专利名称：超声换能器探头及其制造系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及具有各式各样几何形状的单元件探头和压电元件阵列的制造。特 定来说，本发明涉及用于制造包括压电元件阵列的压电探头的方法。本发明还涉及用于制 造压电元件阵列的系统。
背景技术：
已知，包括压电元件阵列的压电探头可用于若干应用，尤其可用于通过例如超声 扫描来对结构内部进行非破坏性成像。在许多这样的成像应用中，希望尽可能多地减小各 个压电元件的大小，因为这可允许在更高频率工作，而这又可提供所获图像的增大的分辨 率。常规用于制造压电探头的切割-填充法在压电探头中的柱状元件的横截面小于约30微 米时达到分辨率极限。如前所述，探头在较高频率工作可通过减小超声探头的厚度和/或 通过减小柱状元件的横截面来实现。现在，由于在尝试减小柱状截面的横截面积时需要增 加切割，所以制作小横截面积的高频探头的时间随着柱状元件的横截面的减小而增大。并 且，由于用于形成探头的(较薄)压电陶瓷晶片破坏的可能性增大，所以用于制造高频探头 的切割_填充法的成品率可能低于切割-填充法用于制造常规频率探头时的成品率。此外， 切割-填充法不适应用于制作具有非周期性几何形状的探头。这些非周期性探头几何形状 可使得能够增强地消除横向振动模式，而这又可潜在地给予在与具有均勻几何形状的探头 的性能相比时增强的性能。而且，切割-填充法不可用于形成诸如六边形和圆形的非正交 柱状横截面。为了改善常规切割-填充制造方法在制作具有减小尺寸的压电元件方面的缺 点，并且为了制作具有非周期几何形状的探头，同时为了具有包含超声换能器元件的非周 期性阵列的探头，近年来探索了几种方法。这些方法包括激光微加工和直写法。但是，这些 方法中的大多数方法会有精巧并且因此昂贵的制作过程。因此，亟需可靠且具经济效益地制作包括沿一个或多个物理方向具有减小尺寸的 压电元件的周期性或非周期性几何形状的压电探头的方法以及实现此方法的系统。

发明内容
根据以下结合附图提供的对本发明的优选实施例的详细描述，将能更加容易地理 解这些和其它优点和特征。根据本发明的一个示范性实施例，提供一种用于制作传感结构的方法。该方法包 括重复执行以下步骤形成包含超声换能器材料和光聚合物的功能层；以及将功能层的多 个选定区域曝露至可编程光图案来固化功能层的选定区域，以便形成聚合超声换能器材料 区域。该方法还包括选择性地移除功能层的未曝露区域以获得素坯组件；以及烧结素坯
4组件以获得传感结构。根据本发明的另一个示范性实施例，提供一种用于制作传感结构的方法。该方法 包括重复执行以下步骤通过刮片(wiping blade)技术在衬底上形成包含超声换能器材 料和光聚合物的功能层；以及利用数字控制的可编程空间光调制器模块曝露功能层的多个 选定区域，其中所述曝露包括系统性地移动数字控制的空间光调制器模块以曝露功能层的 相邻区域，由此固化功能层的选定区域，以便形成聚合超声换能器材料区域。该方法还包 括选择性地移除功能层的未曝露区域，以获得包括聚合超声换能器元件的阵列的素坯组 件；以及烧结素坯组件以获得具有非周期性元件间距的超声换能器元件的阵列。根据本发明的又一个示范性实施例，提供一种用于制造至少一个压电元件的系 统。该系统包括机械装置，配置成在衬底上形成功能层，其中功能层包括超声换能器材料 和光聚合物；空间光调制器，配置成将功能层的至少一个选定区域曝露至可编程光图案，由 此固化所述至少一个选定区域以形成至少一个聚合超声换能器区域；以及加热组合件，配 置成烧结所述至少一个聚合超声换能器区域以获得至少一个超声换能器元件。根据本发明的再一个示范性实施例，提供一种用于制造超声换能器元件的阵列的 系统。该系统包括机械装置，配置成在衬底上形成功能层，其中功能层包括超声换能器材 料和光聚合物；空间光调制器，配置成将功能层的多个选定区域中的相邻区域系统性地曝 露至数字控制的可编程光图案，由此固化所述多个选定区域以形成多个聚合功能区域；以 及加热组合件，配置成烧结聚合超声换能器区域以获得具有非周期性元件间距的超声换能 器元件的阵列。


