一种声压输出幅值可调控的光声换能器及其制备方法

技术领域

本发明属于超声换能器技术领域，更具体地，涉及一种声压输出幅值可调控的光声换能器及其制备方法，该装置能够实现声压输出幅值“0”与“1”的调控(“0”即代表低超声幅值，“1”即代表高超声幅值，两者为相对概念)。

背景技术

超声换能器被广泛应用于无损检测和医学诊断与治疗，随着激光技术的发展，基于光声效应的光声换能器具备了宽频带和高频率的优点(这些光声换能器产生的超声能同时具备高强度、高频率和宽频带的特点，同时器件本身应用时能够抗电磁干扰，这是电声换能器不具备的)。其中，对于阵列型的光声换能器，能够实现较大幅值和一定空间幅值分布的超声场。一个超声换能器单元的超声幅值“0”“1”调控的实现，也意味着能够将这些单元组合成阵列，通过对阵列中各不同单元的超声幅值输出进行调控，从而实现任意的动态可调的超声波前输出。这在生物医学成像、工业传感和粒子调控等领域有着广泛的应用需求和广阔的应用前景。目前在光声换能器领域暂时还没有超声幅值“0”“1”调控技术的相关报道。

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声压输出幅值可调控的光声换能器及其制备方法，通过对器件内的各个细节结构及它们的配合作用关系进行改进，能够实现输出声压幅值的“0”“1”调控，且工艺简单，可行性强。本发明通过构建柔性复合光声转换层，利用其易发生形变的特点，借助外力使该柔性复合光声转换层发生形变，使柔性复合光声转换层的背衬在空气与硬质衬底之间切换，使背向传输的脉冲超声的反射界面发生变化，由于不同界面的声阻抗不同，背向传输的超声经空气背衬反射后得到等幅反相的超声输出并与初始正向传输的超声相叠加，使最终的输出的声压幅值接近0；背向传输的超声经硬质衬底反射后得到等幅同相的超声输出并与初始正向传输的超声相叠加，使最终的输出声压为初始幅值的2倍。因此在光声换能器吸收同样激光能量的情况下，两种不同背衬的柔性复合光声转层的输出声压幅值相差很大，从而实现该光声换能器单元输出声压幅值的“0”“1”调控。此外，本发明相应制备方法工艺过程简单，工艺可行性强。基于本发明，后续设计成阵列结构，可在共用同一激发光源的情况下，实现对输出声场分布的控制。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种声压输出幅值可调控的光声换能器，其特征在于，自下而上依次包括硬质衬底(1)、结构化基座(2)及柔性复合光声转换层(3)；其中，所述结构化基座(2)具有中空结构，该中空结构的上端面位于所述结构化基座(2)和所述柔性复合光声转换层(3)的接触面，下端面位于所述基座与所述硬质衬底(1)的接触面；所述硬质衬底(1)、所述结构化基座(2)和所述柔性复合光声转换层(3)三者相连，使所述中空结构对应形成的空气腔除了在预留的空气通道位置外，能够保持密封；所述空气腔内的气压能够通过所述空气通道进行调节；

所述硬质衬底(1)用于作为激光的入射端，激光经过所述硬质衬底(1)入射到所述柔性复合光声转换层(3)；所述柔性复合光声转换层(3)用于吸收激光束能量并转化成声能，产生沿正向传输与背向传输的初始超声脉冲信号；其中，以所述结构化基座(2)与所述柔性复合光声转换层(3)的接触面为参照，记由所述结构化基座(2)指向所述柔性复合光声转换层(3)的接触面法线方向为正向，由所述柔性复合光声转换层(3)指向所述结构化基座(2)的接触面法线方向为背向；

所述柔性复合光声转换层(3)能够在外力作用下产生形变，并使所述空气腔的形状和结构对应产生变化，其中：

当所述柔性复合光声转换层(3)形变至与所述硬质衬底(1)直接接触时，由于所述硬质衬底(1)的声学阻抗大于所述柔性复合光声转换层(3)，产生的初始超声脉冲信号中沿背向传输的信号，经所述硬质衬底(1)表面反射之后，将转变成幅值相等、相位相同的、且沿正向传输的第一超声脉冲反射信号，所述第一超声脉冲反射信号与所述初始超声脉冲信号中另一部分沿正向传输的初始超声脉冲信号之间叠加，得到沿正向传输且声压幅值增大的声压输出；

当所述柔性复合光声转换层(3)与所述硬质衬底(1)不直接接触时，由于所述柔性复合光声转换层(3)的声学阻抗大于空气，产生的初始超声脉冲信号中沿背向传输的信号，在经所述空气腔的反射之后，将转变成幅值相等、相位翻转的、且沿正向传输的第二超声脉冲反射信号，所述第二超声脉冲反射信号与所述初始超声脉冲信号中另一部分沿正向传输的初始超声脉冲信号之间叠加，得到沿正向传输且声压幅值减小的声压输出；

