CN103078600B - 一种压电振子制备方法及应用该方法制备的压电振子 - Google Patents

Abstract

<b>本发明涉及一种压电振子的制备方法及应用该方法制备的压电振子。该压电振子横向及纵向方向上分别开有多个第一方向槽及与第一方向槽垂直的第二方向槽，该第一方向槽及第二方向槽的深度小于压电块材的厚度，所述第一方向槽及与第二方向槽内填充有固化的聚合物，所述压电块材上下端面设置有依次间隔并行排列的压电薄形长条和聚合物薄形长条，同时上下层压电薄形长条保留的电极可以直接进行引线焊接，省去了在复合结构表面制备电极的复杂工艺以及不稳定性等因素，且同时具有普通复合材料的声阻抗低、机电转换性能高等优点，平整性高，由于其内压电块材骨架的支撑，在受热和外力冲击下不易变形。</b>

Description

一种压电振子制备方法及应用该方法制备的压电振子

技术领域

本发明涉及压电超声换能技术领域，具体涉及一种压电振子的制备方法。

本发明还涉及一种应用该压电振子制备方法制备的压电振子。

背景技术

压电振子是压电超声换能器中的关键部件，压电超声换能器可通过压电振子的逆压电效应和压电效应产生和接收超声波信号。现有技术中1-3型复合结构的压电振子具有比较优异的性能，其基本结构为压电陶瓷柱或压电单晶柱排列在聚合物基体中，该结构的压电振子具有优良的压电各向异性、较低的声阻抗和机械品质因子、较高的机电耦合系数和压电常数，适合于生物医学图像诊断、工业无损检测、水下声纳等领域的超声换能器，实现换能器的大带宽和高灵敏度。

目前，已有不少研发和应用涉及1-3型复合结构压电振子的技术，然而，现有的技术一般都需要在复合结构压电振子的表面制备电极，复合结构压电振子是由无机非金属压电材料和有机聚合物材料复合而成的，在性质完全不同的两种材料表面同时制备附着力良好且均匀一致的金属电极一直是工艺上的难点，容易带来工艺上的不稳定性，这在一定程度上限制了1-3型复合结构的应用。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种具有普通复合材料的声阻抗低、机电转换性能高等优点的，且避免了在性质完全不同的两种材料表面同时制备附着力良好且均匀一致的金属电极的压电振子制备方法。

本发明的目的还在于提供一种应用该压电振子制备方法制备的具有平整度高，在受热和外力冲击下不易变形等优点，从而获得较优的声学性能和压电性能的压电振子。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的一种压电振子的制备方法，包括：

准备压电块材，所述压电块材的上下端面平整且平行；

在压电块材的上下端面制备电极并对该电极进行极化；

对压电块材按第一方向线进行切割，得到多个第一方向槽，其中，所述第一方向槽的深度小于压电块材的厚度；

将压电块材上下端面翻转，对其按第二方向线进行切割，得到多个与第一方向槽垂直的第二方向槽，其中，所述第二方向槽的深度小于压电块材的厚度；

对压电块材进行划切，获取所需的压电振子；

其中，对压电块材进行横向线切割之后，还包括对压电块材的第一方向槽内灌注聚合物，并固化聚合物；对压电块材进行纵向线切割之后，还包括对压电块材的第二方向槽内灌注聚合物，并固化聚合物。

作为本发明的一种改进，所述第一方向槽或者/和第二方向槽的深度大于压电块材厚度的9/10。

作为本发明的进一步改进，所述相邻两个第一方向槽或者/和第二方向槽的宽度一致。

作为本发明的更进一步改进，所述相邻第一方向槽或者/和第二方向槽之间保留的压电块材宽度小于压电块材厚度的1/2。

进一步的，所述第一方向槽的宽度、深度与所述第二方向槽的宽度、深度相同。

作为本发明一种优选的实施方式，所述第一方向槽或者第二方向槽的宽度w,相邻两个第一方向槽或者第二方向槽的宽度p满足0.4<p ² /(p+w) ² <0.9。

作为本发明另一种优选的实施方式，所述对压电块材的第一方向槽或者第二方向槽内灌注聚合物，并固化聚合物的步骤为：

将所述横向线或者纵向线切割之后的压电块材放置在灌胶模具中，将具有流动性的聚合物倒入灌胶模具中，聚合物液面高于压电块材的上端面；

将灌胶模具置于真空中去除聚合物中的气泡，再将一个压具放置在压电块材上，压具的面积大于压电块材的面积，对压具施加压力压紧压电块材，挤出压电块材上下端面电极表面覆盖的聚合物；

