高频压电晶体复合材料、用于制造其的装置和方法

高频压电晶体复合材料、用于制造其的装置和方法
【专利摘要】本发明一般涉及高频压电晶体复合材料、用于制造高频压电晶体复合材料的装置和方法。在适应性的实施方案中，包含成像换能器组件的用于高频(＞20MHz)应用的改进的成像装置、尤其是医学成像装置或距离成像装置与信号图像处理器耦合。另外，所提出的发明提供了用于基于光刻法的微加工压电晶体复合材料的系统及其使得性能参数改进的应用。
【专利说明】高频压电晶体复合材料、用于制造其的装置和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2010年10月13日递交的美国临时申请序号61/344，801的优先权，该申请通过引用合并于本文中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及在高频(> 20MHz)下工作的压电晶体和压电晶体复合材料的领域。更特别地，本发明提供了优选地用于工业和医疗超声应用的用于高分辨率成像的高频压电晶体复合材料，并且甚至更特别地提供了制造所述高频压电晶体复合材料的方法。
【背景技术】
[0004]通常，基于PMN-PT的压电单晶体与传统的PZT陶瓷相比具有优越的介电和压电特性。为了更加全面地利用单晶体的优良特性，已经制造出晶体复合材料以提高电磁耦合系数以及因此提供换能器性能特性。
[0005]对于超声换能器，工作频率与压电材料的厚度成反比相关。因此，随着目标工作频率增加，压电材料的厚度相应地减小，这造成了操作上和机电上的难题。另一方面，为了保持压电复合材料的高的机电耦合系数，对于压电晶体柱已经尝试了最优的纵横比。为了适应厚度和纵横比的要求，在高频复合材料中压电材料的特征尺寸需要减小以满足最优的比率。
[0006]已经提供了用于大概由美国专利7，622，853 (Rehrig等人,转让给SciMed LifeSystems有限公司)获知的微加工成像换能器的这种医疗应用的一种尝试，该专利的全部内容通过引用合并于本文中。
[0007]如美国专利7，622，853中提到的，医疗装置设置有换能器组件，换能器组件包括使用光刻微加工法形成的压电合成板。其中提到了在’ 853专利中的特定步骤。’ 853专利另外提到了微加工电极的PZT陶瓷的常规难题，但是未能调整至下文提及的所理解到的难题并且另外包括了对电场的有害影响以及对应变的夹紧效应。现在理解到了对在不能达到的深度内的进一步成像分辨率和灵敏度的需要。
[0008]最后，进一步认识到，通常在与低频换能器相比较高的电场中驱动高频换能器。
[0009]因此，对于改进的高频压电晶体复合材料、用于制造所述高频压电晶体复合材料的任选的相关装置和进一步任选的方法存在需求。
[0010]相关公开包括下列公开，各公开的全部内容通过引用完全合并于本文中:
[0011]1.P.Han, W.Yan, J.Tian，X，huang，H.Pan，“Cut directions for theoptimization of piezoelectric coefficients of PMN-PT ferroelectric crystals，，，Applied Physics Letters，86 卷，第 5 号(2005).[0012]2.S.Wang 等人，“Deep Reactive 1n Etching of Lead Zirconate TitanateUsing Sulfur hexaf luoride Gas，，，J.Am.Ceram.Soc.，82 (5) 1339-1341，1999.[0013]3.A.M.Efremov 等人，“Etching Mechanism of Pb (Zr, Ti) O3Thin Films in Cl2/Ar Plasma”，Plasma Chemistry and Plasma Processing〗(I), pp.13-29,2004 年 3 月.