如此利用柔性复合光声转换层(3)的形变即可实现对声压输出幅值的调控。

作为本发明的进一步优选，所述外力包括电磁作用、压电作用或气压作用。

作为本发明的进一步优选，所述声压输出幅值可调控的光声换能器用于与气压调节泵(4)相连，该气压调节泵(4)能够通过所述空气通道对所述空气腔内的气压进行调节，从而使所述柔性复合光声转换层(3)产生形变。

作为本发明的进一步优选，所述结构化基座(2)具有中空结构为圆柱形中空结构，所述结构化基座(2)采用的材料为金属、塑料、有机玻璃或聚合物；优选的，所述结构化基座(2)采用的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体固化得到的。

作为本发明的进一步优选，所述柔性复合光声转换层(3)自上而下包括声学匹配层(31)及光声转换复合薄膜(32)，其中，

所述声学匹配层(31)所采用的材料满足材料的声阻与所述光声换能器目标工作环境的声阻相匹配；

所述光声转换复合薄膜(32)是由吸光微纳结构材料和柔性聚合物组成的复合材料薄膜，其中，所述吸光微纳结构材料为碳基微纳结构材料或金属基微纳结构材料；所述碳基微纳结构材料优选选自烛灰颗粒(CSNPs)、碳纳米管、碳黑颗粒、石墨烯、碳纤维或二硫化物；所述金属基微纳结构材料优选选自金属纳米粒子、金属纳米薄膜或金属纳米阵列。

作为本发明的进一步优选，所述声学匹配层(31)采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

作为本发明的进一步优选，所述光声转换复合薄膜(32)是由烛灰颗粒(CSNPs)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的复合材料薄膜。

作为本发明的进一步优选，所述硬质衬底(1)所采用的材料为塑料、压电陶瓷、有机玻璃或聚合物。

按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述声压输出幅值可调控的光声换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，制备结构化基座；所述结构化基座采用PDMS材料，包含一上一下两个端面；所述结构化基座具有中空结构，并且，所述结构化基座还预留有空气通道；优选的，所述中空结构的深度尺寸不超过该中空结构的横向尺寸的四分之一；

S20，将所述步骤S10制得的所述结构化基座的一个端面与硬质衬底进行键合或胶合；

S30，制备柔性复合光声转换层，具体包括以下子步骤：

S301，在基片上涂覆一层PDMS预聚体，得到涂覆有PDMS预聚体的基片；优选的，所述PDMS预聚体的厚度为10-50μm；

S302，将所述涂覆有PDMS预聚体的基片倒置于蜡烛火焰上方，进行烛灰颗粒CSNPs的蒸镀，得到CSNPs与PDMS混合层；

S303，固化，即可得到与基片相连的柔性复合光声转换层；

S40，将所述步骤S30得到的柔性复合光声转换层与经过所述步骤S20处理后的所述结构化基座的另一端面两者进行键合或胶合；

S50，剥离与所述柔性复合光声转换层相连的基片，即可得到声压输出幅值可调控的光声换能器。

作为本发明的进一步优选，所述步骤S10包括以下子步骤：

S101，根据预先设定的中空结构的尺寸以及预留的空气通道的位置准备结构化基座的模具；

S102，将PDMS前基体和固化剂混合，静置去气泡，得到液态PDMS预聚体；

S103，将所述步骤S102得到的所述液态PDMS预聚体倒入所述步骤S101得到的所述模具中，进行固化；优选的，所述固化的温度为65-85℃，固化时间为1-3小时；

S104，脱模，即可制备得到结构化基座。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过光声换能器器件中硬质衬底、结构化基座及柔性复合光声转换层的配合作用，得到声压输出幅值可调控的光声换能器，该声压输出幅值可调控的光声换能器中，柔性复合光声转换层用于吸收激光能量并通过光声效应产生正负声压的超声脉冲，超声脉冲沿着正向与反向传播；在无外力作用时，柔性复合光声转换层的背衬是空气，由于柔性复合光声转换层的声阻抗大于空气，则沿背向传输的超声脉冲信号在经空气腔的反射之后，将转变成幅值相等、相位翻转的超声脉冲并沿正向传输。经反射后得到的相位发生翻转的超声脉冲与初始正向传输的超声脉冲存在的时间延迟很小，则相位发生翻转的超声脉冲与初始正向传输的超声脉冲相叠加能互相抵消，所得的声压输出接近0，即对应声压输出幅值的“0”。在有外力作用时，例如，柔性复合光声转换层发生形变至与硬质衬底接触时，此时由于硬质衬底的声学阻抗大于柔性复合光声转换层，则沿背向传输的超声脉冲经硬质衬底表面反射之后，将转变成幅值相等、相位相同的超声脉冲信号并沿正向传输。经反射后得到的等幅同相超声脉冲与初始正向传输的超声脉冲存在的时间延迟很小，则等幅同相超声脉冲与初始正向传输的超声脉冲之间叠加，声压幅值变为原来的2倍，即对应声压幅值输出的“1”。

