CN110718626B - 一种模式转换一维线阵压电元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医疗器械制造领域，提供了模式转换一维线阵压电元件及其制备方法，以降低压电元件阵元的电阻抗和整个压电元件的制造成本。所述方法包括：在长方体的第一压电材料和第二压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极；将敷设了电极两个大面粘接以形成第三压电材料；切割第三压电材料没有敷设电极的两面中任何一面形成若干槽；灌入去耦合材料至槽并在其凝固后研磨第三压电材料没有敷设电极的大面；对没有敷设电极的两大面敷设电极并去除第三压电材料中三个侧面的电极以形成第四压电材料；切割去耦合材料以形成一条第一电极和第二电极隔断槽；信号源电极与信号源连接，接地电极接地。本发明降低了压电元件阵元的电阻抗和整个压电元件的制造成本。

Description

一种模式转换一维线阵压电元件及其制备方法
技术领域
本发明属于医疗器械制备领域，尤其涉及一种模式转换一维线阵压电元件及其制备方法。
背景技术
目前，大多数医用相控阵超声换能器采用陶瓷片纵向振动模式构造。随着工作频率的提高以及规模的增大，这种相控阵超声换能器的单个阵元大小减小，电阻抗升高的同时阵元之间电学连接更复杂，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。这种不配带来的后果是：对于诊断超声阵列，阻抗不匹配会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，阻抗不匹配导致过低的电声转换效率。
针对上述问题，现有技术的解决方法是对相控阵超声换能器的每个阵元采用电阻抗匹配降低影响。
然而，上述现有技术会大大增加制造成本，并且效率低下，实用性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模式转换一维线阵压电元件及其制备方法，以降低压电元件阵元的电阻抗和整个压电元件的制造成本。
本发明第一方面提供一种模式转换一维线阵压电元件制备方法，所述方法包括：
在长方体形状的第一压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极以及第二压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极，所述大面为与所述四个侧面均共棱的面，所述第一压电材料的大面与所述第二压电材料的大面全等，所述大面的电极和侧面的电极互连互通；
采用粘接剂将所述敷设了电极的第一压电材料的大面与敷设了电极的第二压电材料的大面粘接在一起以形成第三压电材料；
以每次不小于目标压电元件的厚度的切割深度，从所述第三压电材料没有敷设电极的两面中任何一面下刀切割所述第三压电材料形成若干间距相等的槽；
灌入去耦合材料至所述槽中；
待所述槽中的去耦合材料凝固后，研磨所述第三压电材料没有敷设电极的大面，直至所述第三压电材料的厚度与所述目标压电元件的厚度相同以及所述第一压电材料的厚度和第二压电材料的厚度相同为止；
对所述研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面敷设电极并去除所述第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极以形成第四压电材料；
沿着所述第三压电材料两大面的每个槽切割所述去耦合材料，以在每份去耦合材料中形成一条第一电极隔断槽，在靠近所述第四压电材料的侧面电极之处以垂直于所述第一电极隔断槽的方向切割所述第四压电材料的两大面以形成两条第二电极隔断槽，所述第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且没有与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分为信号源电极，所述第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分以及所述第四压电材料的侧面电极一起为接地电极；
所述信号源电极与信号源连接，所述接地电极接地。
本发明第二方面提供一种模式转换一维线阵压电元件，所述模式转换一维线阵压电元件包括长方体形状的第一压电材料和第二压电材料，所述第一压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极以及第二压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极，所述大面为与所述四个侧面均共棱的面，所述第一压电材料的大面与所述第二压电材料的大面全等，所述大面的电极和侧面的电极互连互通；
所述敷设了电极的第一压电材料的大面与敷设了电极的第二压电材料的大面采用粘接剂粘接在一起以形成第三压电材料；
所述第三压电材料没有敷设电极的两面中任何一面被以每次不小于目标压电元件的厚度的切割深度切割成若干间距相等的槽，所述槽中灌有去耦合材料；
