本發(fā)明涉及超聲換能器，具體指一種超聲換能器、梯度匹配層設(shè)計及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、超聲換能器是一種復(fù)雜的電子設(shè)備，其功能是將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并且能夠接收從被檢測物體（如人體）返回的超聲波信號，并將其重新轉(zhuǎn)換為電信號。在超聲換能器的工作機(jī)制中，壓電復(fù)合材料起到了核心作用，利用壓電效應(yīng)，這種材料可以將施加在其上的電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波信號。同樣地，當(dāng)超聲波信號入射到壓電復(fù)合材料時，材料的振動會產(chǎn)生電信號，從而實現(xiàn)信號的接收功能。

2、在醫(yī)用超聲領(lǐng)域中，壓電復(fù)合材料的聲阻抗通常范圍在16～30?mrayls，而典型的人體組織的聲阻抗約為1.5?mrayls。由于壓電復(fù)合材料和人體組織之間存在顯著的聲阻抗差異，若沒有適當(dāng)?shù)钠ヅ鋵?，則超聲波在換能器與人體皮膚之間的界面處會發(fā)生大量反射，從而導(dǎo)致超聲波能量的損失。這種能量損失直接影響了超聲換能器的工作效率和成像質(zhì)量。

3、聲學(xué)匹配層的主要作用就是阻抗匹配，負(fù)責(zé)把聲能流高效地疏導(dǎo)到介質(zhì)中，提高能量的利用效率，對提升超聲換能器的靈敏度和帶寬都有很大的作用。傳統(tǒng)的聲學(xué)匹配層往往是單層的，超聲波的透射效率不高，多層匹配的設(shè)計仍是以雙層為主。由于聲學(xué)匹配層的制備工藝應(yīng)該是方便且廉價、易于生產(chǎn)的，因此，設(shè)計真正低損耗、高帶寬、易加工的聲學(xué)匹配層是十分有必要的。本發(fā)明將著重設(shè)計并制作具有多層梯度變化聲學(xué)匹配層的高頻超聲換能器，增大超聲換能器的靈敏度和帶寬，為醫(yī)用超聲領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、目前在高頻換能器領(lǐng)域，匹配層厚度往往需要做到非常薄，大多通過用減磨的方式使匹配層達(dá)到最佳厚度，但該方案在制作特別薄的匹配層時往往存在精度不夠等問題，本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種具有梯度匹配層的超聲換能器及其制作方法，通過多層具有不同聲阻抗的匹配層梯度疊加的策略，以實現(xiàn)壓電復(fù)合材料與人體組織之間更為優(yōu)越的聲阻抗匹配，通過使用pvdf烘干成型的方法，使得制作的匹配層厚度更薄，能更好地運用于頻率大于10m的高頻超聲換能器。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種超聲換能器匹配層，其通過將pvdf與添加物均勻混合成膜得到；成膜后的厚度為1μm～80μm。添加物采用空心玻璃微珠、鈦酸鋇、鈮鎂鈦酸鉛、鎢粉中的一種或多種。

3、作為優(yōu)選，所述的添加物的粒徑小于1μm。

4、作為優(yōu)選，步驟二中添加物為空心玻璃微珠；空心玻璃微珠與pvdf的重量比為(1～10):(1～10)。

5、作為優(yōu)選，步驟二中添加物為鈦酸鋇；鈦酸鋇與pvdf的重量比為(10～50):(1～10)。

6、作為優(yōu)選，步驟二中添加物為鈮鎂鈦酸鉛；鈮鎂鈦酸鉛與pvdf的重量比為(40～80):(1～10)。

7、作為優(yōu)選，步驟二中添加物為鎢粉；鎢粉與pvdf的重量比為(150～300):(1～10)。

8、第二方面，本發(fā)明提供一種前述?超聲換能器匹配層的制備方法，其包括以下步驟：

9、步驟一、將pvdf溶解到dmf溶劑

10、步驟二、向步驟一所得溶液中加入添加物并攪拌均勻。

11、步驟三、對步驟二所得產(chǎn)物抽真空處理。

12、步驟四、對步驟三所得產(chǎn)物進(jìn)行固化和烘干處理，得到超聲換能器匹配層。

13、作為優(yōu)選，所述的pvdf顆粒相對于dmf溶劑的用量為20g/l～200g/l。

14、作為優(yōu)選，步驟二中的攪拌方式為使用磁力攪拌器攪拌24h～48h；步驟三中抽真空處理的時長為30min～50min。步驟四中固化的條件為在恒溫條件下固化。

15、第三方面，本發(fā)明提供一種超聲換能器，其包括依次層疊設(shè)置的背襯、柔性電路板、壓電材料和多個匹配層。所有匹配層均采用前所述的一種超聲換能器匹配層。沿著遠(yuǎn)離壓電材料的方向，各匹配層的聲阻抗依次減小。

16、作為優(yōu)選，匹配層共有五層，分別為沿著遠(yuǎn)離壓電材料的方向依次層疊的第一匹配層、第二匹配層、第三匹配層、第四匹配層、第五匹配層。所述的第一匹配層、第二匹配層、第三匹配層對應(yīng)的添加物分別為空心玻璃微珠、鈦酸鋇、鈮鎂鈦酸鉛；第四匹配層和第五匹配層對應(yīng)的添加物均為鎢粉。所述的第一匹配層的聲阻抗為10mrayls～12mrayls；所述的第二匹配層的聲阻抗為6mrayls～8mrayls；所述的第三匹配層的聲阻抗為3mrayls～4mrayls；所述的第四匹配層的聲阻抗為2mrayls～3mrayls；所述的第五匹配層的聲阻抗為1.5mrayls～2mrayls。