图1是根据本发明一个实施例用于制作超声换能器元件的阵列的方法的流程图。图2示意性地示出根据本发明一个实施例开发的刮片设备。图3示意性地示出根据本发明一个实施例开发的刮片设备。图4示意性地示出根据本发明一个实施例开发的空间光调制器。图5示意性地示出根据本发明一个实施例开发的空间光调制器。图6是根据本发明一个实施例的超声换能器元件的阵列的示意图。图7是根据本发明一个实施例的超声换能器元件的阵列的示意图。图8是根据本发明一个实施例的超声换能器探头的一部分的示意图。
具体实施例方式在以下描述中，在附图中示出的几个视图中，类似的参考符号表示类似或对应的 零件。还将了解，诸如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”、“第一”、“第二”等术语是方便的词 语，而不应解释为限制性术语。此外，无论何时将本发明的一个特定方面说成包括一个组的 多个要素中的至少一个要素及其组合或由一个组的多个要素中的至少一个要素及其组合 组成时，将了解，该方面可单独地或与该组中的任何其它要素相结合地包括该组的任何要 素或由该组的任何要素组成。一般参照附图，将了解，图示是为了描述本发明的特定实施例，而不是要将本发明 限于此。
当在论述构成探头的一个或多个组件的上下文中使用时，本文所用的术语“素坯 (green) ”可表示粗略地结合在一起的物体，该物体可作为导致形成最终探头的中间处理步 骤的结果而产生。当在论述构成探头的不同组件的上下文中使用时，本文所用的术语“相邻”表示 “紧邻”，或者它表示在所论述的组件之间存在其它组件的情形。在其中探头的任何组件可由多于一种材料组成的本文描述的所有实施例和所有 情形中，这多于一种材料可共同以许多形成存在，包括但不限于混合物、固溶物及其组合。当在论述探头的一个或多个组件的上下文中使用时，本文所用的术语“非周期性 (aperiodic) ”可表示其中这一个或多个组件的物理几何形状和/或大小由用户独立定义 的情形。此外，该术语也可表示并包括其中探头的这多于一个组件的装置也由用户定义并 且可以是例如非均勻和/或均勻的情形。本发明的一个实施例涉及一种用于制作超声换能器元件的阵列的方法。图1示出 用于制作超声换能器元件的阵列的方法100的流程图。方法100包括在衬底上形成功能层 的步骤102。功能层包括超声换能器材料和光聚合物(以光化学方法聚合的聚合物)。超 声换能器材料可包括一种或多种导电材料和/或一种或多种压电材料。方法100还包括在 步骤104将功能层的多个选定区域曝露至可编程光图案。接着，方法100包括在步骤106 固化功能层的选定区域以形成聚合超声换能器区域。然后，方法100包括在步骤107选择 性地移除功能层的未曝露区域以获得聚合超声换能器元件的阵列。接着，方法100包括在 步骤108将聚合超声换能器元件的阵列排胶以移除有机聚合物。最后，方法100包括在步 骤109烧结聚合超声换能器元件的阵列以获得超声换能器元件的阵列。在步骤102，形成具有期望厚度的功能层。可使用任何适于形成薄且均勻的功能 层的方法来形成功能层。该功能层可包括具有导电性和/或压电性的材料。在一个实施例 中，使用基于浆料的方法来制备功能层。合适的功能层形成技术的一些实例包括但不限于 刮片技术、刀片技术、刮刀技术和丝网印刷术。在基于浆料的工艺中，通常将具有合适粒径 的期望的超声换能器材料的粉末与光聚合物混合在一起。有可能的是，为了更好地处理浆 料，有利的是使用具有极窄粒径分布和均勻球形形态的超声换能器材料粒子。粒径和形状 有可能对浆料的流变性质有影响。粒径和形态也有可能影响功能层的堆积密度。浆料中超 声换能器材料粉末的量一般调整成使合适的流变特性在给定情形下具有优势。还可将其它 添加剂混合到浆料中，例如用于改善分散性并抑制快速沉降的分散剂。根据某些实施例，该 方法因而可包括将浆料松团和除气以获得更好结果的额外的可选步骤。可使用各种衬底。 用于构成衬底的材料包括但不限于塑料、玻璃、云母、金属、陶瓷或其组合。