CN100433395C - 新型高频空气超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明新型高频空气超声换能器属于压电学及敏感技术领域，它包括有压电材料的晶柱阵，晶柱间灌注的聚合物，制成压电复合材料，压电复合材料上、下有电极层，由电极层引出电极引线，晶柱压电材料选用驰豫铁电单晶，晶柱与晶板为一整体，其晶板兼作一引线电极板，晶柱为压电相，晶柱阵的上部为弧形下凹结构，其上涂覆导电橡胶，盖上金属板，压电复合材料轴线向的周围粘覆减小横向压电效应防护层，构成新型高频空气超声换能器。其优点是器件的测量灵敏度高，测量带宽大，充分发挥压电相的作用，适合于复杂空气漩涡场测量用的高频空气超声换能器。

Description

新型高频空气超声换能器

技术领域

本发明属于压电学及敏感技术领域，特别是涉及一种复杂空气漩涡场测量的高频空气超声换能器技术领域。

背景技术

现有的空气换能器如李朝晖，张金铎的论文“一种高效空气超声换能器的设计研究”(《声学技术》，1999.Vol.18.No.A11)，这一文献给出的方案是使用一个陶瓷振子驱动一个变幅杆，变幅杆前端加平板辐射器，制成一种空气换能器；又如张小凤，尚志远的论文“静电式超声检测换能器的设计”(《陕西师范大学学报(自然科学版)》，2001，Vol.29.No.4)该文给出的方案是采用镀有铜膜的聚酯薄膜和刻有网状槽的背电极，制作了一种空气静电换能器。

这些换能器都存在着工作频率低，测量带宽窄的问题。国内尚未见到有工作频率在200kHz至800kHz之间的空气换能器的报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型高频空气超声换能器，该换能器既具有较高的灵敏度，又具有较大的测量带宽。

本发明的高频空气超声换能器包括有多条压电材料的晶柱布成的晶柱阵，晶柱阵的晶柱间灌注的聚合物，制成压电复合材料，压电复合材料上、下有电极层，由电极层引出电极引线，所述的晶柱阵的晶柱选用压电材料为驰豫铁电单晶，所有晶柱按矩阵分布规律布置在一块驰豫铁电单晶的晶板上，晶柱阵与晶板为一整体，晶柱阵与晶板的制备是用切割法在一块驰豫铁电单晶上，分别在XY方向从上向下部切割，切割时下部不切透，在一块(圆形或方形)晶板上得到晶柱阵，其晶板兼作一引线电极板，在晶柱间灌注聚合物，制成压电复合材料，晶柱为压电相，灌注了聚合物的晶柱阵的上表面为弧形下凹面，其上涂覆导电橡胶，盖上金属板，作为另一引线电极板，构成压电复合换能器，其轴线向的周围粘覆防护层，以减小横向压电效应。

本发明的高频空气超声换能器的优点是：

1.由于采用的压电材料为驰豫铁电单晶，而驰豫铁电单晶的压电常数高于压电陶瓷，制备器件的测量灵敏度高，可很大程度地提高器件的测量灵敏度；

2.本发明的新型高频空气超声换能器上部为弧形下凹结构，而不同高度的复合材料具有不同的固有谐振频率，有利于提高器件的测量带宽。

附图说明

图1本发明高频空气超声换能器示意图；

图2本发明高频空气超声换能器A-A剖面图。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明高频空气超声换能器做详细描述。

本发明的高频空气超声换能器(见图1)，它包括有多条压电材料的晶柱布成的晶柱阵1、晶柱间的聚合物2、晶柱阵1的上电极层3、下电极层4，晶柱阵1的晶柱间灌注聚合物2后制成压电复合材料，由上下电极层3、4引出电极引线，所述的晶柱阵1的晶柱选用的压电材料为驰豫铁电单晶，所有晶柱按矩阵分布规律布置在一块驰豫铁电单晶的晶板上，晶柱阵与晶板为一整体，晶柱阵1与晶板的制备是用切割法在一块驰豫铁电单晶压电材料上，分别在XY方向从上向下部切割，切割时下部不切透，在一块(圆形或方形)晶板上得到晶柱阵1，晶柱阵1与晶板为一整体，涂覆银的晶板兼作下电极层4，一电极引线由下电极层4引出，晶柱阵1的晶柱为压电相，灌注了聚合物的晶柱阵的上表面为弧形下凹面，其上部涂覆导电橡胶层5，导电橡胶层5与具有同样弧形下凹结构的金属板紧密粘结，作为另一电极引线接出用的上电极层3，构成的压电复合换能器，其轴线向的周围粘覆防护层6，以减小横向压电效应。

