超聲換能器、漸變聲阻抗匹配層及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及換能器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，是設(shè)及一種超聲換能器、漸變聲阻抗匹 配層及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲換能器因其具有壓電效應(yīng)，是一種能實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和聲信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的器件， 是超聲系統(tǒng)中最為核屯、的聲學(xué)器件。目前超聲探頭中一般采用雙層匹配技術(shù)，現(xiàn)有的雙層 匹配超聲換能器的主要聲學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括壓電層101、由下至上依次位于壓電層 101上方的第一匹配層1021、第二匹配層1022、接觸層103,W及位于壓電層101下方的背 襯層104。其中，壓電層101是超聲換能器中最為核屯、的部件，可W采用壓電陶瓷PZT(錯(cuò)鐵 酸鉛）、壓電復(fù)合材料、壓電單晶等材料制作；第一匹配層1021和第二匹配層1022之間采 用粘接劑進(jìn)行粘接。在醫(yī)用B超領(lǐng)域，接觸層103為聲透鏡，主要用于聲場(chǎng)的聚焦進(jìn)而收窄 波束寬度，在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)，接觸層103可W是延遲塊或保護(hù)薄膜；背襯層104主要用于吸 收壓電層101向后福射的聲信號(hào)并起固定支撐作用。
[000引上述結(jié)構(gòu)中，壓電層101的聲阻抗Zp為3(Mrayls，假定被檢測(cè)對(duì)象聲阻抗Z歷 1. 5化ayls，由于兩者之間聲阻抗差異較大，運(yùn)種由阻抗不匹配造成的聲能反射系數(shù)為：
[0004] (1) 陽(yáng)00引 由（1)式可知，如果壓電層101和接觸層103之間無(wú)匹配層，則壓電層101產(chǎn)生 的聲能量絕大部分由于聲阻抗不匹配而被反射回來(lái)，只有18%的聲能量向前傳播進(jìn)而進(jìn)入 被檢測(cè)對(duì)象，導(dǎo)致能量未能有效利用進(jìn)而影響成像的質(zhì)量，因而在壓電層101和接觸層103 之間加入匹配層起著至關(guān)重要的作用。目前商用超聲換能器大多數(shù)采用單層、雙層或多層 匹配層，其中單層匹配和雙層匹配由于匹配層數(shù)有限，不能完全實(shí)現(xiàn)壓電層101和被檢測(cè) 對(duì)象之間的聲阻抗匹配，多層匹配層方案雖然可W顯著的改善聲能向被檢測(cè)對(duì)象的傳輸效 率，但是隨著匹配層數(shù)的增加，相應(yīng)的粘接層數(shù)也依次增加，運(yùn)無(wú)疑會(huì)增加探頭制造工藝難 度、不確定性及其復(fù)雜性。與此同時(shí)，超聲波在粘接層中的多次反射會(huì)隨之增強(qiáng)，進(jìn)一步降 低超聲換能器的整體性能。如果匹配層的聲阻抗不是逐層變化而是漸變變化，即漸變匹配 聲阻抗的大小由壓電層101 -側(cè)漸變過(guò)渡至接觸層103 -側(cè)，可W解決多層匹配方案中聲 能傳輸效率和制作工藝兩者不可兼得的問(wèn)題。目前市面上也出現(xiàn)了聲阻抗?jié)u變式超聲換能 器，但是存在如下缺陷：
[0006] 專(zhuān)利號(hào)為CN200820151708. 7的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能 器，主要采用由粒徑相同、比重不同的多種聲學(xué)材料顆粒與高分子偶聯(lián)劑混合固化而成，在 重力的作用下，顆粒按照比重大小由大至小依次縱向排列，固化后即可形成聲阻抗連續(xù)變 化的匹配層，該方案需要多種粉末，且粉末比重需連續(xù)變化，制作成本高，難度大。 陽(yáng)007] 專(zhuān)利號(hào)為CN201310296746. 7的中國(guó)專(zhuān)利中，采用梯度溫度固化法制造聲阻抗?jié)u 變匹配層，具體實(shí)現(xiàn)方案為：設(shè)置多段固化溫度使樹(shù)脂的粘度由稠變稀，并在此過(guò)程中填充 材料根據(jù)密度不同形成不同的沉積層，相對(duì)密度小的粉末往上浮，相對(duì)密度大的粉末往下 沉，使得內(nèi)部不同密度的粉末沿縱向形成聲阻抗?jié)u變的匹配層，但其制作過(guò)程復(fù)雜，需要多 種不同比重的粉末且設(shè)置多段固化溫度，該方法溫度控制嚴(yán)格，固化時(shí)間較長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種超聲換能器、漸變聲阻抗匹配層及其制造方法，旨在 解決現(xiàn)有技術(shù)中超聲換能器中漸變聲阻抗制作復(fù)雜、成本高、難度大的問(wèn)題。
