超声换能器阵列及其制备方法技术

本申请提供一种超声换能器阵列及其制备方法，该制备方法包括提供一压电片，所述压电片具有相对设备的第一表面和第二表面；于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，所述电极阵列包括多个独立且以阵列方式间隔排布的电极单元；于所述压电片的第二表面形成第二电极层；于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层。本申请制备方法，通过微纳加工工艺在整片压电片上形成阵列分布的相互独立的电极单元，以形成可单独控制的超声波阵元阵列，无需对压电片进行切割，不仅简化制作工艺，而且还能实现更高的阵列密度，提高超声换能器阵列的声场空间分辨率，提升高精度声学成像、高分辨率声场控制等应用效果，同时还适合大规模生产。产。产。

【技术实现步骤摘要】
超声换能器阵列及其制备方法


[0001]本申请涉及超声波操控
，特别是涉及一种超声换能器阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]动态全息声镊能够在无需直接接触的情况下精确操控微纳物体，适用于各种材料，具有较高的空间分辨率，并且可以实现实时动态调整，从而在生物学、材料科学和微纳制造等领域发挥重要作用。动态全息声镊的实现主要依赖阵列式超声换能器。
[0003]阵列式超声换能器在设计时需考虑阵列频率、阵元数、排布方式、相邻阵元中心距离和阵元宽度等参数。目前阵列式超声换能器有以下两种类型：
[0004]1)由超声探头按照一定的空间排列方式构成的相控阵超声操控系统，适用于空气中，但存在体积大、空间分辨率和频率低、表达能力有限等缺点；
[0005]2)压电复合材料制成的超声换能器，适用于液体环境，但制作工艺复杂。人体环境接近水的密度，因此压电复合材料制成的超声换能器在生物学和医学领域具有更大应用前景。
[0006]在现有技术中，制备压电陶瓷超声换能器阵列的方法通常包括以下几个步骤：首先，将压电陶瓷材料切割成若干矩形单元；然后，将上部电极和下部电极分别与矩形压电陶瓷单元连接；最后，将这些连接好的单元按照一定的排列方式组成换能器阵列。这种方法在切割压电陶瓷时需要保持单元之间有一定的间隔，以避免不同单元之间的电磁干扰和声场相互影响。然而，这种方法不仅制备工艺复杂，并且限制了阵列密度，即限制了在同等面积下的换能器单元数量。阵列密度的限制会导致声场分辨率降低，从而影响超声换能器阵列在高精度声学成像、高分辨率声场控制等领域的应用效果。

