的声阻抗不在此范围内，则需要增加第二种和/或第三种或更多粉末基料来达到声阻抗值。
当压电层的声阻抗与接触层的声阻抗在此范围内，则只需一种粉末基料和一种环氧胶在计算机控制下按照不同质量配比打印渐变声阻抗匹配层20，如图3所示。设粉末基料与胶粘剂的配例为R，由图中可以看出，R与Z的关系呈线性关系。其中，ZL为接触层30的声阻抗，而Zp为压电层10的声阻抗，当粉末基料与环氧胶的比例为零时，说明渐变声阻抗匹配层20只由环氧胶构成，且环氧胶的声阻抗Z和接触层的声阻抗ZL相同。依次增大粉末基料与环氧胶的比例，当粉末基料与环氧胶的质量比例达到Rp时，渐变声阻抗匹配层20的声阻抗Z与压电层10的声阻抗Zp相同。
需要说明的是，R与Z也可以呈非线关系。在增大粉末基料与环氧胶的比例时，可以在环氧胶不变情况下增加粉末基料的量；或者，同时增加粉末基料与环氧胶的量，并使环氧胶的增加量小于粉末基料增加量；或者，在增加粉末基料的量的同时减少环氧胶的量。
由于渐变声阻抗匹配层20的第一端部211的声阻抗与压电层10的声阻抗相同，第二端部212的声阻抗与负载层30的声阻抗相同，在实际的3D打印过程中，可以先打印渐变声阻抗匹配层20的第一端部211然后层叠至第二端部212，这样，声阻抗是逐渐变小时，需要在打印的过程中逐渐减小粉末基料与胶粘剂的配比。若先打印渐变声阻抗匹配层20的第二端部212然后再至第一端部211，声阻抗是逐渐变大的，则需要在打印的过程中逐渐增大粉末基料与胶粘剂的质量配比。在打印过程中，不管是逐渐增大或是逐渐减小粉末基料与胶粘剂的配比，只要遵循规律，使增大或减小是逐渐递进的，则可保证渐变声阻抗匹配层20的声阻抗是均匀渐变的。
当压电层的声阻抗与接触层的声阻抗不在上述范围内，将渐变声阻抗匹配层20的声阻抗Z划分成至少两个区间，每个区间对应的粉末基料种类不同。在初始区间，当一种粉末基料到达填充极限时具有的声阻抗范围包含了压电层的声阻抗与接触层的声阻抗，则在此区间内只需要一种粉末基料，当压电层的声阻抗与接触层的声阻抗不在此范围内，则需要更换第二种粉末基料来达到声阻抗值；在与初始区间连续的第二区间、第三区间内，依次类推，也采用上述方法进行。需要说明的是，Z值越大，选用的粉末基料的密度越大。也就是说，当粉末基料基料为两种或两种以上，胶粘剂依次与每种粉末基料基料分别粘接，且每种粉末基料基料与胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
附图4为渐变声阻抗匹配层20的声阻抗随至少两种粉末基料和一种环氧胶配比变化而变化的示意图。同样的，ZL为负载的声阻抗，而Zp为压电层10的声阻抗。当渐变声阻抗匹配层20的声阻抗Z在ZL～Z1范围内时，此时，声阻抗较小，选用密度轻的粉末基料，如玻璃粉，白炭黑等，此时粉末基料和环氧胶的质量配比控制在0～R1；当渐变声阻抗匹配层20的声阻抗Z在Z1～Z2范围内时，选用中等密度的粉末基料，如氧化铝、氧化镁等，此时粉末基料和环氧胶的质量配比控制在R1～R2；当渐变声阻抗匹配层20的声阻抗在Z2～Zp范围内时，选用密度较大的粉末基料，如钨粉、陶瓷粉末基料等，此时粉末基料和环氧胶的质量配比控制在R2～Rp。在各区间范围内，R与Z可以如图4所示呈线性关系，也可以呈非线性关系。由图4可以看出，各区间的声阻抗值越大，选用粉末基料的密度也越大。这是因为密度较大的粉末基料打印而成的渐变声阻抗匹配层20声阻抗也越大。实际在打印时，根据出粉量以及时间来控制是否达到声阻抗，当达到某一区间的端点声阻抗时，则进行换粉末基料操作，具体操作中，使用装有新粉末基料的喷头继续进行打印。
在实际打印中，可以采用多种不同的3D打印方式，如熔融层积成型FDM、光固化成型SLA、选择性激光烧结SLS或三维粉末基料粘接3DP。下面分别以三维粉末基料粘接3DP以及光固化成型SLA两种3D打印方式来具体说明渐变声阻抗匹配层20的制作。
图5示出了采用三维粉末基料粘接3DP进行打印的结构示意图。
打印前，首先在工作台50上确定一打印区域51，打印时在打印区域51进行打印，这样打印区域51其实也是与渐变声阻抗匹配层20的大小相同；
