CN117769345A - 一种高接收灵敏度压电复合材料结构及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高接收灵敏度压电复合材料结构及其制备工艺，涉及压电材料和换能器技术领域，包括由若干阵列分布的压电柱组成的压电柱阵列，压电柱阵列内填充有聚合物，若干压电柱依次串联，压电柱阵列设置有输出电极。制备工艺具体步骤：步骤S1：制备带有基底的压电柱阵列；步骤S2：填充聚合物和串联压电柱。采用上述一种高接收灵敏度压电复合材料结构及其制备工艺，能够提高压电材料结构受压力后的输出电压，从而提高压电材料结构的接收灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料和换能器技术领域，尤其是涉及一种高接收灵敏度压电复合材料结构及其制备工艺。
背景技术
压电换能器因具有机电转换效率高、易于加工成型、性能比较稳定而得到广泛应用。其主要通过压电效应实现电声能量转换，锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)作为换能器材料一直占据着主导地位，具有高的机电耦合系数、损耗低、制作方便，广泛用于水声换能器、生物医学成像、超声工程等诸多方面。但其声阻抗较高，在水中不易与负载匹配，在界面处的反射损耗就会很大，而且其横向耦合很强，使得静水压灵敏度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高接收灵敏度压电复合材料结构及其制备工艺，能够提高压电材料结构受压力后的输出电压，从而提高压电材料结构的接收灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供了一种高接收灵敏度压电复合材料结构，包括由若干阵列分布的压电柱组成的压电柱阵列，压电柱阵列内填充有聚合物，若干压电柱依次串联，压电柱阵列设置有输出电极。
优选的，压电柱通过导线或薄膜电路串联，导线的两端分别连接相邻压电柱的上表面电极和下表面电极。
优选的，所述压电柱采用PZT系列的压电陶瓷或PMNT系列的压电单晶。
优选的，聚合物填充在压电柱之间的缝隙，聚合物采用环氧树脂或者硅橡胶。压电柱之间的聚合物的高度与压电柱的高度相等。
优选的，所述压电柱阵列的横截面为正方形、矩形、圆形、方环形或圆环形。
一种基于上述高接收灵敏度压电复合材料结构的制备工艺，具体步骤如下：
步骤S1：制备带有基底的压电柱阵列；
步骤S2：填充聚合物和串联压电柱。
优选的，在Z轴方向极化压电材料片，压电材料片的上下表面镀有电极层，依次沿X和Y轴方向切割压电材料片，且切割深度小于压电材料片的厚度，形成带有基底的压电柱阵列。
优选的，步骤S2具体过程如下：
步骤S21a：在带有基底的压电柱阵列中的各压电柱上表面电极连接导线，并将导线塞入压电柱间的缝隙内；
步骤S22a：将带有基底的压电柱阵列倒放，并置于含有聚合物材料液体的器皿中，使各压电柱上表面没入设定深度，设定深度小于压电柱的高度，固化后取出；
步骤S23a：将固化后的压电柱阵列基底朝上，放置于切割机，依次沿X和Y轴方向切割，切通压电柱阵列的基底；
步骤S24a：取出缝隙内每个压电柱连接的导线线，并焊接至各自相邻的相应压电柱下表面；
步骤S25a：采用步骤S22a中相同的聚合物材料液体灌注压电柱之间的缝隙，固化后取出，打磨去除多余的聚合物，使得聚合物表面高度和压电柱阵列高度一致。
优选的，步骤S2具体过程如下：
步骤S21b：在切割后带基底的压电柱阵列的缝隙间填充聚合物材料，固化后取出；
步骤S22b：打磨去除基底和多余的聚合物，使聚合物表面高度和压电柱阵列高度一致，在每个打磨后的压电柱的下表面均重新涂抹电极层；
步骤S23b：根据压电柱的分布设计并制作薄膜电路，薄膜电路包括一次连接的上表面电路、连接电路以及下表面电路，上表面电路的各个电极点对准压电柱阵列上表面的各个压电柱电极，将其焊接固定；下表面电路的各个电极点对准压电柱阵列下表面的各个压电柱电极，将其焊接固定，实现通过薄膜电路将所有压电柱串联起来。
因此，本发明采用上述一种高接收灵敏度压电复合材料结构及其制备工艺，具有以下有益效果：
(1)串联连接的压电柱阵列相比传统的压电复合材料结构具有更小的导纳，在声场中相同声压的情况下，获得相同的表面振速时，可感应出更高的输出电压，从而成倍的提高了换能器的接收灵敏度。
(2)聚合物声阻抗很低，使得压电复合材料结构的声阻抗也低，制作的换能器容易找到相应的吸声材料作为背衬，易与水匹配。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1一种高接收灵敏度压电复合材料结构示意图；
图2为本发明实施例1导线串联图；
图3为本发明实施例1制备工艺流程图；
图4为本发明实施例2薄膜电路结构示意图；
图5为本发明实施例2制备工艺流程图；
