[发明专利]一种具有曲面聚焦阵列的高频超声换能器及其制备方法

说明书

技术领域

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

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：

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。

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。如非专利文献Cylindrically shaped ultrasonic linear array fabricated using PIMNT/epoxy 1-3piezoelectric composite(Sensors and Actuators A:Physical Volume 192,1April 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

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。

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4μm～20μm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7μm～100μm的铌镁酸铅钛酸铅厚膜及其顶部高度为100nm～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。

优选地，所述曲面衬底的材料为压电陶瓷或者金属氧化物。

优选地，所述弧形阵元的宽度为24μm～60μm，间距为33μm～76μm。

优选地，所述底电极的材料为惰性金属。

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：

S1.利用移印法在曲面衬底的上表面制备高度为4μm～20μm的底电极，所述曲面衬底的上表面为弧度60°～180°的环形；

S2.利用移印法在底电极上制备高度为7μm～100μm的铌镁酸铅钛酸铅厚膜；

S3.利用溅射法在所述铌镁酸铅钛酸铅厚膜上制备高度为100nm～300nm的金电极；

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。

优选地，所述步骤S2具体为：

S21.将粒径为200nm～500nm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；

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5μm～12μm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；

S23.300℃～350℃加热，直至所述压电涂层中的聚合物充分受热分解并挥发；

S24.800℃～1000℃加热使得所述压电涂层中的铌镁酸铅钛酸铅粉末烧结。

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，100℃～120℃加热干燥后形成高度为5μm～12μm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。

作为更进一步优选地，所述模具的材料为硅胶。