一种无铅压电单晶高频超声换能器及其制备方法

摘要

本发明一种无铅压电单晶高频超声换能器及其制备方法，涉及高频超声换能器技术领域。所述高频超声换能器由声匹配层(1)，发声材料(2)，背衬层(3)，金属外壳(4)组成，工作频率为20MHz至300MHz。其中，声匹配层(1)为聚对二甲苯；发声材料(2)为无铅压电单晶高频压电元件；背衬层(3)为导电胶；金属外壳(4)为不锈钢材料。高频超声换能器的制备方法，包括步骤：a.采用高居里温度的无铅压电单晶材料至l.将单晶元件封装在金属外壳内……。特别通过机械减薄‑化学机械减薄‑反应离子刻蚀相结合的减薄方法，将无铅压电单晶材料制成一种高性能无铅单晶元件，并以此元件制备一种换能器，解决了高频与铅污染问题。

说明书

技术领域

本发明涉及高频超声换能器技术领域，具体指一种应用高性能无铅压电单晶元件的超声换能器及其制备方法。

背景技术

超声换能器(Ultrasonic transducer)是超声成像、检测、治疗系统的关键组成部件。压电材料是超声换能器的换能元件，其对超声换能器的性能乃至整个超声成像系统的性能至关重要。其中，高压电系数、高机电耦合系数及高的温度稳定性是压电材料发展的重要方向。近年来，具有更高分辨率的高频医学超声技术成为具有医学应用价值的新一代医学超声技术。其中，血管内超声、眼科超声成像等高频超声技术更是成为医学超声领域的最具增长价值的方向之一，如血管内超声成像技术(IVUS)，利用微小型高频超声探头，实时显示血管的截面图像，获取管壁的厚度、管腔大小和形状及截面积等信息，在血管病诊疗和冠心病诊疗领域发挥了重要作用。目前，传统的医疗超声换能器主要采用Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT)压电陶瓷作为压电功能材料，但基于PZT陶瓷制备的超声探头带宽-6dB和灵敏度仅为55～70％，并且随着全球对环境保护问题的重视，环境友好型压电材料已然成为现今社会科技发展的大势所趋，基于传统PZT陶瓷的医疗超声换能器在制备及废弃过程中对环境和人体的铅污染问题至今仍无法解决。因此，对可应用于医用超声换能器的高性能无铅压电材料及器件的需求已是迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失或不足，提出一种通过机械减薄-化学机械减薄-反应离子刻蚀相结合的减薄方式来将无铅压电单晶材料加工成一种高性能无铅单晶元件，并以此元件来制备一种环境友好型高频超声换能器，从而解决现有技术中存在的高频与环境及人体铅污染问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:

本发明一种无铅压电单晶高频超声换能器，由声匹配层，发声材料，背衬层，金属外壳组成。

其中，声匹配层为聚对二甲苯；发声材料为无铅压电单晶高频压电元件；背衬层为导电胶；金属外壳为不锈钢材料。

工作频率为20MHz至300MHz。

所述发声材料为Mn:KNN单晶元件，厚度范围在3μm至200μm，Mn掺杂范围为0.1～8％mol。

所述背衬层为导电胶，声阻抗范围为3～7MRayl。

本发明一种无铅压电单晶高频超声换能器及其制备方法，由以下步骤：

a)采用高居里温度的无铅Mn:KNN掺杂压电单晶材料，单晶化学式为(K_0.44Na_0.46)NbO₃-x>

b)对单晶厚片进行极化，极化条件：温度范围为20℃～200℃，最佳极化温度为110℃；极化电压范围为100V～1000V，最佳极化电压为460V；极化时间范围1～300min，最佳极化时间为15min；

c)将单晶厚片一侧进行抛光；

d)使用Au或Pt电极进行溅射；

e)对单晶厚片依次通过机械研磨、化学机械减薄、反应离子刻蚀减薄方法减，设定厚度为3μm至200μm，制成单晶元件；

f)单晶元件在氧气气氛中退火，氧分压范围在5×10⁴Pa至1×10⁵Pa，最佳氧分压8×10⁴Pa；退火温度为400℃～800℃，最佳退火温度为600℃；退火时间为1h至15h，最佳退火时间为6h；

g)在抛光面浇铸背衬材料导电胶，并进行研磨至所设计指定厚度；

h)切割单晶元件，连接引线到背衬层；

i)在未抛光面溅射Au层以形成接地平面连接；

j)采用导电胶连接信号屏蔽线至金属外壳内侧，连接电缆；

k)沉积聚对二甲苯薄层，用作声匹配层和保护层，沉积厚度依据设计而定；

l)将单晶元件封装在金属外壳内，缝隙用保护凝胶填充。

其中，机械减薄，研磨效率高，可快速减薄至零点几毫米，但是容易出现表面层/亚表面层损伤；化学机械减薄进一步减薄至十微米量级，但材料去除效率较低，不能修正表面型面精度，一致性差；最后通过反应离子刻蚀进一步减薄压电单晶元件厚度至3μm-200μm，减少表面层/亚表面层损伤来降低表面损耗，提高晶体质量和压电性能，提高压电系数；三种减薄方法相结合可有效减薄并进一步降低单晶的介电损耗，提高压电性能。减薄后，对单晶元件进行氧气(富氧氛围)退火处理，退火温度为600℃，退火时间为6h，以去除表面损伤层、残余机械应力以及单晶的内部缺陷。接着对其进行极化，再进行超声换能器的制备，可大大提升其性能。

