CN106501375A - 有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，包括步骤：超声镜头以及相关声学探头的波导棒体或块材的声发射面的加工；依据声发射面的尺寸制作特殊形状的电极模具的制作方法及准备；对超声镜头以及相关声学探头的波导棒体或探头块材的声发射面上进行清理；特定形状的电极材料的制备工艺；清理蒸镀后的超声镜头或探头的步骤；超声换能器的安装与固定；超声换能器另一侧对应极性的电极材料的制备与固定；电极材料与相关引线的连接与固定；安装金属外套加以固定和保护。能有效降低寄生信号，改善超声显微镜系统的显微质量。

Description

有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于超声探测技术、尤其超声显微镜及成像应用技术，有效降低声学寄生信号的超声镜头或超声探头的电极制作方法。

背景技术

现有技术在制作超声镜头或超声探头及其换能器时，电极材料尽管可能也用到金、银等金属材料，往往通过材料粘连方法将换能器与镜头的波导传导棒或探头、引线等依次进行物理连接，要求电极的面积偏大，才能为换能器提供起较牢固的衬底。这一方法产生如下问题：

1)作为衬底的金属电极厚度无法做的超薄尺度，甚至达微米毫米尺度，否则很难确保在制作过程中不产生破碎或产生裂纹；

2)电极金属材料过厚会降低换能器与镜头波导传导棒体或探头之间的声学力学性能，从而背离了换能器(铌酸锂材料或氧化锌等等各类压电材料)与传导棒体或探头材料匹配的初衷，降低声学耦合性能，降低超声镜头设计的超声高频性能，导致频率衰减；

3)电极的金属衬底材料与波导棒体或探头的材料两者之间仍需一层粘结材料，又将凭空多出一个中间环节，进一步降低换能器与传导棒体的声学耦合性能；

4)电极的衬底金属面积往往制作成大于换能器的底面积，以方便在电极上安装和引出其他外引导线，这样面积较大的特征，容易导致引出的电极与镜头的金属外壳之间发生接触而导致相关电路短路危险，同时增加金属壳体的加工难度；

5)电极的衬底金属面积的过大，使镜头内部有限空间更加拥挤，这样使得电极只能附着在换能器表面固定，引线着力点也直接作用于其表面，易引起换能器受力而脱落；

6)电极的衬底金属、粘结材料与换能器以及传导棒体(或探头)进行加工连接过程中，很难精准进行定位。这样极不方便换能器和聚焦孔径之间空间对准作业，造成高频声源在空间上的错位，降低声场辐射激励强度；

7)电极的衬底金属与换能器由于微观错位，在电激励电场下产生额外声源，对于超声镜头或探头而言产生复杂的声交互过程，构成超声镜头或探头内部寄生的有害声波，恶化超声镜头的本征电学信号性能，产生大量超声寄生信号，降低镜头或探头的信噪比，从而降低超声显微成像系统或其他超声探伤系统的信噪比。

发明内容

本发明的目的是提供一种简化制作环节，并有效改善超声镜头或探头的声学性能，有效降低声学寄生信号，提高超声显微镜系统或超声探伤系统的超声镜头或探头的电极制作方法。

具体的技术方案、制作方法和步骤如下：

1)超声镜头以及相关声学探头的波导棒体或块材的声发射面的镜面加工；

2)依据声发射面的尺寸制作及特殊形状的电极模具的制作方法及准备；

3)对超声镜头或声学探头的波导棒体或探头块材的声发射面上进行清理；

4)特定形状和厚度的电极材料的制备及工艺控制过程；

5)对蒸镀后的超声镜头或探头及生成的电极材料进行清理步骤；

6)在电极材料上进行超声换能器的安装与固定；

7)超声换能器另一侧对应极性的电极材料的制备与固定；

8)电极材料与其相关的导线引出线的连接与固定；

9)金属外套安装固定和保护。

上述本发明提供的技术方案，主要针对超声显微镜系统的核心部件---聚焦超声镜头，及其换能器电极进行创新设计，对于相关的超声探头的换能器的电极也起指导作用。技术方案提供的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，可实现多种复杂形态的电极分布，避免电极间、电极与金属外壳之间潜在短路危险，制作过程中方便换能器精准空间定位，降低换能器在激励时引起额外复杂声源产生及散射，从而有效降低寄生信号，改善超声显微镜系统的显微成像质量或超声探伤系统信号生成质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中电极、压电材料(换能器)、导电银浆、引线构造侧视图示意图。

图3为本发明实施例中超声波发生区域、电极、导电银浆及引线固定引出点构造及其分布示意图；图3中标记数字11和数字13指示所对应的部分为蒸镀的金属银电极材料，具体形状是任意可以勾画出的形状(如扇形、长方形或方形、三角形等等几何形状)。

