CN107580721B - 用于具有金属保护结构的超声波换能器的阻抗匹配层 - Google Patents

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Abstract

一种超声波换能器，包括：压电元件；声匹配层，其布置在所述压电元件的表面上并且具有是所述换能器的中心谐振频率的波长的至少四分之一的厚度；以及前部金属层，其布置在所述声匹配层的与所述压电元件的表面相反的表面上并且具有等于所述中心谐振频率的波长的二分之一的厚度。

Description

用于具有金属保护结构的超声波换能器的阻抗匹配层
技术领域
本发明大体涉及超声波传感器，并且更具体地，涉及用于在超声波换能器中提供保护和声阻抗匹配的系统和方法。
背景技术
超声波换能器，特别是在工业应用中使用的超声波换能器，通常必须符合特定的最低安全要求和标准。这样的要求包括：保护防止飞扬的颗粒和无意或意外的冲击，抵抗要接触的液体的腐蚀，化学惰性以免污染要测量的液体，对静态或动态压力变化的大范围的容限，和/或大范围的操作或存储温度。
用于保护超声波换能器的当前解决方案包括添加诸如金属保护层的保护层，该保护层通常附接到换能器的压电元件的前部。在这些结构中，声波反射出现在两个位置处。第一反射通常在保护层和结合层之间的边界处发生。第二反射通常也在保护层和辐射介质之间的边界处发生。这些反射的两个不同位置导致尖锐的谐振峰，降低接收信号的灵敏性和清晰性。
而且，超声换能器通常利用各种形式的声阻抗匹配解决方案或声阻抗转换器。这些可以包括聚合物和/或金属材料的单层或多层结构。特别地，声阻抗转换器可以利用一个或多个四分之一(1/4或者“四分之一”)波长厚的层来提供期望的声阻抗转换。而且，声阻抗转换器可以分别利用例如厚度近似为波长的三十七分之一(1/37)和十六分之一(1/16)的相对薄的金属层和聚合物层，以实现声阻抗转换。由于其金属层的最小厚度，这些转换器作为保护结构缺乏适合性。而且，由于其金属层和聚合物层被构造(例如，被定尺寸)以作为具有目标特性的阻抗转换器而一起起作用，所以改变金属层的厚度以改善保护将导致预期的性能下降。
期望提供适当的保护、化学惰性和对热降解和/或疲劳的抵抗的改进结构，以及换能器的改进的灵敏度和宽带操作。
发明内容
在本公开的一个实施例中，提供了一种超声波换能器。该换能器包括压电元件、声匹配层和前部金属或保护层。声匹配层布置在压电元件的表面上并且具有是换能器的中心谐振频率的波长的至少四分之一的厚度。前部金属层布置在声匹配层的与压电元件的表面相对的表面上并且具有近似等于中心谐振频率的波长的二分之一(1/2或“一半”)的厚度。
根据本公开的另一实施例的超声波换能器包括压电元件、形成在压电元件的表面上的声匹配层和前部保护结构。声匹配层包括是换能器的预定中心谐振频率的波长的至少四分之一的厚度。前部保护结构形成在声匹配层的与压电元件的表面相对的表面上并且包括第一金属层、第二金属层、和布置在第一与第二金属层之间的聚合物层。
根据本公开的又一实施例包括一种形成超声波换能器的方法。该方法包括提供压电元件、匹配层和金属或保护层的步骤。匹配层联接到压电元件并且具有是换能器的预定中心谐振频率的波长的至少四分之一的厚度。金属层布置在声匹配层的与压电元件的表面相对的表面上并且具有等于预定中心谐振频率的波长的二分之一的厚度。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施例的换能器的横截面图，该换能器具有通过匹配层联接到其的前部保护层；
图2示出了前部保护层的模拟结果，该前部保护层包括半波长厚度的不锈钢层和具有不同厚度的多个匹配层；
