一种高性能透明压电复合材料、阵列换能器及其制备方法技术

本发明专利技术提供的一种高性能透明压电复合材料、阵列换能器及其制备方法，包括以下步骤：步骤1，将压电材料进行光学级抛光处理，制备得到抛光后的压电材料；步骤2，在抛光后的压电材料的上下两面均制备电极，得到制备有电极的压电材料；步骤3，对制备有电极的压电材料进行透明化处理，得到透明压电层；步骤4，将透明压电层的一面布置在基板上，并对透明压电层的另一面进行光学级抛光处理，直至达到所设计的厚度，得到抛光后的透明压电层；步骤5，将抛光后的透明压电层的抛光面按照预设的矩阵结构进行切割，得到高性能透明阵列压电复合材料；本发明专利技术能够极大提升透明换能器的性能。能够极大提升透明换能器的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能透明压电复合材料、阵列换能器及其制备方法


[0001]本专利技术属于超声换能器领域，具体涉及一种高性能透明压电复合材料、阵列换能器及其制备方法。

技术介绍

[0002]超声换能器及超声成像技术由于其设备简单、成本低、安全无辐射、可实时成像等特点，被广泛应用于生物医学和临床医学领域。超声换能器主要分为单阵元超声换能器和阵列超声换能器，其中，阵列换能器可以使用电子聚焦，或者结合使用电子聚焦和物理聚焦，实现单点或者多点聚焦且焦点位置可调，通过电子扫描的方式可以实现实时快速、高分辨的成像。因此，阵列换能器在超声成像等实际应用中有着巨大的优势。在临床诊断中，采用阵列换能器探头可以判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围，提供腺体组织的解剖图，鉴别胎儿的正常与异常，在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。然而，超声成像的原理决定了其成像对比度仅来源于其探测对象物理性质的差异，而无法直接反应组织或器官生理状态。为了突破超声成像的这一固有局限性，人们将光学成像的手段(光声成像、激光共聚焦显微成像、双光子激发显微成像、光学弱相干层析成像等)与传统超声成像的相结合，发展出了超声
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光学多模态成像的方式，在提高成像的分辨率的同时极大地丰富了成像的对比度。通过超声
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光学多模态成像不仅能够获得组织高质量的形态学信息，还能够提供血氧饱等代谢的相关信息，从而反应组织的生理状态。在癌症的早期诊断、心血管疾病、皮肤病学、脑成像等领域有着重大的应用前景。
[0003]传统的阵列超声换能器通常采高性能的压电材料，如锆钛酸铅(PZT)系列压电陶瓷和弛豫铁电单晶材料等，这些材料具有较高的介电常数、压电系数以及机电耦合系数，结合双层匹配层设计和高衰减背衬层的设计，能够实现较高的带宽和灵敏度。
[0004]然而，传统阵列换能器所采用的这些压电材料、背衬材料以及匹配层材料在可见光波段通常都是不透明的，导致传统阵列换能器的整体结构通常是不透明的，需要通过复杂的结构设计来在传统阵列超声换能器探头的基础上引入光路系统，例如，通过机械捆绑光纤的方式让激光从换能器侧面入射在探测目标上)，以满足超声
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光声双模态成像的需求，这不仅大大增加了整个系统的复杂性和设计难度，还不可避免地限制了其探测效果。
[0005]透明超声换能器是一种整体结构具有良好的透光性的新型超声换能器，能够允许光直接透过整个换能器结构照射在探测目标上，同时换能器接收探测目标产生的光声信号，实现高效的光声成像(CN108703744A
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透明化超声换能器及应用
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公开)；而目前的透明超声换能器多为单阵元式的超声换能器，需要通过机械扫描的方式实现成像，极大地限制了成像速度，而透明阵列超声换能器能够通过电子扫描的方式实现快速实时的光声层析成像，在超声
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光声双模态成像领域有着广阔的应用前景。
[0006]目前，实现透明阵列超声换能器的方式主要两种，一种是电容型微机械式的透明阵列超声换能器，这种换能器采用微纳加工工艺，虽然能够同时实现阵列换能器和透光性的要求，但由于受到电容式工作原理的局限，并且需要额外偏压电路系统来实现高灵敏度
的探测，同时其发射响应远低于传统的压电式阵列超声换能器，难以满足超声
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光声双模态成像等应用的需求。此外，由于微纳加工工艺本身的限制，这种电容型微机械式的透明超声换能器的工作频率通常小于10MHz，很难实现高频阵列换能器的制备。(A.K Ilkhechi.et al.Transparent capacitive micromachined ultrasound transducer linear arrays for combined real
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time optical and ultrasonic imaging[J].Opt Expres,2020,27；28(9):13750
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13760)。另一种是压电式透明阵列超声换能器，与传统换能器的结构相同，但在设计时采用透明压电层、透明背衬、透明匹配层材料来实现换能器器整体结构的透明。这种压电式透明阵列超声换能理论上，在保证透光性的同时能够达到和传统阵列超声换能器相同的性能水平。然而，目前的压电式透明阵列超声换能受制备工艺的限制，在满足透光性要求的同时牺牲了带宽、灵敏度等关键性能，从而极大地影响了其在光声成像领域的应用。例如，Chen等人采用透明压电材料铌酸锂晶体制作的64阵元的透明阵列超声换能器，该换能器以玻璃基板为透明背衬层，以单层的聚对二甲苯(Parylene)作为透明匹配层，由于铌酸锂晶体的介电常数和压电系数极低以及制备方法的限制，导致其换能器的带宽仅为8％，远低于传统的超声换能器(～40％