具体在附图2中：

1:对应的是超声镜头棒体材料或超声探头块材，具体材料可以为任意固体材料(如石英、融石英或高分子固体材料等)，具体形状是柱状、楔形或块状因应用领域不同而有所不同；

2:对应的是通过蒸镀附着于超声镜头棒体材料或超声探头块材的金属银或金薄膜(用于换能器的某一电极)；

3:超声镜头或超声探头上用作换能器的压电薄膜材料；

4:通过二次蒸镀附着于超声镜头棒体材料或超声探头块材表面的金属银薄膜(用于换能器的其中一电极)；替代方案中，此层可以直接用导电银浆代替；

5:与标记2同步蒸镀附着于超声镜头棒体材料或超声探头块材的金属银薄膜(用于换能器的另一对应电极)；

6:此图中深黑色部位(2、3、4界面之间)，包括电极金属银薄膜与压电换能器材料之间的界面，为导电银浆层，起着粘连作用，凝固后提供刚性连结功能；

7:金属银薄膜材料或丝状材料，起到软性连通相关激励电路通路的作用；此图中该连线起到将压电材料上表面电极与超声镜头或超声探头块体之间电极导通作用，避免上部引出线与电极的刚性连结导致断裂可能；

8、9:金属银或金薄膜材料或丝状材料，软性金属如金属银，连通激励电路通路的作用，分别为压电换能器提供对应激励电场的功能。

在附图3中：

11:通过蒸镀得到的作为换能器底部电极薄膜材料的电极层；标注数字11区域即为压电换能器材料通过导电银浆与之固定的区域，用于激发产生超声波的区域；

12:在标注11的区域内上下一对的小圆(也可以是其他形状)内部区域，表示附着于蒸镀的金属银薄膜用于换能器的某一电极上的导电银浆区域，用于固定导线引出的位置；金属银薄膜材料或丝状材料，起到软性连通激励电路通路的作用；此图中此处连线起到引出压电材料下表面电极与相关电路的导通作用；

13:与数字标记11同步蒸镀过程中，附着于超声镜头棒体材料或超声探头块材的金属银薄膜(用于换能器的另一对应电极)，预留用作换能器的另一电极区域；

14:附着于蒸镀的金属银薄膜电极表面的左右一对小圆(也可以是其他形状)区域，用于换能器的另一电极上的导电银浆附着区域，金属银薄膜材料或丝状材料在此区域引出，引出到两个去处，其中之一通过连线起到将压电材料上表面，另一去处连通到超声镜头或超声探头的接插件电极上，起到软性连通激励电路通路的作用，这样就避免了压电换能器上部直接引出导线可能导致的刚性连结出现断裂的可能；

15:对应的是超声镜头棒体材料或超声探头块材的产生超声的刚性界面(声发射面)，此面是棒体或块材材料经过精细加工实现的镜面。

具体实施方式

结合本发明实施的附图，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本相关领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其较佳的具体实施方式和步骤：

1)超声镜头以及相关声学探头的波导棒体或块材的声发射面的镜面加工；

2)依据声发射面的尺寸制作及特殊形状的电极模具的制作方法及准备；

3)对超声镜头或声学探头的波导棒体或探头块材的声发射面上进行清理；

4)特定形状和厚度的电极材料的制备及工艺控制过程；

5)对蒸镀后的超声镜头或探头及生成的电极材料进行清理步骤；

6)在电极材料上进行超声换能器的安装与固定；

7)超声换能器另一侧对应极性的电极材料的制备与固定；

8)电极材料与其相关的导线引出线的连接与固定；

9)金属外套安装固定和保护。

所述步骤1中，选用石英棒体或高分子聚合物类等各类固体材料，作为制作超声镜头或声学探头材料，加工成圆柱状棒体、楔形等块材形状，将棒体或块材的某一面作为声发射端面，经过精磨、研磨等多道工序，确保光洁度▽≥10。

所述步骤2中，依据超声镜头或探头的声发射面的表面形状，采用不干胶贴纸、胶带纸或具有粘附功能的锡箔等材料，根据设计人所希望实现的电极的形状来设计裁剪，使得剪裁的部分与预留部分处于未完全分离的临界连结状态，贴附于波导棒体或探头块材的声发射表面，从该声发射面上覆盖的粘附材料当中，在将要预留作为电极的区域内揭去覆盖的粘性覆盖材料(贴纸、胶带或锡箔)覆盖面，保持整个覆盖面形状完整和位置的牢固，并在该超声镜头波导棒体或探头块材其它所有不需要电极的区域表面，用此方法加以严密粘贴覆盖，确保不露出表面；

注意：该步骤中揭去的部分的形状及其在声发射面上的表面位置务必准确，以此确保下一步电极生成后的形状及其定位准确。

所述步骤3中，对步骤2中已揭去覆盖材料暴露的希望制作电极形状区域的声发射面，采用丙酮等挥发性溶液进行必要的清理，在进行电极蒸镀步骤前确保没有任何指纹、尘埃或机械划痕等等，确保将用以声发射的物理交互界面清洁；