图3示出了对于根据本公开的实施例的具有半波长厚度的不锈钢和限定匹配层的导电环氧树脂的换能器，从水中十厘米(cm)深的目标接收到的信号的实验结果；
图4a示出了当声波传播通过半波长厚度的保护材料层时在该保护材料层中的应力和位移的分布；
图4b示出了根据本公开的另一个实施例的包括金属-聚合物-金属结构的保护层，其具有与半波长金属层的应力和位移类似的应力和位移；
图5示出了利用图4b的保护层的超声换能器结构；
图6示出了对于根据本公开实施例的包括金属-聚合物-金属保护层和环氧树脂匹配层的换能器，从水中十厘米深目标接收到的信号的实验结果。
具体实施方式
应当理解的是，本公开的附图和说明已经被简化以说明与清楚理解所公开的主题相关的元件，同时为了清楚的目的而省略了在典型的基于超声换能器的测量系统中发现的许多其他元件。然而，因为这些元件在本领域中可以是公知的，或者因为它们不利于更好地理解本主题，所以这里不提供对这样的元件的讨论。本文的公开内容涉及本领域技术人员已知的所有这样的变化和修改。
在以下详细描述中，参照附图，其以示例的方式示出了可以实施本发明的实施例。应该理解的是，本发明的各种实施例虽然不同，但并不一定是相互排斥的。此外，本文结合一个实施例描述的特定特征、结构或特性可以在其他实施例内实现而不偏离本发明的范围。另外，应该理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以修改每个公开的实施例内的各个元件的位置或布置。因此，下面的详细描述不是限制性的，并且本发明的范围仅在被适当地解释的所附权利要求中以及权利要求所赋予的等同物的全部范围中被限定。在附图中，相似的附图标记在多个视图中表示相同或相似的功能。
通常，当保护层(例如，金属层)被布置在换能器的压电元件的前部并且保护层与辐射介质直接接触(例如，由于化学惰性和清洁的原因)时，保护层的阻抗显著高于换能器或压电层的阻抗。为了使利用保护层的换能器的性能最大化，需要用于创建合适的匹配层的改进的设计原理。例如，半波长保护层(即，金属层)可用于实现最大声波传播和谐振，因为半波长厚度的层不转换阻抗。这些半波长厚度的金属层可以直接结合到压电体上，或者可以通过薄的联接凝胶或环氧树脂结合到压电体上。当该结合层的厚度非常薄时，联接效率变高，灵敏度也提高，从而提高了传感器的性能。
但是，薄的结合层经常经历热问题。例如，不锈钢的热膨胀系数比典型的压电陶瓷(PZT)材料的热膨胀系数大一个数量级。因此，在敞开到宽温度变化/范围的环境中被操作或存储的同时，传感器性能的降低可能由于内部应变、疲劳或分层而发生。因此，在换能器层和保护层之间使用的结合材料应当足够厚以便吸收任何热膨胀差异，然而，它们也需要被定尺寸为使换能器性能最大化。
本公开的实施例涉及一种高灵敏宽带超声波换能器，其利用安装在压电元件的前端处的半波长厚度的保护金属层。在另一实施例中，金属-聚合物-金属结构可以被实现为半波长金属层的替代，并且可以以显著更宽的带宽为特征。在保护层(或保护结构)和压电元件之间提供匹配或联接层。匹配层优选地被实施为导电环氧树脂材料，其被配置为增加信号带宽以及提供用以形成到地的连接的手段。
在操作中，超声波换能器的压电材料中的振动通过匹配层或联接层以及保护层传输，从保护层的表面激发相关联的传播介质(典型地为液体)中的声波。所传输的声波可以被物体反射，并随后被相同的换能器接收。用于处理接收到的信号的常规电路也可以被提供。在另一操作模式中，被激励的声波由具有相似结构并具有用于处理接收到的信号的电路的另一分离的换能器接收。在任何情况中，基于所接收到的信号和/或所确定的信号的传播时间，可以测量和分析介质(例如，液体)的特定物理性质。此外，基于所接收到的信号和/或所确定的信号的传播时间，可以测量和分析包括对象距给定换能器或其他结构的距离的特定物理性质。
