双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺

摘要

本发明公开了双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺，所述敏感元件包括压电小柱阵列，所述压电小柱阵列包括若干压电小柱，所述压电小柱的两端分别设置有第一金属板和第二金属板，所述第二金属板厚度大于所述第一金属板；所述制备工艺为，步骤1，沿X、Y方向切割压电材料片上表面，形成带基底的压电小柱阵列；步骤2，在压电小柱阵列的上表面黏贴第二金属板，然后翻转所述压电材料片，沿X、Y方向切割压电材料片下表面，形成完全贯穿的压电小柱阵列,在所述压电小柱阵列的下表面贴附第一金属板；本发明为双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺，通过上述的方案，提高了机电耦合系数，且提高了换能器的接收灵敏度。

权利要求

1.一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件，其特征在于，包括压电小柱阵列，所述压电小柱阵列包括若干压电小柱，所述压电小柱的两端分别设置有厚度不同的第一金属板和第二金属板，所述第二金属板厚度大于所述第一金属板；所述第一金属板和第二金属板的侧部还设置有密封外壳，以密封所述压电小柱阵列；所述第二金属板相对所述压电小柱的一面贴合有吸声层，所述吸声层相对所述第二金属板的一面设置有金属后盖板，所述金属后盖板内贯穿有导线，导线内部的正电极引线与所述第二金属板连接，导线内部的负电极引线与所述第一金属板连接；所述密封外壳、所述第一金属板、所述第二金属板、所述吸声层和所述金属后盖板的外侧共同附有防水透声层。

2.根据权利要求1所述的一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件，其特征在于，所述压电小柱阵列、所述第一金属板和所述第二金属板的横截面形状为正方形、长方形和圆形中的任意一种形状。

3.根据权利要求1所述的一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件，其特征在于，所述吸声层为硬质泡沫。

4.根据权利要求1所述的一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件，其特征在于，所述防水透声层采用聚氨酯胶封并固化形成。

5.一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤:

步骤1，沿X、Y方向切割压电材料片上表面，形成带基底的压电小柱阵列；

步骤2，在压电小柱阵列的上表面黏贴第二金属板，然后翻转所述压电材料片，沿X、Y方向切割压电材料片下表面，形成完全贯穿的压电小柱阵列,在所述压电小柱阵列的下表面贴附第一金属板，所述第二金属板厚度大于所述第一金属板；

步骤3，对所述压电小柱阵列的侧部套接密封外壳，以密封所述压电小柱阵列；

步骤4，在所述第二金属板相对所述压电小柱阵列的一面贴附有硬质泡沫当做吸声层，在所述硬质泡沫相对所述第二金属板的一面贴附有金属后盖板，在所述金属后盖板中部贯穿有导线，并将所述导线内部的正电极引线和负电极引线从所述硬质泡沫和所述金属后盖板之间引出，其中所述正电极引线与所述第二金属板连接，所述负电极引线与所述第一金属板连接；

步骤5，在所述密封外壳、第一金属板、第二金属板、所述吸声层和所述金属后盖板的外侧涂覆聚氨酯以胶封固化成防水透声层。

说明书

双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及水声换能器技术领域，尤其是涉及双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺。

背景技术

[0002] 当下针对于中高频水声换能器的研究主要集中在两个方面：

[0003] 1、拓展换能器的工作带宽；拓展带宽可以实现对于水声信号的保真处理，更准确地获取目标信息；同时也可以精确目标位置，提高基阵的分辨率。

[0004] 2、提高换能器的灵敏度，即通过提高换能器的机电转换效率，实现提高发射电压响应和接收灵敏度；提高发射电压响应可以使换能器在同样的驱动电压的情况下，发出更强的声压，产生更多的辐射声能；提高接收灵敏度可以提高换能器接收微弱信号的能力，也可以增大探测范围。

