[發明專利]一種尖劈狀聲學匹配層的制作方法

有效

• 申請號: 201410051115.3
• 申請日: 2014-02-14
• 公開（公告）號: CN103796149B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 盧明輝;李政;王超;張善濤;祝名偉;陳延峰
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H04R31/00
• 分類號: H04R31/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明涉及一種新型的尖劈狀換能器聲學匹配層的制備方法。

背景技術

聲波從一種材料入射到另一種不同的材料時，材料界面上會有很高的聲反射。反射系數與兩種材料的聲阻抗有關，反射率公式如下：

其中，Z₁和Z₂分別是兩種材料的聲阻抗。

例如：聲波從聲阻抗約為30Mrayls（1rayl=1N.s/m²)的壓電材料PZT入射到阻抗為1.5Mrayls的人體軟組織時,聲波反射率高達82%。

這種阻抗失配引起的聲波反射會嚴重降低換能器的效率。傳統的解決方式是采用基于厚度共振原理的聲學匹配層，即在兩種不同聲阻抗材料之間加入厚度為四分之一中心波長的聲匹配層。但是這種采用單個匹配層的換能器帶寬不高，因此限制了換能器在成像等方面的應用。

尖劈狀結構具有等效聲阻抗在厚度方向連續變化的特征，使之可以用作理想的聲學匹配層。采用這種匹配層的換能器將具有很大的帶寬，因此在臨床診斷、聲學成像等方面有很廣闊的應用前景。

尖劈結構可以通過電火花成型加工的方法獲得，脈沖電源一極接工具電極，另一極接工件電極，兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質中。當脈沖電壓加到兩極之間，便將當時條件下極點間最近點的液體介質擊穿，形成放電通道。通道面積很小并且放電時間很短，使能量高度集中，放電區域產生瞬時高溫使材料熔化甚至蒸發，形成一個小凹坑，如此周而復始高頻率地循環下去，工具電極不斷地向工件進給，它的形狀最終就復制在工件上，形成所需要的尖劈加工表面，這種機械的加工方法需要精密的電火花加工工具。加工過程對器件、工件都有一定損耗，加工需要一定的能源損耗，成本較高。同時工具的損耗也會給結構精度帶來影響。

另外一種尖劈結構的制作方法是利用光學或X射線排版印刷技術獲得的。利用光學或X射線曝光顯影的方法，在基材上面留下圓形或者正方形陣列圖案，通過蝕刻的方法，在這些圖形中形成倒尖劈狀的凹坑。如果光刻膠足夠厚的話，顯影后還會形成由光刻膠組成的頂端為平面的尖劈結構陣列，然后再利用電鍍的方法在陣列間隙鍍滿金屬，去掉光刻膠，最后將匹配層材料填充這些尖劈狀的模板之中，制成尖劈狀匹配層。這方法利用了微電子加工中的排版印刷技術，需要電子束加工設備，加工條件比較嚴苛。制作成本較高。

發明內容

針對以上現有制備方法的缺點，本發明的目的是提供一種尖劈狀聲學匹配層的新型制作方法，這種制作方法簡單，不需要昂貴的加工設備，制作條件也沒那么苛刻，成本較低。

本發明采用的技術方案如下：

一種尖劈狀聲學匹配層的制作方法，包括以下幾個步驟：

（1）以底端直徑為2～200微米的石英微針陣列作為尖劈狀結構模板，在微針陣列的中間填充液態材料A，使材料A沒過尖劈的頂端，在材料A固化之前將模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分鐘以上，確保材料A完全填充滿尖劈之間的間隙；之后將模板從干燥器中取出，等待材料A完全固化，得到由石英尖劈和材料A尖劈交替排列的互補結構；

（2）通過切割或打磨的方法將所述互補結構的尖劈界面提取出來，使得兩種材料的尖劈狀結構的頂端為尖角或者平面，得到復合結構的薄片；

（3）將薄片進一步打磨至一定的厚度，制成聲學匹配層。

本發明制作方法另一實現的技術方案為采用的步驟如下：

（1）以底端直徑為2～200微米的石英微針陣列作為尖劈狀結構模板，在微針陣列的中間填充液態材料A，使材料A沒過尖劈的頂端，在材料A固化之前將模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分鐘以上，確保材料A完全填充滿尖劈之間的間隙；之后將模板從干燥器中取出，等待材料A完全固化；

（2）將步驟（1）中填滿材料A的石英微針陣列放入氫氟酸溶液中腐蝕24小時以上，形成由材料A制得的尖劈狀模板；

（3）按照聲阻抗要求，設計聲學復合材料B，并根據設計要求，配置材料B溶液；

（4）用步驟（3）所得的溶液填充步驟（2）的尖劈狀模板，在溶液固化前將模板放入真空玻璃干燥器中，抽真空10分鐘以上，確保溶液完全充滿尖劈模板中的凹槽；之后將模板從干燥器取出，等待溶液完全固化，得到由材料A尖劈和材料B尖劈交替排列的互補結構；

（5）通過切割或打磨的方法將所述互補結構的尖劈界面提取出來，使得兩種材料的尖劈狀結構的頂端為尖角或者平面，得到復合結構的薄片，并進一步將其磨成一定厚度的薄片，制成匹配層。

其中，步驟（1）中的材料A是環氧樹脂或光固化樹脂等可以固化的材料。