CN110828655A - 超声探头、压电复合材料晶片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电复合材料晶片的制备方法，其包括如下步骤：S1、沿厚度方向将压电材料片的一面切割出若干切割槽；S2、在切割槽内填充聚合物并固化，以形成压电复合材料，其中压电复合材料包括间隔设置的若干导电区和由所述聚合物填充形成的若干柔性区；S3、将两个具有导电层的柔性电路板与压电复合材料的两面进行粘接，导电层与若干导电区电性连接，制备得到压电复合材料晶片。该制备方法将若干导电区连接工序和原有的粘接工序合二为一，该方法经济实用；降低了工艺难度和经济成本；降低了因表面电极破损、断裂、脱层等原因造成损坏的几率并且提高了产品合格率和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声探头、压电复合材料晶片及其制备方法。
背景技术
压电复合材料是超声探头的核心部件，在工作过程中要完成声-电和电-声之间的信号转换，为了降低表面电极对压电复合材料在工作过程中的信号和振动模式干扰，性能优异、不易断裂并且附着力好的表面电极对于提高超声探头的性能具有重大意义。
压电复合材料在制备完成聚合物填充后，一般需要利用低温溅射法，涂覆导电胶水等进行被电极，但是低温溅射方法存在价格高昂、对工艺要求严格、加工难度大并且溅射的表面电极在外力下极易断裂破损造成产品失效问题；导电胶水附着力差在外力下极易脱落导致产品失效并且导电性差从而降低产品性能。制备好的压电复合材料，常在靠近压电复合材料边缘的位置1-2mm处粘接或者焊接电极引线，但是一旦表面电极出现破损或者断裂，会造成探头整体性能下降或者失效。对此，有必要提出一种新的压电复合材料制备方法和被电极方式，不仅可以解决表面电极层的断裂问题，还可以有效降低用其制备超声探头的加工成本及加工难度，提高超声探头使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电复合材料晶片的制备方法，该制备方法降低了表面电极的破损、断裂或脱层的几率，提高了产品合格率和生产效率并且降低了工艺难度和经济成本。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种压电复合材料晶片的制备方法，其方法步骤如下：
S1、沿厚度方向将压电材料片的至少一面切割出若干切割槽；
S2、在所述切割槽内填充聚合物并固化，以形成压电复合材料，其中所述压电复合材料包括间隔设置的若干导电区和由所述聚合物填充形成的若干柔性区；
S3、将两个具有导电层的柔性电路板与所述压电复合材料的两面进行粘接，所述导电层与所述若干导电区电性连接，制备得到压电复合材料晶片。
进一步地，所述步骤S1的所述压电材料片为压电陶瓷片、压电单晶材料片、有机压电材料片以及无铅压电材料片中的一种。
进一步地，所述若干切割槽形成方式为切割机切割、激光切割、光刻以及电化学腐蚀压电材料片中的一种。
进一步地，所述若干切割槽的深度为所述压电材料片厚度的90％-98％，所述若干切割槽的间距为所述压电材料片厚度的30％-50％。
进一步地，所述步骤S2的所述填充方法为：将所述聚合物滴加到所述切割槽的两端，所述聚合物在毛细作用下填充满所述切割槽。
进一步地，所述聚合物为不导电的且流动性好的柔性聚合物。
进一步地，所述柔性聚合物具体为环氧胶水、聚氨酯以及环氧树脂中的一种。
进一步地，所述制备方法还包括在所述固化之后，切去表面沾有所述柔性聚合物的压电材料片。
进一步地，所述柔性电路板包括绝缘薄膜和粘接层，所述绝缘薄膜、所述粘接层以及所述导电层依次设置。
进一步地，所述导电层包括多个等间距排布在所述粘接层上的铜条。
进一步地，所述导电层与所述若干导电区电性连接方式为：所述铜条与所述切割槽较错并且所述压电复合材料的每一个被所述切割槽分开的导电区都被至少一条所述铜条连接。
进一步地，沿所述铜条方向，所述柔性电路板一端超出所述压电复合材料一定长度。
