一种软硬结合融合性超声换能器及其制备方法

1.本发明涉及超声探测成像及深海高压环境探索领域，具体涉及一种软硬结合融合性超声换能器及其制备方法。


背景技术：

2.目前，在深海中，对于生物的探测有声学和光学两种手段。但是深水恶劣的工况下，光学探测的手段往往受到光波耗散的限制，想要得到比较清晰的光学影像，需要蕴含能量大、覆盖范围广的光束，这也会惊扰海底的生物体或造成环境破坏。因此深海环境下声学手段占有更明显的优势。想要对深海未探索区域的生物进行成像乃至体内探测，需要使用新的高清晰度分辨率的声成像方法，这将成为观测深水生物的另一双眼睛。
3.深海中有着极高的静水压力(100mpa级别)给人类探索与作业带来巨大挑战。在高压下如何保护超声探测所必需的硬件设备，是必须面对并亟需解决的问题。目前，软硬结合的力学设计结构是一种有效对抗深海超高压的手段。同时，在超声换能器中，硬质压电材料(piezoelectric ceramics，pzt陶瓷等)被“镶嵌”在质地较软的环氧树脂中，再统一粘连到吸声的衬底软材料聚氨酯上，形成了软硬复合的融合体结构，与深海工作的抗高水压设计不谋而合。
4.高压下材料会产生非线性形变，这会对其中声波(弹性波)的传播、耗散等产生影响。同时在高压下保持力学和电学系统的完整性也是需要解决的力学设计内容。在力学设计方面，软硬结合的思路已经被广泛应用于抗高压等恶劣环境下的机电系统结构设计。在高压下软硬结合的材料、机器人已经被证明有良好的自适应抗压能力。由软硬融合方式构造机电系统、力电耦合软体智能材料驱动的软体机器人无需耐压外壳即可适应极高静水压力(110mpa)并实现驱动。
5.日本kohji iida等，在水下机器人的功能中，添加制作了一个辅助光学摄像机的水下声学摄像机hs2000，可以用于测量活体海洋动物的大小、形状和运动，以及内部器官的组织、形状和运动。使用水缸实验成功证明了其声学摄像机对于生物体内部具有良好的观测效果，可以清晰看到乌贼、鱼的内部血管等组。但是该声学摄像机目前仅仅实现了水下100m压力下的实验，还未到深海探索范畴，同时对其声学摄像机的压力保护手段也较为传统，利用硬质耐高压外壳包裹所需的摄像机硬件。与本文所述的融合性超声换能器相比具有体积大，质量大，所需耐压外壳材料刚度高等缺陷。
6.aris(adaptive resolution imaging sonar)是sound metrics公司基于didson的现有产品，制造出的一种自适应分辨率的成像声呐。已经实现在鱼缸条件下的对于物种特异性表型特征(大小)和行为(运动策略；唇型、亚血管型和细血管型)的测量。denham cook等利用aris建立了一种“鱼长现场勘测技术”，实现了对于单条活鱼的水下实时长度测量(aris 3000explorer成像声纳具有两种工作频率：3mhz，监测范围5m；1.8mhz，监测范围15m。两种距离分辨率下限均在3mm到19mm之间)。该摄像机体积小，使用方便并且已集成为商业产品，但其高压保护手段也仍为耐压外壳包裹，同时耐压能力仍未达到目前所需的全
海深或半海深实验拍摄要求。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明从软硬结合的超声换能器入手，研究其中高压下的力学建模和结构设计，提出了一种软硬结合融合性超声换能器及其制备方法。
