CN110933577A - 一种负声压光声换能器装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声换能器技术领域，公开了一种负声压光声换能器装置及其制备方法，其中装置包括透明基座(1)和复合光声转换层(2)，透明基座上设置有空气腔(3)，由复合光声转换层产生的初始光声正负声压脉冲信号，经空气腔的反射后，将转变为同等幅度的、相位发生翻转且沿正向传输的相位翻转光声正负声压脉冲信号，相位翻转光声正负声压脉冲信号与沿正向传输的初始光声正负声压脉冲信号之间存在时间延迟，从而使该光声换能器装置整体能够实现沿正向传输的负声压输出。本发明通过对装置内的各个细节结构及它们的配合作用关系进行改进，能够实现负声压输出，且相应制备方法工艺过程简单，工艺可行性强。
Description
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，更具体地，涉及一种负声压光声换能器装置及其制备方法，尤其可实现大的负声压输出。
背景技术
超声换能器作为产生超声波的基本器件在工业和生物医学等领域具有广泛的应用需求和广阔的应用前景。随着超快激光技术和纳米材料科学的飞速发展，基于光声效应的光声换能器因同时具备高强度、宽频带和高频率的突出优点，有望取代传统压电超声换能器成为下一代新型高性能的超声换能器，同时能极大促进超声波在医学诊断和治疗上的应用。
当激光能量低于材料的损伤阈值，热弹性(光声)过程起主导作用时，入射脉冲激光能量被吸收转化为热能，从而引起热膨胀并发射脉冲超声。基于上述原理易于理解，光声换能器产生光声信号是一个热膨胀的过程，因而获得一个正声压信号是十分简单的。然而，在现今已知的诸多医疗应用中，如药物输运、碎石以及溶栓等，超声的负声压被认为起着至关重要的主导作用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种负声压光声换能器装置及其制备方法，其中通过对装置内的各个细节结构及它们的配合作用关系进行改进，尤其通过设置空气腔，能够使得背向传输的光声正声压信号以同等幅度的负声压信号反射回光声换能器的正向输出端，能够实现负声压输出；并且基于该装置，通过调节正向传输光声信号和背向传输反射光声信号之间的时间延迟，可对负声压输出灵活调节。此外，本发明相应制备方法工艺过程简单，工艺可行性强。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种负声压光声换能器装置，其特征在于，包括透明基座，以及位于所述透明基座上、且与该透明基座键合相连的复合光声转换层；在所述透明基座上还开设有凹槽，该凹槽位于所述透明基座与所述复合光声转换层的接触面上，所述复合光声转换层配合所述透明基座使该凹槽形成密封空间，并作为空气腔；
所述透明基座用于作为激光入射端，激光经由所述透明基座由所述空气腔入射至所述复合光声转换层；
所述复合光声转换层用于吸收激光束能量并转换成声能，产生初始光声正负声压脉冲信号；
以所述透明基座与所述复合光声转换层的接触面为参照，记由所述透明基座指向所述复合光声转换层的接触面法线方向为正向，由所述复合光声转换层指向所述透明基座的接触面法线方向为背向，则，产生的初始光声正负声压脉冲信号中沿背向传输的信号，由于空气与所述复合光声转换层之间的声学阻抗失配，经所述空气腔的反射后，将转变为同等幅度的、相位发生翻转且沿正向传输的相位翻转光声正负声压脉冲信号，所述相位翻转光声正负声压脉冲信号与初始光声正声压脉冲信号中另一部分沿正向传输的初始光声正负声压脉冲信号之间存在时间延迟，从而使该光声换能器装置整体能够实现沿正向传输的负声压输出。
作为本发明的进一步优选，所述复合光声转换层自上而下包括第一声学匹配层、光声转换复合薄膜和第二声学匹配层，其中，
所述第一声学匹配层所采用的材料满足材料的声阻与所述负声压光声换能器装置目标工作环境的声阻相匹配；
所述第二声学匹配层所采用的材料满足材料的声阻与所述第一声学匹配层相匹配；