以外力作用为气压作用为例，由于硬质衬底、结构化基座和柔性复合光声转换层相配合形成一个空气腔结构，所述空气腔的横向尺寸与所述能够发生形变的柔性复合光声转换层的横向尺寸相等，通过控制所述结构腔内的压力大小使柔性复合光声转换层发生形变，从而使其背衬能够在空气与硬质衬底间进行切换。也就是说，本发明中的光声换能器，由于柔性复合光声转换层能够在外力作用下发生形变，使其背衬在空气与硬质衬底间切换，进一步的，由于柔性复合光声转换层在不同背衬时的声阻抗匹配情况不同，当柔性复合光声转换层的背衬是空气时，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且反相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值几乎为0，即正声压输出为“0”；当柔性复合光声转换层的背衬是硬质衬底时，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且同相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向传输的超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值约为初始正向脉冲幅值的2倍，即正声压输出为“1”。

并且，可通过调节柔性光声转换层的厚度，使正向传输光声信号和背向传输反射光声信号之间的时间延迟尽可能小，从而使“0”“1”状态下的声压输出幅值差越大。本发明将厚度优选控制为10-50μm，既能够避免过薄时不能使激光产生的热能扩散到周围介质中，又能够避免过厚对超声能量产生衰减负作用。

具体说来，本发明能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置，其结构包括硬质衬底、结构化基座、柔性复合光声转换层，可配合气压调节泵使用。其中，柔性复合光声转换层在外力作用下发生形变，使其背衬在空气与硬质衬底间切换，由于不同背衬时柔性复合光声转换层在界面处的声阻抗匹配情况不一样，从而使超声输出幅值为“0”或“1”，相比传统的超声器件只能通过调节光声换能器所吸收的激光能量来改变输出声压幅值，本发明提供的令柔性复合光声转换层发生形变从而使其背衬发生变化，使得正声压幅值输出动态可调，具有明显优势。

(2)本发明提供的声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置，通过调节气压可以很方便的使柔性复合光声转换层的背衬发生变化。

(3)本发明通过硬质衬底的选择、结构化基座和柔性复合光声转换层的制备，然后通过胶合、缩合键合工艺将其组装起来，形成一个含相应尺寸的结构腔的光声换能器装置，再配合压力调节管道的设置，获得声场幅值“0”“1”可调的光声换能器装置，本发明提供的制备方法工艺成熟，过程简单，工艺可行性强。

(4)本发明提供的制备方法能制备出各不同尺寸的声场幅值“0”“1”可调的光声换能器。

(5)本发明所提供的声场幅值“0”“1”调控的光声换能器装置可以组合成阵列，形成阵列型的光声换能器，通过对阵列中各元器件声场幅值的调控，得到任意的任意空间分布的输出声场。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的光声换能器输出幅值调控装置示意图。

图2为本发明实施例1的光声换能器输出幅值调控工作原理示意图，其中，图2中的(a)对应低超声幅值输出的情形(即，声压输出幅值“0”)，图2中的(b)对应高超声幅值输出的情形(即，声压输出幅值“1”)。

图3为本发明实施例1中光声换能器输出幅值调控装置的制备流程示意图。

图4为本发明实施例1提供的不同背衬光声换能器输出光声信号的测试结果对比图。

图5为本发明实施例2声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器示意图。

图6为本发明实施例2的光声换能器输出幅值调控工作原理示意图，其中，图6中的(a)对应低超声幅值输出的情形(即，声压输出幅值“0”)，图6中的(b)对应高超声幅值输出的情形(即，声压输出幅值“1”)

图7为本发明实施例2中光声换能器输出幅值调控装置的制备流程示意图。

图8为本发明实施例3声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器示意图。

图9为本发明实施例3的光声换能器输出幅值调控工作原理示意图，其中，图9中的(a)对应低超声幅值输出的情形(即，声压输出幅值“0”)，图9中的(b)对应高超声幅值输出的情形(即，声压输出幅值“1”)

图10为本发明实施例3中光声换能器输出幅值调控装置的制备流程示意图。

图1、图5、图8中各附图标记的含义如下：1为硬质衬底，2为结构化基座，3为柔性复合光声转换层，31为声学匹配层，32为光声转换复合薄膜，4为气压调节泵，5为玻璃基片，6为气压调节腔，7为环形磁铁，8为电磁铁，9为通气导管，10为压电片。

