超声换能器及其制备方法

技术领域

本申请涉及超声成像技术领域，尤其是涉及一种超声换能器及其制备方法。

背景技术

随着超声波成像技术的不断发展，超声波成像系统在医疗诊断中的应用也越来越多。实时三维超声成像技术是当今医疗成像诊断重要的手段之一，这项技术能提高扫描帧频及达到高品质的成像要求，与传统的单阵元和一维阵列超声换能器相比，二维阵列相控阵系统是解决实时三维超声成像的有效手段，它能在两个方向上聚焦，检测空间分辨率大大提高。

三维超声成像的超声成像设备的关键部件是二维阵列超声换能器，这是由于二维阵列超声换能器(即二维阵列的相控阵系统)能在两个方向上聚焦，检测空间解析度较高，而且获取资料过程迅速、稳定，不需要移动及旋转即可自由地偏转和聚焦实现三维成像，如果时间被计算入另一个维度，则可生成四维影像。

二维阵列超声换能器包括行列式分布的大量阵元，每个阵元尺寸较小并且每个阵元需要独立接线，同时，阵元的两侧分别设置声学匹配的衬底层和声匹配层。然而，现有的超声换能器中，阵元与衬底层、声匹配层的声学匹配效果有待提高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种超声换能器及其制备方法，旨在解决现有的超声换能器的声学匹配效果有待提高的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种超声换能器，所述超声换能器包括沿厚度方向依次层叠的衬底层、压电层和声匹配层；所述压电层包括基板，所述基板包括接线区和沿行方向及列方向呈行列式间隔分布的多个压电阵元，相邻两个所述压电阵元之间通过绝缘粘接剂粘结，所述接线区连接于多个所述压电阵元的外侧；所述基板靠近所述衬底层的一侧设置沿所述行方向间隔分布的多个第一电极层，每一所述第一电极层覆盖一列所述压电阵元，所述基板靠近所述声匹配层的一侧设置沿所述列方向间隔分布的多个第二电极层，每一所述第二电极层覆盖一行所述压电阵元；所述厚度方向分别垂直于所述行方向、所述列方向；

所述第一电极层在所述列方向上的至少一端延伸至所述接线区，并在所述接线区电连接第一导电件；所述第二电极层在所述行方向上的至少一端延伸至所述接线区，并在所述接线区电连接第二导电件。

在其中一个实施例中，所述第一电极层在所述列方向上的两端均延伸至所述接线区、且交替连接有所述第一导电件。

在其中一个实施例中，所述第二电极层在所述行方向上的两端均延伸至所述接线区、且交替连接有所述第二导电件。

在其中一个实施例中，所述第一电极层延伸至所述接线区的长度为1mm～3mm。

在其中一个实施例中，所述第二电极层延伸至所述接线区的长度为1mm～3mm。

在其中一个实施例中，所述第一电极层和/或所述第二电极层包括沿所述厚度方向依次层叠于所述基板的增粘层、主导电层和抗氧化层。

在其中一个实施例中，所述增粘层的材料为铬、钛、铝、镍和锡中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述主导电层的材料为铜、银和铂中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述抗氧化层的材料包括金、铝、铁、铌、锆和不锈钢中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述增粘层的厚度为20nm～30nm。

在其中一个实施例中，所述主导电层的厚度为500nm～3000nm。

在其中一个实施例中，所述抗氧化层的厚度为50nm～100nm。

在其中一个实施例中，所述第一电极层的厚度小于或等于10μm。

在其中一个实施例中，所述第二电极层的厚度小于或等于10μm。

在其中一个实施例中，所述压电阵元的材料为铌镁钛酸铅单晶、钛酸钡钡钇齐纳酸铅单晶、钛酸锆铍单晶、磷酸铌钠单晶或铌酸锂单晶，所述绝缘粘接剂的材料为环氧树脂、聚氨酯、聚酰亚胺和聚砜中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述基板在所述列方向上的两端均露出于所述压电层。

在其中一个实施例中，所述基板在所述行方向上的两端均露出于所述声匹配层。

在其中一个实施例中，所述基板的厚度为50μm～1500μm。

在其中一个实施例中，所述声匹配层包括沿所述厚度方向依次设置于所述压电层的第一匹配层和第二匹配层，所述压电阵元的声阻抗为25MRayl～35MRayl，所述第一匹配层的声阻抗小于20MRayl且大于所述第二匹配层的声阻抗，所述第二匹配层的声阻抗大于2MRayl。

在其中一个实施例中，所述第一匹配层的材质为氧化铝粉末和环氧树脂的混合物。

在其中一个实施例中，所述第二匹配层的材质为环氧树脂。

在其中一个实施例中，所述第一匹配层的厚度为90μm～110μm。

在其中一个实施例中，所述第二匹配层的厚度为50μm～70μm。

在其中一个实施例中，所述超声换能器的中心频率为1MHz-30 MHz。

在其中一个实施例中，所述衬底层的厚度为3mm～6mm。

第二方面，本申请提供了一种超声换能器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

S100：分别沿行方向和列方向将基板切割成呈行列式分布的多个压电阵元，并在相邻两个所述压电阵元之间的间隔中填充绝缘粘接剂，并在多个所述压电阵元的外侧连接接线区；

S200：沿厚度方向在所述基板的两侧分别镀多个第一电极层和多个第二电极层，每一所述第一电极层覆盖一列所述压电阵元，每一所述第二电极层覆盖一行所述压电阵元；

S300：将第一导电件电连接于所述第一电极层延伸至所述接线区的至少一端，将衬底层覆盖所述第一电极层；

S400：将第二导电件电连接于所述第二电极层延伸至所述接线区的至少一端，将声匹配层覆盖所述第二电极层，所述第二导电件和所述声匹配层在所述第二电极层的所在平面上相错开。

在其中一个实施例中，步骤S100包括以下步骤：

S101：将所述基板进行打磨处理；

S102：将完成打磨的所述基板进行抛光处理；

S103：沿所述行方向切割所述基板；

S104：使用粘度为80cPs-100cPs的绝缘粘接剂填充沿所述行方向切割所述基板形成的切口，并固化所述绝缘粘接剂；

S105：沿所述列方向切割所述基板；

S106：使用粘度为80cPs-100cPs的所述绝缘粘接剂填充沿所述列方向切割所述基板形成的切口，并固化所述绝缘粘接剂；

S107：研磨所述基板，去除多余的所述绝缘粘接剂。

在其中一个实施例中，步骤S200包括以下步骤：

S201：在所述基板的两侧分别依次溅射沉积增粘层、主导电层和抗氧化层，使得所述基板的两侧分别形成所述第一电极层和所述第二电极层；

S202：将位于所述第一电极层沿所述行方向切割，并采用所述绝缘粘接剂填充形成的切口；

S203：将位于所述第二电极层沿所述列方向切割，并采用所述绝缘粘接剂填充形成的切口。

在其中一个实施例中，所述将第一导电件电连接于所述第一电极层的至少一端的步骤具体包括：

S301：所述第一导电件交替地连接于所述第一电极层的两端；

S302：采用所述绝缘粘接剂将所述第一导电件的端部固定于所述第一电极层；

S303：压缩所述第一导电件的焊盘，将所述第一导电件的焊盘与所述第一电极层的端部连接。

本申请提供的超声换能器及其制备方法的有益效果是：第一电极层的至少一端露出于压电阵元的区域，并用于与第一导电件电连接，第一导电件不设置在压电阵元的区域，使得压电层和衬底层能够直接接触进行声学匹配；第二电极层的至少一端露出于压电阵元的区域，并用于与第二导电件电连接，第二导电件不设置在第二电极层和声匹配层之间，使得压电层和声匹配层能够直接接触进行声学匹配，因此，提高了压电阵元与衬底层、声匹配层的声学匹配效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的超声换能器的结构示意图；

图2为图1中的A处放大图；

图3为本实施例提供的超声换能器的基板的结构示意图；

图4为本实施例提供的超声换能器的又一视角图；

图5为图4的剖视图；

图6为图5的局部放大图；

图7为本实施例提供的超声换能器的又一视角图；

图8为图7中的B处放大图；

图9为本实施例提供的超声换能器的又一视角图；

图10为图9的剖视图；

图11为图10的局部放大图；

图12为本实施例提供的超声换能器的机电系数测试图；

图13为本实施例提供的超声换能器的脉冲回波信号和频谱的关系图；

图14为本实施例提供的超声换能器的制备方法的流程示意图。

其中，图中各附图标记：

X、行方向；Y、列方向；Z、厚度方向；

10、压电层；11、基板；111、压电阵元；112、绝缘粘接剂；113、接线区；114、支撑体；12、第一电极层；13、第二电极层；14、增粘层；15、主导电层；16、抗氧化层；

20、衬底层；

30、声匹配层；31、第一匹配层；32、第二匹配层；

40、第一导电件；41、第一绝缘板；42、第一导电线路；

50、第二导电件；51、第二绝缘板；52、第二导电线路。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在整个说明书中参考“一个实施例”或“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征，结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，“在一个实施例中”或“在一些实施例中”的短语出现在整个说明书的各个地方，并非所有的指代都是相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合特定的特征，结构或特性。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例一

参考图1和图2，本申请提供的超声换能器，具有行方向X、列方向Y和厚度方向Z，厚度方向Z分别垂直于行方向X、列方向Y。具体地，行方向X和列方向Y之间的夹角为10°～170°。可选地，行方向X是超声换能器的长度方向，列方向Y是超声换能器的宽度方向；或者，行方向X是超声换能器的宽度方向，列方向Y是超声换能器的长度方向；再或者，行方向X和列方向Y既不同于超声换能器的长度方向，也不同于超声换能器的宽度方向。超声换能器包括沿厚度方向Z依次层叠的衬底层20、压电层10和声匹配层30。结合图3，压电层10包括基板11，基板11包括接线区113和沿行方向X及列方向Y呈行列式间隔分布的多个压电阵元111。换言之，多个压电阵元111包括多行压电阵元111，多行压电阵元111沿列方向Y间隔分布，每行压电阵元111中的多个压电阵元111沿行方向X依次间隔排布；或者说，多个压电阵元111包括多列压电阵元111，多列压电阵元111沿行方向X间隔分布，每列压电阵元111中的多个压电阵元111沿列方向Y依次间隔排布。相邻两个压电阵元111之间通过绝缘粘接剂112粘结，即相邻压电阵元111之间绝缘设置，绝缘粘接剂112将多个压电阵元111连成一体。接线区113连接于多个压电阵元111的外侧。多个压电阵元111围出阵元区，多个压电阵元111的边缘(参考图3中的虚线)以外的区域为接线区113。基板11靠近衬底层20的一侧设置沿行方向X间隔分布的多个第一电极层12，每一第一电极层12覆盖一列压电阵元111，即第一电极层12的数量和压电阵元111的列数M一一对应，第一电极层12沿列方向Y延伸，一个第一电极层12与一列压电阵元111接触导通。基板11靠近声匹配层30的一侧设置沿列方向Y间隔分布的多个第二电极层13，每一第二电极层13覆盖一行压电阵元111，每一第二电极层13覆盖一行压电阵元111，即第二电极层13的数量和压电阵元111的行数N一一对应，第二电极层13沿行方向X延伸，一个第二电极层13与一行压电阵元111接触导通。

结合图4至图6，第一电极层12在列方向Y上的至少一端延伸至接线区113，并在接线区113电连接第一导电件40。结合图9至图11，第二电极层13在行方向X上的至少一端延伸至接线区113，并在接线区113电连接第二导电件50。

本实施例中，第一电极层12的至少一端延伸至接线区113，便于与第一导电件40电连接，第一导电件40不设置在压电阵元111和衬底层20之间，使得压电层10和衬底层20能够直接接触进行声学匹配，提高声波传递的效率，提升超声信号的清晰度和质量。第二电极层13的至少一端延伸至接线区113，便于与第二导电件50电连接，第二导电件50不设置在压电阵元111和声匹配层30之间，使得压电层10和声匹配层30能够直接接触进行声学匹配，提高声波传递的效率，提升超声信号的清晰度和质量，提高了压电阵元111与衬底层20、声匹配层30的声学匹配效果。

传统的超声换能器的接线方式是，每个压电阵元111的一侧独立连接导线，合计接线操作次数为行数与列数之积(N*M)，接线复杂，且导线隔开了压电阵元111和声匹配层30，造成二者之间的声波传递时能量损失，可能导致声波在压电阵元111与导线之间，或者导线和声匹配层30之间往复反射，产生不必要的反射波和干扰波，干扰超声信号的清晰度和质量。而本申请提供的超声换能器中，第一导电件40和第二导电件50位于基板11的两侧，接线操作空间更大，利于降低接线难度，第一导电件40和第一电极层12电性连接，接线操作的次数与压电阵元111的列数M相同，第二导电件50和第二电极层13电性连接，接线操作的次数与压电阵元111的行数N相同，合计接线操作次数为行数与列数之和(N+M)，提高了接线效率，且只有第一电极层12和第二电极层13的行列电极交叉区域会被激发和探测出超声波振动。第一导电件40不位于压电阵元111和压电层10之间，第二导电件50不位于压电阵元111和声匹配层30之间，不会影响超声换能器的共振频率、频率响应和稳定性，不会破坏衬底层20和压电层10、压电层10和声匹配层30之间的连接，提高超声换能器的耐久性和可靠性。

在一些实施例中，压电阵元111的正方形，从而行方向X和列方向Y相垂直，压电阵元111的纵向和横向尺寸一致，利于切割、以及填充绝缘粘接剂112，也使得横向纵向的声学性能一致。

具体地，压电阵元111的边长为80μm～100μm，相邻压电阵元111之间的间隔尺寸为10μm～50μm，相邻两个压电阵元111的中心距为100μm～150μm。如此，压电阵元111的相邻间隔小、中心距小，能够提供更高的空间分辨率，以更准确地捕捉到细微的细节和信号变化，能够提供宽广的频响范围，相邻间隔小利于减少接收到的信号传输过程中可能存在的干扰和衰减。

可选地，压电阵元111的边长为80μm、90μm或100μm，相邻压电阵元111之间的间隔尺寸为10μm、20μm、30μm或50μm，相邻两个压电阵元111的中心距为100μm、120μm、130μm或150μm。

在其中一个实施例中，压电阵元111的材料为铌镁钛酸铅单晶、钛酸钡钡钇齐纳酸铅单晶、钛酸锆铍单晶、磷酸铌钠单晶或铌酸锂单晶。

可选地，压电阵元111的材料为PMN-0.28PT，压电常数d33≥2000pC/N和机电耦合系数k33～0.92。

在其中一个实施例中，绝缘粘接剂112用于固定压电阵元111，以及减少相邻压电阵元111之间的串声干扰。绝缘粘接剂112的材料可选为环氧树脂、聚氨酯、聚酰亚胺和聚砜中的至少一种，不仅能够实现压电阵元111之间绝缘，而且能够粘接于压电阵元111。

具体地，结合图3，接线区113在行方向X上可以位于多个压电阵元111的一端或两端，以便于支撑露出于多个压电阵元111的第一电极层12；并且，接线区113在列方向Y上可以位于多个压电阵元111的一端或两端，以便于支撑露出于多个压电阵元111的第二电极层13。可选地，当第一电极层12在列方向Y上的只有一端需要延伸至接线区113，接线区113在列方向Y上可以位于多个压电阵元111的一端或两端；当第一电极层12在列方向Y上的两端需要延伸至接线区113，接线区113在列方向Y上位于多个压电阵元111的两端。

在其中一个实施例中，结合图3，接线区113不产生压电信号和不主动激发机械振动。接线区113包括多个支撑体114。支撑体114可以是压电基片、绝缘陶瓷、玻璃或高阻硅片，在此不做限定。相邻支撑体114之间通过绝缘粘接剂112连接，以及支撑体114和阵元区之间通过绝缘粘接剂112连接。多个支撑体114在行方向X上位于阵元区的一端或两端、且与每行压电阵元111一一对应，以及在列方向Y上位于阵元区的一端或两端、且与每列压电阵元111一一对应。

可选地，结合图3，左侧的支撑体114自上而下的第一个、第三个、第五个，以此类推与第一导电件40的第一导电线路42连接；右侧的支撑体114自上而下的第二个、第四个、第六个，以此类推与第一导电件40的第一导电线路42连接。上侧的支撑体114自左而右的第一个、第三个、第五个，以此类推与第二导电件50的第二导电线路52连接；下侧的支撑体114自左而右的第二个、第四个、第六个，以此类推与第二导电件50的第二导电线路52连接。如此，在列方向Y上交替连接有第一导电件40，在行方向X上交替连接有第二导电件50，以增大电线间隔，减少了电串扰。

在其中一个实施例中，基板11的厚度为50μm～1500μm，厚度较小，利于超声换能器小型化设计，提高超声换能器的适用范围，对应超声换能器的探头工作频率为1MHz～30MHz。

可选地，基板11的厚度为50μm、150μm、180μm、200μm、220μm、500μm、1000μm或1500μm。

在一实施例中，基板11的长度尺寸为20mm～25mm，宽度尺寸为20mm～25mm。

可选地，基板11的长度尺寸和宽度尺寸相同，均为20mm、22mm、23mm或25mm。

在一些实施例中，第一电极层12延伸至接线区113的长度为1mm～3mm。如果第一电极层12露出于多个压电阵元111的尺寸过短，则与第一导电件40之间的电性连接操作空间小、连接长度短、连接牢固性差；如果第一电极层12露出于多个压电阵元111的尺寸过长，增加第一电极层12与周围环境之间的接触面积，导致对外界干扰信号更敏感，引起电信号的干扰和损失。

在一些实施例中，接线区113在列方向Y上位于多个压电单元111的两端。例如，在列方向Y上，第一电极层12的一端延伸至接线区113，以供与第一导电件40电连接。又例如，在列方向Y上，第一电极层12的两端均延伸至接线区113，第一导电件40可以电连接于第一电极层12的任意一端，也可以分别交替地连接于第一电极层12的两端。

在其中一个实施例中，结合图1、图4至图6，第一电极层12在列方向Y上的两端均延伸至接线区113、且交替连接有第一导电件40，以增大电线间隔。换言之，请一并结合图3，第一列、第三列、第五列等奇数列压电单元111对应的第一电极层12的左侧与第一导电件40连接，第二列、第四列、第六列等偶数列压电单元111对应的第一电极层12的右侧与第一导电件40连接。在列方向Y上的同一端，相邻两个电连接点之间的间隔是两行间距，相比单行间距，增大了相邻两个电连接点的间隔，减少了电串扰，尤其是超声换能器的工作频率为高频时，同时实现物理分离，增大了电连接操作空间，有助于提高电路性能和稳定性，并减少潜在的信号干扰。

此外，如果相邻两个电连接点之间的间隔小，则第一导电件40中的第一导电线路42的直径也要求小，进而提高了超声换能器的制作成本。

在一些实施例中，第二电极层13延伸至接线区113的长度为1mm～3mm。如果第二电极层13延伸至接线区113的尺寸过短，则与第二导电件50之间的电性连接操作空间小、连接长度短、连接牢固性差；如果第二电极层13延伸至接线区113的尺寸过长，增加第二电极层13与周围环境之间的接触面积，导致对外界干扰信号更敏感，引起电信号的干扰和损失。

在一些实施例中，结合图7和图8，接线区113在行方向X上位于多个压电阵元111的两端。例如，在行方向X上，第二电极层13的一端延伸至接线区113，以供与第二导电件50电连接。又例如，在行方向X上，第二电极层13的两端均延伸至接线区113，第二导电件50可以电连接于第二电极层13的任意一端，也可以分别交替地连接于第二电极层13的两端。

在其中一个实施例中，结合图7、图9至图11，第二电极层13在行方向X上的两端均接线区113、且交替连接有第二导电件50，以增大电线间隔。在行方向X上的同一端，相邻两个电连接点之间的间隔是两列间距，相比单列间距，增大了相邻两个电连接点的电线间隔，减少了电串扰，尤其是超声换能器的工作频率为高频时，同时实现物理分离，增大了电连接操作空间，有助于提高电路性能和稳定性，并减少潜在的信号干扰。

在其中一个实施例中，结合图6和图11，第一电极层12和第二电极层13中的至少一个包括沿厚度方向Z依次层叠于基板11的增粘层14、主导电层15和抗氧化层16。增粘层14的设置能够增加第一电极层12和/或第二电极层13与基板11的连接强度，减少第一电极层12和/或第二电极层13因机械振动或外力影响而脱落的可能性。尤其是压电阵元111采用脆性的单晶切割而成，增粘层14能够增加第一电极层12和/或第二电极层13的柔性，利于保持稳定地电性连接，同时也防止相邻压电阵元111因开裂而分离。主导电层15具有低电阻、高导电性能，有助于电信号的传输和电能的集中分配。抗氧化层16对主导电层15进行抗氧化保护，防止主导电层15因氧化而降低导电性能，同时抗氧化层16可以延长第一电极层12和/或第二电极层13的使用寿命，提高稳定性和可靠性。

例如，结合图6，第一电极层12与每列压电阵元111的位置相对应，每列压电阵元111包括间隔分布的多个压电阵元111以及填充间隔的绝缘粘接剂112，第一电极层12需要同时粘附在压电阵元111和绝缘粘接剂112上，存在界面变化，增粘层14能够提高第一电极层12与基板11之间的粘附力，保证信号稳定传输。

具体地，结合图6和图11，增粘层14的材料为铬、钛、铝、镍和锡中的至少一种。

具体地，增粘层14的厚度为20nm～30nm。如此，增粘层14的厚度较薄，利于减小第一电极层12和/或第二电极层13的厚度，避免因厚度过大而导致第一电极层12和/或第二电极层13与基板11之间的应力集中。

具体地，结合图6和图11，主导电层15的材料为铜、银和铂中的至少一种。

具体地，主导电层15的厚度为500nm～3000nm。主导电层15在电极层中的厚度最大，以提供更低的电阻，提高导电性能，同时也避免厚度超过3000nm而导致成本过高以及基板11与声匹配层30或衬底层20之间的间隔过大。

具体地，结合图6和图11，抗氧化层16的材料包括金、铝、铁、铌、锆和不锈钢中的至少一种。

具体地，抗氧化层16的厚度为50nm～100nm。抗氧化层16的厚度适中，以防止氧化物渗透到主导电层15，如果厚度过薄可能导致氧化问题，如果厚度过厚则可能增加制造成本、以及增大基板11与声匹配层30或衬底层20之间的间隔。

在其中一个实施例中，第一电极层12的厚度小于或等于10μm。第一电极层12的厚度小，可以缩小压电阵元111和衬底层20之间的间隔，使得衬底层20更好地消除环境噪声对压电阵元111的干扰。此外，相对较薄的第一电极层12可以更好地适应压电阵元111和衬底层20之间的微小形变，并保持较高的机械强度，减少由于不匹配引起的应力集中并降低材料损坏的风险，能够提供更均匀的应力分布，有助于减小声波传输路径中的阻抗不匹配，并提高声波的传输效率。

在其中一个实施例中，第二电极层13的厚度小于或等于10μm。第二电极层13的厚度小，可以缩小压电阵元111和声匹配层30之间的间隔，使得声匹配层30和压电阵元111之间更好地传递声波。此外，相对较薄的第二电极层13可以更好地适应压电阵元111和声匹配层30之间的微小形变，并保持较高的机械强度，减少由于不匹配引起的应力集中并降低材料损坏的风险，能够提供更均匀的应力分布，有助于减小声波传输路径中的阻抗不匹配，并提高声波的传输效率。

在一些实施例中，声匹配层30包括沿厚度方向Z依次设置于压电层10的第一匹配层31和第二匹配层32，压电阵元111的声阻抗为25MRayl～35MRayl，第一匹配层31的声阻抗小于20MRayl且大于第二匹配层32的声阻抗，第二匹配层32的声阻抗大于2MRayl。通过两个匹配层的逐步过渡，实现压电阵元111和负载介质(人体)之间的声阻抗匹配，从而减少反射和透射的声波损失，并提高声能的传输效率。可选地，第二匹配层32的声阻抗小于15MRayl。

在其中一个实施例中，假设压电阵元111、负载基质、第一匹配层31和第二匹配层32的声阻抗分别为Z

可选地，当负载基质为人体器官时，Z

具体地，第一匹配层31的材质为氧化铝粉末和环氧树脂的混合物。可选地，采用高压缩(50～70MPa)制造方法制得，从而提高声阻抗值以及降低衰减，例如可以将声阻抗从5.6MRayl提升至8.54MRayl，与重金属的声阻抗相近，但比重金属的衰减低很多。其中，氧化铝粉末的直径为1μm～2μm，远小于声波波长，因此可以将散射效应降至最低，以降低设计中心频率下的衰减。

可选地，氧化铝粉末和环氧树脂的比例为2:1。

具体地，第二匹配层32的材质为环氧树脂。

可选地，第二匹配层32的材质为环氧树脂301。

具体地，第一匹配层31的厚度为90μm～110μm。可选地，第一匹配层31的厚度为90μm、95μm、100μm、105μm或110μm。

具体地，第二匹配层32的厚度为50μm～70μm。可选地，第二匹配层32的厚度为50μm、55μm、60μm、65μm或70μm。

在一些实施例中，声匹配层30覆盖多个压电阵元111，但未覆盖接线区113。可以理解，在其他实施例中，声匹配层30覆盖整个基板10，在行方向Y上的端部设置用于容纳位于接线区113上的第二导电件50的台阶。

在一些实施例中，衬底层20能在超声换能器工作时吸收压电阵元111背面的无用声波，大大提高二维阵列超声换能器的品质。

可选地，衬底层20的声阻抗值为5MRayl-10MRayl。

具体地，衬底层20为绝缘衬底结构，其制备材料可以为普通材料，例如，普通材料可以为具有低粘度的环氧树脂胶与钨粉的混合物；在其他实施例中，衬底层20的制备材料还可以选用其他常见的材料，例如，常见的材料可以为具有低粘度的环氧树脂胶与氧化铋的混合物，常见的材料还可以为其他的混合物，本申请对此并不做限定，具体视情况而定。需要说明的是，上述两种制备材料的不同之处在于对声波能量的吸收能力的不同。可选地，衬底层20的材质为Al

具体地，衬底层20的厚度为3mm～10mm。衬底层20的厚度越大，相应的衬底层20的体积就会越大，但对余波的吸收效果会越好，而衬底层20的厚度越小，相应的衬底层20的体积就会越小，但对余波的吸收效果就会越差，针对上述情况，为了获得较小体积的衬底层20，同时还能满足现有对余波的吸收效果的要求，可以设定衬底层20的厚度的取值范围为3mm～10mm。例如，衬底层20的厚度为3mm、5mm、6mm、8mm或10mm。

具体地，结合图5和图6，衬底层20覆盖整个压电层10，衬底层20在列方向Y的端部设置用于容纳第一导电件40的台阶，从而衬底层20覆盖位于接线区113的第一电极层12和第一导电件40，消除环境噪音对基板11或第一电极层12的影响。

在一些实施例中，第一导电件40包括第一绝缘板41和铺设在第一绝缘板41上的多个第一导电线路42。第一导电线路42的数量和第一电极层12的数量相同且一一对应。如此，多个第一导电线路42整体性强，只需要通过第一绝缘板41与基板11进行定位，即实现多个第一导电线路42和多个第一电极层12的对位，便于进行电连接操作。可选地，第一导电件40为柔性电路板。

在一些实施例中，第二导电件50包括第二绝缘板51和铺设在第二绝缘板51上的多个第二导电线路52。第二导电线路52的数量和第二电极层13的数量相同且一一对应。如此，多个第二导电线路52整体性强，只需要通过第二绝缘板51与基板11进行定位，即实现多个第二导电线路52和多个第二电极层13的对位，便于进行电连接操作。可选地，第二导电件50为柔性电路板。

在一些实施例中，超声换能器的中心频率为1MHz-30 MHz。

可选地，超声换能器的中心频率为1MHz、4MHz、8MHz、10MHz、20MHz或30MHz。

对本实施例提供的超声换能器进行插入损耗测试，将超声换能器的声匹配层30浸入水中，并通过将信号发生器设置为在超声换能器的中心频率具有5个周期的振幅的单音突发模式的波形激励。脉冲超声波在距离超声换能器3mm的水中由40mm厚的不锈钢块反射，脉冲回波信号(V

结合图13，在双向脉冲回波测量中，浸入声学耦合剂中的超声换能器由脉冲发生器/接收器以2kHz的重复频率单独激励，脉冲发生器/接收机的能量为4μJ。设备和信号放大器的电耦合和增益分别设置为50Ω和26dB。示波器的数学函数中的快速傅立叶变换(FFT)用于将时域信号转换为频域频谱。图13(b)显示了位于换能器中心(60，60)的代表性元件的声学响应。脉冲回波响应的平均峰间振幅为121mV(增益为26dB)，在6.73MHz的中心频率下，从4.27MHz到11MHz的-6dB带宽约为88％。

实施例二

参见图14，本申请提供了一种超声换能器的制备方法，方法包括以下步骤：

S100：分别沿行方向X和列方向Y将基板11切割成呈行列式分布的多个压电阵元111，在相邻两个压电阵元111之间的间隔中填充绝缘粘接剂112，并在多个压电阵元111的外侧连接接线区113。

S200：沿厚度方向Z在基板11的两侧分别镀多个第一电极层12和多个第二电极层13，每一第一电极层12覆盖一列压电阵元111，每一第二电极层13覆盖一行压电阵元111。

S300：将第一导电件40电连接于第一电极层12延伸至接线区113的至少一端，将衬底层20覆盖第一电极层12。

S400：将第二导电件50电连接于第二电极层13延伸至接线区113的至少一端，将声匹配层30覆盖第二电极层13。

其中，步骤S200、S300和S400可以依次进行，也可以交叉进行。例如，先进行步骤S200中的制造第一电极层12，再进行步骤S300，然后进行步骤S200中的制造第二电极层13，再进行步骤S400。

本实施例中，第一电极层12的至少一端延伸至接线区113，便于与第一导电件40电连接，第一导电件40不设置在多个压电阵元111和衬底层20之间，使得压电层10和衬底层20能够直接接触进行声学匹配，提高声波传递的效率，提升超声信号的清晰度和质量。第二电极层13的至少一端延伸至接线区113，便于与第二导电件50电连接，第二导电件50不设置在多个压电阵元111和声匹配层30之间，使得压电层10和声匹配层30能够直接接触进行声学匹配，提高声波传递的效率，提升超声信号的清晰度和质量，因此，提高了压电阵元111与衬底层20、声匹配层30的声学匹配效果。

