一种大尺寸光声换能器制备方法及制备设备

1.本技术属于传感器领域，尤其涉及一种大尺寸光声换能器制备方法及制备设备。


背景技术：

2.均匀分布的吸光材料是制备大尺寸均匀性能光声换能器的关键材料。烛灰碳纳米颗粒由于具有高光吸收率和独特三维结构的特点，相较于大多数碳基材料更容易进行能量转化和传导，因此常被用来作为光声换能器的光吸收材料。
3.目前，制取烛灰碳纳米颗粒的常用方法是火焰合成法。利用火焰合成法可以使烛灰在基体表面以纳米颗粒形式沉积成均匀的薄层结构，并随着沉积厚度增加形成有利于热量传递的疏松状微观结构。然而，本技术的发明人在长期研发中发现，传统制备方法无法保证大面积制取的烛灰层厚度均匀，其主要原因在于：火焰合成烛灰时，受火焰温度影响不同位置石蜡燃烧程度不同，因此烛灰碳纳米颗粒尺寸和成分存在差异，导致吸光性能不同。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种大尺寸光声换能器制备方法及制备设备，以解决传统制备方法无法保证大面积制取的烛灰层厚度均匀的问题。
5.第一方面，本技术实施例提供一种大尺寸光声换能器制备方法，方法包括：
6.将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置，所述蜡烛固定时沉积的圆形烛灰区域的半径为m；
7.控制铝板在水平方向上匀速移动，形成n条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层，所述n条沉积路径中相邻两条沉积路径之间的距离≤m/2，其中，所述n为预先设定的整数，n≥2；
8.在所述烛灰层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷，得到大尺寸光声换能器。
9.可选地，所述控制铝板在水平方向上匀速移动，包括：
10.控制铝板在水平方向上沿蛇形路线匀速移动。
11.可选地，所述控制铝板在水平方向上沿蛇形路线匀速移动，包括：
12.控制铝板在水平方向x轴的移动速度为300mm/s，在水平方向y轴的移动速度为100mm/s，单条路径的长度为75cm。
13.可选地，所述n为30。
14.可选地，所述将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置，包括：
15.将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的2/3处。
16.可选地，所述蜡烛的直径的范围为3-7cm。
17.可选地，所述控制铝板在水平方向上匀速移动，形成n条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层，包括：
18.重复控制所述铝板在水平方向上匀速移动至少两次，形成n条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层。
19.可选地，所述在所述烛灰层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷，得到大尺寸光声换能器，包括：
20.在所述烛灰层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷并在65℃下固化，得到大尺寸光声换能器。
21.第二方面，本技术实施例提供了一种大尺寸光声换能器制备设备，包括六自由度的机械臂、铝板、蜡烛、工作平台以及防风玻璃，
22.其中，所述铝板置于所述机械臂上，所述蜡烛置于所述工作平台；
23.所述六自由度的机械臂用于将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置，所述蜡烛固定时沉积的圆形烛灰区域的半径为m，控制铝板在水平方向上匀速移动，形成n条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层，所述n条沉积路径中相邻两条沉积路径之间的距离≤m/2，其中，所述n为预先设定的整数，n≥2；在所述烛灰层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷，得到大尺寸光声换能器。
24.第三方面，本技术实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上所述的大尺寸光声换能器制备方法。
25.本技术实施例的大尺寸光声换能器制备方法、装置、设备及计算机存储介质，能够通过将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置，所述蜡烛固定时沉积的圆形烛灰区域的半径为m，控制铝板在水平方向上匀速移动，形成n条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层，n条沉积路径中相邻两条沉积路径之间的距离≤m/2，其中，n为预先设定的整数，n≥2，在烛灰层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷，得到大尺寸光声换能器。由于n条沉积路径中相邻两条沉积路径之间的距离≤m/2，在验证实验中，发现相邻两条沉积路径之间的距离小于等于蜡烛固定时沉积的圆形烛灰区域的半径为m/2时，可以保证大面积制取的烛灰层厚度均匀。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本技术实施例提供的三层结构光声换能器示意图；
28.图2是本技术实施例提供的烛灰沉积示意图；
