CN205846018U - 一种复合压电晶体及传感器声头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种复合压电晶体，该复合压电晶体包括压电单晶、高分子聚合物和薄膜电极，所述压电单晶的极化方向为[001]方向，切割方向为[010]方向或[100]方向；所述压电单晶包括多个压电单晶单元，所述高分子聚合物包括多个高分子聚合物单元，所述压电单晶单元与所述高分子聚合物单元平行间隔排列以形成复合结构，所述薄膜电极分别位于由所述压电单晶和所述高分子聚合物所形成的所述复合结构的上表面和下表面上。本实用新型的复合压电晶体具有更高的机电耦合系数，从而能够提高传感器声头的带宽和灵敏度，满足医疗超声传感器和无损探伤传感器对超高带宽和灵敏度的需求。
Description
技术领域
本实用新型属于压电单晶材料及其制造技术领域，具体涉及一种包括压电单晶和聚合物材料的复合压电晶体及包括该复合压电晶体的声头。
背景技术
压电材料能进行电能与机械能的转换而发射与接收超声信号，是声学传感器之中的核心部件。近年来，一些压电单晶，例如弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(简写作PMN-PT)晶体以及铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)晶体开始被运用于医疗超声成像、无损探伤工业以及水底声呐等领域。在钛酸铅(简称PT)的化学组分接近MPB相界的情况下，该晶体的厚度方向机电耦合系数(k33)可以达到90％以上，远超过传统的锆钛酸铅(简称为PZT)压电陶瓷材料，可使超声及声呐传感器的灵敏度更高，成像质量更清晰。
然而，由于压电晶体具有对称性，传感器基元在厚度方向上的压电效应会被其他方向上的压电效应削弱，使得实际厚度方向的机电耦合系数往往达不到理想的k33值，从而不能满足大部分医疗超声传感器和无损探伤传感器对超高带宽和灵敏度的需求。
实用新型内容
本实用新型的目的是，提供一种复合压电晶体，以提高压电晶体的厚度方向的机电耦合系数，从而满足医疗超声传感器对超高带宽和灵敏度的需求。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种复合压电晶体，该复合压电晶体包括压电单晶和高分子聚合物，所述压电单晶的极化方向为[001]方向，切割方向为[010]方向或[100]方向；所述压电单晶包括多个压电单晶单元，所述 高分子聚合物包括多个高分子聚合物单元，所述压电单晶单元与所述高分子聚合物单元平行间隔排列以形成复合结构，所述薄膜电极分别位于由所述压电单晶和所述高分子聚合物所形成的所述复合结构的上表面和下表面上。
所述压电单晶为铌镁酸铅-钛酸铅晶体、铌锌酸铅-钛酸铅晶体和铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体中的一种。
每个所述压电单晶单元的截面宽度w为5μm-1mm，高宽比为1-5。
所述高分子聚合物为环氧树脂。
在一种实施方式中，所述环氧树脂可填充有金属颗粒、氧化物颗粒、发泡剂、真空玻璃微珠中的一种或多种。
所述压电单晶在所述复合压电晶体中所占的体积分数为20％-70％。
所述薄膜电极为铬和金喷涂层，或镍铬和金喷涂层，或镍/金喷涂层，或镀银层，或镀铜层。
本实用新型还提供了一种传感器声头，其包括：本实用新型所描述的复合压电晶体、第一导线、第二导线、声学匹配层以及声学背衬层；其中，所述第一导线和第二导线的一端分别与所述薄膜电极连接，并且该第一导线和第二导线的另一端分别与所述声学匹配层和所述声学背衬层连接。
在一种实施方式中，所述声学匹配层和所述声学背衬层通过导电胶、环氧树脂或聚氨酯与所述薄膜电极粘结。
综上所述，本实用新型通过提供一种复合压电晶体，从而能够进一步提高以提高压电晶体的厚度方向的机电耦合系数。而且，包括该复合压电晶体的传感器声头能够提高带宽和灵敏度，以满足医疗超声传感器和无损探伤传感器对超高带宽和灵敏度的需求。
附图说明
下面结合附图和示例性实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的一种示例性的复合压电晶体1的结构示意图。
图2是本实用新型中所使用的一种示例性的压电单晶单元12的结构示意图。
图3是本实用新型中所使用的一种示例性的压电单晶单元12和聚合物单 元14组合的结构示意图。
图4是本实用新型的一种示例性的传感器声头2的局部侧视示意图。
图5是本实用新型的另一种示例性的传感器声头2’的局部侧视示意图。
图6示出了在[001]方向极化的、在不同的切割方向上的PMN-PT复合压电晶体以及非复合压电晶体的厚度方向机电耦合系数之比较的柱形图。
