陣列解析式超聲波聚焦換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明所設(shè)計的陣列解析式超聲波聚焦換能器，包括信號激勵/接收源，換能器外殼，商用接觸式超聲波探頭，石英聚焦鏡頭，陣列式聲波空間感測區(qū)，其中陣列式聲波空間感測區(qū)在具體結(jié)構(gòu)上還包括陣列圖案式感測底電極，PVDF壓電薄膜以及頂端保護電極組成。
【發(fā)明內(nèi)容】
包括其結(jié)構(gòu)原理、制作及使用方法等，該換能器的設(shè)計目的在于通過布設(shè)空間上多個角度下的壓電感測區(qū)，實現(xiàn)在多角度下對空間聲場的感測，以了解聲場在空間上的分布特性，從而反演出反射試件表面或內(nèi)部的形貌信息。
【專利說明】陣列解析式超聲波聚焦換能器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明所設(shè)計的陣列解析式超聲波聚焦換能器主要應(yīng)用于超聲顯微自動化測試 系統(tǒng)的信號激勵與接收端，通過布設(shè)在換能器聚焦曲面端的多個壓電感測元件實現(xiàn)從多角 度感測換能器所產(chǎn)生的聚焦聲場在空間上的聲壓分布，該發(fā)明屬于超聲無損檢測領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波聚焦換能器是超聲顯微測試系統(tǒng)的核心器件，主要用于激勵和接收超聲信 號以獲取待測試件表面或內(nèi)部的超聲傳播特性。該類換能器在工業(yè)超聲波掃描系統(tǒng)、超聲 波影像檢測系統(tǒng)以及超聲波顯微鏡等設(shè)備中有十分重要的研究價值和應(yīng)用前景。近年來， 超聲波聚焦換能器更是被廣泛地應(yīng)用于集成封裝電路檢測、先進材料的性能測試、醫(yī)學(xué)工 程與生物組織的影像觀測等。
[0003] 超聲波聚焦換能器的種類很多，依照其聚焦形式，可以分為點聚焦與線聚焦式；依 照壓電材料所在的位置，可以分為有鏡頭式與無鏡頭式等等。傳統(tǒng)的超聲波聚焦換能器是 由壓電材料配合超聲波鏡頭構(gòu)成的只有單一感測面的超聲波換能器，如圖1所示。其中， 超聲波的聚焦聲場由一個一端帶有球形曲面的超聲波鏡頭實現(xiàn)，其制作材料一般具有高聲 速、低衰減等特性，如石英、氧化鋁晶體等；信號激勵/接收源所送出的高電壓脈沖信號激 發(fā)壓電層產(chǎn)生聲波，經(jīng)由超聲波鏡頭的聚焦曲面折射后在耦合液中形成聚焦的入射聲場； 入射聲波在材料表面會有一部分折射進入試樣中，還有一部分會發(fā)生反射，而再此經(jīng)由超 聲波鏡頭的曲面接收后回到壓電層，并產(chǎn)生反射信號。如果試片表面或內(nèi)部有缺陷，例如氣 孔、裂縫或雜質(zhì)等，則入射波會在缺陷處發(fā)生散射，部分散射聲波也會由超聲波鏡頭回到壓 電層，產(chǎn)生一個背向散射信號。常用的超聲波掃描與成像都是利用背向散射信號，得到待測 試件內(nèi)部的信息。
[0004] 另外，也有一種無鏡頭式的超聲波聚焦換能器，如圖2所示，它采用柔性壓電材料 (例如PVDF)直接在聚焦曲面上成型，信號激勵/接收源直接激勵這一層曲面的壓電薄膜， 形成聚焦形式的入射聲場。這種無鏡頭式的聚焦超聲波換能器，其最大優(yōu)點是沒有固體/ 液體曲面上的透射、反射與折射現(xiàn)象，因此信號的傳播更為直接，有利于數(shù)據(jù)處理時對聲波 的分析。另外，PVDF的聲學(xué)阻抗與水十分接近，因此有良好的聲學(xué)阻抗匹配。加上這種無 鏡頭式超聲波換能器的制作過程簡單、可操作性強，且制作成本低廉，在工業(yè)領(lǐng)域有十分廣 闊的應(yīng)用前景。
