CN117915755A - 压电敏感元件、压电超声换能器及两者的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电敏感元件，涉及压电超声换能器技术领域，包括至少两个基频不同的压电晶体，且全部所述压电晶体组装于一体，形成组合阵式的所述压电敏感元件。本发明还公开了一种压电超声换能器，包括如上所述的压电敏感元件，还包括电极层、透声匹配层、吸声背衬以及电极引线组件。本发明还公开了压电敏感元件以及压电超声换能器的制备方法。本发明可以使压电超声换能器具有多种频率范围，以满足不同应用场景的频率需求。

Description

压电敏感元件、压电超声换能器及两者的制备方法

技术领域

本发明涉及压电超声换能器技术领域，特别是涉及一种压电敏感元件、压电超声换能器及两者的制备方法。

背景技术

目前，高能超声聚焦换能器的声聚焦方式均采用单块纯压电陶瓷块来作为敏感元件，其几何形状为冠状，采用厚度共振基频时，其辐射能量达到最大值。但是由于厚度共振基频值是固定的，因此超声波在同一种介质中的传播波长固定。而当波长不一样时，同样的介质和声能量下，声波的传播距离也不相同，当声波遇到不同的材质或不同大小的粒子时，其作用的效果和反弹回来的声能各不相同。

现有的上述高能超声聚焦换能器，其频率是固定的，无法满足不同应用场景的频率需求。因此，亟待提供一种新的压电超声换能器，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电敏感元件、压电超声换能器及两者的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以使压电超声换能器具有多种频率范围，以满足不同应用场景的频率需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种压电敏感元件，包括至少两个基频不同的压电晶体，且全部所述压电晶体组装于一体，形成组合阵式的所述压电敏感元件。

优选的，所述压电晶体采用基频厚度共振模态，至少两个所述压电晶体的厚度不同，不同厚度的所述压电晶体的基频各不相同。

优选的，全部所述压电晶体同轴设置，并依次套接进行组装；

其中，所述压电晶体的极化方向为其厚度方向，且所述极化方向与电极方向保持一致；所述压电晶体的正电极为内辐射面，负电极位于所述正电极的背面，且全部所述压电晶体的内辐射面位于同一球面上，以使全部所述压电晶体的焦点聚焦于同一点上。

优选的，所述压电晶体设置有四个，包括第一压电晶体、第二压电晶体、第三压电晶体以及第四压电晶体，其中，所述第二压电晶体、所述第三压电晶体以及所述第四压电晶体在所述第一压电晶体上依次进行套接，且所述第一压电晶体、所述第二压电晶体、所述第三压电晶体以及所述第四压电晶体的厚度依次递增或者递减。

优选的，所述压电晶体为压电陶瓷或石英晶体，且相邻所述压电晶体之间通过环氧树脂进行粘接。

本发明中还提供一种压电敏感元件的制备方法，用于制备如上所述的压电敏感元件，包括以下步骤：

将全部所述压电晶体组装于一体，形成组合阵式的所述压电敏感元件；其中，至少两个所述压电晶体的基频不同。

本发明中还提供一种压电超声换能器，包括如上所述的压电敏感元件。

优选的，还包括电极层、透声匹配层、吸声背衬以及电极引线组件；其中，

所述电极层覆盖于所述压电敏感元件中全部所述压电晶体的正电极上，且所述电极层与全部所述压电晶体的正电极电连接；

所述透声匹配层设置于所述压电敏感元件的正面，用于与介质相互匹配，以使声波能够辐射到介质中；

所述吸声背衬覆盖于所述压电敏感元件的背面及侧面，用于对所述压电敏感元件进行支撑，并吸收所述压电敏感元件振动时产生的反向声波；

所述电极引线组件的一端与所述电极层以及全部所述压电晶体的负电极电连接，另一端向后穿出所述吸声背衬；

所述压电超声换能器还通过密封胶进行灌封。

优选的，所述电极层为银浆电极层；

所述透声匹配层的材质为聚氨酯；

所述吸声背衬的材质为硬质泡沫；

所述电极引线组件包括负电极引线和正电极引线，所述负电极引线与所述压电晶体一一对应，且与对应的所述压电晶体的负电极电连接，所述正电极引线与所述电极层电连接；其中，所述电极引线组件的外侧还包裹有屏蔽层；