本发明还提供了一种压电复合材料晶片，所述压电复合材料晶片包括压电复合材料和与所述压电复合材料电性连接的柔性电路板，所述压电复合材料包括间隔设置的若干导电区和由所述聚合物填充形成的若干柔性区，所述若干导电区与柔性电路板电性连接。
进一步地，所述压电复合材料晶片采用本发明所述的压电复合材料晶片的制备方法制备而成。
本发明还提供了一种超声探头包括壳体，所述壳体内粘接有匹配层、压电复合材料晶片、背衬以及声透镜，所述压电复合材料晶片本发明所述的压电复合材料晶片的制备方法制备而成或者为本发明所述的压电复合材料晶片。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的压电复合材料晶片的制备方法将所述具有导电层的柔性电路板与被所述切割槽隔开的所述若干导电区电性连接，将若干导电区连接工序和原有的粘接工序合二为一，该方法经济实用；降低了工艺难度和经济成本；降低了因表面电极破损、断裂、脱层等原因造成损坏的几率并且提高了产品合格率和生产效率。
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。
附图说明
图1为本发明一实施例所示的压电陶瓷片的结构示意图；
图2为图1所示的压电陶瓷片被切割后的结构示意图；
图3为本发明一实施例所示的压电复合材料的结构示意图；
图4为图3中压电复合材料与柔性电路板的结构示意；
图5为本发明一实施例所示的匹配层、压电复合材料晶片以及背衬的结构示意；
图6为图5中匹配层、压电复合材料晶片以及背衬被切割后的结构示意图；
图7为本发明一实施例所示的超声探头的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参见图1至图4，本发明一实施例所示的压电复合材料晶片的制备方法的具体制备步骤为：
步骤1、沿厚度方向将压电材料片10的至少一面切割出若干切割槽14，具体的，先提供备用的压电材料片10，本实施例中，所述压电材料片10选用压电陶瓷片10，诚然，在其他实施例中，所述压电材料片10也可以是压电单晶材料片、有机压电材料片以及无铅压电材料片中的一种。请参见图1，所述压电陶瓷片10包括陶瓷片11、设置在陶瓷片11上表面的上表面电极层12、以及设置在陶瓷片11下表面的下表面电极层13，其中，上表面和下表面是相对的，为方便叙述，指定一面为上表面，另一面为下表面。请参见图1，沿厚度方向将压电陶瓷片10的至少一面切割出若干切割槽14，所述若干切割槽14具有相同深度且等间距分布，所述深度为所述压电陶瓷片10厚度的90％-98％，所述间距为所述压电陶瓷片10厚度的30％-50％，其他实施例中，所述若干切割槽的深度可以不相同，所述切割槽之间的间距可以是不相等的。本实施例中，只将上表面电极层12所在面或者下表面电极层13所在面进行切割，为了方便叙述，将上表面电极层12所在面进行切割，下表面电极层13所在面不进行切割，此时上表面电极层12被切割槽14分割成若干导电区121，所述若干导电区121之间不导通。在其他实施例中，也可以将压电陶瓷片的上下两面都切割出若干切割槽。所述若干切割槽14形成方式为切割机切割、激光切割、光刻以及电化学腐蚀所述压电陶瓷片10中的一种。
步骤2、请参见图3，在所述切割槽14内填充聚合物20并固化，以形成压电复合材料30，具体的，将切割好的压电陶瓷片10水平放置在洁净台上，其中，被切割面即上表面电极层12所在面向上放置。将所述聚合物20滴加到所述切割槽14的两端，聚合物20接触到切割槽14后，所述聚合物20在毛细作用下填充满所述切割槽14。其中，所述聚合物20选择不导电的且流动性好的柔性聚合物20，所述柔性聚合物20具体可选但不限于环氧胶水、聚氨酯以及环氧树脂中的一种。待切割槽14被完全填充后，根据使用的聚合物20所需的固化条件，设定温度、时间以及方式等将填充在切割槽14内的聚合物20进行固化。固化完成后，切去两端表面沾有聚合物20的压电陶瓷片10，得到制备完成的压电复合材料30，此步骤的目的是为了提高得到的压电复合材料30的性能，聚合物20不具有导电性，沾在上表面电极层12表面的聚合物20不利于上表面电极层12的导电性能。制备完成的压电复合材料30包括间隔设置的若干导电区和由所述聚合物20填充形成的若干柔性区，此时，导电区包括导电区121和电极层13。
