使用气凝胶作为填充材料的超声换能器的制作方法

本申请要求2017年9月29日提交的名称为“使用气凝胶作为填充材料的超声矩阵复合式换能器(ultrasonicmatrixcompositetransducerusingaerogelasfillermaterial)”的美国临时专利申请序列号62565326的权益和优先权，通过参考的方式将其整体公开内容并入本文中。本发明涉及用于无损检测/无损检验(non-destructivetesting/inspection，ndt/ndi)的超声探头阵列换能器(ultrasonicprobearraytransducer)的制造，并且更具体地涉及合成胶体混合物气凝胶用于在超声复合体的柱(post)之间具有空气状填充剂的压电复合式换能器的制造。
背景技术：
：超声探头阵列换能器通常用于ndt/ndi。换能器典型地包括极化的压电陶瓷元件的阵列的复合体，陶瓷通常呈柱状，其中各个柱被填充柱之间的切口空间(kerfspace)的填充材料机械地支承并且与其相邻的柱通过该填充材料在声学上隔离。在现有实践中的换能器中，填充材料一般是刚性环氧树脂材料(rigidepoxymaterial)。换能器的复合体元件的柱的电活化导致柱沿极化方向膨胀和收缩。该膨胀和收缩在柱和填充材料之间的界面处产生了剪切波。该剪切波应当被填充材料吸收，然而现有实践中的刚性环氧树脂使机械振动沿与极化方向垂直的方向传播。通过环氧树脂传播的这些机械振动称为横向模式共振、平面耦合或声串扰(acousticalcross-talk)，它们在检验期间导致返回的声信号中的噪音和分辨率的降低。现有实践中填充材料具有的另一问题是一些填充材料具有高的泊松比(poissonratio)。结果，内部应力在填充材料内生成，其对抗为了生成声波而施加至压电体的应力。这导致换能器的性能损耗。现有实践中的填充材料还具有的另一问题是它们的性能在高温操作中降级。典型的环氧树脂材料具有在50至200℃的范围内的持续操作温度，同时在超过400℃时出现劣化。结果，现有的填充材料与高温操作不兼容。现有实践中的填充材料还具有的另一问题是刚性环氧树脂不是柔性的，因此不可能容易地使换能器成为柔性的来形成复杂的换能器形状。理想的换能器将是不用填充材料制造的那种。换言之，在陶瓷柱之间的间隙中将仅有空气。空气的一个优势是陶瓷和空气之间的声阻抗差异很大以至于横向振动将会在陶瓷/空气界面处经受非常高的传播损失，使得几乎没有声能可传播至相邻的柱。因此，接收到的图像质量会改善并且声噪音会下降。可选地，用空气隔离改善的性能将允许陶瓷切割图案设计中的灵活性。切口宽度或为了产生柱而除去的材料量是以填充材料的剪切速度为基础的。使用空气填充剂将导致更多的设计机会，从而开发更高性能的陶瓷图案。还可以开发陶瓷柱图案，其可以消除作为不期望的离轴二次超声束的栅瓣(gratinglobes)。空气填充剂的使用的另一优势是空气不能具有泊松比，因此会有抵抗生成声波的柱的膨胀和收缩的最小的材料应力。使用空气代替环氧树脂的另一优势还在于可以使换能器的声阻抗下降，这允许更容易的耦合至低阻抗材料。例如，作为常见的耦合介质的水具有比原料陶瓷(rawceramic)低超过20倍的、和比现有实践中的换能器低约9倍的声阻抗。换能器和耦合介质(couplingmedium)之间的声阻抗差异越小，声能传播穿过界面将越高。水的声阻抗明显比空气填充的换能器的声阻抗低小于9倍，空气填充的换能器与现有实践中的换能器相比允许改善的声波传输。oakley(pct专利公开wo90/16087)公开了具有空气填充的切口的压电器件。然而，oakley的制造方法是将压电元件直接接合至电极。虽然该方法可以适用于元件内的大型压电柱，但是显然不可能在没有某种基质支承的情况下将微米尺寸的柱接合至电极。bhardwaj(美国专利7,125,468)公开了气体矩阵复合式换能器(gasmatrixcompositetransducer)，但是制造方法要求棒在机械上足够稳定以在粘合剂片上成排设置。设置另一织物或粘合剂材料层以分隔下一排棒，直到形成堆栈(stack)。电镀该堆栈，然后除去分隔层从而形成气体填充的矩阵。该方法要求棒处于适合的高度并且它们相对于相邻柱的物理位置是非常精确的。然而，应当注意的是，在目前使用中的超声操作频率下，要求小到15μm的棒分隔。实现分隔如此小的棒的精确布置显然是非常困难的，并且bhardwaj的方法是无法制造的。因此，有需要提供一种制成具有尽可能接近于仅有空气情况的填充材料的超声换能器的可制造的方法。技术实现要素：因此，本公开的一般目的是提供几乎为实际空气填充的具有填充剂的超声探头换能器及其制造方法，其中该换能器和制造方法适宜于微米尺寸的结构。