所述密封胶为聚氨酯胶。

本发明还提供一种压电超声换能器制备方法，用于制备如上所述的压电超声换能器，包括以下步骤：

S1、在所述压电敏感元件中全部所述压电晶体的正电极上被覆所述电极层，并固化；

S2、连接所述电极引线组件，使所述电极引线组件的一端与所述电极层以及全部所述压电晶体的负电极电连接；

S3、在所述压电敏感元件的正面装配所述透声匹配层，在所述压电敏感元件的背面装配所述吸声背衬，并使所述电极引线组件的另一端穿出所述吸声背衬；

S4、对所述压电超声换能器进行密封胶灌封。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中压电敏感元件包括至少两个基频不同的压电晶体，且全部所述压电晶体组装于一体，形成组合阵式的所述压电敏感元件，可以使得压电超声换能器具有多种频带组合模式，从而可以展宽压电超声换能器的工作带宽，即一个压电超声换能器就可以具有多种频率范围，满足不同应用场景的频率需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对发明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发明的一些发明，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。

图1为本发明实施例中第一种压电敏感元件的结构示意图；

图2为图1中压电敏感元件的组装流程图；

图3为本发明实施例中第二种压电敏感元件的结构示意图；

图4为图3中压电敏感元件的组装流程图；

图5为本发明实施例中压电超声换能器的结构示意图；

图6为本发明实施例中压电超声换能器的组装流程图；

图7为本发明实施例中压电超声换能器的爆炸示意图；

图8为本发明实施例中压电超声换能器的爆炸示意图(压电敏感元件为分体状态)；

图9为本发明实施例中第一种压电敏感元件的剖视图；

图10为本发明实施例中第二种压电敏感元件的剖视图。

图中：100-压电敏感元件，101-第一压电晶体，102-第二压电晶体，103-第三压电晶体，104-第四压电晶体，200-电极层，300-透声匹配层，400-吸声背衬，500-密封胶，600-电极引线组件，601-第一负电极引线，602-第二负电极引线，603-第三负电极引线，604-第四负电极引线，605-正电极引线。

具体实施方式

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，所描述的发明仅仅是本发明一部分发明，而不是全部的发明。基于本发明中的发明，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他发明，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种压电敏感元件、压电超声换能器及两者的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以使压电超声换能器具有多种频率范围，以满足不同应用场景的频率需求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图4所示，本实施例中提供一种压电敏感元件100，包括至少两个基频不同的压电晶体，且全部所述压电晶体组装于一体，形成组合阵式的所述压电敏感元件100。

本实施例中压电敏感元件100作为压电超声换能器的电声转换装置，主要是起到将高频的交流电信号转化为高频振动的功能，而高频的振动则是超声波的声源；由于压电敏感元件100包括多个基频不同的压电晶体，可以对应不同的振动频率，使得采用该种压电敏感元件100的压电超声换能器具有多种频带组合模式，从而可以展宽压电超声换能器的工作带宽，即一个压电超声换能器就可以具有多种频率范围，满足不同应用场景的频率需求。

作为一种优选的实施方式，在本实施例中，所述压电晶体可以采用基频厚度共振模态，且至少两个所述压电晶体的厚度不同，不同厚度的所述压电晶体的基频各不相同。

在本实施例中，如图1和图3所示，全部所述压电晶体同轴设置，并依次套接进行组装，即后一压电晶体套接于前一压电晶体上，多个压电晶体依次套接组成压电敏感元件100。

其中，所述压电晶体的极化方向为其厚度方向，且所述极化方向与电极方向保持一致；所述压电晶体的正电极为内辐射面，负电极位于所述正电极的背面，且全部所述压电晶体的内辐射面位于同一球面上，以使全部所述压电晶体的焦点聚焦于同一点上。

