CN100389890C - 换能器和阵及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换能器和阵及其制备方法，用于合成孔径声纳、猎雷声纳、侧扫声纳和测深声纳等技术领域。该换能器和阵包括：晶片、背衬、匹配层、外壳和输出导线，晶片为压电复合材料片，在晶片和背衬之间设有导电定位圈，背衬和导电定位圈上设有孔，导电定位圈孔位于背衬孔的上方，晶片固定在导电定位圈上，在晶片的上电极和导电定位圈上分别引出两根电极引线，电极引线与输出导线相接。晶片采用新型1-3-2型压电复合材料，可根据设计需要，设计不同的工作频率和带宽，使本发明的换能器能够精确定位，信号的幅度和相位的一致性好，便于组阵，且在受热和外力冲击下不易变形，性能稳定，且制作工艺较简单。

Description

换能器和阵及其制备方法

技术领域

本发明属于高频声纳换能器和阵及其制备技术领域，具体涉及到一种利用新型1-3-2型压电复合材料作为换能材料的换能器及其阵列，可用于合成孔径声纳、猎雷声纳、侧扫声纳和测深声纳等。

背景技术

水声设备是利用声波携带信息对水下目标进行探测和识别的设备，是现今水下最有效的检测装备。水声设备主要在军事上有重要应用，近年来，许多国家为了提高潜艇作战能力和增强反潜能力，都在努力加强水声技术的研究。同时，水声设备在海洋开发方面也有广泛的应用，是开采丰富的海洋资源，特别是对海底石油资源勘探及采集的一种很有效的工具。水声换能器是水声设备的关键部件，水声设备依靠它实现电声能量互换。依据工作状态的不同，换能器分成两类：(1)发射换能器，它将电磁能量转换成声能；(2)接收换能器，或称为水听器，它将声能转换为电磁能量。发射换能器把电磁振荡能转换成机械振动能，从而推动水介质进行振动，把电信号变换成在海洋中传播的声信号，即辐射声能；接收换能器把机械振动能转换成电磁振荡能量，把声波信号变成电信号，经过放大和处理后，送到显示器中进行观察和识别。按照转换物理效应不同，水声换能器可分为：电场性换能器(力-电效应换能的器件)和磁场性换能器(磁-力效应换能的器件)。磁场性的换能器包括电动式换能器、电磁式换能器、磁致伸缩式换能器和超导电式换能器等，电场性换能器包括电容式换能器、压电式换能器和铁电反铁电相变换能器等。

单个换能器常常不能满足指向性、发射声功率、接收灵敏度以及信息处理等多方面的要求，必须用换能器阵来达到。换能器阵由多个换能器按照一定方式排列组合成。通过它形成一定的空间指向性以获得空间增益，可使设备在干扰背景下提取所需的信息，从而完成在复杂环境下的探测任务。按照工作状态不同，换能器阵分为接收阵和发射阵两种。依据换能器阵几何形状不同，将换能器阵分为线列阵、平面阵、圆柱阵、球壳阵、球体阵和马蹄形阵等。

目前换能器阵中运用最广泛的换能器是压电换能器。现有的压电换能器采用的换能材料多为压电陶瓷，压电陶瓷的密度大，质脆，声阻抗高，不易与空气和水匹配。压电复合材料是指由压电晶体和聚合物按一定的连通方式、一定的体积和重量比、一定的空间几何分布复合而成的材料，它既具有压电晶体的强压电性，又具有聚合物的柔性、阻抗低，以及易与空气和水匹配等特点，是一种兼有两相材料优点的新型压电材料。常规压电复合材料结构中的压电晶体在横向或纵向是分离的，仅用高分子聚合物将它们粘接到一起，易受压力、机械振动冲击和环境温度变化的影响，而且压电复合材料的电极面上，两相材料的力学柔顺性相差较大，电极制备不易平整且易断裂。

发明内容

本发明克服了常规串联或并联压电复合材料的结构缺陷，它兼有并联压电复合材料和串联结构压电复合材料优点，具有性能稳定，在受热和外力冲击下不易变形等特点，且制作工艺较简单。

一种换能器，包括：晶片、背衬、匹配层、外壳和输出电缆，晶片为压电复合材料片，在晶片和背衬之间设有导电定位圈，背衬和导电定位圈上设有孔，导电定位圈孔位于背衬孔的上方，晶片固定在导电定位圈上，在晶片的上电极和导电定位圈上分别引出两根电极引线，电极引线与输出电缆相接。

背衬可为闭孔耐压泡沫塑料背衬。

晶片可为压电复合材料片，它包括：并联压电复合材料、压电晶体基板和上、下电极，并联压电复合材料是由压电晶体骨架和聚合物组成，并联压电复合材料固定在压电晶体基板上，并联压电复合材料与压电晶体基板形成串联结构，压电晶体骨架和压电晶体基板结合成一体。