所述步骤4中，为电极材料的制作过程，具体方法是利用高真空热蒸发式蒸镀机，对上述声发射镜面预留了空白区域蒸镀一层金属银薄膜材料过程。

首先将要制作电极的包裹了附着材料的镜头或探头放入蒸镀机腔体，将需要做电极的预留空白面，固定在旋转样品台上并用胶带等加以固定，并确保被蒸镀面水平状态，不可遮挡上述空白区域；然后进行抽真空环节，等待真空度为～10-6Torr时，开始进行蒸镀步骤，打开样品台旋转开关，使样品台保持30r/分钟匀速旋转，打开蒸镀电源，按以下速率逐步增加电流值调整蒸发速率：15A保持30秒；20A保持30秒；25A保持1秒；30A保持1分钟；35A保持1分钟.....；直至膜厚探测仪显示蒸发速率稳定后，将电流值固定下来；

对超声镜头或探头的声发射表面区域进行蒸镀过程中，以～0.2nm/秒的固定速率进行蒸镀，按此速率时间达到10分钟后，生成的电极达到120nm厚度，若需要增加厚度，再延长蒸镀时间，当计算时间已达到所需厚度后关闭蒸镀电源，再通入载气，最后打开蒸镀腔体舱门，取出已经镀上银质薄膜电极材料的包裹体。

所述步骤5中，取出经蒸镀银质薄膜电极材料的包裹体，摘取粘连在超声镜头或探头外部所有包裹材料，即露出事先设计规划好的、具备在声发射界面固定位置和各种所需设计图案的银质电极；

在取出经蒸镀银质薄膜电极材料的包裹体以及摘取包裹材料过程中，勿碰触蒸镀了电极的部位，以保持电极部位的清洁。

所述步骤6中，超声镜头或各类超声探头发生超声波的器件，由各类具有压电及逆压电效应的压电材料制成，包括压电陶瓷材料、氧化锌材料、铌酸锂或压电高分子材料等。将满足于设计频率并制作好的上述压电材料，在其底面涂抹少量导电银胶，在凝固前直接粘贴于镜头或探头块材的声发射面的中心位置的银质电极上，水平方向小范围内平移若干次，使得压电材料与底部电极上表面之间夹杂的零星微小空气气泡，在摩擦挤压过程中从导电银胶中排出；然后通过固定手段，确保压电材料处在水平工作面，防止压电换能器在声发射平面发生前后左右空间平移，并在温度120摄氏度以上的环镜中放置24小时以上，就此完成了压电材料制成的换能器及其底面电极与超声镜头的传导棒体或各类超声探头块材之间刚性连接。

所述步骤7中，几乎重复步骤2所述，在具有粘性的材料上按照设计要求划出顶部电极材料所需要形态的划痕，暂勿分离画有特殊形状的内部区域与外围相邻区域，将该粘性材料依据该区域中心与压电材料的中心相重合的规则，将该粘连材料粘贴在压电材料上表面，用镊子将中间特殊形状的粘连材料剔除，注意勿对压电材料上表面构成划伤，露出顶部电极材料所需要形态(圆形或方形等特殊形状)的区域，再运用步骤4和5，在超声镜头或探头上方的压电材料上表面蒸镀上一层银质电极；

至此，与超声镜头或探头顶端的压电材料上下两个面相刚性连接的银质金属电极材料完成，实现了两对电极材料在压电材料层的双面耦合配对，并完成在超声镜头或探头上的空间位置上的固定；

或者，所述步骤7在压电材料上表面进行电极制备的另一替代方法：在确保在压电材料上表面电极的形状和准确位置的区域后，直接将导电银浆涂抹于该区域内，保证导电银浆与压电材料之间没有空气气泡等空隙，并不对四周邻近区域构成污染，这时再按照步骤6中方法实现导电银浆的固化，最后形成一层固态银浆电极材料直接作为上表面电极材料。

所述步骤8中，此时超声镜头或探头顶端的压电材料上下两侧都分别与银质金属电极材料完整刚性地各成一体，电极的引线需要另外采用长度为20毫米、直径为0.5毫米的银丝，或宽度为2到3毫米、厚度为0.1到0.3毫米银箔，在单独划出的区域通过导电银浆与两片电极固定，固定方法同步骤6；

待导电银浆凝固后，此时两副引线具备了将压电材料正反面耦合电极电力输送通道加以延长的功能，避免超声镜头或探头后期制作或安装过程中对电极材料，以及压电换能器材料的机械物理损伤，再通过金属外套上的接插件与相关外围激励电路耦合。

所述步骤9中，上述所有步骤实施后，一个完整的超声镜头或探头制作完毕，包含了顶部具有一副电极材料和相关引线，与两层电极材料刚性连结的中间压电换能器材料。此时，依据超声镜头或探头的物理形状和尺寸、压电换能器、电极及引线空间尺寸综合因素，进行金属外壳的设计和机械加工，将上述全套完整器件放置于该金属外壳中，并用透明玻璃胶等固态粘合材料与金属外套进行固定。

金属外套既起到保护精密的镜头及其相关器件的作用，也为超声镜头或探头提供了与相关装置的固定抓手功能，同时也对高频器件提供了与地线耦合的作用，对超声镜头或探头起到弱信号屏蔽功能，提高超声镜头或探头自身的信噪比。