本公开的进一步目的是提供几乎为实际空气填充的超声探头阵列换能器，其中声性能通过减少横向模式共振和减少声串扰来改善。本公开的进一步目的是提供几乎为实际空气填充的超声探头阵列换能器，其在升高的温度下具有更好的性能。本公开的进一步目的是提供几乎为实际空气填充的超声探头阵列换能器，其具有较低的声阻抗。本公开的进一步目的是提供填充材料，其可以根据应用而定制为较硬的或较软的。这些目的通过利用作为气凝胶型材料的前体的填充剂来实现，所述气凝胶型材料具有将陶瓷柱适当地稳定所必要的机械性能。填充之后，气凝胶前体可以使用蒸发(次临界)干燥或使用超临界干燥的技术来干燥。干燥之后，陶瓷柱通过如下填充材料支承，所述填充材料具有非常接近于空气的所有理想性能的低密度、高强度的树枝状微结构。附图说明图1a为已经切割的压电陶瓷的示意图。图1b为切口空间已经通过填充材料填充的压电陶瓷的示意图。图1c为其中压电陶瓷的基底(base)已经磨掉的陶瓷复合体的示意图。图1d示出超声换能器的组件。图2为说明不同的干燥方法的相图。图3为示出石墨气凝胶的树枝状结构的显微照片。图4a为现有实践中的制造方法的流程图。图4b为根据本公开的制造方法的流程图。具体实施方式图1a、1b和1c示意性示出现有典型的换能器制造过程。图1a示出固体压电陶瓷块2，包括切割的上块部2a和未切割的下块部2b。将上块部2a切成栅格，由此形成具有顶部柱表面3a的柱的阵列，所述柱在下部连接(lowerconnections)7处由下块部2b的材料机械地支承。注意：可以有几千根柱，并且在现有实践中，各个单独的柱的典型尺寸可以在30至400μm宽×300至1000μm高的范围内，这些各个柱之间的切口间隔范围为15至250μm。图1b中，栅格的切口空间已经被具有顶部填充表面5a的填充材料4填充。填充材料4的目的是机械地支承并且声学上隔离各柱。在现有实践中，填充材料4为刚性环氧树脂材料，其缓慢固化以减少环氧树脂的收缩，这可能通过使柱变形或断裂来破坏它们。图1c中，将压电陶瓷2的基底磨削掉，暴露底部柱表面3b(未示出)和底部填充表面5b(未示出)。磨削之后的残留结构为压电复合体阵列8，其包括由环氧树脂基质支承的压电柱的阵列。图1d为超声换能器16的示意性说明。超声换能器16包括压电复合体阵列8、连接电路10、背衬层12和匹配层14。连接电路10连接至压电复合体阵列8的非发射侧，包括配置为制成与顶部柱表面3a的电接触件(electricalcontact)并且使电接触件接合至多芯电缆(未示出)的具有金属化图案的电路板或柔性带(flexibleribbon)。背衬层12附接至连接电路10，并且包括配置为使超声振动减幅由此防止从压电复合体阵列8那一侧发射的材料。将匹配层14配置为与压电复合体阵列8的声阻抗匹配，由此使从压电复合体阵列8的发射侧的声能传播最大化且声能反射最小化。在根据本公开的压电复合体阵列中，现有实践中的刚性环氧树脂填充材料被气凝胶材料替代。气凝胶是合成的多孔超轻材料(密度小于10mg/cm3)，其来源于凝胶中的液体组分用气体替代的凝胶。从二氧化硅、碳和金属氧化物制造的气凝胶是本领域中已知的。氧化硅气凝胶(silicaaerogel)典型地使用溶胶-凝胶工艺或均相溶液来合成，其中将固体颗粒的胶态悬浮液(“溶胶”)水解以形成具有果冻状稠度的凝胶。凝胶具有包含连接胶体颗粒的固体桥接材料网络的液体组分。最终，在气凝胶的干燥过程中，将包围网络的液体小心地除去且用空气代替，同时保持气凝胶不受损。所得气凝胶填充材料可以包括大于96％的空气。然而，填充剂内的残留微树枝状结构提供了压电陶瓷的微米尺寸的柱的稳定化。气凝胶可以使用蒸发(次临界)干燥或使用超临界干燥的技术来干燥。超临界干燥在其中蒸发或次临界干燥由于通过液体-气体界面的表面张力造成的内部应力而会导致气凝胶结构本身坍塌的情况下使用。超临界干燥允许产生更低密度(更高孔隙率)的气凝胶，但是通常要求高压和多种溶剂。次临界或蒸发干燥典型地用于更高的压缩强度的气凝胶或需要提高的疏水性的气凝胶。次临界或蒸发干燥技术要求多种溶剂和专门的准备，并且可以制造比超临界干燥的密度略高的气凝胶。然而，可以生产具有高至95％的孔隙率的气凝胶。超临界干燥，也已知为临界点干燥，可以用于得到具有高孔隙率和低密度的气凝胶。在超临界干燥中，气凝胶中的液体被运载流体(carrierfluid)代替，通过增加温度和压力而强制运载流体成为超临界流体状态。通过之后降低压力，运载流体瞬时气化，由此从气凝胶中除去。图2为说明各种干燥方法的相图。图2中，线条22表示固体和气体之间的转变，线条24表示固体和液体之间的转变，线条26表示液体和气体之间的转变。