CN111403594A - 一种用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法 - Google Patents

一种用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法。该敏感元件包括带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板；所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。该制备方法包括：沿着X方向切割压电材料片；沿着Y方向切割压电材料片，形成带基底的压电小柱阵列；在压电小柱阵列的上表面粘接金属板。利用该敏感元件，可进一步制作水声换能器。本发明将压电材料中填充的聚合物更换为空气，同时在其上表面盖金属板，能够有效提高机电耦合系数和接收灵敏度。

Description

一种用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法
技术领域
本发明属于压电材料、水声换能器技术领域，具体涉及一种用于制作高灵敏度水声换能器的压电材料和空气组成的敏感元件及其制备方法。
背景技术
目前水声换能器的研究主要集中在以下几个方面：(1)进一步降低工作频率(这主要是针对低频换能器)，增大发射声功率，以增加换能器发、收声波的传播距离。(2)拓展换能器的工作带宽。(3)提高换能器的灵敏度，即提高换能器的机电转换性能，也就是提高发射电压响应和接收灵敏度。提高发射电压响应可以增加换能器发射声波的能力，提高接收灵敏度可以提高对微弱信号(如静音潜艇)的探测能力。
提高换能器的灵敏度，主要是通过提高换能器的机电转换效率，换能器发射电压响应和接收灵敏度都反映了机电转换效率的高低。机电转换效率正比于机电耦合系数的平方，提高机电转换效率最终落在提高机电耦合系数上。提高机电耦合系数是换能器研究方面永远追求的目标，也是国际上换能器研究领域所面临的难点。对所有材料来说，纵向伸缩振动模态的机电耦合系数k33都大于厚度振动模态的机电耦合系数kt。所以，如能将压电材料的厚度振动模态转化为纵向伸缩振动模态，其机电耦合系数将会得到提高。研究者们意识到，复合材料内部压电材料的振动模态是影响复合材料性能的主要因素。例如，1-3型压电复合材料就是通过将整块压电材料的厚度振动转化为许多压电小柱的纵向伸缩振动，来提高性能的。通过改变材料的振动模态，1-3型压电复合材料等效厚度机电耦合系数会比纯压电材料厚度机电耦合系数提升约20％。通过对各种复合材料的研究，大家基本倾向于使用1-3型和1-3-2型压电复合材料。因为它们具有制备工艺简单、压电性强、机电耦合系数大的特点。总之，通过复合材料，可以将压电材料的厚度振动模态转变为压电小柱的纵向伸缩振动模态，提高机电耦合系数，从而提高换能器的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制作高灵敏平面水声换能器的敏感元件及其制备方法，提高机电耦合系数、提高换能器的灵敏度是本发明研究的主要问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件，包括带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板；所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。
进一步地，所述带基底的压电小柱阵列采用的压电材料为压电陶瓷或压电单晶。
进一步地，所述带基底的压电小柱阵列和所述金属板的外形为正方形、长方形或圆形等。
进一步地，所述基底的下表面镀有电极。
一种制备所述用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件的方法，包括以下步骤：
沿着X方向切割已在厚度方向极化的上下表面镀有电极的压电材料片；
沿着Y方向切割压电材料片，形成带基底的压电小柱阵列；
在压电小柱阵列的上表面粘接金属板(如铜板)。
一种水声换能器，包括所述用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件，所述敏感元件的上下表面引出电极引线，所述敏感元件的下表面(即背面)粘接吸声层和金属后盖板，所述敏感元件、吸声层和金属后盖板外部设有防水透声层。
进一步地，所述吸声层为硬质泡沫，所述金属后盖板的材质为不锈钢.
