高頻壓電晶體復(fù)合材料、用于制造其的裝置和方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2010年10月13日遞交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序號(hào)61/344,801的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)通過(guò)引用合并于本文中。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及在高頻(＞20MHz)下工作的壓電晶體和壓電晶體復(fù)合材料的領(lǐng)域。更特別地，本發(fā)明提供了優(yōu)選地用于工業(yè)和醫(yī)療超聲應(yīng)用的用于高分辨率成像的高頻壓電晶體復(fù)合材料，并且甚至更特別地提供了制造所述高頻壓電晶體復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：
通常，基于PMN-PT的壓電單晶體與傳統(tǒng)的PZT陶瓷相比具有優(yōu)越的介電和壓電特性。為了更加全面地利用單晶體的優(yōu)良特性，已經(jīng)制造出晶體復(fù)合材料以提高電磁耦合系數(shù)以及因此提供換能器性能特性。對(duì)于超聲換能器，工作頻率與壓電材料的厚度成反比相關(guān)。因此，隨著目標(biāo)工作頻率增加，壓電材料的厚度相應(yīng)地減小，這造成了操作上和機(jī)電上的難題。另一方面，為了保持壓電復(fù)合材料的高的機(jī)電耦合系數(shù)，對(duì)于壓電晶體柱已經(jīng)嘗試了最優(yōu)的縱橫比。為了適應(yīng)厚度和縱橫比的要求，在高頻復(fù)合材料中壓電材料的特征尺寸需要減小以滿足最優(yōu)的比率。已經(jīng)提供了用于大概由美國(guó)專利7,622,853(Rehrig等人，轉(zhuǎn)讓給SciMedLifeSystems有限公司)獲知的微加工成像換能器的這種醫(yī)療應(yīng)用的一種嘗試，該專利的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并于本文中。如美國(guó)專利7,622,853中提到的，醫(yī)療裝置設(shè)置有換能器組件，換能器組件包括使用光刻微加工法形成的壓電合成板。其中提到了在’853專利中的特定步驟?！?53專利另外提到了微加工電極的PZT陶瓷的常規(guī)難題，但是未能調(diào)整至下文提及的所理解到的難題并且另外包括了對(duì)電場(chǎng)的有害影響以及對(duì)應(yīng)變的夾緊效應(yīng)?，F(xiàn)在理解到了對(duì)在不能達(dá)到的深度內(nèi)的進(jìn)一步成像分辨率和靈敏度的需要。最后，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，通常在與低頻換能器相比較高的電場(chǎng)中驅(qū)動(dòng)高頻換能器。因此，對(duì)于改進(jìn)的高頻壓電晶體復(fù)合材料、用于制造所述高頻壓電晶體復(fù)合材料的任選的相關(guān)裝置和進(jìn)一步任選的方法存在需求。相關(guān)公開(kāi)包括下列公開(kāi)，各公開(kāi)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用完全合并于本文中：1.P.Han，W.Yan，J.Tian，X，huang，H.Pan，“CutdirectionsfortheoptimizationofpiezoelectriccoefficientsofPMN-PTferroelectriccrystals”，AppliedPhysicsLetters，86卷，第5號(hào)(2005).2.S.Wang等人，“DeepReactiveIonEtchingofLeadZirconateTitanateUsingSulfurhexafluorideGas”，J.Am.Ceram.Soc.，82(5)1339-1341，1999.3.A.M.Efremov等人，“EtchingMechanismofPb(Zr，Ti)O3ThinFilmsinCl2/ArPlasma”，PlasmaChemistryandPlasmaProcessing2(1)，pp.13-29，2004年3月.4.S.Subasinghe，A.Goyal，S.Tadigadapa，“HighaspectratioplasmaetchingofbulkLeadZirconateTitanate”，inProc.SPIE-Int.Soc.Opt.Engr，由Mary-AnnMaher，HaroldD.Stewart和Jung-ChihChiao編輯(SanJose，CA，2006)，pp.61090D1-9.