在一个实施例，通过刮片技术形成功能层。图2示意性地示出根据本发明一个实 施例开发的刮片技术的可能装置。在该刮片技术中，首先，制备包含超声换能器材料和光聚 合物的浆料。在配送器203的帮助下，在衬底204上形成包括超声换能器材料和合适光聚合 物的浆料202的珠粒。珠粒的大小和珠粒形成速率可根据要求进行控制。使用刀片206刮涂 浆料珠粒202以制造具有期望厚度的功能层207。刮片技术在处理高度粘稠的浆料的可行 性以及形成极薄且均勻的功能层的能力方面潜在地提供优势。由高体积百分比(40-45%) 的比如说压电材料的1-2微米大小的多晶粒子和光聚合物组成的薄功能层(5-10微米)可 通过此方法100来形成。
另外，方法100使得能够通过将不同浆料置于不同配送器中来独立地共沉积相同 或不同材料的多于一种相同或不同的浆料。图3示出通过利用两种配送器302和304来在 衬底312上共沉积两种材料308和310以分别包含这两种浆料的情形。利用刀片306来刮 涂浆料珠粒以制造具有期望厚度的功能层308和310。当沉积多于一种材料时，可使用多 个刀片，以形成多个层而不会污染。这种方法延伸到多于两种浆料和/或沉积多于两个层 是简单易懂的。可使用共沉积法来制作多层结构，例如可在独立几何形状中沉积阻尼层、导 电层和压电陶瓷功能层。共沉积能力也可用于共沉积分级声学匹配层和/或电极。分级声 学匹配层和/或电极的这种共沉积可潜在地增强最终制作的探头的穿透和分辨能力。这种 共沉积可缓解粘合不同层时通常所需的粘合层的需要。这可潜在地改善高频声学性能。包 括这种多层结构的探头可适于在低电压下工作，而这又可允许其在希望便携性的应用中使 用。一个这样的便携式应用的实例可以是用于在所安装的基础设施上原位测量的手持式超 声装置。在一个实施例中，功能层可包括至少一种超声换能器材料和至少一种光聚合物。 超声换能器材料可以具压电性或导电性或声学性。在一个实施例中，功能层可包括压电材 料和光聚合物。功能层中可使用任何合适的压电材料。合适铁电压电材料的一些实例包括 但不限于锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸锂、钛酸铋、钛酸铅或其组合。在一个特定实施例中，压 电材料包括锆钛酸铅(PZT)。PZT是广泛用于商用超声换能器的标准压电陶瓷。合适“弛豫 铁电”压电材料的一些实例包括但不限于铌镁酸铅、铌锌酸铅、铌镍酸铅、铋钪氧化物和/或 其固溶物。在另一实施例中，功能层可包括导电材料和光聚合物。功能层中可使用任何合 适的导电材料。合适的导电材料的一些实例包括但不限于钼、钯、钼-钯合金或其组合。通 常，在制造过程100中可使用与用于形成功能层的这一种或多种超声换能器材料相容并在 曝露至具有给定波长分布的光时聚合的任何光聚合物。取决于情形，所用的光的波长分布 可以是单色或多色的。在某些实施例中，可使用额外的光引发剂以引发聚合过程。多种光 聚合物是已知的。在选择合适的光引发剂和光聚合物时要考虑的因素是本领域技术人员已 知的。在步骤104(图1)，将功能层的多个选定区域曝露至具有合适强度和波长分布的 能够引发聚合过程的光。这可通过利用包括计算机402的系统400来实现，其中计算机402 能够提供数字控制信号以控制空间光调制器模块404 (如图4所示)调制光强和/或方向， 从而在功能层410上生成预定的光图案408。在一个实施例中，可编程光图案406可以用数 字方法加以控制。本发明的实施例包括使用计算机生成的电子控制信号和空间光调制器而 不使用任何光掩模来将预定光图案投射到功能层的所述多个选定区域以曝露和固化功能 层的选定区域(如图4所示意性地示出)的系统和方法。将每个功能层曝露至具有合适强 度和波长分布的数字遮蔽光束，并通过计算机控制动态地实现各个特征的成像。通常，将表 示将要制作的结构的横截面的数字图案投射到功能层上。这选择性地固化功能层的选定区 域内所存在的光聚合物，以在功能层内得到聚合区域。常规光学光刻工艺通常需要数个光 刻步骤和相关联的唯一光掩模。