当金属层被布置在其他不相似材料(例如，聚合物或水)之间时，由于在材料边界处的强反射，通过金属层的声波的传输效率通常非常低。对于在外侧处接触辐射介质的金属层，当金属层的厚度等于二分之一波长时，从换能器侧看到的金属层的机械阻抗变得等于或基本等于外部材料(例如，水或其他液体)的机械阻抗。术语相等或基本相等可以理解为在金属的理想化条件而没有损失的情况下，但是实际上金属中非常小的损失可能会造成微小的差异；然而，这种差异对于确定机械阻抗是可忽略的。因此，在外侧处接触辐射介质的金属层，当金属层的厚度等于或基本上等于二分之一波长时，从换能器侧看到的金属层的机械阻抗变得等于或基本等于外部材料(例如，水或其他液体)的机械阻抗。
为了提高传输效率和增加换能器带宽，在换能器材料和半波长厚度的保护金属层之间插入匹配层。在一实施例中，匹配层的设计包括：(1)波长的四分之一和十分之四倍波长之间的厚度；换句话说波长的(1-1.7)×1/4的；(2)传感器材料与辐射材料之间的阻抗；(3)材料是基于环氧树脂的材料或类似材料，诸如环氧树脂或粉装环氧树脂或导电环氧树脂；(4)导电环氧树脂或类似材料被用作换能器电极和参考(地)电位之间的电连接；(5)设计为匹配层的弹性软导电环氧树脂或类似材料被设置有合适的厚度，其吸收保护金属层和换能器层(例如，压电陶瓷材料层)之间的热膨胀差异。为了进一步改善带宽，半波长金属保护层可以用金属-聚合物-金属结构来代替，该金属-聚合物-金属结构的示例由各自具有约为1/17波长的厚度的不锈钢-聚酰亚胺-不锈钢层和具有约1/20波长的厚度的聚酰亚胺层组成。匹配层被插入在换能器或压电元件层与保护层之间，以提供比半波长保护金属层的设计宽若干倍的带宽。
现在将详细地参考本公开提出的示例性实施例，其示例在附图中被阐明。图1示出了具有前部保护金属层101的超声波换能器100的结构。在一个实施例中，保护层101被设计为二分之一波长的厚度(例如，对于优选的不锈钢材料在3.2兆赫(MHz)-3.3MHz处为900微米(μm))，其中，不锈钢的厚度因此与换能器的设计谐振频率成反比，并且设计频率由厚度等于压电材料中的波长的二分之一这一条件确定。在半波长条件下，从传感器侧102朝向液体103看到的保护层101的机械阻抗等于外部介质(即，液体103)的机械阻抗。可以以与适用于没有金属保护层的换能器结构类似的方式配置阻抗匹配层或联接层104。例如，匹配层104的声阻抗Zm可以包括换能器材料(例如，压电材料)105的声阻抗ZP和液体103的声阻抗ZL之间的值。匹配层104的厚度近似为四分之一波长或更厚的数值，并定位在保护层101和换能器材料105之间并结合到该保护层101和该换能器材料105。匹配层104优选地包括导电环氧树脂或金属粉装聚合物，使得它可以用作换能器的电极和参考电位(例如，地)之间的连接。然而，可以使用具有聚合物基底材料的非导电匹配层并且提供经由一根或多根导线的从压电层的电极到地的连接。
换能器100可以被配置为在宽的温度范围上被操作，其具有也覆盖宽范围的储存温度。由于不锈钢(或其他典型金属)的热膨胀是15-17×10-6/deg.C，且压电陶瓷具有这个大小的大约1/10，匹配层104应该足够厚以便吸收所导致的热膨胀差异。如果匹配层104被设计为薄的以便获得源自金属保护层的半波长设计的相对高的灵敏度，则在极端温度下，内部应变将导致性能的降低，这至少部分归因于材料性能的变化，诸如疲劳、分层、内部裂纹等。因此，匹配层104应当相对软或可变形，但不能太薄。
