CN110493698A - 一种高频宽带水声换能器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于涉及一种高频宽带水声换能器器件，具体为一种高频宽带水声换能器及其制造方法。所述水声换能器包括从上至下依次平行安装在外壳内的匹配层、晶片背衬层以及透声包覆层；晶片为1‑3‑2型压电陶瓷复合材料结构，包括陶瓷基底，在陶瓷基底的上方生长有多个陶瓷基元，每两个陶瓷基元之间通过高分子聚合物连接；陶瓷基元上方设置有上电极；陶瓷基底下方设置有下电极，从下电极处经过背衬层和外壳引出水密电缆或水密接插件，将接收或者发射的电信号进行输入或者输出。本发明根据工作频率以及带宽特性的技术要求，对晶片和匹配层优化设计，应用于水下测速声纳以及探测声纳时，可进行宽带信号处理增加信息量、提高探测精度及增加探测范围等。
Description
技术领域
本专利涉及一种高频宽带水声换能器器件，尤其涉及一种应用于水下测速测深以及其他探测用水声换能器器件，具体为一种高频宽带水声换能器及其制造方法。
背景技术
随着水声对抗和水下探测技术的不断发展，高频宽带换能器的需求日益增加。通常情况下，高频换能器的带宽较窄，随着水下探测精度和水下通信的发展，要求高频换能器具有较大带宽，以满足后端的宽带信号处理，提供更多的信息量。
1-3-2型压电复合材料换能器具有宽频带、高转化效率、高发射响应以及高接收灵敏度等优点，被广泛应用在各种水下声呐中。该类型换能器一般由透声层、1-3-2型压电复合陶瓷敏感元件、背衬层以及外壳组成。随着水声技术以及相关应用的不断发展，现有的该型换能器的带宽特性不能满足新的应用需求，不能有效拓宽换能器的带宽，并且其电极制备复杂，结构不稳定，极易发生变形等。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明考虑到带有匹配层的1-3-2型压电复合换能器可进一步拓宽换能器的带宽，同时可有效克服带有匹配层的1-3型压电复合材料换能器电极制备复杂、结构不稳定极易发生变形等缺点，满足水声应用的高性能以及高可靠性的技术要求。
具体的，本发明的一种高频宽带水声换能器，包括从上至下依次平行安装在外壳内的匹配层、晶片以及背衬层；在匹配层的上方还安装有透声包覆层；所述晶片为1-3-2型压电陶瓷复合材料结构，该结构包括陶瓷基底，在陶瓷基底的上方生长有多个陶瓷基元，每两个陶瓷基元之间通过高分子聚合物进行连接；在陶瓷基元的上方设置有上电极；在陶瓷基底的下方设置有下电极，从下电极处依次经过背衬层和外壳引出水密电缆或水密接插件，用于将接收或者发射的电信号进行输入或者输出。
进一步的，所述匹配层包括将高分子聚合物分别与金属粉末或者金属氧化物粉末混合而成，金属粉末或金属氧化物粉末在匹配层中的质量占比为20％～60％，其粉末直径小于2微米。
优选的，金属粉末与高分子聚合物的质量配比为0.4:0.6。
进一步的，所述匹配层的厚度根据水声换能器的工作频率f计算而成，该厚度具体为v表示经过匹配层的声速。
进一步的，所述1-3-2型压电陶瓷复合材料结构均包括多种发射性、接收型或者收发兼容型压电材料，具体包括PZT-41型，PZT-43型，PZT-5型，PZT-8型中任意一种或者多种型号复合。
进一步的，压电陶瓷复合材料结构中压电陶瓷基元的占比为30％～90％；所述压电陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm，每两个压电陶瓷基元之间的宽度为0.1mm～10mm，陶瓷基底的厚度为0.2～5mm。
进一步的，高分子聚合物包括环氧树脂或/和聚氨酯。
优选的，高分子聚合物为环氧树脂。