所述光声转换复合薄膜是由吸光微纳结构材料和聚合物组成的复合材料薄膜，所述吸光微纳结构材料选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜、金属纳米阵列、碳黑颗粒、碳纳米管、碳纤维、二硫化钼或氧化还原石墨烯；所述聚合物具有不低于210×10-6/K的热膨胀系数。
作为本发明的进一步优选，所述第二声学匹配层的厚度将影响所述时间延迟的大小；
优选的，当所述相位翻转光声正负声压脉冲信号中的负声压峰值点与沿正向传输的初始光声正负声压脉冲信号中的负声压峰值点重合时，能够实现最大效率的负声压输出。
作为本发明的进一步优选，所述第一声学匹配层与所述第二声学匹配层均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
所述聚合物也采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
所述透明基座采用的材料具体为塑料、玻璃、有机玻璃或聚合物；优选的，所述透明基座采用的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体固化得到的。
作为本发明的进一步优选，入射激光与所述接触面所在平面相交所得的光斑截面能够被所述空气腔在接触面所在平面上的投影完全覆盖。
作为本发明的进一步优选，所述复合光声转换层自上而下包括第一声学匹配层和光声转换复合薄膜，其中，
所述第一声学匹配层所采用的材料满足材料的声阻与所述负声压光声换能器装置目标工作环境的声阻相匹配；
所述光声转换复合薄膜是由吸光微纳结构材料和聚合物组成的复合材料薄膜，所述吸光微纳结构材料选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜、金属纳米阵列、碳黑颗粒、碳纳米管、碳纤维、二硫化钼或氧化还原石墨烯；所述聚合物具有不低于210×10-6/K的热膨胀系数。
按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述负声压光声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S10)制备具有凹槽的透明基座，该凹槽位于所述透明基座的表面，同时所述透明基座包含键合面；
(S20)制备复合光声转换层，具体包括以下子步骤：
(S201)在一基片上涂覆第一层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到第一声学匹配层；
(S202)在所述第一声学匹配层上继续沉积吸光微纳结构材料；
(S203)在所述吸光微纳结构材料上继续涂覆第二层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到由吸光微纳结构材料和聚二甲基硅氧烷聚合物组成的光声转换复合薄膜；
(S204)根据预先设定的延迟时间要求，在所述光声转换复合薄膜上涂覆第三层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到第二声学匹配层，由此即可在所述基片上形成第一声学匹配层-光声转换复合薄膜-第二声学匹配层叠加的复合光声转换层；
(S30)将所述透明基座与所述复合光声转换层进行键合，使所述透明基座上的凹槽形成密封空间；
(S40)将所述复合光声转换层从所述基片上剥离，得到的独立的透明基座-复合光声转换层键合结构即为负声压光声换能器装置。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(S201)中，所述第一声学匹配层的厚度为5-30um；
所述步骤(S202)中，所述吸光微纳结构材料具体为蜡烛碳黑粒子(CSPs)，该蜡烛碳黑粒子(CSPs)是通过将所述基片倒置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛碳黑粒子(CSPs)蒸镀，最终得到了蜡烛碳黑粒子(CSPs)层；优选的，所述蜡烛碳黑粒子(CSPs)层的厚度为1-30um；
所述步骤(S203)中，所述第二层聚二甲基硅氧烷预聚体固化后的厚度为1-40um；
