聚焦型超聲換能器及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種聚焦型超聲換能器，其依次包含有匹配層、壓電振子層和背襯塊，所述壓電振子層的材料為壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料；所述壓電單晶為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛，其化學(xué)組成為(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，晶體方向?yàn)榉较?；或鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛，其化學(xué)組成為xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3，晶體方向?yàn)榉较?；其中?﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。本發(fā)明專利技術(shù)的換能器結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，造價(jià)便宜，可以獲得高靈敏度、帶寬和分辨率，在醫(yī)用超聲成像和工業(yè)無損檢測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及到一種。
技術(shù)介紹
超聲換能器是超聲成像和超聲檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，實(shí)現(xiàn)著電能和聲能(機(jī)械能)之間的轉(zhuǎn)換，醫(yī)學(xué)中常將超聲換能器稱作探頭。壓電材料是超聲換能器的換能元件，對超聲換能器的性能乃至整個超聲成像系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。在過去幾十年中，超聲換能器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有了諸多改進(jìn)和提高，但在換能材料上一直以來多采用PZT系壓電陶瓷，這一方面是由于PZT陶瓷較好的壓電性能，另一方面是由于PZT陶瓷生產(chǎn)成本低廉易于大規(guī)模生產(chǎn)供應(yīng)。但是，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)的不斷向前發(fā)展，對超聲換能器提出了更高的要求，迫切需要高靈敏度、高帶寬以及高分辨率的超聲換能器來獲取高清晰度的成像數(shù)據(jù)，為醫(yī)療診斷和工業(yè)無損探測提供內(nèi)容更為豐富準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。以鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(化學(xué)組成為(1-X)Pb (Mg1/3Nb2/3)O3-XPbTiO3,簡稱為PMNT)壓電單晶為代表的高性能壓電材料在準(zhǔn)同型相界附近具有非常優(yōu)異的壓電和機(jī)電耦合性能，d33, d31>2000pC/ N、k33，k31>90%，這些性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常用的壓電陶瓷材料。國內(nèi)的羅豪甦等人已經(jīng)采用改進(jìn)的Bridgman方法成功地實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量大尺寸PMNT單晶的批量生產(chǎn)(中國專利號 ZL99113472. 9)，為新型壓電單晶在超聲換能器上的應(yīng)用提供了材料上的保證。聚焦型超聲換能器可以獲得更高的帶寬和分辨率，提高換能器的分辨率可以有效提高成像質(zhì)量。傳統(tǒng)的超聲換能器采用PZT陶瓷作為壓電材料，PZT陶瓷通過靜壓法、注模法、研磨法等可以獲得聚焦型壓電振子，從而用于制備聚焦型超聲換能器。而新型壓電單晶材料(如PMNT，PIMNT單晶)結(jié)構(gòu)上容易脆裂，切割出來的平面型壓電振子無法通過簡單施加外力來獲得聚焦型壓電振子，另外晶體材料的性能上表現(xiàn)出各向異性，通過研磨可以獲得聚焦型的單晶壓電振子，但是輻射面偏離壓電性能最優(yōu)的晶面，壓電振子的性能必然大大降低，因此，新型壓電單晶在聚焦型超聲換能器上的應(yīng)用還比較困難，需要一種新的設(shè)計(jì)和制作方法來實(shí)現(xiàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對現(xiàn)有技術(shù)中超聲換能器的靈敏度、帶寬及分辨率不夠高，不能提供高清晰度的成像數(shù)據(jù)，特提供一種聚焦型超聲換能器。