优选的，匹配层中采用与1-3-2型压电陶瓷复合材料结构中一致的高分子聚合物，可以均为环氧树脂。
另外，针对本发明的高频宽带水声换能器，本发明还提出了一种其相应的制造方法；一种高频宽带水声换能器的制造方法，包括以下步骤：
S1、采用切割-填充方法制备1-3-2型压电陶瓷复合材料结构，形成以陶瓷基底为底座，陶瓷基元为单元，各个陶瓷基元之间通过高分子聚合物填充的晶片；
S2、在陶瓷基元的上表面形成上电极、在陶瓷基底的下表面形成下电极，并在下电极处设置有一导电圈；
S3、将晶片粘接固定在背衬层上，在背衬层上对应导电圈处开设有导电孔，并从导电圈处经导电孔引出引线，连接水密电缆或水密接插件；
S4、将背衬层固定在外壳中，在上电极表面浇筑金属粉末与高分子聚合物的混合物，或浇筑金属氧化物粉末与高分子聚合物的混合物，制备出匹配层；
S5、在匹配层上方采用透声包覆层将匹配层与外壳之间的缝隙进行密封。
本发明的有益效果：
本专利通过利用1-3-2型压电复合材料和匹配层结构，设计出一种高频宽带高响应水声换能器件。根据工作频率以及带宽特性的技术要求，对1-3-2型压电复合材料和匹配层材料的几何尺寸和占比进行优化设计，满足技术指标要求。制作1-3-2型压电复合材料，根据压电复合材料结构和使用用途，可选用不同型号压电块体和不同的填充聚合物，制作出不同类型不同几何尺寸的1-3-2型压电陶瓷复合材料结构。根据匹配层的要求，选用不同的金属粉末或金属氧化物粉末，设计出不同配比以及不同几何尺寸的匹配层结构。根据后端换能器器件声学特性的不同要求，可对压电陶瓷基元的横截面几何尺寸、压电陶瓷占比以及匹配层的配比和几何尺寸进行设计，能够满足不同的带宽特性和发射电压响应特性等技术指标要求。基于本专利的成果，可研制出换能器件，具体可为高频宽带高响应水声换能器件，该器件应用于水下测速声纳以及探测声纳时，可进行宽带信号处理增加信息量、提高探测精度及增加探测范围等。
附图说明
图1为本专利的一个优选实施例的换能器件；
图2为本专利的1-3-2型压电陶瓷复合材料结构示意图；
图3为本专利的一个优选实施例的换能器件声学特性测试曲线；
图4为本专利的高频宽带水声换能器的制造方法的一个优选实施例；
图中，1、透声包覆层，2、匹配层，3、晶片，4、背衬层，5、外壳，6、水密电缆或水密接插件，7、上电级，8、陶瓷基元，9、高分子聚合物，10、陶瓷基底，11、下电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明的一种高频宽带水声换能器，包括从上至下依次平行安装在外壳5内的匹配层2、晶片3以及背衬层4；在匹配层2的上方还安装有透声包覆层1；
如图2所示，所述晶片3为1-3-2型压电陶瓷复合材料结构，该结构包括陶瓷基底10，在陶瓷基底10的上方生长有多个陶瓷基元8，每两个陶瓷基元8之间通过高分子聚合物9进行连接；在陶瓷基元8的上方设置有上电极7；在陶瓷基底10的下方设置有下电极11，从下电极11处依次经过背衬层4和外壳5引出水密电缆或水密接插件6，用于将接收或者发射的电信号进行输入或者输出。
在一种可实现方式中，晶片3为平面状的1-3-2型压电复合材料结构，相应的，匹配层、背衬层以及透声包覆层则也为与其平行的平面状结构。
在另一种可实施方式中，晶片3为曲面状或球冠状的1-3-2型压电复合材料结构，此时，匹配层、背衬层以及透声包覆层则也为与其平行的曲面状或球冠状的结构。
在一个实施例中，匹配层2是通过将高分子聚合物与金属粉末进行混合而成，金属粉末在匹配层中的质量占比为20％～60％，优选占比为0.2、0.3、0.4以及0.5。
在另一个实施例中，匹配层2是通过将高分子聚合物与金属氧化物粉末进行混合而成，金属氧化物粉末在匹配层中的质量占比为20％～60％，优选占比为0.25、0.35以及0.45。
