CN101364632B - 一种应用于超声换能器和传感器的压电元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电元件及其制造方法，该压电元件包括多个并联的压电片，其中，该多个压电片按照相反的极化方向固定为一体，其中至少包括第一压电片和第二压电片，所述第一压电片及第二压电片厚度的设置，使振动波信号从所述第一压电片一端面沿其极化方向传播到另一端面的时间与从所述第二压电片一端面沿其极化方向传递到另一端面的时间不相等。本发明压电元件的超声波输出和响应不仅能够在基频和奇次谐波频率或附近分别实现共振峰值和谐振峰值，还能够在偶次谐波频率或附近实现谐振峰值，从而，拓宽了超声波输出和响应的频率带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电元件，尤其涉及的是一种应用于超声换能器和传感器的压电元件及其制造方法。
背景技术
超声换能器和传感器通常利用压电效应的工作原理，能够实现超声波信号和电信号的互相转换，被广泛地应用于生物医学图像、诊断和治疗，工业无损检测(探伤)以及水下声纳等方面。
压电超声换能器和传感器可以采用的形式包括单体或者阵列，结构形式可以采用单层或者多层，多层结构的电路形式可以采用各层互相并联，并联形式如图1所示。传统压电晶体超声换能器和传感器，其超声波输出和响应通常只在基频(即共振频率)和奇次谐波频率或附近分别有共振峰值和谐振峰值，波形图示意图参见图2，从而限制了其超声波波输出和响应频率带宽。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电元件及其制造方法，该压电元件能够拓宽超声波输出和响应的频率带宽。
本发明的技术方案如下：一种应用于超声换能器和传感器的压电元件，包括多个并联的压电片，该多个压电片按照相反的极化方向固定为一体，其中至少包括第一压电片和第二压电片，所述第一压 电片及第二压电片厚度的设置，使振动波信号从所述第一压电片一端面沿其极化方向传播到另一端面的时间与从所述第二压电片一端面沿其极化方向传递到另一端面的时间不相等，用于拓宽超声波输出和响应的频率带宽。
所述的压电元件，其中，所述多个压电片按照相反的极化方向固定为一体。
所述的压电元件，其中，所述第一压电片的材料与所述第二压电片的材料相同，并且所述第一压电片沿其极化方向的厚度与所述第二压电片沿其极化方向的厚度不相等。
所述的压电元件，其中，所述压电片的为压电陶瓷材料压电片。
所述的压电元件，其中，所述压电片的为压电单晶材料压电片。
一种压电元件的制造方法，包括以下步骤：S1、制备多个压电片，该多个压电片中至少包括第一压电片和第二压电片，所述第一压电片中沿其极化方向传递振动波信号的时间与所述第二压电片中沿其极化方向传递所述振动波信号的时间不等，用于拓宽超声波输出和响应的频率带宽；S2、将所述多个压电片并联；所述步骤S2包括：
S21、在每个压电片与其极化方向垂直的端面上制备粘接面电极、并延伸至压电片的侧面；
S22、按相反的极化方向将多个压电片粘接固定；
S23、连接多个压电片上相同极性的电极，形成压电元件的两个电极。
所述的压电元件的制造方法，其中，当所述第一压电片的材料与所述第二压电片的材料相同时，所述第一压电片沿其极化方向的厚度与所述第二压电片沿其极化方向的厚度不相等。
所述的压电元件的制造方法，其中，所述步骤S23采用：先在多个压电片相同极性的电极固定导线，然后在所述导线上形成导电膜。
所述的压电元件，其中，所述步骤S23采用导电粘接剂连接多个压电片上相同极性的电极，形成压电元件的两个电极。
本发明所提供的压电元件，由于采用了多个并联压电片，多个压电片中至少包括第一压电片和第二压电片，而且，第一压电片和第二压电片分别沿其极化方向传递同一振动波信号的时间是不同的。超声波输出和响应不仅能够在基频和奇次谐波频率或附近分别实现共振峰值和谐振峰值，还能够在偶次谐波频率或附近实现谐振峰值，从而拓宽了超声波输出和响应的频率带宽。另外，采用本发明中的制造方法制造所述的压电元件，制造工艺简单实用，进一步提高了超声换能器和传感器设计和制造的灵活性以及应用范围。