[0014]4.S.Subasinghe, A.Goyal, S.Tadigadapa, “High aspect ratio plasma etchingof bulk Lead Zirconate Titanate，，，in Proc.SPIE-1nt.Soc.0pt.Engr,由 Mary-AnnMaher, Harold D.Stewart 和 Jung-Chih Chiao 编辑(San Jose, CA, 2006)，pp.61090D1-9.[0015]发明概述
[0016]作为回应，现在认识到改进基于PMN-PT的压电晶体复合材料的本发明以及用于制造所需的复合晶体元件的方法并且在此处提供。
[0017]本发明一般涉及高频压电晶体复合材料，以及用于制造高频压电晶体复合材料的方法。在适应性的实施方案中，包括成像换能器组件的用于高频(> 20MHz)应用的改进的成像装置、尤其是医学成像装置或距离成像装置与信号图像处理器耦合。另外，改进的发明提供了用于基于光刻法的微加工压电晶体复合材料的系统及其使得性能参数提高的应用。
[0018]本发明另外涉及成像装置，尤其是医疗装置，并且特别地涉及用于所提出的晶体复合材料的新颖结构和复合晶体元件的改进的医学成像装置和系统。
[0019]本发明的另一方案是，创新的制造方法使得商业生产晶体复合材料可行且实用。高频晶体复合材料(20MHz至> 100MHz)，以及厚度机电耦合因数Ii10.65-0.90能够用于性能显著提高的医学超声成像和诊断。高频晶体复合材料尤其能够应用于与皮肤、眼睛、血管内的、向内的、颅内的、腔内的或管腔内的医学诊断装置一起使用。这些装置可用于涉及皮肤病学超声、眼科学超声、腹腔镜检查超声、心内超声、血管内超声的应用。
[0020]本发明的另一方案认识到当换能器激励场也高时具有高矫顽场(EC)的晶体的使用。在本发明的一个可选的方案中，三元晶体Pb(Inl/2Nbl/2)03-Pb(Mgl/3Nb2/3)03-PbTi03 (PIN-PMN-PT)和其它基于PMN-PT的晶体被认识到具有比二元PMT-PT晶体改进的热特性和电特性。结果，本发明的可选的实施方案采用基于这些晶体的晶体复合材料，这些晶体复合材料现在被认识到继承了三元晶体的改进的特性。
[0021]在特定阀门的 一个方案中，提供基于压电PMN-PT的晶体复合材料，其具有由公式:1:x*Pb(B’ l/2B”l/2)03-y*PbTi03-(l-x-y)*Pb(Mgl/3Nb2/3)03 表示的晶体组成，其中X被限定为0.00至0.50的摩尔百分比；并且y被限定为0.00至0.50的摩尔百分比，B’表示铟(In)、镱(Yb)、钪(Sc)或铁(Fe)，B”表示铌(Nb)或钽(Ta)。另外，公式I与如下添加剂组合:高达总分批重量的5% (wt% )的锰(Mn)和/或高达总分批重量的10% (wt% )的铈(Ce)。
[0022]在特定发明的一个方案中，提供基于压电PMN-PT的晶体复合材料，其具有由公式I1:x*AB03-y*PbTi03-(l-x-y)*Pb(Mgl/3Nb2/3)03 表示的晶体组成，其中，X 被限定为 0.00至0.50的摩尔百分比；并且y被限定为0.00至0.50的摩尔百分比，A表示铅(Pb)或铋(Bi), B表示铟(In)、镱(Yb)、铁(Fe)、错(Zr)、钪(Sc)、银(Nb)、钽(Ta)或上述元素的组合。另外，公式II可与如下添加剂组合:高达总分批重量的5% (wt% )的锰(Mn)和/或高达总分批重量的10% (wt% )的铈(Ce)。
[0023]在本发明的另一方案中，通过包含基于光刻法的微加工的方法来制备具有上述公式I或II的压电晶体复合材料。
