本發(fā)明涉及超聲換能器的制造技術(shù)，具體涉及一種三維超聲換能器的制造方法。

背景技術(shù)：

1、超聲換能器的廣泛應(yīng)用涵蓋了醫(yī)療成像、工業(yè)檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，其制造技術(shù)源起于20世紀(jì)初。這一技術(shù)的發(fā)展得益于物理科學(xué)的進(jìn)展，尤其是壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)與運(yùn)用，為超聲波技術(shù)的發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)支撐。所謂壓電效應(yīng)，是指在特定材料施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)能產(chǎn)生電場(chǎng)，或者在施加電場(chǎng)時(shí)發(fā)生形變的物理現(xiàn)象。超聲換能器的關(guān)鍵部件為壓電材料，而這些材料的選擇與加工是此技術(shù)制造過程中的核心環(huán)節(jié)。早期換能器通常采用石英等自然壓電材料。雖然這些材料的物理性能較為穩(wěn)定，但它們較低的壓電效率和加工困難限制了其廣泛使用。隨后，合成壓電材料如鋯鈦酸鉛(pzt)等陶瓷材料被開發(fā)并使用，因其具有更佳的壓電性能及更高的可制造性，逐漸取代了自然壓電材料。這一轉(zhuǎn)變極大推進(jìn)了超聲換能器制造工藝的發(fā)展及應(yīng)用范圍的拓展。

2、廣泛應(yīng)用于醫(yī)療成像和工業(yè)檢測(cè)的成像超聲換能器通常采用一維或二維的陣元排布。然而，這些配置存在顯著的局限性。一維換能器只能生成二維圖像，無法提供足夠的沿厚度方向的信息，從而限制了其在三維成像方面的能力。雖然二維平面換能器能夠進(jìn)行三維成像,但其無法覆蓋足夠的立體角,導(dǎo)致產(chǎn)生高度各向異性的分辨率并限制了成像的靈敏度。三維超聲換能器技術(shù)的發(fā)展解決了這些問題，提供了傳統(tǒng)設(shè)備無法達(dá)到的空間立體角和更廣的成像視場(chǎng)。然而，傳統(tǒng)技術(shù)中通過空間配置多個(gè)壓電換能器單元來構(gòu)成三維陣列的方法必定存在較大間隙和換能器單元性能差異，限制了有效成像面積和成像質(zhì)量，也為生產(chǎn)加工帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前，尚未開發(fā)出一種可行的工藝來制造大面積連續(xù)的三維超聲換能器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明介紹了一種三維超聲換能器的制造方法；利用創(chuàng)新的加工流程，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)從平面至球面的換能器晶片的三維成型，同時(shí)確保了較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；本發(fā)明有效克服了傳統(tǒng)換能器在單元數(shù)量限制、填充率低、加工復(fù)雜度高并且成本昂貴等問題。

2、本發(fā)明的三維超聲換能器的制造方法，包括以下步驟：

3、1)壓電陶瓷晶片選擇和處理：

4、提供壓電陶瓷晶片，根據(jù)中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)設(shè)定壓電陶瓷晶片的厚度，將壓電陶瓷晶片預(yù)磨削至大于設(shè)定的厚度；

5、2)壓電陶瓷晶片切割：

6、對(duì)壓電陶瓷晶片正面進(jìn)行切割，形成陶瓷柱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；陶瓷柱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)包括多個(gè)二維分布的陶瓷柱；切割深度為壓電陶瓷晶片的一部分，即切割不穿透壓電陶瓷晶片的背面，未進(jìn)行切割而保留下來的部分作為背面連接橋，以保持整體的連通性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

7、3)正面灌膠填充與雙面磨削：

8、在設(shè)定的溫度下將膠粘劑注于壓電陶瓷晶片正面的陶瓷柱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的空隙中，使用真空或低壓除氣泡后再固化；磨削去除壓電陶瓷晶片正面殘留固化的膠粘劑，以保證壓電陶瓷晶片正面完全暴露；然后，對(duì)壓電陶瓷晶片背面進(jìn)行磨削，以去除2)中遺留的背面連接橋；磨削后的壓電陶瓷晶片剩余厚度仍大于步驟1)中壓電陶瓷晶片的設(shè)定厚度，構(gòu)成壓電陶瓷復(fù)合材料；

