一种阵列式超声换能器及其制作方法与流程

1.本发明涉及超声换能器技术领域，更为具体地说，涉及一种阵列式超声换能器及其制作方法。


背景技术：

2.近年来，利用声子晶体和声学超构材料表面的新奇物理特性和效应改善超声换能器的声学匹配性能被很多学者报道。作为人工合成的复合结构材料，声学超构材料由亚波长尺度的结构单元(或称人工“原子”)组成，能够呈现出自然界中天然材料所不具备的等效材料参数，如负质量密度、负弹性模量、近零折射率和极端各向异性等。区别于声子晶体等其他人工材料，声学超构材料的宏观物理特性主要取决于其结构单元自身的局域特性而非它们之间的长程相互作用。这使得我们能够在“原子”尺度对宏观材料参数进行按需设计，并更加容易地构造空间上的梯度分布，进而实现对声波的反常操控。现有的超声换能器设备的性能有待提高。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种阵列式超声换能器及其制作方法，有效解决现有技术存在的技术问题，本发明提供的阵列式超声换能器的性能高。
4.为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
5.一种阵列式超声换能器，包括呈阵列排列的多个超声换能单元，所述超声换能单元包括：
6.背衬层，所述背衬层一侧表面裸露线路层；
7.位于所述背衬层具有所述线路层一侧的压电层，所述压电层包括压电层本体，和位于所述压电层本体朝向所述背衬层一侧表面及背离所述背衬层一侧表面的电极；
8.以及，位于所述压电层背离所述背衬层一侧的声学人工结构，所述声学人工结构包括：声阻抗匹配层和声学超构表面；其中，所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层与所述压电层之间，或所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层背离所述背衬层一侧。
9.可选的，所述声阻抗匹配层包括沿所述背衬层至所述压电层方向依次叠加的第一声阻抗匹配子层至第n声阻抗匹配子层，n为大于或等于1的整数。
10.可选的，所述声学超构表面包括圆形中心部及第一圆环部至第m圆环部，m为大于或等于1的整数；所述第一圆环部环绕所述圆形中心部，第i+1圆环部环绕第i圆环部，所述第一圆环部与所述圆形中心部之间及所述第i+1圆环部与第i圆环部之间均呈环形凹槽状，i为大于或等于1且小于m的整数；
11.或者，所述声学超构表面包括并排设置多个条形部，在所述背衬层至所述压电层方向上，至少一个条形部的高度与其余条形部的高度不同，和/或，在所述多个条形部排列方向上，至少一个条形部的宽度与其余条形部的宽度不同，和/或，所述条形部背离所述背衬层一侧呈楔形，和/或，所述条形部为中空条形部，和/或，至少一个条形部的材质与其余
条形部的材质不同；
12.或者，所述声学超构表面背离所述背衬层一侧为波浪形表面。
13.可选的，所述声阻抗匹配层的材质为高分子材质或金属材质。
14.可选的，所述声学超构表面的材质为聚合物材质。
15.可选的，所述压电层本体的为压电陶瓷、压电陶瓷复合材质、压点单晶材质或压电单晶复合材质。
16.可选的，所述背衬层的材质包括环氧树脂，且所述背衬层的材质还包括钨粉、氧化铝粉中至少一种。
17.可选的，所述多个超声换能单元呈矩阵排列。
18.相应的，本发明还提供了一种阵列式超声换能器的制作方法，所述阵列式超声换能器包括呈阵列排列的多个超声换能单元，所述超声换能单元的制作方法：
19.形成背衬层，所述背衬层一侧表面裸露线路层；
20.形成位于所述背衬层具有所述线路层一侧的压电层，所述压电层包括压电层本体，和位于所述压电层本体朝向所述背衬层一侧表面及背离所述背衬层一侧表面的电极；