进一步地，所述防水透声层采用聚氨酯胶封并固化形成。
本发明将压电小柱中填充的聚合物更换为空气，可使换能材料获得高机电耦合系数和接收灵敏度，其优点和有益效果为：
(1)在宏观上，可以避免整块材料非厚度振动模态的存在，使整块材料厚度振动模态变得单纯，提高有效机电耦合系数。
(2)由压电小柱构成的整块材料的厚度振动体现为压电小柱的纵振的集体行为，即压电材料的机电耦合系数由kt转变为k33，提高了机电耦合系数，从而可提高换能器的发射电压响应和接收灵敏度。
(3)通过上表面的金属板，将声场中的声压传递到压电小柱上，起到应力放大作用，进一步提高换能器的接收灵敏度。
本发明的换能器有助于提高高频声呐的探测精度，特别是接收声呐的接收灵敏度。
附图说明
图1是“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构示意图。
图2是“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的敏感元件制备过程示意图。
图3是换能器的封装结构示意图。
图4是一个压电小柱单元1/4结构图。
图5是带铜盖板的压电小柱阵列结构的电导曲线图。
图6是带金属板的压电小柱阵列结构在谐振处的振动位移图，其中(a)图是振动相位角θ为0°的情况，(b)图是振动相位角θ为180°的情况。
图7是“添加环氧树脂的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应和接收灵敏度图，其中(a)图是发送电压响应，(b)图是接收灵敏度。
图8是“不添加聚合物的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应和接收灵敏度图，其中(a)图是发送电压响应，(b)图是接收灵敏度。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
本发明研制一种高灵敏平面水声换能器，该换能器的主要特点为高灵敏。高灵敏通过提高机电耦合系数和应力放大效应实现。
换能器灵敏度对于发射换能器来说称为发射电压响应，对接收换能器来说称为接收灵敏度。提高灵敏度可通过提高机电耦合系数实现。另外，对于接收换能器来说，应力放大也能提高接收灵敏度。本发明采用“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构作为敏感元件。其中带基底的压电小柱阵列所采用的的压电材料可以是压电陶瓷(如PZT)、压电单晶等。下面主要以压电陶瓷为例进行说明。
1.敏感元件的结构：带基底的压电小柱阵列+金属板
图1为“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构敏感元件的示意图。该结构包括由压电陶瓷垂直切割形成的带基底的压电小柱，用空气代替聚合物充填压电小柱缝隙，在压电小柱上面粘接金属板，压电陶瓷基底的底面镀电极。
该“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的特点是：
1)采用不添加聚合物的压电小柱阵列结构，能够提高机电耦合系数。
通常人们习惯于用切割压电材料浇注聚合物(如环氧树脂)的方法制备1-3型压电复合材料，它使压电材料从厚度振动模态转为压电小柱的纵向伸缩振动模态，从而提高机电耦合系数。但由于聚合物的加入，增加了损耗，同时有损于机电耦合系数的提高。本发明的“不添加聚合物的压电小柱阵列结构”，用空气代替聚合物充填压电小柱缝隙，可充分突显压电小柱的纵振行为，使压电材料的厚度振动更大程度体现为压电小柱的纵振行为，可最大限度的提高机电耦合系数。
该“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构是在1-3-2型复合材料基础上进行的改进(即将1-3-2型压电复合材料的聚合物部分去掉)，体现压电小柱阵列的d33振动模态，获得高的机电耦合系数；一方面，压电材料的机电耦合系数由kt转变为k33，提高了机电耦合系数；另一方面，消除了压电小柱间横向耦合，使整块材料厚度振动模态变得单纯，提高了有效机电耦合系数。
2)金属板可以将来自声场的声压传到每个压电小柱上，增大了压电小柱内部的应力，起到应力放大作用，通过压电小柱应力放大效应，提高换能材料的接收灵敏度。即对于接收换能器来说，通过应力放大可提高接收灵敏度。另外金属板还能起到框架支撑作用。
需要说明的是，该“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的形状(俯视的角度)不限于图1中的正方形，也可以是长方形、圆形等。下面主要以图1所示的正方形结构为例进行说明。
2.敏感元件的制备方法
图2为上述“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的敏感元件制备过程示意图，包括以下步骤：
