曲面换能器、超声设备、曲面压电组件及制备方法

技术领域

本发明涉及超声设备技术领域，特别是涉及一种曲面换能器、超声设备、曲面压电组件及制备方法。

背景技术

超声换能器广泛应用于工业检测、医学诊断和治疗等领域，通过换能器中的压电材料可以将作用在压电材料上的交流信号(电能)转换成超声波(声能)，继而通过超声波实现各种检测或治疗手段。超声换能器的主要部件包括匹配层、压电阵列和背衬等。根据使用需求不同，对超声换能器中压电阵列的阵元个数、阵元排列方式及形貌等要求不同。

在超声换能器需求多元化的情况下，制备的成品中的良品率并不能满足要求，尤其是需要二维曲面状的压电阵列的超声换能器。制备二维曲面状的压电阵列时，需要在压电阵列的阵元之间填充聚合物柔性材料。在对平面压电阵列压制成型为曲面压电阵列的过程中，由于用于连接相邻阵元之间的聚合物柔性材料容易出现开裂破损，大大降低了制备效率且增加成本。

针对聚合物柔性材料容易出现开裂破损的问题，业者通过改良聚合物柔性材料的配方进而优化了聚合物柔性材料的性能，使得在压制成型过程中，聚合物柔性材料不易开裂，在成形后常温条件下仍然不变形。但是，材料的成分组成并不被知晓，若想获得同样效果甚至更优性能的聚合物柔性材料，需要投入巨大成本。

发明内容

基于此，有必要针对二维曲面状的压电阵列成品率低，成本高的问题，提供一种曲面换能器、超声设备、曲面压电组件及制备方法。

一种曲面压电组件，包括：在厚度方向依次层叠设置的导电匹配层和压电阵列层，所述压电阵列层包括若干个阵元，若干个所述阵元排列为弧面型；相邻的所述阵元之间由间隔槽隔开；所述压电阵列层的上表面设有相互独立的正极导电层，所述压电阵列层的下表面相互电导通。

上述曲面压电组件，在压电阵列层的下表面层叠导电匹配层，相邻阵元之间由间隔槽隔开，可以保证在压制成型时，制造稳定性高，导电匹配层不易开裂，提高制造效率，良品率高。

在其中一个实施例中，所述间隔槽的槽深不小于所述正极导电层的厚度与所述阵元的厚度之和。

在其中一个实施例中，所述压电阵列层的下表面设有负极导电层，所述负极导电层使若干个所述阵元相互电导通。

在其中一个实施例中，所述压电阵列层的下表面直接贴合设置所述导电匹配层。

在其中一个实施例中，所述间隔槽中填充绝缘物。

一种曲面换能器，包括上述任一项所述的曲面压电组件和如下中的至少一种：

壳体，所述曲面压电组件位于所述壳体内；

背衬层，所述背衬层叠加设置在所述压电阵列层的具有正极导电层的一侧；

声透镜，所述声透镜叠加设置在所述导电匹配层的背离所述压电阵列层的一侧。

上述曲面换能器，层叠于压电阵列层下表面的导电匹配层可以保证压电阵列层的共地端相互电导通，提高曲面换能器的使用寿命。

一种超声设备，包括：主机和所述的曲面换能器，所述曲面换能器与所述主机连接。

上述超声设备，层叠于压电阵列层下表面的导电匹配层可以保证压电阵列层的共地端相互电导通，使用过程中稳定性高。

一种曲面压电组件的制备方法，包括以下步骤：

S1、选取设定尺寸的平板状压电层，并在所述压电层的上表面形成第一导电层；S2、直接在所述压电层的下表面层叠导电匹配层；S3、在所述压电层上直接形成间隔槽，使所述压电层被划分为若干个相互独立的阵元形成压电阵列层；S4、将具有独立的阵元的所述压电阵列层压制成弧面型，且所述导电匹配层为内凹面。

在其中一个实施例中，还包括以下内容：在步骤S2之前，在所述压电层的下表面先形成第二导电层。

在其中一个实施例中，还包括以下步骤：

S5、所述压电阵列层被压制成弧面型后，在相邻的所述阵元之间的间隔槽中填充聚合物。

采用直接在压电层的下表面层叠导电匹配层后对压电层切槽至设定深度，且压制成型前压电层的切槽内不填充聚合物的方法，避免了在压制成型时，切槽内聚合物发生开裂致使与聚合物连通的导电层开裂，使相互独立的阵元之间不能相互电导通的问题，提高了曲面成型率。

