CN110681558B - 一维线阵压电元件的制备方法、二维面阵超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一维线阵压电元件的制备方法、二维面阵超声换能器。由于经过切割第一压电片和第二压电片，制备的压电元件的每个压电阵元都在横向振动模式共振频率工作，并且为双层并联结构，使得电阻抗大大降低，使得压电阵元的阻抗不匹配的问题减弱，有效降低阻抗不匹配产生的不利影响，提高换能器能量转换效率，甚至可以不进行阻抗匹配，从而简化换能器制作过程，降低制作成本。此外，通过对第一压电片和第二压电片进行切割，及利用非导电材料及去耦合材料填充，使得制备得到的一维线阵压电元件的每个压电阵元的相反的两个侧面分别为正电极及负电极，能够进一步的解决电极引出的问题，构造过程相对简单，实用性高且成本低。

Description

一维线阵压电元件的制备方法、二维面阵超声换能器

技术领域

本发明涉及医疗器械制备领域，尤其涉及一种一维线阵压电元件的制备方法、二维面阵超声换能器。

背景技术

超声相控技术是由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次案预先规定的延迟时间激发各个阵元，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而实现超声波的声束扫描，偏转和聚焦的技术。若要实现通过电子系统动态控制声束的偏转、聚焦、精确控制超声声束而不产生栅瓣，需要保证换能器相邻阵元间距不能超过介质中声波波长的二分之一。

目前大多数医用相控阵超声换能器采用纵向振动模式构造，随着工作频率的提高以及规模的增大，换能器单个阵元大小减小，电阻抗升高的同时阵元之间的电学连接更加复杂。而阵元的阻抗增加引起阵元与射频信号源之间的阻抗不匹配。这种不匹配带来的后果是：对于诊断超声阵列，阻抗不匹配胡导致输出端输出较低的声能，接收端图像分辨率降低，信噪比差，对于高功率治疗超声阵列，阻抗不匹配将导致过低的电声转换效率。目前，为了解决阻抗不匹配的问题，通常用的解决方法是对相控阵超声换能器的每个阵元进行电阻抗匹配，然而，对每个阵元进行电阻抗匹配将会存在匹配成本高，消耗的时间长，实用性差等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种一维线阵压电元件的制备方法及二维面阵超声换能器，旨在解决现有技术中对每个阵元进行电阻抗匹配将会存在匹配成本高、消耗的时间长，实用性能差的的技术问题。

本发明提供一种一维线阵压电元件的制备方法，包括：

将第一压电片和第二压电片分别粘接在粘接层相反的两个表面，所述第一压电片和第二压电片的粘接面及与所述粘接面长边所对应的两个侧面均已敷设电极；

按照第一切割方向及第一切割深度，在所述第一压电片的大面进行切割，得到第一切缝；其中，所述第一切割方向平行于所述大面的长边，所述第一切割深度大于所述第一压电片的厚度，且小于所述第一电压片的厚度和第二压电片的厚度的和；

利用非导电材料填充所述所述第一切缝；

按照第二切割方向、第二切割深度及切割间隔，在所述第一压电片的大面进行切割，得到若干间距相等的第二切缝；其中，所述第二切割方向平行于所述大面的短边，所述第二切割深度至少为预设的所述一维线阵压电元件的目标厚度，且小于所述第一压电片的厚度和所述第二压电片的厚度的和；

将去耦合材料灌入所述第二切缝中，待所述去耦合材料凝固后，研磨所述第一压电片和所述第二压电片的大面，直至所述第一压电片的厚度与第二压电片的厚度相同，且厚度的和等于所述目标厚度；

在所述第一压电片和第二压电片的大面上敷设电极，并在所述第一压电片的大面上切割所述去耦合材料，以形成第一电极隔断槽，且在所述第一压电片的大面上，以平行于所述第一切缝的方向进行切割，得到第二电极隔断槽，且所述第二电极隔断槽位于所述第一压电片的大面的边缘，在所述第二压电片的大面上，切割与所述第二电极隔断槽对称的第三电极隔断槽，以得到包含多个由去耦合材料隔开的压电阵元的所述一维线阵压电元件；且每个所述压电阵元的相反的两个侧面分别为正电极及负电极。

