一种可调光声换能器装置及其制备方法与流程

本发明属于超声换能器技术领域，更具体地，涉及一种可调光声换能器装置及其制备方法。

背景技术

超声换能器被广泛应用于无损检测和医学诊断与治疗，而随着超快激光技术的发展，基于光声效应的光声换能器具备了宽频带和高频率的优点；同时，依靠先进的微纳加工技术，还有望进一步减小换能器尺寸，进而增加成像的空间分辨率。为提高光声转换效率，光声转换层作为光声换能器的核心结构得到大量研究。材料自身性能上，激光波长处的高光吸收系数保证了激光能量的吸收，而高热膨胀系数则相当于放大了器件的声输出；其中具有代表性的是碳基微纳结构(碳纳米管，炭黑，碳纤维等)和聚二甲基硅氧烷(pdms)的复合材料。

激光聚焦超声(laser-generatedfocusedultrasound，lgfu)通过超声波在微米量级声焦点处产生的冲击和空化效应实现高精度的超声治疗。由于具有不损伤靶组织周围健康组织的突出特点，这一治疗技术受到广泛关注。然而，现在所研究的激光聚焦超声换能器大都只能具有一个固定的声焦点，因而在实际应用中往往需要配合机械扫描部件来实现不同位置声焦点工作的需求，这带来了系统庞大、响应速度慢、成本高等缺点。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可调光声换能器装置及其制备方法，其目的在于通过构建柔性光声转换层，利用柔性光声转换层易于发生形变的特点，借助于外力使该光声转换层发生不同程度形变而对应不同的面形，从而对应获得不同的超声聚焦焦点，根据需要可以对激光聚焦超声的声焦点进行连续调制，由此解决现有技术的激光聚焦超声换能器只有一个固定焦点，应用面很窄的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可调光声换能器装置，包括结构化基座和柔性复合光声转换层；所述结构化基座用于固定和支撑所述柔性复合光声转换层，且用于定义能够发生形变的柔性复合光声转换层的尺寸，所述能够发生形变的柔性复合光声转换层在外力作用下发生形变，吸收激光束能量并转换成声能，所述形变产生的面形决定了激光聚焦超声的声焦点，不同形变大小产生的面形对应获得不同位置的声焦点。

优选地，所述外力作用包括电磁作用、压电作用或气压作用。

优选地，所述外力作用为气压作用，具体为：所述柔性复合光声转换层配合所述结构化基座形成一个结构腔，所述结构腔的横向尺寸与所述能够发生形变的柔性复合光声转换层的横向尺寸相等，通过控制所述结构腔内的压力大小来控制所述能够发生形变的柔性复合光声转换层的形变大小。

优选地，所述结构腔的深度尺寸不小于所述结构腔的横向尺寸的四分之一。

进一步优选地，所述结构腔的横向尺寸与所述激光束的直径相等。

优选地，所述结构化基座采用的材料为金属、塑料、有机玻璃或聚合物。

优选地，所述结构化基座为聚二甲基硅氧烷(pdms)胶体固化得到。

优选地，所述柔性复合光声转换层选用的材料为碳基微纳结构材料和柔性聚合物组成的复合材料薄膜，所述碳基微纳结构材料选自薄膜碳纳米管、碳黑颗粒或碳纤维；所述柔性聚合物具有弹性和延展性。

优选地，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷(pdms)。

优选地，所述柔性复合光声转换层为由pdms、蜡烛碳黑粒子和pdms组成的三明治型结构。

按照本发明的另一个方面，提供了一种可调光声换能器装置的制备方法，包括如下步骤：

s10，制备结构化基座；所述结构化基座包含键合面，该键合面为pdms材料；所述结构化基座还包括气压调节通道；

s20，制备柔性复合光声转换层：

s201，在基片上涂覆第一层所述pdms预聚体，得到涂覆第一层pdms预聚体的基片；

s202，将所述涂覆第一层pdms预聚体的基片倒置于蜡烛火焰上方，进行csps蒸镀，得到csps层；

s203，在所述csps层上涂覆第二层所述pdms预聚体；

s204，固化，得到柔性复合光声转换层；

s30，键合结构化基座和柔性复合光声转换层：

采用等离子体机分别处理所述结构化基座的键合面和所述柔性复合光声转换层的pdms面；将处理后的键合面和pdms面自然对准贴合，使其通过发生键合反应而实现连接，所述结构化基座与所述柔性复合光声转换层连接后得到结构腔；

