本實用新型屬于壓電單晶材料及其制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種包括壓電單晶和聚合物材料的復(fù)合壓電晶體及包括該復(fù)合壓電晶體的聲頭。

背景技術(shù)：

壓電材料能進行電能與機械能的轉(zhuǎn)換而發(fā)射與接收超聲信號，是聲學(xué)傳感器之中的核心部件。近年來，一些壓電單晶，例如弛豫鐵電單晶鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(簡寫作PMN-PT)晶體以及鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)晶體開始被運用于醫(yī)療超聲成像、無損探傷工業(yè)以及水底聲吶等領(lǐng)域。在鈦酸鉛(簡稱PT)的化學(xué)組分接近MPB相界的情況下，該晶體的厚度方向機電耦合系數(shù)(k33)可以達到90％以上，遠超過傳統(tǒng)的鋯鈦酸鉛(簡稱為PZT)壓電陶瓷材料，可使超聲及聲吶傳感器的靈敏度更高，成像質(zhì)量更清晰。

然而，由于壓電晶體具有對稱性，傳感器基元在厚度方向上的壓電效應(yīng)會被其他方向上的壓電效應(yīng)削弱，使得實際厚度方向的機電耦合系數(shù)往往達不到理想的k33值，從而不能滿足大部分醫(yī)療超聲傳感器和無損探傷傳感器對超高帶寬和靈敏度的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是，提供一種復(fù)合壓電晶體，以提高壓電晶體的厚度方向的機電耦合系數(shù)，從而滿足醫(yī)療超聲傳感器對超高帶寬和靈敏度的需求。

為達到上述目的，本實用新型提供了一種復(fù)合壓電晶體，該復(fù)合壓電晶體包括壓電單晶和高分子聚合物，所述壓電單晶的極化方向為[001]方向，切割方向為[010]方向或[100]方向；所述壓電單晶包括多個壓電單晶單元，所述 高分子聚合物包括多個高分子聚合物單元，所述壓電單晶單元與所述高分子聚合物單元平行間隔排列以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述薄膜電極分別位于由所述壓電單晶和所述高分子聚合物所形成的所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的上表面和下表面上。

所述壓電單晶為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體、鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛晶體和鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛晶體中的一種。

每個所述壓電單晶單元的截面寬度w為5μm-1mm，高寬比為1-5。

所述高分子聚合物為環(huán)氧樹脂。

在一種實施方式中，所述環(huán)氧樹脂可填充有金屬顆粒、氧化物顆粒、發(fā)泡劑、真空玻璃微珠中的一種或多種。

所述壓電單晶在所述復(fù)合壓電晶體中所占的體積分?jǐn)?shù)為20％-70％。

所述薄膜電極為鉻和金噴涂層，或鎳鉻和金噴涂層，或鎳/金噴涂層，或鍍銀層，或鍍銅層。

本實用新型還提供了一種傳感器聲頭，其包括：本實用新型所描述的復(fù)合壓電晶體、第一導(dǎo)線、第二導(dǎo)線、聲學(xué)匹配層以及聲學(xué)背襯層；其中，所述第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線的一端分別與所述薄膜電極連接，并且該第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線的另一端分別與所述聲學(xué)匹配層和所述聲學(xué)背襯層連接。

在一種實施方式中，所述聲學(xué)匹配層和所述聲學(xué)背襯層通過導(dǎo)電膠、環(huán)氧樹脂或聚氨酯與所述薄膜電極粘結(jié)。

綜上所述，本實用新型通過提供一種復(fù)合壓電晶體，從而能夠進一步提高以提高壓電晶體的厚度方向的機電耦合系數(shù)。而且，包括該復(fù)合壓電晶體的傳感器聲頭能夠提高帶寬和靈敏度，以滿足醫(yī)療超聲傳感器和無損探傷傳感器對超高帶寬和靈敏度的需求。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和示例性實施例對本實用新型作進一步說明。

圖1是本實用新型的一種示例性的復(fù)合壓電晶體1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型中所使用的一種示例性的壓電單晶單元12的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實用新型中所使用的一種示例性的壓電單晶單元12和聚合物單 元14組合的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實用新型的一種示例性的傳感器聲頭2的局部側(cè)視示意圖。

