超声换能器阵列及其制备方法

1.本技术涉及超声波操控技术领域，特别是涉及一种超声换能器阵列及其制备方法。


背景技术：

2.动态全息声镊能够在无需直接接触的情况下精确操控微纳物体，适用于各种材料，具有较高的空间分辨率，并且可以实现实时动态调整，从而在生物学、材料科学和微纳制造等领域发挥重要作用。动态全息声镊的实现主要依赖阵列式超声换能器。
3.阵列式超声换能器在设计时需考虑阵列频率、阵元数、排布方式、相邻阵元中心距离和阵元宽度等参数。目前阵列式超声换能器有以下两种类型：
4.1)由超声探头按照一定的空间排列方式构成的相控阵超声操控系统，适用于空气中，但存在体积大、空间分辨率和频率低、表达能力有限等缺点；
5.2)压电复合材料制成的超声换能器，适用于液体环境，但制作工艺复杂。人体环境接近水的密度，因此压电复合材料制成的超声换能器在生物学和医学领域具有更大应用前景。
6.在现有技术中，制备压电陶瓷超声换能器阵列的方法通常包括以下几个步骤：首先，将压电陶瓷材料切割成若干矩形单元；然后，将上部电极和下部电极分别与矩形压电陶瓷单元连接；最后，将这些连接好的单元按照一定的排列方式组成换能器阵列。这种方法在切割压电陶瓷时需要保持单元之间有一定的间隔，以避免不同单元之间的电磁干扰和声场相互影响。然而，这种方法不仅制备工艺复杂，并且限制了阵列密度，即限制了在同等面积下的换能器单元数量。阵列密度的限制会导致声场分辨率降低，从而影响超声换能器阵列在高精度声学成像、高分辨率声场控制等领域的应用效果。


技术实现要素：

7.鉴于以上所述现有技术中的问题，本技术的目的在于提供一种超声换能器阵列及其制备方法，以解决现有的超声换能器阵列制备工艺复杂、阵列密度低的技术问题。
8.为实现上述目的及其它相关目的，本技术提供一种超声换能器阵列制备方法，包括：
9.提供压电片，所述压电片具有相对设备的第一表面和第二表面；
10.于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，所述电极阵列包括多个独立且以阵列方式间隔排布的电极单元；
11.于所述压电片的第二表面形成第二电极层；
12.于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层。
13.在本技术的一可选实施例中，于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，包括：
14.于所述压电片的第一表面形成图案化掩膜层，所述图案化掩膜层显露出所述第一
表面的局部区域；
15.于所述图案化掩膜层上形成电极材料层，所述电极材料层覆盖所述图案化掩膜层及所述压电片的被所述图案化掩膜层显露出来的局部区域；
16.移除覆盖于所述图案化掩膜层上的所述电极材料层及所述图案化掩膜层，以于所述压电片的第一表面形成电极阵列电极材料层。
17.在本技术的一可选实施例中，于所述图案化掩膜层上形成电极材料层，包括：
18.通过成蒸镀、磁控溅射或原子层沉积工艺于所述图案化掩膜层上依次形成第一粘附层和第一金属层，作为所述电极材料层。
19.在本技术的一可选实施例中，所述压电片包括压电单晶体片，多晶体压电陶瓷片，高分子压电片，或聚合物-压电陶瓷复合片。
20.在本技术的一可选实施例中，于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层，包括：
21.于所述第二电极层上形成环氧树脂层或掺杂纳米金属氧化物的环氧树脂复合物层，作为所述声阻抗匹配层。
22.在本技术的一可选实施例中，于所述压电片的第二表面形成第二电极层，包括：
23.通过成蒸镀、磁控溅射或原子层沉积工艺于所述压电片的第二表面依次形成第二粘附层、第二金属层及第三粘附层，作为所述第二电极层。
24.在本技术的一可选实施例中，所述声阻抗匹配层的厚度介于290μm-330μm，所述压电片的厚度介于0.8mm-1.2mm。
25.在本技术的一可选实施例中，于所述压电片的第一表面形成第一电极层，所述第一电极层包括多个独立电极单元，多个所述电极单元以阵列方式间隔排布的步骤中，所述电极单元的阵列密度大于等于11个/cm2。
26.在本技术的一可选实施例中，于所述压电片的第一表面形成第一电极层，所述第一电极层包括多个独立电极单元，多个所述电极单元以阵列方式间隔排布的步骤中，多个所述电极单元以矩形阵列间隔排布，相邻两个所述电极单元的间隙介于超声波传播介质中声波波长的1/4到1/2。