29.图3是本技术实施例提供的高斯函数曲线叠加示意图；
30.图4是本技术实施例提供的一种大尺寸光声换能器制备方法的流程示意图；
31.图5是本技术实施例提供的基板蛇形移动路线图；
32.图6是本技术实施例提供的又一种大尺寸光声换能器制备方法的流程示意图；
33.图7是本技术实施例提供的一种大尺寸光声换能器制备设备的示意图；
34.图8是本技术实施例提供的一种大尺寸光声换能器制备设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
35.下面将详细描述本技术的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本技术进行进一步详细
描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本技术，而不是限定本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本技术的示例来提供对本技术更好的理解。
36.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
37.激光超声技术具有能量高、光发散角小、持续时间短的特点，可以激发宽带和高频超声信号，广泛应用于缺陷检测、定位和成像。激光基于光声效应产生超声波的方式有两种：热烧蚀机制和热弹性机制。与热烧蚀机制相比，激光在热弹性机制下产生的超声波不会损坏被检物，因此适用于无损检测要求。光声换能器通过高效的光声转换机制将输入的光能转换为输出的声能，产生高振幅的超声波脉冲，可以显著提高热弹性机制下产生的超声信号的信噪比。使用光声换能器可以解决热弹性条件下产生的超声波信噪比低的问题。为方便激光超声进行大范围的扫描检测，需要制备性能一致的大尺寸光声换能器。
38.均匀分布的吸光材料是制备大尺寸均匀性能光声换能器的关键因素。烛灰碳纳米颗粒由于具有高光吸收率和独特三维结构的特点，相较于大多数碳基材料更容易进行能量转化和传导，因此常被用来作为光声换能器的光吸收材料。如图1，为三层结构光声换能器示意图包括基板、csnps-pdms复合层、pdmsⅱ层以及pdmsⅰ层，目前，如图2，制取烛灰的常用方法是火焰合成法。利用火焰合成法可以使烛灰在基体表面以纳米颗粒形式沉积成均匀的薄层结构，并随着沉积厚度增加形成有利于热量传递的疏松状微观结构。然而，传统制备方法无法保证大面积制取的烛灰层厚度均匀，其主要原因在于：火焰合成烛灰时，受火焰温度影响不同位置石蜡燃烧程度不同，因此烛灰碳纳米颗粒尺寸和成分存在差异，导致吸光性能不同。受此影响光声换能器激发的超声信号幅值存在差异。
39.目前可以通过吸光介质层采用传统火焰法蒸镀制备，具体操作是将玻璃基片倒置于稳定烛焰上方约1cm的位置并固定。为防止玻璃片受热不均而断裂，分成三次来完成20s的蒸镀过程，每次间隔冷却时间约为3min，然而在固定位置制取烛灰，未解决烛灰沉积不均的问题。
40.也可以通过将烛灰纳米颗粒层制备于基底具有绝缘性能的一侧表面，并覆盖叉指电极的主体部分，露出叉指电极的两接线端。通过在沉积过程中pdms基板以恒定速度来回移动确保蜡烛烟灰层的沉积相对均匀。然而用一种机械装置控制基板移动制取烛灰，并未阐明如何保证得到的烛灰厚度均匀可控，实际操作难度大且重复性差。
41.为了解决现有技术问题，本技术的发明人在长期研发中发现，如图3，蜡烛燃烧产生的烛灰碳纳米颗粒的尺寸分布是不均匀的，由中心向外呈高斯分布。将基板置于烛焰同一高度下沿一条直线匀速移动所得到的烛灰碳纳米颗粒沉积轨迹称为一条沉积路径。完成一次沉积路径的叠加称为一个沉积周期。路径横截面厚度变化满足高斯函数。不同路径的叠加可以描述为除峰值位置外其他特征相同的不同高斯函数曲线值的叠加。最终叠加值h
的理论计算公式可用下式表示：
[0042][0043]
其中n为叠加的高斯函数总数，m为沉积周期总数，i、j分别为高斯函数的序号和沉积周期序号，a
ij
、σ分别为第j个沉积周期中编号为i的高斯函数的峰值位置和标准方差。随着a
i 1
和ai之间距离的减小，函数h趋于一条直线，且该直线的值与路径间距成反比。即只要选择合适的路径间距，就可以得到均匀厚度的烛灰层，路径间距设置越小，烛灰层厚度越大。
[0044]
基于上述原理，本技术实施例提供了一种大尺寸光声换能器制备方法及制备设备。下面首先对本技术实施例所提供的一种大尺寸光声换能器制备方法进行介绍。
[0045]
图4示出了本技术一个实施例提供的一种大尺寸光声换能器制备方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
[0046]
步骤401，将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置，所述蜡烛固定时沉积的圆形烛灰区域的半径为m；
[0047]
首先，按照重量比10:1的比例均匀混合聚二甲基硅氧烷前基体和固化剂(sylgard 184)，并进行脱气处理得到聚合物溶液，取聚合物溶液旋涂于3mm厚铝板上表面，然后在65℃下固化得到pdmsⅰ层，最后将pdmsⅰ层置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置。
[0048]
在本技术一实施例中，所述步骤101，包括：
[0049]
将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的2/3处。
[0050]
在本技术实施例中，将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的2/3处有利于烛灰的收取效率。