步骤3、请参见图3，将两个具有导电层的柔性电路板与所述压电复合材料30的两面进行粘接，所述导电层与所述若干导电区电性连接，制备得到压电复合材料晶片50，具体的，两个柔性电路板包括第一柔性电路板41和第二柔性电路板42，将具有导电层(未图示)的第一柔性电路板41与压电复合材料30的上表面进行粘接，导电层与被切割的若干导电区121电性连接。将具有导电层421的第二柔性电路板42与压电复合材料30的下表面进行粘接，导电层421与未被分割的下表面电极层13电性连接。第一柔性电路板41和第二柔性电路板42相同，下面以第二柔性电路板42为例进行说明，具有导电层421的第二柔性电路板42还包括绝缘薄膜423和粘接层422，所述绝缘薄膜423、所述粘接层422以及所述导电层421依次设置。所述导电层421包括多个等间距排布在所述粘接层422上的铜条4211，粘接层422上未被铜条4211覆盖的粘接区域用于与压电复合材料30表面粘接，无需额外添加粘结剂。所述第一柔性电路板41的导电层与所述若干导电区121电性连接方式为：所述铜条与所述切割槽14较错并且所述压电复合材料30的每一个被所述切割槽14分开的导电区121都被至少一条所述铜条连接，即至少有一条铜条将所有导电区121连接导通。本实施例中，铜条与切割槽14互相垂直，每个铜条都将被所述切割槽14分开的若干导电区121导通。导电层421与未被分割的下表面电极层13电性连接无需连接方式，只需将两者粘接即可，但是为了后续使用和引线的方便，本实施例中，将导电层421的铜条4211与第一柔性电路板上的铜条平行设置。此压电复合材料30被电极的方法将电极导通工序和粘接工序合二为一，节省了制备中的被电极工序。沿所述铜条方向，第一柔性电路板41一端超出所述压电复合材料30一定长度，沿所述铜条4211方向，第二柔性电路板42的与第一柔性电路板41相对的一端超出所述压电复合材料30一定长度，方便后续制备超声探头时，从超出所述压电复合材料30的部分引线。
请参见图5至图7，使用本发明所提供的制备方法制备而成的压电复合材料晶片50可应用在超声探头上，所述超声探头包括壳体(未图示)，所述壳体内粘接有匹配层60、压电复合材料晶片50、背衬70以及声透镜80。该压电复合材料晶片50包括压电复合材料30和与所述压电复合材料30电性连接的第一柔性电路板41和第二柔性电路板42，所述压电复合材料30包括间隔设置的若干导电区和由所述聚合物20填充形成的若干柔性区，所述若干导电区与柔性电路板电性连接，具体的，导电区121与第一柔性电路板41电性连接，电极层13与第二柔性电路板42电性连接。
超声探头的具体制备方法如下：
提供压电复合材料晶片50，在超出所述压电复合材料30的所述柔性电路板上的每条铜条上都引出导线51。在上表面电极层12所在一侧依次粘接两层匹配层60，用以与人体的声阻抗相匹配。在下表面电极层13所在一侧粘接背衬70，制备得到叠层结构，背衬70用以吸收下表面电极层13处发射的超声波。将叠层结构利用切割机切割出所需要的探头基元90，具体的，所述切割方向与所述铜条4211所在方向平行，相邻两个切割位置91之间的结构组成一个探头基元90，并且每个探头基元90内至少包含一条完整的铜条，以保证上表面电极层12是导通的。最后在叠层结构的圆周包覆声透镜80，将得到的结构设置在壳体(未图示)内，制备得到超声探头。实验证明，本发明所述的方法制备的超声探头的性能和传统工艺制备的探头性能几乎相同，并且由于柔性电路板的柔性以及其导电层与若干导电区121的连接面积较大，在超声探头震动，跌落，温冲等试验中表现更稳定。
需要说明的是，压电复合材料晶片50可通过本发明所述的压电复合材料晶片的制备方法制备而成。
综上，本发明所提供的压电复合材料晶片的制备方法将所述具有导电层的柔性电路板与被所述切割槽隔开的所述若干导电区电性连接，将若干导电区连接工序和原有的粘接工序合二为一，该方法经济实用；降低了工艺难度和经济成本；降低了因表面电极破损、断裂、脱层等原因造成损坏的几率并且提高了产品合格率和生产效率。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (15)
1.一种压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1、沿厚度方向将压电材料片的至少一面切割出若干切割槽；
S2、在所述切割槽内填充聚合物并固化，以形成压电复合材料，其中所述压电复合材料包括间隔设置的若干导电区和由所述聚合物填充形成的若干柔性区；
S3、将两个具有导电层的柔性电路板与所述压电复合材料的两面进行粘接，所述导电层与所述若干导电区电性连接，制备得到压电复合材料晶片。
2.如权利要求1所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1的所述压电材料片为压电陶瓷片、压电单晶材料片、有机压电材料片以及无铅压电材料片中的一种。
3.如权利要求1所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述若干切割槽形成方式为切割机切割、激光切割、光刻以及电化学腐蚀所述压电材料片中的一种。
4.如权利要求3所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述若干切割槽的深度为所述压电材料片厚度的90％-98％，所述若干切割槽的间距为所述压电材料片厚度的30％-50％。
5.如权利要求1所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述步骤S2的所述填充方法为：将所述聚合物滴加到所述切割槽的两端，所述聚合物在毛细作用下填充满所述切割槽。
6.如权利要求5所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述聚合物为不导电的且流动性好的柔性聚合物。
7.如权利要求6所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述柔性聚合物具体为环氧胶水、聚氨酯以及环氧树脂中的一种。
8.如权利要求1所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述固化之后，切去表面沾有所述柔性聚合物的压电材料片。
9.如权利要求1所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述柔性电路板包括绝缘薄膜和粘接层，所述绝缘薄膜、所述粘接层以及所述导电层依次设置。
10.如权利要求9所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述导电层包括多个等间距排布在所述粘接层上的铜条。
11.如权利要求10所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，所述导电层与所述若干导电区电性连接方式为：所述铜条与所述切割槽较错并且所述压电复合材料的每一个被所述切割槽分开的导电区都被至少一条所述铜条连接。
12.如权利要求11所述的压电复合材料晶片的制备方法，其特征在于，沿所述铜条方向，所述柔性电路板一端超出所述压电复合材料一定长度。
13.一种压电复合材料晶片，其特征在于，所述压电复合材料晶片包括压电复合材料和与所述压电复合材料电性连接的柔性电路板，所述压电复合材料包括间隔设置的若干导电区和由所述聚合物填充形成的若干柔性区，所述若干导电区与柔性电路板电性连接。
14.如权利要求13所述的压电复合材料晶片，其特征在于，所述压电复合材料晶片采用1至12中任一项所述的压电复合材料晶片的制备方法制备而成。
15.一种超声探头，包括壳体，其特征在于，所述壳体内粘接有匹配层、压电复合材料晶片、背衬以及声透镜，所述压电复合材料晶片采用1至12中任一项所述的压电复合材料晶片的制备方法制备而成或者为13或14中的任一项所述的压电复合材料晶片。
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