CN113926681A - 大带宽超声换能器及其背衬层制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大带宽超声换能器及其背衬层制作方法，该换能器包括：黄铜外壳以及在黄铜外壳内部由前向后依次设置的匹配层、压电元件、背衬结构、环氧填充层、导电线缆以及部分设置在黄铜外壳外部的SMA接口；其特征在于，所述背衬结构由两层背衬层构成，包括第一背衬层和第二背衬层；增加一层可调声阻抗背衬层，通过调节金属粉末在与环氧混合物中的体积比来改变新增背衬层的声阻抗，实现与后端负载更好的声电匹配，从而达到改善超声换能器的带宽与分辨率的优化目标。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种大带宽超声换能器及其背衬层制作方法。
背景技术
超声成像作为四大成像技术之一，因其无伤害，高灵敏度，高分辨率等优势而得到了广泛应用，基于正压电效应与逆压电效应，超声换能器产生与接收超声波信号，通过对回波信号的接收与处理而获得远处的探测信息，进而获得检测图像与结果。而在换能器信号的收发过程中，能量传输效率起到了关键作用，能量传输领域涉及电、声与光等元素，与人类生产、生活密切相关，设计高效的能量传输器件意义重大。
超声换能器的性能与其结构有着紧密的联系，宽频带超声换能器可以改善器件的收发灵敏度，分辨率，带宽等性能参数表征。其主要依靠优化换能器的背衬层和匹配层的设计来提高能量传输效率。近年来国内外广大学者发现了阻抗匹配对于提高器件性能的重要性，其通过选择适当特性阻抗的换能器匹配层的材料并结合声学传输理论以确定厚度从而达到了优化目标，而对背衬层的研究略显单薄。传统的背衬材料局限于导电材料，厚度较厚且与大多压电材料的声阻抗仍有较大差异，因而会造成声阻抗失配，能量传输效率降低等问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种大带宽超声换能器及其背衬层制作方法；在传统单层吸声背衬层的基础上，增加一层可调声阻抗背衬层，通过调节金属粉末在与环氧混合物中的体积比来改变新增背衬层的声阻抗，实现与后端负载更好的声电匹配，从而达到改善超声换能器的带宽与分辨率的优化目标。
为了实现上述目的，本发明的一种大带宽超声换能器，包括：黄铜外壳以及在黄铜外壳内部由前向后依次设置的匹配层、压电元件、背衬结构、环氧填充层、导电线缆以及部分设置在黄铜外壳外部的SMA接口；其特征在于，所述背衬结构由两层背衬层构成，包括第一背衬层和第二背衬层；所述匹配层位于压电元件前方，用于压电元件与前端负载的声阻抗匹配；所述压电元件用于声波与电能的相互转换；所述背衬层位于压电元件后方，用于吸收由于压电元件振动而产生的向后方传播的声波；其中，所述第一背衬层位于压电元件的后方，所述第二背衬层位于第一背衬层的后方；所述导电线缆的一端连接第二背衬层，另一端连接SMA接口。
进一步，优选的，所述第一背衬层采用比压电元件的声阻抗小的材料制作而成，且声阻抗的大小随着距离压电元件越远，声阻抗逐步减小。
进一步，优选的，所述第二背衬层为E-solder3022材料。
进一步，优选的，所述第一背衬层为环氧树脂与金属粉末的混合物，声阻抗大小由金属粉末的体积比确定。
进一步，优选的，所述第一背衬层的厚度符合声学传输理论，厚度值等于在其中传输的介质波长的四分之一。
本发明还提供一种大带宽超声换能器的背衬层制作方法，用于制作上述大带宽超声换能器的第一背衬层；根据第一背衬层分别与压电元件和第二背衬层的声阻抗匹配关系，计算第一背衬层的声阻抗值；根据得出的声阻抗值选取所需的声阻抗材料，并计算金属粉末的体积比及所需质量；将环氧树脂与金属粉末混合均匀，去除气泡后静置固化，形成超声背衬块试样；将所述超声背衬块试样进行打磨切割，获得形状规则的第一背衬层。
