CN85102335B - 复合式超声换能器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种超声换能器，它使用了这样的压电复合物：若干由压电陶瓷制成的压电柱配置在板状多聚物基体中，并且压电柱垂直于板的表面。压电柱所占的体积比置于０．１５－０．７５的范围，并且各个相邻的压电柱之间的距离调节到小于多聚物板的厚度，由此制成一种比使用同质压电陶瓷板的常规换能器的灵敏度高的换能器。

Description

复合式超声换能器及其制造方法

本发明属于在超声诊断设备或其它设备中使用的超声波换能器。

迄今，锆钛酸铅（PZT）陶瓷被广泛用作超声换能器的压电振子材料。但是，上述压电陶瓷存在以下一些缺点：（1）当用于诊断目的时，需要精心设计一个声学匹配层，这是因为其声学阻抗显著地大于人体的声学阻抗;（2）其介电常数相当大，因而压电电压常数g过于小，以至于根据所接收到的超声波不能产生出高电压;（3）它们很难形成与人体形状相适合的曲率。为了解决这些问题，已经提出了所谓压电复合物的概念，在压电复合物中多聚物与压电物质相复合。作为一个例子，可以举出Newnham等人在美国的一份报道：这样一种复合物结构是有效的，其中若干PZT柱12埋入多聚物11中，如图1所示（参见“Material Research Briden”，Vol.13，PP.525-536（1978））。事实上，PZT与诸如硅橡胶或环氧物等多聚物共同组成的复合物结构导致了一种具有低声学阻抗和大压电电压常数g材料。

在上述压电复合物中，它们的压电性能随着压电物质与多聚物的体积比的不同而变化甚大。这一点在上面提到的参考文献中已有详细的介绍。但是，可以预料：压电复合物的压电性能还会随着压电柱的尺寸和配置的不同而变化-即使压电物质与多聚物的体积比相同也是如此。

本发明的一个目的是：提供一种复合式超声换能器，其发射和接收总灵敏度高于使用压电陶瓷板的常规换能器的灵敏度。

本发明的另一目的是：提供一种有利于大量生产的制造高可靠性的压电复合物的方法。

本发明的特征在于一种由压电复合物制成的超声换能器具有这样的结构：若干压电陶瓷柱埋入板状多聚物基体中，且压电陶瓷柱垂直于板的表面，其中压电陶瓷柱所占体积比为0.15-0.75，而每个压电陶瓷柱的高度均大于各相邻的压电陶瓷柱之间的距离。

本发明的其它特征可从下文的详细描述中揭示出来。

图1是本发明的一种实施例的透视图;

图2和图3是换能器灵敏度特性的特性曲线;

图4A-4C、图5A-5H、图6A-6B和图7A-7G是上述实施例的制造方法的示意图;

图8A-8E、图9和图10A-10B是本发明的另一实施例的制造方法的示意图。

图1画出了本发明的一种实施例的结构。一块以下文所述的制造方法制作出来的压电复合物100具有这样的结构：若干压电陶瓷柱101配置在多聚物基体102中，彼此相距d。在压电复合物100的上、下表面各自形成电极103和104，从而组成一个复合式换能器。

沿其长度方向极化过的PZT（Pb（TiZr）O₃）陶瓷或钛酸铅陶瓷（PbTiO₃）用作压电柱101最为合适。硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂用作多聚物102最为合适。最好用铬-金薄膜形成电极，当然，其它适用的导电薄膜也可以用来形成电极。

图2给出了图1中所示复合式换能器的灵敏度变化相应于压电陶瓷柱101之间的距离d的变化的测量结果，该复合式换能器是用PZT陶瓷和硅橡胶制成的。这个测量结果是由四种情况得到的：压电复合物换能器中的压电陶瓷柱为10平方毫米，厚度h为0.3毫米，而柱间距离d分别为0.15毫米、0.2毫米、0.3毫米和0.4毫米。压电陶瓷柱101相对于整个压电复合物的体积比对每种换能器而言均为25%。每种换能器沿其深度方向的纵振动的谐振频率大约都是4.5兆赫兹。

为了进行比较，图2还给出常规超声换能器的数据（以虚线示出），这种常规的超声换能器是用同质的PZT陶瓷制成的，并且具有同样的口径和相同的谐振频率。正如图2中所看到的，当柱间距离d小于陶瓷厚度h的时候，本发明中的换能器的发射和接收灵敏度比常规换能器要高，但是，当d大于h时，本发明中的换能器的发射和接收灵敏度迅速减小。这可以归因于这样的事实：当d＜h时，所填充的多聚物能将接受的压力有效地传递给压电柱，从而导致多聚物和压电柱沿深度方向一同振动;反之，当d＞h时，所说的压力传递不能有效地进行，所以多聚物不能和压电柱一同振动。

图3给出了PZT陶瓷所占的体积比与换能器的发射和接收灵敏度之间的关系。为了进行比较，图3也给出了常规超声换能器的数据（以虚线示出），这种常规的超声换能器是用同质的PZT陶瓷板制成的，并且具有同样的口径。正如图3中所看到的，当体积比在0.15至0.75之间的时候，本发明中的换能器的发射和接收总灵敏度比使用同质的PZT陶瓷板的常规超声换能器要高。由此可见，即使满足了条件d＜h，如果PZT陶瓷所占体积比小于0.15或者大于0.75，那么仍然未必然能够得到高的灵敏度。