所述步骤(S204)中，所述第二声学匹配层的厚度为0-200um。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(S201)中，所述基片预先经过表面硅烷化处理；
所述步骤(S201)、所述步骤(S203)、所述步骤(S204)中，固化温度为65-75℃，固化时间为1-2小时。
按照本发明的又一方面，本发明提供了制备上述负声压光声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S10)制备具有凹槽的透明基座，该凹槽位于所述透明基座的表面，同时所述透明基座包含键合面；
(S20)制备复合光声转换层，具体包括以下子步骤：
(S201)在一基片上涂覆第一层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到第一声学匹配层；
(S202)在所述第一声学匹配层上继续沉积吸光微纳结构材料；
(S203)在所述吸光微纳结构材料上继续涂覆第二层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到由吸光微纳结构材料和聚二甲基硅氧烷聚合物组成的光声转换复合薄膜，由此即可在所述基片上形成第一声学匹配层-光声转换复合薄膜叠加的复合光声转换层；
(S30)将所述透明基座与所述复合光声转换层进行键合，使所述透明基座上的凹槽形成密封空间；
(S40)将所述复合光声转换层从所述基片上剥离，得到的独立的透明基座-复合光声转换层键合结构即为负声压光声换能器装置。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过设置空气腔，空气腔能够使得背向传输的光声正声压信号以同等幅度的负声压信号反射回光声换能器的正向输出端；同时可以通过调节正向传输光声信号和背向传输反射光声信号之间的时间延迟，实现最大效率的负声压输出。具体分析的话，本发明能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的负声压光声换能器装置基于声学传输理论，通过合理设计声学匹配结构，将背向传输的光声正声压信号转换成同等幅度的负声压信号耦合至输出端，通过调控靠近空气腔的第二声学匹配层的厚度，能够调控相位翻转光声正负声压脉冲信号与沿正向传输的初始光声正声压脉冲信号之间的时间延迟，如此通过调节声学匹配层的厚度，能够方便的对输出信号的波形进行调节，得到满足不同负声压波形应用需求的负声压波形；例如，基于本发明能够以最大效率将负声压信号保留在光声换能器的最终输出信号中。与当前广泛研究报道的光声换能器结构相比，大大提高了光声换能器的输出负声压，这对于以超声空化效应为基础的超声应用是十分有益的。基于本发明中特定组件结构设计的负声压光声换能器装置，能够根据不同的条件、目标来灵活选择相关条件与参数，实现精确控制。
(2)基于上述特定组件及内部结构设计的负声压光声换能器装置，相应制备方法主要包括的注塑、旋涂以及键合等工艺，其基础工艺成熟，工艺过程简单，具备了工艺可行性。尤其平面旋涂工艺对于膜厚的控制十分精确，因此保证了器件对负声压的最大效率输出。并且，本发明提供的制备方法适用于不同器件尺寸以及不同激光吸收材料的光声换能器。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的负声压光声换能器装置示意图。
图2为本发明实施例1的负声压光声换能器工作原理示意图。
图3为本发明中负声压光声换能器装置的制备流程示意图。
图4为本发明实施例1提供的不同背衬光声换能器输出光声信号的测试结果对比图。
图1中各附图标记的含义如下：1为透明基座，2为复合光声转换层，21为声学匹配层，22为光声转换复合薄膜，23为声学匹配层，3为空气腔。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中负声压光声换能器装置，包括透明基座1和复合光声转换层2；所述透明基座1用于固定和支撑所述复合光声转换层2，且用于定义负声压光声换能器的工作部分尺寸；所述复合光声转换层2配合所述透明基座1形成一个空气腔3，所述复合光声转换层2还用于吸收激光束能量并转换成声能；由于空气和复合光声转换层2之间的声学阻抗失配，使得背向传输的光声正声压信号以同等幅度的负声压信号反射回光声换能器的正向输出端；同时通过调节正向传输光声信号和背向传输反射光声信号之间的时间延迟(具体是通过调节复合光声转换层中靠近空气腔一侧的声学匹配层厚度)，而在最佳时间延迟时，可实现最大效率的负声压输出。