在工艺的每个阶段，都需要改变光掩模。这导致对工艺增 加了实质前置时间和复杂度。因此，不包含光掩模的工艺可更加有效。图4示出根据本发明一个实施例包括空间光调制器404的系统，其中空间光调制 器404配置成将功能层410的多个选定区域曝露至可编程光图案406并使其固化以形成“素坯”聚合超声换能器区域408。数字控制模块402可配置成控制空间光调制器404，空间 光调制器404然后给予数字控制的光图案406。因此，缓和了光掩模的需要。空间光调制 器404将可编程光图案406投射到功能层410上。因此，其中经由可编程数字控制将光图 案406投射到功能层410上的这种工艺在功能上用作“数字掩模”。空间调制器经过修正以 获得能够制作具有小至约5微米的横截面的超声换能器元件的准直光束。本发明的实施例 可配置成曝露和固化功能层410的多个选定区域，其中选定区域具有非周期性间距和/或 独立不同的物理尺寸和/或独立不同的形状。图5示出根据本发明一个实施例利用“步进扫描”技术系统性地移动空间光模块 以曝露功能层的相邻区域的方案500。在这种技术中，空间光调制器模块504配置成可沿χ 和y方向502在水平面中移动以便根据期望的曝露图案508发射数字可编程光束506。空 间光调制器模块504也可配置成可沿ζ方向(未示出)移动。例如，空间光调制器模块504 可沿χ方向510平移以在功能层512上产生曝露图案514和516。类似地，空间光调制器模 块504可沿y方向518平移以在功能层512上产生另一曝露图案520。使用这种步进扫描 技术使得能够利用小面积、高分辨率的数字掩模制作大型零件。这里的一种有前途的方法 是开发投射式微立体光刻(PMSL)来制造陶瓷零件。在PMSL中，输入材料是由超声换能器 材料和光聚合物组成的浆料。利用DLP (数字光处理，Texas Instruments, Inc. ,Dallas, Tex.，USA的注册商标)数字微处理(DMD)装置或IXD (液晶显示器)装置生成数字掩模。 将该掩模投射到浆料上以选择性地固化它。然后，一层叠一层地沉积和固化多个功能层以 获得所需形状和厚度。在其现在的形式中，可通过PMSL形成的零件的最大尺寸受到数字 掩模生成器的分辨率和大小的限制。本领域中目前已知的用PMSL形成的最大零件尺寸在 约15微米分辨率的情况下限于约1.5英寸X 1.5英寸。在本发明中，概述了一种用于放大 PMSL以在保留高分辨率的同时制造更大零件的方法。本发明使得能够利用PMSL来制作诸 如压电超声探头的超声换能器探头。已经提到，可用数字掩模生成器的小尺寸因而大大限 制了可利用PMSL制作的零件的最大大小。使用这种步进扫描方法使得能够利用小面积、高 分辨率数字掩模来制作大型零件。本发明的实施例可通过使得能够在单个扫描步骤中处理 表面的较大面积而大大增强处理能力。这可通过相对于彼此系统性地移动衬底或空间光调 制器模块来实现，这将在下文详细描述。为此可使用任何适于生成和动态地改变预期图像图案的机制。一个这样的机制包 括空间光调制器。这种调制器可通过计算机以电子方式加以控制以生成预定图像图案。这 种数字控制利于生成非常精细的特征尺寸以及快速动态可控的控制信号。有各种类型的此 类调制器可用。合适的空间光调制器模块的一些实例包括但不限于光栅光阀(GLV ，可从 Silicon Light Machines, Sunnyvale, Calif.，USA 获得)、DLP 数字微镜装置(DLP ，由 Texas Instruments, Inc.，Dallas, Tex.，USA 制造)和液晶显示器(LCD)。这些空间光调 制器可作为光的方向和强度调制器进行操作。在某些实施例中，根据特定应用的需要，用额 外功能性加强了市售空间光调制器。例如，取决于所用的光聚合物，可更换光源，或者可包 含额外的带通滤波器以生成具有特定波长分布的光。在其它实施例中，可与调制器一起使 用透镜系统来生成利于生成期望倍率的图像的准直光束。例如，会聚光束可用于生成具有 精细特征的图像。选择与给定波长分布和强度的光以及在制作探头期间所起的合成化学相 容的空间光调制器时涉及的考虑因素是本领域技术人员已知的。