27.为实现上述目的及其它相关目的，本技术提供一种超声换能器阵列，所述超声换能器阵列采用上述方法制备。
28.本技术的超声换能器阵列制备方法，无需切割压电片，通过微纳加工工艺在整片压电片上形成阵列分布的相互独立且间隔布置的电极单元，以形成可单独控制的超声波阵元阵列，不仅简化制作工艺，而且还能实现更高的阵列密度，提高超声换能器的空间分辨率，提升高精度声学成像、高分辨率声场控制等应用效果，同时还适合大规模生产。
29.本技术的超声换能器阵列制备方法，通过在上部电极层上添加声阻抗匹配层，有助于提高超声换能器阵列的声学性能，并且声阻抗匹配层的厚度可以通过具体制作流程进行精确控制，以满足不同应用需求。
30.本技术的超声换能器阵列制备方法，通过选择合适的电极单元尺寸和间隙，从而能够在不切割压电片的前提下，有效减弱相邻阵元间的串扰问题，克服了现有技术中认为压电材料制作超声换能器阵列时需要先进行阵列切割，并在切割槽内填充聚合物的技术偏见。
31.本技术的超声换能器阵列采用压电复合材料制成，适用于液体环境，更适合生物
学和医学领域的应用场景。
附图说明
32.图1为本技术一实施例中超声换能器阵列的制备流程图。
33.图2a为于压电片的第一表面上形成图案化掩膜层的示意图。
34.图2b为于所述图案化掩膜层上形成电极材料层的示意图。
35.图2c为移除覆盖于所述图案化掩膜层上的所述电极材料层及所述图案化掩膜层，以在所述压电片的第一表面形成电极阵列的示意图。
36.图2d为于压电片的第一表面上形成第二电极层的示意图。
37.图2e为于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层的示意图。
38.图3为本技术一实施例中超声换能器阵列的立体结构示意图。
39.图4为本技术的一实施例中超声换能器阵列的爆炸示意图。
40.图5为图3中的局部放大图。
具体实施方式
41.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
42.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，遂图示中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
43.本技术提出了一种新颖的超声换能器阵列制备方法。该方法的主要创新点在于无需对压电陶瓷进行矩形切割，而是对下部电极进行阵列化布置，每个电极单元之间留有间距，从而在同等面积下实现数量更多、更密集的换能器阵列，从而有效提高超声换能器阵列的性能表现。
44.图1示出了本技术的超声换能器阵列制备方法的工艺流程图，包括步骤s10-s30，图2a-2e给出了各步骤的示意图。下面将结合图1-2来详细说明整个制备工艺。
45.在步骤s10中，提供压电片11。
46.所述压电片12作为超声换能器阵列的关键部件，能够将交变电压转换成交变机械震振动，是超声波产生的关键。所述压电片12例如可以是压电单晶体片，多晶体压电陶瓷片，高分子压电片，或聚合物-压电陶瓷复合片材料等具有优异压电性能的材料构成的压电片。其中，所述多晶体压电陶瓷片包括锆钛酸铅、pzt-4、pzt-5、pzt-6、pzt-8、铌镁锆钛酸铅、铌锌酸铅钛酸铅或铌镍酸铅钛酸铅。所述压电单晶体片例如可以包括石英或水溶性压电晶体(如酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸钾等)。高分子压电片包括聚偏氟乙烯等极性高分子材料构成的压电片。
47.如图2a所示，所述压电片11例如采用pzt-5压电陶瓷片，所述压电片11具有相对设
置的第一表面(下表面)和第二表面(上表面)。所述压电片11采用一个完整的片，无需切割，区别于现有技术中对整片压电片11进行切割并填充聚合物来形成独立的多个压电单元。作为示例，所述压电片11的厚度介于0.8mm-1.2mm之间，譬如0.8mm，0.9mm，1.0mm，1.1mm，1.2mm。
48.需要说明的是，商业上购买的压电片11通常会在上下表面上形成金属电极，例如镍电极，在制作超声换能器阵列之前需要提前去除压电片11自带的金属电极。以自带的金属电极为镍电极为例，可通过20％浓度(当然也可以是其他浓度)的硝酸溶液去除。
