本发明专利技术公开了一种聚焦型超声换能器，其依次包含有匹配层、压电振子层和背衬块，所述压电振子层的材料为压电单晶/聚合物1-3复合材料；所述压电单晶为铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，晶体方向为方向；或铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3，晶体方向为方向；其中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。本发明专利技术的换能器结构简单，制作方便，造价便宜，可以获得高灵敏度、带宽和分辨率，在医用超声成像和工业无损检测领域具有广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及到一种。
技术介绍
超声换能器是超声成像和超声检测系统的关键组成部分，实现着电能和声能(机械能)之间的转换，医学中常将超声换能器称作探头。压电材料是超声换能器的换能元件，对超声换能器的性能乃至整个超声成像系统的性能至关重要。在过去几十年中，超声换能器在结构设计上有了诸多改进和提高，但在换能材料上一直以来多采用PZT系压电陶瓷，这一方面是由于PZT陶瓷较好的压电性能，另一方面是由于PZT陶瓷生产成本低廉易于大规模生产供应。但是，随着现代信息技术和医疗技术的不断向前发展，对超声换能器提出了更高的要求，迫切需要高灵敏度、高带宽以及高分辨率的超声换能器来获取高清晰度的成像数据，为医疗诊断和工业无损探测提供内容更为丰富准确的检测结果。以铌镁酸铅-钛酸铅(化学组成为(1-X)Pb (Mg1/3Nb2/3)O3-XPbTiO3,简称为PMNT)压电单晶为代表的高性能压电材料在准同型相界附近具有非常优异的压电和机电耦合性能，d33, d31>2000pC/ N、k33，k31>90%，这些性能都远远高于常用的压电陶瓷材料。国内的罗豪甦等人已经采用改进的Bridgman方法成功地实现了高质量大尺寸PMNT单晶的批量生产(中国专利号 ZL99113472. 9)，为新型压电单晶在超声换能器上的应用提供了材料上的保证。聚焦型超声换能器可以获得更高的带宽和分辨率，提高换能器的分辨率可以有效提高成像质量。传统的超声换能器采用PZT陶瓷作为压电材料，PZT陶瓷通过静压法、注模法、研磨法等可以获得聚焦型压电振子，从而用于制备聚焦型超声换能器。而新型压电单晶材料(如PMNT，PIMNT单晶)结构上容易脆裂，切割出来的平面型压电振子无法通过简单施加外力来获得聚焦型压电振子，另外晶体材料的性能上表现出各向异性，通过研磨可以获得聚焦型的单晶压电振子，但是辐射面偏离压电性能最优的晶面，压电振子的性能必然大大降低，因此，新型压电单晶在聚焦型超声换能器上的应用还比较困难，需要一种新的设计和制作方法来实现。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中超声换能器的灵敏度、带宽及分辨率不够高，不能提供高清晰度的成像数据，特提供一种聚焦型超声换能器。本专利技术的聚焦型超声换能器依次包含有匹配层、压电振子层和背衬块，所述压电振子层的材料为压电单晶/聚合物1-3复合材料；所述压电单晶/聚合物1-3复合材料的压电单晶为铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为(1-x) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3,铌镁酸铅-钛酸铅晶体方向为〈001〉方向；或铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为xPb(In1/2Nb1/2)03-yPb (Mgl73Nb273) 03-(l-x-y) PbTiO3,铌铟酸铅_铌镁酸铅_钛酸铅晶体方向为〈001〉方向； 其中，O < X < 1,0 < y < 1，且 O < x+y < I ;优选地，O. 2 ≤ x ≤ O. 4,0. 2 ≤ y ≤ O. 4。较佳地，采用切割填充法制备压电单晶/聚合物1-3复合材料，复合材料中压电单晶的体积比在O. 2^0. 8范围之间。较佳地，所述压电单晶/聚合物1-3复合材料为压电单晶/环氧树脂或压电单晶 /环氧树脂1-3复合材料。所述匹配层包含外匹配层和内匹配层；所述内匹配层采用聚合物如环氧树脂和填料(如钨粉、氧化锆陶瓷粉等)按照不同填充比来调配制得；所述外匹配层采用声阻抗较低的环氧树脂固化制得。所述背衬块上与所述压电振子层接触的面为柱形曲面；所述背衬块采用高声阻抗闻声裳减的复合材料，如在环氧树脂中填入闻填充比的鹤粉制备，为提闻声裳减系数，适当增加基料的柔性，即进行改性处理，通过加入聚硫橡胶的方法实现。所述聚焦型超声换能器具有若干相同结构的相互平行的换能器阵元，各个换能器阵元的一端独立引出信号线，用以施加激励信号和接收回波信号，另一端可用于连接公共地线。本专利技术针对现有技术中PMNT，PIMNT单晶结构容易脆裂，现有方法难以制作成聚焦型超声换能器，特提供新的聚焦型超声换能器的制备方法，其包括如下步骤I)分别提供匹配层、压电振子层和背衬块；2)将匹配层和压电振子层进行粘接形成超声叠层；3)将超声叠层和一圆柱体钢块在高温中烘烤；4)将超声叠层整齐放置于背衬块的曲面上；5)在圆柱体钢块的外应力作用下，将超声叠层弯曲成所需的曲面形状并粘接在背衬块上；6)冷却固化；7)将若干同轴电缆按照一定间距排放在压电振子层的一侧，并将芯线和压电振子层的上端电极电学连接，将地线与压电振子层的下端电极电学连接；8)用高精度切割机进行切割，形成一系列分离的聚焦型阵元，即获得聚焦型超声换能器。