一种具有曲面聚焦阵列的高频超声换能器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高频超声换能器领域，更具体地，涉及一种具有曲面聚焦阵列的高频 超声换能器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 超声换能器是实现声信号和电信号转换的器件，超声换能器的横向分辨率由以下 公式决定：
[0003]
[0004] 其中，R为横向分辨率，c是指介质中的声速，f c为中心频率，F#为焦距和孔径尺寸的 比例，λ为声波的波长，因此，焦距和孔径尺寸的比例越大，横向分辨率则越高。在孔径尺寸 一定的时候，焦距越小时，分辨率则越高，图1为超声换能器上一个单振元的声场。焦距为焦 点到阵元中心的距离，由于平面焦点较远，焦距比较大。因此，曲面的压电厚膜能提高高频 超声换能器的横向分辨率。
[0005] 现有技术中超声换能器中曲面聚集阵列的制备需要首先制备好平面的压电厚膜， 然后通过不锈钢的圆柱按压在曲面衬底上成为曲面压电厚膜，之后进行机械切割，形成阵 列。如非专利文南犬Cylindrically shaped ultrasonic linear array fabricated using PIMNT/epoxy l-3piezoelectric composite(Sensors and Actuators A:Physical Volume 192, IApril 2013，Pages 69-75)，由于阵列的厚度达到了0.55mm，因此频率较低， 仅有2MHz左右。此外，现在的超声换能器中普遍使用锆钛酸铅(PZT)作为压电材料，而该材 料的电致应变系数，以及机电耦合系数都较低，难以满足大多数超声换能器的需求。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有曲面聚焦阵列的高 频超声换能器及其制备方法及其制备方法，其目的在于通过移印法制备曲面聚焦阵列，从 而增强超声换能器的横向分辨率，提高其性能。
[0007] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高频超声换能器，包括曲面 衬底以及曲面聚焦阵列，所述曲面衬底的上表面为弧度60°~180°的环形，所述曲面聚焦阵 列覆盖于所述曲面衬底的上表面的全部或部分区域，所述曲面聚焦阵列的底部为高度4μπι ~20μπι的底电极，所述底电极之上设置有16个~256个平行的弧形阵元，所述弧形阵元由其 底部高度为7μπι~100μπι的铌镁酸铅钛酸铅厚膜及其顶部高度为IOOnm~300nm的金电极组 成，且所述弧形阵元的弧心位于所述曲面衬底上表面的中心轴上。
[0008] 优选地，所述曲面衬底的材料为压电陶瓷或者金属氧化物。
[0009] 优选地，所述弧形阵元的宽度为24μηι~60μηι，间距为33μηι~76μηι。
[0010 ]优选地，所述底电极的材料为惰性金属。
[0011]按照本发明的另一方面，还提供了一种该高频超声换能器的制备方法，所述制备 方法包括以下步骤：
[0012] SI.利用移印法在曲面衬底的上表面制备高度为4μπι~20μπι的底电极，所述曲面衬 底的上表面为弧度60°~180°的环形；
[0013] S2.利用移印法在底电极上制备高度为7μπι~1 ΟΟμπι的铌镁酸铅钛酸铅厚膜；
[0014] S3.利用溅射法在所述铌镁酸铅钛酸铅厚膜上制备高度为IOOnm~300nm的金电 极；
[0015] S4.使用激光平行切割所述金电极与所述铌镁酸铅钛酸铅厚膜，从而形成16个~ 256个平行设置的弧形阵元，使得所述弧形阵元的底部为铌镁酸铅钛酸铅厚膜，顶部为金电 极，且所述弧形阵元的弧心位于所述曲面衬底上表面的中心轴上。
[0016] 优选地，所述步骤S2具体为：
[0017] 321.将粒径为20011111~50011111的铌镁酸铅钛酸铅粉末均匀分散于10%~20%的聚 乙二醇溶液中，使得所述铌镁酸铅钛酸铅粉末与所述聚乙二醇溶液的质量比为7 :3~4:1， 获得压电浆料；
[0018] S22.利用移印法将所述压电浆料转移至底电极上，干燥后形成高度为5μπι~12μπι 的压电涂层，并重复以上步骤直至所述压电涂层叠加至所需高度；
[0019] S23.300°C~350°C加热，直至所述压电涂层中的聚合物充分受热分解并挥发； [0020] S24.800°C~1000°C加热使得所述压电涂层中的铌镁酸铅钛酸铅粉末烧结。
[0021] 作为进一步优选地，所述步骤S22的具体方法为，用和所述曲面衬底的上表面的形 貌相匹配的模具取压电浆料，将其转移至所述曲面衬底的上表面，l〇〇°C~120°C加热干燥 后形成高度为5μπι~12μπι的压电涂层，并重复以上步骤直至所述压电涂层叠加至所需高度。
[0022] 作为更进一步优选地，所述模具的材料为硅胶。
[0023]作为进一步优选地，在所述步骤S21中，所述铌镁酸铅钛酸铅粉末与所述聚乙二醇 溶液的质量比为2:1~3:1。
