高居里温度弛豫铁电单晶超声换能器的设计与制备

• 作 者: 赵祥永[1]戴吉岩[2]陈王丽华[2]罗豪甦[1]王威[1]张耀耀[1]岳晴雯[1]徐海清[1]王西安[1]王升[1]柯少荣[2]
• 机 构: 中国科学院上海硅酸盐研究所 上海市 201800
• 出 处: 第十四届全国电介质物理、材料与应用学术会议
• 发表日期: 2012年期

　　以铌镁酸铅(PMNT)为代表的弛豫铁电单晶是新一代高性能压电材料,在医用超声换能器、水声换能器、非制冷红外探测领域有着广泛的应用前景,铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIMNT)三元体系弛豫铁电单晶不仅具有同样优异的压电性能,而且具有更高的居里温度和更大的矫顽场.本研究采用坩埚下降法生长出直径2～3英寸的大尺寸、高质量PIMNT单晶,通过组成设计和工艺优化,制备得到居里温度高于170℃和低温相变温度高于110℃的PIMNT压电晶片,根据PIMNT压电晶片的性能参数,设计了用于无损探伤的TOFD超声探头和用于医疗超声的相控阵B超探头.TOFD探头采用PIMNT单晶1-3复合材料作为压电元件,设计中心频率为5MHz,通过优化匹配层和背衬,制备得到的PIMNT单晶复合材料TOFD探头,与商业OlympusC543型PZT复合材料探头相比,灵敏度余量提高了4dB.相控阵B超探头采用PIMNT单晶宽度振动模式,沿[001]极化,沿[100]方向切割从而获得纯宽度振动模式与最高的机电耦合性能；探头设计64阵元,中心频率为3MHz,溅射Cr/Au电极,采用柔性线路板来进行信号引出,采用双匹配层和单层背衬,切割后阵元宽度0.22mm,采用传统脉冲回波测试方法测试性能,PIMNT单晶相控阵探头灵敏度比PZT陶瓷探头提高3dB,-6dB带宽达到98.6％,相比PZT陶瓷探头的带宽提高了25％以上,带宽覆盖1.52MHz到4.49MHz,同时PIMNT探头回波表现出更窄的脉冲响应,有益于提高轴向分辨率,这些都表明采用PIMNT单晶能够显著提高探头带宽、灵敏度和脉冲宽度,满足了现代医用超声成像要求的宽带宽、高灵敏度和高分辨率要求.