專利名稱：一種復合壓電振子及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電超聲換能器，尤其涉及一種復合壓電振子及其制備方法。
背景技術：
壓電振子是壓電超聲換能器的核心部件，其性能指標對超聲換能器的成像效果是至關重要的。目前，用于制備超聲換能器的壓電振子主要包括壓電單晶、陶瓷、聚合物以及復合材料。其中，壓電單晶和陶瓷的聲阻抗高，Q值高，不適合制備寬帶換能器，壓電聚合物的壓電響應低，所制備的超聲換能器靈敏度不高。壓電復合材料，由壓電單晶或陶瓷和聚合物按一定的連通方式、體積比和空間幾何分布而制成的材料。壓電復合材料可以彌補單相材料的一些不足，不僅可以有效發揮壓電材料優異的電學性能和高分子材料的柔性優點，而且具有常用壓電單晶或陶瓷所沒有的優良特性，可以成倍的提高材料的某些壓電性能。目前，壓電復合材料已經廣泛的應用于工業、海洋工程、醫學等領域，尤其是1-3型壓電復合材料給壓電材料的研究注入了新的活力，在船只及潛艇的水聲測聽器、超聲醫學診斷、結構的非損傷探測等方面具有相當的優勢。然而隨著科學技術日新月異的發展，對現有超聲換能器的性能提出了更高的要求，特別是靈敏度和帶寬的要求，必須從根本上優化超聲換能器的核心部件即壓電振子的特性，包括機電轉換特性，以及能量聚焦特性等。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，現有技術中，超聲換能器的靈敏度不夠高及頻帶寬度不夠大，針對現有技術的上述缺陷，提供一種復合壓電振子及其制備方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是—種復合壓電振子，包括呈陣列分布的多個壓電柱，所述多個壓電柱由聚合物粘結成一復合體，所述復合體的上表面為內凹的曲面，所述多個壓電柱的上端面暴露于所述上表面，所述多個壓電柱的下端面暴露于所述復合體的下表面，所述上表面及所述下表面分別鍍有一層電極材料。優選地，所述壓電柱的高度不小于所述壓電柱的寬度的2. 5倍。優選地，所述多個壓電柱中，相鄰壓電柱之間的排列間隔均相等。優選地，所述壓電柱的體積分數范圍為40% _90%，所述體積分數根據公式ρ2/ (p+w)2而得，其中，所述w是所述相鄰壓電柱之間的排列間隔，所述P是所述壓電柱的寬度。本發明還提供一種制備上述壓電振子的方法一種復合壓電振子的制備方法，所述方法包括Si、將壓電塊料沿豎直方向極化；S2、對所述壓電塊料進行縱向線切割開槽，得到多個縱向槽，其中，每個縱向槽的寬度、高度均相同，所述縱向槽的深度小于所述壓電塊料的上表面與下表面之間的距離；
S3、將進行縱向線切割后的壓電塊料進行橫向線切割開槽，得到多個橫向槽，形成呈陣列分布的多個壓電柱，其中，每個橫向槽的寬度、深度均相同，所述橫向槽的寬度、深度分別與所述縱向槽的寬度、深度相同；S4、將進行橫向線切割后的壓電塊料內置于腔體中，所述腔體設置有供聚合物滲入其內部的缺口，所述腔體的高度略大于所述壓電塊料的高度；S5、將具有流動性的聚合物從所述缺口中導入，所述聚合物填充所述多個橫向及縱向槽；S6、將滲入聚合物后的腔體置于真空環境中去除所述聚合物中的氣泡；S7、將抽真空去除所述聚合物的氣泡后的腔體固化，使得所述壓電塊料與所述聚合物形成一復合體；S8、從腔體中取出所述復合體；S9、打磨所述復合體的下表面，直到露出所述聚合物，并且所述壓電柱的下端面暴露在所述下表面為止；S10、將所述復合體的上表面打磨成向內凹的曲面，并且使所述壓電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鍍一層電極材料，得到壓電振子。