1)获取压电陶瓷片，如图2中(a)图所示；压电陶瓷片是已在厚度方向极化了的上下表面镀有电极的压电陶瓷片；
2)沿着X方向切割压电陶瓷片，切割后如图2中(b)图所示；
3)沿着Y方向切割压电陶瓷片，形成带有基底的压电材料方形小柱阵列，如图2中(c)图所示；
4)在压电小柱上面粘接金属板(金属板的厚度远小于声波的波长，金属板的杨氏模量越大越好，密度越小越好)，形成“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构，如图2中(d)图所示。
3.换能器的整体封装
利用上述“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构的敏感元件制备成的换能器的封装结构如图3所示。该敏感元件的上下表面的电极(上表面以金属层为电极，下表面镀电极)引出电极引线，然后和硬质泡沫(吸声层)、金属后盖板粘接在一起，用聚氨酯胶封，固化形成防水透声层，完成换能器的制作。将换能器置于消声水池中，依据相关标准进行全性能测试(包括换能器的发射电压响应、接收灵敏度、频带宽度，以及指向性等)。
4.可行性分析及实验测试
1)采用“带基底的压电小柱阵列+金属板”提高灵敏度的可行性
通过应力放大作用，可提高换能器的接收灵敏度。如图4所示，来自声场的声压即敏感元件上表面受压强为p，压电小柱上纵向应力为T3,金属板很薄(金属板厚度远小于金属板中声波的波长)，声压p通过金属板作用在压电小柱上，压电小柱上承受的应力可近似为：
Figure BDA0002392614560000051
式中，w和w1分别为阵列单元和压电小柱的宽度。
作用在压电小柱上的应力大于外声场中的声压，压电小柱上机-电耦合出来的电场变大了，上下极板间的电压就变大了，换能材料的接收灵敏度便提高了。
利用g型压电方程：
Figure BDA0002392614560000052
式中，E3为沿压电小柱长度方向的电场强度，g33为压电(劲度)常数，
Figure BDA0002392614560000053
为恒应力下的介电隔离率,D3为沿压电小柱长度方向的电位移。在仅考虑应力的情况下，E3＝-g33T3，这样压电小柱上产生的电压为：
V＝-g33T3h1
式中h1为小柱的高度，h为压电材料(基底+压电小柱)的高度，换能器的接收灵敏度约提高
Figure BDA0002392614560000054
倍。
所以通过金属板，提高换能器的接收灵敏度。
2)换能器的性能测试及比较
本实施例对PZT-5A压电陶瓷材料进行切割，得到带基底的压电小柱阵列结构，用导电胶将金属铜板和切割好的压电陶瓷小柱阵列粘接在一起，得到带铜盖板的PZT小柱阵列结构。分别采用阻抗分析仪和激光测振仪对“带铜盖板的PZT小柱阵列结构”元件进行测试，测试结果如图5、6所示。图5的电导曲线中可以看出，其谐振频率是175kHz；图6的振动位移图(图中θ表示振动相位角)中可以看出，谐振时整个铜盖板在步调一致的上下振动。
本发明制作了同尺寸情况下的“不添加聚合物的带基底的PZT小柱阵列+金属板”的换能器，和“添加环氧树脂的带基底的PZT小柱阵列结构+金属板”换能器。在消声水池中分别对它们进行发送电压响应和接收灵敏度的测试，图7是“添加环氧树脂的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应((a)图)和接收灵敏度((b)图)，图8是“不添加聚合物的PZT小柱阵列结构”换能器的发送电压响应((a)图)和接收灵敏度((b)图)。
图7中，“添加环氧树脂的PZT小柱阵列结构”换能器发送电压响应达到157dB，接收灵敏度达到-195dB。图8中，“不添加聚合物的PZT小柱阵列结构”换能器发送电压响应达到163dB，增加6dB；接收灵敏度达到-169dB，增大26dB。可见“不添加聚合物的压电小柱阵列结构”换能器的性能优越于“添加环氧树脂的压电小柱阵列结构”换能器。
综上，本发明的特色与创新之处主要包括：
1)用空气代替聚合物充填压电小柱缝隙，可充分突显压电小柱的纵振行为，使压电材料的厚度振动更大程度体现为压电小柱的纵振行为，从而提高机电耦合系数。
2)通过盖金属板使压电小柱应力放大，提高换能器的接收灵敏度。
3)采用“带基底的压电小柱阵列+金属板”结构，可获得较大的机电耦合系数和接收灵敏度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的原理和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件，其特征在于，包括带基底的压电小柱阵列，以及固定安装在压电小柱阵列的上表面的金属板；所述压电小柱阵列中压电小柱之间的缝隙内填充空气。
2.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述带基底的压电小柱阵列采用的压电材料为压电陶瓷或压电单晶。
