一种低熔点声透镜合金材料及其在制备聚焦声透镜换能器中的应用

1.本发明涉及聚焦超声领域，具体涉及一种低熔点声透镜合金材料及其在制备聚焦声透镜换能器中的应用。


背景技术：

2.超声探头通常由压电晶片、背衬层、声透镜和匹配层组成，通过将换能器产生的超声波发射出去实现超声检测。声透镜是指在制成适当形状后可使沿直线传播的声波产生会聚或发散的器件。在在超声的一些应用技术中，为了获得高的超声强度或者将超声能量集中到一定的区域，必须利用超声聚焦。目前主要采用的超声聚焦方式有声透镜聚焦、自聚焦、相控阵聚焦，在超声医疗、超声成像以及超声检测等设备中，经常采用超声聚焦系统。超声换能器所用的声透镜材料目前主要有环氧树脂和硅胶等，但是使用温度受到限制，65℃以上使用条件会发生变形。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种低熔点声透镜合金材料，并用于其制作压电声聚焦声透镜换能器，有望改善使用温度对压电换能器的限制问题，对超声换能器的发展具有重要意义。
4.为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
5.本发明提出了一种低熔点声透镜合金材料，所述低熔点声透镜合金材料包括：铋铟锡基材料和掺杂剂；所述掺杂剂至少包括b、co、cr、si、y、ti、v、ge、be、mn、zn、nb、ta、w和al的氧化物中的一种。
6.作为上述技术方案的改进之一，所述铋铟锡基材料为铋铟锡锌或铋铟锡锶。
7.作为上述技术方案的改进之一，所述铋铟锡基材料与氧化物的质量比范围为5:1～20:1。
8.作为上述技术方案的改进之一，所述掺杂剂为粉末颗粒，颗粒粒径范围为0.1μm～6μm。
9.作为上述技术方案的改进之一，所述铋铟锡基材料的熔点范围为6～120℃，声阻抗范围为10～30mrayl，声速范围为2166～3100m/s，声衰减范围为0.17～0.3db/mm@4mhz。
10.本发明还提出了上述之一所述低熔点声透镜合金材料在制备聚焦声透镜换能器中的应用。
11.本发明还提出了一种聚焦声透镜换能器，所述聚焦声透镜换能器包括：背衬层1、压电晶片、匹配层和声透镜，所述声透镜使用上述之一所述低熔点声透镜合金材料浇注而成。
12.作为上述技术方案的改进之一，所述声透镜的制备方法包括以下步骤：
13.将铋铟锡基材料熔化，并与掺杂剂混合均匀，再进行浇注固化，获得声透镜。
14.作为上述技术方案的改进之一，所述声透镜为球面或者柱面聚焦。
15.本发明与现有技术相比优点在于：
16.1、本发明的铋铟锡基材料具有6～120℃的熔点，优选地，具有92-110℃熔点的铋铟锡基材料，可作为玻璃、陶瓷和金属之间良好的粘结剂和密封材料，也可在换能器制作过程中作为焊料，引出压电晶片的正负极引线；
17.2、本发明的压电聚焦声透镜换能器使用的铋铟锡基材料熔点选为92-110℃，在低于80℃使用温度下不发生软化变形，从而能改善压电聚焦声透镜换能器不适用于65℃以上应用场景的问题；
18.3、本发明的聚焦声透镜合金材料具有比硅胶材料更高的声速，说明其衰减系数更小；
19.4、本发明的聚焦声透镜合金材料所制备的聚焦声透镜，相比于有机玻璃，对声压具有更小的衰减作用；
20.5、在本发明中，掺杂剂的加入主要是为了增大声透镜的声阻抗和硬度。
附图说明
21.图1为压电聚焦换能器的制作方法的实现流程示意图；
22.图2为压电聚焦换能器的组成结构示意图；
23.图3为声透镜浇注前后的回波和带宽图。
24.附图标识
25.1、背衬层2、压电晶片3、匹配层4、声透镜5、水
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
27.本发明提供了一种低熔点声透镜合金材料及应用，所述声透镜合金材料包括：铋铟锡基材料以及少量氧化物掺杂剂；所述氧化物掺杂剂包含至少一种以下成分的氧化物：b(硼)、co(钴)、cr(铬)、si(硅)、y(钇)、ti(钛)、v(钒)、ge(锗)、be(铍)、mn(锰)、zn(锌)、nb(铌)、ta(钽)、w(钨)和al(铝)。
28.可选的，所述铋铟锡基材料为铋铟锡锌或铋铟锡锶等，优选铋铟锡锌。