優選地，所述多個橫向槽中，相鄰的橫向槽之間的排列間隔均相等，所述多個縱向線槽中，相鄰的縱向槽之間的排列間隔均相等，所述相鄰的橫向槽之間的排列間隔等于所述相鄰的縱向槽之間的排列間隔。優選地，所述壓電柱的寬度不大于所述縱向槽的深度的2/5。優選地，所述壓電柱的體積分數為40% _90%，所述體積分數根據公式ρ2/(p+w)2 所得，其中，所述P是所述相鄰的縱向槽之間的排列間隔，所述w是所述每個縱向槽的寬度。優選地，所述聚合物是以下的任一種環氧樹脂、聚氨酯、硅橡膠。使用本發明的技術方案，具有以下有益效果由于壓電振子的作為發射面的表面是內凹的曲面，可將聲波的能量集中在需要探測的區域，進而提高超聲換能器的靈敏度，此外由于隨著壓電柱高度的增大，與其對應的諧振頻率會降低，因此越靠近壓電振子中心，諧振頻率越高；越靠近壓電振子邊緣時，諧振頻率越低，因此寬化了壓電振子的頻帶寬度。再者，該壓電振子本身由于表面內凹而聚焦，因此不需要額外使用聲透鏡材料，精簡了超聲換能器的結構和減少聲透鏡造成的聲波傳輸過程中能量的損失。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是本發明實施例的一種復合壓電振子及其制備方法的壓電塊料經過線切割之后的結構示意圖；圖2是本發明實施例的一種復合壓電振子及其制備方法的制備方法流程圖圖3是本發明實施例的一種復合壓電振子及其制備方法的壓電振子與傳統復合壓電振子的電學性能比較；圖4-1是采用傳統技術所制備的復合壓電振子的模擬的超聲換能器的超聲波回波特性示意圖4-2是本發明實施例的一種復合壓電振子及其制備方法的模擬的超聲換能器的超聲波回波特性示意圖；圖5-1是采用傳統技術所制備的復合壓電振子的模擬的超聲換能器的聲場特性示意圖；圖5-2是本發明實施例的一種復合壓電振子及其制備方法的模擬的超聲換能器的的聲場特性示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。如圖1所示，是本發明實施例的一種復合壓電振子及其制備方法的壓電塊料經過線切割之后的結構示意圖。作為優選，該壓電塊料是圓柱，而該壓電塊料是壓電單晶或壓電陶瓷。其中，所述壓電塊料可以是=LiNbO3單晶、PZT陶瓷、BaTiO3陶瓷以及PMN-PT弛豫鐵電單晶中的一種，此處對此不作限制。本實施例中，該壓電振子包括呈陣列分布的多個壓電柱101，所述多個壓電柱 101由聚合物粘結成一復合體100。其中，所述復合體100的上表面102為內凹的曲面，所述多個壓電柱的上端面1021暴露于所述上表面102，所述多個壓電柱的下端面(未示出) 暴露于所述復合體100的下表面103，所述上端面102及所述下端面103分別鍍有一層電極材料。該電極材料可以是金、銀、鉬等電導率高和容易焊接的金屬中的一種，此處對此也不作限制。此外，所述鍍金屬電極的方式有多種，如濺射、電鍍或化學鍍等。本實施例中，相鄰的壓電柱101之間的距離均相等。作為優選，該壓電柱下端面是正方形。此外，所述壓電柱101的高度不小于所述壓電柱的寬度的2. 