s40，剥离柔性复合光声转换层的基片，将气压调节设备通过气压调节通道与所述结构腔相连通。

优选地，步骤s10具体包括如下子步骤：

s101，根据所需结构腔尺寸以及所述结构腔的气压调节通道的位置设计结构化基座的模具；

s102，将pdms前基体和固化剂混合，静置去气泡，得到液态pdms预聚体；

s103，将步骤s102所述液态pdms预聚体倒入步骤s101所述模具中进行固化；

s104，脱模，得到结构化基座。

优选地，步骤s201中所述基片在涂覆第一层pdms前，放入真空环境中进行表面硅烷化处理。

优选地，步骤s202中所述csps蒸镀过程中控制基片保持水平，并均匀控制基片各蒸镀区域的蒸镀时间。

优选地，步骤s201所述第一层pdms厚度为10-50um，步骤s202所述csps层的厚度为1-30um，步骤s203所述第二层pdms厚度为30-100um。

优选地，步骤s103所述固化的温度为65-85℃，固化时间为1-3小时。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的可调光声换能器装置为一种基于悬浮膜的可调光声换能器装置，其包括结构化基座和柔性复合光声转换层，柔性复合光声转换层在外力作用下可以发生形变，柔性复合光声转换层吸收激光束能量转换为声能，不同形变大小对应不同面形下的声焦点。与只有一个固定声焦点的光声换能器相比，具有明显的优势。在医疗成像和高强度聚焦超声(highintensityfocusedultrasound，hifu)治疗等应用中可以无需使用机械扫描部件便能对不同组织区域进行成像和治疗；另一方面当声焦点为负时(即所需声场是发散的)，还可用于超声辅助透皮递药等应用。

(2)本发明提供的基于悬浮膜的可调光声换能器装置，通过调节气压可以很方便的对激光聚焦超声的声焦点进行连续调制，提供了一种声焦点可调的光声换能器装置。

(3)本发明通过首先分别制备结构化基座以及柔性光声转换层，然后通过缩合键合工艺将二者组装起来，并相应获得所需尺寸的结构腔，配合压力调节管道的设置，获得可调光声换能器装置，本发明提供的制备方法其基础工艺成熟，工艺过程简单，具备了工艺可行性。

(4)本发明提供的制备方法能制备多种不同尺寸甚至是微型的激光超声换能器。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的可调光声换能器装置示意图；

图2为本发明实施例1的可调光声换能器工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的装置制备流程示意图；

图4为本发明实施例1提供的柔性复合光声转换层的形变和焦距随压强变化示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

结构化基座1、柔性复合光声转换层2、气压调节泵3、导管31。

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。

本发明提供的一种可调光声换能器装置，包括结构化基座和柔性复合光声转换层；所述柔性复合光声转换层能够在外力作用下发生形变，所述结构化基座用于支撑和固定所述柔性复合光声转换层，并用于定义可发生形变的柔性复合光声转换层的尺寸，所述柔性复合光声转换层吸收激光束能量并转换成声能；同时所述柔性复合光声转换层在外力作用下发生形变，所述形变产生的面形决定了激光聚焦超声的声焦点，不同形变大小产生的面形对应获得不同位置的声焦点。