[0024]在本发明的发明的另一方案中，如本文所提到的，所提出的复合材料柱具有大于
0.50、优选地大于1.0且更优选地大于2.0的柱高度(H)与有效柱宽度(W)的纵横比H: W。[0025]在发明的另一方案中，所提出的复合材料是混合式1-3构造的不连续六边形布置，并且压电晶体被(001)切割且沿〈001〉方向定极。
[0026]在本发明的另一方案中，所提出的复合材料是混合式1-3构造的不连续六边形布置，并且压电晶体被(011)切割且沿〈011〉方向定极，其中聚合填充线在远离<10了>方向+/-32.5° (+/-2.5° )的方向上延伸。
[0027]在本发明的另一方案中，所提出的复合材料为平行四边形混合式2-2/1-3构造，并且压电晶体被(011)切割且沿〈011〉方向定极，其中聚合填充线在远离<〗0了>方向+/-32.5° (+/-2.5° )的方向上延伸。
[0028]在结合附图阅读研究下面的说明时，本发明的上述以及其它的方案、特征、系统、方法和优点对于本领域技术人员将变得显而易见，其中相似的附图标记表示相同的元件。目的在于，包括在本说明书内的所有这些附加的系统、方法、特征、组成和细节在本发明的范围内并且受随附权利要求保护。
【专利附图】

【附图说明】
[0029]图1为根据本发明的基于光刻法的微加工处理的流程图。
[0030]图2为用于对来自成像换能器的信号进行可操作地成像的与数字换能器信号信号处理器可操作地耦合的成像换能器布置的示例性的示意图。
[0031]图3为用于PMN-PT晶体的(011)平面(从纸面向外的平面)上的d31的计算值的2维绘图。图3表示微应变在曲线之间沿+/-32.5°的方向(见箭头)上完全为零。使用公式 d，31 = d31*Cos ( θ ) *Cos ( θ ) +d32*Sin ( θ ) *Sin ( θ )来计算。
[0032]图4A为具有六边形结 构、被〈001〉切割的用于换能器的混合式1-3晶体复合材料的示例的立体图，标注出方向取向以及环氧聚合物和晶体的标识，由于〈001〉切割使得对夹紧方向无影响。
[0033]图4B为依照本发明的优选实施方案的具有六边形结构、被〈001〉切割、厚度为30 μ m的用于换能器的图4A的1-3晶体复合材料的俯视SEM图像，其中黑色线被理解为填充有环氧聚合物的截口。
[0034]图5A为具有六边形结构的、被〈011〉切割的用于换能器的1-3晶体复合材料的示例性的立体图，标注出方向取向以及环氧聚合物和晶体的标识。
[0035]图5B为依照本发明的优选实施方案的具有六边形结构、被〈011〉切割、厚度为22 μ m的用于换能器的图5A的混合式1-3晶体复合材料的俯视SEM图像，其中黑色线为填充有环氧聚合物的截口。
[0036]图5C为如图5A和图5B中的六边形多边形布置的示例性的取向图，标注出截口取向处于所标出的30°，以及在30°和35°之间的夹紧方向，优选地距<101>方向取向+/-32.5°。
[0037]图为与计算不方正的有效柱宽度有关的示例性的尺寸标注导向，此处由用于纵横比考虑的对角宽度和高度来计算平均宽度。
[0038]图6A为依照本发明的优选实施例的通过填充有环氧聚合物的截口使得横向夹紧效应最小化的具有平行四边形(菱形)结构的用于换能器的1-3晶体复合材料的示例性的立体图。[0039]图6B为用于较高耦合因数的混合式1-3晶体复合材料(图6A)的(011)切割的示例性的平面图，其中使得横向填充有环氧聚合物的截口在+/-32.5° (+/-2.5° )且因此无应变。注释了夹紧效应方向。
[0040]图7A为截口填充线在相对于....Uj ]">方向的+/-32.5 ° (+/-2.5° )方向上的
(011)切割的所提出的混合式2-2Λ-3晶体复合材料的示意性图案的图。
