CN103157594A - 一种柔性超声相控阵阵列换能器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性超声相控阵阵列换能器，所述换能器包括柔性压电陶瓷复合材料晶片、阻尼背材、匹配层、柔性线路板、同轴电缆线和探头接口；所述匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成声学叠层；所述柔性线路板与柔性压电陶瓷复合材料晶片连接，并从柔性线路板引出多芯同轴电缆线到所述探头接口。本发明得到的超声换能器中心频率Fc＝7.85MH时，带宽可达Bw＝87.78％，脉冲回波灵敏度可达Sr＝－36.54dB，相邻近阵元串扰为-34dB。这种换能器用于工业无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及压电超声换能器，尤其涉及一种柔性超声相控阵阵列换能器及制作方法。
背景技术
目前超声相控阵成像检测的阵列换能器一般都是刚性的，其优点是便于制作与定位。但对于表面不规则的物体，刚性探头只能通过声楔块来匹配。声楔块可以分成柔性声楔块（通常用液态水）和刚性声楔块。刚性楔块的特点是表面形状不可变，适合批量检测表面物理形状规则的物体，但是对于复杂表面形状的物体，例如：表面曲率连续变化的叶片，需要很多的楔块来匹配不同的检测区域，大大增加检测成本，而对于表面曲率连续变化的情况则根本无法解决。柔性声楔块可以匹配不同表面形状的物体，目前常用的是液浸法。但是有些物体或者工件由于结构、材料性质或者在役检测的有效空间等原因，不宜使用液浸法。柔性超声相控阵阵列换能器由于其具有形状可随物体表面形状改变、无需使用声楔块、形状尺寸可以做的很小等极为突出的优点，成为解决表面不规则物体检测的首选方法。
国家知识产权局公开了一篇公开号为CN101152646A的专利文件，该专利揭露了一种柔性超声换能器阵列，超声换能器单元以阵列形式安置于柔性层介质中或表面而构成柔性超声换能器阵列，因其中柔性超声换能器阵列能够贴合各种具有不同表面形状的身体部位，从而能够获得现有技术无法达到的超声治疗/超声成像有效果。但其主要应用于超声治疗与医学成像，由于工业无损检测物体与人体的差异（如声阻抗、表面型貌等），医用探头不能直接应用于工业无损检测领域。
发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种柔性超声相控阵阵列换能器及制作方法。所述技术方案如下：
柔性超声相控阵阵列换能器，包括：
柔性压电陶瓷复合材料晶片、阻尼背材、匹配层、柔性线路板、同轴电缆线和探头接口；
所述匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成声学叠层；
所述柔性线路板与柔性压电陶瓷复合材料晶片连接，并从柔性线路板引出多芯同轴电缆线到所述探头接口。
柔性超声相控阵阵列换能器的制作方法，包括：
制作单晶体材料为压电陶瓷复合材料；
切割填充制备柔性压电陶瓷复合材料晶片，并测试柔性压电陶瓷复合材料的声学性能；
根据压电陶瓷复合材料的声学性能计算出所需要的匹配层和阻尼背材的声学特性要求；
根据计算出的匹配层和阻尼背材的声学特性要求制备匹配层和阻尼背材；
将匹配层与柔性压电陶瓷复合材料晶片粘接，粘接好后与柔性线路板和阻尼背材进行粘接；
对粘接好的叠层进行阵列切割并对阵列切槽进行填充；
将柔性线路板与同轴电缆线进行焊接，并与粘接后的匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片、柔性线路板和阻尼背材进行装配。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
压电晶片做成柔性压电复合材料，背衬材料、匹配层、线路板等也做成柔性，解决掉探头不能随物体形状改变而改变的难题。