5倍，而所述壓電柱的體積分數范圍為優選地，所述壓電柱的體積分數范圍為40% _90%，所述體積分數根據公式P2/ (p+w)2而得，其中，所述w是所述相鄰壓電柱之間的排列間隔，所述ρ是所述壓電柱的寬度。本實施例中，所述壓電振子的制備工藝如下首先，選擇一塊壓電塊料，該塊料是壓電單晶或壓電陶瓷。作為優選，本實施例中， 該塊料是圓柱型的結構。接著將壓電塊料沿豎直方向極化。極化后，使其具備壓電性能。接著對所述壓電塊料進行縱向線切割，得到多個縱向槽。其中，每個縱向槽的寬度、高度均相同，所述縱向槽的深度小于所述壓電塊料的上表面與下表面之間的距離，即所述縱向槽的深度剛好不使壓電塊料被切透。此外，該多個縱向槽之間的排列間隔可以不一樣，但是作為優選，所述多個縱向槽中，相鄰的縱向槽之間的排列間隔是一樣的，均為P。緊接著，將進行縱向線切割之后的壓電塊料進行橫向線切割開槽，得到多個橫向槽。其中，每個橫向槽的寬度、深度均相同，所述橫向槽的寬度、深度分別與所述縱向槽的寬度、深度相同。因此，所述橫向槽及所述縱向槽的寬度均為《。作為優選，所述多個橫向槽之間的排列間隔和縱向槽之間的排列間隔相等，均為P。由于進行線切割后，橫向槽及縱向槽之間剩余的壓電塊料形成了壓電柱，隨后形成一個個直立的按照一定間隔規整排列的壓電柱。因此，相鄰的壓電柱之間的排列間隔就是所述橫向槽或縱向槽的寬度，所述壓電柱的寬度等于相鄰的橫向槽之間或相鄰的縱向槽之間的排列間隔。其中，該壓電柱的截面是正方形。根據超聲換能器聲波輻射表面面積以及電路匹配要求確定壓電相的體積分數，其中，壓電柱的體積分數按照公式p7(p+w)2來計算。作為優選，體積分數在40% _90%，選擇該范圍的體積分數時，壓電振子具有較為優異的壓電和聲學性能。之后，將進行橫向線切割后的壓電塊料內置于腔體中，所述腔體設置有供聚合物導入其內部的缺口，所述腔體的高度略大于所述壓電塊料的高度。將具有流動性的聚合物從所述缺口導入，所述聚合物填充所述多個橫向槽及縱向槽。之后，將其置于真空中去除所述聚合物中的氣泡，抽取氣泡后，將所述腔體固化，使得所述壓電塊料與所述聚合物形成一復合體。從腔體中取出所述復合體后，打磨所述復合體的下表面，直到露出所述聚合物，并且露出所述壓電柱的下端面，將所述復合體的上表面打磨成向內凹的曲面，并且露出所述壓電柱的上端面，之后在所打磨后的上表面及下表面鍍一層電極材料。所述上表面與所述下表面的距離根據實際應用的頻率設計。由于磨去了該壓電柱上端面覆蓋的聚合物，因此該壓電柱的頂部暴露在所述上表面，如圖1所示。該壓電振子的發射面(上表面)制備成凹形面，更具體地，該凹形面是球面。壓電振子的背面(下表面) 是平面，于是形成了中心薄、邊緣厚的壓電振子。在所述打磨后的上表面和下表面鍍一層金屬電極，得到壓電振子。由于上表面102是球面，所述第二表面103是平面，因此所述多個壓電柱的高度是不一致的。于是形成了中心薄、邊緣厚的壓電振子。由于隨著壓電柱的高度的增加，諧振頻率減小，因此，位于壓電振子的中心位置處的壓電柱高度最小，對應最高的諧振頻率，而靠近該振子邊緣位置的壓電柱高度越高，其諧振頻率也就越低。因此，壓電振子的共振頻率特性就寬帶化了。本實施例中，該聚合物可以是環氧樹脂、聚氨酯，還可以是硅橡膠，此處對聚合物的類型不作限制，但是無論使用上述何種類型聚合物，都能達到減小聲阻抗，容易與生物組織、聲耦合劑等實現聲學匹配的效果。此外，構成所述基體的聚合物緊密填充所述多個縱向槽及橫向槽。