[0051]
在本技术一实施例中，蜡烛的直径的范围为3-7cm，选用3-7cm直径蜡烛保证在沉积过程中火焰高度保持恒定。
[0052]
步骤402，控制铝板在水平方向上匀速移动，形成n条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层，所述n条沉积路径中相邻两条沉积路径之间的距离≤m/2，其中，所述n为预先设定的整数，n≥2；
[0053]
在将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置后，可以控制铝板在水平方向上匀速移动，由于蜡烛燃烧时由中心向外呈高斯分布。将铝板置于烛焰同一高度下沿n条距离为≤m/2的直线匀速移动得到n条距离≤m/2烛灰碳纳米颗粒沉积轨迹，n为用户根据烛灰沉积区域大小和相邻两条沉积路径之间的距离预先设置的。
[0054]
在本技术一实施例中，步骤402，包括：
[0055]
控制铝板在水平方向上沿蛇形路线匀速移动。
[0056]
在本技术实施例中，如图5所示，采用蛇形路线移动的方式一次性完成烛灰在大范围内的厚度叠加，降低了烛灰制取过程的难度，可操作性更强。
[0057]
步骤403，在所述烛灰层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷，得到大尺寸光声换能器。
[0058]
在沉积的烛灰层上再次旋涂一层聚二甲基硅氧烷并在65℃下固化，过程中聚二甲基硅氧烷渗透进疏松结构的烛灰层得到csnps-pdms复合层，未渗透的聚二甲基硅氧烷形成pdmsⅱ层，完成大尺寸光声换能器制备。
[0059]
在本技术实施例中，能够通过将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置，所述蜡烛
固定时沉积的圆形烛灰区域的半径为m，控制铝板在水平方向上匀速移动，形成n条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层，n条沉积路径中相邻两条沉积路径之间的距离≤m/2，其中，n为预先设定的整数，n≥2，在烛灰层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷，得到大尺寸光声换能器。由于n条沉积路径中相邻两条沉积路径之间的距离≤m/2，在验证实验中，可以保证大面积制取的烛灰层厚度均匀。
[0060]
图6示出了本技术一个实施例提供的又一种大尺寸光声换能器制备方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
[0061]
步骤601，将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的2/3处；
[0062]
步骤602，控制铝板在水平方向x轴的移动速度为300mm/s，在水平方向y轴的移动速度为100mm/s，单条路径的长度为75cm；
[0063]
设置程序控制铝板沿蛇形路线移动实现沉积路径叠加。铝板在水平方向x轴和y轴的移动速度分别设置为300mm/s和100mm/s。单条路径的长度设置为75cm，不同路径之间的距离设置为dy＝|a
i 1-ai|＝1mm。
[0064]
步骤603，重复控制所述铝板在水平方向上匀速移动至少两次，形成30条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层。
[0065]
其中，根据烛灰沉积区域大小和设置的路径间隔，至少需要15条沉积路径才能得到均匀的烛灰层，本实验中有30条路径。
[0066]
在本技术实施例中，可以控制所述铝板在水平方向上匀速移动一次，形成30条沉积路径，即完成一个沉积周期，单个沉积周期得到的烛灰层厚度约为2.1μm，在完成一个沉积周期后，控制铝板沿竖直方向上移脱离火焰影响区域，然后返回初始位置再次控制所述铝板在水平方向上匀速移动，完成又一个沉积周期，此时，烛灰层厚度约为4.2μm，沉积周期为用户根据烛灰层厚度的需求预先设定的。
[0067]
在本技术实施例中，也可以控制所述铝板在水平方向上的1条沉积路径上匀速移动预设次数后，进而控制所述铝板在水平方向上的另一条、条沉积路径上匀速移动预设次数，直至形成30条沉积路径。
[0068]
在本技术实施例中，通过将铝板置于蜡烛燃烧时火焰的2/3处，控制铝板在水平方向x轴的移动速度为300mm/s，在水平方向y轴的移动速度为100mm/s，单条路径的长度为75cm，重复控制所述铝板在水平方向上匀速移动至少两次，形成30条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层，通过选择路径间距和循环周期，可以控制烛灰沉积的厚度和范围，由于整个制取过程由设定好的程序控制完成，因此可以重复制备，可以在保证大面积制取的烛灰层厚度均匀的条件下，控制烛灰层的厚度。
[0069]
图7示出了本技术一个实施例提供的一种大尺寸光声换能器制备设备的示意图，包括六自由度的机械臂、铝板(即基板)、蜡烛、工作平台以及防风玻璃，
[0070]
其中，所述铝板置于所述机械臂的连接装置上，所述蜡烛置于所述工作平台；
[0071]
所述六自由度的机械臂用于将所述铝板置于蜡烛燃烧时火焰的预设位置，控制铝板在水平方向上匀速移动，形成n条沉积路径，并得到铝板上的烛灰层，所述n条沉积路径中相邻两条沉积路径之间的距离为1mm，其中，所述n为预先设定的整数，n≥2；在所述烛灰层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷，得到大尺寸光声换能器。