[0005] 提高换能器的灵敏度，主要方法是通过提高换能器的机电转换效率，从而实现提高换能器的发射电压响应和接收灵敏度。换能器的机电转换效率正比于机电耦合系数的平方，所以提高机电转换效率最终也就是提高机电耦合系数。如何提高机电耦合系数是当前换能器研究的重点内容，同时也是难点部分。对压电材料来说，其纵向伸缩振动模态的机电耦合系数k33一般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。目前最流行的压电复合结构材料，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，改变了材料的振动模态从而来提高性能的。通过将单相的压电材料切割成压电小柱阵列，其整块压电材料的厚度振动(机电耦合系数kt约为0.5)将转化为压电小柱阵列的纵向长度伸缩振动(机电耦合系数k33约为0.7)，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％。1‑3型压电复合材料优点除了通过改变振动模态，提高机电耦合系数外，在压电小柱阵列间添加聚合物，也可以一方面增大材料的损耗，降低Q值，从而拓展带宽，另一方面也可以使切割完的小柱阵列结构得到加固。不过，由于在压电小柱阵列间添加聚合物，同时也会带来以下的缺点：

[0006] (a)增大能量损耗，降低机电耦合系数；

[0007] (b)增大压电小柱间的横向耦合，不利于振动模态的单一化，使得有效机电耦合系数降低；

[0008] (c)损耗聚合物的加入，导致器件容易发热，特别是在换能器连续工作的情况下，由于发热，会导致敏感元件变形，从而使得换能器的性能发生很大的变化，以至损毁。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种能够提高机电耦合系数、提高换能器灵敏度的敏感元件。

[0010] 为实现上述目的，本发明提供了一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件，包括压电小柱阵列，所述压电小柱阵列包括若干压电小柱，所述压电小柱的两端分别设置有厚度不同的第一金属板和第二金属板，所述第二金属板厚度大于所述第一金属板；所述第一金属板和第二金属板的侧部还设置有密封外壳，以密封所述压电小柱阵列；所述第二金属板相对所述压电小柱的一面贴合有吸声层，所述吸声层相对所述第二金属板的一面设置有金属后盖板，所述金属后盖板内贯穿有导线，导线内部的正电极引线与所述第二金属板连接，导线内部的负电极引线与所述第一金属板连接；所述密封外壳、所述第一金属板、所述第二金属板、所述吸声层和所述金属后盖板的外侧共同附有防水透声层。

[0011] 优选的，所述压电小柱阵列、所述第一金属板和所述第二金属板的横截面形状为正方形、长方形和圆形中的任意一种形状。

[0012] 优选的，所述吸声层为硬质泡沫。

[0013] 优选的，所述防水透声层采用聚氨酯胶封并固化形成。

[0014] 一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件的制备工艺，包括如下步骤:步骤1，沿X、Y方向切割压电材料片上表面，形成带基底的压电小柱阵列；步骤2，在压电小柱阵列的上表面黏贴第二金属板，然后翻转所述压电材料片，沿X、Y方向切割压电材料片下表面，形成完全贯穿的压电小柱阵列,在所述压电小柱阵列的下表面贴附第一金属板；步骤3，对所述压电小柱阵列的侧部套接密封壳，以密封所述压电小柱阵列；步骤4，在所述第二金属板相对所述压电小柱阵列的一面贴附有硬质泡沫当做吸声层，在所述硬质泡沫相对所述第二金属板的一面贴附有金属后盖板，在所述金属后盖板中部贯穿有导线，并将所述导线内部的正电极引线和负电极引线从所述硬质泡沫和所述金属后盖板之间引出，其中所述正电极引线与所述第二金属板连接，所述负电极引线与所述第一金属板连接；步骤5，在所述密封外壳、第一金属板、第二金属板、所述吸声层和所述金属后盖板的外侧涂覆聚氨酯以胶封固化成防水透声层。

[0015] 因此，本发明采用上述结构的双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺，具有如下优点，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；通过盖薄的第一金属板使压电小柱应力放大，提高换能器的接收灵敏度；通过盖厚的第二金属板实现了后质量块的作用，进一步提升了换能器的灵敏度；同时厚的第二金属板可以作为底座，避免压电小柱分散。

[0016] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0017] 图1为本发明一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件的压电阵列的结构示意图；

[0018] 图2为本发明一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件的封装示意图；

[0019] 图3为本发明一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件的结构示意图；

[0020] 图4为本发明一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件的金属后盖板的结构示意图；