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。

总的来说，本发明中声压输出幅值“0”“1”调控装置，包括硬质衬底、结构化基座、柔性复合光声转换层，可配合气压调节泵使用；具体的，结构化基座上有孔，该孔一面位于所述结构化基座和柔性复合光声转换层的接触面上，另一面位于所述基座与硬质衬底的接触面上，所述硬质衬底、结构化基座和柔性复合光声转换层形成空气腔。柔性复合光声转换层在外力作用下发生形变，使其背衬在空气与硬质衬底间切换，由于柔性复合光声转换层在不同背衬时的声阻抗匹配情况不同，当柔性复合光声转换层的背衬是空气时，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且反相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值几乎为0；当柔性复合光声转换层的背衬是硬质衬底时，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且同相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向传输的超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值约为初始正向脉冲幅值的2倍。从而实现输出声场幅值的低幅值(也记为“0”)与高幅值(也记为“1”)的调控。

硬质衬底用于作为声阻抗较大的背衬，使输出声压幅值变大，此外，硬质衬底还作为结构化基座的衬底，也作为激光的入射端。柔性复合光声转换层为两层结构，即为声学匹配层和吸光微纳材料与聚合物组成的复合材料薄膜。柔性复合光声转换层中的吸光微纳结构材料可以选自金属纳米颗粒、金属纳米薄膜、金属纳米阵列、炭黑颗粒、碳纳米管、碳纤维、二硫化物(如二硫化钨、二硫化钼)或氧化石墨烯，柔性聚合物具有弹性和延展性，应具有大的热膨胀系数和较好的拉伸性能。

使柔性复合光声转换层发生形变的外力作用可以为任意方式，比如电磁作用下使该转换层发生形变，或者在该转换层上增设压电材料，在压电作用下使该转换层发生形变，比如，其中一种实现方式，柔性复合光声转换层配合所述结构化基座形成一个结构腔，结构腔的横向尺寸与所述可发生形变的柔性复合光声转换层的横向尺寸相等，通过控制结构腔内的压力大小来控制所述柔性复合光声转换层的形变大小。结构腔为一个封闭腔体，可发生形变的柔性复合光声转换层为该腔体的一个面，通过在结构化基座外连接一个气压调节设备，与所述结构腔连通，调节结构腔内压力来控制柔性复合光声转换层的形变大小。结构腔除与气压调节仪器的导管连通外，其他各处密封良好，气压调节设备比如气压调节泵等(也就是说，可以将气压调节设备通过气压调节通道与结构腔相连通；空气通道作为气压调节通道，空气腔内的气压可以通过气压调节泵进行调节)。结构化基座的结构腔(即中空结构)的尺寸可预先设计，尤其深度尺寸，决定了柔性复合光声转换层背衬在空气与硬质衬底间切换的难易程度。作为优选的方案，结构腔的深度尺寸小于该结构腔的横向尺寸的四分之一(以结构腔为圆柱形为例，该圆柱形的直径记为d，则结构腔的高度h

相应的，上述声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置的制备方法可以如下。该制备方法通过胶合或键合工艺将硬质衬底与结构化基座连接在一起，并通过缩合键合工艺将结构化基座和复合光声转换层整合在一起，其具体包括以下步骤：

S10，制备结构化基座；所述结构化基座包含一上一下两个端面，端面均为PDMS材料；所述结构化基座还包括气压调节通道：

S101，根据所需结构腔尺寸以及所述结构腔的气压调节通道的位置设计结构化基座的模具；

具体地，本发明中结构化基座的主要作用用于固定和支撑柔性复合光声转换层，同时也用于定义可发生形变的柔性复合光声转换层尺寸。在考虑器件整体尺寸的前提下，可事先设计出结构腔的尺寸，并根据设计加工模具。与常规要求相似，所加工模具的底面要足够光滑，使得脱模后的结构化基座的开腔面能达到键合要求。

S102，将PDMS前基体和固化剂混合，静置去气泡，得到液态PDMS预聚体；

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。制备的柔性复合光声转换层的杨氏模量取决于前基体与固化剂的比例，比例越大，杨氏模量越小，此时复合光声转换层越软。柔性复合光声转换层的软硬程度决定了其机械性能，相应地，该转换层越软，使其变形至贴合硬质衬底表面所需要的气压值相对小一些。

S103，将步骤S102所述液态PDMS预聚体倒入步骤S101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1-3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。与常规要求相似，脱模过程需保持结构化基座开腔面(即端面；当采用键合处理时，开腔面也即键合面)的洁净度，否则可能导致键合工艺失败；脱模后基座可倒置在密闭器件盒中，其目的是为了防止对开腔面的摩擦或损坏。

S20，键合或胶合结构化基座和硬质衬底；

具体地，可以采用键合或胶合的方式将结构化基座的一开腔面固定在硬质衬底上，还应保证连接面的气密性。

S30，制备柔性复合光声转换层：

S301，在基片上涂覆第一层所述PDMS预聚体，得到涂覆第一层PDMS预聚体的基片；

具体地，基片在旋涂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；优选地，所旋涂的PDMS厚度厚度为10-50μm，以避免过薄时不能使激光产生的热能扩散到周围介质中，以及过厚对超声能量产生衰减负作用。