所述槽中的去耦合材料凝固后，通过研磨所述第三压电材料没有敷设电极的大面，直至所述第三压电材料被研磨成厚度与所述目标压电元件的厚度相同以及所述第一压电材料的厚度和第二压电材料的厚度相同；
所述被研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面被敷设电极并被去除所述第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极以形成第四压电材料；
所述去耦合材料被沿着所述第三压电材料两大面的每个槽切割，以在每份去耦合材料中形成一条第一电极隔断槽，所述第四压电材料的两大面在靠近所述第四压电材料的侧面电极之处以垂直于所述第一电极隔断槽的方向被切割，以形成两条第二电极隔断槽，所述第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且没有与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分为信号源电极，所述第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分以及所述第四压电材料的侧面电极一起为接地电极；
所述信号源电极连接有信号源，所述接地电极接地。
从上述本发明技术方案可知，由于经过切割第一压电材料和第二压电材料，制备的压电元件每个阵元皆工作在横向振动模式共振频率，并且第一压电材料和第二压电材料粘接在一起形成双层并联结构，使得电阻抗大大降低，从而消除压电元件的阵元与射频信号源之间阻抗不匹配的不利影响；另一方面，经过简单的切割、粘接和灌去耦合材料等工序，制备方法简便，可精确地将阵元尺寸控制在较小的范围内，压电元件的制作成本大为降低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的模式转换一维线阵压电元件制备方法的实现流程示意图；
图2本发明实施例提供的长方体形状的第一压电材料和第二压电材料敷设电极并粘接在一起形成第三压电材料的示意图；
图3是本发明实施例提供的对第三压电材料进行切割、灌入去耦合材料和研磨形成压电元件的陈元的示意图；
图4是本发明实施例提供的对研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面敷设电极并去除第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极而保留剩下一个侧面敷设的电极以形成第四压电材料的示意图；
图5是本发明实施例提供的对第四压电材料的电极面进行切割形成第一电极隔断槽和第二电极隔断槽的示意图；
图6是本发明实施例提供的压电元件的信号源电极与信号源连接以及接地电极接地示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
附图1是本发明实施例提供的模式转换一维线阵压电元件制备方法的实现流程示意图，主要包括以下工艺的步骤S101至S108，以下详细说明：
S101，在长方体形状的第一压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极以及第二压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极。
在本发明实施例中，大面为与四个侧面均共棱的面。众所周知，有的长方体的六个面一样大小，或者亦有四个面一样大小、但另两个面远比这四个面小的长方体，而本发明实施例的“大面”指一般情形的长方体形状的第一压电材料的大面，即，出于能够切割出更多的阵元的考虑，本发明在选用压电材料时，可以选择其中两个相对的面(可以称为正面和背面)的面积大于其余四个面(可以称为侧面)的面积的长方体形状的雅典材料，这两个相对的面被称为长方体形状的第一压电材料或第二压电材料的大面。如附图2中的(a)为长方体形状的第一压电材料和长方体形状的第二压电材料的。
为了让第一压电材料和第二压电材料在后续工艺中能完全粘接、压合，本发明实施例中的第一压电材料的大面与第二压电材料的大面全等，并且，大面敷设的电极和四个侧面敷设的电极互连互通，即物理上，大面的电极和四个侧面的电极连接成一体，电性上，两者是连通、导电的。至于在第一压电材料和第二压电材料的大面和四个侧面敷设电极的方式，可以是现有的任何一种方式，本发明对此不做限制。如附图2中(b)所示，是第一压电材料以及第二压电材料的一个大面和四个侧面敷设了电极的示意图。
需要说明的是，为了增加第一压电材料的大面的电极与四个侧面的电极之间的连接面积，可以在第一压电材料以及第二压电材料的大面和四个侧面敷设电极之前，对第一压电材料的一个大面和四个侧面形成的四个角以及第二压电材料的一个大面和四个侧面形成的四个角做倒角处理，例如，从第一压电材料的一个大面和四个侧面形成的四个角以及第二压电材料的一个大面和四个侧面形成的四个角削除8个三棱锥。
S102，采用粘接剂将敷设了电极的第一压电材料的大面与敷设了电极的第二压电材料的大面粘接在一起以形成第三压电材料。