技术实现思路

[0007]鉴于以上所述现有技术中的问题，本申请的目的在于提供一种超声换能器阵列及其制备方法，以解决现有的超声换能器阵列制备工艺复杂、阵列密度低的技术问题。
[0008]为实现上述目的及其它相关目的，本申请提供一种超声换能器阵列制备方法，包括：
[0009]提供压电片，所述压电片具有相对设备的第一表面和第二表面；
[0010]于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，所述电极阵列包括多个独立且以阵列方式间隔排布的电极单元；
[0011]于所述压电片的第二表面形成第二电极层；
[0012]于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层。
[0013]在本申请的一可选实施例中，于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，包括：
[0014]于所述压电片的第一表面形成图案化掩膜层，所述图案化掩膜层显露出所述第一
表面的局部区域；
[0015]于所述图案化掩膜层上形成电极材料层，所述电极材料层覆盖所述图案化掩膜层及所述压电片的被所述图案化掩膜层显露出来的局部区域；
[0016]移除覆盖于所述图案化掩膜层上的所述电极材料层及所述图案化掩膜层，以于所述压电片的第一表面形成电极阵列电极材料层。
[0017]在本申请的一可选实施例中，于所述图案化掩膜层上形成电极材料层，包括：
[0018]通过成蒸镀、磁控溅射或原子层沉积工艺于所述图案化掩膜层上依次形成第一粘附层和第一金属层，作为所述电极材料层。
[0019]在本申请的一可选实施例中，所述压电片包括压电单晶体片，多晶体压电陶瓷片，高分子压电片，或聚合物
‑
压电陶瓷复合片。
[0020]在本申请的一可选实施例中，于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层，包括：
[0021]于所述第二电极层上形成环氧树脂层或掺杂纳米金属氧化物的环氧树脂复合物层，作为所述声阻抗匹配层。
[0022]在本申请的一可选实施例中，于所述压电片的第二表面形成第二电极层，包括：
[0023]通过成蒸镀、磁控溅射或原子层沉积工艺于所述压电片的第二表面依次形成第二粘附层、第二金属层及第三粘附层，作为所述第二电极层。
[0024]在本申请的一可选实施例中，所述声阻抗匹配层的厚度介于290μm
‑
330μm，所述压电片的厚度介于0.8mm
‑
1.2mm。
[0025]在本申请的一可选实施例中，于所述压电片的第一表面形成第一电极层，所述第一电极层包括多个独立电极单元，多个所述电极单元以阵列方式间隔排布的步骤中，所述电极单元的阵列密度大于等于11个/cm2。
[0026]在本申请的一可选实施例中，于所述压电片的第一表面形成第一电极层，所述第一电极层包括多个独立电极单元，多个所述电极单元以阵列方式间隔排布的步骤中，多个所述电极单元以矩形阵列间隔排布，相邻两个所述电极单元的间隙介于超声波传播介质中声波波长的1/4到1/2。
[0027]为实现上述目的及其它相关目的，本申请提供一种超声换能器阵列，所述超声换能器阵列采用上述方法制备。
[0028]本申请的超声换能器阵列制备方法，无需切割压电片，通过微纳加工工艺在整片压电片上形成阵列分布的相互独立且间隔布置的电极单元，以形成可单独控制的超声波阵元阵列，不仅简化制作工艺，而且还能实现更高的阵列密度，提高超声换能器的空间分辨率，提升高精度声学成像、高分辨率声场控制等应用效果，同时还适合大规模生产。
[0029]本申请的超声换能器阵列制备方法，通过在上部电极层上添加声阻抗匹配层，有助于提高超声换能器阵列的声学性能，并且声阻抗匹配层的厚度可以通过具体制作流程进行精确控制，以满足不同应用需求。
[0030]本申请的超声换能器阵列制备方法，通过选择合适的电极单元尺寸和间隙，从而能够在不切割压电片的前提下，有效减弱相邻阵元间的串扰问题，克服了现有技术中认为压电材料制作超声换能器阵列时需要先进行阵列切割，并在切割槽内填充聚合物的技术偏见。
[0031]本申请的超声换能器阵列采用压电复合材料制成，适用于液体环境，更适合生物
学和医学领域的应用场景。
附图说明
[0032]图1为本申请一实施例中超声换能器阵列的制备流程图。
[0033]图2a为于压电片的第一表面上形成图案化掩膜层的示意图。
[0034]图2b为于所述图案化掩膜层上形成电极材料层的示意图。
[0035]图2c为移除覆盖于所述图案化掩膜层上的所述电极材料层及所述图案化掩膜层，以在所述压电片的第一表面形成电极阵列的示意图。
[0036]图2d为于压电片的第一表面上形成第二电极层的示意图。
[0037]图2e为于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层的示意图。
[0038]图3为本申请一实施例中超声换能器阵列的立体结构示意图。
[0039]图4为本申请的一实施例中超声换能器阵列的爆炸示意图。
[0040]图5为图3中的局部放大图。
具体实施方式
[0041]以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声换能器阵列制备方法，其特征在于，包括：提供压电片，所述压电片具有相对设备的第一表面和第二表面；于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，所述电极阵列包括多个独立且以阵列方式间隔排布的电极单元；于所述压电片的第二表面形成第二电极层；于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层。2.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，包括：于所述压电片的第一表面形成图案化掩膜层，所述图案化掩膜层显露出所述第一表面的局部区域；于所述图案化掩膜层上形成电极材料层，所述电极材料层覆盖所述图案化掩膜层及所述压电片的被所述图案化掩膜层显露出来的局部区域；移除覆盖于所述图案化掩膜层上的所述电极材料层及所述图案化掩膜层，以于所述压电片的第一表面形成电极阵列。3.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述图案化掩膜层上形成电极材料层，包括：通过成蒸镀、磁控溅射或原子层沉积工艺于所述图案化掩膜层上依次形成第一粘附层和第一金属层，作为所述电极材料层。4.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，所述压电片包括压电单晶体片，多晶体压电陶瓷片，高分子压电片，或聚合物
‑
压电陶瓷复合片。5.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层，包括：于所述第二电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘松，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：