圖5是本實用新型的另一種示例性的傳感器聲頭2’的局部側(cè)視示意圖。

圖6示出了在[001]方向極化的、在不同的切割方向上的PMN-PT復(fù)合壓電晶體以及非復(fù)合壓電晶體的厚度方向機電耦合系數(shù)之比較的柱形圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖具體描述本實用新型的具體實施方式。在下文所描述的本實用新型的具體實施方式中，為了能更好地理解本實用新型而描述了一些很具體的技術(shù)特征，但是，很顯然的是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，并不是所有的這些技術(shù)特征都是實現(xiàn)本實用新型的必要技術(shù)特征。此外，在實施例的詳細描述中，方向術(shù)語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、左”、“右”等是參考附圖中的方向而使用的。由于本實用新型的實施例中的部件能夠以多個不同的方向而被放置，因此，所述方向術(shù)語的使用是為了說明而不是為了限制本實用新型。下文所描述的本實用新型的具體實施方式只是一種示例性的具體實施方式，其不應(yīng)被視為對本實用新型的限制。

參見圖1所示，本實用新型的一種示例性的復(fù)合壓電晶體1的結(jié)構(gòu)示意圖。該復(fù)合壓電晶體1包括壓電單晶、高分子聚合物和薄膜電極。該壓電單晶的極化方向為[001]方向，切割方向為[010]或[100]方向。在一種實施方式中，該壓電單晶包括多個壓電單晶單元12，該高分子聚合物包括多個高分子聚合物單元14，該壓電單晶單元12與高分子聚合物單元14平行間隔排列，從而形成一復(fù)合結(jié)構(gòu)，在該復(fù)合結(jié)構(gòu)的上下表面上分別具有薄膜電極16和18，參見圖1所示。

優(yōu)選地，該薄膜電極16、18的厚度為0.1μm-2μm，噴涂該薄膜電極的方法例如可以是磁控濺射法。所述薄膜電極可以是鉻和金噴涂層，或鎳鉻和金噴涂層，或鎳和金噴涂層，或鍍銀，或鍍銅。作為一種替代的實施方式，可以在該復(fù)合壓電晶體1的上下兩面涂上銀漿，再加溫烘干。優(yōu)選地該銀漿的厚度為1μm-10μm。

在一種實施方式中，在該復(fù)合壓電晶體1中，壓電單晶的所占的體積分 數(shù)優(yōu)選為20％-70％。

圖2示出了壓電單晶單元12的示意結(jié)構(gòu)，其中，晶體單元的長度為l，寬度為w，高度為t。在長度、寬度和高度方向上的晶向分別是[010]，[100]和[001]方向，其中，寬度和長度方向上的晶向可以互換。優(yōu)選地，寬度w在5μm-1mm之間，該壓電單晶單元12的高寬比(t:w)為1-5。

圖3是本實用新型中所使用的一種示例性的壓電單晶單元12和高分子聚合物單元14組合的結(jié)構(gòu)示意圖。其中v表示高分子聚合物單元14的寬度。

所述的壓電單晶可以是例如鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(簡寫作PMN-PT)晶體、鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)晶體和鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)晶體中的一種。每個壓電單晶單元12的截面寬度w優(yōu)選為5μm-1mm，高寬比優(yōu)選為1-5。

所述高分子聚合物可以是環(huán)氧樹脂。在一種實施方式中，該環(huán)氧樹脂可以填充有金屬顆粒、氧化物顆粒、發(fā)泡劑、真空玻璃微珠中的一種或多種，以減少環(huán)氧樹脂對晶體振動的阻礙作用，提高復(fù)合壓電晶體的機電耦合系數(shù)。

本實用新型還提供了一種包括上述復(fù)合壓電晶體1的傳感器聲頭2，如圖4所示，該傳感器聲頭2除了包括復(fù)合壓電晶體1之外，還包括第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線(未示出)、聲學(xué)匹配層26和聲學(xué)背襯層28。其中，第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線分別從薄膜電極16和18上引出，并分別與聲學(xué)匹配層26和聲學(xué)背襯層28連接。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述聲學(xué)匹配層26和所述聲學(xué)背襯層28通過導(dǎo)電膠、環(huán)氧樹脂或聚氨酯25分別與所述薄膜電極16和18粘結(jié)，如圖5所示。

本實用新型還提供了一種制備復(fù)合壓電晶體1的方法。在一種示例性方法中，包括了下述的工藝步驟：

(1)選擇合適的壓電單晶，在一種實施方式中，可以從例如PMN-PT晶體、PZN-PT晶體和PIN-PMN-PT晶體選擇一種。

(2)用X光衍射法對該壓電單晶進行定向，以確定[001]、[010]及[100]方向。

(3)沿該壓電單晶的[010]或[100]方向切出平行的切口，相鄰的切口之間限定的即為壓電單晶單元。單晶的面積最大方向為[001]方向。在一種實施方式中，可以使用金剛石自動劃片進行切割。在另一種實施方式中，可以利用等離子體蝕刻裝置沿該壓電單晶的[010]或[100]方向蝕刻出平行切口或凹槽，所述等離子體蝕刻裝置可以是例如電感耦合等離子體蝕刻儀。

(4)在所形成的平行的切口中澆注高分子聚合物，等固化后，去掉表面多余的高分子聚合物，澆注在每個切口中的高分子聚合物即為高分子聚合物單元，由此形成了具有平行間隔排列的壓電單晶單元12與高分子聚合物單元14的復(fù)合結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該高分子聚合物是環(huán)氧樹脂。

(5)在得到的壓電單晶和高分子聚合物的復(fù)合結(jié)構(gòu)的上下兩面噴涂上薄膜電極。優(yōu)選地，該薄膜電極的厚度為0.1μm-2μm，該噴涂薄膜電極的方法例如可以是磁控濺射法。所述薄膜電極可以是鉻和金噴涂層，或鎳鉻和金噴涂層，或鎳和金噴涂層，或鍍銀，或鍍銅。作為一種替代的實施方式，可以在該復(fù)合壓電晶體的上下兩面涂上銀漿，再加溫烘干。優(yōu)選地該銀漿的厚度為1μm-10μm；

(6)對壓電單晶進行極化處理，極化條件為0.2-1.0kV/mm，極化方向為[001]方向，即得到本實用新型的復(fù)合壓電晶體。

可選地，在上述步驟(4)之后，步驟(5)之前，可以執(zhí)行對固化后的環(huán)氧樹脂的研磨和拋光處理步驟，從而使上下兩面都露出壓電單晶，這有利于更好地噴涂薄膜電極。

本申請還公開了一種制造包括上述復(fù)合壓電晶體的傳感器聲頭的方法，該方法除上述步驟方法外，進一步包括以下工藝步驟：

(7)在該復(fù)合壓電晶體的上下兩個薄膜電極面上分別引出第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線，該第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線分別與聲學(xué)匹配層和聲學(xué)背襯層相連接，從而形成了聲學(xué)傳感器中的傳感器聲頭。

在一種實施方式中，可通過導(dǎo)電膠或環(huán)氧樹脂或聚氨酯將該聲學(xué)匹配層和聲學(xué)背襯層粘接到該復(fù)合壓電晶體的薄膜電極的上下表面上。

本實用新型的復(fù)合壓電晶體具有如下有益的技術(shù)效果。

具體地說，根據(jù)測試，下面的表1以及說明書附圖6示出了在[001]方向 極化的、在不同的切割方向上的PMN-PT復(fù)合壓電晶體以及非復(fù)合壓電晶體的厚度方向機電耦合系數(shù)之比較：

表1：

根據(jù)上表1和說明書附圖6可知，[001]方向極化的、沿不同切割方向切割的PMN-PT復(fù)合壓電晶體的厚度方向機電耦合系數(shù)要遠遠好于相同尺寸下的非復(fù)合晶體。其中，在[001]方向極化并在[010]方向切割的復(fù)合壓電晶體的機電耦合系數(shù)為82.40％，而非復(fù)合晶體的機電耦合系數(shù)為54％，由此可見，本實用新型的復(fù)合壓電晶體具有更好的機電耦合系數(shù)，從而能滿足大部分醫(yī)療超聲傳感器或者無損探傷傳感器對超高帶寬和靈敏度的需求。

此外，在同樣尺寸的情況下，不同切割方向的復(fù)合壓電晶體也存在性能差異，例如，沿[010]方向切割的復(fù)合壓電晶體的平均機電耦合系數(shù)最高為82.40％，而與[010]方向呈45度角切割的復(fù)合壓電晶體的平均機電耦合系數(shù)最低，為68.50％。

此外，本實用新型還測試了在復(fù)合壓電晶體中壓電單晶的體積分?jǐn)?shù)及其對應(yīng)的復(fù)合壓電晶體的聲阻抗值，具體參見下面的表2：

表2顯示了當(dāng)PMN-PT壓電晶體被制作成本實用新型的復(fù)合壓電晶體時，聲阻抗隨著單晶體積分?jǐn)?shù)變化而變化的規(guī)律。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)越小時，該復(fù)合壓電晶體的聲阻抗值就越接近人體組織或海水，這使得傳感器設(shè)計中的聲匹配變得更加容易，傳感器的帶寬也隨之變寬，靈敏度隨之提升。

以上結(jié)合附圖對本實用新型優(yōu)選的具體實施方式作了詳細說明，但是本實用新型并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出各種變化。