17、本發(fā)明的有益效果為：

18、1.本發(fā)明采用pvdf制作出的超聲換能器匹配層，具有低聲阻抗的特性，可以使梯度匹配層的最后一層與負(fù)載的匹配更優(yōu)。

19、2.本發(fā)明通過向pvdf中摻雜不同種類不同含量的添加物，能夠獲得不同聲阻抗的匹配層，從而通過將聲阻抗依次增大的匹配層層疊，使得做出阻抗值梯度變化的匹配層。在由內(nèi)向外的五層匹配層聲阻抗呈梯度減少，超聲換能器的透射率明顯提升，可提升到0.70～0.72，可有效提升超聲換能器的性能。

20、3.本發(fā)明制得的匹配層樣品密度均勻分布，透射穩(wěn)定性好，從而打破超聲換能器發(fā)展的瓶頸，能夠開拓超聲換能器的應(yīng)用領(lǐng)域，對于超聲換能器后期的發(fā)展至關(guān)重要，對于超聲換能器后期的發(fā)展的意義也非常重大。

21、4.本發(fā)明采用烘干-成型工藝，使得匹配層厚度能更薄更精確，能應(yīng)用于頻率大于10m的高頻超聲換能器，且工藝簡單，技術(shù)合理，原料成本低廉。

技術(shù)特征：

1.一種超聲換能器匹配層，其特征在于：通過將pvdf與添加物混合成膜得到；成膜后的厚度為1μm～80μm；添加物采用空心玻璃微珠、鈦酸鋇、鈮鎂鈦酸鉛、鎢粉中的一種或多種。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲換能器匹配層，其特征在于：所述的添加物的粒徑小于1μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲換能器匹配層，其特征在于：步驟二中添加物為空心玻璃微珠；空心玻璃微珠與pvdf的重量比為(1～10):(1～10)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲換能器匹配層，其特征在于：步驟二中添加物為鈦酸鋇；鈦酸鋇與pvdf的重量比為(10～50):(1～10)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲換能器匹配層，其特征在于：步驟二中添加物為鈮鎂鈦酸鉛；鈮鎂鈦酸鉛與pvdf的重量比為(40～80):(1～10)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲換能器匹配層，其特征在于：步驟二中添加物為鎢粉；鎢粉與pvdf的重量比為(150～300):(1～10)。

7.一種超聲換能器匹配層的制備方法，其特征在于：用于制備如權(quán)利要求1至6中任意一項所述的超聲換能器匹配層；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于：步驟二中的攪拌方式為使用磁力攪拌器攪拌24-48h；步驟三中抽真空處理的時長為30min～50min；步驟四中固化的條件為在恒溫條件下固化。

9.一種超聲換能器，其特征在于：包括依次層疊設(shè)置的背襯（1）、柔性電路板（2）、壓電材料（3）和多個匹配層；所有匹配層均采用如權(quán)利要求1所述的一種超聲換能器匹配層；沿著遠(yuǎn)離壓電材料（3）的方向，各匹配層的聲阻抗依次增大。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種超聲換能器，其特征在于：匹配層共有五層，分別為沿著遠(yuǎn)離壓電材料（3）的方向依次層疊的第一匹配層（4）、第二匹配層（5）、第三匹配層（6）、第四匹配層（7）和第五匹配層（8）；所述的第一匹配層（4）、第二匹配層（5）、第三匹配層（6）對應(yīng)的添加物分別為空心玻璃微珠、鈦酸鋇、鈮鎂鈦酸鉛；第四匹配層（7）和第五匹配層（8）對應(yīng)的添加物均為鎢粉；所述的第一匹配層（4）的聲阻抗為10mrayls～12mrayls；所述的第二匹配層（5）的聲阻抗為6mrayls～8mrayls；所述的第三匹配層（6）的聲阻抗為3mrayls～4mrayls；所述的第四匹配層（7）的聲阻抗為2mrayls～3mrayls；所述的第五匹配層（8）的聲阻抗為1.5mrayls～2.0mrayls。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于PVDF的超聲換能器梯度匹配層及其制備方法；該通過將PVDF與添加物均勻混合成膜得到；成膜后的厚度為1μm～80μm。添加物采用空心玻璃微珠、鈦酸鋇、鈮鎂鈦酸鉛、鎢粉中的一種或多種。本發(fā)明通過向PVDF中摻雜不同種類不同含量的添加物，能夠獲得不同聲阻抗的匹配層，從而通過將聲阻抗依次減小的匹配層層疊，使得做出阻抗值梯度變化的匹配層。在由內(nèi)向外的五層匹配層聲阻抗依次為10?12MRayls、6?8MRayls、3?4MRayls、2?3MRayls、1.5?2MRayls時，超聲換能器的透射率明顯提升，可提升到0.70?0.72，可有效提升超聲換能器的性能。此外，本發(fā)明制得的匹配層樣品密度均勻分布，透射穩(wěn)定性好。

技術(shù)研發(fā)人員：李麗麗,鄧鈞元,汶飛,李松松
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19