图6示意性地表示根据本发明一个实施例制作的超声换能器元件602的阵列600。 当作为超声换能器探头608使用时，为了使超声换能器探头有效地工作，超声换能器元件 602可取地具有与在探头工作期间可能存在的一个或多个超声波长相比足够小的横截面 606。方法100 (图1)适于制作精细的超声换能器元件和紧密间隔的超声换能器元件。方法100适于制作非周期性间隔的聚合超声换能器元件。图7示意性地表示根据 本发明一个实施例的超声换能器元件702和704的非周期性阵列700。当作为超声换能器 探头712使用时，由比如说702和704表示的超声换能器元件可分别具有独立不同的物理 尺寸708和706。在一个实施例中，非周期性间隔的聚合超声换能器区域可在相邻区域710 之间具有约25微米的最小间距。在另一个实施例中，非周期性间隔的聚合超声换能器区域 在相邻超声换能器区域504之间具有约50微米的最小间距。本领域中已知，当作为超声换 能器探头使用时，这种非周期性间隔的超声换能器元件通过消除在阵列中行进的一个或多 个超声波长的横向模式来提供更佳分辨率的优点。在步骤107 (图1)，选择性地移除功能层的未曝露区域。可使用任何合适的方法来 移除未曝露区域。适于移除未曝露“粘合剂”材料的方法的一些实例包括但不限于在合适 溶剂中溶解、化学蚀刻或其组合。在一个实施例中，通过在超声浴中用异丙醇清洗曝露的功 能层几分钟(比如5分钟)来选择性地移除未曝露区域。在步骤18，通过在氧中加热聚合 超声换能器元件来将聚合超声换能器元件排胶以移除有机聚合物。在一个实施例中，排胶 温度在从约400°C到约800°C的范围内。排胶温度尤其取决于聚合物和超声换能器材料。在步骤109，通过将聚合超声换能器元件的阵列加热至合适的烧结温度来烧结聚 合超声换能器元件的阵列。烧结可用于使“素坯”超声换能器元件致密化。在一个实施例 中，烧结温度在从约1000°C到约1300°C的范围内。烧结温度的选择尤其取决于超声换能器 材料。取决于所用材料体系，选择烧结温度和烧结持续时间时涉及的考虑因素是本领域技 术人员已知的。由例如陶瓷材料制成的三维超声换能器零件可通过堆叠多层固化的超声换 能器-光聚合物浆料层来形成。如上文所解释，排胶和烧结可用于形成密集超声换能器探 头。在一个实施例中，方法100包括如下步骤根据需要多次地反复通过刮片技术在 衬底上形成包括超声换能器材料和光聚合物的功能层；根据需要多次地反复利用数字控制 的可编程空间光调制器模块来曝露功能层的多个选定区域以曝露功能层的相邻区域，由此 固化功能层的选定区域以形成聚合超声换能器材料区域；选择性地移除功能层的未曝露区 域以获得“素坯”聚合超声换能器元件的阵列；以及烧结素坯聚合超声换能器元件的阵列以 获得具有超声换能器元件的非周期性排列的超声换能器元件的阵列。系统性地移动光图案 以曝露功能层的相邻区域，以便曝露衬底的较大面积。参照本发明的几个实施例描述的方法与本领域已知的常规方法有很大的不同。近 年来报导了利用常规使用的切割-填充法的替代方法来制作超声换能器元件。这些方法 中的许多方法涉及用于定义将要制作的器件的特征大小的光掩模。相比之下，在本文在本 发明的一些实施例的上下文中描述的方法中，过程免去了光掩模和之前描述的相关联的复 杂度和缺点。此外，这些常规方法中的大多数方法不能够制作非常精细尺寸的非周期性间 隔的超声换能器元件。本发明的实施例证实了具有小至15微米的尺寸的非周期性间隔的 超声换能器元件的制作。此外，本发明的一个实施例是一种可用于制作包含具有改善的声学性质的三维几何形状的单元件探头的方法。阻尼层与功能层的共同制作改善了高频探头 的声学性质。用于高频探头的具有电极的薄陶瓷元件的直接制作经由这种方法是可能的。 分级匹配层可制作成使得探头的阻抗与比如人体组织的阻抗密切匹配，从而允许增强的成像。在本发明的另一个实施例中，提供一种用于制作超声换能器元件的阵列的系统。 