CN113314663A - 一种超声换能器用压电阵元的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声换能器用压电阵元的制作方法，其包括将压电陶瓷片减薄至50μm或其以下厚度；于减薄后的压电陶瓷片的两表面分别沉积电极后，再于其中一个表面设置背衬材料，得初始压电阵元；切割初始压电阵元，得压电阵元。本发明提供的技术方案利用减薄压电阵元中压电陶瓷片厚度的工艺，同时实现了压电阵元总体厚度的减小，以及对压电陶瓷片厚度的精确控制，获得了具有可调谐振频率的压电阵元；本发明采用的减薄后再沉积电极、设置背衬材料的技术方案既可使背衬材料设置均匀，又不影响对压电陶瓷片与背衬材料的结合。

Description

一种超声换能器用压电阵元的制作方法

技术领域

本发明涉及一种超声换能器，具体涉及一种超声换能器用压电阵元的制作方法。

背景技术

超声换能器作为一种能够实现机械能和电能相互转换的装置，广泛应用于工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等各个行业，尤其是在医用超声成像领域有着重要应用。超声换能器的结构包括外壳、匹配层、压电阵元等，其中，实现能量转换的主要结构为压电陶瓷制成的压电阵元。

随着医疗的进步与发展，临床应用对超声成像的要求越来越高，需要超声换能器同时具备高分辨率、微型化和便携式。对于目前临床上所应用的超声换能器而言，其分辨率与工作频率相关，工作频率越高则分辨率越高。其中，压电阵元作为换能器的核心部件，决定了其工作频率，可通过压电陶瓷厚度的精确调控可实现频率的改变。

现有技术中，压电阵元的制备方法一般为在压电陶瓷上沉积下电极并设置背衬材料得到初始压电阵元后，再减薄、切割初始压电阵元，最后再设置压电阵元的上电极。

因初始阵元的体积较压电陶瓷大，对初始阵元上的压电陶瓷减薄会更为简单，但却无法精确控制压电陶瓷的厚度，且减薄过程中的剪切力又会对与背衬材料连接一侧的下电极产生不利影响，对压电陶瓷与背衬材料的结合也有不利影响，鉴于切割后的压电阵元表面积小，所以设置上电极的操作难度较大，易出现阵元表面电极不均匀以及污染阵元侧面的弊端，从而对压电阵元质量产生不利影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种超声换能器用压电阵元的制作方法，通过本发明提供的技术方案得到体积小，厚度可控且电极沉积均匀的压电阵元。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种超声换能器用压电阵元的制作方法，该方法包括以下步骤：

(1)压电陶瓷片减薄：将压电陶瓷片厚度减薄至小于或等于50μm；

(2)制作初始压电阵元：于减薄后的压电陶瓷片的上下两表面分别沉积电极后，再于沉积后的压电陶瓷片中的一个表面设置背衬材料，得初始压电阵元；

(3)制作压电阵元：切割初始压电阵元，得所述压电阵元。

优选的，所述步骤(1)包括：

研磨金属台；

将粘贴压电陶瓷片的金属台浸于丙酮试剂或酒精中；

用Leica-TXP精研一体机减薄。

优选的，所述减薄包括，

在2000～3000RPM转速和20～40N载荷下，以0.5～1.5μm步进研磨施涂有添加抛光剂的压电陶瓷片。

优选的，所述抛光剂磨料为从金刚石、碳化硅和氧化镁选出的一种或多种。

优选的，所述研磨的次数至少为两次，每次研磨0.5～1.5h。

优选的，所述抛光剂磨料的粒径随研磨次数的增加逐次减小至小于或等于1μm。

优选的，步骤(2)中的所述沉积为磁控溅射沉积或脉冲激光沉积；沉积厚度为0.8～1μm。

优选的，所述磁控溅射沉积为直流磁控溅射沉积或射频磁控溅射沉积；

所述直流磁控溅射沉积包括于室温、4.5×10^-4Pa以下的真空条件、80～100W的直流功率和(2.0～3.0)×10^-1Pa的氩气分压下，以1.5～1.7μm/h的沉积速率沉积35～40min；

所述射频磁控溅射沉积包括，于室温、低于4.5×10^-4Pa的真空条件、50～60W的射频功率和(2.0～3.0)×10^-1Pa的氩气分压条件下，以110～130nm/h的沉积速率沉积7～9h。

优选的，所述步骤(2)中的背衬材料的设置包括：将所述沉积电极后的压电陶瓷片与带有空腔的掩膜板平行粘贴后，再于所述空腔中填入背衬材料。

优选的，其特征在于，步骤(3)所述切割为激光切割、机械旋转式金刚石刀切割或橡胶刀切割。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下效果：

