一种基于3D打印模型的共线超声传感器阵列制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印模型的共线超声传感器阵列制备方法，属于超声传感器制备领域。本发明专利技术包括：压电陶瓷阵列的加工方法、信号引线的制作和连接方式、声衰减材料模具3D打印、压电陶瓷阵元填充、封装外壳3D打印及封装方法。将压电陶瓷片切割成多个方形阵元，分别填充于3D打印好的可降低阵元间声场干扰的声衰减材料模具中；镀银电极包含下电极和上电极，采用磁控溅射技术法分别溅射压电阵列上方和下方，形成共线电极；背衬材料采用不导电材料；匹配层铺设在压电阵列上方，用以声阻抗匹配；接线端口用以与信号引线连接，传感器封装外壳采用3D打印制备。本发明专利技术简化了传统大规模超声传感器阵列的制备，减少了阵元接线数量。减少了阵元接线数量。减少了阵元接线数量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印模型的共线超声传感器阵列制备方法


[0001]本专利技术涉及超声传感器制备技术，具体涉及一种基于3D打印模型的共线超声传感器阵列制备方法。

技术介绍

[0002]超声检测具有检测深度大、范围广、指向性好、缺陷定位准确、应用方便、开发成本低、检测速率快、便于现场分析以及使用安全、对人体无害等优点。因此，超声检测方法在工业制造、医学以及国防等众多领域都有着广泛的应用。
[0003]超声传感器阵列是由多个阵元组成的阵列结构，阵元几何结构和几何参数可根据实际需求进行调整，设计出不同规模的阵列结构，这类传感器具有阵元数量多，接收信息丰富和扫查效率高的特点，同时结合特定的发射时序和逻辑，可形成不同的声束波阵面，进一步提高检测灵敏度和量化分辨率，是当前超声传感器的发展趋势。传统的超声传感器阵列采用相对固定的激励模式，激励时采用整体同步激励和延时激励模式，不利于发射孔径的调整，同时每个阵元采用独立的引线结构，使传感器结构复杂，成本增加。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是制备一种传感器阵列，采用行列共线结构，如配合寻址激励技术，可实现阵列中不同区域阵元的激励和接收，进一步提高检测灵活度，使检测的量化精度得到进一步提升。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：一种基于3D打印模型的共线超声传感器阵列制备方法，所述传感器包括：压电阵列101，由PZT压电陶瓷材料机械切割制成，用以发射和接收超声波；匹配层102，铺设于压电阵列的上方，用以匹配压电阵元和被测材料间的声阻抗；背衬材料103，为不导电材料，置于压电阵列的下方，用以吸收阵元背向发射的超声波；声衰减材料模具104，采用3D打印技术成型，用于填充切割后的阵元，并有减少压电阵元间的串扰的作用；电极分为上电极和下电极，均为银质材料，下电极105溅射在压电阵列下方，上电极106溅射在压电阵列上方，用以实现各个阵元之间的电气连接；第一引线107及第二引线108均为铜芯信号线，带屏蔽层，用以与超声传感器激励电路连接；封装外壳109采用3D打印技术制备，用以封装传感器。
[0006]所述方法包括以下步骤：
[0007]步骤1，选取PZT材料制成的方形压电陶瓷片，压电陶瓷片经过预极化，并铺设银电极层；
[0008]步骤2，根据步骤1中所述的PZT压电陶瓷片，采用机械切割技术，将压电陶瓷片切割成结构相同的多个阵元，阵元结构和几何参数由设计确定。本专利技术实施例中采用正方形阵元，阵列中阵元行、列数相同，均为N，构成N2个阵元组成的阵列；
[0009]步骤3，根据步骤2中所述的切割好的阵元结构和几何参数，采用3D打印技术，制备带有N2个孔的声衰减材料模具，模具的高度与阵列高度相等，孔呈方形结构排列，尺寸与独
立的压电阵元相同，孔的间距可根据实际需要选择；
[0010]步骤4，根据步骤3所述的3D打印成型模具，将步骤2所述的切割好的阵元，置入声衰减材料模具中，并用胶水将阵元粘接，保证阵元在3D模具中位置固定；
[0011]步骤5，根据步骤4中所述的压电阵列，采用磁控溅射技术，在阵列上方溅射银电极，形成上电极层，在阵列下方溅射银电极，形成下电极层。上、下电极层的特征在于铺设在安装阵元的3D打印成型模具部件表面上，分别形成上、下表面的整体电极层；
[0012]步骤6，根据步骤5中所述的溅射好上下表面电极层结构，将上电极层切割成等间距的N行，形成上电极，切槽宽度与步骤3所述的3D打印模具的孔间距相等；将下电极层切割为等间距的N列，形成下电极，切槽宽度与步骤3所述的3D打印模具的孔间距相等。阵列中阵元在上表面电极形成共线行电极，下表面电极形成共线列电极，切槽深度与银电极层厚度相等；
[0013]步骤7，根据步骤6中所述的切割好电极的压电阵列，准备背衬材料，背衬材料为非导电材料，尺寸可根据阵列的尺寸来确定；
[0014]步骤8，根据步骤7中所述的背衬材料，将压电阵列用不导电胶粘在背衬材料上；
[0015]步骤9，根据步骤8中所述的粘接背衬材料的压电阵列，准备匹配层，匹配层材料可采用常规超声传感器匹配层材料；
[0016]步骤10，根据步骤9中所述的压电阵列，焊接电极引线，共2N条,电极引线为带屏蔽层的铜线，用以实现传感器的电信号连接；
[0017]步骤11，根据步骤10中所述的连接好电极引线的压电阵列，采用3D打印技术，打印传感器外壳，将压电阵列放入外壳中；