發(fā)明概述作為回應(yīng)，現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到改進(jìn)基于PMN-PT的壓電晶體復(fù)合材料的本發(fā)明以及用于制造所需的復(fù)合晶體元件的方法并且在此處提供。本發(fā)明一般涉及高頻壓電晶體復(fù)合材料，以及用于制造高頻壓電晶體復(fù)合材料的方法。在適應(yīng)性的實(shí)施方案中，包括成像換能器組件的用于高頻(＞20MHz)應(yīng)用的改進(jìn)的成像裝置、尤其是醫(yī)學(xué)成像裝置或距離成像裝置與信號(hào)圖像處理器耦合。另外，改進(jìn)的發(fā)明提供了用于基于光刻法的微加工壓電晶體復(fù)合材料的系統(tǒng)及其使得性能參數(shù)提高的應(yīng)用。本發(fā)明另外涉及成像裝置，尤其是醫(yī)療裝置，并且特別地涉及用于所提出的晶體復(fù)合材料的新穎結(jié)構(gòu)和復(fù)合晶體元件的改進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像裝置和系統(tǒng)。本發(fā)明的另一方案是，創(chuàng)新的制造方法使得商業(yè)生產(chǎn)晶體復(fù)合材料可行且實(shí)用。高頻晶體復(fù)合材料(20MHz至＞100MHz)，以及厚度機(jī)電耦合因數(shù)k10.65-0.90能夠用于性能顯著提高的醫(yī)學(xué)超聲成像和診斷。高頻晶體復(fù)合材料尤其能夠應(yīng)用于與皮膚、眼睛、血管內(nèi)的、向內(nèi)的、顱內(nèi)的、腔內(nèi)的或管腔內(nèi)的醫(yī)學(xué)診斷裝置一起使用。這些裝置可用于涉及皮膚病學(xué)超聲、眼科學(xué)超聲、腹腔鏡檢查超聲、心內(nèi)超聲、血管內(nèi)超聲的應(yīng)用。本發(fā)明的另一方案認(rèn)識(shí)到當(dāng)換能器激勵(lì)場(chǎng)也高時(shí)具有高矯頑場(chǎng)(EC)的晶體的使用。在本發(fā)明的一個(gè)可選的方案中，三元晶體Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)和其它基于PMN-PT的晶體被認(rèn)識(shí)到具有比二元PMT-PT晶體改進(jìn)的熱特性和電特性。結(jié)果，本發(fā)明的可選的實(shí)施方案采用基于這些晶體的晶體復(fù)合材料，這些晶體復(fù)合材料現(xiàn)在被認(rèn)識(shí)到繼承了三元晶體的改進(jìn)的特性。在特定閥門的一個(gè)方案中，提供基于壓電PMN-PT的晶體復(fù)合材料，其具有由公式：I：x*Pb(B’1/2B”1/2)O3-y*PbTiO3-(1-x-y)*Pb(Mg1/3Nb2/3)O3表示的晶體組成，其中x被限定為0.00至0.50的摩爾百分比；并且y被限定為0.00至0.50的摩爾百分比，B’表示銦(In)、鐿(Yb)、鈧(Sc)或鐵(Fe)，B”表示鈮(Nb)或鉭(Ta)。另外，公式I與如下添加劑組合：高達(dá)總分批重量的5％(wt％)的錳(Mn)和/或高達(dá)總分批重量的10％(wt％)的鈰(Ce)。在特定發(fā)明的一個(gè)方案中，提供基于壓電PMN-PT的晶體復(fù)合材料，其具有由公式II：x*ABO3-y*PbTiO3-(1-x-y)*Pb(Mg1/3Nb2/3)O3表示的晶體組成，其中，x被限定為0.00至0.50的摩爾百分比；并且y被限定為0.00至0.50的摩爾百分比，A表示鉛(Pb)或鉍(Bi)，B表示銦(In)、鐿(Yb)、鐵(Fe)、鋯(Zr)、鈧(Sc)、鈮(Nb)、鉭(Ta)或上述元素的組合。另外，公式II可與如下添加劑組合：高達(dá)總分批重量的5％(wt％)的錳(Mn)和/或高達(dá)總分批重量的10％(wt％)的鈰(Ce)。在本發(fā)明的另一方案中，通過(guò)包含基于光刻法的微加工的方法來(lái)制備具有上述公式I或II的壓電晶體復(fù)合材料。在本發(fā)明的發(fā)明的另一方案中，如本文所提到的，所提出的復(fù)合材料柱具有大于0.50、優(yōu)選地大于1.0且更優(yōu)選地大于2.0的柱高度(H)與有效柱寬度(W)的縱橫比H∶W。在發(fā)明的另一方案中，所提出的復(fù)合材料是混合式1-3構(gòu)造的不連續(xù)六邊形布置，并且壓電晶體被(001)切割且沿<001>方向定極。在本發(fā)明的另一方案中，所提出的復(fù)合材料是混合式1-3構(gòu)造的不連續(xù)六邊形布置，并且壓電晶體被(011)切割且沿<011>方向定極，其中聚合填充線在遠(yuǎn)離方向+/-32.5°(+/-2.5°)的方向上延伸。