CN105413998B - 线阵换能器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种线阵换能器及其制备方法，包括：在压电复合材料层上表面溅设电极后划分开阵元电极，使用具有镂空引脚的柔性线路板进行阵元引线；将制作背衬层的材料浇注在压电复合材料层上，制得背衬层；翻转所述组件，露出压电陶瓷面，将所述压电复合材料层磨至所需的厚度，并在所述压电复合材料表面和所述背衬层上溅设电极；在所述背衬层上焊接地线，浇注匹配层材料，制得匹配层；在所述匹配层上设置声透镜。在本申请的具体实施方式中，可避免先将压电复合材料磨得很薄再进行其他操作而造成的压电复合材料断裂，其次使用具有镂空的引脚的柔性线路板进行引线，无需使用包边电极进行引线，降低了阵元信号线引线的难度。

Description

线阵换能器及其制备方法

技术领域

本申请涉及换能器，尤其涉及一种线阵换能器及其制备方法。

背景技术

传统的线阵换能器的制备方法是将压电复合和匹配层都磨到指定尺寸后，用环氧树脂胶将其粘在一起，用包边电极从背衬面进行引线焊接，然后再浇灌背衬，之后进行声透镜成型。然而高频线阵换能器所用压电复合材料很薄，且压电复合材料很脆，直接磨到指定厚度，压电复合材料特别容易发生断裂。其次阵元间距小，造成阵元信号线引线困难。

发明内容

本申请提供一种线阵换能器及其制备方法。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种线阵换能器制备方法，包括：

在压电复合材料层上表面溅设电极后划分开阵元电极，使用具有镂空引脚的柔性线路板进行阵元引线；

将制作背衬层的材料浇注在压电复合材料层上，制得背衬层；

翻转所述组件，露出压电陶瓷面，将所述压电复合材料层磨至所需的厚度，并在所述压电复合材料层表面和所述背衬层上溅设电极；

在所述背衬层上焊接地线，浇注匹配层材料，制得匹配层；

在所述匹配层上设置声透镜。

上述方法中，所述使用具有镂空引脚的柔性线路板进行阵元引线，包括：

取两块柔性线路板，分别将所述柔性线路板的引脚交叉设置在阵元上，使所述柔性线路板分别悬于所述压电复合材料层的两侧。

上述方法中，所述在所述匹配层上设置声透镜，具体包括：

在模具加入声透镜材料，将制得的半成品压入模具中进行声头镜成型；

或者，将声透镜材料浇注在制得的半成品上，制得声透镜。

上述方法中，所述在所述背衬层上焊接地线，具体包括：

在超出所述压电复合材料层两端的所述背衬层上分别磨出台阶，所述地线焊接在所述台阶上。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种线阵换能器，包括背衬层、压电复合材料层、匹配层、地线和声透镜，所述压电复合材料层嵌设在所述背衬层的上表面，且所述压电复合材料层上表面溅设电极后划分开阵元电极，所述地线焊接在所述背衬层上，所述匹配层盖设在所述背衬层上所述声透镜设置在所述匹配层上，还包括具有镂空引脚的柔性线路板，所述引脚设置在压电复合材料层且位于所述压电复合材料层和所述背衬层之间，用于阵元上引线。

上述线阵换能器，所述背衬层的两端设有台阶，所述地线焊接在所述台阶上。

上述线阵换能器，所述匹配层包括第一匹配层和第二匹配层，所述第一匹配层与所述背衬层配合，所述第二匹配层设置在所述第一匹配层上。

上述线阵换能器，所述声透镜包括凹透镜或凸透镜。

上述线阵换能器，所述柔性线路板包括两块，所述引脚分别交叉设置在阵元上，所述柔性线路板分别悬于所述压电复合材料的两侧。

上述线阵换能器，所述线阵换能器包括高频线阵换能器和低频线阵换能器。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