本发明不仅简化了超声镜头或探头的制作环节和工艺，克服了现有超声镜头上述制作过程中出现的问题和现象，有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，实现了：

1)在电极衬底金属材料与超声镜头波导棒体或探头的材料之间的物理耦合进行优化设计，减少了一步粘连环节，简化制作工艺复杂程度，改善换能器与棒体之间的声学耦合性能；

2)有效降低金属衬底电极材料的厚度，减少换能器与棒体之间的声学耦合性能在粘结层面的损失，最大程度保持和达到超声镜头及换能器的设计频率；

3)通过该制作工艺实现减小金属衬底电极材料的实际面积，进而减少电极材料与壳体之间短路的可能；

4)实现正电极及负电极同层分割排列，节省镜头内部空间，杜绝了正电极引线附着在换能器上表面可能导致受力脱落、压电换能材料的碎裂等情形发生；

5)该制作工艺将方便实现金属衬底电极材料在镜头波导传导棒体或探头块材上精准定位，从而减少产生复杂寄生的声源，减少和降低寄生信号，提高信噪比；

6)降低超声镜头的制作环节和工艺难度。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

如图1所示，超声镜头或相关超声探头的电极制作整体技术方案共分九或十道工序，具体步骤如下：

1)超声镜头以及相关声学探头的波导棒体或块材的声发射面的加工环节要求:

此步骤是为电极材料制作的前期制作准备步骤。各种可用于制作超声镜头或声学探头固体材料，如石英棒体或高分子固体材料，加工成圆柱状棒体、楔形或块材等形状。选择该材料的某一面作为声发射端面，要求有良好的平整度，需要经过精磨、研磨等工序，光洁度▽≥10。

2)依据声发射面的尺寸制作特殊形状的电极模具的制作方法及准备：

该步骤是进行传导棒体或块材与电极附着前的关键步骤。依据超声镜头或探头的声发射面的表面形状，采用具有一定粘附功能的材料，如不干胶贴纸、胶带纸或有锡箔等等，根据使用者所希望电极的形状来设计(勾画)制作(裁剪)，使得剪裁的部分与预留部分处于未完全分离的临界状态，贴附于传导棒或探头的声发射面的表面；在该覆盖的材料中揭去将要预留作为电极的区域上的覆盖面(贴纸、胶带或锡箔等)，保持形状和位置的牢固，并在该超声镜头棒体或探头其他所有表面用此方法加以粘贴完整覆盖，不可露出棒体或块材的表面。

关键步骤就是，揭去的粘贴部分的形状及其在声发射面上的表面位置务必准确服帖，这一步决定了下一步电极生成后的形状及定位。

3)对超声镜头以及相关声学探头的波导棒体或探头块材的声发射面进行清理：

对通过上述揭开步骤暴露的希望制成电极的形状的区域，对被包裹材料粘贴导致的胶层进行必要清理，确保用以声发射的物理交互界面清洁，在蒸镀电极前务必采用丙酮等挥发性溶液进行深度清理，确保没有任何指纹、尘埃或机械划痕等等。

4)具备了特定设计形状的电极材料的制备工艺：

经过前面几个准备步骤，对预留出的特定形状以及在镜头或探头声发射面上的空间位置清洁的空白区域，进行电极制作过程。

具体方法利用高真空热蒸发式蒸镀机，在上述预留空白区域蒸镀一层金属银薄膜材料。首先将要制作电极的包裹了附着材料的镜头或探头放入蒸镀机腔体，确保预留空白需要做电极的面水平放置，在旋转样品台上并用胶带等加以固定，注意上述空白区域上部没有任何遮挡物；然后进行抽真空环节，等待真空度为～10-6Torr时，开始进行蒸镀步骤，打开样品台旋转开关，使样品台保持匀速旋转(30r/分钟)，打开蒸镀电源，逐步增加电流值调整蒸发速率(15A保持30秒；20A保持30秒；25A保持1分钟；30A保持1分钟；35A保持1分钟.....)，直至膜厚探测仪显示蒸发速率稳定后，将电流值固定下来。

对超声镜头或探头的声发射表面区域的电极进行蒸镀过程中，为确保生成的电极质量均衡，以～0.2nm/秒的固定速率进行蒸镀，按此速率时间达到10分钟后，生成的电极可以达到120nm厚度，若需要增加厚度，可酌情延长蒸镀时间，当计算时间已达到所需厚度后关闭蒸镀电源；此时可通入载气，建议氮气为好；最后打开蒸镀腔体舱门，取出已经镀上银质薄膜电极材料的包裹体。

5)清理蒸镀后的超声镜头或探头的步骤：

取出经蒸镀的银质薄膜电极材料的包裹体，摘取超声镜头或探头外所有包裹材料，最后取走粘贴材料，这样就露出具备在声发射界面上有固定位置，符合事先设计规划好的具有特殊设计图案形状的银质电极区域。

