一种压电复合材料的制作方法与流程

本发明属于二维面超声波换能器制备领域，尤其涉及一种压电复合材料的制作方法。

背景技术：

近年来，超声三维成像以及三维空间声刺激、声操控、声治疗的需求日益增大，对二维面阵超声换能器的性能要求也越来越高。二维面阵超声换能器的核心部件是面阵探头，面阵探头的好坏直接关系到整个二维面阵超声换能器的质量水平。

一个面阵探头通常由一个至上千个单独的压电阵元(或称为压电单元)组成。各个压电阵元之间的一致性是影响面阵探头质量的重要因素。面阵探头在制作过程中，需要将压电陶瓷分割为微晶元(单个压电单元)。为了使得微晶元的振动模式一致，提高面阵列探头的机电耦合系数，压电陶瓷一般会选择进行完全分割。并在分割后的割缝中填充去耦合材料。

但是，在固化成型所述去耦合材料的过程中，可能会导致压电陶瓷材料弯曲变形，使得微晶元之间形成错位；或者，在固化成型过程中采用夹具进行压制，防止在固化过程中变化，但在其后中对多余的去耦合材料的研磨工序中，由于夹具取下后，由于多次的研磨，受到内应力的影响也会使压电陶瓷材料发生变形，会导致研磨后的微晶元不能形成一个规则的立方体，严重影响面阵探头的一致性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种压电复合材料的制作方法，以解决现有技术的压电复合材料制作过程中，容易使得压电复合材料发生变形或者微晶元之间错位，严重影响面阵列探头的一致性的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种压电复合材料的制作方法，所述方法包括：

将压电材料与平板黏合；

对黏合在所述平板上的压电材料进行切割，所述压电材料的割缝的深度小于所述压电材料的厚度；

在所述压电材料的割缝中填充去耦合材料；

以所述平板为基准，对填充了去耦合材料所固化的压电材料的上表面研磨，然后取下压电材料，对压电材料的下表面研磨；

在研磨后的压电材料表面设置电极，得到压电复合材料。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，在研磨后的压电材料表面设置电极，得到压电复合材料的步骤之后，所述方法还包括：

将所述压电复合材料与所述平板黏合；

在所述压电复合材料表面灌注匹配层材料；

在匹配层材料固化后，以平板为基准研磨覆盖在所述压电复合材料表面的匹配层材料。

结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第二种可能实现方式中，在匹配层材料固化后，以平板为基准研磨所述复合材料表面的匹配层的步骤后，所述方法还包括：

从平板上取下所述压电复合材料，对所述压电复合材料的下表面进行阵列元划分，得到预定尺寸的压电复合材料。

结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述在所述复合材料表面灌注匹配层材料步骤具体为：

在所述复合材料的四周设置与平板紧密贴合的挡板，所述挡板与所述复合压电材料之间留有间隙；

在所述挡板内灌注匹配层材料，在所述复合材料层的上表面和四周覆盖所述匹配层材料。

结合第一方面，在第一方面的第四种可能实现方式中，所述将压电材料与平板黏合的步骤具体为：

在所述平板的表面设置石蜡，加热所述石蜡，使所述石蜡融化在所述平板表面；

在融化了所述石蜡的平板表面黏合所述压电材料。

结合第一方面、第一方面的第一种可能实现方式、第一方面的第二种可能实现方式、第一方面的第三种可能实现或第一方面的第四种可能实现，在第一方面的第五种可能实现方式中，所述平板为玻璃平板。

结合第一方面、第一方面的第一种可能实现方式、第一方面的第二种可能实现方式、第一方面的第三种可能实现或第一方面的第四种可能实现，在第一方面的第六种可能实现方式中，所述去耦合材料为环氧树脂。

结合第一方面的第四种可能实现，在第一方面的第七种可能实现方式中，所述取下压电材料步骤具体为：

通过三氯乙烯对平板上的石蜡进行清洗后，取下所述压电材料。

结合第一方面，在第一方面的第八种可能实现方式中，所述压电材料为压电陶瓷、压电单晶或压电聚合物。

结合第一方面、第一方面的第一种可能实现方式、第一方面的第二种可能实现方式、第一方面的第三种可能实现或第一方面的第四种可能实现方式，在第一方面的第九种可能实现方式中，所述平板的平面度小于或等于5微米。

本发明将压电材料黏合在平板上，在平板上对所述压电材料进行切割，并且不会对压电材料完全分割，可以防止微晶元由于没有支撑而错位。在切割后的压电材料的割缝中填充去耦合材料，以平板为基准，对固化了去耦合材料的压电材料的上表面进行研磨加工，可以防止压电材料在加工过程中发生弯曲，有效的保证了微晶元的正确排序和形状的规则性，为面阵探头的一致性提供可靠的保障。