将灌入的聚合物固化，将压电块材从灌胶模具中取出，切除压电块材四边凸起的聚合物。

一种应用上述压电振子制备方法制备的压电振子，主要包括其上下端面平整且平行的压电块材，所述压电块材上下端面制备有被极化的电极；所述压电块材上端面的横向方向上开有多个第一方向槽，所述压电块材下端面的纵向方向上开有多个与第一方向槽垂直的第二方向槽，所述第一方向槽以及第二方向槽的深度小于压电块材的厚度；所述第一方向槽以及第二方向槽内填充有固化的聚合物。

作为本发明的一种改进，所述平整且平行的压电块材为压电陶瓷材料或者压电单晶材料；所述向第一方向槽或者/和第二方向槽填充的聚合物为环氧树脂、聚氨酯或者硅橡胶材料。

作为本发明的另一种改进，所述电极材料为：金属或合金，包括：金、银、铂、铜、铝、镍，或银/钯合金、铜/钛合金、镍/铬合金。

本发明提供的一种压电振子的制备方法及应用该方法制备的压电振子，该压电振子主要包括其上下端面平整且平行的压电块材，其上下端面制备有电极并被极化，该压电块材横向及纵向方向上开有多个第一方向槽及与第一方向槽垂直的第二方向槽，该第一方向槽及第二方向槽的深度小于压电块材的厚度，所述第一方向槽及第二方向槽内填充有固化的聚合物，所述压电块材上下端面设置有依次间隔并行排列的压电薄形长条和聚合物薄形长条，同时上下层压电薄形长条保留的电极可以直接进行引线焊接，省去了在复合结构表面制备电极的复杂工艺以及不稳定性等因素，且同时具有普通复合材料的声阻抗低、机电转换性能高等优点，平整性高，由于其内压电块材骨架的支撑，在受热和外力冲击下不易变形。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明一种压电振子制备方法的流程示意图；

图2为本发明一种应用压电振子制备方法制备的压电振子示意图；

图3为图2所示压电振子上下端面翻转后的压电振子示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1，本发明一种压电振子的制备方法，包括以下步骤：

201.准备压电块材

该压电块材上下端面平整并且平行的，可以是压电陶瓷材料或压电单晶材料。压电块材的厚度即是最终复合结构压电振子的厚度，其厚度根据实际工作频率的要求进行设计。对于特定材料的压电振子，其厚度和工作频率基本成反比关系，压电振子越薄则频率越高，反之，压电振子越厚则频率越低。

制备电极并极化

在压电块材的上下端面制备电极并极化，目前，在陶瓷和单晶表面制备电极的工艺已经比较成熟，电极的附着强度足够承受焊接引线、粘贴等操作过程，实现电极制备的方式有多种，包括热烧、电镀、化学镀、蒸镀和溅射等方法，电极材料主要是金属或合金，如金、银、铂、铜、铝、镍等金属和银/钯、铜/钛、镍/铬等复合电极。对需要极化的压电材料进行极化，使其具有压电性能。

横向切割

对准备好的压电块材按第一方向线进行切割，得到多个第一方向槽，其中对压电块材进行第一方向线切割优选为对压电块材进行横向线切割。其中，每个第一方向槽的宽度w、深度d均相同，所述第一方向槽的深度略小于所述压电块材的厚度，压电块材下端未被切透部分的厚度即是附图2和附图3中106的厚度。所述未被切透部分的厚度尽可能薄，建议小于压电块材厚度的1/10，即第二方向槽的深度大于压电块材厚度的9/10，避免影响到复合结构压电振子的频率特性和机电转换性能参数。第一方向槽之间的排列间隔可以不一样，但是作为优选，所述多个第一方向槽中，相邻的第一方向槽之间的排列间隔均为p，为了获得较优的振动模式和机电转换性能参数，建议相邻第一方向槽之间保留的压电块材的宽度p小于压电块材厚度的1/2。