因此，該壓電振子的內部結構(上表面102與下表面103之間部分)是一系列壓電柱排列在聚合物中，各個壓電柱上下貫通，綜合了壓電單晶或陶瓷優異的縱向長度伸縮振動機電耦合性能和聚合物的低聲阻抗和高柔韌性。如圖2所示，是本發明實施例的一種復合壓電振子及其制備的制備方法的流程圖。首先，選擇一塊壓電塊料，作為優選，本實施例中，該塊料是圓柱型的結構。在步驟201中，將壓電塊料沿豎直方向極化。極化后，使其具備壓電性能。接著在步驟202中，對所述壓電塊料進行縱向線切割開槽，得到多個縱向槽，其中，每個縱向槽的寬度、深度均相同，所述縱向槽的深度小于所述壓電塊料的上表面與下表面之間的距離 (即壓電塊料的高度)。具體地，每個縱向槽之間保留部分的壓電塊料寬度(即壓電柱)w 不大于每個縱向槽深度的2/5，具體地，該多個縱向槽中，相鄰的縱向槽之間的排列間隔可以不一樣，但是作為優選，所述相鄰的縱向槽之間的排列間隔是一樣的，均為P ；而所述壓電塊料的上表面到與其對應的下表面之間的距離等于所述壓電塊料的高度，所述縱向槽的深度小于所述壓電塊料的高度。作為優選，所述多個縱向槽的深度略小于所述壓電塊料的高度，即所述多個縱向槽的深度剛好不使壓電塊料被切透。接著在步驟203中，將進行縱向線切割后的壓電塊料進行橫向線切割開槽，得到多個橫向槽，隨后形成一個個直立的按照一定間隔規整排列的壓電柱。其中，每個橫向槽的寬度、深度均相同，所述橫向槽的寬度、深度分別與所述縱向槽的寬度、深度相同。其中，該壓電柱的截面是正方形。根據超聲換能器聲波輻射表面面積以及電路匹配要求確定壓電相的體積分數，其中，壓電柱的體積分數按照公式P2/ (p+w)2來計算，其中，所述P是所述相鄰的縱向槽之間的排列間隔，所述W是所述每個縱向槽的寬度。作為優選，體積分數在40% -90%，選擇該范圍的體積分數時，壓電振子具有較為優異的壓電和聲學性能。需要說明的是由于進行線切割后，橫向槽及縱向槽之間剩余的壓電塊料形成了壓電柱，隨后形成一個個直立的按照一定間隔規整排列的壓電柱。因此，相鄰的壓電柱之間的排列間隔就是所述橫向槽或縱向槽的寬度，所述壓電柱的寬度等于相鄰的橫向槽之間或相鄰的縱向槽之間的排列間隔。接著轉到步驟204。在步驟204中，將進行橫向線切割后的壓電塊料內置于腔體中，所述腔體設置有供聚合物滲入其內部的缺口，所述腔體的高度略大于所述壓電塊料的高度。其中，所述腔體外形與所述壓電塊料一致，所述腔體設置有供聚合物滲入所述腔體內部的缺口，所述腔體的高度略大于所述壓電塊料的高度，所述腔體的截面是圓形，所述圓形的半徑略大于所述壓電塊料的截面的半徑。接著在步驟205中，將具有流動性的聚合物從所述缺口中導入，所述聚合物緊密填充所述多個橫向槽及縱向槽。接著在步驟206中，將滲入聚合物后的腔體置于真空環境中去除所述聚合物中的氣泡。接著在步驟207中，將抽真空去除所述聚合物的氣泡后的腔體固化，使得所述壓電塊料與所述聚合物形成一復合體。具體地，可在常溫或加熱條件下將其固化。接著在步驟208中，從腔體中取出所述復合體；接著轉到步驟209。在步驟209中，打磨所述復合體的下表面，直到露出所述聚合物，并且所述壓電柱的下端面暴露在所述下表面為止。接著在步驟210中，將所述復合體的上表面打磨成向內凹的曲面，并且使所述壓電柱的上端面暴露在所述上表面。具體地，按照實際應用的探測距離將所述上表面打磨成一定弧度的曲面，所述上表面的曲面與所述下表面之間的距離根據實際應用的頻率設計。由于磨去了該壓電柱上方覆蓋的聚合物，因此該壓電柱的上端面暴露在所述上表面上，如圖1所示。