CN108906560B - 一种制作压电超声换能器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制作压电超声换能器的方法，包括如下步骤：S1：将高频超声换能器的三维立体结构切片分割处理，得到高频超声换能器的一系列的二维截面；S2：高频超声换能器包括多个部件；选取高频超声换能器的其中一个部件，制备选取部件的打印浆料；S3：采用固化光源照射，将选取部件的二维截面的掩膜图像投射至打印浆料的表面，将选取部件固化成型，得到选取部件的素坯；S4：将选取部件的素坯进行干燥、脱脂处理，得到选取部件的坯胎；S5：重复步骤S2－S5，成型高频超声换能器的下一部件，直至将高频超声换能器的每一部件成型，得到高频超声换能器的整型坯胎。本发明提供的方法，实现了制作超声换能器的高精度要求，且大幅提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种制作压电超声换能器的方法。
背景技术
在超声换能器的制作过程中，压电陶瓷是最常见的一种材料。传统的压电陶瓷材料在制造的过程是以减法制造的形式进行制造，存在着投入时间长，程序繁多的问题，而压电陶瓷材料现在已经被广泛的运用了起来，传统的制造模式已经远远不能满足社会的需求。随着科学技术的不断发展，传统技艺制作出来的压电陶瓷材料的精度、复杂度也存在很大的局限性。
随着3D技术的不断发展，现如今3D技术也已经运用在超声换能器的制作工艺之中，制作出来的产品的复杂度、精度也可以满足人们的需求。
现有技术中，中国专利CN104339437A提供的是一种3D打印技术生产陶瓷铸型的方法，其技术方案为利用3D打印技术，将陶瓷粉和粘结剂分别装入3D打印头(1)内，将需要打印铸型的三维图输入3D打印机，然后按照图纸逐层打印铸型形状，最终形成所需的铸型(2)，此时陶瓷粉和粘结剂粘结的受力不大，再将整个铸型放入加热炉(3)内对陶瓷粉和粘结剂进行烧结，使铸型达到高的强度和硬度，形成陶瓷铸型。但是该技术中的粘结剂性能不好，粘结的不牢固，最终铸件结果松散，产品的性能较差。
另外，中国专利CN201510614565提供的是一种3D打印陶瓷工艺，包括以下步骤：制粒：将低温粘结剂和中温粘结剂分别预制成颗粒，低温粘结剂粒径为0.1－2mm，中温粘结剂粒径为0.1－2mm；混合：将制粒的低温粘结剂和中温粘结剂与粉末状的陶瓷粉混合均匀，作为喷料；打印：在通入保护气体的情况下，采用陶瓷3D打印机逐层喷出喷料，并利用选择性激光烧结技术得到粗坯；中温烧结：将粗坯放入烧结炉中，调温至400－700℃进行中温烧结；高温烧结：中温烧结后将烧结炉温度升高至1500－1700℃进行高温烧结，最后得到产品。其在提供3D打印陶瓷工艺的时候，虽然在粘结剂性能上进行提高，但是在制作超声换能器的时候，压电陶瓷制作的换能器压电阵元素胚除了要经过高温烧结，还需要进行极化处理。所以这种工艺对于制作结构复杂的超声换能器而言，远远不能满足其需求。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种制作压电超声换能器的方法，其通过采用微立体光刻成型技术，将压电阵元、背衬层、匹配层、电极连接进行全打印，制作出的压电陶瓷器件结构完整、性能高，实现了制作超声换能器的高精度要求，且大幅提高了工作效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种制作压电超声换能器的方法，包括如下步骤：
S1：将高频超声换能器的三维立体结构切片分割处理，得到所述高频超声换能器的一系列的二维截面；
S2：所述高频超声换能器包括多个部件；选取所述高频超声换能器的其中一个部件，制备所述选取部件的打印浆料；