S302，将所述涂覆第一层PDMS预聚体的基片倒置于蜡烛火焰上方，进行CSNPs蒸镀，得到CSNPs层；

具体地，旋涂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CSNPs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CSNPs层分布均匀。在烛灰颗粒CSNPs蒸镀过程中，CSNPs会进入到PDMS层内，形成CSNPs与PDMS混合层；CSNPs层的厚度可由蒸镀总时间来控制(当然，CSNPs蒸镀的时间过长会使其不能融合在PDMS中，附着力较弱)，实际所需的蒸镀时间可根据具体情况由操作人员灵活调整。

S303，固化，得到柔性复合光声转换层；

具体地，将完成S302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；优选固化过程温度为65-85℃，固化时间为1-3小时，固化后的基片应正置在密闭器件盒中。

S40，键合结构化基座和柔性复合光声转换层。

具体地，采用等离子体机分别处理所述结构化基座的开腔面(即端面；当采用键合处理时，开腔面也即键合面)和所述柔性复合光声转换层的PDMS面，结构化基座的开腔面即键合面为PDMS材料，复合光声转换层表面也为PDMS材料，二者在经过等离子表面处理后，自然贴合时会形成不可逆的紧密键合；将需要键合的PDMS面在氧等离子机中处理不短于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等离子体机中处理。

S50，剥离柔性复合光声转换层与基片，并可进一步连通气压调节泵导管和结构腔。

实施例1

图1示出了本发明实施例声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置示意图。

如图1所示，该实施例的声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置，包括：硬质衬底1、结构化基座2、柔性复合光声转换层3和气压调节泵4；所述硬质衬底1用于作为放置结构化基座2和作为激光的入射端；所述结构化基座2用于固定和支撑柔性复合光声转换层3，同时用于定义可发生形变的柔性复合光声转换层的尺寸；所述硬质衬底1、结构化基座2和柔性复合光声转换层3配合形成一个结构腔，气压调节泵4通过导管41控制腔内的气压值；所述柔性复合光声转换层3用于吸收激光能量并通过光声效应产生超声脉冲。

具体地，结合图2所示的工作原理示意图，一种声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置是基于柔性复合光声转换层易于发生形变的特点。通过改变空气腔内的气压值，使得柔性复合光声转换层发生形变至与硬质衬底相贴合，从而使柔性复合光声转换层的背衬在空气与硬质衬底之间切换，由于不同背衬时的声阻抗匹配情况不同，当柔性复合光声转换层的背衬是空气背衬时，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且反相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值几乎为0；当柔性复合光声转换层的背衬是硬质衬底时，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且同相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向传输的超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值约为初始正向脉冲幅值的2倍。从而实现输出声场幅值的“0”“1”调控。

硬质衬底1选用玻璃片，结构化基座2为聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体固化得到；复合光声转换层3可以为PDMS—PDMS/CSNPs构成的两层结构(即，由纯PDMS、烛灰颗粒与PDMS混合层组成的两层结构)，此时CSNPs在蒸镀过程中渗透进PDMS中一段距离，与碳纳米管、石墨烯等相比，采用CSNPs可明显降低工艺复杂度和成本。

需要说明的是，在实际使用过程中，光声换能器一般工作介质环境为水、PDMS或与之声阻抗相近的介质中，空气腔可能会由于介质压力而发生轻微形变。从原理上来说，这对器件的性能影响是可以忽略不计的，就算是对于特殊工作环境而言，形变量很大时，还可通过外部注入空气来恢复器件的工作性能。

图3示出了声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置的制备流程示意图，如图3所示，制备方法包括以下步骤：

S10，制备结构化基座；所述结构化基座包含键合面，键合面为PDMS材料；所述结构化基座还包括气压调节通道：

S101，根据所需结构腔尺寸以及所述结构腔的气压调节通道的位置设计结构化基座的模具；

具体地，本发明结构化基座的主要作用用于固定和支撑柔性复合光声转换层，同时也用于定义可发生形变的柔性复合光声转换层尺寸。在考虑器件整体尺寸的前提下，可事先设计出结构腔的尺寸，并根据设计加工模具。与常规键合工艺要求相似，所加工模具的底面要足够光滑，使得脱模后的结构化基座的开腔面能达到键合要求。

需要说明的是，结构腔除与导管41连通外，其他各处密封良好，这通过PDMS之间不可逆的键合工艺来实现。

S102，将PDMS前基体和固化剂混合，静置去气泡，得到液态PDMS预聚体；

具体地，将PDMS前基体和固化剂按10:1的体积比混合均匀，得到液态PDMS预聚体，然后放入真空抽气机静置去气泡。

S103，将步骤S102所述液态PDMS预聚体倒入步骤S101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℃，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。与常规要求相似，脱模过程需保持结构化基座开腔面即键合面的洁净度，否则可能导致键合工艺失败；脱模后基座可倒置在密闭器件盒中，其目的是为了防止对开腔面的摩擦或损坏。