透明基座1用于固定和支撑所述复合光声转换层2，且用于定义复合光声转换层2的工作部分尺寸；另外，透明基座1同时也是作为激光入射端。复合光声转换层2为三明治型层叠结构，即为：两层声学匹配层之间夹着一层吸光微纳结构材料和聚合物组成的复合材料薄膜。复合光声转换层2中，吸光微纳结构材料可以选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜、金属纳米阵列、碳黑颗粒、碳纳米管、碳纤维、二硫化钼或氧化还原石墨烯，聚合物具有不低于水的热膨胀系数(即，聚合物的热膨胀系数不低于210×10-6/K)。
当脉冲激光以等于空气腔3横向尺寸的光束直径透过透明衬底照射到复合光声转换层2时，复合光声转换层2吸收激光能量并转化为热能从而产生热膨胀发射超声，易于理解，热膨胀产生的超声信号是同时沿着两个相反的方向传播的，定义为正向和背向，正向定义为向光声换能器的输出端传播，背向定义为向空气腔端传播。其中，背向传播的光声信号传输至声学匹配层23与空气腔3的交界面时，会以大小幅度相等、相位翻转的光声信号反射回声学匹配层23中并继续向正向传播(所谓相位翻转，简单来说就是幅值绝对值保持不变，正负发生变化)。因此，最终的光声换能器输出信号会由上述两个光声信号在时域上的叠加而形成，而上述两个光声信号的时域延迟则取决于声源与空气腔3之间的距离。而在大多数光声换能器中，可以认为该距离即是声学匹配层23的厚度。当该厚度为设计的最佳值时，使得上述两个光声信号的负声压峰值重合，此时光声换能器的输出负声压达到最大。
相应的，上述负声压光声换能器的制备方法可以如下。该制备方法通过缩合键合工艺将透明基座和复合光声转换层整合在一起，且可以根据不同时间延迟需求，十分方便的调整声学匹配层23的厚度。使得在面对不同脉冲宽度的激励激光时，该光声换能器依然可以通过简单调整工艺来实现负声压输出的功能。其具体包括以下步骤：
S10，制备透明基座：
具体地，本发明透明基座的作用主要是固定和支撑复合光声转换层，同时也用于定义复合光声转换层的工作部分尺寸。即此步骤便决定了器件的整体尺寸和工作尺寸，故而可以按要求进行基座的模具设计加工。当然，所加工的模具底面的光滑程度需要达到一定要求，使透明基座的键合面能达到例如PDMS的键合要求。
S20，制备复合光声转换层：
S201，旋涂第一层PDMS预聚体在基片上，固化后得到涂覆声学匹配层21的基片。
具体地，基片在旋涂第一层PDMS前，需放入真空环境中进行表面硅烷化处理，可使其后的剥离过程变得容易；优选地，第一层PDMS厚度需考虑两个因素：第一，不能使激光产生的热能扩散到周围介质中，因而不能太薄；第二，太厚则对超声能量产生衰减负作用。第一次PDMS预聚体厚度为5-30um。
S202，倒置固化后的基片在蜡烛火焰上方，进行蜡烛碳黑粒子(CSPs)蒸镀。
具体地，将固化后的基片直接倒置在蜡烛火焰上方，进行CSPs蒸镀；优选地，蒸镀过程需控制基片保持水平和处于火焰中的高度恒定，并均匀控制基片各蒸镀区域的蒸镀时间，使CSPs层分布均匀。需要指出的是，CSPs层的厚度可由蒸镀总时间来控制，而不同的CSPs层厚度决定了不同的激光吸收强度；优选地，CSPs层厚度只需满足对激光能量的充分吸收即可。CSPs层厚度为1-30um。
S203，旋涂第二层PDMS预聚体在CSPs上，固化后得到光声转换复合薄膜22。
具体地，CSPs蒸镀完成基片冷却后，直接在CSPs层上旋涂第二层PDMS预聚体。需要指出的是，这一层旋涂的PDMS预聚体主要是起充分包裹CSPs的作用，且旋涂过程中不希望对CSPs层的分布产生影响。优选地，第二层PDMS预聚体可用有机溶剂，如甲苯、己烷等进行稀释处理，从而降低粘度。第二次PDMS预聚体厚度为1-40um(由于第二次PDMS预聚体是在CSPs上旋涂的，所以其厚度大于等于CSPs厚度，使CSPs能够完全被包覆在第二次PDMS预聚体中；并且，由于热在PDMS中传播距离很小，因此第二次PDMS预聚体厚度与CSPs层厚度之差不宜过大，当厚度差值过大时，后续第二次PDMS预聚体中将只有一部分PDMS会发生热膨胀)。