本发明还提供一种二维面阵超声换能器，所述二维面阵超声换能器包括二维面阵压电元件，该二维面阵压电元件包含，若干去耦合层、及若干个上述的一维线阵压电元件的制备方法制备得到的一维线阵压电元件；

若干个所述一维线阵压电元件按照预设间隔进行排列，且相邻两个所述一维线阵压电元件之间的间隔由所述去耦合层填充；

其中，若干个所述一维线阵压电元件的正电极位于同一个面，负电极位于同一个面。

从上述本发明技术方案可知，由于经过切割第一压电片和第二压电片，制备的压电元件的每个压电阵元都在横向振动模式共振频率工作，并且为双层并联结构，使得电阻抗大大降低，使得压电阵元的阻抗不匹配的问题减弱，有效降低阻抗不匹配产生的不利影响，提高换能器能量转换效率，甚至可以不进行阻抗匹配，从而简化换能器制作过程，降低制作成本。此外，通过对第一压电片和第二压电片进行切割，及利用非导电材料及去耦合材料填充，使得制备得到的一维线阵压电元件的每个压电阵元的相反的两个侧面分别为正电极及负电极，能够进一步的解决电极引出的问题，构造过程相对简单，实用性高且成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一维线阵压电元件的制备方法的流程示意图；

图2a至图2g为本发明实施例中一维线阵压电元件制备过程中的结构变化图；

图3为本发明实施例中一维线阵压电元件的拆分后的示意图；

图4为本发明实施例中超声换能器的结构示意图；

图5为本发明实施例中二维面阵压电元件的示意图；

图6为本发明实施例中二维面阵压电元件排列的示意图；

图7位本发明实施例中二维面阵超声换能器的外部示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。

请参阅图1，为本发明实施例中一维线阵压电元件的制备方法的流程示意图，该制备方法为包括如下步骤101-106的工艺步骤，具体包括：

步骤101、将第一压电片和第二压电片分别粘接在粘接层相反的两个表面；

在本发明实施例中，制备一个一维线阵压电元件需要准备两块压电片，分别是第一压电片和第二压电片，其中，第一压电片和第二压电片的材料可以相同也可以不同，且第一电压片或者第二压电片可以为压电陶瓷、单晶材料，以及由压电材料或单晶材料与高分子材料制备出的复合材料中的任意一种材料。其中，压电陶瓷具体可以是无铅压电陶瓷。

上述第一压电片和第二压电片具体为长方体结构的压电片，大面是指长方体结构中面积最大的面，且一个长方体结构具有两个大面和四个侧面，两个大面为长方体结构中相反的两个面，也可以成为正面和反面。可以理解的是，由于以为线阵压电元件是具有多组压电阵元的，因此，选用的第一压电片和第二压电片是非常典型的长方体结构。

其中，第一压电片和第二压电片的粘接面及粘接面的长边所对应的两个侧面均已敷设电极，需要说明的是，在实际应用中，对第一压电片和第二压电片敷设电极时，为了方便，第一压电片和第二压电片四个侧面都会溅射的方式敷设电极，然而实际产生电极作用的是粘接面的长边所对应的两个侧面，若短边所对应的侧面上敷设有电极，则需要在后续的过程中去除。如图2(a)所示，第一压电片和第二压电片，其中，厚度小的压电片作为第一压电片，厚度大的压电片作为第二压电片，其中，阴影部分表明已敷设电极，则第一压电片的所有面都已敷设电极，第二压电片除了短边所对应的两个侧面以外，其他四个面都已敷设电极。此外，可以通过导电胶或者导电性良好的金属镀层实现第一压电片和第二压电片上电极的敷设。

