专利摘要

专利摘要

本发明属于光声探测技术领域，公开了一种收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法，该装置包括结构化基座(2)、悬浮膜(3)、双包层光纤(1)以及它们配合构建的F‑P腔(4)；悬浮膜为复合光声转换膜，能够吸收激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现发射声波；同时能够接收超声波回波，通过形变感应声波回传信号，影响F‑P腔的腔长、以及回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现接收声波。本发明通过对各个组件的结构及它们的配合工作方式等进行改进，利用悬浮膜及进一步构建的F‑P腔，能够在一张悬浮膜上完成超声波发射和接收的全过程，器件结构更加紧凑、光声成像操作更简易、结果更精确。

权利要求

1.一种收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，包括具有腔结构的结构化基座(2)，位于该结构化基座(2)一端处的悬浮膜(3)，以及插入至该结构化基座(2)腔结构中的双包层光纤(1)；所述悬浮膜(3)与所述结构化基座(2)的一端直接紧密连接或者通过硬质透明材料紧密连接，使该结构化基座(2)的这一端端口密封，同时也使得该结构化基座(2)的腔结构在此处保持封闭状态；所述双包层光纤(1)用于同时传输激励光和探测光两种激光，其中所述双包层光纤(1)的包层用于传输所述激励光，所述双包层光纤(1)的纤芯用于传输所述探测光同时反向传输回传的探测光信号；所述双包层光纤(1)的激光出射端面位于所述结构化基座(2)中，该激光出射端面与所述结构化基座(2)密封端口的密封面之间具有间距，所述结构化基座(2)的密封端口还用于与所述双包层光纤(1)的激光出射端面配合进一步形成密封空间，使该密封空间对应成为F-P腔(4)；

并且，所述悬浮膜(3)为复合光声转换膜，能够吸收所述激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现收发一体式全光超声换能器装置发射声波的功能；同时能够接收超声波回波，通过自身机械形变程度的不同感应声波回传信号的强弱，而形变程度的不同又能够影响所述F-P腔(4)的腔长，从而进一步影响回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现收发一体式全光超声换能器装置接收声波的功能。

2.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述双包层光纤(1)的外径满足：

i.所述双包层光纤(1)的外径与所述结构化基座(2)腔结构的内径相匹配，所述结构化基座(2)的密封端口能够直接与所述双包层光纤(1)的激光出射端面配合进一步形成密封空间；

或者：ii.所述双包层光纤(1)的激光出射端面位于光纤套管内，该光纤套管的外径与所述结构化基座(2)腔结构的内径相匹配，所述结构化基座(2)的密封端口是通过该光纤套管与所述双包层光纤(1)的激光出射端面配合进一步形成密封空间。

3.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述结构化基座(2)为金属、塑料、有机玻璃、以及聚合物中的至少一种。

4.如权利要求3所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述结构化基座(2)为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述硬质透明材料为石英玻璃。

5.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述悬浮膜(3)是由碳基微纳结构和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，或者是由黑色油墨和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，或者是由金属材料和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，所述金属材料为金属薄膜、金属阵列、金属微纳结构或金属纳米颗粒。

6.如权利要求5所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述碳基微纳结构为碳纳米管、碳黑颗粒、碳纤维、石墨烯或足球烯。

7.如权利要求6所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，所述悬浮膜(3)是由第一聚二甲基硅氧烷层、蜡烛碳黑粒子层及第二聚二甲基硅氧烷层依次排列形成的PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜。

8.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，针对所述F-P腔(4)，在与所述激光出射端面相对的所述F-P腔(4)内壁上，还镀有一层金属膜，用于增加F-P腔的对比度。

9.如权利要求1所述收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，在所述双包层光纤(1)的前端还设置有环形器与耦合器。

10.制备如权利要求1－9任意一项收发一体式全光超声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将PDMS前基体和固化剂混合，然后静置去除气泡，接着再将静置后的液态PDMS预聚体倒入形状预先设定的模具中，固化后脱模即可制备得到结构化基座；

(2)在基片上旋涂第一层PDMS预聚体，然后将旋涂后的基片倒置在蜡烛火焰上方，进行蜡烛碳黑粒子的蒸镀，形成蜡烛碳黑粒子层；接着，在所述蜡烛碳黑粒子层上继续旋涂第二层PDMS预聚体，整体固化后即可得到沉积于基片上的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜；然后将该PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜从基片上剥离，得到独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜；

