一种柔性压电超声换能器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性压电超声换能器，包括柔性电极和1

【技术实现步骤摘要】
一种柔性压电超声换能器及其制备方法


[0001]本专利技术属于声学
，具体涉及一种柔性压电超声换能器及其制备方法。

技术介绍

[0002]水下声场调控技术是许多超声应用的核心，如医学成像、超声治疗、工业检测、和海洋科学。超声换能器作为超声处理设备的核心部件，其性能的好坏直接决定着功率超声的应用效果。
[0003]传统的超声换能器只能产生单一形式的声场，然而多样化的应用需要超声换能器按照需要产生特殊的声场分布。
[0004]目前，被动的声场调控方法主要依靠透镜的设计，但现有的声学透镜受限于低的传输效率和工艺精度的限制，无法满足声场调控的需求。而阵列作为目前主动式声场调控的主要方法，其缺点在于结构复杂和经济成本高。因此，面对当前声场分布多元化的需求场景，设计一种可以灵活调控声场的超声换能器是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种柔性压电超声换能器及其制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0006]本专利技术的第一方面提供了一种柔性压电超声换能器，包括柔性电极和1
‑
3型复合压电元件，所述柔性电极设置在所述压电元件的上表面和下表面；
[0007]其中，所述1
‑
3型复合压电元件采用第一柔性基底材料和压电陶瓷形成的1
‑
3型复合压电材料制成；其中，所述压电陶瓷周期性排列并嵌入在所述第一柔性基底材料上，以形成若干压电柱；
[0008]所述柔性电极通过导电电缆引出，并通过连接器与外部主动控制程序结合，通过动态调整所述柔性超声换能器的形态曲率可以动态改变聚焦声束的焦点位置及声场形态。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述1
‑
3型复合压电元件和所述柔性电极均为圆环状。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，在所述第一柔性基底材料和压电陶瓷形成的1
‑
3型复合压电材料中，所述压电柱的宽度为200um
‑
700um，所述压电柱的间距为50um
‑
200um，压电相体积分数为30％
‑
70％。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述第一柔性基底材料包括PDMS，所述压电陶瓷的材料包括PZT8。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述柔性电极的材料包括参杂了金属粉颗粒的第二柔性基底材料。所述金属粉颗粒包括微米级银粉颗粒，且所述银粉颗粒呈球状单分散；所述第二柔性基底材料包括PDMS。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述柔性电极的声阻抗满足：
[0014][0015]式中，Z
b
表示柔性电极的声阻抗，Z
l
表示前端负载的声阻抗，Z
p
表示复合压电材料的声阻抗。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，所述柔性电极中银粉颗粒所占的体积分数为23.4％。
[0017]本专利技术的第二方面提供了一种柔性压电超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1：准备一片压电陶瓷片，采用高精度切割机在所述压电陶瓷片上分别沿x轴和y轴方向切割出间距一致，槽深一致的切缝，以形成周期性排列的压电柱；
[0019]步骤2：制备第一柔性基底材料的混合液；
[0020]步骤3：将所述第一柔性基底材料的混合液以虹吸法灌入切割完成的压电陶瓷片切缝内，进行固化形成柔性基底，从而得到1
‑
3型复合压电元件；
[0021]步骤4：在所述1
‑
3型复合压电材料上表面和下表面制备柔性电极，以获得带有柔性电极的1
‑
3型复合压电元件。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，步骤4包括：
[0023]步骤4：将金属粉颗粒掺杂入第二柔性基底材料的混合液中，充分搅拌后，均匀涂抹在所述1
‑
3型复合压电元件的上表面和下表面，并进行固化，以在所述1
‑