其中，第一压电片的粘接面和第二压电片的粘接面是指与粘接层粘接，且已敷设电极的大面，如图2b所示，第一压电片和第二压电片之间的为粘接层，按照图2b将第一压电片、粘接层、第二压电片粘接在一起，得到如图2c所示结构。

从图2c中可以看出，第一压电片、粘接层、第二压电片依次叠加，且第一压电片的大面的面积与粘接层大面的面积相同，第二压电片的大面的面积与粘接层的大面的面积相同，且第一压电片及所述第二压电片与粘接层接触的面积重合。即第一压电片、粘接层及第二压电片的大面的面积相同。

其中，粘接层可以是粘接胶制备，且图2b可以是图2c的爆炸图，在实际制备过程中可以是：在第一压电片的一个大面上均匀涂抹预设厚度的粘接胶，并将第一压电片涂抹有粘接胶的一面与第二压电片的一个大面重合，等粘接胶凝固之后，即得到重叠设置的第一压电片、粘接层及第二压电片。

步骤102、按照第一切割方向及第一切割深度，在所述第一压电片的大面进行切割，得到第一切缝；

在本发明实施例中，按照第一切割方向及第一切割深度，在第一压电片的大面进行切割，得到第一切缝，可以理解的是，该第一压电片的大面并非是与粘接层粘接的大面，而是与粘接层粘接的大面相反的另一个大面。从第一压电片的大面往下切割，且第一切割方向为平行于该大面的长边，且切割的位置为大面一侧长边的边缘，第一切割深度大于第一压电片的厚度，且小于第一压电片的厚度和第二压电片的厚度的和，即，在从第一压电片的大面往下切割时，是切穿第一压电片，但是不切穿第二压电片，得到第一切缝。

步骤103、利用非导电材料填充所述所述第一切缝；

步骤104、按照第二切割方向、第二切割深度及切割间隔，在所述第一压电片的大面进行切割，得到若干间距相等的第二切缝；

在本发明实施例中，在切割得到第一切缝之后，利用非导电材料填充该第一切缝，且在完成填充之后，继续按照第二切割方向、第二切割深度及切割间隔，在第一压电片的大面进行切割，以得到若干间距相等的第二切缝。

其中，第二切割方向平行于第一压电片的大面的短边，即第一切割方向与第二切割方向是互相垂直的。

其中，第二切割深度至少为预设的目标厚度，该目标厚度是指最终形成的一维线阵压电元件的厚度，且该第二切割深度小于第一压电片的厚度和第二压电片的厚度的和。

步骤105、将去耦合材料灌入所述第二切缝中，待所述去耦合材料凝固后，研磨所述第一压电片和所述第二压电片的大面，直至所述第一压电片的厚度与第二压电片的厚度相同，且厚度的和等于所述目标厚度；

在本发明实施例中，在切割得到若干间距相等的第二切缝之后，将去耦合材料灌入该第二切缝中，待去耦合材料凝固后，研磨该第一压电片和第二压电片的大面，直至第一压电片的厚度和第二压电片的厚度相同，且第一压电片的厚度与第二压电片的厚度的和等于上述目标厚度。

需要说明的是，在打磨时，需要将第二压电片打磨至去耦合材料达到表面的程度。

需要说明的是，在实际应用中，并不限定第一切缝和第二切缝的切割和填充材料的先后顺序，除了上述的先切割得到第一切缝，然后填充第一切缝，再切割得到第二切缝，并将去耦合材料灌入第二切缝这种方式以外，还可以先切割得到第二切缝，将去耦合材料灌入第二切缝，然后再切割得到第一切缝，并填充该第一切缝。或者，还可以先切割得到第一切缝和第二切缝，然后再分别将非导电材料填充至第一切缝及将去耦合材料灌入第二切缝。因此，在实际应用中可以根据具体的需要设置第一切缝和第二切缝的切割顺序，及非导电材料和去耦合材料的填充时机及顺序，此处并不限定。