(3)针对所述步骤(1)得到的所述结构化基座，利用氧等离子体机表面处理该结构化基座的目标键合端面，同时利用氧等离子体机表面处理待键合的石英玻璃片表面，然后将所述结构化基座与所述石英玻璃片对准，并使所述结构化基座的目标键合端面与所述待键合的石英玻璃片表面贴合实现键合，使所述结构化基座一端密封；接着，再将所述步骤(2)得到的所述独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜从外部附着到所述石英玻璃片上使所述第一层PDMS预聚体固化后对应得到的第一层PDMS层与该石英玻璃片直接接触，同时从所述结构化基座的开放端插入双包层光纤，使所述结构化基座的密封端口与所述双包层光纤的激光出射端面相配合进一步形成密封空间，该密封空间即F-P腔，即可得到收发一体式全光超声换能器装置。

11.如权利要求10所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将所述独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜从外部附着到所述石英玻璃片上，具体是：将所述独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜置于纯水的水面上，利用水的表面张力使该三明治型复合材料薄膜充分展开，然后再采用键合的石英玻璃-结构化基座整体将该三明治型复合材料薄膜从水中托起，最后干燥即可。

12.制备如权利要求1－9任意一项收发一体式全光超声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将PDMS前基体和固化剂混合，然后静置去除气泡，接着再将静置后的液态PDMS预聚体倒入形状预先设定的模具中，固化后脱模即可制备得到结构化基座；

(2)在基片上旋涂第一层PDMS预聚体，然后将旋涂后的基片倒置在蜡烛火焰上方，进行蜡烛碳黑粒子的蒸镀，形成蜡烛碳黑粒子层；接着，在所述蜡烛碳黑粒子层上继续旋涂第二层PDMS预聚体，整体固化后即可得到沉积于基片上的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜；然后将该PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜从基片上剥离，得到独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜；

(3)针对所述步骤(1)得到的所述结构化基座，利用氧等离子体机表面处理该结构化基座的目标键合端面；同时针对所述步骤(2)得到的所述独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜，以所述第一层PDMS预聚体固化后对应得到的第一层PDMS层表面作为该三明治型复合材料薄膜的目标键合表面，利用氧等离子体机表面处理该三明治型复合材料薄膜的目标键合表面；然后，将所述结构化基座与所述三明治型复合材料薄膜对准，并使所述结构化基座的目标键合端面与所述三明治型复合材料薄膜的目标键合表面贴合实现键合，使所述结构化基座一端密封；接着，从所述结构化基座的开放端插入双包层光纤，使所述结构化基座的密封端口与所述双包层光纤的激光出射端面相配合进一步形成密封空间，该密封空间即F-P腔，即可得到收发一体式全光超声换能器装置。

13.如权利要求10－12任意一项所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述第一层PDMS预聚体固化后的厚度为10-30μm，所述第二层PDMS预聚体固化后的厚度为20-50μm。

14.如权利要求13所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在所述基片上旋涂第一层PDMS预聚体之前，该基片预先经过表面硅烷化处理。

15.如权利要求14所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述表面硅烷化处理是在真空环境中进行的。

说明书

技术领域

本发明属于光声探测技术领域，更具体地，涉及一种收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法，该装置是种基于全光方法的收发一体式光声探测器装置。

背景技术

超声换能器是工作在超声频率范围内且能实现超声信号发射以及将外界声场中的声信号转换为其他信号(如电信号)形式的能量转换器件。由于超声波穿透力强、集束性好、信息携带量大、易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到广泛的应用。基于光声效应的新型超声换能器因其宽频带、高频率等优点逐渐成为研究的热点。同时，依托先进的微纳加工技术，还有望进一步减小换能器尺寸，进而增加成像的空间分辨率，且能较大程度地改善传统超声换能器所面临的灵敏度较低、抗干扰性差等问题。

当前基于光声效应的超声换能器结构主要是采用声发射和声接收功能分离的设计，如“一种免扫描器的宽视场光声内窥镜及成像系统”(专利公开号CN108852262A)，这种模式一方面增加了成像过程中光声信号处理的复杂程度，另一方面需要较高的器件封装精度同时需要较大的封装尺寸不利于器件小型化。