9、4)信號(hào)地電極制備：

10、在壓電陶瓷復(fù)合材料的背面鍍一層導(dǎo)電性良好的貴金屬，形成信號(hào)地電極；

11、5)匹配層制備：

12、根據(jù)聲阻抗匹配公式，確定每層匹配層的材料和厚度，在信號(hào)地電極的表面澆灌匹配材料，固化后打磨平整，形成一層或多層匹配層，提高從壓電陶瓷復(fù)合材料到成像區(qū)域介質(zhì)的聲波傳輸效率；

13、6)正面切割：

14、對(duì)形成有匹配層的壓電陶瓷復(fù)合材料的正面進(jìn)行切割，形成應(yīng)力釋放網(wǎng)格；應(yīng)力釋放網(wǎng)格的邊長(zhǎng)大于或等于步驟2)中切割形成的陶瓷柱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)；正面切割至壓電陶瓷復(fù)合材料的一部分，即切割不穿透壓電陶瓷復(fù)合材料的背面；未進(jìn)行切割保留下來的部分保持整體的連通性和結(jié)構(gòu)完整性，為三維成型做準(zhǔn)備；

15、7)三維成型：

16、將正面形成應(yīng)力釋放網(wǎng)格后的形成有匹配層的壓電陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)熱，然后在受控的溫度和壓力下對(duì)其進(jìn)行三維壓鑄成型，得到三維壓電陶瓷復(fù)合材料；在此過程中，應(yīng)力釋放網(wǎng)格的間隙會(huì)增大，釋放三維成型過程中產(chǎn)生的應(yīng)力；

17、8)正面灌膠填充：

18、將膠粘劑灌注于三維壓電陶瓷復(fù)合材料的應(yīng)力釋放網(wǎng)格的間隙中，使用真空或低壓除氣泡后固化；

19、9)正面球磨

20、對(duì)正面灌膠填充后固化在應(yīng)力釋放網(wǎng)格表面的膠粘劑進(jìn)行球磨；此過程中，將壓電陶瓷晶片的厚度打磨至步驟1)設(shè)計(jì)的厚度；

21、10)信號(hào)電極制備：

22、在正面灌膠填充和球磨后的三維壓電陶瓷復(fù)合材料的正面鍍一層導(dǎo)電性良好的貴金屬，形成信號(hào)電極；

23、11)裝配：

24、將一片形成有信號(hào)電極的三維壓電陶瓷復(fù)合材料安裝在三維模具的表面，或?qū)⒍嗥纬捎行盘?hào)電極的三維壓電陶瓷復(fù)合材料按設(shè)定位置固定在三維模具的表面，形成具有設(shè)定表面結(jié)構(gòu)的三維壓電陶瓷復(fù)合材料；

25、12)陣元分割：

26、在具有設(shè)定表面結(jié)構(gòu)的三維壓電陶瓷復(fù)合材料正面進(jìn)行陣元分割，使用數(shù)控機(jī)床分割出任意形狀和空間分布的陣元；切割過程中不切穿壓電陶瓷復(fù)合材料，以保證整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

27、13)電極接線：

28、信號(hào)地電極連接為一個(gè)整體通過一根引線引出，每一個(gè)陣元的信號(hào)電極作為一個(gè)電極，分別通過一根引線引出；

29、14)三維模具拆卸：

30、拆除步驟11)中用于裝配設(shè)定表面結(jié)構(gòu)的三維壓電陶瓷復(fù)合材料的三維模具，得到三維超聲換能器。

31、其中，在步驟1)中，壓電陶瓷晶片具有高壓電系數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度，壓電陶瓷晶片采用鉛鋯鈦酸鹽(pzt)晶片。壓電陶瓷晶片預(yù)磨削至大于設(shè)定的厚度，即在磨削過程中預(yù)留，用于后續(xù)的精細(xì)加工和表面處理，確保結(jié)構(gòu)的均勻性和性能的一致性；預(yù)磨削至大于設(shè)定的厚度0.1～0.5mm，用于后續(xù)的精細(xì)加工。壓電陶瓷晶片的厚度與超聲成像的中心頻率和聲速之間的關(guān)系滿足下式：