在本申请的具体实施方式中，由于先使用具有镂空引脚的柔性线路板进行阵元引线，然后再将压电复合材料层磨至所需的厚度，可避免先将压电复合材料磨得很薄再进行其他操作而造成的压电复合材料断裂，其次使用具有镂空的引脚的柔性线路板进行引线，无需使用包边电极进行引线，降低了阵元信号线引线的难度。

附图说明

图1为本申请的方法在一种实施方式中的流程图；

图2为本申请的线阵换能器在一种实施中的制备过程的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一：

如图1所示，本申请的提供一种线阵换能器制备方法，其一种实施方式，包括以下步骤：

步骤102：在压电复合材料层上表面溅设电极后划分开阵元电极，使用具有镂空引脚的柔性线路板进行阵元引线

使用具有镂空引脚的柔性线路板进行阵元引线，具体包括：

取两块柔性线路板30，分别将柔性线路板30的引脚31交叉设置在阵元上，使柔性线路板30分别悬于压电复合材料组成的压电复合材料层10的两侧。

如图2(a)所示，制备一块2-2型或1-3型压电复合材料，该压电复合材料构成线阵换能器的压电复合材料层，压电复合材料一面已加工好，并且划分开阵元电极，另一面为未加工面。在一种实施方式中，可在压电复合材料上表面溅射电极，然后使用金刚石划片机划开环氧聚合物上的电极，每个阵元包括一个或多个子阵元构成。用低温石蜡将压电复合材料10的未加工面粘到一块平行度和平面度均在2um以内的基座20上，在本实施方式中，基座可选用不锈铁上，并用夹具压紧，以保证压电复合材料层10平整。图2(a)中，11为压电陶瓷，12为环氧聚合物。

使用有镂空引脚31的柔性电路板30进行阵元引线。在一种实施方式中，可在柔性电路板30前端的镂空引脚31处上一层锡，在压电复合材料层10表面涂一层助焊剂，在高倍显微镜下，将两块柔性电路板30的引脚31与阵元交叉对齐，然后用脉冲热压机，对阵元进行整体焊接，之后在柔性电路板引脚与阵元焊接处涂一层快速固化胶水。也可以在柔性电路板30前端的镂空引脚31处涂一层导电胶，在高倍显微镜下，将两块柔性电路板30的引脚31与阵元交叉对齐，用夹具压紧以保证引脚与阵元连接的可靠性，然后加热使导电胶固化，之后在柔性电路板30的引脚与阵元连接处涂一层快速固化胶水，如图2(b)所示。以上方法能够快速并且可靠的实现高频线阵换能器阵元的高密度引线。

步骤104：将制作背衬层的材料浇注在压电复合材料层10上，制得背衬层40。

根据背衬层40的声阻抗和声衰减要求，确定钨粉和环氧树脂的混合比例。背衬层40也可由别的物质混合制成。在一种实施方式中，可将钨粉和环氧树脂在容器中搅拌均匀，放入真空箱里抽真空，确保聚合物中没有气泡。如图2(c)所示，将环氧钨粉聚合物浇注在压电材料上，用于吸收压电材料向后辐射的声波，同时也能够保护压电材料。等环氧钨粉聚合物完全固化后，用高精度磨床将背衬面磨平。

步骤106：翻转组件，露出压电陶瓷面，将压电复合材料磨至所需的厚度，并在压电复合材料表面和背衬层上溅设电极。

如图2(d)所示，将上一步制备好的组件，在加热板上加热将石蜡融化，取下组件，用低温石蜡将磨平的背衬面粘到基座20上，使压电陶瓷面11露出。如图2(e)所示，通过控制组件的总厚度，将压电复合材料10磨到所需厚度。

