CN115308939B - 一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法。所述声光偏转器依次包含有声光介质、第一底电极、键合层、第二底电极、换能器、顶电极、阻抗匹配电路、射频连接器，所述换能器的材料包括铌镁酸铅‑钛酸铅，化学组成(1‑x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑xPbTiO3，或铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅，其化学组成为xPb(In1/ 2Nb1/2)O3‑yPb(Mg1/3Nb2/3)O3‑(1‑x‑y)PbT iO3，两者的晶体方向<111>方向；其中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。本发明中的新型弛豫铁电单晶具有超高的剪切模式压电性能，远高于目前行业普遍使用的铌酸锂晶体，在相同结构设计下，可以在晶体内部产生功率密度更高的剪切超声波，从而大幅提高声光偏转器的衍射效率，同时也可以大幅降低射频驱动电源的功率，在声光器件领域具有广泛的应用前景。

Description

一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法
技术领域
本发明属于声光仪器技术领域，具体涉及到一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法，可以用于激光显示、激光加工、光谱分析等领域。
背景技术
换能器是声光器件的核心部分，实现着电能和声能(机械能)之间的转换，为声光介质内部提供声场。换能器是由压电材料构成，包括铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、石英晶体、PZT陶瓷、氧化锌薄膜等，其中使用最广泛的是铌酸锂晶体，其中Y36°切晶片用于产生纵波，机电耦合系数kt为0.49；X切晶片用于产生剪切波(横波)，机电耦合系数k15为0.68。
新型弛豫铁电单晶，以铌镁酸铅-钛酸铅(化学组成为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，简称为PMNT)和铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(其化学组成为xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3)为代表，在准同型相界附近具有非常优异的压电和机电耦合性能，d33>2000pC/N、d15>5000pC/N、kt>0.6、k15>0.95，适合产生超声纵波和剪切波，这些性能都远高于常用的压电晶体及陶瓷材料，也远高于声光器件中用到的铌酸锂晶体。
目前声光偏转器中用到的换能器为X切铌酸锂晶体或163°Y切铌酸锂晶体(中国专利号：CN104635361 B)，它将射频信号转化为剪切波传输到声光介质内，在声光介质内部形成周期性变化的光栅(超声光栅)，当入射光以布拉格角入射到声光介质内部时，穿过超声光栅发生衍射，衍射效率是衡量衍射光强弱的核心指标，通常是越高越好。在相同结构下，提高衍射效率的方法一方面是采用高声光优值的声光晶体材料，如二氧化碲单晶；另一方面是采用压电性能更高的材料制作换能器。长期以来，我们一直将性能提高的思路放在结构设计和声光介质材料方面，忽视了压电材料的改变带来的有利影响。采用高性能压电材料能够降低驱动功率大小，提高衍射效率，也可减小由于高驱动功能率带来的晶体及键合层的损坏。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了采用弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法，该声光偏转器可以实现采用较低驱动功率也能获得高衍射效率，同时由于驱动功率的降低可以增强器件长期存放和稳定工作的能力。
为了达到上述技术目的，本发明提供了一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器，包括有声光介质、换能器、阻抗匹配电路和射频连接器，换能器通过键合层粘接于声光介质表面，换能器的顶部安装有顶电极，顶电极通过金丝导线与阻抗匹配电路连接，阻抗匹配电路与射频连接器连接，其特征在于：在声光介质的顶面镀有第一底电极，在换能器的外表面镀有第二底电极，所述换能器通过第一底电极、键合层和第二底电极粘贴于声光介质表面；所述换能器的材料为弛豫铁电单晶，包括铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为(1-x)Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-xPbTiO3，铌镁酸铅-钛酸铅晶体方向为<111>方向；或铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3，铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体方向为<111>方向；上述弛豫铁电单晶中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。
本发明较优的技术方案：所述弛豫铁电单晶的晶体厚度为5um～120um，所述弛豫铁电单晶中0.2≤x≤0.4，0.2≤y≤0.4。
本发明较优的技术方案：所述弛豫铁电单晶采用真空键合的方法或化学键合的方法固定到声光介质表面，键合真空度范围在1.0×10-1Pa～1.0×10-5Pa。
本发明较优的技术方案：所述声光偏转器的超声波工作频率范围在10MHz～200MHz。
本发明较优的技术方案：所述第一底电极和第二底电极结构材料相同，选用铬与金双层组合，或者钛与金双层组合。
本发明较优的技术方案：所述键合层采用单层金属或双层金属，所述单层金属选为铟或锡，所述双层金属选用铟与银双层金属。
本发明较优的技术方案：所述声光介质的材料为氧化碲晶体。