图2示出了使用Mason模型的模拟结果，并且描述了导电环氧树脂的匹配层的厚度的影响的细节。示例性保护层包括900μm厚的不锈钢，其在3.2-3.3MHz的换能器操作频率处处于半波长条件。纵坐标表示接收到的电压，其是来自水中的目标的反射信号，其中，用于发射和接收模式的相同换能器被采用。如图所示，接收信号在3.2MHz处变成最大。当匹配层(例如，导电环氧树脂)的厚度相对薄(例如，25μm-75μm)时，带宽较窄(Δf＝0.2MHz，-6dB点)。当匹配层变得更厚(例如，波长的四分之一(0.25)到波长的0.4(140μm-225μm))时，带宽变得更宽(Δf＝0.3-0.5MHz)。匹配层的进一步增厚(例如，二分之一波长(280μm))实现更宽的带宽和更低的灵敏度。因此，仿真示出根据本公开的实施例的匹配层应当被配置为具有大约为0.25-0.4波长的厚度。
图3示出了增宽换能器带宽的匹配层的效果的实验观察。如图所示，当匹配层薄(例如，25μm)时，被观测到的带宽是0.13MHz。当厚度增加到110μm时，带宽变为0.27MHz。匹配层的进一步增厚(例如，大于250μm)导致带宽再次变窄，接收到的信号变得更弱。示例性换能器结构被测试了23-155度deg.C范围的40个热循环。结果表明在热循环后几乎没有性能差异。
图4a示出了在半波长保护层401(例如，金属层)中的产生的应力和位移的分布。当声波通过半波长层401传播时，具有尖锐峰值的强谐振在半波长条件下被激发。在该谐振条件下，应力分布403在层401的中心处具有其最大值，并且位移404在中心处分布为零，并且方向在左侧和右侧处相反(当层401的表面409向左移动，层401的表面406向右移动时)。为了说明的目的，通过将波长层分割或划分成三个假设区域406、407、408，中心区域407实际上是无振动的，然而，区域406和408以相反的方向振动。
大致参照图4b和图5，在本公开的另一实施例中，上述半波长金属保护层可以被包括金属-聚合物-金属结构的多层结构替代。如图所示，包括金属层506、聚合物层507和金属层508的三个层被结合在一起(例如，经由压力或粘合剂、环氧树脂结合层)以形成单个结构。该多层结构的基本原理相当于由中央弹簧约束的两个外部质量。这是一个谐振系统，其两个质量异相地振动，其中，弹簧在振动期间膨胀或收缩。在操作中，金属层(质量)506和508在相反的方向上移动，对中央聚合物层(弹簧)507加压。该系统在应力和位移方面与图4a中所示的半波长金属层类似地作用。由于聚合物材料具有比金属低得多的弹性常数(即，更软)，所以聚合物层507必须包括相对薄的层以获得相同或相似的谐振频率。具体而言，对于给定的频率，本文描述的金属-聚合物-金属三层设计被配置为比上述900μm金属唯一层显著地更薄。结果，由于聚合物层中的大弹性损失和系统的谐振带宽由聚合物层中的弹性损失确定，所以装置的谐振带宽变宽。
仅作为示例，在计算示例性实施例时，外部不锈钢层(在实施例中示出为具有均匀厚度的相同金属)应该是波长的大约0.057(即，对于3.3MHz设计是100μm)，并且内部聚酰亚胺层包括为波长的0.053的厚度(即，在3.3MHz处为35μm或25μm聚酰亚胺和用于结合的在两侧处的5μm环氧树脂)。因此，在3.2MHz-3.3MHz处的900μm厚的金属层不锈钢的单层设计可以用具有仅235μm的总厚度层的较薄结构替代(即，夹在两个100μm厚不锈钢层之间的35μm聚酰亚胺层)。在较低的操作频率(例如，在1.0MHz)下，层的厚度应设计为更厚。例如，在这样的示例性实施例中，不锈钢的外部层包括330μm的厚度，并且内部聚酰亚胺层包括115μm的厚度(或105μm的聚酰亚胺和在两侧处的5μm的环氧树脂)。对于其他频率，厚度可以设计成具有反比例关系。