[0005] 上述兩種類型的超聲波聚焦換能器都有一共同的點，即他們都是由單一的感測區(qū) 構(gòu)成的，因此換能器的輸出信號是所有回到感測壓電層的反射聲波與背向散射聲波的迭 力口，即需要積分所有回到感測壓電層上的聲波能量，才能得到一個單一的輸出電壓信號。因 為積分與迭加的作用會損毀回波信號的相位與空間位置信息，因此所得到的單一信號無法 反應(yīng)或重建出完整的背向散射聲場分布情況，但是如上文所述，背向散射聲場包含有試片 表面和內(nèi)部的缺陷或雜質(zhì)等重要信息，例如位置、大小、材質(zhì)等等；因此，傳統(tǒng)的超聲波聚焦 換能器對該類問題的檢測只能依賴接收信號的強弱大小，而欠缺對背向散射聲場更精密的 解讀與分析。
[0006] 因此亟待一種具有空間陣列分布感測元件的超聲波聚焦換能器去從多個角度感 測其正對聲場的壓力分布情況，并通過各個感測點獲取的信號特征的融合來進一步獲得背 向散射聲場的空間分布信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的在于通過布設(shè)空間上多個角度下的壓電感測區(qū)，實現(xiàn)在多角度下對空 間聲場的感測，以了解聲場在空間上的分布特性，從而反演出反射試件表面或內(nèi)部的形貌 信息。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明專利采用了如下方案：
[0009] 1.陣列解析式超聲波聚焦換能器，其特征在于：其包括信號激勵/接收源（1)，換 能器外殼（2)，商用接觸式超聲波探頭（3)，石英聚焦鏡頭（4)，陣列式聲波空間感測區(qū)（5) 組成，所述的信號激勵/接收源（1 )、商用接觸式超聲波探頭（3)、石英聚焦鏡頭（4)及陣列 式聲波空間感測區(qū)（5)順序布置；其特征在于：所述的陣列式聲波空間感測區(qū)（5)的具體結(jié) 構(gòu)包括從內(nèi)至外依次布置的陣列圖案式感測底電極（6)，PVDF壓電薄膜（7)以及頂端保護 電極（8)。
[0010] 2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的陣列解析式超聲波聚焦換能器，其特征在于：所述信 號激勵/接收源（1)以發(fā)出高壓寬頻脈沖信號以激勵商用接觸式超聲波探頭（3)，所述商用 接觸式超聲波探頭（3)通過耦合劑粘附在石英聚焦鏡頭（4)的頂端進行平面接觸，商用接 觸式超聲波探頭（3)被激勵產(chǎn)生的聲波振蕩信號會通過石英介質(zhì)傳播至陣列式聲波空間感 測區(qū)（5)并形成聚焦聲波進入液態(tài)耦合介質(zhì)，并在待測試件界面形成折射和反射，該信號再 次回到陣列式聲波空間感測區(qū)（5)被空間分布的陣列式感測元件接收，完成一次測試。所 述的特定頻率為l-2KHz。
[0011] 3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的陣列解析式超聲波聚焦換能器，其特征在于：所述的 陣列式圖案感測電極（6)由11個感測元件構(gòu)成，并沿陣列式圖案感測電極（6)的直徑方向 一字形排布，用以檢測不同角度下的聲場分布；每個感測元件由點狀感測電極、電極引線和 電極焊接座三部分組成。所述的陣列式圖案感測電極（6)的感測元件數(shù)量和尺寸可調(diào)整。
