[其他]復合式超聲換能器及其制造方法

在審

• 申請號: 101985000002335
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85102335B
• 公開（公告）日: 1988-07-20
• 發明（設計）人: 竹內裕之;中谷千歲;片倉景義
• 申請（專利權）人: 株式會社日立醫療器械;株式會社日立制作所
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 何關元

一種超聲換能器，它使用了這樣的壓電復合物：若干由壓電陶瓷制成的壓電柱配置在板狀多聚物基體中，并且壓電柱垂直于板的表面。壓電柱所占的體積比置于０．１５－０．７５的范圍，并且各個相鄰的壓電柱之間的距離調節到小于多聚物板的厚度，由此制成一種比使用同質壓電陶瓷板的常規換能器的靈敏度高的換能器。

本發明屬于在超聲診斷設備或其它設備中使用的超聲波換能器。

迄今，鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷被廣泛用作超聲換能器的壓電振子材料。但是，上述壓電陶瓷存在以下一些缺點：（1）當用于診斷目的時，需要精心設計一個聲學匹配層，這是因為其聲學阻抗顯著地大于人體的聲學阻抗;（2）其介電常數相當大，因而壓電電壓常數g過于小，以至于根據所接收到的超聲波不能產生出高電壓;（3）它們很難形成與人體形狀相適合的曲率。為了解決這些問題，已經提出了所謂壓電復合物的概念，在壓電復合物中多聚物與壓電物質相復合。作為一個例子，可以舉出Newnham等人在美國的一份報道：這樣一種復合物結構是有效的，其中若干PZT柱12埋入多聚物11中，如圖1所示（參見“Material Research Briden”，Vol.13，PP.525-536（1978））。事實上，PZT與諸如硅橡膠或環氧物等多聚物共同組成的復合物結構導致了一種具有低聲學阻抗和大壓電電壓常數g材料。

在上述壓電復合物中，它們的壓電性能隨著壓電物質與多聚物的體積比的不同而變化甚大。這一點在上面提到的參考文獻中已有詳細的介紹。但是，可以預料：壓電復合物的壓電性能還會隨著壓電柱的尺寸和配置的不同而變化-即使壓電物質與多聚物的體積比相同也是如此。

本發明的一個目的是：提供一種復合式超聲換能器，其發射和接收總靈敏度高于使用壓電陶瓷板的常規換能器的靈敏度。

本發明的另一目的是：提供一種有利于大量生產的制造高可靠性的壓電復合物的方法。

本發明的特征在于一種由壓電復合物制成的超聲換能器具有這樣的結構：若干壓電陶瓷柱埋入板狀多聚物基體中，且壓電陶瓷柱垂直于板的表面，其中壓電陶瓷柱所占體積比為0.15-0.75，而每個壓電陶瓷柱的高度均大于各相鄰的壓電陶瓷柱之間的距離。

本發明的其它特征可從下文的詳細描述中揭示出來。

圖1是本發明的一種實施例的透視圖;

圖2和圖3是換能器靈敏度特性的特性曲線;

圖4A-4C、圖5A-5H、圖6A-6B和圖7A-7G是上述實施例的制造方法的示意圖;

圖8A-8E、圖9和圖10A-10B是本發明的另一實施例的制造方法的示意圖。

圖1畫出了本發明的一種實施例的結構。一塊以下文所述的制造方法制作出來的壓電復合物100具有這樣的結構：若干壓電陶瓷柱101配置在多聚物基體102中，彼此相距d。在壓電復合物100的上、下表面各自形成電極103和104，從而組成一個復合式換能器。

沿其長度方向極化過的PZT（Pb（TiZr）O₃）陶瓷或鈦酸鉛陶瓷（PbTiO₃）用作壓電柱101最為合適。硅橡膠、聚氨酯或環氧樹脂用作多聚物102最為合適。最好用鉻-金薄膜形成電極，當然，其它適用的導電薄膜也可以用來形成電極。

圖2給出了圖1中所示復合式換能器的靈敏度變化相應于壓電陶瓷柱101之間的距離d的變化的測量結果，該復合式換能器是用PZT陶瓷和硅橡膠制成的。這個測量結果是由四種情況得到的：壓電復合物換能器中的壓電陶瓷柱為10平方毫米，厚度h為0.3毫米，而柱間距離d分別為0.15毫米、0.2毫米、0.3毫米和0.4毫米。壓電陶瓷柱101相對于整個壓電復合物的體積比對每種換能器而言均為25%。每種換能器沿其深度方向的縱振動的諧振頻率大約都是4.5兆赫茲。