[發(fā)明專利]一種超聲換能器的匹配層及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810170055.5
• 申請日: 2018-03-01
• 公開（公告）號: CN108372095B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 費春龍;劉治勇;楊新宇;李迪;楊銀堂
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué);陜西博縱電子科技有限公司
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06;B06B3/00;G10K9/122;G10K11/02
• 代理公司: 北京天奇智新知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11340
• 代理人: 陳新勝

本發(fā)明涉及一種超聲換能器的匹配層，包括依次布置的低密度聲速層和高密度聲速層，低密度聲速層由材料A構(gòu)成，高密度聲速層由材料B構(gòu)成，低密度聲速層與壓電材料表面電極相連接，高密度聲速層用于裸露于空氣中或連接其他器件。上述技術(shù)方案中，采用的材料為自然界可直接或間接獲取的物質(zhì)，通過物理淀積的方法可以精確控制厚度，克服了傳統(tǒng)工藝在厚度研磨上的瓶頸；本發(fā)明通過厚度的精確控制，可以獲得精確聲阻抗值的匹配系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于各種特殊形狀的換能器上，突破傳統(tǒng)的設(shè)計局限性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲換能器領(lǐng)域，具體涉及一種超聲換能器的匹配層及其制造方法。

背景技術(shù)

超聲換能器作為聲電轉(zhuǎn)換的功能性器件，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。由于外部媒介與換能器壓電陣元之間存在大的聲阻抗差異，導(dǎo)致聲能在換能器內(nèi)部來回反射，無法有效向外傳輸。傳統(tǒng)工藝制造過程中常利用λ/4匹配層設(shè)計原理來設(shè)計制備聲阻抗匹配層，緩解聲阻抗下降梯度，從而提高聲傳輸效率。傳統(tǒng)工藝將聲阻抗較高的金屬或氧化物顆粒與聲阻抗較低的環(huán)氧樹脂混合來制備匹配層，隨著換能器中心頻率的上升，波長減小，匹配層厚度也隨之減小。當(dāng)厚度接近微粒直徑，表面粗糙程度大大增加，加之混合制備過程無法保證材料的均一性，匹配效應(yīng)大大降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：提供一種超聲換能器的匹配層，能有效地提高聲傳輸效率，尤其在高頻超聲換能器領(lǐng)域。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種超聲換能器的匹配層，其特征在于：包括依次布置的低密度聲速層和高密度聲速層，低密度聲速層由材料A構(gòu)成，高密度聲速層由材料B構(gòu)成，低密度聲速層與壓電材料表面電極相連接，高密度聲速層用于連接傳輸媒介水、空氣或者與其他結(jié)構(gòu)相連接；這與傳統(tǒng)的由高至低的梯度下降的匹配層構(gòu)造方式有所不同。進一步的方案為：

材料A為高分子樹脂材料parylene。

材料B為金屬材料金。

另外，本發(fā)明還提供了一種超聲換能器匹配層的制造方法，包括如下操作：

S1：測定超聲換能器的相關(guān)參數(shù)，確定超聲換能器的傳統(tǒng)匹配層的特征阻抗Z_M，計算輸入阻抗Z_in；

S2：選擇材料A、材料B，測量材料A和材料B的性能參數(shù)，計算材料A和材料B的特征阻抗，采用MATLAB軟件，求得數(shù)值解，確定高密度聲速層和低密度聲速層的厚度；

S3：在壓電材料表面電極上采用材料A鍍設(shè)低密度聲速層，然后再在低密度聲速層表面鍍設(shè)一層高密度聲速層。

具體的：

超聲換能器的相關(guān)設(shè)計指標(biāo)參數(shù)包括中心頻率f₀、陣元厚度t_p、壓電陣元的特征阻抗Z_p、外部媒介特征阻抗Z_l。

材料A和材料B的性能參數(shù)包括密度ρ、波速θ。

高密度聲速層利用物理淀積的方法鍍設(shè)。

低密度聲速層利用蒸發(fā)涂覆的方法鍍設(shè)。

上述技術(shù)方案中，采用的材料為自然界可直接或間接獲取的物質(zhì)，通過物理淀積的方法可以精確控制厚度，克服了傳統(tǒng)工藝在厚度研磨上的瓶頸；本發(fā)明通過厚度的精確控制，可以獲得精確聲阻抗值的匹配系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于各種特殊形狀的換能器上，突破傳統(tǒng)的設(shè)計局限性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。