CN115259838B - 一种扭转振动晶环及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种扭转振动晶环及其制作方法，它包括两个半圆环组合形成的扭转振动晶环，两个半圆环接触的侧面涂覆有导电胶；本发明采用高灵敏度高介电常数压电陶瓷配方，在小信号下既可以兼顾高灵敏度也具有较大的制动效果，采用本发明方法制备扭转振动晶环，晶环内圆度更好，与传递扭转波的弹性塑料接触更紧密，扭转波的传导效率更高，会获得更强的接收扭转振动的信号。

Description

一种扭转振动晶环及其制作方法
技术领域
本发明涉及扭转振动晶环生产技术领域，具体地指一种扭转振动晶环及其制作方法。
背景技术
扭转振动晶片广泛应用于旋转型超声马达、超声波焊接、超声波疲劳试验及振动切削、打孔、研磨、超声外科手术等扭转、弯曲和纵一扭以及纵一弯复合模式振动系统中，也可以广泛应用于流量计、液位计等超声测量领域。扭转振动晶片是振动系统的核心部件，起到了将电能转化为机械能的作用，根据设计好的振动模态和机械结构，可以将交变的电信号转化为扭转运动，或者反过来将扭转振动转化为电信号。
目前有关扭转振动晶片的相关技术文献多侧重于介绍扭转换能器的设计和研制，较少关注扭转振动晶片的制作，涉及到扭转振动晶片的文献1(潘祥生，张德远.基于有限元法的超声扭转换能器研究.2006.10)中指出了“采用把方形压电陶瓷片拼接在一起或对圆形压电陶瓷片直接进行切向极化的方法。利用方形压电陶瓷片拼接,制作简单，成本低，但扭转振动效果较差；切向极化的压电陶瓷片扭转振动效果好，但极化难，成本高，功率容量小，且尺寸较大时会出现电极击穿和极化不完全等问题；CN110429175A-一种扭转振动晶片和制造方法-公开的八瓣1-5型扭转振动晶片采用的是低介电常数大功率发射型材料，主要用在功率超声等大功率、强信号等应用领域，其制造工艺也更为复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于小信号的医疗探测领域的扭转振动晶环及其制作方法，能够简化制作工艺，并提高其接收信号的可靠性及扭转波的传导效率。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种扭转振动晶环，它包括两个半圆环组合形成的扭转振动晶环，两个半圆环接触的侧面涂覆有导电胶。
优选地，所述扭转振动晶环采用高介电常数和高灵敏度压电陶瓷材料制成，其相对介电常数：2100～3000；压电常数d33：500～600pC/N；介电损耗角正切值不大于3.0％。
优选地，所述压电陶瓷材料内各配料以重量份数计，包括红丹粉55～68份，钛白粉8～15份，氧化锆17～22份，碳酸钙0.5～1份，氧化镧0.7～1.2份，氧化铋0.5～1.2份。
另外，本发明还公开制作上述扭转振动晶环的方法，它包括如下步骤：
S1、采用高介电常数、高灵敏度压电陶瓷材料配方配料；
S2、配料依次经过混料、烘干、预压、高温预烧、粉碎、压力增塑造粒、干压成型和高温烧结工序，制备成晶粒尺寸平均粒径为1～2微米的压电陶瓷毛坯；
S3、经机械加工，制备成具有要求尺寸精度和表面粗糙度的半成品；
S4、经汽油、酒精浸泡，在超声清洗机中超声清洗；
S5、在晶环上下两端涂覆银层，并在高温马弗炉中烧渗银层；
S6、在高压极化设备上对晶环上下两端进行极化；
S7、测试极化好的晶环，并挑选合格的晶环；
S8、用硝酸溶液化学去除电极，并充分清洗干净；
S9、将晶环切成两半，成为两个半圆环；
S10、将切成的两个半圆环，选择一个半圆环调换其上下端面，与另一个半圆环放置于粘合夹具中；
S11、在两个半圆环接触的切割侧面涂覆导电胶，同时粘合在一起形成完整的扭转振动晶环；
S12、再次测量晶环频率、介电性能、计算机电耦合系数，根据指标挑选合格品。
进一步地，所述S2具体为：经搅拌球磨机或滚动球磨机混料、烘干、预压、890℃左右高温预烧后制备成具有钙钛矿结构的锆钛酸铅系料块，然后通过搅拌球磨机或滚动球磨机粉碎、压力增塑造粒、干压成型、1320℃高温烧结，制备成晶粒尺寸平均粒径1～2微米左右的压电陶瓷毛坯。
进一步地，所述S5具体为：在晶环上下两端涂覆银层，并在高温马弗炉中按照750～850℃保温0.5～1小时的工艺烧渗银层。
进一步地，所述S6具体为：在高压极化设备上按照极化温度150℃、极化时间10～30min、极化电压1000～3000V/mm充分极化。
进一步地，所述S9具体为：在内圆切割机或精密划片机或金刚石线切割机上将晶环切成两半，成为两个半圆环。