请参阅图2d，为进行切割之后，得到第一切缝和第二切缝的示意图，需要说明的是，图2d中是包含两个不同视角的图。且将对第一切缝和第二切缝进行填充，在第一切缝中填充非导电材料，在第二切缝中填充去耦合材料，需要说明的是，并不限定第一切缝和第二切缝重合的区域填充的材料的类型，可以是非导电材料，也可以是去耦合材料，还可以是非导电材料和去耦合材料的混合材料，此处不做限定。请参阅图2e，为本发明实施例中，第一切缝和第二切缝填充并对两个大面进行打磨后的示意图。

步骤106、在所述第一压电片和第二压电片的大面上敷设电极，并在所述第一压电片的大面上切割所述去耦合材料，以形成第一电极隔断槽，且在所述第一压电片的大面上，以平行于所述第一切缝的方向进行切割，得到第二电极隔断槽，且所述第二电极隔断槽位于所述第一压电片的大面的边缘，在所述第二压电片的大面上，切割与所述第二电极隔断槽对称的第三电极隔断槽；

在本发明实施例中，在对第一压电片和第二压电片的大面进行研磨之后，将在该第一压电片和第二压电片的大面上敷设电极，且在敷设电极之后，再切割电极隔断槽。请参阅图2f，为对第一压电片和第二压电片的大面敷设电极后的示意图，具体的，在图2f中，具有阴影的部分表示已敷设电极。

请参阅图2g，在第一压电片的大面上，以平行于第一切缝的方向进行切割，得到第二电极隔断槽6，且第二电极隔断槽6位于第一压电片的大面的边缘，在第二压电片的大面上，切割与第二电极隔断槽6对称的第三电极隔断槽7。其中，去耦合材料在灌入之后形成了多层去耦合层，将在第一压电片的大面上对每一层去耦合层的表面进行切割，以便形成第一电极隔断槽5，得到包含多个由去耦合材料隔开的压电阵元的一维线阵压电元件，且每个压电阵元的相反的两个侧面分别为正电极和负电极，且由于每个压电阵元之间由去耦合材料隔开，因此，各压电阵元的正电极和负电极都可以单独引线，互不干扰，请参阅图2g，为本发明实施例中一维线阵压电元件的示意图。需要说明的是，第一电极隔断槽5、第二电极隔断槽6及第三电极隔断槽7的目的是为了隔断电极，因此通常在切割的时候，只要确保能够隔断电极就可以了，切割的深度均比较浅，远小于第一切缝和第二切缝的切割深度。此外，图2g中，4表示第一切缝中填充的非导电材料构成的非导电层。

进一步的，请参阅图3，为本发明实施例中一维线阵压电元件的爆炸示意图。

在该图中，上一层为第一压电元件切割后的压电振子，下一层为第二压电元件切割后的压电振子，且上下两个相对的压电振子构成了一个压电阵元，S1面和S4面为一维线阵压电元件的两个相反的侧面，其中一个为正电极，另外一个为负电极。

在图3中，一维线阵压电元件的内表面S2与侧面S1互相连通，且内表面S2由于嵌有非导电填充材料，而与另外一个侧面S4断开，因此，侧面S1可以作为一个电极端使用，同理，一维线阵压电元件的外表面S3通过第二电极隔断槽6和第三电极隔断槽7与侧面S1断开，但是与侧面S4导通，因此，侧面S4可以作为另一个电极端使用。例如，以S1面作为正电极的引出面，S4作为负电极的引出面，且S4也可以成为辐射面。

其中，第一电极隔断槽用于划分压电阵元间的电极，使得每个压电阵元间相互独立。

此外，在图3中，2表示粘接层，1表示压电片，且位于上面的压电片为第一压电片，位于下面的压电片为第二压电片，3表示填充的去耦合材料形成的去耦合层，4表示填充的非导电材料形成的非导电层，5表示去耦合层3上切割形成的第一电极隔断槽，6表示第二电极隔断槽，7表示第三电极隔断槽。