使柔性复合光声转换层发生形变的外力作用可以为任意方式，比如电磁作用下使该转换层发生形变，或者在该转换层上增设压电材料，在压电作用下使该转换层发生形变，当然也可以使所述柔性复合光声转换层位于一个封闭腔体内，控制该腔体内的压力大小来控制柔性复合光声转换层的形变大小。比如，其中一种实现方式，柔性复合光声转换层配合所述结构化基座形成一个结构腔，结构腔的横向尺寸与所述可发生形变的柔性复合光声转换层的横向尺寸相等，通过控制结构腔内的压力大小来控制所述柔性复合光声转换层的形变大小。结构腔为一个封闭腔体，可发生形变的柔性复合光声转换层为该腔体的一个面，通过在结构化基座外连接一个气压调节设备，与所述结构腔连通，调节结构腔内压力来控制柔性复合光声转换层的形变大小。结构腔除与气压调节仪器的导管连通外，其他各处密封良好，气压调节设备比如气压调节泵等。结构化基座的结构腔尺寸需合理设计，尤其深度尺寸，决定了柔性复合光声转换层的变形范围，而柔性复合光声转换层的面形决定了激光超声焦点的位置。作为优选的方案，结构腔的深度尺寸不小于该结构腔的横向尺寸的四分之一，这样能够确保本发明换能器装置的变焦功能，较大的变焦范围；进一步优选地，结构腔的横向尺寸与入射激光束的直径相等，这样能够最大程度地利用激光束的光能，保证激光能量的充分利用，不浪费。

具体地，本发明可调光声换能器为基于悬浮膜的可调激光超声声焦点的光声转换装置。依赖复合光声转换薄膜层的柔性物理特征，其中一种优选方式，通过调节悬浮膜即柔性复合光声转换层的上下面的气压差值，进而实现了在一定范围内连续调制柔性复合光声转换层的面形，而产生的弧面面形可以起到声透镜的作用，从而达到可调激光聚焦超声的目的。

结合实际应用场景的需求，本发明提供的可调光声换能器装置工作时，激光入射方向可以为多种，既可以从结构化基座入射，穿过结构化基座，照射在柔性复合光声转换层上；也可以直接入射在柔性复合光声转换层上，柔性复合光声转换层将激光束的光能转换成超声声能，根据柔性复合光声转换层的形变产生的面形来确定聚光聚焦声焦点，不同形变可以得到不同位置的焦点，扩大了其应用面。

根据激光束入射方向的不同，结构化基座选用的材料也有不同的要求。当激光入射在结构化基座上时，为了能够最大程度地利用激光能量，结构化基座的材料需要为透明材料，比如透明塑料或透明有机玻璃；比如优选地，结构化基座为聚二甲基硅氧烷(pdms)胶体固化得到的透明材料。当然，如果激光直接入射在柔性复合光声转换层上，相应地结构化基座选材没有特别的要求，其选用的材料可以为金属、塑料、有机玻璃或聚合物中的一种或多种。

柔性复合光声转换层用于吸收激光束能量转换为超声声能，其选用的材料可以为碳纳米管、碳黑颗粒或碳纤维等碳基微纳结构和高弹性延展性柔性聚合物组成的复合材料薄膜，高弹性延展性柔性聚合物的典型代表比如聚合物pdms；优选的柔性复合光声转换层为pdms—石蜡碳黑粒子(candlesootcarbonnanoparticles，缩写为csps，是石蜡燃烧过程中产生的碳黑纳米粒子)—pdms的三明治型结构，与碳纳米管相比，采用csps可明显降低工艺复杂度和成本。柔性复合光声转换层的厚度不能太厚，否则声能传播过程中会有衰减，导致能量利用率不高。本发明柔性复合光声转换层的厚度范围为41-180um。

本发明提供了一种可调光声换能器的制备方法，该制备方法通过调控结构腔内压力来调节柔性复合光声转换层的形变大小，且结构化基座与柔性复合光声转换层通过缩合键合工艺整合在一起，实现一体化，具体包括以下步骤：

s10，制备结构化基座：

s101，设计并制备所需结构腔尺寸的模具。

具体地，本发明结构化基座的作用主要是用于固定和支撑柔性复合光声转换层，同时也用于定义可发生形变的柔性复合光声转换层的尺寸。可调光声换能器要求达到的声焦点调制范围可通过仿真或实验测量得到初始值，在考虑器件整体尺寸的前提下，可事先设计出结构腔的尺寸，然后根据所需的结构腔尺寸加工模具。需要说明的是，所加工的模具底面要足够光滑，使得脱模后结构化基座的开腔面能达到pdms的键合要求。