本发明的高频空气超声换能器外形或可为方柱形，或可为圆柱形。图1给出的外形为方柱形高频空气超声换能器示意图。

本发明的高频空气超声换能器弛豫铁电单晶或选用PZN-PT，或选用PMN-PT作为晶板与晶柱的材料，聚合物2选用还氧树脂，防护层6或用聚四氟乙烯，或选用聚氯乙烯。

作为下电极层4晶板的高度h_plate＝1mm；压电复合材料的高度h_com1＝4～6mm，h_com2＝1～3mm；晶柱阵1的单晶柱截面0.3mm×0.3mm方形；单晶占压电复合材料的体积分数为v^I＝15～50％，其余为聚合物2，其体积分数为v^II＝50～85％；导电橡胶层5厚度为0.2mm；防护层6厚度为2mm。

本发明高频空气超声换能器的测量工作原理做简要描述如下。

如前所述，晶柱阵1与晶板为一整体，是用驰豫铁电单晶切割而成，其间灌注聚合物，构成压电复合材料，其上部为弧形下凹结构；金属板和晶板作为两个电极，轴线向的周围粘覆防护层，构成新型高频空气超声换能器。

本发明高频空气超声换能器结构配置，下电极层4的晶板与上电极层3的金属板起应力放大的作用，换能器两端的输出电压V为：

$V=T\frac{d_{33}^I}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}^I}(h_{\mathrm{plate}}+\frac{s_{33}^{\mathrm{II}}}{(v^I{s}_{33}^{\mathrm{II}}+v^{\mathrm{II}}{s}_{33}^I)}\·h_{\mathrm{com}})---\left(1\right)$

式中：T为高频空气超声换能器所受纵向应力；

d₃₃ ^I、ε₃₃ ^I分别为单晶的纵向压电常数和介电常数；

h_plate、h_com分别为晶板及复合材料的高度；

s₃₃ ^I、s₃₃ ^II分别为单晶及聚合物的弹性常数；

v^I、v^II分别为单晶及聚合物的体积分数，v^I+v^II＝1。

换能器上部为弧形下凹结构，各点h_com不同；对不同的h_com利用(1)式计算得到相应的电压值V_i，上、下极板间的输出电压为：

$V=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i^2}{n}}---\left(2\right)$

根据各点h_com不同，固有谐振频率也不同，PZN-PT弛豫铁电单晶与618环氧树脂聚合物复合材料固有谐振频率为：

f＝-114(h_plate+h_com)+1004    (3)

利用(3)式计算测量带宽为：

B＝-114(h_com1-h_com2)         (4)

本发明高频空气超声换能器结构配置在不改变单晶及聚合物的前提下，改变单晶的体积分数v^I或改变晶板及复合材料的高度h_com1和h_com2，就可以得到在应力T的作用下该高频空气超声换能器不同的输出电压V值和不同的测量带宽B值。

本实施例的高频空气超声换能器的优点是：

1)利用驰豫铁电单晶较高的纵向压电常数，提高高频空气超声换能器的输出电压V值；

2)利用防护层6的保护作用，减小横向压力效应，同样使得空气超声换能器的输出电压V值进一步提高；

3)利用驰豫铁电单晶晶柱和聚合物制成压电复合材料，晶柱与压电复合材料下部的晶板为一整体，既增大了高频空气超声换能器的纵向压电效应，又解决了压电复合材料下电极层4电极引线的引出问题。

4)利用驰豫铁电单晶和聚合物制成的压电复合材料上部为弧形下凹结构，不同高度的复合材料固有谐振频率不同，增大了高频空气超声换能器的测量带宽。

5)可根据公式(1)、(2)设计出不同尺寸、不同输出电压的高频空气超声换能器。

6)可根据公式(4)设计出不同尺寸、不同测量带宽的高频空气超声换能器。

下面给出四个本发明的高频空气超声换能器的具体实施例。

实施例1

用PZN-PT弛豫铁电单晶作为晶板与晶柱的材料，聚合物2选用环氧树脂，防护层6选用聚四氟乙烯，则 $d_{33}^I=2000\mathrm{PC}/N,$ ${\mathrm{\ϵ}}_{33}^I=5000{\mathrm{\ϵ}}_0,$ $s_{33}^I=15.8\×{10}^{-12}{m}^2/N,$ $s_{33}^{\mathrm{II}}=2\×{10}^{-10}{m}^2/N;$ 晶板(下电极层4)的高度h_plate＝1mm；复合材料的高度h_com1＝6mm，h_com2＝1mm；单晶及聚合物的体积分数分别为v^I＝15％，v^II＝85％；当高频空气超声换能器所受纵向应力T＝10N/m²时，则根据公式(1)、(2)可得高频空气超声换能器输出电压为8.4mV，根据公式(3)、(4)可得测量带宽为570kHz，中心频率605kHz。