[0012] 4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的陣列解析式超聲波聚焦換能器，其特征在于：陣列解 析式超聲波聚焦換能器的制造方法：
[0013] 1)曝光顯影，定義陣列電極圖案：在清洗干凈的石英聚焦鏡頭（4)的聚焦曲面端 利用旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)旋涂一層光阻，然后利用設(shè)計有底電極圖案的遮光片覆蓋光阻，并一同 放置在紫外線平行曝光燈下進行曝光顯影；待見光部分的光阻分解后，利用顯影液洗掉分 解部分的光阻，此時，分解部分即為設(shè)計好的底電極圖案；
[0014] 2)蒸鍍金屬層，完成圖案電極制作：在步驟1完成的石英聚焦鏡頭（4)曲面端利用 電子束蒸鍍技術(shù)，蒸鍍20-40nm厚度金屬鉻作為附著層，然后再在其上蒸鍍40-60nm厚度的 純金；此時，整個曲面端完全覆蓋金屬電極，但光阻分解部分的金屬直接附著在鏡頭上，其 他金屬則附著在未分解的光阻上；由于光阻可溶解于有機溶劑，將鏡頭利用有機溶劑清洗 后，附著在光阻上面的金屬自然脫落，留下預(yù)制的圖案電極，由此完成陣列圖案式感測底電 極（6)的制作；
[0015] 3)PVDF壓電薄膜的制作：采用旋涂溶膠結(jié)晶法，在石英聚焦鏡頭（4)的聚焦曲面 端通過旋轉(zhuǎn)涂布機高溫旋涂PVDF溶膠，使其結(jié)晶后均勻吸附在聚焦曲面上，由此完成PVDF 壓電薄膜（7)的制作。然后再次蒸鍍頂端保護電極（8)，使PVDF壓電薄膜（7)上下兩面均 附著電極；通過引線將上下電極引出并連接高壓穩(wěn)壓源進行步進式穩(wěn)壓極化，使得PVDF壓 電薄膜具有壓電特性。
[0016] 4)陣列解析式超聲波換能器的組裝：將極化好的鏡頭放入換能器外殼（2)中，并 在其頂部平面端利用耦合劑粘貼商用接觸式超聲波探頭（3)連接各信號接收端口，即完成 整個換能器的制作。
[0017] 利用上述設(shè)計思路和制作方法，實現(xiàn)了本發(fā)明所設(shè)計的陣列解析式超聲波聚焦換 能器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作。該換能器具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，靈敏性高等特點，適合材 料表面及內(nèi)部形貌的測量。
[0018] 本發(fā)明可以獲得如下有益效果：
[0019] 該發(fā)明所設(shè)計的陣列解析式超聲波換能器，通過超聲聚焦換能器的制作工藝，在 聚焦曲面端制作空間分布的陣列式的超聲信號接收單元，實現(xiàn)了多角度下對超聲波聚焦換 能器反射聲場的感測，以了解不同反射界面對聲場分布的影響，通過信號反演可以推斷待 測物體表面或內(nèi)部的形貌特征。該技術(shù)可以有效提高傳統(tǒng)超聲聚焦換能器對聲場能量的在 單一曲面上的積分效應(yīng)，因此在材料特性檢測和形貌成像中有十分廣闊的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1有鏡頭式超聲波聚焦換能器
[0021] (1)信號激勵/接收源 （2)換能器外殼
[0022] (3)商用接觸式超聲波探頭（4)石英聚焦鏡頭
[0023] (5)壓電薄膜
[0024] 圖2無鏡頭式超聲波聚焦換能器
[0025] (1)信號激勵/接收源（2)衰減背襯
[0026] (3)底電極 （4) PVDF壓電薄膜