[0041]图7B为依照本发明的优选实施方案的如图7A中的(011)切割的混合式2_2/1_3晶体复合材料的俯视的SHM图像。
[0042]图7(:为示出截口填充线在相对于'<1()了>方向的+/-32.5° (+/-2.5° )方向上的(011)切割的所提出的混合式2-2Λ-3晶体复合材料的示意性图案的图的图7A的立体图。
[0043]发明详述
[0044]现在将详细地参照本发明的实施方案，在附图和说明书中相同或相似的附图标记尽可能地用于指代相同或相似的部件或步骤。附图为简化的形式而不是按精确的刻度。仅为了方便和清晰的目的，方向(上/下等)或运动(前/后等)术语可针对附图使用。这些和相似的方向术语不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。
[0045]如本文所使用的，米勒指数标识符用作在具有由一组3个整数表示的三个轴的晶格中用于原子平面的取向的向量表示，例如，使用例如〈010〉或<10了>的这种常规标识符。
[0046]在本文中另外使用的，例如关于聚合(环氧)区域填充有压电非活性材料的本发明的图像，术语“截口”的使用不限于由任何类型的机械锯形成的区域，而是术语“截口”由本领域技术人员广义地理解为表示压电柱之间的接收聚合材料的区域，无论实际的区域是否由锯形成，或者是通过本文讨论的任何其它制造工艺形成。
[0047]另外，说明的方法(M-N标签惯例)用于描述压电材料和聚合材料的每个部分连续延伸的方向的数量，其中M表示压电(PMN-PT)材料延伸的连续方向的数量,并且N表示聚合(环氧)材料连续延伸的方向的数量。尽管技术人员理解该惯例，但是如本文所修改的，本文所指明的结构绝不是受约束于M-N惯例，因此 申请人:要求进行混合式理解，其中方向延伸通常仍保留，但是不连续或间断，例如，通过与沿不同而且也连续的方向延伸的交叉方向的聚合材料交叉。以此方式，将理解的是(如稍后描述)六边形结构包含不连续的、间断的或混合式的聚合(环氧)材料方向，其中聚合材料方向仅在沿着压电材料本身的长度的一个方向上是线性的，而其它聚合(环氧)方向由于遇到压电材料而是间断方向或不连续方向。本发明的一个实施方案进一步具有这样的结构:具有不连续或间断的侧部的压电材料元件与邻近的压电材料元件的相应的侧部/边缘对准的结果，使得侧部/边缘可以不共平面(在相同平面上)而是可以在平行的平面上延伸。本发明的又一实施方案不包含简单的规则单元元件(图7A-7C，例如)，而是需要M-N惯例的另外的混合。
[0048]本发明涉及20MHz至> IOOMHz的高频压电单晶体复合材料/复合材料晶体元件及其制备工艺。新颖的高耦合因数的晶体复合材料能够广义地取代早期的材料，诸如用于高频换能器的压电陶瓷、单晶体和传统的晶体复合材料。
[0049]现在参照图1，讨论了基于光刻法的微加工工艺100的工艺流程。在第一步骤10中，压电单晶体材料(稍后示出)的板或块，诸如基于PMN-PT(铅镁铌酸盐-铅钛酸盐)的晶体，诸如二元固体溶液PMN-PT和三元固体溶液PIN-PMN-PT(铅铟铌酸盐-铅镁铌酸盐-铅钛酸盐)或PYbN-PMN-PT (铅镱铌酸盐-铅镁铌酸盐-铅钛酸盐)或者这些晶体上方有掺杂剂(Mn、Ce、Zr、Fe、Yb、In、Sc、Nb、Ta及其它)。这种基于PMN-PT压电晶体的三元晶体现在被认识到具有改进的热稳定性和允许具有较高的驱动电场的增强的矫顽场。
[0050]晶体复合材料和复合晶体元件具有新颖的特征和/或新的结晶切割方向。能够通过包括光刻法、深反应离子刻蚀、精密机械整饰和电极涂层的专有工序来制造晶体复合材料。
[0051]板(未显示)优选地叠接在两个侧部上并且在一个侧部上进行抛光。叠接和未抛光的侧部随后能够与玻璃载体(未显示)接合，玻璃载体与硅、S1、晶体(未显示)接合。板的规格在十(10)毫米(“mm”)X十(10)mmX0.20mm至1.20mm厚度的范围内；但是,规格可以为任何尺寸。