具体实施方式
下面结合附图具体描述本实用新型的具体实施方式。在下文所描述的本实用新型的具体实施方式中，为了能更好地理解本实用新型而描述了一些很具体的技术特征，但是，很显然的是，对于本领域的技术人员来说，并不是所有的这些技术特征都是实现本实用新型的必要技术特征。此外，在实施例的详细描述中，方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、左”、“右”等是参考附图中的方向而使用的。由于本实用新型的实施例中的部件能够以多个不同的方向而被放置，因此，所述方向术语的使用是为了说明而不是为了限制本实用新型。下文所描述的本实用新型的具体实施方式只是一种示例性的具体实施方式，其不应被视为对本实用新型的限制。
参见图1所示，本实用新型的一种示例性的复合压电晶体1的结构示意图。该复合压电晶体1包括压电单晶、高分子聚合物和薄膜电极。该压电单晶的极化方向为[001]方向，切割方向为[010]或[100]方向。在一种实施方式中，该压电单晶包括多个压电单晶单元12，该高分子聚合物包括多个高分子聚合物单元14，该压电单晶单元12与高分子聚合物单元14平行间隔排列，从而形成一复合结构，在该复合结构的上下表面上分别具有薄膜电极16和18，参见图1所示。
优选地，该薄膜电极16、18的厚度为0.1μm-2μm，喷涂该薄膜电极的方法例如可以是磁控溅射法。所述薄膜电极可以是铬和金喷涂层，或镍铬和金喷涂层，或镍和金喷涂层，或镀银，或镀铜。作为一种替代的实施方式，可以在该复合压电晶体1的上下两面涂上银浆，再加温烘干。优选地该银浆的厚度为1μm-10μm。
在一种实施方式中，在该复合压电晶体1中，压电单晶的所占的体积分 数优选为20％-70％。
图2示出了压电单晶单元12的示意结构，其中，晶体单元的长度为l，宽度为w，高度为t。在长度、宽度和高度方向上的晶向分别是[010]，[100]和[001]方向，其中，宽度和长度方向上的晶向可以互换。优选地，宽度w在5μm-1mm之间，该压电单晶单元12的高宽比(t:w)为1-5。
图3是本实用新型中所使用的一种示例性的压电单晶单元12和高分子聚合物单元14组合的结构示意图。其中v表示高分子聚合物单元14的宽度。
所述的压电单晶可以是例如铌镁酸铅-钛酸铅(简写作PMN-PT)晶体、铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)晶体和铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)晶体中的一种。每个压电单晶单元12的截面宽度w优选为5μm-1mm，高宽比优选为1-5。
所述高分子聚合物可以是环氧树脂。在一种实施方式中，该环氧树脂可以填充有金属颗粒、氧化物颗粒、发泡剂、真空玻璃微珠中的一种或多种，以减少环氧树脂对晶体振动的阻碍作用，提高复合压电晶体的机电耦合系数。
本实用新型还提供了一种包括上述复合压电晶体1的传感器声头2，如图4所示，该传感器声头2除了包括复合压电晶体1之外，还包括第一导线和第二导线(未示出)、声学匹配层26和声学背衬层28。其中，第一导线和第二导线分别从薄膜电极16和18上引出，并分别与声学匹配层26和声学背衬层28连接。
在一种优选的实施方式中，所述声学匹配层26和所述声学背衬层28通过导电胶、环氧树脂或聚氨酯25分别与所述薄膜电极16和18粘结，如图5所示。
本实用新型还提供了一种制备复合压电晶体1的方法。在一种示例性方法中，包括了下述的工艺步骤：
(1)选择合适的压电单晶，在一种实施方式中，可以从例如PMN-PT晶体、PZN-PT晶体和PIN-PMN-PT晶体选择一种。
(2)用X光衍射法对该压电单晶进行定向，以确定[001]、[010]及[100]方向。
(3)沿该压电单晶的[010]或[100]方向切出平行的切口，相邻的切口之间限定的即为压电单晶单元。单晶的面积最大方向为[001]方向。在一种实施方式中，可以使用金刚石自动划片进行切割。在另一种实施方式中，可以利用等离子体蚀刻装置沿该压电单晶的[010]或[100]方向蚀刻出平行切口或凹槽，所述等离子体蚀刻装置可以是例如电感耦合等离子体蚀刻仪。
(4)在所形成的平行的切口中浇注高分子聚合物，等固化后，去掉表面多余的高分子聚合物，浇注在每个切口中的高分子聚合物即为高分子聚合物单元，由此形成了具有平行间隔排列的压电单晶单元12与高分子聚合物单元14的复合结构。优选地，该高分子聚合物是环氧树脂。
(5)在得到的压电单晶和高分子聚合物的复合结构的上下两面喷涂上薄膜电极。优选地，该薄膜电极的厚度为0.1μm-2μm，该喷涂薄膜电极的方法例如可以是磁控溅射法。所述薄膜电极可以是铬和金喷涂层，或镍铬和金喷涂层，或镍和金喷涂层，或镀银，或镀铜。作为一种替代的实施方式，可以在该复合压电晶体的上下两面涂上银浆，再加温烘干。优选地该银浆的厚度为1μm-10μm；