附图说明

图1是本发明实施例提供的压电复合材料的制作方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的压电复合材料制作示意图；

图3是本发明实施例提供的压电复合材料表面形成匹配层的实现流程图；

图4是本发明实施例提供的压电复合材料的表面形成匹配层的制作示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的目的在于提供一种压电复合材料的制作方法，以解决现有技术中制作压电复合材料，固化成型所述去耦合材料的过程中，可能会导致压电陶瓷材料弯曲变形，使得微晶元之间形成错位；或者，在固化成型过程中采用夹具进行压制，防止在固化过程中变化，但在其后中对多余的去耦合材料的研磨工序中，由于夹具取下后，由于多次的研磨，受到内应力的影响也会使压电陶瓷材料发生变形，会导致研磨后的微晶元不能形成一个规则的立方体，严重影响面阵探头的一致性的问题。

另外，本发明还进一步解决了现有技术中对于匹配层的问题。在现有技术中，匹配层是通过黏贴的方式与压电复合材料进行贴合。当阵元构成的压电复合材料较小，或者是线阵时，压电复合材料和匹配层分别制作，在压电复合材料表面涂覆胶水，再将所述压电复合材料与匹配层进行黏贴，多余的胶水可以挤压到压电复合材料和匹配层之外，使得压电复合材料和匹配层之间能够紧密结合。但是，在压电复合材料和匹配层之间仍然会有胶水层，虽然可以把胶水层压制的很薄，但依然会对超声换能器的性能造成影响。大规模的面阵探头，由于其压电复合材料面积过大，压电复合材料和匹配层之间多余的胶水很难被挤出，多余的胶水会严重影响面阵探头的性能，同时，还可能在压电复合材料和匹配层之间形成气泡，对面阵探头的一致性的影响更加严重。

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示为本发明实施例提供的压电复合材料的制作方法的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，将压电材料与平板黏合。

所述压电材料，可以为压电陶瓷材料、压电单晶材料或压电聚合物材料。所述压电材料的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。因此，可以根据压电材料制作换能器或传感器等，比如高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号(机械震动)，即超声波信号。

所述平板，优选的实施方式选用平板的平面度小于或等于5微米。也就是说，在平板的最凸起的位置与最凹陷的位置的高度差不能大于5微米。所述平板可以选用玻璃材料的平板，或者还可以选用其它平整性佳的材料。

所述将压电材料与平板黏合的步骤具体为：

在所述平板的表面设置石蜡，加热所述石蜡，使所述石蜡融化在所述平板表面。

在融化了所述石蜡的平板表面黏合所述压电材料。

所述石蜡可以研磨为粉末或者较小颗粒的状态设置在平板上，将所述石蜡加热后，融化后的石蜡可以较为均匀的在平板的表面，从而可以得到更好的黏合效果。

所述石蜡的加热方式，可以通过火焰加热或者将平板放置在一定温度的氛围中，使得石蜡能够均匀的分布在需要黏合压电材料的区域，如图2中的A图所示为压电材料与平板黏合后的效果示意图。所述平板可以选用耐热性好的玻璃材料。

在步骤S102中，对黏合在所述平板上的压电材料进行切割，所述压电材料的割缝的深度小于所述压电材料的厚度。

以平板底面为基准，对压电材料进行微晶元切割。所切割得到的微晶元即单个的压电单元。一般情况下，所述压电材料不会被完全分割，防止微晶元在完全分割后没有支撑而容易发生错位。如图2中的B图所示为对压电材料进行切割后的示意图，所述压电材料的下表面没有完全切割开，因而各个微晶元(压电单元)之间可以可靠的连接和固定，避免微晶元发生错位。

所述压电材料的割缝的深度，可以略小于所述压电材料的厚度。比如，所述压电材料的割缝的深度，可以比所述压电材料的厚度小2-10微米等。

在步骤S103中，在所述压电材料的割缝中填充去耦合材料。

具体的，向压电材料的割缝中填充去耦合材料时，所述去耦合材料可以漫过所述压电材料，并在步骤S104中通过研磨的方式，可以去掉多余的去耦合材料，如图2中的C图所示为去掉了多余的去耦合材料后的压电材料的示意图。固化后的去耦合材料，可以对微晶元起支撑作用，并能够得到一个个单独的微晶元。通过所述去耦合材料，可以有效的克服微晶元之间的牵动耦合和电耦合，减少串声干扰。可选的，所述去耦合材料可以是环氧树脂。

在步骤S104中，以所述平板为基准，对填充了去耦合材料所固化的压电材料的上表面研磨，然后取下压电材料，对压电材料的下表面研磨。

以所述平板为基准，研磨所述压电材料的双面具体可以为：

对于压电材料的上表面：可以所述平板的底面为基准，研磨填充了去耦合材料后的压电材料，直到压电材料的上表面可见。由于通过平板为基准进行研磨，从而可以有效的减少单个压电单元出现变形的可能性，提高面阵列探头的一致性。

