一维阵列式超声换能器及其制备方法

本申请涉及超声成像，尤其是涉及一种一维阵列式超声换能器及其制备方法。

背景技术：

1、一维阵列式超声换能器包括大量压电阵元，压电阵元的两侧分别设置声学匹配的衬底层和声匹配层。由于每个压电阵元尺寸较小并且每个压电阵元需要独立接线，因此铜线或柔性电路板布置在压电阵元和声匹配层之间或者压电阵元和衬底层之间，实现超声换能器与外部电连接，以将电能转化为机械能，并将声波与电信号相互转换。然而，现有的一维阵列式超声换能器中，压电阵元与声匹配层或压电阵元与衬底层之间的声学匹配效果有待提高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种一维阵列式超声换能器及其制备方法，旨在解决现有的一维阵列式超声换能器的声学匹配效果有待提高的技术问题。

2、第一方面，本申请提供了一种一维阵列式超声换能器，所述一维阵列式超声换能器包括沿厚度方向依次层叠的衬底层、压电层和声匹配层；所述压电层包括基板，所述基板包括扩展支撑件和沿列方向间隔分布的多行压电阵元，相邻两行所述压电阵元之间通过绝缘粘接剂粘结，所述扩展支撑件连接于多行所述压电阵元在行方向上的至少一侧；所述压电层还包括沿所述列方向间隔设置于所述基板一侧的多个第一电极层，每一所述第一电极层覆盖一行所述压电阵元；所述厚度方向分别垂直于所述行方向、所述列方向；

3、所述第一电极层在所述行方向上的至少一端延伸至所述扩展支撑件，并在所述扩展支撑件上电连接导电件。

4、在其中一个实施例中，所述扩展支撑件的材质与所述压电阵元的材质相同，且所述扩展支撑件不进行极化处理。

5、在其中一个实施例中，所述扩展支撑件的材质与所述压电阵元的材质不同。

6、在其中一个实施例中，所述导电件包括绝缘板件和设置于所述绝缘板件的金属线，所述金属线的数量和所述第一电极层的数量相同且一一对应，所述绝缘板件连接于所述扩展支撑件，所述金属线与对应的所述第一电极层电连接。

7、在其中一个实施例中，所述绝缘板件为柔性板件。

8、在其中一个实施例中，所述导电件为与所述第一电极层一一对应的导电线，所述导电线的第一端与对应的所述第一电极层电连接，所述导电线的第二端朝远离所述基板方向延伸；在相邻两个所述导电线中，其第二端之间的间隔大于其第一端之间的间隔。

9、在其中一个实施例中，所述导电线包括第一直线段和第二直线段，所述第一直线段的两端分别连接所述第一电极层和所述第二直线段，所述第一直线段与所述列方向呈锐角设置、且朝靠近所述基板在所述列方向上的端部延伸，所述第二直线段与所述行方向平行，所述第二直线段的线宽大于所述第一直线段的线宽。

10、在其中一个实施例中，所述一维阵列式超声换能器还包括绝缘支撑件，所述绝缘支撑件位于所述基板的外侧，所述导电件位于所述基板的外部部分支撑于所述绝缘支撑件。

11、在其中一个实施例中，所述第一电极层位于所述基板靠近所述声匹配层的一侧，所述压电层还包括设置于所述基板靠近所述衬底层的一侧的第二电极层，所述第二电极层覆盖多行所述压电阵元。

12、在其中一个实施例中，所述扩展支撑件连接于多行所述压电阵元在所述行方向上的相对两侧，所述第一电极层在所述行方向上的两端均延伸至所述扩展支撑件、且交替连接有所述导电件。

13、在其中一个实施例中，所述第一电极层包括沿所述厚度方向依次层叠于所述基板的增粘层、主导电层和抗氧化层。

14、在其中一个实施例中，所述增粘层的材料为铬、钛、铝、镍和锡中的至少一种。

15、在其中一个实施例中，所述主导电层的材料为铜、银和铂中的至少一种。

16、在其中一个实施例中，所述抗氧化层的材料包括金、铝、铁、铌、锆和不锈钢中的至少一种。

17、在其中一个实施例中，所述增粘层的厚度为20nm～30nm。

18、在其中一个实施例中，所述主导电层的厚度为500nm～3000nm。

19、在其中一个实施例中，所述抗氧化层的厚度为50nm～100nm。

20、在其中一个实施例中，所述第一电极层的厚度小于或等于10μm。

21、在其中一个实施例中，相邻所述第一电极层之间的中心距为10μm～100μm。

22、在其中一个实施例中，所述一维阵列式超声换能器的中心频率大于或等于15mhz。

23、在其中一个实施例中，所述声匹配层包括沿所述厚度方向依次设置于所述压电层的第一匹配层和第二匹配层，所述压电阵元的声阻抗为25mrayl～35mrayl，所述第一匹配层的声阻抗小于20mrayl且大于所述第二匹配层的声阻抗，所述第二匹配层的声阻抗大于7mrayl且小于15mrayl。