(6)对压电单晶进行极化处理，极化条件为0.2-1.0kV/mm，极化方向为[001]方向，即得到本实用新型的复合压电晶体。
可选地，在上述步骤(4)之后，步骤(5)之前，可以执行对固化后的环氧树脂的研磨和抛光处理步骤，从而使上下两面都露出压电单晶，这有利于更好地喷涂薄膜电极。
本申请还公开了一种制造包括上述复合压电晶体的传感器声头的方法，该方法除上述步骤方法外，进一步包括以下工艺步骤：
(7)在该复合压电晶体的上下两个薄膜电极面上分别引出第一导线和第二导线，该第一导线和第二导线分别与声学匹配层和声学背衬层相连接，从而形成了声学传感器中的传感器声头。
在一种实施方式中，可通过导电胶或环氧树脂或聚氨酯将该声学匹配层和声学背衬层粘接到该复合压电晶体的薄膜电极的上下表面上。
本实用新型的复合压电晶体具有如下有益的技术效果。
具体地说，根据测试，下面的表1以及说明书附图6示出了在[001]方向 极化的、在不同的切割方向上的PMN-PT复合压电晶体以及非复合压电晶体的厚度方向机电耦合系数之比较：
表1：
根据上表1和说明书附图6可知，[001]方向极化的、沿不同切割方向切割的PMN-PT复合压电晶体的厚度方向机电耦合系数要远远好于相同尺寸下的非复合晶体。其中，在[001]方向极化并在[010]方向切割的复合压电晶体的机电耦合系数为82.40％，而非复合晶体的机电耦合系数为54％，由此可见，本实用新型的复合压电晶体具有更好的机电耦合系数，从而能满足大部分医疗超声传感器或者无损探伤传感器对超高带宽和灵敏度的需求。
此外，在同样尺寸的情况下，不同切割方向的复合压电晶体也存在性能差异，例如，沿[010]方向切割的复合压电晶体的平均机电耦合系数最高为82.40％，而与[010]方向呈45度角切割的复合压电晶体的平均机电耦合系数最低，为68.50％。
此外，本实用新型还测试了在复合压电晶体中压电单晶的体积分数及其对应的复合压电晶体的声阻抗值，具体参见下面的表2：
表2显示了当PMN-PT压电晶体被制作成本实用新型的复合压电晶体时，声阻抗随着单晶体积分数变化而变化的规律。当体积分数越小时，该复合压电晶体的声阻抗值就越接近人体组织或海水，这使得传感器设计中的声匹配变得更加容易，传感器的带宽也随之变宽，灵敏度随之提升。
以上结合附图对本实用新型优选的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种复合压电晶体，其特征在于：该复合压电晶体包括压电单晶、高分子聚合物和薄膜电极，所述压电单晶的极化方向为[001]方向，切割方向为[010]方向或[100]方向；所述压电单晶包括多个压电单晶单元，所述高分子聚合物包括多个高分子聚合物单元，所述压电单晶单元与所述高分子聚合物单元平行间隔排列以形成复合结构，所述薄膜电极分别位于由所述压电单晶和所述高分子聚合物所形成的所述复合结构的上表面和下表面上。
2.根据权利要求1所述的复合压电晶体，其特征在于：所述压电单晶为铌镁酸铅-钛酸铅晶体、铌锌酸铅-钛酸铅晶体和铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体中的一种。
3.根据权利要求2所述的复合压电晶体，其特征在于：每个所述压电单晶单元的截面宽度w为5μm-1mm，高宽比为1-5。
4.根据权利要求1或3所述的复合压电晶体，其特征在于：所述高分子聚合物为环氧树脂。
5.根据权利要求4所述的复合压电晶体，其特征在于：所述压电单晶在所述复合压电晶体中所占的体积分数为20％-70％。
6.根据权利要求5所述的复合压电晶体，其特征在于：所述薄膜电极为铬和金喷涂层，或镍铬和金喷涂层，或镍和金喷涂层，或镀银层，或镀铜层。
7.一种传感器声头，其特征在于包括：
根据权利要求1-6中任一项所述的复合压电晶体；
第一导线；
第二导线；
声学匹配层；以及
声学背衬层；
其中，所述第一导线和第二导线的一端分别与所述薄膜电极连接，并且该第一导线和第二导线的另一端分别与所述声学匹配层和所述声学背衬层连接。
8.根据权利要求7所述的传感器声头，其特征在于：所述声学匹配层和所述声学背衬层通过导电胶、环氧树脂或聚氨酯与所述薄膜电极粘结。
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2016
- 2016-06-06 CN CN201620546697.7U patent/CN205846018U/zh active Active
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