S204，旋涂第三层PDMS预聚体在复合薄膜上，固化后得到复合光声转换层2。
具体地，在固化后的复合薄膜上进行第三次PDMS预聚体旋涂。需要指出的是，该步骤主要作用是调节所需的时间延迟，对于不同脉冲宽度的激励激光、不同的光吸收材料和不同的复合薄膜厚度，其所需的时间延迟是不同的。因此，此一步需要根据实验测量输出的光声信号来进行指导。优选地，可以先进行薄、中、厚三种不同厚度的第三层PDMS预聚体厚度制备，最终通过实验测量结果确定符合当前实验参数条件的最佳预聚体厚度。第三次PDMS预聚体厚度范围可为0-200um。
具体地，上述步骤中的PDMS预聚体固化过程参数保持一致；优选固化温度为65-85℃，固化时间为1-2小时，固化后的基片应正置在密闭器件盒中，防止污染。
S30，键合透明基座和复合光声转换层。
具体地，采用等离子体机分别处理所述透明基座的键合面和所述柔性复合光声转换层的PDMS面，二者在经过氧等离子体表面处理后，自然对准贴合时会形成不可逆的紧密键合。优选地，可使用乙醇对需要键合的PDMS面进行清洗，后用氮气吹干再放入等离子体机中处理，处理时间不短于1min。
S40，剥离复合光声转换层与基片，完成制备。
以下为实施例：
实施例1
图1示出了本发明实施例负声压光声换能器装置示意图。
如图1所示，该实施例的负声压光声换能器装置，包括：透明基座1、复合光声转换层2、空气腔3；复合光声转换层2从上至下由声学匹配层21、光声转换复合薄膜22、声学匹配层23组成。所述透明基座1用于定义负声压光声换能器的工作部分尺寸；所述复合光声转换层2配合所述透明基座1形成一个空气腔3；空气腔3用于使背向传输的光声正声压信号以同等幅度的负声压信号反射回光声换能器的正向输出端；声学匹配层21用于将声能充分耦合到周围介质中；光声转换复合薄膜22用于吸收激光束能量并转换成声能；声学匹配层23用于调节所需的时间延迟。
具体地，结合图2所示的工作原理示意图，负声压光声换能器是基于声学传输理论，通过合理设计声学匹配结构，首先将背向传输的光声正声压信号转换成同等幅度的负声压信号耦合至输出端，接着进一步通过调节声学匹配层23的厚度，以最大效率将负声压信号保留在光声换能器的最终输出信号中，从而达到大负声压光声换能器的目的。
透明基座1为聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体固化得到；复合光声转换层2为PDMS—PDMS/CSPs—PDMS的三明治型结构，此时CSPs被充分包裹在第二次旋涂的PDMS胶体中，且与碳纳米管、石墨烯等相比，采用CSPs可明显降低工艺复杂度和成本。
需要说明的是，在实际使用过程中，光声换能器一般工作介质环境为水、PDMS或与之声阻抗相近的介质中，空气腔可能会由于介质压力而发生轻微形变。从原理上来说，这对器件的性能影响是可以忽略不计的，就算是对于特殊工作环境而言，形变量很大时，还可通过外部注入空气来恢复器件的工作性能。
图3示出了负声压光声换能器的制备流程示意图，如图3所示，制备方法包括以下步骤：
S10，制备透明基座：
具体地，按器件的整体尺寸和工作尺寸的要求先进行基座的模具设计加工，注意加工的模具底面要足够光滑，使得透明基座的键合面能达到PDMS的键合要求；之后将PDMS前基体和固化剂按10:1的体积比混合均匀，得到液态PDMS预聚体，然后放入真空抽气机静置去气泡；采用注塑成型工艺，固化后脱模便得到了PDMS透明基座。
S20，制备复合光声转换层：
S201,，旋涂第一层PDMS预聚体在基片上并固化。
具体地，基片在旋涂第一层PDMS前，需放入真空环境中进行表面硅烷化处理，可使其后的剥离过程变得容易；优选地，第一层PDMS厚度需考虑两个因素：第一，不能使激光产生的热能扩散到周围介质中，因而不能太薄；第二，太厚则对超声能量产生衰减负作用。这里第一次PDMS预聚体厚度为20um。
S202，倒置固化后的基片在蜡烛火焰上方，进行CSPs蒸镀。