24、第二方面，本申请提供了一种一维阵列式超声换能器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

25、s100：分别沿行方向将基板切割成多行压电阵元，在相邻两行所述压电阵元之间的间隔中填充绝缘粘接剂，并在多行所述压电阵元的外侧连接扩展支撑件；

26、s200：沿厚度方向在所述基板的一侧镀多个第一电极层，每一所述第一电极层覆盖一行所述压电阵元，所述第一电极层在所述行方向上的至少一端延伸至所述扩展支撑件；

27、s300：将导电件电连接于所述第一电极层延伸至所述扩展支撑件的至少一端；

28、s400：将衬底层覆盖所述基板的一侧，将声匹配层覆盖所述基板的另一侧。

29、本发明提供的一维阵列式超声换能器及其制备方法的有益效果是：扩展支撑件位于多行压电阵元在行方向上的至少一侧，不受限于压电阵元的尺寸及间距，为导电件与第一电极层在扩展支撑件上连接提供充足的空间；第一电极层延伸至位于多行压电阵元外侧的扩展支撑件，导电件通过第一电极层间接地与对应行的压电阵元电连接，避免导电件因设置在声匹配层和压电阵元之间或衬底层和压电阵元之间而直接接触压电阵元造成不良的声学匹配问题，压电层和声匹配层以及压电层和衬底层能够直接接触进行声学匹配，解决了现有的一维阵列式超声换能器的声学匹配效果有待提高的技术问题，显著提高一维阵列式超声换能器和超声成像的性能。

技术特征：

1.一种一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述一维阵列式超声换能器包括沿厚度方向依次层叠的衬底层、压电层和声匹配层；所述压电层包括基板，所述基板包括扩展支撑件和沿列方向间隔分布的多行压电阵元，相邻两行所述压电阵元之间通过绝缘粘接剂粘结，所述扩展支撑件连接于多行所述压电阵元在行方向上的至少一侧；所述压电层还包括沿所述列方向间隔设置于所述基板一侧的多个第一电极层，每一所述第一电极层覆盖一行所述压电阵元；所述厚度方向分别垂直于所述行方向、所述列方向；

2.根据权利要求1所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述扩展支撑件的材质与所述压电阵元的材质相同，且所述扩展支撑件不进行极化处理；

3.根据权利要求1所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述导电件包括绝缘板件和设置于所述绝缘板件的金属线，所述金属线的数量和所述第一电极层的数量相同且一一对应，所述绝缘板件连接于所述扩展支撑件，所述金属线与对应的所述第一电极层电连接。

4.根据权利要求3所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述绝缘板件为柔性板件。

5.根据权利要求1所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述导电件为与所述第一电极层一一对应的导电线，所述导电线的第一端与对应的所述第一电极层电连接，所述导电线的第二端朝远离所述基板方向延伸；在相邻两个所述导电线中，其第二端之间的间隔大于其第一端之间的间隔。

6.根据权利要求5所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述导电线包括第一直线段和第二直线段，所述第一直线段的两端分别连接所述第一电极层和所述第二直线段，所述第一直线段与所述列方向呈锐角设置、且朝靠近所述基板在所述列方向上的端部延伸，所述第二直线段与所述行方向平行，所述第二直线段的线宽大于所述第一直线段的线宽。

7.根据权利要求1所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述一维阵列式超声换能器还包括绝缘支撑件，所述绝缘支撑件位于所述基板的外侧，所述导电件位于所述基板的外部部分支撑于所述绝缘支撑件。

8.根据权利要求1所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述第一电极层位于所述基板靠近所述声匹配层的一侧，所述压电层还包括设置于所述基板靠近所述衬底层的一侧的第二电极层，所述第二电极层覆盖多行所述压电阵元。

9.根据权利要求1所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述扩展支撑件连接于多行所述压电阵元在所述行方向上的相对两侧，所述第一电极层在所述行方向上的两端均延伸至所述扩展支撑件、且交替连接有所述导电件。

10.根据权利要求1所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述第一电极层包括沿所述厚度方向依次层叠于所述基板的增粘层、主导电层和抗氧化层。

11.根据权利要求10所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述增粘层的材料为铬、钛、铝、镍和锡中的至少一种，所述主导电层的材料为铜、银和铂中的至少一种，所述抗氧化层的材料包括金、铝、铁、铌、锆和不锈钢中的至少一种。

12.根据权利要求10所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述增粘层的厚度为20nm～30nm，所述主导电层的厚度为500nm～3000nm，所述抗氧化层的厚度为50nm～100nm。

13.根据权利要求1所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述一维阵列式超声换能器还包括以下中的至少一种：

14.根据权利要求1至13任意一项所述的一维阵列式超声换能器，其特征在于：所述声匹配层包括沿所述厚度方向依次设置于所述压电层的第一匹配层和第二匹配层，所述压电阵元的声阻抗为25mrayl～35mrayl，所述第一匹配层的声阻抗小于20mrayl且大于所述第二匹配层的声阻抗，所述第二匹配层的声阻抗大于7mrayl且小于15mrayl。

15.一种如权利要求1所述的一维阵列式超声换能器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及超声成像技术领域，提供一种一维阵列式超声换能器及其制备方法。超声换能器包括沿厚度方向依次层叠的衬底层、压电层和声匹配层；压电层包括基板，基板包括扩展支撑件和多行压电阵元，相邻两行压电阵元之间通过绝缘粘接剂粘结，扩展支撑件连接于多行压电阵元在行方向上的至少一侧；压电层还包括沿行方向间隔设置于基板一侧的多个第一电极层，每一第一电极层覆盖一行压电阵元；第一电极层在行方向上的至少一端延伸至扩展支撑件，并在扩展支撑件上电连接导电件。其中，导电件通过第一电极层间接地与对应行的压电阵元电连接，使得压电层和声匹配层以及衬底层能够直接接触进行声学匹配，提高了压电阵元与声匹配层的声学匹配效果。

技术研发人员：戴吉岩,张嘉铭,李果,侯诗霖,魏凡淇,吴虹匡
受保护的技术使用者：香港理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21