21.形成位于所述压电层背离所述背衬层一侧的声学人工结构，所述声学人工结构包括：采用正向生长工艺生长的声阻抗匹配层和声学超构表面；其中，所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层与所述压电层之间，或所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层背离所述背衬层一侧。
22.可选的，所述采用正向生长工艺生长的声阻抗匹配层，包括：
23.采用热蒸发镀膜工艺或磁控溅射工艺生长所述声阻抗匹配层。
24.相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
25.本发明提供了一种阵列式超声换能器及其制作方法，包括呈阵列排列的多个超声换能单元，所述超声换能单元包括：背衬层，所述背衬层一侧表面裸露线路层；位于所述背衬层具有所述线路层一侧的压电层，所述压电层包括压电层本体，和位于所述压电层本体朝向所述背衬层一侧表面及背离所述背衬层一侧表面的电极；以及，位于所述压电层背离所述背衬层一侧的声学人工结构，所述声学人工结构包括：声阻抗匹配层和声学超构表面；其中，所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层与所述压电层之间，或所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层背离所述背衬层一侧。
26.由上述内容可知，本发明提供的超声换能单元能够通过声阻抗匹配层解决超声换能单元与目标物体之间阻抗不匹配的问题，提高超声换能单元的输出带宽和幅值响应，增大其成像分辨率和灵敏度。并且超声换能单元能够通过声学超构表面实现对波束控制及偏转、波束聚焦等调节时产生声场畸变进行矫正，同时，实现超声换能单元成像分辨率及信噪比的进一步提升。以及通过将多个超声换能单元呈阵列排布得到阵列式超声换能器，进而提高阵列式超声换能器的适用范围和性能。同时，本发明采用正向生长工艺生长声阻抗匹配层，进而能够提高声阻抗匹配层的厚度精准度，进一步提高阵列式超声换能器的性能。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例提供的一种阵列式超声换能器的结构示意图；
29.图2为本发明实施例提供的一种超声换能单元的结构示意图；
30.图3为本发明实施例提供的另一种超声换能单元的结构示意图；
31.图4为本发明实施例提供的又一种超声换能单元的结构示意图；
32.图5a为本发明实施例提供的一种声学超构表面的结构示意图；
33.图5b为图5a中aa’方向切面图；
34.图6为本发明实施例提供的另一种声学超构表面的结构示意图；
35.图7为本发明实施例提供的又一种声学超构表面的结构示意图；
36.图8为本发明实施例提供的又一种声学超构表面的结构示意图；
37.图9为本发明实施例提供的又一种声学超构表面的结构示意图；
38.图10为本发明实施例提供的又一种声学超构表面的结构示意图；
39.图11为本发明实施例提供的又一种声学超构表面的结构示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.正如背景技术所述，近年来，利用声学超构材料的新奇物理特性和效应改善超声换能器的声学匹配性能被很多学者报道。超声换能器是超声设备中关键的部件，可以用于超声成像、超声刺激、超声治疗、声学操控等等。现有的超声换能器设备的性能有待提高。
42.基于此，本发明实施例提供了一种阵列式超声换能器及其制作方法，有效解决现有技术存在的技术问题，本发明实施例提供的阵列式超声换能器的性能高。
43.为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图11对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。