[0009] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：提供一種漸變聲阻抗匹配層，包括本 體，所述本體的聲阻抗由所述本體的一端連續(xù)漸變至所述本體的另一端，所述本體由膠粘 劑與至少一種粉末基料制作而形成。
[0010] 可選地，所述本體由所述膠粘劑與所述至少一種粉末基料采用3D打印方式打印 而成。
[0011] 可選地，所述粉末基料為一種，所述粉末基料與所述膠粘劑的質(zhì)量配比隨打印時(shí) 間逐漸變大或逐漸變小。
[0012] 可選地，所述粉末基料為兩種或兩種W上，所述膠粘劑依次與每種所述粉末基料 粘接，且每種所述粉末基料與所述膠粘劑的質(zhì)量配比隨打印時(shí)間逐漸變大或逐漸變小。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種漸變聲阻抗匹配層的制作方法，采用一種膠粘劑W及至少一 種粉末基料制作形成一本體，且在制作過(guò)程中控制所述膠粘劑與所述至少一種粉末基料的 質(zhì)量配比W使所述本體的聲阻抗由所述本體的一端連續(xù)漸變至所述本體的另一端。
[0014] 可選地，采用3D打印方式將所述膠粘劑與所述粉末基料粘接形成所述本體。
[0015] 可選地，采用一種所述粉末基料，所述粉末基料與所述膠粘劑的質(zhì)量配比隨打印 時(shí)間逐漸變大或逐漸變小。
[0016] 可選地，采用兩種或兩種W上的所述粉末基料，所述膠粘劑依次與每種所述粉末 基料粘接，且每種所述粉末基料與所述膠粘劑的質(zhì)量配比隨打印時(shí)間逐漸變大或逐漸變 小。
[0017] 可選地，所述3D打印方式包括烙融層積成型抑M、立體平版印刷SLA、選擇性激光 燒結(jié)SLS或Ξ維粉末粘接3DP。
[0018] 本發(fā)明還提供了一種超聲換能器，包括壓電層、由上至下依次位于所述壓電層上 方的匹配層、接觸層W及位于所述壓電層下方的背襯層，所述匹配層為上述的漸變聲阻抗 匹配層，所述本體靠近所述壓電層的一端的聲阻抗與所述壓電層的聲阻抗相同，所述本體 靠近所述接觸層的一端的聲阻抗與所述接觸層的聲阻抗相同。
[0019] 本發(fā)明中，采用膠粘劑與粉末基料來(lái)制作匹配層所需原料少，操作方便，制作周期 短，易于生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；相對(duì)現(xiàn)有單層或雙層或多層匹配結(jié)構(gòu)的超聲換能器，具有漸變 聲阻抗匹配層結(jié)構(gòu)的超聲換能器能高效利用壓電層產(chǎn)生的聲信號(hào)，顯著改善聲能向被檢測(cè) 對(duì)象傳輸?shù)男剩c此同時(shí)，可W優(yōu)化工藝制作流程，避免引入膠粘劑粘接多層匹配層，避 免出現(xiàn)因超聲波在膠粘劑中多次反射造成的降低超聲換能器性能的問(wèn)題，進(jìn)而改善超聲換 能器的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)，顯著的提高超聲換能器的靈敏度、帶寬等。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中超聲換能器的側(cè)視圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中超聲換能器的側(cè)視圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中匹配層的聲阻抗隨一種粉末基料和一種膠粘劑配比變化 而變化的示意圖；
[0023] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中匹配層的聲阻抗隨至少兩種粉末基料和一種膠粘劑配比 變化而變化的示意圖；