进一步，优选的，将所述环氧树脂与所述金属粉末混合均匀，去除气泡的具体步骤为：步骤1、将称量好的金属粉末倒入指定计量的环氧树脂的A组分溶液中，搅拌至充分混合；步骤2、将环氧树脂的B组分溶液加入步骤1的混合溶液中，搅拌5-10分钟使得混合物混合均匀，再将混合均匀的混合物真空除气，去除其中的气泡；步骤3、在室温下静置1-3小时至粘稠状态，再次搅拌均匀后静置18-24小时；形成超声背衬块试样；步骤4、将超声背衬块试样，打磨切割为规则形状制作成第一背衬层。
进一步，优选的，所述金属粉末的颗粒粒径为微米量级，为30-100微米。
进一步，优选的，金属粉末所占体积比涵盖的范围为5％-50％，通过掺杂不同体积比的金属粉末使第一背衬层的声阻抗范围为5-20MRayls。
进一步，优选的，所述的第二背衬层材料声阻抗小于第一背衬层。
本申请公开的大带宽超声换能器及其背衬层制作方法，相比于现有技术至少具有以下优点：
1、本发明提供的大带宽超声换能器，背衬层采用两层结构，通过调节金属粉末在与环氧混合物中的体积比来改变新增背衬层的声阻抗，实现与后端负载更好的声电匹配，从而达到改善超声换能器的带宽与分辨率的优化目标，避免了声波在层间界面处大量散射而造成的能量损耗等问题。
2、本发明提供的背衬层制作方法，方法简单，易于操作，采用此方法制作的换能器的带宽有所增大，回波幅值有所降低，性能明显优于传统单层背衬层的超声性能。
附图说明
图1是本发明大带宽超声换能器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的超声换能器的声波传输示意图；
图3是本发明实施例提供的超声换能器可调背衬层的制作方法流程图；
图4(a)是本发明实施例提供的超声换能器的阻抗频谱图；
图4(b)是本发明实施例提供的超声换能器的脉冲回波仿真图；
图4(c)为传统一层背衬层所设计的超声换能器的阻抗频谱图；
图4(d)为传统一层背衬层所设计的超声换能器的脉冲回波仿真图。
图中：
10、环氧填充层；11、黄铜外壳；12、背衬层；1201、第一背衬层、1202、第二背衬层；13、压电元件；1301、金电极；14、匹配层；15、SMA接口；16、导电电缆。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参照图1和图2，其中图1为本发明设计的超声换能器的结构示意图，图 2为本发明实施例提供的超声换能器的声波传输示意图。
本发明的一种大带宽超声换能器，包括：黄铜外壳11以及在黄铜外壳11 内部由前向后依次设置的匹配层14、压电元件13、背衬结构12、环氧填充层 10、导电线缆16以及部分设置在黄铜外壳外部的SMA接口15；所述背衬结构由两层背衬层构成，包括第一背衬层和第二背衬层；所述匹配层位于压电元件前方，用于压电元件与前端负载的声阻抗匹配；所述压电元件用于声波与电能的相互转换；所述背衬层位于压电元件后方，用于吸收由于压电元件振动而产生的向后方传播的声波；其中，所述第一背衬层位于压电元件的后方，所述第二背衬层位于第一背衬层的后方；所述导电线缆的一端连接第二背衬层，另一端连接SMA接口。
所述第一背衬层采用比压电元件的声阻抗小的材料制作而成，且声阻抗的大小随着距离压电元件越远，声阻抗逐步减小。所述第二背衬层为E-solder3022 材料。
