一种透明电致变色超声换能阵列、制备方法、系统、应用

本发明涉及超声换能器，具体涉及一种透明电致变色超声换能阵列、制备方法、系统、应用。

背景技术：

1、增材制造技术通过材料逐层累积实现复杂结构的快速成形，在微电子器件、功能材料、传感器、柔性器件、生物制造及多材料复合结构制备等领域具有广泛应用。现有光固化、激光直写和体积打印方法通常主要依靠光场对液态光敏材料进行空间选择性固化。通过控制激光扫描路径、光斑位置或投影图案，可以形成预定几何结构，但对于含有金属颗粒、陶瓷颗粒、压电颗粒、导电填料或其他功能颗粒的液体浆料，仅依靠光固化通常难以主动控制颗粒在液相中的空间分布。

2、在含功能颗粒浆料的增材制造过程中，颗粒容易发生随机分散、沉降、团聚或界面偏析，导致打印结构内部出现孔隙、颗粒分布不均、导电路径不连续、局部功能性能不足以及层间结合强度较低等问题。对于导电结构、压电结构和多材料复合结构而言，功能颗粒是否能够在成形前形成连续且稳定的空间分布，直接影响成形结构的电学、声学、光学和力学性能。

3、超声场能够利用声辐射力、声流和声势阱对液体中的微粒进行非接触式操控。通过调整超声阵元的激励相位、时间延迟和幅值，可在液体中形成聚焦声场、驻波场、行波场或扫描声场，从而促进颗粒在指定区域发生定向迁移和聚集。因此，将超声与光固化或激光加工相结合，有利于在材料固化前形成预定的颗粒分布或连续功能通路。此外，所述超声场被液态材料吸收而产生热量，使液态材料在声束聚焦区域发生原位固化，直接形成三维结构，进行超声热固化体积打印。

4、但是，现有超声体积打印和超声辅助增材制造系统中的超声换能器通常采用不透明的压电陶瓷、电极、匹配层、背衬层和封装材料。换能器一般设置在料槽底部、侧壁或打印区域外部，容易遮挡固化光或加工激光的传播路径。为了避免换能器与光路发生空间冲突，现有系统通常需要分别设置超声传播路径和光学传播路径，由此增加系统体积、光声对准难度和控制复杂程度，并可能导致声场焦点与光场焦点难以准确重合。

5、部分透明超声换能器通过采用透明压电材料和透明导电电极，使光束能够穿过换能器传播。然而，传统透明超声换能器的透光区域和透过率通常在器件制备完成后即被固定，难以根据打印路径、材料分布和加工区域对不同阵元的透光状态进行独立调节。因此，这类透明换能器主要解决光路遮挡问题，尚不能同时承担动态光掩模或可编程光窗的功能。

6、现有增材制造设备可以使用数字微镜器件、空间光调制器、机械光阑或外置扫描振镜调节光照区域，但这些独立光学元件会增加光路长度和系统结构复杂程度，并要求外置光学调制器与超声阵列之间进行高精度空间配准。当声场聚焦位置、光场照射位置和打印结构位置之间存在误差时，容易造成颗粒聚集区域与固化区域不一致，降低成形精度。

7、电致变色材料可以在外加电压作用下发生离子嵌入和脱嵌，从而实现可逆的着色与漂白，并改变特定波段光线的透过率。若将电致变色功能层直接集成于透明超声换能阵列，可通过独立控制不同阵元或不同调光区域的偏压状态，形成可动态切换的局部光窗。然而，将电致变色单元与压电换能单元集成于同一透明器件中，仍需解决多层材料之间的光学透过、声阻抗匹配、制备温度兼容、电极布置以及电信号串扰等问题。

8、其中，压电阵元通常使用高频交流信号进行超声发射和接收，而电致变色单元通常采用低压直流、准直流或低频脉冲信号进行驱动。当两种功能共用部分电极或相邻布线时，低频偏置电压可能耦合至压电接收回路，高频超声信号也可能影响电致变色驱动状态。现有技术缺少一种能够在保持器件透明度和结构紧凑性的同时，实现压电超声回路与电致变色调光回路有效解耦的集成电极结构。

9、此外，现有增材制造过程的质量监测多依赖视觉成像、表面轮廓测量或红外温度监测。这些检测方式主要反映打印结构的表面形貌和温度分布，难以直接识别结构内部的孔隙、裂纹、分层、未固化区域或层间结合缺陷。常规接触式超声检测通常需要在打印完成后进行，难以与增材制造过程同步实施。虽然激光超声能够以非接触方式激发超声波，但现有激光超声检测系统通常需要额外配置接收探头或光学干涉接收装置，系统结构复杂，且检测探头可能再次占用加工空间或遮挡光路。

