一種具有曲面聚焦陣列的高頻超聲換能器及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于高頻超聲換能器領域，更具體地，涉及一種具有曲面聚焦陣列的高頻 超聲換能器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 超聲換能器是實現(xiàn)聲信號和電信號轉換的器件，超聲換能器的橫向分辨率由以下 公式?jīng)Q定：
[0003]
[0004] 其中，R為橫向分辨率，c是指介質(zhì)中的聲速，f c為中心頻率，F(xiàn)#為焦距和孔徑尺寸的 比例，λ為聲波的波長，因此，焦距和孔徑尺寸的比例越大，橫向分辨率則越高。在孔徑尺寸 一定的時候，焦距越小時，分辨率則越高，圖1為超聲換能器上一個單振元的聲場。焦距為焦 點到陣元中心的距離，由于平面焦點較遠，焦距比較大。因此，曲面的壓電厚膜能提高高頻 超聲換能器的橫向分辨率。
[0005] 現(xiàn)有技術中超聲換能器中曲面聚集陣列的制備需要首先制備好平面的壓電厚膜， 然后通過不銹鋼的圓柱按壓在曲面襯底上成為曲面壓電厚膜，之后進行機械切割，形成陣 列。如非專利文南犬Cylindrically shaped ultrasonic linear array fabricated using PIMNT/epoxy l-3piezoelectric composite(Sensors and Actuators A:Physical Volume 192, IApril 2013，Pages 69-75)，由于陣列的厚度達到了0.55mm，因此頻率較低， 僅有2MHz左右。此外，現(xiàn)在的超聲換能器中普遍使用鋯鈦酸鉛(PZT)作為壓電材料，而該材 料的電致應變系數(shù)，以及機電耦合系數(shù)都較低，難以滿足大多數(shù)超聲換能器的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種具有曲面聚焦陣列的高 頻超聲換能器及其制備方法及其制備方法，其目的在于通過移印法制備曲面聚焦陣列，從 而增強超聲換能器的橫向分辨率，提高其性能。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種高頻超聲換能器，包括曲面 襯底以及曲面聚焦陣列，所述曲面襯底的上表面為弧度60°~180°的環(huán)形，所述曲面聚焦陣 列覆蓋于所述曲面襯底的上表面的全部或部分區(qū)域，所述曲面聚焦陣列的底部為高度4μπι ~20μπι的底電極，所述底電極之上設置有16個~256個平行的弧形陣元，所述弧形陣元由其 底部高度為7μπι~100μπι的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜及其頂部高度為IOOnm~300nm的金電極組 成，且所述弧形陣元的弧心位于所述曲面襯底上表面的中心軸上。
[0008] 優(yōu)選地，所述曲面襯底的材料為壓電陶瓷或者金屬氧化物。
[0009] 優(yōu)選地，所述弧形陣元的寬度為24μηι~60μηι，間距為33μηι~76μηι。
[0010 ]優(yōu)選地，所述底電極的材料為惰性金屬。
[0011]按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種該高頻超聲換能器的制備方法，所述制備 方法包括以下步驟：
[0012] SI.利用移印法在曲面襯底的上表面制備高度為4μπι~20μπι的底電極，所述曲面襯 底的上表面為弧度60°~180°的環(huán)形；
[0013] S2.利用移印法在底電極上制備高度為7μπι~1 ΟΟμπι的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜；
[0014] S3.利用濺射法在所述鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜上制備高度為IOOnm~300nm的金電 極；
[0015] S4.使用激光平行切割所述金電極與所述鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜，從而形成16個~ 256個平行設置的弧形陣元，使得所述弧形陣元的底部為鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜，頂部為金電 極，且所述弧形陣元的弧心位于所述曲面襯底上表面的中心軸上。
[0016] 優(yōu)選地，所述步驟S2具體為：
[0017] 321.將粒徑為20011111~50011111的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛粉末均勻分散于10%~20%的聚 乙二醇溶液中，使得所述鈮鎂酸鉛鈦酸鉛粉末與所述聚乙二醇溶液的質(zhì)量比為7 :3~4:1， 獲得壓電漿料；
[0018] S22.利用移印法將所述壓電漿料轉移至底電極上，干燥后形成高度為5μπι~12μπι 的壓電涂層，并重復以上步驟直至所述壓電涂層疊加至所需高度；
[0019] S23.300°C~350°C加熱，直至所述壓電涂層中的聚合物充分受熱分解并揮發(fā)； [0020] S24.800°C~1000°C加熱使得所述壓電涂層中的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛粉末燒結。
[0021] 作為進一步優(yōu)選地，所述步驟S22的具體方法為，用和所述曲面襯底的上表面的形 貌相匹配的模具取壓電漿料，將其轉移至所述曲面襯底的上表面，l〇〇°C~120°C加熱干燥 后形成高度為5μπι~12μπι的壓電涂層，并重復以上步驟直至所述壓電涂層疊加至所需高度。
