CN106984516A - 一种用于检测的接触式超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种接触式超声换能器，包括背衬材料层(2)、压电复合材料层(3)和匹配层(4)，背衬材料层(2)、压电复合材料层(3)和匹配层(4)由上至下依次设置；压电复合材料层(3)上表面设置有横向沟槽和纵向沟槽，从而将压电复合材料层(3)分成一组子区域，每个子区域对应一个金属电极；每个金属电极对应的背衬材料层(2)上设置有一个对应的喇叭形通孔(22)。本发明还公开了一种接触式超声换能器的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种无损检测超声换能器，特别是一种用于检测的接触式相控阵超声换能器及其制备方法。
背景技术
20世纪八十年代起，相控阵超声换能器开始出现于医疗检测体系中，主要应用于被检测器官成像及癌症治疗。随着技术的不断发展，相控阵检测设备趋于简单，成本降低，使其广泛的应用于工业领域，如核电站主泵隔热板的检测；核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊缝热疲劳裂纹的检测。伴随数字电子技术和DSP技术的发展，使得精确延时越来越方便，因此近几年,超声相控阵技术发展的尤为迅速。
超声相控阵是超声换能器的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个换能器系统更大的能力。超声相控阵检测技术使用不同形状的多阵元换能器产生和接收超声波束，通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的不同延迟时间，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。
由于相控阵超声换能器具有多个压电晶片，因此在制作相控阵超声换能器时如何确保压电晶片可以独立工作、避免因电极问题相互干扰而造成的短路或者失效是制作相控阵超声换能器的关键，尤其是对大规模的集成压电晶片阵，这一问题更为重要。目前广泛采用的方式是利用点焊的方式先将电极引出，然后在填充可固化流体吸声材料，待流体材料固化后以实现吸声目的。但是这一方法可能导致电极偏折、固化过程中产生内应力、脱壳等等问题，并且由于固化流体吸声材料的吸声性能低于固体吸声材料，影响相控阵超声换能器的性能。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于检测的接触式超声换能器及其制备方法。
为解决上述问题，本发明公开了一种接触式超声换能器，包括背衬材料层、压电复合材料层和匹配层，背衬材料层、压电复合材料层和匹配层由上至下依次设置；压电复合材料层上表面设置有横向沟槽和纵向沟槽，从而将压电复合材料层分成一组子区域，每个子区域对应一个金属电极；每个金属电极对应的背衬材料层上设置有一个对应的喇叭形通孔。
本发明中，所述喇叭形通孔为一端大另一端小的结构。
本发明中，所述喇叭形通孔的内壁设有金属层。
本发明中，背衬材料层的底面设置有与压电复合材料层的横向沟槽和纵向沟槽对应的沟槽。
本发明中，背衬材料层的顶面也设置有与压电复合材料层的横向沟槽和纵向沟槽对应的沟槽。
本发明中，压电复合材料层和匹配层中间引出用于接地的第一电极。
本发明中，金属电极与金属层共同组成第二电极组。
本发明还公开了一种接触式超声换能器的制备方法，包括以下步骤
步骤1，加工背衬材料，采用机械加工方式制作喇叭状通孔，孔径尺寸为0.1～0.9mm；
步骤2，在背衬材料及喇叭状通孔中制作电极，制作完成后去除多余部分电极形成孔径电极；
步骤3，在背衬材料一侧表面制作横向沟槽和纵向沟槽；
步骤4，将压电陶瓷复合材料打磨至0.1～2mm；
步骤5，可以采用化学电镀或者电子溅射等方法制作压电陶瓷复合材料层电极，制作完成后去除多余部分电极；
