本發(fā)明涉及一種無(wú)損檢測(cè)超聲換能器，特別是一種用于檢測(cè)的接觸式相控陣超聲換能器及其制備方法。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)八十年代起，相控陣超聲換能器開(kāi)始出現(xiàn)于醫(yī)療檢測(cè)體系中，主要應(yīng)用于被檢測(cè)器官成像及癌癥治療。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相控陣檢測(cè)設(shè)備趨于簡(jiǎn)單，成本降低，使其廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如核電站主泵隔熱板的檢測(cè)；核廢料罐電子束環(huán)焊縫的全自動(dòng)檢測(cè)及薄鋁板摩擦焊縫熱疲勞裂紋的檢測(cè)。伴隨數(shù)字電子技術(shù)和dsp技術(shù)的發(fā)展，使得精確延時(shí)越來(lái)越方便，因此近幾年,超聲相控陣技術(shù)發(fā)展的尤為迅速。

超聲相控陣是超聲換能器的組合，由多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束(波陣面)的形狀和方向，能實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。它為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供出比單個(gè)或多個(gè)換能器系統(tǒng)更大的能力。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過(guò)控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時(shí)間，改變聲波到達(dá)(或來(lái)自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和聲束方向的變化，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。然后采用機(jī)械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像成像。

由于相控陣超聲換能器具有多個(gè)壓電晶片，因此在制作相控陣超聲換能器時(shí)如何確保壓電晶片可以獨(dú)立工作、避免因電極問(wèn)題相互干擾而造成的短路或者失效是制作相控陣超聲換能器的關(guān)鍵，尤其是對(duì)大規(guī)模的集成壓電晶片陣，這一問(wèn)題更為重要。目前廣泛采用的方式是利用點(diǎn)焊的方式先將電極引出，然后在填充可固化流體吸聲材料，待流體材料固化后以實(shí)現(xiàn)吸聲目的。但是這一方法可能導(dǎo)致電極偏折、固化過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、脫殼等等問(wèn)題，并且由于固化流體吸聲材料的吸聲性能低于固體吸聲材料，影響相控陣超聲換能器的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于檢測(cè)的接觸式超聲換能器及其制備方法。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種接觸式超聲換能器，包括背襯材料層、壓電復(fù)合材料層和匹配層，背襯材料層、壓電復(fù)合材料層和匹配層由上至下依次設(shè)置；壓電復(fù)合材料層上表面設(shè)置有橫向溝槽和縱向溝槽，從而將壓電復(fù)合材料層分成一組子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)金屬電極；每個(gè)金屬電極對(duì)應(yīng)的背襯材料層上設(shè)置有一個(gè)對(duì)應(yīng)的喇叭形通孔。

本發(fā)明中，所述喇叭形通孔為一端大另一端小的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，所述喇叭形通孔的內(nèi)壁設(shè)有金屬層。

本發(fā)明中，背襯材料層的底面設(shè)置有與壓電復(fù)合材料層的橫向溝槽和縱向溝槽對(duì)應(yīng)的溝槽。

本發(fā)明中，背襯材料層的頂面也設(shè)置有與壓電復(fù)合材料層的橫向溝槽和縱向溝槽對(duì)應(yīng)的溝槽。

本發(fā)明中，壓電復(fù)合材料層和匹配層中間引出用于接地的第一電極。

本發(fā)明中，金屬電極與金屬層共同組成第二電極組。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種接觸式超聲換能器的制備方法，包括以下步驟

步驟1，加工背襯材料，采用機(jī)械加工方式制作喇叭狀通孔，孔徑尺寸為0.1～0.9mm；

步驟2，在背襯材料及喇叭狀通孔中制作電極，制作完成后去除多余部分電極形成孔徑電極；

步驟3，在背襯材料一側(cè)表面制作橫向溝槽和縱向溝槽；

步驟4，將壓電陶瓷復(fù)合材料打磨至0.1～2mm；

步驟5，可以采用化學(xué)電鍍或者電子濺射等方法制作壓電陶瓷復(fù)合材料層電極，制作完成后去除多余部分電極；

步驟6，在壓電陶瓷復(fù)合材料上表面制作與背襯材料相適配的橫向溝槽和縱向溝槽；

步驟7，打磨匹配層材料；

步驟8，采用粘接材料將背襯材料、壓電陶瓷復(fù)合材料及匹配層粘接在一起；

在匹配層和壓電陶瓷復(fù)合材料層底面之間放置薄金屬片作為電極引出；壓電陶瓷復(fù)合材料層的頂面及背襯材料通過(guò)壓電陶瓷復(fù)合材料電極、背襯材料電極面及孔徑電極分別引出，形成面振換能器陣列。

本發(fā)明中，所述壓電元件層可以為鈮銦酸鉛、鈮鎂酸鉛、鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛或者鈦酸鉛與聚合物以一定的比例組成；

本發(fā)明中，所述背襯層采用多通孔吸聲材料，并且背襯層底面有多個(gè)縱列及橫列溝槽結(jié)構(gòu)，寬度為0.01～0.18mm，深度為0.1～0.15mm；其尺寸與聲波波長(zhǎng)及單振源尺寸相關(guān)；

本發(fā)明中，所述背襯層中通孔結(jié)構(gòu)為一端大另一端小喇叭形結(jié)構(gòu)，其中小的一端孔徑尺寸為0.05mm～0.7mm，大的一端孔徑尺寸在0.1mm～0.9mm。