本專利技術(shù)的聚焦型超聲換能器依次包含有匹配層、壓電振子層和背襯塊，所述壓電振子層的材料為壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料；所述壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料的壓電單晶為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛，其化學(xué)組成為(1-x) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3,鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體方向?yàn)椤?01〉方向；或鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛，其化學(xué)組成為xPb(In1/2Nb1/2)03-yPb (Mgl73Nb273) 03-(l-x-y) PbTiO3,鈮銦酸鉛_鈮鎂酸鉛_鈦酸鉛晶體方向?yàn)椤?01〉方向； 其中，O < X < 1,0 < y < 1，且 O < x+y < I ;優(yōu)選地，O. 2 ≤ x ≤ O. 4,0. 2 ≤ y ≤ O. 4。較佳地，采用切割填充法制備壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料，復(fù)合材料中壓電單晶的體積比在O. 2^0. 8范圍之間。較佳地，所述壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料為壓電單晶/環(huán)氧樹脂或壓電單晶 /環(huán)氧樹脂1-3復(fù)合材料。所述匹配層包含外匹配層和內(nèi)匹配層；所述內(nèi)匹配層采用聚合物如環(huán)氧樹脂和填料(如鎢粉、氧化鋯陶瓷粉等)按照不同填充比來調(diào)配制得；所述外匹配層采用聲阻抗較低的環(huán)氧樹脂固化制得。所述背襯塊上與所述壓電振子層接觸的面為柱形曲面；所述背襯塊采用高聲阻抗聞聲裳減的復(fù)合材料，如在環(huán)氧樹脂中填入聞填充比的鶴粉制備，為提聞聲裳減系數(shù)，適當(dāng)增加基料的柔性，即進(jìn)行改性處理，通過加入聚硫橡膠的方法實(shí)現(xiàn)。所述聚焦型超聲換能器具有若干相同結(jié)構(gòu)的相互平行的換能器陣元，各個換能器陣元的一端獨(dú)立引出信號線，用以施加激勵信號和接收回波信號，另一端可用于連接公共地線。本專利技術(shù)針對現(xiàn)有技術(shù)中PMNT，PIMNT單晶結(jié)構(gòu)容易脆裂，現(xiàn)有方法難以制作成聚焦型超聲換能器，特提供新的聚焦型超聲換能器的制備方法，其包括如下步驟I)分別提供匹配層、壓電振子層和背襯塊；2)將匹配層和壓電振子層進(jìn)行粘接形成超聲疊層；3)將超聲疊層和一圓柱體鋼塊在高溫中烘烤；4)將超聲疊層整齊放置于背襯塊的曲面上；5)在圓柱體鋼塊的外應(yīng)力作用下，將超聲疊層彎曲成所需的曲面形狀并粘接在背襯塊上；6)冷卻固化；7)將若干同軸電纜按照一定間距排放在壓電振子層的一側(cè)，并將芯線和壓電振子層的上端電極電學(xué)連接，將地線與壓電振子層的下端電極電學(xué)連接；8)用高精度切割機(jī)進(jìn)行切割，形成一系列分離的聚焦型陣元，即獲得聚焦型超聲換能器。較佳地是，步驟3)中，超聲疊層和圓柱體鋼塊在80°C高溫中烘烤半小時以上。本專利技術(shù)的積極進(jìn)步效果在于本專利技術(shù)可以將新型壓電單晶(PMNT、PIMNT)超高的壓電性能應(yīng)用到聚焦型超聲換能器中，電學(xué)激勵可產(chǎn)生聚焦型的聲場，提高分辨率和頻率帶寬，從而提高超聲成像的質(zhì)量；本專利技術(shù)的換能器結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，造價(jià)便宜；應(yīng)用廣泛，可被廣泛用于醫(yī)用超聲診斷和工業(yè)無損超聲檢測。附圖說明圖1示出了外 匹配層1、內(nèi)匹配層2、壓電振子層3形成的超聲疊層組合示意圖圖2示出了圓柱面結(jié)構(gòu)的背襯塊4的結(jié)構(gòu)示意圖3示出了圓柱體鋼塊5的結(jié)構(gòu)示意圖4示出了熱壓法制備聚焦結(jié)構(gòu)狀的輻射面示意圖5示出了聚焦結(jié)構(gòu)狀的超聲疊層與背襯塊4的組合結(jié)構(gòu)示意圖6示出了圖5組合結(jié)構(gòu)排線后的示意圖7示出了切割后形成的聚焦型超聲換能器示意圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，從上至下依次為外匹配層1，內(nèi)匹配層2，壓電振子層3。外匹配層I 直接采用聲阻抗較低的環(huán)氧樹脂固化制得。內(nèi)匹配層2采用環(huán)氧樹脂和填料(如鎢粉、氧化鋯陶瓷粉等)按照一定聲阻抗要求混合制得。