具体地，将固化后的基片直接倒置在蜡烛火焰上方，进行CSPs蒸镀；优选地，蒸镀过程需控制基片保持水平和处于火焰中的高度恒定，并均匀控制基片各蒸镀区域的蒸镀时间，使CSPs层分布均匀。需要指出的是，CSPs层的厚度可由蒸镀总时间来控制，而不同的CSPs层厚度决定了不同的激光吸收强度；优选地，CSPs层厚度只需满足对激光能量的充分吸收即可。合理控制蒸镀时间，使CSPs层厚度为15um。
S203，旋涂第二层PDMS预聚体在CSPs上并固化。
具体地，CSPs蒸镀完成基片冷却后，直接在CSPs层上旋涂第二层经甲苯以1:2稀释后的PDMS预聚体。需要指出的是，这一层旋涂的PDMS预聚体主要是起充分包裹CSPs的作用，且旋涂过程中不希望对CSPs层的分布产生影响。这里第二次PDMS预聚体厚度为20um。
S204，旋涂第三层PDMS预聚体在复合薄膜上并固化。
具体地，在固化后的复合薄膜上进行第三次PDMS预聚体旋涂。需要指出的是，该步骤主要作用是调节所需的时间延迟，对于不同脉冲宽度的激励激光、不同的光吸收材料和不同的复合薄膜厚度，其所需的时间延迟是不同的。因此，此一步需要根据实验测量输出的光声信号来进行指导。优选地，可以先进行薄、中、厚三种不同厚度的第三层PDMS预聚体厚度制备，最终通过实验测量结果选定符合当前实验参数条件的最佳预聚体厚度。针对10ns脉冲宽度的532nm的激励激光，15um厚的CSPs层而言，这里第三次PDMS预聚体厚度为30um。
具体地，上述步骤中涉及的PDMS预聚体固化过程参数保持一致；优选固化温度为65-85℃，固化时间为1-2小时，固化后的基片应正置在密闭器件盒中，防止污染。
S30，键合透明基座和复合光声转换层。
具体地，采用等离子体机分别处理PDMS透明基座的键合面和柔性复合光声转换层的PDMS面，二者在经过氧等离子体表面处理后，自然对准贴合时会形成不可逆的紧密键合。优选地，可使用乙醇对需要键合的PDMS面进行清洗，后用氮气吹干再放入等离子体机中处理，处理时间不短于1min。
S40，剥离复合光声转换层与基片，得到如图1所示的负声压光声换能器。
图1为该换能器装置的结构示意图，透明基座1为一个包含圆柱体空心结构的长方体结构，即开腔为圆柱体，且圆柱体的上底面与该透明基座的上底面重合，该透明基座1上底面与复合光声转换层通过PDMS之间的缩合键合工艺实现一体化并紧密连接，复合光声转换层2覆盖在该透明基座的上底面，如此形成了一个密闭空气腔3，复合光声转换层的工作部分即可负声压光声换能器的横向尺寸与空气腔尺寸相同。
按照上述实施例中的制备参数进行工艺制备，并在激励激光参数为波长532nm、脉冲宽度10ns和脉冲能量5mJ时进行了光声换能器的光声信号表征；同时为了对比，在同样实验条件下对当前传统采用的玻璃背衬和PDMS背衬的光声换能器也进行了测试(各个器件的相应结构参数保持一致，仅是将本发明中的大负声压型器件中的空气腔，分别替换为了玻璃和PDMS，由此得到玻璃背衬的光声换能器和PDMS背衬的光声换能器)。图4示出了不同背衬结构光声换能器的光声声压信号测试结果，从图中可以看出，本发明提供的光声换能器实现了负声压的输出目标，能够实现大负声压的输出。
通过调节时间延迟(具体可以通过控制复合光声转换层中靠近空气腔一侧的声学匹配层厚度来实现)，本发明能够实现最大效率的负声压输出，即，使相位翻转光声正负声压脉冲信号中的负声压峰值点与沿正向传输的初始光声正负声压脉冲信号中的负声压峰值点相重合。
上述实施例所采用的PDMS预聚体呈液态，该液态PDMS预聚体可以由PDMS前基体和固化剂混合均匀后再静置去除气泡得到。基片的表面硅烷化，可以是将基片放入真空环境中进行表面硅烷化处理。在CSPs蒸镀过程中控制基片保持水平和处于火焰中的高度恒定，并均匀控制基片各蒸镀区域的蒸镀时间。在键合时，可以采用等离子体机处理透明基座的键合面和复合光声转换层的PDMS面；将处理后的键合面和PDMS面在干净空气环境中自然对准贴合，二者发生键合反应后实现紧密连接，透明基座与复合光声转换层连接后得到空气腔。
上述实施例仅以空气腔为圆柱形腔体为例(此时，空气腔的直径可以与激光束的直径相等)，空气腔还可以是其他形状，只要保证激光束能全部经由空气腔照射到复合光声转换层即可。