附图说明
图1是现有技术中压电超声换能器或者传感器采用并联连接的示意图；
图2是现有技术中压电超声换能器或者传感器超声波输出示意图；
图3是本发明中压电单元为两层压电片的示意图；
图4是本发明中压电单元为三层压电片的示意图；
图5是本发明中压电单元采用并联连接的示意图；
图6是本发明中压电单元的超声波输出示意图；
图7是本发明中压电单元的制造方法中，第一压电片和第二压电片为同一种材料时的示意图；
图8是本发明中压电单元的制造方法中，给压电片制备粘接面电极的示意图；
图9是本发明中压电单元的制造方法中，粘接多个压电片极的示意图；
图10是本发明中压电单元的制造方法中，给压电单元本体制备工作面电极的示意图。
具体实施方式
本发明针对传统超声换能器和传感器的有限频率带宽，提出一种新型的具有多层结构的压电元件，各层中至少有两层厚度保证超声信号在这两 层材料中沿极化方向从一端到另一端的传播时间不同，使其超声波输出和响应能够在基频以及高次(包括奇次和偶次)谐波频率或附近均分别产生共振峰值和谐振峰值，从而极大地拓宽了频率带宽，并且制造工艺简单实用，进一步提高了超声换能器和传感器设计和制造的灵活性以及应用范围。
作为本发明的压电元件中包括至少包括第一压电片10和第二压电片20，即，压电片的数量可以只有第一压电片10和第二压电片20两个，如图3所示；压电片的数量也可以为更多，如图4所示的三个压电片，而且，在压电片的数量多于两个时，第一压电片10和第二压电片20可以是直接相接触的固定，亦可以是不相接触，在第一压电片10和第二压电片20之间设有其他的压电片。
多个压电片采用机械结构串联和电路结构并联的方式组合，即，相邻的两个压电片，其接触面是极化方向F相同的面，例如，当第一压电片10和第二压电片20直接固定时，第一压电片10的极化方向F为正的端面与第二压电片20的极化方向F为正的端面相粘合，或者，第一压电片10的极化方向F为负的端面与第二压电片20的极化方向F为负的端面相粘合。
每个压电片的极化方向F是指向其加载电流和振动波信号的方向，本实施方式中的第一压电片10中沿其极化方向F传递振动波信号的时间，比第二压电片20中沿其极化方向F传递所述振动波信号的传播时间长。分为以下两种情形：
在其中第一压电片10和第二压电片20如果是在材料不相同的情形下，只要同一振动波信号在第一压电片10中沿其极化方向F传递的时间比在第二压电片20中沿其极化方向F传递的时间长，对压电片的厚度没有特殊的要求；
作为最佳的方案，是在第一压电片10和第二压电片20采用同一种材料，这种情形下，只要第一压电片10沿其极化方向F的厚度大于第二压电片20延期极化方向F的厚度，如图5所示，即可达到同一振动波信号沿压 电片的极化方向F在第一压电片10传递的时间大于在第二压电片20传递的时间。当同一超声波信号在第一压电片10和第二压电片20中传播存在时间差，从而，换能器的机械输出信号在奇次谐振频率和偶次谐振频率附近都出现峰值，如图6所示，极大地拓宽了频率带宽。
同一振动波信号沿压电片的极化方向F在第一压电片10和第二压电片20传播的时间差，具体与以下因素有关：两层压电片的各自厚度、振动波信号分别在两层压电片中的传播速度。
通常应用于压电元件的压电晶体材料包括压电陶瓷和压电单晶等材料，这些材料具有高机电耦合系数和介电常数，可以有效地将电能和机械能互相转换，也容易与相关的系统电路进行电子匹配，是理想的制造超声换能器和传感器的活性材料。因为可选的材料种类繁多，且已悉知，所以举以下几例，仅做说明，而非对本发明的限制。
例如，当材料相同时，第一压电片10和第二压电片20的材料都为：锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷，第一压电片10的厚度为：1.8mm(毫米)，第二压电片20的厚度为0.4mm(毫米)；达到约为0.3μs(微秒)的时间差。