附图说明

图1为本发明一实施例中的曲面压电组件的结构示意图。

图2为本发明一实施例中的曲面压电组件的正投影视图。

图3为图2的剖视图。

图4为图2的另一剖视图。

图5为图2的又一种剖视图。

具体实施方式

本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述。第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

参阅图1所示，图1示出了本发明一实施例中的曲面压电组件的结构示意图。曲面压电组件包括压电阵列层100和导电匹配层200。压电阵列层100中的压电材料接收电能并发生振动，以进行电信号和声信号之间的转换。导电匹配层200用于减小压电阵列层100与检测对象之间的声阻抗差异，使得在压电阵列层100中产生的传送至被检测对象的超声信号能够达到最大值。

参阅图2所示，压电阵列层100和导电匹配层200从上到下依次层叠设置。压电阵列层100的下表面与导电匹配层200的上表面贴合，即，压电阵列层100和导电匹配层200具有同样的曲率。

参阅图2所示，压电阵列层100包括若干个阵元110，各阵元110之间相互独立，即各个阵元110之间存在间隙，不互相接触。若干个阵元110排列为弧面型，可同时参阅图3所示，若干个阵元110的下表面位于同一弧线上。

参阅图1所示，阵元110之间的间隙的宽度和深度相等，各间隙交错设置。

参阅图3所示，各个阵元110的上表面设有正极导电层111，压电阵列层100包括若干个阵元110，所以，对于整个压电阵列层100来说，压电阵列层100的上表面设有相互独立的正极导电层111。阵元110的下表面设有导电层，且各个阵元110的导电层向相邻的阵元110的导电层延伸形成使若干个阵元110的下表面相互电导通的负极导电层112。负极导电层112可以称为压电阵列层100的共地电极，实现电学共地。

在本实施例中，压电阵列层100下表面的负极导电层112与压电阵列层100的下表面的曲率相同。

压电阵列层100上的正极导电层111和负极导电层112使得各个独立的阵元110能形成电流回路。

压电阵列层100的厚度为微米级，正极导电层111的厚度为纳米级，负极导电层112的厚度为纳米级。

正极导电层111和负极导电层112的材质为导电材质，例如可以是金属。正极导电层111和负极导电层112可以通过电镀、金属喷镀、磁控溅射或真空蒸镀等方式附着在压电阵列层的上表面和下表面。

压电阵列层100的材料为晶体片，如石英、钛酸钡等。

阵元110在厚度方向上的投影轮廓形状可以为长方体、菱形、圆形或其他所需形状。

参阅图3所示，导电匹配层200层叠于负极导电层112。从下往上的视图方向，也即在厚度方向上，依次为导电匹配层200、负极导电层112、阵元110和正极导电层111。

在厚度方向的投影视图上，压电阵列层100的投影位于导电匹配层200的投影范围内。以此，压电阵列层100可以完全被导电匹配层200承托，导电匹配层200可以起到承载压电阵列层100的作用。

导电匹配层200具有导电性。导电匹配层200通过在树脂基体中加入导电粒子和对应的溶剂等调配固化而成，如导电胶。树脂基体可以根据需要选用环氧树脂，聚氯酯等绝缘材料。导电粒子可采用金属粉末或导电化合物等。

因为导电匹配层200具有导电性，因此，导电匹配层200与负极导电层112电导通。当在异常情况下导致负极导电层112开裂时，也不会影响阵元110之间实现电学共地。在导电匹配层200被压制成型为弧面型时，获得成品的成功率高。另一方面，相对于压电阵列层100为一维阵列的结构，在压电阵列层100的负极导电层112一侧层叠可以导电的导电匹配层200，可以不需要将每个阵元110单独接地。

参阅图2所示，导电匹配层200层叠于压电阵列层100的装配状态下，为便于理解及描述，同时参阅图3所示，将相邻阵元110之间的间隙可看作间隔槽130。将沿压电阵列层100至导电匹配层200的方向看作间隔槽130的槽深方向。间隔槽130的槽深不小于正极导电层111的厚度与阵元110的厚度之和。因为导电匹配层200与负极导电层112电导通，间隔槽130的深度可以大于正极导电层111的厚度与阵元110的厚度之和，即间隔槽130可以延伸至负极导电层112或者导电匹配层200。

