CN110095532A - 超声换能器以及超声换能器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超声换能器以及超声换能器的制备方法，该超声换能器包括多个独立的阵元，多个阵元呈圆周排列，且多个阵元的声波发射方向相同。本申请提供的超声换能器发出的超声波束能够与超声换能器的中轴线呈一定角度在多个阵元排列的方向上进行偏转，从而对待测工件进行体积成像。
Description
技术领域
本申请涉及超声无损检测技术领域，特别是涉及一种超声换能器以及超声换能器的制备方法。
背景技术
在超声无损检测技术方面，目前的探头主要是单阵元探头，少数是多阵元的相控阵探头。
相控阵探头的设计基于惠更斯原理，探头存在着在方位方向上呈一维排列的阵元，每个阵元间相互独立，当按照一定的电子延时对每个阵元进行激励时，探头会形成一个新的超声波束。通过施加不同的电子延时使得超声波束发生偏转，从而满足各种检测需要。
本申请的发明人在长期的研究中发现，在现有技术中，大多数探头发出的超声波束只能在阵元排列的方向，即方位方向进行偏转，无法在垂直于方位方向的仰角方向进行波束偏转，无法很好地进行体积成像。而二维高密度的矩阵(或面阵)探头虽然能在方位方向和仰角方向上进行波束偏转，能进行较好的体积成像，但其制作工艺极为复杂，价格高昂。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种超声换能器以及超声换能器的制备方法，能够使超声波束与超声换能器的中轴线呈一定角度在阵元排列方向上进行偏转，从而对待测工件进行体积成像。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种超声换能器，包括：多个所述阵元呈圆周排列，且多个所述阵元的声波发射方向相同。
其中，所述超声换能器还包括支撑件，多个所述阵元围绕所述支撑件且固定在所述支撑件的侧壁上。
其中，多个所述阵元的辐射面均处于同一平面。
其中，所述超声换能器包括环形的背衬层、覆盖所述背衬层且与所述背衬层形状、大小相同的换能器层以及覆盖所述换能器层且与所述换能器层形状、大小相同的匹配层，其中，多个间隙贯穿所述匹配层以及所述换能器层而形成多个独立的所述阵元。
其中，多个所述阵元的辐射面均呈扇环形，且面积大小相等。
其中，在多个所述间隙中，一个所述间隙贯穿所述背衬层，其余所述间隙均不贯穿所述背衬层，或，多个所述间隙均不贯穿所述背衬层。
其中，所述背衬层为固定层，多个所述间隙内填充有固态填充物或气态填充物，或，所述背衬层为气体层，多个所述间隙内填充有固态填充物。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种超声换能器的制备方法，所述方法包括：提供一支撑件；在所述支撑件的侧壁上固定声波发射方向相同的多个独立的阵元，使多个所述阵元围绕所述支撑件呈圆周排列。
其中，所述在所述支撑件的侧壁上固定声波发射方向相同的多个独立的阵元的步骤，包括：在环形的换能器层上覆盖与所述换能器层形状、大小均相同的匹配层；在所述换能器层远离所述匹配层的一侧固定与所述换能器层形状、大小均相同的背衬层；使所述支撑件穿设所述背衬层、所述换能器层以及所述匹配层，并使所述背衬层、所述换能器层以及所述匹配层固定在所述支撑件的侧壁上；形成多个贯穿所述匹配层以及所述换能器层的间隙，进而形成多个独立的所述阵元。
其中，所述在所述支撑件的侧壁上固定声波发射方向相同的多个独立的阵元的步骤，包括：在长方形的换能器层上覆盖与所述换能器层形状、大小均相同的匹配层；在所述换能器层远离所述匹配层的一侧固定与所述换能器层形状、大小均相同的背衬层；形成多个贯穿所述匹配层以及所述换能器层、但不贯穿所述背衬层的间隙，进而形成多个独立的所述阵元；将多个所述阵元围绕所述支撑件，并固定在所述支撑件的侧壁上。