当材料不同时，第一压电片10的材料为：铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)压电单晶，其厚度为：1.7mm(毫米)；第二压电片20的材料为：锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷，其厚度为：0.4mm(毫米)；达到约为0.3μs(微秒)的时间差。
本发明的压电元件具有极宽的频率带宽，易于加工，实用性很高。可以应用于传感器和电超声换能器，既可应用于单体超声换能器，也可用于超声换能器阵列；主要的应用领域为工业无损检测，生物医学成像、诊断和治疗，以及水下声呐技术等；本压电元件能够应用于金属或非金属材料和试件的缺陷探测、几何尺寸测量、以及包括针对随导致金属和非金属材料断裂或破坏的疲劳等特性而改变的材料弹性常数的线性和非线性表征，本压电元件还能够应用于生物组织或器官弹性常数的线性或非线性表征。
工作方式可以采用脉冲-回波方式，也可以采用透射方式；脉冲-回波方式即超声波发射器和接收器为同一个采用本发明的超声换能器，也称脉冲-反射方式；透射方式即超声波发射器和接收器分别为一个超声换能器和一个传感器，超声换能器和传感器中至少有一个采用本发明结构方式，也称穿透方式。
对于声学特性阻抗与压电单元使用的压电材料相近的目标，例如金属材料、金属氧化物以及金属复合材料等可以直接采用本发明的压电单元。对于声学特性阻抗与压电单元使用的压电材料相差很大的目标，例如水、溶液、非金属聚合物、生物体液、组织和器官等，可以在压电单元与目标之间设置声学匹配层，声学匹配层具有一定厚度和声学阻抗，其厚度为一定频率超声波信号在匹配层材料中传播波长的1/4到1/3，声学匹配层的材料通常为具有介于压电晶体和目标之间声学阻抗值的金属材料、非金属材料以及由金属粉末和环氧树脂混合构成的复合材料，其作用是改善和提高超声波信号在超声换能器和传感器与目标之间耦合和传输效率。
本发明还提供一种压电元件的制造方法，包括以下步骤：
100、制备压电片，其中至少包括第一压电片10和第二压电片20，如图7所示；本步骤的实现由以下两种情形：
当第一压电片10和第二压电片20的材料相同时，第一压电片10的极化方向F厚度大于第二压电片20的极化方向F厚度；
当第一压电片10和第二压电片20的材料不相同时，只须符合以下要求：同一振动波信号沿压电片的极化方向F在第一压电片10传递的时间大于在第二压电片20传递的时间，对第一压电片10和第二压电片20的厚度没有多余的要求。
200、将压电片按相反的极化方向F固定连接在一起，如图9所示。包括以下步骤：
210、按相反的极化方向F排列多个压电片的粘接顺序，参见图8中，第一压电片10的极化方向F向上，第二压电片20的极化方向F向下；
220、在每个压电片与其极化方向F垂直的端面上制备粘接面电极30，并将电极30延伸至压电片的侧面。
在图8中，在第一压电片10的上端面和第二压电片20的下端面制备粘接面电极30，并将电极30延伸至压电片的侧面，(需要说明的是，粘接面电极30制备时是布满整个表面，如图8中所示，其他的图中未将电极显示为布满全部，是为了反映电极与压电片的结构关系。)如果是超过两个压电片的情形，在最外侧的两个压电片粘接面电极30的制备与图8中的第一压电片10和第二压电片20的相同，位于中间的压电片(例如图3结构的中部)，其极化方向F的上下端面都需要制备粘接面电极30，并将电极30延伸至压电片的侧面。
粘接面电极30可以采用各种物理或者化学的方法形成导电薄膜或厚膜，例如，通过在压电片的上下两个表面涂刷导电金属浆体材料、或者粘接导电固体金属层。
固定连接方式可以采用粘接剂、粘接剂浇铸(casting)或者烧制(co-fire)的工艺。采用粘接剂，将相邻的压电片按相反的极化方向F粘接在一起，并保证粘接层厚度尽量薄。
230、粘接多个压电片制成压电单元的本体；
粘接时，可以使用框架50来限制各压电片在与极化方向F垂直的方向移动，保证各压电片不发生错位，同时在粘接和固化过程中，沿极化方向F施加适当的压力，如图9所示；框架50的材料采用不与所使用的粘接剂固化后发生强烈粘黏的材料，例如聚四氟乙烯。
