[发明专利]聚焦型超声换能器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种聚焦型超声换能器及其制备方法。

背景技术

超声换能器是超声成像和超声检测系统的关键组成部分，实现着电能和声能（机械能）之间的转换，医学中常将超声换能器称作探头。压电材料是超声换能器的换能元件，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。在过去几十年中，超声换能器在结构设计上有了诸多改进和提高，但在换能材料上一直以来多采用PZT系压电陶瓷，这一方面是由于PZT陶瓷较好的压电性能，另一方面是由于PZT陶瓷生产成本低廉易于大规模生产供应。但是，随着现代信息技术和医疗技术的不断向前发展，对超声换能器提出了更高的要求，迫切需要高灵敏度、高带宽以及高分辨率的超声换能器来获取高清晰度的成像数据，为医疗诊断和工业无损探测提供内容更为丰富准确的检测结果。以铌镁酸铅-钛酸铅（化学组成为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃，简称为PMNT）压电单晶为代表的高性能压电材料在准同型相界附近具有非常优异的压电和机电耦合性能，d₃₃,d₃₁>2000pC/N、k₃₃,k₃₁>90%，这些性能都远远高于常用的压电陶瓷材料。国内的罗豪甦等人已经采用改进的Bridgman方法成功地实现了高质量大尺寸PMNT单晶的批量生产（中国专利号ZL99113472.9），为新型压电单晶在超声换能器上的应用提供了材料上的保证。

聚焦型超声换能器可以获得更高的带宽和分辨率，提高换能器的分辨率可以有效提高成像质量。传统的超声换能器采用PZT陶瓷作为压电材料，PZT陶瓷通过静压法、注模法、研磨法等可以获得聚焦型压电振子，从而用于制备聚焦型超声换能器。而新型压电单晶材料（如PMNT，PIMNT单晶）结构上容易脆裂，切割出来的平面型压电振子无法通过简单施加外力来获得聚焦型压电振子，另外晶体材料的性能上表现出各向异性，通过研磨可以获得聚焦型的单晶压电振子，但是辐射面偏离压电性能最优的晶面，压电振子的性能必然大大降低，因此，新型压电单晶在聚焦型超声换能器上的应用还比较困难，需要一种新的设计和制作方法来实现。

发明内容

本发明针对现有技术中超声换能器的灵敏度、带宽及分辨率不够高，不能提供高清晰度的成像数据，特提供一种聚焦型超声换能器。

本发明的聚焦型超声换能器依次包含有匹配层、压电振子层和背衬块，所述压电振子层的材料为压电单晶/聚合物1-3复合材料；所述压电单晶/聚合物1-3复合材料的压电单晶为铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃，铌镁酸铅-钛酸铅晶体方向为<001>方向；或铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为xPb(In_1/2Nb_1/2)O₃-yPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x-y)PbTiO₃，铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体方向为<001>方向；其中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1；优选地，0.2≤x≤0.4，0.2≤y≤0.4。

较佳地，采用切割填充法制备压电单晶/聚合物1-3复合材料，复合材料中压电单晶的体积比在0.2~0.8范围之间。

较佳地，所述压电单晶/聚合物1-3复合材料为压电单晶/环氧树脂或压电单晶/环氧树脂1-3复合材料。

所述匹配层包含外匹配层和内匹配层；所述内匹配层采用聚合物如环氧树脂和填料（如钨粉、氧化锆陶瓷粉等）按照不同填充比来调配制得；所述外匹配层采用声阻抗较低的环氧树脂固化制得。

所述背衬块上与所述压电振子层接触的面为柱形曲面；所述背衬块采用高声阻抗高声衰减的复合材料，如在环氧树脂中填入高填充比的钨粉制备，为提高声衰减系数，适当增加基料的柔性，即进行改性处理，通过加入聚硫橡胶的方法实现。

所述聚焦型超声换能器具有若干相同结构的相互平行的换能器阵元，各个换能器阵元的一端独立引出信号线，用以施加激励信号和接收回波信号，另一端可用于连接公共地线。