[发明专利]一种使用梯度匹配层的超声探头

权利要求书

1.一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：该超声探头包括压电材料和匹配层；

所述匹配层设置在压电材料的前表面上，其中，电极形成在压电材料的前表面和后表面上；

所述压电材料和匹配层被加工成单阵元、一维或二维多阵元阵列；

所述匹配层设置为单层匹配层，以替代目前的多层匹配层来应用在阵列式的超声换能器上。

2.根据权利要求1所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：该单层匹配层主要通过声阻抗梯度材料的制备方法来进行制作，具体包括如下制作步骤：

S1、混合；

S2、脱泡；

S3、成型；

S4、固化。

3.根据权利要求2所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：所述S1中，混合是指将制备的原材料混合物按照成分的变化顺序进行编号，并将原材料进行充分搅拌混合处理，其中原材料包括以环氧树脂为基底，加入金属粉末、金属氧化物粉末和玻璃微珠，环氧树脂为E41、E51及同类型的其他牌号；

金属粉末、金属氧化物粉末主要为钨粉、氧化钨粉、氧化铋粉等高密度粉末，而低密度的氧化铝粉末等则适用于中低声阻抗场合，粉末选择超细的。

4.根据权利要求2所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：所述S2中，脱泡主要用于消除原材料混合物在混合过程中所产生的气泡，其中，具体脱泡方式可选用抽真空脱泡、离心脱泡、离心加真空脱泡多种脱泡方式中的一种，需要注意的是，不同的脱泡和成型方法，对声阻抗会产生影响。

5.根据权利要求2所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：所述S3中，成型是指采用流延处理的方式来使混合脱泡后的原料制成薄膜，并控制该成型后薄膜的厚度为25um。

6.根据权利要求5所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：在流延成型处理时，20-100nm氧化铝粉末和环氧胶E51的混合物，粘度适中，方便流延成型，流延设备的厚度控制精度可达±2um，厚度可从10um到200um，调整好流延设备的刀高，流延带缓慢移动，混合物在流延带上形成一层薄膜，经60度缓慢加热，成半固化的流延膜，将流延膜按照0-9的顺序进行编号，流延膜宽度可设置成100mm宽或者200mm宽，并通过流延设备的切刀来按照编号顺序将流延膜裁成方片。

7.根据权利要求2所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：所述S4中，固化是指对流延生产的流延膜进行固化处理，在流延膜裁切为方片后，在规定的时间范围内，在叠层机下按照顺序，将方片按照编号0-9的顺序依次叠合起来，依序去掉流延带。

8.根据权利要求7所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：在S4中，叠合时，叠层机提供真空和一定温度，叠好的薄膜刚好250um，然后在室温下固化后，在烘箱里继续固化，在未完全固化时用叠层机叠合，其附着力足够，完全固化后，经过高低温循环试验，没有脱开，中间也没有气泡，质量可靠；

将固化完成后的方片在划片机上划成指定的尺寸，即可用在换能器的制作上，在制作时，方片在跟压电材料叠合时，高氧化铝质量分数的那一面须紧靠着压电材料，制作成功的64阵元相控阵探头，性能优于常规的2层匹配层探头。

9.根据权利要求3所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：所述S1中，在制备混合物时，需要配比不同质量组分的混合物，并进行性能测试，在测试过程中，随着氧化铝粉末在混合物中比例的增加，固化后的材料的密度增大，声速缓慢增加，v＝3000m/s，声阻抗呈线性增加，从纯环氧树脂E51的3.1MRayl到6.7MRayl；

其线性拟合方程为：Z＝7.2X+3.1(公式1)，其中，Z为声阻抗，X为氧化铝的质量分数。

10.根据权利要求9所述的一种使用梯度匹配层的超声探头，其特征在于：最佳透射率计算的结果表明，理想的匹配层的声阻抗随距离变化的曲线呈指数衰减，采用多层结构，每层内部性能均匀一致，多层叠合起来，就是声阻抗准连续的梯度材料；

根据指数规律，每层的声阻抗的表达式为：其中，1≤i≤n-2，n≥3(公式2)，Z₀为匹配层的高阻抗，Z_n-1为匹配层的低阻抗，n为准梯度材料中的层数。