8.实现本发明目的的主要技术方案如下：本发明提供一种软硬结合融合性超声换能器，包括软材料高压自适应腔体1、声匹配层2、顶电极3、压电阵元模块4、底电极5和背衬吸声层6，所述背衬吸声层6、底电极5、压电阵元模块4和顶电极3从下往上依次叠层布置，所述声匹配层2涂覆在背衬吸声层6、底电极5、压电阵元模块4和顶电极3裸露的上表面，所述软材料高压自适应腔体1包裹所述声匹配层2、顶电极3、压电阵元模块4、底电极5和背衬吸声层6。
9.本技术中的所述压电阵元模块4包括多个压电陶瓷片，多个所述压电陶瓷片线性阵列布置于柔性聚合物中，所述柔性聚合物为环氧树脂材料。
10.本技术中的顶电极和底电极的材质为金属铜，金属铜的厚度为5-100μm，其上沉积一层钛薄膜。
11.本技术中的声匹配层的材质为环氧树脂或改性环氧树脂，厚度为探测频率下波长的1/4。
12.本技术中的背衬吸声层的材质为聚氨酯或钨粉改性环氧树脂。
13.本技术中的软材料高压自适应腔体1采用硅橡胶材料制作，软材料高压自适应腔体1为圆柱体，其半径为10mm，高度为8mm。
14.所述压电阵元模块使用压电陶瓷等材料，电致驱动可产生高频振动，接发电压信号和声学信号，并将两者进行转换；顶电极及底电极制备材料为金属铜；声匹配层材料为改性环氧树脂材料，作用在于将探测物体和压电阵元的模量进行阻抗匹配，即通过中介物质减少声波在界面上的反射耗散，匹配层的厚度为声波在其中波长长度的四分之一；衬底部分由聚氨酯构成，目的是完全吸收背部弹性波，以免背衬硬声场边界对信号产生影响。
15.所述软硬结合融合性超声换能器为融合体式软硬结合力学结构，利用硬质压电陶瓷镶嵌于硅橡胶类聚合物软材料中的形式，有效抵抗近100mpa的深水压力进行正常工作。
16.本技术使用软材料对超声换能器结构进行封装，该将压电阵元一一拆开打散，分散浇筑于环氧树脂中，形成线性阵列，然后整体浇筑于硅橡胶中进行压力保护，如图2所示。
17.本技术还提供一种软硬结合融合性超声换能器的制备方法，包括以下步骤，步骤1，制备压电陶瓷片，将压电陶瓷切割成均一的片状结构；步骤2，制备压电阵元模块，将步骤1中制备的多个压电陶瓷片线性阵列布置在一模具中，在模具中浇注环氧树脂柔性材料，以淹没压电陶瓷片顶端为准，形成压电阵元模块；步骤3，在压电阵元模块上下端面分别敷设顶电极和底电极；步骤4，在顶电极上包裹声匹配层，在底电极下端敷设背衬吸声层；步骤5，将步骤1-步骤4制备的模块整体置于一模具当中，将搅拌后的硅橡胶沿边界缓慢倒入模具之中，直至完全浸没；步骤6，将模具连同内部液态硅橡胶放置于与真空泵连接的真空箱子，确认密封
后，使用真空泵对其进行抽真空。
18.所述的制备方法1：使用3d打印亚克力模具，胶水粘合成为盒状模具。搅拌后将粘稠胶状的硅橡胶沿边界缓慢倒入模具之中，将已焊接拉出引线的压电阵列沉浸于硅橡胶之中，底部使用已凝固的硅橡胶片做垫片支撑，调整倾倒角度使得压电阵列充分被液态硅橡胶包裹。完全浸没之后，将模具连同内部液态硅橡胶放置于与真空泵连接的真空箱子，确认密封后，使用真空泵对其进行抽真空，在这一过程中，存在于液态硅橡胶中的小气泡会因为气压上浮到表面并膨胀消失，充分减少硅橡胶内部的气泡等孔隙缺陷，以避免凝胶内部的小气泡对材料性质和抗压性能产生影响。