壓電振子層3采用新型壓電單晶/聚合物 1-3復(fù)合材料制得，新型壓電單晶如為PMNT {(1-X)Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3I單晶材料，用改進(jìn)的Bridgman方法生長，取向?yàn)椤?01〉，組分為O. 20彡x彡O. 40 ;新型壓電單晶也可以為 PIMNT {xPb (Inl72Nbl72) 03-yPb (Mg1/3Nb2/3) O3- (Ι-χ-y) PbTiO3I 單晶材料，取向?yàn)椤?01〉，組分為O. 20 < X < O. 40且O. 20 < y < O. 40。采用切割填充法制備壓電單晶/聚合物1_3復(fù)合材料，復(fù)合材料中壓電單晶的體積比在O. 2 0. 8范圍內(nèi)。外匹配層1、內(nèi)匹配層2和壓電振子層3通過環(huán)氧樹脂固化粘接，固化過程在一定外應(yīng)力作用下進(jìn)行，保證粘接層的厚度 ^ O. 5 μ mo如此，形成超聲疊層。如圖2所示，背襯塊4采用環(huán)氧樹脂和鎢粉按照高填充比配制，固化在圓柱體鋼塊5(圖3)上進(jìn)行，背襯塊4固化后的曲面半徑Φ即為圓柱體鋼塊5的半徑，也為聚焦型超聲線陣換能器的設(shè)計(jì)焦距。如圖4所示，粘接后的外匹配層1、內(nèi)匹配層2、壓電振子層3形成的超聲疊層和圓柱體鋼塊5在80°C高溫中烘烤半小時，之后拿出超聲疊層整 齊放置于背襯塊4上，在圓柱體鋼塊5的外應(yīng)力作用下，超聲疊層彎曲成所需曲面半徑并粘接在背襯塊4上，冷卻固化后即可形成輻射面本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種聚焦型超聲換能器，其依次包含有匹配層、壓電振子層和背襯塊，其特征在于，所述壓電振子層的材料為壓電單晶/聚合物1?3復(fù)合材料；所述壓電單晶/聚合物1?3復(fù)合材料的壓電單晶為鈮鎂酸鉛?鈦酸鉛，其化學(xué)組成為(1?x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3?xPbTiO3，鈮鎂酸鉛?鈦酸鉛晶體方向?yàn)榉较颍换蜮夈熕徙U?鈮鎂酸鉛?鈦酸鉛，其化學(xué)組成為xPb(In1/2Nb1/2)O3?yPb(Mg1/3Nb2/3)O3?(1?x?y)PbTiO3，鈮銦酸鉛?鈮鎂酸鉛?鈦酸鉛晶體方向?yàn)榉较?；其中?﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種聚焦型超聲換能器，其依次包含有匹配層、壓電振子層和背襯塊，其特征在于， 所述壓電振子層的材料為壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料；所述壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料的壓電單晶為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛，其化學(xué)組成為(1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTi O3，鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體方向?yàn)椤?01〉方向；或鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛，其化學(xué)組成為 xPb (Inl72Nbl72) 03-yPb (Mgl73Nb273) O3- (Ι-χ-y) PbTiO3,鈮銦酸鉛 _ 鈮鎂酸鉛 _ 鈦酸鉛晶體方向?yàn)椤?01〉方向；其中，O <x<1，0<y<1，且0<x-y<1。2.如權(quán)利要求1所述的聚焦型超聲換能器，其特征在于，O.2 < χ < O. 4，O.2 ≤ y ≤O. 4。3.如權(quán)利要求1所述的聚焦型超聲線陣換能器，其特征在于，采用切割填充法制備壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料，復(fù)合材料中壓電單晶的體積比在O. 2^0. 8范圍之間。4.如權(quán)利要求1所述的聚焦型超聲換能器，其特征在于，所述壓電單晶/聚合物1-3復(fù)合材料為壓電單晶/環(huán)氧樹脂或壓電單晶/環(huán)氧樹脂1-3復(fù)合材料。5.如權(quán)利要求1所述的聚焦型超聲換能器，其特征在于，所述匹配層包含外匹配層和內(nèi)匹配層。6.如權(quán)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王威，羅豪甦，趙祥永，岳晴雯，任博，李曉兵，徐海清，林迪，狄文寧，王西安，王升，鄧昊，陳建偉，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：