在本发明实施例中，由于经过切割第一压电片和第二压电片，制备的压电元件的每个压电阵元都在横向振动模式共振频率工作，并且为双层并联结构，使得电阻抗大大降低，使得压电阵元的阻抗不匹配的问题减弱，有效降低阻抗不匹配产生的不利影响，甚至可以不进行阻抗匹配，从而简化换能器制作过程，降低制作成本。此外，通过对第一压电片和第二压电片进行切割，及利用非导电材料及去耦合材料填充，使得制备得到的一维线阵压电元件的每个压电阵元的相反的两个侧面分别为正电极及负电极，能够进一步的解决电极引出的问题，构造过程相对简单，实用性高且成本低。

请参阅图4，为本发明实施例中面阵超声换能器的结构示意图，包括：二维面阵压电元件，请参阅图5，为二维面阵压电元件的示意图，该二维面阵压电元件包含：若干去耦合层，及若干个通过图1所示的一维线阵压电元件的制备方法制备得到的一维线阵压电元件；

其中，若干个一维线阵压电元件按照预设间隔进行排列，且相邻两个一维线阵压电元件之间的间隔由去耦合层填充；

其中，若干个一维线阵压电元件的正电极位于同一个面，负电极位于同一个面。如图6所示，为二维面阵压电元件排列的示意图。

请参阅图4，二维面阵超声换能器还包括：由第一柔性电路板和第二柔性电路板边缘连接形成的具有预置夹角的电路板(即图4中的柔性电路板(信号源))、及导电层(即图4中的镀金层(地极))；其中，该预设夹角可以为60-120度角度之间的任意一个角度，优选为90度。可以理解的是，在图4中，左侧的图为右侧图中的一部分。

其中，第一柔性电路板的外表面设置二维面阵压电元件的正电极，导电层覆盖在二维面阵压电元件的负电极，得到二维面阵超声换能器主体；

第二柔性电路板上的通孔与电缆连接，导电层与地极连接。

其中，第一柔性电路板和第二柔性电路板上均设置有通孔，且第一柔性电路板上的通孔与第二柔性电路板上的通孔一一对应，第一柔性电路板上的通孔与二维面阵压电元件中各个压电阵元的正电极匹配设置。

请参阅图4，上述二维面阵超声换能器还包括顶部无遮盖的外壳和顶板；

其中，二维面阵超声换能器主体放置在外壳内，且二维面阵超声换能器主体的导电层与外壳的底面位于同一平面；顶板安装在外壳的顶部。

其中，顶板上设置通孔，二维面阵超声换能器还包括引导管，引导管的一端与顶板上的通孔匹配连接，且电缆穿过引导管与外部连接。请参阅图7，为本发明实施例中，二维面阵超声换能器的外部示意图。

优选的，导电层为涂覆在二维面阵压电元件的负电极所在的面的镀金层。

可以理解的是，若使用的一维线阵压电元件包含M个压电阵元，且使用了N个以为线阵压电元件，则形成的将是M*N二维面阵压电元件。

在本发明实施例中，通过包边电极引出压电元件双层结构的内部电极，配合柔性电路板使得电极引出更加便捷，且由于二维面阵压电元件可以由N个具有M个压电阵元的一维线阵压电阵元拼接而成，一维线阵压电元件的尺寸可以精准控制从而得到一致性良好的M*N面阵，并且可以灵活控制阵元数目，换能器规模。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种一维线阵压电元件的制备方法及二维面阵超声换能器的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种一维线阵压电元件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

将第一压电片和第二压电片分别粘接在粘接层相反的两个表面，所述第一压电片和第二压电片的粘接面及与所述粘接面长边所对应的两个侧面均已敷设电极；其中，所述第一压电片和第二压电片都是长方体结构；

