一种气隙型压电振子

技术领域

本发明涉及一种气隙型压电振子，特别涉及一种具备高机电耦合系数和低声阻抗的气隙型压电振子，属于压电传感器技术领域。

背景技术

超声换能器是基于压电效应来实现电声信号转化的一类电子器件，在医学检测、海洋勘探、信号感知等领域具有广泛应用。其中换能器灵敏度是考量换能器接收性能的关键指标之一，该原理是通过换能器接收外部声信号后，将声能转化为电能来实现，换能器的灵敏度越高，其感知外部信号的能力就越强，接收性能就越好。在这一过程中，压电振子作为超声换能器内部的换能元件，当外部声波作用于换能器后，压电振子随即因形变而产生电信号，研究者进而可以通过电信号对换能器灵敏度进行评估。因此，换能器灵敏度的提升与内部压电振子的性能息息相关。

目前，压电振子的研究多集中在机电转换能力、压电系数、声学匹配等方面的改良和提升，其种类涵盖压电陶瓷、压电单晶、压电高聚物、压电复合物等多类压电材料。相比之下，压电复合材料制成的振子因具备高压电性、高机电转换强度(高厚度机电耦合系数k

压电复合材料通常指压电陶瓷或压电单晶与聚合物复合而成的两相压电材料，按连通结构划分具有0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、1-2、1-3、2-2、2-3、3-3十种连通性复合材料结构。由于聚合物的填充，压电复合材料振子比一般压电材料具备更强的机电转换能力和声学匹配性。例如，市面上常用的1-3型压电振子料，它是由一维连通的压电陶瓷柱和三维连通环氧树脂构成，环氧树脂的存在不仅有效地削弱了原压电陶瓷的横向耦合，使振子的厚度振动能量得以集中，机电转换能力显著加强(机电耦合系数k

然而，所述1-3型压电振子虽然促进了原压电陶瓷或压电单晶厚度方向的振动，但是聚合物自身的刚性却依旧会带来轻微横向耦合，进而限制了其k

发明内容

本发明目的是为了解决现有压电振子刚性较强、机电转换能力弱和声学匹配性差的问题，提供一种气隙型压电振子。本发明采用压电相和空气基两相复合制成气隙型压电振子，以空气基代替聚合物作为填料不仅可以促进压电振子的厚度振动模态，还可以解决聚合物引来的横向耦合问题，使压电振子的机电转换能力加强。另一方面，由于空气的声阻抗较低，与压电相材料复合制备可进一步降低压电振子的声阻抗，使其易于与水和人体组织进行声学匹配，在研制高灵敏度超声/水声换能器方面具有较大的应用价值。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

第一部分，本发明提供一种气隙型压电振子，包括压电层和电极层。所述压电层由若干压电小柱阵列构成，阵列间隙无聚合物填充；所述电极层均匀覆盖于所述压电层的上下表面，与压电小柱上下表面固定连接。

进一步地，所述压电层由若干个压电小柱单元构成，所述压电小柱单元既可以按周期排布，也可以按非周期排布，每根压电小柱的上下表面与所述电极层连通。作为优选，所述压电层材料可以选用压电系数较高的PZT压电陶瓷或压电单晶制成，可以使复合材料具有强压电性；所述压电小柱的截面可以为均匀的正方形或圆形，每根压电小柱的宽纵比为1:3。

进一步地，所述压电层间隙由空气代替聚合物基体填充，形成空气基压电复合材料；所述空气均匀填充于所述压电小柱每一个单元之间。

进一步地，所述电极层是由顶电极和底电极构成；所述电极层材料选用导电性良好的金属材料制成，其厚度控制在0.1mm～0.3mm。

进一步地，所述顶电极和底电极选用同一种金属材料制作且厚度相同；其中当电极层为柔性时，气隙型压电振子可弯曲成曲面结构，且压电层每根小柱可通过柔性电极导出，不仅提高超声换能器的检测精度而且可以实现多阵元控制。