本发明得到的示例柔性超声相控阵阵列换能器厚度为3mm,最小弯曲半径为3mm,中心频率Fc＝7.85MHz时，带宽Bw＝87.78％,脉冲回波相对灵敏度Sr＝－36.54dB，相邻阵元串扰为-34dB。
附图说明
图1是柔性超声相控阵阵列换能器的结构示意图；
图2是柔性压电陶瓷复合材料的结构示意图；
图3是一维线阵柔性超声相控阵阵列换能器的与物体耦合图；
图4是二维矩阵柔性探头示意图；
图5是柔性相控阵探头的回波测试系统连接示意图；
图6是柔性相控探头的回波测试结果图；
图7是柔性相控阵探头的串扰测试系统连接示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：
本实施例提供了一种柔性超声相控阵阵列换能器，参见图1，为换能器结构，包括柔性压电陶瓷复合材料晶片、阻尼背材、匹配层、柔性线路板、同轴电缆线和探头接口；所述匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成声学叠层；所述柔性线路板与柔性压电陶瓷复合材料晶片连接，并从柔性线路板引出多芯同轴电缆线到所述探头接口。
上述柔性压电陶瓷复合材料为铌铟酸铅、铌镁酸铅和钛酸铅或铌镁酸铅和钛酸铅形成高介电常数的压电陶瓷体。
上述压柔性压电陶瓷复合材料晶片的连通方式为1-3型。1-3型压电陶瓷复合材料的被填充聚合物8材料包围若干个压电陶瓷纤维体7组成的（如图2所示），压电陶瓷纤维通过切割的方法制得，该材料中压电陶瓷纤维一维连通，聚合物材料则是三维连通。压电陶瓷复合材料的素子纵横比为3:1以上，同时素子间距小于换能器主频信号在材料中横波波长的1/2，介电数不小于1500。
上述匹配层由邵氏硬度A值30-50的环氧树脂与金属粉末聚合制成。
所述匹配层厚度为
5%，其中③为换能器主频信号在该匹配层中的纵波波长。
上述的柔性压电陶瓷复合材料晶片的厚度优选在100微米至1000微米范围内。
上述背材优选采用环氧树脂加无机粉末的复合方式予以制作，环氧树脂硬度范围邵氏硬度A值30-50。7.5MHz柔性超声相控阵阵列换能器探头的背材一般厚度有2mm左右即可，选择声衰减大的环氧树脂和无机粉末来制作以达到足够的声衰减量。
上述柔性超声相控阵阵列排布为一维阵线（如图3所示）或二维矩阵（如图4所示）。
柔性压电复合材料中的填充聚合物，为达到柔性目的，邵氏硬度A值30-50的环氧树脂作为优选。
本柔性超声相控阵阵列换能器总厚度只有3mm，可伸入狭窄空间进行检测，特别是在电力领域与航空航天领域。
本实施例还提供了一种柔性超声相控阵阵列换能器的制作方法，该方法包括：
制作单晶体材料为压电陶瓷复合材料；
为了达到柔性晶片目的，压电素子须做成细纤维状（尺寸介于10-50微米）；同时保证素子间距（压电陶瓷小晶元的间距）小于换能器主频信号在材料中横波波长的1/2，制备之后介电常数不小于1500。其中压电用PIMNT单晶性能如下表：
复合材料中的填充聚合物选用P40聚氨脂，7.5MHz的超声横波在上述材料中声速为1000米/秒，1/2③约为67微米。这个频率的探头所用的压电陶瓷复合材料晶片厚度为0.2mm。在保证介电常数1800，那么我们取复合材料制作方案如下：切割槽宽度15微米，压电素子宽度22微米，因为聚氨脂的介电常数非常的小（仅有3.8）可以不计入考虑。也就是纵横比为9:1，介电常数为1820。
切割填充制备柔性压电陶瓷复合材料晶片，并测试柔性压电陶瓷复合材料的声学性能；
根据压电陶瓷复合材料的声学性能计算出所需要的匹配层和阻尼背材的声学特性要求；
匹配层的厚度为5%，其中③为换能器主频信号在该匹配层中的纵波波长；匹配层的声阻抗符合KLM模式计算所得参数，背材的衰减系数能够达到40dB/MHz/cm；
根据计算出的匹配层和阻尼背材的声学特性要求制备匹配层和阻尼背材；
将匹配层与柔性压电陶瓷复合材料晶片粘接，粘接好后与柔性线路板和阻尼背材进行粘接；
对粘接好的叠层进行阵列切割并对阵列切槽进行填充；
相控阵成像对探头相邻阵元串扰的要求极高，一般为小于-30dB，而产生串扰的主要原因是阵列间隔槽的填充，本方法采用高声衰减无机粉末对切槽进行填充，有效的隔离了相邻阵元的串扰。