在另一些实施例中，压电阵列层100的上表面设有相互独立的正极导电层111。阵元110的下表面不设置导电层，导电匹配层200直接层叠于压电阵列层100的下表面。由于导电匹配层200可以导电，因此，压电阵列层100的下表面可以相互电导通。

在另一些实施例中，在压制成型后的压电阵列层100中的间隔槽130内填充绝缘物150，参阅图3所示。绝缘物150可以采用环氧树脂，或者采用在环氧树脂内掺杂其他绝缘粉末的复合材料。其中，绝缘粉末可以采用绝缘的金属氧化物、金属氮化物或玻璃球等中的一种或多种。在间隔槽130内填充绝缘物150可以使阵元110之间相互连接，且可以减少不同阵元110之间的串声干扰。

在压电阵列层100的厚度方向上，绝缘物150的远离正极导电层111的表面与导电匹配层200的下表面之间的距离，不大于阵元110的下表面与导电匹配层200的下表面之间的距离。

具体地，当间隔槽130的槽深等于正极导电层111的厚度与阵元110的厚度之和时，绝缘物150的远离正极导电层111的表面，即绝缘物150的下表面，与导电匹配层200的下表面之间的距离等于阵元110的下表面与导电匹配层200的下表面之间的距离，参阅图3所示。

具体地，当间隔槽130的槽深大于正极导电层111的厚度与阵元110的厚度之和，即间隔槽130的深度延伸至负极导电层112中时，绝缘物150的下表面与导电匹配层200的下表面之间的距离小于阵元110的下表面与导电匹配层200的下表面之间的距离。即，绝缘物150的填充深度可以延伸至负极导电层112，参阅图4所示。

具体地，当间隔槽130的槽深大于正极导电层111的厚度与阵元110的厚度之和，即间隔槽130的深度延伸至导电匹配层200中时，绝缘物150的下表面与导电匹配层200的下表面之间的距离小于阵元110的下表面与导电匹配层200的下表面之间的距离。即，绝缘物150的填充深度可以延伸至导电匹配层200，参阅图5所示。

在另一些实施例中，绝缘物150的靠近正极导电层111的一端可以不与正极导电层111平齐，参阅图3所示。

本发明还提供一种曲面换能器，包括壳体和线缆组件，上述曲面压电组件位于壳体内，线缆组件与曲面压电组件连接，用于将曲面压电组件与外部设备连接。

曲面换能器还包括背衬层(图中未示出)，背衬层叠加设置在压电阵列层100的上表面。背衬层用于减少压电阵列层100中因超声的多次反射造成的干扰，可以提高曲面换能器的分辨率。