s102，将pdms前基体和固化剂按比例混合，静置去气泡。

具体地，将pdms前基体和固化剂按一定比例混合均匀，得到液态pdms预聚体，然后静置去气泡。优选地，前基体与固化剂按10:1的体积比进行充分混合，然后放入真空抽气机静置去气泡。需要指出的是，制备的柔性复合光声转换层的杨氏模量取决于前基体与固化剂的比例，比例越大，杨氏模量越小，此时复合光声转换层越软。柔性复合光声转换层的软硬程度决定了其机械性能，相应地，该转换层越软，达到同样的面形，所需要的气压值相对小一些。

s103，将静置后的液态pdms预聚体倒入所述模具中进行固化。

具体地，将静置后的液态pdms预聚体倒入所述模具中进行固化处理。优选地，固化过程温度为65-85℃，固化时间为1-3小时。

s104，脱模，得到结构化基座。

具体地，将固化充分后的结构化基座从模具中取出。需要说明的是，脱模过程需保持结构化基座开腔面即键合面的洁净度，否则可能导致键合工艺失败；脱模后基座应倒置在密闭器件盒中，其目的是为了防止对开腔面的摩擦或损坏。

s20，制备柔性复合光声转换层：

s201，旋涂第一层pdms预聚体在基片上。

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厚度需满足两个要求：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10-50um。

s202，倒置旋涂后的基片在蜡烛火焰上方，进行csps蒸镀。

具体地，旋涂第一层pdms后的基片无须进行固化处理，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，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，同时较厚的csps层可保证柔性复合光声转换层在变形时对激光吸收强度波动较小。csps层厚度为1-30um。

s203，旋涂第二层pdms预聚体在csps层上。

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。优选地，第二层pdms需保证键合区域的平整度与洁净度，保证键合工艺实施和提高器件可靠性。第二次pdms预聚体厚度为30-100um。

s204，固化，得到柔性复合光声转换层。

具体地，将完成s203步骤的基片进行固化处理。优选地，固化过程参数与步骤s103中一致；优选固化过程温度为65-85℃，固化时间为1-3小时，固化后的基片应正置在密闭器件盒中。

s30，键合结构化基座和柔性复合光声转换层。

具体地，采用等离子体机分别处理所述结构化基座的开腔面即键合面和所述柔性复合光声转换层的pdms面，结构化基座的开腔面即键合面为pdms材料，复合光声转换层表面也为pdms材料，二者在经过等离子表面处理后，自然贴合时会形成不可逆的紧密键合；将需要键合的pdms面在氧等离子机中处理不短于1min后自然对准贴合即可。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。

s40，剥离柔性复合光声转换层与基片，连通气压调节泵导管和结构腔。

以下为实施例：

图1示出了本发明一实施例可调光声换能器装置示意图。

如图1所示，该实施例的可调光声换能器装置，包括：结构化基座1、柔性复合光声转换层2、气压调节泵3；所述结构化基座1用于固定和支持柔性复合光声转换层2，同时用于定义可调光声换能器的可动部分(可发生形变的柔性复合光声转换层)尺寸；所述柔性复合光声转换层2配合结构化基座1形成了一个结构腔，而气压调节泵3通过导管31控制结构腔内的气压值；所述柔性复合光声转换层用于吸收激光束能量并转换成声能；所述柔性复合光声转换层因气压作用产生形变，所产生的面形决定了激光聚焦超声的声焦点。

具体地，结合图2所示的工作原理示意图，可调光声换能器是基于悬浮膜的可调激光超声声焦点的光声转换装置。依赖复合光声转换薄膜层的柔性物理特征，通过调节悬浮膜即柔性复合光声转换层2的上下面的气压差值，进而实现了在一定范围内连续调制柔性复合光声转换层2的面形，而产生的弧面面形可以起到声透镜的作用，从而达到可调激光聚焦超声的目的。图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为不同气压差值时，柔性复合光声转换层不同变形大小对应的无焦点、声焦点和声发散状态示意图。

