[发明专利]一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法，该制备方法包括：将压电陶瓷衬底切割成多个换能器阵元，形成换能器阵列；所述换能器阵元的宽度和间隔为20‑100μm，切割深度为50‑300μm；在换能器阵列一侧进行切割，获得底电极共面电连接槽；底电极共面电连接槽宽度为20‑300μm；在换能器阵元之间灌胶，在底电极共面电连接槽内灌导电胶；制备底电极；与底电极相对的压电陶瓷面进行厚度减薄处理，使压电陶瓷厚度降低为50‑200μm；制备上电极及底电极连接面；将换能器阵列分割，形成多个单个超声线性相控阵列换能器；对换能器引线键合；封装，灌注匹配层。本发明提供的换能器检测分辨率高、探测深度大，可用于微尺度特征结构的超声检测。

技术领域

本发明涉及超声检测技术中的超声线性相控阵列换能器制备技术领域，尤其涉及一种用于测量微小尺度特征的压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法。

背景技术

超声相控阵检测方法的使用始于20世纪60年代，目前已经广泛应用于医学超声成像以及医学诊断领域。这主要得益于其在声场控制和聚焦、电子扫描速度上的优势，通过电子控制方式进行发射声束聚焦、偏转，使超声波照射到被检物体的各个区域，然后通过相控接收的方式对回波信号进行聚焦、变孔径、变迹等多种关键技术，就可以得到物体的清晰均匀的高分辨率声成像。

近年来，随着电子技术、微机械加工技术、以及压电材料技术的迅速发展，超声成像技术向高分辨率、快速、微型化、集成化的三维微结构成像技术发展，微结构的超声检测分辨率达到10-100微米量级，工作频率达到10-100MHz量级，微结构三维超声检测在医疗、工业、生物特征识别等许多领域已经成为一项具有重要发展前景的新型检测技术。比传统的、目前广泛使用的光学识别、电容传感器等检测方式相比，微结构超声检测方法具有很多独特的优势：a)可以穿透多种材质对微结构进行检测。b)检测精度不受污垢、油脂以及汗水的影响。c)不但可以对微结构表面，还可以对亚表面和次表面的3D特征进行检测。

目前，传统的超声相控阵探头主要采用压电换能器厚度振动模式工作，其工作频率通常小于10MHz，横向尺寸通常大于毫米量级，传统的超声相控阵探头因尺寸的限制无法满足微尺度特征的超声检测和成像。近年来，用于微结构超声检测的微换能器阵列主要采用的技术是压电微超声换能器阵列技术(Piezoelectric Micromachined UltrasonicsTransducer)，它是MEMS工艺制备的硅基超声换能器阵列技术，它的优点是可以制成具有微小特征尺寸的超声换能器阵列，其工作模式为压电换能器的弯曲振动。它的主要缺点是工艺复杂，通常需要键合、深硅刻蚀等硅微加工工艺实现，由于硅工艺的限制，压电薄膜材料通常采用AlN薄膜等压电系数和机电转换效率较低的材料，对于微结构检测深度等关键性指标影响较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种结合传统平面超声相控阵工艺和微加工工艺相结合的用于微尺度特征超声检测的超声线性相控阵换能器。采用压电陶瓷材料作为换能器功能材料，采用刀片或激光切割等方式分割换能器阵元，通过精细研磨制备具有十到百微米量级厚度的高频超声换能器，采用微加工手段制备横向尺寸在20-100μm的微电极阵列。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S10，将压电陶瓷衬底切割成多个换能器阵元，形成换能器阵列；所述换能器阵元的宽度和间隔为20-100μm，切割厚度为50-300μm；

S20，在所述换能器阵列一侧进行切割，获得底电极共面电连接槽；所述底电极共面电连接槽宽度为20-300μm；

S30，在所述换能器阵元之间灌胶，在所述底电极共面电连接槽内灌导电胶；

S40、制备底电极；

S50、对与底电极相对的压电陶瓷面进行厚度减薄处理，使压电陶瓷厚度降低为50-200μm；