专利名称：一种高频超声换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高频超声换能器，主要应用于医学超声诊断及微缺陷无损检测，属于振动传感器领域。
背景技术：
近年来，临床医学的许多方面(如眼睛，口腔，血管内以及皮肤下的清晰成像)对B-型超声成像系统提出了更高的要求，而满足这一要求的关键是发展高性能的宽带高频换能器。从高频换能器的特性来看，其性能的好坏直接受压电材料和制作工艺的影响，所以为换能器选择适当的压电材料和设计简易的制备方法就显得尤为重要。
目前，用来制作高频换能器的压电材料主要有复合材料(PVDF或P(VDF-TrFe))，PZT、PT厚膜等，选用不同的压电材料相应地有不同的制备方法。Sherar等人(见M.S.Sherar and F.S.Foster，“The designand fabrication of high frequency polymer(vinylidene fluoride)transducers”，Ultrasonic Imaging，Vol.11，pp.75-94，1989.)制作的球壳状复合材料高频换能器具有声束特性好，带宽宽及易于制作等优点，但它的损耗高，机电耦合系数低，双向插入损耗达-40dB，而且介电常数也太低(50MHz下的εs/ε0＝6.5)，因此不宜制作用于血管内成像的小尺寸的高频换能器。PZT、PT厚膜的制备方法有浸渍法(见Xi-YunHe，Ai-Li Ding et al.，“Preparation of PZT(53/47)thick filmdeposited by a dip-coating process”，Microelectronic Engineering，Vol.66，pp.865-871，2003.)，丝网印刷法(见Pascal Tran-Huu-Hue.Franck Levassort et al，“Preparation and electromechanicalproperties of PZT/PGO thick films on alumina substrate”，Journalof the European Ceramic Society，Vol.21，pp.1445-1449，2001.)，溶胶一凝胶喷涂法(见M.Kobayashi，T.R.Olding et al，“Piezoelectric thick film ultrasonic transducers fabricated bya sol-gel spray technique”，Ultrasonics，Vol.39，pp.675-680，2002.)等。其中尤以浸渍法的制备过程比较简单，但在浸渍的过程中，提拔的速度、溶液的离子浓度和基质的特性(如浸润性、粗糙度)对厚膜的制备都会产生影响；而其他的制备方法过程比较复杂，不易操作，另外还存在基质难以选择的问题，通常所使用的铝基质，作为背衬，由于其衰减较小，实际应用中需要很大的厚度才能满足背衬吸声的要求，而且铝的声阻抗要比压电层高很多，这样换能器的中心频率几乎要下降一半，灵敏度也会下降。
而本发明的压电晶片选用改性的偏铌酸铅压电陶瓷，因为偏铌酸铅压电陶瓷具有品质因数低，单纯的厚度谐振模式，且厚度机电耦合系数大的特点，容易制得高频、宽带换能器；并且换能器组装工艺简单，组装换能器一致性好，成本低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于医学超声诊断和微缺陷无损检测的高频(＞10MHz)超声换能器，换能器的中心频率在12.66MHz时，-6dB带宽达到85.67％。
换能器是由外壳3，BNC连接器1，电极引线2，压电陶瓷晶片5，背衬块4和保护膜6组成(见图1)。
压电陶瓷晶片5和背衬块4粘结在一起，同时从压电陶瓷晶片处引出电极引线2，电极引线、压电陶瓷晶片、背衬块装入外壳3中，用环氧胶固定，电极引线2与BNC连接器1相连，在压电晶片5的端面涂覆一薄层环氧保护膜。