本发明较优的技术方案：所述换能器采用一片或两片或两片以上的新型弛豫铁电单晶。
为了达到上述技术目的，本发明还提供了一种权利要求1至中任意一项所述的采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)在真空环境下，在声光介质的顶面和换能器外表面分别蒸发镀一层底电极，所述底电极选用铬与金双层组合，或者钛与金双层组合；
(2)制备键合层，键合层采用单层软金属或双层金属；在真空环境下，通过机械臂将声光介质顶面的底电极、键合层与换能器外表面的底电极粘贴在一起；换能器选用铌镁酸铅-钛酸铅单晶或铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，晶体方向为<111>方向；
(3)对键合后的换能器晶片进行减薄，使得换能器晶片的厚度达到设计厚度；
(4)采用掩膜板，在换能器表面制备顶电极，顶电极的图形由掩膜板的图形决定。
(5)从顶电极表面引出金丝到阻抗匹配电路板，阻抗匹配电路板和壳体上的射频连接器相连接，通过阻抗匹配电路的设计制作，实现50Ω阻抗匹配。
本发明较优的技术方案：所述步骤(3)中对键合后的换能器晶片减薄的方法采用化学研磨或机械研磨或刻蚀，在减薄过程中整体均匀性控制在2um以内。
本发明中的新型弛豫铁电单晶具有超高的剪切模式压电性能(k15>0.95,d15>5000pC/N)，远高于目前行业普遍使用的铌酸锂晶体(k15＝0.68)，在相同结构设计下，可以在晶体内部产生功率密度更高的剪切超声波，从而大幅提高声光偏转器的衍射效率，同时也可以大幅降低射频驱动电源的功率，在声光器件领域具有广泛的应用前景。
本发明的积极进步效果在于：本发明可以将新型弛豫铁电单晶超高的剪切模式压电性能应用到声光偏转器中，其优异压电性能和机电耦合系数将显著提高晶体内部的超声波能量密度，提高声光偏转器的衍射效率。另一方面，也可以降低驱动电源的功率，增加器件的可靠性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中新型弛豫铁电单晶的切型与质点振动方向；
图3为铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶阻抗谱；
图4为铌酸锂晶体阻抗谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。附图1为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。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。
实施例一：提供的一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器，如图1所示，包括有声光介质1、换能器5、阻抗匹配电路7和射频连接器8，换能器5通过键合层3粘接于声光介质1表面，换能器5的顶部安装有顶电极6，顶电极6通过金丝导线与阻抗匹配电路7连接，阻抗匹配电路7与射频连接器8连接，其特征在于：在声光介质1的顶面镀有第一底电极2，在换能器5的外表面镀有第二底电极4，所述换能器5通过第一底电极2、键合层3和第二底电极4粘贴于声光介质1表面。驱动电源的信号传输到射频连接器8，经过阻抗匹配电路6后，加载到顶电极6，换能器5受到电信号激励后振动发射超声波，超声波经过底电极2和键合层3传输到声光介质1内部，形成折射率周期性变化的光栅。入射光经过光栅时发生衍射，输出0激光和衍射光。实施例中的换能器的材料为弛豫铁电单晶，选用铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶为声光偏转器的换能器材料，其化学组成为xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3，晶体方向为<111>方向(如图2所示)，所述弛豫铁电单晶中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。
实施例一中：所述弛豫铁电单晶的晶体厚度为5um～120um，所述弛豫铁电单晶中0.2≤x≤0.4，0.2≤y≤0.4。所述弛豫铁电单晶采用真空键合的方法或化学键合的方法固定到声光介质表面，键合真空度范围在1.0×10-1Pa～1.0×10-5Pa。所述声光偏转器的超声波工作频率范围在10MHz～200MHz。所述第一底电极2和第二底电极4结构材料相同，选用铬与金双层组合，或者钛与金双层组合。所述键合层3采用单层金属或双层金属，所述单层金属选为铟或锡，所述双层金属选用铟与银双层金属。所述声光介质1的材料为氧化碲晶体。所述换能器5采用一片或两片或两片以上的新型弛豫铁电单晶。
本申请的发明人针对铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅进行剪切模式压电阻抗谱，图3是铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅的阻抗谱，如图3所示，其谐振频率和反谐振频率分别为490kHz和1690kHz，计算得到剪切模式的机电耦合系数为k15＝96.4％；同时针对现有的铌酸锂晶体进行剪切模式压电阻抗谱，图4是现有铌酸锂晶体的阻抗谱，如图4所示，其谐振频率和反谐振频率分别为3500kHz和4500kHz，计算得到剪切模式的机电耦合系数为k15＝65.5％。通过对比可以看出，本发明中的弛豫铁电单晶的机电耦合系数显著高于常用的X切铌酸锂晶体，更高的机电耦合系数反映出更优异的压电性能，相同电信号激励下可以产生更强的剪切超声波，这样大幅提高了换能器的性能，更强的超声波会提高声光偏转器的衍射效率，因此利用弛豫铁电单晶可以获得性能更优异的声光偏转器。
实施例二提供了一种新型弛豫铁电单晶的声光偏转器的制备方法，该声光偏转器的工作频率在40MHz左右，所述声光偏转器的结构如图1所示，其具体步骤如下：
(1)在真空环境下，在声光介质的顶面和换能器外表面分别蒸发镀一层底电极，声光介质1选用二氧化碲晶体，通声面为<110>方向，晶体<110>方向厚度为10mm；所述底电极选用铬与金双层组合，其厚度分别为20um；