在本發(fā)明的另一方案中，所提出的復(fù)合材料為平行四邊形混合式2-2/1-3構(gòu)造，并且壓電晶體被(011)切割且沿<011>方向定極，其中聚合填充線在遠(yuǎn)離方向+/-32.5°(+/-2.5°)的方向上延伸。在結(jié)合附圖閱讀研究下面的說(shuō)明時(shí)，本發(fā)明的上述以及其它的方案、特征、系統(tǒng)、方法和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見(jiàn)，其中相似的附圖標(biāo)記表示相同的元件。目的在于，包括在本說(shuō)明書(shū)內(nèi)的所有這些附加的系統(tǒng)、方法、特征、組成和細(xì)節(jié)在本發(fā)明的范圍內(nèi)并且受隨附權(quán)利要求保護(hù)。附圖說(shuō)明圖1為根據(jù)本發(fā)明的基于光刻法的微加工處理的流程圖。圖2為用于對(duì)來(lái)自成像換能器的信號(hào)進(jìn)行可操作地成像的與數(shù)字換能器信號(hào)信號(hào)處理器可操作地耦合的成像換能器布置的示例性的示意圖。圖3為用于PMN-PT晶體的(011)平面(從紙面向外的平面)上的d31的計(jì)算值的2維繪圖。圖3表示微應(yīng)變?cè)谇€之間沿+/-32.5°的方向(見(jiàn)箭頭)上完全為零。使用公式d’31＝d31*Cos(θ)*Cos(θ)+d32*Sin(θ)*Sin(θ)來(lái)計(jì)算。圖4A為具有六邊形結(jié)構(gòu)、被<001>切割的用于換能器的混合式1-3晶體復(fù)合材料的示例的立體圖，標(biāo)注出方向取向以及環(huán)氧聚合物和晶體的標(biāo)識(shí)，由于<001>切割使得對(duì)夾緊方向無(wú)影響。圖4B為依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的具有六邊形結(jié)構(gòu)、被<001>切割、厚度為30μm的用于換能器的圖4A的1-3晶體復(fù)合材料的俯視SEM圖像，其中黑色線被理解為填充有環(huán)氧聚合物的截口。圖5A為具有六邊形結(jié)構(gòu)的、被<011>切割的用于換能器的1-3晶體復(fù)合材料的示例性的立體圖，標(biāo)注出方向取向以及環(huán)氧聚合物和晶體的標(biāo)識(shí)。圖5B為依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的具有六邊形結(jié)構(gòu)、被<011>切割、厚度為22μm的用于換能器的圖5A的混合式1-3晶體復(fù)合材料的俯視SEM圖像，其中黑色線為填充有環(huán)氧聚合物的截口。圖5C為如圖5A和圖5B中的六邊形多邊形布置的示例性的取向圖，標(biāo)注出截口取向處于所標(biāo)出的30°，以及在30°和35°之間的夾緊方向，優(yōu)選地距方向取向+/-32.5°。圖5D為與計(jì)算不方正的有效柱寬度有關(guān)的示例性的尺寸標(biāo)注導(dǎo)向，此處由用于縱橫比考慮的對(duì)角寬度和高度來(lái)計(jì)算平均寬度。圖6A為依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的通過(guò)填充有環(huán)氧聚合物的截口使得橫向夾緊效應(yīng)最小化的具有平行四邊形(菱形)結(jié)構(gòu)的用于換能器的1-3晶體復(fù)合材料的示例性的立體圖。圖6B為用于較高耦合因數(shù)的混合式1-3晶體復(fù)合材料(圖6A)的(011)切割的示例性的平面圖，其中使得橫向填充有環(huán)氧聚合物的截口在+/-32.5°(+/-2.5°)且因此無(wú)應(yīng)變。注釋了夾緊效應(yīng)方向。圖7A為截口填充線在相對(duì)于方向的+/-32.5°(+/-2.5°)方向上的(011)切割的所提出的混合式2-2/1-3晶體復(fù)合材料的示意性圖案的圖。圖7B為依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的如圖7A中的(011)切割的混合式2-2/1-3晶體復(fù)合材料的俯視的SEM圖像。圖7C為示出截口填充線在相對(duì)于方向的+/-32.5°(+/-2.5°)方向上的(011)切割的所提出的混合式2-2/1-3晶體復(fù)合材料的示意性圖案的圖的圖7A的立體圖。發(fā)明詳述現(xiàn)在將詳細(xì)地參照本發(fā)明的實(shí)施方案，在附圖和說(shuō)明書(shū)中相同或相似的附圖標(biāo)記盡可能地用于指代相同或相似的部件或步驟。附圖為簡(jiǎn)化的形式而不是按精確的刻度。