[0024] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中采用Ξ維粉末粘接3DP打印匹配層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中采用光固化成型SLA打印匹配層的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0027]需要說(shuō)明的是，當(dāng)元件被稱(chēng)為"固定于"或"設(shè)置于"另一個(gè)元件，它可W直接在另 一個(gè)元件上或者可能同時(shí)存在居中元件。當(dāng)一個(gè)元件被稱(chēng)為"連接于"另一個(gè)元件，它可W 是直接連接到另一個(gè)元件或者可能同時(shí)存在居中元件。
[0028]還需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中的左、右、上、下等方位用語(yǔ)，僅是互為相對(duì)概念或是W產(chǎn)品的正常使用狀態(tài)為參考的，而不應(yīng)該認(rèn)為是具有限制性的。
[0029] 參照?qǐng)D2,本發(fā)明實(shí)施例提供了一種超聲換能器，適用于醫(yī)療和工業(yè)無(wú)損探頭等領(lǐng) 域，包括但不限于單晶片、雙晶片、一維陣列W及二維陣列的超聲波換能器。所述超聲換能 器包括壓電層10、由上至下依次位于壓電層10上方的漸變聲阻抗匹配層20、接觸層30W 及位于壓電層10下方的背襯層104。其中，漸變聲阻抗匹配層20包括本體21，本體21的 聲阻抗由本體21的一端連續(xù)漸變至本體21的另一端，本體21由一種膠粘劑及至少一種粉 末基料采用逐漸改變膠粘劑與粉末基料配比的方式制作而成。具體地，采用3D打印自動(dòng)打 印而成。
[0030] 具體地，對(duì)于醫(yī)用領(lǐng)域，接觸層30為聲透鏡，主要用于聲場(chǎng)的聚焦進(jìn)而收窄波束 寬度。而在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，接觸層30可W是延遲塊或保護(hù)薄膜。
[0031] 本實(shí)施例中，在采用3D打印時(shí)，一端噴頭噴出粉末基料，另一端噴頭噴出膠粘劑， 同時(shí)控制粉末基料及膠粘劑的量隨時(shí)間變化，采用3D打印方式制作漸變聲阻抗匹配層20 所需原料少，操作方便，制作周期短，易于生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；相對(duì)現(xiàn)有單層或雙層或多層 匹配結(jié)構(gòu)的超聲換能器，采用3D打印技術(shù)制作含漸變聲阻抗匹配層20結(jié)構(gòu)的超聲換能器 能高效利用壓電層10產(chǎn)生的聲信號(hào)，顯著改善聲能向被檢測(cè)對(duì)象傳輸?shù)男?，與此同時(shí)， 可W優(yōu)化工藝制作流程，避免引入膠粘劑粘接多層漸變聲阻抗匹配層20,避免出現(xiàn)因超聲 波在膠粘劑中多次反射造成的降低超聲換能器性能的問(wèn)題，進(jìn)而改善超聲換能器的時(shí)域響 應(yīng)和頻域響應(yīng)，顯著的提高超聲換能器的靈敏度、帶寬等。
[0032] 為便于描述，將漸變聲阻抗匹配層20的本體21靠近壓電層10的端部命名為第一 端部211，將本體21靠近接觸層30的端部命名為第二端部212,運(yùn)樣，第一端部211的聲阻 抗與壓電層10的聲阻抗相同，第二端部212的聲阻抗與接觸層30的聲阻抗相同。在目前 的超聲換能器中，壓電層10的聲阻抗一般較高，而接觸層30聲阻抗一般較低。運(yùn)樣，第一 端部211的聲阻抗較高，第二端部212的聲阻抗較低，第一端部211與第二端部212之間的 部分則沿第一端部211向第二端部212逐漸變小。
[0033] 設(shè)漸變聲阻抗匹配層20聲阻抗為Z，則Z滿足W下公式：
[0034]Z=PXC 似；
[0035] 其中，P為漸變聲阻抗匹配層20的密度，而C為聲速。
[0036] 在超聲換能器中，壓電層10 -般可采用壓電陶瓷PZT(錯(cuò)鐵酸鉛）、壓電復(fù)合材料、 壓電單晶等材料制成，壓電層10的聲阻抗一般較高，在20~3(Mrayls左右，對(duì)于不同應(yīng)用 領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，接觸層30可W是聲透鏡或延時(shí)塊或保護(hù)薄膜，聲阻抗在2化ayls左右。因而可 W確定第一端部211的聲阻抗與第二端部212的聲阻抗。由公式（2)即知，漸變聲阻抗匹 配層的聲阻抗與材料的密度、聲速有關(guān)，通過(guò)改變粉末基料和膠粘劑兩者之間的比例，即可 影響