进一步的，金属粉末可以为铝粉或者钨粉，金属氧化物粉末可以为氧化铝粉末，一般来说，金属氧化物粉末在匹配层中质量占比大于金属粉末在匹配层中的质量占比。
进一步的，金属粉末或者金属氧化物粉末的粉末直径均小于2微米，优选1.8微米或者1.5微米。
在一个实施例中，根据需要，匹配层的厚度是根据水声换能器所需的工作频率f计算而成，该厚度一般为1/5波长到1/3波长。
其中，声阻抗一般为3～8Pa*s/106m，其匹配层的厚度大多采1/4波长。
在一个实施例中，所述1-3-2型压电陶瓷复合材料结构均包括多种发射性、接收型或者收发兼容型压电材料，具体包括PZT-41型，PZT-43型，PZT-5型，PZT-8型中任意一种或者多种型号复合。
可根据水声换能器的实际需要，选择相应的1-3-2型压电陶瓷复合材料结构。本领域普通技术人员应该熟知，哪种复合材料适合于某种需要，本发明不再一一枚举。
进一步的，压电陶瓷复合材料结构中压电陶瓷基元的占比为30％～90％；所述压电陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm，每两个压电陶瓷基元之间的宽度为0.1mm～10mm，陶瓷基底的厚度为0.2～5mm。
当然，上述尺寸只是给出了一种可实现的方式，还可根据后端换能器器件声学特性的不同要求，可对压电陶瓷基元的横截面几何尺寸、压电陶瓷占比以及匹配层的配比和几何尺寸进行设计，能够满足不同的带宽特性和发射电压响应特性等技术指标要求。
进一步的，所述高分子聚合物包括环氧树脂或/和聚氨酯。
本实施例中选择环氧树脂，并且，匹配层采用的材料与灌注陶瓷基元间用的填充材料可为同一种配比的材料。
图3给出了本发明优选实施例的水声换能器件的声学特性测试曲线，可以看出，换能器的设计工作频率为360kHz、-3dB波束宽度时，带宽能够达到100kHz以上，其最大发射电压响应能够达到182dB，满足了高频宽带的需求。而普通的水声换能器在同等条件下，一般其带宽只能达到30～50kHz，因此，本发明提出的高频宽带水声换能器能够有效的拓宽换能器的带宽，同时，本发明提出的水声换能器具有结构稳定，电极制备简单，可用于大深度工作环境等优点。
本发明的一种高频宽带水声换能器的制造方法，如图4所示，所述方法包括以下步骤：
S1、采用切割-填充方法制备1-3-2型压电陶瓷复合材料结构，形成以陶瓷基底为底座，陶瓷基元为单元，各个陶瓷基元之间通过高分子聚合物填充的晶片；
S2、在陶瓷基元的上表面形成上电极、在陶瓷基底的下表面形成下电极，并在下电极处设置有一导电圈；
S3、将晶片粘接固定在背衬层上，在背衬层上对应导电圈处开设有导电孔，并从导电圈处经导电孔引出引线，连接水密电缆或水密接插件；
S4、将背衬层固定在外壳中，在上电极表面浇筑金属粉末与高分子聚合物的混合物，或浇筑金属氧化物粉末与高分子聚合物的混合物，制备出匹配层；
S5、在匹配层上方采用透声包覆层将匹配层与外壳之间的缝隙进行密封。
其中步骤S1中，可以选取一块PZT-43型的1-3-2压电陶瓷复合材料块，采用切割的方式将其上半部分均匀切割，形成了多个陶瓷基元，在每个陶瓷基元之间填充有高分子聚合物，可通过100～150℃的温度下烘烤数小时，保证高分子聚合物能够稳定且均匀的填充在基底上。
在步骤S2中，在陶瓷基元的上表面涂覆金属层形成上电极，在陶瓷基底的下表面涂覆金属层形成下电极，另外在下电极处单独设置一个导电圈，该导电圈可专门用于导电，当然也可将导电圈的周围涂覆一层绝缘材料，保证下电极中仅仅通过导电圈来传输电荷或其他信号。
步骤S3中，通过粘接的方式，将背衬层和晶片进行固定，基于步骤S2，在导电圈对应位置处，在背衬层以及外壳对应位置都设置有相应的导电孔，用于引出引线，连接水密电缆或水密接插件。