本发明的有益效果：
1、本发明采用高灵敏度高介电常数压电陶瓷配方，在小信号下既可以兼顾高灵敏度也具有较大的制动效果。采用本发明方法制备扭转振动晶环，晶环内圆度更好，与传递扭转波的弹性塑料接触更紧密，扭转波的传导效率更高，会获得更强的接收扭转振动的信号。
2、本发明中最终设置电极的位置也就是在两个半圆环接触的切割侧面涂覆导电胶的位置，与其内外圆层无关，这样内外圆层可以只用来接收扭转波，与电极分开，互不干扰，其接收信号的可靠性及扭转波的传导效率高。
3、本专利是在晶环上下端面涂覆银层，而CN110429175A-一种扭转振动晶片和制造方法公开的内容里面则是要在8瓣扇形侧面涂覆电极，因此本专利在这一步骤的制作难度大大降低。
4、本专利在极化时，也是对晶环上下端面进行极化，而CN110429175A-一种扭转振动晶片和制造方法公开的内容里面则是要对8瓣扇形侧面进行极化，本专利对于极化要求的难度更低，能保证将压电陶瓷的微观电畴充分按需排序，使之性能更好，极化可以更加充分，性能表现的更加优越，并且制作工艺难度降低了很多。
5、本专利中的导电胶既起到粘接作用，同时起到为整个扭转振动晶环提供激励电极的作用，其一材多用，大大精简了制作工艺。
附图说明
图1为一种扭转振动晶环制作中间过程的晶环结构示意图；
图2为图1中的晶环经过S9步骤切割后的结构示意图；
图3为一种扭转振动晶环的最终产品结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图3所示，一种扭转振动晶环，它包括两个半圆环1.1组合形成的扭转振动晶环1，两个半圆环1.1接触的侧面涂覆有导电胶2。
优选地，所述扭转振动晶环1采用高介电常数和高灵敏度压电陶瓷材料制成，其相对介电常数：2100～3000；压电常数d33：500～600pC/N；介电损耗角正切值不大于3.0％。
优选地，所述压电陶瓷材料内各配料以重量份数计，包括红丹粉55～68份，钛白粉8～15份，氧化锆17～22份，碳酸钙0.5～1份，氧化镧0.7～1.2份，氧化铋0.5～1.2份。
另外，本发明还公开制作上述扭转振动晶环的方法，它包括如下步骤：
S1、采用高介电常数、高灵敏度压电陶瓷材料配方配料；
S2、配料依次经过混料、烘干、预压、高温预烧、粉碎、压力增塑造粒、干压成型和高温烧结工序，制备成晶粒尺寸平均粒径为1～2微米的压电陶瓷毛坯；
S3、经机械加工，制备成具有要求尺寸精度和表面粗糙度的半成品；
S4、经汽油、酒精浸泡，在超声清洗机中超声清洗；
S5、在晶环上下两端涂覆银层，并在高温马弗炉中烧渗银层；本专利是在晶环上下端面涂覆银层，而CN110429175A-一种扭转振动晶片和制造方法公开的内容里面则是要在8瓣扇形侧面涂覆电极，因此本专利在这一步骤的制作难度大大降低。
S6、在高压极化设备上对晶环上下两端进行极化；本专利在极化时，也是对晶环上下端面进行极化，而CN110429175A-一种扭转振动晶片和制造方法公开的内容里面则是要对8瓣扇形侧面进行极化，本专利对于极化要求的难度更低，能保证将压电陶瓷的微观电畴充分按需排序，使之性能更好，极化可以更加充分，性能表现的更加优越，并且制作工艺难度降低了很多。
S7、测试极化好的晶环，并挑选合格的晶环(如图1所示的晶环)；在本实施例中，可按照d33≥500PC/N，相对介电常数2100±10％，介电损耗角正切值不大于2％挑选晶环。
S8、用硝酸溶液化学去除电极，并充分清洗干净；
S9、将晶环切成两半，成为两个半圆环1.1(如图2所示)；
S10、将切成的两个半圆环1.1，选择一个半圆环1.1调换其上下端面，与另一个半圆环1.1放置于粘合夹具中；
S11、在两个半圆环1.1接触的切割侧面涂覆导电胶2，同时粘合在一起形成完整的扭转振动晶环1(如图3所示)；在本实施例中，导电胶2既起到粘接作用，同时起到为整个扭转振动晶环提供激励电极的作用，其一材多用，大大精简了制作工艺。
S12、再次测量晶环频率、介电性能、计算机电耦合系数，根据指标挑选合格品。
进一步地，所述S2具体为：经搅拌球磨机或滚动球磨机混料、烘干、预压、890℃左右高温预烧后制备成具有钙钛矿结构的锆钛酸铅系料块，然后通过搅拌球磨机或滚动球磨机粉碎、压力增塑造粒、干压成型、1320℃高温烧结，制备成晶粒尺寸平均粒径1～2微米左右的压电陶瓷毛坯。
进一步地，所述S5具体为：在晶环上下两端涂覆银层，并在高温马弗炉中按照750～850℃保温0.5～1小时的工艺烧渗银层。
进一步地，所述S6具体为：在高压极化设备上按照极化温度150℃、极化时间10～30min、极化电压1000～3000V/mm充分极化。