(1)本发明提供的技术方案中将压电陶瓷片的厚度减薄到50μm或小于50μm，对压电陶瓷片厚度精确控制，实现了减小体积，谐振频率可控的目的；克服了现有技术中先在压电陶瓷片设置电极、背衬材料后减薄的工艺流程所产生的压电陶瓷片厚度无法精确控制的痼疾；对压电陶瓷片厚度的精确控制进而实现了对其刚度和固有频率密的控制，所以本发明技术方案提供的压电陶瓷片可以满足超声换能器对于高频固有频率的需求。

(2)本发明提供的减薄后再沉积电极、设置背衬材料的工艺流程的技术方案中，在确保压电陶瓷片与背衬材料间的结合性能优异的情况下，又消除了现有技术中在切割后的压电阵元上设置电极随之带来的阵元表面电极不均匀以及污染阵元侧面的弊端和种种不足。

附图说明

图1为本发明精研一体机减薄示意图；

图2为本发明掩膜板结构示意图；

图3为本发明粘贴锆钛酸铅陶瓷片与掩膜板示意图；

图4为本发明填充导电银胶示意图；

图5为本发明实施例1激光切割示意图；

图6为本发明的压电阵元示意图。

图中，1-锆钛酸铅陶瓷片，2-金属台，3-夹具，4-研磨刀，5-控制电机，6-上电极，7-下电极，8-酚醛树脂胶，9-掩膜板，10-导电银胶，11-激光束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于申请待批的本发明保护的范围。

实施例一：

(1)减薄：

如图1所示，用1000目砂纸预研磨金属台2两面至平整光滑；

将平整的其上约有1g石蜡棒的金属台加热器至蜡棒熔化的140℃后，再于其上放置4×4×1mm尺寸的锆钛酸铅陶瓷片1。

用镊子轻压锆钛酸铅陶瓷片1确保其与金属台2平行，冷却并确认锆钛酸铅陶瓷片1粘接于金属台2上后，再将金属台2放入丙酮试剂中浸泡10min，去除表面污渍。

于2500RPM转速、30N载荷、1μm步进的条件下，用Leica-TXP精研一体机的研磨刀4研磨研磨区的锆钛酸铅陶瓷片1三次：

第一次研磨，以9μm粒径的金刚石抛光剂，研磨30min后，再用水清洗锆钛酸铅陶瓷片1和金属台2；

第二次研磨，以2μm粒径的金刚石抛光剂研磨1小时后，再用水清洗锆钛酸铅陶瓷片1和金属台2；

第三次研磨，以0.5μm粒径的金刚石抛光剂研磨1.5小时。

用光学显微镜观察锆钛酸铅陶瓷片1厚度，当厚度接近所要求的50μm时降低载荷，调整转速，得50μm厚度的锆钛酸铅陶瓷片1。

(2)制作初始压电阵元：

将减薄的锆钛酸铅陶瓷片1粘贴在基板上。

于2.0×10^-1Pa的氩气氛、80W直流功率、1.5μm/h溅射速率和室温下，将锆钛酸铅陶瓷片1上下两表面分别直流磁控溅射40min，得两表面厚度均为1μm的银电极。

制作掩膜板9，如图2所示，按520×520尺寸用软件在尺寸略大于锆钛酸铅陶瓷片1的硅基板上画方格，硅基板与背衬均为500μm厚，用激光切割机切除硅基板的方格形成空腔，得掩膜板9。

如图3所示，用酚醛树脂胶8将带电极锆钛酸铅陶瓷片1与掩膜板9粘贴在一起，轻轻压实后在50℃下加速粘结。

如图4所示，粘结后，其中锆钛酸铅陶瓷片1有空腔开口朝上，于520×520×500μm尺寸的空腔中填入导电银胶10后，再于电加热器上加热至140℃使导电银胶10完全固化；得到初始压电阵元。

其中，掩模板方格尺寸需为阵元的102％～104％，以留出切割余量；因空腔内实际添加导电银胶量每次无法精确控制，会添加少量余量方便后续磨去多余导电银胶，得到光滑表面。

(3)制作压电阵元：

如图5所示，以500W功率和50μm/s步进速度，利用紫外激光按510×510μm尺寸切割所得初始压电阵元，得尺寸为510×510×552μm的压电阵元如图6所示。

实施例二：

(1)减薄：

用1000目砂纸预研磨金属台2两面至平整光滑；

将平整的其上约有1g石蜡棒的金属台加热器至蜡棒熔化的140℃后，再于其上放置5×5×1.5mm尺寸的锆钛酸铅陶瓷片1。

用镊子轻压锆钛酸铅陶瓷片1确保其与金属台2平行，冷却并确认锆钛酸铅陶瓷片1粘接于金属台2上后，再将金属台2放入丙酮试剂中浸泡10min，去除表面污渍。

于2500RPM转速、30N载荷、1μm步进的条件下，用Leica-TXP精研一体机的研磨刀4研磨研磨区的锆钛酸铅陶瓷片1三次：

第一次研磨以9μm粒径的碳化硅抛光剂，研磨40min，再用水清洗锆钛酸铅陶瓷片1和金属台2；

第二次研磨以2μm粒径的碳化硅抛光剂，研磨1小时，再用水清洗锆钛酸铅陶瓷片1和金属台2；

第三次研磨以0.5μm粒径的金刚石抛光剂，研磨1.5小时，

用光学显微镜观察锆钛酸铅陶瓷片1厚度，当厚度接近所要求的50μm时降低载荷，调整转速，得50μm厚度的锆钛酸铅陶瓷片1。

(2)制作初始压电阵元：

将减薄的锆钛酸铅陶瓷片1粘贴在基板上，

于3.0×10^-1Pa的氩气氛、50W射频功率、126nm/h溅射速率和室温下，将锆钛酸铅陶瓷片1上下两表面分别射频磁控溅射8h，得两表面厚度均为1μm的银电极。