在光声技术中，由各种碳基微纳结构(碳纳米管，炭黑，碳纤维等)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料因其高激光吸收率和高热膨胀系数，常作为光声转换层使用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法，其中通过对各个组件的结构及它们的配合工作方式等进行改进，利用悬浮膜及进一步构建的F-P腔，使得悬浮膜在声波发射阶段能够吸收激光束能量转换成超声波并发射，在声波接收阶段能够感应声波强弱传回信号，从而实现在一张悬浮膜上完成超声波发射和接收的全过程；该收发一体式装置器件结构更加紧凑、光声成像操作更简易、结果更精确。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种收发一体式全光超声换能器装置，其特征在于，包括具有腔结构的结构化基座，位于该结构化基座一端处的悬浮膜，以及插入至该结构化基座腔结构中的双包层光纤；所述悬浮膜与所述结构化基座的一端直接紧密连接或者通过硬质透明材料紧密连接，使该结构化基座的这一端端口密封，同时也使得该结构化基座的腔结构在此处保持封闭状态；所述双包层光纤用于同时传输激励光和探测光两种激光，其中所述双包层光纤的包层用于传输所述激励光，所述双包层光纤的纤芯用于传输所述探测光同时反向传输回传的探测光信号；所述双包层光纤的激光出射端面位于所述结构化基座中，该激光出射端面与所述结构化基座密封端口的密封面之间具有间距，所述结构化基座的密封端口还用于主要与所述双包层光纤的激光出射端面配合进一步形成密封空间，使该密封空间对应成为F-P腔；

并且，所述悬浮膜为复合光声转换膜，能够吸收所述激励光的激光束能量将其转换成超声波并向外发射，实现收发一体式全光超声换能器装置发射声波的功能；同时能够接收超声波回波，通过自身机械形变程度的不同感应声波回传信号的强弱，而形变程度的不同又能够影响所述F-P腔的腔长，从而进一步影响回传的探测光信号，通过对回传的探测光信号加以检测，即可实现收发一体式全光超声换能器装置接收声波的功能。

作为本发明的进一步优选，所述双包层光纤的外径满足：

i.所述双包层光纤的外径与所述结构化基座腔结构的内径相匹配，所述结构化基座的密封端口能够直接与所述双包层光纤的激光出射端面配合进一步形成密封空间；

或者：ii.所述双包层光纤的激光出射端面位于光纤套管内，该光纤套管的外径与所述结构化基座腔结构的内径相匹配，所述结构化基座的密封端口是通过该光纤套管与所述双包层光纤的激光出射端面配合进一步形成密封空间。

作为本发明的进一步优选，所述结构化基座为金属、塑料、有机玻璃、以及聚合物中的至少一种；

优选的，所述结构化基座为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述硬质透明材料为石英玻璃。

作为本发明的进一步优选，所述悬浮膜是由碳基微纳结构和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，或者是由黑色油墨和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，或者是由金属材料和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜，所述金属材料为金属薄膜、金属阵列、金属微纳结构或金属纳米颗粒；优选的，所述碳基微纳结构为碳纳米管、碳黑颗粒、碳纤维、石墨烯或足球烯；

更优选的，所述悬浮膜是由第一聚二甲基硅氧烷层、蜡烛碳黑粒子层及第二聚二甲基硅氧烷层依次排列形成的PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜。

作为本发明的进一步优选，针对所述F-P腔，在与所述激光出射端面相对的所述F-P腔内壁上，还镀有一层金属膜，用于增加F-P腔的对比度。

作为本发明的进一步优选，在所述双包层光纤的前端还设置有环形器与耦合器。

按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述收发一体式全光超声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将PDMS前基体和固化剂混合，然后静置去除气泡，接着再将静置后的液态PDMS预聚体倒入形状预先设定的模具中，固化后脱模即可制备得到结构化基座；

(2)在基片上旋涂第一层PDMS预聚体，然后将旋涂后的基片倒置在蜡烛火焰上方，进行蜡烛碳黑粒子的蒸镀，形成蜡烛碳黑粒子层；接着，在所述蜡烛碳黑粒子层上继续旋涂第二层PDMS预聚体，整体固化后即可得到沉积于基片上的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜；然后将该PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜从基片上剥离，得到独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜；