19.所述的制备方法2：使用3d打印亚克力磨具，胶水粘合成为薄膜状模具。使用拉膜机将vhb形成薄膜，覆盖于模具表面，并涂上脱模剂。制备水凝胶脱气水溶液，将100g脱气后的海藻酸钠水溶液(质量分数2％)置于试管中，加入22.2g丙烯酰胺单体，加入0.02g的交联剂(如6,6'-双氨基-3,3'-甲叉基二苯甲酸(mbaa))，加入少量葡萄糖作为缓释剂，混合均匀，最终与钙离子(硫酸钙悬浊液)混合，将该流程制备的预凝胶溶液倒入模具中，浸润所使用的已焊接正负电极的压电片，焊线引出后，将模具密封在潮湿环境中保存1h；待其物理交联后，将水凝胶和模具分离后，装配弹性管；保持紫外线室潮湿，用紫外光(365nm uv；uvp cl-1000)照射1h后，待凝胶共价交联聚合后，将水凝胶在水中溶胀至少48h以达平衡态。
20.该保护方法的有效性由以下方法给出：该软材料保护下声场所受的影响(弹性波分析)，可结合引用非连续介质力学验证：在先采用的保护软材料中主要选用材料为硅橡胶，是一类可压缩材料。模型采用ogden的可压缩材料模型，该模型下，材料的超弹性的应变能函数形式如下：在先采用的保护软材料中主要选用材料为硅橡胶，是一类可压缩材料。模型采用ogden的可压缩材料模型，该模型下，材料的超弹性的应变能函数形式如下：其中，ψ是应变能函数，
vol
和
iso
下标分别代表体积变化部分和等体变化部分的单位体积中的应变能能量。κ为材料的体积模量，由杨氏模量和泊松比给出，在该模型下，一般取：进一步地部分，根据模型，选定：其中常数α1＝1.3 μ1＝6.3e5n/m2α2＝5.0 μ2＝0.012e5n/m2α3＝-2.0 μ3＝-0.1e5n/m2在本问题中，超材料模型已经完全给出，即与材料选择有关的常数推导已经完备地给出，因此根据推导可以得到弹性张量的表达式：
上式表明，该硅橡胶软材料在某一状态下的弹性张量仅和当前的变形梯度以及采用的超弹性本构模型有关。进一步地，给出弹性张量所给出的波动方程，其中弹性张量和前述弹性张量的关系，由下式给出证明该高压自适应方法未对压电阵元周围的声波(弹性波)传输产生影响。
21.进一步地，沿用上述偏微分方程，进行离散，使用有限元仿真手段，评估该保护方法对声场的影响，同时验证其高压下的工作状态。对制备得到的原型进行声学信号发射与接收实验，在发射压电片正极施加幅值100v，频率为10khz-50khz，交流电，负极接地。发射和接收压电片的一极衮支撑，限制其纵向振动。
22.与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用融合性设计而非耐压外壳的力学结构，结合超声换能器本有的镶嵌式结构，使得超声换能器获得了有效的软体耐高压工作能力。是一种具有创新性的深海高压声学探测超声换能器设计，该设计和保护方法具有耐超高压，柔性高，自适应等优点。
附图说明
24.图1为融合性超声换能器结构示意图；图2为融合性超声换能器结构剖面示意图；图3为换能器在高压下工作示意图；图4为实施例2的水凝胶融合性超声薄片换能器结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
26.如图1所示，本发明提供一种可耐高压的软硬结合融合性超声换能器，包括软材料高压自适应腔体1、声匹配层2、顶电极3、压电阵元模块4、底电极5和背衬吸声层6，所述背衬吸声层6、底电极5、压电阵元模块4和顶电极3从下往上依次叠层布置，所述声匹配层2涂覆在背衬吸声层6、底电极5、压电阵元模块4和顶电极3裸露的上表面，所述软材料高压自适应腔体1包裹所述声匹配层2、顶电极3、压电阵元模块4、底电极5和背衬吸声层6。
27.本技术中的所述压电阵元模块4包括多个压电陶瓷片，多个所述压电陶瓷片线性阵列布置于柔性聚合物中，所述柔性聚合物为环氧树脂材料。