S3：采用固化光源照射，将所述选取部件的二维截面的掩膜图像投射至所述打印浆料的表面，将所述选取部件固化成型，得到所述选取部件的素坯；
S4：将所述选取部件的素坯进行干燥、脱脂处理，得到所述选取部件的坯胎；
S5：重复步骤S2－S5，成型所述高频超声换能器的下一部件，直至将所述高频超声换能器的每一部件成型，得到所述高频超声换能器的整型坯胎。
与现有技术相比，本发明公开的制作压电超声换能器的方法，通过采用微立体光刻成型技术，将压电阵元、背衬层、匹配层、电极连接进行全打印，制作出的压电陶瓷器件结构完整、性能高，实现了制作超声换能器的高精度要求，且大幅提高了工作效率；克服器件固化成型皱缩变形、热处理变形之间的矛盾；克服打印压电陶瓷需要高浓度的浆料与高浓度瓷浆料黏稠性高、散射强影响固化成型之间的矛盾。
根据本发明另一具体实施方式，所述制作压电超声换能器的方法进一步包括步骤S6：
将所述高频超声换能器的整型坯胎经脱脂、烧结和极化处理，得到压电超声换能器。
根据本发明另一具体实施方式，所述高频超声换能器的多个部件包括压电层、背衬层、匹配层和电极层。
根据本发明另一具体实施方式，所述步骤S3进一步包括步骤S31－S33：
S31：开启固化光源，将所述选取部件的二维截面的掩膜图像投射至所述打印浆料的表面，使所述掩膜图像的照射范围内的所述打印浆料单层固化成型，待单层固化成型后关闭固化光源；
S32：移动成型平台，扫平所述打印浆料的表面，切换投射图像至下一层；开启固化光源，将所述下一层的二维截面的掩膜图像投射至，经单层固化成型的所述打印浆料的表面，并使所述打印浆料表面固化；
S33：重复步骤S32，直至所述选取部件累加成型，得到所述选取部件的素坯。
根据本发明另一具体实施方式，所述打印浆料包括固体颗粒、树脂、聚合物粘合剂和表面活化剂。
根据本发明另一具体实施方式，所述固体颗粒的粒径为0.2－10μm。
根据本发明另一具体实施方式，在步骤S6中，将所述高频超声换能器的整型坯胎进行高温烧结处理时，所述高温烧结处理的温度为800－1000°。
根据本发明另一具体实施方式，步骤S2进一步包括步骤S21－S23：
S21：选用商业PZT－5H粉末颗粒，通过球磨，将所述粉末颗粒粉碎至1微米以下并烘干；
S22：采用有机硅酸酯和有机钛酸酯偶联剂处理经粉碎的所述粉末颗粒，并加入电解质丙烯酸类分散剂，进行表面活化处理；
S23：在经表面活化处理的粉料中中加入光固化剂、紫外吸收剂、烧结助剂、氧化铅、2－甲氧基乙醇的溶胶凝胶PZT前驱体和消泡剂，进行配料。
根据本发明另一具体实施方式，在步骤S3中，采用数字微镜器件，将所述选取部件的二维截面的掩膜图像投射至所述打印浆料的表面，将所述选取部件固化成型，得到所述选取部件的素坯。
根据本发明另一具体实施方式，所述高频超声换能器各个部件坯胎的制备顺序依次为：背衬层、电极层、压电层、匹配层。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图说明
图1是实施例1提供的制作压电陶瓷换能器的方法的流程图；
具体实施方式
实施例1
参见图1，是本实施例提供的制作压电陶瓷换能器的方法的流程图。其包括步骤S1－S6：
S1：将高频超声换能器的三维立体结构切片分割处理，得到高频超声换能器的一系列的二维截面。
具体的，在该步骤中，采用AutoCAD等计算机软件将高频超声换能器的三维立体结构切片分割处理，得到高频超声换能器的一系列的二维截面。
S2：高频超声换能器包括多个部件；选取高频超声换能器的其中一个部件，制备选取部件的打印浆料。
该步骤用于制备打印浆料，将固体粉末加入光固化剂溶液中，制备打印浆料。
在本实施例中，高频超声换能器的各个部件分别为：压电层、背衬层、匹配层和电极层。各层机械、声学性能不同，所需打印浆料不同，且打印出的部件素坯都需经过高温处理。