曲面换能器还包括声透镜(图中未示出)，声透镜叠加设置在导电匹配层200的背离压电阵列层100的一侧。声透镜用于增加聚焦效果。

背衬层、声透镜和线缆组件的设置可参照现有的曲面换能器，此不赘述。

本发明还提供一种超声设备，包括：主机和上述的曲面压电组件，曲面压电组件与主机连接。主机用于控制曲面换能器进行机械能与电能之间的转换。

一种曲面压电组件的制备方法，包括下述步骤：

S1、选取设定尺寸的平板状压电层，并在压电层的上表面形成第一导电层，在压电层的下表面形成第二导电层，具有第一导电层和第二导电层的压电层称为导电压电层。

具体的，根据所需要的曲面压电组件的参数性能，通过计算获得预定的长度、宽度和厚度的压电层。此时压电层为平板状结构，不具有弯曲度。

采用电镀、金属喷镀、磁控溅射或真空蒸镀等方式，在平板状的压电层的上表面形成第一导电层，在压电层的下表面形成第二导电层。

在本实施例中，第一导电层和第二导电层均为金属镀层。在另一些实施例中，第一导电层和第二导电层的材质可以采用导电化合物等。

S2、直接在导电压电层具有第二导电层的一侧层叠导电匹配层200。

具体的，根据曲面压电组件所要达到的参数性能，在第二导电层上层叠设置预定厚度的导电匹配层200。导电匹配层200紧密贴合第二导电层。

导电匹配层200具有良好的导电性。

导电层200的长度和宽度大于压电层的长度和宽度，以完全承托导电压电层，与导电压电层的第二导电层完全电导通。

S3、在导电压电层上直接形成间隔槽130，使压电层被划分为若干个相互独立的阵元110形成平面的压电阵列层。

间隔槽130从导电压电层的上表面，即第一导电层开始，沿压电层厚度方向延伸至第二导电层。

在本实施例中，间隔槽130包括纵横交错的横向间隔槽和纵向间隔槽。阵元之间被形成的间隔槽130隔开。

由于第一导电层附着于压电层，第一导电层从之前的连续的状态变为离散的附着于独立的阵元110上的状态，将阵元110上的第一导电层称为正极导电层。

间隔槽130的槽深可以不延伸进入第二导电层，即间隔槽130的槽深等于第一导电层的厚度和压电层的厚度之和，第二导电层没有被分离，仍然连通若干个阵元110。将连通若干个独立的阵元110的第二导电层称为负极导电层，亦或称为电学共地层。

在另一些实施例中，间隔槽130可延伸至第二导电层内。

在又一些实施例中，间隔槽130可以延伸至导电匹配层200。

间隔槽130可以通过机械切割、激光切割或超声波切割等方式形成。

S4、将压电阵列层压制成弧面型形成曲面压电组件，导电匹配层200为内凹面。

将步骤S3中的层叠有导电匹配层200的压电阵列层在指定温度下加热后，放置在压制模具内。导电匹配层200朝向模具的凸模侧，压电阵列层朝向模具的凹模侧。

放置在模具对应位置后，缓慢让导电匹配层200与凸模侧模具逐步贴合，完全贴合后保持静止。

静止设定时间后，待导电匹配层200的温度恢复至室温后，从模具中取出压制成型后形成的曲面压电组件。

压制成型后，导电匹配层200和压电阵列层具有相同的曲率。

导电匹配层200作为压电阵列层的附着基底的同时，可以在负极导电层意外开裂时充当压电阵列层的电学共地层。另一方便，在使用过程中，导电匹配层200仍具有匹配层的保证阵元110辐射的超声有效进入被检测物内部的作用。

相比于现有技术中在间隔槽130内填充绝缘物150后再进行曲面成型压制，会导致绝缘物150开裂并延及到负极导电层的方法，由于上述间隔槽130之间不存在其他物质，故在压制成型过程中，极大地降低了负极导电层开裂的风险。导电匹配层200一般不开裂，即使负极导电层发生开裂，导电匹配层同样可以实现负极导电层的作用。

上述制备方法简单可靠，容易实施，且成品率高。不仅适用于曲面压电组件的制备，也可用于其他具有多个阵元但非矩阵排列的压电组件。

在实际制备过程中，采用上述制备方法制备256阵元的二维球面压电组件，成品率几乎可达到100％。

在另一实施例中，为了使相互独立的阵元110之间具有更稳定的连接关系，即，阵元110之间不单单依靠导电匹配层200集成在一起，在步骤S4后还包括以下步骤：

S5、在压制成型的曲面压电组件中的间隔槽130内填充绝缘物150。

绝缘物150可以采用环氧树脂，或者采用在环氧树脂内掺杂其他绝缘粉末的复合材料。填充的绝缘物150可以使阵元110之间相互稳定连接，也可以减少不同阵元110之间的串声干扰。

通过在压制成型后的曲面压电组件间隔槽130内填充聚合物，可以避免在压制成型过程中，间隔槽130内的聚合物发生开裂导致与聚合物连接的负极导电层开裂。

在又一些实施例中，本发明还提供另一种曲面压电组件的制备方法，与上述曲面压电组件的制备方法不同之处在于：不在压电层的下表面形成第二导电层，仅在压电层的上表面形成第一导电层；直接在具有第一导电层的压电层的下表面层叠导电匹配层200。在导电压电层上形成的间隔槽130的深度不小于第一导电层的厚度和压电层的厚度之和。其余制作步骤与前文所述的相同。由于导电匹配层200具有良好的导电性，因此，相较于在在压电层的下表面形成第二导电层后再层叠导电匹配层200，可以节省工序和成本。所获得的压电阵列层可以通过导电匹配层200实现电学共地。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。