上述实施例仅以CSPs为例，本发明还适用于其他吸光微纳结构材料(如金属纳米粒子、碳纳米管、碳纤维、二硫化钼、氧化还原石墨烯等)，本发明的负声压光声换能器适用于多种光声转换材料，且工艺过程简单具备可行性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述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 (10)
1.一种负声压光声换能器装置，其特征在于，包括透明基座(1)，以及位于所述透明基座(1)上、且与该透明基座(1)键合相连的复合光声转换层(2)；在所述透明基座(1)上还开设有凹槽，该凹槽位于所述透明基座(1)与所述复合光声转换层(2)的接触面上，所述复合光声转换层(2)配合所述透明基座(1)使该凹槽形成密封空间，并作为空气腔(3)；
所述透明基座(1)用于作为激光入射端，激光经由所述透明基座(1)由所述空气腔(3)入射至所述复合光声转换层(2)；
所述复合光声转换层(2)用于吸收激光束能量并转换成声能，产生初始光声正负声压脉冲信号；
以所述透明基座(1)与所述复合光声转换层(2)的接触面为参照，记由所述透明基座(1)指向所述复合光声转换层(2)的接触面法线方向为正向，由所述复合光声转换层(2)指向所述透明基座(1)的接触面法线方向为背向，则，产生的初始光声正负声压脉冲信号中沿背向传输的信号，由于空气与所述复合光声转换层(2)之间的声学阻抗失配，经所述空气腔(3)的反射后，将转变为同等幅度的、相位发生翻转且沿正向传输的相位翻转光声正负声压脉冲信号，所述相位翻转光声正负声压脉冲信号与初始光声正声压脉冲信号中另一部分沿正向传输的初始光声正负声压脉冲信号之间存在时间延迟，从而使该光声换能器装置整体能够实现沿正向传输的负声压输出。
2.如权利要求1所述负声压光声换能器装置，其特征在于，所述复合光声转换层(2)自上而下包括第一声学匹配层(21)、光声转换复合薄膜(22)和第二声学匹配层(23)，其中，
所述第一声学匹配层(21)所采用的材料满足材料的声阻与所述负声压光声换能器装置目标工作环境的声阻相匹配；
所述第二声学匹配层(23)所采用的材料满足材料的声阻与所述第一声学匹配层(21)相匹配；
所述光声转换复合薄膜(22)是由吸光微纳结构材料和聚合物组成的复合材料薄膜，所述吸光微纳结构材料选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜、金属纳米阵列、碳黑颗粒、碳纳米管、碳纤维、二硫化钼或氧化还原石墨烯；所述聚合物具有不低于210×10-6/K的热膨胀系数。
3.如权利要求2所述负声压光声换能器装置，其特征在于，所述第二声学匹配层(23)的厚度将影响所述时间延迟的大小；
优选的，当所述相位翻转光声正负声压脉冲信号中的负声压峰值点与沿正向传输的初始光声正负声压脉冲信号中的负声压峰值点重合时，能够实现最大效率的负声压输出。
4.如权利要求2所述负声压光声换能器装置，其特征在于，所述第一声学匹配层(21)与所述第二声学匹配层(23)均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
所述聚合物也采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
所述透明基座(1)采用的材料具体为塑料、玻璃、有机玻璃或聚合物；优选的，所述透明基座(1)采用的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体固化得到的。
5.如权利要求1所述负声压光声换能器装置，其特征在于，入射激光与所述接触面所在平面相交所得的光斑截面能够被所述空气腔(3)在接触面所在平面上的投影完全覆盖。
6.如权利要求1所述负声压光声换能器装置，其特征在于，所述复合光声转换层(2)自上而下包括第一声学匹配层(21)和光声转换复合薄膜(22)，其中，
所述第一声学匹配层(21)所采用的材料满足材料的声阻与所述负声压光声换能器装置目标工作环境的声阻相匹配；
