一種無鉛壓電單晶高頻超聲換能器及其製備方法與流程
2023-09-18 04:12:20
本發明涉及高頻超聲換能器技術領域，具體指一種應用高性能無鉛壓電單晶元件的超聲換能器及其製備方法。
背景技術：
超聲換能器(ultrasonictransducer)是超聲成像、檢測、治療系統的關鍵組成部件。壓電材料是超聲換能器的換能元件，其對超聲換能器的性能乃至整個超聲成像系統的性能至關重要。其中，高壓電係數、高機電耦合係數及高的溫度穩定性是壓電材料發展的重要方向。近年來，具有更高解析度的高頻醫學超聲技術成為具有醫學應用價值的新一代醫學超聲技術。其中，血管內超聲、眼科超聲成像等高頻超聲技術更是成為醫學超聲領域的最具增長價值的方向之一，如血管內超聲成像技術(ivus)，利用微小型高頻超聲探頭，實時顯示血管的截面圖像，獲取管壁的厚度、管腔大小和形狀及截面積等信息，在血管病診療和冠心病診療領域發揮了重要作用。目前，傳統的醫療超聲換能器主要採用pb(zr1-xtix)o3(pzt)壓電陶瓷作為壓電功能材料，但基於pzt陶瓷製備的超聲探頭帶寬-6db和靈敏度僅為55～70％，並且隨著全球對環境保護問題的重視，環境友好型壓電材料已然成為現今社會科技發展的大勢所趨，基於傳統pzt陶瓷的醫療超聲換能器在製備及廢棄過程中對環境和人體的鉛汙染問題至今仍無法解決。因此，對可應用於醫用超聲換能器的高性能無鉛壓電材料及器件的需求已是迫在眉睫。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術存在的缺失或不足，提出一種通過機械減薄-化學機械減薄-反應離子刻蝕相結合的減薄方式來將無鉛壓電單晶材料加工成一種高性能無鉛單晶元件，並以此元件來製備一種環境友好型高頻超聲換能器，從而解決現有技術中存在的高頻與環境及人體鉛汙染問題。
為達到上述目的，本發明採用如下技術方案:
本發明一種無鉛壓電單晶高頻超聲換能器，由聲匹配層，發聲材料，背襯層，金屬外殼組成。
其中，聲匹配層為聚對二甲苯；發聲材料為無鉛壓電單晶高頻壓電元件；背襯層為導電膠；金屬外殼為不鏽鋼材料。
工作頻率為20mhz至300mhz。
所述發聲材料為mn:knn單晶元件，厚度範圍在3μm至200μm，mn摻雜範圍為0.1～8％mol。
所述背襯層為導電膠，聲阻抗範圍為3～7mrayl。
本發明一種無鉛壓電單晶高頻超聲換能器及其製備方法，由以下步驟：
a)採用高居裡溫度的無鉛mn:knn摻雜壓電單晶材料，單晶化學式為(k0.44na0.46)nbo3-xmol％mn，mn摻雜範圍為0.1～8mol％，沿方向切片，製成單晶厚片；
b)對單晶厚片進行極化，極化條件：溫度範圍為20℃～200℃，最佳極化溫度為110℃；極化電壓範圍為100v～1000v，最佳極化電壓為460v；極化時間範圍1～300min，最佳極化時間為15min；
c)將單晶厚片一側進行拋光；
d)使用au或pt電極進行濺射；
e)對單晶厚片依次通過機械研磨、化學機械減薄、反應離子刻蝕減薄方法減，設定厚度為3μm至200μm，製成單晶元件；
f)單晶元件在氧氣氣氛中退火，氧分壓範圍在5×104pa至1×105pa，最佳氧分壓8×104pa；退火溫度為400℃～800℃，最佳退火溫度為600℃；退火時間為1h至15h，最佳退火時間為6h；
g)在拋光面澆鑄背襯材料導電膠，並進行研磨至所設計指定厚度；
h)切割單晶元件，連接引線到背襯層；
i)在未拋光面濺射au層以形成接地平面連接；
j)採用導電膠連接信號屏蔽線至金屬外殼內側，連接電纜；
k)沉積聚對二甲苯薄層，用作聲匹配層和保護層，沉積厚度依據設計而定；
l)將單晶元件封裝在金屬外殼內，縫隙用保護凝膠填充。
其中，機械減薄，研磨效率高，可快速減薄至零點幾毫米，但是容易出現表面層/亞表面層損傷；化學機械減薄進一步減薄至十微米量級，但材料去除效率較低，不能修正表面型面精度，一致性差；最後通過反應離子刻蝕進一步減薄壓電單晶元件厚度至3μm-200μm，減少表面層/亞表面層損傷來降低表面損耗，提高晶體質量和壓電性能，提高壓電係數；三種減薄方法相結合可有效減薄並進一步降低單晶的介電損耗，提高壓電性能。減薄後，對單晶元件進行氧氣(富氧氛圍)退火處理，退火溫度為600℃，退火時間為6h，以去除表面損傷層、殘餘機械應力以及單晶的內部缺陷。接著對其進行極化，再進行超聲換能器的製備，可大大提升其性能。