S20，键合结构化基座和硬质衬底；

具体地，可以采用键合的方式将结构化基座的一开腔面固定在硬质衬底上，还应保证连接面的气密性。

S30，制备柔性复合光声转换层：

S301，在基片上涂覆第一层所述PDMS预聚体，得到涂覆第一层PDMS预聚体的基片；

具体地，基片在旋涂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；第一次PDMS预聚体厚度为20μm。

S302，将所述涂覆第一层PDMS预聚体的基片倒置于蜡烛火焰上方，进行CSNPs蒸镀，得到CSNPs层；

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2.5cm处，CSNPs蒸镀5s；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CSNPs层分布均匀。需要指出的是，CSNPs层的厚度可由蒸镀总时间来控制，而不同的CSNPs层厚度决定了不同的激光吸收强度。

S303，固化，得到柔性复合光声转换层；

具体地，将完成S303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；优选固化过程温度为65℃，固化时间为2小时，固化后的基片应正置在密闭器件盒中。

S40，键合结构化基座和柔性复合光声转换层。

具体地，采用等离子体机分别处理所述结构化基座的开腔面即键合面和所述柔性复合光声转换层的PDMS面，结构化基座的开腔面即键合面为PDMS材料，复合光声转换层表面也为PDMS材料，二者在经过等离子表面处理后，自然贴合时会形成不可逆的紧密键合；将需要键合的PDMS面在氧等离子机中处理不短于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等离子体机中处理。

S50，剥离柔性复合光声转换层与基片，连通气压调节泵导管和结构腔。

按照上述实施例中的制备参数进行工艺制备，并在激励激光参数为波长532nm、脉冲宽度10ns和脉冲能量5mJ时进行了光声换能器的光声信号表征；如图4可以看出，激光能量保持不变时，柔性复合光声转换层在两种不同的背衬条件下，输出正声压的幅值差别很大。结果显示，本发明提供的光声换能器实现了声压输出幅值的“0”“1”调控。

实施例2

图5示出了本发明实施例声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器示意图。

如图5所示，该实施例的声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置，包括：硬质衬底1、结构化基座2、柔性复合光声转换层3、玻璃基片5、气压调节腔6、环形磁铁7、电磁铁8和通气导管9；所述硬质衬底1用于作为激光的入射端；所述结构化基座2用于固定和支撑柔性复合光声转换层3，同时用于定义可发生形变的柔性复合光声转换层的尺寸；所述硬质衬底1、结构化基座2和柔性复合光声转换层3配合形成一个结构腔，所述柔性复合光声转换层3用于吸收激光能量并通过光声效应产生超声脉冲；所述玻璃基片5和所述气压调节腔6配合形成右侧密闭腔结构。所述气压调节腔6上端面较薄且易发生形变，放置所述环形磁铁7，环形磁铁正上方放置电磁铁8，气压调节结构腔与左侧结构腔通过通气导管9连通，控制电磁铁8中的电流的通断，可以使右侧腔的体积发生变化，从而使左侧腔内压强变化，带动复合光声转换层3发生形变，使其背衬在空气与硬质衬底1之间进行切换。

具体地，结合图6所示的工作原理示意图，一种声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置，结合一个连通腔结构，当电磁铁不通电时，左右两侧腔结构内气压保持恒定，复合光声转换层的背衬为空气；当电磁铁通电时，环形磁铁与电磁铁之间是吸引力，环形磁铁带动右侧腔上端面产生向上的位移，使右侧腔中的压强变大，气体从左侧腔结构流入右侧腔，从而使左侧腔内的压强减小，左侧腔上的复合光声转换层发生形变至与硬质衬底部分贴合，由此通过电磁铁中电流的通断，实现复合光声转换层的背衬在空气和硬质衬底之间的切换。由于不同背衬时的声阻抗匹配情况不同，当柔性复合光声转换层的背衬是空气背衬时(电磁铁不通电)，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且反相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值几乎为0；当柔性复合光声转换层的背衬是硬质衬底时(电磁铁通电)，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且同相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向传输的超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值约为初始正向脉冲幅值的2倍。从而实现输出声场幅值的“0”“1”调控。

硬质衬底1选用玻璃片，结构化基座2为聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体固化得到；复合光声转换层3可以为PDMS—PDMS/CSNPs构成的两层结构(即，由纯PDMS、烛灰颗粒与PDMS混合层组成的两层结构)，此时CSNPs在蒸镀过程中渗透进PDMS中一段距离，与碳纳米管、石墨烯等相比，采用CSNPs可明显降低工艺复杂度和成本。

需要说明的是，在实际使用过程中，光声换能器一般工作介质环境为水、PDMS或与之声阻抗相近的介质中，空气腔可能会由于介质压力而发生轻微形变。从原理上来说，这对器件的性能影响是可以忽略不计的，就算是对于特殊工作环境而言，形变量很大时，还可通过外部注入空气来恢复器件的工作性能。