步骤108：在背衬层40上焊接地线，浇注匹配层材料，制得匹配层60。

在背衬层上焊接地线，具体包括：

在超出压电复合材料10两端的背衬层40上分别磨出台阶41，地线50焊接在台阶41上。

如在压电复合材料层10表面溅射电极，同时电极也溅射在环氧钨粉背衬层40上。在背衬层40上焊接地线50。在一种实施方式中，可将超出压电复合材料层10的背衬40部分磨出一个台阶41，然后可在背衬层40的台阶41处焊接地线50，这样既能避免在压电复合材料层10上直接焊线损坏压电材料，也不会影响匹配层的制备。

在压电复合材料层10和负载之间加入一层或多层匹配层60，可以改善换能器发射性能，提高换能器的带宽和灵敏度。使用环氧树脂和填充材料(如氧化铝、二氧化硅、氧化钨、玻璃粉等)，配制满足换能器声学性能的要求的匹配层材料。在一种实施方式中，匹配层60包括第一匹配层和第二匹配层。第一匹配层与背衬层配合，第二匹配层设置在所述第一匹配层上。将配制好的匹配层材料直接浇注在压电材料表面，等匹配层材料完全固化后，通过控制组件的总厚度，将第一匹配层磨到约四分之一波长(既换能器工作频率时声波在第一匹配层中传播的波长)厚度。如图2(f)、图2(g)所示。在一种实施方式中，还可以以同样的方法可以制备第二匹配层。

步骤110：在匹配层60上设置声透镜70。

在匹配层60上设置声透镜可有多种方式。如在模具加入声透镜材料，将制得的半成品压入模具中进行声头镜成型；或者，将声透镜材料浇注在制得的半成品上，制得声透镜；也可直接将成品声透镜安装在匹配层60上。

本申请的声透镜70包括凹透镜或凸透镜，高频线阵换能器为了减小声波在声头镜中的衰减，如图2所示，一般采用凹透镜聚焦。本申请的声透镜70可以在模具加入声透镜材料，然后将上述组件压入模具中进行声头镜成型，也可以将声透镜材料浇注在上述组件，然后用球头铣刀铣出所需曲率半径的声透镜70，或者在匹配层60上安装成品的声透镜70。

本申请的方法可制备高频线阵换能器和低频线阵换能器。首先高频线阵换能器所用压电复合材料很薄，且压电材料很脆，直接磨到指定厚度，压电材料特别容易发生断裂。其次阵元间距小，造成阵元信号线引线困难。再次由四分之一波长理论可知，对于高频换能器，匹配层厚度极薄，传统的匹配层制备方法也行不通。本申请可通过增加引脚的数量可以制备高频线阵换能器，而传统的制备方法，由于阵元间距小，造成阵元信号线引线困难，并不能应用于高频线阵换能器的制备。本申请的制备方法，能够有效的解决高频线阵换能器中，压电复合材料制备困难，阵元引线困难和匹配层制备困难的问题。

实施例二：

如图2所示，本申请的线阵换能器，其一种实施方式，包括背衬层40、压电复合材料层、匹配层60、地线50、声透镜70和柔性线路板30，柔性线路板30具有镂空引脚31，压电复合材料层10嵌设在背衬层40的上表面，且压电复合材料层10上表面溅设电极后划分开阵元电极，地线50焊接在背衬层40上，匹配层60盖设在背衬层40上，声透镜70设置在匹配层40上，引脚31设置在压电复合材料层10且位于压电复合材料层10和背衬层40之间，引脚31用于在阵元上引线。

在一种实施方式中，背衬层40的两端可以设有台阶41，地线50焊接在台阶41上。在另一种实施方式中，匹配层60可以包括第一匹配层和第二匹配层，第一匹配层与背衬层配合，即第一匹配层的形状与背衬层40配合，第一匹配层可以设置为倒凹形，第一匹配层盖设在背衬层40上，第二匹配层设置在第一匹配层上。