进一步地，所述S9具体为：在内圆切割机或精密划片机或金刚石线切割机上将晶环切成两半，成为两个半圆环1.1。
专利CN110429175A制作出的扭转振动晶片典型性能数据如下表：
C(pf) tgδ(％) fr(kHz) fa(kHz) keff(％) εT r3 d33(pC/N)
1820 0.41 209.37 214.4 21.53 1070 130～230
本发明实施例制作出的扭转振动晶环典型性能如下表：
C(pf) tgδ(％) fr(kHz) fa(kHz) keff(％) εT r3 d33(pC/N)
170 2.4 248.24 356.09 72.01 2500 500～600
由此可以看出，本发明实施例制作出的扭转振动晶环典型性能要明显优于专利CN110429175A制作出的扭转振动晶片。
本发明实施例采用高灵敏度高介电常数压电陶瓷配方，在小信号下既可以兼顾高灵敏度也具有较大的制动效果。采用本发明方法制备扭转振动晶环，晶环内圆度更好，与传递扭转波的弹性塑料接触更紧密，扭转波的传导效率更高，会获得更强的接收扭转振动的信号。分别用CN110429175A的专利方案(侧重于大功率发射领域)与本次发明申请的方法(侧重于超声探测领域)制作了两种超声探测换能器，测试其灵敏度，发现本发明申请方案制作的超声探测换能器灵敏度是CN110429175A专利方案的1.5倍。
本发明中最终设置电极的位置也就是在两个半圆环1.1接触的切割侧面涂覆导电胶2的位置，与其内外圆层无关，这样内外圆层可以只用来接收扭转波，与电极分开，互不干扰，扭转波的传导效率高。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种制作扭转振动晶环的方法，所述扭转振动晶环包括两个半圆环（1.1）组合形成的扭转振动晶环（1），两个半圆环（1.1）接触的侧面涂覆有导电胶（2）；其特征在于：它包括如下步骤：
S1、所述扭转振动晶环（1）采用高介电常数、高灵敏度压电陶瓷材料配方配料；所述压电陶瓷材料内各配料以重量份数计，包括红丹粉55~68份，钛白粉8~15份，氧化锆17~22份，碳酸钙0.5~1份，氧化镧0.7~1.2份，氧化铋0.5~1.2份；
S2、配料依次经过混料、烘干、预压、高温预烧、粉碎、压力增塑造粒、干压成型和高温烧结工序，制备成晶粒尺寸平均粒径为1~2微米的压电陶瓷毛坯；
S3、经机械加工，制备成具有要求尺寸精度和表面粗糙度的半成品；
S4、经汽油、酒精浸泡，在超声清洗机中超声清洗；
S5、在晶环上下两端涂覆银层，并在高温马弗炉中烧渗银层；
S6、在高压极化设备上对晶环上下两端进行极化；
S7、测试极化好的晶环，并挑选合格的晶环；
S8、用硝酸溶液化学去除电极，并充分清洗干净；
S9、将晶环切成两半，成为两个半圆环（1.1）；
S10、将切成的两个半圆环（1.1），选择一个半圆环（1.1）调换其上下端面，与另一个半圆环（1.1）放置于粘合夹具中；
S11、在两个半圆环（1.1）接触的切割侧面涂覆导电胶（2），同时粘合在一起形成完整的扭转振动晶环（1）；
S12、再次测量晶环频率、介电性能、计算机电耦合系数，根据指标挑选合格品。
2.根据权利要求1所述的制作扭转振动晶环的方法，其特征在于：所述扭转振动晶环（1）采用高介电常数和高灵敏度压电陶瓷材料制成，其相对介电常数：2100~3000；压电常数d33：500~600pC/N；介电损耗角正切值不大于3.0%。
3.根据权利要求1所述的制作扭转振动晶环的方法，其特征在于：所述S2具体为：经搅拌球磨机或滚动球磨机混料、烘干、预压、890℃左右高温预烧后制备成具有钙钛矿结构的锆钛酸铅系料块，然后通过搅拌球磨机或滚动球磨机粉碎、压力增塑造粒、干压成型、1320℃高温烧结，制备成晶粒尺寸平均粒径1~2微米的压电陶瓷毛坯。
4.根据权利要求1所述的制作扭转振动晶环的方法，其特征在于：所述S5具体为：在晶环上下两端涂覆银层，并在高温马弗炉中按照750~850℃保温0.5~1小时的工艺烧渗银层。
5.根据权利要求1所述的制作扭转振动晶环的方法，其特征在于：所述S6具体为：在高压极化设备上按照极化温度150℃、极化时间10~30min、极化电压1000~3000V/mm充分极化。
6.根据权利要求1所述的制作扭转振动晶环的方法，其特征在于：所述S9具体为：在内圆切割机或精密划片机或金刚石线切割机上将晶环切成两半，成为两个半圆环（1.1）。
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