打印浆料包括固体颗粒、树脂、聚合物粘合剂和表面活化剂；固体颗粒的粒径为0.2－10μm。
具体的，步骤S2进一步包括步骤S21－S23：
S21：选用商业PZT－5H粉末颗粒，通过球磨，将粉末颗粒粉碎至1微米以下并烘干。
S22：采用有机硅酸酯和有机钛酸酯偶联剂处理经粉碎的粉末颗粒，并加入电解质丙烯酸类分散剂，进行表面活化处理。
S23：在经表面活化处理的粉料中中加入光固化剂、紫外吸收剂、烧结助剂、氧化铅、2－甲氧基乙醇的溶胶凝胶PZT前驱体和消泡剂，进行配料。
在制备打印浆料的过程中，还需要结合实际情况综合考虑。表面活化处理和配料过程虽然比颗粒粉碎时间短，亦会进一步改变陶瓷粉末颗粒的尺寸分布，需要综合考虑。若有必要，将不同粒径(200nm－1000nm)陶瓷粉末按照一定比例混合，以使陶瓷粉末结合更紧密降低成型陶瓷裂缝及缺陷；配料后可以通过抽真空进一步消除浆料中的气泡。
换能器各部件打印浆料应该具有如下共同特征：(1)低黏稠性，以利于打印层的形成；(2)粉末颗粒在浆料中均匀分布，以得到性能一致的打印部件；(3)粉末颗粒尺寸要在微米以下，以减小浆料的散射，同时这也是制备高频超声换能器的需要；(4)浆料中的光固化溶剂含量适当，可以将颗粒充分固化成型。
压电层、背衬层、匹配层和电极层的打印浆料存在区别，压电层、背衬层、匹配层和电极层的打印浆料的制备有如下要求：
压电层：浆料固含量高，颗粒尺寸适中的压电陶瓷粉末，浆料中气泡尽量少，以满足压电陶瓷高密度、高致密要求。
背衬层：浆料固含量适中，颗粒尺寸分布范围大的氧化铝等粉末，浆料中气泡适中，以满足较高声衰减要求。
匹配层：浆料固含量低，颗粒小的玻璃粉末，浆料中气泡尽量少，以满足声阻抗匹配和低声衰减的要求。
电极层：浆料固含量适中，颗粒小的金属粉末，浆料中气泡尽量少，以满足层薄且电阻率低的要求。
S3：采用固化光源照射，将选取部件的二维截面的掩膜图像投射至打印浆料的表面，将选取部件固化成型，得到选取部件的素坯。
具体的，该步骤包括步骤S31－S33：
S31：开启固化光源，将选取部件的二维截面的掩膜图像投射至打印浆料的表面，使掩膜图像的照射范围内的打印浆料单层固化成型，待单层固化成型后关闭固化光源。
S32：移动成型平台，扫平打印浆料的表面，切换投射图像至下一层；开启固化光源，将下一层的二维截面的掩膜图像投射至，经单层固化成型的打印浆料的表面，并使打印浆料表面固化。
S33：重复步骤S32，直至选取部件累加成型，得到选取部件的素坯。
S4：将选取部件的素坯进行干燥、脱脂处理，得到选取部件的坯胎。
S5：重复步骤S2－S5，成型高频超声换能器的下一部件，直至将高频超声换能器的每一部件成型，得到高频超声换能器的整型坯胎。
S6：将高频超声换能器的整型坯胎经脱脂、烧结和极化处理，得到压电超声换能器。
在本实施例中，通过借鉴厚膜混合电路技术实现换能器的匹配层、背衬层、电极层的分别制备打印浆料，且将成型素坯和压电陶瓷阵元素坯一起高温烧结。
厚膜混合电路浆料由固体颗粒(0.2－10微米)与树脂或聚合物粘合剂、表面活化剂等组成。浆料中颗粒尺寸与配料成分与微立体光刻成型浆料契合，通过引入光固化剂、紫外吸收剂等，用于微立体光刻成型。
对厚膜混合电路浆料固体颗粒尺寸、固含量等参数做相应调整，使其声阻抗、声衰减等参数符合具体高频超声换能器需求。氧化铝基片浆料可用于换能器被衬层；导体浆料可用于电极层；玻璃粉包装浆料可用于匹配层。
厚膜混合电路需经过900度左右高温烧结处理，与换能器关键材料压电陶瓷后处理工艺吻合。