本申请的有益效果是：本申请中的超声换能器包括多个独立的阵元，多个阵元的声波发射方向相同，且多个阵元呈圆周排列，从而超声换能器发出的超声波束能够与超声换能器的中轴线呈一定角度在多个阵元排列的方向上进行偏转，从而对待测工件进行体积成像。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请超声换能器一实施方式的结构示意图；
图2是图1中A处的放大示意图；
图3是本申请超声换能器的制备方法一实施方式的流程示意图；
图4是图3步骤S220在一应用场景中的流程结构示意图；
图5是图3步骤S220在另一应用场景中的流程结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参阅图1至图2，图1是本申请超声换能器一实施方式的结构示意图，图2是图1中A处的放大示意图。超声换能器100包括阵元110以及支撑件120。
阵元110的数量为多个，例如64个、128个、256个或更多个，多个阵元110之间相互独立。其中多个阵元110之间相互独立指的是在超声换能器100工作时，能够按照一定的电子延时对每个阵元110分别进行激励。同时多个阵元110的声波发射方向相同，即多个阵元110朝着同一方向发射超声波，且多个阵元110呈圆周排列，由于本申请中的多个阵元110呈圆周排列，因此通过对每个阵元110设置独立的激励延时，使得每个阵元110发射超声波的起始时间不一样，从而在不同的深度可以进行聚焦和波束偏转，即波束能够与超声换能器100的中轴线呈一定角度在多个阵元110排列方向上进行偏转，最终实现对待测工件进行实时的超声体积成像，高效灵活。另外本申请中的超声换能器100结构简单，也有利于正产制作。
支撑件120可以为金属、塑料、陶瓷等材料制成的实心或空心柱体，用于支撑多个阵元110。多个阵元110围绕支撑件120，并固定在支撑件120的侧壁121上，具体地，多个阵元110通过粘合剂和支撑件120结合在一起。其中在其他实施方式中，超声换能器100也可以不包括支撑件120，此时多个阵元110可以通过壳体被封装固定在一起。
继续参阅图1，在本实施方式中，多个阵元110的辐射面1101均处于同一平面，当然在其他实施方式中，多个阵元110的辐射面1101可以不处于同一平面，在此不做限制。
继续参阅图2，超声换能器100包括层叠设置的背衬层111、覆盖背衬层111的换能器层112以及覆盖换能器层112的匹配层113。
背衬层111、换能器层112以及匹配层113均为环形，且大小均相同，多个间隙114贯穿匹配层113、换能器层112而形成多个独立的阵元110。其中，在本实施方式中，多个阵元110的辐射面1101均呈扇环形，且为了保证多个阵元110的声阻抗相同，多个阵元110的辐射面1101的面积相同。
换能器层112包括一个或多个配置为以中心操作频率发射超声波能量的换能器元件。换能器层112的材料包括但不限于PZT(锆钛酸铅)、KNN/BNT(铌酸钾钠/钛酸铋钠)、LNO(铌酸锂)、BNT(钛酸铋钠)，PVDF(聚偏氟乙烯)等压电材料。其中，换能器层112的厚度不同，超声换能器100产生的超声波的频段不同，从而满足不同的检测需求。当然在其他实施方式中，换能器层112还包括其他适当的换能器材料。
匹配层113的声阻抗小于换能器层112的声阻抗，匹配层113包括多个层叠设置的子匹配层，图2中以两层子匹配层1131、1132进行示意说明。其中，沿声波发射方向，多层子匹配层的声阻抗逐渐减小，即图2中子匹配层1132的声阻抗小于子匹配层1131的声阻抗。可选的，在其他实施方式中，超声换能器100也可以不包括匹配层113。其中由于换能器层112产生的超声波频率很高，因此匹配层113会非常薄。在制备超声换能器100时，通过真空镀膜、真空沉积等工艺直接在换能器层112上形成匹配层113，或者通过使用可固化的粘合剂(包括但不限于环氧树脂)将预先制备好的匹配层113粘到换能器层112的表面。