步骤6，在压电陶瓷复合材料上表面制作与背衬材料相适配的横向沟槽和纵向沟槽；
步骤7，打磨匹配层材料；
步骤8，采用粘接材料将背衬材料、压电陶瓷复合材料及匹配层粘接在一起；
在匹配层和压电陶瓷复合材料层底面之间放置薄金属片作为电极引出；压电陶瓷复合材料层的顶面及背衬材料通过压电陶瓷复合材料电极、背衬材料电极面及孔径电极分别引出，形成面振换能器阵列。
本发明中，所述压电元件层可以为铌铟酸铅、铌镁酸铅、钛酸铅、铌镁酸铅或者钛酸铅与聚合物以一定的比例组成；
本发明中，所述背衬层采用多通孔吸声材料，并且背衬层底面有多个纵列及横列沟槽结构，宽度为0.01～0.18mm，深度为0.1～0.15mm；其尺寸与声波波长及单振源尺寸相关；
本发明中，所述背衬层中通孔结构为一端大另一端小喇叭形结构，其中小的一端孔径尺寸为0.05mm～0.7mm，大的一端孔径尺寸在0.1mm～0.9mm。
本发明中，所述压电元件层厚度与相控阵超声换能器频率相关，厚度范围为0.1～2mm；
本发明中，所述匹配层厚度与相控阵超声换能器频率相关，厚度范围为0.05～1mm；
本发明中，所述压电元件层一面为点阵相控阵面，一面为超声辐射面；
有益效果：1、本发明中采用在背衬层中制作通孔电极的方法将电极引出，可以解决现有技术中背衬材料可选择范围小、阻抗匹配困难的问题，使得在实际加工中，可以选择更匹配的背衬层材料，提高相控阵超声换能器的工作带宽和灵敏度；2、本发明中采用在背衬层中制作通孔电极的方法将电极引出，可以有效的避免各电极之间的干扰，高效的将压电基元的电极引出，提高相控阵超声换能器的成品率。3、本发明中所述背衬层中通孔结构为下窄上宽喇叭形结构，便于背衬层顶部电极引出，同时也便于将多余的黏合剂及其中的空气等排出；4、本发明中背衬层底面有多个纵列及横列沟槽结构，可以有效避免底面各压电基元电极因相互接触而导致换能器失效；同时由于沟槽结构的存在，可以将多余的黏合剂及其中的空气等延沟槽结构排出。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明整体结构侧视图；
图2是本发明柔性压电复合层点阵相控阵面电极示意图；
图3是本发明背衬层俯视示意图。
具体实施方式
实施例
如图1～3所示，本发明公开了一种接触式超声换能器，包括面阵相控阵换能器功能部分1，面阵相控阵换能器功能部分1包括背衬材料层2、压电复合材料层3和匹配层4，背衬材料层2、压电复合材料层3和匹配层4由上至下依次设置；压电复合材料层3上表面设置有横向沟槽和纵向沟槽32，从而将压电复合材料层3分成一组子区域，每个子区域对应一个金属电极31；每个金属电极对应的背衬材料层2上设置有一个对应的喇叭形通孔22。所述喇叭形通孔22为上大下小的结构。所述喇叭形通孔22的内壁设有金属层23。背衬材料层2的底面设置有与压电复合材料层3的横向沟槽和纵向沟槽对应的沟槽21。背衬材料层2的顶面也设置有与压电复合材料层3的横向沟槽和纵向沟槽对应的沟槽24。压电复合材料层3和匹配层4中间引出用于接地的第一电极5。金属电极31与金属层23共同组成第二电极组。
结合附图1～3，以3.75MHz相控阵超声换能器为例介绍本发明的工艺流程：
1、加工背衬材料，其厚度为4.0mm，采用机械加工方式制作喇叭状通孔，底部孔径为0.2mm，顶部孔径为0.3mm；
2、在背衬材料及其孔径中制作电极，厚度约为0.002mm，可以采用化学电镀或者电子溅射等方法，制作完成后去除多余部分电极；
3、在背衬材料大面制作纵横沟槽，单元尺寸为0.8*0.8mm。槽宽度为0.08mm，深度为0.12mm。
4、将压电陶瓷复合材料打磨至0.6mm。
5、制作压电陶瓷复合材料电极，可以采用化学电镀或者电子溅射等方法，制作完成后去除多余部分电极；
6、在压电陶瓷复合材料上表面制作纵横沟槽，单元尺寸为0.8*0.8mm。槽宽度为0.08mm，深度为0.12mm；