所述第一背衬层为环氧树脂与金属粉末的混合物，声阻抗大小由金属粉末的体积比确定。所述第一背衬层的厚度符合声学传输理论，厚度值等于在其中传输的介质波长的四分之一。
基于压电效应，压电元件13用于机械能与电能的相互转换，将超声波发射到待测物体并接收从待测物体反射的超声波信号。背衬层12位于压电元件后方，用于吸收由于压电元件振动而产生的向后方传播的声波。匹配层14位于压电元件前方，用于压电元件与前端负载的声阻抗匹配。其中背衬层12由两层匹配结构构成，包括声阻抗小于压电材料声阻抗且依次减小的材料作为第一背衬层与第二背衬层，所述的第一背衬层为环氧树脂与金属固态粉末，其声阻抗可以由金属粉末的体积比而调节，所述第二背衬层为E-solder3022材料。
如图2所示的声波传输示意图，当压电元件产生振动时，其产生的声波将“双向传播”，当向后方传播的声波传播到达与第一背衬层分界面时，由于界面两侧为声阻抗不同的材料，一部分声波将发生反射返回到压电元件中，一部分声波继续向后方透射并传播；继续向后方传播的声波在到达第一与第二背衬层的界面时，由于相同的声阻抗差异等原因，将再次发生透射与反射，进入第二背衬层的声波将在其中被散射并吸收。结合换能器的工作原理可知，如果反射波能量大时，换能器将具有较大的回波幅值进而获得高灵敏度的效果；如果透射波能量较大时，换能器的带宽将有所增大。因此，可以根据换能器的应用需求，调整第一背衬层的声阻抗与厚度，进而获得理想的高性能超声换能器效果。
本发明还提供一种大带宽超声换能器的背衬层制作方法，用于制作上述大带宽超声换能器的第一背衬层；请参照图3，图3为超声换能器可调背衬层的制作方法流程图，以下将结合具体操作对本发明做以详细描述：
在步骤01中，将所需金属固态粉末用相应目数的筛子筛漏备用。
在步骤02中，将所述金属固态粉末倒入指定计量的环氧树脂的A组分溶液中，搅拌至充分混合。
在步骤03中，将所述环氧树脂的B组分溶液加入混合溶液中，搅拌至混合均匀，再将搅拌好的所需固态粉末与环氧树脂的混合物真空除气以去除其中的气泡。
在步骤04中，将所述环氧树脂与所述金属固态粉末混合物静置2小时至粘稠状态，再此搅拌均匀后静置24小时。
在步骤05中，将所述混合物固化后，打磨切割成规则形状超声背衬块试样待测试。
经过上述步骤，获得超声换能器可调第一背衬块试样，不同固态金属粉末体积比的混合物其声阻抗不同，通过设计该第一背衬层的声阻抗与厚度来优化换能器的带宽与分辨率。
本发明实施例中，采用以下体积比的钨粉固态粉末制成背衬试块：
表1采用不同体积比制成的背衬试块性能测试
采用上述数据，结合PZFlex软件和Desilets声阻抗匹配理论，设计一个 20MHz具有可调声阻抗背衬层的高性能超声换能器。
Desilets声阻抗匹配理论表达式为：
其中Z1为压电材料声阻抗，Z2为第一背衬材料声阻抗，Z3第二背衬材料声阻抗。压电材料选用PZT5H，其声阻抗约为34.2MRayls，第二背衬层选用E-solder3022，厚度为1000微米，通过计算可知第一背衬层的声阻抗值约为10.3MRayls，厚度为19微米，因此选用体积比为30％的钨粉环氧树脂混合物作为第一背衬层材料，E-solder3022作为第二背衬层，并设计两层前端匹配层。通过PZFlex专业声学软件模拟设计，其仿真结果如表2，图4(a)是本发明实施例提供的超声换能器的阻抗相位频谱与图 4(b)为脉冲回波仿真图；图4(c)为传统一层背衬层所设计的超声换能器的阻抗频谱图；图4(d)与脉冲回波仿真图。其中，图(a)和(c)中的虚线为相位曲线，实线为电阻抗曲线，实线最低点所对应的频率为谐振频率，最高点所对应的频率为反谐振频率。虚线最高点所对应的频率为共振频率，所对应的阻抗为共振频率下的电阻抗。图4(b)和(d)中的实线为仿真条件下得到的脉冲回波，虚线为所得脉冲的傅里叶变换曲线。