[0021] 图5为第一金属板和第二金属板夹持压电小柱阵列结构的电导曲线图；

[0022] 图6为第一金属板和第二金属板夹持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；

[0023] 图7为“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；

[0024] 图8为第一金属板和第二金属板夹持压电小柱阵列结构的换能器的发送电压响应、接收灵敏度、发射声源级和指向性图，其中(a)图是发送电压响应，(b)图是接收灵敏度，(c)是发射声源级，(d)是指向性图。

[0025] 附图标记

[0026] 1、压电小柱阵列；2、第一金属板；3、第二金属板；4、密封外壳；5、吸声层；6、金属后盖板；7、导线；8、正电极引线；9、负电极引线；10、防水透声层；11、压电小柱。

具体实施方式

[0027] 以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

[0028] 除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

[0029] 实施例

[0030] 如图所示，本发明的结构一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件，包括压电小柱阵列1，所述压电小柱阵列1包括若干压电小柱11，所述压电小柱11的两端分别设置有厚度不同的第一金属板2和第二金属板3，所述第二金属板3厚度大于所述第一金属板2；所述第一金属板2和第二金属板3的侧部还设置有密封外壳4，以密封所述压电小柱阵列1；
所述第二金属板3相对所述压电小柱11的一面贴合有吸声层5，所述吸声层5相对所述第二金属板3的一面设置有金属后盖板6，所述金属后盖板6内贯穿有导线7，导线7内部的正电极引线8与所述第二金属板3连接，导线7内部的负电极引线9与所述第一金属板2连接；所述密封外壳4、所述第一金属板2、所述第二金属板3、所述吸声层5和所述金属后盖板6的外侧共同附有防水透声层10。

[0031] 图1为“压电小柱阵列1”结构示意图，该结构包括由压电陶瓷垂直切割形成的压电小柱阵列1，用空气代替聚合物充填所述压电小柱11之间的缝隙，并在所述压电小柱11的上下表面粘贴有不同厚度的所述第一金属板2和所述第二金属板3，这一结构有如下特点：

[0032] (1)通常人们习惯于用切割‑填充法制备1‑3型和1‑3‑2型压电复合材料，压电小柱11间所填充的聚合物一般为环氧树脂或硅橡胶，所制备成的压电复合材料使压电材料从整体的厚度振动模态转为压电小柱阵列1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，同时降低了机电耦合系数。本发明的“不添加聚合物的压电小柱阵列1结构”，用空气代替聚合物充填压电小柱11缝隙，可充分突显压电小柱11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阵列1的纵振行为，可最大限度的提高机电耦合系数。而本发明中，所述第一金属板2和所述第二金属板3夹接所述压电小柱11是在复合材料基础上进行的改进，即将压电复合材料的聚合物部分去掉，并在上下表面贴覆有不同厚度的金属板，体现压电小柱阵列1的d33振动模态，获得高的几点耦合系数，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的横向耦合，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。

[0033] (2)所述第一金属板2作为厚度较薄的金属板，可以将来自声场的声压传到每个所述压电小柱11上，增大了所述压电小柱11内的应力，起到应力放大作用，如图3所示所述压电小柱11上产生的应力和声场中的声压之比为 w和w1分别为阵列单元和压电小柱11的宽度。所述压电小柱11上的应力大于声场中的声压，即所述金属盖板起到了应力放大上的作用。这种应力放大作用会使所述压电小柱11的极化电场增大，从而增大输出感应电压，进而对于接收换能器来说，通过应力放大可提高接收灵敏度。厚度较厚的所述第二金属板3可以起到后质量块的作用，通过质量较大的金属板，阻止敏感元件向后方辐射声能，从而进一步提高了换能器的灵敏度。另外所述第一金属板2和所述第二金属板3还能起到框架支撑作用，防止所述压电小柱11件间分散。