进一步地，所述顶电极和底电极为两个均匀的金属面板，所述金属面板与所述压电层之间涂有薄层导电胶，用于实现压电层和电极层的固定连接。作为优选，所述底电极选用导电性良好且电阻率较低铜箔胶带制作。

进一步地，当制备周期型的气隙型压电振子时，通过改变压电层柱宽m和缝隙n可制备出高机电耦合系数k

步骤一、所述气隙型压电振子是由压电相和空气相复合而成，因此压电振子整体的本构关系应由压电相和空气相按体积分数加权取得；振子内部均匀，极化后的压电相按e型压电方程展开，如式(1)所示：

式中δ

步骤二、缝隙中的空气基为均匀的各向同性介质，则该代数方程按矩阵形式展开，如式(2)所示：

步骤三，气隙型压电振子的振动能量仅存在于厚度方向，不存在横向应变和剪切应变，则：

其中上角标a代表压电相，b代表空气相。

由于金属板被均匀覆盖于压电振子的上下表面，因此不存在横向和剪切方向的电场和电位移，则：

气隙型压电振子在xoy平面内具有对称性，因此两个横向应力分量相等。

步骤四、根据步骤三将式(1)和式(2)化简得到式(6)和式(7)：

步骤五，在z方向上，由于压电相和空气相并联，因此气隙型压电振子整体与内部组分的垂向应变均相等，振子的垂向应力由压电相和空气相共同影响：

同理，根据压电相和空气相的并联结构，振子的垂向电场应与压电相和空气相垂向电场相同，振子的垂向电位移由压电相和空气相加权求得：

上述(8)～(9)式中，上角标m表示气隙型压电振子，v

步骤六，气隙型压电振子为均匀的厚度振动模，因此振子整体的横向应变为零，而压电相和聚合物相在x、y方向上串联，则振子的横向应变可由压电相和聚合物相加权求得，横向应力三者相等：

将式(10)代入至式(6)～式(7)化简，可得到压电相和空气相的横向应变ε

式(11)的关系式可用于消去横向应变ε

式(12)中的上下两式分别为化简后的压电相与空气相的压电方程。

根据式(8)和式(9)，将式(12)两式的ε

式(13)为本发明气隙型压电振子的压电方程，由于空气介质几乎不存在弹性，因此令c

将式(14)转为e型压电方程的标准形式：

其中，

和/>

式(15)为气隙型压电振子厚度机电耦合系数k

第二部分，本发明提供了气隙周期型压电振子的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、确定超声换能器工作频率，设定气隙型压电振子工作参数；

步骤二、制备预切割样品。准备预切割压电材料块，将其下表面与涂有导电胶的金属面板粘连后固定于切割衬底上制成预切割样品。

步骤三、制备一次切割骨架。在切割机操作界面的视区中找到所述预切割样品，设置切割步进为(m+n)mm；运行切割机，使刀片沿y轴单向切割，形成一次切割骨架，切割时设置切深为与压电材料块厚度相同，以确保不触碰底部金属面板。

步骤四、制备二次切割骨架。旋转切割机样品台至90°并重复步骤三且保持切割参数不变，使刀片沿x轴单向切割，形成二次切割骨架。

步骤五、覆盖顶电极。再次取步骤二中涂有导电胶的金属面板，将其贴附在步骤四的骨架顶部，制成顶电极。

步骤六、撤去切割衬底，成型气隙型压电振子。

第三部分，本发明提供了气隙非周期型压电振子的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、确定超声换能器工作频率，设定气隙型压电振子工作参数以及灌注模具尺寸；所述模具尺寸需与设计的超声换能器外型相匹配；

步骤二、利用注模工艺，制备非周期压电小柱阵列；

步骤三、配置一定质量环氧树脂胶液，并浇筑定型；作为优选，环氧树脂可选用粘性较好的WSR618型号或E51型号环氧，使固化后的环氧具备较强的刚性；

步骤四、打磨陶瓷基底，形成1-3型压电振子结构；

步骤五、上下两侧粘贴金属面板；

步骤六、注入聚合物溶解剂，使刚性环氧充分溶解，成型气隙型压电振子；所述聚合物溶解剂确保不与金属面板间的导电胶产生化学反应，使环氧溶解后所述电极层仍能稳定固定在所述压电层两端。