在取出经蒸镀银质薄膜电极材料的包裹体，以及摘取包裹材料过程中，务必确保勿碰触蒸镀了电极的部位，以保持电极部位的清洁。

6)超声换能器的安装与固定：

超声镜头或各类超声探头用来产生超声波的器件，由各类具有压电及逆压电效应的材料制成，主要压电陶瓷材料、氧化锌材料、铌酸锂或其他压电高分子材料等等。

要实现高频或超高频的超声换能器，往往需要制成厚度在亚毫米级、微米甚至更薄的薄膜材料，此类材料往往极脆，固定和安装时极易发生脆裂，因此需要格外仔细。

将满足频率需求并制作好的上述压电材料，在其底面涂抹少许导电银胶，在凝固前直接粘贴于上述声发射面上中心位置的银质电极上表面，通过小幅度水平方向平移若干次，使得压电薄膜材料的下表面与底部电极之间夹杂的零星空气等微小气泡，从导电银胶中排出，然后确保该换能器与发射平面界面处于水平工作面上，以防止换能器在声发射平面发生前后左右空间平移，并在温度约在120摄氏度以上的环镜中放置24小时以上，具体时间取决于使用的银胶出厂特性等。

就此压电材料制成的换能器及其底面电极，就与超声镜头的传导棒体或各类超声探头块材之间完成了刚性连接。此步操作最好在具有负压的局部操作环境中进行效果更佳。

7)换能器另一侧(面)对应极性的电极材料的制备与固定：

上述步骤完成了对压电材料进行电子激励过程中的其中一个环节，还需完成压电材料另一侧(面)对应电极的制作。实施到此步骤相对而言就是要做到电极材料直接固定到压电材料上表面即可，准确把握好此电极在压电材料上表面的准确位置是关键。

在具有粘性的材料上按照形状需求设计规划出形态(划痕)，暂勿分离画有特殊形状的内部区域与外围相邻区域，将该完整的粘性材料，依据中间区域的中心与压电材料的中心相重合的规则，将该粘连材料粘贴在压电材料上表面，用镊子小心将中间特殊形状的粘连材料剔除，注意勿对压电材料上表面构成划伤，露出圆形或方形等特殊形状的区域。

再运用第4步方法和第5步步骤，在超声镜头或探头上方的压电材料上表面，蒸镀上一层银质电极，相较于压电材料底部的电极材料，该层电极可以略微厚实一些。

至此，超声镜头或探头顶端的压电材料上下两个侧面，分别与银质金属材料产生了刚性连结，实现了两对电极材料的耦合配对，并完成在超声镜头或探头上的空间位置上的固定。

8)在压电材料上表面进行另一电极制备的其他替代方法：

可以简化第7步步骤，在确保要实现的电极区域在压电材料上表面准确位置和区域范围后，可以直接将一定量的导电银浆涂抹于该区域内，确保导电银浆与压电材料之间没有空隙，并不对四周邻近区域构成污染即可，再按照第6步中使用的方法实现导电银浆的固化，最后形成一层固态的银浆电极材料。

9)电极材料与相关引线的连接与固定：

此时超声镜头或探头顶端的压电材料上下两侧都与银质金属电极材料完整刚性地成为一个整体，电极的引线需要另外采用长度为20毫米的银丝(直径约为0.5毫米)或银箔(宽度约为2到3毫米，厚度约为0.1到0.3毫米)，通过导电银浆与两片电极固定，固定和固化方法参考上述步骤第6步。

待导电银浆凝固后，此时两副引线具备了将压电材料正反面耦合电极电力输送通道加以延长的功能，避免超声镜头或探头后期制作或安装过程中对电极材料，以及压电薄膜材料的机械物理损伤，再通过金属外套上的接插件与相关外围激励电路耦合。

10)安装金属外套加以固定和保护：

至此一个完整的超声镜头或探头制作完毕，包含了顶部具有一副电极材料和相关引线，与两层电极材料刚性连结的中间压电换能器材料。此时，依据超声镜头或探头的物理形状和尺寸、压电换能器、电极及引线空间尺寸综合因素，进行金属外壳的设计和机械加工，将上述全套完整器件放置于该金属外壳中，并用透明玻璃胶等固态粘合材料与金属外套进行固定。

金属外套既起到保护精密的镜头及其相关器件的作用，也为超声镜头或探头提供了与相关装置的固定抓手功能，同时也对高频器件提供了与地线耦合的作用，对超声镜头或探头起到弱信号屏蔽功能，提高超声镜头或探头自身的信噪比。

本发明的优点和积极效果：

用于超声镜头或超声探头上换能器电极制作技术方法，采用与多种压电薄膜材料以及镜头棒体或探头块材材料(石英或高分子材料)声学性能匹配条件优良的纯银薄膜材料，利用自制的特殊模具进行电极的区域规划和布置等具体步骤，然后采用真空蒸镀方法实现多种复杂形态的电极分布，避免电极与电极间、电极与金属外壳之间潜在短路危险，方便换能器精准空间定位，降低换能器在激励时引起额外复杂声源产生及散射，从而有效降低寄生信号，改善超声显微镜系统的显微质量。