在本实施例中，所述压电晶体设置有四个，包括第一压电晶体101、第二压电晶体102、第三压电晶体103以及第四压电晶体104，其中，所述第二压电晶体102、所述第三压电晶体103以及所述第四压电晶体104在所述第一压电晶体101上依次进行套接，且所述第一压电晶体101、所述第二压电晶体102、所述第三压电晶体103以及所述第四压电晶体104的厚度依次递减，如图1和图2所示；或者，所述第一压电晶体101、所述第二压电晶体102、所述第三压电晶体103以及所述第四压电晶体104的厚度依次递增，如图3和图4所示。

本实施例中频率组合方式采用依次递增或者递减的模式，每一种频率在工作时，均采用厚度共振的基频工作模式，并且根据厚度共振时对应的频率大小，调节两个相邻频率之间的频率差值，进而得到相对应频率所对应的压电晶体的厚度值。

其中，需要进行说明的是，本实施例中压电晶体的数量并不局限于四个，还可以根据具体工作需要设置三个、五个或者其它数量的压电晶体。

在本实施例中，所述压电晶体可以为压电陶瓷或石英晶体，优选为压电陶瓷，且相邻所述压电晶体之间通过环氧树脂进行粘接。

本实施例中还提供一种压电敏感元件100的制备方法，用于制备如上所述的压电敏感元件100，包括以下步骤：

将全部所述压电晶体组装于一体，形成组合阵式的所述压电敏感元件100；其中，至少两个所述压电晶体的基频不同。

具体地，以所述第一压电晶体101、所述第二压电晶体102、所述第三压电晶体103以及所述第四压电晶体104的厚度依次递减为例进行说明，如图2所示，压电敏感元件100的制备方法具体包括以下步骤：

中间的第一压电晶体101的厚度为t1，其基频的共振频率为f1；第二压电晶体102的厚度为t2，其基频的共振频率为f2；第三压电晶体103的厚度为t3，其基频的共振频率为f3；第四压电晶体104的厚度为t4，其基频的共振频率为f4。其中，t1＞t2＞t3＞t4，因此采用基频厚度共振模态时，其频率f1＜f2＜f3＜f4。同时将所述第一压电晶体101、所述第二压电晶体102、所述第三压电晶体103以及所述第四压电晶体104以如图2所示的方式依次进行组装，先将第一压电晶体101和第二压电晶体102进行组装，而后依次组装第三压电晶体103和第四压电晶体104，最终组装成如图1所示的组合阵式的压电敏感元件100。在多个压电晶体进行组装时，采用环氧树脂进行粘接，并且保证全部的压电晶体组装完成后，正电极面在同一球面上。而且，固化之后将连接缝隙处多余的环氧树脂进行打磨抛光，使之平整。

而所述第一压电晶体101、所述第二压电晶体102、所述第三压电晶体103以及所述第四压电晶体104的厚度依次递增的压电敏感元件100的制备方法与上述制备方法类似，具体如图4所示。

在本实施例中，还提供了一种压电超声换能器，可以应用于超声波探测、超声波粒子操控以及超声波治疗等方面，其包括了如上所述的压电敏感元件100。

具体地，如图5-图10所示，所述压电超声换能器还包括电极层200、透声匹配层300、吸声背衬400以及电极引线组件600；其中，

所述电极层200覆盖于所述压电敏感元件100中全部所述压电晶体的正电极上，且所述电极层200与全部所述压电晶体的正电极电连接；由于上述压电敏感元件100的多个压电晶体彼此之间导电性是隔断的，因此在正电极上被覆电极层200作为正电极面，起到共正电极导电的作用。

所述透声匹配层300设置于所述压电敏感元件100的正面，用于与人体、空气等介质相互匹配，以使声波能够辐射到介质中去；具体地，以空气介质为例，空气的声阻抗率为0.0004Mrayl，而压电陶瓷的声阻抗率为35Mrayl，若声波从压电陶瓷中直接入射到空气中，在压电陶瓷的辐射表面几乎全部反射，引起压电超声换能器电声转化效率低的问题；因此，研制声匹配的复合材料，并且透声匹配层300的厚度设计应当满足四分之一波长理论设计。