有益效果

1、本发明的气隙型压电振子，采用空气代替传统聚合物基体，可进一步降低振子整体的声阻抗，使其易于与水和生物组织匹配。

2、本发明的气隙型压电振子具有较集中且稳定的厚度振动模态，可大幅度提升振子的机电转换能力，有利于提升超声换能器的灵敏度。

3、本发明的气隙型压电振子可以进一步降低振子整体的质量，使其作为敏感材料研制的新型换能器具备体积小、质量轻、便携性高等特点。

4、本发明的气隙型压电振子与传统压电振子制备工艺相比易于制备、工艺流程简单，可进一步降低材料的生产成本。

附图说明

图1为实施例1中k

图2为本发明提供的一种方形气隙型压电振子的三维结构示意图；

图3为图1结构下的气隙型压电振子侧视图；

图4为图1结构下的气隙型压电振子俯视图；

图5为实施例1的气隙型周期压电振子制备流程图；

图6为传统1-3型压电振子三维结构示意图；

图7为实施例1气隙型压电振子与传统1-3型压电振子导纳测试对比图；

图8为实施例2的气隙型非周期压电振子制备流程图。

图中，1—压电层、2—电极层、3—顶电极、4—底电极、5—空气基、6—压电小柱阵列、7—刚性聚合物基

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例与附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

微弱声学信号的感知一直以来是相关研究者关注的重点问题，当利用超声换能器感知人体脉搏信号或用其感知水下信号时，灵敏度指标将起到重要作用，灵敏度越高，超声换能器能感知到的信号的能力就越强，其携带的声信息就越多。换能器灵敏度的提高依赖于压电振子机电耦合系数的提升和声阻抗的减小。本发明针对该问题，提出了具有质量轻、体积小、易于制备且性能优良的气隙型压电振子，消除了传统压电振子的横向耦合，促使振子的厚度振动模更加集中，以进一步提高超声换能器的灵敏度和感知信号的能力。本发明提供了气隙型压电振子的分析方法，通过改变压电层柱宽m和缝隙n可实现高机电耦合系数k

为实现上述目的，本发明提供了一种气隙型压电振子，具体设计过程如下：

步骤一、所述气隙型压电振子是由压电相和空气相复合而成，因此压电振子整体的本构关系应由压电相和空气相按体积分数加权取得；振子内部均匀，极化后的压电相按e型压电方程展开，如式(1)所示：

式中δ

步骤二、缝隙中的空气基为均匀的各向同性介质，则该代数方程按矩阵形式展开，如式(2)所示：

步骤三、气隙型压电振子的振动能量仅存在于厚度方向，不存在横向应变和剪切应变，则

其中上角标a代表压电相，b代表空气相；

由于金属板被均匀覆盖于压电振子的上下表面，因此不存在横向和剪切方向的电场和电位移，则

气隙型压电振子在xoy平面内具有对称性，因此两个横向应力分量相等；

步骤四、根据步骤三将式(1)和式(2)化简得到式(6)和式(7)：

步骤五、在z方向上，由于压电相和空气相并联，因此气隙型压电振子整体与内部组分的垂向应变均相等，振子的垂向应力由压电相和空气相共同作用，则

同理，根据压电相和空气相的并联结构，振子的垂向电场应与压电相和空气相垂向电场相同，振子的垂向电位移由压电相和空气相加权求得

上述(8)～(9)式中，上角标m表示气隙型压电振子，v

步骤六、气隙型压电振子为均匀的厚度振动模，因此振子整体的横向应变为零，而压电相和聚合物相在x、y方向上串联，则振子的横向应变由压电相和聚合物相加权求得，横向应力三者相等：