(3)针对所述步骤(1)得到的所述结构化基座，利用氧等离子体机表面处理该结构化基座的目标键合端面，同时利用氧等离子体机表面处理待键合的石英玻璃片表面，然后将所述结构化基座与所述石英玻璃片对准，并使所述结构化基座的目标键合端面与所述待键合的石英玻璃片表面贴合实现键合，使所述结构化基座一端密封；接着，再将所述步骤(2)得到的所述独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜从外部附着到所述石英玻璃片上使所述第一层PDMS预聚体固化后对应得到的第一层PDMS层与该石英玻璃片直接接触，同时从所述结构化基座的开放端插入双包层光纤，使所述结构化基座的密封端口主要与所述双包层光纤的激光出射端面相配合进一步形成密封空间，该密封空间即F-P腔，即可得到收发一体式全光超声换能器装置。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，将所述独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜从外部附着到所述石英玻璃片上，具体是：将所述独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜置于纯水的水面上，利用水的表面张力使该三明治型复合材料薄膜充分展开，然后再采用键合的石英玻璃-结构化基座整体将该三明治型复合材料薄膜从水中托起，最后干燥即可。

按照本发明的又一方面，本发明提供了制备上述收发一体式全光超声换能器装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将PDMS前基体和固化剂混合，然后静置去除气泡，接着再将静置后的液态PDMS预聚体倒入形状预先设定的模具中，固化后脱模即可制备得到结构化基座；

(2)在基片上旋涂第一层PDMS预聚体，然后将旋涂后的基片倒置在蜡烛火焰上方，进行蜡烛碳黑粒子的蒸镀，形成蜡烛碳黑粒子层；接着，在所述蜡烛碳黑粒子层上继续旋涂第二层PDMS预聚体，整体固化后即可得到沉积于基片上的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜；然后将该PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜从基片上剥离，得到独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜；

(3)针对所述步骤(1)得到的所述结构化基座，利用氧等离子体机表面处理该结构化基座的目标键合端面；同时针对所述步骤(2)得到的所述独立的柔性PDMS-蜡烛碳黑粒子-PDMS三明治型复合材料薄膜，以所述第一层PDMS预聚体固化后对应得到的第一层PDMS层表面作为该三明治型复合材料薄膜的目标键合表面，利用氧等离子体机表面处理该三明治型复合材料薄膜的目标键合表面；然后，将所述结构化基座与所述三明治型复合材料薄膜对准，并使所述结构化基座的目标键合端面与所述三明治型复合材料薄膜的目标键合表面贴合实现键合，使所述结构化基座一端密封；接着，从所述结构化基座的开放端插入双包层光纤，使所述结构化基座的密封端口主要与所述双包层光纤的激光出射端面相配合进一步形成密封空间，该密封空间即F-P腔，即可得到收发一体式全光超声换能器装置。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述第一层PDMS预聚体固化后的厚度为10-30μm，所述第二层PDMS预聚体固化后的厚度为20-50μm；

优选的，在所述基片上旋涂第一层PDMS预聚体之前，该基片预先经过表面硅烷化处理；更优选的，所述表面硅烷化处理是在真空环境中进行的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的收发一体式全光超声换能器装置，利用光声效应以及F-P腔原理，实现了超声信号发射与接收的功能一体化，一方面，悬浮膜中的光声转换层吸收激励光向外辐射出超声波，表现为超声波发射；另一方面，反射回来的超声波使悬浮膜发生机械震动，进而改变上述F-P腔的腔长，引起探测光信号的变化，表现为超声波接收；该装置与非收发一体的光声探测器相比，封装结构更加紧凑、信号处理更加简单，更利于声波成像。悬浮膜在声波发射阶段用于吸收激励激光束能量并将其最终转换成超声波向外发射，而在声波接收阶段其则充当对声回波进行响应的敏感结构；所述双包层光纤的包层用于传输激励光，纤芯用于探测光信号的双向传输。