3型复合压电元件的上表面和下表面印刷形成柔性电极，得到带有柔性电极的1
‑
3型复合压电元件。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025]本专利技术提供的柔性压电超声换能器将1
‑
3压电复合元件与柔性材料引入超声换能器的设计中，结合1
‑
3压电复合元件高机电耦合因子和柔性电极声阻抗匹配的特性，达到了高效的声能传输效果，同时将设计的柔性压电超声换能器与外部主动控制程序结合，可通过动态调整柔性超声换能器的形态曲率形成样式多样的聚焦声场形式，凸显了柔性压电超声换能器在灵活声场调控中的优势，实现了对超声波声场的主动、高效地调制，为主动式高频声场调制和动态高分辨率超声应用开辟了新的前景。
[0026]以下将结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细说明。
附图说明
[0027]图1是本专利技术实施例提供的一种柔性压电超声换能器的结构示意图；
[0028]图2是本专利技术实施例提供的1
‑
3型复合压电材料的结构示意图；
[0029]图3是本专利技术实施例提供的一种柔性压电超声换能器的制备方法的流程示意图；
[0030]图4是本专利技术实施例提供的1
‑
3型复合压电元件的制作方法示意图；
[0031]图5是本专利技术实施例提供的换能器发生不同曲率形变所形成的声场样式的仿真图；
[0032]图6是本专利技术实施例提供的换能器发生不同曲率形变所形成的声场样式的测试图；
[0033]附图标记说明：
[0034]11
‑
柔性电极，12
‑1‑
3型复合压电元件，13
‑
导电电缆，14
‑
连接器，15
‑
保护膜。
具体实施方式
[0035]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0036]实施例一
[0037]请参见图1，图1是本专利技术实施例提供的一种柔性压电超声换能器的结构示意图，包括柔性电极11和1
‑
3型复合压电元件12，柔性电极11设置在压电元件12的上表面和下表面；
[0038]其中，1
‑
3型复合压电元件12采用第一柔性基底材料和压电陶瓷形成的1
‑
3型复合压电材料制成；其中，压电陶瓷周期性排列并嵌入在第一柔性基底材料上，以形成若干压电柱；
[0039]柔性电极11通过导电电缆13引出，并通过连接器14与外部主动控制程序结合，通过动态调整柔性超声换能器的形态曲率，可形成多样化的聚焦声场形式。
[0040]可选的，作为一种实现方式，本实施例中的1
‑
3型复合压电元件12和柔性电极11可设计为圆环状，其中，圆环的外直径为30mm，内直径为13mm。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性压电超声换能器，其特征在于，包括柔性电极(11)和1
‑
3型复合压电元件(12)，所述柔性电极(11)设置在所述压电元件(12)的上表面和下表面；其中，所述1
‑
3型复合压电元件(12)采用第一柔性基底材料和压电陶瓷形成的1
‑
3型复合压电材料制成；所述压电陶瓷周期性排列并嵌入在所述第一柔性基底材料上，以形成若干压电柱；所述柔性电极(11)通过导电电缆(13)引出，并通过连接器(14)与外部主动控制程序结合，通过动态调整所述柔性超声换能器的形态曲率可以动态改变聚焦声束的焦点位置及声场形态。2.根据权利要求1所述的一种柔性压电超声换能器，其特征在于，所述1
‑
3型复合压电元件(12)和所述柔性电极(11)均为圆环状。3.根据权利要求1所述的一种柔性压电超声换能器，其特征在于，在所述第一柔性基底材料和压电陶瓷形成的1
‑
3型复合压电材料中，所述压电柱的宽度为200um
‑
700um，所述压电柱的间距为50um
‑
200um，压电相体积分数为30％
‑
70％。4.根据权利要求1所述的一种柔性压电超声换能器，其特征在于，所述第一柔性基底材料包括PDMS，所述压电陶瓷的材料包括PZT8。5.根据权利要求1所述的一种柔性压电超声换能器，其特征在于，所述柔性电极(11)的材料包括参杂了金属粉颗粒的第二柔性基底材料。6.根据权利要求5所述的一种柔性压电超声换能器，其特征在于，所述金属粉颗粒包括微米级银粉颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：费春龙，侯琛雪，李照希，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：