10、比如，检索到的相关专利文献：

11、cn117621480a公开了一种基于增材制造方法的超声换能器环形阵列及制备方法，方法包括：采用增材制造方法在支撑结构上制备压电阵元生坯；对压电阵元生坯进行排胶和烧结处理，得到烧结后的环形阵列；在烧结后的环形阵列的每个环形阵元的第一表面制备银电极；在相邻两个环形阵元之间的间隙填充环氧树脂，之后去除支撑结构；对填充环氧树脂的环形阵列进行封装，得到封装后的环形阵列换能器；在封装后的环形阵列换能器的第二表面制备金电极，并在封装后的环形阵列换能器的正面粘贴匹配层，之后进行极化，制备完成超声换能器环形阵列，其中，第二表面为与第一表面相对的表面。

12、因此，现有技术仍需要一种兼具高透光性、超声发射与接收、声场空间调控、动态光窗调控、多波长激光传输以及激光超声在线检测能力的集成式透明换能阵列，使声场、光场、电场和热场能够沿同一加工方向协同作用于液体浆料或正在成形的结构，并根据在线检测结果动态调整制造参数，从而提高多材料及功能结构增材制造的空间选择性、过程可控性和成形质量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供：

2、一种透明电致变色超声换能阵列、制备方法、系统、应用，以解决现有集成度差、结构复杂、信号串扰强等技术问题或其组合。本发明的阵列采结构用透明背衬层、透明下电极层、透明压电层、透明公共电极层、电致变色层、固态离子传导层、离子存储/对电极层、透明上电极层和透明匹配层构成复合层状结构，在同一器件中实现超声换能、动态光学调控和激光超声信号接收，并进一步将其应用于声—光—电—热多物理场耦合增材制造。

3、术语说明：

4、除非另有定义，否则本文所有科技术语具有的涵义与本发明所属领域技术人员通常理解的涵义相同。

5、应理解，上述简述和下文的详述为示例性且仅用于解释，而不对本发明的主题作任何限制。在本发明中，除非另有具体说明，否则使用单数时也包括复数。还应注意，除非另有说明，否则所用“或”、“或者”表示“和/或”。此外，所用术语“包括”以及其他形式，例如“包含”、“含”和“含有”并非限制性。

6、除非另有说明，否则采用本领域技术范围内的常规方法。

7、除非提出具体定义，本文中使用的各类市售产品的使用，均采用标准技术。例如，可利用厂商对试剂盒的使用说明，或者按照本领域公知的方式或本发明的说明来实施。通常可根据本说明书中引用和讨论的多个概要性和较具体的文献中的描述，按照本领域熟知的常规方法实施上述技术和方法。

8、术语“任选/任意”或“任选地/任意地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，该描述包括发生所述事件或情况和不发生所述事件或情况。

9、本文所用的术语“[001]”，指：晶体学中的‌密勒指数方向符号‌，代表该单晶片的‌极化或生长方向沿立方晶胞的c轴（z 轴）‌，即垂直于(001)晶面的方向。

10、本文所用的术语“ito”，指：indium tin oxide，中文名称为氧化铟锡，是一种透明导电氧化物材料。

11、本文所用的术语“pmn-pt”，指：lead magnesium niobate–lead titanate，中文名称为铌镁酸铅—钛酸铅，是一种弛豫铁电压电材料。

12、本文所用的术语“wo3”，指：tungsten trioxide，中文名称为三氧化钨，在本发明中用作电致变色层。

13、本文所用的术语“ta2o5”，指：tantalum pentoxide，中文名称为五氧化二钽，在本发明中用作固态离子传导层。

14、本文所用的术语“nio”，指：nickel oxide，中文名称为氧化镍，在本发明中用作离子存储层或对电极层。

15、本文所用的术语“pdms”，指：polydimethylsiloxane，中文名称为聚二甲基硅氧烷，可用于透明背衬层、阵元间隙填充或柔性透明结构。

16、本文所用的术语“pmma”，指：poly（methyl methacrylate），中文名称为聚甲基丙烯酸甲酯，可用作透明匹配层材料。

17、本文所用的术语“su-8”，指：一种环氧基负性光刻胶，可用作阵元间透明绝缘填充材料。

18、本文所用的术语“fpga”，指：field-programmable gate array，中文名称为现场可编程门阵列，可用于阵元激励、电致变色驱动和多物理场时序控制。