(2)本发明提供的制备方法其基础工艺成熟，工艺过程简单，具备了工艺可行性，且结构紧凑、易于封装。

(3)本发明提供的制备方法能制备多种不同尺寸甚至是微型的激光超声换能器。结构化基座用于确定该收发一体式全光超声换能器的尺寸，以中空圆柱体形的结构化基座为例，中空圆柱体的外径即对应器件整体外径大小，尺寸大小可灵活调整。本发明收发一体式全光超声换能器装置中，以悬浮膜为碳基微纳结构和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜为例，悬浮膜中各层PDMS层的厚度将会决定超声波的波形，而以利用蜡烛火焰进行CSPs蒸镀为例，蒸镀的时间也会大大影响光声信号的频率和强度，均可以根据实际需求灵活调整。

本发明中收发一体式光声超声换能器装置，利用全光方法，实现了超声信号的发射与接收，结构紧凑、易于封装且具有强的抗电磁干扰能力，信号处理更加简单，更利于超声成像，制作工艺极具可操作性。

附图说明

图1为本发明中收发一体式全光超声换能器装置的示意图。

图2为本发明中收发一体式全光超声换能器的工作原理示意图。

图3为本发明实施例1提供的装置制备流程示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为双包层光纤，2为结构化基座，3为悬浮膜，4为F-P腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体说来，本发明收发一体式全光超声换能器装置，包括：结构化基座、悬浮膜、双包层光纤，其中：结构化基座的一端用于插入双包层光纤(利用双包层光纤的包层区域来传输具有大能量密度的激励光，同时利用纤芯的单模特性用于传输探测光。)，另一端用于固定悬浮膜，并在光纤端面和悬浮膜之间构建一法布里-玻罗腔(F-P腔)干涉结构。

结构化基座固定有悬浮膜的这一端密封良好，结构化基座的腔结构与双包层光纤适配，或与相应陶瓷插芯适配。结构化基座的结构腔尺寸可预先设计，其中截面尺寸取决于双包层光纤尺寸及其对应的固定装置(如陶瓷插芯)的尺寸；深度尺寸，取决于光纤插入深度以及F-P腔的腔长；悬浮膜的刚度、杨氏模量、泊松比等特性将会影响换能器的特性。悬浮膜在声波发射阶段用于吸收激发激光束能量并通过光声效应转换成超声波向外发射，在声波接收阶段则通过声回波信号施加在悬浮膜上引起其产生机械形变，进而通过干涉结构加以测量。

实施例1

图1示出了实施例1收发一体式全光换能器装置示意图。

如图1所示，该收发一体式全光超声换能器装置，包括：双包层光纤1、结构化基座2、悬浮膜3；结构化基座2的内壁与圆柱体的侧面形状相同，能够与固定双包层光纤1的光纤套管(如陶瓷套管或金属套管)的外壁相契合(光纤套管在图1中未示出)。其中，所述双包层光纤1的包层用于传输激励光，纤芯用于传输探测光；所述结构化基座2用于固定双包层光纤和悬浮膜，并与双包层光纤出射端面共同定义F-P腔的腔长(双包层光纤出射端面与光轴相垂直，双包层光纤出射端面所在平面距结构化基座2端面的距离即为F-P腔的腔长)；所述悬浮膜3配合双包层光纤1形成了一个F-P腔4(双包层光纤出射端面与结构化基座2末端的悬浮膜3之间的孔隙空间即对应F-P腔，该F-P腔的传输介质为空气)；所述悬浮膜3用于吸收激励光能量并转换成声能；所述悬浮膜3用于接收超声波后并通过F-P腔作用返回探测信号。

具体地，结合图2所示的工作原理示意图，收发一体式全光超声换能器是基于悬浮膜与双包层光纤的收发一体的超声换能装置。有别于传统设计中将超声发射与接收功能分割的情况，本发明所述的超声换能器为收发一体式：一方面，悬浮膜中的光声转换层吸收激励光向外辐射出超声波，表现为超声波发射；另一方面，反射回来的超声波使悬浮膜发生机械震动，进而改变上述F-P腔的腔长，引起探测光信号的变化，表现为超声波接收。

在该实施例中，结构化基座2为聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体固化得到；悬浮膜3为PDMS—蜡烛碳黑粒子(candle soot carbon nanoparticles，CSPs)—PDMS的三明治型结构，该三明治型结构还可以与石英玻璃片复合，此时CSPs被完全包裹在PDMS胶体中，且与碳纳米管相比，采用CSPs可显著降低工艺复杂度和成本。当然，若不考虑成本及制备工艺复杂程度的话，也可以采用碳纳米管与PDMS胶体的混合体作为悬浮膜3，此时受工艺所限，得到的悬浮膜3中碳纳米管与PDMS更倾向于均匀混合的状态，无明显的三明治型结构。

需要说明的是，结构腔一端密封良好(即，未插入双包层光纤1的、仅由结构化基座2与悬浮膜3构成的半开放式内腔)，这通过PDMS胶体(对应结构化基座2)与石英玻璃之间不可逆的键合工艺来实现。

以结构化基座2为中空的圆柱体形为例(圆柱体的端面均为圆环形)，图3示出了收发一体式全光超声换能器的制备流程示意图，如图3所示，制备方法包括以下步骤：

S10，制备结构化基座：

S101，设计并制备所需结构腔尺寸的模具。

具体地，收发一体式超声换能器要求达到的声发射与声接收效果可通过仿真或实验测量得到初始值，在考虑器件整体尺寸的前提下，可预先设计出结构腔的尺寸，然后根据所需的结构腔尺寸加工模具。用于与结构化基座2待键合的圆环形端面相接触的模具表面越光滑越好，以便使得脱模后结构化基座2的开腔面(即，结构化基座2上待键合的圆环形端面)能达到PDMS的键合要求。

S102，混合PDMS前基体和固化剂，静置去气泡。

具体地，将PDMS前基体和固化剂按一定比例混合均匀，得到液态PDMS预聚体，然后静置去气泡。优选地，前基体与固化剂按10:1的体积比进行充分混合，然后放入真空抽气机静置去气泡。需要指出的是，制备的悬浮层3的杨氏模量受前基体与固化剂的比例影响，比例越大，杨氏模量越小，此时复合光声转换层越软。

S103，将静置后的液态PDMS预聚体倒入所述模具中进行固化。

具体地，将静置后的液态PDMS预聚体倒入所述模具中进行固化处理。优选地，固化过程温度为65-85℃，固化时间为2小时。

S104，脱模，得到结构化基座。

具体地，将固化充分后的结构化基座从模具中取出。在脱模过程中，需保持结构化基座2开腔面的洁净度，以便后续的键合工艺能够顺序进行；脱模后基座2可倒置在密闭器件盒中，保持洁净。

S20，制备柔性膜(PDMS-CSPs-PDMS薄膜)：

S201，旋涂第一层PDMS预聚体在基片上。

具体地，基片在旋涂第一层PDMS前，需放入真空环境中进行表面硅烷化处理，可使其后的剥离过程变得容易；第一层PDMS厚度在本实施例中为10-30微米(当然，该厚度可根据实际需求灵活调整，例如可综合考虑，避免过薄使激光产生的热能扩散到周围介质中，或者过厚对超声能量产生吸收衰减负作用)。

S202，倒置旋涂后的基片在蜡烛火焰上方，进行CSPs蒸镀。

具体地，旋涂第一层PDMS后的基片无须进行固化处理，直接倒置在蜡烛火焰上方，进行CSPs蒸镀；优选地，蒸镀过程需控制基片保持水平，并均匀控制基片各蒸镀区域的蒸镀时间，使CSPs层分布均匀。CSPs层的厚度可由蒸镀总时间来控制，不同的CSPs层厚度决定了不同的激光吸收强度，同时较厚的CSPs层可保证柔性复合光声转换层在变形时对激光吸收强度波动较小，因此CSPs层的厚度可根据实际需要灵活调整。

S203，旋涂第二层PDMS预聚体在CSPs层上。

具体地，CSPs蒸镀完成基片冷却后，直接在CSPs层上旋涂第二层PDMS预聚体。优选地，第二层PDMS需保证键合区域的平整度与洁净度，越平整、越洁净越好，保证键合工艺实施和提高器件可靠性。

S204，固化，得到柔性膜，剥离基片与柔性膜。

具体地，将完成S203步骤的基片进行固化处理。优选地，固化过程参数与步骤S103中一致；固化后将柔性膜从基片上剥离，柔性膜应正置在密闭器件盒中。

一般的，固化后第一层PDMS厚度可为10-30μm，固化后第二层PDMS厚度可为20-50μm，各层PDMS层的厚度将会决定超声波的波形；石英玻璃层厚度可为50-200μm。