具体表现如下：

1)原有技术在制作金属电极材料的厚度，无法或很难实现几百纳米的超薄程度，甚至要实现几十微米都较困难。电极金属材料过厚会降低换能器与波导传导棒体之间的声学力学性能，从而降低声学耦合性能，降低超声镜头高频超声特性；

本发明通过电流和时间等技术控制，将有效降低金属衬底电极材料的厚度，减少换能器与棒体之间的由于电极材料的厚度导致的声学耦合性能降低程度，最大程度保持超声镜头或超声探头及其换能器耦合的高频特性；

2)原有技术在电极材料、压电换能器以及与超声镜头的波导传导棒或超声探头的块体两两之间的连结，需要物理粘连才能实现完整的刚性整体。在三者之间额外多增加了其他声学性能较低的耦合材料(物质)，额外增加了超声波的界面交互作用过程，导致和产生额外的声波叠加行为导致的寄生行为；

而本发明减少了在该界面额外的耦合环节，电极材料直接“生长”在超声镜头的波导传导棒或超声探头的块体上，减少波的寄生行为；

3)原有技术将超声镜头的波导传导棒或超声探头的块体的刚性材料，与厚度有限的金属电极材料粘连过程中，将换能器与波导传导棒、换能器与引线的依次物理连接，要求制作的电极必须满足较大面积才能方便上述制作过程，且制作过程中受力程度很难把握，极易导致电极材料和压电薄膜材料的破碎、撕裂或产生裂纹等；

同时，较大面积的电极材料让镜头内部原本有限空间更加“拥挤”，迫使其中之一电极只能附着在压电材料薄膜换能器上表面，导致导线引线的着力点也只能直接作用于其表面，极易导致正电极或压电材料在安装过程中受力脱落；

而本发明却恰恰减少了该界面制作环节，而且电极的面积可任意设计和控制，制作难度大大降低，巧妙实现了正电极及负电极同层分割排列，节省镜头内部空间，杜绝了正电极引线附着在换能器上表面可能导致受力脱落的情形，提高成品率而降低经济损失；

4)原有技术制作的电极衬底金属面积往往需要远大于换能器的底面积，才能方便安装压电薄膜材料，方便电极上导线的引出与外引连接。这样易导致该电极与镜头或探头的金属外壳发生接触导致相关电路短路危险，还增加了金属壳体的加工难度；

本发明通过制作特殊形状的模具(粘贴材料等)工艺，能够实现绝大多数用户所需的形状和面积的电极，减小金属衬底电极材料的实际面积，减少电极材料与壳体之间短路的可能；

5)原有技术电极的衬底金属、粘结材料与换能器以及传导棒体进行加工连接过程中，实现精准定位难道很大，不便于换能器中心和与镜头或探头聚焦孔径在空间上的精确对准作业，造成高频声源产生的超声波在空间上发生发射错位，降低声场辐射激励强度；

另外，由于空间上的微观错位，在电激励电场下产生额外超声波声源，在超声镜头传导棒体内部产生复杂的声交互过程，构成了超声镜头内部寄生的有害声波，最终恶化超声镜头的本征电学信号性能，产生大量超声寄生信号，降低镜头的信噪比，从而降低超声显微成像系统的信噪比；

而本发明工艺实现金属衬底电极材料，在波导传导棒或超声探头块材上“事先”精准定位，产生超声波的有效区域即可被精准控制在特定的发射区域内，减少由于空间对应复杂关系导致的复杂声波交互过程而产生寄生的声源，降低寄生信号，提高信噪比；

总之，本发明运用真空热蒸发法制备Ag薄膜电极材料，银薄膜是由银纳米颗粒组成，颗粒具有较高的热、电、光、声、磁、力学性能，尤其是其低电阻率、化学物理性能稳定等优良性能，成为我们制作声学电极材料的首选。本发明中的粘贴覆盖加真空热蒸发技术，具有原理简单、易操作、成本低、重复性高、稳定性好、高沉积速率等优点。

上述改进最终表现在，在电极衬底金属与波导棒体或探头的材料之间的物理耦合进行优化设计，改善换能器与棒体之间的声学耦合性能，并能降低超声镜头的制作环节和工艺难度；从一定程度上，提高了超声镜头或探头激发产生和传播并最终接收超声波效性，提高超声波导电信号的转换效率；同时也一定程度减少产生寄生超声波和最终寄生电信号的含有量。

具体实施例：

图2、图3展示的是通过前述相关方法和具体步骤得到的超声镜头实体图，图2给出了电极及其附属引线等与超声镜头传到棒体或超声探头块材纵向刚性连结的侧视实体图；图3中给出了电极材料形状或空间分布，总体呈十字展开，分布于超声镜头波导传到棒体或超声探头块材的声发射面上。两图合并提供了完备的解决方案，可方便实现各类超声镜头或超声探头的制作。

