一种相控阵聚焦超声换能器及其制造方法与流程

本发明涉及聚焦超声，具体为一种相控阵聚焦超声换能器及其制造方法。

背景技术：

1、相控阵聚焦超声技术可通过调控不同阵元的发射相位，实现焦点的电子扫描与深度调节，无需机械运动即可完成精准的能量沉积，近些年在脑机接口神经调控、实体肿瘤热消融、靶向药物递送等高端生物医疗领域，以及管材无损检测、精密材料加工等工业领域发挥着不可替代的作用。

2、其中，环形球面阵列换能器凭借轴对称声场分布、轴向聚焦能力强、能量利用率高、所需驱动通道数远少于面阵等优势，成为中深度聚焦超声场景的主流技术路线。现有环形球面相控阵换能器主要有两类制备方案，均存在明显的技术缺陷：

3、1.分立阵元粘接方案

4、该方案将多个等面积的同心球环形压电陶瓷阵元逐一拼接，阵元间隙填充粘接剂实现固定与密封，阵列正面贴附匹配层材料，同时依靠匹配层辅助固定阵元并起到声阻抗匹配、外观防护的作用。

5、其核心缺陷包括：

6、（1）装配难度大、精度低：球面环形阵元弧度大、尺寸小，人工或工装拼接时难以保证同心度与间隙一致性，定位误差直接影响聚焦精度；

7、（2）声学性能劣化：阵元间隙的粘接剂会形成阻尼层，干扰阵元的厚度振动模式，降低机电转换效率，同时引入额外杂波；

8、（3）正面并联工艺复杂：所有阵元正面需共地并联，需额外焊接导线或导电胶连接，焊点与导线会破坏出声面平整性，造成声场散射畸变，且焊接工序繁琐、可靠性差。

9、2整体切割宽环方案

10、为解决定位问题，部分工艺先将整块球面陶瓷片与匹配层粘接，再从背面切割出若干等面积的宽环形阵元。该方案虽保证了阵元同心度，但仍存在固有缺陷：

11、（1）振动性能差：等面积宽环阵元的径向宽度大，易激发径向弯曲、平面伸缩等杂散振动模式，与工作所需的厚度伸缩振动耦合，导致共振峰分裂、机电效率下降、聚焦声场旁瓣抬升；

12、（2）阻抗一致性差：内外圈阵元径向宽度差异大，压电材料参数均匀性、电极寄生参数离散度高，导致各阵元阻抗差异显著，后端驱动系统需为每个通道单独设计匹配网络，系统复杂度高、调试校准繁琐；

13、（3）正面电极并联难：切割后正面电极随陶瓷基体断开，若要实现正面共地，需从正面重新布线或跨槽焊接，工艺难度大且易损伤阵元。

14、综上，现有环形球面相控阵换能器始终无法同时兼顾制造工艺简便性、阵元阻抗一致性与声学性能优异度，成为制约其规模化应用的核心瓶颈。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的至少一个技术问题，本发明提供一种相控阵聚焦超声换能器及其制造方法，采用整体基片半透切割工艺，无需逐个粘接分立阵元，阵元同心度与尺寸精度由切割设备直接保证，彻底避免了人工拼接的定位误差；切割槽无需填充粘接剂，消除了胶层对阵元振动的阻尼影响，同时省去填胶固化工序，制造效率提升50%以上。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种相控阵聚焦超声换能器，包括：球面压电陶瓷基片、正面公共电极、背面子阵元电极和电极引出组件；所述球面压电陶瓷基片的背面沿同心圆环轨迹进行半透切割，形成若干个环形第一阵元；所述球面压电陶瓷基片正面整面镀制金属电极层，形成正面公共电极；所述球面压电陶瓷基片背面每个第一阵元表面独立镀有金属电极，形成背面子阵元电极；所述电极引出组件焊接在正面公共电极的侧面。

3、进一步地，半透切割的深度小于基片总厚度，基片正面的压电基体保持连续完整，未被切割槽贯通，无需填充粘接剂即可实现所有子阵元的机械连接与精准定位。

4、进一步地，将若干个第一阵元按预设规则分组，同组内的所有背面子阵元电极电学并联，共同构成一个第二阵元。

5、进一步地，所述电极引出组件包括若干片导电薄片，若干片导电薄片沿基片边缘呈旋转对称均匀分布；导电薄片一端焊接在与正面公共电极连接的侧面，另一端沿基片侧壁弯折延伸至背面，实现正面公共电极向背面的低畸变引出。

6、进一步地，还包括塑料外壳，球面压电陶瓷基片正面边缘与外壳内部的凸台接触，球面压电陶瓷基片侧面和正面边缘各有一个密封圈，另有一压环通过压紧凸面边缘的密封圈将球面压电陶瓷基片固定在外壳的凸台上；同轴信号线从塑料外壳侧壁引出，后盖用螺栓固定在塑料上。