[0052]板的材料为具有沿着〈001〉或〈011〉结晶方向取向的电极面的单晶体。本领域普通技术人员将理解，单晶体结构能够期望地具有高的压电系数(例如，d33 > 2000pC/N, d33
>0.8，d33，> 0.7)。板优选地具有在近似4000至> 7700范围内的介电常数以及小于0.01的介电损耗。
[0053]将理解的是，板压电单晶体为根据如下公式I或II形成的三元晶体:
[0054]公式1:x*Pb(B’ 1/2B” 1/2) 03-y*PbTi03_ (l-x-y) *Pb (Mgl/3Nb2/3) 03，其中，x 被限定为0.00至0.50的摩尔百分比；并且y被限定为0.00至0.50的摩尔百分比，B’表示铟(In)、镱(Yb)、钪(Sc)或铁(Fe)，B”表示铌(Nb)或钽(Ta)。另外，公式I可与如下添加剂组合:高达总分批重量的5% (wt% )的锰(Mn)和/或高达总分批重量的10% (wt% )的铈(Ce)。
[0055]公式I1:x*AB03-y*PbTi03-(l-x-y)*Pb(Mgl/3Nb2/3)03，其中 X 被限定为 0.00 至
0.50的摩尔百分比；并且y被限定为0.00至0.50的摩尔百分比，A表示铅(Pb)或铋(Bi)，B表示铟(In)、镱(Yb)、铁(Fe)、错(Zr)、钪(Sc)、银(Nb)、钽(Ta)或上述元素的组合。另夕卜，公式II可与如下添加剂组合:高达总分批重量的5% (wt% )的锰(Mn)和/或高达总分批重量的10% (wt% )的铺(Ce)。
[0056]公式I和II的多个非限制的实施例见于下面的表中。将理解的是，与公式I或II匹配的任何组成通过引用作为适当的组成包含在本文中。
[0057]
【权利要求】
1.用于制造用于成像装置的高频成像换能器的方法，所述成像换能器包括一个或多个复合晶体元件，包括以下步骤: 提供由具有在近似0.65-0.90范围内的厚度机电耦合因数ki的压电材料制成的定向的单晶体板； 通过基于光刻法的微加工来刻蚀所述定向的单晶体板以形成由多个截口隔开的多个混合式压电结构； 其中，所述基于光刻法的微加工进一步包括以下步骤: (a)在所述板的待形成由所述多个截口隔开的所述多个混合式压电结构的部分上形成硬金属掩模； (b)所述截口包括具有在距用于所述单晶体板的所提及的定向方向近似30至35°度的范围内的至少一个截口方向，所述单晶体板可操作以使根据如下公式的夹紧效应最小化:d，31 = d31*Cos ( θ ) *Cos ( θ ) +d32*Sin ( θ ) *Sin ( θ )； (c)进行反应离子刻蚀(RIE)和深反应离子刻蚀(DRIE)的步骤中的至少一个； (i)所述混合式压电结构具有至少85°的垂直刻蚀轮廓； 用聚合材料来填充所述截口以形成整体式组件； 进行所述整体式组件的精密机械整饰步骤； 将电极覆盖在所述整体式组件上；以及 将所述整体式组件与垫板组装，所述垫板可操作以形成用于所述成像装置的所述成像换能器。
2.如权利要求1所述的方法，其中: 所述成像换能器呈六边形混合式1-3构造。
3.如权利要求2所述的方法，其中: 所述复合晶体元件被(001)切割和〈001〉定极。
4.如权利要求2所述的方法，其中: 所述复合晶体元件被(011)切割和〈011〉定极。
5.如权利要求4所述的方法，其中: 所述至少一个截口方向为远离用于所述复合晶体元件的..ιοΤ.方向+/-32.5° (+/-2.5° )，由此所述至少一个截口方向在夹紧效应下无应变。
6.如权利要求1所述的方法，其中: 所述成像换能器呈平行四边形混合式1-3构造。
7.如权利要求6所述的方法，其中: 所述复合晶体元件被(011)切割和〈011〉定极。