該壓電振子的發射面(上表面)制備成凹形面，更具體地，該凹形面是球面。壓電振子的背面(下表面)是平面，于是形成了中心薄、邊緣厚的壓電振子。接著在步驟211中，在所述打磨后的上表面和下表面鍍一層電極材料，得到壓電振子。該電極材料可以是金、銀、鉬等電導率高和容易焊接的金屬中的一種，此處對此也不作限制。此外，所述鍍金屬電極的方式有多種，如濺射、電鍍或化學鍍等。本實施例中，壓電振子的頂部是曲面，底部是平面，由于隨著壓電柱的高度的增加，諧振頻率減小，因此，位于壓電振子的中心位置處的壓電柱高度最小，對應最高的諧振頻率，而靠近該振子邊緣位置的壓電柱高度越高，其諧振頻率也就越低。因此，壓電振子的共振頻率特性就給寬帶化了。該球面的曲率可以使超聲換能器的聲波的焦點位于探查的位置，不需要額外使用聲透鏡部件，精簡了超聲換能器的結構、材料和減少了聲透鏡造成的聲波傳輸過程中的能量損失。此外，可將聲波的能量集中于需探測的區域，有利于提高超聲換能器的靈敏度和橫向分辨率。本實施例中，該聚合物可以是環氧樹脂、聚氨酯，還可以是硅橡膠，此處對聚合物的類型不作限制，但是無論使用上述何種類型聚合物，都能達到減小聲阻抗，容易與生物組織、聲耦合劑等實現聲學匹配的效果。此外，構成所述基體的聚合物緊密填充所述多個橫向8槽及縱向槽。因此，該壓電振子的內部結構(所述上表面與下表面之間部分)是一系列壓電柱排列在聚合物中，各個壓電柱上下貫通，綜合了壓電單晶或陶瓷優異的縱向長度伸縮振動機電耦合性能和聚合物的低聲阻抗和高柔韌性。為了說明本實施例所制備的壓電振子的性能，以PZT壓電陶瓷和環氧樹脂制備復合壓電振子為例，將本發明所制備的壓電振子與傳統技術所制備的復合壓電振子的電學性能進行了比較。圖3是兩種復合壓電振子的電學阻抗頻譜，可以推算出，使用本發明的壓電振子，進一步提高了機電耦合系數kt(由70%增至74% )和降低了機械品質因數Q值(由 23減至15)，可提高超聲換能器的頻帶寬度和軸向分辨率。此外，分別模擬比較了兩種復合壓電振子應用于超聲換能器的特性，如圖4-1及4-2和圖5-1及5-2所示。圖4_1及4_2 是超聲波回波特性比較圖，從圖中結果來看，使用本發明的復合壓電振子，超聲換能器的頻帶寬度被大幅度提升(由34%提高到61% )。圖5-1及5-2為聲場特性比較圖，從聲場的相對強度來看，使用本發明所制備的復合壓電振子，焦點位置處的聚焦范圍更加集中，而且近場連續出現的較高聲強也被削弱了，因此能夠獲得更好的橫向和軸向分辨率，提高超聲圖像的質量。本發明的方案中，從根本上優化超聲換能器的核心部件即壓電振子的特性，包括機電轉換特性，以及能量聚焦特性等等。從而提高超聲換能器的靈敏度和帶寬。另一方面， 壓電復合材料可以有效發揮壓電材料優異的電學性能和高分子材料的柔性優點。
權利要求
1.一種復合壓電振子，其特征在于，包括呈陣列分布的多個壓電柱，所述多個壓電柱由聚合物粘結成一復合體，所述復合體的上表面為內凹的曲面，所述多個壓電柱的上端面暴露于所述上表面，所述多個壓電柱的下端面暴露于所述復合體的下表面，所述上表面及所述下表面分別鍍有一層電極材料。
2.根據權利要求1所述的壓電振子，其特征在于，所述壓電柱的高度不小于所述壓電柱的寬度的2. 5倍。
3.根據權利要求2所述的壓電端子，其特征在于，所述多個壓電柱中，相鄰壓電柱之間的排列間隔均相等。