该系统包括配置成在衬底上形成功能层的机械装置，其中功能层包括压电材料或导电材料 或其组合以及光聚合物。该系统还包括配置成将功能层的多个选定区域曝露至可编程光图 案并使其固化以形成聚合超声换能器区域的空间光调制器。该系统还包括配置成烧结聚合 超声换能器区域以获得超声换能器元件的阵列的加热组合件。可使用利于形成由至少一种压电材料和/或由至少一种导电材料组成的薄层的 任何合适的机械装置。此类机械装置的一些实例包括但不限于刮片设备、刮刀设备、刀片设 备和丝网印刷。在一个实施例中，机械装置包括如图2所示的刮片设备200。在某些实施例 中，通过采用几种配送器来共沉积一种或多种材料的浆料而对刮片设备加以改良。本发明的实施例还包括一种用于如图5所示系统性地移动所投射的光图案以曝 露功能层的相邻区域的系统。这可通过利于沿x、y或ζ方向系统性地相对移动调制器或衬 底来实现。例如，可使用伺服电动机驱动的平移台。可系统性地移动调制器或衬底，直到覆 盖衬底的期望区域。包含具有独立不同的几何形状和独立不同的物理尺寸的元件的三维形 状的非周期性阵列换能器可通过对于不同层改变数字掩模的几何形状来形成。常规使用的 切割-填充法在其形成三维零件的能力方面有限。此外，利用切割-填充法时，超声换能器 元件的边界限于是直线。图8示出根据本发明一个实施例的换能器元件的阵列的横截面示意图。换能器包 括压电陶瓷柱806的阵列，其中压电陶瓷柱806的“顶”面802和“底”面808上镀了电极 以提供电接触810。压电材料将电能转化为超声能。柱之间的空间用环氧804填充。环氧 降低了换能器的声阻抗，从而在换能器与所检查的零件之间形成更加有效的声耦合，尤其 对于诸如复合材料和聚合物的非金属测试材料更是如此。在一个实施例中，该系统包括配置成选择性地移除功能层的未曝露粘合剂区域以 获得聚合超声换能器元件的阵列的蚀刻系统。蚀刻系统可由用于在超声浴中移除未固化浆 料的溶剂组成。在一个实施例中，该系统还包括用于烧结素坯聚合超声换能器元件的阵列的加热 组合件。通常，加热组合件配置成在从约1000°C到约1300°c的范围内的温度烧结素坯聚合 超声换能器元件的阵列。实际操作温度取决于将要处理的超声换能器材料。在配置成制造至少一个超声换能器元件的系统的一个示范性实施例中，该系统包 括机械装置，配置成在衬底上形成包括超声换能器材料和光聚合物的功能层；空间光调 制器，配置成系统性地移动以便将功能层的至少一个选定区域曝露至可编程光图案，由此 固化所述至少一个选定区域以形成至少一个聚合超声换能器区域；以及加热组合件，配置 成烧结这至少一个聚合超声换能器区域以获得至少一个超声换能器元件。在一个实施例中，该系统可适于制作具有高分辨率并可在高频工作的超声换能器 元件的阵列。该系统可用于制作在方法实施例中详细论述的三维结构。本文描述的系统利于制造超声换能器元件的紧凑且高分辨率的阵列。该方法可潜在地导致这些探头的制造成本的降低。预期，在超声探头中利用这样的超声换能器元件阵 列还可提高工作频率。以下实例描述用于制造PZT元件的阵列的制备方法。这个实例只是说明性的，本 发明的实施例不限于这个实例。实例可通过将1，6 己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、PZT 5Η 粉末(TRS Technologies, State College, PA, USA), Irgacure 819 (可从 Ciba Specialty Chemicals, New York，USA 购得) 和 Triton XlOO (可从 Sigma-Aldrich, St. Louis, M0, USA 购得)混合在一起来制备 PZT 浆 料。该浆料可具有按体积计介于40-45%之间的PZT 5H粉末。所用的PZT5H粉末具有1_5 微米的平均粒径。PZT 5H粉末可通过Triton X100分散并悬浮在光聚合物(HDDA)中。浆 料中Triton X100的浓度按重量计可介于PZT 5H粉末的5-10%之间。Irgacure 819用作 光引发剂以在曝露至光时引发HDDA中的自由基聚合。