[其他]复合式超声换能器及其制造方法

说明书

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。

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。