本申请的线阵换能器，声透镜70包括凹透镜或凸透镜。在一种实施方式中，柔性线路板30有两块，两块柔性线路板30的引脚31分别交叉设置在阵元上，柔性线路板30通过引脚31分别悬于压电复合材料层10的两侧。本申请的线阵换能器包括高频线阵换能器和低频线阵换能器。

在本申请的一种实施方式中，首先将压电复合材料的加工面溅射电极，然后用金刚石划片机划分电极。之后将压电复合材料未加工面，用低温石蜡粘接到夹具上。然后在具有镂空引脚的柔性电路板，镂空部分上一层锡，之后在高倍显微镜下将柔性电路板的引脚与阵元对齐，并且固定，然后用脉冲热压机，进行整体焊接。之后灌环氧钨粉背衬，在常温固化24小时后，用高精度磨床将背衬磨平，然后将磨平的背衬面粘到夹具上。将压电复合材料未加工面，磨到所需厚度，并将超出压电复合材料的背衬磨出台阶。之后溅射电极，并且焊接地线。然后灌匹配层，通过控制组件总厚度，来控制匹配层的厚度。将一层或两层匹配层磨到1/4波长厚度，之后通过模具或者机械加工的方法，进行声透镜成型。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种线阵换能器制备方法，其特征在于，包括：

在压电复合材料层上表面溅设电极后划分开阵元电极，使用具有镂空引脚的柔性线路板进行阵元引线；

将制作背衬层的材料浇注在压电复合材料层上，制得背衬层；

翻转制备好的组件，露出压电陶瓷面，将所述压电复合材料层磨至所需的厚度，并在所述压电复合材料层表面和所述背衬层上溅设电极；

在所述背衬层上焊接地线，浇注匹配层材料，制得匹配层；

在所述匹配层上设置声透镜。

2.如权利要求1所述的线阵换能器制备方法，其特征在于，所述使用具有镂空引脚的柔性线路板进行阵元引线，包括：

取两块柔性线路板，分别将所述柔性线路板的引脚交叉设置在阵元上，使所述柔性线路板分别悬于所述压电复合材料层的两侧。

3.如权利要求1所述的线阵换能器制备方法，其特征在于，所述在所述匹配层上设置声透镜，具体包括：

在模具加入声透镜材料，将制得的半成品压入模具中进行声透镜成型；

或者，将声透镜材料浇注在制得的半成品上，制得声透镜。

4.如权利要求1至3中任一项所述的线阵换能器制备方法，其特征在于，所述在所述背衬层上焊接地线，具体包括：

在超出所述压电复合材料层两端的所述背衬层上分别磨出台阶，所述地线焊接在所述台阶上。

5.一种线阵换能器，包括背衬层、压电复合材料层、匹配层、地线和声透镜，所述压电复合材料层嵌设在所述背衬层的上表面，且所述压电复合材料层上表面溅设电极后划分开阵元电极，所述地线焊接在所述背衬层上，所述匹配层盖设在所述背衬层上，所述声透镜设置在所述匹配层上，其特征在于，还包括具有镂空引脚的柔性线路板，所述引脚设置在压电复合材料层且位于所述压电复合材料层和所述背衬层之间，用于阵元上引线。

6.如权利要求5所述的线阵换能器，其特征在于，所述背衬层的两端设有台阶，所述地线焊接在所述台阶上。

7.如权利要求5所述的线阵换能器，其特征在于，所述匹配层包括第一匹配层和第二匹配层，所述第一匹配层与所述背衬层配合，所述第二匹配层设置在所述第一匹配层上。

8.如权利要求5所述的线阵换能器，其特征在于，所述声透镜包括凹透镜或凸透镜。

9.如权利要求5所述的线阵换能器，其特征在于，所述柔性线路板包括两块，所述引脚分别交叉设置在阵元上，所述柔性线路板分别悬于所述压电复合材料层的两侧。

10.如权利要求5所述的线阵换能器，其特征在于，所述线阵换能器包括高频线阵换能器和低频线阵换能器。