29.可选的，所述掺杂剂为粉末颗粒，粒径范围为0.1μm～6μm，优选1μm～3μm。
30.通过调控铋铟锡基材料中各元素的成分，对铋铟锡基材料的相关物理性质进行调节：
31.可选的，所述铋铟锡基材料的声阻抗为10～30mrayl；
32.可选的，所述铋铟锡基材料的声速为2166～3100m/s；
33.可选的，所述铋铟锡基材料的声衰减为0.17～0.3db/mm@4mhz；
34.可选的，所述铋铟锡基材料的熔点有6℃、20℃、47℃、70℃、92℃、120℃等多种选择，实现熔点范围达到6～120℃；
35.优选地，所述铋铟锡基材料熔点范围为70～110℃；
36.更优选地，所述铋铟锡基材料熔点范围为92～98℃。
37.另一方面，本发明还提供一种上述铋铟锡基材料作为换能器的焊材，所述铋铟锡
基材料的熔点为92～110℃，可以作为焊材将压电晶片的正负极引线引出来。低于92℃焊接接头不易发生变形，使得焊接处稳定牢固。
38.再一方面，本发明还提供一种上述声透镜合金材料制作的压电聚焦声透镜换能器，换能器包括压电晶片、声透镜、背衬层和匹配层，经电压晶片固定、背衬浇注、声透镜浇注以及加盖密封形成。所述换能器声透镜合金材料需先在低于150℃温度下进行熔化，再进行声透镜浇注。
39.可选的，所述换能器声透镜材料需先在120℃温度下进行熔化，再进行声透镜浇注。
40.可选的，所述压电聚焦声透镜换能器的声透镜为球面点聚焦或者柱面线聚焦，温度低于80℃时，声透镜合金材料不发生熔化等热变形，因此可以适用于温度65℃以上的应用场景。
41.所述压电聚焦声透镜换能器的声透镜为球面或者柱面聚焦，温度低于80℃声透镜材料不发生熔化等热变形。
42.在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
43.图1是本发明一实施例提供的压电聚焦换能器的制作方法的实现流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的压电聚焦换能器的制作方法，包括：
44.s101、调制一定比例背衬层，混合均匀后浇注入探头内芯的空腔中，进行固化；
45.本步骤中，所述调制一定比例的背衬层，具体为将环氧树脂和钨粉等按照一定比例调制，并将其混合均匀灌入探头内芯空腔中，整体置于材料试验箱中，进行抽真空，保持65℃温度下固化5-8小时。
46.s102、选取合适比例的声透镜材料，将铋铟锡基材料在低温熔化，并与掺杂剂混合均匀，在干燥箱内进行真空处理后，浇注在压电晶片表面，然后进行固化。
47.本步骤中，选取的铋铟锡基材料为铋铟锡锌，选取的掺杂剂为二氧化硅；将铋铟锡锌合金在120℃以下温度熔化，然后与二氧化硅掺杂物按照质量比10:1混合均匀。根据换能器内芯和外壳的位置，制备相应的声透镜材料并置于真空干燥箱内真空脱泡处理，然后将熔化后的声透镜材料浇注于压电晶片表面，用钢球球面或者钢柱柱面压合，置于材料试验箱内，抽真空，并保持65℃温度下固化5-8小时。
48.s103、采用铋铟锡基低熔点声透镜合金材料作为焊接材料，结合助焊剂将换能器的正负极引线引出，并与同轴电缆正负极分别焊接固定在一起。
49.本步骤中，所述铋铟锡锌声透镜材料具有低熔点，可以作为焊接材料。铋铟锡锌材料结合助焊剂将换能器的正负极引线与同轴电缆正负极分别焊接固定。
50.下面通过具体实施例对本发明提供的一种低熔点声透镜合金材料制作的压电聚焦换能器进行进一步说明。
51.实施案例1：基于此发明提供的一种低熔点声透镜合金材料制作的压电聚焦换能器，并在此基础上测试压电聚焦换能器的性能。
52.(1)首先选取适当频率的压电晶片2，将压电晶片2水平放置于换能器内芯的背衬层1上，调制一定量的环氧树脂，均匀灌入探头内芯空腔中形成匹配层3，置于材料试验箱内
进行抽真空，保持65℃下固化6小时。
53.(2)其次调制声透镜材料，将熔点为92℃的铋铟锡锌合金材料与二氧化硅掺杂剂按照质量分数10:1进行配比，具体为先将铋铟锡锌材料熔化并与粒径为1μm的二氧化硅掺杂剂粉末混合均匀获得声透镜合金材料，后将声透镜合金材料浇注在步骤(1)中的压电晶片2表面形成声透镜4；
54.(3)将步骤(2)中浇注的声透镜4放入材料试验箱内进行抽真空，保持65℃下固化6小时；