如附图2中(c)所示，作为粘接剂的粘接层在第一压电材料的大面与第二压电材料的大面之间，第一压电材料的大面与第二压电材料的大面粘接在一起形成第三压电材料如附图2中(d)所示。至于用于粘接的粘接剂，在本发明实施例中，可以是非导电胶，亦可以是粘接性能良好的导电胶。然而，为了防止后续工艺对压电材料切割时由于刀片与压电材料直接的摩擦作用导致粘接剂失效，原则上应尽量选用粘接性好、失效温度高的粘合剂。
S103，以每次不小于目标压电元件的厚度的切割深度，从第三压电材料没有敷设电极的两面中任何一面下刀切割第三压电材料形成若干间距相等的槽。
目标压电元件是指经附图1的步骤S101至S108之后，最终形成的压电元件。考虑到经步骤S101和S102形成的第三压电材料的厚度大于目标压电元件的厚度以及后续还需要经过的研磨工艺，在本发明实施例中，可以每次不小于目标压电元件的厚度的切割深度对第三压电材料实施切割，具体是以每次不小于目标压电元件的厚度的切割深度，从第三压电材料没有敷设电极的两面中任何一面下刀切割第三压电材料形成若干间距相等的槽，形成若干间距相等的槽的压电材料如附图3中的(a)所示，槽与槽之间的部分以及最左边槽的左边和最右边槽的右边部分即为压电元件的阵元。
S104，灌入去耦合材料至槽中。
为了起到支撑作用以及去除槽与槽之间压电材料的耦合，在本发明实施例中，可以灌入去耦合材料至经步骤S103形成的槽中，槽中灌入去耦合材料后如附图3中的(b)所示。
S105，待槽中的去耦合材料凝固后，研磨第三压电材料没有敷设电极的大面，直至第三压电材料的厚度与目标压电元件的厚度相同以及第一压电材料的厚度和第二压电材料的厚度相同为止。
如前所述，由于经步骤S101和S102形成的第三压电材料的厚度大于目标压电元件的厚度以及考虑到切割压电材料时可能产生的毛边，在本发明实施例汇总，可以待槽中的去耦合材料凝固后，研磨第三压电材料没有敷设电极的大面，直至第三压电材料的厚度与目标压电元件的厚度相同以及第一压电材料的厚度和第二压电材料的厚度相同为止；研磨后的压电材料如附图3中(c)所示。
S106，对研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面敷设电极并去除第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极而保留剩下一个侧面敷设的电极以形成第四压电材料。
对研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面敷设电极如附图4中(a)和(b)所示，其中，附图4(a)的上下箭头指示第三压电材料没有敷设电极的两个大面，附图4中(b)为第三压电材料没有敷设电极的两大面敷设电极后的示意图。附图4中(c)和(d)表示去除第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极以形成第四压电材料的过程，其中，附图4中(d)为对研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面敷设电极并去除第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极后所形成的第四压电材料的示意图。
S107，沿着第三压电材料两大面的每个槽切割去耦合材料，以在每份去耦合材料中形成一条第一电极隔断槽，在靠近第四压电材料的侧面电极之处以垂直于第一电极隔断槽的方向切割第四压电材料的两大面以形成两条第二电极隔断槽。
沿着第三压电材料两大面的每个槽切割去耦合材料，以在每份去耦合材料中形成一条第一电极隔断槽，在靠近第四压电材料的侧面电极之处以垂直于第一电极隔断槽的方向切割第四压电材料的两大面以形成两条第二电极隔断槽，如附图5所示，其中的第一切缝表示在去耦合材料上形成的第一电极隔断槽，第二切缝表示在靠近第四压电材料的侧面电极之处以垂直于第一电极隔断槽的方向切割第四压电材料的两大面形成的两条第二电极隔断槽。为了后续工艺描述的方便，将第四压电材料两大面敷设、被第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且没有与第四压电材料的侧面电极连接的电极部分命名为信号源电极，第四压电材料两大面敷设、被第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且与第四压电材料的侧面电极连接的电极部分以及第四压电材料的侧面电极一起命名为接地电极。
S108，信号源电极与信号源连接，接地电极接地。
如附图6所示，外电极即步骤S107所言信号源电极，内电极即步骤S107所言接地电极的一部分，即，接地电极包括内电极和侧面电极，其中，所谓内电极是指由粘接剂粘接在一起的第一压电材料和第二压电材料的大面上敷设的电极，侧面电极是指经步骤106去除第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极而保留下来的其中一个侧面敷设的电极。经步骤S101至S108，通过包边接地电极方法，使得双层压电材料的压电元件的电极引出更加便捷，可以在阵元尺寸控制在很小的同时准确地引出电极。将侧面电极接地，信号源电极接信号源，制作一维线性双层结构模式转换压电材料，由于侧面电极与内电极互连互通，侧面电极接地即是内电极接地，信号源电极与接地电极组成压电材料的正负电极，利用压电陶瓷的模式转换效应，在垂直电极方向发生位移。