49.在步骤s20中，于所述压电片11的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层13，所述电极阵列包括多个独立且以阵列方式间隔排布的电极单元131。
50.具体地，如图2a-2e所示，于所述压电片11的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层13，所述电极阵列包括多个独立且以阵列方式间隔排布的电极单元131，包括如下步骤：
51.如图2a所示，通过光刻技术于所述压电片11的第一表面形成图案化掩膜层12，所述图案化掩膜层12显露出所述第一表面的局部区域。所述压电片11被所述图案化掩膜层12的显露区域对应后续需要形成电极单元131的区域，而被所述图案化掩膜层12覆盖区域为不需要形成电极单元131的区域，也即所述压电片11被所述图案化掩膜层12的显露区域实际上包括多个独立且间隔布置的子区域，每个子区域后续用于形成一个电极单元131。
52.作为示例，于所述压电片11的第一表面形成图案化掩膜层12，所述图案化掩膜层12显露出所述第一表面的局部区域，例如包括：
53.(1)于所述压电片11的第一表面旋涂az5214光刻胶，旋涂时先以600转每分钟的转速旋涂5秒，然后以4000转每分钟的转速旋涂60秒；
54.(2)用95度热板烘烤90秒；
55.(3)利用激光直写机ml3以90mj/cm2计量，对后续需要形成电极阵列部分进行紫外曝光；
56.(4)用显影液显影45秒，洗去电极阵列部分光刻胶，从而于所述压电片11的第一表面形成图案化掩膜层12。
57.如图2b所示，于所述图案化掩膜层12上形成电极材料层13’，所述电极材料层13’覆盖所述图案化掩膜层12及所述压电片11的被所述图案化掩膜层12显露出来的局部区域。所述电极材料层13’例如可通过蒸镀、磁控溅射、原子层沉积工艺等金属成膜工艺形成。
58.具体地，于所述图案化掩膜层12上形成电极材料层13’时，可通过成蒸镀、磁控溅射或原子层沉积工艺于所述图案化掩膜层12上依次形成第一粘附层和第一金属层，作为所述电极材料层13’。通过设置所述第一粘附层，能够增加所述第一金属层与压电片11之间的粘附力，从而增加后续形成的第一电极层13的可靠性。作为示例，所述第一金属层的材料例如可以是金、银、铜或镍等导电材料，譬如镍；所述第一粘附层的材料例如可以是钛或铬。
59.作为示例，例如可通过磁控溅射工艺于所述图案化掩膜层12上依次形成20nm钛(作为第一粘附层)和100nm镍(作为第一金属层)。
60.可以理解的是，在一可选实施例中，也可不设置第一粘附层，也即所述电极材料层13’也可只包括第一金属层。
61.如图2c所示，移除覆盖于所述图案化掩膜层12上的所述电极材料层13’及所述图
案化掩膜层12，从而在所述压电片11的第一表面形成电极阵列。具体地，可通过去胶液剥离去除图案化掩膜层12及其上的电极材料层13’，而保留形成于压电片11的第一表面上的电极材料层13’，保留下来的电极材料层13’为独立且以阵列方式间隔布置的电极单元131。
62.作为示例，例如可通过将形成有电极材料层13’的压电片11放入丙酮溶液中，并通过超声清洗洗去不需要的电极材料层13’，得到电极阵列。
63.在超声换能器阵列中，每个电极单元131对应的压电片11区域作为一个超声波阵元，从而形成可单独控制的超声波阵元阵列，通过对多个超声波阵元独立进行声场相位或幅值调制，可以构建具有复杂压力和相位分布的干涉叠加声场，形成全息动态声镊。
64.需要说明的是，在超声换能器阵列工作时，需要单独控制各阵元工作，本领域技术人员通常认为相邻阵元同时起振时，如果相邻阵元直接相连，会发生串扰。故而现有技术中，利用压电复合材料制作超声换能器阵列时，需要对压电片11进行矩阵切割，再向切割槽中填充聚合物来形成，从而形成独立的压电单元，压电单元与两侧的电极构成一个超声波阵元，以这种方式来减弱相邻阵元起振时的串扰问题。
65.而在本技术中，发明人创造性的发现，通过将所述第一电极层13设置电极单元阵列的形式，并选择合适的电极单元131尺寸和间隙，能够在不切割压电片11的前提下，也可以有效减弱相邻阵元串扰问题，也即本技术克服了技术偏见。具体地，为了有效减弱相邻阵元串扰问题，当所述电极单元131为正方形时，需要满足相邻两个所述电极单元131的间隙介于超声波传播介质中声波波长的1/4到1/2，譬如1/4，7/24，1/3，3/8，5/12，11/24，1/2，所述压电片11的厚度与所述电极单元131的边长的比值介于0.8-1.2之间，譬如0.8，0.9，1.0，1.1，1.2。