如上所述，对于图1中的复合式超声换能器而言，获得高灵敏度的换能器的条件是：压电陶瓷柱占整个压电复合物的体积比为0.15至0.75，并且压电陶瓷柱之间的距离d小于压电陶瓷柱的高度h。

进而，如图1中的虚线所示，可以做到：将一块由环氧树脂之类的材料做成的背衬件贴附到两个表面均已形成电极的压电复合物的任意一个表面上，其另外一个表面即可用于发射和接收超声波。

现在，参照图4A-4C，将描述上面提到的实施例中的压电复合物100的制造方法。

在图4A那一步中，将一块扁平状的压电陶瓷板201暂时粘结到切割底座203上，粘结使用诸如蜡之类的粘结剂202，这种粘合剂可在遇热后变软。如在图4B中所见，将压电陶瓷板纵、横切割之后，形成若干沟槽204，并与此同时制作出若干元件205。然后，将多聚物206填入各个切出的沟槽之中并且固化，最后，将复合物从切割底座上拆下，即可得到图1中的压电复合物100。

图4的制造方法之优点是工序少，但是，存在下列缺点：

（1）由于压电陶瓷板被深深地切开，容易将元件205切掉下来;

（2）在切割工序中，常常可能在底座203上也切出了沟槽，以致于多聚物206会进入并在底座203上粘牢。在这种情况下，将很难将压电复合物从底座203上拆下，并且，在拆下过程中，有的元件205可能破损。此外，在拆下之后，也难于去掉粘合剂202。

在图5A-5H中，画出了一种经过改进的可克服上述缺点的制造方法。首先，如图5A所示，用蜡302将一块压电陶瓷板暂时粘结到切割底座302上。其后，如图5B所示，纵向和横向地切割压电陶瓷板301，令所切沟槽304的深度约等于压电陶瓷板301的厚度h的一半，不使切透。在此切割工序中，在压电陶瓷板301上设参考线305和306。图5C是图5B的俯视图。接着，如图5D所示，在切出的沟槽304中填入聚氨酯或环氧物之类的多聚物307并使之固化。然后，如图5E所示，将蜡302熔化，并把振子翻过来重新用蜡或类似物308粘结到切割底座303上。此后，如图5F所示，借助于参考线305和306，将压电陶瓷板切至多聚物307的位置。在图5G所示工序中，将多聚物填入切出的沟槽309中并且固化，从而在该换能器的背面形成多聚物部分310。在将蜡308熔化之后，将复合物自底座303上拆下，即可得到图1所示的压电复合物100。在这种制造方法中，要求多聚物307具有在切割沟槽309时不降低可加工性的良好性质。如果沟槽304中的填充物是硅橡胶之类的软材料，那么就出现了一个可加工性的问题。对于这种情况，可在图5B所示的工序中，先用蜡或类似物填入沟槽304，之后，将压电板翻过来再粘结到底座303上（图5E的情形）。经过如图5F所示的情形，切出了沟槽309，可填入硅橡胶于沟槽中并加以固化。此时，至图5G所示之状态，307表示蜡，而310表示硅橡胶。接着，将振子从底座300上取下（这时，各个元件即彼此由硅橡胶互相粘结起来），并将沟槽304中的蜡清洗掉，于是，导致了图5H所示的情形。最后，将硅橡胶或类似物填入现已去掉了蜡的沟槽311中并固化之，从而提供出图1中所示的压电复合物100。

值得注意的是，多聚物307和310并不总是要求由相同的材料制成，例如，用聚氨酯形成多聚物307而用硅橡胶形成多聚物310是可能的。

作为一个替代的办法，压电复合物100还可以用这样的方法制成：如图6A所示，将图5D工序中的压电陶瓷板自切割底座上取下，然后，如图6B所示，将该压电陶瓷板自其底面上磨削，一直磨削到平面312处。作为一个替换磨削的方法，可将压电陶瓷板自平面312处切开。

按照以上示于图5A-5H或图6A与图6B中的制造方法，用于填充多聚物的那些沟槽不必切至切割底座，因而导致了这样的优点：很容易将填好了多聚物的压电陶瓷板从切割底座上拆下。

在图4A-4C、图5A-5H和图6A-6B所示出的制造方法的任意一个方法中，最好将容易被清洗掉的其它多聚物预先盖在压电陶瓷板201或301的上下表面上，用以防止所填充的多聚物将压电柱的上下表面粘住。