55.(4)将步骤(3)中声透镜已制备完成的换能器的正负极引线通过铋铟锡锌低熔点焊材与助焊剂的作用，分别与同轴电缆线正负极焊接固定在一起，并保证换能器外壳接地。
56.(5)将步骤(4)中换能器(其结构如图2所示)的声透镜4的聚焦面与水5接触，进行密封加盖，室温固化，最终形成压电聚焦换能器。
57.(6)测试步骤(5)中制作成的压电聚焦换能器的性能，包括灌注声透镜后所述压电超声换能器的回波和带宽特性，其回波和带宽特性如图3所示。
58.实施案例2：本实施例在步骤(2)调制声透镜材料时，将熔点为95℃的铋铟锡锶合金材料与三氧化二铝掺杂剂按照质量分数5:1进行配比，其他条件与实施案例1中的相同，所制备得到的压电聚焦换能器的性能与实施案例1压电聚焦换能器中的性能相当。
59.实施案例3：本实施例在步骤(2)调制声透镜材料时，将熔点为96℃的铋铟锡锌合金材料与氧化锌、二氧化硅掺杂剂按照质量分数40:1:1进行配比，其他条件与实施案例1中的相同，所制备得到的压电聚焦换能器的性能与实施案例1中的压电聚焦换能器的性能相当。
60.由上述可知，本发明提供了一种低熔点声透镜合金材料及其在制备聚焦声透镜换能器中的应用，涉及聚焦声透镜压电换能器领域。所述低熔点声透镜合金材料包括铋铟锡基低熔点合金材料。在低温下将铋铟锡基材料与掺杂物混合均匀得到低熔点声透镜合金材料，将低熔点声透镜合金材料熔化后灌注在声透镜模具当中，经过抽真空、凝固最终形成声透镜；同时，低熔点铋铟锡基合金可以充当焊料，与助焊剂混合使用能实现对超声探头压电晶片正负极连接线的引出。
61.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
62.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种低熔点声透镜合金材料，其特征在于，所述低熔点声透镜合金材料包括：铋铟锡基材料和掺杂剂；所述掺杂剂至少包括b、co、cr、si、y、ti、v、ge、be、mn、zn、nb、ta、w和al的氧化物中的一种。2.根据权利要求1所述的低熔点声透镜合金材料，其特征在于，所述铋铟锡基材料为铋铟锡锌或铋铟锡锶。3.根据权利要求1或2所述的低熔点声透镜合金材料，其特征在于，所述铋铟锡基材料与掺杂剂的质量比范围为5:1～20:1。4.根据权利要求1所述的低熔点声透镜合金材料，其特征在于，所述掺杂剂为粉末颗粒，颗粒粒径范围为0.1μm～6μm。5.根据权利要求1所述的低熔点声透镜合金材料，其特征在于，所述铋铟锡基材料的熔点范围为6～120℃，声阻抗范围为10～30mrayl，声速范围为2166～3100m/s，声衰减范围为0.17～0.3db/mm@4mhz。6.权利要求1-5之一所述低熔点声透镜合金材料在制备聚焦声透镜换能器中的应用。7.一种聚焦声透镜换能器，所述聚焦声透镜换能器包括：背衬层(1)、压电晶片(2)、匹配层(3)和声透镜(4)，其特征在于，所述声透镜(4)使用权利要求1-5之一所述低熔点声透镜合金材料浇注而成。8.根据权利要求7所述的聚焦声透镜换能器，其特征在于，所述声透镜(4)的制备方法包括以下步骤：将铋铟锡基材料熔化，并与掺杂剂混合均匀，再进行浇注固化，获得声透镜(4)。9.根据权利要求8所述的聚焦声透镜换能器，其特征在于，所述声透镜(4)为球面或者柱面聚焦。

技术总结
本发明涉及聚焦声透镜换能器领域，涉及一种低熔点声透镜合金材料及其在聚焦声透镜换能器中的应用。本发明的低熔点声透镜合金材料包括铋铟锡基材料和少量掺杂剂；其中，掺杂剂至少包括B、Co、Cr、Si、Y、Ti、V、Ge、Be、Mn、Zn、Nb、Ta、W和Al的氧化物中的一种；铋铟锡基材料与氧化物的质量比范围为5:1～20:1。铋铟锡基材料为铋铟锡锌或铋铟锡锶。本发明的低熔点声透镜合金材料熔化后灌注在声透镜模具当中，经过抽真空、凝固最终形成声透镜；声透镜再与背衬层、压电晶片、匹配层共同制备得到压电聚焦声透镜换能器。换能器。换能器。


技术研发人员：戚青丽 廉国选 陈秋颖 周雨轩
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/8/5