一种采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法。所述声光偏转器依次包含有声光介质、第一底电极、键合层、第二底电极、换能器、顶电极、阻抗匹配电路、射频连接器，所述换能器的材料包括铌镁酸铅

【技术实现步骤摘要】
一种采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法


[0001]本专利技术属于声光仪器
，具体涉及到一种采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法，可以用于激光显示、激光加工、光谱分析等领域。

技术介绍

[0002]换能器是声光器件的核心部分，实现着电能和声能（机械能）之间的转换，为声光介质内部提供声场。换能器是由压电材料构成，包括铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、石英晶体、PZT陶瓷、氧化锌薄膜等，其中使用最广泛的是铌酸锂晶体，其中Y36
°
切晶片用于产生纵波，机电耦合系数k
t
为0.49；X切晶片用于产生剪切波（横波），机电耦合系数k
15
为0.68。
[0003]新型弛豫铁电单晶，以铌镁酸铅
‑
钛酸铅（化学组成为(1
‑
x) Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3‑
xPbTiO3，简称为PMNT）和铌铟酸铅
‑
铌镁酸铅
‑
钛酸铅（其化学组成为xPb(In
1/2
Nb
1/2
)O3‑ꢀ
yPb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3‑
(1
‑
x
‑
y)PbTiO3）为代表，在准同型相界附近具有非常优异的压电和机电耦合性能，d
33
>2000 pC/N、d
15
>5000 pC/N、k
t
>0.6、k
15
>0.95，适合产生超声纵波和剪切波，这些性能都远高于常用的压电晶体及陶瓷材料，也远高于声光器件中用到的铌酸锂晶体。
[0004]目前声光偏转器中用到的换能器为X切铌酸锂晶体或163
°
Y切铌酸锂晶体（中国专利号：CN104635361 B），它将射频信号转化为剪切波传输到声光介质内，在声光介质内部形成周期性变化的光栅（超声光栅），当入射光以布拉格角入射到声光介质内部时，穿过超声光栅发生衍射，衍射效率是衡量衍射光强弱的核心指标，通常是越高越好。在相同结构下，提高衍射效率的方法一方面是采用高声光优值的声光晶体材料，如二氧化碲单晶；另一方面是采用压电性能更高的材料制作换能器。长期以来，我们一直将性能提高的思路放在结构设计和声光介质材料方面，忽视了压电材料的改变带来的有利影响。采用高性能压电材料能够降低驱动功率大小，提高衍射效率，也可减小由于高驱动功能率带来的晶体及键合层的损坏。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供了采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器及其制备方法，该声光偏转器可以实现采用较低驱动功率也能获得高衍射效率，同时由于驱动功率的降低可以增强器件长期存放和稳定工作的能力。
[0006]为了达到上述技术目的，本专利技术提供了一种采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器，包括有声光介质、换能器、阻抗匹配电路和射频连接器，换能器通过键合层粘接于声光介质表面，换能器的顶部安装有顶电极，顶电极通过金丝导线与阻抗匹配电路连接，阻抗匹配电路与射频连接器连接，在声光介质的顶面镀有第一底电极，在换能器的外表面镀有第二底电极，所述换能器通过第一底电极、键合层和第二底电极粘贴于声光介质表面；所述换能器的材料为弛豫铁电单晶，包括铌镁酸铅
‑
钛酸铅，其化学组成为(1
‑
x)Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3‑ꢀ
xPbTiO3，铌镁酸铅
‑
钛酸铅晶体方向为<111>方向；或铌铟酸铅
‑
铌镁酸铅
‑
钛酸铅，其化学组成为xPb(In
1/2
Nb
1/2
)O3‑ꢀ
yPb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3‑
(1
‑
x
‑
y)PbTiO3，铌铟酸铅
‑
铌镁酸铅
‑
钛酸铅