[0034] 优选的，所述第一金属板2和所述第二金属板3夹接所述压电小柱阵列1俯视的结构形状，包括但是不限于图1中的正方形，也可以是长方形、圆形等。

[0035] 在本实施例中，所述压电小柱阵列1、所述第一金属板2和所述第二金属板3的横截面形状为正方形、长方形和圆形中的任意一种形状。

[0036] 在本实施例中，所述吸声层5为硬质泡沫。

[0037] 在本实施例中，所述防水透声层10采用聚氨酯胶封并固化形成。

[0038] 一种双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件的制备工艺，包括如下步骤:步骤1，沿X、Y方向切割压电材料片上表面，形成带基底的压电小柱阵列1；步骤2，在压电小柱阵列1的上表面黏贴第二金属板3，然后翻转所述压电材料片，沿X、Y方向切割压电材料片下表面，形成完全贯穿的压电小柱阵列1,在所述压电小柱阵列1的下表面贴附第一金属板2；步骤3，对所述压电小柱阵列1的侧部套接密封壳，以密封所述压电小柱阵列1；步骤4，在所述第二金属板3相对所述压电小柱阵列1的一面贴附有硬质泡沫当做吸声层5，在所述硬质泡沫相对所述第二金属板3的一面贴附有金属后盖板6，在所述金属后盖板6中部贯穿有导线
7，并将所述导线7内部的正电极引线8和负电极引线9从所述硬质泡沫和所述金属后盖板6之间引出，其中所述正电极引线8与所述第二金属板3连接，所述负电极引线9与所述第一金属板2连接；步骤5，在所述密封外壳4、第一金属板2、第二金属板3、所述吸声层5和所述金属后盖板6的外侧涂覆聚氨酯以胶封固化成防水透声层10。

[0039] 利用所述第一金属板2和所述第二金属板3夹接所述压电小柱阵列1的结构制备成换能器的封装结构如图2所示，该敏感元件的上下表面的电机引出电极引线，然后和硬质泡沫、金属后盖板6粘接在一起，用聚氨酯胶封整体，其固化形成防水透声层10，完成换能器的制作。将换能器至于消声水池中，依据相关标准进行全性能测试，包括换能器的发射电压相应、接收灵敏度、频带宽度，以及指向性等。

[0040] 以下为可行性分析及实验测试：

[0041] (1)通过应力放大作用，可提高换能器的接收灵敏度。如图3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11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11上，所述压电小柱11上承受的应力可近似为：

[0042]

[0043] 式中，w和w1分别为阵列单元和压电小柱11的宽度。

[0044] 作用在所述压电小柱11上的应力大于外声场中的声压，通过压电效应所述压电小柱11上电场增大，上下极板间的电压随之增大，因而换能材料的接收灵敏度便提高了。

[0045] 利用g型压电方程：

[0046]

[0047] 式中，E3为沿所述压电小柱11长度方向的电场强度，g33为压电(劲度)常数， 为恒应力下的介电隔离率,D3为沿所述压电小柱11长度方向的电位移。在仅考虑应力的情况下，E3＝‑g33T3，这样所述压电小柱11上产生的电压为：

[0048] V＝‑g33T3h1

[0049] 式中h1为小柱的高度，h为压电材料(压电小柱11)的高度，换能器的接收灵敏度约提高 倍。

[0050] 所以本结构可以通过金属板，提高换能器的接收灵敏度。

[0051] (2)换能器的性能测试及比较

[0052] 本实施例对PZT‑5A压电陶瓷材料进行切割，得到所述压电小柱阵列1结构，用导电胶将金属板和切割好的所述压电小柱阵列1粘接在一起，得到上下表面带不同厚度铜盖板的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、7所示。图5的电导曲线中可以看出，其谐振频率是158kHz；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。

[0053] 本发明制作了同尺寸情况下“添加环氧树脂的PZT小柱阵列结构+上下不同厚度的金属板”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)。

[0054] 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‑180dB，增大15dB。可见“第一金属板2和第二金属板3夹持压电小柱阵列1”结构换能器的性能优越于“添加环氧树脂的压电小柱阵列1结构”换能器。

[0055] 因此，本发明采用上述结构的双金属板夹持压电小柱阵列结构敏感元件及其制备工艺，具有如下优点，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；通过盖薄的第一金属板使压电小柱应力放大，提高换能器的接收灵敏度；通过盖厚的第二金属板实现了后质量块的作用，进一步提升了换能器的灵敏度；同时厚的第二金属板可以作为底座，避免压电小柱分散；相比于单金属板(其另一面是没切透的陶瓷基底，而基底厚度振动的有效机电耦合系数是kt＝0.5，压电小柱长度伸缩振动的机电耦合系数k33＝
0.7)，机电耦合系数有所提升，并且，厚金属板作为重量块，还可以使敏感元件的发射电压响应增大。

[0056] 最后应说明的是：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，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。