Irgacure 819的浓度按重量计可介 于HDDA的5-10%之间。接着，可利用刮刀技术在衬底上沉积具有在从约10微米到约40微 米范围内的厚度的这种浆料的层。可将这些层曝露至具有约7mmX IOmm尺寸的数字掩模历 时约5秒。掩模可代表柱状结构的横截面。柱的直径可介于20微米和100微米之间，其平 均柱间距离为约100微米。该掩模可移动至4个不同的位置以形成具有约14mmX20mm的 物理尺寸的零件。接着，一层叠一层地沉积20层。然后，在超声浴中用异丙醇清洗零件约 5分钟。在此之后可在氧中在约400°C到约700°C之间进行热排胶。最后，在约1100°C到约 1250°C的温度范围内在铅环境中烧结零件约2-3个小时。尽管只结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应易于理解，本发明不限于 所公开的这些实施例。而是，本发明可进行修改以包含在这之前没有描述但与本发明的精 神和范围相称的任何数量的改变、变更、替换或等效布置。另外，尽管描述了本发明的各个 实施例，但将了解，本发明的方面可只包括所描述的一些实施例。因此，本发明不应视为是 受到以上描述的限制，而是只受随附权利要求的范围限制。
权利要求
一种用于制作传感结构的方法，所述方法包括以下步骤(a)形成包含超声换能器材料和光聚合物的功能层；(b)将所述功能层的多个选定区域曝露至可编程光图案来固化所述功能层的所述选定区域，以便形成聚合超声换能器材料区域；(c)重复步骤(a)和(b)；(d)选择性地移除所述功能层的未曝露区域以获得素坯组件；以及(e)烧结所述素坯组件以获得所述传感结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述超声换能器材料是指压电材料和导电材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述超声换能器材料包括铁电压电材料，所述铁电 压电材料包括锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸锂、钛酸铋、钛酸铅、铌镁酸铅、铌锌酸铅、铌镍酸 铅、铋钪氧化物或其组合。
4.如权利要求2所述的方法，其中超声换能器材料包括导电材料，所述导电材料包括 钼、钯、钼-钯合金或其组合。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述功能层包括可共同沉积和共同烧结的一个或多 个导电层和一个或多个压电层。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述功能层包括可共同沉积的一个或多个匹配压电层。
7.如权利要求1所述的方法，其中形成功能层的所述步骤包括以下方法，包括刮片技 术、刀片技术、刮刀技术、丝网印刷术、挤压涂覆法、狭缝式涂覆法、淋式涂覆法或其组合。
8.如权利要求1所述的方法，其中曝露所述功能层的多个选定超声换能器材料区域的 所述步骤包括利用空间光调制器模块调制光强度或方向以生成预定光图案。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述空间光调制器模块包括DLP、LCD、穿过固定物理 掩模的准直光束或其组合。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述可编程光图案包括数字控制的光图案。
11.如权利要求1所述的方法，其中曝露多个选定超声换能器材料区域的所述步骤包 括系统性地移动所述空间光调制器模块以曝露所述功能层的相邻区域。
12.如权利要求1所述的方法，其中曝露多个选定区域的所述步骤包括曝露非周期性 地间隔的区域以获得超声换能器材料聚合区域的非周期性排列。
13.如权利要求1所述的方法，其中曝露多个选定区域的所述步骤包括曝露周期性地 间隔的区域以获得超声换能器材料聚合区域的周期性排列。
