本發(fā)明屬于超聲換能器技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

超聲相控陣探頭是實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)與電信號(hào)轉(zhuǎn)換的器件，按照其結(jié)構(gòu)可以分為一維、二維、環(huán)形陣列。目前在臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是一維的超聲相控陣探頭。隨著對(duì)成像分辨率、器件小型化和探頭精度要求的提高，現(xiàn)有的相控陣探頭也面臨諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：(1)高頻化的需求，而現(xiàn)有的陣元間距與中心頻率成反比，已經(jīng)達(dá)到了幾十個(gè)微米級(jí)別，間距越短，各個(gè)陣元的接線制作工藝難度越大；(2)穩(wěn)定性要求，現(xiàn)有采用鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛(PMN-PT)單晶材料的超聲馬達(dá)，壓電變壓器、醫(yī)用超聲換能器等壓電器件，由于壓電器件的穩(wěn)定性主要受到壓電晶體熱穩(wěn)定性和電場(chǎng)穩(wěn)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(chǎng)(200V/mm)，使得采用這類(lèi)材料的超聲馬達(dá)、壓電變壓器、醫(yī)用超聲換能器等壓電器件的使用環(huán)境受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)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(gè)陣元的接線工藝的難題，并提高相控陣探頭的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)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(duì)應(yīng)，柔性電路板上的印刷電路通道與上電極陣列的陣元對(duì)應(yīng)，柔性電路板用于將該相控陣探頭接線引出，便于與外部設(shè)備連接。

優(yōu)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(yōu)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(huán)氧樹(shù)脂。

優(yōu)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(yōu)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，按照本發(fā)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(jìn)行切槽，形成鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列，對(duì)該壓電單晶陣列各陣元間的間隙進(jìn)行填充，獲得復(fù)合材料；

(2)對(duì)復(fù)合材料底部的鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶片進(jìn)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(gè)下電極；

(4)在中間件的上表面進(jìn)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(gè)陣元對(duì)應(yīng)，以引出金屬上電極，便于接線。

優(yōu)選地，上述的制備方法，切槽寬度為10um。

通過(guò)對(duì)復(fù)合材料底部的鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶片進(jìn)行打磨，使得壓電片的中心頻率為20M赫茲。

優(yōu)選地，上述的制備方法，采用背襯材料來(lái)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(yōu)選地，上述的制備方法，采用環(huán)氧樹(shù)脂膠來(lái)填充長(zhǎng)方體陣列各陣元之間的凹槽，以減小橫向方向的振動(dòng)模式，減小聲阻抗。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)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(duì)更高的電場(chǎng)和溫度環(huán)境下工作，所制成的一維超聲相控陣探頭的性能更加的穩(wěn)定；

而另一方面，克服了現(xiàn)有采用PMN-PT材料的探頭在強(qiáng)度、脆性方面的缺陷，大大增加了超聲相控陣探頭在縱向的耦合系數(shù)，減少了聲阻抗，采用其制作的超聲傳感器的性能將因此得到提高。

(2)本發(fā)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，比單陣元探頭工作性能更好，實(shí)時(shí)探測(cè)成像范圍大，圖像分辨率更高。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例提供的基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭的制備方法流程示意圖；

圖2是實(shí)施例提供的基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭的上電極的引線接出示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實(shí)施例提供的基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭，包括從下至上依次層疊的Au下電極、PIN-PMN-PT壓電單晶陣列，Au上電極陣列和柔性電路板；

其上電極陣列的陣元與PIN-PMN-PT壓電單晶陣列的陣元一一對(duì)應(yīng)，柔性電路板上的印刷電路通道與上電極陣列的陣元對(duì)應(yīng)，柔性電路板用于將該相控陣探頭接線引出，便于與外部設(shè)備連接；

本實(shí)施例中，PIN-PMN-PT壓電單晶陣列為包括48個(gè)陣元的陣列，各陣元之間的間距為50um，溝道寬度為10um，各陣元的寬度為40um，各陣元的厚度為80um；各陣元之間的間隙內(nèi)填充有環(huán)氧樹(shù)脂膠；下電極的厚度為150nm；上電極陣列各陣元的厚度為150nm。

實(shí)施例提供的基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭，其制備方法的流程如圖1所示，包括如下步驟：

(1)在長(zhǎng)方體狀的PIN-PMN-PT壓電單晶片采用光刻、刻蝕法進(jìn)行切槽，形成長(zhǎng)方體陣列，即為鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列；

采用環(huán)氧樹(shù)脂膠填充鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列各陣元之間的間隙，形成1-3復(fù)合的壓電材料；本實(shí)施例中，切槽的寬度為10um，切槽形成的鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶陣列具有48陣元；

(2)對(duì)1-3復(fù)合的壓電材料底部的鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛壓電單晶片進(jìn)行打磨，形成壓電片，使得壓電片的中心頻率在20M赫茲，獲得中間件；

(3)在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(gè)下電極；

(4)在中間件的上表面進(jìn)行光刻、濺射，在其上表面形成上電極陣列；本實(shí)施例中，上電極陣列各陣元的寬度為40um；

(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(gè)陣元對(duì)應(yīng)，以引出金屬上電極。

圖2所示，是實(shí)施例提供的基于PIN-PMN-PT三元系壓電單晶的一維超聲相控陣探頭的上電極的引線接出示意圖，柔性電路板的一端接在上電極上，另一端引線間的間距擴(kuò)大，以便于一維超聲相控陣探頭與外部器件的連接。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。