图6为本发明压电柱的水中导纳曲线图；
图7为本发明压电柱的接收灵敏度图。
附图标记
1、聚合物；2、压电柱阵列；21、正电极引线；22、负电极引线；23、连接导线；24、压电柱；25、上表面电路；26、连接电路；27、下表面电路。
具体实施方式
实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。
实施例1
如图1所示，一种高接收灵敏度压电复合材料结构包括由若干阵列分布的压电柱24组成的压电柱阵列2，本实施例压电柱24采用PZT系列的压电陶瓷，还可采用PMNT系列的压电单晶。压电柱阵列2内填充满有聚合物1，即压电柱24之间的聚合物1的高度与压电柱24的高度相等。聚合物1填充在压电柱24之间的缝隙，本实施例的聚合物1采用环氧树脂，还可采用硅橡胶。若干压电柱24依次串联，压电柱阵列2设置有输出电极(一对输出电极)。本实施例压电柱阵列2的横截面为正方形，根据实际情况可以设置为矩形、圆形、方环形或圆环形。
本实施例采用导线串联压电柱24，如图2所示，即压电柱24的导线包括正电极引线21、负电极引线22以及连接导线23，压电柱24设置有N个，正电极引线21和负电极引线22设置有N个，连接导线23设置有N-1个。压电柱24的上表面电极与正电极引线21焊接，压电柱24的下表面电极与负电极引线22焊接。每个压电柱24的上表面电极均通过导线至下一个相邻压电柱24的下表面电极，如此将压电柱阵列2中的N个压电柱24串联相接，形成N个压电柱24的串联电路。通过串联连接N个压电柱24的方式形成压电柱阵列2，实现放大压电材料的输出感应电压，从而提高水声换能器的接收灵敏度。
如图3所示，制备工艺如下：
步骤S1：制备带有基底的压电柱阵列2。
如图3中的a、b以及c步骤，在Z轴方向极化压电材料片，且压电材料片的上下表面镀有电极层，依次沿X和Y轴方向切割压电材料片，且切割深度小于压电材料片的厚度，形成带有基底的压电柱阵列2。
步骤S2：填充聚合物1和串联压电柱24。
步骤S21a：在带有基底的压电柱阵列2中的各压电柱24上表面电极连接导线，并将导线塞入压电柱24间的缝隙内，如图3中的d步骤。
步骤S22a：将带有基底的压电柱阵列2倒放，并置于含有聚合物材料液体的器皿中，使各压电柱24上表面没入设定深度，设定深度小于压电柱24的高度，固化后取出，如图3中的e步骤。
步骤S23a：将固化后的压电柱阵列2基底朝上，放置于切割机，依次沿X和Y轴方向切割，切通压电柱阵列2的基底，如图3中的f-g步骤。
步骤S24a：取出缝隙内每个压电柱24连接的导线线，并焊接至各自相邻的相应压电柱24下表面，如图3中的h步骤。
步骤S25a：采用步骤S22a中相同的聚合物材料液体灌注压电柱24之间的缝隙，固化后取出，打磨去除多余的聚合物1，使得聚合物1表面高度和压电柱阵列2高度一致，如图3中的j步骤。
在压电柱阵列2的间隙中填充聚合物1材料，一方面可以降低压电陶瓷的介电常数，有较小的静电容，使换能器工作时输入阻抗较高，有较高的接收电压灵敏度。聚合物1的介电常数很低，使得陶瓷相含量低的压电复合材料结构介电常数远小于纯压电材料结构，介电损耗较小，从而有较小的静电容，换能器工作时输入阻抗较高，因而有较高的接收电压灵敏度。在水声应用中，纯压电材料结构的静水压压电应变常数dh＝d33+2d31，其中，d33为纵向压电系数，d31为横向压电系数，角标的第一个数字表示压电材料的极化方向，第二位数字表示机械振动方向。而d33≈-2d31，导致dh很小，在压电复合材料中，可以通过控制陶瓷相含量减小d31，从而提高dh，gh(＝dh/ε)，ε为介电常数，gh为静水压压电电压常数，本实施例的静水压压电(电压)常数比纯压电材料大得多，大幅度提高静水压灵敏度。压电复合材料的厚度机电耦合系数kt高于纯压电材料，机电转换效率和机电耦合系数成正比，所以机电耦合系数的提升即提高接收电压灵敏度。且压电复合材料的径向机电耦合系数kp小于纯压电材料，kt/kp的数值高于纯压电材料，使得各向异性增大，能量更集中于厚度振动模态，厚度方向的谐振增强。
高接收灵敏度压电复合材料结构采用切割填充法制备，且厚度机电耦合系数高于纯压电材料，径向机电耦合系数小于纯压电材料，kt/kp的数值高于纯压电材料，能量更集中于厚度振动模态，提高了机电耦合系数，从而提高了换能器的灵敏度。若干压电柱24通过串联方式组成的压电柱阵列2比传统的压电复合材料具有更小的导纳，在声场中相同声压的情况下，获得相同的表面振速时，可感应出更高的输出电压，从而成倍的提高了换能器的接收灵敏度。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：压电柱24采用的串联方式和制备工艺不同。
本实施例压电柱24通过薄膜电路串联。
制备工艺如下：
本实施例步骤S1与实施例1相同。
步骤S2具体为：