[0024] 作为进一步优选地，在所述步骤S23中加热的时间为30min~60min。
[0025] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于通过移印法 在曲面衬底上制备了曲面聚焦阵列，具有以下有益效果：
[0026] 1、在环形的曲面衬底上直接制备曲面聚焦阵列，再切割成为弧形阵元，与现有技 术中的按压法相比，将弧形阵元的高度降低到了 IOOym以下，从而提高了超声换能器的横向 分辨率，改善了其在高频的转换效果；
[0027] 2、利用激光切割代替普通的机械切割，提高了切割的精度；
[0028] 3、利用铌镁酸铅钛酸铅粉末分散于10 %~20 %的聚乙二醇溶液，从而制备得到了 铌镁酸铅钛酸铅厚膜，由于该材料具有高电致应变系数，以及机电耦合系数，用其取代传统 的锆钛酸铅厚膜，提高了超声换能器的压电性能、电致应变系数以及机电耦合系数。
【附图说明】
[0029] 图1为超声换能器的横向分辨率示意图；
[0030] 图2a为本发明实施例1的曲面PZT衬底的正视图；
[0031] 图2b为本发明实施例1的曲面PZT衬底的俯视图；
[0032]图3a为本发明实施例1的硅胶模具的正视图；
[0033] 图3b为本发明实施例1的硅胶模具的侧视图；
[0034] 图4为本发明实施例1的铌镁酸铅钛酸铅厚膜的曲面截面SEM图（从左下角到右上 角分别为:铌镁酸铅钛酸铅压电厚膜，Pt电极，PZT曲面衬底）；
[0035] 图5为本发明实施例1的整体结构示意图；
[0036] 图6为本发明实施例1的曲面聚焦阵列示意图；
[0037] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1_曲面单阵 元，2-平面单阵元，3-曲面单阵元的焦点区，4-平面单阵元的焦点区，5-曲面单阵元波束，6-平面单阵元波束，11-曲面衬底，12-底电极，13-铌镁酸铅钛酸铅厚膜，14-金电极。
【具体实施方式】
[0038]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。
[0039] 本发明的一个方面，提供了一种高频超声换能器，包括曲面衬底以及曲面聚焦阵 列，所述曲面衬底的上表面为弧度60°~180°的环形，所述曲面聚焦阵列覆盖于所述曲面衬 底的上表面的全部或部分区域，所述曲面聚焦阵列的底部为高度4μπι~20μπι的底电极，所述 底电极之上设置有16个~256个宽度、弧长、弧度以及高度都相同，且弧心皆位于所述曲面 衬底上表面的中心轴上的平行设置的弧形阵元，所述弧形阵元的底部为高度7μπι~100μπι的 银镁酸铅钛酸铅厚膜，顶部为高度IOOnm~300nm的金电极。
[0040] 其中，所述曲面衬底的材料为压电陶瓷或者金属氧化物，所述底电极的材料为惰 性金属;而弧形阵元的宽度和间距与声波的波长相关，而高频超声换能器频率范围为20MHz ~200MHz，而高频超声换能器一般用在医学上，检测人体组织和器官，声音在人体中的传播 速度为1540m/s，而弧形阵元的间距小于等于半波长，因此弧形阵元的宽度通常为20μπι~50 μπι，间距通常为30μπι~70μπι;其长度（即弧形阵元对应的弧长）需满足弧度在60°以上的要 求，例如，当曲面衬底的上表面的半径为5mm时，弧形阵元的长度通常为5mm~15_。
[0041 ]该超声换能器的制备方法包括以下步骤：
[0042] SI.利用移印法在曲面衬底的上表面制备高度为4μπι~20μπι的底电极，所述曲面衬 底的上表面为弧度60°~180°的环形；
[0043] S2.利用移印法在底电极上制备高度为7μπι~1 ΟΟμπι的铌镁酸铅钛酸铅厚膜；
[0044] S3.通过控制溅射功率、溅射压强和溅射时间，利用溅射法在所述铌镁酸铅钛酸铅 厚膜上制备高度为IOOnm~300nm的金电极作为顶电极;例如利用射频溅射，功率为100w，压 强为0 · 5Pa，速率为0 · 3nm/s，溅射时间6min，可获得厚度为IOOnm的金电极；
[0045] S4.使用激光平行切割所述金电极与所述铌镁酸铅钛酸铅厚膜，其切割的深度方 向与曲面衬底的上表面相垂直，同时通过控制切割时间可以避免切割到底电极，从而形成 16个~256个大小相同且平行设置的弧形阵元，使得所述弧形阵元的底部为铌镁酸铅钛酸 铅厚膜，顶部为金电极，且所述弧形阵元的弧心位于所述曲面衬底上表面的中心轴上。
[0046] 其中，步骤Sl中的移印法具体为，用和所述曲面衬底的上表面的形貌相匹配的模 具取惰性金属浆料，并转移至所述曲面衬底表面，150 °C~200 °C以下加热，使得浆料中的溶 剂完全挥发，然后再在1150°C~1250°C烧结，获得高度为4μπι~20μπι的底电极。
[0047] 而所述步骤S2中的移印法相对复杂，其具体步骤为：
[0048] S21.由于铌镁酸铅钛酸铅粉末比例过高时，压电浆料过于浓稠，不利于移印，而聚 合