将式(10)代入至式(6)～式(7)化简，得到压电相和空气相的横向应变ε

式(11)的关系式用于消去横向应变ε

式(12)中的上下两式分别为化简后的压电相与空气相的压电方程；

根据式(8)和式(9)将式(12)两式的ε

式(13)为气隙型压电振子的压电方程，由于空气介质几乎不存在弹性，因此令c

另设压电层每个压电单元柱宽为m，空气间隙为n，则v

将式(14)转为e型压电方程的标准形式：

/>

式中，

和/>

式(15)为气隙型压电振子厚度机电耦合系数k

表1.PZT-5A的材料参数表

使用数据计算软件MATLAB 2019将上述参数带入公式计算，可得到k

综合上述分析，本实施例选择压电陶瓷体积分数v

图2和图3分别为气隙型压电振子三维结构示意图和侧视图，其中压电层1被上下端面的电极层2固定，其内部排列着若干数量的压电小柱6。压电层1之间的压电小柱6之间无力学结构，小柱间隙被空气基5填充，因此振子整体不存在横向力学行为，其振动完全集中于厚度方向，这样可以使整体压电振子的厚度机电耦合系数k

本实施例给出了一种方形压电小柱6按周期型排列的情况，如图4所示，但本发明的设计不限于方形一种结构，气隙型压电振子的外形可以是圆形、矩形、环形等结构。另外，所述压电小柱6的截面也不限于正方形，按照模具结构也可以制成菱形、柱形、锥形等结构，但所有压电柱的上下端面均为平面结构，且每根小柱的上下端面严格平行，如图3气隙型压电振子的侧视图所示。

针对本实施例设计的结构尺寸，下面介绍气隙周期型压电振子的制备方法，如图5所示，具体步骤如下：

S1、确定超声换能器工作频率，设置切割参数；

超声换能器的工作频率分低频、中频和高频，频率的选择需根据传输介质、工作环境等因素进行确定。在本实施例中设定超声换能器工作频率为300kHz左右，因此气隙型压电振子的厚度设为5mm。

S2、制备预切割样品；

准备PZT-5A块体，将其下表面与铜箔粘连后固定于切割衬底上制成预切割样品。所述压电陶瓷块体在粘连前，其上下表面应反复用无水乙醇清洗擦拭，以保证表面平整无杂质。

S2、制备一次切割骨架；

在所述切割机操作界面的视区中找到所述预切割样品，选择宽度为0.5mm的金属刀片，并设置切割步进为1.5mm以保证压电柱宽为1.0mm，切缝为0.5mm；运行切割机，使刀片沿y轴单向切割，形成一次切割骨架。切割时保证底部电极不切透，即切割深度设置为与陶瓷厚度相同。

S3、制备二次切割骨架；

旋转切割机样品台至90°并重复步骤S2且保持切割步进不变，使刀片沿x轴单向切割，形成二次切割骨架。

S4、覆盖顶电极，完成气隙型压电振子制备；

从切割机样品台中取下步骤S3的样品并用无水乙醇清洗后烘干，以去除骨架间隙中的陶瓷杂质。然后，取尺寸大小合适的铜箔胶片覆盖在所述二次切割骨架的顶部后按压定型，成型空气基压电复合材料。最后轻轻揭去切割衬底，即完成气隙周期型压电振子的制备。

下面对本实施例制备的气隙型振子性能进行测试。选用外形尺寸相同的气隙型与传统1-3型同时进行制备，材料的结构尺寸设计如表1所示。图6为传统1-3型压电振子的三维结构示意图，每根压电小柱6之间被刚性聚合物基7均匀填充，顶电极3和底电极4被分别覆盖于振子的上下两个端面。本例的压电小柱6的材料采用PZT-5A压电陶瓷，刚性聚合物基选用WSR环氧树脂，在本例中所述传统1-3型压电振子可作为对照组与本发明进行性能对比。