3.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述带基底的压电小柱阵列和所述金属板的外形为下列中的一种：正方形、长方形或圆形。
4.根据权利要求1所述的敏感元件，其特征在于，所述基底的下表面镀有电极。
5.一种制备权利要求1所述用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
沿着X方向切割已在厚度方向极化的上下表面镀有电极的压电材料片；
沿着Y方向切割压电材料片，形成带基底的压电小柱阵列；
在压电小柱阵列的上表面粘接金属板。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在所述基底的下表面镀电极的步骤。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压电材料为压电陶瓷或压电单晶。
8.一种水声换能器，其特征在于，包括权利要求1～4中任一权利要求所述的用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件，所述敏感元件的上下表面引出电极引线，所述敏感元件下表面粘接吸声层和金属后盖板，所述敏感元件、吸声层和金属后盖板外部设有防水透声层。
9.根据权利要求8所述的水声换能器，其特征在于，所述吸声层为硬质泡沫，所述金属后盖板的材质为不锈钢。
10.根据权利要求8所述的水声换能器，其特征在于，所述防水透声层采用聚氨酯胶封并固化形成。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114071346A (zh) * 2021-11-16 2022-02-18 北京信息科技大学 双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺
CN115474128A (zh) * 2022-10-19 2022-12-13 哈尔滨工业大学（威海） 一种高灵敏度水声换能器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1990016087A2 (en) * 1989-06-07 1990-12-27 Interspec, Inc. Piezoelectric device with air-filled kerf
JPH08275295A (ja) * 1995-03-29 1996-10-18 Tokin Corp 音響トランスデューサー
CN203787081U (zh) * 2014-04-15 2014-08-20 国家海洋技术中心 一种水声换能器
CN109569999A (zh) * 2017-09-29 2019-04-05 奥林巴斯科技美国公司 使用气凝胶作为填充材料的超声换能器
CN110227639A (zh) * 2019-04-30 2019-09-13 上海船舶电子设备研究所(中国船舶重工集团公司第七二六研究所) 宽带换能器及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1990016087A2 (en) * 1989-06-07 1990-12-27 Interspec, Inc. Piezoelectric device with air-filled kerf
JPH08275295A (ja) * 1995-03-29 1996-10-18 Tokin Corp 音響トランスデューサー
CN203787081U (zh) * 2014-04-15 2014-08-20 国家海洋技术中心 一种水声换能器
CN109569999A (zh) * 2017-09-29 2019-04-05 奥林巴斯科技美国公司 使用气凝胶作为填充材料的超声换能器
CN110227639A (zh) * 2019-04-30 2019-09-13 上海船舶电子设备研究所(中国船舶重工集团公司第七二六研究所) 宽带换能器及其制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114071346A (zh) * 2021-11-16 2022-02-18 北京信息科技大学 双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺
CN115474128A (zh) * 2022-10-19 2022-12-13 哈尔滨工业大学（威海） 一种高灵敏度水声换能器
CN115474128B (zh) * 2022-10-19 2024-03-08 哈尔滨工业大学（威海） 一种高灵敏度水声换能器

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