将柔性线路板与同轴电缆线进行焊接，并与粘接后的匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片、柔性线路板和阻尼背材进行装配。
回波性能测试，使用OLYMPUS的5800PR超声脉冲接收仪和TEK-DPO3012数字示波器进行测试，测试的回波信号采集到计算机中进行快速傅立叶变换得到频谱图，系统连接方式如图5所示，得到的超声换能器在中心频率Fc＝7.85MHz时，带宽Bw＝87.78％，脉冲回波灵敏度Sr＝－36.54dB，测试结果如图6所示。
相邻阵元串扰测试：采用ANLOGO的3061A函数发生器和TEK-DPO3012数字示波器进行测试，激励其中一阵元，先测得其带载电压A1，同时测得相邻阵元的接收电压A2，按公式计算：串扰
，测得A2=0.32伏，A1=16.0伏，通过公式计算得到相邻阵元串扰为-34dB，系统连接方式如图7所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性超声相控阵阵列换能器，其特征在于，所述换能器包括柔性压电陶瓷复合材料晶片、阻尼背材、匹配层、柔性线路板、同轴电缆线和探头接口；
所述匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成声学叠层；
所述柔性线路板与柔性压电陶瓷复合材料晶片连接，并从柔性线路板引出多芯同轴电缆线到所述探头接口。
2.根据权利要求1所述的柔性超声相控阵阵列换能器，其特征在于，所述柔性压电陶瓷复合材料为铌铟酸铅、铌镁酸铅和钛酸铅或铌镁酸铅和钛酸铅形成高介电常数的压电陶瓷体。
3.根据权利要求1所述的柔性超声相控阵阵列换能器，其特征在于，所述柔性压电陶瓷复合材料晶片的厚度为100～1000微米。
4.根据权利要求1所述的柔性超声相控阵阵列换能器，其特征在于，所述柔性压电陶瓷复合材料晶片的连通方式为1-3型；
压电陶瓷复合材料的素子纵横比为3:1以上，同时素子间距小于换能器主频信号在材料中横波波长的1/2，介电数不小于1500。
5.根据权利要求1所述的柔性超声相控阵阵列换能器，其特征在于，所述匹配层由硬度值为30～50的环氧树脂与金属粉末聚合制成，匹配层厚度为
③为换能器主频信号在该匹配层中的纵波波长。
6.根据权利要求1所述的柔性超声相控阵阵列换能器，其特征在于，所述阻尼背材由环氧树脂和无机金属粉末组成。
7.根据权利要求1所述的柔性超声相控阵阵列换能器，其特征在于，所述柔性超声相控阵阵列排布为一维阵线或二维矩阵。
8.根据权利要求1所述的柔性超声相控阵阵列换能器，其特征在于，所述换能器用于工业无损检测。
9.一种柔性超声相控阵阵列换能器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
制作单晶体材料为压电陶瓷复合材料；
切割填充制备柔性压电陶瓷复合材料晶片，并测试柔性压电陶瓷复合材料的声学性能；
根据压电陶瓷复合材料的声学性能计算出所需要的匹配层和阻尼背材的声学特性要求；
根据计算出的匹配层和阻尼背材的声学特性要求制备匹配层和阻尼背材；
将匹配层与柔性压电陶瓷复合材料晶片粘接，粘接好后与柔性线路板和阻尼背材进行粘接；
对粘接好的叠层进行阵列切割并对阵列切槽进行填充；
将柔性线路板与同轴电缆线进行焊接，并与粘接后的匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片、柔性线路板和阻尼背材进行装配。
10.根据权利要求9所述的柔性超声相控阵阵列换能器的制作方法，其特征在于，
所述压电陶瓷复合材料中压电素子为细纤维状，且素子间距小于换能器主频信号在材料中横波波长的1/2；
所述匹配层的厚度为
③为换能器主频信号在该匹配层中的纵波波长。
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