灌注聚合物，并固化聚合物

首先，将所述横向线切割之后的压电块材放置在灌胶模具中，将具有流动性的聚合物倒入灌胶模具中，聚合物液面高于压电块材的上端面，该聚合物通常是各种环氧树脂、聚氨酯或者硅橡胶。

接着，将灌胶模具置于真空中去除聚合物中的气泡，再将一个压具放置在压电块材上，压具的表面和压电块材的表面同样都是很平整的，压具的面积略大于压电块材的面积。对压具施加压力，压紧压电块材，挤出压电块材上下端面电极表面覆盖的聚合物。

最后，将灌入的聚合物固化，从灌胶模具中取出，切除压电块材四边凸起的聚合物部分。

纵向切割

将已经横向切槽和填胶的压电块材上下端面翻转，并按第二方向线进行切割，其中对压电块材进行第二方向线切割优选为对压电块材进行纵向线切割，得到多个与第一方向槽垂直的第二方向槽，其中，每个第二方向槽的宽度w、深度d均相同，作为优选，第二方向槽的宽度w、深度d与第一方向槽相同，所述第二方向槽的深度略小于所述压电块材的厚度，压电块材下端未被切透部分的厚度即是附图2和附图3中的104的厚度。所述未被切透部分的厚度尽可能薄，建议小于压电块材厚度的1/10，即第二方向槽的深度大于压电块材厚度的9/10，避免影响到复合结构压电振子的频率特性和机电转换性能参数。第二方向槽之间的排列间隔可以不一样，作为优选，所述多个第二方向槽中，相邻的第二方向槽之间的排列间隔均为p，为了获得较优的振动模式和机电转换性能参数，建议相邻第二方向槽之间保留的压电块材的宽度p小于压电块材厚度的1/2。

灌注聚合物，并固化聚合物

同步骤204，纵向线切割完毕后，重复横向线切割之后的灌胶和固化过程，得到本发明的复合结构压电振子。

划切出压电振子

根据实际应用的要求，划切出所需大小和形状的压电振子。

附图2和附图3为本发明的复合结构压电振子的示意图。其中101表示复合结构中的压电块材，常见的有各种压电陶瓷材料和压电单晶材料；102表示压电块材切割缝隙中所填充的聚合物材料，可以是各种环氧树脂、聚氨酯或者硅橡胶材料；103表示附着在压电块材表面的电极材料。整个复合结构压电振子按照压电块材的分布划分为三层，作为主体的是中间层部分105，为矩阵排列的压电陶瓷柱或压电单晶柱以及围绕柱体的聚合物，这些压电柱并非各自独立，而是通过上下两层（104和106）的分别横向排列或纵向排列的压电薄形长条连通起来，中间层为普通的1-3型复合结构，上下两层都为2-2型复合结构，即压电薄形长条和聚合物薄形长条依次间隔并行排列。上下层的薄形长条互相垂直，每个压电柱和对应位置的上下层压电薄形长条连接，所有压电柱和压电薄形长条互相连接形成整体，聚合物充满压电柱和压电薄形长条之间的缝隙中，上下层的压电薄形长条露出面保留着压电陶瓷或压电单晶原有的表面电极。这种结构具有普通1-3型复合材料的声阻抗低、机电转换性能高等优点。由于固化过程中，压具的挤压作用，压电振子上下端面的电极表面没有被聚合物覆盖，上下层压电薄形长条保留的电极可以直接进行引线焊接，省去了在复合结构表面制备电极的复杂工艺以及不稳定性因素。在压电振子复合结构中，压电块材由于没有被完全切透，压电块材整体上是连通的，由于硬质压电块材的支撑，相比于通常的1-3型复合结构压电振子，本发明的复合结构压电振子平整度高，在受热和外力冲击下不易变形。