图7示出了声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置的制备流程示意图，如图7所示，制备方法包括以下步骤：

S10，分别制备结构化基座和气压调节腔结构；

S101，根据所需结构腔和气压调节腔的尺寸以及气压调节通道的位置设计结构化基座和气压调节腔的模具；

S102，将PDMS前基体和固化剂混合，静置去气泡，得到液态PDMS预聚体；

具体地，将PDMS前基体和固化剂按10:1的体积比混合均匀，得到液态PDMS预聚体，然后放入真空抽气机静置去气泡。

S103，将步骤S102所述液态PDMS预聚体倒入步骤S101所述两个模具中进行固化；

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75℃，固化时间为3小时。

S104，脱模，得到结构化基座和气压调节腔结构。

S20，胶合结构化基座和硬质衬底；

具体地，可以采用紫外固化胶将结构化基座的下端面固定在硬质衬底上，用紫外灯照射涂胶的部分，30s。

S30，制备柔性复合光声转换层：

S301，在基片上涂覆第一层所述PDMS预聚体，得到涂覆第一层PDMS预聚体的基片；

具体地，基片在旋涂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；第一次旋涂所得PDMS的厚度为25μm

S302，将所述涂覆第一层PDMS预聚体的基片倒置于蜡烛火焰上方蒸镀，得到CSNPs/PDMS层；

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3cm处，CSNPs蒸镀6s；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CSNPs层分布均匀。需要指出的是，CSNPs层的厚度可由蒸镀总时间来控制，而不同的CSNPs层厚度决定了不同的激光吸收强度。

S303，固化，得到柔性复合光声转换层；

具体地，将完成S303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；优选固化过程温度为75℃，固化时间为2.5小时，固化后的基片应正置在密闭器件盒中。

S40，胶合结构化基座的上端面和柔性复合光声转换层。

具体地，将结构化基座的上端面涂上紫外固化胶，与柔性复合光声转换层贴合，用紫外灯照射30s。

S50，剥离柔性复合光声转换层与基片。

S60，胶合连通腔下端和玻璃基片，形成右侧腔结构。

具体地，将气压调节腔下端涂上紫外固化胶，并与玻璃基片贴合，用紫外灯照射30s。

S70，用UV胶将通环形磁铁固定在气压调节腔上端面中间位置。

按照上述实施例中的制备参数进行工艺制备，并在激励激光参数为波长532nm、脉冲宽度10ns和脉冲能量9mJ时进行光声换能器的光声信号表征；激光能量保持不变时，柔性复合光声转换层在两种不同的背衬条件下，输出正声压的幅值差别会很大。由此说明，本发明提供的光声换能器实现了声压输出幅值的“0”“1”调控。

实施例3

图8示出了本发明实施例声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器示意图。

如图8所示，该实施例的声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置，包括：硬质衬底1、结构化基座2、柔性复合光声转换层3、玻璃基片5、气压调节腔6、压电片10和通气导管9；所述硬质衬底1用于作为激光的入射端；所述结构化基座2用于固定和支撑柔性复合光声转换层3，同时用于定义可发生形变的柔性复合光声转换层的尺寸；所述硬质衬底1、结构化基座2和柔性复合光声转换层3配合形成一个左侧腔，所述柔性复合光声转换层3用于吸收激光能量并通过光声效应产生超声脉冲；所述玻璃基片5、气压调节腔6和压电片10配合形成右侧腔，左侧腔和右侧腔通过通气导管相连通。

具体地，结合图9所示的工作原理示意图，一种声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置是基于压电材料在外电场作用下发生形变的特点。当不对压电片施加电压时，左右两侧腔内的气压保持恒定，复合光声转换层的背衬为空气；当对压电片施加电压时，压电片会产生向上的位移，此时右侧腔内的压强变大，气体通过通气导管从左侧腔流入右侧腔，左侧腔内气压减小，带动复合光声转换层发生形变至与硬质衬底部分贴合；由此实现柔性复合光声转换层的背衬在空气与硬质衬底之间切换，由于不同背衬时的声阻抗匹配情况不同，当柔性复合光声转换层的背衬是空气背衬时(不对压电片施加电压)，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且反相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值几乎为0；当柔性复合光声转换层的背衬是硬质衬底时(对压电片施加电压)，背向传输的超声脉冲在界面反射后变为等幅且同相的超声脉冲沿正向传输，并与初始正向传输的超声脉冲相叠加，最终的超声输出幅值约为初始正向脉冲幅值的2倍。从而实现输出声场幅值的“0”“1”调控。

硬质衬底1选用玻璃片，结构化基座2和气压调节腔6为聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体固化得到；压电片10为PZT压电材料，复合光声转换层3可以为PDMS—PDMS/CSNPs构成的两层结构(即，由纯PDMS、烛灰颗粒与PDMS混合层组成的两层结构)，此时CSNPs在蒸镀过程中渗透进PDMS中一段距离，与碳纳米管、石墨烯等相比，采用CSNPs可明显降低工艺复杂度和成本。