所述吸声背衬400覆盖于所述压电敏感元件100的背面及侧面，与压电敏感元件100的结构吻合，用于对所述压电敏感元件100进行支撑，并吸收所述压电敏感元件100振动时产生的反向声波。

所述电极引线组件600作为高频电信号的输入线，其一端与所述电极层200以及全部所述压电晶体的负电极电连接，另一端向后穿出所述吸声背衬400用于输入高频电信号；其中，所述电极引线组件600包括负电极引线和正电极引线605，所述负电极引线与所述压电晶体一一对应，且与对应的所述压电晶体的负电极电连接，所述正电极引线605与所述电极层200电连接；具体地，针对上述压电敏感元件100包括四个压电晶体的具体设置，所述负电极引线设置有四根，分别为第一负电极引线601、第二负电极引线602、第三负电极引线603和第四负电极引线604，第一负电极引线601、第二负电极引线602、第三负电极引线603和第四负电极引线604分别与所述第一压电晶体101、所述第二压电晶体102、所述第三压电晶体103以及所述第四压电晶体104的负电极电连接。

在本实施例中，所述压电超声换能器还通过密封胶500进行灌封，具体为采用灌封模具进行灌封，可以根据需要的产品尺寸大小进行设计；其中，密封胶500可以采用聚氨酯胶或者其它的树脂，而且，需要进行说明的是，透声匹配层300应外露，而不进行密封胶灌封。

在本实施例中，所述电极层200优选为银浆电极层；

所述透声匹配层300的材质优选为聚氨酯；

所述吸声背衬400的材质优选为硬质泡沫，由于其比较坚硬，可以作为骨架来支撑压电敏感元件100；并且，其具有致密多孔的结构，可以吸收压电敏感元件100振动时产生的反向声波；

所述电极引线组件600的外侧还包裹有屏蔽层，形成具有信号屏蔽功能的电极引线组件600，可以防止信号传输时的串扰。

进一步地，需要进行说明的是，本实施例中压电超声换能器并不局限于上述具体结构，其具体结构可以根据需要进行选择，只要包括上述的压电敏感元件100即可。

本实施例中还提供一种压电超声换能器制备方法，用于制备如上所述的压电超声换能器，如图6所示，主要包括以下步骤：

S1、在所述压电敏感元件100中全部所述压电晶体的正电极上被覆所述电极层200，并将被覆电极层200后的压电敏感元件100进行300℃烤箱高温烘烤，待一分钟后，电极层200固化即可，电极层200固化后，压电晶体之间的电信号即可导通；

S2、被覆电极层200完成后，连接所述电极引线组件600，使所述电极引线组件600的一端与所述电极层200以及全部所述压电晶体的负电极电连接；具体地，需要用焊锡进行电极引线焊接，由于全部压电晶体的正电极已经连通在一起，只需要在电极层200上焊接一个正电极引线605即可；而由于压电晶体的厚度不同，负电极面不在同一球面上，因此根据压电晶体的数量，焊接相应数量的负电极引线；

S3、电极引线焊接完成后，需要在吸声背衬400中间打孔，将电极引线从孔中穿出，而后在吸声背衬400上均匀覆盖环氧树脂胶，并将压电敏感元件100进行粘接，待固化后即可；

根据压电晶体与空气的阻抗匹配，设计出相应厚度的透声匹配层复合材料，也可以选用轻质塑料来进行制备，并用环氧树脂对透声匹配层300和压电敏感元件100进行无缝粘接，保证压电敏感元件100在进行振动时，透声匹配层300起到最大的传声透声效率；

S4、对所述压电超声换能器进行密封胶灌封，实现最后的密封，且起到电信号的绝缘和外壳保护的作用，可以根据压电超声换能器的尺寸大小需求，设计相对应的灌封模具进行密封，待密封胶500固化后脱模，即可完成整个压电超声换能器的制作。