实际应用时，一般根据超声换能器声波辐射表面面积以及电路匹配要求确定复合结构压电振子中压电块材的体积分数。本发明复合结构压电振子的体积分数主要取决于复合结构中作为主体的中间层部分的体积分数，中间层部分其实是典型的1-3型复合结构，其中压电块材的体积分数应保证在40%-90%的范围内，即前面所述第一方向槽和第二方向槽的参数应满足关系：0.4<p ² /(p+w) ² <0.9，从而获得较优的声学性能和压电性能。

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

Claims (9)

1.一种压电振子的制备方法，其特征在于，包括：

准备压电块材，所述压电块材的上下端面平整且平行；

在压电块材的上下端面制备电极并对该电极进行极化；

对压电块材按第一方向线进行切割，得到多个第一方向槽，其中所述第一方向槽的深度小于压电块材的厚度；

将压电块材上下端面翻转，对其按第二方向线进行切割，得到多个与第一方向槽垂直的第二方向槽，其中所述第二方向槽的深度小于压电块材的厚度；

对压电块材进行划切，获取所需的压电振子；

其中，对压电块材进行第一方向线切割之后，还包括对压电块材的第一方向槽内灌注聚合物，并固化聚合物；对压电块材进行第二方向线切割之后，还包括对压电块材的第二方向槽内灌注聚合物，并固化聚合物；

所述对压电块材的第一方向槽或者第二方向槽内灌注聚合物，并固化聚合物的步骤为：

将所述第一方向线或者第二方向线切割之后的压电块材放置在灌胶模具中，将具有流动性的聚合物倒入灌胶模具中，聚合物液面高于压电块材的上端面；

将灌胶模具置于真空中去除聚合物中的气泡，再将一个压具放置在压电块材上，压具的面积大于压电块材的面积，对压具施加压力压紧压电块材，挤出压电块材上下端面电极表面覆盖的聚合物；

将灌入的聚合物固化，将压电块材从灌胶模具中取出，切除压电块材四边凸起的聚合物。

2.根据权利要求1所述的一种压电振子的制备方法，其特征在于，所述第一方向槽或者/和第二方向槽的深度大于压电块材厚度的9/10。

3.根据权利要求2所述的一种压电振子的制备方法，其特征在于，相邻两个第一方向槽或者/和第二方向槽的宽度一致。

4.根据权利要求3所述的一种压电振子的制备方法，其特征在于，所述相邻第一方向槽或者/和第二方向槽之间保留的压电块材宽度小于压电块材厚度的1/2。

5.根据权利要求4所述的一种压电振子的制备方法，其特征在于，所述第一方向槽的宽度、深度与所述第二方向槽的宽度、深度相同。

6.根据权利要求5所述的一种压电振子的制备方法，其特征在于，所述第一方向槽或者第二方向槽的宽度w,相邻两个第一方向槽或者第二方向槽的宽度p满足0.4<p ² /(p+w) ² <0.9。

7.一种应用权利要求1所述方法制备的压电振子，主要包括其上下端面平整且平行的压电块材，其特征在于，所述压电块材上下端面制备有被极化的电极；所述压电块材上端面的横向方向上开有多个第一方向槽，所述压电块材下端面的纵向方向上开有多个与第一方向槽垂直的第二方向槽，所述第一方向槽以及第二方向槽的深度小于压电块材的厚度；所述第一方向槽以及第二方向槽内填充有固化的聚合物。

8.根据权利要求7所述的压电振子，其特征在于，所述平整且平行的压电块材为压电陶瓷材料或者压电单晶材料；所述聚合物为环氧树脂、聚氨酯或者硅橡胶材料。

9.根据权利要求7或8所述的压电振子，其特征在于，所述电极材料为：金属或合金，包括：金、银、铂、铜、铝、镍，或银/钯合金、铜/钛合金、镍/铬合金。