常规的蒸发干燥由穿过液体/气体边界的箭头32表示。然而，蒸发干燥中的表面张力可能导致对微树枝状气凝胶结构的破坏。箭头34表示冻干，其也可能在固体/气体边界处破坏易损的微结构。超临界干燥由箭头36表示。在该情况下，干燥在高温和高压下发生，使得材料通过由临界点28描绘的超临界区域，临界点28为液体和气体的密度相等时的温度和压力的条件。因而，临界点干燥过程避免会导致破坏力的相转变。因为水的临界点在不合适的高温和高压(347℃和3,212psi)下出现，所以出于超临界干燥的目的水成分可以由二氧化碳(在31℃和1,072psi下的临界点)代替作为运载流体。图3为干燥过程已经完成之后的示例性气凝胶填充材料的树枝状结构的显微照片。图3中示出的实例为由碳微米管制成且具有小于0.00018g/cm3的密度的基于碳的气凝胶。图4a为制造压电复合式换能器的现有实践的方法的流程图。步骤42中，如图1a中所示，划割压电陶瓷块2以形成切割的上部块2a，由此形成大量陶瓷柱。步骤44中，如图1b中所示，柱之间的切口空间用环氧树脂填充材料4填充，并且步骤46中，使环氧树脂凝固(set)。步骤48中，如图1c中所示，将陶瓷的基材磨掉。步骤50中，使复合体的顶部和底部表面金属化，从而允许步骤52中的压电材料的极化。极化步骤52，取决于压电材料的种类，可以包括在复合体的顶部表面和底部表面之间施加适宜的电压。步骤54中，金属覆层通过蚀刻或其他手段来图案化，以致将各个单独的陶瓷柱金属化，并且步骤56中，将信号线和接地线附接至各陶瓷柱。图4b为根据本公开的制造具有气凝胶填充材料的压电复合式换能器的方法的流程图。注意：图4b的制造步骤可以使用任意的压电材料来进行，包括但不限于，钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂。步骤42—划割压电材料—与现有实践中的同样。步骤62中，制备了填充材料4，其包括气凝胶前体，例如具有期望的最终性能的气凝胶材料的胶体混合物或溶胶-凝胶。步骤64中，复合体结构中的柱之间的切口空间用气凝胶前体填充。前体设计为具有足够低的粘度，从而允许前体流进切口空间。在步骤66中允许或导致的前体凝固或胶凝之后，在步骤68中将混合物根据气凝胶的配方通过次临界或通过超临界干燥来干燥。干燥之后，所得气凝胶的树枝状结构足够强来支承微米尺寸的柱，因此剩余的制造步骤可以与现有实践中的相同，即磨削步骤48、金属化步骤50、极化步骤52、图案化步骤54和附接信号线的步骤56。可适宜于上述制造工艺的气凝胶包括，但不限于下述：a.氧化硅气凝胶，例如购自aerogeltechnologiesinc.的那些。b.炭气凝胶，例如飞行石墨(aerographite)或飞行石墨烯(aerographene)。例如，参见mecklenburg等人的"aerographite:ultralightweight,flexiblenanowall,carbonmicrotubematerialwithoutstandingmechanicalperformance",advancedmaterials.24,3486–3490,(2012)c.金属氧化物气凝胶，包括氧化铝、氧化镍铝、氧化铁、氧化铬和氧化锆。d.金属气凝胶。e.纳米管气凝胶。例如，参见b.zheng,y.li,j.liu,“cvdsynthesisandpurificationofsingle-walledcarbonnanotubesonaerogel-supportedcatalyst”,appliedphysicsa,74,345-348(2002).f.金属硫属化物气凝胶。例如，参见jayal.mohanan等人，“porousmetalchalcogenideaerogels”,science307,397-400(2005).g.生物泡沫(biofoam)。例如，参见，美国专利5,382,285和5,360,828。表1材料epo-tek301环氧树脂氧化硅气凝胶密度～1.2g/cm30.001至0.35g/cm3声速～2.6mm/μsec<＝0.07至1.3mm/μsec介电常数～4.01.008至2.3持续操作温度～55至200℃高达1000℃劣化温度430℃>1200℃表1将当前实践中通常使用的填充剂环氧树脂(epo-tek301)的性能与由氧化硅气凝胶显示的性能范围进行了比较。特别需要注意的是气凝胶的低密度、低声速以及高的持续操作温度和劣化温度。表1中示出的气凝胶性能特别适宜于作为填充材料的使用。尽管本发明关于其特定的实施方案进行了描述，但是可以理解，可以基于本公开的教导构思各种设计，并且其全部在本公开的范围内。当前第1页12