66.由上可知，由于采用微纳加工工艺来形成多个所述电极单元131，故而在所述第一电极层13中，所述电极单元131的阵列密度可以做的更密集，也即所述超声换能器阵列的超声波阵元阵列的密度可以做的更密集，从而能实现更高的超声波阵元阵列密度，的空间分辨率，提升高精度声学成像、高分辨率声场控制等应用效果。
67.具体地，在所述第一电极层13中，所述电极单元131的阵列密度可以大于等于11个/cm2，譬如11个/cm2，35个/cm2，60个/cm2，80个/cm2，100个/cm2，大于100个/cm2。也即所述超声换能器阵列的超声波阵元阵列的密度可以大于等于11个/cm2，譬如11个/cm2，35个/cm2，60个/cm2，80个/cm2，100个/cm2，大于100个/cm2。在步骤s30中，如图2d所示，于所述压电片11的第二表面形成第二电极层14。
68.在步骤s30中，如图2d所示，于所述压电片11的第二表面形成第二电极层14。
69.具体地，于所述压电片11的第二表面形成第二电极层14时，例如可通过蒸镀、磁控溅射、原子层沉积工艺、化学气相沉积工艺等金属成膜工艺于所述压电片11的第二表面依次形成第二粘附层、第二金属层及第三粘附层，作为所述第二电极层14。通过设置第二粘附层，能够增加所述第二电极层14与压电片11之间的粘附力，从而增加第二电极层14的可靠性。通过设置第三粘附层，能够增加后续形成的声阻抗匹配层15与第二电极层14所之间的粘附力，从而增加声阻抗匹配层15的可靠性。作为示例，所述第二金属层的材料例如可以是金、银、铜或镍等导电材料，譬如镍；所述第二粘附层及第三粘附层的材料例如可以是钛或铬。
70.作为示例，例如可通过磁控溅射工艺于所述压电片11的第二表面上依次形成20nm
钛(作为第二粘附层)、100nm镍(作为第二金属层)及20nm钛(作为第三粘附层)。
71.可以理解的是，在一可选实施例中，也可不设置第二粘附层和/或第三粘附层。
72.在步骤s40中，如图2e所示，于所述第二电极层14上形成声阻抗匹配层15。
73.超声波在不同介质中传播时，由于声阻抗的不同，会发生部分反射和折射，导致能量的损失和波形的失真。为此，需要在所述第二电极层14上形成声阻抗匹配层15。声阻抗匹配层15是一种介质层，位于超声换能器阵列的振动端面和负载介质之间，声阻抗匹配层15的主要作用是减少超声波的反射和干涉，提高超声波的传输效率，从而提高超声换能器阵列的性能。
74.声阻抗匹配层15的存在可以降低超声换能器阵列和传播介质之间的声阻抗不匹配问题，减少超声波的反射和散射，提高超声波的能量传输效率。此外，声阻抗匹配层15还可以提高信噪比。并且声阻抗匹配层15还可以提高超声换能器阵列的机械刚度，增加其频率响应范围，提高其稳定性和可靠性。
75.通过选择声阻抗匹配层15的合适材料和厚度，可以使声阻抗的匹配度达到最大，最小化反射，最大限度地传递超声波的能量。所述声阻抗匹配层15的材料例如可以选择环氧树脂和参杂纳米金属氧化物(如钛酸锶)的环氧树脂复合物，也即所述声阻抗匹配层15可以是环氧树脂层或掺杂纳米金属氧化物的环氧树脂复合物层。所述声阻抗匹配层15的厚度介于290μm-330μm，譬如290μm、300μm、310μm、320μm或330μm。需要说明的是，采用掺杂纳米金属氧化物的环氧树脂的声阻抗匹配层15相比采用环氧树脂环的声阻抗匹配层15可以实现更高的能量传输率，但是制作工艺以及成本会提高。
76.在一具体实施例中，所述声阻抗匹配层15的材料例如可以选择su-8光刻胶或掺杂纳米金属氧化物的su-8光刻胶，也即所述声阻抗匹配层15可以是su-8光刻胶层或掺杂纳米金属氧化物的su-8复合物层。其中，su-8光刻胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶；具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性；su-8胶不导电，在电镀时可以直接作为绝缘体使用，可以浸泡在水介质中使用。
