專利名稱：一種柔性超聲相控陣陣列換能器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電超聲換能器，尤其涉及一種柔性超聲相控陣陣列換能器及制作方法。
背景技術(shù)：
目前超聲相控陣成像檢測(cè)的陣列換能器一般都是剛性的，其優(yōu)點(diǎn)是便于制作與定位。但對(duì)于表面不規(guī)則的物體,剛性探頭只能通過(guò)聲楔塊來(lái)匹配。聲楔塊可以分成柔性聲楔塊(通常用液態(tài)水)和剛性聲楔塊。剛性楔塊的特點(diǎn)是表面形狀不可變，適合批量檢測(cè)表面物理形狀規(guī)則的物體，但是對(duì)于復(fù)雜表面形狀的物體，例如:表面曲率連續(xù)變化的葉片，需要很多的楔塊來(lái)匹配不同的檢測(cè)區(qū)域，大大增加檢測(cè)成本，而對(duì)于表面曲率連續(xù)變化的情況則根本無(wú)法解決。柔性聲楔塊可以匹配不同表面形狀的物體，目前常用的是液浸法。但是有些物體或者工件由于結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)或者在役檢測(cè)的有效空間等原因，不宜使用液浸法。柔性超聲相控陣陣列換能器由于其具有形狀可隨物體表面形狀改變、無(wú)需使用聲楔塊、形狀尺寸可以做的很小等極為突出的優(yōu)點(diǎn)，成為解決表面不規(guī)則物體檢測(cè)的首選方法。國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公開(kāi)了一篇公開(kāi)號(hào)為CN101152646A的專利文件，該專利揭露了一種柔性超聲換能器陣列，超聲換能器單元以陣列形式安置于柔性層介質(zhì)中或表面而構(gòu)成柔性超聲換能器陣列，因其中柔性超聲換能器陣列能夠貼合各種具有不同表面形狀的身體部位，從而能夠獲得現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法達(dá)到的超聲治療/超聲成像有效果。但其主要應(yīng)用于超聲治療與醫(yī)學(xué)成像，由于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)物體與人體的差異(如聲阻抗、表面型貌等)，醫(yī)用探頭不能直接應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述中存在的問(wèn)題與缺陷，本發(fā)明提供了一種柔性超聲相控陣陣列換能器及制作方法。所述技術(shù)方案如下:柔性超聲相控陣陣列換能器，包括:柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片、阻尼背材、匹配層、柔性線路板、同軸電纜線和探頭接口 ；所述匹配層、柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成聲學(xué)疊層；所述柔性線路板與柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片連接，并從柔性線路板引出多芯同軸電纜線到所述探頭接口。柔性超聲相控陣陣列換能器的制作方法，包括:制作單晶體材料為壓電陶瓷復(fù)合材料；切割填充制備柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片，并測(cè)試柔性壓電陶瓷復(fù)合材料的聲學(xué) 生倉(cāng)泛;根據(jù)壓電陶瓷復(fù)合材料的聲學(xué)性能計(jì)算出所需要的匹配層和阻尼背材的聲學(xué)特性要求；根據(jù)計(jì)算出的匹配層和阻尼背材的聲學(xué)特性要求制備匹配層和阻尼背材；將匹配層與柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片粘接，粘接好后與柔性線路板和阻尼背材進(jìn)行粘接；對(duì)粘接好的疊層進(jìn)行陣列切割并對(duì)陣列切槽進(jìn)行填充；將柔性線路板與同軸電纜線進(jìn)行焊接，并與粘接后的匹配層、柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片、柔性線路板和阻尼背材進(jìn)行裝配。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:壓電晶片做成柔性壓電復(fù)合材料，背襯材料、匹配層、線路板等也做成柔性,解決掉探頭不能隨物體形狀改變而改變的難題。本發(fā)明得到的示例柔性超聲相控陣陣列換能器厚度為3mm，最小彎曲半徑為3mm，中心頻率F。= 7.85MHz時(shí)，帶寬Bw = 87.78%，脈沖回波相對(duì)靈敏度Sr =— 36.54dB，相鄰陣元串?dāng)_為-34dB。


圖1是柔性超聲相控陣陣列換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是柔性壓電陶瓷復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是一維線陣柔性超聲相控陣陣列換能器的與物體耦合圖；圖4是二維矩陣柔性探頭示意圖；圖5是柔性相控陣探頭的回波測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖；圖6是柔性相控探頭的回波測(cè)試結(jié)果圖；圖7是柔性相控陣探頭的串?dāng)_測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述:本實(shí)施例提供了一種柔性超聲相控陣陣列換能器，參見(jiàn)圖1，為換能器結(jié)構(gòu)，包括柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片、阻尼背材、匹配層、柔性線路板、同軸電纜線和探頭接口 ；所述匹配層、柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成聲學(xué)疊層；所述柔性線路板與柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片連接，并從柔性線路板引出多芯同軸電纜線到所述探頭接口。上述柔性壓電陶瓷復(fù)合材料為鈮銦酸鉛、鈮鎂酸鉛和鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛和鈦酸鉛形成高介電常數(shù)的壓電陶瓷體。上述壓柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片的連通方式為1-3型。1-3型壓電陶瓷復(fù)合材料的被填充聚合物8材料包圍若干個(gè)壓電陶瓷纖維體7組成的(如圖2所示)，壓電陶瓷纖維通過(guò)切割的方法制得，該材料中壓電陶瓷纖維一維連通，聚合物材料則是三維連通。壓電陶瓷復(fù)合材料的素子縱橫比為3:1以上，同時(shí)素子間距小于換能器主頻信號(hào)在材料中橫波波長(zhǎng)的1/2，介電數(shù)不小于1500。上述匹配層由邵氏硬度A值30-50的環(huán)氧樹(shù)脂與金屬粉末聚合制成。