背衬层111的声阻抗均匀或沿声波发射方向渐变。具体地，在制备超声换能器100时，通过灌注的方式让可流动且能固化的材料与换能器层112结合，待可流动材料固化后形成背衬层111，或者预先制备好背衬层111，通过粘合剂将背衬层111粘合到换能器层112上。其中，背衬层111的材料是单一材料或复合材料。具体地，当背衬层111的材料为单一材料时，背衬层111的材料可以是各种单质或化合物，例如碳粉(或石墨)、二氧化硅、气体、可固化的环氧树脂、金属氧化物或氮化物等。当背衬层111的材料为复合材料时，该复合材料包括可流动、可固化的环氧树脂等液态物质以及悬浮在液态物质中的微球，该微球的材质可以是金属、二氧化硅、氧化铝、氧化锆、橡胶或其他材质，同时该微球可以是围绕或封装气体(空气或烃气等气体)的空心固体微球，也可以是实心固体微球。当该微球以不同的比例与环氧树脂或聚合物混合时，复合材料的稠度和密度不同。在一应用场景中，当背衬层111的材料为气体时，该气体既可以是单一气体，也可以是混合气体，当最后用壳体封装多个阵元110时，该气体一起被封装。
在制备超声换能器100时，在背衬层111、换能器层112以及匹配层113结合后，采用光刻、化学刻蚀、离子刻蚀等刻蚀工艺或刀片切割的机械切割工艺形成自匹配层113贯穿至换能器层112的多个间隙114，在一应用场景中，多个间隙114的形状、大小完全相同。其中，多个间隙114填充的材料为单一材料或复合材料。当为单一材料时，间隙114内的材料可以是可流动、可固化的低密度环氧树脂、低密度硅橡胶或气体。当为复合材料时，间隙114内填充的材料为可流动、可固化的环氧树脂、硅橡胶等液态物质以及悬浮在液态物质中的微球，该微球的材料为玻璃、二氧化硅、橡胶或金属氧化物(例如氧化铝、氧化锆、氧化镁)，该微球可以是实心固体微球，也可以是围绕或封装气体(空气或烃气)的空心固体微球，当微球与环氧树脂等液态物质以不同质量比或体积比进行复合时，获得的复合型材料具有不同稠度和密度，从而改变间隙114的声阻抗、弹性模量等物理性质。在一应用场景中，当间隙114的填充材料为气体时，其可以是单一气体，也可以是混合型气体。值得注意的是，当背衬层111的材料为气体时，间隙114内填充材料的最终形态为固体。也就是说，当背衬层111为固体层时，多个间隙114填充材料的最终形态既可以是固态，也可以是气态，而当背衬层111为气体层时，多个间隙114填充材料的最终形态只能是固态。
其中，在一应用场景中，多个间隙114均不贯穿背衬层111，而在另一应用场景中，一个间隙114贯穿背衬层111，其余间隙114均不贯穿背衬层111。具体地，当间隙114不贯穿背衬层111时，间隙114既可以延伸至背衬层111，也可以不延伸至背衬层111。
参阅图3，图3是本申请超声换能器的制备方法一实施方式的流程示意图。该方法包括：
S210：提供一支撑件。
S220：在支撑件的侧壁上固定声波发射方向相同的多个独立的阵元，使多个阵元围绕支撑件呈圆周排列。
其中采用本实施方式中制备方法制备完成的超声换能器与上述任一项实施方式中的超声换能器100结构相同或相似。
参阅图4，在一应用场景中，步骤S220具体包括：在环形的换能器层212上覆盖与换能器层212形状、大小均相同的匹配层213，其中匹配层213可以包括多层子匹配层，图4中以两层子匹配层2131、2132进行示意说明；在换能器层212远离匹配层213的一侧固定与换能器层212形状、大小均相同的背衬层211；使支撑件220穿设背衬层211、换能器层212以及匹配层213，并使背衬层211、换能器层212以及匹配层213固定在支撑件220的侧壁221上；采用刻蚀、刀片切割等工艺形成多个贯穿匹配层213以及换能器层212的间隙214，进而形成多个独立的阵元210。在该应用场景中，最终形成的超声换能器200中，多个间隙214都不贯穿背衬层211。
