一种复合压电振子及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种复合压电振子及其制备方法，该压电振子包括：呈阵列分布的多个压电柱，多个压电柱由聚合物粘结成一复合体，复合体的上表面为内凹的曲面，多个压电柱的上端面暴露于该上表面，该多个压电柱的下端面暴露于该复合体的下表面，该上表面及该下表面分别镀有一层电极材料。本发明专利技术的方案中，由于作为压电振子的发射面的上表面内凹，可将声波的能量集中在需要探测的区域，可提高超声换能器的灵敏度及横向分辨率，提升机电耦合系数，有效地降低了机械品质因数值。此外，该压电振子本身由于上表面内凹而聚焦，因此不需要额外使用声透镜材料，精简了超声换能器的结构和减少声透镜造成的声波传输过程中能量的损失。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电超声换能器，尤其涉及。
技术介绍
压电振子是压电超声换能器的核心部件，其性能指标对超声换能器的成像效果是至关重要的。目前，用于制备超声换能器的压电振子主要包括压电单晶、陶瓷、聚合物以及复合材料。其中，压电单晶和陶瓷的声阻抗高，Q值高，不适合制备宽带换能器，压电聚合物的压电响应低，所制备的超声换能器灵敏度不高。压电复合材料，由压电单晶或陶瓷和聚合物按一定的连通方式、体积比和空间几何分布而制成的材料。压电复合材料可以弥补单相材料的一些不足，不仅可以有效发挥压电材料优异的电学性能和高分子材料的柔性优点，而且具有常用压电单晶或陶瓷所没有的优良特性，可以成倍的提高材料的某些压电性能。目前，压电复合材料已经广泛的应用于工业、海洋工程、医学等领域，尤其是1-3型压电复合材料给压电材料的研究注入了新的活力，在船只及潜艇的水声测听器、超声医学诊断、结构的非损伤探测等方面具有相当的优势。然而随着科学技术日新月异的发展，对现有超声换能器的性能提出了更高的要求，特别是灵敏度和带宽的要求，必须从根本上优化超声换能器的核心部件即压电振子的特性，包括机电转换特性，以及能量聚焦特性等。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，现有技术中，超声换能器的灵敏度不够高及频带宽度不够大，针对现有技术的上述缺陷，提供。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是—种复合压电振子，包括呈阵列分布的多个压电柱，所述多个压电柱由聚合物粘结成一复合体，所述复合体的上表面为内凹的曲面，所述多个压电柱的上端面暴露于所述上表面，所述多个压电柱的下端面暴露于所述复合体的下表面，所述上表面及所述下表面分别镀有一层电极材料。优选地，所述压电柱的高度不小于所述压电柱的宽度的2. 5倍。优选地，所述多个压电柱中，相邻压电柱之间的排列间隔均相等。优选地，所述压电柱的体积分数范围为40% _90%，所述体积分数根据公式ρ2/ (p+w)2而得，其中，所述w是所述相邻压电柱之间的排列间隔，所述P是所述压电柱的宽度。本专利技术还提供一种制备上述压电振子的方法一种复合压电振子的制备方法，所述方法包括Si、将压电块料沿竖直方向极化；S2、对所述压电块料进行纵向线切割开槽，得到多个纵向槽，其中，每个纵向槽的宽度、高度均相同，所述纵向槽的深度小于所述压电块料的上表面与下表面之间的距离；S3、将进行纵向线切割后的压电块料进行横向线切割开槽，得到多个横向槽，形成呈阵列分布的多个压电柱，其中，每个横向槽的宽度、深度均相同，所述横向槽的宽度、深度分别与所述纵向槽的宽度、深度相同；S4、将进行横向线切割后的压电块料内置于腔体中，所述腔体设置有供聚合物渗入其内部的缺口，所述腔体的高度略大于所述压电块料的高度；S5、将具有流动性的聚合物从所述缺口中导入，所述聚合物填充所述多个横向及纵向槽；S6、将渗入聚合物后的腔体置于真空环境中去除所述聚合物中的气泡；S7、将抽真空去除所述聚合物的气泡后的腔体固化，使得所述压电块料与所述聚合物形成一复合体；S8、从腔体中取出所述复合体；S9、打磨所述复合体的下表面，直到露出所述聚合物，并且所述压电柱的下端面暴露在所述下表面为止；S10、将所述复合体的上表面打磨成向内凹的曲面，并且使所述压电柱的上表面暴露在所述上表面；Sl 1、在所述打磨后的上表面和下表面镀一层电极材料，得到压电振子。