晶体方向为<111>方向；上述弛豫铁电单晶中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。
[0007]本专利技术较优的技术方案：所述弛豫铁电单晶的晶体厚度为5um～120um，所述弛豫铁电单晶中，。
[0008]本专利技术较优的技术方案：所述弛豫铁电单晶采用真空键合的方法或化学键合的方法固定到声光介质表面，键合真空度范围在1.0
×
10
‑
1 Pa～ 1.0
×
10
‑5Pa。
[0009]本专利技术较优的技术方案：所述声光偏转器的超声波工作频率范围在10MHz～200MHz。
[0010]本专利技术较优的技术方案：所述第一底电极和第二底电极结构材料相同，选用铬与金双层组合，或者钛与金双层组合。
[0011]本专利技术较优的技术方案：所述键合层采用单层金属或双层金属，所述单层金属选为铟或锡，所述双层金属选用铟与银双层金属。
[0012]本专利技术较优的技术方案：所述声光介质的材料为氧化碲晶体。
[0013]本专利技术较优的技术方案：所述换能器采用一片或两片或两片以上的新型弛豫铁电单晶。
[0014]为了达到上述技术目的，本专利技术还提供了一种上述采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器的制备方法，具体步骤如下：（1）在真空环境下，在声光介质的顶面和换能器外表面分别蒸发镀一层底电极，所述底电极选用铬与金双层组合，或者钛与金双层组合；（2）制备键合层，键合层采用单层软金属或双层金属；在真空环境下，通过机械臂将声光介质顶面的底电极、键合层与换能器外表面的底电极粘贴在一起；换能器选用铌镁酸铅
‑
钛酸铅单晶或铌铟酸铅
‑
铌镁酸铅
‑
钛酸铅，晶体方向为<111>方向；（3）对键合后的换能器晶片进行减薄，使得换能器晶片的厚度达到设计厚度；（4）采用掩膜板，在换能器表面制备顶电极，顶电极的图形由掩膜板的图形决定。
[0015]（5）从顶电极表面引出金丝到阻抗匹配电路板，阻抗匹配电路板和壳体上的射频连接器相连接，通过阻抗匹配电路的设计制作，实现50Ω阻抗匹配。
[0016]本专利技术较优的技术方案：所述步骤（3）中对键合后的换能器晶片减薄的方法采用化学研磨或机械研磨或刻蚀，在减薄过程中整体均匀性控制在2um以内。
[0017]本专利技术中的新型弛豫铁电单晶具有超高的剪切模式压电性能（k
15
>0.95, d
15
>5000pC/N），远高于目前行业普遍使用的铌酸锂晶体（k
15
=0.68），在相同结构设计下，可以在晶体内部产生功率密度更高的剪切超声波，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器，包括有声光介质（1）、换能器（5）、阻抗匹配电路（7）和射频连接器（8），换能器（5）的顶部安装有顶电极（6），顶电极（6）通过金丝导线与阻抗匹配电路（7）连接，阻抗匹配电路（7）与射频连接器（8）连接，其特征在于：在声光介质（1）的顶面镀有第一底电极（2），在换能器（5）的外表面镀有第二底电极（4），所述换能器（5）通过第一底电极（2）、键合层（3）和第二底电极（4）粘贴于声光介质（1）表面；所述换能器的材料为弛豫铁电单晶，包括铌镁酸铅
‑
钛酸铅，其化学组成为(1
‑
x)Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3‑ꢀ
xPbTiO3，铌镁酸铅
‑
钛酸铅晶体方向为<111>方向；或铌铟酸铅
‑
铌镁酸铅
‑
钛酸铅，其化学组成为xPb(In
1/2
Nb
1/2
)O3‑ꢀ
yPb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3‑
(1
‑
x
‑
y)PbTiO3，铌铟酸铅
‑
铌镁酸铅
‑
钛酸铅晶体方向为<111>方向；上述弛豫铁电单晶中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。2.根据权利要求1所述的一种采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器，其特征在于：所述弛豫铁电单晶的晶体厚度为5um~120um，所述弛豫铁电单晶中，。3.根据权利要求1所述的一种采用新型弛豫铁电单晶的声光偏转器，其特征在于：所述弛豫铁电单晶采用真空键合的方法或化学键合的方法固定到声光介质表面，键合真空度范围在1.0
×
10
‑
1 Pa～ 1.0
×
10...

【专利技术属性】
技术研发人员：王威，王文，
申请(专利权)人：光奥科技武汉有限公司，
类型：发明
国别省市：