一种换能器阵，包括：若干个晶片、背衬、匹配层、外壳和输出电缆，晶片为压电复合材料片，在背衬上设有与晶片相对应的若干个孔，导电定位圈上设有孔，每个导电定位圈孔位于背衬孔的上方，晶片固定在导电定位圈上，在每个晶片的上电极和导电定位圈上分别引出两根电极引线，所有的电极引线与输出电缆相接，晶片和晶片之间可设有解耦绝缘板。

匹配层可采用聚氨酯材料，浇注在晶体表面及晶片和外壳之间。

解耦绝缘板采用橡胶类粘接剂固定在晶片之间及背衬上。

在接收换能器阵的工作面处可设有屏蔽网。

一种换能器阵的制备方法，步骤包括：

(1)采用切割-填充方法制作压电复合材料晶片；

(2)将连有电极引线的导电定位圈和带有孔的背衬固定，每个导电定位圈孔位于背衬孔的上方，将晶片固定在导电定位圈上，并在晶片的上电极上引出电极引线；

(3)将背衬固定在换能器的外壳中，浇注水密高分子材料，制成匹配层；

(4)各个晶片和导电定位圈的电极引线与输出电缆线相接。

晶片、导电定位圈和背衬可分别采用橡胶类粘接剂固定。

电缆和导线连接可采用伞形缓冲连接结构。

本发明的优点与技术效果：现有换能器和阵多采用压电陶瓷，陶瓷的横向和厚度振动模的耦合强，难以达到设计的工作频率，带宽较窄，本发明的换能器采用新型1-3-2型压电复合材料作为换能材料，可根据设计需要，方便地达到设计工作频率和宽带要求。

现有的换能器的晶片之间存在较强的耦合，定位精度不高，难以达到信号的幅度和相位一致性的要求。本发明的换能器能够精确定位，信号的幅度和相位的一致性好，便于组阵。在受热和外力冲击下不易变形，性能稳定，且制作工艺较简单。

附图说明

图1换能器的结构示意图；

图2换能器晶片的结构示意图；

图3换能器背衬的结构示意图；

图4换能器导电定位圈的示意图；

图5a换能器阵的外部结构剖面示意图；

图5b换能器阵的内部结构示意图；

图5c为图5b的局部放大示意图；

图6换能器阵的晶片和解耦绝缘板加固示意图；

图7换能器阵的制备工艺流程图；

图8换能器阵的电极引线和输出电缆连接端的示意图。

具体实施方式

本发明可提供一种高频声纳换能器和换能器阵，可用于合成孔径声纳、猎雷声纳、侧扫声纳和测深声纳等技术领域。参考图1，换能器包括：晶片1、导电定位圈2、背衬3、匹配层4、外壳5和输出电缆，晶片1为压电复合材料片，在晶片和外壳之间及晶片表面浇注聚氨酯材料形成匹配层，在晶片1和背衬3之间设有导电定位圈2，晶片1固定在导电定位圈2上，在晶片的上电极和导电定位圈上分别引出两根电极引线14，引线与输出电缆相接。参考图2，晶片1为1-3-2型压电复合材料，是由1-3型并联压电复合材料6、压电晶体基板7和上、下电极8、9组成，1-3并联压电复合材料6是由压电晶体骨架和环氧树脂组成，并联压电复合材料固定在压电晶体基板7上，压电晶体柱子和底面的压电晶体板连接成一体，压电柱子的长度方向和压电晶体的极化是同一个方向，并联压电复合材料与压电晶体基板形成串联结构，且压电复合材料在横向和纵向都有压电晶体骨架支撑。该材料不仅具有常规压电复合材料的优点，即解决了以前采用压电陶瓷换能带来的较强的横向和厚度振动模耦合的问题，易于达到设计的工作频率、灵敏度、带宽和相幅一致性的要求，而且克服了常规压电复合材料的结构缺陷，在受热和外力冲击下不易变形，性能稳定，且制作工艺较简单。参考图3，背衬3上设有孔，导电定位圈2的孔位于背衬孔的上方。换能器的背衬3采用耐压、导电和反声的背衬结构，起前后定位、反声和承压的作用，该背衬可采用闭孔耐压泡沫塑料空腔衬垫。参考图4，在背衬和晶片之间设导电定位圈2，可起前后定位、反声和导电作用，导电定位圈可以采用铜、钛等金属材料。

参考图5a，换能器阵包括：匹配层4、外壳5、输出电缆11和换能器基阵10。参考图5b，换能器基阵10包括：若干个晶片1、解耦绝缘板12、导电定位圈2和背衬3。晶片1为压电复合材料片，在背衬3上与晶片相对应设有若干个孔，导电定位圈2固定在背衬上，每个导电定位圈孔位于背衬孔的上方，晶片1固定在导电定位圈2上，在晶片的上电极和导电定位圈上分别引出两根电极引线，引线与输出电缆相接。晶片、导电定位圈和背衬与上述换能器的相同，为了换能器阵的晶片间采用精密定位和解耦结构，晶片之间设有解耦绝缘板12，参考图5c，解耦绝缘板12位于导电定位圈及晶片之间，固定在背衬3上，其作用是绝缘、解耦和精确定位。换能器的晶片1、导电定位圈2、解耦绝缘板12和背衬3之间采用橡胶类粘接剂粘接，橡胶类粘接剂同时也起到解耦作用。参考图6，在换能器基阵的两侧上设有边条13，可加固换能器阵的晶片和解耦绝缘板，它由高分子聚合物板条制成，在边条13上钻有一些用于内部引线用的孔17。本发明接收换能器阵采用匹配层与屏蔽层复合结构，在接收换能器阵的工作面设有屏蔽网，其结构起屏蔽、匹配、密封和增加机械强度作用。

