[发明专利]一种无铅压电单晶高频超声换能器及其制备方法

说明书

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。

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 mol％Mn，Mn掺杂范围为0.1～8mol％，沿<001>方向切片，制成单晶厚片；

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；