技術領域

本發明屬于超聲換能器技術領域，更具體地，涉及一種基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭及制備方法。

背景技術

超聲相控陣探頭是實現聲信號與電信號轉換的器件，按照其結構可以分為一維、二維、環形陣列。目前在臨床醫學等領域應用最廣泛的是一維的超聲相控陣探頭。隨著對成像分辨率、器件小型化和探頭精度要求的提高，現有的相控陣探頭也面臨諸多挑戰，主要體現在以下兩點：(1)高頻化的需求，而現有的陣元間距與中心頻率成反比，已經達到了幾十個微米級別，間距越短，各個陣元的接線制作工藝難度越大；(2)穩定性要求，現有采用鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛(PMN-PT)單晶材料的超聲馬達，壓電變壓器、醫用超聲換能器等壓電器件，由于壓電器件的穩定性主要受到壓電晶體熱穩定性和電場穩定性的影響，而PMN-PT系列弛豫鐵電單晶具有較低的居里溫度(130℃～170℃)和矯頑場(200V/mm)，使得采用這類材料的超聲馬達、壓電變壓器、醫用超聲換能器等壓電器件的使用環境受到限制。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭及制備方法；其目的在于解決相控陣探頭各個陣元的接線工藝的難題，并提高相控陣探頭的穩定性。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭，包括從下至上依次層疊的下電極、鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)壓電單晶陣列、上電極陣列和柔性電路板；

其中，上電極陣列的陣元與鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列的陣元一一對應，柔性電路板上的印刷電路通道與上電極陣列的陣元對應，柔性電路板用于將該相控陣探頭接線引出，便于與外部設備連接。

優選的，上述基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭，其鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列的列間距為10um。

優選的，上述基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭，其鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列的各陣元之間填充有環氧樹脂。

優選的，上述基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭，其上電極陣列的陣元寬度為40um，上電極陣列各陣元之間的間距為50um，上電極陣列的陣元厚度為150nm。

優選的，上述基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭，其下電極的厚度為150nm，其鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列各陣元的厚度為80um。

為實現本發明目的，按照本發明的另一方面，提供了一種基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭的制備方法，包括如下步驟：

(1)在鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶片上采用光刻、刻蝕法進行切槽，形成鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列，對該壓電單晶陣列各陣元間的間隙進行填充，獲得復合材料；

(2)對復合材料底部的鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶片進行打磨，形成壓電片，獲得中間件；

(3)在中間件的壓電片的下表面濺射一層金屬，形成下電極，使得鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列的所有陣元共享一個下電極；

(4)在中間件的上表面進行光刻、濺射，在其上表面形成上電極陣列；

(5)將柔性電路板粘貼在上電極陣列上，使得柔性電路板上的印刷電路通道與上電極陣列的每個陣元對應，以引出金屬上電極，便于接線。

優選地，上述的制備方法，切槽寬度為10um。

通過對復合材料底部的鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶片進行打磨，使得壓電片的中心頻率為20M赫茲。

優選地，上述的制備方法，采用背襯材料來填充所述鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列各陣元之間的凹槽，以吸收向下傳播的超聲波。

優選地，上述的制備方法，采用環氧樹脂膠來填充長方體陣列各陣元之間的凹槽，以減小橫向方向的振動模式，減小聲阻抗。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明提供的基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭，其所采用的PIN-PMN-PT的材料比PMN-PT壓電單晶具有更高的居里溫度，矯頑力和相變溫度，能夠在相對更高的電場和溫度環境下工作，所制成的一維超聲相控陣探頭的性能更加的穩定；