优选地，所述多个横向槽中，相邻的横向槽之间的排列间隔均相等，所述多个纵向线槽中，相邻的纵向槽之间的排列间隔均相等，所述相邻的横向槽之间的排列间隔等于所述相邻的纵向槽之间的排列间隔。优选地，所述压电柱的宽度不大于所述纵向槽的深度的2/5。优选地，所述压电柱的体积分数为40% _90%，所述体积分数根据公式ρ2/(p+w)2 所得，其中，所述P是所述相邻的纵向槽之间的排列间隔，所述w是所述每个纵向槽的宽度。优选地，所述聚合物是以下的任一种环氧树脂、聚氨酯、硅橡胶。使用本专利技术的技术方案，具有以下有益效果由于压电振子的作为发射面的表面是内凹的曲面，可将声波的能量集中在需要探测的区域，进而提高超声换能器的灵敏度，此外由于随着压电柱高度的增大，与其对应的谐振频率会降低，因此越靠近压电振子中心，谐振频率越高；越靠近压电振子边缘时，谐振频率越低，因此宽化了压电振子的频带宽度。再者，该压电振子本身由于表面内凹而聚焦，因此不需要额外使用声透镜材料，精简了超声换能器的结构和减少声透镜造成的声波传输过程中能量的损失。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中图1是本专利技术实施例的的压电块料经过线切割之后的结构示意图；图2是本专利技术实施例的的制备方法流程图图3是本专利技术实施例的的压电振子与传统复合压电振子的电学性能比较；图4-1是采用传统技术所制备的复合压电振子的模拟的超声换能器的超声波回波特性示意图4-2是本专利技术实施例的的模拟的超声换能器的超声波回波特性示意图；图5-1是采用传统技术所制备的复合压电振子的模拟的超声换能器的声场特性示意图；图5-2是本专利技术实施例的的模拟的超声换能器的的声场特性示意图。具体实施例方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所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。如图1所示，是本专利技术实施例的的压电块料经过线切割之后的结构示意图。作为优选，该压电块料是圆柱，而该压电块料是压电单晶或压电陶瓷。其中，所述压电块料可以是=LiNbO3单晶、PZT陶瓷、BaTiO3陶瓷以及PMN-PT弛豫铁电单晶中的一种，此处对此不作限制。本实施例中，该压电振子包括呈阵列分布的多个压电柱101，所述多个压电柱 101由聚合物粘结成一复合体100。其中，所述复合体100的上表面102为内凹的曲面，所述多个压电柱的上端面1021暴露于所述上表面102，所述多个压电柱的下端面(未示出) 暴露于所述复合体100的下表面103，所述上端面102及所述下端面103分别镀有一层电极材料。该电极材料可以是金、银、钼等电导率高和容易焊接的金属中的一种，此处对此也不作限制。此外，所述镀金属电极的方式有多种，如溅射、电镀或化学镀等。本实施例中，相邻的压电柱101之间的距离均相等。作为优选，该压电柱下端面是正方形。此外，所述压电柱101的高度不小于所述压电柱的宽度的2. 5倍，而所述压电柱的体积分数范围为优选地，所述压电柱的体积分数范围为40% _90%，所述体积分数根据公式P2/ (p+w)2而得，其中，所述w是所述相邻压电柱之间的排列间隔，所述ρ是所述压电柱的宽度。本实施例中，所述压电振子的制备工艺如下首先，选择一块压电块料，该块料是压电单晶或压电陶瓷。作为优选，本实施例中， 该块料是圆柱型的结构。接着将压电块料沿竖直方向极化。极化后，使其具备压电性能。接着对所述压电块料进行纵向线切割，得到多个纵向槽。其中，每个纵向槽的宽度、高度均相同，所述纵向槽的深度小于所述压电块料的上表面与下表面之间的距离，即所述纵向槽的深度刚好不使压电块料被切透。此外，该多个纵向槽之间的排列间隔可以不一样，但是作为优选，所述多个纵向槽中，相邻的纵向槽之间的排列间隔是一样的，均为P。紧接着，将进行纵向线切割之后的压电块料进行横向线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周丹，张国峰，林国豪，陈燕，戴吉岩，陈王丽华，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：