图3中，蒸镀的电极呈上下左右对称分布。上下对称分布(标注11)的部分，用作压电材料的底部引出电极，中心圆面(标注11)即为换能器底部的电极区域，是超声镜头或超声探头产生超声波的特定区域，与之相连该区域上下两头标注12的黑色圆形区域，是用来固化导电银浆涂层，用来引线的固定；水平方向分布的一副标注13的对称区域(银质蒸镀薄膜电极)，被中心圆形区域(标注11)阻隔开，是为压电薄膜材料上表面提供电激励的另一对应电极，在此水平分布的电极的两端黑色区域(标注14)为电线引出端，也是通过导电银浆将银质长条形薄膜作为另一极性引线引出和固定处。要求引线通过导电银浆的固定位置仅限于标注了12和14区域内，另外，标注13的区域与压电材料上表面连结引线，不可与标注11的区域任何部位碰触，此过程可与图2中标注6,7,9的过程对应诠释。

采用前面所述的简洁型导电银浆电极制作替代方法得到的超声镜头或超声探头，在按照图3的模式进行制作过程中，成功率更高。

金属银蒸镀所采用的设备为国产热蒸镀沉积镀膜设备，不拘泥于具体型号，我们采用了型号为JZZF-500的蒸镀沉积镀膜装置，所采用的金属银纯度达99.99％，腔内温度控制在45摄氏度以下，真空度为～10-6Torr。满足以上条件，按照前述第四步，具体方法利用高真空热蒸发式蒸镀机，在上述预留空白区域蒸镀一层金属银薄膜材料。在进行抽真空环节，等待真空度为～10-6Torr时，开始进行蒸镀步骤，打开样品台旋转开关，使样品台保持匀速旋转(30r/分钟)，打开蒸镀电源，逐步增加电流值调整蒸发速率(15A保持30秒；20A保持30秒；25A保持1分钟；30A保持1分钟；35A保持1分钟.....)，直至膜厚探测仪显示蒸发速率稳定后，将电流值固定下来。

对超声镜头或探头的声发射表面区域进行蒸镀过程中，为确保生成的电极质量均衡，以～0.2nm/秒的固定速率进行蒸镀，按此速率时间达到10分钟后，生成的电极可以达到120nm厚度，若需要增加厚度，可酌情延长蒸镀时间，当计算时间已达到所需厚度后关闭蒸镀电源；此时可通入载气，建议氮气为好；最后打开蒸镀腔体舱门，取出已经镀上银质薄膜电极材料的包裹体。

满足以上条件并按照前述步骤即可获得超声镜头或超声探头优质均匀的银质电极。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的各种变化(包括蒸镀材料用其他金属替代和形状的变化)或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，包括步骤：

1)超声镜头以及相关声学探头的波导棒体或块材的声发射面的镜面加工；

2)依据声发射面的尺寸制作及特殊形状的电极模具的制作方法及准备；

3)对超声镜头或声学探头的波导棒体或探头块材的声发射面上进行清理；

4)特定形状和厚度的电极材料的制备及工艺控制过程；

5)对蒸镀后的超声镜头或探头及生成的电极材料进行清理步骤；

6)在电极材料上进行超声换能器的安装与固定；

7)超声换能器另一侧对应极性的电极材料的制备与固定；

8)电极材料与其相关的导线引出线的连接与固定；

9)金属外套安装固定和保护。

2.根据权利要求1所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所示步骤1)中，选用石英棒体或高分子聚合物类等各类固体材料，作为制作超声镜头或声学探头材料，加工成圆柱状棒体、楔形等块材形状，将棒体或块材的某一面作为声发射端面，经过精磨、研磨等多道工序，确保光洁度▽≥10。

3.根据权利要求2所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所述步骤2)中，依据超声镜头或探头的声发射面的表面形状，采用不干胶贴纸、胶带纸或具有粘附功能的锡箔等材料，根据设计人所希望实现的电极的形状来设计裁剪，使得剪裁的部分与预留部分处于未完全分离的临界连结状态，贴附于波导棒体或探头块材的声发射表面，从该声发射面上覆盖的粘附材料当中，在将要预留作为电极的区域内揭去覆盖的粘性覆盖材料(贴纸、胶带或锡箔)覆盖面，保持整个覆盖面形状完整和位置的牢固，并在该超声镜头波导棒体或探头块材其它所有不需要电极的区域表面，用此方法加以严密粘贴覆盖，确保不露出表面；

该步骤中揭去的部分的形状及其在声发射面上的表面位置务必准确，以此确保下一步电极生成后的形状及其定位准确。

4.根据权利要求3所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所述步骤3)中，对步骤2中已揭去覆盖材料暴露的希望制作电极形状区域的声发射面，采用丙酮等挥发性溶液进行必要的清理，在进行电极蒸镀步骤前确保没有任何指纹、尘埃或机械划痕等等，确保将用以声发射的物理交互界面清洁。

5.根据权利要求4所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所述步骤4)中，为电极材料的制作过程，具体方法是利用高真空热蒸发式蒸镀机，对上述声发射镜面预留了空白区域蒸镀一层金属银薄膜材料过程；