[0027] (5)頂電極
[0028] 圖3陣列解析式超聲波聚焦換能器結(jié)構(gòu)簡圖
[0029] (1)信號激勵/接收源 （2)換能器外殼
[0030] (3)商用接觸式超聲波探頭（4)石英聚焦鏡頭
[0031] (5)陣列式聲波空間感測區(qū)（6)陣列圖案式感測底電極
[0032] (7) PVDF壓電薄膜 （8)頂端保護電極
[0033] 圖4陣列式圖案感測電極圖案
[0034] ( 1)電極焊接座
[0035] (2)點狀感測電極
[0036] (3)電極引線
[0037] 圖5陣列解析式超聲聚焦換能器的制作流程
[0038] 圖6傳統(tǒng)式超聲聚焦換能器接收信號
[0039] 圖7陣列解析式超聲聚焦換能器單一感測元件接收信號

【具體實施方式】
[0040] 本發(fā)明所設(shè)計的陣列解析式超聲波聚焦換能器主要應(yīng)用于超聲聚焦聲場分布的 空間感測，下面就對其具體實施細則做進一步說明。以下實施例只是描述性的，不是限定性 的，不能以此來限定本發(fā)明的保護范圍。
[0041] 結(jié)合圖3對本發(fā)明的具體使用方法的實施例做如下說明：
[0042] 陣列解析式超聲波聚焦換能器，包括信號激勵/接收源（1 )，換能器外殼（2)，商用 接觸式超聲波探頭（3)，石英聚焦鏡頭（4)，陣列式聲波空間感測區(qū)（5)組成，其中陣列式聲 波空間感測區(qū)（5)在具體結(jié)構(gòu)上還包括陣列圖案式感測底電極（6)，PVDF壓電薄膜（7)以及 頂端保護電極（8)組成。
[0043] 所述信號激勵/接收源（1)采用脈沖激勵/接收儀來完成，它可以一定頻率發(fā)出 高壓脈沖信號以激勵商用接觸式超聲波探頭（3)，所述商用接觸式超聲波探頭（3)通過耦 合劑粘附在石英聚焦鏡頭（4)的頂端(平面接觸)，其被激勵產(chǎn)生的聲波振蕩信號會通過石 英介質(zhì)傳播至陣列式聲波空間感測區(qū)（5)并形成聚焦聲波進入液態(tài)耦合介質(zhì)(一般為水)， 并在待測試件界面形成折射和反射，該信號再次回到陣列式聲波空間感測區(qū)（5)被空間分 布的陣列式感測元件接收，這些接收信號再次被送入脈沖激勵/接收儀，并被其信號放大 后即可完成信號的儲存，以便完成后續(xù)的融合和處理分析，如此完成一次測試。這種方法對 試件表面出現(xiàn)的斷裂和階躍等不平整現(xiàn)象所造成的聲場分布變化有比較敏感的感測能力， 因此可以有效應(yīng)用于試件的表面形貌檢測。
[0044] 以下將傳統(tǒng)式超聲聚焦換能器和陣列解析式超聲聚焦換能器的功能特點進行對 t匕。如附圖6所示，為傳統(tǒng)式超聲聚焦換能器接收的時域信號，該信號為單一周期的脈沖回 波信號，即回波聲場能量在整個聚焦曲面的積分能量，因此只含有能量的大小信息，不含有 能量的角度信息；如附圖7所示，為陣列解析式超聲聚焦換能器的3號感測元件的接收信 號，其正對與垂直方向9°夾角下的聲場，因此該信號反應(yīng)的是該角度下的聲場能量大?。?其他各個感測元件接收信號與此相似，均為其正對角度下的聲場能量大小，這里不做贅述。 由附圖7可知，該時域信號與傳統(tǒng)式超聲聚焦換能器的波形相近，因其反應(yīng)的是正對角度 下的聲場信號，所以能量從大小上會比傳統(tǒng)式超聲聚焦換能器小很多，但其包含著感測元 件所在位置的角度信息，因此陣列解析式超聲聚焦換能器對聲場的感測不僅含有聲場分布 的角度信息，同時反映該角度下的聲場能量大小，從而通過各個感測元件的信息融合，反映 該反射聲場的空間能量分布，以此更好地了解聲場情況。