参考图7，本发明换能器阵的制备工艺为：

1、换能材料的制作、按照排序和配对原则选取若干个晶片。采用切割-填充法制作1-3-2型压电复合材料；换能材料的排序和配对的原则是，各个材料的阻抗的幅度和相位尽可能一致，并要求其阻抗尽可能小。

2、背衬处理：清洁导电定位铜圈，并焊接引线端子，借助夹具的固定作用，用橡胶类粘接剂粘接晶片、导电定位铜片、绝缘板和带有孔的闭孔耐压泡沫塑料背衬。

3、制备下电极：

上电极采用该复合材料特有的原压电晶体的原有电极，无需重新制备，易于焊接连线。

下电极的制作工艺是在复合材料被切割后，在晶片填充有环氧树脂的面上刷涂导电银浆，采用橡胶类胶粘剂将焊有引线的导电定位铜圈和晶片的导电银浆面粘合，再在导电定位铜圈和导电银浆面的连接处刷涂导电银浆的方法。

4、换能器基阵装配：粘接固定换能器晶片的边条，穿换能器内部引线，并用胶固定。在背衬上刻槽，将内部引线压入槽内。用少许的胶，将换能器的背衬固定于换能器外壳中。在接收换能器的工作面上加屏蔽网。灌注聚氨酯进行水密处理。

5、输出电缆的装配：焊接和装配换能器基阵的输出电缆。焊接并安装换能器专用电缆的水密插头。参考图8，换能器的输出电缆连接技术采用伞形的电线间连接，换能器的电极引线15和输出电缆11中的输出芯线16，同向并联后焊接，将焊接好的连线端向外弯曲，用热缩管套住连接部分，在热缩管的周边微微加热，使之收缩，套紧换能器的信号线和输出电缆芯线的连接部分，同时在热缩管的顶端用镊子夹一下使之闭合。由于换能器的信号线和输出电缆芯线之间有个弯曲部分，它对外力拉动芯线时起到缓冲的作用，热缩管的作用是在多芯的连线之间进行隔离和绝缘。

Claims (10)

1.一种换能器，包括：晶片、背衬、匹配层、外壳和输出电缆，其特征在于：晶片为压电复合材料片，在晶片和背衬之间设有导电定位圈，背衬和导电定位圈上设有孔，导电定位圈孔位于背衬孔的上方，晶片固定在导电定位圈上，在晶片的上电极和导电定位圈上分别引出两根电极引线，电极引线与输出电缆相接。

2.如权利要求1所述的换能器，其特征在于：背衬为闭孔耐压泡沫塑料衬垫。

3.如权利要求1所述的换能器，其特征在于：晶片为压电复合材料片，它包括：并联压电复合材料、压电晶体基板和上、下电极，并联压电复合材料是由压电晶体骨架和聚合物组成，并联压电复合材料固定在压电晶体基板上，并联压电复合材料与压电晶体基板形成串联结构，压电晶体骨架和压电晶体基板结合成一体。

4.一种换能器阵，包括：若干个晶片、背衬、匹配层、外壳和输出电缆，其特征在于：晶片为压电复合材料片，在背衬上设有与晶片相对应的若干个孔，导电定位圈上设有孔，每个导电定位圈孔位于背衬孔的上方，晶片固定在导电定位圈上，在每个晶片的上电极和导电定位圈上分别引出两根电极引线，所有的电极引线与输出电缆相接，晶片和晶片之间设有解耦绝缘板。

5.如权利要求4所述的换能器阵，其特征在于：匹配层采用聚氨酯材料，浇注在晶片表面及晶片和外壳之间。

6.如权利要求4所述的换能器阵，其特征在于：解耦绝缘板采用橡胶类粘接剂固定在晶片之间及背衬上。

7.如权利要求4所述的换能器阵，其特征在于：在换能器阵的工作面处设有屏蔽网。

8.一种换能器阵的制备方法，步骤包括：

(1)采用切割-填充方法制备压电复合材料晶片；

(2)将连有电极引线的导电定位圈和带有孔的背衬固定，每个导电定位圈孔位于背衬孔的上方，将晶片固定在导电定位圈上，并在晶片的上电极上引出电极引线；

(3)将背衬固定在换能器阵的外壳中，浇注水密高分子材料，制成匹配层；

(4)各个晶片和导电定位圈的电极引线与输出电缆线相接。

9.如权利要求8所述的换能器阵制备方法，其特征在于：晶片、导电定位圈和背衬分别采用橡胶类粘接剂固定。

10.如权利要求8或9所述的换能器阵制备方法，其特征在于：电缆和导线连接采用伞形缓冲连接结构。

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