其中压电陶瓷晶片是改性的偏铌酸铅压电陶瓷，它是用Ba2+，Sr2+或Ca2+中的一种或几种元素来部分取代Pb2+所制备的压电陶瓷晶片。这类压电陶瓷晶片具有介电系数小，机械品质因数低，单纯的厚度谐振模式，且厚度机电耦合系数大的特点。
本发明具有以下优点1、采用改性的偏铌酸铅压电陶瓷，这类压电陶瓷晶片具有介电系数小，机械品质因数低，谐振模式单一的特点，容易制得高频、宽带换能器。
2、换能器组装工艺简单，组装换能器性能一致性好，成本低。
图1为高频换能器结构示意图。其中1为BNC连接器，2为电极引线，3为外壳，4为被衬块，5为压电晶片，6为保护膜。
图2为高频换能器测试装置。其中，1为高频换能器，2为不锈钢试块，3为超声脉冲发射接收仪，4为示波器，5为PC机，6为水槽。高频换能器作用于放置在水槽内的试块上，通过超声脉冲发射接收仪接收频谱并通过示波器显示脉冲-回波波形最终通过PC机记录。
图3为实施例一换能器的脉冲-回波波形。
图4为实施例一换能器的频谱。
图5为实施例二换能器的脉冲-回波波形。
图6为实施例二换能器的频谱。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明发明的实质性特点和显著进步。
实施例1改性偏铌酸铅压电陶瓷晶片参数如下尺寸φ10×0.13(mm)，d33＝162(10-12C/N)，ε＝445，Qm＝10.5，Kt＝47.60％，fs＝13.18MHz首先将制备好的压电晶片与用来吸收后向回波的背衬块粘结在一起，同时引出电极引线，然后将粘结好的这一整体装入事先设计并加工好的换能器外壳中，调整位置使二者共心，此时马上用环氧胶将其固定，之后将电极引线焊接到BNC连接器上，最后在压电晶片的端面涂上一薄层环氧保护膜(作为声匹配层，厚度要依据λ/4原则)。
换能器组装好后，运用脉冲-回波法测试其性能(图2为其测试装置图)，考虑到高频换能器的衰减较大，故选用衰减较小的除气活性水作为耦合剂，测试块是表面抛光的不锈钢块。测试仪器有泛美200MHz程控超声脉冲发射-接收仪PR5900，安捷伦54642A示波器(500MHz，2GSa/s)。测得的换能器在不锈钢块表面上的脉冲-回波波形如图3所示，将采集到的数据在PC机上进行处理作FFT得换能器的频谱(图4所示)。从换能器的频谱得其中心频率fc＝12.65MHz，-6dB带宽为Bw-6db＝74.65％。
实施例2改性偏铌酸铅压电陶瓷晶片参数如下尺寸φ10×0.13(mm)，d33＝166(10-12C/N)，ε＝450，Qm＝11，Kt＝48.15％，fs＝13.10MHz将对应于上述参数的压电晶片按实施例一的步骤组装成高频换能器，并依上法测得换能器的中心频率为fc＝12.52MHz，-6dB带宽为Bw-6db＝86.74％。
可以看出，以上两个实例制得的高频换能器的性能一致性较好。
权利要求1.一种高频超声换能器，其特征在于包括BNC连接器(1)、电极引线(2)、外壳(3)、背衬块(4)、压电晶片(5)、保护膜(6)等部件，其中压电晶片是改性偏铌酸铅压电陶瓷晶片；压电晶片和背衬块粘结在一起，从压电晶片处引出电极引线与BNC连接器相连，电极引线、压电晶片、背衬块装入外壳中，在压电晶片的端面涂覆保护膜。
2.按权利要求1所述的一种高频超声换能器，其特征在于改性偏铌酸铅压电陶瓷晶片是用Ba2+，Sr2+或Ca2+中的一种或几种元素部分取代Pb2+所制备的压电陶瓷晶片。
专利摘要一种高频超声换能器，用于医学诊断和超声检测，属于振动传感器领域。它是由外壳3，BNC连接器1，电极引线2，压电晶片5，背衬块4和保护膜6组成，其中压电晶片和背衬块粘结在一起，从压电晶片处引出电极引线与BNC连接器相连，电极引线、压电晶片、背衬块装入外壳中，在压电晶片的端面涂覆保护膜。本发明制作的换能器中心频率f
文档编号H01L41/08GK2841166SQ200420082769
公开日2006年11月29日 申请日期2004年9月10日 优先权日2004年9月10日
发明者周学农, 范晓荣, 陈钢, 董显林 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所