按照第一切割方向及第一切割深度，在所述第一压电片的大面进行切割，得到第一切缝；其中，所述第一切割方向平行于所述大面的长边，所述第一切割深度大于所述第一压电片的厚度，且小于第一电压片的厚度和第二压电片的厚度的和；

利用非导电材料填充所述第一切缝；

按照第二切割方向、第二切割深度及切割间隔，在所述第一压电片的大面进行切割，得到若干间距相等的第二切缝；其中，所述第二切割方向平行于所述大面的短边，所述第二切割深度至少为预设的所述一维线阵压电元件的目标厚度，且小于所述第一压电片的厚度和所述第二压电片的厚度的和；

将去耦合材料灌入所述第二切缝中，待所述去耦合材料凝固后，研磨所述第一压电片和所述第二压电片的大面，直至所述第一压电片的厚度与第二压电片的厚度相同，且厚度的和等于所述目标厚度；

在所述第一压电片和第二压电片的大面上敷设电极，并在所述第一压电片的大面上切割所述去耦合材料，以形成第一电极隔断槽，且在所述第一压电片的大面上，以平行于所述第一切缝的方向进行切割，得到第二电极隔断槽，且所述第二电极隔断槽位于所述第一压电片的大面的边缘，在所述第二压电片的大面上，切割与所述第二电极隔断槽对称的第三电极隔断槽，以得到包含多个由去耦合材料隔开的压电阵元的所述一维线阵压电元件；且每个所述压电阵元的相反的两个侧面分别为正电极及负电极。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述去耦合材料为环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一压电片的厚度小于所述第二压电片的厚度。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一压电片的或所述第二压电片为压电陶瓷、单晶材料、以及由压电材料或单晶材料与高分子材料制备出的复合材料中的任意一种材料。

5.一种二维面阵超声换能器，其特征在于，所述二维面阵超声换能器包含二维面阵压电元件，所述二维面阵压电元件包含：若干去耦合层，及若干个通过所述权利要求1至4任意一项中的一维线阵压电元件的制备方法制备得到的一维线阵压电元件；

若干个所述一维线阵压电元件按照预设间隔进行排列，且相邻两个所述一维线阵压电元件之间的间隔由所述去耦合层填充；

其中，若干个所述一维线阵压电元件的正电极位于同一个面，负电极位于同一个面。

6.根据权利要求5所述的二维面阵超声换能器，其特征在于，所述二维面阵超声换能器还包括：由第一柔性电路板和第二柔性电路板边缘连接形成的具有预置夹角的电路板、导电层；

所述第一柔性电路板的外表面设置在所述二维面阵压电元件的正电极，所述导电层覆盖在所述二维面阵压电元件的负电极，得到二维面阵超声换能器主体；

所述第二柔性电路板上的通孔与电缆连接，所述导电层与地极连接。

7.根据权利要求6所述的二维面阵超声换能器，其特征在于，所述第一柔性电路板和所述第二柔性电路板上均设置有通孔，且所述第一柔性电路板上的通孔与所述第二柔性电路板上的通孔一一对应，所述第一柔性电路板上的通孔与所述二维面阵压电元件中各个压电阵元的正电极匹配设置。

8.根据权利要求6所述的二维面阵超声换能器，其特征在于，所述二维面阵超声换能器还包括顶部无遮盖的外壳和顶板；

所述二维面阵超声换能器主体放置在所述外壳内，且所述二维面阵超声换能器主体的导电层与所述外壳的底面位于同一平面；

所述顶板安装在所述外壳的顶部。

9.根据权利要求8所述的二维面阵超声换能器，其特征在于，所述顶板上设置通孔，所述二维面阵超声换能器还包括引导管，所述引导管的一端与所述顶板上的通孔匹配连接，且所述电缆穿过所述引导管与外部连接。

10.根据权利要求6所述的二维面阵超声换能器，其特征在于，所述导电层为涂覆在所述二维面阵压电元件的负电极所在的面的镀金层。

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