19、本文所用的术语“vpp”，指：peak-to-peak voltage，中文名称为峰峰值电压，用于表示超声阵元交流驱动电压的最大值与最小值之差。

20、本文所用的术语“pitch”，指：阵元中心间距，是相邻两个阵元中心位置之间的距离。

21、本文所用的术语“动态光窗”，指：通过改变选定电致变色区域的着色或漂白状态而形成的可调透光区域，其位置、数量、形状和透过率可由控制系统进行调节。

22、本文所用的术语“透明公共电极”，指：设置于pmn-pt透明压电层与电致变色功能层之间的透明电极，同时作为压电换能回路的上电极和电致变色驱动回路的公共电位电极。

23、本文所用的术语“激光超声”，指：利用脉冲激光在材料表面产生瞬态热弹性膨胀或其他光声效应而激发的超声波，可用于非接触式材料检测。

24、第一方面，本发明提供了：

25、一种透明电致变色超声换能阵列，其具有复合层状叠层结构，自下而上依次包括：透明背衬层、透明下电极层、透明压电层、透明公共电极、电致变色层、固态离子传导层、离子存储/对电极层、透明上电极层及透明匹配层；且透明下电极层与透明公共电极层构成透明压电层的超声发射电极和超声接收电极，且透明公共电极层与透明上电极层构成电致变色调光单元的驱动电极，电致变色调光单元直接集成于透明电致变色超声换能阵列上。

26、基于对本发明的技术问题的进一步解决或同时解决多个技术问题，在本发明第一方面所提供的技术方案中，优选方案包括：

27、第一项优先方案：

28、所述透明电致变色超声换能阵列采用独立阵元驱动、相控阵驱动、行列扫描驱动、fpga动态控制中的至少一种。

29、第二方面，本发明提供了：

30、一种透明电致变色超声换能阵列的制备方法，包括以下步骤：

31、s1、制备透明压电层；

32、s2、集成透明下电极层及透明背衬层；

33、s3、制备透明公共电极层及电致变色层；

34、s4、形成透明上电极层与透明匹配层；

35、s5、阵元分割、极化与封装。

36、基于对本发明的技术问题的进一步解决或同时解决多个技术问题，在本发明第一方面所提供的技术方案中，优选方案包括：

37、第一项优先方案：

38、s1中，制备过程为：

39、选用透明压电材料，对透明压电材料进行表面处理，并控制两侧表面粗糙度；依次采用丙酮、异丙醇和去离子水进行清洗，吹干后实施低功率等离子体活化处理。其中，该透明压电材料包括单晶、陶瓷、复合材料或薄膜中的至少一种。

40、第二项优先方案：

41、s2中，集成过程为：

42、在透明压电层的背衬侧制备透明下电极层，并通过紫外光刻与湿法刻蚀将其图形化为相互独立的阵元电极，随后在真空条件下将预先脱泡的透明环氧树脂、pdms、透明聚氨酯或紫外固化光学胶浇注或键合于透明下电极层一侧，固化形成透明背衬层。

43、第三项优先方案：

44、s3中，制备过程为：

45、在透明压电层的声辐射侧沉积透明公共电极层，随后依次采用磁控溅射、脉冲激光沉积、原子层沉积或溶胶-凝胶工艺制备电致变色层、固态离子传导层及离子存储/对电极层。

46、第四项优先方案：

47、s4中，形成过程为：

48、在离子存储/对电极层表面沉积透明上电极层，并通过光刻或激光图形化形成与各调光区域对应的独立透明上电极层；随后在透明上电极层表面旋涂、浇注或键合透明环氧树脂、透明硅橡胶、透明聚氨酯、pmma或紫外固化光学胶，形成透明匹配层。

49、第五项优先方案：

50、s5中，过程为：

51、采用紫外激光切割、划片或离子束刻蚀形成阵元边界，并以透明环氧树脂、pdms、su-8或透明聚酰亚胺填充阵元间隙；随后在透明下电极层与透明公共电极层之间施加极化电场完成压电层极化，并分别引出透明下电极层、透明公共电极层和透明上电极层的电连接端口；超声高频发射/接收回路连接于透明下电极层与透明公共电极侧边固之间，电致变色调光单元的回路连接于透明上电极层与透明公共电极层之间，两回路通过偏置三通、隔直电容、高阻隔离及频率选择滤波网络进行解耦，最终完成阵列封装与性能标定。

52、第三方面，本发明提供了：

53、一种基于透明电致变色超声换能阵列的增材制造系统，包括多波长光源模块、透明电致变色超声换能阵列、液相承载模块以及控制系统，其中，该透明电致变色超声换能阵列用于形成空间可调控声场并动态调节光线透过状态；液相承载模块用于承载加工所需的液体浆料；多波长光源模块用于输出不同波长光束并穿透透明电致变色超声换能阵列，且作用于液体浆液；控制系统用于协调声场、光场、电场及热场之间的耦合关系，并通过调节换能阵元状态实现动态光场分布与目标结构空间选择性生成。