[0045] 結(jié)合附圖5,通過具體實施例對陣列解析式超聲波聚焦換能器的制作過程作進一 步的說明。
[0046] 根據(jù)換能器工作原理和設(shè)計結(jié)構(gòu)，由石英鏡頭曲面端開始整個超聲波聚焦換能器 的制作。主要包括陣列式感測元件定義、電極蒸鍍、P(VDF-TrFE)溶膠結(jié)晶旋涂以及極化等 步驟。具體設(shè)計流程如圖5所示?，F(xiàn)就其具體制作流程做如下說明：
[0047] 1.為了能夠在石英鏡頭上定義預(yù)制圖案電極，需要通過紫外線曝光顯影技術(shù)來間 接實現(xiàn)底電極的定義。制作時，需要首先在鏡頭的聚焦曲面端旋轉(zhuǎn)涂布光阻。本設(shè)計中，采 用型號為AZP4620的正光阻，意在使其在紫外線燈光照作用下發(fā)生化學(xué)鍵斷裂而分解。利 用旋轉(zhuǎn)涂布機旋涂好光阻后，在石英鏡頭上加蓋具有遮光圖案的影像膠片，然后整體放在 紫外線平行曝光燈下照射一定時間，使未遮光的圖案影像完全分解，然后利用顯影技術(shù)，將 曝光后的鏡頭在顯影液中浸泡一定時間，以此來實現(xiàn)電極影像成型。
[0048] 2.將完成曝光的石英鏡頭放入電子束蒸鍍機中蒸鍍金屬電極，順次蒸鍍鉻（Cr) 和金（Au) -定厚度。此時，石英鏡頭的聚焦曲面端完全被蒸鍍金屬所覆蓋，而未定義電極 部分的金屬鍍層底部還粘附有未分解的光阻，因此將蒸鍍后的石英鏡頭的聚焦端浸泡在丙 酮中，并放入超聲波清洗機中清洗一段時間，附著在光阻上的蒸鍍金屬會隨著光阻的溶解 而自然脫落，只留下曝光膠片上所定義的電極圖案。
[0049] 3.定義好底電極的石英鏡頭需要在其底電極表面均勻涂布一層P(VDF-TrFE) 壓電材料，本設(shè)計采用旋涂溶膠結(jié)晶法，即在鏡頭聚焦曲面端通過旋轉(zhuǎn)涂布機高溫旋涂 P(VDF-TrFE)溶膠，使其結(jié)晶后均勻吸附在聚焦曲面上。這種方法得到的薄膜本身不具有 壓電特性，需要對其進行高壓極化一定時間后才能獲得其壓電特性。在本設(shè)計中，為了保證 薄膜有固定的的極化區(qū)域，即感測點處極化，電極引線和焊接點處不極化，需要在薄膜上先 蒸鍍極化電極，該電極只覆蓋感測點。然后在焊接點處焊接各感測點引線，并連接接頭與極 化接頭至高壓極化臺上，以步進升壓的方式逐漸提高極化電壓直至425V。如未發(fā)生擊穿現(xiàn) 象，則保持該極化電位12小時，使薄膜電極覆蓋部分完全極化。
[0050] 4.將薄膜極化好后，利用商用接觸式探頭在石英鏡頭平面端激勵超聲信號，在感 測電極處接收信號，測試各感測元件的信號接收效果。如極化成功，則在焊接點處全面覆蓋 AB膠以防止焊接點的脫落，并防止各個焊接點之間的相互誤連而導(dǎo)通。待AB膠完全凝固 后，再次放入電子束蒸鍍機中在薄膜表面全部蒸鍍金屬電極，以防止薄膜直接裸露在空氣 中。最后裝入金屬屏蔽外殼，在鏡頭頂端安裝商用接觸式探頭，即完成整個換能器的制作。
【權(quán)利要求】
1. 陣列解析式超聲波聚焦換能器，其特征在于：其包括信號激勵/接收源（1 )，換能器 外殼（2)，商用接觸式超聲波探頭（3)，石英聚焦鏡頭（4)，陣列式聲波空間感測區(qū)（5)組成， 所述的信號激勵/接收源（1)、商用接觸式超聲波探頭（3)、石英聚焦鏡頭（4)及陣列式聲 波空間感測區(qū)（5)順序布置；其特征在于：所述的陣列式聲波空間感測區(qū)（5)的具體結(jié)構(gòu)包 括從內(nèi)至外依次布置的陣列圖案式感測底電極（6)，PVDF壓電薄膜（7)以及頂端保護電極 (8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的陣列解析式超聲波聚焦換能器，其特征在于：所述信號激 勵/接收源（1)以發(fā)出高壓寬頻脈沖信號以激勵商用接觸式超聲波探頭（3)，所述商用接觸 式超聲波探頭（3)通過耦合劑粘附在石英聚焦鏡頭（4)的頂端進行平面接觸，商用接觸式 超聲波探頭（3)被激勵產(chǎn)生的聲波振蕩信號會通過石英介質(zhì)傳播至陣列式聲波空間感測區(qū) (5) 并形成聚焦聲波進入液態(tài)耦合介質(zhì)，并在待測試件界面形成折射和反射，該信號再次回 到陣列式聲波空間感測區(qū)（5)被空間分布的陣列式感測元件接收，完成一次測試。所述的 特定頻率為l-2KHz。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的陣列解析式超聲波聚焦換能器，其特征在于：所述的陣列 式圖案感測電極（6)由11個感測元件構(gòu)成，并沿陣列式圖案感測電極（6)的直徑方向一字 形排布，用以檢測不同角度下的聲場分布；每個感測元件由點狀感測電極、電極引線和電極 焊接座三部分組成。所述的陣列式圖案感測電極（6)的感測元件數(shù)量和尺寸可調(diào)整。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的陣列解析式超聲波聚焦換能器，其特征在于：陣列解析式 超聲波聚焦換能器的制造方法： 1) 曝光顯影，定義陣列電極圖案：在清洗干凈的石英聚焦鏡頭（4)的聚焦曲面端利用 旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)旋涂一層光阻，然后利用設(shè)計有底電極圖案的遮光片覆蓋光阻，并一同放置 在紫外線平行曝光燈下進行曝光顯影；待見光部分的光阻分解后，利用顯影液洗掉分解部 分的光阻，此時，分解部分即為設(shè)計好的底電極圖案； 2) 蒸鍍金屬層，完成圖案電極制作：在步驟1完成的石英聚焦鏡頭（4)曲面端利用電 子束蒸鍍技術(shù)，蒸鍍20-40nm厚度金屬鉻作為附著層，然后再在其上蒸鍍40-60nm厚度的純 金；此時，整個曲面端完全覆蓋金屬電極，但光阻分解部分的金屬直接附著在鏡頭上，其他 金屬則附著在未分解的光阻上；由于光阻可溶解于有機溶劑，將鏡頭利用有機溶劑清洗后， 附著在光阻上面的金屬自然脫落，留下預(yù)制的圖案電極，由此完成陣列圖案式感測底電極 (6) 的制作； 3. PVDF壓電薄膜的制作：采用旋涂溶膠結(jié)晶法，在石英聚焦鏡頭（4)的聚焦曲面端通 過旋轉(zhuǎn)涂布機高溫旋涂PVDF溶膠，使其結(jié)晶后均勻吸附在聚焦曲面上，由此完成PVDF壓電 薄膜（7)的制作。然后再次蒸鍍頂端保護電極（8)，使PVDF壓電薄膜（7)上下兩面均附著 電極；通過引線將上下電極引出并連接高壓穩(wěn)壓源進行步進式穩(wěn)壓極化，使得PVDF壓電薄 膜具有壓電特性。 4) 陣列解析式超聲波換能器的組裝：將極化好的鏡頭放入換能器外殼（2)中，并在其 頂部平面端利用耦合劑粘貼商用接觸式超聲波探頭（3)連接各信號接收端口，即完成整個 換能器的制作。
【文檔編號】G01N29/06GK104122333SQ201410146821
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月12日
【發(fā)明者】何存富, 劉興奇, 李永春, 宋國榮, 秦登千, 郭奇澤, 吳斌 申請人:北京工業(yè)大學(xué)