考虑到附图1中具有一个对第三压电材料没有敷设电极的大面即第一压电材料和/或第二压电材料没有敷设电极的大面研磨的工艺，在本发明实施例中，第一压电材料的厚度可以大于第二压电材料的厚度，如此，当从第二压电材料没有敷设电极的大面下刀切割时，可以有较大余量空间供处理。
在上述本发明实施例中，第一压电材料或第二压电材料可以是压电陶瓷、无铅压电陶瓷、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复合材料中的任意一种材料。
从上述附图1示例的模式转换一维线阵压电元件制备方法可知，由于经过切割第一压电材料和第二压电材料，制备的压电元件每个阵元皆工作在横向振动模式共振频率，并且第一压电材料和第二压电材料粘接在一起形成双层并联结构，使得电阻抗大大降低，从而消除压电元件的阵元与射频信号源之间阻抗不匹配的不利影响；另一方面，经过简单的切割、粘接和灌去耦合材料等工序，制备方法简便，可精确地将阵元尺寸控制在较小的范围内，压电元件的制作成本大为降低。
本发明实施例还提供一种模式转换一维线阵压电元件，其包括长方体形状的第一压电材料和第二压电材料粘接在一起形成的第三压电材料，其中，第一压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极以及第二压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极，第一压电材料的大面为与四个侧面均共棱的面，第二压电材料的大面为与四个侧面均共棱的面，第一压电材料的大面与第二压电材料的大面全等，每一压电材料大面的电极和其侧面的电极互连互通；敷设了电极的第一压电材料的大面与敷设了电极的第二压电材料的大面采用粘接剂粘接在一起，形成了所述第三压电材料；第三压电材料没有敷设电极的两面中任何一面被以每次不小于目标压电元件的厚度的切割深度切割成若干间距相等的槽，这些槽中灌有去耦合材料；槽中的去耦合材料凝固后，通过研磨第三压电材料没有敷设电极的大面，直至第三压电材料被研磨成厚度与目标压电元件的厚度相同以及第一压电材料的厚度和第二压电材料的厚度相同；被研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面被敷设电极并被去除第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极而保留剩下一个侧面敷设的电极，形成了第四压电材料；去耦合材料被沿着第三压电材料两大面的每个槽切割，在每份去耦合材料中形成了一条第一电极隔断槽，第四压电材料的两大面在靠近第四压电材料的侧面电极之处以垂直于第一电极隔断槽的方向被切割，形成了两条第二电极隔断槽，其中，第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且没有与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分为信号源电极，第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分以及所述第四压电材料的侧面电极一起为接地电极；信号源电极连接有信号源，接地电极接地。
可选地，在第一压电材料和第二压电材料的大面和四个侧面敷设电极之前，对第一压电材料的一个大面和四个侧面形成的四个角以及第二压电材料的一个大面和四个侧面形成的四个角做了倒角处理。
可选地，去耦合材料为环氧树脂。
可选地，用于粘接第一压电材料和第二压电材料的粘接剂为导电胶或非导电胶。
可选地，第一压电材料的厚度大于第二压电材料的厚度。
可选地，第一压电材料或第二压电材料为压电陶瓷、无铅压电陶瓷、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复合材料中的任意一种材料。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模式转换一维线阵压电元件制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在长方体形状的第一压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极以及第二压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极，所述大面为与所述四个侧面均共棱的面，所述第一压电材料的大面与所述第二压电材料的大面全等，所述大面的电极和侧面的电极互连互通；
采用粘接剂将所述敷设了电极的第一压电材料的大面与敷设了电极的第二压电材料的大面粘接在一起以形成第三压电材料；