[0072]
在本技术实施例中，使用六自由度的机械臂控制承载烛灰的基板，可以实现基板
高度、移动速度和路线的精确控制。
[0073]
图8示出了本技术实施例提供的一种大尺寸光声换能器制备设备的硬件结构示意图。
[0074]
大尺寸光声换能器制备设备可以包括处理器801以及存储有计算机程序指令的存储器802。
[0075]
具体地，上述处理器801可以包括中央处理器(central processing unit，cpu)，或者特定集成电路(application specific integrated circuit，asic)，或者可以被配置成实施本技术实施例的一个或多个集成电路。
[0076]
存储器802可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器802可包括硬盘驱动器(hard disk drive，hdd)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(universal serial bus，usb)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在一个实例中，存储器302可以包括可移除或不可移除(或固定)的介质，或者存储器802是非易失性固态存储器。存储器802可在综合网关容灾设备的内部或外部。
[0077]
在一个实例中，存储器802可包括只读存储器(rom)，随机存取存储器(ram)，磁盘存储介质设备，光存储介质设备，闪存设备，电气、光学或其他物理/有形的存储器存储设备。因此，通常，存储器802包括一个或多个编码有包括计算机可执行指令的软件的有形(非暂态)计算机可读存储介质(例如，存储器设备)，并且当该软件被执行(例如，由一个或多个处理器)时，其可操作来执行参考根据本技术的一方面的方法所描述的操作。
[0078]
处理器801通过读取并执行存储器802中存储的计算机程序指令，以实现图4以及图6所示实施例中的方法，并达到的相应技术效果，为简洁描述在此不再赘述。
[0079]
在一个示例中，一种大尺寸光声换能器制备设备还可包括通信接口803和总线810。其中，如图8所示，处理器801、存储器802、通信接口803通过总线810连接并完成相互间的通信。
[0080]
通信接口803，主要用于实现本技术实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
[0081]
总线810包括硬件、软件或两者，将在线数据流量计费设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(accelerated graphics port，agp)或其他图形总线、增强工业标准架构(extended industry standard architecture，eisa)总线、前端总线(front side bus，fsb)、超传输(hyper transport，ht)互连、工业标准架构(industry standard architecture，isa)总线、无限带宽互连、低引脚数(lpc)总线、存储器总线、微信道架构(mca)总线、外围组件互连(pci)总线、pci-express(pci-x)总线、串行高级技术附件(sata)总线、视频电子标准协会局部(vlb)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线810可包括一个或多个总线。尽管本技术实施例描述和示出了特定的总线，但本技术考虑任何合适的总线或互连。
[0082]
另外，结合上述实施例中的一种大尺寸光声换能器制备方法，本技术实施例可提供一种计算机存储介质来实现。该计算机存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种大尺寸光声换能器制备方法。
[0083]
需要明确的是，本技术并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具
体的步骤作为示例。但是，本技术的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本技术的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0084]
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本技术的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(radio frequency，rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
[0085]
还需要说明的是，本技术中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本技术不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
[0086]
上面参考根据本技术的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本技术的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
[0087]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。