44.结合图1至图3所示，图1为本发明实施例提供的一种阵列式超声换能器的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种超声换能单元的结构示意图，图3为本发明实施例提供的另一种超声换能单元的结构示意图。其中，阵列式超声换能器包括呈阵列排列的多个超声换能单元100，所述超声换能单元包括：
45.背衬层110，所述背衬层110一侧表面裸露线路层。
46.位于所述背衬层110具有所述线路层一侧的压电层120，所述压电层120包括压电层本体，和位于所述压电层本体朝向所述背衬层110一侧表面及背离所述背衬层110一侧表面的电极。
47.以及，位于所述压电层120背离所述背衬层110一侧的声学人工结构130，所述声学人工结构130包括：声阻抗匹配层131和声学超构表面132；其中，所述声学超构表面132位于所述声阻抗匹配层131与所述压电层120之间(如图2所示)。或所述声学超构表面132位于所述声阻抗匹配层131背离所述背衬层110一侧(如图3所示)。
48.在本发明一实施例中，本发明提供的所述多个超声换能单元可以呈矩阵排列，对此本发明不做具体限制。
49.可以理解的，本发明实施例提供的超声换能单元能够通过声阻抗匹配层解决超声换能单元与目标物体之间阻抗不匹配的问题，提高超声换能单元的输出带宽和幅值响应，增大其成像分辨率和灵敏度。并且超声换能单元能够通过声学超构表面实现对波束控制及偏转、波束聚焦等调节时产生声场畸变进行矫正，同时，实现超声换能单元成像分辨率及信噪比的进一步提升。以及通过将多个超声换能单元呈阵列排布得到阵列式超声换能器，进而提高阵列式超声换能器的适用范围和性能。同时，本发明实施例采用正向生长工艺生长声阻抗匹配层，进而能够提高声阻抗匹配层的厚度精准度，进一步提高阵列式超声换能器的性能。
50.进一步的，本发明实施例提供的超声换能单元还能够通过声学人工结构实现突破衍射极限的亚波长聚焦和超成像效应。
51.在本发明一实施例中，本发明实施例提供的声阻抗匹配层用于匹配超声换能单元与目标物体之间阻抗，其中声阻抗匹配单元可以为单层结构，或者声阻抗匹配单元还可以为多个叠层结构。如图4所示，为本发明实施例提供的又一种超声换能单元的结构示意图，其中，本发明实施例提供的所述声阻抗匹配层131包括沿所述背衬层110至所述压电层120方向依次叠加的第一声阻抗匹配子层1311至第n声阻抗匹配子层131n，n为大于或等于1的整数。
52.在本发明一实施例中，本发明实施例提供的声学超构表面用于改变声波的传输特性，如任意点反射聚焦、低频完美吸声、自弯曲声束、螺旋声波以及声能量非对称传输等，对此本发明实施例对声学超构表面的结构不做具体限制，其可以为多圈嵌套结构、多层结构、梯度结构等。如图5a和图5b所示，图5a为本发明实施例提供的一种声学超构表面的结构示意图，图5b为图5a中沿aa’方向切面图，其中本发明实施例提供的所述声学超构表面132包括圆形中心部1320及第一圆环部1321至第m圆环部132m，m为大于或等于1的整数。
53.所述第一圆环部1321环绕所述圆形中心部1320，第i+1圆环部环绕第i圆环部，所述第一圆环部1321与所述圆形中心部1320之间及所述第i+1圆环部与第i圆环部之间均呈环形凹槽状，i为大于或等于1且小于m的整数。
54.可以理解的，本发明实施例提供的第一圆环部与圆形中心部之间的凹槽结构，及第i+1圆环部与第i圆环部之间的凹槽结构的深度不做具体限制，其可以穿透声学超构表面，对此需要根据实际应用进行具体设计。
55.或者，如图6所示，所述声学超构表面包括并排设置多个条形部132a，在所述背衬层至所述压电层方向上，至少一个条形部132a的高度h1与其余条形部132a的高度不同(如具体可以呈梯度设置，其中各个条形部的高度需要根据实际应用进行具体调整)，和/或，如图7所示，在所述多个条形部排列方向上，至少一个条形部132a的宽度h2与其余条形部的宽度不同(其中各个条形部的宽度需要根据实际应用进行具体调整)，和/或，如图8所示，所述条形部132a背离所述背衬层一侧呈楔形(其中各个条形部的楔形角度需要根据实际应用进行具体调整)。和/或，如图9所示，所述条形部132a为中空条形部，和/或，至少一个条形部的材质与其余条形部的材质不同。
