[發(fā)明專利]一種碳納米管薄膜換能器陣列

有效

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• 申請日: 2019-09-17
• 公開（公告）號: CN110639783B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設計）人: 周震寰;王金鑫;徐旺;仝真真;徐新生
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06;B82Y40/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發(fā)明提供一種碳納米管薄膜換能器陣列，屬于超聲波療領域。該換能器陣列包括換能器陣列框架和發(fā)聲元件，發(fā)聲元件包括碳納米管薄膜、金屬電極和導線，各發(fā)聲元件處于同一平面或曲面上，發(fā)聲元件的排列規(guī)律、尺寸大小和相鄰發(fā)聲元件之間的中心間距可以根據功能需求做出調整。當發(fā)聲元件接入音頻信號時，碳納米管薄膜產生相應的溫度變化，使周圍介質發(fā)生膨脹和收縮并激發(fā)出聲波，各發(fā)聲元件發(fā)出的聲波在空間中相互疊加、干涉，從而產生能量高度集中的聲波。本發(fā)明中換能器陣列具有無振動部件、排列靈活、形狀可隨意變動以及生產成本低等優(yōu)點；且可以產生高頻、高指向性、高靈敏度的聲波，應用于超聲醫(yī)療、先進雷達等領域。

技術領域

本發(fā)明屬于超聲波療領域，涉及一種基于碳納米管薄膜熱聲效應的超聲換能器陣列。

背景技術

隨著我國社會主義建設進程的不斷加快，人民的生活水平日益提高，人們對于個人健康問題愈加重視，因此對于醫(yī)療設備質量和數量的要求不斷提高。在各種醫(yī)療設備中，超聲醫(yī)療設備由于具有造成的創(chuàng)傷小、價格低廉、能夠實時成像等特點而成為了一類重要的診療設備。目前，超聲醫(yī)療設備被廣泛應用于成像、診察、組織切割和消除、殺菌消毒等診療環(huán)節(jié)，比如人們常用的B超設備、超聲手術刀、腫瘤聚焦超聲治療系統(tǒng)等。超聲換能器陣列是超聲醫(yī)療設備的主要部件，其特點是能夠產生能量高度集中的超聲波波束；而超聲波波束的聲壓強度、指向性以及靈敏度直接關系到診療的結果，因此設計一種高聲壓、高指向性、高靈敏度、成本低廉的超聲換能器陣列，對當前的超聲醫(yī)療設備的應用具有重要意義。

現有的超聲換能器陣列的發(fā)聲元件主要由壓電材料制成，其工作原理是基于壓電效應，即壓電材料受外電場作用時會產生變形。當音頻信號通過壓電體時，壓電體發(fā)生變形帶動周圍介質振動，從而發(fā)出聲音。由壓電材料制作成的超聲換能器陣列主要有4個缺點：(1)壓電材料的阻抗隨著材料面積的減小而增大，導致換能器陣列的靈敏度降低，產生的聲音聲壓降低；(2)由于壓電材料在發(fā)聲過程自身會振動，會引起共振效應，且會導致元件之間的信號串擾，進而導致音頻信號的傳輸錯誤或丟失；(3)為了放置更多的發(fā)聲元件以增強聲壓和指向性，且避免產生柵瓣，有限空間中的超聲換能器陣列的發(fā)聲元件通常要小于2毫米，導致壓電換能器陣列制造起來非常困難，極大地增加了制造成本；(4)目前被廣泛應用的壓電材料(比如壓電陶瓷)含有大量的污染環(huán)境的重金屬離子，處理不當很容易會破壞生態(tài)環(huán)境。

近年來，碳納米管薄膜由于其顯著的熱聲效應引起了人們的廣泛關注。當碳納米管薄膜被接入音頻信號時，能發(fā)出相應頻率的聲音。碳納米管薄膜的比熱容極低，通電產生的熱能迅速釋放到周圍介質，引起介質的振動，產生的聲場聲壓高、靈敏度高；且薄膜發(fā)聲過程中自身不振動，避免了共振效應；碳納米管薄膜可以從商業(yè)化生產中獲得，且輕便、可延展、剪裁方便，可以制作成任意的大小以及形狀，對應的換能器陣列的制作成本低。此外，碳納米管薄膜不含任何對環(huán)境有害的重金屬離子，無環(huán)境污染性。

發(fā)明內容

為解決背景技術中提到的問題，本發(fā)明提出一種基于碳納米管薄膜熱聲效應的換能器陣列，碳納米管薄膜能夠基于熱聲效應發(fā)射出聲波，即當電信號接入換能器陣列時，碳納米管薄膜的溫度發(fā)生相應的變化，使得碳納米管薄膜周圍的介質發(fā)生膨脹和收縮，進而發(fā)出聲音，各個碳納米管薄膜發(fā)出的聲音相互疊加、干涉，形成具有高指向性、高聲壓、高信噪比的聲場。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種碳納米管薄膜換能器陣列，包括換能器陣列框架6和發(fā)聲元件。

所述的換能器陣列框架6內設有多個橫梁，用于安裝固定發(fā)聲元件。