进一步地，还需要进行说明的是，在本实施例中，在步骤S1之前，还可以包括上述的压电敏感元件100的制备方法。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上发明的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种压电敏感元件，其特征在于：包括至少两个基频不同的压电晶体，且全部所述压电晶体组装于一体，形成组合阵式的所述压电敏感元件。

2.根据权利要求1所述的压电敏感元件，其特征在于：所述压电晶体采用基频厚度共振模态，至少两个所述压电晶体的厚度不同，不同厚度的所述压电晶体的基频各不相同。

3.根据权利要求2所述的压电敏感元件，其特征在于：全部所述压电晶体同轴设置，并依次套接进行组装；

其中，所述压电晶体的极化方向为其厚度方向，且所述极化方向与电极方向保持一致；所述压电晶体的正电极为内辐射面，负电极位于所述正电极的背面，且全部所述压电晶体的内辐射面位于同一球面上，以使全部所述压电晶体的焦点聚焦于同一点上。

4.根据权利要求3所述的压电敏感元件，其特征在于：所述压电晶体设置有四个，包括第一压电晶体、第二压电晶体、第三压电晶体以及第四压电晶体，其中，所述第二压电晶体、所述第三压电晶体以及所述第四压电晶体在所述第一压电晶体上依次进行套接，且所述第一压电晶体、所述第二压电晶体、所述第三压电晶体以及所述第四压电晶体的厚度依次递增或者递减。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的压电敏感元件，其特征在于：所述压电晶体为压电陶瓷或石英晶体，且相邻所述压电晶体之间通过环氧树脂进行粘接。

6.一种压电敏感元件的制备方法，其特征在于：用于制备如权利要求1-5任意一项所述的压电敏感元件，包括以下步骤：

将全部所述压电晶体组装于一体，形成组合阵式的所述压电敏感元件；其中，至少两个所述压电晶体的基频不同。

7.一种压电超声换能器，其特征在于：包括如权利要求1-5任意一项所述的压电敏感元件。

8.根据权利要求7所述的压电超声换能器，其特征在于：还包括电极层、透声匹配层、吸声背衬以及电极引线组件；其中，

所述电极层覆盖于所述压电敏感元件中全部所述压电晶体的正电极上，且所述电极层与全部所述压电晶体的正电极电连接；

所述透声匹配层设置于所述压电敏感元件的正面，用于与介质相互匹配，以使声波能够辐射到介质中；

所述吸声背衬覆盖于所述压电敏感元件的背面及侧面，用于对所述压电敏感元件进行支撑，并吸收所述压电敏感元件振动时产生的反向声波；

所述电极引线组件的一端与所述电极层以及全部所述压电晶体的负电极电连接，另一端向后穿出所述吸声背衬；

所述压电超声换能器还通过密封胶进行灌封。

9.根据权利要求8所述的压电超声换能器，其特征在于：

所述电极层为银浆电极层；

所述透声匹配层的材质为聚氨酯；

所述吸声背衬的材质为硬质泡沫；

所述电极引线组件包括负电极引线和正电极引线，所述负电极引线与所述压电晶体一一对应，且与对应的所述压电晶体的负电极电连接，所述正电极引线与所述电极层电连接；其中，所述电极引线组件的外侧还包裹有屏蔽层；

所述密封胶为聚氨酯胶。

10.一种压电超声换能器制备方法，其特征在于：用于制备如权利要求8或9所述的压电超声换能器，包括以下步骤：

S1、在所述压电敏感元件中全部所述压电晶体的正电极上被覆所述电极层，并固化；

S2、连接所述电极引线组件，使所述电极引线组件的一端与所述电极层以及全部所述压电晶体的负电极电连接；

S3、在所述压电敏感元件的正面装配所述透声匹配层，在所述压电敏感元件的背面装配所述吸声背衬，并使所述电极引线组件的另一端穿出所述吸声背衬；

S4、对所述压电超声换能器进行密封胶灌封。