需要说明的是，在实际使用过程中，光声换能器一般工作介质环境为水、PDMS或与之声阻抗相近的介质中，空气腔可能会由于介质压力而发生轻微形变。从原理上来说，这对器件的性能影响是可以忽略不计的，就算是对于特殊工作环境而言，形变量很大时，还可通过外部注入空气来恢复器件的工作性能。

图10示出了声压输出幅值“0”“1”调控的光声换能器装置的制备流程示意图，制备方法包括以下步骤：

S10，分别制备结构化基座和气压调节腔：

S101，根据所需结构腔尺寸以及所述结构腔的气压调节通道的位置设计结构化基座和气压调节腔的模具；

S102，将PDMS前基体和固化剂混合，静置去气泡，得到液态PDMS预聚体；

具体地，将PDMS前基体和固化剂按10:1的体积比混合均匀，得到液态PDMS预聚体，然后放入真空抽气机静置去气泡。

S103，将步骤S102所述液态PDMS预聚体倒入步骤S101所述两个模具中进行固化；

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75℃，固化时间为2小时。

S104，脱模，得到结构化基座和气压调节腔。

具体地，将固化充分后的结构化基座和气压调节腔从模具中取出。

S20，胶合结构化基座腔底面和硬质衬底；

具体地，可以采用紫外固化胶将结构化基座的一开腔面固定在硬质衬底上，用紫外灯照射涂胶的部分，30s。

S30，制备柔性复合光声转换层：

S301，在基片上涂覆第一层所述PDMS预聚体，得到涂覆第一层PDMS预聚体的基片；

具体地，基片在旋涂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；第一次旋涂所得PDMS的厚度为25μm

S302，将所述涂覆第一层PDMS预聚体的基片倒置于蜡烛火焰上方蒸镀，得到CSNPs/PDMS层；

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3cm处，CSNPs蒸镀5s；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CSNPs层分布均匀。需要指出的是，CSNPs层的厚度可由蒸镀总时间来控制，而不同的CSNPs层厚度决定了不同的激光吸收强度。

S303，固化，得到柔性复合光声转换层；

具体地，将完成S303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；优选固化过程温度为75℃，固化时间为2.5小时，固化后的基片应正置在密闭器件盒中。

S40，胶合结构化基座和柔性复合光声转换层。

具体地，将结构化基座的上端面上涂上紫外固化胶，与柔性复合光声转换层贴合，用紫外灯照射30s。

S50，剥离柔性复合光声转换层与基片。

S60，胶合气压调节腔和压电片。

具体地，将气压调节腔的上端面涂上紫外固化胶，与压电片贴合，用紫外灯照射30s。

S70，胶合气压调节腔和玻璃基片。

具体地，将气压调节腔的下端面上涂上紫外固化胶，与玻璃基片贴合，用紫外灯照射30s。

S80，将左右两侧腔用通气导管相连通。

按照上述实施例中的制备参数进行工艺制备，并在激励激光参数为波长532nm、脉冲宽度10ns和脉冲能量5mJ时进行了光声换能器的光声信号表征；激光能量保持不变时，柔性复合光声转换层在两种不同的背衬条件下，输出正声压的幅值差别会很大。由此说明，本发明提供的光声换能器实现了声压输出幅值的“0”“1”调控。

除上述实施例外，硬质衬底也可以采用有机玻璃、塑料或聚合物等声阻抗大于PDMS透明材料。上述实施例均是以平面型硬质衬底结构为例，除平面型外，还可以直接采用聚焦型的硬质衬底结构(聚焦型的相关现有技术例如可参考：【1】Li Q,Zhu H,Feng C,etal.Simple yet universal fabrication strategy for a focused photoacoustictransmitter[J].Opt Lett.44(6),1300-1303(2019).；【2】Li Y,Guo Z,Li G,etal.Miniature fiber-optic high-intensity focused ultrasound device using acandle soot nanoparticles-polydimethylsiloxane composites-coatedphotoacoustic lens[J].Optics Express.26(17),21700(2018).；【3】Baac H W,Ok J G,Maxwell A,et al.Carbon-Nanotube Optoacoustic Lens for Focused UltrasoundGeneration and High-Precision Targeted Therapy[J].Scientific Reports.2(1)2012).)，由于本发明实现声压幅值的调控关键在于通过例如气动调控腔结构等使复合光声转换层的衬底进行切换，当硬质衬底是聚焦型时，也能产生较大的正声压输出(当然，其输出波形与平面型硬质衬底相比，会存在不同)。

另外，需要说明的是，即使空气腔的形状相较于初始状态发生了变化，但只要薄膜背衬仍是空气，其输出声压幅值就会很小，仍会比薄膜受力贴紧硬质衬底时产生的声压小很多，仍能配合贴紧的状态共同实现“0”“1”的调控。

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。