28.本技术中的顶电极和底电极的材质为金属铜，金属铜的厚度为5-100μm，其上沉积
一层钛薄膜。
29.本技术中的声匹配层的材质为环氧树脂或改性环氧树脂，厚度为探测频率下波长的1/4。
30.本技术中的背衬吸声层的材质为聚氨酯或钨粉改性环氧树脂。
31.本技术中的软材料高压自适应腔体1采用硅橡胶材料制作，软材料高压自适应腔体1为圆柱体，其半径为10mm，高度为8mm。
32.背衬吸声层制备材料为聚氨酯或钨粉改性环氧树脂，大幅吸收背部耗散声波，将环氧树脂和固化剂加热融化，掺入钨粉，加热的同时用玻璃棒搅拌混合物，搅拌后使混合物均匀冷却，制备得到。
33.该实施例下高压自适应整体结构：在刚性较大的压电陶瓷外，包裹匹配层及第一层软材料保护(第一层保护材料为环氧树脂)，后与另一层软质衬底材料聚氨酯粘连后，外包裹第二层保护高聚合物硅橡胶。
34.该实施例结构中：压电陶瓷：杨氏模量e
pzt
＝76500mpa，泊松比μ
pzt
＝0.32聚氨酯：杨氏模量e
tpu
＝50mpa，泊松比μ
tpu
＝0.47环氧树脂：杨氏模量e
ep
＝1gpa，泊松比μ
ep
＝0.38硅橡胶：杨氏模量e
silicone
＝5mpa，泊松比μ
silicone
＝0.48该实施例下高压自适应软材料腔体结构的制备方法：使用3d打印亚克力模具，胶水粘合成为盒状模具。搅拌后将粘稠胶状的硅橡胶沿边界缓慢倒入模具之中，将已焊接拉出引线的超声换能器沉浸于硅橡胶之中，底部使用已凝固的硅橡胶片做垫片支撑，调整倾倒角度使得超声换能器充分被液态硅橡胶包裹。完全浸没之后，将模具连同内部液态硅橡胶放置于与真空泵连接的真空箱子，确认密封后，使用真空泵对其进行抽真空。在这一过程中，存在于液态硅橡胶中的小气泡会因为气压上浮到表面并膨胀消失，充分减少硅橡胶内部的气泡等孔隙缺陷，以避免凝胶内部的小气泡对材料性质和抗压性能产生影响。抽真空后将融合性换能器放入烘箱烘干凝固，得到实施例。
35.应力分析中，最大米塞斯应力出现在应变片根部，说明在受到静水高压时，这一部分结构可能会受到破坏，米塞斯应力最大为250mpa，在这一应力水平下，压电陶瓷并不会产生屈服，但是可能会因为机械强度产生退极化的现象。同时观测整体结构的弯曲变形，整体弯曲角度通过阵列最外端变形最大处计算。
36.定义该变形下的两种变形衡量数据：弯曲角度θ
bend
：代表该压力下整体零件的受弯程度。
37.匹配层收缩比例κ
coupling
：代表该压力下匹配层厚度h的变化情况。结果显示该条件下，匹配层厚度由
0.415mm减小了百分之95.3，达到了0.395mm。
38.如图3所示，本实施例1、2在高压自适应下的高静水压环境工作测试。将实施例置入高压水环境中，在发射压电片正极施加幅值100v，频率为10khz-50khz，交流电，负极接地。接受压电片后端接入示波器等接收测试电路，显示响应电信号。
39.如图3所示。在高压水环境中，被施加100v发射电压后，接收端能得到0.5-3v的响应电压，该响应频率可包含100khz-5mhz级别。
40.如图4所示，本实施例2中深海融合性超声换能器的高压自适应方法包括vhb封膜框架(1)、软材料高压自适应腔体(2)、顶电极(3)、振动压电薄片(4)、底电极(5)；使用融合体深海高压自适应方法。