8.如权利要求7所述的方法，其中: 所述至少一个截口方向远离用于所述复合晶体元件的<10?>方向+/-32.5° (+/-2.5° )，由此所述至少一个截口方向在夹紧效应下无横向应变。
9.如权利要求1所述的方法，其中: 所述成像换能器呈混合式2-2/1-3构造。
10.如权利要求9所述的方法，其中: 所述复合晶体元件被(011)切割和〈011〉定极。
11.如权利要求10所述的方法，其中: 所述至少一个截口方向远离用于所述复合晶体元件的 <〗0丁>方向+/-32.5° (+/-2.5° )，由此所述至少一个截口方向在夹紧效应下无横向应变。
12.如权利要求1所述的方法，其中: 所述成像换能器可工作于至少20MHz的频率。
13.如权利要求12所述的方法，其中: 所述成像换能器可工作于至少IOOMHz的频率。
14.如权利要求1所述的方法，其中: 所述多个截口中的每个相应的所述截口具有在近似Iym至IOym的范围内的宽度。
15.如权利要求14所述的方法，其中: 所述混合式压电结构是选自由如下构成的组的构造中的至少一种: 六边形混合式1-3构造和平行四边形混合式1-3构造； 每个所述混合式压电结构具有端子高度和平均端子宽度；并且 所述端子高度(H)与所述平均端子宽度(W)的纵横比至少为0.50。
16.如权利要求15所述的方法 ，其中: 所述纵横比至少为所述0.50且小于2.0。
17.如权利要求2所述的方法，其中: 所述呈六边形混合式1-3构造包括所述混合式压电结构具有由所述多个截口界定的六边形截面，其中所述截口是不连续的并且所述混合式压电结构是间断的。
18.如权利要求6所述的方法，其中: 所述呈平行四边形混合式1-3构造包括所述混合式压电结构具有由所述多个截口界定的平行四边形截面，其中所述截口在连续地贯通的所述构造中延伸。
19.如权利要求9所述的方法，其中: 所述成像换能器呈混合式2-2/1-3构造且进一步包括: 在第一端和第二端之间横跨的至少一个细长腹筋构件； 分别形成四个桥式构件部分的在所述腹筋构件的相对侧上的至少两个桥式构件，两个在所述细长腹筋的相对侧上； 从与所述细长腹筋构件平行的每个所述桥式构件部分延伸且由所述截口的相应一个截口隔开的支腿条构件；并且 所述细长腹筋构件与所述夹紧方向平行。
20.被配置为可操作地包括高频换能器组件的成像装置，所述成像装置包括: 至少一个所述换能器组件，其与成像阵列耦合并且可操作以生成图像信号； 从所述换能器组件到可操作的处理器和成像系统的至少一个连通通路，所述连通通路用于接收所述图像信号； 所述换能器组件包括在由压电材料制成的定向的单晶体板中的一个或多个复合晶体元件，所述压电材料具有在近似0.65-0.90范围内的厚度机电耦合因数Ic1，其中每个换能器组件呈选自由如下构成的构造组的构造: 六边形混合式1-3构造、平行四边形混合式1-3构造和混合式2-2/1-3构造。
21.如权利要求20所述的成像装置，其中:所述构造为所述六边形混合式1-3构造并且至少一个复合晶体元件被(OOl)切割和〈001〉定极。
22.如权利要求20所述的成像装置，其中: 所述构造呈所述六边形混合式1-3构造并且包含至少一个复合晶体元件被(011)切割和〈011〉定极。
23.如权利要求20所述的成像装置，其中: 所述构造为所述平行四边形混合式1-3构造并且包含至少一个复合晶体元件被(011)切割和〈011〉定极。
24.如权利要求20所述的成像装置，其中: 所述构造为所述混合 式2-2/1-3构造。
【文档编号】H01L41/16GK103430341SQ201180047368
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2011年10月13日 优先权日:2010年10月13日
【发明者】P·韩, J·田, K·曼尼欧, B·斯通 申请人:H.C.材料公司