本实施例提供的制作压电陶瓷换能器的方法，通过微立体光刻成型技术，将压电阵元、背衬层、匹配层、电极连接进行全打印，制作出结构完整、高性能的压电陶瓷器件，实现制作超声换能器的高精度要求，提高工作效率；此外，通过微立体光刻成型技术，克服器件固化成型皱缩变形、热处理变形之间的矛盾。最后，通过微立体光刻成型技术，克服打印压电陶瓷需要高浓度的浆料与高浓度瓷浆料黏稠性高、散射强影响固化成型之间的矛盾。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。
Claims (9)
1.一种制作压电超声换能器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将高频超声换能器的三维立体结构切片分割处理，得到所述高频超声换能器的一系列的二维截面；
S2：所述高频超声换能器包括多个部件；选取所述高频超声换能器的其中一个部件，制备所述选取部件的打印浆料；
S3：采用固化光源照射，将所述选取部件的二维截面的掩膜图像投射至所述打印浆料的表面，将所述选取部件固化成型，得到所述选取部件的素坯；
所述步骤S3进一步包括步骤S31－S33：
S31：开启固化光源，将所述选取部件的二维截面的掩膜图像投射至所述打印浆料的表面，使所述掩膜图像的照射范围内的所述打印浆料单层固化成型，待单层固化成型后关闭固化光源；
S32：移动成型平台，扫平所述打印浆料的表面，切换投射图像至下一层；开启固化光源，将所述下一层的二维截面的掩膜图像投射至，经单层固化成型的所述打印浆料的表面，并使所述打印浆料表面固化；
S33：重复步骤S32，直至所述选取部件累加成型，得到所述选取部件的素坯；
S4：将所述选取部件的素坯进行干燥、脱脂处理，得到所述选取部件的坯胎；
S5：重复步骤S2－S5，成型所述高频超声换能器的下一部件，直至将所述高频超声换能器的每一部件成型，得到所述高频超声换能器的整型坯胎。
2.如权利要求1所述的制作压电超声换能器的方法，其特征在于，所述制作压电超声换能器的方法进一步包括步骤S6：
将所述高频超声换能器的整型坯胎经脱脂、烧结和极化处理，得到压电超声换能器。
3.如权利要求1所述的制作压电超声换能器的方法，其特征在于，所述高频超声换能器的多个部件包括压电层、背衬层、匹配层和电极层。
4.如权利要求1所述的制作压电超声换能器的方法，其特征在于，所述打印浆料包括固体颗粒、树脂、聚合物粘合剂和表面活化剂。
5.如权利要求4所述的制作压电超声换能器的方法，其特征在于，所述固体颗粒的粒径为0.2－10μm。
6.如权利要求2所述的制作压电超声换能器的方法，其特征在于，在步骤S6中，将所述高频超声换能器的整型坯胎进行高温烧结处理时，所述高温烧结处理的温度为800－1000°。
7.如权利要求1所述的制作压电超声换能器的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括步骤S21－S23：
S21：选用商业PZT－5H粉末颗粒，通过球磨，将所述粉末颗粒粉碎至1微米以下并烘干；
S22：采用有机硅酸酯和有机钛酸酯偶联剂处理经粉碎的所述粉末颗粒，并加入电解质丙烯酸类分散剂，进行表面活化处理；
S23：在经表面活化处理的粉料中中加入光固化剂、紫外吸收剂、烧结助剂、氧化铅、2－甲氧基乙醇的溶胶凝胶PZT前驱体和消泡剂，进行配料。
8.如权利要求1所述的制作压电超声换能器的方法，其特征在于，在步骤S3中，采用数字微镜器件，将所述选取部件的二维截面的掩膜图像投射至所述打印浆料的表面，将所述选取部件固化成型，得到所述选取部件的素坯。
9.如权利要求3所述的制作压电超声换能器的方法，其特征在于，所述高频超声换能器各个部件坯胎的制备顺序依次为：背衬层、电极层、压电层、匹配层。
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