图5示出了利用图4b的保护结构的超声波换能器的示例性结构，其包括布置金属层506、508和在其间布置的聚合物层507。该结构经由匹配层104被布置在换能器层(压电陶瓷)103上。以上示出了设计示例，其中，相同材料和相同厚度被用于两个金属区域。然而，具有相似特性的不同金属也可以被用于两个金属区域。此外，取决于设计，两个金属层的相对厚度不需要相同。可以使用诸如铜、黄铜、铁、镍之类的金属的内部层或更容易被化学侵蚀的金属的内部层，因为内部层的位置，内部层可以是可接受的。而且，虽然这些金属材料的密度与不锈钢没有显著不同，但为了达到最佳条件，可以稍微调整材料的厚度。注意，一些金属由于其低密度而不具有类似的特性(即，相对于不锈钢不相似的金属)，诸如铝、钛、钨、镉、铟等。因此，调整它们的相对厚度可以是可行的，但在本发明的实施例中没有意义或用途。然而，具有类似于不锈钢特性的特性的金属(例如，黄铜、铜、铁、铝、镍、金、其合金等)可以用作具有类似厚度的内部层。当使用除不锈钢和聚酰亚胺之外的材料时，更精确的材料选择指导准则包括：与其密度相反地调整金属的厚度(即，更轻的金属应该更厚以达到相同的重量)，并调整聚合物的厚度以与其弹性刚度成比例(即，更软的材料通常应该做得更薄以达到相同的弹簧效果)。
以类似的方式，可以使用与图4b所示的聚合物层507足够类似的材料，诸如，环氧树脂、PVDF、尼龙、拉伸聚酯、聚苯乙烯膜等。相比之下，不类似于聚合物层507的不类似的材料包括但不限于橡胶或乳胶、聚醋酸酯、聚氨酯等等，可以不被使用。
图6示出了100μm不锈钢层、25μm聚酰亚胺层(结合在两个表面处的5μm环氧树脂)和用作保护结构的100μm不锈钢层，随着用作匹配层的不同厚度的导电环氧树脂的实验结果。图3和图5的实验中使用的匹配层材料包括具有低弹性常数的导电环氧树脂。由于其导电性，匹配层有利地用作图3和图5的换能器的到接地电极的连接。
因此，本文公开了一种具有换能器结构和功能的系统、装置和方法，其中，阻抗匹配层插入在金属保护层和换能器层之间。匹配层的厚度在材料中的波长的0.25-0.4的范围内。匹配层的声阻抗在辐射介质的声阻抗和换能器材料的声阻抗之间。另外：
(1)在本公开的实施例中，保护层应当是半波长厚度的金属层。
(2)在本公开的实施例中，匹配层的材料可以选自环氧树脂、导电环氧树脂、聚合物-粉末混合物或其他类似材料。
(3)在本公开的实施例中，保护层的替代结构是金属-聚合物-金属，其相对于本文上述的半波长厚度的金属层具有减小的厚度。在该三层结构的一个实施例中，每个不锈钢层具有的厚度为波长的0.057，并且聚酰亚胺层具有的厚度为波长的0.053；并且其中，匹配层被插入在换能器材料和保护层之间。应该理解的是，分数波长的表达可以用于相似材料的不同频率，但不用于不类似的材料。该匹配层的厚度为波长的0.25-0.4，以获得宽带性能，并且声阻抗在换能器材料的声阻抗和辐射介质的声阻抗之间。
(4)匹配层可以用作在参考(地)电势与换能器的电极之间的连接，其中保护层连接到参考(地)电势。
(5)匹配层材料是相对软的和柔韧的。可使用诸如环氧树脂或导电环氧树脂、金属粉末聚合物混合物的柔性材料来吸收换能器材料与保护金属之间的热膨胀差异，以避免在高温处(例如，约80摄氏度和以上)的性能下降(由于匹配层的材料的分层或疲劳)。
尽管已经参照上述实施例描述了前述发明，但是在不脱离本发明的精神的情况下可以进行各种附加的修改和改变。因此，所有这样的修改和改变都被认为是在所附权利要求的范围内。因此，说明书和附图被认为是具有说明性意义而不是限制性意义。构成本文一部分的附图以说明的方式而不是限制的方式示出在其中可以实践主题的具体实施例。所示出的实施例被足够详细地描述以使得本领域技术人员能够实践在本文公开的教导。其他实施例可以被利用并从其导出，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构性和逻辑的替换和改变。因此，此具体实施方式不应被视为具有限制意义，并且各种实施例的范围仅由所附权利要求连同这样的权利要求所赋予的全部等同物来限定。