7、一种相控阵聚焦超声换能器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤；

8、步骤s1：制备一体成型的球面压电陶瓷基片；

9、步骤s2：从球面压电陶瓷基片背面对准同心圆环轨迹进行半透切割，切割深度控制为球面压电陶瓷基片总厚度的60%~95%，保留正面连续的压电陶瓷基体，形成若干个环形第一阵元；

10、步骤s3：对背面的第一阵元进行分组并联，将同组第一阵元的背面电极电性连接，形成多个等有效面积的第二阵元；

11、步骤s4：在球面压电陶瓷基片的侧面或正面，沿周向旋转对称焊接若干片导电薄片，将导电薄片沿球面压电陶瓷基片侧壁平顺弯折至背面，完成正面公共电极的背面引出；

12、步骤s5：在背面分别焊接各第二阵元的信号引线与公共电极引线，根据需求贴附匹配层与背衬材料，最终完成换能器封装。

13、本发明的有益效果在于：

14、1.工艺大幅简化，装配精度与可靠性全面提升：采用整体基片半透切割工艺，无需逐个粘接分立阵元，阵元同心度与尺寸精度由切割设备直接保证，彻底避免了人工拼接的定位误差；切割槽无需填充粘接剂，消除了胶层对阵元振动的阻尼影响，同时省去填胶固化工序，制造效率提升50%以上。正面基体天然连续，正面电极无需额外焊接导线即可实现全阵元并联，解决了传统方案正面并联工艺复杂、可靠性差的痛点；且无需依赖匹配层固定阵元，匹配层可仅作为声学功能层独立设计。

15、2.阵元阻抗高度一致，显著降低系统复杂度：第一阵元单环几何参数、压电材料均匀性、电极寄生参数的离散度极低；通过调整每组子阵元的数量，可精确控制第二阵元的有效辐射面积，使各工作阵元的静态电容、声学阻抗高度一致。后端驱动系统可采用统一的匹配网络，无需逐通道单独设计与校准，显著降低了系统硬件成本与调试工作量。

16、3.振动模式纯净，机电转换效率与聚焦性能双提升：细环结构的第一阵元可将径向杂散振动的共振频率推离工作频段，有效抑制杂模耦合，保证阵元工作在纯厚度伸缩振动模式，机电耦合系数与声输出功率显著提升。同时细环阵元的面内振动相位均匀性更好，聚焦声场的主瓣更窄、旁瓣更低，焦点能量集中度更高，治疗或检测精度更优。

17、4.电极引出方案优化，声场畸变小、可靠性高：采用旋转对称分布的导电薄片引出正面公共电极，相比传统多根导线焊接方案，导电截面积更大、接触电阻更低，周向供电更均匀，保障了轴对称声场的均匀性；导电薄片厚度通常控制在50μm以内，对出声面的声场扰动与散射极小，避免了粗导线带来的声场畸变。同时片状焊接的接触面积更大，机械强度更高，长期工作的可靠性显著优于导线点焊。

1.一种相控阵聚焦超声换能器，其特征在于，包括：球面压电陶瓷基片、正面公共电极、背面子阵元电极和电极引出组件；所述球面压电陶瓷基片的背面沿同心圆环轨迹进行半透切割，形成若干个环形第一阵元；所述球面压电陶瓷基片正面整面镀制金属电极层，形成正面公共电极；所述球面压电陶瓷基片背面每个第一阵元表面独立镀有金属电极，形成背面子阵元电极；所述电极引出组件焊接在正面公共电极的侧面。

2.如权利要求1所述的一种相控阵聚焦超声换能器，其特征在于，半透切割的深度小于基片总厚度，基片正面的压电基体保持连续完整，未被切割槽贯通，无需填充粘接剂即可实现所有子阵元的机械连接与精准定位。

3.如权利要求2所述的一种相控阵聚焦超声换能器，其特征在于，将若干个第一阵元按预设规则分组，同组内的所有背面子阵元电极电学并联，共同构成一个第二阵元。

4.如权利要求3所述的一种相控阵聚焦超声换能器，其特征在于，所述电极引出组件包括若干片导电薄片，若干片导电薄片沿基片边缘呈旋转对称均匀分布；导电薄片一端焊接在与正面公共电极连接的侧面，另一端沿基片侧壁弯折延伸至背面，实现正面公共电极向背面的低畸变引出。

5.如权利要求4所述的一种相控阵聚焦超声换能器，其特征在于，还包括塑料外壳，球面压电陶瓷基片正面边缘与外壳内部的凸台接触，球面压电陶瓷基片侧面和正面边缘各有一个密封圈，另有一压环通过压紧凸面边缘的密封圈将球面压电陶瓷基片固定在外壳的凸台上；同轴信号线从塑料外壳侧壁引出，后盖用螺栓固定在塑料上。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种相控阵聚焦超声换能器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤；