一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层及制备方法与流程

1.本发明涉及声光偏转器技术领域，尤其是一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层及制备方法。


背景技术：

2.压电换能器是声光偏转器的重要组成部分，影响着声光偏转器的带宽。因为压电晶体与声光晶体之间存在声阻抗不匹配，所以压电晶体与声光晶体之间需要镀上若干的匹配层，实现声阻抗匹配。压电换能器主要包括顶电极、压电晶体、第三键合层与底电极，其中，第三键合层与底电极就是压电晶体与声光晶体之间的匹配层。
3.在器件设计中，声光偏转器的带宽受到压电换能器设计的影响。在压电换能器的匹配层材料的选取中，很难找到与计算出的理论声阻抗数值完全相等的材料，而且匹配层的层数、结构和厚度也影响着声光偏转器的带宽。
4.现有镀膜方式(pvd、磁控溅射等)都很难实现厚度较厚金属膜镀制，一般只能镀到2微米一下，镀厚时会出现膜层脱落、开裂、表面光洁度不好等问题，为换能器匹配层的制备造成困难。
5.在器件工作频率的范围内，为了获得比较宽的声光偏转器的3db带宽，本发明所申请提案重点从压电换能器的匹配层材料的选择、匹配层的层数、结构和匹配层的厚度设计方面，来实现声光偏转器超宽3db带宽的目的，并研发了对应的器件制备方法。


技术实现要素：

6.本发明提出一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层及制备方法，能制备具有超高带宽的声光偏转器部件。
7.本发明采用以下技术方案。
8.一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层，用于声光偏转器的压电晶体与声光晶体之间的声阻抗匹配，所述匹配层设于压电晶体与声光晶体之间，匹配层包括镀于压电晶体底端面处的锡材质的第一底电极、镀于声光晶体顶端面处的铝材质的第二底电极，还包括第一底电极与第二底电极间的铟材质的第三键合层；所述压电晶体的顶端面处设有银材质的顶电极。
9.所述顶电极、压电晶体、第三键合层、底电极为声光偏转器的压电换能器的组成元件；压电换能器以驱动电源驱动，用于反映驱动电源输出的电功率有多少能被压电换能器吸收的压电换能器匹配损耗的计算公式为：
[0010][0011]
其中，ps为压电换能器驱动电源提供的匹配功率，pt为压电换能器吸收的功率；用于反映被压电换能器吸收的功率有多少能转换成声光晶体吸收的超声功率的内转换损耗的计算公式为：
[0012][0013]
其中，pm为声光晶体所吸收的超声功率；
[0014]
压电换能器的总换能器损耗定义为匹配损耗加上内转换损耗，公式为：
[0015][0016]
所述匹配层为双层匹配层；压电晶体声阻抗为zo，声光晶体声阻抗为zao，设zp1为靠近压电晶体的匹配层部位的理论声阻抗，其计算公式为
[0017]
设zp2为靠近声光晶体的匹配层部位的理论声阻抗，其计算公式为
[0018][0019]
所述顶电极的银层厚度为0.56um；压电晶体以铌酸锂材料制备，其声阻抗为33.9
×
106kg/(m2·
s)，厚度为37um；声光晶体以石英晶体制备，其声阻抗为15.2
×
106kg/(m2·
s)。
[0020]
所述匹配层靠近压电晶体的一侧的理论声阻抗为24
×
106kg/(m2·
s)，靠近声光晶体的匹配层的理论声阻抗为15.2
×
106kg/(m2·
s)；所述第一底电极的声阻抗略大于计算所得的理论声阻抗，为24.2
×
106kg/(m2·
s)，厚度为12um；所述第二底电极的声阻抗略大于计算所得的理论声阻抗，为17.3
×
106kg/(m2·
s)，厚度为220um；所述第三键合层的厚度为6.6um。
[0021]
所述声光偏转器的中心频率为80mhz，其3db带宽达到59mhz。
[0022]
超宽带宽的声光偏转器的匹配层的制备方法，用于制备以上所述的超宽带宽的声光偏转器的匹配层，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤；
[0023]
步骤s1、在石英晶体处压焊al片；
[0024]
步骤s2、在压电晶体处压焊sn片；
[0025]
步骤s3、焊接石英晶体与压电晶体，形成组合晶体；
[0026]
步骤s4、对组合晶体进行减薄处理；
[0027]
步骤s5、对减薄后的组合晶体进行吸声处理后，清洗干净，采用真空镀膜方式镀制所需的表电极；制作完成声光晶体。
[0028]
所述步骤s1包括以下步骤；
[0029]
步骤a1、制备厚度为219um的al片；
[0030]
步骤a2、采用真空镀膜方式在石英晶体、al片上同时镀制0.5um的al镀膜层，在此步骤中，根据定制al片厚度调整镀膜厚度，实现双面镀膜后的al片总厚度为220um，镀制后立即加热加压，实现al片和石英晶体的焊接，形成石英晶体部件a；
[0031]
所述步骤s2包括以下步骤；
[0032]
步骤b1、制备厚度为11um的sn片；
[0033]
步骤b2、采用厚的压电晶体以减少后续工序中的开裂，在厚度不小于2mm的压电晶体及sn片上采用真空镀膜方式同时镀制0.5um的sn，根据定制sn片的厚度调整镀膜厚度，实
现双面镀膜后的sn片总厚度为12um，镀制后立即加热加压，实现sn片和压电晶体的焊接，形成压电晶体部件b；
[0034]
所述步骤b3包括以下步骤；
[0035]
步骤c1、制备6um的in片；
[0036]
步骤c2、将部件a的al片及部件b的sn片经抛光处理抛光到镜面级粗糙度ra0.1；
[0037]
步骤c3、将抛光后的部件a的al片及部件b的sn片同时在真空下镀制0.3um厚度的铟层；根据定制in片厚度调整镀膜厚度，以实现in片与两个铟镀膜总厚度和为6.6um；
[0038]
步骤c4、镀制完成后立即加热加压，实现部件a和部件b的连接；
[0039]
所述步骤s4，具体是将焊接后的声光晶体经过粗磨、高抛、精抛工序，减薄至37um；
[0040]
在完成步骤s5后，声光晶体镀制表电极经过阻抗匹配后就可用于制备所设计的超宽带宽的声光偏转器。
[0041]
上述方案中，al为元素铝，al片即铝片；sn为元素锡，sn片即锡片；in为元素铟，in片即铟片。
[0042]
本发明从压电换能器的匹配层材料的选择、匹配层的层数、结构和匹配层厚度的设计方面进行了优化，能在声光偏转器实现超宽3db带宽。
[0043]
本发明采用了大厚度的匹配层设计，而现有镀膜方式(pvd、磁控溅射等)都很难实现厚度较厚金属膜镀制，一般只能镀到2微米以下，镀厚时会出现膜层脱落、开裂、表面光洁度不好等问题，为了实现这么厚匹配层并能减薄到所需后续，为此，本发明设计了特殊的匹配层制备工艺，能制备大厚度的金属镀膜层结构。
附图说明
[0044]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0045]
附图1是本发明的结构示意图；
[0046]
附图2是本发明所述声光偏转器的仿真性能示意图；
[0047]
图中：1-顶电极；2-压电晶体；3-第一底电极；4-第三键合层；5-第二底电极；6-声光晶体。
具体实施方式
[0048]
如图所示，一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层，用于声光偏转器的压电晶体2与声光晶体6之间的声阻抗匹配，所述匹配层设于压电晶体与声光晶体之间，匹配层包括镀于压电晶体底端面处的锡材质的第一底电极3、镀于声光晶体顶端面处的铝材质的第二底电极6，还包括第一底电极与第二底电极间的铟材质的第三键合层4；所述压电晶体的顶端面处设有银材质的顶电极1。
[0049]
所述顶电极、压电晶体、第三键合层、底电极为声光偏转器的压电换能器的组成元件；压电换能器以驱动电源驱动，用于反映驱动电源输出的电功率有多少能被压电换能器吸收的压电换能器匹配损耗的计算公式为：
[0050][0051]
其中，ps为压电换能器驱动电源提供的匹配功率，pt为压电换能器吸收的功率；用
于反映被压电换能器吸收的功率有多少能转换成声光晶体吸收的超声功率的内转换损耗的计算公式为：
[0052][0053]
其中，pm为声光晶体所吸收的超声功率；
[0054]
压电换能器的总换能器损耗定义为匹配损耗加上内转换损耗，公式为：
[0055][0056]
所述匹配层为双层匹配层；压电晶体声阻抗为zo，声光晶体声阻抗为zao，设zp1为靠近压电晶体的匹配层部位的理论声阻抗，其计算公式为
[0057]
设zp2为靠近声光晶体的匹配层部位的理论声阻抗，其计算公式为
[0058][0059]
所述顶电极的银层厚度为0.56um；压电晶体以铌酸锂材料制备，其声阻抗为33.9
×
106kg/(m2·
s)，厚度为37um；声光晶体以石英晶体制备，其声阻抗为15.2
×
106kg/(m2·
s)。
[0060]
所述匹配层靠近压电晶体的一侧的理论声阻抗为24
×
106kg/(m2·
s)，靠近声光晶体的匹配层的理论声阻抗为15.2
×
106kg/(m2·
s)；所述第一底电极的声阻抗略大于计算所得的理论声阻抗，为24.2
×
106kg/(m2·
s)，厚度为12um；所述第二底电极的声阻抗略大于计算所得的理论声阻抗，为17.3
×
106kg/(m2·
s)，厚度为220um；所述第三键合层的厚度为6.6um。
[0061]
所述声光偏转器的中心频率为80mhz，其3db带宽达到59mhz。
[0062]
超宽带宽的声光偏转器的匹配层的制备方法，用于制备以上所述的超宽带宽的声光偏转器的匹配层，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤；
[0063]
步骤s1、在石英晶体处压焊al片；
[0064]
步骤s2、在压电晶体处压焊sn片；
[0065]
步骤s3、焊接石英晶体与压电晶体，形成组合晶体；
[0066]
步骤s4、对组合晶体进行减薄处理；
[0067]
步骤s5、对减薄后的组合晶体进行吸声处理后，清洗干净，采用真空镀膜方式镀制所需的表电极；制作完成声光晶体。
[0068]
所述步骤s1包括以下步骤；
[0069]
步骤a1、制备厚度为219um的al片；
[0070]
步骤a2、采用真空镀膜方式在石英晶体、al片上同时镀制0.5um的al镀膜层，在此步骤中，根据定制al片厚度调整镀膜厚度，实现双面镀膜后的al片总厚度为220um，镀制后立即加热加压，实现al片和石英晶体的焊接，形成石英晶体部件a；
[0071]
所述步骤s2包括以下步骤；
[0072]
步骤b1、制备厚度为11um的sn片；
[0073]
步骤b2、采用厚的压电晶体以减少后续工序中的开裂，在厚度不小于2mm的压电晶体及sn片上采用真空镀膜方式同时镀制0.5um的sn，根据定制sn片的厚度调整镀膜厚度，实现双面镀膜后的sn片总厚度为12um，镀制后立即加热加压，实现sn片和压电晶体的焊接，形成压电晶体部件b；
[0074]
所述步骤b3包括以下步骤；
[0075]
步骤c1、制备6um的in片；
[0076]
步骤c2、将部件a的al片及部件b的sn片经抛光处理抛光到镜面级粗糙度ra0.1；
[0077]
步骤c3、将抛光后的部件a的al片及部件b的sn片同时在真空下镀制0.3um厚度的铟层；根据定制in片厚度调整镀膜厚度，以实现in片与两个铟镀膜总厚度和为6.6um；
[0078]
步骤c4、镀制完成后立即加热加压，实现部件a和部件b的连接；
[0079]
所述步骤s4，具体是将焊接后的声光晶体经过粗磨、高抛、精抛工序，减薄至37um；
[0080]
在完成步骤s5后，声光晶体镀制表电极经过阻抗匹配后就可用于制备所设计的超宽带宽的声光偏转器。

技术特征：
1.一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层，用于声光偏转器的压电晶体与声光晶体之间的声阻抗匹配，其特征在于：所述匹配层设于压电晶体与声光晶体之间，匹配层包括镀于压电晶体底端面处的锡材质的第一底电极、镀于声光晶体顶端面处的铝材质的第二底电极，还包括第一底电极与第二底电极间的铟材质的第三键合层；所述压电晶体的顶端面处设有银材质的顶电极。2.根据权利要求1所述的一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层，其特征在于：所述顶电极、压电晶体、第三键合层、底电极为声光偏转器的压电换能器的组成元件；压电换能器以驱动电源驱动，用于反映驱动电源输出的电功率有多少能被压电换能器吸收的压电换能器匹配损耗的计算公式为：其中，ps为压电换能器驱动电源提供的匹配功率，pt为压电换能器吸收的功率；用于反映被压电换能器吸收的功率有多少能转换成声光晶体吸收的超声功率的内转换损耗的计算公式为：其中，pm为声光晶体所吸收的超声功率；压电换能器的总换能器损耗定义为匹配损耗加上内转换损耗，公式为：所述匹配层为双层匹配层；压电晶体声阻抗为zo，声光晶体声阻抗为zao，设zp1为靠近压电晶体的匹配层部位的理论声阻抗，其计算公式为设zp2为靠近声光晶体的匹配层部位的理论声阻抗，其计算公式为3.根据权利要求2所述的一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层，其特征在于：所述顶电极的银层厚度为0.56um；压电晶体以铌酸锂材料制备，其声阻抗为33.9
×
106kg/(m2·
s)，厚度为37um；声光晶体以石英晶体制备，其声阻抗为15.2
×
106kg/(m2·
s)。4.根据权利要求3所述的一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层，其特征在于：所述匹配层靠近压电晶体的一侧的理论声阻抗为24
×
106kg/(m2·
s)，靠近声光晶体的匹配层的理论声阻抗为15.2
×
106kg/(m2·
s)；所述第一底电极的声阻抗略大于计算所得的理论声阻抗，为24.2
×
106kg/(m2·
s)，厚度为12um；所述第二底电极的声阻抗略大于计算所得的理论声阻抗，为17.3
×
106kg/(m2·
s)，厚度为220um；所述第三键合层的厚度为6.6um。5.根据权利要求4所述的一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层，其特征在于：所述声光偏转器的中心频率为80mhz，其3db带宽达到59mhz。6.超宽带宽的声光偏转器的匹配层的制备方法，用于制备权利要求4所述的超宽带宽
的声光偏转器的匹配层，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤；步骤s1、在石英晶体处压焊al片；步骤s2、在压电晶体处压焊sn片；步骤s3、焊接石英晶体与压电晶体，形成组合晶体；步骤s4、对组合晶体进行减薄处理；步骤s5、对减薄后的组合晶体进行吸声处理后，清洗干净，采用真空镀膜方式镀制所需的表电极；制作完成声光晶体。7.根据权利要求6所述的超宽带宽的声光偏转器的匹配层的制备方法，其特征在于：所述步骤s1包括以下步骤；步骤a1、制备厚度为219um的al片；步骤a2、采用真空镀膜方式在石英晶体、al片上同时镀制0.5um的al镀膜层，在此步骤中，根据定制al片厚度调整镀膜厚度，实现双面镀膜后的al片总厚度为220um，镀制后立即加热加压，实现al片和石英晶体的焊接，形成石英晶体部件a；所述步骤s2包括以下步骤；步骤b1、制备厚度为11um的sn片；步骤b2、采用厚的压电晶体以减少后续工序中的开裂，在厚度不小于2mm的压电晶体及sn片上采用真空镀膜方式同时镀制0.5um的sn，根据定制sn片的厚度调整镀膜厚度，实现双面镀膜后的sn片总厚度为12um，镀制后立即加热加压，实现sn片和压电晶体的焊接，形成压电晶体部件b；所述步骤b3包括以下步骤；步骤c1、制备6um的in片；步骤c2、将部件a的al片及部件b的sn片经抛光处理抛光到镜面级粗糙度ra0.1；步骤c3、将抛光后的部件a的al片及部件b的sn片同时在真空下镀制0.3um厚度的铟层；根据定制in片厚度调整镀膜厚度，以实现in片与两个铟镀膜总厚度和为6.6um；步骤c4、镀制完成后立即加热加压，实现部件a和部件b的连接；所述步骤s4，具体是将焊接后的声光晶体经过粗磨、高抛、精抛工序，减薄至37um；在完成步骤s5后，声光晶体镀制表电极经过阻抗匹配后就可用于制备所设计的超宽带宽的声光偏转器。

技术总结
本发明提出一种超宽带宽的声光偏转器的匹配层及制备方法，用于声光偏转器的压电晶体与声光晶体之间的声阻抗匹配，所述匹配层设于压电晶体与声光晶体之间，匹配层包括镀于压电晶体底端面处的锡材质的第一底电极、镀于声光晶体顶端面处的铝材质的第二底电极，还包括第一底电极与第二底电极间的铟材质的第三键合层；所述压电晶体的顶端面处设有银材质的顶电极；本发明能制备具有超高带宽的声光偏转器部件。件。件。


技术研发人员：郭杭涛 王梓 梁玉发 彭继峰
受保护的技术使用者：合肥脉博光电科技有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/28