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80％)。(Chen et al.A Transparent Ultrasound Array for Real
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time Optical,Ultrasound and Photoacoustic Imaging[J].BME Frontiers,2022)。在传统的阵列超声换能器的制作方法中，通常将压电材料加工成1
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3或2
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2型压电复合材，以提升换能器的带宽，而传统压电复合制备方法很难实现复合材料的透明化。例如在压电材料切割
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填胶完成后，需要在将多出的环氧树脂研磨至露出压电材料，在这个过程中会对压电材料的抛光表面造成损害，大大影响其透光性。由于复合材料中的聚合物材料部分和压电材料部分的硬度不同，在抛光过程中两者界面处存在应力的作用，导致压电复合材料表面难以保持平整，故无法通过二次抛光来改善透光性，因极大地影响了透明复合材料的制备。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种高性能透明压电复合材料、阵列换能器及其制备方法，解决了现有技术中的阵列换能器存在的高性能(例如，带宽与灵敏度)与良好的透光性难以共存的问题。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]本专利技术提供的一种高性能透明压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1，将压电材料进行光学级抛光处理，制备得到抛光后的压电材料；
[0011]步骤2，在抛光后的压电材料的上下两面均制备电极，得到制备有电极的压电材料；
[0012]步骤3，对制备有电极的压电材料进行透明化处理，得到透明压电层；
[0013]步骤4，将透明压电层的一面布置在基板上，并对透明压电层的另一面进行光学级抛光处理，直至达到所设计的厚度，得到抛光后的透明压电层；
[0014]步骤5，将抛光后的透明压电层的抛光面按照预设的矩阵结构进行切割，得到高性能透明阵列压电复合材料。
[0015]优选地，步骤1中，所述压电材料为二元弛豫基
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钛酸铅铁电材料或三元弛豫基
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钛酸铅铁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能透明阵列压电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将压电材料进行光学级抛光处理，制备得到抛光后的压电材料；步骤2，在抛光后的压电材料的上下两面均制备电极，得到制备有电极的压电材料；步骤3，对制备有电极的压电材料进行透明化处理，得到透明压电层；步骤4，将透明压电层的一面布置在基板上，并对透明压电层的另一面进行光学级抛光处理，直至达到所设计的厚度，得到抛光后的透明压电层；步骤5，将抛光后的透明压电层的抛光面按照预设的矩阵结构进行切割，得到高性能透明阵列压电复合材料。2.根据权利要求1所述的一种高性能透明阵列压电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述压电材料为二元弛豫基
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钛酸铅铁电材料或三元弛豫基
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钛酸铅铁电材料。3.根据权利要求1所述的一种高性能透明阵列压电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，对制备有电极的压电材料进行透明化处理，具体工艺条件是：当压电材料为二元弛豫基
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钛酸铅铁电材料时：交流电场频率为0.1
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102Hz；交流电场的波形为正弦波、三角波、方波或脉冲波；极化温度为25
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120℃；交流电场峰值为0.5
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5.0kV；当压电材料为三元弛豫基
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钛酸铅铁电材料时：直流电场幅值为0.5
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5.0kV mm
‑1；极化温度为25
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120℃。4.根据权利要求1所述的一种高性能透明阵列压电复合材料的制备方法，其特征在于，步骤5中，将抛光后的透明压电层的抛光面按照预设的矩阵结构进行切割，得到高性能透明阵列压电复合材料，具体方法是：将抛光后的透明压电层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱超锐，邱维宝，张志强，罗聪，李飞，苏敏，伍伟昌，乔辽，徐卓，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：