CN103706551A

CN103706551A - 基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器

Info

Publication number: CN103706551A
Application number: CN201310698410.3A
Authority: CN
Inventors: 简小华; 崔崤峣; 李章剑
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103706551B

Abstract

本发明公开了基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器，包括菲涅尔波带式压电复合材料，所述菲涅尔波带式压电复合材料上方设置有匹配层，所述菲涅尔波带式压电复合材料下方设置有金属导线，所述金属导线的下方为背衬，所述背衬的下方的两侧为底部托盘，所述两个底部托盘为绝缘的环氧树脂，且在所述菲涅尔波带式压电复合材料和所述背衬的两侧也为所述绝缘的环氧树脂，所述超声换能器的外部为导电外壳。本发明具有均匀性好，柔顺性强等优点，而且其加工工艺简单，加工精度高，电极连接封装方便，易规模化生产；成功实现了平板型超声换能器的声波自聚焦，而且聚焦性能好，中心频率高，十分适用于微型介入式超声诊断与治疗。

Description

基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器

技术领域

本发明属于超声换能器装置，具体涉及基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器。

背景技术

随着近代科学技术的迅速发展，声学已向很多方面渗透和交叉，它在材料无损检测和评价、石油和地质勘探、医学诊断和治疗、水下探测、噪声控制和音响技术等方面均有广泛的应用，并在继续不断地开辟着新的生长点，被认为是具有最大“外延性”的学科。而超声换能器作为进行各种声学研究和声学测量技术的关键和核心部件，声波的发射和接收都离不开超声换能器。特别是聚焦型超声换能器能使声波的能量会聚，在聚焦区域得到高功率的超声波，可以进行相应的超声乳化、粉碎、雾化、治疗和外科手术等，同时它还能提高和增加声波的探测距离和方位的分辨率，因而近年来愈发得到重视并有快速的发展。

目前的聚焦式超声换能器，多采用利用在换能器前加置圆形弧面声透镜进行声波的聚焦，但是这种圆形弧面结构的制造成本很高，精度控制难，而且难以制造短焦距，小尺寸和大批量的生产。除了球面形声透镜，也有用菲涅尔式声透镜来聚焦平面光，它的特点是可以用于建造大孔径的透镜，焦距短，厚度薄，面积大，可是这种微镜片实际上还是三维表面的加工，通常是以多次曝光或灰阶掩模的方法将图形转移至光阻，并以反应离子刻蚀法来形成多阶段的结构，其制造工艺仍然复杂而昂贵。

此外，平面结构的菲涅尔透镜也被用于制作聚焦型换能器，如附图1所示，其基本思路是将压电陶瓷的上下电极制作成菲涅尔波带式，然后对上下环形电极加激励电压，从而形成聚焦声波，其最大特点是换能器结构相对简单。但这种工艺需要利用在压电陶瓷上下表面镀对称的同心环电极结构，如果有偏差则将严重影响换能器的聚焦性能，因而对加工制作的精度要求很高。尤其在高频聚焦换能器制作时，由于工作压电陶瓷厚度很薄，易碎易裂，这种工艺的加工难度很高。而且每个环电极都需要引出单独的电线连接或利用MEMS工艺做好引线，从而限制了其尺度的进一步微型化。

因此，鉴于现有技术的不足，我们提出了一种利用MEMS工艺制作的菲涅尔波带式复合材料来制作聚焦式超声换能器的新方法。利用该方法，我们可以相对容易地研制出高精度、高频率、高强度、微型的自聚焦式超声换能器。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器，克服现有聚焦超声换能器制作复杂，微型化难，工艺精度要求高，生产成本高的不足，提出了一种利用MEMS工艺制作的负式或正式菲涅尔波带复合材料来制作高精度、高频率、高强度、微型自聚焦式换能器的新方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器，包括菲涅尔波带式压电复合材料，所述菲涅尔波带式压电复合材料上方设置有匹配层，所述菲涅尔波带式压电复合材料下方设置有金属导线，所述金属导线的下方为背衬，所述背衬的下方的两侧为底部托盘，所述两个底部托盘为绝缘的环氧树脂，且在所述菲涅尔波带式压电复合材料和所述背衬的两侧也为所述绝缘的环氧树脂，所述超声换能器的外部为导电外壳。