结构化基座1为聚二甲基硅氧烷(pdms)预聚体固化得到；柔性复合光声转换层2为pdms—蜡烛碳黑粒子(candlesootcarbonnanoparticles，csps)—pdms的三明治型结构，此时csps被完全包裹在pdms胶体中，且与碳纳米管相比，采用csps可明显降低工艺复杂度和成本。

需要说明的是，结构腔除与导管31连通外，其他各处密封良好，这通过pdms胶体之间不可逆的键合工艺来实现。

图3示出了可调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，制备结构化基座：

s101，设计并制备所需结构腔尺寸的模具。

具体地，可调光声换能器要求达到的声焦点调制范围可通过仿真或实验测量得到初始值，在考虑器件整体尺寸的前提下，可事先设计出结构腔的尺寸，然后根据所需的结构腔尺寸加工模具。需要说明的是，所加工的模具底面要足够光滑，使得脱模后结构化基座的开腔面能达到pdms的键合要求。

s102，将pdms前基体和固化剂混合，静置去气泡。

具体地，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。

s103，将静置后的液态pdms预聚体倒入所述模具中进行固化。

具体地，将静置后的液态pdms预聚体倒入所述模具中进行固化处理。优选地，固化过程温度为65-85℃，固化时间为2小时。

s104，脱模，得到结构化基座。

具体地，将固化充分后的结构化基座从模具中取出。需要说明的是，脱模过程需保持结构化基座开腔面的洁净度，否则可能导致键合工艺失败；脱模后基座应倒置在密闭器件盒中。

s20，制备柔性复合光声转换层：

s201，旋涂第一层pdms预聚体在基片上。

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厚度需满足两个要求：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25um。

s202，倒置旋涂后的基片在蜡烛火焰上方，进行csps蒸镀。

具体地，旋涂第一层pdms后的基片无须进行固化处理，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，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，同时较厚的csps层可保证柔性复合光声转换层在变形时对激光吸收强度波动较小。合理控制蒸镀时间，使csps层厚度为5um。

s203，旋涂第二层pdms预聚体在csps层上。

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。优选地，第二层pdms需保证键合区域的平整度与洁净度，可以通过二次旋涂pdms来实现，保证键合工艺实施和提高器件可靠性第二次pdms预聚体厚度为70um。

s204，固化，得到柔性复合光声转换层。

具体地，将完成s203步骤的基片进行固化处理。优选地，固化过程参数与步骤s103中一致；优选固化过程温度为65-85℃，固化时间为2小时，固化后的基片应正置在密闭器件盒中。

s30，键合结构化基座和柔性复合光声转换层。

具体地，将结构化基座的开腔面pdms材料与柔性复合光声转换层的pdms材料进行氧等离子表面处理，在经过氧等离子表面处理后，会形成不可逆的紧密键合；将需要键合的pdms面在氧等离子机中处理1min后自然对准贴合即可，处理之前先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氧等离子体机中处理。

s40，剥离柔性复合光声转换层与基片，连通气压调节泵导管和结构腔，得到如图1所示的可调光声换能器装置。

图1为该换能器装置的主视图，结构化基座1为一个包含圆柱体空心结构的长方体结构，即结构腔为圆柱体，且圆柱体的上底面与该结构化基座的上底面重合，该结构化基座1上底面通过键合作用与柔性复合光声转换层通过pdms的缩合键合工艺实现一体化，柔性复合光声转换层2覆盖在该结构化基座的上底面，如此形成了一个结构腔，柔性光声转换层的可动部分即可发生形变的柔性复合光声转换层横向尺寸与结构腔尺寸相同。

在可动部分柔性复合光声转换层横向尺寸为6mm，即结构腔为一个直径(横向尺寸)6mm、高(深度尺寸)1.5mm的圆柱体时，通过气压调节泵使得柔性复合光声转换层上表面的压强为50-9000pa，激光光束的直径为6mm时，可以仿真计算得到100um厚悬浮膜的声焦距和最大形变，如图4所示。从图4中可以看出，实现了声焦距从约22.9mm到4.1mm的连续调制，对应的最大形变变化为0.2mm到1.3mm。

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。