本發明製備的壓電單晶元件，由於壓電單晶元件具有高壓電係數，超過300pc/n,，高機電耦合係數，超過65％，有利於大幅提升超聲換能器的帶寬和靈敏度，對提升超聲成像和檢測的解析度具有重要作用，同時，其高居裡溫度，達到400℃以上，有利於超聲換能器和超聲診斷的可靠性和穩定性。
本發明製備的高頻超聲換能器，採用3μm-200μm的mn:knn摻雜壓電單晶元件，實現了工作頻率達20mhz至300mhz，高的工作頻率能夠大幅提高超聲診斷的解析度，滿足了血管內成像、眼科成像等新一代高頻醫學超聲技術的應用要求。與此同時，採用mn:knn摻雜壓電單晶元件，具有較寬的帶寬高達70.2％，也將大幅提升超聲診斷的解析度和準確性，提高了超聲換能器的測量範圍。
附圖說明
圖1為本發明所述高頻超聲換能器結構示意圖；
圖2為本發明實施例工藝流程框圖；
圖3為本發明實施例的單晶材料xrd；
圖4為本發明實施例的單晶材料導納譜；
圖5為本發明實施例高頻超聲換能器脈衝回波波形圖和頻譜。
具體實施方法
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述
一種無鉛壓電單晶高頻超聲換能器(如附圖1所示)，由聲匹配層1，發聲材料2，背襯層3，金屬外殼4組成。
其中，聲匹配層1為聚對二甲苯；發聲材料2為無鉛壓電單晶高頻壓電元件；背襯層3為導電膠；金屬外殼4為不鏽鋼材料。工作頻率為20mhz至300mhz。
本發明一種無鉛壓電單晶高頻超聲換能器製備方法，其工藝流程(如附圖2所示)。
實施例中涉及的材料knn-0.5mol％mn單晶的x射線衍射圖通過bruker公司的d8focusx射線衍射儀測量(如附圖3所示)。
介電性能測試是用agilent4294a型阻抗分析儀(安捷倫科技有限公司)測得樣品電阻抗、電容、電導(如附圖4所示)。
實例1:
[1]根據設計和模擬，沿方向切片，knn-0.5mol％mn單晶經機械減薄-化學機械減薄-反應離子刻蝕減薄至約180μm。再經在600℃下在氧氣氣氛中退火6小時以消除內應力。
[2]將樣品一側進行拋光，使用金電極進行濺射，然後將esolder3022(阻抗為5.9mrayl)澆鑄在該側作為背襯材料，將其研磨至2.5mm。
[3]使用切割將樣品切割為2.5mm×2.5mm，引線用額外量的導電環氧樹脂連接到背襯層。
[4]在換能器未拋光面上濺射au層(500nm)以形成接地平面連接。
[5]最後，在換能器的正面上作氣相沉積一層聚對二甲苯(～12μm)薄層，用作聲匹配層和保護層。
[6]信號屏蔽線用導電膠連接至金屬外殼內側，連接電纜，封裝探頭。
實例2:
[1]根據設計和模擬，沿晶向切片，knn-0.5mol％mn單晶經機械減薄-化學機械減薄-反應離子刻蝕減薄至約50μm。再經在600℃下在氧氣氣氛中退火6h以消除內應力。
[2]將樣品一側進行拋光，使用金電極進行濺射，然後將esolder3022(阻抗為5.9mrayl)澆鑄在該側作為背襯材料，將其研磨至0.05mm。
[3]使用切割鋸將樣品切割為0.5mm×0.6mm，引線用額外量的導電環氧樹脂連接到背襯層。
[4]在換能器未拋光面上濺射au層(150nm)以形成接地平面連接。
[5]最後，在換能器的正面上作氣相沉積一層聚對二甲苯薄層，用作聲匹配層和保護層。
[6]信號屏蔽線用導電膠連接至金屬外殼內側，連接電纜，封裝探頭。
對實例2所制超聲換能器進行表徵，通過聲脈衝接收器(5073pr，olympus，japan)以及示波器(agilent54810ainfinium)得到脈衝回波波形圖和頻譜(如附圖5所示)。
綜上所述，本發明一種基於無鉛壓電單晶材料的高頻超聲換能器及其製備方法，特別通過機械減薄-化學機械減薄-反應離子刻蝕相結合的減薄方式，將無鉛壓電單晶材料加工成一種高性能無鉛單晶元件，並以此元件製備一種環境友好型高頻超聲換能器，從而解決現有技術中存在的高頻與環境及人體鉛汙染問題。為超聲成像、檢測、治療的醫療行業的提供高壓電係數、高機電耦合係數及高的溫度穩定性的高頻超聲換能器的堅實技術基礎作出貢獻。