本发明制备的压电单晶元件，由于压电单晶元件具有高压电系数，超过300pc/N,，高机电耦合系数，超过65％，有利于大幅提升超声换能器的带宽和灵敏度，对提升超声成像和检测的分辨率具有重要作用，同时，其高居里温度，达到400℃以上，有利于超声换能器和超声诊断的可靠性和稳定性。

本发明制备的高频超声换能器，采用3μm-200μm的Mn:KNN掺杂压电单晶元件，实现了工作频率达20MHz至300MHz，高的工作频率能够大幅提高超声诊断的分辨率，满足了血管内成像、眼科成像等新一代高频医学超声技术的应用要求。与此同时，采用Mn:KNN掺杂压电单晶元件，具有较宽的带宽高达70.2％，也将大幅提升超声诊断的分辨率和准确性，提高了超声换能器的测量范围。

附图说明

图1为本发明所述高频超声换能器结构示意图；

图2为本发明实施例工艺流程框图；

图3为本发明实施例的单晶材料XRD；

图4为本发明实施例的单晶材料导纳谱；

图5为本发明实施例高频超声换能器脉冲回波波形图和频谱。

具体实施方法

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

一种无铅压电单晶高频超声换能器(如附图1所示)，由声匹配层1，发声材料2，背衬层3，金属外壳4组成。

其中，声匹配层1为聚对二甲苯；发声材料2为无铅压电单晶高频压电元件；背衬层3为导电胶；金属外壳4为不锈钢材料。工作频率为20MHz至300MHz。

本发明一种无铅压电单晶高频超声换能器制备方法，其工艺流程(如附图2所示)。

实施例中涉及的材料KNN-0.5mol％Mn单晶的X射线衍射图通过Bruker公司的D8Focus X射线衍射仪测量(如附图3所示)。

介电性能测试是用Agilent 4294A型阻抗分析仪(安捷伦科技有限公司)测得样品电阻抗、电容、电导(如附图4所示)。

实例1:

[1]根据设计和模拟，沿<001>方向切片，KNN-0.5mol％Mn单晶经机械减薄-化学机械减薄-反应离子刻蚀减薄至约180μm。再经在600℃下在氧气气氛中退火6小时以消除内应力。

[2]将样品一侧进行抛光，使用金电极进行溅射，然后将Esolder3022(阻抗为5.9MRayl)浇铸在该侧作为背衬材料，将其研磨至2.5mm。

[3]使用切割将样品切割为2.5mm×2.5mm，引线用额外量的导电环氧树脂连接到背衬层。

[4]在换能器未抛光面上溅射Au层(500nm)以形成接地平面连接。

[5]最后，在换能器的正面上作气相沉积一层聚对二甲苯(～12μm)薄层，用作声匹配层和保护层。

[6]信号屏蔽线用导电胶连接至金属外壳内侧，连接电缆，封装探头。

实例2:

[1]根据设计和模拟，沿<001>晶向切片，KNN-0.5mol％Mn单晶经机械减薄-化学机械减薄-反应离子刻蚀减薄至约50μm。再经在600℃下在氧气气氛中退火6h以消除内应力。

[2]将样品一侧进行抛光，使用金电极进行溅射，然后将Esolder3022(阻抗为5.9MRayl)浇铸在该侧作为背衬材料，将其研磨至0.05mm。

[3]使用切割锯将样品切割为0.5mm×0.6mm，引线用额外量的导电环氧树脂连接到背衬层。

[4]在换能器未抛光面上溅射Au层(150nm)以形成接地平面连接。

[5]最后，在换能器的正面上作气相沉积一层聚对二甲苯薄层，用作声匹配层和保护层。

[6]信号屏蔽线用导电胶连接至金属外壳内侧，连接电缆，封装探头。

对实例2所制超声换能器进行表征，通过声脉冲接收器(5073PR，Olympus，Japan)以及示波器(Agilent 54810A Infinium)得到脉冲回波波形图和频谱(如附图5所示)。

综上所述，本发明一种基于无铅压电单晶材料的高频超声换能器及其制备方法，特别通过机械减薄-化学机械减薄-反应离子刻蚀相结合的减薄方式，将无铅压电单晶材料加工成一种高性能无铅单晶元件，并以此元件制备一种环境友好型高频超声换能器，从而解决现有技术中存在的高频与环境及人体铅污染问题。为超声成像、检测、治疗的医疗行业的提供高压电系数、高机电耦合系数及高的温度稳定性的高频超声换能器的坚实技术基础作出贡献。