制作掩膜板9，首先利用软件在尺寸略大于锆钛酸铅陶瓷片1的硅基板上画出一系列尺寸为520×520的方格，硅基板与背衬材料的厚度相同，均为500μm，用激光切割机切除每个方格形成一系列空腔，得掩膜板9。

用酚醛树脂胶8将带电极锆钛酸铅陶瓷片1与掩膜板9粘贴在一起，轻轻压实后在50℃下加速粘结。

粘结后，将锆钛酸铅陶瓷片1一面朝下放置，使空腔开口朝上，于520×520×500μm的空腔中填入导电银胶10，再于电加热器上加热至140℃，使导电银胶10完全固化；得到初始压电阵元。

其中，掩模板方格尺寸需为阵元的102％～104％，以留出切割余量；因空腔内实际添加导电银胶量每次无法精确控制，会添加少量余量方便后续磨去多余导电银胶，得到光滑表面。

(3)制作压电阵元：

以50N载荷、50μm/s步进速度，利用橡胶刀按500×500μm尺寸切割所得初始压电阵元，得尺寸为500×500×550μm的压电阵元。

本实施例1和2得到50μm厚压电陶瓷片，可有效减小超声换能器尺寸；且上电极表面粗糙度小于0.25μm，提高了换能器机电耦合系数；可用于微型且频率要求较高的超声换能器。

综上所述，本发明提供的一种超声换能器用压电阵元的制作方法，通过减薄压电阵元中压电陶瓷片的厚度，同时实现了减小压电阵元总体厚度，以及精确控制了压电陶瓷片的厚度，得到高频固有频率；

不同于现有技术中依次进行沉积下电极、粘贴背衬层、减薄、阵元切割、沉积上电极的工艺流程；本发明的工艺流程在减薄后直接沉积上下电极，再设置背衬材料、切割阵元；

即不会影响压电陶瓷片与背衬材料的结合，又避免了在切割后的压电阵元设置上电极带来的电极不均匀以及污染阵元侧面的情况；

本发明的工艺流程还能保证背衬材料尺寸与压电陶瓷片一致，使得背衬材料在阵元切割时起缓冲作用，防止压电陶瓷片破裂。且在掩膜板的空腔填入背衬材料的方式使得背衬材料厚度可控，更为精准。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声换能器用压电阵元的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)压电陶瓷片减薄：将压电陶瓷片厚度减薄至小于或等于50μm；

(2)制作初始压电阵元：于减薄后的压电陶瓷片的上下两表面分别沉积电极后，再于沉积后的压电陶瓷片中的一个表面设置背衬材料，得初始压电阵元；

(3)制作压电阵元：切割初始压电阵元，得所述压电阵元。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：

研磨金属台；

将粘贴压电陶瓷片的金属台浸于丙酮试剂或酒精中；

用Leica-TXP精研一体机减薄。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述减薄包括，

在2000～3000RPM转速和20～40N载荷下，以0.5～1.5μm步进研磨施涂有添加抛光剂的压电陶瓷片。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述抛光剂磨料为从金刚石、碳化硅和氧化镁选出的一种或多种。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述研磨的次数至少为两次，每次研磨0.5～1.5h。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述抛光剂磨料的粒径随研磨次数的增加逐次减小至小于或等于1μm。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中的所述沉积为磁控溅射沉积或脉冲激光沉积；沉积厚度为0.8～1μm。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射沉积为直流磁控溅射沉积或射频磁控溅射沉积；

所述直流磁控溅射沉积包括于室温、4.5×10^-4Pa以下的真空条件、80～100W的直流功率和(2.0～3.0)×10^-1Pa的氩气分压下，以1.5～1.7μm/h的沉积速率沉积35～40min；

所述射频磁控溅射沉积包括，于室温、低于4.5×10^-4Pa的真空条件、50～60W的射频功率和(2.0～3.0)×10^-1Pa的氩气分压条件下，以110～130nm/h的沉积速率沉积7～9h。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的背衬材料的设置包括：将所述沉积电极后的压电陶瓷片与带有空腔的掩膜板平行粘贴后，再于所述空腔中填入背衬材料。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述切割为激光切割、机械旋转式金刚石刀切割或橡胶刀切割。

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