41.本实施例2采用的制备方法：使用3d打印亚克力模具，胶水粘合成为薄膜状模具。使用拉膜机将vhb形成薄膜，覆盖于模具表面，并涂上脱模剂。制备水凝胶脱气水溶液，将100g脱气后的海藻酸钠水溶液(质量分数2％)置于试管中，加入22.2g丙烯酰胺单体，加入0.02g的交联剂(如6,6'-双氨基-3,3'-甲叉基二苯甲酸(mbaa))，加入少量葡萄糖作为缓释剂，混合均匀，最终与钙离子(硫酸钙悬浊液)混合，将该流程制备的预凝胶溶液倒入模具中，浸润所使用的已焊接正负电极的压电片，焊线引出后，将模具密封在潮湿环境中保存1h；待其物理交联后，将水凝胶和模具分离后，装配弹性管；保持紫外线室潮湿，用紫外光(365nm uv；uvp cl-1000)照射1h后，待凝胶共价交联聚合后，将水凝胶在水中溶胀至少48h以达平衡态。从模具中取出得到自适应融合性超声薄片换能器。
42.以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种软硬结合融合性超声换能器，包括软材料高压自适应腔体、声匹配层、顶电极、压电阵元模块、底电极和背衬吸声层，所述背衬吸声层、底电极、压电阵元模块和顶电极从下往上依次叠层布置，所述声匹配层涂覆在背衬吸声层、底电极、压电阵元模块和顶电极裸露的上表面，所述软材料高压自适应腔体包裹所述声匹配层、顶电极、压电阵元模块、底电极和背衬吸声层。2.根据权利要求1所述的一种软硬结合融合性超声换能器，其特征在于，所述压电阵元模块包括多个压电陶瓷片，多个所述压电陶瓷片线性阵列布置于柔性聚合物中，所述柔性聚合物为环氧树脂材料。3.根据权利要求1-2任一所述的一种软硬结合融合性超声换能器，其特征在于，所述顶电极和底电极的材质为金属铜，金属铜的厚度为5-100μm，其上沉积一层钛薄膜。4.根据权利要求1-3任一所述的一种软硬结合融合性超声换能器，其特征在于，所述声匹配层的材质为环氧树脂或改性环氧树脂，厚度为探测频率下波长的1/4。5.根据权利要求1-4任一所述的一种软硬结合融合性超声换能器，其特征在于，所述背衬吸声层的材质为聚氨酯或钨粉改性环氧树脂。6.根据权利要求1-5任一所述的一种软硬结合融合性超声换能器，其特征在于，所述软材料高压自适应腔体1采用硅橡胶材料制作，软材料高压自适应腔体1为圆柱体，其半径为10mm，高度为8mm。7.根据权利要求1-6任一所述的一种软硬结合融合性超声换能器的制备方法，包括以下步骤，步骤1，制备压电陶瓷片，将压电陶瓷切割成均一的片状结构；步骤2，制备压电阵元模块，将步骤1中制备的多个压电陶瓷片线性阵列布置在一模具中，在模具中浇注环氧树脂柔性材料，以淹没压电陶瓷片顶端为准，形成压电阵元模块；步骤3，在压电阵元模块上下端面分别敷设顶电极和底电极；步骤4，在顶电极上包裹声匹配层，在底电极下端敷设背衬吸声层；步骤5，将步骤1-步骤4制备的模块整体置于一模具当中，将搅拌后的硅橡胶沿边界缓慢倒入模具之中，直至完全浸没；步骤6，将模具连同内部液态硅橡胶放置于与真空泵连接的真空箱子，确认密封后，使用真空泵对其进行抽真空。

技术总结
本发明公开了一种软硬结合融合性超声换能器及其制备方法。本发明从软硬结合的超声换能器入手，研究其中高压下的力学建模和结构设计，建立一了种可本实施例中深海融合性超声换能器的高压自适应方法，结构软材料高压自适应腔体、声匹配层、顶电极、动压电阵元片、底电极、衬吸声层；使用融合体深海高压自适应方法。使用融合体深海高压自适应方法。使用融合体深海高压自适应方法。


技术研发人员：李铁风 干乐天 周方浩 王海俊 阮东瑞
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/8/28