实施例2

用PZN-PT弛豫铁电单晶作为晶板与晶柱的材料，聚合物2选用环氧树脂，防护层6选用聚四氟乙烯，则 $d_{33}^I=2000\mathrm{PC}/N,$ ${\mathrm{\ϵ}}_{33}^I=5000{\mathrm{\ϵ}}_0,$ $s_{33}^I=15.8\×{10}^{-12}{m}^2/N,$ $s_{33}^{\mathrm{II}}=2\×{10}^{-10}{m}^2/N;$ 晶板的高度h_plate＝1mm；复合材料的高度h_com1＝4mm，h_com2＝3mm；单晶及聚合物的体积分数分别为v^I＝15％，v^II＝85％；当高频空气超声换能器所受纵向应力T＝10N/m²时，则根据公式(1)、(2)可得高频空气超声换能器输出电压为7.8mV，根据公式(3)、(4)可得测量带宽为342kHz，中心频率605kHz。

实施例3

用PZN-PT弛豫铁电单晶作为晶板与晶柱的材料，聚合物2选用环氧树脂，防护层6选用聚四氟乙烯，则 $d_{33}^I=2000\mathrm{PC}/N,$ ${\mathrm{\ϵ}}_{33}^I=5000{\mathrm{\ϵ}}_0,$ $s_{33}^I=15.8\×{10}^{-12}{m}^2/N,$ $s_{33}^{\mathrm{II}}=2\×{10}^{-10}{m}^2/N;$ 晶板的高度h_plate＝1mm；复合材料的高度h_com1＝6mm，h_com2＝1mm；单晶及聚合物的体积分数分别为v^I＝35％，v^II＝65％；当高频空气超声换能器所受纵向应力T＝10N/m²时，则根据公式(1)、(2)可得高频空气超声换能器输出电压为4.7mV，根据公式(3)、(4)可得测量带宽为570kHz，中心频率605kHz。

实施例4

用PZN-PT弛豫铁电单晶作为晶板与晶柱的材料，聚合物2选用环氧树脂，防护层6选用聚四氟乙烯，则 $d_{33}^I=2000\mathrm{PC}/N,$ ${\mathrm{\ϵ}}_{33}^I=5000{\mathrm{\ϵ}}_0,$ $s_{33}^I=15.8\×{10}^{-12}{m}^2/N,$ $s_{33}^{\mathrm{II}}=2\×{10}^{-9}{m}^2/N;$ 晶板的高度h_plate＝1mm；复合材料的高度h_com1＝4mm，h_com2＝2mm；单晶及聚合物的体积分数分别为v^I＝35％，v^II＝65％；当高频空气超声换能器所受纵向应力T＝10N/m²时，则根据公式(1)、(2)可得高频空气超声换能器输出电压为3.9mV，根据公式(3)、(4)可得测量带宽为228kHz，中心频率662kHz。

Claims (3)

1.一种新型高频空气超声换能器，它包括有压电材料多条晶柱布成的晶柱阵(1)、晶柱间的聚合物(2)、晶柱阵(1)的上电极层(3)、下电极层(4)，由上下电极层(3)、(4)引出电极引线，其特征是：

所述的晶柱阵(1)的晶柱压电材料选用驰豫铁电单晶，所有晶柱按矩阵分布规律布置在一块驰豫铁电单晶压电材料晶板上，晶柱阵(1)与晶板为一整体，涂覆银的晶板兼作下电极层(4)，晶柱阵(1)的晶柱为压电相，聚合物(2)和晶柱阵(1)构成的压电复合材料的上表面为弧形下凹面，其上涂覆导电橡胶层(5)，上电极层(3)选用金属板，导电橡胶层(5)与金属板紧密粘结，构成压电复合换能器，其轴线向的周围粘覆防护层(6)。

2.根据权利要求1所述的新型高频空气超声换能器，其特征是：

所述的弛豫铁电单晶或选用PZN-PT，或选用PMN-PT，聚合物(2)选用环氧树脂，防护层(6)或用聚四氟乙烯，或选用聚氯乙烯。

3.根据权利要求1所述的新型高频空气超声换能器，其特征是：

所述的下电极层(4)晶板的高度h_plate＝1mm；压电复合材料弧形下凹面的最高点至下电极层(4)晶板上表面的垂直距离的为h_com1＝4～6mm，压电复合材料弧形下凹面的最低点至下电极层(4)晶板上表面的垂直距离的为h_com2＝1～3mm；晶柱阵(1)的单晶柱截面为0.3mm×0.3mm方形；单晶占压电复合材料的体积分数为v^I＝15～50％，其余为聚合物(2)，其体积分数为V^II＝50～85％；导电橡胶层(5)厚度为0.2mm；防护层(6)厚度为2mm。

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