首先将要制作电极的包裹了附着材料的镜头或探头放入蒸镀机腔体，将需要做电极的预留空白面，固定在旋转样品台上并用胶带等加以固定，并确保被蒸镀面水平状态，不可遮挡上述空白区域；然后进行抽真空环节，等待真空度为～10-6Torr时，开始进行蒸镀步骤，打开样品台旋转开关，使样品台保持30r/分钟匀速旋转，打开蒸镀电源，按以下速率逐步增加电流值调整蒸发速率：15A保持30秒；20A保持30秒；25A保持1秒；30A保持1分钟；35A保持1分钟.....；直至膜厚探测仪显示蒸发速率稳定后，将电流值固定下来；

对超声镜头或探头的声发射表面区域进行蒸镀过程中，以～0.2nm/秒的固定速率进行蒸镀，按此速率时间达到10分钟后，生成的电极达到120nm厚度，若需要增加厚度，再延长蒸镀时间，当计算时间已达到所需厚度后关闭蒸镀电源，再通入载气，最后打开蒸镀腔体舱门，取出已经镀上银质薄膜电极材料的包裹体。

6.根据权利要求5所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所述步骤5)中，取出经蒸镀银质薄膜电极材料的包裹体，摘取粘连在超声镜头或探头外部所有包裹材料，即露出事先设计规划好的、具备在声发射界面固定位置和各种所需设计图案的银质电极；

在取出经蒸镀银质薄膜电极材料的包裹体以及摘取包裹材料过程中，勿碰触蒸镀了电极的部位，以保持电极部位的清洁。

7.根据权利要求6所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所述步骤6)中，超声镜头或各类超声探头发生超声波的器件，由各类具有压电及逆压电效应的压电材料制成，包括压电陶瓷材料、氧化锌材料、铌酸锂或压电高分子材料等。将满足于设计频率并制作好的上述压电材料，在其底面涂抹少量导电银胶，在凝固前直接粘贴于镜头或探头块材的声发射面的中心位置的银质电极上，水平方向小范围内平移若干次，使得压电材料与底部电极上表面之间夹杂的零星微小空气气泡，在摩擦挤压过程中从导电银胶中排出；然后通过固定手段，确保压电材料处在水平工作面，防止压电换能器在声发射平面发生前后左右空间平移，并在温度120摄氏度以上的环镜中放置24小时以上，就此完成了压电材料制成的换能器及其底面电极与超声镜头的传导棒体或各类超声探头块材之间刚性连接。

8.根据权利要求7所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所述步骤7)中，几乎重复步骤2所述，在具有粘性的材料上按照设计要求划出顶部电极材料所需要形态的划痕，暂勿分离画有特殊形状的内部区域与外围相邻区域，将该粘性材料依据该区域中心与压电材料的中心相重合的规则，将该粘连材料粘贴在压电材料上表面，用镊子将中间特殊形状的粘连材料剔除，注意勿对压电材料上表面构成划伤，露出顶部电极材料所需要形态(圆形或方形等特殊形状)的区域，再运用步骤4和5，在超声镜头或探头上方的压电材料上表面蒸镀上一层银质电极；

至此，与超声镜头或探头顶端的压电材料上下两个面相刚性连接的银质金属电极材料完成，实现了两对电极材料在压电材料层的双面耦合配对，并完成在超声镜头或探头上的空间位置上的固定；

或者，所述步骤7在压电材料上表面进行电极制备的另一替代方法：在确保在压电材料上表面电极的形状和准确位置的区域后，直接将导电银浆涂抹于该区域内，保证导电银浆与压电材料之间没有空气气泡等空隙，并不对四周邻近区域构成污染，这时再按照步骤6中方法实现导电银浆的固化，最后形成一层固态银浆电极材料直接作为上表面电极材料。

9.根据权利要求8所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所述步骤8)中，此时超声镜头或探头顶端的压电材料上下两侧都分别与银质金属电极材料完整刚性地各成一体，电极的引线需要另外采用长度为20毫米、直径为0.5毫米的银丝，或宽度为2到3毫米、厚度为0.1到0.3毫米银箔，在单独划出的区域通过导电银浆与两片电极固定，固定方法同步骤6；

待导电银浆凝固后，此时两副引线具备了将压电材料正反面耦合电极电力输送通道加以延长的功能，避免超声镜头或探头后期制作或安装过程中对电极材料，以及压电换能器材料的机械物理损伤，再通过金属外套上的接插件与相关外围激励电路耦合。

10.根据权利要求9所述的有效降低声学寄生信号的超声镜头电极制作方法，其特征在于，所述步骤9)中，上述所有步骤实施后，一个完整的超声镜头或探头制作完毕，包含了顶部具有一副电极材料和相关引线，与两层电极材料刚性连结的中间压电换能器材料。此时，依据超声镜头或探头的物理形状和尺寸、压电换能器、电极及引线空间尺寸综合因素，进行金属外壳的设计和机械加工，将上述全套完整器件放置于该金属外壳中，并用透明玻璃胶等固态粘合材料与金属外套进行固定；

金属外套既起到保护精密的镜头及其相关器件的作用，也为超声镜头或探头提供了与相关装置的固定抓手功能，同时也对高频器件提供了与地线耦合的作用，对超声镜头或探头起到弱信号屏蔽功能，提高超声镜头或探头自身的信噪比。