240、制备压电单元本体的工作面电极30，本体的工作面是指本体上沿极化方向F的上下端面，如图10所示。
作为最优方式，将电极30延伸至压电片的侧面，但在本步骤中这并非 必要；需要说明的是，工作面电极30的制备也可以在步骤220中一并完成。而且，步骤210、220、240可以在一个步骤中执行。
300、连接压电片上同极性的电极30。
用两组导线40分别将各层极性相同的电极30连接起来，使各压电片在电路上形成并联，用以施加和接收电信号，连接好的状态参见图2。连接方法可以是：采用焊接；采用导电粘接剂粘接；采用先粘接固定导线40，然后采用物理或者化学的方法形成导电薄膜或厚膜来连通，例如，涂刷导电金属浆体材料、或者粘接导电固体金属层等方法。
本发明的压电单元采用机械结构串联和电路结构并联的方式组合而成，与单层结构相比，与层数的平方成比例降低的阻抗，在给定的电激励信号条件下具有与层数成比例增加的机械响应输出，多层结构具有更大的设计灵活性，而且本发明的压电单元，至少有两层厚度保证振动波信号在这两层材料中沿其极化方向F从一端到另一端的传播时间不同，使其振动波输出和响应能够在基频以及高次(包括奇次和偶次)谐波频率或附近均分别产生共振峰值和谐振峰值，从而极大地拓宽了频率带宽，并且制造工艺简单实用，进一步提高了超声换能器和传感器设计和制造的灵活性以及应用范围。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种应用于超声换能器和传感器的压电元件，包括多个并联的压电片，其特征在于，该多个压电片按照相反的极化方向固定为一体，其中至少包括第一压电片和第二压电片，所述第一压电片及第二压电片厚度的设置，使振动波信号从所述第一压电片一端面沿其极化方向传播到另一端面的时间与从所述第二压电片一端面沿其极化方向传递到另一端面的时间不相等，用于拓宽超声波输出和响应的频率带宽；每个压电片与其极化方向垂直的端面上制备粘接面电极，并且所述粘接面电极延伸至压电片的侧面。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，所述第一压电片的材料与所述第二压电片的材料相同，并且所述第一压电片沿其极化方向的厚度与所述第二压电片沿其极化方向的厚度不相等。
3.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，所述压电片为压电陶瓷材料的压电片。
4.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，所述压电片为压电单晶材料的压电片。
5.一种应用于超声换能器和传感器的压电元件的制造方法，包括以下步骤：
S1、制备多个压电片，该多个压电片中至少包括第一压电片和第二压电片，所述第一压电片中沿其极化方向传递振动波信号的时间与所述第二压电片中沿其极化方向传递所述振动波信号的时间不等，用于拓宽超声波输出和响应的频率带宽；
S2、将所述多个压电片并联；所述步骤S2包括：
S21、在每个压电片与其极化方向垂直的端面上制备粘接面电极、并延伸至压电片的侧面；
S22、按相反的极化方向将多个压电片粘接固定；
S23、连接多个压电片上相同极性的电极，形成压电元件的两个电极。
6.根据权利要求5所述的压电元件的制造方法，其特征在于，当所述第一压电片的材料与所述第二压电片的材料相同时，所述第一压电片沿其极化方向的厚度与所述第二压电片沿其极化方向的厚度不相等。
7.根据权利要求5所述的压电元件的制造方法，其特征在于，所述步骤S23采用：先在多个压电片相同极性的电极固定导线，然后在所述导线上形成导电膜。
8.根据权利要求5所述的压电元件的制造方法，其特征在于，所述步骤S23采用导电粘接剂连接多个压电片上相同极性的电极，形成压电元件的两个电极。
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