表2.两种压电振子外形尺寸

制备完成后利于阻抗分析仪读取所述导纳曲线信息，如图7所示，并将谐振频率、反谐振频率、厚度机电耦合系数以及声阻抗的测试结果记录于表3中进行对比。

表3.两种压电复合材料的仿真结果

根据图7可知，本发明的气隙型压电振子以空气作为填充相极大的改善了传统压电振子的电学性能，对比两种振子的导纳曲线，气隙型压电振子导纳曲线平滑且纯净，无其他耦合谐振峰，厚度振动效果得到显著加强，厚度机电耦合系数相比1-3型提高了10％；而传统1-3型压电振子由于压电柱间隙存在刚性环氧树脂，其横向耦合影响了复合材料厚度振动模的集中，这也是其导纳曲线中存在耦合谐振峰的重要原因。此外，两种振子的声阻抗也存在明显差异，在同等条件下，气隙型压电振子的声阻抗仅有12.74MRayls，这种振子在研制超声换能器方面具有更好的匹配相容性。根据上述测试结果分析，气隙型压电振子具备显著的高机电耦合系数和低声阻抗特性，可进一步提高超声换能器的灵敏度和感知信号的能力，达到预期要求。

实施例2气隙型非周期压电振子

一种气隙型压电振子，其压电层也可以制成非周期阵列形式。图8为本实施例中气隙型非周期压电振子制备流程图，压电材料选取为PZT压电陶瓷、电极层材料为圆形铜箔薄片。本发明结合注射成型法可将气隙型非周期压电振子制成非周期排布形式，其阵列排布方式灵活、可靠适用于制备大面积水听器阵列。但和单纯机械切割法不同的是，该方案在制备方式上需通过刚性类聚合物固化定型(如环氧、聚氨酯等)，再通过聚合物溶解剂将填充在缝隙间的刚性聚合物溶解获得，具体步骤如下：

S1、确定超声换能器工作频率，设置灌注模具尺寸；

同实施例1，超声换能器的工作频率主要取决于压电材料的厚度参数，因此灌封模具的高度(灌注陶瓷浆料后固化脱模可成型陶瓷柱阵列，决定陶瓷柱高度)将对所述换能器工作频率其决定性作用。定制非周期灌注模具，使模具中阵列单元的排列方式如图6结构相同。

S2、制备压电陶瓷阵列

将一定剂量的N羟甲基丙烯酰胺置于水中，利用磁力搅拌机使溶质均匀分散；利用玻璃棒不断搅拌上述混合溶液，并将其中不断加入一定质量的压电陶瓷粉末和交联剂，使其均匀混合形成压电陶瓷浆液。取预制非周期阵列灌封模具，将所述压电陶瓷浆液缓缓注入后固化脱模，形成带陶瓷基底的压电瓷柱阵列。

S3、浇筑环氧树脂固化定型

称量一定质量的环氧树脂胶液，然后按照质量比环氧树脂：固化剂：柔顺剂＝10：1：1配置固化剂和柔顺剂后注入所述环氧树脂胶液，注入期间需玻璃杯快速搅拌，待搅拌均匀后将上述混合胶液置于真空箱中抽真空，排干气泡。最后，将抽完真空的环氧树脂浇筑于步骤S2制备的压电陶瓷阵列中固化定型。

S4、去除陶瓷基底

取步骤S3固化后的样品，扣置固定在切割机的样品台中，设置切割步进和刀速，打磨样品的陶瓷基底。取打磨完毕后的样品，用丙酮试剂轻轻擦拭样品表面并烘干。

S5、贴附铜箔，制成1-3型压电振子

取尺寸规格相匹配的圆形铜箔薄片，将其黏贴在S4样品的上下表面后，按压成型，制成1-3型压电振子。

S6、注入聚合物溶解剂，制成气隙型压电振子

将步骤S5中制成的压电振子固定于桌面，用针筒向压电瓷柱间隙注入聚合物溶解剂使环氧树脂溶解，最后成型气隙型非周期压电振子。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。