在其中一个实施例中，步骤S100包括以下步骤：

S101：将基板11进行打磨处理，以平整基板11的表面，便于后续的沉积第一电极层12和第二电极层13，同时通过打磨控制基板11的厚度。

S102：将完成打磨的基板11进行抛光处理。可选地，采用4000粒度的氧化铝进行抛光。

S103：沿行方向X切割基板11。可选地，采用厚度小于相邻压电阵元111的预设间隔的刀片进行切割。例如，预设间隔为30μm，则刀片厚度选为25μm。

S104：使用粘度为80cPs-100cPs的绝缘粘接剂112填充沿行方向X切割基板11形成的切口，并固化绝缘粘接剂112。可选地，在23℃下进行填充，固化时长为20小时～30小时。

S105：沿列方向Y切割基板11。可选地，采用厚度小于相邻压电阵元111的预设间隔的刀片进行切割。

S106：使用粘度为80cPs-100cPs的绝缘粘接剂112填充沿列方向Y切割基板11形成的切口。可选地，在23℃下进行填充，固化时长为20小时～30小时。

S107：研磨基板11，去除多余的绝缘粘接剂112。可选地，步骤S107可以在步骤S104和步骤S106后各进行一次。

可选地，接线区113的支撑体114可以采用基板11切割而成，即在步骤S103和步骤S105时同时切割出多个压电单元111和多个支撑体114，进而在步骤S104和步骤S106时同时在多个支撑体114之间以及支撑体114和压电单元111之间填充绝缘粘接剂112，提高生产效率。可以理解，在其他实施例中，支撑体114还可以是绝缘陶瓷、玻璃或高阻硅片，在此不做限定。

在其中一个实施例中，步骤S200包括以下步骤：

S201：在基板11的两侧分别依次溅射沉积增粘层14、主导电层15和抗氧化层16，使得基板11的两侧分别形成第一电极层12和第二电极层13。可选地，采用磁控溅射出第一电极层12和第二电极层13。

S202：将位于第一电极层12沿列方向Y切割，并采用绝缘粘接剂112填充形成的切口。可选地，切割刀具、切割位置、切割参数和步骤S105一致。可以理解，在其他实施例中，还可以采用光刻将第一电极层12分隔成条状。

S203：将位于第二电极层13沿行方向X切割，并采用绝缘粘接剂112填充形成的切口。可选地，切割刀具、切割位置、切割参数和步骤S103一致。可以理解，在其他实施例中，还可以采用光刻将第二电极层13分隔成条状。

步骤S200中，可以依次进行步骤S201、S202、S203，也可以先进行S201中的在基板11一侧溅射第一电极层12，以及步骤S202，然后再进行步骤S201中的在基板11另一侧溅射第二电极层13，以及步骤S203。

进一步地，该制备方法在步骤S203之后，还包括步骤S204：在室温下在10kV/cm的恒定电场下对基板11极化30分钟。极化的区域为阵元区，不对接线区113进行极化，即接线区113不产生压电信号和不主动产生机械振动。

在其中一个实施例中，将第一导电件40电连接于第一电极层12的至少一端的步骤具体包括：

S301：第一导电件40交替地连接于第一电极层12的两端。

S302：采用绝缘粘接剂112将第一导电件40的端部固定于第一电极层12。

S303：压缩第一导电件40的焊盘，将第一导电件40的焊盘与第一电极层12的端部连接。压缩焊盘，一方面能够增加焊盘与第一电极层12的接触面积及粘附力，有效减小接触面之间的氧化层或污染物的存在，另一方面能够减小电阻。可选地，焊接完毕后，在65℃的烘箱中固化3小时。

可选地，在步骤S303之后，还包括步骤S304：采用万用表检查是否存在短路。

在其中一个实施例中，将第二导电件50电连接于第二电极层13的至少一端的步骤具体包括：

S401：第二导电件50交替地连接于第二电极层13的两端。

S402：采用绝缘粘接剂112将第二导电件50的端部固定于第二电极层13。

S403：压缩第二导电件50的焊盘，将第二导电件50的焊盘与第二电极层13的端部连接。压缩焊盘，一方面能够增加焊盘与第二电极层13的接触面积及粘附力，有效减小接触面之间的氧化层或污染物的存在，另一方面能够减小电阻。可选地，焊接完毕后，在65℃的烘箱中固化3小时。

可选地，在步骤S403之后，还包括步骤S404：采用万用表检查是否存在短路。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。