S30，键合结构化基座和石英玻璃片：

具体地，结构化基座的PDMS表面(即开腔面)与薄石英片表面在经过氧等离子表面处理后，会形成不可逆的紧密键合；可将需要键合的结构化基座的PDMS表面与薄石英片表面在氧等离子机中处理1min后自然对准贴合即可。优选地，可使用乙醇对需要键合的PDMS面进行清洗，后用氮气吹干再放入氧等离子体机中处理。

氧等离子体机表面处理结构化基座的开腔面和石英玻璃片表面；自然对准贴合处理后的两个面，得到第一联合体；

当然，薄石英玻璃片的厚度需考虑到它对超声发射和接收性能的影响，根据需求灵活选取，本实施例中石英玻璃层厚度为180μm(当然，也可以是50-200μm中的其他厚度值)。

S40，附着柔性膜，使入射激光能够先经过柔性膜中的第一层PDMS再被其中的CSPs所吸收：

利用水的表面张力使柔性膜展开，用上述S30中得到的第一联合体将柔性膜托起，使柔性膜平铺在石英玻璃片上；干燥后即可得到第二联合体。

S50，插入双包层光纤，装配得到一种收发一体式全光超声换能器装置器件：

将双包层光纤剥去保护套层(原始双包层光纤自外至内依次包括保护套层、内包层、纤芯)，处理好端面后插入到光纤套管中，接着再将光纤套管插入到上述第二联合体的腔中，光纤端面与石英薄片保持一定距离，该距离即F-P腔的腔长，可根据实际需求灵活调整；最后连接环形器、耦合器装配得到一种收发一体式全光超声换能器装置。

当然，若双包层光纤去除保护套层后的外径与结构化基座内径相匹配，可将双包层光纤剥去套层，处理好端面插入上述第二联合体的腔中，光纤端面与石英薄片保持一定距离。最后相似的，再连接环形器、耦合器装配得到收发一体式全光超声换能器装置。

实施例2

本实施例与实施例1大体相同，只是PDMS—蜡烛碳黑粒子(candle soot carbonnanoparticles，CSPs)—PDMS的三明治型结构不额外复合玻璃。

此时，实施例1制备方法的步骤S30、S40需要整体调整如下，其他步骤S10、S201、S202、S203、S50保持不变，同时步骤S204无需进行：

S30，键合结构化基座和柔性膜：

具体的，将S203中的基片的第二层PDMS层与基座开腔面键合，得到联合体1。

此时，结构腔的密封是由PDMS胶体(对应结构化基座2)与PDMS胶体(对应悬浮膜3)之间不可逆的键合工艺来实现。键合过程与注意事项等同实施例1。

S40，分离S201中悬涂并固化的第一层PDMS层与基片，得到基座加柔性膜的联合体。去除基片的联合体1称为联合体2。此时为保证柔性膜的平整度，可以给膜施加一个应力，使其上凸或者下凹。基片可采用玻璃片。

实施例3

本实施例与实施例2大体相同，PDMS—蜡烛碳黑粒子(candle soot carbonnanoparticles，CSPs)—PDMS的三明治型结构直接与结构化基座的PDMS表面(即开腔面)相键合，只是在三明治型结构的外部还额外设置有石英玻璃，可以使器件结构腔获得较高的刚度，以满足对机械强度要其他要求的应用场合。

此时，制备方法相较实施例2，步骤S10、S20、S30、S50均保持不变：

S20中提到的基片需要优选为薄石英玻璃片，如厚度为50-200um的石英玻璃层(具体材质，厚度，特性可根据应用场景改变)。

S40不需进行，S30中得到的联合体1等价于S50中的联合体2。

除上述实施例外，用于形成悬浮膜的碳基微纳结构，所采用的具体材料，还可参考相关现有技术选取，如碳纳米管、碳黑颗粒、碳纤维、石墨烯、足球烯等，另外，碳基微纳结构还可采用黑色油墨(例如可以是黑色指甲油)代替，而在特定应用中碳基微纳结构也可以由金属薄膜、金属阵列、金属微纳结构、金属纳米颗粒替代。上述实施例仅以石英玻璃为例，当然，也可以采用其他光透过性好的硬质地材料(即，其他硬质透明材料)替代石英玻璃，参与构建收发一体式全光超声换能器装置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

收发一体式全光超声换能器装置及其制备方法专利购买费用说明

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1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

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