4.根據權利要求3所述的壓電振子，其特征在于，所述壓電柱的體積分數范圍為 40%-90%，所述體積分數根據公式ρ2/ (p+w)2而得，其中，所述w是所述相鄰壓電柱之間的排列間隔，所述P是所述壓電柱的寬度。
5.一種復合壓電振子的制備方法，其特征在于，所述方法包括S1、將壓電塊料沿豎直方向極化；S2、對所述壓電塊料進行縱向線切割開槽，得到多個縱向槽，其中，每個縱向槽的寬度、 高度均相同，所述縱向槽的深度小于所述壓電塊料的上表面與下表面之間的距離；S3、將進行縱向線切割后的壓電塊料進行橫向線切割開槽，得到多個橫向槽，形成呈陣列分布的多個壓電柱，其中，每個橫向槽的寬度、深度均相同，所述橫向槽的寬度、深度分別與所述縱向槽的寬度、深度相同；S4、將進行橫向線切割后的壓電塊料內置于腔體中，所述腔體設置有供聚合物滲入其內部的缺口，所述腔體的高度略大于所述壓電塊料的高度；S5、將具有流動性的聚合物從所述缺口中導入，所述聚合物填充所述多個橫向及縱向槽；S6、將滲入聚合物后的腔體置于真空環境中去除所述聚合物中的氣泡；S7、將抽真空去除所述聚合物的氣泡后的腔體固化，使得所述壓電塊料與所述聚合物形成一復合體；S8、從腔體中取出所述復合體；S9、打磨所述復合體的下表面，直到露出所述聚合物，并且所述壓電柱的下端面暴露在所述下表面為止；S10、將所述復合體的上表面打磨成向內凹的曲面，并且使所述壓電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鍍一層電極材料，得到壓電振子。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述多個橫向槽中，相鄰的橫向槽之間的排列間隔均相等，所述多個縱向線槽中，相鄰的縱向槽之間的排列間隔均相等，所述相鄰的橫向槽之間的排列間隔等于所述相鄰的縱向槽之間的排列間隔。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述壓電柱的寬度不大于所述縱向槽的深度的2/5。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述壓電柱的體積分數為40%-90%，所述體積分數根據公式P2/(P+W)2所得，其中，所述P是所述相鄰的縱向槽之間的排列間隔，所述w是所述每個縱向槽的寬度。
9.根據權利要求6至8任意一項所述的方法，其特征在于，所述聚合物是以下的任一種環氧樹脂、聚氨酯、硅橡膠。
全文摘要
本發明公開了一種復合壓電振子及其制備方法，該壓電振子包括呈陣列分布的多個壓電柱，多個壓電柱由聚合物粘結成一復合體，復合體的上表面為內凹的曲面，多個壓電柱的上端面暴露于該上表面，該多個壓電柱的下端面暴露于該復合體的下表面，該上表面及該下表面分別鍍有一層電極材料。本發明的方案中，由于作為壓電振子的發射面的上表面內凹，可將聲波的能量集中在需要探測的區域，可提高超聲換能器的靈敏度及橫向分辨率，提升機電耦合系數，有效地降低了機械品質因數值。此外，該壓電振子本身由于上表面內凹而聚焦，因此不需要額外使用聲透鏡材料，精簡了超聲換能器的結構和減少聲透鏡造成的聲波傳輸過程中能量的損失。
文檔編號H03H9/02GK102594278SQ20111000112
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月5日 優先權日2011年1月5日
發明者周丹, 張國峰, 戴吉巖, 林國豪, 陳燕, 陳王麗華 申請人:香港理工大學