僅為了方便和清晰的目的，方向(上/下等)或運(yùn)動(dòng)(前/后等)術(shù)語(yǔ)可針對(duì)附圖使用。這些和相似的方向術(shù)語(yǔ)不應(yīng)被解釋為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。如本文所使用的，米勒指數(shù)標(biāo)識(shí)符用作在具有由一組3個(gè)整數(shù)表示的三個(gè)軸的晶格中用于原子平面的取向的向量表示，例如，使用例如<010>或的這種常規(guī)標(biāo)識(shí)符。在本文中另外使用的，例如關(guān)于聚合(環(huán)氧)區(qū)域填充有壓電非活性材料的本發(fā)明的圖像，術(shù)語(yǔ)“截口”的使用不限于由任何類型的機(jī)械鋸形成的區(qū)域，而是術(shù)語(yǔ)“截口”由本領(lǐng)域技術(shù)人員廣義地理解為表示壓電柱之間的接收聚合材料的區(qū)域，無(wú)論實(shí)際的區(qū)域是否由鋸形成，或者是通過(guò)本文討論的任何其它制造工藝形成。另外，說(shuō)明的方法(M-N標(biāo)簽慣例)用于描述壓電材料和聚合材料的每個(gè)部分連續(xù)延伸的方向的數(shù)量，其中M表示壓電(PMN-PT)材料延伸的連續(xù)方向的數(shù)量，并且N表示聚合(環(huán)氧)材料連續(xù)延伸的方向的數(shù)量。盡管技術(shù)人員理解該慣例，但是如本文所修改的，本文所指明的結(jié)構(gòu)絕不是受約束于M-N慣例，因此申請(qǐng)人要求進(jìn)行混合式理解，其中方向延伸通常仍保留，但是不連續(xù)或間斷，例如，通過(guò)與沿不同而且也連續(xù)的方向延伸的交叉方向的聚合材料交叉。以此方式，將理解的是(如稍后描述)六邊形結(jié)構(gòu)包含不連續(xù)的、間斷的或混合式的聚合(環(huán)氧)材料方向，其中聚合材料方向僅在沿著壓電材料本身的長(zhǎng)度的一個(gè)方向上是線性的，而其它聚合(環(huán)氧)方向由于遇到壓電材料而是間斷方向或不連續(xù)方向。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案進(jìn)一步具有這樣的結(jié)構(gòu)：具有不連續(xù)或間斷的側(cè)部的壓電材料元件與鄰近的壓電材料元件的相應(yīng)的側(cè)部/邊緣對(duì)準(zhǔn)的結(jié)果，使得側(cè)部/邊緣可以不共平面(在相同平面上)而是可以在平行的平面上延伸。本發(fā)明的又一實(shí)施方案不包含簡(jiǎn)單的規(guī)則單元元件(圖7A-7C，例如)，而是需要M-N慣例的另外的混合。本發(fā)明涉及20MHz至＞100MHz的高頻壓電單晶體復(fù)合材料/復(fù)合材料晶體元件及其制備工藝。新穎的高耦合因數(shù)的晶體復(fù)合材料能夠廣義地取代早期的材料，諸如用于高頻換能器的壓電陶瓷、單晶體和傳統(tǒng)的晶體復(fù)合材料?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，討論了基于光刻法的微加工工藝100的工藝流程。在第一步驟10中，壓電單晶體材料(稍后示出)的板或塊，諸如基于PMN-PT(鉛鎂鈮酸鹽-鉛鈦酸鹽)的晶體，諸如二元固體溶液PMN-PT和三元固體溶液PIN-PMN-PT(鉛銦鈮酸鹽-鉛鎂鈮酸鹽-鉛鈦酸鹽)或PYbN-PMN-PT(鉛鐿鈮酸鹽-鉛鎂鈮酸鹽-鉛鈦酸鹽)或者這些晶體上方有摻雜劑(Mn、Ce、Zr、Fe、Yb、In、Sc、Nb、Ta及其它)。這種基于PMN-PT壓電晶體的三元晶體現(xiàn)在被認(rèn)識(shí)到具有改進(jìn)的熱穩(wěn)定性和允許具有較高的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)的增強(qiáng)的矯頑場(chǎng)。晶體復(fù)合材料和復(fù)合晶體元件具有新穎的特征和/或新的結(jié)晶切割方向。能夠通過(guò)包括光刻法、深反應(yīng)離子刻蝕、精密機(jī)械整飾和電極涂層的專有工序來(lái)制造晶體復(fù)合材料。板(未顯示)優(yōu)選地疊接在兩個(gè)側(cè)部上并且在一個(gè)側(cè)部上進(jìn)行拋光。疊接和未拋光的側(cè)部隨后能夠與玻璃載體(未顯示)接合，玻璃載體與硅、Si、晶體(未顯示)接合。板的規(guī)格在十(10)毫米(“mm”)×十(10)mm×0.20mm至1.20mm厚度的范圍內(nèi)；但是，規(guī)格可以為任何尺寸。板的材料為具有沿著<001>或<011>結(jié)晶方向取向的電極面的單晶體。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，單晶體結(jié)構(gòu)能夠...