56.或者，如图10所示，所述声学超构表面132背离所述背衬层一侧为波浪形表面，对
此本发明不做具体限制，根据需要对声学超构表面进行具体形状的设计。
57.本发明实施例透过的超声换能单元包括有背衬层、压电层、声阻抗匹配层、声学超构表面等，为了研究各层结构对于超声换能单元的电学和声学性能的影响，首先建立与之结构等效的物理模型。其中，超声换能单元主要的结构包含压电层、声阻抗匹配层、声学超构表面和背衬层，对此将基于微波传输线理论并通过mason机电等效电路，以建模分析超声换能单元的声阻抗匹配与各层结构参数之间的关系。每一层的机械振动都会被等效成电路的一部分，声阻抗匹配网络理论被应用于声阻抗匹配层的参数设计，同时利用传输矩阵来计算声阻抗匹配层作用下的声波传输效率。其中，本发明实施例提供的压电层材料的静态电容c0、机电转换系数n、纵向波速c
p
、波数k和声阻抗分别z
p
为：
[0058][0059]
n＝h
33
c0[0060][0061]
k＝ω/c
p
[0062]
z
p
＝ρc
p
[0063]
式中ρ、a、t
p
、h
33
、分别代表压电层材料的密度、面积、厚度、弹性刚度常数、压电常数和介电常数，进而通过优化压电层的材料得到最优参数。
[0064]
以及，本发明实施例以声阻抗匹配层包括第一声阻抗匹配子层至第三声阻抗匹配子层为例，其中z
a
为第一声阻抗匹配子层的声阻抗，z
b
为第二声阻抗匹配子层的声阻抗、z
c
为第三声阻抗匹配子层的声阻抗，z
l
为声阻抗匹配层与目标物体之间传播介质的声阻抗，t
a
为第一声阻抗匹配子层的厚度，t
b
为第二声阻抗匹配子层的厚度，t
c
为第三声阻抗匹配子层的厚度，k
a
为第一声阻抗匹配子层的波数，k
b
为第二声阻抗匹配子层的波数，k
c
为第三声阻抗匹配子层的波数，通过等效电路推导出每一层匹配的等效输入阻抗(z
in1
为第一声阻抗匹配子层的等效输入阻抗，z
in2
为第二声阻抗匹配子层的等效输入阻抗，z
in3
为第三声阻抗匹配子层的等效输入阻抗)的分别为：
[0065][0066][0067][0068]
经过计算从而确定各声阻抗匹配子层的材料选择及厚度参数，再通过有限元仿真软件(如comsol multiphysics)建立有限元模型进行声场分析，进一步优化声阻抗匹配层的效果。可选的，本发明实施提供的所述声阻抗匹配层的材质为高分子材质(其中高分子材质的声阻抗匹配层可以采用热蒸发镀膜的正向生长技术制备而成)或金属材质(其中金属材质的声阻抗匹配层可以采用磁控溅射的正向生长技术制备而成)。具体的，本发明实施例提供的声阻抗匹配层的材质可以为聚对二甲苯或金，对此在本发明其他实施例中还可以为其他材质，本发明不做具体限制。
[0069]
以及，本发明实施例提供的声学超构表面可以包括圆形中心部、第一圆环部和第
二圆环部，其中，以基尔霍夫衍射理论和菲涅尔波带片理论为原理，建立该圆形结构声学超构表面的平面菲涅尔声学透镜的理论模型，由半波带法可知，声学人工聚焦结构参数满足如下公式时可以让超声换能单元的声场产生聚焦的效果：
[0070][0071]
其中f代表设计的焦距，λ代表声波在传输介质中的波长，m(m＝1,2,3
…
)代表圆形结构的圈数(即圆形中心部为第一圈、第一环形部为第二圈，以此类推，如图11所示)，圈数越多声波的传输效率越高，但同时菲涅尔声学透镜的制作也会变得复杂。例如，在超声换能单元上制备m(例如m＝3)圈的声学超构表面时，声学超构表面的厚度h可以通过如下公式设计：
[0072][0073]
