使用气凝胶作为填充材料的超声换能器制造技术

本发明专利技术涉及使用气凝胶作为填充材料的超声换能器。公开了一种超声换能器及其制造方法。该换能器包括具有由压电材料制成的硬质柱的阵列的压电复合体阵列，其中柱之间的切口空间填充有低密度的气凝胶材料。

Ultrasonic transducer using aerogel as filling material

The invention relates to an ultrasonic transducer using aerogels as filling material. The invention discloses an ultrasonic transducer and a manufacturing method thereof. The transducer includes a piezoelectric composite array with an array of rigid columns made of piezoelectric material, where the incision space between the columns is filled with low density aerogel material.

【技术实现步骤摘要】
使用气凝胶作为填充材料的超声换能器相关申请的交叉引用本申请要求2017年9月29日提交的名称为“使用气凝胶作为填充材料的超声矩阵复合式换能器(ULTRASONICMATRIXCOMPOSITETRANSDUCERUSINGAEROGELASFILLERMATERIAL)”的美国临时专利申请序列号62565326的权益和优先权，通过参考的方式将其整体公开内容并入本文中。
本专利技术涉及用于无损检测/无损检验(non-destructivetesting/inspection，NDT/NDI)的超声探头阵列换能器(ultrasonicprobearraytransducer)的制造，并且更具体地涉及合成胶体混合物气凝胶用于在超声复合体的柱(post)之间具有空气状填充剂的压电复合式换能器的制造。
技术介绍
超声探头阵列换能器通常用于NDT/NDI。换能器典型地包括极化的压电陶瓷元件的阵列的复合体，陶瓷通常呈柱状，其中各个柱被填充柱之间的切口空间(kerfspace)的填充材料机械地支承并且与其相邻的柱通过该填充材料在声学上隔离。在现有实践中的换能器中，填充材料一般是刚性环氧树脂材料(rigidepoxymaterial)。换能器的复合体元件的柱的电活化导致柱沿极化方向膨胀和收缩。该膨胀和收缩在柱和填充材料之间的界面处产生了剪切波。该剪切波应当被填充材料吸收，然而现有实践中的刚性环氧树脂使机械振动沿与极化方向垂直的方向传播。通过环氧树脂传播的这些机械振动称为横向模式共振、平面耦合或声串扰(acousticalcross-talk)，它们在检验期间导致返回的声信号中的噪音和分辨率的降低。现有实践中填充材料具有的另一问题是一些填充材料具有高的泊松比(Poissonratio)。结果，内部应力在填充材料内生成，其对抗为了生成声波而施加至压电体的应力。这导致换能器的性能损耗。现有实践中的填充材料还具有的另一问题是它们的性能在高温操作中降级。典型的环氧树脂材料具有在50至200℃的范围内的持续操作温度，同时在超过400℃时出现劣化。结果，现有的填充材料与高温操作不兼容。现有实践中的填充材料还具有的另一问题是刚性环氧树脂不是柔性的，因此不可能容易地使换能器成为柔性的来形成复杂的换能器形状。理想的换能器将是不用填充材料制造的那种。换言之，在陶瓷柱之间的间隙中将仅有空气。空气的一个优势是陶瓷和空气之间的声阻抗差异很大以至于横向振动将会在陶瓷/空气界面处经受非常高的传播损失，使得几乎没有声能可传播至相邻的柱。因此，接收到的图像质量会改善并且声噪音会下降。可选地，用空气隔离改善的性能将允许陶瓷切割图案设计中的灵活性。切口宽度或为了产生柱而除去的材料量是以填充材料的剪切速度为基础的。使用空气填充剂将导致更多的设计机会，从而开发更高性能的陶瓷图案。还可以开发陶瓷柱图案，其可以消除作为不期望的离轴二次超声束的栅瓣(gratinglobes)。空气填充剂的使用的另一优势是空气不能具有泊松比，因此会有抵抗生成声波的柱的膨胀和收缩的最小的材料应力。使用空气代替环氧树脂的另一优势还在于可以使换能器的声阻抗下降，这允许更容易的耦合至低阻抗材料。例如，作为常见的耦合介质的水具有比原料陶瓷(rawceramic)低超过20倍的、和比现有实践中的换能器低约9倍的声阻抗。换能器和耦合介质(couplingmedium)之间的声阻抗差异越小，声能传播穿过界面将越高。水的声阻抗明显比空气填充的换能器的声阻抗低小于9倍，空气填充的换能器与现有实践中的换能器相比允许改善的声波传输。Oakley(PCT专利公开WO90/16087)公开了具有空气填充的切口的压电器件。然而，Oakley的制造方法是将压电元件直接接合至电极。虽然该方法可以适用于元件内的大型压电柱，但是显然不可能在没有某种基质支承的情况下将微米尺寸的柱接合至电极。Bhardwaj(美国专利7,125,468)公开了气体矩阵复合式换能器(gasmatrixcompositetransducer)，但是制造方法要求棒在机械上足够稳定以在粘合剂片上成排设置。设置另一织物或粘合剂材料层以分隔下一排棒，直到形成堆栈(stack)。电镀该堆栈，然后除去分隔层从而形成气体填充的矩阵。该方法要求棒处于适合的高度并且它们相对于相邻柱的物理位置是非常精确的。然而，应当注意的是，在目前使用中的超声操作频率下，要求小到15μm的棒分隔。实现分隔如此小的棒的精确布置显然是非常困难的，并且Bhardwaj的方法是无法制造的。因此，有需要提供一种制成具有尽可能接近于仅有空气情况的填充材料的超声换能器的可制造的方法。
技术实现思路
因此，本公开的一般目的是提供几乎为实际空气填充的具有填充剂的超声探头换能器及其制造方法，其中该换能器和制造方法适宜于微米尺寸的结构。本公开的进一步目的是提供几乎为实际空气填充的超声探头阵列换能器，其中声性能通过减少横向模式共振和减少声串扰来改善。本公开的进一步目的是提供几乎为实际空气填充的超声探头阵列换能器，其在升高的温度下具有更好的性能。本公开的进一步目的是提供几乎为实际空气填充的超声探头阵列换能器，其具有较低的声阻抗。本公开的进一步目的是提供填充材料，其可以根据应用而定制为较硬的或较软的。这些目的通过利用作为气凝胶型材料的前体的填充剂来实现，所述气凝胶型材料具有将陶瓷柱适当地稳定所必要的机械性能。填充之后，气凝胶前体可以使用蒸发(次临界)干燥或使用超临界干燥的技术来干燥。干燥之后，陶瓷柱通过如下填充材料支承，所述填充材料具有非常接近于空气的所有理想性能的低密度、高强度的树枝状微结构。附图说明图1A为已经切割的压电陶瓷的示意图。图1B为切口空间已经通过填充材料填充的压电陶瓷的示意图。图1C为其中压电陶瓷的基底(base)已经磨掉的陶瓷复合体的示意图。图1D示出超声换能器的组件。图2为说明不同的干燥方法的相图。图3为示出石墨气凝胶的树枝状结构的显微照片。图4A为现有实践中的制造方法的流程图。图4B为根据本公开的制造方法的流程图。具体实施方式图1A、1B和1C示意性示出现有典型的换能器制造过程。图1A示出固体压电陶瓷块2，包括切割的上块部2a和未切割的下块部2b。将上块部2a切成栅格，由此形成具有顶部柱表面3a的柱的阵列，所述柱在下部连接(lowerconnections)7处由下块部2b的材料机械地支承。注意：可以有几千根柱，并且在现有实践中，各个单独的柱的典型尺寸可以在30至400μm宽×300至1000μm高的范围内，这些各个柱之间的切口间隔范围为15至250μm。图1B中，栅格的切口空间已经被具有顶部填充表面5a的填充材料4填充。填充材料4的目的是机械地支承并且声学上隔离各柱。在现有实践中，填充材料4为刚性环氧树脂材料，其缓慢固化以减少环氧树脂的收缩，这可能通过使柱变形或断裂来破坏它们。图1C中，将压电陶瓷2的基底磨削掉，暴露底部柱表面3b(未示出)和底部填充表面5b(未示出)。磨削之后的残留结构为压电复合体阵列8，其包括由环氧树脂基质支承的压电柱的阵列。图1D为超声换能器16的示意性说明。超声换能器16包括压电复合体阵列8、连接电路10、背衬层12和匹配层14。连接电路10连接至压电复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声换能器，其包括：具有发射面和非发射面的超声复合体层，所述超声复合体层进一步包括：由压电材料制成的柱的阵列，所述柱各自具有两个末端，一个末端为柱连接面并且另一个末端部分地形成所述发射面，并且，所述柱各自被由切口空间分开的相邻柱至少部分地包围；和填充所述柱之间的切口空间的填充材料，其中所述填充材料为气凝胶材料；具有拥有导电接触件的阵列的第一面的连接电路层，所述导电接触件各自与相应的柱连接面进行电接触；并且附接至所述连接电路层的第二面的背衬层，所述背衬层实质上防止从所述非发射面的声发射。