图7A-7G画出了可以获得图1中的压电复合物100的一种替代的制造方法。一块压电陶瓷板501暂时用蜡或类似物502粘结到切割底座503上（见图7A），而后，将压电板，亦即振子，自504处完全切开，以形成相互有适当间距的振子段505（见图7B）。接着，将振子段505取下，并用蜡或类似物507再次暂时粘结到切割底座506上，保持一定的间隔，见图7C。在每块振子段505上，切出每个宽度都为d的沟槽508。然后，如图7D所示，将多聚物509填入各个沟槽。而后，将每个振子段505从底座上取下，于是成为如图7E所示的小段510。此时，各个元件511已由多聚物509彼此互相粘住。此后，如图7F所示，将各个小段510安排在一个底座512上，彼此相距d。其后，如图7G所示，用多聚物514填入每一空格513，并接着取下底座512，于是，制成了压电复合物。在这种制造方法中，可以用不同的材料形成多聚物509和510。

在上述制造方法中，为了在图7F所表示的工序中有效地安置那些小段510，最好事先在底座512的上表面形成一些浅槽，用以安排小段510。

图7A-7G所示的制造方法之优点在于：因为不必切割用以填充多聚物的沟槽，所以减少了在切割沟槽时可能造成的压电陶瓷的破损。

在用上述方法获得的压电聚合物中，如果所使用的多聚物材料是易弯曲的，则复合物本身也成为易弯曲的。因此，使得容易形成各种形状的，例如表面为凹形的换能器成为可能的。作为一个例子，图8A-8F画出了制造一个有圆形凹面的换能器的制造方法。

首先，如图8A所示，准备好一块圆形的压电复合物410。这块圆形压电复合物是将用图4A-4C、图5A-5H或图6A-6B所示方法制出的压电复合物切成圆形而得到的。或者，如果使用一块圆形的压电陶瓷板作为图4A中的301，那么圆形压电复合物即可自然地制备出来。注意到：图8A中的402表示多聚物基体，而403表示压电柱。此后，如剖视图8B中所示，用树脂（蜡或类似物）将压电复合物401粘结到球404的表面上，所用的粘合剂遇热时须能变软，所说的球404应具有与所期望的凹下表面相同的曲率。

然后，用网板印刷或蒸发等方法，在压电聚合物401的上表面上形成一电极406。此时，为了防止在401的侧边也形成电极，最好用蜡将所说的侧边盖住。接着，如剖视图8C中所示，用导电软膏将一信号引线407连接到球404，并在电极406上形成一背衬件408。或者，将已成型至所需形状的背衬件408用一种粘合剂固定到电极406上。进而，如果带有粘合作用的导电软膏用来作为电极406，则电极本身也能起到粘合剂作用。之后，经加热将球404取下，于是，如图8D所示，压电复合物401的前表面409即形成。此后，如剖视图8E所示，用网板印刷或蒸发等方法，在前表面409上形成另一电极410。在本例中，410是用作为地端电极的。其后，一地线411被连接到电极410。不过，如果只是这样设置地端电极和引线，则电极410很可能被撕下来。为此，在前表面上再形成一个薄膜412，用以保护电极410。至此，如图8F所示，一个带有凹形表面的换能器制作完毕。

在上面叙述的制造圆形换能器的方法中，最好给予适当的考虑，以便能将换能器制成双对称的。更具体地，最好将压电复合物切成这样的圆形：其中心即为图9中A点所示的压电柱的中心，或者，其中心即为图9中B点所示的至周围所环绕的四个压电柱等距离的一个点。

其中，对于一开始就用盘形压电陶瓷板而采用图5A-5H所示方法来的取得压电复合物的情况，最好还是采用图10A和10B所示的方法。更具体地说，如图10A所示那样，首先在圆盘状压电陶瓷板701的周围形成一辅助环703，辅助环703可为环氧树脂之类的材料。继而，如图10B所示，将辅助环703自参考线704和705处切开，这里的参考线704、705相应于图5C中的参考线305、306。这样，所期望的压电复合物即可用类似于图5A-5H所示之方法经切割和填充等工序而制得。

Claims (3)

1、一种由结构为若干压电陶瓷柱（101）埋入板状多聚物基体（102）并且压电陶瓷柱垂直于板的表面，其每个压电柱（101）的高度（h）大于两个相邻压电柱之间的间隔距离（d）的压电复合物制成的超声换能器，其特征在于所述的压电柱（101）相对于压电复合物（100）的体积比在0.15至0.75的范围内。

2、一种由结构为若干压电陶瓷柱（101）埋入板状多聚物基体（102）并且压电陶瓷柱垂直于板的表面，其每个压电柱（101）的高度（h）大于两个相邻压电柱之间的间隔距离（d）的压电复合物制成的超声换能器，其特征在于由以下工序组成：沿深度方向切割压电陶瓷板，并保留一部分不使切透;将多聚物填入切出的沟槽中;翻转所说的压电陶瓷板;切出另一些沟槽并与所说的切好的沟槽相通;将多聚物填入所说的另一些切好的沟槽中。

3、一种由结构为若干压电陶瓷柱（101）埋入板状多聚物基体（102）并且压电陶瓷柱垂直于板的表面，其每个压电柱（101）的高度（h）大于两个相邻压电柱之间的间隔距离（d）的压电复合物制成的超声换能器，其特征在于由以下工序组成：沿深度方向从压电陶瓷板的任意一个表面切入，并保留一部分不使切透;将多聚物填入所说的切出的沟槽中;磨削所说的压电陶瓷板的另一面，直至露出所说的填充多聚物为止。

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