[0018]步骤12，根据步骤11中所述的放入外壳的压电阵列，在缝隙中填满声衰减材料，用以减少压电阵元的互扰；
[0019]步骤13，根据步骤12中所述的传感器，盖上外壳顶盖，制备完成。
[0020]本专利技术的有益效果是：
[0021]传统的超声传感器阵列采用相对固定的激励模式，激励时采用整体同步激励和延时激励模式，不利于发射孔径的调整，同时每个阵元采用独立的引线结构，使传感器结构复杂，成本增加。本专利技术的传感器阵列采用3D打印模型作为阵元的载体，阵元数量可根据实际需要进行调整，传感器阵列上下表面制作了共线行、列电极，方便寻址激励，同时配合不同的激励规则易于实现发射孔径和接收孔径的调整，阵元引线数量极大地减少，阵元抗干扰能力提到提升，可为后续智能超声传感器开发提供有益借鉴。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例中的超声阵列传感器的正面结构示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例中的超声阵列传感器的正视剖视示意图；
[0024]图3为本专利技术实施例中的超声阵列传感器的右视剖视示意图；
[0025]图4为本专利技术实施例中的超声阵列传感器制备方法的流程图；
[0026]图5为本专利技术实施例中超声阵列传感器制备方法的工艺流程示意图。其中，图5(a)为待加工的压电陶瓷片的示意图，图5(b)为机械切割后的压电阵列的示意图，图5(c)为3D打印的声衰减材料模具的示意图，图5(d)为将压电阵列放入3D打印的声衰减材料模具中的
示意图，图5(e)为在溅射下电极的示意图，图5(f)为溅射上电极的示意图，图5(g)为溅射完上电极和下电极的示意图，图5(h)为粘接背衬材料的示意图，图5(i)为粘接匹配层的示意图，图5(j)为连接电极引线示意图，图5(k)为完全装配好的传感器示意图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步描述。本专利技术以阵列为32
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32，传感器工作频率为1MHz的二维面阵为例，对超声阵列传感器探头的加工工艺进行具体描述，阵元的尺寸和间隙也可以根据需要具体选择。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0028]实施本专利技术的具体步骤如下：
[0029]一种基于3D打印模型的共线超声传感器阵列，其结构如图1所示。图2和图3分为图1的横向和纵向剖面图，可以展示传感器阵列内部结构和引线连接方式。包括压电阵列101，匹配层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印模型的共线超声传感器，其特征在于，包括：压电阵列(101)，由PZT压电陶瓷材料机械切割制成压电陶瓷片，用以发射和接收超声波；匹配层(102)，铺设于压电阵列的上方，用以匹配压电阵列和被测材料间的声阻抗；背衬材料(103)，为不导电材料，置于压电阵列的下方，用以吸收阵元背向发射的超声波；声衰减材料模具(104)，采用3D打印技术成型，用于填充切割后的压电阵元，并有减少压电阵元间的串扰的作用；电极分为上电极和下电极，均为银质材料，下电极(105)溅射在压电阵列下方，上电极(106)溅射在压电阵列上方，用以实现各个阵元之间的电气连接；第一引线(107)及第二引线(108)，均为铜芯信号线，带屏蔽层，用以与超声传感器激励电路连接；封装外壳(109)，采用3D打印技术制备，用以封装传感器。2.一种基于3D打印模型的共线超声传感器阵列制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选取PZT材料制成的方形压电陶瓷片，压电陶瓷片经过预极化，并铺设银电极层；步骤2，根据步骤1中所述的PZT压电陶瓷片，采用机械切割技术，将压电陶瓷片切割成结构相同的多个阵元，阵元结构和几何参数由设计确定；采用正方形阵元时，阵列中阵元行、列数相同，均为N，构成N2个阵元组成的平面阵列；步骤3，根据步骤2中所述的切割好的阵元结构和几何参数，采用3D打印技术，制备带有N2个孔的声衰减材料模具，模具的高度与阵列高度相等，孔呈方形结构排列，尺寸与独立的压电阵元相同，孔的间距根据实际需要选择；步骤4，根据步骤3所述的3D打印成型模具，将步骤2所述的切割好的阵元，置入声衰减材料模具中，并用胶水将阵元粘接，保证阵元在3D模具中位置固定；步骤5，根据步骤4中所述的压电阵列，采用磁控溅射技术，在阵列上方溅射银电极，形成上电极层，在阵列下方溅射银电极，形成下电极层，上、下电极层分别铺设在安装阵元的3D打印成型模具部件的上表面及下表面，分别形成上、下表面的整体电极层；步骤6，根据步骤5中所述的上、下表面的整体电极层，将上电极层切割成等间距的N行，形成上电极，切槽宽度与步骤3中的3D打印模具的孔间距相等；将下电极层切割为等间距的N列，形成下电极，切槽宽度与步骤3所述的3D打印模具的孔间距相等...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋寿鹏，丛上清，张云鹏，苗永红，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：