创造性主题的这样的实施例可以在本文中单独地和/或共同地由术语“发明”提及，仅为了方便起见，并且不意图将本申请的范围自愿地限制于任何单个的发明或发明构思，如果实际上多于一个被披露的话。因此，虽然本文已经示出和描述了具体实施例，但是应当理解，为实现相同目的而计算的任何布置都可以代替所示的具体实施例。本公开旨在覆盖各种实施例的变化的任何和所有修改。上述实施例和本文中未具体描述的其他实施例的组合对于本领域技术人员在阅读上述描述之后将是显而易见的。

Claims (13)

1.一种超声波换能器，包括：
压电元件；
声匹配层，其直接布置在所述压电元件的表面上，并且具有是所述换能器的中心谐振频率的波长的至少四分之一的厚度；以及
前部金属层，其布置在所述声匹配层的与所述压电元件的表面相反的表面上，并且具有等于所述中心谐振频率的波长的二分之一的厚度，
其中，所述声匹配层包括导电环氧树脂或金属粉末聚合物，所述声匹配层的厚度为140μm至225μm。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述声匹配层的厚度为所述中心谐振频率的波长的0.25-0.4。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述前部金属层包括不锈钢。
4.根据权利要求3所述的超声换能器，其中，所述声匹配层由导电环氧树脂制成。
5.根据权利要求4所述的超声换能器，其中，所述声匹配层电连接到参考电势。
6.根据权利要求4所述的超声换能器，其中，所述换能器的所述中心谐振频率为约3.2-3.3MHz，其中，所述前部金属层的厚度为大约900μm。
7.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述声匹配层的声阻抗在谐振介质的声阻抗和所述压电元件的声阻抗之间。
8.根据权利要求1所述的超声换能器，其中，所述前部金属层至少部分地围绕所述压电元件和所述声匹配层。
9.根据权利要求8所述的超声换能器，其中，所述前部金属层形成容纳所述压电元件和所述声匹配层的壳体的至少一部分。
10.一种形成超声波换能器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供压电元件；
提供匹配层，该匹配层直接联接到所述压电元件，所述匹配层具有是所述换能器的预定中心谐振频率的波长的至少四分之一的厚度；以及
提供金属层，该金属层在所述匹配层的与所述压电元件的表面相反的表面上，所述金属层具有等于所述预定中心谐振频率的波长的二分之一的厚度，
其中，所述声匹配层包括导电环氧树脂或金属粉末聚合物，所述声匹配层的厚度为140μm至225μm。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述匹配层的厚度为所述预定中心谐振频率的波长的0.25-0.4。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属层包括不锈钢。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属层形成容纳所述压电元件和所述匹配层的壳体的至少一部分。
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