以每次不小于目标压电元件的厚度的切割深度，从所述第三压电材料没有敷设电极的两面中任何一面下刀切割所述第三压电材料形成若干间距相等的槽；
灌入去耦合材料至所述槽中；
待所述槽中的去耦合材料凝固后，研磨所述第三压电材料没有敷设电极的大面，直至所述第三压电材料的厚度与所述目标压电元件的厚度相同以及所述第一压电材料的厚度和第二压电材料的厚度相同为止；
对所述研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面敷设电极并去除所述第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极而保留剩下一个侧面敷设的电极以形成第四压电材料；
沿着所述第三压电材料两大面的每个槽切割所述去耦合材料，以在每份去耦合材料中形成一条第一电极隔断槽，在靠近所述第四压电材料的侧面电极之处以垂直于所述第一电极隔断槽的方向切割所述第四压电材料的两大面以形成两条第二电极隔断槽，所述第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且没有与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分为信号源电极，所述第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分以及所述第四压电材料的侧面电极一起为接地电极；
所述信号源电极与信号源连接，所述接地电极接地。
2.如权利要求1所述的模式转换一维线阵压电元件制备方法，其特征在于，在所述大面和四个侧面敷设电极之前，对所述第一压电材料的一个大面和四个侧面形成的四个角以及第二压电材料的一个大面和四个侧面形成的四个角做倒角处理。
3.如权利要求1所述的模式转换一维线阵压电元件制备方法，其特征在于，所述去耦合材料为环氧树脂。
4.如权利要求1所述的模式转换一维线阵压电元件制备方法，其特征在于，所述粘接剂为导电胶或非导电胶。
5.如权利要求1至4任意一项所述的模式转换一维线阵压电元件制备方法，其特征在于，所述第一压电材料的厚度大于所述第二压电材料的厚度。
6.如权利要求1至4任意一项所述的模式转换一维线阵压电元件制备方法，其特征在于，所述第一压电材料或第二压电材料为压电陶瓷、无铅压电陶瓷、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复合材料中的任意一种材料。
7.一种模式转换一维线阵压电元件，其特征在于，所述模式转换一维线阵压电元件包括长方体形状的第一压电材料和第二压电材料，所述第一压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极以及第二压电材料的一个大面和四个侧面敷设电极，所述大面为与所述四个侧面均共棱的面，所述第一压电材料的大面与所述第二压电材料的大面全等，所述大面的电极和侧面的电极互连互通；
所述敷设了电极的第一压电材料的大面与敷设了电极的第二压电材料的大面采用粘接剂粘接在一起以形成第三压电材料；
所述第三压电材料没有敷设电极的两面中任何一面被以每次不小于目标压电元件的厚度的切割深度切割成若干间距相等的槽，所述槽中灌有去耦合材料；
所述槽中的去耦合材料凝固后，通过研磨所述第三压电材料没有敷设电极的大面，直至所述第三压电材料被研磨成厚度与所述目标压电元件的厚度相同以及所述第一压电材料的厚度和第二压电材料的厚度相同；
所述被研磨后的第三压电材料没有敷设电极的两大面被敷设电极并被去除所述第三压电材料四个侧面中任意三个侧面的电极而保留剩下一个侧面敷设的电极以形成第四压电材料；
所述去耦合材料被沿着所述第三压电材料两大面的每个槽切割，以在每份去耦合材料中形成一条第一电极隔断槽，所述第四压电材料的两大面在靠近所述第四压电材料的侧面电极之处以垂直于所述第一电极隔断槽的方向被切割，以形成两条第二电极隔断槽，所述第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且没有与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分为信号源电极，所述第四压电材料两大面敷设、被所述第一电极隔断槽和第二电极隔断槽隔断并且与所述第四压电材料的侧面电极连接的电极部分以及所述第四压电材料的侧面电极一起为接地电极；
所述信号源电极连接有信号源，所述接地电极接地。
8.如权利要求7所述的模式转换一维线阵压电元件，其特征在于，所述粘接剂为导电胶或非导电胶，所述去耦合材料为环氧树脂。
9.如权利要求7所述的模式转换一维线阵压电元件，其特征在于，所述第一压电材料的厚度大于所述第二压电材料的厚度。
10.如权利要求7至9任意一项所述的模式转换一维线阵压电元件，其特征在于，所述第一压电材料或第二压电材料为压电陶瓷、无铅压电陶瓷、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复合材料中的任意一种材料。
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