本發(fā)明中，所述壓電元件層厚度與相控陣超聲換能器頻率相關(guān)，厚度范圍為0.1～2mm；

本發(fā)明中，所述匹配層厚度與相控陣超聲換能器頻率相關(guān)，厚度范圍為0.05～1mm；

本發(fā)明中，所述壓電元件層一面為點(diǎn)陣相控陣面，一面為超聲輻射面；

有益效果：1、本發(fā)明中采用在背襯層中制作通孔電極的方法將電極引出，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中背襯材料可選擇范圍小、阻抗匹配困難的問(wèn)題，使得在實(shí)際加工中，可以選擇更匹配的背襯層材料，提高相控陣超聲換能器的工作帶寬和靈敏度；2、本發(fā)明中采用在背襯層中制作通孔電極的方法將電極引出，可以有效的避免各電極之間的干擾，高效的將壓電基元的電極引出，提高相控陣超聲換能器的成品率。3、本發(fā)明中所述背襯層中通孔結(jié)構(gòu)為下窄上寬喇叭形結(jié)構(gòu)，便于背襯層頂部電極引出，同時(shí)也便于將多余的黏合劑及其中的空氣等排出；4、本發(fā)明中背襯層底面有多個(gè)縱列及橫列溝槽結(jié)構(gòu)，可以有效避免底面各壓電基元電極因相互接觸而導(dǎo)致?lián)Q能器失效；同時(shí)由于溝槽結(jié)構(gòu)的存在，可以將多余的黏合劑及其中的空氣等延溝槽結(jié)構(gòu)排出。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的具體說(shuō)明，本發(fā)明的上述和/或其他方面的優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖2是本發(fā)明柔性壓電復(fù)合層點(diǎn)陣相控陣面電極示意圖；

圖3是本發(fā)明背襯層俯視示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

如圖1～3所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種接觸式超聲換能器，包括面陣相控陣換能器功能部分1，面陣相控陣換能器功能部分1包括背襯材料層2、壓電復(fù)合材料層3和匹配層4，背襯材料層2、壓電復(fù)合材料層3和匹配層4由上至下依次設(shè)置；壓電復(fù)合材料層3上表面設(shè)置有橫向溝槽和縱向溝槽32，從而將壓電復(fù)合材料層3分成一組子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)金屬電極31；每個(gè)金屬電極對(duì)應(yīng)的背襯材料層2上設(shè)置有一個(gè)對(duì)應(yīng)的喇叭形通孔22。所述喇叭形通孔22為上大下小的結(jié)構(gòu)。所述喇叭形通孔22的內(nèi)壁設(shè)有金屬層23。背襯材料層2的底面設(shè)置有與壓電復(fù)合材料層3的橫向溝槽和縱向溝槽對(duì)應(yīng)的溝槽21。背襯材料層2的頂面也設(shè)置有與壓電復(fù)合材料層3的橫向溝槽和縱向溝槽對(duì)應(yīng)的溝槽24。壓電復(fù)合材料層3和匹配層4中間引出用于接地的第一電極5。金屬電極31與金屬層23共同組成第二電極組。

結(jié)合附圖1～3，以3.75mhz相控陣超聲換能器為例介紹本發(fā)明的工藝流程：

1、加工背襯材料，其厚度為4.0mm，采用機(jī)械加工方式制作喇叭狀通孔，底部孔徑為0.2mm，頂部孔徑為0.3mm；

2、在背襯材料及其孔徑中制作電極，厚度約為0.002mm，可以采用化學(xué)電鍍或者電子濺射等方法，制作完成后去除多余部分電極；

3、在背襯材料大面制作縱橫溝槽，單元尺寸為0.8*0.8mm。槽寬度為0.08mm，深度為0.12mm。

4、將壓電陶瓷復(fù)合材料打磨至0.6mm。

5、制作壓電陶瓷復(fù)合材料電極，可以采用化學(xué)電鍍或者電子濺射等方法，制作完成后去除多余部分電極；

6、在壓電陶瓷復(fù)合材料上表面制作縱橫溝槽，單元尺寸為0.8*0.8mm。槽寬度為0.08mm，深度為0.12mm；

7、將匹配層材料打磨至0.2mm；

8、采用粘接材料將背襯材料、壓電陶瓷復(fù)合材料及匹配層粘接在一起。粘接層可以采用環(huán)氧樹(shù)脂，粘接層厚度為0.05mm。在匹配層和壓電陶瓷復(fù)合材料(底面)之間放置薄金屬片作為電極引出；壓電陶瓷復(fù)合材料(頂面)及背襯材料通過(guò)壓電陶瓷復(fù)合材料電極、背襯材料電極面及孔徑電極分別引出，形成面振換能器陣列。

壓電復(fù)合材料是有兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。常見(jiàn)的柔性壓電復(fù)合材料為壓電陶瓷和聚合物(例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹(shù)脂)的兩相復(fù)合材料。這種柔性復(fù)合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長(zhǎng)處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配。此外，柔性壓電復(fù)合材料還具有壓電常數(shù)高的特點(diǎn)。柔性壓電復(fù)合材料在醫(yī)療、傳感、測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本實(shí)施例針對(duì)多點(diǎn)陣振源的相控振超聲換能器，通過(guò)超聲換能器背襯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)相控陣超聲換能器面陣部分電極引出方式，來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高電極可靠性。并且由于本發(fā)明沒(méi)有采用傳統(tǒng)相控陣換能器采用固化流體的方式制作背襯材料，使得背襯材料的選擇范圍更加廣泛，可以選擇性能更有的固體背襯材料，提高相控陣換能器的整體性能。

本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)的接觸式超聲換能器及其制備方法，具體實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。