[0022] 作為更進一步優(yōu)選地，所述模具的材料為硅膠。
[0023]作為進一步優(yōu)選地，在所述步驟S21中，所述鈮鎂酸鉛鈦酸鉛粉末與所述聚乙二醇 溶液的質(zhì)量比為2:1~3:1。
[0024] 作為進一步優(yōu)選地，在所述步驟S23中加熱的時間為30min~60min。
[0025] 總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，由于通過移印法 在曲面襯底上制備了曲面聚焦陣列，具有以下有益效果：
[0026] 1、在環(huán)形的曲面襯底上直接制備曲面聚焦陣列，再切割成為弧形陣元，與現(xiàn)有技 術中的按壓法相比，將弧形陣元的高度降低到了 IOOym以下，從而提高了超聲換能器的橫向 分辨率，改善了其在高頻的轉換效果；
[0027] 2、利用激光切割代替普通的機械切割，提高了切割的精度；
[0028] 3、利用鈮鎂酸鉛鈦酸鉛粉末分散于10 %~20 %的聚乙二醇溶液，從而制備得到了 鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜，由于該材料具有高電致應變系數(shù)，以及機電耦合系數(shù)，用其取代傳統(tǒng) 的鋯鈦酸鉛厚膜，提高了超聲換能器的壓電性能、電致應變系數(shù)以及機電耦合系數(shù)。
【附圖說明】
[0029] 圖1為超聲換能器的橫向分辨率示意圖；
[0030] 圖2a為本發(fā)明實施例1的曲面PZT襯底的正視圖；
[0031] 圖2b為本發(fā)明實施例1的曲面PZT襯底的俯視圖；
[0032]圖3a為本發(fā)明實施例1的硅膠模具的正視圖；
[0033] 圖3b為本發(fā)明實施例1的硅膠模具的側視圖；
[0034] 圖4為本發(fā)明實施例1的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜的曲面截面SEM圖（從左下角到右上 角分別為:鈮鎂酸鉛鈦酸鉛壓電厚膜，Pt電極，PZT曲面襯底）；
[0035] 圖5為本發(fā)明實施例1的整體結構示意圖；
[0036] 圖6為本發(fā)明實施例1的曲面聚焦陣列示意圖；
[0037] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1_曲面單陣 元，2-平面單陣元，3-曲面單陣元的焦點區(qū)，4-平面單陣元的焦點區(qū)，5-曲面單陣元波束，6-平面單陣元波束，11-曲面襯底，12-底電極，13-鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜，14-金電極。
【具體實施方式】
[0038]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0039] 本發(fā)明的一個方面，提供了一種高頻超聲換能器，包括曲面襯底以及曲面聚焦陣 列，所述曲面襯底的上表面為弧度60°~180°的環(huán)形，所述曲面聚焦陣列覆蓋于所述曲面襯 底的上表面的全部或部分區(qū)域，所述曲面聚焦陣列的底部為高度4μπι~20μπι的底電極，所述 底電極之上設置有16個~256個寬度、弧長、弧度以及高度都相同，且弧心皆位于所述曲面 襯底上表面的中心軸上的平行設置的弧形陣元，所述弧形陣元的底部為高度7μπι~100μπι的 銀鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜，頂部為高度IOOnm~300nm的金電極。
[0040] 其中，所述曲面襯底的材料為壓電陶瓷或者金屬氧化物，所述底電極的材料為惰 性金屬;而弧形陣元的寬度和間距與聲波的波長相關，而高頻超聲換能器頻率范圍為20MHz ~200MHz，而高頻超聲換能器一般用在醫(yī)學上，檢測人體組織和器官，聲音在人體中的傳播 速度為1540m/s，而弧形陣元的間距小于等于半波長，因此弧形陣元的寬度通常為20μπι~50 μπι，間距通常為30μπι~70μπι;其長度（即弧形陣元對應的弧長）需滿足弧度在60°以上的要 求，例如，當曲面襯底的上表面的半徑為5mm時，弧形陣元的長度通常為5mm~15_。
[0041 ]該超聲換能器的制備方法包括以下步驟：
[0042] SI.利用移印法在曲面襯底的上表面制備高度為4μπι~20μπι的底電極，所述曲面襯 底的上表面為弧度60°~180°的環(huán)形；
[0043] S2.利用移印法在底電極上制備高度為7μπι~1 ΟΟμπι的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜；
[0044] S3.通過控制濺射功率、濺射壓強和濺射時間，利用濺射法在所述鈮鎂酸鉛鈦酸鉛 厚膜上制備高度為IOOnm~300nm的金電極作為頂電極;例如利用射頻濺射，功率為100w，壓 強為0 · 5Pa，速率為0 · 3nm/s，濺射時間6min，可獲得厚度為IOOnm的金電極；
[0045] S4.使用激光平行切割所述金電極與所述鈮鎂酸鉛鈦酸鉛厚膜，其切割的深度方 向與曲面襯底的上表面相垂直，同時通過控制切割時間可以避免切割到底電極，從而形成 16個~256個大小相同且平行設置的弧形陣元，使得所述弧形陣元的底部為鈮鎂酸鉛鈦酸 鉛厚膜，頂部為金電極，且所述弧形陣元的弧心位于所述曲面襯底上表面的中心軸上。
[0046] 其中，步驟Sl中的移印法具體為，用和所述曲面襯底的上表面的形貌相匹配的模 具取惰性金屬漿料，并轉移至所述曲面襯底表面，150 °C~200 °C以下加熱，使得漿料中的溶 劑完全揮發(fā)，然后再在1150°C~1250°C燒結，獲得高度為4μπι~20μπι的底電極。
[0047] 而所述步驟S2中的移印法相對復雜，其具體步驟為：
[0048] S21.由于鈮鎂酸鉛鈦酸鉛粉末比例過高時，壓電漿料過于濃稠，不利于移印，而聚 合