77.需要说明的是，当第二电极层14没有设置第三粘附层时，为了增加声阻抗匹配层15与第二电极层14之间的粘附力，提高超声换能器阵列的结构稳定性，在形成声阻抗匹配层15时，可先于所述第二电极层14上形成底胶粘附层；随后于所述底胶粘附层上形成所述声阻抗匹配层15。所述底胶粘附层例如可以是lor-5a粘附层，其中，lor-5a为lift off底层胶，lor-5a粘附层能够增加第二电极层13与所述声阻抗匹配层15之间的粘附性，增强超声换能器阵列的结构稳定性。需要说明的是，也可用其他的lift off底层胶来代替lor-5a。
78.作为示例，于所述第二电极层14上形成声阻抗匹配层15，具体包括：
79.(1)在第二电极层14上旋涂su-8，旋涂时，以400转每分钟的转速旋涂5秒，1000转每分钟的转速旋涂60秒；
80.(2)用65度热板烘烤5分钟；
81.(3)用95度热板烘烤30分钟；
82.(4)重复步骤(1)-(3)共三次(根据su-8所需要的厚度决定)，得到310微米左右的su-8薄膜；
83.(6)最后用mjb4紫外曝光机，曝光4分钟，从而形声阻抗匹配层15；
84.(7)通过台阶仪扫描匹配层厚度，确保符合要求，误差控制在
±
10微米内。
85.通过上述步骤s10-s40，第一电极层13、压电片11、第二电极层14及声阻抗匹配层15粘结成整体，形成如图3-图5所示完整的超声换能器阵列。
86.在一可选实施例中，在形成声阻抗匹配层15，还需要在所述超声换能器阵列10的第二电极层14上引出至少一根地线，随后在超声换能器阵列10的上表面上形成防水层，用于实现超声换能器阵列10与介质(例如水)的电绝缘，使超声换能器阵列10能够浸泡在介质(例如水)中使用，减少能量的损失。所述防水层例如可以是聚合物薄膜防水层，例如聚对二甲苯基防水层(简称parylene防水层)。
87.图3示出了利用本技术的制备工艺制备的超声换能器阵列10，图4为图3的超声换能器阵列10的爆炸示意图，图5为图4的局部放大图。如图3-5所示，所述超声换能器阵列10包括压电片11、第一电极层13、第二电极层14及声阻抗匹配层15。
88.所述压电片11具有相对设置的第一表面(下表面)和第二表面(上表面)；所述第一电极层13形成于所述压电片11的第一表面上，所述第一电极层13包括多个独立电极单元131，多个所述电极单元131以阵列方式间隔排布；所述第二电极层14设置于所述压电片11的第二表面；所述声阻抗匹配层15设置于所述第二电极层13的远离所述压电片11的表面。
89.在一可选实施例中，所述超声换能器阵列10还包括防水层(未图示)，所述防水层涂覆于所述超声换能器阵列10的上表面，用于实现超声换能器10与介质(例如水)的电绝缘，使超声换能器阵列10能够浸泡在介质(例如水)中使用，减少能量的损失。所述防水层例如可以是聚合物薄膜防水层，例如聚对二甲苯基防水层(简称parylene防水层)。
90.所述超声换能器阵列10的详细结构详见上文中制备方法部分的描述，在此不做赘述。
91.超声换能器阵列10中的压电片11通过电-机-声转换的原理，将电能转化为机械振动能，从而产生超声波。以压电陶瓷为例，在压电陶瓷上施加电场，使得压电陶瓷晶格中的正、负离子发生位移，压电陶瓷在施加电场的作用下会发生尺寸变化，从而引起与其固定在一起的振膜的变形。振膜的变形进一步引起了与之相邻的介质(如水、空气等)的振动，从而产生超声波。改变施加到压电陶瓷上的电场信号的频率和振幅，可以控制换能器产生的超声波的频率和强度，从而满足不同应用需求。为了使产生的超声波从压电陶瓷传输到物体或流体中(如在空气或水中)，需要通过声匹配层15进行匹配，以使压电陶瓷与介质之间的声阻抗相匹配，从而使超声能量有效传输到介质中。
92.超声换能器阵列10可以来制作声镊器件，声镊器件通过控制超声换能器阵列10产生和调控声波，可以实现声悬浮操控液体中的粒子或细胞的非接触式操控，具有安全、无接触、低能耗、技术简便和小型化等优点，在材料科学、生物学、物理学等领域具有明显优势。尤其是生物医学领域，借助声镊技术，许多瓶颈问题有望迎刃而解。
93.综上所述，本技术的超声换能器阵列及其制备方法，无需切割压电片，通过微纳加工工艺在整片压电片上形成阵列分布的相互独立的电极单元，以形成可单独控制的超声波阵元阵列，不仅简化制作工艺，而且还能实现更高的阵列密度，提高超声换能器阵列的空间分辨率，提升高精度声学成像、高分辨率声场控制等应用效果，同时还适合大规模生产。