打印：利用3D打印机的第一喷头52在打印区域51上均匀铺粉，当粉末基料为一种时，可以为陶瓷粉末基料、金属粉末基料或其他，铺粉时由计算机控制第一喷头52的移动速度以及喷粉量；然后，利用计算机控制第二喷头53的移动速度及喷射量，并在预设打印区域51内喷射胶粘剂来建造层面，铺平并压实；待上一层粘接完毕后，工作台50随气缸54向下一起移动，移动距离精确控制在微米级，再次重复上述喷射动作；如此周而复始的通过第一喷头52控制粉末基料量，送粉量随建造层面的增多而呈线性或其他规律减小或增多。在打印过程中，未被喷射粘接剂的地方为干粉，在成型过程中其支撑作用，待打印完成后去除干粉清洗后即可。
图6示出了采用光固化成型SLA进行打印的结构示意图。
光固化成型技术，主要使用光敏树脂为原材料，通过紫外光或者其他光源照射固化凝固成型。如附图6所示，3D打印机具有粉末基料控制端60以及胶粘剂控制端61。粉末基料同样可以是陶瓷粉末基料、金属粉末基料或其他。而胶粘剂为光敏树脂材料，一般是环氧树脂或不饱和聚脂等掺杂一些对特定波长敏感的光引发剂制成。将粉末基料及胶粘剂输入搅拌器62中搅拌均匀并抽真空，并通过液体传输管道63进入待打印区域51，根据实际光敏树脂材料确定采用紫外光或者其他光源，且光源扫描区域在计算机的控制下，按照预设打印区域51下一建造截面的成型数据进行移动，光源扫描后区域52的液体即可固化成型，并粘接到打印底板64上，随后将电机65向上移动，且移动距离精确控制在微米级。接下来控制粉末基料控制端60的送粉量，且送粉量随建造层面的增多而呈线性或其他规律减小或增多，直至达到预定声阻抗，从而完成渐变声阻抗匹配层20的制作。
通过上述的打印方式，即可打印出具有渐变声阻抗的渐变声阻抗匹配层20。本发明实施例中，所需原材料简单，只需一种粉末基料和一种环氧胶，相对多层匹配结构的超声换能器，在每层渐变声阻抗匹配层20之间不必使用粘接剂进行粘接，简化工艺流程，避免超声波在多层粘接剂中出现多次反射的情况，进一步提高超声波向被检测对象传输的效率，同时优化超声换能器的性能参数，如改善灵敏度、带宽等。而且，随着3D打印技术的发展越来越成熟，打印的精度和速度会有进一步的提高，有利于实现产业化。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种渐变声阻抗匹配层，其特征在于：包括本体，所述本体的声阻抗由所述本体的一端连续渐变至所述本体的另一端，所述本体由胶粘剂与至少一种粉末基料采用3D打印方式打印而成，所述至少一种粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐改变。
2.如权利要求1所述的渐变声阻抗匹配层，其特征在于：所述粉末基料为一种，所述粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
3.如权利要求1所述的渐变声阻抗匹配层，其特征在于：所述粉末基料为两种或两种以上，所述胶粘剂依次与每种所述粉末基料粘接，且每种所述粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
4.一种渐变声阻抗匹配层的制作方法，其特征在于：采用一种胶粘剂以及至少一种粉末基料采用3D打印方式形成一本体，且在打印过程中逐渐改变所述胶粘剂与所述至少一种粉末基料的质量配比以使所述本体的声阻抗由所述本体的一端连续渐变至所述本体的另一端。
5.如权利要求4所述的渐变声阻抗匹配层的制作方法，其特征在于：采用一种所述粉末基料，所述粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
6.如权利要求4所述的渐变声阻抗匹配层的制作方法，其特征在于：采用两种或两种以上的所述粉末基料，所述胶粘剂依次与每种所述粉末基料粘接，且每种所述粉末基料与所述胶粘剂的质量配比随打印时间逐渐变大或逐渐变小。
7.如权利要求4或5或6所述的渐变声阻抗匹配层的制作方法，其特征在于：所述3D打印方式包括熔融层积成型FDM、立体平版印刷SLA、选择性激光烧结SLS或三维粉末粘接3DP。
8.一种超声换能器，包括压电层、由上至下依次位于所述压电层上方的匹配层、接触层以及位于所述压电层下方的背衬层，其特征在于：所述匹配层为权利要求1至3中任一项所述的渐变声阻抗匹配层，所述本体靠近所述压电层的一端的声阻抗与所述压电层的声阻抗相同，所述本体靠近所述接触层的一端的声阻抗与所述接触层的声阻抗相同。
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