其中c0为超声换能单元与目标物体之间传播介质的声速，c1为声学超构表面的材料的声速，表示声波透过声学超构表面射出时的相位变化。可选的，本发明实施例提供的所述声学超构表面的材质为可以为聚合物材质，具体如聚对二甲苯，其中，考虑到声波的传输效率还同时受到材料声阻抗的影响，在基于声学人工结构的理论计算和有限元仿真验证基础上，例如选择声阻抗参数更接近水的聚对二甲苯作为制备声学超构表面的材料，具体可以采用高精度的光刻微加工技术或3d打印技术制作而成，保证制作精度高；对此本发明不做具体限制，在本发明其他实施例中，还可以为其他材质。
[0074]
此外，本发明实施例提供的所述压电层本体的为压电陶瓷、压电陶瓷复合材质、压点单晶材质或压电单晶复合材质。以及，利用高吸声性能材料制备超声换能单元的背衬层，进一步减小超声换能单元的尺寸，可选的，本发明实施例提供的所述背衬层的材质包括环氧树脂，且所述背衬层的材质还包括钨粉、氧化铝粉中至少一种，具体如可以将环氧树脂、钨粉、氧化铝粉形成混合材料。
[0075]
相应的，本发明实施例还提供了一种阵列式超声换能器的制作方法，所述阵列式超声换能器包括呈阵列排列的多个超声换能单元，所述超声换能单元的制作方法：
[0076]
形成背衬层，所述背衬层一侧表面裸露线路层；
[0077]
形成位于所述背衬层具有所述线路层一侧的压电层，所述压电层包括压电层本体，和位于所述压电层本体朝向所述背衬层一侧表面及背离所述背衬层一侧表面的电极；
[0078]
形成位于所述压电层背离所述背衬层一侧的声学人工结构，所述声学人工结构包括：采用正向生长工艺生长的声阻抗匹配层和声学超构表面；其中，所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层与所述压电层之间，或所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层背离所述背衬层一侧。
[0079]
可以理解的，采用上述制作方法得到多个超声换能单元后，将所有超声换能单元按照预设的排列方式排列，得到阵列式超声换能器。
[0080]
在本发明一实施例中，本发明所提供的所述采用正向生长工艺生长的声阻抗匹配层，包括：
[0081]
采用热蒸发镀膜工艺或磁控溅射工艺生长所述声阻抗匹配层，对此需要根据声阻抗匹配度的具体材质具体选择制备工艺，本发明不做具体限制。
[0082]
本发明实施例提供了一种阵列式超声换能器及其制作方法，包括呈阵列排列的多个超声换能单元，所述超声换能单元包括：背衬层，所述背衬层一侧表面裸露线路层；位于所述背衬层具有所述线路层一侧的压电层，所述压电层包括压电层本体，和位于所述压电层本体朝向所述背衬层一侧表面及背离所述背衬层一侧表面的电极；以及，位于所述压电层背离所述背衬层一侧的声学人工结构，所述声学人工结构包括：声阻抗匹配层和声学超构表面；其中，所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层与所述压电层之间，或所述声学超构表面位于所述声阻抗匹配层背离所述背衬层一侧。
[0083]
由上述内容可知，本发明实施例提供的超声换能单元能够通过声阻抗匹配层解决超声换能单元与目标物体之间阻抗不匹配的问题，提高超声换能单元的输出带宽和幅值响应，增大其成像分辨率和灵敏度。并且超声换能单元能够通过声学超构表面实现对波束控制及偏转、波束聚焦等调节时产生声场畸变进行矫正，同时，实现超声换能单元成像分辨率及信噪比的进一步提升。以及通过将多个超声换能单元呈阵列排布得到阵列式超声换能器，进而提高阵列式超声换能器的适用范围和性能。同时，本发明实施例采用正向生长工艺生长声阻抗匹配层，进而能够提高声阻抗匹配层的厚度精准度，进一步提高阵列式超声换能器的性能。
[0084]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。