较佳地是，步骤3)中，超声叠层和圆柱体钢块在80°C高温中烘烤半小时以上。本专利技术的积极进步效果在于本专利技术可以将新型压电单晶(PMNT、PIMNT)超高的压电性能应用到聚焦型超声换能器中，电学激励可产生聚焦型的声场，提高分辨率和频率带宽，从而提高超声成像的质量；本专利技术的换能器结构简单，制作方便，造价便宜；应用广泛，可被广泛用于医用超声诊断和工业无损超声检测。附图说明图1示出了外 匹配层1、内匹配层2、压电振子层3形成的超声叠层组合示意图图2示出了圆柱面结构的背衬块4的结构示意图3示出了圆柱体钢块5的结构示意图4示出了热压法制备聚焦结构状的辐射面示意图5示出了聚焦结构状的超声叠层与背衬块4的组合结构示意图6示出了图5组合结构排线后的示意图7示出了切割后形成的聚焦型超声换能器示意图。具体实施方式如图1所示，从上至下依次为外匹配层1，内匹配层2，压电振子层3。外匹配层I 直接采用声阻抗较低的环氧树脂固化制得。内匹配层2采用环氧树脂和填料(如钨粉、氧化锆陶瓷粉等)按照一定声阻抗要求混合制得。压电振子层3采用新型压电单晶/聚合物 1-3复合材料制得，新型压电单晶如为PMNT {(1-X)Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3I单晶材料，用改进的Bridgman方法生长，取向为〈001〉，组分为O. 20彡x彡O. 40 ;新型压电单晶也可以为 PIMNT {xPb (Inl72Nbl72) 03-yPb (Mg1/3Nb2/3) O3- (Ι-χ-y) PbTiO3I 单晶材料，取向为〈001〉，组分为O. 20 < X < O. 40且O. 20 < y < O. 40。采用切割填充法制备压电单晶/聚合物1_3复合材料，复合材料中压电单晶的体积比在O. 2 0. 8范围内。外匹配层1、内匹配层2和压电振子层3通过环氧树脂固化粘接，固化过程在一定外应力作用下进行，保证粘接层的厚度 ^ O. 5 μ mo如此，形成超声叠层。如图2所示，背衬块4采用环氧树脂和钨粉按照高填充比配制，固化在圆柱体钢块5(图3)上进行，背衬块4固化后的曲面半径Φ即为圆柱体钢块5的半径，也为聚焦型超声线阵换能器的设计焦距。如图4所示，粘接后的外匹配层1、内匹配层2、压电振子层3形成的超声叠层和圆柱体钢块5在80°C高温中烘烤半小时，之后拿出超声叠层整 齐放置于背衬块4上，在圆柱体钢块5的外应力作用下，超声叠层弯曲成所需曲面半径并粘接在背衬块4上，冷却固化后即可形成辐射面本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚焦型超声换能器，其依次包含有匹配层、压电振子层和背衬块，其特征在于，所述压电振子层的材料为压电单晶/聚合物1?3复合材料；所述压电单晶/聚合物1?3复合材料的压电单晶为铌镁酸铅?钛酸铅，其化学组成为(1?x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3?xPbTiO3，铌镁酸铅?钛酸铅晶体方向为方向；或铌铟酸铅?铌镁酸铅?钛酸铅，其化学组成为xPb(In1/2Nb1/2)O3?yPb(Mg1/3Nb2/3)O3?(1?x?y)PbTiO3，铌铟酸铅?铌镁酸铅?钛酸铅晶体方向为方向；其中，0﹤x﹤1，0﹤y﹤1，且0﹤x+y﹤1。
【技术特征摘要】
1.一种聚焦型超声换能器，其依次包含有匹配层、压电振子层和背衬块，其特征在于， 所述压电振子层的材料为压电单晶/聚合物1-3复合材料；所述压电单晶/聚合物1-3复合材料的压电单晶为铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为(1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-XPbTi O3，铌镁酸铅-钛酸铅晶体方向为〈001〉方向；或铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅，其化学组成为 xPb (Inl72Nbl72) 03-yPb (Mgl73Nb273) O3- (Ι-χ-y) PbTiO3,铌铟酸铅 _ 铌镁酸铅 _ 钛酸铅晶体方向为〈001〉方向；其中，O <x<1，0<y<1，且0<x-y<1。2.如权利要求1所述的聚焦型超声换能器，其特征在于，O.2 < χ < O. 4，O.2 ≤ y ≤O. 4。3.如权利要求1所述的聚焦型超声线阵换能器，其特征在于，采用切割填充法制备压电单晶/聚合物1-3复合材料，复合材料中压电单晶的体积比在O. 2^0. 8范围之间。4.如权利要求1所述的聚焦型超声换能器，其特征在于，所述压电单晶/聚合物1-3复合材料为压电单晶/环氧树脂或压电单晶/环氧树脂1-3复合材料。5.如权利要求1所述的聚焦型超声换能器，其特征在于，所述匹配层包含外匹配层和内匹配层。6.如权...
【专利技术属性】
技术研发人员：王威，罗豪甦，赵祥永，岳晴雯，任博，李晓兵，徐海清，林迪，狄文宁，王西安，王升，邓昊，陈建伟，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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