对于压电材料的下表面：可以将压电材料从所述平板上取下，可以将压电材料反过来固定在所述平板上，研磨所述压电材料的下表面。所述压电材料的下表面所研磨的厚度可以根据割缝的深度相应调整。在取下所述压电材料时，若步骤S101中采用石蜡进行黏合，则可以采用三氯乙烯对石蜡进行清洗，然后取下黏合的压电材料，如图2中的D图所示的研磨后的压电复合材料的示意图。

在步骤S105中，在研磨后的压电材料表面设置电极，得到压电复合材料。

在得到研磨后的压电复合材料后，对压电陶瓷材料的微晶元的双面设置电极，即可得到一致性较好的压电复合材料。

通过将压电材料黏合在平板上，在平板上对所述压电材料进行切割，并且不会对压电材料完全分割，可以防止微晶元由于没有支撑而错位。在切割后的压电材料的割缝中填充去耦合材料，以平板为基准，对固化了去耦合材料的压电材料的上表面进行研磨加工，可以防止压电材料在加工过程中发生弯曲，有效的保证了微晶元的正确排序和形状的规则性，为面阵探头的一致性提供可靠的保障。

为了进一步提高面阵探头的质量，所述方法还可以包括对压电复合材料表面设置匹配层的步骤，通过对匹配层设置方式的改进，可以使得匹配层与压电复合材料之间不易脱落，不易起泡，并且匹配层与压电复合材料之间无胶水层，可以有效的提高超声换能器的性能，下面进行具体说明：

如图3所示的压电复合材料表面形成匹配层的实现流程图，包括：

在步骤S301中，将所述压电复合材料与所述平板黏合。

与步骤S101中的压电材料与平板黏合的方式基本相同，如图4中的E图所示，所述压电复合材料与所述平板的黏合过程同样可以采用石蜡加热的方式，将石蜡融化在所述平板上，然后将所述压电复合材料设置在所述石蜡融化的区域。并且，所述石蜡可以为粉末状或者粒状，可以更为均匀的分布在黏合的区域，以达到更优的黏合效果。

所述压电复合材料，可以由图1中的方法得到，也可以为通过其它方法得到的压电复合材料。

在步骤S302中，在所述压电复合材料表面灌注匹配层材料。

在所述压电复合材料表面灌注匹配层材料，具体可以将匹配层材料加热融化，然后浇灌到所述压电复合材料的表面以及压电复合材料的四周。

作为本发明一种优选的实施方式，如图4中的F图所示，在所述复合材料表面灌注匹配层材料步骤具体为：

在所述复合材料的四周设置与平板紧密贴合的挡板，所述挡板与所述复合压电材料之间留有间隙；

在所述挡板内灌注匹配层材料，在所述复合材料层的上表面和四周覆盖所述匹配层材料。

所述挡板与平板紧密贴合，可以避免匹配层材料从挡板或者其它位置溢出，从而达到节省匹配层材料的目的。

所述挡板与平板之间留有间隙，当所述匹配层材料灌注在所述挡板内时，通过所述间隙可以在所述压电复合材料的侧面形成匹配层保护，从而可以由匹配层包裹压电复合材料的四周，匹配层和压电复合材料之间的结合更为稳定可靠。通过灌注的方式，使得压电复合材料与所述匹配层之间不容易起泡，并且不需要设置胶水层，有利于提高超声换能器的性能。

在步骤S303中，在匹配层材料固化后，以平板为基准研磨覆盖在所述压电复合材料表面的匹配层材料。

在所述匹配层材料固化后，可以将生成的匹配层的压电复合材料表面上多余的匹配层材料去除，得到带匹配层的压电复合材料如图4中的G图所示。去除匹配层材料的方式可以通过切割的方式，或者研磨的方式。通过匹配层包裹的方式，有利于进一步提高研磨加工的可靠性。

另外，本发明实施例还可以进一步包括：

在步骤S304中，从平板上取下所述压电复合材料，对所述压电复合材料的下表面进行阵列元划分，得到预定尺寸的压电复合材料。从而能够适应不同的面阵换能器的需求。

因此，本发明通过图1所示的压电复合材料制作方法，可以得到一致性较好的压电复合材料，可以用于大规模阵元的二维面换能器。而通过图2所示的压电复合材料形成匹配层方法，通过将匹配层材料直接灌注成型，匹配层和压电复合材料之间无胶水层，有利于提高超声换能器的性能。并且，该方法可以将匹配层包裹在压电复合材料的四周，有利于提高复合压电材料的可靠性，使用时，匹配层和压电复合材料之间不易脱落。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。