32、

33、其中，f是壓電陶瓷晶片的超聲成像的中心頻率，v是在壓電陶瓷晶片中聲波的傳播速度，t是壓電陶瓷晶片的厚度。

34、在步驟2)中，采用激光切割或晶圓切割技術(shù)將壓電陶瓷晶片的正面切割成陶瓷柱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為0.2～0.4mm。

35、在步驟3)中，膠粘劑采用環(huán)氧樹脂；固化采用自然風(fēng)干或在40～60℃下烘烤4～5小時(shí)。陶瓷柱網(wǎng)格與固化的膠粘劑構(gòu)成的壓電陶瓷復(fù)合材料具有更為優(yōu)異的壓電性能。采用磨削方式去除正面的殘留固化的膠粘劑和背面連接橋，保證壓電陶瓷晶片的表面平整。

36、在步驟4)中，導(dǎo)電性良好的貴金屬采用金或銀，由于金粉黏附性不夠好，為保證鍍金成功，在鍍金前先鍍一層鎳鉻合金；貴金屬的厚度為80～120nm；這一步驟確保了電極的連續(xù)性和均勻性，為超聲信號(hào)穩(wěn)定發(fā)射和接收提供基礎(chǔ)。采用等離子濺射方法在壓電陶瓷復(fù)合材料的表面鍍貴金屬。

37、在步驟5)中，匹配材料采用環(huán)氧樹脂與金屬鎢粉末，根據(jù)聲阻抗匹配方法，設(shè)置環(huán)氧樹脂膠水的配比、種類以及膠水中添加的金屬顆粒濃度，調(diào)整匹配層的聲速和密度。每一層匹配層灌注后磨削平整，以保證聲波傳播過程中的能量損失降到最低。聲阻抗z的計(jì)算公式為：

38、z＝ρ×v

39、其中，ρ是材料的密度，v是聲速。通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾秃穸龋瑢?shí)現(xiàn)聲阻抗的逐步過渡，從而最大限度地減少能量損失。多層匹配層從里至外按照聲速從高到低進(jìn)行匹配。

40、在步驟6)中，采用激光切割或機(jī)械切割技術(shù)將形成有匹配層的壓電陶瓷復(fù)合材料的正面切割成多個(gè)網(wǎng)格，切割形成的應(yīng)力釋放網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為0.6～1.2mm；預(yù)熱的溫度為70～85℃。

41、在步驟7)中，固化采用自然風(fēng)干固化。

42、在步驟8)中，采用環(huán)氧樹脂灌注填充三維壓電陶瓷復(fù)合材料的應(yīng)力釋放網(wǎng)格的間隙。

43、在步驟9)中，采用磨削方式去除應(yīng)力釋放網(wǎng)格表面的多余的膠粘劑和預(yù)留厚度，保證三維壓電陶瓷復(fù)合材料的表面平整，且厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

44、在步驟11)中，三維模具為從內(nèi)部可拆卸的球形模具，將多片形成有信號(hào)電極的三維壓電陶瓷復(fù)合材料共同拼接成三維曲面的一部分。

45、在步驟12)中，使用五軸機(jī)床分割實(shí)際陣元，五軸機(jī)床按分割曲線在具有設(shè)定表面結(jié)構(gòu)的三維壓電陶瓷復(fù)合材料的正面走刃。

46、進(jìn)一步，還包括制備阻尼層：

47、在具有設(shè)定表面結(jié)構(gòu)的三維壓電陶瓷復(fù)合材料的正面灌注聲學(xué)阻尼材料，包裹信號(hào)電極的表面形成阻尼層，提高超聲信號(hào)衰減率以增加帶寬；對(duì)于更高諧振效率的應(yīng)用，不需要此步驟。聲學(xué)阻尼材料采用環(huán)氧樹脂膠水和高密度金屬粉末的混合物。

48、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

49、(1)通過特殊的加工流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷復(fù)合材料的三維成型(從平面變?yōu)榍蛎?，同時(shí)保持了較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

50、(2)三維換能器能夠突破傳統(tǒng)換能器在某方向上有限視角的限制，大幅提升空間分辨率，適用于高分辨率大視野三維成像。