表2采用上述背衬层的超声换能器的性能参数
从上述表格中，可以得知，增加了可调第一背衬层后，换能器的带宽有所增大，回波幅值有所降低，性能明显优于传统单层背衬层的超声性能。此方法在牺牲灵敏度的情况下提升了换能器约37.5％的带宽，进而改善了成像分辨率效果。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种大带宽超声换能器，其特征在于，包括：黄铜外壳以及在黄铜外壳内部由前向后依次设置的匹配层、压电元件、背衬结构、环氧填充层、导电线缆以及部分设置在黄铜外壳外部的SMA接口；其特征在于，所述背衬结构由两层背衬层构成，包括第一背衬层和第二背衬层；
所述匹配层位于压电元件前方，用于压电元件与前端负载的声阻抗匹配；
所述压电元件用于声波与电能的相互转换；
所述背衬层位于压电元件后方，用于吸收由于压电元件振动而产生的向后方传播的声波；其中，所述第一背衬层位于压电元件的后方，所述第二背衬层位于第一背衬层的后方；
所述导电线缆的一端连接第二背衬层，另一端连接SMA接口。
2.根据权利要求1所述的大带宽超声换能器，其特征在于，所述第一背衬层采用比压电元件的声阻抗小的材料制作而成，且声阻抗的大小随着距离压电元件越远，声阻抗逐步减小。
3.根据权利要求2所述的大带宽超声换能器，其特征在于，所述第二背衬层为E-solder3022材料。
4.根据权利要求2所述的大带宽超声换能器，其特征在于，所述第一背衬层为环氧树脂与金属粉末的混合物，声阻抗的大小由金属粉末的体积比确定。
5.根据权利要求2所述的大带宽超声换能器，其特征在于，所述第一背衬层的厚度符合声学传输理论，厚度值等于在其中传输的介质波长的四分之一。
6.一种大带宽超声换能器的背衬层制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1-4中任意一项所述大带宽超声换能器的第一背衬层；
根据第一背衬层分别与压电元件和第二背衬层的声阻抗匹配关系，计算第一背衬层的声阻抗值；
根据得出的声阻抗值选取所需的声阻抗材料，并计算金属粉末的体积比及所需质量；
将环氧树脂与金属粉末混合均匀，去除气泡后静置固化，形成超声背衬块试样；
将所述超声背衬块试样进行打磨切割，获得形状规则的第一背衬层。
7.根据权利要求6所述的大带宽超声换能器的背衬层制作方法，其特征在于，将所述环氧树脂与所述金属粉末混合均匀，去除气泡的具体步骤为：
步骤1、将称量好的金属粉末倒入指定计量的环氧树脂的A组分溶液中，搅拌至充分混合；
步骤2、将环氧树脂的B组分溶液加入步骤1的混合溶液中，搅拌5-10分钟使得混合物混合均匀，再将混合均匀的混合物真空除气，去除其中的气泡；
步骤3、在室温下静置1-3小时至粘稠状态，再次搅拌均匀后静置18-24小时；形成超声背衬块试样；
步骤4、将超声背衬块试样，打磨切割为规则形状制作成第一背衬层。
8.根据权利要求6所述的大带宽超声换能器的背衬层制作方法，其特征在于，所述金属粉末的颗粒粒径为微米量级，为30-100微米。
9.根据权利要求6所述的大带宽超声换能器的背衬层制作方法，其特征在于，金属粉末所占体积比涵盖的范围为5%-50%，通过掺杂不同体积比的金属粉末使第一背衬层的声阻抗范围为5-20MRayls。
10.根据权利要求1所述的大带宽超声换能器，其特征在于，所述的第二背衬层材料声阻抗小于第一背衬层。
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