步骤S4中，将背衬层的另外一侧则固定在外壳上，在外壳上，对上电极表面浇筑金属粉末与高分子聚合物的混合物，形成匹配层，浇筑的厚度根据水声换能器的工作频率计算而得，例如工作频率为360KHz，经过公式计算，其厚度可以为2mm左右，其中经过匹配层的声速可以通过1/4波长计算而得。
此处金属粉末与高分子聚合物必须混合均匀，不能分别浇筑，且混合的比例一般为0.4:0.6最佳。
当然，金属氧化物粉末与高分子聚合物的混合同理，其混合比例为0.45:0.55最佳。
在步骤S5中，在匹配层的上方经过抽真空处理，将透声包覆层安装于匹配层上，并与外壳上方进行密封。另外，还从连接水密电缆或水密接插件方向的外壳一侧灌注聚氨酯原胶，灌注完毕后，可在100～150℃的条件下烘烤整个换能器数小时，自然冷却后即可使用。
可以理解的是，本发明中换能器件及其制造方法的部分特征可以相互引用，不发明不再一一列举。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高频宽带水声换能器，包括从上至下依次平行安装在外壳内的匹配层、晶片以及背衬层；其特征在于，在匹配层的上方还安装有透声包覆层；所述晶片为1-3-2型压电陶瓷复合材料结构，该结构包括陶瓷基底，在陶瓷基底的上方生长有多个陶瓷基元，每两个陶瓷基元之间通过高分子聚合物进行连接；在陶瓷基元的上方设置有上电极；在陶瓷基底的下方设置有下电极，从下电极处依次经过背衬层和外壳引出水密电缆或水密接插件，用于将接收或者发射的电信号进行输入或者输出。
2.根据权利要求1所述的一种高频宽带水声换能器，其特征在于，所述匹配层包括将高分子聚合物分别与金属粉末或者金属氧化物粉末混合而成，金属粉末或金属氧化物粉末在匹配层中的质量占比为20％～60％，其粉末直径小于2微米。
3.根据权利要求1所述的一种高频宽带水声换能器，其特征在于，所述匹配层的厚度根据水声换能器的工作频率f计算而成，该厚度具体为
4.根据权利要求1所述的一种高频宽带水声换能器，其特征在于，所述1-3-2型压电陶瓷复合材料结构均包括多种发射性、接收型或者收发兼容型压电材料，具体包括PZT-41型，PZT-43型，PZT-5型，PZT-8型中任意一种或者多种型号复合。
5.根据权利要求1所述的一种高频宽带水声换能器，其特征在于，压电陶瓷复合材料结构中压电陶瓷基元的占比为30％～90％；所述压电陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm，每两个压电陶瓷基元之间的宽度为0.1mm～10mm，陶瓷基底的厚度为0.2～5mm。
6.根据权利要求1所述的一种高频宽带水声换能器，其特征在于，所述高分子聚合物包括环氧树脂或/和聚氨酯。
7.一种高频宽带水声换能器的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、采用切割-填充方法制备1-3-2型压电陶瓷复合材料结构，形成以陶瓷基底为底座，陶瓷基元为单元，各个陶瓷基元之间通过高分子聚合物填充的晶片；
S2、在陶瓷基元的上表面形成上电极、在陶瓷基底的下表面形成下电极，并在下电极处设置有一导电圈；
S3、将晶片粘接固定在背衬层上，在背衬层上对应导电圈处开设有导电孔，并从导电圈处经导电孔引出引线，连接水密电缆或水密接插件；
S4、将背衬层固定在外壳中，在上电极表面浇筑金属粉末与高分子聚合物的混合物，或浇筑金属氧化物粉末与高分子聚合物的混合物，制备出匹配层；
S5、在匹配层上方采用透声包覆层将匹配层与外壳之间的缝隙进行密封。
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