94.本技术的超声换能器阵列及其制备方法，通过在上部电极层上添加声阻抗匹配层，有助于提高超声换能器阵列的声学性能，并且声阻抗匹配层的厚度可以通过具体制作流程进行精确控制，以满足不同应用需求。
95.本技术的超声换能器阵列及其制备方法，通过选择合适的电极单元尺寸和间隙，从而能够在不切割压电片的前提下，有效减弱相邻阵元间的串扰问题，克服了现有技术中认为压电材料制作超声换能器阵列时需要先进行矩阵切割，并在切割槽内填充聚合物的技术偏见。
96.本技术的超声换能器阵列采用压电复合材料制成，适用于液体环境，更适合生物学和医学领域的应用场景。
97.在本文的描述中，提供了许多特定细节，诸如部件和/或方法的实例，以提供对本技术实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到可以在没有一项或多项具体细节的情况下或通过其他设备、系统、组件、方法、部件、材料、零件等等来实践本技术的实施例。在其他情况下，未具体示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免使本技术实施例的方面变模糊。
98.在整篇说明书中提到“一个实施例”、“实施例”或“具体实施例”意指与结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中，并且不一定在所有实施例中。因而，在整篇说明书中不同地方的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在具体实施例中”的各个表象不一定是指相同的实施例。此外，本技术的任何具体实施例的特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式与一个或多个其他实施例结合。应当理解本文所述和所示的发明实施例的其他变型和修改可能是根据本文教导的，并将被视作本技术精神和范围的一部分。
99.还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。
100.另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。
101.如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“一个”、和“该”包括复数参考物。同样，如在本文的描述和在下面整篇权利要求书中所用，除非另外指明，“在
…
中”的意思包括“在
…
中”和“在
…
上”。
102.本技术所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本技术限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本技术的具体实施例和本技术的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本技术的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本技术所述实施例的上述描述来对本技术进行这些修改，并且这些修改将在本技术的精神和范围内。
103.本文已经在总体上将系统和方法描述为有助于理解本技术的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本技术实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本技术的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本技术实施例的各方面造成混淆。
104.因而，尽管本技术在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换亦在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神
的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本技术的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本技术的实质范围和精神。本技术并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本技术的最佳方式公开的具体实施例，但是本技术将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本技术的范围将只由所附的权利要求书进行确定。