7、将匹配层材料打磨至0.2mm；
8、采用粘接材料将背衬材料、压电陶瓷复合材料及匹配层粘接在一起。粘接层可以采用环氧树脂，粘接层厚度为0.05mm。在匹配层和压电陶瓷复合材料(底面)之间放置薄金属片作为电极引出；压电陶瓷复合材料(顶面)及背衬材料通过压电陶瓷复合材料电极、背衬材料电极面及孔径电极分别引出，形成面振换能器阵列。
压电复合材料是有两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的柔性压电复合材料为压电陶瓷和聚合物(例如聚偏氟乙烯活环氧树脂)的两相复合材料。这种柔性复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，并具有较低的密度、容易和空气、水、生物组织实现声阻抗匹配。此外，柔性压电复合材料还具有压电常数高的特点。柔性压电复合材料在医疗、传感、测量等领域有着广泛的应用。本实施例针对多点阵振源的相控振超声换能器，通过超声换能器背衬结构的改进相控阵超声换能器面阵部分电极引出方式，来优化生产工艺、提高电极可靠性。并且由于本发明没有采用传统相控阵换能器采用固化流体的方式制作背衬材料，使得背衬材料的选择范围更加广泛，可以选择性能更有的固体背衬材料，提高相控阵换能器的整体性能。
本发明提供了一种用于检测的接触式超声换能器及其制备方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种接触式超声换能器，其特征在于，包括背衬材料层(2)、压电复合材料层(3)和匹配层(4)，背衬材料层(2)、压电复合材料层(3)和匹配层(4)由上至下依次设置；压电复合材料层(3)上表面设置有横向沟槽和纵向沟槽，从而将压电复合材料层(3)分成一组子区域，每个子区域对应一个金属电极；每个金属电极对应的背衬材料层(2)上设置有一个对应的喇叭形通孔(22)。
2.根据权利要求1所述的一种接触式超声换能器，其特征在于，所述喇叭形通孔(22)为一端大另一端小的结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种接触式超声换能器，其特征在于，所述喇叭形通孔(22)的内壁设有金属层(23)。
4.根据权利要求3所述的一种接触式超声换能器，其特征在于，背衬材料层(2)的底面设置有与压电复合材料层(3)的横向沟槽和纵向沟槽对应的沟槽。
5.根据权利要求4所述的一种接触式超声换能器，其特征在于，背衬材料层(2)的顶面设置有与压电复合材料层(3)的横向沟槽和纵向沟槽对应的沟槽。
6.根据权利要求4所述的一种接触式超声换能器，其特征在于，压电复合材料层(3)和匹配层(4)中间引出用于接地的第一电极(5)。
7.根据权利要求5所述的一种接触式超声换能器，其特征在于，金属电极(31)与金属层(23)共同组成第二电极组。
8.一种接触式超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤1，加工背衬材料，采用机械加工方式制作喇叭状通孔，孔径尺寸为0.1～0.9mm；
步骤2，在背衬材料及喇叭状通孔中制作电极，制作完成后去除多余部分电极形成孔径电极；
步骤3，在背衬材料一侧表面制作横向沟槽和纵向沟槽；
步骤4，将压电陶瓷复合材料打磨至0.1～2mm；
步骤5，制作压电陶瓷复合材料层电极，制作完成后去除多余部分电极；
步骤6，在压电陶瓷复合材料上表面制作与背衬材料相适配的横向沟槽和纵向沟槽；
步骤7，打磨匹配层材料；
步骤8，采用粘接材料将背衬材料、压电陶瓷复合材料及匹配层粘接在一起；
在匹配层和压电陶瓷复合材料层底面之间放置薄金属片作为电极引出；压电陶瓷复合材料层的顶面及背衬材料通过压电陶瓷复合材料电极、背衬材料电极面及孔径电极分别引出，形成面振换能器阵列。
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