所述匹配層厚度為
權(quán)利要求
1.一種柔性超聲相控陣陣列換能器，其特征在于，所述換能器包括柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片、阻尼背材、匹配層、柔性線路板、同軸電纜線和探頭接口 ； 所述匹配層、柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成聲學(xué)疊層；所述柔性線路板與柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片連接，并從柔性線路板引出多芯同軸電纜線到所述探頭接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性超聲相控陣陣列換能器，其特征在于，所述柔性壓電陶瓷復(fù)合材料為鈮銦酸鉛、鈮鎂酸鉛和鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛和鈦酸鉛形成高介電常數(shù)的壓電陶瓷體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性超聲相控陣陣列換能器，其特征在于，所述柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片的厚度為100 1000微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性超聲相控陣陣列換能器，其特征在于，所述柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片的連通方式為1-3型； 壓電陶瓷復(fù)合材料的素子縱橫比為3:1以上，同時(shí)素子間距小于換能器主頻信號(hào)在材料中橫波波長(zhǎng)的1/2，介電數(shù)不小于1500。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性超聲相控陣陣列換能器，其特征在于，所述匹配層由硬度值為30 50的環(huán)氧樹(shù)脂與金屬粉末聚合制成，匹配層厚度為! _5%,③為換能器主 4頻信號(hào)在該匹配層中的縱波波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性超聲相控陣陣列換能器，其特征在于，所述阻尼背材由環(huán)氧樹(shù)脂和無(wú)機(jī)金屬粉末組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性超聲相控陣陣列換能器，其特征在于，所述柔性超聲相控陣陣列排布為一維陣線或二維矩陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性超聲相控陣陣列換能器，其特征在于，所述換能器用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)。
9.一種柔性超聲相控陣陣列換能器的制作方法，其特征在于，所述方法包括: 制作單晶體材料為壓電陶瓷復(fù)合材料； 切割填充制備柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片，并測(cè)試柔性壓電陶瓷復(fù)合材料的聲學(xué)性倉(cāng)泛; 根據(jù)壓電陶瓷復(fù)合材料的聲學(xué)性能計(jì)算出所需要的匹配層和阻尼背材的聲學(xué)特性要求； 根據(jù)計(jì)算出的匹配層和阻尼背材的聲學(xué)特性要求制備匹配層和阻尼背材； 將匹配層與柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片粘接，粘接好后與柔性線路板和阻尼背材進(jìn)行粘接； 對(duì)粘接好的疊層進(jìn)行陣列切割并對(duì)陣列切槽進(jìn)行填充； 將柔性線路板與同軸電纜線進(jìn)行焊接，并與粘接后的匹配層、柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片、柔性線路板和阻尼背材進(jìn)行裝配。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的柔性超聲相控陣陣列換能器的制作方法，其特征在于， 所述壓電陶瓷復(fù)合材料中壓電素子為細(xì)纖維狀，且素子間距小于換能器主頻信號(hào)在材料中橫波波長(zhǎng)的1/2 ； 所述匹配層的厚度為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種柔性超聲相控陣陣列換能器，所述換能器包括柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片、阻尼背材、匹配層、柔性線路板、同軸電纜線和探頭接口；所述匹配層、柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成聲學(xué)疊層；所述柔性線路板與柔性壓電陶瓷復(fù)合材料晶片連接，并從柔性線路板引出多芯同軸電纜線到所述探頭接口。本發(fā)明得到的超聲換能器中心頻率Fc＝7.85MH時(shí)，帶寬可達(dá)Bw＝87.78％，脈沖回波靈敏度可達(dá)Sr＝－36.54dB，相鄰近陣元串?dāng)_為-34dB。這種換能器用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)。
文檔編號(hào)B06B1/06GK103157594SQ20131009760
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者蔡慶生, 龍紹軍, 紀(jì)軒榮 申請(qǐng)人:廣州多浦樂(lè)電子科技有限公司