技术特征：
1.一种超声换能器阵列制备方法，其特征在于，包括：提供压电片，所述压电片具有相对设备的第一表面和第二表面；于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，所述电极阵列包括多个独立且以阵列方式间隔排布的电极单元；于所述压电片的第二表面形成第二电极层；于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层。2.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，包括：于所述压电片的第一表面形成图案化掩膜层，所述图案化掩膜层显露出所述第一表面的局部区域；于所述图案化掩膜层上形成电极材料层，所述电极材料层覆盖所述图案化掩膜层及所述压电片的被所述图案化掩膜层显露出来的局部区域；移除覆盖于所述图案化掩膜层上的所述电极材料层及所述图案化掩膜层，以于所述压电片的第一表面形成电极阵列。3.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述图案化掩膜层上形成电极材料层，包括：通过成蒸镀、磁控溅射或原子层沉积工艺于所述图案化掩膜层上依次形成第一粘附层和第一金属层，作为所述电极材料层。4.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，所述压电片包括压电单晶体片，多晶体压电陶瓷片，高分子压电片，或聚合物-压电陶瓷复合片。5.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层，包括：于所述第二电极层上形成环氧树脂层或掺杂纳米金属氧化物的环氧树脂复合物层，作为所述声阻抗匹配层。6.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述压电片的第二表面形成第二电极层，包括：通过成蒸镀、磁控溅射或原子层沉积工艺于所述压电片的第二表面依次形成第二粘附层、第二金属层及第三粘附层，作为所述第二电极层。7.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，所述声阻抗匹配层的厚度介于290μm-330μm，所述压电片的厚度介于0.8mm-1.2mm。8.根据权利要求1所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述压电片的第一表面形成第一电极层，所述第一电极层包括多个独立电极单元，多个所述电极单元以阵列方式间隔排布的步骤中，所述电极单元的阵列密度大于等于11个/cm2。9.根据权利要求1-8中任意一项所述的超声换能器阵列制备方法，其特征在于，于所述压电片的第一表面形成第一电极层，所述第一电极层包括多个独立电极单元，多个所述电极单元以阵列方式间隔排布的步骤中，多个所述电极单元以矩形阵列间隔排布，相邻两个所述电极单元的间隙介于超声波传播介质中声波波长的1/4到1/2。10.一种超声换能器阵列，其特征在于，所述超声换能器阵列采用如权利要求1-9中任意一项所述的方法制备。

技术总结
本申请提供一种超声换能器阵列及其制备方法，该制备方法包括提供一压电片，所述压电片具有相对设备的第一表面和第二表面；于所述压电片的第一表面形成电极阵列，作为第一电极层，所述电极阵列包括多个独立且以阵列方式间隔排布的电极单元；于所述压电片的第二表面形成第二电极层；于所述第二电极层上形成声阻抗匹配层。本申请制备方法，通过微纳加工工艺在整片压电片上形成阵列分布的相互独立的电极单元，以形成可单独控制的超声波阵元阵列，无需对压电片进行切割，不仅简化制作工艺，而且还能实现更高的阵列密度，提高超声换能器阵列的声场空间分辨率，提升高精度声学成像、高分辨率声场控制等应用效果，同时还适合大规模生产。产。产。


技术研发人员：刘松
受保护的技术使用者：上海科技大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/4