【技术特征摘要】
2017.09.29 US 62/565,326;2018.09.18 US 16/133,9211.一种超声换能器，其包括：具有发射面和非发射面的超声复合体层，所述超声复合体层进一步包括：由压电材料制成的柱的阵列，所述柱各自具有两个末端，一个末端为柱连接面并且另一个末端部分地形成所述发射面，并且，所述柱各自被由切口空间分开的相邻柱至少部分地包围；和填充所述柱之间的切口空间的填充材料，其中所述填充材料为气凝胶材料；具有拥有导电接触件的阵列的第一面的连接电路层，所述导电接触件各自与相应的柱连接面进行电接触；并且附接至所述连接电路层的第二面的背衬层，所述背衬层实质上防止从所述非发射面的声发射。2.根据权利要求1所述的换能器，其中所述柱各自具有柱高度和柱宽度，并且所述切口空间具有切口间隔。3.根据权利要求2所述的换能器，其中所述柱高度在300和1000μm之间，所述柱宽度在30和400μm之间，和所述切口间隔在15和250μm之间。4.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料为氧化硅气凝胶。5.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料为炭气凝胶。6.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料为金属氧化物气凝胶。7.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料为金属气凝胶。8.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料为纳米管气凝胶。9.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料为金属硫属化物气凝胶。10.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料为生物泡沫材料。11.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料具有在0.001和0.35g/cm3之间的密度。12.根据权利要求1所述的换能器，其中所述气凝胶材料具有大于1000℃的劣化温度。13.一种超声换能器的制造方法，其包括以下步骤：提供具有发射面和非发射面的超声复合体层，其进一步包括以下步骤：形成压电陶瓷块的上块部而形成柱的阵列，留下未加工的下块部，其中相邻的柱被切口空间分开，所述柱具有顶部柱表面和连接至所述下块部的下部...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·麦克蒂奇桑吉迪，
申请(专利权)人：奥林巴斯科技美国公司，
类型：发明
国别省市：美国,US