进一步的，所述菲涅尔波带式压电复合材料包括压电陶瓷，环氧树脂和金属导电电极，所述压电陶瓷和所述环氧树脂相邻连接，且所述压电陶瓷和所述环氧树脂的上下两面连接有所述金属导电电极。

进一步的，所述菲涅尔波带式压电复合材料的制作方法为：

步骤1）根据负式和正式菲涅尔波带压电复合材料的结构特点，分别利用如下公式（1）和（2）计算菲涅尔波带压电复合材料各个环尺寸和位置的关系：

负式菲涅尔波带压电复合材料：

（1）

正式菲涅尔波带压电复合材料：

（2）

其中n=0，1，2，3….，F为聚焦换能器的焦距，λ为超声波在传播介质中的波长，修正因子

；

步骤2）利用MEMS光刻技术计算将上诉的菲涅尔波带结构图形通过光刻胶附着到所述压电陶瓷或压电单晶材料上表面上，所述压电陶瓷为PZT，BaTiO₃等，所述压电单晶材料为PIN-PMN-PT，PMN-PT等；

步骤3）利用电镀、溅射等方法在压电材料表面制备好刻蚀用的金属掩模如：镍，铝等；接着用丙酮、超声清洗仪或等离子去胶机去除剩余的光刻胶；利然后用RIE、ICP等离子干法刻蚀或湿法刻蚀技术，按照掩模板的形状刻蚀陶瓷至一定的深度；

步骤4）在刻蚀好的所述压电陶瓷当中灌注入啊啊环氧树脂如TEK 301-2等；等啊啊环氧树脂固化后，利用研磨抛光机将压电复合材料的上下表面磨至所需的厚度；

步骤5）利用蒸镀、E-beam或溅射等方法在加工好的压电复合材料表面镀上一层薄的所述金属导电电极如金，镍，铝，钼等；如果一次在一大片压电陶瓷材料上制作出多个菲涅尔波带复合材料，可以用划片机、切割机等将之切割分开；此外，为了更好的将超声能量耦合入传播介质中，可以在菲涅尔波带复合材料的上表面镀相应的所述匹配层如Parylene等和在背后粘上所述背衬如银胶，环氧钨粉等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明技术方案，较之纯压电陶瓷材料具有高机电耦合系数（～0.7-0.9），低声阻抗易匹配（～15Mrayl），低电阻（～50欧），高频率（～70MHz），均匀性好，柔顺性强等优点，而且其加工工艺简单，加工精度高，电极连接封装方便，易规模化生产；成功实现了平板型超声换能器的声波自聚焦，而且聚焦性能好，中心频率高，十分适用于微型介入式超声诊断与治疗。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为常规自聚焦的菲涅尔半波带源的俯视和侧视图；

图2为负式菲涅尔波带式压电复合材料示意图；

图3为负式菲涅尔波带式压电复合材料结构侧视图；

图4为正式菲涅尔波带式压电复合材料；

图5为正式菲涅尔波带式压电复合材料结构侧视图；

图6为负式菲涅尔波带式压电复合材料光刻图形；

图7为正式菲涅尔波带式复合材料光刻图形；

图8为本发明基于微机电菲涅尔波带式复合材料的自聚焦超声换能器示意图；

图9为本发明基于微机电菲涅尔波带式复合材料的自聚焦超声换能器焦平面声场分布示意图；

图10为本发明基于微机电菲涅尔波带式复合材料的自聚焦超声换能器三维声场模拟示意图。

图中标号说明：1、压电陶瓷，2、环氧树脂，3、金属导电电极，4、匹配层，5、导电外壳，6、背衬，7、底部托盘，8、绝缘的环氧树脂，9、金属导线。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1-图8所示，基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器，包括菲涅尔波带式压电复合材料，所述菲涅尔波带式压电复合材料上方设置有匹配层4，所述菲涅尔波带式压电复合材料下方设置有金属导线9，所述金属导线9的下方为背衬6，所述背衬6的下方的两侧为底部托盘7，所述两个底部托盘7为绝缘的环氧树脂8，且在所述菲涅尔波带式压电复合材料和所述背衬6的两侧也为所述绝缘的环氧树脂8，所述超声换能器的外部为导电外壳5。