54、第四方面，本发明提供了：

55、一种透明电致变色超声换能阵列的应用，将透明电致变色超声换能阵列应用于多物理场耦合增材制造场景。

56、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

57、1、实现超声换能功能与光学透过功能的一体化：

58、本发明采用透明背衬层、透明下电极层、透明压电层、电致变色功能层及透明匹配层等构成透明电致变色超声换能阵列，使激光能够穿过换能阵列并作用于液体浆料或打印结构。与不透明换能器相比，本发明有利于减少换能器对光路的遮挡，使超声作用区域与激光加工区域能够沿同一方向进行布置。

59、2、实现声场和光场的空间协同调控：

60、本发明通过调节不同压电阵元的激励时间延迟、相位和幅值，可形成动态聚焦声场、波束扫描声场、驻波场或行波场；通过调节不同电致变色区域的着色和漂白状态，可形成局部光窗、多区域光窗或扫描光窗。由此，可使颗粒聚集区域与激光照射区域在空间上相互对应，提高功能材料空间分布和结构成形位置的一致性。

61、3、减少外置动态光学调制部件：

62、本发明将电致变色调光单元直接集成于透明超声换能阵列，不需要完全依赖外置机械光阑、固定掩模或独立空间光调制器即可调节局部透光区域，有利于简化光声耦合系统的结构，减少外置调光部件与超声阵列之间的重复定位误差。

63、4、提高器件结构的集成度：

64、透明公共电极同时作为透明压电层的上电极和电致变色调光单元的公共电位电极。通过共用透明公共电极，可减少独立电极层数量和器件总厚度，缩短光学传播路径，并提高压电换能单元与电致变色调光单元的结构集成度。

65、5、降低超声回路与电致变色回路之间的信号串扰：

66、压电超声发射和接收信号施加于透明下电极与透明公共电极之间，电致变色驱动电压施加于透明上电极与透明公共电极之间。通过偏置三通、隔直电容、高阻隔离、射频扼流、频率选择滤波、模拟开关或时分驱动方式，可实现高频超声信号与低频电致变色偏置信号的解耦，从而有利于维持超声信号接收灵敏度和电致变色状态稳定性。

67、6、促进功能颗粒的定向聚集和连续功能通路形成：

68、本发明利用声辐射力和声场能量梯度驱动液体浆料中的金属颗粒、陶瓷颗粒、压电颗粒、导电填料或其他功能颗粒向预定区域迁移和聚集，并在颗粒聚集状态下实施光固化、光还原或激光烧结，有利于形成连续导电路径、局部密度梯度或其他定制化材料分布。

69、7、改善多材料结构的层间结合和局部致密化效果：

70、通过第一波长光进行光固化或光还原，并通过第二波长光进行局部加热、烧结或致密化，可针对不同材料和不同成形阶段选择相应的光学加工方式。超声场可在材料固化前维持颗粒聚集状态，并促进液相中的传质和颗粒重排，有利于减少局部孔隙、增强层间结合并提高功能结构的连续性。

71、8、支持多波长、多材料和多工序集成制造：

72、多波长光源模块可根据材料性质和加工要求输出不同波长的光束。不同波长可分别用于光固化、光还原、局部热处理、烧结、致密化和激光超声检测，使多种加工工序能够在同一系统中完成。液相承载模块可配置单个料槽或多个独立料槽，以适应单材料、多材料及梯度材料结构的制造。

73、9、实现增材制造过程中的原位在线检测：

74、检测激光穿过透明换能阵列后作用于已成形或正在成形的结构表面，产生激光超声波。透明换能阵列接收经结构内部传播、反射和散射后的超声信号，控制系统可根据传播时间、回波幅值、频谱、相位和衰减特征，对层厚、界面位置、层间结合状态、孔隙、裂纹、分层、未固化区域和未致密化区域进行检测。

75、10、形成制造—检测—反馈调节的闭环过程：

76、当在线检测发现局部固化不足、孔隙率偏高、层间结合不良或致密化不足时，控制系统可调整激光功率、扫描速度、焦点位置、打印路径、超声阵元相位、超声阵元幅值、聚焦位置或超声作用时间，并对异常区域进行补充固化、再次烧结或局部致密化，从而实现“制造—检测—判断—参数调整—再次检测”的闭环制造过程。

77、11、具备较强的结构和工艺扩展能力：

78、本发明的阵列规模、阵元尺寸、阵元间距、工作频率、材料厚度和电极图形均可根据具体应用进行调整，可形成一维线阵、二维面阵、环形阵列、稀疏阵列或其他阵列结构，适用于导电结构、绝缘结构、压电结构、透光结构以及多材料复合结构的增材制造。