[发明专利]一种基于压电复合薄膜的双频集成超声换能器

说明书

本发明公开了一种基于压电复合薄膜的双频集成超声换能器。本发明基本结构为一种0‑0‑3型压电复合薄膜(高频压电复合薄膜)、AlN压电薄膜(超高频压电薄膜)以及三层电极的多层结构，结构自上而下包括金属上电极层、0‑0‑3型复合压电薄膜、中间金属电极层、AlN压电薄膜层、下电极层等。本发明中0‑0‑3型压电复合薄膜层超声换能器频率范围为数十～数百MHz，而AlN层超声换能器频率范围为GHz，因而通过本发明双频集成式超声换能器的设计，可通过切换不同的换能器层满足不同场景的频率及分辨率使用要求，进而达到提高超声换能器的频率使用范围以及一换能器多用的目的。

技术领域

本发明属于微机电技术领域，尤其涉及一种基于压电复合薄膜的双频集成超声换能器。

背景技术

聚合物/压电陶瓷复合材料是一种既含有聚合物又含有压电陶瓷的复合功能材料。这种复合材料既有聚合物的低声阻抗、高接收系数的特性又具有压电陶瓷高压电应变常数d₃₃、高机电耦合系数的特点。然而目前对复合压电材料的研究表明，简单的把聚合物和压电陶瓷材料混合制备而成的复合压电材料的性能并不好。这是由于这类复合压电材料中PVDF基聚合物中大多数组成为不具有压电性能的α相，具有压电性能的β相占比过小，因而一定程度上限制了复合材料的压电性能。另外，简单的将聚合物、压电陶瓷混在一起制备而成的复合压电材料极易因聚合物与陶瓷的极化电压差别导致复合材料极化不充分。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于压电复合薄膜的双频集成超声换能器。本发明基于0-0-3型压电复合薄膜及AlN薄膜制备一种双频超声换能器，通过双频集成式超声换能器的设计，可通过切换不同的换能器层满足不同场景的频率及分辨率使用要求，进而达到提高超声换能器的在数十MHZ至GHz频率使用范围，达到一换能器多用的目的，可应用于医用透皮给药、身体内部组织检测等。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于压电复合薄膜的双频集成超声换能器，包括0-0-3型压电复合薄膜层、超高频压电薄膜层和金属电极层。其中，两种压电薄膜层对应中心频率不同的两种超声换能器层。存在一个金属电极层为两种压电薄膜层共用的。

进一步地，所述超高频压电薄膜层为AlN压电薄膜层或ZnO压电薄膜层。

进一步地，所述超高频压电薄膜层采用磁控溅射法制备。所述0-0-3型压电复合薄膜层的成型方法为流延法或匀胶旋涂法。

进一步地，所述金属电极层可为单层金属或多层金属，各层金属独立地选自金、铂、铜、钛等。

进一步地，为多层结构，自上而下为上金属电极层、0-0-3型压电复合薄膜层、中间金属电极层、超高频压电薄膜层、下金属电极层。0-0-3型压电复合薄膜层和超高频压电薄膜层共用中间金属电极层。

进一步地，所述0-0-3型压电复合薄膜层包括压电聚合物、非聚合物类压电材料、MXene二维材料；其中，非聚合物类压电材料为压电陶瓷或压电单晶。具体地，通过以0维的方式在压电聚合物中添加了非聚合物类压电材料，又以0维的方式加入了MXene二维材料作为第三相，形成MXene/压电聚合物/非聚合物类压电材料的复合压电材料，作为0-0-3型压电复合薄膜层。

进一步地，所述压电聚合物为PVDF或PVDF基聚合物。

进一步地，所述PVDF基聚合物为P(VDF-TrFE)、PVDF-HFP、P(VDF-CTFE)或P(VDF-TrFE-CTFE)。

进一步地，所述压电单晶为PMN-PT、PMN、PZN-PT、LiNbO3、LiTaO₃等。所述压电陶瓷为PZN等。

进一步地，所述MXene二维材料为Ti₃C₂、Ti₂C、Ta₃CN或Ti₃CN等。