(2)制备键合层，键合层采用单层软金属或双层金属；在真空环境下，通过机械臂将声光介质顶面的底电极、键合层与换能器外表面的底电极粘贴在一起；换能器选用铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，晶体方向为<111>方向；初始厚度800um；键合层为铟层，厚度约为500um；
(3)换能器和二氧化碲晶体完成真空键合后，根据材料的频率常数将铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶和铌酸锂单晶减薄至30um；减薄方法可以是化学机械研磨或者刻蚀，使得换能器晶片的厚度达到设计厚度，这一过程中要严格控制整体的厚度误差，均匀性控制在2um以内为宜；
(4)采用掩膜板，在换能器表面制备顶电极6，顶电极的图形由掩膜板的图形决定，顶电极6的材料为铬、金层，其厚度为200um；
(5)从顶电极6表面引出金丝到阻抗匹配电路板，阻抗匹配电路板和壳体上的射频连接器相连接，采用LC组合制作阻抗匹配电路，使得器件的输入阻抗接近50Ω范围，完成声光偏转器的制备过程。
对比实施例：对比实施例中制备的一种声光偏转器，其制备过程与实施例二的制备过程一样，区别在于采用铌酸锂单晶作为换能器5，初始厚度800um，换能器和二氧化碲晶体完成真空键合后，根据材料的频率常数将铌酸锂单晶分别减薄60um。
通过实验针对实施例二和对比实施例中制备的声光偏转器进行实测，其实测结果如下表：
Figure GDA0004011517300000071
实测两者的频率分别在38.5MHz和41.2MHz，这个差异可能是由于晶片减薄过程中的测量误差导致，属于正常范围。通过上述对比可以看出本发明中新型弛豫铁电单晶应用到声光偏转器中，提高声光偏转器的衍射效率，另一方面，也可以降低驱动电源的功率，增加器件的可靠性和使用寿命。
上述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对本领域的技术人员来说，可以根据本说明进行变化和改进，所有这些改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器，包括有声光介质(1)、换能器(5)、阻抗匹配电路(7)和射频连接器(8)，换能器(5)的顶部安装有顶电极(6)，顶电极(6)通过金丝导线与阻抗匹配电路(7)连接，阻抗匹配电路(7)与射频连接器(8)连接，其特征在于：在声光介质(1)的顶面镀有第一底电极(2)，在换能器(5)的外表面镀有第二底电极(4)，所述换能器(5)通过第一底电极(2)、键合层(3)和第二底电极(4)粘贴于声光介质(1)表面；所述换能器的材料采用具有剪切模式压电性能，产生剪切超声波的弛豫铁电单晶，其k15>0.95,d15>5000pC/N，所述弛豫铁电单晶的晶体厚度为5um～120um，包括铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，铌镁酸铅-钛酸铅晶体方向为<111>方向；或铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3，铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体方向为<111>方向；上述弛豫铁电单晶中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1；所述弛豫铁电单晶设有一片，采用真空键合的方法或化学键合的方法固定到声光介质表面，键合真空度范围在1.0×10-1Pa～1.0×10-5Pa。
2.根据权利要求1所述的一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器，其特征在于：所述弛豫铁电单晶中0.2≤x≤0.4，0.2≤y≤0.4。
3.根据权利要求1所述的一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器，其特征在于：所述声光偏转器的超声波工作频率范围在10MHz～200MHz。
4.根据权利要求1所述的一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器，其特征在于：所述第一底电极(2)和第二底电极(4)结构材料相同，选用铬与金双层组合，或者钛与金双层组合。
5.根据权利要求1所述的一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器，其特征在于：所述键合层(3)采用单层金属或双层金属，所述单层金属选为铟或锡，所述双层金属选用铟与银双层金属。
6.根据权利要求1所述的一种采用弛豫铁电单晶的声光偏转器，其特征在于：所述声光介质(1)的材料为氧化碲晶体。
7.一种权利要求1至6中任意一项所述的采用弛豫铁电单晶的声光偏转器的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)在真空环境下，在声光介质的顶面和换能器外表面分别蒸发镀一层底电极，所述底电极选用铬与金双层组合，或者钛与金双层组合；
(2)制备键合层，键合层采用单层软金属或双层金属；在真空环境下，通过机械臂将声光介质顶面的底电极、键合层与换能器外表面的底电极粘贴在一起；换能器选用铌镁酸铅-钛酸铅单晶或铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，晶体方向为<111>方向；
(3)对键合后的换能器晶片进行减薄，使得换能器晶片的厚度达到设计厚度；具体是对键合后的换能器晶片减薄的方法采用化学研磨或机械研磨或刻蚀，在减薄过程中整体均匀性控制在2um以内；
(4)采用掩膜板，在换能器表面制备顶电极，顶电极的图形由掩膜板的图形决定；
(5)从顶电极表面引出金丝到阻抗匹配电路板，阻抗匹配电路板和壳体上的射频连接器相连接，通过阻抗匹配电路的设计制作，实现50Ω阻抗匹配。
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