步骤S21b：在切割后带基底的压电柱阵列2的缝隙间填充聚合物1材料，固化后取出，如图5中的d步骤。
步骤S22b：打磨去除基底和多余的聚合物1，使聚合物1表面高度和压电柱阵列2高度一致，在每个打磨后的压电柱24的下表面均重新涂抹电极层，如图5中的e-f步骤。
步骤S23b：根据压电柱24的分布设计并制作薄膜电路，薄膜电路包括一次连接的上表面电路25、连接电路26以及下表面电路27(如图4所示)，上表面电路25的各个电极点对准压电柱阵列2上表面的各个压电柱24电极，将其焊接固定；下表面电路27的各个电极点对准压电柱阵列2下表面的各个压电柱24电极，将其焊接固定，实现通过薄膜电路将所有压电柱24串联起来。
对所提出的压电复合材料结构进行可行性分析和仿真测试。为了说明本发明的压电复合材料结构通过相邻压电柱24串联连接的方式，可放大输出感应电压，从而提升接收灵敏度。依次对两个串联压电柱24和三个串联连接的压电柱24进行仿真对比，如图6所示，压电柱24的接收灵敏度如图7所示。
从图6和图7中可以看出两个压电柱24的谐振频率为292kHz，导纳最大值可达0.71mS，工作频段(即动态区)的接收灵敏度最大可达-195dB；三个压电小柱电极串联连接的压电柱24的谐振频率为284kHz，导纳最大值可达0.54mS，工作频段(即动态区)的接收灵敏度最大可达-160dB。可见多个压电小柱串联可获得更小的导纳值，从而可得到更高的输出电压。比较图6，可知三个电极串联连接的压电柱24接收灵敏度普遍高于两个压电柱24的接收灵敏度，这进一步验证了放大输出感应电压的可行性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高接收灵敏度压电复合材料结构，其特征在于：包括由若干阵列分布的压电柱组成的压电柱阵列，压电柱阵列内填充有聚合物，若干压电柱依次串联，压电柱阵列设置有输出电极。
2.根据权利要求1所述的一种高接收灵敏度压电复合材料结构，其特征在于：压电柱通过导线或薄膜电路串联，导线的两端分别连接相邻压电柱的上表面电极和下表面电极。
3.根据权利要求1所述的一种高接收灵敏度压电复合材料结构，其特征在于：压电柱之间的聚合物的高度与压电柱的高度相等。
4.根据权利要求1所述的一种高接收灵敏度压电复合材料结构，其特征在于：所述压电柱采用PZT系列的压电陶瓷或PMNT系列的压电单晶。
5.根据权利要求1所述的一种高接收灵敏度压电复合材料结构，其特征在于：聚合物填充在压电柱之间的缝隙，聚合物采用环氧树脂或者硅橡胶。
6.根据权利要求1所述的一种高接收灵敏度压电复合材料结构，其特征在于：所述压电柱阵列的横截面为正方形、矩形、圆形、方环形或圆环形。
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述的高接收灵敏度压电复合材料结构的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：制备带有基底的压电柱阵列；
步骤S2：填充聚合物和串联压电柱。
8.根据权利要求7所述的一种制备工艺，其特征在于，步骤S1具体过程如下：在Z轴方向极化压电材料片，压电材料片的上下表面镀有电极层，依次沿X和Y轴方向切割压电材料片，且切割深度小于压电材料片的厚度，形成带有基底的压电柱阵列。
9.根据权利要求8所述的一种制备工艺，其特征在于，步骤S2具体过程如下：
步骤S21a：在带有基底的压电柱阵列中的各压电柱上表面电极连接导线，并将导线塞入压电柱间的缝隙内；
步骤S22a：将带有基底的压电柱阵列倒放，并置于含有聚合物材料液体的器皿中，使各压电柱上表面没入设定深度，设定深度小于压电柱的高度，固化后取出；
步骤S23a：将固化后的压电柱阵列基底朝上，放置于切割机，依次沿X和Y轴方向切割，切通压电柱阵列的基底；
步骤S24a：取出缝隙内每个压电柱连接的导线线，并焊接至各自相邻的相应压电柱下表面；
步骤S25a：采用步骤S22a中相同的聚合物材料液体灌注压电柱之间的缝隙，固化后取出，打磨去除多余的聚合物，使得聚合物表面高度和压电柱阵列高度一致。
10.根据权利要求8所述的一种制备工艺，其特征在于，步骤S2具体过程如下：
步骤S21b：在切割后带基底的压电柱阵列的缝隙间填充聚合物材料，固化后取出；
步骤S22b：打磨去除基底和多余的聚合物，使聚合物表面高度和压电柱阵列高度一致，在每个打磨后的压电柱的下表面均重新涂抹电极层；
步骤S23b：根据压电柱的分布设计并制作薄膜电路，薄膜电路包括一次连接的上表面电路、连接电路以及下表面电路，上表面电路的各个电极点对准压电柱阵列上表面的各个压电柱电极，将其焊接固定；下表面电路的各个电极点对准压电柱阵列下表面的各个压电柱电极，将其焊接固定，实现通过薄膜电路将所有压电柱串联起来。
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