参阅图5，在另一应用场景中，步骤S220具体包括：在长方形的换能器层312上覆盖与换能器层312形状、大小均相同的匹配层313，其中匹配层313可以包括多层子匹配层，图5中以两层子匹配层3131、3132进行示意说明；在换能器层312远离匹配层313的一侧固定与换能器层312形状、大小均相同的背衬层311；采用刻蚀、刀片切割等工艺形成多个贯穿匹配层313以及换能器层312、但不贯穿背衬层311的间隙314，进而形成多个独立的阵元310；将多个阵元310围绕支撑件320，并固定在支撑件320的侧壁321上。与图4应用场景相比，由于本应用场景中先形成多个间隙314，再将多个阵元310围绕并固定在支撑件320上，因此在最终形成的超声换能器300中，有两个阵元310不通过背衬层311连接，即这两个阵元310之间的间隙314贯穿背衬层311。因此在该应用场景中，一个间隙314贯穿背衬层311，其余间隙314均不贯穿背衬层311。
总而言之，本申请中的超声换能器包括多个独立的阵元，多个阵元的声波发射方向相同，且多个阵元呈圆周排列，从而超声换能器发出的超声波束能够与超声换能器的中轴线呈一定角度在多个阵元排列的方向进行偏转，从而对待测工件进行体积成像。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种超声换能器，其特征在于，包括多个独立的阵元，多个所述阵元呈圆周排列，且多个所述阵元的声波发射方向相同。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器还包括支撑件，多个所述阵元围绕所述支撑件且固定在所述支撑件的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，多个所述阵元的辐射面均处于同一平面。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器包括环形的背衬层、覆盖所述背衬层且与所述背衬层形状、大小相同的换能器层以及覆盖所述换能器层且与所述换能器层形状、大小相同的匹配层，其中，多个间隙贯穿所述匹配层以及所述换能器层而形成多个独立的所述阵元。
5.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，
多个所述阵元的辐射面均呈扇环形，且面积大小相等。
6.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，在多个所述间隙中，一个所述间隙贯穿所述背衬层，其余所述间隙均不贯穿所述背衬层，或，多个所述间隙均不贯穿所述背衬层。
7.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，
所述背衬层为固定层，多个所述间隙内填充有固态填充物或气态填充物，或，所述背衬层为气体层，多个所述间隙内填充有固态填充物。
8.一种超声换能器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一支撑件；
在所述支撑件的侧壁上固定声波发射方向相同的多个独立的阵元，使多个所述阵元围绕所述支撑件呈圆周排列。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述在所述支撑件的侧壁上固定声波发射方向相同的多个独立的阵元的步骤，包括：
在环形的换能器层上覆盖与所述换能器层形状、大小均相同的匹配层；
在所述换能器层远离所述匹配层的一侧固定与所述换能器层形状、大小均相同的背衬层；
使所述支撑件穿设所述背衬层、所述换能器层以及所述匹配层，并使所述背衬层、所述换能器层以及所述匹配层固定在所述支撑件的侧壁上；
形成多个贯穿所述匹配层以及所述换能器层的间隙，进而形成多个独立的所述阵元。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述在所述支撑件的侧壁上固定声波发射方向相同的多个独立的阵元的步骤，包括：
在长方形的换能器层上覆盖与所述换能器层形状、大小均相同的匹配层；
在所述换能器层远离所述匹配层的一侧固定与所述换能器层形状、大小均相同的背衬层；
形成多个贯穿所述匹配层以及所述换能器层、但不贯穿所述背衬层的间隙，进而形成多个独立的所述阵元；
将多个所述阵元围绕所述支撑件，并固定在所述支撑件的侧壁上。
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