进一步的，所述菲涅尔波带式压电复合材料包括压电陶瓷1，环氧树脂2和金属导电电极3，所述压电陶瓷1和所述环氧树脂2相邻连接，且所述压电陶瓷1和所述环氧树脂2的上下两面连接有所述金属导电电极3。

优选的，外壳5还可以是不同形状如圆柱形，方形和矩形等，并在外部尾端用SMA，BNC接头等作为换能器的连接口。

进一步的，所述菲涅尔波带式压电复合材料的制作方法为：

负式菲涅尔波带压电复合材料：

（1）

正式菲涅尔波带压电复合材料：

（2）

；

步骤2）利用MEMS光刻技术计算将上诉的菲涅尔波带结构图形通过光刻胶附着到所述压电陶瓷1或压电单晶材料上表面上，所述压电陶瓷1为PZT，BaTiO₃等，所述压电单晶材料为PIN-PMN-PT，PMN-PT等；

步骤4）在刻蚀好的所述压电陶瓷1当中灌注入啊啊环氧树脂2如TEK 301-2等；等啊啊环氧树脂2固化后，利用研磨抛光机将压电复合材料的上下表面磨至所需的厚度；

步骤5）利用蒸镀、E-beam或溅射等方法在加工好的压电复合材料表面镀上一层薄的所述金属导电电极3如金，镍，铝，钼等；如果一次在一大片压电陶瓷材料上制作出多个菲涅尔波带复合材料，可以用划片机、切割机等将之切割分开；此外，为了更好的将超声能量耦合入传播介质中，可以在菲涅尔波带复合材料的上表面镀相应的所述匹配层4如Parylene等和在背后粘上所述背衬6如银胶，环氧钨粉等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器，包括菲涅尔波带式压电复合材料，其特征在于，所述菲涅尔波带式压电复合材料上方设置有匹配层（4），所述菲涅尔波带式压电复合材料下方设置有金属导线（9），所述金属导线（9）的下方为背衬（6），所述背衬（6）的下方的两侧为底部托盘（7），所述两个底部托盘（7）为绝缘的环氧树脂（8），且在所述菲涅尔波带式压电复合材料和所述背衬（6）的两侧也为所述绝缘的环氧树脂（8），所述超声换能器的外部为导电外壳（5）。

2.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器，其特征在于，所述菲涅尔波带式压电复合材料包括压电陶瓷（1），环氧树脂（2）和金属导电电极（3），所述压电陶瓷（1）和所述环氧树脂（2）相邻连接，且所述压电陶瓷（1）和所述环氧树脂（2）的上下两面连接有所述金属导电电极（3）。

3.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带式压电复合材料的自聚焦式超声换能器，其特征在于，所述菲涅尔波带式压电复合材料的制作方法为：

负式菲涅尔波带压电复合材料：

（1）

正式菲涅尔波带压电复合材料：

Figure 2013106984103100001DEST_PATH_IMAGE003

（2）

Figure 2013106984103100001DEST_PATH_IMAGE005

；

步骤2）利用MEMS光刻技术计算将上诉的菲涅尔波带结构图形通过光刻胶附着到所述压电陶瓷（1）或压电单晶材料上表面上，所述压电陶瓷（1）为PZT，BaTiO₃等，所述压电单晶材料为PIN-PMN-PT，PMN-PT等；

步骤4）在刻蚀好的所述压电陶瓷（1）当中灌注入啊啊环氧树脂（2）如TEK 301-2等；等啊啊环氧树脂（2）固化后，利用研磨抛光机将压电复合材料的上下表面磨至所需的厚度；

步骤5）利用蒸镀、E-beam或溅射等方法在加工好的压电复合材料表面镀上一层薄的所述金属导电电极（3）如金，镍，铝，钼等；如果一次在一大片压电陶瓷材料上制作出多个菲涅尔波带复合材料，可以用划片机、切割机等将之切割分开；此外，为了更好的将超声能量耦合入传播介质中，可以在菲涅尔波带复合材料的上表面镀相应的所述匹配层（4）如Parylene等和在背后粘上所述背衬（6）如银胶，环氧钨粉等。