所述光声转换复合薄膜(22)是由吸光微纳结构材料和聚合物组成的复合材料薄膜，所述吸光微纳结构材料选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜、金属纳米阵列、碳黑颗粒、碳纳米管、碳纤维、二硫化钼或氧化还原石墨烯；所述聚合物具有不低于210×10-6/K的热膨胀系数。
7.制备如权利要求1－5任意一项所述负声压光声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S10)制备具有凹槽的透明基座，该凹槽位于所述透明基座的表面，同时所述透明基座包含键合面；
(S20)制备复合光声转换层，具体包括以下子步骤：
(S201)在一基片上涂覆第一层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到第一声学匹配层；
(S202)在所述第一声学匹配层上继续沉积吸光微纳结构材料；
(S203)在所述吸光微纳结构材料上继续涂覆第二层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到由吸光微纳结构材料和聚二甲基硅氧烷聚合物组成的光声转换复合薄膜；
(S204)根据预先设定的延迟时间要求，在所述光声转换复合薄膜上涂覆第三层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到第二声学匹配层，由此即可在所述基片上形成第一声学匹配层-光声转换复合薄膜-第二声学匹配层叠加的复合光声转换层；
(S30)将所述透明基座与所述复合光声转换层进行键合，使所述透明基座上的凹槽形成密封空间；
(S40)将所述复合光声转换层从所述基片上剥离，得到的独立的透明基座-复合光声转换层键合结构即为负声压光声换能器装置。
8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述步骤(S201)中，所述第一声学匹配层的厚度为5-30um；
所述步骤(S202)中，所述吸光微纳结构材料具体为蜡烛碳黑粒子(CSPs)，该蜡烛碳黑粒子(CSPs)是通过将所述基片倒置于蜡烛火焰的上方，进行蜡烛碳黑粒子(CSPs)蒸镀，最终得到了蜡烛碳黑粒子(CSPs)层；优选的，所述蜡烛碳黑粒子(CSPs)层的厚度为1-30um；
所述步骤(S203)中，所述第二层聚二甲基硅氧烷预聚体固化后的厚度为1-40um；
所述步骤(S204)中，所述第二声学匹配层的厚度为0-200um。
9.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述步骤(S201)中，所述基片预先经过表面硅烷化处理；
所述步骤(S201)、所述步骤(S203)、所述步骤(S204)中，固化温度为65-75℃，固化时间为1-2小时。
10.制备如权利要求6所述负声压光声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S10)制备具有凹槽的透明基座，该凹槽位于所述透明基座的表面，同时所述透明基座包含键合面；
(S20)制备复合光声转换层，具体包括以下子步骤：
(S201)在一基片上涂覆第一层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到第一声学匹配层；
(S202)在所述第一声学匹配层上继续沉积吸光微纳结构材料；
(S203)在所述吸光微纳结构材料上继续涂覆第二层聚二甲基硅氧烷预聚体，固化后得到由吸光微纳结构材料和聚二甲基硅氧烷聚合物组成的光声转换复合薄膜，由此即可在所述基片上形成第一声学匹配层-光声转换复合薄膜叠加的复合光声转换层；
(S30)将所述透明基座与所述复合光声转换层进行键合，使所述透明基座上的凹槽形成密封空间；
(S40)将所述复合光声转换层从所述基片上剥离，得到的独立的透明基座-复合光声转换层键合结构即为负声压光声换能器装置。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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