14.如权利要求1所述的方法，其中曝露多个选定区域的所述步骤包括曝露并聚合独 立具有不同的用户定义的形状的区域。
15.如权利要求1所述的方法，其中选择性地移除所述功能层的未曝露区域的所述步 骤包括通过在超声浴中用溶剂清洗聚合零件来移除。
16.如权利要求1所述的方法，其中对所述聚合元件的阵列进行排胶和烧结的所述步 骤包括加热所述聚合元件的阵列。
17.一种用于制作传感结构的方法，所述方法包括以下步骤(a)通过刮片技术在衬底上形成包含超声换能器材料和光聚合物的功能层；(b)利用数字控制的可编程空间光调制器模块来曝露所述功能层的多个选定区域，其中所述曝露包括系统性地移动所述数字控制的空间光调制器模块以曝露所述功能层的相 邻区域，由此固化所述功能层的所述选定区域以形成聚合超声换能器材料区域；(c)重复步骤(a)和(b)；(d)选择性地移除所述功能层的未曝露区域以获得包括聚合超声换能器元件的阵列的 素坯组件；以及(e)烧结所述素坯组件以获得具有非周期性元件间距的超声换能器元件的阵列。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述功能层包括压电材料。
19.一种用于制造至少一个压电元件的系统，所述系统包括机械装置，配置成在衬底上形成功能层，其中所述功能层包括超声换能器材料和光聚 合物；空间光调制器，配置成将所述功能层的至少一个选定区域曝露至可编程光图案，由此 固化所述至少一个选定区域以形成至少一个聚合超声换能器区域；以及加热组合件，配置成烧结所述至少一个聚合超声换能器区域以获得至少一个超声换能 器元件。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述功能层包括压电材料。
21.如权利要求19所述的系统，其中所述机械装置包括刮片设备、刮刀设备、刀片设备或其组合。
22.如权利要求19所述的系统，其中配送装置包括挤压涂覆机、狭缝式涂覆机、淋式涂 覆机或其组合。
23.如权利要求19所述的系统，其中所述空间光调制器配置成给予数字控制的光图案。
24.如权利要求19所述的系统，其中所述空间光调制器配置成曝露并固化所述功能层 的多个选定区域。
25.如权利要求19所述的系统，其中所述空间光调制器包括DLP、LCD、穿过物理掩模的准直光或其组合。
26.如权利要求19所述的系统，其中所述空间光调制器配置成系统性地移动空间光调 制器模块以曝露所述功能层的相邻区域。
27.如权利要求19所述的系统，包括蚀刻系统，所述蚀刻系统配置成选择性地移除所 述功能层的未曝露区域以获得聚合超声换能器元件的阵列。
28.如权利要求19所述的系统，其中所述加热组合件配置成对所述聚合超声换能器元 件的阵列进行排胶和烧结。
29.一种用于制造超声换能器元件的阵列的系统，所述系统包括机械装置，配置成在衬底上形成功能层，其中所述功能层包括超声换能器材料和光聚 合物；空间光调制器，配置成将所述功能层的多个选定区域中的相邻区域系统性地曝露至数 字控制的可编程光图案，由此固化所述多个选定区域以形成多个聚合功能区域；以及加热组合件，配置成烧结所述聚合超声换能器区域以获得具有非周期性元件间距的超 声换能器元件的阵列。
30.如权利要求29所述的系统，其中所述功能层包括压电材料。
全文摘要
公开一种用于制作超声换能器结构的方法。该方法包括重复执行以下步骤形成包含超声换能器材料和光聚合物的功能层；以及将功能层的多个选定区域曝露至可编程光图案来固化功能层的选定区域，以便形成聚合超声换能器材料区域。该方法还包括选择性地移除功能层的未曝露区域以获得素坯组件；以及烧结素坯组件以获得传感结构。还公开一种用于制造至少一个压电元件的系统。
文档编号G01H11/08GK101952052SQ200980105489
公开日2011年1月19日 申请日期2009年1月23日 优先权日2008年2月11日
发明者E·W·巴尔赫, J·A·布鲁尔, J·N·巴兴格, M·K-F·李, P·A·迈尔, P·辛赫, T·J·巴青格尔, V·S·文卡塔拉马尼 申请人:通用电气公司